JP6395588B2

JP6395588B2 - 加工性および耐食性に優れた非鉛軟磁性材料

Info

Publication number: JP6395588B2
Application number: JP2014253452A
Authority: JP
Inventors: 孝細田
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: JP2016113667A

Description

本願の発明は、ソレノイドや電磁弁などの各種の電磁アクチュエーターあるいは電磁センサーの部材として使用することができる、Ｐｂを有していないので環境負荷が少なく、かつ優れた耐食性および被削性を有し、さらに良好な製造性を兼ね備えた快削電磁鋼に関する。

電磁鋼には優れた磁気特性、被削性、耐食性が要求され、さらに、材料を安価に安定供給するという観点から、良好な熱間加工性も要求される。ところで、熱間加工性が良好で、しかも磁気特性と耐食性を損なわずに優れた被削性を有するＰｂ添加電磁鋼は既に市場に出ている。しかし、近年では、Ｐｂの有毒性を考慮して、Ｐｂ添加電磁鋼の使用は避けられている。

そこで、Ｐｂ代替快削元素としてＳを添加し、硫化物を被削性改善物質として鋼中に分散させた電磁鋼がある。しかしながら、このＳを被削性改善元素として硫化物を有する電磁鋼はＰｂ添加電磁鋼に比して磁気特性や耐食性が劣っている。さらに、Ｓの添加は低融点化合物の生成を促進することで、熱間加工性を阻害する。このようなことから、Ｐｂを有することなく、優れた磁気特性、被削性、耐食性を有し、しかも良好な熱間加工性を有するという全ての性質を兼ね備えた鋼材が求められている。

ところで、フェライト系電磁ステンレス鋼が本来有する優れた耐食性と軟磁気特性を損なうことなく、合金設計により、切削中にできる構成刃先の表面を、工具摩耗の原因となる鋼中のＡｌ₂Ｏ₃よりも高硬度化するように材料成分を設定することで工具を長寿命化し、さらに穿孔性を向上させるためにＣａ系硫化物を生成させる観点から磁気特性、被削性を改善した鋼が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、この特許文献１には、Ｐｂを無添加とする記載はなく、さらに熱間加工性といった製造性に関しても言及されていない。

さらに、電磁弁などの各種ソレノイドや、各種センサー、磁気シールドなどに使用される冷間加工性に優れた軟質磁性材料の製造方法として、磁気性確保のためＡｌはＳｉを添加する場合、その添加量を適宜に制御し、かつ傾斜圧延と２重式圧延を組合せて製造することで、磁気特性を損なうことなく良好な軟磁性材料とする方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法ではＳまたはＰｂを選択的に含有することができる。さらに冷間鍛造性と高温磁気焼鈍時の異常粒成長抑制に優れる安価なフェライトステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。このフェライトステンレス鋼では、ＳあるいはＰｂを選択的に含有することができる。また、さらに８０℃〜４００℃の不連続的な温度雰囲気下で使用される磁気回路部品の軟磁性材として好適な電磁ステンレス鋼が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。この電磁ステンレス鋼にはＰｂを含有することができる。したがって、引用文献２〜４には、Ｐｂの有毒性についての記載は見られないものである。

特許第４７５７７０７号公報特開２００２−２５２１０７号公報特開２００４−３００５１６号公報特開２０１２−２３３２４６号公報

ソレノイド、電磁弁などの各種電磁アクチュエーターや電磁センサー部材は、使用環境に対して十分な耐食性を有することは必須であるとともに、精密加工や量産加工に対応できる被削性も求められる。鉄鋼材料において、耐食性を損なわずに被削性を向上させる元素として、Ｐｂは良く知られているが、環境負荷への低減を考慮する時、その使用は避ける必要がある。そこで、Ｐｂ代替の快削元素として環境負荷のみならず、コスト、および供給安定性という観点からして極めて優れたＳを添加する方法がある。しかし、Ｓの添加は磁気材料の必須特性である磁気特性および耐食性を劣化させ、さらに低融点化合物の形成助長によって素材の製造性まで阻害するので、安定供給および製造コストの面で問題が生じる。

そこで、本願の発明が解決しようとする課題は、Ｐｂを含有しないものとすることで環境負荷の小さな、しかも、十分な耐食性と被削性を有し、安定的に製造可能で、かつ、良好な熱間加工性を有する磁気特性に優れた快削電磁鋼である非鉛軟磁性材料を提供することである。

上記の課題を解決するための本願の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．５０〜３．５０％、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｐ：０．３０％以下、Ｓ：０．０４０超〜０．２０００％、Ｃｒ：６．００〜１０．００％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｔｉ：０．１００％以下、Ｎ：０．０３００％以下、Ｔｅ：０．００５０〜０．０３００％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、該鋼のＭｎ／Ｓで示す式（Ａ）の値が１５．０以下で、Ｔｅ／Ｓで示す式（Ｂ）の値が０．１５以上を満足して鋼中に分散する快削性付与化合物を有することを特徴とする加工性および耐食性に優れた非鉛軟磁性材料である。

第２の手段では、上記の組成ならびに式（Ａ）の値および式（Ｂ）の値を満足し、かつ鋼中に分散し快削性を付与する化合物は、ＭｎとＳからなる硫化物と該硫化物の周りを囲むように存在するＴｅ化合物で、その長径が２００μｍ以下の複合化合物であることを特徴とする請求項１に記載の加工性および耐食性に優れた非鉛軟磁性材料である。

なお、ここで、第１の手段の鋼成分であるＴｅについて説明する。Ｔｅは後述するように被削性を向上させる元素として、第１の手段で含有せしめている。ところで、被削性を向上させる元素には、Ｔｅの他に、ＢｉやＳｅがＰｂの代替として挙げられる。しかし、ＢｉはＰｂよりも有害性は低いものの、希少性が高く、安定供給という点でＴｅよりも劣る。さらに、ＳｅはＭｎと非金属の化合物を生成して磁気特性を著しく劣化させる。そこで、ＢｉやＳｅは、第１の手段における成分元素としていない。このようにＴｅは、被削性付与、安定供給、および磁気特性に与える影響を加味して総合的に判断して選択したものである。一方、Ｔｅは低融点のＴｅ化合物を形成し、熱間加工性を著しく悪化させるという問題が生じるが、ＴｅとＳの比であるＴｅ／Ｓで示す式（Ｂ）の値を０．１５以上に制御してＴｅ化合物中のＳの濃度を下げることで、このＴｅ化合物の融点が上って熱間加工性を阻害しないことを見出したのである。そこで、本願の第１の手段では、Ｔｅ／Ｓで示す式（Ｂ）の値を０．１５以上を満足するものとした。

さらに、第２の手段の鋼中に分散し快削性を付与する化合物はＭｎとＳからなる硫化物と該硫化物の周りを囲むように存在するＴｅ化合物は、その長径が２００μｍ以下の複合化合物であることについて説明する。先ず、ＭｎとＳからなる硫化物が粒状で分布することによって被削性は最大限に発揮できる。さらに、これらの粒状の硫化物が各種製造工程中における材料の圧下によって長手方向に延伸することが抑制されて、球体に近い形状が維持される。このように、Ｔｅ化合物は硫化物を囲む状態で存在している必要がある。また、長径の制限は、前述のように硫化物が異常に伸びていないように制限するとともに、球体であっても、２００μｍ以上の巨大硫化物が存在すれば、磁気特性、耐食性などの材料特性に悪影響を及ぼすので、第２の手段のとおりに、快削性を付与する化合物の形状に制限をかけている。なお、後述の実施の形態においては、実施例を示す表１の発明例および比較例の鋼材においては、試験片からなる試料について、５０００μｍ×５０００μｍの光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）視野内で硫化物の形態を観察し、Ｔｅ化合物が硫化物を囲むように存在していることが確認できたものあるいは硫化物の長径が２００μｍ以下であるものを硫化物形態の欄に○として表示し、Ｔｅ化合物が硫化物を囲むように存在していることが確認できなかったものあるいは硫化物の長径が２００μｍを超えるであるものを硫化物形態の欄に×として表示した。

本発明の上記の第１の手段の非鉛軟磁性材料は、環境負荷低減のために非Ｐｂ鋼としているが、硫化物およびＴｅ化合物からなる複合化合物を該鋼中に分散させているので、Ｐｂ鋼並のあるいはそれ以上の被削性を有する鋼である。さらに、Ｓ添加による磁気特性の劣化をＳｉおよびＣｒの添加量により調整しているので、優れた磁気特性を有し、さらに、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓの組成、およびＭｎ／Ｓである式（Ａ）の値を制御することでＣｒリッチの硫化物としているので、良好な耐食性を有する鋼であり、Ｓ、Ｔｅの組成、およびＴｅ／Ｓである式（Ｂ）の値を制御することでＴｅ化合物の低融点化が抑制されているので、良好な熱間加工性を有する鋼となっている。

第２の手段の非鉛軟磁性材料では、鋼中に分散するＭｎとＳからなる硫化物とこの硫化物の周りを囲むように存在しているＴｅ化合物とからなる化合物は、その長径が２００μｍ以下の複合化合物であるので、切削工具のドリルなどの刃先の摩耗量が少なくドリル寿命が改善され、被削性が改善されている。

快削性を付与した複合化合物の形態を示すミクロ写真である。

先ず、本願の発明に係る非鉛磁性材料である鋼における成分組成の各成分の限定理由ならびにＭｎ／Ｓである式（Ａ）の値およびＴｅ／Ｓである式（Ｂ）の値の限定理由について説明する。なお、各成分における％は質量％を表す。

Ｃ：０．０２０％以下
Ｃは、不可避不純物として鋼中に含有されるが、０．０２０％を超えて含有されると磁性材料としての磁気特性、耐食性、被削性が劣化する。そこで、Ｃは０．０２０％以下とする。

Ｓｉ：０．５０〜３．５０％
Ｓｉは、０．５０％未満であると固有抵抗および磁気特性が劣り、３．５０％より多いと材料の靱性および加工性を劣化する。そこで、Ｓｉは０．５０〜３．５０％とする。

Ｍｎ：０．０５〜０．５０％
Ｍｎは、Ｓと結合して硫化物を形成し、被削性向上させる。そのためには、Ｍｎは０．０５％が必要である。しかし、Ｍｎは０．５０％より多いと鋼材の磁気特性を劣化する。そこで、Ｍｎは０．０５〜０．５０％とする。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは、不可避不純物として含有されるが、Ｐが０．０３０％より多いと鋼材の熱間加工性および磁気特性を劣化する。

Ｓ：０．０４０超〜０．２００％
Ｓは、Ｍｎと結合して硫化物を形成し、鋼材の被削性を向上させる。このためにはＭｎは０．０４０％超とする必要がある。しかし、Ｍｎは０．２００％より多いと、鋼材の磁気特性および耐食性を劣化する。そこで、Ｍｎは０．０４０超〜０．２００％とする。

Ｃｒ：６．００〜１０．００％
Ｃｒは、耐食性の向上に必須の元素であり、かつ、保磁力を低減して軟磁気特性を改善する元素である。このために、Ｃｒは６．００％以上がとする。しかし、Ｍｎは１０．００％より多いと、これらの効果を飽和し、かつ過剰添加により保磁力が上昇して劣化磁気特性が劣化する。そこで、Ｃｒは６．００〜１０．００％とする。

Ａｌ：０．００５〜０．１００％
Ａｌは、０．００５％以上とすることで、脱酸による磁気特性を改善し、固有抵抗を上昇させる。しかし、Ａｌは０．１００％より過剰に添加すると、窒化物を生成して被削性を悪化する。そこで、Ａｌは０．００５〜０．１００％とする。

Ｔｉ：０．１００％以下
Ｔｉは、不可避不純物として含有されるが、Ｔｉが０．１００％より多く含有されると、過剰添加によってＴｉの炭窒化物を生成して被削性を悪化する。そこで、Ｔｉは０．１００％以下とする。

Ｎ：０．０３００％以下
Ｎは、不可避不純物として含有されるが、Ｎが０．０３００％より多く含有されると、磁気特性が劣化し、窒化物生成による被削性が悪化する。そこで、Ｎは０．０３００％以下とする。

Ｔｅ：０．００５０〜０．０３００％
Ｔｅは、０．００５０％以上含有されると、Ｔｅ化合物を生成し、硫化物の形態制御により被削性を向上する。しかし、Ｔｅが０．０３００％より多いと、磁気特性が劣化し、熱間加工性が悪化する。そこで、Ｔｅは０．０３００％とする。

式（Ａ）であるＭｎ／Ｓ：１５．０以下
Ｍｎ／Ｓは、１５．０より大きくなると硫化物中のＣｒ濃度が低くなり、硫化物起点の腐食が促進されて鋼材の耐食性が悪化する。優れた耐食性を有するには硫化物をＣｒリッチとしておく必要がある。そこで、式（Ａ）であるＭｎ／Ｓは１５．０以下とする。

式（Ｂ）であるＴｅ／Ｓ：０．１５以上
Ｔｅ／Ｓは、０．１５未満であると鋼材の熱間加工性が悪化する。そこで、式（Ｂ）である０．１５以上とする。

本願の発明を実施するための形態について、以下の実施例に基づいて説明する。先ず、本願の非鉛磁性材料である鋼材の熱間加工性を評価するために、表１に示す発明例のＮｏ．１〜６と、比較例のＮｏ．８〜２３の各成分と残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼の各１００ｋｇをＶＩＭ炉で溶解してインゴットに鋳造した。このインゴットより１５ｍｍ角で長さ１１０ｍｍの角材を採取した。この角材を１１５０℃で均質化熱処理した後、グリーブル試験を行うために径８ｍｍの長さ１００ｍｍのグリーブル試験片へ加工し、熱間加工性の評価試験を実施することとした。

上記のインゴットにした鋼材である表１に示す発明例および比較例の鋼材からなる試験片の試料について、５０００μｍ×５０００μｍの光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）視野内で硫化物の形態を観察し、Ｔｅ化合物が硫化物を囲むように存在していることが確認できたものあるいは硫化物の長径が２００μｍ以下であるものを、表１の硫化物形態の欄で○として表示し、Ｔｅ化合物が硫化物を囲むように存在していることが確認できなかったものあるいは硫化物の長径が２００μｍを超えるであるものを、表１の硫化物形態の欄で×として表示した。

熱間加工性の評価以外の試験として、熱間加工性の評価試験で使用したインゴットの残部より、径６０ｍｍと径２０ｍｍの棒材に鍛伸し、次いで、７５０〜８５０℃で焼鈍して、グリーブル試験片を除く各試料を作製した。これらの各試料である複合化合物のＭｎＳとＴｅ化合物ならびに各試料の熱間加工性、磁気特性、被削性および耐食性について評価して表２に示した。

表２に示すＭｎＳ組成の硫化物およびＴｅ化合物からなり、快削性を付与する複合化合物の形態を図１に示す。表２に示すＭｎＳ組成の硫化物およびＴｅ化合物の評価は、上記の径２０ｍｍの棒材の長手方向の断面（すなわちＬ断面）における快削性を付与する化合物であるＭｎＳ組成の硫化物およびＴｅ化合物をＥＤＸ（エネルギー分散性Ｘ線回折）により観察および分析した評価結果である。

表２に示す、熱間加工性の評価は、グリーブル試験機を用いて上記で作製したグリーブル試験片を１０５０℃で５０ｍｍ／ｓの引張速度で引張試験を行って絞りを測定した。この評価としては、この１０５０℃における絞りが、７５．０％以上のものを加工性良好として○とし、７５．０％未満を加工性不良として×とした。

磁気特性の評価は、上記の径２０ｍｍの棒材を、外径１３ｍｍ、内径９ｍｍ、厚さ５ｍｍである磁気リングに機械加工し、さらにこの磁気リングを８５０℃で真空磁気焼鈍を施した後に、直流磁気測定装置にて保磁力を測定した。１２０．０Ａ／ｍ以下のものを○、１２１．０〜１４９．０Ａ／ｍのものを△、１５０．０Ａ／ｍ以上のものを×とした。

被削性の評価は、上記の径６０ｍｍの棒材の断面を旋盤で平滑化し、この平滑化した面に断面をドリルで深さ１０ｍｍまで穿孔するために必要な時間を測定し、その所要時間が１２．０秒以下のものを○、１２．１秒以上１５．０秒以下を△、１５．１秒以上を×として行った。なお、詳細な試験条件は、使用したドリルは材質がＳＫＨ５１で、ドリル径が径５ｍｍであり、切削油は用いず、ドリルの推力は４１４Ｎで、回転数は１１９０回／分である。

耐食性の評価は、上記の径６０ｍｍの棒材から径１２ｍｍで、長さ２１ｍｍの腐食試験用試験片を作製して次の塩水噴霧試験により実施した。すなわち、塩水噴霧試験は、試験片に５０ｐｐｍの希薄塩水を３５℃で１６時間噴霧した後、試験片の表面を観察し、長径３ｍｍ以上の点状錆の数が１０個以下のものを○、１１〜２０個のものを△、２１個以上のものを×として耐食性の評価とした。

表２の比較例において、米印を付した比較例１０、１１、１３、１８、１９は熱間加工性が悪く、インゴットの鍛伸時に割れを発生し、磁気特性、被削性、耐食性などの評価用試験片が作製できなかった。したがって、試験できなかったので、データが得れず、評価できなかったので、データ欄および評価欄に「−」を記載している。

１快削性付与複合化合物
２硫化物
３Ｔｅ化合物

Claims

質量％で、Ｃ：０．０２０％以下、Ｓｉ：０．５０〜３．５０％、Ｍｎ：０．０５〜０．５０％、Ｐ：０．３０％以下、Ｓ：０．０４０超〜０．２０００％、Ｃｒ：６．００〜１０．００％、Ａｌ：０．００５〜０．１００％、Ｔｉ：０．１００％以下、Ｎ：０．０３００％以下、Ｔｅ：０．００５０〜０．０３００％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、該鋼のＭｎ／Ｓで示す式（Ａ）の値が１５．０以下で、Ｔｅ／Ｓで示す式（Ｂ）の値が０．１５以上を満足して鋼中に分散する快削性付与化合物を有することを特徴とする加工性および耐食性に優れた非鉛軟磁性材料。
上記組成ならびに式（Ａ）の値および式（Ｂ）の値を満足し、かつ鋼中に分散する快削性付与化合物は、硫化物とその周りを囲む状態で存在するＴｅ化合物で、その長径が２００μｍ以下の複合化合物であることを特徴とする請求項１に記載の加工性および耐食性に優れた非鉛軟磁性材料。