JPH09217152A - 磁歪材料およびその製造方法 - Google Patents
磁歪材料およびその製造方法Info
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- JPH09217152A JPH09217152A JP8340631A JP34063196A JPH09217152A JP H09217152 A JPH09217152 A JP H09217152A JP 8340631 A JP8340631 A JP 8340631A JP 34063196 A JP34063196 A JP 34063196A JP H09217152 A JPH09217152 A JP H09217152A
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Abstract
幅に向上させた磁歪材料を提供する。 【解決手段】 磁歪材料は希土類元素および遷移金属元
素を含み、また材料全体に分散する複数の球状空孔を有
し、さらに空孔率Vcを10%≦Vc≦40%に設定さ
れる。
Description
土類元素および遷移金属元素を含む磁歪材料およびその
製造方法に関する。
平1−246342号公報に開示されたように公知であ
る。
歪材料は、機械的強度を高くするために密度を理論密度
に対して略100%に設定されていることに起因して、
磁場をかけられたときに磁歪材料がその体積を略一定と
して磁場方向に変形するため、磁歪量が比較的小さいと
いう問題があった。
号公報および特開平6−58445号公報に開示される
ように自動車用エンジンの燃料噴射弁等に用いられてい
る。燃料噴射弁等に必要とされる機械的強度は比較的低
くて足り、したがって燃料噴射弁等に用いられる磁歪材
料には、実用的な機械的強度を持った上で、より大きな
磁歪量を持つことが要求される。
的強度を持ち、且つ磁歪量を大幅に向上させた磁歪材料
を提供することを目的とする。
希土類元素および遷移金属元素を含む磁歪材料におい
て、材料全体に分散する複数の球状空孔を有し、空孔率
Vcが10%≦Vc≦40%である磁歪材料が提供され
る。その球状空孔には、複数の空孔が連なって細長くな
ったものも含まれる。
ようにポーラスに構成すると、高密度な磁歪材料に比べ
てその変形能が増し、これにより磁歪材料の磁歪量を増
大させることができる。
とにより、例えば自動車用エンジンの燃料噴射弁用構成
材料として磁歪材料を用いる場合、その磁歪材料に要求
される実用的な機械的強度を満足することができる。
は高くなるものの磁歪量が低下し、一方、Vc>40%
では強度および磁歪量が共に低下する。前記空孔率Vc
の範囲において、空孔が球状をなす方が、片状をなす場
合よりも磁歪材料の強度は高く、また磁歪量も大きい。
を容易に得ることが可能な前記製造方法を提供すること
を目的する。
遷移金属元素および最終Sm量よりも過剰のSmを含有
する素材を鋳造し、次いでその素材に熱処理を施し、そ
の熱処理過程で過剰のSmを除去して複数の球状空孔を
形成する磁歪材料の製造方法が提供される。
な磁歪材料を容易に製造することができる。
移金属元素を含み、材料全体に分散する複数の球状空孔
を有し、空孔率Vcを10%≦Vc≦40%に設定され
る。
択される少なくとも一種が該当し、また遷移金属元素に
はFe、Ni、Co等から選択される少なくとも一種が
該当する。
ば700ppm 以上の大きな磁歪量と、例えば10kgf/
mm2 以上の圧縮強さを有し、これは前記燃料噴射弁用構
成材料として有効である。
相、例えばSm単相を分散させ、各Sm単相を構成する
Smの含有量の和Tを0.1原子%≦T≦1.3原子%
に設定すると、磁歪材料の曲げ強さを、1〜5kgf/mm
2 に高めることが可能であり、これもまた前記燃料噴射
弁用構成材料として有効である。ただし、T<0.1原
子%では曲げ強さが低下し、一方、T>1.3原子%で
は磁歪量が低下する。
希土類元素がSmである磁歪材料は、次のような方法で
製造される。
も過剰のSmを含有する素材を鋳造し、次いでその素材
に熱処理を施し、その熱処理過程で過剰のSmを、蒸発
および/または溶出させることにより除去して複数の球
状空孔を形成する。
下、IMCと称す)相よりなる磁歪材料を製造するに当
っては、素材としては、基本的には複数のSm単相と少
なくとも1つのSmFe2 相とよりなるものが用いられ
る。この場合、素材は少なくとも1つのSmFe3 (I
MC)相および少なくとも1つのSm2 Fe17(IM
C)相の少なくとも一方を含んでいてもよい。
Sm含有量は図1のSm−Fe系二元平衡状態図から明
らかなようにSm≦33.3原子%であるから、素材に
おけるSm含有量はSm>33.3原子%に設定され
る。
めに、溶湯の凝固時に、700℃までの冷却速度を10
0〜1000℃/min に制御することが可能な熱容量を
持つものが望ましい。また溶解・鋳造過程の雰囲気は減
圧(真空を含む)下および/または不活性ガス中が望ま
しい。
包晶温度(図1において、900℃)未満であることが
必要である。その理由は、包晶温度以上では磁歪相であ
るSmFe2 相が分解するからである。昇温速度は10
0℃/h以上、好ましくは100〜6000℃/h、処
理時間は1時間以上、好ましくは3〜6時間、冷却速度
は400℃/min 以下である。熱処理は、通常、所定温
度まで直線的な昇温を行い、その温度を所定時間保持す
ることによって行なわれるが、場合によっては、熱処理
に当り、複数回の昇温・降温過程を繰返す、段階的な昇
温を行う、処理時間を複数回に分割する、といった手段
も採用される。
の液相が生じ、次いでSmの蒸発および/または溶出が
生じるので、熱処理過程の雰囲気を1×10-2Torr
以下の減圧状態に保持してSmの蒸発量等、したがって
空孔率Vcの制御を行う。この場合、雰囲気中に不活性
ガスを含ませてもよい。液相の素材外への溶出を助勢す
べく、素材に金属やセラミックスのメッシュを巻く、或
は素材に金属やセラミックス粉末、好ましくはAl2 O
3 粉末を接触させて毛細管現象を生じさせる、といった
手段を採用することも可能である。
びSm−Fe系二元非平衡状態図(破線は平衡状態を示
す)である図3を用いて、熱処理による素材の組織変化
について説明する。
にSmFe2 相が存在し、また相隣る両SmFe2 相間
をSm単相が埋める、といったSm単相、SmFe2 相
およびSmFe3 相の三相からなる非平衡凝固組織を示
す。この組織は、図3のSm−Fe系二元非平衡状態図
において、例えば点aで示される。このような非平衡凝
固組織に800℃の熱処理を施すと、その処理時間の経
過に伴い、先ず、Smが蒸発してFe濃度の高い組成へ
と変化し、次いで組織が平衡状態へ変化していくもので
あり、その過程は次のように進行する。
aから共晶温度(720℃)を超えた点bまで上昇する
と、共晶温度付近で非平衡相が次のような反応を生じ
る。
とにより、図2(b)で示すように、SmFe2 相が減
少すると共にその周囲に液相Lが生じる。ただし、液相
Lの組成はx原子%のSmと、(100−x)原子%の
Feとからなり、xは、33.3原子%≦x<100原
子%であって、図3の非平衡状態図において800℃の
液相線に対応する値である。
Smの蒸発が活発となるが、その蒸発は熱力学的にSm
濃度が高く、しかも拡散係数が大きい液相Lから優先的
に生じる。
達すると、液相LからSmが引き続き蒸発すると共に、
SmFe3 相に、SmFe2 相の粒界を伝って液相L中
のSmが粒界拡散するため次のような反応が生じる。
mx Fe100-x からFe濃度の高い組成へと変化する
が、相平衡を保つために、固−液境界面を中心にした不
均一核生成によりSmFe2 相が成長する。即ち、図2
(c)に示すように、SmFe2 相は、内部側(SmF
e3 側)に成長すると共に外部側(液相側)にも成長す
る。
おいて、SmFe3 が消失した後は、次のような反応が
生じると共に過剰のSmが蒸発する。
なり、この組成を冷却することによって図2(d)で示
すように、SmFe2 相に複数の球状空孔を分散させた
磁歪材料が得られる。これらの空孔は過剰Smの蒸発に
より形成されたものである。 〔実施例I〕 A.磁歪材料の製造 原料を高周波溶解炉に投入して、減圧下(−60cmH
g)、Ar雰囲気中にて溶解し、その溶湯を均質化のた
めに1400℃にて5分間保持する工程、溶湯を、減圧
下(−60cmHg)、Ar雰囲気中にて銅製鋳型に注入
する工程、および溶湯を700℃まで400℃/min で
冷却する工程を経て6個の素材を鋳造した。各素材をA
l2 O3 粉末により包み、その素材に、所定の雰囲気下
において、昇温速度400℃/h、処理温度800℃、
処理時間6時間および冷却速度100℃/hの条件で熱
処理を施して6個の磁歪材料を得た。
用い、且つ成形圧力を5.05〜7.64ton /cm2 に
設定した一軸圧縮成形を施して5個の圧粉体を成形し、
次いで各圧粉体に、真空雰囲気下において、昇温速度4
00℃/h、処理温度900℃、処理時間6時間、およ
び冷却速度100℃/hの条件で焼結処理を施して3個
の磁歪材料を得た。
磁歪材料の例1〜6における、素材の組成、熱処理雰囲
気および磁歪材料の組成、ならびに焼結法による磁歪材
料の例7〜9における焼結雰囲気および組成(磁歪材
料)を示す。
の測定 例1〜9について、空孔率Vc、磁歪量、圧縮強さおよ
びヤング率を測定したところ、表2の結果を得た。空孔
率Vcは電子顕微鏡観察と密度から求めた。また磁歪量
は、歪みゲージを用い、磁場を1kOeかけて測定し
た。さらに圧縮強さおよびヤング率の測定は常法によっ
た。
写真であり、また図4(b)は同図(a)の要部写図で
ある。図4から明らかなようにSmFe2 相中に複数の
球状空孔vが分散していることが判る。
孔が観察されたが、焼結法による例7〜9においては片
状空孔が観察された。
量との関係をグラフ化したものである。図5から明らか
なように、例2〜5の如く、空孔の形状を球状とし、且
つ空孔率Vcを10%≦Vc≦40%に設定すると、例
1,6に比べて磁歪量を大幅に増大させることができ
る。これは、例2〜5においては、磁場をかけられたと
き、例2等が磁場方向に空孔を潰しながら体積の減少を
伴って変形することに起因する。
ったように、密度が理論密度に対して略100%に設定
されていると、磁場をかけられたとき、例1は磁場方向
に体積を略一定として変形する、つまり磁場方向と直交
する方向に膨らみながら磁場方向に縮むため、磁歪量が
小となる。
%といったように高くなると、SmFe2 相の量が極端
に少なくなるため磁歪量が小となる。
と、空孔率Vcが略同じである場合には球状空孔を持つ
ものの方が片状空孔を持つものよりも磁歪量が大きいこ
とが判る。
強さとの関係をグラフ化したものである。図6から明ら
かなように、例2〜5の如く、空孔の形状を球状とし、
且つ空孔率Vcを10%≦Vc≦40%に設定すると、
比較的高い圧縮強さを有し、これは前記燃料噴射弁用構
成材料として有効である。 〔実施例II〕実施例Iと同様の鋳造法を行って、組成が
Sm40Fe60(数値の単位は原子%)である4個の素材
を鋳造した。各素材に、所定の雰囲気下において、昇温
速度400℃/h、処理温度800℃、処理時間6時間
および冷却速度100℃/hの条件で熱処理を施して組
成がSm33Fe67(数値の単位は原子%)である磁歪材
料の例1〜4を得た。
で、空孔率Vcおよび磁歪量を測定した。
空孔率Vcおよび磁歪量を示す。例4は、素材をAl2
O3 粉末により包んで熱処理を施されたものである。
圧、Ar雰囲気下で熱処理を施されたものであるから、
空孔量が極めて少なく、且つ過剰のSmが多く残存して
いるため磁歪量が小さい。例2,3は、減圧、Ar雰囲
気下または真空雰囲気下で熱処理を施されたものである
から、例1に比べて空孔率Vcが高く、したがって磁歪
量も大きい。例4は、Al2 O3 粉末の存在下で、且つ
真空雰囲気下で熱処理を施されたものであるから、Al
2 O3 粉末の液相溶出効果により、例2,3に比べて空
孔率Vcが高く、したがって磁歪量も大きい。 〔実施例III 〕実施例Iと同様の鋳造法を行って、組成
が同一である6個の素材を鋳造した。各素材に、所定の
雰囲気下において、昇温速度400℃/h、処理温度8
00℃、処理時間1〜6時間および冷却速度100℃/
hの条件で熱処理を施して各種組成の磁歪材料の例1〜
6を得た。顕微鏡観察の結果、例1〜6は、材料全体に
分散する複数のSm単相を有することが判明した。
処理の雰囲気および処理時間、ならびに磁歪材料の組成
を示す。例4〜6は、素材をAl2 O3 粉末により包ん
で熱処理を施されたものである。
で、空孔率Vcおよび磁歪量を測定し、また各Sm単相
を構成するSmの含有量の和Tを求め、さらに曲げ強さ
を測定したところ、表5の結果を得た。
うにSm単相を含み、且つSm含有量の和Tを異にする
ことから厳密には異なる組成を有するが、表4において
は便宜的に同一組成を持つものとして表わされている。
これは例3〜6についても同じである。
と磁歪量との関係を、また図8はSm含有量の和Tと曲
げ強さとの関係をそれぞれグラフ化したものである。
増加に伴い磁歪量は低下するが、曲げ強さは向上する。
磁歪材料において、曲げ強さを優先させる場合、Sm含
有量の和Tの上限値はT=5原子%が適当である。一
方、高い磁歪量と実用的な曲げ強さとを要求される場
合、Sm含有量の和Tは、0.1原子%≦T≦1.3原
子%が適当である。 〔磁歪材料の使用例〕図9は自動車用エンジンの燃料噴
射弁を示す。円筒状をなす主ハウジング1の上部に上部
ホルダ2がねじ込まれており、主ハウジング1の上端お
よび上部ホルダ2間に上部ハウジング3が保持されてい
る。また主ハウジング1の下部に、半径方向内方に張出
すフランジ1aが設けられ、主ハウジング1の下端にね
じ込まれた下部ホルダ4とフランジ1aとの間にリング
状シール部材5および弁座部材6が保持される。
主ハウジング1と同軸であってその主ハウジング1に向
って開口する。弁室7を形成する外端壁に、それを貫通
する噴射孔8と、噴射孔8の内端を囲繞する弁座9とが
設けられている。弁室7に、球状弁体10が主ハウジン
グ1の軸線方向に摺動し得るように嵌合される。弁体1
0は、主ハウジング1の軸線方向に延びる複数の流通溝
10aを有し、開弁時にはそれらの流通溝10aを経て
燃料が噴射孔8に流通する。
1が嵌合され、その端壁11aはフランジ1aに当接す
る。スリーブ11内に、コイル13を巻かれたセラミッ
クス製ボビン12が挿入される。
およびスリーブ11の端壁11aを貫通し、その下端部
は弁体10に圧入され、上部はリング状軸受部材15に
摺動自在に支持される。その軸受部材15は、スリーブ
11の上端およびボビン12の上部フランジと、上部ハ
ウジング3との間に保持される。軸受部材15と上部ハ
ウジング3との間に、内周部を作動軸18の環状溝22
に嵌めたリング状規制部材16と複数のリング状スペー
サ17とが保持される。その規制部材16は作動軸18
の軸方向移動を規制する。上部ハウジング3の上端にね
じ込まれた円筒状ばね受部材23と作動軸18の上端と
の間に圧縮ばね24が設けられる。
介して図示しない燃料供給源に通じる通路25が設けら
れ、この通路25は、軸受部材15の切欠き26、ボビ
ン12の上部フランジに在る切欠き27、コイル13外
周面およびスリーブ11内周面間の筒状路14、スリー
ブ11の端壁11aに在る通路28、フランジ1aの通
路29を経て弁室7に通じている。
内に存する磁歪材料製中央軸部18aと、上端を中央軸
部18a下端に同軸に接合されると共に下端を弁体10
に圧入された磁性材料製下部軸部18bと、下端を中央
軸部18a上端に同軸に接合されると共に環状溝22を
持つ磁性材料製上部軸部18cとからなる。
3の消磁状態では圧縮ばね24のばね力により作動軸1
8が弁体10を弁座9に着座させた位置に在って、噴射
孔8が閉じられている。一方、コイル13が励磁される
と、作動軸18において磁歪材料製中央軸部18aが軸
方向に収縮するので、弁体10が弁座9から離間して噴
射孔8が開放され、燃料が噴射孔8から噴射される。
24のばね力により環状溝22と規制部材16とが衝合
し、閉弁時には弁体10の弁座9への着座時の衝撃が作
動軸18の弁体10側の端部に作用する。この点を考慮
して作動軸18全体を磁歪材料より構成せずに両端側を
磁性材料より構成して、磁歪材料よりなる中央軸部18
aに割れや欠けが生じるのを防止し、これにより作動軸
18の衝撃力に対する耐久性の向上が図られている。
成する磁性材料には、靱性が高いこと、中央軸部18
a、したがって磁歪材料の製造段階で行われる前記熱処
理過程において、半溶融状態の磁歪材料と液相拡散接合
が可能であること、耐食性および加工性が優れているこ
と等が要求され、このような要求を満たす磁性材料とし
ては、例えば電磁ステンレスを挙げることができる。
は、例えば図5,6に示した例2〜5が用いられる。例
2〜5は燃料噴射弁における作動軸18の中央軸部18
aに要求される圧縮強さ、例えば7kgf/mm2 を上回る
圧縮強さを有する。
ると体積変化を伴って変形するので、中央軸部18aの
周囲に余分な空きスペースを確保することが不要であ
り、燃料噴射弁の小型化を図る上で有効である。これに
対し、体積変化を伴わない磁歪材料より中央軸部18a
を構成すると、中央軸部18aが軸方向に収縮したとき
には半径方向外方にその分だけ膨らむ。したがって、そ
の膨らみ分だけ余分な空きスペースを中央軸部18aの
周囲に設ける必要があり、それに応じて燃料噴射弁が大
型化する。
材料の例1〜9より中央軸部18aを構成され、また電
磁ステンレスより上、下部軸部18c,18bを構成さ
れたものを前記燃料噴射弁に組込んで、作動軸18の耐
久性および消費電力を調べたところ、表6の結果を得
た。耐久性は、燃料噴射弁を1億回作動させ、その後の
リフト量変化が±2.5%以内のものを「可」とし、ま
た消費電力は、例3を用いた作動軸18における消費電
力を「1」としたときの値である。なお、例6および9
を用いた作動軸18は機械的強度不足のためテスト中に
破壊したので消費電力の測定は不可能であった。
〜5を用いた作動軸の例2〜5は、優れた耐久性を有す
ると共に消費電力も少ない。作動軸の例1は磁歪量が6
00ppm といったように小さく、また消費電力も多い。
作動軸の例7,8は耐久性および消費電力については問
題ないが、磁歪量がそれぞれ670,610ppm といっ
たように小さい。
て、作動軸の例1の磁歪量600ppm よりも磁歪量が4
5%向上している。作動軸のストローク量は磁場をかけ
られたときの磁歪量で定まるので、前記磁歪量の向上
は、作動軸のストローク量を45%向上することができ
る、ということを意味する。
ことによって、実用的な機械的強度を持ち、且つ磁歪量
を大幅に向上させた磁歪材料を提供することができる。
れた手段を採用することにより、前記磁歪材料を容易に
製造することが可能な製造方法を提供することができ
る。
真、(b)はその要部写図である。
る。
る。
フである。
ラフである。
図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 希土類元素および遷移金属元素を含む磁
歪材料において、材料全体に分散する複数の球状空孔
(v)を有し、空孔率Vcが10%≦Vc≦40%であ
ることを特徴とする磁歪材料。 - 【請求項2】 Smおよび遷移金属元素を含む磁歪材料
において、材料全体に分散する複数の球状空孔(v)を
有し、空孔率Vcが10%≦Vc≦40%であることを
特徴とする磁歪材料。 - 【請求項3】 材料全体に分散する複数のSm単相を有
し、各Sm単相を構成するSmの含有量の和TがT≦5
原子%である、請求項2記載の磁歪材料。 - 【請求項4】 材料全体に分散する複数のSm単相を有
し、各Sm単相を構成するSmの含有量の和Tが0.1
原子%≦T≦1.3原子%である、請求項2記載の磁歪
材料。 - 【請求項5】 遷移金属元素および最終Sm量よりも過
剰のSmを含有する素材を鋳造し、次いでその素材に熱
処理を施し、その熱処理過程で過剰のSmを除去して複
数の球状空孔(v)を形成することを特徴とする磁歪材
料の製造方法。 - 【請求項6】 前記遷移金属元素はFeであり、前記素
材は複数のSm単相と、少なくとも1つのSmFe2 相
とよりなる、請求項5記載の磁歪材料の製造方法。 - 【請求項7】 前記素材は、少なくとも1つのSmFe
3 相および少なくとも1つのSm2 Fe17相の少なくと
も一方を含む、請求項6記載の磁歪材料の製造方法。 - 【請求項8】 前記熱処理において、前記素材に、Sm
の溶出を助勢するAl2 O3 粉末を接触させる、請求項
5,6または7記載の磁歪材料の製造方法。
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