JP6043057B2

JP6043057B2 - 磁気回路用鋳鉄

Info

Publication number: JP6043057B2
Application number: JP2011239345A
Authority: JP
Inventors: 康治岡城
Original assignee: Kitagawa Iron Works Co Ltd
Current assignee: Kitagawa Iron Works Co Ltd
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: JP2013095959A

Description

本発明は、モーター用ロータ等の磁気回路部位に用いられる磁気回路用鋳鉄に関する。

従来から、磁気回路部位に用いるための素材として、磁気回路用鋳鉄が提案されていた。
これは、モーター用のロータやステータなどの部材や、ＭＲＩの磁気回路部品などを形成するものであり、素材の磁気性能を向上させる先行技術として、特許文献１に記載の技術が提案されている。一般に鉄−シリコンの２元系素材の磁気性能は、Ｓｉ含有量が高い素材で良好な磁気性能を示すことが知られている。鋳鉄においてもＳｉ含有量を多くすると磁気性能の向上が予想される。
しかし、シリコンを多く含有する鋳鉄材料は、鋳造欠陥が生じやすくなり、鋳鉄材料として脆く、且つ強度信頼性の低い素材となって、部品用の素材に適用しにくく扱いづらい材料となる。そのため、Ｓｉ含有量の多い鋳鉄材料は開発されていなかった。

特許文献１に記載の技術は、Ｓｉ含有量の低い素材でありながら、高い磁気性能を発揮するものである。
特許文献１に記載の鋳鉄材料は、マトリクス部と球状黒鉛からなり、マトリクス部はシリコンを含有し鉄フェライト組織からなる鉄系合金である。
シリコンの含有量は、３．０〜３．９％でありシリコン含有量の低い素材であるが、特許文献１段落番号（００１５）に記載のように６８０〜９５０°Ｃに加熱処理する熱処理を行なうことで
Ｆｅ３Ｃの炭素を黒鉛化、あるいは脱炭処理してマトリクス部の黒鉛濃度を下げて、高い磁気特性を狙ったものである。

特開２００２−２８０２１０号公報

しかしながら、磁気性能の向上のために鋳鉄材料へ熱処理を行なうには、製造現場において、加工作業とは異なる熱処理用の設備が追加で必要となり、多大な負担となってしまう。
また、所望の磁気性能を実現するためには、熱処理時に厳格な温度管理が重要となり、工程管理をシビアにする必要があり非常に手間のかかる作業となってしまう。また、これらの熱処理には一般に長時間を必要とする。
これらのことは製造工程において、大変高コストとなり、生産者にとっては初期の設備投資やランニングコストが大きな負担となる。

本発明は、熱処理設備や熱処理工程におけるシビアな温度管理や長時間の熱処理の必要の無い、低コストで製造できる、高い磁気性能を発揮する磁気回路用鋳鉄を提供することを目的とする。

前述の問題を解決するため、本発明は、Ｆｅとシリコンと炭素と不可避不純物のみを含有し、鉄フェライトと、粒状黒鉛と、鉄− シリコン化合物を組織として有する磁気回路用鋳鉄において、前記シリコン含有量が重量比において４．７２〜６．６６％であり、前記鉄−シリコン化合物が粒状に存在することを特徴とする。

また、前記粒状の鉄− シリコン化合物が、平均粒径２〜３０μｍであることを特徴とする。

本発明によれば、シリコン含有量が４．７２〜６．６６％となり、高いシリコン含有量となって、磁気性能の優れた磁気回路用鋳鉄を得ることができる。そのため、高温の磁気焼鈍を行なうことなく、高い磁気性能を有するので、熱処理工程が不要、あるいは低温化が可能となり、低コストでの製造が可能となる。
また、鉄−シリコン化合物を粒状化することで、磁気の流れに対する障害が小さく、またシリコンを粒状の鉄−シリコン化合物に集めることで、フェライト中のシリコン濃度が低下し、フェライト内部ストレスが低減することによって、磁気透過率を高くでき、磁気性能の良好な磁気回路鋳鉄となる。

本発明の実施例と比較例の成分及び実験結果の一覧表。実施例２と、比較例２と比較例３における磁気性能（比透磁率）を示すグラフ。実施例２と、比較例２と比較例３における磁気性能（磁束密度）を示すグラフ。本発明の実施例２の組織写真。本発明の実施例２の鉄、炭素、シリコンの各元素の組織写真。

本発明の実施例を説明する。
本発明の磁気回路用鋳鉄は、シリコンとＦｅと炭素と不可避不純物を含有し、鉄フェライト組織と、粒状黒鉛と、鉄−シリコン化合物からなる組織を有する構成になされている。本発明の磁気回路用鋳鉄は、シリコン含有量が、全体の質量に対して４．７２〜６．６６％であり、鉄−シリコン化合物を粒状に形成していることを特徴としている。

鉄−シリコン２元系素材では、一般にシリコン含有量を増やすと、磁気性能が向上し、シリコン含有量６．５％で最良の磁気性能を示すことが知られている。そのため、本発明においては、高い磁気特性を得るためにシリコン含有量を増加させて、効果の認められた４．７２％以上のシリコン含有量を下限とする。一方、多量のシリコンが含有されると、靭性や延性の低下が発生する。健全な鋳鉄を製造可能なことが確認された６．６６％をシリコン含有量の上限とする。

本発明の磁気回路用鋳鉄の製造においては、鋳造時の歪取のための低温による歪取焼鈍を行なう。５５０°Ｃで３時間加熱保持した後に徐冷による冷却を行なう。本発明の磁気回路用鋳鉄は、前述の歪取焼鈍のみを行なうもので、従来から行なわれる磁気特性を向上させるための高温による熱処理を行なわない。
本発明は、従来技術のように、高温熱処理による磁気特性の向上を行なわず、シリコン含有量を増大させることにより磁気特性の向上を達成する。

本発明の磁気回路用鋳鉄における組織の特徴は、鉄−シリコン化合物を粒状化することにより磁気特性を高め、且つ材料強度を安定させることにある。
本発明における、磁気回路用鋳鉄の組織内の鉄−シリコン化合物は、粒状に形成されており、本来は組織内の全体へ分散している。そして平均２〜３０μｍ程度の粒径の粒に形成される。

通常の鉄−シリコン化合物は、単独の粒子として認識できないような状態で組織内の全域へ均等に分散していると考えられる。また、多くのシリコンが鉄フェライト中に存在することで、鉄フェライト結晶に高い内部応力が生じる。その結果、多数の欠陥が生じ、それが破壊起点となり、組織の広範囲へ悪影響を与え、組織全体が脆く破壊され易い状態となってしまう。

しかしながら、本発明においては、鉄−シリコン化合物を粒状に形成させているので、鉄フェライト中のシリコン濃度が低下し、その結果、鉄フェライト結晶ストレスも小さくなるので、亀裂の発生する箇所が少なくなり、負荷による材料全域への亀裂の成長が抑制され、材料の破壊が生じにくくなって材料強度が確保され、材料強度に対する信頼性が向上する。

図１に本発明の実施例と比較例の成分及び実験結果を示している。
本発明の実施例である実施例１、実施例２、実施例３は共に、シリコン含有量が４．７２〜６．６６％の範囲であり、鉄−シリコン化合物を粒状に形成している。
比較例は、鉄−シリコン化合物が粒状に形成されていない例を示している。
比較例１に示すのは、従来より複雑形状の磁気回路材として用いられてきた球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４５０である。比較例２と比較例３では、ＦＣＤ４５０よりも磁気性能を向上させるのは、９００°Ｃの高温熱処理が必要である。しかしながら、実施例１と実施例２と実施例３はともに９００°Ｃの高温熱処理を行なわなくても高い磁気性能を示している。

図１における、部材への磁気特性の測定は、以下の通り実施した。
磁気特性は、ＬａｂＶＩＥＷの測定プログラムシステムを用いて測定している。磁気特性測定のための電流を多く取るため、１０００Ａ／ｍまでは直流安定電源ＴＡＫＡＳＡＧＯ−ＢＷＡ−２５−１（１Ａ）を用い、それ以上の値の磁界をかける場合にはＴＡＫＡＳＡＧＯ−ＢＷＳ−４０−１５（１５Ａ）を用いて測定を行なった。

図２と図３には、実施例２と、比較例２と比較例３における磁気性能を示すグラフを示す。
図２は磁気性能のうち比透磁率を示したものであり、図３は磁気性能のうち磁束密度を示したものである。ここで、実施例２と比較例３は、図１に示すように、ほぼ同じ炭素及びシリコン含有量であるが、鋳造プロセスの違いによって、鉄−シリコン化合物を粒状に形成するか、否かを作り分けている。

これらの比較において、図２と図３に示すように、実施例２は、比較例２や比較例３に比べて磁気性能が非常に高い値を示していることがわかる。
特に実施例２と比較例３の比べた場合、同じシリコン含有量であっても、鉄−シリコン化合物が粒状に形成されている事を要因として実施例２が比較例３に比べて良好な磁気性能を発揮することを示している。

また、図２と、図３には、実施例２と比較例２、比較例３における、前述の歪取焼鈍のみの熱処理を行った場合と、歪取焼鈍の後に９００°Ｃで１．５時間の加熱処理する高温焼鈍を行った場合の磁気性能を示すグラフを示している。

図３に示すように、従来からの比較例２、３においては、高温焼鈍を行なうことにより磁気性能を高めている。しかしながら、本発明による実施例２においては歪取焼鈍のみの場合と高温焼鈍の場合が、共に良好な磁気性能を示している。
したがって、本発明の実施においては、高いシリコン含有量とし、且つ鉄−シリコン化合物が粒状に形成されている事により、９００°Ｃの高温焼鈍熱処理を行なうことなく、高い磁気性能を得るものである。

図４には、本発明の実施例２の５５０°Ｃで３時間熱処理における組織写真を示している。
図５には、の実施例２の５５０°Ｃで３時間熱処理における鉄、炭素、シリコンの各元素の組織写真を示している。これは、操作型電子顕微鏡を用いて、元素マッピングを行ない、構成元素を可視化して表したものであり、各元素の存在する部分が白色で示されている。
図４中に丸で明示したものが鉄−シリコン化合物であり、本写真で目視できる程の粒径が２〜３０μｍの粒状に形成されている。
図４にて明らかなように組織全域において鉄−シリコン化合物が粒状に点在している様子が認められる。これに対して、前記比較例１、２、３の材料は、同じ条件で元素マッピングを行なったが、鉄−シリコン化合物は、認められない組織であった。

このように、鉄−シリコン化合物は、粒状化することで、前述のように材料強度を安定させるだけでなく、磁気性能の向上にも貢献する。
従来のように、鉄−シリコン化合物が２μｍ未満の微粒状で組織内に多数存在する場合よりも、本発明の２〜３０μｍの粒径で少数の粒状に集まって形成されているほうが、磁気透過性が向上する。
鉄−シリコン化合物を粒状化することで、磁気の流れに対する障害が小さく、またシリコンを粒状の鉄−シリコン化合物に集めることで、フェライト中のシリコン濃度が低下し、フェライト内部ストレスが低減することによって、鉄−シリコン化合物が、電子顕微鏡でも認識できない程度に微細な状態で組織内に多数存在する場合よりも、本発明の２〜３０μｍの粒径で粒状に集まって形成されるほうが、磁気透過性が良好となる。

本発明の磁気回路用鋳鉄は、前述のように、高いシリコン含有量を可能としているが、シリコンが含まれることで、鋳鉄の電気抵抗が高くなる傾向がある。電気抵抗が高くなることにより、鉄損（ヒステリシス損失と過電流損失の内の過電流損失の分）を抑制でき、熱による損失を抑えることができる。
また、シリコン量が多量に含有されると、鋳鉄材料の硬度が上昇することになる。一般に、軟鉄系の軟磁性素材は低硬度であるが、本発明のよるシリコン量の多い鋳鉄では、高硬度な軟磁性素材を作ることができる点でも有意義である。

Claims

Ｆｅとシリコンと炭素と不可避不純物のみを含有し、鉄フェライトと、粒状黒鉛と、鉄−シリコン化合物を組織として有する磁気回路用鋳鉄において、前記シリコン含有量が重量比において４．７２〜６．６６％あり、前記鉄−シリコン化合物が粒状に存在し、該鉄−シリコン化合物が、平均粒径２〜３０μｍであることを特徴とする磁気回路用鋳鉄。