JP2011052270A

JP2011052270A - 非磁性オーステナイト系ステンレス鋼、モータ構成部品、モータ用シャフトおよびモータ

Info

Publication number: JP2011052270A
Application number: JP2009201868A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; 廣志山田
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】非磁性を確保しながら優れた耐酸化性を示す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：１．５〜２．０％、Ｍｎ：８．５〜９．５％、Ｓ：０．１３〜０．３％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：１．５〜３．５％、Ｎ：０．１５〜０．２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的に混入する不純物からなる合金とする。
【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、耐酸化性に優れた非磁性オーステナイト系ステンレス鋼に関する。また、本発明はこのような非磁性オーステナイト系ステンレス鋼、およびこのステンレス鋼からなるモータ構成部品、モータ用シャフト、このシャフトが用いられているモータに関する。

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。

特公昭５４−２０４４４号公報

ところで、非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼を製造するにあたって線径が細い場合には、従来、ストランドタイプの焼鈍炉で焼鈍を行うことができた。しかし、直径が１０ｍｍ以上の比較的太い材料を製造する場合には、適度な大きさのコイルに巻回してからバッチ式焼鈍炉で焼鈍を行わなければならなかった。ところがその焼鈍により、目視で明らかに判る程度の多量の酸化スケールが発生するため、その後の工程で材料表面に疵が発生し、このため歩留まりよく製品化することが難しかった。

上記酸化スケールは、バッチ式焼鈍炉での焼鈍が大気中で行われているため発生しやすいと考えられる。そこで焼鈍を真空中または不活性ガス中で行えば酸化スケールは発生しにくくなるが、そのためにはバッチ式焼鈍炉の改造が必要で高価な設備になり、多大の費用が掛かってしまうという難点がある。そこで、大気中で焼鈍しても酸化スケールの発生を抑制することができる耐酸化性に優れた非磁性オーステナイト系ステンレス鋼の開発が課題となっている。

よって本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、耐酸化性に優れた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構成部品、モータ用シャフトおよびこのシャフトが用いられている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、添加量がそれぞれ特定の範囲のＣ，Ｍｎ，Ｓ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎに対して適量のＳｉを添加することにより非磁性を確保しながら耐酸化性の向上が果たされ、材料製造時の酸化スケールの発生を抑制することができることを見出した。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、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：１．５〜２．０％、Ｍｎ：８．５〜９．５％、Ｓ：０．１３〜０．３％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：１．５〜３．５％、Ｎ：０．１５〜０．２％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。

また、本発明は、上記本発明の合金から製造されるモータ構成部品、モータ用シャフトおよびこのシャフトが用いられているモータを含む。

次に、本発明における上記化学成分（元素）の含有量等の根拠を説明する。なお、以下の％は重量比である。本発明は以下に挙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、焼き入れ後の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が劣化する。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、強度向上を確保するために０．１８％を下限とし、耐食性および加工性や被削性を確保するために０．２２％を上限とした。

・Ｓｉ（シリコン）：１．５〜２．０％
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、高温時に表面にＳｉＯ_２の被膜を生成し、酸化が進行するのを抑制する効果がある。しかし、含有量が多くなると熱間鍛造時に延性が低下し、割れが発生してしまう。これらを鑑み、耐酸化性を確保するために１．５％を下限とし、熱間加工性を確保するために２．０％を上限とした。

・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、Ｍｎの含有量を８．５％以上とすることが必要であるが、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、加工硬化も９．５％以下のものに比べて大きくなる。また、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。

・Ｓ（硫黄）：０．１３〜０．３％
ＳはＭｎとともにＭｎＳを形成し、これが鋼中に微細分散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。これらのことから、Ｓの含有量を０．１３〜０．３％とする。

・Ｃｒ（クロム）：１６．５〜１７．５％
Ｃｒは不動態被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、強力なフェライト形成元素でもある。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。

・Ｍｏ（モリブデン）：０．５〜１．５％
Ｍｏの添加量が０．５％未満であると点錆が発生しやすく、１．５％を超えると透磁率が１．０１を超えるため、Ｍｏの添加量は０．５〜１．５％とする。

・Ｃｕ（銅）：１．５〜３．５％
Ｃｕの添加は透磁率を下げる点で有効であり、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、熱間鍛造での割れを防止するため、上限を３．５％とした。

・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、硬さや耐食性の向上に寄与する。Ｎを合金に含有させるためには、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎの窒化物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、０．１５〜０．２％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、０．２％を超える量を合金に含有させるためには特別な加圧溶解炉が必要となり、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。

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がある。

・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。

本発明によれば、添加量がそれぞれ特定の範囲のＣ，Ｍｎ，Ｓ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎに対して適量のＳｉを添加することにより、Ｎｉを含まず、透磁率１．０１以下の安定した非磁性を示す耐酸化性に優れたオーステナイト組織を得ることができるといった効果を奏する。また、本発明による非磁性オーステナイト系ステンレス鋼で、例えば、ステッピングモータの構成部品であるシャフトやブッシュ等を形成すれば、これらの部品により磁気の漏洩がなくなるので、サイズが同じモータのトルク性能の向上あるいは出力が同一のモータの小型化が可能になる。さらに、マグネットにより磁化されたシャフトによる外部部品へ悪影響もなく、回転性能に優れたステッピングモータを得ることができる。

シェフラーの組織図である。実施例で測定した加熱経過時間に対する酸化増量を示す線図である実施例４で製造したステッピングモータの断面図である。

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，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｓ，Ｃｒ等の各合金成分の添加量を検討し、表１に示す各化学成分（重量％）の合金（本発明合金の実施例１〜３、本発明ではない合金の比較例１〜６）を真空溶解炉で溶解し、２０ｋｇの各合金を得た。なお、これら合金は、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、本発明の実施例１〜３は、Ａｌを添加せずにＳｉを１．５〜２．０％添加したものである。比較例１はＳｉを０．６５％添加し、Ａｌを０．８８％添加した。また、比較例２〜３はＳｉをそれぞれ０．６１％と０．６６％添加し、比較例１より多めのＡｌをそれぞれ１．１８％と２．３１％添加した。そして、比較例４〜６はＡｌを添加せずに、Ｓｉを比較例１〜３よりそれぞれ多めの２．０５％、２．８９％および３．３１％添加したものである。表１の各合金について、酸化増量について調べた結果を図２に、また、透磁率および割れについて調べた結果を表２に示す。なお、酸化増量は、直径３０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円柱状に成形した合金をるつぼ内に配置して所定温度で加熱し、一定時間保持した後の重量増加分を全表面積で割った値である。

以上、図２および表２から明らかなように、本発明の合金である実施例１〜３は、酸化増量が２ｍｇ／ｃｍ^２で耐酸化性に優れているほか、透磁率が１．０１以下で割れの発生は認められず、良好の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼であることが確認できた。なお、透磁率として１．０１以下が望ましい理由は、シャフトの素材である線材やバー材を量産するときは、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するので、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が１．０１以下で安定した非磁性となるたことが求められるためである。

一方、比較例１の合金は、Ｓｉが実施例１〜３と比べて０．６５％と少なく、Ａｌも実施例２〜３と比べて０．８８％と十分に添加されていないため、透磁率と割れに関しては良好であるが、酸化増量が大きく耐酸化性において著しく劣る。比較例２の合金は、Ａｌが１．１８％添加されているため、比較例１の合金に比べると約１／２の酸化増量であるが、透磁率が１．２２と１．０１を超えてしまう。比較例３の合金は、Ａｌが２％以上添加されているため、酸化増量は低い値を示しているが、透磁率が１．５８と１．０１を超えてしまう。比較例４〜６の合金は、Ｓｉが２．０５％、２．８９％、３．３１％とそれぞれ添加されているため、酸化増量が低く、透磁率も１．０１以下であるが、熱間加工時に割れが生じてしまう。

次に、実施例４として、本発明による非磁性材料を構成部品に用いたステッピングモータの断面図を図３に示す。同図において、１はシャフトであり、このシャフト１は本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。このシャフト１には２個の円板状のロータコア２，３およびその間に設けられたマグネット４とからなるロータ５が取付けられている。符号６、７は亜鉛メッキ鋼板等の鉄系の金属板をプレス成型した前後のケーシングであり、前部のケーシング６には孔部６ｄ、後部のケーシング７には孔部７ｄがそれぞれ設けられている。

符号８，９は軸受、１０は磁性板（珪素鋼板）からなる円筒状のステータコアであり、ステータコア１０にはステータコイル１１が巻回されている。このステータコア１０は、図示しない駆動回路に接続されている。符号１３は当該ステッピングモータのケーシングの一部を構成する前後の筒状のブッシュであり、本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。この前後のブッシュ１３の各内側端部の外周面には段部１３ａが形成され、この段部１３ａでステータコア１０の内周部を前後から保持する構成となっている。

上記ブッシュ１３の外側端部近傍の外周面には周溝１３ｂが形成されており、この周溝１３ｂに、孔部６ｄおよび孔部７ｄの内周縁がそれぞれ嵌合されている。上記シャフト１は、前後のブッシュ１３に軸受８，９を介して支持されている。当該ステッピングモータは、上記図示しない駆動回路からステータコイル１１に断続電流が供給されることにより、ロータ５が間欠回転するように作動する。

ところで、このような構造を有するステッピングモータの回転性能は、ステータコア１０の内径とロータ５の外径との間に形成される微少隙間の均一性に大きく依存すると同時に、ステータコア１０で発生する磁気が板金製のケーシング６，７に漏洩してモータ特性を著しく損なわせる要因になっていた。本実施例では前後のブッシュ１３を本発明の非磁性材料で構成してステータコア１０を保持するようにしたので、従来はケーシング６（７）とステータコア１０とに形成された磁気ループがブッシュ１３により切断され、ステータコア１０で発生する磁気がケーシング６，７に漏洩しなくなった。この結果、同一サイズのモータでの出力アップが可能になるほか、出力が同一のモータの小型化が可能になった。

さらに、本発明の非磁性オーステナイト系ステンレス鋼でシャフトを構成したので、シャフトを介したマグネット磁気の外部への漏洩や、マグネットにより磁化されたシャフトによる外部部品へ悪影響がなく、回転性能に優れたステッピングモータを得ることができる。

Claims

重量比で、Ｃ：０．１８〜０．２２％、Ｓｉ：１．５〜２．０％、Ｍｎ：８．５〜９．５％、Ｓ：０．１３〜０．３％、Ｃｒ：１６．５〜１７．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：１．５〜３．５％、Ｎ：０．１５〜０．２％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する非磁性オーステナイト系ステンレス鋼。
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構成部品。
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。
請求項３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。
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４に記載のモータ。