(57)【要約】【課題】長期間安定して優れた性能の得られるトルクセンサの軸材として適したマルテンサイト系ステンレス鋼の提供。【解決手段】重量比にして，Ｃ：０．３５〜０．４５％，Ｓｉ：１．８０〜２．５０％，Ｍｎ：０．６０％以下，Ｃｒ：１０．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．７０〜１．３０％を含有し，残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり，かつ焼入れ焼もどし処理後の硬さがＨｖ３００〜４００，残留オーステナイト量が５％以下であることを特徴とするトルクセンサ用マルテンサイト系ステンレス鋼。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比にして，Ｃ：０．３５〜０．４５％，Ｓｉ：１．８０〜２．５０％，Ｍｎ：０．６０％以下，Ｃｒ：１０．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．７０〜１．３０％を含有し，残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり，かつ焼入れ焼もどし処理後の硬さがＨｖ３００〜４００，残留オーステナイト量が５％以下であることを特徴とするトルクセンサ軸材用マルテンサイト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，高強度と優れた磁気特性を両立でき，かつ耐食性にも優れている，逆磁歪効果を利用してトルクを検出する磁歪式トルクセンサの軸材として適切なマルテンサイト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，工作機械等の産業機械や自動車等の回転駆動軸において，製品の動作を適切に制御するために，軸に負荷されるトルクを検出しなければならないことが多くなってきた。従来，このような軸状部品に負荷されるトルクを検出する方法としては，ポテンショメータ式，差動トランス式，磁気抵抗式，磁歪式等の方法があり，測定部分の使用状況に応じて適切な方法が選択されてきた。
【０００３】
このうち，ポテンショメータ式は接触式であるため，長期間の使用には信頼性の面で問題が指摘されていた。また，差動式と磁気トランス式はシャフトの外周に組み付ける検出部が大きくなるという問題があった。そのため，最近では，非接触で測定でき，励磁，検出コイルも比較的小さくてすむ磁歪式のトルクセンサが注目されるようになってきている。
【０００４】
しかしながら，磁歪式トルクセンサにも解決しなければならない問題がある。磁歪式トルクセンサとは，良く知られているように，材料に外力を加えた際に透磁率が変化するという性質（逆磁歪効果）を利用することによって，負荷されたトルクを検出するものである。従って，当然の如くセンサに使用される軸材には，測定するトルクが直接負荷されることになり，その際に塑性変形することのない強度が必要となる。特に自動車の場合小型軽量化のニーズは非常に大きく，トルクセンサの軸材も細く軽量化することが要求されており，そのためには強度に優れる材料が必要である。
【０００５】
また，トルクセンサは外力が負荷された際の軸材の透磁率の変化を電気回路により出力に変換してトルクを測定している。従って，使用する軸材は外力の負荷によって大きな透磁率の変化が得られる優れた磁気特性を有していることが必須となる。さらに，磁気特性は軸材表面に銹等が生成した場合も大きく変化する。従って，長期間安定して高精度を維持できるトルクセンサを製造するためには，ある程度優れた耐食性を有していることが不可欠となる。
このような材料面での要求に対し，現在まで次のような材料がトルクセンサ軸材として提案されている。
【０００６】
例えば，高強度と優れた磁気特性を両立した材料としては，機械構造用鋼（ＳＣＭ，ＳＮＣＭ）やマルエージング鋼を使用したり，高強度を維持しつつマルエージング鋼の保磁力を改善した特許文献１に記載の鋼が提案されている。
【０００７】
また，特許文献２，３には，ＳＣＭ，ＳＮＣＭ材を用い，その表面を処理条件を工夫して浸炭処理した材料をトルクセンサ軸材として利用することにより，センサのヒステリシス，経年変化を小さく抑えることができるという提案もされている。
【０００８】
さらに，耐食性の点を考慮して，特許文献４ではＣｒが５〜２０％，特許文献５，６ではＣｒを１０〜１８％含有する鋼を軸材として使用するトルクセンサについて記載されている。
【０００９】
また，軸は非磁性（磁性層による検出感度低下防止のため非磁性とする。）かつ高強度の材料を使用し，軸の表層部にトルクを検出するための磁性層を形成させた，複合構造からなる軸材を用いたトルクセンサが提案されている（特許文献７〜９参照）。そして，磁性層の形成方法としてスパッタ法，アモルファス薄帯の貼り付け，メッキ法等が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−１７９４０８号公報
【特許文献２】
特開平４−１５４２号公報
【特許文献３】
特開平４−２４６１２３号公報
【特許文献４】
特開２００２−２２８５２７号公報
【特許文献５】
特開２００１−２２８０３７号公報
【特許文献６】
特開２００２−１２２４９４号公報
【特許文献７】
特開平８−２４６１０４号公報
【特許文献８】
特開平８−２７７４４３号公報
【特許文献９】
特開平８−２９５９９８号公報
【特許文献１０】
特開平６−４９６０５号公報
【特許文献１１】
特開平６−４９６０６号公報
【特許文献１２】
特開平７−７０７１６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，前記した鋼には以下の問題がある。
従来強度，磁気特性共に優れた材料として知られているマルエージング鋼やトルクセンサ用として提案された特許文献１〜３に記載の鋼は，耐食性の点で劣る。従って，長期間の磁気特性の安定のため，軸材の表面腐食を防止しようとすると，表面が腐食されないようにするための対策が必要となるが，そのためのコストは無視できないものとなり，その処理費用も含めると，軸材が高価になってしまうという問題がある。
【００１２】
また，耐食性の点を考慮してＣｒを添加した鋼を軸材として使用することを特徴とする特許文献４〜６の発明のうち，特許文献４の発明は，ヒステリシスを小さくするための方策については詳細に検討されているが，軸材の磁気特性（保磁力，磁束密度，透磁率）について全く記載がなく，さらにＨＲＣ４５以上という高い硬さに調整した軸材を使用することを特徴とすることから，磁気特性（保磁力，磁束密度，透磁率）が大きく劣るものである。また，請求の範囲には極めて広い範囲の成分が使用できることが記載されているものの，実施例に記載の鋼は，そのほとんどがＳＵＳ４４０Ｃをベースにした鋼であり，極めて広く記載された成分の中で，どの範囲の成分にすれば，優れた磁気特性が得られるかという点について，全く明らかにされていない。
【００１３】
次に，特許文献５，６についても，非常に広い範囲の成分からなるマルテンサイト系ステンレス鋼が軸材として使用できることが記載されているが，いかなるレベルの磁気特性が得られるかについては，全く記載されておらず，従来から公知となっているマルテンサイト系ステンレス鋼の成分がただ羅列されているにすぎない。従って，この発明を参照しても，マルテンサイト系ステンレス鋼を使用してトルクセンサを製造できるということを理解することはできるものの，その中でも特に優れた磁気特性が得られる軸材を選択し，より優れたトルクセンサの製造を可能にするための手段については，何ら明確になっていない。
【００１４】
また，非磁性の軸材の表面に磁性層を形成させたものは，強度については優れているが，長期間の使用中に軸材と磁性層の接着状態を保証する必要がある。従って，自動車等のように繰返し継続して使用され，突然の故障が許されないものには，使用しにくいとともに，磁性層を形成させる必要があるため，マルエージング鋼等と同様にコスト高になるという問題がある。
【００１５】
従来，磁気特性と耐食性が共に優れる材料としては，例えば特許文献１０〜１２に示されるようなフェライト系の軟磁性ステンレス鋼が多数提案されており，電磁弁用材料としては広く利用され，良く知られている。しかし，この軟磁性ステンレス鋼は，最高の磁気特性と優れた耐食性を有するものの強度が大きく劣るという問題がある。従って，比較的低トルクしか負荷されない磁歪式トルクセンサへの利用は可能かもしれないが，高トルクまで測定可能なセンサを小型化することは到底困難であるという問題があった。
【００１６】
勿論，従来から強度が高いほど優れた磁気特性を得るのが難しくなることはよく知られており，高強度と最高の磁気特性を両立させることが困難なことは言うまでもない。しかしながら，従来のマルテンサイト系ステンレス鋼にて得られる磁気特性（保磁力，磁束密度，透磁率）を改善し，前記したフェライト系の軟磁性ステンレス鋼で得られる磁束密度ほどではないが，ある程度高い磁束密度［１５９０Ａ／ｍ（＝２０Ｏｅ）での磁束密度が１．１Ｔ（＝１１０００Ｇ）程度以上］が得られ，かつトルクセンサでの使用環境で腐食されることのない耐食性と高強度を確保できる材料開発が強く望まれていた。
【００１７】
本発明は，以上説明した課題を解決するために成されたもので，従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と略同等の高い硬度，強度を有すると共に優れた磁気特性を有し，かつ耐食性に優れたトルクセンサ軸材用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は，重量比にして，Ｃ：０．３５〜０．４５％，Ｓｉ：１．８０〜２．５０％，Ｍｎ：０．６０％以下，Ｃｒ：１０．０〜１２．０％，Ｍｏ：０．７０〜１．３０％を含有し，残部がＦｅおよび不可避な不純物からなり，かつ焼入れ焼もどし処理後の硬さがＨｖ３００〜４００，残留オーステナイト量が５％以下であることを特徴とするトルクセンサ軸材用マルテンサイト系ステンレス鋼である。
【００１９】
請求項１に記載の発明は，以下の考え方の結果により得られたものである。
（１）トルクセンサー軸材として必要なＨｖ３００以上が容易に確保できるようにするため，Ｃを適量添加するとともに，焼もどし温度の調整によって，硬さを調整する。一方，硬さを高くしすぎると，高強度が得られる反面，磁気特性が急激に低下するため，硬さは上限をＨｖ４００とする。
【００２０】
（２）Ｓｉは磁気特性，焼入れ後の硬さを共に改善するため，ＪＩＳＧ４３０３に規定されているマルテンサイト系ステンレス鋼に比べ多量に添加する。
【００２１】
（３）耐食性を付与するためにＣｒが必須であるのは勿論であるが，Ｃｒは磁気特性を低下させるため，上限を１２％以下に抑える。そして，Ｃｒを抑制したことによる影響を考慮して，Ｍｏを少量添加して耐食性改善を図る。
【００２２】
（４）焼入れ焼もどし後に存在する残留オーステナイトは，当然のごとく非磁性であるため，多量に存在すると同じ強さの磁場を負荷した場合に得られる磁束密度が低下する。従って，残留オーステナイト量の上限は５％とし，必要があればサブゼロ処理を実施して，磁気特性の改善を図る。
【００２３】
次に本発明の化学成分及び硬さ，残留オーステナイト量の限定理由について述べる。
Ｃ：０．３５〜０．４５％
Ｃは，固溶強化により焼入れ硬さを向上するための必須元素であり，焼入れ焼もどし後にＨｖ３００以上の硬さが容易に得られるようにするために，下限を０．３５％とした。しかし，その含有量が増加すると，磁気特性が劣化して従来鋼に比べ磁束密度を改善することが難しくなるため，その上限を０．４５％とした。
【００２４】
Ｓｉ：１．８０〜２．５０％
Ｓｉは，鋼の製造時に脱酸剤として有効なだけでなく，焼もどし軟化抵抗の向上に効果のある元素である。また，最大透磁率などの磁気特性と，焼入れ硬さの両方を改善する元素であるため，本発明にとって最も重要な元素である。従って，ＪＩＳＧ４３０３で規定されているマルテンサイト系ステンレス鋼に比べ多量に添加する必要があり，その下限を１．８０％とした。しかし，多量に添加しすぎると，フェライトが生成し，焼入れ性を損ない，かつ熱間加工性が劣化するので，その上限を２．５０％とした。
【００２５】
Ｍｎ：０．６０％以下
Ｍｎは，鋼の製造時に脱酸剤として必要な元素であるが，その含有量が多くなると，熱間加工性を損なうため，その上限を０．６０％とした。
【００２６】
Ｃｒ：１０．０〜１２．０％
Ｃｒは，優れた耐食性を確保するための必須元素であり，１０．０％以上の含有が必要である。しかしながら，Ｃｒは，耐食性向上に効果のある反面，含有率が増加すると，磁束密度など磁気特性を劣化させるとともに，Ｓｉと同様にフェライトが生成し，焼入れ性を損なうため，その上限を１２．００％とした。
【００２７】
Ｍｏ：０．７０〜１．３０％
Ｍｏは，Ｓｉと同様に焼もどし軟化抵抗の向上に効果のある元素であり，かつ耐食性を改善することができる元素でもある。そして，要求される耐食性に応じて前記したＣｒの添加に加え若干量添加する必要があるため，下限を０．７０％とした。但し，多量の添加は熱間加工性を低下させるとともに，Ｓｉと同様にフェライトが生成し，焼入れ性を損なう原因となるため，上限を１．３０％とした。
【００２８】
その他，請求の範囲には記載していないが，製造上不可避に含有する元素として，Ｓ，Ｎがある。Ｓは０．０３０％以下，Ｎは０．０２００％以下程度は不純物として含有するが，これらの２元素は，磁気特性を低下させる元素であるため，本発明では，不純物の範囲内にその含有を抑えることとした。
【００２９】
残留オーステナイト量：５％以下
本発明は，含有する化学成分により量は変化するが，焼入れ焼もどし後において，オーステナイトが残留する場合がある。残留オーステナイトは，当然のごとく非磁性であり，磁気特性（磁束密度，保磁力，透磁率）を大きく劣化させる。また，残留オーステナイトが多くなると，長期間使用している間に寸法変化や磁気特性が変化する可能性があり，安定した特性を維持できなくなる可能性が生じるため，その上限を５％に規制した。
なお，残留オーステナイトが５％を超える場合には，サブゼロ処理を行って，５％以下に低減することが必要である。
【００３０】
焼入れ焼もどし後の硬さがＨｖ３００〜４００
トルクセンサを小型化するには，軸材を高強度化し，軸材の径を細くすることが必須となる。そのためには，軸材の硬さをＨｖ３００以上とする必要があり，硬さの下限をＨｖ３００とした。硬さは焼もどし温度の調整によって所定の値を得ることができる。しかしながら，硬さを高くすればするほど，得られる磁気特性（磁束密度，保磁力，透磁率）は低下する。従って，トルクセンサとして必要な性能を確保するためには，硬さの上限をＨｖ４００とする必要がある。なお，このＨｖ３００という硬さは前記したフェライト系軟磁性ステンレス鋼がＨｖ１００台前半〜半ば程度が通常であるのに比較して著しく高強度であることを付言しておく。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に，本発明鋼の特徴を比較鋼および従来鋼と比較して実施例により説明する。表１は，後述する評価のために使用した供試材の化学成分を示すものである。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１において，Ａ〜Ｄは本発明鋼，Ｅ〜Ｇは一部の成分が本発明の範囲外である比較鋼であり，Ｈ，Ｉは従来のマルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４１０，ＳＵＳ４２０Ｊ１である。
【００３４】
表１の供試材は，それぞれの成分からなる圧延鋼材を準備し，熱処理後に残留オーステナイト量，硬さ，磁気特性，耐食性を後述の方法により評価し，トルクセンサ軸材として使用するのに適した磁気特性が得られるかどうかの確認を行った。
【００３５】
熱処理は，いずれも１０５０℃にて３０分保持後，油焼入れを行い，その後，−８０℃にて１時間のサブゼロ処理を実施した。このサブゼロ処理は，残留オーステナイト量を出来るだけ低減する目的で実施したものである。但し，一部の供試材は，残留オーステナイト量の違いによる磁気特性への影響を正確に把握するため，サブゼロ処理を施すことなく，後述の焼もどし処理を行った。焼もどし処理は，トルクセンサ軸材としての適した硬さであるＨｖ３００〜３５０を狙いの硬さとし，その硬さに調整するため，供試材によって焼もどし温度を変更して実施した。加熱保持後の冷却は全て空冷で行った。
【００３６】
次に評価方法について説明する。
焼入焼もどし後の残留オーステナイト量は，Ｘ線回折により，オーステナイトとマルテンサイトに起因する回折ピークの積分強度比から算出した。硬さは，ビッカース硬度計を用いて測定した。
【００３７】
磁気特性については，試験片として，外径２４ｍｍ，内径１６ｍｍ，高さ１６ｍｍのリング試験片を作製後，上述の熱処理を施し，直流磁気測定装置を用いて，±１５９２０Ａ／ｍ（＝２００Ｏｅ）の範囲で磁場の強さを変化させてＢ−Ｈ曲線を測定し，その曲線から保磁力，磁場１５９０Ａ／ｍ（＝２０Ｏｅ）における磁束密度を求めるという方法で測定した。
【００３８】
耐食性については，１％ＮａＣｌ水溶液を噴霧液として用い，雰囲気温度３５℃の条件で２４時間の塩水噴霧試験を行い，さび発生の面積率が１０％以下のものを○，１０％を超えるものを×として判定したものである。
以上説明した方法で評価した結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
表２から明らかなように，本発明鋼であるＡ〜Ｄは，従来のマルテンサイト系ステンレス鋼であるＨ（ＳＵＳ４１０），Ｉ（ＳＵＳ４２０Ｊ１）に比較して，優れた磁気特性を有しつつ必要な耐食性が得られていることがわかる。
【００４１】
それに対し，比較鋼であるＥ鋼はＣｒ含有率が低いため，磁気特性は優れているが，耐食性が劣るものであり，Ｆ鋼はＣ，Ｍｎ，Ｃｒ含有率が高くてＳｉ含有率が低く，Ｇ鋼は，Ｓｉ含有率が低いため，どちらも磁気特性が劣るものである。さらに，試料番号５は，成分は本発明の範囲内であるが，サブゼロ処理を省略したため，約１５％のオーステナイトが残留した供試材であるが，比較鋼Ｆ，Ｇ及び従来鋼と同様に磁気特性が劣るものである。
【００４２】
以上説明した試験片での結果より，本発明鋼が従来のマルテンサイト系ステンレス鋼と比較して同一硬さでも優れた磁気特性が得られることが確認できたので，次は実際に本発明鋼を用いてトルクセンサを製造し，その性能を評価した実施例について説明する。
【００４３】
実験は，前記した供試材を用い，軸長１２０ｍｍ，外径φ２５のセンサシャフト１０を製造し，図１に示すトルクセンサを組み立てて，その性能を評価した。
【００４４】
センサシャフト１０には，負荷したトルクによる逆磁歪効果がより効率的に得られるようにするため，長手方向に対して４５度方向に傾斜した溝１５０を円周方向に等間隔となるように形成した。また，このシェブロン状の溝１５０は，図１に示すように，左側と右側にそれぞれ形成しており，左側の溝は左斜め下に４５度傾斜させた溝を，右側の溝は右斜め下に４５度傾斜させた溝をそれぞれ３０本ずつ形成した。なお，溝の寸法は，長手方向の幅が５ｍｍ，対向する溝と溝との間隔は２ｍｍ，深さ０．８ｍｍである。
【００４５】
以上説明した形状のセンサシャフト１０に，前記のとおり熱処理を施し，さらに，溝部周辺にショット加工を施した。このように仕上げたセンサシャフト１０をベアリング４を介してハウジング５に回転可能に保持させるとともに，コイル群２をハウジング５内に配設させてトルクセンサ１を完成させた。
【００４６】
ここで，コイル群２は，図１に示す通り，ボビン２０に巻線された２組の励磁コイル２１，２２と２組の検出コイル２３，２４とから構成されている。この際に，巻線は励磁コイル２１，２２には３０ターン，検出コイル２３，２４には７５ターン巻かれている。
なお，符号６は回路基板，６３は内部リード線，６５は回路基板６と外部計測器を接続するリード線である。
【００４７】
このように構成されたトルクセンサの励磁コイル２１，２２に５０ｋＨｚの交流電圧を印加した状態でセンサシャフト１０にトルクが負荷されるとそのトルクの大きさに比例した大きさでセンサシャフト１０の透磁率が変化し，その影響で磁場に変化が生じる。
【００４８】
この時，前記した通りシェブロン状の溝が左右で向きを９０度変化させて形成されているので，検出コイル２３，２４に誘導される電圧が逆方向に変化する。この信号電圧の差を増幅して，トルクを測定する。
【００４９】
この際，センサシャフト１０の磁気特性が優れているほどトルクを負荷した際の透磁率の変化も大きい。その結果，より大きな出力電圧を得ることができる。そこで，本実施例では，実際に以上説明した構成よりなるトルクセンサを用いて，検出コイル２３，２４の出力電圧を求めた。また，５０Ｎｍのトルク負荷前後のトルクゼロでの電圧変動の大きさの割合からヒステリシスも同時に測定した。結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
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【００５１】
表３から明らかなように，本発明鋼を用いてセンサシャフトを作成し，組み立てたトルクセンサは，従来のマルテンサイト系ステンレス鋼を用いて組立てたトルクセンサと比較して高い出力電圧と，非常に低いヒステリシスを達成できることがわかる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば，Ｈｖ３００以上の硬さという高い強度が得られる割に高い磁束密度を得ることができ，かつ優れた耐食性を有し，表面処理等の対策を施さなくても表面の腐食を防止でき，長期間安定した磁気特性を確保できる，トルクセンサ軸材用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することができる。
【００５３】
また，そのため，トルクセンサ軸材として使用した場合に高い出力と低いヒステリシスを達成することができ，また強度も高いので，小型のトルクセンサを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明鋼を軸材として使用し，評価実験を行った，トルクセンサの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１．．．トルクセンサ，
１０．．．センサシャフト，
１５・・・シェブロンパターン，
２１，２２．．．励磁コイル，
２３，２４．．．検出コイル，
【図１】
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