JP6852966B2 - 無方向性電磁鋼板を使用したモータ用高強度部材とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板を使用したモータ用高強度部材に関する。

近年、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）に使用される駆動モータの小型化や高速回転化が著しく、それらの駆動モータのロータコアなどのモータ用部材に対し、低鉄損などの電磁特性に加えて高強度化の要求が高くなっている。モータ用部材を高強度化させるには、素材に使用される無方向性電磁鋼板の固溶強化、析出強化、結晶粒微細化強化、転位強化、変態強化等が考えられるが、固溶強化以外は磁気特性を劣化させるため、電磁鋼板には好ましくない。また、固溶強化は磁気特性劣化を回避した高強度化には大きな効果があるが、同時に圧延荷重増大や脆性破断の課題もあり、生産性の観点から添加量に上限がある。

従来、モータ用部材の強度向上を図るものとして、特許文献１に示すように、ロータコアのブリッジ部を加工硬化させて熱処理し、鋼中に含まれるＣやＮで転位を固着させることで強化する方法が開示されている。また特許文献２には、プレスなどで加工硬化させたロータを接着剤を用いて積層させて剛性を高める技術が開示されている。また特許文献３には、プレスなどで加工硬化させたロータをさらに窒化処理して耐摩耗性や疲労特性を向上させる技術が開示されている。

特開２００５−３９９６３号公報 特開２００５−９４９４０号公報 特開２００５−９４９４１号公報

しかしながら、特許文献１〜３の技術で強化した場合、磁気特性が劣化するためモータ用部材として好ましくない。上述のように近年の高速回転化に伴い、ロータコアなどのモータ用部材に対して、磁気特性を劣化させずに高強度化をはかる技術の出現が望まれている。

本発明は電磁特性を劣化させずに強度を向上させたモータ用高強度部材とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するために、ロータコアなどのモータ用部材における強化が必要な箇所に、主としてＡｌ、Ｎｉからなる微細な金属間化合物を部分的に析出させることで、電磁特性を劣化させずにモータ用部材の強度を向上できることを知見した。本発明の技術の要点は、モータ用部材において強化が必要な箇所に転位を部分的に生じさせ、その転位を析出サイトとして大きさがなるべく均一なＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を析出させることで、電磁特性を劣化させずにモータ用部材の強度を向上させることにある。本発明によれば以下のモータ用高強度部材とその製造方法が提供される。

（１）
質量％で、Ｓｉ：２〜４％、Ａｌ：１〜３％、Ｎｉ：１．５〜４％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０１〜４％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％の１または２以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板を素材とするモータ用高強度部材であって、
強化が必要な箇所に部分的に、面積基準で求められる円相当径の平均値が１〜１０ｎｍで、標準偏差が１以下であるＡｌ−Ｎｉの金属間化合物が、３００００個／μｍ^３以上析出している、モータ用高強度部材。

（２）
前記モータ用高強度部材はロータコアであり、前記強化が必要な箇所はアウターブリッジ部である、（１）に記載のモータ用高強度部材。

（３）
（１）または（２）のいずれかに記載のモータ用高強度部材を製造する方法であって、
質量％で、Ｓｉ：２〜４％、Ａｌ：１〜３％、Ｎｉ：１．５〜４％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０１〜４％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％の１または２以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板を素材として所定の形状とした後、強化が必要な箇所に転位密度を１×１０^１４／ｍ^２以上とする塑性変形を加え、さらに４００〜６００℃で時効処理を行う、モータ用高強度部材の製造方法。

（４）
前記モータ用高強度部材はロータコアであり、前記強化が必要な箇所はアウターブリッジ部である、（３）に記載のモータ用高強度部材の製造方法。

本発明によれば、電磁特性を劣化させずにモータ用高強度部材の強度を向上させることが可能となる。これにより、近年のハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）などで求められている特性を満足する高速回転モータやロータに磁石を組み込んだモータが得られる。

モータの構造の説明図である。 ロータコアの説明図である。 高速回転時のロータコアの応力分布の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、モータ用高強度部材の一例として、電気自動車やハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車などの駆動モータとして用いられている永久磁石内蔵モータ（ＩＰＭモータ）のロータコアについて本発明を適用した形態を説明する。

図１は、永久磁石内蔵モータ１の構造の説明図である。円筒形状の固定子１０の内側に、回転子であるロータコア１１が挿入されている。固定子１０には、内側にあるロータコア１１に向かって突出する複数のティース１５が設けられており、各ティース１５は、ロータコア１１の回転中心軸Ｏに対して点対称に、放射状に配置される。各ティース１５には、巻線１６が集中巻き方式で巻き付けられてコイルが形成される。

図２に示すように、この形態のロータコア１１は、磁石を挿入する開口部２０が８か所に設けられた８極ロータを例示している。各開口部２０の外側の部分がアウターブリッジ部２１である。近年、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）に使用される駆動モータの高速回転化が著しくなっているが、高速回転時には、このブリッジ部２１に強い遠心力が作用する。

ここで、本発明者らのシミュレーションによれば、高速回転時のロータコア１１に作用する遠心力の応力分布は図３のような結果となった。すなわち、高速回転時のロータコア１１では、アウターブリッジ部２１に強い応力が作用し（図３中の点線２１’よりも外側の部分)、各開口部２０の外側の隅角部近傍の部分（図３中の斜線を付した領域)２２には特に応力集中が発生し、ロータコア１１の変形や疲労破壊が発生しやすいことが判明した。

本発明は、このようなモータ用部材における応力集中が発生しやすい箇所にＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を析出させることによって部分的に強化するものである。

本発明のモータ用高強度部材の製造に使用する無方向性電磁鋼板（素材）は、質量％で、Ｓｉ：２〜４％、Ａｌ：１〜３％、Ｎｉ：１．５〜４％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを基本とする。

Ｓｉ：２〜４％
Ｓｉは鋼の固有抵抗を高めて渦電流を減らし、鉄損を低下せしめるとともに、抗張力を高めるが、添加量が２．０％未満ではその効果が小さい。また、添加により加工硬化能が高まるため、時効熱処理前に実施する加工による転位密度を効果的に増加させる効果もある。一方、Ｓｉが４％を超えると鋼を脆化させ、さらに製品の磁束密度を低下させるため４％以下とする。

Ａｌ：１〜３％
本発明ではＡｌは金属間化合物の構成元素として積極的に添加される重要な元素であるが、３％を超えると脆化が問題になるため、上限を３％とする。Ａｌは通常、脱酸剤として添加されるが、Ａｌの添加を抑えＳｉにより脱酸を図ることも可能である。一方、金属間化合物の析出強化の効果を得るためには少なくとも１％は含有する。また、固溶Ａｌは電気抵抗を高め鉄損を改善する効果が知られており、この目的でＡｌ−Ｎｉ析出物を形成する以上のＡｌを含有させることは有効である。

Ｎｉ：１．５〜４％
従来一般的にはＮｉは主として固溶体強化元素または炭化物、窒化物等による析出強化元素として利用されていた。本発明ではＮｉはＡｌとの金属間化合物を形成し、Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物による析出強化を発現させるために含有させられる。Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物による析出強化を発現させるためには、１．５％以上のＮｉが必要である。一方、過剰な添加は鋼板の延性を劣化させ通板性が低下する他、磁束密度を低下させるとともに製造工程での金属間化合物の好ましい形成抑制が困難となる場合がある。また、添加コストも考え上限を４％とする。

また本発明のモータ用高強度部材の製造に使用する無方向性電磁鋼板（素材）は、任意含有成分として、さらに質量％で、Ｃｒ：０．０１〜４％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％の１または２以上を含有しても良い。これらの元素は金属間化合物を形成する元素として知られており、必要に応じて１または２以上を含有することができる。しかし、過剰な含有は鋼板の延性を劣化させ通板性が低下する他、製造工程での金属間化合物の好ましい形成抑制が困難になる場合がある。また、添加コストを考え、Ｃｒについては０．０１〜４％、Ｃｕについては０．０１〜４％、Ｓｎについては０．０１〜０．２％とする。

本発明のモータ用高強度部材の製造に使用する無方向性電磁鋼板（素材）は以上の成分組成を基本とし、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。

Ｃは磁気特性を劣化させる場合があるので０．０４００％以下とすることが好ましい。一方、加工硬化能を高め、時効熱処理前に実施する加工による転位密度を効果的に増加させる効果もある。製造コストの観点からは溶鋼段階で脱ガス設備によりＣ量を低減しておくことが有利で、０．００３０％以下とすれば磁気時効抑制の効果が著しく、高強度化の主たる手段として炭化物等の非金属析出物を用いない本発明においては０．００２０％以下とすることがさらに好ましく、０．００１５％以下がさらに好ましい。０％であっても構わない。

Ｍｎは、固溶による高強度化や電気抵抗を高め鉄損を改善する元素としても有効であり、本実施形態でも公知技術に準じた使用が可能である。また、加工硬化能を高め、時効熱処理前に実施する加工による転位密度を効果的に増加させる効果もある。高強度化の観点では、微細金属間化合物を活用する本発明では特に必要としない。０％でも構わないが、鉄鉱石を原料とする工業的製法では、０．０１％程度は不可避的に含有される。

ＮはＣと同様に磁気特性を劣化させるので０．０４００％以下とすることが好ましい。含有により加工硬化能を高め、時効熱処理前に実施する加工による転位密度を効果的に増加させる効果もある。特に本発明ではＡｌとの強い窒化物の生成を避けるためＮは低い方が好ましく、０．００２７％以下とすれば磁気時効や微細な窒化物形成による特性劣化の抑制効果は顕著で、さらに好ましくは０．００２２％、さらに好ましくは０．００１５％以下、０％であっても構わない。

Ｃｕは鉄の飽和磁束密度Ｂｓを大幅に低下させ、Ｂ５０（磁化力が５０００［Ａ／ｍ］における磁束密度［Ｔ］）も大幅に低下させる。ＢｓやＢ５０の低下はモータトルクの低下につながるため、本発明ではＣｕの含有を必須とすることなく、ＢｓやＢ５０の低下を伴わずに、高強度かつ低鉄損な無方向性電磁鋼板及びその製造方法を実現できる。一方でＣｕ析出による高強度化なども知られており、本実施形態でも公知技術に準じた使用が可能である。

Ｎｂは、ＮｂＣなどの析出物は高強度化には有効であるが、これら析出物が磁壁移動を阻害し、鉄損を大幅に劣化させるため、この目的であえて添加する必要はない。一方で、固溶Ｎｂは固溶強化のみならず結晶粒微細化による高強度化や高周波特性改善にも有効であり、本実施形態でも公知技術に準じた使用が可能である。

Ｐは固溶体強化により抗張力を高める効果の著しい元素であるが、この目的ではあえて添加する必要はない。０％であっても構わない。一方、添加により加工硬化能を高め、時効熱処理前に実施する加工による転位密度を効果的に増加させる効果もある。０．３％を超えると脆化が激しく、工業的規模での熱延、冷延等の処理が困難になるため、上限を０．３０％とすることが好ましく、さらに好ましくは０．１０％以下である。

Ｓは硫化物を形成し磁気特性、特に鉄損を劣化させる場合があるので、Ｓの含有量はできるだけ低いことが好ましく０％であっても構わない。本発明では０．０２０％以下が好ましく、さらに好ましくは０．００４０％以下、さらに好ましくは０．００２０％以下、さらに好ましくは０．００１０％以下である。

また、モータ用高強度部材の製造に使用する無方向性電磁鋼板（素材）は、例えば、前記成分を含む鋼を溶製し、連続鋳造で鋼スラブとし、ついで熱間圧延、冷間圧延および焼鈍をすることによって得られる。また、これらの工程に加え絶縁皮膜の形成や脱炭工程など行っても構わない。なお冷間圧延後の焼鈍では、Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物の析出を抑制するために、特に４００〜６００℃の温度域を急冷することが望ましい。

こうして得られた無方向性電磁鋼板（素材）を、例えば打ち抜き加工等の方法によってモータ用部材として必要な所定の形状にする。この場合、まだ素材の段階では無方向性電磁鋼板は軟質であり、容易にモータ用部材の形状に加工することができる。

次に、強化が必要な箇所に転位密度を１×１０^１４／ｍ^２以上とする塑性変形を加える。塑性変形は、例えばプレス、ショットブラスト等によって、強化が必要な箇所のみに転位を生じさせることができる。このように強化が必要な箇所のみに塑性変形を加えればよいので、短時間の処理が可能である。また、例えばプレス、ショットブラスト等の方法によれば、必要な箇所のみを選択して塑性変形させることが可能である。

次に、塑性変形を加えた後に、４００〜６００℃で時効処理を行う。この場合、モータ用部材全体を熱処理しても良いが、例えばレーザ加熱や赤外線加熱、高周波加熱等によって、強化が必要な箇所のみを加熱しても良い。このように強化が必要な箇所のみを加熱すれば足りるので、短時間の処理が可能であり、加熱エネルギーも軽減できて経済的である。また、例えばレーザ加熱や赤外線加熱、高周波加熱等の方法によれば、必要な箇所のみを選択して加熱処理することが可能である。

塑性変形によって強化が必要な箇所の転位密度を１×１０^１４／ｍ^２以上とするのは、時効処理前に部材中の必要箇所に転位を十分に生じさせ、その転位を析出サイトとして、強化が必要な箇所に大きさがなるべく均一なＡｌ−Ｎｉの金属間化合物を分散させて析出させるためである。転位密度が１×１０^１４／ｍ^２未満では、金属間化合物の析出サイトが不十分であり、時効後において個数密度が３００００個／μｍ^３以上のＡｌ−Ｎｉの金属間化合物が得られなくなってしまう。また、Ａｌ−Ｎｉの金属間化合物の個数密度が少ないと、金属間化合物の円相当径の平均値が１０ｎｍよりも大きくなり、さらに個々の金属間化合物の大きさのばらつきも大きくなり、標準偏差が１を超えてしまう。なお、時効処理前における転位密度が３×１０^１６／ｍ^２を超えてしまうと却って電磁特性が劣化し、さらに時効後においてＡｌ−Ｎｉの金属間化合物の大きさや標準偏差、個数密度が本発明の範囲内から外れる恐れがある。そのため、時効処理前の転位密度は３×１０^１６／ｍ^２以下であることが望ましい。

また時効処理は、４００〜６００℃で行う。４００℃未満では、十分な金属間化合物が得られず、一方、６００℃を超えると形成される金属間化合物が粗大となってしまう。この際の保持時間は１〜１２０分とすることが好ましい。短過ぎると十分な金属間化合物が得られず、一方、長過ぎると形成される金属間化合物が粗大となってしまう。この他、加熱速度や冷却速度なども、本発明の特徴である析出物の状態に影響を及ぼす可能性がある。これらの熱処理条件は目的とする特性に応じて成分や生産性なども考慮して決定される。当業者であれば、本発明の技術思想に従い、数度の試行により適切な条件を決定することは容易である。

以上のような製造工程を経ることで、強化が必要な箇所において、面積基準で求められる円相当径の平均値が１〜１０ｎｍで、標準偏差が１以下であるＡｌ−Ｎｉの金属間化合物が、３００００個／μｍ^３以上析出した状態とすることができる。その結果、電磁特性を劣化させずにモータ用高強度部材の強度を向上させることが可能となる。

なお、金属間化合物の円相当径の平均値が１０ｎｍを超える粗大な化合物が多量に生成すると高強度化の効率が低下し、磁気特性も劣化させる恐れがある。本発明では、部材中の強化が必要な箇所に、サイズの細かい金属間化合物を高密度に生成させることで、優れた磁気特性と熱伝導性を維持しつつ、電磁鋼板の強度を向上させる。一方、金属間化合物の円相当径の平均値が１ｎｍ未満と微細では強化能が小さくなる。さらに高強度化を確実に達成するためには、円相当径の標準偏差が１以下となるように個々の金属間化合物の大きさが揃っていることが必要である。この標準偏差が１を超えると、金属間化合物の大きさが不均一となり、特に熱伝導性が低下する恐れがある。なお、鉄鋼材料中に形成するＡｌ−Ｎｉの金属間化合物としては、ＮｉＡｌ、Ｎｉ₃Ａｌなどが通常知られている。また、これらの化合物の元素比は相当に変動することは知られており、また何らかの不純物元素を含んだものも本発明に相当する。

高強度化の観点から、部材中の強化が必要な箇所に析出させる金属間化合物の数密度は３００００個／μｍ^３以上が必要である。金属間化合物サイズと数密度の制御は、優れた高強度化と磁気特性を両立する観点から重要である。本発明では高強度化の主要な手段として結晶組織の微細化を利用しないため、結晶粒径は磁気特性の観点から最適な範囲に調整が可能である。高強度化に寄与する金属間化合物のサイズや密度は成分のみならず、最終的な熱処理により制御が可能であるため結晶粒径はこの熱処理以前の、例えば再結晶焼鈍の最高到達温度およびその温度域での保持時間等により金属間化合物の制御とは独立に制御が可能となる。結晶粒径は通常は３００μｍ以下であり、好ましくは３０〜２５０μｍに制御される。さらに好ましくは６０〜２００μｍである。一般的にはモータ用部材を使用する際の励磁電流の周波数が高い場合には結晶粒は微細にしておくことが好ましい。また、方向性電磁鋼板のように二次再結晶等を利用して数ｃｍにまで結晶粒径を粗大化させても本発明の効果は何ら損なわれるものではない。

なお、一例として、永久磁石内蔵モータ（ＩＰＭモータ）のロータコアについて本発明を適用した形態を説明したが、本発明はかかる形態に限定されない。例えば誘導モータ（ＩＭモータ）のスロット外周部等、強度と磁気特性の両立が求められる他のモータ用部材についても本発明を適用できる。

表１に示す真空溶解した熱延鋼板を、酸洗後、０．２０ｍｍ厚に冷延し、焼鈍した。その焼鈍板から外径１１２ｍｍ、内径５６ｍｍ、スロット数２４のステータコアと、外径５５ｍｍ、４極のＩＭＰロータを試作した。ロータコアは積層後、ブリッジ部に金型で板厚方向に圧縮変形を加え、圧縮量を変化させることで、本発明例は転位密度が１×１０^１４／ｍ^２以上となるように調整した。その後、５５０℃×２時間の時効処理を行った。各材料で試作したモータの最大効率と、ロータ回転数を変えながらロータの外径を計測し外周が変形を開始した回転数を表１に示す。今回試作したモータの最大効率は８７％以上であり、８９％を超えるものを合格とした。なお、表１において、本発明の範囲外の数値には下線を付した。

時効処理を行わなかったロータは１５，０００〜２２，０００回転でロータ外周が変形を開始したが、時効処理を行ったものでは、２５，０００回転以上まで変形の見られないものも得られた。

さらに、Ｃｒ、Ｓｎを添加したものでは最大効率９２％が得られ、またＣｕを添加したものでは時効処理後３５，０００回転程度まで変形が見られなかった。

Claims (4)

1. 質量％で、Ｓｉ：２〜４％、Ａｌ：１〜３％、Ｎｉ：１．５〜４％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０１〜４％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％の１または２以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板を素材とするモータ用高強度部材であって、
   強化が必要な箇所に部分的に、面積基準で求められる円相当径の平均値が１〜１０ｎｍで、標準偏差が１以下であるＡｌ−Ｎｉの金属間化合物が、３００００個／μｍ^３以上析出している、モータ用高強度部材。
2. 前記モータ用高強度部材はロータコアであり、前記強化が必要な箇所はアウターブリッジ部である、請求項１に記載のモータ用高強度部材。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載のモータ用高強度部材を製造する方法であって、
   質量％で、Ｓｉ：２〜４％、Ａｌ：１〜３％、Ｎｉ：１．５〜４％を含有し、さらに、Ｃｒ：０．０１〜４％、Ｃｕ：０．０１〜４％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％の１または２以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板を素材として所定の形状とした後、強化が必要な箇所に転位密度を１×１０ ^１４ ／ｍ ^２ 以上とする塑性変形を加え、さらに４００〜６００℃で時効処理を行う、モータ用高強度部材の製造方法。
4. 前記モータ用高強度部材はロータコアであり、前記強化が必要な箇所はアウターブリッジ部である、請求項３に記載のモータ用高強度部材の製造方法。
   

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