在高頻區磁學各向異性小壓製成形性好的非定向電磁鋼板的製作方法
2023-06-05 01:27:16 3
專利名稱：在高頻區磁學各向異性小壓製成形性好的非定向電磁鋼板的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於大部分諸如電機之類的旋轉機械和動力轉換器等等的非定向電磁鋼板。
更具體而言，本發明是要降低在高頻率區的磁學各向異性以便改善磁性，和降低按等同於常規產品的鐵損計的硬度，以便有助於改善衝壓時的落料性能。
向電磁鋼板添加Si是提高鋼板的電阻率以降低鐵損的最有效方法。這項通過Si添加劑來降低鐵損的技術廣泛用於電磁鋼板領域。另外，Al作為一種添加元素，已知具有與Si相同的作用。
例如，JP-A-53-66816提出正添加劑Al能用來提高鋼板的電阻率並能用來避免通過AlN細粒的沉澱來扼制晶粒增長的作用。
另外，JP-A-55-73819還採用添加Al和調整退火氣氛以降低鋼板表面上的內氧化層的方法來實現在高磁場內有良好的磁性。
此外，JP-A-54-68716和JP-A-58-25427採用添加Al並同時添加REM和Sb的方法或採用淨化以改善結構的方法來降低鐵損。
還有，JP-A-61-87823採用添加Al並控制最後退火中的鋼板冷卻速率的方法來實現改善磁性。JP-A-3-274247採用添加Al並同時添加B，Sb和Sn以防止氧化和滲氮的方法來實現改善磁性。JP-A-3-294422採用添加Al和控制冷滾壓以降低鋼板的L，C性能之比的方法來實現改善磁性。JP-A-4-63252採用同時添加Mn和Al的方法來實現改善磁性。JP-A-4-136138採用添加Al和極端地減少Si並添加P、Sb以改進結構的方法來實現改善磁性。
所有上述技術改善了電磁鋼板本身的性能從而導致了這樣一類電磁鋼鐵的電氣設備使用效率的改善。
另一方面，由於圍繞半導體性能的改進及其成本的降低的半導體技術的顯著改進，使得控制小尺寸旋轉機械的技術最近有了迅速的進步，並通過變換器實施了旋轉控制。此外，利用改進的永磁材料，有可能製造出高效率的旋轉機械，例如直流無電刷電機等等。
但是，隨著控制小尺寸旋轉機械技術的進步和永磁材料的改進，電機的驅動條件變得複雜了，因此，不僅在高旋轉區而且在低旋轉區中的激勵條件變得包括了基於應變等的大量高頻分量。由於包括了大量的高頻分量，因而在一定程度上難以降低使用上述常規材料的電機鐵芯的鐵損，且電機效率的改進達到了上限。
此外，當為了降低鐵損而增加諸如Si，Al等電阻率元素的含量時，鋼板的硬度便升高，從而產生了電機或變換器在壓力成形時模具壽命下降和缺陷落料增加之類的問題。
本發明的另一目的是要提出一種還改進了壓製成形性的非定向電磁鋼板，從而使它在高頻區具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性。
發明人不僅已詳細地檢驗了各種電磁鋼板的磁性，而且利用這些電磁鋼板實際製備了旋轉機械(電機)，並就這些電機的實際性能和材料性能之間的關係進行了各種研究。結果，發明人已發現為了提高真實電機的效率，使原材料在高頻區而不是在工業用電頻率下具有小的磁學各向異性是非常重要的。
此外，發明人還發現將鋼板硬度限制在與鐵損值相適應的恰當範圍內，以便防止在諸如落料之類的衝壓成形時擔心的磁性下降是有效的。
本發明是基於以上知識。
本發明的要點和意義如下1.一種在高頻區內具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性的非定向電磁鋼板，其特徵在於它具有含有下述元素的組成C不大於0.0050質量％，Si0.5～4.5質量％，Mn0.1～2.5質量％和Al0.2～0.5質量％，以及對比元素S不大於0.01質量％，又其特徵在於就磁性而言，在滾壓方向(L-方向)上，在垂直於滾壓方向的方向(C-方向)上，以及相對於滾壓方向成45°夾角的方向(D-方向)上，使用鐵損試驗件，在1.5T和50Hz下的L，C的平均鐵損W15/50(L+C)[W/kg]和在5000A/m下的L，C的平均磁通密度B50(L+C)[T]滿足以下關係式(1)B50(L+C)≥0.03·W15/50(L+C)+1.63……(1)而在1.0T和400Hz下，D的鐵損W10/400(D)[W/kg]對L，C的平均鐵損W10/400(L+C)[W/kg]之比滿足如下關係式(2)W10/400(D)/W10/400(L+C)≤1.2……(2)又其特徵在於鋼板硬度按照鋼板的厚度和W15/50(L+C)來定義。
2.按照上述1項之非定向電磁鋼板，它具有在高頻區內小的磁學各向異性和極好的壓製成形性，其中鋼板硬度按照鋼板厚度和W15/50(L+C)來定義。
3.按照上述2項之非定向電磁鋼板，它具有在高頻區內小的磁學各向異性和極好的壓製成形性，其中鋼板的硬度Hv1(JIS Z2244，試驗載荷9.807N)滿足如下關係式(3)Hv1≤-83.3·W15/50(L+C)+380……(3)其中鐵損範圍為W15/50(L+C)≤5.0W/kg，和鋼板厚度為0.35mm±0.02mm。
4.按照上述2項之非定向電磁鋼板，它具有在高頻區內小的磁學各向異性和極好的壓製成形性，其中鋼板的硬度Hv1(JIS Z2244，試驗載荷9.807N)滿足如下關係式(4)Hv1≤-63.6·W15/50(L+C)+360……(4)其中鐵損在範圍為W15/50(L+C)≤5.0W/kg和鋼板厚度為0.50mm±0.02mm。
5.按照上述1～4之任一項的非定向電磁鋼板，它具有在高頻區內小的磁學各向異性和極好的壓製成形性，其中該鋼板還包含Sb0.005～0.12質量％。
以下將對本發明作具體的敘述。
首先，發明人從市場上買來了直流無電刷電機並製備了能夠模壓出同樣形狀的這些直流無電刷電機的轉子和定子的壓模。於是，發明人通過採用上述壓模將不同的鋼板材料衝壓成給定形狀的方法，已製造出了各種電機。
此外，在評價這些材料的性能時，不僅利用了常規的鐵損試驗件(L-試驗件，C-試驗件)就滾壓方向上和垂直於滾壓方向的方向上進行了磁性測量，而且利用鐵損試驗件(D-試驗件)就相對於滾壓方向成45°夾角的方向上進行了磁性測量。此外，不僅在工業用電頻率下，而且在最高達50Hz的高頻區下進行了磁性測量。然後，發明人已詳細地分析和研究了這些測量結果。
關於材料的鐵損和磁通密度對電機效率的影響的檢驗結果示於
圖1.此外，電機效率用以下符號表示○大於92％，Δ89～92％和X小於82％。
正如上圖所示，已經證實，在材料中，當在1.5T和50Hz下的L，C的平均鐵損W15/50(L+C)[W/kg]和在5000A/m下的L，C的平均磁通密度B50(L+C)[T]滿足如下關係式(1)時，能使得電機效率大於92％B50(L+C)≥0.03·W15/50(L+C)+1.63……(1)可是，即使上式的條件得到滿足，所有材料未必都能達到大於92％的高效率。
目前，發明人已更詳細地研究了有關在高頻區中的性能，每個角度的性能並分析了應變波，以便闡明其原因。
所得結果示於圖2。
此外，用於上述實驗的所有材料滿足上式(1)的條件。在此情況下，W10/400(L+C)[W/kg]和W10/400(D)[W/kg]分別是在1.0T和400Hz下材料在滾壓方向(L-方向)上和垂直於滾壓方向的方向(C-方向)上的平均鐵損值和在相對於滾壓方向成45°夾角的方向(D-方向)上的鐵損值。
正如上圖所見，已經發現，只要比值滿足如下的關係式(2)，就一定能獲得高的電機效率W10/400(D)/W10/400(L+C)≤1.2……(2)為什麼只要通過採用滿足符合如上所述本發明的關係式(1)和(2)條件的材料，就能得到高的電機效率，其理由未必清楚，但是能作如下的推測。
也就是說，電機的鐵損和銅損小些，電機的效率就變得高些。這鐵損主要受材料的鐵損的影響，因此，通過採用具有低鐵損的材料就能獲得具有低鐵損的電機。另一方面，銅損受材料的磁通密度的影響，因此，當磁通密度變得高些時，導磁性變高和激磁所要求的電流變小，因而產生的焦耳損失或銅損下降。
可是，材料的性能通常是在理想激磁信號波下測得的特性，而實際器件的特性則受電機的複雜形狀和磁路的影響，因此，磁通波形被扭曲並存在有高頻分量。最近，一種反相控制被用來提高效率，而通過改變頻率來改變旋轉次數是可能的。至於反相頻率，不僅載頻是次高頻，而且相對高的頻率用作基頻。
這樣，真實電機的效率受磁性中的高頻分量的影響，而在評價普通的材料時從未考慮到這一點。
此外，普通材料的評價主要只利用L，C試驗件作評價，而磁通在電機所用電磁鋼板的所有方向上(鋼板上的所有方向包括相對於滾壓方向成45°夾角的D-方向在內)流動。
所以，在本發明範圍內電機效率的改進可認為是由於D-方向上的性能，特別是低磁場，高頻性能在電機內部起著比較重要的作用。
於是，發明人已就衝壓對磁性的影響進行的檢驗。
採用衝壓製造上述電機所用的各種材料的鋼板(鋼板厚度0.35mm)的方法試驗了二種尺寸30mm×280mm和7.5mm×280mm的試件的性能。關於這些試件中的7.5mm×280mm尺寸的試件，在並排放置好4個試件後，用鐵損試驗方法測量磁性。在這些試驗中，採用了在滾壓方向上和垂直於滾壓方向作為縱向的方向上衝壓的試件並測量了它們的平均鐵損。
在所用材料中，就材料不滿足關係式(1)和(2)的條件下檢驗了寬度為7.5mm的試件相對於寬度為30mm的試件的鐵損的下降趨勢，得到了示於圖3的結果，作為該材料的硬度Hv1和鐵損W15/50(L+C)之間的關係曲線。在這種情況下，作為橫座標的鐵損W15/50(L+C)的值用具有尺寸為30mm×280mm的材料的測量結果來表示。此外，鐵損的下降用以下符號來表示，○小於8％，Δ8～10％，和X大於10％。
正如從上圖所見，當鐵損的下降大於10％時，至少可看到，隨著硬度的增加，有一下降趨勢，但是，對於鐵損W15/50(L+C)，沒有看到有特殊的趨勢。
當根據滿足關係式(1)和(2)的條件的材料進行同樣的試驗後，如圖4所示，已證明當鐵損W15/50(L+C)變得低時，在將鐵損下降至大於10％的限制條件下，具有寬度為7.5mm的材料的硬度會變得更高。
正如從上圖所見，當滿足如下關係式(3)時，由於衝壓引起的鐵損下降能得以減輕已變得清楚了Hv1≤-83.3·W15/50(L+C)+380……(3)此外，發明人已按照與鋼板厚度為0.35mm材料同樣的方法，對鋼板厚度為0.50mm的材料進行了磁性測量。
所得結果示於圖5。正如從該圖所見，當滿足如下關係式(4)時，由於衝壓引起的鐵損下降能得以減輕已變得清楚了Hv1≤-63.6·W15/50(L+C)+360……(4)雖然其理由未必清楚，但發明人設想如下因衝壓引起磁性下降是由於在衝壓端面剪切時，通過形變產生的變形影響大了。這種形變度被認為受材料的晶體晶粒尺寸和結構的影響。通常，人們認為衝壓性能會因硬度增加而變差，但是，在限制磁性下降條件下的硬度，在衝壓後會由於獲得了適當的晶體晶粒尺寸和結構而增加。儘管鐵損W15/50受晶體晶粒尺寸或結構的影響，但是當鐵損W15/50變得低時，晶體晶粒尺寸或結構變得處於更適合衝壓性能要求的良好的狀態下。
當材料滿足關係式(1)和(2)時，以具有好的衝壓性能為限制條件的限制硬度與鐵損W15/50的相關性就變得顯著了。亦即，當磁學各向異性變小時，基於不同剪切方向的衝壓性能的差別(亦即鐵損下降的不同)變得較小。因此，晶體晶粒尺寸或結構對衝壓性能的影響就變得較大。所以，可以認為具有好的衝壓性能的硬度範圍由關係式(3)或(4)來表示。
於是，將對為什麼材料的組成受限於上述範圍的理由作敘述。C不大於0.0050質量％C不僅使γ-區擴大到較低的α-γ轉變點，而且由於在退火過程中在α晶界處形成的薄膜狀γ-相，扼制了α晶粒的生長，因此，可基本認為必須減少C。再者，有點擔心的是由於含有大量的α-相穩定元素例如Si或Al，即使當γ-相在全溫度範圍內都沒有產生時，只要C含量超過0.0050質量％，就會引起鐵損性能的時效退化。
所以，C含量在本發明中限於不大於0.0050質量％。Si0.5～4.5質量％因為Si是一種可用於提高鋼的電阻率和減小鐵損的元素，故為了獲得上述效應，至少要求0.5質量％。可是，添加劑Si過多會增加硬度，從而降低了冷滾壓性能，故而Si的上限是4.5質量％。Al0.2～2.5質量％A1和Si一樣，起著提高鋼的電阻率和減小鐵損的作用，因此，其添加的量不小於0.2質量％，但是，當Al含量變大時，連續鑄造時使模子的潤滑性會降低和造成鑄造困難，因此Al的上限是2.5質量％。Mn0.1～2.5質量％Mn具有提高鋼的電阻率和降低鐵損的作用，其作用比Si和Al要小，它比較有助於改善熱滾壓性能。可是，當Mn的含量小於0.1質量％時，其加成作用太小，而當Mn含量太大時，冷滾壓性能下降，故而Mn的上限為2.5質量％。S不大於0.01質量％S形成沉澱物或夾附物，從而會阻撓晶粒生長，因此必需儘可能地減少S的摻入量。S的摻入量不大於0.01質量％是可以接受的。
對必需元素和應加以控制的元素已作了闡明。除它們之外，如需要，還可添加以下元素Sb0.005～0.12質量％。
Sb不僅能改善結構，從而改善磁通密度，而且能抑制鋼板尤其是鋁的表面層的氧化和滲氮，從而抑制了在表面層中微粒的形成。於是，通過控制表面層中微粒形成的方法來抑制表面硬度的增高，從而改進了壓製成形性。但是，當Sb含量小於0.005質量％時，這附加效應是低的，而當它超過0.12質量％時，晶粒生長受阻，從而降低了磁性，因此Sb的含量限於0.005～0.12質量％。P不大於0.1質量％P也具有提高鋼的電阻率和減小鐵損的作用，其作用小於Si和Al，在冷滾壓和通過晶界分離再結晶之後，它改進了結構，從而改善了磁通密度，因此，如需要，可以添加P。但是，P過度的晶界分離會阻礙晶粒生長，從而降低了鐵損，因此，P的上限為0.1質量％。
因為Ni，Cu，Cr等等都是用來提高電阻率的其它的元素，故可以添加它們，但是，當它們之中的每一種元素超過10質量％，就會引起滾壓性能下降，因此，它們的優選添加量為不大於10質量％。
下面將敘述按照本發明的優選的生產條件。
沒有對熱滾壓條件作特別的限定，但是，為了節省能量，最好是鋼板的加熱溫度不高於1200℃。
當熱滾壓鋼的退火溫度低於800℃時，則難以改善磁通密度，因此，這一退火在不低於800℃的溫度範圍內進行是有利的。
然後要經受一次冷滾壓或包括中間退火在內的二次冷滾壓。在冷滾壓中，為了得到適合的結構，在不低於50℃的溫度範圍內進行至少20％的壓縮量的滾壓是有利的。
也就是說，可以解釋為，100作為易磁化的軸，對於在相對低的磁場和高頻區內改進D-方向上的鐵損，按D-方向的指向是理想的，但包括111作為難磁化的軸，在一定程度上是有利的。
重要的是，為了獲得上述結構，應經受在不低於50℃的溫度範圍內的至少20％壓縮量的滾壓。
雖然其理由尚不清楚，但推測是由磁鐵的磁疇結構引起的。
如果滾壓溫度低於50℃或滾壓壓縮量小於20％，則D//111的形成是不充分的，且不能獲得良好的D性能。
此外，這一滾壓可採用森氏滾壓來實現，但是，從生產效率觀點看，採用串聯(湯氏)滾壓來實施是有利的。
在高於850℃下實施退火是有利的，因為若溫度低於850℃，則晶粒生長不充分且不能獲得良好的L，C，D鐵損。
圖4是表明在滿足關係式(1)和(2)條件的材料(鋼板厚度0.35mm)中，硬度Hv1和鐵損W15/50(L+C)對鐵損下降影響的曲線圖；圖5是表示在滿足關係式(1)和(2)條件的材料(鋼板厚度0.50mm)中，硬度Hv1和鐵損W15/50(L+C)對鐵損下降影響的曲線圖。
用於評價材料的L-；C-和D-方向上的鐵損，試驗件從上述成品鋼板中抽取樣品，以便測量磁性，此外，還製備了300W直流無電刷電機以測定電機效率。此外，對每種成品鋼板的硬度Hv1(JISZ2244，試驗載荷9.807N)進行了測量。
對上述獲得的結果進行了整理並示於表2上。
通過使用製造商所述標準曲線方法測定了相對zalpha11 RNA水平(PE Biosystems，用戶公告第2號ABI Prism 7700序列檢測系統，基因表達的相對定量，1997年12月11日)。使用rRNA測量值對zalpha11水平進行標準化，並使用靜息CD3+RNA樣品標準值。任意選擇靜息CD3作為標準值，給出數值1.00。將剩餘樣品與標準值進行比較。數據顯示於下文表6。表6
CD3+在4和24小時時zalpha11受體表達增加15倍。靜息CD19的受體表達相對於靜息CD3+增加20倍。4小時刺激時的表達水平增加3倍，在24小時後降至靜息水平。單核細胞在該實驗中沒有檢測到zalpha11受體表達。
實施例20表達zalpha11受體的細胞的原位雜交鑑定分離特異人類組織，並通過原位雜交篩選zalpha11表達。製備各種人類組織(包括胸腺、脾、扁桃體、淋巴結、和肺)，制切片，並進行原位雜交。將組織在10％緩衝福馬林中固定，並在石蠟中使用標準技術(實施例17)進行封閉。將組織制4-8微米切片。使用標準表2
正如從表2所見，按照本發明，能獲得在高頻區內具有小的磁學各向異性的材料，從而能獲得優良的電機特性。此外，所有的發明實施例還具有適當的硬度和極好的壓製成形性。
此外，串聯式滾壓機由4個支座組成，其中滾壓溫度和滾壓壓縮量是根據具有最高進口一側溫度的支座來表明的。
此外，對每種成品鋼板的厚度Hv1(JIS Z2244，試驗載荷9.807N)進行了測量。
關於材料性能和電機效率的測量結果和硬度的測量值分別示於表3和表4中。
表3
表4
正如從表3和表4所見，按照本發明的所有鋼板在高頻區具有小的磁學各向異性，並預示有好的電機性能和具有適當的硬度，且在壓製成形性方面也是極好的。
工業適用性按照發明，能夠穩定地製得如下的非定向電磁鋼板，它具有在高頻區內小的磁學各向異性和作為旋轉機械所需的極好的磁性，以及具有極好的壓製成形性例如衝壓性能等等。
權利要求
1.一種在高頻區由具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性的非定向電磁鋼板，其特徵在於它是含有下述元素的組合物C不大於0.0050質量％，Si0.5～4.5質量％，Mn0.1～2.5質量％，和Al0.2～2.5質量％，以及對比元素Si不大於0.01質量％，並且就磁性而言，在滾壓方向(L-方向)上，在垂直於滾壓方向的方向(C-方向)上，以及相對於滾壓方向成45°夾角的方向(D-方向)上，使用鐵損試驗件，在1.5T和50Hz下的L，C的平均鐵損W15/50(L+C)[W/kg]和在5000A/m下的L，C的平均磁通密度B50(L+C)[T]滿足以下關係式(1)B50(L+C)≥0.03·W15/50(L+C)+1.63……(1)而在1.0T和400Hz下，D的鐵損W10/400(D)[W/kg]對L，C的平均鐵損W10/400(L+C)[W/kg]之比滿足如下關係式(2)W10/400(D)/W10/400(L+C)≤1.2……(2)
2.按照權利要求1的非定向電磁鋼板，它在高頻區內具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性，其中鋼板硬度按照鋼板的厚度和W15/50(L+C)來定義。
3.按照權利要求2的在高頻區具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性的非定向電磁鋼板，其中鋼板硬度Hv1(JIS Z2244，試驗載荷9.807N)滿足如下關係式(3)Hv1≤-83.3·W15/50(L+C)+380……(3)其中鐵損範圍為W15/50(L+C)≤5.0W/kg和鋼板厚度為0.35mm±0.02mm。
4.按照權利要求2的在高頻區具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性的非定向電磁鋼板，其中鋼板的硬度Hv1(JIS Z2244，試驗載荷9.807N)滿足如下關係式(4)Hv1≤-63.6·W15/50(L+C)+360……(4)其中鐵損範圍為W15/50(L+C)≤5.0W/kg和鋼板厚度為0.50mm±0.02mm。
5.按照權利要求1～4之任一項的在高頻區具有小的磁學各向異性和極好的壓製成形性的非定向電磁鋼板，其中該鋼板還含有Sb0.005～0.12質量％。
全文摘要
一種具有在高頻區內減低磁學各向異性和極好的壓製成形性的非定向電磁鋼板,其特徵在於它有著特殊的化學組合物,並就使用鐵損試驗件測得的磁性值而言,它滿足如下關係式(1):B
文檔編號C21D8/12GK1344332SQ00805274
公開日2002年4月10日 申請日期2000年11月21日 優先權日1999年11月26日
發明者藤山壽郎, 酒井敬司 申請人:川崎制鐵株式會社