JP4516832B2 - 快削軟磁鉄 - Google Patents
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Description
本発明は、快削軟磁鉄に関する。
近年、切削加工を経て製造される部材の生産性を向上させるため、被削性向上元素としてＳを含有させた快削鋼が材料として用いられている。これは、主にＭｎＳ系の介在物を生成させ、切屑形成時における介在物への応力集中効果や工具と切屑間の潤滑作用によって被削性を高めているものである。
しかしながら、電磁弁のソレノイド，モーター，センサー等の磁心材料として用いられる軟磁気特性材料について、ＭｎＳ系介在物の生成によって被削性を向上させようとする場合、Ｓの添加による被削性の向上を重視するあまり、磁気特性が損なわれてしまうという問題がある。
本発明は、上記の点に鑑みて為されたものであり、良好な磁気特性を備えつつも、優れた被削性が付与された快削軟磁鉄を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の快削軟磁鉄は、
質量％で、Ｃ：０．０５％以下，Ｓｉ：４．０％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｓ：０．０３〜０．３５％，Ｔｉ：０．０５〜１．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるとともに、
Ｘ＝１００Ｃ(%)−Ｓｉ(%)＋５Ｍｎ(%)＋３０Ｓ(%)＋３Ｔｉ(%)としたときに当該Ｘが１５以下であることを前提とする。
質量％で、Ｃ：０．０５％以下，Ｓｉ：４．０％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｓ：０．０３〜０．３５％，Ｔｉ：０．０５〜１．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるとともに、
Ｘ＝１００Ｃ(%)−Ｓｉ(%)＋５Ｍｎ(%)＋３０Ｓ(%)＋３Ｔｉ(%)としたときに当該Ｘが１５以下であることを前提とする。
かかる本発明では、上記組成範囲のＴｉ，Ｃ，Ｓを含有させることで、これらを含有するＴｉ系介在物を鋼組織中に生成させることが可能であり、これによって良好な被削性を付与することができる。また、ＭｎＳやＣｒＳを主要介在物とする場合（上記特許文献１参照）と比較して、少量のＳであっても被削性を改善できるため、磁気特性を良好に維持できる。つまり、本発明によれば、良好な磁気特性を備えつつも、優れた被削性が付与された快削軟磁鉄を実現できるのである。
また、本発明者らは、Ｔｉ系介在物を本発明のような軟磁鉄に適用した場合、ＴｉはＭｎと同様に軟磁気特性を劣化させる性質をもつことから、軟磁気特性が大幅に劣化するものと予想していた。しかしながら、本発明者らは、Ｔｉは同じ添加量当たりの保磁力の増加がＭｎよりも少ないことを見出し、実際にはＴｉ系介在物を生成させても、軟磁気特性の劣化をそれ程生じさせずに被削性を付与させることが可能であるとの知見を得て、本発明を為すに到った。
詳細には、Ｘ＝１００Ｃ(%)−Ｓｉ(%)＋５Ｍｎ(%)＋３０Ｓ(%)＋３Ｔｉ(%)としたとき、保磁力はＸと共におよそ直線的に増加する。そのため、当該Ｘの値を制御する（具体的にはＸを１５以下とする）ことで、所望の保磁力を有する電磁鉄を得ることができるのである。そして、Ｘにおける各々の係数から明らかなように、Ｔｉは同じ添加量当たりの保磁力の増加がＭｎよりも少ないので、Ｔｉ系介在物を鋼組織中に生成させることで、ＭｎＳの場合よりも効率的に被削性を付与することができるのである。
ここで、上記Ｔｉ系介在物は、組成式Ｔｉ４Ｃ２Ｓ２にて表される介在物（以下、ＴｉＣＳともいう）を主に含有するものとすることができる。また、ＴｉＣＳにおいては、Ｔｉの一部又は全部がＺｒと、Ｓの一部又は全部がＳｅ若しくはＴｅと置換されていてもよい。鋼中のＴｉ系介在物の同定は、Ｘ線回折（例えば、ディフラクトメータ法）や電子線プローブ微小分析（ＥＰＭＡ）法により行うことができる。例えば、Ｔｉ４Ｃ２Ｓ２の介在物にて存在しているか否かは、Ｘ線ディフラクトメータ法による測定プロファイルに、対応する介在物のピークが現れるか否かにより確認できる。また、組織中における該介在物の形成領域は、鋼材の断面組織に対してＥＰＭＡによる面分析を行い、Ｔｉ，Ｃ，Ｓの特性Ｘ線強度の二次元マッピング結果を比較することにより特定できる。
以下、上記各成分の組成限定理由について説明する。
（１）Ｃ：０．０５％以下
Ｃは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素である。また、Ｔｉ系介在物に固定されることによって、マトリックス相中の固溶Ｃ量が低下し、マトリックス相の軟磁気特性が良好に維持される。しかしながら、過度の添加は、炭化物や固溶Ｃが増加して、磁気特性を劣化させてしまうので、０．０５％以下の添加とする。さらには、０．０３％以下の添加が好ましい。
Ｃは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素である。また、Ｔｉ系介在物に固定されることによって、マトリックス相中の固溶Ｃ量が低下し、マトリックス相の軟磁気特性が良好に維持される。しかしながら、過度の添加は、炭化物や固溶Ｃが増加して、磁気特性を劣化させてしまうので、０．０５％以下の添加とする。さらには、０．０３％以下の添加が好ましい。
（２）Ｓｉ：４．０％以下
Ｓｉは、脱酸剤として有効なだけでなく、保磁力を低下させる等の軟磁気特性の改善や、電気抵抗増加効果による磁気回路の損失低減に有効な元素である。しかしながら、過度の添加は、磁束密度を低下させてしまうので、４．０％以下の添加とする。さらには、３．５％以下の添加が好ましい。
Ｓｉは、脱酸剤として有効なだけでなく、保磁力を低下させる等の軟磁気特性の改善や、電気抵抗増加効果による磁気回路の損失低減に有効な元素である。しかしながら、過度の添加は、磁束密度を低下させてしまうので、４．０％以下の添加とする。さらには、３．５％以下の添加が好ましい。
（３）Ｍｎ：１．０％以下
Ｍｎは、精錬における脱酸剤として有効な元素であるとともに、ＭｎＳを形成して被削性を向上させる効果も有する。しかしながら、過度の添加は軟磁気特性を低下させてしまうので、１．０％以下の添加とする。さらには、０．５％以下の添加が好ましい。なお、上記Ｘに係る式の係数に見られるように、Ｔｉの方が磁気特性劣化作用が小さいことから、本発明では、Ｍｎの添加を製造上必要な最小限にして、被削性向上の役割を主にＴｉ系介在物に担わせている。
Ｍｎは、精錬における脱酸剤として有効な元素であるとともに、ＭｎＳを形成して被削性を向上させる効果も有する。しかしながら、過度の添加は軟磁気特性を低下させてしまうので、１．０％以下の添加とする。さらには、０．５％以下の添加が好ましい。なお、上記Ｘに係る式の係数に見られるように、Ｔｉの方が磁気特性劣化作用が小さいことから、本発明では、Ｍｎの添加を製造上必要な最小限にして、被削性向上の役割を主にＴｉ系介在物に担わせている。
（４）Ｓ：０．０３〜０．３５％
Ｓは、被削性を向上させるＴｉ系介在物やＭｎＳ系介在物を構成する元素である。かかる効果を得るためには、０．０３％以上の添加が必要である。さらには、０．０４％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、軟磁気特性を劣化させてしまうので、０．３５％以下の添加とする。さらには、０．３％以下の添加が好ましい。また、Ｓは、Ｓｅ，Ｔｅにより置換することが可能である。詳しくは、Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅが０．０３〜０．３５％となるようにＳ，Ｓｅ，Ｔｅの１種又は２種以上を含有するようにすることができる。
Ｓは、被削性を向上させるＴｉ系介在物やＭｎＳ系介在物を構成する元素である。かかる効果を得るためには、０．０３％以上の添加が必要である。さらには、０．０４％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、軟磁気特性を劣化させてしまうので、０．３５％以下の添加とする。さらには、０．３％以下の添加が好ましい。また、Ｓは、Ｓｅ，Ｔｅにより置換することが可能である。詳しくは、Ｓ＋０．４１Ｓｅ＋０．２５Ｔｅが０．０３〜０．３５％となるようにＳ，Ｓｅ，Ｔｅの１種又は２種以上を含有するようにすることができる。
（５）Ｔｉ：０．０５〜１．０％
Ｔｉは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素であるとともに、マトリックス相中の固溶ＣやＳを低下させて磁気特性の向上に寄与する。かかる効果を得るためには、０．０５％以上の添加が必要である。さらには、０．１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、磁気特性を低下させてしまうので、１．０％以下の添加とする。さらには、０．８％以下の添加が好ましい。また、Ｔｉは、Ｚｒにより置換することが可能である。詳しくは、Ｔｉ＋０．５２Ｚｒが０．０５〜１．０％となるようにＴｉ，Ｚｒの１種又は２種を含有するようにすることができる。なお、Ｔｉ系介在物を効果的に形成する（すなわち、ＣやＳを十分にＴｉに固定する）ためには、２Ｓ(%)≦Ｔｉ(%)≦５Ｓ(%)や８Ｃ(%)≦Ｔｉ(%)≦４０Ｃ(%)を満たすようにＴｉを添加することが望ましい。
Ｔｉは、被削性を向上させるＴｉ系介在物を構成する元素であるとともに、マトリックス相中の固溶ＣやＳを低下させて磁気特性の向上に寄与する。かかる効果を得るためには、０．０５％以上の添加が必要である。さらには、０．１％以上の添加が好ましい。他方、過度の添加は、磁気特性を低下させてしまうので、１．０％以下の添加とする。さらには、０．８％以下の添加が好ましい。また、Ｔｉは、Ｚｒにより置換することが可能である。詳しくは、Ｔｉ＋０．５２Ｚｒが０．０５〜１．０％となるようにＴｉ，Ｚｒの１種又は２種を含有するようにすることができる。なお、Ｔｉ系介在物を効果的に形成する（すなわち、ＣやＳを十分にＴｉに固定する）ためには、２Ｓ(%)≦Ｔｉ(%)≦５Ｓ(%)や８Ｃ(%)≦Ｔｉ(%)≦４０Ｃ(%)を満たすようにＴｉを添加することが望ましい。
（６）Ｘ＝１００Ｃ(%)−Ｓｉ(%)＋５Ｍｎ(%)＋３０Ｓ(%)＋３Ｔｉ(%)としたときに当該Ｘが１５以下
当該Ｘに係る式は、各元素の保磁力増加への寄与を定量化したものである。 Ｘ値により、所望の保磁力を持つ成分を設計可能である。Ｘ値が１５を超えると、保磁力が過度なものとなってしまう。また、Ｘ≦１ではおよそＨＣ＜０．６(A/cm)となりＳＵＹ０に相当、１＜Ｘ≦２ではおよそＨＣ：０．６〜０．８(A/cm)となりＳＵＹ１に相当、２＜Ｘ≦５ではおよそＨＣ：０．８〜１．２(A/cm)となりＳＵＹ２に相当、５＜Ｘ≦１５ではおよそＨＣ：１．２〜２．４(A/cm)となりＳＵＹ３に相当する。なお、磁束密度は、Ｂ(2000A/M)＞１５５(Tesla)を得ることが出来る。
当該Ｘに係る式は、各元素の保磁力増加への寄与を定量化したものである。 Ｘ値により、所望の保磁力を持つ成分を設計可能である。Ｘ値が１５を超えると、保磁力が過度なものとなってしまう。また、Ｘ≦１ではおよそＨＣ＜０．６(A/cm)となりＳＵＹ０に相当、１＜Ｘ≦２ではおよそＨＣ：０．６〜０．８(A/cm)となりＳＵＹ１に相当、２＜Ｘ≦５ではおよそＨＣ：０．８〜１．２(A/cm)となりＳＵＹ２に相当、５＜Ｘ≦１５ではおよそＨＣ：１．２〜２．４(A/cm)となりＳＵＹ３に相当する。なお、磁束密度は、Ｂ(2000A/M)＞１５５(Tesla)を得ることが出来る。
次に、本発明の快削軟磁鉄は、鋼成分としてさらに、Ｐ：０．０４％以下，Ｃｕ：０．３０％以下，Ｎｉ：０．３０％以下，Ｃｒ：０．３０％以下，Ａｌ：０．０５％以下，Ｎ：０．０３％以下，Ｏ：０．０３％以下を含有することを特徴とする。
（７）Ｐ：０．０４％以下
Ｐは、粒界に偏析し、粒界腐食感受性を高めるほか、靭性の低下を招くこともあり、その含有量をなるべく低く抑えるのが良く、０．０４％以下に設定するのが良い。
Ｐは、粒界に偏析し、粒界腐食感受性を高めるほか、靭性の低下を招くこともあり、その含有量をなるべく低く抑えるのが良く、０．０４％以下に設定するのが良い。
（８）Ｃｕ：０．３０％以下
Ｃｕは、耐食性をより向上させるのに有効であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、軟磁気特性を阻害する場合があるので、０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
Ｃｕは、耐食性をより向上させるのに有効であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、軟磁気特性を阻害する場合があるので、０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
（９）Ｎｉ：０．３０％以下
Ｎｉは、Ｃｕと同様に、耐食性をより向上させるのに有効であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、軟磁気特性を阻害する場合があるので、０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
Ｎｉは、Ｃｕと同様に、耐食性をより向上させるのに有効であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、軟磁気特性を阻害する場合があるので、０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
（１０）Ｃｒ：０．３０％以下
Ｃｒは、耐食性向上に寄与する元素であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、磁気特性を阻害する場合があるので、０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
Ｃｒは、耐食性向上に寄与する元素であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、磁気特性を阻害する場合があるので、０．３０％以下の添加とすることが好ましい。
（１１）Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様に、電気抵抗増加効果による磁気回路の損失低減に有効な元素であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、磁気特性を阻害するので、０．０５％以下の添加とする。
Ａｌは、Ｓｉと同様に、電気抵抗増加効果による磁気回路の損失低減に有効な元素であるので、必要に応じて添加できる。しかしながら、過度の添加は、磁気特性を阻害するので、０．０５％以下の添加とする。
（１２）Ｎ：０．０３％以下
Ｏは、被削性を向上させるのに有効なＴｉ系化合物の構成元素であるＴｉと結合し、被削性の向上には効果的でない窒化物を形成することから、その含有量をなるべく低く抑えるのが良く、０．０３％以下に設定するのが良い。
Ｏは、被削性を向上させるのに有効なＴｉ系化合物の構成元素であるＴｉと結合し、被削性の向上には効果的でない窒化物を形成することから、その含有量をなるべく低く抑えるのが良く、０．０３％以下に設定するのが良い。
（１３）Ｏ：０．０３％以下
Ｏは、被削性を向上させるのに有効なＴｉ系化合物の構成元素であるＴｉと結合し、被削性の向上には効果的でない酸化物を形成することから、その含有量をなるべく低く抑えるのが良く、０．０３％以下に設定するのが良い。
Ｏは、被削性を向上させるのに有効なＴｉ系化合物の構成元素であるＴｉと結合し、被削性の向上には効果的でない酸化物を形成することから、その含有量をなるべく低く抑えるのが良く、０．０３％以下に設定するのが良い。
次に、本発明の快削軟磁鉄は、マトリックス相中の固溶Ｃ量が０．１ｐｐｍ以下であることが好ましい。これによって、マトリックス相の軟磁気特性が良好に維持される。ここで、マトリックス相中の固溶Ｃ量は、Ｃ添加量からＴｉと結合して介在物を形成するＣ量を引いた値で見積もられる。すなわち、例えば、Ｔｉ添加量からＴｉ４Ｃ２Ｓ２として固定されるＣ量（ただし、Ｓが不足する場合はＴｉＣとして固定される）を求め、残余のＣがマトリックス相中に固溶しているとする。
次に、本発明の快削軟磁鉄は、マトリックス相中に分散形成されたＴｉ系介在物の平均径が０．０３〜０．５μｍであることが好ましい。Ｔｉ系介在物は、マトリックス相中に微細に分散されることで、鋼の被削性を向上させる。かかる効果を高めるためには、Ｔｉ系介在物の径（例えば、鋼材の研磨断面組織において観察されるＴｉ系介在物の外形線に外接平行線を引いたときの最大間隔にて表すことができる）の平均値が、上記範囲であることが好ましい。また、Ｔｉ系介在物の組織中の面積率は、例えば０．００１〜０．０５％程度であることが好ましい。
以下、本発明の効果を確認するために行った試験について説明する。
表１に示す化学組成に基づき、真空誘導溶解炉を用いてＡｒ雰囲気中で１００ｋｇを溶解−鋳造して約１２０ｍｍ角とし、更に、８５０〜１０００℃で熱間鍛造を行い２３ｍｍ厚板とした。
なお、表１中の比較鋼の組成において、本発明で規定する組成範囲を逸脱しているものには、下限を下回る場合は下向矢印（↓）、上限を上回る場合は上向矢印（↑）を付している。
表１に示す化学組成に基づき、真空誘導溶解炉を用いてＡｒ雰囲気中で１００ｋｇを溶解−鋳造して約１２０ｍｍ角とし、更に、８５０〜１０００℃で熱間鍛造を行い２３ｍｍ厚板とした。
なお、表１中の比較鋼の組成において、本発明で規定する組成範囲を逸脱しているものには、下限を下回る場合は下向矢印（↓）、上限を上回る場合は上向矢印（↑）を付している。
次に、かかる発明鋼及び比較鋼に対し、以下に記述する磁気特性，被削性，介在物径の評価を行った。評価結果を表１及び図１，２に示す。
＜磁気特性＞
磁気特性は、各々を２０ｍｍ外径×９ｍｍ内径×５ｍｍ厚のリングに切削し、真空炉で９５０℃×３時間焼鈍後、Ｂ−Ｈループトレーサーで測定した。
磁気特性は、各々を２０ｍｍ外径×９ｍｍ内径×５ｍｍ厚のリングに切削し、真空炉で９５０℃×３時間焼鈍後、Ｂ−Ｈループトレーサーで測定した。
＜被削性＞
被削性は、各々を切削で２０ｍｍ厚板として、ＳＫＨ５１、φ５ｍｍドリルを用い、深さ１５ｍｍ、一定荷重（１０００Ｎで穴あけ）で行った。一回の穴あけに要する時間が１５秒を超えるまでの回数をドリル寿命とし、比較例１５のドリル寿命を１とした場合の寿命を表に表している。
被削性は、各々を切削で２０ｍｍ厚板として、ＳＫＨ５１、φ５ｍｍドリルを用い、深さ１５ｍｍ、一定荷重（１０００Ｎで穴あけ）で行った。一回の穴あけに要する時間が１５秒を超えるまでの回数をドリル寿命とし、比較例１５のドリル寿命を１とした場合の寿命を表に表している。
＜介在物径＞
介在物径は、各々を鏡面研磨し、観察される介在物の長短径について、視野内最大値及び平均値を取った。なお、この際、僅かに観察された角型のＴｉＮ（ＥＰＭＡ、特性Ｘ線マップで確認）は、観察対象から除外している。
介在物径は、各々を鏡面研磨し、観察される介在物の長短径について、視野内最大値及び平均値を取った。なお、この際、僅かに観察された角型のＴｉＮ（ＥＰＭＡ、特性Ｘ線マップで確認）は、観察対象から除外している。
図１は、保磁力及び磁束密度のＸ値依存性を示すものである。保磁力Ｈｃは、Ｘ値（＝１００Ｃ(%)−Ｓｉ(%)＋５Ｍｎ(%)＋３０Ｓ(%)＋３Ｔｉ(%)）と共におよそ直線的に増加している。Ｘ値が１５を超える比較鋼１５は、保磁力Ｈｃが２．４Ａ／ｃｍを超えている。また、磁束密度Ｂ２５は、Ｘ値が１５以下の範囲で１５５(Tesla)以上の値を得ている。
図２は、ドリル寿命のＳ濃度依存性を示すものである。発明鋼は、Ｓ濃度が０．０３を下回る比較鋼１５よりも被削性が良好である。また、Ｓ濃度が高くなるにつれて徐々にその効果は飽和している。
以上より、本発明の発明鋼は、上記組成範囲とすることでＴｉ系介在物が鋼組織中に生成し、その結果、良好な磁気特性及び被削性を備えるものであることがわかる。
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．０５％以下，Ｓｉ：４．０％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｓ：０．０３〜０．３５％，Ｔｉ：０．０５〜１．０％，Ｐ：０．０４％以下，Ｃｕ：０．３０％以下，Ｎｉ：０．３０％以下，Ｃｒ：０．３０％以下，Ａｌ：０．０５％以下，Ｎ：０．０３％以下，Ｏ：０．０３％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるとともに、
Ｘ＝１００Ｃ(%)−Ｓｉ(%)＋５Ｍｎ(%)＋３０Ｓ(%)＋３Ｔｉ(%)としたときに当該Ｘが１５以下であり、
マトリックス相中に分散形成された組成式Ｔｉ ４ Ｃ ２ Ｓ ２ にて表される介在物の平均径が０．０２〜０．５μｍであることを特徴とする快削軟磁鉄。 - 保磁力が２．４Ａ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の快削軟磁鉄。
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