JPS59190349A - 高電気抵抗・高磁束密度及び高切削性磁性合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は高電気抵抗・高磁束密度及び高切削性磁性合金
に係り、特に高速稼動電磁弁用の磁気回路部材に使用す
るのに好適な磁性合金に関する。

〔発明の背景〕

従来、高速稼動電磁弁特に高速応答性が要求される自動
車用の燃料噴射電磁弁の磁気回路用材料としては１％Ｓ
ｉ−、ｐｅ金合金るいは１３Ｃｒ系電磁ステンレス鋼が
主として用いられているが、前者は磁束密度は高いが電
気抵抗が約２０μΩ・鑞と低いために実際の稼動状態で
あるパルス状の磁化電流に対して、うず電流の発生が大
きく磁束の発生を抑制するため応答性が悪い欠点があシ
、また後者は電気抵抗が約７０μΩ・鋸と比較的高いが
まだ不十分で特にターボ過給機搭載車に対しては性能不
足で実用化には問題があった。

自動車用の燃料噴射電磁弁の構造は第１図に示すように
なっており、その磁気回路はヨーク２、コア３、プラン
ジャ４の３部分から構成されており、図中５は弁棒、６
はボール弁、７はスプリング、８は弁座、９はノズルで
ある。このような燃料噴射電磁弁において、燃料の噴射
流量は励磁コイル１に印加するパルス状の磁化′電流の
パルス幅を可変することによって制御する方式のために
、噴射流量を精度良く制御するためには磁気回路に発生
する磁束がパルス電流に対してよく追従することが必要
である。即ち、パルス電流のパルス幅に対して噴射流計
が良い直綜関係にあることが要求される。

そのため、噴射電磁弁の磁気回路に用いられる材料に要
求される特性は、うす電流の発生を抑制し磁束応答性を
大きくするために高電気抵抗であること、しかも磁気吸
引力を犬ならしむために材料自体の磁束密度も高いとい
う両者をヌ）モね備えた材料であることが強く要望され
る。

しかしながら、一般に磁気回路用材料に用いられる軟質
磁性材料では電気抵抗を高めると磁束密度は逆に低下す
るという相反する性質のため両者を同時に茜めることは
甚だ難しいものである。

従って、現状では比較的電気抵抗及び磁束密度の高い１
３０ｒ３４電磁ステンレス鋼が用いられているが、その
電気抵抗は約７ｏμΩ・鋸、磁束密度Ｂｇｏｏｏ　（Ｈ
＝８０００Ａ／ｍにおける磁束密度）は高々１．５テス
ラ程度であシターボ過給機搭載車には性能的に不十分で
ある。このため、１３ｃｒ系電磁ステンレス鋼からなる
磁気回路部材の場合各気筒ごとに１個ずつ噴射弁を取り
つけた、所謂気筒別噴射方式の構造となっている。しか
しこのような気筒別噴射方式では燃費が悪く、又電気的
な制御回路が複雑となっている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電気抵抗が高く、同時に磁束密度が高
り、シかも電磁気的特性を損うことなく切削性を高め量
産性に優れた磁性合金を提供することにある。

〔発明の概要〕

筒速稼動用の電磁弁、特にターボ過給機搭載車用の燃料
噴射電磁弁は高速で応答することが要求され、噴射弁に
関しては構造的、電気回路的及び磁気回路的にはほぼ限
界にきており、特に磁気回路部材料の応答特性は僅かな
改善でも望まれている。

このような状況に鑑み、急峻なパルス磁化に十分１け従
し得る磁気回路用磁性材料として磁束密度の低下を来た
すことなく材料の電気抵抗を高め、なお刀・つ、量産性
を加味して切削性の向上を図ったものである。

一般に、パルス磁化のような急激な磁化及び減磁に対し
ては該磁気回路に発生する磁束は下式に示すうず電流に
よって磁束の上昇及び酸層が抑制される。そのため磁束
の挙動はパルス電流の変化に対して遅れを生ずる。

ここに、ｉ：うず電流、δ：材料の板厚（ｏｒ。

径）、δ：材料の電気抵抗 従って、噴射電磁弁の高速化を図るためには磁化の時間
的変化ｄｌ：／ｄｔが大きいパルス磁化電流によって噴
射電磁弁を０Ｎ−ＯＦＦＬようとすると、うず電流ｌが
著しく大きくなり磁束の遅れが太きくなシ吸引に必要な
磁束が得られない、磁束の成板が遅くなる等高速応答性
を阻害する。一般には磁気回路に用いる軟質磁性材料の
電気抵抗には限度があシ、交番磁化あるいはパルス磁化
で使用する場合には材料の板厚を薄くして積層する積層
鉄心あるいはフェライトコアのような酸化物コアを用い
るのが普通でちるが、噴射電磁弁に前者のような積層４
１η造をとることは構造上不可能であり、後者のような
フェライトコアは磁束密度が著しく低いプζめに所望の
磁気吸引力を発生するだめの磁束密度が不足であるだめ
に使用不可能である。

従って、噴射電磁弁用磁気回路部材に用いるためには磁
束智度の低下を極力抑えて電気抵抗を高くすることが必
要となって来る。

本発明は、上記のような観点から得られたものであって
、磁束密度の高いＦｅ基合金をベースに電気抵抗を高め
る添加元素を加えることによって′電気抵抗及び磁束密
度を高め、さらに添加元素を加えることによって切削性
を高めたものであシ、その要旨は重量比でＳｉおよび／
又はＡｔを１〜６％、Ｃｒを６〜１３チを含み、これら
の元素の合計量が１２〜１７％であって、かつ、Ｍｎ。

ＴＩ、ｚｒ、ｖ、　Ｎｂ、又はＭｏの少なくとも１棟以
上を０．５〜２係を含み、均一なフェライト組織を有す
る高電気抵抗・高磁束密度及び高切削性磁性合金である
。

以下、本発明を更に詳細に説明する。

本発明における合金の成分限定理由は次の通シである。

Ｃｒは電気抵抗を一定のレベルまで高めることと、耐食
性をもたらすために必須の元素であるが、第２図に示す
ように多過ぎると磁束密度の低下が著しく、また少な過
ぎると電気抵抗が一定のレベルまで上がらない。パルス
磁゛化で励磁するような高速噴射電磁弁のような本用途
には磁束密度の高いことも必要であるがよシミ気抵抗の
高いことが大きく効く。従って、Ｃｒ含有量の上限及び
下限は電気抵抗をさらに高めるために添加するＳｉある
いはＡ４の含有量によって決められる。即ち、Ｓｉ及び
Ａ４の含有量は多過ぎると電気抵抗は高くなるが加工性
を損なうためにそれぞれ６重量−以下である。そのとき
、Ｃｒ含有量は６重量％以下では磁束密度は高くなるが
眠気抵抗が１００μΩ・口を割り高電気抵抗材料として
の性能を発揮せず高速噴射電磁弁としての寄与しない。

また、Ｃｒ含有量が１３重量％以上になると電気抵抗は
高くなるが磁束密度が１．３テスラ（′ｒ１を割り高磁
束密度材料としての性能を発揮せず同じく高速噴射電磁
弁として必要な磁気吸引力が出ない上に、材料自体が非
常に硬くなり加工性が悪くなり量産性を損なう。従って
、Ｃｒの含有量は第２図に示した点線の範囲即ち、６〜
１３重量％に限定する。

一方、高電気抵抗材料としての性能をさらに発揮させる
ためにはＣｒ含有量を６〜１３重量％と抑えた上でＳｉ
あるいはＡｔをそれぞれ単独若しくは複合添加すること
が必要である。その成分範囲は単独添加の場合ＳｉとＡ
７の効果ははｙ同等で、１重量−以下ではＣｒ含有量が
最も多い１３重量％の場合でも電気抵抗が１００μΩ錆
を割ってしまい高電気抵抗材料としての性能を発揮しな
い。

また、６重量％以上では電気抵抗は高くなるが磁束密度
が低下し１．３Ｔを割シ高磁束密度材料としての性能を
発揮せずしかも加工性が悪くなり、特に熱間加工時の鍛
造で割れを生じ易い。従って、Ｓｌ及びＡｔの含有量は
単独添加の場合はそれぞれ１〜６重量％に限定する。但
し、Ｃｒ含有量とＳｌあるいはＡ４の含有量の総和が１
２重量％以下となると電気抵抗が１００μΩｍを割シ、
また１７重量％を越えると磁束密度が低下し１．３Ｔを
割ると共に加工性を損なうのでＳｉあるいはＡ、ｆｆと
Ｃｒの含有量の総和は１２〜１７重量％の範囲とする。

また、Ｓｌ及びＡ７を複合添加しても効果は同じであり
、その場合の含有量は（Ｓｉ＋Ａ、４）の総和で１〜６
重量％に限定する。加工性に対してはＳｉ＜Ａ４の方が
望ましい。

さらに、高速応答性を高める要因として結晶粒の微細化
、またＮＣ旋盤等による量産性のための切削性が挙げら
れる。そのためには前述した主元素の他に磁気特性を損
なわずに（磁束密度の低下なしに）これらを改善する添
加元素が必要となる。

この場合、添加元素としてＭｎ、　Ｔｉ、ｚｒ。

Ｖ、Ｎｂ及びＭＯが有効であシ、それら添加元素の成分
範囲は０．５重量％〜２重量％に限定する。

即ち、０．５％重量％では効果が薄く、また２重量％を
越えると逆に磁気特性を損なう他に切削性がむしろ劣化
するためである。これらの添加元素は単独若しくは複合
添加でも良く、複合添加の場合はその総和が２重量％を
越えないことが必要である。また、Ｃ含有量は多過ぎる
と炭化物を形成し電気抵抗を低めると共に硬くなり切削
性を阻害するために０．０５重量％以下が望ましい。

〔発明の実施例〕

実施例−１ 第１表に示す組成の合金を真空溶解炉により溶解し、得
られた鋼塊から熱間鍛造により直径８關長さ１５０ｍｍ
の電気抵抗及び直流磁気特性測定用の試験片を、また実
機噴射電磁弁を模擬した試験磁気回路を作製した。

第　　　１　　　表 これら試験片を９０（１，ｌｈ、Ｈ，雰囲気中で焼鈍を
施し、電気抵抗及び直流磁界１００Ｑｅにおける磁束密
度（Ｂｉｏｏ　）及びノ（ルス磁化（〕＜ルス幅１．５
ｍ５）における磁束の応答性を測定し評価した。磁束の
応答性の評価は第３図に示す回路により測定し、最大応
答磁束密度（Ｂｍ）及びノくわち、第３図において、上
記の試験片１０をエアギャップ０．１　ｍｍでセットし
、パルス発生器１１からパルス電流を励磁コイル１２に
流すと、模擬磁気回路１３にパルス磁界が発生する。そ
こで検出コイル１４より試料の磁気特性が検出されその
検出信号がパルス発生器１１に入力される。まだ励磁コ
イル１２に流されたパルス電流ｉと検出磁界に基づく信
号φがデジタイザー１５に入力される。

デジタイザー１５で記憶された信号がＣＰＵＩ　６に入
力され、ここで処理された後ブロック１７で作図される
。

９０　ＱＣ，１ｈ、Ｈ２中焼鈍における材料の組織は第
４図に一例を示すように添加元素は全てマトリックスで
あるＦｅ中に固溶した均一ガフエライト組織であり、そ
の結晶粒度はＡＳＴＭオーステナイト結晶６．度でＡ１
程度であった。

第２表に電気抵抗、直流磁気特性及び磁束の応答性を示
す。表中の合金Ａｌｌは従来比較的電気抵抗も高く、磁
束密度も高い材料として、一般（るＣｒ電磁ステンレス
鋼の特性を示したものであ八 る。

第２表 米従来材　１３０ｒ電磁ステンレス鋼 第２表に示す通９本発明の組成範囲における合金Ａ２〜
Ａ９はいずれも電気抵抗が１００μΩｍ以上あり、しか
も直流の磁束密度＆ｏｏが１．３Ｔ以上あり高電気抵抗
でかつ高磁束密度特性を示していることがわかる。直流
磁束密度Ｂ１００は従来の１３Ｃ’ｒ電磁ステンレス鋼
に比べ約８９６程度低い値を示しているが、逆に噴射電
磁弁を模擬した磁束応答性の結果では応答磁束密度ｆ３
　ｒｎは逆に本発明による合金の方が逆に約２０％も増
大していることがわかる。

φ また磁束の半減時間ｔ（−）についても１３０ｒ電磁ス
テンレス鋼に比べ約４０％も短縮されており高速応答性
に優れた材料であることがわかる。

これらの原因は電気抵抗が１３Ｃｒ電磁ステンレス鋼に
比べ約６０％も増大させたことに起因している。中でも
合金Ａ３，４及び６は優れており５　（Ｓ　ｉ十Ａ４）
−１０Ｃｒ−Ｆｅ合金が良く、加工性を考慮すれば標準
的な組成としては２Ｓｉ−３Ａｔ−１０Ｃｒ−ｐｅ合金
カ優レしイル。

実施例２ 次に、実施例−１で示した標準的組成の合金にＴｉ　、
７．ｒ、Ｍ”等を添加した場合の性能を示す。

第３表にその時の合金組成を示す。試験片の作製方法は
実施例−１と全く同様である。即ち、標準的組成の２８
１−３Ａｔ−１０Ｃｒ−Ｆｅ合金に合金Ａ１２はＴｉを
０，５重量部、Ａ１３はＺｒを０．５重量部、Ａ１４及
び１５はＭｎをそれぞれ１．０及び１．５　束量％：、
　Ａ　１６はＭｎを１．０　Ｍ景’％、ＺｒをＯ，Ｓ重
量製添加したものである。これらについて、結晶粒度及
び切削性を調べた結果、組織は全ての合金で一様なフェ
ライト組織を示し、結晶粒度は実施例−１の合金系に比
べ若干細かく力りＡＳＴＭオーステナイト粒度粒度でＡ
２〜４であつた。

また切削性については、回転数：　２０００ｒ邑切り込
み深さ：４謳、バイト：超硬テップの条件で旋盤切削に
より調べた。試験結果を第４表に示す。

第４表から明らかなようにＡ１２γ届、１６の合金では
切り粉のつながりがなく、切削性が極めて良好であった
。この結果から、Ｔｉ、ｚｒ、Ｍｎ等の添加元素による
効果が現われていることがわ”６・　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

次に電気抵抗及び磁気特性について調べた結果を第５表
に示す。

第　　　５　　　表 電気抵抗は添加元素の効果はほとんど現われず標準組成
である合金Ａ　６　（２Ｓ　ｉ　−３Ａ　Ｌ−１００ｒ
−ｐ　ｅ　）の１１４μΩ・錆とほぼ同じ値を示してい
るが、磁気特性及び磁束応答性は全般的に改善され特に
Ｍｎ、Ｚｒの効果が大きく磁束密度、応答磁束密度及び
磁束の半減時間共に向上している。

以上の結果から本発明合金は噴射電磁弁におい有益であ
る。これは本発明合金が従来の１３０ｒ電磁ステンレス
鋼に比べ磁束密度を損わずにむしろ増大した上で、電気
抵抗を約６５％も増大させたことに大きく起因している
。

第５図に本発明による磁性合金のうち標準的な組成であ
る合金扁６を用いて自動車の燃料噴射電磁弁を装作し、
その流量特性を従来の１３Ｃｒ電磁ステンレス鋼を使用
した場合の流量特性を比較して示したものである。本発
明による合金を用いた噴射電磁弁の流量特性は従来の１
３０ｒ電磁ステンレス鋼に比べて直線性に優れ、低パル
ス側まで直線範囲が広がり、パルス幅に対して流量の制
御範囲が広く、また直線性に優れるためパルス幅に対し
て流量変動が少なく精度が向上していることがわかる。

本発明により、噴射電磁弁の高速稼動が可能となり、従
来各気箇別に噴射電磁弁を取り付けていたいわゆる多点
噴射方式から全気筒（４気筒）に１個の噴射電磁弁でま
かなえる単点噴射方式が可能となり、燃費の向上、電気
回路の制御系の簡略化へつなげることができた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、切削性が高いの量産性が
よく、かつ高電気抵抗でしかも高磁束密度を有している
ので高速磁界下で使用される磁気回路用材料に最適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は自動車用の燃料噴射用−磁界の一例を示す断面
図、第２図は合金中のＣｒ含有量と１Ｌ気抵抗及び磁束
密度との関係を示す図、第３図は磁速応答性を測定する
だめの測定ブロック、第４図は本発明に係る一合金の結
晶粒度及び組織を示す顕微鏡写真、第５図は本発明の合
金を用いて製作した自動車用燃料噴射弁の流量測定を示
す図である。 〕・・・励磁コイル、２・・・ヨーク、３・・・コア、
４・・・プランジャ、５・・・弁棒、６・・・ボール弁
、７・・・スプリング、８・・・弁座、９・・・ノズル
、１０・・・試験片、１２・・・励磁コイル、１４・・
・検出コイル、１５・・・デヅ゛タイザー、１６・・・
ＣＰＵ、１７・・・ブロック。 代理人　弁理士　鵜沼辰之 も　１０ ノ 茅２　口 Ｆｅ？　／ｌ　ｃｒ名街＋　（、ｖｖｔ、　”／−）猶
う又 ＄４　囚 茅　５　目 ０・Ｓ　　　　θ、７５／θ　　　　１．２５パルス慣
（／／ｒＬＳ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比でＳｉおよび／又はＡｔを１〜６％、Ｃｒを
   ６〜１３チを含み、これらの元素の合計が１２〜１７％
   であって、かつ、Ｍｎ、Ｔｊ、Ｚｒ。 Ｖ、Ｎｂ又はＭＯの少々くとも１種以上を０．５〜２チ
   を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物から々シ、均一な
   フェライト組織を有することを特徴とする高電気抵抗・
   高磁束密度及び高切削性磁性合金。