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JP7054074B2 - 無方向性電磁鋼板の製造方法とモータコアの製造方法およびモータコア - Google Patents
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無方向性電磁鋼板の製造方法とモータコアの製造方法およびモータコア Download PDF

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Description

本発明は、無方向性電磁鋼板の製造方法と該電磁鋼板を用いたモータコアの製造方法ならびに該電磁鋼板からなるモータコアに関するものである。
近年の電気機器に対する省エネルギー化への要求の高まりに伴い、回転機の鉄心（モータコア）に用いられる無方向性電磁鋼板に対して、より優れた磁気特性が要求されるようになってきている。上記モータコアは、固定されたステータコアと回転するロータコアに分けられる。ＨＥＶ駆動モータ等には、近年における小型・高出力化に対する要求を満たすため、高周波の駆動電源が用いられている。従って、ステータコアに用いられる無方向性電磁鋼板には、高周波で高磁束密度かつ低鉄損の優れた磁気特性が強く求められる。
上記小型・高出力化を達成する手段として、モータの回転数が高められる傾向にあり、外径の大きいＨＥＶ駆動モータのロータコアには大きな遠心力が働く。また、ロータコアにブリッジ部と呼ばれる非常に狭い部分（１～２ｍｍ）が存在する場合には当該箇所に大きな負荷がかかる。従って、ロータコアに使用される無方向性電磁鋼板には、従来よりも高強度であることが求められる。
モータコアに用いられる無方向性電磁鋼板の要求される特性としては、磁気特性に優れていることは勿論、ロータコア用には高強度であることが、また、ステータコア用には、高周波域でより高磁束密度・低鉄損であることが望ましい。
このように、同じモータコアに使用される無方向性電磁鋼板であっても、ロータコア用とステータコア用では求められる特性が大きく異なる。一方、モータコアを製造する上では、材料歩留りを高める等の観点から、同一の素材鋼板からロータコア材とステータコア材を同時に採取し、その後、それぞれのコア材を積層してロータコアまたはステータコアに組み立てられるのが望ましい。
特許文献１には、ロータコア材とステータコア材を同一の素材鋼板から採取し、積層してローコアとステータコアを組み立てた後、ステータコアのみに歪取焼鈍を施してモータコアを製造することが開示されている。そして、素材鋼板として、板厚が０．１５～０．３５ｍｍで、歪取焼鈍前における鋼板の降伏強度が６００ＭＰａ以上、歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００が２０Ｗ／ｋｇ以下である無方向性電磁鋼板が提案されている。
特開２００８－５０６８６号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示の技術では、歪取焼鈍における結晶粒成長を促すため、素材鋼板に含まれる不純物元素（Ｔｉ，Ｓ，Ｎ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ａｓ）を極めて低いレベルまで低減する必要がある。また、この技術では、原料コストが高いＮｉを添加していることや、低鉄損化のために歪取焼鈍前にスキンパス圧延を施していることから、製造コストが高いという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑み、高強度のロータコアと、歪取焼鈍後の磁気特性に優れるステータコアを同一素材から製造することができる無方向性電磁鋼板の製造方法を提案することを目的とする。さらに、該無方向性電磁鋼板を用いたモータコアの製造方法を提案するとともに、該無方向性電磁鋼板からなるモータコアを提供することを目的とする。
発明者らは、ロータコアに要求される高強度と、ステータコアに要求される歪取焼鈍後の優れた磁気特性とを両立した無方向性電磁鋼板を開発するべく、素材鋼板の表面性状が無方向性電磁鋼板の磁気特性に与える影響に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、歪取焼鈍後の鋼板表層においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の量と全板厚においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の量の比を適正化することで、歪取焼鈍後の鉄損特性が大きく改善されることを見出した。そして、上記窒素量の比を適正化するには、素材鋼板におけるＺｎの含有量を所定の範囲内に制御して歪取焼鈍時の素材鋼板表面の窒化を抑制することが重要であるとの知見を得、本発明を開発するに至った。
上記知見に基づく本発明は、Ｃ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．８～６．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０５～２．０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．３～２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．０００５～０．００５０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３０ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、かつ、Ｓｉ＋Ａｌ≧４ｍａｓｓ％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鋼スラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延し、仕上焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造方法において、上記仕上焼鈍後の鋼板の降伏応力を４８０ＭＰａ以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法を提案する。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法に用いる上記鋼スラブは、ＺｎおよびＳの含有量（ｍａｓｓ％）が下記（１）式；
０．２０≦（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）≦０．９０ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする。
また、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、上記仕上焼鈍の均熱温度を７００～９００℃の範囲とすることを特徴とする。
また、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法に用いる上記鋼スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ～Ｄ群；
・Ａ群；Ｓｎ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
・Ｂ群；Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％
・Ｃ群；Ｃｒ，Ｃｏ，ＮｉおよびＣｕのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１～１．０ｍａｓｓ％
・Ｄ群；Ｍｏ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＷ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
また、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法に用いる上記鋼スラブは、上記成分組成に加えてさらに、その他の選択元素を上記無方向性電磁鋼板の強度特性および磁気特性に影響を与えない範囲で含有することを特徴とする。
また、本発明は、上記のいずれかに記載の方法で製造した無方向性電磁鋼板からロータコア材とステータコア材を同時に採取した後、上記ロータコア材を積層してロータコアとし、上記ステータコア材を積層し、歪取焼鈍を施してステータコアとして１組のモータコアを製造する方法において、上記ステータコアを構成する鋼板が、片側表面から板厚１／２０までの層においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ１（ｍａｓｓ％）、全板厚においてＡｌＮとして存在する窒素量（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ２（ｍａｓｓ％）とし、鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上記Ｎ１，Ｎ２およびｔが、下記（２）式；
（ｔ×Ｎ２）／｛（ｔ／１０）×Ｎ１｝≧５．０ ・・・（２）
を満たし、かつ、鉄損Ｗ１０／４００（Ｗ／ｋｇ）が、板厚ｔ（ｍｍ）との関係において、下記（３）式；
Ｗ１０／４００≦８＋２０×ｔ ・・・（３）
を満たすよう歪取焼鈍を施すことを特徴とするモータコアの製造方法を提案する。
本発明のモータコアの製造方法は、上記歪取焼鈍の均熱温度を７８０～９５０℃の範囲とし、歪取焼鈍の雰囲気を、窒素、水素および希ガスのうちから選ばれる１種または２種以上の混合ガスとし、かつ、上記雰囲気中の窒素含有量を３０ｖｏｌ％以下、露点を－２０℃以下とすることを特徴とする。
また、本発明は、Ｃ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．８～６．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０５～２．０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．３～２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．０００５～０．００５０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３０ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、かつ、Ｓｉ＋Ａｌ≧４ｍａｓｓ％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する無方向性電磁鋼板からなるロータコアと、上記と同一の無方向性電磁鋼板からなるステータコアとから構成されるモータコアにおいて、上記ロータコアを構成する鋼板は、降伏応力が４８０ＭＰａ以上であり、上記ステータコアを構成する鋼板は、鋼板の片側表面から板厚１／２０までの層においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ１（ｍａｓｓ％）、全板厚においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ２（ｍａｓｓ％）とし、鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上記Ｎ１，Ｎ２およびｔが下記（２）式；
（ｔ×Ｎ２）／｛（ｔ／１０）×Ｎ１｝≧５．０ ・・・（２）
を満たし、かつ、鉄損Ｗ１０／４００（Ｗ／ｋｇ）が板厚ｔ（ｍｍ）との関係において下記（３）式；
Ｗ１０／４００≦８＋２０×ｔ ・・・（３）
を満たすことを特徴とするモータコアである。
本発明のモータコアの素材となる上記無方向性電磁鋼板は、ＺｎおよびＳの含有量（ｍａｓｓ％）が下記（１）式；
０．２０≦（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）≦０．９０ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする。
また、本発明のモータコアの素材となる上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ～Ｄ群；
・Ａ群；Ｓｎ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
・Ｂ群；Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％
・Ｃ群；Ｃｒ，Ｃｏ，ＮｉおよびＣｕのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１～１．０ｍａｓｓ％
・Ｄ群；Ｍｏ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＷ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
また、本発明のモータコアの素材となる上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、その他の選択元素を上記無方向性電磁鋼板の強度特性および磁気特性に影響を与えない範囲で含有することを特徴とする。
本発明によれば、仕上焼鈍後は高強度、歪取焼鈍後は低鉄損である無方向性電磁鋼板を製造することができ、高強度が要求されるロータコアと低鉄損が要求されるステータコアを同一の素材鋼板から製造することが可能となる。その結果、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、掃除機、高速発電機、エアコンコンプレッサー、工作機械等のモータコアを安定して提供することが可能となる。
歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００に及ぼすＺｎ含有量の影響を示すグラフである。 歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００に及ぼす歪取焼鈍後の鋼板においてＡｌＮとして存在する表層と全板厚の窒素量比の影響を示すグラフである。 歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００に及ぼすＺｎとＳの原子比｛（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）｝の影響を示すグラフである。 歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００に及ぼす歪取焼鈍雰囲気中の窒素分圧の影響を示すグラフである。 歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００に及ぼす歪取焼鈍雰囲気の露点の影響を示すグラフである。
以下、本発明を開発する契機となった実験について説明する。
まず、機械的特性および磁気特性の測定に供する仕上焼鈍板を下記の工程で製造した。
１．下記の成分組成の鋼を真空溶解炉で１１チャージ溶製し、鋳造して鋼素材とする連続鋳造工程。
（鋼の成分組成）
Ｃ：０．００２５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．７ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００２１ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．９ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１９ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００１１ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．０００９ｍａｓｓ％およびＯ：０．００２４ｍａｓｓ％を含有し残部がＦｅおよび不可避不純物からなる。
２．鋼素材を板厚２．０ｍｍの熱延板とする熱間圧延工程。
３．熱延板を９３０℃×３０ｓｅｃで焼鈍する熱延板焼鈍工程。
４．熱延板焼鈍後の熱延板を酸洗する酸洗工程。
５．酸洗後の熱延板を最終板厚０．２５ｍｍの冷延板とする冷間圧延工程。
６．ｖｏｌ％比でＨ２：Ｎ２＝２０：８０の雰囲気下で冷延板に８００℃×１０ｓｅｃの仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程。
この仕上焼鈍板から、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を行い、上降伏点を測定した。さらに、上記仕上焼鈍板の圧延方向（Ｌ方向）および圧延直角方向（Ｃ方向）のそれぞれから、長さ１８０ｍｍ×幅３０ｍｍの試験片を切り出し、Ｎ２＝１００ｖｏｌ％の雰囲気下で８５０℃×１ｈｒの歪取焼鈍を模擬した熱処理を施した後、エプスタイン試験にて、（Ｌ＋Ｃ）方向の鉄損Ｗ１０／４００を測定した。
その結果、測定された鉄損値にはバラツキがあり、その原因を調査するため、各鋼素材（スラブ）中の微量成分を分析した結果、Ｚｎが０．０００１～０．０１ｍａｓｓ％の範囲で含まれていることがわかった。
下記表１は、鋼素材中のＺｎ含有量と鉄損Ｗ１０／４００との関係を、また、図１は、上記関係を図面化したものである。表１および図１に示されるように、Ｚｎが０．０００５～０．００５ｍａｓｓ％の範囲で鉄損の低下が認められる。この鉄損低下の原因を調査するため、仕上焼鈍後の鋼板の断面をＳＥＭで観察した。その結果、鉄損の増加が認められた試験片には、鋼板の表面から板厚の１／２０の範囲内に微細なＡｌＮの析出が認められ、この微細な窒化物の析出によって鉄損が増加したものと推定された。
Figure 0007054074000001
そこで、上記歪取焼鈍後の鋼板について、電解抽出法で、鋼板の片側表面から板厚１／２０の層内においてＡｌＮとして存在しているＮの含有量Ｎ１（ｍａｓｓ％）および鋼板の全板厚においてＡｌＮとして存在しているＮの含有量Ｎ２（ｍａｓｓ％）を分析した。この分析結果と鉄損の関係を表１に示した。図２は、表１を図面化したものである。表１および図２から、鋼板の片側表面から板厚１／２０の層内にＡｌＮとして存在する窒素量に対する鋼板の全板厚にＡｌＮとして存在する窒素量の比である（ｔ×Ｎ２）／｛（ｔ／１０）×Ｎ１｝の値が大きくなるほど、すなわち、鋼板表層の窒化度が大きいほど、鉄損が低下していることがわかった。
Figure 0007054074000002
上記の結果から、Ｚｎ含有量が０．０００５～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲で鉄損の低下が認められた原因は、Ｚｎの微量添加により、歪取焼鈍時に鋼板表面に亜鉛系の酸化物が形成され、歪取焼鈍時の窒化が抑制されたためと考えられる。また、Ｚｎの含有量が多くなると、却って鉄損が上昇する理由は、Ｚｎが硫化物を形成して析出し、鉄損を増加させるためであると考えられる。
上記のように、Ｚｎ含有量が０．０００５～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲内であれば十分に低鉄損が実現できているが、図１、図２に示すように、低鉄損の中でも鉄損値に差が存在するため、その原因を特定すべく、Ｚｎと他の微量元素との比率を調査した。その結果、表３および表３を図面化した図３に示すように、ＺｎとＳの含有量が、所定の範囲内にあるときに、更なる低鉄損が実現できていることがわかった。
具体的には、ＺｎとＳの原子比を表す（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）が、下記（１）式；
０．２０≦（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）≦０．９０ ・・・（１）
を満たすことがより好ましいことがわかった。これは、０．２０＞（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）では、上記範囲内である場合に比べて、Ｚｎの窒化抑制効果が得られ難くなるためと推定される。また、（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）＞０．９０では、ＺｎＳの析出量が多くなり、却って鉄損が増加するためと推定される。
Figure 0007054074000003
次に、歪取焼鈍時における鋼板表層の窒化に大きく影響すると考えられる雰囲気の影響について調査した。本調査においては、機械的特性および磁気特性の測定に供する仕上焼鈍板は下記工程により製造した。
１．下記成分組成の鋼を真空溶解炉で７チャージ溶製し、鋳造して鋼素材とする連続鋳造工程。
（鋼の成分組成）
Ｃ：０．００２６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．６ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００１７ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００２１ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００１３ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．０００９ｍａｓｓ％、Ｏ：０．００２２ｍａｓｓ％およびＺｎ：０．００１９ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。
２．鋼素材を板厚１．８ｍｍの熱延板とする熱間圧延工程。
３．熱延板を９２０℃×３０ｓｅｃで焼鈍する熱延板焼鈍工程。
４．熱延板焼鈍後の熱延板を酸洗する酸洗工程。
５．酸洗後の熱延板を最終板厚０．３０ｍｍの冷延板とする冷間圧延工程。
６．ｖｏｌ％比でＨ２：Ｎ２＝２０：８０の雰囲気下で冷延板に７９０℃×１０ｓｅｃの仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程。
この仕上焼鈍板から、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を行い、上降伏点を測定したところ、５６０ＭＰａであった。次いで、上記仕上焼鈍板の圧延方向（Ｌ方向）および圧延直角方向（Ｃ方向）のそれぞれから、長さ１８０ｍｍ×幅３０ｍｍの試験片を切り出し、水素と窒素の混合雰囲気下で８２５℃×１ｈｒの歪取焼鈍を模擬した熱処理を施した後、エプスタイン試験にて、（Ｌ＋Ｃ）方向の鉄損Ｗ１０／４００を測定した。この際、歪取焼鈍における混合雰囲気の露点（ｄｐ）を－５０℃（一定）とし、窒素分圧を０～１００ｖｏｌ％の範囲で種々に変化させる実験と、窒素分圧を２０ｖｏｌ％（一定）とし、露点を－６０～３０℃の範囲で種々に変化させる実験を行った。
表４は、歪取焼鈍の雰囲気中の窒素分圧と歪取焼鈍後の鉄損との関係を示したものである。また、図４は、上記表４を図面化したものである。表４および図４から、歪取焼鈍時の雰囲気中の窒素分圧を３０ｖｏｌ％以下に低減することで、優れた鉄損特性が得られることがわかる。これは、歪取焼鈍時の雰囲気中の窒素分圧を３０ｖｏｌ％以下に低減することで、鋼板表層の窒化が抑制されたためであると考えられる。
Figure 0007054074000004
また、表５は、歪取焼鈍の雰囲気の露点と歪取焼鈍後の鉄損との関係を示したものである。また、図５は、上記表５を図面化したものである。表５および図５から、歪取焼鈍時の雰囲気の露点を－２０℃以下にすることで、優れた鉄損特性が得られることがわかる。これは、歪取焼鈍時の雰囲気の露点を－２０℃以下にすることで、鋼板表面におけるＡｌ２Ｏ３等の酸化層の形成が抑制され、ヒステリシス損の増加が抑止されたためであると考えられる。
本発明は、上記の新規な知見に、さらに検討を加えてなされたものである。
Figure 0007054074000005
次に、本発明に無方向性電磁鋼板の成分組成を限定する理由について説明する。
Ｃ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｃは、炭化物を形成して磁気時効を起こし、製品板の鉄損特性を劣化させる有害元素である。そのため、素材中に含まれるＣの上限は０．００５０ｍａｓｓ％に制限する必要がある。好ましくは、０．００４０ｍａｓｓ％以下である。なお、Ｃの下限は、特に規定しないが、製鋼での脱炭コストを抑制する観点から、０．０００１ｍａｓｓ％程度とするのが好ましい。
Ｓｉ：２．８～６．５ｍａｓｓ％
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減する効果があり、また、固溶強化によって鋼の強度を高める効果があるため、２．８ｍａｓｓ％以上含有させる。一方、６．５ｍａｓｓ％を超えると、圧延することが困難になるため、上限は６．５ｍａｓｓ％とする。好ましくは、３．０～６．０ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｍｎ：０．０５～２．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗と強度を高めるのに有用な元素であり、また、硫化物を形成してＳを固定し、熱間脆性を改善する元素でもあるため、０．０５ｍａｓｓ％以上含有させる。一方、２．０ｍａｓｓ％を超える添加は、スラブ割れ等を引き起こし、製鋼での操業性を悪化するため、上限は２．０ｍａｓｓ％とする。好ましくは、０．１～１．５ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｐ：０．１０ｍａｓｓ％以下
Ｐは、固有抵抗を高め、渦電流損の低減効果が大きい元素であり、また、固溶強化能にも優れるため、適宜添加することができる。しかし、Ｐの過剰な添加は、冷間圧延性の悪化を招くので、上限は０．１０ｍａｓｓ％とする。好ましくは、０．０５ｍａｓｓ％以下である。
Ｓ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｓは、硫化物となって析出物や介在物を形成し、製造性（熱間圧延性）や製品板の磁気特性を低下させるので、極力低減するのが好ましい。そこで、Ｓの上限は０．００５０ｍａｓｓ％とする。より好ましくは、０．００３０ｍａｓｓ％以下である。
Ａｌ：０．３～２ｍａｓｓ％
Ａｌは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗を高めて、鉄損を低減する効果がある。しかし、Ａｌが０．３ｍａｓｓ％未満では、微細な窒化物を形成して析出し、鉄損特性を悪化させるため、下限は０．３ｍａｓｓ％とする。一方、Ａｌが２ｍａｓｓ％を超えると、鋼が脆化し、圧延することが困難になるため、上限は２ｍａｓｓ％とする。好ましくは、０．４～１．５ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｎは、窒化物を形成して析出し、磁気特性を劣化させる元素であるため、０．００５０ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは、０．００４０ｍａｓｓ％以下である。
Ｚｎ：０．０００５～０．００５０ｍａｓｓ％
Ｚｎは、本発明において最も重要な成分の一つであり、歪取焼鈍時の鋼板表面の窒化を抑制する効果があるため、０．０００５ｍａｓｓ％以上添加する。一方、０．００５０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、硫化物を形成して析出し、却って鉄損を増加させるため、０．００５０ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは、０．００１～０．００４ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｔｉ：０．００３０ｍａｓｓ％以下およびＮｂ：０．００３０ｍａｓｓ％以下
ＴｉおよびＮｂは、微細析出物を形成して析出し、鉄損を増加させる元素である。特に、それぞれの元素の含有量が０．００３０ｍａｓｓ％を超えると、上記悪影響が顕著になるため、ＴｉおよびＮｂの含有量はそれぞれ０．００３０ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは、それぞれ０．００２０ｍａｓｓ％以下である。
Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｏは、酸化物を形成して磁気特性を劣化させる元素であるため、０．００５０ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは、０．００４０ｍａｓｓ％以下である。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分組成を満たすことに加えて、上記Ｓに対するＺｎの原子比、すなわち（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）が、下記（１）式；
０．２０≦（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）≦０．９０ ・・・（１）
を満たすことが好ましい。ＺｎとＳの原子比が上記（１）式を満たすことで、Ｚｎの窒化抑制効果を顕著に発現させることができる。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。ただし、上記成分に加えてさらに、以下の成分を含有してもよい。
Ｓｎ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％
ＳｎおよびＳｂは、再結晶集合組織を改善し、磁束密度や鉄損を改善する効果がある。上記効果を得るためには、それぞれ０．００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、０．２０ｍａｓｓ％超え添加しても、上記効果が飽和する。よって、ＳｎおよびＳｂは、１種または２種を、それぞれ０．００５～０．２０ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。より好ましくは、それぞれ０．０１～０．１ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｃａ：０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％およびＲＥＭ：０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％
Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭは、安定な硫化物を形成し、歪取焼鈍時の粒成長性を改善する効果がある。上記効果を得るためには、上記元素のうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、０．０２０ｍａｓｓ％超え添加しても、上記効果は飽和してしまう。よって、上記元素を添加する場合は、合計で０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは、０．００１～０．００８ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｃｒ：０．０１～１．０ｍａｓｓ％、Ｃｏ：０．０１～１．０ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．０１～１．０ｍａｓｓ％およびＣｕ：０．０１～１．０ｍａｓｓ％
Ｃｒ，Ｃｏ，ＮｉおよびＣｕは、鋼の固有抵抗を上昇させ、鉄損を低減するとともに、鋼の強度を高める効果がある。上記効果を得るためには、Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。しかし、１．０ｍａｓｓ％以上の添加はコストの上昇を招く。よって、上記元素は、合計で０．０１～１．０ａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。より好ましくは、０．１～０．５ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｍｏ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＷ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％
ＭｏおよびＷは、いずれも鋼板表面の欠陥（ヘゲ）を抑制するのに有効な元素である。特に、本発明の鋼板は、高合金鋼で表面が酸化され易いため、表面割れに起因するヘゲの発生率が高いが、高温強度を高める元素であるＭｏおよびＷを微量添加することで、上記割れを抑制することができる。上記効果は、ＭｏおよびＷのそれぞれの含有量が０．００１０ｍａｓｓ％を下回ると十分ではなく、一方、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加しても、上記効果が飽和し、合金コストが上昇するだけである。よって、ＭｏおよびＷを添加する場合はそれぞれの含有量を上記範囲とするのが好ましい。より好ましくはそれぞれ０．００５０～０．０５０ｍａｓｓ％の範囲である。
また、本発明の無方向性電磁鋼板は、上記以外の成分を、無方向性電磁鋼板の強度特性および磁気特性に悪影響を及ぼさない範囲で含有してもよい。強度特性に悪影響を及ぼさないとは、当該元素が含有されることを理由として仕上焼鈍後の降伏応力が４８０ＭＰａを下回らないことを意味する。また、磁気特性に悪影響を及ぼさないとは、当該元素が含有されることを理由として鉄損Ｗ１０／４００（Ｗ／ｋｇ）が後述する（３）式で算出される基準値を下回らないことを意味する。上記外の成分としては、例えば、０．１０ｍａｓｓ％以下のＡｓおよび０．１０ｍａｓｓ％以下のＢｉなどを挙げることができる。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造工程は、上記した鋼素材の製造工程、熱間圧延工程、熱延板焼鈍工程、酸洗工程、冷間圧延工程および仕上焼鈍工程を含む一連の工程からなる。以下、具体的に説明する。
＜鋼素材の製造工程＞
本発明の無方向性電磁鋼板の製造に用いる鋼素材（スラブ）は、上記した本発明に適合する成分組成を有する鋼を、転炉や電気炉、真空脱ガス装置等を用いた通常公知の精錬プロセスで溶製し、常法の連続鋳造法あるいは造塊－分塊圧延法で製造することができる。なお、直接鋳造法で１００ｍｍ以下の厚さの薄鋳片を製造してもよい。
＜熱間圧延工程＞
次いで、上記鋼スラブは、通常公知の方法・条件で熱間圧延して熱延板とする。なお、上記鋼スラブは、通常、加熱炉で所定の温度に再加熱してから熱間圧延に供するが、鋳造後、再加熱することなく直ちに熱間圧延に供してもよい。また、薄鋳片の場合は、熱間圧延してもよいし、熱間圧延を省略して、そのまま以後の工程に進めてもよい。
＜熱延板焼鈍工程＞
熱間圧延に続く熱延板焼鈍は、均熱温度を８００～１１００℃の範囲として施すのが好ましい。８００℃未満では、熱延板焼鈍の効果が小さく、十分な磁気特性改善効果が得られず、一方、１１００℃を超えると、結晶粒が粗大化して、冷間圧延時の脆性破壊（板破断）を助長したり、製造コスト的に不利となったりする。また、均熱時間は、生産性を確保する観点から、１８０ｓｅｃ以下とするのが好ましい。より好ましくは、均熱温度は８５０～１０００℃、均熱時間は６０ｓｅｃ以下である。
＜冷間圧延工程＞
次いで、上記熱延板焼鈍後の鋼板は、酸洗して脱スケールした後、１回の冷間圧延または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終板厚の冷延板とする。冷間圧延の仕上厚（最終板厚）は、特に制限されるものではないが０．１～０．３５ｍｍの範囲とすることが好ましい。０．１ｍｍ未満では生産性が低下し、一方、０．３５ｍｍ以上では、鉄損低減効果が小さいためである。
＜仕上焼鈍工程＞
最終板厚とした冷延板は、その後、仕上焼鈍を施す。この仕上焼鈍は連続焼鈍とするのが好ましく、均熱温度は７００～９００℃、上記均熱温度に保持する時間は１～３００ｓｅｃの範囲とするのが好ましい。均熱温度が７００℃未満、均熱時間が１ｓｅｃ未満では、再結晶が十分に進行せず、良好な磁気特性が得られないことに加えて、連続焼鈍における形状矯正効果が十分に得られない。一方、均熱温度が９００℃超え、均熱時間が３００ｓｅｃ超えでは、結晶粒径が粗大化し、鋼板の強度が低下してしまう。なお、ロータコアに求められる仕上焼鈍後の強度（降伏応力：４８０ＭＰａ以上）を確保する観点から、仕上焼鈍は、形状矯正が可能な範囲でできる限り低温・短時間とするのが望ましく、均熱温度は７５０～８５０℃、均熱時間は１～３０ｓｅｃの範囲とするのがより好ましい。
上記仕上焼鈍後の鋼板は、引張試験を行なった時の降伏応力（上降伏点）が、４８０ＭＰａ以上の特性を有するものとなるが、上記鋼板は、後述するように、本発明に適合する条件で歪取焼鈍を行なった場合には、非常に優れた鉄損特性を有するものとなることが特徴である。
上記仕上焼鈍後の鋼板は、その後、積層時の絶縁性を確保するため、鋼板表面に絶縁被膜を被成して製品板（無方向性電磁鋼板）とするのが好ましい。この絶縁被膜は、良好な打ち抜き性を確保するためには、樹脂を含有する有機被膜を選択するのが望ましく、一方、溶接性を重視する場合には、半有機被膜や無機被膜を選択するのが望ましい。
次いで、本発明のモータコアと、その製造方法について説明する。
本発明のモータコアは、上記のようにして得た仕上焼鈍後の鋼板を素材とし、該素材鋼板から打抜加工等でコア形状のロータコア材とステータコア材とを同時に採取する。その後、上記ロータコア材は積層し、固定してロータコアに組み立て、上記ステータコア材は積層し、固定してステータコアに組み立てる。
次いで、高強度が要求されるロータコアは、そのままモータコアに使用するが、優れた磁気特性が要求されるステータコアは、さらに、歪取焼鈍を施し、磁気特性の改善を図った後、モータコアに使用する。この歪取焼鈍は、本発明において極めて重要な工程であり、７８０～９５０℃×０．１～１０ｈｒの条件で行うのが好ましい。歪取焼鈍温度が７８０℃未満、焼鈍時間が０．１ｈｒ未満では、鉄損改善効果が小さい。一方、焼鈍温度が９５０℃を超えたり、焼鈍時間が１０ｈｒを超えたりすると、積層した鋼板間の絶縁を確保することが困難となったり、生産性が阻害されたりする。
また、歪取焼鈍時の雰囲気も極めて重要であり、鋼板表層の窒化を抑制する観点から、不活性ガス雰囲気中で行う。具体的には、Ｎ２、Ｈ２および希ガスのうちから選ばれる１種または２種以上の混合ガスで、かつ、上記雰囲気ガス中のＮ２の含有量が３０ｖｏｌ％以下の雰囲気ガスであることが好ましい。例えば、ｖｏｌ％比でＨ２：Ｎ２＝８０：２０の雰囲気とするのが好ましい。また、雰囲気の露点は、鋼板表面の酸化を防止し、鉄損を低減する観点から、－２０℃以下とするが好ましく、－４０℃以下とするのがより好ましい。なお、上記歪取焼鈍時の雰囲気制御は、加熱、均熱および冷却時の６００℃以上の温度域において実施するのが好ましい。
上記条件を満たして歪取焼鈍を行った鋼板、すなわち、ステータコアを構成する鋼板は、鋼板の片側表面から板厚１／２０までの層においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ１（ｍａｓｓ％）、全板厚においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ２（ｍａｓｓ％）とし、鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上記Ｎ１，Ｎ２およびｔが、下記（２）式；
（ｔ×Ｎ２）／｛（ｔ／１０）×Ｎ１｝≧５．０ ・・・（２）
を満たすものとなる。
上記（２）式は、上述したように、素材鋼板のＺｎ含有量を０．０００５～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲に制御するとともに、歪取焼鈍時の雰囲気の窒素分圧を３０ｖｏｌ％以下および露点を－２０℃以下に制御し、鋼板表層の窒化および鋼板表面の酸化を抑制することで達成することができる。
さらに、上記（２）式を満たす鋼板は、歪取焼鈍時の鋼板表層の窒化および鋼板表面の酸化を抑制することで、ヒステリシス損を大きく低下することができるので、取焼鈍後の鋼板は、鉄損Ｗ１０／４００（Ｗ／ｋｇ）が、板厚ｔ（ｍｍ）との関係において、下記（３）式；
Ｗ１０／４００≦８＋２０×ｔ ・・・（３）
を満たしたものとなる。上記（３）式を満たさない場合、ステータコアの発熱が大きくなり、モータ効率が著しく低下する。
表６に示した種々の成分組成を有する鋼素材（スラブ）を、１１２０℃の温度に３０ｍｉｎ間加熱した後、熱間圧延して板厚１．９ｍｍの熱延板とし、該熱延板に、９２５℃×３０ｓｅｃの熱延板焼鈍を施し、酸洗して脱スケールした後、冷間圧延して表７に示した種々の最終板厚の冷延板とした。次いで、上記冷延板に、同じく表７に示した種々の条件で仕上焼鈍を施し、仕上焼鈍板とした。
Figure 0007054074000006
Figure 0007054074000007
Figure 0007054074000008
斯くして得た仕上焼鈍板から、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を行い、上降伏点を測定した。
また、上記仕上焼鈍板の圧延方向（Ｌ方向）および圧延直角方向（Ｃ方向）のそれぞれから、長さ１８０ｍｍ×幅３０ｍｍの試験片を切り出し、表７に示した各種条件で歪取焼鈍を模擬した熱処理を施した後、エプスタイン試験にて、（Ｌ＋Ｃ）方向の鉄損Ｗ１０／４００を測定した。
さらに、上記歪取焼鈍後の試験片について、電解抽出法で、鋼板の片側表面から板厚１／２０の層内においてＡｌＮを形成している窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量Ｎ１（ｍａｓｓ％）、および、全板厚においてＡｌＮを形成している窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量Ｎ２（ｍａｓｓ％）を測定した。
上記測定の結果を表７中に併記した。この結果から、本発明に適合する成分組成を有する鋼素材を用い、本発明に適合する条件で製造した鋼板は、いずれも仕上焼鈍後の降伏応力が４８０ＭＰａ以上で、歪取焼鈍後の鉄損Ｗ１０／４００が、先述した本発明の（３）式を満たす、優れた鉄損特性を有していることがわかる。
Figure 0007054074000009
Figure 0007054074000010
Figure 0007054074000011

Claims (10)

  1. Ｃ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．８～６．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０５～２．０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．３～２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．０００５～０．００４５ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３０ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、かつ、Ｓｉ＋Ａｌ≧４ｍａｓｓ％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鋼スラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延し、仕上焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造方法において、上記仕上焼鈍後の鋼板の降伏応力を４８０ＭＰａ以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
  2. 上記鋼スラブは、ＺｎおよびＳの含有量（ｍａｓｓ％）が下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
    記
    ０．２０≦（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）≦０．９０ ・・・（１）
  3. 上記仕上焼鈍の均熱温度を７００～９００℃の範囲とすることを特徴とする請求項１または２に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  4. 上記鋼スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ～Ｄ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
    記
    ・Ａ群；Ｓｎ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
    ・Ｂ群；Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％
    ・Ｃ群；Ｃｒ，Ｃｏ，ＮｉおよびＣｕのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１～１．０ｍａｓｓ％
    ・Ｄ群；Ｍｏ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＷ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
  5. 上記鋼スラブは、上記成分組成に加えてさらに、その他の選択元素を上記無方向性電磁鋼板の強度特性および磁気特性に影響を与えない範囲で含有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の方法で製造した無方向性電磁鋼板からロータコア材とステータコア材を同時に採取した後、上記ロータコア材を積層してロータコアとし、上記ステータコア材を積層し、歪取焼鈍を施してステータコアとして１組のモータコアを製造する方法において、
    上記ステータコアを構成する鋼板が、片側表面から板厚１／２０までの層においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ１（ｍａｓｓ％）、全板厚においてＡｌＮとして存在する窒素量（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ２（ｍａｓｓ％）とし、鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上記Ｎ１，Ｎ２およびｔが、下記（２）式を満たし、かつ、鉄損Ｗ１０／４００（Ｗ／ｋｇ）が、板厚ｔ（ｍｍ）との関係において、下記（３）式を満たすよう歪取焼鈍を施すことを特徴とするモータコアの製造方法。
    記
    （ｔ×Ｎ２）／｛（ｔ／１０）×Ｎ１｝≧５．０ ・・・（２）
    Ｗ１０／４００≦８＋２０×ｔ ・・・（３）
  7. 上記歪取焼鈍の均熱温度を７８０～９５０℃の範囲とし、歪取焼鈍の雰囲気を、窒素、水素および希ガスのうちから選ばれる１種または２種以上の混合ガスとし、かつ、上記雰囲気中の窒素含有量を３０ｖｏｌ％以下、露点を－２０℃以下とすることを特徴とする請求項６に記載のモータコアの製造方法。
  8. Ｃ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２．８～６．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０５～２．０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１０ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．３～２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：０．０００５～０．００４５ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．００３０ｍａｓｓ％以下およびＯ：０．００５０ｍａｓｓ％以下を含有し、かつ、Ｓｉ＋Ａｌ≧４ｍａｓｓ％を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有する無方向性電磁鋼板からなるロータコアと、上記と同一の無方向性電磁鋼板からなるステータコアとから構成されるモータコアにおいて、
    上記ロータコアを構成する鋼板は、降伏応力が４８０ＭＰａ以上であり、
    上記ステータコアを構成する鋼板は、鋼板の片側表面から板厚１／２０までの層においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ１（ｍａｓｓ％）、全板厚においてＡｌＮとして存在する窒素（Ｎ ａｓ ＡｌＮ）の含有量をＮ２（ｍａｓｓ％）とし、鋼板の板厚をｔ（ｍｍ）としたとき、上記Ｎ１，Ｎ２およびｔが下記（２）式を満たし、かつ、鉄損Ｗ１０／４００（Ｗ／ｋｇ）が板厚ｔ（ｍｍ）との関係において下記（３）式を満たすことを特徴とするモータコア。
    記
    （ｔ×Ｎ２）／｛（ｔ／１０）×Ｎ１｝≧５．０ ・・・（２）
    Ｗ１０／４００≦８＋２０×ｔ ・・・（３）
  9. 上記無方向性電磁鋼板は、ＺｎおよびＳの含有量（ｍａｓｓ％）が下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項８に記載のモータコア。
    記
    ０．２０≦（Ｚｎ／６５）／（Ｓ／３２）≦０．９０ ・・・（１）
  10. 上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ～Ｄ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする請求項８または９に記載のモータコア。
    記
    ・Ａ群；Ｓｎ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００５～０．２０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
    ・Ｂ群；Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０００５～０．０２０ｍａｓｓ％
    ・Ｃ群；Ｃｒ，Ｃｏ，ＮｉおよびＣｕのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１～１．０ｍａｓｓ％
    ・Ｄ群；Ｍｏ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＷ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種
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