CN109817441B - 使用非晶或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用非晶或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法。目的在于提供能够有效率地加工非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法。本发明的一个实施方式为磁性部件的制造方法，其为包含非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法，包括：准备将多个板状的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料层叠而成的层叠体的工序；将上述层叠体中的至少剪切部位加热到上述软磁材料的结晶化温度以上的工序；在上述热处理之后将上述层叠体在上述剪切部位剪切的工序。

Description

使用非晶或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法
技术领域
本发明涉及使用非晶或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法。
背景技术
目前为止，已知使用软磁材料来制作在马达、变压器、变换器、噪声滤波器和扼流圈等电气设备中使用的磁性部件。例如，使用软磁材料形成成型体，对该成型体实施适当的加工，从而能够制作磁性部件。
为了提高磁性部件的性能，进行了优异的软磁材料的开发，例如，开发了非晶软磁材料和纳米晶软磁材料。这些软磁材料是具有低损耗、高电阻、高磁通密度和良好励磁特性的优异的材料，作为马达的芯材料等磁性部件利用。就这些软磁材料而言，为了得到非晶结构或纳米晶结构，需要进行急冷，通常采用单辊法等熔融急冷法制造。另外，为了提高冷却速度，需要使材料变薄，得到的基材的形态例如为15～35μm的薄板状。但是，非晶软磁材料和纳米晶软磁材料维氏硬度高、非常硬，因此存在加工困难的问题。
专利文献1的目的在于提供冲切加工容易的层叠体的制造方法以改善非晶和纳米晶金属薄带的加工性，公开了层叠体的制造方法，是在厚度为8～35μm的软磁性金属薄带涂布热固性树脂以使厚度成为0.5μm以上且2.5μm以下从而制成复合薄带，将上述复合薄带层叠以使总厚度成为50μm以上且250μm以下从而制成层叠板，对上述层叠板进行冲切加工而得到层叠块体后，将上述层叠块体重叠从而制成层叠体的层叠体的制造方法，其特征在于，在300℃以下使上述热固性树脂加热固化，然后进行层叠板的冲切加工。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-213410号公报
发明内容
发明要解决的课题
如上所述，软磁材料用于磁性部件，例如，在马达的芯材料中以往使用电磁钢板作为软磁材料。为了使该电磁钢板成为所期望的形状，采用了用压模冲切的压制工法。此时，冲切电磁钢板的压模的材质使用与电磁钢板相比硬度非常高的超级钢(约1000HV)，能够有效率地对电磁钢板进行冲切。
但是，使用上述的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料作为软磁材料的情况下，由于它们非常硬，因此进行冲切加工时发生压模的磨损。例如，如图1的坐标图中所示那样，电磁钢板的硬度为约200HV，而非晶软磁材料的硬度为约600HV。非晶软磁材料具有电磁钢板的约3倍的硬度，因此对于冲切非晶软磁材料的压模的材质，需要在电磁钢板的压制加工中使用的压模的材质(超级钢)的3倍以上的硬度。但是，不存在超级钢的3倍以上硬的材料。因此，压模不得不使用超级钢，但由于非晶软磁材料的高硬度，压模的磨损问题表现显著，不能有效率地生产磁性部件。在纳米晶软磁材料中也产生同样的问题。
另外，如上所述，就非晶软磁材料和纳米晶软磁材料而言，为了提高冷却速度，例如形成为5～50μm左右(优选15～35μm左右)的薄板状。因此，为了获得与以往相同程度的生产效率，压制工序中需要将多层材料重叠来进行压制加工。在这种情况下也产生上述的磨损问题。
专利文献1从不发生软磁性合金薄带、层叠板、层叠块体之间的错位的观点出发，研究了加工性，并没有解决与压模等用于剪切的器具的磨损有关的问题。
因此，本公开的目的在于提供能够有效率地加工非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法。
用于解决课题的手段
以下示出本发明的实施方式。
(1)磁性部件的制造方法，是包含非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法，包括：准备将多个板状的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料层叠而成的层叠体的工序；将上述层叠体中的至少剪切部位加热到上述软磁材料的结晶化温度以上的工序；和在上述热处理之后将上述层叠体在上述剪切部位剪切的工序。
(2)(1)所述的磁性部件的制造方法，其中，在上述剪切部位的外侧将上述层叠体熔断，从而将上述剪切部位加热。
(3)(2)所述的磁性部件的制造方法，其中，采用激光切割、等离子体切割或气体切割将上述层叠体熔断。
(4)(1)所述的磁性部件的制造方法，其中，使与上述剪切部位或者上述剪切部位的外侧且上述剪切部位附近邻接的金属器具在加热的状态下压靠上述层叠体的表面，从而将上述剪切部位加热。
(5)(1)～(4)中任一项所述的磁性部件的制造方法，其中，通过使用压模的冲切加工对上述层叠体进行剪切。
发明效果
根据本公开，能够提供能够有效率地加工非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法。
附图说明
图1为示出电磁钢板(组成：Fe-3质量％Si)和非晶软磁材料(组成：Fe84B13Ni3)的硬度(HV)的例子的坐标图。
图2为示出非晶软磁材料(组成：Fe84B13Ni3)、热处理后的非晶软磁材料和电磁钢板(组成：Fe-3质量％Si)的硬度(HV)的例子的坐标图。
图3为用于说明实施例1中的工序的概略工序图。
图4为示出实施例1和比较例1的结果的坐标图。
图5为用于说明实施例2中的工序的概略工序图。
图6为示出实施例2和比较例2的结果的坐标图。
图7为对实施例2中得到的熔断后的层叠体的截面进行拍摄的电子显微镜照片。
附图标记说明
11 非晶板
11’ 热处理后的非晶板
12 加热过的模具(金属器具)
13 加热过的部分
14 压模
21 层叠体(6层的非晶板)
22 激光照射装置
23 熔断并切出的层叠体
24 压模
25 磁性部件
具体实施方式
本实施方式涉及包含非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法，包括：准备将多个板状的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料层叠而成的层叠体的工序；将上述层叠体中的至少剪切部位加热到上述软磁材料的结晶化温度以上的工序；和在上述热处理之后将上述层叠体在上述剪切部位剪切的工序。本实施方式中，通过将非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的剪切部位加热到软磁材料的结晶化温度以上(例如400℃以上)，能够降低其加热部分的硬度。这是因为，通过加热，软磁材料进一步结晶化，硬度下降。然后，在硬度下降的剪切部位采用压模等器具进行剪切。由此能够抑制用于剪切的器具的磨损，制造磁性部件。
以下对本实施方式详细地说明。
[准备工序]
在本实施方式中，首先，准备将多个板状的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料层叠而成的层叠体。
作为非晶软磁材料或纳米晶软磁材料，例如可列举出由选自Fe、Co和Ni中的至少一种磁性金属和选自B、C、P、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的至少一种非磁性金属构成的材料，但并不限定于这些。作为非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的代表性的材料，例如可以列举出FeCo系合金(例如FeCo、FeCoV等)、FeNi系合金(例如FeNi、FeNiMo、FeNiCr、FeNiSi等)、FeAl系合金或FeSi系合金(例如FeAl、FeAlSi、FeAlSiCr、FeAlSiTiRu、FeAlO等)、FeTa系合金(例如FeTa、FeTaC、FeTaN等)和FeZr系合金(例如FeZrN等)，但并不限定于这些。另外，作为非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的其他材料，例如能够使用含有Co、以及Zr、Hf、Nb、Ta、Ti和Y中的至少一种的Co合金。Co合金中优选含有80原子％以上的Co。这样的Co合金在制膜时容易成为非晶，晶体磁各向异性、晶体缺陷和晶界少，因此显示非常优异的软磁性。作为优选的非晶软磁材料，例如可以列举出CoZr、CoZrNb和CoZrTa系合金等。
非晶软磁材料是具有非晶结构作为主结构的软磁材料。在非晶结构的情况下，在X射线衍射图案中观察不到明确的峰，只观测到宽的晕圈图案(ハローパターン)。另一方面，通过对非晶结构施加热处理，能够形成纳米晶结构，如果是具有纳米晶结构的纳米晶软磁材料，则在与结晶面的晶格间隔对应的位置观测到衍射峰。由其衍射峰的宽度使用Scherrer公式能够算出微晶粒径。一般地，所谓纳米晶，是指由X射线衍射的衍射峰的半峰全宽用Scherrer公式所算出的微晶粒径不到1μm的晶体。在本实施方式中，纳米晶的微晶粒径(由X射线衍射的衍射峰的半峰全宽用Scherrer公式所算出的微晶粒径)优选为100nm以下，更优选为50nm以下。另外，纳米晶的微晶粒径优选为5nm以上。通过纳米晶的微晶粒径为这样的大小，发现软磁特性的提高。应予说明，现有的电磁钢板的微晶粒径为μm级，一般为50μm以上。
就非晶软磁材料而言，例如能够采用高频熔解炉等将以成为所希望的组成的方式配合的金属原料在高温下熔融而制成均匀的熔融金属，将其急冷而得到。或者，能够通过将金属原料的熔融金属喷至旋转的冷却辊来得到薄的板状(也称为薄带状)的非晶软磁材料。
另外，纳米晶软磁材料能够通过对上述的非晶软磁材料进一步施加适当的热处理而制作。对热处理的条件并无特别限制，考虑金属原料的组成或想要使其显现的磁特性等来适当地选择。因此，并无特别限定，热处理的温度例如为比使用的软磁材料的结晶化温度高的温度。另外，通过非晶软磁材料的热处理能够使非晶软磁材料成为纳米晶软磁材料。另外，也可使非晶软磁材料中析出纳米晶，提高规定的磁特性。热处理优选在非活性气体气氛下进行。
非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的表面优选用绝缘膜覆盖。作为绝缘膜，可列举出SiO2等的氧化膜。采用该绝缘膜，能够减少由涡电流引起的损耗。
后述的热处理工序前的非晶软磁材料的硬度例如为300HV以上，优选为500HV以上。另外，后述的热处理工序前的纳米晶软磁材料的硬度例如为300HV以上，优选为600HV以上。
板状的软磁材料例如为5～50μm、优选为15～35μm的薄板。多个板状的软磁材料层叠从而形成层叠体。对层叠体的厚度并无特别限制，例如为20～1000μm，优选为50～500μm。作为将板状的软磁材料层叠的张数，优选为20张以下。
在板状的软磁材料之间可配置耐热性树脂等粘接层，也可不配置。作为耐热性树脂，例如能够使用热固性树脂，作为热固性树脂，例如可列举出环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂或丙烯酸系树脂等。
[热处理工序]
接下来，将层叠体中的至少剪切部位加热到软磁材料的结晶化温度以上。所谓层叠体的剪切部位，是指在后工序中使用压模等进行剪切的部位。
如果将非晶软磁材料或纳米晶软磁材料加热到结晶化温度以上，则结晶化推进(進む)。如果结晶化推进，则硬度下降，因此使得在后工序中能够容易地剪切。例如，如果将非晶软磁材料(组成：Fe84B13Ni3)加热到结晶化温度以上而使其结晶化推进，则硬度降低，如图2中所示那样，加热过的部分的硬度成为与电磁钢板(组成Fe-3质量％Si)相同程度的硬度。非晶软磁材料的热处理工序前的硬度约为609HV，热处理工序后的硬度降低至约231HV。热处理工序通过将厚30μm的非晶软磁材料配置在加热炉内，在400℃下加热60秒来进行。应予说明，测定硬度的试验温度为23℃。由此可知，通过软磁材料的结晶化温度以上的加热，能够使硬度降低。
结晶化温度为发生结晶化的温度。由于结晶化时发生放热反应，因此结晶化温度能够通过测定与结晶化相伴地放热的温度来确定。例如，能够使用差示扫描量热测定(DSC)、在规定的加热速度(例如0.67Ks-1)的条件下测定结晶化温度。非晶软磁材料的结晶化温度因材质而异，例如为300～500℃。另外，同样地，纳米晶软磁材料的结晶化温度也能够采用差示扫描量热测定(DSC)来测定。在纳米晶软磁材料中，已发生了结晶，通过加热到结晶化温度以上，进一步发生结晶化。纳米晶软磁材料的结晶化温度因材质而异，例如为300～500℃。
热处理工序中的加热温度只要为结晶化温度以上，则并无特别限制，例如为350℃以上，优选为400℃以上。通过使加热温度成为400℃以上，能够有效率地进行结晶化。另外，加热温度例如为600℃以下，优选为520℃以下。通过使加热温度成为520℃以下，容易防止过度的结晶化，能够抑制副产物(例如Fe2B等)的产生。
对热处理工序中的加热时间并无特别限制，优选为1秒以上且10分钟以下，更优选为1秒以上且5分钟以下。
就热处理而言，从加工性的观点出发，优选进行至热处理后的软磁材料的硬度(室温，例如23℃)为300HV以下(优选250HV以下)。热处理后的软磁材料的硬度例如能够通过加热温度、加热时间来控制。
热处理只要将层叠体中至少剪切部位加热即可，可只将剪切部位加热，也可将层叠体整体加热。热处理优选只将剪切部位加热，但实际上，由于热传导，热处理以一定的宽度进行，发生结晶化。为了尽可能地保留初期状态的区域，可通过将相对于实际的剪切部位稍微靠外侧的区域加热，从而将实际的剪切部位加热。
作为将剪切部位加热的方法，并无特别限制，例如可列举出使以与剪切部位邻接的方式制作的金属器具(或者以与剪切部位的外侧且剪切部位附近邻接的方式制作的金属器具)在加热的状态下压靠(押し付ける)层叠体的表面的方法。与剪切部位邻接的金属器具例如能够模拟在后工序中使用的压模来制作。另外，作为将剪切部位加热的方法，例如也可列举出对剪切部位照射激光的方法。如上所述，由于热传导，热处理以一定的宽度进行，因此激光加热时，优选用激光将实际的剪切部位的稍微外侧(例如相对于实际的剪切部位约0.1～0.5mm的外侧、优选约0.1～0.3mm的外侧)加热。
另外，在用激光将剪切部位加热的情况下，可与采用激光的剪切部位的加热同时，将层叠体熔断。这种情况下，例如，如图7中所示那样，在采用激光的切割部位，软磁材料的各层可熔融并熔合。该熔合的部分能够在后面的剪切工序中去除。在熔断中，除了激光切割以外，例如也能够使用等离子体切割或气体切割等。通过利用激光切割等将层叠体熔断后，进一步在剪切部位进行冲切加工，能够获得优异的尺寸精度。即，在本实施方式的一个方案中，在热处理工序中，通过在剪切部位的外侧将上述层叠体熔断，将剪切部位加热。然后，能够通过使用压模的冲切加工对层叠体进行剪切。熔断的部位例如能够设为相对于实际的剪切部位约0.1～0.5mm的外侧(优选约0.1～0.3mm的外侧)。
[剪切工序]
接下来，在热处理工序后，在剪切部位对层叠体进行剪切。由此能够得到磁性部件。由于剪切在利用上述的热处理而进一步结晶化从而硬度降低的部位进行，因此即使是具有高硬度的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料，也能够抑制用于剪切的器具的磨损。
剪切优选采用使用压模的冲切加工。作为压模，例如能够使用超级钢。在冲切加工之前，可将润滑材料涂布于模具和/或层叠体(特别是剪切部位)。
采用以上的方法，即使在使用硬度高的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的情况下，也能够抑制剪切工序中使用的器具的磨损而制造磁性部件。
对得到的磁性部件根据需要实施进一步的加工，可用于所期望的电气设备。作为磁性部件，并无特别限制，例如可列举出旋转机或电抗器等的芯材料、变压器或点火塞等。
实施例
以下对于本发明的实施例进行说明。应予说明，本发明并不由以下的实施例的记载限定。
(实施例1)
在本实施例中，按照图3中所示的概略工序图，作为非晶软磁材料，准备非晶板(厚度：30μm、结晶化温度：400℃、硬度：609HV)，将其剪切部位加热，用压模冲切，对压模的磨损情况进行了评价。结晶化温度通过使用差示扫描量热测定(DSC)、在0.67Ks-1的加热速度的条件下测定放热峰而测定。
首先，准备上述非晶板11。另外，准备与该非晶板11的表面中将被后工序的压模剪切的部位邻接的模具12。然后，在将该模具12加热到400℃的状态下，在大气气氛下压靠非晶板11历时10秒(图3(A))。由此将剪切部位加热，得到了部分地结晶化的非晶板11’(图3(B))。在图3B中，将加热过的部分用附图标记13a和13b表示。
接下来，在非晶板11’的表面涂布润滑材料，安装于压机，用压模14进行冲切(图3(C))。作为压模14的材质，使用超级钢，以260mm/秒的速度冲切。由此将非晶板冲切为环形(外侧直径：30mm、内侧直径：25mm)(图3(D))。
将该冲切加工反复进行1000次，考察压模的磨损情况。
(比较例1)
除了没有对剪切部位实施热处理以外，与实施例1同样地操作，将非晶板11冲切为环形。将该冲切加工反复进行1000次，考察压模的磨损情况。
(结果)
在图4中示出实施例1和比较例1中的压模的磨损结果。确认了在实施例1中压模的磨损极少，而在比较例1中大幅地磨损。由该结果可知，通过实施热处理，能够降低非晶板的硬度，能够抑制压模的磨损。
(实施例2)
在本实施例中，按照图5中所示的概略工序图，使用非晶板(厚度：25μm、结晶化温度：490℃、硬度：535HV)作为非晶软磁材料，形成层叠体，将该层叠体的剪切部位用激光加热并切割(熔断)，然后用压模冲切。
首先，将6张上述非晶板重叠，形成了层叠体21(图5(A))。
接下来，使用激光照射装置22，对于相对于将在后工序中进行剪切的部位0.1mm的外侧的线，使用0.5kW以上的激光熔断为环形(图5(b))。将熔断并切出(切り抜く)的层叠体23的截面的电子显微镜照片示于图7。如图7中所示那样，在熔断的部分中，各层在端部附近熔合。另外，在端部约200μm的区域中发生了结晶化。另外，如用白色的圆表示的部分中所示那样，也发生了断裂，可理解该部分的硬度已大幅地降低。再有，在图7的电子显微镜照片中，层间的黑色部分为照片拍摄时所使用的树脂浸润的部分。
接下来，在熔断并切出的层叠体23的表面涂布润滑材料，安装于压机，采用压模24(超级钢)以260mm/秒的速度冲切为环形(外侧直径：30mm、内侧直径：25mm)(图5(c))。通过该冲切，熔合部分被去除，能够以优异的尺寸精度得到磁性部件25。
将该冲切加工反复1000次，考察了压模的磨损情况。
(比较例2)
对使6张非晶板重叠而成的层叠体涂布润滑剂，不进行热处理，采用压模24以260mm/秒的速度冲切。将该冲切加工反复1000次，考察压模的磨损情况。
(结果)
在图6中示出实施例2和比较例2中的压模的磨损结果。确认了在实施例2中压模的磨损极少，而在比较例2中大幅地磨损。由该结果可知，通过实施采用激光的热处理，能够降低非晶板的硬度，通过在硬度降低的部分冲切，能够抑制压模的磨损。
以上参照附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体的构成并不受该实施方式限定，不脱离本发明的主旨的范围内的设计改变等也包含在本发明中。

Claims (5)

1.磁性部件的制造方法，是包含非晶软磁材料或纳米晶软磁材料的磁性部件的制造方法，包括：
准备将多个板状的非晶软磁材料或纳米晶软磁材料层叠而成的层叠体的工序；
在剪切部位的外侧将所述层叠体熔断，从而将所述剪切部位加热到所述软磁材料的结晶化温度以上的工序；
在所述热处理之后在所述剪切部位将所述层叠体剪切的工序。
2.根据权利要求1所述的磁性部件的制造方法，其中，通过激光切割、等离子体切割或气体切割将所述层叠体熔断。
3.根据权利要求1或2所述的磁性部件的制造方法，其中，在所述剪切部位的0.1～0.5mm外侧将所述层叠体熔断。
4.根据权利要求1或2所述的磁性部件的制造方法，其中，通过使用压模的冲切加工对所述层叠体进行剪切。
5.根据权利要求3所述的磁性部件的制造方法，其中，通过使用压模的冲切加工对所述层叠体进行剪切。
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