JP5932861B2

JP5932861B2 - 合金組成物、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯、Ｆｅ基ナノ結晶合金粉末及び磁性部品

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Publication number: JP5932861B2
Application number: JP2014034482A
Authority: JP
Inventors: 彰宏牧野; パルマナンドシャルマ; ヤンツァン; 信行西山; 佳生竹中
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: JP2015157999A

Description

本発明は、トランスやインダクタ、モータの磁芯などの使用に好適であるＦｅ基ナノ結晶合金に関する。

高い飽和磁束密度を有し且つ高い透磁率を有するＦｅ基ナノ結晶合金については、例えば、特許文献１において提案されている。Ｆｅ基ナノ結晶合金は、主相としてアモルファス相を有する合金組成物を熱処理して得られる。

特開２０１０−０７０８５２号公報

厚い薄帯を安定的に得るためには、合金組成物のアモルファス形成能を高めることが要求される。また、合金生成物のアモルファス形成能が高いと、粒径が大きくても特性の良い粉末を形成することが可能となる。従って、その合金組成物から粉末を製造すると、特性の良い粉末の形成の歩留まりを向上させることができる。

そこで、本発明は、高いアモルファス形成能を有する合金組成物を提供することを目的とする。

本発明は、第１の合金組成物として、
主相としてアモルファス相を有する組成式Ｆｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｏ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＣ_ｆの合金組成物であって、３．５≦ａ≦４．５ａｔ％、８≦ｂ≦１１ａｔ％、０＜ｃ≦２ａｔ％、３≦ｄ≦５ａｔ％、０．５≦ｅ≦１．１ａｔ％、０≦ｆ≦２ａｔ％である合金組成物を提供する。

また、本発明は、第２の合金組成物として、第１の合金組成物であって、厚さ２５μｍ以上の連続薄帯形状を有する合金組成物を提供する。

また、本発明は、Ｆｅ基ナノ結晶合金薄帯として、第２の合金組成物を熱処理して得られるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯であって、
１７ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、１．８Ｔ以上の飽和磁束密度と７Ａ／ｍ以下の保持力を有するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯を提供する。

また、本発明は、第３の合金組成物として、第１の合金組成物であって、粒径４５μｍ以下の粉末形状を有する合金組成物を提供する。

また、本発明は、Ｆｅ基ナノ結晶合金粉末として、第３の合金組成物を熱処理して得られるＦｅ基ナノ結晶合金粉末であって、
１７ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、１．７Ｔ以上の飽和磁束密度と１００Ａ／ｍ以下の保持力を有するＦｅ基ナノ結晶合金粉末を提供する。

更に、本発明は、上述したＦｅ基ナノ結晶合金薄帯又はＦｅ基ナノ結晶合金粉末を用いて構成された磁性部品を提供する。

Ｃｏを３．５ａｔ％以上且つ４．５ａｔ％以下含むＦｅＣｏＢＳｉＰＣｕ合金又はＦｅＣｏＢＳｉＰＣｕＣ合金は高いアモルファス形成能を有しており、且つ他の元素の組成比も適切に調整したことから優れた磁気特性をも有している。そのため、良好な磁気特性を有し且つ厚い薄帯形状を有する合金組成物を形成することもできる。また、当該合金組成物で粉末を形成した場合には、粒径の大きな粉末であっても良好な磁気特性を有することになるので歩留まりが向上する。

本発明の実施の形態による合金組成物は、Ｆｅ基ナノ結晶合金の出発原料として好適なものであり、組成式Ｆｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｏ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＣ_ｆのものである。ここで、３．５≦ａ≦４．５ａｔ％、８≦ｂ≦１１ａｔ％、０＜ｃ≦２ａｔ％、３≦ｄ≦５ａｔ％、０．５≦ｅ≦１．１ａｔ％、０≦ｆ≦２ａｔ％。即ち、Ｃを含まない場合には、組成式はＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｃｏ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅであり、Ｃを０＜ｆ≦２ａｔ％含む場合には、組成式はＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｏ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＣ_ｆである。

本実施の形態において、Ｃｏ元素はアモルファス相形成を担う必須元素である。ＦｅＢＳｉＰＣｕ合金又はＦｅＢＳｉＰＣｕＣ合金に対してＣｏ元素を一定量加えると、ＦｅＢＳｉＰＣｕ合金又はＦｅＢＳｉＰＣｕＣ合金のアモルファス相形成能が向上することから、例えば、厚みのある連続薄帯を安定して作製することができる。但し、Ｃｏの割合が３．５ａｔ％より少ないと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。Ｃｏの割合が４．５ａｔ％より多いと、飽和磁束密度が低下する。また、Ｃｏの割合が４．５ａｔ％より多いと、熱処理後の結晶粒径が大きくなってしまい保磁力の上昇を招いてしまう。従って、Ｃｏの割合は、３．５ａｔ％以上、４．５ａｔ％以下であることが望ましい。アモルファス相形成能を高めるためにＣｏの割合を３．５ａｔ％以上と多くした場合であっても、他の元素Ｂ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃｕの値を下記のように調整することにより、良好な磁気特性を得ることができる。

本実施の形態において、Ｂ元素はアモルファス相形成を担う必須元素である。Ｂの割合が８ａｔ％より少ないと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。Ｂの割合が１１ａｔ％より多いと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。従って、Ｂの割合は、８ａｔ％以上、１１ａｔ％以下であることが望ましい。

本実施の形態において、Ｓｉ元素はアモルファス形成を担う必須元素である。Ｓｉを含まないと、飽和磁束密度が低下してしまう。Ｓｉの割合が２ａｔ％を超えてしまうと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。従って、Ｓｉの割合は、２ａｔ％以下（０を含まない）であることが望ましい。

本実施の形態において、Ｐ元素はアモルファス形成を担う必須元素である。Ｐの割合が３ａｔ％より少ないと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。Ｐの割合が５ａｔ％より多いと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。従って、Ｐの割合は、３ａｔ％以上、５ａｔ％以下であることが望ましい。

本実施の形態において、Ｃｕ元素はアモルファス形成を担う必須元素である。Ｃｕの割合が０．５ａｔ％より少ないと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。Ｃｕの割合が１．１ａｔ％より多いと、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。従って、Ｃｕの割合は、０．５ａｔ％以上、１．１ａｔ％以下であることが望ましい。

本実施の形態において、Ｆｅ元素は主元素であり、上記組成式において残部を占め且つ磁性を担う必須元素である。飽和磁束密度の向上及び原料価格の低減のため、Ｆｅの割合が多いことが基本的には好ましい。

上述した組成式Ｆｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ}Ｃｏ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅを有する合金組成物に対してＣ元素を一定量加えて合金組成物の総材料コストを下げることとしてもよい。Ｃ元素を加えた場合、薄帯が厚くなっても飽和磁束密度や保磁力などの磁気特性が劣化し難い。但し、Ｃの割合が２ａｔ％を超えると、液体急冷条件下におけるアモルファス相の形成能が低下してしまい、熱処理後の結晶粒径が大きくなり保磁力の上昇を招いてしまう。従って、Ｃ元素を加えて合金組成物の組成式をＦｅ_{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｏ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｄＣｕ_ｅＣ_ｆとする場合であっても、Ｃの割合は、２ａｔ％以下（０を含まない）であることが望ましい。

本実施の形態における合金組成物は、様々な形状を有することができる。例えば、合金組成物は、連続薄帯形状を有していてもよいし、粉末形状を有していてよい。連続薄帯形状の合金組成物は、Ｆｅ基アモルファス薄帯などの製造に使用されている単ロール製造装置や双ロール製造装置のような従来の装置を使用して形成することができる。粉末形状の合金組成物は水アトマイズ法やガスアトマイズ法によって作製してもよいし、薄帯の合金組成物を粉砕することで作製してもよい。

本実施の形態による合金組成物を成形して、巻磁芯、積層磁芯、圧粉磁芯などの磁気コアを形成することができる。また、その磁気コアを用いて、トランス、インダクタ、モータや発電機などの部品を提供することができる。

本実施の形態による合金組成物は主相としてアモルファス相を有している。従って、本実施の形態による合金組成物をＡｒガス雰囲気のような不活性雰囲気中で熱処理すると、２回以上結晶化される。最初に結晶化が開始した温度を第１結晶化開始温度（Ｔ_ｘ１）とし、２回目の結晶化が開始した温度を第２結晶化開始温度（Ｔ_ｘ２）とする。また、第１結晶化開始温度（Ｔ_ｘ１）と第２結晶化開始温度（Ｔ_ｘ２）の間の温度差をΔＴ＝Ｔ_ｘ２−Ｔ_ｘ１とする。これら結晶化温度は、例えば、示差走査熱量分析（ＤＳＣ）装置を用い、４０℃／分程度の昇温速度で熱分析を行うことで評価可能である。

本実施の形態による合金組成物を毎分１００℃以上の昇温速度で且つ第１結晶化開始温度以上で熱処理をすると、本実施の形態によるＦｅ基ナノ結晶合金を得ることができる。Ｆｅ基ナノ結晶合金形成の際に均質なナノ結晶組織を得るためには、合金組成物の第１結晶化開始温度（Ｔ_ｘ１）と第２結晶化開始温度（Ｔ^ｘ２）の差ΔＴが１００℃以上２００℃以下であることが好ましい。

上述したようにして熱処理して得られた本実施の形態によるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯は、１７ｎｍ以下の平均結晶粒径を有すると共に１．８Ｔ以上の高い飽和磁束密度と７Ａ／ｍ以下の低い保磁力を有する。また、上述したようにして固化成形熱処理して得られた本実施の形態によるＦｅ基ナノ結晶合金粉末は、１７ｎｍ以下の平均結晶粒径を有すると共に１．７Ｔ以上の高い飽和磁束密度と１００Ａ／ｍ以下の低い保磁力を有する。

本実施の形態によるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯やＦｅ基ナノ結晶合金粉末を用いて磁気コアを形成することができる。また、その磁気コアを用いて、トランス、インダクタ、モータや発電機などの部品を構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、複数の実施例及び複数の比較例を参照しながら更に詳細に説明する。

（実施例１〜１１及び比較例１〜８）
まず、Ｃを含まないＦｅＣｏＢＳｉＰＣｕ合金について検証した。詳しくは、原料を下記の表１に掲げられた本発明の実施例１〜１１及び比較例１〜８の合金組成となるように秤量し、アーク溶解した。その後、溶解した合金組成物を大気中において単ロール液体急冷法にて処理し、種々の厚さを持つ幅約３ｍｍ、長さ約５〜１５ｍの連続薄帯を作製した。これらの連続薄帯の合金組成物の相の同定はＸ線回折法にて行った。更に、表２記載の熱処理条件の下で、実施例１〜１１及び比較例１〜８の合金組成物を熱処理した。熱処理された合金組成物の夫々の飽和磁束密度Ｂｓは振動試料型磁力計（ＶＭＳ）を用いて８００ｋＡ／ｍの磁場にて測定した。各合金組成物の保磁力Ｈｃは直流ＢＨトレーサーを用い２ｋＡ／ｍの磁場にて測定した。測定結果を表２に示す。

表２から理解されるように、実施例の合金薄帯はすべて急冷後の状態においてアモルファスを主相とするものであり、しかもすべて２５μｍ以上の厚みを有していた。

また、実施例の合金薄帯を熱処理したものはナノ結晶化したが、熱処理後の結晶粒径がすべて１７ｎｍ以下と小さく、７Ａ／ｍ以下の小さい保磁力を有していると共に、１．８Ｔ以上の高い飽和磁束密度を有していた。

（実施例１２〜１４及び比較例９，１０）
更にＣを含めたＦｅＣｏＢＳｉＰＣｕＣ合金について検証した。詳しくは、原料を下記の表３に掲げられた本発明の実施例１２〜１４及び比較例９，１０の合金組成となるように秤量し、アーク溶解した。その後、溶解した合金組成物を大気中において単ロール液体急冷法にて処理し、種々の厚さを持つ幅約３ｍｍ、長さ約５〜１５ｍの連続薄帯を作製した。これらの連続薄帯の合金組成物の相の同定はＸ線回折法にて行った。更に、表４記載の熱処理条件の下で、実施例１２〜１４及び比較例９，１０の合金組成物を熱処理した。熱処理された合金組成物の夫々の飽和磁束密度Ｂｓは振動試料型磁力計（ＶＭＳ）を用いて８００ｋＡ／ｍの磁場にて測定した。各合金組成物の保磁力Ｈｃは直流ＢＨトレーサーを用い２ｋＡ／ｍの磁場にて測定した。測定結果を表４に示す。

表４から理解されるように、実施例の合金薄帯はすべて急冷後の状態においてアモルファスを主相とするものであり、しかもすべて２５μｍ以上の厚みを有していた。

また、実施例の合金薄帯を熱処理したものはナノ結晶化したが、熱処理後の結晶粒径がすべて１４ｎｍ以下と小さく、７Ａ／ｍ以下の小さい保磁力を有していると共に、１．８Ｔ以上の高い飽和磁束密度を有していた。

（実施例１５，１６及び比較例１１，１２）
次いで、粉末についても検証した。詳しくは、原料を下記表５に掲げられた本発明の実施例１５，１６及び比較例１１，１２の合金組成となるように秤量し、高周波誘導溶解処理により溶解して母合金を作製した。この母合金をガスアトマイズ法にて処理し、粉末を得た。合金溶湯の吐出量は平均１５ｇ／秒以下とし、ガス圧は１０ＭＰａ以上とした。このようにして得た粉末をふるいにかけて、粉末粒径が４５μｍ以下のものと４５μｍを超えるものとに分け、実施例１５，１６及び比較例１１，１２の粉末を得た。その後、それらの粉末を用いて成形体を作成し、Ａｒ雰囲気中で４２０℃×７分の条件にて固化して成形体を作成した。

表６から理解されるように、実施例１５，１６の合金粉末の固化成形後の結晶粒径が１６ｎｍ以下と小さく、１００Ａ／ｍ以下の小さい保磁力を有していると共に、１．７Ｔ以上の高い飽和磁束密度を有していた。

Claims

組成式Ｆｅ _{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ} Ｃｏ _ａＢ _ｂＳｉ _ｃＰ _ｄＣｕ _ｅＣ _ｆの合金組成物であり、３．５≦ａ≦４．５ａｔ％、８≦ｂ≦１１ａｔ％、０＜ｃ≦２ａｔ％、３≦ｄ≦５ａｔ％、０．５≦ｅ≦１．１ａｔ％、０≦ｆ≦２ａｔ％の合金組成物からなるＦｅ基ナノ結晶合金薄帯であって、厚さ２５μｍ以上の連続薄帯形状と１７ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、１．８Ｔ以上の飽和磁束密度と７Ａ／ｍ以下の保磁力を有するＦｅ基ナノ結晶合金薄帯。
組成式Ｆｅ _{１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆ} Ｃｏ _ａＢ _ｂＳｉ _ｃＰ _ｄＣｕ _ｅＣ _ｆの合金組成物であり、３．５≦ａ≦４．５ａｔ％、８≦ｂ≦１１ａｔ％、０＜ｃ≦２ａｔ％、３≦ｄ≦５ａｔ％、０．５≦ｅ≦１．１ａｔ％、０≦ｆ≦２ａｔ％の合金組成物からなるＦｅ基ナノ結晶合金粉末であって、粒径４５μｍ以下の粉末形状と１７ｎｍ以下の平均結晶粒径を有し、１．７Ｔ以上の飽和磁束密度と１００Ａ／ｍ以下の保磁力を有するＦｅ基ナノ結晶合金粉末。
請求項１記載のＦｅ基ナノ結晶合金薄帯又は請求項２記載のＦｅ基ナノ結晶合金粉末を用いて構成された磁性部品。