JP3664539B2

JP3664539B2 - 加工性を改善した高硬度軟磁性部品用ステンレス鋼素材

Info

Publication number: JP3664539B2
Application number: JP09620396A
Authority: JP
Inventors: 敏彦武本; 広森川; 龍二広田; 孝二瀬戸
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH09263902A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種リレー鉄心，各種モーターのヨーク部品等の高磁束密度および高硬度を必要とする軟磁性部品に用いる、加工性を改善したステンレス鋼およびステンレス鋼素材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種リレー鉄芯や各種モーターのヨーク等の部品特性は、その材料の磁束密度に大きく依存することがよく知られている。従来よりこれらの用途には、磁束密度が十分に大きい電磁軟鉄（ＳＵＹＰ）や亜鉛めっき鋼鈑（ＳＥＣＰ）などが広く用いられてきた。
【０００３】
ところが、電磁軟鉄は磁束密度が高い反面、リレー鉄芯やモーターのヨーク等の部品として使用する場合にはそのままでは耐食性に劣るので、通常は部品加工後にＮｉめっきやユニクロメッキめっきを施したものが使用される。めっき処理を施した場合、それによりコストが上昇し、磁気特性もある程度劣化するといった不都合を招く。また、めっき製品においてはめっき厚がばらつくことがある程度は避けられず、その結果、リレー特性やモーター特性がばらつく原因にもなる。このため、磁性材料にとってめっき処理を行うことは必ずしも好ましいことではなく、より耐食性の高い材料を使用することが望ましい。
【０００４】
電磁軟鉄はまた、軟質であるため部品への加工性が良好であるという利点を有する反面、リレー鉄芯に使用した場合などではスイッチングの接触部が磨耗し易いという欠点がある。また、モーターは近年小型化の傾向にあり、それに伴いヨーク部も薄肉化の要求があるが、電磁軟鉄のように軟質な材料を薄肉化したヨーク部に用いることはヨークの構造強度上問題がある。このため、これらの用途においては、より硬質な材料が求められてきた。
【０００５】
磁束密度がある程度高く、耐食性にも優れている軟磁性材料として、Ｆｅ−Ｃｒ系合金が知られている。例えば、特開昭６１−２７２３５２号では、Ｃｒを５．５〜１１．５％含有させて耐銹性を改善し、さらにＳｉを１．５〜３．５％含有させて高硬度化を図った軟磁性鋼板を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、リレー鉄芯やモーターのヨーク等の磁性部品は通常、打ち抜きあるいはプレス等の加工を経て所望の形状に成形される。このため、成形性の観点からはできるだけ軟質な材料が望まれる。すなわち、硬質な材料では打ち抜き部の品質あるいはプレス加工性において問題を生じやすく、また、金型寿命にも悪影響を及ぼす。前述の特開昭６１−２７２３５２号の材料はＳｉを１．５％以上添加するすることで高硬度を得ているので、成形加工の時点においてすでに硬度が高く、「加工性」という点に関しては必ずしも十分な特性を有しているとは言えない。
【０００７】
このように、従来の磁性材料では、「加工性」を重視すれば軟質となって「部品の耐久性」に欠け、逆に「部品の耐久性」を重視すれば硬質となって「加工性」に欠けてしまう。これら両特性を同時に満足するような磁性材料は見当たらず、材料選択に際してはいずれかの特性を犠牲にせざるを得ないのが現状である。本発明は、このような相反する特性をともに発揮しうる汎用性の高い磁性材料を提供するものである。具体的には、めっき処理を施すことなく十分な耐食性を示す材料であって、打ち抜きあるいはプレス加工時においては軟質であり、かつ、リレー鉄芯，モーターヨーク等の部品として使用される時には高硬度を示すという、いわば特性に２面性をもった磁性材料を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、重量％で、Ｃ：０.００４〜０.０７０％，Ｓｉ：０.１〜１.５％未満，Ｍｎ：１.０％以下（０％を含まず），Ｃｒ：９.０〜１７.０％，Ｎ：０.００４〜０.０７０％，Ｎｉ：０〜１.０％（無添加を含む），Ａｌ：０〜１.０％（無添加を含む），Ｔｉ：０〜１.０％（無添加を含む）を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、マルテンサイト相が５容量％未満（０％を含む）、残部が実質的にフェライト相からなる金属組織を有し、かつ、硬度Ｈｖが１４０未満の軟質な冷延焼鈍鋼板からなる鋼素材であって、真空下で磁気焼鈍後空冷したとき、マルテンサイト量が５〜２２容量％，硬度Ｈｖが１４０以上，磁束密度Ｂ₁₀が６０００Ｇ以上となる、加工性を改善した高硬度軟磁性部品用ステンレス鋼素材によって達成される。
【０００９】
ここで「鋼素材」とは、磁性部品としての所望の形状に成形加工する前の段階の材料を意味し、その形状は用途に応じて種々のものが考えられるが、ここでは鋼板を対象とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、耐食性の良好なＦｅ−Ｃｒ系合金において、材料の硬度を決定付ける要因として、金属組織に着目した。すなわち、同一組成の合金においても硬度の異なる複数の相の存在割合を変化させることができれば、材料の硬度をコントロールすることができる。Ｆｅ−Ｃｒ系合金においては、硬質のマルテンサイト相と軟質のフェライト相の比率を変えることが有効な手段となる。本発明者らの詳細な研究の結果、Ｆｅ−Ｃｒ系合金において、その化学組成を特定範囲に限定したとき、部品加工後に通常行われる最終的な熱処理（いわゆる磁気焼鈍）によって、磁気特性を付与するとともに硬度を上昇させることが可能であることがわかった。すなわち、加工時においてはマルテンサイト量が少なく軟質であるが、磁気焼鈍によって適量のマルテンサイト相を生成させ、その結果、磁気特性を損なうことなく高硬度化を図った部品を得ることができる。
以下、本発明を特定するための事項について説明する。
【００１１】
本発明者らは、請求項１に示した範囲の化学組成を有するＦｅ−９〜１７％Ｃｒ合金について、熱処理後のマルテンサイト量とビッカース硬さの関係を調査した。その結果、図１に示すように、マルテンサイト量の増加に伴ってほぼ直線的に硬度が上昇することがわかった。そして、前記組成範囲の合金であれば、マルテンサイト量が５容量％以上で硬さＨｖが１４０以上の硬質な特性を示す、換言すればマルテンサイト量が５％容量未満のときには硬さＨｖが１４０未満の軟質な特性を示すことがわかった。
【００１２】
このＨｖ１４０という値の硬さは、リレー鉄芯，モーターヨーク等の軟磁性部品に用いるＦｅ−９〜１７％Ｃｒ合金にとって重要な意味を持つ値である。すなわち、「部品の耐久性」を考慮したとき、Ｈｖ１４０以上の硬度があれば耐磨耗性等の特性において満足できる耐久性を示す。しかしＨｖ１４０未満では従来の電磁軟鉄と比べても耐久性の向上効果は少ない。一方、これらの部品に加工する際の「加工性」（プレス金型の寿命等）を考慮したときには、Ｈｖ１４０未満の軟質な特性が要求される。Ｈｖ１４０以上の硬質な材料を加工した場合、特にプレス金型の寿命が急激に低下し、大量生産を行ううえで極めて不利となる。
【００１３】
ところで、図１からマルテンサイト量を増加させると耐久性の高い高硬度の部品が得られることがわかったが、軟磁性部品である以上、やみくもにマルテンサイト量を増加させることはできない。つまり、マルテンサイト量が増加するに伴って磁束密度が低下するからである。本発明者らは、さらに前記組成範囲のＦｅ−Ｃｒ系合金について、マルテンサイト量と磁束密度の関係を調査した。その結果、図２に示すように、マルテンサイト量が増加するとほぼ直線的に磁束密度が低下することがわかった。
【００１４】
リレー鉄芯，モーターヨーク等の用途における軟磁性部品で、しかも薄肉化した部品に適用する場合、磁束密度Ｂ₁₀が６０００Ｇ（ガウス）以上でなくては高性能の部品を得ることは難しい。図２から判るように、前記組成範囲のＦｅ−Ｃｒ系合金では金属組織中のマルテンサイト量を２２容量％以下に抑えたとき磁束密度Ｂ₁₀を６０００Ｇ以上に維持できる。
【００１５】
次に、本発明のステンレス鋼が有する硬度の２面的特性について説明する。
本発明の鋼は、後述するように、一般的に行われている磁気焼鈍（約９００℃前後）を受けることによってマルテンサイト量が５〜２２容量％の間になるように、その化学組成が規定されている。そして、このような化学組成範囲の鋼は、より低温での焼鈍によってマルテンサイト量を５容量％未満に調整することができるのである。すなわち、加工前の素材を製造する段階では磁気焼鈍より低温（例えば約７３０〜８９０℃）の焼鈍を行ってマルテンサイト量を５容量％未満に抑えることで、軟質な加工性の良い素材を得ることができる。そして、加工後に磁気焼鈍を施すことによって、磁気焼鈍の本来の目的である磁気特性の付与を達成するとともに、マルテンサイト量を５〜２２容量％の範囲とした硬質な耐久性のある部品を得ることができる。
【００１６】
このように焼鈍温度によって金属組織中のマルテンサイト量をコントロールすることができるのは、高温で出現する変態相が温度によって異なった形態をとるためであり、化学組成によってその高温変態の仕方は微妙に影響を受ける。本発明で規定した化学組成範囲は、リレー鉄芯，モーターヨーク等の軟磁性部品用途に適用することを前提として、前述のとおり加工性および部品耐久性の両面から臨界的な意味を持つ「Ｈｖ１４０」という硬度と、部品段階で要求される６０００Ｇ以上の磁束密度Ｂ₁₀を考慮して、最適化を図ったものである。
【００１７】
本発明で提供する鋼素材は、マルテンサイト量を５容量％未満に抑えてＨｖ１４０未満の軟質な特性に調整されている。したがって、その鋼素材は部品への加工が容易で、金型寿命を延ばすため大量生産に適する。
そして、この軟質な鋼素材は、通常の工程で採用される磁気焼鈍を受けることによってマルテンサイト量が５〜２２容量％の範囲となり、その結果、硬度がＨｖ１４０以上、かつ磁束密度Ｂ₁₀が６０００Ｇ以上の特性を示すようになるという性質を潜在的に有している。
【００１８】
通常の工程で採用される磁気焼鈍を受けることによって上記特性を示すような素材であるか否かは、一例として真空下で９００℃×１時間加熱して空冷したのちマルテンサイト，硬度，磁束密度を測定する試験法によって評価することができる。「真空下で９００℃×１時間加熱して空冷する」という熱処理は、この種の磁性部品について行う通常の磁気特性条件を最も良く代表している条件である。このような試験法に従ったときに、マルテンサイト量が５〜２２容量％，硬度Ｈｖが１４０以上，磁束密度Ｂ₁₀が６０００Ｇ以上となる素材であれば、既存の磁気焼鈍設備をそのまま利用して、耐久性のある部品を得ることが可能である。
【００１９】
次に、本発明の対象となる鋼の成分元素について説明する。
Ｃ：マルテンサイト生成元素であり、本発明鋼の硬度を得るうえで必要な元素である。しかし、過剰に添加すると磁気特性および耐食性を劣化させるため、Ｃの含有量は０．００４重量％以上０．０７０重量％以下に限定した。
【００２０】
Ｓｉ：磁気特性を向上させるのに有効に作用する元素である。磁気特性を付与するために０．１重量％以上を含有する必要がある。しかし１．５重量％以上では部品加工時の硬度が増加し、打ち抜きあるいはプレス加工が困難となる。したがって、Ｓｉの含有量は０．１重量％以上１．５重量％未満に限定した。
【００２１】
Ｍｎ：製鋼時の脱酸に必要な元素であるが、磁気特性を劣化させるため上限を１．０重量％とした。
【００２２】
Ｎ：Ｃと同様、マルテンサイト生成元素である。しかし、過剰に添加すると磁束密度を劣化させるためＮの含有量は０．００４重量％以上０．０７０重量％以下に限定した。
【００２３】
Ｃｒ：リレー鉄芯，モーターヨーク等の部品用途では、その耐食性を確保するのに必要な元素であり、この意味から９．０重量％以上含有する必要がある。しかし、Ｃｒを多量に含有させると磁束密度が低下する。したがって、その上限を１７．０重量％とした。
【００２４】
Ｎｉ：マルテンサイト生成元素であり、本発明鋼の硬度を得るうえで有効な元素である。しかし、磁束密度の低下を招くため上限を１．０重量％とした。
【００２５】
ＡｌおよびＴｉ：鋼の脱酸剤として有効な元素であり、脱酸にともなって不純物を低減することにより、磁気特性を向上させる。しかし、過剰に添加すると磁束密度が低下するため、それぞれ上限を１．０重量％とした。
【００２６】
Ｐ：磁気特性を劣化させる不純物元素であるため、その含有量を０．０４重量％以下に制限することが望ましい。
Ｓ：磁気特性を著しく劣化させる不純物元素であるため、低く抑える必要がある。本発明では、Ｓ含有量は０．０１重量％以下に制限することが望ましい。
【００２７】
【実施例】
表１に供試鋼の化学成分値（重量％）を示す。これらのうちＡ１〜Ａ６鋼は本発明で規定する化学組成を有する鋼であり、Ｂ１〜Ｂ３鋼は比較鋼である。いずれの鋼も溶解、熱間圧延、冷間圧延を経たのち、８３０℃×０分の焼鈍を施し、酸洗して板厚０．４ｍｍの鋼板とした。これらの鋼板から「鋼素材」としての特性を評価するための試料を採取し、マルテンサイト量とビッカース硬さを測定した。
マルテンサイト量の測定は、鋼板素材のＬ断面の金属組織観察を行って、ポイントカウント法で面積率を求める方法で行った。またビッカース硬さの測定は、鋼板素材の表面について荷重１kgfで行った。
【００２８】
【表１】

【００２９】
次に、これら各鋼板素材から外径４５ｍｍ，内径３３ｍｍのリング試験片を切り出し、真空下で９００℃×１ｈ加熱して常温まで空冷するという熱処理（磁気焼鈍に相当する）を施した。これらの試験片について、磁束密度Ｂ₁₀を測定し、さらにＬ断面の金属組織の観察を行って上記と同様の方法でマルテンサイト量を測定した。また、上記と同様の方法でビッカース硬さを測定した。
【００３０】
さらに、前記の鋼板素材から３０ｍｍ角の試料を切り出し、上記のリング試験片と同じ条件で熱処理を施し、これらの試料についてＪＩＳＺ２３７１に準拠した２４時間の塩水噴霧試験により耐食性を調査した。
【００３１】
表２に試験結果を示す。本発明で規定する化学組成を有するＡ１〜Ａ６鋼は、磁気焼鈍に相当する熱処理を行う前の素材の段階では軟質であり、打ち抜きあるいはプレス加工も容易に行うことが可能なものである。そして、磁気焼鈍に相当する熱処理を施すことによって硬度がＨｖ１４０以上に上昇し、しかも磁束密度Ｂ₁₀は６０００Ｇ以上を示し、加えて耐食性も良好である。したがって、これらの本発明対象鋼は、リレー鉄芯，モーターヨーク等の軟磁性部品としてふさわしい特性を発現するものであると言える。
なお、表２中、耐食性の評価は、目視判定によりほとんど発錆しないものを○、点錆が軽く分布しているものを△、面積率で１０％以上の錆が発生したものについては×で示した。
【００３２】
【表２】

【００３３】
これに対し、比較鋼であるＢ１鋼は高磁束密度を有するが、磁気焼鈍に相当する熱処理後も硬度が低い。Ｂ２，Ｂ３鋼は磁気焼鈍に相当する熱処理後に高硬度を示すが、マルテンサイト量が２２％を越えているため、磁束密度Ｂ₁₀が低い。また、Ｂ３鋼はＣｒ含有量が低いため、耐食性にも劣る。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、部品加工時には軟質で加工性に富み、部品完成時には硬質で耐久性に富むという、いわば硬度の２面的性質を有する軟磁性材料を提供することが可能となった。そして、本発明により、各種リレー鉄芯、および各種モーターのヨーク部品を大量生産するのに適した素材が提供される。したがって本発明は、これらの用途において、高性能化を図った高硬度軟磁性部品の普及に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｆｅ−９〜１７％Ｃｒ合金における、マルテンサイト量とビッカース硬さの関係を表すグラフ。
【図２】Ｆｅ−９〜１７％Ｃｒ合金における、マルテンサイト量と磁束密度Ｂ₁₀の関係を表すグラフ。

Claims

重量％で、Ｃ：０.００４〜０.０７０％，Ｓｉ：０.１〜１.５％未満，Ｍｎ：１.０％以下（０％を含まず），Ｃｒ：９.０〜１７.０％，Ｎ：０.００４〜０.０７０％，Ｎｉ：０〜１.０％（無添加を含む），Ａｌ：０〜１.０％（無添加を含む），Ｔｉ：０〜１.０％（無添加を含む）を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、
マルテンサイト相が５容量％未満（０％を含む）、残部が実質的にフェライト相からなる金属組織を有し、
かつ、硬度Ｈｖが１４０未満の軟質な冷延焼鈍鋼板からなる鋼素材であって、
真空下で磁気焼鈍後空冷したとき、マルテンサイト量が５〜２２容量％，硬度Ｈｖが１４０以上，磁束密度Ｂ₁₀が６０００Ｇ以上となる、加工性を改善した高硬度軟磁性部品用ステンレス鋼素材。