JP2009256765A - 非磁性オーステナイト系ステンレス鋼、モータ用シャフトおよびモータ - Google Patents

Abstract

【課題】非磁性を確保しながら、良好な耐食性および被削性を備えるとともに適度な硬さを備えることにより耐久性が高く、加えてコストの上昇が抑えられる非磁性オーステナイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】重量比で、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：８．５〜９．５％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｎ：０．１５〜０．２％、Ｃｕ：１．５〜３．５％、Ｓ：０．１３〜０．３％、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物を含む非磁性オーステナイト系鋼とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、モータの回転軸（シャフト）用材料として用いられる合金に関する。特に、パソコン等のハードディスクドライブのスピンドルモータや、ファンモータ、あるいは各種家電製品や精密機器に採用されるモータ等のシャフト用材料に好適で、被削性（切削のし易さ）に優れた非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼に関する。また、本発明はそのようなオーステナイト系ステンレス鋼でできたシャフト、そしてそのシャフトを用いたステッピングモータ等のモータに関する。

従来、モータ用シャフト材料には、モータ磁石の影響を受けシャフトが磁性を帯びることにより回転性能に影響が出ないようにするため、オーステナイト組織を有する非磁性ステンレス鋼が選ばれ使用されている。その代表例であるＳＵＳ３０３Ｃｕは、耐食性や被削性に優れるという特徴点もあってシャフト用材料として好適である。しかしながらＳＵＳ３０３Ｃｕは、近年、価格が高騰しているＮｉを含むため、コストアップにつながり経済的ではないといった不満が生じている。なお、ＳＵＳ３０３Ｃｕに替わる材料としては、特許文献１に開示されるオーステナイト系ステンレス鋼も知られている。また、オーステナイト系ステンレス鋼以外で非磁性を示す鉄鋼材料としては、特許文献２、特許文献３等に開示される高Ｍｎ鋼等があるが、この材料は加工硬化性が大きく被削性の点で劣るという問題がある。

特公昭５４−２０４４４号公報 特公昭５６−８０９６号公報 特開平７−１２６８０９号公報

一般的な鉄鋼材料においては、被削性改善の元素としてＰｂやＳが公知であるが、Ｐｂは環境上の観点から好ましくない。また、Ｓを高Ｍｎ鋼に添加した場合には、ＭｎＳが形成されて被削性が向上することが知られている。しかしながら、モータ用シャフトに好適で、かつ高価なＮｉを使用しない非磁性オーステナイト系ステンレス鋼の提供についての検討は未だ十分とはいえなかった。そこで、ＳＵＳ３０３Ｃｕに替わる材料として、鉄鋼材料のなかで非磁性を有するオーステナイト系ステンレス鋼についての検討が望まれた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、高価なＮｉを用いず、また、被削性改善に有効なＰｂ元素を用いることなく、非磁性を確保しながら、被削性を備えるとともに適度な硬さを備えることにより耐久性が高く、加えてコストの上昇が抑えられるモータのシャフト用合金として好適な非磁性オーステナイト系ステンレス鋼を提供することを目的としている。また、本発明はこのような合金でできたモータ用シャフト、そしてこのシャフトを用いたステッピングモータ等のモータを提供することを目的とする。

本発明者は上記目的を達成することができる合金の開発を鋭意進めたところ、非磁性オーステナイト系ステンレス鋼を製造するにあたり、添加量が特定の範囲のＣｕに対して適量のＭｎおよび適量のＳを添加し、さらに適量のＣ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎをそれぞれ添加することにより、非磁性を確保しながら被削性の向上も果たせることを見出した。本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼はこのような知見に基づくものであり、重量比で、Ｃｕ：１．５〜３．５％、かつ、Ｍｎ：８．５〜９．５％であって、さらに、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｎ：０．１５〜０．２％、Ｓ：０．１３〜０．３％を含み、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物を含むことを特徴としている。

以下、本発明の化学成分（元素）の含有量の根拠を説明する。なお、以下の％は重量比である。本発明は以下に上げた成分の他の残部が、Ｆｅおよび不可避的に混入する不純物とされる。
・Ｃ（炭素）：０．１８〜０．２２％
Ｃは強力なオーステナイト生成元素であり、強度向上に効果的な元素であるが、含有量が多くなると耐食性の低下を招くので注意が必要である。また、求められる加工性や被削性を考慮する必要がある。これらを鑑み、強度向上の確保が下限であり、耐食性の確保および加工性や被削性が上限となる。

・Ｍｎ（マンガン）：８．５〜９．５％
ＭｎはＮｉに代わって非磁性のオーステナイト組織を生成する元素であり、透磁率を低く保つための最も重要な元素である。安定化したオーステナイト組織を得るために、本発明では含有量を比較的高い値にする。また、合金が透磁率１．０１以下で安定した非磁性となるためには、表１および図１より、Ｍｎの含有量を８．５％以上とすることが必要である。また、表１、表３および表４で判るように、Ｍｎの含有量が９．５％を超えると、点錆の発生がみられ耐食性が悪くなり、また、加工硬化も９．５％以下のものに比べて大きくなる。さらに、ＭｎはＮｉよりも安価であるが、コスト低減に寄与するためには、含有量を９．５％以下に抑えることが望ましい。

・Ｃｕ（銅）：１．５〜３．５％
透磁率を下げるにはＣｕ添加が有効であり、効果を顕著に得られる最低量は１．５％である。また、３．５％以上ではそれ以上の効果が認められず、熱間圧延での割れを防止するため、上限は３．５％とした。

・Ｓｉ（シリコン）：０．５〜１．０％
Ｓｉは脱酸剤、特に精錬時の脱酸剤として必要な元素であるが、多くなるにつれ耐食性や冷間加工性の低下を招く。そこで、脱酸剤として効果が発揮される０．５％を下限とし、耐食性や冷間加工性を確保する上で１．０％を上限とした。

・Ｃｒ（クロム）：１６．５〜１７．５％
Ｃｒは不動態皮膜を形成して耐食性を向上させるために必要な元素であり、また、強力なフェライト生成元素でもある。Ｃｒが１６．５％未満では耐食性が不十分になりやすく、一方、１７．５％を超えるようであるとオーステナイト相が不安定となる。これらを鑑みてＣｒは１６．５〜１７．５％とする

・Ｎ（窒素）：０．１５〜０．２％
Ｎは強力なオーステナイト生成元素であり、また、硬さの向上にも寄与する。Ｎを合金に含有させるには、Ｎ雰囲気の溶解炉内で合金を溶解させることによってなされるが、通常の大気圧下での溶解炉では０．１５〜０．２０％程度まで含有させることが可能である。０．１５％未満では、オーステナイト安定化には不十分であり、また、０．２％を超えるとブローが発生する可能性がある。なお、通常の大気圧下においては、０．２％を超える量を含有させるには特別な装置が必要となるため、コストの上昇を招くことになる。したがって、本発明ではＮの含有量を０．１５〜０．２％とした。

・Ｓ（硫黄）：０．１３％〜０．３％
ＳはＭｎなどの元素とともにサルファイド（硫化物）を生成し、これが鋼中に分散して存在することにより切削抵抗を低減させるが、含有量が０．３％を超えると機械的強度の低下や熱間加工性を低下させる。また、Ｓが０．１３％未満だと、切削抵抗低減効果が小さいため、０．１３％〜０．３％とする。

以上が本発明の合金の必須成分であるが、これらの他に本発明の合金には以下の成分が含まれる場合もある。

・Ｐ（リン）：０．０４５％以下
Ｐは含有量が多いと粒界偏析などにより耐食性、加工性、靱性が低下し、含有量が０．０４５％を超えるとこれらの特性の低下が顕著となる。したがってＰの含有量は０．０４５％以下とする。

以上が本発明のモータの非磁性オーステナイト系ステンレス鋼に関する成分であり、この合金は、各成分を混合して溶解するなどの方法で得ることができ、シャフトの素材である線材やバー材が量産されるときは、溶解炉で溶解した鋼材を分塊、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍、酸洗等の諸工程を経て製造されるので、加工率０〜２０％程度の範囲で出荷される可能性がある。そのため、加工率が変わっても透磁率μが１．０１以下であることが求められている。本発明は、この合金から製造されるモータ用のシャフト、およびこのシャフトを用いたステッピングモータ等のモータを含む。

本発明によれば、添加量が特定の範囲のＣｕに対して、適量のＭｎおよび適量のＳを添加し、さらに適量のＣ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎをそれぞれ添加することにより、Ｎｉ元素を含有させることなく非磁性を示すオーステナイト組織を確実に得ることができ、また、適量のＳを含有させることにより被削性の向上が可能になり、さらに、Ｎｉの代わりに安価なＭｎを用いることにより非磁性オーステナイト系ステンレス鋼のコスト低減が図られるといった効果を奏する。

以下、本発明を実施例によって説明する。
図１に示すシェフラーの組織図に従い、オーステナイト単相になるように、Ｃ，Ｃｒ，Ｍｎ等の各合金成分の添加量を検討し、表１に示す化学成分（重量％）の各供試材を真空溶解炉で溶解し、２０ｋｇの各供試材Ｎｏ．１〜５を得た。なお、各供試材Ｎｏ．１〜５は、いずれも、表１に示す化学成分以外に残部としてＦｅおよび不可避的に混入する不純物を含む。

表１において、Ｎｏ．２とＮｏ．３が本発明の実施例であり、Ｎｏ．１およびＮｏ．４〜Ｎｏ．６が本発明以外の比較例である。Ｎｏ．１の供試材は、Ｃｕ量０．９５％で、Ｍｎ量８．５３％を添加したものである。Ｎｏ．２の供試材は、Ｃｕ量１．９３％で、Ｍｎ量８．８％を添加したものである。Ｎｏ．３の供試材は、Ｃｕ量２．９７％で、Ｍｎ量８．８９％を添加したもので、Ｃｕの添加量を増量したものである。Ｎｏ．４の供試材は、Ｃｕ量１．９３％で、Ｍｎ量８．０８％を添加したものである。Ｎｏ．５の供試材は、Ｃｕ量１．９５％で、Ｍｎ量１０．１１％を添加したもので、Ｍｎの添加量を増量したものである。Ｎｏ．６の供試材は、Ｃｕ量１．９５％で、Ｍｎ量１１．１４％を添加したもので、Ｍｎの添加量を増量したものである。

なお、改めて本発明材料の開発ポイントは次の４点にある。
（ａ）２０％の加工を行っても透磁率：μが１．０１以下である。
（ｂ）オーステナイトの安定化のためにＮを添加する。
（ｃ）透磁率の上昇を避けるためにＣｕおよびＭｎを添加する。
（ｄ）被削性改善のためにＳを添加する。

本発明の実施例Ｎｏ．２およびＮｏ．３と、比較例Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５およびＮｏ．６につき、加工率による透磁率の変化と、加工率と硬さの関係を、それぞれ測定した。これらの結果を、表２、表３にそれぞれ示す。なお、ここで言う加工率とは、（（加工前の素材の断面積−加工後の素材の断面積）／（加工前の素材の断面積））×１００（％）である。例えば、断面積１００ｃｍ^２のバー材を引き抜き加工し、断面積８０ｃｍ^２のバー材を得た場合に加工率が２０％であることを意味する。また、加工率は、元の供試材を引き抜き加工によって縮径させて、５％、１０％、１５％、２０％と変化させた。

また、各供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６につき、ＪＩＳ Ｚ２３７１による塩水噴霧試験を行った。その結果を、表４に示す。

表１および表２によれば、Ｃｕの添加量が１．５％より少ない供試材Ｎｏ．１の場合は、加工率とともに透磁率μは１．０１以上に増加しており、Ｃｕの添加量が１．５％より多くてもＭｎの添加量が８．５％以下の供試材Ｎｏ．４の場合は、加工率とともに透磁率μが１．０１以上に増加している。一方、Ｃｕの添加量が１．５〜３．５％で、かつ、Ｍｎの添加量が８．５％より多い供試材Ｎｏ．２，Ｎｏ．３，Ｎｏ．５およびＮｏ．６では、加工率２０％でもＳＵＳ３０３Ｃｕと同様に透磁率μ＜１．０１を満足させることができる。しかしながら、表４の塩水噴霧試験の結果によれば、Ｍｎの添加量が１０．１１％以上になると点錆が発生してしまい、耐食性が悪くなることが判る。また、表３によれば、Ｍｎの添加量が１０．１１％以上の場合には、Ｍｎの添加量が８．５％〜９．５％のものに比べて加工硬化が一段と大きくなってしまう。

上述したように、シャフトの素材である線材やバー材が量産されるときは、溶解炉で溶解した鋼材を分塊、熱間圧延、冷間圧延、焼鈍、酸洗等の諸工程を経て製造されるので、加工率０〜２０％程度の範囲で出荷される可能性がある。そのため、加工率が変わっても透磁率μが１．０１以下であることが求められている。

次に、本発明の実施例Ｎｏ．２およびＮｏ．３と、比較例Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５およびＮｏ．６の被削性について調べるために、旋盤加工において超硬コーティングチップを用いて切削抵抗を測定した。その際に測定した主分力を表５に示す。使用した工具は、高Ｍｎ鋼用とステンレス鋼用の２種類とした。表５において、高い主分力値を示しているのは供試材Ｎｏ．５とＮｏ．６であり、これはＭｎの添加量が９．５％以上で加工硬化が大きいためである。一方、供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は、ＳＵＳ３０３Ｃｕよりも高い値を示しているが、この程度であれば切削上大きな問題とはならない。なお、Ｓを添加すると、マンガン元素とともに生成されるサルファイド（ＭｎＳ）が鉄鋼材料中に分散される結果、切削抵抗が低減され、被削性が改善される効果がある。また、供試材Ｎｏ．２とＮｏ．３は、いずれのチップに対しても被削性が良いので、チップを選択しやすくなる。

本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼は、表１および表２から、Ｃｕ量は、透磁率の点からは、透磁率を下げるために１．５％以上添加し、また、熱間圧延での割れを防止するために、３．５％以下としている。そして、表３および表５から、被削性の点ではＭｎは少ない方が良いが、７％程度に下がると非磁性で無くなるため、また、表４の耐食性の点から、Ｍｎを８．５〜９．５％とした。また、オーステナイト安定化元素であるＮは多いほどよいが、大気溶解の限界を考慮して０．１５％〜０．２％とした。また、Ｃ，Ｃｒ，Ｓｉは、Ｍｎ量およびＮ量を考慮して、図１のシェフラーの組織図のオーステナイト領域に入るように、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｓｉ：０．５〜１．０％とした。また、Ｃｕは、透磁率を下げるために１．５％以上添加し、熱間圧延での割れを防止するため、３．５％以下とした。また、Ｓは、ＭｎＳを形成するために０．１３％以上添加し、熱間圧延での割れを防止するため、０．３％以下とした。また、Ｐは粒界偏析し脆化する恐れがあるので０．０４５％以下とした。

本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼は、一般的なモータのシャフトとして好適なものであるが、モータの中でも、特にステッピングモータについては、近年小型化が著しく、例えば直径３ｍｍや６ｍｍといった超小型のものも提案されている。この種のモータではシャフトも極めて小さくなるため加工の容易さは特に重要であり、このため良好な被削性が要求される。また、小さなシャフトで必要な強度を確保することも必要となるため、材料の適度な硬さが要求される。そこで、本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼は、非磁性であって、被削性および強度に優れ、従来よりもコストを抑えることができる材料であり、大量生産されるステッピングモータのシャフトに適用するのに非常に有効なものである。なお、本発明の合金はステッピングモータのシャフトに限定されることなく、他の各種精密電子機器の回転軸加工用の非磁性鋼として適用可能なことはいうまでもない。

シェフラーの組織図である。

Claims (4)

1. 重量比で、Ｃｕ：１．５〜３．５％、Ｍｎ：８．５〜９．５％、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｎ：０．１５〜０．２％、Ｓ：０．１３〜０．３％、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物を含むことを特徴とする非磁性オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 請求項１に記載の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼からなることを特徴とするモータ用シャフト。
3. 請求項２に記載のシャフトが用いられていることを特徴とするモータ。
4. 前記モータがステッピングモータであることを特徴とする請求項３に記載のモータ。

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