CN1853244B - 烧结可动铁心的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在用于电磁致动器的、通过将轴部件的一端嵌合在形成有内孔并且由软磁性材料构成的外周部件中而一体化了的可动铁心中，前述轴部件由强磁性的钢材构成，并且前述外周部件由烧结部件构成，通过烧结接合将前述轴部件和前述外周部件一体化。因此，可以得到作为可动铁心整体来说良好的磁特性，能够实现优良的磁吸引力以及耐磨耗性、疲劳强度，能够制造近年来要求的响应性高的电磁致动器。

Description

烧结可动铁心的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助电磁吸引力的操作而往复运动的电磁致动器的可动铁心，特别是涉及通过提高可动铁心整体的磁吸引力并确保耐磨耗性和强度而提高了响应性的烧结可动铁心及其制造技术。
背景技术
本发明是以电磁致动器为对象的发明，在此，作为电磁致动器的一个例子，以电磁阀为例进行说明。电磁阀包括：备有与阀座邻接的阀体的可动铁心、与可动铁心对置地配置并卷绕有电磁线圈的固定铁心。利用电磁阀的这种结构，通过在电磁线圈中流过电流，在产生于固定铁心和可动铁心之间的磁力的作用下，可动铁心在其长度方向上进退，从而进行阀的开闭。这样，作为电磁阀的构成部件的可动铁心，要求有较高的磁通密度。而且，可动铁心的轴部件在沿轴向往复移动时，相对于用来稳定该轴向轨道的轴支承部滑动，并且在轴部件向固定铁心的相反侧移动时反复进行与其他部件的碰撞(与将可动铁心与阀体一体化了的电磁阀中的阀座之间的碰撞等)。因此，轴部件要求有优良的耐磨耗性以及耐反复冲击的优良的疲劳强度。因此，近年来，制造了由具有优良的机械特性的轴部件、和外周部件这样的独立的部件构成的可动铁心，其中所述外周部件由具有高磁特性的软磁性材料构成。
图1(A)及图1(B)是表示电磁阀的代表性结构的侧视图，所述电磁阀备有上述那样的由独立的部件构成的可动铁心。如这些图所示，电磁阀为下述结构：可动铁心3，在一端备有与阀座(未图示)接触·离开的阀体1a的轴部件1的另一端侧，备有通常为圆筒状的外周部件2，在沿轴部件1的径向(图1(A))或长度方向(图1(B))与可动铁心3对置的位置上配置有固定铁心4，在该固定铁心4上卷绕有电磁线圈5。在图1(A)的电磁阀中，通过使流过卷绕在固定铁心4上的电磁线圈5的电流的方向变化，或者通过借助未图示的弹簧的复原力而使其复位，来进行可动铁心3的进退。在图2(B)的电磁阀中，通过在卷绕于固定铁心4的电磁线圈5中流过电流，可动铁心3被磁力吸引到固定铁心4一侧，从而阀打开，并且，通过切断在卷绕于固定铁心4的电磁线圈5中流过的电流，借助未图示的弹簧的复原力使可动铁心3复位到原来的位置，从而阀关闭。
这样的阀的开闭，依赖于基于流过电磁线圈5的电流的变化而产生于可动铁心3和固定铁心4之间的磁场。在图1(A)、(B)中，用虚线表示在电磁线圈5中流过电流时产生的磁力线的方向。为了提高这样产生的磁通密度，有效地利用磁场，以往认为，使用非磁性的钢材作为可动铁心3的轴部件1，对于抑制磁通的泄漏来说较好。作为具体的轴部件1，一般使用非磁性的不锈钢SUS304等。
这样，在使用非磁性的钢材作为轴部件1的结构的情况下，图1(A)的电磁阀，以往一般为下述结构：非磁性的轴部件1以及外周部件2均用钢材构成，通过压入、密接等塑性加工方法而一体化。但是，由于可动铁心3的材质限于能塑性变形的材料，而且内径的精加工需要高的尺寸精度从而成本增加，并且需要有实施塑性加工的程度的加工余量从而在小型轻量化方面存在限制，所以在可动铁心的材质、形状、制造工序等方面存在种种制约。
为了消除这些制约，作为图1(A)所示结构的电磁阀，提出了以下烧结可动铁心的方案，其用烧结材料构成外周部件2，并且在构成外周部件2的压粉体的内孔中嵌入非磁性的钢制成的轴部件1后，进行烧结，通过烧结接合来将它们一体化，所述烧结接合是指通过一个工序进行外周部件2的烧结、及外周部件2与轴部件1间的扩散接合(参照专利文献1)。另外，作为将具有由钢材形成的轴部的部件、和通过对铁系的合金粉末或者混合粉末进行压缩成型而得到的具有孔部的压粉体，以各自的轴部和孔部嵌合的状态烧结成一体的技术，提出有专利文献2的方案。
专利文献1：日本特开2000-87117号公报
专利文献2：日本特开2000-87114号公报
发明内容
但是，近年来，特别是对于汽车的燃料喷射装置等中使用的电磁阀等电磁致动器，要求有更高的响应性。为了提高响应速度，考虑采用与以往相比更强的弹簧来提高包含于可动铁心的阀体向阀座复位的速度的方法。但是，为了实现这种方法，需要在电磁阀等电磁致动器上，设置能够克服上述弹簧力而向固定铁心侧吸引的磁特性良好的可动铁心。进而，由于阀体以高速反复与阀座碰撞，所以可动铁心需要具有高的耐磨耗性和高的疲劳强度。
本发明是鉴于上述状况作出的，其目的在于提供一种可动铁心及其制造方法，可实现近年来所要求的电磁阀等电磁致动器的高响应性，具有即使在使用强的弹簧的情况下也能够充分向固定铁心侧吸引的良好的磁特性，并且耐磨耗性以及强度高。
本发明人对具备下述这样的可动铁心的电磁阀进行了锐意研究，所述可动铁心具有上述那样的良好的磁特性，且具有能够耐受与阀座的反复碰撞的高耐磨耗性以及高疲劳强度。结果发现，如果用强磁性的钢材构成以往认为使用非磁性的钢材较好的轴部件1，则能够得到具有即使在使用强的弹簧的情况下也能够充分地向固定铁心4一侧磁力吸引的良好的磁特性的可动铁心3，可以制造出近年来要求的高响应性的电磁阀。此时的磁力线如图2(A)、(B)所示。可知图2(A)、(B)的电磁阀能够通过更多的磁通。本发明是基于这样的发现而作出的。
即，本发明是一种烧结可动铁心，所述可动铁心用于电磁阀等电磁致动器，通过将轴部件的一端嵌合在形成有内孔并且由软磁性材料构成的外周部件中而一体化，其特征在于，前述轴部件由强磁性的钢材构成，并且，前述外周部件由烧结部件构成，前述轴部件和前述外周部件通过烧结接合而一体化。另外，在这样的烧结可动铁心中，优选地，前述强磁性的钢材，在磁场为10kA/m时的磁通密度为0.3T以上，而且硬度为Hv600以上。作为这样的钢材，有工具钢、轴承钢以及马氏体系不锈钢。在这些钢材之中，工具钢较为理想，特别是高速工具钢更为理想。在高速工具钢中，在JIS标准中作为SKH51材规定的钢种较为理想。其中，SKH51材相当于SAE标准中作为M2材、ISO标准中作为HS6-5-2材、GB标准中作为W6Mo5Cr4V2规定的钢种。
另外，优选地，在轴部件和外周部件之间，形成将这些部件扩散接合的接合扩散层，该接合扩散层的轴部件侧由硬度为Hv300以下的铁素体相构成，而且宽度为500μm以下。接合扩散层6的轴部件1侧的宽度，是指以扩散接合前的轴部件1的外周面为原点而沿轴部件1的径向的长度。在图2(A)、(B)中，附图标记6表示接合扩散层，接合扩散层6相当于轴部件1和外周部件3的边界线部分。
另外，作为软磁性材料，有纯铁、Fe-P系合金、Fe-Si系合金、Fe-Si-P系合金、坡莫合金系合金、珀明德铁钴系高磁导率合金系合金、以及电磁不锈钢材料。在这种情况下，优选地，软磁性材料的气孔率为15％以下。
进而，本发明的烧结可动铁心的制造方法，如上所述是理想地制造用于电磁致动器、且通过将轴部件的一端嵌合在形成有内孔并且由软磁性材料构成的外周部件中而一体化了的可动铁心的方法，其特征在于，将具有软磁特性的原料粉末压粉成型为具有内孔的形状，在得到的压粉体的内孔中嵌合由强磁性的钢材构成的轴部件后，在除渗碳气氛之外的非氧化性气氛中，在1000℃以上(优选1100℃以上)1300℃以下(优选1200℃以下)的温度下，通过烧结扩散接合将前述轴部件和前述压粉体一体化，其后，实施淬火、回火处理而得到烧结可动铁心。另外，在这样的烧结可动铁心的制造方法中，希望前述压粉体与前述轴部件的嵌合，是嵌合尺寸差为间隙50μm以下的间隙配合、或者过盈量20μm以下的过盈配合。
本发明的烧结可动铁心是通过将由烧结软磁性材料构成的外周部件烧结接合在由强磁性的钢材构成的轴部件的一端侧而一体化了的可动铁心。因此，根据本发明，能够得到作为可动铁心整体来说良好的磁特性，能够实现优良的磁吸引力以及耐磨耗性、疲劳强度，可以制造近年来要求的高响应性的电磁致动器。
附图说明
图1是表示电磁致动器中的可动铁心与固定铁心的配置关系、并表示产生的磁力线的方向的示意图，(A)是表示在沿轴部件1的径向与可动铁心3对置的位置上配置有固定铁心4的例子，(B)是表示在沿轴部件1的长度方向与可动铁心3对置的位置上配置有固定铁心4的例子。
图2是表示采用了本发明的烧结可动铁心的电磁致动器中的烧结可动铁心与固定铁心的配置关系、并且表示产生的磁力线的方向的示意图，(A)是表示在沿轴部件1的径向与可动铁心3对置的位置上配置有固定铁心4的例子，(B)是表示在沿轴部件1的长度方向与可动铁心3对置的位置上配置有固定铁心4的例子。
附图标记说明
1    轴部件
1a   阀体
2    外周部件
3    可动铁心(烧结可动铁心)
4    固定铁心
5    电磁线圈
6    接合扩散层
具体实施方式
以下，对本发明的优选实施方式进行详细说明。
以往，鉴于图1(A)、(B)的虚线表示的磁力线方向，认为为了提高磁通密度而增大可动铁心整体的磁吸引力，用非磁性的钢材构成轴部件来抑制磁通的泄漏是有效的。但是，下述情况已得到确认：通过用强磁性的钢材构成轴部件，产生图2(A)、(B)的虚线所示的磁力线，能够提高烧结可动铁心整体的导磁率，能够进一步提高磁吸引力。
而且，对于轴部件，考虑到与阀座的碰撞，需要具有优良的耐磨耗性以及耐受反复冲击的优良的疲劳强度，这些机械特性可以通过提高硬度来得到加强。但是，轴部件与由软磁性材料构成的压粉体嵌合后被烧结接合，所以在高温烧结时会产生晶粒粗大化等较大的组织变化，从而有耐磨耗性和强度降低的危险。另外，轴部件的硬度只要是应用的电磁致动器所需的硬度就足够了。
基于以上观点，作为构成轴部件的钢材，是磁通密度高的强磁性的钢材，硬度高的钢种较为适合。磁通密度越高则越能发挥强磁性从而磁吸引力提高，如果在磁场为10kA/m时，磁通密度为0.3T以上则可以看到该效果，更加优选地若为1.0T以上，则显示出显著提高的效果。另外，硬度由电磁致动器的规格决定，如果是Hv600以上则显现出优良的耐磨耗性和疲劳强度提高的效果。作为满足这些特性的钢种，列举有高速工具钢、轴承钢或马氏体系不锈钢等，其中高速工具钢显现出最优良的特性。具体来说是JIS标准中作为SKH材规定的钢种。
其中，一般来说，压粉体强度较低，所以在厚度较薄的情况下，在烧结接合时会有破坏的危险，但是如果用上述钢材构成轴部件，则可以解决这样的问题。即，上述钢材，在烧结接合前为bcc结构，在烧结接合时的升温过程中的800℃前后，由于从bcc结构向fcc结构的相变而产生尺寸收缩，暂时在其与压粉体之间产生间隙。另一方面，压粉体从800℃附近开始产生元素扩散，由此形成颈缩从而强度增加，在由于烧结收缩而接触到轴部件时，压粉体强度增大，所以即使在厚度较薄的情况下也不易破坏。
其次，在烧结时，有促进软磁性压粉体的粉末间的扩散接合、实现由致密化引起的强度提高以及磁特性提高的作用，以及实现压粉体与轴部件间的扩散接合的作用。在烧结温度小于1000℃的情况下，上述致密化进行得不充分，外周部件的强度以及磁特性不够，并且压粉体与轴部件的扩散接合不充分。因此，关于烧结温度，将1000℃设为下限值。该烧结温度的下限值如果设为1100℃以上则更理想。另一方面，烧结温度越高，则轴部件和软磁性材料间的扩散进行得越充分，结果越能得到牢固的结合。但是，在烧结温度高于1300℃的情况下，即使使用高速工具钢作为轴部件，也难以借助热处理实现硬度恢复。因此，烧结温度的上限值，在重视接合强度的情况下设为1300℃。另外，在烧结温度为1200℃以下的情况下，通过在借助烧结进行的一体化之后，实施淬火和回火的热处理，硬度恢复，能得到轴部件所要求的高耐磨耗性和耐受反复冲击的高疲劳强度，所以作为优选条件，设烧结温度的上限为1200℃。
另外，关于烧结时使用的环境气体，如果设为氧化性的气氛，则外周部件的Fe成分由于氧化而减少，从而磁特性降低，所以需要设成非氧化性的气氛。但是，即使是非氧化性的气氛，渗碳性的环境气体也会使得气氛中的C扩散到外周部件的Fe中从而使磁特性降低，并且由于上述C的扩散，外周部件在烧结时显现出膨胀的倾向从而与轴部件的接合不充分。因此，需要使烧结气氛为除渗碳气氛之外的非氧化性气氛。
而且，使轴部件和外周部件嵌合时的嵌合尺寸差(压粉体的孔的内径尺寸和轴部件的外径尺寸之差)也很重要。优选地，将轴部件的外径尺寸设定得较大(过盈配合)而压入到压粉体的孔中，过盈量越大，则轴部件与外周部件的紧贴度越高。但是，为了避免由强度低的压粉体构成的外周部件因拉伸应力而导致破损，需要将过盈量控制在20μm以内，优选地控制在10μm以内。另外，即使在选择松配合(通り嵌め)的情况下，也是间隙越小越好，所以应该控制在50μm以下。
实施例
【实施例1】
通过在铁粉末中混合规定量的P量为20质量％的Fe-P粉末和Si粉末，得到组成为：P占0.6质量％，Si占2.0质量％，其余为Fe和不可避免的杂质的软磁性粉末。通过以700MPa的成型压力将该软磁性粉末压粉成型为φ18×φ6×t3的圆环形状，制作软磁性压粉体。
在该软磁性压粉体中，分别嵌合由φ6×15的SKH51材、SUJ2材、SUS440C材(强磁性的钢材)和SUS304材(非磁性的钢材)构成的钢轴，在真空气氛中，在1200℃的温度下烧结，将软磁性压粉体A和钢轴一体化。然后，SKH51材在1160℃下淬火，SUJ2材在800℃下淬火，SUS440C材在1100℃下淬火，之后，SKH51材在550℃下，SUJ2材在170℃下，SUS440C材在170℃下回火。非淬火钢的SUS304不进行淬火回火处理。这样得到表1所示的烧结可动铁心A～D。
关于这些烧结可动铁心A～D，将使用的钢轴的磁场为10kA/m时的磁通密度记载于表1中，并且，测定所制作的烧结可动铁心的轴硬度、与3质量％硅钢制φ18的壶形固定铁心的组合的磁吸引力、以及钢轴的结晶粒径，将测定结果一并记于表1中。
【表1】
  钢轴的种类  磁通密度B<sub>10000</sub>(T)   钢轴硬度的离散(Hv)   磁吸引力(N)   结晶粒径(μm)
  烧结可动铁心A   SKH51材   1.27   707～732   65   约20
  烧结可动铁心B   SUJ2材   1.29   671～713   66   约150
  烧结可动铁心C   SUS440C材   0.4   328～707   55   约100
  烧结可动铁心D   SUS 304材   0.01   150～167   51   约100
从表1可知，使用磁通密度为0.3T的强磁性的钢材即SKH51材和SUJ2材以及SUS440C材作为钢轴的可动铁心A、B及C，与使用非磁性钢材的烧结可动铁心D相比，磁吸引力大，在磁通密度超过1.0T的烧结可动铁心A和B的情况下显现出尤为显著的磁吸引力。下面看硬度，由SKH51材、SUJ2材、SUS440C材构成的钢轴的热处理硬度比SUS304材构成的钢轴的硬度高。其中，SKH51材和SUJ2材的硬度无离散，均匀，耐磨耗性更优。进而，其中SKH51材，即使在烧结工序中晶粒在一定程度上成长，也可以在其后的热处理中使晶粒微细化，所以可以得到优良的疲劳强度。
【实施例2】
使用实施例1的软磁性压粉体A和SKH51材的钢轴，除使烧结温度在900～1300℃的范围变化以外，以与实施例1相同的条件制作烧结可可动铁心E～I，测定所制作的烧结可动铁心的轴硬度、与3质量％硅钢制φ18的壶形固定铁心的组合的磁吸引力，并且测定将外周部固定并对轴部施加压力而使轴部脱落时的脱出压力，将测定结果示于表2。
【表2】
  烧结温度(℃)   钢轴硬度的离散(Hv)   磁吸引力(N)   脱出压力(MPa)
  烧结可动铁心E   900   707～720   50   50
  烧结可动铁心F   1000   695～732   57   100
  烧结可动铁心G   1100   713～720   61   150
  烧结可动铁心H   1200   707～732   65   240
  烧结可动铁心I   1300   511～707   66   340
从表2可知，烧结温度为900℃的烧结可动铁心E，由外周部件的烧结引起的致密化不充分，磁吸引力为较低的值。另外，外周部件与轴部件的扩散接合也不充分，脱出压力也为较低的值。与此相对，对于烧结可动铁心F～I，随着烧结温度从1000℃上升而进行致密化，磁吸引力变高，脱出压力也上升，在烧结温度为1300℃时脱出压力达到最高。另外，在烧结温度为1100℃以上时显现出良好的磁吸引力，并且，拔出压力也为较高的值。但是，如果烧结温度超过1200℃，则磁吸引力上升的效果不明显。另一方面，钢轴的硬度在1200℃以前为大致相同程度的硬度和离散，但是若超过1200℃，则离散的下限值降低。考虑这是因为，在烧结温度1200℃以前，碳化物粒子的成长不怎么进行，并且晶粒虽然在某种程度上成长但也是能够通过后面的热处理而微细化的程度，而如果超过1200℃，则晶粒和碳化物粒子急速成长，粗大化到即使通过后面的热处理晶粒也不能微细化的程度。基于以上理由，烧结温度的下限优选地为1000℃以上，1100℃以上则更为优选，烧结温度的上限，优选地在重视接合强度的情况下为1300℃，在重视硬度的情况下为1200℃以下。
【实施例3】
使用实施例1的软磁性压粉体A和SKH51材的钢轴，除了使压入量在+100μm的间隙配合～-50μm的过盈配合间变化以外，在与实施例1同样的条件下制作烧结可动铁心J～S，测定将制作的烧结可动铁心的外周部固定并对轴部施加压力而使得轴部脱落时的脱出压力，将结果示于表3。
【表3】
  过盈量(μm)   脱出压力(MPa)   备注
  烧结可动铁心J   +100(间隙配合)   20   脱落
  烧结可动铁心K   +50(间隙配合)   100   良好
  烧结可动铁心L   +20(间隙配合)   160   良好
  烧结可动铁心M   +10(间隙配合)   200   良好
  烧结可动铁心N   +5(间隙配合)   230   良好
  烧结可动铁心O   ±0   240   良好
  烧结可动铁心P   -5(过盈配合)   245   良好
  烧结可动铁心Q   -10(过盈配合)   250   良好
  烧结可动铁心R   -20(过盈配合)   255   良好
  烧结可动铁心S   -50(过盈配合)   ×   压粉体产生裂纹
从表3可知，在间隙超过50μm的烧结可动铁心J的情况下，由于间隙过大，所以脱出压力为极低的值，但是根据间隙为50μm以下的间隙配合，则能够得到实用上足够的接合强度。另外，随着间隙的变小，脱出压力变大，接合性提高，但是在间隙小于-20μm(过盈量为20μm)的过盈配合的情况下，在压粉体与钢轴嵌合时，会在压粉体上产生裂纹。基于上述理由确认，在进行压粉体和钢轴的嵌合时，如果是间隙为50μm以下的间隙配合，或者是过盈量为20μm以下的过盈配合，则能够得到足够的接合性。
工业实用性
本发明的烧结可动铁心，与以往相比，即是在使用强的弹簧的情况下，也可以通过提高可动铁心的磁吸引力，并且提高轴部件的强度和耐磨耗性，而稳定地提高响应性。由此，作为利用本发明的烧结可动铁心的例子，可以举出在近年来要求高响应性的电磁致动器，所述电磁致动器用于液压泵、汽车发动机的燃料喷射装置及其他流体控制装置等由借助电磁线圈工作的行程控制装置等中，借助电磁吸引力的操作而往复。

Claims (7)

1.一种烧结可动铁心的制造方法，是制造用于电磁致动器、且通过将轴部件的一端嵌合在形成有内孔并且由软磁性材料构成的外周部件中而一体化了的可动铁心的方法，其特征在于，
将具有软磁特性的原料粉末压粉成型为具有内孔的形状，在得到的压粉体的内孔中嵌合由强磁性的钢材构成的轴部件后，在除渗碳气氛之外的非氧化性气氛中，在1000℃以上1300℃以下的温度下，通过烧结扩散接合将前述轴部件和前述压粉体一体化，其后，实施淬火、回火处理而得到可动铁心，
前述强磁性的钢材，在磁场为10kA/m时的磁通密度为0.3T以上，而且硬度为Hv600以上。
2.如权利要求1所述的烧结可动铁心的制造方法，其特征在于，
前述强磁性的钢材是工具钢、轴承钢以及马氏体系不锈钢中的任一种。
3.如权利要求2所述的烧结可动铁心的制造方法，其特征在于，前述工具钢是高速工具钢。
4.如权利要求2所述的烧结可动铁心的制造方法，其特征在于，在前述轴部件和前述外周部件之间，形成将前述轴部件和前述外周部件扩散接合的接合扩散层，并且使该接合扩散层的轴部件侧为硬度为Hv300以下的铁素体相，使该由硬度为Hv300以下的铁素体相构成的轴部件侧的接合扩散层的以扩散接合前的轴部件的外周面为原点而沿轴部件的径向的长度为500μm以下。
5.如权利要求1所述的烧结可动铁心的制造方法，其特征在于，前述软磁性材料是纯铁、Fe-P系合金、Fe-Si系合金、Fe-Si-P系合金、坡莫合金系合金、珀明德铁钴系高磁导率合金系合金、以及电磁不锈钢材料中的任一种。
6.如权利要求5所述的烧结可动铁心的制造方法，其特征在于，使前述软磁性材料的气孔率为15％以下。
7.如权利要求1所述的烧结可动铁心的制造方法，其特征在于，前述压粉体与前述轴部件的嵌合，是嵌合尺寸差为间隙50μm以下的间隙配合、或者过盈量20μm以下的过盈配合。
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