(57)【要約】【課題】高強度と優れた磁気特性の両方が要求される部品への使用に適した電磁部品用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。【解決手段】重量比にして、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：１．５０〜３．００％、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：９．０〜１４．０％、Ｍｏ：１．５０以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ焼入れ焼もどし処理後の残留オーステナイト量が１０％以下であることを特徴とする高強度電磁部品用マルテンサイト系ステンレス鋼。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比にして、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：１．５０〜３．００％、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：９．０〜１４．０％、Ｍｏ：１．５０以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ焼入れ焼もどし処理後の残留オーステナイト量が１０％以下であることを特徴とする高強度電磁部品用（但し、トルクセンサ軸材への適用は除く。）マルテンサイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆磁歪効果を利用して、引張力、圧縮力を測定するセンサに用いられる構造部品、ガソリン等の燃料、油圧を利用した機械装置に使用する油、天然ガス等の流体の流通を制御する各種電磁弁などで、軟磁気特性と高強度の両立が必要とされ、かつ耐食性が要求される電磁部品の素材（但し、トルクセンサ軸材への適用は除く。）としての使用に適したマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小さい磁場の負荷により容易に磁化され、大きな磁束密度が得られるとともに、低保磁力の軟磁性材料は、その優れた磁気特性を活かして、現在多種類の用途に使用されている。
【０００３】
例えば、外力を加えた際に透磁率が変化するという性質（逆磁歪効果）を利用すると、引張力、圧縮力といった外力を測定するセンサを製造することができる。逆磁歪効果を利用して外力を測定するには、当然の如く測定する外力を直接センサで受けなければならないため、その際に塑性変形することのない強度が必要となる。そして、このようなセンサにおいても、小型軽量化のニーズは非常に大きく、外力を受ける部品に使用される材料の高強度化を図る必要がある。
【０００４】
また、前記センサは外力が負荷された際に外力を受けた部品に使用されている材料の透磁率の変化を電気回路により出力に変換して、その大きさを測定している。従って、使用される材料は、大きな透磁率の変化が得られる優れた磁気特性を有していることが必須となる。さらに、磁気特性は、表面に銹等が生成した場合も大きく変化する。従って、逆磁歪効果を利用して、長期間安定して高精度を維持できるセンサを製造するためには、ある程度優れた耐食性を有していることが不可欠となる。
【０００５】
また、軟磁性材料は、逆磁歪効果を利用したセンサ以外でも使用されており、広く知られているものに、油圧を利用した機械装置や自動車の燃料噴射装置等で使用されている電磁弁の構造部品である固定子、可動子、ハウジングがある。そして、この固定子と可動子の周囲には、コイルが配設された構造となっており、さらに、コイルの外側をハウジングが取り囲む構造になっている。このような構造からなる電磁弁のコイルに通電すると、固定子が磁化され、その磁力によって可動子を吸引する。ここで、可動子は、ばね等の力で固定子から離れる方向に力が負荷されているため、コイルへの通電をＯＮ／ＯＦＦすることにより、可動子が直線運動することになり、弁の開閉が行われる。従って、これらの構造部品には、磁場に対する応答性が要求されるため、従来、保磁力が低く、高い磁束密度が得られるフェライト系の軟磁性ステンレス鋼が使用されている。また、この材料には、通常、加工コストを下げるために冷鍛性が要求され、冷鍛性、磁気特性が共に優れたフェライト系ステンレス鋼が多数開発されており、例えば特許文献１〜３に示される鋼が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−４９６０５号公報
【特許文献２】
特開平６−４９６０６号公報
【特許文献３】
特開平７−７０７１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した鋼には、以下の問題がある。
従来、磁気特性が優れるとして提案され、使用されている軟磁性（低保磁力、高磁束密度、高透磁率）ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼であって、磁気特性は確かに非常に優れている［１５９０Ａ／ｍ（＝２０Ｏｅ）の磁場で１．２Ｔ（＝１２０００Ｇ）以上］が、硬度が低い。
【０００８】
従って、逆磁歪効果を利用したセンサに用いた場合、出力電圧、ヒステリシス等、磁気特性による影響が大きい評価項目では抜群の値を示すことが期待できるものの、外力を受ける部品の小型、軽量化を図ることが困難であるという問題がある。
【０００９】
また、前記した鋼を電磁弁の構造部品として用いた場合には、以下の問題がある。
すなわち、電磁弁においては、当然の如く油等の流体を通過させる孔を有した弁座部品が必ず存在する。そして、前記した通り、電磁弁内に配設したコイルに電流を通電し、固定子を磁化させ、その磁力によって可動子が直線運動し、可動子と接合された弁部品により、弁座部品の孔を開閉することで、流体の通過量を制御し、油圧を制御したり燃料の供給量を調整したりしている。
【００１０】
従って、この電磁弁の各部品のうち、弁部品と孔の形成された弁座部品は、開閉が繰り返される度に互いに接触して大なる衝撃が負荷されるため、高硬度と優れた耐摩耗性が要求される。これに対し、従来から磁気特性が優れるとして使用されてきたフェライト系の軟磁性ステンレス鋼は、前記したように硬度が低く、優れた耐摩耗性が得られないため、弁部品や弁座部品には使用できない。そのため、このように、高硬度が必要とされる部品には、ＳＵＳ４４０Ｃ等のマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されている。
【００１１】
ここで、弁部品、弁座部品自身は、勿論硬度が高く、耐摩耗性が優れ、かつ燃料等と接触した場合に腐食されない耐食性を有していれば良く、優れた軟磁気特性は要求されない部品である。しかし、現在実際に使用されている電磁弁の中には、例えば弁座部材と隣接する部位が、磁場を負荷した際に、磁力線が通過しなければならない部位に位置している場合があり、この場合には、磁気ループ形成のために、その位置に使用される部品には、ある程度優れた磁気特性が要求される。そして、同時にこの部品と、前記弁座部品とを、構造上溶接等で一体化しなければならないことがある。
【００１２】
しかしながら、現状、高硬度と優れた磁気特性を両立できるステンレス鋼が開発されていないため、このような場合には、前記したように、弁座部品とその隣接する部位の部品とを別々の材料で製造して後から溶接により接合することとなり、部品数が増加して溶接箇所等が増加し、構造が複雑になるという問題があった。
【００１３】
勿論、従来から硬度が高いほど優れた磁気特性を得るのが困難となることはよく知られており、高硬度と優れた磁気特性を両立させることが困難なことは言うまでもない。しかしながら、ＳＵＳ４４０Ｃ等、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と比較して、ある程度優れた磁気特性が得られれば、可動子と弁部品又はハウジングと弁座部品等を一体化して、部品数や溶接箇所の低減が可能になる可能性があり、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と比較して同等の高硬度を確保しつつ、優れた磁気特性の得られる材料開発が強く望まれていた。
【００１４】
本発明は、以上説明した課題を解決するために成されたもので、従来鋼に比べ同一の強度で比較した場合に、得られる磁気特性を大幅に改善することができ、耐食性にも優れた高強度電磁部品用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、重量比にして、Ｃ：０．１５〜０．４５％、Ｓｉ：１．５０〜３．００％、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：９．０〜１４．０％、Ｍｏ：１．５０以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり、かつ焼入れ焼もどし処理後の残留オーステナイト量が１０％以下であることを特徴とする高強度電磁部品用（但し、トルクセンサ軸材への適用は除く。）マルテンサイト系ステンレス鋼である。
【００１６】
本発明は、以下の考え方の結果により得られたものである。
（１）得られる硬度は焼もどし温度の調整によって、最高でＨｖ５００以上の硬さが得られるようにするためにＣを適量添加するとともに、固溶強化による焼入れ後の硬さ向上を図るためＳｉを多量に添加する。但し、Ｃの添加は磁気特性の低下につながるため、要求される硬さに合わせてできるだけ添加量を抑制する。
【００１７】
（２）Ｓｉは磁気特性を改善し、焼入れ後の硬さを上昇させるため、ＪＩＳＧ４３０３に規定されているマルテンサイト系ステンレス鋼に比べ多量に添加する。
【００１８】
（３）耐食性を付与するためにＣｒが必須であるのは勿論であるが、Ｃｒは磁気特性を低下させるため、上限を１４％以下に抑える。もし、耐食性が不足する場合は、Ｍｏを少量添加して改善を図る。
【００１９】
（４）焼入れ焼もどし後に存在する残留オーステナイトは、当然のごとく非磁性であるため、多量に存在すると同じ強さの磁場を負荷した場合に得られる磁束密度が低下する。特に高硬度領域で使用する場合には、得られる磁束密度が低いため、多量の残留オーステナイトの存在は致命的となる。従って、残留オーステナイトが１０％を超える場合には、サブゼロ処理を実施して、残留オーステナイトの低減を図る。残留オーステナイトが１０％以下の場合であっても、要求される磁気特性に応じて必要と判断される場合には、サブセロ処理を実施して、磁気特性の向上を図る。
【００２０】
（５）得られる磁気特性のレベルは、硬さが高くなるほど低下する。従って、要求される硬さと磁気特性のレベルに合わせて適した硬さ、磁気特性が得られるように、焼もどし温度を調整する。
【００２１】
次に本発明の化学成分の限定理由について述べる。
Ｃ：０．１５〜０．４５％
Ｃは、固溶強化により焼入れ硬さを向上するための必須元素であり、焼入焼もどし後にＨｖ５００以上の硬さを得ることを可能にするために、下限を０．１５％とした。しかし、その含有量が増加すると、磁気特性が劣化して従来鋼に比べ磁束密度を改善することが難しくなるため、その上限を０．４５％とした。優れた磁気特性を得るためには、狙いの硬さが得られる範囲内で、低減した方が良いことは前記した通りである。
【００２２】
Ｓｉ：１．５０〜３．００％
Ｓｉは、鋼の製造時に脱酸剤として有効な元素である。また、最大透磁率などの磁気特性と、焼入れ硬さの両方を改善する元素であるため、本発明にとって最も重要な元素である。従って、ＪＩＳＧ４３０３で規定されているマルテンサイト系ステンレス鋼に比べ多量に添加する必要があり、その下限を１．５０％とした。しかし、多量に添加しすぎると、フェライトが生成し、焼入れ性を損ない、かつ熱間加工性が劣化するので、その上限を３．００％とした。
【００２３】
Ｍｎ：１．００％以下
Ｍｎは、鋼の製造時に脱酸剤として必要な元素であるが、その含有量が多くなると、熱間加工性を損なうため、その上限を１．００％とした。
【００２４】
Ｃｒ：９．０〜１４．０％
Ｃｒは、優れた耐食性を確保するための必須元素であり、最低でも９．００％以上、より好ましくは１０．０％以上の含有が必要である。しかしながら、Ｃｒは、耐食性向上に効果のある反面、含有率が増加すると、磁束密度など磁気特性を劣化させるとともに、Ｓｉと同様にフェライトが生成し、焼入れ性を損なうため、その上限を１４．０％とした。好ましくは上限を１３．０％とするのが良い。
【００２５】
Ｍｏ：１．５０％以下
Ｍｏは、耐食性を改善することができる元素であり、前記したＣｒの添加に加えて必要に応じ添加することができる。また、Ｍｏは固溶強化により焼入れ硬さを増加させる効果もある。但し、多量の添加は熱間加工性を低下させるとともに、Ｓｉと同様にフェライトが生成し、焼入れ性を損なう原因となるため、上限が１．５０％の範囲内で添加できることとした。
【００２６】
その他で含有する元素としては、請求の範囲には記載していないが、製造上不可避に含有する元素である、Ｓ、Ｎと、脱酸元素として使用されるＡｌがある。このうち、Ｓ、Ｎは不純物として、Ｓが０．０３０％以下、Ｎが０．０２％以下程度含有するが、共に磁気特性を低下させる元素であり、本発明では製造性を考慮して、不純物として不可避に含有する範囲に限り、その含有を許容するものとした。
【００２７】
また、Ａｌについては、脱酸元素であり、脱酸のために使用する場合には、０．０２０％以下程度の含有を許容するものとする。
次に化学成分以外の項目に関し、その限定理由について説明する。
【００２８】
残留オーステナイト量：１０％以下
本発明鋼は、圧延して製造された鋼材を焼入れ焼もどし処理して使用される。しかしながら、この焼入れ焼もどし後において、オーステナイトが若干量残留する場合がある。残留オーステナイトは、当然のごとく非磁性であり、磁気特性を大きく劣化させるため、その上限を１０％に規制した。但し、残留オーステナイトは、その量が少ないほど磁気特性が向上するので、５％以下に低減することが好ましい。
【００２９】
なお、残留オーステナイトは、従来から知られているように、室温より低い温度に冷却するサブゼロ処理により低減することができるので、その量が１０％を超える場合は、必ず実施して、磁気特性を改善してから使用することが必要である。また、残留オーステナイトが１０％未満であっても、必要に応じ実施することによって、磁気特性の改善を図ることができる。
【００３０】
次に、硬さの調整方法について説明する。
本発明鋼は、前記したように、高強度と優れた磁気特性の両立を可能とするマルテンサイト系ステンレス鋼の提供を可能にすることが目的である。しかしながら、高強度とは言ってもその要求されるレベルは、使用される目的により、大きく異なる。例えば、逆磁歪効果を利用したセンサに用いる場合には、前記した特許文献に記載のフェライト系ステンレス鋼に比べれば、はるかに高強度が要求されるものの、一方で磁気特性もかなり高いレベルが要求されるため、硬さはＨｖ３００〜４００程度として、１５９０Ａ／ｍ（＝２０Ｏｅ）の強さの磁場における磁束密度が、１Ｔ程度以上となるようにする必要がある。
【００３１】
それに対し、電磁弁の弁座部品のような優れた耐摩耗性が要求されるものの、磁気特性については最高レベルの状態が要求されないような場合には、得られる磁束密度が低くなっても、Ｈｖ５００以上の高硬度を得るために焼もどし温度を低めに調整する必要がある。
【００３２】
従って、使用する硬さは、部品毎の要求特性によって大きく変化するため、本発明では、特に限定しないこととした。但し、強度レベルは変化するといっても、前記したフェライト系の軟磁性ステンレス鋼のＨｖ１００台の強度レベルに比べればはるかに高強度（高硬度）であり、含有する成分によっても変動するが、焼もどし温度が２００℃でＨｖ６５０程度、焼もどし温度が７００℃でＨｖ３００〜３５０程度の硬さを得ることができる。
【００３３】
【実施例】
以下に、本発明鋼の特徴を比較鋼および従来鋼と比較して実施例により説明する。表１は、後述する評価のために使用した供試材の化学成分を示すものである。
【００３４】
【表１】
2005008969.tif 000002
【００３５】
表１において、Ａ〜Ｄは本発明鋼、Ｅ〜Ｇは一部の成分が本発明の範囲外である比較鋼であり、Ｈ〜Ｊは従来鋼であり、ＨはＳＵＳ４４０Ｃ、ＩはＳＵＳ４１０、ＪはＳＵＳ４２０Ｊ１である。
【００３６】
表１の供試材は、それぞれの成分からなる圧延鋼材を準備し、熱処理後に残留オーステナイト量、硬さ、磁気特性、耐食性を後述の方法により評価し、電磁部品として適した性能が得られるかどうかの確認を行った。
【００３７】
熱処理は、いずれも１０５０℃にて３０分保持後、油焼入れを行い、その後、−８０℃にて１時間のサブゼロ処理を実施した。このサブゼロ処理は、残留オーステナイト量を出来るだけ低減する目的で実施したものである。但し、一部の供試材は、残留オーステナイト量の違いによる磁気特性への影響を正確に把握するため、サブゼロ処理を省略して、後述の評価を実施した。
【００３８】
焼もどし処理は、低温焼もどしと高温焼もどしの２条件とした。焼もどし条件を２条件に分けたのは、硬さによって得られる磁気特性が大きく変化するため、硬さを同程度になるよう調整しないと、公平な比較ができなくなってしまうことと、硬さレベルが変化しても本発明鋼が従来鋼に比べて優れているかどうかを正確に評価するためである。
【００３９】
低温焼もどしは、すべて２００℃にて１時間保持後、空冷とした。これにより得られる硬さはＨｖ６５０程度である。また、高温焼もどしは、焼もどし後の硬さが、Ｈｖ３００〜３５０程度となるように供試材によって焼もどし温度を変更して実施した。加熱保持後の冷却は全て空冷で行った。
【００４０】
次に評価方法について説明する。
焼入れ焼もどし後の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折により、オーステナイトとマルテンサイトに起因する回折ピークの積分強度比から算出した。硬さは、ビッカース硬度計を用いて測定した。
【００４１】
磁気特性については、試験片として、外径２４ｍｍ、内径１６ｍｍ、高さ１６ｍｍのリング試験片を作製後、上述の熱処理を施し、直流磁気測定装置を用いて、±１５９２０Ａ／ｍ（＝±２００Ｏｅ）の範囲で磁場の強さを変化させてＢ−Ｈ曲線を測定し、その曲線から保磁力、磁場１５９０Ａ／ｍ（＝２０Ｏｅ）、１１９４０Ａ／ｍ（＝１５０Ｏｅ）における磁束密度を求めるという方法で測定した。但し、１１９４０Ａ／ｍにおける磁束密度の測定は、低温焼もどしの場合のみについて実施した。
【００４２】
耐食性については、１％ＮａＣｌ水溶液を噴霧液として用い、雰囲気温度３５℃の条件で２４時間の塩水噴霧試験を行い、さび発生の面積率が１０％以下のものを○、１０％を超えるものを×として判定した。
以上説明した方法で評価した結果を表２（低温焼もどしの場合）、表３（高温焼もどしの場合）に示す。
【００４３】
【表２】
2005008969.tif 000003
【００４４】
【表３】
2005008969.tif 000004
【００４５】
表２、３から明らかなように、本発明鋼であるＡ〜Ｄ（試料番号１〜４、１０〜１３）は、比較鋼、従来鋼（試料番号５〜９、１４〜１９）に比較して、優れた磁気特性を有しつつ必要な耐食性が得られていることがわかる。
【００４６】
それに対し、比較鋼であるＥ鋼はＣｒ含有率が低いため、磁気特性は優れているが、耐食性が劣るものであり、Ｆ鋼はＣ含有率が高くてＳｉ含有率が低く、Ｇ鋼は、Ｓｉ含有率が低いため、どちらも磁気特性が劣るものである。また、従来鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０Ｊ１は、著しく磁気特性が劣るものである。
【００４７】
さらに、試料番号５、１４は、成分は本発明の範囲内であるが、サブゼロ処理を省略したため、１０％を超えるオーステナイトが残留した供試材であるが、Ｅ〜Ｈ鋼と同様に磁気特性が劣るものである。
【００４８】
なお、低温焼もどしの場合、本発明鋼では従来鋼に比べて優れた磁気特性が得られてはいるが、高温焼もどしの従来鋼に比べれば、保磁力、磁束密度共に劣るものである。しかしながら、前記した電磁部品の各部品を磁気特性、強度の２特性について要求レベルで分類すると、最高の磁気特性が要求されるが、強度はそれほど要求されない部品▲１▼と、磁気特性は並以上であれば良いが、強度はＨｖ５００程度以上が要求される部品▲２▼、磁気特性は部品▲１▼ほどではないが、かなり高いレベルが要求され、強度が部品▲１▼と部品▲２▼の中間である部品▲３▼とに分類される。
【００４９】
これに対し、従来の軟磁性ステンレス鋼は部品▲１▼にしか使用できず、部品▲２▼に適した材料はＪＩＳのマルテンサイト系ステンレス鋼の中で最も適したもの、すなわちＳＵＳ４４０Ｃ等の高強度の得られる材料の中から選択するしかなかったのである。本発明は、部品▲２▼のような要求がされる場合に適用すると、従来鋼に比べ格段に優れた性能を発揮できるものであり、その効果は極めて大きいものである。
【００５０】
また、高温焼もどしにより得られる硬さがＨｖ３００〜３５０という強度レベルも、従来非常に多くの特許が出願されてきたフェライト系の軟磁性ステンレス鋼に比べればかなり高強度である。本発明鋼は、Ｈｖ３００〜３５０の硬度域であれば、前記実施例から明らかなように、磁場１５９０Ａ／ｍにおける磁束密度１１０００Ｇ以上を得ることができ、従来の軟磁性ステンレス鋼ほどではないが、かなり近い磁束密度を得ることができる。従って、部品▲３▼のような要求がされる場合にも最適な材料を提供することができる。
【００５１】
【発明の効果】
従来活発に開発が行われ、多数の出願がされてきた軟磁性ステンレス鋼は、最高の磁気特性が得られる反面、強度が低く、高強度が要求される電磁部品には全く使用することができなかった。本発明鋼は、得られる強度が高い割に優れた磁気特性が得られるため、磁気特性、高強度の両方が要求され、かつ耐食性が要求される部品に対し、最適の材料を提供することができる。