JPH04168249A - Ｆｅ基軟磁性合金およびその製造方法 - 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、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基基磁磁性合金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−８ｉ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
ければならならない課題も多い。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６４−７９３４２など参照。）このＦｅ基超超
微細結晶合金、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基超超微細結晶合金、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基超超微細結晶合金軟磁気特性
は、その製造過程における熱処理温度に対する依存性が
太きいという難点があった。

すなわち、上記Ｆｅ基超超微細結晶合金母合金を一部ア
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基基
磁磁性合金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 ％式％ 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基基磁磁性合金ある。

また、本発明のＦｅ基基磁磁性合金製造方法は、一般式 ％式％ 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
カラ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：Ａ１．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基基磁磁性合金製造方法である。

本発明者らがＦｅ基基磁磁性合金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、Ｈ
ｆ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、ｂｃｃＦｅ固溶体の析出を促進すると共に、結晶
粒の粗大化およびｂｅｅ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基基磁磁性合金おける各成分
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、ｂｃｃ
Ｆｅ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ｂｅｅ相以外の相の析出を抑制する。その結果は
、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、１０ａ
ｔ％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
化あるいは急冷時の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、１
５ａｔ％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、ｂｃｃＦ
ｅ固溶体を析出させるのに有効な元素である。その効果
は０．１ａｔ％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基基磁磁性合金中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基基磁磁性合金おいて、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、５ｃｈｅｅｒｅｒの式を
用いて得られる。

上記組成を有する本発明のＦｅ基基磁磁性合金、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基基磁磁性合金、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３〜５０ｐｍ、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１〜５００１１ｍ
がつアスペクト比が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°Ｃ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一５０６Ｃ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°Ｃ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°Ｃ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°Ｃ／
ｍｉｎ、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基基磁磁性合金得られるのは、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、急冷でも徐冷でもよく、
特に制限はない。

また、上記熱処理後の冷却過程、あるいは−旦冷却した
後に、微細結晶粒が析出したＦｅ基基磁磁性合金対して
、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基基磁磁性合金用途としては、例え
ば磁心においては、超微細結晶粒を有するＦｅ基基磁磁
性合金薄帯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５ｉ０２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向
上などにも寄与する。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基基磁磁性合金薄帯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基基磁磁性合金高周波域での軟
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ＬＣ
Ｒメータ、Ｕ関数針、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Ｍ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１５ｐｍ、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Ｌ５ｍｍ、内径１０
ｍｍに巻回し、実施例１ど第１表 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Ｌ
ＣＲ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
径はいずれも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１５μｍ１幅５
ｍｍ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、および飽和磁化を第
２表 ＬＣＲメータ、Ｕ関数針、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
晶粒径はいずれも８〜２０ｎｍであり微細化されていた
。

（以下余白） 第３表 ［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基基磁磁性合金提供することができる。

代理人　弁理士　則　近　憲　佑 代理人　弁理士　湯　山　幸　夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一般式 Ｆｅ＿１＿０＿０＿−＿ａ＿−＿ｂ＿−＿ｃ＿−＿ｄ＿
   −＿ｅ＿−＿ｆ＿−＿ｇＭ＿ａＭ’＿ｂＹ＿ｃＹ’＿ｄ
   Ｓｉ＿ｅＸ＿ｆＡ＿ｇＭ：Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｔ
   ｉ，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％） で表される超微細な結晶粒からなるＦｅ基軟磁性合金。 （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）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）一般式 Ｆｅ＿１＿０＿０＿−＿ａ＿−＿ｂ＿−＿ｃ＿−＿ｄ＿
   −＿ｅ＿−＿ｆ＿−＿ｇＭ＿ａＭ’＿ｂＹ’＿ｄＳｉ＿
   ｅＸ＿ｆＡ＿ｇＭ：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。