KR102214392B1

KR102214392B1 - 연자성 합금 및 자성 부품

Info

Publication number: KR102214392B1
Application number: KR1020190066540A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 요시도메; 히로유키 마쓰모토; 겐지 호리노; 하지메 아마노; 아키토 하세가와
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2021-02-09
Also published as: EP3581672B1; EP3581672A2; US20190385770A1; JP2019214774A; JP6631658B2; EP3581672A3; CN110600218B; CN110600218A; TWI701350B; TW202000945A; KR20190141084A; US11521770B2

Abstract

[과제] 용융 금속의 온도가 종래보다 낮아도 제작 가능하며, 양호한 연자기 특성을 가지는 연자성 합금 등을 제공한다.
[해결 수단] 조성식 (Fe_{(1－(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))}M_aTi_bB_cP_dSi_eS_fC_g로 표시되는 조성을 가지는 연자성 합금이다. X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상, X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, O 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상, M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이다. 0.020≤a＋b≤0.140, 0.001≤b≤0.140, 0.020＜c≤0.200, 0.010≤d≤0.150, 0≤e≤0.060, a≥0, f≥0, g≥0, a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1, α≥0, β≥0, 0≤α＋β≤0.50이다. 나노 헤테로 구조 또는 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 가진다.

Description

연자성 합금 및 자성 부품{SOFT MAGNETIC ALLOY AND MAGNETIC DEVICE}

본 발명은, 연자성 합금 및 자성 부품에 관한 것이다.

최근, 전자·정보·통신 기기 등에 있어서 저소비 전력화 및 고효율화가 요구되고 있다. 그리고, 저소비 전력화 및 고효율화의 실현을 위해서, 양호한 연자기 특성(낮은 보자력 및 높은 포화 자속밀도)을 가지는 연자성 합금이 요구되고 있다.

또, 일반적으로 연자성 합금을 제작할 때에는 원료 금속을 용융시킨 용융 금속을 이용한다. 이 때의 용융 금속의 온도를 낮게 함으로써 제조 비용의 삭감이 가능해진다. 제조 프로세스에 이용되는 내화물 등의 자재의 수명이 길어지고, 또한, 이용되는 내화물 자체도, 보다 저렴한 것을 이용할 수 있게 되었기 때문이다.

특허문헌 1에는, Fe, Si, B, C 및 P를 함유하는 철계 비정질 합금 등의 발명이 기재되어 있다.

일본국 특허 공개 2002－285305호 공보

본 발명은, 용융 금속의 온도가 종래보다 낮아도 제작 가능하고, 양호한 연자기 특성을 가지는 연자성 합금 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금은,

조성식 (Fe_{(1－(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))}M_aTi_bB_cP_dSi_eS_fC_g로 표시되는 조성을 가지는 연자성 합금으로서,

X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상,

X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, O 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이고,

0.020≤a＋b≤0.140

0.001≤b≤0.140

0.020＜c≤0.200

0.010≤d≤0.150

0≤e≤0.060

a≥0

f≥0

g≥0

a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50

이며,

초기 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금은, 용융 금속의 온도가 종래보다 낮아도 제작 가능하다. 또, 열처리에 의해 낮은 보자력 및 높은 포화 자속밀도를 동시에 가지는 연자성 합금으로 하기 쉽다.

상기 초기 미결정의 평균 입경이 0.3~10nm여도 된다.

본 발명의 제2 관점에 따른 연자성 합금은,

X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이고,

0.020≤a＋b≤0.140

0.001≤b≤0.140

0.020＜c≤0.200

0.010≤d≤0.150

0≤e≤0.060

a≥0

f≥0

g≥0

a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50

이며,

Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 용융 금속의 온도가 종래보다 낮아도 제작 가능하다. 또, 낮은 보자력 및 높은 포화 자속밀도를 동시에 가진다.

상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5~30nm여도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 0.010≤b/(a＋b)≤0.500이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 0≤f≤0.020 및 0≤g≤0.050이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 0.730≤1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)≤0.950이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 0≤α{1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)}≤0.40이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, α=0이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 0≤β{1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)}≤0.030이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, β=0이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, α=β=0이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 박대(薄帶) 형상이어도 된다.

본 발명의 제1 관점에 따른 연자성 합금 및 제2 관점에 따른 연자성 합금은, 분말 형상이어도 된다.

본 발명에 따른 자성 부품은 상기의 연자성 합금으로 이루어진다.

(제1 실시형태)

본 발명의 제1 실시형태에 따른 연자성 합금은, 조성식 (Fe_{(1－(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))}M_aTi_bB_cP_dSi_eS_fC_g로 표시되는 조성을 가지는 연자성 합금으로서,

X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이고,

0.020≤a＋b≤0.140

0.001≤b≤0.140

0.020＜c≤0.200

0.010≤d≤0.150

0≤e≤0.060

a≥0

f≥0

g≥0

a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50

이며,

초기 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가진다.

상기의 원자수비로 나타낸 조성을 가지는 연자성 합금은, 비정질로 이루어지고, 입경이 30nm보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상을 포함하지 않는 연자성 합금으로 하기 쉽다. 그리고, 제1 실시형태에 따른 연자성 합금은, 초기 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가진다. 또한, 초기 미결정이란, 입경이 15nm 이하(바람직하게는 0.3~10nm)인 미결정이다. 또, 나노 헤테로 구조란, 상기 초기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 구조이다.

본 실시형태에 따른 연자성 합금이 나노 헤테로 구조를 가짐으로써, 후술하는 열처리 시에 Fe기 나노 결정을 석출시키기 쉬워진다. 그리고, Fe기 나노 결정을 포함하는 연자성 합금(후술하는 제2 실시형태에 따른 연자성 합금)은 양호한 자기 특성을 가지기 쉽다.

바꿔 말하면, 상기의 조성을 가지는 연자성 합금은, Fe기 나노 결정을 석출시킨 연자성 합금(후술하는 제2 실시형태에 따른 연자성 합금)의 출발 원료로 하기 쉽다.

이하, 본 실시형태에 따른 연자성 합금의 각 성분에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 기재하는 보자력 및 포화 자속밀도는, 후술하는 열처리에 의해서 Fe기 나노 결정을 포함하는 연자성 합금(제2 실시형태에 따른 연자성 합금)을 얻는 경우에 있어서의 제2 실시형태에 따른 연자성 합금의 보자력 및 포화 자속밀도를 가리킨다.

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이다. M 전체에 대한 Nb의 함유 비율이 50at% 이상인 것이 포화 자속밀도를 향상시키는 관점에서 바람직하다. 또, M과 Ti의 합계에 대해 M의 함유 비율이 50%를 넘는 것이 포화 자속밀도를 향상시키는 관점에서 바람직하다.

M의 함유량(a)은 실질적으로 임의이며, a≥0을 만족시키면 된다. a=0, 즉, M을 함유하지 않아도 된다. 그러나, 후술하는 Ti의 함유량(b)과의 관계에서, 0.020≤a＋b≤0.140이다. 0.020≤a＋b≤0.140임으로써 포화 자속밀도가 높아지기 쉬워져, 보자력이 낮아지기 쉬워진다. a＋b가 너무 작은 경우에는 보자력이 높아지기 쉬워진다. a＋b가 너무 큰 경우에는 보자력이 높아지기 쉬워지고, 포화 자속밀도가 낮아지기 쉬워진다.

Ti의 함유량(b)은 0.001≤b≤0.140이다. 바람직하게는 0.020≤b≤0.100이다. Ti는 특히 후술하는 용융 금속의 점성을 저하시킬 수 있다. b가 너무 작은 경우에는 후술하는 용융 금속의 점성이 상승한다. 그리고, 저온에서의 연자성 합금의 제조가 곤란해지기 쉽다. b가 너무 큰 경우에는 포화 자속밀도가 낮아지기 쉬워진다.

또한, M과 Ti의 합계에 대해 Ti의 함유 비율이 1% 이상 50% 이하인 것이 바람직하다. 즉 0.010≤b/(a＋b)≤0.500을 만족시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.014≤b/(a＋b)≤0.500이며, 더욱 바람직하게는 0.071≤b/(a＋b)≤0.500이다. b/(a＋b)가 상기의 범위 내임으로써, 더욱 보자력이 낮아지기 쉬워지고 포화 자속밀도가 높아지기 쉬워진다.

B의 함유량(c)은 0.020＜c≤0.200이다. 0.025≤c≤0.200인 것이 바람직하고, 0.025≤c≤0.080인 것이 더욱 바람직하다. c가 너무 작은 경우에는 후술하는 열처리 전의 연자성 합금에 입경 30nm보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상이 생기기 쉽고, 결정상이 생기는 경우에는, 열처리에 의해 Fe기 나노 결정을 석출시킬 수 없고, 보자력이 높아지기 쉬워진다. c가 너무 큰 경우에는 포화 자속밀도가 저하하기 쉬워진다.

P의 함유량(d)은 0.010≤d≤0.150을 만족시킨다. 0.010≤d≤0.030인 것이 바람직하다. P는 특히 후술하는 용융 금속의 융점을 저하시킬 수 있다. d가 너무 작은 경우에는 후술하는 용융 금속의 융점이 상승한다. 그리고, 저온에서의 연자성 합금의 제조가 곤란해지기 쉽다. d가 너무 큰 경우에는 포화 자속밀도가 저하하기 쉬워진다.

Si의 함유량(e)은 0≤e≤0.060을 만족시킨다. e=0, 즉, Si를 포함하지 않아도 된다. e가 너무 큰 경우에는 포화 자속밀도가 저하하기 쉬워진다.

S의 함유량(f) 및 C의 함유량(g)은 실질적으로 임의이며, f≥0, g≥0을 만족시키면 된다. f=0, 즉, S를 함유하지 않아도 된다. g=0, 즉, C를 함유하지 않아도 된다.

S 및/또는 C를 포함하는 경우에는, S도 C도 포함하지 않는 경우와 비교하여 후술하는 용융 금속의 점성을 보다 낮게 하는 것이 가능해지고, 용융 금속의 온도를 보다 낮게 해 연자성 합금을 제조하는 것이 가능해진다. 용융 금속의 온도를 보다 낮게 함으로써, 보자력을 더욱 저하시킬 수 있다.

S의 함유량(f)에 대해서는, 0.005≤f≤0.020으로 하는 것이 바람직하고, 0.005≤f≤0.010으로 하는 것이 보다 바람직하다. C의 함유량(g)에 대해서는, 0.010≤g≤0.050으로 하는 것이 바람직하고, 0.010≤g≤0.030으로 하는 것이 보다 바람직하다.

Fe의 함유량(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))에 대해서는, 임의의 값으로 할 수 있다. 또, 0.730≤1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)≤0.950인 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에 따른 연자성 합금에 있어서는, Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 된다.

X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상이다. X1의 함유량에 관해서는 α=0이어도 된다. 즉, X1은 함유하지 않아도 된다. 또한, X1의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at%로 하여 40at% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤α{1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)}≤0.400을 만족시키는 것이 바람직하다.

X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, O 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상이다. X2의 함유량에 관해서는β=0이어도 된다. 즉, X2는 함유하지 않아도 된다. 또, X2의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at%로 하여 3.0at% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤β{1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)}≤0.030을 만족시키는 것이 바람직하다.

Fe를 X1 및/또는 X2로 치환하는 치환량의 범위로는, 원자수 베이스로 Fe의 절반 이하로 한다. 즉, 0≤α＋β≤0.50으로 한다. α＋β＞0.50의 경우에는, 열처리에 의해 Fe기 나노 결정 합금으로 하는 것이 곤란해진다.

또한, 본 실시형태에 따른 연자성 합금은 상기 이외의 원소를 불가피적 불순물로서 포함하고 있어도 된다. 예를 들면, 연자성 합금 100중량%에 대해서 0.1중량% 이하를 포함하고 있어도 된다.

이하, 제1 실시형태에 따른 연자성 합금의 제조 방법에 대해 설명한다.

제1 실시형태에 따른 연자성 합금의 제조 방법에는 특별히 한정은 없다. 예를 들면 단롤법에 의해 제1 실시형태에 따른 연자성 합금의 박대를 제조하는 방법이 있다. 또, 박대는 연속 박대여도 된다.

단롤법에서는, 우선, 최종적으로 얻어지는 연자성 합금에 포함되는 각 금속 원소의 순금속을 준비하고, 최종적으로 얻어지는 연자성 합금과 동일 조성이 되도록 칭량한다. 그리고, 각 금속 원소의 순금속을 용해하고, 혼합하여 모합금을 제작한다. 또한, 상기 순금속의 용해 방법에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 챔버 내에서 진공으로 한 후에 고주파 가열로 용해시키는 방법이 있다. 또한, 모합금과 초기 미결정을 포함하는 연자성 합금(제1 실시형태에 따른 연자성 합금)은 통상, 동일 조성이 된다. 또, 초기 미결정을 포함하는 연자성 합금(제1 실시형태에 따른 연자성 합금)과 당해 초기 미결정을 포함하는 연자성 합금을 열처리하여 얻어지는 Fe기 나노 결정을 포함하는 연자성 합금(후술하는 제2 실시형태에 따른 연자성 합금)은 통상, 동일 조성이 된다.

다음으로, 제작한 모합금을 가열하여 용융시켜, 용융 금속(용탕)을 얻는다. 본 실시형태에 따른 연자성 합금을 제작하는 경우에는, 용융 금속의 온도를 종래보다 낮게 할 수 있다. 예를 들면 1100℃ 이상 1200℃ 미만으로 할 수 있다. 바람직하게는 1150℃ 이상 1175℃ 이하이다. 본 실시형태에 따른 연자성 합금을 제작하기 쉽게 하는 관점에서는 용융 금속의 온도가 높을수록 바람직하다. 제조 비용을 저하시키는 관점 및 보자력을 저하시키는 관점에서는 용융 금속의 온도가 낮을수록 바람직하다.

단롤법에 있어서는, 주로 롤의 회전 속도를 조정함으로써 얻어지는 박대의 두께를 조정할 수 있지만, 예를 들면 노즐과 롤의 간격이나 용융 금속의 온도 등을 조정함으로써도 얻어지는 박대의 두께를 조정할 수 있다. 박대의 두께는 임의이지만, 본 실시형태에 따른 연자성 합금을 제작하는 경우에는, 박대의 두께를 종래보다 두껍게 할 수 있다. 박대의 두께는, 예를 들면 20~60μm, 바람직하게는 50~55μm로 할 수 있다. 박대의 두께를 종래보다 두껍게 함으로써, 박대를 감은 토로이달 코어를 제작할 때에, 충전 밀도를 향상시킬 수 있기 때문에 직류 중첩 특성이 양호해진다. 본 실시형태에 따른 연자성 합금은 종래의 연자성 합금과 비교하여 비정질성이 높다. 이 때문에, 박대의 두께를 두껍게 해도 열처리 전의 단계에서 입경이 30nm보다 큰 결정이 생기기 어렵다. 또한, 열처리 후의 단계에서 Fe기 나노 결정을 포함하는 연자성 합금으로 하기 쉽다.

제1 실시형태에 따른 연자성 합금은, 입경이 30nm보다 큰 결정이 포함되어 있지 않은 비정질이다. 비정질인 합금에 대해서 후술하는 열처리를 실시함으로써, 후술하는 제2 실시형태에 따른 Fe기 나노 결정 합금을 얻을 수 있다.

또한, 연자성 합금의 박대에 입경이 30nm보다 큰 결정이 포함되어 있는지 아닌지를 확인하는 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 입경이 30nm보다 큰 결정의 유무에 대해서는, 통상의 X선 회절 측정에 의해 확인할 수 있다.

또, 제1 실시형태에 따른 연자성 합금은, 비정질 및 해당 비정질 중에 존재하는 해당 초기 미결정으로 이루어지는 나노 헤테로 구조이다. 또한, 초기 미결정의 입경에 특별히 제한은 없지만, 평균 입경이 0.3~10nm의 범위 내인 것이 바람직하다.

또, 상기의 초기 미결정의 유무 및 평균 입경의 관찰 방법에 대해서는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들면, 이온 밀링에 의해 박편화한 시료에 대해서, 투과 전자 현미경을 이용하여, 제한 시야 회절상, 나노 빔 회절상, 명시야상 또는 고분해능상을 얻음으로써 확인할 수 있다. 제한 시야 회절상 또는 나노 빔 회절상을 이용하는 경우, 회절 패턴에 있어서 비정질의 경우에는 링형상의 회절이 형성되는 반면, 비정질이 아닌 경우에는 결정 구조에 기인한 회절 반점이 형성된다. 또, 명시야상 또는 고분해능상을 이용하는 경우에는, 배율 1.00×10⁵~3.00×10⁵배로 육안 관찰함으로써 초기 미결정의 유무 및 평균 입경을 관찰할 수 있다.

롤의 온도, 회전 속도 및 챔버 내부의 분위기에는 특별히 제한은 없다. 롤의 온도는 4~30℃로 하는 것이 비정질화를 위해 바람직하다. 롤의 회전 속도는 빠를수록 형성되는 박대의 두께가 얇아진다. 챔버 내부의 분위기는 불활성 분위기 중(아르곤이나 질소 등) 혹은 비용면을 고려하면 대기중으로 하는 것이 바람직하다.

또, 제1 실시형태에 따른 연자성 합금을 얻는 방법으로서 상기한 단롤법 이외에도, 예를 들면 물 아토마이즈법 또는 가스 아토마이즈법에 의해 제1 실시형태에 따른 연자성 합금의 분체를 얻는 방법이 있다. 이하, 가스 아토마이즈법에 대해 설명한다.

가스 아토마이즈법에서는, 상기한 단롤법과 마찬가지로 해서 1100℃ 이상 1200℃ 미만의 용융 합금을 얻는다. 그 후, 상기 용융 합금을 챔버 내에서 분사시켜, 분체를 제작한다.

이 때, 가스 분사 온도를 50~90℃으로 하고, 챔버 내의 증기압을 4hPa 이하로 함으로써, 본 실시형태에 따른 나노 헤테로 구조를 얻기 쉬워진다.

(제2 실시형태)

이하, 본 발명의 제2 실시형태에 대해 설명하는데, 제1 실시형태와 중복되는 부분에 대해서는 적절히 설명을 생략한다.

본 발명의 제2 실시형태에 따른 연자성 합금은, 조성식 (Fe_{(1－(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))}M_aTi_bB_cP_dSi_eS_fC_g로 표시되는 조성을 가지는 연자성 합금으로서,

X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이고,

0.020≤a＋b≤0.140

0.001≤b≤0.140

0.020＜c≤0.200

0.010≤d≤0.150

0≤e≤0.060

a≥0

f≥0

g≥0

a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50

이며,

해당 연자성 합금은, Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 가진다.

상기의 조성은, 제1 실시형태에 따른 연자성 합금과 동일 조성이다. 그리고, 제2 실시형태에 따른 연자성 합금은 제1 실시형태에 따른 연자성 합금과는 다르며, Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 가진다.

Fe기 나노 결정이란, 입경이 나노 오더이며, Fe의 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)인 결정이다. 본 실시형태에 있어서는, 평균 입경이 5~30nm인 Fe기 나노 결정을 석출시키는 것이 바람직하다. 이러한 Fe기 나노 결정을 석출시킨 연자성 합금은, 포화 자속밀도가 높아지기 쉽고, 보자력이 낮아지기 쉽다.

이하, 제2 실시형태에 따른 연자성 합금의 제조 방법에 대해 설명한다.

제2 실시형태에 따른 연자성 합금의 제조 방법은 임의이다. 예를 들면 제1 실시형태에 따른 나노 헤테로 구조를 가지는 연자성 합금에 대해서 열처리를 실시함으로써 제조할 수 있다. 그러나, 나노 헤테로 구조를 가지지 않고, 초기 미결정을 포함하여 결정이 관찰되지 않는 연자성 합금에 대해서 열처리를 실시하는 것에 의해서도 제조할 수 있다.

Fe기 나노 결정 합금을 제조하기 위한 열처리 조건에는 특별히 제한은 없다. 연자성 합금의 조성이나, 열처리 전의 연자성 합금에 있어서의 나노 헤테로 구조의 유무 등에 따라 바람직한 열처리 조건은 다르지만, 바람직한 열처리 온도는 대체로 500~650℃, 바람직한 열처리 시간은 대체로 0.1~3시간이 된다. 그러나, 조성 및 형상 등에 따라서는 상기의 범위를 벗어난 곳에 바람직한 열처리 온도 및 열처리 시간이 존재하는 경우도 있다. 예를 들면, 나노 헤테로 구조를 가지는 연자성 합금(제1 실시형태에 따른 연자성 합금)을 열처리 하는 경우에는, 나노 헤테로 구조를 가지지 않는 연자성 합금을 열처리하는 경우와 비교하여 바람직한 열처리 온도가 내려가는 경향이 있다. 또, 열처리 시의 분위기는 Ar 가스 중과 같은 불활성 분위기 하가 바람직하다.

또, 얻어진 Fe기 나노 결정 합금에 있어서의 평균 입경의 산출 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면 투과 전자현미경을 이용해 관찰함으로써 산출할 수 있다. 또, 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)인 것을 확인하는 방법에도 특별히 제한은 없다. 예를 들면 X선 회절 측정을 이용해 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 상기의 실시형태로 한정되지 않는다.

제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 연자성 합금의 형상에는 특별히 제한은 없다. 상기한 대로, 박대 형상이나 분말 형상이 예시되지만, 그 이외에도 블록 형상 등도 고려할 수 있다.

제2 실시형태에 따른 연자성 합금(Fe기 나노 결정 합금)의 용도에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 자성 부품을 들 수 있고, 그 중에서도 특히 자심을 들 수 있다. 인덕터용, 특히 파워 인덕터용 자심으로서 적절하게 이용할 수 있다. 제2 실시형태에 따른 연자성 합금은, 자심 외에도 박막 인덕터, 자기 헤드에도 적절하게 이용할 수 있다.

이하, 제2 실시형태에 따른 연자성 합금으로부터 자성 부품, 특히 자심 및 인덕터를 얻는 방법에 대해 설명하는데, 제2 실시형태에 따른 연자성 합금으로부터 자심 및 인덕터를 얻는 방법은 하기 방법으로 한정되지 않는다. 또, 자심의 용도로는, 인덕터 외에도, 트랜스 및 모터 등을 들 수 있다.

박대 형상의 연자성 합금으로부터 자심을 얻는 방법으로는, 예를 들면, 박대 형상의 연자성 합금을 감는 방법이나 적층하는 방법을 들 수 있다. 박대 형상의 연자성 합금을 적층할 때에 절연체를 통하여 적층하는 경우에는, 더욱 특성을 향상시킨 자심을 얻을 수 있다.

분말 형상의 연자성 합금으로부터 자심을 얻는 방법으로는, 예를 들면, 적절히 바인더와 혼합한 후, 금형을 이용해 성형하는 방법을 들 수 있다. 또, 바인더와 혼합하기 전에, 분말 표면에 산화 처리나 절연 피막 등을 실시함으로써, 비저항이 향상되어, 보다 고주파 대역에 적합한 자심이 된다.

성형 방법에 특별히 제한은 없고, 금형을 이용하는 성형이나 몰드 성형 등이 예시된다. 바인더의 종류에 특별히 제한은 없고, 실리콘 수지가 예시된다. 연자성 합금 분말과 바인더의 혼합 비율에도 특별히 제한은 없다. 예를 들면 연자성 합금 분말 100질량%에 대하여, 1~10질량%의 바인더를 혼합시킨다.

예를 들면, 연자성 합금 분말 100질량%에 대해, 1~5질량%의 바인더를 혼합시켜, 금형을 이용해 압축 성형함으로써, 점적률(분말 충전율)이 70% 이상, 1.6×10⁴A/m의 자계를 인가했을 때의 자속밀도가 0.45T 이상이며, 또한 비저항이 1Ω·cm 이상인 자심을 얻을 수 있다. 상기의 특성은, 일반적인 페라이트 자심과 동등 이상의 특성이다.

또, 예를 들면, 연자성 합금 분말 100질량%에 대해, 1~3질량%의 바인더를 혼합시켜, 바인더의 연화점 이상의 온도 조건 하의 금형에서 압축 성형함으로써, 점적률이 80% 이상, 1.6×10⁴A/m의 자계를 인가했을 때의 자속밀도가 0.9T 이상이고, 또한, 비저항이 0.1Ω·cm 이상인 압분 자심을 얻을 수 있다. 상기의 특성은, 일반적인 압분 자심보다 뛰어난 특성이다.

또한, 상기의 자심을 이루는 성형체에 대해, 변형 제거 열처리로서 성형 후에 열처리 함으로써, 더욱 코어 손실이 저하하여, 유용성이 높아진다. 또한, 자심의 코어 손실은, 자심을 구성하는 자성체의 보자력을 저감함으로써 저하한다.

또, 상기 자심에 권선을 감음으로써 인덕턴스 부품이 얻어진다. 권선을 감는 방법 및 인덕턴스 부품의 제조 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 상기의 방법으로 제조한 자심에 권선을 적어도 1턴 이상 감는 방법을 들 수 있다.

또한, 연자성 합금 입자를 이용하는 경우에는, 권선 코일이 자성체에 내장되어 있는 상태에서 가압 성형하여 일체화함으로써 인덕턴스 부품을 제조하는 방법이 있다. 이 경우에는 고주파 또한 대전류에 대응한 인덕턴스 부품을 얻기 쉽다.

또한, 연자성 합금 입자를 이용하는 경우에는, 연자성 합금 입자에 바인더 및 용제를 첨가해 페이스트화한 연자성 합금 페이스트, 및, 코일용 도체 금속에 바인더 및 용제를 첨가하여 페이스트화한 도체 페이스트를 교대로 인쇄 적층한 후에 가열 소성함으로써, 인덕턴스 부품을 얻을 수 있다. 혹은, 연자성 합금 페이스트를 이용해 연자성 합금 시트를 제작하고, 연자성 합금 시트의 표면에 도체 페이스트를 인쇄하며, 이들을 적층하여 소성함으로써, 코일이 자성체에 내장된 인덕턴스 부품을 얻을 수 있다.

여기서, 연자성 합금 입자를 이용해 인덕턴스 부품을 제조하는 경우에는, 최대 입경이 체지름으로 45μm 이하, 중심 입경(D50)이 30μm 이하인 연자성 합금 분말을 이용하는 것이, 뛰어난 Q 특성을 얻는데 있어서 바람직하다. 최대 입경을 체지름으로 45μm 이하로 하기 위해서, 체눈크기 45μm인 체를 이용하여, 체를 통과하는 연자성 합금 분말만을 이용해도 된다.

최대 입경이 큰 연자성 합금 분말을 이용할수록 고주파 영역에서의 Q값이 저하하는 경향이 있고, 특히 최대 입경이 체 지름으로 45μm를 넘는 연자성 합금 분말을 이용하는 경우에는, 고주파 영역에서의 Q값이 크게 저하하는 경우가 있다. 단, 고주파 영역에서의 Q값을 중시하지 않는 경우에는, 불균형이 큰 연자성 합금 분말을 사용 가능하다. 편차가 큰 연자성 합금 분말은 비교적 저렴하게 제조할 수 있기 때문에, 편차가 큰 연자성 합금 분말을 이용하는 경우에는, 비용을 저감 하는 것이 가능하다.

[실시예]

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실험예 1)

아래 표에 나타내는 각 실시예 및 비교예의 합금 조성이 되도록 원료 금속을 칭량하고, 고주파 가열로 용해하여, 모합금을 제작했다.

그 후, 제작한 모합금을 가열하여 용융시켜, 아래 표의 분사 온도에서의 용융 상태의 금속으로 한 후에, 불활성 분위기(Ar 분위기)에 있어서 25℃의 롤을 회전 속도 15m/sec.로 이용한 단롤법에 의해 상기 금속을 롤에 분사시켜, 두께 50μm의 박대를 작성했다. 또한, 분사 여부에 대하여 평가를 실시했다. 아래 표에서는 박대를 제작할 수 있었던 경우에는 분사란에 ○, 박대를 제작할 수 없었던 경우에는 분사란에 ×를 기입했다. 또, 박대의 폭을 약 1mm, 박대의 길이를 약 10m로 했다.

얻어진 각 박대에 대해서, 롤에 의해 급랭된 면을 롤면, 롤면과는 반대측의 면을 자유면으로 한다. 얻어진 각 박대의 자유면에 대해서 X선 회절 측정을 실시하고, 2θ=40°~50°에 있어서 α－Fe 기인에 의한 피크의 유무를 확인했다. 그리고, α－Fe 기인의 피크가 존재하지 않는 경우에는 비정질상으로 이루어지는 것으로 했다. α－Fe 기인의 피크가 존재하는 경우에는 또한 당해 α－Fe 기인의 피크를 해석하고, 입경이 30nm보다 큰 결정이 존재하는 경우에는 결정상으로 이루어지는 것으로 했다. 또한, 입경이 15nm 이하인 초기 미결정만이 포함되어 있는 경우에도 비정질상으로 이루어지는 것으로 했지만, 후술하는 실험예 1 및 실험예 2의 각 실시예에서는 초기 미결정이 확인되지 않았다.

그 후, 각 실시예 및 비교예의 박대에 대해, 600℃에서 30분간, 열처리를 실시했다. 열처리 후의 각 박대에 대해, 보자력 및 포화 자속밀도를 측정했다. 융점은 시차주사 열량계(DSC)를 이용해 측정했다. 보자력(Hc)은 직류 BH 트레이서를 이용해 자기장 5kA/m로 측정했다. 포화 자속밀도(Bs)는 진동 시료형 자력계(VSM)를 이용해 자기장 1000kA/m로 측정했다. 본 실시예에서는, 보자력은 3.0A/m 이하를 양호한 것으로 하고, 2.5A/m 미만을 더욱 양호한 것으로 했다. 포화 자속밀도는 1.40T 이상을 양호한 것으로 하고, 1.55T 이상을 더욱 양호한 것으로 했다.

또한, 이하에 나타내는 실시예에서는 특별히 기재가 없는 한, 모두 평균 입경이 5~30nm이며 결정 구조가 bcc인 Fe기 나노 결정을 가지고 있던 것을 X선 회절 측정, 및 투과 전자현미경을 이용한 관찰로 확인했다.

표 1은 분사 온도(용융 금속의 온도)를 1200℃ 또는 1175℃로 하여 Ti 및/또는 P의 유무에 의한 차이점에 대해 확인한 결과이다.

Ti 및 P를 포함하고, 분사 온도가 1175℃인 시료 번호 7은, 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, Ti도 P도 포함하지 않는 경우에 대해서는, 분사 온도가 1200℃인 시료 번호 1 및 2는 박대의 두께만이 다르다. 시료 번호 1에서는 박대가 얇기 때문에 균일한 비정질상으로 이루어지는 박대를 제작할 수 있었다. 시료 번호 2에서는 박대의 두께를 시료 번호 1보다 두껍게 함으로써, 박대의 열용량이 크고, 박대 전체를 균일하게 급랭할 수 없었다. 그 결과, 시료 번호 2에서는, 균일한 비정질을 형성할 수 없었다. 이 때문에, 시료 번호 2에서는 열처리 전의 박대가 결정상으로 이루어지고, 열처리 후의 박대의 보자력이 현저하게 커졌다. 분사 온도가 1175℃인 시료 번호 3에서는, 박대를 제작할 수 없었다. 또, Ti 또는 P를 포함하지 않고 분사 온도가 1175℃인 시료 번호 4 및 5도, 박대를 제작할 수 없었다. 또한, Ti 및 P를 포함하고 분사 온도가 1200℃인 시료 번호 6은, 열처리 전의 박대가 결정상으로 이루어지고, 열처리 후의 보자력이 현저하게 커졌다.

(실험예 2)

실험예 2에서는, 후술하는 시료 번호 52, 59~64를 제외하고 분사 온도를 1175℃로 하여 모합금의 조성을 변화시킨 점 이외에는 실험예 1과 같도록 해 박대를 제작했다. 결과를 표 2~표 6에 나타낸다.

표 2의 시료 번호 12~25는 M의 함유량(a), Ti의 함유량(b) 및 a＋b를 변화시킨 실시예 및 비교예이다.

0.001≤b≤0.140 또한 0.020≤a＋b≤0.140인 각 실시예는 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, b=0인 시료 번호 12는 박대를 제작할 수 없었다. a＋b=0.015인 시료 번호 20은 보자력이 커졌다. a＋b=0.150인 시료 번호 19는 보자력이 커지고, 포화 자속밀도가 저하했다. b=0.150인 시료 번호 25는 포화 자속밀도가 저하했다.

표 2의 시료 번호 26~33은 B의 함유량(c)을 변화시킨 실시예 및 비교예이다.

0.020＜c≤0.200을 만족시키는 각 실시예는 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, c=0.020인 시료 번호 26은 열처리 전의 박대가 결정상으로 이루어지며, 열처리 후의 보자력이 현저하게 커졌다. c=0.210인 시료 번호 33은 포화 자속밀도가 저하했다.

표 2의 시료 번호 34~40은 P의 함유량(d)을 변화시킨 실시예 및 비교예이다.

0.010≤d≤0.150을 만족시키는 각 실시예는 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, d=0인 시료 번호 34는 박대를 제작할 수 없었다. d=0.160인 시료 번호 40은 포화 자속밀도가 저하했다.

표 2의 시료 번호 41~44는 시료 번호 29로부터 Si의 함유량(e)을 변화시킨 실시예 및 비교예이다.

0≤e≤0.060을 만족시키는 각 실시예는 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, e=0.070인 시료 번호 44는 포화 자속밀도가 저하했다.

표 3의 시료 번호 45~51은 a＋b를 0.070으로 일정하게 하면서 a와 b의 비율을 변화시킨 실시예 및 비교예이다.

0.001≤b≤0.140인 각 실시예는 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, b=0인 시료 번호 45는 박대를 제작할 수 없었다. 또, 0.010≤b/(a＋b)≤0.500을 만족시키는 시료 번호 46~49는 b/(a＋b)＞0.500을 만족시키는 시료 번호 50~51과 비교해 포화 자속밀도가 우수했다.

표 4의 시료 번호 53~58은 시료 번호 29로부터 S의 함유량(f), C의 함유량(g)을 변화시킨 실시예이다. 또, 시료 번호 52는 시료 번호 29로부터 분사 온도를 1150℃로 변화시킨 비교예이며, 시료 번호 59~64는 시료 번호 53~58로부터 분사 온도를 1150℃로 변화시킨 실시예이다.

표 4에서, S 및/또는 C를 첨가해도 보자력 및 포화 자속밀도가 양호한 것을 확인할 수 있었다. 또한, S 및/또는 C를 첨가하지 않는 경우와 비교하여, S 및/또는 C를 첨가함으로써, 보다 낮은 분사 온도로 박대를 제작할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 분사 온도를 저하시킴으로써, 보자력이 더 양호해지는 것을 확인할 수 있었다.

표 5의 시료 번호 65~73은 시료 번호 29로부터 M의 종류를 변화시킨 실시예이다. M의 종류를 변화시켜도 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다.

표 6의 시료 번호 74~90은 시료 번호 29로부터 X1 및/또는 X2의 종류 및 함유량을 변화시킨 실시예이다. X1 및/또는 X2의 종류 및 함유량을 변화시켜도 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다.

(실험예 3)

실험예 3은, 롤의 회전 속도를 변화시키고, 또한, 열처리 온도를 변화시킨 점 이외에는 실험예 2의 시료 번호 29와 같은 조건으로 실시했다. 결과를 아래 표에 나타낸다. 또한, 아래 표에 기재된 각 시료는 모두 박대의 두께가 50~55μm였다.

표 7에서, 롤의 회전 속도를 저하시킴으로써, 열처리 전의 박대에 초기 미결정이 발생하는 것이 확인되었다. 또, 초기 미결정의 평균 입경이 작을수록 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 작아지고, 열처리 온도가 낮을수록 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 작아지는 것이 확인되었다. 그리고, Fe기 나노 결정을 가지는 모든 실시예에서는 보자력 및 포화 자속밀도가 양호했다. 이에 대해, Fe기 나노 결정을 갖지 않았던 시료 번호 91a에서는 보자력이 상승해 포화 자속밀도가 저하했다. 또한, 시료 번호 91a와 92의 비교로, 초기 미결정이 존재하는 경우에는 초기 미결정이 존재하지 않는 경우보다 Fe기 나노 결정이 생성되기 쉬운 것을 확인할 수 있었다.

Claims

조성식 (Fe_{(1－(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))}M_aTi_bB_cP_dSi_eS_fC_g로 표시되는 조성을 가지는 연자성 합금으로서,
X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상,
X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, O 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상,
M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이고,
0.020≤a＋b≤0.140
0.001≤b≤0.140
0.010≤b/(a+b)≤0.500
0.020＜c≤0.200
0.010≤d≤0.150
0≤e≤0.060
a≥0
f≥0
g≥0
a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1
α≥0
β≥0
0≤α＋β≤0.50
이며,
초기 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연자성 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 초기 미결정의 평균 입경이 0.3~10nm인, 연자성 합금.
조성식 (Fe_{(1－(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g))}M_aTi_bB_cP_dSi_eS_fC_g로 표시되는 조성을 가지는 연자성 합금으로서,
X1은 Co 및 Ni로부터 선택되는 1종 이상,
X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, O 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상,
M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W 및 V로부터 선택되는 1종 이상이고,
0.020≤a＋b≤0.140
0.001≤b≤0.140
0.010≤b/(a+b)≤0.500
0.020＜c≤0.200
0.010≤d≤0.150
0≤e≤0.060
a≥0
f≥0
g≥0
a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＜1
α≥0
β≥0
0≤α＋β≤0.50
이며,
Fe기 나노 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연자성 합금.
청구항 3에 있어서,
상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5~30nm인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
0≤f≤0.020 및 0≤g≤0.050인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
0.730≤1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)≤0.950인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
0≤α{1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)}≤0.40인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
α=0인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
0≤β{1－(a＋b＋c＋d＋e＋f＋g)}≤0.030인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
β=0인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
α=β=0인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
박대(薄帶) 형상인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
분말 형상인, 연자성 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 연자성 합금으로 이루어지는 자성 부품.
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