專利名稱：：轉軸用合金、馬達用轉軸及馬達的制作方法
技術領域：
：本發明涉及轉軸構合金，如制造馬達轉軸所用的合金材料。尤其涉及適于電腦等硬盤驅動器的主軸馬達、風扇馬達、或各種家用電器產品及精密儀器中應用的馬達等的轉軸用材料，可切削性(切削的容易程度)優良的無磁性奧氏體不銹鋼。并且，本發明涉及由這種奧氏體不銹鋼制造的轉軸、以及由該轉軸制造的步進馬達等的馬達。
背景技術：
：直至目前，為避免由于馬達用轉軸材料受馬達》茲體影響而使轉軸具有磁性從而影響旋轉性能，選用具有奧氏體組織的無磁性不銹鋼作為轉軸材料。作為其代表的SUS303Cu，由于具有優良的耐腐蝕性及可切削性而適于作為轉軸用材料。但是，由于SUS303Cu中含有近年來價格上漲的Ni，隨著成本的提高產生了不經濟的缺點。此外，作為SUS303Cu的替代材料，已知有由日本特公昭54-20444號公報公示的奧氏體不銹鋼。而，作為奧氏體不銹鋼之外的其它具有無磁性的鋼鐵材料，雖然有例如日本特公昭56-8096號公報、日本特開平7-126809號公報等公開的高Mn鋼等材料，但是這種材料存在加工硬化性大、可切削性差的缺點。對于一般的鋼鐵材料，作為改善可切削性的元素已知Pb或S，從環境保護觀點出發Pb不優選。而，已知若將S添加至高Mn鋼，可形成MnS從而提高可切削性。但是，對于提供適于馬達用轉軸且不使用高價Ni的無磁性奧氏體不銹鋼尚未充分研究。因此，作為SUS303Cu替代材料，希望對鋼鐵材料中具有無磁性的奧氏體不銹鋼進行研究。發明概述本發明鑒于上述情況而做出，其目的在于提供適于作為馬達轉軸用合金的無;茲性奧氏體不銹鋼，所述不銹鋼不使用高價的Ni，且不使用可有效改善可切削性的Pb元素，通過在確保無》茲性的同時具備可切削性且具有適當的硬度，從而提高耐久性并且抑制成本提高。而且，本發明的目的在于提供由所述合金制造的馬達用轉軸，進而提供應用所述轉軸的步進馬達等的馬達。本發明人努力開發可達成上述目的的合金，在制造無磁性奧氏體不銹鋼時，通過相對于添加量在特定范圍的Cu,添加適量的Mn及適量的S，并進一步分別添加適量的C、Si、Cr、N，發現在確保具備無磁性的同時可提高材料的可切削性。本發明的無磁性奧氏體不銹鋼基于上述認識，其特征在于，以重量比計，含有Cu:1.5-3.5%且含有Mn:8.5-9.5%,還含有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%,剩余部分為Fe及不可避免地混入的雜質。如下，對本發明化學成分(元素)的含量的依據進行說明。下述％為重量比。本發明中的下述成分之外的剩余部分為Fe及不可避免地混入的雜質。■C(碳)0.18-0.22%C為強有效的奧氏體生成元素，是一種對于提高強度有效的元素，但需要注意的是，若其含量增加則易導致材料耐腐蝕性下降。且，必須考慮到所需要的加工性及可切削性。鑒于這些，以確保強度提高為下限，以確保耐腐蝕性和加工性或可切削性為上限。■Mn(錳)8.5-9.5%Mn為一種替代Ni生成無磁性奧氏體組織的元素，是一種用于保證低磁導率的最重要的元素。為了獲得穩定的奧氏體組織，本發明中，使Mn含量為較高的值。而且，為了使合金在磁導率為1.01以下時具有穩定的無磁性，依據表l及圖l，Mn的含量必須為8.50/。以上。且，依據表l、表3及表4，若Mn含量超過9.5。/。，可產生銹點而導致耐腐蝕性降低，且，與Mn含量為9.5%以下的材料相比，加工硬化增大。并且，雖然Mn與Ni相比更為廉價，但為了有助于降^f氐生產成本，希望將Mn含量控制在9.5。/。以下。■Cu(銅)1.5-3.5%添加Cu有助于降低材料磁導率，可取得明顯效果的最低Cu含量為1.5%。而且，Cu含量在3.5。/。以上時不能確認更高的效果，為防止熱軋過程中產生斷裂，將Cu含量的上限定為3.5%。■Si(硅)0.5-1.0%Si為脫氧劑，尤其是作為冶煉時的脫氧劑的必需元素，隨著Si的增多可導致耐腐蝕性及冷軋加工性降低。因此，將可發揮脫氧劑效果的0.5%定為Si含量下限，在確保耐腐蝕性及冷軋加工性上將1.0%定為Si含量上限。■Cr(鉻)16.5-17.5%Cr是用于形成鈍化膜(不動態皮膜)、提高耐腐蝕性的必需元素,并且是強有效的生成鐵素體的必須元素。若Cr含量不足16.5。/。，易導致耐腐蝕性不足，另一方面，若Cr含量超過17.5。/。，形成的奧氏體相不穩定。因此，將Cr含量定為16.5-17.5%。,N(氮):0.15-0.2%N是強有效的奧氏體生成元素，且有助于提高硬度。為了將N添加到合金中，在充滿N氣的熔煉爐中熔化合金，然而在正常大氣壓下的熔煉爐中，N的含量也可達到0.15-0.20%。若N含量不足0.15%,奧氏體穩定性不足，而，若N含量超過0.2。/。，則可能產生氣孑L(:/口一)。另外，在正常大氣壓下欲使N含量超過0.2。/。，必需應用特殊儀器裝置，因而導致生產成本提高。因此，本發明中N含量定為0.15-0.2%。■S(硫)0.13%-0.3%S元素與Mn等元素一同形成疏化物，由于這些硫化物分敉存在于鋼材中，因此可降低切削抵抗，但是若S元素含量超過0.3。/。，可降低機械的強度及熱軋加工性。并且若S元素含量不足0.13。/。，降低切削抵抗的效果小，因此將S元素含量定為0.13%-0.3%。以上各元素為本發明合金的必須成分，除此之外本發明的合金中還可能含有以下成分。■P(磷)0.045%以下若P元素含量高，則易因晶界偏析等導致耐腐蝕性、加工性、韌性降低，若含量超過0.045%,這些特性顯著降低。因此將P含量定為0.045%以下。上述為涉及本發明的馬達的無磁性奧氏體不銹鋼的成分，所述合金可由將各成分混合后熔融等的方法獲得，批量生產作為轉軸的原材料的線材及棒材時，可于熔煉爐中將熔融的鋼材經分塊、熱軋、冷軋、退火、酸洗等^oi藝制造，可在0-20%加工率的范圍內出貨。因此，要求即便加工率變化磁導率〃仍在1.01以下。本發明包括以所述合金制造的馬達用轉軸、及應用所述轉軸的步進馬達等的馬達。依據本發明，通過相對于添加量在特定范圍的Cu,添加適量的Mn及適量的S,并進一步分別添加適量的C、Si、Cr、N，能可靠地獲得不含有Ni元素的具備無磁性的奧氏體組織，而且通過含有適量的S可提高可切削性，更通過應用價格低廉的Mn替代Ni而具有降低無磁性奧氏體不銹鋼生產成本的效果。附圖的簡單說明圖1為舍夫勒(、乂工7，一)組織圖。實施例如下，結合實施例對本發明進行說明。根據圖l所示舍夫勒組織圖，研究探討為了形成奧氏體單相的C、Cr、Mn等各合金成分的添加量，將如表1所示的化學成分(％重量)的各供試材料于真空熔煉爐中熔解，得到20Kg的各供試材料No.l-5。而各供試材料No.1-5均含有如表1所示的化學成分之外的作為剩余部分的Fe及不可避免地混入的雜質。表l供試材料的化學成分(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表l中，No.2與No.3為本發明的實施例，No.l及No.4-No.6為本發明之外的比較實施例。No.l的供試材料為添加0.95。/o的Cu量、8.53%的Mn量的材料。No.2供試材料為添加1.93。/。的Cu量、8.8。/。的Mn量的材料。No.3供試材料為添加2.97。/。的Cu量、8.89。/。的Mn量的材料，增加了Cu的添加量。No.4供試材料為添加1.93。/。的Cu量、8.08。/。的Mn量的材料。No.5供試材料為添加1.95。/。的Cu量、10.1P/。的Mn量的材料，增加了Mn的添加量。No.6供試材料為添加1.95。/。的Cu量、11.140/o的Mn量的材^f,增加了Mn的添加量。此外，再次將本發明材料的開發點顯示于如下4點(a)即使只進行20%的加工，磁導率a仍在1.01以下。(b)添加N,以穩定奧氏體。(c)添加Cu及Mn,以避免^茲導率的上升。(d)添加S，以改善可切削性。依據本發明的實施例No.2及No.3、與比4交例No.1、No.4、No.5及No.6，對由加工率引起的磁導率變化及加工率與硬度的關系，分別進行測定。結果分別如表2、表3所示。而此處所涉及的加工率由下式求算((加工前原材料的橫斷面積-加工后原材料的橫斷面積)/(加工前原材料的橫斷面積))x100(。/。)。例如，將橫斷面積為100cn^的棒材拉拔加工，得到橫斷面積為80cn^的棒材時，意味著加工率為20%。而且，將原供試材料通過拉拔加工而縮徑，加工率變化為5%、10%、15%、20%。表2加工率(5%、10%、15%、20%)與磁導率的關系<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3加工率(0%、5%、10%、15%、2(T/o)與硬度(HV)的關系<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>將各供試材料No.l-No.6依據JISZ2371進行鹽水噴霧試驗。結果如表4所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>依據表1及表2,在Cu的添加量少于1.5。/。的供試材料No.1的情況下，隨著加工率的增加，》茲導率;/增加至1.01以上；在雖然Cu的添加量多于1.5%,然而Mn的添加量為8.5。/。以下的供試材料No.4的情況下，隨著加工率的增加，》茲導率A增加至1.01以上。一方面，Cu的添加量為1.5-3.5%，且Mn的添加量多于8.5。/。的供試材料No.2、No.3、N0.5及No.6中，加工率即便達到20%，也可與SUS303Cu—樣，滿足磁導率^/<1.01。但是，依據表4的鹽水噴霧試驗結果可知，若Mn的添加量為10.11%以上則產生銹點，耐腐蝕性變差。而依據表3可知，若Mn的添加量為10.11。/。以上，與Mn的添加量為8.5。/。-9.5。/。的供試材料相比，加工硬化顯著增大。如上所述，批量生產作為轉軸原材料的線材及棒材時，于熔煉爐中將熔融的鋼材經分塊、熱軋、冷軋、退火、酸洗等各工藝制造，可在0-20%加工率的范圍內出貨。因此，即便加工率變化，仍然可使磁導率p在1.01以下。其次，為了對本發明的實施例No.2及No.3、與比較例No.l、No.4、No.5及No.6的可切削性進行研究，在車削加工中應用涂層硬質合金刀片(超硬〕一亍,V夕、'千:yy)測定切削抵抗。此時測定的主切力如表5所示。所使用的工具分為高Mn鋼用與不銹鋼用兩種。表5中，供試材料No.5與No.6顯示出高主切力值，其原因為由于所述供試材料中M11的添加量為9.5%以上，加工硬化大。另一方面，雖然供試材料No.l-No.4顯示出比SUS303Cu高的主切力值，但是在此程度上對切削而言無大問題產生。另外，若添加S元素，其與錳元素一同生成的硫化物(MnS)分散至鋼鐵材料中，結果產生降低切削抵抗、改善可切削性的效果。而供試材料No.2與No.3對于所有刀片均具有良好的可切削性，易于選擇刀片。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>本發明涉及的無磁性奧氏體不銹鋼，依據表1及表2，從磁導率的觀點出發，為降低磁導率，將Cu含量添加至1.5。/。以上，而為防止在熱軋過程出現斷裂，使Cu含量為3.5。/。以下。而依據表3及表5，從可切削性的觀點出發，以Mn較少為佳，但Mn降至7。/。時無》茲性能消失，而且從表4的耐腐蝕性的觀點出發，使Mn含量為8.5-9.5%。雖然作為奧氏體穩定元素的N越多越好，考慮到大氣中N的溶解限度，使N含量為0.15。/o-0.2。/c)。參考Mn含量及N含量，為進入圖1的Scheffle組織圖的奧氏體區域，使C、Cr、Si的含量如下:C:0.18-0.22%、Cr:16.5-17.5%、Si:0.5-1.0%。為形成MnS，將S含量添加至0.13。/。以上,為防止在熱軋過程中發生斷裂，使S含量為0.3。/。以下。而且，由于有發生晶界偏析而脆化的可能，使P含量為0.045%以下。本發明的無磁性奧氏體不銹鋼適于作為一般的馬達轉軸，而在馬達中、尤其對于步進馬達，近年來小型化趨勢顯著，例如計劃提出直徑3mm或6mm的超小型馬達等。由于這種馬達中轉軸極小，加工的容易度尤其重要，因此需要材料具有良好的可切削性。而由于還必須確保小轉軸具有必要的強度，所以需要材料具有適宜的硬度。因此，本發明涉及的無磁性奧氏體不銹鋼具有無磁性，是可切削性及強度優良、與傳統材料相比可降低成本的材料，非常適用于大量生產的步進馬達的轉軸。此外，本發明的合金不限于制備步進馬達的轉軸，當然也可適用于作為其他各種精密電子儀器的旋轉軸加工用的無石茲性鋼材。權利要求1.無磁性奧氏體不銹鋼，其特征在于，以重量比計，含有Cu1.5-3.5％、Mn8.5-9.5％、C0.18-0.22％、Si0.5-1.0％、Cr16.5-17.5％、N0.15-0.2％、S0.13-0.3％，剩余部分為Fe及不可避免地混入的雜質。2.馬達用轉軸，其特征在于，由權利要求l的無磁性奧氏體不銹鋼形成。3.馬達，其特征在于，使用權利要求2的轉軸。4.權利要求3的馬達，其特征在于，所述馬達為步進馬達。全文摘要本發明涉及轉軸用合金、馬達用轉軸及馬達，所述合金為無磁性奧氏體鋼，以重量比計所述鋼含有C0.18-0.22％、Si0.5-1.0％、Mn8.5-9.5％、Cr16.5-17.5％、N0.15-0.2％、Cu1.5-3.5％、S0.13-0.3％，剩余部分為Fe及不可避免地混入的雜質。文檔編號C22C38/38GK101545075SQ20091000168公開日2009年9月30日申請日期2009年1月8日優先權日2008年3月26日發明者山田廣志申請人:美蓓亞株式會社