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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein weichmagnetisches Material, das
als ein Kern, ein Joch oder dergleichen, die in verschiedene Arten
von magnetischen Sensoren, wie Servolenkung, Kraftstoffeinspritzsysteme
für Kraftfahrzeuge
und magnetische Wechselstromkreise, wie Magnetventile, installiert
wurden, verwendbar ist.
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Ein
magnetischer Wechselstromkreis wird in einen elektromagnetischen
Induktionssensor, beispielsweise einen Differential-Magnetspulensensor
oder einen Strömungssensor
oder einen mechanischen Mengensensor, beispielsweise einen magnetostriktiven
Drehmomentsensor oder einen Phasen-differenzierten Drehmomentsensor,
eingebaut. Ein weiterer Sensortyp, der eine Erregerspule als eine
Erfassungsspule verwendet, ist bereits bekannt. Ein Kern und ein
Joch, als Teile eines solchen magnetischen Wechselstromkreises,
werden aus weichmagnetischem Material, wie reinem Eisen, Si-Stahl,
weichem Ferrit oder Mu-Metall, hergestellt.
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Die
Verschiebung von einem Gegenstand oder ein Drehmoment wird als eine
geringe Änderung
in der Impedanz oder Spannung der Erfassungsspule nachgewiesen,
die beim Verschieben des Gegenstands durch Anlegen von Wechselstrom
an die Erregerspule entsteht, sodass ein Wechselfeld erzeugt wird.
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Mit
der Entwicklung von Magnetsensoren nehmen die Forderungen zur Verbesserung
der Messgenauigkeit immer mehr zu. Da die Verminderung von Rauschen
während
der Erfassung von einer Ausgangssignalspannung zur Verbesserung
der Messgenauigkeit unvermeidlich ist, wird notwendigerweise ein
elektrischer Hochfrequenzstrom (beispielsweise 100 Hz–5 kHz)
mit einer Sinus- oder Rechteckwelle an eine Erregerspule angelegt.
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Jedoch
erhöht
sich der Wirbelstromverlust von elektromagnetischem Weicheisen (SUYP),
das üblicherweise
als weichmagnetisches Material verwendet wurde, proportional zum
Frequenzanstieg des angelegten Magnetfelds, was zu einer Abnahme
magnetischer Induktion führt,
die für
die ausreichend abgegebene Spannung notwendig ist. Si-Stahl ist
vorteilhaft in geringerem Wirbelstromverlust, aufgrund seines hohen
spezifischen elektrischen Widerstands, verglichen mit elektromagnetischem
Weicheisen, jedoch erhöht
sich der Si-Gehalt notwendigerweise, um die Verminderung von magnetischer
Induktion in einem Wechselfeld mit der Frequenz von nicht weniger
als 1 kHz zu unterdrücken.
Obwohl eine Erhöhung
des Si-Gehalts den spezifischen elektrischen Widerstand wirksam
erhöht,
ist Si-Stahl gehärtet
und die Pressverarbeitbarkeit verschlechtert sich.
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Die
Korrosionsbeständigkeit
ist auch eine der erforderlichen Eigenschaften von weichmagnetischem Material,
von dem erwartet wird, dass es in einer speziellen Umgebung verwendet
wird. Jedoch sind elektromagnetisches Weicheisen und Si-Stahl schlecht in
der Korrosionsbeständigkeit.
Korrosionsbeständigkeit
kann durch Bildung von einer Ni- oder Chromatbehandlungsschicht
verbessert werden, jedoch verursacht solches Plattieren Kostenerhöhung eines
Produkts. Das Plattieren baut in ungünstiger Weise Magneteigenschaften
ab und verändert
aufgrund der Unregelmäßigkeit
in der Dicke der Plattierungsschicht auch magnetische Eigenschaften.
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Mu-Metall,
insbesondere Mu-Metall C bzw. Permalloy C, ist ein Material, das
in der magnetischen Wechselstromeigenschaft mit hohem spezifischen
elektrischen Widerstand ausgezeichnet, allerdings sehr kostspielig
ist. Weichferrit hat einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand
bei weniger Verminderung an magnetischer Induktion in einem Hochfrequenzbereich
von nicht weniger als 10 kHz, verglichen mit Metallmaterial, jedoch
ist im Gegensatz dazu seine Magnetflussdichte im Frequenzbereich
von nicht mehr als 5 kHz geringer als jene des Metallmaterials.
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JP-A-08
047 235 offenbart eine ferritische Fe-Cr-Legierung, die bei einer
Temperatur zwischen 700 und 1200°C
wärmebehandelt
wird.
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Fe-Cr-Legierung
wurde bislang als Joch für
einen Schrittmotor, aufgrund seines hohen spezifischen elektrischen
Widerstands, guter Korrosionsbeständigkeit und Kostengünstigkeit,
verglichen mit Mu-Metall, verwendet. Wenn allerdings übliche Fe-Cr-Legierung als Teil
eines Magnetkreises, wie eines magnetischen Sensors, der in einem
schwachen Magnetfeld von weniger als 10 Oe, mit einer Frequenz von
100 Hz–5
kHz, arbeitet, verwendet wird, wird kein ausreichendes Ausgangssignal,
das für
eine genaue Messung notwendig ist, bei einem Nachweis-Terminal erzielt.
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Die
vorliegende Erfindung strebt die Bereitstellung eines neuen, kostengünstigen
weichmagnetischen Fe-Cr-Materials an, das ausgezeichnete Eigenschaften
als magnetischer Sensor aufweist, der in einem schwachen Hochfrequenz-Magnetfeld
arbeitet, sowie Korrosionsbeständigkeit
aufweist.
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Das
vorgeschlagene neue weichmagnetische Fe-Cr-Material hat einen spezifischen
elektrischen Widerstand von nicht weniger als 50 μΩ. cm und
eine metallurgische Struktur, die aus ferritischen Körnern bei einem
Oberflächenverhältnis von
nicht weniger als 95%, mit Ausscheidungen von 1 μm oder weniger in der Teilchengröße bei einem
Verhältnis
von nicht mehr als 6 × 105/mm2 in der Anzahl,
aufgebaut ist.
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Das
weichmagnetische Fe-Cr-Material hat die Zusammensetzung, die aus
C bis zu 0,05 Masse%, N bis zu 0,05 Masse%, Si bis zu 3,0 Masse%,
Mn bis zu 1,0 Masse%, Ni bis zu 1,0 Masse%, P bis zu 0,04 Masse%,
S bis zu 0,01 Masse%, 5,0–20,0
Masse% Cr, Al bis zu 4,0 Masse%, 0–3 Masse% Mo, 0–0,5 Masse%
Ti besteht, und wobei der Rest Fe ausgenommen unvermeidbare Verunreinigungen
ist, unter Bedingungen von (1) und (2). 4,3 × %
Cr + 19,1 × %
Si + 15,1 × %
Al + 2,5 × %
Mo ≧ 40,2 (1) 64 × % Si + 35 × % Cr +
480 × %
Ti + 25 × %
Mo + 490 × %
Al ≧ 221 × % C +
247 × %
N + 40 × %
Mn + 80 × %
Ni + 460 (2)
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Das
weichmagnetische Material wird durch Bereitstellen einer Fe-Cr-Legierung
mit der ausgewiesenen Zusammensetzung, das Bilden der Fe-Cr-Legierung
zu einer gegenständlichen
Form und das Wärmebehandeln
der geformten Fe-Cr-Legierung in einer Zone zwischen 900°C und einer
Temperatur T (°C),
definiert durch Formel (3), in einer Vakuum- oder reduzierenden
Atmosphäre
hergestellt. Die Wortgruppe "weichmagnetisches
Material" bedeutet
ein Material, das noch nicht zu einem magnetischen Teil geformt
wurde, in verschiedenen Formen von Blechen, Stäben oder Drähten, in Reaktion auf seine
Anwendung. T(°C) = (64 × % Si +
35 × %
Cr + 480 × %
Ti + 490 × %
Al + 25 × %
Mo + 480) – (221 × % C +
247 × %
N + 40 × %
Mn + 80 × %
Ni) (3)
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1 ist
eine schematische Ansicht zum Erläutern eines Erfassungskreises
von einem magnetostriktivem Drehmomentsensor.
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2 ist
eine weitere schematische Ansicht zum Erläutern einer Erfassungsspule,
die in den Nachweiskreis installiert ist.
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3 ist
eine Kurve, die eine Wirkung des spezifischen elektrischen Widerstands
auf die magnetische Induktion von einem weichmagnetischen Fe-Cr-Material
zeigt.
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4 ist
eine Kurve, die eine Wirkung des Anteils an Martensitkörnern auf
die magnetische Induktion von einem weichmagnetischen Fe-Cr-Material
zeigt.
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5 ist
eine Kurve, die eine Wirkung von einer Vielzahl von feinen Ausscheidungen
auf die magnetische Induktion von einem weichmagnetischen Fe-Cr-Material
zeigt.
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Wenn
ein weichmagnetisches Material mit einem Magnetwechselfeld geladen
wird, treten Energieverluste in dem weichmagnetischen Material auf.
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Hystereseverlust,
der einen der Energieverluste darstellt, ist aufgrund der Wechselwirkung
zwischen den ferromagnetischen Domänenwänden und Ausscheidungen oder
Gitterdefekten von der Unterdrückung der
Bewegung von ferromagnetischen Domainewänden abgeleitet. In diesem
Sinne wird der Hystereseverlust vermindert, wenn sich die Ausscheidungen
und Gitterdefekte erhöhen.
Hinsichtlich einer Fe-Cr-Legierung
ist es praktisch wichtig, die Erzeugung feiner Ausscheidungen und
Martensitkörner
zu inhibieren.
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Wirbelstromverlust
ist auch eine der nachteiligen Energien. Der Wirbelstrom; d.h. ein
Sekundärstrom, der
durch eine Änderung
der magnetischen Intensität
aufgrund von Leitfähigkeit
des weichen magnetischen Metallmaterials induziert wird, bedeutet
einen Energieverlust, der durch ohmschen Verlust verursacht wird.
Um den Wirbelstromverlust zu vermindern, soll der spezifische elektrische
Widerstand des weichmagnetischen Materials unbedingt größer sein,
um den Wirbelstrom zu dämpfen
bzw. zu hindern.
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Hinsichtlich
dieser Aspekte haben die Erfinder die Wirkungen des spezifischen
elektrischen Widerstands und einer metallurgischen Struktur sowie
den Zustand von Ausscheidungen auf die Größenordnung von Hysterese und
Wirbelstromverlusten untersucht und geprüft, und auch Mechanismen von
hoher Magnetflussdichte in einem schwachen Magnetfeld-Wechselfeld
untersucht. Obwohl ein übliches
weichmagnetisches Fe-Cr-Material unbedingt auf eine Temperatur oberhalb
seiner Feststoff-Lösungs-Linie
(d.h. einer Grenze zwischen einer festen Lösung und einer Mischphase)
zur Auflösung
von feinen Carbidteilchen in seiner Matrix erhitzt werden muss,
verursacht das Erhitzen auf eine zu hohe Temperatur die Erzeugung
von γ-Phase,
die während
des Kühlens
zu Martensitkörnern überführt wird.
Deshalb ist es notwendig, die Ausscheidungen zu bestimmen, die auf
weichmagnetische Eigenschaften schädliche Einflüsse ausüben, und
auch Bedingungen der Zusammensetzung und Wärmebehandlung, die ohne Erzeugung
einer Martensitphase schädliche
Ausscheidungen in einer Matrix auflösen können, zu bestimmen.
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Ein
magnetostriktiver Drehmomentsensor, einer der magnetischen Sensoren,
hat einen in 1 gezeigten Erfassungskreis.
Eine rotierende Welle 1 wird bei einer Position gehalten,
die zu einer Erregerspule 2 und einer Erfassungsspule 3 weist.
Die Erfassungsspule 3 hat einen magnetischen Kreis, der
mit einem weichmagnetischen Teil 5 ausgestattet ist, auf
einen Zuleitungsdraht 4 gewickelt ist, wie in 2 gezeigt.
Wenn eine vorbestimmte Spannung V zwischen den Anschlüssen ange legt
wird, um einen elektrischen Kreis i zu erzeugen, wird eine Magnetflusslinie Φ zwischen
dem weichmagnetischen Teil 5 und einem Messgegenstand S
erzeugt. Eine Änderung
der Magnetostriktion, die durch Belastung aufgrund eines Drehmoments
verursacht wird, wird durch die Erfassungsspule 3 als Änderung
der Ausgangssignalspannung, die durch den Magnetfluss Φ induziert
wird, welcher durch die Erregerspule 2 erzeugt wird, die
durch den Oszillator 6 und Stromverstärker 7 gesteuert wird,
erfasst. Ein Ergebnis der Erfassung wird durch einen synchronen
Detektor 83 und einen Verstärker 9 ausgegeben.
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Ein
weichmagnetischer Teil, wie ein Kern, der in dem Nachweiskreislauf
eingebaut ist, wird durch mechanisches Bearbeiten eines weichmagnetischen
Stahlblechs oder dergleichen zu einer vorbestimmten Form hergestellt.
Das so bearbeitete weichmagnetische Material ist aufgrund der Restbelastungen
bzw. mechanischen Restspannungen, die durch das mechanische Bearbeiten
eingeführt
werden, in der magnetischen Permeabilität mangelhaft, was schlechte
magnetische Induktion ergibt. Solche schädlichen Einflüsse von
mechanischen Spannungen werden durch Wärmebehandlung zum Entspannen
beseitigt.
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Die
Erfinder haben die Wirkungen von verschiedenen Faktoren auf die
magnetische Induktion von einem weichmagnetischen Teil wie nachstehend
untersucht: weichmagnetische Fe-Cr-Stähle, die sich voneinander im
elektrischen Widerstand unterscheiden, werden mechanisch zu einer
Kreisform bearbeitet, unter verschiedenen Bedingungen wärmebehandelt
und dann zur Messung der Magnetflussdichte bereitgestellt. Die Magnetflussdichte
wird mit einem B-H-Analysator in einem erregenden schwachen Magnetfeld
mit einer Schwingungsfrequenz von 1 kHz und Magnetintensität von 1
Oe gemessen.
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Die
Messergebnisse werden in 3 gezeigt. Es wird angemerkt,
dass ein weichmagnetisches Material in der magnetischen Induktion
bei einem spezifischen elektrischen Widerstand, der größer als
50 μΩ. cm ist,
stark verbessert ist. Die Erfinder haben weiterhin die Wirkungen
der Zusammensetzungen von weichmagnetischen Materialien, deren spezifischer
elektrischer Widerstand größer als
50 μΩ. cm ist,
auf den spezifischen elektrischen Widerstand untersucht, und gefunden,
dass der spezifische elektrische Widerstand ρ der Fe-Cr-Legierung durch die
nachstehend erwähnte
Formel definiert wird. Folglich wird die vorstehend erwähnte Formel
(1) bestimmt, um den spezifischen elektrischen Widerstand ρ größer als
50 μΩ. cm zu
erzielen. ρ(μΩ·cm) =
4,3% Cr + 19,1% Si + 15,1% Al + 2,5% Mo + 9,8
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Jedoch
haben weichmagnetische Teile, die aus der gleichen Fe-Cr-Legierung
hergestellt werden, das Merkmal, dass die magnetische Induktion
in Antwort auf die Wärmebehandlungsbedingungen
für eine
Verwendung in einem Magnetkreis, der bei einem schwachen Magnetfeld
von 1 Oe oder ähnlich
arbeitet, wesentlich abweicht. Die Erfinder haben die Wirkungen
von metallurgischen Struakturen auf die magnetische Induktion zum
Herausfinden der Ursachen, die zur Abweichung von magnetischer Induktion
führen,
durch Beobachten der metallurgischen Struktur eines wärmebehandelten
weichmagnetischen Materials untersucht. Im Ergebnis haben die Erfinder
gefunden, dass die metallurgische Struktur, die Martensitkörner oder
feine Ausscheidungen in einer von Martensitkörnern freien ferritschen Einzelphase
einbezieht, in der magnetischen Induktion sehr schlecht ist (d.h.
schlechte Sensoreigenschaft aufweist), selbst wenn der weichmagnetische
Teil aus der gleichen Fe-Cr-Legierung
hergestellt wird.
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Die
ungünstige
Wirkung von Martensitkörnern
auf die magnetische Induktion wird in der Fe-Cr-Legierung, die Martensitkörner bei
einem Anteil von 5 Volumenprozent oder mehr beinhaltet, deutlich
beobachtet. Auscheidungen von 1 μm
oder größer in der
Teilchengröße bewirken
im Wesentlichen keine Wirkung auf die magnetische Induktion, jedoch
wird die magnetische Induktion durch feine Ausscheidungen von weniger
als 1 μm
in der Teilchengröße beeinflusst.
Die magnetische Induktion verschlechtert sich, wenn sich die Zahl
der Ausscheidungen erhöht.
Insbesondere verursacht eine Verteilung von feinen Ausscheidungen
von weniger als 1 μm,
bei einem Verhältnis
von 6 × 105/mm2 in der Zahl,
eine deutliche Abnahme der magnetischen Induktion, wie in 5 gezeigt.
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Diese
Ergebnisse beweisen, dass eine Fe-Cr-Legierung, die als ein weichmagneti scher
Teil verwendbar ist, der in einen magnetischen Kreis, wie einen
magnetischen Sensor, eingebaut wird, welcher in einem Hochfrequenzerregungsfeld
arbeitet, einen spezifischen elektrischen Widerstand, der nicht
weniger als 50 μΩ. cm ist,
und eine dermaßen
wärmebehandelte
metallurgische Struktur, die Martensitkörner von nicht mehr als 5 Volumen%
mit Ausscheidungen von 1 μm
oder weniger in der Teilchengröße bei einem
Verhältnis
von nicht mehr als 6 × 105/mm2 beinhaltet,
aufweisen sollte.
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Feine
Ausscheidungen von 1 μm
oder weniger in der Teilchengröße können durch
Erhitzen einer Fe-Cr-Legierung auf eine Temperatur höher als
900°C stark
vermindert werden. Die Wirkung der Wärmebehandlung auf die Abnahme
von feinen Ausscheidungen wird durch Durchwärmen der Fe-Cr-Legierung, vorzugsweise
für 30
Minuten oder länger,
deutlich beobachtet. Jedoch eine zu hohe Durchwärmtemperatur bedeutet Überhitzen
der Fe-Cr-Legierung in einer γ-Zone,
die während
des Kühlens
zur Erzeugung von Martensitkörnern
führt.
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Eine
solche Art von Stahl, die die γ-Phase
bei einer Heiztemperatur unter 900°C verursacht, kann nicht zu
einer metallurgischen Struktur umgeformt werden, die aus einer ferritschen
Einzelphase zusammengesetzt wird, welche zur Verbesserung von magnetischer
Induktion bei Unterdrückung
von feinen Ausscheidungen wirksam ist. Unter Berücksichtigung der praktischen
Genauigkeit der Temperatursteuerung in einem üblichen Ofen soll ein Temperaturbereich
zur Wärmebehandlung
für die
Erzeugung einer ferritschen Einzelmatrix, die weniger feine Ausscheidungen
beinhaltet, ohne Martensitkörner
eine Toleranz von mindestens ±20°C (idealerweise ±50°C), bezüglich einer
vorbestimmten Temperatur aufweisen.
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Eine
Anfangstemperatur T (°C)
zur Erzeugung einer γ-Phase
wird durch die vorstehend erwähnte
Formel (3) gemäß den Untersuchungen
der Erfinder auf die Wirkungen von Legierungselementen wiedergegeben.
Andererseits sollte die Anfangstemperatur T unter Berücksichtigung
der Genauigkeit der Temperatursteuerung in einem üblichen
Ofen bei einer Toleranz von mindestens ±20°C nicht unter jener von 900°C liegen,
um die Erzeugung von sowohl Martensitkörnern als auch feinen Ausscheidungen
zu hemmen.
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Deshalb
wird die Anfangstemperatur T (°C)
bei einer Temperatur nicht unterhalb 940°C bestimmt. Die vorstehend erwähnte Formel
(2) wird durch Einsetzen von Formel (3) in die Beziehung von T ≧ 940°C erhalten. Weiterhin
wird eine Temperatur für
die Wärmebehandlung
vorzugsweise auf 940°C
oder höher
eingestellt, um das Wachstum von Kristallkörnern zur Verbesserung der
Magneteigenschaft ohne Erzeugung von Martensitphase zu fördern. Eine
Idealtemperatur T ist mindestens 980°C.
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Die
Erzeugung einer metallurgischen Struktur, die aus einer ferritschen
Einzelphase besteht, wird zum Erhöhen einer Anfangstemperatur
T durch Zusatz eines Ferritstabilisierenden Elements/Elementen,
wie Si, zu einer Fe-Cr-Legierung gefördert. Jedoch verursacht eine
zu hohe Zugabe von Ferrit-stabilisierendem/n Element(en) eine Abnahme
in der Walzbarkeit und Druckverarbeitbarkeit sowie das Auftreten
von Oberflächendefekten.
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Die
Verminderung von Martensitkörnern
auf einen Anteil von nicht mehr als 5 Volumen% unterdrückt wirksam
die Abnahme von magnetischer Induktion, wie in 4 gezeigt.
Die Verminderung von Martensitkörnern
wird durch Vergrößern des
Unterschieds zwischen einer ferritisierenden Intensität (wiedergegeben
durch 11,5 × %
Si + 11,5 × %
Cr + 49 × %
Ti + 12 × %
Mo + 52 × %
Al) und einer austenitisierenden Intensität (wiedergegeben durch 420 × % C +
470 × %
N + 7 × %
Mn + 23 × %
Ni) erreicht. Ein solcher Unterschied von mehr als 124 ermöglicht eine
absolute Unterdrückung
der Erzeugung von Martensitkörnern,
da eine Fe-Cr-Legierung ohne Erzeugung von γ-Phase auf bis zu etwa 1030°C erhitzt
werden kann.
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Die
Anfangstemperatur T zur Erzeugung der γ-Phase ist höher als eine Erhöhung im
Unterschied zwischen den ferritisierenden und austenitisierenden
Intensitäten,
um die Erzeugung einer aus einer ferritschen Einzelphase bestehenden
metallurgischen Struktur zu fördern.
Jedoch erfordert die Erhöhung
des Unterschiedes eine Vielzahl an ferritisierenden Elementen, die
der Fe-Cr-Legierung zuzugeben sind, was zu einem Abbau an Walzbarkeit
und Druckverarbeitbarkeit sowie Auftreten von Oberflächendefekten
führt.
Infolgedessen wird die Zusammensetzung der vorgeschlagenen neuen
Fe-Cr-Legierung vorzugsweise wie nachstehend bestimmt:
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C bis zu 0,05 Masse%
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C
ist ein für
die magnetische Eigenschaft von einem weichmagnetischen Fe-Cr-Material schädliches Element,
da es die Erzeugung von Martensitkömern und Ausscheidung von Carbiden
beschleunigt. Die Fe-Cr-Legierung wird härter, wenn sich der C-Gehalt
erhöht,
was eine schlechte Druckverarbeitbarkeit ergibt. Diese schädlichen
Einflüsse
werden durch Steuern des C-Gehalts auf nicht mehr als 0,05 Masse%
unterdrückt.
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N bis zu 0,05 Masse%
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N
ist auch ein schädliches
Element, da es die Erzeugung von Martensitkörnern beschleunigt und aufgrund
der Erhöhung
der Härte
die Druckverarbeitbarkeit von der Fe-Cr-Legierung verschlechtert.
In diesem Sinne wird eine obere Grenze des N-Gehalts bei 0,05 Masse% festgelegt bzw.
eingeregelt.
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Si bis zu 3,0 Masse%
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Si
ist ein Legierungselement, das für
die Erhöhung
des spezifischen elektrischen Widerstands und der magnetischen Induktion
in einem Magnetwechselfeld wirksam ist. Der Zusatz Si unterdrückt vorzugsweise
die Erzeugung von Martensit, was schädliche Einflüsse auf
die weichmagnetische Eigenschaft überträgt. Jedoch verursacht zu großer Zusatz
von Si eine Erhöhung
von Härte
und eine Abnahme der Druckverarbeitbarkeit. In diesem Sinne wird
eine obere Grenze des Si-Gehalts bei 3,0 Masse% festgelegt.
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Mn bis zu 1,0 Masse%
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Mn
ist ein Verunreinigungselement, das in eine Fe-Cr-Legierungsschmelze
aus einem Rohmaterial, wie Schrott, in einem Legierungs-Schmelzschritt
eingeschlossen ist, und die Erzeugung von Martensit beschleunigt.
Deshalb wird eine obere Grenze des Mn-Gehalts bei 1,0 Masse% festgelegt.
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Ni bis zu 1,0 Masse%
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Ni
ist auch ein Verunreinigungselement, das in eine Fe-Cr-Legierungsschmelze
aus Rohmaterial, wie Schrott, in einem Legierungs-Schmelzschritt
eingeschlossen ist, und die Erzeugung von Martensit beschleunigt.
Deshalb wird eine obere Grenze des Ni-Gehalts bei 1,0 Masse% festgelegt.
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P bis zu 0,04 Masse%
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P
ist als Phosphide eingeschlossen, die schädliche Einflüsse auf
die weichmagnetische Eigenschaft ausüben; daher wird eine obere
Grenze des P-Gehalts bei 0,04 Masse% festgelegt.
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S bis zu 0,01 Masse%
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S
ist als Sulfide eingeschlossen, was schädliche Einflüsse auf
die weichmagnetische Eigenschaft ausübt; daher wird eine obere Grenze
des S-Gehalts bei 0,01 Masse% festgelegt.
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5,0–20,0 Masse% Cr
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Cr
ist ein Legierungselement, das die Erzeugung von Martensit unterdrückt, den
spezifischen elektrischen Widerstand einer Fe-Cr-Legierung erhöht, die
magnetische Induktion in einem Magnetwechselfeld ebenso wie Si verbessert
und auch die Korrosionsbeständigkeit
verbessert. Diese Wirkungen werden bei einem Cr-Gehalt von mehr
als 5,0 Masse% (vorzugsweise 10 Masse%) deutlich beobachtet. Jedoch
vermindert ein zu hoher Zusatz von Cr oberhalb 20,0 Masse% aufgrund
der Erhöhung
der Härte
die magnetische Induktion und Druckverarbeitbarkeit der Fe-Cr-Legierung.
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Al bis zu 4,0 Masse%
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Al
ist ein Legierungselement, das den spezifischen elektrischen Widerstand
und die magnetische Induktion in einem Magnetwechselfeld, gleich
wie Si und Cr, stark erhöht.
Ein zu hoher Zusatz von Al verursacht allerdings das Auftreten von
Oberflächendefekten,
die von Einschlüssen
vom Typ A1 stammen, sodass eine obere Grenze
von dem Al-Gehalt bei 4,0 Masse% festgelegt wird.
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0–3 Masse% Mo
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Mo
ist ein wahlweises Legierungselement, das ebenso wie Cr die Erzeugung
von Martensit unterdrückt,
den elektrischen Widerstand erhöht,
magnetische Induktion in einem Magnetwechselfeld verbessert und
auch die Korrosionsbeständigkeit
verbessert. Ein zu hoher Zusatz von Mo oberhalb 3 Masse% härtet eine Fe-Cr-Legierung
wesentlich und vermindert ihre Druckverarbeitbarkeit.
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0–0,5 Masse% Ti
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Ti
ist ein wahlweises Legierungselement, das ebenso wie Cr und Mo die
Erzeugung von Martensit unterdrückt,
jedoch das Auftreten von Oberflächendefekten
verursacht, die von Titanyleinschlüssen stammen. In diesem Sinne
wird eine obere Grenze des Ti-Gehalts bei 0,5 Masse% bestimmt.
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BEISPIEL
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Verschiedene
Fe-Cr-Legierungen mit in Tabelle 7 gezeigten Zusammensetzungen wurden
in einem 30 kg Hochfrequenzofen in einer Vakuumatmosphäre geschmolzen.
Ein weichmagnetisches Fe-Cr-Legierungsblech von 2,0 mm Dicke wurde
aus jeder Legierung durch Gießen,
Schmieden, Heißwalzen,
Kaltwalzen, Fertigwärmebehandeln
und dann Entzundern hergestellt. TABELLE
1: Fe-Cr-Legierungen, die in Beispiel 1 verwendet wurden
- A Wert A: 4,3 × % Cr + 99,1 × % Si +
15,1 × %
Al + 2,5 × %
Mo
- A Wert B:(64 × %
Si + 35 × %
Cr + 480 × %
Ti + 490 × %
Al + 25 × %
Mo) – (221 × % C +
40 × %
Mn + 80 × %
Ni + 247 × %
N) Die unterstrichenen Zahlen liegen außerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung.
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Teststücke wurden
aus jedem weichmagnetischen Fe-Cr-Legierungsblech geschnitten.
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Nachdem
ein ringförmiges
Teststück
von 45 mm im Außendurchmesser
und 33 mm im Innendurchmesser unter in Tabelle 2 gezeigten Bedingungen
wärmebehandelt
wurde, wurde seine Magnetflussdichte B mit einem B-H-Analysator
in einem Magnetfeld von 1 Oe mit einer Frequenz von 1 kHz gemessen.
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Ein
weiteres Teststück
in der Größe von 30
mm × 30
mm wurde in einer Fluss-/-Salpetersäure-Glycerin-Lösung (HF
: HNO3 : Glycerin = 2 : 1 : 2) geätzt und
dann einem Punktzählungsverfahren
unter Anwendung eines optischen Mikroskops zur Messung von Martensit
unterzogen.
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Das
gleiche Teststück
wurde durch ein SPEED-(Selective Potentiostatic Etching by Electrolytic
Dissolution)(Selektives potentiostatisches Ätzen durch elektrolytische
Auflösung)-Verfahren
geätzt
und dann durch ein Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Die Anzahl
der feinen Ausscheidungen von 1 μm
oder weniger in der Teilchengröße, gezeigt
auf einem Monitorbildschirm, wurde gezählt, um die Anzahl an feinen
Ausscheidungen pro 1 mm2 zu berechnen. Weiterhin
wurde ein Teststück
von 5 mm in der Breite und 150 mm in der Länge dem Wheatstonebridge-Verfahren
zum Messen seines spezifischen elektrischen Widerstands unterzogen.
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Andererseits
wurde das weichmagnetische Fe-Cr-Legierungsblech zu Kernen für Erregungs-
und Erfassungsspulen druckverarbeitet, und dann unter den gleichen
Bedingungen wie der Ringmagnet wärmebehandelt.
Die Kerne wurden untersucht, um das Vorliegen oder die Abwesenheit
von Rissen nachzuweisen. Die Druckverarbeitbarkeit des Fe-Cr-Legierungsblechs
wurde in Reaktion auf das Auftreten von Rissen bewertet.
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Jeder
Kern wurde in einem magnetostriktiven Drehmomentsensor (gezeigt
in 1) eingebaut. Eine Ausgangssignalspannung einer
Erfassungsspule wurde entsprechend einem Eingangsdrehmoment in einem Magnetfeld
von 1 Oe bei Schwingungsfrequenz von 1 kHz, angewendet auf eine
Erregerspule, gemessen. Die Messspannung wurde mit einem Standardwert
(100), der eine für
einen Sensor erforderliche Ausgangssignalspannung wiedergibt, verglichen,
und die Sensoreigenschaft wurde bei einem Wert von weniger als 100
als gut (O), etwas mangelhaft (Δ)
bei einem Wert von 100–80
oder als mangelhaft (X) bei einem Wert von weniger als 80 bewertet.
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Die
Testergebnisse werden zusammen mit den Wärmebehandlungsbedingungen in
Tabelle 2 gezeigt.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass die Teststücke Nummern 1–9, deren
spezifischer elektrischer Widerstand, Anteil an Martensit und Anzahl
an feinen Ausscheidungen erfindungsgemäß gesteuert wurden, eine Magnetflussdichte
von nicht weniger als 500 G und eine höhere Ausgangssignalspannung
erzeugten. Deshalb sind die Fe-Cr-Legierungsbleche
Nummern 1–9
als Kerne für
einen Drehmomentsensor, der in der Sensoreigenschaft verbessert
ist, verwendbar.
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Andererseits
hatte das Fe-Cr-Legierungsblech Nr. B1 eine magnetische Induktion,
die aufgrund ihrer metallurgischen Struktur, bei der feine Ausscheidungen
von 1 μm
oder weniger in der Teilchengröße bei einem Verhältnis oberhalb
6 × 105/mm2 in der Zahl übermäßig verteilt
sind, wesentlich verschlechtert ist. (m Ergebnis war ein Kern, der
aus dem Legierungsblech Nr. B1 hergestellt wurde, in der sensorischen
Eigenschaft verschlechtert.
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Das
Teststück
Nr. 13, das aus einem Fe-Cr-Legierungsblech mit der gleichen Zusammensetzung
hergestellt, jedoch bei einer niederen Temperatur in einem Magnetfeld
wärmebehandelt
wurde, hatte eine magnetische Induktion, die, aufgrund ihrer metallurgischen
Struktur, die übermäßig feine
Ausscheidungen von 1 μm
oder weniger in der Teilchengröße darin
verteilt hatte, wesentlich verschlechtert war. Ein Kern aus dem
Legierungsblech Nr. 13 war aufgrund der Abnahme der magnetischen
Induktion in der Sensoreigenschaft auch verschlechtert. Das Teststück Nr. 14,
das bei einer zu hohen Temperatur wärmebehandelt wurde, beinhaltet
im Gegensatz dazu eine Menge an Martensitkörnern in einem wärmebehandelten
Zustand. Deshalb hatte der aus dem Legierungsblech Nr. 14 hergestellte
Kern eine magnetische Induktion, die aufgrund der Erzeugung von Martensit
wesentlich verschlechtert war, was eine schlechte Sensoreigenschaft
ergibt. TABELLE
2: Wirkungen von Wärmebehandlungsbedingungen,
spezifischer elektrischer Widerstand und metallurgischer Struktur
hinsichtlich Druckverarbeitbarkeit, Magneteigenschaft und Sensoreigenschaft
- T = (64 × %Si + 35 × % Cr + 480 × % Ti +
490 × %
Al + 25 × %Mo
+ 480) – (221 × % C +
40 × %
Mn + 80 × % Ni
+ 247 × %
N)
- O: gut, Δ:
etwas mangelhaft, X: mangelhaft
-
Die
unterstrichenen Zahlen liegen außerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung.
-
Das
wie vorstehend erwähnte
erfindungsgemäße weichmagnetische
Material wird aus einer Fe-Cr-Legierung mit einem elektrischen Widerstand
von nicht weniger als 50 μΩ. cm und
einer metallurgischen Struktur, die wenig Martensitkörner beinhaltet,
und die Verteilung von feinen Ausscheidungen unterdrückt, hergestellt. Aufgrund
des hohen spezifischen elektrischen Widerstands und der bestimmten
metallurgischen Struktur erzeugt das weichmagnetische Material starke
magnetische Induktion, was ausgezeichnete Sensoreigenschaft ergibt,
selbst in einem schwachen Magnetfeld, das mit hoher Frequenz erregt
wurde. Im Ergebnis wird ein Sensor, der gute Messgenauigkeit aufweist,
durch Einbau des weichmagnetischen Materials als Kern oder Joch
in einen magnetischen Kreis, wie einen elektromagnetischen Induktionssensor
oder einen mechanischen Mengensensor, bereitgestellt.
