JP5644844B2

JP5644844B2 - Method for producing soft magnetic sintered material

Info

Publication number: JP5644844B2
Application number: JP2012255097A
Authority: JP
Inventors: 宏武濱松; 邦宏児玉; 青木　哲也; 哲也青木; 孝輔礒道
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2027-10-24
Also published as: JP2013076166A

Description

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。 The present invention relates to a sintered soft magnetic material. More specifically, the present invention relates to a sintered soft magnetic material based on Fe-Si-P, which can be advantageously used for producing an armature of an injector by simultaneously increasing magnetic flux density and strength. The present invention relates to a material and a manufacturing method thereof. The present invention also relates to an electromagnetic structure using such a sintered soft magnetic material.

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。 As is well known, sintered soft magnetic materials are used for electronics control and the like in automobiles, machine tools and the like by utilizing their high magnetic permeability and high magnetic flux density. Specifically, this sintered soft magnetic material is used for, for example, an armature of an injector or a core of a motor.

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。 In general, in order to obtain a high magnetic flux density, a sintered soft magnetic material promotes a sintering action by adding a sintering promoting element such as silicon (Si) or phosphorus (P) to iron (Fe) as a main component. As a result, a technique for improving the density is adopted. The obtained sintered body is, for example, a sintered body such as an Fe—P alloy or an Fe—Si—P alloy. However, when accelerating sintering in this way, coarsening and embrittlement due to its crystal grains are generated. By the way, since the strength of the sintered soft magnetic material is reduced due to the generated embrittlement, it cannot be advantageously used in the above-described applications where such high strength is required. In addition, when a sintered soft magnetic material is manufactured by sizing the sintered body to produce a sintered product having a desired shape, it must accept a decrease in accuracy due to its brittleness. .

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。 Various attempts have already been made to prevent the coarsening of crystal grains. Typically, means for delaying the progress of the sintering by relaxing the manufacturing conditions such as the sintering temperature and the molding density and reducing the amount of phosphorus, which is a sintering promoting element, have been proposed. When such a means is used, the problem that the density of the sintered body does not increase due to insufficient sintering and the magnetic flux density decreases cannot be avoided. More specifically, for example, Patent Document 1 proposes a Fe-P sintered soft magnetic material useful as an iron core of a DC relay. In the present invention, the amount of phosphorus contained as a sintering promoting element is lowered to a range of 0.5 to 1.4% by weight in a weight ratio to delay the progress of sintering, or to ease manufacturing conditions, for example, It has been proposed to increase the heating rate during sintering to 10 ° C. or more per minute, or to add 0.005 to 0.05% by weight of carbon. However, when such a solution is adopted, there arises a problem that the density of the sintered body does not increase due to insufficient sintering and the magnetic flux density decreases.

特開昭５７−１４５９６２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 57-145962

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。 The object of the present invention is to enable high magnetic flux density while maintaining the good characteristics of conventional sintered soft magnetic materials, and at the same time, prevent excessive diffusion of crystal grains and coarsening of the grains. And it is providing the high intensity | strength sintered soft-magnetic material which can control a crystal grain. In other words, the object of the present invention is to sinter soft magnetism that can achieve both high magnetic flux density and high strength by preventing a decrease in strength caused by the coarsening of crystal grains while maintaining a high magnetic flux density. It is to provide a material and a manufacturing method thereof.

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。 Another object of the present invention is to enable the use of such a high-performance sintered soft magnetic material in a field where high strength is required. In other words, for example, electromagnetic valve components such as an armature of an injector and a motor It is an object of the present invention to provide an electromagnetic structure useful as a core or the like.

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。 These and other objects of the present invention will be readily understood from the following detailed description. In addition, when the term “weight%” is used in the present specification, it is synonymous with “mass%” in the SI unit system.

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。 In one aspect, the present invention is an Fe—Si—P sintered soft magnetic material containing iron (Fe) as a main component and silicon (Si) and phosphorus (P) as subordinate components. ,
The sintered soft magnetic material has crystal grain boundaries distributed therein, and one, or more kinds of carbides, nitrides, sulfides, or a mixture of the crystal grain refined metal elements deposited at the crystal grain boundaries. The sintered soft magnetic material is characterized by further comprising particles comprising:

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。 Another aspect of the present invention is a method for producing the sintered soft magnetic material of the present invention as described above, which comprises the following steps:
A step of preparing a mixed metal powder including iron (Fe) powder as a main component and silicon (Si) powder and phosphorus (P) powder as a subordinate component. A process that is an alloy powder obtained by adding one or more fine-grain metal element powders capable of forming an oxide or sulfide,
Pressing the mixed metal powder to form a green compact having a predetermined shape; and sintering the green compact at an elevated temperature to form a sintered body. A method of manufacturing a sintered soft magnetic material characterized by

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。 In another aspect of the present invention, there is provided an electromagnetic structure including a component that can be magnetized by a magnetic force generated from an electromagnetic coil, wherein the component is made of a sintered soft magnetic material according to the present invention. The electromagnetic structure is characterized by the following.

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。 According to the present invention, as will be understood from the following detailed description, it is possible to provide a Fe—Si—P sintered soft magnetic material having a high magnetic flux density. In addition, this sintered soft magnetic material does not hinder density increase due to shrinkage during sintering, and can prevent coarsening of crystal grains without impairing magnetic flux density, thus improving strength compared to conventional products. be able to. Furthermore, according to the present invention, it is also possible to control crystal grains in the obtained sintered body. Therefore, the sintered soft magnetic material of the present invention can be advantageously used for parts that require high magnetic flux density and strength, such as an armature of an injector.

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。It is the schematic diagram which showed the coarse crystal state of the conventional sintered soft magnetic material. 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。It is the schematic diagram which showed the crystal | crystallization refinement | miniaturization state of the sintering soft magnetic material by this invention. 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。It is sectional drawing which showed the example which utilized the sintered soft magnetic material of this invention for the armature of the injector.

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。 The sintered soft magnetic material and the electromagnetic structure according to the present invention can be advantageously implemented in various forms within the scope of the present invention. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these exemplary embodiments.

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。 FIG. 1 and FIG. 2 schematically show the concept of suppressing grain coarsening in the sintered soft magnetic material according to the present invention. FIG. 1 shows that the sintered soft magnetic material is Mn and S alloy iron powder (alloy powder containing Mn and S with respect to Fe powder; in this example, Si and P are added separately and are not included). It is a schematic diagram in a case. The particle size of the Mn and S alloy iron powder 1 is usually about 50 to 100 μm. The Mn and S alloy iron powder 1 as shown in the figure is effective for obtaining high magnetic properties, but as described above, there is a drawback that the crystal grains are originally likely to be coarsened, and the reduction in strength is essential. It exists as a disadvantage.

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。 Although not anticipated so far, the present inventors have developed an Fe-Si-P alloy containing iron (Fe) as a main component and silicon (Si) and phosphorus (P) as subordinate components. In contrast, by adding a grain refinement element that can form carbides, nitrides or sulfides during sintering, a decrease in strength caused by grain coarsening is prevented while maintaining a high magnetic flux density. Therefore, it has been discovered that both high magnetic flux density and strength can be realized, and that the characteristics and size of crystal grains can be controlled as desired through control of the composition, sintering conditions, and the like.

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。 FIG. 2 schematically shows the above-described phenomenon in the Fe—Si—P alloy of the present invention. That is, the Fe—Si—P based alloy of the present invention consists of crystal grains as shown in FIG. 1, for example, before the sintering process. It is transformed into a sintered soft magnetic material according to the present invention composed of a plurality of Fe—Si—P based alloys 10 which are generated and separated from each other by crystal grain boundaries 11. The individual Fe—Si—P-based alloy 10 usually has a particle size of about 20 to 100 μm. In other words, the sintered soft magnetic material of the present invention is a collection of particles of a plurality of Fe—Si—P based alloys 10 having a particle size of about 20 to 100 μm, and each of the Fe—Si—P based alloys 10. Are separated from each other by crystal grain boundaries 11. Crystal grain refining elements (in this case, Mn and S) M are precipitated at the grain boundaries 11 of the adjacent Fe—Si—P-based alloy 10. Note that Mn and S are usually precipitated as a MnS compound in which both are integrated. When the Fe-Si-P alloy is sintered in a state including the grain refinement element M, fine carbides and nitrides are precipitated, and a so-called “pinning effect” can be achieved. The pinning effect means an action that acts as a resistance to pinning the movement of grain boundaries when the grain coarsening proceeds, and this action can prevent the grain coarsening. .

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。 The prevention of crystal grain coarsening in the sintered soft magnetic material will be further described. The magnetic flux density is usually determined by the occupation ratio of iron (Fe) in the magnetic material. Therefore, in the sintered magnetic material, the greater the density of the sintered body, the greater the magnetic flux density. On the other hand, in the obtained sintered magnetic material, if the sintering proceeds too much, the crystal grains become coarse, and the coarsened material causes a decrease in strength in accordance with Hall Petch's law (the particle size and the strength are inversely proportional). In the present invention, in the sintered soft magnetic material (Fe-Si-P alloy), the precipitation of crystal grain refining elements is formed in the structure to prevent the movement of grain boundaries by the pinning effect. While the density of the sintered body is sufficiently increased, the coarsening of crystal grains can be prevented.

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。 In the practice of the present invention, the sintered soft magnetic material is mainly composed of an iron (Fe) -based alloy, particularly an Fe-Si-P-based alloy. However, if an undesirable effect does not appear in the obtained effect, an Fe—P alloy or other iron alloy may be used instead of the Fe—Si—P alloy or in combination with this alloy. Good. For example, the Fe—Si—P alloy is derived from a mixed powder composed of pure Fe powder as a main component and a small amount of Si and P as auxiliary materials, and the particle size thereof is usually about 50 to 100 μm. It is.

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。 Pure Fe powder, also called atomized iron powder, is characterized by its formability due to its irregular shape, and its particle size is usually about 70-90 μm, and those with about 80 μm should be used advantageously. Can do. If necessary, other types of Fe powder may be used. Si powder and P powder are used as secondary materials in combination with Fe powder, but the particle size and content of Si powder and P powder in the Fe-Si-P alloy should be changed in a wide range, respectively. Can do. The particle size of the Si powder is usually in the range of about 5 to 50 μm. The amount of Si powder added is usually about 1.5 to 3.5% by weight, preferably about 1.5 to 2.5% by weight, based on the total amount of the Fe—Si—P alloy. . The particle size of the P powder is usually in the range of about 5 to 30 μm. The amount of P powder added is usually less than 1.0% by weight, preferably about 0.2 to 0.6% by weight, based on the total amount of the Fe—Si—P alloy. In the practice of the present invention, MnS powder may be used as a secondary material.

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。 The sintered soft magnetic material of the present invention is characterized in that crystal grain refining elements are precipitated at the crystal grain boundaries of the sintered body of the Fe—Si—P alloy constituting the sintered soft magnetic material. Suitable crystal grain refining elements have the function of refining crystal grains according to the above-described mechanism of the present invention, and particles of metals or alloys thereof that can form carbides, nitrides or sulfides during sintering. It is selected from. Examples of suitable grain refining elements are not limited to those listed below, but metals such as titanium (Ti), niobium (Nb), manganese (Mn), and sulfur (S) can be used. Can be mentioned. These metals may be used alone or in combination of two or more kinds of metals such as Mn + S, for example, in the form of an alloy. These metals or combinations thereof may be used in the form of carbides, nitrides or composites thereof (for example, carbonitrides). Furthermore, aluminum nitride (AlN) or the like can be used as a crystal grain refining element.

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。 In the practice of the present invention, the grain refinement element is usually used in an amount of about 0.20 to 0.65% by weight based on the total amount of iron (Fe) contained in the sintered soft magnetic material. . By adding the crystal grain refining element to the sintered soft magnetic material in an amount of 0.20% by weight or more, the coarsening of the crystal grains can be completely suppressed. Further, the bending strength can be increased as the addition amount of the crystal grain refining element is increased. According to the knowledge of the present inventors, an increase in bending strength is effective at an addition amount of up to 0.65% by weight. When the addition amount of the crystal grain refining element exceeds 0.65% by weight, it is difficult to increase the molding density, and thus a tendency that the magnetic flux density tends to decrease is recognized. Moreover, it is desirable that the addition amount of the crystal grain refining element does not fall below 0.20% by weight. This is because when the amount added is, for example, 0.1% by weight or less, the coarsening of crystal grains cannot be completely suppressed and the strength is lowered.

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。 As described above, the sintered soft magnetic material according to the present invention is characterized in that the Fe-Si-P-based sintered soft magnetic material further includes a specific grain refinement element. This sintered soft magnetic material may contain inevitable impurities as long as it does not adversely affect the operational effects of the present invention.

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。 The present invention resides in a manufacturing method thereof in addition to the sintered soft magnetic material as described above. The method for producing a sintered soft magnetic material according to the present invention can be advantageously carried out by various techniques, but particularly advantageously, the following steps:
(1) A step of preparing a mixed metal powder including iron (Fe) powder as a main component and silicon (Si) powder and phosphorus (P) powder as a subcomponent (here, the iron powder is preferably sintered An alloy powder obtained by adding one or more fine grain metal element powders that can form carbides, nitrides or sulfides)
(2) pressing the mixed metal powder in the step (1) to form a green compact having a predetermined shape; and (3) sintering the green compact at an elevated temperature. It can be carried out in a process of forming a sintered body. The order of performing the above steps may be changed as necessary.

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。 The manufacturing method of the sintered soft magnetic material described above can be variously modified within the scope of the present invention. For example, in addition to the above steps, a step of applying a molding lubricant to the mixed metal powder prior to the pressure forming step (2), and degreasing the green compact after the pressure forming step (2) And a step of removing the lubricant by treatment.

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。 Moreover, it is preferable to further include the process of heat-processing the obtained sintered compact at the raised temperature after a sintering process (3). In this heat treatment step, the strength of the sintered soft magnetic material can be further increased without adversely affecting other excellent characteristics of the sintered soft magnetic material. The heat treatment step is preferably a quenching step and a subsequent tempering step (so-called QT treatment). The quenching step can be performed, for example, at a temperature of about 1190-1200 ° C., and the tempering step can be performed, for example, at a temperature of about 540-570 ° C. After such QT treatment, it is also recommended to further heat-treat the sintered body as necessary. This is because the strength of the sintered body is further improved as a result of the heat treatment.

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。 The sintered soft magnetic material can be made into a product having a final shape, for example, an armature of an injector, by performing cutting or other processing after the sintering process or heat treatment. For example, the cutting can be performed by a conventional method using a conventional cutting machine. In order to improve the quality and accuracy of the product obtained, it is preferable to perform product polishing following cutting. The sintered material may be subjected to a net shape process without cutting.

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。 More specifically, the method for producing a sintered soft magnetic material will be described. The sintered soft magnetic material of the present invention is subjected to, for example, raw material powder mixing, pressure forming, degreasing, and sintering in accordance with conventional methods. It can be manufactured advantageously after that. As an example, a mixed powder of these metals is prepared by mixing a small amount of Si powder and P powder with atomized iron powder (Fe). It is preferable to prepare a metal mixed powder such as an alloy powder of MnS and Fe, for example, by mixing a powder of crystal grain refining element, for example, Mn powder and S powder in a predetermined ratio with the iron powder. After preparing the final mixed powder containing all the metal elements necessary to form the sintered soft magnetic material of the present invention, after adding a molding lubricant to this final mixed powder, pressurize with a separately prepared molding machine Perform molding. The molding pressure is usually about 500 to 600 MPa. After completion of the pressure molding, the obtained molded body is degreased at a temperature of about 600 to 700 ° C. for about 1 to 2 hours in an atmosphere of a reducing gas such as hydrogen gas or argon gas or a non-oxidizing gas. Decompose and remove previously used lubricant.

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。 After completion of the degreasing treatment, the compact is sintered. The sintering process can be performed under various processing conditions depending on the composition of the molded body. For example, the sintering process can be completed by heating the compact for about 1 to 2 hours at a temperature of about 1100 to 1200 ° C. in a non-oxidizing gas atmosphere such as argon gas under vacuum conditions. The obtained sintered body is the sintered soft magnetic material of the present invention, and crystal grain refining elements are precipitated in accordance with the present invention at the crystal grain boundaries of the Fe-Si-P alloy. The sintered soft magnetic material has high magnetic permeability and magnetic flux density, and has excellent strength because the intended grain refinement is achieved by precipitation of the grain refinement element. The obtained sintered soft magnetic material is further processed according to a desired product. For example, when a sintered soft magnetic material is used as an armature of an injector, a core of a motor, or the like, it is cut into a predetermined shape and further polished. Each of the cutting process and the polishing process can be performed by using a commonly used processing technique. In addition, if the net shape which is the characteristic of sintering can be used, these processing steps may be omitted, and thereby a significant cost reduction can be achieved.

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。 Since the sintered soft magnetic material according to the present invention has high magnetic permeability and magnetic flux density, and increased strength, the sintered soft magnetic material is required to have such excellent properties. That is, it can be advantageously used as a component of industrial machinery. Accordingly, the present invention provides, in one aspect thereof, an electromagnetic structure including a component that can be magnetized by the magnetic force generated from the electromagnetic coil, wherein the component is made of the sintered soft magnetic material according to the present invention. The feature is in the electromagnetic structure. Examples of suitable components to which the present invention can be applied include, but are not limited to, the following: injector armature, solenoid valve plunger, motor core, rotor, torque sensor yoke, etc. Can be mentioned.

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。 FIG. 3 shows an example in which the sintered soft magnetic material of the present invention is used for an armature of an electromagnetic actuator mounted on the head of an electromagnetic injector of a fuel injection device in a diesel engine. 2. Description of the Related Art In recent years, in order to improve the environment of an electromagnetic injector for a vehicle fuel injection device, reduction of CO ² emission and purification of exhaust gas have been promoted in the automobile industry. In particular, diesel engines are responding to such problems with technologies such as high-pressure fuel injection and multistage injection. Therefore, high responsiveness is required for the electromagnetic actuator mounted on the electromagnetic injector. In order to satisfy this requirement for high responsiveness, the sintered soft magnetic material of the present invention can be advantageously used for an armature of an electromagnetic actuator.

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。 The electromagnetic actuator switches the pressure control chamber 2 formed in the upper part of a needle piston (not shown) to high pressure or low pressure. Specifically, when the armature 3 of the electromagnetic actuator is seated on the seat portion 4a of the body valve 4, the pressure control chamber 2 to which high pressure fuel is supplied and the low pressure oil passage 5 are shut off, and the pressure control chamber 2 becomes high pressure. Further, when the armature 3 of the electromagnetic actuator is separated from the seat portion 4a of the body valve 4 by the magnetic force of the electromagnetic solenoid 6, the pressure control chamber 2 and the low pressure oil passage 5 are in communication with each other, and the pressure control chamber 2 Becomes low pressure. Here, the armature 3 is formed by cutting and polishing the sintered soft magnetic material of the present invention.

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。 In addition to the armature 3 and the electromagnetic solenoid 6 described above, the electromagnetic actuator includes a spring 7 that presses the armature 3 against the seat portion 4a, and a fixing means for fixing the electromagnetic actuator to the upper portion of the injector body 30. The fixing means includes a substantially cylindrical retaining nut 8 screwed into the upper end of the injector body 30, a substantially cylindrical case 9 inserted inside the retaining nut 8, and a substantially disk shape mounted on the upper portion of the case 9. Cover 40. The body valve 4 and the case 9 are fixed to the injector body 30 by a stepped portion 8 a formed inside the upper end of the retaining nut 8, and the cover 40 has a rib 9 a formed on the upper end of the case 9. It is fixed in the case 9 by bending inward.

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。 The electromagnetic solenoid 6 includes an electromagnet dust stator 15, a magnetic force generating coil 12 assembled in the dust stator 15, and a stopper 13 that comes into contact with the armature 3 when the armature 3 is attracted. .

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。 The dust stator 15 compresses a magnetic metal powder (eg, iron powder) whose surface is covered with an insulating film (eg, phosphate) into a predetermined stator shape (substantially cylindrical ring shape) by a press machine or the like. The shape is maintained by the mechanical coupling of the magnetic metal powder. A protective film is formed on the surface of the dust stator 15.

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。 The coil 12 is a well-known device that generates a magnetic force when energized, and is assembled in an annular recess 15 a formed in the dust stator 15. Both ends of the coil 12 are connected to an external connection connector 18 via leads 16 and wires 17.

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。 The stopper 13 includes a central portion 19 inserted through the central hole 15b of the dust stator 15 and a disc portion 20 that abuts against the surface of the dust stator 15 on the side different from the armature 3. When 3 is attracted by the dust stator 15 and the armature 3 is moved by a predetermined amount, the armature 3 comes into contact with the tip 19 a of the central portion 19. The spring 7 described above is assembled in a hole 13 a formed at the center of the stopper 13.

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。 The inside of the retaining nut 8, the case 9, and the cover 40, that is, the portion where the electromagnetic actuator is arranged communicates with the low-pressure oil passage 5, and is in a state where the fuel (light oil) of the diesel engine is filled. That is, the dust stator 15 is used in a state where it is in contact with fuel (corresponding to a working fluid). Reference numerals 21 to 24 in the figure denote O-rings, which prevent the internal fuel from leaking to the outside. Reference numeral 25 indicates an insulator.

１Ｍｎ、Ｓ合金鉄粉
３アーマチャ
１０Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金粉末
１１結晶粒界
Ｍ結晶粒微細化元素 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mn, S alloy iron powder 3 Armature 10 Fe-Si-P type alloy powder 11 Grain boundary M Grain refinement element

Claims

鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、マンガン（Ｍｎ）の硫化物、及び残部の不可避的不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金の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、その結晶粒界に前記マンガン（Ｍｎ）の硫化物からなる結晶粒微細化金属粒子が析出している、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｐ系合金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）粉末とからなる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。 Iron (Fe), silicon (Si), phosphorus (P), a sintered soft magnetic material sulphides, and the balance of unavoidable impurities Fe-Si-P-based alloy of manganese (Mn),該焼has a crystal grain boundary which is distributed inside of the sintered soft magnetic material, its grain refining metal particles consisting of sulfide of crystal grain boundaries in the manganese (Mn) are precipitated, Fe-Si-P-based alloy A method for producing a sintered soft magnetic material of the following:
Both iron (Fe) powder and 1.5 to 3.5 mass% silicon (Si) powder and 0.2 to 0.6 mass% based on the total amount of Fe-Si-P-based alloy Preparing a mixed metal powder comprising phosphorus (P) powder;
An amount of 0.20 to 0.65 mass% based on the total amount of iron (Fe) contained in the sintered soft magnetic material, with the powder of crystal grain refined metal particles (MnS) added to the mixed metal powder Adding as a secondary material in
Pressing the mixed metal powder obtained in the above step to form a green compact having a predetermined shape;
A method of producing a sintered soft magnetic material, comprising the step of sintering the green compact to form a sintered body.

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。 Applying a molding lubricant to the mixed metal powder prior to the pressure molding step;
The method according to claim 1, further comprising a step of degreasing the green compact and removing the lubricant after the pressure forming step.

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。 The method according to claim 1 or 2, wherein the sintering step is carried out at a temperature of 1100 to 1200 ° C for 1 to 2 hours.

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。 The method according to claim 1, further comprising a step of heat-treating the obtained sintered body after the sintering step.

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。 The method according to claim 4, wherein the heat treatment step includes a quenching step and a subsequent tempering step.

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。 The method according to claim 5, wherein the quenching step is performed at a temperature of 1190 to 1200 ° C. and the tempering step is performed at a temperature of 540 to 570 ° C., respectively.

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。 The method according to any one of claims 1 to 6, further comprising a step of cutting the obtained sintered body into a final shape after the sintering step.