JP5183550B2 - 耐食性を改善した軟磁性金属材料部品およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、モータ，電磁弁，磁気センサーなどに使用される軟磁性ステンレス鋼であって、磁気焼鈍後の鋼板表面の酸化皮膜の組成と厚みを抑制することで、耐食性を改善した軟磁性金属材料部品に関するものである。
ステンレス鋼はその優れた耐食性により様々な用途で利用されており、フェライト系ステンレス鋼は軟磁性金属材料としても利用されている。軟磁性金属材料に特有の製造方法に、部品形状に加工された後で磁気的性質を回復するため、加工歪みの除去と結晶粒の粗大化を目的に磁気焼鈍と呼ばれる熱処理がある。フェライト系軟磁性ステンレス鋼の磁気焼鈍では９００℃を超える焼鈍温度で１ｈ以上の長時間の加熱が行われる。このとき、Ｔｉを含有するフェライト系軟磁性ステンレス鋼を用いると、鋼板表面にＴｉを含有する酸化皮膜が形成され、本来耐食性の向上にも寄与するＴｉが酸化皮膜として消費されるため耐食性の劣化を伴う場合がある。
このような磁気焼鈍による酸化皮膜の生成とそれに伴う耐食性の劣化を回避する方法としては、ＣｒやＭｏなどの増量で素材の耐食性を向上することや、Ｔｉの添加を避けることが考えられる。その様な方法は例えば特許文献１〜３に開示されたフェライト系軟磁性ステンレス鋼の成分を調整することで達成される。
しかしながら、ＣｒやＭｏなどの合金元素の添加量の増大は飽和磁束密度の低下を招くため、用途によってはできる限り合金元素の添加量を低くすることが望まれる。また、Ｔｉは耐食性の改善とともにフェライト組織を安定させる目的でも有効な元素であり、特にＣｒ含有量が１０〜１３質量％のＣｒ含有量の低いフェライト系軟磁性ステンレス鋼においては、むしろＴｉの添加は必須である。
このように、１０〜１３質量％のＣｒと０．１〜０．３質量％Ｔｉの添加を前提として、磁気焼鈍後の耐食性を改善するため、発明者等は新たに磁気焼鈍時に生成する鋼板の表面酸化皮膜の制御を試みた。
すなわち、磁気焼鈍時に酸化皮膜の生成を抑制するのではなく、積極的に酸化皮膜を生成することを特徴とし、ＧＤＳで測定される鋼板表面の酸化皮膜の厚みを０．５μｍ以上とし、酸化皮膜中のＴｉの強度が母材の２０倍以上の組成からなる酸化皮膜を特徴とするフェライト系軟磁性ステンレス鋼を用いた軟磁性金属材料部品を提案する。
すなわち、磁気焼鈍時に酸化皮膜の生成を抑制するのではなく、積極的に酸化皮膜を生成することを特徴とし、ＧＤＳで測定される鋼板表面の酸化皮膜の厚みを０．５μｍ以上とし、酸化皮膜中のＴｉの強度が母材の２０倍以上の組成からなる酸化皮膜を特徴とするフェライト系軟磁性ステンレス鋼を用いた軟磁性金属材料部品を提案する。
ステンレス鋼表面に形成されたＴｉ主体の酸化皮膜によって磁気焼鈍された製品の耐食性が改善される。
発明者等は低ＣｒかつＴｉを添加したフェライト系軟磁性ステンレス鋼を用いて様々な磁気焼鈍条件による表面改質を試みた結果以下の知見を得た。
まず、素材の成分限定理由について述べる。
Ｃ：０．０２質量％以下
Ｃは炭化物を形成して耐食性および磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．０２質量％とした。
Ｓｉ：０．２〜２．０質量％
Ｓｉはフェライト組織を安定化するとともに素材の電気抵抗率を向上し、磁気的性質の改善に有効な元素でありその効果を得るため０．２質量％以上の添加とした。しかしながら、過剰の添加は素材を硬質化して加工性を劣化するためその上限を２．０質量％とした。
まず、素材の成分限定理由について述べる。
Ｃ：０．０２質量％以下
Ｃは炭化物を形成して耐食性および磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．０２質量％とした。
Ｓｉ：０．２〜２．０質量％
Ｓｉはフェライト組織を安定化するとともに素材の電気抵抗率を向上し、磁気的性質の改善に有効な元素でありその効果を得るため０．２質量％以上の添加とした。しかしながら、過剰の添加は素材を硬質化して加工性を劣化するためその上限を２．０質量％とした。
Ｍｎ：０．５質量％以下
Ｍｎはフェライト組織の安定化を阻害するとともに、硫化物を形成し易く磁気的性質を劣化するためその上限を０．５質量％とした。
Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐは燐化物を形成して磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．０５質量％とした。
Ｓ：０．００５質量％以下
Ｓは硫化物を形成して磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．００５質量％とした。
Ｎｉ：０．５質量％以下
Ｎｉはフェライト組織の安定化を阻害し磁気的性質を劣化するためその上限を０．５質量％とした。
Ｍｎはフェライト組織の安定化を阻害するとともに、硫化物を形成し易く磁気的性質を劣化するためその上限を０．５質量％とした。
Ｐ：０．０５質量％以下
Ｐは燐化物を形成して磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．０５質量％とした。
Ｓ：０．００５質量％以下
Ｓは硫化物を形成して磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．００５質量％とした。
Ｎｉ：０．５質量％以下
Ｎｉはフェライト組織の安定化を阻害し磁気的性質を劣化するためその上限を０．５質量％とした。
Ｃｒ：１０〜１３質量％
Ｃｒは耐食性を向上するための必須元素であるとともに、フェライト組織を安定化する効果ももつ。その効果を得るため１０質量％以上の添加とした。一方で過剰の添加は飽和磁束密度の低下を招くためその上限を１３質量％とした。本発明はＣｒを過剰に添加しない条件で耐食性を改善することを特徴とする。
Ａｌ：０．０１〜２．０質量％以下
ＡｌはＳｉと同様にフェライト組織を安定化するとともに素材の電気抵抗率を向上し、磁気的性質の改善に有効な元素である。しかしながら、過剰の添加は素材を硬質化して加工性を劣化するためその上限を２．０質量％とした。
Ｔｉ：０．１〜０．３質量％
Ｔｉは耐食性を改善するとともにフェライト組織の安定化にも有効な元素である。また、本発明では表面改質に有効な元素でありその効果を得るためその効果を得るため０．１質量％以上の添加とした。一方、過剰な添加は表面疵の増大など鋼材の品質を劣化するためその上限を０．３質量％とした。
Ｃｒは耐食性を向上するための必須元素であるとともに、フェライト組織を安定化する効果ももつ。その効果を得るため１０質量％以上の添加とした。一方で過剰の添加は飽和磁束密度の低下を招くためその上限を１３質量％とした。本発明はＣｒを過剰に添加しない条件で耐食性を改善することを特徴とする。
Ａｌ：０．０１〜２．０質量％以下
ＡｌはＳｉと同様にフェライト組織を安定化するとともに素材の電気抵抗率を向上し、磁気的性質の改善に有効な元素である。しかしながら、過剰の添加は素材を硬質化して加工性を劣化するためその上限を２．０質量％とした。
Ｔｉ：０．１〜０．３質量％
Ｔｉは耐食性を改善するとともにフェライト組織の安定化にも有効な元素である。また、本発明では表面改質に有効な元素でありその効果を得るためその効果を得るため０．１質量％以上の添加とした。一方、過剰な添加は表面疵の増大など鋼材の品質を劣化するためその上限を０．３質量％とした。
Ｎ：０．０２質量％以下
Ｎは窒化物を形成して磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．０２質量％とした。
Ｎは窒化物を形成して磁気的性質を劣化する元素であるため、その上限を０．０２質量％とした。
次に磁気焼鈍時の表面改質方法について述べる。
本発明では磁気焼鈍の雰囲気を真空中とするが、０．１Ｐａより低い真空度では磁気焼鈍時に酸化皮膜の生成が軽減され僅かながら残存する酸化皮膜が耐食性を劣化する。一方、１．０Ｐａを超える真空度では磁気焼鈍時に過剰に酸化し、耐食性の劣るＦｅ系酸化物の生成が考えられる。またその後の使用環境において皮膜の剥離などが懸念される。そのため適正真空度を０．１〜１．０Ｐａとした。
本発明では磁気焼鈍の雰囲気を真空中とするが、０．１Ｐａより低い真空度では磁気焼鈍時に酸化皮膜の生成が軽減され僅かながら残存する酸化皮膜が耐食性を劣化する。一方、１．０Ｐａを超える真空度では磁気焼鈍時に過剰に酸化し、耐食性の劣るＦｅ系酸化物の生成が考えられる。またその後の使用環境において皮膜の剥離などが懸念される。そのため適正真空度を０．１〜１．０Ｐａとした。
磁気焼鈍温度については、９２０℃に満たない温度では本発明で提案する十分な厚さの酸化皮膜が得られないことと、磁気焼鈍は前工程で導入された加工歪みを再結晶によって除去する目的を有するため９２０℃以上の温度を必要とする。９８０℃を超えると本発明の皮膜組成が得られないことと焼鈍費用が増大するだけである。そのため温度範囲は９２０〜９８０℃とした。均熱時間については酸化皮膜の十分な成長と磁気焼鈍の本来の目的である結晶粒の粗大化を考慮して２ｈ以上とした。均熱時間の上限は焼鈍コストを考慮すると４ｈ程度までで十分である。
本発明においては、磁気焼鈍によって得られる鋼板表面の酸化皮膜はＧＤＳで測定される厚みが０．５μｍ以上であり、ＧＤＳで測定される酸化皮膜中のＴｉの強度が母材の２０倍以上であることを特徴とする。このとき、酸化皮膜の厚みはＧＤＳにより得られるＦｅの深さ方向の強度変化から定量化した。すなわち、ステンレス鋼素材のスパッタ深さを実測して得られたスパッタ時間とスパッタ深さの関係を基準として、酸化皮膜厚みの２倍以上の深さまで分析を行った。本発明の酸化皮膜はＴｉおよびＡｌを主体としているため、酸化皮膜中には殆どＦｅは検出されず母材に近づくにともないＦｅの分析強度が大きくなる。そこでＦｅの分析強度が母材と比較して１／２となる位置を酸化皮膜の厚みと定義した。次に、皮膜組成については酸化皮膜中の各元素の分析強度を母材中の分析強度で除した値を分析強度比として定義した。このとき酸化皮膜中で深さ方向に各元素の強度比は変化するためその平均値を用いた。
図１は、温度、均熱時間を各々変えて磁気焼鈍した際に得られた酸化皮膜の厚みと皮膜中のＴｉの分析強度比と、５％ＮａＣｌ、３５℃の塩水噴霧試験により腐食試験した際の発銹の有無を示したものである。発銹の起こらない皮膜としては、厚みが０．５μｍ以上、Ｔｉの分析強度比が２０以上である必要があることがわかる。
図２には、本発明に係る鋼材を各温度にて均熱時間２ｈ、真空度０．１Ｐａで磁気焼鈍した際に得られた鋼板表面の酸化皮膜の厚みと発銹の有無を示したものである。９２０〜９８０℃の領域では発銹が認められない。９２０℃を下回る均熱温度の場合、耐食性を発揮するために必要な酸化皮膜の厚みがえられなかったため、発銹が認められた。また、９８０℃を超えた場合には、酸化皮膜の厚みは十分なものの皮膜中のＴｉ濃度が低く、やはり発銹が認められた。
図２には、本発明に係る鋼材を各温度にて均熱時間２ｈ、真空度０．１Ｐａで磁気焼鈍した際に得られた鋼板表面の酸化皮膜の厚みと発銹の有無を示したものである。９２０〜９８０℃の領域では発銹が認められない。９２０℃を下回る均熱温度の場合、耐食性を発揮するために必要な酸化皮膜の厚みがえられなかったため、発銹が認められた。また、９８０℃を超えた場合には、酸化皮膜の厚みは十分なものの皮膜中のＴｉ濃度が低く、やはり発銹が認められた。
表１に示すフェライト系ステンレス鋼板を、通常の溶製，熱間圧延，熱延板焼鈍，冷間圧延および仕上げ焼鈍と酸洗を経て板厚０．５ｍｍに製造し、表２に示す条件で磁気焼鈍を行った。
表２にはＧＤＳで測定された磁気焼鈍後の鋼板の表面の皮膜厚みと、皮膜組成、および磁気焼鈍後の耐食試験結果と磁気的性質を示す。耐食性の評価は幅４０ｍｍ，長さ６０ｍｍの試験片を用いて５％ＮａＣｌ、３５℃の塩水噴霧試験により行い、発銹点が認められない場合を記号○、発銹が認められた場合を記号×で示した。磁気的性質は印加磁場０．８ｋＡ／ｍとして保磁力を測定した。
磁気焼鈍温度が低い試料Ｎｏ．５、均熱時間が短い試料Ｎｏ．６，Ｎｏ．７および真空度が低い試料Ｎｏ．９は酸化皮膜の厚みが本発明の条件を満足しなかった。均熱時間を０とした試料Ｎｏ．４は皮膜厚みと皮膜組成が何れも本発明の条件を満たさなかった。焼鈍温度が高い試料Ｎｏ．８は酸化皮膜の厚みは十分であったが、酸化皮膜の組成が本発明の条件を満足しなかった。その結果、試料Ｎｏ．５〜９では発銹が認められた。
また、焼鈍温度が低い試料Ｎｏ．５および均熱時間を０とした試料Ｎｏ．６は他と比較して保磁力が２倍大きく磁気的性質も劣った。
また、焼鈍温度が低い試料Ｎｏ．５および均熱時間を０とした試料Ｎｏ．６は他と比較して保磁力が２倍大きく磁気的性質も劣った。
本発明によれば、モータ，電磁弁，磁気センサーなどに使用される軟磁性金属材料として耐食性を改善した軟磁性金属材料部品を提供することができる。
Claims (3)
- 真空度０．１〜１．０Ｐａの雰囲気中で温度９２０〜９８０℃、均熱２ｈ以上の磁気焼鈍により生成され、グロー放電発光分析法（ＧＤＳ）で測定した酸化皮膜の厚みが０．５μｍ以上であり、酸化皮膜中のＴｉの分析強度が母材の２０倍以上からなる酸化皮膜を有する軟磁性ステンレス鋼を用いた軟磁性金属材料部品。
- Ｃ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．２〜２．０質量％、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｐ：０．０５質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｎｉ：０．５質量％以下、Ｃｒ：１０〜１３質量％、Ａｌ：０．０１〜２．０質量％以下、Ｔｉ：０．１〜０．３質量％、Ｎ：０．０２質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる請求項１に記載の軟磁性金属材料部品。
- 真空度０．１〜１．０Ｐａの雰囲気中で温度９２０〜９８０℃、均熱２ｈ以上の磁気焼鈍を行うことを特徴とする請求項２に記載の軟磁性金属材料部品の製造方法。
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