(57)【要約】【課題】ナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材を効率良く製造することが可能な被打ち抜き材の製造方法を提供する。【解決手段】被打ち抜き材１０ａの製造方法は、アモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属シート１０を、アモルファス系軟磁性材料が結晶化を開始する結晶化温度よりも低い温度に加熱する予熱工程と、ロータリーダイカッター３により予熱状態の金属シート１０を結晶化温度以上に加熱しながら打ち抜くことによって被打ち抜き材１０ａを形成する加熱打ち抜き工程と、ロータリーダイカッター３の熱により被打ち抜き材１０ａを結晶化温度以上に加熱することによって被打ち抜き材１０ａをアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる熱処理工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属シートを、前記アモルファス系軟磁性材料が結晶化を開始する結晶化温度よりも低い温度に加熱する予熱工程と、
前記結晶化温度以上に加熱されたロータリーダイカッターにより予熱状態の前記金属シートを前記結晶化温度以上に加熱しながら打ち抜くことによって被打ち抜き材を形成する加熱打ち抜き工程と、
前記ロータリーダイカッターの熱により前記被打ち抜き材を前記結晶化温度以上に加熱することによって前記被打ち抜き材を前記アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる熱処理工程と、
を含むことを特徴とする被打ち抜き材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アモルファス系軟磁性材料からなる金属シートを打ち抜くことにより得られる被打ち抜き材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータの磁芯などにナノ結晶系軟磁性材料が用いられている。ナノ結晶系軟磁性材料は、アモルファス系軟磁性材料を結晶化温度に熱処理することにより得られる。ナノ結晶系軟磁性材料は脆いため、アモルファス系軟磁性材料からなる金属シートを熱処理した後に打ち抜き加工すると、金属シートに割れ・欠けが生じてしまう。
【０００３】
そこで、アモルファス系軟磁性材料からなる金属シートを打ち抜いて被打ち抜き材を形成した後、被打ち抜き材に熱処理を施すことによって被打ち抜き材をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる被打ち抜き材の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１７／００６８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アモルファス系軟磁性材料からなる金属シートから被打ち抜き材を形成した後、その被打ち抜き材に熱処理を施す場合、被打ち抜き材を１つずつ熱処理する必要があるため、生産性が悪いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材を効率良く製造することが可能な被打ち抜き材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような点を鑑みて、本発明に係る被打ち抜き材の製造方法は、アモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属シートを、アモルファス系軟磁性材料が結晶化を開始する結晶化温度よりも低い温度に加熱する予熱工程と、結晶化温度以上に加熱されたロータリーダイカッターにより予熱状態の金属シートを結晶化温度以上に加熱しながら打ち抜くことによって被打ち抜き材を形成する加熱打ち抜き工程と、ロータリーダイカッターの熱により被打ち抜き材を結晶化温度以上に加熱することによって被打ち抜き材をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる熱処理工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、結晶化温度以上に加熱されたロータリーダイカッターにより予熱状態の金属シートを結晶化温度以上に加熱しながら打ち抜くことによって被打ち抜き材を形成する。これにより、金属シートを打ち抜きながら、同時にアモルファス系軟磁性材料の結晶化を開始させることができる。そして、ロータリーダイカッターの熱により被打ち抜き材をアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる熱処理を行うことによって、被打ち抜き材の結晶化を確実に完了させることができる。
【０００９】
また、加熱打ち抜き工程と熱処理工程とを同一のロータリーダイカッターによって実行することができるので、上記従来の被打ち抜き材の製造方法とは異なり、ナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材を効率良く製造することができる。
【００１０】
また、金属シートを加熱する予熱工程を設けることによって、加熱打ち抜き工程において金属シートを容易に結晶化温度以上に加熱することができる。なお、ロータリーダイカッターを用いることによって、結晶化の進行に伴い金属シートが脆化する前に打ち抜きが完了するため、金属シートに割れ・欠けは生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る被打ち抜き材の製造に用いる被打ち抜き材製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る被打ち抜き材を製造する際の金属シートの温度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の実施形態に係る被打ち抜き材の製造方法について説明する。
【００１３】
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による被打ち抜き材１０ａの製造に用いる被打ち抜き材製造装置１について説明する。被打ち抜き材製造装置１は、被打ち抜き材１０ａの元となる帯状の金属シート１０を送り出す送出装置２を含む。送出装置２の軸部２ａには、金属シート１０が巻きつけられており、送出装置２は、ロータリーダイカッター３に向けて金属シート１０を送り出す。送出装置２とロータリーダイカッター３との間には、金属シート１０に所定の張力を付与するテンションロール４および５が配置されている。
【００１４】
ロータリーダイカッター３は、ダイロール３０と、ダイロール３０に対向配置された対向ロール３１と、によって構成されている。ダイロール３０および対向ロール３１は、金属シート１０の搬送方向と直交する幅方向（図１の紙面に対して垂直方向）に延びるように形成されているとともに、互いに平行に配置されている。ダイロール３０および対向ロール３１の各々は、駆動装置（図示せず）からの駆動力により回転し、金属シート１０を下流側（図１の右側）に搬送する。
【００１５】
ダイロール３０は、円柱状のロール本体３０ａと、ロール本体３０ａの外周面に設けられ、径方向外側に突出する刃部３０ｂと、を有する。刃部３０ｂは、ロール本体３０ａの径方向外側から見て所定形状（例えば円形状）に形成されている。ダイロール３０および対向ロール３１が回転することによって、ダイロール３０の刃部３０ｂにより金属シート１０が打ち抜かれ、所定形状（例えば円形状）の被打ち抜き材１０ａが形成される。
【００１６】
打ち抜かれた金属シート１０は、排出ロール対６を介してさらに下流側に搬送され、図示しない巻き取りロールに巻き取られる。被打ち抜き材１０ａは、排出ロール対６を通過した後、金属シート１０から離間し落下する。
【００１７】
ここで、本実施形態では、金属シート１０はアモルファス系軟磁性材料からなる。なお、後述するように、被打ち抜き材製造装置１を用いて形成された被打ち抜き材１０ａは、熱処理により結晶化され、ナノ結晶系軟磁性材料となる。被打ち抜き材１０ａは、例えば、磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）のロータコア又はステータコアに用いられる。
【００１８】
アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の磁性金属と、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷからなる群から選択される少なくとも１種の非磁性金属とから構成されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の代表的な材料として、例えば、ＦｅＣｏ系合金（例えばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（例えばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（例えばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（例えばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）及びＦｅＺｒ系合金（例えばＦｅＺｒＮなど）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
また、アモルファス系軟磁性材料又はナノ結晶系軟磁性材料の他の材料として、例えば、Ｃｏと、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ及びＹのうち少なくとも１種とを含有するＣｏ合金を用いることができる。Ｃｏ合金中Ｃｏは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。このようなＣｏ合金は、製膜した場合にアモルファスとなり易く、結晶磁気異方性、結晶欠陥及び粒界が少ないため、非常に優れた軟磁性を示す。好適なアモルファス系軟磁性材料としては、例えばＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＮｂ、及びＣｏＺｒＴａ系合金などを挙げることができる。
【００２１】
アモルファス系軟磁性材料は、主構造としてアモルファス構造を有する軟磁性材料である。アモルファス構造の場合には、Ｘ線回折パターンには明瞭なピークは見られず、ブロードなハローパターンのみが観測される。一方、アモルファス構造に熱処理を加えることでナノ結晶構造を形成することができるが、ナノ結晶構造を有するナノ結晶系軟磁性材料では、結晶面の格子間隔に対応する位置に回折ピークが観測される。その回折ピークの幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式を用いて結晶子径を算出することができる。
【００２２】
一般に、ナノ結晶とは、Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径が１μｍ未満のものをいう。本実施形態において、ナノ結晶の結晶子径（Ｘ線回折の回折ピークの半値幅からＳｃｈｅｒｒｅｒの式で算出される結晶子径）は、好ましくは１００ｎｍ以下であり、より好ましくは５０ｎｍ以下である。また、ナノ結晶の結晶子径は、好ましくは５ｎｍ以上である。ナノ結晶の結晶子径がこのような大きさであることで、軟磁気特性の向上が見られる。なお、従来の磁石埋め込み型モータ（ＩＰＭモータ）のロータコアに用いられる電磁鋼板の結晶子径は、μｍオーダーであり、一般的には、５０μｍ以上である。
【００２３】
アモルファス系軟磁性材料は、例えば、上に示した組成となるように配合された金属原料を高周波溶解炉などにより高温で溶融して均一な溶湯とし、これを急冷して得ることができる。急冷速度は、材料にもよるが、例えば約１０６℃／ｓｅｃであり、結晶化する前に、アモルファス構造を得ることができれば、その急冷速度は特に限定されない。例えば、金属シート１０は、回転する冷却ロールに金属原料の溶湯を吹きつけることでアモルファス系軟磁性材料からなる帯状の金属シートに形成され、送出装置２の軸部２ａに巻きつけられている。このように、溶湯を急冷することにより、結晶化する前に、アモルファス構造の軟磁性材料を得ることができる。金属シート１０の厚みは、例えば５〜５０μｍであることが好ましく、より好ましくは１５〜３５μｍである。
【００２４】
また、一般に、ナノ結晶系軟磁性材料は、アモルファス系軟磁性材料を加熱して結晶化（変質）させることにより得られる。すなわち、軟磁性材料のアモルファス構造が熱処理によりナノ結晶構造になる。なお、本実施形態の被打ち抜き材製造装置１を用いたナノ結晶系軟磁性材料の製造方法では、後述する加熱打ち抜き工程および熱処理工程における熱処理によって、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する。
【００２５】
アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料へ結晶化する際の熱処理の条件は、特に制限されるものではなく、金属原料の組成や発現させたい磁気特性などを考慮して適宜選択される。したがって、特に限定するものではないが、熱処理の温度は、例えば、用いる軟磁性材料の結晶化温度よりも高い温度である。これにより、アモルファス系軟磁性材料の熱処理により、アモルファス系軟磁性材料をナノ結晶系軟磁性材料とすることができる。熱処理は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
【００２６】
結晶化温度は、結晶化が生じる温度である。結晶化の際には発熱反応が起きるため、結晶化温度は、結晶化に伴って発熱する温度を測定することで決定することができる。例えば、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用い、所定の加熱速度（例えば０．６７Ｋｓ−１）の条件下で結晶化温度を測定することができる。アモルファス系軟磁性材料の結晶化温度Ｔ１は、材質によって異なるが、例えば、３００〜５００℃である。また、同様に、ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度も、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により測定することができる。ナノ結晶系軟磁性材料では、既に結晶が生じているが、結晶化温度以上に加熱することによりさらなる結晶化が生じる。ナノ結晶系軟磁性材料の結晶化温度は、材質によって異なるが、例えば、３００〜５００℃である。
【００２７】
アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料へ結晶化させる際の加熱温度は、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料への結晶化温度以上であれば特に制限されるものではないが、例えば、３５０℃以上であり、好ましくは４００℃以上である。加熱温度を４００℃以上とすることにより、効率的に結晶化を進めることができる。また、加熱温度は、例えば、６００℃以下であり、好ましくは５２０℃以下である。加熱温度を５２０℃以下とすることにより、過度の結晶化を防ぎ易くなり、副生成物（例えば、Ｆｅ２Ｂなど）の発生を抑制することができる。
【００２８】
熱処理工程における加熱時間は、特に制限されるものではないが、好ましくは１秒以上１０分以下であり、より好ましくは１秒以上５分以下である。
【００２９】
次に、被打ち抜き材製造装置１の特徴部分について説明する。
【００３０】
送出装置２には、金属シート１０をアモルファス系軟磁性材料が結晶化を開始する結晶化温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ０に加熱するヒーター２５が設けられている。ヒーター２５は、送出装置２の軸部２ａを介して金属シート１０を加熱するように構成されていてもよいし、金属シート１０を外表面から加熱するものであってもよい。
【００３１】
ロータリーダイカッター３のダイロール３０および対向ロール３１には、金属シート１０をアモルファス系軟磁性材料が結晶化を開始する結晶化温度Ｔ１以上の温度に加熱するヒーター３５および３６がそれぞれ設けられている。ヒーター３５は、ダイロール３０の内部に配置されており、少なくとも刃部３０ｂを加熱するように設けられている。ヒーター３６は、対向ロール３１の内部に配置されており、対向ロール３１の外周面を加熱するように設けられている。ヒーター３５および３６は、例えば５００℃に設定される。
【００３２】
次に、被打ち抜き材製造装置１を用いた被打ち抜き材１０ａの製造方法について説明する。
【００３３】
（予熱工程）
金属シート１０を、ヒーター２５によってアモルファス系軟磁性材料が結晶化を開始する結晶化温度よりも低い温度Ｔ０に加熱する（図２の時刻ｔ０参照）。
【００３４】
（加熱打ち抜き工程）
送出装置２からテンションロール４および５を介して搬送された予熱状態の金属シート１０を、ロータリーダイカッター３により打ち抜くことによって所定形状の被打ち抜き材１０ａを形成する。このとき、刃部３０ｂによって、金属シート１０を結晶化温度Ｔ１以上の温度に加熱しながら打ち抜く。具体的には、図２の時刻ｔ１において刃部３０ｂが金属シート１０に接触するとともに、金属シート１０の温度上昇が開始する。そして、時刻ｔ２において金属シート１０が結晶化温度Ｔ１に到達すると、アモルファス系軟磁性材料の結晶化が開始する。この結晶化に伴って発熱反応が生じるため、被打ち抜き材１０ａのうちの刃部３０ｂに直接接触しない部分にも反応熱が伝達され結晶化が進行する。
【００３５】
（熱処理工程）
刃部３０ｂを通過した被打ち抜き材１０ａおよび金属シート１０を、対向ロール３１の周面に沿って搬送する。このとき、被打ち抜き材１０ａは、結晶化に伴う反応熱と対向ロール３１からの熱とによって、さらに温度が上昇する（時刻ｔ２〜ｔ３）。このように、対向ロール３１により被打ち抜き材１０ａを結晶化温度以上の温度（温度Ｔ２以上、温度Ｔ３以下）に保持（熱処理）することにより、アモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料への結晶化を完了させることができる。
【００３６】
その後、金属シート１０および被打ち抜き材１０ａを、対向ロール３１の外周面から離間させて（図２の時刻ｔ３参照）徐々に冷却する。このようにして、ナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材１０ａを製造する。
【００３７】
なお、従来、アモルファス系軟磁性材料からなる被打ち抜き材を複数枚積層し、積層状態の被打ち抜き材を加熱してアモルファス系軟磁性材料をナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる方法も知られている。この方法では、被打ち抜き材が複数枚積層されているため、結晶化に伴う反応熱が籠り、被打ち抜き材のピーク温度が目標の温度を超えてしまう。このため、被打ち抜き材の結晶が肥大化してしまう。
【００３８】
一方、被打ち抜き材製造装置１では、金属シート１０の打ち抜きとナノ結晶系軟磁性材料への結晶化とを同時に行うため、結晶化に伴う反応熱が籠ることがなく被打ち抜き材１０ａの温度制御を容易に行うことができる。
【００３９】
本実施形態では、上記のように、結晶化温度Ｔ１以上に加熱されたロータリーダイカッター３により予熱状態の金属シート１０を結晶化温度Ｔ１以上に加熱しながら打ち抜くことによって被打ち抜き材１０ａを形成する。これにより、金属シート１０を打ち抜きながら、同時にアモルファス系軟磁性材料の結晶化を開始させることができる。そして、ロータリーダイカッター３の対向ロール３１により被打ち抜き材１０ａをアモルファス系軟磁性材料からナノ結晶系軟磁性材料に結晶化させる熱処理を行うことによって、被打ち抜き材１０ａの結晶化を確実に完了させることができる。
【００４０】
また、加熱打ち抜き工程と熱処理工程とを同一のロータリーダイカッター３によって実行することができるので、ナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材１０ａを効率良く製造することができる。
【００４１】
また、ロータリーダイカッター３の刃部３０ｂは、金属シート１０に多くの熱量を瞬時に与えることが不向きであるが、金属シート１０を加熱する予熱工程を設けることによって、加熱打ち抜き工程において金属シート１０を容易に結晶化温度Ｔ１以上に加熱することができる。なお、ロータリーダイカッター３を用いることによって、結晶化の進行に伴い金属シート１０が脆化する前に打ち抜きが完了するため、金属シート１０に割れ・欠けは生じない。
【００４２】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４３】
例えば、上記実施形態では、金属シート１０を予熱するために、送出装置２にヒーター２５を設ける例について説明したが、本発明はこれに限らない。送出装置２とロータリーダイカッター３との間に、金属シート１０を予熱するためのヒーターを設けてもよい。この場合、テンションロール４および５にヒーターを設けてもよいし、テンションロール４および５とは別にヒーターを設けてもよい。また、送出装置２にヒーター２５を設け、かつ、送出装置２とロータリーダイカッター３との間にもヒーターを設けてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１：被打ち抜き材製造装置、２：送出装置、２ａ：軸部、３：ロータリーダイカッター、４、５：テンションロール、６：排出ロール対、１０：金属シート、１０ａ：被打ち抜き材、２５：ヒーター、３０：ダイロール、３０ａ：ロール本体、３０ｂ：刃部、３１：対向ロール、３５、３６：ヒーター
【図１】
2020116589.tif 000003
【図２】
2020116589.tif 000004