CN107849629A - 层叠磁芯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁芯的制造方法，具备：用于制造磁芯的工序；在进行了将由合金组成物构成的薄带设为所希望形状的加工工序和使bccFe结晶析出的热处理工序之后，得到磁芯形状的层叠工序。这里，合金组成物是具有非晶向来作为主相的Fe‑B‑Si‑P‑Cu‑C，在热处理工序中，薄带以高升温速度被升温到比合金组成物的结晶化温度高的温度。

Description

层叠磁芯及其制造方法
技术领域
本发明涉及层叠磁芯及其制造方法。特别地，涉及适合于电机的磁芯等的使用的Fe基纳米晶合金薄带的层叠磁芯及其制造方法。
背景技术
在专利文献1中，记载了使用由Fe基软磁性合金构成的薄带(Fe基非晶体薄带)的芯(磁芯)的制造方法。根据专利文献1，针对薄带以及将薄带卷绕而制作的芯的任意，分两次以上实施用于将由bccFe构成的纳米晶粒(bccFe结晶粒)析出的热处理，由此减少热处理中的自身发热的影响。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2003-213331号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
适当的组成比的Fe-B-Si-P-Cu-C合金具有较高的非晶体形成能力。此外，由该合金制作出的Fe基非晶体薄带具有优良的磁特性。因此，使用这样的Fe基非晶体薄带而制造的磁芯被期待具有优良的磁特性。
但是，这样的组成的Fe基非晶体薄带若进行热处理来析出bccFe结晶粒则容易变脆。因此，若对热处理后的薄带进行加工，则该薄带中容易产生破裂/缺陷等。例如，即使对形状复杂的电机用磁芯使用被进行了热处理后的薄带，也难以将热处理后的薄带切断为所希望的复杂形状。另一方面，在将进行了形状加工的Fe基非晶体薄带层叠后进行热处理的情况下，随着磁芯大型化，难以对磁芯整体均匀地进行热处理。因此，可能无法使磁芯具有均质的组织，磁芯不具有充分的磁特性。
因此，本发明的目的在于，提供一种使用了由Fe-B-Si-P-Cu-C合金构成的薄带的层叠磁芯的制造方法，即具有充分的磁特性的磁芯的制造方法。
-解决课题的手段-
本发明的一个侧面作为层叠磁芯的制造方法，提供一种如下的层叠磁芯的制造方法，包含：
形状加工工序，对非晶体薄带进行形状加工；
热处理工序，对被进行了形状加工的所述非晶体薄带进行热处理；和
层叠工序，将被进行了热处理的所述非晶体薄带层叠，
所述热处理工序中的升温速度为每秒80℃以上。
此外，本发明的另一侧面作为层叠磁芯的制造方法，提供一种如下的层叠磁芯的制造方法，包含：
形状加工工序，对非晶体薄带进行形状加工；
热处理工序，对被进行了形状加工的所述非晶体薄带进行热处理；和
层叠工序，将被进行了热处理的所述非晶体薄带层叠，
在所述热处理工序中，使所述非晶体薄带的两面与加热器接触，来对所述非晶体薄带进行加热。
-发明效果-
根据本发明，对通过热处理而脆弱化之前的薄带实施形状加工。因此，能够高精度地形成电机的定子芯等的复杂形状。然后，在将被进行了形状加工的薄带层叠之前分别进行热处理。由此，通过抑制各部位的温度偏差并使bccFe结晶粒均质地析出，能够得到没有磁特性的差别的薄带。进一步将分别进行了热处理的薄带层叠从而能够得到具有优良的磁特性的磁芯。
详细地，在热处理中，通过使升温速度比以往快很多，能够得到具有均质的组织的薄带。例如，若以每分钟100℃那样较慢的升温速度升温，则热处理前包含的结晶核先生长为大粒的结晶，结晶粒的尺寸产生偏差。与此相对地，若使升温速度加快，则在热处理前包含的微结晶大粒化之前生成新的结晶核，这些共同生长，因此最终结晶粒的尺寸不产生偏差。因此，能够得到具有均质的组织的薄带。并且，若使升温速度加快，则能够缩短制造时间，也能够实现生产性的提高。
特别地，若使热处理工序中的升温速度为每秒80℃以上，则能够使均质的结晶粒生长，并且能够减小结晶粒的平均粒径。这里，成为均质的基准例如为，通过热处理而得到的Fe基纳米晶合金薄带内能够确认的结晶粒的粒径收敛于平均粒径±5nm的范围。这种具有偏差少的组织的Fe基纳米晶合金薄带具有良好的磁特性。此外，具备将这种Fe基纳米晶合金薄带层叠多个而得到的层叠磁芯的电机具有较低的铁损和较高的电机效率。
在将本发明应用于电机等的工业产品的情况下，成为热处理的对象的非晶体薄带的尺寸较大。在对实验试样那样尺寸的较小非晶体薄带进行热处理的情况下，比较容易控制升温速度，但在尺寸较大的非晶体薄带的热处理中一般难以适当地控制升温速度。但是，若使非晶体薄带的两面与加热器实质接触来对非晶体薄带进行加热，则也能够适当地进行使升温速度加快的控制，能够得到具有所希望的均质的组织的薄带。这样的加热方法、即加热器相对于非晶体薄带的直接接触加热能够容易地进行上述那样的升温控制，适合量产处理。另外，虽然优选配置为非晶体薄带与加热器直接接触，但在量产中，也可以通过充分薄且热传导率较高的支承部来支承薄带并经由该支承部来加热薄带。
附图说明
图1是表示基于本实施方式的合金组成物的升温速度40℃/分钟下的差示扫描热量分析(DSC)结果的图。
图2是示意性地表示基于本发明的实施方式的磁芯的制造方法的流程图。
图3是示意性地表示基于本实施方式的热处理工序中的薄带的温度变化、伴随于此的饱和磁通密度和顽磁力的变化的图。
图4是为了具体实现本发明的制造方法而构建的装置的构造示意图。
图5是本发明的实施例中制作出的电机用磁芯的层叠状态的外观图。
具体实施方式
针对本发明，能够通过多样的变形或各种方式来实现，作为其一个例子，以下对附图所示的特定的实施方式详细进行说明。附图以及实施方式并不将本发明限定于这里公开的特定的方式，而将权利要求书中示出的范围内的全部变形例、等同物、代替例包含于其对象中。
基于本发明的实施方式的合金组成物适合作为Fe基纳米晶合金的初始原料，是组成式FeaBbSicPxCyCuz的组合物。这里，79≤a≤86at％、5≤b≤13at％、0＜c≤8at％、1≤x≤8at％、0≤y≤5at％、0.4≤z≤1.4at％以及0.08≤z/x≤0.8。另外，也可以通过Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、A1、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、O以及稀土类元素之中的1种以上的元素来置换3at％以下的Fe。
在上述合金组成物中，Fe元素是主元素，是负责磁性的必须元素。为了饱和磁通密度的提高以及原料价格的减少，基本优选Fe的比例较多。若Fe的比例比79at％少，则不能得到希望的饱和磁通密度。若Fe的比例比86at％多，则难以进行液体快速冷却条件下的非晶相的形成，结晶粒径偏差或粗大化。也就是说，若Fe的比例比86at％多，则不能得到均质的纳米晶组织，合金组成物具有劣化了的软磁特性。因此，Fe的比例最好为79at％以上且86at％以下。特别地，在需要1.7T以上的饱和磁通密度的情况下，优选Fe的比例为81at％以上。
在上述合金组成物中，B元素是负责非晶相形成的必须元素。若B的比例比5at％少，则难以进行液体快速冷却条件下的非晶相的形成。若B的比例比13at％多，则ΔT减少，不能得到均质的纳米晶组织，合金组成物具有劣化了的软磁特性。因此，B的比例最好为5at％以上且13at％以下。特别地，在为了量产化而需要合金组成物具有较低熔点的情况下，优选B的比例为10at％以下。
在上述合金组成物中，Si元素是负责非晶体形成的必须元素，在纳米晶化中有助于纳米晶的稳定化。若不包含Si，则非晶相形成能力降低，不能进一步得到均质的纳米晶组织，其结果，软磁特性劣化。若Si的比例比8at％多，则饱和磁通密度和非晶相形成能力降低，进一步地，软磁特性劣化。因此，Si的比例最好为8at％以下(不包含0)。特别地，若Si的比例为2at％以上，则非晶相形成能力被改善，能够稳定地制作连续薄带，此外，通过ΔT增加，能够得到均质的纳米晶。
在上述合金组成物中，P元素是负责非晶体形成的必须元素。在本实施方式中，通过使用B元素、Si元素以及P元素的组合，与仅使用任意一个的情况相比，能够提高非晶相形成能力、纳米晶的稳定性。若P的比例比1at％少，则难以进行液体快速冷却条件下的非晶相的形成。若P的比例比8at％多，则饱和磁通密度降低，软磁特性劣化。因此，P的比例最好为1at％以上且8at％以下。特别地，若P的比例为2at％以上且5at％以下，则非晶相形成能力提高，能够稳定地制作连续薄带。
在上述合金组成物中，C元素是负责非晶体形成的元素。在本实施方式中，通过使用B元素、Si元素、P元素、C元素的组合，与仅使用任意一个的情况相比，能够提高非晶相形成能力、纳米晶的稳定性。此外，由于C的价格低，因此通过C的添加，其他半金属量减少，总材料成本减少。但是，若C的比例超过5at％，则存在合金组成物脆化、产生软磁特性的劣化的问题。因此，C的比例最好为5at％以下。特别地，若C的比例为3at％以下，则能够抑制溶解时C的蒸发所导致的组成的差别。
在上述合金组成物中，Cu元素是有助于纳米晶化的必须元素。Cu元素基本上价格较高，应注意在Fe的比例为81at％以上的情况下，容易产生合金组成物的脆化、氧化。另外，若Cu的比例比0.4at％少，则难以进行纳米晶化。若Cu的比例比1.4at％多，则由非晶相构成的前体为非均质，因此，在Fe基纳米晶合金的形成时不能得到均质的纳米晶组织，软磁特性劣化。因此，Cu的比例最好为0.4at％以上且1.4at％以下，特别地，若考虑合金组成物的脆化以及氧化，则优选Cu的比例为1.1at％以下。
P原子与Cu原子之间存在强引力。因此，若合金组成物包含特定比率的P元素和Cu元素，则能够形成10nm以下的尺寸的簇，通过该纳米尺寸的簇，在Fe基纳米晶合金的形成时bccFe结晶具有微小构造。在本实施方式中，P的比例(x)与Cu的比例(z)的特定的比率(z/x)为0.08以上且0.8以下。在该范围以外，不能得到均质的纳米晶组织，因此合金组成物不具有优良的软磁特性。另外，若考虑合金组成物的脆化以及氧化，则优选特定的比率(z/x)为0.08以上且0.55以下。
基于本实施方式的合金组成物具有非晶相来作为主相，并且具有厚度为15～40μm的连续薄带形状。连续薄带形状的合金组成物能够使用Fe基非晶体薄带等的制造中使用的单辊制造装置或双辊制造装置的现有的装置来形成。
基于本实施方式的合金组成物在形状加工工序之后被进行热处理。该热处理的温度为基于本实施方式的合金组成物的结晶化温度以上。这些结晶化温度例如能够通过使用DSC装置，以40℃/分钟左右的升温速度进行热分析来进行评价。此外，被进行了热处理的合金组成物中析出的bccFe结晶的体积分数(即，体积分率)为50％以上。该体积分数能够通过由图1所示的DSC分析结果得到的第一峰值面积的热处理前后的变化来进行评价。
已知若对非晶体薄带进行热处理则会脆化。因此，难以在热处理后将薄带加工为磁芯形状。因此，在本实施方式中，在形状加工之后进行热处理。详细地，如图2所示，在基于本实施方式的磁芯的制造方法中，首先，通过非晶体薄带工序，制作非晶体薄带。接下来，通过形状加工工序，对非晶体薄带进行形状加工。接下来，通过热处理工序，对被进行了形状加工的非晶体薄带进行热处理。这样，得到被进行了形状加工的Fe基纳米晶合金薄带。接下来，通过层叠工序，将热处理后的多个薄带、即分别被进行了形状加工的多个Fe基纳米晶合金薄带层叠，得到层叠磁芯。
以下，对上述的热处理工序详细进行说明。基于本实施方式的合金组成物的热处理方法规定了升温速度、热处理温度下限以及上限。
预先被进行了形状加工的基于本实施方式的合金组成物按照升温、保持、降温的顺序被进行热处理。基于本实施方式的合金组成物的升温过程被规定为每秒80℃以上的速度。若这样加快升温速度，则能够使通过热处理而得到的Fe基纳米晶合金薄带的组织均质。另外，在升温速度小于每秒80℃的情况下，析出的bccFe相(结晶构造为bcc的铁的相)的平均结晶粒径超过20nm，最终得到的磁芯的顽磁力超过10A/m，适合于磁芯的软磁特性降低。
图3是示意性地表示基于本实施方式的热处理工序中的薄带的温度变化、伴随于此的饱和磁通密度和顽磁力的变化的图。合金组成物的热处理温度的下限被规定为合金组成物的结晶化温度以上即430℃以上。在热处理温度小于430℃的情况下，析出的bccFe结晶的体积分数小于50％，最终得到的磁芯的饱和磁通密度如图3所示，未达到1.75T。若饱和磁通密度为1.75T以下，则作为磁芯的力较小，能够应用的电机也被制约。
基于本实施方式的合金组成物的热处理温度的上限被规定为500℃以下。在热处理温度超过500℃的情况下，不能控制迅速析出的bccFe相，产生基于结晶化发热的热失控，最终得到的磁芯的顽磁力如图3所示，超过10A/m。
基于本实施方式的合金组成物的等温保持时间根据热处理温度而被决定，优选为3秒至5分钟，进一步地，降温速度也优选使用通过炉子冷却而得到的每秒80℃左右。但是，本发明并不限定于这些等温保持时间以及降温速度。
作为基于本实施方式的合金组成物的热处理中的环境，例如，考虑大气、氮气、非活性气体。但是，本发明并不限定于这些环境。特别地，若在大气中进行热处理，则热处理后的薄带、即Fe基纳米晶合金薄带失去热处理前的Fe基非晶体薄带所具有的金属光泽，其表背两面与热处理前相比变色了。认为这是由于在表面形成了氧化膜。关于上述的适当的条件下被处理的薄带，肉眼能够看到的颜色为从褐色到蓝色、紫色的范围。此外，在表面和背面，颜色稍微不同。认为这是由于薄带的表面状态的差异。这样，若在包含氧的环境、例如大气中进行热处理，则在通过热处理而得到的Fe基纳米晶合金薄带的表面背面，形成可视觉识别的氧化膜。此外，在超过500℃的情况下，成为白色或者灰白色。考虑这是因为：由于基于结晶化发热的热失控而导致氧化膜的形成被促进。
另外，若在Fe基纳米晶合金薄带的两面积极地形成氧化膜，则Fe基纳米晶合金薄带的表面电阻变大。若将表面电阻较大的Fe基纳米晶合金薄带层叠则薄带间的层间绝缘变高，涡流损耗变小。结果，作为最终产品的电机的效率变高。
此外，在制造方面，通过上述氧化，能够通过目视观察(非破坏)来简单地判断薄带的结晶化状态的优劣。例如，若颜色较浅或金属光泽残留则能够判断为温度较低。
作为基于本实施方式的合金组成物的热处理中的具体的加热方法，例如，优选与具有充分的热容量的加热器那样的固体导热体的接触。特别地，优选使Fe基非晶体薄带的两面与固体传导体接触并通过固体传导体来夹着Fe基非晶体薄带从而进行加热。根据这样的加热方法，工业产品用的非晶体薄带那样尺寸较大的部件也能够容易地适当进行升温控制。但是，本发明并不限定于这些加热方法。只要能够进行适当的升温控制，例如，作为具体的加热方法，也可以采用基于红外线或高频的非接触加热等其他热处理方法。
<热处理装置>
使用具体实现了基于本实施方式的合金组成物的热处理方法的装置的示意图，对热处理工序的顺序进行说明。
图4是为了具体实现本发明的制造方法而构建的装置的构造示意图。预先被进行了形状加工的薄带7通过输送机构1来移动到加热部6。
本实施方式的加热部6具备上侧加热器2以及下侧加热器3。上侧加热器2以及下侧加热器3预先被升温到所希望温度，从上下方夹着移动到规定的位置的薄带7并进行加热。也就是说，在本实施方式中，在使薄带7的两面与加热器接触的状态下对薄带7进行加热。此时的升温速度由薄带7和上侧加热器2、下侧加热器3的热容量比决定。被上侧加热器2与下侧加热器3夹着并以所希望升温速度被加热的薄带7就这样被保持规定时间，然后，通过排出机构4而被取出，在另外设置的层叠夹具5内被自动层叠。通过反复这一系列动作能够得到规定的磁特性一致的热处理薄带。
特别地，由于通过上侧加热器2、下侧加热器3来夹着薄带7，并进行热处理、升温、冷却，因此能够迅速地升温、冷却。具体而言，能够将升温速度设为1秒间80℃以上。如上所述，通过加速升温速度，能够得到结晶粒的尺寸的偏差少的薄带，并且制造时间能够缩短，生产性提高。特别地，在该装置中，由于使薄带与加热器接触，因此能够容易地进行适当的升温控制。另外，虽然图4所示的输送机构1之中，支承薄带7的支承部(薄带7被载置的部分)被描绘为具有厚度，但实施时，支承部充分地薄到不妨碍加热的程度，并且由热传导率较高的材质构成，通过上侧加热器2和下侧加热器3夹着薄带7和支承部来对薄带7进行升温加热。
如以上那样优选制作出的基于本实施方式的磁芯具有20nm以下、更优选具有17nm以下的bccFe相平均结晶粒径，并且具有1.75T以上的较高饱和磁通密度和10A/m以下的较低顽磁力。
【实施例】
以下，参照多个实施例以及多个比较例来对本发明的实施方式更详细地进行说明。
(实施例1～8以及比较例1～12)
首先，称量Fe、Si、B、P、Cu、C的原料以使得成为合金组成Fe84.3Si0.5B9.4P4Cu0.8C1，通过高频感应溶解处理来进行溶解。然后，将溶解了的合金组成物在大气中通过单辊液体快速冷却法来进行处理，制作具有厚度约25μm左右的厚度的薄带状合金组成物。将这些薄带状合金组成物切割为宽度10mm、长度50mm(形状加工工序)，通过X射线衍射法来鉴定相。这些被加工了的薄带状合金组成物均具有非晶相来作为主相。接下来，在表1所述的热处理条件下，在实施例1～8以及比较例1～12的条件下使用图4所示的装置来进行热处理(热处理工序)。针对热处理前后的薄带状合金组成物通过DSC装置来以40℃/分钟左右的升温速度进行热分析评价，根据得到的第一峰值面积比来计算析出的bccFe结晶的体积分数。进一步地，被进行了加工/热处理的薄带状合金组成物各自的饱和磁通密度(Bs)是使用振动试样型磁力计(VMS)而在800kA/m的磁场中测定的。各合金组成物的顽磁力(Hc)是使用直流BH记录器而在2kA/m的磁场中测定的。表1中合并表示测定结果。
【表1】
如根据表1所理解那样，实施例的薄带状合金组成物全部以非晶体为主相，通过本发明的制造方法来热处理的试样的bcc-Fe相组织具有50％以上的体积分数和20nm以下的平均粒径。此外，至少能够确认的结晶粒的粒径收敛于平均粒径±5nm的范围。得到了这种期望组织的结果，表示出1.75T以上的较高饱和磁通密度和10A/m以下的较低顽磁力。
比较例1以及2的薄带状合金组成物是厚度较厚，且作为主相为非晶相和bcc-Fe相的混相组织。即使通过本发明的制造方法来对此进行热处理，析出bcc-Fe相的平均粒径也超过21nm。其结果，顽磁力劣化而超过10A/m。
以本发明的制造方法中规定的升温速度以下对比较例3以及4的薄带状合金组成物进行了热处理。其结果，析出bcc-Fe相的平均粒径超过21nm。其结果，顽磁力劣化而超过10A/m。
比较例5～12中表示使用与实施例2以及3相同的薄带状合金组成物，以本发明的制造方法中规定的热处理温度以下的温度进行热处理的例子。任意的比较例的析出bcc-Fe相的体积分数都小于50％。其结果，饱和磁通密度小于1.75T。认为这是由于热处理温度较低，因此bcc-Fe相的析出较少。析出bcc-Fe相的体积分数至少为50％以上，优选为70％以上。
同样地，比较例13以及14中表示使用与实施例2相同的薄带状合金组成物，以超过本发明的制造方法中规定的温度进行热处理的例子。其结果，析出bcc-Fe相的平均粒径超过30nm。其结果，顽磁力显著劣化而超过45A/m。
(实施例9以及比较例15以及16)
作为电机用磁芯，将加工为更实用的形状的薄带状合金组成物在本发明中规定的条件下，使用图4所示的装置，以实施例2以及比较例3的条件进行热处理。根据图2的制造方法的流程图，将这些层叠多个。
图5是本发明的实施例中制作出的电机用磁芯的层叠状态的外观图。在上下方存在临时固定用的端板，在其间层叠作为磁芯材料的被进行了热处理的薄带。外周的直径为70mm。将该被层叠的薄带组装在固定用部件上，在向内径侧突出的规定位置进行卷线从而成为定子。仅改变磁芯材料，来进行定子的性能评价。表2中表示用于磁芯的合金组成物和电机性能。
【表2】
如根据表2所理解那样，将在实施例2的条件下进行热处理的薄带状合金组成物用作为磁芯的实施例9的电机与其他材料的电机相比，表现出0.4W的较低铁损和91％的较高电机效率。
本发明基于2015年7月3日提交至日本专利局的日本专利申请第2015-134309号，其内容通过参照而成为本说明书的一部分。
虽然对本发明的最佳的实施方式进行了说明，但如本领域的技术人员了解那样，在不脱离本发明的主旨的范围内能够对实施方式进行变形，这种实施方式属于本发明的范围。
-符号说明-
1 输送机构
2 上侧加热器
3 下侧加热器
4 排出机构
5 层叠夹具
6 加热部
7 薄带

Claims (5)

1.一种层叠磁芯的制造方法，包含：
形状加工工序，对非晶体薄带进行形状加工；
热处理工序，对被进行了形状加工的所述非晶体薄带进行热处理；和
层叠工序，将被进行了热处理的所述非晶体薄带层叠，
所述热处理工序中的升温速度为每秒80℃以上。
2.一种层叠磁芯的制造方法，包含：
形状加工工序，对非晶体薄带进行形状加工；
热处理工序，对被进行了形状加工的所述非晶体薄带进行热处理；和
层叠工序，将被进行了热处理的所述非晶体薄带层叠，
在所述热处理工序中，使所述非晶体薄带的两面与加热器接触，来对所述非晶体薄带进行加热。
3.根据权利要求2所述的层叠磁芯的制造方法，其中，
所述热处理工序中的升温速度为每秒80℃以上。
4.根据权利要求1或者3所述的层叠磁芯的制造方法，其中，
在所述热处理工序中，所述非晶体薄带以比结晶化温度高的温度被进行热处理。
5.一种层叠磁芯，具备被层叠的多个Fe基纳米晶合金薄带，
所述Fe基纳米晶合金薄带在表面背面具有能视觉识别的氧化膜。
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