JP2022040071A

JP2022040071A - 非晶質合金片の製造方法、および積層コアの製造方法

Info

Publication number: JP2022040071A
Application number: JP2021137568A
Authority: JP
Inventors: 建史福山; Kenji Fukuyama; 淳佐々木; Atsushi Sasaki; 勇哉秋元; Yuya Akimoto
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2022-03-10

Abstract

【課題】非晶質合金リボンから所定形状の非晶質合金片を打抜き加工する際において、工具寿命を延ばしつつ、アニール処理により脆化した非晶質合金リボンにも適用可能な合金片の製造方法を提供する。【解決手段】非晶質金属リボン表面に、所定形状の打抜き輪郭線となる凹部を形成し、打抜き用パンチ及びダイにより、前記所定形状の非晶質合金片に打抜き加工する、ことを特徴とする非晶質合金片の製造方法。【選択図】図１

Description

非晶質合金リボンを所定形状の非晶質合金片に加工する、非晶質合金片の製造方法に関するものである。

非晶質合金は、通常の結晶質合金と同じ組成でも、機械的特性、磁気特性、耐食性等において、優れた特性を示すことが知られている。特に、Ｆｅ基やＣｏ基の非晶質合金は、結晶粒界が形成されないことから、保磁力の小さい軟磁性材料にできることが知られている。
非晶質合金は、結晶粒が合金中に形成されないよう、合金溶湯を急冷凝固する必要があり、例えば、回転する冷却ロール表面に合金溶湯を供給し、合金溶湯をロール表面にて連続的に凝固させて作製する。この製法は、単ロール法と呼ばれ、リボン状の非晶質合金が得られる。また、リボン状の非晶質合金から形成される磁心としては、非晶質合金を巻き回したトロイダルコアが容易に作製できることで知られている。

非晶質合金は、モータのステータコアやローターコアに適用拡大されることが期待されているものの、これらのコアは、形状が複雑なので、トロイダルコアにて形成することは困難であった。そこで、非晶質合金リボンを所定形状に打抜いて非晶質合金片とし、この非晶質合金片を積層してコアを形成する手法が適用されている（例えば、特許文献１）。
しかし、非晶質合金リボンを、通常の打抜き装置にて所定形状に打抜こうとすると、非晶質合金リボンは難加工材のため、パンチやダイスの工具寿命が短くなるということが知られていた。これに対し、非晶質合金リボンに熱処理を施し、合金そのものの構造を緩和して、材料のねばさを減少させ、材料を適度に脆くして加工性を改善する手法が提案されている（例えば、特許文献２）。この手法によれば、工具とリボンの摩擦を低減させることができ、工具寿命を延ばせるとされている。

特開２００３－２１９６１３号公報特開２００２－０５３９３９号公報

特許文献２に記載されている方法は、非晶質合金リボンの加工性を改善して工具寿命を延ばすことが期待できるが、大幅な改善は見込めない。また、ナノ結晶軟磁性材料のように、非晶質合金リボンを、磁気特性の改善を目的として熱処理すること（以下、アニール処理と示す。）があり、この場合の熱処理は、加工性を改善することが目的ではないため、アニール処理によって非晶質合金リボン全体の脆化が進み、通常の打抜き方法では打抜荷重が大きすぎて、非晶質合金リボンに亀裂や割れが生じて打ち抜き加工自体が困難となってしまう。そのため、レーザー加工やワイヤー放電加工など、生産性の低い加工方法しか選択肢がないという課題があった。

そこで本発明では、非晶質合金リボンから所定形状の非晶質合金片を打抜き加工する際、工具寿命を延ばしつつ、アニール処理により脆化した非晶質合金リボンにも適用可能な非晶質合金片の製造方法を提供する。

本発明である非晶質合金片の製造方法は、非晶質金属リボン表面に、所定形状の打抜き輪郭線を構成する凹部をレーザーにより形成し、前記輪郭線に沿って非晶質合金片に打抜き加工する非晶質合金片の製造方法である。

また、前記レーザーは、超短パルスレーザーであることが好ましい。

また、本発明の非晶質合金片の製造方法で作製された非晶質合金片を、複数積層して積層コアを得ることが好ましい。

本発明によれば、非晶質合金リボンから所定形状の非晶質合金片を打抜き加工する際、工具寿命を延ばしつつ、アニール処理により脆化した非晶質合金リボンにも適用可能な非晶質合金片の製造方法を提供することが可能になる。

本実施形態における非晶質合金片の製造方法の手順を示すフローチャートである。実施例における、加工後のFe基ナノ結晶合金リボンの外観である。実施例における、超短パルスレーザーで形成した凹部の拡大図である。実施例における、超短パルスレーザーで形成した凹部形状をグラフ化したものである。実施例における、打抜き金型で打抜いたFe基ナノ結晶合金片の外観である。実施例における、打抜いたFe基ナノ結晶合金片の切断面である。

以下に、本発明について、その実施形態を説明するが、本発明がかかる実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態の重要な特徴の一つは、非晶質合金リボン表面に所定形状の打抜き輪郭線となる凹部をレーザーにより形成したことにある。本構成により、打抜き工具の剪断力を、上述の凹部に作用させることができ、低い打抜き荷重で打抜き加工を施すことができる。これが本発明における工具寿命を延ばすことができる一つの作用である。
また、加工に時間を要するレーザーの使用は、打ち抜き輪郭線に沿った凹部のみを形成するに留め、その後に打抜き加工を組み合わせることで加工時間を短縮することができる。これが本発明において生産性を向上することができるもう一つの作用である。

加えて、非接触加工が可能な超短パルスレーザーを用いて凹部を形成することにより、通常のレーザーで見られる凹部周辺の金属溶融による盛り上がりや、レーザー加工熱による磁気特性の劣化も最低限に抑えることができる。

非晶質合金リボンの材質もこれを特に限定するものではない。例えば、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｃ系等のFe基アモルファス合金、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｎｂ－Ｃｕ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｎｂ－Ｃｕ―Ｎｉ系等のFe基ナノ結晶合金等に適用することができる。このうち、本実施形態は、脆性が高いＦｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｎｂ－Ｃｕ系やＦｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｎｂ－Ｃｕ―Ｎｉ系に適用することがより好ましい。

また、一般的に、打抜き加工における、パンチとダイとのクリアランス、いわゆる片側クリアランスには、材料にあった適正範囲が存在し、板厚の３％～２０％程度とされる。そして、適正範囲を外れると工具寿命は短くなることが知られている。従って、工具寿命を保ちつつ、打抜き加工するためには、予め、適正なクリアランス範囲を確認し、その後、加工が適正範囲内で行われるように、厳正に管理をしながら加工をしなければならなかった。
上述した非晶質合金リボンは、通常５～５０μｍ程度の厚さであるため、適正なクリアランス範囲は極めて狭く、クリアランスの調整はかなり難しい。

所定形状の打抜き輪郭線となる線状の凹部を形成したことで、凹部底に応力が集中すれば切断に至るため、従来よりも小さな打抜荷重で打ち抜けるとともに、広いクリアランス、具体的には板厚よりも広いクリアランスであっても、正常な打抜き加工ができる。
これにより、工具寿命を短くする要因のひとつである打抜き工具のカジリを抑制することが可能となる。

また、アニール処理をしていない非晶質リボンの打ち抜き切断面は、延性破断面となるが、アニール処理により脆化した非晶質合金リボンの場合はへき開破断面となり、打抜荷重は更に少なくなる。
なお、必要となるクリアランスは、打抜き形状と凹部溝深さで決められることになる。

凹部の形成に使用するレーザーとしては、ファイバーレーザ、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザー、ダイオードレーザー等が適用できる。

ここで、超短パルスレーザーを用いると、熱的過程を伴わない加工で凹部を形成することができる。つまり、超短パルスレーザーは、レーザーのパルス幅が非常に短く、かつ、エネルギー密度が高いので、レーザーが照射された金属原子の温度が上がると、隣の原子に熱が伝わる前に、照射された原子の結合が切れて外部に飛散し、その結果、凹部が形成される。そのため、エネルギー密度の低い、通常のレーザーを用いた溶融加工の様に、凹部から少し離れたところに溶融金属が飛び散るスパッタや、凹部の周囲に溶融金属が押しやられて発生する盛り上がりが発生しない。したがって、超短パルスレーザーによって凹部を形成し、その後の打ち抜き加工によって得られた非晶質合金片には、その表面に溶融金属の盛り上がり等が生じない。そして、それらの非晶質合金片を積層することで、モータのステータスコアなどに用いる積層コアを製造した場合、溶融金属の盛り上がりなどが原因で発生する積層コアの層間絶縁不良による渦電流損の悪化や、占積率の低下などの影響をなくすことが可能となる。

ここで、超短パルスレーザーとは、10ピコ秒以下の時間的オーダーの電磁パルス幅をもつパルスレーザーである。

凹部の深さは、これを特に限定するものではない。例えば、リボンの厚さに対して２０％～７０％が好ましく、４０％～７０％がより好ましい。また、非晶質金属リボン表面における溝の幅は、レーザーの集光性、つまり光学系の機器構成によって決まる。溝の幅の例としては、非晶質金属リボン表面で３０～１００μｍである。

本実施形態では、非晶質金属リボン表面に、所定形状の打抜き輪郭線となる凹部を形成し、打抜き用パンチ及びダイにて非晶質合金片に打抜き加工する。打抜き輪郭線となる凹部を形成することで、大きな打抜荷重を掛けずに非晶質合金片を打ち抜くことができるので、アニール処理により脆化した非晶質合金リボンに対し打ち抜き加工をすることができる。また、小さな打抜荷重で、非晶質合金リボンに対する打ち抜き加工ができるので、工具寿命を改善することが可能となる。更に、加工に時間を要するレーザーの使用は、打ち抜き輪郭線に沿った凹部のみを形成するに留め、その後に打抜き加工を組み合わせることで、加工時間を短縮することができ、非晶質合金片の生産性を向上することが可能となる。以下、詳しく説明する。

まずは、図１に示すフローチャートにより、本実施形態である非晶合金片の製造方法の一態様について説明する。
（第１ステップ）
第１ステップでは非晶質合金リボンを加工装置にセットする。例えば、コイル状に巻回された非晶質合金リボンをコイルから巻き出し、加工装置の送り機構上に載置して、非晶質合金リボンの表面上に凹部を形成する機構に送る。

（第２ステップ）
非晶質合金リボンの表面上に、所定形状の打抜き輪郭線を構成する凹部をレーザーにより形成する。例えば、超短パルスレーザーを非晶質合金リボンの表面上に照射して、所定形状の打抜き輪郭線となる凹部を加工する。

（第３ステップ）
次に、第２ステップで形成された凹部で構成される輪郭線に合わせて、パンチとダイを位置決めし、パンチとダイを用いた打抜き加工により非晶質合金片を得る。
非晶質合金リボンを送りながら上述の各ステップを繰り返して加工することにより、複数の非晶質合金片を得ることが可能となる。

以下に、本実施形態における実施例を示す。
まず、非晶質合金リボンとして、アニール処理した厚み３０μｍのFe基ナノ結晶合金リボンを準備し、その表面に、φ９．３の円環状の凹部を超短パルスレーザーで形成した。
図２は、加工後のFe基ナノ結晶合金リボンの外観を示し、図３は、超短パルスレーザーで形成した凹部の拡大図（図２の四角で囲まれた部分の拡大図）を示している。
この時の超短パルスレーザーの加工条件は、パルス幅は４００fs、パルスエネルギーは１６μJ、周波数は１０００kHz、走査速度は２０００mm/sで、７５周繰り返し走査した。その後、形成された凹部の形状を、３Ｄ測定レーザー顕微鏡（オリンパス社製ＯＬＳ５０００－ＥＡＴ）で計測し、横軸に水平位置を、縦軸に高さを取ってグラフ化したところ、図４に示すような凹部形状が得られ、凹部の深さは約１２μｍで、凹部の幅は約７０μｍとなった。また、凹部の周辺の盛り上がり等は見られなかった。
図５は、φ９．３の凹部に沿って、クリアランス５０μｍの打抜き金型で打抜いたFe基ナノ結晶合金片の外観を示している。アニール処理することで脆化したFe基ナノ結晶合金リボンから打抜いたにも変わらず、カケ・ワレなく打抜けていることが分かる。
図６は、打抜いたFe基ナノ結晶合金片の切断面を示している。上半分は超短パルスレーザーによる加工断面、下半分は打抜きにより切断時に形成されたへき開破断面が確認できる。

以上より、予め、非晶質合金リボン表面に打抜き輪郭線となる凹部を形成することで、工具にかかる負荷を小さくできるため、工具寿命を改善できる。また、通常よりも大きなクリアランスで打抜き加工ができるため、工具の調整に掛かる工数の削減も期待できる。

本発明は、非晶質組織を維持したまま製品となるものだけでなく、非晶質合金リボンとして打抜き加工され、その後に熱処理によってナノ結晶化されるナノ結晶合金用の非晶質合金リボンにも適用可能である。

Claims

非晶質金属リボン表面に、所定形状の打抜き輪郭線を構成する凹部をレーザーにより形成し、前記輪郭線に沿って非晶質合金片に打抜き加工する、ことを特徴とする非晶質合金片の製造方法。
前記レーザーは、超短パルスレーザーであることを特徴とする請求項１に記載の非晶質合金片の製造方法
請求項１または２に記載の非晶質合金片の製造方法で作製された非晶質合金片を、複数積層して積層コアを得ることを特徴とする積層コアの製造方法。