TWI450984B

TWI450984B - 電磁不鏽鋼及其製造方法

Info

Publication number: TWI450984B
Application number: TW101127803A
Authority: TW
Inventors: Shinichirou Yokoyama
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-09-01
Also published as: JP2013049918A; CN102912249A; TW201313922A; KR20130018544A

Description

電磁不鏽鋼及其製造方法

本發明是有關於具有較高的電阻率、且耐蝕性優異的電磁不鏽鋼及其製造方法。

過去，汽車燃料噴射裝置等的電磁閥的轉子或定子的零件，因為需要具有較高的電阻率，而採用對動態磁場的磁場響應性優異、且耐蝕性亦優異的電磁不鏽鋼。

例如專利文獻1中提出：以質量%計含有：C：0.05%以下、N：0.04%以下、Al：超過0.50%且3.0%以下、Si：0.30%~2.50%、Mn：0.50%以下、S：0.03%以下、Ti：0.01%~0.50%、Cr：5.0%~20.0%、B：0.0005%~0.01%，其餘部分為不可避免的雜質及實質上為Fe的組成的電磁不鏽鋼。該專利文獻1中所提出的組成的第一個特徵是複合添加Ti與B，且極力降低S；而第二個特徵是藉由含有相對大量的Al，而提高電阻率並且提高耐蝕性與磁特性。另外，為了改善可切削性，而可以含有Pb：0.30%以下作為選擇元素之一。

此外，本案申請人的專利文獻2中提出：以質量%計包含：C：0.03%以下、N：0.03%以下、Al：0.2%~1.5%、Si：0.3%~1.2%、Mn：0.5%~1.0%、S：0.008%~0.06%、Cr：8%~16%、其餘部分實質上為Fe的電磁不鏽鋼。該提案藉由以13Cr-Fe系合金為基礎，使Al、Si、Mn、S的含量適當化，以不損及可切削性地實現較高的電阻率、優異的軟磁性及冷鍛性。該專利文獻2在以下方面是較為優異的技術：藉由調節S與Mn的量來調節作為可切削性佳的非金屬夾雜物的MnS的量，而不含有對環境有害的元素即Pb，並且可獲得耐蝕性、軟磁性、可切削性。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平6-010101號公報

[專利文獻2]日本專利特開平2-061028號公報

如上所述，專利文獻1所揭示的電磁不鏽鋼中，藉由積極添加Al來實現電阻率的上升、最大磁導率的上升、及矯頑力的降低，但若提高Al則加工性會劣化。另外，為了獲得優異的可切削性而添加的Pb是對環境有害的物質。

此外，雖然專利文獻2所揭示的電磁不鏽鋼中不含Pb且可獲得可切削性，但若暴露於嚴酷的環境下，則存在電磁不鏽鋼因鹽害而生鏽的問題。例如當電磁不鏽鋼應用於燃料噴射裝置的轉子或定子的零件時，若造成這些零件生鏽，則將產生作為電磁閥的功能出現障礙的問題。另外，為了提高電阻率、提高磁性，而稍稍提高Al含量，因而還是有加工性出現問題的情況。

如此，電磁不鏽鋼被要求電阻率、耐蝕性、軟磁性、加工性、可切削性等各特性，近年來，更存在特別要求較高的電阻率與優異的耐蝕性的傾向。對於該要求，目前為止所揭示的電磁不鏽鋼存在無法滿足的問題。

本發明的目的是為了解決此問題，提供具有高電阻率、及優異耐蝕性的電磁不鏽鋼及其製造方法。

本發明者排除了如同Pb的這些有害物質，並再次調查電磁不鏽鋼的化學組成與電阻率、耐蝕性、磁特性的關係。其結果發現Cr量為17%左右為最佳。另外發現，先前的電磁不鏽鋼中為了提高磁特性而積極添加Al，但藉由增加Cr後而使Al即便降低至不使加工性劣化的範圍，亦可獲得高磁導率、低矯頑力的優異軟磁性，從而完成了本發明。

亦即，本發明是一種電磁不鏽鋼，其包含：以質量%計，C：0.04%以下、Al：0.2%~0.5%、Si：0.3%~1.2%、Mn：0.3%~1.0%、S：0.01%~0.05%、Ti：0%~0.05%、Cr：超過16.0%且18.0%以下、Ni：1.0%以下(不包括0%)、其餘部分為Fe及雜質。

本發明中，較佳的Al、Cr及Ti的範圍是Al含量以質量%計為0.2%~0.35%、Cr含量以質量%計為16.5%~18.0%、Ti含量以質量%計為0.008%~0.05%。

此外，本發明是一種電磁不鏽鋼的製造方法，其在獲得具有上述組成的鋼塊後，加熱至950℃~1150℃進行熱加工而獲得熱加工材料。

而且，本發明是一種電磁不鏽鋼的製造方法，其在上述熱加工步驟後，在850℃~1050℃下進行退火。

本發明的電磁不鏽鋼為了具有較高的電阻率，對動態磁場有優異的磁場響應性。另外，在嚴酷的環境下的耐蝕性亦優異。而且，在高磁導率、低矯頑力的軟磁性這點是相當優異。也因此，其適合應用於例如要求磁場響應性、在嚴酷的環境下使用的燃料噴射裝置的電磁閥用零件。

如上所述，本發明的重要特徵是研究電磁不鏽鋼其化學組成、電阻率、耐蝕性、軟磁性之間的關係，並取得適當範圍的化學組成。在本發明的電磁不鏽鋼中，規定各化學組成的理由如以下所述。此外，只要無特別記載，則記為質量%。

C：0.04%以下

C是與Cr或Ti鍵合而成為碳化物，使電磁不鏽鋼的耐蝕性與軟磁性劣化的元素，因此含量較少較佳。因此，C是本發明中應限制的元素之一。若C為0.04%以下的範圍，則不會引起明顯的耐蝕性劣化與軟磁性劣化。因此，將上限設為0.04%。較佳的C的下限為0%，較佳的C的上限為0.02%。

Al：0.2%~0.5%

Al是具有提高電磁不鏽鋼的電阻率、並提高軟磁性的效果的元素，另一方面，是使加工性劣化的元素，因此較理想為含量較低。本發明中，藉由將Cr設為17%左右，而與先前的電磁不鏽鋼相比，可降低Al。但在Al小於0.2%時，高電阻率化與軟磁性的改善效果較小，反之在Al超過0.5%的範圍內，電磁不鏽鋼的硬度變高，而使塑性加工性降低，因此將上限設為0.5%。Al的較佳的下限為0.22%，更佳為0.24%。另一方面，Al的較佳的上限為0.45%，更佳為0.35%。

Si：0.3%~1.2%

Si是具有提高電磁不鏽鋼的電阻率、並提高軟磁性的效果的元素。因此，本發明中必須添加。但在Si小於0.3%時，提高電阻率與提高軟磁性的效果較小，反之在Si超過1.2%的範圍內，電磁不鏽鋼的硬度變高而使加工性降低，因此將上限設為1.2%。較佳的Si的下限為0.5%，更佳為0.6%。另一方面，Si的較佳的上限為1.0%，更佳為0.9%。

Mn：0.3%~1.0%

Mn可與S鍵合而成為非金屬夾雜物MnS，是確保電磁不鏽鋼的可切削性的元素。但在Mn小於0.3%時，對於固定S量而言不充足，反之在Mn超過1.0%的範圍內，會使電磁不鏽鋼的磁通量密度降低，因此設為0.3%~1.0%的範圍。較佳的Mn的下限為0.4%，更佳為0.45%。另一方面，Mn的較佳的上限為0.9%，更佳為0.8%。

S：0.01%~0.05%

S亦是成為MnS的元素，可確保電磁不鏽鋼的可切削性。但在S小於0.01%時，MnS的量較少而改善可切削性的效果較小，反之在S超過0.05%的範圍內，MnS的量變得過多而使軟磁性劣化，因此設為0.01%~0.05%的範圍。較佳的S的下限為0.02%，更佳為0.025%。另一方面，S的較佳的上限為0.04%，更佳為0.035%。

Ti：0%~0.05%

Ti是具有將C或N固定，並防止因C或N固溶解於電磁不鏽鋼的母相所引起的軟磁性劣化的效果的元素，另一方面，因為Ti有固溶解於母相而使軟磁性劣化的可能性，所以根據需要進行添加即可，亦可為無添加(0%)。根據上述理由，在添加Ti時的上限設為0.05%。添加Ti時的較佳的下限為0.008%，更佳為0.01%。另一方面，Ti的較佳的上限為0.03%，更佳為0.02%。

Cr：超過16.0%且18.0%以下

Cr對於本發明的電磁不鏽鋼而言是最重要的元素，Cr過少或過高均無法獲得所期望的效果，因此在極窄的範圍調節。如上所述，為了實現提高電阻率、耐蝕性與磁特性，而將Cr量提高至17%左右的組成是最佳的組成，藉由將Cr含量在極窄的範圍內調節，而可使Al降低。但在Cr為16.0%以下的範圍時，在像是鹽害這樣的嚴酷的環境下會提高電磁不鏽鋼生鏽的可能性，因此必須含有超過16.0%的Cr。另一方面，雖然在Cr超過18.0%的範圍時，對於高電阻率化與耐蝕性的提高有利，但磁通量密度的降低較為明顯，因此將上限規定為18.0%。較佳的Cr的下限為16.5%，更佳為16.7%。另一方面，較佳的Cr的上限為17.8%，更佳為17.5%。

Ni：1.0%以下(不包括0%)

Ni是本發明的必須元素，與Cr一樣是具有提高耐蝕性的效果，並且具有提高電阻率的效果。另外，亦具有藉由將Ni固溶解於肥粒鐵中，利用固溶強化提高電磁不鏽鋼的強度的效果。但在Ni超過1.0%的範圍，會使軟磁性劣化，因此將上限規定為1.0%。為了更確實地獲得Ni的耐蝕性提高的效果，而以將Ni的下限設為0.3%為佳。更佳的Ni的下限為0.35%，更佳的Ni的上限為0.7%。

其餘部分為Fe及雜質

其餘部分為Fe及製造上不可避免地混入的雜質。雜質含量較少較佳。代表性的雜質的上限若為以下範圍，則無妨。

P≦0.05%、N≦0.04%、O≦0.01%

接著，對本發明的製造方法進行說明。

本發明中，製造具有上述的組成的鋼塊。雖然鋼塊用平常的製造方法亦無妨，但若其組成中有添加活性Ti，則進行真空溶解來製造鋼塊為較佳。

對所得的鋼塊進行熱加工而製成熱加工材料。其原因是，藉由對鋼塊進行熱加工，而電磁不鏽鋼會再結晶而容易獲得優異的軟磁性。

若熱加工時的加熱溫度小於950℃，則熱加工時的變形阻力變高，熱加工中的電磁不鏽鋼便可能產生破裂，因此將加熱溫度的下限設為950℃。更理想的下限溫度為980℃，尤其理想的下限溫度為1000℃。另一方面，若熱加工時的加熱溫度超過1150℃，則有肥粒鐵粒粗大化而造成晶界破裂的可能性，因此將加熱溫度的上限設為1150℃。更理想的上限溫度為1120℃，尤其理想的上限溫度為1100℃。

另外，本發明中所謂熱加工，是指熱鍛造、熱壓加工、熱軋等為人熟知的熱加工技術。

接著，在上述熱加工步驟後進行退火。

退火的原因是，藉由對熱加工中出現的動態再結晶組織進行退火，而調節肥粒鐵粒徑的大小，而獲得優異的軟磁性。另外，電磁不鏽鋼加工成零件形狀後再進行退火較佳。

將退火步驟中的加熱溫度的下限設為850℃的原因是，在小於850℃的溫度下肥粒體粒形成整粒化的效果較差。更佳的下限溫度為880℃，尤其理想的下限溫度為900℃。另一方面，若加熱溫度超過1050℃，雖然肥粒體粒徑較大且一致進而提高軟磁性，但加工成零件形狀後，在超過1050℃的高溫下會產生電磁不鏽鋼的變形、或零件形狀彼此的接著的問題。更理想的上限溫度為1020℃，尤其理想的上限溫度為1000℃。

以上，所說明的本發明的電磁不鏽鋼具有比先前的電磁不鏽鋼更高的電阻率與更優異的耐蝕性。此外，由於亦具有優異的軟磁性，因此其適合應用於例如汽車燃料噴射裝置等的電磁閥的轉子或定子的零件。

[實例]

藉由以下實例對本發明進行更詳細地說明。

藉由真空溶解爐溶製10種10kg的電磁不鏽鋼的鋼塊。將各電磁不鏽鋼的化學組成示於表1。

表1的No.1~No.8合金是在本發明的電磁不鏽鋼的化學組成的範圍內。另一方面，比較例的No.11是比較例合金，在合金中，Mn、S、Cr的量超出本發明的範圍，並且含有作為有害物質的Pb。另外，比較例的No.12中，Al超出本發明的範圍。

將本發明的No.1~No.8合金與比較例的No.11合金及No.12合金的各電磁不鏽鋼的鋼塊加熱至1100℃進行熱鍛造，以獲得直徑30mm的圓棒材料。

將熱鍛造時的氧化皮膜除去後，自該圓棒材料切出直徑20mm、板厚2mm的鹽水噴霧試驗片，以最大到#500的砂紙藉由研磨對單面進行精加工。另外，自各圓棒材料切出4mm×4mm×80mm的電阻測定片、外徑20mm、內徑15mm、板厚5mm的環形試驗片以及5mm×10mm×30mm的電磁鐵試驗片。

將這些鹽水噴霧試驗片、電阻測定片、環形試驗片、電磁鐵試驗片在氫氣氣體環境爐中於950℃下放置2小時後，進行爐內冷卻以及磁性退火，以供電阻測定、鹽水噴霧試驗與磁性測定。電阻是使用利用四端子法的電阻測定裝置進行測定。另外，鹽水噴霧試驗是將溫度35℃的5%NaCl水溶液噴霧168小時，並確認鏽的產生狀況。

磁特性的測定是將小環形試驗片以1次100圈、2次10圈的方式纏繞線圈，在最大施加磁場Hm=800A/m、2000A/m、4000A/m、8000A/m的各條件下測定直流磁特性。而且，對電磁鐵試驗片在最大施加磁場Hm=40000A/m的條件下測定直流磁特性。

將本發明的No.1~No.8合金與比較例的No.11合金及No.12合金的電阻率、耐蝕性及磁特性記載列於表2。另外，將作為鹽水噴霧試驗結果的一例的本發明的No.1合金的鹽水噴霧試驗後的外觀照片示於圖1，將比較例的No.11合金的鹽水噴霧試驗後的外觀示於圖2。

根據圖1，在本發明的No.1合金中僅在邊端的部分見到少量鏽點，但並未見到明顯的生鏽情形。另一方面，在比較例的No.11合金的鹽水噴霧試驗後，見到很明顯的紅鏽。由此可知，No.1合金的耐蝕性比No.11合金更優異。另外，若將表2的耐蝕性是將未見到明顯有鏽的情況記為￮，將見到明顯有鏽的情況記為×，可知除了比較例的No.11合金以外，生鏽程度皆與No.1合金大致相同。

此外，若著眼於各電磁不鏽鋼的電阻率，其結果為本發明的No.1~No.8合金可獲得0.71μΩm以上的電阻率，但比較例的No.11合金與No.12合金的電阻率則是低於0.71μΩm。

再者，若著眼於磁特性，則本發明的No.1合金、No.2合金及No.5合金與比較例相比，最大磁導率μm更高，軟磁性亦更優異。

根據以上結果可知，本發明的No.1~No.8合金相對於比較例的No.11合金及No.12合金，具有更高的電阻率，且耐蝕性亦更優異。

[產業上之可利用性]

本發明的電磁不鏽鋼具有較高的電阻率，且耐蝕性亦優異，因此其適合應用於例如對動態磁場要求磁場響應性、且暴露於嚴酷環境下的汽車燃料噴射裝置等的電磁閥的轉子或定子的用途。

圖1是表示本發明的電磁不鏽鋼的鹽水噴霧試驗後的外觀的照片。

圖2是表示比較例的電磁不鏽鋼的鹽水噴霧試驗後的外觀的照片。

Claims

一種燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼，其特徵在於，包含：以質量%計，C：0.04%以下、Al：0.2%~0.5%、Si：0.3%~1.2%、Mn：0.3%~1.0%、S：0.01%~0.05%、Ti：0%~0.05%、Cr：超過16.0%且18.0%以下、Ni：1.0%以下(不包括0%)、其餘部分為Fe及雜質，且不包含Pb，上述燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼包含非金屬夾雜物的MnS。
如申請專利範圍第1項所述之燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼，其中Al含量以質量%計為0.2%~0.35%。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼，其中Cr含量以質量%計為16.5%~18.0%。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼，其中Ti含量以質量%計為0.008%~0.05%。
如申請專利範圍第3項所述之燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼，其中Ti含量以質量%計為0.008%~0.05%。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼，其中S含量以質量%計為0.025%~0.05%。
一種燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼的製造方法，其特徵在於：在獲得具有申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之組成的鋼塊後，加熱至950℃~1150℃進行熱加工而獲得熱加工材料。
如申請專利範圍第7項所述之燃料噴射裝置用的電磁閥用電磁不鏽鋼的製造方法，其中經上述熱加工步驟後，在850℃~1050℃下進行退火。