WO2007013431A1

WO2007013431A1 - 電磁鋼板部品およびその製造方法

Info

Publication number: WO2007013431A1
Application number: PCT/JP2006/314632
Authority: WO
Inventors: Seiki Shimoda; Masayoshi Takada; Tomohiro Eiraku
Original assignee: Omron Corporation; Neomax Materials Co., Ltd.
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2007-02-01
Also published as: CN101233248A; JP4669515B2; CN101233248B; JPWO2007013431A1

Abstract

　本発明は、メッキ層を有しなくても、十分な耐候性および磁気特性を有する電磁鋼板部品およびその製造方法を提供する。　本発明は、Ｓｉ：０．２０～１．２０重量％、Ｍｎ：１．０重量％以下、Ａｌ：１．０重量％以下、ならびに残部：Ｆｅおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板母材の表面にＳｉＯ２層を有してなる電磁鋼板部品であって、ＳｉＯ２層を含む表層部におけるＳｉ含有量をＸ（重量％）、電磁鋼板母材中におけるＳｉ含有量をＹ（重量％）としたとき、Ｘ／Ｙが５．２～１１．２であることを特徴とする電磁鋼板部品、および上記電磁鋼板母材をＨ２およびＨ２Ｏからなるガス雰囲気下で焼鈍することを特徴とする電磁鋼板部品の製造方法に関する。

Description

明細書

電磁鋼板部品およびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は電磁鋼板部品およびその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 電磁継電器等の電磁製品に使用される電磁鋼板部品は、従来より、プレス加工された電磁鋼板母材を、磁気特性改善のための熱処理および電気特性改善のための防鲭処理に供してなっている。特に、防鲭処理が行われないと、耐候性が低下し鲭が発生するため、良好な電気的導通を確保できず、電磁鋼板部品としての使用に耐えない。従って、部品の完成までには、熱処理および防鲭処理の 2つの処理工程が必要であるので、製造時間が非常に長くかかり、製造コストが問題となっていた。

[0003] 防鲭処理としてはメツキ処理を行うのが一般的であり、詳しくは、最初に複数の部品を籠に入れ、その籠をメツキ液槽に浸漬させ、当該メツキ液槽の中で籠を回転させながら、メツキ処理を行う。し力しながら、籠を回転させることにより、籠内の部品同士が、衝突したり、絡み合ったりして、部品形状に影響を与えてしまう。特に、サイズの小さな部品は、形状変化した場合の影響が大きぐ結果的に部品単体での不良率が大きくなる。たとえ、部品単体での不良に至らない場合でも、部品自体の寸法精度が低下するため、電磁継電器としての特性のバラツキが大きくなり、電磁継電器 (製品）としての歩留まりが低下する。

[0004] また、メツキ後の部品の磁気特性低下を最小限に抑える為に、メツキ材料には磁性体である Niが使用されるのが一般的である。し力しながら、磁性体の Niメツキを選択したとしても、部品としての磁気特性が低下することは避けられない。そのため、当該部品をリレー等の電磁継電器における可動片、鉄片、ヨークとして使用する場合、動作電圧 ·復帰電圧が高くなり、電磁継電器としての性能面に悪影響を与える。

[0005] さらに、可動片における摺動部においては、 Niメツキが摺動磨耗し、 Niメツキの磨耗粉の飛散が発生する。そのため、摺動部の摩擦抵抗が増大し、当該部品を用いた電磁継電器の動作電圧 ·復帰電圧が高くなり、電磁継電器の性能面に悪影響を与える。しカゝも、磨耗紛が接点に付着した場合には接触不良を引き起こす危険性がある。

[0006] 一方、特定の軟質磁性合金を露点 0〜60°Cの雰囲気中で酸化焼鈍して表面に Fe 系酸化皮膜を形成すると、 Niメツキ処理を省略しても、耐候性を確保できることが報告されている (特許文献 1)。しかしながら、上記のような技術でも、十分な耐候性は得られず、鲭が発生し易い。

特許文献 1：特開平 8— 203718号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 本発明は、メツキ層を有しなくても、十分な耐候性および磁気特性を有する電磁鋼板部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明は、 Si: 0. 20〜： L 20重量％、 Mn: l. 0重量％以下、 Al: l. 0重量％以下、ならびに残部： Feおよび不可避的不純物からなる電磁鋼板母材の表面に SiO層

2 を有してなる電磁鋼板部品であって、 SiO層を含む表層部における

2 Si含有量を x( 重量％)、電磁鋼板母材中における Si含有量を Y (重量％)としたとき、 XZYが 5. 2 〜11. 2であることを特徴とする電磁鋼板部品に関する。

[0009] 本発明はまた、上記電磁鋼板母材を Hおよび H Oからなるガス雰囲気下で焼鈍

2 2

することを特徴とする電磁鋼板部品の製造方法に関する。

発明の効果

[0010] 本発明の電磁鋼板部品は、メツキ層を有しなくても十分な耐候性を有する。

本発明においては、メツキ処理を省略できるので、以下の効果も奏する； '製造コストを低減できる。

•部品単体を設計どおりの精度で製造できるため、部品単体での不良率を低減できるだけでなぐ電磁継電器 (製品）としての歩留まりも向上できる。

-メツキ層を有さず、一般に形成されるメツキ層厚み（5〜8 μ m)より顕著に薄、SiO

2層を有するので、磁気抵抗が少なくなり、磁気特性に優れている。特に、本発明の部品を可動片として用、たリレー等の電磁継電器は動作電圧 ·復帰電圧を低減でき、電磁継電器の性能が向上する。例えば、 Niメツキ層を有する部品の透磁率は 8〜1 0 sであるのに対して、本発明の部品は 0. 5 s程度の高透磁率を達成する。

•本発明の部品を可動片として用いた場合、可動片における摺動部においては、メツキ層磨耗粉の発生がなぐ摩擦抵抗が増大することがないので、電磁継電器の動作電圧'復帰電圧の上昇をより有効に防止でき、接触不良を引き起こすこともない。図面の簡単な説明

[0011] [図 1]本発明の電磁鋼板部品の表面近傍における S源子分布を示す模式図である。

[図 2]本発明の電磁鋼板部品の深さ方向における Si含有量変化を概略的に示すダラフである。

[図 3]実施例で作製された試料の X線回折データである。

[図 4]本発明の電磁鋼板部品を適用できるリレーの概略構成図である。

[図 5]試料 12 (本発明）の表層近傍における金属組織を示す EPMAによる組成像写真である。

[図 6]試料 17の表層近傍における金属組織を示す EPMAによる組成像写真である。符号の説明

[0012] l : SiO層、 2 :母材、 10 :可動片、 10a :水平部、 10b :垂下部、 10c :摺動部、 11 :

2

コイル、 12 :カード、 13 :可動接触片、 14 :可動接点、 15 :固定接触片、 16 :固定接点。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 本発明の電磁鋼板部品は特定の電磁鋼板母材の表面に SiO層を有してなる。

2

[0014] 本発明におヽて使用される電磁鋼板母材は、

Si: 0. 20〜： L 20重量⁰ /₀、好ましくは 0. 25~1. 10重量⁰ /₀ ;

Mn: l. 0重量％以下、好ましくは 0. 05〜0. 5重量％;

Al: l. 0重量％以下、好ましくは 0. 01-0. 50重量％;ならびに

残部： Feおよび不可避的不純物からなっている。電磁鋼板母材はいわゆる方向性電磁鋼板又は無方向性電磁鋼板の、ずれであってもよヽ。

[0015] Si含有割合が小さすぎると、 SiO層が有効に形成されないので、耐候性が問題と

2

なる。 Si含有割合が大きすぎる場合は表面だけではなぐ表面からやや深い部分に帯状の SiO層が形成されやすいため、この帯状の SiO層を含めた表面部分が剥が

2 2

れやすぐ十分な耐候性が得られないとともに、剥がれて発生した粉状あるいは片状物が Niめっきの磨耗粉と同様の悪影響を引き起こす危険性がある。

[0016] Mnまたは A1の含有割合が大きすぎると、 SiO層が有効に形成されないので、耐

2

候'性が問題になる。

[0017] 不可避的不純物は、本発明において含有されないことが好ましいが、混入が避けられない原子であって、電磁鋼板母材の製造に使用される原料および添加剤などに由来するものである。そのような不可避的不純物として、例えば、 Ni、 Cr、 C、 N、 P、 S等が挙げられる。

[0018] 不可避的不純物の含有割合は特に制限されるものではないが、通常は以下に示す通りである；

Ni: 0. 1重量％以下、特に 0. 05重量％以下；

Cr: 0. 1重量％以下；

C : 0. 02重量％以下；

N: 0. 01重量％以下；

P : 0. 2重量％以下；

S : 0. 01重量％以下。

[0019] 電磁鋼板母材の上記組成中、 C、 N、 Sはガス分析にて測定された値であり、その検出限界値は 0. 00001重量％である。 Si、 Mn、 Al、 Ni、 Cr、 Pは化学分析またはそれに準じた機器分析 (原子吸光、蛍光 X線あるいは ICPなど）にて測定された値であり、その検出限界値は 0. 001重量％である。

[0020] 電磁鋼板母材の厚みは、得ようとする部品の用途に応じて適宜決定されればよぐ例えば、 0. 5〜2. Ommである。

電磁鋼板母材は通常は、後述の焼鈍処理に先立って、所定形状への加工および脱脂による清浄ィ匕が行われる。

[0021] 電磁鋼板母材表面の SiO層は、前記電磁鋼板母材を特定の条件下で焼鈍するこ

2

とによって製造される。すなわち、 Hおよび H Oからなるガス雰囲気下で、適切な処

2 2

理温度と時間、電磁鋼板母材を保持することによって、焼鈍を行う。この処理温度と保持時間は、 1100〜1150°C、 30〜45分が好適である。焼鈍を行うに際して、母材を常温力処理温度まで昇温させる間の昇温時間は特に制限されな、が、通常は 2 0〜200分が好ま、。また母材を処理温度から 80°Cまで降温させる間の降温時間は、特に制限されないが、通常は 20〜200分が好ましい。そのような焼鈍により、母材内部の機械的歪が除去されるとともに、母材中の S源子が優先的に母材表面に Si Oとして析出して、 SiO層が形成される。

2 2

[0022] 焼鈍を行うガス雰囲気の Hと H Oとの混合割合は、本発明の目的が達成される限

2 2

り特に制限はされな、が、露点 30〜40°Cが好適である。

H Oの混合割合が小さすぎると、 SiO層が有効に形成されないので、耐候性が問

2 2

題になる。逆に H Oの混合割合が大きすぎると、形成された SiO層が剥離しやすく

2 2

なるとともに、炉内結露が生じやすくなり、炉内雰囲気を不安定にしゃすい。

[0023] またガス雰囲気に N、 O、 Ar、 NH等の他のガスが混合されると、 SiO層が有効

2 2 3 2 に形成されな、ため、耐候'性が問題になる。

[0024] SiO層の形成は、例えば、電磁鋼板部品試料を薄 HX線回折分析に供すること〖こ

2

よって確認できる。 X線回折データにおいて SiOのピークが明瞭に現れる（例えば、

2

図 3参照)。

[0025] 本発明は、本発明の目的が達成される限り、 SiO層が上記母材組成として示した S

2

i以外の元素およびそれらの酸ィ匕物を含有することを妨げるものではない。 SiO

2層の詳しい組成は EPMA、例えば、（株）島津製作所製 EPMA1600によって測定可能である力本発明において SiO層中の Si、 O以外の元素の各含有量は通常は当

2

該測定装置の定量限界値未満であることが好ま、。上記測定装置の定量限界値は 0. 1重量％である。

[0026] SiO層の厚みは、本発明の目的が達成される限り特に制限されるものではなぐ例

2

えば、 0. 05〜0. 50 ^ m,特に 0. 10〜0. 40 /z mである。

SiO層の厚みは、 ESCAによる測定とアルゴンイオンエッチング (エッチング深さ約

2

10nm)とを繰り返し行うことによって測定可能である。本発明においては、上記測定とエッチングを繰り返し行い、 SiO層の終点を最表面の O強度の 1Z2と仮定すること

2

で、当該層の厚みを知見することができる。 [0027] 前記したように、 SiO層は焼鈍により母材中の Si原子が優先的に母材表面に SiO

2 2 として析出することによって形成され、当該 SiO層の Si原子の供給源は母材である

2

ため、得られる電磁鋼板部品は深さ方向にぉ、て Si含有量が母材組成よりも少な、部分が存在する。

[0028] 本発明の電磁鋼板部品は、上記したように、（1)表面に SiO層を有すること、およ

2

び (2)深さ方向にお!、て Si含有量が母材組成よりも少な、部分が存在することに基づ、て、以下に示すような Si含有量分布を有するものと考えられる。

[0029] 電磁鋼板部品の Si含有量分布について図 1を用いて詳しく説明する。図 1は電磁鋼板部品の表面近傍における Si原子分布を示す模式図であり、黒点が S源子を意味する。電磁鋼板部品は表面に SiO層 1を有するため、図 1に示すように、表面部分

2

で黒点濃度が最も高くなつている。黒点濃度は、 SiO

2層 1から深さ方向に離れるに従つて、次第に低くなり、その後再び上昇した後、母材組成 2における黒点濃度を維持する。

[0030] 図 1の電磁鋼板部品の深さ方向における Si含有量変化を図 2に示す。図 2において Si含有量は SiO層 1の深さでは最大値を維持するが、表面力離れるに従って低

2

下して最小値となる。その後は上昇に転じた後、母材組成における値を維持する。図 2に示すような Si含有量変化を示すグラフは、 EPMAによって作成可能である。

[0031] 本発明の電磁鋼板部品は、 SiO層を含む表層部における Si含有量を X(重量％)

2

、電磁鋼板母材中における Si含有量を Y (重量％)としたとき、 XZYが 5. 2〜： L 1. 2 、好ましくは 5. 5〜： L0. 5、より好ましくは 6. 0〜： L0. 2である。そのような XZY値を有する電磁鋼板部品は SiO層を有するだけでなぐ最適な Si含有量分布を達成して S

2

iO層の耐剥離性が向上するため、十分な耐候性を発揮できると考えられる。すなわ

2

ち、上記 XZYを有する電磁鋼板部品は深さ方向の Si含有量分布において SiO層

2 直下での Si含有量の変化が比較的緩やかなので、 SiO層はその直下部の SiO成

2 2 分との結合を有効に達成でき、 SiO層の耐剥離性が向上するものと考えられる。

2

[0032] XZYが小さすぎたり、または大きすぎたりすると、所望の耐候性が得られない。

XZYが小さすぎる場合に耐候性が悪、理由として以下の理由が考えられる。 •微視的に見て SiO層が形成されない部分が生ずる。 •欠損部のない SiO層が形成されたとしても、表層部における Xが小さすぎるため、

2

Si含有量分布において SiO層直下での Si含有量が急激に減少する。そのため、 Si

2

O層がその直下部の SiO成分との結合を有効に達成できず、 SiO層が剥離し易い

2 2 2

[0033] XZYが大きすぎる場合に耐候性が悪、理由として以下の理由が考えられる。

•表層部における Xが大きすぎると、 SiO層が厚くなる。このことは、当該 SiO層の

2 2 形成に供給された母材中の Si原子が多くなり、 Si含有量が母材組成よりも少ない部分が広く生成されることを意味する。その結果、 SiO層とその直下部との間で Si含有

2

量の差が顕著に大きくなり、 Si含有量分布において SiO層直下での Si含有量が急

2

激に減少する。そのため、 SiO層がその直下部の SiO成分との結合を有効に達成

2 2

できず、 SiO層が剥離し易い。

2

[0034] SiO層を含む表層部における Si含有量 (X)は、前記した (株）島津製作所製 EP

2

MA1600を用い、加速電圧 15kV、分析面積径 100 mにて得られた値を用いている。そのような測定方法および測定条件で測定される表層部は電磁鋼板部品表面から深さ約 3 mまでの部分である。なお、 SiO層の厚みは前記した通りである力 Si

2

o層の形成に供給されるのは母材中の Si原子であること、および母材中の Si含有量

2

は前記した範囲内であることなどの技術的な理由から、 SiO

2層の厚みが当該表層部の厚み以上となることはな、。

[0035] 電磁鋼板母材中における Si含有量 (Y)は、焼鈍処理前におヽて電磁鋼板母材の Si含有量を予め測定することによって得ても良いし、また処理後に得られた電磁鋼板部品において、表面力深さ約 30 mの範囲を除いた部分を測定することによって得ても良い。電磁鋼板部品から母材の Si含有量を測定する場合において、測定除外部分の深さは上記値に限定されるものではなぐ母材組成が残って、る深さであればよい。いずれの場合においても、測定は前記した電磁鋼板母材組成と同様の測定方法を採用すればよい。

[0036] 本発明の電磁鋼板部品はリレー等の電磁継電器等に使用される部品として有用である。

以下、本発明の電磁鋼板部品をリレーの可動片として使用する場合について図 4 を用いて簡単に説明する。

[0037] 図 4は基本的な構造を有するリレーの概略構成図である。図 4においてコイル 11に電圧が印加されると、可動片 10の水平部 10aはコイル 11に吸引される。それに伴い、可動片 10の垂下部 10bは摺動部 10cを支点に回動し、カード 12を介して可動接触片 13を押圧し、該可動接触片 13の可動接点 14と固定接触片 15の固定接点 16との接触が確保される。一方、コイル 11への電圧の印加が停止されると、可動接触片 1 3のパネ力により、可動接点 14が固定接点 16から解離され、可動片 10の垂下部 10 bが押し戻される。それに伴い、可動片 10の水平部 10aは摺動部 10cを支点に回動し、コイル 11から離れる。

[0038] このようなリレーにおいて、例えば、可動片は長期にわたって摺動部を支点に回動するので、優れた磁気特性だけでなぐ優れた耐候性および耐摩耗性が要求される。そのような可動片として本発明の電磁鋼板部品を用いると、上記要求は満たされ、さらに動作電圧 ·復帰電圧を有効に低減できる。

実施例

[0039] 表 1に示す組成をもつ厚み約 lmmの電磁鋼板母材を、 5mm X 20mm寸法に打ち抜き、炭化水素系洗浄剤にて表面を脱脂して清浄ィ匕した。その後、表 2に示す条件下で焼鈍を行った。

[0040] [表 1]

(重量 ¾)

[0041] [表 2] 焼鈍条件ガス雰囲気試料電磁鋼板

降温時

¾ 間 ¾

¾Λ ] f里昇温時間処理温度保持時

ガス組成

(分） (°C) (分） (分〉 (°C)

1 1 160 1200 80 190 Π2⁺Η2θ 40

2 1 160 1200 160 190 Η2 + ΗΙ2リ 40

3 1 60 1120 30 70 H₂+H₂0 30

4 1 60 1100 30 70 H₂+H₂0 30

5 1 60 1150 30 70 し 40

6 2 60 1150 30 70 H₂+H₂0 -40

7 2 120 1150 60 140 H₂+H₂0 40

8 2 60 850 30 70 H₂+H₂0 30

9 2 60 975 30 70 H₂+H₂0 30

10 2 120 1150 60 140 Η₂+Η₂0 -10

11 2 60 1120 30 70 Η₂+Η₂0 30

12 2 60 1100 30 70 Η₂+Η₂0 30

13 2 60 1150 30 70 Η₂+Η₂0 40

14 2 90 1150 45 105 Η2+Η2Ο 40

15 2 160 1200 80 190 Η₂+Η₂0 40

16 2 60 1100 30 70 Η₂+Ν₂+Η₂0 30

17 3 60 1100 30 70 Η₂+Η₂0 30

18 4 60 1100 30 70 Η₂+Η₂0 30

[0042] 得られた試料を、以下の項目につ、て評価した。

(表面組成）

試料の表層部の組成を、前記した (株）島津製作所製 EPMA1600を用い、加速電圧 15kV、分析面積 φ 100 mにて測定した。

また試料の薄膜 X線回折分析を行った。試料 3〜5および 11〜14、 17においては、明瞭な SiOピークが現れ、 Fe系酸ィ匕物の存在は認められなかった。例えば、試料

2

3および 11のデータを図 3に示す。

[0043] (耐候性）

耐候性はプレッシャータッカー試験にて評価した。詳しくは、温度 125°C、相対湿度 85%および絶対圧力 2atmの条件下で試料を 20時間保持し、表面の変色度合!/ヽに基づ!/、て以下の基準で判断した。〇；変色は全くな力つた；

△；変色したが、軽微であった；

X；変色が顕著であった。

[0044] 磁気特性は保磁力にて評価した。保持力は TOHOKU STEEL社製 K— HC10 00によって測定した。

以下の方法で作成されるような従来の Niメツキ層を有する試料では、保持力は 0. 7 60eであった。露点— 50°Cの H雰囲気下、 850°Cで 60分間、電磁鋼板母材 2を保

2

持することによって焼鈍を行った。得られた試料に厚み 5 mのめつき層を形成した。

[0045] (表面直下の帯状 Si酸化物層の有無）

試料表層部の断面を EPMA(X線マイクロアナライザ)で観察し、「表面直下の帯状 Si酸化物層」の有無を判断した。表面直下に帯状 S雄化物層が存在すると、当該層より表面側が剥離しやすくなる。そのため、たとえ最表面に SiO層を有し、初期の耐

2

候性が良好であったとしても、長期の使用による剥離によって耐候性が低下し、十分な耐候性が得られない。

試料 12および試料 17の EPMAによる組成像写真をそれぞれ図 5および図 6に示す。なお、試料断面を得るための切断および研磨によって生ずる、試料表層断面部の欠損等を防止する目的で、切断前の試料に厚さ 1〜5 μ m程度の A1保護層を蒸着で形成した。

帯状 Si酸化物層は、図 5において表面直下に存在しないのに対して、図 6においては表層直下に存在することは明らかである。図 5、図 6において最表面には SiO層が

2 存在している。

[0046] [表 3]

*は未測定を示す。

一は定量限界値未満を示す。

Claims

請求の範囲

[1] Si: 0. 20〜： L 20重量％、 Mn: l. 0重量％以下、 Al: l. 0重量％以下、ならびに残部： Feおよび不可避的不純物力なる電磁鋼板母材の表面に SiO層を有してな

2

る電磁鋼板部品であって、 SiO層を含む表層部における Si含有量を x(重量％)、電

2

磁鋼板母材中における Si含有量を Y (重量％)としたとき、 XZYが 5. 2〜： L 1. 2であることを特徴とする電磁鋼板部品。

[2] 請求項 1に記載の電磁鋼板部品を用いた電磁継電器。

[3] Si: 0. 20〜： L 20重量％、 Mn: l. 0重量％以下、 Al: l. 0重量％以下、ならびに残部： Feおよび不可避的不純物カゝらなる電磁鋼板母材を Hおよび H Oからなるガ

2 2

ス雰囲気下で焼鈍することを特徴とする電磁鋼板部品の製造方法。