(57)【要約】【課題】  打ち抜き後のせん断端部の耐食性に優れ、さらには強度特性にも優れた、高速回転モータ用の無方向性電磁鋼板を提供する。【解決手段】  Cuを 0.2％以上、 4.0％以下含有する電磁鋼板の表面に、Ｐ化合物、Al化合物およびSi化合物のうちから選んだ１種または２種以上の無機化合物を主体とする絶縁被膜を被覆する。【選択図】図１
2005120424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Cuを 0.2％以上、 4.0％以下含有する電磁鋼板の表面に、Ｐ化合物、Al化合物およびSi化合物のうちから選んだ１種または２種以上の無機化合物を主体とする絶縁被膜を被覆したことを特徴とする、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【請求項２】
前記Al化合物がアルミナ、またSi化合物がシリカであることを特徴とする請求項１記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【請求項３】
前記絶縁被膜中のAl化合物が、水酸基および有機酸基を有するAl化合物を含む塗料を、鋼板に塗布焼付けて得たものである請求項１または２記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【請求項４】
前記絶縁被膜中のAl化合物が、塩基性酢酸アルミニウム、塩基性ギ酸アルミニウム、塩基性乳酸アルミニウム、塩基性クエン酸アルミニウムおよび塩基性酒石酸アルミニウムのうちから選んだ１種または２種以上を含む塗料を、鋼板に塗布焼付けて得たものである請求項３記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【請求項５】
前記絶縁被膜中のSi化合物が、ＢＥＴ法で測定される平均粒子径が20nm以下のコロイダルシリカを含む塗料を、鋼板に塗布焼付けて得たものである請求項１〜４記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の絶縁被膜付き電磁鋼板を、 400℃以上、 650℃以下の温度で加熱処理を施して得たことを特徴とする、耐食性および磁気特性に優れた高強度無方向性電磁鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、打ち抜き後、400 ℃以上の加熱処理に供される無方向性電磁鋼板に関し、特にせん断部における耐食性の向上を図ったものである。
また、本発明は、上記の熱処理（時効処理）によって高強度化を図り、高速回転モータのロータ材等、高い応力がかかる部材としての使用を可能ならしめたものである。
【背景技術】
【０００２】
モータや変圧器等に使用される電磁鋼板は、打ち抜き等の加工によってコア形状に加工された後、積層して使用される。電磁鋼板の表面には、通常、絶縁被膜が被覆されるが、この絶縁被膜には、層間抵抗だけでなく、加工成形時の利便さおよび保管、使用時の安定性など種々の特性が要求される。
【０００３】
打ち抜き等により鋼板をコアの形状に加工すると、そのせん断端部は絶縁被膜のない地鉄部分が露出した状態となる。このようなコアをモータ等の鉄心として使用した場合、使用される環境によっては端部が腐食されて、故障が起きるといった問題があった。そのため、従来では、せん断端部にワニスなどの有機樹脂を塗布したり（特許文献１）、歪取焼鈍後に露点を高くして酸化被膜を生成させる、いわゆるブルーイング処理といった防錆処理を施す（特許文献２）必要があった。
【特許文献１】特開平７−９９７５８号公報
【特許文献２】特開昭４８−４４１４２号公報
【０００４】
また、近年、モータの駆動システムの発達により、駆動電源の周波数制御が可能となったことから、可変速運転や商用周波数以上で高速回転を行うモータが増加している。一般に回転体に作用する遠心力は、回転半径に比例し、また回転速度の２乗に比例して大きくなるため、中・大型の高速モータではロータに作用する応力が 600 MPaを超える場合もある。従って、このような高遠回転モータでは、ロータ素材の強度が高いことが必要となる。
【０００５】
前述した有機樹脂を塗布する方法は、せん断端部の防錆方法としては簡便で有効な方法であるが、有機樹脂は耐熱性が低いので、上述した高速モータのように、モータへの負荷増大によってモータの発熱量が増大した場合には、その際の高温に耐えられないという問題があった。また、せん断端部に有機樹脂が存在していると、高速回転の際、ロータのバランスが狂い易くなって震動の原因になる上、ステータとロータの接触を防ぐためにギャップを広くしなければならず、モーターコアとしての効率を犠牲にせざるを得なかった。
一方、ブルーイング処理は、上記のような問題は起りにくいので、端部の耐食性はそれなりに向上するとはいえ、十分といえるレベルではなかった。また、ブルーイング処理は、高露点を必要とするため、せん断端部の耐食性が向上したとしても、鋼板表面に形成した絶縁被膜が劣化してしまうので、全体としては耐食性が劣化するという問題があった。
【０００６】
この点、歪取焼鈍後の耐食性が良好な絶縁被膜としては、特許文献３に、コロイダルシリカを主体とするものが開示されているが、せん断端部における耐食性を向上させることはできなかった。
また、特許文献４には、Alの少ない素材において0.01〜0.1 mass％のCuを含有させ、表面近傍におけるCuの内部濃化現象を利用して絶縁被膜の耐食性を向上させる方法が開示されているが、この方法では、絶縁被膜のみならず、せん断端部の耐食性を向上させることはできなかった。
【特許文献３】特開平１０−１３０８５７号公報
【特許文献４】特開２００１−３２３３５１号公報
【０００７】
さらに、モータや発電機などの回転機器は、電磁気現象を利用するものであるため、その素材は、磁気特性に優れること、すなわち低鉄損、かつ高磁束密度であることが望まれる。
通常、ロータコアには、プレス打ち抜きした無方向性電磁鋼板を積層して使用するが、高速回転モータに使用する場合、上記の積層ロータでは機械的強度が十分でない場合が多いため、より高強度の鋳鋼製ロータなどを使用せざるを得ないのが現状である。しかしながら、鋳鋼製ロータは一体物であるため、ロータに作用するリップル損と呼ばれる高周波磁束による渦電流損が電磁鋼板を積層したロータよりも大きく、モータ効率が低下する要因となっている。
【０００８】
このため、せん断端部における耐食性に優れると共に、積層材としても十分な強度をそなえ、かつ高いモータ効率を達成することができる、高速回転モータ用の電磁鋼板が要望されていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の要望に有利に応えるもので、打ち抜き後、加熱処理を施したのちのせん断端部の耐食性に優れ、さらに上記の加熱処理（時効処理）によって強度の向上も併せて実現した高速回転モータ用の無方向性電磁鋼板を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を進めた結果、鋼中に適量のCuを含有させた上で、鋼板の表面にＰ化合物、Al化合物およびSi化合物のうちから選んだ１種または２種以上の無機化合物を主体とする絶縁被膜を被覆することが、所期した目的の達成に関し極めて有効であることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１１】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、Cuを 0.2％以上、 4.0％以下含有する電磁鋼板の表面に、Ｐ化合物、Al化合物およびSi化合物のうちから選んだ１種または２種以上の無機化合物を主体とする絶縁被膜を被覆したことを特徴とする、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【００１２】
２．前記Al化合物がアルミナ、またSi化合物がシリカであることを特徴とする上記１記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【００１３】
３．前記絶縁被膜中のAl化合物が、水酸基および有機酸基を有するAl化合物を含む塗料を、鋼板に塗布焼付けて得たものである上記１または２記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【００１４】
４．前記絶縁被膜中のAl化合物が、塩基性酢酸アルミニウム、塩基性ギ酸アルミニウム、塩基性乳酸アルミニウム、塩基性クエン酸アルミニウムおよび塩基性酒石酸アルミニウムのうちから選んだ１種または２種以上を含む塗料を、鋼板に塗布焼付けて得たものである上記３記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【００１５】
５．前記絶縁被膜中のSi化合物が、ＢＥＴ法で測定される平均粒子径が20nm以下のコロイダルシリカを含む塗料を、鋼板に塗布焼付けて得たものである上記１〜４記載の、加熱処理後の耐食性に優れた無方向性電磁鋼板。
【００１６】
６．上記１〜５に記載の絶縁被膜付き電磁鋼板を、 400℃以上、 650℃以下の温度で加熱処理を施して得たことを特徴とする、耐食性および磁気特性に優れた高強度無方向性電磁鋼板。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、400 ℃以上の加熱処理後に耐食性に優れた無方向性電磁鋼板を安定して得ることができる。
また、本発明によれば、加熱処理（時効処理）に伴う高強度化によって、耐食性および磁気特性に優れた高強度無方向性電磁鋼板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体的に説明する。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
本発明で対象とする無方向性電磁鋼板の成分組成については、鋼中にCuを 0.2〜4.0 ％の範囲で含有させることが不可欠であるが、その他の成分については特に限定されるものではなく、従来公知の成分系いずれもが適合する。
また、本発明では、鋼板の前処理についても特に制限はなく、未処理の鋼板をそのまま使用することができるが、アルカリなどの脱脂処理、塩酸、硫酸、リン酸などの酸洗処理を施したものが有利であることは言うまでもない。
【００１９】
さて、本発明では、Cuを 0.2〜4.0 ％含有させることが必須である。Cuは、400 ℃以上の熱処理により、せん断端部に析出する。その結果、地鉄の露出部分はCuにより覆われ、Cuめっきされたのと同等の効果が得られる。析出したCuの最表面は酸化され、酸化銅の形態でせん断端部に被膜を形成するものと考えられ、これによりせん断端部の耐食性が向上する。
また、Cuの析出は端部のみならず鋼板表面でも生じる。従って、絶縁被膜がない場合や、絶縁被膜があっても耐熱性のない有機コートのような絶縁被膜である場合、鋼板表面に導体被膜が形成されることになるから、絶縁被膜とはならず層間電流が流れるため鉄損が劣化する。しかしながら、無機を主体としたコートのように耐熱性のある絶縁被膜がある場合には、加熱処理後にひび割れが発生するなどの被膜の損傷をうけたとしても、析出Cuによってこれが補修される効果がある。すなわち、とくにピンホールと称される耐食性を劣化させる欠陥部分が、地鉄〜絶縁被膜間に析出したCuにより塞がれるため、層間抵抗の低下を招くことなしに絶縁被膜の耐食性を向上させることができる。
【００２０】
以上の結果、せん断端部の耐食性が向上すると共に、絶縁被膜表面の耐食性も向上する。しかしながら、Cu含有量が 0.2％未満では表面への十分な析出が起こらず、耐食性向上効果は十分ではない。一方、4.0 ％超になると表面への析出が多くなりすぎて、層間抵抗の劣化が懸念されるだけでなく、ヘゲの発生が顕著となるため、Cu量は 0.2〜4.0 ％の範囲に限定した。より好ましくは 0.4〜2.0 ％の範囲である。
【００２１】
また、本発明で規定した量のCuを含有する電磁鋼板は、所定の条件下での加熱処理（時効処理）によって、鋼中に微細なCu析出物が形成され、ほとんど鉄損（履歴損）の劣化を伴わずに、大幅な強度上昇をもたらすことができるが、その際にも、Cuを 0.2％以上含有させた上で、所定の被膜を形成することにより、時効処理による耐食性の劣化を防止され、高強度化と耐食性向上が両立される。なお、Cu含有量が 4.0％超になると、粗大な析出物が形成されるため、鉄損の劣化が大きくなると共に、強度の上昇代も低下する。従って、強度特性や磁気特性の面からも、Cuの含有量は 0.2％以上、 4.0％以下とする必要がある。この観点からの好適含有量は 0.3％以上、 2.0％以下の範囲である。
【００２２】
ここに、時効処理は 400℃以上、 650℃以下の温度で行うことが好ましい。というのは、処理温度が 400℃未満の場合には、微細Cuの析出が不十分で高強度が得られず、一方、650 ℃を超えるとCu析出物が粗大化し、鉄損が劣化すると共に強度の上昇量も減少するため、良好な強度−鉄損バランスを有する電磁鋼板が得ることが困難となるからである。また、適切な時効時間は処理温度にも依存するが、10 min〜1000ｈが好適である。
なお、この時効処理の実施時期は、絶縁被膜の塗布焼付け前、焼付け後、プレス打ち抜きなどの加工後、などのいずれのタイミングで実施してもよい。
【００２３】
上述したとおり、本発明では、鋼中にCuを 0.2〜4.0 ％含有させることを必須とするが、その他の成分の代表組成については次のとおりである。
Ｃ：0.02％以下
Ｃ量が0.02％を超えると磁気時効により鉄損が著しく劣化するため、0.02％以下に制限することが好ましい。
【００２４】
Si：4.5 ％以下
Siは、脱酸剤として有用であることに加え、電気抵抗の増加により電磁鋼板の鉄損を低減する効果が大きい。さらに、固溶強化により強度向上にも寄与する。脱酸剤としては、0.05％以上で効果が顕著となる。鉄損低減や固溶強化のためには 0.5％、好適には 1.2％以上で含有させる。しかし、4.5 ％を超えると、鋼板の圧延性の劣化が激しくなるため、その含有量は4.5 ％以下に制限することが好ましい。
【００２５】
Mn：3.0 ％以下
Mnは、固溶強化による強度向上に有効な元素であることに加え、熱間脆性の改善に有効な元素であり、好ましくは0.05％以上で含有させる。しかし、過剰な添加は鉄損の劣化をもたらすため、その含有量を3.0 ％以下に制限することが好ましい。
【００２６】
Al：3.0 ％以下
Alは、脱酸剤として有効であり、好ましくは0.5ppm以上で含有させる。しかし、過剰な添加は圧延性の低下をもたらすので、その添加量は 3.0％以下とすることが好ましい。
【００２７】
Ｐ：0.50％以下
Ｐは、比較的少量の添加でも大幅な固溶強化能が得られるため高強度化に極めて有効であり、好ましくは0.01％以上で含有させる。一方、過剰な含有は偏析による脆化を引き起し、粒界割れや圧延性の低下をもたらすため、Ｐ量は0.50％以下とすることが好ましい。
【００２８】
Ni：5.0 ％以下
Niは、固溶強化による高強度化に有効な元素であり、好ましくは 0.1％以上で含有させる。しかし、5.0 ％を超えると、その効果は飽和しコスト高をまねくだけになるため、その上限は 5.0％とすることが好ましい。
【００２９】
上記元素の他は、Fe（鉄）および不可避的不純物である。不可避的不純物としてのＳおよびＮは、鉄損の観点からそれぞれ0.01％以下とすることが望ましい。
【００３０】
その他、上記成分に加えて、磁気特性の改善元素として知られるZr，Ｖ，Sb，Sn，Ge，Ｂ，Ca，希土類元素およびCoを単独または複合で添加することができる。ここに、かかる元素の好適含有量は次のとおりである。
Zr，Ｖについては 0.1〜3.0 ％、Sb，Sn，Geについては 0.002〜0.5 ％、Ｂ，Ca，希土類元素については 0.001〜0.01％、Coについては 0.2〜5.0 ％である。
【００３１】
本発明では、電磁鋼板の表面に、Ｐ化合物、Al化合物およびSi化合物のうちから選んだ１種または２種以上の無機化合物を主体とする絶縁被膜を被覆することが重要である。本質的には、 400〜900 ℃までの耐熱性を有し、例えば原料として水溶性またはコロイド状といったものであり、塗布焼付けなどの処理により脱水や還元反応により絶縁被膜を形成するものである。一方、有機樹脂を主体にしたものは、400 ℃以上の加熱により熱分解を起こすので好適ではないが、上記無機化合物の特性を著しく劣化させない範囲で該無機化合物の絶縁被膜中に少量混合、分散させることは可能である。
【００３２】
これら無機化合物として、Ｐ化合物では、原料として特にリン酸塩が好適であり、例えばリン酸アルミニウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム等が挙げられる。
Al化合物では、原料として水酸基および有機酸基を有するアルミニウム化合物（塩基性有機酸アルミニウム）および／またはその脱水反応物が有利に適合する。水系塗料にて鋼板に塗布焼付けするため、Al化合物は水に溶解またはコロイドや縣濁状態で分散できるものであることが好ましい。例えば、塩基性酢酸アルミニウム、塩基性ギ酸アルミニウム、塩基性乳酸アルミニウム、塩基性クエン酸アルミニウム、塩基性酒石酸アルミニウムから選ばれる１種または２種以上の混合物が挙げられる。中でも、塩基性酢酸アルミニウムは Alx(OH)y(CH3COO)z（ｘ，ｙ，ｚは１以上）の分子式で表されるもので、これは分子レベルでの溶解状態から数nm程度のコロイド状態で存在でき、塗液原料として最も好適に使用できる。また、これは 200〜230 ℃で脱水縮合による分子間のネットワークを形成して造膜できる。さらに、加熱されるとおよそ 500℃までに脱水、脱酢酸反応が起こってネットワークがさらに強固なものとなり、 500〜625 ℃を超え、歪取り焼鈍温度に達すると無定形アルミナあるいはγ−アルミナになり、強い被膜が形成されると考えられる。よって、塩基性酢酸アルミニウムが最も好適であるが、上記の他の塩基性有機酸アルミニウムも、同様な点から好ましく使用することができる。
その他にも、酢酸アルミニウム、ギ酸アルミニウム、乳酸アルミニウム、クエン酸アルミニウムおよび酒石酸アルミニウムなども、好適に使用することができる。また、ＣＶＤやＰＶＤによりアルミナやAlＮ等を含む被膜を直接形成させてもよい。
【００３３】
Si化合物では、原料としてコロイダルシリカが好適に使用される。コロイダルシリカは、SiO2を主成分とする無機コロイドでありアモルファス状であることが多い。粒子径は小さいほど良好な被膜を形成することができ、好ましくは20nm以下、さらに好ましくは10nm以下である。
下限は特に限定しないが、小さいほど良好な結果を得ることができる。これは、超微細な粒子はその表面積が大きいことにより、Al化合物または樹脂との相互作用が高くなって被膜の強さが増すものと考えられる。但し、粒子径が小さくなるに従いシリカ粒子同士が凝集し易くなるため、コロイダルシリカの濃度を低くしなければならなくなる。このため、実用に耐え得る粒子径に設定することが重要である。平均粒子径は、ＢＥＴ法（吸着法による比表面積から換算）により測定できる。また、電子顕微鏡写真から実測した平均値で代用することも可能である。なお、コロイダルシリカの粒子径にはAl化合物などの表面処理剤の厚みは含まない。
その他、Si化合物として、水ガラス（Na2O・ｘSiO2：ケイ酸ナトリウム）等を使用することもできる。
【００３４】
以上の無機化合物のうち、アルミナおよびシリカからなる無機化合物は、クロム酸塩、リン酸塩を主体とした絶縁被膜よりも耐熱性が高く、加熱処理後においても、Cuの被膜修復効果を十分に発揮できるだけの耐食性を有するので、より好ましい。
そして、上述のように、Al化合物が、塩基性酢酸アルミニウム、塩基性ギ酸アルミニウム、塩基性乳酸アルミニウム、塩基性クエン酸アルミニウムおよび塩基性酒石酸アルミニウムから選ばれる１種または２種を含む塗料を鋼板に塗布焼付けしてなること、Si化合物が、ＢＥＴ法で測定される平均粒子径が20nm以下であるコロイダルシリカを含む塗料を鋼板に塗布焼付けしてなることが、Cuの被膜修復効果を十分に発揮させる点で特に好ましい。
なお、上記した無機化合物の絶縁被膜に占める割合は、その効果の面から40％以上、好ましくは50％以上とすることが望ましい。
【００３５】
本発明においては、所望の効果を損なわない範囲で樹脂成分を添加することが可能である。樹脂成分については、特に限定しないが、アクリル樹脂、アルキッド樹脂、ポリオレフィン樹脂、スチレン樹脂、酢酸ビニル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂等の１種または２種以上の水性樹脂（エマルション、ディスパーション、水溶性）が好適である。
なお、樹脂成分を添加する場合、その添加量は、絶縁被膜全体の60％以下、好ましくは50％以下とすることが望ましい。というのは、添加量が60％を超えると高温での無機成分の造膜が不十分となり、発粉の不利を招くからである。
【００３６】
絶縁被膜の付着量は、特に限定しないが、0.05〜５g/m2程度とすることが好ましい。というのは、付着量が0.05g/m2に満たないと耐食性が不足し、一方５g/m2を超えると、密着性が低下して高温乾燥時にふくれが発生するなど塗装性の低下を招くからである。より好ましくは 0.1〜3.0 g/m2の範囲である。
絶縁被膜の形成は、電磁鋼板上に処理液を塗布して焼付けることにより行うことが好ましい。絶縁被膜処理液の塗布方法は、通常工業的に用いられるロールコーター、フローコーター、スプレー、ナイフコーター等種々の方法が適用可能である。焼付け方法についても、通常実施される熱風式、赤外式、誘導加熱式等が使用可能である。
なお、被膜の性能や均一性を一層向上させるために、界面活性剤や防錆剤等の添加剤を配合してもよい。この場合、十分な被膜特性を維持するために、乾燥後の被膜に対して10％以下とすることが好ましい。
【実施例１】
【００３７】
Si：３％、Mn：0.2 ％およびAl：0.3 ％を基本成分として含有し、かつCuを表１に示すように種々の範囲で含有させ、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になる鋼片を、熱間圧延により板厚：2.0 mmの熱延板とし、そのまま無焼鈍または1000℃で 300ｓの熱延板焼鈍後、酸洗したのち、冷間圧延により板厚：0.35mmの冷延板に仕上げた。ついで、最高到達温度：950 ℃、30ｓ均熱保持の仕上げ焼鈍を施し、 900〜400 ℃の温度域での冷却速度：６℃/sの条件で冷却した。
その後、表１に示す、Ｐ化合物、Al化合物、Si化合物および樹脂の組合せになる被膜を形成した。塗布は、ロールコーターで行い、到達板温：230 ℃で焼付けた。焼付けは、プロパンガス直火焼付けで行った。
かくして得られた製品板に表１に示す熱処理を窒素中で施したのち、せん断端部面および鋼板表面の耐食性、鉄損および強度（引張強さ）について調査した。なお、鉄損および強度（引張強さ）はいずれも、 550℃, ５ｈの熱処理を施した後、調査を行った。
得られた結果を表１に示す。
【００３８】
なお、耐食性は、相対湿度：80％、温度：50℃で２週間放置後の鋼板表面およびせん断端部における錆び発生程度を目視により観察し、以下の耐食性レベルで評価した。
◎：０〜５％
○：５〜20％
△：20〜50％
×：50％以上
また、図１に、鋼中Cu量と耐食性レベルとの関係を整理して示す。
【００３９】
【表１−１】
2005120424.tif 000003
【００４０】
【表１−２】
2005120424.tif 000004
【００４１】
表１に示したとおり、鋼中に適量のCuを含有させると共に、鋼板表面に適正な無機化合物を主体とする絶縁被膜を被覆した発明例はいずれも、鋼板表面にもとより、せん断端部の耐食性に優れ、また鉄損および強度も 550℃×５ｈの熱処理を施した場合それぞれ、Ｗ15/50 ≦3.44 W/kg 、ＴＳ≧700 MPa と良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】鋼中Cu量と耐食性レベルとの関係を示した図である。
【図１】
2005120424.tif 000005