JP2945122B2 - Ｆｅ基軟磁性合金およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、各種トランス、可飽和リアクトル、各種チ
ョークコイル、各種磁気ヘッド、各種センサなどに適し
たFe基軟磁性合金とその製造方法に関する。

（従来の技術） 電源用各種磁性部品や磁気ヘッド用の軟磁性材料とし
ては、従来、パーマロイ、Fe−Al−Si系合金、けい素
鋼、フェライトなどが用いられてきた。

ところで、近年、電子機器に対する小型軽量化、高性
能化などの要求が高まっており、このような要求を満足
するために、たとえば電源などの動作周波数は高周波化
されつつある。そこで、磁性部品を構成する軟磁性材料
には、高周波域における低損失化や飽和磁束密度の増大
などの特性向上が強く望まれている。

しかし、上述したような従来材では、これらの要求を
充分に満足することができないことから、高周波対応の
軟磁性材料としてアモルファス合金が最近注目を集めて
いる。

アモルファス合金は、高透磁率、低保磁力などの優れ
た軟磁気特性を示し、また高周波域で低鉄損、高角形比
が得られるなどの特性を有することから、スイッチング
電源用の磁性部品などとして一部実用化されている。た
とえばCo基アモルファス合金は可飽和リアクトルなどと
して、またFe基アモルファス合金はチョークコイルなど
として実用化されている。

しかし、これらアモルファス合金においても、解決し
なければならないない課題も多い。たとえば、Co基アモ
ルファス合金は、高周波域で低鉄損、高角形比が得られ
るなど、特性的には優れているものの、比較的高価で汎
用性に乏しいという難点がある。また、Fe基アモルファ
ス合金は、安価で汎用性には優れるものの、零磁歪が得
られないため、樹脂モールドなどによる磁気特性の劣化
が比較的大きく、また磁歪振動によってノイズの発生が
大きいなどの難点がある。

一方、最近、Co基アモルファス合金とほぼ同等の軟磁
気特性を有する、超微細な結晶粒を析出させたFe基磁性
合金が提案されている（特開昭63−320504号公報、同４
−79342など参照。）このFe基超微細結晶合金は、優れ
た軟磁気特性を有するとともに、低磁歪を満足し、さら
にFeを主としていることから比較的安価であり、Co基ア
モルファス合金に代わる軟磁性材料として注目されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） このように、Fe基超微細結晶合金は、優れた軟磁気特
性を加えて、安価であるという長所を併せもっている。

しかしながら、上記Fe基超微細結晶合金の軟磁気特性
は、その製造過程における熱処理温度に対する依存性が
大きいという難点があった。

すなわち、上記Fe基超微細結晶合金は母合金を一旦ア
モルファス化し、その後結晶化温度近傍の温度域で熱処
理することによって、微細な結晶粒を析出させて優れた
軟磁気特性を付与している。

しかし、上記熱処理の温度範囲が比較的狭く、さらに
アモルファス状態から結晶化する際に放出されるエネル
ギー量が大きいため、熱処理時に設定温度範囲を超える
危険性が高く、これによって軟磁気特性の劣化を招きや
すいという難点があった。

本発明は、このような課題に対処するためになされた
もので、高周波域において低鉄損、高飽和磁束密度、低
磁歪を満足し、かつこれらの特性が熱処理条件にあまり
存在することなく得られる安価で汎用性に優れたFe基軟
磁性合金とその製造方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） すなわち、本発明の合金は一般式 Fe_{100-a-b-c-d-e-f-g}M_aM′_bY_cY′_dSi_eX_fA_g M:Nb,Zr,Hf,Ta,Ti,Vから選ばれる少なくとも一種以上 Ｍ′:Cr,Mo,W,Mn,希土類元素、白金族元素から選ばれる
少なくとも一種以上 Y:B,Pから選ばれる少なくとも一種以上 Ｙ′:C,Nから選ばれる少なくとも一種以上 X:Al,Geから選ばれる少なくとも一種以上 A:Co,Niから選ばれる少なくとも一種以上 0.1≦ａ≦15 ０≦ｂ≦10 ２≦ｃ≦15 0.1≦ｄ≦15 ２≦ｅ≦20 ０≦ｆ≦10 ０≦ｇ≦30 （at％） で表わされることを特徴とする超微細な結晶粒からなる
Fe基軟磁性合金である。

また、本発明のFe基軟磁性合金の製造方法は、 一般式 Fe_{100-a-b-c-d-e-f-g}M_aM′_bY_cY′_dSi_eX_fA_g M:Nb,Zr,Hf,Ta,Ti,Vから選ばれる少なくとも一種以上 Ｍ′:Cr,Mo,W,Mn,希土類元素、白金族元素から選ばれる
少なくとも一種以上 Y:B,Pから選ばれる少なくとも一種以上 Ｙ′:C,Nから選ばれる少なくとも一種以上 X:Al,Geから選ばれる少なくとも一種以上 A:Co,Niから選ばれる少なくとも一種以上 0.1≦ａ≦15 ０≦ｂ≦10 ２≦ｃ≦15 0.1≦ｄ≦15 ２≦ｅ≦20 ０≦ｆ≦10 ０≦ｇ≦30 （at％） で表わされる溶融状態のFe基合金を超急冷した後、その
結晶化温度付近あるいはそれ以上の温度で熱処理を行
い、組織内に微細結晶粒を析出させることを特徴とする
Fe基軟磁性合金の製造方法である。

本発明者らがFe基軟磁性合金について詳細に検討した
結果、前記一般式においてＭで表わしたNb,Zr,Hfなどの
元素が熱処理時に、Ｙ′で表わしたC,Nと結合して微細
な炭化物、あるいは窒化物を形成することにより、bccF
e固溶体の析出を促進すると共に、結晶粒の粗大化およ
びbcc相以外の相の析出を抑制することを見い出した。

ここでまず、本発明のFe基軟磁性合金における各成分
元素の機能と成分比の限定理由について述べる。

Ｍは、前述したように熱処理時にＹ′と結合して微細
な炭化物、あるいは窒化物を形成することにより、bccF
e固溶体の析出を促進するとともに、結晶粒の粗大化お
よびbcc相以外の相の析出を抑制する。その結果、0.1at
％以下では得られず、一方15at％以上では飽和磁束密度
が低すぎて好ましくない。より好ましい範囲は１〜10at
％である。大気中での作製の場合は、Nb,Taの使用が好
ましく、非酸化性の雰囲気コントロールをする場合は、
Zr,Hf,Tiでもよい。Ｍ′は軟磁気特性の改善に有効な元
素であるが、10at％以上の場合は飽和磁束密度が低下す
るため、これ以下とした。好ましくは5at％以下であ
る。耐蝕性の改善にはCr、白金族元素が好ましい。Ｙは
アモルファス化あるいは急冷時に超微細結晶析出に有効
な元素であるが、その効果は2at％以下ではほとんど得
られず、15at％以上では微細結晶析出した際に軟磁気特
性が劣化するため、２〜15at％の範囲とした。より好ま
しくは３〜13at％である。Ｙ′は上記したように、Ｍと
結び付くことにより結晶化温度を低下させ、bccFe固溶
体を析出させるのに有効な元素である。その効果は0.1a
t％以下では得られず、一方15at％以上では微細結晶析
出時の軟磁気特性が劣化する。好ましくは、0.2〜12at
％の範囲である。Siは、析出するbccFe相に固溶し、磁
気異方性を低減させ、軟磁気特性の改善に有効である
が、2at％以下ではその効果は小さく、一方20at％以上
では飽和磁束密度が低くなるため、これ以下とした。好
ましくは４〜18at％の範囲である。Ａは飽和磁束密度の
向上、軟磁気特性の改善に有効であるが、30at％以上で
は、むしろ軟磁気特性が劣化するので30at％以下とし
た。好ましくは20at％以下である。

本発明のFe基軟磁性合金中に存在する微細結晶粒は、
上記式中のＭの炭化物および窒化物が熱処理により生成
され、これが微細結晶の粒界、あるいは３重点に存在
し、結晶粒の粗大化を妨げるものと考えられる。

そして、本発明のFe基軟磁性合金において、上述した
ように合金組織中に存在する結晶粒を超微細化すること
によって、軟磁気特性が熱処理温度に依存することを抑
制し、優れた軟磁気特性の再現性を高めている。すなわ
ち、結晶粒の粒径を超微細化することにより、磁気異方
性がより小さくなり、安定的に磁気特性が得られる。

また、本質的には結晶粒の微細化が軟磁気特性を向上
させるものであり、平均結晶粒径が50nmを超えると軟磁
気特性は劣化する。軟磁気特性および熱処理による再現
性から平均結晶粒径は30nm以下が好ましい。平均結晶粒
径はＸ線回折法により、Scheererの式を用いて得られ
る。

上記組成を有する本発明のFe基軟磁性合金は、面積比
で合金組織の50％以上が微細結晶粒により構成されてい
るものであり、上記微細結晶粒は合金組織中にほぼ均一
に分布している。この微細結晶粒は、bccFe固溶体を主
体とするものである。なお、一部規則相が含まれている
方が好ましい。

上記微細結晶粒による合金組織の構成比を面積比で50
％以上と規定したのは、微細結晶粒の存在が50％未満で
は、高飽和磁束密度、高透磁率、低鉄損が得られず、即
ち目的とする軟磁気特性が得られないためである。

本発明のFe基軟磁性合金は、単ロール法、双ロール
法、回転液中紡糸法など公知の超急冷法によって急冷す
る。ここで、本発明において上記急冷工程によって、ア
モルファス状態を得ることが、超微細は結晶粒を得る上
で好ましい。また、急冷体の形状は、板状（帯状）、線
状、粉末状、薄片状など用途に応じて各種形状を選択す
ることができる、なお、急冷体を板状とする場合には板
厚を３〜50μｍ、線状にする場合には線径200μｍ以
下、粉末状にする場合にはその長径が１〜500μｍから
アスペクト比が５〜15000の範囲とすることが好まし
い。

この後、上記アモルファス状態の急冷体に、この急冷
体の結晶化温度付近あるいはそれ以上の温度で熱処理を
行い、bccFe固溶体からなる超微細結晶粒を析出させ
る。

この熱処理工程は、たとえば巻回コアのように、所望
の形状を得るために変形を伴う加工を必要とする場合に
は、所望の形状に成形した後に行うことが好ましい。

上記熱処理は、急冷体の結晶化温度に対して−50〜＋
250℃の温度範囲で行うことが可能である。熱処理温度
が結晶化温度に対して−50℃以下の温度では微細な結晶
粒が析出しにくく、また結晶化温度に対して＋250℃を
越えるとbccFe固溶体以外の相が析出し、軟磁気特性を
劣化させるためである。好ましくは、−20〜200℃の範
囲である。

なお、本発明でいう結晶化温度は昇温速度を10℃/mi
n.で測定した値である。

上記したように広い熱処理温度範囲で所望の軟磁気特
性を満足するFe基軟磁性合金が得られるのは、上述した
ように析出する結晶粒を超微細化させることが可能であ
るためであり、本発明の重要な特徴の一つである。

また、熱処理時間は使用した合金組成や熱処理温度に
よって適宜設定する事ができるが通常２分〜24時間の範
囲が好ましい。熱処理時間が２分未満では結晶粒の析出
を十分に行うことが困難であり、また24時間を越えると
bccFe相以外の相が析出しやすくなるためである。より
好ましい熱処理時間は５分〜10時間の範囲である。ま
た、熱処理は窒素雰囲気中,Ar雰囲気中など不活性雰囲
気中、真空中，水素中などの還元性雰囲気中、あるいは
大気中など、各種雰囲気を使用することができる。

なお、上記熱処理後の冷却は、急冷でも徐徐でもよ
く、特に制限はない。

また、上記熱処理後の冷却過程、あるいは一旦冷却し
た後に、微細結晶粒が析出したFe基軟磁性合金に対し
て、磁場熱処理を薄帯の長手方向、幅方向、板厚方向に
磁場を印加して、所望の軟磁気特性を得ることもでき
る。この際の磁場は直流、交流のいずれでもよい。ま
た、回転磁場中熱処理でもよい。

更に、本発明のFe基軟磁性合金の用途としては、例え
ば磁心においては、超微細結晶粒を有するFe基軟磁性合
金薄帯の巻回体や積層体などが例示される。これら磁心
は、必要に応じて薄帯の少なくとも片面に絶縁層を設け
ることによって層間絶縁を行う。

この絶縁層は、たとえばMgO粉末やSiO₂粉末を付着さ
せることによって形成したり、金属アルコキシド溶液の
塗布、焼成（結晶粒析出のための熱処理で可）によって
形成する。また、エポキシ系樹脂を含浸させることによ
っても同様な効果が得られる。この樹脂含浸は、カット
コアなどを作製する際に有効である。さらに樹脂含浸
は、絶縁処理ばかりでなく、さび防止や耐環境性の工場
などにも寄与する。なお、耐環境性の向上は、磁心をケ
ースに収納したり、ボビンに巻くなどによっても達成さ
れる。

さらに、Fe基軟磁性合金薄帯を絶縁フィルムとともに
巻回し、層間絶縁を行ってもよい。

この方法は、レーザー電源用磁気圧縮回路に用いられ
る場合などに有効である。ここで用いる絶縁フィルムと
しては、ポリイミド系、ポリエステル系、ガラス繊維系
などが例示されるが、本発明で用いる薄帯は、通常、脆
化した状態で優れた軟磁気特性が得られるため、ポリイ
ミド系フィルムを用いることが好ましい。

また、磁心を形成する場合、特に巻回による場合に
は、巻き始めおよび巻き終りに端末処理を施すことが好
ましい。これによって、熱処理操作などにおける不都合
が防止される。端末処理としては、レーザー照射、スポ
ット溶接などによる局部的層間接着やポリイミド系など
の耐熱性フィルムによる接着などが用いられる。

このように本発明のFe基軟磁性合金は高周波域での軟
磁気特性に優れるため、例えば磁気ヘッド、薄膜ヘッ
ド、大電力用を含む高周波トランス、可飽和リアクト
ル、コモンモードチョークコイル、高電圧パルス用ノイ
ズフィルター、レーザー電源などに用いられる磁気スイ
ッチなど高周波で用いられる磁心、電流センサー、方位
センサー、セキュリティセンサー等の各種センサー用の
磁性材料など、磁性部品用の合金として優れた特性を有
している。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

「実施例１」 第１表に示した組成の合金を大気中あるいはAr雰囲気
中で高周波誘導加熱炉により溶融させた後、単ロール法
にて超急冷し、板厚15μｍ、幅5mmのアモルファス合金
薄帯を得た。次にこれらの薄帯を外径15mm、内径10mmに
巻回し、各磁気特性の熱処理温度依存性を調べた。

得られた磁心の軟磁気特性について、1kHzの初透磁率
と100kHz、2kGの鉄損および飽和磁化をLCRメータ、Ｕ関
数計、試料振動型磁力計を用いて測定した。結果を従来
材と比較して第１表にまとめたが、本発明の合金はいず
れも高い飽和磁束密度，高透磁率，低鉄損および広い最
適熱処理温度範囲が得られていることがわかる。なお、
得られたアモルファス合金薄帯の結晶粒径はいずれも８
〜20nmであり微細化されていた。

「実施例２」 第２表に示した組成の合金を大気中あるいはAr雰囲気
中で高周波誘導加熱炉により溶融させた後、単ロール法
にて超急冷し、板厚15μｍ、幅5mmのアモルファス合金
薄帯を得た。これらの薄帯を外径15mm、内径10mmに巻回
し、実施例１と 同様に各磁気特性の熱処理温度依存性を調べた。

得られた磁心の軟磁気特性について、1kHzの初透磁率
と100kHz、2kGの鉄損、および飽和磁化をLCRメータ、Ｕ
関数、試料振動型磁力計を用いて測定した。結果を従来
材と比較して第２表にまとめたが、本発明の合金はいず
れも高い飽和磁束密度、高透磁率，低鉄損および広い最
適熱処理温度範囲が得られていることがわかる。なお、
得られたアモルファス合金薄帯の結晶粒はいずれも８〜
20nmであり微細化されていた。

「実施例３」 第３表に示した組成の合金を予めアーク炉にて溶解
し、その後Ar＋N₂雰囲気中で高周波誘導加熱炉により溶
融させ、単ロール法にて超急冷し、板厚15μｍ、幅5mm
のアモルファス合金薄帯を得た。次にこれらの薄帯を外
径15mm、内径10mmに巻回したのち、実施例１と同様に各
磁気特性の熱処理温度依存性を調べた。

得られた磁心の軟磁気特性について、1kHzの初透磁率
と100kHz、2kGの鉄損、および飽和磁化を LCRメータ、Ｕ関数計、試料振動型磁力計を用いて測定
した。結果を従来材と比較して第２表にまとめたが、本
発明の合金はいずれも高い飽和磁束密度、高透磁率，低
鉄損および広い最適熱処理温度範囲が得られていること
がわかる。なお、得られたアモルファス合金薄帯の結晶
粒はいずれも８〜20nmであり微細化されていた。

［発明の効果］ 以上のように本発明の製造方法を用いて、所望の合金
組成において、微細結晶粒を設けることにより、高飽和
磁束密度でかつ高周波領域における優れた軟磁気特性を
有するFe基軟磁性合金を提供することができる。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 303 C21D 6/00 H01F 1/14

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式 Fe_{100-a-b-c-d-e-f-g}M_aM′_bY_cY′_dSi_eX_fA_g M:Nb,Zr,Hf,Ta,Ti,Vから選ばれる少なくとも一種以上 Ｍ′:Cr,Mo,W,Mn,希土類元素、白金族元素から選ばれる
   少なくとも一種以上 Y:B,Pから選ばれる少なくとも一種以上 Ｙ′:C,Nから選ばれる少なくとも一種以上 X:Al,Geから選ばれる少なくとも一種以上 A:Co,Niから選ばれる少なくとも一種以上 0.1≦ａ≦15 ０≦ｂ≦10 ２≦ｃ≦15 0.1≦ｄ≦15 ２≦ｅ≦20 ０≦ｆ≦10 ０≦ｇ≦30 （at％） で表わされる超微細な結晶粒からなるFe基軟磁性合金。
2. 【請求項２】Fe基軟磁性合金は平均結晶粒径が50nm以下
   であることを特徴とする請求項１に記載のFe基軟磁性合
   金。
3. 【請求項３】前記超微細結晶粒はbccFe固溶体からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のFe基軟磁性合金。
4. 【請求項４】一般式 Fe_{100-a-b-c-d-e-f-g}M_aM′_bY_cY′_dSi_eX_fA_g M:Nb,Zr,Hf,Ta,Ti,Vから選ばれる少なくとも一種以上 Ｍ′:Cr,Mo,W,Mn,希土類元素、白金族元素から選ばれる
   少なくとも一種以上 Y:B,Pから選ばれる少なくとも一種以上 Ｙ′:C,Nから選ばれる少なくとも一種以上 X:Al,Geから選ばれる少なくとも一種以上 A:Co,Niから選ばれる少なくとも一種以上 0.1≦ａ≦15 ０≦ｂ≦10 ２≦ｃ≦15 0.1≦ｄ≦15 ２≦ｅ≦20 ０≦ｆ≦10 ０≦ｇ≦30 （at％） で表わされる溶融状態のFe基合金を超急冷した後、その
   結晶化温度付近あるいはそれ以上の温度で熱処理を行
   い、組織内に微細な結晶粒を析出させる工程を有するこ
   とを特徴とするFe基軟磁性合金の製造方法。