JP6212851B2

JP6212851B2 - 複合磁気材料の製造方法

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Publication number: JP6212851B2
Application number: JP2012231347A
Authority: JP
Inventors: 貴也長濱
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP2014086429A

Description

本発明は、複合磁気材料の製造方法に関するものである。

複合磁気材料の製造方法として、レーザを用いて合金化する方法がある。例えば、特開平５−２３７６７８号公報（特許文献１）には、強磁性体である鋼製部材にニッケル箔を巻き付け、その部分にレーザを照射して合金化させる技術が記載されている。この方法により、レーザ照射部分をオーステナイト（非磁性体または弱磁性体）に改質することができる。

なお、合金化元素を供給することとは異なる方法による改質を行う方法が、特開２０１１−１７１６１３号公報（特許文献２）に記載されている。すなわち、特許文献２には、強磁性素材を６００〜９００℃の温度に予熱し、次いで、強磁性素材の外周から高周波コイルにより高周波を印加して、自己発熱させて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記載されている。

特開平５−２３７６７８号公報特開２０１１−１７１６１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、母材および合金化元素の種類によっては、改質される前に合金化元素の温度が沸点より高温になることで、合金化元素が蒸発してしまい、適切な改質ができないおそれがある。なお、特許文献２に記載の方法では、合金化元素を用いる方法とは異なり、合金化元素が蒸発するという問題は生じないが、特許文献２では、比透磁率を大幅に低下させることは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、合金化元素を供給することにより複合磁気材料を製造する方法であって、合金化元素の蒸発を抑制することにより所望の複合磁気材料を製造できる方法を提供することを目的とする。

（請求項１）本手段に係る複合磁気材料の製造方法は、磁性体または非磁性体からなる母材の表面に形成された凹所に粉末状の合金化元素を供給し、前記合金化元素をパンチにより押し付ける供給工程と、前記合金化元素の供給の後に、低密度熱エネルギーを前記凹所に照射し、前記低密度熱エネルギーの照射位置を前記凹所に沿って移動させ、加熱することにより前記合金化元素を溶融する合金化元素溶融工程と、前記合金化元素の溶融の後に、前記低密度熱エネルギーよりも熱エネルギー密度の高い高密度熱エネルギーを前記凹所に照射し、前記高密度熱エネルギーを前記凹所に沿って移動させることにより、前記母材を溶融させて、前記母材の溶融池に前記合金化元素を拡散させる合金化元素拡散工程と、を備え、母材のうち加熱で溶融させた部位を、母材が磁性体であれば磁性を弱めまたは非磁性化し、母材が非磁性体であれば磁性化する。

（請求項２）また、合金化元素溶融工程は、合金化元素を直接的に加熱し、合金化元素拡散工程は、母材のうち合金化元素が配置された位置を直接的に加熱し、合金化元素溶融工程における加熱源の出力は、合金化元素拡散工程における加熱源の出力より低く設定されるようにしてもよい。

（請求項１）本手段によれば、合金化元素を母材に拡散する前に、合金化元素を溶融している。合金化元素が溶融されることで、供給される合金化元素は、金属結合される。従って、合金化元素が金属結合されていない場合に比べて、合金化元素の熱伝導率を高くすることができる。つまり、後工程において合金化元素を母材に拡散するために加熱する際に、合金化元素にて発生した熱は母材へ熱伝導しながら、合金化元素が母材に拡散される。従って、合金化元素の過度な温度上昇を抑制することができるため、合金化元素が拡散する前に多量の合金化元素が蒸発することを抑制できる。その結果、所望の複合磁気材料
を製造することができる。
また、母材の表面に粉末状の合金化元素を供給した状態において、粉末状の個々の合金化元素の間には、空気が介在している。空気を介在するために、粉末状の個々の合金化元素の間の熱伝導は、低くなる。そのため、粉末状の合金化元素を高温に加熱すると、過度に温度上昇し、結果として、沸点以上となる合金化元素の部分が多くなり、所望の複合磁気材料を製造することができないおそれがある。しかしながら、最初に粉末状の合金化元素を供給したとしても、まず合金化元素を溶融することで金属結合させることができる。従って、後工程における合金化元素の拡散に際して、過度な温度上昇を抑制することができるため、所望の複合磁気材料を製造することができる。

（請求項２）合金化元素溶融工程と合金化元素拡散工程とにおいて、加熱源の出力を変化させている。これにより、確実に、合金化元素の拡散前に、合金化元素を溶融することができる。また、同一の加熱源を用いることもできる。

本発明の第一実施形態における複合磁気材料の製造方法を示すフローチャートである。図１のＳ１のうち、粉末状の合金化元素を母材の凹所に供給した状態を示す図である。図１のＳ１のうち、粉末状の合金化元素に対してパンチにより押し付ける状態を示す図である。図１のＳ１のうち、粉末状の合金化元素を母材の凹所に詰めた状態を示す図である。図１のＳ２の状態を示す斜視図である。図１のＳ３の状態を示す斜視図である。図１のＳ３の状態を示す断面図である。本発明の第二実施形態における複合磁気材料の製造方法を示すフローチャートである。図５のＳ１１の状態を示す斜視図である。本発明の第三実施形態における複合磁気材料の製造方法を示すフローチャートである。図７のＳ２１の状態を示す斜視図である。本発明の第四実施形態における複合磁気材料の製造方法を示すフローチャートである。図９のＳ３２の状態を示す斜視図である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の複合磁気材料の製造方法について、図１〜図４Ｂを参照して説明する。本実施形態においては、磁性体からなる母材１の一部分を改質して、弱磁性化または非磁性化する。つまり、本実施形態は、透磁率の異なる部分を有する複合磁性材料を製造する方法である。

ここで、母材１には、例えば、鉄を主成分とする材料を用いる場合には、合金化することにより改質するための材料には、例えば、マンガンまたはニッケルクロムなどを用いる。合金化のための材料元素（以下、「合金化元素」と称する）２には、母材１の材料の融点よりも低い融点を有する元素が用いられる。その理由は、後述するように、母材１の中に、合金化元素２が拡散できるようにするためである。

図２Ａに示すように、母材１を準備する。母材１の表面には、粉末状の合金化元素２を配置することができるように、僅かな凹所１ａが形成されている。母材１は、例えば、炭素鋼を用いる。鉄の融点は、1,535℃であり、鉄の沸点は、2,750℃である。

そして、図１のＳ１に示すように、母材１の凹所１ａに、粉末状の合金化元素２を供給する。詳細には、図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明する。まず、図２Ａに示すように、粉末状の合金化元素２は、母材１の凹所１ａの開口端よりもはみ出す程度に配置される。ここで、合金化元素２としては、粉末状のマンガンを用いる。他の合金化元素でも適用可能であるが、マンガンは、安価であるため、低コスト化を図るために好適である。ここで、マンガンの融点は、1,245℃であり、マンガンの沸点は、2,150℃である。

続いて、図２Ｂに示すように、パンチ１０により押し付ける。そうすると、図２Ｃに示すように、母材１の凹所１ａからはみ出していた粉末状の合金化元素２は、凹所１ａ内に詰めた状態となる。従って、粉末状の合金化元素２は、僅かに変形して、凹所１ａ内での密度が高くなる。ただし、粉末状の合金化元素２同士は、金属結合しておらず、且つ、それぞれの粉末状の合金化元素２の間には、僅かな隙間（空気）が介在している。

続いて、図１のＳ２に示すように、低出力のレーザ１１による低密度熱エネルギーを投入することで、粉末状の合金化元素２を直接加熱して、粉末状の合金化元素２を溶融させる。この状態について、図３を参照して説明する。

図３に示すように、母材１の凹所１ａに配置された粉末状の合金化元素２に対して、レーザ１１を照射する。図３においては、凹所１ａが直線状に形成されているため、レーザ１１の照射位置を凹所１ａに沿って直線状に移動させる。このときのレーザ１１のパワー密度（熱エネルギー密度に相当）は、例えば、１×１０^２〜１×１０^３Ｗ／ｃｍ^２である。レーザ１１のパワー密度は、粉末状の合金化元素２を溶融することができる程度でよい。

このようにして、粉末状の合金化元素２は、加熱されることにより、金属結合された合金化元素３になる。ここで、金属結合された合金化元素３は、溶融した状態のままでもよいし、溶融した後に凝固するようにしてもよい。また、全ての粉末状の合金化元素２を完全に溶融させる必要はなく、僅かに溶融していない部分が存在していることは差し支えない。

また、粉末状の合金化元素２をレーザ１１により加熱する際に、母材１のうち凹所１ａの周囲にも熱が伝達される。従って、母材１自身が、溶融することもあるが、問題ない。ただし、図１のＳ２においては、レーザ１１により合金化元素２が受ける熱エネルギー密度は低いため、後に説明するように、母材１のうち所望の領域に、粉末状の合金化元素２が拡散するまでには至らない。

続いて、Ｓ２の際の熱エネルギー密度より高密度熱エネルギーのレーザ１２を投入する。具体的には、図１のＳ３に示すように、高出力のレーザ１２による高密度熱エネルギーを投入することで、溶融されて金属結合された合金化元素３を直接加熱して、金属結合された合金化元素３を母材１の中に拡散させる。この状態について、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、母材１の凹所１ａに配置された金属結合された合金化元素３に対して、レーザ１２を照射する。図４Ａおよび図４Ｂにおいては、凹所１ａが直線状に形成されているため、レーザ１２の照射位置を凹所１ａに沿って直線状に移動させる。このときのレーザ１２のパワー密度（熱エネルギー密度に相当）は、例えば、１×１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。

レーザ１２のパワー密度は、母材１の所望の領域を溶融することができ、且つ、合金化元素３を拡散できる必要がある。つまり、図１のＳ２における粉末状の合金化元素２を溶融する場合の熱エネルギー密度に比べて、図１のＳ３における合金化元素３を母材１に拡散させる場合の熱エネルギー密度は高くなる。その結果、図１のＳ２における粉末状の合金化元素２を溶融する場合の加熱温度に比べて、図１のＳ３における合金化元素３を母材１に拡散させる場合の加熱温度は高くなる。

ところで、レーザ１２のパワー密度は、例えば、母材１の厚みが１ｍｍ以上の場合には、母材１にキーホールが形成される程度であると好ましい。母材１の厚みが薄い場合には、キーホールが形成される程度に高いパワー密度である必要はなく、母材１の所望の領域を溶融することができ、且つ、合金化元素３を拡散できればよい。

図４Ｂには、レーザ１２を照射することにより、母材１のうち照射された位置にはキーホール２１が形成される。キーホール２１とは、レーザ１２の照射によって、レーザ１２が照射される母材１の照射面から裏面に向かって形成される円形穴を意味する。なお、キーホール２１は、母材１を貫通している場合のみならず、母材１を貫通していない場合も含む。

そして、図４Ｂに示すように、キーホール２１の形成時には、蒸発金属が発生し、キーホール２１の周囲には溶融池２２が形成される。溶融池２２は、母材１が溶融している状態の部位を意味する。例えば、キーホール２１が照射面から裏面に貫通している場合には、溶融池２２は、レーザ１２の照射面から裏面に至るまで形成される。

ここで、母材１の融点は、合金化元素３の融点より高い。従って、母材１の溶融池２２近傍に位置する合金化元素３も溶融することになる。そうすると、母材１の溶融池２２に溶融された合金化元素３が進入する。また、溶融池２２では、対流が発生しやすい（図４Ｂの円弧状の矢印参照）。特にレーザ１２の照射位置の進行方向の後方にて対流が発生しやすい。そして、溶融池２２に供給された合金化元素３は、溶融池２２の対流によって、母材１のレーザ照射面側から裏面側へ拡散され、母材１の所望の深さまで供給される。例えば、キーホール２１が貫通する場合には、合金化元素３は、母材１の裏面側まで供給される。

このようにして、母材１の溶融池２２の部分は、合金化元素３の存在によって、母材１と合金化元素３とによる合金となる。合金化された部分２３は、当初磁性体であった母材１が改質されて、弱磁性化または非磁性化される。

以上より、粉末状の合金化元素２を母材１に拡散する前に、粉末状の合金化元素２を溶融している。粉末状の合金化元素２が溶融されることで、溶融された後の合金化元素３は金属結合される。ここで、金属結合されている合金化元素３は、それぞれが金属結合されていない粉末状の合金化元素２に比べて、熱伝導率を高くすることができる。

そして、後工程（図１のＳ３）において合金化元素３を母材１に拡散する際には、粉末状の合金化元素２を溶融する際（図１のＳ２）の加熱温度より高くなる。しかし、合金化元素３を母材１に拡散するために加熱する際に、合金化元素３にて発生した熱は母材１へ熱伝導しながら、合金化元素３が母材１に拡散される。従って、合金化元素３の過度な温度上昇を抑制することができるため、合金化元素３が拡散する前に多量の合金化元素３が蒸発することを抑制できる。その結果、所望の複合磁気材料を製造することができる。

特に、母材１の表面に粉末状の合金化元素２を供給した状態において、粉末状の個々の合金化元素２の間には、空気が介在している。空気を介在するために、粉末状の個々の合金化元素２の間の熱伝導は、低くなる。そのため、粉末状の合金化元素２を高温に加熱すると、個々の粉末状の合金化元素２が過度に温度上昇し、結果として、沸点以上となる合金化元素２の部分が多くなり、所望の複合磁気材料を製造することができないおそれがある。

しかしながら、図１のＳ１にて粉末状の合金化元素２を母材１の凹所１ａに供給したとしても、まず粉末状の合金化元素２を溶融することで金属結合させる。従って、後工程（図１のＳ３）における合金化元素３の拡散に際して、合金化元素３の過度な温度上昇を抑制することができるため、所望の複合磁気材料を製造することができる。

ここで、合金化元素２，３として、マンガンを用いた場合には、鉄の沸点に対してマンガンの沸点は非常に低い。従って、マンガンを合金化元素２，３に用いる場合には、安価であるが、蒸発量が多くなってしまい、所望の複合磁気材料を形成することができなくなるおそれがある。しかし、上記製造方法を適用することで、マンガンを合金化元素２，３に用いたとしても、合金化元素２，３の蒸発量を抑制でき、所望の複合磁気材料を形成できる。

また、図１のＳ２における粉末状の合金化元素２の溶融工程と図１のＳ３における合金化元素３の拡散工程とにおいて、加熱源であるレーザ１１，１２の出力を変化させることで、レーザ１１，１２の焦点に位置する合金化元素２，３付近のパワー密度を変化させている。これにより、確実に、合金化元素３の拡散前に、粉末状の合金化元素２を溶融することができる。また、同一の加熱源を用いることもできる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の複合磁気材料の製造方法について、図５および図６を参照して説明する。上記実施形態においては、粉末状の合金化元素２の供給と、粉末状の合金化元素２の溶融とは、完全な別工程にて行った。本実施形態では、粉末状の合金化元素２を供給すると同時に、粉末状の合金化元素２の溶融を行う。なお、上記実施形態と同一または対応する構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５のＳ１１および図６に示すように、粉末供給装置１３によって、粉末状の合金化元素２を母材１の凹所１ａに供給する。つまり、粉末供給装置１３は、凹所１ａに沿って移動させる。同時に、凹所１ａに供給された粉末状の合金化元素２に対して、低出力のレーザ１１を直接照射する。つまり、低出力のレーザ１１による低密度熱エネルギーを投入することで、粉末状の合金化元素２を直接加熱して、粉末状の合金化元素２を溶融して金属結合させる。レーザ１１の照射位置も、粉末供給装置１３の直後を凹所１ａに沿って移動する。このときのレーザ１１の照射に関しては、上記実施形態の図１のＳ２と同様である。

続いて、高出力のレーザ１２による高密度熱エネルギーを投入することで、合金化元素３を直接加熱して、合金化元素３を母材１に拡散させる（図５のＳ１２）。このときのレーザ１２の照射に関しては、上記実施形態の図１のＳ３と同様である。本実施形態においても、上記同様の効果を奏する。

＜第三実施形態＞
第三実施形態の複合磁気材料の製造方法について、図７および図８を参照して説明する。上記実施形態においては、粉末状の合金化元素２を母材１の凹所１ａに供給した。本実施形態では、棒状の合金化元素１４を用いて、母材１の凹所１ａに金属結合された合金化元素３を配置する。なお、上記実施形態と同一または対応する構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図８に示すように、棒状の合金化元素１４を準備する。そして、図７のＳ１および図８に示すように、母材１の凹所１ａ内または凹所１ａの上方にて、棒状の合金化元素１４に対して低出力のレーザ１１を照射する。そして、加熱されて溶融された合金化元素３が、母材１の凹所１ａに充填される。このとき、棒状の合金化元素１４とレーザ１１の照射位置は、凹所１ａに沿って移動させる。このようにして、図１のＳ２の状態と同状態にすることができる。

続いて、高出力のレーザ１２による高密度熱エネルギーを投入することで、合金化元素３を直接加熱して、合金化元素３を母材１に拡散させる（図７のＳ２２）。このときのレーザ１２の照射に関しては、上記実施形態の図１のＳ３と同様である。本実施形態においても、上記同様の効果を奏する。

また、上述したように、棒状の合金化元素２（合金化元素により形成された塊）を用いて母材１の表面に合金化元素を供給する場合には、当該塊を溶融することにより行われる。そして、塊を溶融することで、母材１の表面に合金化元素３が供給された後の状態において、合金化元素３を金属結合させることができる。従って、合金化元素３を母材１に供給したときには、同時に、合金化元素３を金属結合させることができる。つまり、工程の削減を図ることができる。

＜第四実施形態＞
第四実施形態の複合磁気材料の製造方法について、図９および図１０を参照して説明する。上記実施形態においては、図１のＳ２における粉末状の合金化元素２の溶融工程と図１のＳ３における合金化元素３の拡散工程とにおいて、加熱源であるレーザ１１，１２の出力を変化させた。本実施形態では、両工程の加熱源であるレーザ１１，１２の出力は、同一とする。ただし、粉末状の合金化元素２の溶融工程においては、レーザ１１を粉末状の合金化元素２に直接照射するのではなく、凹所１ａの近傍をレーザ１１により照射する。なお、上記実施形態と同一または対応する構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図９のＳ３１に示すように、粉末状の合金化元素２を母材１の凹所１ａに供給する。これは、図１のＳ１と同様である。

続いて、図９のＳ３２および図１０に示すように、高出力のレーザ１１の照射位置を凹所１ａの近傍（図１０の二点鎖線）として、凹所１ａに沿って移動させる。このときのレーザ１１のパワー密度は、後工程と同様に高くする（高密度熱エネルギーとする）。例えば、このときのレーザ１１のパワー密度（熱エネルギー密度に相当）は、例えば、１×１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。

つまり、凹所１ａに供給された粉末状の合金化元素２は、高出力のレーザ１１によって母材１を介して間接的に加熱される。レーザ１１が高出力であるとしても、粉末状の合金化元素２は、直接照射されないため、低出力のレーザ１１によって照射されていると同様となる。つまり、粉末状の合金化元素２が受ける熱エネルギー密度は低くなる。そして、図１のＳ１と同様に、粉末状の合金化元素２が母材１に拡散されずに溶融されるに止まる。

続いて、高出力のレーザ１２による高密度熱エネルギーを投入することで、合金化元素３を直接加熱して、合金化元素３を母材１に拡散させる（図９のＳ３３）。このときのレーザ１２の照射に関しては、上記実施形態の図１のＳ３と同様である。

本実施形態においては、粉末状の合金化元素２の溶融工程と合金化元素３の拡散工程とにおいて、加熱源であるレーザ１１，１２の出力を同一としている。ただし、粉末状の合金化元素２の溶融工程においては、母材１を直接的に加熱し、粉末状の合金化元素２を間接的に加熱している。従って、粉末状の合金化元素２が受ける熱エネルギー密度は、粉末状の合金化元素２の溶融工程の方が、合金化元素３の拡散工程よりも低くなる。その結果、確実に、合金化元素２が母材１に拡散する前に、粉末状の合金化元素２を溶融することができる。また、加熱源であるレーザ１１，１２の出力を変化させる必要がないため、対象物に対して安定した加熱を行うことができる。

＜その他＞
上記実施形態においては、磁性体である母材１の一部分を弱磁性化または非磁性化するために、合金化元素２，３によって母材１を合金化した。この他に、合金化元素によって母材１を合金化することで、非磁性体である母材１の一部分を磁性化することもできる。この場合も上記同様の方法を適用できる。

１：母材、２：粉末状の合金化元素、３：溶融された合金化元素、１１：合金化元素を溶融するレーザ、１２：合金化元素を拡散するレーザ、１４：合金化元素、２２：溶融池、２３：合金化された部分

Claims

磁性体または非磁性体からなる母材の表面に形成された凹所に粉末状の合金化元素を供給し、前記合金化元素をパンチにより押し付ける供給工程と、
前記合金化元素の供給の後に、低密度熱エネルギーを前記凹所に照射し、前記低密度熱エネルギーの照射位置を前記凹所に沿って移動させ、加熱することにより前記合金化元素を溶融する合金化元素溶融工程と、
前記合金化元素の溶融の後に、前記低密度熱エネルギーよりも熱エネルギー密度の高い高密度熱エネルギーを前記凹所に照射し、前記高密度熱エネルギーを前記凹所に沿って移動させることにより、前記母材を溶融させて、前記母材の溶融池に前記合金化元素を拡散させる合金化元素拡散工程と、
を備え、
前記母材のうち加熱で溶融させた部位を、前記母材が磁性体であれば磁性を弱めまたは非磁性化し、前記母材が非磁性体であれば磁性化する、複合磁気材料の製造方法。
前記合金化元素溶融工程は、前記合金化元素を直接的に加熱し、
前記合金化元素拡散工程は、前記母材のうち前記合金化元素が配置された位置を直接的に加熱し、
前記合金化元素溶融工程における加熱源の出力は、前記合金化元素拡散工程における加熱源の出力より低く設定される、請求項１に記載の複合磁気材料の製造方法。