(57)【要約】【課題】  冷却速度が水アトマイズよりもさらに早い合金粉末製造技術を用いて軟磁性合金粉末を製造し、アモルファス化が可能で耐酸化性能と磁気特性が高い高Ｆｅ含有量の合金粉末を得る。【解決手段】  材料を溶融させた溶湯の液滴を生成する液滴生成手段と、該液滴を回転する回転板上に滴下して遠心力により飛散させ、冷却液に投入させて急冷させることによって前記液滴を凝固させる合金粉末の製造方法であって、  前記溶湯の合金組成は、組成式がＴａＳｉｂＢｃＣｒｄ（但し、ＴはＦｅを必須とすし必要によりＣｏ，Ｎｉを１０原子％以下含む）で表され、原子%で、８１．５≦ａ≦８７、１≦ｂ≦７、１０≦ｃ≦１６、０．００１≦ｄ≦１．５により表されるものとし、平均粒径が１０〜７０μｍとなるように噴霧した溶湯を冷却液に投入することを特徴とする合金粉末の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を溶融させた溶湯を噴霧して容器内で旋回させた冷却液中に投入して急冷させることによって前記溶湯を凝固させる合金粉末の製造方法であって、
前記溶湯の合金組成は、組成式がＴａＳｉｂＢｃＣｒｄ（但し、ＴはＦｅを必須とすし必要によりＣｏ，Ｎｉを１０原子％以下含む）で表され、原子%で、８１．５≦ａ≦８７、１≦ｂ≦７、１０≦ｃ≦１６、０．００１≦ｄ≦１．５により表されるものとし、平均粒径が１０〜７０μｍとなるように噴霧した溶湯を冷却液に投入することを特徴とする合金粉末の製造方法。
【請求項２】
Ｓｉ量とＢ量の比ｂ／ｃが0.10〜0.35であることを特徴とする請求項１に記載の合金粉末の製造方法。
【請求項３】
合金組成にＴｉ、Ａｌ元素が総量で０．００１〜０．０５重量％含ませることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の合金粉末の製造方法。
【請求項４】
実質的にアモルファスで、組成式がＴａＳｉｂＢｃＣｒｄ（但し、ＴはＦｅを必須とすし必要によりＣｏ，Ｎｉを１０原子％以下含む）で表され、原子%で、８１．５≦ａ≦８７、１≦ｂ≦７、１０≦ｃ≦１６、０．００１≦ｄ≦１．５により表される最大径Ｄ１と最小径Ｄ２の比が平均で２以下で平均粒径が１０〜７０μｍの球状であることを特徴とする合金粉末。
【請求項５】
Ｓｉ量とＢ量の比ｂ／ｃが0.10〜0.35であることを特徴とする請求項４に記載の合金粉末。
【請求項６】
合金組成にＴｉ、Ａｌ元素が総量で０．００１〜０．０５重量％含むことを特徴とする請求項４乃至請求項５に記載の合金粉末。
【請求項７】
保磁力Ｈｃが２００Ａ／ｍ以下、飽和磁束密度Ｂｓが１．５９Ｔ以上であることを特徴とする請求項４乃至請求項６に記載の合金粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶湯から粉末を製造する合金粉末およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧粉磁心用の軟磁性粉末として、最も用いられているのは鉄粉であるが、さらに低損失、特に低ヒステリシス損を有する圧粉磁心を得たい場合には、鉄よりも保磁力の小さいケイ素鋼の粉末が用いられ、さらにヒステリシス損を低減したい場合はFe-Si-Al合金、アモルファス合金、ナノ結晶合金の粉末が用いられている。アモルファス合金やナノ結晶合金の粉末を得るためには、たとえば、急冷薄帯を機械的に粉砕して得る方法、アトマイズにて直接粉末を得る方法等が適用されている。
【０００３】
急冷薄帯を機械的に粉砕して得る場合には、まず、たとえば単ロール法や双ロール法などにて急冷薄帯を作製し、その後、たとえばディスクミル、ボールミル、ピンミルなどの粉砕機を用いて粉砕し粉末を得る。しかし、良好な磁気特性を得られる急冷薄帯は、一般に粉砕しづらく、粉砕前に脆化熱処理を施す必要があること、また、粉砕によって粉末に粉砕歪みが導入されることなどから、急冷薄帯での良好な磁気特性が粉末に反映されない場合がある。
【０００４】
アトマイズ法にて直接粉末を得る場合には、アモルファス状態の粉末は、例えば溶湯を二段階の粉砕にて急冷する方法や不活性ガス等で噴霧した溶湯粒を急冷媒体に接触させて急冷する方法などによって効率よく製造されている。
【０００５】
急冷凝固法を用いる粉末製造機は、例えば特許文献１に記載されている。この粉末製造機の断面構造の概略が図２である。この粉末製造機５０においては、ルツボ５１に軟磁性粉末の材料（例えば金属）となる溶湯５２が溜められている。溶湯５２は重力によってルツボ５１に連結した溶湯受皿５３に溜まる。溶湯受皿５３の上部には上蓋５４が設置されるが、溶湯受皿５３と上蓋５４との間にはこれらが密着していない箇所（隙間５５）が存在する。溶湯受皿５３及び上蓋５４には支持軸５６が接続され、支持軸５６はモーター５７によって回転する。溶湯受皿５３及び上蓋５４は底部に排出管５８が連結した容器５９の中に収容されている。
【０００６】
この構造において、モーター５７が溶湯受皿５３及び上蓋５４を回転させると、遠心力によって隙間５５から溶湯５２が細かくせん断された液滴となって噴出し、この液滴は、円筒形状の部分に底部が設けられた形態の容器５９の内壁に達する。なお、容器５９の上部は容器蓋６０によって閉じられた構造となっている。
特にこの製造方法によれば、微細な溶湯の液滴は冷却水によって急冷されるため、アモルファス状となり、アモルファス粉末が得られる。
【０００７】
また、特許文献２にはＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系軟磁性合金の粉末を水アトマイズ法によって製造する方法が記載され、耐酸化を目的としてＣｒを添加することが記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１８９８０９号公報
【特許文献２】特開２００２−６０９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
軟磁性材料には高い飽和磁束密度が求められるが、磁心として保磁力が小さいことも重要である。Ｓｉが６．５原子％含有するＦｅＳｉ系の電磁鋼板などは、鉄量が多いために高い飽和磁束密度を得られるが、その反面保磁力が大きく、磁心損失が大きくなると言う問題がある。そこで保磁力を小さくするためにアモルファスのＦｅ系材料が用いられ、圧粉磁心などにも適用されている。
【００１０】
しかしながら、Ｆｅ系の合金組成をアモルファス化するには早い冷却速度で合金溶湯を冷却する必要がある。Ｆｅ量を多くすればするほどアモルファス化するために必要な溶湯の冷却速度が速くなる。例えば溶湯を噴霧して冷却水中に投入する、いわゆる水アトマイズ合金粉末製造技術では、アモルファス化が行えるＦｅ量は上限が８０原子％程度であり、それ以上のＦｅ含有量の合金組成では母相に結晶が育成してしまうので保磁力が小さい材料を得ることができない。
【００１１】
水アトマイズ以外の合金粉末製造技術として、ロール冷却により超急冷してアモルファス合金薄帯としその合金薄帯を粉砕することでアモルファス合金粉末を得るものがある。しかし、これによって得られる合金粉末は偏平状の合金粉末であり、圧縮成型しても圧密化が難しいので圧粉磁心を製造しても軟磁性粉末の占積率が低下してしまう。よって球状に近い粉末が得られるアトマイズ式の合金粉末製造技術を使わなければならず、アモルファスの合金粉末でなおかつＦｅ量が多く飽和磁束密度が高い合金粉末を製造する必要がある。
水アトマイズでは合金粉末の耐酸化性を考慮する必要があり、特許文献２のようにＣｒを添加する対策がなされるが、Ｃｒ量を多くしてしまうと飽和磁束密度が低下してしまう。
【００１２】
本発明では、冷却速度が水アトマイズよりもさらに早い合金粉末製造技術を用いて軟磁性合金粉末を製造し、アモルファス化が可能で耐酸化性能と磁気特性が高い高Ｆｅ含有量の合金粉末を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、材料を溶融させた溶湯を噴霧して容器内で旋回させた冷却液中に投入して急冷させることによって前記溶湯を凝固させる合金粉末の製造方法であって、前記溶湯の合金組成は、組成式がＴａＳｉｂＢｃＣｒｄ（但し、ＴはＦｅを必須とすし必要によりＣｏ，Ｎｉを１０原子％以下含む）で表され、原子%で、８１．５≦ａ≦８７、１≦ｂ≦７、１０≦ｃ≦１６、０．００１≦ｄ≦１．５により表されるものとし、平均粒径が１０〜７０μｍとなるように噴霧した溶湯を冷却液に投入することを特徴とする。
請求項２に記載の発明の要旨は、Ｓｉ量とＢ量の比ｂ／ｃが0.10〜0.35であることを特徴とする請求項１に記載の合金粉末の製造方法に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、合金組成にＴｉ、Ａｌ元素が総量で０．００１〜０．０５重量％含ませることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の合金粉末の製造方法に存する。
【００１４】
また、本発明は、上記の製法により製造した合金粉末である。
請求項４記載の発明の要旨は、実質的にアモルファスで、組成式がＴａＳｉｂＢｃＣｒｄ（但し、ＴはＦｅを必須とすし必要によりＣｏ，Ｎｉを１０原子％以下含む）で表され、原子%で、８１．５≦ａ≦８７、１≦ｂ≦７、１０≦ｃ≦１６、０．００１≦ｄ≦１．５により表される最大径Ｄ１と最小径Ｄ２の比が平均で２以下で平均粒径が１０〜７０μｍの球状であることを特徴とする合金粉末に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、Ｓｉ量とＢ量の比ｂ／ｃが0.10〜0.35であることを特徴とする請求項４に記載の合金粉末に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、合金組成にＴｉ、Ａｌ元素が総量で０．００１〜０．０５重量％含むことを特徴とする請求項４乃至請求項５に記載の合金粉末に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、保磁力Ｈｃが２００Ａ／ｍ以下、飽和磁束密度Ｂｓが１．５９Ｔ以上であることを特徴とする請求項４乃至請求項６に記載の合金粉末に存する。
【発明の効果】
【００１５】
通常の水アトマイズ法よりも早い冷却速度で溶湯が冷えるので高いＦｅ濃度であってもＳｉ、Ｂ量が好ましい範囲で含まれるためにアモルファス化が可能である。また、添加するＣｒ量が少なくともＴｉ、Ａｌの酸化物が熱処理によって合金粉末の表面側に形成されるので、高い耐酸化性能と高磁気特性を兼ね備えたものを製造することができる。
また、球状であるために圧密化が容易で、バインダー成分と混合して圧粉磁心を製造すれば軟磁性材料の占積率が高いものを得ることができる。
また、従来よりも高いＦｅ濃度のアモルファスの合金粉末が粉砕工程無しに得ることができ、保磁力Ｈｃが２００Ａ／ｍ以下、飽和磁束密度Ｂｓが１．５９Ｔ以上のものを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の合金粉末の組成限定理由を記載する。
以下、単に％と記載のものは原子％を表す。Ｔ量aは８１．５％より少ないと鉄心材料として十分な飽和磁束密度が得られずまた８７％より多いと熱安定性が低下し、安定した非晶質合金粉末が製造できなくなる。高飽和磁束密度を得るためには８２%以上が好ましい。コスト上ではＦｅのみとすることが好ましいが、ＮｉやＣｏなどを含んでも良い。
Siは非晶質形成能に寄与する元素であり、１％以上添加する。但し、Si量ｂは高い飽和磁束密度を得るためには７％以下とする必要があり、さらに高飽和磁束密度化するためには５%以下が好ましい。
Bは非晶質形成能に最も寄与し、B量cは10％未満では非晶質形成能などの改善効果が得られず、16%より多いと高い飽和磁束密度が得られない。非晶質形成能を保ちつつ、高い飽和磁束密度を得るためには１１%以上１４%以下が好ましい。
Ｓｉ量とＢ量の比ｂ／ｃが0.10〜0.35であることが好ましい。比ｂ／ｃが0.35以上であると非晶質形成能が高く、結晶相を含まない軟磁性合金粉末を得やすい組成となるが、飽和磁束密度が低下する。0.10以下であると結晶化温度が低くなり、非晶質形成能が低下する。また、水アトマイズ時に溶湯と水が接触した際、緻密なSiO2膜を形成できないため、Feが参加して酸素含有量が増加し、磁気特性が劣化する。
Crは熱安定性を改善する効果があり、Cr量eは０．００１％以上添加することが好ましい。また、１．５％以下であれば飽和磁束密度の低下を極力抑えることができる。好ましい含有量は、０．００５％〜１．２％であり、さらには０．０１％〜１．０％である。
【００１７】
また、Ｔｉ、Ａｌは添加元素として０．００１〜０．０５重量％入れることで耐酸化性を向上できる。これは、合金粉末の最表面の高Ｃｒ含有層の下部にＴｉ、Ａｌの酸化物層が形成されるためと推察される。好ましい含有量は、０．００８％〜０．０２％であり、さらには０．１％〜０．０１％である。
【００１８】
Mnは熱処理時の緩和を良好にする効果があるので0.3%以下であれば添加しても良い。
またMo,Zr,Hf,Nbの1種以上の元素を0.01〜２％含んでもよく、不可避な不純物として S, P, Sn, Cu, Al, Ti, から少なくとも1種以上の元素を0.50％以下含有してもよい。
また、CはB,Si程ではないものの非晶質形成能を向上する効果がある。0.01原子％〜２原子％程度を含む合金組成とすることが好ましい。
【００１９】
本発明に用いる粉末製造技術について説明する。図１において、この粉末製造機１０においては、ルツボ１１に粉末の材料（例えば金属）を溶融した溶湯１２が溜められている。ルツボ１１の底部には細い管状の部分が設けられており。この中を溶湯１２が通過して落下する。落下量はルツボ１１の底部の管状の部分の先端の開口で制御されるため、この開口が外部から制御できる構成とすることが好ましい。
溶湯１２は、この材料が所定の組成で混合され、高温で溶融されたものである。このため、図示していないが、ルツボ１１にはヒーター等の加熱手段を設け、溶湯１２がルツボ１１中で凝固しない構成とすることが好ましい。また、溶湯１２の粘度は、その組成や温度で決定される。
【００２０】
溶湯１２は、重力によって連続的に落下し、その途中で噴霧ノズル１６から噴霧されるジェット気流１４により霧状になる。溶湯の落下量と噴霧ノズルから噴霧されるジェット気流の強さによって冷却された後の合金粉末の粒径が決る。噴霧された溶湯が平均粒径で１０〜７０μｍになるように調整する。
【００２１】
容器１３における円筒形状の部分の内壁の上部には処理液吐出口１８が設けられている。容器１３の外部には、処理液供給槽１９が設けられ、その中には処理液（冷却液）２０が溜められており、処理液２０はポンプ（図示せず）によって処理液輸送管２１を介して処理液吐出口１８に導かれ、処理液吐出口１８から容器１３の内壁に噴出する。処理液吐出口１８の処理液噴出角度及び処理液吐出口１８の数は、円筒形状の容器１３の内壁に処理液層（冷却液層）２２が略一様に形成されるように適宜設定される。この際、例えば、円筒形状の容器１３の内壁に沿って旋回流が形成されるように、高圧で処理液２０が高圧で噴出される形態とする。従って、容器１３の底部には処理液２０が溜められ、その液面以上の高さにおいては、その内壁には処理液層２２が形成されている。なお、容器１３の上部は容器蓋１７によって閉じられた構造となっている。従って、噴出された溶湯の液滴は、処理液層２２もしくはこの液面に投入され、ここで処理液２０によって急冷され、固化して粉末２３となる。
【００２２】
容器１３、処理液吐出口１８、処理液供給層１９、処理液２０は液滴を凝固させて粉末を製造する急冷手段となる。
ここで、処理液２０としては、純水以外にもリン酸塩溶液等の化成処理液を用いても良い。この化成処理液中においては、粉末の表面に、鉄の酸化膜の代わりに、絶縁層となるリン酸塩ガラスなどを形成できる。すなわち、粉末２３の表面に、酸化鉄等の酸化膜が形成されるよりも前に、この絶縁層を形成するようにしてもよい。従って、処理液２０は、液滴を急冷する冷却液としての役割と、絶縁層を粉末２２上に形成するという役割を持たせることができる。
【００２３】
粉末２３と処理液２０との混合液は容器１３の漏斗形状の底部から貯蓄槽２４に導かれ、ここに溜まる。貯蓄槽２４には温度調整機構２５を設けてもよく、処理液に化成処理液を混ぜた場合にはこの混合液の温度を調整することで混合液中の反応を更に促進し、粉末２３に厚い絶縁層を形成することができる。また、貯蓄槽２４に、例えばスターラや振動を用いた攪拌手段を設けてもよい。
【００２４】
その後、フィルター２６を通して分離された処理液２０（混合液）は外部に取り出され、処理液供給槽１９に循環される。
貯蓄槽２４に残った粉末２３は取り出された後に水洗、乾燥等の処理が施される。
【００２５】
（実施例１）
図１の構成の粉末製造機において、表１の試料Ｎｏ．１〜１２に記載したＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系合金からなる溶湯（温度１３５０℃）を用いて、合金粉末を製造した。溶湯の滴下量は１０g/secとし、噴霧ノズルから出されるジェット気流の量を調整して、噴霧される溶湯の粒径が５μｍ〜８０μｍとなるように調整した。処理液には通常の工業用水を使用した。
貯蓄層２４に堆積した粉末２３と処理液の混合液を取り出し、粉末に水洗を施した後、大気中で１２５℃、１時間の熱処理を行い、乾燥させて合金粉末を得た。この合金粉末の粒径は５μｍ〜８０μｍで、その粉末形状は最大径Ｄ１と最小径Ｄ２の比が平均で２以下の球状粉であった。この合金粉末の断面をＳＥＭ観察したところ、結晶相は観察されずにアモルファス状態の粉末が得られていることが解った。合金粉末の表面を観察すると、若干の錆の発生が認められるものの、圧粉磁心として使用する分には問題ない程度のものであった。
また、比較として表１の試料Ｎｏ．２０、２１に記載したＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金からなる溶湯（温度１３５０℃）を用いて同様の実験を行ったところ、アモルファス形成能を高めるＳｉ元素やＢ元素の量が少ない組成であるため合金粉末内には結晶相が発現しており、保磁力も試料Ｎｏ．１〜１２のものと比べて低い値であった。
さらに、Ｔｉ、Ａｌを微量添加した表１の試料Ｎｏ．１３〜１９に記載したＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金からなる溶湯を用いて、上記と同様にして合金粉末を製造した。Ｃｒ添加料が少ないにもかかわらず錆の発生は無く、若干ながら試料Ｎｏ．１〜１２のものより飽和磁束密度が向上した。
また、Si量とＢ量の比b/cが0.1未満の試料Ｎｏ．２２では、結晶化温度が低下し、冷却が十分でなくなったため粉末内部に結晶相ができていた。そのため、保磁力が増大した。また、Si量とＢ量の比b/cが0.35超の試料Ｎｏ．２３では、Si、Bの添加量が多く飽和磁束密度が低くなった。
【００２６】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施に用いた粉末製造機の断面構造の概略を示す図である。
【図２】従来の粉末製造機の断面構造の概略を示す図である。
【００２８】
１０、５０  粉末製造機
１１、５１  ルツボ
１２、５２  溶湯
１３、５９  容器
１５  回転駆動系
１６  噴霧ノズル
１７、６０  容器蓋
１８  処理液吐出口
１９  処理液供給槽
２０  処理液（冷却液）
２１  処理液輸送管
２２  処理液層（冷却液層）
２３、６４  粉末
２４  貯蓄槽
２６  フィルタ
５３  溶湯受皿
５４  上蓋
５５  隙間
５６  支持軸
５８  排出管
６１  冷却液吐出口
６２  冷却液輸送管
６３  冷却液層
【図１】
2010007100.tif 000004
【図２】
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