JP4302114B2 - ハードディスク用クランプリングの製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、各種ＯＡ機器に記録媒体として内臓されるハードディスクを回転駆動系のハブに固定するクランプリングの製造方法に関する。

記録媒体としてＯＡ機器に組み込まれたハードディスクは、磁気ヘッドと一定の間隔を維持しながら記録再生する必要があるため、撓み，偏心等が生じないように磁気ディスク装置に取り付けられている。
二枚のハードディスクＤa，Ｄbを装備した磁気ディスク装置10(図１)では、たとえばクランプ11上から取付けネジ12，12...をスピンドルハブ13に螺合させてハードディスクＤa，Ｄbをスピンドルハブ13に固定している。ハードディスクＤa，Ｄbは、スピンドルハブ13の大径部13aで支持され、スペーサ14a，14bを介してスピンドルハブ13に実装される。

ハードディスクＤa，Ｄbの固定にネジ12，12...の締付けを利用する方式では、締付け力が集中するハードディスクＤa，Ｄbのネジ12，12...に近い部分が圧縮され、半径方向外向きに横歪等の応力が発生しやすい。ハードディスクＤa，Ｄbに歪，ウネリ等の変形が生じると、磁気ヘッドによるデータの書込み，読み出しに支障をきたす。極端な場合、ハードディスクＤa，Ｄbと磁気ヘッドとの間隔が変動することもある。

締付け力の局部集中は、クランプリングを嵌め込んでハードディスクＤa，Ｄbを固定することにより解消される。たとえば、ディスク嵌合周面に弾性的に嵌合して取り付けられる円形断面を有するクランプリング(特許文献１)，第一クランプリングと第二クランプリングとの間にリング状板バネを介在させ、第二クランプリングに加わる締付け力を第一クランプリングに伝える機構(特許文献２)等がある。
特開平5-54502号公報 特開2004-288309号公報

クランプリングは、SUS410等のマルテンサイト系ステンレス鋼板を素材とし、プレス加工で所定形状に打抜いた後、バレル研磨，焼入れ・焼戻し，Ｎｉめっきの工程を経て製造されている。SUS410ステンレス鋼板を素材に使用する限り、プレス加工後の部品にバリ，異物等の欠陥が避けられず、Ｎｉめっきは該欠陥をカバーリングする工程である。９５０℃以上の高温焼入れが必要なため、熱処理された部品の形状が崩れやすいことも欠点である。

そこで、本発明者等は、クランプリングの要求特性と各種ステンレス鋼の物性とのマッチングを種々調査・検討した結果、軟質フェライトと硬質マルテンサイトが微細結晶粒となって複相組織化したステンレス鋼をクランプリングの素材に使用すると、打抜き加工時にバリ，返り等が極めて少なくなり、欠陥をカバーリングするためのＮｉめっきも省略できることを見出した。
本発明は、かかる知見をベースとして、クランプリングという特定用途に適した物性を有するステンレス鋼を選択することにより、バリ，異物等の欠陥なく良好な形状精度及び形状凍結性を有し、しかも簡略化された工程で製造可能なクランプリングを提供することを目的とする。

本発明のハードディスク用クランプリングは、軟質フェライト，硬質マルテンサイトが微細結晶粒となって複相組織化したステンレス鋼板からプレス加工で作製されたクランプリングであり、スピンドルハブが嵌まり込む中央開口から周縁部に向かって反った形状をもち、周縁部の円周方向に押えリブが形成されていることを特徴とする。
素材に使用するステンレス鋼板は、Ｃ：０.１０質量％以下，Ｃｒ：１０.０〜１８.０質量％を必須成分としている。

Ｃ：０.１０質量％以下，Ｃｒ：１０.０〜１８.０質量％を含み、軟質フェライト，硬質マルテンサイトが微細結晶粒となって複相組織化したステンレス鋼板をクランプリング形状に打ち抜き、バネ限界値Ｋb_(0.1)が１４００Ｎ／ｍｍ²以上となるように３００〜４５０℃で時効処理することにより製造される。クランプリングとして好適なバネ限界値Ｋb_(0.1)：１５００Ｎ／ｍｍ²以上の特性を得るためには、時効処理温度を３５０〜４００℃の範囲に設定することが好ましい。

発明の効果及び実施の形態

軟質フェライト，硬質マルテンサイトが混在する複相組織を有するステンレス鋼は、フェライト＋オーステナイトの二相状態にある高温域から制御冷却することにより製造され、加工性，機械強度がバランスした材料として各種分野で使用されている(特許文献３)。このステンレス鋼は、サブミクロンサイズの軟質フェライト，硬質マルテンサイトが均質分散していることから異方性が小さく、複雑形状に加工してもスプリングバックが少なく優れた形状凍結性を示す。
特公平5-72449号公報

本発明者等は、複相組織ステンレス鋼の特性を活用した用途展開を種々調査・検討した結果、ハードディスク用クランプリングの素材に使用すると、従来のSUS410製クランプリングに比較して製造工程を大幅に簡略化でき、要求特性を十分に満足するクランプリングとなることを見出した。サブミクロンサイズの軟質フェライト，硬質マルテンサイトが混在している複相組織で優れた加工性が発現することは、軟質フェライトの擬似粘性変形が集積して目標形状に成形される一種の超塑性現象に由来すると推察される。加工応力が素材全体に均一分散されるため加工変形が局部的に進行せず、加工後のスプリングバック及びその異方性が小さいことも、当該推論を支持する事象である。

複相組織ステンレス鋼が示す物性、すなわち優れた加工性を維持しながら機械強度が高いことは、精密形状が要求されるクランプリングの素材として好適である。クランプリングは、複相組織ステンレス鋼からプレス加工で円盤状に打ち抜かれたリング本体20を有する(図２)。リング本体20の中央にスピンドルハブ13が挿通される開口21が設けられ、周縁部に円周状の押えリブ22が設けられている。中央の開口21から押えリブ22に向かう表面部23には、中央が高く周縁が低くなる反りが付けられている。反り高さＨはクランプリングをハードディスクＤa，Ｄbに押圧したとき必要な弾撥力が得られる値(具体的には、０.８〜１.２ｍｍ)に設定されている。

押えリブ22は、リング本体20の周縁近傍で且つ円周方向に沿って形成されるが、従来のSUS410製では押えリブ22の形状が不揃いになりやすく、ハードディスクＤa，Ｄbに加える押圧力が不規則変動する原因になる。押えリブ22に生じた形状変動は、スピンドルハブ13を介して回転力をハードディスクＤa，Ｄbに伝達する際に一定した加圧力がハードディスクＤa，Ｄbに与えられないことを意味し、回転中のハードディスクＤa，Ｄbが不測の振動を起こしたり、ハードディスクＤa，Ｄbへの情報記録や読出しに支障をきたす原因となる。
そのため、リング本体20には、押えリブ22の形成後にも極めて高い平坦度が要求される。

この点、加工性が良好で形状凍結性にも優れている複相組織ステンレス鋼をクランプリング素材に使用すると、高い形状精度，平坦度の押えリブ22が得られ、使用中の押えリブ22に形状変化をきたすことがない。そのため、ハードディスクＤa，Ｄbの回転が安定化し、正確な情報の記録や読出しが可能となり、ビビリ振動等のトラブルも解消される。バリ，返り等の欠陥も無視できる程度に抑制されるため、加工後のクランプリング素材をＮｉめっきでコーティングする必要がない。

複相組織ステンレス鋼は、比較的低い温度での時効処理によってクランプリングに必要なバネ特性が付与される点でも有利な素材である。低温での時効処理は、熱歪みに起因する形状の崩れを少なくし、熱処理後の形状矯正が大幅に軽減又は省略されることを意味する。因みに、SUS410製のクランプリングでは、焼入れ・焼戻しでＨＶ４００程度の硬さを付与しているが、９５０℃以上の高温で焼き入れるため熱歪みが大きく熱処理後に形状矯正が必要になる。

このように複相組織ステンレス鋼をクランプリングの素材に使用すると、プレス加工→バレル研磨→時効処理の簡単な工程で高性能のクランプリングを安価に高歩留で製造できる。この製造工程は、プレス加工→バレル研磨→焼入れ→焼戻し→Ｎｉめっきの工程を経る従来の製造方法に比較すると大幅に簡略化されている。バレル研磨は時効処理の前後何れでもよいが、硬質化していない未時効状態でのバレル研磨を採用可能なことも低温時効の利点である。

素材には、Ｃ：０.１０質量％以下，Ｃｒ：１０.０〜１８.０質量％を含むステンレス鋼が使用される。Ｃ量の増加に応じてマルテンサイト相が多くなり高強度が得られるものの延性が低下するので、Ｃ量の上限を０.１０質量％とした。ステンレス鋼としての耐食性を得る上で１０.０質量％以上のＣｒが必要であるが、過剰量のＣｒは高強度化に必要なマルテンサイト相を生成させるためのオーステナイト生成元素を増量させ鋼材コストの上昇を招くので上限を１８.０質量％とした。

Ｃ，Ｃｒ以外には種々のオーステナイト生成元素，フェライト生成元素があり、適度のマルテンサイト量を有する複相組織が得られるようにＭｎ，Ｎｉ，Ｃ，Ｎ等のオーステナイト生成元素とＣｒ，Ｓｉ，Ａｌ等のフェライト生成元素とをバランスさせている。具体的には、Ｍｎ：１.０質量％以下，Ｎｉ：１.０〜３.０質量％，Ｃ：０.０８質量％以下，Ｎ：０.０１５質量％以下から選ばれた一種又は二種以上のオーステナイト生成元素とＣｒ：１６.０〜１８.０質量％，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ａｌ：０.０２質量％以下から選ばれた一種又は二種以上のフェライト生成元素とを複合添加する際、硬質マルテンサイト：約６５〜８２体積％の複相組織が得られるようにオーステナイト生成元素とフェライト生成元素との間で成分バランスさせる。

この合金設計により、フェライト＋オーステナイトの高温域(Ａc₁点以上で１１００℃以下)から急冷した際に適量のマルテンサイト相が生成する。マルテンサイト相の生成には、５℃／秒以上の冷却速度が必要であるが、実用的な熱処理設備を考慮して冷却速度の上限を５００℃／秒とする。

熱処理後の組織は、サブミクロンサイズのフェライト相，マルテンサイト相が均質混合した複相組織(図３)になっている。この複相組織のため異方性が少なく加工性，強度を両立させたステンレス鋼となり、クランプリング形状(図２)に打ち抜いてもバリ，かえり等が少なく形状凍結性に優れたクランプリングとなる。しかも、３００〜４５０℃の低温時効処理で優れたバネ特性が付与されるため、簡略化された製造方法であるにも拘わらず高品質のクランプリングを高歩留で製造できる。優れたバネ特性は、Ｃ，Ｎが関与した歪み時効で弾性限が上昇することによるものと推察される。

Ｃ：０.０６５質量％，Ｓｉ：０.５０質量％，Ｍｎ：０.３０質量％，Ｐ：０.０２５質量％，Ｓ：０.００１質量％，Ｎｉ：２.０質量％，Ｃｒ：１６.３質量％，Ｎ：０.０１０質量％，残部：不純物を除きＦｅの組成をもつ板厚：０.４０ｍｍのステンレス鋼板をクランプリング素材に使用した例で本発明を具体的に説明する。

フェライト＋オーステナイトの高温域(１０５０℃)にステンレス鋼板を加熱して固溶処理した後、冷却速度：１００℃／秒で室温までステンレス鋼板を冷却することにより、軟質フェライトのマトリックスにサブミクロンサイズの硬質マルテンサイトが均一分散した複相組織(図２)に調質した。複相組織化したステンレス鋼板は、０.２％耐力：９８５Ｎ／ｍｍ²，引張強さ：１１９５Ｎ／ｍｍ²，伸び：９.７％，ビッカース硬さ：ＨＶ３７８の機械的特性をもち、バネ限界値Ｋb_(0.1)が５００Ｎ／ｍｍ²であった。バネ限界値Ｋb_(0.1)は、JIS H3130に準拠して短冊状試験片に撓み変形を繰返し付与し、試験前に比較して０.１ｍｍの永久変形が生じたときの表面曲げ最大応力から求められた値で示す。

複相組織ステンレス鋼板から切り出したブランクを、外径：２５.０ｍｍ，内径：４.０ｍｍで、押えリブ22の直径：２２.９ｍｍ，反り高さＨ：１.０ｍｍのクランプリング形状(図２)にプレス加工で打ち抜いた。切断面は剪断面が揃った断面(図４)になっており、返り高さが大幅に小さく、打ち抜き後にバリ取りの軽減又は省略が可能であった。また、９０度曲げ試験でスプリングバックを調査したところ、スプリングバック量の異方性が極めて小さく、SUS301 3/4Hを凌駕する形状凍結性を示した。

次いで、所定形状に打ち抜いたステンレス鋼板を低温時効した。時効処理には４００℃で１５分加熱する条件を採用し、時効処理前後で硬さ，バネ特性を比較した。表１の対比から明らかなように時効処理によってバネ限界値が大幅に向上しており、高弾性がクランプリングに付与されたことが判る。低温時効でバネ特性の改善が可能なため、熱処理後の形状矯正が不要になった。

比較のため、SUS410ステンレス鋼板をプレス加工して得られたクランプリングに同様なバネ特性を付与するためには焼入れ(１０５０℃×３分)→焼戻し(５００℃×３分)の熱処理が必要であったが、高温加熱のため大きな熱歪みが発生しており、熱処理後の形状矯正を余儀なくされた。

ネジを用いてハードディスクを固定する従来の磁気ディスク装置の要部を示す図 本発明実施例で作製したクランプリングの説明図 軟質フェライト，硬質マルテンサイトが混在した複相組織ステンレス鋼の組織写真 プレス加工で打ち抜かれた切断面の組織写真

符号の説明

10：磁気ディスク装置 11：クランプ 12：取付けネジ 13：スピンドルハブ 14a，14b：スペーサ
20：リング本体 21：中央開口 22：押えリブ 23：反った表面部 24：孔部

Claims (1)

1. Ｃ：０．１０質量％以下，Ｃｒ：１０．０〜１８．０質量％を含み、軟質フェライト，硬質マルテンサイトが微細結晶粒となって複相組織化したステンレス鋼板から打ち抜き加工で、スピンドルハブが嵌まり込む中央開口から周縁部に向かって反ったクランプリング形状をもち、周縁部の円周方向に押えリブが形成され、バネ限界値Ｋｂ _{（０．１）} が１４００Ｎ／ｍｍ２以上となるように３００〜４５０℃で時効処理することを特徴とするハードディスク用クランプリングの製造方法。