KR20190016003A

KR20190016003A - 연자성 합금 및 자성 부품

Info

Publication number: KR20190016003A
Application number: KR1020180091224A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 요시도메; 아키토 하세가와; 히로유키 마쓰모토; 겐지 호리노; 아키히로 하라다; 쇼타 고토; 이사오 나카하타
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2019-02-15
Also published as: US20190043646A1; KR102131220B1; CN114284022A; JP2019148004A; JP6460276B1; TW201910532A; US10847292B2; CN109385584A; TWI657149B

Abstract

Fe를 주성분으로 하고, Si를 포함하는 연자성 합금이다. Fe기 나노 결정 및 비정질로 이루어진다. Fe기 나노 결정에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S1(at%), 비정질에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S2(at%)로 하는 경우에 있어서, S2-S1>0이다. 또, 연자성 합금은 조성식 ((Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bSi_cP_dCr_eCu_f)_1-gC_g로 이루어진다. X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, N, O, S 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Ti, Mo, V 및 W로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이다. a~g 및 α, β가 특정의 범위내이다.

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. 또한, 저탄소화 사회를 향해, 상기의 요구가 한층 강해지고 있다. 그 때문에, 전자·정보·통신 기기 등의 전원 회로에도, 에너지 손실의 저감이나 전원 효율의 향상이 요구되고 있다. 그리고, 전원 회로에 사용하는 자기 소자의 자심에는 포화 자속 밀도의 향상 및 코어 로스(자심 손실)의 저감이 요구되고 있다. 코어 로스를 저감하면, 전력 에너지의 로스가 작아져, 고효율화 및 에너지 절약화를 도모할 수 있다.

특허문헌 1에는, 열처리에 의해 미세한 결정립을 석출시킨 Fe-M-B계의 연자성 합금의 발명이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 체심 입방 구조이며 평균 입경이 60nm 이하로 작은 결정립을 포함하는 Fe-Cu-B계의 연자성 합금의 발명이 기재되어 있다.

일본 특허공개 2003-41354호 공보 일본 특허 제5664934호

또한, 상기의 자심의 코어 로스를 저감하는 방법으로서, 자심을 구성하는 자성체의 보자력을 저감하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 특허문헌 1의 연자성 합금은 포화 자속 밀도가 충분히 높지 않다. 특허문헌 2의 연자성 합금은 보자력이 충분히 낮지 않다. 즉, 어느 연자성 합금도 연자기 특성이 충분하지 않다.

본 발명은, 높은 포화 자속 밀도 및 낮은 보자력을 양립한 우수한 연자기 특성을 가지는 연자성 합금 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 연자성 합금은,

Fe를 주성분으로 하고, Si를 포함하는 연자성 합금으로서,

Fe기 나노 결정 및 비정질로 이루어지고,

상기 Fe기 나노 결정에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S1(at%), 상기 비정질에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S2(at%)로 하는 경우에 있어서,

S2-S1>0인 것을 특징으로 하고,

상기 연자성 합금은 조성식 ((Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bSi_cP_dCr_eCu_f)_1-gC_g로 이루어지고,

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, N, O, S 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Ti, Mo, V 및 W로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,

0≤a≤0.14

0≤b≤0.20

0＜c≤0.17

0≤d≤0.15

0≤e≤0.040

0≤f≤0.030

0≤g＜0.030

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50이다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 상기의 특징을 가짐으로써, 높은 포화 자속 밀도 및 낮은 보자력을 양립한 우수한 연자기 특성을 가지는 연자성 합금이 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, S2-S1≥2.00이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5.0nm 이상 30nm 이하여도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 0.73≤1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)≤0.95여도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 0≤α{1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)}(1-g)≤0.40이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, α=0이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 0≤β{1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)}(1-g)≤0.030이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, β=0이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, α=β=0이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 박대(薄帶) 형상이어도 된다.

본 발명에 관련된 연자성 합금은, 분말 형상이어도 된다.

본 발명에 관련된 자성 부품은, 상기의 연자성 합금으로 이루어진다.

도 1은 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금의 단면 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.

본 실시 형태에 관련된 연자성 합금(1)은, Fe를 주성분으로 하고, Si를 포함하는 연자성 합금이다. 여기서, Fe를 주성분으로 한다는 것은, 연자성 합금 전체에 대한 Fe의 함유량이 70at% 이상인 것을 가리킨다. 또, Si의 함유량의 하한에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 Si의 함유량이 0.1at% 이상이어도 된다.

연자성 합금(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이 Fe기 나노 결정(2) 및 비정질(4)로 이루어진다.

Fe기 나노 결정(2)은, 입경이 나노 오더이며, Fe의 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)이다. 본 실시 형태에 있어서는, Fe기 나노 결정(2)의 평균 입경이 5.0nm 이상 30nm 이하인 것이 바람직하다. 이러한 Fe기 나노 결정(2) 및 비정질(4)로 이루어지는 연자성 합금(1)은, 비정질(4)만으로 이루어지는 경우와 비교해 포화 자속 밀도가 높아지고, 보자력이 낮아진다.

연자성 합금(1)에 Fe기 나노 결정(2)이 존재하는 것, 및, Fe기 나노 결정(2)의 평균 입경은, 투과 전자현미경(TEM)을 이용한 관찰로 확인할 수 있다. 예를 들면, 배율 1.00×10⁵~3.00×10⁵배로 연자성 합금(1)의 단면을 관찰함으로써 Fe기 나노 결정(2)의 유무를 확인할 수 있다. 또, 100개 이상의 Fe기 나노 결정(2)의 입경(원상당 직경)을 육안으로 측정하여, 평균을 냄으로써 Fe기 나노 결정(2)의 평균 입경을 산출할 수 있다. 또한, Fe기 나노 결정(2)에 있어서의 Fe의 결정 구조가 bcc인 것은 X선 회절 측정(XRD)을 이용하여 확인할 수 있다.

또, 연자성 합금(1)에 있어서의 Fe기 나노 결정(2)의 존재 비율에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면, 연자성 합금(1)의 단면에서 차지하는 Fe기 나노 결정(2)의 면적이 25~80%이다.

또한, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금(1)은, Fe기 나노 결정(2)에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S1(at%), 비정질(4)에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S2(at%)로 하는 경우에 있어서, S2-S1>0이다. 즉, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금(1)은 Fe기 나노 결정(2)과 비교해 비정질(4)에 보다 많은 Si가 존재한다.

S2-S1>0임으로써, 연자기 특성을 더 향상시킬 수 있다. 즉, S2-S1≤0인 경우와 비교해, 동일한 조성이어도 보자력을 동일한 정도로 유지한 채로 포화 자속 밀도의 향상을 가져올 수 있다. 즉, 연자기 특성을 향상시킬 수 있다.

종래 알려져 있는 Fe기 나노 결정 및 비정질로 이루어지는 연자성 합금은, S2-S1≤0, 즉, 비정질보다 Fe기 나노 결정에 보다 많은 Si가 존재하고 있었다. 본 발명자들은, 비정질(4)에 보다 많은 Si를 존재하게 함으로써, 연자성 합금(1)의 조성을 변경하지 않고 포화 자속 밀도를 향상시켜 연자기 특성을 향상시킬 수 있는 것을 찾아냈다. 또, 본 실시 형태에 있어서는, S2-S1≥2.00인 것이 보다 바람직하다.

Si의 함유율은, 삼차원 아톰 프로브(3DAP)를 이용하여 측정할 수 있다.

우선, φ100nm×200nm의 침형상 샘플을 준비하여, 100nm×200nm×5nm로 Fe의 원소 매핑을 행한다. 원소 매핑 화상에 있어서 Fe의 농도가 높은 부분이 Fe기 나노 결정(2)이며, Fe의 농도가 낮은 부분이 비정질(4)이라고 간주할 수 있다. 다음에 Fe기 나노 결정(2)을 5nm×5nm×5nm로 조성 분석을 행함으로써, 당해 측정 부위에 있어서의 Si의 함유율을 측정할 수 있다. Si의 함유율의 측정을 5개소에서 행하여, 평균을 냄으로써 Si의 평균 함유율(S1)을 산출할 수 있다. 또, 비정질(4)을 5nm×5nm×5nm로 조성 분석을 행함으로써, 당해 측정 부위에 있어서의 Si의 함유율을 측정할 수 있다. Si의 함유율의 측정을 5개소에서 행하여, 평균을 냄으로써 Si의 평균 함유율(S2)을 산출할 수 있다.

본 실시 형태에 관련된 연자성 합금(1)은 조성식((Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bSi_cP_dCr_eCu_f)_1-gC_g로 이루어지고,

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

0≤a≤0.14

0≤b≤0.20

0＜c≤0.17

0≤d≤0.15

0≤e≤0.040

0≤f≤0.030

0≤g＜0.030

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50 인 조성을 가진다.

상기의 조성에 있어서는, Fe 및 Si 이외의 원소를 함유하는 것은 필수는 아니다. 또, B의 함유량(b)은 0.028≤b≤0.20인 것이 바람직하다. Si의 함유량(c)은 0.001≤c≤0.17인 것이 바람직하다. P의 함유량(d)은 0≤d≤0.030인 것이 바람직하다. C의 함유량(g)은 0≤g≤0.025인 것이 바람직하다. 또, X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, N, O 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이어도 된다.

Fe의 함유량{1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)}에 대해서는, 특별히 제한은 없지만, 0.73≤(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))≤0.95인 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 관련된 연자성 합금에 있어서는, Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 된다. X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이다. X1의 함유량에 관해서는 α=0이어도 된다. 즉, X1은 함유하지 않아도 된다. 또, X1의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at%로 하여 40at% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤α{1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)}(1-g)≤0.40을 만족시키는 것이 바람직하다.

X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, N, O, S 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이다. X2의 함유량에 관해서는 β=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)}(1-g)≤0.030을 만족시키는 것이 바람직하다.

Fe를 X1 및/또는 X2로 치환하는 치환량의 범위로서는, 원자수 기준으로 Fe의 절반 이하로 한다. 즉, 0≤α＋β≤0.50으로 한다.

상기의 조성을 가지는 연자성 합금은 비정질로 이루어지고, 입경이 15nm보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상을 포함하지 않는 연자성 합금으로 하기 쉽다. 그리고, 이하에 나타내는 바와 같이 당해 연자성 합금을 열처리하는 경우에는, Fe기 나노 결정을 석출하기 쉽다. 그리고, Fe기 나노 결정(2) 및 비정질(4)로 이루어지는 연자성 합금은 양호한 연자기 특성을 가지기 쉽다.

바꾸어 말하면, 상기의 조성을 가지는 연자성 합금은, Fe기 나노 결정(2)을 석출시킨 연자성 합금(1)의 출발 원료로 하기 쉽다.

또한, 열처리 전의 연자성 합금은 완전하게 비정질만으로 이루어져 있어도 되지만, 비정질 및 입경이 15nm 이하인 초기 미결정으로 이루어지고, 상기 초기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가지는 것이 바람직하다. 초기 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 가짐으로써, 열처리시에 Fe기 나노 결정(2)을 석출시키기 쉬워진다. 또한, 본 실시 형태에서는, 상기 초기 미결정은 평균 입경이 0.3~10nm인 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금(1)은 상기 이외의 원소를 불가피적 불순물로서 포함하고 있어도 된다. 예를 들면, 연자성 합금 100중량%에 대해서 1중량% 이하, 포함하고 있어도 된다.

이하, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에 관련된 연자성 합금의 제조 방법에는 특별히 한정은 없다. 예를 들면 단롤법에 의해 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금의 박대를 제조하는 방법이 있다. 또, 박대는 연속 박대여도 된다.

단롤법에서는, 우선, 최종적으로 얻어지는 연자성 합금에 포함되는 각 금속 원소의 순금속을 준비하여, 최종적으로 얻어지는 연자성 합금과 동일한 조성이 되도록 칭량한다. 그리고, 각 금속 원소의 순금속을 용해시키고, 혼합하여 모합금을 제작한다. 또한, 상기 순금속의 용해 방법에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 챔버 내에서 진공 흡인한 후에 고주파 가열로 용해시키는 방법이 있다. 또한, 모합금과 최종적으로 얻어지는 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 연자성 합금은 통상, 동일한 조성이 된다.

다음에, 제작한 모합금을 가열하여 용융시켜, 용융 금속(용탕)을 얻는다. 용융 금속의 온도에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 1200~1500℃로 할 수 있다.

단롤법에 있어서는, 주로 롤(33)의 회전속도를 조정함으로써 얻어지는 박대의 두께를 조정할 수 있는데, 예를 들면 노즐과 롤의 간격이나 용융 금속의 온도 등을 조정함으로써도 얻어지는 박대의 두께를 조정할 수 있다. 박대의 두께에는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 5~30μm로 할 수 있다.

후술하는 열처리 전의 시점에서는, 박대는 입경이 15nm보다 큰 결정이 포함되어 있지 않은 비정질이다. 비정질인 박대에 대해서 후술하는 열처리를 실시함으로써, Fe기 나노 결정 합금을 얻을 수 있다.

또한, 열처리 전의 연자성 합금의 박대에 입경이 15nm보다 큰 결정이 포함되어 있는지 아닌지를 확인하는 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 입경이 15nm보다 큰 결정의 유무에 대해서는, 통상의 X선 회절 측정에 의해 확인할 수 있다.

또, 열처리 전의 박대에는, 입경이 15nm 미만인 초기 미결정이 전혀 포함되어 있지 않아도 되지만, 초기 미결정이 포함되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 열처리 전의 박대는, 비정질 및 그 비정질 중에 존재하는 그 초기 미결정으로 이루어지는 나노 헤테로 구조인 것이 바람직하다. 또한, 초기 미결정의 입경에 특별히 제한은 없지만, 평균 입경이 0.3~10nm의 범위내인 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 전자현미경을 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 형성되는데 반해, 비정질이 아닌 경우에는 결정 구조에 기인한 회절 반점이 형성된다. 또, 명시야상 또는 고분해능상을 이용하는 경우에는, 배율 1.00×10⁵~3.00×10⁵배로 육안으로 관찰함으로써 초기 미결정의 유무 및 평균 입경을 관찰할 수 있다.

롤의 온도, 회전속도 및 챔버 내부의 분위기에는 특별히 제한은 없다. 롤의 온도는 4~30℃로 하는 것이 비정질화를 위해서 바람직하다. 롤의 회전속도는 빠를수록 초기 미결정의 평균 입경이 작아지는 경향이 있어, 25~30m/초로 하는 것이 평균 입경 0.3~10nm의 초기 미결정을 얻기 위해서는 바람직하다. 챔버 내부의 분위기는 비용면을 고려하면 대기 중으로 하는 것이 바람직하다.

또, Fe기 나노 결정 합금을 제조하기 위한 열처리 조건에는 특별히 제한은 없다. 여기서, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금은, 특히 열처리 조건을 제어함으로써, 상기의 S1 및 S2를 제어하여, S2-S1>0으로 할 수 있다. 또, S2-S1≥1.07인 것이 바람직하고, S2-S1≥2.00인 것이 보다 바람직하다. 또, S2-S1의 상한은 특별히 존재하지 않지만, 예를 들면 S2-S1≤10으로 할 수 있고, S2-S1≤6.09인 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 관련된 열처리는, 특정의 유지온도까지 가열시키는 가열 공정, 특정의 유지온도를 유지하는 유지 공정, 및, 특정의 유지온도로부터 냉각시키는 냉각 공정으로 이루어진다. 여기서, 특정의 유지온도 및 그것에 가까운 온도로 하는 시간을 종래보다 짧게 함으로써, S2-S1>0으로 할 수 있다. 연자성 합금의 조성 등에 따라서도 변화하지만, 구체적으로는, 상기 유지 공정에 있어서의 유지시간을 0분 이상 10분 미만, 바람직하게는 0분 이상 5분 이하, 더 바람직하게는 0분 이상 1분 이하로 함으로써, S2-S1>0으로 하기 쉬워진다. 또한, 유지시간 0분이란, 가열에 의해 유지온도에 도달하면 즉시 냉각을 개시하는 것과 동의이다. 또, 연자성 합금의 조성에 따라 바람직한 열처리 조건은 다르다. 통상, 바람직한 유지온도는 대체로 400~650℃이다.

또한, 가열 공정에 있어서 300℃에서 유지온도까지의 가열속도는, 250℃/분 이상으로 하는 것이 바람직하고, 500℃/분 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 또, 냉각 공정에 있어서 유지온도로부터 300℃까지의 냉각속도는, 20℃/분 이상으로 하는 것이 바람직하고, 40℃/분 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 상기의 가열속도 및 냉각속도도 종래의 가열속도 및 냉각속도보다 빠른 범위로 되어 있다.

열처리에 있어서 특정의 유지온도 및 그것에 가까운 온도로 하는 시간을 종래보다 짧게 함으로써, S2-S1>0으로 할 수 있는 이유는 이하와 같다고 본 발명자들은 생각하고 있다.

연자성 합금을 가열함으로써 Fe기 나노 결정을 생성시키는 단계에서는, Fe기 나노 결정에는 Si가 포함되기 어렵고, 비정질에 보다 많은 Si가 포함되기 쉽다. 여기서, Si는 Fe기 나노 결정에 포함되는 것이 비정질에 포함되는 것보다 에너지적으로 안정적이라고 생각할 수 있다. 그리고, Fe기 나노 결정이 생성된 후에 유지온도 및 그것에 가까운 온도에 있는 동안에, 비정질에 포함되는 Si가 Fe기 나노 결정에 고용되어, Fe기 나노 결정에 있어서의 Si함유량이 비정질에 있어서의 Si함유량보다 높아진다.

따라서, 종래의 Fe기 나노 결정을 포함하는 연자성 합금은 S2-S1≤0이 되어 있었다. 이에 반해, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금은 상기대로, 열처리에 있어서 특정의 유지온도 및 그것에 가까운 온도로 하는 시간을 종래보다 짧게 하기 때문에 S2-S1>0이 된다. 그리고, 종래의 Fe기 나노 결정을 포함하는 연자성 합금보다 우수한 연자기 특성을 가지는 연자성 합금이 된다.

조성에 따라서는 상기의 범위를 벗어난 부분에 바람직한 열처리 조건이 존재하는 경우도 있지만, 열처리에 있어서 특정의 유지온도 및 그것에 가까운 온도로 하는 시간을 종래보다 짧게 하는 것은 공통되고 있다. 또, 열처리시의 분위기에는 특별히 제한은 없다. 대기 중과 같은 활성 분위기 하에서 행해도 되고, Ar가스 중과 같은 불활성 분위기 하에서 행해도 된다.

또, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금을 얻는 방법으로서, 상기한 단롤법 이외에도, 예를 들면 물 아토마이즈법 또는 가스 아토마이즈법에 의해 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금의 분체를 얻는 방법이 있다. 이하, 가스 아토마이즈법에 대해서 설명한다.

가스 아토마이즈법에서는, 상기한 단롤법과 동일하게 하여 1200~1500℃의 용융 합금을 얻는다. 그 후, 상기 용융 합금을 챔버 내에서 분사시켜, 분체를 제작한다.

이 때, 가스 분사 온도를 4~30℃로 하고, 챔버 내의 증기압을 1hPa 이하로 함으로써, 상기의 바람직한 나노 헤테로 구조를 얻기 쉬워진다.

가스 아토마이즈법으로 분체를 제작한 후에, 예를 들면, 유지시간 0분 이상 10분 미만, 유지온도 400~700℃, 가열속도 20℃/분 이상, 냉각속도 20℃/분 이상으로 열처리를 행함으로써, 각 분체끼리가 소결되어 분체가 조대화하는 것을 막으면서 원소의 확산을 촉진하여, 열역학적 평형 상태에 단시간에 도달시킬 수 있어, 뒤틀림이나 응력을 제거할 수 있고, 평균 입경이 10~50nm인 Fe기 연자성 합금을 얻기 쉬워진다. 또한, 당해 연자성 합금은 S2-S1>0이 된다.

이상, 본 발명의 일실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시 형태에 한정되지 않는다.

본 실시 형태에 관련된 연자성 합금의 형상에는 특별히 제한은 없다. 상기한 대로, 박대 형상이나 분말 형상이 예시되지만, 그 이외에도 블록 형상 등도 생각할 수 있다.

본 실시 형태에 관련된 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 인덕터용의 자심으로서 적합하게 이용할 수 있다. 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금은, 자심 외에도 박막 인덕터, 자기 헤드에도 적합하게 이용할 수 있다.

이하, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금으로부터 자성 부품, 특히 자심 및 인덕터를 얻는 방법에 대해서 설명하지만, 본 실시 형태에 관련된 연자성 합금으로부터 자심 및 인덕터를 얻는 방법은 하기 방법에 한정되지 않는다. 또, 자심의 용도로서는, 인덕터 외에도, 트랜스 및 모터 등을 들 수 있다.

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

분말 형상의 연자성 합금으로부터 자심을 얻는 방법으로서는, 예를 들면, 적당히 바인더와 혼합한 후, 금형을 이용하여 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 대해서, 1~10질량%의 바인더를 혼합시킨다.

예를 들면, 연자성 합금 분말 100질량%에 대해서, 1~5질량%의 바인더를 혼합시켜, 금형을 이용하여 압축 성형함으로써, 점적률(분말 충전율)이 70% 이상, 1.6×10⁴A/m의 자계를 인가했을 때의 자속 밀도가 0.45T 이상, 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 대해서, 1~3질량%의 바인더를 혼합시켜, 바인더의 연화점 이상의 온도 조건하의 금형으로 압축 성형함으로써, 점적률이 80% 이상, 1.6×10⁴A/m의 자계를 인가했을 때의 자속 밀도가 0.9T 이상, 또한 비저항이 0.1Ω·cm 이상인 압분 자심을 얻을 수 있다. 상기의 특성은, 일반적인 압분 자심보다 우수한 특성이다.

또한, 상기의 자심을 이루는 성형체에 대해서, 뒤틀림 제거 열처리로서 성형 후에 열처리함으로써, 코어 로스가 더 저하되어, 유용성이 높아진다. 또한, 자심의 코어 로스는, 자심을 구성하는 자성체의 보자력을 저감함으로써 저하된다.

또, 상기 자심에 권선(捲線)을 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 상태로 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 첨가하여 페이스트화한 연자성 합금 페이스트, 및, 코일용의 도체 금속에 바인더 및 용제를 첨가하여 페이스트화한 도체 페이스트를 교대로 인쇄 적층한 후에 가열 소성함으로써, 인덕턴스 부품을 얻을 수 있다. 혹은, 연자성 합금 페이스트를 이용하여 연자성 합금 시트를 제작하여, 연자성 합금 시트의 표면에 도체 페이스트를 인쇄하고, 이들을 적층하여 소성함으로써, 코일이 자성체에 내장된 인덕턴스 부품을 얻을 수 있다.

여기서, 연자성 합금 입자를 이용하여 인덕턴스 부품을 제조하는 경우에는, 최대 입경이 체직경 45μm 이하, 중심 입경(D50)이 30μm 이하인 연자성 합금 분말을 이용하는 것이, 우수한 Q특성을 얻는데 바람직하다. 최대 입경을 체직경 45μm 이하로 하기 위해, 체눈 45μm의 체를 이용하여 체를 통과하는 연자성 합금 분말만을 이용해도 된다.

최대 입경이 큰 연자성 합금 분말을 이용할 수록 고주파 영역에서의 Q값이 저하되는 경향이 있고, 특히 최대 입경이 체직경 45μm를 넘는 연자성 합금 분말을 이용하는 경우에는, 고주파 영역에서의 Q값이 크게 저하되는 경우가 있다. 단, 고주파 영역에서의 Q값을 중시하지 않는 경우에는, 불균일이 큰 연자성 합금 분말을 사용 가능하다. 불균일이 큰 연자성 합금 분말은 비교적 염가로 제조할 수 있기 때문에, 불균일이 큰 연자성 합금 분말을 이용하는 경우에는, 비용을 저감하는 것이 가능하다.

[실시예]

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실험예 1)

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

그 후, 제작한 모합금을 가열하여 용융시키고, 1300℃의 용융 상태의 금속으로 한 후에, 대기 중에 있어서 20℃의 롤을 하기 표에 나타내는 회전속도로 이용한 단롤법에 의해 상기 금속을 롤에 분사시켜, 박대를 작성했다. 회전속도의 기재가 없는 실시예 및 비교예에서는 회전속도 30m/sec.로 했다. 박대의 두께 20~25μm, 박대의 폭 약 15mm, 박대가 길이 약 10m로 했다.

얻어진 각 박대에 대해서 X선 회절 측정을 행하여, 입경이 15nm보다 큰 결정의 유무를 확인했다. 그리고, 입경이 15nm보다 큰 결정이 존재하지 않는 경우에는 비정질상으로 이루어진다고 하고, 입경이 15nm보다 큰 결정이 존재하는 경우에는 결정상으로 이루어진다고 했다.

그 후, 각 실시예 및 비교예의 박대에 대해서, 하기 표 1에 나타내는 조건으로 열처리를 행했다. 각 실시예 및 비교예에서는, 300℃에서 열처리 온도까지의 가열속도, 열처리 시간, 및, 열처리 온도에서 300℃까지의 냉각속도를 변화시키고 있다. 이 때에, 열처리 온도를 450℃, 500℃, 550℃, 600℃ 및 650℃의 5단계로 변화시키고 하나의 실시예 및 비교예에 대해서 5회의 시험을 행했다. 그리고, 가장 보자력이 작아졌을 경우의 열처리 온도를 당해 조성 및 열처리 조건에 있어서의 최적의 열처리 온도로 했다. 하기 표 1에 기재된 시험 결과는 최적의 열처리 온도로 실시했을 경우의 시험 결과이다.

열처리후의 각 박대에 있어서의 결정 구조를 X선 회절 측정(XRD), 및 투과 전자현미경(TEM)을 이용한 관찰로 확인했다. 그리고, 각 박대에 있어서의 결정 구조가 bcc인 Fe기 나노 결정의 평균 입경을 측정하여, 모든 실시예 및 비교예에 있어서 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5.0nm 이상 30nm 이하인 것을 확인했다. 또한, 3차원 아톰 프로브(3DAP)에 의해 Fe기 나노 결정에 있어서의 Si의 평균 함유율(S1)(at%), 및 비정질에 있어서의 Si의 평균 함유율(S2)(at%)을 측정했다.

또한, 각 실시예 및 비교예의 포화 자속 밀도(Bs) 및 보자력(Hc)을 측정했다. 포화 자속 밀도는 진동 시료형 자력계(VSM)를 이용하여 자장 1000kA/m로 측정했다. 보자력은 직류 BH 트레이서를 이용하여 자장 5kA/m로 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1로부터, 유지시간을 통상보다 짧게 제어하고, 가열속도 및 냉각속도를 통상보다 빠르게 제어함으로써 S2-S1>0으로 한 실시예는, 동일한 조성이지만 S2-S1＜0인 비교예와 비교해 연자기 특성이 향상되었다.

(실험예 2)

하기 표에 나타내는 각 실시예 및 비교예의 합금 조성이 되도록 원료 금속을 칭량하고, 열처리 온도 450~650℃로, 300℃에서 열처리 온도까지의 가열속도를 250℃/분, 유지시간을 1분, 열처리 온도에서 300℃까지의 냉각속도를 40℃/분으로 고정한 점 이외는 실험예 1과 동일하게 하여 연자성 합금을 제작했다. 또한, 실험예 2에서는 포화 자속 밀도는 1.40T 이상을 양호로 하고, 보자력은 7.0A/m 이하를 양호로 했다.

상기 모든 실시예의 연자성 합금은 Fe기 나노 결정 및 비정질로 이루어지고, S1-S2>0이 되어 있는 것을 확인했다. 또한, Fe기 나노 결정의 평균 입경을 측정하여, 모든 실시예 및 비교예에 있어서 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5.0nm 이상 30nm 이하인 것을 확인했다.

표 2는 M의 함유량(a)을 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. 0≤a≤0.14를 만족하는 각 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다.

표 3은 B의 함유량(b)를 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. 0≤b≤0.20을 만족하는 각 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다.

표 4는 본원 발명의 범위내에서 M의 함유량(a) 또는 B의 함유량(b)을 변화시키고, 또한, Si의 함유량(c) 및 C의 함유량(g)을 동시에 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. 각 성분의 함유량이 소정의 범위내인 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다.

표 5는 Si의 함유량(c) 및/또는 C의 함유량(g)을 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. 각 성분의 함유량이 소정의 범위내인 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다.

표 6은 실시예 9로부터 M의 종류를 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. M의 종류를 변화시켜도 각 성분의 함유량이 소정의 범위내인 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다. 특히 Nb, Hf 또는 Zr을 이용했을 경우에 포화 자속 밀도가 향상되는 경향이 있었다.

표 7은 M으로서 2종류의 원소를 이용한 실시예를 기재한 것이다. M의 종류를 변화시켜도 각 성분의 함유량이 소정의 범위내인 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다. 특히 Nb, Hf 및 Zr로부터 2종류의 원소를 선택하여 이용했을 경우에 포화 자속 밀도가 향상되는 경향이 있었다.

표 8은 M으로서 3종류의 원소를 이용한 실시예를 기재한 것이다. M의 종류를 변화시켜도 각 성분의 함유량이 소정의 범위내인 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다. 특히 Nb, Hf 및 Zr로부터 2종류 이상의 원소를 선택하여 이용하고, M 전체에서 차지하는 Nb, Hf 및 Zr의 비율이 50at%를 넘었을 경우에 포화 자속 밀도가 향상되는 경향이 있었다.

표 9의 실시예 71~81은 P의 함유량(d) 또는 Cu의 함유량(f)을 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. 표 9의 실시예 81a~81e는 P의 함유량(d)에 더하여 또한 B의 함유량(b)을 변화시킨 실시예이다. 표 9의 실시예 82~85는 Cr의 함유량(e)을 변화시키고, 동시에, M의 함유량(a), B의 함유량(b) 및/또는 Cu의 함유량(f)을 변화시킨 것이다. 각 성분의 함유량이 소정의 범위내인 실시예는 포화 자속 밀도 및 보자력이 양호했다.

표 10은 실시예 28에 대해서 Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환한 실시예를 기재한 것이다. Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 양호한 특성을 나타냈다.

1 : 연자성 합금 2 : Fe기 나노 결정
4 : 비정질

Claims

Fe를 주성분으로 하고, Si를 포함하는 연자성 합금으로서,
Fe기 나노 결정 및 비정질로 이루어지고,
상기 Fe기 나노 결정에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S1(at%), 상기 비정질에 있어서의 Si의 평균 함유율을 S2(at%)로 하는 경우에 있어서,
S2-S1＞0인 것을 특징으로 하고,
상기 연자성 합금은 조성식 ((Fe_(1-(α+β))X1_αX2_β)_{(1-(a+b+c+d+e+f))}M_aB_bSi_cP_dCr_eCu_f)_1- _gC_g로 이루어지고,
X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,
X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, N, O, S 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,
M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Ti, Mo, V 및 W로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
0≤a≤0.14
0≤b≤0.20
0<c≤0.17
0≤d≤0.15
0≤e≤0.040
0≤f≤0.030
0≤g<0.030
α≥0
β≥0
0≤α+β≤0.50
인, 연자성 합금.
청구항 1에 있어서,
S2-S1≥2.00인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 5.0nm 이상 30nm 이하인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
0.73≤1-(a+b+c+d+e+f)≤0.95인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
0≤α{1-(a+b+c+d+e+f)}(1-g)≤0.40인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
α=0인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
0≤β{1-(a+b+c+d+e+f)}(1-g)≤0.030인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
β=0인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
α=β=0인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
박대(薄帶) 형상인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
분말 형상인, 연자성 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 연자성 합금으로 이루어지는, 자성 부품.