(57)【要約】【課題】  層間抵抗の低下をもたらすことが無く、しかも鉄損の低い磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：４％以下、Mn：２％以下、Al：２％以下、Ｐ：0.1％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｎ：0.005％以下、残部がFe及び不可避不純物であり、結晶粒径ｄ（μｍ）がステーターコアのコアバック部の内外径比（内径Ｄｉ/外径Ｄｏ）と以下の関係を満たすことを特徴とする磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料。ｄ≦20+100×（Di/Do）２  …（１）ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径である。【選択図】  図２
2005187861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：４％以下、Mn：２％以下、Al：２％以下、Ｐ：0.1％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｎ：0.005％以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物であり、結晶粒径ｄ（μｍ）がステーターコアのコアバック部の内外径比（内径Ｄｉ/外径Ｄｏ）と以下の関係を満たすことを特徴とする磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料。
ｄ≦20+100×（Di/Do）２  …（１）
ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径である。
【請求項２】
表面粗さＲａが0.35μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：４％以下、Mn：２％以下、Al：２％以下、Ｐ：0.1％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｎ：0.005％以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物である鋼を熱間圧延後、冷間圧延を行い、引き続いて仕上焼鈍を行うヘリカル加工用コア材料の製造方法であって、仕上焼鈍を、以下の関係を満たす温度Ｔ（℃）にて20sec〜120sec間行うことを特徴とする磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料の製造方法。
Ｔ≦700+20×（Si+Al）+100×（Di/Do）２  …（２）
ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径、Si、Alは、それぞれSi、Alの質量％である。
【請求項４】
冷間圧延を表面粗さがＲａ≦0.35μｍのロールで行うことを特徴とする請求項３に記載の磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料を使用したヘリカル加工ステーターコア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料及びその製造方法、並びにヘリカル加工ステーターコアに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の燃費改善、快適性向上の観点から油圧駆動部品を電動化することが行われており、電動パワーステアリング等に代表される新規モータの搭載比率が高まっている。このため自動車の消費電流はますます増大する傾向にあり、オルタネーターの高効率化が重要となってきている。また、スターターとオルタネーターを一体化したＩＳＧ（Integrated Starter Generator）を搭載することにより、信号待ち等でのアイドリングストップを可能にし、燃費向上を図ることも検討されている。
【０００３】
これらオルタネーターやＩＳＧに使用されるランデル型回転機では、素材コスト低減の観点から、フープに加工したコアを板面方向にヘリカル（螺旋）状に曲げることによりステーター形状とすることが行われている。このような加工を行った場合、材料には大きな塑性歪みが付与されることから、鉄損が増大するという問題があった。
【０００４】
このような問題に対し、特開平７−２９８５７０号公報（特許文献１）には、ヘリカルコアに加工した後、焼鈍を行うことにより鉄損を低減させる手法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２９８５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、高級電磁鋼板をヘリカル加工した場合には、絶縁皮膜が薄くなり歪み取り焼鈍後、十分な層間抵抗が確保されず鉄損が増大するという問題があった。本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、層間抵抗の低下をもたらすことが無く、しかも鉄損の低い磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料とその製造方法、及びヘリカル加工ステーターコアを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らが上記課題を解決する手法について検討したところ、コア材の結晶粒径をステーターコアの内外径比から決まる最適値に制御し、さらに表面粗さを制御することにより鉄損が低下することを知見した。
【０００８】
すなわち、前記課題を解決するための第１の手段は、質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：４％以下、Mn：２％以下、Al：２％以下、Ｐ：0.1％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｎ：0.005％以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物であり、結晶粒径ｄ（μｍ）がステーターコアのコアバック部の内外径比（内径Ｄｉ/外径Ｄｏ）と以下の関係を満たすことを特徴とする磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料（請求項１）である。
ｄ≦20+100×（Di/Do）２  …（１）
ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径である。
【０００９】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、表面粗さＲａが0.35μｍ以下であることを特徴とすることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１０】
前記課題を解決するための第３の手段は、質量％で、Ｃ：0.01％以下、Si：４％以下、Mn：２％以下、Al：２％以下、Ｐ：0.1％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｎ：0.005％以下を含有し、残部がFe及び不可避不純物である鋼を熱間圧延後、冷間圧延を行い、引き続いて仕上焼鈍を行うヘリカル加工用コア材料の製造方法であって、仕上焼鈍を、以下の関係を満たす温度Ｔ（℃）にて20sec〜120sec間行うことを特徴とする磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料の製造方法（請求項３）である。
Ｔ≦700+20×（Si+Al）+100×（Di/Do）２  …（２）
ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径、Si、Alは、それぞれSi、Alの質量％である。
【００１１】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、冷間圧延を表面粗さがＲａ≦0.35μｍのロールで行うことを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１２】
前記課題を解決するための第の５手段は、前記第１の手段又は第２の手段である磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料を使用したヘリカル加工ステーターコア（請求項５）である。
（本発明に至る経緯）
以下、本発明をなすに至った経緯を説明する。ヘリカルコア材の特性に及ぼす結晶粒径の影響を調査するため、Ｃ＝0.0018％、Mn＝0.28％、Ｓ＝0.002％、Ｎ＝0.0017％、Si＝2.3％、Aｌ＝0.7％、Ｐ＝0.05％である鋼を溶製し、熱延後、900℃×１minの熱延板焼鈍を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延し、10％Ｈ２-90％Ｈ２雰囲気で750〜1000℃×１min間の仕上焼鈍を行い、膜厚0.5μｍの有機-無機の絶縁被膜を塗布した。この材料より幅20 mmの短冊状試料をせん断し、ヘリカル加工により外径100 mmのリング状試料を作製した。ここでヘリカル巻きのターン数は20ターンとした。このヘリカル巻きサンプルを780℃×３hrにて歪み取り焼鈍し、その後、モータ締結時と同様な２ｋｇ/ｃｍ２の応力を板厚方向に付与した状態で一次200ターン、二次100ターンの巻き線を行い、磁気特性を測定した。なお、ヘリカル加工前の本材料の表面粗さを測定したところＲａ＝0.8μｍであった。
【００１３】
図１に歪み取り焼鈍前の結晶粒径と鉄損の関係を示す。ここで結晶粒径はＬ断面をＪＩＳの切断法にて求めた。図１より結晶粒径が大きくなると鉄損が増大することがわかる。この原因に関し調査したところ、結晶粒径の大きな材料では加工に伴い表面の荒れが大きくなっていた。このことから、結晶粒径の大きな材料ではコア同士の接触圧が増大し、層間抵抗が低下したため鉄損が増大したものと考えられる。
【００１４】
このような、表面の荒れはコアの内外径比（内径/外径）が小さくなると、コアの加工度が大きくなるため、大きくなるものと推定される。そこで、コアの内外径比と結晶粒径の関係を調査した。まず、Ｃ＝0.0016％、Mn＝0.27％、Ｓ＝0.002％、Ｎ＝0.0017％、Si＝2.5％、Al＝0.6％、Ｐ＝0.05％である鋼を溶製し、熱延後、900℃×１minの熱延板焼鈍を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延し、10％Ｈ２-90％Ｎ２雰囲気で750〜1000℃×１min間の仕上焼鈍を行い、膜厚0.5μｍの有機-無機の絶縁被膜を塗布した。この材料より種々の内外径比を有するリングをヘリカル加工により作製した。ここでコアの内径はコアバック部の内径とし、外径は100 mm一定とした。さらに、比較のためコアに塑性変形の加わらない打ち抜きサンプルもヘリカルコアの内外径比に対応したものを作製した。これは、打ち抜きコアでは加工によるコアの表面粗さの増大は生じないため、層間短絡に関しては理想的な状態を評価できるためである。このヘリカル加工コアおよび打ち抜きコアを780℃×２hrの歪み取り焼鈍後、ヘリカルコア材は20ターン、打ち抜き材は20枚積層し、モータ締結時と同様な２ｋｇ/ｃｍ２の応力を板厚方向に付与した状態で一次200ターン、二次100ターンの巻き線を行い、磁気特性を測定した。なお、本材料の表面粗さを測定したところＲａ＝0.4μｍであった。
【００１５】
図２に同一内外径比を有するヘリカル加工材の鉄損を打ち抜き加工材の鉄損で除した値（鉄損劣化率）と結晶粒径の関係を示す。図２において、打ち抜き材に比べヘリカル加工による鉄損増大が５％以上であった場合を×印で、５％未満の場合を○印で示す。図２より、ｄ≦20+100×（Di/Do）２の場合に鉄損劣化率が５％以下となることがわかる。これはステーターコアの内外径比が小さくなった場合、ヘリカル加工材では加工度が大きくなるため、表面の荒れが大きくなり、打ち抜き材に比べ層間抵抗が低下したためと考えられる。このことから、ヘリカル加工材では加工度が大きくなった場合には、表面の荒れ抑制のため結晶粒径をより小さくする必要があることが明らかとなり、図２より結晶粒径ｄ（μｍ）とステーターコアの内外径比をｄ≦20+100×（Di/Do）2とすることにより、ヘリカル加工材の鉄損低減が可能となることがわかる。ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径である。
【００１６】
上記結晶粒径を達成するための仕上焼鈍温度について調査するため、Ｃ＝0.0018％、Mn＝0.25％、Ｓ＝0.002％、Ｎ＝0.0016％、Si＝0.7％、Al＝0.3％、Ｐ＝0.05％の鋼、Ｃ＝0.0018％、Mn＝0.25％、Ｓ＝0.002％、Ｎ＝0.0016％、Si＝1.5％、Al＝0.5％、Ｐ＝0.05％の鋼、Si＝2.5％、Al＝0.3％、Ｐ＝0.05％の鋼を溶製し、熱延後、900℃×１minの熱延板焼鈍を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延し、10％Ｈ２-90％Ｎ２雰囲気で740〜840℃×１min間の仕上焼鈍を行い結晶粒径を調査した。結果を図３に示す。これより、内外径比より求まる結晶粒径を達成するためには、
Ｔ＝700+20×（Si+Al）+100×（Di/Do）２  …（２）
以下の仕上げ焼鈍温度Ｔ（℃）とする必要があることがわかる。ここに、Ｄｉはステーターコア内径（コアバック部）、Ｄｏはステーターコア外径、Si、Alは、それぞれSi、Alの質量％である。
以上のことから仕上げ焼鈍温度は
Ｔ≦700+20×（Si+Al）+100×（Di/Do）２
とする。ここで焼鈍時間は20ｓec〜120ｓecの範囲が好ましい。これは焼鈍時間20ｓec以下では、未再結晶部が残留し加工性が低下する場合があり、一方、120ｓec以上では結晶粒が混粒となりやすく、こちらも加工性が低下するためである。
【００１７】
ヘリカル加工コアでは、鉄損を低減するために、結晶粒径制御により、加工に起因した表面粗さを低減することが必要であることが明らかとなったが、加工後の表面粗さを低減するためには、加工前の表面粗さを制御する必要もあるものと考えられる。そこで、加工前の表面粗さと鉄損との関係を調査するため、Ｃ＝0.0016、Mn＝0.25％、Ｓ＝0.002％、Ｎ＝0.0015％、Si＝2.6％、Al＝0.5％、Ｐ＝0.06％である鋼を溶製し、熱延後、900℃×１minの熱延板焼鈍を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延した。この際、冷間圧延ロールの粗さを変化させることにより、冷圧板の表面粗さＲａを0.1〜0.8μｍで変化させた。その後、10％Ｈ２-90％Ｎ２雰囲気で800℃×１min間の仕上焼鈍を行い、膜厚み0.5μｍの有機-無機の絶縁被膜を塗布した。本材料の仕上焼鈍後の結晶粒径を測定したところ、60μｍであった。この材料より幅20 mmの材料を打ち抜き、ヘリカル加工により外径100mmのリング状試料を作製した。ここでヘリカル巻きのターン数は20ターンとした。このヘリカル巻きサンプルに780℃×２hrの歪み取り焼鈍を施した後、モータ締結時と同様な2ｋｇ/ｃｍ2の応力を板厚方向に付与した状態で一次200ターン、二次100ターンの巻き線を行い、磁気特性を測定した。
【００１８】
図４にヘリカル加工前の表面粗さと鉄損との関係を示す。図４より、表面粗さＲａが0.35μｍ以下でより一層鉄損が低下することがわかる。
【００１９】
この原因について調査したところ、表面粗さが0.35μｍ超の材料では、表面の凹凸の山の部分で皮膜厚さが薄く、ヘリカル加工により、皮膜が破れ、地鉄同士が接触していることが判明した。このことにより層間短絡が生じ、渦電流損が増大したものと考えられる。以上のことから表面粗さＲａは0.35μｍ以下とすることが好ましい。
【００２０】
（成分の限定理由）
次に、成分の限定理由について説明する。
Si：  Siは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、４％を超えると飽和磁化が低下し磁束密度が低くなるため上限を４％とする。また、鉄損の観点から1.6％以上とすることが好ましい。
Al：  AlはSiと同様、固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、２％を超えると飽和磁化が低下し磁束密度が低くなるため上限を２％とする。
Ｐ：  Ｐは0.1％を超えると中央偏析を生じ、圧延時等に割れを生じる原因となるため上限を0.1％とする。
Ｃ：Ｃは0.01％を超えると磁気時効により鉄損が増大するため、0.01％以下とする。
Mn：Mnは、２％を超えると飽和磁化が低下するので、２％以下とする。
Ｓ：Ｓは、0.02％を超えるとMnＳが多量に析出し、鉄損が増大するため、0.02％以下とする。
Ｎ：Ｎは、0.005％を超えるとAlＮ等の窒化物が析出し、鉄損が増大するため、0.005％以下とする。
【００２１】
（製造方法）
本発明においては、成分、結晶粒径、表面粗さを所定の範囲内とする必要があり、冷間圧延と仕上焼鈍条件が重要なポイントとなるがそれ以外は通常の電磁鋼板の製造方法で構わない。すなわち、転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し、引き続き鋳造、熱間圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、通常でかまわない。また、熱延後の熱延板焼鈍は行っても良いが必須ではない。次いで一回の冷間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ2回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後に、最終焼鈍を行う。冷間圧延時には表面粗さを低減するため、表面粗さRaが0.35μｍ以下のロールで圧延する必要がある。最終焼鈍の温度は結晶粒径がステーターコアの内外径比から決まる値となるように焼鈍を行う必要があり、前記（２）式で温度とすることにより所定の結晶粒径の範囲内とすることができる。
【００２２】
なお、最終焼鈍後の調圧は行っても良いが必須ではない。調圧を行なう場合にもＲａが0.35μｍ以下の、表面粗さの少ないロールで行うことが好ましい。このようにすることにより、鋼板表面のＲａを0.35μｍ以下とすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、層間抵抗の低下をもたらすことが無く、しかも鉄損の低い磁気特性に優れたヘリカル加工用コア材料とその製造方法、及びヘリカル加工ステーターコアを提供することができる。
【実施例】
【００２４】
表１に示す鋼を用い、転炉で吹練した後に脱ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、スラブを1140℃で１hr加熱した後、板厚2.0mmまで熱間圧延を行った。熱延仕上げ温度は800℃とした。巻取り温度は680℃とした。その後、表２に示す条件で熱延板焼鈍（30％Ｈ２-70％Ｎ２雰囲気）を行い、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、表２に示す仕上焼鈍条件（20％Ｈ２-80％Ｎ２雰囲気）で焼鈍を行った。なお、表１、表２は本来１つの表であるが、表示の制約上２つに分けて示したもので、各表のNo.が同じものが同一の鋼であることを示す。
【００２５】
本材料より、種々の幅の材料をスリットし、外径100mmのリング形状に20ターンヘリカル加工し、780℃×２hrの歪み取り焼鈍（100％Ｎ２雰囲気）後、一次200回、二次100回の巻き線を施し、板厚方向に2ｋｇ/ｃｍ２の応力を付与した状態で磁気測定を行った。
表２より、成分、結晶粒径、表面粗さを本発明の範囲内とすることにより、鉄損の低いヘリカルコアを得ることが可能となることがわかる。
【００２６】
【表１】
2005187861.tif 000003
【００２７】
【表２】
2005187861.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】結晶粒径と鉄損の関係を示す図である。
【図２】結晶粒径とステーター内外径比の関係を示す図である。
【図３】結晶粒径を達成するための仕上焼鈍温度を示す図である。
【図４】ヘリカル加工前の表面粗さと鉄損との関係を示す図である。
【図１】
2005187861.tif 000005
【図２】
2005187861.tif 000006
【図３】
2005187861.tif 000007
【図４】
2005187861.tif 000008