(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Si：3.5〜10mass％、
Al：５mass％以下、
Mn：１mass％以下、
Ｐ：１mass％以下及び
Cr：２〜20mass％
を含み、Ｃ及びＮを合計量0.01mass％以下で含有し、更に、Ｓを0.010 mass％以下で含有するとともに、Ti量をＣ量、Ｎ量及びＳ量との関係で、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満足する範囲とし、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が60μΩcm以上で、平均結晶粒径が75μm 以上、W10/400 が14W/kg以下、B1が0.7 T 以上であることを特徴とするＤＣモータ用電磁鋼板。
【請求項２】
Si：3.5〜10mass％、
Al：５mass％以下、
Mn：１mass％以下、
Ｐ：１mass％以下及び
Cr：２〜20mass％
を含み、Ｃ及びＮを合計量0.01mass％以下で含有し、更に、Ｓを 0.010mass％以下で含有するとともに、Ti量をＣ量、Ｎ量及びＳ量との関係で、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満足する範囲とし、かつ、
Sb及びSnから選ばれる１種又は２種よりなる群、並びに、
Ni、Cuから選ばれる１種又は２種よりなる群
の１群又は２群以上の成分を、Sb及びSnはそれぞれ１mass％以下、Niは５mass％以下、Cuは１mass％以下の範囲で含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が60μΩcm以上で、平均結晶粒径が75μm 以上、W10/400 が14W/kg以下、B1が0.7 T 以上であることを特徴とするＤＣモータ用電磁鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁鋼板に関し、ＤＣモータ、特にブラシレスＤＣモータに用いて好適な鋼板を提案しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エアコン、冷蔵庫、洗濯機等の家庭用電気製品に用いられるモータとしては、ＡＣ誘導モータが用いられてきたが、近年では、省エネルギー対策からブラシレスＤＣモータが用いられることが多くなってきた。かかるブラシレスＤＣモータについても、電気機器の消費電力を抑えるために、モータの高効率化が求められている。モータを高効率化するには、モータの構造等を変更することも考えられるが、鉄心に用いられている電磁鋼板の磁気特性を高めることも重要である。
【０００３】
従来、かようなブラシレスＤＣモータの鉄心には、Siを3.5 mass％程度含有する、安価な無方向性電磁鋼板が用いられてきた。かような通常の無方向性電磁鋼板は、安価な点や打ち抜き加工が良好である点にはメリットがあるが、高効率化を目指す場合には、今なお改良の余地が残されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明は、ＤＣモータ、特に上述したブラシレスＤＣモータに求められている高効率化を達成し得る、新規な電磁鋼板を提案することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、種々の鉄心材料を用いてモデルのモータ（希土類磁石を用いたＩＰＭ(Interior Parmanent Magnet: 内部永久磁石型) 、3 相、8 極、出力400 W）を作成し、実際にモータ効率を調査することにより、鉄心材料を評価した。その結果、モータ効率を90％以上にするためには、商用周波数によりもやや高周波域での鉄損を低減することが重要であることを見出した。また、安定してモータ効率を90％以上にするためには、素材の平均結晶粒径を大きくすることが肝要であることを見出した。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００７】
すなわち、この発明は、
Si：3.5〜10mass％、
Al：５mass％以下、
Mn：１mass％以下、
Ｐ：１mass％以下及び
Cr：２〜20mass％
を含み、Ｃ及びＮを合計量0.01mass％以下で含有し、更に、Ｓを0.010 mass％以下で含有するとともに、Ti量をＣ量、Ｎ量及びＳ量との関係で、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満足する範囲とし、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が60μΩcm以上で、平均結晶粒径が75μm 以上、W10/400 が14W/kg以下、B1が0.7 T 以上であることを特徴とするＤＣモータ用電磁鋼板である。
【０００８】
また、この発明は、
Si：3.5〜10mass％、
Al：５mass％以下、
Mn：１mass％以下、
Ｐ：１mass％以下及び
Cr：２〜20mass％
を含み、Ｃ及びＮを合計量0.01mass％以下で含有し、更に、Ｓを 0.010mass％以下で含有するとともに、Ti量をＣ量、Ｎ量及びＳ量との関係で、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満足する範囲とし、かつ、
Sb及びSnから選ばれる１種又は２種よりなる群、並びに、
Ni、Cuから選ばれる１種又は２種よりなる群
の１群又は２群以上の成分を、Sb及びSnはそれぞれ１mass％以下、Niは５mass％以下、Cuは１mass％以下の範囲で含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなり、固有抵抗が60μΩcm以上で、平均結晶粒径が75μm 以上、W10/400 が14W/kg以下、B1が0.7 T 以上であることを特徴とするＤＣモータ用電磁鋼板である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をより具体的に説明する。
この発明の鋼板は、W10/400 が14W/kg以下かつ、B1が0.7 T 以上であることが必要である。発明者らの研究によるモデルモータ評価により、モータ効率を90％以上とするためには、素材が、上述したW10/400 が14W/kg以下かつ、B1が0.7 T以上を具備することが必要であることを見出した。ここで、モータ効率とは、モデルモータにおける入力に対する出力を比で表したものである（出力／入力×100 ）。図１に成分組成を変化させることにより、鉄損特性及び磁束密度特性を変えた種々の鋼について、モータ効率を測定した結果を示す。この図１より、ブラシレスＤＣモータにおいて、モータ効率を90％以上にするためには、W10/400 が14W/kg以下かつ、B1が0.7 T 以上を満足させることが必要であることが分かる。これは、ブラシレスＤＣモータの鉄心材料については、商用周波数よりもやや高周波域での鉄損を低減することと、磁束密度の立ち上がりが早いことが重要であることを意味している。
【００１０】
この発明の鋼板において、更に安定して実機におけるモータ効率を90％以上にするためには、前述した磁気特性を満足させることに加えて、鋼板の平均結晶粒径が75μm 以上であることが必要であることを見出した。
この理由は、以下のように考える。
【００１１】
ブラシレスＤＣモータにおいては、通常はインバータ波形により励磁されるため、高周波域での鉄損が小さいことが必要だと考えられる。一般に、高周波域での鉄損を低減するためには、素材の結晶粒径を小さくすることが有効である。しかし、近年の磁石の着磁方法の改善やモータ設計の改善によって、励磁成分に低周波成分が含まれるようになったことから、素材の結晶粒径がやや大きい方が、むしろ安定して高いモータ効率が得られるものと考えられる。また、結晶粒が大きい方が打ち抜き加工時のせん断歪の影響を受けにくいことも一因と考えられる。
【００１２】
図２に、この発明の鋼板の成分組成範囲になる鋼について平均結晶粒径を種々に変化させて、実際のモータ効率を調査した結果を示す。この図２からも明らかなように、平均結晶粒径が75μm 以上の範囲を外れる場合は、実際のモータ効率90％以上が得られない。より好ましい範囲は、90μm 以上、より好ましくは100μm 以上である。また、上限は加工性の点から500 μm 以下とすることが好ましい。このように、平均結晶粒径を所定の範囲にする具体的手段としては、後述する成分調整による方法の他、仕上焼鈍の温度条件を制御する方法がある。
【００１３】
この発明の鋼板は、モータ効率を90％以上とするために、磁束密度の立ち上がりが早いほうがよい。したがって、この発明では磁束密度を、B1が0.7 T 以上とする。
【００１４】
優れた高周波鉄損、ひいては優れたモータ効率を達成するには、固有抵抗を高めることが必要であり、この発明の鋼では、60μΩcm以上が望ましい。60μΩcmより固有抵抗が低いと、板厚をいかに薄くしても所望の高周波鉄損は得られないためである。
【００１５】
この発明の成分の鋼板においては、板厚を減じれば高周波鉄損特性改善の効果を促進し、ひいてはモータ効率を向上させることができるが、この減厚の効果を格段に得るためには、板厚を0.35mm以下とすることが有効である。ただし、0.01mmより薄くするには、製造コストが高くなるばかりか、その鋼板の取扱いに格段の注意が必要で、製品製造のコストも高くなるために、板厚の範囲を0.01mm以上、0.35mm以下とするのが好ましい。更に好ましくは、0.02〜0.25mmである
【００１６】
この発明の鋼板の成分組成範囲は次のとおりである。
Siは、単独でも鋼の固有抵抗を上昇させるが、更に、Crとの相乗効果によって固有抵抗を大幅に上昇させ、特に高周波域での鉄損を低減するのに有効な成分である。Si量が3.5 mass％未満ではCrやAlを併用しても磁束密度を余り犠牲にせずに60μΩcm以上の固有抵抗を得るには至らず、このため、良好なモータ効率は得られない。一方、10mass％を超えると、Crを含有させても通常圧延可能なまでの靱性が確保できないので、Siの含有量の範囲は、3.5 mass％以上、10mass％以下、好ましくは、3.5 mass％以上、7 mass％以下、より好ましくは、3.5 mass％以上、5 mass％以下と規定する。
【００１７】
CrはSi及びAlとの相乗効果によって鋼の固有抵抗を大幅に向上させて、特に高周波域での鉄損を低減し、更には耐食性を向上させる基本的な合金成分であり、しかも、3.5 mass％以上のSi含有量の場合、又は3 mass％以上のSi含有量かつ0.5 mass％を超えるAl含有量の場合であっても通常の圧延可能な程度の靱性を得るのに極めて有効であり、その観点からは２mass％以上を要する。一方、20mass％を超えると靱性向上の効果が飽和するとともに、コスト上昇を招くので、Crの含有量の範囲は、２mass％以上、20mass％以下、好ましくは、２mass％以上、10mass％以下、より好ましくは、３mass％以上、７mass％以下と規定する。
【００１８】
Ｃ及びＮは、電磁鋼板の靱性を劣化させるために、できる限り低減するのが好ましく、その許容量はこの発明のCr量、Si量及びAl量の場合には、高靱性を確保するために合計量で0.01mass％以下に抑える必要がある。好ましくはＣ及びＮをそれぞれ0.005 mass％以下に抑える。Ｃ及びＮをそれぞれ0.005 mass％以下低減させることで十分に冷延性を確保でき、しかも、低周波域から高周波域までの磁気特性に優れる鋼板が得られる。より好ましくは、それぞれ0.003 mass％以下である。更に好ましくはそれぞれ0.0015mass％以下がよい。
【００１９】
この発明の無方向性電磁鋼板は、より好ましくはＳを0.010 mass％以下で含有するとともに、Ti量をＣ量、Ｎ量及びＳ量との関係で、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満足する範囲とする。
Ｓは、この発明では不純物成分であり、できるだけ低減することが望ましく、Ｓの許容量として上限を0.010 mass％とする。また、前述したようにこの発明では、安定してモータ効率90％以上を確保するために鋼板の平均結晶粒径を75μm以上としているのであるが、このように平均結晶粒径を75μm 以上を達成するには、Ti量をＣ量、Ｎ量及びＳ量との関係で、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満足させることが望ましいことを見出したのである。これは、安定して結晶粒成長を確保するには、Tiの炭化物、窒化物及び硫化物を低減することが有効であることを意味すると考えられる。かかるTiの炭化物、窒化物及び硫化物は、それぞれ異なる温度で生成し、単独で又は複合して粒成長に悪影響を与えるが、Ti×（Ｃ＋Ｎ＋Ｓ）×105 ≦5.0 を満たすようにTiの量を制御することにより、この悪影響が軽減できるものと考えられる。
【００２０】
上述したもの以外の不純物量は特に限定されないが、一般の珪素鋼と同様に、磁気特性及び加工性を良好に保つためには、以下の範囲に制限することが重要である。Ｏは0.005 mass％以下、好ましくは0.003 mass％以下、より好ましくは0.0015mass％以下がよい。Ｖは0.005 ％以下、好ましくは0.002 mass％以下、より好ましくは0.0015mass％以下がよい。その他、La、Mg等も極力低減させることが好ましい。
【００２１】
この発明の無方向性電磁鋼板は、上述したSi、Crに加えて、Al、Mn及びＰを併せて含有させる。
また、
Sb及びSnから選ばれる１種又は２種よりなる群、並びに、
Ni、Cuから選ばれる１種又は２種よりなる群
の１群又は２群以上の成分を含有させることができる。
【００２２】
Alは、Siと同様にCrとの相乗効果によって鋼の固有抵抗を大幅に向上させ、高周波域での鉄損を低減するのに有効な成分であるので、この発明では、Alを含有させる。しかし、Al量が５mass％を超えると、コスト上昇を招くうえに、この発明のようにSiを3.5 mass％以上含有する鋼では、Crを多量に含有させても通常の圧延が可能なまでの靱性が確保できないので、Alの含有量は５mass％以下とする。Alの下限は特に限定する必要がないが、脱酸や結晶粒成長性の改善のために0.005 〜0.3 mass％程度を含有させることがある。更に、Alを積極的に固有抵抗の増大のために活用するときは、この発明のようにSiが3.5 mass％以上含有されている鋼ではAlが0.5 mass％未満では固有抵抗を更に上昇させるに十分な効果が得られない。したがって、好ましくはAlの含有量は0.05mass％以上、５mass％以下、より好ましくは0.5 mass％以上、３mass％以下である。
【００２３】
Mn及びＰは、Fe−Cr−Si系合金に更に添加することにより、一層の固有抵抗の上昇を与えることが知られている。これらの成分の添加により、この発明の趣旨が損なわれることなく、更なる鉄損の低減が達成できる。そこで、この発明では、Mn、Ｐを含有させるものとした。とはいえ、これらの成分を大量に添加するとコスト上昇を招くので、それぞれの添加量は１mass％を上限とする。より好ましくは0.5 mass％以下がよい。
【００２４】
Sb及びSnは、いずれも集合組織を改善する作用を有し、それにより製品の磁気特性向上に寄与する。したがって、この発明では、Sb及びSnから選ばれる1 種又は2 種を、それぞれ1 mass％以下の範囲で添加させることができる。Sb量やSn量が1 mass％を超えると効果は薄れ、また、コストの上昇を招くことからSb量、Sn量の上限は1 mass％とする。なお、Sb量、Sn量の下限は特に限定するものではないが、前述したSb、Snの添加効果を十分に発揮させるためには、それぞれ、0.001 mass％以上を添加することが好ましい。
【００２５】
Ni及びCuは、いずれも磁気特性を改善する作用を有する。また、延性−脆性遷移温度を下げて、加工性を向上させる。更に、結晶粒径を細粒化する作用を有するため、渦電流損を低減させる効果がある。また、いずれも製品の耐食性、耐候性を改善する作用を有する。したがって、この発明では、所望の諸特性に応じて、NiやCuを含有させることができる。Ni量が5 mass％を超える場合やCu量が1 mass％を超える場合は、いずれも、前述の効果が飽和するばかりか、飽和磁束密度を著しく低下させるため、また、延性を劣化させ、更には、コスト上昇を招くことから、Ni、Cuの含有量の上限はそれぞれ5 mass％、1 mass％とする。なお、Ni量、Cu量の下限は特に限定するものではないが、前述したNi、Cuの添加効果を十分に発揮させるためには、それぞれ、0.005 mass％以上を含有させることが好ましい。
【００２７】
この発明の無方向性電磁鋼板は、以下の方法により製造することができる。
前述した成分組成範囲に調整された素材を、連続鋳造又は造塊−分塊圧延によりスラブとし、又は、薄スラブ連続鋳造法を用いて、厚みの薄いスラブを製造する。得られたスラブは、加熱保持後に熱間圧延に供するか、また、CC-DR 法( 連続鋳造後、直送し圧延する方法) やHCR ( 連続鋳造後、保温を行う方法) 法のように、連続鋳造時の顕熱を保持したまま加熱することなく熱間圧延に供することができる。
【００２８】
その後の熱間圧延は、極力薄く圧延することによって、次工程の冷間圧延ないしは温間圧延における加工性、すなわち圧延性を良好にすることができる。そのための熱延板の厚みは3 mm以下、好ましくは2.5 mm以下、より好ましくは2.0 mm以下とする。
【００２９】
熱間圧延後は、必要に応じて熱延板焼鈍を行う。熱延板焼鈍を行うことにより、圧延された素材の集合組織が改善され、鉄損特性の向上に有利に作用する。
この熱延板焼鈍条件は、例えば、温度700 〜1100℃、時間1 秒〜2 時間で行う。熱間圧延後又は必要に応じて行った熱延板焼鈍後は、酸洗もしくはショットブラスト等により熱延スケールを除去した後に、冷間圧延や温間圧延を行う。
【００３０】
以上のような冷間圧延や温間圧延は、１回の圧延又は途中焼鈍を含む２回以上の圧延により行う。途中焼鈍を行うことは、圧延材の集合組織の改善を通じて磁気特性の向上に有利に作用する。また、この冷間圧延や温間圧延の作業性を改善することができる。途中焼鈍の条件は、例えば、温度600 〜1100℃で時間1 秒〜10分の範囲とする。
ここで、冷間圧延及び温間圧延は、コストの面からできるだけ低い温度とすることが好ましい。温間圧延を行う場合は、300 ℃程度以下の温度とすることが望ましい。
【００３１】
冷間圧延、温間圧延の後は、仕上げ焼鈍を施し、更に絶縁被膜を被成して製品とする。これらの仕上げ焼鈍の条件、絶縁被膜の被成条件に関しては、通常の電磁鋼板や電磁ステンレス鋼板で常用される方法と同様にすればよい。さらに素材成分を調整すること及び／又は仕上げ焼鈍の温度条件を制御することにより、平均結晶粒径を75μm 以上にすることができる。
【００３２】
【実施例】
表１に示す成分組成を含み、残部が鉄及び不可避的不純物よりなる鋼を溶製し、連続鋳造によりスラブとし、熱間圧延により板厚2.0 mmの熱延板とした。これらの熱延板のスケールを除去した後に、板厚0.90mmまで冷間圧延を行い、850 ℃で10秒間の中間焼鈍を水素・窒素混合雰囲気中で行った。これらの鋼板を更に冷間圧延によって板厚0.35mmとし、900 ℃で10秒間の最終焼鈍を水素・窒素混合雰囲気中で行い、絶縁被膜を付与した。得られた製品をエプスタイン試料に切り出し、JIS C 2550 (1975年) に準じて磁気特性を測定した結果を、モータに組み込んだ場合のモータ効率等と共に表２に示す。
【００３３】
【表１】
0004258949.tif 000002
【００３４】
【表２】
0004258949.tif 000003
【００３５】
表２から明らかなように、この発明の要件である固有抵抗、粒径及び鉄損値を満たす例は、優れた実機モータ効率が格段に優れている。
【００３６】
【発明の効果】
この発明の方向性電磁鋼板は、ブラシレスＤＣモータ用としてモータ効率90％以上を達成可能であり、省エネルギーの観点からその工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  W10/400 及びB1が、モータ効率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図２】  結晶粒径がモータ効率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図１】
0004258949.tif 000004
【図２】
0004258949.tif 000005