JP2002226954A - Fe−Cr系軟磁性材料及び製造方法 - Google Patents
Fe−Cr系軟磁性材料及び製造方法Info
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Abstract
し、電動パワーステアリング用各種磁気センサ,自動車
用燃料噴射装置,電磁弁の交流磁気回路に組み込まれる
コア,ヨーク等に有用なFe−Cr系軟磁性材料を提供
する。 【構成】 このFe−Cr系軟磁性材料は、電気抵抗率
が50μΩ・cm以上で、フェライト相が面積率95%
以上の組織をもち、粒径1μm以下の析出物の個数が6
×105/mm2以下に規制されている。Fe−Cr系軟
磁性材料としては、C:0.05%以下,N:0.05%
以下,Si:3.0%以下,Mn:1.0%以下,Ni:
1.0%以下,P:0.04%以下,S:0.01%以
下,Cr:5.0〜20.0%,Al:4.0%以下,M
o:0〜3%,Ti:0〜0.5%を含み、式(1)及び
(2)が満足されている。4.3×%Cr+19.1×%Si+15.
1×%Al+2.5×%Mo≧40.2 ・・・・(1) 11.5×%Si+11.5×%Cr+49×%Ti+12×%Mo+52×%
Al≧420×%C+470×%N+7×%Mn+23×%Ni+124 ・
・・・(2)
Description
グ等の各種磁気センサ,自動車等の燃料噴射装置,電磁
弁等の交流磁気回路に組み込まれるコア,ヨーク等の軟
磁性材料及びその製造方法に関する。
サ等の電磁誘導型センサや、磁歪式トルクセンサ,位相
差式トルクセンサ等の力学量センサでは、交流磁気回路
が組み込まれており、励磁コイルを検出コイルに兼用す
るタイプもある。交流磁気回路を構成するコア,ヨーク
等には、純鉄,珪素鋼板,ソフトフェライト,パーマロ
イ等の軟磁性材料が使用されている。被測定物の変位,
トルク等は、励磁コイルに交流電流を流して交流磁界を
発生させ、被測定物の変位等に起因する検出コイルのイ
ンピーダンス,電圧等の微弱な変化に基づいて検出され
る。
って、測定精度の向上も強く要求されるようになってき
ている。測定精度向上には出力電圧を測定する際にノイ
ズの低減が必須であることから、励磁コイルに供給する
電流を高周波数(具体的には100Hz〜5kHz)の
サイン波又は矩形波にする必要がある。しかし、軟磁性
材料として一般的な電磁軟鉄(SUYP)は、印加磁場
の周波数増加に応じて渦電流損失が大きくなり、結果と
して磁束密度が低下し、十分なセンサ出力電圧が得られ
ない。珪素鋼板は、電気抵抗率が高いことから電磁軟鉄
に比較すると渦電流損失が少ないものの、周波数1kH
z以上での磁束密度の低下を防止するためにはSi含有
量の増加が必要である。Siの増量は、電気抵抗率を大
きくする上では有効であるものの、素材を硬質化しプレ
ス加工性を劣化させる。
優れていることも要求特性の一つである。ところが、電
磁軟鉄や珪素鋼板は、十分な耐食性を備えていない。耐
食性はNiめっきやユニクロめっきで改善されるが、め
っき処理によるコストアップが避けられない。めっき処
理は磁気特性を劣化させるだけでなく、めっき厚のバラ
ツキに起因して磁気特性にもバラツキが生じやすい。パ
ーマロイ、特にパーマロイCは、電気抵抗率が大きく交
流磁気特性にも優れた材料であるが、非常に高価であ
る。ソフトフェライトは、最も電気抵抗率が大きく、金
属系の材料に比較して10kHz以上の高周波域におけ
る磁束密度の低下が小さいが、逆に5kHz以下の周波
数域における磁束密度は金属系材料よりも低い。
食性に優れ、パーマロイに比較すると安価であるため、
ステッピングモータのヨーク等に使用されている。しか
し、磁気センサ等のように100Hz〜5kHzの周波
数域で10エルステッド未満の低磁場で使用される磁気
回路に従来のFe−Cr系鋼部品を使用すると、検出側
の出力電圧等の十分なセンサ特性が得られない。
題を解消すべく案出されたものであり、高周波・低磁場
で作動する磁気センサのセンサ特性に優れ、耐食性及び
経済性も良好なFe−Cr系軟磁性材料を提供すること
を目的とする。本発明のFe−Cr系軟磁性材料は、そ
の目的を達成するため、電気抵抗率が50μΩ・cm以
上で、フェライト相が面積率95%以上の組織をもち、
粒径1μm以下の析出物の個数が6×105/mm2以下
に規制されていることを特徴とする。
0.05質量%以下,N:0.05質量%以下,Si:
3.0質量%以下,Mn:1.0質量%以下,Ni:
1.0質量%以下,P:0.04質量%以下,S:0.
01質量%以下,Cr:5.0〜20.0質量%,A
l:4.0質量%以下,Mo:0〜3質量%,Ti:0〜
0.5質量%を含み、残部が実質的にFeの組成をも
ち、式(1)及び(2)が満足されているFe−Cr系
素材が使用される。 4.3×%Cr+19.1×%Si+15.1×%Al+2.5×%Mo≧40.2 ・・・・(1) 64×%Si+35×%Cr+480×%Ti+25×%Mo+490×%Al ≧221×%C+247×%N+40×%Mn+80×%Ni+460 ・・・・(2) この軟磁性材料は、所定組成に調整されたFe−Cr系
軟磁性鋼素材を加工した後、真空又は還元性雰囲気中9
00℃以上で、且つ式(3)で定義される温度T(℃)
以下の温度域で熱処理することにより製造される。Fe
−Cr系軟磁性鋼素材は、磁性部品としての所望形状に
成形加工される前の段階の材料を意味し、用途に応じて
板,棒,線等、種々の形状がある。 T(℃)=(64×%Si+35×%Cr+480×%Ti+490×%Al+25×%Mo+480) −(221×%C+247×%N+40×%Mn+80×%Ni)・・・・(3)
の内部でエネルギー損失が生じる。エネルギー損失の一
つであるヒステリシス損は、磁壁と析出物又は格子欠陥
との相互作用によって磁壁の移動が妨げられることが原
因である。したがって、析出物又は格子欠陥を少なくす
ることによりヒステリシス損が減少することから、Fe
−Cr系合金では具体的には析出物として微細な炭化
物,格子欠陥としてマルテンサイト相の生成を防止又は
無害化することが必要である。
電流は、軟磁性の金属材料が導体であるために磁場変化
によって誘起される二次電流であり、渦電流が流れると
抵抗損失に伴うエネルギー損失が生じる。渦電流損を小
さくするためには、軟磁性材料の抵抗を大きくして渦電
流を流れにくくする必要がある。そこで、本発明者等
は、ヒステリシス損及び渦電流損を小さくし、交流且つ
低磁場で高磁束密度が得られる電気抵抗率,組織及び析
出物形態を種々調査検討した。従来のFe−Cr系軟磁
性材料で微細な炭化物を固溶させるためには固溶温度以
上の高温加熱が必要であるが、高すぎる加熱温度ではγ
相が生じ、冷却過程でマルテンサイトが生成する。した
がって、先ず有害な析出物を特定し、マルテンサイトが
析出せず且つ有害な析出物を固溶できる成分系及び熱処
理条件を検討した。
ンサは、たとえば図1の検出回路構成をもち、回転軸1
に励磁コイル2及び検出コイル3を対向させている。検
出コイル3の磁気回路はリード線4が捲回された軟磁性
部品5を備え、端子間に所定の電圧Vをかけて電流iを
流すと軟磁性部品5と被測定物Sとの間に磁束線Φが生
じる(図2)。発振器6から電力増幅器7を経て励起電
流を励磁コイル2に供給し、発生した磁歪を検出コイル
3で検出する。検出結果は、同期検波器8及び電圧増幅
器9を介して出力される。
性部品は、軟磁性鋼板等の素材をプレス成形等の機械加
工で所定形状にすることによって製造される。素材を加
工したままの状態では、機械加工によって導入された歪
が残存しているため透磁率が著しく低く、結果として磁
束密度が低下する。歪の悪影響は、内部歪を消失させる
熱処理(磁気焼鈍)により解消される。本発明者等は、
軟磁性部品の磁束密度に及ぼす諸要因の影響を調査する
ため、電気抵抗率の異なるFe−Cr系軟磁性鋼素材を
磁気リング形状に機械加工し、各種条件下で磁気焼鈍し
た後、磁束密度を測定した。磁束密度の測定にはB−H
アナライザを使用し、励起磁場の発振周波数1kHz,
磁場強度1エルステッドの低磁場を測定条件とした。
材料の電気抵抗率が50μΩ・cm以上であるとき、セ
ンサ特性をあらわす磁束密度が顕著に改善されることが
判った。そこで、50μΩ・cm以上の電気抵抗率を示
す素材について成分が電気抵抗率に及ぼす影響を調査し
た結果、Fe−Cr系鋼の電気抵抗率ρは次式で表され
ることを解明した。したがって、50μΩ・cm以上の
電気抵抗率ρを得るために前掲の式(1)を設定した。 ρ(μΩ・cm)=4.3%Cr+19.1%Si+15.1%Al+2.5%M
o+9.8
エルステッド程度の低い磁気回路では、同一組成のFe
−Cr系鋼から作られた軟磁性部品であっても,焼鈍条
件に応じて磁束密度に大きなバラツキが生じることを見
出した。磁束密度がばらつく原因を究明するため、熱処
理された軟磁性部品の金属組織を観察し、金属組織と磁
束密度との関係を調査した。その結果、マルテンサイト
相が存在する組織や、マルテンサイト相のないフェライ
ト単相であっても微細な析出物が存在する組織では、同
じ組成のFe−Cr系軟磁性鋼素材であっても磁束密
度、ひいてはセンサ特性が著しく低下することが判っ
た。
の影響は、5体積%以上のマルテンサイト量で顕著にな
る(図4)。析出物に関しては、1μmを超える大きな
粒径では磁束密度への影響がほとんどないが、1μm以
下の粒径になると磁束密度への影響が現れる。また、析
出物の個数が多いほど磁束密度が低下する傾向がみら
れ、粒径1μm以下の析出物が6×105個/mm2以上
の割合で析出していると磁束密度が著しく低下する(図
5)。
用される磁気センサ等の磁気回路で高い磁気センサ特性
を得るためには、50μΩ・cm以上の電気抵抗率に加
え、部品形状に加工し磁気焼鈍した後での金属組織にお
いてマルテンサイト量が5体積%以下で且つ粒径1μm
以下の析出物が6×105個/mm2以下に規制されたF
e−Cr系軟磁性材料が必要であるといえる。粒径1μ
m以下の微細析出物は、Fe−Cr系鋼を900℃以上
に加熱することにより著しく減少する。熱処理による微
細析出物の減少は、均熱0分以上(好ましくは30分以
上)で実効的になる。しかし、高すぎる熱処理温度で
は,Fe−Cr系鋼がγ域まで昇温し、冷却過程でマル
テンサイト相が生成しやすくなる。
成するような鋼種では、磁束密度向上に有効なフェライ
ト単相で微細な析出物が少ない金属組織に改質できな
い。工業炉での温度制御精度を考慮すると、マルテンサ
イト相が生成せず且つ微細析出物が少ない金属組織が得
られる熱処理温度範囲としては、目標温度に対して最低
でも±20℃,理想的には±50℃以上の温度幅が必要
である。
(℃)に及ぼす成分の影響を調査し、前掲の式(3)を
得た。また、微細な析出物を生じることなく且つマルテ
ンサイトの生成を防止するためには、オーステナイト化
生成開始温度Tを900℃以上に設定する必要がある。
更に、工業炉での温度制御精度を考慮すると、目標温度
に対して最低でも±20℃以上の温度幅が必要である。
れに式(3)を代入すると前掲の式(2)が得られる。
更に、磁気特性向上を狙ってマルテンサイトの生成がな
く結晶粒径を大きくするためには、熱処理温度を940
℃以上に設定することが好ましく、理想的にはオーステ
ナイト化生成開始温度Tを980℃以上に設定する。以
上のように、オーステナイト化生成開始温度Tを高くす
るSi等のフェライト安定化元素を添加するとフェライ
ト単層の金属組織が得られやすくなる。しかし、フェラ
イト安定化元素を多量に添加すると、圧延性、プレス加
工性等が低下し、表面疵発生等の問題も派生する。
磁束密度の低下傾向は大幅に小さい(図4)。フェライ
ト化強度(11.5×%Si+11.5×%Cr+49×%Ti+
12×%Mo+52×%Al)とオーステナイト化強度(42
0×%C+470×%N+7×%Mn+23×%Ni)との間に124
以上の差をつけると、1030℃程度の温度までFe−
Cr系鋼を加熱してもオーステナイト相が生成しないた
め、マルテンサイトの生成量が大幅に抑えられる。
との差が大きくなるほどオーステナイト生成開始温度T
が上昇し、フェライト単相の金属組織が得られやすくな
る。しかし、フェライト化強度とオーステナイト化強度
との差を大きくするためには多量のフェライト形成元素
を添加する必要があり、圧延性,プレス加工性の劣化や
表面傷の発生等の問題が派生する。そこで、本発明が対
象とするFe−Cr系鋼では、合金成分及び含有量を次
のように定めることが好ましい。
生成を促進させると共に炭化物の析出量を増大させ磁気
特性を劣化させる有害元素である。また、材質を硬質化
させ,プレス加工性を劣化させる元素でもある。このよ
うな影響を抑制するため、C含有量の上限を0.05質
量%に設定した。 N:0.05質量%以下 Cと同様にマルテンサイトの生成を促進させ、Fe−C
r系鋼を硬質化してプレス加工性を劣化させる有害成分
である。そのため、N含有量の上限を0.05質量%に
設定した。
のに有効な合金成分である。また、軟磁気特性に有害な
マルテンサイトの生成を抑制する作用も呈する。しか
し、材質を著しく硬質化する成分であり、過剰添加はプ
レス加工性の著しい低下を導く。したがって,Si含有
量の上限を3.0質量%に設定した。 Mn:1.0質量%以下 製鋼時にスクラップ等から混入する不純物成分であり、
マルテンサイトの生成を促進させる作用を呈する。その
ため、Mn含有量の上限を1.0質量%に設定した。
成分であり、マルテンサイトの生成を促進させる作用を
呈する。そのため、Ni含有量の上限を1.0質量%に
設定した。 P:0.04質量%以下 軟磁特性に有害な燐化物を形成するので、上限を0.0
4質量%に設定した。 S:0.01質量%以下 軟磁特性に有害な硫化物を形成するので、上限を0.0
1質量%に設定した。
率を増加させ、交流磁場での磁束密度を増加させる有効
成分である。耐食性の向上にも有効である。このような
作用・効果は、5.0質量%以上(好ましくは、10質
量%以上)のCr含有量で顕著になる。しかし、20.
0質量%を超えるCrの過剰添加は、飽和磁束密度を低
下させると共に、材質を硬質化しプレス加工性を劣化さ
せる。 Al:4.0質量%以下 Si,Crと同様に電気抵抗率を大きく増加させ、交流
磁場における磁束密度を増加させる有効成分である。し
かし、Alの過剰添加はAl系介在物に起因する表面傷
を惹起させることから、Al含有量の上限を4.0質量
%に設定した。
マルテンサイトの生成を抑制し、電気抵抗率を増加さ
せ、交流磁場での磁束密度を増加させる作用を呈し、耐
食性の向上にも有効である。しかし、3質量%を超える
Moの過剰添加は、材質を著しく硬質化しプレス加工性
を劣化させる。 Ti:0〜0.5質量% 必要に応じて添加される合金成分であり、Cr.Moと
同様にマルテンサイトの生成を抑制する作用を呈する。
しかし、Ti系介在物に起因する表面傷を惹起させるこ
とから、Tiを添加する場合には上限を0.5質量%と
する。
高周波真空溶解炉で溶製し、鍛造,熱間圧延,冷間圧
延,仕上げ焼鈍,酸洗の工程を経て、板厚2.0mmの
Fe−Cr系軟磁性鋼素材を製造した。
試験片を切り出し、表2の条件で磁気焼鈍した。磁気焼
鈍された外径45mm,内径33mmのリング試験片に
ついて、周波数1kHz,印加磁場1エルステッドの条
件下でB−Hアナライザを用いて磁束密度Bを測定し
た。また、30mm×30mmの試験片をフッ硝酸グリ
セリン液(HF:HNO3:グリセリン=2:1:2)
でエッチングし、光学顕微鏡を用いたポイントカウント
法でマルテンサイト量を測定した。同じ試験片をスピー
ド法でエッチングし、走査型顕微鏡を用いてモニター画
面に現れた粒径1μm以下の微細析出物の個数をカウン
トし、1mm2当りの個数として測定した。更に、幅5
mm,長さ150mmの試験片について、ホイートスト
ンブリッジ法で電気抵抗率を測定した。
加工して励磁コイル用及び検出コイル用のコア部品を作
製し、磁気リングと同じ条件下で磁気焼鈍した。プレス
加工に際しては、加工後の部品を観察して割れの有無に
よってプレス加工性を評価した。作製されたコア部品を
磁歪式トルクセンサ(図1)の磁気回路に組み込み、セ
ンサ特性を調査した。センサ特性の調査に当たっては、
発振周波数1kHz,励磁コイルへの印加磁場強度1エ
ルステッドの条件下で入力トルクに対する検出コイルの
出力電圧を測定し、センサ性能として使用できる出力電
圧レベル指数を基準値100とし、100以上であれば
良好(○),100〜80をやや不良(△),80未満
を不良(×)と評価した。
発明に従って電気抵抗率,マルテンサイト量及び微細析
出物の個数が規制された試験番号1〜7では、500G
以上の高い磁束密度が得られ、出力電圧が大きくセンサ
特性にも優れていた。他方、合金No.B1のFe−C
r系軟磁性鋼素材は、粒径1μm以下の微細析出物が多
数生成し、その個数が6×105/mm2を超えていたた
め磁束密度の低下が著しく、センサ特性も不良であっ
た。
を使用した場合でも、磁気焼鈍温度が低すぎる試験番号
11では、粒径1μm以下の微細析出物が多数生成して
おり、磁束密度の低下が著しく、センサ特性も不良であ
った。逆に磁気焼鈍温度が高すぎる試験番号12では、
磁気焼鈍後に多量のマルテンサイトが生成し、磁束密度
の低下が著しく、センサ特性も不良であった。
Cr系軟磁性材料は、電気抵抗率を50μΩ・cm以下
とした素材を用い、マルテンサイト相の生成を抑え微細
析出物を少なくした金属組織としているため、高周波励
起・低磁場強度でも大きな磁束密度を呈し、優れた磁気
センサ性能を示す。そのため、電磁誘導型センサ,力学
量センサ等の磁気回路にコアやヨークとして組み込まれ
るとき、測定精度の高いセンサが得られる。
図
束密度に及ぼす影響を表したグラフ
が磁束密度に及ぼす影響を表したグラフ
が磁束密度に及ぼす影響を表したグラフ
Claims (3)
- 【請求項1】 電気抵抗率が50μΩ・cm以上で、フ
ェライト相が面積率95%以上の組織をもち、粒径1μ
m以下の析出物の個数が6×105/mm2以下に規制さ
れていることを特徴とするFe−Cr系軟磁性材料。 - 【請求項2】 C:0.05質量%以下,N:0.05
質量%以下,Si:3.0質量%以下,Mn:1.0質
量%以下,Ni:1.0質量%以下,P:0.04質量
%以下,S:0.01質量%以下,Cr:5.0〜2
0.0質量%,Al:4.0質量%以下,Mo:0〜3質
量%,Ti:0〜0.5質量%を含み、残部が実質的に
Feの組成をもち、式(1)及び(2)が満足されてい
る請求項1記載のFe−Cr系軟磁性材料。 4.3×%Cr+19.1×%Si+15.1×%Al+2.5×%Mo≧40.2 ・・・・(1) 64×%Si+35×%Cr+480×%Ti+25×%Mo+490×%Al ≧221×%C+247×%N+40×%Mn+80×%Ni+460 ・・・・(2) - 【請求項3】 請求項2記載の組成をもつFe−Cr系
軟磁性鋼素材を加工した後、真空又は還元性雰囲気中9
00℃以上で、且つ式(3)で定義される温度T(℃)
以下の温度域で熱処理することを特徴とするFe−Cr
系軟磁性材料の製造方法。 T(℃)=(64×%Si+35×%Cr+480×%Ti+490×%Al+25×%Mo+480) −(221×%C+247×%N+40×%Mn+80×%Ni)・・・・(3)
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