JP2669308B2 - アモルファス被覆体及びその成形方法 - Google Patents
アモルファス被覆体及びその成形方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アモルファス金属を母
材の表面に被覆層として成形するアモルファス被覆体の
成形方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】アモスファス金属は、機械的強度が大き
く、熱膨張係数が小さく、化学的耐蝕性および耐摩擦性
に優れている特性を有しているため、種々の部品に応用
されつつある。また、アモスファス金属の磁気的特性を
利用して磁性材料としても多くの製品に利用されつつあ
る。例えば、トルクセンサの磁性材料としてアモルファ
スが利用されている。 【０００３】このようなアモルファスの成形の方法とし
ては、従来より数多くの方法が考えられていた。例え
ば、特開昭５７−２１１０３０号公報には、薄帯に成形
されたアモルファス金属を駆動軸の表面に接着剤（エポ
キシ樹脂等）あるいは半田付け等によって、接着される
方法が開示されている。 【０００４】また、特開昭５８−９０３４５号公報に
は、磁歪材料としてアモルファス金属薄帯が固着された
トルクセンサが開示されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５７−２１１０３０号公報の方法では、駆動軸とアモル
ファス金属薄帯との接着部分の十分な接着強度を得るこ
とができないため、長時間使用すると疲労による剥離、
あるいは応力にともなう磁気特性の変化が十分に生じな
いという問題が生じてしまう。 【０００６】さらにまた、特開昭５８−９０３４５号公
報には、具体的なアモルファス金属の固着方法が開示さ
れていない。そこで、本発明の目的は、上記の問題点に
鑑み、被覆層としてアモルファス金属が母材の表面に強
固に固着されたアモルファス被覆層およびその成形方法
を提供することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、第
１の発明として筒状容器の中央に金属製の母材を配置
し、且つ該母材と前記容器との間の空間に、粒径が０．
０１μｍ〜２００μｍのアモルファス金属粉末を充填
し、前記容器を密封後、成形圧が０．７〜８０ＧＰａの
高速度加工を前記容器に施すことによって、前記母材の
表面にアモルファス金属の被覆層を成形するアモルファ
ス被覆体の成形方法を提供するものである。 【０００８】また、第２の発明として、母体と該母材の
表面において、成形圧が０．７〜８０ＧＰａの高エネル
ギー速度加工を施すことによって成形されたアモルファ
ス金属の被覆層とからなるアモルファス被覆体を提供す
るものである。ここでアモルファス被覆体を形成する上
で特に留意すべき点を述べる。一般に母材の内部は、内
部応力、結晶粒界、成分不均一、格子欠陥、不純物の析
出など種々の原因により不均一である。このため母材の
透磁率は、場所および方向により、それぞれ異なる値と
なる。それ故、アモルファス金属を単に母材の表面に配
して高エネルギー速度加工により両者を固着させようと
すると、アモルファス金属の粉末および原子間には、格
子欠陥、粒界、成分不均一、不純物の析出等の問題が発
生する。これらの問題は両者が強固に固着されないとい
う原因となるものである。 【０００９】したがって本発明においては以下の記す点
に留意してアモルファス被覆体を形成する。まず両者の
高エネルギー速度加工する前に、留意する点として、第
１はアモルファス金属粉末の製造時は、すべて不活性ガ
スであるアルゴン（Ａｒ）の雰囲気中で行なう。これは
アモルファス金属の粉末の表面に酸化物層が形成されな
いようにするためである。第２は、アモルファス金属粉
末の粒径を０．０１〜２００μｍとする。これは、高エ
ネルギー速度加工時にアモルファス金属薄帯と母材が良
好に固着されるためである。第３は、被覆層の形成され
る母材の表面、およびアモルファス金属の粉末の表面
を、１０-2〜１０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でプラズマ処
理する。これは前記表面の酸化物層を除去すると同時
に、高エネルギー速度加工時に固着性をよくするように
前記表面を活性化するためである。 【００１０】 第４として、高エネルギー速度加工時に
は、単位時間当たりのエネルギーが、母材とアモルファ
ス金属に均一に加わる方法を用いる。これはアモルファ
ス金属の粉末と粉末、アモルファス金属の粉末と母材表
面が、どの部分においても均一に接合、固着するためで
ある。第５として、高エネルギー速度加工後、高エネル
ギーが加わることによって発生する、母材とアモルファ
ス金属との境界での歪み、あるいはアモルファス金属粒
子内の歪みを取り除くため行う熱処理は、不活性雰囲気
中で行う。そして、熱処理温度は非晶質であるアモルフ
ァス金属か結晶化しない温度で行うものとする。 【００１１】以上述べた点に留意することにより、本発
明は母材の表面にアモルファス金属を強固に固着したア
モルファス被覆材を形成することができる。 【００１２】 【発明の効果】上記成形方法を採用することによって、
高エネルギー速度加工による高エネルギーをアモルファ
ス金属に確実に伝達することができ、従って母材表面に
アモルファス被覆層を強固に固着したアモルファス被覆
体を得ることができる。 【００１３】 【実施例】 （第１実施例）アモルファス金属が粉末である場合につ
いて説明する。ここでアモルファス金属は金属元素であ
る鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、
クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも一種を
主体とするアモルファス金属粉末である。このアモルフ
ァス金属粉末は、金属元素と半金属（燐（Ｐ）、炭素
（Ｃ）、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）など）との合
金、あるいは鉄系元素と希土類金属（Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ
など）との合金を用いることができる。代表的なアモル
ファス金属粉末としては、Ｆｅ70Ｃｏ15Ｂ15、Ｆｅ 80Ｂ
15Ｂｉ5 、Ｆｅ40Ｎｉ40Ｐ14Ｂ6 、Ｆｅ70Ｃｏ15Ｂ15、
Ｃｏ80Ｂ15Ｃ15、Ｎｉ78Ｂ2 Ｓｉ10などがある。（ここ
で７０、１５、５などの数値は原子％を示す。）アモル
ファス金属粉末の粒子形状は、対称性に優れた球状、細
長いひょうたん状が良いが、場合によっては薄片状、リ
ボン状、線状でもよい。 【００１４】本発明ではアモルファス金属粉末の粒径は
０．０１〜２００μｍ程度のものを用いる。ここで０．
０１〜２００μｍと数値を限定した理由は以下のようで
ある。即ち０．０１μｍ未満では粉末粒子の表面積に比
べて粉末粒子の体積が小さくなる。そのため爆発成形な
どの高エネルギー速度加工を施したときにアモルファス
金属粉末の粒子表面で発生する熱を、該粒子の内部へ奪
いとることが不十分となる。その結果該粒子表面に存す
るアモルファス金属超微粉末のアモルファス性が失われ
易くなるからである。また２００μｍを越えると、粉末
充填密度が低くなり、粉末粒子の接合性が低下するから
である。 【００１５】粒径０．０１〜２００μｍのアモルファス
金属粉末は通常用いられる方法で製造できる。例えば回
転ロール法、アトマイズ法、スプレー法、スパーク法、
キャビティション法などを用いることができる。粒子が
球状のアモルファス金属粉末はスパーク法、アトマイズ
法で製造できる。回転ロール法でアモルファス金属粉末
を製造する代表的な例について更に具体的に説明する。
即ち、Ｆｅ６５部、Ｃｏ１５部、Ｂ１５部、Ｓｉ５部の
組成を持つ粒径１〜１０００μｍの粉末をボールミルに
て混合した後、１３．５６ＭＨZの高周波加熱にて１４
００℃以上で溶解させる。その後この溶湯を直径５〜３
０ｍｍの棒状に形成する。次にこの棒状成形体を石英製
又はセラミック製の容器にて１３５０℃から１４００℃
の温度で加熱溶解する。加熱溶解は高周波溶解がよい。
次に上記のように形成した溶湯を容器のノズルから回転
ロールに向けて噴出させ、水面にて粉砕しつつ、かつ１
０4 〜１０6 ℃／ｓｅｃで急冷する。これにより粒径
０．０１〜２００μｍのアモルファス金属粉末を製造す
る。このようにアモルファス金属粉末の製造時は、粉末
表面に酸化物層を作らないようにアルゴン（Ａｒ）ガス
の雰囲気が好ましい。このように製造された粉末の粒子
形状は、球状、ラグビーボール形、楕円球状、ピーナッ
ツ形状等のものができる。 【００１６】次に、上述したアモルファス金属粉末をト
ルクセンサの磁性材料として被覆した場合についてさら
に詳細に説明する。本実施例においては上述した粉末
を、被覆層が形成される母材である駆動軸の表面に配し
た後、両者を高エネルギー速度加工することにより、固
着し、アモルファス被覆体を形成する。 【００１７】図１は本発明のアモルファス被覆体を駆動
軸として用いたトルクセンサの模式図であり、図２は励
磁コイル配置状態を示す部分外観図、図３は図１のＩＩ
Ｉ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は図３の一部拡大図で
ある。図４から明らかなように、高エネルギー速度加工
した状態では、アモルファス金属の粉末は、駆動軸の表
面に固着されて被覆層を形成している。ここで高エネル
ギー速度加工とは、極めて短時間（一般的には１０-3〜
１０-8秒程度の極めて短い時間）にエネルギーを瞬間的
に放出して成形する加工方法の意味である。高エネルギ
ー速度加工を用いれば、単位時間当たりのエネルギー即
ちエネルギー速度が極めて大きいため、熱をあまり生じ
させることなく固結できる。従って、アモルファス性を
損なうことなく固結できる。高エネルギー速度加工によ
る形成圧力は０．７〜８０ＧＰａがよい。ここで成形圧
力が０．７ＧＰａ以上であると一体成形が可能であり、
更に好ましくは１．５ＧＰａを越えた方がより良好で均
一質な被覆材を得ることができる。代表的な高エネルギ
ー速度加工としては爆発成形加工がある。爆発成形加工
は、ＴＮＴ火薬がダイナマイトの爆発によって生じる衝
撃波やガス膨脹で瞬間的に圧力を加える方法である。爆
発成形は一般的には水中で火薬を爆発させて行う。爆発
成形の圧力は、水面から火薬までの深さ、火薬から被成
形物への距離、火薬の量によって調整できる。爆発成形
を用いた場合の圧力も０．７〜８０ＧＰａが望ましい。
それよりも高圧を加えると、接合時の熱量が大きくなり
すぎ、アモルファス金属の一部が結晶化するためアモル
ファス性が失われ易くなり、又それよれも低圧であると
粒子が十分に接合しないからである。 【００１８】具体的には、まず前述のアモルファス金属
の粉末を、水素を含む１０-2〜１０Ｔｏｒｒの還元雰囲
気中にて、１０〜３０分間プラズマ下で還元処理をす
る。このときの温度は、アモルファス金属が結晶化する
温度（４５０℃）より低くし、２５０℃〜４５０℃であ
る。これにより、アモルファス金属の粉末表面は酸化物
層が全く取り除かれると同時に、活性化される。また直
径２０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの駆動軸も同様にプラズマ
下で処理して活性化する。このとき駆動軸材質としては
ビッカース硬度が１００〜３００Ｈｖであるものが適当
である。それは鉄系あるいはＮｉ系の金属たとえばＳ４
５Ｃ，Ｓ５５Ｃ，ＳＵＳ４１６，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ
３１６などが良い。ビッカーズ硬度を限定する理由は３
００Ｈｖ以上になると、母材表面が変形しないため、粉
末が母材の内部に入り込むことができにくいために固着
強度が悪い。１００Ｈｖ未満では爆発圧縮時に母材が変
形するため形状が保てないからである。 【００１９】次に、銅または鉄系材料の円筒容器の中央
に、前記処理の実施された駆動軸を配設する。そして駆
動軸と円筒容器の間の空間に振動（５〜１００Ｈｚ）を
与えながら前記処理の実施されたアモルファス金属粉末
を理論密度の約５０％に充填し、真空脱気後、容器を密
封する。その後シート爆薬を爆発させ、容器内のアモル
ファス金属粉末と駆動軸とを予備圧着処理を行なう。次
に成形用チャンバ内の爆薬の中央に容器を置き、爆発成
形を行なう。このとき、***による点爆発は爆薬レンズ
によって平面爆発波になり、主爆薬の上面に同時に伝播
し、主爆薬を爆発させる。容器内の粉末は、衝撃波によ
って半径方向と軸方向とに同時に圧縮される。そしてア
モルファス金属粉末は、容器を介して受ける衝撃波によ
り固着され、粉末相互及び粉末と駆動軸の表面とが確実
に固着接合される。この爆発衝撃波によって、粉末が衝
撃作用を受ける時間は１０-6秒程度である。またこの時
の圧力は０．７〜８０ＧＰａである。 【００２０】この衝撃作用により受ける圧力は、図５に
示すようにアモルファス金属粉末の粒径の割合に基づい
て、以下に述べるように制御する。図５（ａ）に示すよ
うな粉末の粒径割合のときは（５０〜２００μｍのもの
が１００％のとき）約１０〜８０ＧＰａの圧力を加え
る。図５（ｂ）に示すような粒径割合のときは（１０〜
５０μｍのものが５〜２０％、５０〜１３０μｍのもの
が８０〜９５％とき）約８〜５０ＧＰａの圧力を加え
る。図５（ｃ）に示すような粒径割合のとき（０．０１
〜０．０８μｍの超微粉末のものが０．１〜０．５％、
１０〜４０μｍのものが５〜３０％、５０〜１３０μｍ
のものが５５〜９５％のとき）は０．７〜１０ＧＰａの
圧力を加える。すると、アモルファス金属粉末は理論密
度の９０〜９９．９％の密度となって駆動軸表面上に固
着される。また、爆発成形加工時の母材の変形を考える
と、その圧力は小さい方がよい。そのため、図５（ｃ）
に示す粒径割合のアモルファス金属粉末を用いたものが
好ましく、その圧力は０．７〜１０ＧＰａが適当であ
る。 【００２１】この爆発圧力範囲は粒子と粒子との境界が
なくなる圧力で下限が決まり、上限は爆発時に発生する
熱によってアモルファス相が保たれることによって決ま
る。即ち９０ＧＰａ以上では、爆発時の粉末粒子と粉末
粒子間に発生する熱にてアモルファス粒子が加熱され、
そのためアモルファス相が結晶相に変化し、それが急冷
されても、もとのアモルファス相にもどらなくなる。 【００２２】尚、駆動軸の外周部に設置した銅または鉄
系材料の容器は、爆発形成後研削や切断にて取り除く。
またこの容器が取り除かれた駆動軸は、アモルファスが
結晶化しない温度（１００℃〜３５０℃）にて、磁気
（１０００〜２０００エルステッド）を印加しつつ、約
１〜２時間熱処理すると磁気特性は著しく改善される。
この様にして形成したアモルファス被覆体は、図４に示
すように、駆動軸４の表面にアモルファス金属の被覆層
（１００〜５００μｍ）が強固に固着されたものとな
る。このとき、アモルファス金属の被覆相は、粉末粒子
どうしの結び付きの良い均一な層であった。アモルファ
ス金属の被覆層の内部には、粉末粒子と粉末粒子との境
界、欠陥が殆どないものである。またアモルファス金属
粉末と母材である駆動軸の表面との界面では、お互いの
原子が入り込み、原子間の結合が強固になされている。
さらに、これを電子線回析で分析した結果、ハローパタ
ーンを提出するものであり、どの部分においてもアモル
ファス状態であった。 【００２３】次のこのように形成されたアモルファス被
覆材を磁性材料として用いたトルクセンサの作動につい
て説明する。図１に示したようにこの被覆層を形成した
駆動軸４の表面近傍に、被覆層を励磁するコイル２と、
被覆層の磁歪特性を検出する検出コイル３を設置する
と、駆動軸に伝達するトルクによる歪に基因する起電力
が測定できる。こき起電力は増幅され電気信号として取
り出される。検出回路としては発振器１１から出された
信号を駆動回路１２にて方形波にし、励磁コイル３に電
流を付加する。検出コイル２にて、駆動により生じた歪
にて発生する起電力を交流増幅器１３にて増幅し、サン
プリング回路１４にてサンプリングし、更に励磁方形波
と比較することによりトルクを検出する。 【００２４】上述の実施例において、母材としてトルク
センサの駆動軸、すなわち円柱形状の部材を用いた。し
かし、母材の形状としてはこのような円柱形状限定され
るものではなく、アモルファス金属の被覆層が形成され
る表面を有する形状なら他の形状であっても良い。たと
えば角柱、楕円柱、平板等であってもよい。さらに、母
材は電磁クラッチ、磁気ヘッド等のような複雑な形状で
あってもよい。これらの形状の母材に高エネルギー速度
加工する場合は、特に衝撃圧力がその表面に均一に加わ
るようにする必要があることは言うまでもない。 【００２５】また、上記実施例のアモルファス金属は粉
末であるため、高エネルギー速度加工等の衝撃圧力が小
さくても強固に固着することができる。そして、この圧
力か小さくてもよいことから、被覆層の形成される母材
の変形がない。その結果、形成されたアモルファス被覆
体の寸法精度がよくなる。上述実施例にて形成したアモ
ルファス被覆体は、被覆層の厚みが異なるが、その特性
は変わらないため、以下に実施例で形成したアモルファ
ス被覆体の測定値を記す。 【００２６】図６はアモルファス金属粉末の組成とその
結果得られた被覆体の磁歪特性の関係を示す図である。
これによれば本発明のものは参考例（従来のニッケルメ
ッキにより厚さ１０μｍの被覆層を形成したもの）と比
べて著しく磁歪特性が向上している。尚、これは被覆層
が１０μｍで５Ｋθｅ（エルステッド）のときの値であ
る。 【００２７】図７は、図６中のＮｏ．２の組成（Ｆｅ76
Ｂ8 Ｓｉ16）からなるアモルファス金属粉末から形成さ
れるアモルファス被覆体に加えられるトルクとその出力
との関係を示す図である。これによれば、駆動軸である
アモルファス被覆体に加えられるトルクと、その結果ア
モルファス被覆層から得られる出力は、従来のもの（Ｎ
ｉメッキ２０μｍ）に比較して良い比例関係が成立して
いる。また、印加トルクの上昇と下降とによるヒステリ
シスの差も、従来のもの（Ｎｉメッキ２０μｍ）に比較
して小さく、感度（トルクと出力の比）も良い。このよ
うに本発明のものは、磁気特性が向上する。 【００２８】また、次にこの本発明のアモルファス被覆
体（図６中Ｎｏ．２）と従来のもの（厚さ２５〜３０μ
ｍのアモルファス薄帯が駆動用に厚さ５〜１５μｍのエ
ポキシ樹脂によって接着されたもの）との接着強度を比
較する。駆動軸に１４ｋｇ・ｍのトルクを加えて、従来
のものは約１００回のトルクを加えて使用したときに感
度が落ち、出力が低下した。ところが上述の本発明のも
のは１００，０００回使用しても何ら変化もなく、出力
は低下しなかった。このことより、本発明のものは、従
来のものに比較して十分な耐久性を有する。 【００２９】さらに図７中No. ５〜No. ８のものは耐蝕
性もあるので耐腐食環境下で用いることができる。次
に、駆動軸（直径２０ｍｍ、材質：Ｓ４５Ｃ）の表面に
異なったアモルファス金属粉末を固着させたアモルファ
ス被覆体を形成したときのビッカースの硬度、及び磁気
特性（図８）、被覆層の厚さとビッカースの硬度の関係
（図９）、被覆層の厚さと剥離荷重との関係（図１０）
について説明する。 【００３０】図８は本発明のものの磁気特性（飽和磁束
密度、透磁率、保持力）とビッカース硬度を示す図で、
各アモルファス被覆体は厚さ１００〜５００μｍであ
る。これは、駆動軸の表面に形成される被覆層の厚みを
実験上厳密に制御することが難しいため、厚みに１００
〜５００μｍと範囲がある。ところが、図９からも明ら
かなように、１００μｍ以上の被覆層の厚みになるとそ
のビッカース硬度は飽和するため、ビッカース硬度を比
較するデータとしては、厚みが１００μｍ以上であれば
異なっていても問題はない。 【００３１】図９は被覆層の厚さとビッカース硬度の関
係を示す図であり、○印は本発明の被覆対（組成：Ｎｉ
82Ｂ18）の測定値を示し、×印は従来のもの（メッキ、
組成：Ｎｉ82Ｂ18）の測定値を示し、△印は本発明の被
覆対（組成：Ｆｅ70Ｃｏ15Ｂ 15）の測定値を示す。○印
（本発明のもの）と×印（従来のもの）とを比較する
と、どの厚さにおいてもビッカース硬度が大である。つ
まり本発明のものは従来のものより硬いといえる。 【００３２】図１０は被覆層の厚さと剥離した時の荷重
の関係を示す図である。これは被覆層の形成された駆動
軸を１２０℃の空気雰囲気中で回転自在に設置し、その
被覆層の表面上に摩擦係数０．３〜０．４の板材を介し
て各々荷重を加える。この状態で３０分間回転させた
後、被覆層が剥離していたもののなかで最小の荷重をプ
ロットしたものである。○印が本発明のもの（組成：Ｎ
ｉ82Ｂ18）×印が従来のもの（メッキ、組成：Ｆｅ70Ｃ
ｏ15Ｂ15）の測定値を示す。たとえば被覆層の厚みが１
００μｍのとき、本発明のものは２１ｋｇ／ｍｍ2 の荷
重を加えた状態で３０分回転した後、被覆層が剥離して
いなかったのに対し、従来のものは３．７ｋｇ／ｍｍ2
以上の荷重を加えて回転するとすべてのものの被覆層
（メッキ層）が剥離してしまった。つまり本発明のもの
は、従来のもの（メッキ）に比較して強固に被覆層が固
着されている。 【００３３】さらに本発明のもの（組成：Ｎｉ82Ｂ18）
は従来のもの（メッキ組成：Ｎｉ82Ｂ18）に比較して化
学的耐蝕性が５〜１０％向上した。これは１規定（１
Ｎ）の塩酸溶液中で、両者を４８時間浸漬させた後、そ
れぞれの溶液中に発生する塩化物の重量を測定して比較
した。すると、本発明のものは浸漬溶液中に塩化物量が
５〜１０％少なかったことより、上記化学的耐蝕性の向
上が理解できる。
材の表面に被覆層として成形するアモルファス被覆体の
成形方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】アモスファス金属は、機械的強度が大き
く、熱膨張係数が小さく、化学的耐蝕性および耐摩擦性
に優れている特性を有しているため、種々の部品に応用
されつつある。また、アモスファス金属の磁気的特性を
利用して磁性材料としても多くの製品に利用されつつあ
る。例えば、トルクセンサの磁性材料としてアモルファ
スが利用されている。 【０００３】このようなアモルファスの成形の方法とし
ては、従来より数多くの方法が考えられていた。例え
ば、特開昭５７−２１１０３０号公報には、薄帯に成形
されたアモルファス金属を駆動軸の表面に接着剤（エポ
キシ樹脂等）あるいは半田付け等によって、接着される
方法が開示されている。 【０００４】また、特開昭５８−９０３４５号公報に
は、磁歪材料としてアモルファス金属薄帯が固着された
トルクセンサが開示されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５７−２１１０３０号公報の方法では、駆動軸とアモル
ファス金属薄帯との接着部分の十分な接着強度を得るこ
とができないため、長時間使用すると疲労による剥離、
あるいは応力にともなう磁気特性の変化が十分に生じな
いという問題が生じてしまう。 【０００６】さらにまた、特開昭５８−９０３４５号公
報には、具体的なアモルファス金属の固着方法が開示さ
れていない。そこで、本発明の目的は、上記の問題点に
鑑み、被覆層としてアモルファス金属が母材の表面に強
固に固着されたアモルファス被覆層およびその成形方法
を提供することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、第
１の発明として筒状容器の中央に金属製の母材を配置
し、且つ該母材と前記容器との間の空間に、粒径が０．
０１μｍ〜２００μｍのアモルファス金属粉末を充填
し、前記容器を密封後、成形圧が０．７〜８０ＧＰａの
高速度加工を前記容器に施すことによって、前記母材の
表面にアモルファス金属の被覆層を成形するアモルファ
ス被覆体の成形方法を提供するものである。 【０００８】また、第２の発明として、母体と該母材の
表面において、成形圧が０．７〜８０ＧＰａの高エネル
ギー速度加工を施すことによって成形されたアモルファ
ス金属の被覆層とからなるアモルファス被覆体を提供す
るものである。ここでアモルファス被覆体を形成する上
で特に留意すべき点を述べる。一般に母材の内部は、内
部応力、結晶粒界、成分不均一、格子欠陥、不純物の析
出など種々の原因により不均一である。このため母材の
透磁率は、場所および方向により、それぞれ異なる値と
なる。それ故、アモルファス金属を単に母材の表面に配
して高エネルギー速度加工により両者を固着させようと
すると、アモルファス金属の粉末および原子間には、格
子欠陥、粒界、成分不均一、不純物の析出等の問題が発
生する。これらの問題は両者が強固に固着されないとい
う原因となるものである。 【０００９】したがって本発明においては以下の記す点
に留意してアモルファス被覆体を形成する。まず両者の
高エネルギー速度加工する前に、留意する点として、第
１はアモルファス金属粉末の製造時は、すべて不活性ガ
スであるアルゴン（Ａｒ）の雰囲気中で行なう。これは
アモルファス金属の粉末の表面に酸化物層が形成されな
いようにするためである。第２は、アモルファス金属粉
末の粒径を０．０１〜２００μｍとする。これは、高エ
ネルギー速度加工時にアモルファス金属薄帯と母材が良
好に固着されるためである。第３は、被覆層の形成され
る母材の表面、およびアモルファス金属の粉末の表面
を、１０-2〜１０Ｔｏｒｒの水素雰囲気中でプラズマ処
理する。これは前記表面の酸化物層を除去すると同時
に、高エネルギー速度加工時に固着性をよくするように
前記表面を活性化するためである。 【００１０】 第４として、高エネルギー速度加工時に
は、単位時間当たりのエネルギーが、母材とアモルファ
ス金属に均一に加わる方法を用いる。これはアモルファ
ス金属の粉末と粉末、アモルファス金属の粉末と母材表
面が、どの部分においても均一に接合、固着するためで
ある。第５として、高エネルギー速度加工後、高エネル
ギーが加わることによって発生する、母材とアモルファ
ス金属との境界での歪み、あるいはアモルファス金属粒
子内の歪みを取り除くため行う熱処理は、不活性雰囲気
中で行う。そして、熱処理温度は非晶質であるアモルフ
ァス金属か結晶化しない温度で行うものとする。 【００１１】以上述べた点に留意することにより、本発
明は母材の表面にアモルファス金属を強固に固着したア
モルファス被覆材を形成することができる。 【００１２】 【発明の効果】上記成形方法を採用することによって、
高エネルギー速度加工による高エネルギーをアモルファ
ス金属に確実に伝達することができ、従って母材表面に
アモルファス被覆層を強固に固着したアモルファス被覆
体を得ることができる。 【００１３】 【実施例】 （第１実施例）アモルファス金属が粉末である場合につ
いて説明する。ここでアモルファス金属は金属元素であ
る鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、
クロム（Ｃｒ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも一種を
主体とするアモルファス金属粉末である。このアモルフ
ァス金属粉末は、金属元素と半金属（燐（Ｐ）、炭素
（Ｃ）、ボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）など）との合
金、あるいは鉄系元素と希土類金属（Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ
など）との合金を用いることができる。代表的なアモル
ファス金属粉末としては、Ｆｅ70Ｃｏ15Ｂ15、Ｆｅ 80Ｂ
15Ｂｉ5 、Ｆｅ40Ｎｉ40Ｐ14Ｂ6 、Ｆｅ70Ｃｏ15Ｂ15、
Ｃｏ80Ｂ15Ｃ15、Ｎｉ78Ｂ2 Ｓｉ10などがある。（ここ
で７０、１５、５などの数値は原子％を示す。）アモル
ファス金属粉末の粒子形状は、対称性に優れた球状、細
長いひょうたん状が良いが、場合によっては薄片状、リ
ボン状、線状でもよい。 【００１４】本発明ではアモルファス金属粉末の粒径は
０．０１〜２００μｍ程度のものを用いる。ここで０．
０１〜２００μｍと数値を限定した理由は以下のようで
ある。即ち０．０１μｍ未満では粉末粒子の表面積に比
べて粉末粒子の体積が小さくなる。そのため爆発成形な
どの高エネルギー速度加工を施したときにアモルファス
金属粉末の粒子表面で発生する熱を、該粒子の内部へ奪
いとることが不十分となる。その結果該粒子表面に存す
るアモルファス金属超微粉末のアモルファス性が失われ
易くなるからである。また２００μｍを越えると、粉末
充填密度が低くなり、粉末粒子の接合性が低下するから
である。 【００１５】粒径０．０１〜２００μｍのアモルファス
金属粉末は通常用いられる方法で製造できる。例えば回
転ロール法、アトマイズ法、スプレー法、スパーク法、
キャビティション法などを用いることができる。粒子が
球状のアモルファス金属粉末はスパーク法、アトマイズ
法で製造できる。回転ロール法でアモルファス金属粉末
を製造する代表的な例について更に具体的に説明する。
即ち、Ｆｅ６５部、Ｃｏ１５部、Ｂ１５部、Ｓｉ５部の
組成を持つ粒径１〜１０００μｍの粉末をボールミルに
て混合した後、１３．５６ＭＨZの高周波加熱にて１４
００℃以上で溶解させる。その後この溶湯を直径５〜３
０ｍｍの棒状に形成する。次にこの棒状成形体を石英製
又はセラミック製の容器にて１３５０℃から１４００℃
の温度で加熱溶解する。加熱溶解は高周波溶解がよい。
次に上記のように形成した溶湯を容器のノズルから回転
ロールに向けて噴出させ、水面にて粉砕しつつ、かつ１
０4 〜１０6 ℃／ｓｅｃで急冷する。これにより粒径
０．０１〜２００μｍのアモルファス金属粉末を製造す
る。このようにアモルファス金属粉末の製造時は、粉末
表面に酸化物層を作らないようにアルゴン（Ａｒ）ガス
の雰囲気が好ましい。このように製造された粉末の粒子
形状は、球状、ラグビーボール形、楕円球状、ピーナッ
ツ形状等のものができる。 【００１６】次に、上述したアモルファス金属粉末をト
ルクセンサの磁性材料として被覆した場合についてさら
に詳細に説明する。本実施例においては上述した粉末
を、被覆層が形成される母材である駆動軸の表面に配し
た後、両者を高エネルギー速度加工することにより、固
着し、アモルファス被覆体を形成する。 【００１７】図１は本発明のアモルファス被覆体を駆動
軸として用いたトルクセンサの模式図であり、図２は励
磁コイル配置状態を示す部分外観図、図３は図１のＩＩ
Ｉ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は図３の一部拡大図で
ある。図４から明らかなように、高エネルギー速度加工
した状態では、アモルファス金属の粉末は、駆動軸の表
面に固着されて被覆層を形成している。ここで高エネル
ギー速度加工とは、極めて短時間（一般的には１０-3〜
１０-8秒程度の極めて短い時間）にエネルギーを瞬間的
に放出して成形する加工方法の意味である。高エネルギ
ー速度加工を用いれば、単位時間当たりのエネルギー即
ちエネルギー速度が極めて大きいため、熱をあまり生じ
させることなく固結できる。従って、アモルファス性を
損なうことなく固結できる。高エネルギー速度加工によ
る形成圧力は０．７〜８０ＧＰａがよい。ここで成形圧
力が０．７ＧＰａ以上であると一体成形が可能であり、
更に好ましくは１．５ＧＰａを越えた方がより良好で均
一質な被覆材を得ることができる。代表的な高エネルギ
ー速度加工としては爆発成形加工がある。爆発成形加工
は、ＴＮＴ火薬がダイナマイトの爆発によって生じる衝
撃波やガス膨脹で瞬間的に圧力を加える方法である。爆
発成形は一般的には水中で火薬を爆発させて行う。爆発
成形の圧力は、水面から火薬までの深さ、火薬から被成
形物への距離、火薬の量によって調整できる。爆発成形
を用いた場合の圧力も０．７〜８０ＧＰａが望ましい。
それよりも高圧を加えると、接合時の熱量が大きくなり
すぎ、アモルファス金属の一部が結晶化するためアモル
ファス性が失われ易くなり、又それよれも低圧であると
粒子が十分に接合しないからである。 【００１８】具体的には、まず前述のアモルファス金属
の粉末を、水素を含む１０-2〜１０Ｔｏｒｒの還元雰囲
気中にて、１０〜３０分間プラズマ下で還元処理をす
る。このときの温度は、アモルファス金属が結晶化する
温度（４５０℃）より低くし、２５０℃〜４５０℃であ
る。これにより、アモルファス金属の粉末表面は酸化物
層が全く取り除かれると同時に、活性化される。また直
径２０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの駆動軸も同様にプラズマ
下で処理して活性化する。このとき駆動軸材質としては
ビッカース硬度が１００〜３００Ｈｖであるものが適当
である。それは鉄系あるいはＮｉ系の金属たとえばＳ４
５Ｃ，Ｓ５５Ｃ，ＳＵＳ４１６，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ
３１６などが良い。ビッカーズ硬度を限定する理由は３
００Ｈｖ以上になると、母材表面が変形しないため、粉
末が母材の内部に入り込むことができにくいために固着
強度が悪い。１００Ｈｖ未満では爆発圧縮時に母材が変
形するため形状が保てないからである。 【００１９】次に、銅または鉄系材料の円筒容器の中央
に、前記処理の実施された駆動軸を配設する。そして駆
動軸と円筒容器の間の空間に振動（５〜１００Ｈｚ）を
与えながら前記処理の実施されたアモルファス金属粉末
を理論密度の約５０％に充填し、真空脱気後、容器を密
封する。その後シート爆薬を爆発させ、容器内のアモル
ファス金属粉末と駆動軸とを予備圧着処理を行なう。次
に成形用チャンバ内の爆薬の中央に容器を置き、爆発成
形を行なう。このとき、***による点爆発は爆薬レンズ
によって平面爆発波になり、主爆薬の上面に同時に伝播
し、主爆薬を爆発させる。容器内の粉末は、衝撃波によ
って半径方向と軸方向とに同時に圧縮される。そしてア
モルファス金属粉末は、容器を介して受ける衝撃波によ
り固着され、粉末相互及び粉末と駆動軸の表面とが確実
に固着接合される。この爆発衝撃波によって、粉末が衝
撃作用を受ける時間は１０-6秒程度である。またこの時
の圧力は０．７〜８０ＧＰａである。 【００２０】この衝撃作用により受ける圧力は、図５に
示すようにアモルファス金属粉末の粒径の割合に基づい
て、以下に述べるように制御する。図５（ａ）に示すよ
うな粉末の粒径割合のときは（５０〜２００μｍのもの
が１００％のとき）約１０〜８０ＧＰａの圧力を加え
る。図５（ｂ）に示すような粒径割合のときは（１０〜
５０μｍのものが５〜２０％、５０〜１３０μｍのもの
が８０〜９５％とき）約８〜５０ＧＰａの圧力を加え
る。図５（ｃ）に示すような粒径割合のとき（０．０１
〜０．０８μｍの超微粉末のものが０．１〜０．５％、
１０〜４０μｍのものが５〜３０％、５０〜１３０μｍ
のものが５５〜９５％のとき）は０．７〜１０ＧＰａの
圧力を加える。すると、アモルファス金属粉末は理論密
度の９０〜９９．９％の密度となって駆動軸表面上に固
着される。また、爆発成形加工時の母材の変形を考える
と、その圧力は小さい方がよい。そのため、図５（ｃ）
に示す粒径割合のアモルファス金属粉末を用いたものが
好ましく、その圧力は０．７〜１０ＧＰａが適当であ
る。 【００２１】この爆発圧力範囲は粒子と粒子との境界が
なくなる圧力で下限が決まり、上限は爆発時に発生する
熱によってアモルファス相が保たれることによって決ま
る。即ち９０ＧＰａ以上では、爆発時の粉末粒子と粉末
粒子間に発生する熱にてアモルファス粒子が加熱され、
そのためアモルファス相が結晶相に変化し、それが急冷
されても、もとのアモルファス相にもどらなくなる。 【００２２】尚、駆動軸の外周部に設置した銅または鉄
系材料の容器は、爆発形成後研削や切断にて取り除く。
またこの容器が取り除かれた駆動軸は、アモルファスが
結晶化しない温度（１００℃〜３５０℃）にて、磁気
（１０００〜２０００エルステッド）を印加しつつ、約
１〜２時間熱処理すると磁気特性は著しく改善される。
この様にして形成したアモルファス被覆体は、図４に示
すように、駆動軸４の表面にアモルファス金属の被覆層
（１００〜５００μｍ）が強固に固着されたものとな
る。このとき、アモルファス金属の被覆相は、粉末粒子
どうしの結び付きの良い均一な層であった。アモルファ
ス金属の被覆層の内部には、粉末粒子と粉末粒子との境
界、欠陥が殆どないものである。またアモルファス金属
粉末と母材である駆動軸の表面との界面では、お互いの
原子が入り込み、原子間の結合が強固になされている。
さらに、これを電子線回析で分析した結果、ハローパタ
ーンを提出するものであり、どの部分においてもアモル
ファス状態であった。 【００２３】次のこのように形成されたアモルファス被
覆材を磁性材料として用いたトルクセンサの作動につい
て説明する。図１に示したようにこの被覆層を形成した
駆動軸４の表面近傍に、被覆層を励磁するコイル２と、
被覆層の磁歪特性を検出する検出コイル３を設置する
と、駆動軸に伝達するトルクによる歪に基因する起電力
が測定できる。こき起電力は増幅され電気信号として取
り出される。検出回路としては発振器１１から出された
信号を駆動回路１２にて方形波にし、励磁コイル３に電
流を付加する。検出コイル２にて、駆動により生じた歪
にて発生する起電力を交流増幅器１３にて増幅し、サン
プリング回路１４にてサンプリングし、更に励磁方形波
と比較することによりトルクを検出する。 【００２４】上述の実施例において、母材としてトルク
センサの駆動軸、すなわち円柱形状の部材を用いた。し
かし、母材の形状としてはこのような円柱形状限定され
るものではなく、アモルファス金属の被覆層が形成され
る表面を有する形状なら他の形状であっても良い。たと
えば角柱、楕円柱、平板等であってもよい。さらに、母
材は電磁クラッチ、磁気ヘッド等のような複雑な形状で
あってもよい。これらの形状の母材に高エネルギー速度
加工する場合は、特に衝撃圧力がその表面に均一に加わ
るようにする必要があることは言うまでもない。 【００２５】また、上記実施例のアモルファス金属は粉
末であるため、高エネルギー速度加工等の衝撃圧力が小
さくても強固に固着することができる。そして、この圧
力か小さくてもよいことから、被覆層の形成される母材
の変形がない。その結果、形成されたアモルファス被覆
体の寸法精度がよくなる。上述実施例にて形成したアモ
ルファス被覆体は、被覆層の厚みが異なるが、その特性
は変わらないため、以下に実施例で形成したアモルファ
ス被覆体の測定値を記す。 【００２６】図６はアモルファス金属粉末の組成とその
結果得られた被覆体の磁歪特性の関係を示す図である。
これによれば本発明のものは参考例（従来のニッケルメ
ッキにより厚さ１０μｍの被覆層を形成したもの）と比
べて著しく磁歪特性が向上している。尚、これは被覆層
が１０μｍで５Ｋθｅ（エルステッド）のときの値であ
る。 【００２７】図７は、図６中のＮｏ．２の組成（Ｆｅ76
Ｂ8 Ｓｉ16）からなるアモルファス金属粉末から形成さ
れるアモルファス被覆体に加えられるトルクとその出力
との関係を示す図である。これによれば、駆動軸である
アモルファス被覆体に加えられるトルクと、その結果ア
モルファス被覆層から得られる出力は、従来のもの（Ｎ
ｉメッキ２０μｍ）に比較して良い比例関係が成立して
いる。また、印加トルクの上昇と下降とによるヒステリ
シスの差も、従来のもの（Ｎｉメッキ２０μｍ）に比較
して小さく、感度（トルクと出力の比）も良い。このよ
うに本発明のものは、磁気特性が向上する。 【００２８】また、次にこの本発明のアモルファス被覆
体（図６中Ｎｏ．２）と従来のもの（厚さ２５〜３０μ
ｍのアモルファス薄帯が駆動用に厚さ５〜１５μｍのエ
ポキシ樹脂によって接着されたもの）との接着強度を比
較する。駆動軸に１４ｋｇ・ｍのトルクを加えて、従来
のものは約１００回のトルクを加えて使用したときに感
度が落ち、出力が低下した。ところが上述の本発明のも
のは１００，０００回使用しても何ら変化もなく、出力
は低下しなかった。このことより、本発明のものは、従
来のものに比較して十分な耐久性を有する。 【００２９】さらに図７中No. ５〜No. ８のものは耐蝕
性もあるので耐腐食環境下で用いることができる。次
に、駆動軸（直径２０ｍｍ、材質：Ｓ４５Ｃ）の表面に
異なったアモルファス金属粉末を固着させたアモルファ
ス被覆体を形成したときのビッカースの硬度、及び磁気
特性（図８）、被覆層の厚さとビッカースの硬度の関係
（図９）、被覆層の厚さと剥離荷重との関係（図１０）
について説明する。 【００３０】図８は本発明のものの磁気特性（飽和磁束
密度、透磁率、保持力）とビッカース硬度を示す図で、
各アモルファス被覆体は厚さ１００〜５００μｍであ
る。これは、駆動軸の表面に形成される被覆層の厚みを
実験上厳密に制御することが難しいため、厚みに１００
〜５００μｍと範囲がある。ところが、図９からも明ら
かなように、１００μｍ以上の被覆層の厚みになるとそ
のビッカース硬度は飽和するため、ビッカース硬度を比
較するデータとしては、厚みが１００μｍ以上であれば
異なっていても問題はない。 【００３１】図９は被覆層の厚さとビッカース硬度の関
係を示す図であり、○印は本発明の被覆対（組成：Ｎｉ
82Ｂ18）の測定値を示し、×印は従来のもの（メッキ、
組成：Ｎｉ82Ｂ18）の測定値を示し、△印は本発明の被
覆対（組成：Ｆｅ70Ｃｏ15Ｂ 15）の測定値を示す。○印
（本発明のもの）と×印（従来のもの）とを比較する
と、どの厚さにおいてもビッカース硬度が大である。つ
まり本発明のものは従来のものより硬いといえる。 【００３２】図１０は被覆層の厚さと剥離した時の荷重
の関係を示す図である。これは被覆層の形成された駆動
軸を１２０℃の空気雰囲気中で回転自在に設置し、その
被覆層の表面上に摩擦係数０．３〜０．４の板材を介し
て各々荷重を加える。この状態で３０分間回転させた
後、被覆層が剥離していたもののなかで最小の荷重をプ
ロットしたものである。○印が本発明のもの（組成：Ｎ
ｉ82Ｂ18）×印が従来のもの（メッキ、組成：Ｆｅ70Ｃ
ｏ15Ｂ15）の測定値を示す。たとえば被覆層の厚みが１
００μｍのとき、本発明のものは２１ｋｇ／ｍｍ2 の荷
重を加えた状態で３０分回転した後、被覆層が剥離して
いなかったのに対し、従来のものは３．７ｋｇ／ｍｍ2
以上の荷重を加えて回転するとすべてのものの被覆層
（メッキ層）が剥離してしまった。つまり本発明のもの
は、従来のもの（メッキ）に比較して強固に被覆層が固
着されている。 【００３３】さらに本発明のもの（組成：Ｎｉ82Ｂ18）
は従来のもの（メッキ組成：Ｎｉ82Ｂ18）に比較して化
学的耐蝕性が５〜１０％向上した。これは１規定（１
Ｎ）の塩酸溶液中で、両者を４８時間浸漬させた後、そ
れぞれの溶液中に発生する塩化物の重量を測定して比較
した。すると、本発明のものは浸漬溶液中に塩化物量が
５〜１０％少なかったことより、上記化学的耐蝕性の向
上が理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のアモルファス被覆体を駆動軸
として用いたトルクセンサの模式図である。 【図２】図２は励磁コイルの配置状態を示す部分外観図
である。 【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図
である。 【図４】図４は、図３の一部拡大図である。 【図５】図５(a) 、(b) 、(c) はアモルファス金属粉末
の粒径の分布割合を示す図である。 【図６】図６は、アモルファス金属粉末の組成と被覆層
を形成した後の磁歪特性を示す図である。 【図７】図７は、本発明のアモルファス被覆体の特性を
示す特性図である。 【図８】図８は、本発明のアモルファス被覆体の組成を
示す特性図である。 【図９】図９は、本発明のアモルファス被覆体の特性を
示す特性図である。 【図１０】図１０は、本発明のアモルファス被覆体の特
性を示す特性図である。 【符号の説明】 １ アモルファス金属の被覆層 ４ 母材（トルクセンサの駆動軸）
として用いたトルクセンサの模式図である。 【図２】図２は励磁コイルの配置状態を示す部分外観図
である。 【図３】図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図
である。 【図４】図４は、図３の一部拡大図である。 【図５】図５(a) 、(b) 、(c) はアモルファス金属粉末
の粒径の分布割合を示す図である。 【図６】図６は、アモルファス金属粉末の組成と被覆層
を形成した後の磁歪特性を示す図である。 【図７】図７は、本発明のアモルファス被覆体の特性を
示す特性図である。 【図８】図８は、本発明のアモルファス被覆体の組成を
示す特性図である。 【図９】図９は、本発明のアモルファス被覆体の特性を
示す特性図である。 【図１０】図１０は、本発明のアモルファス被覆体の特
性を示す特性図である。 【符号の説明】 １ アモルファス金属の被覆層 ４ 母材（トルクセンサの駆動軸）
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所
Ｃ２３Ｃ 24/06 Ｃ２３Ｃ 24/06
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．筒状容器の中央に金属製の母材を配置し、且つ該母
材と前記容器との間の空間に、粒径が０．０１μｍ〜２
００μｍのアモルファス金属粉末を充填し、前記容器を
密封後、成形圧が０．７〜８０ＧＰａの高速度加工を前
記容器に施すことによって、前記母材の表面にアモルフ
ァス金属の被覆層を成形することを特徴とするアモルフ
ァス被覆体の成形方法。 ２．前記アモルファス金属は、シリコン、鉄、コバル
ト、ニッケル、クロム、ボロンの少なくとも一種を主体
とする金属であることを特徴とする請求項１記載のアモ
ルファス被覆体の成形方法。 ３．前記アモルファス金属の粉末を還元雰囲気中にてプ
ラズマ処理することを特徴とする請求項１記載のアモル
ファス被覆体の成形方法。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP5246990A JP2669308B2 (ja) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | アモルファス被覆体及びその成形方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5246990A JP2669308B2 (ja) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | アモルファス被覆体及びその成形方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59049975A Division JPH0641636B2 (ja) | 1984-03-14 | 1984-03-14 | アモルファス被覆体の形成方法 |
Publications (2)
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|---|---|
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| JP2669308B2 true JP2669308B2 (ja) | 1997-10-27 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP5246990A Expired - Fee Related JP2669308B2 (ja) | 1993-10-01 | 1993-10-01 | アモルファス被覆体及びその成形方法 |
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-
1993
- 1993-10-01 JP JP5246990A patent/JP2669308B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
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|---|---|
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