(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定量のアルミニウムを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成することにより、前記鋼製部材と前記合金層とが相互拡散した構成を有し、前記合金層の小孔および介在物の合計面積率が１０％未満である、磁歪部材。
【請求項２】
前記合金層は、アルミニウムを５質量％以上１７質量％以下含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁歪部材。
【請求項３】
前記合金層の厚みが、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁歪部材。
【請求項４】
所定量のアルミニウムを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成して、前記合金層の小孔および介在物の合計面積率を１０％未満にすることを特徴とする、磁歪部材の製造方法。
【請求項５】
所定量のアルミニウムを含み、かつ残部が鉄および不可避不純物を有する合金粉末をガスアトマイズ法により生成する工程と、
前記合金粉末を所定の大きさに分級する工程と、
鋼製部材と分級された前記合金粉末とを容器に充填する工程と、
前記鋼製部材と分級された前記合金粉末とを熱間塑性加工により一体に形成して、小孔および介在物の合計面積率が１０％未満の合金層を前記合金粉末から形成する工程とを備えた、磁歪部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪部材およびその製造方法に関し、より具体的には、非接触式トルクセンサに用いる高感度で信頼性の高い磁歪部材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用鋼にＦｅ（鉄）−Ａｌ（アルミニウム）合金などの高磁歪材料を溶射、肉盛り溶接などすることにより、トルク検出部品として使用することで検出感度の高いトルクセンサを得る方法が知られているが、Ｆｅ−Ａｌ合金は脆い性質を持っているため、溶射、肉盛り溶接時に割れや剥離が生じるという問題点があった。このような問題の解決策として、特許第２６０１７８７号公報に記載された技術がある。この技術によると、Ｆｅ−Ａｌ合金の肉盛り溶接層の厚みは、割れを防ぐために３ｍｍ以下とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載された技術でも、Ｆｅ−Ａｌ合金層は肉盛り溶接により作製されているため、このＦｅ−Ａｌ合金層には小孔および酸化物などの介在物が多く存在している。この小孔や介在物は繰返しトルクがかかると割れの起点になる。また、小孔は磁歪特性を持たず、介在物は磁歪特性が小さいため、小孔および介在物が多く分布すると、磁歪特性が著しく低下する。
【０００４】
また磁歪効果を必要とする場合には、より厚いＦｅ−Ａｌ合金層が必要となるため、肉盛り溶接や溶射法などの従来法での作製には限界がある。
【０００５】
また肉盛り溶接では、母材径がφ３０ｍｍ以下のものに適用すると母材の熱容量が小さいために、急激な温度上昇が起こりやすく取扱いが難しかった。
【０００６】
それゆえ本発明の目的は、繰返しトルクによる割れを抑制でき、良好な磁歪特性を得ることができ、かつ取扱いも容易な磁歪部材およびその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁歪部材は、所定量のアルミニウムを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成することにより、鋼製部材と合金層とが相互拡散した構成を有し、合金層の小孔および介在物の合計面積率が１０％未満であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の磁歪部材によれば、熱間塑性加工により鋼製部材と合金層とを相互拡散させるため界面密着性を改善することができる。また、熱間塑性加工を伴なうため、溶射、肉盛り溶接、焼結などの熱間塑性加工を伴なわない製造方法と比較して、小孔を低減でき、界面の密着性を改善し実用に耐え得るトルク検出用のクラッド材を製造することができる。
【０００９】
このように鉄とアルミニウムとを含む合金層を鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成することによって、該合金層の小孔および介在物の合計面積率を１０％未満にすることができる。これにより、熱処理時の焼き割れや繰返しトルクがかかった際の割れ、界面の剥離を抑制することができる。また、小孔部は磁歪特性を持たず、介在物は磁歪特性が小さいため、合計面積率が１０％以上の小孔および介在物が磁歪合金層に存在すると磁歪効果が著しく低下する。
【００１０】
また熱処理時の焼き割れや繰返しトルクがかかった際の割れ、界面の剥離を抑制することができるため、良好な磁歪特性を維持したまま合金層の厚みを容易に厚くすることができる。また、熱間塑性加工では肉盛り溶接ほど熱容量を気にする必要がないため、取扱いが容易である。
【００１１】
上記の磁歪部材において好ましくは、合金層は、アルミニウムを５質量％以上１７質量％以下含んでいる。
【００１２】
これにより、良好な磁歪特性を得ることができる。
上記の磁歪部材において好ましくは、合金層の厚みが、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
【００１３】
合金層の厚みが０．１ｍｍ未満の場合には十分な磁歪効果が得られず、１０ｍｍを超える場合にはトルク検出部品そのものの体積が大きくなり実用的ではなくなる。
【００１４】
本発明の磁歪部材の製造方法は、所定量のアルミニウムを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金粉末をガスアトマイズ法により生成する工程と、合金粉末を所定の大きさに分級する工程と、鋼製部材と分級された合金粉末とを容器に充填する工程と、鋼製部材と分級された合金粉末とを熱間塑性加工により一体に形成して、小孔および介在物の合計面積率が１０％未満の合金層を合金粉末から形成する工程とを備えている。
【００１５】
本発明の磁歪部材の製造方法によれば、熱間塑性加工により鋼製部材と合金層とを相互拡散させるため界面密着性を改善することができる。また、熱間塑性加工を伴なうため、溶射、肉盛り溶接、焼結などの熱間塑性加工を伴なわない製造方法と比較して、小孔を低減でき、界面の密着性を改善し実用に耐え得るトルク検出用のクラッド材を製造することができる。
【００１６】
このように鉄とアルミニウムとを含む合金層を鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成することによって、該合金層の小孔および介在物の合計面積率を１０％未満にすることができる。これにより、熱処理時の焼き割れや繰返しトルクがかかった際の割れ、界面の剥離を抑制することができる。また、小孔部は磁歪特性を持たず、介在物は磁歪特性が小さいため、合計面積率が１０％以上の小孔および介在物が磁歪合金層に存在すると磁歪効果が著しく低下する。
【００１７】
また熱処理時の焼き割れや繰返しトルクがかかった際の割れ、界面の剥離を抑制することができるため、良好な磁歪特性を維持したまま合金層の厚みを容易に厚くすることができる。また、熱間塑性加工では肉盛り溶接ほど熱容量を気にする必要がないため、取扱いが容易である。
本発明の他の磁歪部材の製造方法は、所定量のアルミニウムを含み、かつ残部に鉄および不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成して、合金層の小孔および介在物の合計面積率を１０％未満にすることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００１９】
本実施の形態の磁歪部材は、所定量のＡｌを含み、かつ残部にＦｅおよび不可避不純物を有する合金層を、鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成したものである。またこの合金層は、Ａｌを５質量％以上１７質量％以下含んでいることが好ましい。このようにＡｌを所定量含ませるとともに、合金層を鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成することによって、合金層の小孔および介在物の合計面積率を１０％未満にすることができる。またこの合金層の厚みは、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
このような磁歪部材は、たとえば非接触式トルクセンサに用いられる。この非接触式トルクセンサは、たとえば図１に示す構成を有している。
【００２１】
図１を参照して、非接触式トルクセンサ１は、回転軸４の表面に形成された磁歪材パターン２と、磁歪材パターン２を周回するように巻回されたコイル３とを含んでいる。磁歪材パターン２は、複数の帯状の磁歪材膜を回転軸４の表面に所定のピッチおよび角度で形成したものである。
【００２２】
回転軸４に捩りトルクが発生すると、磁歪材パターン２の透磁率が変化し、コイル３のインダクタンスが変化する。したがって、コイル３のインダクタンスの変化を検出することにより、回転軸４のトルクを非接触で検出することができる。
【００２３】
次に、本実施の形態の磁歪部材の製造方法について説明する。
図２は、本発明の一実施の形態における磁歪部材の製造方法を示すフロー図である。図２を参照して、まず所定量のアルミニウムと所定量の鉄とが配合され（ステップＳ１）、その後に溶解される（ステップＳ２）。この溶解された溶湯は、たとえばＡｒ（アルゴン）ガスアトマイズにより合金粉末とされる（ステップＳ３）。
【００２４】
このガスアトマイズは、たとえば図３に示す装置により行なわれる。つまり、真空誘導溶解炉２１で溶解された溶湯を、タンディッシュ２２に流し込み、そのタンディッシュ２２から所望量ずつ落下させ、アルゴンガスなどの噴霧ガスの高圧吹付けによって急速に凝固させることにより、噴霧器２３内に球状の粉末が得られる。
【００２５】
この後、噴霧後の合金粉末は、サイクロン２４により捕集され、コンテナー２５に蓄えられる。そして振動式のふるい（図示せず）で分級される（ステップＳ４）。
【００２６】
分級された合金粉末は、たとえば図４に示すように中心に鋼製部材を配置したステンレス容器２６内に充填（キャニング（canning））される（ステップＳ５）。この状態で、ステンレス容器２６内においては、図５に示すようにたとえばＳ４５Ｃよりなる鋼製部材１１の外表面を覆うように、たとえばＦｅ−１３質量％Ａｌの合金粉末１２が覆っている。
【００２７】
この状態で熱間塑性加工が施される（ステップＳ６）。この熱間塑性加工は、図６に示すようにビレット１０を加熱した状態で、図７に示すように押出により縮径することによって行なわれる。
【００２８】
この後、合金粉末から形成された合金層にパターニングなどの所定の処理を施すことにより図１に示すような磁歪材パターン２を有する回転軸４が形成される。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例について説明する。
【００３０】
本実施例のクラッド材の熱間加工による製造条件を以下に示す。
本方式では、図２に示すようにＡｒガスアトマイズ→分級→キャニング→熱間押出（または熱間鍛造）の手順を取るものとし、出発原料である磁歪合金粉末の組成には比較のため以下の５水準（Ｆｅ−３質量％Ａｌ、Ｆｅ−５質量％Ａｌ、Ｆｅ−１３質量％Ａｌ、Ｆｅ−１７質量％Ａｌ、Ｆｅ−２０質量％Ａｌ）を評価した。Ａｒガスアトマイズは、真空誘導溶解炉にて溶解した後、出湯温度１６５０℃、噴霧圧４ＭＰａの条件下で実施した。出来上がった粉末は５００μｍ以下の粒径に分級した。
【００３１】
熱間押出を実施する場合は、φ１５０×４００Ｌ（ｍｍ）のステンレス容器の中心に軸材としてφ９０（ｍｍ）のＳ４５Ｃを配置し、その周りにガスアトマイズにより作製したＦｅ−Ａｌ合金粉末を充填し真空引き封入した後、１１５０℃に加熱しφ１５０（ｍｍ）のステンレス容器をφ２５（ｍｍ）に縮径させた。
【００３２】
他方、熱間鍛造を実施する場合は、φ８０×２００Ｌ（ｍｍ）のステンレス容器の中心に軸材としてφ６０（ｍｍ）のＳ４５Ｃを配置し、その周りにガスアトマイズにより作製したＦｅ−Ａｌ合金粉末を充填し封入した後、１１５０℃に加熱し、φ８０（ｍｍ）のステンレス容器をφ２０（ｍｍ）に縮径させた。
【００３３】
本実施例との比較のために実施した溶射による製造方法を以下に示す。
溶射は、Ｓ４５Ｃ製でφ１５（ｍｍ）の軸材を回転させながら、ガスフレーム溶射により、その軸材の表面に厚さ２．５ｍｍの磁歪合金を形成することにより行なった。
【００３４】
以上の方法で作製した磁歪軸について、小孔および介在物の合計面積率に対して、繰返しトルクがかかった際の軸材と磁歪合金層との剥離性、および磁歪特性の２つについて評価を行なった。
【００３５】
ここで、小孔および介在物の合計面積率の評価は、Ｓ４５Ｃ／Ｆｅ−Ａｌクラッド材料のＦｅ−Ａｌ合金層から採取したテストピース（１０×１０×５ｍｍ）を研磨し光学顕微鏡で観察し、画像解析により面積率から算出する方法により行なった。
【００３６】
トルクがかかった際の軸材と磁歪合金層との剥離性の評価については、Ｓ４５Ｃ／Ｆｅ−Ａｌクラッド材料をφ１７×１０Ｌ（ｍｍ）に加工し、径方向１５％冷間プレスした後、界面の割れを実体顕微鏡で観察し、割れの有無を確認する方法により行なった。
【００３７】
磁歪特性の評価は、Ｓ４５Ｃ／Ｆｅ−Ａｌクラッド材料のＦｅ−Ａｌ合金層から採取したテストピース（２×２×２５ｍｍ）により飽和磁歪を測定する方法により行なった。そのときの測定条件は一般的な静電容量法で、印加磁場を８×１０5Ａ／ｍ、測定長を１０ｍｍとして行なった。
【００３８】
それらの評価結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
0004343471.tif 000002
【００４０】
この結果より、熱間押出や熱間鍛造などの熱間塑性加工を行なうことにより、小孔および介在物の面積率を１０％未満、より好ましくは１％未満にできることがわかった。また、Ｆｅ−５〜１７質量％Ａｌ組成のときに、２０以上の飽和磁歪となり良好な磁歪特性が得られることも判明した。
【００４１】
また、フレーム溶射を実施したものは、冷間プレスにより界面の剥離が見られたのに対し、熱間押出や熱間鍛造などの熱間塑性加工で製造したクラッド鋼は、剥離が見られない良好な結果が得られた。
【００４２】
次に、Ｆｅ−Ａｌ合金層の厚みの影響を調べた。その結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
0004343471.tif 000003
【００４４】
この結果より、溶射したものは、Ｆｅ−Ａｌ合金層の厚みにかかわらず、冷間プレスによる界面の剥離が見られる他、飽和磁歪も低いことがわかった。他方、熱間押出で製作したクラッド鋼は、Ｆｅ−Ａｌ合金層の厚みにかかわらず、冷間プレスによる界面の剥離は見られないが、合金層の厚みが０．０５ｍｍのものは、それ以上のものに比べ飽和磁歪が低い結果となった。
【００４５】
次に、これらの磁歪材を熱処理したときの焼き割れの有無を調査した。
評価方法としては、上記方法で製造した磁歪材を１００Ｌ（ｍｍ）に切断し、８００℃で１時間加熱保持した後に水冷して焼入れを行なった後、２５Ｌ（ｍｍ）間隔に切断し、湿式研磨し光学顕微鏡にて焼き割れの有無を観察した。
【００４６】
その結果を表３に示す。
【００４７】
【表３】
0004343471.tif 000004
【００４８】
この結果より、クラッド鋼では、焼き割れが生じていないことがわかる。
なお、本実施例では、軸材にＳ４５Ｃを用いたが、使用温度範囲で線膨張係数がＳ４５Ｃと同じものであるならば、Ｓ４５Ｃに限られず、他の材質が用いられてもよい。また、熱間塑性加工は、上述した熱間押出し、熱間鍛造以外に熱間圧延であっても構わない。また、磁歪部材をＳ４５Ｃ材の外側に配置する例を示したが、内側であっても構わない。
【００４９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の磁歪部材およびその製造方法によれば、熱間塑性加工により鋼製部材と合金層とを相互拡散させるため界面密着性を改善することができる。また、熱間塑性加工を伴なうため、溶射、肉盛り溶接、焼結などの熱間塑性加工を伴なわない製造方法と比較して、小孔を低減でき、界面の密着性を改善し実用に耐え得るトルク検出用のクラッド材を製造することができる。
【００５１】
このように鉄とアルミニウムとを含む合金層を鋼製部材の表面に熱間塑性加工により一体に形成することによって、該合金層の小孔および介在物の合計面積率を１０％未満にすることができる。これにより、熱処理時の焼き割れや繰返しトルクがかかった際の割れ、界面の剥離を抑制することができる。
【００５２】
また熱処理時の焼き割れや繰返しトルクがかかった際の割れ、界面の剥離を抑制することができるため、良好な磁歪特性を維持したまま合金層の厚みを容易に厚くすることができる。また、熱間塑性加工では肉盛り溶接ほど熱容量を気にする必要がないため、取扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一般的な非接触式トルクセンサに本発明の一実施の形態における磁歪部材を適用した構成を示す図である。
【図２】  本発明の一実施の形態における磁歪部材の製造方法を示すフロー図である。
【図３】  アトマイズおよび分級の工程を説明するための図である。
【図４】  粉末充填（キャニング）の工程を説明するための図である。
【図５】  粉末充填により鋼製部材の表面に合金粉末が覆った様子を示す図である。
【図６】  ビレット加熱の様子を示す図である。
【図７】  押出の様子を示す図である。
【符号の説明】
１  非接触式トルクセンサ、２  磁歪材パターン、３  コイル、４  回転軸、１０  ビレット、１１  鋼製部材、１２  合金粉末、２１  真空誘導溶解炉、２２  タンディッシュ、２３  噴霧器、２４  サイクロン、２５  コンテナー、２６  ステンレス容器。
【図１】
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【図２】
0004343471.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004343471.tif 000009
【図６】
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【図７】
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