JP2021195579A - 高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金 - Google Patents

Abstract

【課題】低保磁力、高初透磁率、高実効透磁率を有するとともに、１．８Ｔ級の極めて高い飽和磁束密度を有する高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金を提供する。【解決手段】下記式（I）の組成式で示される高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金。（Ｆｅ１-ＸＣｏＸ）ａＢｂＳｉｃＣｄ（I）〔式（I）中、０．０２≦Ｘ≦０．１であり、ａ、ｂ、ｃおよびｄは、それぞれ原子％を表し、８２．５≦ａ≦８４、１４≦ｂ≦１６、１≦ｃ≦２、０．５≦ｄ≦１であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。〕【選択図】なし

Description

本発明は高飽和磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金に関する。さらに詳しくは、低保磁力、高初透磁率、高実効透磁率を有するとともに、１．８Ｔ級の極めて高い飽和磁束密度を有する高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金に関する。本発明の非晶質合金は、モータ鉄心、高効率トランス、パーソナルコンピュータ等の高効率インダクター、高感度センサ−、各種電磁気材料の磁気シールド等に好適に適用され得る。

従来、種々の合金系において、原子がランダムに配列した非晶質構造を有する非晶質合金（アモルファス合金）が見出され、その原子配列に起因する高強度、良好な軟磁気特性、化学的安定性などを利用した各種の製品が開発されている。

これら非晶質合金の中でも特に、Ｆｅを主成分とするＦｅ系非晶合金は、他金属系非晶質合金に比べ高い飽和磁束密度を示す等の利点が認められるが、近年、より一層の高い飽和磁束密度が求められ、盛んに研究開発が行われている（特許文献１〜４）。

特開昭６１−６４８４４号公報 特開２０１４−１６７１３８号公報 特開２０１５−１２７４３６号公報 特開２０１８−１２３４２４号公報

本発明は上記従来の事情に鑑みてなされたもので、低保磁力、高初透磁率、高実効透磁率を有するとともに、１．８Ｔ級の極めて高い飽和磁束密度を有する高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、下記式（I）の組成式で示される高磁束密度軟磁
性Ｆｅ系非晶質合金を提供する。

（Ｆｅ_１-ＸＣｏ_Ｘ）_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＣ_ｄ （I）
〔式（I）中、０．０２≦Ｘ≦０．１であり、
ａ、ｂ、ｃおよびｄは、それぞれ原子％を表し、８２．５≦ａ≦８４、１４≦ｂ≦１６、１≦ｃ≦２、０．５≦ｄ≦１であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。〕
また本発明は、上記式（I）において、Ｂ／Ｓｉ＝４〜１５（原子％比）である、上記
高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金を提供する。

また本発明は、飽和磁束密度（Ｂｓ）が１．７９Ｔ以上である、上記高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金を提供する。

本発明により、低保磁力、高初透磁率、高実効透磁率であるとともに、１．８Ｔ級の極めて高い飽和磁束密度を有する高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金が提供される。

以下、本発明について詳述する。

本発明に係る高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金は、下記式（I）の組成式で表される
。

（Ｆｅ_１-ＸＣｏ_Ｘ）_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＣ_ｄ （I）
上記式（I）中、０．０２≦Ｘ≦０．１である。好ましくは０．０５≦Ｘ≦０．１であ
る。

ａ、ｂ、ｃおよびｄは、それぞれ原子％を表し、８２．５≦ａ≦８４、１４≦ｂ≦１６、１≦ｃ≦２、０．５≦ｄ≦１であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。

本発明では、上記式（I）において、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、およびＸの値をそれぞれ上記範
囲内のものとすることにより、低保磁力、高初透磁率、高実効透磁率を有するとともに、１．８Ｔ級という極めて高い飽和磁束密度を有するという効果を併せもつことができる。いずれかが上記範囲を外れた場合、上記した本願発明効果を併せもつことができない。

本発明ではまた、上記式（I）において、半金属であるＢとＳｉを組み合せたマルチ半
金属組成を有する。マルチ半金属元素効果により、非晶質構造の熱的安定性が向上し、また、結晶化に対する抵抗が上昇する。本発明では、これら半金属の配合比を、Ｂ／Ｓｉ＝４〜１５（原子％比）とすることが好ましく、より好ましくは７〜１４（原子％）である。Ｂ／Ｓｉを上記比率で配合することにより、（Ｆｅ＋Ｃｏ）を高濃度で含む合金においても非晶質相を生成することができる等の点において特に優れた効果を奏する。

従来、Ｆｅ系非晶質合金の中でも、Ｆｅ−Ｐ−Ｂ−Ｓｉ系等の非晶質合金が、様々な良好な軟磁気的及び機械的特性を有することが知られている。しかし、Ｐ元素を含むＦｅ系非晶質合金は、Ｐ元素濃度の調整が困難であること、Ｆｅ−Ｐ母合金インゴットの費用が高い等の問題があり、非晶質相の安定性の向上及び製造コスト低減等の点からも、Ｐ元素を含まないＦｅ系非晶質合金の開発が望まれていた。本発明はこのような要請に応えるものである。すなわち、上記Ｆｅ−Ｐ−Ｂ−Ｓｉ系等のＰを含有する非晶質合金に代え、元素構成をＦｅ−Ｂ−Ｓｉ系とし、ここにＣを加え、かつＦｅとＣｏを併用する（Ｆｅ、Ｃｏ）−Ｂ−Ｓｉ−Ｃ系とするとともに、これら各配合元素の配合比を特定の範囲に最適化し、特にはＣｏ元素を低濃度化とすることにより、高磁束密度を達成することができるとともに、製造コストの低減化を図ることができた。このような本発明構成の非晶質合金は、キュリー温度（Ｔｃ）が低く、したがって熱処理においても、磁場中熱処理温度を低くすることができ、製造プロセスも容易となる等の利点がある。またＣを配合することにより、上記したマルチ半金属元素効果をより一層高めることができる。

本発明非晶質合金は特に、Ｃｏと半金属元素の種類と量を最適化にすることにより、Ｃｏを含まないＦｅ系非晶質合金では通常得られない略１．８Ｔ以上の高飽和磁束密度特性を発現させることができた。またＣを含有することにより、融点が低下し、ガラス形成能が大きくなる。

上記構成の本発明に係る高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金は、従来から用いられている方法により作製することができる。

例えば、上記式（I）に示す組成の合金の溶融状態（合金溶湯）から、単銅合金ロール
急冷法により冷却固化させて、薄帯状（リボン状）、フィラメントのアモルファス合金薄帯を製造する。あるいは、スパッタ法、蒸気法等の気相急冷法により、アモルファス合金
膜を形成する。単ロール法を採用する場合、合金溶湯の急冷を不活性ガス雰囲気中あるいは真空雰囲気中で行ってもよく、大気雰囲気中で行ってもよい。ロール急冷法による場合、薄板材の厚さは約０．２ｍｍ程度、ロール周速は３０〜４０ｍ／ｓ程度が好ましいが、特に限定されるものでない。

次いで上記した薄帯を焼鈍する。焼鈍は、例えば、１Ｔ以下の磁界中での磁場中熱処理を行う。本発明では焼鈍を磁場中熱処理、すなわち磁場中焼鈍で行う場合、焼鈍温度を低くすることができる。磁場中熱処理における焼鈍温度は、（Ｔｘ１−１０）Ｋ〜（Ｔｘ１−４０）Ｋ程度が好ましく、より好ましくは（Ｔｘ１−２０）Ｋ〜（Ｔｘ１−３０）Ｋ程度ある。ここでＴｘ１は、示差走査熱量を０．６７Ｋ／ｓの昇温速度で測定した際の第一結晶化開始温度である。焼鈍時間は４〜４５分間程度であるが、好ましくは１０〜３０分間程度である。焼鈍雰囲気は特に限定されるものでないが、例えば、真空、アルゴン、窒素雰囲気等が挙げられる。

本発明では、結晶化開始温度（Ｔｘ１）よりも低温の領域においてキュリー温度（Ｔｃ）を有するが、本発明の熱処理では、上述したように磁場中焼鈍温度を低くすることができるが、キュリー温度（Ｔｃ）が低いと、さらに磁場中熱処理温度を低く抑えることができ、製造コストの低減化を図り、製造プロセスも容易となる等の利点がある。なお磁場中焼鈍温度は、キュリー温度（Ｔｃ）と結晶化開始温度（Ｔｘ１）との間の温度域で行うのが製造効率等の点から好ましいが、これに限定されるものでない。

このようにして得られる本発明の軟磁性Ｆｅ系非晶質合金は、飽和磁束密度（Ｂｓ）が略１．８Ｔ以上という極めて高飽和磁束密度効果が得られる。また保磁力（Ｈｃ）を約６Ａ／ｍ以下という低い値に抑えることができ、かつ、実効透磁率（μｅ（１ｋｚ））が６５００以上、初透磁率（μｉ）が１８０００以上であり、これら優れた効果を併せもつことができる。

ところで、本発明の非晶質合金を得るために適用される試料の熱処理としては、特に制限的ではなく、従来の真空封入して、熱処理炉に入れて急速な温度上昇と、急冷を行う方法を挙げることができる。

しかしながら、本発明の非晶質合金のように高磁束密度軟磁性を示す材料の場合には、上記従来の熱処理方法に比べて、試料をアルミニウム、あるいは銅の箔（foil）に包んで、予め所定温度に加熱した灰粉、炭粉、細粒砂、あるいは細粒酸化鉄粉中に入れて熱処理を行うことが好ましい。このような熱処理を行うことにより、はるかに急激な加熱速度で所定の温度まで加熱し、また、加熱を素早く終えることが可能となる。

その結果、本発明の高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金においては、精密な温度制御により、結晶化温度近くの温度での短時間熱処理を可能として、より優れた軟磁性（低保磁力、高透磁率）を得ることができることになる。

次に実施例によりさらに本発明を詳述するが、本発明はこれによってなんら限定されるものではない。
（実施例１−１１、比較例１−７）
下記表１に示す組成の合金を用いて、単ロール液体急冷法により厚さ０．０２ｍｍの非晶質相の薄帯を作製した。次いで、この薄帯を窒素ガス雰囲気下において磁場中熱処理により焼鈍した。磁場中熱処理は０．２Ｔの磁界中で行った。磁場中熱処理における焼鈍温度は、Ｔｘ１−（１０〜３０）Ｋ、焼鈍時間は５〜３０分間であった。これら各試料（合金）を用いて以下の各項目について測定、評価した。
［合金の第一結晶化温度（Ｔｘ１）、キュリー温度（Ｔｃ）の確認］
示差走査計（ＤＳＣ）を用いて、昇温温度２０〜４０Ｋ／ｍｉｎで測定し、その吸熱反応の温度により確認した。なお表１中、評価「−」は、示差走査計（ＤＳＣ）による測定において明確なＴｃの検出ができなかったことを示す。
［Ｂｓ（飽和磁束密度）の測定］
試料振動型磁力計（ＶＳＭ）を用いて２Ｔのμ磁界中で測定した。
［Ｈｃ（保磁力）の測定］
磁界―磁気（Ｂ−Ｈ）ループアナライザーを用いて、磁界２００Ａ／ｍで測定した。
［μｅ（実効透磁力）］
インピーダンスアナライザーを用いて、５ｍＡ／ｍでの交流磁界中で０．１ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの広範囲域で測定した。表１には１ｋＨｚにおける測定結果を示す。
［μｉ（初透磁力）］
Ｂ−Ｈループアナライザーでの磁界負荷による磁気の立ち上がり曲線から評価した。

結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜１１に示す試料は、いずれも、飽和磁束密度（Ｂｓ）が略１．８Ｔ以上であり、保磁力（Ｈｃ）はほぼ６Ａ／ｍ以下であった。また１ｋＨｚでの実効透磁率（μｅ）が略６５００以上で、極めて良好な軟磁特性を有することが確認された。また初透磁率（μｉ）は１８０００以上であった。一方、本願発明範囲を逸脱する組成である比較例１〜７は、いずれも、実施例１〜１１に比べ、飽和磁束密度（Ｂｓ）、初透磁率（μｉ）が低く、他方、保磁力（Ｈｃ）がやや高くなり、本願発明効果をすべて併せもつことができなかった。

なお実施例１〜１１、比較例１〜７の組成は、Ｘ線回折法により、いずれも非晶質相のみからなることが確認された。

本発明の高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金は、低保磁力、高初透磁率、高実効透磁率を有するとともに、１．８Ｔ級の極めて高い飽和磁束密度を有することから、優れた軟磁性材料として、モータ鉄心、高効率トランス、パーソナルコンピュータ等の高効率インダクター、高感度センサ−、各種電磁気材料の磁気シールド等に好適に適用され得る。

Claims (3)

1. 下記式（I）の組成式で示される高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金。
   （Ｆｅ_１-ＸＣｏ_Ｘ）_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＣ_ｄ （I）
   〔式（I）中、０．０２≦Ｘ≦０．１であり、
   ａ、ｂ、ｃおよびｄは、それぞれ原子％を表し、８２．５≦ａ≦８４、１４≦ｂ≦１６、１≦ｃ≦２、０．５≦ｄ≦１であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。〕
2. 式（I）において、Ｂ／Ｓｉ＝４〜１５（原子％比）である、請求項１記載の高磁束密
   度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金。
3. 飽和磁束密度（Ｂｓ）が１．７９Ｔ以上である、請求項１または２記載の高磁束密度軟磁性Ｆｅ系非晶質合金。