JP4094583B2 - 非磁性部を有する複合材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(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。
(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。
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B30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。
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。
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。
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。
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(Ac3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μm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。
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。
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(Ac3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Ac3点が700℃以下の場合には、700℃とする。
Ac3(℃)=910−203√C+44.7Si+30Mn+11Cr−15.2Ni−400Al
+31.5Mo−400Ti
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。
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。
(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。
Claims (10)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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B30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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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B30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。
- 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。
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