JP2004190122A - 被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材および磁気特性に優れた軟磁性鋼部品ならびに軟磁性鋼部品の製造方法 - Google Patents
被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材および磁気特性に優れた軟磁性鋼部品ならびに軟磁性鋼部品の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】優れた被削性を有し、複雑形状の鋼部品であっても高歩留まりで切削加工することができ、かつ優れた磁気特性を確保することのできる軟磁性鋼材を提供する。
【解決手段】実質的にフェライト単相組織であり、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の周囲に硫化物が存在する複合析出物が、該フェライト組織中に分散した軟磁性鋼材である。
【解決手段】実質的にフェライト単相組織であり、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の周囲に硫化物が存在する複合析出物が、該フェライト組織中に分散した軟磁性鋼材である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や電車、船舶用などを対象とする各種電装部品に使用されるソレノイド、リレーまたは電磁弁等の鉄心材として有用な軟磁性鋼部品、およびその原材料である軟磁性鋼材に関するものであり、成型加工時において高歩留まりで寸法精度に優れた部品を得ることができることに加え（以下、この特性を単に「冷間鍛造性」ということがある）、特に切削加工を行って部品に成形する際に優れた被削性を発揮し、かつＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の優れた磁気特性を磁気焼鈍によって確保することのできる軟磁性鋼材、および該鋼材を用いて得られるＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の優れた磁気特性を有する軟磁性鋼部品に関するものである。
【０００２】
尚、前記「ＳＵＹＢ」とは、ＪＩＳ Ｃ ２５０３で規定される磁気特性の標準規格であり、前記電装部品においてはＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種程度の磁気特性が必要とされている。「ＳＵＹＢ−２種」よりも「ＳＵＹＢ−１種」、「ＳＵＹＢ−１種」よりも「ＳＵＹＢ−０種」の方が磁気特性に優れており、コンパクト化（軽量化）、応答速度の向上および省電力化に有効であることから、同じ用途に適用する部品であってもより優れた磁気特性を有していることが望まれる。
【０００３】
【従来の技術】
自動車等の省エネルギー化に対応して、該自動車等の電装部品には磁気回路の制御のより精緻なものが求められ、これに付随して省電力化と磁気応答速度の向上が鋼部材に与えられる重要な課題となっている。具体的には、磁気特性として、低い外部磁界で容易に磁化し、かつ保磁力が小さいといった特性が鋼部材に要求される。
【０００４】
このため、鋼部材内部の磁束密度が外部磁界に応答し易い軟磁性鋼材が通常使用されている。上記電装部品として用いられる軟磁性鋼部品は、例えばＣ量が約０．１質量％以下の低炭素鋼などを用い、該鋼片に熱間圧延を施した後、潤滑処理、伸線加工等を行って得た鋼線に部品成型や磁気焼鈍等を順次施して得るのが一般的である。
【０００５】
ところで、最近における電装部品の高性能化に伴い、軟磁性鋼部品の形状・構造はますます複雑化する傾向にある。しかし軟磁性鋼材に用いる低炭素鋼は、冷間鍛造性に優れる反面、せん断加工時やドリル切削時に生じるバリが著しく、部品形状が複雑になるとその加工が困難で生産性が著しく低下する。
【０００６】
低炭素鋼の被削性を改善したものに、例えば、特許文献１や特許文献２などの方法がある。前者は、ＰｂやＢｉなどの低融点金属を適量添加することで、磁気特性の劣化を抑えつつ被削性を改善する技術である。しかしこの方法は、切削工具寿命の向上に主眼を置いたものであり、切削加工時に発生するバリの低減については必ずしも満足し得るものでない。しかも、ＰｂやＢｉなどの被削性改善元素が磁気特性に少なからず悪影響を及ぼすので、磁気特性はＪＩＳ ＳＵＹＢ−２種レベル程度を上限とするものである。
【０００７】
一方、後者の技術は、磁気特性に悪影響を与えないよう鋼中のＭｎＳの分散状態を制御することによって、被削性と磁気特性の両立を図ったものであり、磁気特性はＪＩＳ ＳＵＹＢ−１種以上のレベルにある。しかし、より優れた磁気特性として、高加工率で部品成型後に生じやすい磁気異方性を抑制するには、更なる改善を要すると考える。
【０００８】
【特許文献１】
特許第８４１９５６号公報 （第１頁）
【特許文献２】
特願２００１−２４４３９３号公報 （第１頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に着目されてなされたものであり、その目的は、優れた被削性（特に、バリ発生量を著しく抑制すること、以下「耐バリ性」ということがある）を有し、複雑形状の鋼部品であっても高歩留まりで切削加工することができ、かつ優れた磁気特性を確保することのできる軟磁性鋼材、および該軟磁性鋼材を用いて得られる優れた磁気特性、特に磁化しやすくかつ保磁力が小さいことに加え、磁気異方性が極めて小さく、電気エネルギーを機械エネルギーに極めて効率よく変換することのできる軟磁性鋼部品、並びに該軟磁性鋼部品の有用な製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材とは、実質的にフェライト単相組織であり、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物が、該フェライト組織中に分散しているところに特徴を有するものである。この様な形態の複合析出物をフェライト組織中に分散させることによって、被削性を確保できるとともに、特に磁気特性として、磁束密度が高くかつ磁気異方性の極めて小さいものが得られる。
【００１１】
更にこれらの特性は、該フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物（ここでの析出物は、上記ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物に限られない）の密度を、０．０２〜０．０８個／μm2となるよう制御することによってより一層顕著となる。
【００１２】
尚、上記「実質的にフェライト単相組織である」とは、フェライト組織が約９０面積％以上であることをいい、上記「フェライト組織中」とは、フェライト粒内をさすものとする。
【００１３】
本発明の軟磁性鋼材は、これらの要件を満たすようにすれば所望の効果が得られるが、下記成分組成を満たすようにすれば、上記要件を満足させるのに有効である。即ち、本発明の軟磁性鋼材は、
質量％で（以下同じ）、
Ｃ ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓｉ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．１〜０．５％、
Ｐ ：０．０３％以下（０％を含む）、
Ｓ ：０．０１〜０．１％、
Ｍｇ：０．００５〜０．０２％、
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｎ ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｏ ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ／Ｓ（質量比）が３以上を満たすようにするのがよく、更に他の成分として、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含有させて被削性を改善したり、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有させて磁気特性や冷間鍛造性の更なる向上を図ってもよい。
【００１４】
本発明は、この様に析出物の形態制御がなされた軟磁性鋼材を用いて得られる軟磁性鋼部品も規定するものであって、該軟磁性鋼部品は、上記軟磁性鋼材の要件を満たす他、フェライト平均結晶粒径が１００μｍ以上であるところに特徴を有する。前記「フェライトの平均結晶粒径」とは、フェライト結晶粒の短径と長径の平均値をいうものとする。
【００１５】
また本発明は、上記軟磁性鋼部品の製造方法も規定するものであって、該製造方法は、上記成分組成を有する鋼材を用い、
▲１▼熱間圧延後８００〜５００℃の温度域の冷却速度を１０℃／秒以下とすること、および
▲２▼所定の部品形状に成型加工後、８５０℃以上で２時間以上焼鈍するところに特徴がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、前述した様な状況の下で、冷間鍛造性に優れるＣ量が０．０１％以下の低炭素鋼材について被削性と磁気特性を兼備させるべく、これらの特性に及ぼす金属組織や析出物等の影響について様々な角度から実験を行い検討した。
【００１７】
その結果、金属組織を実質的にフェライト単相組織とした上で、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物を、該フェライト組織中に分散させるようにすれば、鋼材の被削性を確保できること、および鋼部品については、磁気焼鈍を行いフェライト平均結晶粒径を１００μｍ以上とすることで、磁束密度および保磁力がＪＩＳ ＳＵＹＢ−１種レベル以上で、かつ磁気異方性が極めて小さいといった、磁気特性に優れるものが得られることを見出した。
【００１８】
そして更に、これらの特性は、該フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物の密度を、０．０２〜０．０８個／μm2となるよう制御することによってより一層顕著となることを見出し、本発明に想到した。以下、本発明で上記析出物等について規定した理由を詳述する。
【００１９】
軟磁性材料の磁気特性は、材料内部を移動する磁壁を固定するエネルギー量に関係しており、フェライト結晶粒の大きさや、析出物の磁気的性質および分布形態の影響を受ける。
【００２０】
図１はフェライト平均結晶粒径と保磁力の関係を調べたグラフであり、図２はフェライト平均結晶粒径と磁束密度［磁界の強さ：１Ｏｅ（７９．６Ａ／ｍ）または５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ）］の関係を調べたグラフであり、いずれも、Ｃ：０．００４質量％、Ｓｉ：０．００４質量％、Ｍｎ：０．２２質量％、Ｐ：０．００７質量％、Ｓ：０．０３３質量％、Ａｌ：０．００２０質量％を満たす鋼材を用いて調べた結果である。
【００２１】
この図１および図２に示すように、低い外部磁界で高磁束密度が得られ、かつ、保磁力が小さいといった、軟磁性材料として優れた磁気特性を確保するには、得られる鋼部品の金属組織を、平均結晶粒径が１００μｍ以上と粒界の少ないフェライト単相組織とする必要がある。
【００２２】
フェライト平均結晶粒径が１００μｍ未満の場合には、磁壁をピン止めする結晶粒界の影響が大きく、低い保磁力を達成することができないからである。前記フェライト平均結晶粒径は、好ましくは１３０μｍ以上である。一方、焼鈍時間（製造コスト）を費やして前記フェライトの平均結晶粒径を大きくしすぎても、磁気特性向上効果は飽和するだけであるので、約２５０μｍ以下に留めるようにする。尚、フェライト単相組織とするにあたっては、パーライトの生成を抑制するため、後述する如く鋼材中の炭素量を極めて少なくするのが有効である。
【００２３】
また、軟磁性材料の磁気特性は、上述の通り析出物の形態の影響を受けやすい。図３は、平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度と磁束密度（磁界の強さ：４００Ａ／ｍ）の関係について、図４は、磁界の強さと磁束密度の比（B⊥／B//）の関係について調べたものであり、それぞれ、フェライト組織中の析出物がほぼＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物からなる場合と、硫化物系介在物が単独で存在する場合を対比している。
【００２４】
上記図３より、外部磁界に対する応答性、即ち磁束密度を高めるには、析出物の密度を小さくすることが有効であることがわかる。フェライト組織中に析出物が多数存在する場合には、磁気焼鈍時の結晶粒成長が妨げられて、磁壁移動の抵抗となる結晶粒界を十分に減少することができず、また析出物自体も磁壁を縛束すると考えられる。
【００２５】
更に図３から、析出物として特に、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物（以下、単に「複合析出物」ということがある）を分散させることで、硫化物系析出物が同じ密度で存在するときより、磁束密度のより高い磁気特性に優れたものが得られるとの知見を得た。
【００２６】
尚、図３から、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上（１．３５Ｔ以上）の磁束密度を満足させるには、析出物を上記複合析出物とした上で、析出物の密度を０．０８個／μｍ2以下（好ましくは０．０５個／μｍ2以下）に抑えるのがよいことがわかる。
【００２７】
また、フェライト組織中にこの様な複合析出物を分散させることで、磁気異方性が低減されることも見出した。図４は、後述する実施例の図６に示すように、１つの鋼材から互いに垂直となるよう採取した試料に磁気焼鈍を施し、磁界の強さを変化させて各試料の磁束密度を測定し、磁束密度の比を求めた結果である。
【００２８】
この図４から、硫化物系析出物のみが単独で析出する場合には、磁界の強さが小さくなると磁束密度の比が１から大きく外れ、磁気異方性が著しいのに対し、析出物を上記複合析出物とした場合には、磁界の強さが小さくなっても試料の採取方向に関係なく磁束密度はほぼ同一で、磁気異方性がほとんど生じていないことがわかる。
【００２９】
ところで図５は、平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度とバリ高さの関係を示したグラフであるが、この図５から、特に切削時に生ずるバリの発生を抑制するには、フェライト組織中に析出物を分散させることが有効であり、０．０２個／μｍ2以上（好ましくは０．０３個／μｍ2以上）の析出物を存在させるのがよいことがわかる。
【００３０】
これらの結果から、フェライト組織中に前記複合析出物を分散させた上で、該フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物の密度を、０．０２〜０．０８個／μm2となるよう制御することにより、被削性と磁気特性をより一層向上させることができるといえる。
【００３１】
尚、平均粒径が２μmを超える析出物の密度を０．０５個/mm2以下にすれば、保磁力をより小さくすることができるので好ましい。
【００３２】
本発明の軟磁性鋼材および軟磁性鋼部品は、フェライト組織中に分散する析出物の形状、粒径および密度を上述のように適正範囲内に制御することで、優れた被削性と磁気特性の両特性が得られるところに特徴を有するものであるが、この様な鋼材および鋼部品を得るにあたり、下記の化学成分組成を満たすようにし、かつ下記の方法で製造することが推奨される。
【００３３】
Ｃ：０．０２％以下（０％を含まない）
Ｃ（炭素）は鋼材の強度と延性のバランスを支配する基本元素であり、添加量を低減するほど強度は低下し、延性は向上する。またＣは、鋼中に固溶してひずみ時効硬化を生じるので、冷間鍛造性を向上させる観点からその含有量は極力少ないほうが望ましい。また磁気特性の面からも極低であることが好ましく、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の磁気特性を満足させるには、Ｃ含有量を０．０２％以下に抑えるのがよい。より好ましくは０．０１％以下である。
【００３４】
Ｓｉ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｓｉは溶製時に脱酸剤として作用し、また磁気特性を向上させる効果をもたらすが、多大に添加すると冷間鍛造性を阻害する。本発明では部品成型時の冷間鍛造性を確保する観点から、０．１％を上限とした。なお好ましくは、０．０５％以下とするのがよい。
【００３５】
Ｍｎ：０．１〜０．５％
Ｍｎは脱酸剤として作用するとともに、鋼中のＳと結合しＳによる脆化を抑制するので０．１％以上（好ましくは０．１５％以上）含有させるのがよい。しかし、Ｍｎ量が増大すると磁気特性が低下するため、本発明では０．５％以下に抑えるのがよく、好ましくは０．３％以下である。
【００３６】
Ｐ：０．０３％以下（０％を含む）
Ｐ（リン）は、鋼中で粒界偏析を起こして冷間鍛造性や磁気特性に悪影響を及ぼす有害元素である。従って本発明では、Ｐの含有量を０．０３％以下、好ましくは０．０２％以下とする必要があり、この様にＰ量を制限することで、優れた冷間鍛造性や磁気特性を保証することができる。
【００３７】
Ｓ：０．０１〜０．１％
Ｓ（硫黄）は、ＭｎＳの構成元素であり、上記の通り硫化物として該ＭｎＳと酸化物の複合析出物を析出させることで被削性が向上する。この様な効果を発揮させるには、Ｓを０．０１％以上（好ましくは０．０２％以上）含有させるのがよい。しかしＳ量が多くなり過ぎると、多量にＭｎSが析出して冷間鍛造性と磁気特性が著しく劣化する。従って、Ｓ量は０．１％以下、好ましくは０．０５％以下に抑える。
【００３８】
Ｍｇ：０．００５〜０．０２％
Ｍｇは、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3／ＭｎＳ系複合析出物の形成に必要な元素であり、上述の通り、該複合析出物をフェライト組織中に分散させることで被削性が向上する。更にこの様な複合析出物は粒状化し易く、磁気異方性を抑制する効果もある。該効果を十分に発揮させるには、Ｍｇを０．００５％以上（好ましくは０．０１％以上）含有させるのがよい。しかしながら、Ｍｇを多量に添加すると磁気特性の低下を招くため、０．０２％以下に抑えるのがよい。
【００３９】
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）
Ａｌは、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3／ＭｎＳ系複合析出物を析出させる際に必要な元素であり、該複合析出物は、上述の通り被削性を向上させるとともに、磁気特性に有害なフェライト中の固溶酸素を酸化物として析出させることで、磁気特性への悪影響を抑えることができる。この様な効果を発現させるには、Ａｌを０．００１％以上含有させるのが望ましい。しかし余剰のＡｌは、固溶Nを捕捉してＡｌNとなり結晶粒の微細化を促進させる。その結果、結晶粒界を増加させることとなり磁気特性の低下を招く。従って、本発明ではＡｌ量を０．０１％以下（好ましくは０．００５％以下）に抑えるのがよい。
【００４０】
Ｎ：０．００５％以下（０％を含む）
上記の様にＮ（窒素）はＡｌと結合しＡｌＮを形成して磁気特性を害するが、それに加え、Ａｌなどにより固定されなかったＮは固溶Ｎとして鋼中に残存し、これも磁気特性を劣化させる。よって、何れにしてもＮ量は極力少なく抑えるべきであるが、鋼材製造の実操業面も考慮すると、０．００５％以下にすれば、それらの弊害を実質的に無視し得る程度に抑えることができる。
【００４１】
Ｏ：０．０２％以下（０％を含まない）
Ｏ（酸素）は常温では鋼に殆ど固溶せず、ＡｌやＳｉなどの元素と結合して硬質の酸化物系介在物となる。酸素は、上記複合析出物の形成に必要な元素であるが、過剰に存在すると該酸化物系介在物が単独で析出し易くなり、磁気特性を大幅に低下させる。
【００４２】
ゆえにＯ含有量は極力低減するのがよく、０．０２％以下に抑えるようにする。Ｏ含有量はより好ましくは０．００５％以下、更に好ましくは０．００２％以下にする。尚、複合析出物の構成元素という観点からは、酸素が５ｐｐｍ程度存在していればよい。
【００４３】
Ｍｎ／Ｓ（質量比）：３以上
被削性と磁気特性の向上を図るべく、本発明で規定する複合析出物として、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物を核とし該酸化物の周囲にＭｎＳが存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3／ＭｎＳ系複合析出物を形成するには、Ｍｎ／Ｓ（質量比）が３以上（好ましくは８以上）となるようにするのがよい。
【００４４】
更に下記の様な効果を得るため、他の元素として、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含有させたり、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有させることも有効である。
【００４５】
即ちＣａは、ＭｎＳとともに硫化物を生成し、被削性を向上させる元素である。またＴｉは、析出物を微細分散させる効果があり、またＳと結合して生ずるＴｉＳが切削加工時に潤滑剤として作用するため、被削性が向上する。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｃａを０．０００２％以上、Ｔｉを０．０１％以上含有させることが望ましい。しかし過剰に含有させると、析出物が多くなり、磁壁を縛束して磁気特性の好ましくないものとなるので、Ｃａは０．０１％以下、Ｔｉは０．０１％以下にそれぞれ抑えるのがよい。
【００４６】
また、Ｂは、磁気特性に悪影響を及ぼす前記固溶Ｎと結合し化合物（ＢＮ）として固定する作用がある。しかもＢのＮに対する親和力はＡｌよりも大きいので結晶粒を微細化するＡｌＮの析出量を低減する作用もある。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｂを０．０００５％以上含有させることが望ましい。しかし過剰に含有させると、析出物が多くなり、磁壁を縛束して磁気特性の好ましくないものとなるので、Ｂは０．００５％以下に抑えるのがよい。
【００４７】
本発明で規定する元素は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、該鋼材中に、上記説明したものの他、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物、更には、本発明の課題達成に悪影響を与えないＡｓ等の許容元素が含まれる場合も、本発明で用いる鋼材または鋼部品に包含される。
【００４８】
本発明に係る軟磁性鋼材の製造に際しては、上記化学成分の要件を満たす鋼材を常法により溶融してから鋳造すればよいが、切削加工時にバリの発生が少なく優れた被削性を発揮するとともに、磁気焼鈍後にＪｌＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の磁気特性を確保する本発明の鋼材を効率よく得るには、下記の条件で製造することが推奨される。
【００４９】
まず熱間圧延後の冷却速度が速すぎると、析出物が粗大化し、かつ母相の原子空孔が多くなり、磁気焼鈍を行っても再結晶が十分に進まず、優れた磁気特性を得ることができない。従って、熱間圧延後の８００〜５００℃の温度域の冷却速度は、１０℃／秒以下（好ましくは５℃／秒以下）とするのがよい。
【００５０】
尚、熱間圧延におけるその他の条件については特に制限されるものでなく、例えば、熱間圧延に際して行う加熱を１０００〜１１５０℃とし、仕上げ圧延温度を８５０℃以上とすることが挙げられる。
【００５１】
本発明の軟磁性鋼材および軟磁性鋼部品は、磁気焼鈍を行わなくてもＪＩＳ−ＳＵＹＢ２種相当の磁気特性を有するが、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種レベルのより優れた磁気特性を発揮する軟磁性鋼部品を得るには、本発明で規定する軟磁性鋼材を使用し、所定の部品形状に成形したのち、８５０℃以上の温度で２時間以上焼鈍することが大変有効である。
【００５２】
前記焼鈍温度が低すぎると、実用的な熱処理時間で所望のフェライト結晶粒径を確保することができない。従って、磁気焼鈍は８５０℃以上で行うことが好ましい。一方、過度に焼鈍温度を高めても、所望のフェライト結晶粒径とする効果はほとんど変わらず、逆にＡｃ３点を超えて焼鈍すると、低磁界での磁気特性が低下するので、その上限は９５０℃とするのがよい。
【００５３】
また焼鈍時間が短すぎると、磁気焼鈍温度を高めに設定したとしても焼鈍時間不足でフェライト結晶粒を十分に粗大化させることができないので、２時間以上焼鈍するのがよく、好ましくは３時間以上である。しかし長すぎても所望のフェライト結晶粒径を確保する効果は変わらないので、６時間以下に抑えるのがよい。
【００５４】
本発明は、上記以外の製造方法の条件を限定するものでなく、本発明に係る軟磁性鋼部品は、上記規定する化学成分を含有する鋼材を、例えば常法により溶解、鋳造して得た後、前述の条件で熱間圧延して棒材または線材とし、その後冷間または温間鍛造や切削加工を施して成型した後、前記条件で磁気焼鈍に付して磁性部品とすることが挙げられる。
【００５５】
本発明の軟磁性鋼部品として、具体的に自動車用のソレノイドやアクチュエータを製造する場合には、上記線材を所定の寸法で切断し、冷間加工で成形した後に、該成形品の内側または外側に巻線して磁化することが製造方法として挙げられる。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５７】
表１に示す成分組成の供試材を溶製後、表２に示す条件で熱間圧延を行い、直径約２４ｍｍの圧延材を得た。これを直径約２０ｍｍとなるまで伸線加工した後、得られた鋼線から試料を採取して、該試料の金属組織、析出物の平均粒径と平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度、被削性および表２に示す条件で磁気焼鈍を行った後の磁気特性を調査した。
【００５８】
金属組織の分類と結晶粒径の測定は次のようにして行った。即ち、鋼線の横断面を露出させた状態で支持基材内に埋め込んで研磨後、５％のピクリン酸アルコール液に１５〜３０秒間浸漬して腐食させ、その後、光学顕微鏡でＤ／４（Ｄは鋼線の直径）部位の組織を１００〜４００倍で１０視野撮影し、金属組織とその結晶粒径を調べた。その結果、いずれの実施例についても、金属組織は、実質的にフェライト単相組織であった。該フェライト組織の平均結晶粒径は表２に示す通りである。
【００５９】
また走査型電子顕微鏡（SEM）で倍率を１０００〜３０００倍にしてフェライト組織中の析出物を観察し、画像解析装置で該析出物の平均粒径と平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度を求めた。（平均粒径および密度は何れも１０視野の平均値）。
【００６０】
磁気特性（磁束密度および保磁力）は、次のようにして評価した。即ち、図６に示すように、上記鋼線から、該リング状試料の円周方向が鋼線の円周方向と平行または垂直となるよう外径１８ｍｍ×内径１０ｍｍのリング状試料を採取し、これらに磁気焼鈍を施し磁界印加用コイルと磁束検出用コイルを巻線した後、自動磁化測定装置を用い、磁界の強さを３Ｏｅまたは５ＯｅとしてＨ−Ｂ曲線を測定し、磁束密度および保磁力を求めた。（以下、鋼線の円周方向と平行な面の磁気特性をB//、円周方向と垂直な面の磁気特性をB⊥と示す。）また、B//とB⊥の比（B⊥／B//）から、磁気異方性を評価した。
【００６１】
磁気特性の評価では、B⊥およびB//ともに表３に示すＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種レベル以上の値を示し、かつB⊥／B//が０．９５以上である場合を磁気特性に優れると判断した。一方、B⊥および／またはB//が表３に示すＪＩＳ−ＳＵＹＢ２種レベル以下であるか、B⊥／B//が０．９５未満である場合を磁気特性に劣ると判断した。
【００６２】
被削性として耐バリ性（バリの発生し難さ）を次の方法で評価した。即ち、上記直径２０ｍｍの鋼線を用いて直径２０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの円柱状試料を作成し、図７に示すように、直径４ｍｍのドリル孔を送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖで貫通させたときに生じるバリ高さで評価した。バリ高さの測定は、同一鋼線から採取した５個の円柱状試料について、各試料の円周方向に６箇所（６０°刻み）切削し、合計３０箇所（５個×６箇所）の平均値を求めた。被削性の評価では、バリ高さが１．０ｍｍ未満の場合を被削性に優れるとし、バリ高さが１．０ｍｍ以上の場合を被削性に劣ると判断した。これらの結果を表２に併記する。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
【表３】
【００６６】
表２から次のように考察することができる。尚、以下のＮｏ．は表２における実験Ｎｏ．を示す。
【００６７】
Ｎｏ．１、３、４およびＮｏ．６〜１０は、本発明で規定する要件を満たすものであるので、いずれもＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種以上の磁気特性を有し、且つ優れた被削性（耐バリ性）を兼備していることがわかる。これに対し、Ｎｏ．２、５およびＮｏ．１１〜２５は、本発明の規定要件を外れるものであるので、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種レベル以上の磁気特性が得られないか、バリ発生の低減効果が十分でない等の好ましくない結果となった。
【００６８】
具体的に、Ｎｏ．２およびＮｏ．５は、鋼材の化学成分が本発明の規定要件を満たすものであるが、製造条件が本発明の要件を外れていることから上記不具合が生じたと考えられる。詳細には、Ｎｏ．２は、磁気焼鈍温度が低すぎたため再結晶が十分に進まず、粒界の多い組織となり磁気特性を低下させる結果となった。またＮｏ．５は、熱間圧延後の冷却速度が速すぎたため、析出物が粗大化し、かつ母相の原子空孔が多く存在する組織となったため、磁気特性に劣る結果となった。
【００６９】
Ｎｏ．１１はＣ量が過剰であるため、セメンタイト系析出物の析出により、優れた磁気特性の確保に有効なフェライト組織が減少し、更には、磁気焼鈍時にセメンタイト系析出物が結晶粒の成長を抑制して粒界の多い組織となったため、磁気特性の低下を招く結果となった。
【００７０】
Ｎｏ．１２はＳｉ量が過剰である場合を示しており、Ｓｉ量が本規定範囲を超えると、上記複合析出物に加えてＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4が析出してフェライト組織中の析出物が過剰となり、磁気特性が著しく低下することが分かる。
【００７１】
Ｎｏ．１３およびＮｏ．１４は、Ｍｎ量が規定範囲を外れる結果を示しており、Ｎｏ．１３から、Ｍｎ量が少なすぎると複合析出物が析出し難くなりバリ発生の抑制効果が十分に発揮されないことがわかる。またＮｏ．１４から、Ｍｎ量が過剰になると、析出物が多量に析出して磁束を縛束するため磁気特性が低下することがわかる。
【００７２】
Ｎｏ．１５は、Ｐ量が過剰のものであるが、粒界にＰが偏析して結晶粒の成長を抑制するため、磁気特性が低下する結果となった。
【００７３】
Ｎｏ．１６およびＮｏ．１７は、Ｓ量が規定要件から外れる結果を示している。Ｎｏ．１６から、Ｍｎと同様にＳ量が規定範囲を下回ると複合析出物が形成され難くバリ発生の抑制効果が十分でないことがわかる。またＮｏ．１７から、規定範囲を超えて多量に含有させると、析出物量が過剰となり磁気特性が低下することがわかる。
【００７４】
Ｎｏ．１８は、Ａｌ量が過剰のものであり、この様な場合ＡｌＮが生成することによって結晶粒の成長が抑制されるため、磁気特性が著しく低下することがわかる。
【００７５】
Ｎｏ．１９およびＮｏ．２０は、Ｍｇ量が規定範囲を外れる結果を示しており、Ｎｏ．１９から、Ｍｇ量が十分でない場合には、Ｍｇを適量含有させた場合よりも磁気異方性が大きくなることが分かる。またＮｏ．２０から、Ｍｇを多量に添加すると、析出物が多量に析出して磁気特性が低下することがわかる。
【００７６】
Ｎｏ．２１はＣａ量が規定範囲を外れる場合を示しており、Ｎｏ．２２はＴｉ量が規定範囲を外れる場合を示している。これらの結果から、Ｃａ量やＴｉ量が多過ぎると、多量に生ずるＣａやＴｉの析出物に起因して磁気特性が低下することがわかる。
【００７７】
Ｎｏ．２３は、Ｂ量が過剰に含有する場合を示しており、Ｂ量が本発明で定める上限を超えるとＢＮ析出量の増大によって磁気特性が低下することがわかる。
【００７８】
Ｎｏ．２４はＮ量が過剰である場合を示しているが、この様な場合には表２に示すように磁気特性が低下する他、ひずみ時効による変形抵抗の増大も確認された。
【００７９】
Ｎｏ．２５はＯ（酸素）が過剰である場合の結果を示したものであり、酸素が所定量を超えると磁気特性に悪影響を及ぼすことが分かる。
【００８０】
尚、図８は、本発明例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真であるが、本発明で規定する複合介在物が生成していることがわかる。これに対し図９は、比較例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真であるが、本発明で規定する複合介在物は生成されずＭｎＳが生成していることがわかる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されており、寸法精度の良好な冷間鍛造を行うことができるとともに、優れた被削性（特にせん断加工時やドリル切削時に生じるバリを抑制して、複雑な形状の鋼部品も効率よく製造することができる特性）を有し、更には磁気焼鈍後にＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種以上の優れた磁気特性を確保することのできる軟磁性鋼材、およびこの様な鋼材に磁気焼鈍を施して得られるＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種以上の優れた磁気特性を有する軟磁性鋼部品が得られることとなり、自動車や電車、船舶用などを対象とする各種電装部品を安価で提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】フェライト結晶粒径と保磁力の関係を示すグラフである。
【図２】フェライト結晶粒径と磁束密度（磁界の強さ：１Ｏｅ（７９．６Ａ／ｍ）または５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ））の関係を示すグラフである。
【図３】フェライト組織中の析出物の密度と磁束密度（磁界の強さ：４００Ａ／ｍ）の関係を析出物の種類別に示したグラフである。
【図４】磁界の強さと磁束密度の比（B⊥／B//）の関係を析出物の種類別に示したグラフである。
【図５】フェライト組織中の析出物の密度とバリ高さの関係を析出物の種類別に示したグラフである。
【図６】磁気異方性評価のための試料の採取位置を示した概略説明図である。
【図７】被削性の評価方法（バリ高さの測定）を示した概略説明図である。
【図８】実施例における本発明例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】実施例における比較例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や電車、船舶用などを対象とする各種電装部品に使用されるソレノイド、リレーまたは電磁弁等の鉄心材として有用な軟磁性鋼部品、およびその原材料である軟磁性鋼材に関するものであり、成型加工時において高歩留まりで寸法精度に優れた部品を得ることができることに加え（以下、この特性を単に「冷間鍛造性」ということがある）、特に切削加工を行って部品に成形する際に優れた被削性を発揮し、かつＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の優れた磁気特性を磁気焼鈍によって確保することのできる軟磁性鋼材、および該鋼材を用いて得られるＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の優れた磁気特性を有する軟磁性鋼部品に関するものである。
【０００２】
尚、前記「ＳＵＹＢ」とは、ＪＩＳ Ｃ ２５０３で規定される磁気特性の標準規格であり、前記電装部品においてはＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種程度の磁気特性が必要とされている。「ＳＵＹＢ−２種」よりも「ＳＵＹＢ−１種」、「ＳＵＹＢ−１種」よりも「ＳＵＹＢ−０種」の方が磁気特性に優れており、コンパクト化（軽量化）、応答速度の向上および省電力化に有効であることから、同じ用途に適用する部品であってもより優れた磁気特性を有していることが望まれる。
【０００３】
【従来の技術】
自動車等の省エネルギー化に対応して、該自動車等の電装部品には磁気回路の制御のより精緻なものが求められ、これに付随して省電力化と磁気応答速度の向上が鋼部材に与えられる重要な課題となっている。具体的には、磁気特性として、低い外部磁界で容易に磁化し、かつ保磁力が小さいといった特性が鋼部材に要求される。
【０００４】
このため、鋼部材内部の磁束密度が外部磁界に応答し易い軟磁性鋼材が通常使用されている。上記電装部品として用いられる軟磁性鋼部品は、例えばＣ量が約０．１質量％以下の低炭素鋼などを用い、該鋼片に熱間圧延を施した後、潤滑処理、伸線加工等を行って得た鋼線に部品成型や磁気焼鈍等を順次施して得るのが一般的である。
【０００５】
ところで、最近における電装部品の高性能化に伴い、軟磁性鋼部品の形状・構造はますます複雑化する傾向にある。しかし軟磁性鋼材に用いる低炭素鋼は、冷間鍛造性に優れる反面、せん断加工時やドリル切削時に生じるバリが著しく、部品形状が複雑になるとその加工が困難で生産性が著しく低下する。
【０００６】
低炭素鋼の被削性を改善したものに、例えば、特許文献１や特許文献２などの方法がある。前者は、ＰｂやＢｉなどの低融点金属を適量添加することで、磁気特性の劣化を抑えつつ被削性を改善する技術である。しかしこの方法は、切削工具寿命の向上に主眼を置いたものであり、切削加工時に発生するバリの低減については必ずしも満足し得るものでない。しかも、ＰｂやＢｉなどの被削性改善元素が磁気特性に少なからず悪影響を及ぼすので、磁気特性はＪＩＳ ＳＵＹＢ−２種レベル程度を上限とするものである。
【０００７】
一方、後者の技術は、磁気特性に悪影響を与えないよう鋼中のＭｎＳの分散状態を制御することによって、被削性と磁気特性の両立を図ったものであり、磁気特性はＪＩＳ ＳＵＹＢ−１種以上のレベルにある。しかし、より優れた磁気特性として、高加工率で部品成型後に生じやすい磁気異方性を抑制するには、更なる改善を要すると考える。
【０００８】
【特許文献１】
特許第８４１９５６号公報 （第１頁）
【特許文献２】
特願２００１−２４４３９３号公報 （第１頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情に着目されてなされたものであり、その目的は、優れた被削性（特に、バリ発生量を著しく抑制すること、以下「耐バリ性」ということがある）を有し、複雑形状の鋼部品であっても高歩留まりで切削加工することができ、かつ優れた磁気特性を確保することのできる軟磁性鋼材、および該軟磁性鋼材を用いて得られる優れた磁気特性、特に磁化しやすくかつ保磁力が小さいことに加え、磁気異方性が極めて小さく、電気エネルギーを機械エネルギーに極めて効率よく変換することのできる軟磁性鋼部品、並びに該軟磁性鋼部品の有用な製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材とは、実質的にフェライト単相組織であり、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物が、該フェライト組織中に分散しているところに特徴を有するものである。この様な形態の複合析出物をフェライト組織中に分散させることによって、被削性を確保できるとともに、特に磁気特性として、磁束密度が高くかつ磁気異方性の極めて小さいものが得られる。
【００１１】
更にこれらの特性は、該フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物（ここでの析出物は、上記ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物に限られない）の密度を、０．０２〜０．０８個／μm2となるよう制御することによってより一層顕著となる。
【００１２】
尚、上記「実質的にフェライト単相組織である」とは、フェライト組織が約９０面積％以上であることをいい、上記「フェライト組織中」とは、フェライト粒内をさすものとする。
【００１３】
本発明の軟磁性鋼材は、これらの要件を満たすようにすれば所望の効果が得られるが、下記成分組成を満たすようにすれば、上記要件を満足させるのに有効である。即ち、本発明の軟磁性鋼材は、
質量％で（以下同じ）、
Ｃ ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓｉ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．１〜０．５％、
Ｐ ：０．０３％以下（０％を含む）、
Ｓ ：０．０１〜０．１％、
Ｍｇ：０．００５〜０．０２％、
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｎ ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｏ ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ／Ｓ（質量比）が３以上を満たすようにするのがよく、更に他の成分として、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含有させて被削性を改善したり、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有させて磁気特性や冷間鍛造性の更なる向上を図ってもよい。
【００１４】
本発明は、この様に析出物の形態制御がなされた軟磁性鋼材を用いて得られる軟磁性鋼部品も規定するものであって、該軟磁性鋼部品は、上記軟磁性鋼材の要件を満たす他、フェライト平均結晶粒径が１００μｍ以上であるところに特徴を有する。前記「フェライトの平均結晶粒径」とは、フェライト結晶粒の短径と長径の平均値をいうものとする。
【００１５】
また本発明は、上記軟磁性鋼部品の製造方法も規定するものであって、該製造方法は、上記成分組成を有する鋼材を用い、
▲１▼熱間圧延後８００〜５００℃の温度域の冷却速度を１０℃／秒以下とすること、および
▲２▼所定の部品形状に成型加工後、８５０℃以上で２時間以上焼鈍するところに特徴がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、前述した様な状況の下で、冷間鍛造性に優れるＣ量が０．０１％以下の低炭素鋼材について被削性と磁気特性を兼備させるべく、これらの特性に及ぼす金属組織や析出物等の影響について様々な角度から実験を行い検討した。
【００１７】
その結果、金属組織を実質的にフェライト単相組織とした上で、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物を、該フェライト組織中に分散させるようにすれば、鋼材の被削性を確保できること、および鋼部品については、磁気焼鈍を行いフェライト平均結晶粒径を１００μｍ以上とすることで、磁束密度および保磁力がＪＩＳ ＳＵＹＢ−１種レベル以上で、かつ磁気異方性が極めて小さいといった、磁気特性に優れるものが得られることを見出した。
【００１８】
そして更に、これらの特性は、該フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物の密度を、０．０２〜０．０８個／μm2となるよう制御することによってより一層顕著となることを見出し、本発明に想到した。以下、本発明で上記析出物等について規定した理由を詳述する。
【００１９】
軟磁性材料の磁気特性は、材料内部を移動する磁壁を固定するエネルギー量に関係しており、フェライト結晶粒の大きさや、析出物の磁気的性質および分布形態の影響を受ける。
【００２０】
図１はフェライト平均結晶粒径と保磁力の関係を調べたグラフであり、図２はフェライト平均結晶粒径と磁束密度［磁界の強さ：１Ｏｅ（７９．６Ａ／ｍ）または５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ）］の関係を調べたグラフであり、いずれも、Ｃ：０．００４質量％、Ｓｉ：０．００４質量％、Ｍｎ：０．２２質量％、Ｐ：０．００７質量％、Ｓ：０．０３３質量％、Ａｌ：０．００２０質量％を満たす鋼材を用いて調べた結果である。
【００２１】
この図１および図２に示すように、低い外部磁界で高磁束密度が得られ、かつ、保磁力が小さいといった、軟磁性材料として優れた磁気特性を確保するには、得られる鋼部品の金属組織を、平均結晶粒径が１００μｍ以上と粒界の少ないフェライト単相組織とする必要がある。
【００２２】
フェライト平均結晶粒径が１００μｍ未満の場合には、磁壁をピン止めする結晶粒界の影響が大きく、低い保磁力を達成することができないからである。前記フェライト平均結晶粒径は、好ましくは１３０μｍ以上である。一方、焼鈍時間（製造コスト）を費やして前記フェライトの平均結晶粒径を大きくしすぎても、磁気特性向上効果は飽和するだけであるので、約２５０μｍ以下に留めるようにする。尚、フェライト単相組織とするにあたっては、パーライトの生成を抑制するため、後述する如く鋼材中の炭素量を極めて少なくするのが有効である。
【００２３】
また、軟磁性材料の磁気特性は、上述の通り析出物の形態の影響を受けやすい。図３は、平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度と磁束密度（磁界の強さ：４００Ａ／ｍ）の関係について、図４は、磁界の強さと磁束密度の比（B⊥／B//）の関係について調べたものであり、それぞれ、フェライト組織中の析出物がほぼＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物からなる場合と、硫化物系介在物が単独で存在する場合を対比している。
【００２４】
上記図３より、外部磁界に対する応答性、即ち磁束密度を高めるには、析出物の密度を小さくすることが有効であることがわかる。フェライト組織中に析出物が多数存在する場合には、磁気焼鈍時の結晶粒成長が妨げられて、磁壁移動の抵抗となる結晶粒界を十分に減少することができず、また析出物自体も磁壁を縛束すると考えられる。
【００２５】
更に図３から、析出物として特に、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物（以下、単に「複合析出物」ということがある）を分散させることで、硫化物系析出物が同じ密度で存在するときより、磁束密度のより高い磁気特性に優れたものが得られるとの知見を得た。
【００２６】
尚、図３から、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上（１．３５Ｔ以上）の磁束密度を満足させるには、析出物を上記複合析出物とした上で、析出物の密度を０．０８個／μｍ2以下（好ましくは０．０５個／μｍ2以下）に抑えるのがよいことがわかる。
【００２７】
また、フェライト組織中にこの様な複合析出物を分散させることで、磁気異方性が低減されることも見出した。図４は、後述する実施例の図６に示すように、１つの鋼材から互いに垂直となるよう採取した試料に磁気焼鈍を施し、磁界の強さを変化させて各試料の磁束密度を測定し、磁束密度の比を求めた結果である。
【００２８】
この図４から、硫化物系析出物のみが単独で析出する場合には、磁界の強さが小さくなると磁束密度の比が１から大きく外れ、磁気異方性が著しいのに対し、析出物を上記複合析出物とした場合には、磁界の強さが小さくなっても試料の採取方向に関係なく磁束密度はほぼ同一で、磁気異方性がほとんど生じていないことがわかる。
【００２９】
ところで図５は、平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度とバリ高さの関係を示したグラフであるが、この図５から、特に切削時に生ずるバリの発生を抑制するには、フェライト組織中に析出物を分散させることが有効であり、０．０２個／μｍ2以上（好ましくは０．０３個／μｍ2以上）の析出物を存在させるのがよいことがわかる。
【００３０】
これらの結果から、フェライト組織中に前記複合析出物を分散させた上で、該フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物の密度を、０．０２〜０．０８個／μm2となるよう制御することにより、被削性と磁気特性をより一層向上させることができるといえる。
【００３１】
尚、平均粒径が２μmを超える析出物の密度を０．０５個/mm2以下にすれば、保磁力をより小さくすることができるので好ましい。
【００３２】
本発明の軟磁性鋼材および軟磁性鋼部品は、フェライト組織中に分散する析出物の形状、粒径および密度を上述のように適正範囲内に制御することで、優れた被削性と磁気特性の両特性が得られるところに特徴を有するものであるが、この様な鋼材および鋼部品を得るにあたり、下記の化学成分組成を満たすようにし、かつ下記の方法で製造することが推奨される。
【００３３】
Ｃ：０．０２％以下（０％を含まない）
Ｃ（炭素）は鋼材の強度と延性のバランスを支配する基本元素であり、添加量を低減するほど強度は低下し、延性は向上する。またＣは、鋼中に固溶してひずみ時効硬化を生じるので、冷間鍛造性を向上させる観点からその含有量は極力少ないほうが望ましい。また磁気特性の面からも極低であることが好ましく、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の磁気特性を満足させるには、Ｃ含有量を０．０２％以下に抑えるのがよい。より好ましくは０．０１％以下である。
【００３４】
Ｓｉ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｓｉは溶製時に脱酸剤として作用し、また磁気特性を向上させる効果をもたらすが、多大に添加すると冷間鍛造性を阻害する。本発明では部品成型時の冷間鍛造性を確保する観点から、０．１％を上限とした。なお好ましくは、０．０５％以下とするのがよい。
【００３５】
Ｍｎ：０．１〜０．５％
Ｍｎは脱酸剤として作用するとともに、鋼中のＳと結合しＳによる脆化を抑制するので０．１％以上（好ましくは０．１５％以上）含有させるのがよい。しかし、Ｍｎ量が増大すると磁気特性が低下するため、本発明では０．５％以下に抑えるのがよく、好ましくは０．３％以下である。
【００３６】
Ｐ：０．０３％以下（０％を含む）
Ｐ（リン）は、鋼中で粒界偏析を起こして冷間鍛造性や磁気特性に悪影響を及ぼす有害元素である。従って本発明では、Ｐの含有量を０．０３％以下、好ましくは０．０２％以下とする必要があり、この様にＰ量を制限することで、優れた冷間鍛造性や磁気特性を保証することができる。
【００３７】
Ｓ：０．０１〜０．１％
Ｓ（硫黄）は、ＭｎＳの構成元素であり、上記の通り硫化物として該ＭｎＳと酸化物の複合析出物を析出させることで被削性が向上する。この様な効果を発揮させるには、Ｓを０．０１％以上（好ましくは０．０２％以上）含有させるのがよい。しかしＳ量が多くなり過ぎると、多量にＭｎSが析出して冷間鍛造性と磁気特性が著しく劣化する。従って、Ｓ量は０．１％以下、好ましくは０．０５％以下に抑える。
【００３８】
Ｍｇ：０．００５〜０．０２％
Ｍｇは、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3／ＭｎＳ系複合析出物の形成に必要な元素であり、上述の通り、該複合析出物をフェライト組織中に分散させることで被削性が向上する。更にこの様な複合析出物は粒状化し易く、磁気異方性を抑制する効果もある。該効果を十分に発揮させるには、Ｍｇを０．００５％以上（好ましくは０．０１％以上）含有させるのがよい。しかしながら、Ｍｇを多量に添加すると磁気特性の低下を招くため、０．０２％以下に抑えるのがよい。
【００３９】
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）
Ａｌは、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3／ＭｎＳ系複合析出物を析出させる際に必要な元素であり、該複合析出物は、上述の通り被削性を向上させるとともに、磁気特性に有害なフェライト中の固溶酸素を酸化物として析出させることで、磁気特性への悪影響を抑えることができる。この様な効果を発現させるには、Ａｌを０．００１％以上含有させるのが望ましい。しかし余剰のＡｌは、固溶Nを捕捉してＡｌNとなり結晶粒の微細化を促進させる。その結果、結晶粒界を増加させることとなり磁気特性の低下を招く。従って、本発明ではＡｌ量を０．０１％以下（好ましくは０．００５％以下）に抑えるのがよい。
【００４０】
Ｎ：０．００５％以下（０％を含む）
上記の様にＮ（窒素）はＡｌと結合しＡｌＮを形成して磁気特性を害するが、それに加え、Ａｌなどにより固定されなかったＮは固溶Ｎとして鋼中に残存し、これも磁気特性を劣化させる。よって、何れにしてもＮ量は極力少なく抑えるべきであるが、鋼材製造の実操業面も考慮すると、０．００５％以下にすれば、それらの弊害を実質的に無視し得る程度に抑えることができる。
【００４１】
Ｏ：０．０２％以下（０％を含まない）
Ｏ（酸素）は常温では鋼に殆ど固溶せず、ＡｌやＳｉなどの元素と結合して硬質の酸化物系介在物となる。酸素は、上記複合析出物の形成に必要な元素であるが、過剰に存在すると該酸化物系介在物が単独で析出し易くなり、磁気特性を大幅に低下させる。
【００４２】
ゆえにＯ含有量は極力低減するのがよく、０．０２％以下に抑えるようにする。Ｏ含有量はより好ましくは０．００５％以下、更に好ましくは０．００２％以下にする。尚、複合析出物の構成元素という観点からは、酸素が５ｐｐｍ程度存在していればよい。
【００４３】
Ｍｎ／Ｓ（質量比）：３以上
被削性と磁気特性の向上を図るべく、本発明で規定する複合析出物として、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物を核とし該酸化物の周囲にＭｎＳが存在するＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3／ＭｎＳ系複合析出物を形成するには、Ｍｎ／Ｓ（質量比）が３以上（好ましくは８以上）となるようにするのがよい。
【００４４】
更に下記の様な効果を得るため、他の元素として、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含有させたり、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有させることも有効である。
【００４５】
即ちＣａは、ＭｎＳとともに硫化物を生成し、被削性を向上させる元素である。またＴｉは、析出物を微細分散させる効果があり、またＳと結合して生ずるＴｉＳが切削加工時に潤滑剤として作用するため、被削性が向上する。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｃａを０．０００２％以上、Ｔｉを０．０１％以上含有させることが望ましい。しかし過剰に含有させると、析出物が多くなり、磁壁を縛束して磁気特性の好ましくないものとなるので、Ｃａは０．０１％以下、Ｔｉは０．０１％以下にそれぞれ抑えるのがよい。
【００４６】
また、Ｂは、磁気特性に悪影響を及ぼす前記固溶Ｎと結合し化合物（ＢＮ）として固定する作用がある。しかもＢのＮに対する親和力はＡｌよりも大きいので結晶粒を微細化するＡｌＮの析出量を低減する作用もある。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｂを０．０００５％以上含有させることが望ましい。しかし過剰に含有させると、析出物が多くなり、磁壁を縛束して磁気特性の好ましくないものとなるので、Ｂは０．００５％以下に抑えるのがよい。
【００４７】
本発明で規定する元素は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、該鋼材中に、上記説明したものの他、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物、更には、本発明の課題達成に悪影響を与えないＡｓ等の許容元素が含まれる場合も、本発明で用いる鋼材または鋼部品に包含される。
【００４８】
本発明に係る軟磁性鋼材の製造に際しては、上記化学成分の要件を満たす鋼材を常法により溶融してから鋳造すればよいが、切削加工時にバリの発生が少なく優れた被削性を発揮するとともに、磁気焼鈍後にＪｌＳ−ＳＵＹＢ−１種レベル以上の磁気特性を確保する本発明の鋼材を効率よく得るには、下記の条件で製造することが推奨される。
【００４９】
まず熱間圧延後の冷却速度が速すぎると、析出物が粗大化し、かつ母相の原子空孔が多くなり、磁気焼鈍を行っても再結晶が十分に進まず、優れた磁気特性を得ることができない。従って、熱間圧延後の８００〜５００℃の温度域の冷却速度は、１０℃／秒以下（好ましくは５℃／秒以下）とするのがよい。
【００５０】
尚、熱間圧延におけるその他の条件については特に制限されるものでなく、例えば、熱間圧延に際して行う加熱を１０００〜１１５０℃とし、仕上げ圧延温度を８５０℃以上とすることが挙げられる。
【００５１】
本発明の軟磁性鋼材および軟磁性鋼部品は、磁気焼鈍を行わなくてもＪＩＳ−ＳＵＹＢ２種相当の磁気特性を有するが、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種レベルのより優れた磁気特性を発揮する軟磁性鋼部品を得るには、本発明で規定する軟磁性鋼材を使用し、所定の部品形状に成形したのち、８５０℃以上の温度で２時間以上焼鈍することが大変有効である。
【００５２】
前記焼鈍温度が低すぎると、実用的な熱処理時間で所望のフェライト結晶粒径を確保することができない。従って、磁気焼鈍は８５０℃以上で行うことが好ましい。一方、過度に焼鈍温度を高めても、所望のフェライト結晶粒径とする効果はほとんど変わらず、逆にＡｃ３点を超えて焼鈍すると、低磁界での磁気特性が低下するので、その上限は９５０℃とするのがよい。
【００５３】
また焼鈍時間が短すぎると、磁気焼鈍温度を高めに設定したとしても焼鈍時間不足でフェライト結晶粒を十分に粗大化させることができないので、２時間以上焼鈍するのがよく、好ましくは３時間以上である。しかし長すぎても所望のフェライト結晶粒径を確保する効果は変わらないので、６時間以下に抑えるのがよい。
【００５４】
本発明は、上記以外の製造方法の条件を限定するものでなく、本発明に係る軟磁性鋼部品は、上記規定する化学成分を含有する鋼材を、例えば常法により溶解、鋳造して得た後、前述の条件で熱間圧延して棒材または線材とし、その後冷間または温間鍛造や切削加工を施して成型した後、前記条件で磁気焼鈍に付して磁性部品とすることが挙げられる。
【００５５】
本発明の軟磁性鋼部品として、具体的に自動車用のソレノイドやアクチュエータを製造する場合には、上記線材を所定の寸法で切断し、冷間加工で成形した後に、該成形品の内側または外側に巻線して磁化することが製造方法として挙げられる。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５７】
表１に示す成分組成の供試材を溶製後、表２に示す条件で熱間圧延を行い、直径約２４ｍｍの圧延材を得た。これを直径約２０ｍｍとなるまで伸線加工した後、得られた鋼線から試料を採取して、該試料の金属組織、析出物の平均粒径と平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度、被削性および表２に示す条件で磁気焼鈍を行った後の磁気特性を調査した。
【００５８】
金属組織の分類と結晶粒径の測定は次のようにして行った。即ち、鋼線の横断面を露出させた状態で支持基材内に埋め込んで研磨後、５％のピクリン酸アルコール液に１５〜３０秒間浸漬して腐食させ、その後、光学顕微鏡でＤ／４（Ｄは鋼線の直径）部位の組織を１００〜４００倍で１０視野撮影し、金属組織とその結晶粒径を調べた。その結果、いずれの実施例についても、金属組織は、実質的にフェライト単相組織であった。該フェライト組織の平均結晶粒径は表２に示す通りである。
【００５９】
また走査型電子顕微鏡（SEM）で倍率を１０００〜３０００倍にしてフェライト組織中の析出物を観察し、画像解析装置で該析出物の平均粒径と平均粒径０．５〜２μｍの析出物の密度を求めた。（平均粒径および密度は何れも１０視野の平均値）。
【００６０】
磁気特性（磁束密度および保磁力）は、次のようにして評価した。即ち、図６に示すように、上記鋼線から、該リング状試料の円周方向が鋼線の円周方向と平行または垂直となるよう外径１８ｍｍ×内径１０ｍｍのリング状試料を採取し、これらに磁気焼鈍を施し磁界印加用コイルと磁束検出用コイルを巻線した後、自動磁化測定装置を用い、磁界の強さを３Ｏｅまたは５ＯｅとしてＨ−Ｂ曲線を測定し、磁束密度および保磁力を求めた。（以下、鋼線の円周方向と平行な面の磁気特性をB//、円周方向と垂直な面の磁気特性をB⊥と示す。）また、B//とB⊥の比（B⊥／B//）から、磁気異方性を評価した。
【００６１】
磁気特性の評価では、B⊥およびB//ともに表３に示すＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種レベル以上の値を示し、かつB⊥／B//が０．９５以上である場合を磁気特性に優れると判断した。一方、B⊥および／またはB//が表３に示すＪＩＳ−ＳＵＹＢ２種レベル以下であるか、B⊥／B//が０．９５未満である場合を磁気特性に劣ると判断した。
【００６２】
被削性として耐バリ性（バリの発生し難さ）を次の方法で評価した。即ち、上記直径２０ｍｍの鋼線を用いて直径２０ｍｍ×厚さ２０ｍｍの円柱状試料を作成し、図７に示すように、直径４ｍｍのドリル孔を送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖで貫通させたときに生じるバリ高さで評価した。バリ高さの測定は、同一鋼線から採取した５個の円柱状試料について、各試料の円周方向に６箇所（６０°刻み）切削し、合計３０箇所（５個×６箇所）の平均値を求めた。被削性の評価では、バリ高さが１．０ｍｍ未満の場合を被削性に優れるとし、バリ高さが１．０ｍｍ以上の場合を被削性に劣ると判断した。これらの結果を表２に併記する。
【００６３】
【表１】
【表２】
【表３】
表２から次のように考察することができる。尚、以下のＮｏ．は表２における実験Ｎｏ．を示す。
【００６７】
Ｎｏ．１、３、４およびＮｏ．６〜１０は、本発明で規定する要件を満たすものであるので、いずれもＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種以上の磁気特性を有し、且つ優れた被削性（耐バリ性）を兼備していることがわかる。これに対し、Ｎｏ．２、５およびＮｏ．１１〜２５は、本発明の規定要件を外れるものであるので、ＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種レベル以上の磁気特性が得られないか、バリ発生の低減効果が十分でない等の好ましくない結果となった。
【００６８】
具体的に、Ｎｏ．２およびＮｏ．５は、鋼材の化学成分が本発明の規定要件を満たすものであるが、製造条件が本発明の要件を外れていることから上記不具合が生じたと考えられる。詳細には、Ｎｏ．２は、磁気焼鈍温度が低すぎたため再結晶が十分に進まず、粒界の多い組織となり磁気特性を低下させる結果となった。またＮｏ．５は、熱間圧延後の冷却速度が速すぎたため、析出物が粗大化し、かつ母相の原子空孔が多く存在する組織となったため、磁気特性に劣る結果となった。
【００６９】
Ｎｏ．１１はＣ量が過剰であるため、セメンタイト系析出物の析出により、優れた磁気特性の確保に有効なフェライト組織が減少し、更には、磁気焼鈍時にセメンタイト系析出物が結晶粒の成長を抑制して粒界の多い組織となったため、磁気特性の低下を招く結果となった。
【００７０】
Ｎｏ．１２はＳｉ量が過剰である場合を示しており、Ｓｉ量が本規定範囲を超えると、上記複合析出物に加えてＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4が析出してフェライト組織中の析出物が過剰となり、磁気特性が著しく低下することが分かる。
【００７１】
Ｎｏ．１３およびＮｏ．１４は、Ｍｎ量が規定範囲を外れる結果を示しており、Ｎｏ．１３から、Ｍｎ量が少なすぎると複合析出物が析出し難くなりバリ発生の抑制効果が十分に発揮されないことがわかる。またＮｏ．１４から、Ｍｎ量が過剰になると、析出物が多量に析出して磁束を縛束するため磁気特性が低下することがわかる。
【００７２】
Ｎｏ．１５は、Ｐ量が過剰のものであるが、粒界にＰが偏析して結晶粒の成長を抑制するため、磁気特性が低下する結果となった。
【００７３】
Ｎｏ．１６およびＮｏ．１７は、Ｓ量が規定要件から外れる結果を示している。Ｎｏ．１６から、Ｍｎと同様にＳ量が規定範囲を下回ると複合析出物が形成され難くバリ発生の抑制効果が十分でないことがわかる。またＮｏ．１７から、規定範囲を超えて多量に含有させると、析出物量が過剰となり磁気特性が低下することがわかる。
【００７４】
Ｎｏ．１８は、Ａｌ量が過剰のものであり、この様な場合ＡｌＮが生成することによって結晶粒の成長が抑制されるため、磁気特性が著しく低下することがわかる。
【００７５】
Ｎｏ．１９およびＮｏ．２０は、Ｍｇ量が規定範囲を外れる結果を示しており、Ｎｏ．１９から、Ｍｇ量が十分でない場合には、Ｍｇを適量含有させた場合よりも磁気異方性が大きくなることが分かる。またＮｏ．２０から、Ｍｇを多量に添加すると、析出物が多量に析出して磁気特性が低下することがわかる。
【００７６】
Ｎｏ．２１はＣａ量が規定範囲を外れる場合を示しており、Ｎｏ．２２はＴｉ量が規定範囲を外れる場合を示している。これらの結果から、Ｃａ量やＴｉ量が多過ぎると、多量に生ずるＣａやＴｉの析出物に起因して磁気特性が低下することがわかる。
【００７７】
Ｎｏ．２３は、Ｂ量が過剰に含有する場合を示しており、Ｂ量が本発明で定める上限を超えるとＢＮ析出量の増大によって磁気特性が低下することがわかる。
【００７８】
Ｎｏ．２４はＮ量が過剰である場合を示しているが、この様な場合には表２に示すように磁気特性が低下する他、ひずみ時効による変形抵抗の増大も確認された。
【００７９】
Ｎｏ．２５はＯ（酸素）が過剰である場合の結果を示したものであり、酸素が所定量を超えると磁気特性に悪影響を及ぼすことが分かる。
【００８０】
尚、図８は、本発明例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真であるが、本発明で規定する複合介在物が生成していることがわかる。これに対し図９は、比較例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真であるが、本発明で規定する複合介在物は生成されずＭｎＳが生成していることがわかる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されており、寸法精度の良好な冷間鍛造を行うことができるとともに、優れた被削性（特にせん断加工時やドリル切削時に生じるバリを抑制して、複雑な形状の鋼部品も効率よく製造することができる特性）を有し、更には磁気焼鈍後にＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種以上の優れた磁気特性を確保することのできる軟磁性鋼材、およびこの様な鋼材に磁気焼鈍を施して得られるＪＩＳ−ＳＵＹＢ１種以上の優れた磁気特性を有する軟磁性鋼部品が得られることとなり、自動車や電車、船舶用などを対象とする各種電装部品を安価で提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】フェライト結晶粒径と保磁力の関係を示すグラフである。
【図２】フェライト結晶粒径と磁束密度（磁界の強さ：１Ｏｅ（７９．６Ａ／ｍ）または５Ｏｅ（３９８Ａ／ｍ））の関係を示すグラフである。
【図３】フェライト組織中の析出物の密度と磁束密度（磁界の強さ：４００Ａ／ｍ）の関係を析出物の種類別に示したグラフである。
【図４】磁界の強さと磁束密度の比（B⊥／B//）の関係を析出物の種類別に示したグラフである。
【図５】フェライト組織中の析出物の密度とバリ高さの関係を析出物の種類別に示したグラフである。
【図６】磁気異方性評価のための試料の採取位置を示した概略説明図である。
【図７】被削性の評価方法（バリ高さの測定）を示した概略説明図である。
【図８】実施例における本発明例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】実施例における比較例の鋼材のＳＥＭ顕微鏡写真である。
Claims (7)
- 実質的にフェライト単相組織であり、ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3系複合酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物が該フェライト組織中に分散していることを特徴とする被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材。
- 前記フェライト組織中に存在する平均粒径０．５〜２μmの析出物が０．０２〜０．０８個／μm2である請求項１に記載の被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材。
- 質量％で（以下同じ）、
Ｃ ：０．０２％以下（０％を含まない）、
Ｓｉ：０．１％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：０．１〜０．５％、
Ｐ ：０．０３％以下（０％を含む）、
Ｓ ：０．０１〜０．１％、
Ｍｇ：０．００５〜０．０２％、
Ａｌ：０．０１％以下（０％を含まない）、
Ｎ ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｏ ：０．０２％以下（０％を含まない）
を満たし、Ｍｎ／Ｓ（質量比）が３以上である請求項１または２に記載の被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材。 - 更に他の成分として、Ｃａ：０．０１％以下（０％を含まない）および／またはＴｉ：０．１％以下（０％を含まない）を含む請求項３に記載の被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材。
- 更に他の成分として、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）を含む請求項３または４に記載の被削性と磁気特性に優れた軟磁性鋼材。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の軟磁性鋼材を用いて得られる鋼部品であって、フェライト平均結晶粒径が１００μｍ以上であることを特徴とする磁気特性に優れた軟磁性鋼部品。
- 請求項３〜５のいずれかに記載の成分組成を有する鋼材を用い、熱間圧延後の８００〜５００℃の温度域の冷却速度を１０℃／秒以下とし、かつ所定の部品形状に成型加工後、８５０℃以上で２時間以上焼鈍することを特徴とする請求項６に記載の軟磁性鋼部品の製造方法。
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