JP2003253304A

JP2003253304A - 磁芯用部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003253304A
Application number: JP2002053852A
Authority: JP
Inventors: Naomichi Nakamura; 尚道中村; Satoshi Uenosono; 聡上ノ薗; Shigeru Unami; 繁宇波; Masashi Fujinaga; 政志藤長; Takashi Yoshimura; 吉村　　隆志; Mitsumasa Iijima; 光正飯嶋; Hiroshi Koizumi; 普小泉; Hiroyuki Yasuma; 安間　　裕之
Original assignee: JFE Steel Corp; Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度、高表面硬さで、かつ高磁束密度を有
する磁芯用部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】鉄基粉末に所定量の潤滑剤とあるいはさ
らに所定量の黒鉛粉を配合し混合した混合粉を、予備成
形して予備成形体とし、該予備成形体に800 ℃以上好ま
しくは1000℃超の温度での焼結処理と、あるいはさらに
400 〜700 ℃の温度で焼鈍処理を施して焼結体とし、つ
いで該焼結体に冷間鍛造を施したのち、さらに600 ℃以
下、好ましくは300 ℃以上の温度で熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁弁、アクチュ
エータ、磁気センサ等の電気機器に用いて好適な磁芯用
部材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁弁、アクチュエータ、磁気センサ等
に用いられる小型で複雑な形状を有する磁芯には、高磁
束密度や高寸法精度を有すること、および他部品との摺
動耐久性が高いことが要求される。このような用途に
は、従来から、純鉄粉等の金属磁性粉末を所定形状に成
形、焼結して製造された焼結磁芯が用いられてきた。し
かし、この焼結磁芯は、複雑な形状を比較的容易に製造
できるが、高々7.4Mg/m³程度の低い密度しか得られず、
溶製材に比べ磁束密度が格段に低いという問題があっ
た。

【０００３】このような問題に対し、特公平６-80161号
公報には、鉄粉粒子表面にFe−Ｐ合金粉およびSn粉を拡
散結合し、Ｐ：0.3 〜1.0 ％、Sn：１〜４％、残部実質
的にFeである組成とした軟磁性焼結材用複合鉄粉が提案
されている。特公平６-80161号公報に記載された複合鉄
粉を用いて焼結体を製造することにより、鉄粉の焼結時
の収縮性が増大し、焼結体の密度が最大7.49Mg/m³まで
増加し、磁束密度が向上するとしている。しかし、得ら
れた焼結体の磁束密度Ｂ₅₀は、たかだか1.5 Ｔ程度まで
であるうえ、焼結時の寸法収縮が大きく高寸法精度が得
にくいという問題があった。

【０００４】天野、中川（天野富雄、中川威雄：第40回
塑性加工シンポジウム論文集(1972)，p.49〜59）によれ
ば、純鉄粉焼結体に冷間鍛造を施す焼結冷鍛により、7.
8Mg/m³とほぼ真密度に近い製品が得られ、磁気特性も一
般の鉄粉焼結体に比べて向上することが知られている。
しかし、本発明者らの測定によれば、このような焼結冷
鍛を施された製品の10kA/mにおける磁束密度（Ｂ_10k)
は1.74Ｔ程度であり、最近の磁芯への磁束密度要求値に
対しては十分であるとはいえない。また、焼結冷鍛を施
された製品にさらに850 ℃で再焼結処理を施すと磁束密
度は高くなるが、表面硬さが40HRB 程度と低くなり、他
部品との摺動耐久性が劣るという問題がある。さらに、
この再焼結を行う方法では製造工程中に焼結処理を２回
行う必要があり、製造コストの高騰を招くという問題も
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来技術の問題を有利に解決し、高密度、高表面硬さで、
かつ高磁束密度を有する磁芯用部材およびその製造方法
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、鉄基焼結体の密度および磁束密
度をともに向上させることができる安価な方策につい
て、鋭意検討した。その結果、鉄基粉末に予備成形、焼
結処理を施して鉄基焼結体としたのち、該鉄基焼結体に
圧縮成形と600 ℃以下の温度で熱処理を施すという処理
により、表面硬さを低下させることなく、高密度でかつ
高磁束密度の製品が得られることを新規に見出した。

【０００７】まず、本発明の基礎となった実験結果につ
いて説明する。鉄基粉末として純鉄を用い、予備成形、
焼結処理を施して焼結体とした純鉄粉焼結体にさらに、
圧縮成形として冷間鍛造を施し、ついで300 〜700 ℃の
温度で保持する熱処理を施して、磁束密度および表面硬
さを測定した。得られた結果を図２、図３に示す。図２
から、焼結体に（冷鍛＋熱処理）を施すことにより、Ｂ
_10k：1.75Ｔ以上と磁束密度の顕著な向上が認められ
る。また、図３から、熱処理温度が600 ℃以下であれ
ば、表面硬さの顕著な低下はなく、70HRB 以上の表面硬
さを確保できることがわかる。

【０００８】本発明は、上記した知見に基づいて、さら
に検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発
明は、鉄基粉末を、好ましくは鉄基粉末に所定量の潤滑
剤とあるいはさらに所定量の黒鉛粉を配合し混合した混
合粉を、予備成形して予備成形体とし、該予備成形体に
焼結処理、あるいはさらに焼鈍処理を施して焼結体と
し、ついで該焼結体に圧縮成形を施したのち、さらに60
0 ℃以下、好ましくは300℃以上の温度で熱処理するこ
とを特徴とする高磁束密度を有する磁芯用部材の製造方
法であり、また、本発明では、前記焼結処理が、800 ℃
以上好ましくは1000℃超の温度で行うことが好ましく、
また、本発明では、前記圧縮成形が、冷間鍛造であるこ
とが好ましい。

【０００９】また、本発明は、鉄基粉末を、成形、焼結
してなる磁芯用部材であって、密度が7.7Mg/m³以上、10
kA/mにおける直流磁束密度が1.75Ｔ以上、表面硬さが65
HRB以上であることを特徴とする磁芯用部材である。

【００１０】

【発明の実施の形態】まず、本発明の磁芯用部材の製造
方法について説明する。本発明の磁芯用部材の製造方法
の一例を図１に示す。以下、工程順に詳細に説明する。
本発明では、原料粉末として、鉄基粉末を使用する。本
発明では、使用する鉄基粉末の粒度、粒子形状は特に限
定する必要はない。本発明では、通常、工業的に圧縮成
形に供せられる鉄基粉末であればいずれも問題なく使用
できる。使用する鉄基粉末は、純鉄粉とすることが好ま
しい。純鉄粉は、磁束密度が高く圧縮性に優れ、高密度
の成形品が得られやすい。なお、純鉄粉としては、アト
マイズ粉、還元鉄粉いずれも好適である鉄基粉末は、必要に応じて所定量の潤滑剤、あるいはさ
らに所定量の黒鉛粉とともに混合され混合粉とされたの
ち、予備成形されて予備成形体とされる。

【００１１】潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛、ステ
アリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム等の金属石
鹸、あるいは脂肪酸アミドなどのワックスが例示でき
る。潤滑剤は、これら単体を用いても、あるいは２種以
上を複合して配合して用いてもいずれでもよい。潤滑剤
の配合量は、鉄基粉末100 質量部に対し１質量部以下と
することが好ましい。潤滑剤の配合量が１質量部を超え
ると、成形密度が低下する。

【００１２】黒鉛粉は、製品強度を増加させるために必
要に応じ配合できる。黒鉛粉としては、天然黒鉛粉、人
造黒鉛粉が例示できる。黒鉛粉の配合量は、鉄基粉末10
0 質量部に対し0.5 質量部以下とすることが好ましい。
黒鉛粉の配合量が0.5 質量％を超えると、磁気特性が低
下する。鉄基粉末に、潤滑剤粉あるいはさらに黒鉛粉を
配合、混合して混合粉とするに際しては、ヘンシェルミ
キサー、コーン型ミキサー等の通常公知の混合装置がい
ずれも適用できる。また、混合は、室温混合、あるいは
潤滑剤の融点温度以上に加熱し、潤滑剤および／または
黒鉛を鉄基粉末粒子に付着させる加熱混合としてもよ
い。また、加熱混合した後にさらに潤滑剤を追加添加し
て遊離潤滑剤とし、原料混合粉中に粒子に付着した付着
潤滑剤と遊離潤滑剤とを共存させてもよい。

【００１３】得られた混合粉を所定形状の金型に装入
し、プレス等により予備成形して予備成形体とする。予
備成形では、予備成形の成形圧を適宜選択し、理論密度
の90％以上の密度（例えば、純鉄粉の場合には、7.1 Mg
/m³以上）を有する成形体とすることが好ましい。さら
に好ましくは理論密度の93％以上の密度（純鉄粉の場合
には7.3 Mg/m³以上）である。予備成形方法としては、
常温で圧縮成形する常温圧縮成形法、温間に加熱しつつ
圧縮成形する温間圧縮成形法、金型を潤滑して成形する
金型潤滑成形法、あるいはこれらの組合せ等、が挙げら
れるが、これらに限定されないことはいうまでもない。
なお、予備成形体の密度は、7.3 Mg/m³以上が好まし
い。密度が低すぎると、後方押し出し法で圧縮成形を施
した場合、クラックが生じる場合がある。

【００１４】ついで、予備成形体に焼結処理を施し、焼
結体とする。本発明では、焼結処理は、800 ℃以上、好
ましくは1000℃超えの温度で行うことが好ましい。焼結
処理の温度が800 ℃未満では焼結が進行し難く、また、
1000℃以下では、焼結の進行が不十分な場合がある。焼
結処理は、予備成形体の酸化を防止するため、真空、あ
るいは窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中、あるいは窒
素ー水素混合ガス等の還元性雰囲気とすることが好まし
い。なお、焼結処理に引き続いて、400 〜700℃の温度
で保持する焼鈍処理を施してもよい。焼鈍処理を施すこ
とにより焼結体の硬さが低下し、その後の圧縮成形にお
ける変形抵抗が低下するという効果がある。焼結処理、
焼鈍処理の保持時間は10〜120minとすることが好まし
い。保持時間が10min 未満では、効果が期待できない。
一方、120minを超えて保持しても、効果が飽和するうえ
生産性が低下し、経済的に不利となる。

【００１５】ついで焼結体に圧縮成形を施して、所定形
状の圧縮成形体とする。焼結体に圧縮成形を施すことに
より、理論密度の99％以上の密度とすることができ、そ
れにともない磁束密度が格段に向上する。圧縮成形は、
形状の任意性、寸法精度、コストの面から冷間鍛造法と
することが好ましい。冷間鍛造法としては、通常公知の
方法がいずれも適用でき、焼結体の形状と製品形状 (所
定形状）に応じ、例えば、前方押し出し法、後方押し出
し法、据え込み法等から適宜選択し、適用することがで
きる。また、冷間鍛造法に代えて、ロールホーミング法
等の他の圧縮成形方法を適用してもよい。

【００１６】ついで、焼結体を圧縮成形した圧縮成形体
に熱処理を施し、製品（磁芯用部材）とする。熱処理を
施すことにより、圧縮成形により生じた機械的歪が除去
され、磁束密度が向上する。熱処理は、600 ℃以下、好
ましくは300 ℃以上の温度で保持する処理とする。熱処
理温度が600 ℃を超えて高くなると、製品の表面硬さが
低下し摺動耐久性が低下し、また、磁束密度の向上効果
が少ない。また、熱処理温度が300 ℃未満では、磁束密
度向上の効果が期待できにくい。熱処理は、製品の酸化
を防止するため、真空、あるいは窒素、アルゴン等の不
活性雰囲気中、あるいは窒素ー水素混合ガス等の還元性
雰囲気とすることが好ましい。また、熱処理の保持時間
は10〜120minとすることが好ましい。保持時間が10min
未満では、上記した効果が認められない。一方、120min
を超えて保持しても、効果が飽和するうえ生産性が低下
し、経済的に不利となる。

【００１７】上記した製造方法により得られる磁芯部材
（磁芯）は、鉄基粉末を、成形、焼結してなる磁芯用部
材であって、密度が7.7Mg/m³以上、10kA/mにおける直流
磁束密度が1.75Ｔ以上、表面硬さが65HRB 以上の、磁芯
用部材である。

【００１８】

【実施例】以下、実施例に沿って本発明をさらに詳細に
説明する。原料粉末として、鉄基粉末としてのアトマイ
ズ純鉄粉（川崎製鉄製KIP 304AS；平均粒径75μm ）
に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末を鉄基粉末100
質量部に対し0.5 質量部、黒鉛粉末として天然黒鉛粉末
を表１に示す量（鉄基粉末と黒鉛粉との合計量に対する
質量％）配合し、ヘンシェルミキサーにより混合して、
混合粉とした。なお、ここで用いた鉄基粉末は、0.03質
量％Mnー0.06質量％Ｏ−0.001 質量％Ｃを含有するアト
マイズ純鉄粉である。

【００１９】得られた混合粉を、金型に装入し、プレス
により予備成形して、リング状の予備成形体（外径37mm
×内径25mm）とした。なお、予備成形体の密度は、プレ
ス圧力を調整することにより変化させた。これら予備成
形体に、表１に示す条件で焼結処理を施し焼結体とし、
該焼結処理に続いて、室温に冷却することなく連続して
表１に示す条件で焼鈍処理を施した。なお、一部の試料
（試料No. 16）では、焼鈍処理を行わなかった。

【００２０】これら焼結体４を、図４に示す形状の金型
（外径38mm×内径26mm）１に装入し、上パンチ２、下パ
ンチ３とを利用した後方押し出し法による冷間鍛造で圧
縮成形し、異形断面リング５を製造した。なお、冷間鍛
造を行わず厚さ6.5mm の方形異形断面リングとしたもの
を比較例（試料No. ９）として準備した。得られた異形
断面リング５を、図４（ｃ）に示すように厚さ6.5mm に
研磨し、方形断面リング７とした。なお、一部の試料
（試料No. 15〜No. 19）では、後方押し出し法に代え
て、図５に示す閉塞鍛造法による冷間鍛造法によって、
外径38mm、厚さ6.5mm の方形断面リングとを形成した。

【００２１】これら方形断面リングに表１に示す条件で
熱処理を施し、磁気測定用リング試料とした。なお、熱
処理を行わない試料（試料No. １、No. ６、No. ８）も
準備した。これらリング試料に、一次側100 巻、二次側
20巻して作製したコイルを用い、横河電機製3257型直流
磁化測定装置にて直流磁場10kA/mにおける磁束密度Ｂ
_10kを測定した。

【００２２】また、これらリング試料の表面硬さをロッ
クウェルＢスケールで測定した。なお、測定位置はリン
グの両端部である。また、これらリング試料について、
アルキメデス法で密度を測定した。なお、従来例とし
て、溶製材（快削鋼SUS 24L ）から同型形状のリング試
料を切り出し従来例として、同様の測定を行った。

【００２３】得られた結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】本発明例は、いずれも、7.7Mg/m³超える高
い密度を有し、それに伴ってＢ_10k・1.75Ｔを超える高
い磁束密度と、70HRB 以上の高い表面硬さとを兼備する
磁芯用部材となっている。これに対し、本発明の範囲を
外れる比較例は、磁束密度が低いか、および／または表
面硬さが低く、高磁束密度ー高表面硬さの所望の特性が
得られていない。

【００２６】以上のように、本発明によれば、焼結体
に、冷間鍛造等の圧縮成形を施して製品形状の磁芯にす
るため、従来の焼結磁芯や、溶製材加工による磁芯に比
べて、高寸法精度の製品を低コストで製造できる。ま
た、本発明の磁芯用部材は、成形密度が理論密度に近い
密度を有するため、磁束密度が従来の焼結磁芯に比べて
格段に高く、溶製材より高いレベルとなる。さらに、焼
結体に圧縮成形による加工歪が適度に残留するため、純
鉄系材料に比し硬さが高くなり、従来の焼結磁芯に比べ
て、他部品との摺動耐久性が向上するという効果もあ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高密度、高表面硬さで、かつ高磁束密度を有する磁芯用
部材が容易に、しかも安価に製造でき、産業上格段の効
果を奏する。しかも、本発明の磁芯用部材は、冷間鍛造
等の圧縮成形により製品形状に成形されるため、複雑形
状であっても高寸法精度の製品となり、電磁弁、アクチ
ュエータ、磁気センサ等の磁芯用として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁芯用部材の製造工程の一例を示す説
明図である。

【図２】磁束密度に及ぼす熱処理温度の影響を示すグラ
フである。

【図３】表面硬さに及ぼす熱処理温度の影響を示すグラ
フである。

【図４】実施例における後方押し出し法による圧縮成形
方法の概略を示す説明図である。

【図５】実施例における閉塞鍛造法による圧縮成形方法
の概略を示す説明図である。

【符号の説明】

１金型 1a 金型コア 1b 金型ダイス２上パンチ３下パンチ４焼結体５異形断面リング６研磨削除部７方形断面リング

フロントページの続き (72)発明者上ノ薗聡千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者宇波繁千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者藤長政志千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社千葉製鉄所内 (72)発明者吉村隆志神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内 (72)発明者飯嶋光正神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内 (72)発明者小泉普神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内 (72)発明者安間裕之神奈川県厚木市恩名1370番地株式会社ユニシアジェックス内Ｆターム(参考） 4K018 AA25 AA28 CA00 DA11 FA03 FA09 KA44 KA63 5E041 AA11 BD01 CA01 HB03 HB11 NN13 NN15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄基粉末を予備成形して予備成形体と
し、該予備成形体に焼結処理を施して焼結体とし、つい
で該焼結体に圧縮成形を施したのち、さらに600 ℃以下
の温度で熱処理することを特徴とする磁芯用部材の製造
方法。
【請求項２】鉄基粉末を成形、焼結してなる磁芯用部
材であって、密度が7.7Mg/m³以上、10kA/mにおける直流
磁束密度が1.75Ｔ以上、表面硬さが65HRB 以上であるこ
とを特徴とする磁芯用部材。