JP4399751B2 - 複合磁性部材および複合磁性部材の強磁性部の製造方法ならびに複合磁性部材の非磁性部の形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、モ−タをはじめとする磁気回路を利用した工業製品に適用され得る、単一材料中に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、モ−タの回転子や磁気目盛等、磁気回路を必要とする工業製品においては、磁気回路を形成するために、強磁性体(一般には軟質磁性材料)の一部に非磁性部を設けた構造が用いられている。強磁性体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部材を提案している。このような単一材の複合磁性部材を利用すると、気密性の確保、振動等による破損防止等、信頼性の確保、またコストの低下という点で、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を質量%で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200以上の強磁性特性が得られるFe−Cr−C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2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、質量%でCr:10〜16%、C:0.35〜0.75%を含み、最大透磁率200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2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号に開示されている複合磁性部材は、強磁性特性が得られるマルテンサイト系ステンレス鋼を基本として、これにオ−ステナイト形成元素であるNiやMnを適量添加し、部分的溶体化処理を施すことによって、強磁性体の一部に低温まで安定した非磁性部を形成することができるという提案であって、単一材料中に最大透磁率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優れた技術と言える。
【0006】
本発明者らの検討によれば、磁気回路として用いられる複合磁性部材の中には、たとえばモ−タの回転子の様に、従来部材よりも優れた軟質磁気特性(以下、軟磁性と記す)、すなわち高い最大透磁率と低い保磁力が必要とされる場合がある。これに対して、上述した二件の提案では、強磁性部で得られる軟磁性に限界があった。
【0007】
すなわち、Fe−Cr−C系合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部においては、フェライトのマトリックス基地に炭化物を析出したミクロ組織形態となっているが、優れた軟磁性を示す一つの指標となる高い最大透磁率を得るためには、部材内部の析出物をできるだけ少なくし、磁壁移動が容易な状態を作ることが必要であり、中でも粒径0.1μm以上の炭化物が数多く存在すると、特に磁壁の移動にとって障害となるためか、これまで強磁性部で得られる最大透磁率には限界があった。
【0008】
また、優れた軟磁性を示すもう一つの指標である低い保磁力を得るためには、マトリックスの結晶粒を大きくするのが効果的である。
しかし、炭化物が数多く存在すると、マトリックスであるフェライト結晶粒の成長が抑制されるため、フェライト粒径は非常に微細なものとなり、強磁性部で得られる保磁力の低下を阻害する原因となっていた。
【0009】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、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、強磁性部において従来部材よりも優れた軟磁性を有し、かつ従来部材と変わらない安定した特性の非磁性部を有する複合磁性部材および該部材の強磁性部の製造方法、ならびに非磁性部の形成方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、複合磁性部材の強磁性部の軟磁性を高める方法として、これまでは積極的に添加されていなかったフェライト生成元素であるAl添加に着目した。本発明者らが先に提案した特開平9−157802号の複合磁性部材には、脱酸剤としてSi、Mn、Alの1種または2種以上を合計で質量%で2.0%以下含有するとしている。
この提案はSi、Mn、Al等の元素が脱酸剤として溶鋼中の酸素を除去する効果のみを期待したものであり、これらの元素は部材中には残存しない方がよいと考えていた。ところが本発明者らの更なる検討によるとFe−Cr−C系の合金鋼から成る複合磁性部材においては、素材である合金鋼にAlを質量%で0.1〜5.0%の範囲で積極的に添加することにより強磁性部の軟磁性が著しく改善されることを知見した。
【0011】
続いて本発明者らは、強磁性部のミクロ組織に及ぼすAl添加量の影響を詳細に調査した。その結果、強磁性部は、Al添加の有無によらず(フェライト+炭化物)主体の金属組織であるが、Alを添加すると、単位面積当たりの炭化物個数が少なくなるとともに個々の炭化物が大きくなること、およびフェライト粒の結晶粒径が大きくなることを突き止めた。
【0012】
そして、次に本発明者らは、ミクロ組織と軟磁性の関係を調査した。その結果、(フェライト+炭化物)主体の強磁性部において、粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上とすることにより、最大透磁率μm400以上の磁気特性を実現できることを見出した。更にJIS G 0552に記載のフェライト結晶粒度試験方法で測定したフェライト粒度を結晶粒度番号で14を含んで粗粒とすることにより、保磁力1000A/m以下の磁気特性を実現できることを見出し本発明に到達した。
【0013】
すなわち本発明は、質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系合金鋼から成り、粒径0.1μm以上の炭化物個数が100μm2の面積中に50個以下、且つ該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上に調整された最大透磁率400以上の強磁性部と、透磁率2以下の非磁性部を有する複合磁性部材である。
【0014】
また本発明は、質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系合金鋼から成り、JIS G 0552に記載のフェライト結晶粒度試験方法で測定した時、結晶粒度番号14を含んで粗粒に調整され、保磁力1000A/m以下の強磁性部と、透磁率2以下の非磁性部を有する複合磁性部材である。
【0015】
好ましくは、表面側からX線で結晶方位を測定した時、フェライト(200)とフェライト(110)のX線積分強度比が6以上の強磁性部を有する複合磁性部材であり、更に好ましくは、電気抵抗率は、0.7μΩm以上の強磁性部を有する複合磁性部材である。
【0016】
本発明の好ましい化学組成として、Ni当量(=%Ni+30×%C+0.5×%Mn+30×%N)が10.0〜25.0%である合金鋼から成る複合磁性部材である。
また更に好ましくは、Alが質量%で0.3〜3.5%を含有する複合磁性部材である。
【0017】
また本発明の製造方法としては、質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系の合金鋼を、1100℃以下で熱間加工した後、A3変態点以下で少なくとも1回焼鈍し、粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、且つ該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上に調整した強磁性部を得る複合磁性部材の強磁性部の製造方法である。
【0018】
また、本発明の非磁性部の形成方法としては、質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系の合金鋼を、1100℃以下で熱間加工した後、A3変態点以下で少なくとも1回焼鈍し、粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上に調整した強磁性部の一部を1050℃〜溶融温度の温度範囲で加熱後、急冷することで、非磁性部を形成する複合磁性部材の非磁性部の形成方法である。
【0019】
【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、複合磁性部材の強磁性部の軟磁性を高めるため、複合磁性部材の素材となる合金鋼に、これまでは脱酸剤としてしか捉えられていなかったAlを積極的に添加したことである。
このAlを添加することによって、Fe−Cr−C系の合金鋼から成る複合磁性部材の強磁性部において、粒径0.1μm以上の炭化物個数、該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合、更にはフェライト粒の結晶粒度と結晶方位を、それぞれ特定の範囲に初めて調整し、優れた軟磁性が得られたものであり、Alは複合磁性部材の強磁性部において、軟磁性を改善するために合金素材に添加される本発明の最重要元素である。
【0020】
以下に、複合磁性部材の素材となる合金鋼にAlを添加することの効果を詳細に説明する。
先ず、本発明者らは複合磁性部材の素材であるFe−Cr−C系合金に対し、種々の添加元素の内、Alは個々の炭化物を成長させる効果、炭化物の個数を減少させる効果、更にマトリックスのフェライト結晶粒を大きくさせる効果を併せ持ち、強磁性部の磁気特性を飛躍的に向上させる効果を初めて見出した。
そして、図4に示す様に、強磁性部において、Alは炭化物ではなくマトリックスのフェライト中に存在することはEDXの面分析により確認している。
しかし、Alがマトリックスに存在することによって、炭化物が大きくなるメカニズムや、Alを添加すると、炭化物が大きく、かつ少なくなるからフェライト粒が大きくなるのか、それとも逆にフェライト粒が大きくなるから、炭化物が大きく、かつ少なくなるのか等、Al添加による金属組織の変化の原因については不明であり、現在、解明中である。
【0021】
次に、具体的にAl添加量と強磁性部の炭化物形態、最大透磁率の関係を説明する。
本発明者らが行った実験の内、質量%でFe−17.5%Cr−0.5%C−2.0%Niを主成分とする合金鋼を素材とした複合磁性部材を例に挙げると、Alを脱酸剤として質量%で0.02%のみ含有し、実質的には添加していない場合には、強磁性部において粒径0.1μm以上の炭化物個数は100μm2の面積中で62個、このうち粒径1μm以上の炭化物は、測定された全炭化物個数に対して約13%の8個であり、最大透磁率は320である。
この合金鋼に質量%で0.47%のAlを添加した合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部では、粒径0.1μm以上の炭化物個数は100μm2の面積中で44個、このうち粒径1μm以上の炭化物は、測定された全炭化物個数に対して約18%の8個となり、最大透磁率は824まで上昇する。
【0022】
更に質量%で0.96%のAlを添加した合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部では、粒径0.1μm以上の炭化物個数は100μm2の面積中で、実質的にAl無添加時の約半分の30個、このうち粒径1μm以上の炭化物は、測定された全炭化物個数に対して約27%の8個となり、最大透磁率は952まで上昇する。
このようにAlを添加することによって、粒径0.1μm以上の炭化物個数は減少し、測定される全炭化物個数に対する粒径1μm以上の炭化物の割合が増えて行くことが分かる。更にこの金属組織の変化に伴って、高い最大透磁率が得られることが分かった。
以上が、複合磁性材部材の素材となるFe−Cr−C系合金鋼にAlを添加する効果の第一である。
【0023】
次に、Al添加量と強磁性部のフェライト粒の結晶粒度、保磁力の関係を具体的に述べる。
なお、フェライト粒の結晶粒度は、JIS G 0552に記載のフェライト結晶粒度試験方法で測定した時の粒度番号である。
質量%でFe−17.5%Cr−0.5%C−2.0%Niを主成分とする合金鋼を素材とした複合磁性部材を例に挙げると、Alを脱酸剤として質量%で0.02%のみ含有し、実質的には添加していない場合には、強磁性部においてフェライト粒の大きさは結晶粒度番号16.0で、保磁力は1220A/mである。
この合金鋼に質量%で0.96%のAlを添加した合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部では、フェライト粒の大きさは結晶粒度番号13.5まで大きくなり、保磁力は540A/mまで低下し、軟磁性(軟質磁気特性)の向上が図れる。
更に質量%で1.48%のAlを添加した合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部では、フェライト粒の大きさは結晶粒度番号12.0まで大きくなり、保磁力は460A/mまで低下し、更に軟磁性(軟質磁気特性)が向上する。このようにAlを添加することにより、フェライト粒は大きくなり、これに伴って保磁力が低下し、軟磁性(軟質磁気特性)の向上することが分かる。
以上が、複合磁性材部材の素材となるFe−Cr−C系合金鋼にAlを添加する効果の第二である。
【0024】
更に、複合磁性部材を磁気回路部品として使用する場合には、強磁性部の残留磁束密度が高く、ヒステリシス曲線の角型性が良いことが、しばしば要求される。
ヒステリシス曲線の角型性が良いということは、材料の磁気損失が小さく、正磁界−逆磁界を連続的に印加した際のオン/オフ特性、すなわち磁気的な応答性が良いということを意味している。一般に、ヒステリシス曲線の角型性は、磁性材料の結晶方位と関係があることが知られている。
本発明者らは、複合磁性部材の素材であるFe−Cr−C系合金にAlを添加することによって、強磁性部のマトリックスであるフェライト粒の結晶方位を制御できること、及び結晶方位と残留磁束密度の間には密接な関係があることを見出した。
【0025】
すなわち、Fe−Cr−C系合金鋼を素材とした場合、表面側となる圧延平面側からX線で結晶方位を測定したフェライト相(200)の積分強度および残留磁束密度の変化に及ぼすAl添加の影響がよく一致していること、すなわちAlを添加することによって表面側から見た(200)の集積度を高くすると、残留磁束密度も高くできる。
なお、Al添加により結晶方位を制御できるメカニズムについては分かっておらず、これも現在、解明中である。
【0026】
Al添加量と強磁性部のフェライト粒の結晶方位、残留磁束密度の関係を具体的に述べる。
この場合の結晶方位とは、X線回折により測定される表面側となる圧延平面側のフェライト(110)(200)(211)の積分強度比を測定したものである。
質量%でFe−17.5%Cr−0.5%C−2.0%Niを主成分とする合金鋼を素材とした複合磁性部材を例に挙げると、Alを脱酸剤として質量%で0.02%のみ含有し、実質的には添加していない場合には、強磁性部においてフェライト粒の結晶方位は、(110)が8.8%、(200)が38.7%、(211)が52.5%、(200)と(110)の積分強度比(200)/(110)は4.4であって、このときの残留磁束密度は0.78Tである。
この合金鋼に質量%で0.47%のAlを添加した合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部では、フェライト粒の結晶方位は、(110)が6.9%、(200)が49.5%、(211)が43.6%で、(200)/(110)の値は7.2となり、残留磁束密度は1.03Tまで上昇する。
【0027】
更に質量%で0.96%のAlを添加した合金鋼を素材とした複合磁性部材の強磁性部では、フェライト粒の結晶方位は、(110)が7.4%、(200)が47.0%、(211)が45.5%、(200)/(110)の値は6.4となり、残留磁束密度は1.03Tである。
このようにAlを添加することにより、フェライト粒の結晶方位は、表面となる圧延平面から測定した場合、(200)/(110)が大きくなる方位となり、これに伴って残留磁束密度は増加することが分かる。
以上が、複合磁性材部材の素材となるFe−Cr−C系合金鋼にAlを添加する効果の第三である。
なお、X線回折による測定面が湾曲形状をしている場合は、表面側となる圧延ロールで平面に加工された側の面を測定すれば良い。
【0028】
上述したAlを添加する効果の他に、Alを添加することは強磁性部の軟磁性の面からだけでなく、強磁性部の電気抵抗率を高めるという点、すなわち軟磁性材料を交流磁場中で使用する際には、材料の電気抵抗率を高くしておくと渦電流損失を低減できるため、磁気的な応答性を改善できると言う効果もあり、以上が、複合磁性材部材の素材となるFe−Cr−C系合金鋼にAlを添加する効果の第四である。
【0029】
次に本発明における各数値の規定理由を述べる。
まず、複合磁性部材の素材であるFe−Cr−C系合金鋼に添加されるAl量を質量%で0.1%〜5.0%の範囲に規定した理由を述べる。以後のAl含有量は質量%として記す。
これまで述べてきた様に、Alは強磁性部の炭化物形態、結晶粒径、結晶方位等の金属組織を変化させ、結果として強磁性部の軟磁性を著しく改善する本発明の最重要元素である。
Alの範囲を0.1〜5.0%以下としたのは、Al含有量が0.1%未満では強磁性部の金属組織を変化させ、軟磁性を改善する効果が小さく、逆に5.0%を超える範囲では非磁性部の透磁率が高くなるばかりでなく、加工性が悪くなり、複合磁性部材を製造することが困難となる。
このAlの範囲を0.3〜3.5%の範囲に調整すれば、上述したAl含有の効果がより顕著に現れて、特に好ましい。
また、更に好ましいAl含有量の範囲の下限は0.5%、上限は1.5%迄の範囲である。
【0030】
次に、強磁性部の炭化物粒径と個数、更に測定される全炭化物に対して粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合を規定した理由を述べる。
炭化物個数を数える際に粒径0.1μm以上の炭化物を対象としたのは、粒径0.1μm未満の炭化物は観察が困難であり、かつ0.1μm未満の大きさであれば磁壁の動きを妨げるには至らず、軟磁性への影響は少ないためである。
また上記の粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、全炭化物個数に対して粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合を15%以上としたのは、先述した実験結果からも分かる様に、炭化物形態をこの範囲に制御することによって、磁壁移動が容易になり、強磁性部の最大透磁率400以上が容易に得られるためである。
【0031】
次に、強磁性部の最大透磁率と非磁性部の透磁率を規定した理由を述べる。
本発明部材は複合磁性部材であるので、一つの部材において軟磁性と非磁性の両方の特性を満足しなければならない。
強磁性部の最大透磁率を400以上としたのは、たとえばモ−タ部品の様に高い最大透磁率が要求される用途に対して充分に対応可能とするためである。強磁性部の最大透磁率のより望ましい範囲は700以上である。
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としての用途に適さなくなるからである。非磁性部の透磁率のより望ましい範囲は1.1以下である。
【0032】
次に、強磁性部のマトリックスであるフェライト粒の大きさと保磁力の範囲を規定した理由を述べる。フェライト粒の大きさをJIS G 0552に記載のフェライト結晶粒度試験方法で測定した時の結晶粒度番号14を含んで粗粒であること、及び強磁性部の保磁力を1000A/m以下としたのは、フェライト粒の大きさと保磁力は、相互に関連し合う特性であるが、結晶粒度番号14を含んで粗粒に調整すれば、保磁力1000A/m以下の特性が容易に得られ、この保磁力1000A/m以下の特性を得ることで、コア部品の様に軟磁性として小さい保磁力が要求される用途で使用可能になる。
【0033】
望ましい範囲として、強磁性部の結晶方位と残留磁束密度の範囲を規定した理由を述べる。本発明部材の素材を圧延鋼板とした場合、強磁性部の結晶方位を、表面となる圧延平面から見てフェライト(200)とフェライト(110)のX線積分強度比が6以上であること、及び強磁性部の残留磁束密度を1.0T以上としたのは、フェライト粒の結晶方位と残留磁束密度は、相互に関連し合う特性であるが、フェライト(200)とフェライト(110)のX線積分強度比が6以上に調整すれば、残留磁束密度を1.0T以上の特性が容易に得られ、この残留磁束密度1.0T以上の特性を得ることで、印加磁場に対する優れたON/OFF特性すなわち応答性が要求される用途にも使用可能となる。
【0034】
次に望ましい範囲として強磁性部の電気抵抗率を規定した理由を述べる。
強磁性部の電気抵抗率を0.7μΩm以上としたのは、交流磁場中で部材が使用される場合に、渦電流による磁気的損失を減らし、磁気回路において素早い応答性が要求される用途に対して、充分に対応可能とするためである。
【0035】
望ましい範囲として、素材となる合金鋼のNi当量を規定した理由を述べる。本発明部材は、これまで述べてきたように、強磁性部の軟磁性は従来、開示されている複合磁性部材よりも優れたものとなっている。本発明部材において、安定した非磁性部を得るためには、非磁性化処理を行った時に非磁性組織であるオ−ステナイトを安定にする作用を持った元素が必要である。本発明部材の素材における必須元素はAl、Fe、Cr、Cの4つであるが、この内、上述の作用を持っているのはCのみである。そこで、非磁性部の透磁率を下げて、特性を更に安定にしたい場合には、Ni,Mn,N等のオ−ステネイト形成元素を、Ni当量(=%Ni+30×%C+0.5×%Mn+30×%N)で10.0〜25.0%の範囲で添加することが望ましい。
Ni当量の下限を10.0%としたのは、10.0%未満では、透磁率2以下の非磁性部を得ることが困難となるからである。またNi当量の上限を25.0%としたのは、25.0%を超える範囲では強磁性部の軟磁性が劣化し、最大透磁率400以上の特性が得られ難くなるからである。
【0036】
更に望ましい範囲として、複合磁性部材の素材である合金鋼中のAl以外の元素の化学成分を規定した理由を述べる。なお、各元素の含有量は質量%として記す。
Cは上述したようにオ−ステナイト形成元素として、非磁性部の形成に有効な本発明の必須元素である。また、C添加は部材の強度確保にも有効である。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、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、複合磁性部材の強磁性部の炭化物個数が多くなり過ぎて、本発明における炭化物形態の規定を満足し難くなる。また、硬くなり過ぎて加工性も悪くなる。
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。
【0037】
Crはマトリックスに固溶するとともに、強磁性部においては、一部は炭化物となり、複合磁性部材の機械的強度と耐食性を確保する本発明の必須元素である。Crの範囲を、12.0〜25.0%としたのは、12.0%未満では耐食性が悪く、逆に25.0%を超える範囲では、耐食性は優れているものの、強磁性部の軟磁性が劣化するからである。Crのより望ましい範囲は16.0〜20.0%である。
【0038】
Niはオ−ステナイト形成元素として、非磁性部の形成に有効な元素である。Niの範囲を0.1〜4.0%にしたのは、0.1%未満では安定した非磁性部を得ることが困難であり、逆に4.0%を超えると良好な軟磁気特性と加工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0.01〜0.10%としたのは0.01%未満では安定した非磁性部を得ることが困難であり、0.10%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。
【0039】
なお、本発明の複合磁性部材の素材となる合金鋼は脱酸元素としてSi,Mnの1種以上を、2.0%以下含有してもよい。MnもC,Ni,N等と同様にオ−ステナイトの形成に有効である。また不可避不純物としてP、S、Oを、特に磁気特性を劣化しない範囲として、それぞれ0.1%以下含有してもよい。
【0040】
次に製造工程の限定理由を述べる。
本発明では、の素材であるAlを適量添加したFe−Cr−C系合金鋼の熱間加工温度を1100℃以下とした。
1100℃を超える温度で熱間加工を行うと、合金鋼のマトリックスに固溶するC量が多くなり、析出する炭化物は非常に微細となる。その結果、熱間加工後にA3変態点以下で焼鈍しても析出している個々の炭化物を十分に大きくすることができず、また熱間加工時にマトリックスに固溶していたCが、焼鈍中に新たに微細な炭化物として析出するため、炭化物形態を本発明の請求範囲に制御することが困難となる。
焼鈍後に粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、該炭化物に対する粒径1.0μm以上の炭化物の割合を15%以上とするためには、熱間加工時に炭化物の核を残しておくことが必要であり、炭化物の核を残すことができる上限温度を1100℃と規定した。
好ましくは、熱間加工は900〜1100℃の範囲で行うことが望ましい。
【0041】
熱間加工後に行う焼鈍温度はA3変態点以下とした。
A3変態点とは、この温度以下では(フェライト+炭化物)組織、逆にこれを超える温度では、オ−ステナイト組織が生成し始める温度のことであり、本発明の請求範囲の中で、たとえばFe−17.5%Cr−0.5%C−1.0%Al−2.0%Ni−0.02%N合金の場合、A3変態点は約830℃である。強磁性部の磁気特性は、軟磁性であるフェライト組織によるものであるから、焼鈍温度がA3変態点を超えることは好ましくない。
【0042】
この温度範囲で少なくとも1回焼鈍するのは、フェライト相の加工歪を除去するとともに、加工時に核となった炭化物を大きくし、炭化物形態を本発明の請求範囲に調整するためである。尚、本発明部材においては必要に応じてA3変態点以下での焼鈍を2回以上、行ってもよい。焼鈍を複数回行うことにより、1回焼鈍して得られた炭化物を更に大きくする効果、および炭化物個数を減らす効果は更に高まる。
【0043】
なお、本発明部材においては、熱間加工、少なくとも1回のA3変態点以下での焼鈍を行った後、必要に応じて冷間加工を行い、冷間加工後にA3変態点以下での焼鈍を行ってもよい。
これは、一般の軟磁性材料の場合、冷間圧延または冷間引抜された後に焼鈍した鋼板を用いることが多く、本発明の複合磁性部材でも同様と考えられるからである。冷間加工後の焼鈍も熱間加工後と同様に複数回行ってもよい。また冷間加工、焼鈍の工程を複数回繰り返してもよい。熱間加工後に焼鈍を行った場合、冷間加工後に焼鈍を行った場合のいずれにおいても強磁性部としての軟磁性に大差はない。
【0044】
本発明においては、上述の工程により強磁性体となった合金鋼の一部に非磁性部を設ける方法としては、部材の一部を、たとえば高周波加熱でオ−ステナイト化温度以上に加熱し溶体化処理した後、急冷するか、またはCO2レ−ザ等で溶融化温度に加熱した後、急冷する等の手法が良い。これら非磁性化処理の際の加熱温度は、冷却後にオ−ステナイト組織が得られる1050℃〜溶融化温度の範囲、好ましくは1150℃〜溶融化温度までの温度範囲である。
加熱温度の下限を1050℃としたのは、この温度が加熱、冷却後にオ−ステナイト組織を形成し、透磁率2以下の非磁性部を得るために必要な下限温度であり、更に好ましい下限温度を1150℃としたのは、加熱温度が1150℃以上であれば、更に安定した非磁性部が得られるからである。
また上限温度を溶融化温度としたのは、加熱、冷却による溶体化のみでなく、更に高い温度での溶融、凝固の手法を用いても実質的にオ−ステナイト組織からなる透磁率2以下の非磁性部を形成できるからである。加熱源としてレ−ザビ−ムを用いる場合などは、特にこの溶融、凝固による非磁性化は有効な手段となる。
【0045】
上述した加熱、溶体化、急冷もしくは加熱、溶融、急冷の処理を施すことにより、実質的にオ−ステナイト組織よりなる非磁性部を得ることができる。この場合の実質的にオ−ステナイトでなる組織とは、比較的低い温度で溶体化した場合、急冷時に生じる少量のマルテンサイトが組織中に含まれていても良いことを指す。具体的には組織の中のマルテンサイト量が10%以下であれば複合磁性部材の非磁性部に必要な特性である透磁率μ2以下の範囲から外れることはなく、問題はない。
上述した製造工程を施すことで、本発明の複合磁性部材を得ることができる。
【0046】
【実施例】
(実施例1)
本発明では、まず複合磁性部材の素材であるFe−Cr−C系合金に添加するAl量と、炭化物形態、結晶粒径、結晶方位といった強磁性部の金属組織、更に最大透磁率、保磁力、残留磁束密度といった強磁性部の磁気特性が重要となる。そして次に、複合磁性部材の非磁性部の透磁率と、これを調節するためのNi当量も重要となる。
強磁性部の金属組織と軟磁性に及ぼすAl添加の影響、及びNi当量と非磁性部の透磁率の関係を明確に把握するために、合金素材として真空溶解でAl,C,Niの元素含有量を種々に変えた合金鋼塊を溶製した。
【0047】
表1に、複合磁性部材の素材である合金鋼の化学組成とNi当量(=%Ni+30×%C+0.5×%Mn+30×%N)を示す。
部材No.1〜7、No.12〜13の素材は、C、Si、Mn、Ni、Cr等の添加量をほぼ等しくし、Al添加量を変化させた合金鋼であり、部材No.3と部材No.8〜11の素材は、Si、Mn、Ni、Cr、Al等の添加量をほぼ等しくし、C量を変化させた合金鋼である。
また、部材No.14はC,Ni含有量をともに低くし、Ni当量を下げたものであり、部材No.15はC,Ni含有量をともに高くし、Ni当量を高めたものである。
【0048】
【表1】
【0049】
得られた合金鋼塊を1000℃に加熱して鍛造を行い20mm厚の板材とした後、再度1000℃に加熱して熱間圧延を行い、板厚5.0mmの圧延板を得た。この熱間圧延板をA3変態点以下の780℃で焼鈍して軟化した後、冷間圧延を行い、板厚1.0mmの冷間圧延板を得た。この冷間圧延板を再度、A3変態点以下の780℃で焼鈍して軟磁性材料とした。
軟磁性材料となった鋼板の一部を高周波加熱によって約1200℃で10分間保持後、水冷し、部分的に非磁性化した。この部分的な非磁性化処理により合金鋼板を複合磁性部材とした。
【0050】
強磁性部の炭化物個数は、得られた複合磁性部材の内、高周波加熱の熱影響を受けていない強磁性部よりミクロ組織観察用のサンプルを切り出し、圧延時の縦断面が観察面となるように樹脂に埋め込んで鏡面研磨した後、王水を用いて化学的腐食を行い、走査型電子顕微鏡により6000倍で10視野を観察、写真撮影した。
撮影した10視野の写真を画像解析して粒径0.1μm以上の炭化物個数と粒径1.0μm以上の炭化物個数を数え、100μm2当たりの炭化物個数と、全炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物の割合を求めた。ミクロ組織の観察例として、部材No.3を図1、No.5を図2、No.12を図3として強磁性部の炭化物形態を各部材につき1視野ずつ示す。
また、部材No.5の強磁性部の1視野をX線分析により面分析したマッピング像を図4に示す。この結果から、強磁性部の(フェライト+炭化物)主体の組織において、炭化物にはCrとMnが濃縮しており、Alはマトリックスであるフェライト中に存在することが分かる。
【0051】
強磁性部におけるフェライト粒の結晶粒度番号は、上記と同じサンプルを用いて、JIS G 0552に記載のフェライト結晶粒度試験方法に従って、光学顕微鏡で5視野を観察して平均値を求めた。また強磁性部の結晶方位は、強磁性部より10mm角程度のブロックを切り出し、圧延平面を電解研磨した後、X線回折で回折角2θ=30°〜120°まで分析し、検出されるフェライト(110)、フェライト(200)、フェライト(211)を測定し、(200)/(110)の積分強度比を求めた。
【0052】
強磁性部の磁気特性は、強磁性部より外径45mm、内径33mmのJISリングを切り出し、1次巻線150回、2次巻線30回の巻線を行った後、4000A/mの直流磁場を印加して測定した。直流磁気特性の測定例として、部材No.3を図5、No.5を図6、No.12を図7として、強磁性部のB−H曲線を示す。また、強磁性部の電気抵抗率は、強磁性部より10mm×80mmの測定片を切り出して測定した。
【0053】
一方、高周波加熱によって形成された非磁性部は、この非磁性部より15角程度のブロックを切り出して表面を電解研磨した後、X線回折分析により実質的にオ−ステナイト相から成っていることを確認した。この場合の実質的にオ−ステナイト相となっている状態とは、X線回折において回折角2θを、2θ=30〜120°まで走査した時に検出されるマルテンサイト相ピ−クの積分強度の総計をα、オ−ステナイト相の積分強度の総計をγとすると、
γ/(α+γ)≧0.9…(1)
であることとした。X線回折分析の結果、部材No.1〜12、No.15の非磁性部は、すべて上記(1)式を満足し、実質的にオ−ステナイト相から成ることが確認された。
しかし、素材のAl量が5.20%と高い部材No.13、および素材のNi当量が5.19%と低い部材No.14では、上記(1)式を満足しなかった。
更に、非磁性部の透磁率は、高周波加熱によって形成された非磁性部より、10mm角程度のブロックを切り出し、透磁率計により測定した。
【0054】
複合磁性部材の素材である合金鋼のAl量とNi当量、複合磁性部材の強磁性部の組織形態と軟磁性、電気抵抗率、複合磁性部材の非磁性部の透磁率をまとめて表2に示す。
【0055】
【表2】
【0056】
表2の内、部材No.1〜11は本発明部材であり、部材No.12〜15は比較例である。
まず、合金素材へのAl添加量と強磁性部の組織形態、軟磁性の観点から述べる。Alを0.1〜5.0%の範囲で添加した本発明部材1〜7では、強磁性部における粒径0.1μm以上の炭化物個数は、すべて50個/100μm2以下で、かつ全炭化物個数に対して粒径1.0μm以上の炭化物が占める割合は、すべて15%以上であって、強磁性部の最大透磁率はすべて400以上となっている。
また本発明部材1〜7では、強磁性部におけるフェライト粒度は、すべて結晶粒度番号で14を含んで粗粒であって、保磁力1000A/m以下の特性を満足している。
【0057】
一方、比較例である部材No.12とNo.13を見ると、No.12(Al=0.02%)では、Al量が少な過ぎるために強磁性部の炭化物個数が増加し、結晶粒度が細粒になっており、強磁性部の最大透磁率が320という低い値に留まっている。
また部材No.13(Al=5.20%)では、逆にAl添加量が多すぎるため強磁性部の特性は良いが、非磁性部の透磁率が2.140と、磁束が通り易い状態となっている。
【0058】
次に合金素材のC量と強磁性部の金属組織、軟磁性の観点から述べる。素材のC量を変化させた部材No.3、No.8〜11では、炭化物を形成するC量の変化から、強磁性部の金属組織に変化が見られる。また軟磁性にも若干の変化が見られるが、Al添加量を変化させた時ほど、顕著な変化は見られない。
【0059】
次に、Ni当量と強磁性部の最大透磁率、非磁性部の透磁率の観点から述べる。本発明部材No.1〜11は、いずれも強磁性部の最大透磁率400以上、非磁性部の透磁率2以下の特性を満足している。しかし、Ni当量が9.55%である部材No.8では非磁性部の透磁率は1.93と上限ぎりぎりの値である。
Ni当量が5.19%と更に低い比較例の部材No.14では、非磁性部の透磁率は2.53と大きく、磁束が通り易い状態となっている。逆にNi当量が28.90%と高い比較例の部材No.15では、強磁性部の最大透磁率が360と低くなり、軟磁性が劣化していることが分かる。
以上の結果から、Ni当量の好ましい範囲は10.0%〜25.0%であることが分かる。
【0060】
(実施例2)
本発明では、複合磁性部材を製造する工程において、素材となるAlを添加したFe−Cr−C系合金鋼の熱間加工温度も重要となるので、表1の部材No.3の素材となる合金鋼の熱間加工温度を、950〜1150℃の範囲で変化させた時に、得られた複合磁性部材の強磁性部での粒径0.1μm以上の炭化物個数と、粒径1.0μm以上の炭化物個数を測定した。炭化物個数の測定方法は先述と同じである。測定結果を表3に示す。
【0061】
【表3】
【0062】
表3から、素材である合金鋼の熱間加工温度を1100℃以下とすることによって、強磁性部において粒径0.1μm以上の炭化物個数が全炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物の割合が15%以上である本発明の複合磁性部材が得られることが分かる。
【0063】
【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複合磁性部材の素材として、Alを質量%で0.1〜5.0%の範囲で含有し、且つ、本発明で規定する範囲内の成分有するFe−Cr−C系の合金鋼を適用し、適切な温度範囲での熱間加工と焼鈍を行うことによって、粒径0.1μm以上の炭化物個数が100μm2の面積中に50個以下、該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物の割合が15%以上である強磁性体を得ることができ、更に適切な温度範囲での部分的加熱を行うことにより、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る。本発明は、優れた軟磁性が要求される磁気回路に複合磁性部材を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強磁性部の炭化物形態を示す顕微鏡組織写真である。
【図2】 本発明の複合磁性部材の強磁性部の炭化物形態を示す顕微鏡組織写真である。
【図3】 比較例としての強磁性部の炭化物形態を示す顕微鏡組織写真である。
【図4】 本発明の複合磁性部材の強磁性部において、各元素の存在位置を示す面分析結果である。
【図5】 本発明の複合磁性部材の強磁性部のB−H曲線である。
【図6】 本発明の複合磁性部材の強磁性部のB−H曲線である。
【図7】 比較例としての強磁性部のB−H曲線である。
Claims (8)
- 質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系合金鋼から成り、粒径0.1μm以上の炭化物個数が100μm2の面積中に50個以下、且つ該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上に調整された最大透磁率400以上の強磁性部と、透磁率2以下の非磁性部を有することを特徴とする複合磁性部材。
- 質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系合金鋼から成り、JIS G 0552に記載のフェライト結晶粒度試験方法で測定した時、結晶粒度番号14を含んで粗粒に調整され、保磁力1000A/m以下の強磁性部と、透磁率2以下の非磁性部を有することを特徴とする複合磁性部材。
- 表面側からX線で結晶方位を測定した時、フェライト(200)とフェライト(110)のX線積分強度比が6以上の強磁性部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の複合磁性部材。
- 電気抵抗率は、0.7μΩm以上の強磁性部を有することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の複合磁性部材。
- Ni当量(=%Ni+30×%C+0.5×%Mn+30×%N)が10.0〜25.0%である合金鋼から成ることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の複合磁性部材。
- Alが質量%で0.3〜3.5%であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の複合磁性部材。
- 質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系の合金鋼を、1100℃以下で熱間加工した後、A3変態点以下で少なくとも1回焼鈍し、粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、且つ該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上に調整した強磁性部を得ることを特徴とする複合磁性部材の強磁性部の製造方法。
- 質量%で、C:0.30〜0.80%、Cr:12.0〜25.0%、Al;0.1〜5.0%、Ni:0.1〜4.0%、N:0.01〜0.10%と、Si、Mnの1種または2種を合計で2.0%以下、残部がFeと不可避不純物のFe−Cr−C系の合金鋼を、1100℃以下で熱間加工した後、A3変態点以下で少なくとも1回焼鈍し、粒径0.1μm以上の炭化物個数を100μm2の面積中に50個以下、該炭化物個数に対する粒径1.0μm以上の炭化物個数の割合が15%以上に調整した強磁性部の一部を1050℃〜溶融温度の温度範囲で加熱後、急冷することで、非磁性部を形成することを特徴とする複合磁性部材の非磁性部の形成方法。
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