非晶合金板材加工用模具部件以及非晶合金板材的加工方法与流程

1.本发明涉及非晶合金板材加工用模具部件以及非晶合金板材的加工方法。


背景技术：

2.作为电动汽车、混合动力汽车的电动机使用的旋转电机，为了确保输出，希望降低源于高速旋转化的高频交变磁通所带来的损耗而高效运行。至今，通过逆变器的使用、稀土类磁铁的适用、结构设计的最佳化等使旋转电机的高效化得到进展，但为了进一步高效化，需要降低用于磁极的积层铁芯的铁损。为此，取代现有的积层铁芯所使用的硅钢板，适用非晶合金、具有微小的bcc结构的fe结晶相、fesi结晶相以及非晶相的纳米晶软磁合金这样的低损耗磁性材料的呼声越来越高。
3.作为非晶合金，已知有例如fe-si-b系软磁合金，通过单辊旋淬法等方法将调制为预定组成的熔液进行超急冷来制备非晶化的薄带。metglas inc公司制备的metglas(注册商标)2605hb1m、2605sa1、fe-si-b-cr系的2605sa3均为市售品，可以购买。
4.另外，纳米晶软磁合金是对与非晶合金同样得到的非晶化薄带进行热处理，使得fe结晶相、fesi结晶相析出(纳米晶化)的材料。已知有例如fe-si-b-cu-nb系日立金属株式会社制备的finemet(注册商标)ft-3m、vacuum schmelze gmbh&co.kg公司制备的vitroperm(注册商标)800、fe-b-zr-cu系的magnetec-gesellschaftmagnet technologie mbh公司制备的nanoperm(注册商标)
5.任一种通常以十～数十μm的厚度、以长条的薄带方式提供，其也称作条带、碎条、膜或箔。在后续说明中，除了这样的单层薄带之外，还将包括多层薄带叠层得到的多层材料、包含粘接层的复合材料以及重叠了电磁钢板等其他材质的多层材料总称为非晶合金板材。
6.已知非晶合金通常是一种不会引起应变硬化的理想的弹塑性材料，具有较大的塑性变形能与韧性高的性质，但在诸如拉伸试验的单轴应力的条件下，显然难以发生伸长。具有这样性质的非晶合金板材非常硬，与结晶化硅钢板相比具有加工性差的缺点，成为其在需要将板材加工成预定形状的积层铁芯的适用方面没有进展的主要原因。
7.基于这样的背景，在研究各种能够从非晶合金板材获得预定形状的薄板、铁芯的加工技术。其中之一，存在通过使用了由凸模(
パンチ
)与凹模(
ダイ
)构成的模具部件的冲压装置进行冲孔的技术，但现有的模具部件中，存在用于加工的刀刃易于产生磨耗、切屑(
チッピング
)等，导致刀刃的维护、模具部件的交换频率高的课题，生产性低，在量产化上的适用未能进展。
8.模具部件的刀刃损耗推测其主要原因是由于反复冲击、剪切加工所导致的疲劳破坏以及与剪切的板材之间的摩擦，作为对策实行了将dlc(diamond like carbon，类金刚石碳)、alcrn系、crn系、tin系等硬质皮膜形成于刀刃。在专利文献1中公开了在其表面具有包含al、cr、n的硬质皮膜的冲孔用模具部件。
9.现有技术文献
10.专利文献
11.专利文献1：日本特开2018-164936号公报


技术实现要素：

12.发明所要解决的课题
13.然而，专利文献1的模具部件是适用于电磁软铁的冲孔加工的材料，在非晶合金板材的冲孔加工中，对于刀刃的损耗还存在改善的空间，对于上述形成有其他硬质皮膜的模具部件也同样希望得以改善。
14.为此，本发明的目的在于提供一种在非晶合金板材的剪切加工或断裂加工中刀刃损耗得到改善、长寿化的模具部，另外还提供一种模具部件的刀刃损耗得到改善、长寿化的非晶合金板材的加工方法。
15.解决课题的方法
16.本发明的模具部件，是对非晶合金板材进行剪切加工或断裂加工的模具部件，所述模具部件具有由金属及硬质的金属化合物形成的基材和形成于其表面的用于所述加工的区域的硬质皮膜，所述硬质皮膜具有含有ti、si、n的第一硬质层。
17.本发明中，优选地，所述硬质皮膜为多层，在所述第一硬质层与所述基材之间还具有含有ti、al、n的第二硬质层。
18.另外本发明中，优选地，所述金属化合物以平均粒径5μm以下的碳化钨为主要成分。
19.另外本发明中，优选地，所述模具部件具有凸模部以及具备使所述凸模部插入的孔的凹模部，在所述凸模部的插入所述凹模部的部分形成有所述硬质皮膜。
20.另外本发明中，优选地，在所述凸模部的侧面具有形成有硬质皮膜的部分以及未形成硬质皮膜的部分，至少在插入所述凹模部的部分形成有硬质皮膜。
21.另外本发明中，优选地，在所述凸模部的与所述非晶合金板材接触的表面未形成所述硬质皮膜。
22.另外本发明中，优选地，在所述凹模部的插入所述凸模部的孔的表面形成有所述硬质皮膜。
23.另外本发明中，优选地，在所述凹模部的孔的表面具有未形成所述硬质皮膜的部分。
24.另外，本发明的非晶合金板材的加工方法是使用具有凸模部、具备使所述凸模部插入的孔的凹模部的模具部件，对配置在所述凹模部的非晶合金板材，使用所述凸模部进行冲孔的非晶合金板材的加工方法，所述凸模部具有由金属及硬质的金属化合物形成的基材以及在其表面形成的硬质皮膜，所述硬质皮膜具有含有ti、si、n的第一硬质层，所述硬质皮膜形成于所述凸模部的插入所述凹模部的部分。
25.本发明中，优选地，在所述凸模部的侧面具有形成有硬质皮膜的部分以及未形成硬质皮膜的部分，至少在插入所述凹模部的部分形成有硬质皮膜。
26.另外本发明中，优选地，在所述凸模部的与所述非晶合金板材接触的表面未形成所述硬质皮膜。
27.另外本发明中，优选地，所述凹模部具有由金属及硬质的金属化合物形成的基材
以及在其表面形成的硬质皮膜，所述硬质皮膜具有含有ti、si、n的第一硬质层，在所述凹模部的插入所述凸模部的孔的表面形成有所述硬质皮膜。
28.另外本发明中，优选地，在所述凹模部的孔的表面具有未形成所述硬质皮膜的部分。
29.另外本发明中，优选地，所述硬质皮膜为多层，在所述第一硬质层与所述基材之间还具有含有ti、al、n的第二硬质层。
30.另外本发明中，优选地，所述金属化合物以平均粒径5μm以下的碳化钨为主要成分。
31.发明效果
32.根据本发明，能够提供一种在非晶合金板材的剪切加或断裂加工中，刀刃的损耗得到改善、长寿化的模具部件。另外，能够提供一种模具部件的刀刃损耗得到改善、长寿化的非晶合金板材的加工方法。
附图说明
33.图1是根据本发明一实施方式的模具部件(凸模)的示意图。
34.图2是根据本发明一实施方式的模具部件(凹模)的示意图。
35.图3是根据本发明一实施方式的模具部件的截面的示意图。
36.图4是显示非晶合金板材的截面结构的示意图。
37.图5是用于说明据本发明一实施方式的冲孔的示意图。
38.图6是通过模具部件从非晶合金板材进行冲孔得到的冲孔材料的示意图。
39.图7是根据本发明一实施方式的模具部件进行冲孔得到的冲孔材料的一部分截面图。
40.图8是通过激光显微镜观察的冲孔材料图像。
41.图9是显示相对于冲孔次数而言冲孔材料的变形高度的推移的比较的图。
42.附图标记
43.1：模具部件(凸模)，2：模具部件(凹模)，11：非晶合金板材，12：非晶合金薄板，13：不同材质薄板，14：粘接层，20：基材，21：硬质皮膜，22：第一硬质层，23：第二硬质层，24：凸模的刀刃，25：凹模的刀刃，40：变形高度，41：毛刺，42：断裂面，43：剪切面，44：塌边，110～123：拍摄位置，130：修正范围，131：剖面线。
具体实施方式
44.以下，对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明不限于此。另外，在图的部分或全部中，省略了无需说明的部分，另外，为了便于说明存在扩大或缩小等进行图示的部分。在本说明书中，利用“～”表示的数值范围意味着“～”前后所记载的数值作为下限值以及上限值而包含在范围内。
45.图1与图2中示出了根据本发明一实施方式的模具部件的示意图。图1所示的模具部件1在直角棱柱状的基材20的表面具有硬质皮膜21，该硬质皮膜21具备含有ti、si、n的第一硬质层。硬质皮膜21形成于包括未图示的底面的整面以及侧面的面上，在图示的例中硬质皮膜21仅形成于基材20的下侧，但只要在至少用于加工的区域中形成即可。图2所示模具
部件2在模具部件1例如用作冲孔用凸模时可以用作配成一对的凹模。在具有所述模具部件1(凸模)可以插通的矩形孔(贯通孔)的基材20中，至少在所述贯通孔的上侧表面具有硬质皮膜21，该硬质皮膜21具备含有ti、si、n的第一硬质层。
46.在图1所示的模具部件1(凸模部)中，在侧面，在下侧形成有硬质皮膜21，在其上侧未形成硬质皮膜21。下侧形成有硬质皮膜21的部分具有插入图2所示模具部件2(凹模部)的孔的部分。如此，通过仅在凸模部的一部分形成硬质皮膜21，可以削减硬质皮膜21的形成工时、原材料等，是高效的。这一点在模具部件2(凹模部)中也是同样的。
47.具有含有ti、si、n的第一硬质层的硬质皮膜21，希望在模具部件1、2的双方都设置，也可以至少在一方模具部件具有硬质皮膜21，而另一方的模具部件上设置上述的现有的硬质皮膜。另外，模具部件包括由分离部件组合构成的模具。
48.图3中示出了根据本发明一实施方式的模具部件的截面示意图。在基材20之上，硬质皮膜21具有2层结构，硬质皮膜21的最外侧表面具有含有ti、si、n的第一硬质层22。
49.根据本发明的第一硬质层至少含有ti、si、n作为耐磨性、耐久性优异的硬质皮膜来保护基材20、防止损耗并提高寿命。在导入氮气的腔室内使用ti-si靶材通过蒸镀法来形成第一硬质层22的情况下，si含量越多则硬度增加。因此，在以x作为仅考虑金属元素的情况下的原子比并通过ti
x
si
1-x
进行表示的情况下，希望x《0.90。需要说明的是，第一硬质层的结构优选为平均粒径25nm以下的纳米结晶。
50.另外，在基材20与第一硬质层22之间具有第二硬质层23。该第二硬质层23至少含有ti、al、n。第二硬质层23发挥提高密合性、提高剥离强度的基底的作用。因此，优选设置第二硬质层23，但也可以不设置。对于第二硬质层23，在以y作为仅考虑金属元素的情况下的原子比并通过tiyal
1-y
进行表示的情况下，优选0.25《y《0.75，更优选0.30《y《0.50。
51.另外，硬质皮膜21只要是在表层具有含有ti、si、n的第一硬质层的构成，还可以含有多层硬质层，还可以是如下方式，即例如将以ti、si、n为主要成分的硬质层与以ti、al、n为主要成分的硬质层交替成膜，层叠为3层以上的多层的硬质皮膜的方式，还可以设置具有其他成分的硬质层。另外，在将第一硬质层22形成为暂时保护的皮膜的情况，也包含于本发明。
52.第一硬质层22以及第二硬质层23可以通过公知的成膜法来形成。例如，可以使用所谓电镀、化学镀的液相法、真空蒸镀法、分子束外延法、溅射法、离子镀等物理气相沉积法、热cvd、光cvd、等离子体cvd等化学气相沉积法来形成。另外，在硬质皮膜21形成前，可以对基材20实施氮化处理、渗碳处理。可以根据非晶合金板材组成、板厚或者单层、多层、有无粘接层等来选择成膜法。
53.在硬质皮膜21为第一硬质层22的单层的情况下，考虑磨耗费用以及剥离强度，优选膜厚在0.1～60μm范围内。需要说明的是，硬质皮膜21的膜厚更优选为0.2～20μm，进一步优选为0.5～10μm。但是，可以根据非晶合金板材的组成、板厚选择最佳膜厚，不限于该范围。
54.在硬质皮膜21为多层的情况下，表面的第一硬质层22的膜厚优选为0.1～30μm的范围内。另外，第二硬质层23的膜厚优选为0.1～30μm的范围内。需要说明的是，第一硬质层22的膜厚更优选为0.2～10μm，进一步优选为0.5～5μm。另外，第二硬质层23的膜厚更优选为0.2～10μm，进一步优选为0.5～5μm。
55.基材20通过由金属及硬质的金属化合物形成的材料所构成。基材20例如可以使用在jis b4053 2013所记载的材料分类中被分类到hw、hf、ht中的材料。在使用分类至hw或hf中的材料的情况下，优选例如由以碳化钨为主要成分的硬质相与以co等铁族金属为主要成分的结合相所形成的材料。还可以含有选自元素周期表4a、5a、6a族的过渡金属元素的至少1种与选自碳、氮、氧及硼的至少1种所形成的固溶体。在使用分类至ht的材料的情况下，可以使用例如由选自元素周期表4a、5a、6a族的过渡金属元素的至少1种与选自碳、氮、氧及硼的至少1种所形成的固溶体相、由选自1种以上的铁系金属所形成的结合相以及不可避免的杂质所形成的材料。另外，所述金属化合物以平均粒径5μm以下的碳化钨为主要成分，由此可以提高基材20的强度，进一步提高耐磨性。另外，金属化合物的平均粒径更优选为2μm以下。另外，为了通过降低基材20的韧性来抑制切屑，金属化合物的平均粒径优选为0.5μm以上，更优选为0.7μm以上。
56.图4示出了通过本发明的模具部件进行剪切加工或断裂加工的非晶合金板材的一例。非晶合金板材11至少具有1层的非晶合金薄板12。非晶合金薄板12可以使用例如fe基非晶合金、co基非晶合金、ni基非晶合金等。另外，其中还包含作为纳米晶软磁合金的前驱体的非晶合金。
57.作为非晶合金薄板12广泛使用的，通常每1层为数十μm板厚，在非晶合金板材11由1层非晶合金薄板12构成的情况下，用于剪切加工或断裂加工则操作性差。另外存在如下缺点，即：冲孔加工时每1次冲打(打数)的生产效率低下，在将多个模具部件组合加工时难以进行凹模与模之间的微小的间隙调整。因此，非晶合金板材11也可以是多张非晶合金薄板12层叠得到的材料。多张非晶合金薄板12可以由组成、厚度不同的非晶合金组合形成。另外，还可以是层叠了不同材质的薄板13得到的材料。不同材质的薄板13例如可以使用电磁钢板、电磁软铁、坡莫合金(permalloy)、波门杜尔铁钴合金(permendur)等软磁材料等，可以结合生产工艺选择最佳材料，不限于上述示例。
58.非晶合金板材11还可以在多张非晶合金薄板12的各层间、与不同材质的薄板13之间具有粘接层14。作为粘接层14的材质，例如作为热塑性树脂可以使用pps(聚苯硫醚)、pc(聚碳酸酯)、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等工程塑料，作为热固性树脂，可以使用环氧树脂、不饱和聚酯，但不限于上述示例。另外，在通过模具部件进行加工时，粘接层14可以为未固化。
59.图5示出了以模具部件1为冲孔凸模，以模具部件2为冲孔凹模，对非晶合金板材11进行冲孔的示例。例如在冲孔加工的情况下，通常在加工截面产生剪切及断裂。根据凸模与凹模之间的间隙、刀刃形状以及非晶合金板材11的结构，剪切、断裂的形态会不同，但不限于冲孔加工，可以适用于所有产生剪切或断裂的至少一者的加工。
60.本发明中，非晶合金板材11优选为1张非晶合金的薄带或2～6张非晶合金薄板12层叠得到的材料。
61.另外，本发明中，非晶合金板材11优选厚度为10μm～200μm，更优选厚度为14μm～150μm。
62.另外，本发明中，构成非晶合金板材11的非晶合金薄板12的厚度优选为10～50μm，更优选为14～40μm。
63.另外，本发明中，凸模与凹模的间隙优选为非晶合金板材的板厚的2％～10％。
64.实施例
65.作为非晶合金板材，准备metglas(注册商标)2605hb1m。非晶合金板材为长条形的单层薄带，板厚为25μm，宽度为30mm。将该非晶合金板材适用冲孔模具(图5的模具部件1、模具部件2)使其发生剪切和断裂，制备图6所示形状的冲孔材料(非晶合金板材的冲孔材料)。冲孔材料的尺寸为15mm
×
5mm的长方形，角部的r(曲率半径为r的倒角)为0.3mm。
66.根据本发明的冲孔模具部件的基材以碳化钨为主要成分，凸模使用平均粒径为0.7μm的超微粒超硬合金，凹模使用平均粒径0.5μm与5.0μm的粗粒混合型超硬合金。凸模为尺寸5mm
×
15mm
×
44mm的长方体，凹模在尺寸75mm
×
40mm
×
8mm的长方体上设置有5mm
×
15mm的长方形孔穴。根据本发明的冲孔模具的模具部件(凸模、凹模)以外的部件主要采用高速工具钢等。
67.硬质皮膜的硬质层以oc oerlikon balzers ag公司的baliq(注册商标)tisinos作为tisi靶材在导入氮气的腔室内进行成膜。该硬质皮膜的硬质层的形成使用溅射法之一的hipims(high power impulse magnetron sputtering，高功率脉冲磁控溅射)。该方法通过在靶材上施加高输出的脉冲电压，产生高密度等离子体，能够获得具有密合性、均匀且平滑的膜质。
68.首先，分别对于凸模与凹模，在基材上成膜tialn作为中间层(相当于第二硬质层)之后，在最表面成膜tisin(相当于第一硬质层)。成膜部分是具有冲孔形状5mm
×
15mm的周边的端部，是从凸模的刀刃24以及凹模的刀刃25开始约1cm的区域。在相对于凸模滑动方向(图5中相当于上下方向)的垂直的面与平行的面的两个面实施。成膜后，凸模与凹模同时在相对于滑动方向垂直的面进行研磨，仅在与凸模滑动方向平行的面(凸模的侧面、凹模的孔穴的表面)部分残留硬质皮膜。如果在相对于滑动方向垂直的面未进行研磨，尽管也可以使用凸模与凹模，但通过对相对于滑动方向垂直的面进行研磨，可以使刀刃具有尖锐的形状。冲孔时，从与非晶合金板材接触开始的滑动长度为从刀刃开始105μm，非晶合金板材不会与凸模滑动方向平行的面中未成膜硬质皮膜的部分发生接触。
69.需要说明的时，通过使用凸模与凹模反复进行冲孔，硬质皮膜会发生损耗。本发明的硬质皮膜相对于现有的硬质皮膜的耐久性高，但当冲孔的反复次数增加，本发明的硬质皮膜也会发生损耗。当硬质皮膜的损耗程度增加时，就不能发挥硬质皮膜的效果。在硬质皮膜的损耗程度增加的情况下，通过对凸模、凹模的刀刃进行研磨(对凸模、凹模的相对于滑动方向垂直的面进行研磨)，可以使得凸模、凹模的刀刃再形成尖锐形状。由此，可以将凸模、凹模重复使用。可以考虑该研磨作业的次数，决定成膜部分的宽度。成膜部分的宽度优选为滑动长度的3倍以上的宽度。进一步优选为滑动长度10倍以上的宽度。
70.在凸模以及凹模上形成的硬质皮膜从基材开始直至最外侧表面的总膜厚为大致2μm，其中，tialn的第二硬质层与tisin的第一硬质层分别为约1μm。硬质皮膜的厚度通过由光学显微镜得到的照片来计算。另外，组装各部件以使得在具有硬质皮膜的状态下，凸模与凹模的间隙为板材的板厚的10％，即2.5μm。
71.第二硬质层的组成以原子比计为ti
0.20
al
0.25n0.55
，第一硬质层的组成以原子比计为ti
0.34
si
0.12n0.54
。这些组成，通过使用波长色散x射线分析(wavelength dispersive x-ray spectroscopy)的组成分析，除去不可避免杂质来求得。
72.本实施例中所用的压机为株式会社放电精密加工研究所制备mps405ud。除了非晶
合金板材的板厚25μm，考虑到直至断裂的伸长，从凸模前端与凹模上端的高度对齐的位置开始，将低于此80μm的位置设定为下死点。即，凸模表面在与非晶合金板材接触开始滑动105μm的点为下死点。冲孔速度为31mm/s。冲孔速度是以采样率0.2ms的测序仪读取的在4轴伺服压机上搭载的线性刻度值，计算出凸模与非晶合金板材接触时位置的速度而算出的。考虑生产性，冲孔速度优选为10mm/s以上，更优选为30mm/s以上。另外，为了避免由于摩擦导致的各部件的急速发热，冲孔速度优选为800mm/s以下，更优选为600mm/s以下。
73.作为冲孔材料形状的评价方法，首先使用keyence公司制备的激光显微镜vk-x1000拍摄冲孔材料的端部14点。对于拍摄位置，对图6所示点110至123进行定点观测，对于各点将270μm
×
202μm的区域作为拍摄范围。镜头的放大倍率为50倍。相对于接触凸模的冲孔材料的表面，从垂直方向进行观察。也就是说，在从图7所示z轴负方向向正方向拍摄时，在z轴的负方向检测出变形高度40。
74.图8为观察图的示例，拍摄范围的至少50％以上为冲孔材料11，调节位置来进行观察以便能够拍摄变形高度40。在修正范围130内计算倾斜度，对图像整体进行一次平面修正，以使得除了冲孔材料的端部之外的平坦部分为基准面。对于修正后的图像，以60μm的间隔引出5根与冲孔材料端部垂直交差的剖面线131，从各剖面线求出各自的变形高度40。即，对于1个拍摄位置，得到5个变形高度40的数据。该测量针对14个拍摄位置进行，获得了5
×
14＝70个剖面。也就是说，对于特定的冲孔数的冲孔材料，可以得到70个变形高度40的数据。求出该70个变形高度40的数据的平均值、最大值、最小值。以上的评价，对于冲孔次数100,000冲孔的冲孔材料进行。
75.冲孔材料截面，通常如图7的示意图所示，可确认塌边44、剪切面43、断裂面42、毛刺41。在合适的冲孔的情况下通常可以观察到含有剪切面43与断裂面42这2种模式的截面。当模具的损耗推进时则剪切面减少，断裂面的比率增加，同时塌边44、毛刺41的高度增加。
76.作为比较例1，准备具有alcrsin的硬质皮膜的模具进行非晶合金板材的冲孔加工。比较例1中通过电弧离子镀法进行成膜。基材、板材、冲孔速度等的条件相比于实施例不变。
77.对于实施例1及比较例1的构成的不同，示于表1。图9示出了横轴为冲孔材料的冲孔次数、纵轴为冲孔材料的变形高度的图。以平均值进行作图，并将最大值与最小值的范围作为误差范围进行显示。
78.表1
[0079][0080]
比较例1中，仅仅进行了20,000次的冲孔即发生了最大约23μm的变形。实施例1通过含有作为第一硬质层的tisin的硬质皮膜，模具的基材得以保护，在实施范围内变形高度40未超过20μm。由此可以确定，实施例1的硬质皮膜对于非晶合金的加工有利，可以提高寿命。