【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
〔産業上の利用分野〕
この発明は、変位量や変位速度等の測定に用い
られる磁気目盛の製造方法に関し、更に詳しくは
ステンレス鋼等の汎用材料に局部的な溶融処理を
施して高感度の目盛部を付与し得る方法に関する
ものである。
〔従来の技術〕
磁気目盛は、金属材等の基体表面に目盛部とし
て磁気的性質の異なる線状又は帯状の磁気的変質
部を規則的に配列形成し、その表面に磁気センサ
ーを近接対峙させ、磁気センサーにより前記目盛
を読取ることによつて、基体と磁気センサーとの
相対変位を測定するものである。目盛の読取り精
度は変質部と非変質部との磁気的性質の差が大で
あるほど高くなり、一般に、基体を磁性材とし、
変質部を空隙溝とすることにより最大精度が得ら
れるとされている。
しかし、ピストンロツドや案内軸等のように摺
動使用される表面部に磁気目盛を形成しようとす
る場合は、表面の平滑性が要求されるため、上述
のような空隙方式を適用することはできない。そ
こで、例えば特開昭57−16309号公報に記載れて
いるような、金属基体表面の目盛形成予定部にレ
ーザ光線、電子線等の高エネルギー線を照射し熱
処理を施すことより、この部分に磁気的な変質を
加えて目盛部を付与する方法が考えられてくる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが、この方法では熱処理部と非熱処理部
との間に十分な磁気特性の差が得がたく、Fe25
％、Ni75％合金等の特殊材料でしか、実用に耐
え得る磁気目盛は得られないとされている。しか
るに、このような特殊材料は高価である上に、強
度、耐摩耗性等の一般機械的性質に劣り、用途上
の制約が大きい。
本発明は、従来十分な磁気特性を付与すること
が出来なかつたステンレス鋼等の汎用材料にも、
磁気的性質が大きく異なる目盛部を簡単に付与す
ることが出来る磁気目盛の製造方法を提供するも
のである。
〔問題点を解決するための手段〕
磁気目盛の基体として、汎用性の高いSUS304
ステンレス鋼を考えた場合、これはオーステナイ
ト組織で、非磁性体であるので、局部的な熱処理
によつてフエライト組織、マルテンサイト組織等
の磁性組織を目盛部に形成することができれば磁
気目盛としての使用が可能となる。
この場合、目盛部の磁性組織の増加とともに目
盛部の透磁率が増大するので、目盛部の磁性組織
の含有率が高いほど基体との磁気的性質の差が顕
著となり、磁気目盛として有利となる。しかし、
磁気的性質の差は検出器（磁気センサー）で検出
できれば十分であり、必要以上の差はいらないこ
とになる。言い換えれば、検出器の感度が高けれ
ば、わずかな磁気的性質の差しかなくても磁気目
盛になり得る。したがつて、磁性組織比率の限界
値は使用する検出器の感度、精度に依存するもの
で、一概には規定できないが、高性能な検出器は
当然高コストとなり、また大型化や取り扱い性の
悪化を招き、実用性が著しく低下することにな
る。
本発明者らは、このような点を総合的に考慮し
て、目盛部磁性組織比10％を基体が非磁性である
場合の一応の目安とした。
この目安をもとに、前述のSUS304材を見た場
合、この材料は後述するように凝固組織において
５％程度のδ−フエライト組織を含む。しかし、
レーザ光線等の高エネルギー線で微小領域のみを
溶融した場合は、極めて冷却速度が大きくなるの
で、δ−フエライト組織の生成が抑制され、通常
成分では１％以下のフエライト組織にしかなら
ず、到底、磁気目盛にはなり得ない。周知のとお
り、SUS304材は強度、耐食性に優れ、また比較
的安価であるので、汎用高級金属材料として広く
利用されており、この材料から局部溶融により実
用に耐え得る磁気目盛が製造できるなら、磁気目
盛用途の大きな拡大が期待される。
本発明の方法は、このSUS304材においても10
％以上の磁性組織を局部溶融により安定的に形成
し得るもので、その特徴とするところは非磁性の
オーステナイト鋼を基体とし、その目盛形成予定
部にフエライト形成元素を供給しつつ高エネルギ
ー線を照射して、目盛部に前記フエライト形成元
素を溶加せしめる点にある。
オーステナイト鋼において、ある種の元素を添
加すると、δ−フエライト組織が生成し、均一な
オーステナイト組織ではなく、両者の混合組織と
なる。各種元素のうちＣ、Ｎ、Ni、Mn、Cu、
Co等はオーステナイト組織を安定化し、Si、Ti、
Ｖ、Al、Cr、Ｗ、Ta、Mo、Nbはδ−フエライ
ト組織の生成を容易にする。組織と組成の関係に
ついては、従来から多くの研究があるが、凝固組
織については、第１図に示すSchaefflerの組織図
が一般に良く知られている。
この図は横軸にフエライト形成元素であるCr、
Mo、Si、Nbについて、それぞれの効果をCrの
効果に換算したいわゆるCr当量をとり、同様に
縦軸にはオーステナイト安定元素であるNi、
Mn、ＣについてのNi当量をとり、これら当量と
凝固組織における生成相との関係を示したもので
ある。この組織図ではCr当量式中にはCr、Mo、
Si、Nbしかないが、他のフエライト形成元素に
ついても同様と見做すことができる。したがつ
て、本来Cr当量は下式で示されるべきものであ
る。
Cr当量＝Cr＋Mo＋1.5Si＋0.5Nb
＋a1Al＋a2V＋a3W＋a4Ti…
そこで今、第１図の組織図に示したように、●
印のSUS304材を基体として、その目盛部にのみ
SiAl等を溶加すると、溶加部分においてCr当量
が増加し、相対的にNi当量が低下するので、フ
エライト組織比が増大する。すなわち、SUS304
（Cr当量＝19.5、Ni当量＝12）に対してCrのみを
５％増加すると、Cr当量23.5、Ni当量11.4とな
り、組織は〇印の位置に移行し、凝固組織におい
て約20％のフエライト相が確保されることにな
る。Schaefflerの組織図は本発明が対象とする目
盛部のような急冷凝固組織にそのままあてはめる
ことはできないが、そこに示される傾向は目盛部
の場合にも適用され、この図面上で約20％のフエ
ライト組織が確保されるときは、目盛部ではこの
約20％から、急速冷却による減少分を差し引い
て、約10％のδ−フエライト組織が得られること
になる。
一方、目盛部にFeを溶加した場合、Cr当量、
Ni当量の双方が相対的に減少する。第１図上で
は、Feの溶加量が増加するにつれて、△印で示
す原点（純Fe）と●印の位置とを結ぶ線上を原
点方向に移行し、溶加部のマルテンサイト組織が
増加する。マルテンサイト組織はFe組織と同じ
く磁性組織であるので、Si、Al等の本来のフエ
ライト形成元素を添加した場合と同様に、目盛部
の磁性化が進む。
本発明の方法は、このような理論を背景とし
て、オーステナイト組織の基体に対して、成分組
成面から目盛部の磁性化を図るものである。
本発明の方法によれば、目盛部が他の基体部
分と比べて磁性組織比を増し、両部分間に大きな
磁気特性の差を付与することが可能となる。フ
エライト形成元素の添加量を調整することによ
り、所望の磁性組織比が得られる。基体はオー
ステナイト組織でさえあればよく、そのため以外
に組成を選ばないので、適用材の範囲が広い。
目盛部への成分添加によつて目盛部組織を決定す
るため、基体や目盛部の大きさ、形状による影響
を受けにくい。
について詳述すると、本発明が対象とするよ
うな局部溶融による磁気目盛の製造では、基体の
熱容量を利用した急速冷却によつて目盛部に組織
変化を与えるのが基本となつている。このため、
基体が薄肉材の場合にはその熱容量が不足し、冷
却速速度が低下するので、厚肉材の場合になら得
られるはずの組織変化が得られない事態も起こり
得る。また、微小な目盛部を形成しなければなら
ないような場合にあつては、組織変化は十分得ら
れても、組織変化部分の面積が狭いために、その
磁気的変化をとらえがたいという事態もあり得
る。
しかるに本発明の方法では、冷却面ばかりでな
く成分組成面から積極的に組織変化を生じさせる
ので、冷却不足や目盛面積の小ささに起因する感
度差不足をこの組成変化に基づく組織変化で補う
ことができ、上述したような不測の事態を回避す
ることができるのである。
第２図は本発明の実施状況の一例を示したもの
である。この例では円柱上の基体１を軸回りに回
転させながら、その表面に高エネルギー線として
のレーザ光線２を照射するとともに、照射部にノ
ズル３よりフエライト形成元素を粉末状態で連続
的に添加して、磁気的感度の高い目盛部４を形成
するようにしている。
本発明の方法において、基体は前述したように
オーステナイト組織であればどのような成分組成
のものでもよい。
この場合、オーステナイト組織比は基体に対す
る目盛部の磁気特性差を大きくする意味から、出
来るだけ高い方が望ましく、オーステナイトステ
ンレス鋼にあつては固溶化処理状態で使用するこ
とが望まれるが、100％である必要はなく、30％
以上が本発明の範囲内である。本発明の方法では
例えば基体に70％のフエライト組織が含まれてい
ても、成分添加によりこれ以上のフエライト組織
を目盛部に与えることができるので、基体に100
％のオーステナイト組織を与える必要はない。
経済性、機械特性等を考慮して基体として特に
有利な材料を挙げると、例えばSUS304、
SUS316、SUS329J1、NCF600等である。
フエライト形成元素としては本来のこの種元素
であるCr、Mo、Si、Al、Ti、Ｗ、Ｖ、Nb等の
他に、磁性体であるマルテンサイト組織を形成す
る効果のあるFeを含むものとする。このうち、
経済的にはFeが好ましい。
これらの元素は単独で添加してもよいし、２種
以上を複合添加してもよい。
添加形態はワイヤによる添加、粉末による添加
等、いかなる形態を採つてもよい。
添加量は、添加元素の種類、使用される基体、
目標とする磁整組織比などの条件によつて逐一変
化するので、一律に規定することはできない。言
い換えれば、これら諸条件を満足する添加量がそ
の都度選択されることになる。
高エネルギー線として代表的なのはレーザ光
線、電子線であるが、基体表面を溶融できるもの
であればその種類は問わない。
高エネルギー線の照射条件は、目標とする寸
法、形状の目盛部が得られるよう、採用照射手段
に応じて適宜決定される。
〔実施例〕
材質が固溶化熱処理状態のSUS304で直径40mm
の丸棒状の基体に対し、第３図および第１表に示
す条件でレーザ光線を照射するとともに、照射部
に種々のフエライト形成元素を後述の粉末送給と
ワイヤ送給とによりそれぞれ送給速度を種々変更
して与えた。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a method for manufacturing a magnetic scale used for measuring displacement amounts, displacement speeds, etc., and more specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a magnetic scale used for measuring displacement amounts, displacement speeds, etc. The present invention relates to a method for providing a scale portion. [Prior Art] A magnetic scale is a system in which linear or strip-shaped magnetically altered parts with different magnetic properties are regularly arranged and formed on the surface of a base material such as a metal material, and a magnetic sensor is placed close to and facing the surface. By reading the scale with a magnetic sensor, the relative displacement between the base and the magnetic sensor is measured. The reading accuracy of the scale increases as the difference in magnetic properties between the altered and non-altered areas increases.
It is said that maximum accuracy can be obtained by making the altered part a void groove. However, when trying to form a magnetic scale on a sliding surface such as a piston rod or guide shaft, the above-mentioned air gap method cannot be applied because the surface must be smooth. . Therefore, as described in JP-A-57-16309, for example, by irradiating the portion of the surface of the metal substrate where the scale is to be formed with high-energy beams such as laser beams or electron beams and performing heat treatment, this portion can be heated. A method of adding a scale part by applying magnetic alteration has been considered. [Problems to be solved by the invention] However, with this method, it is difficult to obtain a sufficient difference in magnetic properties between the heat-treated part and the non-heat-treated part.
It is said that magnetic scales that can withstand practical use can only be obtained using special materials such as % and 75% Ni alloys. However, such special materials are not only expensive, but also inferior in general mechanical properties such as strength and wear resistance, and are severely restricted in terms of use. The present invention can also be applied to general-purpose materials such as stainless steel, to which it was previously impossible to impart sufficient magnetic properties.
The present invention provides a method for manufacturing a magnetic scale that can easily provide scale portions with greatly different magnetic properties. [Means to solve the problem] SUS304 is highly versatile as a base for magnetic scales.
Considering stainless steel, it has an austenitic structure and is a non-magnetic material, so if a magnetic structure such as a ferrite structure or martensitic structure can be formed in the scale part by local heat treatment, it can be used as a magnetic scale. It becomes possible to use it. In this case, the magnetic permeability of the scale increases as the magnetic structure of the scale increases, so the higher the content of the magnetic structure of the scale, the more pronounced the difference in magnetic properties from the base, which is advantageous as a magnetic scale. . but,
It is sufficient that the difference in magnetic properties can be detected by a detector (magnetic sensor), and there is no need for more differences than necessary. In other words, if the sensitivity of the detector is high, even small differences in magnetic properties can result in a magnetic scale. Therefore, the limit value of the magnetic structure ratio depends on the sensitivity and accuracy of the detector used, and cannot be determined unconditionally, but high-performance detectors naturally require higher costs, and they also tend to be larger and more difficult to handle. This will lead to deterioration, and the practicality will be significantly reduced. The present inventors comprehensively considered these points and set a scale part magnetic structure ratio of 10% as a tentative guideline when the substrate is non-magnetic. Based on this guideline, when looking at the SUS304 material mentioned above, this material contains about 5% of the δ-ferrite structure in the solidified structure, as will be described later. but,
When only a minute region is melted with a high-energy beam such as a laser beam, the cooling rate becomes extremely high, so the generation of δ-ferrite structure is suppressed, and the normal component will only have a ferrite structure of less than 1%, which will definitely prevent magnetic fields. It cannot be a scale. As is well known, SUS304 material has excellent strength and corrosion resistance, and is relatively inexpensive, so it is widely used as a general-purpose high-grade metal material. It is expected that the scale applications will greatly expand. The method of the present invention also applies to this SUS304 material.
% or more can be stably formed by local melting, and its feature is that it uses non-magnetic austenitic steel as a base and supplies high-energy rays to the area where the scale is to be formed while supplying ferrite-forming elements. The point is that the ferrite-forming element is melted into the scale portion by irradiation. When certain elements are added to austenitic steel, a δ-ferrite structure is generated, resulting in a mixed structure of both rather than a uniform austenite structure. Among various elements, C, N, Ni, Mn, Cu,
Co etc. stabilize the austenite structure, and Si, Ti, etc.
V, Al, Cr, W, Ta, Mo, and Nb facilitate the formation of a δ-ferrite structure. There have been many studies on the relationship between structure and composition, but Schaeffler's structure diagram shown in FIG. 1 is generally well known regarding solidified structure. In this figure, the horizontal axis shows Cr, which is a ferrite-forming element;
For Mo, Si, and Nb, the so-called Cr equivalent is calculated by converting each effect into the effect of Cr. Similarly, the vertical axis shows Ni, which is an austenite stable element,
The Ni equivalents of Mn and C are taken, and the relationship between these equivalents and the formed phase in the solidified structure is shown. In this organization chart, the Cr equivalent formula includes Cr, Mo,
Although only Si and Nb exist, it can be assumed that the same applies to other ferrite-forming elements. Therefore, the Cr equivalent should originally be expressed by the following formula. Cr equivalent = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb +a 1 Al + a 2 V + a 3 W + a 4 Ti... So now, as shown in the organization chart in Figure 1, ●
The marked SUS304 material is used as the base, and only the scale part is marked.
When SiAl or the like is added, the Cr equivalent increases in the welded portion and the Ni equivalent decreases relatively, resulting in an increase in the ferrite structure ratio. In other words, SUS304
(Cr equivalent = 19.5, Ni equivalent = 12), if only Cr is increased by 5%, the Cr equivalent becomes 23.5 and the Ni equivalent becomes 11.4, and the structure shifts to the position marked with a circle, with approximately 20% ferrite phase in the solidified structure. will be ensured. Although Schaeffler's organizational diagram cannot be directly applied to the rapidly solidified structure such as the scale part, which is the target of the present invention, the tendency shown therein also applies to the scale part, and in this drawing, approximately 20% When a ferrite structure is secured, a δ-ferrite structure of about 10% will be obtained at the scale portion by subtracting the reduction due to rapid cooling from this about 20%. On the other hand, when Fe is added to the scale part, the Cr equivalent,
Both Ni equivalents decrease relatively. In Figure 1, as the amount of Fe weld increases, the line connecting the origin (pure Fe) indicated by △ and the position marked ● shifts toward the origin, and the martensitic structure in the weld increases. do. Since the martensitic structure is a magnetic structure like the Fe structure, magnetization of the scale portion progresses in the same way as when the original ferrite-forming elements such as Si and Al are added. Based on this theory, the method of the present invention attempts to magnetize the scale portions of a substrate having an austenitic structure from the viewpoint of component composition. According to the method of the present invention, it is possible to increase the magnetic structure ratio of the scale part compared to other parts of the base body, and to provide a large difference in magnetic properties between the two parts. A desired magnetic structure ratio can be obtained by adjusting the amount of the ferrite-forming element added. The substrate only needs to have an austenitic structure, and since no other composition is required, the range of materials to which it can be applied is wide.
Since the scale structure is determined by adding ingredients to the scale, it is not easily affected by the size and shape of the base or the scale. To explain in detail, in the production of magnetic scales by local melting, which is the subject of the present invention, it is basic to apply a structural change to the scale part by rapid cooling using the heat capacity of the base. For this reason,
If the substrate is a thin-walled material, its heat capacity will be insufficient and the cooling rate will be reduced, so there may be a situation where the structural changes that would be obtained in the case of a thick-walled material cannot be obtained. In addition, when it is necessary to form minute graduations, even if sufficient tissue change is obtained, the area of the tissue change portion is small, so it may be difficult to detect the magnetic change. could be. However, in the method of the present invention, since the structure changes are actively caused not only from the cooling side but also from the component composition side, the lack of sensitivity difference due to insufficient cooling or small scale area can be compensated for by the structure change based on the composition change. This makes it possible to avoid unexpected situations such as those described above. FIG. 2 shows an example of the implementation status of the present invention. In this example, a cylindrical base 1 is rotated around its axis, and its surface is irradiated with a high-energy laser beam 2, and a ferrite-forming element is continuously added in powder form to the irradiated area from a nozzle 3. Thus, a scale portion 4 with high magnetic sensitivity is formed. In the method of the present invention, the substrate may have any composition as long as it has an austenitic structure as described above. In this case, it is desirable that the austenite structure ratio be as high as possible in order to increase the difference in magnetic properties between the scale and the base, and in the case of austenitic stainless steel, it is desirable to use it in a solution treated state, but it is preferable to use 100% does not have to be 30%
The above is within the scope of the present invention. In the method of the present invention, for example, even if the substrate contains 70% ferrite structure, more ferrite structure can be added to the scale by adding components, so the substrate can contain 100% ferrite structure.
It is not necessary to provide % austenite structure. Materials that are particularly advantageous for the base material in terms of economy, mechanical properties, etc. include SUS304,
SUS316, SUS329J1, NCF600, etc. The ferrite-forming elements include Fe, which has the effect of forming a martensitic structure which is a magnetic substance, in addition to the original elements of this type such as Cr, Mo, Si, Al, Ti, W, V, Nb, etc. this house,
Fe is economically preferable. These elements may be added singly or in combination of two or more. The addition may take any form such as addition by wire or addition by powder. The amount added depends on the type of added element, the substrate used,
It cannot be specified uniformly because it varies depending on conditions such as the target magnetic organization ratio. In other words, the amount added that satisfies these conditions is selected each time. Typical high-energy beams are laser beams and electron beams, but any type can be used as long as it can melt the surface of the substrate. The irradiation conditions for the high-energy rays are appropriately determined depending on the irradiation means employed so that a scale portion having the target size and shape can be obtained. [Example] The material is solution heat treated SUS304 and the diameter is 40 mm.
A round rod-shaped base is irradiated with a laser beam under the conditions shown in Fig. 3 and Table 1, and various ferrite-forming elements are fed to the irradiated part by powder feeding and wire feeding, respectively, at different feeding speeds. was given with various changes.
〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕
以上の説明から明らかなように、本発明の製造
方法によれば、従来局部溶融による一般方法では
磁気目盛化が困難とさていたオーステナイト系ス
テンレス鋼に対しても、磁気特性比の大きな目盛
部を安定的に、しかも簡単に付与することがで
き、これにより機械的性質に優れたコスト的にも
有利な汎用性に富んだ磁気目盛を製造することが
可能となる。
また、本発明の方法は目盛部に成分組成面から
別途組織変化を加えるものであるから、基体に対
する材料選択範囲が広く、したがつて上記ステン
レス鋼ばかりでなく、基体の材質・寸法・形状、
更には目盛部の大きさ等に起因して目盛部に十分
な磁気特性変化を与えることが困難とされていた
もの（例えば薄肉基体、極小目盛部）について
も、十分な磁気特性差を付与することができるも
のである。
As is clear from the above explanation, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to create graduations with a large magnetic property ratio even for austenitic stainless steel, for which it has been difficult to make magnetic graduations using the conventional local melting method. It can be applied stably and easily, making it possible to manufacture a highly versatile magnetic scale that has excellent mechanical properties, is cost-effective, and is cost-effective. In addition, since the method of the present invention adds a separate structural change to the scale part from the viewpoint of composition, there is a wide range of materials to choose from for the base, and it is possible to select not only the above stainless steel but also the material, size, shape, etc. of the base.
Furthermore, it is possible to provide a sufficient difference in magnetic properties even for cases where it has been difficult to provide a sufficient change in magnetic properties to the scale part due to the size of the scale part (for example, a thin substrate or a very small scale part). It is something that can be done.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は本発明の理論的裏付けを示す
Schaeffler組織図、第２図は本発明の実施形態の
一例を示す斜視図、第３図は本発明の実施例にお
ける基体とレーザ光線の位置関係を示す正面図、
第４図および第５図は本発明の実施結果の一例を
示すグラフである。
図中、１：基体、２：レーザ光線、３：ノズ
ル、４：目盛部。
Figure 1 shows the theoretical support of the present invention.
Schaeffler organization chart, FIG. 2 is a perspective view showing an example of an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a front view showing the positional relationship between the base body and the laser beam in the embodiment of the present invention,
FIGS. 4 and 5 are graphs showing an example of the results of implementing the present invention. In the figure, 1: base, 2: laser beam, 3: nozzle, 4: scale.