(57)【要約】【課題】高い磁束密度を具えるとともに、結晶粒の粗大化を防止することができ、しかも得られる焼結体において結晶粒を制御することが可能な高強度の焼結軟磁性材料を提供すること。【解決手段】主たる成分としての鉄（Ｆｅ）ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料において、該焼結軟磁性材料が、内部に分布した結晶粒界を有し、その結晶粒界に析出した、１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の炭化物、窒化物、硫化物又はその混合物からなる粒子をさらに含んでなるように構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主たる成分としての鉄（Ｆｅ）ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料であって、
該焼結軟磁性材料は、内部に分布した結晶粒界を有し、その結晶粒界に析出した、１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の炭化物、窒化物、硫化物又はその混合物からなる粒子をさらに含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料。
【請求項２】
前記結晶粒微細化金属元素は、チタン、ニオブ、マンガン、硫黄、アルミニウム又はこれらの金属の合金からなる群から選ばれる一員である、請求項１に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項３】
前記結晶粒微細化金属元素は、該焼結軟磁性材料中に含まれる鉄（Ｆｅ）の全量を基準にして０．２０〜０．６５重量％の量で含まれる、請求項１又は２に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項４】
焼結軟磁性材料を構成する結晶粒は、２０〜１００μｍの結晶粒径を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項５】
焼結後の結晶粒の粗大化率を光沢面積率で評価したときに光沢面積率が０％であり、かつ４点曲げ強度が少なくとも７００ＭＰａである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項６】
焼結後にさらに、高められた温度下で熱処理されたものである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項７】
前記熱処理後の光沢面積率が０％であり、かつ４点曲げ強度が少なくとも７００ＭＰａより大である、請求項６に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項８】
電磁弁の一構成部品の製造に使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項９】
インジェクタのアーマチャの製造に使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の焼結軟磁性材料。
【請求項１０】
請求項１に記載のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料を製造する方法であって、下記の工程：
主たる成分としての鉄（Ｆｅ）粉末ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）粉末及びリン（Ｐ）粉末を含む混合金属粉末を用意する工程であって、前記鉄粉末は、焼結により炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の粉末を添加してなる合金粉である工程、
前記混合金属粉末を加圧成形して、所定の形状を有する圧粉体を形成する工程、及び
前記圧粉体を高められた温度で焼結して焼結体となす工程
を含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料を製造する方法。
【請求項１１】
前記結晶粒微細化金属元素として、チタン、ニオブ、マンガン、硫黄、アルミニウム又はこれらの金属の合金を使用する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記結晶粒微細化金属元素を、該焼結軟磁性材料中に含まれる鉄（Ｆｅ）の全量を基準にして０．２０〜０．６５重量％の量で使用する、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記加圧成形工程に先がけて前記混合金属粉末に成形用潤滑剤を適用する工程と、
前記加圧成形工程の後に前記圧粉体を脱脂処理して前記潤滑剤を除去する工程と
をさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記焼結工程を１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間にわたって実施する、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記焼結工程の後、得られた焼結体を高められた温度で熱処理する工程をさらに含む、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱処理工程は、焼入れ工程及びその後の焼戻し工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記焼入れ工程を１１９０〜１２００℃の温度で、前記焼戻し工程を５４０〜５７０℃の温度で、それぞれ実施する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記焼結工程の後、得られた焼結体を切削加工して最終的な形状となす工程をさらに含む、請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
電磁コイルから発生された磁力により帯磁可能な部品を備えた電磁構造体であって、前記部品が、請求項１〜７のいずれか１項に記載の焼結軟磁性材料からなることを特徴とする電磁構造体。
【請求項２０】
前記部品が電磁弁の一構成部品である、請求項１９に記載の電磁構造体。
【請求項２１】
前記部品が、インジェクタのアーマチャである、請求項１９又は２０に記載の電磁構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結軟磁性材料に関し、さらに詳しく述べると、磁束密度及び強度を同時に高めて、インジェクタのアーマチャなどの作製に有利に使用することにできるＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料とその製造方法に関する。本発明はまた、かかる焼結軟磁性材料を使用した電磁構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、焼結軟磁性材料は、その高い透磁性、高い磁束密度などを利用して、自動車や工作機械等においてエレクトロニクス制御などに用いられている。具体的には、例えばインジェクタのアーマチャやモータのコアなどにこの焼結軟磁性材料が用いられている。
【０００３】
一般に、焼結軟磁性材料は、高い磁束密度を得るため、主成分としての鉄（Ｆｅ）にケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）等の焼結促進元素を添加することで焼結作用を促進し、結果として密度を向上させる手法を採用している。得られる焼結体は、例えば、Ｆｅ−Ｐ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金などの焼結体である。ところが、このようにして焼結を促進すると、結晶粒の粗大化やそれによる脆化の発生が発生する。ところで、焼結軟磁性材料は、発生した脆化により強度が低下するため、そのような高強度が要求される上述のような用途において有利に使用することができない。加えて、焼結軟磁性材料は、その焼結体をサイジングして目的とする形状をもった焼結製品を製造する場合、その脆さなどに原因して精度の低下を甘受しなければならない。
【０００４】
結晶粒の粗大化を防止するため、いろいろな試みがすでに提案されている。典型的には、焼結温度や成形密度などの製造条件を緩和することや、焼結促進元素であるリンの量を減らすことにより、焼結の進行を遅延させる手段が提案されているが、このような手段を用いた場合、焼結不足により焼結体の密度が上がらず、磁束密度が低下するという問題を避けることができない。より具体的に説明すると、例えば特許文献１には、直流用継電器の鉄心などとして有用なＦｅ−Ｐ系の焼結軟磁性材料が提案されている。この発明では、焼結促進元素として含まれるリンの量を重量比で０．５〜１．４重量％の範囲まで下げて焼結の進行を遅らせることや、製造条件を緩和すること、例えば、焼結時の昇温速度を毎分１０℃以上にすること、あるいは０．００５〜０．０５重量％の炭素を添加することを提案している。しかしながら、このような解決法を採用した場合、焼結不足となって焼結体の密度が上がらず、磁束密度が低下するという問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−１４５９６２号公報（特許請求の範囲）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の焼結軟磁性材料のもつ良好な特性を維持したまま、高い磁束密度を可能とし、かつ同時に、結晶粒の過度の拡散やそれによる結晶粒の粗大化を防止し、しかも結晶粒を制御することが可能な高強度の焼結軟磁性材料を提供することにある。換言すると、本発明の目的は、高い磁束密度を維持したまま、結晶粒の粗大化に原因した強度の低下を防止することで、高い磁束密度と高い強度の両立を実現可能な焼結軟磁性材料と、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、高強度が要求される分野におけるこのような高性能な焼結軟磁性材料の使用を可能とすること、換言すると、例えばインジェクタのアーマチャなどの電磁弁の部品やモータのコアなどとして有用な電磁構造体を提供することにある。
【０００８】
本発明のこれらの目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、その１つの面において、主たる成分としての鉄（Ｆｅ）ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料であって、
該焼結軟磁性材料は、内部に分布した結晶粒界を有し、その結晶粒界に析出した、１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の炭化物、窒化物、硫化物又はその混合物からなる粒子をさらに含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料にある。
【００１０】
また、本発明は、そのもう１つの面において、上記したような本発明の焼結軟磁性材料を製造する方法であって、下記の工程：
主たる成分としての鉄（Ｆｅ）粉末ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）粉末及びリン（Ｐ）粉末を含む混合金属粉末を用意する工程であって、前記鉄粉末は、焼結により炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の粉末を添加してなる合金粉である工程、
前記混合金属粉末を加圧成形して、所定の形状を有する圧粉体を形成する工程、及び
前記圧粉体を高められた温度で焼結して焼結体となす工程
を含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料を製造する方法にある。
【００１１】
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、電磁コイルから発生された磁力により帯磁可能な部品を備えた電磁構造体であって、前記部品が、本発明による焼結軟磁性材料からなることを特徴とする電磁構造体にある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の詳細な説明から理解されるように、高い磁束密度を具えたＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料を提供することができる。加えて、この焼結軟磁性材料は、焼結時、収縮による密度向上を阻害しないとともに、磁束密度を損なわずに結晶粒の粗大化を防止できるので、従来品に比較して強度を向上することができる。さらに、本発明によれば、得られる焼結体において結晶粒を制御することもあわせて可能である。よって、本発明の焼結軟磁性材料は、高い磁束密度や強度が要求される部品、例えばインジェクタのアーマチャなどに有利に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の焼結軟磁性材料の粗大結晶状態を示した模式図である。
【図２】本発明による焼結軟磁性材料の結晶微細化状態を示した模式図である。
【図３】本発明の焼結軟磁性材料をインジェクタのアーマチャに利用した例を示した断面図である。
【図４】比較例１で作製した焼結軟磁性材料の結晶状態を示した金属顕微鏡写真である。
【図５】実施例２で作製した焼結軟磁性材料の結晶状態を示した金属顕微鏡写真である。
【図６】実施例で作製した各焼結軟磁性材料の光沢面積率（％）を示したグラフである。
【図７】実施例で作製した各焼結軟磁性材料のＱＴ処理前の曲げ強度（ＭＰａ）を示したグラフである。
【図８】実施例で作製した各焼結軟磁性材料のＱＴ処理後の曲げ強度（ＭＰａ）を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による焼結軟磁性材料及び電磁構造体は、それぞれ、本発明の範囲においていろいろな形態で有利に実施することができる。以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明するが、本発明は、これらの例示的形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１及び図２は、本発明による焼結軟磁性材料における結晶粒粗大化の抑制の考え方を模式的に示したものである。図１は、焼結軟磁性材料がＭｎ、Ｓ合金鉄粉（Ｆｅ粉に対し、Ｍｎ、Ｓの含まれる合金粉；本例の場合、Ｓｉ、Ｐは別添加であり、含まれない）である場合の模式図である。Ｍｎ、Ｓ合金鉄粉１の粒径は、通常、約５０〜１００μｍである。図示のようなＭｎ、Ｓ合金鉄粉１は、高い磁気特性を得るためには有効であるが、上記したように、もともと結晶粒が粗大化し易いという欠点があり、強度の低下が本質的なデメリットとして存在する。
【００１６】
今まで予想されなかったことであるが、本発明者らは、主たる成分としての鉄（Ｆｅ）ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金に対して、焼結時に炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な結晶粒微細化元素を添加することで、高い磁束密度を維持したまま、結晶粒の粗大化に原因した強度の低下を防止することができ、よって、高い磁束密度と強度の両立を実現できることや、組成、焼結条件などのコントロールなどを通じて結晶粒の特性やサイズも所望に応じて制御できることを発見した。
【００１７】
図２は、本発明のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金における上述の現象を模式的に示したものである。すなわち、本発明のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金は、焼結工程の前においては例えば図１に示したような結晶粒からなるけれども、焼結工程の後、それぞれの内部において結晶粒界１１が発生し、結晶粒界１１によって互いに分離された複数個のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０からなる本発明による焼結軟磁性材料へと変化する。個々のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０は、通常、その粒径が約２０〜１００μｍである。換言すると、本発明の焼結軟磁性材料は、約２０〜１００μｍの粒径を有する複数個のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０の粒子の集まりであり、それぞれのＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０は、その内部において結晶粒界１１によって互いに分離されている。隣接するＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０の結晶粒界１１には、結晶粒微細化元素（ここでは、Ｍｎ及びＳ）Ｍが析出している。なお、Ｍｎ及びＳは、通常、両者が一体化したＭｎＳ化合物として析出している。粒微細化元素Ｍは、それを含んだ状態でＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金を焼結した場合、微細な炭化物や窒化物を析出し、いわゆる「ピンニング効果」を奏することができる。ピンニング効果は、結晶粒の粗大化が進行する際、粒界の移動に対してピン止めをするように抵抗となる作用を意味し、この作用により、結晶粒の粗大化を防止することができる。
【００１８】
焼結軟磁性材料における結晶粒の粗大化の防止についてさらに説明する。磁束密度は、通常、磁性材料中における鉄（Ｆｅ）の占有率により決定される。そのため、焼結磁性材料においては、焼結体の密度が大きければ大きいほど、磁束密度は大きくなる。一方で、得られる焼結磁性材料において、焼結が進みすぎると結晶粒は粗大化し、粗大化した材料は、ホールペッチの法則（粒径と強度が反比例する）に従い、強度の低下が引き起こされる。本発明では、焼結後の軟磁性材料（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金）において、その組織中に結晶粒微細化元素からなる析出物を形成させることで結晶粒界の移動をピンニング効果により食い止め、焼結体の密度を十分に上げながらも、結晶粒の粗大化を防止することができる。
【００１９】
本発明の実施において、焼結軟磁性材料は、鉄（Ｆｅ）系合金、特にＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金を主体とするものである。但し、得られる効果に望ましくない影響が現れないのであれば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金に代えて、あるいはこの合金と組み合わせて、Ｆｅ−Ｐ系合金やその他の鉄系合金を使用してもよい。例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金は、主成分としての純Ｆｅ粉末と副資材としての微量のＳｉ、Ｐとからなる混合粉末に由来するものであり、その粒径は、通常、約５０〜１００μｍである。
【００２０】
純Ｆｅ粉末は、アトマイズ鉄粉とも呼ばれ、形状が不規則なために成形性に特徴があり、その粒径は、通常、約７０〜９０μｍであり、約８０μｍのものを有利に使用することができる。必要に応じて、他の種類のＦｅ粉末を使用してもよい。Ｆｅ粉末と組み合わせて、Ｓｉ粉末及びＰ粉末を副資材として使用するが、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金中に占めるＳｉ粉末及びＰ粉末の粒径及び含有率は、それぞれ、広い範囲で変更することができる。Ｓｉ粉末の粒径は、通常、約５〜５０μｍの範囲である。Ｓｉ粉末の添加量は、通常、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の全量を基準にして、約１．５〜３．５重量％であり、好ましくは約１．５〜２．５重量％である。また、Ｐ粉末の粒径は、通常、約５〜３０μｍの範囲である。Ｐ粉末の添加量は、通常、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の全量を基準にして、通常、１．０重量％未満であり、好ましくは約０．２〜０．６重量％である。なお、本発明の実施において、ＭｎＳ粉末を副資材として使用してもよい。
【００２１】
本発明の焼結軟磁性材料では、それを構成するＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の焼結体の結晶粒界に結晶粒微細化元素が析出しているところに特徴がある。適当な結晶粒微細化元素は、本発明の上述のようなメカニズムにしたがって結晶粒を微細化する機能を有するとともに、焼結時に炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な金属もしくはその合金の粒子のなかから選択される。好適な結晶粒微細化元素の一例を示すと、以下に列挙するものに限定されるわけではないが、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、硫黄（Ｓ）などの金属を挙げることができる。これらの金属は、単独で使用してもよく、例えばＭｎ＋Ｓなどのように２種類以上の金属を組み合わせて、例えば合金の形で使用してもよい。また、これらの金属又はその組み合わせは、炭化物、窒化物又はその複合物（例えば、炭窒化物）の形で使用してもよい。さらに、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを結晶粒微細化元素として使用することもできる。
【００２２】
本発明の実施において、結晶粒微細化元素は、通常、焼結軟磁性材料中に含まれる鉄（Ｆｅ）の全量を基準にして約０．２０〜０．６５重量％の量で使用される。焼結軟磁性材料に対して結晶粒微細化元素を０．２０重量％以上の量で添加することによって、結晶粒の粗大化を完全に抑制することができる。また、結晶粒微細化元素の添加量を増加するにつれて、曲げ強度も増大させることができる。本発明者らの知見によれば、曲げ強度の増大は、０．６５重量％までの添加量において有効である。結晶粒微細化元素の添加量が０．６５重量％を上回ると、成形密度を上げにくくなるため、磁束密度が低下する傾向が認められる。また、結晶粒微細化元素の添加量は、０．２０重量％を下回らないことが望ましい。なぜなら、その添加量が例えば０．１重量％もしくはそれ以下となると、結晶粒の粗大化を完全には抑制できず、強度が低下するからである。
【００２３】
本発明による焼結軟磁性材料は、上記したように、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料に特定の結晶粒微細化元素をさらに含むことを特徴とするものである。この焼結軟磁性材料は、本発明の作用効果に対して悪影響を及ぼさない範囲で不可避的不純物を含んでいてもよい。
【００２４】
本発明は、上記したような焼結軟磁性材料に加えて、その製造方法にある。本発明による焼結軟磁性材料の製造方法は、いろいろな手法により有利に実施することができるが、とりわけ有利には、下記の工程：
（１）主たる成分としての鉄（Ｆｅ）粉末ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）粉末及びリン（Ｐ）粉末を含む混合金属粉末を用意する工程（ここで、鉄粉末は、好ましくは、焼結により炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の粉末を添加してなる合金粉である）、
（２）前記工程（１）の混合金属粉末を加圧成形して、所定の形状を有する圧粉体を形成する工程、及び
（３）前記圧粉体を高められた温度で焼結して焼結体となす工程
で実施することができる。上記の工程は、必要に応じて、実施の順序を変更してもよい。
【００２５】
上記した焼結軟磁性材料の製造方法は、本発明の範囲内においていろいろに変更することができる。例えば、上記の工程に追加して、加圧成形工程（２）に先がけて前記混合金属粉末に成形用潤滑剤を適用する工程と、加圧成形工程（２）の後に前記圧粉体を脱脂処理して前記潤滑剤を除去する工程とをさらに含んでもよい。
【００２６】
また、焼結工程（３）の後、得られた焼結体を高められた温度で熱処理する工程をさらに含むことが好ましい。この熱処理工程において、焼結軟磁性材料のその他の優れた特性に悪影響を及ぼすことなく、焼結軟磁性材料の強度をさらに高めることができる。熱処理工程は、好ましくは、焼入れ工程及びその後の焼戻し工程（いわゆるＱＴ処理）である。焼入れ工程は、例えば約１１９０〜１２００℃の温度で実施することができ、また、焼戻し工程は、例えば約５４０〜５７０℃の温度で実施することができる。このようなＱＴ処理の後、必要に応じて、焼結体をさらに熱処理することも推奨される。熱処理の結果、焼結体の強度がさらに向上するからである。
【００２７】
焼結軟磁性材料は、その焼結工程あるいは熱処理の後、切削加工やその他の加工処理を施して最終的な形状をもった製品、例えばインジェクタのアーマチャとなすことができる。例えば切削加工は、常用の切削加工機を使用して、常用の手法で実施することができる。得られる製品の品質や精度を高めるため、切削加工に続けて製品研磨を行うことが好ましい。また、焼結材には、切削加工なしのネットシェイプ処理を施してもよい。
【００２８】
さらに具体的に焼結軟磁性材料の製造方法を説明すると、本発明の焼結軟磁性材料は、常法に従って、例えば、原料粉末の混合、加圧成形、脱脂、そして焼結の各工程を経て有利に製造することができる。一例を示すと、アトマイズ鉄粉（Ｆｅ）に微量のＳｉ粉末及びＰ粉末を混合することによってこれらの金属の混合粉末を調製する。鉄粉には、結晶粒微細化元素の粉末、例えばＭｎ粉末及びＳ粉末を所定の割合で混合して、例えばＭｎＳとＦｅの合金粉のような金属混合粉末を調製することが好ましい。本発明の焼結軟磁性材料を形成するのに必要な金属元素をすべて含む最終混合粉末を調製した後、この最終混合粉末に成形用潤滑剤を添加した後、別に用意した成形機で加圧成形を行う。成形圧は、通常、約５００〜６００ＭＰａである。加圧成形の完了後、得られた成形体を水素ガス、アルゴンガス等の還元性ガス、非酸化性ガスなどの雰囲気下、約６００〜７００℃の温度で約１〜２時間にわたって脱脂処理し、先に使用した潤滑剤などを分解除去する。
【００２９】
脱脂処理の完了後、成形体を焼結処理する。焼結処理は、成形体の組成などに応じていろいろな処理条件下で実施することができる。例えば、真空条件下、アルゴンガス等の非酸化性ガスの雰囲気中で約１１００〜１２００℃の温度で約１〜２時間にわたって成形体を加熱することによって焼結処理を完了することができる。得られる焼結体は、本発明の焼結軟磁性材料であり、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の結晶粒界に本発明に従い結晶粒微細化元素が析出している。この焼結軟磁性材料は、高い透磁性及び磁束密度を有するとともに、結晶粒微細化元素の析出により目的とする結晶粒微細化が達成されているため、優れた強度を有している。得られた焼結軟磁性材料は、所望とする製品に応じてさらに加工する。例えば、焼結軟磁性材料をインジェクタのアーマチャやモータのコアなどとして使用したい場合、所定の形状に切削加工し、さらに研磨処理する。切削加工及び研磨処理は、それぞれ、通常用いられている加工技術を使用して実施することができる。なお、焼結の特徴であるネットシェイプを利用可能であるならば、これらの加工工程を省略してもよく、これにより大幅なコストダウンを図ることができる。
【００３０】
本発明による焼結軟磁性材料は、高い透磁性及び磁束密度、そして高められた強度を有しているので、それらの優れた特性を要求しているような焼結軟磁性材料の用途で、すなわち産業機械器具の一構成部品として、有利に利用することができる。よって、本発明は、その１つの面において、電磁コイルから発生された磁力により帯磁可能な部品を備えた電磁構造体であって、その部品が、本発明による焼結軟磁性材料からなることを特徴とする電磁構造体にある。本発明を適用し得る好適な構成部品の一例として、下記のものに限定されるわけではないが、インジェクタのアーマチャ、電磁弁のプランジャー、モータのコア、ロータ等、トルクセンサーのヨーク等、その他を挙げることができる。
【００３１】
図３は、本発明の焼結軟磁性材料を、ディーゼルエンジンにおける燃料噴射装置の電磁インジェクタの頭部に搭載される電磁アクチュエータのアーマチャに利用した例である。車両用燃料噴射装置の電磁インジェクタにおいて、近年、環境改善のために自動車業界ではＣＯ2 の排出量の低減、排気ガスの浄化が進められている。とりわけ、ディーゼルエンジンは、そのような問題に対して燃料噴射の高圧化や、多段噴射化等の技術で対応を進めている。そのため、電磁インジェクタに搭載される電磁アクチュエータには、高い応答性が求められる。この高い応答性に関する要件を満足させるため、本発明の焼結軟磁性材料を電磁アクチュエータのアーマチャに有利に利用することができる。
【００３２】
電磁アクチュエータは、ニードルピストン（図示せず）の上部に形成される圧力制御室２を高圧あるいは低圧に切替制御するものである。具体的には、電磁アクチュエータのアーマチャ３がボディバルブ４のシート部４ａに着座することにより、高圧燃料が供給される圧力制御室２と低圧油路５が遮断された状態になり、圧力制御室２が高圧になる。また、電磁アクチュエータのアーマチャ３が、電磁ソレノイド６の磁力によりボディバルブ４のシート部４ａから離座することにより、圧力制御室２と低圧油路５が連通された状態になり、圧力制御室２が低圧になる。ここで、アーマチャ３は、本発明の焼結軟磁性材料から、その切削加工及び研磨によって形成されたものである。
【００３３】
電磁アクチュエータは、上述したアーマチャ３及び電磁ソレノイド６の他に、アーマチャ３をシート部４ａに押しつけるスプリング７、及び電磁アクチュエータをインジェクタボディ３０の上部に固定するための固定手段を備える。この固定手段は、インジェクタボディ３０の上端に螺合される略筒状のリテーニングナット８、その内側に挿入された略筒状のケース９、このケース９の上部に装着された略円板状のカバー４０からなる。なお、ボディバルブ４及びケース９は、リテーニングナット８の上端内側に形成された段差部８ａによってインジェクタボディ３０に固定されるものであり、カバー４０はケース９の上端に形成されたリブ９ａを内側に曲げることによってケース９内に固定されるものである。
【００３４】
電磁ソレノイド６は、電磁石用の圧粉ステータ１５と、この圧粉ステータ１５内に組付けられた磁力発生用のコイル１２と、アーマチャ３を吸引した際にアーマチャ３と当接するストッパ１３とを備える。
【００３５】
圧粉ステータ１５は、表面が絶縁皮膜（例えば、燐酸塩等）で覆われた磁性体金属粉（例えば鉄粉等）をプレス機等によって所定のステータ形状（略筒形円環形状）に圧縮して形成したものであり、磁性体金属粉の機械的な結合によって形状が保たれる。なお、圧粉ステータ１５の表面に保護膜を形成している。
【００３６】
コイル１２は、通電を受けて磁力を発生する周知なものであり、圧粉ステータ１５に形成された環状の凹部１５ａ内に組付けられる。なお、コイル１２の両端は、リード１６及びワイヤ１７を介して外部接続用のコネクタ１８に接続されている。
【００３７】
ストッパ１３は、圧粉ステータ１５の中心孔１５ｂに挿通される中心部１９と、アーマチャ３とは異なった側の圧粉ステータ１５の面に当接する円板部２０を備えたものであり、アーマチャ３が圧粉ステータ１５に吸引されてアーマチャ３が所定量移動した際には、アーマチャ３が中心部１９の先端１９ａに当接する。なお、上述したスプリング７は、ストッパ１３の中心に形成された孔１３ａ内に組付けられるものである。
【００３８】
リテーニングナット８、ケース９及びカバー４０の内部、つまり電磁アクチュエータが配置される部分は、低圧油路５と連通しており、ディーゼルエンジンの燃料（軽油）が満たされた状態となる。つまり、圧粉ステータ１５は、燃料（作動流体に相当する）に触れた状態で使用される。なお、図中の参照符号２１〜２４はＯリングを示し、内部の燃料が外部に漏れ出るのを防いでいる。また、参照符号２５は絶縁体を示している。
【実施例】
【００３９】
引き続いて、本発明をその実施例を参照して説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものでないことは言うまでもない。
【００４０】
実施例１
本発明による焼結軟磁性材料の作製
アトマイズ鉄粉（Ｆｅ）に粒径１０μｍ以下のＭｎ粉末及び粒径１０μｍ以下のＳ粉末を混合して、原料粉末として使用する第１の混合粉末（Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓ）を調製した。ここで、Ｍｎ粉末及びＳ粉末の添加量は、それぞれ、下記の第１表に記載するように、得られる焼結軟磁性材料においてＭｎ含有量が０．１０〜０．３０重量％及びＳ含有量が０．２６０〜０．４００重量％となる量である。なお、本例では、Ｍｎ含有量が０．１０〜０．３０重量％であるため、得られる焼結軟磁性材料を「Ｍｎ：０．２０粉」として他の焼結軟磁性材料と区別することとする。
【００４１】
次いで、得られた混合粉末に微量のＳｉ粉末及びＰ粉末を混合することによって第２の混合粉末（Ｆｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ｓ）を調製した。Ｓｉ粉末及びＰ粉末の添加量は、それぞれ、下記の第１表に記載するように、得られる焼結軟磁性材料においてＳｉ含有量が＜０．０５重量％及びＰ含有量が＜０．０２０重量％となる量である。第２の混合粉末に含まれる金属粉末の粒径は、約８０μｍであった。
【００４２】
上記のようにして調製した第２の混合粉末に１重量％の成形用潤滑剤を添加した後、混合粉末を成形型に充填し、加圧成形により試験片を作製した。なお、本例では、下記の２種類の試験片を作製した。
【００４３】
〔円環状試験片〕
外径：１８．４ｍｍ、内径：６．３ｍｍ及び高さ３．５ｍｍ
【００４４】
〔角柱状試験片〕
縦：４ｍｍ、横：４ｍｍ、長さ：４０ｍｍ
【００４５】
加圧成形は、約５００〜６００ＭＰａの圧力を印加して実施した。成形密度が６．７〜６．８ｇ／ｃｍ３の成形体が得られた。次いで、得られた成形体を水素ガスの雰囲気下、約５５０℃の温度で約２時間にわたって加熱し、先に添加した潤滑剤を揮散させ、脱脂した。
【００４６】
脱脂処理の完了後、成形体を、常圧下、アルゴンガスの雰囲気中で約１１５０℃の温度で約５時間にわたって加熱することによって焼結処理した。上記の形状及びサイズを有する２種類の焼結体（本発明品）が得られた。これを、下記の評価試験で「試験片」として利用した。
【００４７】
〔評価試験〕
得られた焼結軟磁性材料の試験片を下記の項目に関して試験した。下記の第２表は、得られた試験結果をまとめたものである。
（１）断面組織の測定
円環状試験片の表面を研磨し、その断面組織の金属（２００×）から焼結軟磁性材料の粒子の粒径を測定したところ、３０〜５０μｍであった。このことは、本例の焼結軟磁性材料では結晶粒の微細化が進行していることを示している。
【００４８】
（２）光沢面積率（％）の測定
本例では、結晶粒の粗大化率を評価するため、円環状試験片の外観を写真に撮り、それを画像処理して、結晶粒の粗大化に由来して存在する光沢面の占める割合である光沢面積率（％）を測定した。光沢面積率（％）の測定に当っては、上記のような焼結工程に続けてＱＴ処理（焼入れ、焼戻し）を実施し、
１回目：焼結工程の後（ＱＴ処理の前）、及び
２回目：ＱＴ処理の後
の２回にわけて実施した。ＱＴ処理の条件は、焼入れが１１９０〜１２００℃、焼戻しが５４０〜５７０℃であった。
【００４９】
本例の試験片の光沢面積率（％）は、焼結工程の後（ＱＴ処理の前）においてゼロであり、その光沢面積率（％）は、ＱＴ処理後においても変化せずゼロのままであった。また、ＱＴ処理前の試験片の金属写真（５０×）は、図６に組み込んで示すように、試験片の表面は平滑であり、結晶粒は微細であった。このことは、本例の場合、結晶粒の粗大化が完全に抑制できていることを意味している。なぜなら、焼結軟磁性材料を破壊した際、もしもその材料の結晶粒が粗大化していると、巨大な結晶のへき開面が現れるため、そこを光に当てると光沢になって見えるからである。光沢面積率が０％のとき、結晶粒の粗大化はゼロとみなすことができる。なお、第２表にはＱＴ処理後の光沢面積率のみが示されている。
【００５０】
（３）４点曲げ強度（ＭＰａ）の測定
角柱状試験片の４点曲げ強度（ＭＰａ）をＱＴ処理（焼入れ、焼戻し）の前及びその後において測定した。ＱＴ処理の条件は、焼入れが１１９０〜１２００℃、焼戻しが５４０〜５７０℃であった。この強度測定のため、市販のインストロン試験機を使用した。焼結後（ＱＴ処理前）の４点曲げ強度は、第２表に示すように８２８ＭＰａであった。なお、この結果は、図７のグラフにもプロットされている。また、ＱＴ処理後の４点曲げ強度は、第２表に示すように１２３８ＭＰａであり、顕著な増加を確認することができ、本例の焼結軟磁性材料ではＱＴ処理により強度の向上があることがわかった。なお、この結果は、図８のグラフにもプロットされている。
【００５１】
（４）磁束密度（Ｂ８ｋ）の測定
円環状試験片試験片の磁束密度（Ｂ８ｋ）を、焼結工程及びＴ処理（焼戻し；５４０〜５７０℃）の後において測定した。この測定のため、市販の直流磁化特性装置（理研電子社製）を使用した。Ｔ処理（焼戻し）後の磁束密度は、第２表に示すように１．６７Ｂ８ｋであり、低下していないことがわかった。
【００５２】
以上の試験結果から考察するに、本例の焼結軟磁性材料では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金に対してＭｎ、Ｓを添加したことによりＭｎＳが結晶粒界に析出し、その結果、ＱＴ処理の前及びその後の両方において焼結材における結晶粒の粗大化を抑制（光沢面積率０％）することができ、焼結材の強度を向上させることができ、さらには磁束密度の低下を防止することができる。
【００５３】
実施例２
本発明による焼結軟磁性材料の作製
前記実施例１に記載の手法を繰り返して焼結軟磁性材料を作製したが、本例の場合、Ｍｎ粉末、Ｓ粉末、Ｓｉ粉末及びＰ粉末の添加量を、それぞれ、下記の第１表に記載するように変更した。Ｍｎ粉末及びＳ粉末の添加量は、それぞれ、下記の第１表に記載するように、得られる焼結軟磁性材料においてＭｎ含有量が０．５０〜０．８０重量％及びＳ含有量が０．３００〜０．３５０重量％となる量である。なお、本例では、Ｍｎ含有量が０．５０〜０．８０重量％であるため、得られる焼結軟磁性材料を「Ｍｎ：０．６５粉」として他の焼結軟磁性材料と区別することとする。また、Ｓｉ粉末及びＰ粉末の添加量は、それぞれ、得られる焼結軟磁性材料においてＳｉ含有量が＜０．０５重量％及びＰ含有量が＜０．０２５〜０．０４５重量％となる量である。第２の混合粉末に含まれる金属粉末の粒径は、約８０μｍであった。
【００５４】
次いで、前記実施例１に記載の手法に従って加圧成形及び焼結を行い、前記実施例１で作製したものと同じ形状及びサイズの２種類の試験片を作製した。図５は、得られた焼結体の結晶組織を示す金属顕微鏡写真（５０×）である。図から理解されるように、焼結成形体の結晶粒は微細化されており、かつ結晶粒界にＭｎＳの微粒子が析出している。
【００５５】
〔評価試験〕
得られた焼結軟磁性材料の試験片を、前記実施例１に記載の手法に従って下記の項目に関して試験した。下記の第２表は、得られた試験結果をまとめたものである。
【００５６】
（１）断面組織の測定
円環状試験片の焼結軟磁性材料の粒子の粒径を測定したところ、２０〜３０μｍであった。このことは、本例の焼結軟磁性材料では結晶粒の微細化がさらに進行していることを示している。
【００５７】
（２）光沢面積率（％）の測定
円環状試験片光沢面積率（％）を測定したところ、ＱＴ処理（焼入れ、焼戻し）の前及びその後においていずれもゼロであった。このことは、本例の場合、結晶粒の粗大化が完全に抑制できていることを意味している。なお、第２表にはＱＴ処理後の光沢面積率のみが示されている。
【００５８】
（３）４点曲げ強度（ＭＰａ）の測定
角柱状試験片の４点曲げ強度（ＭＰａ）をＱＴ処理（焼入れ、焼戻し）の前及びその後において測定したところ、ＱＴ処理前の４点曲げ強度は、第２表に示すように８２８ＭＰａであった。なお、この結果は、図７のグラフにもプロットされている。次いで、同一の試験片について、ＱＴ処理後の４点曲げ強度を上記と同一の手法で実施した。ＱＴ処理後の４点曲げ強度は、第２表に示すように１４３７ＭＰａであり、顕著な増加を確認することができ、本例の焼結軟磁性材料では強度の向上があることがわかった。なお、この結果は、図８のグラフにもプロットされている。
【００５９】
（４）磁束密度（Ｂ８ｋ）の測定
円環状試験片試験片の磁束密度（Ｂ８ｋ）を焼結工程及びＴ処理後において測定したところ、Ｔ処理後の磁束密度は、第２表に示すように１．６６Ｂ８ｋであり、低下していないことがわかった。
【００６０】
以上の試験結果から考察するに、本例の焼結軟磁性材料では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金に対してＭｎ、Ｓを添加したことによりＭｎＳが結晶粒界に析出し、結晶粒の粗大化を抑制により焼結材の強度を向上させることができ、さらには磁束密度の低下を防止することができるが、本例のように添加するＭｎ量を増加させることにより、これらの効果をより一層高めることができる。また、本発明によれば、Ｍｎの添加量やその他のファクタを変更することにより、焼結軟磁性材料の磁束密度や強度などを任意にコントロールすることも可能である。
【００６１】
比較例１
前記実施例１に記載の手法を繰り返して焼結軟磁性材料を作製したが、本例では、比較のため、下記の第１表に記載するように、結晶粒微細化元素であるＭｎの添加を省略した。なお、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金粉末の作製において、Ｓｉ粉末及びＰ粉末の添加量は、それぞれ、得られる焼結軟磁性材料においてＳｉ含有量が＜０．０３重量％及びＰ含有量が＜０．０１０重量％となる量である。第２の混合粉末に含まれる金属粉末の粒径は、約８０μｍであった。なお、上記のようにして作製したＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金粉末には、Ｍｎ及びＳが不可避的な微小量で含まれていた。測定の結果、Ｍｎ量及びＳ量は、それぞれ、下記の第１表に記載するように、得られる焼結軟磁性材料においてＭｎ量が＜０．１０重量％及びＳ量が００１０重量％となる量であった。なお、本例では、Ｍｎ量が＜０．１０重量％であるため、得られる焼結軟磁性材料を「Ｍｎなし」として他の焼結軟磁性材料と区別することとする。
【００６２】
次いで、前記実施例１に記載の手法に従って加圧成形及び焼結を行い、前記実施例１で作製したものと同じ形状及びサイズの２種類の試験片を作製した。図４は、得られた焼結体の結晶組織を示す金属顕微鏡写真（５０×）である。図から理解されるように、焼結成形体の結晶粒は粗大化している。
【００６３】
〔評価試験〕
得られた焼結軟磁性材料の試験片を、前記実施例１に記載の手法に従って下記の項目に関して試験した。下記の第２表は、得られた試験結果をまとめたものである。
【００６４】
（１）断面組織の測定
円環状試験片の焼結軟磁性材料の粒子の粒径を測定したところ、＞１ｍｍであった。このことは、本例の焼結軟磁性材料では結晶粒の粗大化が顕著であることを示している。
【００６５】
（２）光沢面積率（％）の測定
円環状試験片光沢面積率（％）を測定したところ、ＱＴ処理（焼入れ、焼戻し）の前が３０％で、ＱＴ処理の後で５６％であった。また、ＱＴ処理後の試験片の金属顕微鏡写真（５０×）は、図６に組み込んで示すように、試験片の表面が粗大化していることを明瞭に示している。このことは、本例の場合、結晶粒の粗大化が顕著であり、ＱＴ処理後において粗大化が増大していることを意味している。なお、第２表にはＱＴ処理後の光沢面積率のみが示されている。
【００６６】
（３）４点曲げ強度（ＭＰａ）の測定
角柱状試験片の４点曲げ強度（ＭＰａ）をＱＴ処理（焼入れ、焼戻し）の前及びその後において測定したところ、ＱＴ処理前の４点曲げ強度は、第２表に示すように６９３ＭＰａであった。なお、この結果は、図７のグラフにもプロットされている。次いで、同一の試験片について、ＱＴ処理後の４点曲げ強度を上記と同一の手法で実施した。ＱＴ処理後の４点曲げ強度は、第２表に示すように８４５ＭＰａであり、ほとんど増加していないことを確認することができ、本例の焼結軟磁性材料では強度の向上を望めないことがわかった。なお、この結果は、図８のグラフにもプロットされている。
【００６７】
（４）磁束密度（Ｂ８ｋ）の測定
円環状試験片試験片の磁束密度（Ｂ８ｋ）を焼結工程及びＴ処理後において測定したところ、Ｔ処理後の磁束密度は、第２表に示すように１．６７Ｂ８ｋであり、実施例１及び２とほぼ同じであることがわかった。
【００６８】
【表１】
2013076166.tif 000003
【００６９】
【表２】
2013076166.tif 000004
【符号の説明】
【００７０】
１    Ｍｎ、Ｓ合金鉄粉
３    アーマチャ
１０    Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金粉末
１１    結晶粒界
Ｍ    結晶粒微細化元素
【図１】
2013076166.tif 000005
【図２】
2013076166.tif 000006
【図３】
2013076166.tif 000007
【図７】
2013076166.tif 000008
【図８】
2013076166.tif 000009
【図４】
2013076166.tif 000010
【図５】
2013076166.tif 000011
【図６】
2013076166.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月21日(2012.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結軟磁性材料に関し、さらに詳しく述べると、磁束密度及び強度を同時に高めて、インジェクタのアーマチャなどの作製に有利に使用することにできるＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料とその製造方法に関する。本発明はまた、かかる焼結軟磁性材料を使用した電磁構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、焼結軟磁性材料は、その高い透磁性、高い磁束密度などを利用して、自動車や工作機械等においてエレクトロニクス制御などに用いられている。具体的には、例えばインジェクタのアーマチャやモータのコアなどにこの焼結軟磁性材料が用いられている。
【０００３】
一般に、焼結軟磁性材料は、高い磁束密度を得るため、主成分としての鉄（Ｆｅ）にケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）等の焼結促進元素を添加することで焼結作用を促進し、結果として密度を向上させる手法を採用している。得られる焼結体は、例えば、Ｆｅ−Ｐ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金などの焼結体である。ところが、このようにして焼結を促進すると、結晶粒の粗大化やそれによる脆化が発生する。ところで、焼結軟磁性材料は、発生した脆化により強度が低下するため、そのような高強度が要求される上述のような用途において有利に使用することができない。加えて、焼結軟磁性材料は、その焼結体をサイジングして目的とする形状をもった焼結製品を製造する場合、その脆さなどに原因して精度の低下を甘受しなければならない。
【０００４】
結晶粒の粗大化を防止するため、いろいろな試みがすでに提案されている。典型的には、焼結温度や成形密度などの製造条件を緩和することや、焼結促進元素であるリンの量を減らすことにより、焼結の進行を遅延させる手段が提案されているが、このような手段を用いた場合、焼結不足により焼結体の密度が上がらず、磁束密度が低下するという問題を避けることができない。より具体的に説明すると、例えば特許文献１には、直流用継電器の鉄心などとして有用なＦｅ−Ｐ系の焼結軟磁性材料が提案されている。この発明では、焼結促進元素として含まれるリンの量を重量比で０．５〜１．４重量％の範囲まで下げて焼結の進行を遅らせることや、製造条件を緩和すること、例えば、焼結時の昇温速度を毎分１０℃以上にすること、あるいは０．００５〜０．０５重量％の炭素を添加することを提案している。しかしながら、このような解決法を採用した場合、焼結不足となって焼結体の密度が上がらず、磁束密度が低下するという問題が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−１４５９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の焼結軟磁性材料のもつ良好な特性を維持したまま、高い磁束密度を可能とし、かつ同時に、結晶粒の過度の拡散やそれによる結晶粒の粗大化を防止し、しかも結晶粒を制御することが可能な高強度の焼結軟磁性材料を提供することにある。換言すると、本発明の目的は、高い磁束密度を維持したまま、結晶粒の粗大化に原因した強度の低下を防止することで、高い磁束密度と高い強度の両立を実現可能な焼結軟磁性材料と、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、高強度が要求される分野におけるこのような高性能な焼結軟磁性材料の使用を可能とすること、換言すると、例えばインジェクタのアーマチャなどの電磁弁の部品やモータのコアなどとして有用な電磁構造体を提供することにある。
【０００８】
本発明のこれらの目的やその他の目的は、以下の詳細な説明から容易に理解することができるであろう。なお、本願明細書において「重量％」なる用語を使用した場合、ＳＩ単位系でいう「質量％」と同義である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、その１つの面において、主たる成分としての鉄（Ｆｅ）ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料であって、
該焼結軟磁性材料は、内部に分布した結晶粒界を有し、その結晶粒界に析出した、１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の炭化物、窒化物、硫化物又はその混合物からなる粒子をさらに含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料にある。
【００１０】
また、本発明は、そのもう１つの面において、上記したような本発明の焼結軟磁性材料を製造する方法であって、下記の工程：
主たる成分としての鉄（Ｆｅ）粉末ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）粉末及びリン（Ｐ）粉末を含む混合金属粉末を用意する工程であって、前記鉄粉末は、焼結により炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の粉末を添加してなる合金粉である工程、
前記混合金属粉末を加圧成形して、所定の形状を有する圧粉体を形成する工程、及び
前記圧粉体を高められた温度で焼結して焼結体となす工程
を含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料を製造する方法にある。
【００１１】
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、電磁コイルから発生された磁力により帯磁可能な部品を備えた電磁構造体であって、前記部品が、本発明による焼結軟磁性材料からなることを特徴とする電磁構造体にある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の詳細な説明から理解されるように、高い磁束密度を具えたＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料を提供することができる。加えて、この焼結軟磁性材料は、焼結時、収縮による密度向上を阻害しないとともに、磁束密度を損なわずに結晶粒の粗大化を防止できるので、従来品に比較して強度を向上することができる。さらに、本発明によれば、得られる焼結体において結晶粒を制御することもあわせて可能である。よって、本発明の焼結軟磁性材料は、高い磁束密度や強度が要求される部品、例えばインジェクタのアーマチャなどに有利に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の焼結軟磁性材料の粗大結晶状態を示した模式図である。
【図２】本発明による焼結軟磁性材料の結晶微細化状態を示した模式図である。
【図３】本発明の焼結軟磁性材料をインジェクタのアーマチャに利用した例を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明による焼結軟磁性材料及び電磁構造体は、それぞれ、本発明の範囲においていろいろな形態で有利に実施することができる。以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明するが、本発明は、これらの例示的形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１及び図２は、本発明による焼結軟磁性材料における結晶粒粗大化の抑制の考え方を模式的に示したものである。図１は、焼結軟磁性材料がＭｎ、Ｓ合金鉄粉（Ｆｅ粉に対し、Ｍｎ、Ｓの含まれる合金粉；本例の場合、Ｓｉ、Ｐは別添加であり、含まれない）である場合の模式図である。Ｍｎ、Ｓ合金鉄粉１の粒径は、通常、約５０〜１００μｍである。図示のようなＭｎ、Ｓ合金鉄粉１は、高い磁気特性を得るためには有効であるが、上記したように、もともと結晶粒が粗大化し易いという欠点があり、強度の低下が本質的なデメリットとして存在する。
【００１６】
今まで予想されなかったことであるが、本発明者らは、主たる成分としての鉄（Ｆｅ）ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金に対して、焼結時に炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な結晶粒微細化元素を添加することで、高い磁束密度を維持したまま、結晶粒の粗大化に原因した強度の低下を防止することができ、よって、高い磁束密度と強度の両立を実現できることや、組成、焼結条件などのコントロールなどを通じて結晶粒の特性やサイズも所望に応じて制御できることを発見した。
【００１７】
図２は、本発明のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金における上述の現象を模式的に示したものである。すなわち、本発明のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金は、焼結工程の前においては例えば図１に示したような結晶粒からなるけれども、焼結工程の後、それぞれの内部において結晶粒界１１が発生し、結晶粒界１１によって互いに分離された複数個のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０からなる本発明による焼結軟磁性材料へと変化する。個々のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０は、通常、その粒径が約２０〜１００μｍである。換言すると、本発明の焼結軟磁性材料は、約２０〜１００μｍの粒径を有する複数個のＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０の粒子の集まりであり、それぞれのＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０は、その内部において結晶粒界１１によって互いに分離されている。隣接するＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金１０の結晶粒界１１には、結晶粒微細化元素（ここでは、Ｍｎ及びＳ）Ｍが析出している。なお、Ｍｎ及びＳは、通常、両者が一体化したＭｎＳ化合物として析出している。粒微細化元素Ｍは、それを含んだ状態でＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金を焼結した場合、微細な炭化物や窒化物を析出し、いわゆる「ピンニング効果」を奏することができる。ピンニング効果は、結晶粒の粗大化が進行する際、粒界の移動に対してピン止めをするように抵抗となる作用を意味し、この作用により、結晶粒の粗大化を防止することができる。
【００１８】
焼結軟磁性材料における結晶粒の粗大化の防止についてさらに説明する。磁束密度は、通常、磁性材料中における鉄（Ｆｅ）の占有率により決定される。そのため、焼結磁性材料においては、焼結体の密度が大きければ大きいほど、磁束密度は大きくなる。一方で、得られる焼結磁性材料において、焼結が進みすぎると結晶粒は粗大化し、粗大化した材料は、ホールペッチの法則（粒径と強度が反比例する）に従い、強度の低下が引き起こされる。本発明では、焼結後の軟磁性材料（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金）において、その組織中に結晶粒微細化元素からなる析出物を形成させることで結晶粒界の移動をピンニング効果により食い止め、焼結体の密度を十分に上げながらも、結晶粒の粗大化を防止することができる。
【００１９】
本発明の実施において、焼結軟磁性材料は、鉄（Ｆｅ）系合金、特にＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金を主体とするものである。但し、得られる効果に望ましくない影響が現れないのであれば、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金に代えて、あるいはこの合金と組み合わせて、Ｆｅ−Ｐ系合金やその他の鉄系合金を使用してもよい。例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金は、主成分としての純Ｆｅ粉末と副資材としての微量のＳｉ、Ｐとからなる混合粉末に由来するものであり、その粒径は、通常、約５０〜１００μｍである。
【００２０】
純Ｆｅ粉末は、アトマイズ鉄粉とも呼ばれ、形状が不規則なために成形性に特徴があり、その粒径は、通常、約７０〜９０μｍであり、約８０μｍのものを有利に使用することができる。必要に応じて、他の種類のＦｅ粉末を使用してもよい。Ｆｅ粉末と組み合わせて、Ｓｉ粉末及びＰ粉末を副資材として使用するが、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金中に占めるＳｉ粉末及びＰ粉末の粒径及び含有率は、それぞれ、広い範囲で変更することができる。Ｓｉ粉末の粒径は、通常、約５〜５０μｍの範囲である。Ｓｉ粉末の添加量は、通常、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の全量を基準にして、約１．５〜３．５重量％であり、好ましくは約１．５〜２．５重量％である。また、Ｐ粉末の粒径は、通常、約５〜３０μｍの範囲である。Ｐ粉末の添加量は、通常、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の全量を基準にして、通常、１．０重量％未満であり、好ましくは約０．２〜０．６重量％である。なお、本発明の実施において、ＭｎＳ粉末を副資材として使用してもよい。
【００２１】
本発明の焼結軟磁性材料では、それを構成するＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の焼結体の結晶粒界に結晶粒微細化元素が析出しているところに特徴がある。適当な結晶粒微細化元素は、本発明の上述のようなメカニズムにしたがって結晶粒を微細化する機能を有するとともに、焼結時に炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な金属もしくはその合金の粒子のなかから選択される。好適な結晶粒微細化元素の一例を示すと、以下に列挙するものに限定されるわけではないが、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、硫黄（Ｓ）などの金属を挙げることができる。これらの金属は、単独で使用してもよく、例えばＭｎ＋Ｓなどのように２種類以上の金属を組み合わせて、例えば合金の形で使用してもよい。また、これらの金属又はその組み合わせは、炭化物、窒化物又はその複合物（例えば、炭窒化物）の形で使用してもよい。さらに、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを結晶粒微細化元素として使用することもできる。
【００２２】
本発明の実施において、結晶粒微細化元素は、通常、焼結軟磁性材料中に含まれる鉄（Ｆｅ）の全量を基準にして約０．２０〜０．６５重量％の量で使用される。焼結軟磁性材料に対して結晶粒微細化元素を０．２０重量％以上の量で添加することによって、結晶粒の粗大化を完全に抑制することができる。また、結晶粒微細化元素の添加量を増加するにつれて、曲げ強度も増大させることができる。本発明者らの知見によれば、曲げ強度の増大は、０．６５重量％までの添加量において有効である。結晶粒微細化元素の添加量が０．６５重量％を上回ると、成形密度を上げにくくなるため、磁束密度が低下する傾向が認められる。また、結晶粒微細化元素の添加量は、０．２０重量％を下回らないことが望ましい。なぜなら、その添加量が例えば０．１重量％もしくはそれ以下となると、結晶粒の粗大化を完全には抑制できず、強度が低下するからである。
【００２３】
本発明による焼結軟磁性材料は、上記したように、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料に特定の結晶粒微細化元素をさらに含むことを特徴とするものである。この焼結軟磁性材料は、本発明の作用効果に対して悪影響を及ぼさない範囲で不可避的不純物を含んでいてもよい。
【００２４】
本発明は、上記したような焼結軟磁性材料に加えて、その製造方法にある。本発明による焼結軟磁性材料の製造方法は、いろいろな手法により有利に実施することができるが、とりわけ有利には、下記の工程：
（１）主たる成分としての鉄（Ｆｅ）粉末ならびに従たる成分としてのケイ素（Ｓｉ）粉末及びリン（Ｐ）粉末を含む混合金属粉末を用意する工程（ここで、鉄粉末は、好ましくは、焼結により炭化物、窒化物又は硫化物を形成可能な１種類もしくはそれ以上の結晶粒微細化金属元素の粉末を添加してなる合金粉である）、
（２）前記工程（１）の混合金属粉末を加圧成形して、所定の形状を有する圧粉体を形成する工程、及び
（３）前記圧粉体を高められた温度で焼結して焼結体となす工程
で実施することができる。上記の工程は、必要に応じて、実施の順序を変更してもよい。
【００２５】
上記した焼結軟磁性材料の製造方法は、本発明の範囲内においていろいろに変更することができる。例えば、上記の工程に追加して、加圧成形工程（２）に先がけて前記混合金属粉末に成形用潤滑剤を適用する工程と、加圧成形工程（２）の後に前記圧粉体を脱脂処理して前記潤滑剤を除去する工程とをさらに含んでもよい。
【００２６】
また、焼結工程（３）の後、得られた焼結体を高められた温度で熱処理する工程をさらに含むことが好ましい。この熱処理工程において、焼結軟磁性材料のその他の優れた特性に悪影響を及ぼすことなく、焼結軟磁性材料の強度をさらに高めることができる。熱処理工程は、好ましくは、焼入れ工程及びその後の焼戻し工程（いわゆるＱＴ処理）である。焼入れ工程は、例えば約１１９０〜１２００℃の温度で実施することができ、また、焼戻し工程は、例えば約５４０〜５７０℃の温度で実施することができる。このようなＱＴ処理の後、必要に応じて、焼結体をさらに熱処理することも推奨される。熱処理の結果、焼結体の強度がさらに向上するからである。
【００２７】
焼結軟磁性材料は、その焼結工程あるいは熱処理の後、切削加工やその他の加工処理を施して最終的な形状をもった製品、例えばインジェクタのアーマチャとなすことができる。例えば切削加工は、常用の切削加工機を使用して、常用の手法で実施することができる。得られる製品の品質や精度を高めるため、切削加工に続けて製品研磨を行うことが好ましい。また、焼結材には、切削加工なしのネットシェイプ処理を施してもよい。
【００２８】
さらに具体的に焼結軟磁性材料の製造方法を説明すると、本発明の焼結軟磁性材料は、常法に従って、例えば、原料粉末の混合、加圧成形、脱脂、そして焼結の各工程を経て有利に製造することができる。一例を示すと、アトマイズ鉄粉（Ｆｅ）に微量のＳｉ粉末及びＰ粉末を混合することによってこれらの金属の混合粉末を調製する。鉄粉には、結晶粒微細化元素の粉末、例えばＭｎ粉末及びＳ粉末を所定の割合で混合して、例えばＭｎＳとＦｅの合金粉のような金属混合粉末を調製することが好ましい。本発明の焼結軟磁性材料を形成するのに必要な金属元素をすべて含む最終混合粉末を調製した後、この最終混合粉末に成形用潤滑剤を添加した後、別に用意した成形機で加圧成形を行う。成形圧は、通常、約５００〜６００ＭＰａである。加圧成形の完了後、得られた成形体を水素ガス、アルゴンガス等の還元性ガス、非酸化性ガスなどの雰囲気下、約６００〜７００℃の温度で約１〜２時間にわたって脱脂処理し、先に使用した潤滑剤などを分解除去する。
【００２９】
脱脂処理の完了後、成形体を焼結処理する。焼結処理は、成形体の組成などに応じていろいろな処理条件下で実施することができる。例えば、真空条件下、アルゴンガス等の非酸化性ガスの雰囲気中で約１１００〜１２００℃の温度で約１〜２時間にわたって成形体を加熱することによって焼結処理を完了することができる。得られる焼結体は、本発明の焼結軟磁性材料であり、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の結晶粒界に本発明に従い結晶粒微細化元素が析出している。この焼結軟磁性材料は、高い透磁性及び磁束密度を有するとともに、結晶粒微細化元素の析出により目的とする結晶粒微細化が達成されているため、優れた強度を有している。得られた焼結軟磁性材料は、所望とする製品に応じてさらに加工する。例えば、焼結軟磁性材料をインジェクタのアーマチャやモータのコアなどとして使用したい場合、所定の形状に切削加工し、さらに研磨処理する。切削加工及び研磨処理は、それぞれ、通常用いられている加工技術を使用して実施することができる。なお、焼結の特徴であるネットシェイプを利用可能であるならば、これらの加工工程を省略してもよく、これにより大幅なコストダウンを図ることができる。
【００３０】
本発明による焼結軟磁性材料は、高い透磁性及び磁束密度、そして高められた強度を有しているので、それらの優れた特性を要求しているような焼結軟磁性材料の用途で、すなわち産業機械器具の一構成部品として、有利に利用することができる。よって、本発明は、その１つの面において、電磁コイルから発生された磁力により帯磁可能な部品を備えた電磁構造体であって、その部品が、本発明による焼結軟磁性材料からなることを特徴とする電磁構造体にある。本発明を適用し得る好適な構成部品の一例として、下記のものに限定されるわけではないが、インジェクタのアーマチャ、電磁弁のプランジャー、モータのコア、ロータ等、トルクセンサーのヨーク等、その他を挙げることができる。
【００３１】
図３は、本発明の焼結軟磁性材料を、ディーゼルエンジンにおける燃料噴射装置の電磁インジェクタの頭部に搭載される電磁アクチュエータのアーマチャに利用した例である。車両用燃料噴射装置の電磁インジェクタにおいて、近年、環境改善のために自動車業界ではＣＯ2 の排出量の低減、排気ガスの浄化が進められている。とりわけ、ディーゼルエンジンは、そのような問題に対して燃料噴射の高圧化や、多段噴射化等の技術で対応を進めている。そのため、電磁インジェクタに搭載される電磁アクチュエータには、高い応答性が求められる。この高い応答性に関する要件を満足させるため、本発明の焼結軟磁性材料を電磁アクチュエータのアーマチャに有利に利用することができる。
【００３２】
電磁アクチュエータは、ニードルピストン（図示せず）の上部に形成される圧力制御室２を高圧あるいは低圧に切替制御するものである。具体的には、電磁アクチュエータのアーマチャ３がボディバルブ４のシート部４ａに着座することにより、高圧燃料が供給される圧力制御室２と低圧油路５が遮断された状態になり、圧力制御室２が高圧になる。また、電磁アクチュエータのアーマチャ３が、電磁ソレノイド６の磁力によりボディバルブ４のシート部４ａから離座することにより、圧力制御室２と低圧油路５が連通された状態になり、圧力制御室２が低圧になる。ここで、アーマチャ３は、本発明の焼結軟磁性材料から、その切削加工及び研磨によって形成されたものである。
【００３３】
電磁アクチュエータは、上述したアーマチャ３及び電磁ソレノイド６の他に、アーマチャ３をシート部４ａに押しつけるスプリング７、及び電磁アクチュエータをインジェクタボディ３０の上部に固定するための固定手段を備える。この固定手段は、インジェクタボディ３０の上端に螺合される略筒状のリテーニングナット８、その内側に挿入された略筒状のケース９、このケース９の上部に装着された略円板状のカバー４０からなる。なお、ボディバルブ４及びケース９は、リテーニングナット８の上端内側に形成された段差部８ａによってインジェクタボディ３０に固定されるものであり、カバー４０はケース９の上端に形成されたリブ９ａを内側に曲げることによってケース９内に固定されるものである。
【００３４】
電磁ソレノイド６は、電磁石用の圧粉ステータ１５と、この圧粉ステータ１５内に組付けられた磁力発生用のコイル１２と、アーマチャ３を吸引した際にアーマチャ３と当接するストッパ１３とを備える。
【００３５】
圧粉ステータ１５は、表面が絶縁皮膜（例えば、燐酸塩等）で覆われた磁性体金属粉（例えば鉄粉等）をプレス機等によって所定のステータ形状（略筒形円環形状）に圧縮して形成したものであり、磁性体金属粉の機械的な結合によって形状が保たれる。なお、圧粉ステータ１５の表面に保護膜を形成している。
【００３６】
コイル１２は、通電を受けて磁力を発生する周知なものであり、圧粉ステータ１５に形成された環状の凹部１５ａ内に組付けられる。なお、コイル１２の両端は、リード１６及びワイヤ１７を介して外部接続用のコネクタ１８に接続されている。
【００３７】
ストッパ１３は、圧粉ステータ１５の中心孔１５ｂに挿通される中心部１９と、アーマチャ３とは異なった側の圧粉ステータ１５の面に当接する円板部２０を備えたものであり、アーマチャ３が圧粉ステータ１５に吸引されてアーマチャ３が所定量移動した際には、アーマチャ３が中心部１９の先端１９ａに当接する。なお、上述したスプリング７は、ストッパ１３の中心に形成された孔１３ａ内に組付けられるものである。
【００３８】
リテーニングナット８、ケース９及びカバー４０の内部、つまり電磁アクチュエータが配置される部分は、低圧油路５と連通しており、ディーゼルエンジンの燃料（軽油）が満たされた状態となる。つまり、圧粉ステータ１５は、燃料（作動流体に相当する）に触れた状態で使用される。なお、図中の参照符号２１〜２４はＯリングを示し、内部の燃料が外部に漏れ出るのを防いでいる。また、参照符号２５は絶縁体を示している。
【符号の説明】
【００３９】
１    Ｍｎ、Ｓ合金鉄粉
３    アーマチャ
１０    Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金粉末
１１    結晶粒界
Ｍ    結晶粒微細化元素
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）及びリン（Ｐ）ならびに残部の不可避的不純物を含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金からなる焼結軟磁性材料であって、該焼結軟磁性材料の内部に分布した結晶粒界を有し、その結晶粒界に析出した、マンガン（Ｍｎ）の硫化物からなる結晶粒微細化金属粒子をさらに含むＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系の焼結軟磁性材料を製造する方法であって、下記の工程：
鉄（Ｆｅ）粉末と、いずれもＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の全量を基準にして、１．５〜３．５質量％のケイ素（Ｓｉ）粉末及び、０．２〜０．６質量％のリン（Ｐ）粉末とを含む混合金属粉末を調製する工程と、
前記混合金属粉末に前記結晶粒微細化金属粒子（ＭｎＳ）の粉末を、該焼結軟磁性材料中に含まれる鉄（Ｆｅ）の全量を基準にして０．２０〜０．６５質量％の量で副資材として添加する工程と、
前記工程で得られた混合金属粉末を加圧成形して、所定の形状を有する圧粉体を形成する工程と、
前記圧粉体を焼結して焼結体となす工程と
を含んでなることを特徴とする焼結軟磁性材料を製造する方法。
【請求項２】
前記加圧成形工程に先がけて前記混合金属粉末に成形用潤滑剤を適用する工程と、
前記加圧成形工程の後に前記圧粉体を脱脂処理して前記潤滑剤を除去する工程と
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記焼結工程を１１００〜１２００℃の温度で１〜２時間にわたって実施する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記焼結工程の後、得られた焼結体を熱処理する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記熱処理工程は、焼入れ工程及びその後の焼戻し工程を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記焼入れ工程を１１９０〜１２００℃の温度で、前記焼戻し工程を５４０〜５７０℃の温度で、それぞれ実施する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記焼結工程の後、得られた焼結体を切削加工して最終的な形状となす工程をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】削除
【補正の内容】