JP4046257B2 - 耐食性に優れた複合磁性部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の燃料や油圧用作動油を扱うアクチュエ−タ等（以下、油量制御機器と記す）に適した、強磁性部と非磁性部を併せ持つ複合磁性部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車の油量制御機器に使用される材料として、強磁性（一般には軟磁性）である固定子の一部に非磁性部を設けて磁束を可動片に洩らし、磁束を有効に利用する構造が用いられている。強磁性部品の一部に非磁性部分を設ける方法としては強磁性部品と非磁性部品をろう付けするか、レ−ザ−溶接する等の手法が行われてきた。これらの異種材を接合する手法に対し、本発明者らは、単一材を使用して、この単一材に冷間加工または熱処理によって強磁性部および非磁性部を設けた複合磁性材料を提案している。このような単一材の複合磁性材料を利用すると、気密性の確保、振動等による破損防止等、信頼性の確保という点で、強磁性体と非磁性体を接合した部品よりも優れたものとなる。
【０００３】
たとえば本発明者らの提案による特開平９−１５７８０２号には、自動車の油量制御機器に適した複合磁性部材として、Ｎｉを０．５〜４．０％含有するマルテンサイト系ステンレス鋼が開示されている。この提案には、フェライトと炭化物よりなる焼鈍状態のマルテンサイト系ステンレス鋼で、最大透磁率μｍ２００以上の強磁性特性が得られるＣ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金にＮｉを適量添加することにより、マルテンサイト系ステンレス鋼の一部を加熱後冷却することにより得られる透磁率μ２以下の非磁性部のオ−ステナイトを安定化し、Ｍｓ点（オ−ステナイトがマルテンサイト化し始める温度）を−３０℃以下にまで低下できることが開示されている。
【０００４】
また、本願出願人の提案による特開平９−２２８００４号には、磁気目盛等に使用される複合磁性材料として、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｃ：０．３５〜０．７５％を含み、最大透磁率μｍ２００以上の強磁性特性が得られるＣ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金にＭｎ：２％を超え７％以下、かつＮ：０．０１〜０．０５％添加することにより、加熱後冷却して得られる透磁率μ２以下の残留オ−ステナイトを安定化し、Ｍｓ点を−１０℃以下にまで低下できることが開示されている。これらの提案は、単一材において最大透磁率２００以上の強磁性部と、透磁率２以下でＭｓ点が低い安定した非磁性部が得られるという点で優れたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開平９−１５７８０２号や特開平９−２２８００４号で提案した複合磁性部材は、最大透磁率μｍ２００以上の強磁性部と、透磁率μ２以下の安定した非磁性部を併せ持つことができるという点では有利であるものの、フェライトと炭化物の組織を主体とする強磁性部の耐食性が、オ−ステナイトを主体とする非磁性部に比べて劣り、強磁性部の表面に錆が発生し易く、複合磁性部材を自動車等の油量制御機器として使用する際、部材表面の腐食劣化という点で大きな問題があった。
本発明の目的は、単一材で強磁性部と非磁性部を併せ持つ複合磁性部材の内、フェライトと炭化物組織よりなる強磁性部の耐食性を改良し、耐食性に優れた複合磁性部材およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、複合磁性部材の内、フェライトと炭化物の組織よりなる強磁性部のミクロ組織を検討した結果、炭化物がＣｒ炭化物を主体としていること、更に、このＣｒ炭化物が形成されるために前記炭化物にＣｒが濃縮し、炭化物周辺のフェライト相マトリックスではＣｒ濃度が欠乏していることを突き止めた。
また本発明者らの更なる検討の結果、強磁性部の腐食がＣｒ炭化物周辺のＣｒ濃度欠乏層を起点として始まることを突き止め、複合磁性部材に含まれるＣｒの量を、重量％で１６．０％を超える濃度にまで高めることで、フェライト相マトリックスのＣｒ濃度を１２．０％以上にまで高め、強磁性部の耐食性ひいては複合磁性部材の耐食性を大きく改善できることを見いだした。
【０００７】
また、本発明者らは特開平９−２２８００４号で述べられている、Ｃｒが１６．０％を超えるとフェライト組織が安定化するため、非磁性部のオ−ステナイトを形成することが困難との知見に対して、更なる検討を行った。
本発明者らは、これまでＣｒはフェライト形成元素であるため、Ｃｒ量が１６．０％を超えるとフェライト相が安定となり、溶体化処理を行ってもオ−ステナイトの非磁性相は得られ難いと考えていた。ところが今回、Ｃｒが１６．０％を超えた素材を１２５０℃で１０分間の溶体化処理を施し水冷したところ、驚くべきことに透磁率２以下のオ−ステナイト相が得られることを見出した。
その結果、Ｃｒ量が１６．０％を超えても、複合磁性部材の製造工程において溶体化処理を１０５０〜１３００℃で行った後、水冷すればオ−ステナイト化できる、換言すれば非磁性化できることを突き止めた。
【０００８】
また、さらに熱間加工後のＡ３変態点以下での焼鈍、冷間加工、再度Ａ３変態点以下での焼鈍により得られる強磁性体のＣｒ炭化物を最大粒径で０．１〜２０μｍの大きさで分散させることで、１６．０％を超えるＣｒを添加させても２５．０％以下であれば、従来の磁気特性を劣化させることなく、耐食性を向上できることを見出した。
【０００９】
すなわち本発明は、重量％でＣ：０．３０〜０．８０％、Ｃｒ：１６．０％を超えて２５．０％以下、Ｎｉ：０．１〜４．０％、Ｎ：０．０１〜０．０６％とＳｉ，Ｍｎ，Ａｌの１種または２種以上を合計で２．０％以下、残部がＦｅと不可避不純物からなる組成を有し、強磁性部と非磁性部を有することを特徴とする耐食性に優れた複合磁性部材である。
本発明部材の、強磁性部の最大透磁率μｍは２００以上、非磁性部の透磁率μは２以下、の磁気特性を有する耐食性に優れた複合磁性部材である。
【００１０】
また、炭化物の最大粒径が０．１〜２０μｍに調整された強磁性部を有する耐食性に優れた複合磁性部材である。
好ましくは、炭化物の最大粒径が５〜２０μmに調整された強磁性部を有する耐食性に優れた複合磁性部材である。
【００１１】
また、本発明の複合磁性部材を得るための製造方法は、複合磁性部材の素材を、熱間加工し、次いでＡ３変態点以下で焼鈍、冷間加工、再度Ａ３変態点以下で焼鈍して得られた強磁性体の一部を局部的に加熱、急冷することにより非磁性部を形成することで耐食性に優れた複合磁性部材を得ることができる。
好ましくは、上記強磁性部の炭化物の最大粒径が０．１〜２０μｍに調整された耐食性に優れた複合磁性部材の製造方法であり、更に好ましくは、強磁性部の炭化物の最大粒径が５〜２０μｍに調整された耐食性に優れた複合磁性部材の製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の重要な特徴は、複合磁性部材の内、フェライトとＣｒ炭化物よりなる強磁性部の耐食性を高めるために、複合磁性部材の母材に含まれるＣｒ量を重量％で１６．０％を超える濃度にまで高め、炭化物周辺のフェライト相マトリックスのＣｒ濃度を１２．０％以上にまで高めたことにある。
以下に、本発明の成分限定理由について述べる。
【００１３】
Ｃｒはマトリックスに固溶するとともに、一部は炭化物となり、本発明部材の機械的強度と耐食性を確保する、本発明の最重要元素である。本発明においてＣｒの範囲を、１６．０％を超えて２５．０％以下としたのは、１６．０％以下では炭化物周辺のフェライト相マトリックスのＣｒ濃度が１２．０％以下となり、十分な耐食性が得られない。また逆に２５．０％を超えると耐食性には優れているものの、最大透磁率２００以上の強磁性が得られないためである。Ｃｒのより望ましい範囲は１６．０％を超えて２０．０％以下である。
【００１４】
Ｃは炭化物を形成し、本発明の基本となるＣ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金の強度を確保する元素として重要である。また、Ｃはオ−ステナイトの安定化にも寄与する元素である。Ｃが０．３０％未満では、オ−ステナイト変態温度以上に加熱後冷却した際、室温以下で安定した非磁性のオ−ステナイト組織を得ることが困難である。一方、０．８０％を超えると硬くなり過ぎて冷間での加工が難しくなる。そのため本発明においては、Ｃの範囲を０．３０〜０．８０％に規定した。Ｃのより望ましい範囲は、０．４５〜０．６５％である。
【００１５】
Ｎｉは非磁性部のＭｓ点を効果的に低下する元素である。Ｎｉの範囲を０．１〜４．０％にしたのは、０．１％未満では非磁性部のＭｓ点が下がり難く、４．０％を超えると成形が難しく、良好な軟磁性特性が得られ難くなるためである。Ｎはオ−ステナイト生成元素としてＮｉと同様の効果を有する元素である。Ｎの範囲を０．０１〜０．０６％としたのは０．０１％未満では非磁性部のＭｓ点を下げる効果が小さく、０．０６％を超えると、硬くなり過ぎて成形性が劣化するためである。なお、本発明の部材は脱酸元素としてＳｉ，Ｍｎ，Ａｌの１種または２種以上を、特に磁気特性を劣化しない範囲として本発明においては合計で２％以下含有してもよい。
【００１６】
次に本発明の透磁率の限定理由を述べる。
本発明の部材は強磁性部と非磁性部から成り、強磁性部の最大透磁率μｍ２００以上としたのは、この範囲が本発明の複合磁性部材が用いられる用途の一つである、たとえば油量制御機器の部材として必要な特性であるからである。
また非磁性部の透磁率を２以下としたのは、これを超える範囲では磁束が通り易くなり非磁性部としての役割を果たさなくなるからである。
【００１７】
次に炭化物の最大粒径の限定理由を述べる。
本発明においては、強磁性部の炭化物の最大粒径を０．１〜２０μｍの範囲に調整することが好ましい。これは、０．１μｍ未満の範囲では、フェライト相マトリックスに固溶するＣ量が多くなり過ぎて、強磁性部に必要とされる最大透磁率２００以上の特性が得られず、逆に２０μｍを超える範囲では、加工性が悪くなるとともに、フェライト相マトリックスに固溶するＣ量が不足し、溶体化処理をしても非磁性のオ−ステナイト相が得られ難いからである。炭化物の最大粒径の望ましい範囲は５〜２０μｍである。
【００１８】
本発明において、特に上記強磁性部の炭化物の最大粒径を５〜２０μmに調整すれば、強磁性部の最大透磁率が２３０以上の磁気特性が容易に得られるようになるため、特に好ましい。
【００１９】
次に製造工程の限定理由を述べる。
本発明で、熱間加工は炭化物の最大粒径を調整する重要な工程であり、その加熱温度は９００〜１１００℃の範囲が特に好ましい。これは、加熱温度が９００℃未満ではマトリックスに固溶するＣ量が少なく炭化物の最大粒径が２０μｍを超え、逆に１１００℃を超える温度では固溶Ｃ量が多くなり、最大粒径０．１μｍ以上の炭化物が得られないからである。
【００２０】
また、熱間加工後にＡ３変態点以下で焼鈍するのは、炭化物を成長させ、部材の硬さを下げ、その後の冷間加工をし易くするためである。Ａ３変態点以上の温度では炭化物の成長が十分でなく、硬さを下げる効果が小さいためである。
ここで、本発明で言うＡ３変態点とは、フェライト相がオ−ステナイト相に変態し始める温度であり、素材の化学組成により異なる。
オ−ステナイト形成元素であるＣ、Ｎｉ、Ｎ等の添加量が増加すると、Ａ３変態点は低下し、逆にフェライト形成元素であるＣｒの添加量が増加するとＡ３変態点は上昇する。本発明で規定する素材の化学成分の範囲では、Ａ３変態点は６５０〜１０００℃の範囲である。
【００２１】
さらに、冷間加工を行うのは、部材に歪を与えることにより、炭化物の加工誘起析出を起させるためであり、加工率は４０〜９０％を施すことが有効である。
また、冷間加工後に再度Ａ３変態点以下で焼鈍するのは、冷間加工中に析出した炭化物を成長させ炭化物の最大粒径を０．１〜２０μｍの大きさに安定化させるためである。
熱間加工及び冷間加工後に焼鈍を行う際のより望ましい焼鈍温度の範囲はＡ３変態点からＡ３変態点以下２００℃までである。
上述した本発明の方法により、炭化物粒径を５〜２０μmの範囲に容易に調整可能となる。
【００２２】
本発明においては、上述の工程により強磁性化された部材の一部に非磁性部を設ける方法としては、部材の一部を高周波加熱、レ−ザ−等で部分的に加熱、溶体化した後、急冷することが望ましい。この際の溶体化処理はオ−ステナイト相が得られる１０５０〜１３００℃の温度範囲が特に有効である。また冷却方法としては、加熱後、ただちに水冷等の急冷を行うことが望ましい。
本発明は、上述した製造工程を施すことで、Ｃｒの添加量を高めても、磁気特性を劣化させることなく、強磁性体に非磁性部を容易に形成でき、かつ強磁性部の耐食性を高めることができたものである。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
本発明ではＣｒの含有量が重要となるので、真空溶解でＣｒ含有量を種々に変えた１０ｋｇの鋼塊を得た後、鍛造を行い、更に１０００℃で熱間圧延を行って、板厚４．０ｍｍとした。この材料をＡ３変態点以下の７８０℃で焼鈍した後、酸化スケ−ルを除去し、冷間圧延により板厚１．５ｍｍとした。表１に実験に供した部材の化学組成を示す。
部材Ｎｏ．１〜７は、Ｃ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ等の添加量をほぼ等しくし、Ｃｒ添加量を変化させたものであり、部材Ｎｏ．６はＣｒ添加量を低めたもの、部材Ｎｏ．７はＣｒ添加量を高めたものである。
また、部材Ｎｏ．８は、特開平９−１５７８０２号に記載された複合磁性部材である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
この冷間圧延材をＡ３変態点以下の７８０℃で焼鈍して強磁性化した。得られた試料の一部を高周波加熱によって約１２５０℃で１０分間保持後、水冷し、部分的に非磁性化した試料を得た。この試料表面をペ−パ−研磨した後、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に記載される方法で塩水噴霧試験を行い、試料表面の発錆状況により耐食性を評価した。本発明では耐食性が優れていることの指標として、１００時間の塩水噴霧の後、部材表面に発錆が認められるか否かで耐食性を判断し、○、×で表２に示した。
【００２６】
また、強磁性部の炭化物周辺の、フェライト相マトリックスのＣｒ濃度を、Ｘ線マイクロアナライザーを用いて測定し、更にＣｒ炭化物の大きさも観察した結果、いずれの部材のＣｒ炭化物も最大粒径が約７μｍであることを確認した。炭化物の観察の一例として、部材Ｎｏ．２強磁性部のミクロ組織を図１に示す。
【００２７】
さらに、高周波加熱による熱影響部以外の最大透磁率μｍを求め、強磁性部の磁気特性を評価した。一方、高周波加熱によって得られた非磁性部は、Ｘ線回折分析により残留オ−ステナイトを主体とする相が形成されていることを確認し、透磁率μおよびＭｓ点の測定を行った。それぞれの測定には、透磁率計、示差走査型熱量計を使用した。表２に結果を示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
表２に示すように、非磁性部ではすべての部材で試料表面に発錆は認められない。Ｃｒ量が１６．０％を超えて２５．０％以下とした本発明の部材では、強磁性部のフェライト相のＣｒ濃度が１２．０％以上の範囲に維持されており、非磁性部同様に発錆が認められず、良好な耐食性を示すとともに、強磁性部においては最大透磁率μｍが２００を超える優れた強磁性特性が得られ、かつ非磁性部も透磁率２以下となったことを確認できた。
【００３０】
本発明部材の非磁性部における透磁率μ及びＭｓ点は、部材Ｎｏ．８で示す特開平９−１５７８０２号に記載された複合磁性部材と比較しても、ほとんど変わらず、複合磁性部材に必要な非磁性部の特性を維持できることがわかる。一方、Ｃｒ量が１６．０％を超えない部材Ｎｏ．６及びＮｏ．８では優れた磁気特性が得られるものの、強磁性部に発錆が確認され、本発明部材に比べて耐食性が劣ることがわかる。また逆にＣｒ量が２５．０％を超える部材Ｎｏ．７では優れた耐食性が得られるものの、強磁性部において最大透磁率μｍ２００が得られないことがわかる。
【００３１】
（実施例２）
本発明では強磁性部の炭化物の最大粒径も重要となるため、本発明部材である表１の部材Ｎｏ．２を、熱間加工温度を８５０〜１１５０℃の範囲で種々に変えて強磁性部の炭化物の最大粒径を調べ、耐食性と磁気特性を調査した。炭化物の最大粒径は部材を鏡面研磨後、化学的に腐食した試料を走査型電子顕微鏡で３０００倍の視野で１０視野以上観察し、観察される炭化物の最大粒径を求めた。熱間加工温度以外の部材製造工程ならびに耐食性と磁気特性の調査方法は（実施例１）と同じである。調査結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】

【００３３】
表３に示す通り、Ｎｏ．２の部材はすべての熱間加工温度で優れた耐食性を示すことがわかる。
また、炭化物の最大粒径が０．１〜２０μｍに調整した部材Ｎｏ．１１〜１４では優れた耐食性を示すとともに、強磁性部の最大透磁率２００以上、非磁性部の透磁率２以下を満足している。この中でも特に炭化物の最大粒径を５〜２０μｍに調整した部材Ｎｏ．１１とＮｏ．１２では強磁性部の最大透磁率が２３０以上の優れた磁気特性を有している。
一方、炭化物の最大粒径が０．１μｍ未満の部材Ｎｏ．１５では優れた耐食性と非磁性特性が得られるものの、強磁性部の最大透磁率２００以上が得られない。
逆に、炭化物の最大粒径が２０μｍを超える部材Ｎｏ．１６では優れた耐食性と強磁性特性が得られるものの、透磁率２以下の非磁性部が得られないことがわかる。また炭化物の最大粒径を０．１〜２０μｍに調節するためには熱間加工温度を９００〜１１００℃にすることが有効であることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、単一材で強磁性部と非磁性部をもつＣ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金のＣｒ含有量を、１６．０％を超えて２５．０％以下にまで高め、適切な温度範囲での熱間加工と溶体化処理を行うことにより、フェライトと炭化物よりなる強磁性部の耐食性を飛躍的に改善するとともに従来と変わらない磁気特性を有する安定した非磁性部を得ることができ、複合磁性部材を自動車の油量制御機器に適用するに当たって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合磁性部材の一例を示す顕微鏡写真である。

Claims (7)

1. 重量％でＣ：０．３０〜０．８０％、Ｃｒ：１６．０％を超えて２５．０％以下、Ｎｉ：０．１〜４．０％、Ｎ：０．０１〜０．０６％とＳｉ，Ｍｎ，Ａｌの１種または２種以上を合計で２．０％以下、残部がＦｅと不可避不純物からなる組成を有し、強磁性部と非磁性部を有することを特徴とする耐食性に優れた複合磁性部材。
2. 強磁性部の最大透磁率μｍは２００以上、非磁性部の透磁率μは２以下の磁気特性を有することを特徴とする請求項１に記載の耐食性に優れた複合磁性部材。
3. 炭化物の最大粒径が０．１〜２０μｍに調整された強磁性部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐食性に優れた複合磁性部材。
4. 炭化物の最大粒径が５〜２０μmに調整された強磁性部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の耐食性に優れた複合磁性部材。
5. 重量％でＣ：０．３０〜０．８０％、Ｃｒ：１６．０％を超えて２５．０％以下、Ｎｉ：０．１〜４．０％、Ｎ：０．０１〜０．０６％とＳｉ，Ｍｎ，Ａｌの１種または２種以上を合計で２．０％以下、残部がＦｅと不可避不純物からなる組成を有する複合磁性部材の素材を、熱間加工し、次いでＡ３変態点以下で焼鈍、冷間加工、再度Ａ３変態点以下で焼鈍して得られた強磁性体の一部を、局部的に加熱、急冷することで非磁性部を形成することを特徴とする耐食性に優れた複合磁性部材の製造方法。
6. 請求項５に記載の、強磁性部の炭化物の最大粒径が０．１〜２０μｍに調整されたことを特徴とする耐食性に優れた複合磁性部材の製造方法。
7. 請求項５または６に記載の、強磁性部の炭化物の最大粒径が５〜２０μｍに調整されたことを特徴とする耐食性に優れた複合磁性部材の製造方法。

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