JP6448175B2 - 磁性部品、および当該磁性部品を備えた電子部品 - Google Patents
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Description
本発明に係る磁性部品は、鉄系材料を加工してなる鉄系部品を備える磁性部品であって、上記鉄系部品は、当該鉄系部品の表面に、Cr、V、Ti、Al、およびSiからなる群より選ばれる1つ以上の元素が拡散浸透している合金層を備えており、上記合金層の厚さは5μm以上60μm以下であることを特徴とする磁性部品である。
本発明に係る磁性部品は、鉄系材料を加工してなる鉄系部品を備えている。本明細書において「鉄系材料」とは、鉄を主成分とする鉄合金全般を意味する。上記鉄系材料としては、例えば純鉄、鋼を挙げることができ、鋼としては、冷間圧延鋼鈑、熱間圧延鋼鈑、電磁鋼鈑等が挙げられる。また、上記鉄系材料は、ケイ素を含んでいてもよく、例えばケイ素鋼鈑等であってもよい。上記鉄系材料の形状は、特に限定されず、例えば帯状、棒状等が挙げられる。
本発明に係る磁性部品では、上記鉄系部品は、当該鉄系部品の表面に、Cr、V、Ti、Al、およびSiからなる群より選ばれる1つ以上の元素が拡散浸透している合金層を備えており、上記合金層の厚さは5μm以上60μm以下である。
本発明に係る電子部品は、本発明に係る磁性部品を備えている。上記構成によれば、磁性部品が優れた耐摩耗性を有しているため、機械的摺動による摩耗が少なく、寿命の長い電子部品を提供することができる。
本発明に係る磁性部品は、例えば、鉄系材料を加工してなる鉄系部品を備える磁性部品の製造方法であって、上記鉄系部品にCr、V、Ti、Al、およびSiからなる群より選ばれる1つ以上の元素を拡散浸透させる処理を行い、合金層を形成する合金層形成工程を含んでおり、上記元素を拡散浸透させる処理は、5時間以上15時間以下の処理時間、および、750℃以上950℃以下の処理温度にて行われることを特徴とする磁性部品の製造方法によって製造される。
本発明に係る磁性部品を製造する方法は、上記鉄系部品にCr、V、Ti、Al、およびSiからなる群より選ばれる1つ以上の元素を拡散浸透させるものである。当該元素を上記鉄系部品に拡散浸透させることによって、鉄系部品の表面に合金層を形成することができる。
合金層形成工程について、以下に詳細に説明する。
上記拡散浸透処理において、処理時間は5時間以上15時間以下であることが好ましく、8時間以上10時間以下であることがより好ましい。また、上記拡散浸透処理において、処理温度は750℃以上950℃以下であることが好ましく、750℃以上900℃以下であることがより好ましく、750℃以上900℃未満であることがさらに好ましく、750℃以上850℃以下であることが特に好ましい。
本発明に係る磁性部品の製造方法によれば、磁性部品の製造工程を簡略化することができる。その結果、磁性部品の製造にかかるコストを削減することができる。図7は、従来型のNiメッキ品の製造方法(図7(a))と本発明に係る磁性部品の製造方法(図7(b))とを比較した概略図である。
炭素量0.01重量%の電磁軟鉄(SUYP)を用いて、厚さ1.5mm、幅15mm、長さ28mmのヨーク、および、外径45mm、内径33mm、厚さ1.2mmのリングを製造した。図8は、リングの外観を示す概略図である。図8(a)中のDがリング11の外径、dがリング11の内径を示している。図8(b)は、図8(a)のx軸方向から見た図である。図8(b)中のtはリング11の厚さを示している。
合金層の厚さは上記ヨークをカットし、その断面を観察することによって計測した。当該合金層の厚さは10か所について計測し、その平均を求めた。また、表面クロム濃度は、SEMによる表面元素分析およびEPMAによる元素濃度分析によって計測した。
合金層表面硬度として、ビッカース硬さを計測した。ビッカース硬さは、JIS Z 2244(1992)に基づいて算出した。当該実験では、試験荷重を25gfとして試験を行った。
耐食性テストとして、塩水噴霧試験を行い、試験片の表面の腐食面積の割合を求めた。35℃に維持された塩水噴霧試験槽内で、塩濃度5±1%(質量比)、pH値6.5〜7.2(水温20±2℃)の塩水を試験片に連続して2時間噴霧し、その後、試験槽内で20〜22時間放置することを1サイクルとし、これを3サイクル行った。当該試験は、JIS C 0024(2000)(IEC 60068−2−52(1996))、および、JIS C 5442(1996)に基づいて行った。
試験片を実際にリレーに組み込み、2000万回開閉させた後の金属摩耗部の表面状態を外観確認し、摩耗粉の発生程度によって、摩耗の大小を判定した。開閉頻度は1800回/分とした。当該試験は、JIS C 4530(1996)、JIS C 5442(1996)、および、NECA C 5440(1999)に基づいて行った。
図9に、吸引力試験のための装置を示す。試験片であるヨーク1、鉄片2および鉄心3を用いてリレーを作製し、外部電源により、鉄心3に巻いたコイル14に定格電流を通電し、ロードセル16を用いて、電磁石吸着部15に発生する吸引力を測定した。
円形リングとして加工した試験片について、保磁力を測定した。図10に、試験片にコイルを巻く方法を示す。まず、試験片11(図10(a))を絶縁テープ17aで覆う(図10(b))。次に、磁束検出用コイル18として絶縁導線を試験片11に均等に巻く(図10(c))。その後、試験片11をさらに絶縁テープ17bで覆う(図10(d))。絶縁テープ17b上に、励磁用コイル19として、測定の際に最大の磁化電流を流すことができる絶縁導線を、最大の磁界の強さを得るために十分な巻き数となるように、1層または多層巻く(図10(e))。図10(f)はコイルを巻いた試験片の外観を示す概略図であり、図10(g)は図10(f)のA−A’における断面図を示している。当該試験では、磁束検出用コイルの磁束密度としては100T、励磁用コイルの磁束密度としては200Tを採用した。
実施例1〜5および比較例1〜3の結果を表1に示す。耐摩耗性テストの結果は、比較例3(Niメッキ品)の摩耗粉発生量を100%とした場合の、各実施例および比較例の摩耗粉発生量の割合として示している。当該摩耗粉発生量の数値が小さいほど、耐摩耗性が良好であると言える。吸引力試験の結果は、比較例3の吸引力を100%とした場合の、各実施例および比較例の吸引力の割合として示している。
クロムと鉄との合金層は、母材である電磁軟鉄(ビッカース硬度:90〜150mHv)より硬く、表1に示すように、160〜630mHvのビッカース硬度を示した。比較例1はビッカース硬度が160mHvであり、比較例3より劣る結果となった。なお、比較例1は合金層の厚さも3μmと薄かった。
Niメッキ品である比較例3の腐食面積は40〜50%であったのに対し、比較例1は50〜60%と悪い結果になったが、実施例1〜5はいずれも比較例3よりも腐食が少なかった。特に、実施例3〜5(合金層の厚さ:20〜60μm、クロム濃度:37〜61重量%)は、全く腐食しなかった。以上のことから、合金層が厚く、クロム濃度が高いほうが、耐食性が優れていると考えられる。また、強磁性体であるNiの代わりに、反強磁性体であるCrを使用する場合であっても、合金層の厚さを制御することで、磁気特性を失うことなく耐食性を向上させることが可能であることがわかった。
比較例1の耐摩耗性はNiメッキ品である比較例3より劣るものの、実施例1〜5および比較例2の耐摩耗性については比較例3と同等または比較例3を上回る結果が得られた。特にビッカース硬度が高い、実施例3〜5においては、ほとんど摩耗しなかった。
クロムは反強磁性体であるため、合金層を形成することによって、磁気特性が悪化することが予想されたが、表1の比較例1〜2および実施例1〜5に示すように、合金層の厚さが60μm以下であれば、比較例3以上、または比較例3と同等の吸引力が得られた。ただし、比較例2(合金層の厚さ:80μm)では、吸引力が低下し、磁性部品として使用できないことがわかった。
保磁力試験においても、表1の比較例1および実施例1〜5に示すように、合金層の厚さが50μm以下であれば、比較例3以上、または比較例3と同等の保磁力が得られた。なお、Niメッキ品である比較例3に比べて+10A/m以下であれば、磁性部品として使用可能であると判断した。ただし、比較例2(合金層の厚さ:80μm)では、保磁力が低下し、磁性部品として使用できないことがわかった。
NSSMAG1(軟磁性ステンレス鋼)(比較例4〜5)およびSUYP(電磁軟鉄)(比較例6)についても上述した保磁力試験を行い、クロムを拡散浸透させたSUYP(実施例1〜5および比較例1〜2)およびNiメッキを施したSUYP(比較例3)を用いた場合の結果と比較した。試験結果を表2に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.01重量%)を用いて加工したヨーク(図2におけるz軸方向における最大の長さ22mm、x軸方向における最大の長さ11mm、幅(y軸方向の長さ)11.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:800℃
処理時間:5時間
その結果、合金層の厚さ15μm、表面クロム濃度30%のヨークが得られた。EPMA分析装置による合金層断面のクロム濃度分析値を図14(a)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.01重量%)を用いて加工したヨーク(図2におけるz軸方向における最大の長さ22mm、x軸方向における最大の長さ11mm、幅(y軸方向の長さ)11.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:フェロバナジウム粉末(50重量%)、アルミナ粉末(49.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:930℃
処理時間:5時間
その結果、厚さ20μm、表面バナジウム濃度49%のヨークが得られた。EPMA分析装置による合金層断面のバナジウム濃度分析値を図14(b)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.01重量%)を用いて加工したヨーク(図2におけるz軸方向における最大の長さ22mm、x軸方向における最大の長さ11mm、幅(y軸方向の長さ)11.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:鉄−アルミニウム合金粉末(65重量%)、アルミナ粉末(34.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:830℃
処理時間:5時間
その結果、厚さ30μm、表面アルミニウム濃度33%のヨークが得られた。EPMA分析装置による合金層断面のアルミニウム濃度分析値を図14(c)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.01重量%)を用いて加工したヨーク(図2におけるz軸方向における最大の長さ22mm、x軸方向における最大の長さ11mm、幅(y軸方向の長さ)11.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:800℃
処理時間:13時間
その結果、合金層の厚さ15μm、表面硬度270mHv、表面クロム濃度33%のヨークが得られた。EPMA分析装置による合金層断面のクロム濃度分析値を図15(a)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.12重量%)を用いて加工した鉄片(図2におけるx軸方向における最大の長さ13.5mm、z軸方向における最大の長さ8.5mm、幅(y軸方向の長さ)11.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:880℃
処理時間:8時間
その結果、合金層の厚さ29μm、表面硬度310mHv、表面クロム濃度42%の鉄片が得られた。EPMA分析装置による合金層断面のクロム濃度分析値を図15(b)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.07重量%)を用いて加工した鉄心(直径φ7mm、長さ20.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:930℃
処理時間:6時間
その結果、合金層の厚さ38μm、表面硬度360mHv、表面クロム濃度49%の鉄心が得られた。EPMA分析装置による合金層断面のクロム濃度分析値を図15(c)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.01重量%)を用いて加工した鉄心(直径φ7mm、長さ20.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:フェロバナジウム粉末(50重量%)、アルミナ粉末(49.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:930℃
処理時間:7時間
その結果、厚さ16μm、表面硬度410mHv、表面バナジウム濃度43%のヨークが得られた。EPMA分析装置による合金層断面のバナジウム濃度分析値を図15(d)に示す。
低炭素鋼(SPCC、炭素量0.10重量%)を用いて加工した鉄片(図2におけるx軸方向における最大の長さ13.5mm、z軸方向における最大の長さ8.5mm、幅(y軸方向の長さ)11.5mm)に以下の条件にて拡散浸透処理を施した。
浸透剤の組成:鉄−アルミニウム合金粉末(65重量%)、アルミナ粉末(34.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%)
処理温度:800℃
処理時間:5時間
その結果、厚さ31μm、表面硬度250mHv、表面アルミニウム濃度29%の鉄片が得られた。EPMA分析装置による合金層断面のアルミニウム濃度分析値を図15(e)に示す。
SPCCを用いて加工した試験片について、金属組織を観察した。実施例14および比較例7〜8では、厚さ1.2mmの試験片を使用し、実施例15および比較例9〜10では、厚さ1.6mmの試験片を使用した。実施例14〜15では、浸透剤(クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%))を使用して、処理温度840℃、処理時間9時間にて処理を行い、合金層を形成した。比較例7および9では、熱処理を行わず、比較例8および10では、850℃の熱処理を行った。なお、比較例7〜10では、拡散浸透処理およびNiメッキを行っていない。
純鉄を用いて加工したヨークについて、実施例1と同様の方法で、塩水噴霧試験を行った。実施例16〜19は、浸透剤(クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%))を使用して、処理時間8時間にてクロムを拡散浸透させたヨークである。なお、処理温度は、実施例16では765℃、実施例17では800℃、実施例18では850℃、実施例19では950℃とした。比較例11はNiメッキが施されたヨークである。各実施例および比較例では、それぞれ3つのヨークを作製した。
SPCCを用いて加工した鉄片およびヨークについて、硝酸に対する耐食性を調べた。実施例20には、浸透剤(クロム粉末(40重量%)、アルミナ粉末(59.5重量%)、塩化アンモニウム粉末(0.5重量%))を使用して、処理温度860℃、処理時間9時間にてクロムを拡散浸透させた鉄片およびヨークを使用し、比較例12には、Niメッキを施した鉄片およびヨークを使用した。鉄片およびヨークをリレーに組み込み、接点の開閉によりアーク熱を発生させ、当該アーク熱によってリレー内部に硝酸ガスが発生する。
2 鉄片(磁性部品)
3 鉄心(磁性部品)
4 鉄系部品
5 Cr、V、Ti、Al、およびSiからなる群より選ばれる1以上の元素を含む粉末
10 電磁石装置
100 リレー(電子部品)
Claims (4)
- 鉄系材料を加工してなる鉄系部品を備える磁性部品であって、
上記鉄系部品は、当該鉄系部品の表面に、Cr、VおよびTiからなる群より選ばれる1以上の元素が拡散浸透している合金層を備えており、
上記合金層の厚さは5μm以上60μm以下であり、
上記鉄系材料の炭素含有量が0重量%以上0.15重量%未満であり、
上記鉄系部品の結晶粒度は、JIS G0551(2005)に規定されるフェライト結晶粒度番号が−1以下であることを特徴とする磁性部品。 - 上記合金層の厚さが5μm以上35μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁性部品。
- 上記合金層中の上記Cr、VおよびTiからなる群より選ばれる1以上の元素の含有量の最大値の合計が20重量%以上65重量%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の磁性部品。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁性部品を備えていることを特徴とする電子部品。
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