JP2021126672A - 被打ち抜き材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【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できる被打ち抜き材の製造方法を提供する。【解決手段】アモルファス系軟磁性材料からなる少なくとも１枚の金属シート１０をパンチ５１とダイス５２に挟み込んで、金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを打ち抜くことにより、被打ち抜き材１０ａを製造するパンチ５１が、アモルファス系軟磁性材料がナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する結晶化開始温度以上に加熱されており、パンチ５１で金属シート１０を加熱しながら、金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを打ち抜く工程と、打ち抜いた状態の被打ち抜き材をパンチ５１に吸着させることにより、被打ち抜き材１０ａの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。【選択図】図１

Description

本発明は、金属シートから被打ち抜き材を製造する製造方法に関する。

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開始温度以上で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。

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（たとえば、特許文献１参照）。

ＷＯ２０１７／００６８６８号公報

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枚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。

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できる被打ち抜き材の製造方法を提供することにある。

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少なくとも１枚の金属シートを第１工具と第２工具に挟み込んで、前記金属シートから被打ち抜き材を打ち抜くことにより、被打ち抜き材を製造する製造方法であって、前記第１工具または前記第２工具のうち、少なくとも一方の工具が、前記アモルファス系軟磁性材料がナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する結晶化開始温度以上に加熱された工具であり、前記加熱された工具で前記金属シートを加熱しながら、前記金属シートから前記被打ち抜き材を打ち抜く工程と、打ち抜いた状態の前記被打ち抜き材を前記加熱された工具に吸着させることにより、前記被打ち抜き材の前記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工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、打ち抜く工程において、ナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する結晶化開始温度以上に加熱された工具で、金属シートを加熱しながら、第１および第２工具で被打ち抜き材を打ち抜くので、加熱された工具の熱を金属シートに入熱することができる。ここで、打ち抜かれた被打ち抜き材は、反り等が発生することがあるが、結晶化させる工程において、被打ち抜いた状態の被打ち抜き材を加熱された工具に吸着させることにより、被打ち抜き材の反りを矯正しつつ、加熱された工具の熱を継続して被打ち抜き材に均一に入熱することができる。

これにより、打ち抜く工程から結晶化させる工程までの一連の工程において、加熱された工具で継続して加熱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を効率良く製造することができる。さらに、結晶化させる工程では、加熱された工具側とは反対側から、被打ち抜き材の熱を放熱することができる。これにより、アモルファスからナノ結晶に結晶化する際の自己発熱により被打ち抜き材が過加熱になることを抑え、均一な結晶粒のナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材を得ることができる。

ここで、金属シートを加熱された工具に密着させる方法としては、たとえば、加熱された工具に吸引口を設けて、吸引口からの吸引力で、工具に金属シートを吸着させる方法、または工具に永久磁石を配置し、永久磁石による磁力で、工具に金属シートを吸着させる方法などを挙げることができる。

しかしながら、より好ましい態様としては、前記打ち抜く工程において、前記加熱された工具に配置された電磁コイルを励磁することにより、前記加熱された工具に前記金属シートを吸着させながら、前記金属シートから前記被打ち抜き材を打ち抜き、前記結晶化させる工程において、前記電磁コイルの励磁を継続することにより、前記加熱された工具に前記被打ち抜き材を吸着させた状態を維持し、前記結晶化させる工程後に、前記電磁コイルの励磁を停止することにより、前記加熱された工具から前記被打ち抜き材への吸着を解除する。

この態様によれば、結晶化させる工程において、電磁コイルを励磁して、被打ち抜き材を吸着させた状態を維持し、結晶化させる工程後には、電磁コイルの励磁を停止することにより吸着を解除することができる。これにより、電磁コイルの励磁時間および励磁タイミングを調整することにより、被打ち抜き材が加熱された工具に密着する時間を調整することができる。この結果、被打ち抜き材の結晶化により被打ち抜き材が自己発熱したとしても、被打ち抜き材の温度を制御し易い。これにより、被打ち抜き材の過加熱を防止し、結晶径を均一にすることができる。

ここで、上述したように、工具に吸引口を設けて、工具に金属シートを吸着させる場合には、金属シートおよび被打ち抜き材のうち吸引口を含む部分に、加熱された工具の熱が伝わり難い。しかしながら、本態様では、電磁コイルを用いるので、金属シートの表面全体を加熱された工具の表面に接触させることができる。

または、上述したように、加熱された工具に永久磁石を設けて、工具に金属シートを吸着させる場合には、工具が常に磁化されているため、工具の表面に、打ち抜き時の加工粉などが付着し続ける。しかしながら、本態様では、電磁コイルを用いるので、たとえ加工粉が付着しても、電磁コイルの励磁を停止することで、工具の表面に付着した加工粉を脱離させることができる。

さらに好ましい態様としては、前記打ち抜く工程において、複数枚に重なった前記金属シートを前記第１工具と前記第２工具に挟み込んで、前記複数枚の金属シートから、複数枚に重なった前記被打ち抜き材を打ち抜き、前記結晶化させる工程において、前記複数枚に重なった前記被打ち抜き材を前記加熱された工具に吸着させて、前記各被打ち抜き材の前記アモルファス系軟磁性材料を結晶化させる。

この態様によれば、打ち抜き工程において、電磁コイルを励磁することにより、加熱された工具に複数枚に重なった金属シートを相互に吸着させて、複数枚に重なった被打ち抜き材を同時に打ち抜くことができる。さらに、結晶化させる工程において、電磁コイルの励磁を継続することにより、複数枚に重なった被打ち抜き材を前記加熱された工具に吸着させることができるため、複数枚の被打ち抜き材のアモルファス系軟磁性材料を同時に結晶化させることができる。このような一連の工程により、複数枚の被打ち抜き材を同時に生産することができるので、被打ち抜き材の生産性を高めることができる。

さらに好ましい態様としては、前記打ち抜く工程前に、前記金属シートを前記結晶化開始温度よりも低い温度で予熱する工程を含む。予熱する工程において、金属シートを結晶化開始温度よりも低い温度で加熱することにより、打ち抜く工程および結晶化させる工程における金属シートおよび被打ち抜き部材への熱処理時間を短縮し、熱処理の効率化を図ることができる。

本発明によれば、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。

本発明の第１実施形態に係る被打ち抜き材の製造方法に用いる被打ち抜き材の製造装置の概略構成図である。 第１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。 図１に示す製造装置により実施する、打ち抜き工程を説明する模式的断面図である。 図１に示す製造装置により実施する、打ち抜き工程後の結晶化工程を説明する模式的断面図である。 図２に示す結晶化工程完了後に、被打ち抜き材の密着状態を解除した状態を説明するための図である。 図３Ｂに示す製造装置により実施する他の製造方法における、打ち抜き工程後の結晶化工程を説明する模式的断面図である。 本発明の第２実施形態に係る被打ち抜き材の製造方法に用いる被打ち抜き材の製造装置の概略構成図である。 図５に示す製造装置により実施する、打ち抜き工程後の結晶化工程を説明する模式的断面図である。 図６に示す他の製造方法における、結晶化工程を説明するための図である。

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。

〔第１実施形態〕
１．製造装置１Ａについて
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る被打ち抜き材１０ａの製造方法に用いる製造装置１Ａについて説明する。

製造装置１Ａは、被打ち抜き材１０ａの出発材料となる帯状の金属シート１０を送り出す送出装置２と、金属シート１０に張力を付与するテンションロール４１、４２と、金属シート１０に打ち抜き成形を行う打ち抜きプレス装置５と、を備えている。打ち抜きプレス装置５の搬送方向に沿った後方（下流側）には、打ち抜き後の金属シート１０を打ち抜きプレス装置５から排出する一対の排出ロール７、７が配置されている。なお、排出ロール７、７の下流側には、被打ち抜き材１０ａを打ち抜いた後の金属シート１０をロール状に巻き取る巻取装置（図示せず）がさらに設けられており、これにより、送出装置２から巻取装置まで、金属シート１０を搬送することができる。

送出装置２は、軸部２ａを備えており、軸部２ａには、コイル状の金属シート１０が巻き付けられている。軸部２ａの回転により、送出装置２は、打ち抜きプレス装置５に向けて金属シート１０を送り出すことができる。送出装置２には、金属シート１０を加熱するヒータ２５が設けられている。

具体的には、ヒータ２５は、軸部２ａに内蔵されており、ヒータ２５は、後述する結晶化開始温度以下で軸部２ａを加熱するように設定されている。このヒータ２５による加熱により、軸部２ａを介して、打ち抜き前の金属シート１０を所定の温度まで予熱することができる。本実施形態では、ヒータ２５は、送出装置２の軸部２ａに設けられているが、たとえば、金属シート１０を外表面から加熱するようにヒータを設けてもよい。

送出装置２と打ち抜きプレス装置５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４１、４２が配置されている。このテンションロール４１、４２により、金属シート１０に所定の張力を付与した状態で、打ち抜きプレス装置５に、金属シート１０を搬送することができる。

打ち抜きプレス装置５は、装置本体５０を備えており、装置本体５０には、パンチ５１と、パンチ５１の下方に配置されたダイス５２と、が取り付けられている。パンチ５１には、被打ち抜き材１０ａの形状に応じた打ち抜き面５１ａが形成されている。打ち抜き面５１ａは、たとえば、モータのロータコアの形状である。ダイス５２には、このパンチ５１の打ち抜き面５１ａの形状に応じた凹部５２ａが形成されており、打ち抜き時には、パンチ５１は、ダイス５２の凹部５２ａに挿入される。

パンチ５１は、油圧機器等（図示せず）を備えた装置本体５０によりダイス５２に向かって昇降可能である。これにより、パンチ５１とダイス５２との間に金属シート１０を挟み込んで、金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを打ち抜くことができる。

さらに、パンチ５１の内部には、パンチ５１を加熱するヒータ５４が配置されている。ヒータ５４は、後述する、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が開始する温度（結晶化開始温度）Ｔ１以上にパンチ５１を加熱するように設定されている（図２参照）。これにより、後述する結晶化工程において、結晶化開始温度Ｔ１以上（具体的には加熱温度Ｔ３）となったパンチ５１からの熱により、金属シート１０から打ち抜いた被打ち抜き材１０ａを所望の結晶状態に結晶化させることができる。

なお、本実施形態でいうパンチ５１およびダイス５２が、本発明でいう「第１工具および第２工具」相当し、パンチ５１は、ヒータ５４で加熱されていることから、パンチ５１が、本発明でいう「加熱された工具」に相当する。ただし、本実施形態では、ヒータ５４によりパンチ５１が加熱されているが、たとえば、ダイス５２も別のヒータで加熱されていてもよい。

打ち抜きプレス装置５には、図３Ａに示すように、パンチ５１とともにダイス５２に向かって昇降し、打ち抜き時に金属シート１０をダイス５２側に押えこむ押え部材５５が設けられている。なお、図１では、押え部材５５を省略している。押え部材５５には、ヒータ５４による熱は直接伝達されない。また、パンチ５１、ダイス５２、および押え部材５５等の装置構成は、一般的な打ち抜きプレス装置の構成と同様であるので、詳細な構造および機構の説明を本明細書では省略する。

パンチ５１には、電磁コイル５６が配置されており、電磁コイル５６は、スイッチ（図示せず）等を介して電源（図示せず）に接続されている。スイッチを切り替えることにより、電源から電磁コイル５６への通電および通電停止を制御することができる。したがって、電磁コイル５６への通電により、電磁コイル５６は励磁され、その通電の停止により、電磁コイル５６の励磁が停止される（解除される）。

２．金属シート１０について
本実施形態において製造される金属シート１０は、アモルファス系軟磁性材料からなる金属シートであり、金属シート１０から製造される被打ち抜き材１０ａは、ナノ結晶系軟磁性材料からなるシート状の部材である。以下に示す製造方法では、アモルファス系軟磁性材料からなる金属シート１０を打ち抜いた被打ち抜き材１０ａを熱処理することにより、アモルファス系軟磁性材料をナノ結晶系軟磁性材料に結晶化するため、これらの材料について以下に説明する。

ここで、金属シート１０を構成するアモルファス系軟磁性材料と、被打ち抜き材１０ａを構成するナノ結晶系軟磁性材料と、について説明する。アモルファス系軟磁性材料およびナノ結晶系軟磁性材料としては、たとえば、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。

アモルファス系軟磁性材料またはナノ結晶系軟磁性材料の代表的な材料として、たとえば、ＦｅＣｏ系合金（たとえばＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＶなど）、ＦｅＮｉ系合金（たとえばＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉなど）、ＦｅＡｌ系合金又はＦｅＳｉ系合金（たとえばＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯなど）、ＦｅＴａ系合金（たとえばＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮなど）またはＦｅＺｒ系合金（たとえば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。Ｆｅ系合金の場合にはＦｅは８０ａｔ％以上含まれることが好ましい。

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、たとえば、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、たとえばＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＮｂ、及びＣｏＺｒＴａ系合金などを挙げることができる。

本明細書でいう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。

本明細書でいうナノ結晶系軟磁性材料では、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、磁気特性の向上が見られる。なお、従来の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。

アモルファス系軟磁性材料は、たとえば、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、たとえば約１０^６℃／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。本実施形態では、後縦する金属シートは、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を製造し、ロール状に巻き付ける。このように、溶湯を急冷することにより、材料が結晶化する前に、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、たとえば、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であり、中でも２０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内が好ましい。

次に、製造装置１Ａを用いた被打ち抜き材１０ａの製造方法について、図３Ａ〜図３Ｃさらに参照しながら説明する。

（予熱工程）
まず、金属シート１０に対して予熱工程を行う。具体的には、図１に示すように、金属シート１０を、ヒータ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開始温度Ｔ１よりも低い温度（予熱温度）Ｔ０に加熱する（図２の時刻ｔ０参照）。

（打ち抜き工程）
次に、予熱された金属シート１０に対して打ち抜き工程を行う。具体的には、送出装置２からテンションロール４１、４２を介して搬送された予熱状態の金属シート１０を、打ち抜きプレス装置５のパンチ５１とダイス５２に挟み込んで、所定形状の被打ち抜き材１０ａを打ち抜く。このとき、アモルファス系軟磁性材料がナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する結晶化開始温度Ｔ１以上（具体的には加熱温度Ｔ３）に加熱されたパンチ５１で、金属シート１０を加熱しながら、被打ち抜き材１０ａを打ち抜く。たとえば、パンチ５１の加熱温度Ｔ３は、被打ち抜き材１０ａの昇温が完了する温度（目標到達温度）Ｔ２よりも高く、ヒータ５４により、たとえば５００℃の温度に設定されている。

この打ち抜き工程では、電磁コイル５６に電流を通電することにより、電磁コイル５６が励磁される。なお、図３Ａに示すように、打ち抜き前には、金属シート１０は、押え部材５５で、ダイス５２との間で押さえられているので、金属シート１０は、電磁コイル５６に向かって移動しない。ただし、パンチ５１が金属シート１０と接触するタイミングで、電磁コイル５６を励磁することができ、打ち抜き時に金属シート１０を精度良く打ち抜くことができるのであれば、押え部材５５を省略してもよい。

金属シート１０は、軟磁性材料からなるので、図３Ａに示すように、打ち抜き時には、パンチ５１の打ち抜き面５１ａに接触した金属シート１０の部分は、電磁コイル５６の励磁により、パンチ５１に吸着される。これにより、金属シート１０をパンチ５１に吸着させながら、金属シート１０を加熱しつつ、金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを打ち抜き、その後も連続して、被打ち抜き材１０ａの吸着を維持することができる。

ここで、図３Ａに示す状態で（すなわち、打ち抜き途中の金属シート１０の塑性変形時に）、金属シート１０が、結晶化開始温度Ｔ１に到達してもよいが、たとえば、図３Ａから更に進んだ状態で、打ち抜き完了時に（被打ち抜き材１０ａが形成されるタイミング以降で）、結晶化開始温度Ｔ１に到達してもよい。これにより、金属シート１０が所望の粒径にナノ結晶化する前、すなわち、金属シート１０が脆化する前に、打ち抜き加工を完了することができる。なお、被打ち抜き材１０ａが結晶化開始温度Ｔ１に到達していれば、被打ち抜き材１０ａは、その後、結晶化による自己発熱により昇温し易い。なお、この打ち抜き工程後には、被打ち抜き材１０ａの結晶化は完了していない。

（結晶化工程）
次に、被打ち抜き材１０ａに対して結晶化工程を行う。具体的には、図３Ｂに示すように、パンチ５１で打ち抜かれた被打ち抜き材１０ａをパンチ５１（加熱された工具）に吸着させた状態で、被打ち抜き材１０ａの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。具体的には、電磁コイル５６の励磁を継続することにより、パンチ（加熱された工具）５１の打ち抜き面５１ａに、被打ち抜き材１０ａを吸着させた状態を維持する。

このとき、被打ち抜き材１０ａは、結晶化に伴う反応熱とパンチ５１からの熱とによって、さらに温度が上昇する。このように、パンチ５１により被打ち抜き材１０ａを結晶化開始温度Ｔ１以上の温度（さらには、パンチ５１の加熱温度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。

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。本実施形態では、打ち抜き工程および結晶化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。

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（具体的には、パンチ５１の温度Ｔ３）は、アモルファス系軟磁性材料の結晶化開始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をナノ結晶系軟磁性材料に結晶化することができる。熱処理は不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

結晶化開始温度は、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、結晶化開始温度は、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。たとえば、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）を用い、所定の加熱速度（たとえば０．６７Ｋｓ^−１）の条件下で結晶化開始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開始温度Ｔ１は、材質によって異なるが、たとえば、３００〜５００℃である。したがって、予熱工程における予熱温度Ｔ０は、この温度よりも低い温度（たとえば、２５０℃〜３５０℃で結晶化が開始しない温度）である。また、同様に、ナノ結晶系軟磁性材料のさらなる結晶化時の温度も、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、結晶化開始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。

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パンチ５１の加熱温度Ｔ３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開始温度Ｔ１以上であれば特に制限されるものではない。たとえば、鉄系アモルファス合金の場合、加熱温度Ｔ３は、３５０℃以上であり、好ましくは４００℃以上であることが好ましい。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、たとえば、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（たとえば、Ｆｅ_２Ｂなど）の発生を抑制することができる。結晶化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。

（吸着解除工程）
図３Ｃに示すように、パンチ５１への被打ち抜き材１０ａの吸着を解除する。具体的には、結晶化工程後に、電磁コイル５６の励磁を停止することにより、加熱されたパンチ５１から、被打ち抜き材１０ａの吸着を解除する。ここで解除するタイミングは、たとえば、被打ち抜き材１０ａが、目標到達温度Ｔ２となるように、被打ち抜き材１０ａの吸着を解除する。なお、被打ち抜き材１０ａの目標到達温度Ｔ２に到達した後、被打ち抜き材１０ａは温度上昇せずに、降下する。したがって、結晶化完了温度Ｔ２以降では、被打ち抜き材１０ａは冷却される。

本実施形態では、電磁コイル５６の励磁の解除のタイミングは、パンチ５１による加熱速度、自己発熱による被打ち抜き材１０ａの発熱速度、被打ち抜き材１０ａの放熱速度等に基づいて設定することができる。たとえば、時刻ｔ３で、目標到達温度Ｔ２に到達するのであれば、時刻ｔ２で、電磁コイル５６の励磁を停止してもよい。

また、図２には示していないが、目標到達温度Ｔ２から所定の温度範囲となるように、被打ち抜き材１０ａの温度を一定時間保持できるのであれば、その温度範囲に一定時間保持した後、電磁コイル５６の励磁を停止してもよい。さらに、被打ち抜き材１０ａは、結晶化開始温度Ｔ１以上になると自己発熱するので、自己発熱の発熱速度が大きい場合には、時刻ｔ２〜ｔ３の間で、被打ち抜き材１０ａの吸着を解除し、その後、自己発熱による熱により、時刻ｔ３で被打ち抜き材１０ａの温度を目標到達温度Ｔ２に到達させてもよい。

（冷却工程）
吸着解除工程により、電磁コイル５６の励磁を停止することにより、パンチ５１から被打ち抜き材１０ａの吸着が解除されると、パンチ５１から被打ち抜き材１０ａが脱離する。被打ち抜き材１０ａは自重により下方に移動するとともに、被打ち抜き材１０ａは冷却される（図２の時刻ｔ３以降）。ここで、被打ち抜き材１０ａを、放冷により徐々に冷却してもよいが、たとえば、強制冷却により冷却してもよい。このようにして、金属シート１０を搬送しながら、ナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材１０ａを順次製造するとともに、打ち抜き後の金属シート１０を、一対の排出ロール７、７により打ち抜きプレス装置５から排出することができる。

本実施形態によれば、打ち抜き工程において、ナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する結晶化開始温度Ｔ１以上に加熱されたパンチ５１で、金属シート１０を加熱しながら、パンチ５１およびダイス５２で被打ち抜き材１０ａを打ち抜くので、パンチ５１の熱を金属シート１０に入熱することができる。ここで、打ち抜かれた被打ち抜き材１０ａは、反り等が発生することがあるが、結晶化工程において、被打ち抜いた状態の被打ち抜き材１０ａをパンチ５１に吸着させることにより、被打ち抜き材１０ａの反りを矯正しつつ、パンチ５１に被打ち抜き材１０ａを密着させ、パンチ５１の熱を継続して被打ち抜き材１０ａに均一に入熱することができる。

これにより、打ち抜き工程から結晶化工程までの一連の工程において、パンチ５１で継続して加熱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。さらに、結晶化工程では、パンチ５１の打ち抜き面５１ａ側とは反対側から、被打ち抜き材１０ａの熱を放熱することができる。これにより、アモルファスからナノ結晶に結晶化する際の自己発熱により被打ち抜き材１０ａが過加熱になることを抑え、均一な結晶粒のナノ結晶系軟磁性材料からなる被打ち抜き材１０ａを得ることができる。

結晶化工程において、電磁コイル５６を励磁して、被打ち抜き材１０ａを吸着させた状態を維持し、結晶化工程後には、電磁コイル５６の励磁を停止することにより吸着を解除することができる。電磁コイル５６の励磁時間および励磁タイミングを調整することにより、被打ち抜き材１０ａを、加熱されたパンチ５１に吸着させる時間（すなわち加熱時間）を調整することができる。この結果、被打ち抜き材１０ａの結晶化により被打ち抜き材１０ａが自己発熱したとしても、被打ち抜き材１０ａの温度を制御し易い。これにより、被打ち抜き材１０ａの過加熱を防止し、結晶径を均一にすることができる。

図１〜図３Ｃに示す実施形態では、１枚の金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを製造したが、たとえば、図４に示すように、複数枚の金属シート１０、１０、…から、その枚数に応じた複数枚の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を製造してもよい。このような変形例の場合、具体的には、打ち抜き工程において、複数枚に重なった金属シート１０、１０、…をパンチ５１とダイス５２に挟み込んで、複数枚の金属シート１０、１０、…から、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を打ち抜く。この際、電磁コイル５６を励磁して、パンチ５１を磁化させておく。複数枚に重なった金属シート１０、１０、…を相互に吸着させて、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を同時に打ち抜くことができる。

これにより、結晶化工程において、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…をパンチ５１に吸着させて、各被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…のアモルファス系軟磁性材料を結晶化させる。本実施形態では、電磁コイル５６の励磁を継続するので、パンチ５１の磁化状態も継続される。したがって、打ち抜き工程直後の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…の吸着状態が保持される。結晶化工程において、電磁コイル５６の励磁を継続することにより、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…をパンチ５１に吸着させることができる。このため、複数枚の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を同時に結晶化開始温度Ｔ１以上に加熱し、これらを結晶化させることができる。

その後、被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…が、目標到達温度Ｔ２となるように、電磁コイル５６の励磁を停止（吸着を解除）し、被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を冷却する。このような一連の工程により、複数枚の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を同時に生産することができるので、被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…の生産性を高めることができる。

〔第２実施形態〕
以下に第２実施形態に係る製造装置１Ｂを用いた被打ち抜き材１０ａの製造方法を説明する。第１実施形態と主に相違する点は、テンションロール４１、４２の配置と、打ち抜きプレス装置５の代わりに、ロータリーダイカッター６を用いた点である。なお、第１実施形態と同じ機能を有する構成は、その説明を省略する。

ロータリーダイカッター６は、ダイロール６１と、ダイロール６１に対向配置された対向ロール６２と、によって構成されている。ダイロール６１および対向ロール６２は、金属シート１０の搬送方向と直交する幅方向（図５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６１および対向ロール６２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５の右側）に搬送する。

ダイロール６１は、円柱状のロール本体６１ａと、ロール本体６１ａの外周面に設けられ、径方向外側に突出する刃部６１ｂと、を有する。刃部６１ｂは、ロール本体６１ａの径方向外側から見て所定形状（たとえば円形状）に形成されている。ダイロール６１および対向ロール６２が回転することによって、ダイロール６１の刃部６１ｂにより金属シート１０が打ち抜かれ、所定形状（たとえば円形状）の被打ち抜き材１０ａが形成される。

ダイロール６１および対向ロール６２の内部には、ヒータ６４、６５が配置されている。ヒータ６４、６５は、上述した結晶化開始温度Ｔ１以上にダイロール６１および対向ロール６２を加熱するように設定されている。本実施形態でも、第１実施形態と同様に、結晶化工程において、結晶化開始温度Ｔ１以上（具体的には温度Ｔ３）となったダイロール６１および対向ロール６２からの熱により、金属シート１０から打ち抜いた被打ち抜き材１０ａを所望の結晶状態に結晶化させることができる。

なお、本実施形態でいうダイロール６１および対向ロール６２が、本発明でいう「第１工具および第２工具」に相当する。対向ロール６２により被打ち抜き材１０ａが結晶化するまで加熱されることから、対向ロール６２が、本発明でいう「加熱された工具」に相当する。ただし、本実施形態では、ヒータ６４によりダイロール６１も加熱されているが、たとえば、対向ロール６２により、被打ち抜き材１０ａを結晶化することができるのであれば、ダイロール６１にヒータ６４を設けなくてもよい。

対向ロール６２には、その周方向に複数の電磁コイル６６が配置されており、電磁コイル６６は、スイッチ（図示せず）等を介して電源（図示せず）に接続されている。スイッチを切り替えることにより、電源から電磁コイル６６への通電および通電停止を制御することができる。したがって、電磁コイル６６への通電により、電磁コイル６６は励磁され、その通電の停止により、電磁コイル６６の励磁が停止される（解除される）。

具体的には、図６に示すように、対向ロール６２には、周方向に、電磁コイル６６を収容する収納凹部６２ａが形成されており、電磁コイル６６は、軟磁性材料からなる鉄心６２ｂに巻回されている。収納凹部６２ａには、対向ロール６２の周面に沿った曲面を有した蓋体６２ｃが被着されている。蓋体６２ｃは、対向ロール６２の周面（具体的には対向ロール本体）と同じ材料からなることが好ましい。これにより、ヒータ６５による蓋体６２ｃの熱伝導率と、対向ロール６２の熱伝導率とを同じにすることにより、対向ロール６２の表面を均一な温度にすることができる。

製造装置１Ｂを用いて被打ち抜き材１０ａを製造する際には、金属シート１０を、結晶化開始温度Ｔ１よりも低い予熱温度Ｔ０に加熱する。次に、送出装置２からテンションロール４１、４２を介して搬送された予熱状態の金属シート１０を、ダイロール６１および対向ロール６２の間に挟み込んで、所定形状の被打ち抜き材１０ａを打ち抜く。このとき、それぞれ結晶化開始温度Ｔ１以上に加熱されたダイロール６１と対向ロール６２とで、金属シート１０を挟み込むことにより、金属シート１０を加熱しながら、被打ち抜き材１０ａを打ち抜く。この際、対向ロール６２に配置された電磁コイル６６を励磁し、対向ロール６２に金属シート１０を吸着させながら、金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを打ち抜く。

電磁コイル６６の励磁により、被打ち抜き材１０ａは、対向ロール６２に吸着される。これにより、被打ち抜き材１０ａを対向ロール６２に吸着させながら、金属シート１０を加熱しつつ、金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを打ち抜き、その後も連続して、被打ち抜き材１０ａの吸着状態を維持することができる。

さらに、結晶化工程では、被打ち抜き材１０ａを対向ロール６２（加熱された工具）に吸着させた状態で、被打ち抜き材１０ａの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。ここでは、電磁コイル６６の励磁を継続することにより、対向ロール６２に被打ち抜き材１０ａを吸着させた状態を維持する。被打ち抜き材１０ａの反りを矯正しつつ、対向ロール６２に被打ち抜き材１０ａを密着させ、対向ロール６２の熱を継続して被打ち抜き材１０ａに均一に入熱することができる。

結晶化工程では、被打ち抜き材１０ａの両面のうち、一方の面は、対向ロール６２に接触し、他方の面は、熱源等に接触していない非接触の表面であるので、被打ち抜き材１０ａの熱を他方の面から放熱することができる。

さらに、結晶化工程後、被打ち抜き材１０ａが対向ロール６２の下方側まで移動した際に、電磁コイル６６の励磁を停止することにより、対向ロール６２から被打ち抜き材１０ａへの吸着を解除する。吸着を解除する具体的なタイミングは、被打ち抜き材１０ａの下側へ移動することを前提に、たとえば、被打ち抜き材１０ａが、目標到達温度Ｔ２となるように、被打ち抜き材１０ａの吸着を解除する。電磁コイル６６の励磁を停止することにより、対向ロール６２から被打ち抜き材１０ａの吸着が解除されると、対向ロール６２から被打ち抜き材１０ａが脱離する。被打ち抜き材１０ａは自重により下方に移動するとともに、被打ち抜き材１０ａは冷却される。

本実施形態によれば、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６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。

また、ロータリーダイカッター６の刃部６１ｂ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、金属シート１０を容易に結晶化開始温度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６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。

本実施形態では、１枚の金属シート１０から被打ち抜き材１０ａを製造したが、たとえば、図７に示すように、複数枚の金属シート１０、１０、…から、その枚数に応じた複数枚の被打ち抜き材１０ａを製造してもよい。このような変形例の場合、具体的には、打ち抜き工程において、複数枚に重なった金属シート１０、１０、…をダイロール６１と対向ロール６２に挟み込んで、複数枚の金属シート１０、１０、…から、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を打ち抜く。この際、電磁コイル６６を励磁して、対向ロール６２を磁化させておく。複数枚に重なった金属シート１０、１０、…を相互に吸着させて、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を同時に打ち抜くことができる。

これにより、結晶化工程において、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を対向ロール６２に吸着させて、各被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…のアモルファス系軟磁性材料を結晶化させる。本実施形態では、電磁コイル６６の励磁を継続するので、対向ロール６２の磁化状態も継続される。したがって、打ち抜き工程直後の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…の吸着状態が保持される。結晶化工程において、電磁コイル６６の励磁を継続することにより、複数枚に重なった被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を対向ロール６２に吸着させることができる。このため、複数枚の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を同時に結晶化開始温度Ｔ１以上に加熱し、これらを結晶化させることができる。

その後、被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…が、目標到達温度Ｔ２となるように、電磁コイル６６の励磁を停止（吸着を解除）し、被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を冷却する。このような一連の工程により、複数枚の被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…を同時に生産することができるので、被打ち抜き材１０ａ、１０ａ、…の生産性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、第１および第２実施形態では、金属シートを予熱するために、送出装置にヒータを設ける例について説明したが、たとえば、テンションロールに予熱用のヒータを設けてもよい。

さらに、第１実施形態では、パンチを鉛直方向に移動させ、打ち抜き面は、下方に向いていたが、パンチによる打ち抜きと、被打ち抜き材の吸着ができるのであれば、パンチの移動方向と、打ち抜き面の方向は特に限定されるものではない。

第１および第２実施形態では、電磁コイルにより金属シートおよび被打ち抜き材を加熱された工具に相当するダイスまたは対向ロールに吸着させた。しかしながら、たとえば、吸引口に負圧を発生させることで、金属シートおよび被打ち抜き材を吸着させてもよく、電磁コイルの代わりに永久磁石で、金属シートおよび被打ち抜き材吸着させてもよい。

１Ａ、１Ｂ：製造装置、２：送出装置、２ａ：軸部、５：打ち抜きプレス装置、６：ロータリーダイカッター、１０：金属シート、１０ａ：被打ち抜き材、２５、５４、６４、６５：ヒータ、５１：パンチ、５２：ダイス、５６：電磁コイル、６１：ダイロール、６２：対向ロール、６６：電磁コイル

Claims (4)

1. アモルファス系軟磁性材料からなる少なくとも１枚の金属シートを第１工具と第２工具に挟み込んで、前記金属シートから被打ち抜き材を打ち抜くことにより、被打ち抜き材を製造する製造方法であって、
   前記第１工具または前記第２工具のうち、少なくとも一方の工具が、前記アモルファス系軟磁性材料がナノ結晶系軟磁性材料に結晶化する結晶化開始温度以上に加熱された工具であり、
   前記加熱された工具で前記金属シートを加熱しながら、前記金属シートから前記被打ち抜き材を打ち抜く工程と、
   打ち抜いた状態の前記被打ち抜き材を前記加熱された工具に吸着させることにより、前記被打ち抜き材の前記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。
2. 前記打ち抜く工程において、前記加熱された工具に配置された電磁コイルを励磁することにより、前記加熱された工具に前記金属シートを吸着させながら、前記金属シートから前記被打ち抜き材を打ち抜き、
   前記結晶化させる工程において、前記電磁コイルの励磁を継続することにより、前記加熱された工具に前記被打ち抜き材を吸着させた状態を維持し、
   前記結晶化させる工程後に、前記電磁コイルの励磁を停止することにより、前記加熱された工具から前記被打ち抜き材への吸着を解除することを特徴とする請求項１に記載の被打ち抜き材の製造方法。
3. 前記打ち抜く工程において、複数枚に重なった前記金属シートを前記第１工具と前記第２工具に挟み込んで、前記複数枚の金属シートから、複数枚に重なった前記被打ち抜き材を打ち抜き、
   前記結晶化させる工程において、前記複数枚に重なった前記被打ち抜き材を前記加熱された工具に吸着させて、前記各被打ち抜き材の前記アモルファス系軟磁性材料を結晶化させることを特徴とする請求項２に記載の被打ち抜き材の製造方法。
4. 前記打ち抜く工程前に、前記金属シートを前記結晶化開始温度よりも低い温度で予熱する工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の被打ち抜き材の製造方法。
   

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