(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でＣｒ：８〜１６％、Ａｌ：０．８〜２．５％、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．３％以下(無添加含む)、を含有し、他Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、５００ｐｐｓ〜２４００ｐｐｓの高周波数領域でのＢｍが１１０００G以上であり、かつＨＶが１５０以下であることを特徴とする高周波用モータヨーク用軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種モーターのヨーク部品等、高周波数領域での高い最大磁束密度Ｂｍを有しかつ軟質であることが要求される部品に用いられる軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７−１４３７２号、特開平８−４７２３５号では、モーターのヨークに軟磁性ステンレス鋼を用いることが紹介されている。また、特開平８−８８９６５号では、軟磁性ステンレス鋼をステッピングモーターに使用することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の軟磁性フェライト系ステンレス鋼をステッピングモーターのヨークに用いることにより、従来のＺＥＣ(亜鉛めっき鋼板)に比べて５００ｐｐｓから２４００ｐｐｓ(pulse per second)の周波数領域でのモータ特性(トルク、効率)の向上が確認されている。
しかし、近年、各種モータには高速化の要求が一層強くなり、５００ｐｐｓ以上の周波数領域での更なるトルクの増加、および駆動周波数範囲の拡大が要求されている。
【０００４】
モーターのトルクはヨーク素材の最大磁束密度Ｂｍに大きく影響を受ける。したがって、トルクの増加およびモータの駆動周波数範囲を拡大するためには、ヨーク素材の高周波数領域での最大時速密度Ｂｍの増加が必要となる。モーターの高性能化のためには、ヨーク素材の最大磁束密度Ｂｍを現状のＦｅ−Ｃｒ系軟磁性鋼のＢｍよりも１割以上増加させる必要がある。
【０００５】
一方、各種モーターのヨーク部品は、素材を打ち抜き後プレス加工することにより成形される。しかし、素材が硬質である場合、打ち抜き部の品質低下やプレス加工性劣化、および金型寿命等の短命化等の問題が発生する。
【０００６】
従来の軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ合金では、打ち抜き性やプレス加工性の点では必ずしも満足の行くものではなかった。
【０００７】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、高周波数領域での最大磁束密度Ｂｍが従来のＦｅ−Ｃｒ系軟磁性鋼よりも大きく、かつ優れた加工性を兼ね備えたモーターヨーク用軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
質量％でＣｒ：８〜１６％、Ａｌ：０．８〜２．５％、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．３％以下(無添加含む)、を含有し、他Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、高周波数領域でのＢｍが１１０００Ｇ以上であり、かつ
ＨＶが１５０以下であることを特徴とするモータヨーク用軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金とすることにより達成される。
【０００９】
【作用】
本発明者らは従来からの課題解決について検討した結果、軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金のＡｌ，Ｃｒ，Ｓｉ量を調整することにより、高周波領域での高い最大磁束密度Ｂｍと良好な加工性を得られる事を見出した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の要旨を説明する。
【００１１】
発明者は、まずＡｌ，Ｃｒ，Ｓｉ量と最大磁束密度Ｂｍとの関係を調査した。ここでＢｍは、ステッピングモータのヨークの板厚およびモータの使用条件として一般的な０．８ｍｍｔ、周波数１０００Ｈｚ、磁場１０エルステッドにおけるものとした。
【００１２】
図１に１１％Ｃｒ−０．２％ＳｉにおけるＡｌ量とＢｍの関係を示す。ＢｍはＡｌ量の増加に伴い増加する傾向を示す。しかし、Ａｌが２．４％を超えると、Ｂｍは若干減少する傾向にある。従来のＦｅ−Ｃｒ系軟磁性鋼のＢｍは１００００Ｇ程度であるが、前述の通り最近ヨーク素材に要求されているＢｍは１割大きい１１０００Ｇ以上である。これに対し、本発明鋼ではＡｌ：０．８〜２．５％の領域で目標値の１１０００Ｇを上回っていることがわかる。
【００１３】
図２に０．２％ＳｉにおけるＡｌ量と最大磁束密度Ｂｍの関係を示す。ＢｍはＣｒ量の増加に伴い増加し、Ｃｒ量が１１％で最大値となる。さらにＣｒ量が増加するとＢｍは減少する。いずれのＣｒ量においても、同一Ｃｒ量ではＡｌ量が多いほどＢｍは高くなる。０．２％Ｓｉ−１％Ａｌにおいては、Ｃｒ量が８％から１５％の範囲においてＢｍで１１０００Ｇ以上を得られる。
【００１４】
さらに図３に１１％Ｃｒ-１％ＡｌにおけるＳｉ量とＢｍの関係を示す。ＢｍはＳｉの増加に伴い増加する挙動を示す。
【００１５】
なお、周波数５００〜４０００Ｈｚの範囲における最大磁束密度ＢｍとＡｌ量、Ｃｒ量、Ｓｉ量との関係も周波数１０００Ｈｚの場合と同様の挙動を示すことを確認している。
【００１６】
このように、Ａｌ量、Ｃｒ量、Ｓｉ量の増加に伴い最大磁束密度Ｂｍが増加する傾向を示す理由として、素材の電気抵抗率ρの増加がある。素材の電気抵抗率ρが高いほど、素材が交流で磁化する際に発生する渦電流が減少する。渦電流は磁化と逆方向の磁場を発生させるため、渦電流が小さい程Ｂｍは大きくなるのである。図４に示すようにＣｒ量、Ａｌ量、Ｓｉ量の増加に伴い素材の電気抵抗率ρは増加する。したがって、本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金は高周波数領域で高いＢｍが得られる。
【００１７】
しかし、図４からわかるようにＣｒが１１質量％以上ではＣｒの電気抵抗率増加の効果は飽和し、電気抵抗率ρはほぼ一定となる。このため、Ｃｒを過剰に添加してもρ増加によるＢｍ増加の効果はなくなる上、Ｃｒ量が１１質量％以上では飽和磁束密度低下の影響によりＢｍはむしろ減少する。
【００１８】
Ａｌ、Ｓｉは電気抵抗率ρを増加する寄与が大きく、特にＦｅ−Ｃｒ合金添加する際に効果が大きい。しかし、飽和磁束密度は低下させる作用を有するため、過剰な添加はＣｒと同様に最大磁束密度Ｂｍの減少を招く。
【００１９】
次に、Ａｌ量、Ｃｒ量、Ｓｉ量とビッカース硬度ＨＶの関係を述べる。ここでは、本発明鋼がヨーク素材に加工される場合の打ち抜きおよびプレス加工性の指標としてビッカース硬度ＨＶを使用する。前述したように、素材が硬質である場合、打ち抜き部の品質低下や加工性劣化、金型寿命の短命化などの問題が発生するが、このような問題は、びっカース硬度が１５０以下の素材を用いることにより回避することができる。したがって、本発明においては素材のビッカース硬度が１５０以下であることを必須とした。
【００２０】
図５に１１％Ｃｒ−０．２％ＳｉにおけるＡｌ量とビッカース硬度ＨＶとの関係を示す。ビッカース硬度ＨＶはＡｌ量の増加に伴い直線的に増加する。１１％Ｃｒ−０．２％Ｓｉの成分系においては、Ａｌ量が２．５％以下でビッカース硬度を１５０ＨＶ以下に抑えることができる事がわかる。
【００２１】
さらに図７に１１％Ｃｒ−１Ａｌ％におけるＳｉとビッカース硬度ＨＶの関係を示す。ビッカース硬度ＨＶはＣｒの増加に伴い直線的に増加する。０．２％Ｓｉ―１％ＡｌにおいてＣｒ量１６％以下ではビッカース硬度は１５０ＨＶ以下抑えることができる。
【００２２】
以下に本発明鋼の成分限定理由を述べる。
【００２３】
Ｃ：Ｃは炭化物を形成し、磁気特性及び耐食性を劣化させる。したがって、Ｃ量は０．０５％以下に限定した。
【００２４】
Ｓｉ：電気抵抗率を増加させ、交流での磁気特性を向上させるのに有効に作用する元素である。しかし、ビッカース硬度を著しく増加させる元素であり、過剰な添加は打ち抜きあるいはプレス加工を困難にする。したがって、Ｓｉ量は０．６％以下に限定した。
【００２５】
Ｃｒ：Ｃｒは本発明において必要な耐食性を確保するために必須の元素である。また、Ｓｉと同様、電気抵抗率を増加させ交流での最大磁束密度Ｂｍを十分大きく保つためにあ、８．０％以上添加する必要がある。しかし、過剰に添加するとビッカース硬度を増加させるばかりでなく、最大磁束密度も低下するため、上限を１６％とした。
【００２６】
Ｍｎ：製鋼時にスクラップから不可避的に混入してくる元素であるが、磁気特性を劣化させるため、上限を１．０％とした。
【００２７】
Ｐ：磁気特性を劣化させる元素であることから、０．０４％以下とした。
【００２８】
Ｓ：不純物元素であるＳは磁気特性を著しく劣化させる元素であるため、低く抑える必要がある。したがって０．０１％以下に限定した。
【００２９】
Ｎ：Ｎは、Ｃと同様、磁気特性を劣化させるため、低く抑える必要がある。したがって、０．０５％以下に限定した。
【００３０】
Ａｌ：本発明に必須な元素であり、鋼の電気抵抗率を著しく増加させ交流での最大磁束密度Ｂｍを増加させる効果を有するため、０．８％以上とした。しかし、過剰に添加すると硬度を増加させるだけでなく、Ｂｍも減少させるため、上限を２．５％とした。
【００３１】
Ｔｉ：ＴｉはＣｒより安定に炭化物を形成するため、耐食性の改善に有効に寄与するとともに、磁気特性に有害なマルテンサイト相の生成を防止する。しかし、過剰に添加すると磁束密度が低下するため上限を０．３％とした。
【００３２】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明の効果を具体的に説明する。表１に供試鋼の化学成分値(質量％)を示す。これらのうちＡ１〜Ａ５鋼は本発明で規定する成分組成を有する鋼であり、Ｂ１〜３鋼は比較鋼である。いずれの供試材とも３０ｋｇ真空溶解、鍛造、熱間圧延、熱延板焼鈍、表面研削、冷間圧延、仕上げ圧延、および酸洗を施した後、厚さ０．８ｍｍｔの鋼板を得た。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
得られた各供試材より外形４５ｍｍ、内径３３ｍｍの磁気測定用リングを切り出し、真空雰囲気下で温度850℃、処理時間０ｍｉｎの焼鈍を施した。磁気焼鈍後の各試験片について周波数1000Hz、印可磁場10エルステッドの条件にて最大磁束密度Ｂｍを測定した。また、各試験片について、荷重1kgfにてビッカース硬度ＨＶを測定した。
【００３５】
さらに、前述の冷延焼鈍酸洗仕上げ後の０．８ｍｍｔの供試材であって、リング加工を施していないものを用いて、真空雰囲気下で温度８５０℃、処理時間０minの磁気焼鈍を施し、その後供試材をJIS Z2371に準拠した１２時間の塩水噴霧試験により耐食性を調査した。耐食性の評価は目視判定により行い、発銹のないものを○、発銹のあったものを×とした。
【００３６】
表２に試験結果を示す。本発明例であるＡ１〜Ａ５鋼は、いずれもビッカース硬度が１５０ＨＶ以下であり、打ち抜き加工性およびプレス加工性にも優れる。また、最大磁束密度Ｂｍも比較例に示される鋼より大きく１１０００Ｇ以上を有しており、かつ耐食性にも優れている。一方、比較例であるＢ１鋼はビッカース硬度は１１７ＨＶと軟質であるが、Ａｌ量が０．０２質量％と低いためＢｍが９８５０Ｇと、発明鋼に比べて低い。Ｂ２鋼は最大磁束密度Ｂｍは１１４００Ｇと高く、耐食性にも優れるが、ビッカース硬度が１６１ＨＶと高い。Ｂ３鋼はＣｒ量が２０．９４質量％と高いため最大磁束密度Ｂｍが９９５０Ｇと本発明鋼よりも低く、ビッカース硬度も１６４ＨＶと高い。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
次いで、本発明鋼であるＡ３鋼、および比較鋼であるＢ１鋼の冷延焼鈍酸洗仕上げ後の０．８ｍｍｔの供試材を、ステッピングモーターのヨークに加工した。ヨークを真空下で温度８５０℃、処理時間０ｍｉｎの焼鈍を施し、それぞれのヨークを用いてステッピングモータを組み立てた。図８に組み立てたステッピングモータの構造を示す。多極着磁された永久磁石からなるロータ部と同軸上で対向するように複数個の櫛歯状極部を有するステータヨークを配設する。ステータヨークは、平板のリング状のフランジ部の内周囲を所定方向に９０度折り曲げることにより櫛歯状極部を形成している。これと対となるステータヨークは、ともに櫛歯状極部の外周囲に励磁コイルを装着し、かつ励磁コイル、ステータヨークを筒状のフレームで囲むことによりステッピングモーターを構成する。
【００３９】
ステッピングモータを組み立てた後、周波数４００ｐｐｓ〜２４００ｐｐｓでのモーターのプルアウトトルクを調査した。駆動条件は、２相励磁ハイポーラ定電流チョッパ駆動である。図９に結果を示す。図からわかるように本発明品であるＡ３鋼をヨークに用いたステッピングモーターは、従来鋼であるＢ１鋼を用いたモーターに比べ、全ての周波数領域でトルクが高く、モーター特性が向上することがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば各種モーターのヨーク等に最適な最大磁束密度Ｂｍが大きく、かつ優れた加工性を兼ね備えた軟磁性Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  印加磁場１０エルステッド、周波数１０００Ｈｚ，板厚０．８ｍｍｔ、１１重量％Ｃｒ−０．２重量％Ｓｉにおける最大磁束密度ＢｍとＡｌ量との関係を示す図。
【図２】  印可磁場１０エルステッド、周波数１０００Ｈｚ，板厚０．８ｍｍｔ、０．２重量％Ｓｉにおける最大磁束密度ＢｍとＣｒ量，Ａｌ量の関係を示す図。
【図３】  印可磁場１０エルステッド、周波数１０００Ｈｚ，板厚０．８ｍｍｔ、１１重量％Ｃｒ−１重量％Ａｌにおける最大磁束密度ＢｍとＳｉ量の関係を示す図。
【図４】  電気抵抗率増分ΔρとＣｒ量、Ａｌ量、Ｓｉ量の関係を示す図。
【図５】  １１重量％Ｃｒ−０．２重量％Ｓｉにおけるビッカース硬度ＨＶとＡｌ量の関係を示す図。
【図６】  ０．２重量％Ｓｉにおけるビッカース硬度ＨＶとＣｒ量、Ａｌ量の関係を示す図。
【図７】  １１重量％Ｃｒ−１重量％Ａｌにおけるビッカース硬度ＨＶとＡｌ量の関係を示す図。
【図８】  ステッピングモーターの構造を示す図。
【図９】  本発明鋼をヨークに用いたステッピングモーターと従来鋼をヨークに用いてステッピングモーターのトルクの比較を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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