JP2013219176A - 磁気特性改質領域の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標の組成を実現し、高価な改質原料の使用を最小限に抑えることで低コスト化し、空孔が少なく十分な強度が確保された非磁性の磁気特性改質領域の形成方法を提供する。
【解決手段】強磁性材料（１）に凹部（２）を設け、上記凹部（２）に、非磁性化元素を含む材料からなる一体物である改質原料（３）を埋設、固定し、上記改質原料（３）が埋設、固定された上記凹部（２）を局部加熱することにより、上記強磁性材料（１）、及び上記改質原料（３）の両方を溶融させ、その後冷却することにより、磁性が改質された非磁性の磁気特性改質領域（５）を形成することを特徴とする磁気特性改質領域の形成方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、強磁性材料に非磁性の磁気特性改質領域を形成する方法に関する。

電動機や発電機などの回転電機や電磁弁に用いられる鉄心には、一般に高い透磁率が求められる。しかしながら、鉄心には、コイルや磁石の配置により、部分的に有効磁気経路とならない箇所が存在する。このような箇所に高い透磁率を有する鉄心が存在していることは、むしろ、漏れ磁束により、回転電機や電磁弁の磁気性能を低下させる。

このような箇所の磁気抵抗を高めれば、回転電機や電磁弁の磁気性能を向上させることができ、回転電機や電磁弁の小型化を図ることができる。しかしながら、このような箇所を空隙にするのは、鉄心の強度上好ましくない。

そこで、従来から、鉄心のこのような箇所を非磁性化する技術が開発されている。特許文献１には、このような箇所にＮｉ線や箔をスポット溶接し非磁性化する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、未溶接部位において、Ｎｉ線や箔の破断・飛散が生じ、その結果、組成ズレを起こし、目標とする磁気特性改質に至らない場合がある。

特許文献２には、改質原料を含むインクを塗布する磁気特性改質領域の形成方法が開示されている。これは、電磁鋼板等の薄板に磁気特性改質領域を形成する際には有効な方法である。しかしながら、板厚が１ｍｍを超えるような肉厚部材においては、インク塗布厚みを十分確保することができない。

また、強磁性材料表面に改質原料を配置する方法では、特に肉厚部材になるほど、改質原料を添加した量の分だけ肉厚が厚くなり、部品として適用する場合には除去加工を施す必要が生じ、高価な改質原料を無駄にすることとなり、その結果、コスト高となる。

さらに、強磁性材料表面に改質原料を配置する、インクを塗布するといった方法では、肉厚部材においては、強磁性材料と改質原料の隙間やインクのバインダ成分等が溶融時に改質部に巻き込まれ、その結果、空孔が生じるという問題点もある。

特開平７−１８９８５２号公報 特開２０１１−６７４１号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、目標の組成を実現し、また、高価な改質原料の使用を最小限に抑えることで低コスト化し、さらに、空孔が少なく十分な強度が確保された非磁性の磁気特性改質領域の形成方法の提供を課題とする。

本発明者らは、上記の課題を解決する方法を鋭意検討した。その結果、磁気特性改質領域の形成において、改質原料をあらかじめ強磁性材料に固定することで、改質原料の供給量をコントロールしやすくできることを見出した。ここで、改質とは、部材を構成する材料の組成（特性）を変化させることである。

また、強磁性材料に凹部を設け、改質原料を埋設することにより、凹部を設けない強磁性材料に改質原料を追加していく方法に比べ、改質後の肉厚増加が抑制でき、高価な改質原料の使用量を低減できることを見出した。これは、特に肉厚が２ｍｍ以上の厚い部品ほど有効であることが分かった。

さらに、改質原料をある一定以上の密度をもつ一体物とし、凹部の体積以上に充填することで、改質後のボイドや急加熱による改質原料の飛散、磁気特性改質領域の急冷に伴うクラック等を、改質原料が粉末ペーストの場合と比較して、効果的に抑制できることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づきなされた磁気特性改質領域の形成方法であって、強磁性材料に凹部を設け、凹部に一体物である非磁性化元素を含む材料を埋設、固定し、非磁性化元素を含む材料が埋設、固定された凹部を局部加熱し、強磁性材料、及び非磁性化元素を含む材料の両方を溶融させ、その後、冷却することを特徴とする。

本発明の磁気特性改質領域の形成方法によれば、肉厚の部品においても、低コストで、非磁性の磁気特性改質領域を得ることができ、マグネットクラッチの非磁性リングや、モータのロータ等の磁気回路部品の製造に好適である。

本発明の磁気特性改質領域の形成方法の概略を示す図である。 本発明の実施例における磁気特性改質領域の断面写真である。 本発明の実施例における磁気特性改質領域の板厚方向の組成をＥＰＭＡで分析した結果を示す図である。

以下、図１を参照しながら、本発明の磁気特性改質領域の形成方法を詳細に説明する。

本発明は、強磁性材料（１）の一部の磁気特性を改質することにより非磁性とするものである。強磁性材料（１）には、たとえば、純鉄、珪素鋼、低炭素鋼、フェライト系やマルテンサイト系ステンレス等を用いることができる。

はじめに、強磁性材料（１）の中で、磁気特性を改質したい部位に凹部（２）を形成する。図１では、凹部（２）は直線状の溝となっているが、形状はこれに限定されるものではない。凹部は、公知の切削加工等により形成すればよい。

つぎに、形成した凹部（２）に、凹部（２）の形状にあわせた形状の、非磁性化元素を含む材料であり、一体物である改質原料（３）を埋設し、固定する。改質原料（３）には、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｎの一種以上を含むものが好適に使用でき、配合比率は特に限定されない。強度向上の点からは、ＮｉＣｒ、又はＭｎが特に好適である。

本発明においては、改質原料（３）が、粉末ペースト等ではなく、たとえば、線材、粉末圧縮成形体、粉末焼結体等の、ある一定以上の密度をもつ一体物であることが重要である。一体物である改質原料を用いることにより、改質後のボイドや、磁気特性改質領域の急冷に伴うクラック等を効果的に抑制できる。

改質原料（３）の凹部（２）への固定の方法は、特に限定されるものではないが、プレス機等を用いて圧入すると、効率良く固定することができる。

改質原料（３）の金属分の体積Ａと、強磁性材料（１）に設けた凹部（２）の体積Ｂは、Ａ／Ｂ≧１を満たすことが好ましい。Ａ／Ｂ＜１となると、磁気特性改質領域形成時の冷却収縮の際に、引け巣、クラックが生成されることがあり、その結果、強度が不足することがあるためである。また、Ａ／Ｂが大きくなりすぎると、高価な改質原料が無駄に使われることになるので、Ａ／Ｂ≦１．５とすることが好ましい。

続いて、圧入した改質原料（３）の直上から、局部加熱源（４）を照射し、改質原料（３）、及び局部加熱源（４）の照射面と反対側の強磁性材料（１）の両方を、溶融、撹拌する。強磁性材料（１）は、肉厚方向にすべて溶融するのが好ましい。局部加熱源（４）としては、たとえば、ファイバレーザ、電子ビーム等を用いることができる。

溶融、撹拌後、局部加熱源（４）の照射を停止し、冷却することにより、所定の磁気特性改質領域（５）が形成される。冷却方法は特に限定されるものではなく、空冷でもよい。

以上説明した方法において、磁気特性改質領域の組成は、改質原料の組成と体積、強磁性材料の肉厚と凹部の寸法によって制御することができる。

［実施例１］
図１を参照しながら、実施例について説明する。

強磁性材料（１）として、幅４０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、板厚５ｍｍのＳ１０Ｃのプレートを用い、プレートに、凹部（２）として、幅１ｍｍ、長さ２０ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を設けた。この凹部（２）に、改質原料（３）として、断面形状を１×２．５ｍｍとしたＮｉＣｒ線を圧入した。

次いで、ステージ（６）を溝の長手方向に移動させながら、ＮｉＣｒ線の表面に、局部加熱源（４）として、ファイバレーザ装置から発振されるレーザ光を照射し、磁気特性改質領域（５）を得た。ファイバレーザの出力は４．５ｋＷ、スポット径はφ０．５ｍｍ、ステージの移動速度は１５００ｍｍ／ｍｉｎとした。

磁気特性改質領域（５）の形成後、溝の長手方向に垂直な断面を切り出し、研磨後、観察した結果、ボイド、クラック、板厚の減少なく、磁気特性改質領域が形成されたことが明らかとなった。図２に、磁気特性改質領域の断面の写真を示す。

また、ＥＰＭＡで、磁気特性改質領域（５）の組成を調査した。結果を、図３に示す。図３の横軸は、図２中の矢印に対応し、レーザ光の照射面である改質原料を圧入したプレートの表面を０として、板厚方向への距離を示している。ＥＰＭＡによる分析を行った位置を、図２に示す。図３から分かるように、板厚全体にわたり非磁性化可能な組成とすることができたことが確認できた。

さらに、磁気特性改質領域（５）のみを切り出し、透磁率計にて比透磁率を測定した結果、比透磁率１〜２程度と、ほぼ非磁性化できていることが確認できた。

［比較例１］
実施例と同様のＳ１０Ｃのプレート表面に、断面形状１×４ｍｍのＮｉＣｒ線を、端部２箇所と中央部の計３箇所スポット溶接し、実施例と同様にレーザ光を照射しながらステージをＮｉＣｒ線長さ方向に走査させ、磁気特性改質領域の形成を試みた。しかし、溶接を行っていない箇所でＮｉＣｒ線がずれたり、飛散したりし、磁気特性改質領域の形成が完了できなかった。

［比較例２］
改質原料（３）として、Ｎｉ粉末とＣｒ粉末とバインダ（ＰＶＡ）を混合したペースト材を用いて、その他は実施例と同様の条件で、磁気特性改質領域を形成した。凹部（２）にペースト材を充填した後、Ｓ１０Ｃのプレート表面ですりきった。このとき、溝内部のペースト材の見かけ相対密度は７０％であった。

以降は、実施例と同様に処理を施し、磁気特性改質領域を得た。実施例と同様に断面研磨後、観察した結果、レーザ入射側に窪みが発生し、さらに、クラックが発生していることが確認された。

以上、具体的な実施例を用いて本発明を説明したが、上記の実施例で示した形態は単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではないことは言うまでもない。また、部分的に非磁性であることが有効である部品であれば、マグネットクラッチの非磁性リングや、モータのロータ等に限定されることなく、本発明の方法を適用することができる。

１ 強磁性材料
２ 凹部
３ 改質原料
４ 局部加熱源
５ 磁気特性改質領域
６ ステージ

Claims (7)

1. 強磁性材料（１）に凹部（２）を設け、
   上記凹部（２）に、非磁性化元素を含む材料からなる一体物である改質原料（３）を埋設、固定し、
   埋設、固定された上記改質原料（３）、及び上記凹部（２）を局部加熱することにより、上記改質原料（３）、及び上記強磁性材料（１）の一部を溶融させ、撹拌し、
   その後、冷却することにより、磁性が改質された非磁性の磁気特性改質領域（５）を形成することを特徴とする磁気特性改質領域の形成方法。
2. 前記改質原料（３）は線材、粉末圧縮成形体、粉末焼結体のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の磁気特性改質領域の形成方法。
3. 前記改質原料（３）を固定する方法は、圧入であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気特性改質領域の形成方法。
4. 前記局部加熱は、レーザを用いて行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気特性改質領域の形成方法。
5. 前記局部加熱は、電子ビームを用いて行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気特性改質領域の形成方法。
6. 前記非磁性化元素は、ＮｉＣｒであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気特性改質領域の形成方法。
7. 前記非磁性化元素は、Ｍｎであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気特性改質領域の形成方法。