JPWO2012077631A1 - 複合磁性材用素材及び複合磁性材 - Google Patents
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Abstract
Description
その中でも、弱磁性領域が安定な複合磁性材として、例えば、本願出願人らの提案による特開平9−157802号公報(特許文献1)には、具体的組成として、質量%にて、C:0.35〜0.75%,Cr:10.0〜14.0%,Ni:0.5〜4.0%,N:0.01〜0.05%と脱酸剤としてSi,Mn,Alの1種または2種以上を合計で2.0%以下含むマルテンサイト系ステンレス鋼が開示される。この提案によれば、フェライトと炭化物よりなる焼鈍状態のマルテンサイト系ステンレス鋼であって、最大透磁率200以上の強磁性特性が得られるFe−Cr−C系合金にNiを適量添加することにより、マルテンサイト系ステンレス鋼の一部を加熱後冷却することにより得られる透磁率2以下の弱磁性部のオ−ステナイトを安定化し、Ms点(オーステナイトがマルテンサイト化し始める温度)を−30℃以下にまで低下できる。
また、特許文献2の複合磁性材は、弱磁性領域を形成するオーステナイト組織も比較的安定で、優れた軟磁気特性を有するものである。しかし、より一層の強磁性領域の軟磁気特性の改善と、弱磁性領域のオーステナイト組織の安定性の両立が求められている。
本発明の目的は、単一材料中に強磁性領域と弱磁性領域を併せ持つ複合磁性材を得るための素材として、極低温下での弱磁性領域の組織安定性を高め、且つ優れた軟磁気特性を有する強磁性領域とを併せ持つことができる複合磁性材用素材と複合磁性材とを提供することである。
即ち本発明は、強磁性領域と非溶融の弱磁性領域とを有する複合磁性体を形成するための複合磁性材用素材であって、質量%で、C:0.30〜0.80%、N:0.01〜0.10%、Al:0.5〜2.0%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.6〜1.2%、Cr:16.5〜18.0%、Ni:1.5〜2.5%、且つ、Al+Si:3.5%以下を満足し、残部はFe及び不純物からなる複合磁性材用素材である。
好ましくは、Al+Siが質量%で2.1%以上である複合磁性材用素材である。
また、本発明は、最大動作磁束密度1T、動作周波数400Hzにおける鉄損W10/400が95W/kg以下である複合磁性材用素材である。
好ましくは、最大動作磁束密度1T、動作周波数400Hzにおける鉄損W10/400が85W/kg以下である複合磁性材用素材である。
更に好ましくは、厚さが1.0mm以下である複合磁性材用素材である。
好ましくは、前述の弱磁性領域の磁気特性は、外部磁化800,000A/mにおける磁化Jが0.02T以下である複合磁性材である。
そのため、低鉄損が得られるSiの効果を維持しつつ弱磁性領域のオーステナイト組織と低温におけるオーステナイト組織の安定性を確保するために種々の添加元素を検討した結果、Mnが有効であることを見出し、その適正な添加量を見出したものである。
以下に、本発明を詳しく説明する。なお、下記にて示す百分率で表された化学組成は、すべて質量%である。
C:0.30〜0.80%
Cは、オーステナイト形成元素として、弱磁性領域の形成に有効な本発明の必須元素である。また、Cの添加は、複合磁性材としたときの強度確保にも有効である。Cが0.30%未満では、オーステナイト変態温度以上に加熱後冷却した際、安定した非磁性のオーステナイト組織を得ることが困難である。一方、0.80%を超えると、強磁性領域の炭化物個数が多くなり過ぎて、加工性も悪くなる。そのため本発明においては、Cの範囲を0.30〜0.80%に規定した。Cの好ましい下限は0.45%であり、好ましい上限は0.65%である。
N:0.01〜0.10%
Nは、オーステナイト形成元素として、弱磁性領域の形成に有効な本発明の必須元素である。Nが0.01%未満では、安定した弱磁性領域を得ることが困難となる。一方、0.10%を越えると、合金素材の母相が硬くなり過ぎて加工性が劣化する。そのため本発明においては、Nの範囲を0.01〜0.10%に規定した。Nの好ましい下限は0.015%であり、好ましい上限は0.05%である。
Alは、複合磁性材の強磁性領域において、軟磁気特性を改善し、電気抵抗を高めて高周波磁界における鉄損を改善するために添加される本発明の必須元素である。Alが0.5%未満では、合金素材の酸素固着効果による軟磁気特性の改善はあるものの、電気抵抗を高めて高周波磁界における鉄損の改善を成す効果が期待できない。一方、Alが2.0%を超えると、合金素材の母相が硬くなり過ぎて加工性が劣化する他、鋳造性も低下してゆく。そのため本発明においては、Alの範囲を0.5%〜2.0%に規定した。Alの好ましい下限は0.7%であり、好ましい上限は1.5%である。
Si:1.0〜2.0%
Siは、複合磁性材の強磁性領域において、Alと同様に、軟磁気特性を改善するとともに、電気抵抗を高めて交流磁界における鉄損を改善するために添加される本発明の必須元素である。Siが1.0%未満では、軟磁気特性の改善と、電気抵抗を高めて交流磁界における鉄損の改善を成す効果が小さい。一方、Siが2.0%を越えると、強磁性領域の組織となるフェライト組織が安定になり過ぎてオーステナイト単相領域が狭くなる。そのため、完全な弱磁性領域の形成を成すことが難しくなっていく上に、加工性も低下していく。そのため本発明においては、Siの範囲を1.0〜2.0%に規定した。Siの好ましい下限は1.5%である。
Al+Si:3.5%以下
AlとSiは、複合磁性材の強磁性領域において、軟磁気特性を改善するとともに、電気抵抗を高めて高周波磁界における鉄損を改善するために積極添加される本発明の必須元素である。しかし、Al+Siが3.5%を越えると加工性が劣化して工業規模での量産性が低下していく。そのため本発明においては、Al+Siの複合添加量を3.5%以下に規定した。Al+Siの好ましい下限は1.9%であり、好ましい上限は3.0%である。更に好ましい下限は2.1%であり、更に好ましい上限は2.8%である。
Mnは、オーステナイト形成元素として、弱磁性領域の形成とともに、−40℃においてもオーステナイト組織を安定化させるのに有効な本発明の必須元素である。また、Mnは、鉄損の向上を促すのに必要不可欠なSi量の増加によるオーステナイト変態温度の高温化を抑制することが可能であり、非磁性のオーステナイト組織を得易くする効果がある。加えて、弱磁性領域の形成後に、強磁性となるマルテンサイト組織の生成温度を引き下げることが可能であり、非磁性となるオーステナイト組織をさらに安定化させる効果がある。Mnが0.6%未満では、オーステナイト変態温度以上に加熱後冷却した際、安定した非磁性のオーステナイト組織を得難くなるとともに、弱磁性領域形成後の、−40℃におけるオーステナイト組織の安定化も困難となる。一方、Mnが1.2%を超えると、強磁性領域の軟磁気特性が劣化する。そのため本発明においては、Mnの範囲を0.6〜1.2%に規定した。より好ましい下限は0.7%である。
Cr:16.5〜18.0%
Crは、複合磁性材の母相に固溶して、複合磁性材の耐食性を改善するとともに、強磁性領域において、一部が炭化物となり、複合磁性材の機械的強度を改善するために添加される本発明の必須元素である。Crが16.5未満では極低温環境で弱磁性領域の組織が不安定になり易くなる。一方、Crが18.0%を越えると、強磁性領域の軟磁気特性が劣化する。そのため本発明においては、Crの範囲を16.5〜18.0%に規定した。より好ましい下限は17.0%である。
Niは、オーステナイト形成元素として、弱磁性領域の形成に有効な本発明の必須元素である。Niが1.5%未満では、弱磁性化熱処理時の冷却中に、オーステナイトからマルテンサイトへの変態開始温度(Ms点)が上昇するので、安定した弱磁性領域の形成が損なわれる。一方、Niが2.5%を越えると、Ms点は低く、オーステナイト組織は安定となる一方で、強磁性状態においては、恒温変態曲線における炭化物の析出ノーズが長時間側にシフトするため、炭化物の析出と成長が遅くなり、微細な炭化物となり易い。強磁性領域の(フェライト+炭化物)組織において、微細な炭化物が数多く存在する組織では、磁壁移動の妨げとなるため、軟磁気特性が劣化するとともに、硬さも高くなるので、加工性が損なわれる。そのため本発明においては、Niの範囲を1.5〜2.5%に規定した。
残部はFe及び不純物
残部は実質的にFeであるが、製造上不可避的に混入する不純物(例えば、P、S、O等)を含んでも良い。不純物含有量は少ない方が好ましいが、軟磁気特性を劣化させない以下の範囲であれば差し支えない。
P≦0.05%、S≦0.05%、O≦0.05%
本発明の強磁性領域は、前述の適切な組成に調整のうえで、630〜1170℃の温度範囲で熱処理することにより、最大動作磁束密度1T、動作周波数400Hzにおける鉄損W10/400が95W/kg以下の磁気特性を得ることができる。好ましくは鉄損W10/400が85W/kg以下である。鉄損が前述の範囲であれば、磁気回路部品の強磁性領域として特に好ましいものとなる。
また、前述の加熱による弱磁性領域の形成は、非溶融、すなわち、素材が溶融しない温度域内での加熱によるものとする。これは溶融による脱炭現象等を抑制して、非磁性となるオーステナイト組織を得易くするためである。
なお、弱磁性領域の形成方法としては、高周波コイルを用いて間接的に加熱する高周波加熱法、加熱した治具を直接押し付ける熱スタンプ法、レーザーで直接加熱するレーザービーム法等があるが、中でも比較的安価な設備で量産性に優れる高周波加熱法によって弱磁性領域を形成するのが好ましい。
前述の弱磁性領域の形成により、弱磁性領域は外部磁化800,000A/mにおける磁化Jを0.02T以下の特性を得ることができる。
以上、説明する本発明の複合磁性材素材を用いて、所望の形状に加工し、弱磁性領域を形成すると複合磁性材が得られる。
本発明の複合磁性材は、−40℃という低温であっても、オーステナイト組織が安定となっているため、磁気回路部品としての使用環境の拡大が期待できる。例えば、寒冷地域における油量制御機器用の複合磁性材としても用いることができる。
表1に示す組成になるように秤量した原料を真空溶解し、鋳型に鋳造して10kg鋼塊を作製した。得られた鋼塊を1000℃に加熱して鍛造した後、1000℃に加熱して熱間圧延を行い、厚さ2.5mmの熱間圧延材を作製した。次いで、酸洗いと表面バフ研磨を行い、表面の酸化スケールを除去した後、Arガス雰囲気下で加熱温度870℃と700℃の二段階に分けて軟化焼鈍を行なった。その後、冷間圧延を行い、厚さ0.6mmの複合磁性材用素材を得た。
また、複合磁性材用素材から、幅1.5mm、長さ5mmの試料を切り出し、Arガス雰囲気下で加熱温度1200℃で10min保持後、空冷して非磁性化熱処理を行なった。その後、−40℃の冷媒に浸漬する前後の外部磁界800,000A/mにおける磁化(J値、単位:T)を、振動型磁力計を用いて測定した。
表2に、測定した直流磁気特性、鉄損、低温(−40℃)浸漬前後の磁化を示す。
このように、Si、MnおよびNiの添加量を最適化することで、強磁性領域の軟磁気特性や鉄損特性を高めながら、−40℃であっても弱磁性領域となるオーステナイト組織を更に安定化することが可能となる。
また、Siの低い、比較例No.13合金(Si:0.47%)は、弱磁性領域の−40℃浸漬前後の磁化量が比較的に安定した値が得られているものの、強磁性領域の保磁力が大きく、十分な軟磁気特性が得られていない上、良好な鉄損特性も得られなかった。これは、Si添加量が少なく、強磁性領域のフェライト組織を安定化する効果に乏しく、且つ電気抵抗を高める効果が小さかったためと考えられる。
また、Siの高い、比較例No.14合金(Si:2.07%)は、保磁力が著しく小さく、優れた軟磁気特性と、極めて良好な鉄損特性が得られているものの、弱磁性領域の−40℃浸漬前の磁化(J値)が0.22Tと、良好な結果が得られなかった。これは、Siの添加量が過多であり、強磁性組織となるフェライト組織が安定になり過ぎて、非磁性となるオーステナイト組織を安定化させようとする働きが弱くなったためと考えられる。
本発明の複合磁性材用素材を用いて、上記の強磁性化熱処理を行った後、上記の弱磁性化熱処理を行うことにより、強磁性領域と弱磁性領域とが形成されている複合磁性材とすることが可能である。
Claims (7)
- 強磁性領域と非溶融の弱磁性領域とを有する複合磁性体を形成するための複合磁性材用素材であって、質量%で、C:0.30〜0.80%、N:0.01〜0.10%、Al:0.5〜2.0%、Si:1.0〜2.0%、Mn:0.6〜1.2%、Cr:16.5〜18.0%、Ni:1.5〜2.5%、且つ、Al+Si:3.5%以下を満足し、残部はFe及び不純物からなることを特徴とする複合磁性材用素材。
- Al+Siが質量%で2.1%以上であることを特徴とする請求項1に記載の複合磁性材用素材。
- 最大動作磁束密度1T、動作周波数400Hzにおける鉄損W10/400が95W/kg以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の複合磁性材用素材。
- 最大動作磁束密度1T、動作周波数400Hzにおける鉄損W10/400が85W/kg以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の複合磁性材用素材。
- 厚さが1.0mm以下であることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の複合磁性材用素材。
- 請求項1乃至5の何れかに記載の複合磁性材用素材に、強磁性領域と非溶融の弱磁性領域とが形成されていることを特徴とする複合磁性材。
- 弱磁性領域の磁気特性は、外部磁化800,000A/mにおける磁化Jが0.02T以下であることを特徴とする請求項6に記載の複合磁性材。
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WO2023074160A1 (ja) | 半硬質磁性鋼部品 |
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