(57)【要約】【課題】バルク材を用いた、単位面積当たりの吸引力が大きな磁気回路部材を提供する。【解決手段】黒鉛粒子が存在している鉄系材料からなる磁気回路部材において、前記黒鉛粒子が長柱状であり、前記黒鉛粒子の長手方向が磁束が通る方向に並んでいることを特徴とする磁気回路部材または黒鉛粒子が存在している鉄系材料をスエージ処理した鉄系部材を用意し、該鉄系部材を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粒子が存在している鉄系材料からなる磁気回路部材において、前記黒鉛粒子が長柱状であり、前記黒鉛粒子の長手方向が磁束が通る方向に並んでいることを特徴とする磁気回路部材。
【請求項２】
前記鉄系材料が鋳鉄系材料であることを特徴とする請求項１記載の磁気回路部材。
【請求項３】
前記鋳鉄系材料のマトリックス組織がフェライトであることを特徴とする請求項２記載の磁気回路部材。
【請求項４】
黒鉛粒子が存在している鉄系材料をスエージ処理した鉄系部材を用意し、該鉄系部材を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。
【請求項５】
前記熱処理工程の熱処理を磁場内で行うことを特徴とする請求項４記載の磁気回路部材の製造方法。
【請求項６】
前記鉄系材料が鋳鉄系材料であることを特徴とする請求項４、５記載のいずれかに磁気回路部材の製造方法。
【請求項７】
前記鋳鉄系材料の黒鉛粒子が球状黒鉛であることを特徴とする請求項６記載の磁気回路部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気回路部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ソレノイドの重要な特性である吸引力は、吸引部の断面積と使用磁場の材料中の磁束密度で決まってくる。断面積を大きくすることなく、使用磁場の磁束密度を上げ吸引力を上げることが重要となる。吸引力がより大きければ、ソレノイドを流体制御バルブとして使用した場合、油量などの制御がしやすくなるためである。ヨークがプランジャを吸引した場合、磁束の流れる方向と平行の吸引力とサイド側からの吸引力（サイドフォース）が発生し、その合成された力が製品の吸引力となる。可動子のプランジャがヨーク側に引き寄せられるとヨークとプランジャでサイドフォース（横力）が発生し、吸引力が弱められる問題が生じた。また、ソレノイド径を小さくするために、ヨークとプランジャの隙間（ギャップ）をより小さくした場合もサイドフォース（横力）が発生し、吸引力が弱められる。よって、ヨーク、プランジャは、サイドフォースを見込んだ形状にしなければならず、その外径が大きくなる問題点があった。
【０００３】
自動車の油圧制御部品に使用する場合スペースが限られた箇所に搭載しなければならないため、油圧の制御範囲が少ない部品となってしまう。制御範囲が少ない場合、制御に制限を受けるため、エンジン、ミッションの制御に影響があり、自動車の燃費向上が難しくなる。そのためソレノイド等の磁気回路部材を使用した部品の小型化が要請されている。
【０００４】
ソレノイドなどの磁気回路部材には、低炭素の鋼材、焼結材、鋳鉄などの鉄系のバルク材や鉄板、珪素鋼鈑などの板材を積層したものが使われている。例えば、従来技術１として、特許文献１には、一方向性電磁鋼板を積層したヨーク（磁気回路部材）を有するソレノイドが開示されている。また従来技術２として、特許文献２には、珪素鋼などの磁性金属（バルク材）を使用したヨーク（磁気回路部材）を有するソレノイドが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−６５７２６号公報（段落番号［０００９］）
【０００６】
【特許文献２】
特開平１０−１３５０３５号公報（段落番号［０００４］）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１は設計の自由度がなく、製品が大きくなってしまう問題点があった。また３次元形状を作ろうとすると、貼り合わせ部品が多くなり組み付け工数が増し、コスト高となる。
【０００８】
一方、従来技術２は設計の自由度はあるが、その磁気特性には限界があり、単位面積当たりの吸引力が不十分であり、磁気回路部材を使用した部品の小型化に限界があるという問題点がある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決したもので、バルク材を用いた、単位面積当たりの吸引力が大きな磁気回路部材を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、黒鉛粒子が存在している鉄系材料からなる磁気回路部材において、前記黒鉛粒子が長柱状であり、前記黒鉛粒子の長手方向が磁束が通る方向に並んでいることを特徴とする磁気回路部材である。
【００１１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１２】
すなわち、長柱状の黒鉛粒子の長手方向が磁束が通る方向に並んでいるので、磁束が通る方向の黒鉛粒子の断面積を小さくなり、吸引力に対し磁束が有効に働くため、単位断面積当たりの吸引力を大きくできる。
【００１３】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記鉄系材料が鋳鉄系材料であることを特徴とする請求項１記載の磁気回路部材である。
【００１４】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１５】
すなわち、鋳鉄系材料は砂型や金型を用いて鋳造できるので、３次元形状の製品が比較的容易に製造でき、低コスト化できる。
【００１６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記鋳鉄系材料のマトリックス組織がフェライトであることを特徴とする請求項２記載の磁気回路部材である。
【００１７】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１８】
すなわち、マトリックス組織がフェライトであるので、軟磁性特性に優れる磁気回路部材ができる。
【００１９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、黒鉛粒子が存在している鉄系材料をスエージ処理した鉄系部材を用意し、該鉄系部材を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法である。
【００２０】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
すなわち、スエージ処理により黒鉛粒子が長柱状になり、その長手方向が並んでいる組織となり、磁束が通る方向の黒鉛粒子の断面積を小さくなり吸引力に対し磁束が有効に働き、かつ熱処理により残留応力が除去でき軟磁性特性が向上できるので、大きな吸引力が得られる効果を奏する。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技術的手段と称する。）は、前記熱処理工程の熱処理を磁場内で行うことを特徴とする請求項４記載の磁気回路部材の製造方法である。
【００２３】
上記第５の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
すなわち、磁場内で熱処理を行うと、磁場印可方向への黒鉛粒子が優先的に晶出するので、さらに黒鉛粒子が一方向に延ばされた形状になり、磁束が通る方向の黒鉛粒子の断面積をさらに小さくできるため、単位断面積当たりの吸引力を大きくできる。また磁場内で熱処理を行うと、鉄系材料の結晶粒の異方性化を促進され、マトリックス組織の結晶構造が磁化容易方向になると同時に軸区も並ぶので、単位断面積当たりの吸引力を大きくできる。
【００２５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技術的手段と称する。）は、前記鉄系材料が鋳鉄系材料であることを特徴とする請求項４、５記載のいずれかに磁気回路部材の製造方法である。
【００２６】
上記第６の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２７】
すなわち、請求項２と同様、鋳鉄系材料は砂型や金型を用いて鋳造できるので、３次元形状の製品が比較的容易に製造でき、低コスト化できる。
【００２８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項７において講じた技術的手段（以下、第７の技術的手段と称する。）は、前記鋳鉄系材料の黒鉛粒子が球状黒鉛であることを特徴とする請求項６記載の磁気回路部材の製造方法である。
【００２９】
上記第７の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３０】
すなわち、黒鉛粒子が球状黒鉛であるとスエージ処理により黒鉛粒子が一方向に引き延ばされやすいので、効果的に長柱状の並列した黒鉛粒子構造が得られ、吸引力を向上できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。図１はソレノイドを模式的に説明する断面図である。このソレノイドのプランジャを実施例の磁気回路部材としている。
【００３２】
ソレノイドは、第１ヨーク１、第２ヨーク２、ヨーク固定部３、コイル部４、プランジャ５、シャフト６、第１ケース７、第２ケース８から構成されている。第１ヨーク１と第２ヨーク２は磁気回路部材で、互いに同軸的に配置されている。ヨーク固定部３は、その一部が第１ヨーク１と第２ヨーク２に挟持される位置に設けられ、第１ヨーク１と第２ヨーク２を固定している。そして、第１ヨーク１、第２ヨーク２とともにボビン１０を形成している。ボビン１０の外周にはコイルが巻かれたコイル部４が設けられている。ヨーク固定部３は非磁性の樹脂部材である。第１ヨーク１、第２ヨーク２およびヨーク固定部３で形成されるシリンダ９内に磁気回路部材のプランジャ５が摺動自在に嵌合されている。プランジャ５にはシャフト６が連結され、シャフト６は第１ヨーク１の内周部を通って第１ヨーク１から外部に突出している。
【００３３】
図示しない制御部によってコイル部４に電流が流されると、第１ヨーク１と第２ヨーク２で形成される磁路の作用によってプランジャ５が図の上下方向に移動し、連結されたシャフト６が動かされる。このシャフト６の移動によって、シャフト６に連結されたものを機能させる。例えば、バルブの弁部にシャフト６を連結されることによってソレノイドバルブとなる。
【００３４】
（実施例１）
高純度の銑鉄（Ｃ含有４．０ｗｔ％）を６Ｋｇ、Ｓ２５Ｃを１９Ｋｇ、加炭剤（Ｃ含有７０ｗｔ％）を３００ｇ、フェロシリコン（Ｓｉ含有７０ｗｔ％）９８０ｇを高周波炉に入れ溶解を行い元湯とした。
【００３５】
球状化処理用のルツボには、球状化処理剤（Ｍｇ：４．８ｗｔ％、Ｓｉ：４６ｗｔ％、Ｃａ：２．４ｗｔ％、残部：Ｆｅ）を３３０ｇ、フェロシリコン（Ｓｉ含有７０ｗｔ％  残  部：Ｆｅ）を７０ｇを入れ、その上に鉄粉１１０ｇを用いカバーした。
【００３６】
球状化ルツボ内に１６００℃まで溶解した元湯を注ぎ、球状化反応をさせた。その後、自硬性の砂型（アルカリフェノールをバインダとして使用）に球状化処理後の溶解材料を注湯した。注湯温度は１４５０℃で、注湯時は、大阪特殊合金株式会社製のカルバロイ（Ｆｅ−Ｓｉ系）を用い注湯流接種を行った。注湯後１時間してから砂型をばらし鋳鉄材を取り出した（鋳造工程）。製造された鋳鉄材のカーボン（Ｃ）含有量は２ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）含有量は４ｗｔ％である。鋳鉄材中の黒鉛粒子は球状黒鉛である。鋳鉄材のマトリックス組織はフェライトであり、マトリックス組織にはＦｅ３Ｓｉ結晶が含まれている。
【００３７】
その鋳鉄材を切削で丸棒に加工し、丸棒の断面積が減面率で５０％になるようにスエージ処理を行った（スエージ工程）。その後、丸棒からプランジャ５に加工した。プランジャ５は外径１０ｍｍ、長さ１８ｍｍの円柱形状である。なお、減面率は丸棒の初期の断面積がスエージ処理により減少した割合で定義される。
【００３８】
このプランジャ５を、その長さ方向に１２Ｔの磁場を印加しながら７５０℃で１時間保持後、水中へ投入し急冷し、磁場熱処理した（熱処理工程）。
【００３９】
こうして製造されたプランジャ５を使用して図１のソレノイドを製造した。使用した第１ヨーク１と第２ヨーク２は純鉄（Ｃ：０．０２ｗｔ％含有）を使用し、その互いに対向する先端部の外径は１３ｍｍ、内径は１０ｍｍである。第１ヨーク１と第２ヨーク２間の隙間は４ｍｍである。ボビン１０の外径は２２ｍｍである。コイル部４は、径φ０．２５のコイルが３００ターン巻かれている。
【００４０】
評価は、シャフト６をロードセルに連結し、コイル部４に電流を０．７Ａ流し、ロードセルにてシャフト６が吸引される力すなわちプランジャ５に働く吸引力を測定して行った。
【００４１】
（実施例２〜４）
カーボンおよびシリコンの含有量が表１の値になるように実施例１と同様にして鋳鉄材を製造した。この鋳鉄材を実施例１と同様に丸棒に加工し、スエージ処理した。この丸棒から実施例１と同様にプランジャ５に加工した後、磁場熱処理した。このプランジャ５を使用して実施例１と同様にソレノイドを製造し、評価した。
【００４２】
（実施例５）
カーボンおよびシリコンの含有量がそれぞれ３ｗｔ％になるように実施例１と同様にして鋳鉄材を製造した。この鋳鉄材を実施例１と同様に丸棒に加工し、スエージ処理した。この丸棒から実施例１と同様にプランジャ５に加工した。その後、このプランジャ５を、その長さ方向に１Ｔの磁場を印加しながら７５０℃で１時間保持後、水中へ投入し急冷し、磁場熱処理した（熱処理工程）。このプランジャ５を使用して実施例１と同様にソレノイドを製造し、評価した。
【００４３】
（実施例６〜９）
カーボンおよびシリコンの含有量が表１の値になるように実施例１と同様にして鋳鉄材を製造した。実施例６〜９の鋳鉄材の成分は、それぞれ実施例１〜４と同じである。この鋳鉄材を実施例１と同様に丸棒に加工し、スエージ処理した。この丸棒から実施例１と同様にプランジャ５に加工した。その後、このプランジャ５を、磁場を印加せずに７５０℃で１時間保持後、水中へ投入し急冷し熱処理した（熱処理工程）。このプランジャ５を使用して実施例１と同様にソレノイドを製造し、評価した。
【００４４】
（比較例１〜４）
カーボンおよびシリコンの含有量が表１の値になるように実施例１と同様にして鋳鉄材を製造した。比較例１〜４の鋳鉄材の成分は、それぞれ実施例１〜４と同じである。この鋳鉄材から実施例１と同様のプランジャ５に加工し、実施例１と同様にソレノイドを製造し、評価した。比較例１〜４ではスエージ処理も熱処理も行っていない。
【００４５】
（比較例５、６）
カーボンおよびシリコンの含有量が表１の値になるように実施例１と同様にして鋳鉄材を製造した。比較例５、６の鋳鉄材の成分は、それぞれ実施例２、４と同じである。この鋳鉄材から実施例１と同様のプランジャ５に加工した。その後、このプランジャ５を、磁場を印加せずに７５０℃で１時間保持後、水中へ投入し急冷し熱処理した（熱処理工程）。このプランジャ５を使用して実施例１と同様にソレノイドを製造し、評価した。比較例５、６では熱処理しているがスエージ処理を行っていない。
【００４６】
（評価結果）
表１に評価結果を、鋳鉄材成分、処理条件とともに示した。
【００４７】
【表１】
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実施例１〜９は比較例１〜６に比べて吸引力が大きい。いずれも形状が同じであるので、本発明の磁気回路部材は単位面積当たりの吸引力が大きくなっている。すなわち本発明の磁気回路部材は磁気特性が優れている。
【００４８】
実施例１〜９では、スエージ処理により鉄系材料中の黒鉛粒子がつぶされて延ばされ、ソレノイドで、黒鉛粒子の長手方向に磁束が通るように配置されているので、磁束が通る方向の黒鉛粒子の断面積を小さくなる。黒鉛粒子は磁束の流れの阻害物として働くので、黒鉛粒子の断面積を小さくなると、吸引力に対し磁束が有効に働くため、大きな吸引力が得られたものである。またスエージ処理により鉄系材料の結晶粒もつぶされて棒材の長さ方向に延ばされる。ソレノイドで、この結晶粒が延びた方向を磁束が通る方向としているので、渦電流損失が小さくなり、サイドフォース（横力）が減り、吸引力を大きくする方向に作用したと考えられる。なお、熱処理はスエージ処理により鉄系材料の結晶粒に生じた歪を除去する効果がある。
【００４９】
実施例の中でも磁場熱処理した実施例１〜５の吸引力が大きい。その中でも大きな磁場を印加して磁場熱処理した実施例１〜４の吸引力が大きい。磁場熱処理により磁場印可方向への黒鉛粒子が優先的に晶出するので、スエージ処理だけに比べてさらに黒鉛粒子が一方向に延ばされた形状になり、磁束が通る方向の黒鉛粒子の断面積をさらに小さくできるため、単位断面積当たりの吸引力を大きくできる。また磁場熱処理により鉄系材料の結晶粒の異方性化を促進され、マトリックス組織の結晶構造が磁化容易方向になると同時に軸区も並ぶと考えられる。これも吸引力を大きくする方向に作用したと考えられる。
【００５０】
図２は実施例１の組織写真で、図３は実施例６の組織写真である。この組織写真はスエージ加工方向に直交する切断面の光学顕微鏡写真である。黒い部分が黒鉛粒子である。図３でわかるようにスエージ加工方向に直交する方向に黒鉛粒子が延びた形状となっている。また図２でわかるようにスエージ加工方向に直交する方向および磁場印加方向に黒鉛粒子が延ばされた形状となっている。図２の黒鉛粒子の方が図３より延びた形状となっている。なお、スエージ加工方向とはスエージ処理によって断面積が減少する方向である。
【００５１】
一方、比較例の中では熱処理を行った比較例５、６の吸引力が大きいが、実施例に比べてかなり小さな値である。図４は比較例１の組織写真で、図２や３と同様の光学顕微鏡写真である。黒鉛粒子は球状であり、長柱状の形状ではない。このため磁束が通る方向の黒鉛粒子の断面積が大きく、実施例より小さな吸引力しか得られなかった。
【００５２】
なお、実施例では鋳鉄系材料で説明したが、黒鉛粒子が存在している鉄系材料であればよい。鉄系材料中のカーボンの含有量は２．０〜４．０ｗｔ％であることが好ましい。カーボンの含有量が２．０ｗｔ％より小さいと、凝固が早く起こるため鋳造温度を高くしなければならず鋳造しにくくなる恐れがある。カーボンの含有量が４．０ｗｔ％より大きいと、黒鉛粒子がつながり強度低下やクラック発生の恐れがある。さらに好ましくは、鉄系材料中のカーボンの含有量が２．０〜３．０ｗｔ％であるとよい。
【００５３】
鉄系材料が鋳鉄系材料であれば、砂型や金型を用いて鋳造でき、３次元形状の製品が比較的容易にできる。鋳鉄系材料でもマトリックス組織がフェライトであると軟磁性特性に優れるので好ましい。すなわち、透磁率を高くし、保持力を下げることができる。鋳鉄系材料中の黒鉛粒子は、球状黒鉛でも片状黒鉛でもＣＶ状黒鉛でもよいが、球状黒鉛であればスエージ処理により黒鉛粒子が一方向に引き延ばされやすいので好ましい。
【００５４】
スエージ処理は減面率が３０〜９０％であることが好ましい。３０％より小さいと黒鉛粒子や鉄系材料の結晶粒が引き延ばされる効果が小さいので、吸引力を十分大きくできない。９０％より大きいと、材料にクラックが発生する恐れがある。より好ましくは減面率が４０〜６０％であるとよい。
【００５５】
熱処理温度は６５０℃〜７９０℃が好ましく、さらに好ましくは７００〜７５０℃がよい。熱処理温度が６５０℃より低いと残留応力除去が不十分となる恐れがある。熱処理温度が７９０℃より高いと伸びたマトリックス組織が粒成長し球状になり異方性を失う恐れがある。熱処理温度が７９０℃以下で行うと、伸びたマトリックス組織の形状を保ちつつ残留応力を除去できるため、さらに吸引力を上げることができる。
【００５６】
磁場熱処理を行う場合、磁場の強さは０．５Ｔ以上が好ましい。さらに好ましくは５Ｔ以上、１０Ｔ以上がよい。磁場の強さは大きいほど黒鉛粒子を延ばすことができるので好ましい。しかし強い磁場を印加するための装置が高価になるため、これによって製造された磁気回路部材が高価になるので、コスト上の限界がある。
【００５７】
実施例では、鋳造材料を切削で丸棒に加工しているが、精密鋳造にて目的とする形状に近づけ、切削加工レスでスエージ処理を行うことができる。また実施例ではソレノイドを製造して評価しているが、モータ用コア、交番磁場を用いた鉄心（変圧器鉄心など）など、自動車、家電、産業機器などの磁気回路を構成する部材に広く使用可能である。実施例ではソレノイドのプランジャに本発明を適用しているが、ヨークにも適用できる。
【００５８】
（付記）
本発明には以下の技術的思想も含まれている。
【００５９】
・黒鉛粒子が存在している鉄系材料をスエージ処理するスエージ工程と、該スエージ工程処理後に前記鉄系材料を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。
【００６０】
・黒鉛鋳鉄を鋳造する鋳造工程と、該黒鉛鋳鉄をスエージ処理するスエージ工程と、該スエージ工程処理後に前記黒鉛鋳鉄を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。
【００６１】
・球状黒鉛鋳鉄を鋳造する鋳造工程と、該球状黒鉛鋳鉄をスエージ処理するスエージ工程と、該スエージ工程処理後に前記球状黒鉛鋳鉄を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。
【００６２】
・鉄系材料をスエージ処理した鉄系部材を用意し、該鉄系部材を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。
【００６３】
・鉄系材料をスエージ処理するスエージ工程と、該スエージ工程処理後に前記鉄系材料を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、黒鉛粒子が存在している鉄系材料からなる磁気回路部材において、前記黒鉛粒子が長柱状であり、前記黒鉛粒子の長手方向が磁束が通る方向に並んでいることを特徴とする磁気回路部材または黒鉛粒子が存在している鉄系材料をスエージ処理した鉄系部材を用意し、該鉄系部材を熱処理する熱処理工程が設けられていることを特徴とする磁気回路部材の製造方法であるので、バルク材を用いた、単位面積当たりの吸引力が大きな磁気回路部材を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ソレノイドを模式的に説明する断面図
【図２】実施例１の組織写真
【図３】実施例６の組織写真
【図４】比較例１の組織写真
【符号の説明】
１…第１ヨーク
２…第２ヨーク
５…プランジャ（磁気回路部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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