(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．２０〜１．２０重量％、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ａｌ：１．０重量％以下、ならびに残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板母材の表面にＳｉＯ２層を有してなる電磁鋼板部品であって、ＳｉＯ２層を含む表層部におけるＳｉ含有量をＸ（重量％）、電磁鋼板母材中におけるＳｉ含有量をＹ（重量％）としたとき、Ｘ／Ｙが５．２〜１１．２であることを特徴とする電磁鋼板部品。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁鋼板部品を用いた電磁継電器。
【請求項３】
Ｓｉ：０．２０〜１．２０重量％、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ａｌ：１．０重量％以下、ならびに残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板母材をＨ２およびＨ２Ｏからなるガス雰囲気下、処理温度１１００〜１１５０℃で焼鈍することを特徴とする電磁鋼板部品の製造方法。
【請求項４】
焼鈍を保持時間３０〜４５分および露点３０〜４０℃で行う請求項３に記載の電磁鋼板部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁鋼板部品およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁継電器等の電磁製品に使用される電磁鋼板部品は、従来より、プレス加工された電磁鋼板母材を、磁気特性改善のための熱処理および電気特性改善のための防錆処理に供してなっている。特に、防錆処理が行われないと、耐候性が低下し錆が発生するため、良好な電気的導通を確保できず、電磁鋼板部品としての使用に耐えない。従って、部品の完成までには、熱処理および防錆処理の２つの処理工程が必要であるので、製造時間が非常に長くかかり、製造コストが問題となっていた。【０００３】
防錆処理としてはメッキ処理を行うのが一般的であり、詳しくは、最初に複数の部品を籠に入れ、その籠をメッキ液槽に浸漬させ、当該メッキ液槽の中で籠を回転させながら、メッキ処理を行う。しかしながら、籠を回転させることにより、籠内の部品同士が、衝突したり、絡み合ったりして、部品形状に影響を与えてしまう。特に、サイズの小さな部品は、形状変化した場合の影響が大きく、結果的に部品単体での不良率が大きくなる。たとえ、部品単体での不良に至らない場合でも、部品自体の寸法精度が低下するため、電磁継電器としての特性のバラツキが大きくなり、電磁継電器（製品）としての歩留まりが低下する。【０００４】
また、メッキ後の部品の磁気特性低下を最小限に抑える為に、メッキ材料には磁性体であるＮｉが使用されるのが一般的である。しかしながら、磁性体のＮｉメッキを選択したとしても、部品としての磁気特性が低下することは避けられない。そのため、当該部品をリレー等の電磁継電器における可動片、鉄片、ヨークとして使用する場合、動作電圧・復帰電圧が高くなり、電磁継電器としての性能面に悪影響を与える。【０００５】
さらに、可動片における摺動部においては、Ｎｉメッキが摺動磨耗し、Ｎｉメッキの磨耗粉の飛散が発生する。そのため、摺動部の摩擦抵抗が増大し、当該部品を用いた電磁継電器の動作電圧・復帰電圧が高くなり、電磁継電器の性能面に悪影響を与える。しかも、磨耗紛が接点に付着した場合には接触不良を引き起こす危険性がある。【０００６】
一方、特定の軟質磁性合金を露点０〜６０℃の雰囲気中で酸化焼鈍して表面にＦｅ系酸化皮膜を形成すると、Ｎｉメッキ処理を省略しても、耐候性を確保できることが報告されている（特許文献１）。しかしながら、上記のような技術でも、十分な耐候性は得られず、錆が発生し易い。
【特許文献１】特開平８−２０３７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、メッキ層を有しなくても、十分な耐候性および磁気特性を有する電磁鋼板部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、Ｓｉ：０．２０〜１．２０重量％、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ａｌ：１．０重量％以下、ならびに残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板母材の表面にＳｉＯ２層を有してなる電磁鋼板部品であって、ＳｉＯ２層を含む表層部におけるＳｉ含有量をＸ（重量％）、電磁鋼板母材中におけるＳｉ含有量をＹ（重量％）としたとき、Ｘ／Ｙが５．２〜１１．２であることを特徴とする電磁鋼板部品に関する。【０００９】
本発明はまた、上記電磁鋼板母材をＨ２およびＨ２Ｏからなるガス雰囲気下で焼鈍することを特徴とする電磁鋼板部品の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電磁鋼板部品は、メッキ層を有しなくても十分な耐候性を有する。
本発明においては、メッキ処理を省略できるので、以下の効果も奏する；
・製造コストを低減できる。
・部品単体を設計どおりの精度で製造できるため、部品単体での不良率を低減できるだけでなく、電磁継電器（製品）としての歩留まりも向上できる。
・メッキ層を有さず、一般に形成されるメッキ層厚み（５〜８μｍ）より顕著に薄いＳｉＯ２層を有するので、磁気抵抗が少なくなり、磁気特性に優れている。特に、本発明の部品を可動片として用いたリレー等の電磁継電器は動作電圧・復帰電圧を低減でき、電磁継電器の性能が向上する。例えば、Ｎｉメッキ層を有する部品の透磁率は８〜１０μｓであるのに対して、本発明の部品は０．５μｓ程度の高透磁率を達成する。
・本発明の部品を可動片として用いた場合、可動片における摺動部においては、メッキ層磨耗粉の発生がなく、摩擦抵抗が増大することがないので、電磁継電器の動作電圧・復帰電圧の上昇をより有効に防止でき、接触不良を引き起こすこともない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の電磁鋼板部品の表面近傍におけるＳｉ原子分布を示す模式図である。
【図２】本発明の電磁鋼板部品の深さ方向におけるＳｉ含有量変化を概略的に示すグラフである。
【図３】実施例で作製された試料のＸ線回折データである。
【図４】本発明の電磁鋼板部品を適用できるリレーの概略構成図である。
【図５】試料１２（本発明）の表層近傍における金属組織を示すＥＰＭＡによる組成像写真である。
【図６】試料１７の表層近傍における金属組織を示すＥＰＭＡによる組成像写真である。
【符号の説明】
【００１２】
１：ＳｉＯ２層、２：母材、１０：可動片、１０ａ：水平部、１０ｂ：垂下部、１０ｃ：摺動部、１１：コイル、１２：カード、１３：可動接触片、１４：可動接点、１５：固定接触片、１６：固定接点。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の電磁鋼板部品は特定の電磁鋼板母材の表面にＳｉＯ２層を有してなる。【００１４】
本発明において使用される電磁鋼板母材は、
Ｓｉ：０．２０〜１．２０重量％、好ましくは０．２５〜１．１０重量％；
Ｍｎ：１．０重量％以下、好ましくは０．０５〜０．５重量％；
Ａｌ：１．０重量％以下、好ましくは０．０１〜０．５０重量％；ならびに
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなっている。電磁鋼板母材はいわゆる方向性電磁鋼板又は無方向性電磁鋼板のいずれであってもよい。【００１５】
Ｓｉ含有割合が小さすぎると、ＳｉＯ２層が有効に形成されないので、耐候性が問題となる。Ｓｉ含有割合が大きすぎる場合は表面だけではなく、表面からやや深い部分に帯状のＳｉＯ２層が形成されやすいため、この帯状のＳｉＯ２層を含めた表面部分が剥がれやすく、十分な耐候性が得られないとともに、剥がれて発生した粉状あるいは片状物がＮｉめっきの磨耗粉と同様の悪影響を引き起こす危険性がある。【００１６】
ＭｎまたはＡｌの含有割合が大きすぎると、ＳｉＯ２層が有効に形成されないので、耐候性が問題になる。【００１７】
不可避的不純物は、本発明において含有されないことが好ましいが、混入が避けられない原子であって、電磁鋼板母材の製造に使用される原料および添加剤などに由来するものである。そのような不可避的不純物として、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓ等が挙げられる。【００１８】
不可避的不純物の含有割合は特に制限されるものではないが、通常は以下に示す通りである；
Ｎｉ：０．１重量％以下、特に０．０５重量％以下；
Ｃｒ：０．１重量％以下；
Ｃ：０．０２重量％以下；
Ｎ：０．０１重量％以下；
Ｐ：０．２重量％以下；
Ｓ：０．０１重量％以下。【００１９】
電磁鋼板母材の上記組成中、Ｃ、Ｎ、Ｓはガス分析にて測定された値であり、その検出限界値は０．００００１重量％である。Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐは化学分析またはそれに準じた機器分析（原子吸光、蛍光Ｘ線あるいはＩＣＰなど）にて測定された値であり、その検出限界値は０．００１重量％である。【００２０】
電磁鋼板母材の厚みは、得ようとする部品の用途に応じて適宜決定されればよく、例えば、０．５〜２．０ｍｍである。
電磁鋼板母材は通常は、後述の焼鈍処理に先立って、所定形状への加工および脱脂による清浄化が行われる。【００２１】
電磁鋼板母材表面のＳｉＯ２層は、前記電磁鋼板母材を特定の条件下で焼鈍することによって製造される。すなわち、Ｈ２およびＨ２Ｏからなるガス雰囲気下で、適切な処理温度と時間、電磁鋼板母材を保持することによって、焼鈍を行う。この処理温度と保持時間は、１１００〜１１５０℃、３０〜４５分が好適である。焼鈍を行うに際して、母材を常温から処理温度まで昇温させる間の昇温時間は特に制限されないが、通常は２０〜２００分が好ましい。また母材を処理温度から８０℃まで降温させる間の降温時間は、特に制限されないが、通常は２０〜２００分が好ましい。そのような焼鈍により、母材内部の機械的歪が除去されるとともに、母材中のＳｉ原子が優先的に母材表面にＳｉＯ２として析出して、ＳｉＯ２層が形成される。【００２２】
焼鈍を行うガス雰囲気のＨ２とＨ２Ｏとの混合割合は、本発明の目的が達成される限り特に制限はされないが、露点３０〜４０℃が好適である。
Ｈ２Ｏの混合割合が小さすぎると、ＳｉＯ２層が有効に形成されないので、耐候性が問題になる。逆にＨ２Ｏの混合割合が大きすぎると、形成されたＳｉＯ２層が剥離しやすくなるとともに、炉内結露が生じやすくなり、炉内雰囲気を不安定にしやすい。【００２３】
またガス雰囲気にＮ２、Ｏ２、Ａｒ、ＮＨ３等の他のガスが混合されると、ＳｉＯ２層が有効に形成されないため、耐候性が問題になる。【００２４】
ＳｉＯ２層の形成は、例えば、電磁鋼板部品試料を薄膜Ｘ線回折分析に供することによって確認できる。Ｘ線回折データにおいてＳｉＯ２のピークが明瞭に現れる（例えば、図３参照）。【００２５】
本発明は、本発明の目的が達成される限り、ＳｉＯ２層が上記母材組成として示したＳｉ以外の元素およびそれらの酸化物を含有することを妨げるものではない。ＳｉＯ２層の詳しい組成はＥＰＭＡ、例えば、（株）島津製作所製  ＥＰＭＡ１６００によって測定可能であるが、本発明においてＳｉＯ２層中のＳｉ、Ｏ以外の元素の各含有量は通常は当該測定装置の定量限界値未満であることが好ましい。上記測定装置の定量限界値は０．１重量％である。【００２６】
ＳｉＯ２層の厚みは、本発明の目的が達成される限り特に制限されるものではなく、例えば、０．０５〜０．５０μｍ、特に０．１０〜０．４０μｍである。
ＳｉＯ２層の厚みは、ＥＳＣＡによる測定とアルゴンイオンエッチング（エッチング深さ約１０ｎｍ）とを繰り返し行うことによって測定可能である。本発明においては、上記測定とエッチングを繰り返し行い、ＳｉＯ２層の終点を最表面のＯ強度の１／２と仮定することで、当該層の厚みを知見することができる。【００２７】
前記したように、ＳｉＯ２層は焼鈍により母材中のＳｉ原子が優先的に母材表面にＳｉＯ２として析出することによって形成され、当該ＳｉＯ２層のＳｉ原子の供給源は母材であるため、得られる電磁鋼板部品は深さ方向においてＳｉ含有量が母材組成よりも少ない部分が存在する。【００２８】
本発明の電磁鋼板部品は、上記したように、（１）表面にＳｉＯ２層を有すること、および（２）深さ方向においてＳｉ含有量が母材組成よりも少ない部分が存在することに基づいて、以下に示すようなＳｉ含有量分布を有するものと考えられる。【００２９】
電磁鋼板部品のＳｉ含有量分布について図１を用いて詳しく説明する。図１は電磁鋼板部品の表面近傍におけるＳｉ原子分布を示す模式図であり、黒点がＳｉ原子を意味する。電磁鋼板部品は表面にＳｉＯ２層１を有するため、図１に示すように、表面部分で黒点濃度が最も高くなっている。黒点濃度は、ＳｉＯ２層１から深さ方向に離れるに従って、次第に低くなり、その後再び上昇した後、母材組成２における黒点濃度を維持する。【００３０】
図１の電磁鋼板部品の深さ方向におけるＳｉ含有量変化を図２に示す。図２においてＳｉ含有量はＳｉＯ２層１の深さでは最大値を維持するが、表面から離れるに従って低下して最小値となる。その後は上昇に転じた後、母材組成における値を維持する。
図２に示すようなＳｉ含有量変化を示すグラフは、ＥＰＭＡによって作成可能である。【００３１】
本発明の電磁鋼板部品は、ＳｉＯ２層を含む表層部におけるＳｉ含有量をＸ（重量％）、電磁鋼板母材中におけるＳｉ含有量をＹ（重量％）としたとき、Ｘ／Ｙが５．２〜１１．２、好ましくは５．５〜１０．５、より好ましくは６．０〜１０．２である。そのようなＸ／Ｙ値を有する電磁鋼板部品はＳｉＯ２層を有するだけでなく、最適なＳｉ含有量分布を達成してＳｉＯ２層の耐剥離性が向上するため、十分な耐候性を発揮できると考えられる。すなわち、上記Ｘ／Ｙを有する電磁鋼板部品は深さ方向のＳｉ含有量分布においてＳｉＯ２層直下でのＳｉ含有量の変化が比較的緩やかなので、ＳｉＯ２層はその直下部のＳｉＯ２成分との結合を有効に達成でき、ＳｉＯ２層の耐剥離性が向上するものと考えられる。【００３２】
Ｘ／Ｙが小さすぎたり、または大きすぎたりすると、所望の耐候性が得られない。
Ｘ／Ｙが小さすぎる場合に耐候性が悪い理由として以下の理由が考えられる。
・微視的に見てＳｉＯ２層が形成されない部分が生ずる。
・欠損部のないＳｉＯ２層が形成されたとしても、表層部におけるＸが小さすぎるため、Ｓｉ含有量分布においてＳｉＯ２層直下でのＳｉ含有量が急激に減少する。そのため、ＳｉＯ２層がその直下部のＳｉＯ２成分との結合を有効に達成できず、ＳｉＯ２層が剥離し易い。【００３３】
Ｘ／Ｙが大きすぎる場合に耐候性が悪い理由として以下の理由が考えられる。
・表層部におけるＸが大きすぎると、ＳｉＯ２層が厚くなる。このことは、当該ＳｉＯ２層の形成に供給された母材中のＳｉ原子が多くなり、Ｓｉ含有量が母材組成よりも少ない部分が広く生成されることを意味する。その結果、ＳｉＯ２層とその直下部との間でＳｉ含有量の差が顕著に大きくなり、Ｓｉ含有量分布においてＳｉＯ２層直下でのＳｉ含有量が急激に減少する。そのため、ＳｉＯ２層がその直下部のＳｉＯ２成分との結合を有効に達成できず、ＳｉＯ２層が剥離し易い。【００３４】
ＳｉＯ２層を含む表層部におけるＳｉ含有量（Ｘ）は、前記した（株）島津製作所製  ＥＰＭＡ１６００を用い、加速電圧１５ｋＶ、分析面積径１００μｍにて得られた値を用いている。そのような測定方法および測定条件で測定される表層部は電磁鋼板部品表面から深さ約３μｍまでの部分である。なお、ＳｉＯ２層の厚みは前記した通りであるが、ＳｉＯ２層の形成に供給されるのは母材中のＳｉ原子であること、および母材中のＳｉ含有量は前記した範囲内であることなどの技術的な理由から、ＳｉＯ２層の厚みが当該表層部の厚み以上となることはない。【００３５】
電磁鋼板母材中におけるＳｉ含有量（Ｙ）は、焼鈍処理前において電磁鋼板母材のＳｉ含有量を予め測定することによって得ても良いし、また処理後に得られた電磁鋼板部品において、表面から深さ約３０μｍの範囲を除いた部分を測定することによって得ても良い。電磁鋼板部品から母材のＳｉ含有量を測定する場合において、測定除外部分の深さは上記値に限定されるものではなく、母材組成が残っている深さであればよい。いずれの場合においても、測定は前記した電磁鋼板母材組成と同様の測定方法を採用すればよい。【００３６】
本発明の電磁鋼板部品はリレー等の電磁継電器等に使用される部品として有用である。
以下、本発明の電磁鋼板部品をリレーの可動片として使用する場合について図４を用いて簡単に説明する。【００３７】
図４は基本的な構造を有するリレーの概略構成図である。図４においてコイル１１に電圧が印加されると、可動片１０の水平部１０ａはコイル１１に吸引される。それに伴い、可動片１０の垂下部１０ｂは摺動部１０ｃを支点に回動し、カード１２を介して可動接触片１３を押圧し、該可動接触片１３の可動接点１４と固定接触片１５の固定接点１６との接触が確保される。一方、コイル１１への電圧の印加が停止されると、可動接触片１３のバネ力により、可動接点１４が固定接点１６から解離され、可動片１０の垂下部１０ｂが押し戻される。それに伴い、可動片１０の水平部１０ａは摺動部１０ｃを支点に回動し、コイル１１から離れる。【００３８】
このようなリレーにおいて、例えば、可動片は長期にわたって摺動部を支点に回動するので、優れた磁気特性だけでなく、優れた耐候性および耐摩耗性が要求される。そのような可動片として本発明の電磁鋼板部品を用いると、上記要求は満たされ、さらに動作電圧・復帰電圧を有効に低減できる。
【実施例】
【００３９】
表１に示す組成をもつ厚み約１ｍｍの電磁鋼板母材を、５ｍｍ×２０ｍｍ寸法に打ち抜き、炭化水素系洗浄剤にて表面を脱脂して清浄化した。その後、表２に示す条件下で焼鈍を行った。【００４０】
【表１】
0004669515.tif 000002
【００４１】
【表２】
0004669515.tif 000003
【００４２】
得られた試料を、以下の項目について評価した。
（表面組成）
試料の表層部の組成を、前記した（株）島津製作所製  ＥＰＭＡ１６００を用い、加速電圧１５ｋＶ、分析面積φ１００μｍにて測定した。
また試料の薄膜Ｘ線回折分析を行った。試料３〜５および１１〜１４、１７においては、明瞭なＳｉＯ２ピークが現れ、Ｆｅ系酸化物の存在は認められなかった。例えば、試料３および１１のデータを図３に示す。【００４３】
（耐候性）
耐候性はプレッシャークッカー試験にて評価した。詳しくは、温度１２５℃、相対湿度８５％および絶対圧力２ａｔｍの条件下で試料を２０時間保持し、表面の変色度合いに基づいて以下の基準で判断した。
○；変色は全くなかった；
△；変色したが、軽微であった；
×；変色が顕著であった。【００４４】
磁気特性は保磁力にて評価した。保持力はＴＯＨＯＫＵ  ＳＴＥＥＬ社製Ｋ−ＨＣ１０００によって測定した。
以下の方法で作成されるような従来のＮｉメッキ層を有する試料では、保持力は０．７６Ｏｅであった。露点−５０℃のＨ２雰囲気下、８５０℃で６０分間、電磁鋼板母材２を保持することによって焼鈍を行った。得られた試料に厚み５μｍのめっき層を形成した。【００４５】
（表面直下の帯状Ｓｉ酸化物層の有無）
試料表層部の断面をＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザ）で観察し、「表面直下の帯状Ｓｉ酸化物層」の有無を判断した。表面直下に帯状Ｓｉ酸化物層が存在すると、当該層より表面側が剥離しやすくなる。そのため、たとえ最表面にＳｉＯ２層を有し、初期の耐候性が良好であったとしても、長期の使用による剥離によって耐候性が低下し、十分な耐候性が得られない。
試料１２および試料１７のＥＰＭＡによる組成像写真をそれぞれ図５および図６に示す。なお、試料断面を得るための切断および研磨によって生ずる、試料表層断面部の欠損等を防止する目的で、切断前の試料に厚さ１〜５μｍ程度のＡｌ保護層を蒸着で形成した。
帯状Ｓｉ酸化物層は、図５において表面直下に存在しないのに対して、図６においては表層直下に存在することは明らかである。図５、図６において最表面にはＳｉＯ２層が存在している。【００４６】
【表３】
0004669515.tif 000004
【図１】
0004669515.tif 000005
【図２】
0004669515.tif 000006
【図３】
0004669515.tif 000007
【図４】
0004669515.tif 000008
【図５】
0004669515.tif 000009
【図６】
0004669515.tif 000010