(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ    ：０．００７ｍａｓｓ％以下、
Ｔ・Ｎ：０．０１ｍａｓｓ％以下、
Ａｌ  ：２〜３ｍａｓｓ％、
Ｓｉ  ：０．６１〜０．７ｍａｓｓ％、
Ｃｒ  ：２〜７ｍａｓｓ％
を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、下記（１）式
Ｓ値＝２×（Ａｌ+Ｓｉ）+Ｃｒ    ---（１）
但し、Ａｌ、Ｓｉ及びＣｒ：それぞれの元素の含有率（ｍａｓｓ％）
で算出されるＳ値が、１１．２７〜１４．０の範囲内にある化学成分組成を有することを特徴とする軟磁性鋼材。
【請求項２】
前記化学成分組成に、更に、
Ｓ    ：０．１ｍａｓｓ％以下、及び、
Ｐｂ  ：０．３ｍａｓｓ％以下
のうち、１種又は２種が添加されている、請求項１記載の軟磁性鋼材。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化学成分組成を有する鋼を溶製し、そして鋳造し、こうして得られた鋼塊又は鋳片に加工を施して所定形状の鋼材に成形し、次いで、得られた鋼材又は当該鋼材又は当該鋼材に更に加工を施して得られた加工品に対して８００〜１３００℃の範囲内の温度で熱処理を施すことを特徴とする、軟磁性鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車や産業機械等に使用される電磁弁等の電磁アクチュエーター用部品素材に関するものであり、低磁場磁束密度、最大透磁率及び高磁場磁束密度がいずれも大きく、保磁力が小さく、なお且つ電気抵抗の大きな軟磁性鋼材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車や産業機械等に使用される電磁弁等の電磁アクチュエーターは、電磁誘導現象により動作し、入力電流を制御することによってその動作を制御し、目的に応じた機能を発揮する。こうした電磁アクチュエーターは近年の高性能化に伴い、その高応答性及び高電磁誘導力が要求されつつある。従来より、このような電磁誘導部には軟鋼、純鉄又は珪素鋼が使用されており、高応答性及び高電磁誘導力に有利な鋼材の成分系が検討されている。電磁アクチュエーターにこのような特性を発揮させるためには、優れた軟磁性、即ち、高磁束密度、高透磁率及び低保磁力を備え、且つ、高電気抵抗を備えた材料がその素材に要求される。
【０００３】
このような要求に対して、例えば、特開平２−１７０９４８号公報には、高Ｃｒ鋼に炭窒化物形成元素を意図的に含有させることによって、高磁束密度及び低保磁力を付与すると共に、材料の加工性の改善を図った鋼材が開示されている（以下、先行技術１とう）。先行技術１によれば、良好な磁束密度（Ｂ20）が得られてはいるが、保磁力は０．７Oe以上であって、良好であるとはいえない。
【０００４】
また、特開平２−２５９０４７号公報には、高Ｃｒ鋼にＡｌを含有させることによって、高電気抵抗化を図った鋼材が開示されている（以下、先行技術２という）。しかしながら、先行技術２では、低磁場磁束密度（Ｂ2 ）が１１０００ G以下と低く、且つ、保磁力も０．７Oe以上であって、良好とはいえない。
【０００５】
更に、特開平４−２３５２５７号公報には、高Ｃｒ鋼にＭｏ、Ｔｉ、Ａｌ及びＢ等を含有させることによって、高電気抵抗化、軟磁性及び加工性の改善を図った鋼材が開示されている（以下、先行技術３という）。しかしながら、先行技術３では、低磁場磁束密度（Ｂ1 ）９６００ G以下と低く、良好とはいえない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通り、先行技術１〜３ではいずれも、最近の電磁アクチュエーターに要求される高応答性及び高電磁誘導力を満たすための高電気抵抗を有する軟磁性材料として十分であるとはいえない。
【０００７】
従って、この発明の目的は、上述した問題を解決して、自動車や産業機械等に使用される電磁アクチュエーター用部品素材として、低磁場磁束密度、最大透磁率及び高磁場磁束密度が大きく、保磁力が小さく、しかも電気抵抗が大きいという、諸特性が飛躍的に向上し、さらに、特に、高周波数域における消費電力の低減が図れる軟磁性鋼材及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述した観点から新技術を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、適量のＡｌ、Ｓｉ及びＣｒを添加することにより、上記諸特性を備えた軟磁性鋼材の成分系が得られ、この成分系の鋼に適切な熱処理を施すことにより所望の軟磁性鋼材を製造することができるとの知見を得た。この発明は、上述した知見に基づきなされたものであって、下記構成を有する。
【０００９】
請求項１記載の軟磁性鋼材は、軟磁性に優れ、即ち、低・高磁場磁束密度及び最大透磁率が大きく、且つ保磁力が小さく優れ、しかも、高電気抵抗を有する軟磁性鋼材であって、Ｃ：０．００７ｍａｓｓ％以下、Ｔ・Ｎ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：２〜３ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．６１〜０．７ｍａｓｓ％、Ｃｒ：２〜７ｍａｓｓ％を含有し、残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、下記（１）式
Ｓ値＝２×（Ａｌ+Ｓｉ）+Ｃｒ    ---（１）
但し、Ａｌ、Ｓｉ及びＣｒ：それぞれの元素の含有率（ｍａｓｓ％）
で算出されるＳ値が、１１．２７〜１４．０の範囲内にある化学成分組成を有することに特徴を有するものである。
【００１０】
請求項２記載の軟磁性鋼材は、請求項１記載の発明において、前記化学成分組成に、更に、Ｓ：０．１mass％以下、及び、Ｐｂ：０．３mass％以下の内、１種又は２種が添加されていることに特徴を有するものである。
【００１１】
請求項３記載の軟磁性鋼材の製造方法は、請求項１又は２記載の化学成分組成を有する鋼を溶製し、そして鋳造し、こうして得られた鋼塊又は鋳片に加工を施して所定形状の鋼材に成形し、次いで、得られた鋼材又は当該鋼材に更に加工を施して得られた加工品に対して８００〜１３００℃の範囲内の温度で熱処理を施すことに特徴を有するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の軟磁性鋼材及びその製造方法を、上述した通りの鋼材の化学成分組成及び製造条件に限定した理由を説明する。
【００１３】
（１）Ｃ：０．００７mass％以下
Ｃは軟磁性に著しく悪影響を与える不純物元素であり、極力低減させなければならない。即ち、Ｃ含有率が０．００７mass％を超えると、Ａｌ及びＳｉ複合添加によるフェライト域拡大作用が低下するので、鋼材熱処理時のフェライト粒拡大作用が阻害されて、その結果として軟磁性が著しく劣化する。また、炭化物析出により、熱処理時のフェライト粒拡大作用が阻害されること、及び、炭化物自体の作用により、軟磁性が著しく劣化する。従って、Ｃ含有率は０．００７mass％以下に限定する。
【００１４】
（２）Ｎ：０．０１mass％以下
ＮはＣと同様に軟磁性に著しく悪影響を与える不純物元素であり、極力低減させなければならない。即ち、Ｎ含有率が０．０１mass％を超えると、窒化物析出により、鋼材熱処理時のフェライト粒拡大作用が阻害されること、及び、窒化物自体の作用により、軟磁性が著しく劣化する。従って、Ｎ含有率は０．０１mass％以下に限定する。
【００１５】
（３）Ａｌ：２〜３mass％
Ａｌはフェライト域拡大作用もしくはフェライト変態温度を高めるので、また、窒化物粒子の大型化に寄与するので、鋼材熱処理時のフェライト粒拡大作用を容易ならしめると共に、固溶窒素を低減させるので、軟磁性を向上させるために重要な元素である。一方、Ａｌには、電気抵抗を増大させる効果もある。この効果を発揮させるためには、２mass％以上添加する必要がある。しかし、Ａｌ添加量が３mass％を超えると、軟磁性の改善効果が飽和傾向になると共に、鋼中にアルミナ系介在物が増加し、鋼材の加工性を劣化させる。従って、Ａｌ含有率は、２〜３mass％の範囲内に限定する。
【００１６】
（４）Ｓｉ：０．６１〜０．７ｍａｓｓ％
ＳｉはＡｌと同様に、フェライト域拡大作用もしくはフェライト変態温度を高めるので、鋼材熱処理時のフェライト粒拡大作用を容易ならしめる。その結果、軟磁性を向上させると共に、電気抵抗を増大させる効果のあるので、重要な元素である。このような作用効果を発揮させるためには、Ｓｉを０．６１ｍａｓｓ％以上添加することが必要である。しかしながら、Ｓｉ添加が０．７ｍａｓｓ％を超えると靱性を劣化させる恐れが生じる。従って、Ｓｉ含有率は、０．６１〜０．７ｍａｓｓ％の範囲内に限定する。
【００１７】
（５）Ｃｒ：２〜７mass％
Ｃｒは、電気抵抗を他の添加必須元素に比べて顕著に上昇させるので、本発明の根幹に関わる重要な元素である。Ｃｒのこの効果を発揮させるためには、２mass％以上添加することが必要である。しかしながら、Ｃｒ添加が７mass％を超えると軟磁性の低下を招くと共に、電気抵抗の上昇効果が飽和傾向になる。従って、Ｃｒ含有率は、２〜７mass％の範囲内に限定する。
【００１８】
（６）Ｓ：０．１mass％以下及びＰｂ：０．３mass％以下の内１種又は２種
Ｓ及びＰｂはいずれも鋼材に良好な切削性を付与する場合に添加する。しかしながら、その添加量が、Ｓ：０．１mass％及びＰｂ：０．３mass％のいずれかを超えて添加してもこの効果が飽和してしまい、また、経済的にも不利となる。従って、Ｓ及びＰｂの添加は良好な切削性を付与する場合に、Ｓ：０．１mass％以下且つＰｂ：０．３mass％以下であって、いずれか１種又は２種に限定して添加する。
【００１９】
上述した元素の他に、製鋼工程においてスクラップや耐火物等から不可避的に混入する元素、例えばＰ、Ｎｉ等の元素は、不純物としての含有率レベルで含有していても差し支えない。
【００２０】
（７）Ｓ値：１１．２７〜１４．０
Ｓ値は、下記（１）式で算出される電気抵抗及び磁束密度に対する、鋼中Ａｌ、Ｓｉ及びＣｒ含有率の影響を示すパラメーターである。
【００２１】
Ｓ値＝２（Ａｌ＋Ｓｉ）＋Ｃｒ--------------------（１）
但し、Ａｌ、Ｓｉ及びＣｒ：それぞれの元素の含有率（ｍａｓｓ％）
そして、Ｓ値が増大すると共に、電気抵抗の上昇という利点と磁束密度の低下という欠点との相反する特性変化が生じる。一方、この発明における軟磁性鋼材の目標とする代表特性として、本発明者等は下記（２）及び（３）式を満たすことを設定した。即ち、低磁場磁束密度（１６０Ａ／ｍでの磁束密度）Ｂ２が、
Ｂ２≧１．１Ｔ            ------------------------（２）
で、且つ、電気抵抗値ρが、
ρ≧８８．９μΩｃｍ    ------------------------（３）
であること。
【００２２】
本発明者等は、低磁場磁束密度Ｂ２ 及び電気抵抗値ρ共に上記条件を満たすためには、Ｓ値は１１．２７〜１４．０の範囲内に限定すべきであることを見い出した。よって、Ｓ値を１１．２７〜１４．０の範囲内に限定する。
【００２３】
（８）熱処理温度：８００〜１３００℃
優れた軟磁性を得るためには、鋼材のフェライト結晶の平均粒径を０．１ｍｍ以上にすることが望ましいことを本発明者等は知得している。そのためには、この発明において、前述した化学成分組成からなる鋼を溶製・鋳造した後、鋳片又は鋼塊を所定形状の鋼材に成形し、得られた鋼材を８００〜１３００℃の範囲内の温度で熱処理（焼鈍）することが必要である。８００℃未満の熱処理では、鋼材のフェライト結晶の平均粒径を０．１ｍｍ以上にすることができず、一方、１３００℃を超える温度の熱処理では、粒径を大きくする効果があまりなく、かえって鋼材に変形をまねいたり、また熱経済的に不利となる。従って、鋼材の前熱処理温度を８００〜１３００℃の範囲内に限定する。
【００２４】
なお、この熱処理は、焼鈍を目的とするものであり、鋼材に対する加工をほぼ終了した時点で実施することが望ましい。鋼材としては、鋼板、鋼管、棒鋼、形鋼及び線材等の各種鋼材、並びにこれらの加工材等、いかなる形態のものであってもよい。
【００２５】
以上のようにして製造する本発明の軟磁性鋼材の諸特性の目標値は、前記の
低磁場磁束密度Ｂ２≧１．１Ｔ
電気抵抗値ρ≧８８．９μΩｃｍ
の他に、  保磁力ＨＣ≦２８Ａ／ｍ
最大透磁率≧０．０１４
高磁場磁束密度Ｂ２５≧１．３５Ｔ
を追加したものである。
【００２６】
【実施例】
次に、この発明を、実施例によって更に詳細に説明する。
表１に示す化学成分組成を有する各鋼を溶製し鋼塊を鋳造した。得られた鋼塊を直径５０ｍｍの丸棒の形材に熱間加工した。次いで当該丸棒から試験片を採取し、表２に示す各温度で真空熱処理を施した。このようにして得られた所要の試験片に対し、フェライト結晶平均粒径、電気抵抗及び直流磁気特性を測定した。直流磁気特性として、保磁力、最大透磁率、低磁場磁束密度（１６０Ａ／ｍでの磁束密度、Ｂ2 ）、及び高磁場磁束密度（２０００Ａ／ｍでの磁束密度、Ｂ25）を測定した。
【００２７】
【表１】
0004295371.tif 000002
【００２８】
【表２】
0004295371.tif 000003
【００２９】
表１に示した鋼の化学成分組成は、本発明の範囲内にある鋼Ｄ、Ｅ、並びに、本発明の範囲外にある鋼Ａ〜Ｃ、Ｆ〜Ｑからなる。表２には、本発明の範囲内の試験である実施例４、５、本発明の範囲外の試験である比較例１〜１１、及び参考例１〜３、６、７についての各特性値の試験結果を併記した。試験結果は、表１及び２から下記の通りである。
【００３０】
（１）実施例４、５（鋼Ｄ，Ｅ）、参考例１〜３（鋼Ａ〜Ｃ）、比較例１、２（鋼Ｆ，Ｇ）は、Ｃｒ含有率を変化させた例である。これより、Ｃｒ含有率が増えるに従い、電気抵抗が増大し、低・高磁場磁束密度及び最大透磁率が低下し、保磁力が増加している。即ち、Ｃｒ含有率が増えるに従い軟磁性が劣化している。
・実施例４、５（鋼Ｄ，Ｅ）：すべて、低磁場磁束密度Ｂ２が１．１Ｔ以上で、且つ電気抵抗値ρが８８．９μΩｃｍ以上であり、代表特性の目標値を満足している。また、その他の特性値も目標値を満たしており良好である。
・比較例１（鋼Ｆ）：Ｃｒ含有率及びＳ値が本発明の範囲を上方に外れている場合で、高電気抵抗であるが、軟磁性に劣り低・高磁場磁束密度が低くなり、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
・比較例２（鋼Ｇ）：Ｃｒ含有率及びＳ値が本発明の範囲を下方に外れている場合で、軟磁性に優れ、低・高磁場磁束密度が高いが、電気抵抗が低いため、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
【００３１】
（２）比較例３、４（鋼Ｈ，Ｉ）は、Ａｌ含有率を本発明の範囲外に変化させた例である。
・比較例３（鋼Ｈ）：Ａｌ含有率が本発明の範囲を上方に外れている場合で、高電気抵抗であるが、軟磁性が劣り、低・高磁場磁束密度が低くなり、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
・比較例４（鋼Ｉ）：Ａｌ含有率が本発明の範囲を下方に外れている場合で、軟磁性に優れ、低・高磁場磁束密度が高いが、電気抵抗が低いため、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
【００３２】
（３）比較例５、６（鋼Ｊ，Ｋ）は、Ｓｉ含有率を本発明の範囲外に変化させた例である。
・比較例５（鋼Ｊ）：Ｓｉ含有率が本発明の範囲を上方に外れている場合で、高電気抵抗であるが、軟磁性が劣り、低・高磁場磁束密度が低くなり、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
・比較例６（鋼Ｋ）：Ｓｉ含有率が本発明の範囲を下方に外れている場合で、軟磁性に優れ、低・高磁場磁束密度が高いが、電気抵抗が低いため、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
【００３３】
（４）比較例７、８（鋼Ｌ，Ｍ）はそれぞれＣ、Ｎ含有率が、本発明の範囲を上方に外れている場合で、前述の如く、Ｃ、Ｎは軟磁性に大きく悪影響を与える不純物元素である。そのため、高電気抵抗であるが、低・高磁場磁束密度が低くなり、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
【００３４】
（５）参考例６、７（鋼Ｎ，Ｏ）はそれぞれ、切削性向上元素としてＰｂ及びＳを所定量添加した例である。両方共、低磁場磁束密度Ｂ２が１．１Ｔ以上であるが、電気抵抗値ρが８８．９μΩｃｍ未満であるので、高周波数域での消費電力の低減効果が小さい。
【００３５】
（６）比較例９、１０（鋼Ｐ，Ｑ）は、Ｓ値を本発明の範囲外に変化させた例である。
・比較例９（鋼Ｐ）：個々の成分元素添加量は、本発明の範囲内にあるが、Ｓ値が上方に外れた場合である。高電気抵抗であるが、軟磁性が劣り、低・高磁場磁束密度が低くなり、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
・比較例１０（鋼Ｑ）：個々の成分元素添加量は、本発明の範囲内にあるが、Ｓ値が下方に外れた場合である。軟磁性に優れ、低・高磁場磁束密度が高いが、電気抵抗が低いため、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
・比較例１１：化学成分組成は本発明の範囲内である鋼Ｄを用いたが、熱処理加熱温度が本発明の範囲より低い場合である。そのためフェライト粒径が小さいため、軟磁性が劣り、高電気抵抗であるが低・高磁場磁束密度が低くなり、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
（７）参考例１、２（鋼Ａ，Ｂ）：個々の成分元素添加量は、本発明の範囲内にあるが、Ｓ値が本発明の範囲の下方に外れた場合である。軟磁性に優れ、低・高磁場磁束密度が高いが、電気抵抗が低いため、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
（８）参考例３（鋼Ｃ）：Ｓｉ含有量およびＳ値が本発明の範囲の下方に外れているので、軟磁性に優れ、低・高磁場磁束密度が高いが、電気抵抗が低いため、総合的に特性が劣り、本発明の目的が達成されていない。
【００３６】
以上の実施例及び比較例で得られた試験データより、目標とする代表特性である電気抵抗値ρと低磁場磁束密度Ｂ2 との関係をプロットすると、図１の通りである。本発明の範囲内の実施例では、電気抵抗値ρ及び低磁場磁束密度Ｂ2 がいずれも目標値を達成していることがわかる。
【００３７】
次に、本発明の高電気抵抗軟磁性鋼材を用いて、自動車用電磁アクチュエーターを試作しその評価をした。評価試験は、参考例２（鋼Ｂ）、参考例６（鋼Ｎ）及び実施例４（鋼Ｄ）の各試験片について、消費電力比を測定した。消費電力比は、参考例２（鋼Ｂ）の消費電力を１００とし、これに対する消費電力比で表わした。作動周波数は、８．３５Ｈｚ、２５Ｈｚ 及び５０Ｈｚ の３水準で行なった。その結果を、図２に示す。同図から、消費電力比に及ぼす体積固有抵抗値（電気抵抗値）の影響がわかる。即ち、体積固有抵抗値ρが大きくなると消費電力は小さくなり、その効果の度合いは作動周波数に依存する。体積固有抵抗値ρを参考例２（鋼Ｂ）の７５．３μΩｃｍから実施例４（鋼Ｄ）の８８．９μΩｃｍまで高めると、いずれの作動周波数においても約１２％低減できることが確認された。なお、本発明者等は、本発明鋼材によれば、従来鋼材の体積固有抵抗値である４０〜６０μΩｃｍの電磁アクチュエーターに比べ、３０〜２０％だけ消費電力が低減できることも確認済である。
【００３８】
このように、本発明の軟磁性鋼材によれば消費電力を著しく低減できるので、小型化を要求される電磁アクチュエーターには、発熱量低下の観点からも非常に有利となる。また、特に、高周波数域での消費電力を低減することができるため、自動車に使用されると燃費低減効果に対しても有利となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、低磁場磁束密度、最大透磁率及び高磁場磁束密度がいずれも大きく、保磁力が小さく、且つ電気抵抗が大きく、これらの特性値が飛躍的に向上した、電磁弁等の電磁アクチュエーター用部品素材が得られ、その磁気回路構成部品として好適な軟磁性鋼材を得ることができる。このような軟磁性に優れ、高電気抵抗を有する軟磁性鋼材及びその製造方法を提供することができ、工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例及び比較例の軟磁性鋼材の目標とする代表特性である電気抵抗値と低磁場磁束密度との関係領域を示すグラフである。
【図２】本発明の軟磁性鋼材例の電気抵抗値と消費電力比との関係を示すグラフを作動周波数で層別したものである。
【図１】
0004295371.tif 000004
【図２】
0004295371.tif 000005