JP2023045961A - 合金粉末 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023045961000001
【課題】均質な合金粉末を提供すること。
【解決手段】本発明の合金粉末は、冷却液からなる高速流体で構成された液膜に対して合金溶湯をある程度の塊のまま供給し、液膜にて合金溶湯を分断して粉末化すると共に粉末粒の冷却を行うことにより製造されたものである。即ち、本発明の合金粉末は、合金溶湯の分断と冷却を実質的に同時に行って製造されたものであり、この製造方法に起因して、表層の一部に分断痕10を有している。ここで分断痕10は、合金溶湯の塊が液膜に達した際に液膜で分断された痕であり、分断の際に一時的に引き延ばされた合金溶湯が表面張力により球状粒となる際に生じたものと推測される。
【選択図】図1

Description

本発明は、合金粉末に関する。
一般的に、合金粉末の製造方法としては、水アトマイズ法やガスアトマイズ法が知られている。
特許第4584350号
しかし、水アトマイズ法やガスアトマイズ法によって得られる合金粉末は、質的にバラつきのあることが多い。
そこで、本発明は、均質な合金粉末を提供することを目的とする。
従来の急冷タイプのアトマイズ法では、合金溶湯をガスや水などで分断して粉末化した後に冷却水などの冷却液にて急冷していたが、分断された粉末粒の大きさによる冷却速度の違いや、粉末粒ごとの落下点や落下速度が異なることから、粉末粒間で冷却液に達するまでに空気中で冷やされる時間に差が生じ、質のバラつきが生じていた。
それに対して、本発明では、冷却液からなる高速流体で構成された液膜に対して合金溶湯が冷えないようにある程度の塊や湯流れのまま供給し、液膜にて合金溶湯を分断して粉末化すると共に粉末粒の冷却を行うこととした。即ち、本発明によれば、合金溶湯の分断と冷却を実質的に同時に行うこととしたことから、粉末粒間で冷却の程度に差が生じることを抑制することができ、均質な粉末粒を得ることができる。
加えて、液膜にて分断された粉末粒が適切に冷却されないと、凝固が完了する前に液膜の底を構成する部材に衝突し、それによって粉末粒が異形状になる。これを避けるため、液膜内の厚み方向に沿った加速度を2.0×10G以上とし、液膜の厚みを0.1mm以上とすることで、適切な冷却能力を確保し、それによって、液膜の底を構成する部材に達する前に粉末粒を凝固させることとした。これにより、形状面においてもある程度の均一な粉末粒を得ることができる。
このようにして得られた粉末は、次のような特徴を有している。
本発明は、第1の合金粉末として、表層の一部に分断痕を有する合金粉末を提供する。
本発明は、第2の合金粉末として、第1の合金粉末であって、
前記分断痕は、クレータ構造、丘状隆起集合体構造又はその組み合わせを少なくとも備える
合金粉末を提供する。
本発明は、第3の合金粉末として、第1又は第2の合金粉末であって、
前記分断痕の直径が粉末の直径未満である
合金粉末を提供する。
本発明は、第4の合金粉末として、第3の合金粉末であって、
前記分断痕の平均直径が粉末の直径の2/3以下である
合金粉末を提供する。
本発明は、第5の合金粉末として、第1から第4のいずれかの合金粉末であって、
前記分断痕の直下に、前記分断痕の周辺の直下のものより厚い酸化層を有する
合金粉末を提供する。
本発明は、第6の合金粉末として、第5の合金粉末であって、
前記分断痕は、クレータ構造と当該クレータ構造の周囲に位置する丘状隆起集合体構造との組み合わせからなるものであり、
前記丘状隆起集合体構造の直下に位置する酸化層は、前記クレータ構造の直下に位置する酸化層よりも低い密度を有している
合金粉末を提供する。
本発明は、第7の合金粉末として、第5又は第6の合金粉末であって、
前記酸化層の厚みは30nm以上である
合金粉末を提供する。
本発明は、第8の合金粉末として、第5から第7のいずれかの合金粉末であって、
P元素を含むと共に、3at%以下のSi元素を含む
合金粉末を提供する。
本発明は、第9の合金粉末として、第8の合金粉末であって、
Si元素の量が1at%以下である
合金粉末を提供する。
本発明は、第10の合金粉末として、第8又は第9の合金粉末であって、
前記表層にリン酸塩を有する
合金粉末を提供する。
本発明は、第11の合金粉末として、第8から第10までのいずれかの合金粉末であって、
前記酸化層は、P又はSiを含有する
合金粉末を提供する。
本発明は、第12の合金粉末として、第1から第11までのいずれかの合金粉末であって、
組成が不可避不純物を含み、FeSiCuであり、80≦a≦90、0≦b≦3、3≦c≦18、0≦d≦17、0≦e≦1.2、0≦f≦5を満たす
合金粉末を提供する。
本発明は、第13の合金粉末として、第12の合金粉末であって、
Feの3at%以下を、O、N、S、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ag、Au、Zn、Sn、Sb、Bi及び希土類元素のうち、1種類以上の元素で置換してなる
合金粉末を提供する。
本発明は、第14の合金粉末として、第12の合金粉末であって、
Feの20at%以下を、Co及びNiの少なくとも1つの元素で置換してなる
合金粉末を提供する。
本発明は、第15の合金粉末として、第1から第14までのいずれかの合金粉末であって、
結晶化度が4%以下である
合金粉末を提供する。
本発明は、第16の合金粉末として、第1から第15までのいずれかの合金粉末であって、
前記分断痕を有する球状の形状を有している
合金粉末を提供する。
本発明は、第1のナノ結晶粉末として、第1から第16までの合金粉末を熱処理して得られるナノ結晶粉末であって、
結晶粒径が50nm以下である
ナノ結晶粉末を提供する。
本発明は、第1の磁心として、第1から第16のいずれかの合金粉末又は第1のナノ結晶粉末を用いた磁心を提供する。
本発明のような分断痕を有する合金粉末は、粉末粒間の冷却の程度に差が生じることを抑制されたものであることから、質のバラつきが抑えられ且つ形状面でもある程度均一なものとなっている。また、均質な合金粉末を熱処理して得られたナノ結晶粉末も、均質なものとなっている。
本発明の実施の形態による合金粉末を示すSEM像のコピーである。 図1の合金粉末に含まれる粉末粒子の一例を示す図である。 図1の合金粉末に含まれる粉末粒子の他の一例を示す図である。 図1の合金粉末に含まれる粉末粒子の更に他の一例を示す図である。 糸状粉末を示す図である。 粉末粒子の一例とその断面を示す図である。 図6の粉末粒子の断面の一部を示す拡大図である。 粉末粒子の他の一例とその断面を示す図である。 図8の粉末粒子の断面の一部を示す拡大図である。
本発明の実施の形態による合金粉末は、冷却液からなる高速流体で構成された液膜に対して合金溶湯をある程度の塊のまま供給し、液膜にて合金溶湯を分断して粉末化すると共に粉末粒の冷却を行うことにより製造されたものである。即ち、本実施の形態による合金粉末は、合金溶湯の分断と冷却を実質的に同時に行って製造されたものであり、均質な特性を有している。なお、本実施の形態においては、合金の形態が粉末であることから、原料や耐火物に由来して粉末に酸素が混入したり、急冷時や乾燥時に粉末に酸素が混入するが、過剰に酸化すると磁気特性が劣化することから、粉末に含有される酸素濃度は5000ppm以下が好ましく、2000ppm以下が更に好ましい。
特に、上述した製造方法によれば、従来の急冷タイプのアトマイズ法と異なり液膜に達するまでほぼ冷却されずに液膜に達すると急冷されることから、本実施の形態による合金粉末は、良好な非晶質性を有している。具体的には、本実施の形態による合金粉末の結晶化度は4%以下である。また、このような合金粉末を熱処理すると、結晶粒径が50nm以下である良質なナノ結晶粉末を得ることができる。
図1を参照すると、本実施の形態による合金粉末は、上述した製造方法に起因して、表層の一部に分断痕10を有している。ここで分断痕10は、合金溶湯の塊が液膜に達した際に液膜で分断された痕であり、分断の際に一時的に引き延ばされた合金溶湯が表面張力により球状粒となる際に生じたものと推測される。分断痕10は、図2に示されるクレータ構造11や、図3に示される多数の丘状の隆起の集合体である丘状隆起集合体構造12、又は図4,図6及び図8に示されるようなクレータ構造11と丘状隆起集合体構造12の組み合わせを少なくとも備えている。このように、本実施の形態による合金粉末は、分断痕10を有するものの、ほぼ球状である。従って、本実施の形態による合金粉末の流動性は良好である。
図1及び図5を参照すると、上述した製造方法により製造された粉末粒子の中には、上述した分断痕10を有する球状粉末の他に、アスペクト比の高い糸状粉末20が含まれている場合もある。糸状粉末20は、合金溶湯を冷却液中で引き延ばして分断した際に発生したものと推測される。このような糸状粉末20は、磁気特性への影響が小さい一方で圧粉磁心にしたときに強度を高め成形性を向上させるものと期待される。
粉末の粒径については特段サイズを問わないが、1~100μmの範囲が好ましい。特に100kHz以上の高周波で使用する際は30μm程度かそれ以下が好ましい。
分断痕10の直径は、粉末の直径未満である。具体的には、分断痕10の直径は、概ね100μm以下であり、分断痕10の平均直径は粉末の直径の2/3以下である。この分断痕10には、引き延ばされた部分のスラグや酸化物が集中している。その結果、図6や図8に示されるように、分断痕10の直下における酸化層は、分断痕10の直下以外の酸化層よりも厚い。詳しくは、酸化層の厚みは30nm以上であり、酸化層の厚みが100nm以上であるものも多数見られる。
図6及び図8を参照すると、合金粉末がクレータ構造11と丘状隆起集合体構造12の組み合わせからなる分断痕10を有している場合、詳しくは丘状隆起集合体構造12はクレータ構造11の周囲に位置している。図7及び図9を参照すると、丘状隆起集合体構造12の直下に位置する酸化層の密度は、クレータ構造11の直下に位置する酸化層の密度よりも低い。
特に、合金粉末がP元素を含むと共に3at%以下のSi元素を含むものであると、球状の粉末粒を得やすくなる。詳しくは、Siが多いと、粉末粒子は異形状となることが多い。これは、粒子内部まで冷却される前の比較的早い段階でSiOのような硬い酸化層が表層に形成され、それによって粒子内部の凝固の状態にかかわらず粉末粒子の球状化が止まるからであると推測される。これに対して、Siを3at%以下にすると、粉末表面のシリカ層が減少し異形状粉末が少なくなる。特に、Si元素の量が1at%以下であると、粉末粒がより丸くなる傾向がある。一方、合金溶湯がP元素を含んでいると、表層にリン酸塩が析出され、球状の粉末粒子を得やすい。表層にリン酸塩のような柔らかい酸化層が形成される場合、冷却液中において粒子内部が冷却される間も粒子の表層に働く表面張力により球状化が進むためであると推測される。このため、リン酸塩のような酸化層が表層にあると、粉末粒子の絶縁性が向上するだけでなく、球状の粉末粒子を得やすいという利点がある。
合金粉末がP元素又はSi元素を含む場合、酸化層はP又はSiを含有している傾向がある。特に、分断痕10との関係では、次のような傾向がある。分断痕10がクレータ構造を有している場合、クレータ構造の直下の酸化層はリン酸塩のようにP元素を含有している傾向がある。また、分断痕10が丘状隆起集合体構造を有している場合、丘状隆起集合体構造の直下の酸化層は、Siを含有している傾向がある。特に、丘状隆起集合体構造の直下の酸化層は、それ以外の部分の酸化層と比較して高いSi濃度を有している傾向がある。
上述した合金粉末の好ましい組成としては、不可避不純物を含み、且つ、FeSiCuであり、80≦a≦90、0≦b≦3、3≦c≦18、0≦d≦17、0≦e≦1.2、0≦f≦5を満たすものがあげられる。更に好ましくは、組成式FeSiCuにおいて、83≦a≦87、0≦b≦1、5≦c≦12、4≦d≦10、0.4≦e≦0.9、0≦f≦1を満たす。なお、上掲の組成式において、Feの3at%以下を、O、N、S、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ag、Au、Zn、Sn、Sb、Bi及び希土類元素のうち、1種類以上の元素で置換してもよい。このうち、AlやTiなどは少量においては耐食性などの効果が期待できるが、添加に伴い異形状化が進む傾向にある。少しでもかさ密度を上げたい場合は総量を0.1at%以下とすることが好ましく、更に0.01at%以下にすると、球状化、非晶質性、磁気特性が良好になる。また、上掲の組成式において、Feの20at%以下を、Co及びNiの少なくとも1つの元素で置換してもよい。Co、Niは磁性を担っており磁気特性の低下が抑制できる。
上掲の組成式を構成する元素のうち、Feは磁性を担う元素である。Feの割合が高いほど飽和磁束密度があがり、低コスト化が可能になる。具体的には、飽和磁束密度が1.6T以上となることから、Fe量は80at%以上であることが好ましく、飽和磁束密度が1.7T以上になることから、Fe量が83at%以上であることが更に好ましい。一方、Fe量が90at%を超えると融点が高くなり、アモルファス形成能が低下するため、質の良い粉末を作製するのが困難になる。従って、融点を考慮すると、Fe量は90at%以下であることが好ましい。更に、アモルファス形成能を考慮すると、Fe量は87at%以下であることが好ましく、良好なアモルファス粉末を得るためには85.5at%以下であることが好ましい。
上掲の合金粉末は結晶化に伴う発熱ピークを2つ有する、即ち、2段階の結晶化挙動を示すものである。これに関連して、上掲の組成式において、Siは第2結晶化開始温度Tx2と第1結晶化開始温度Tx1との差ΔT(=Tx2-Tx1)を広げやすく、化合物の析出を抑制できる元素である。組成に対してSiを少量加えることでアモルファス形成能を向上させることが可能になるが、過剰に入れるとアモルファス形成能が低下し、粉末が異形状になる。このような観点から、Si量は3at%以下が好ましく、球状粉末が得られやすい1at%が好ましい。
上掲の組成式において、Bは合金粉末の必須元素であり、B量は3at%以上が必要である。アモルファス形成能を向上させるためには、B量は5at%以上が好ましい。またB量は、飽和磁束密度の低下を避けるため、18at%以下が好ましく、アモルファス形成能向上のため12at%以下が好ましい。更に、高B組成では結晶粒径の粗大化、結晶化発熱の影響からナノ結晶化熱処理が難しくなる。この観点から、B量は10at%以下が好ましい。
上掲の組成式において、Pはアモルファス形成能の向上、結晶粒の微細化、粉末球状化、耐食性向上、合金融点低下、熱処理温度低下などに効果のある元素である。ただし過剰に入れるとΔT(Tx2-Tx1)が狭くなることにより、αFeのナノ結晶化が難しくなるためP量は18at%以下が好ましく、飽和磁束密度向上のためにはP量が10at%以下であることが好ましい。加えて、結晶粒抑制の観点からP量は4at%以上が好ましく、また、大型コアにおいてはP量が5at%以上であることが好ましい。
上掲の組成式において、Cuは結晶化時クラスターとして析出し、ナノ結晶化を促進するための元素であり、またCuを加えると、結晶化温度を低下させることができ、熱処理が容易になる。このような観点から、Cu量は0.4at%以上が好ましく、0.55at%以上が更に好ましい。一方、Cuを過剰に入れるとアモルファス形成能を低下させるため、Cu量は、1.2at%以下が好ましく、0.9at%以下が更に好ましい。
上掲の組成式において、Cはアモルファス形成能に効果があり、結晶化度を低下させ、原料価格の低減が可能な元素である。ただし、結晶粒を粗大化させることから、低損失化のためには、C量は5at%以下が好ましく、1at%以下が更に好ましい。
上述した合金粉末やナノ結晶粉末は、いずれも流動性が高い。従って、これらを用いれば、優れた特性の磁心を得ることができる。なお、上述した合金粉末やナノ結晶粉末を使う際には、熱暴走抑制や放熱のため又は流動性の更なる向上のため、異なる粒径の粉末を混合してもよいし、異なる材質の粉末を混合してもよい。
以下、本発明の実施の形態について、実施例を参照しながら更に具体的に説明する。
(実施例1~26及び比較例1~4)
下記表1に示される組成の合金溶湯を粉末化して、形状や構造、特性を評価した。このうち、実施例1~26及び比較例1については、冷却液からなる高速流体で構成された液膜に対して合金溶湯をある程度の塊のまま供給し、液膜にて合金溶湯を分断して粉末化すると共に粉末粒の冷却を行うことにより、粉末化した。比較例2,4については水アトマイズ法により粉末化し、比較例3についてはガスアトマイズ法により粉末化した。このようにして製造した合金粉末の評価結果を表2,表3に示す。表2において、構造1は分断痕としてクレータ構造を有するものであり、構造2は分断痕として丘状隆起集合体構造を有するものであり、分断痕含有率は、粉末粒子全体に対する分断痕を有する粉末粒子の割合である。
Figure 2023045961000002
Figure 2023045961000003
Figure 2023045961000004
表2を参照すると、本実施の形態の製造方法で製造した実施例1~実施例26の合金粉末はいずれもクレータ構造(構造1)や丘状隆起集合体構造(構造2)を有しており、ほぼ球状の粉末形状を有している。これに対して、水アトマイズ法やガスアトマイズ法で製造された比較例2~比較例4の合金粉末はいずれもそのような分断痕を有していなかった。実施例1と比較例1の合金粉末は、いずれも本実施の形態の製造方法で製造されたものであるが、Si量に違いがある。比較例1の合金粉末は、Si量が4であることから合金溶湯を粉末化する際に適切に分断できず、粉末形状も異形状であった。一方、実施例1の合金粉末は、Si量が3.5であり、比較例1よりはSi量が少ないことから分断はできたものの、粉末形状は異形状のものが多く、球状の粉末を得たいという目的に対しては十分とは言えないものであった。
表3によると、分断痕を有している実施例1~実施例26は、3.7g/cc以上のかさ密度を有していると共に4.0g/cc以上のタップ密度を有している。加えて、実施例1~実施例26の合金粉末は、1.6T以上の磁気飽和密度を有していると共に5Oe以下の保磁力を有している。従って、このような合金粉末を用いると、優れた磁気特性を有する磁心を製造することができる。
(実施例31~36及び比較例31~33)
下記表4に示される合金溶湯を粉末化して、粒度分布や特性を評価した。このうち、実施例31~36については、冷却液からなる高速流体で構成された液膜に対して合金溶湯をある程度の塊のまま供給し、液膜にて合金溶湯を分断して粉末化すると共に粉末粒の冷却を行うことにより、粉末化した。比較例31及び比較例32については水アトマイズ法により粉末化し、比較例33についてはガスアトマイズ法により粉末化した。
Figure 2023045961000005
表4を参照すると、実施例31~36の合金粉末は結晶化度が2%以下と低く、保磁力も2Oe以下と良好である。これに対して、比較例31や比較例33の合金粉末は結晶化度が高く、また保磁力も大きい。加えて、実施例31~36の合金粉末は平均粒径が小さく、D50/D10は2.5以下であり、D90/D10は4以上6以下である。ここで、D90/D10の値が4未満の場合、収率が低下しやすくなる。また、D90/D10の値が6を超えると、異形状紛が多くなり、粉末の流れ性やコアにした場合の絶縁性が悪くなる。従って、D90/D10の値は実施例31~36の合金粉末のように、4以上6以下が好ましい。これに対して、比較例31及び比較例32の合金粉末は平均粒径は小さいもののD50/D10が大きい。即ち、比較例31及び比較例32の合金粉末は、微粉の割合が大きく、従って錆が生じやすくなっている。また、比較例33は平均粒径が大きい。
10 分断痕
11 クレータ構造
12 丘状隆起集合体構造
20 糸状粉末

Claims (18)

  1. 表層の一部に分断痕を有する合金粉末。
  2. 請求項1記載の合金粉末であって、
    前記分断痕は、クレータ構造、丘状隆起集合体構造又はその組み合わせを少なくとも備える
    合金粉末。
  3. 請求項1又は請求項2記載の合金粉末であって、
    前記分断痕の直径が粉末の直径未満である
    合金粉末。
  4. 請求項3記載の合金粉末であって、
    前記分断痕の平均直径が粉末の直径の2/3以下である
    合金粉末。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれかに記載の合金粉末であって、
    前記分断痕の直下に、前記分断痕の直下以外のものより厚い酸化層を有する
    合金粉末。
  6. 請求項5記載の合金粉末であって、
    前記分断痕は、クレータ構造と当該クレータ構造の周囲に位置する丘状隆起集合体構造との組み合わせからなるものであり、
    前記丘状隆起集合体構造の直下に位置する酸化層は、前記クレータ構造の直下に位置する酸化層よりも低い密度を有している
    合金粉末。
  7. 請求項5又は6記載の合金粉末であって、
    前記酸化層の厚みは30nm以上である
    合金粉末。
  8. 請求項5から請求項7までのいずれかに記載の合金粉末であって、
    P元素を含むと共に、3at%以下のSi元素を含む
    合金粉末。
  9. 請求項8記載の合金粉末であって、
    Si元素の量が1at%以下である
    合金粉末。
  10. 請求項8又は請求項9記載の合金粉末であって、
    前記表層にリン酸塩を有する
    合金粉末。
  11. 請求項8から請求項10までのいずれかに記載の合金粉末であって、
    前記酸化層は、P又はSiを含有する
    合金粉末。
  12. 請求項1から請求項11までのいずれかに記載の合金粉末であって、
    組成が不可避不純物を含み、FeSiCuであり、80≦a≦90、0≦b≦3、3≦c≦18、0≦d≦17、0≦e≦1.2、0≦f≦5を満たす
    合金粉末。
  13. 請求項12記載の合金粉末であって、
    Feの3at%以下を、O、N、S、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ag、Au、Zn、Sn、Sb、Bi及び希土類元素のうち、1種類以上の元素で置換してなる
    合金粉末。
  14. 請求項12記載の合金粉末であって、
    Feの20at%以下を、Co及びNiの少なくとも1つの元素で置換してなる
    合金粉末。
  15. 請求項1から請求項14までのいずれかに記載の合金粉末であって、
    結晶化度が4%以下である
    合金粉末。
  16. 請求項1から請求項15までのいずれかに記載の合金粉末であって、
    前記分断痕を有する球状の形状を有している
    合金粉末。
  17. 請求項1から請求項16までのいずれかに記載の合金粉末を熱処理して得られるナノ結晶粉末であって、
    結晶粒径が50nm以下である
    ナノ結晶粉末。
  18. 請求項1から請求項16までのいずれかに記載の合金粉末又は請求項17記載のナノ結晶粉末を用いた磁心。
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