(57)【要約】  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。【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１５７８０２号公報
【特許文献２】特開２００１−２６８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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％
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【実施例】
【００１５】
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。【００１６】
【表１】
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【００１７】
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。【００１８】
【表２】
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【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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。
【国際調査報告】
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