JP2010028037A - 軟磁性薄帯及びその製造方法、これを用いた磁心、コイル - Google Patents

Abstract

【課題】良好な軟磁気特性をもつ幅広の薄帯を得て、これを用いて大型の磁心を製造する。
【解決手段】ここで製造される軟磁性薄帯の組成は、Ｆｅ_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｎｂ_ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅ（０≦ｂ≦１０．０、０．５≦ｃ≦２５．０、０＜ｄ≦５．０、０＜ｅ≦１．５）で表される。この軟磁性薄帯を製造するに際しては、これを構成するリン（Ｐ）の原料として、燐化鉄（Ｆｅ_３Ｐ）が用いられる。これを用いて製造された母材料（インゴット）の溶湯から、単ロール液体冷却法によってこの軟磁性薄帯が製造される。
【選択図】なし

Description

本発明は、軟磁性特性をもつ合金からなる軟磁性薄帯、及びその製造方法に関する。また、この軟磁性薄帯を用いて製造された磁心、及びこれを用いコイルに関する。

トランスやモータ等に用いられる各種のコイルにおいては、良好な軟磁性特性をもつ磁心が用いられる。磁心の材料となる軟磁性材料には、透磁率が高いこと、飽和磁束密度が高いこと、磁心損失が小さいこと等が要求される。また、容易に磁心となる形状、例えばＵ字型の形状とすることができることも要求される。

ところが、実際には上記のすべての要求を満たす材料を得ることは困難である。例えば、Ｃｏ基アモルファス合金は１００００以上の高い比透磁率をもつが、飽和磁束密度は１．０Ｔ以下であり、珪素鋼は２．０Ｔ程度の高い飽和磁束密度をもつが、比透磁率が４０００以下と小さい。従って、飽和磁束密度が１．３Ｔ以上でありかつ比透磁率が１００００以上である軟磁性材料を得ることは一般には困難であった。

これに対し、特許文献１において、組成式が（Ｆｅ_１−ａＭ_ａ）_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ−ｇ−ｈ}Ｍ’_ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＭ’’_ｆＭ’’’_ｇＸ_ｈ（ここで、ＭはＣｕ、Ｎｉのうち少なくとも１種、Ｍ’はＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏのうち少なくとも１種、Ｍ’’はＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、白金族元素、Ｓｃ、Ｙ、希土類元素、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｒｅ、Ａｇのうち少なくとも１種、Ｍ’’’はＣ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｂｅのうち少なくとも１種、ＸはＳｉ、Ａｌのうち少なくとも１種、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ、０≦ａ≦０．５、０≦ｂ≦１０、０．５≦ｃ≦２５、０＜ｄ≦５、０＜ｅ≦１．５、０≦ｆ≦２、０≦ｇ≦３、０≦ｈ≦６）で示され、単ロール液体急冷法等によって形成された軟磁性薄帯においては、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度、１００００以上の比透磁率が得られることが示された。単ロール液体冷却法は、この組成の材料からなる溶湯を回転するロールに射出し、溶湯が急冷されることによって形成された帯状の薄帯を容易に得る技術である。

また、この薄帯は靱性が高く、折り曲げて使うことが容易であるため、磁心の形態等、様々な形態として用いることができる。従って、これを巻回することによって磁心の形態とすることができる。上記の飽和磁束密度、比透磁率をもつことに加え、この磁心における磁心損失を０．１５Ｗ／ｋｇ以下と小さくすることができるため、この軟磁性薄帯を用いて特に良好な特性の磁心を製造することができる。
特開２００６−４０９０６号公報

しかしながら、例えばトランス等に用いる磁心の大きさとしては、例えば内径が５ｍｍ程度以上、外径が７ｍｍ程度以上の大きさで厚さが５ｍｍ程度以上のものが必要になる。すなわち、薄帯をこの大きさとなるべく巻回してこの磁心を製造することが必要になる。

これに対して、特許文献１に記載の薄帯を単ロール液体冷却法で得る場合、その幅を大きくすることができず、１ｍｍ程度の幅の薄帯しか得ることができなかった。従って、実際にはこの薄帯を用いて大きなサイズの磁心を製造することは困難であった。

すなわち、良好な軟磁気特性をもつ幅広の薄帯を得ることは困難であり、これを用いて大型の磁心を製造することは困難であった。

本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の軟磁性薄帯の製造方法は、組成式Ｆｅ_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｎｂ_ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅ（ここで、０≦ｂ≦１０．０、０．５≦ｃ≦２５．０、０＜ｄ≦５．０、０＜ｅ≦１．５）で表される軟磁性薄帯の製造方法であって、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｕの原材料にＰ原料となるＦｅ_３Ｐを混合して溶融して固化させたインゴットを作成し、前記インゴットを溶融させた溶湯を回転するローラ上に噴出して急冷させる単ロール液体急冷法によって前記軟磁性薄帯を得ることを特徴とする。
本発明の軟磁性薄帯の製造方法において、前記単ロール液体急冷法は大気中で行われることを特徴とする。
本発明の軟磁性薄帯の製造方法において、ｂ≦７．０、ｃ≧８．０の範囲であることを特徴とする。
本発明の軟磁性薄帯の製造方法において、前記急冷後の軟磁性薄帯に非酸化雰囲気中でα−Ｆｅの結晶化温度よりも高い温度で熱処理を行うことを特徴とする。
本発明の軟磁性薄帯は、前記軟磁性薄帯の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
本発明の軟磁性薄帯は、平均粒径が５０ｎｍ以下の範囲のα−Ｆｅからなる粒子が分散していることを特徴とする。
本発明の磁心は、前記軟磁性薄帯が巻回されて形成されたことを特徴とする。
本発明の磁心は、軟磁性薄帯が積層されて形成されたことを特徴とする。
本発明のコイルは、前記磁心が用いられたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、良好な軟磁気特性をもつ幅広の薄帯を得ることができ、これを用いて大型の磁心を製造することができる。

以下、本発明の実施の形態となる軟磁性薄帯の製造方法について説明する。ここで製造される軟磁性薄帯の組成は、Ｆｅ_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｎｂ_ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅ（０≦ｂ≦１０．０、０．５≦ｃ≦２５．０、０＜ｄ≦５．０、０＜ｅ≦１．５）で表され、この組成式は特許文献１に記載の軟磁性薄帯と同様である。従って、この軟磁性薄帯においては、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度及び１００００以上の比透磁率が得られる。

ここで、この軟磁性薄帯を製造するに際しては、これを構成するリン（Ｐ）の原料として、燐化鉄（Ｆｅ_３Ｐ）が用いられる。これを用いて製造された母材料（インゴット）の溶湯から、単ロール液体冷却法によってこの軟磁性薄帯が製造される。Ｆｅ_３Ｐは、常温で固体であり融点が１１００℃である化合物であり、その粉末を用いることができる。

以下、この製造方法につき説明する。

まず、溶湯の材料として、Ｆｅ粉末（純度９９．９％）、Ｎｂ粉末（純度９９．９％）、Ｂ粉末（純度９９．５％）、Ｃｕ粉末（純度９９．９９％）と、Ｆｅ_３Ｐ粉末（純度９９．５％）を所定の量だけ秤量し、混合する。あるいは、粉末材料の代わりに、所望の重量のブロックを用いることができる。ここで、ＦｅはＦｅ粉末とＦｅ_３Ｐ粉末の両方に含まれているため、これらの総量が所定の値になるべく設定される。Ｐ組成はＦｅ_３Ｐのみによって決まる。

これらの混合物を、アーク溶解炉内の銅受皿（陽極）にセットする。アーク溶解炉内は真空引きできる構成とされ、その圧力が１×１０^−３Ｐａ以下まで減圧される。その後，Ａｒガスを導入してその圧力を０．０３５ＭＰａとし、近接した陰極との間でアーク放電を発生させることによって加熱して混合物を溶融させる。その後、混合物が溶融された後に再び固化してインゴットが作成される。インゴット中の偏析を抑制して組成分布を均一化するために、試料を反転させて再溶解、固化を複数回繰り返すことが好ましい。また、雰囲気中の酸素を除去すれば、インゴット中において酸化物が形成されることがないため、混合物の溶融の前に予めＴｉゲッターを用いることによって、雰囲気中の酸素を吸収させることが好ましい。このインゴットにおける欠損率（％）を（１００−（溶融後重量／溶融前重量）×１００）で定義した場合、欠損率を０．１％以下とすることができる。すなわち、インゴットにおける組成を秤量時の組成とほぼ等しくすることができる。

このインゴットが適度な大きさに加工され、単ロール液体急冷法によって薄帯が製造される。ここでは、 図１に示す構成の単ロール液体急冷装置１０中の真空チャンバ１１中に設置された石英ノズル１２中に導入される。石英ノズル１２の先端付近には、高周波印加コイル１３が設けられ、これに高周波電流が流されることによって高周波加熱が行われインゴットが溶融されて溶湯となる。石英ノズル１２には図中右側におけるＡｒガス導入口１４からＡｒガスが導入され、その圧力によってこの溶湯が石英ノズル１２の先端の開口部から噴出する。真空チャンバ１１内は排気口１５から真空ポンプで排気され、減圧雰囲気とすることができる。この場合、噴出した溶湯が凝固する際に酸化されることがない。ただし、後述するように、本実施の形態の軟磁性薄帯は、これを大気中で製造することも可能である。

石英ノズル１２の先端から噴出して落下した溶湯は回転する銅製のローラ１６の表面に達し、その回転方向に沿って射出されると同時に急冷されて凝固し、薄帯２０が得られる。その後、リークバルブ１７を開けることによって真空チャンバ１１内は大気圧となり、製造された薄帯２０が取り出される。薄帯の幅、厚さは石英ノズル１２先端部の開口の大きさ（幅）、ローラ１６の回転数、石英ノズル１２先端とローラ１６との間隔、Ａｒガス導入口１４に導入されたＡｒガス圧等で決まる。例えば、石英ノズル１２先端の開口部を０．７ｍｍ×０．３ｍｍとし、ロール回転数を４０００ｒｐｍ、石英ノズル１２先端とローラ１６との間隔を０．２ｍｍ、Ａｒガス圧を６０ｋＰａとした場合に、薄帯の幅を１ｍｍ、厚さを２０μｍ程度とすることができる。

ここで、Ｐの原料としてＦｅ_３Ｐを用いた場合には、この幅を５ｍｍよりも大きくすることができる。一方、他の材料、例えばＦｅ−Ｐ合金（Ｐ：２５．１ｍａｓｓ％）を用いた場合には、最大１ｍｍの幅の薄帯しか製造することができない。この理由は、ＦｅとＰを、合金ではなく化合物であるＦｅ_３Ｐの形態とした方が、薄帯を製造する際の障害となる不純物の量が少なくなるためであると考えられる。従って、Ｆｅ_３Ｐを用いた場合に、特に幅の広い薄帯を得ることができる。

更に、本発明の実施の形態に係る軟磁性薄帯においては、図１の構成の単ロール液体急冷装置１０において、減圧雰囲気中だけではなく、大気中でも幅が５ｍｍよりも広いものを形成することができる。この場合には、真空ポンプによる排気が不要となるため、その製造工程に要する時間の短縮化が図れ、より製造コストを低減することができる。

ここで、溶湯が急冷されるため、一般にはこの薄帯は非晶質となる。特許文献１に記載されるように、α−Ｆｅ結晶相をもつナノ粒子がこの非晶質相に分散させた構造の方が軟磁気特性が向上するため、この薄帯に対して熱処理を行う。この熱処理はα−Ｆｅの結晶化温度以上、例えば６５０℃の温度で行う。この処理においても、酸化を抑制するために、雰囲気を５×１０^−４Ｐａ以下の圧力とし、昇温速度は１８０℃／ｍｉｎ程度、保持時間を３００ｓ程度とする。なお、この薄帯を用いて磁心を形成する際には、磁心の形態とした後でこの処理を行うこともできる。このナノ粒子の平均粒径を５０ｎｍ以下とすることができる。

以上の製造方法によって、非晶質中にα−Ｆｅ粒子が分散された軟磁性薄帯が得られる。この軟磁性薄帯の平均組成をＦｅ_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｎｂ_ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅ（０＜ｂ≦１０、０．５≦ｃ≦２５、０＜ｄ≦５、０＜ｅ≦１．５）とすることができる。この軟磁性薄帯においては、特許文献１に記載されたように、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度、１００００以上の比透磁率が得られる。

また、特許文献１に記載されるように、この軟磁性薄帯は、高い靱性をもち、折り曲げて使用することができるため、特に、Ｆｅ_３Ｐ以外の原料を用いた場合には幅の小さな薄帯しか製造できないために大型の磁心を製造することが困難であるのに対して、幅が広い薄帯ができるため、これを用いて大型の磁心を製造することができる。この際、この軟磁性薄帯を巻回した形態で磁心とすることができる。また、巻回する他に、単純に積層することによっても同様に磁心とすることもできる。これらの磁心においては、特許文献１に記載されるように、１．４Ｔ以上の飽和磁束密度、１００００以上の比透磁率が得られる。この磁心を用いてコイルを製造することができる。なお、この際に軟磁性薄帯の表面に絶縁層を形成して巻回又は積層した形態で磁心とすることもできる。

なお、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｕの原材料における形態は、上記のインゴットが形成でき、かつ上記の磁気特性が得られる限りにおいて任意である。ＦｅにＮｂ、Ｂ、Ｃｕ、Ｐ以外の元素が添加される場合も同様である。

以下、上記の製造方法の具体的な実施例につき説明する。まず、Ｆｅ_３Ｐを用いて様々な組成の母材料（インゴット）を上記の通り、アーク溶解炉を用いて製造した。まず、上記の組成範囲内である各種のインゴットを、前記のアーク溶解炉をＰ原料としてＦｅ_３Ｐを用いて作成した。作成したインゴットの組成及び原材料の重量を表１、２に示す。実施例１〜１６の組成範囲において、均一なインゴットが製造できることが確認された。

上記の全ての母材料を用いて、単ロール液体急冷法によって幅５ｍｍ、板厚２０μｍの軟磁性薄帯が製造できることが確認された。すなわち、上記の組成をもつ幅５ｍｍの軟磁性薄帯が製造できることが確認された。

次に、本発明の実施例である幅５ｍｍの薄帯（実施例１７、１８）と、Ｐ原料としてＦｅ_３Ｐの代わりにＦｅ−Ｐ合金（Ｐ：２５．１ｍａｓｓ％）を用いて製造した幅１ｍｍの実施例１８と同一組成の薄帯（比較例１）と、Ｐ、Ｃｕを含まない薄帯（比較例２）を用いて磁心を作成した。

ここでは、得られた薄帯（厚さ２０μｍ）をロール芯に巻回して外径７．０ｍｍ、内径５．０ｍｍのトロイダル状の磁心とし、この磁心に対して５．０×１０^−４Ｐａ以下の圧力で６５０℃の熱処理を行った。ここで、６５０℃の温度の保持時間は３００ｓ、昇温速度は１８０℃／ｍｉｎとした。

以上により得られた磁心にコイルを巻回してインピーダンスアナライザによってそのインダクタンスを測定することにより、０．４Ａ／ｍの磁界下、５０Ｈｚ〜１０ＭＨｚの周波数における比透磁率を測定した。飽和磁束密度は、交流Ｂ−Ｈアナライザを用いて１０Ｈｚ、印加磁界８００Ａ／ｍで測定した。

また、上記の熱処理後の薄帯について、ＣｕＫα線（波長０．１５４ｎｍ）を用いたＸ線回折を行ったところ、α−Ｆｅの結晶相のピークが確認できた。この（１１０）面のピークの半値幅から、α−Ｆｅ粒子の平均粒径ＤをＳｃｈｅｒｒｅｒの式Ｄ＝０．９×λ／Ｂ／ｃｏｓθ（λ：Ｘ線波長＝０．１５４ｎｍ、Ｂビークの半値幅、θ：回折角度）から求めた。

以上の測定結果を表３に示す。

この結果より、Ｆｅ_３Ｐを原材料に用いた実施例の幅５ｍｍの薄帯においては、幅が１ｍｍである比較例の薄帯と同様の良好な磁気特性をもつことが確認できる。すなわち、特許文献１に記載の軟磁性薄帯と同様に、実施例の薄帯においては、１００００以上の高い比透磁率、１．４Ｔ以上の高い飽和磁束密度が得られる。この際、この特性を５ｍｍ以上の幅の薄帯において得ることができる。

また、実施例１７、１８と比較例１の試料について、同一インゴットを用いて、幅を１ｍｍ、５ｍｍ、１４ｍｍ、厚さ２０μｍの薄帯を、ノズルのみを変え、他の条件を同一にして製造し、連続薄帯が製造できるか否かを調べた。ここで、幅５ｍｍの薄帯を製造する際のノズルの開口は５ｍｍ×０．３ｍｍ、幅１４ｍｍの場合は１４ｍｍ×０．３ｍｍとした。その結果を表４に示す。

この結果より、比較例１では５ｍｍ幅の薄帯が製造できなかったのに対して、Ｆｅ_３Ｐを用いた実施例１７、１８においては少なくとも幅が５ｍｍ以上、特に実施例１７においては幅が１４ｍｍの薄帯を製造できることが確認された。

次に、実施例のインゴットを用いて、大気中で単ロール液体急冷法を行い、幅５ｍｍの薄帯を製造し、製造された薄帯の状況を調べた。ここでは特に、大気中での薄帯の製造しやすさという観点から、連続薄帯ができたかどうか、製造された薄帯における酸化の状況、薄帯製造におけるノズルの状況の３点について調べた。その結果を各種の組成について調べた結果を表５に示す。ここで、「連続薄帯の製造」において、○は５ｍｍ幅の薄帯が製造された場合を示し、×はこれができなかった場合を示す。「薄体表面の酸化」において、○は、大気中においても酸化していない薄帯が得られたことを示し、△は表面のみに酸化が見られたことを示し、×は全体が酸化されたことを示す。「ノズルの状況」においては、◎は薄帯製造後のノズルにおいてスラグが発生せず、ノズルの再利用が可能であった場合を示し、○はスラグが発生したが、その量が微量であったためにノズルの再利用が可能であった場合を示し、×は多量のスラグが発生し、ノズルの再利用が不可であった場合を示す。

この結果より、特に、ｂを７．０以下、ｃを８．０以上とした場合に、大気中においても良好な状態で幅が５ｍｍ以上の軟磁性薄帯が製造できることが確認された。

本発明の実施の形態の製造方法において用いられる単ロール液体急冷装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 単ロール液体急冷装置
１１ 真空チャンバ
１２ 石英ノズル
１３ 高周波印加コイル
１４ Ａｒガス導入口
１５ 排気口
１６ ローラ
１７ リークバルブ
２０ 薄帯

Claims (9)

1. 組成式Ｆｅ_{１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｎｂ_ｂＢ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅ（ここで、０≦ｂ≦１０．０、０．５≦ｃ≦２５．０、０＜ｄ≦５．０、０＜ｅ≦１．５）で表される軟磁性薄帯の製造方法であって、
   Ｆｅ、Ｎｂ、Ｂ、Ｃｕの原材料にＰ原料となるＦｅ_３Ｐを混合して溶融して固化させたインゴットを作成し、
   前記インゴットを溶融させた溶湯を回転するローラ上に噴出して急冷させる単ロール液体急冷法によって前記軟磁性薄帯を得ることを特徴とする軟磁性薄帯の製造方法。
2. 前記単ロール液体急冷法は大気中で行われることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性薄帯の製造方法。
3. ｂ≦７．０、ｃ≧８．０の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の軟磁性薄帯の製造方法。
4. 前記急冷後の軟磁性薄帯に非酸化雰囲気中でα−Ｆｅの結晶化温度よりも高い温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の軟磁性薄帯の製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の軟磁性薄帯の製造方法によって製造されたことを特徴とする軟磁性薄帯。
6. 平均粒径が５０ｎｍ以下の範囲のα−Ｆｅからなる粒子が分散していることを特徴とする請求項５に記載の軟磁性薄帯。
7. 請求項５又は６に記載の軟磁性薄帯が巻回されて形成されたことを特徴とする磁心。
8. 請求項５又は６に記載の軟磁性薄帯が積層されて形成されたことを特徴とする磁心。
9. 請求項７又は８に記載の磁心が用いられたことを特徴とするコイル。