JP2015053823A - ヨークおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一母材に磁性部と非磁性部とを設けるにあたり、磁性部のヒステリシス損失が少なく鉄損特性に優れ、また、形状の制約を受けにくく、かつ高い形状精度が得られ、生産効率の高いヨークおよびその製造方法を提供する。【解決手段】窒素吸収熱処理によりオーステナイトとなり非磁性化される素材からなる磁性母材１０の一部表面にＡｌ被膜２０を形成し、次いで、母材１０全体を窒素雰囲気中で熱処理を行うことで、Ａｌ被膜２０を形成していない部分のみをオーステナイト化して非磁性部１とし、Ａｌ被膜２０を形成した部分を磁性部２として残す。【選択図】図１

Description

本発明は、単一の母材中に磁性部と非磁性部とを併せ持つヨークおよびその製造方法に関する。

モータをはじめとする磁気回路を利用した工業製品において、磁気回路を形成するために、強磁性体の一部に非磁性部を設けた構造がある。強磁性体の一部に非磁性部を設けた構造は、強磁性部品と非磁性部品を溶接等の手段で接合したものがあるが、このように異種材を接合させたものでは、振動により接合部に剥離が生じたり製造コストが高くなったりするという不利な面があった。このため、単一の材料に磁性部と非磁性部を設けた構造の複合磁性部材が提案されており、例えば特許文献１には、強磁性体材料からなる材料に対し部分的に加熱処理することで、オーステナイトを主体とする組織に変態させて非磁性部を設ける技術が開示されている。

特許第４３９９７５１号公報 特許第５０１９１８６号公報

上記特許文献１に記載の磁性材料では、磁性部に炭化物が析出しているため、一般的な軟磁性材料である電磁鋼板などに比べてヒステリシス損失が多く、交流鉄損が過大になるという問題がある。また、特許文献２に記載の磁性材料では、材料を部分的に加熱するには部品の全体形状や非磁性化させたい部分の位置あるいは形状等に工夫が必要である。このため、形状に制約があるとともに高い形状精度で製造することが難しいという問題がある。同文献１に記載のレーザー加熱は形状の制約を受けにくいという点で有効であるものの、生産効率が悪く、コストもかかるという不具合を招く。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、単一母材に磁性部と非磁性部とを設けるにあたり、磁性部のヒステリシス損失が少なく鉄損特性に優れ、また、形状の制約を受けにくく、かつ高い形状精度が得られ、生産効率の高いヨークおよびその製造方法を提供することにある。

本発明のヨークは、単一の母材中に磁性部と非磁性部とを併せ持つヨークであって、前記磁性部の表面上にＡｌＮ層が形成されていることを特徴とする。

本発明は、前記磁性部の母材内部にＡｌが拡散固溶していることを特徴とする。

次に、本発明のヨークの製造方法は、窒素吸収熱処理によりオーステナイトとなり非磁性化される素材からなる磁性母材の一部表面にＡｌ被膜を形成し、次いで、該母材全体を窒素雰囲気中で熱処理を行うことで、前記Ａｌ被膜を形成していない部分のみをオーステナイト化して非磁性化させること特徴とする。

本発明のヨークの製造方法では、窒素雰囲気中で前記熱処理を行う前に、大気中または不活性雰囲気中で熱処理を行うことで、前記Ａｌ被膜が形成された前記母材の表面にＡｌとＦｅの合金層を形成することを特徴とする。

本発明のヨークは、磁性母材の非磁性部とする部分以外の表面にＡｌ被膜を形成して窒素が吸収されない状態として母材全体を窒素雰囲気中で熱処理を行うことで、Ａｌ被膜を形成していない部分に窒素を吸収固溶させてオーステナイトを主体とした組織を有する非磁性部が形成され、磁性部の表面上には窒素吸収熱処理によってＡｌＮ層が形成され、かつ母材内部にはＡｌが拡散固溶している。非磁性部とする部分以外の表面にＡｌ被膜を形成し、母材全体を窒素雰囲気中で加熱処理するといった製造方法により、形状の制約を受けることなく、所望の箇所に磁性部および非磁性部を容易に形成することができる。よって高い形状精度が得られ、生産効率の向上が図られる。本発明のヨークは、磁性部は磁性母材と同等の磁束密度を維持しながら、磁性母材と同等か、より少ない優れた鉄損特性を有し、一方、非磁性部はオーステナイトに変態して非磁性となり、よって磁性部と非磁性部が適確に作り分けられ、十分な磁気特性を有する。本発明のヨークは磁性部と非磁性部が一体であるため、モータ回転子等の用途としての強度を満足する。

本発明によれば、単一母材に磁性部と非磁性部とを設けるにあたり、磁性部の鉄損が少ない高効率のモータ回転子が提供され、また、形状の制約を受けにくく、かつ高い形状精度が得られ、生産効率の高いヨークおよびその製造方法が提供されるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るヨーク製造方法を模式的に示す工程図である。 環状のヨークおよびロータを製造する一実施形態の工程図である。 環状のヨークおよびロータを製造する他の実施形態の工程図である。 実施例の試験１：磁性部の磁気特性と窒素吸収熱処理時間の関係を示す線図である。 実施例の試験３：Ａｌ皮膜の厚さと磁気特性の関係を示す線図である。

以下、図面を参照して本発明のヨークを製造する一実施形態を説明する。
図１は一実施形態の製造方法を模式的に示しており、符号１０は磁性を有する例えばＳＵＳ４４５等のＦｅ−Ｃｒ系鋼からなる薄板状の母材である。母材１０の厚さは、例えば１ｍｍ以下、好ましくは０．２〜０．５ｍｍ程度とされる。

一実施形態の製造方法は、はじめに図１（ａ）に示すように母材１０における非磁性部とする以外の部分、すなわち磁性相を残存させたい部分の表面に、防窒素皮膜としてＡｌ被膜２０を厚さ５〜３０ｍμｍ程度の範囲内で形成する。Ａｌ被膜２０の形成方法は特に限定はされず、ＰＶＤ（蒸着、スパッタリング）、メッキ、溶射、塗装、クラッド等が用いられる。Ａｌ被膜２０の厚さは、占有積率を考慮すると母材１０の厚さの１／１０以下が望ましいが、母材１０中への窒素の吸収を防ぐことができる膜厚であることが優先される。Ａｌ被膜２０の厚さは、窒素吸収を防止する点で５μｍは必要であるが、厚すぎると電磁材料として積層して利用する際に母材占積率が低下してモータ性能に影響を及ぼすため、３０μｍ程度を上限とする。Ａｌ被膜２０は、母材１０の片面あるいは両面に形成する場合がある。

次に、図１（ｂ）に示すように加熱炉１００にＡｌ被膜付きの母材１０を収容して、７００℃×３０分の合金化熱処理を施す。加熱炉１００内の雰囲気は、大気または不活性雰囲気とする。所定時間の合金化熱処理を終えたら母材１０を急冷する。図１（ｃ）に示すように、この合金化熱処理によって、Ａｌ被膜２０はＦｅと結合してＡｌ−Ｆｅ系合金層が形成される。

次に、図１（ｄ）に示すように加熱炉１１０に母材１０を収容して加熱炉１１０内を窒素雰囲気とし、変態温度の温度１２００℃で所定時間をかけて窒素吸収熱処理を施す。所定時間の窒素吸収熱処理を終えたら急冷する。

窒素吸収熱処理後のＡｌ被膜付きの母材１０は、図１（ｅ）に示すように、Ａｌ被膜２０を形成していない部分に窒素が吸収固溶して、オーステナイトを主体とした組織を有する非磁性部１が形成される。一方、Ａｌ被膜２０が形成された母材１０中にはＡｌ被膜２０によって窒素の侵入が抑制され、したがって窒素が吸収・拡散せずに元の磁性相が残存し、非磁性部１と異なる磁性部２が形成される。すなわち母材１０は、単一の母材中に磁性部２と非磁性部１とを併せ持ち、磁性部２の表面上にはＡｌ被膜２０に窒素が拡散したＡｌＮ層２０Ａが形成されたヨーク３０となる。また、ＡｌＮ層２０Ａが形成された母材１０の母材内部には、Ａｌ成分２０Ｂが拡散固溶している。

次に、図１（ｆ）に示すように複数のヨーク３０を、磁性部２と非磁性部１を一致させて積層し、積層状態を接着剤４０で保持してロータ等のモータ部材５０を製造する。この場合、ヨーク３０の互いの積層面は、Ａｌ被膜１０（ＡｌＮ層２０Ａ）が対向するようにしてＡｌ被膜２０どうしは接着せず、Ａｌ被膜２０の重ね合わせで空く非磁性部１・１間の間隙に接着剤４０が充填されるようにする。

本実施形態によれば、非磁性部１とする部分以外の表面にＡｌ被膜２０を形成し、母材１０全体を窒素雰囲気中で加熱処理することにより、形状の制約を受けることなく、所望の箇所に磁性部２および非磁性部１を容易に形成することができる。よって高い形状精度が得られ、生産効率の向上が図られる。得られるヨーク３０は、磁性部２は磁性母材１０と同等の磁束密度を維持しながら、磁性母材と同等かより少ない優れた鉄損特性を有し、一方、非磁性部１はオーステナイトに変態して非磁性となり、よって磁性部２と非磁性部１が適確に作り分けられ、十分な磁気特性を有する。ヨーク３０は磁性部２と非磁性部１が一体であるため、モータ回転子等の用途としての強度を満足する。

図２は、本発明に基づいて積層ヨークによるモータのロータを製造する具体的方法の実施形態を示している。この実施形態では、はじめに磁性母材である鋼の組成を調整して鋳造し、得られたインゴットを熱間・冷間圧延処理して板厚ｔが１ｍｍ以下（好ましくは０．２〜０．５ｍｍ程度）の薄板に加工する。そしてこの薄板をプレス加工するなどして、図２（ａ）に示す環状のロータ形状の薄板からなる母材１０を複数作製する。

次に、図２（ｂ）に示すように環状の母材１０に対し磁性相を残す部分の表面または表裏面にＡｌ被膜２０を形成する。この場合、磁性部と非磁性部をと周方向に交互に形成するものとし、Ａｌ被膜２０を等間隔をおいて形成する。続いて図２（ｃ）に示すように加熱炉１１０内の窒素雰囲気中でＡｌ被膜付きの母材１０を加熱して窒素吸収熱処理を行い、この後、加熱炉１１０から取り出して急冷し、図（ｄ）に示すように磁性部と非磁性部とが交互に形成されたヨーク３０を得る。そしてこのように得た複数のヨーク３０を、磁性部２と非磁性部１の位相を合わせて積層し、接着剤で接合することで、図２（ｅ）に示すロータ５１が製造される。

図３は、上記ロータ５１を製造する他の実施形態を示している。この実施形態では、はじめに、図３（ａ）に示すように複数のヨークが得られる長尺な薄板状の磁性母材１０の表面全面または表裏面全面にＡｌ被膜２０を形成する。次いで、図３（ｂ）に示すようにヨークを長手方向に形成するものとして、Ａｌ被膜２０を残す部分（磁性部とする部分）に等間隔をおいて環状、かつ間欠的にマスク２５を施す。続いてＡｌ被膜２０を除去するエッチング処理を施し、図３（ｃ）に示すように母材１０の磁性相を残す部分にマスク２５でＡｌ被膜２０が部分的に残存した状態を得る。

次いで図３（ｄ）〜（ｅ）に示すように、Ａｌ被膜付きの母材１０を、内部が窒素雰囲気とされているトンネル状の加熱炉１１０に通して加熱して窒素吸収熱処理を行う。加熱炉を通して窒素吸収熱処理を施したＡｌ被膜付きの母材を急冷してから、Ａｌ被膜２０を形成した環状部分をパンチ加工して打ち抜き、図３（ｅ）に示す環状のヨーク３０を得る。そしてこのように得た複数のヨーク３０を、磁性部２と非磁性部１の位相を合わせて積層し、接着剤で接合することで、図３（ｆ）に示すロータ５１が製造される。

次いで、本発明の実施例と本発明以外の比較例を示して、本発明の優位性を説明する。
［試験１］磁性部の磁気特性と窒素吸収熱処理時間の関係
ＳＵＳ４４５を厚さ０．３ｍｍに加工して適宜大きさに切り分けて薄板状の磁性母材を複数枚作製し、これら母材の表裏面にＰＶＤ（物理気相堆積）のスパッタリング法によって厚さ１０μｍのＡｌ被膜を全面に形成して複数枚の試料を得た。これら試料を大気中で７００℃×３０分加熱してＡｌとＦｅの合金化処理を行ってから、窒素吸収熱処理を、窒素雰囲気において加熱温度は１２００℃と一定とし、加熱時間を１０分、２０分、３０分、６０分、９０分と異ならせて行い、加熱後は急冷して、加熱時間の異なる試料を得た。また、何も処理していない元の磁性母材も試料として用意した。

これら試料につき、Ａｌ被膜を形成して磁性相を残存させた磁性部試料と、Ａｌ被膜が形成されていない非磁性部試料につき、磁化力が５０００（Ａ／ｍ）における磁束密度：Ｂ５０（Ｔ）を求めた。また、磁性部試料については１．０Ｔ、４００Ｈｚの励磁下での鉄損：Ｗ１０／４００（ｗ／ｋｇ）も求めた。その結果を図４に示す。

図４によると、Ａｌ皮膜が形成された試料は窒素吸収熱処理において窒素を吸収しないため、磁束密度は母材と同等の値を維持し、変化がみられない。また、Ａｌが母材に拡散することで鉄損が減少する場合がある。これらのことから磁性部試料の磁気特性は十分であることが判る。一方、Ａｌ皮膜を形成していない試料は、窒素が吸収されて拡散固溶するためオーステナイト変態し、窒素吸収熱処理の時間が長いほど磁束密度が低下して非磁性化し、６０分以上の加熱時間でほぼ非磁性化することが判った。

［試験２］Ａｌ皮膜とそれ以外の材料による皮膜の比較
上記試験１の磁性母材からなる薄板状の試料に対し、被覆する皮膜を、耐熱塗料（アクセラコート）、Ｃｕメッキ＋耐熱塗料（アクセラコート）、酸化皮膜（焼成酸化皮膜）、ガラスコート（ポリシラザンＳｉＯガラス）で形成した。そしてこれら試料に対し窒素吸収熱処理を窒素雰囲気において１２００℃×９０分で行い、加熱後は急冷して皮膜の異なる比較例の試料を得た。また、上記試験１での窒素吸収熱処理の時間が９０分のＡｌ被膜のものを実施例とする。これら比較例および実施例の試料について、被膜されている磁性部の磁束密度：Ｂ５０（Ｔ）と、鉄損：Ｗ１０／４００（ｗ／ｋｇ）を求めた。その結果を表１に示す。

表１によれば、本発明のＡｌ被膜の試料では、磁束密度および鉄損は被膜無しの母材の値とほぼ変わりがなく、Ａｌ被膜による窒素吸収防止が効果的になされていることが判った。耐熱塗料の場合には磁束密度はあまり低下せず磁性が保持されているが、ある一定量の窒素は吸収してしまうため鉄損が大きくなり、磁気特性は劣ってしまう。Ｃｕメッキ＋耐熱塗料および酸化皮膜では窒素吸収による非磁性化が進んだ結果、磁束密度が大幅に低下している。また、ガラスコートでは磁束密度の値がほとんどなく、非磁性化がほぼ完了しており、皮膜による窒素吸収防止の効果は期待できないことが判った。

Ａｌ被膜によると、皮膜形成の初期段階ではＡｌ合金膜なので母材の膨張に追従し、高温でも割れが発生せず、防窒素効果を発現する。また、Ａｌが窒素と反応し最表面でＡｌＮを形成するため、窒素の接触を妨げるのに加え、窒素を捉えて母材への拡散を防ぐ。表面でＡｌＮ形成に使用されない残りのＡｌは母材内部に拡散固溶し、母材自身の鉄損特性を改善する。Ａｌ被膜は１０μｍ程度のきわめて薄い膜でも窒素吸収防止の効果を十分に発揮するため、母材占積率が向上する。さらに、窒素吸収熱処理の工程後もＡｌＮ皮膜として残って絶縁性を維持するため、剥離する必要がないという利点がある。

［試験３］Ａｌ皮膜の厚さについて
上記試験１の磁性母材からなる薄板に形成するＡｌ被膜の厚さを、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍと異ならせて試料を作製した。これら試料に対し、試験１と同様に合金化処理を行ってから窒素吸収熱処理を窒素雰囲気において１２００℃×９０分で行い、加熱後は急冷して、Ａｌ被膜の厚さの異なる試料を得た。また、何も処理していない元の磁性母材も試料とした。これら試料について、被膜されている磁性部の磁束密度：Ｂ５０（Ｔ）と、鉄損：Ｗ１０／４００（ｗ／ｋｇ）を求めた。その結果を図５に示す。

図５によると、磁束密度に関してはＡｌ被膜の厚さはさほど影響がなく、５μｍと薄い膜厚でも磁性が保持されることが認められたが、膜厚が５μｍでは鉄損が大きいため、Ａｌ被膜は５μｍを上まわる厚さに形成することが望ましい。しかし、厚すぎると母材占積率が低下するため、１０μｍ程度が好ましい。なお、Ａｌ被膜の厚さは、窒素吸収防止効果の発現ならびに母材へのＡｌ拡散量を見込んで最適に設計されるものであり、Ａｌ皮膜が薄すぎると窒素吸収防止効果が不十分となり、母材へ窒素が固溶するため磁気特性が低下し、かつ鉄損が増大することとなる。Ａｌ皮膜が厚すぎると電磁材料として積層して利用する際に上記のように母材占積率が低下することにより電動機の出力が低下することとなる。

１…非磁性部
２…磁性部
１０…母材
２０…Ａｌ被膜
３０…ヨーク
２０Ａ…ＡｌＮ層

Claims (4)

1. 単一の母材中に磁性部と非磁性部とを併せ持つヨークであって、
   前記磁性部の表面上にＡｌＮ層が形成されていることを特徴とするヨーク。
2. 前記磁性部の母材内部にＡｌが拡散固溶していることを特徴とする請求項１に記載のヨーク。
3. ヨークの製造方法であって、
   窒素吸収熱処理によりオーステナイトとなり非磁性化される素材からなる磁性母材の一部表面にＡｌ被膜を形成し、
   次いで、該母材全体を窒素雰囲気中で熱処理を行うことで、前記Ａｌ被膜を形成していない部分のみをオーステナイト化して非磁性化させること
   を特徴とするヨークの製造方法。
4. 窒素雰囲気中で前記熱処理を行う前に、大気中または不活性雰囲気中で熱処理を行うことで、前記Ａｌ被膜が形成された前記母材の表面にＡｌとＦｅの合金層を形成すること
   を特徴とする請求項３に記載のヨークの製造方法。

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