JP2014049639A - 軟磁性材料 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な磁性を保持しながら、低コスト化が図れ、尚且つ、高い電気抵抗を有し渦電流損失が発生し難い軟磁性材料を提供すること。
【解決手段】鉄を主成分とする母相Ｍ、並びにバナジウム及びクロムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを含む粒界相Ｇを備え、母相Ｍが、その粒界に沿って、粒界相Ｇによって仕切られていることを特徴とする軟磁性材料。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えばモーターや変圧器などの磁心材料として用いられる軟磁性材料に関する。

軟磁性材料は、一般的に透磁率の高い材料を意味し、モーターや変圧器などの磁心材料として広く使用されている。磁心材料に交流磁界を印加して磁化する場合、磁束の変化を妨げる向きに電流が流れて電気エネルギーが損失する、所謂「渦電流損失」が生じるため、この渦電流損失が発生し難い軟磁性材料、即ち高電気抵抗を有する軟磁性材料の開発が望まれている。
また、近年の電気自動車の普及や電子機器の利用拡大に伴い、より複雑な形状に加工し易く、且つ低コストで製造可能な軟磁性材料のニーズが高まっている。
従来の軟磁性材料としては、例えば、特許文献１及び２に示すものが知られている。ここでは、鉄系磁性材を加熱して溶解し、適量の硫黄（Ｓ）等を添加して鋳型で鋳造することによって、硫化鉄（ＦｅＳ）等が、鉄（Ｆｅ）の結晶粒を主成分とする母相（マトリックス相）の粒界に沿って三次元網目構造状に析出する。その結果、母相が、硫化鉄（ＦｅＳ）等からなる粒界相によって細かく仕切られ、これにより電気抵抗が高められ、渦電流損失の発生が抑えられる。

特開２００４−３２７７６２号公報 特開２００５−３４７４３０号公報（図１参照）

鋳造法は生産性に優れた加工方法であり、また鉄系磁性材は磁気特性が良く安価な素材であるため、従来の軟磁性材料では、良好な磁気特性を保持しながら、形状自由度の向上と低コスト化が実現されている。
しかしながら、従来の軟磁性材料には、その電気抵抗をより増加させて、渦電流損失の発生をより確実に抑えるという点において改善する余地が残されていた。
本発明の目的は、良好な磁気特性を保持しながら、低コスト化が図れ、尚且つ、渦電流損失が発生し難い軟磁性材料を提供すること、さらには形状自由度の高い軟磁性材料を提供することにある。

本発明に係る軟磁性材料の第１特徴構成は、鉄を主成分とする母相、並びにバナジウム及びクロムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを含む粒界相を備え、前記母相が、その粒界に沿って、前記粒界相によって仕切られている点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、母相の主成分が鉄であるため、高い飽和磁束密度や透磁率という良好な磁気特性が保持され、さらに、鉄は安価な素材であり低コスト化が図れる。
また、粒界相がクロム及びバナジウムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを含むため、粒界相には鉄（Ｆｅ）及び、バナジウム（Ｖ）又はクロム（Ｃｒ）が硫化物を生成するが、バナジウム又はクロムが存在するため、硫化鉄（ＦｅＳ）のみであることはない。硫化物としては、硫化鉄（ＦｅＳ）、硫化バナジウム（ＶＳ）、硫化クロム（ＣｒＳ）、又は鉄（Ｆｅ）・バナジウム（Ｖ）・クロム（Ｃｒ）の少なくとも２つの金属元素との複合硫化物である。また、これらが２種類以上粒界相に生成されることもある。硫化バナジウム（ＶＳ）の比抵抗は、４．０×１０³〜４．６×１０³[Ω・ｃｍ]であり、硫化クロム（ＣｒＳ）の比抵抗は、１[Ω・ｃｍ]であり、硫化鉄（ＦｅＳ）の比抵抗は、５．８×１０―²〜１．５×１０―¹[Ω・ｃｍ]である。即ち、硫化バナジウム（ＶＳ）及び硫化クロム（ＣｒＳ）のそれぞれの比抵抗は、硫化鉄（ＦｅＳ）の比抵抗よりも高いため、本構成における粒界相の固有抵抗は、硫化鉄（ＦｅＳ）からなる粒界相の固有抵抗よりも高くなる。その結果、本発明の軟磁性材料は、硫化鉄（ＦｅＳ）からなる粒界相を備える従来の軟磁性材料よりも高い電気抵抗を有することとなる。さらに、本構成のごとく、母相が、その粒界に沿って、粒界相によって仕切られることによって、電気抵抗のさらなる上昇化が図れるため、磁化したときの渦電流損失が発生し難い。

第２特徴構成は、前記クロム及びバナジウムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを溶解し、鋳造される点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、生産性の良い鋳造法によって製造されるため、形状自由度が向上する。

第３特徴構成は、前記鋳造後の鋳塊を、前記粒界相が液相であり、前記母相が固相である温度で保持して急冷する点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、母相は固相のままであるが、粒界相が液相となるため、粒界相の濡れ性が増加し、母相の粒界への侵入が促される。その結果、途切れた粒界相同士がつながり易くなり、連続的で途切れが無いか、あるいは途切れが少ない仕切り構造が形成されるため、より一層の電気抵抗の上昇化を図れる。

第４特徴構成は、前記鋳造において、前記粒界相が液相であり、前記母相が固相である温度で保持して急冷する点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、母相は固相のままであるが、粒界相が液相となるため、粒界相の濡れ性が増加し、母相の粒界への侵入が促される。その結果、途切れた粒界相同士がつながり易くなり、連続的で途切れが無いか、あるいは途切れが少ない仕切り構造が形成されるため、より一層の電気抵抗の上昇化を図れる。

第５特徴構成は、前記バナジウムの含有量が、１重量％〜３重量％である点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、仕切り構造における粒界相の途切れがより一層生じ難くなる。

第６特徴構成は、前記クロムの含有量が、１重量％以下である点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、仕切り構造における粒界相の途切れがより一層生じ難くなる。

第７特徴構成は、前記硫黄の含有量が、０．６重量％〜６重量％である点にある。

〔作用及び効果〕
本構成によれば、高い飽和磁束密度や透磁率という良好な磁気特性を保持しつつ、電気抵抗の上昇効果が得られる仕切り構造をより確実に形成することができる。

第８特徴構成は、上記第１特徴構成〜第７特徴構成のいずれかに記載の軟磁性材料で構成される軟磁性コアである点にある。

〔作用及び効果〕
本構成の軟磁性コアは、良好な磁気特性を保持しながら、低コスト化が図れ、尚且つ、渦電流損失が発生し難く、形状自由度も高い。

試料１（比較例）の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料３の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料４の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料４の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（高倍率）である。 試料５の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（高倍率）である。 試料６の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（高倍率）である。 試料２の熱処理材（１０５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料３の熱処理材（１０５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料４の熱処理材（１０５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料３の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料４の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料３の熱処理材（９５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（高倍率）である。 試料３の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（高倍率）である。 試料１の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 試料２の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 試料３の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 試料４の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 統合型熱力学計算システム（ＴＨＥＲＭＯ-ＣＡＬＣ）により計算したＦｅ−Ｖ−１重量％Ｓ系におけるＦｅ−Ｖ擬二元系状態図である。 試料７の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料８の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料９の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料７の熱処理材（１０５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料８の熱処理材（１０５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料９の熱処理材（１０５０℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料７の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料８の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料９の熱処理材（１３００℃）の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料７の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 試料８の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 試料９の熱処理温度による二面角の変化を示す図である。 統合型熱力学計算システム（ＴＨＥＲＭＯ-ＣＡＬＣ）により計算したＦｅ−Ｃｒ−１重量％Ｓ系におけるＦｅ−Ｃｒ擬二元系状態図である。 試料１０の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１１の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１２の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１３の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１４の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１５の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１６の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１７の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１８の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料１９の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２０の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２１の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料７の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２２の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料８の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２３の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 試料２４の鋳塊材の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（低倍率）である。 軟磁性コアの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。
本発明の軟磁性材料は、鉄（Ｆｅ）を主成分とする母相、並びにバナジウム（Ｖ）及びクロム（Ｃｒ）のうちの少なくともいずれか一方と鉄（Ｆｅ）と硫黄（Ｓ）とを含む粒界相を備え、母相が、その粒界に沿って、粒界相によって仕切られていることを特徴とする。

鉄を主成分とする母相としては、例えば、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系合金、又はＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金等の鉄系磁性材の結晶粒を主成分とするものを使用することができる。またこれらの鉄系磁性材の結晶粒を任意に組み合わせて主成分として構成したものを使用しても良い。

粒界相は、バナジウム及びクロムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを含むため、粒界相には鉄（Ｆｅ）及び、バナジウム（Ｖ）又はクロム（Ｃｒ）が硫化物を生成するが、バナジウム又はクロムが存在するため、硫化鉄（ＦｅＳ）のみであることはない。硫化物としては、硫化鉄（ＦｅＳ）、硫化バナジウム（ＶＳ）、硫化クロム（ＣｒＳ）、又は鉄（Ｆｅ）・バナジウム（Ｖ）・クロム（Ｃｒ）の少なくとも２つの金属元素との複合硫化物である。また、これらが２種類以上粒界相に生成されることもある。これらの硫化物は、母相の粒界に沿って三次元網目構造状を形成し、その結果、母相が、これらの硫化物からなる粒界相によって細かく仕切られる。

尚、本発明において、粒界相が母相を仕切るとは、粒界相が母相を連続的に途切れること無く囲い込むことによって植物細胞組織における細胞壁のような構造を形成することだけでなく、粒界相が母相を断続的に囲い込むような構造をも含むことを意味する。以下、本明細書において、このように母相が粒界相によって仕切られている構造を「仕切り構造」と称する。

本発明の軟磁性材料は、バナジウム及びクロムのうちの少なくともいずれか一方、硫黄、及び不可避元素のそれぞれを少量含み、残部は上記鉄系磁性材で構成される。

バナジウムの含有量は、１重量％〜３重量％であることが望ましい。バナジウムの含有量がこの範囲を逸脱した場合、「仕切り構造」において途切れ箇所が増加して、電気抵抗の上昇効果が得られ難くなる。

クロムの含有量は、１重量％以下であることが望ましい。クロム含有量が１重量％を超えた場合、「仕切り構造」において途切れ箇所が増加して、電気抵抗の上昇効果が得られ難くなるためである。尚、クロム含有量の下限を設定していないのは、０重量％でも良いということを意図するものではなく、１重量％以下であれば、電気抵抗の上昇効果が得られる「仕切り構造」を形成するために必要なクロム含有量を適宜設定して良いということを意図する。

硫黄の含有量は、０．６重量％〜６重量％であることが望ましい。硫黄の含有量をこの範囲に設定することによって、高い飽和磁束密度や透磁率という良好な磁気特性を保持しつつ、電気抵抗の上昇効果が得られる「仕切り構造」をより確実に形成することができる。

（軟磁性材料の製造方法）
本発明の軟磁性材料は、以下の（１）秤量工程、（２）溶解工程、（３）鋳造工程、及び（４）熱処理急冷工程を順に実施することによって製造することができる。尚、（４）熱処理急冷工程については必要に応じて実施するようにしても良い。

（１）秤量工程
原料となる、鉄系磁性材、硫黄、バナジウム、及びクロムを秤量する。秤量は、従来公知の秤量方法及び秤量装置を用いて実施することができる。尚、硫黄の原料は、硫化鉄・硫化バナジウム・硫化クロムの硫化物を用いても良い。

（２）溶解工程
原料の溶解は、従来公知の溶解方法及び溶解装置を用いて実施することができるが、高周波真空誘導溶解炉を用いて溶解する場合を以下に例示する。
秤量した原料を、アルミナ製るつぼに入れ、真空引きを行った後、るつぼの周囲に巻かれたコイルに高周波電流を流すことにより、るつぼ内の原料に渦電流を発生させ、そのジュール熱によって溶解する。更に溶湯内にも渦電流が発生し、ジュール熱が生じることで、溶湯の加熱をすることができる。尚、溶湯内に含まれる酸素や、溶解中に炉内部等から混入する酸素を除去するために、例えば、アルミニウムや希土類元素などの酸化し易い金属元素を添加して溶解するようにしても良い。

（３）鋳造工程
鋳造は、従来公知の鋳造方法及び鋳造装置を用いて実施することができるが、砂型を用いて鋳造する場合を以下に例示する。
先ず、けい砂（粘土分の少ない鋳物用の砂）をケイ酸塩などの無機接着剤で結着させて砂型を作製する。砂型の作製方法としては、ロストワックス法などが挙げられる。ロストワックス法では、ワックスを製品形状に成型して、その表面を鋳砂でコーティングする。そして中のワックスを溶出させた後、これを焼き固めて砂型とする。

この砂型に、溶解した原料（溶湯）を流し込み所望の形状に鋳造する。このとき、硫化バナジウム（ＶＳ）及び硫化クロム（ＣｒＳ）のうちの少なくともいずれか一方、及び硫化鉄（ＦｅＳ）といった硫化物、あるいはバナジウム（Ｖ）及びクロム（Ｃｒ）のうちの少なくとも一方の金属元素と鉄元素（Ｆｅ）を含む複合硫化物が、鉄（Ｆｅ）の結晶粒を主成分とする母相の粒界に沿って三次元網目構造状に析出する。その結果、母相が、これらの硫化物からなる粒界相によって細かく仕切られ、母相に「仕切り構造」が形成される。

鋳塊の取り出しは、鋳塊の周りの砂型を粉砕・除去することによって行われ、その後必要に応じてバリの除去や加工を行う。

（４）熱処理急冷工程
熱処理急冷工程では、鋳造後の鋳塊を、例えば、従来公知の電気炉内に入れ、所定の熱処理温度で所定時間保持した後、室温付近の油又は水あるいは氷水の中に投入して急冷する。尚、熱処理は、鋳塊の表面の酸化を防ぐために、アルゴン（Ａｒ）や窒素などの不活性気体雰囲気下で行うことが望ましい。

熱処理温度は、粒界相の硫化物の融点よりも高く、且つ母相の融点より低い温度に設定される。例えば、鋳塊の組成がＦｅ−０．５重量％Ｖ−１重量％Ｓの場合（バナジウム０．５重量％、硫黄１重量％を含み、残部が鉄であることを意味する、以下同様）は、９５０℃〜１１００℃が望ましく、Ｆｅ−１重量％Ｖ−１重量％Ｓの場合は、１２００℃〜１３００℃が望ましく、Ｆｅ−３重量％Ｖ−１重量％Ｓの場合は、１３００℃〜１５００℃が望ましく、Ｆｅ−０．５重量％Ｃｒ−１重量％Ｓの場合は、１０００℃〜１０５０℃が望ましく、Ｆｅ−１重量％Ｃｒ−１重量％Ｓの場合は、１０００℃〜１１００℃が望ましく、Ｆｅ−３重量％Ｃｒ−１重量％Ｓの場合は、１２００℃〜１３００℃が望ましい。また、熱処理温度の保持時間は、鋳塊の組成の違いによって、適宜設定することができるが、およそ０．５時間〜５時間が望ましい。

熱処理の間、母相は固相のままであるが、粒界相の硫化物が融解して液相となるため、粒界相の濡れ性が増加し、母相の粒界への侵入が促される。その結果、途切れた粒界相の硫化物同士がつながり易くなり、連続的で途切れが無いか、あるいは途切れが少ない「仕切り構造」が形成される。尚、粒界相の濡れ性の改善に有効な熱処理の保持温度については、統合型熱力学計算システム（ＴＨＥＲＭＯ-ＣＡＬＣ）を用いることによってある程度予測することができる。

上述の熱処理急冷工程は、鋳造後の鋳塊に対して実施されるものであるが、これに限定されるものではなく、上記熱処理急冷工程を、鋳造工程の凝固過程において実施しても良い。この場合、例えば、鋳造工程で使用する砂型の上部開口部の熱輻射を測定することで、砂型内の鋳塊の温度を把握しつつ、砂型内の鋳塊を高周波によって加熱することによって、粒界相の硫化物の融点よりも高く、且つ母相の融点より低い所定の熱処理温度に設定し、所定時間保持すれば良い。そして、所定時間経過後、保持温度環境下で砂型を粉砕・除去した後、室温付近の油又は水、あるいは氷水の中に投入して急冷する。

以下、本発明の軟磁性材料の実施例について説明する。
（１）軟磁性材料の作製
以下の表１に示す組成を有する試料１〜２４について、軟磁性材料を作製した。尚、試料１は、バナジウム及びクロムのいずれも含まない従来の軟磁性材料（比較例）であり、一方、試料２〜２４は、バナジウム又はクロムのいずれかを含む本発明の軟磁性材料の実施例である。

各試料１〜２４の質量はすべて３００ｇとし、溶解には、高周波真空溶解炉（富士電波工業株式会社製）とアルミナ製るつぼを使用した。秤量した鉄を入れたるつぼを炉内に設置して約２５Ｐａまで真空引きを行った後、アルゴン（Ａｒ）を導入した。そして、出力を１０Ａまで上げた後、１０分おきに２Ａずつ出力を上げ、２０Ａで鉄（Ｆｅ）を溶解させた。完全に鉄を溶解した後、秤量したバナジウム（Ｖ）及びクロム（Ｃｒ）をそれぞれ添加し、３分保持後に秤量した硫化鉄（ＦｅＳ）を添加してさらに３分保持した後、通電をとめてそのまま炉冷したものを鋳塊材（ａｓ-ｃａｓｔ材）とした。

次いで、試料１〜４、７〜９の鋳塊材のそれぞれをファインカッターで小片状に切断し、石英管に真空封入した。封入した鋳塊材を、９５０℃、１０００℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、及び１３００℃の各熱処理温度で１時間保持した後、氷水上で石英管を割って急冷したものを熱処理材とした。

（２）試料１〜５の鋳塊材（ａｓ-ｃａｓｔ材）について
各試料の鋳塊材を樹脂埋めし、耐水研磨紙＃１８０〜＃２４００を用いて湿式研磨した後、粒径０．３μｍのアルミナ粉でバフ研磨した。次いで、５％ナイタールを用いてエッチングを行った。
エッチング済みの各試料の鋳塊材を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、硫化物相（粒界相Ｇ）とマトリックス相（母相Ｍ）の組成分析をエネルギー分散型X線分析（ＥＤＸ）により実施した。尚、硫化物相（粒界相Ｇ）及びマトリックス相（母相Ｍ）のそれぞれについて、３か所点分析してその平均値を算出した。結果を以下の表２に示す。

表２に示すように、試料１の硫化物相（粒界相）は、硫黄を豊富に含み、マトリックス相（母相）には硫黄がほとんど含まれていないことが確認された。また、試料２〜４の硫化物相（粒界相）は、バナジウムと硫黄とを豊富に含み、マトリックス相（母相）にはバナジウムと硫黄がほとんど含まれていないことが確認された。

図１に示すように、試料１の鋳塊材では、硫化鉄からなる粒界相Ｇは、球状化する傾向を示した。一方、図２〜図４に示すように、試料２〜４の鋳塊材では、粒界相Ｇの三次元網目構造状の形成が促され途切れが少なくなり、母相Ｍが粒界相Ｇによってより細かく仕切られることが確認された。

ただし、図５に示す通り、試料４のようにバナジウムの含有量が３重量％になると、粒界相Ｇの途切れが多くなり、さらに、図６及び図７に示す通り、試料５及び試料６のようにバナジウムの含有量が４重量％以上となると、粒界相Ｇが微細球状化して「仕切り構造」を形成し難くなることが確認された。よって、バナジウムの含有量は、３重量％を超えないようにすることが望ましいと考えられた。

また、図示しないが、試料１〜４の鋳塊材について四端子法により比抵抗を測定したところ、試料２〜４の鋳塊材の比抵抗はいずれも、試料１の鋳塊材の比抵抗よりも高く、またバナジウムの含有量の増加に伴って、比抵抗（電気抵抗）の増加が確認された。

（３）試料１〜５の熱処理材について
エッチング済みの試料２〜４のそれぞれの熱処理材について、上記（２）欄と同様にして組成分析を行った。結果を以下の表３に示す。

表３に示すように、全体的に熱処理温度が高温になるにつれて、硫化物相のバナジウム含有量が減少する傾向が見られた。

また、図８〜図１３に示すように、熱処理材についても鋳塊材と同様に「仕切り構造」が確認された。

次に、エッチング済みの試料１〜４のそれぞれの熱処理材を光学顕微鏡で観察してその組織写真を撮影した。その写真中の粒界に侵入している粒界相Ｇの二面角を画像解析ソフトのＷｉｎ Ｒｏｏｆを用いて測定した。無作為に２５箇所を測定し、その平均値を各試料の値とした。この二面角の値が小さいほど粒界相Ｇの粒界への侵入度が大きいことを示し、粒界相Ｇの濡れ性が大きいこと示す。測定結果を、図１６〜図１９に示す。

図１６に示すように、バナジウムを含まない試料１では、全熱処理温度において比較的二面角が小さく全体的に高い濡れ性を示していたが、熱処理温度の上昇に伴って二面角が小さくなり濡れ性が向上する傾向も見られた。

図１７に示すように、試料２では、９５０℃〜１１００℃において二面角の急激な減少が確認された。図１８に示すように、試料３では、１２００℃〜１３００℃において二面角の急激な減少が確認された。図１９に示すように、試料４では、二面角は全熱処理温度において約９０°であり、低い濡れ性を示した。

以上より、バナジウムの添加量の増加に伴い、粒界相Ｇの二面角が急激に大きく減少する温度、即ち濡れ性が大きく改善される熱処理温度が上昇すると考えられた。尚、試料１では、粒界相Ｇの二面角が急激に大きく減少して濡れ性が改善される熱処理温度が９５０℃よりも低く、また試料４では、当該熱処理温度が１３００℃より高いために、二面角が減少する急激な変化が見られなかったと考えられた。

図２０は、統合型熱力学計算システム（ＴＨＥＲＭＯ-ＣＡＬＣ）により計算したＦｅ−Ｖ−１重量％Ｓ系におけるＦｅ−Ｖ擬二元系状態図である。図２０における太い実線で示したものが固相線であり、楕円で囲っている３つの部分のそれぞれが、試料２（Ｖ添加量０．５重量％）、試料３（Ｖ添加量１重量％）、及び試料４（Ｖ添加量３重量％）における固相線温度を示している。この状態図から予測される硫化物が溶け始める固相線温度（予測値）と、上記実験から実際に得られた二面角の急激な減少が起きた温度（実験値）の範囲を以下の表４にまとめて示した。尚、試料１及び４では、二面角の減少が見られなかったため、実験値は示していない。

表４に示すように、試料２及び３において、予測値と実験値とがほとんど一致していることが確認された。これにより、粒界相Ｇの二面角が急激に大きく減少する現象については、熱処理温度が、粒界相Ｇの硫化物の融点より高くなると、硫化物が融解して液相となり母相Ｍの粒界への侵入が促される結果、二面角の急激な減少が起きたものと考えられた。

図１４に示すように、試料３の９５０℃の熱処理材では、粒界相Ｇの硫化物の丸まりによる途切れが確認されたが、図１５に示すように、試料３の１３００℃の熱処理材では、硫化物は丸まることなくつながっている。これは、熱処理による粒界相Ｇの濡れ性が増加し、母相の粒界への侵入が促された結果、途切れた粒界相の硫化物同士がつながったためと判断された。

以上より、熱処理は、粒界相Ｇの濡れ性に関わるものであるため「仕切り構造」の形態を制御するうえで重要な要素となる。さらに、粒界相Ｇの濡れ性が改善される熱処理温度については、状態図から予測することが可能であるため、「仕切り構造」の形態を制御し易くなり、より高い電気抵抗を有する軟磁性材料の開発が促進される。

（４）試料１、７〜９の鋳塊材（ａｓ-ｃａｓｔ材）について
試料１、７〜９の鋳塊材について、上記（２）欄と同様にして組成分析を行った。結果を以下の表５に示す。

表５に示すように、試料１の硫化物相（粒界相）は、硫黄を豊富に含み、マトリックス相（母相）には硫黄がほとんど含まれていないことが確認された。また、試料７〜９の硫化物相（粒界相）は、クロムと硫黄とを豊富に含み、マトリックス相（母相）にはクロムと硫黄がほとんど含まれていないことが確認された。

図１に示すように、試料１の鋳塊材では、硫化鉄からなる粒界相Ｇは、球状化する傾向を示した。一方、図２１及び図２２に示すように、試料７及び８の鋳塊材では、クロムの含有量が増加するほど、粒界相Ｇの三次元網目構造状の形成が促され途切れが少なくなり、母相Ｍが粒界相Ｇによってより細かく仕切られることが確認された。

ただし、図２３に示す通り、試料９のようにクロムの含有量が３重量％になると、粒界相Ｇが微細球状化して「仕切り構造」を形成し難くなることが確認された。よって、クロムの含有量は、１重量％を超えないようにすることが望ましいと考えられた。

また、図示しないが、試料１、７〜９の鋳塊材について四端子法により比抵抗を測定したところ、試料７〜９の鋳塊材の比抵抗はいずれも、試料１の鋳塊材の比抵抗よりも高く、またクロムの含有量の増加に伴って、比抵抗（電気抵抗）の増加が確認された。

（５）試料７〜９の熱処理材について
エッチング済みの試料７〜９のそれぞれの熱処理材について、上記（２）欄と同様にして組成分析を行った。結果を以下の表６に示す。

表６に示すように、１２００℃で熱処理したとき、硫化物相のクロム含有量が全ての組成において最大となった。

また、図２４〜図２９に示すように、熱処理材についても鋳塊材と同様に「仕切り構造」が確認された。

次に、エッチング済みの試料１、７〜９のそれぞれの熱処理材について、上記（３）欄と同様にして、粒界相Ｇの二面角を測定した。測定結果を、図１６、図３０〜図３２に示す。

図１６に示すように、クロムを含まない試料１では、全熱処理温度において比較的二面角が小さく全体的に高い濡れ性を示していたが、熱処理温度の上昇に伴って二面角が小さくなり濡れ性が向上する傾向も見られた。

図３０に示すように、試料７では、１０００℃〜１０５０℃において二面角の急激な減少が確認された。図３１に示すように、試料８では、１０００℃〜１１００℃において二面角の急激な減少が確認された。図３２に示すように、試料９では、１２００℃〜１３００℃において二面角の急激な減少が確認された。

以上より、クロムの添加量の増加に伴い、粒界相Ｇの二面角が急激に大きく減少する温度、即ち濡れ性が大きく改善される熱処理温度が上昇すると考えられた。尚、試料１では、粒界相Ｇの二面角が急激に大きく減少して濡れ性が改善される熱処理温度が９５０℃よりも低いために、二面角が減少する急激な変化が見られなかったと考えられた。

図３３は、統合型熱力学計算システム（ＴＨＥＲＭＯ-ＣＡＬＣ）により計算したＦｅ−Ｃｒ−１重量％Ｓ系におけるＦｅ−Ｃｒ擬二元系状態図である。図３３における太い実線で示したものが固相線であり、楕円で囲っている３つの部分のそれぞれが、試料７（Ｃｒ添加量０．５重量％）、試料８（Ｃｒ添加量１重量％）、及び試料９（Ｃｒ添加量３重量％）における固相線温度を示している。この状態図から予測される硫化物が溶け始める固相線温度（予測値）と、上記実験から実際に得られた二面角の急激な減少が起きた温度（実験値）の範囲を以下の表７にまとめて示した。

表７に示すように、試料７〜９において、予測値と実験値とがほとんど一致していることが確認された。これにより、粒界相Ｇの二面角が急激に大きく減少する現象については、上記（３）欄のバナジウムの場合と同様に、熱処理温度が、粒界相Ｇの硫化物の融点より高くなると、硫化物が融解して液相となり母相Ｍの粒界への侵入が促される結果、二面角の急激な減少が起きたものと考えられた。

図２３に示す試料９の鋳塊材、及び図２６に示す試料９の１０５０℃の熱処理材では、粒界相Ｇの硫化物の丸まりによる途切れが確認されたが、図２９に示すように、試料９の１３００℃の熱処理材では、硫化物は丸まることなくつながっている。これは、熱処理による粒界相Ｇの濡れ性が増加し、母相の粒界への侵入が促された結果、途切れた粒界相の硫化物同士がつながったためと判断された。

以上より、クロムを使用した場合も、熱処理は、粒界相Ｇの濡れ性に関わるものであるため「仕切り構造」の形態を制御するうえで重要な要素となる。さらに、粒界相Ｇの濡れ性が改善される熱処理温度については、状態図から予測することが可能であるため、「仕切り構造」の形態を制御し易くなり、より高い電気抵抗を有する軟磁性材料の開発が促進される。

（６）試料７、８、１０〜２４について
本実施例では、バナジウム、クロム、及び硫黄の含有量を変化させた場合の鋳塊材の組織形態について調べ、硫黄含有量の最適な範囲を明らかにした。図３４〜図５０に示すように、硫黄の含有量が高いほど、粒界相Ｇの体積分率が高くなる傾向がある。これは、上述の表２、表３、表５、及び表６に示されるように、マトリックス相（母相Ｍ）には、硫黄はほとんど含まれず、硫黄は、硫化鉄（ＦｅＳ）、硫化バナジウム（ＶＳ）、硫化クロム（ＣｒＳ）又は鉄（Ｆｅ）・バナジウム（Ｖ）・クロム（Ｃｒ）の少なくとも２つの金属元素との複合硫化物として、硫化物相（粒界相Ｇ）に存在するためである。

本発明の軟磁性材料が、高い飽和磁束密度や透磁率という良好な磁気特性を持つためには、母相Ｍの体積分率が高いほど良く、一方、交流電圧を流して磁化する場合の渦電流損失を抑えるためには、粒界相Ｇによる「仕切り構造」を備えることが重要となる。これを実現するためには、母相Ｍの粒界の体積分率が２％〜２０％であることが望ましい。図３４〜図５０に示すように、粒界相Ｇの体積分率は、バナジウム含有量やクロム含有量に依存しないことが分かる。また、バナジウム含有量やクロム含有量が、全体の数％以下であることから、仮に、母相Ｍを純鉄とし、粒界相Ｇを硫化鉄とすると、硫黄の含有量として望ましいのは、１ａｔ％〜１０ａｔ％であり、これは０．６重量％〜６．０重量％に相当する。

（７）軟磁性コア
図５１において、本発明の軟磁性材料を軟磁性コア（磁心材料）として作製した場合を例示する。従来の軟磁性コアは、電磁鋼板を積層した積層鋼板、高荷重での圧粉成形体、あるいは樹脂等のバインダとの複合材料（ダストコア）を用いて作製されていた。しかしながら、積層鋼板では、磁場が鋼板の面に平行にかかるように用いる必要があるという制限があり、鋼板の面方向の断面形状が変化する複雑形状を得ることが困難であった。また、圧粉成形体も断面形状が変化する場合の成形が困難であるという制限があった。また、複合材料は、バインダのために、飽和磁束密度が小さいという欠点や、磁性粉からの発熱が逃げ難く高温になり易いという欠点があった。
本発明の軟磁性材料は、鋳造法によって製造することができるため、従来懸念されていた、上述の問題点が解決され、チョークコイルなどに用いられる複雑な構造の軟磁性コアも本発明によれば、容易に実現できる。

本発明の軟磁性材料は、モーターや変圧器などの磁心材料に利用することができる。

Ｍ 母相（マトリクス相）
Ｇ 粒界相（硫化物相）

Claims (8)

1. 鉄を主成分とする母相、並びにバナジウム及びクロムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを含む粒界相を備え、前記母相が、その粒界に沿って、前記粒界相によって仕切られていることを特徴とする軟磁性材料。
2. 前記クロム及びバナジウムのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを溶解し、鋳造される請求項１に記載の軟磁性材料。
3. 前記鋳造後の鋳塊を、前記粒界相が液相であり、前記母相が固相である温度で保持して急冷する請求項２に記載の軟磁性材料。
4. 前記鋳造において、前記粒界相が液相であり、前記母相が固相である温度で保持して急冷する請求項２に記載の軟磁性材料。
5. 前記バナジウムの含有量が、１重量％〜３重量％である請求項１〜４のいずれか１項に記載の軟磁性材料。
6. 前記クロムの含有量が、１重量％以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の軟磁性材料。
7. 前記硫黄の含有量が、０．６重量％〜６重量％である請求項１〜６のいずれか１項に記載の軟磁性材料。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の軟磁性材料で構成される軟磁性コア。