JP4094583B2 - 非磁性部を有する複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電磁弁やその他アクチュエータ等の磁気回路部分を構成する部品に適用され、非磁性部を有する複合材料およびその製造方法に関するものである。

例えば、電磁弁等の磁気回路部分を構成する部品の中には、磁束が通る経路（磁路）を効率よく設計することで、不要な箇所への磁束の集中を避ける一方で、所望の箇所へは磁束を集中させるような用途に用いられる場合があり、かかる場合には、磁性部分と非磁性部分とを部分ごとに適正位置に配置した構成にすることが望ましい。

さらに、その磁気回路を構成する部品が、例えば油、空気、水等の制御流体を外部と遮断する必要のある箇所に用いられる場合には、機密性が要求されるため、例えば、強磁性部材である炭素鋼製の磁性鋼材と、非磁性材料であるオーステナイト系ステンレス鋼製の非磁性鋼材を別個に製作し、これら別個の鋼材を、ろう付けや溶接等によって適宜接合して一つの部品として一体化することが行なわれている。

一方、これらの異種材料を接合する代わりに、単一材料である強磁性鋼材に非磁性部を部分的に形成した各種複合材料が広く開発されている。

強磁性鋼材に非磁性部を形成するための手段としては、例えば特許文献１では、磁性材にニッケル等のオーステナイト生成元素を溶融添加し、当該部分の磁気特性を変化させる方法が提案されている。また、特許文献２では、加工誘起マルテンサイトを用いることで磁性部を形成し、その加工によりマルテンサイト化した部材の特定部を加熱溶体化することで非磁性にする方法も提案されている。これらの提案の方法によれば、強磁性部と非磁性部を併せ持つ一体に形成された部品を用いることができるために、気密性の確保ができ信頼性に優れた製品を製造できる。
特開平６−７４１２４号公報 特開平７−１１３９７号公報

しかし、特許文献１のように、磁性材への溶融添加の場合には、一部分のみを効率的に改質できるが、溶融させるために処理部の変形を避けることは困難で、仕上げ処理するための加工工程がさらに必要になるという欠点を有している。加えて、オーステナイト生成元素として高価なＮｉ等を用いることは、材料コストの高騰を招くため好ましくない。

一方、特許文献２のように、加工誘起マルテンサイト主体とする部材では、十分な磁気特性が得られず、例えばアクチュエータとしての応答性が要求される用途での磁束の立ち上がり特性の不足や大きな残留磁化により、有効な磁気回路を形成できないという問題がある。加えて、吸引力が要求される用途では、吸引力はその吸引力が必要とされる個所を構成する材料の磁束密度の二乗に比例するために、高磁界での磁束密度の不足により十分な特性を得られないという問題があった。

また、強磁性鋼材に非磁性部を形成するための他の手段としては、例えば特許文献３〜５に、強磁性鋼材に浸炭処理を施すことにより、非磁性部する形成する方法が開示されている。しかしながら、特許文献３〜５に記載された方法はいずれも、強磁性鋼材の基本組成について示されてなく、また、かかる強磁性鋼材が非磁性部になるときの炭素含有量の具体的な記載もなく、かかる構成では、非磁性部の最大透磁率を、強磁性材料の最大透磁率に対する比にして、所望の値以下（具体的には１０分の１以下）にまで安定して低下させることは難しい。
特開２００３−２７８６２２号公報 特開２００４−７６６４０号公報 特開２００１−３２９９２８号公報

本発明の目的は、これらの問題点を鑑みてなされたもので、軟磁気特性に優れた組織主体からなるＣｒ含有鋼材の組成成分の適正化と、該Ｃｒ含有鋼材中にＣ（炭素）を適正量富化して非磁性部を形成することによって、非磁性部の最大透磁率を、強磁性材料の最大透磁率に対する比にして、所望の値以下（具体的には１０分の１以下）にまで安定して低下させた、非磁性部を有する複合材料およびその製造方法を提供することにある。

本発明者は、電磁鋼において、Ｃ添加量の増加とともに磁気特性が劣化するという従来から一般に知られている知見を利用して非磁性部を形成する検討を行ったところ、室温ではフェライト相主体の組織からなり、かつ高温ではオーステナイト相に変態可能な成分系をもつＣｒ含有鋼において、オーステナイト変態温度Ａ_ｃ３以上の高温にした炭素雰囲気中で加炭処理を施せば、前記Ｃｒ含有鋼中に比較的容易に炭素を含有（加炭）させることができ、この加炭した部分が、室温でもオーステナイト相主体の組織を保持して、非磁性部を形成することを見出し、これによって、非磁性部を有する複合材料の開発に成功し、本発明に至った。

ここで、本発明において、炭素雰囲気中で鋼中に炭素を含有させることをあえて浸炭とはせずに加炭としたのは、通常の浸炭の目的が処理品表面の硬さ向上を主な目的とするのに対し、本発明では、磁気特性の低下を主な目的とするためである。

すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：２０％以下およびＮｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成をもつ強磁性鋼材の少なくとも表層にＣを富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した非磁性部を形成し、該非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下であることを特徴とする非磁性部を有する複合材料。

（２）前記強磁性鋼材は、さらにＡｌ：３．０質量％以下を含有し、かつＳｉ＋Ａｌ＜４．０質量％を満足する上記（１）記載の非磁性部を有する複合材料。

（３）前記強磁性鋼材は、さらにＭｏ：１．０質量％以下およびＴｉ：２．０質量％以下から選択される1種または2種を含有する上記（１）または（２）記載の非磁性部を有する複合材料。

（４）前記強磁性鋼材を、非磁性部と、該非磁性部以外の部分である強磁性部とに分けるとき、前記強磁性部は、磁束密度Ｂ_３０が０．５Ｔ以上であり、鋼組織が、フェライト相を主体とする組織である上記（１）、（２）または（３）記載の非磁性部を有する複合材料。

（５）前記非磁性部は、最大透磁率が100以下であり、鋼組織が、オーステナイト相を主体とする組織である上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の非磁性部を有する複合材料。

（６）質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：２０％以下およびＮｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成をもつ強磁性鋼材の少なくとも表層に、オーステナイト変態温度以上の炭素雰囲気中で加炭処理を施すことにより、Ｃを富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した非磁性部を形成し、該非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下であることを特徴とする非磁性部を有する複合材料の製造方法。

（７）前記強磁性鋼材は、さらにＡｌ：３．０質量％以下を含有し、かつＳｉ＋Ａｌ＜４．０質量％を満足する上記（６）記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。

（８）前記強磁性鋼材は、さらにＭｏ：１．０質量％以下およびＴｉ：２．０質量％以下から選択される1種または2種を含有する上記（６）または（７）記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。

（９）前記強磁性鋼材を、非磁性部と、該非磁性部以外の部分である強磁性部とに分けるとき、前記強磁性部は、磁束密度Ｂ_３０が０．５Ｔ以上であり、鋼組織が、フェライト相を主体とする組織である上記（６）、（７）または（８）記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。

（１０）前記非磁性部は、最大透磁率が100以下であり、鋼組織が、オーステナイト相を主体とする組織である上記（６）〜（９）のいずれか１項に記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。

本発明によると、十分に軟磁気特性を示す強磁性鋼材の一部であって、その少なくとも表層にＣを富化した非磁性部を形成し、該非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下であることによって、強磁性部と非磁性部を併せ持つ複合材料を単一部材として構成することができるため、下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）に示すような効果がある。
（ｉ）強磁性部の軟磁気特性が優れているために、アクチュエータ用途での磁気回路部品の応答性を向上することができる。
（ｉｉ）非磁性部を表層部に形成できるために、磁束を中心部に集中させるといったアクチュエータ用途での磁束の効率的な利用ができる。
（ｉｉｉ）同様に非磁性部を表層部に形成できるために、別工程での表面処理を不要にすることができる。
（ｉｖ）強磁性部の軟磁気特性が優れているために、センサ用途での磁気回路の感度を向上することができる。

上述したように、本発明は、軟磁気特性に優れた強磁性部と非磁性部を合わせ持つことのできる複合材料を単一部材で構成した、非磁性部を有する強磁性鋼材を提供するものである。そのため、軟磁気特性に優れ且つ高温でオーステナイト相を有する組成系であるＣｒ含有鋼を選択し、且つオーステナイト形成元素である炭素を非磁性部とすべき箇所へ富化（含有）させる（以後、加炭と呼ぶ）方法を採用したものである。

まず、本発明において、複合材料（非磁性部は除く。）の鋼組成成分を限定した理由について以下で述べる。

Ｃ：０．３％以下
Ｃは、鋼材の強磁性特性を劣化させる元素であり、Ｃ含有量が０．３％を超えると、通常の焼鈍ではＢ_３０で０．５Ｔ以上の磁気特性が得られ難くなる。このため、Ｃ含有量は０．３％以下とし、より好ましくは、０．１５％以下とする。また、Ｃは、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系での高温でのオーステナイト相の存在する領域を拡張するオーステナイト形成元素であり、かかるオーステナイト形成元素の添加によって、室温でもオーステナイト相を主体とする組織を保持するのが容易になり、これは、非磁性部の形成には有効である。このため、Ｃをオーステナイト形成元素として添加する必要がある場合には、上記効果を奏する観点から、Ｃを０．００５％以上含有させることが好ましい。なお、強磁性鋼材の一部に加炭して非磁性部を形成するときの製造方法の観点からすると、加炭前の強磁性鋼材中のＣ量が多いほど、非磁性にするために必要なＣ量に富化するまでの加炭処理時間を短くすることができるため、強磁性鋼材を、最大透磁率がさほど高くしなくてもよい用途に用いる場合や、加炭処理時間を短くする必要がある場合には、Ｃ含有量は、０．３％以下の範囲でできるだけ高く設定することがより好適である。

Ｓｉ：０．１〜３．０％
Ｓｉは、鋼材の脱炭元素としての効果があるとともに、強磁性鋼材の軟磁気特性を向上するのに有効な元素である。また、Ｓｉは、鋼材の電気抵抗を大きくして、交流磁界中での用途において渦電流損失を低減する効果がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．１％未満では上記効果が小さく、３．０％を超えると、加工が困難になる。そのため、Ｓｉ含有量は、０．１〜３．０％とし、より好ましくは０．１〜２．０％とする。

Ｍｎ：０．１〜２．０％
Ｍｎは、脱酸元素としての効果があるとともに、Ｃと同様、オーステナイト形成元素である。加えて、Ｍｎは、Ｓとともに化合物ＭｎＳを形成し、かかる化合物ＭｎＳが合金中に分散することで被削性を向上させる効果もある。かかる効果を発揮させるため、Ｍｎ含有量は０．１％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、強磁性鋼材の軟磁気特性を劣化させる。そのため、Ｍｎ含有量は０．１〜２．０％とし、より好ましくは０．１〜１．０％とする。

Ｃｒ：２０％以下
Ｃｒは、フェライトを安定化させ、強磁性鋼材においては一部は炭化物となり、また一部は鋼材中に固溶して該鋼材の耐食性を向上させる効果を有する元素である。また、Ｃｒは、マルテンサイト変態開始温度を低下させる効果があるために、室温でもオーステナイト相を主体とする組織からなる非磁性部の安定化にも有効である。しかしながら、Ｃｒ含有量が２０％を超えると、ＣやＭｎ等のオーステナイト形成元素を含有する場合でも、高温におけるオーステナイト相が存在し難くなるために、フェライト相が安定となり加炭し難くなる。このため、Ｃｒ含有量は２０％以下とし、好ましくは１５％以下とする。なお、Ｃｒ含有量の下限については特に限定はしないが、Ｃｒ含有量が少なすぎると、加炭は可能なものの、室温でオーステナイト相が残留しにくくなるため、Ｃｒ含有量の下限値を０．１％とすることが好ましく、特に耐食性を重視する場合には、Ｃｒ含有量を１０％以上とすることがより好適である。

Ｎｉ：２．０％以下
Ｎｉは、オーステナイトを安定化する元素である。しかしながら、Ｎｉ含有量が２．０％を超えると、強磁性部の特性を低下させる。このため、Ｎｉ含有量は２．０％以下とし、より好ましくは１．０％以下とする。なお、Ｎｉ含有量の下限値は特に限定はしないが、加炭処理後のオーステナイト相を安定にする点から、Ｎｉ含有量の下限値は０．０５％とすることがより好適である。

本発明では、上記鋼組成を基本組成とするものであるが、Ａｌ、ＭｏおよびＴｉ等の他の成分についても、本発明の効果を害さない範囲において、必要に応じて適宜添加することができる。

Ａｌ：３．０％以下を含有し、かつＳｉ＋Ａｌ＜４．０％を満足すること
Ａｌは、Ｓｉと同様、脱酸元素としての効果があるとともに、強磁性鋼材の軟磁気特性を向上させ、また、鋼材の電気抵抗を大きくする効果を有する元素である。しかしながら、Ａｌ含有量が３．０％を超えると、表層に酸化物が形成しやすくなり、かかるＡｌ酸化物の存在によって加炭処理時における炭素の富化が行い難くなるとともに、加工性も劣化する傾向がある。このため、Ａｌ含有量は、３．０％以下とすることが望ましい。なお、Ａｌは、Ｓｉと同様の効果を奏する元素であるものの、熱間加工性の劣化の程度がSiよりは小さいことなどを考慮して、ＡｌとＳｉを複合添加する場合には、それらの合計で４．０％未満とすることが好ましい。なお、Ａｌ含有量の下限については特に限定はしないが、高い電気抵抗が要求される用途では、より高抵抗にするという点から、０．５％以上とすることがより好適である。

Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、鋼材の耐食性を向上させるとともに、結晶粒の粗大化温度を上昇させる効果がある元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が１．０％超えだと、１．０％を超えると鋼材の強磁性特性が低下する傾向があるからである。このため、Ｍｏ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。なお、上記効果を発揮させるため、Ｍｏ含有量の下限値は０．１％とすることがより好適である。

Ｔｉ：２．０％以下
Ｔｉは、Ａｌと同様、脱酸元素としての効果があるとともに、強磁性部の軟磁気特性を向上する効果がある。しかしながら、Ｔｉ含有量が２．０％を超えると、化合物を形成しないで鋼材中に固溶するＴｉの量が多くなり、Ａｌと同様、表層に酸化物が形成しやすくなり、かかる酸化物の存在によって加炭処理時における炭素の富化が行い難くなる傾向がある。このため、Ｔｉ含有量は、２．０％以下とすることが望ましく、より好適には、１．０％以下とする。なお、Ｔｉ含有量の下限については特に限定はしないが、強磁性部の軟磁気特性を向上させる観点から、０．０５％とすることが好ましい。

また、本発明の複合材料は、上述した組成をもつ強磁性鋼材の少なくとも表層にＣを富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した非磁性部を形成し、該非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下であることを特徴とする。

なお、本発明でいう「非磁性部」とは、前記強磁性鋼材の１０分の１以下の最大透磁率をもつ部分をいい、完全に非磁性である場合の他、弱い磁性を有する場合も含まれる。また、非磁性部は、強磁性鋼材の一部の厚さ全体にわたってＣを富化（含有）することによって形成する場合だけでなく、強磁性鋼材の一部の表層のみにＣを富化することによって形成する場合も含まれる。また、後者の場合には、強磁性鋼材のＣを富化した部分は表層だけで、残りの厚さ方向下側部分は、Ｃが富化されない強磁性部となるが、本発明では、Ｃを富化した表層と、厚さ方向下側部分である強磁性部とを一体として非磁性部とする。

なお、非磁性部の鋼組成については、Ｃ含有量が富化されることを除いて、上記強磁性鋼材の鋼組成と実質的に同じ組成を有する。
非磁性部中のＣは、強磁性鋼材の一部を非磁性部に変化させるのに必要な元素である。具体的には、強磁性鋼材の鋼組織をフェライト相を主体とする組織とするとき、この強磁性鋼材の少なくとも表層に、Ｃを富化（含有）することによって、室温でもオーステナイト相を主体とする組織をもち、前記強磁性鋼材の１０分の１以下の最大透磁率をもつ非磁性部を形成することができる。なお、非磁性部中のＣ含有量の適正範囲については、加炭前の強磁性鋼材中のＣ含有量によっても異なるが、本発明のように、強磁性鋼材中のＣ含有量が０．３％以下である場合には、非磁性部中のＣ含有量は０．５％以上にすれば、非磁性部の最大透磁率を、安定して強磁性鋼材の１０分の１以下にすることができる。

また、非磁性部中のＣ含有量が多すぎると、オーステナイト域で鋼中に全てのＣを固溶させることができずに、磁性をもつ炭化物が析出することによって、非磁性部の最大透磁率を強磁性鋼材の１０分の１以下にすることが難しくなる傾向があることから、非磁性部中のＣ含有量の上限は、１．５質量％とすることが好ましい。

図１は、Ｃ：０．０５２質量％、Ｓｉ：０．５１質量％、Ｍｎ：０．２２質量％、Ｃｒ：１０．２０質量％およびＮｉ：０．１９質量％を基本組成とする鋼素材を用い、外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ（厚さ１ｍｍ）、長さ５ｍｍのリング状に加工した後、８３０℃で３時間焼鈍した後、１５０℃／ｈの冷却速度で冷却することによって作製した強磁性鋼材に対して、オーステナイト変態温度（Ａ_ｃ３変態点：７６５℃）以上の温度である９５０℃の炭素雰囲気中で加炭処理を施し、加炭処理してＣを富化した部分のＣ含有量と最大透磁率の関係の一例を示したものである。

図２は、Ｃ：０．２９６質量％、Ｓｉ：０．５０質量％、Ｍｎ：０．２２質量％、Ｃｒ：９．７７質量％およびＮｉ：０．２２質量％を基本組成とする鋼素材を用い、外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ（厚さ１ｍｍ）、長さ５ｍｍのリング状に加工した後、８３０℃で３時間焼鈍した後、１５０℃／ｈの冷却速度で冷却することによって作製した強磁性鋼材に対して、オーステナイト変態温度（Ａ_ｃ３変態点：７０４℃）以上の温度である９５０℃の炭素雰囲気中で加炭処理を施し、加炭処理してＣを富化した部分のＣ含有量と最大透磁率の関係の一例を示したものである。

図１および図２の結果から、強磁性鋼材のＣ含有量が０．３質量％以下である場合には、非磁性部中のＣ含有量は、０．５％以上にすれば、非磁性部の最大透磁率を、確実に強磁性鋼材の１０分の１以下に低下しているのがわかる。

図３は、強磁性鋼材の表層に炭素を富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した層を形成した非磁性部を光学顕微鏡（倍率：１００倍）で撮影したときの断面写真を示したものである。

図３では、フェライト相を主体とする組織をもつ強磁性部の上に、フェライト相とマルテンサイト相との複合組織をもつ中間層を介して、炭素を富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した非磁性層とを形成した場合の一例を示すが、前記中間層は、加炭処理によって形成されやすいが、本発明では、かかる中間層は形成しないほうが望ましいが、図３のように、磁気特性を低下させる上で、特に問題とならない場合には、中間層を形成してもよい。

また、本発明の強磁性鋼材は、非磁性部と、該非磁性部以外の部分である強磁性部とに分けるとき、前記強磁性部は、磁束密度Ｂ_３０が０．５Ｔ以上であり、鋼組織が、フェライト相を主体とする組織であることが好ましい。前記強磁性部の磁束密度Ｂ_３０が０．５Ｔ未満だと、磁気回路部品として応答性を要求される用途や、吸引力を要求される用途に適用する強磁性鋼材としては適さないからである。なお、強磁性部の磁束密度Ｂ_３０は、より望ましくは、０．８Ｔ以上とする。

また、前記強磁性部の鋼組織は、フェライト相を主体とする組織であることが、強磁性を確保する上で好ましい。なお、ここでいう「フェライト相を主体とする組織」には、具体的には、フェライト単相組織の他、フェライト相と、組織全体に対する面積率で最大５０％の、マルテンサイト相、ベイナイト相、パーライト相等の第２相および炭化物等とが混在する複合組織の場合も含まれる。

前記非磁性部は、最大透磁率が１００以下であり、鋼組織が、オーステナイト相を主体とする組織であることが好ましい。磁気回路に用いられる強磁性鋼材の非磁性部は、必ずしも厳密な非磁性である必要がない場合が多い。すなわち、強磁性部の最大透磁率に対して十分に小さな最大透磁率（すなわち１０分の１以下の最大透磁率）を有する非磁性部、あるいは強磁性部の磁束密度Ｂ_３０に対して十分に小さな磁束密度Ｂ_３０を有する非磁性部であれば良い場合が多い。
非磁性部の最大透磁率μｍが１００以下の場合には、強磁性部の磁気特性を有効に発揮させることができ、磁気回路に用いるのに適しているからである。なお、非磁性部の最大透磁率μｍは、より望ましくは１０以下である。

なお、ここでいう「オーステナイト相を主体とする組織」とは、オーステナイト単一層からなる組織の他、オーステナイト粒内および／または粒界に、微量の炭化物や、組織全体に対する面積率で最大５０％のマルテンサイト相等の第２相が混在する組織も含まれる。
図４は、Ｃ：０．０４９質量％、Ｓｉ：０．４９質量％、Ｍｎ：０．２１質量％、Ｃｒ：１０．２０質量％およびＮｉ：０．２１質量％を基本組成とする鋼素材を用い、外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ（厚さ１ｍｍ）、長さ５ｍｍのリング状に加工した後、８３０℃で３時間焼鈍した後、１５０℃／ｈの冷却速度で冷却することによって作製した強磁性鋼材のリングの外面以外の表面部分にはマスキングし、外面に対して、オーステナイト変態温度（Ａ_ｃ３変態点：７６５℃）以上の温度である９５０℃の炭素雰囲気中で処理時間を変化させて加炭処理を施し、Ｃを富化した層の厚さが異なる供試材を作製し、各供試材のリングに、１次巻腺１５回、２次巻腺１５回を施した後、３００Ａ／ｍの直流磁場を印加して、Ｂ−Ｈ特性を測定し、最大透磁率μ_ｍと、Ｃ富化層（非磁性層）の厚さとの関係の一例を示したものである。なお、Ｃ富化層（非磁性層）の厚さは、加炭処理時間によって調整し、Ｃ富化層（非磁性層）中のＣ含有量は、いずれも０．５〜１．３質量％と０．５％以上であった。

図４の結果から、最大透磁率２０８０の強磁性鋼材に対し、０．１ｍｍ以上のＣ富化層（非磁性層）を形成すれば、非磁性部の最大透磁率μｍを１００以下に低下できることがわかる。

次に、本発明に従う非磁性部を有する複合材料の製造方法を限定した理由を述べる。
本発明の製造方法の主な特徴は、上記鋼組成を有する強磁性鋼材の一部であって、その少なくとも表層に、オーステナイト変態温度以上の炭素雰囲気中で加炭処理を施すことにある。

本発明で用いる強磁性鋼材は、焼鈍により良好な軟磁気特性を得ることができるものの、この強磁性鋼材の一部に、単なる加熱による溶体化処理を施しても、最大透磁率が強磁性鋼材の１０分の１に低下させた非磁性部を得ることはできず、かかる非磁性部を得るには、室温でオーステナイト相を主体とする組織とする必要がある。

そこで、本発明では、強磁性鋼材の少なくとも表層に、炭素雰囲気中において、オーステナイト変態温度以上の高温に加熱保持する加炭処理を施すことで、オーステナイト形成元素である炭素を富化（含有）させたのち、冷却処理を行うことによって、前記強磁性鋼材の１０分の１以下に低下させた最大透磁率をもつ非磁性部を形成することができる。

尚、加炭処理温度の上限を規定しなかったのは、より高温であれば加炭がしやすくなるが、一方、鋼材の形状の変形といった問題が生じるために、その用途に応じて適宜選定すれば良いからである。すなわち、本発明による強磁性鋼材の加炭処理温度は、融点未満の温度まで適用できることを含むものである。
また、本発明でいう「オーステナイト変態温度」とは、α鉄からγ鉄へ同素変態するときの温度（Ａ_ｃ３点）を意味し、かかるオーステナイト変態温度は、組成系により異なり、本発明におけるオーステナイト変態温度は、下記に示す式で算出することができる。ただし、下記式により算出したＡ_ｃ３点が７００℃以下の場合には、７００℃とする。
Ａ_ｃ３（℃）＝910−203√Ｃ＋44.7Ｓｉ＋30Ｍｎ＋11Ｃｒ−15.2Ｎｉ−400Ａｌ
＋31.5Ｍｏ−400Ｔｉ

なお、加炭処理温度が、オーステナイト変態温度（Ａ_ｃ３点）直上だと、加炭処理効率が悪く、また、あまり温度が高すぎると、結晶粒が粗大化するため、これらの観点から、加炭処理温度は、Ａ_ｃ３点＋５０℃〜Ａ_ｃ３点＋３００℃の範囲にすることが好ましい。

加炭処理の雰囲気は、従来行われている浸炭性雰囲気と同様、固体、あるいは液体あるいは気体のいずれの媒体によって構成してもよい。さらに、加炭処理温度への加熱・保持方法も、通常用いられる電気炉による熱源のほか、レーザー加熱や高周波誘導加熱さらには直接通電加熱といったものでも良く、加炭処理する鋼材の形状あるいは処理箇所や処理雰囲気により適宜選択すればよい。
また、局所的な部分のみを非磁性化し強磁性部を残したい場合は、強磁性部を残したい部分へのオーステナイト生成元素の侵入を防げばよいので、通常用いられるようにマスキングによる防炭処理を施すか、あるいはまた、局所のみ加熱することのできるレーザー加熱や高周波誘導加熱さらにはイオン加熱などを用いればよい。上述した高温での処理を終えた後、冷却することでオーステナイトが残留し非磁性部が形成される。

このときの冷却方法は特に規定しないが、例えば空冷や油冷といったある程度の冷却速度、好適には１０〜１００℃／ｓの範囲で冷却できる方法であれば十分である。しかし、より強磁性部の軟磁気特性を重視する場合には、冷却時に生成するマルテンサイト量を減らすための徐冷を適宜導入するか、あるいは、冷却時に生成したマルテンサイト組織をフェライト組織に戻すための焼なまし処理をさらに行ってもよい。

ところで上述した方法での加炭処理によるＣの富化は、素材表面からの炭素のいわゆる拡散律速の反応となるため、要求される特性に応じてその非磁性部の領域を制御できるという長所をも有している。すなわち、例えば磁気回路の部材においても様々な形状や機能が要求されることが多いが、非磁性部の領域を表層から制御できることで、全断面を非磁性部にすること以外に、極表層のみを非磁性に、また磁性部と非磁性部を交互にという具合にその各々に応じた強磁性部と非破性部を形成することが可能である。

上述したところは、この発明の実施形態の例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

鋼素材として、表１に示す種々の組成の合金を真空溶解により溶製し、インゴットを製造した。これらのインゴットを、１１００℃に加熱して、熱間鍛造と熱間圧延を行い、直径１２ｍｍの丸棒とし、これを外径１０ｍｍ、内径８ｍｍのパイプ（肉厚１ｍｍ）に加工した後、強磁性化を目的として８３０℃で３時間の焼鈍を施した後、１５０℃／ｈの冷却速度で冷却して、リング状の強磁性鋼材を作製した。

上記の工程により作製した強磁性鋼材の一部に対して、ガス加炭装置により非磁性化のために、１ｍｍの厚さ全てが加炭されるまで加炭処理を行った。加炭処理を施した箇所および加炭処理をしていない箇所の各々から、長さ６ｍｍのリングを切り出し、１次巻線１５回、２次巻線１５回を施し後、３００Ａ／ｍの直流磁場を印加してＢ−Ｈ特性を測定し、強磁性部では、磁束密度Ｂ_３０および最大透磁率を測定し、加炭処理したＣ富化部（非磁性部）では、最大透磁率のみを測定した。それらの結果を表２に示す。また、Ｃ富化部（非磁性部）中のＣ含有量、加炭処理温度、および前記式により算出したオーステナイト変態温度（Ａ_ｃ３変態点）についても表２に併記する。

表２に示す結果から、本発明例はいずれも、非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下の値になっていることがわかる。
一方、鋼組成および加炭処理温度の少なくとも１方が、本発明の適正範囲外である比較例はいずれも、非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１よりも大きい値になっている。

本発明によると、十分に軟磁気特性を示す強磁性鋼材の一部に、Ｃ：０．５質量％以上に富化して、前記強磁性鋼材の１０分の１以下の最大透磁率をもつ非磁性部を形成することによって、強磁性部と非磁性部を併せ持つ複合材料を単一部材として構成することができるため、下記（ｉ）〜（ｉｉｉ）に示すような効果がある。
（ｉ）強磁性部の軟磁気特性が優れているために、アクチュエータ用途での磁気回路部品の応答性を向上することができる。
（ｉｉ）非磁性部を表層部に形成できるために、磁束を中心部に集中させるといったアクチュエータ用途での磁束の効率的な利用ができる。
（ｉｉｉ）同様に非磁性部を表層部に形成できるために、別工程での表面処理を不要にすることができる。
（ｉｖ）強磁性部の軟磁気特性が優れているために、センサ用途での磁気回路の感度を向上することができる。

０．０５２質量％のＣを含有する強磁性鋼材に、加炭処理してＣを富化した部分のＣ含有量と最大透磁率の関係を示した図である。 ０．２９６質量％のＣを含有する強磁性鋼材に、加炭処理してＣを富化した部分のＣ含有量と最大透磁率の関係を示した図である。 強磁性鋼材の表層に炭素を富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した層を形成した非磁性部を光学顕微鏡で撮影したときの断面写真である。 ０．０４９質量％のＣを含有するリング状強磁性鋼材を磁芯として用いたときの最大透磁率μｍ と、Ｃ富化層（非磁性層）の厚さとの関係を示す図である。

Claims (10)

1. 質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：２０％以下およびＮｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成をもつ強磁性鋼材の少なくとも表層にＣを富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した非磁性部を形成し、該非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下であることを特徴とする非磁性部を有する複合材料。
2. 前記強磁性鋼材は、さらにＡｌ：３．０質量％以下を含有し、かつＳｉ＋Ａｌ＜４．０質量％を満足する請求項１記載の非磁性部を有する複合材料。
3. 前記強磁性鋼材は、さらにＭｏ：１．０質量％以下およびＴｉ：２．０質量％以下から選択される1種または2種を含有する請求項１または２記載の非磁性部を有する複合材料。
4. 前記強磁性鋼材を、非磁性部と、該非磁性部以外の部分である強磁性部とに分けるとき、前記強磁性部は、磁束密度Ｂ_３０が０．５Ｔ以上であり、鋼組織が、フェライト相を主体とする組織である請求項１、２または３記載の非磁性部を有する複合材料。
5. 前記非磁性部は、最大透磁率が100以下であり、鋼組織が、オーステナイト相を主体とする組織である請求項１〜４のいずれか１項に記載の非磁性部を有する複合材料。
6. 質量％で、Ｃ：０．３％以下、Ｓｉ：０．１〜３．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：２０％以下およびＮｉ：２．０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成をもつ強磁性鋼材の少なくとも表層に、オーステナイト変態温度以上の炭素雰囲気中で加炭処理を施すことにより、Ｃを富化して、Ｃ：０．５質量％以上含有した非磁性部を形成し、該非磁性部の最大透磁率が、前記強磁性鋼材の最大透磁率の１０分の１以下であることを特徴とする非磁性部を有する複合材料の製造方法。
7. 前記強磁性鋼材は、さらにＡｌ：３．０質量％以下を含有し、かつＳｉ＋Ａｌ＜４．０質量％を満足する請求項６記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。
8. 前記強磁性鋼材は、さらにＭｏ：１．０質量％以下およびＴｉ：２．０質量％以下から選択される1種または2種を含有する請求項６または７記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。
9. 前記強磁性鋼材を、非磁性部と、該非磁性部以外の部分である強磁性部とに分けるとき、前記強磁性部は、磁束密度Ｂ_３０が０．５Ｔ以上であり、鋼組織が、フェライト相を主体とする組織である請求項６、７または８記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。
10. 前記非磁性部は、最大透磁率が100以下であり、鋼組織が、オーステナイト相を主体とする組織である請求項６〜９のいずれか１項に記載の非磁性部を有する複合材料の製造方法。