WO2012077631A1 - 複合磁性材用素材及び複合磁性材 - Google Patents

複合磁性材用素材及び複合磁性材 Download PDF

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義行 藤原
横山 紳一郎
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    • H01F41/0206Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0246Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder

Definitions

  • the present invention relates to a material and a composite magnetic material for obtaining a composite magnetic material having both a ferromagnetic region and a weak magnetic region in a single material, which can be applied to an industrial product using a magnetic circuit.
  • a structure in which a weak magnetic region is provided in a part of a ferromagnetic material is used to form the magnetic circuit.
  • a metal material having both a ferromagnetic region and a weak magnetic region in a single material is called a composite magnetic material.
  • the composite magnetic material can be obtained, for example, by subjecting a material having a ferromagnetic martensite structure or a ferrite structure to a weak austenite structure by partially heating a specific region. .
  • the applicant of the present application has made many proposals. Among them, as a composite magnetic material having a stable weak magnetic region, for example, in Japanese Patent Laid-Open No.
  • Patent Document 1 proposed by the applicants of the present application, as a specific composition, C: 0.35 to 0.75%, Cr: 10.0 to 14.0%, Ni: 0.5 to 4.0%, N: 0.01 to 0.05%, and Si, Mn, A martensitic stainless steel containing 2.0% or less of one or more of Al in total is disclosed. According to this proposal, an appropriate amount of Ni is added to an annealed martensitic stainless steel made of ferrite and carbide, which can obtain a ferromagnetic property having a maximum magnetic permeability of 200 or more.
  • Patent Document 2 is a proposal for improving the soft magnetic properties of the ferromagnetic region of the composite magnetic material described in Patent Document 1.
  • This proposal is to add appropriate amounts of Si and Al.
  • C 0.30 to 0.80% by weight
  • N 0.01 to 0.10%
  • Al 0.3 to 3.5%
  • Si 0.1-2.0%
  • Cr 10.0-25.0%
  • Ni 0.1-4.0%
  • a composite magnetic material having both a ferromagnetic region having a maximum magnetic permeability of 400 or more and a nonmagnetic region having a magnetic permeability of 2 or less is disclosed.
  • the composite magnetic material described in Patent Document 1 is a member having an Ms point of ⁇ 30 ° C. or lower, it is excellent in that it can be used even in a low temperature environment.
  • the temperature of the member may reach ⁇ 40 ° C., and the stability of the austenite structure under extremely severe low temperatures is required.
  • the composite magnetic material of Patent Document 2 has a relatively stable austenite structure forming a weak magnetic region and has excellent soft magnetic properties.
  • the object of the present invention is to improve the structural stability of the weak magnetic region at a very low temperature and provide excellent soft magnetic properties as a material for obtaining a composite magnetic material having both a ferromagnetic region and a weak magnetic region in a single material. It is to provide a composite magnetic material and a composite magnetic material that can have a ferromagnetic region having characteristics.
  • the present inventor in particular, by adjusting the contents of Si, Mn, and Ni to an appropriate range, in addition, the present inventors have found a composition capable of improving iron loss in a high-frequency magnetic field and further stabilizing the austenite structure, and has reached the present invention.
  • the present invention relates to a composite magnetic material for forming a composite magnetic body having a ferromagnetic region and a non-melting weak magnetic region, and in mass%, C: 0.30 to 0.80%, N: 0.01 to 0.10%, Al: 0.5 to 2.0%, Si: 1.0 to 2.0%, Mn: 0.6 to 1.2%, Cr: 16.5 to It satisfies 18.0%, Ni: 1.5 to 2.5%, and Al + Si: 3.5% or less, and the balance is a composite magnetic material material made of Fe and impurities.
  • it is a composite magnetic material material in which Al + Si is 2.1% by mass or more.
  • the present invention is a composite magnetic material having a core loss W10 / 400 of 95 W / kg or less at a maximum operating magnetic flux density of 1T and an operating frequency of 400 Hz.
  • the composite magnetic material material has an iron loss W10 / 400 of 85 W / kg or less at a maximum operating magnetic flux density of 1 T and an operating frequency of 400 Hz.
  • the composite magnetic material material has a thickness of 1.0 mm or less.
  • the present invention is also a composite magnetic material in which a ferromagnetic region and a non-melting weak magnetic region are formed in the above-described composite magnetic material.
  • the magnetic property of the weak magnetic region is a composite magnetic material having a magnetization J of 0.02 T or less at an external magnetization of 800,000 A / m.
  • the composite magnetic material provided by the present invention is a single material, it can reduce the iron loss in the ferromagnetic region and exhibits excellent soft magnetic properties.
  • a non-magnetic austenite structure can be maintained even at an extremely low temperature of ⁇ 40 ° C. Thereby, the stable characteristic can be acquired from a high temperature environment to a cryogenic environment. Therefore, it is effective as a magnetic circuit component used in cold regions.
  • Mn is effective.
  • the heading and the appropriate addition amount are found.
  • the present invention is described in detail below.
  • all the chemical composition represented by the percentage shown below is the mass%.
  • C: 0.30 to 0.80% C is an essential element of the present invention that is effective for forming a weak magnetic region as an austenite-forming element.
  • the addition of C is also effective for securing the strength when a composite magnetic material is used.
  • C is less than 0.30%, it is difficult to obtain a stable nonmagnetic austenite structure when cooled after heating to the austenite transformation temperature or higher.
  • the range of C is specified to be 0.30 to 0.80%.
  • the preferable lower limit of C is 0.45%, and the preferable upper limit is 0.65%.
  • N 0.01 to 0.10% N is an essential element of the present invention that is effective for forming a weak magnetic region as an austenite-forming element. If N is less than 0.01%, it is difficult to obtain a stable weak magnetic region. On the other hand, if it exceeds 0.10%, the parent phase of the alloy material becomes too hard and the workability deteriorates. Therefore, in the present invention, the range of N is defined as 0.01 to 0.10%.
  • a preferable lower limit of N is 0.015%, and a preferable upper limit is 0.05%.
  • Al 0.5 to 2.0%
  • Al is an essential element of the present invention that is added in the ferromagnetic region of the composite magnetic material to improve soft magnetic properties, increase electric resistance, and improve iron loss in a high-frequency magnetic field. If Al is less than 0.5%, the soft magnetic property is improved by the oxygen fixing effect of the alloy material, but the effect of improving the iron loss in the high frequency magnetic field by increasing the electric resistance cannot be expected. On the other hand, if Al exceeds 2.0%, the matrix phase of the alloy material becomes too hard and the workability deteriorates, and the castability also decreases. Therefore, in the present invention, the Al range is specified to be 0.5% to 2.0%. The preferable lower limit of Al is 0.7%, and the preferable upper limit is 1.5%.
  • Si 1.0-2.0%
  • Si is an essential element of the present invention that is added to improve the soft magnetic characteristics and increase the electrical resistance and improve the iron loss in the alternating magnetic field, as with Al. . If Si is less than 1.0%, the effect of improving soft magnetic characteristics and improving iron loss in an alternating magnetic field by increasing electric resistance is small. On the other hand, if Si exceeds 2.0%, the ferrite structure which becomes the structure of the ferromagnetic region becomes too stable and the austenite single phase region becomes narrow. For this reason, it becomes difficult to form a completely weak magnetic region, and the workability also decreases. Therefore, in the present invention, the Si range is specified to be 1.0 to 2.0%.
  • a preferable lower limit of Si is 1.5%.
  • Al + Si 3.5% or less
  • Al and Si are positively added in order to improve soft magnetic characteristics and increase electric resistance to improve iron loss in a high-frequency magnetic field. Is an essential element.
  • Al + Si exceeds 3.5%, workability deteriorates and mass productivity on an industrial scale decreases. Therefore, in the present invention, the combined addition amount of Al + Si is regulated to 3.5% or less.
  • the preferable lower limit of Al + Si is 1.9%, and the preferable upper limit is 3.0%.
  • a more preferred lower limit is 2.1%, and a more preferred upper limit is 2.8%.
  • Mn 0.6 to 1.2%
  • Mn is an essential element of the present invention that is effective for stabilizing the austenite structure at ⁇ 40 ° C. as well as the formation of the weak magnetic region as an austenite forming element.
  • Mn can suppress an increase in the austenite transformation temperature due to an increase in the amount of Si that is indispensable for promoting an improvement in iron loss, and has an effect of easily obtaining a nonmagnetic austenite structure.
  • the formation temperature of the martensite structure that becomes ferromagnetic can be lowered after the formation of the weak magnetic region, which has the effect of further stabilizing the austenite structure that becomes nonmagnetic.
  • Mn is less than 0.6%, it becomes difficult to obtain a stable non-magnetic austenite structure when heated to the austenite transformation temperature or higher, and stabilization of the austenite structure at ⁇ 40 ° C. after formation of the weak magnetic region is also achieved. It becomes difficult.
  • Mn exceeds 1.2%, the soft magnetic characteristics of the ferromagnetic region deteriorate. Therefore, in the present invention, the range of Mn is defined as 0.6 to 1.2%. A more preferred lower limit is 0.7%.
  • Cr 16.5 to 18.0% Cr is dissolved in the matrix of the composite magnetic material to improve the corrosion resistance of the composite magnetic material, and in the ferromagnetic region, part of it becomes carbide and is added to improve the mechanical strength of the composite magnetic material.
  • the Cr range is specified to be 16.5 to 18.0%. A more preferred lower limit is 17.0%.
  • Ni 1.5-2.5%
  • Ni is an essential element of the present invention that is effective for forming a weak magnetic region as an austenite forming element. If Ni is less than 1.5%, the transformation start temperature (Ms point) from austenite to martensite rises during cooling during the weak magnetizing heat treatment, so that the formation of a stable weak magnetic region is impaired. On the other hand, when Ni exceeds 2.5%, the Ms point is low and the austenite structure becomes stable. On the other hand, in the ferromagnetic state, the precipitation nose of carbide in the isothermal transformation curve shifts to the long time side. Precipitation and growth are slow, and fine carbides tend to be formed.
  • the range of Ni is defined as 1.5 to 2.5%.
  • the balance is Fe and impurities.
  • the balance is substantially Fe, but may contain impurities (for example, P, S, O, etc.) that are inevitably mixed in production. Although it is preferable that the impurity content is small, there is no problem if it is in the following range that does not deteriorate the soft magnetic characteristics. P ⁇ 0.05%, S ⁇ 0.05%, O ⁇ 0.05%
  • the composite magnetic material of the present invention has a metal structure in which carbides are dispersed in a ferromagnetic ferrite structure. Then, by heating a desired portion of the composite magnetic material, a composite magnetic material having both a ferromagnetic region and a weak magnetic region with a metal structure as an austenite structure is obtained.
  • the iron loss W10 / 400 at a maximum operating magnetic flux density of 1 T and an operating frequency of 400 Hz is 95 W / min by heat treatment in the temperature range of 630 to 1170 ° C. after adjusting to the above-mentioned appropriate composition. Magnetic characteristics of kg or less can be obtained.
  • iron loss W10 / 400 is 85 W / kg or less.
  • the weak magnetic region is formed by the heating described above by non-melting, that is, by heating in a temperature range where the material does not melt. This is to make it easier to obtain a non-magnetic austenite structure by suppressing the decarburization phenomenon due to melting.
  • a method for forming the weak magnetic region there are a high frequency heating method in which heating is performed indirectly using a high frequency coil, a heat stamp method in which a heated jig is directly pressed, a laser beam method in which heating is performed directly with a laser, etc.
  • the weak magnetic region can obtain a magnetization J of 0.02 T or less at an external magnetization of 800,000 A / m.
  • the thickness of the composite magnetic material is preferably 1.0 mm or less. When the thickness of the composite magnetic material exceeds 1.0 mm, the eddy current in the high frequency magnetic field increases and the iron loss increases. Therefore, the efficiency when used as a magnetic circuit component is impaired.
  • a more preferable range of the thickness of the composite magnetic material is 0.1 to 0.8 mm.
  • the raw materials weighed so as to have the composition shown in Table 1 were melted in vacuo and cast into a mold to produce a 10 kg steel ingot.
  • the obtained steel ingot was heated to 1000 ° C. and forged, and then heated to 1000 ° C. and hot-rolled to produce a hot-rolled material having a thickness of 2.5 mm.
  • pickling and surface buffing were performed to remove the oxide scale on the surface, and then soft annealing was performed in two stages of heating temperature of 870 ° C. and 700 ° C. in an Ar gas atmosphere. Thereafter, cold rolling was performed to obtain a composite magnetic material material having a thickness of 0.6 mm.
  • a JIS ring with an outer diameter of 45 mm and an inner diameter of 33 mm is cut out from the material for composite magnetic material shown in Table 1, and subjected to a ferromagnetization heat treatment that promotes ferromagnetization of the composite magnetic material material by annealing in a vacuum at a heating temperature of 750 ° C. went. Thereafter, after 150 windings of the primary winding and 50 windings of the secondary winding were applied to the JIS ring, the magnetic flux density (B5000, unit: T) and coercive force (Hc, unit: A) at an applied magnetic field of 5000 A / m.
  • the iron loss (W10 / 400, unit: W / kg) at an operating frequency of 400 Hz was measured with an operating magnetic flux density of 1T. Further, a sample having a width of 1.5 mm and a length of 5 mm was cut out from the material for the composite magnetic material, kept in an Ar gas atmosphere at a heating temperature of 1200 ° C. for 10 minutes, and then air-cooled to perform a demagnetization heat treatment. Thereafter, the magnetization (J value, unit: T) in an external magnetic field of 800,000 A / m before and after being immersed in a ⁇ 40 ° C. refrigerant was measured using a vibration magnetometer. Table 2 shows the measured DC magnetic characteristics, iron loss, and magnetization before and after immersion at a low temperature ( ⁇ 40 ° C.).
  • the alloy of the present invention is excellent in soft magnetic characteristics such as a coercive force in a ferromagnetic region of 341 to 408 A / m, and an iron loss characteristic of 76 to 92 W / kg is good. ing.
  • the magnetization (J value) before and after immersion at ⁇ 40 ° C. in the weak magnetic region is 0.03 T or less, and a very stable weakly magnetized structure is obtained.
  • the addition amount of Si, Mn, and Ni the austenite structure that becomes a weak magnetic region even at ⁇ 40 ° C. is further improved while improving the soft magnetic property and iron loss property of the ferromagnetic region. It becomes possible to stabilize.
  • Comparative Example No. with lower Mn. No. 11 alloy (Mn: 0.53%), No. No. 12 alloy (Mn: 0.25%) and no. Alloy 15 (Mn: 0.06%) has a small coercive force in the ferromagnetic region and has excellent soft magnetic properties and good iron loss properties, but after being immersed in the weak magnetic region at ⁇ 40 ° C.
  • Magnetization J value was 0.05T, 0.05T, and 0.07T, respectively, and the tendency for magnetization to increase was recognized compared with this invention. This is presumably because the amount of Mn added was small and the effect of stabilizing the non-magnetic austenite structure was poor.
  • Comparative Example No. Alloy 13 (Si: 0.47%) has a relatively stable value of magnetization before and after immersion at ⁇ 40 ° C. in the weak magnetic region, but has a large coercive force in the ferromagnetic region and sufficient softness. Magnetic properties were not obtained, and good iron loss properties were not obtained.
  • the composite magnetic material according to the present invention can reduce the iron loss in the ferromagnetic region and exhibits excellent soft magnetic properties. It can also be seen that a non-magnetic austenite structure can be maintained even at an extremely low temperature of ⁇ 40 ° C. in the weak magnetic region.
  • the composite magnetic material and the composite magnetic material of the present invention have excellent structure stability at ⁇ 40 ° C. in the weak magnetic region and soft magnetic properties and iron loss properties in the ferromagnetic region. It is the most suitable material for circuit components.

Abstract

 磁気回路を利用した工業製品に適用され得る、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。 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。

Description

複合磁性材用素材及び複合磁性材
 本発明は、磁気回路を利用した工業製品に適用され得る、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及び複合磁性材に関するものである。
 従来、磁気回路を必要とする工業製品においては、磁気回路を形成するために、強磁性体の一部に弱磁性領域を設けた構造が用いられている。このような単一材料中に強磁性領域と弱磁性領域を併せ持つ金属材料は複合磁性材と呼ばれている。複合磁性材は、例えば、強磁性のマルテンサイト組織か、或いは、フェライト組織を有する素材に対して、特定の領域を部分的に加熱して弱磁性のオーステナイト組織に変化させることにより得ることができる。この複合磁性材においては、本願出願人は数多くの提案を行ってきた。
 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、前記の特許文献1に記される複合磁性材の強磁性領域の軟磁気特性を改善することを目的とした提案として、特開2001-26846号公報(特許文献2)がある。この提案はSiとAlを適量添加するものである。この提案における具体的な組成として、重量%でC:0.30~0.80%、N:0.01~0.10%、Al:0.3~3.5%、Si:0.1~7.0%、Mn:0.1~2.0%、Cr:10.0~25.0%、Ni:0.1~4.0%、残部がFeと不可避不純物とすることが開示され、最大透磁率400以上の強磁性領域と、透磁率2以下の非磁性領域を併せ持った複合磁性材が開示されている。
特開平9-157802号公報 特開2001-26846号公報
 特許文献1に記載された複合磁性材は、-30℃以下というMs点を有する部材であるため、低温環境下でも使用することができる優れたものである。しかし、例えば、寒冷地用の油量制御機器用部材として使用される場合などには、部材の温度が-40℃に達することがあり、さらに厳しい極低温下におけるオーステナイト組織の安定性が求められている。
 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。
 本発明者は、上述の特許文献2に記された、軟磁気特性を改善した組成をベースに検討した結果、特にSi、Mn、Niの含有量を適正範囲に調整することで、軟磁気特性および高周波磁界における鉄損を改善するとともに、オーステナイト組織が更に安定化できる組成を見出し、本発明に到達した。
 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。
 また本発明は、前述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複合磁性材である。
 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。
 本発明により提供される複合磁性材は、単一材料でありながら強磁性領域では鉄損を低くすることができ、優れた軟磁気特性が発現される。また、弱磁性領域では-40℃という極めて低温の温度であっても、非磁性であるオーステナイト組織を維持することができる。これにより、高温環境から極低温環境まで安定した特性を得ることができる。そのため、寒冷地域でも使用される磁気回路部品として有効である。
 本発明者らの検討によれば、強磁性領域の高周波磁界における鉄損を改善するためには、特許文献2で積極添加されたSi量の増加が有効であったが、反面、Siを過剰に添加すると、オーステナイト単相領域が狭くなるため、弱磁性化熱処理後にオーステナイト単相の組織が得られず、弱磁性領域の磁気特性を阻害することが分かった。そのため、オーステナイト単相領域を広げる目的でNiの積極添加を試みたが、Ni含有量の増加と共に保磁力が大きくなり、更に鉄損も大きくなることが分かった。
 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:0.5~2.0%
 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:0.6~1.2%
 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:1.5~2.5%
 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%
 本発明の複合磁性材素材は、強磁性のフェライト組織に炭化物が分散した金属組織となる。そして、複合磁性材素材の所望の箇所を加熱することで金属組織をオーステナイト組織として複合磁性体とし、強磁性領域と弱磁性領域とを併せ持つ複合磁性材が得られる。
 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。
 なお、複合磁性材の厚さは1.0mm以下が好ましい。複合磁性材の厚さが1.0mmを超えると、高周波磁界における渦電流が大きくなって鉄損が増加する。そのため、磁気回路部品として用いた際の効率が損なわれるためである。複合磁性材の厚さのより好ましい範囲は、0.1~0.8mmである。
 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。
 以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示す複合磁性材用素材から、外径45mm、内径33mmのJISリングを切り出し、真空中で加熱温度750℃の焼鈍を施して複合磁性材素材の強磁性化を促す強磁性化熱処理を行った。その後、JISリングに1次巻線150回、2次巻線50回の巻線を施した後、印加磁場5000A/mにおける磁束密度(B5000、単位:T)および保磁力(Hc、単位:A/m)の直流磁気特性の測定と、動作磁束密度を1Tとし動作周波数400Hzにおける鉄損(W10/400、単位:W/kg)を測定した。
 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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示すように、本発明合金は、強磁性領域の保磁力が341~408A/mと軟磁気特性に優れている他、鉄損特性も76~92W/kgと良好な結果が得られている。加えて、弱磁性領域の-40℃浸漬前後の磁化(J値)も0.03T以下と、非常に安定した弱磁性化組織が得られている。
 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。
 一方、Mnを低くした、比較例No.11合金(Mn:0.53%)、No.12合金(Mn:0.25%)およびNo.15合金(Mn:0.06%)は、強磁性領域の保磁力が小さく、優れた軟磁気特性と、良好な鉄損特性が得られているものの、弱磁性領域の-40℃浸漬後の磁化(J値)がそれぞれ、0.05T、0.05Tおよび0.07Tとなり、本発明と比較して、磁化が増加する傾向が認められた。これは、Mnの添加量が少なく、非磁性となるオーステナイト組織を安定化させる効果が乏しかったためと考えられる。
 比較例のように、浸漬後の磁化が大きくなると、例えば、寒冷地域で使用される油量制御機器に組み込まれた場合に、弱磁性領域の透磁率が高くなり、そこに磁束が漏洩することによって、油量制御機器の動作が不安定になる可能性が高まる。
 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。
 以上、説明するように、本発明の複合磁性材用素材は、強磁性領域では鉄損を低くすることができ、優れた軟磁気特性が発現される。また、弱磁性領域では-40℃という極めて低温の温度であっても、非磁性であるオーステナイト組織を維持することが可能であることが分かる。
 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。
 本発明の複合磁性材素材及び複合磁性材は、弱磁性領域の-40℃における組織安定性と、強磁性領域の軟磁気特性および鉄損特性に優れているため、寒冷地域でも使用される磁気回路部品に最も適した材料である。

Claims (7)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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。
  4.  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。
  5.  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。
  6.  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。
  7.  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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