JPH02258957A - Ｆｅ基軟磁性合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、磁心材料等に使用されるＦｅ基軟磁性合金関
する。

（従来の技術） 従来から、スイッチングレギュレータなど高周波数領域
で使用する磁心としては、パーマロイ、フェライトなど
の結晶質材料が用いられている。

しかしながら、パーマロイは比抵抗が小さいので高周波
数領域での鉄損が大きくなる。また、フェライトは高周
波数領域での損失は小さいが、磁束密度もせいぜい５０
００ガウス（Ｇ）と小さく、そのため、大きな動作磁束
密度での使用時にあっては、飽和に近くなりその結果鉄
損が増大する。

近時、スイッチングレギュレータに使用される電源トラ
ンス、平滑チョークコイル、コモンモードチョークコイ
ルなど高周波数領域で使用されるトランスにおいては、
形状の小形化が望まれている。しかしながら、小型化を
図るためには、動作磁束密度の増大が必要となる。その
ため、フェライトの鉄損を低減することは実用化に当っ
ての大きな課題となっている。

この課題を解決するため、結晶構造を持たない非晶質磁
性合金が、高透磁率、低保磁力など優れた軟磁気特性を
示すので最近注目を集め一部実用化されている。これら
の非晶質磁性合金は、Ｆｅ。

Ｃｏ、Ｎｉなどを基材とし、これに非晶質化元素（メタ
ロイド）としてＰ、Ｃ，Ｂ、Ｓｉ、ＡＩ。

Ｇｅなどを包含するものである。

しかしながら、これらの非晶質磁性合金は全ての周波数
領域で鉄損が小さく、安価であるというわけではない。

例えば、Ｆｅ基非晶質合金は、安価であり５０〜６０Ｈ
ｚの低周波数領域ではケイ素鋼の約１／４という非常に
小さい鉄損を示すが、１０〜５０ＫＨｚという高周波数
領域にあっては著しく大きな鉄損を示し、とてもスイッ
チングレギュレータ等の高周波数領域で使用する機器材
料として適合するものではない。

これを改善するために、Ｆｅの一部をＮｂ。

Ｍｏ、Ｃｒ等の非磁性金属で置換することにより低磁歪
化し、低鉄損、高透磁率を図っている。しかし、例えば
樹脂モールドによって形成される磁心においては樹脂の
硬化収縮等によって磁心に圧縮応力が作用し、その結果
磁気特性の劣化が比較的大きくなる。したがって高周波
数領域で用いられる軟磁性材料としては、十分な特性を
得るに至っていない。

一方、Ｃｏ基非晶質合金は、高周波数領域で低鉄損、高
角形比が得られるため、可飽和リアクトルなどの電子機
器用磁性部品に実用化されているが、原材料コストが比
較的高いものである。

（発明が解決しようとする課題） 以上に述べたように、Ｆｅ基非晶質合金は安価な軟磁性
材料でありながら磁歪が比較的大きく、ＣＯ基非晶質合
金に比べ鉄損、透磁率とも劣っており、高周波数領域に
おける用途に用いることは問題があった。

一方、Ｃｏ基非晶質合金は磁気特性は良好であるものの
、素材の値段が高い欠点があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、高周波数領域において高
い飽和磁束密度を有し、また優れた軟磁気特性を有する
Ｆｅ基軟磁性合金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） 上記目的を達成するために本発明者らは種々の合金につ
いて検討を重ねた結果、Ｆｅ基合金において、平均粒径
が３００Å以下の超微細結晶粒を有し、その結晶構造と
して規則格子を含む体心立方格子相から成る合金が、優
れた軟磁気特性を有することを初めて見出し、本発明に
至ったものである。

ここで体心立方格子（Ｂｏｄ７−ｃｅｎｔｅｒｅｄ　ｃ
ｕｂｉｃｌａｔｔｉｃｅ　ｐｈａｓｅ　　（以下ｂｃｃ
相と略記する。））の単位胞（ｕｎｉｔ　ｃｅｌｌ）は
立方体の各隅と、その立方体の中心に原子が１個ずつ存
在する配列構造を有する。

本発明に用いられる合金として好ましい組成は下記一般
式、 ＦｅａＣｕｂＭｏＭ′ｄＭ′ｅＳｉｆＢｇで表わされる
。

ここでＭは、周期律表ｒＶａ、　Ｖａ、　ＶＩａ族元素
および希土類元素から選ばれる少なくとも１種以上の元
素であり、Ｍ′はＭｎ、ＡＩ、Ｇｅおよび白金族元素か
ら選ばれる少なくとも１種以上の元素であり、Ｍ′はＣ
ＯおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素で
ある。

また各係数ａ　−ｇは下記関係式を満足する。

ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝Ｉ００　　（原子％）０
．０１≦　ｂ　≦　８ ０．０１≦　Ｃ≦１０ ０　　　≦　ｄ　≦１０ ０　　　≦　ｅ　≦２０ １０　　　≦　ｆ　≦２５ ３　　　≦　ｇ　≦１２ １７　　　≦ｆ＋ｇ≦３０ 以下に、本発明合金の組成限定理由および微細結晶粒の
限定理由について説明する。

まず、組成限定理由について説明する。

Ｃｕは耐食性を高め、結晶粒の粗大化を防ぐと共に、鉄
損、透磁率など軟磁気特性を改善するのに有効な元素で
ある。特にｂｃｃ相の低温での早期析出に有効である。

この量があまり少ないと添加の効果が得られず、逆にあ
まり多いと磁気特性の劣化を生じるために、その範囲を
０．０１〜８原子％とした。好ましくは０．　１〜５原
子％である。

Ｍは結晶粒径の均一化に有効であると共に、磁歪および
磁気異方性を低減させ軟磁気特性の改善、および温度変
化に対する磁気特性の安定化に有効な元素である。特に
ｂｃｃ相を安定化させるのに有効であり、Ｃｕとの複合
添加によりｂｃｃ相をより広い温度範囲で安定化させる
ことができる。

その量があまり少ないと添加の効果が得られず、逆にあ
まり多いと非結晶質化がなされず、さらに飽和磁束密度
が低くなるため、その量を０．０１〜１０原子％とした
。好ましくは１〜８原子％である。

ここでＭにおける各添加元素は上記効果に加え、さらに
以下の効果を有する。すなわちｒＶａＶａ族元素適磁気
特性を得るための熱処理条件の拡大、Ｖａ族元素は耐脆
化性の向上および切断等の加工性の向上、Ｖｉａ族元素
は耐食性の向上および表面性（表面粗さ）の向上に有効
である。この中で特にＴａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏは軟磁気特
性の改善、■は耐脆化性と共に表面性の向上の効果が顕
著であり、好ましいものである。

Ｍ′は軟磁気特性の改善に有効な元素である。

しかし、その量があまり多いと飽和磁束密度が低下する
ためその量を１０原子％とした。この中で特にＡＩは結
晶粒の微細化、磁気特性の改善およびｂｃｃ相の安定化
、Ｇｅはｂｃｃ相の安定化、白金元素は耐食性、耐摩耗
性の改善に有効な元素である。

Ｍ′は飽和磁束密度の改善に有効であり、これにより磁
歪、軟磁気特性の改善等の効果を有している。しかし、
その量があまり多いと飽和磁束密度が低下するため、そ
の量を２０原子％以下とした。

ＳｉおよびＢは製造時における合金の非結晶化または直
接微細結晶を析出するのを助成する元素であり、結晶化
温度の改善ができ、磁気特性向上のための熱処理に対し
て有効である。特にＳｉは微細結晶粒の主成分であるＦ
ｅに固溶し磁歪、磁気異方性の低減に有効である。その
量が１０原子％未満では軟磁気特性の改善効果が顕著で
はない。

一方２５原子％以上では超急冷効果が小さく、μｍレベ
ルの比較的粗大な結晶粒が析出し良好な軟磁気特性は得
られない。

さらに、Ｓｊは規則格子を構成する必須元素であり、こ
の規則格子の出現のために１０〜２５原子％の範囲に設
定されるが、特に１０〜２２原子％に設定することが好
ましい。またＢは３原子％未満では比較的粗大な結晶粒
が析出し良好な特性が得られない。一方１２原子％以上
では熱処理によりＢ化合物が析出しやすくなり、軟磁気
特性を劣化させるため好ましくない。なお、Ｓ　ｉ　／
　Ｂ≧１が優れた軟磁気特性を得るのに好ましい。

特に、Ｓｔ量を１４〜２０原子％にすることにより磁歪
λＳが０近くになり、樹脂モールドによる磁気特性劣化
がなくなり、熱処理直後に得られた優れた軟磁気特性が
長期間保持される。さらにこの場合Ｍを２原子％以上に
することにより耐食性が大幅に改善され実用上好ましい
。

上記本発明のＦｅ基軟磁性合金、例えば溶湯急冷法によ
り非晶質合金薄帯を得た後あるいはアトマイズ法、メカ
ニカルアロイング法などにより粉末を得た後、前記非晶
質合金の結晶化温度Ｔｘに対しくＴＸ−５０）〜Ｔｘ’
Ｃまでの範囲、好ましくは（Ｔｘ−３０）〜Ｔｘ’Ｃま
での範囲の温度で３０分〜５０時間、好ましくは１時間
〜２５時間の熱処理を行ない、意図する微細結晶を析出
させる方法、あるいは溶湯急冷法の急冷速度を制御して
微細結晶粒を直接析出させる方法等により得ることが可
能となる。

次に、本発明のＦｅ基軟磁性合金微細結晶粒について述
べる。

本発明の合金中において、あまり微細結晶粒が少なく、
すなわち非晶質相があまり多いと鉄損が大きく、透磁率
が低く、磁歪が大きく、樹脂モールドによる磁気特性の
劣化が増大するので好ましくない。一方結晶粒径が３０
０人を超える粗大な結晶組織を形成した場合にも軟磁気
特性が低下する。したがって微細結晶の平均粒径は３０
０Å以下の範囲に設定される。但し通常の製造工程の熱
処理においては微細結晶の平均粒径を５０人未満に抑制
することは困難である。したがって実用的には５０〜３
００人の範囲に設定される。

ここで微細結晶の平均粒子径の測定法について説明する
。一般に１個の結晶は、単結晶とみなせる複数の結晶子
から成る。しかし本発明に係るＦｅ基微細結晶合金のよ
うに微細な結晶構造を有する場合には１個の結晶が単結
晶であると考えられるので結晶子の大きさがそのまま粒
子径となる。

結晶子の大きさは、一般にＸ線回折法によって測定され
る。しかし、結晶子の大きさが微細になると、得られる
回折プロファイルの幅が拡がり、その幅の取扱いによっ
ては測定誤差が増大するおそれがある。

一般に、結晶子の大きさＤと回折プロファイルの幅βと
の関係は、下記の５ｃｈｅｔｒｅｒの式で与えられる。

ここでλはＸ線の波長、θはＢｒａｇｇ　ａｎｇｌｅ　
、　Ｋは比例定数である。

本発明において示す微細結晶の平均粒径は、上記のＸ線
回折法により、同一試料について１０回以上測定して得
た結晶子の大きさの測定値の算術平均で定義している。

本発明のＦｅ基軟磁性合金高周波数領域での軟磁気特性
に優れているため、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、ノーマルモードチョークコイ
ル、高電圧パルス用ノイズフィルタ、平面インダクタ、
ダストコア、レーザ電源等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、方位センサ、
セキュリティセンサ、トルクセンサ等の各種センサ用の
磁性材料等、磁性部品用の合金として優れた特性を示し
ている。

（実施例） 次に以下の実施例に従って本発明をより具体的に説明す
る。

実施例Ｉ Ｆ　ｅ　７３Ｃｕ　ｔ　Ｎ　ｔ）　４　Ｓ　１１５Ｂ？
なる合金ニラいて単ロール法によって幅５ｍｍ、板厚１
４μｍの非晶質合金薄帯を得た。。得られた薄帯を巻回
し、外径１８＋ｎｏ＋、内径１２關のトロイダル状磁心
を得た。

比較例１ 比較として、Ｆ　ｅ　７４Ｎ　ｂ　４　Ｓ　１１５Ｂ　
７なる合金についても同様の工程によりトロイダル状磁
心を作製した。得られた磁心を、それぞれの合金の結晶
化温度（昇温速度１０℃／ｍｉｎで測定）より３０℃高
い温度で５０分間の熱処理を行なった。

このように熱処理された実施例１および比較例１の磁心
について、ターゲットＣｕ、電圧４０ｋｖ１電流値１０
０ｍＡの条件でＸ線回折を行なった。

ここで金属原子が規則正しく配列された結晶格子構造を
有している金属材料に所定波長λのＸ線を照射すると、
結晶内の原子面からＸ線が反射される。すなわちＸ線回
折法によれば、原子面に対するＸ線の入射角をθ、原子
面間隔をｄとすると、下記式の条件を満足する方向にＸ
線の選択的な反射が起る。

ｎλ＝２ｄＳｉｎθ（ｎ＝１．　２．　３−）したがっ
て、Ｘ線回折による反射Ｘ線量を測定することにより、
規則格子の存在が確認される。

Ｘ線回折の結果をそれぞれ第１図（ａ）および第１図（
ｂ）に示す。なお反射Ｘ線量は、１秒間におけるＸ線の
カウント数（ＣＰ　Ｓ）で表示した。

実施例１の合金においては第１図（ａ）に示すように、
２θ＝２７°、３１°付近に規則格子特有の回折線が存
在し、ピークＰｌ、Ｐ２が確認される。一方比較例１の
合金においては第１図（ｂ）で示すように回折ピークは
得られず、規則格子が形成されていないことが確認され
た。

次に、これらの磁心についてインピーダンスアナライザ
を用いＩＫＨｚの初透磁率μ′　（励磁界Ｈｍ＝５ｍＯ
ｅ）および直流の保磁力Ｈｃを測定した。また各磁心に
ついて試験片を採取し、その表面を透過型電子顕微鏡（
Ｔ　Ｅ　Ｍ）により観察して結晶粒径を測定した。以上
の測定結果を第１表に示す。

第１表 上記結果より明らかなように、本願の規則格子を有する
Ｆｅ基軟磁性合金高透磁率でかつ低保磁力であり、優れ
た磁気特性を有している。

実施例２ Ｆ　ｅ７３．５Ｃｕ３．５　Ｎｂ５Ｓ　Ｉ　１４Ｂ６な
る合金について単ロール法によって幅１０止、板厚１６
μｍの非晶質合金薄帯を得た。次に得られた薄帯を巻回
し、外径１５市、内径１２ｍｍのトロイダル状磁心を得
た。

得られた磁心を種々の温度で６０分間の熱処理を行い、
各磁心の保持力を測定した。

得られた磁心の保磁力（Ｈｃ）の熱処理依存性を第２図
に示す。第２図より明らかなように５００〜６００℃の
範囲において低保磁力の合金が得られている。

ここで５７０℃で熱処理した磁心について実施例１と同
一の条件でＸ線回折を行なった。その結果を第３図に示
す。第３図より明らかなように低保磁力が得られた合金
には規則格子の回折線が存在し、各ピークＰ、、Ｐ２が
確認された。

なお、ＴＥＭ観察により結晶の平均粒径を測定したとこ
ろ、いずれも１００〜２００人であることが確認されて
いる。

実施例３ Ｆ　ｅ７３ＣｕＩＮｂ２．ｓ　Ｓ　１　ｎＢａ、５なる
合金組成について実施例１と同様に単ロール法により非
晶質合金薄帯を得た。得られた薄帯を巻回し、外径１５
１１内径１２揶、高さ５ｍｍのトロイダル状磁心を得た
。

得られた磁心を各種温度で５０分間の熱処理を行なった
。

得られた磁心について、保磁力（Ｈｃ）を測定し、その
温度依存性を第４図に示す。第４図より明らかなように
、約５１０℃で最小値６ｍ０ｅが得られた。

この試料巾約５１０℃で熱処理を行なった磁心について
実施例１と同一の条件でＸ線回折を行なったところ、第
１図および第３図と同様に低角側に規則格子特有の回折
線が得られた。

なお、これらの試料の結晶の平均粒径はＴＥＭ観察から
１００〜２００人であることが確認された。

実施例４ 第２表に示す各組成の非晶質合金薄帯を実施例１と同様
に作製し、得られた薄帯を巻回して外径１５ｍｍ、内径
１２ｍｍのトロイダル状磁心を得た。

得られた各磁心に対し、−律に８０分間熱処理を行ない
、最適値が得られた試料についてＸ線回折を行なうこと
により規則格子の有無を確認するとともに、インピーダ
ンスアナライザを用いＩＫＨｚの初透磁率μ′（励磁界
Ｈｍ＝５ｍＯｅ）および直流における保磁力を測定した
。

その結果を併せて第２表に示す。

上記第２表より明らかなように規則格子を含む本発明試
料（１〜１１）は規則格子を含まない比較例の試料（１
２〜１４）に比べ優れた磁気特性を示している。

なお、これらの試料の結晶の平均粒径はＴＥＭ観察によ
り１００〜２００人であることが確認されている。

実施例５ 第３表に示した各合金粉末をアトマイズ法により作製し
た。

得られた粉末は球状粉であり、粒径は１０〜５０μｍで
ある。

これを水ガラスをバインダとして、３８×１９×１２．
５■のトロイダル状磁心に加圧成形し、試料１〜６につ
いて５４０℃、６０ｍ１ｎで熱処理し、測定用試料とし
た。

また比較として鉄粉ダストを原料とした試料９のトロイ
ダル状磁心も同様にして作製した。

さらに比較例８としてＦｅ７９Ｓｉ１ｏＢ１１アモルフ
ァス薄帯について、同一形状に巻回、熱処理、樹脂含浸
、ギャップ形成を行なった試料８のトロイダル状磁心に
ついても評価している。

第３表 これらの各磁心につき１０ＫＨｚにおける初透磁率μ′
および磁気損失量を示すＱ値（１００ＫＨｚ）を測定し
たところ第３表に示すように、本発明の磁心では、いず
れも高い透磁率が達成されるとともに、高いＱ値が得ら
れることが明らかである。

なお、同一原料粉を使用し同一条件で熱処理を行ないＸ
線回折を実施例１と同条件で測定した結果、本発明の試
料はいずれも低角度側に規則格子特有の回折ピークを確
認できた。また、これらの試料の結晶の平均粒径はＴＥ
Ｍ観察より１００〜２００人であることを確認している
。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明によれば高い飽和磁束密度を有
し、かつ高周波数領域において優れた軟磁気特性を有す
るＦｅ基軟磁性合金提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第１図（ｂ）はそれぞれ実施例１で示す
本発明合金および比較例１の合金のＸ線回折結果を示す
グラフ、第２図は実施例２で示す本発明合金の保磁力の
温度依存性を示すグラフ、第３図は実施例２で示す本発
明の合金のＸ線回折結果を示すグラフ、第４図は実施例
３で示す本発明の合金の保磁力の温度依存性を示すグラ
フである。 θ （ｄｅｇ＋ 第 １ＣｂＩ図 （ｄｅｇｌ 第１ （σ） ！！恋裡温度 （′Ｃ） 第２図 鶴処狸温炭 （’Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微細結晶を含むＦｅ基合金から成るＦｅ基軟磁性合
   金において、上記微細結晶の平均粒径が３００Å以下で
   あり、上記微細結晶は少なくとも一部に規則格子を含む
   体心立方格子相から成ることを特徴とするＦｅ基軟磁性
   合金。 ２、Ｆｅ基合金が一般式 Ｆｅ＿ａＣｕ＿ｂＭ＿ｃＭ′＿ｄＭ″＿ｅＳｉ＿ｆＢ＿
   ｇで表わされることを特徴とする請求項１記載のＦｅ基
   軟磁性合金。 但し、 Ｍは周期律表第IVａ族、Ｖａ族、VIａ族元素および希土
   類元素から選択される少なくとも１種の元素であり、 Ｍ′はＭｎ、Ａｌ、Ｇｅおよび白金族元素から選択され
   る少なくとも１種の元素であり、 Ｍ″はＣｏおよびＮｉから選択される少なくとも１種の
   元素であり、 ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１００原子％、 ０．０１≦ｂ≦８、 ０．０１≦ｃ≦１０、 ０≦ｄ≦１０、 ０≦ｅ≦２０、 １０≦ｆ≦２５、 ３≦ｇ≦１２、 １７≦ｆ＋ｇ≦３０ ３、Ｂ含有量に対するＳｉ含有量の比を１以上に設定し
   たことを特徴とする請求項２記載のＦｅ基軟磁性合金。