JP2021063242A

JP2021063242A - ステンレス磁石

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Publication number: JP2021063242A
Application number: JP2019186628A
Authority: JP
Inventors: 本蔵　義信; Yoshinobu Motokura; 義信本蔵; 晋平本蔵; Shimpei Motokura; 永喜菊池; Nagayoshi Kikuchi
Original assignee: Magnedesign Co Ltd
Current assignee: Magnedesign Co Ltd
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: JP6868174B2

Abstract

【課題】医療部材の構造部材と使用されているステンレス部材にその構造機能を損なうことなく磁石性能を付与する技術開発が求められている。ステンレス鋼の化学組成、部材の冷間加工度、加工温度や加工方法の適切化、さらに磁石機能を備える部品の形状工夫、および着磁方法の工夫に関する未知の課題を解明し、構造機能、耐腐食性および磁石機能を兼ね併せ持つステンレス磁石を提供する。【解決手段】Ｃｒ−Ｎｉ系のオーステナイト系ステンレス鋼を冷間加工して５０％以上のマルテンサイト量を生じせしめ、磁石となる着磁部の形状をパーミアンス係数で１以上となる形状とした、１００Ｏｅ〜１，０００Ｏｅの保磁力を持つステンレス磁石。【選択図】図２

Description

本発明は、構造体材料としてのステンレス鋼において、構造機能に加えて磁石機能を付与するステンレス磁石に関する。

ステンレス鋼は代表的な構造材料として広く使用されている。特に医療分野においては生体親和性の観点から体内で使用される医療機器や部材の最も基本的な素材となっている。
近年、磁気治療やロボット治療などの高度医療技術が進展し、医療機器や部材に磁石を内蔵させて磁気性能の活用が研究されている。しかし、磁石の内蔵は器材のサイズが大きくなるという問題や、磁石をシールドするための複雑なシールド構造が必要となる問題や、さらにそのシールド構造が破損して磁石が腐食する危険などの問題があり、その対策が求められている。

生体内で使用されているステンレス鋼は、耐食性に優れたＣｒ−Ｎｉ組成のオーステナイト系ステンレス鋼で非磁性である。しかし、オーステナイト組織は準安定で、冷間加工などを加えるとマルテンサイト変態を引き起こし、強磁性のマルテンサイト組織とオーステナイト組織の２相組織のステンレス鋼になること（非特許文献１）、および誘起されたマルテンサイト量は加工量と加工温度によって制御されること（非特許文献２）が知られている。

冷間加工後の磁気特性についても、透磁率に及ぼすステンレス鋼の種類と冷間加工の影響について研究されている（非特許文献３）。しかし、この研究は、非磁性特性が強磁性特性に替わることを確認したものに過ぎない。冷間加工後のステンレス鋼を磁石として利用しようとした用途例はなく、磁石特性については未だに未解明の課題である。

さらに、Ｃｒ量１７％、Ｎｉ量４％およびＣｕ量２．５％の化学組成を有するステンレス鋼（品番ＳＵＳ６３０、通称１７−４ＰＨステンレス鋼）において、固溶化熱処理後にマルテンサイト組織となり、それを３７０〜６００℃の温度で時効処理するとＣｕが析出して著しく硬化することが知られている（非特許文献４）。一般に素材が硬いほど保磁力は増加するが、時効処理後の保持力の研究および磁石特性に関する研究は行われていない。

他方、特許文献情報検索システムによりキーワード検索（キーワード：ステンレス磁石）した結果、２件（特許文献１と２）ピックアップされたが、例示されているのみで何らの技術開示もなされていない。
したがって、ステンレス鋼を磁石として利用する試みは行われていない。

特開昭５７−１１７３１５号公報公開実用５４−１２５８７５公報

ステンレス鋼便覧４版（昭和５０年）５８〜６０頁ステンレス鋼便覧４版（昭和５０年）１２０〜１２１頁ステンレス鋼便覧４版（昭和５０年）１１３頁ステンレス鋼便覧４版（昭和５０年）１４８７頁

本発明の課題は、医療部材の構造部材として使用されているステンレス部材にその構造機能を損なうことなく磁石性能を付与する技術を開発することである。そのためには、ステンレス鋼の化学組成、部材の冷間加工度、加工温度や加工方法の適切化、さらに磁石性能を備える部品の形状工夫、および着磁方法の工夫に関する未知の課題を解明し、構造機能、耐腐食性および磁石機能を兼ね持つステンレス磁石を開発することである。

本発明者らは、まずステンレス鋼線（品番ＳＵＳ３０４、化学組成は１８．５％Ｃｒ−８．５％Ｎｉ、直径２ｍｍφ）を冷間加工し、加工後のマルテンサイト量と磁石特性の関係を調査した。
マルテンサイト量は、冷間加工度（％）の平方根に比例して増加すること、および加工温度を下げるとマルテンサイト量が増加することを確認した（図１）。磁石特性は保磁力の大きさで評価できるので、保磁力に及ぼす冷間加工度、加工温度、マルテンサイト量およびＣｕによる析出硬化の影響について調べた。その結果を図２に示す。

保磁力はマルテンサイト量の増加とともに増加する。また、加工温度が低いほど同じ量のマルテンサイト量であっても保磁力が増加する。さらに析出処理によってＣｕを析出させると、保磁力がさらに増加することを見いだした。

さらに、本発明者らは、ステンレス鋼の保磁力は１００〜１０００Ｏｅとフェライト磁石や希土類磁石の保磁力の４ｋ〜４０ｋＯｅと比べてかなり小さい。しかし、磁石形状を工夫して１以上のパーミアンス係数を確保することで、１００Ｏｅ程度の通常の減磁環境を想定する限り、減磁する危険を回避できることを思い至った。

しかし、ステンレス部材は構造機能および耐腐食機能が最優先機能である以上、その機能を損なわない磁石形状および着磁方向としなければならない。本来のステンレス部材の形状をもとに、着磁方向の長さｈを断面積（直径ｄ）に比べて、長さを直径の０．５倍以上として磁石のパーミアンス係数を１以上とすることにした。パーミアンス係数ｐは、ｐ＝ｈ／ｄで定義される。パーミアンス係数を1以上とすると、図３に示すように、ステンレス磁石の動作点が高くなり、磁化５０００Ｇ以上の磁化を確保できることを確認した。

着磁方法については、２ｋＯｅ以上の着磁磁力で飽和させることができるので、非常に容易である。ヨーク付きの電磁石または永久磁石で簡単に着磁することができる。

以上の知見をもとに、本発明者らは以下の発明をなした。
第１発明は、Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は７〜１０％を含むＣｒ−Ｎｉ系オーステナイト系ステンレス鋼において、５０〜９５％の加工マルテンサイト組織と５０〜５％のオーステナイト組織とからなり、室温において、８，０００〜１６，０００Ｇの飽和磁化と、１００〜１，０００Ｏｅの保持力と、０．２〜４ＭＧＯｅの最大エネルギー積およびパーミアンス係数１〜３０を有する磁石形状からなることを特徴とするステンレス磁石である。

第２発明は、Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は６−９％およびＣｕ量は２〜３％を含むＣｒ−Ｎｉ系オーステナイト系ステンレス鋼において、冷間加工後、３７０〜６００℃の時効処理を施し、５０〜９５％の加工マルテンサイト組織と５０〜５％のオーステナイト組織とからなり、室温において、８，０００〜１６，０００Ｇの飽和磁化と、１００〜１，０００Ｏｅの保持力と、０．２〜４ＭＧＯｅの最大エネルギー積およびパーミアンス係数１〜３０を有する磁石形状からなることを特徴とするステンレス磁石である。

医療機器において、広く使用されているステンレス部品に磁石機能を付与することで、部材に磁石を内蔵した場合に比べて、部品を小型化すること、構造を簡単にすること、および磁石による腐食トラブルの回避など大きなメリットが期待される。また、将来のロボット治療などの磁気応用を容易にすることができる。さらに、磁界を使った磁気治療の進展に役立つと期待される。

マルテンサイト量に及ぼす冷間加工度の影響と冷間加工温度の影響を示す図である。保磁力に及ぼすマルテンサイト量の影響を示す図である。ステンレス磁石動作点に及ぼすパーミアンス係数の影響を示す図である。

発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。
ステンレス鋼部品の形状および大きさは、シャフト、平面板プレート、直方体あるは筒状ケースパイプ、コイル、ボルト、ナットなど多種多様である。本発明は、まず、ステンレス部品の構造機能および耐腐食機能を前提とする。よって、ステンレス磁石の性能、形状、着磁向きをそれに応じて工夫することが前提である。
したがって、必要なマルテンサイト量を確保するための方法は化学組成、加工量および加工温度を適切に組み合わせることで実現できる。また、着磁は部材形状を考慮して、パーミアンス係数が１以上になるように行うことである。

第１の実施形態は、ステンレス鋼の化学組成は、Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は７〜１０％を主成分として、他にＣ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｕなどの合金元素を含むものである。冷間加工前はオーステナイト組織となるように合金元素量はバランスされている。冷間加工後に５０％以上の適切なマルテンサイト量が生じるように、オーステナイト組織の安定度の物差しであるＭｄ点を、−５０℃〜１００℃となるように調整する。Ｍｄ点とは、３０％の冷間加工を施した時に５０％のマルテンサイト量が生じせしめる温度で、式（１）で示される。
Ｍｄ３０（℃）＝４１３−４６２（％Ｃ＋％Ｎ）−９．２（％Ｓｉ）−８．１（％Ｍｎ）−１３．７（％Ｃｒ）−９．５（％Ｎｉ）−６（％Ｃｕ）−１８．５（％Ｍｏ）・・・（１）

本発明は、マルテンサイト量を５０〜９５％、好ましくは冷間加工によって割れを生じない範囲において、１００〜１０００Ｏｅの保磁力を得るものである。Ｍｄ点が低すぎるとオーステナイト組織は十分に安定することになる。そのため、加工温度と冷間加工度を工夫しても十分なマルテンサイト量を確保することが困難となる。他方、Ｍｄ点が高すぎるとオーステナイト組織が不安定になりすぎて、冷間加工後の靭性・延性が小さくなり、構造機能に問題が生じて好ましくない。

マルテンサイト量を５０〜９５％確保するためには、上記組成を持つステンレス鋼を常温にて３０％〜８０％の冷間加工を行なう。また、低温で加工するとマルテンサイト変態は容易に生じるので、必要に応じて、−４０℃などの低温で加工することができる。

マルテンサイト量は、１０から１０００Ｏｅ以上の保磁力を得るために、５０〜９５％とする。さらに、同じマルテンサイト量でも、低温で加工するほど保磁力は増加するので、可能な場合には加工素材を冷却しておいて部品を加工することが好ましい

磁石にするために着磁方法は、塑性加工時の塑性流動の方向に着磁することが好ましい。しかし、用途、部品形状によって事情が異なるので、部品加工の際の形状設計、加工方法を工夫してパーミアンス係数を１以上確保することにする。
着磁の仕方および着磁の向きは、保磁力が１，０００Ｏｅ以下と小さいので比較的容易である。鉄ヨーク付きの電磁石で簡単に着磁することができる。

磁石特性としては、保磁力は１００〜１０００Ｏｅで、飽和磁化は８，０００Ｇ〜１６，０００Ｇである。

磁石形状は、パーミアンス係数を1以上とすることが肝要である。パーミアンス係数が高い磁石形状であることが好ましいい。丸棒形状の磁石の場合、直径０．２〜４ｍｍで長さは０．４〜８ｍｍとして、パーミアンス係数は１を確保した。さらに長さを長くして、パーミアンス係数は３０程度にする方が好ましい。
実際のステンレス部品は多様な形状を取るので、その形状と着磁方向を考慮して、パーミアンス係数を１以上確保する必要がある。

第２の実施形態は、化学組成として、Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は７〜１０％およびＣｕ量は２〜３％で、ほかにＣ、Ｎ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏなどの合金元素を含むことができる。ここで、Ｍｄ点は式（１）で示されるオーステナイト組織の安定度の物差しである。Ｍｄ点とは、３０％の冷間加工を施した時に５０％量のマルテンサイト量が生じせしめる温度である。本実施形態では、マルテンサイト量を８０％以上生じせしめて５００Ｏｅ以上の保磁力を実現するものである。したがって、Ｍｄ点の値で−２０℃〜１２０℃とする。

マルテンサイト量を８０％以上確保するためには、上記化学組成のステンレス鋼の冷間加工度を３０〜８０％、また加工温度は常温での加工を基本として、必要に応じて、-４０℃などの低温で加工することにする。

冷間加工後、３７０〜６００℃の時効処理を施して、Ｃｕを析出させて保磁力の増加を図る。

磁石特性としては、保磁力は２００〜１０００Ｏｅで、飽和磁化は８，０００〜１６，０００Ｇが得られる。

製品形状としては、丸棒形状で試験をしたが、平面板、コイル、パイプ、直方体ケース、ボルト、ナットなど各種形状のステンレス磁石が可能である。

［実施例１］
本発明の実施例１は、化学組成としてＣｒ量は１８％、Ｎｉ量は８％で、ほかにＣ量は０．０１％、Ｎ量は０．０１％、Ｓｉ量は０．３０％、Ｍｎ量は０．５０％、Ｍｏ量は０．０２％、Ｃｕ量は０．０２％であった。Ｍｄ点は、式（１）で計算すると７０℃である。常温で加工すると８０％マルテンサイト量を得ることができる組成である。

試験片は、直径２ｍｍの丸棒を直径１ｍｍに伸線加工した後、長さを１０ｍｍとした。室温２５℃の伸線加工による冷間加工度は７５％の結果、マルテンサイト量は８５％を得た。

着磁は、電磁磁石に試験片を挿入して、３，０００Ｏｅの磁界を棒状の軸方向に印可して行った。

磁石特性としては、パーミアンス係数は１０として、保磁力は４００Ｏｅ、飽和磁化は１，３０００Ｇ、最大磁気エネルギー積は１ＭＧＯｅのステンレス磁石を得ることができた。

［実施例２］
本発明の実施例２は、化学組成としてＣｒ量は１８％、Ｎｉ量は８％およびＣｕ量は２．２％で、ほかにＣ量は０．０１％、Ｎ量は０．０１％、Ｓｉ量は０．１０％、Ｍｎ量は０．２０％、Ｍｏ量は０．０１％であった。Ｍｄ点は、式（１）で計算すると７４℃である。実施例１よりオーステナイト組織がやや不安定である。常温で加工すると９０％マルテンサイト量を得ることができる組成である。

マルテンサイト量を８０％以上確保するためには、上記化学組成のステンレス鋼は冷間加工度を３０％〜８０％、また加工温度は常温での加工を基本として、必要に応じて、−４０℃などの低温で加工することにした。

試験片は、直径２ｍｍの潜在を直径１．２ｍｍと伸線加工し、長さ１２ｍｍの丸棒である。室温２５℃の伸線加工による冷間加工度は６４％とし、その後に４８０℃の事項処理を行なってＣｕを析出させて保持力の増加を図った。

磁石特性としては、パーミアンス係数は１０として、保磁力は６００Ｏｅ、飽和磁化は８，００００〜１６，０００Ｇのステンレス磁石を得ることができた。

本発明のステンレス磁石は、オーステナイト系ステンレス鋼の機械機能、耐腐食性などの本来的特性を損なうことなく、磁石機能を新たに有するものである。医療分野をはじめとして広く利用が期待されるものである。

試験片は、直径２ｍｍの線材を直径１．２ｍｍと伸線加工し、長さ１２ｍｍの丸棒である。室温２５℃の伸線加工による冷間加工度は６４％とし、その後に４８０℃の事項処理を行なってＣｕを析出させて保持力の増加を図った。

以上の知見をもとに、本発明者らは以下の発明をなした。
第１発明は、Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は７〜１０％を含むＣｒ−Ｎｉ系オーステナイト系ステンレス鋼において、５０〜９５％の加工マルテンサイト組織と５０〜５％のオーステナイトナイト組織とからなり、室温において、８，０００〜１６，０００Ｇの飽和磁化と、１００〜１，０００Ｏｅの保磁力と、０．２〜４ＭＧＯｅの最大エネルギー積およびパーミアンス係数１〜３０を有する磁石形状からなることを特徴とするステンレス磁石である。

第２発明は、Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は６−９％およびＣｕ量は２〜３％を含むＣｒ−Ｎｉ系オーステナイト系ステンレス鋼において、冷間加工後、３７０〜６００℃の時効処理を施し、５０〜９５％の加工マルテンサイト組織と５０〜５％のオーステナイトナイト組織とからなり、室温において、８，０００〜１６，０００Ｇの飽和磁化と、１００〜１，０００Ｏｅの保磁力と、０．２〜４ＭＧＯｅの最大エネルギー積およびパーミアンス係数１〜３０を有する磁石形状からなることを特徴とするステンレス磁石である。

試験片は、直径２ｍｍの線材を直径１．２ｍｍと伸線加工し、長さ１２ｍｍの丸棒である。室温２５℃の伸線加工による冷間加工度は６４％とし、その後に４８０℃の時効処理を行なってＣｕを析出させて保磁力の増加を図った。

Claims

Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は７〜１０％を含むＣｒ−Ｎｉ系オーステナイト系ステンレス鋼において、
５０〜９５％の加工マルテンサイト組織と５０〜５％のオーステナイト組織とからなり、
室温において、８，０００〜１６，０００Ｇの飽和磁化と、１００〜１，０００Ｏｅの保持力と、０．２〜４ＭＧＯｅの最大エネルギー積およびパーミアンス係数１〜３０を有する磁石形状からなることを特徴とするステンレス磁石。
Ｃｒ量は１６〜２０％、Ｎｉ量は６〜９％およびＣｕ量は２〜３％を含むＣｒ−Ｎｉ系オーステナイト系ステンレス鋼において、
冷間加工後、３７０〜６００℃の時効処理を施し、
５０〜９５％の加工マルテンサイト組織と５０〜５％のオーステナイトナイト組織とからなり、
室温において、８，０００〜１６，０００Ｇの飽和磁化と、２００〜１，０００Ｏｅの保持力と、０．２〜４ＭＧＯｅの最大エネルギー積およびパーミアンス係数１〜３０を有する磁石形状からなることを特徴とするステンレス磁石。