JP4168342B2 - Steel material with high hardness and high magnetic properties and manufacturing method thereof - Google Patents

Steel material with high hardness and high magnetic properties and manufacturing method thereof Download PDF

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Description

本発明は高硬度高磁気特性鋼材及びその製造方法に関し、詳しくは、硬度が高く、かつ、飽和磁束密度や透磁率等の磁気特性が高い高硬度高磁気特性鋼材と、そのような高硬度高磁気特性鋼材を鋼材から製造する方法とに関する。本発明に係る高硬度高磁気特性鋼材は、例えば、ハイブリッド電気自動車や燃料電池自動車等の電気自動車用の駆動モータや他種モータの構成部品である鉄心等に供して好適である。   The present invention relates to a high hardness and high magnetic property steel material and a manufacturing method thereof, and more specifically, a high hardness and high magnetic property steel material having high hardness and high magnetic properties such as a saturation magnetic flux density and a permeability, and such a high hardness and high strength material. The present invention relates to a method of manufacturing magnetic property steel from steel. The steel material with high hardness and high magnetic properties according to the present invention is suitable for use in, for example, a drive motor for an electric vehicle such as a hybrid electric vehicle or a fuel cell vehicle, an iron core that is a component of another type of motor, or the like.

ハイブリッド電気自動車や燃料電池自動車等の電気自動車用の駆動モータは、ガソリンエンジン等の従来車におけるエンジンに替わる駆動機構の心臓部であり、この駆動モータの主構成部品たる鉄心には一般に電磁鋼板が用いられている。このため、鉄心用素材としての電磁鋼板は、駆動モータの小型軽量化や高効率化を図って駆動性能や燃費を改善する上で、重要な機能材料である。   A drive motor for an electric vehicle such as a hybrid electric vehicle or a fuel cell vehicle is the heart of a drive mechanism that replaces an engine in a conventional vehicle such as a gasoline engine, and an electromagnetic steel plate is generally used as an iron core as a main component of the drive motor. It is used. For this reason, the electromagnetic steel sheet as the iron core material is an important functional material for improving the drive performance and fuel efficiency by reducing the size and weight of the drive motor and increasing the efficiency.

また、他種モータにおいても、主構成部品たる鉄心用素材としての電磁鋼板に対しては、高機能が強く要求される。   Also, in other types of motors, high functionality is strongly required for the electromagnetic steel sheet as the core material as the main component.

このような電磁鋼板としては、一般に、鉄にケイ素を加え結晶方位の揃い方や磁区の幅をコントロールして磁気的性質を改良した、Fe−Si系の電磁鋼板が知られている。   As such an electrical steel sheet, an Fe—Si based electrical steel sheet in which silicon is added to iron to improve the magnetic properties by controlling the alignment of crystal orientation and the width of the magnetic domain is generally known.

一方、高い飽和磁束密度を有する磁性材料として、α''−Fe162 の超微細粉が知られている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, α ″ -Fe 16 N 2 ultrafine powder is known as a magnetic material having a high saturation magnetic flux density (see, for example, Patent Document 1).

このα''−Fe162 の超微細粉は、粒径20nm程度のα−Fe超微細粉を200°以下の温度でアンモニアガス等の窒素含有ガスと反応させることにより、直接合成することができる。こうして得られたα''−Fe162 の超微細粉は、bct構造(体心正方晶)をもつα''−Fe162 結晶の単一相からなり、高い飽和磁束密度(飽和磁化)を有するものとなる。 The α ″ -Fe 16 N 2 ultrafine powder is directly synthesized by reacting α-Fe ultrafine powder having a particle size of about 20 nm with a nitrogen-containing gas such as ammonia gas at a temperature of 200 ° or less. Can do. The ultrafine powder of α ″ -Fe 16 N 2 thus obtained is composed of a single phase of α ″ -Fe 16 N 2 crystal having a bct structure (body-centered tetragonal crystal), and has a high saturation magnetic flux density (saturation). Magnetization).

また、蒸着法、MBE法(分子エキタキシャル法)、イオン注入法、スパッタ法やアンモニア窒化法等を利用して、鉄板の表面にα''−Fe162 結晶相を薄膜として得る方法もある。
特開平11−340023号公報(第2頁)
Also, there is a method of obtaining an α ″ -Fe 16 N 2 crystal phase as a thin film on the surface of an iron plate by using a vapor deposition method, an MBE method (molecular epitaxial method), an ion implantation method, a sputtering method, an ammonia nitriding method, or the like. is there.
JP 11-340023 A (page 2)

ところで、モータの高効率化を図るためには、鉄心用素材としての電磁鋼板の飽和磁束密度を高めることが重要である。特に、電気自動車用の駆動モータに対する高効率化の要求は高く、電磁鋼板における飽和磁束密度のさらなる向上を図ることが強く求められている。   By the way, in order to increase the efficiency of the motor, it is important to increase the saturation magnetic flux density of the electromagnetic steel sheet as the iron core material. In particular, there is a high demand for high efficiency for a drive motor for an electric vehicle, and there is a strong demand for further improvement of the saturation magnetic flux density in the electromagnetic steel sheet.

しかし、その要求に十分に応えることができるほど十分に高い飽和磁束密度を発揮し得るFe−Si系の電磁鋼板は未だ開発されていない。   However, an Fe—Si based electrical steel sheet capable of exhibiting a sufficiently high saturation magnetic flux density that can sufficiently meet the demand has not been developed yet.

一方、上記従来のα''−Fe162 の超微細粉や鉄板表面に形成されるα''−Fe162 の薄膜を鉄心用素材に利用することも考えられるが、これらによっても電気自動車用駆動モータの高効率化の要求に十分に応えることができるほどの飽和磁束密度を発揮させることは困難と考えられる。 On the other hand, the above-mentioned conventional α ″ -Fe 16 N 2 ultrafine powder or α ″ -Fe 16 N 2 thin film formed on the surface of the iron plate may be used as an iron core material. It is considered difficult to exhibit a saturation magnetic flux density that can sufficiently meet the demand for higher efficiency of a drive motor for an electric vehicle.

すなわち、α''−Fe162 の超微細粉は、α''−Fe162 結晶の単一相からなるところ飽和磁束密度の向上を期待できるが、超微細粉形状であるがために比表面積が増大し、その分粉末表面の酸化被膜の影響を大きく受けるため、実際には十分に高い飽和磁束密度を発揮し得ないと考えられる。 That, alpha '' - ultrafine powders Fe 16 N 2 can, alpha '' - although Fe 16 N 2 can be expected to improve the saturation magnetic flux density at composed of a single phase of crystal, but since an ultra fine powder form Therefore, it is considered that a sufficiently high saturation magnetic flux density cannot actually be exhibited because the specific surface area increases and the influence of the oxide film on the powder surface is greatly affected.

また、薄膜としてα''−Fe162 の結晶相を得る場合は、鉄板の内部深くまで窒素を浸透させることが困難なため、表面から数十nm程度の深さまでしかα''−Fe162 結晶相の薄膜を形成することができず、やはり十分に高い飽和磁束密度を発揮し得ないと考えられる。 Further, when obtaining a crystalline phase of α ″ -Fe 16 N 2 as a thin film, it is difficult to penetrate nitrogen deep inside the iron plate, and therefore α ″ -Fe only to a depth of about several tens of nanometers from the surface. It is considered that a thin film having a 16 N 2 crystal phase cannot be formed, and that a sufficiently high saturation magnetic flux density cannot be exhibited.

他方、モータの小型化のためには、モータ回転数の増加が有利となる。このとき、電磁鋼板をモータのロータに用いる場合は、ロータが高速回転すればそのロータに作用する遠心力も大きくなるところ、ロータの破損等を防止するべくロータ強度を増大させる必要があり、したがってそのロータに用いる電磁鋼板も高硬度化を図る必要がある。   On the other hand, an increase in motor rotation speed is advantageous for miniaturization of the motor. At this time, when the electromagnetic steel plate is used for the rotor of the motor, if the rotor rotates at a high speed, the centrifugal force acting on the rotor also increases. Therefore, it is necessary to increase the rotor strength in order to prevent the rotor from being damaged. It is necessary to increase the hardness of the electromagnetic steel sheet used for the rotor.

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、飽和磁束密度及び硬度の向上を図ることのできる高磁気特性鋼材の製造方法並びに飽和磁束密度及び硬度を向上させた高磁気特性鋼材を提供することを解決すべき技術課題とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for producing a high magnetic property steel material capable of improving the saturation magnetic flux density and hardness, and a high magnetic property steel material having improved saturation magnetic flux density and hardness. This is a technical problem to be solved.

上記課題を解決する本発明の高硬度高磁気特性鋼材の製造方法は、鋼材の表面にショットピーニング処理を施すことにより、結晶粒径が10〜900nmの範囲内にある微細結晶粒よりなり厚さが100μm以上の微細結晶層を該鋼材の表面に形成する微細結晶化工程と、前記微細結晶層が形成された前記鋼材を所定の温度範囲で窒素含有ガスと反応させる窒化処理をすることにより、該微細結晶層を窒化してα''−Fe16を含み厚さが100μm以上の微細結晶窒化層とする窒化処理工程とを含むことを特徴とするものである。 The method of manufacturing a high hardness, high magnetic properties steel of the present invention for solving the above-mentioned problems, by performing shot peening on the surface of the steel material, such finer grain crystal grain size in the range of 10~900nm Riatsu A fine crystallization step of forming a fine crystal layer having a thickness of 100 μm or more on the surface of the steel material, and a nitriding treatment in which the steel material on which the fine crystal layer is formed is reacted with a nitrogen-containing gas within a predetermined temperature range , fine fine crystal layer by nitriding alpha '' - is characterized in that including a nitriding treatment step of the Fe 16 N 2 to unrealized thickness 100μm or more microcrystalline nitride layer.

この高磁気特性鋼材の製造方法では、鋼材の表面に予め所定のナノオーダーの微細結晶粒よりなる微細結晶層を形成し、それから所定の窒化処理をすることにより、微細結晶層が形成された範囲において窒素がより内部深くまで浸透し易くなり、窒化処理時の窒化深さを深くすることができる。このため、微細結晶化工程で所定のナノオーダーの微細結晶層を所定の厚さで形成するとともに、窒化処理工程で該微細結晶層が形成された深さまで窒化して該微細結晶層の全体をα''−Fe162 を含む微細結晶窒化層とするようにすれば、鋼材の内部深くまで飽和磁束密度等の磁気特性の高い窒化鉄としてα''−Fe162 を形成して厚さの厚い微細結晶窒化層とすることができる。したがって、飽和磁束密度及び硬度の向上を図ることが可能となる。 In this method of manufacturing a high magnetic property steel material, a range in which a fine crystal layer is formed by forming a fine crystal layer made of fine crystal grains of predetermined nano-order in advance on the surface of the steel material and then performing a predetermined nitriding treatment. In this case, nitrogen easily penetrates deeper into the interior, and the nitriding depth during nitriding can be increased. For this reason, a predetermined nano-order fine crystal layer is formed with a predetermined thickness in the fine crystallization process, and the entire fine crystal layer is nitrided to a depth at which the fine crystal layer is formed in the nitriding treatment process. alpha '' - if such a fine crystalline nitride layer containing Fe 16 N 2, as an internal deeply high iron nitride magnetic properties such as saturation magnetic flux density of the steel alpha '' - to form a Fe 16 N 2 A thick microcrystalline nitride layer can be formed. Therefore, the saturation magnetic flux density and hardness can be improved.

好適な態様において、前記ショットピーニング処理は、N:カバレージ(%)、D:ショット粒径(mm)、V:ショットの投射速度(m/sec)としたとき、N≧(3.8×107 )/(D×V2 )を満たすショット条件で行う。この態様によれば、鋼材の表面に前記微細結晶層を形成することができる。 In a preferred embodiment, when the shot peening process is N: coverage (%), D: shot particle size (mm), and V: shot projection speed (m / sec), N ≧ (3.8 × 10 7 ) Performed under shot conditions satisfying / (D × V 2 ). According to this aspect, the fine crystal layer can be formed on the surface of the steel material.

好適な態様において、前記ショットピーニング処理は、前記ショット粒径(D)が0.03〜3.5mmであり、かつ、前記ショットの投射速度(V)が50〜250m/secであるときに、カバレージ(N)が5000%以上となるショット条件で行う。   In a preferred embodiment, the shot peening treatment is performed when the shot particle size (D) is 0.03 to 3.5 mm and the shot projection speed (V) is 50 to 250 m / sec. The shot condition is such that the coverage (N) is 5000% or more.

好適な態様において、前記窒化処理工程では、150〜300℃の温度範囲で低温窒化処理する。この態様によれば、所定の温度範囲で低温窒化処理することにより、前記微細結晶層を窒化して直接、飽和磁束密度等の磁気特性の高いα''−Fe162 を形成することができる。 In a preferred embodiment, in the nitriding step, low temperature nitriding is performed in a temperature range of 150 to 300 ° C. According to this aspect, by performing nitriding at a low temperature in a predetermined temperature range, the fine crystal layer can be nitrided directly to form α ″ -Fe 16 N 2 having high magnetic properties such as saturation magnetic flux density. it can.

好適な態様において、前記微細結晶窒化層における飽和磁束密度(σs)が207emu/g以上である。   In a preferred embodiment, the saturation magnetic flux density (σs) in the fine crystal nitride layer is 207 emu / g or more.

上記課題を解決する本発明の高硬度高磁気特性鋼材は、結晶粒径が10〜900nmの範囲内にある微細結晶粒よりなり厚さが100μm以上の微細結晶層を窒化処理してなる、α''−Fe16を含み厚さが100μm以上の微細結晶窒化層を有することを特徴とするものである。 High hardness, high magnetic properties steel of the present invention for solving the problems is-than thickness finer crystal grains formed by nitriding the above fine crystalline layer 100μm with grain size in the range of 10~900Nm, α '' - Fe 16 N 2 with unrealized thickness is characterized in that it has a more fine crystal nitride layer 100 [mu] m.

好適な態様において、前記微細結晶窒化層における飽和磁束密度(σs)が207emu/g以上である。   In a preferred embodiment, the saturation magnetic flux density (σs) in the fine crystal nitride layer is 207 emu / g or more.

本発明に係る高硬度高磁気特性鋼材の製造方法は、微細結晶化工程と、窒化処理工程とを含む。   The manufacturing method of the high hardness and high magnetic property steel material according to the present invention includes a fine crystallization process and a nitriding process.

前記微細結晶化工程では、鋼材の表面にショットピーニング処理を施すことにより、結晶粒径が10〜900nmの範囲内にある微細結晶粒よりなり厚さが100μm以上の微細結晶層を該鋼材の表面に形成する。そして、その後に行う前記窒化処理工程では、前記微細結晶層が形成された前記鋼材を所定の温度範囲で窒素含有ガスと反応させる窒化処理をすることにより、該微細結晶層を窒化してα''−Fe16を含み厚さが100μm以上の微細結晶窒化層とする。 In the fine crystallization step, by performing shot peening on the surface of the steel material, the crystal grain size in the range-than thickness finer crystal grains within the 10~900nm is steel material of the above fine crystalline layer 100μm Form on the surface. In the subsequent nitriding step, the steel material on which the fine crystal layer is formed is nitrided by reacting the steel material with a nitrogen-containing gas in a predetermined temperature range, thereby nitriding the fine crystal layer to α ′ '-Fe 16 N 2 the unrealized thickness to 100μm or more microcrystalline nitride layer.

このように、まず所定のナノオーダー(10〜900nm)の結晶粒径をもつ微細結晶粒よりなる微細結晶層を鋼材の表面に形成し、その後所定の窒化処理をすることにより、前記微細結晶層が形成されている深さまで窒素が容易に浸透し、微細結晶層をα''−Fe162 を含む微細結晶窒化層とすることができる。このため、前記微細結晶層を所定の厚さで形成しておくことにより、所定の厚さの前記微細結晶窒化層を形成することができる。したがって、微細結晶層の厚さを厚くすることにより、窒化深さを深くして微細結晶窒化層の厚さを厚くすることができ、鋼材のより内部にまでα''−Fe162 を形成することが可能となる。よって、飽和磁束密度等の磁気特性の高いα''−Fe162 を含む微細結晶窒化層により発揮されうる磁気特性のさらなる向上を図ることが可能となる。具体的には、飽和磁束密度(σs)及び透磁率(μ)のさらなる向上を図ることができ、かつ、保磁力の低下を図ることができる。また、微細結晶窒化層が厚くなれば、その分硬度も向上させることが可能となる。 In this way, first, a fine crystal layer composed of fine crystal grains having a predetermined nano-order (10 to 900 nm) crystal grain size is formed on the surface of the steel material, and then subjected to a predetermined nitriding treatment, whereby the fine crystal layer is formed. Nitrogen easily penetrates to the depth where the film is formed, and the fine crystal layer can be a fine crystal nitride layer containing α ″ -Fe 16 N 2 . Therefore, by forming the fine crystal layer with a predetermined thickness, the fine crystal nitride layer with a predetermined thickness can be formed. Therefore, by increasing the thickness of the fine crystal layer, the nitridation depth can be increased to increase the thickness of the fine crystal nitride layer, and α ″ -Fe 16 N 2 can be further introduced into the steel. It becomes possible to form. Therefore, it is possible to further improve the magnetic characteristics that can be exhibited by the microcrystalline nitride layer containing α ″ -Fe 16 N 2 having high magnetic characteristics such as saturation magnetic flux density. Specifically, the saturation magnetic flux density (σs) and the magnetic permeability (μ) can be further improved, and the coercive force can be reduced. Further, if the fine crystal nitride layer becomes thicker, the hardness can be improved accordingly.

ここに、前記ナノオーダーの結晶粒径をもつ微細結晶粒よりなる微細結晶層で窒素の浸透性(拡散性)が向上するのは、結晶粒界が多く存在することにより窒素が内部に拡散し易くなるためと考えられる。また、微細結晶窒化層の厚さが厚くなると磁気特性が向上するのは、飽和磁束密度の高いα''−Fe162 窒化物量が増大するためと考えられる。さらに、微細結晶窒化層の厚さが厚くなると硬度が向上するのは、微細結晶窒化層が厚くなれば硬度上昇に寄与する窒化物量が増大するためと考えられる。 Here, the permeability (diffusibility) of nitrogen is improved in the fine crystal layer composed of fine crystal grains having a nano-order crystal grain size because nitrogen diffuses inside due to the existence of many crystal grain boundaries. This is thought to be easier. The reason why the magnetic characteristics are improved as the thickness of the fine crystal nitride layer is increased is that the amount of α ″ -Fe 16 N 2 nitride having a high saturation magnetic flux density is increased. Further, it is considered that the hardness is improved when the thickness of the fine crystal nitride layer is increased because the nitride amount contributing to the increase in hardness is increased as the thickness of the fine crystal nitride layer is increased.

前記鋼材としては特に限定されず、例えば、C、Si、Mn、PやS等の不純物元素を合計で1wt%程度以下含むFe材とすることができる。   The steel material is not particularly limited. For example, the steel material may be an Fe material containing a total of about 1 wt% or less of impurity elements such as C, Si, Mn, P, and S.

ショットピーニング処理によれば、ショットの連続した衝突により鋼材の表面(被ショット面)が繰り返し塑性変形する。このため、所定のショット条件でショットピーニング処理することにより、被ショット面の表面層の金属組織を微細化することができ、前記ナノオーダーの結晶粒径をもつ微細結晶粒よりなる微細結晶層を鋼材表面に形成することが可能となる。   According to the shot peening process, the surface of the steel material (shot surface) is repeatedly plastically deformed by continuous collision of shots. For this reason, by performing shot peening treatment under predetermined shot conditions, the metallographic structure of the surface layer of the shot surface can be refined, and a fine crystal layer composed of fine crystal grains having a nano-order crystal grain size is formed. It becomes possible to form on the steel material surface.

前記ショットピーニング処理は、N:カバレージ(%)、D:ショット粒径(mm)、V:ショットの投射速度(m/sec)としたとき、N≧(3.8×107 )/(D×V2 )を満たすショット条件で行うことが好ましい。 In the shot peening process, N ≧ (3.8 × 10 7 ) / (D, where N is coverage (%), D is shot particle size (mm), and V is shot projection speed (m / sec). It is preferable to carry out under shot conditions satisfying × V 2 ).

カバレージ(N)は、ショット度合いを示し、鋼材の被ショット面の全体を均一に満遍なくショットした状態が100%とされる。このカバレージ(N)の値が大きいほど、また、ショット粒径(D)及びショットの投射速度(V)の値が大きいほど、被ショット面の単位面積当たりにショットにより付与されるエネルギが大きくなる。そして、被ショット面における単位面積当たりのショットエネルギが大きくなるほど、該被ショット面における表面層の金属組織をより微細化することができる。このため、カバレージ(N)が、N≧(3.8×107 )/(D×V2 )を満たすショット条件でショットピーニング処理を行うことにより、被ショット面における単位面積当たりのショットエネルギを所定値以上として、該被ショット面の表面層の金属組織を所定量微細化して、所定のナノオーダー(10〜900nm)の結晶粒径をもつ微細結晶粒よりなる微細結晶層を所定の厚さで鋼材表面に好適に形成することができる。 Coverage (N) indicates the degree of shot, and the entire shot surface of the steel material shot uniformly and uniformly is defined as 100%. The larger the coverage (N) value and the larger the shot particle size (D) and shot projection speed (V), the greater the energy applied by the shot per unit area of the shot surface. . As the shot energy per unit area on the shot surface increases, the metallographic structure of the surface layer on the shot surface can be further refined. For this reason, the shot energy per unit area on the shot surface is reduced by performing the shot peening process under the shot condition where the coverage (N) satisfies N ≧ (3.8 × 10 7 ) / (D × V 2 ). When the surface structure of the shot surface is set to a predetermined value or more, the metal structure of the surface layer is refined by a predetermined amount, and a fine crystal layer made of fine crystal grains having a crystal grain size of a predetermined nano order (10 to 900 nm) has a predetermined thickness. It can be suitably formed on the steel surface.

前記ショットピーニング処理は、前記ショット粒径(D)が0.03〜3.5mm(好ましくは0.1〜3mm)であり、かつ、前記ショットの投射速度(V)が50〜250m/sec(好ましくは100〜200m/sec)であるときに、カバレージ(N)が5000%以上となるショット条件で行うことが好ましく、カバレージ(N)が8000%以上となるショット条件で行うことがより好ましく、特に好ましくはカバレージ(N)が18000%以上となるショット条件で行うことである。カバレージ(N)の値を大きくするほど、被ショット面における表面層の金属組織をより微細化して微細結晶層の厚さをより厚くすることができる。カバレージ(N)が5000%以上となるショット条件でショットピーニング処理することにより、微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限を900nmとして該微細結晶層の厚さを約100μm以上とすることができる。また、カバレージ(N)が8000%以上となるショット条件でショットピーニング処理することにより、微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限を約650nmとして該微細結晶層の厚さを約130μm以上とすることができ、カバレージ(N)が18000%以上となるショット条件でショットピーニング処理することにより、微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限を約300nmとして該微細結晶層の厚さを約200μm以上とすることができる。なお、カバレージ(N)が20000%を超えると、被ショット面の硬度がかえって低下することがあるため、カバレージ(N)の上限は20000%程度とすることができる。   In the shot peening treatment, the shot particle size (D) is 0.03 to 3.5 mm (preferably 0.1 to 3 mm), and the shot projection speed (V) is 50 to 250 m / sec ( Preferably, it is performed under a shot condition where the coverage (N) is 5000% or more when it is preferably 100 to 200 m / sec), more preferably performed under a shot condition where the coverage (N) is 8000% or more, Particularly preferably, it is performed under a shot condition where the coverage (N) is 18000% or more. As the value of coverage (N) is increased, the metallographic structure of the surface layer on the shot surface can be further refined and the thickness of the fine crystal layer can be increased. By performing shot peening under a shot condition where the coverage (N) is 5000% or more, the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer is 900 nm, and the thickness of the fine crystal layer is about 100 μm or more. Can do. Further, by performing shot peening treatment under a shot condition where the coverage (N) is 8000% or more, the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer is about 650 nm, and the thickness of the fine crystal layer is about 130 μm or more. The upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer is set to about 300 nm by performing shot peening under a shot condition where the coverage (N) is 18000% or more, and the thickness of the fine crystal layer is Can be about 200 μm or more. Note that, when the coverage (N) exceeds 20000%, the hardness of the shot surface may be lowered, so the upper limit of the coverage (N) can be about 20000%.

なお、前記ショットピーニング処理においては、投射圧は0.3〜0.5MPa程度とすることができる。また、ショット粒の種類(材質)も特に制限はなく、前記鋼材と同等又はそれ以上の硬さを有するもの、具体的にはHV600以上の炭素鋼や合金鋼等を採用することができる。   In the shot peening process, the projection pressure can be about 0.3 to 0.5 MPa. Also, the type (material) of the shot grain is not particularly limited, and those having hardness equal to or higher than that of the steel material, specifically, carbon steel of HV600 or higher, alloy steel, or the like can be adopted.

また、前記ショットピーニング処理において、ショット粒径(D)、ショットの投射速度(V)及びカバレージ(N)のうちの少なくとも一つを変化させたり、あるいはショット時間を変化させたりすることにより、鋼材の表面に形成される微細結晶層の厚さや結晶粒径の大きさを調整することができる。   In the shot peening process, by changing at least one of the shot particle size (D), the shot projection speed (V) and the coverage (N), or changing the shot time, the steel material The thickness of the fine crystal layer formed on the surface and the crystal grain size can be adjusted.

ここに、前記微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径を小さくできる条件でショットピーニング処理等するほど、この微細結晶層の厚さを厚くすることができ、したがって微細結晶層を窒化した微細結晶窒化層の厚さを厚くすることができる。また、α''−Fe162 を含む微細結晶窒化層の厚さが厚くなれば、磁気特性及び硬度を向上させるのに有利となる。 Here, as the shot peening treatment is performed under the condition that the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer can be reduced, the thickness of the fine crystal layer can be increased, and thus the fine crystal obtained by nitriding the fine crystal layer. The thickness of the nitride layer can be increased. Further, if the thickness of the fine crystal nitride layer containing α ″ -Fe 16 N 2 is increased, it is advantageous for improving the magnetic properties and hardness.

そして、本発明者の実験により、微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限を900nmとすることにより、微細結晶層の厚さを100μm以上として微細結晶窒化層の厚さ(窒化深さ)を100μm以上とすることができ、かつ、α''−Fe162 を含む微細結晶窒化層の厚さ(窒化深さ)を100μm以上とすることにより、磁気特性及び硬度を効果的に向上させうることが判明した。 According to the experiments by the present inventors, the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer is set to 900 nm, thereby setting the thickness of the fine crystal nitride layer to 100 μm or more (the nitridation depth). ) Can be set to 100 μm or more, and the thickness (nitridation depth) of the fine crystal nitride layer containing α ″ -Fe 16 N 2 is set to 100 μm or more, thereby effectively improving the magnetic properties and hardness. It has been found that it can be improved.

そこで、本発明では、前記微細結晶層における前記微細結晶粒の結晶粒径の上限を900nmとしている。このように微細結晶粒の結晶粒径の上限を900nmとすることで、前述のとおり、微細結晶窒化層の深さを約100μm以上とすることができ、磁気特性及び硬度を効果的に向上させることが可能となる。   Therefore, in the present invention, the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer is set to 900 nm. Thus, by setting the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains to 900 nm, as described above, the depth of the fine crystal nitride layer can be about 100 μm or more, and the magnetic characteristics and hardness are effectively improved. It becomes possible.

また、α''−Fe162 を含む微細結晶窒化層の厚さが厚くなれば、磁気特性及び硬度を向上させるのに有利となることから、微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限を約650nmとして微細結晶窒化層の厚さを約130μm以上とすることが好ましく、また、微細結晶粒の結晶粒径の上限を約300nmとして微細結晶窒化層の厚さを約200μm以上とすることがより好ましい。 In addition, if the thickness of the fine crystal nitride layer containing α ″ -Fe 16 N 2 is increased, it is advantageous to improve the magnetic properties and hardness. Therefore, the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer Is preferably about 650 nm and the thickness of the fine crystal nitride layer is preferably about 130 μm or more, and the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains is about 300 nm and the thickness of the fine crystal nitride layer is about 200 μm or more. More preferably.

なお、前記微細結晶化工程では、前記鋼材の厚さ方向の全体に前記微細結晶層を形成してもよいし、前記鋼材の表面部分のみに前記微細結晶層を形成してもよい。   In the fine crystallization step, the fine crystal layer may be formed over the entire thickness direction of the steel material, or the fine crystal layer may be formed only on the surface portion of the steel material.

また、微細結晶層の厚さ(微細結晶窒化層の厚さ)については、形成可能な範囲でできるだけ厚くすることが好ましいが、形成可能な上限は300μm程度である。   In addition, the thickness of the fine crystal layer (thickness of the fine crystal nitride layer) is preferably as thick as possible within the range in which it can be formed, but the upper limit that can be formed is about 300 μm.

前記窒化処理工程では、前記微細結晶層が形成された前記鋼材を所定の温度範囲で窒素含有ガス(例えば、アンモニアの単独ガスやアンモニアガスと他のガス(COやCO2 )との混合ガス)と反応させる窒化処理をすることにより、該微細結晶層を窒化してα''−Fe162 を含む微細結晶窒化層とする。この窒化処理工程では、前記微細結晶層の全体を窒化処理することにより、微細結晶層の厚さに相当する厚さをもつ微細結晶窒化層とすることが好ましい。 In the nitriding treatment step, the steel material on which the fine crystal layer is formed is nitrogen-containing gas (for example, a single gas of ammonia or a mixed gas of ammonia gas and other gas (CO or CO 2 )) within a predetermined temperature range. The fine crystal layer is nitrided to form a fine crystal nitride layer containing α ″ -Fe 16 N 2 by performing nitriding treatment to react with. In this nitriding treatment step, it is preferable to form a fine crystal nitride layer having a thickness corresponding to the thickness of the fine crystal layer by nitriding the entire fine crystal layer.

この窒化処理工程では、150〜300℃の温度範囲で低温窒化処理することが好ましい。150〜300℃の温度範囲で低温窒化処理することにより、前記微細結晶層を窒化して直接、飽和磁束密度等の磁気特性の高いα''−Fe162 を形成することができ、α''−Fe162 を含む微細結晶窒化層を容易に形成することが可能となる。300℃を超える温度で窒化処理すると、α''−Fe162 ではなくてFe2 NやFe3 N等の窒化物となり、α''−Fe162 による磁気特性の向上を図れない。一方、150℃より低い温度で窒化処理すると窒化物自体が形成されず、磁気特性及び硬度の向上を図れない。また、低温窒化処理における窒化処理時間は、飽和磁束密度等の磁気特性及び硬度に影響を与える。この低温窒化処理時間としては、40〜200時間程度とすることが好ましい。このように低温窒化処理すると、直接α''−Fe162 窒化物を形成することができるので、α''−Fe162 窒化物を形成するために焼き戻し処理が必要な後述する窒化熱処理と比較して、処理工程を少なくすることができる点で有利となる。 In this nitriding process, it is preferable to perform low-temperature nitriding in a temperature range of 150 to 300 ° C. By performing low-temperature nitriding in a temperature range of 150 to 300 ° C., the fine crystal layer can be directly nitrided to directly form α ″ -Fe 16 N 2 having high magnetic properties such as saturation magnetic flux density. It becomes possible to easily form a fine crystal nitride layer containing ″ -Fe 16 N 2 . If the temperature in the nitriding treatment in excess of 300 ℃, α '' - becomes nitrides such as Fe 2 N and Fe 3 N rather than Fe 16 N 2, α '' - it can not be achieved an improvement of magnetic properties by Fe 16 N 2 . On the other hand, if nitriding is performed at a temperature lower than 150 ° C., the nitride itself is not formed, and the magnetic characteristics and hardness cannot be improved. Further, the nitriding time in the low temperature nitriding treatment affects the magnetic characteristics such as saturation magnetic flux density and the hardness. The low-temperature nitriding treatment time is preferably about 40 to 200 hours. With this process low temperature nitriding, direct alpha '' - it is possible to form the Fe 16 N 2 nitride, alpha '' - later need tempering to form the Fe 16 N 2 nitride Compared with the nitriding heat treatment, it is advantageous in that the number of processing steps can be reduced.

なお、前記窒化処理工程では、500〜600℃程度の高温域で5〜10時間程度保持して窒素含有ガスと反応させた後、100〜200℃程度で1〜200時間程度保持する焼戻し処理をする窒化熱処理をしてもよい。   In the nitriding treatment step, a tempering treatment is performed in which a reaction is performed with a nitrogen-containing gas at a high temperature range of about 500 to 600 ° C. for about 5 to 10 hours, and then for about 1 to 200 hours at 100 to 200 ° C. A nitriding heat treatment may be performed.

このように微細結晶化工程及び窒化処理工程を経ることにより、微細結晶窒化層における飽和磁束密度(σs)を207emu/g以上(より好ましくは210emu/g以上)、透磁率(μ)を52以上(より好ましくは60以上)、保磁力(Hc)を12Oe以下(より好ましくは10Oe以下)とし、かつ、微細結晶窒化層における硬度を700mHV以上とすることができ、したがって飽和磁束密度(σs)が207emu/g以上(より好ましくは210emu/g以上)、透磁率(μ)が52以上(より好ましくは60以上)、保磁力(Hc)が12Oe以下(より好ましくは10Oe以下)の高磁気特性で、かつ、硬度が680mHV以上(より好ましくは700mHV以上)の高硬度である高硬度高磁気特性鋼材を得ることが可能となる。   Thus, through the fine crystallization process and the nitriding treatment process, the saturation magnetic flux density (σs) in the fine crystal nitride layer is 207 emu / g or more (more preferably 210 emu / g or more), and the magnetic permeability (μ) is 52 or more. (More preferably 60 or more), the coercive force (Hc) can be 12 Oe or less (more preferably 10 Oe or less), and the hardness of the microcrystalline nitride layer can be 700 mHV or more, so that the saturation magnetic flux density (σs) is High magnetic properties of 207 emu / g or more (more preferably 210 emu / g or more), permeability (μ) of 52 or more (more preferably 60 or more), and coercive force (Hc) of 12 Oe or less (more preferably 10 Oe or less). And obtaining a high hardness and high magnetic property steel having a hardness of 680 mHV or more (more preferably 700 mHV or more). The ability.

こうして得られた高硬度高磁気特性鋼材は、例えば、ハイブリッド電気自動車や燃料電池自動車等の電気自動車用の駆動モータや他種モータの構成部品である鉄心等に好適に供することができる。   The steel material having high hardness and high magnetic properties thus obtained can be suitably used for, for example, a drive motor for an electric vehicle such as a hybrid electric vehicle or a fuel cell vehicle, an iron core which is a component of another type of motor, or the like.

以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not limited to these.

(実施例1)
図1は本実施例に係る高硬度高磁気特性鋼材の製造方法を模式的に示す工程図であり、この製造方法は微細結晶化工程と窒化処理工程と切断工程とからなる。
(Example 1)
FIG. 1 is a process diagram schematically showing a method of manufacturing a steel material having high hardness and high magnetic properties according to the present embodiment. This manufacturing method includes a fine crystallization process, a nitriding process, and a cutting process.

<微細結晶化工程>
鋼材1として、C、Si、Mn、P及びSの不純物元素を合計で0.05wt%含み残部Feよりなるものを準備した。なお、この鋼材1の形状及び寸法は、厚さが1mmの薄板(30mm×30mm)である。
<Fine crystallization process>
As the steel material 1, a material containing 0.05 wt% of total impurity elements of C, Si, Mn, P, and S and the balance being Fe was prepared. In addition, the shape and dimension of this steel material 1 are thin plates (30 mm × 30 mm) having a thickness of 1 mm.

そして、この鋼材1の表面に、カバレージが18000%となる以下に示すショット条件で、ショットピーニング処理を施して、結晶粒径が100〜300nmの範囲内にあり、平均結晶粒径が200nmである微細結晶粒よりなる厚さ200μmの微細結晶層1aを該鋼材1の表面に形成した(図2(a)参照)。   Then, the surface of the steel material 1 is subjected to shot peening under the following shot conditions where the coverage is 18000%, the crystal grain size is in the range of 100 to 300 nm, and the average crystal grain size is 200 nm. A fine crystal layer 1a composed of fine crystal grains and having a thickness of 200 μm was formed on the surface of the steel material 1 (see FIG. 2A).

ショット粒の種類 :炭素鋼
ショット粒の硬さ :HV800
ショット粒径 :1.1mm
ショットの投射速度 :100m/sec
カバレージ :18000%
<窒化処理工程>
次に、前記微細結晶層1aが形成された前記鋼材1を以下に示す条件で窒素含有ガスと反応させる低温窒化処理をすることにより、該微細結晶層1aの全体を窒化して厚さ200μmのα''−Fe162 よりなる微細結晶窒化層1bとした(図2(b)参照)。
Shot grain type: Carbon steel Shot grain hardness: HV800
Shot particle size: 1.1mm
Shot projection speed: 100 m / sec
Coverage: 18000%
<Nitriding process>
Next, the steel material 1 on which the fine crystal layer 1a is formed is subjected to a low-temperature nitriding treatment in which the steel material 1 is reacted with a nitrogen-containing gas under the following conditions, so that the entire fine crystal layer 1a is nitrided to have a thickness of 200 μm. A microcrystalline nitride layer 1b made of α ″ -Fe 16 N 2 was formed (see FIG. 2B).

窒化温度 :150℃
窒化時間 :100時間
窒素含有ガス:NH3 ガス
<切断工程>
前記微細結晶窒化層1bが形成された前記鋼材1から該微細結晶窒化層1bの部分だけを切り離すように断面を切断して、微細結晶窒化層1bのみからなる厚さ200μmの高硬度高磁気特性鋼材10を製造した(図2(c)参照)。
Nitriding temperature: 150 ° C
Nitriding time: 100 hours Nitrogen-containing gas: NH 3 gas <Cutting step>
The steel material 1 on which the fine crystal nitride layer 1b is formed is cut in cross section so as to cut only the portion of the fine crystal nitride layer 1b, and has a high hardness and high magnetic properties of 200 μm in thickness consisting only of the fine crystal nitride layer 1b. A steel material 10 was manufactured (see FIG. 2C).

得られた高硬度高磁気特性鋼材10からサンプルを切り出し、X線回折装置により微細結晶窒化層1bにおける結晶相を調べた結果、α''−Fe162 の単一結晶相であった。 A sample was cut out from the obtained high hardness and high magnetic property steel material 10, and the crystal phase in the fine crystal nitrided layer 1b was examined by an X-ray diffractometer. As a result, it was a single crystal phase of α ″ -Fe 16 N 2 .

(比較例1)
<微細結晶化工程>
前記実施例1と同様の鋼材1の表面に、カバレージが3000%となる以下に示すショット条件で、ショットピーニング処理を施して、結晶粒径が500〜1000nmの範囲内にあり平均結晶粒径が700nmである微細結晶粒よりなる厚さ65μmの微細結晶層を該鋼材1の表面に形成した。
(Comparative Example 1)
<Fine crystallization process>
The surface of the same steel material 1 as in Example 1 is subjected to shot peening treatment under the following shot conditions where the coverage is 3000%, the crystal grain size is in the range of 500 to 1000 nm, and the average crystal grain size is A fine crystal layer having a thickness of 65 μm composed of fine crystal grains of 700 nm was formed on the surface of the steel material 1.

ショット粒の種類 :炭素鋼
ショット粒の硬さ :HV700
ショット粒径 :1.1mm
ショットの投射速度 :100m/sec
カバレージ :3000%
<窒化処理工程>
次に、前記微細結晶層が形成された前記鋼材1を前記実施例1と同様の条件で低温窒化処理をすることにより、該微細結晶層の全体を窒化して厚さ65μmの微細結晶窒化層とした。
Shot grain type: Carbon steel Shot grain hardness: HV700
Shot particle size: 1.1mm
Shot projection speed: 100 m / sec
Coverage: 3000%
<Nitriding process>
Next, the steel material 1 on which the fine crystal layer is formed is subjected to low-temperature nitriding treatment under the same conditions as in the first embodiment, so that the entire fine crystal layer is nitrided to give a fine crystal nitride layer having a thickness of 65 μm. It was.

<切断工程>
前記微細結晶窒化層が形成された前記鋼材1から該微細結晶窒化層の部分だけを切り離すように断面を切断して、微細結晶窒化層のみからなる厚さ65μmの磁気特性鋼材を製造した。
<Cutting process>
A cross-section was cut from the steel material 1 on which the fine crystal nitrided layer was formed so as to separate only the portion of the fine crystal nitrided layer, thereby producing a magnetic property steel material having a thickness of 65 μm consisting of only the fine crystal nitrided layer.

(磁気特性及び硬度の評価)
実施例1で得られた高硬度高磁気特性鋼材10及び比較例1で得られた磁気特性鋼材について、飽和磁束密度(σs)、保磁力(Hc)及び透磁率(μ)の磁気特性並びにビッカース硬さをそれぞれ測定した。また、前記ショットピーニング処理後の鋼材1の表面(微細結晶層が形成された被ショット面)からサンプルを切り出し、そのサンプルの断面を電子顕微鏡で観察することにより、微細結晶層の結晶粒径を測定した。その結果を表1及び図3に示す。なお、磁気特性の測定は、振動試料型磁力計により行った。
(Evaluation of magnetic properties and hardness)
About the high hardness and high magnetic property steel material 10 obtained in Example 1 and the magnetic property steel material obtained in Comparative Example 1, the magnetic properties of the saturation magnetic flux density (σs), the coercive force (Hc), and the magnetic permeability (μ), and Vickers. Each hardness was measured. In addition, a sample is cut out from the surface of the steel material 1 after the shot peening treatment (the shot surface on which the fine crystal layer is formed), and the cross section of the sample is observed with an electron microscope, thereby reducing the crystal grain size of the fine crystal layer. It was measured. The results are shown in Table 1 and FIG. The magnetic properties were measured using a vibrating sample magnetometer.

Figure 0004168342
Figure 0004168342

表1から明らかなように、本実施例1の高硬度高磁気特性鋼材10は、比較例1で得られた磁気特性鋼材と比べて、飽和磁束密度及び透磁率が上昇する一方、保磁力が低下し、かつ硬度が上昇していることがわかる。   As is clear from Table 1, the high hardness and high magnetic property steel material 10 of Example 1 has a higher saturation magnetic flux density and permeability than the magnetic property steel material obtained in Comparative Example 1, while having a coercive force. It can be seen that the hardness decreases and the hardness increases.

また図3より、ショットピーニング処理時のカバレージを5000%以上とすることにより、微細結晶窒化層1bにおける飽和磁束密度(σs)を207emu/g以上、透磁率(μ)を52以上、保磁力(Hc)を12Oe以下にすることができ、このような磁気特性を有する高硬度高磁気特性鋼材を製造できることがわかる。   Further, from FIG. 3, by setting the coverage during the shot peening process to 5000% or more, the saturation magnetic flux density (σs) in the microcrystalline nitride layer 1b is 207 emu / g or more, the magnetic permeability (μ) is 52 or more, and the coercive force ( It can be seen that Hc) can be set to 12 Oe or less, and a high hardness and high magnetic property steel material having such magnetic properties can be manufactured.

(カバレージと硬度との関係)
前記実施例1の微細結晶化工程において、ショットピーニング時間を種々変更することによりカバレージを種々変更してショットピーニング処理し、カバレージとビッカース硬さ及び均質性との関係を調べた。その結果を図4に示す。なお、均質性とは、表面に形成されたナノ結晶粒の被覆比のことである。
(Relationship between coverage and hardness)
In the fine crystallization process of Example 1, the shot peening treatment was performed by changing the shot peening time in various ways, and the relationship between the coverage, the Vickers hardness and the homogeneity was examined. The result is shown in FIG. The homogeneity is a coating ratio of nanocrystal grains formed on the surface.

図4より、カバレージが低いと、硬さ及び均質性が共に低いことがわかる。また、ショットピーニング処理時のカバレージを5000%以上とすることにより、微細結晶窒化層1bにおけるビッカース硬さを680mHV以上とすることができ、このような硬度の高い高硬度高磁気特性鋼材を製造できることがわかる。   FIG. 4 shows that both the hardness and the homogeneity are low when the coverage is low. Further, by setting the coverage at the time of shot peening to 5000% or more, the Vickers hardness in the fine crystal nitrided layer 1b can be set to 680 mHV or more, and such a high hardness and high magnetic property steel can be manufactured. I understand.

(カバレージと微細結晶層の結晶粒径及び窒化深さとの関係)
前記実施例1の微細結晶化工程において、ショットピーニング時間を種々変更することによりカバレージを種々変更してショットピーニング処理し、カバレージと窒化深さ(すなわち、微細結晶窒化層1bの厚さ(微細結晶層1aの厚さに等しい))との関係、及び微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限と窒化深さ(すなわち、微細結晶窒化層1bの厚さ(微細結晶層1aの厚さに等しい))との関係を調べた。その結果を図5及び図6に示す。なお、図5及び図6においては横軸に常用対数を目盛っている。
(Relationship between coverage and crystal grain size and nitriding depth of fine crystal layer)
In the fine crystallization process of the first embodiment, the shot peening process is performed by changing the shot peening time in various ways to change the coverage and the nitriding depth (that is, the thickness of the fine crystal nitride layer 1b (the fine crystal And the upper limit of the crystal grain size and the nitriding depth of the fine crystal grains in the fine crystal layer (that is, the thickness of the fine crystal nitride layer 1b (the thickness of the fine crystal layer 1a) Is equal to))). The results are shown in FIGS. In FIG. 5 and FIG. 6, the common logarithm is graduated on the horizontal axis.

図5及び図6より、ショットピーニング処理時のカバレージを5000%以上とすることにより、微細結晶層1aにおける微細結晶粒の結晶粒径の上限を900nmとして、窒化深さ(微細結晶窒化層1bの厚さ)を100μm以上とすることができることがわかる。また、ショットピーニング処理時のカバレージを18000%とすることにより、微細結晶層1aにおける微細結晶粒の結晶粒径の上限を約300nmとして、窒化深さ(微細結晶窒化層1bの厚さ)を約200μmとすることができることがわかる。   5 and 6, by setting the coverage during the shot peening process to 5000% or more, the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer 1a is set to 900 nm, and the nitridation depth (of the fine crystal nitride layer 1b) is set. It can be seen that (thickness) can be 100 μm or more. Further, by setting the coverage during the shot peening process to 18000%, the upper limit of the crystal grain size of the fine crystal grains in the fine crystal layer 1a is set to about 300 nm, and the nitridation depth (thickness of the fine crystal nitride layer 1b) is set to about It can be seen that the thickness can be 200 μm.

(低温窒化時間と磁気特性との関係)
前記実施例1の窒化処理工程において、窒化時間を種々変更して低温窒化処理することにより、低温窒化時間と磁気特性との関係を調べた。その結果を図7に示す。
(Relationship between low temperature nitriding time and magnetic properties)
In the nitriding process of Example 1, the relationship between the low-temperature nitriding time and the magnetic characteristics was examined by variously changing the nitriding time and performing low-temperature nitriding. The result is shown in FIG.

図7より、低温窒化時間が30時間以上になると飽和磁束密度(σs)が急上昇して45時間で最高値となり、低温窒化時間が45時間を超えると飽和磁束密度(σs)が少しずつ低下した。このため、低温窒化時間は、40時間以上(より好ましくは45時間以上)とすることが好ましく、200時間以下とすることが好ましい。   From FIG. 7, when the low temperature nitridation time exceeds 30 hours, the saturation magnetic flux density (σs) rapidly increases and reaches the maximum value at 45 hours, and when the low temperature nitridation time exceeds 45 hours, the saturation magnetic flux density (σs) gradually decreases. . For this reason, the low temperature nitriding time is preferably 40 hours or more (more preferably 45 hours or more), and preferably 200 hours or less.

(実施例2)
本実施例は、窒化温度を600℃に変更すること等、窒化処理工程を変更すること以外は前記実施例1と同様である。
(Example 2)
This example is the same as Example 1 except that the nitriding process is changed, such as changing the nitriding temperature to 600 ° C.

<微細結晶化工程>
前記実施例1と同様の鋼材1の表面に、カバレージが18000%となる前記実施例1と同様のショット条件でショットピーニング処理を施して、前記実施例1と同様、厚さ200μmの微細結晶層1aを該鋼材1の表面に形成した。
<Fine crystallization process>
The surface of the same steel material 1 as in Example 1 is subjected to shot peening treatment under the same shot conditions as in Example 1 with a coverage of 18000%, and as in Example 1, a fine crystal layer having a thickness of 200 μm 1 a was formed on the surface of the steel material 1.

<窒化処理工程>
次に、前記微細結晶層1aが形成された前記鋼材1に対して、以下に示す条件で、窒化及び焼戻し処理をする窒化熱処理をすることにより、該微細結晶層1aの全体を窒化して厚さ200μmのα''−Fe162 よりなる微細結晶窒化層1bとした。なお、窒化処理後は急冷(水冷+サブゼロ処理)した後に、焼戻し処理をした。
<Nitriding process>
Next, the steel material 1 on which the fine crystal layer 1a is formed is subjected to nitriding heat treatment for nitriding and tempering under the following conditions, thereby nitriding and thickening the entire fine crystal layer 1a. A microcrystalline nitride layer 1b made of α ″ -Fe 16 N 2 having a thickness of 200 μm was formed. In addition, after the nitriding treatment, tempering treatment was performed after rapid cooling (water cooling + sub-zero treatment).

窒化温度 :600℃
窒化時間 :6時間
窒素含有ガス:NH3 ガス
焼戻し条件 :150℃×100時間
<切断工程>
前記微細結晶窒化層1bが形成された前記鋼材1から該微細結晶窒化層1bの部分だけを切り離すように断面を切断して、微細結晶窒化層1bのみからなる厚さ200mの高硬度高磁気特性鋼材10を製造した。
Nitriding temperature: 600 ° C
Nitriding time: 6 hours Nitrogen-containing gas: NH 3 gas Tempering conditions: 150 ° C. × 100 hours <Cutting step>
The steel material 1 on which the fine crystal nitrided layer 1b is formed is cut in cross section so as to cut only the portion of the fine crystal nitrided layer 1b, and has a high hardness and high magnetic characteristics of 200 m in thickness consisting only of the fine crystal nitrided layer 1b. Steel material 10 was manufactured.

得られた高硬度高磁気特性鋼材10からサンプルを切り出し、X線回折装置により微細結晶窒化層1bにおける結晶相を調べた結果、α''−Fe162 結晶相の他に、残留オーステナイト及びマルテンサイトの結晶相も認められた。 A sample was cut out from the obtained high hardness and high magnetic property steel material 10, and the crystal phase in the fine crystal nitrided layer 1b was examined by an X-ray diffractometer. As a result, in addition to the α ″ -Fe 16 N 2 crystal phase, residual austenite and Martensite crystal phase was also observed.

(磁気特性及び硬度の評価)
実施例2で得られた高硬度高磁気特性鋼材10について、飽和磁束密度(σs)、保磁力(Hc)及び透磁率(μ)の磁気特性並びにビッカース硬さをそれぞれ測定した。また、前記ショットピーニング処理後の鋼材1の表面に形成された微細結晶層の結晶粒径を測定した。その結果を表2に示す。
(Evaluation of magnetic properties and hardness)
With respect to the high hardness and high magnetic property steel material 10 obtained in Example 2, the magnetic properties of saturation magnetic flux density (σs), coercive force (Hc) and magnetic permeability (μ), and Vickers hardness were measured, respectively. Further, the crystal grain size of the fine crystal layer formed on the surface of the steel material 1 after the shot peening treatment was measured. The results are shown in Table 2.

Figure 0004168342
Figure 0004168342

表2から明らかなように、本実施例2の高硬度高磁気特性鋼材10は、前記比較例1の磁気特性鋼材と比較して、飽和磁束密度及び保磁力が上昇する一方、保磁力が低下し、かつ硬度が上昇していることがわかる。   As is clear from Table 2, the high hardness and high magnetic property steel material 10 of Example 2 has a higher saturation magnetic flux density and a coercive force while a lower coercivity than the magnetic property steel material of Comparative Example 1. In addition, it can be seen that the hardness has increased.

本実施例に係る高硬度高磁気特性鋼材の製造方法を模式的に説明する工程図である。It is process drawing which illustrates typically the manufacturing method of the high hardness and high magnetic property steel materials which concern on a present Example. 本実施例に係る高硬度高磁気特性鋼材の製造方法の各工程で得られた物を模式的に示す断面図であり、(a)は微細結晶化工程で得られた物、(b)は窒化処理工程で得られた物、(c)は切断工程で得られた物(高硬度高磁気特性鋼材)をそれぞれ示す。It is sectional drawing which shows typically the thing obtained at each process of the manufacturing method of the high-hardness high magnetic property steel materials which concern on a present Example, (a) is the thing obtained at the fine crystallization process, (b) is The thing obtained by the nitriding process, (c) shows the thing (high hardness and high magnetic property steel material) obtained by the cutting process, respectively. ショットピーニング処理時のカバレージと磁気特性との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coverage at the time of a shot peening process, and a magnetic characteristic. ショットピーニング処理時のカバレージとビッカース硬さ及び均質性との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coverage at the time of a shot peening process, Vickers hardness, and homogeneity. ショットピーニング処理時のカバレージと窒化深さ(微細結晶窒化層1bの厚さ)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the coverage at the time of a shot peening process, and nitridation depth (thickness of the microcrystal nitrided layer 1b). 微細結晶層における微細結晶粒の結晶粒径の上限と窒化深さ(微細結晶窒化層1bの厚さ)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the upper limit of the crystal grain diameter of the fine crystal grain in a fine crystal layer, and the nitriding depth (thickness of the fine crystal nitride layer 1b). 窒化処理工程における低温窒化時間と磁気特性との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the low temperature nitriding time in a nitriding process, and a magnetic characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

1…鋼材 1a…微細結晶層
1c…微細結晶窒化層 10…高硬度高磁気特性鋼材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Steel material 1a ... Fine crystal layer 1c ... Fine crystal nitride layer 10 ... High hardness and high magnetic property steel material

Claims (7)

鋼材の表面にショットピーニング処理を施すことにより、結晶粒径が10〜900nmの範囲内にある微細結晶粒よりなり厚さが100μm以上の微細結晶層を該鋼材の表面に形成する微細結晶化工程と、
前記微細結晶層が形成された前記鋼材を所定の温度範囲で窒素含有ガスと反応させる窒化処理をすることにより、該微細結晶層を窒化してα''−Fe16を含み厚さが100μm以上の微細結晶窒化層とする窒化処理工程とを含むことを特徴とする高硬度高磁気特性鋼材の製造方法。
By performing shot peening on the surface of the steel material, micro-crystallization grain size-than the thickness finer crystal grains in the range of 10~900nm form more fine crystal layer 100μm on the surface of the steel material Process,
By the nitriding reaction with nitrogen-containing gas at a predetermined temperature range the steel the microcrystalline layer is formed, fine fine crystal layer by nitriding α '' - Fe 16 N 2 to unrealized thickness Including a nitriding treatment step for forming a fine crystal nitrided layer having a thickness of 100 μm or more .
前記ショットピーニング処理は、N:カバレージ(%)、D:ショット粒径(mm)、V:ショットの投射速度(m/sec)としたとき、
N≧(3.8×10)/(D×V
を満たすショット条件で行うことを特徴とする請求項1に記載の高硬度高磁気特性鋼材の製造方法。
When the shot peening process is N: coverage (%), D: shot particle size (mm), and V: shot projection speed (m / sec),
N ≧ (3.8 × 10 7 ) / (D × V 2 )
The method for producing a steel material with high hardness and high magnetic properties according to claim 1, wherein the method is performed under shot conditions that satisfy the following conditions.
前記ショットピーニング処理は、前記ショット粒径(D)が0.03〜3.5mmであり、かつ、前記ショットの投射速度(V)が50〜250m/secであるときに、カバレージ(N)が5000%以上となるショット条件で行うことを特徴とする請求項2に記載の高硬度高磁気特性鋼材の製造方法。 In the shot peening process, when the shot particle size (D) is 0.03 to 3.5 mm and the shot projection speed (V) is 50 to 250 m / sec, the coverage (N) is The method for producing a steel material with high hardness and high magnetic properties according to claim 2, wherein the method is performed under a shot condition of 5000% or more. 前記窒化処理工程では、150〜300℃の温度範囲で低温窒化処理することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の高硬度高磁気特性鋼材の製造方法。 The method for producing a steel material with high hardness and high magnetic properties according to any one of claims 1 to 3, wherein in the nitriding step, low-temperature nitriding is performed in a temperature range of 150 to 300 ° C. 前記微細結晶窒化層における飽和磁束密度(σs)が207emu/g以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の高硬度高磁気特性鋼材の製造方法。 The method for producing a steel material with high hardness and high magnetic properties according to any one of claims 1 to 4, wherein a saturation magnetic flux density (σs) in the fine crystal nitrided layer is 207 emu / g or more. 結晶粒径が10〜900nmの範囲内にある微細結晶粒よりなり厚さが100μm以上の微細結晶層を窒化処理してなる、α''−Fe16を含み厚さが100μm以上の微細結晶窒化層を有することを特徴とする高硬度高磁気特性鋼材。 Crystal grain size-than the thickness finer crystal grains formed by nitriding the above fine crystalline layer 100μm in the range of 10~900nm, α '' - Fe 16 N 2 unrealized thickness than 100μm the A steel material having high hardness and high magnetic properties, characterized by having a fine crystal nitride layer of 前記微細結晶窒化層における飽和磁束密度(σs)が207emu/g以上であることを特徴とする請求項6に記載の高硬度高磁気特性鋼材。 The high hardness and high magnetic property steel according to claim 6, wherein a saturation magnetic flux density (σs) in the fine crystal nitrided layer is 207 emu / g or more.
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