WO1989001533A1 - Magnetic core material for high frequency made of fe-co base alloy - Google Patents

Magnetic core material for high frequency made of fe-co base alloy Download PDF

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WO1989001533A1
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Saburo Wakita
Kiyoshi Yamaguchi
Norio Yanagisawa
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Mitsubishi Metal Corporation
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/02—Details of the magnetic circuit characterised by the magnetic material

Definitions

  • Magnetic core material for high frequency made of Fe-Co based alloy
  • the present invention has excellent high-frequency AC magnetic characteristics, and is used for a head core of a dot printer, a plunger yoke material, and a stator rotor of a stepping motor.
  • the present invention relates to a high frequency magnetic core material made of a base alloy.
  • these high-frequency magnetic core materials are required to have a fast rise of magnetic flux induced when a current is applied.
  • the electric resistivity of the magnetic core material is increased, and the vortex is increased. It is necessary to reduce the current loss.
  • many magnetic core materials have relatively high electrical resistivity, high magnetic properties,
  • the present inventors have conducted research to develop a high-frequency magnetic core material sharing excellent high-frequency AC magnetic characteristics. As a result, the present inventors have found that the Fe—Co based alloy has a composition
  • C o 45 to 53%, C: 0.3 to 3%, preferably C: 0.5 to 1.5%, one or two of M n and S i: 0 .1 to 2%, and if necessary,
  • this magnetic core material has much higher high-frequency AC magnetic characteristics than the above-mentioned conventional high-frequency magnetic core material made of Fe-Co ⁇ alloy, and The current loss is remarkably small and the magnetic flux rises remarkably fast. From this, the magnetic core material of this alloy is sufficient for high-speed and compact and high-performance equipment. It was found that it was possible.
  • the present invention has been made based on the above findings, and the following describes the reasons for the inclusion of the component composition of the Fe—C C -based alloy constituting the high-frequency magnetic core material of the invention, the reasons for limiting the content range, and the blackness. The reason for limiting the lead ratio as described above will be explained.
  • the reason for the inclusion of the Co component is that this component constitutes a solid solution of the ⁇ phase in coexistence with the Fe component, and has an effect of exhibiting an extremely high magnetic flux density. Further, the content range is limited because a desired high magnetic flux density cannot be ensured even if the content is less than 45% or if the content exceeds 53%. For this reason, the content is determined to be 45 to 53% in the present invention. ⁇
  • the reason for containing the C component is that most of it disperses as graphite in the base material of the graphite, which has the effect of significantly improving the high-frequency AC magnetic characteristics.
  • the reason for limiting the content range is that if the content is less than 0.3%, the proportion of graphite dispersed and contained in the base material is less than 1% by volume, and the desired effect of improving high-frequency AC magnetic properties is desired. If the content exceeds 3%, on the other hand, the proportion of graphite exceeds 20% by volume, on the contrary, and the high-frequency AC magnetic properties deteriorate. That's why. For this reason, the content was determined to be 0.3 to 3% in the present invention. In the present invention, 0.5 to 1.5% is particularly preferable. (c) M n and S i
  • the reason for containing these components is that they have a deoxidizing effect, and this deoxidizing effect has an effect of improving high-frequency AC magnetic characteristics.
  • the reason for limiting the content to the above range is that if the content is less than 0.1%, the desired deoxidizing effect cannot be secured, while if the content exceeds 2%, the high-frequency AC magnetic characteristics The reason for this is that a tendency of deterioration appears. For this reason, in the present invention, the content is determined to be 0.1 to 2%.
  • the reason for containing these components is that they form a solid solution in the fly base material, increase their electrical resistance, and thus improve the high-frequency AC magnetic properties. These components have the effect of reducing the oxygen and nitrogen contents of the steel and thereby improving the high-frequency AC magnetic characteristics. Therefore, these components are included as needed when more excellent high-frequency AC magnetic characteristics are required.
  • the reason for limiting the content to the above range is that if the content is less than 0.01%, the desired effect of improving the above-mentioned effect cannot be obtained, while if the content exceeds 0.2%, the graphitization occurs. This is because while it becomes difficult, the cementite (Fe 3 C) crystallizes out, deteriorating the high-frequency AC magnetic properties. In the present invention, the content is determined to be 0.01 to 0.2%.
  • the ratio is determined to be 1 to 20% in the present invention.
  • any shape is suitable for high-frequency AC magnetic characteristics, and although it has an effect, for example, when comparing spheroidal graphite and flaky graphite, spheroidal graphite has better high-frequency AC magnetic characteristics at the same ratio. It becomes something. The reason is that the present inventors presume that spheroidal graphite has an effect of more effectively suppressing the generation of eddy current. From the viewpoint of enhancing the high-frequency AC magnetic characteristics, it is desirable that the average particle size of the metallic structure of the spheroidal graphite is 0.5 to 50 Hm.
  • the high-frequency magnetic core material of the present invention has excellent high-frequency AC magnetic characteristics, it is used for a head core of a dot printer, a plunger yoke material, a stepper motor for a stepping motor, a rotor, and the like. If this is the case, high performance and high performance such as dot printing and stepping motors will be fully supported, and excellent performance will be exhibited.
  • this magnetic core material has a metal structure in which graphite is dispersed, so that the workability is much better than that of the conventional Fe-C0 base alloy used for this type of application.
  • FIG. 1 shows an example of the present invention.
  • the metallographic structure (50% Fe-48. 9% Co- 1.1) 5C is a 500 ⁇ magnification microscopic photograph showing% C).
  • FIG. 2 is a photomicrograph at ⁇ 500 magnification showing the metal structure (50% Fe—50% Co) of the conventional Fe—Co based alloy magnetic core material for high frequency.
  • a molten metal having a predetermined composition is adjusted, and then the molten alloy is added with Mg, Ca, Ce, and Si as alloy components (Si is Fe—Si All or part of the alloy form was inoculated.
  • Si is Fe—Si All or part of the alloy form was inoculated.
  • Spheroidal graphite particles and flaky graphite particles having the shape of (9 pins) were obtained. Subsequently, the spheroidal graphite powder was kept at 850 ° C. for 3 hours using a vacuum heat treatment furnace, and then annealed under furnace cooling conditions. The flaky graphite material was kept at 75 ° C. for 2 hours using a vacuum processing furnace, and then annealed under furnace cooling conditions. As a result, each animal has a structure in which graphite is dispersed in the graphite base material. By finishing and processing this into a final shape, the Fe composition having the component composition and the graphite ratio shown in Table 1 is obtained. Dot cores 1 to 17 of the present invention composed of a base alloy were manufactured.
  • comparison dot core 1 in Table 1 is also used.
  • a molten metal having the component composition shown in any one of (1) to (5) is prepared, immediately manufactured, and finished in a final shape, so that the content of any one of the constituent components is out of the range of the present invention.
  • Cores 1 to 5 were manufactured. Asterisks are marked with * on the right shoulder
  • Suitable time 220 s
  • the pins of the dot core have a length: 9,6 x effective area: 0.17 crf x width: 2.3 x 3 x self-sufficient with a rectangular cross section.
  • Table 1 Shows the volume fraction of graphite dispersed in the substrate.
  • FIG. 1 is a photomicrograph showing the metallographic structure of the Fe—Co-based alloy high-frequency magnetic core material according to the present invention
  • FIG. 2 is a conventional Fe—Co-based high-frequency magnetic core material
  • 4 is a micrograph showing a metal structure. A comparison of the two shows that the alloy of the present invention has a metal structure in which graphite is dispersed, but that the conventional alloy has no carbon component, and thus graphite is not dispersed.

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Description

明 細 書
F e - C o基合金製高周波用磁芯材
[技術分野]
この発明は、 すぐれた高周波交流磁気特性を有し、 ドッ トプリ ンタのへッ ドコアやプラ ンジャ ヨーク材、 さ らにステ ッ ビングモータのステ一タゃロータなどに使用される F e — C o基合金製高周波用磁芯材に関するものである。
[背景技術]
—般に、 これらの高周波用磁芯材には、 電流印加時に誘 起される磁束の立ち上りの速いことが要求され、 このために は磁芯材のもつ電気抵抗率を大き く して、 渦電流による損失 を減少させることが必要である。 このことから、 磁芯材の多 く は、 比較的大きい電気抵抗率と、 高い磁気特性をもち、 か つ、
S i ： 2〜 3 . 5重量％
を含有し、 残りが F e と不可避不純物からなる組成 （以下％ は重量％を示す） を有する F e基铸造合金が用いられている。
—方、 近年、 例えばワー ドプロセッサにおいては、 より 小型 · 高性能化が要望され、 これに伴って ドッ トプリ ンタの へッ ドコアと し :飽和磁束密度のより高い材料を使用してコ ンパク ト化をはかることが要請されている。 この要請に応え るために、 上記の F e — S i铸造合金に代つて、 例えばパー メ ンジュールと して知られる 5 0 % F e — 5 0 % C o铸造合 金などの磁束密度の高い合金を用いる試みもなされている (日本電子材料技術協会第 2 3回秋期大会予講集 （ 1 9 6 1 ) 第 2 6〜2 9頁参照） 。 しかし、 これらの磁束密度の高い合 金は、 電気抵抗が小さいこともあって、 高周波磁気特性が期 待するほど良く ない。 すなわちこの合金の磁芯材は、 渦電流 損失が多いために、 磁束の立ち上りの点で劣る。 そのためこ の合金の磁芯材では、 近年要求されているヮー ドプロセッサ の高速化並びに印字の鲜明化に十分応えることができないの が現状である。
[発明の開示]
そこで、 本発明者等は、 上述のような観点から、 すぐれ た高周波交流磁気特性を共有する高周波用磁芯材を開発すベ く研究を行なつた。 その結果、 本発明者等は、 F e — C o基 合金であって、 その組成が
C o : 4 5〜 5 3 %、 C ： 0. 3〜3 %、 好ま しく は、 C ： 0. 5〜 1. 5 %、 M nおよび S i のうちの 1種また は 2種 ： 0 .1〜 2 %、 を含有し、 さらに必要に応じて、
M g C a、 および C eのうちの 1種または 2種以上 ：
0. 0 1〜 0. 2 %、
を含有し、 残りが F e と不可避不純物からなる組成、 並びに 合金組織がフ ライ トの素地に、 体積率で 1〜 2 0 %の黒鉛 が分散した組織を有する高周波用磁芯材を見出した。 さらに 本発明者等は、 この磁芯材は、 上記従来の F e - C o铸造合 金製高周波用磁芯材に比して、 一段とすぐれた高周波交流磁 気特性を有し、 したがって、 渦電流損失が著しく少なく 、 磁 束の立ち上がりが著しく速く 、 このことから、 この合金の磁 芯材は、 機器の高速化並びに小型 · 高性能化に十分対応する ことが可能であるという知見を得た。
この発明は、 上記知見にもとづいてなされたものであつ て、 以下にこの発明の高周波用磁芯材を構成する F e— C ο 基合金の成分組成の含有理由、 含有範囲の限定理由および黒 鉛の割合を上記の通り に限定した理由を説明する。
( a ) C o
C o成分を含有した理由は、 この成分は F e成分との共 存にて α相の全率固溶体を構成し、 著しく 高い磁束密度を示 す作用があるためである。 またその含有範囲を限定したのは、 その含有量が 4 5 %未満でも、 またその含有量が 5 3 %を越 えても所望の高い磁束密度を確保することはできないためで ある。 このことから、 本発明ではその含有量を 4 5〜 5 3 % と定めた。 ―
( b ) C ·
C成分の含有理由は、 そのほとんどがフユライ 卜の素地 中に黒鉛と して分散することにより、 高周波交流磁気特性を —段と向上せしめる作用があるためである。 その含有範囲を 限定した理由は、 その含有量が 0 . 3 %未満では、 素地中に 分散含有する黒鉛の割合が体積率で 1 %未满となってしまい、 所望の高周波交流磁気特性向上効果を確保することができず、 一方その含有量が 3 %を越えると、 逆に黒鉛の割合が体積率 で 2 0 %を越えて多く なりすぎてしまい、 高周波交流磁気 特性が劣化するようになるためである。 このことから、 本発 明ではその含有量を 0 . 3〜： 3 %と定めた。 本発明では、 特 に 0 . 5〜 1 . 5 %が好ま しい„ ( c ) M nおよび S i
これらの成分を含有する理由は、 脱酸作用があり、 この 脱酸によつて高周波交流磁気特性を向上せしめる作用がある ためである。 含有量を上記範囲に限定した理由は、 その含有 量が 0 . 1 %未满では所望の脱酸効果を確保することができ ず、 一方その含有量が 2 %を越えると、 高周波交流磁気特性 に劣化傾向が現われるようになるためである。 このことから、 本発明ではその含有量を 0 . 1〜2 %と定めた。
( d ) M g、 C a、 および C e
これらの成分を含有する理由は、 フ ライ ト素地に固溶 して、 これの電気抵抗を高め、 もって高周波交流磁気特性を 向上させる作用があるほか、 これら成分のもつ脱ガス効果に よって合金中の酸素および窒素含有量を低減せしめ、 もって 高周波交流磁気特性を向上させる作用があるためで、 これら 成分は、 より一段とすぐれた高周波交流磁気特性が要求され る場合に必要に応じて含有される。 その含有量を上記範囲に 限定した理由は、 その含有量が 0 . 0 1 %未満では前記作用 に所望の向上効果が得られず、 一方その含有量が 0 . 2 %を 越えると、 黒鉛化が困難となる一方、 セメ ンタイ ト （Fe3 C) が晶出するようになって、 高周波交流磁気特性が劣化するよ うになるためである。 本発明ではその含有量を 0 . 0 1〜 0 . 2 %と定 た。
( e ) 黒鉛の体積率
上記のようにフユライ ト素地中に黒鉛を分散含有させる ことによつて高周波交流磁気特性が著しく 向上するようにな るが、 その割合が体積率で 1 %未満では所望の高周波交流磁 気特性の向上効果が得られず、 一方その割合が体積率で 2 0 %を越えると、 高周波交流磁気特性に低下傾向が現われるよ う になる。 このこ とから、 本発明ではその割合を 1 〜 2 0 % と定めた。
なお、 黒鉛の形状は、 どんな形でも高周波交流磁気特性 向.上効果をもつが、 例えば球状黒鉛と片状黒鉛を比較した場 合、 同じ割合では球状黒鉛の方が高周波交流磁気特性のすぐ れたものになる。 その理由は、 球状黒鉛の方が渦電流の発生 を、 より効果的に抑える作用を有すると、 本発明者らは推定 している。 この高周波交流磁気特性を高めるという観点から、 球状黒鉛の金属組織の場合、 その平均粒径を 0 . 5〜 5 0 H m . 特に 2〜 4 mとするのが望ま しい。
そして、 この発明の高周波用磁芯材は、 きわめてすぐれ た高周波交流磁気特性をもつので、 ドッ トプリ ンタのへッ ド コアやプラ ンジャ ヨーク材、 あるいはステツ ビングモータの ステ一夕やロータなどに使用すれば、 ドッ 卜プリ ンタゃステ ッ ピングモータなどの高速化並びに高性能化に十分対応して、 、 すぐれた性能を発揮する。 さ らにこの磁芯材は、 黒鉛が分 散している金属組織なので、 従来のこの種の用途に使用され る F e — C 0基合金に比べて加工性が一段と優れたものとな
[図面の簡単な説明]
第 1図は本発明の 1例を示す F e — C o基合金製高周波 用磁芯材の金属組織 （ 5 0 % F e - 4 8 . 9 % C o - 1 . 1 % C ) を示す 5 0 0倍の微鏡写真である。
第 2図は従来の F e — C o基合金製高周波用磁芯材の金 属組織 （ 5 0 % F e— 5 0 % C o ) を示す 5 0 0倍の顕微镜 写真である。
[発明を実施するための最良の形態]
つぎに、 この発明の高周波用磁芯材を実施例により具体 的に説明する。
通常の高周波溶解炉を用い、 所定の成分組成をもった溶 湯を調整し、 ついで溶湯に、 合金成分としての M g、 C a、 C e、 および S i ( S i は F e— S i合金の形） の一部また は全部を接種した。 ただし、 球状黒鉛を形成する場合には、 M g、 C a、 および C eのうち 1種、 または 2種以上と、 F e - S i合金とを接種し、'また片状黒鉛を形成する場合に は、 F e — S i合金を接種した。 これら接種後、 溶湯を铸造 して、 高周波用磁芯材と しての ドッ トプリ ン夕の ドッ トコア
( 9 ピン） の形状の球状黒鉛铸物及び片状黒鉛铸物を得た。 引続いてこの球状黒鉛铸物に、 真空熱処理炉を用いて、 850 °Cに 3時間保持後、 炉冷の条件で焼鈍処理を施した。 また片 状黒鉛铸物に真空処理炉を用いて 7 5 0 °Cに 2時間保持後、 炉冷の条件で焼鈍処理を施した。 この結果、 各铸物はフユラ ィ ト素地に黒鉛が分散した組織となり、 これを最終形状に仕 上げ加工することによって、 それぞれ第 1表に示される成分 組成並びに黒鉛割合を有する F e — C o基合金で構成された 本発明 ドッ トコア 1〜 1 7が製造された。
また、 比較の目的で、 同じく第 1表の比較ドッ 卜コア 1 〜 5に示される成分組成の溶湯を調製し、 直ちに铸造し、 最 終形状に仕上げ加工することによって、 構成成分のうちのい ずれかの成分含有量がこの発明の範囲から外れた比較 ドッ 卜 コア 1〜 5を製造した。 外れた成分の右肩に *印を付して表
1 'に ] 9
ついで、 この結果得られた各種の ドッ トコアについて、 それぞれ 2個づっを用い、 ドッ 卜コアのピン同志を厚さ ： 0. 3誦の非磁性体を介して端面をきつちり と合せて接触さ せ、 一方の ドッ トコアのピンの周囲にコイルを巻き、
通電サイクル ： 50 H z、
コィル端子間電圧 ： 30 V、
適電時間 ： 220 s、
超磁力 （N i ) ： 1 50アンペア · ターン （電流 X コィ ル巻数） 、
の条件で、 コイル端子間に矩形波のパルス電圧をかけ、 この 時に ドッ トコアのピンに流れる磁束 Φを測定し、 高周波交流 磁気特性を評価した。
なお、 ド ッ トコアのピンは、 長さ ： 9, 6翻 X有効断面 積 ： 0. 1 7crf x横幅 ： 2. 3翻の断面矩形形状を有する自 足 Φは、 サーチコイルによって測定し、 波形解析装置を用い、 計算式
Φ = ( 1ノ N。 ） edt ( w b )
ただし、 N„ ： サ一チコィル巻数 （ - 3 ) 、
e ： サーチコイル間誘起電圧、 にて求めて、 これらの結果を第 1表に示した。 また、 第 1表 には素地に分散する黒鉛の体積率も示した。
ΡΧ 分 組 成 (重量％) Wa 磁 束 別 F e + Φ
体積率
C o C Μ η S ί M g C a C e 職 (wb) ヽ #5物 (X10"6)
1 45.5 1.00 0.65 ― t r ― 一 球状 5.5 14.7 本 2 49.2 0.93 0.74 ― t r 一 一 球状 5.2 16.4
3 52.7 1.11 0.72 一 t r 一 ― 職 5.8 14.3 発 4 49.4 0.34 0.76 一 一 t r ― 球状 1.3 13.8
5 49.0 0.65 0.80 ― 一 一 t r 職 3.7 16.6 明 6 48.6 1.04 0.75 一 一 一 一 片状 5.1 13.7
7 49.3 2.12 0.72 ― t r 一 一 球状 11.4 16.0 ド、 8 48.7 2.88 0.75 ― t r ― ― 残 球状 18.6 13.8
9 49.1 0.86 0.12 ― 一 一 一 片状 4.6 12.0
'ソ 10 49.2 0.93 1.88 ― ― 一 t r 残 球状 5.3 12.7
11 48.7 1.01 一 0.58 t r 一 ― 職 6.4 15.9 卜 12 49.0 1.12 0.70 0.32 t r ― ― 球状 6.5 1 6.8
13 48.4 0.97 0.78 ― 0.02 ― 一 残 球状 6.2 17.0
14 49.1 0.90 0.74 一 ― 0.08 ― 球状 5.0 17.3
15 48.3 0.92 0.75 ― ― ― 0.18 球状 5.3 16.1 ァ 16 48.6 0.96 ― 0.64 0.06 0.02 一 球状 5.8 16.8
17 49.0 1.01 0.60 0.55 0.04 0.02 0.03 残 球状 5.8 17.5 比 1 43.1* 0.95 0.73 t r ― 球状 5.4 8.9
2 53.8* 1.02 0.70 t r 職 5.8 7.2
P
ッ' 3 49.0 ― » 0.65 一 3ί 6.6 h
コ 4 48.7 0.21¾ 0.50 片状 0.8* 7.4 了
5 49.4 3.81* 0.60 片状 22.5¾ 7.7
(※印：本発明範囲から外れた成分） 第 1表に示される結果から、 フヱライ トの素地に球状黒 鉛または片状黒鉛が分散存在する組織を有する本発明 ドッ ト コア 1〜 1 7は、 いずれも一段とすぐれた高周波交流磁気特 性をもつのに対して、 比較ドッ トコァ 1〜 5に見られるよう に、 構成成分のうちのいずれかの成分含有量でもこの発明の 範囲から外れると （ C成分の場合は黒鉛の体積率もこの発明 の範囲から外れるようになる） 、 十分満足する高周波交流磁 気特性が得られないことが明らかである。
第 1図は本発明に係わる F e— C o基合金製高周波用磁芯 材の金属組織を示す顕微鏡写真で、 第 2図は従来の F e— C o基合金製高周波用磁芯材の金属組織を示す顕微鏡写真であ る。 両者を比較すると、 本発明合金は、 黒鉛が分散している 金属組織であるが、 従来合金は、 炭素成分がないため黒鉛が 分散していないことが判る。

Claims

請 求 の 範 囲
(1) F e — C o基合金であって、 その組成が
C o : 4 5〜 5 3重量％、 C ： 0. 3〜 3重量％、
M nおよび S i のうちの 1種または 2種 ： 0..1〜 2重量％ を含有し、 残りが F e と不可避不純物からなる組成、 並びに その組織がフヱライ 卜の素地に、 体積率で 1〜 2 0 %の黒鉛 が分散した組織を有する F e - C o基合金製高周波用磁芯材,
(2) 請求の範囲第 1項記載の F e - C o基合金であって その組成が、 C : 0. 5〜 1. 5重量％である。
(3) 請求の範囲第 1項記載の磁芯材において、 前記黒鉛 は、 平均粒径 0. 5〜 5 0 mの球状黒鉛である。
(4) 請求の範囲第 1項記載の磁芯材において、 前記黒鉛 、 平均粒径 2〜 4 mの球状黒鉛である。
(5) F e — C o基合金であって、 その組成が
C o : 4 5〜 3重量％、 C ： 0. 3〜 3重量％、
M nおよび S i の群から選択された少なく と も 1種の金属
0. 1〜 2重量％、
を含有し、 さ らに、
M g、 C a、 および C eの群から選択された少なく とも 1 種の金属 ： 0. 0 1〜 p . 2重量％、
を含有し、 残りが F e と不可避不純物からなる組成、 並びに その組織がフヱライ 卜の素地に、 体積率で 1〜 2 0 %の黒鉛 が分散した組織を有する F e - C o基合金製高周波用磁芯材。
(6) 請求の範囲第 5項記載の F e - C o基合金であって、 その組成が、 C ： 0. 5〜 1. 5重量％である。
(7) 請求の範囲第 5項記載の磁芯材において、 前記黒鉛 は、 平均粒径 0 . 5〜 5 0 mの球状黒鉛である。
(8) 請求の範囲第 5項記載の磁芯材において、 前記黒鉛 は、 平均粒径 2〜4 ;z mの球状黒鉛である。
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