JP2003301245A - 析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼 - Google Patents

析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼

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JP2003301245A JP2002111568A JP2002111568A JP2003301245A JP 2003301245 A JP2003301245 A JP 2003301245A JP 2002111568 A JP2002111568 A JP 2002111568A JP 2002111568 A JP2002111568 A JP 2002111568A JP 2003301245 A JP2003301245 A JP 2003301245A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気特性及び耐食性に優れ、高い硬さと良好
な冷間加工性をも兼ね備えた析出硬化型軟磁性フェライ
ト系ステンレス鋼を提供する。 【解決手段】 質量%で、C:0.2%以下、Si:0.01〜
3.0%、Mn:0.5%以下、S:0.3%以下、Cr:12.0〜19.
0%、Ni:1.0〜4.0%及びAl:0.2〜4.0%を含有すると
ともに、Ti:0.5%未満及びZr:0.3%未満のうち少なく
とも一種を含有し、さらに必要に応じて、Nb:1.0%以
下、Mo:4.0%以下、Cu:2.0%以下、B:0.01%以下及
びREM:0.1%以下のうち少なくとも一種を含有し、残部
は不可避的不純物及び実質的にFeの組成になり、かつ、
溶体化処理と時効処理を行った後の組織が実質的にフェ
ライト相であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、析出硬化型軟磁
性フェライト系ステンレス鋼に関し、より詳細には、磁
気特性及び耐食性に優れるだけでなく、可動部を含む磁
気回路装置の耐摩耗性、耐座屈性等の耐久性の向上に寄
与する高い硬さと良好な冷間加工性をも兼ね備えた析出
硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼に関するもので
あり、特に各種電磁弁、電子制御燃料噴射装置、その他
の磁芯用材料などの用途に用いて好適なものである。
【0002】
【従来の技術】各種電磁弁、電子制御燃料噴射装置等の
磁芯材料としては、磁気特性や耐食性に対する要求か
ら、軟磁性フェライト系ステンレス鋼が実用材として多
用されている。ところで、軟磁性フェライト系ステンレ
ス鋼製の部品が装置の動作時の摺動部や衝突部に用いら
れる場合には、摩耗や座屈による変形が寸法変化のみな
らず磁気回路特性や気密性の低下による制御精度の低下
がしばしば問題とされてきた。このような問題に対し、
摺動部や衝突部にCrメッキや窒化処理等の表面硬化処理
を施して強度アップと磨耗低減を図ることで対策が講じ
られてきた。
【0003】しかしながら、これらの対策は、軟磁性材
料にとって重要な特性である磁気特性の低下と、装置の
製造コストの上昇を招くため好ましくない。
【0004】更に近年においては環境上の問題から、メ
ッキ処理工程のようにクロム等の有害物質を取り扱う工
程を廃止したいという要望も多いため、かかる工程を経
ることなく、優れた磁気特性を確保しつつ良好な機械的
耐久性、特に高い硬さ(270HV以上)を有する軟磁性材
料の開発が望まれている。
【0005】しかしながら、磁気特性を劣化させずにフ
ェライト系ステンレス鋼自体の硬さを高める試みは、合
金元素の固溶強化によって多少の硬さの増加(170〜220
HV程度)が図られている事例は数多く見られるものの、
270HV以上といった格段に高い硬さを有する高軟磁性材
料の開発は他に例を見ない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、例
えば各種電磁弁、電子制御燃料噴射装置、その他の磁芯
用材料に要求される磁気特性及び耐食性に優れているの
は言うまでもなく、耐摩耗性や耐座屈性等の耐久性向上
に寄与する高い硬さと良好な冷間加工性をも兼ね備えた
析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼を提案する
ところにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】従来より、17−4PH鋼に
代表される析出硬化型ステンレス鋼は種々あるが、それ
らの殆どは鋼組織のベースがマルテンサイト単相又はオ
ーステナイト単相からなる単一系、或いはフェライト相
も含めた2相系であり、フェライト単相からなる単一系
の析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼の研究・
開発事例は極めて少なく、特に優れた軟磁性を有するフ
ェライト系ステンレス鋼の開発事例としては、出願人が
出願して特許された特許第1194892号公報及び同第18321
91号公報に記載がある以外は見当たらない。
【0008】特許第1194892号公報に記載された発明
は、析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼の先鞭
をつけた画期的な発明であり、フェライト相を安定化さ
せる条件が詳細に示されており、また、特許第1832191
号公報に記載された発明は、さらに材料の外観光沢の改
善を図ったものである。上掲特許公報に記載された発明
はいずれも、溶体化処理と時効処理を行った後の硬さが
400HV以上と軟磁性フェライト単相材料としては非常に
高い硬さを有しているものの、磁気特性が、近年の電子
制御機器に用いる場合に必要とされる磁気特性レベルに
までは達してなく、加えて、硬さが高すぎることに起因
して冷間加工性が劣るため量産性等にも難点があるとい
う問題があった。
【0009】このため、発明者らは、上記の問題点を解
決すべく、鋼中の成分組成につき検討を行った。その結
果、鋼中に共添加したNi及びAlの金属間化合物(Ti及び
Zrも添加時は一部が化合物中に含まれると考えられ
る。)の時効析出を主要な硬化因子とする析出硬化型軟
磁性フェライト系ステンレス鋼において、時効処理前の
冷間加工性を悪化させずに、時効処理後の硬さを十分実
用的価値のある300〜400HV程度にすることができ、しか
も、上記特許公報に記載された発明が提供するよりも優
れた軟磁気特性を有し、所期した目的の達成に関し極め
て有効な知見を得た。
【0010】この発明は、上記の知見に立脚するもので
あって、その要旨は以下に示す通りである。 (1)質量%で、C:0.2%以下、Si:0.01〜3.0%、M
n:0.5%以下、S:0.3%以下、Cr:12.0〜19.0%、N
i:1.0〜4.0%及びAl:0.2〜4.0%を含有するととも
に、Ti:0.5%未満及びZr:0.3%未満のうち少なくとも
一種を含有し、残部は不可避的不純物及び実質的にFeの
組成になり、かつ、溶体化処理と時効処理を行った後の
組織が実質的にフェライト相であることを特徴とする析
出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼(第1発
明)。
【0011】(2)質量%で、C:0.2%以下、Si:0.0
1〜3.0%、Mn:0.5%以下、S:0.3%以下、Cr:12.0〜
19.0%、Ni:1.0〜4.0%及びAl:0.2〜4.0%を含有する
とともに、Ti:0.5%未満及びZr:0.3%未満のうち少な
くとも一種を含有し、さらに、Nb:1.0%以下、Mo:4.0
%以下、Cu:2.0%以下、B:0.01%以下及びREM:0.1%
以下のうち少なくとも一種を含有し、残部は不可避的不
純物及び実質的にFeの組成になり、かつ、溶体化処理と
時効処理を行った後の組織が実質的にフェライト相であ
ることを特徴とする析出硬化型軟磁性フェライト系ステ
ンレス鋼(第2発明)。
【0012】
【発明の実施の形態】この発明において、鋼中の成分組
成を上記の範囲に限定した理由を以下で説明する。な
お、鋼中の成分組成における質量%は単に%と記す。
【0013】・C:0.2%以下 Cは、フェライト相をベースとする鋼組織を生成するの
を阻害するオーステナイト安定化元素であり、また、磁
気特性に悪影響を及ぼす元素であることから、C含有量
はできるだけ少なくする方が望ましく、Cは、Ti、Zr、
Nbにより炭化物や炭硫化物として固定されること、及び
製造性を考慮して、C含有量を0.2%以下とした。
【0014】・Si:0.01〜3.0% Siは、ステンレス鋼中にあって脱酸剤として有用な元素
であるだけではなく、フェライト安定化元素であり、磁
気特性のうち、最大透磁率の上昇と保磁力の低下にも有
効に寄与し、また、比抵抗を増加させ高周波領域の応答
性の改善にも有用な元素であり、フェライト相の硬さを
上昇させる効果も大きく、かかる効果を発揮させるた
め、Siを0.01%以上含有させる必要がある。しかしなが
ら、Si含有量が3.0%を超えると、冷間加工性を阻害し
製造性の低下を招くことから、Si含有量を0.01〜3.0%
とした。
【0015】・Mn:0.5%以下 Mnは、ステンレス鋼中にあって脱酸剤として有用な元素
であり、Sを硫化物として固定し更に被削性を向上させ
る効果もある。しかしながら、Mnは、オーステナイト安
定化元素なので0.5%を超える過剰な添加はフェライト
相を不安定化し、更に磁気特性や耐食性を阻害するた
め、Mn含有量を0.5%以下とした。なお、Mn含有量の下
限は、特に制限しないが、上記効果を顕著に発揮させる
ため、0.05%とすることが好ましい。
【0016】・S:0.3%以下 Sも、Cと同様、磁気特性を悪化させる傾向があること
から、S含有量をできるだけ少なくする方が望ましく、
Sは、Mn、Ti、Zrによる固定効果によりある程度の磁気
特性の劣化は防ぐことができる点を考慮して、S含有量
は0.3%以下とした。尚、Sは被削性を向上させる元素
でもあることから、被削性が要求されるステンレス鋼の
場合には、S含有量を0.02%以上とすることが好まし
い。
【0017】・Cr:12.0〜19.0% Crは、この発明のフェライト系ステンレス鋼中における
主要成分の一つであり、フェライト相を安定化するとと
もに、耐食性の向上及び比抵抗の増加にも効果的な元素
であるが、Cr含有量が12.0%に満たないとそれらの効果
に乏しく、一方、19.0%を超える過剰な添加は磁気特性
に悪影響を及ぼすことから、Cr含有量を12.0〜19.0%と
した。
【0018】・Ni:1.0〜4.0% Niは、Alとともに溶体化処理と時効処理を行った後にお
いて、金属間化合物として鋼中に析出することによって
硬さを上昇させる効果を有する元素であり、かかる効果
を発揮させるには、Ni含有量を1.O%以上にする必要が
ある。しかしながら、過度のNiの添加は、溶体化処理時
にマルテンサイト相やオーステナイト相の生成を誘発し
易くなるため、Ni含有量の上限は、他の添加元素のフェ
ライト安定化効果も考慮し、実質的にフェライト単相と
なる限界として4.0%とした。
【0019】・Al:0.2〜4.0% Alは、Niとともに金属間化合物として鋼中に析出するこ
とによって、硬さを上昇させるだけでなく、脱酸剤とし
ても有用な元素であり、加えて、フェライト安定化作用
もある。また、溶体化処理と時効処理を行った後は、Ni
とともに金属間化合物を形成する量よりも多く添加した
Alは、Siと同様、最大透磁率の上昇及び保磁力の低下、
更に比抵抗の増加に寄与して高周波領域での応答性を改
善する作用があることから、Ni含有量との兼ね合いで、
Alを少なくとも0.2%以上含有させることとした。しか
しながら、4.0%を超えるAlの過剰な添加は、特殊な精
錬方法が必要になるだけでなく、冷間加工性を阻害する
ので、Al含有量の上限を4.0%とした。
【0020】・Ti:0.5%未満以下及びZr:0.3%未満の
うち少なくとも一種を含有することTi及びZrは、C及び
Sを固定することによって磁気特性や耐食性を高めるの
に有効に作用する元素であり、この発明では、Ti及びZr
のうち少なくとも一種を含有させる必要がある。また、
Ti及びZrの一部は、溶体化処理と時効処理を行った後に
Ni及びAlの金属間化合物中に固溶して硬さ上昇に寄与す
ると考えられるが、Ti含有量が0.5%以上、Zr含有量が
0.3%以上では、硬さ上昇には寄与しても、冷間加工性
を阻害し製造性を低下させるので、Ti含有量を0.5%未
満、Zr含有量を0.3%未満とした。なお、磁気特性及び
耐食性を高める効果を発揮させるため、Ti含有量を0.1
%以上とし、Zrの含有量を0.01%以上とするのが好まし
い。
【0021】また、本発明では、上記した組成成分に加
えて、さらにNb:1.0%以下、Mo:4.0%以下、Cu:2.0
%以下、B:0.01%以下及びREM:0.1%以下のうち少な
くとも一種を必要に応じて含有させることができる。
【0022】・Nb:1.0%以下 Nbは、Cを固定して磁気特性と耐食性を高めるのに有効
な元素であるが、1.0%を超える過剰なNbの添加は、却
って磁気特性を阻害し冷間加工性も阻害するので、Nb含
有量は1.0%以下とする。
【0023】・Mo:4.0%以下 Moは、フェライト安定化元素であるとともに、耐食性の
改善に有効な元素であるが、4.0%を超える過剰なMoの
添加は、冷間加工性を阻害し製造性を低下させるので、
Mo含有量は4.0%以下とする。
【0024】・Cu:2.0%以下 Cuは、耐食性の改善に有効な元素であるとともに、時効
硬化にも寄与するが、2.0%を超える過剰な添加は、脆
化を招き、冷間引抜きや曲り矯正等の冷間加工を困難に
し製造性を低下させるので、Cu含有量は2.0%以下とす
る。
【0025】・B:0.01%以下、REM:0.1%以下 B及びREMは、いずれも冷間加工性の向上に寄与する
が、それぞれ0.01%及び0.1%を超えると、却って冷間
加工性を阻害する要因となるため、B及びREMの含有量
はそれぞれ0.01%以下及びREM:0.1%以下とする。
【0026】次に、この発明に従う析出硬化型軟磁性フ
ェライト系ステンレス鋼の製造方法の一例を以下で説明
する。
【0027】まず、上記成分組成の鋼素材を、例えば真
空誘導炉にて、溶解、精錬したのち、造塊し、次いで10
00〜1100℃で分塊し、1000〜1100℃に加熱した後、熱間
圧延して線、棒、または板形状の素材とする。次に、75
0〜1100℃で焼鈍後、線材素材の場合には、5〜25%の
減面率で冷間引抜きと曲り矯正を行う。棒、板材素材の
場合には冷間で曲り矯正を行う。その後、1000〜1100℃
に加熱し、この温度に1〜2時間保持してから、強制空
冷ファンまたは水スプレイ等を用いて急冷することによ
って溶体化処理した後、曲り矯正し、500〜600℃の温度
で2〜3時間保持してから空冷または窒素ガス等による
徐冷をする時効処理を施して析出硬化させることによっ
て、この発明の析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレ
ス鋼を製造することができる。尚、溶体化−曲り矯正状
態で部品加工を行った後、時効硬化処理を行ってもよ
い。或いは、冷間曲り矯正後に部品加工を行った後、真
空または雰囲気炉内での加熱と窒素ガス等による急冷に
よる溶体化処理及び時効硬化処理を行ってもよい
【0028】
【実施例】表1に示す種々の成分組成になる鋼素材を、A
r気流中で7kg溶製し、金型に鋳込むことによって80mmφ
のインゴットを作製した。次に、各インゴットを1000〜
1050℃で熱間鍛造して24mmφの丸棒とし、更に1000〜10
50℃で熱間スウェージングにより18mmφの丸棒とし、更
に900℃で焼鈍した後、17mmφまで冷間引抜きを行って
種々の試験に供した。かくして得られた試料の、硬さ、
磁気特性、耐食性及び冷間加工性について調べた結果を
表2に示す。尚、磁気特性は、外径10mm、内径4.5mm、厚
み5mmのリング試料を作製し、真空炉にて1050℃で1時間
加熱した後、室素ガス急冷による溶体化処理を行い、引
き続き550℃で2時間の時効処理を行った後、B−Hル
ープトレーサーを用いて測定した。更に同試料を用いて
硬さも測定した。耐食性は、15mmφ、長さ100mmの丸棒
を磁気特性評価試料と同様の熱処理を行い、800番のエ
メリー紙で研磨した試料に対して、5%NaCl水溶液を35
℃で48時間噴霧した後の試料表面の発銹の程度により耐
食性を評価した。尚、耐食性の評価は、錆発生が無いか
あっても丸棒端部の角部等に局所的に薄く発錆している
場合を「○」、それ以外で錆発生が明らかな場合を
「×」とする2段階で行った。また、冷間加工性は、上
記試料作製時の冷間引抜時における引割れや折損等の欠
陥の発生の有無や程度により評価し、より具体的には、
前記欠陥が発生することなく容易に冷間加工できる場合
を「○」、それ以外で前記欠陥が発生し冷間加工を含む
量産工程が困難である場合を「×」として2段階で評価
した。表2に、これらの評価結果を示す。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】表2に示す結果から、実施例の試料No.1
〜7はいずれも、耐食性と冷間加工性に優れ、時効処理
後の硬さが340HV5以上であり、磁気特性も時効処理前後
で殆ど差がなく、軟磁性材料として優れた値を示してい
る。一方、比較例の試料No.8はCr含有量が低く、ま
た、比較例の試料No.9はNi含有量が多過ぎるため、い
ずれもオーステナイト安定化元素の影響が大きく磁束密
度がB25で1テスラよりも小さく保持力も高いため、磁
性材料としての磁気特性に劣る。比較例10は、磁気特性
については優れているものの、NiとAlの添加量が少なす
ぎるために、時効処理後でも硬さは300HV5を大きく下回
っている。比較例11は、TiやZrなどのCやSを強力に固
定元素が添加されていないために、磁気特性に劣る。比
較例12は、硬さや磁気特性については優れているもの
の、Cu添加量が高すぎるために、冷間加工性に劣り、供
試鋼製作中でも冷間引抜きにおいて折れや引き割れが多
発し試験片作製までの歩留りも極めて低かった。
【0032】
【発明の効果】かくしてこの発明によれば、磁気特性及
び耐食性に優れているのは言うまでもなく、耐摩耗性や
耐座屈性等の耐久性向上に寄与する高い硬さと良好な冷
間加工性をも兼ね備えた析出硬化型軟磁性フェライト系
ステンレス鋼の提供を可能にし、このステンレス鋼を、
例えば各種電磁弁、電子制御燃料噴射装置等の磁芯材料
に適用すれば、耐久性の向上や製造コストの低減が図れ
るとともに、環境保護の観点からも好ましく、産業界に
貢献するところ大である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 質量%で、C:0.2%以下、Si:0.01〜
    3.0%、Mn:0.5%以下、S:0.3%以下、Cr:12.0〜19.
    0%、Ni:1.0〜4.0%及びAl:0.2〜4.0%を含有すると
    ともに、Ti:0.5%未満及びZr:0.3%未満のうち少なく
    とも一種を含有し、残部は不可避的不純物及び実質的に
    Feの組成になり、かつ、溶体化処理と時効処理を行った
    後の組織が実質的にフェライト相であることを特徴とす
    る析出硬化型軟磁性フェライト系ステンレス鋼。
  2. 【請求項2】 質量%で、C:0.2%以下、Si:0.01〜
    3.0%、Mn:0.5%以下、S:0.3%以下、Cr:12.0〜19.
    0%、Ni:1.0〜4.0%及びAl:0.2〜4.0%を含有すると
    ともに、Ti:0.5%未満及びZr:0.3%未満のうち少なく
    とも一種を含有し、さらに、Nb:1.0%以下、Mo:4.0%
    以下、Cu:2.0%以下、B:0.01%以下及びREM:0.1%以
    下のうち少なくとも一種を含有し、残部は不可避的不純
    物及び実質的にFeの組成になり、かつ、溶体化処理と時
    効処理を行った後の組織が実質的にフェライト相である
    ことを特徴とする析出硬化型軟磁性フェライト系ステン
    レス鋼。
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