JP5505563B2 - Fe基非晶質合金、及びFe基非晶質合金粉末を用いた圧粉磁心 - Google Patents

Fe基非晶質合金、及びFe基非晶質合金粉末を用いた圧粉磁心 Download PDF

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Description

本発明は、例えば、トランスや電源用チョークコイル等の圧粉磁心等に適用するFe基非晶質合金に関する。
ハイブリッド自動車等の昇圧回路や、発電、変電設備に用いられるリアクトル、トランスやチョークコイル等に使用される圧粉磁心は、Fe基非晶質合金粉末と結着材とを圧粉成形したものである。Fe基非晶質合金には軟磁気特性に優れた金属ガラスを用いることができる。
しかしながら、従来では、Fe−Cr−P−C−B−Si系のFe基非晶質合金において、ガラス転移点(Tg)を有し且つ高い飽和磁束密度Bs(具体的には約1.5T以上)を得ることが出来なかった。
下記特許文献には、Fe−Cr−P−C−B−Si系軟磁性合金の組成開示があるものの、ガラス転移点(Tg)を有し且つ約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを得ることが可能なFe−Cr−P−C−B−Si系軟磁性合金は開示されていない。
WO2011/016275 A1 特開2005−307291号公報 特公平7−93204号公報 特開2010−10668号公報
そこで本発明は、上記の従来課題を解決するためのものであり、特に、ガラス転移点(Tg)を有し且つ高い飽和磁束密度Bsを得ることが可能なFe基非晶質合金、及びFe基非晶質合金粉末を用いた圧粉磁心を提供することを目的とする。
本発明におけるFe基非晶質合金は、
組成式が、(Fe100-a-b-c-d-eCrabcdSie(a,b,c,d,eはat%))で示され、
0at%≦a≦1.9at%、1.7at%≦b≦8.0at%、0at%≦e≦1.0at%、であり、Feの組成比(100−a−b−c−d−e)は、77at%以上であり、
19at%≦b+c+d+e≦21.1at%であり、
0.08≦b/(b+c+d)≦0.43であり、
0.06≦c/(c+d)≦0.87であり、
ガラス転移点(Tg)を有することを特徴とするものである。これにより本発明のFe基非晶質合金によれば、ガラス転移点(Tg)を有するとともに、高い飽和磁束密度Bs、具体的には約1.5T以上のBsを得ることができる。そして本発明では、前記Fe基非晶質合金を粉末状にして結着材と混合し圧縮成形により磁心特性に優れた圧粉磁心を製造することができる。
本発明では、0.75at%≦c≦13.7at%、3.2at%≦d≦12.2at%であることが好ましい。ガラス転移点(Tg)を安定して発現させることができる。
上記においてBの組成比dは、10.7at%以下であることが好ましい。また本発明では、Pの組成比bは7.7at%以下であることが好ましい。また本発明では、b/(b+c+d)は0.16以上であることが好ましい。また本発明では、c/(c+d)は0.81以下であることが好ましい。非晶質(アモルファス)にて形成できるとともに1.5T以上の飽和磁束密度Bsを確保でき且つガラス転移点(Tg)を安定して発現させることができる。
また本発明では、0at%≦e≦0.5at%であることが好ましい。低Tg化を図ることが出来る。
また本発明では、0.08≦b/(b+c+d)≦0.32であり、0.06≦c/(c+d)≦0.73であることが好ましい。
また本発明では、4.7at%≦b≦6.2at%であることが好ましい。また本発明では、5.2at%≦c≦8.2at%であり、6.2at%≦d≦10.7at%であることが好ましい。また、Bの組成比dは、9.2at%以下であることがより好ましい。また、0.23≦b/(b+c+d)≦0.30であり、0.32≦c/(c+d)≦0.87であることが好ましい。このとき、Fe基非晶質合金を水アトマイズ法で製造することが好ましい。これにより、適切に非晶質化(アモルファス化)でき、ガラス転移点(Tg)を安定して発現させることができる。そして、従来、水アトマイズ法により製造されたFe基非晶質合金は、1.4T以下の飽和磁束密度Bsしか得られなかったが、本発明によれば、水アトマイズ法により製造されたFe基非晶質合金の飽和磁束密度Bsを約1.5T以上にできる。水アトマイズ法は、均一で略球状の磁性合金粉末を得ることが容易な方法であり、このような方法で得られた磁性合金粉末はバインダー樹脂等の結着材と混合し、プレス成形技術等を用いて様々な形状の圧粉磁心に加工することが可能となる。本発明においては、上記のように特定の合金組成とすることで、飽和磁束密度の高い圧粉磁心を得ることが可能となる。
また本発明では、4.7at%≦b≦6.2at%、5.2at%≦c≦8.2at%、6.2at%≦d≦9.2at%、0.23≦b/(b+c+d)≦0.30、及び0.36≦c/(c+d)≦0.57とすることで、1.5T以上の飽和磁束密度Bsを安定して確保することができる。
本発明のFe基非晶質合金によれば、ガラス転移点(Tg)を有するとともに、高い飽和磁束密度Bs、具体的には約1.5T以上のBsを得ることが出来る。
図1は、圧粉磁心の斜視図である。 図2は、コイル封入圧粉磁心の平面図である。 図3は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における飽和磁束密Bsの組成依存性を示すグラフである。 図4は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における飽和質量磁化σsの組成依存性を示すグラフである。 図5は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるキュリー温度(Tc)の組成依存性を示すグラフである。 図6は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるガラス転移点(Tg)の組成依存性を示すグラフである。 図7は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における結晶化開始温度(Tx)の組成依存性を示すグラフである。 図8は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるΔTxの組成依存性を示すグラフである。 図9は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における融点(Tm)の組成依存性を示すグラフである。 図10は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるTg/Tmの組成依存性を示すグラフである。 図11は、液体急冷法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるTx/Tmの組成依存性を示すグラフである。 図12は、水アトマイズ法により製造されたFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における飽和磁束密Bsの組成依存性を示すグラフである。 図13は、Crの組成比aと飽和磁束密度Bsとの関係を示すグラフである。 図14は、実施例1及び比較例1の各圧粉磁心のバイアス磁界と透磁率との関係を示すグラフである。 図15は、実施例2及び比較例2の各圧粉磁心のバイアス磁界と透磁率との関係を示すグラフである。 図16は、実施例3及び比較例3の各圧粉磁心のバイアス磁界と透磁率との関係を示すグラフである。 図17は、図14〜図16に示した実施例1〜3及び比較例1〜3の各圧粉磁心の飽和磁束密度Bsとμ41300/μ0との関係を示すグラフである。
本実施形態におけるFe基非晶質合金は、組成式が、(Fe100-a-b-c-d-eCrabcdSie(a,b,c,d,eはat%))で示され、0at%≦a≦1.9at%、1.7at%≦b≦8.0at%、0at%≦e≦1.0at%、であり、Feの組成比(100−a−b−c−d−e)は、77at%以上であり、19at%≦b+c+d+e≦21.1at%であり、0.08≦b/(b+c+d)≦0.43であり、0.06≦c/(c+d)≦0.87である。
上記のように、本実施形態のFe基非晶質合金は、主成分としてのFeと、Cr、P、C、B、Siを上記組成比率内にて添加してなる金属ガラスである。
本実施形態のFe基非晶質合金は、非晶質(アモルファス)で且つガラス転移点(Tg)を有するとともに、高い飽和磁束密度Bsを確保でき、更に耐食性に優れた構成にできる。
以下では、まずFe−Cr−P−C−B−Si中に占める各組成元素の組成比について説明する。
本実施形態のFe基非晶質合金粉末に含まれるFeの組成比は、Fe−Cr−P−C−B−Si中、Cr,P,C,B及びSiの各組成比を除いた残部であり、上記した組成式では、(100−a−b−c−d−e)で示されている。Feの組成比は、高Bsを得るために大きいことが好ましく、77at%以上とされる。ただしFeの組成比があまり大きくなりすぎると、Cr,P,C,B及びSiの各組成比が小さくなってガラス転移点(Tg)の発現や非晶質形成に支障をきたすので81at%以下とすることが好ましい。またFeの組成比は80at%以下とすることがより好ましい。
Fe−Cr−P−C−B−Si中に含まれるCrの組成比aは、0at%≦a≦1.9at%の範囲内で規定される。Crは、粉末表面に不動態層の形成を促進でき、Fe基非晶質合金の耐食性を向上できる。例えば、水アトマイズ法を用いてFe基非晶質合金粉末を作製する際において、合金溶湯が直接水に触れたとき、更には水アトマイズ後のFe基非晶質合金粉末の乾燥工程において生じる腐食部分の発生を防ぐことができる。一方、Crの添加により飽和磁束密度Bsが低下し、またガラス転移点(Tg)が高くなりやすいので、Crの組成比aは必要最小限に抑えることが効果的である。Crの組成比aを0at%≦a≦1.9at%の範囲内に設定すると、飽和磁束密度Bsを約1.5T以上確保でき好適である。
さらにCrの組成比aを1at%以下に設定することが好ましい。これにより、場合によっては1.55T以上の高い飽和磁束密度Bs、さらには1.6T以上の飽和磁束密度Bsを確保できるとともに、ガラス転移点(Tg)を低い温度で維持できる。
Fe−Cr−P−C−B−Si中に含まれるPの組成比bは、1.7at%≦b≦8.0at%の範囲内で規定される。これにより、約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを得ることが可能になる。またガラス転移点(Tg)を発現させやすくなる。従来では特許文献等に示すようにPの組成比を10at%前後と比較的高めに設定していたが、本実施形態ではPの組成比bを従来より低めに設定した。Pは非晶質形成に係る半金属であるが、後述するように他の半金属との合計組成比を調整することで、高Bsとともに非晶質化を適切に促進することが可能になる。
より高い飽和磁束密度Bsを得るためには、Pの組成比bの範囲を7.7at%以下、好ましくは6.2at%以下に設定する。Pの組成比bの下限値は、後述するように製造方法によって異ならせることが好適である。例えばFe基非晶質合金を水アトマイズ法で製造する場合には、Pの組成比bを4.7at%以上に設定することが好適である。Pの組成比bが4.7at%を下回ると、結晶化しやすくなる。一方、Fe基非晶質合金を液体急冷法で製造する場合には、下限値を1.7at%あるいは2at%程度にでき、また、より安定してガラス転移点(Tg)を得て、非晶質の形成のし易さを重視する場合は、Pの組成比bの下限値を、3.2at%程度に設定する。また液体急冷法では、Pの組成比bの上限値を4.7at%、さらに好ましくは4.0at%程度に設定することで高い飽和磁束密度Bsを得ることができる。
また、Fe−Cr−P−C−B−Si中に含まれるSiの組成比eは、0at%≦e≦1.0at%に範囲内で規定される。Siの添加は非晶質形成能の向上に役立つと考えられるが、Siの組成比eを大きくすると、ガラス転移点(Tg)が上昇しやすくなり、あるいはガラス転移点(Tg)が消失したり、非晶質が形成されにくくなる。したがってSiの組成比eは1.0at%以下、好ましくは0.5at%以下とすることが好適である。
本実施形態では、半金属の元素P、C、B及びSiの合計組成比(b+c+d+e)を19at%以上で21.1at%以下の範囲内に規定した。なお元素P及びSiの組成比b,eは上記範囲内であるため、元素CとBとを足した組成比(c+d)の範囲が定まり、さらに後述するようにc/(c+d)の範囲を規定したため、元素C及びBの組成比がいずれも0at%であるということなく、ある所定の組成範囲を備えている。
半金属の元素P、C、B及びSiの合計組成比(b+c+d+e)を19at%〜21.1at%とすることで、約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsとともに非晶質にて形成することができる。
また本実施形態では、元素P、C及びB中に占めるPの組成比率[b/(b+c+d)]を0.08以上で0.43以下の範囲内に規定している。これにより、ガラス転移点(Tg)を発現させることができるとともに、約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを得ることが可能になる。
また本実施形態では、元素C及びB中に占めるCの組成比率[c/(c+d)]を0.06以上で0.87以下の範囲内に規定している。これにより高Bs化とともに非晶質形成能を高めることができ、またガラス転移点(Tg)を適切に発現させることが可能になる。
以上により本実施形態のFe基非晶質合金によれば、ガラス転移点(Tg)を有するとともに、高い飽和磁束密度Bs、具体的には約1.5以上のBsを得ることが可能になる。
本実施形態のFe基非晶質合金を液体急冷法によりリボン状で製造することができる。このとき、非晶質の限界板厚を150〜180μm程度に厚くできる。例えばFeSiB系であると非晶質の限界板厚が70〜100μm程度であるから、本実施形態によれば、FeSiB系に比べて約二倍以上の板厚で形成することが可能になる。
そして、前記リボンを粉砕して粉末状にして、上記した圧粉磁心等の製造に使用する。あるいは、Fe基非晶質合金粉末を水アトマイズ法等で製造することもできる。
なおFe基非晶質合金を液体急冷法によりリボン状で製造したほうが水アトマイズ法で製造するよりも高Bsを得やすい。ただし、水アトマイズ法によってFe基非晶質合金粉末を得た場合でも後述の実験結果に示すように約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを得ることが可能になる。
Fe基非晶質合金を液体急冷法で製造する場合の好ましい組成について説明する。
本実施形態では、Cの組成比cを、0.75at%以上で13.7at%以下に設定し、更に、Bの組成比dを3.2at%以上で12.2at%以下に設定することが好適である。元素C及びBは共に半金属でこれら元素の添加により非晶質形成能を高めることができるが、これら元素の添加量が多すぎたり少なすぎると、ガラス転移点(Tg)が消失したり、あるいは、ガラス転移点(Tg)を発現させることができても他の元素に対する組成調整範囲が非常に狭くなってしまう。したがってガラス転移点(Tg)を安定して発現させるには元素C及びBの夫々を上記の組成範囲内に収めることが好ましい。またCの組成cは12.0at%以下とすることがより好ましい。またBの組成比dは、10.7at%以下とすることがより好ましい。
また、元素P、C及びB中に占めるPの組成比率[b/(b+c+d)]を0.16以上とすることが好ましい。また元素CとB中に占めるCの組成比率 [c/(c+d)]は0.81以下であることがより好ましい。これにより、高Bs化とともに非晶質形成能を高めることができ、さらにガラス転移点(Tg)を安定して発現させることができる。
本実施形態では、液体急冷法により製造されたFe基非晶質合金の飽和磁束密度Bsを1.5T以上にすることが可能であるが、元素P、C及びB中に占めるPの組成比率 [b/(b+c+d)]を0.08以上0.32以下で調整し、元素CとB中に占めるCの組成比率[c/(c+d)]を0.06以上0.73以下で調整することで、1.6T以上の飽和磁束密度Bsを得ることが可能になる。c/(c+d)を0.19以上とすると更によい。
次に、Fe基非晶質合金を水アトマイズ法で製造する場合の好ましい組成について説明する。
Pの組成比bは、4.7at%≦b≦6.2at%であることが好適である。これにより、安定して非晶質化できるとともに、約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを得ることができる。ここで「約1.5T以上」とは、1.5Tより多少小さい値も含み、具体的には四捨五入して1.5Tとなる1.45T程度以上であることを意味する。特に水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金では、従来、1.4T以上の飽和磁束密度Bsを得ることが難しかったが、本実施形態によれば、約1.5T以上の従来に比べて非常に高い飽和磁束密度Bsを安定して得ることができる。
また、Cの組成比cは、5.2at%以上8.2at%以下であり、Bの組成比dは、6.2at%以上10.7at%以下であることが好ましい。このとき、Bの組成比dは、9.2at%以下であることがより好ましい。元素C及びBは共に半金属でこれら元素の添加により非晶質形成能を高めることができるが、これら元素の添加量が多すぎたり少なすぎると、ガラス転移点(Tg)が消失したり、あるいは、ガラス転移点(Tg)を発現させることができても他の元素に対する組成調整範囲が非常に狭くなってしまう。後述する実験結果に示すように、上記の組成比で調整することで、非晶質化とともに、約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを安定して得ることができる。
さらに、0.23≦b/(b+c+d)≦0.30であり、0.32≦c/(c+d)≦0.87であることが好適である。後述する実験結果に示すように、非晶質化とともに、約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを安定して得ることができる。
水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金は、4.7at%≦b≦6.2at%であり、5.2at%≦c≦8.2at%であり、6.2at%≦d≦9.2at%であり、0.23≦b/(b+c+d)≦0.30であり、0.36≦c/(c+d)≦0.57であることがより好適である。これにより、1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを安定して得ることができる。
後述する実験に示すように、水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金のほうが、液体急冷法により製造されたFe基非晶質合金に比べて飽和磁束密度Bsが小さくなりやすい。それは、使用原料の不純物混入や、アトマイズ時の粉末酸化の影響等であると考えられる。
また水アトマイズ法でFe基非晶質合金を製造する場合、液体急冷法に比べて、非晶質を形成するための組成範囲が狭くなりやすいが、水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金においても、液体急冷法と同様に、非晶質で且つ約1.5T以上の高い飽和磁束密度Bsを得ることができることが後述の実験でわかった。
特に、従来の水アトマイズ法にて製造されたFe基非晶質合金は、飽和磁束密度Bsが1.4T以下と低かったが、本実施形態によれば、約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを得ることが可能になる。
なお本実施形態におけるFe基非晶質合金の組成は、ICP−MS(高周波誘導結合質量分析装置)等で測定することが可能である。
本実施形態では、上記の組成式から成るFe基非晶質合金の粉末を、結着材と混合し固化成形することで図1に示す円環状の圧粉磁心1や図2に示すコイル封入圧粉磁心2を製造することができる。図2に示すコイル封入圧粉磁心2は、圧粉磁心3と、前記圧粉磁心3に覆われるコイル4とを有して構成される。Fe基非晶質合金粉末は、磁心中に多数個存在し、各Fe基非晶質合金粉末間が前記結着材にて絶縁された状態となっている。
また、前記結着材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、シリコーンゴム、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、PVA(ポリビニルアルコール)、アクリル樹脂等の液状又は粉末状の樹脂あるいはゴムや、水ガラス(Na2O−SiO2)、酸化物ガラス粉末(Na2O−B23−SiO2、PbO−B23−SiO2、PbO−BaO−SiO2、Na2O−B23−ZnO、CaO−BaO−SiO2、Al23−B23−SiO2
23−SiO2)、ゾルゲル法により生成するガラス状物質(SiO2、Al23、ZrO2、TiO2等を主成分とするもの)等を挙げることができる。
また潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウム等を用いることが出来る。結着材の混合比は5質量%以下、潤滑剤の組成比は0.1質量%〜1質量%程度である。
圧粉磁心をプレス成形した後、Fe基非晶質合金粉末の応力歪みを緩和すべく熱処理を施すが、本実施形態では、Fe基非晶質合金粉末のガラス転移点(Tg)を低くでき、したがって磁心の最適熱処理温度を従来に比べて低くできる。ここで「最適熱処理温度」とは、Fe基非晶質合金粉末に対して効果的に応力歪みを緩和でき、コアロスを最小限に小さくできる磁心成形体に対する熱処理温度である。
(飽和磁束密度Bs及びその他の合金特性の実験;液体急冷法)
以下、表1の組成を備えるFe基非晶質合金を、液体急冷法によりリボン状で製造した。具体的には、Fe−Cr−P−C−B−Siの溶湯をるつぼのノズルから回転しているロール上に噴出し急冷する単ロール法により、減圧Ar雰囲気下でリボンを得た。リボン製造条件としては、ノズルとロール表面との間の距離(ギャップ)を0.3mm程度、ロール回転時の周速を2000m/min程度、射出圧力を0.3kgf/cm2程度に設定した。
得られた各リボンの板厚は、20〜25μm程度であった。

表1の各試料が非晶質(アモルファス)であることは、XRD(X線回折装置)により確認した。また、キュリー温度(Tc)、ガラス転移点(Tg)、結晶化開始温度(Tx)、融点(Tm)を、DSC(示差走査熱量計)により測定した(昇温速度はTc、Tg、Txが0.67K/sec、Tmは0.33K/sec)。
また表1に示す飽和磁束密度Bsと飽和質量磁化σsはVSM(振動試料型磁力計)にて印加磁界10kOeで測定した。
また表1に示す密度Dは、アルキメデス法により測定した。
表1に示す各欄の数値は、割り切れない場合、四捨五入した数値である。よって例えば「0.52」であれば、その範囲は「0.515〜0.524」までを指す。
表1に示す飽和磁束密度Bs、飽和質量磁化σs、キュリー温度(Tc)、ガラス転移点(Tg)、結晶化開始温度(Tx)、ΔTx、融点(Tm)、換算ガラス化温度(Tg/Tm)、Tx/Tmの各組成依存性のグラフを、図3ないし図11に示した。なおΔTxは、Tx−Tgで求めることができる。
表1に示す比較例の各Fe基非晶質合金は、飽和磁束密度Bsが実施例に比べて低くなり、あるいは高い飽和磁束密度Bsが得られてもガラス転移点(Tg)が発現しないことがわかった。
一方で、表1に示す実施例の各Fe基非晶質合金は、ガラス転移点(Tg)を有するとともに約1.5T以上の飽和磁束密度Bsが得られ、特にNo.43〜No.53、No.57、No.62、No.65、No.67、No.77、No.79、No.81、No.82の試料は1.6Tを超える飽和磁束密度Bsが得られる試料であることが分かった。
図3〜図11は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における組成依存性を示している。各図に示すやや色の濃くなっている領域はガラス転移点(Tg)が発現しない組成領域である。
図3は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における飽和磁束密度Bsの組成依存性を示している。図3のグラフ上に、元素Pの組成比b=0at%、2at%、4at%、6at%及び8at%のラインを引いた。図3に示すように、Pの組成比bが低くなると高い飽和磁束密度Bsを得ることができる一方、ガラス転移点(Tg)が発現しにくくなることがわかった。
図4は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における飽和質量磁化σsの組成依存性を示している。図4に示すように、本実施例では、約190〜約230(10-6・wb・m・kg-1)の飽和質量磁化σsを得ることができるとわかった。
図5は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるキュリー温度(Tc)の組成依存性を示している。図5に示すように、本実施例では、約580K〜約630Kのキュリー温度(Tc)を得ることができ、実用上問題の無いものであることがわかった。
図6はFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるガラス転移点(Tg)の組成依存性のグラフであるが、本実施例ではガラス転移点(Tg)を700K〜740K程度にできることがわかった。
図7は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における結晶化開始温度(Tx)の組成依存性のグラフであるが、本実施例では結晶化開始温度(Tx)を約740K〜770K程度にできることがわかった。
また図8は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるΔTxの組成依存性のグラフであるが、本実施例ではΔTxを約15K〜40K程度にできることがわかった。
以上のように本実施例では、高い飽和磁束密度Bs及び、ガラス転移点(Tg)の存在とそれに伴うΔTxの存在により、高い非晶質形成能を兼ね備えていることがわかった。従って、冷却条件等を緩くしても容易に高い飽和磁束密度を備えたFe基非晶質合金を得ることが可能となる。
また図9は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における融点(Tm)の組成依存性のグラフであるが、本実施例では融点(Tm)を約1300K〜1400K程度にでき、従来のガラス転移点(Tg)を有していないFe−Si−B系の非晶質合金よりも低い融点(Tm)となっていることがわかった。これにより、本実施例のFe基非晶質合金においては、従来のFe−Si−B系の非晶質合金よりも製造上有利となる。
図10は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における換算ガラス化温度(Tg/Tm)の組成依存性を示すグラフであり、図11は、Fe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5におけるTx/Tmの組成依存性を示すグラフである。
換算ガラス化温度(Tg/Tm)及び、Tx/Tmは良好な非晶質形成能を得るために高いことが好ましく、本実施例では、0.50以上の換算ガラス化温度(Tg/Tm)、及び0.53以上のTx/Tmが得られることがわかった。
(飽和磁束密度Bs及びその他の合金特性の実験;水アトマイズ法)
以下、表2の組成を備えるFe基非晶質合金を、水アトマイズ法により製造した。
なお、粉末を得る際の溶湯温度(溶解された合金の温度)1500℃、水の噴出圧は80MPaであった。
なお水アトマイズ法により製造された各Fe基非晶質粉末の平均粒径(D50)は10〜12μmであった。平均粒径は、日機装(株)製のマイクロトラック粒度分布測定装置MT300EXにより測定した。
表2の各試料のうち、No.84〜90については、結晶質と非晶質との混晶であることを、No.91〜97については、非晶質(アモルファス)であることを、XRD(X線回折装置)により確認した。
また表2に示す飽和磁束密度BsはVSM(振動試料型磁力計)にて印加磁界10kOeで測定した。
また以下の表3は、表2に示す実施例(粉末組織が非晶質のもの)の中から3つの試料を抜き出したものであるが、これらの試料のキュリー温度(Tc)、ガラス転移点(Tg)、結晶化開始温度(Tx)、融点(Tm)を、DSC(示差走査熱量計)により測定した(昇温速度はTc、Tg、Txが0.67K/sec、Tmは0.33K/sec)。
図12は、表2のFe77.9Cr1(20.8-c-d)cdSi0.5における飽和磁束密度Bsの組成依存性を示している。
図12及び表2に示すように、水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金においても、非晶質(アモルファス)で且つ約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを得ることができる組成範囲が得られることがわかった。
ただし、図12に示すように水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金は、図3に示す液体急冷法で製造されたFe基非晶質合金に比べて、飽和磁束密度Bsが0.05Tから0.15T程度低くなった。
なお、表2に示す各実施例では、いずれもガラス転移点(Tg)が得られた。
(実施例における組成比及び組成比率の限定について(ただしCrの組成比aを除く))
上記実験結果から、Pの組成比bは小さすぎると非晶質になりにくく、一方、大きすぎると飽和磁束密度Bsが小さくなることがわかった。
上記実験結果に基づいて、本実施例における元素Pの組成比bを、1.7at%以上8.0at%以下とした。また、水アトマイズ法でFe基非晶質合金を作成することを想定すると、表3の実験結果から元素Pの組成比bは4.7at%以上6.2at%以下であるとより好ましい。
次に、表1,表2に示すFe基非晶質合金は、元素Siの組成比eが0at%あるいは0.5at%であった。元素Siの組成比eが0at%であっても、高Bsとともにガラス転移点(Tg)を発現でき、さらに非晶質形成が可能であることがわかった。本実施例では、Siの最大組成比eを実験よりもやや大きい値にしても同じ半金属のP,C、Bのいずれか1以上の元素組成比を減らすことで、さほど特性に影響がないものと考え、Siの組成比eの範囲を0at%以上1.0at%以下に設定した。また好ましいSiの組成比eの範囲を0at%以上0.5at%以下にした。
Feの組成比(100−a−b−c−d−e)については、高い飽和磁束密度Bsを得るためには大きいことが好ましく、本実施例では77at%以上に設定した。ただしFe組成比を大きくしすぎると、Cr、P、C、B及びSiの組成比の減少により、非晶質形成能、ガラス転移点(Tg)の発現や耐食性に支障をきたす恐れがあるため、Feの最大組成比を81at%以下とし、好ましくは80at%以下に設定した。
表1,表2の実施例における元素P、C、B及びSiを足した合計組成比(b+c+d+e)は19.0at%以上21.1at%以下であった。
また表1,表2の実施例における元素P、C、及びBの合計組成比に対するPの組成比率[b/(b+c+d)]は、0.08以上0.43以下であった。
また、表1,表2の実施例における元素C、及びBの合計組成比に対するCの組成比率[b/(b+c)]は、0.06以上0.87以下であった。
(液体急冷法で製造されたFe基非晶質合金の好ましい組成範囲について)
表1により、実施例におけるCの組成比cの好ましい範囲を、0.75at%≦c≦13.7at%とした。またBの組成比dの好ましい範囲を、3.2at%≦d≦12.2at%とした。
また図3や表1に示すようにBの組成比dが約10at%以上になるとグラフ上でガラス転移点(Tg)の発現しない組成領域が増え始めており、Bの組成以外のパラメータ範囲をあまり狭くすることなくガラス転移点(Tg)を安定して発現させるために、好ましいBの組成比dの範囲を10.7at%以下とした。
また表1に示すように、元素P、C、及びBの合計組成比に対する元素Pの組成比率[b/(b+c+d)]が低い、すなわちPの組成比率が低下するほどガラス転移点(Tg)が消失しやすい傾向が見られるので、好ましい[b/(b+c+d)]の範囲を0.16以上に設定した。
また表1、図3に示すように、元素C、及びBの合計組成比に対するCの組成比率[c/(c+d)]を、0.06以上0.81以下に設定することで、より確実に1.5T以上の飽和磁束密度Bsを得ることができるとわかった。
また、表1、図6に示すように、元素C、及びBの合計組成比に対するCの組成比率[c/(c+d)]が大きくなるとガラス転移点(Tg)の消去する領域に到達しやすくなる。例えば図6のグラフに示す元素C及びBが夫々8at%であるとし、Bの組成比を固定して,Cの組成比cを増やしていったときと減らしていったときとでは、Cの組成比cを増やしていったほうがガラス転移点(Tg)の消去する領域に早く到達してしまう。また、元素C、及びBの合計組成比に対するCの組成比率[c/(c+d)]は大きくなるほうがガラス転移点(Tg)が上昇しやすい傾向にあることもわかった。このため、好ましい[c/(c+d)]の範囲を、0.78以下に設定した。
また、元素P、C及びB中に占めるPの組成比率 [b/(b+c+d)]を0.08以上0.32以下で調整し、元素CとB中に占めるCの組成比率[c/(c+d)]を0.06以上0.73以下で調整することで、1.6T以上の飽和磁束密度Bsを得ることが可能になることがわかった。c/(c+d)を0.19以上とすると更によい。
(水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金の好ましい組成範囲について)
表2、図12に示すように、元素Pの組成比bを、4.7at%以上6.2at%以下の範囲とすることで非晶質で且つ約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを得ることができるとわかった。
また、元素Cの組成比cを、5.2at%以上8.2at%以下とし、元素Bの組成比dを、6.2at%以上10.7at%以下の範囲とすることで、非晶質で且つ約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを安定して得られることがわかった。このとき、元素Bの組成比dを、9.2at%以下とすれば、より効果的に飽和磁束密度Bsを安定して大きくできることがわかった。
さらに、元素P、C、及びBの合計組成比に対するPの組成比率[b/(b+c+d)]を、0.23以上0.30以下に設定し、元素C、及びBの合計組成比に対するCの組成比率[c/(c+d)]を、0.32以上0.87以下に設定することで、非晶質で且つ約1.5T以上の飽和磁束密度Bsを得ることができるとわかった。
表2,図12に示す実験結果から水アトマイズ法で製造されたFe基非晶質合金では、4.7at%≦b≦6.2at%とし、5.2at%≦c≦8.2at%とし、6.2at%≦d≦9.2at%とし、0.23≦b/(b+c+d)≦0.30とし、0.36≦c/(c+d)≦0.57とすることがより好ましい。これにより、1.5T以上の飽和磁束密度Bsを安定して得ることができるとわかった。
(Crの組成比aについて)
表1や表2の組成ではCrを1at%に固定したが、次の実験ではCrの組成比aを変化させた飽和磁束密度Bs及び表1と同じ特性の実験を行い、Crの組成比aを規定することとした。
実験では、表1に示した各試料と同じ製造条件のもと、Fe78.9-aCra3.28.29.2Si0.5の組成からなるFe基非晶質合金リボンを得た。
実験では、Crの組成比aを0at%から6at%まで変化させて表1と同じ各特性を測定した。その実験結果が以下の表4に示されている。
図13は、表4に示すCrの組成比aと飽和磁束密度Bsとの関係を示すグラフである。
表4及び図13に示すように、Crの組成比aが大きくなると、徐々に飽和磁束密度Bsが低下することがわかった。
この実験により、Crの組成比aを0at%≦a≦1.9at%の範囲内とした。なおやや飽和磁束密度Bsは低下するものの、良好な耐食性を得るうえで、好ましいCrの組成aを0.5≦a≦1.9at%とした。
(圧粉磁心(トロイダルコア)の磁気特性について)
実験では、表2に示すNo.94のFe基非晶質合金粉末(Fe77.9Cr1P6.35.29.2Si0.5;Bs=1.5T)を用いて実施例の圧粉磁心を製造した。
また、Fe77.4Cr292.27.5Si4.9のFe基非晶質粉末(Bs=1.2T)、あるいは、Fe77.9Cr17.32.27.7Si3.9のFe基非晶質粉末(Bs=1.35T)を用いて比較例の圧粉磁心を製造した。
実施例、比較例ともに磁性粉末にシリコン樹脂を1.4wt%、潤滑剤(脂肪酸)を0.3wt%、添加して混合し、2日間乾燥後、粉砕した。そして、外径20mm、内径12mm、板厚7mmのトロイダルコアをプレス成形した(圧力は20ton/cm2)。
上記のようにして得られたトロイダルコアを、400〜500℃、N2雰囲気中で1時間、熱処理した。
なお以下の表5に示すように、実施例1と比較例1との間、実施例2と比較例2との間及び実施例3と比較例3との間で、夫々、初透磁率(μ0)がほぼ同じとなるように熱処理温度を調整した。
実験では、各実施例及び各比較例のトロイダルコアに巻線を施し、各コアに最大4130A/mまでバイアス磁界を印加しながら透磁率μの変化を測定した(直流重畳特性)。
以下の表5には、各試料の飽和磁束密度Bs、初透磁率μ0、4130A/mのバイアス印加時の透磁率μ4130、μ4130/μ0が掲載されている。なお表5に示すμ4130/μのデータは小数点第三位を四捨五入した数値であり、後述する図17は、小数点第三位で四捨五入していないデータとした。
表5に示すように、実施例1、実施例2、実施例3は、同じ粉末組成で同じ飽和磁束密度Bsを備えているが、熱処理温度を変えて、対応する比較例とほぼ同じ初透磁率μ0が得られるように調整されている。
比較例は、実施例よりも飽和磁束密度Bsが低く、本実施例の組成範囲から外れている。
以下の表6は、バイアス磁界の大きさに対する各試料の透磁率μが掲載されている。
表6の実験結果に基づいて、比較例1及び実施例1におけるバイアス磁界と透磁率μとの関係を図14に示した。また、表6の実験結果に基づいて、比較例2及び実施例2におけるバイアス磁界と透磁率μとの関係を図15に示した。また表6の実験結果に基づいて、比較例3及び実施例3におけるバイアス磁界と透磁率μとの関係を図16に示した。
直流重畳特性は、バイアス磁界の印加による透磁率μの減少率が小さいほど優れている。
したがって図14ないし図16に示す実験結果から、実施例のほうが比較例に比べて透磁率μの減少率が小さく、優れた直流重畳特性を得ることができるとわかった。
また、表5の実験結果に基づいて、μ4130/μ0のBs依存性を調べた。その結果が図17に示されている。
図17に示すように、飽和磁束密度Bsが大きいほど、μ4130/μ0が大きく、磁性粉末を高Bs化した効果を確認することができた。
1,3 圧粉磁心
2 コイル封入圧粉磁心
4 コイル

Claims (16)

  1. 組成式が、(Fe100−a−b−c−d−eCrSi(a,b,c,d,eはat%))で示され、
    0at%≦a≦1.9at%、1.7at%≦b≦8.0at%、0at%≦e≦1.0at%、であり、Feの組成比(100−a−b−c−d−e)は、77at%以上であり、
    19at%≦b+c+d+e≦21.1at%であり、
    0.08≦b/(b+c+d)≦0.43であり、
    0.06≦c/(c+d)≦0.87であり、
    ガラス転移点(Tg)を有することを特徴とするFe基非晶質合金。
  2. 0.75at%≦c≦13.7at%、3.2at%≦d≦12.2at%である請求項1記載のFe基非晶質合金。
  3. Bの組成比dは、10.7at%以下である請求項2記載のFe基非晶質合金。
  4. b/(b+c+d)は0.16以上である請求項1ないし3のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  5. c/(c+d)は0.81以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  6. 0at%≦e≦0.5at%である請求項1ないし5のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  7. 0.08≦b/(b+c+d)≦0.32であり、0.06≦c/(c+d)≦0.73である請求項1ないし3、5又は6のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  8. 4.7at%≦b≦6.2at%である請求項1ないし7のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  9. 5.2at%≦c≦8.2at%であり、6.2at%≦d≦10.7at%である請求項1ないし8のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  10. Bの組成比dは、9.2at%以下である請求項9記載のFe基非晶質合金。
  11. 0.23≦b/(b+c+d)≦0.30であり、0.32≦c/(c+d)≦0.87である請求項1ないし6、又は、8ないし10のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  12. 4.7at%≦b≦6.2at%であり、5.2at%≦c≦8.2at%であり、6.2at%≦d≦9.2at%であり、0.23≦b/(b+c+d)≦0.30であり、0.36≦c/(c+d)≦0.57である請求項1ないし11のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  13. 水アトマイズ法により製造されたものである請求項8ないし12のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  14. 飽和磁束密度が1.5T以上である請求項1ないし13のいずれか1項に記載のFe基非晶質合金。
  15. 飽和磁束密度が1.6T以上である請求項14記載のFe基非晶質合金。
  16. 請求項1ないし15のいずれか1項に記載されたFe基非晶質合金粉末と結着材とを有することを特徴とする圧粉磁心。
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