JP2004511658A - Ｃｏ−Ｍｎ−Ｆｅ軟磁性合金 - Google Patents

Abstract

【課題】低コバルト軟磁性合金に関連する諸問題を解決し、良好な特性を有する軟磁性鋼合金を提供する。
【解決手段】軟磁性鋼合金は、重量パーセントで、約１．０％〜５．０％のマンガン、約７％〜１７％のコバルトを含有し、残部が本質的には鉄である。開示された合金は、公知のＣｏ−Ｆｅ軟磁性鋼合金と比較して実質的に低い量のコバルトで、良好な電気抵抗率と非常に好ましいレベルの磁気飽和誘導とが組合わさった特性を発揮する。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、コバルトを含有する軟磁性鋼合金に関し、より詳細には、マンガンおよび２０重量％未満のコバルトを含有する軟磁性鋼合金に関する。
【０００２】
（発明の背景）
４９Ｃｏ−４９Ｆｅ−２Ｖ（ＨＩＰＥＲＣＯ（登録商標）アロイ５０）および２７Ｃｏ−Ｆｅ（ＨＩＰＥＲＣＯアロイ２７）は、約２３ｋＧ〜２４ｋＧの飽和誘導Ｂ_ｓによって明らかにされるように、非常に大きい磁気飽和誘導をもたらすと知られている合金である。そのような合金は、航空宇宙産業用のモーターおよび変圧器の用途において使用されている。それらは、相当量のコバルトを含有するので、比較的高価な合金である。
【０００３】
自動車およびトラックなどの陸上用途において、非常に大きい磁気飽和誘導を有する軟磁性材料に対する要求が生じている。そのような合金の望ましい物品の例には、ソレノイド、燃料噴射装置、スイッチ式磁気抵抗モーター、磁気ベアリング、フライホイールおよびセンサーが含まれる。しかし、ＨＩＰＥＲＣＯアロイ５０およびＨＩＰＥＲＣＯアロイ２７などのコバルト含有合金は、計画的に添加されたコバルトを含有しない公知の軟磁性合金よりもかなり高価であるので、自動車用途には検討されていない。自動車に使用されるコバルト含有軟磁性合金の利用性を改善する１つの方法は、そのような合金において使用されるコバルトの量を低下させ、それにより、そのような合金の製造コストを低下させることである。しかしながら、飽和誘導は、適度に高く（すなわち、少なくとも２１ｋＧで）維持しなければならない。
【０００４】
約２０％未満のコバルトを含有するＦｅ−Ｃｏ合金の抵抗率（ρ）は約２０μΩ・ｃｍにすぎない。その値は、例えば、典型的には約４０μΩ・ｃｍである、ＨＩＰＥＲＣＯ５０アロイによってもたらされる抵抗率よりもかなり低い。低コバルト合金のそのようなより低い抵抗率は、多くの用途のためには受け入れられないより大きい磁心損失をもたらす。
【０００５】
先行技術は、クロム、モリブデン、バナジウムおよびタングステン、またはケイ素およびアルミニウムなどの元素を母材合金に添加することによって、２０％以下のコバルトを含有するＣｏ−Ｆｅ合金における低い抵抗率の問題を克服することを試みてきた。しかし、そのような元素添加は合金製造の原料コストを増大させる。また、そのような合金を製造することから生じるスクラップ金属は、非常に高合金化されているので、鋼の他の規格品に対する一般的な再使用材料としてあまり有用ではない。
【０００６】
クロム、モリブデン、バナジウムおよびタングステンの元素は炭化物形成元素である。炭素が軟磁性合金製造時に脱酸素剤として使用されるときに、そのような元素の１つ以上がかなりな量で存在する場合には、炭化物が析出することから生じる損なわれた磁気特性がもたらされる可能性がある。これは、Ｎｉ−Ｆｅ軟磁性合金については実際の問題である。なぜなら、Ｎｉ−Ｆｅ軟磁性合金は、Ｃｏ−Ｆｅ規格品と同じＶＩＭ炉で溶解されることが多いからである。そのような炭化物形成元素は、磁気特性に対するそれらの知られている有害作用のために、Ｎｉ−Ｆｅ合金では、通常、できる限り低く制限される。
【０００７】
電気抵抗率を増大させるためにケイ素およびアルミニウムを使用することに伴う問題もまた存在する。そのような元素は反応性が大きく、様々な困難を溶解時に生じさせ得る。ケイ素およびアルミニウムをかなり添加すると、鋼を脆くする可能性もある。さらに、アルミニウムは、Ｎｉ−Ｆｅ軟磁性鋼の特性に対して有害であり、Ｎｉ−Ｆｅ規格品がＣｏ−Ｆｅ規格品と同じＶＩＭ炉で溶解される場合、実質的に汚染（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）される危険性もある。
【０００８】
（発明の要約）
低コバルト軟磁性鋼合金を提供することに関連する諸問題が、本発明による軟磁性鋼合金によって大きく解決される。本発明の合金は、下記の広範な重量パーセント組成および好適な重量パーセント組成を有する。
【０００９】

【００１０】
それぞれの場合における残部は、本質的には鉄であるが、同じまたは類似する使用または役務のために意図された軟磁性鋼合金の市販規格品に見出される通常の不純物を含む。所望する場合には、炭素、ケイ素、クロムおよびニッケルの元素を少量存在させることができる。
【００１１】
前記の表は、便宜的な要約として示したものにすぎないものであって、相互の組合せにおいて使用される本発明に係る合金の個々の元素の範囲の下限値および上限値を制限するものでもなく、また、相互の組合せだけにおいて使用される元素の範囲を制限するものでもない。従って、広範な組成の元素範囲の１つ以上を、好ましい組成における残りの元素に対するそれ以外の範囲の１つ以上とともに使用することができる。さらに、１つの好ましい実施形態の元素に対する最小値または最大値を、別の好ましい実施形態に由来するその元素に対する最大値または最小値とともに使用することができる。本明細書全体を通して、用語「パーセント」または記号「％」は、別途示されない限り、重量パーセントを意味する。
【００１２】
（詳細な説明）
本発明による合金は、合金によってもたらされる磁気誘導を有益にするために、少なくとも約７％のコバルトを含有する。第１の好適な組成において、合金は少なくとも約１４％のコバルトを含有する。第２の好適な組成において、合金は少なくとも約７％のコバルトを含有する。約１７％以下のコバルトが、Ｃｏ−Ｆｅ軟磁性合金の知られている規格品に対して原料コストを低いレベルで保つために本発明の合金には存在する。第１の好適な組成において、合金は約１６％以下のコバルトを含有し、第２の好適な組成において、合金は約９％以下のコバルトを含有する。
【００１３】
また、本発明による合金は、本発明の合金によってもたらされる抵抗率を有益にするために、少なくとも約１．０％のマンガンを含有する。第１の好適な組成において存在するコバルトのレベルがより高いとき、少なくとも約２．２％のマンガンが存在する。第２の好適な組成において存在するコバルトのレベルがより低いとき、合金は少なくとも約１．８％のマンガンを含有する。
【００１４】
多すぎるマンガンは、本発明の合金によってもたらされる飽和磁気誘導に有害な影響を及ぼす。また、過剰なマンガンは、本発明の合金によってもたらされる保磁力に有害な影響を及ぼす付随的な相の析出を生じさせ得る。従って、合金は、マンガンが約５．０％以下に制限される。本発明の合金の第１の好適な組成は約３．２％以下のマンガンを含有し、そして第２の好適な組成のマンガンは約２．４％以下のマンガンを含有する。
【００１５】
合金の残部は、本質的には鉄であるが、同じまたは類似する使用または役務のために意図された軟磁性鋼合金の市販規格品に見出される通常の不純物を含む。少量の炭素が、合金を溶解するときの脱酸素用添加物に由来して存在してもよい。しかし、炭素量は、合金における炭化物の生成を避けるために、固化したインゴット中に保持される量が実用的に可能な限り低くなるように、好ましくは約０．０２％以下であるように、より良好には約０．０１％以下であるように制限される。また、約０．３％までの少量のケイ素も、溶融物に対する脱酸素用添加物の結果として、または合金のフェライト構造を安定化させるための好ましい添加物として、そのいずれかで合金中に存在してもよい。更に、ケイ素は、本発明の合金を加工するために使用され得る２段階熱処理のための使用可能な焼戻し温度を上昇させる。約０．８％までの少量（好ましくは約０．５％以下）のクロムもまた、フェライト構造を安定化させるために、そしてより高い焼戻し温度を上記の２段階熱処理において使用することを可能にするために、本発明の合金中に存在してもよい。本発明の合金中に存在し得るケイ素およびクロムの量は、合金の抵抗率に対する重大な影響を有しないことが、比較的より多量のマンガンが存在することに由来するそのような特性に対する影響と比較したときに予想される。約０．８％までのニッケルが、合金の抵抗率を有益にするために、本発明の合金に存在してもよい。
【００１６】
特別な技術は、本発明による合金を製造するためには何ら必要でない。合金は、好ましくは、真空誘導溶解（ＶＩＭ）によって溶解される。所望するとき、より高い純度またはより良好な結晶粒構造を、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）または真空アーク再溶解（ＶＡＲ）などにより合金を精製することによって得ることができる。合金はインゴットに鋳造され、その後、インゴットは、約２２００^ｏＦの予熱温度から、ビレット、棒材またはスラブに熱間加工される。その後、合金は、中間の厚さを有する線材、ロッドまたはストリップに熱間圧延される。線材、ロッドまたはストリップは、その後、より小さい断面寸法に冷間加工することができ、これから最終部品に加工することができる。また、本発明の合金は、最終的な形状品および最終的な形状に近い物品を製造するために、粉末冶金技術を使用して製造することができる。
【００１７】
所望する磁気特性を発揮させるために、本発明の合金から作製された部品は、冷間加工後、そして所望する形状に加工された後で焼鈍処理される。最良の磁気特性を発揮させるために、焼鈍熱処理は合金の組成に関して選択されることが見出された。例えば、合金が約７％〜９％のコバルトおよび約３％未満のマンガンを含有するとき、合金は、好ましくは、約１４００^ｏＦ〜１５００^ｏＦで約２時間〜４時間にわたって焼鈍処理され、続いて約１５０^ｏＦ／時間で冷却される。合金が約１４％〜１６％のコバルトおよび約２．５％〜３．７％のマンガンを含有するとき、合金は、好ましくは、転位を実質的に除去し、かつ結晶粒サイズを最大にするために十分に長い時間にわたって合金が約２１００^ｏＦ〜２２００^ｏＦで加熱される２段階焼鈍処理法を使用して焼鈍処理される。これは、典型的には、その温度で約４時間〜６時間である。合金は、その後、約２００^ｏＦ／時間で約１２００^ｏＦ〜１３００^ｏＦに炉中冷却され、その後、γ相を実質的に除去するために、その温度で約２４時間保たれる。
【００１８】
本発明による合金は、約２１．４ｋＧの２００Ｏｅでの磁気誘導Ｂおよび約４２．４μΩ・ｃｍの抵抗率をもたらすことができる。実質的により多くのコバルトを含有する公知の合金の比較において、ＨＩＰＥＲＣＯアロイ５０は、約２４ｋＧの２００Ｏｅでの直流磁気誘導および約４０μΩ・ｃｍの電気抵抗率をもたらし、これに対して、ＨＩＰＥＲＣＯアロイ２７は、約２３ｋＧの２００Ｏｅでの直流磁気誘導および約１９μΩ・ｃｍの電気抵抗率をもたらす。本発明による合金は、棒材、プレート、線材およびストリップの各形態に所望するように加工され得ることが予想される。本発明の合金は、ソレノイド、燃料噴射装置、スイッチ式磁気抵抗モーター、磁気ベアリング、フライホイールおよび磁気センサーなどの磁気デバイスにおける使用に特に好適である。本発明の合金はまた、ブラシュレス交流発電機、コンプレッサーモーター、磁気浮遊システム、およびリニアモーターの極片のようなデバイスにおいて使用されることも予想される。
【００１９】
（実施例）
本発明による合金の様々な例を真空誘導溶解によって調製して、小さい（８ｌｂ）インゴットとして分割鋳造した。インゴットの化学分析を表Ｉに重量パーセントで示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
インゴットを０．５インチ×２インチのスラブに２２００^ｏＦから熱間鍛造した。スラブを０．２５インチ厚のストリップに２１００^ｏＦから熱間圧延した。ストリップをサンドブラスト処理して、スケールを除き、その後、０．０６０インチ〜０．０８０インチの厚さに冷間圧延した。乾燥水素中において１３００^ｏＦで２時間焼鈍処理した後、ストリップを０．０２０インチの厚さに冷間圧延した。直流磁気試験用のリングを打ち抜き、抵抗率測定用のサンプルを０．０２０インチのストリップから加工した。
【００２２】
下記の表ＩＩには、下記に記載されるような４つの異なる熱処理（ＨＴ１〜ＨＴ６）のそれぞれの後における、マイクロオーム・センチメートル（μΩ・ｃｍ）単位での抵抗率（ρ）、３０Ｏｅ、５０Ｏｅ、１５０Ｏｅ、２００Ｏｅおよび２５０Ｏｅにおけるキロガウス（ｋＧ）単位での直流磁気誘導（Ｂ）、そしてエールステッド（Ｏｅ）単位での保磁力（Ｈ_ｃ）を含む、様々なサンプルに対する試験の結果が示されている。
【００２３】
表ＩＩにおけるデータは、２．６６％〜３．０６％のマンガンを含有する１５Ｃｏ−Ｆｅ合金（１５Ｃｏ２．７Ｍｎおよび１５Ｃｏ３Ｍｎ）が、それぞれ３９．３μΩ・ｃｍおよび４２．２μΩ・ｃｍの抵抗率（ρ）との組合せで、それぞれ２０．５ｋＧおよび２１．３ｋＧの磁気誘導（２００ＯｅでのＢ）をもたらすことを示している。
【００２４】
表ＩＩにおけるデータはまた、約２．０８％のマンガンを含有する８Ｃｏ−Ｆｅ合金（８Ｃｏ２Ｍｎ）が、１００Ｏｅ未満の磁場強度で、１５Ｃｏ３Ｍｎ合金の磁気誘導値に非常に類似する磁気誘導値をもたらすが、抵抗率はほんのわずかに低いことを示している。この第２の好ましい合金は、実質的により低コストの材料が必要とされ、かつ磁心損失および飽和要件があまり厳しくない用途において、例えば、より低い頻度およびより低い磁場強度で作動する陸上用途などにおいて有用である。
【００２５】
表ＩＩに示されるデータは、本発明による合金によってもたらされる、磁気特性（約１８ｋＧ〜２１ｋＧの２００ＯｅでのＢ）および電気抵抗率（約３５μΩ・ｃｍ〜４２μΩ・ｃｍのρ）の良好な組合せを示している。
【００２６】
本発明による合金は、約２０％未満のコバルトを含有するＣｏ−Ｆｅ軟磁性合金の抵抗率を増大させるためにマンガンが使用できるという発見から生じている。マンガンは比較的安価な金属であり、合金のコストを著しく増大させない。また、本発明のＣｏ−Ｍｎ−Ｆｅ合金を製造することから生じるスクラップ金属は、他の規格品に対するスクラップ材料として容易に再利用することができ、それにより、合金製造の全体的なコストを低下させることができる。例えば、同じＶＩＭ炉で溶解される他の規格品が汚染される機会が少なくなる。本発明によるＣｏ−Ｍｎ−Ｆｅ合金は、容易な組成制御で、容易に溶解することができる。本発明による合金は良好な熱間加工性および冷間加工性を有する。
【００２７】
【表２】

【００２８】
本明細書中で用いられている用語および表現は、限定の用語ではなく、説明の用語として使用されている。そのような用語および表現の使用においては、記載された特徴の任意の均等物またはその任意の一部を排除することは意図されていない。しかしながら、様々な改変が、請求項に記載される本発明の範囲内において可能であることが認識される。

Claims (18)

1. 本質的には、重量パーセントで、約１．０％〜５．０％のマンガン、約７％〜１７％のコバルト、および本質的には鉄の残部からなる軟磁性鋼合金。
2. 約０．０２％までの炭素もまた含有する、請求項１に記載の合金。
3. 約０．３％までのケイ素もまた含有する、請求項１に記載の合金。
4. 約０．８％までのクロムもまた含有する、請求項１に記載の合金。
5. 約０．８％までのニッケルもまた含有する、請求項１に記載の合金。
6. 少なくとも約１．８％のマンガンを含有する、請求項１から５のいずれかに記載の合金。
7. 約９％以下のコバルトを含有する、請求項６に記載の合金。
8. 少なくとも約１４％のコバルトを含有する、請求項６に記載の合金。
9. 本質的には、重量パーセントで、約２．２％〜３．２％のマンガン、約１４％〜１６％のコバルト、および本質的には鉄の残部からなる軟磁性鋼合金。
10. 約０．０２％までの炭素もまた含有する、請求項９に記載の合金。
11. 約０．３％までのケイ素もまた含有する、請求項９に記載の合金。
12. 約０．８％までのクロムもまた含有する、請求項９に記載の合金。
13. 約０．８％までのニッケルもまた含有する、請求項９に記載の合金。
14. 本質的には、重量パーセントで、約１．８％〜２．４％のマンガン、約７％〜９％のコバルト、および本質的には鉄の残部からなる軟磁性鋼合金。
15. 約０．０２％までの炭素もまた含有する、請求項１４に記載の合金。
16. 約０．３％までのケイ素もまた含有する、請求項１４に記載の合金。
17. 約０．８％までのクロムもまた含有する、請求項１４に記載の合金。
18. 約０．８％までのニッケルもまた含有する、請求項１４に記載の合金。