JP5215855B2 - Fe基合金及びその製造方法 - Google Patents
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Description
温度による変位制御には形状記憶合金が知られており、数%レベルの寸法変化が得られている。形状記憶効果は、変形した材料をある温度以上に加熱したときに生じるマルテンサイト逆変態を利用して元の形状が回復する現象である。形状記憶効果を用いると熱駆動型のアクチュエータとして利用できるが、温度制御が必要なことに加え、冷却時の形状変化が熱拡散で律速されるため応答性が悪い。
本発明は、かかる知見をベースとし、Al、Si、Cr、Niの一種又は二種以上を適量添加した成分系において、磁場勾配の印加・除去により大きな可逆歪が得られ、延性も良好なFe基強磁性合金を提供することを目的とする。
双晶の存在量は、結晶粒界の面積に対する双晶界面の面積比率(以下、単に"双晶界面の面積比"という)として0.2以上に調整されている。双晶が存在する金属組織は、所定組成のFe基合金を600〜1350℃で溶体化処理した後、加工率:10%以上で加工をすることにより形成される。更に200〜800℃で時効処理しても良い。
ヤング率は原子間の凝集力に関わる物性値であり、加工や熱処理では制御し難いと考えられている。しかし、強磁性材料では、応力負荷時に磁気モーメントの回転が起こることに起因してヤング率が低下するΔE効果が生じる。
また、加工後の組織に多量に存在している変形双晶は、変形及び変形後の除荷に対して可逆的に動くことが知られている。双晶の可逆的移動現象は、双晶を有さない材料に比較してより大きな弾性変形量を示す。その結果、大きな弾性歪量が得られる。
双晶の存在量は、光学顕微鏡等で観察した金属組織を基に双晶界面の長さ、結晶粒界の長さを計測し、両者の比から界面の面積比として表すことができる。
ここで、本発明で得られる高弾性変形と形状記憶合金における超弾性との相違について述べる。本発明で得られる双晶は、加工により、双晶界面を境にした2つの領域の結晶学的方位関係が双晶関係になるだけなのに対し、超弾性では、応力により母相からマルテンサイト相への結晶構造変化を伴う応力誘起マルテンサイト変態が起きる。このような点において両者は明確な相違がある。
Al、Si、Cr、Niは、高い磁化の強さを有しながら冷間加工後の弾性変形量を大きくし、透磁率を高くする効果もある。このような効果は、0.01質量%以上のAl、Si又はCr添加で顕著になる。しかし、過剰添加は加工性や磁気特性の著しい劣化を招くので、Al:11質量%、Si:7質量%、Cr:26質量%を上限とした。Niは35質量%以上の添加で高い磁化の強さを有しながら冷間加工後の弾性変形量を大きくする効果を有する。しかし、過剰添加は加工性や磁気特性の著しい劣化を招くので、Ni:50質量%を上限とした。
Mnは脱酸剤として作用するほか、硫化物を生成して被削性の向上に有効な成分であるが、過剰添加は磁気特性の著しい劣化を招くので、添加する場合にはMn:0.01〜5質量%の範囲で含有量を選定する。
Cuは耐候性の向上に有効な成分であるが、過剰添加は磁気特性の著しい劣化を招くので、添加する場合にはCu:0.01〜5質量%の範囲で含有量を選定する。
Niは35質量%未満でも耐食性向上に有効な成分であるため、磁気特性の著しい劣化を招かない範囲で任意成分として添加できる。この場合、Ni:0.01〜10質量%の範囲で含有量を選定することが好ましい。
B、C、Pは結晶粒微細化に有効な成分であるが、過剰添加は延性の著しい劣化を招く。そこで、B、C、Pを添加する場合にはB:0.001〜1質量%、C:0.001〜1質量%、P:0.001〜1質量%の範囲で含有量を選定する。
Sは被削性を向上させるのに有効な成分であるが、過剰添加は加工性の劣化を招く。そこで、Sを添加する場合にはS:0.001〜1質量%の範囲で含有量を選定する。
加工率は、双晶界面の面積が結晶粒界の面積に対して0.2以上の比となるために10%以上の加工率が必要であり、設備への大きな負担を避けるために95%以下にする必要がある。
弾性変形能の向上に及ぼす双晶の影響は、金属組織全体において、双晶界面の面積が結晶粒界の面積に対して0.2以上の比とすることにより顕著になる。
弾性変形量は、三点曲げ試験で1%の曲げ歪量を与えた後に除荷し、そのときに戻る形状歪量とした。磁化の強さは、振動試料型磁力計を用いて磁場を印加し、0.5Tのときの磁化の強さとした。双晶界面の面積比は、5視野の光学顕微鏡写真から得られた結晶粒界、双晶界面の平均値を基に決定した。
製造条件と物性値との関係を表3に示す。試験No.1では溶体化後に冷間圧延をしておらず、双晶が存在していなかった。試験No.2は試験No.1に40%の冷間圧延を与えたものであり、弾性変形量も大きくなっていた。試験No.3は冷間加工率80%で圧延したものであり、加工率の増加と共に双晶界面の面積比及び弾性変形量が大きくなっていたが、磁化の強さに変化無く良好な磁気特性が維持されていた。
以上の結果から、適切な時効処理により弾性変形量を調整可能なことが理解できる。
試験No.4〜6では溶体化温度を変化させた。試験No.4、5では双晶界面の面積比、弾性変形量、磁化の強さ共に良好であったが、試験No.6は溶体化温度が高いために液相が出現して部分溶融してしまった。
得られた各Fe基合金について弾性変形量、磁化強さを測定した結果を表4(Fe−Al系)、表5(Fe−Si系)、表6(Fe−Cr系)、表7(Fe−Ni系)に示す。
得られたFe基合金について、−50℃、25℃、100℃、200℃の各温度における双晶界面の面積比、弾性変形量、磁化の強さを求めた。弾性変形量は、各温度での引張り試験で1%の歪量を与えた後に除荷してそのときに戻る形状歪量とし、双晶界面の面積比、磁化の強さは、各温度で実施例1と同様の方法により求めた。
得られたFe基合金について、電磁石コイル中で磁場勾配を与え、2.8mmの初期変位を与えたのち、磁場を除去した際の弾性変形量と回復率を求めた。ここで回復率(%)は、式:(弾性変形量/初期変位)×100で定義される。
Claims (14)
- 磁場勾配の印加・除去に応じて可逆的に変形するFe基合金からなる磁気駆動アクチュエータであって、
前記Fe基合金は、
Al:2〜11質量%、Si:0.5〜7質量%、Cr:5〜26質量%から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、
強磁性体で、ΔE効果を有し、かつ、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が0.2以上であって、前記双晶が印加する応力に応じて可逆的に移動するFe基合金である
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ。 - 前記Fe基合金は、
Ti:0.01〜5質量%、
V:0.01〜10質量%、
Mn:0.01〜5質量%、
Co:0.01〜30質量%、
Ni:0.01〜10質量%、
Cu:0.01〜5質量%、
Zr:0.01〜5質量%、
Nb:0.01〜5質量%、
Mo:0.01〜5質量%、
Hf:0.01〜5質量%、
Ta:0.01〜5質量%、
W:0.01〜5質量%、
B:0.001〜1質量%、
C:0.001〜1質量%、
P:0.001〜1質量%、
S:0.001〜1質量%から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気駆動アクチュエータ。 - 磁場勾配の印加・除去に応じて可逆的に変形するFe基合金からなる磁気駆動アクチュエータであって、
前記Fe基合金は、
Al:2〜11質量%、Si:0.5〜7質量%、Cr:5〜26質量%、Ni:35〜50質量%から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、
強磁性体であり、ΔE効果を有し、かつ、
結晶粒界に対する双晶界面の面積比が0.2以上であって、前記双晶が印加する応力に応じて可逆的に移動する
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ。 - 前記Fe基合金は、
Ti:0.01〜5質量%、
V:0.01〜10質量%、
Mn:0.01〜5質量%、
Co:0.01〜30質量%、
Cu:0.01〜5質量%、
Zr:0.01〜5質量%、
Nb:0.01〜5質量%、
Mo:0.01〜5質量%、
Hf:0.01〜5質量%、
Ta:0.01〜5質量%、
W:0.01〜5質量%、
B:0.001〜1質量%、
C:0.001〜1質量%、
P:0.001〜1質量%、
S:0.001〜1質量%から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気駆動アクチュエータ。 - 前記Fe基合金は、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、3.0以下である
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ。 - 前記Fe基合金は、0.5テスラ(T)で、100emu/g以上の磁化の強さを有する
ことを特徴とする請求項5に記載の磁気駆動アクチュエータ。 - 磁場勾配の印加・除去に応じて可逆的に変形する磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法であって、
前記Fe基合金の製造方法は、
Al:2〜11質量%、Si:0.5〜7質量%、Cr:5〜26質量%から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、
600〜1350℃の温度範囲で、0.1〜6時間範囲で溶体化処理した後、加工率:10%以上で加工して、
強磁性体で、ΔE効果を有し、かつ、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が0.2以上であって、前記双晶が印加する応力に応じて可逆的に移動するFe基合金を製造する
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 前記Fe基合金は、
Ti:0.01〜5質量%、
V:0.01〜10質量%、
Mn:0.01〜5質量%、
Co:0.01〜30質量%、
Ni:0.01〜10質量%、
Cu:0.01〜5質量%、
Zr:0.01〜5質量%、
Nb:0.01〜5質量%、
Mo:0.01〜5質量%、
Hf:0.01〜5質量%、
Ta:0.01〜5質量%、
W:0.01〜5質量%、
B:0.001〜1質量%、
C:0.001〜1質量%、
P:0.001〜1質量%、
S:0.001〜1質量%から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項7に記載の磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 磁場勾配の印加・除去に応じて可逆的に変形する磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法であって、
前記Fe基合金の製造方法は、
Al:2〜11質量%、Si:0.5〜7質量%、Cr:5〜26質量%、Ni:35〜50質量%から選ばれた一種又は二種以上を含み、残部が不可避的不純物を除きFeの組成をもち、
600〜1350℃の温度範囲で、0.1〜6時間範囲で溶体化処理した後、加工率:10%以上で加工して、
強磁性体で、ΔE効果を有し、かつ、結晶粒界に対する双晶界面の面積比が0.2以上であって、前記双晶が印加する応力に応じて可逆的に移動するFe基合金を製造する
ことを特徴とする磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 前記Fe基合金は、
Ti:0.01〜5質量%、
V:0.01〜10質量%、
Mn:0.01〜5質量%、
Co:0.01〜30質量%、
Cu:0.01〜5質量%、
Zr:0.01〜5質量%、
Nb:0.01〜5質量%、
Mo:0.01〜5質量%、
Hf:0.01〜5質量%、
Ta:0.01〜5質量%、
W:0.01〜5質量%、
B:0.001〜1質量%、
C:0.001〜1質量%、
P:0.001〜1質量%、
S:0.001〜1質量%から選ばれた一種又は二種以上を含む
ことを特徴とする請求項9に記載の磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 前記加工は、700℃以下で処理する
ことを特徴とする請求項7ないし10のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 前記Fe基合金の製造方法は、
加工率を95%以下で加工する
ことを特徴とする請求項11に記載の磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 前記Fe基合金の製造方法は、
加工後に200〜800℃の温度範囲で、0.1〜24時間範囲で時効処理する
ことを特徴とする請求項7ないし12のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。 - 前記Fe基合金の製造方法は、
前記結晶粒界に対する双晶界面の面積比が、3.0以下である
ことを特徴とする請求項7ないし13のいずれかに記載の磁気駆動アクチュエータ用Fe基合金の製造方法。
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