JP5622074B2 - 複合磁性部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材の製造方法に関するものである。

例えば、特開２０００−１０４１４２号（特許文献１）に示すように、本発明者は、単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材を提案している。
例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系を基本組成とする合金は、Ａ３変態点以下での焼鈍処理によりフェライト＋炭化物相とすると強磁性を示す。一方、高温での溶体化処理により炭化物を固溶させてオーステナイト相とすると弱磁性化する。
この現象を利用して、フェライト＋炭化物相でなる素材を部分的に高温加熱してオーステナイト化すると、強磁性体中に弱磁性部を具備した複合磁性部材を得ることができる。
この複合磁性部材は、単一組成でなる部材中に磁束を通す強磁性部と磁束を通さない（通し難い）弱磁性部を併せ持つことができるので、磁気回路用の部材として好適である。また、磁気回路を製造する際にも、強磁性の部材と弱磁性の部材を別々に準備する必要が無く、更に、これらの別部材を接合や溶接によって一体化する必要も無いので、製造工程が簡略化できて便利である。

更に本発明者は、上述の特許文献１に記載するような単一の素材で強磁性部と弱磁性部を具備する複合磁性部材の製造方法として、例えば、特開２００４−２８１７３７号（特許文献２）では、強磁性素材の外周側に外周からの幅が他の部分よりも狭い連結部を形成し、次に、強磁性素材の外周側より高周波を印加して、前記連結部を発熱させて、強磁性素材の一部に弱磁性部を形成する複合磁性部材の製造方法を提案した。
この特許文献２で提案した複合磁性部材の製造方法によれば、複合磁性部材の弱磁性部における巨視的な割れや変形、寸法精度の悪さの問題を改善することができ、しかも、複数の連結部を同時且つ優先的に自己発熱させて、該連結部に非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織を有する弱磁性部を形成することができる複合磁性部材の製造方法として画期的なものである。

特開２０００−１０４１４２号公報 特開２００４−２８１７３７号公報

本発明者が特許文献２で提案した複合磁性部材の製造方法について、更に検討を進めたところ、複数の連結部を同時に発熱させることができる点で有利であるものの、連結部毎に到達温度の差が生じる場合があるという問題に直面した。
連結部すなわち弱磁性部の磁気特性は、高周波を印加時の到達温度に依存して変化するので、連結部毎に到達温度の差が生じると、連結部毎に磁気特性が異なることとなり、目的とする弱磁性が得られない連結部ができる場合がある。例えば、複合磁性部材をモータコアに用いる場合、複数の連結部の内、ごく一部の連結部が弱磁性化していないだけであっても、トルクを得難くなるので、複合磁性部材を実用化する上で大きな問題となる。
本発明の目的は、上述した高周波の印加時に、連結部毎に生じる到達温度の差の問題を解決して、複数の連結部の到達温度を均一化し、全ての連結部の磁気特性のばらつきを抑制した弱磁性部を形成することが可能な複合磁性部材の製造方法を提供することである。

本発明者は、連結部毎に生じる到達温度の差の問題を検討し、連結部が弱磁性化に必要な温度まで到達する前において、この弱磁性化熱処理温度より低温側の温度で、予熱しておく製造方法を採用することで、複数の連結部が弱磁性化熱処理温度に到達した際の温度をほぼ等しくし、全ての連結部の磁気特性のばらつきを抑制することができることを見いだし、本発明に到達した。

すなわち本発明は、板状の強磁性素材に内空間部が形成され、前記強磁性素材の外周側に、前記内空間部により幅が狭められ、且つ、非溶融の弱磁性部が形成された複数の連結部を有する複合磁性部材の製造方法において、前記強磁性素材を６００〜９００℃の温度に予熱し、次いで、前記強磁性素材の外周を囲んで配置した高周波コイルより高周波を印加して、前記複数の連結部を自己発熱させて、前記連結部に非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織を有し、且つ、全ての連結部が振動試料型磁束計を用いて外部磁場１Ｔ（テスラ）の条件で弱磁性部を磁化した際の飽和磁化（Ｊ値）が０．１Ｔ以下の弱磁性部を形成する複合磁性部材の製造方法である。
上述の複合磁性部材の製造方法において、弱磁性部の形成は、強磁性素材を回転させながら行うと良い。
また、本発明で用いる強磁性素材は、質量％でＣ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜３．０％、Ｍｎ：０．１０〜４．０％、Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）、Ｃｒ：４．０〜２０．０％、Ａｌ：２．０％以下（０を含む）、残部がＦｅ及び不純物の組成でなるものを用いると良い。

本発明の複合磁性部材の製造方法では、複数の連結部が弱磁性化熱処理温度に到達した際の温度を均一にすることが可能なため、全ての連結部の磁気特性のばらつきを抑制した弱磁性部を形成することができる。それ故、複合磁性部材を、例えば、モータコアに実用する上で高い効果を奏するものである。

本発明の製造方法において、強磁性素材を示す図である。 本発明の製造方法を示す図である。 本発明の製造方法において、連結部の温度履歴を示す図である。 本発明の製造方法により作製した複合磁性部材の弱磁性部の金属組織を示す光学顕微鏡写真である。 比較例の製造方法において、連結部の温度履歴を示す図である。

上述したように、本発明の重要な特徴は、連結部毎に生じる到達温度の差をなくし、連結部が弱磁性化に必要な温度まで到達する前に、弱磁性化熱処理温度より低温側の温度で予熱する製造方法を採用したことにある。以下、本発明の規定理由を述べる。
本発明の製造方法においては、板状の強磁性素材に内空間部が形成され、前記内空間部により幅が狭められるように形成された複数の連結部を有する強磁性素材とするように形状の調整を行なうものである。
先ず、本発明の根幹である予熱について説明する。
例えば、図１に示すような、内空間部（（１０）〜（１４））と連結部（（１）〜（８））を併せ持つ強磁性素材を用意する。なお、連結部は内空間部と強磁性素材の外周の間に位置し、内空間部によって強磁性素材の幅が狭くなる個所である。また、内空間部も例えば、図１のような複数の内空間部が形成されたものであっても良いし、円形状の内空間部が１つであっても良い。
また、本発明の複合磁性部材の製造方法では、板状の強磁性素材の処理枚数は１枚であっても、複数枚であっても構わない。複数枚の場合は、連結部が一致するように積層するのが良い。

用意した板状の強磁性素材に対して６００〜９００℃の温度で予熱を施し、次いで、弱磁性化熱処理温度まで昇温する。
強磁性素材を弱磁性化するためには、弱磁性化可能な温度域に昇温する必要があるが、この弱磁性化熱処理温度まで室温から急速に昇温すると、連結部毎に到達温度の差が生じ易くなる。そこで、弱磁性化熱処理温度に到達する前に、これより低温側の温度で一旦、予熱保持して各連結部の温度を均一化した後、目標温度まで昇温することで、複数の連結部が目標温度に到達した際の温度をほぼ等しくすることができる。
この予熱の方法としては、例えば、高周波コイルを用いて行う一連の熱処理工程中で、同一の高周波コイルを用いて、弱磁性化熱処理温度に到達時の電力より低い電力で加熱してもよいし、あるいは、例えば、強磁性素材全体を電気炉等、高周波コイルとは別の熱源で加熱してもよい。生産性を考慮すると、高周波コイルを用いて行う一連の熱処理工程の中で、同一の高周波コイルを用いて、弱磁性化熱処理温度に到達時の電力より低い電力で加熱する方法を採用すると良い。
また、弱磁性化する温度は弱磁性部を形成する連結部の温度を１０００℃以上とすれば良く、上限は強磁性素材の融点未満の温度である。好ましい弱磁性化熱処理温度は、１０００〜１３００℃の温度範囲であれば良い。

次に予熱温度について説明する。
予熱の温度を６００〜９００℃としたのは、６００℃未満の温度域では予熱の効果が乏しいことに加え、予熱による強磁性素材の色の変化が明瞭でないので、各連結部の温度が均一化できているかどうか目視で判断し難いためである。逆に、予熱の温度が９００℃を超えると、特に、強磁性素材全体を電気炉等で加熱する場合に、複合磁性部材の強磁性部となる部分の軟磁気特性を劣化させるからである。それ故、予熱の温度範囲を６００〜９００℃とした。より好ましくは、６５０〜８５０℃であるとよい。
また、予熱の時間は１秒〜５分程度であれば良い。過度に短いと連結部の昇温が不十分となってしまい、上記の予熱の効果が得にくくなる。一方、５分を越えて予熱しても、予熱効果のより一層の向上は望みにくく、かえってコストの上昇につながるだけでなく、被処理材の表面酸化が懸念される。もし、５分以内の加熱であっても被処理材表面の酸化の惧れのある場合は、処理材の表裏面側にダミーの金属材料を配置して、被熱処理材の表面酸化を防止すると良い。なお、処理する強磁性素材が１枚の場合と、複数枚を積層する場合では予熱時間は若干変化する。この場合、予熱時間を適正とするには、予熱中の連結部の昇温状況を目視で確認するのが確実である。好ましい予熱の時間は５秒〜３分程度とすれば良く、予熱の効果は十分に得られる。

次に、予熱した強磁性素材に弱磁性部を形成する。
予熱した強磁性素材の外周を囲んで配置した高周波コイルより高周波を印加すると、被加熱体である強磁性素材には、誘起電流が発生するが、外周側、すなわち高周波を印加される側に、内空間部により強磁性素材の幅が狭められた連結部が形成される如き形状となっているため、誘起電流は空間部部分を流れることができない。そのため、連結部を流れる電流密度が、他の部分を流れる電流密度よりも高くなり、連結部のみを同時かつ優先的に自己発熱させて、連結部を非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織の弱磁性部にすることができる。
なお、本発明で言う非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織とは、弱磁性部の金属組織を光学顕微鏡で観察した際、デンドライト等の溶融凝固組織が認めらない非溶融の組織であり、かつオーステナイトの結晶粒界が明瞭に観察される組織を指す。また、本発明で言う弱磁性の範囲は、振動試料型磁束計を用いて外部磁場１Ｔ（テスラ）の条件で弱磁性部を磁化した際の飽和磁化（Ｊ値）が０．１Ｔ以下の範囲である。更に好ましくは、Ｊ値が０．０５Ｔ以下であるとよい。

また、本発明の複合磁性部材の製造方法では、板状の強磁性素材の１枚ずつに対して高周波を印加してもよいし、板状の強磁性素材を複数枚重ねた積層状態で高周波を印加してもよい。何れの場合も、高周波コイルに対して、強磁性素材を相対的に移動させながら高周波を印加することは、連結部の温度を均一にするのに有効である。
例えば、強磁性素材を囲む高周波コイルには、コイルのネックの部分があり、このコイルのネック部分近辺の連結部は、高周波コイルと強磁性素材の外周との距離が若干離れる場合があるため、一部の連結部の温度が若干低くなる傾向がある。そのため、強磁性素材を回転させながら加熱すると、連結部の温度の均一化により一層有効である。

次に、本発明の複合磁性部材の製造方法において、強磁性素材の成分範囲を規定した理由を述べる。なお、特に記載のない限り質量％として記す。
Ｃ：０．３０〜１．２０％
Ｃは、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素である。
但し、０．３０％未満では効果が小さく、逆に１．２０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．３０〜１．２０％に規定した。
Ｓｉ：０．１０〜３．０％
Ｓｉは、素材の軟磁気特性を向上させる効果がある元素である。
但し、０．１０％未満では効果が小さく、逆に３．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．１０〜３．０％に規定した。より望ましいＳｉの範囲は、０．３０〜２．５％である。

Ｍｎ：０．１０〜４．０％
Ｍｎは、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素である。
但し、０．１０％未満では効果が小さく、逆に４．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、０．１０〜４．０％に規定した。
Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）
Ｎｉも、オーステナイト形成元素として、弱磁性部の形成に有効な元素であり、特定量の範囲で添加が可能である。
但し、素材コストを上げるので、コストを抑えたい場合には無添加でも構わない。
Ｎｉを添加する場合、４．０％を超えると素材の加工性が著しく悪くなるので、Ｎｉの範囲は、４．０％以下（０を含む）とした。

Ｃｒ：４．０〜２０．０％
Ｃｒは、素材の耐食性を高め、更に電気抵抗率を高める効果がある。また、弱磁性部の残留オーステナイトを安定化させる効果もある。
但し、４．０％未満では、上記の効果が小さく、また２０．０％を超える範囲では、素材の飽和磁化が著しく低下するとともに、加工性が悪くなるので、４．０〜２０．０％に規定した。
Ａｌ：２．０％以下（０を含む）
Ａｌは、Ｓｉと同様に、素材の軟磁気特性を向上させる効果がある元素であり、特定量の範囲で添加が可能である。但し、介在物を形成して素材の加工性を悪くするので、無添加でも良い。また、２．０％を超える範囲では、素材の加工性が悪くなるので、２．０％以下（０を含む）と規定した。
なお、複合磁性部材用素材の組成は、残部がＦｅ及び不純物とする。代表的な不可避不純物としては、例えばＰ、Ｓ、Ｏ、Ｎ等である。これらの不純物元素は、素材の磁気特性や加工性に特に影響しない範囲として、各々、０．１％以下の範囲で含有しても良い。

本発明の複合磁性部材の製造方法では、連結部が弱磁性化温度に到達した際、複数の連結部の温度を均一にすることができるので、全ての連結部を所定の範囲に弱磁性化することができる。それ故、複合磁性部材を、例えばモータコアに実用する上で重要な技術となる。

以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
質量％で、表１に示す化学組成の板厚０．５ｍｍの強磁性素材から、図１に示す形状の直径８０ｍｍの板状の強磁性素材を、レーザーカットにより切り出した。
図１で示した強磁性素材には、４箇所の内空間部（９）〜（１２）が形成されており、これらの内空間部により強磁性素材の幅が狭められた８箇所の連結部（１）〜（８）が強磁性素材の外周に形成されている。

図１の強磁性素材１枚を静止させた状態で、図２に示すように外周で囲んで配置した高周波コイル（１３）より周波数６０ｋＨｚの高周波を印加し、図３に示す温度履歴で連結部（１）〜（８）を自己発熱させた。
図３に示す温度履歴では、高周波コイルを用いて行う一連の熱処理工程の中で、同じ高周波コイルを用いて、一旦、低温側の８００℃で１０秒間の予熱を行った後、次いで、弱磁性化熱処理温度である１２００℃まで昇温している。
図３の温度履歴は、連結部（１）にＲ熱電対をスポット溶接することにより確認し、予熱中に連結部（１）〜（８）の温度が、ほぼ均一化することを目視で確認した。また、予熱後、連結部を１２００℃まで昇温した際にも、連結部（１）〜（８）の温度は、ほぼ均一であることを目視により確認した。

図３の温度履歴で高周波を印加後の各連結部を切り出し、振動試料型磁束計を用いて外部磁場１Ｔ（テスラ）の条件で、各連結部の飽和磁化Ｊ（Ｔ）を測定した結果を表２に示す。
連結部（１）〜（８）は、何れも本発明で規定した範囲である０．１Ｔ以下の低いＪ値を示しており、更に好ましいとした０．０５Ｔ以下の範囲となっている。それ故、全ての連結部の磁気特性のばらつきを抑制し、所定の範囲に弱磁性化することができている。

弱磁性化した連結部の金属組織の観察例として、連結部（１）の金属組織の光学顕微鏡写真を図４に示す。
図４から、連結部の金属組織は、デンドライト等の溶融凝固組織は認められない非溶融の組織であり、かつオーステナイトの結晶粒界が明瞭に観察される組織となっている。それ故、連結部は、非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織となっていることが分かる。
なお、他の連結部（２）〜（８）においても、同様に非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織となっていた。

一方、比較例として、図１に示す強磁性素材に対して、図２のように高周波を印加し、図５に示す予熱のない温度履歴で室温（２０℃）から弱磁性化温度（１２００℃）まで１２秒間で昇温した。図５の温度履歴は、連結部１にＲ熱電対をスポット溶接することにより確認した。
目視で各連結部の到達温度を確認したところ、８箇所の連結部の温度がすべて均一とはならず、連結部（６）と（７）の到達温度が、その他の連結部と比較して低い温度となっていた。
図５の温度履歴で高周波を印加後の各連結部を切り出し、振動試料型磁束計を用いて外部磁場１Ｔ（テスラ）の条件で、各連結部の飽和磁化Ｊ（Ｔ）を測定した結果を表３に示す。連結部（１）〜（５）と連結部（８）では、本発明で規定する０．１Ｔ以下のＪ値が得られているが、到達温度の低い連結部（６）と（７）のＪ値は、０．１Ｔを超えている。

以上の実施例から、連結部を低温側の８００℃で予熱し、次いで弱磁性化熱処理温度の１２００℃まで昇温する本発明の製造方法は、連結部の到達温度を均一化し、８箇所の連結部の全てを非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織とし、磁気特性のばらつきを抑制しつつ、飽和磁化０．１Ｔ以下の弱磁性部とするのに有効であることが分かる。

本発明の複合磁性部材の製造方法では、複数の連結部が弱磁性化熱処理温度に到達した際の温度を均一にすることができるので、全ての連結部の磁気特性のばらつきを抑制し、且つ、所定の範囲に弱磁性化することができる。それ故、複合磁性部材を、例えば、モータコアに実用する上で高い効果を奏するものである。

１〜８…連結部、９〜１２…内空間部、１３…高周波コイル

Claims (3)

1. 板状の強磁性素材に内空間部が形成され、前記強磁性素材の外周側に、前記内空間部により幅が狭められ、且つ、非溶融の弱磁性部が形成された複数の連結部を有する複合磁性部材の製造方法において、前記強磁性素材を６００〜９００℃の温度に予熱し、次いで、前記強磁性素材の外周を囲んで配置した高周波コイルより高周波を印加して、前記複数の連結部を自己発熱させて、前記連結部に非溶融のオーステナイトを主体とする金属組織を有し、且つ、全ての連結部が振動試料型磁束計を用いて外部磁場１Ｔ（テスラ）の条件で弱磁性部を磁化した際の飽和磁化（Ｊ値）が０．１Ｔ以下の弱磁性部を形成することを特徴とする複合磁性部材の製造方法。
2. 弱磁性部の形成は、強磁性素材を回転させながら行うことを特徴とする請求項１に記載の複合磁性部材の製造方法。
3. 強磁性素材は、質量％でＣ：０．３０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜３．０％、Ｍｎ：０．１０〜４．０％、Ｎｉ：４．０％以下（０を含む）、Ｃｒ：４．０〜２０．０％、Ａｌ：２．０％以下（０を含む）、残部がＦｅ及び不純物の組成でな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の製造方法。