(57)【要約】【課題】鉄損を低減しうる、高い周波数域で使用されるモーターなどの電動機に用いられる無方向性電磁鋼板を提供し、モーターの滑らかな回転を実現することを目的とする。【解決手段】製品になる前に少なくとも２回の冷間圧延−焼鈍を繰り返し、その２回の冷間圧延前の結晶粒径と冷間圧延率およびその後の焼鈍条件を一定の要件で行うことにより、板面内の異方性を低くし、鉄損によるエネルギーロスと、回転の不安定さによるエネルギーを低減させた、４００Ｈｚから２０ｋＨｚ程度までの高周波電流により制御されるモーターの鉄芯用として好適な高周波用無方向性電磁鋼板を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．００１〜０．０４０％、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：０．００１〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜１．０％、Ｐ：０．００５〜０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５〜１．０％を含み残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、４００Ｈｚ以上の高周波域で測定された圧延方向のヒステリシス損を基準値としたときに、同様に測定された圧延方向と９０°の方向および圧延方向と４５°の方向の各ヒステリシス損がいずれも基準値の±２０％以内であることを特徴とする、周波数４００Ｈｚ以上において板面内方向で回転する磁界により駆動させられる電動機に使用される板厚０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍの高周波用無方向性電磁鋼板。
【請求項２】
平均結晶粒径が１５μｍ〜８０μｍである請求項１記載の無方向性電磁鋼板。
【請求項３】
Ｃ：０．００１〜０．０４０％、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：０．００１〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜１．０％、Ｐ：０．００５〜０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５〜１．０％を含み残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるスラブを熱間圧延し、その後焼鈍が施されるかあるいは焼鈍なしに冷間圧延、焼鈍を繰り返して製造する無方向性電磁鋼板の製造において、最終圧延の１回前の圧延前の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とし、その後、４０％以上の圧延率で冷間圧延を行い、ついで７５０℃〜９００℃の温度範囲で焼鈍を行い、平均結晶粒径を３０μｍ〜１５０μｍとした後、圧延率４５％〜７０％で冷間圧延を行い、板厚を０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍとし、ついで８００℃〜９５０℃の温度範囲で焼鈍を行い、さらに４００Ｈｚ以上の高周波域で測定された圧延方向のヒステリシス損を基準値としたときに、同様に測定された圧延方向と９０°の方向および圧延方向と４５°の方向の各ヒステリシス損がいずれも基準値の±２０％以内であることを特徴とする、周波数４００Ｈｚ以上において板面内方向で回転する磁界により駆動させられる電動機に使用するための板厚０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍの高周波用無方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーターのステーターやローターに使用され、特に高い周波数で使用されるモーターの効率を向上させることができる鉄損の板面内異方性が少ない無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。利用分野としては、特にバッテリーで駆動するモーターに好適で、エネルギーロスが少ないために作動時間を長くとることができる。
【背景技術】
【０００２】
無方向性電磁鋼板は、一方向に優れた磁気特性が要求される方向性電磁鋼板とは異なり、モーターなどの磁化される方向が特に特定されない機器に広く使用されている。世の中で広く使用されているモーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置であり、その効率を向上させることは社会全体のエネルギー節減に大きく貢献する。このために、モーターに使用される電磁鋼板のエネルギーロスの低減、すなわち低鉄損化の要求が高まっている。特に、電機機器の制御技術の進歩にともない、高い周波数で制御され、高回転で動作するモーターが出現している。
【０００３】
モーター用電磁鋼板の低鉄損化に関しては、数多くの技術が公開されているが、いずれも低い周波数で使用されるモーターに関してであり、高周波で駆動されるモーターに使用される電磁鋼板の低鉄損化に関しての検討は限られている。一般に、鉄損は渦電流損とヒステリシス損に分けられ、渦電流損は理論的には板厚の２乗に比例するため、渦電流損を低減するには板厚を下げることが有効であるとされている。しかし、板厚を下げると鉄損に占めるヒステリシス損の割合が増加し、かならずしも鉄損が十分に下がらないことが知られている。このため、渦電流損とヒステリシス損のバランスを考慮して設計された無方向性電磁鋼板が望まれている。
【０００４】
また、モーターの効率を向上させるには、ローターやステーターに使用される無方向性電磁鋼板の鋼板面内方向の異方性を極力小さくして、回転を滑らかにし、回転途中のエネルギーロスを極力少なくすることが望まれている。
【０００５】
このような課題を解決する手段として、それぞれの課題を個々に解決しようとした例がある。例えば、特許文献１には、周波数２００〜２０００Ｈｚで使用される電気機器用の鉄芯として好適な無方向性電磁鋼板について、鉄損を改善するための技術が開示されている。これは、ヒステリシス損のために鋼板表面に存在する結晶の粒径と鋼板内部に存在する結晶の粒径を規定することにより、ヒステリシス損の改善を図り、ひいては鉄損の低減を企図したものである。しかしながら、該特許文献では、冷間圧延率、焼鈍条件については特に制限されておらず、実施例の方法では冷間圧延率が高すぎ、鋼板面内方向の異方性が残存し、磁界の回転に伴うエネルギーロスが解消できないという問題がある。また、ロール径を圧延する板厚に対して大きめに設定しており、板厚０．０６ｍｍの鋼板はコイル破断が発生し、製造できないことが開示されている。したがって、特許文献１の方法では異方性の解消ができないのみならず、板厚が極めて薄い０．０５ｍｍ程度の高周波域で好適な無方向性電磁鋼板の製造ができないことが汲み取れる。
【０００６】
また、モーターの性能を向上させるには、回転の滑らかさを得るために鋼板の面内異方性を改善することも重要であり、この観点から、特許文献２には磁束密度の面内異方性を改善するための技術が開示されている。これは、成分を規定するとともに、熱間圧延時に表層１／４の領域に未再結晶組織を残存させ、その後冷間圧延、焼鈍を施し、集合組織を制御する方法である。これにより、圧延方向、圧延方向に対して９０°の方向、４５°の方向の磁束密度の差が少ない鋼板を得ている。しかしながら、この技術も実施例から最小板厚は０．２０ｍｍであり、また結晶粒径に関しても冷延前の未再結晶組織の平均粒径が規定されているのみで、再結晶後の結晶粒径は規定されていない。さらに、高周波域での鉄損低減の技術については開示されておらず、滑らかな回転と低いエネルギーロスを実現する技術に関しては未だ実現されていないと言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−７３５１１号
【特許文献２】特開２００６−２１９６９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高い周波数域で使用されるモーターなどの電動機に用いられる無方向性電磁鋼板の鉄損を下げようとして板厚を薄くすると渦電流損は下がるものの、鉄損に占めるヒステリシス損の比率が高まり、全体として鉄損がそれほど低くならないという問題の解決、モーターの滑らかな回転を実現する高周波用無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、電磁鋼板の磁気特性は、従来、圧延方向（以下Ｌ方向と称する）および圧延方向と直角な方向（以下Ｃ方向と称する）から切り出された試験片を用いてこれらの平均値として測定されてきたが、実際のモーターでは、ステーターなどに作用する磁界は、板面内で回転していることに着目し、従来の無方向性電磁鋼板ではＬ方向とＣ方向さらには圧延方向に対して４５°の方向（以下Ｘ方向と称する）の鉄損値および磁束密度の値が大きく異なり、これがモーター効率を低下させている原因の一つともなっているという課題を見いだし、このような欠点を解決するために、Ｌ，Ｘ、Ｃ各方向の鉄損、および磁束密度の均一化が重要であることを見いだした。その結果、無方向性電磁鋼板のＸ、Ｃ方向のヒステリシス損をＬ方向の値の２０％以内に抑えることが有効あることを知見した。すなわち、通常の方法で製造された無方向性電磁鋼板ではこの差が５０％近くあり、２０％を超えるとモーター効率が低下することを見いだした。
また、本発明者らは、板厚０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍの無方向性電磁鋼板の鉄損すなわち渦電流損とヒステリシス損および磁束密度に及ぼす製造条件および結晶粒径の影響について鋭意検討した結果、製品になる前に少なくとも２回の冷間圧延−焼鈍を繰り返し、その２回の冷間圧延前の結晶粒径と冷間圧延率およびその後の焼鈍条件を規定し、板面内の異方性を低くすることにより、鉄損によるエネルギーロスと、回転の不安定さによるエネルギーを低減させた、４００Ｈｚから２０ｋＨｚ程度までの高周波電流により制御されるモーターの鉄芯用として好適な無方向性電磁鋼板を得ることができることを知見した。
本発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであり、その特徴は以下のごとくである。
【００１０】
（１）Ｃ：０．００１〜０．０４０％、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：０．００１〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜１．０％、Ｐ：０．００５〜０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５〜１．０％を含み残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、４００Ｈｚ以上の高周波域で測定された圧延方向のヒステリシス損を基準値としたときに、同様に測定された圧延方向と９０°の方向および圧延方向と４５°の方向の各ヒステリシス損がいずれも基準値の±２０％以内であることを特徴とする、周波数４００Ｈｚ以上において板面内方向で回転する磁界により駆動させられる電動機に使用される板厚０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍの高周波用無方向性電磁鋼板。
【００１１】
（２）平均結晶粒径が１５μｍ〜８０μｍである上記（１）記載の無方向性電磁鋼板。
【００１２】
（３）Ｃ：０．００１〜０．０４０％以下、Ｓｉ：２．０〜４．０％、Ｍｎ：０．００１〜３．０％、Ａｌ：０．０１〜１．０％、Ｐ：０．００５〜０．３０％、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．００５〜１．０％以下を含み残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるスラブを熱間圧延し、その後焼鈍が施されるかあるいは焼鈍なしに冷間圧延、焼鈍を繰り返して製造する無方向性電磁鋼板の製造において、最終圧延の１回前の圧延前の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とし、その後、４０％以上の圧延率で冷間圧延を行い、ついで７５０℃〜９００℃の温度範囲で焼鈍を行い、平均結晶粒径を３０μｍ〜１５０μｍとした後、圧延率４５％〜７０％で冷間圧延を行い、板厚を０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍとし、ついで７５０℃〜９５０℃の温度範囲で焼鈍を行い、４００Ｈｚ以上の高周波域で測定された圧延方向のヒステリシス損を基準値としたときに、同様に測定された圧延方向と９０°の方向および圧延方向と４５°の方向の各ヒステリシス損がいずれも基準値の±２０％以内であることを特徴とする周波数４００Ｈｚ以上において板面内方向で回転する磁界により駆動させられる電動機に使用される板厚０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍの高周波用無方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、モーターの効率向上に好適な鋼板面内方向の鉄損および磁束密度の異方性が少ない高周波用無方向性電磁鋼板が提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細を説明する。化学成分の含有量（％）はすべて質量％である。
【００１５】
Ｃは、過度に含有させるとヒステリシス損を劣化させるので、０．０４０％を上限とし、また０．００１％未満であると鋼板の強度が不足し、例えばローターなどの回転子に使用した際に強度不足で破壊が起こるなどの欠点を生じるので０．００１％を下限とする。好ましくは０．００２〜０．０３０％である。
【００１６】
Ｓｉは、電気抵抗を高め鉄損を低減することが知られている。過度に含有すると磁気歪みの低減等には有効であるが、磁束密度の低下を招くこと、あるいは、本発明の特徴の一つである極薄鋼板の製造に支障をきたすので、４．０％を上限とし、また、２．０％未満では電気抵抗を高める効果が不十分となるため２．０％を下限とする。好ましくは２．５〜３．９％である。
【００１７】
Ｍｎは、鋼中のＳと反応してＭｎＳを形成し、熱間圧延時の固溶Ｓの存在による割れを防ぐ効果があり、また固溶Ｍｎとして強度の確保および電気抵抗の低減にも寄与するので０．００１％を下限として含有させ、また、３．０％を超える薄鋼板の製造に支障をきたすようになるので３．０％を上限とする。好ましくは０．００５〜２．０％、さらに好ましくは０．０１〜１．０％である。
【００１８】
Ａｌは、Ｓｉと同じように電気抵抗を高め、鉄損を低減する効果があるので、高めに含有しても良いが、１．０％を超えると鋳造時に酸化物が増え、鋼板の品質を劣化させるとともに、圧延に支障をきたすので、１．０％を上限とし、また、０．０１％未満では脱酸剤としての作用が不足するので０．０１％を下限とする。好ましくは０．０２〜０．８％である。
【００１９】
Ｐは、鋼板の強度を高める作用があり、適度に含有するとステーターやローターに加工する際の打ち抜きが改善されるので、０．００５％を下限として含有させ、また、過度に含有すると薄鋼板の製造に支障をきたすので０．３０％を上限とする。
【００２０】
Ｓは、多量に含有すると熱間圧延時に固溶Ｓの存在による割れを発生させることがあるので、これを防ぐために上限を０．０５０％とする。好ましくは上限は０．０３％である。下限は、少ない方が好ましいので特に限定はしないが、通常の鋼板製造工程における脱硫のコストを勘案すると０．００１％程度が妥当である。
【００２１】
Ｃｕは、焼鈍時の粒成長を制御する効果があるので１．０％を上限に含有させる。この量を超えると鋼板が硬くなり過ぎて圧延に支障をきたすので、１．０％を上限とする。また、０．００５％未満では、焼鈍時に均一な結晶粒ができなくなるので０．００５％を下限とする。好ましくは０．０１〜０．７％である。
【００２２】
つぎに、鋼板の磁気特性について説明する。本発明の特徴は、磁気特性の中でも特にヒステリシス損の板面内異方性を極力低減した鋼板を提供することにある。一般に電磁鋼板の磁気特性は、圧延方向（以下Ｌ方向と称する）および圧延方向と直角な方向（以下Ｃ方向と称する）から切り出された試験片を用いてエプスタイン測定装置により、これらの平均値が測定される。しかしながら、実際のモーターでは、ステーターなどに作用する磁界は、板面内で回転している。したがって、Ｌ方向とＣ方向の平均値として測定された磁気特性では無方向性電磁鋼板の特性を十分に把握しきれていないのが現状であり、また、従来の無方向性電磁鋼板ではＬ方向とＣ方向さらには圧延方向に対して４５°の方向（以下Ｘ方向と称する）の鉄損値および磁束密度の値が大きく異なり、これがモーター効率を低下させている原因の一つともなっている。本発明は、このような欠点を解決するために、Ｌ，Ｘ、Ｃ各方向の鉄損、および磁束密度の均一化を目指したものである。
【００２３】
高周波電流で作動するモーターの効率を向上させるための手段として、鋭意検討した結果、無方向性電磁鋼板のＸ、Ｃ方向のヒステリシス損をＬ方向の値の±２０％以内に抑えることが有効あることを知見した。通常の方法で製造された無方向性電磁鋼板では、この差が５０％近くあり、これを±２０％以内に抑える必要がある。±２０％を超えるとモーター効率の向上効果がなくなるので、±２０％以内とした。
【００２４】
ヒステリシス損は、無方向性電磁鋼板のＬ，Ｘ，Ｃ方向から切り出された試験片を用いて、単板の磁気測定試験器、もしくは各方向のみの試験片を用いたエプスタイン試験により周波数を変えたときの全鉄損を求め、２周波法により算出した値である。
【００２５】
本発明の無方向性電磁鋼板の板厚については、０．１５ｍｍを超えると４００Ｈｚを超える周波数で作動するモーターの効率が低下するので、高周波モーター用の無方向性電磁鋼板としては０．１５ｍｍを上限とし、また、０．０４ｍｍ未満では、ヒステリシス損の比率が高まりすぎ、かえって全鉄損が増加するので０．０４ｍｍを下限とする。
【００２６】
本発明の無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、１５μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径が１５μｍ未満でも、８０μｍ以上においても４００Ｈｚ以上の高周波域でのヒステリシス損の比率が高くなる傾向にあり、モーター効率が向上しなくなるのでこの範囲が好ましい。
【００２７】
つぎに、製造条件の限定理由を述べる。本発明の無方向性電磁鋼板は、一般の電磁鋼鈑の製造方法と同様に成分調整されたスラブを熱間圧延し、その後焼鈍が施されるか、あるいは焼鈍なしに冷間圧延、焼鈍が繰り返されて製造される。その製造条件は特に規定しないが、最終圧延の１回前の圧延の前の平均結晶粒径を１５０μｍ以下とする。これは、その後の結晶粒径、および集合組織の制御に必要な条件である。その後、４０％以上、好ましくは５０％〜７０％の圧延率で冷間圧延を行い、ついで７５０℃〜９００℃の温度範囲で焼鈍を行い、平均結晶粒径を３０μｍ〜１５０μｍとした後、圧延率４５％〜７０％、好ましくは５０％〜７０％で冷間圧延を行い、板厚を０．０４ｍｍ〜０．１５ｍｍとし、ついで７５０℃〜９５０℃、好ましくは８００℃〜９５０℃、さらに好ましくは８２０℃〜９４０℃の温度範囲で焼鈍を行い、好ましくは平均結晶粒径を１５μｍ〜８０μｍとする。これにより、高周波域で測定された圧延方向のヒステリシス損を基準値としたときに、同様に測定された圧延方向と９０°の方向および圧延方向と４５°の方向のヒステリシス損が基準値の±２０％以内である４００Ｈｚ以上の高周波域で用いられるモーターの鉄芯用として好適な無方向性電磁鋼板を得ることが出来る。この条件を逸脱する条件では、いずれもヒステリシス損の方向差が大きくなりモーター用鉄芯として好ましくないものとなる。
【実施例１】
【００２８】
第１表に示す化学成分を含有する鋼を転炉にて溶製した。
その後、連続鋳造設備にてスラブとなした後、熱間圧延を施し、板厚３．０ｍｍの熱延コイルを得た。ついで、酸洗を施した後、種々の冷間圧延率、焼鈍温度で連続焼鈍を施し、表２に示すごとく、板厚１．００ｍｍで平均結晶粒径１５０μｍ、および２００μｍ、板厚０．６０ｍｍで平均結晶粒径２６０μｍ、板厚０．５０ｍｍで平均結晶粒径７５μｍ、９０μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、板厚０．３５ｍｍで平均結晶粒径６０μｍの冷延鋼板を得た。この冷延鋼板に表２に示す条件にて、最終「冷延−焼鈍」１回前の「冷延−焼鈍」と、ついで最終の「冷延−焼鈍」を施し、板厚０．０５０ｍｍから０．２００ｍｍの無方向性電磁鋼板を得た。また、表２中のサンプル記号Ｄ、Ｅで示す「冷延-焼鈍」が１回のみの条件にても無方向性電磁鋼板を製造した。これらの無方向性電磁鋼板から圧延方向、圧延方向と９０°の方向、圧延方向と４５°方向が長手方向になるように試験片を切り出し、岩通計測製Ｂ−Ｈアナライザおよび単板磁気測定装置を用いて、磁束密度を０．５Ｔおよび１．０Ｔとし、周波数４００〜２０，０００Ｈｚにて鉄損を測定した。
測定値から２周波法によりヒステリシス損を求めた結果を表３に示す。２周波法において、求めたい周波数におけるヒステリシス損はその周波数とその次の周波数の全鉄損の値から求めた。ただし、２０，０００Ｈｚにおいては、１０，０００Ｈｚと２０，０００Ｈｚの値を用いて求めた。表３中にはＸ方向およびＣ方向とＬ方向とのヒステリシス損の比を示してある。この比が０．８〜１．２のものを○と記し、いずれか一方でも０．８〜１．２の範囲を外れるものを×と記してある。表３からわかるように、本発明法ではヒステリシス損の異方性が少なく、圧延方向に対して、９０°方向、４５°方向ともいずれも±２０％以内に納まっている。これに対し、比較例では、すくなくとも一方は２０％を超える値を示しており、異方性が大きいといえる。
【００２９】
【表１】
2017040002.tif 000002
【００３０】
【表２】
2017040002.tif 000003
【００３１】
【表３−１】
2017040002.tif 000004
【００３２】
【表３−２】
2017040002.tif 000005