JP6207939B2

JP6207939B2 - ヨークおよびその製造方法

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Publication number: JP6207939B2
Application number: JP2013186112A
Authority: JP
Inventors: 尚志川嵜; 定美湊
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP2015052154A

Description

本発明は、磁性部と非磁性部とが一体のヨークおよびその製造方法に関する。

モータをはじめとする磁気回路を利用した工業製品において、磁気回路を形成するために、強磁性体の一部に非磁性部を設けた構造がある。強磁性体の一部に非磁性部を設けた構造は、強磁性部品と非磁性部品を溶接等の手段で接合したものがあるが、このように異種材を接合させたものでは、振動により接合部に剥離が生じたり製造コストが高くなったりするという不利な面があった。このため、単一の材料に磁性部と非磁性部を設けた構造の複合磁性部材が提案されており、例えば特許文献１には、炭化物を含む強磁性体材料で作製した素材を部分的に加熱することで炭化物を固溶させ非磁性部を設けることが記載されている。

特許第４３９９７５１号公報

上記特許文献１に記載の磁性材料では、磁性部に炭化物が析出しているため、一般的な軟磁性材料である電磁鋼板などに比べてヒステリシス損失が多く、交流鉄損が過大になるという問題がある。また、部分的に加熱して磁性部と非磁性部を作り分けるために、形状に制約があるという不具合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、磁性部のヒステリシス損失が少なく鉄損特性に優れ、また、製品形状に制約を受けにくいヨークおよびその製造方法を提供することにある。

本発明のヨークは、磁性部と非磁性部とが一体のヨークであって、前記磁性部は、重量％で、Ｆｅ：７８．０〜８２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０重量％、Ｓｉ：０．１〜１．０％を含み、残部が不可避不純物からなるフェライトを主体とした組織を有し、前記非磁性部は、前記磁性部と同じ組成の材料に窒素が含有されたオーステナイトを主体とした組織を有し、前記磁性部は、母材内部にＡｌが拡散固溶していることを特徴とする。

本発明は、前記磁性部の材料が、さらにＮｉを０〜２．０重量％含むことを特徴とする。

次に、本発明のヨークの製造方法は、重量％で、Ｆｅ：７８．０〜８２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０重量％、Ｓｉ：０．１〜１．０％を含み、残部が不可避不純物からなるフェライトを主体とした組織を有する材料の一部を、窒素吸収熱処理により窒素を含有させてオーステナイトを主体とした組織とするヨークの製造方法であって、前記窒素吸収熱処理を行うにあたり、前記材料における前記一部以外の他部にＡｌ被膜を形成しておくことを特徴とする。

本発明のヨークは、フェライトを主体とした組織を有する磁性材料に対し、部分的に窒素吸収熱処理を施すことで、元のフェライト主体の部分が磁性部として残り、窒素吸収熱処理を施した部分がオーステナイトを主体とした組織を有する非磁性部となり、磁性部と非磁性部とが一体となっている。本発明のヨークによれば、フェライト主体の磁性部は磁束密度が十分で、かつ鉄損が一般的な電磁鋼板と遜色ない程度に少なく、磁気特性に優れ、よってトルクが増加すると同時に損失を低くできることから、モータ効率を向上させることができる。一方、非磁性部がオーステナイトとなって強磁性を有さないために、磁気短絡によるトルク低減が抑えられる。よって、磁気特性の向上が図られる。

本発明のヨークは、非磁性部を形成しない部分をＡｌ被膜でマスクした状態で窒素雰囲気の炉内で窒素吸収固溶の処理を行うことで、磁性部と非磁性部とが複合したヨークが得られる。この場合、磁性部と非磁性部の形状や位置的な制約を受けずに上記マスクを施して炉に入れるだけで、磁性部と非磁性部の作り分けが容易に可能である。本発明のヨークは磁性部と非磁性部が一体であるため、モータ回転子等の用途としての強度を満足する。

以下、本発明の元素の含有量について説明する。記載の％は重量％である。
（１）Ｆｅ
Ｆｅは、Ｆｅは磁気特性、特に磁束密度を発現させるために必須の元素である。特にヨーク材料として７８％以上の含有量が望ましい。Ｃｒが最少の１８．０％のとき、Ｆｅは最大で８２％程度を含有する。

（２）Ｃｒ
Ｃｒは下記式１の通り窒素吸収量を決定し、含有量に応じて磁気特性を低下させる。窒素吸収量は非磁性化の成否を決定づける。Ｃｒは窒素吸収により非磁性部をオーステナイト化させるために１８．０％が必要とされる。Ｆｅが最大で８２．０％程度の場合、Ｃｒは２２．０％程度を含有する。
[N]＝0.9exp{1.7×(-1.65＋9.0×10^-2[Cr]−7.6×10^-4[Cr]²
＋3.4×10^-2[Mn]−2.59×10^-5[Mn]²−5.0×10^-4[Cr][Mn]}
(at 1473K)…１

（３）Ｍｎ
ＭｎはＣｒとともに窒素吸収量を決定すると同時に、適量の添加では透磁率を向上させ磁束密度の低下を抑制する。ただし、過剰に含有させると磁性部のオーステナイト化を促進させて著しく磁気特性を低下させることから、含有量の上限を４．０重量％とする。
（４）Ｎｉは非磁性化を安定化させる元素であり、かつ磁性部の磁気特性を低下させる効果が薄い。しかし、過剰に含有させると磁性部を部分的にオーステナイト化させ著しく磁気特性が低下するため、含有量の上限を２．０重量％とする。
（５）Ｓｉ
Ｓｉは磁気特性を向上、特に鉄損を低減させるのに有効な元素である。しかしながら、過剰に含有させると窒素吸収による非磁性化を阻害するため、含有量を０．１〜１．０重量％とする。

本発明のヨークを構成する鋼材料の組成は、非磁性化に必要なＦｅ−Ｃｒを基本とするが、非磁性化に不足する組成を上記Ｍｎ、Ｎｉで補う。また、Ｎｉ、ＭｎはＮｉ当量を上げるため、過剰に含むと磁性部がマルテンサイト領域もしくは部分的なオーステナイト領域になることから、添加剤程度とする。また、Ｓｉは磁気特性、特に鉄損低減に効果があるため添加するが、先にＮと反応して母材への固溶阻害するため過剰には添加しない。なお、Ａｌは上記のように防窒素のマスクとして用いるため、初期からは添加しない。

本発明によれば、磁束密度の低下が抑えられ、かつ鉄損の少ない優れた磁気特性を得られるとともに、製品形状に制約を受けにくいヨークおよびその製造方法が提供されるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るヨーク製造方法の工程図である。シェフラー組織図に、実施例１〜４および比較例１〜３の窒素吸収による非磁性化の処理前および処理後についてプロットした図である。

以下、本発明のヨークを製造する一実施形態を図１を参照して説明する。
［鋳造］
重量％で、Ｆｅ：７８．０〜８２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％に組成を調整して鋳造し、当該組成を有し残部が不可避不純物からなるフェライトを主体とした組織を有する強磁性材料のインゴットを得る。

［圧延〜母材作製］
次に、このインゴットを熱間・冷間圧延処理して板厚が１ｍｍ以下、好ましくは０．２〜０．５ｍｍ程度の薄板に加工する。次に、この薄板をプレス加工するなどして、図１（ａ）に示すロータ形状に対応した環状の母材１０を複数作製する。

［防窒素被覆の形成］
複数の上記母材１０を重ねて一つの環状体とすることでヨークを得るが、ヨークとする前に、図１（ｂ）に示すように、各母材１０に対し磁性部を残す部分に防窒素被覆２０を施す。この場合、同じ周方向長さの磁性部と非磁性部を周方向に交互に形成するものとする。

防窒素被覆２０は、母材１０への窒素の侵入を防ぐことができるものであって、例えば耐熱塗料、金属皮膜、セラミック皮膜等で形成することができ、特に限定はされず、被覆方法についても蒸着、メッキ、溶射、塗装、クラッド等が挙げられ、材料に応じて適宜な方法が選択される。防窒素被覆２０の膜厚は母材占積率のことを考慮すると、母材１０の板厚の１／１０以下が望ましいが、窒素を防ぐことができる膜厚であることが優先される。

具体的には、磁性部として残存させる部分に防窒素皮膜２０として厚さ１０μｍの純Ａｌ皮膜を母材１０の表裏面に蒸着する。この時、非磁性化する部分はメタルマスクによってＡｌ皮膜２０が形成されないようにするとよい。また、この後の熱処理時にＡｌが昇華しないように、７００℃×３０分の合金化熱処理を施すとよい。

［窒素吸収熱処理］
図１（ｃ）に示すように、磁性部として残す部分の母材１０の表面に防窒素被覆２０を施したもの加熱炉１１０に入れ、窒素雰囲気下において変態温度の温度（例えば８００〜１２００℃）で所定時間（例えば３０分）加熱することで、防窒素被膜２０を被覆した以外の部分に窒素を吸収させる。熱処理時間および温度は母材１０の成分や板厚、防窒素皮膜２０の膜厚や材質によって異なってくる。

所定の熱処理時間が経過したら、母材１０を速やかに常温の大気中に出して急冷する。図１（ｄ）に示すように、防窒素被膜２０を被覆した以外の部分は窒素を含有し、オーステナイトを主体とした組織の非磁性部１に変移する。一方、防窒素被膜２０を被覆した部分は窒素の吸収が防がれ、元のフェライト主体の組織が残って磁性部２が保持される。すなわち単一材料の母材１０に、複数の磁性部２と非磁性部１とが交互に、かつ一体に形成されたヨーク３０が製造される。

［後加工］
図１（ｅ）に示すように、窒素吸収熱処理を施した所定枚数のヨーク３０を、磁性部２と非磁性部１の位相を合わせて接着して積層し、複数のヨーク３０からなるロータ５１を得る。防窒素被膜２０は除去してもよいが、絶縁材として残しておくことで新たに絶縁材を設ける手間が省けるため防窒素被膜２０は除去しない方がよい。

なお、この場合、上記母材作製工程で薄板を複数の環状の母材１０に加工しているが、母材作製工程では圧延のみで薄板を作製し、防窒素被覆２０を形成した後に、またはさらに窒素吸収熱処理を実施した後に、薄板を環状にプレス加工で打ち抜いて磁性部２と非磁性部１とが交互に形成された環状のヨーク３０を複数枚作製し、この後、ヨーク３０を積層してロータ５１を構成してもよい。

上記のように磁性部２として残存させる部分に防窒素皮膜２０として厚さ１０μｍの純Ａｌ皮膜を素材１０の表裏面に蒸着した場合、磁性部２にはＡｌ皮膜由来の酸化アルミニウムおよび窒化アルミニウムが表面に析出して絶縁皮膜として機能する。このため、ヨーク３０を接着する際にＡｌ皮膜のない非磁性部１にのみ接着剤を塗布することで母材占積率をさらに向上させることができる。加えて、磁性部２では一部のＡｌが母材１０内部へと拡散することで母材１０よりも鉄損がさらに低減され、より高効率なモータを製造することができる。

次いで、本発明の実施例と本発明以外の比較例を示して、本発明の優位性を説明する。
（１）試料の作製
表１に示す本発明の実施例１〜４と比較例１〜３の組成を調整して材料（鋼種名付記）を鋳造してインゴットを得た後、上記実施形態と同様にして薄板状に加工して母材とし、この薄板母材の表裏面に、上記のように磁性部として残存させる部分に防窒素皮膜として厚さ１０μｍの純Ａｌ皮膜を蒸着した。そして、各鋼に対し表２に示す処理時間で窒素吸収熱処理を施した。実施例および比較例の１−１、１−２は、それぞれ実施例１，２に対する熱処理時間を異ならせた例を示している。窒素吸収熱処理を施した後に急冷してから、各鋼の非磁性部すなわちＡｌ被膜を形成しない部分の窒素量と、Ｃｒ当量およびＮｉ当量を求めた（表２に付記）。

（２）磁気特性の判定
（２−１）磁性部
各鋼の磁性部すなわちＡｌ被膜を形成した部分につき、磁化力が５０００（Ａ／ｍ）における磁束密度：Ｂ５０（Ｔ）と、１．０Ｔ、４００Ｈｚの励磁下での鉄損：Ｗ１０／４００（ｗ／ｋｇ）を求めるとともに、Ｂ５０≧１．３（Ｔ）と、Ｗ１０／４００≦３５（ｗ／ｋｇ）を満たすものが磁気特性として○、満たさない場合を×として判定した。その結果を表３に示す。

（２−２）非磁性部
各鋼の非磁性部すなわちＡｌ被膜を形成しない部分につき、磁化力が５０００（Ａ／ｍ）における磁束密度：Ｂ５０（Ｔ）を求めるとともに、Ｂ５０＜０．０１（Ｔ）を満たすものが磁気特性として○、満たさない場合を×として判定した。その結果を表４に示す。

表３によると、比較例１の磁性部は、Ｆｅ量が本発明を下回るため磁束密度が判定基準を下回り、比較例１以外はＦｅ量が本発明の含有量を満足するため母材の磁気特性が十分であることが認められた。

表４によると、比較例２はＣｒ量が本発明を下回るため、窒素吸収による非磁性化が不十分であると推定される。また、比較例３はＳｉ量が過剰なため、窒素吸収による非磁性化が不十分であると推定される。Ｆｅ量が本発明を下回る比較例１であっても、窒素吸収熱処理時間が６０分と長い比較例１−１は非磁性化が可能であるが、窒素吸収熱処理時間が３０分と短い比較例１−２は非磁性化を満足しなかった。これにより窒素吸収熱処理時間はある程度長い方がよいことが判る。また、窒素吸収熱処理では窒素を固溶させるため基本的にはＣｒ当量は変化しないが、比較材３ではＳｉが窒素と反応してＳｉ_３Ｎ_４として表面に析出したため、Ｎｉ当量が大きく減少した。

図２に示す鋼のシェフラー組織図に、実施例１〜４および比較例１〜３の窒素吸収による非磁性化の処理前および処理後についてプロットした。本発明では窒素吸収により磁性部のＮｉ当量を上げて磁性部をオーステナイト領域に変化させるものである。

１…非磁性部
２…磁性部
１０…母材
２０…防窒素被覆
３０…ヨーク

Claims

磁性部と非磁性部とが一体のヨークであって、
前記磁性部は、重量％で、Ｆｅ：７８．０〜８２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０重量％、Ｓｉ：０．１〜１．０％を含み、残部が不可避不純物からなるフェライトを主体とした組織を有し、
前記非磁性部は、前記磁性部と同じ組成の材料に窒素が含有されたオーステナイトを主体とした組織を有し、
前記磁性部は、母材内部にＡｌが拡散固溶している
ことを特徴とするヨーク。
前記磁性部の材料が、さらにＮｉを０〜２．０重量％含むことを特徴とする請求項１に記載のヨーク。
重量％で、Ｆｅ：７８．０〜８２．０％、Ｃｒ：１８．０〜２２．０％、Ｍｎ：０．１〜４．０重量％、Ｓｉ：０．１〜１．０％を含み、残部が不可避不純物からなるフェライトを主体とした組織を有する材料の一部を、窒素吸収熱処理により窒素を含有させてオーステナイトを主体とした組織とするヨークの製造方法であって、
前記窒素吸収熱処理を行うにあたり、前記材料における前記一部以外の他部にＡｌ被膜を形成しておくことを特徴とするヨークの製造方法。