JP2001525014A - 高強度高延性Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃ軟磁気合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 重量百分率で炭素約０．０５〜０．５０；マンガン最大０．５；シリコン最大０．５；燐最大０．０１；硫黄最大０．０１；クロム最大１．０；ニッケル最大１．０；モリブデン最大０．２５；コバルト１４〜２８；バナジウム最大０．１；ニオビウム最大０．１；タングステン最大０．１とを含有し、残部は主に鉄である軟磁気Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃ合金を開示する。合金は、公知の２７Ｃｏ−Ｆｅ軟磁気合金に匹敵する延性と磁気特性を維持しつつ、最大約５８０ＭＰａ（８４ｋｓｉ）の降伏強度を与える。磁気特性と機械的特性は、合金が機械加工され最終形状に加工された後に行われる焼きなまし熱処理により向上する。

Description

【発明の詳細な説明】 高強度高延性Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃ軟磁気合金 発明の属する分野 本発明は、軟磁気合金に関し、特に、焼きなましされた状態にあって特異な組 み合わせの降伏強度、延性、磁気誘導を与えるコバルト−鉄−炭素（Ｃｏ−Ｆｅ −Ｃ）合金に関する。 発明の背景 磁気軸受は、航空機で用いられるコンプレッサや発電機など高速高出力回転装 置でますます広く利用されている。磁気軸受は回転摩擦が極端に少なく、たとえ 玉軸受の代替品として好ましい。さらに、磁気軸受は潤滑油を必要としないため 本来玉軸受けより安全である。このような潤滑剤は回転装置が高温環境で作動す ると発火する。 ４９％コバルト、２％バナジウム、残部鉄の公称組成と、４９％コバルト、０ ．３５％タンタル、残部鉄の公称組成が、ストリップを形成するのに用いられ、 このストリップが磁気軸受で用いられるロータ用の積層に製造される。しかし、 磁気軸受のその他の構成部品、たとえばスラスト軸受ディスク、ジャーナル、ロ ータ軸などは相対的に大きな断面を有している。これらの部品は、高磁気誘導と 低保持力などの優れた軟磁気特性を示すだけでなく、優れた可鍛性と延性を示す 集合体から鍛造しなくてはならない。磁気特性が優れているが、コバルトと鉄を 等しい量含有する公知の合金は、１つ以上の元素が追加されても追加されなくて も、焼きなまし後はほとんど完全に規律正しい状態となり、したがって、室温で は相対的にもろい。この欠点があるために、公知の合金は、大きな断面の部品を 製造するのに用いるものとしては望ましくない。 公知のＣｏ−Ｆｅ合金の次のような公称重量比組成からなる： 炭素 ０．０１ マンガン ０．２５ シリコン ０．２５ ニッケル ０．６０ コバルト ２７．００ クロム ０．６０ 鉄 残部 状態で優れた可鍛性を与え、高飽和誘導と優れた延性を持つ。その合金は室温で は規律正しい状態に容易には変態しない。しかし、室温降伏強度は２４０〜３８ ０ＭＰａ（３４．８〜５５．１ｋｓｉ）の範囲で、磁気軸受に適用するのには低 すぎると考えられる。 好適な降伏強度と延性を持つ磁性軟合金がないと、磁気軸受設計者は、より大 きな断面の部品については合金鋼またはマレージング鋼を選択せざるえなかった 。このような鋼は降伏強度が優れているが、磁気特性としてはとうてい望ましい ものではない。相対的に磁気誘導が低いため、こうした合金から作られる磁気軸 受部品は相対的に多量の材料を含有しなくてはならず、それにより磁気軸受の重 量を増加させる。このような過剰重量は航空機で用いられる装置の場合は特に望 ましくない。 発明の要約 本発明の１つの側面によれば、次のような広い範囲、中間範囲、好ましい範囲 の百分率組成を持つ軟磁気合金を提供する： 残部は主に鉄で、同一または類似したこのような合金品では通常不純物がみとめ られる。 本発明の別の側面によれば、重量百分率で炭素最大約０．０２％と、マンガン 最大０．５％と、シリコン０．５％と、クロム最大１．０％と、ニッケル最大１ ．０％と、モリブデン最大０．２５％と、コバルト１４〜２８％と、バナジウム 最大０．１％と、ニオビウム最大０．１％と、タングステン最大０．１％と、主 に鉄からなる残部とを含有する磁気合金から形成される磁気品を提供する。磁気 品には、炭素を０．０５〜０．５０％含有する浸炭硬化層が含まれる。 ここと本願全体にある「百分率」または「％」の用語は、そうではないと 示されなければ、重量百分率を意味する。 図面の簡単な説明 本発明のさらに別の新規の特徴と効果は、以下の詳細な説明ならびに添付の図 面から明らかとなろう。図面において、 図１は、本発明に係るスラスト軸受ディスクの正面図であり； 図２は、図１の線２−２で切断した場合の図１のスラスト軸受ディスクの断面 、側面図である。 詳細な説明 本発明にかかる合金は、主に固溶体強化効果による合金強度を得るために、炭 素を少なくとも約０．０５％、好ましくは少なくとも約０．１％含有する。炭素 の含有量が多すぎると、特に磁界強度が低い場合、合金の延性と合金の磁気誘導 に悪影響を与える。したがって、炭素は約０．５％以下、好ましくは約０．２５ ％以下に抑えられる。降伏強度と磁気特性の最良の組み合わせを与えるには、合 金は炭素を約０．２２〜０．２４％含有する。 コバルトは合金によって与えられる優れた磁気誘導の一助となるので、少なく とも１４％、さらに少なくとも１５％、好ましくは少なくとも約２２％のコバル トがこの合金に存在しているのがよい。また、コバルトは合金の降伏強度を得る のにも効果的である。重量が重大な要素となる航空機に適用する場合、重量に対 する磁束密度の高比率を得るために、コバルトを少なくとも２４％含有するのが 好ましい。合金の磁気飽和誘導はコバルト含有量が多いほど増加するが、磁界強 度が低い場合、たとえば３０エルステッドでの磁気誘導は、コバルト量が増加し てもそれほど大きく変化しない。したがって、約１４〜２０％のコバルトであれ ば、重量が重大な要素ではない地上用途においては許容可能な降伏強度と磁気誘 導の組み合わせが得られる。 この合金にあまりに多量のコバルトが存在していると、合金の室温じん性に悪 影響を与えるような少なくとも部分的な配列になってしまう。最適な組み合わせ で磁気特性、じん性、強度、延性を得るために、合金は約２８％以下、好ましく は約２７％以下のコバルトを含有するのがよい。 その他の元素も、この合金が与えるその他の望ましい特性に役立つようにその 量を制御させて含有してもよい。たとえば、少量のマンガンとシリコンを還元付 加で合金内に保つことができる。マンガンとシリコンを含有する場合は、この合 金中にそれぞれ約０．５％以下に制限される。合金の抵抗を得るのに役立つよう に、クロムとニッケルは最大約１．０％まで含有可能である。バナジウム、ニオ ビウム、および／またはタングステンは、合金の延性に役立ち、優れた磁気特性 を維持するのに貢献する結晶微細化のために、最大約０．１％まで合金に含有可 能である。しかし、この合金によって与えられる磁気特性に悪影響を与えること もありうるカーバイドが過剰に生成されるのを避けるために、バナジウム、ニオ ビウムとタングステンの含有量は制御する必要がある。合金が高温にさらされる 時に、たとえば焼きなまし熱処理中などに結晶成長を制限するカーバイドを生成 するために、モリブデンを最大約０．２５％に制限して合金に含有させることも できる。少量のカーバイドも結晶成長の制限に効果的であるが、このようなカー バイドを過剰に含有させることは本発明の合金では望ましくない。 合金の残部は、同様なサービスや用途で使用されることを意図した民生品の合 金で見られる通常の不純物ではなく主に鉄である。所望の特性に悪影響を与えな いようにこのような元素のレベルは制御される。この点で、燐と硫黄は合金の熱 間加工性に悪影響があるので、それぞれ約０．０１％以下に抑えられる。チタン とアルミニウムは、この合金によって与えられる軟磁気特性に悪影響があるので 、それぞれ約０．０５％以下に抑えられる。 本発明にかかる合金は、従来の技術を用いて調製され、加工され、製品に成形 される。電気アーク炉によって、空気中で溶融させることも可能であるが、好ま しくは、真空誘導溶融（ＶＩＭ）などの公知の真空溶融技術を用いて溶融させる のがよい。所望であれば、合金をたとえばエレクトロスラグ再溶融（ＥＳＲ）ま たは真空アーク再溶融（ＶＡＲ）によって微細化することによって、より高純度 のまたはより優れた結晶構造を得ることも可能である。 溶融、鋳造後、合金は、約１０６５〜１２３２℃（１９５０〜２２５０°Ｆ） の炉内温度で熱間加工され、たとえば綱片、棒鋼、スラブなどに成形される。こ れらの成形品は機械加工され、磁気軸受のディスク、ジャーナル、軸などの有用 な部品と構成部品にされる。あるいは、中間成形品に熱間加工してから、合金を 冷間加工して鋼帯やワイヤなどに成形して、それをさらに有用な構成要素に加工 してもよい。望ましい組み合わせの機械的特性および磁気特性を向上させるため に、最終的な機械加工終了後、この合金から形成される部品が焼きなまし処理を 受ける。焼きなまし熱処理は、約７０４．４〜８１５．５℃（１３００〜１５０ ０°Ｆ）、好ましくは約７３２．２〜７８７．８℃（１３５０〜１４５０°Ｆ） で、約２時間行う。最良の結果を得るために、合金は約７６０℃（１４００°Ｆ ）で焼きなまし処理される。合金は約８３．３〜８３３．３℃／ｈ（１５０〜１ ５００°Ｆ／ｈ）の速度、好ましくは約１００〜７２２．２℃／ｈ（１８０〜１ ３００°Ｆ／ｈ）の速度で焼きなまし温度から冷却される。最良の結果を得るた めには、合金は約１００℃／ｈ（１８０°Ｆ／ｈ）の速度で冷却される。 本発明の別の実施例において、以下のような重量百分率組成の軟磁気合金から なる部品あるいは構成部品を上述のように調製する： 最大０．０２％、炭素 最大０．５％、マンガン ０．５％、シリコン 最大１．０％、クロム 最大１．０％、ニッケル 最大０．２５％、モリブデン １４〜２８％、コバルト 最大０．１％、バナジウム 最大０．１％、ニオビウム 最大０．１％、タングステン 残部鉄 最終焼きなまし工程の前に、合金成形体は浸炭熱処理を受け、炭素の重量百分率 範囲が約０．０５から０．５％、好ましくは約０．１から０．２５％の浸炭硬化 層を生成する。この浸炭硬化層は部品の表面内部、特にその部品が実際に使用さ れるときに最大量の応力を受ける部品の表面近傍に形成するのが好ましい。浸炭 処理後、浸炭品を上述の通り焼きなましする。焼きなましした浸炭品は、本発明 にかかる合金の特徴である浸炭層で特異な組み合わせで降伏強度と磁気特性を与 える。また、浸炭品のうち非浸炭コアは強度レベルは下がるものの、公知の合金 の優れたじん性、延性、磁気特性を保つ。このことは、本発明にかかる物品が浸 炭硬化層内に所望のより高い強度を与えつつ、最適な磁気特性を与えることがで きるので、効果的である。 図１と２には、磁気軸受用スラスト軸受ディスク１０の形状をした、本発明に かかる物品が示されている。ディスク１０は上述のＣｏ₂₇Ｆｅ合金から形成され 、中央開口部１１を有し、この開口部１１によりディスク１０が磁気軸受の軸に 取り付けられる。ディスク１０には、上記のように選択的に浸炭された表面層１ ２と、Ｃｏ₂₇Ｆｅ合金の基本組成を保つコア部１４とが含まれる。表面層１２は 、表面浸炭表面層１２が本出願で記載したＣｏ−Ｆｅ−Ｃにかかる重量百分 率組成をもつ程度にまで浸炭される。その組成によって、浸炭表面層１２はコア 部１４よりはるかに高強度となるが、コア部１４はＣｏ₂₇Ｆｅ合金の優れた磁気 特性を保持する。コア部１４は、磁気軸受の逆スラスト力を与える磁界が印加さ れる際の磁束経路に直接一致するように形成される環状表面領域１６ａ、１６ｂ を有する。磁気軸受が作動中、ディスク１０は磁気軸受の高速回転により高応力 を受ける。選択的浸炭層１２の強度が大きくなると、ディスク１０は、印加され る応力が原因の変形に対する耐性が強くなり、コア部１４の最適な磁気特性によ って優れた磁気性能をもたらす。 実施例 本発明にかかる合金によって与えられる特異な特性の組み合わせを明らかにする ために、表１に示される重量百分率組成を持つ実施例１〜１２を調製した。比較 のために、本発明の範囲外の組成を持つ比較例Ａ〜Ｅも調製した。その重量百 実施例１〜１２および比較例Ａ〜Ｅはそれぞれ真空誘導溶融され、４つの５． ７センチ（２．２５インチ）のインゴットに鋳造される１４．５ｋｇ（３２１ｂ ）熱処理対象金属として調製した。インゴットは、１２０４．４℃（２２００° Ｆ）に予熱してから、１．９ｃｍ×６．３５ｃｍ（０．７５ｉｎ×２．５ｉｎ） のスラブに鍛造した。引っ張り試験用標準試料はスラブから機械加工した。また 、外径３．８ｃｍ(１．５ｉｎ)、内径３．１７５ｃｍ（１．２５ｉｎ）のリング を磁気試験用にスラブから機械加工した。各例の試験用試料を、下の表２に記載 のそれぞれの焼きなまし熱処理にしたがって乾燥水素内で熱処理した。 実施例１〜１２と比較例Ａ〜Ｅの室温引っ張り試験の結果を表３に示す。表３ には、単位ＭＰａ（ｋｓｉ）で０．２％耐力（０．２％Ｙ．Ｓ.）と４つの直径 での百分率伸び率（％Ｅｌ.）が含まれる。実施例１、１２と比較例Ａ、Ｃ、Ｄ 、Ｅについては、「Ａ」熱処理条件では試験を行わなかった。実施例１２と比較 例Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅについては、「Ｃ」または「Ｄ」熱処理条件では試験を行わな かった。 実施例および比較例それぞれの磁気試験用試料を７６０℃（１４００°Ｆ）で ２時間焼きなましし、１時間につき７２２．２℃（１３００°Ｆ）で冷却した。 ただし、比較例Ｂについては、その他の例と比較できる基準として最も優れた磁 気特性を得るように、９００℃（１６５２°Ｆ）で２時間焼きなまししてから１ 時間につき１００℃（１８０°Ｆ）で冷却した。次の表４では、３０エルステッ ド、５０エルステッド、１００エルステッド、１５０エルステッド、２００エル ステッドの磁界強度で測定した磁気誘導（Ｂ_X）を単位キロガウス（ｋＧ）で示 している。 表３に示されたデータによると、実施例２、６〜８と１０〜１２は、「Ｂ」の 熱処理条件では比較例Ａと比べて延性が大きく失われることなく優れた降伏強度 を与えていることがわかる。表４のデータは、実施例２、６〜８と１０〜１２は 、最良でない条件で焼きなまししたにもかかわらず、比較例Ａに匹敵する磁気誘 導を与えていることを示している。実施例４、５、９は、許容可能な延性と磁気 誘導値を維持しつつ、コバルトが同一レベルのとき比較例Ｂに比べ、優れた強度 を与えている。コバルトの重量％が低い例である実施例３は、磁界強度が低い（ たとえば３０〜５０エルステッドの）場合、比較例Ａ、Ｂと実質的に同一の強度 と延性を与え、コバルト含有量が多い例と類似した磁気誘導を与えている。実施 例 ＴＭＡ８０１）の標準ＡＳＴＭを上回っていることは注目に値する。炭素含有量 が高い例である実施例Ｃ、Ｄ、Ｅは十分に大きな強度を持たず、特に磁界強度が 小さい場合には、相対的に低い延性と許容できない磁気誘導を与えた。 ここで用いてきた用語および表現は、説明における用語として使用しており、 発明を限定するためではない。ここで示し、説明した特徴の等価物あるいはその 箇所を排除するような用語と表現を使用する意図はない。むしろ、本発明が特許 請求する範囲内でさまざまな変更が可能であると認められる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 特異な組み合わせで強度と、延性と、磁気誘導を与える軟磁気合金であっ て、重量百分率で示すと主に： 炭素 ０．０５〜０．５０ マンガン 最大０．５ シリコン 最大０．５ 燐 最大０．０１ 硫黄 最大０．０１ クロム 最大１．０ ニッケル 最大１．０ モリブデン 最大０．２５ コバルト １４〜２８ バナジウム 最大０．１ ニオビウム 最大０．１ タングステン最大０．１ とからなり、残部は主に鉄である。 ２． 少なくとも約０．１％の炭素を含有することを特徴とする請求項１に記載 の合金。 ３． 約０．２５％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項１に記載の合 金。 ４． 少なくとも約２２％のコバルトを含有することを特徴とする請求項１に記 載の合金。 ５． 特異な組み合わせで強度と、延性と、磁気誘導を与える軟磁気合金であっ て、重量百分率で示すと主に： 炭素 ０．１〜０．５ マンガン 最大０．５ シリコン 最大０．５ 燐 最大０．０１ 硫黄 最大０．０１ クロム 最大０．８ ニッケル 最大０．８ モリブデン 最大０．２５ コバルト １５〜２７ バナジウム 最大０．１ ニオビウム 最大０．１ タングステン最大０．１ とからなり、残部は主に鉄である。 ６． 少なくとも約０．１５％の炭素を含有することを特徴とする請求項５に記 載の合金。 ７． 約０．２５％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項５に記載の合 金。 ８． 少なくとも約２２％のコバルトを含有することを特徴とする請求項５に記 載の合金。 ９． 特異な組み合わせで強度と、延性と、磁気誘導を与える軟磁気合金であっ て、重量百分率で示すと主に： 炭素 ０．０５〜０．５０ マンガン 最大０．５ シリコン 最大０．５ 燐 最大０．０１ 硫黄 最大０．０１ クロム 最大０．８ ニッケル 最大０．８ モリブデン 最大０．２５ コバルト ２２〜２８ バナジウム 最大０．１ ニオビウム 最大０．１ タングステン最大０．１ とからなり、残部は主に鉄である。 １０． 少なくとも約０．１％の炭素を含有することを特徴とする請求項９に記 載の合金。 １１． 約０．２５％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項９に記載の 合金。 １２． 少なくとも約２４％のコバルトを含有することを特徴とする請求項９に 記載の合金。 １３． 特異な組み合わせで強度と、延性と、磁気誘導を与える軟磁気合金であ って、重量百分率で示すと主に： 炭素 ０．０５〜０．５０ マンガン 最大０．５ シリコン 最大０．５ 燐 最大０．０１ 硫黄 最大０．０１ クロム 最大０．８ ニッケル 最大０．８ モリブデン 最大０．２５ コバルト １４〜２０ バナジウム 最大０．１ ニオビウム 最大０．１ タングステン最大０．１ とからなり、残部は主に鉄である。 １４． 少なくとも約０．１％の炭素を含有することを特徴とする請求項１３に 記載の合金。 １５． 約０．２５％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項１３に記載 の合金。 １６． 少なくとも約１５％のコバルトを含有することを特徴とする請求項９に 記載の合金。 １７． 焼きなまし状態で特異な組み合わせで降伏強度と、延性と、磁気誘導と を与え、 重量百分率で示すと、主に： 炭素 ０．０５〜０．５０ マンガン 最大０．５ シリコン 最大０．５ 燐 最大０．０１ 硫黄 最大０．０１ クロム 最大１．０ ニッケル 最大１．０ モリブデン 最大０．２５ コバルト １４〜２８ バナジウム 最大０．１ ニオビウム 最大０．１ タングステン最大０．１ 鉄 残部 とからなる軟磁気合金で形成されるコアと； 約０．１から０．５０％の炭素を含有する浸炭硬化層とを備える軟磁気合金 品。 １８． コアは少なくとも約２２％コバルトを含有する合金から形成されること を特徴とする請求項１７に記載の合金品。 １９． 浸炭硬化層は約０．２５％以下の炭素を含有することを特徴とする請求 項１７に記載の合金品。 ２０． コアは約０．０２％以下の炭素を含有する合金から形成されることを特 徴とする請求項１７に記載の合金品。