(57)【要約】【課題】渦電流損失を十分に低減することができる交流用鉄基軟磁性材料の製造方法を提供する。【解決手段】鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、が特定の範囲の含有率となるように配合された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわない所定の温度において所定の期間に亘って保持した後、冷却する。これにより、鉄を主成分として含む母相からなるセルと、セルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含むセル境界相と、を含むセルウォール構造を形成して、渦電流損失を十分に低減することができる。【選択図】図２
2019009205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分として含む母相からなるセルと、前記セルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含むセル境界相と、を含む構造を有する交流用鉄基軟磁性材料の製造方法であって、
前記交流用鉄基軟磁性材料に含有される鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、の合計を１００ａｔ％とする場合、
鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせが、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）及びカルコゲン（Ｃｈ）の原子濃度の三元組成図において、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）及びカルコゲン（Ｃｈ）の原子濃度の三元組成図において、８７ａｔ％Ｆｅ−１２ａｔ％Ｃｕ−１ａｔ％Ｃｈを表すＡ点、９１．９ａｔ％Ｆｅ−７．１ａｔ％Ｃｕ−１ａｔ％Ｃｈを表すＢ点、７５ａｔ％Ｆｅ−１３．１ａｔ％Ｃｕ−１１．９ａｔ％Ｃｈを表すＣ点、及び７５ａｔ％Ｆｅ−２０ａｔ％Ｃｕ−５ａｔ％Ｃｈを表すＤ点によって囲まれる領域である特定領域に対応する組み合わせとなるように、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）、当該カルコゲン（Ｃｈ）と鉄（Ｆｅ）との化合物及び当該カルコゲン（Ｃｈ）と銅（Ｃｕ）との化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質である硫黄源と、を秤量する、第１工程と、
前記第１工程において秤量された前記鉄（Ｆｅ）、前記銅（Ｃｕ）及び前記硫黄源を含む粉末原料を型の中に充填する、第２工程と、
前記第２工程において前記型の中に充填された前記粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように所定の温度である保持温度において所定の期間である保持期間に亘って保持することにより、半熔融状態の溶湯を生成させる、第３工程と、
前記第３工程において得られた前記溶湯を所定の降温速度にて冷却して前記溶湯を凝固させることにより前記交流用鉄基軟磁性材料を得る、第４工程と、
を含む、交流用鉄基軟磁性材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の交流用鉄基軟磁性材料の製造方法であって、
前記第３工程における前記保持温度が１２００℃よりも高い温度である、
交流用鉄基軟磁性材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流用鉄基軟磁性材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄基軟磁性材料は、例えばモータ、トランス及びリアクトル等のコアとして広く使用されている。コアに交流磁場を印加すると渦電流が発生する。この渦電流に起因する電気エネルギー損失（渦電流損失）を低減するためには、鉄を主成分として含む母相が小さい領域（１つ又は複数の結晶粒によって構成されるセル）に分割されており且つ個々のセルが電気的に絶縁されていることが望ましい。このように個々のセルを電気的に絶縁するためには、高い電気抵抗を有する物質によってセル境界相を形成させることが望ましい。このように個々のセルがセル境界相によって覆われている構造は「セルウォール構造」と称される。
【０００３】
そこで、当該技術分野においては、鉄を主成分として含む母相と、モリブデン及びタングステンのうちの少なくともいずれか一方と鉄と硫黄とを含み、母相を構成するセルの境界に沿ってセルを仕切るセル境界相と、を備えた鉄基軟磁性材料が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。これによれば、良好な磁性を保持しつつ、低コスト化を図ると共に、高い電気抵抗を有し且つ渦電流損失が発生し難い鉄基軟磁性材料を提供することができる。しかしながら、このような組成を有する鉄基軟磁性材料においてセルウォール構造を達成するためには、構成材料を熔融させて溶湯とした後に急冷凝固させる際の温度条件等の厳密な制御が必要とされる。また、形成されるセル境界相の電気抵抗を高めることが困難である。
【０００４】
更に、鉄を主成分として含む母相からなるセル、並びにバナジウム及びクロムのうちの少なくとも何れか一方と鉄と硫黄とを含むセル境界相を備え、母相が、母相を構成するセルの境界に沿って、セル境界相によって仕切られていることを特徴とする軟磁性材料も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。これによれば、良好な磁性を保持しつつ、低コスト化を図ると共に、高い電気抵抗を有し且つ渦電流損失が発生し難い軟磁性材料を提供することができる。しかしながら、このような組成を有する鉄基軟磁性材料において形成されるセル境界相の電気抵抗は、渦電流損失を十分に低減するには不十分である。
【０００５】
加えて、インベストメント鋳造において、内面に核生成剤を含む鋳型に固体粒子を分散させた溶湯を注入し、当該鋳型を低融点液体冷却材金属中に迅速に浸漬して溶湯を急冷・凝固させることにより、微細な等軸結晶粒組織を生成させることが提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。これによれば、複雑な幾何学的形状を有する比較的大きい部材の鋳造を可能とすることができる。しかしながら、当該従来技術はインベストメント鋳造に限定され、また鋳型の内面に核生成剤を均一に分布させたり固体粒子を溶湯中に均一に分散させたりすることは現実には困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−０４６５０６号公報
【特許文献２】特開２０１４−０４９６３９号公報
【特許文献３】特開２０１３−１３６０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、当該技術分野においては、鉄基軟磁性材料において微小なセルを生成させたり高い電気抵抗を有するセル境界相によってセルウォール構造を達成したりすることを目的として、種々の技術が提案されている。しかしながら、渦電流損失を十分に低減することを可能とするセルウォール構造の達成には至っていない。
【０００８】
また、鉄を主成分として含む母相において柱状のデンドライト（柱状晶）が成長すると、デンドライトの長さが増大すると共に、１つのデンドライト内のアーム同士が繋がったり、１つのデンドライトと他のデンドライトとが繋がったりして、渦電流が流れ得る回路が大きくなる。従って、渦電流損失を十分に低減するためには、母相におけるデンドライトの成長を低減することも重要である。
【０００９】
本発明は、上記課題に対処するためになされたものである。即ち、本発明は、渦電流損失を十分に低減することができる交流用鉄基軟磁性材料の製造方法を提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、が特定の範囲の含有率となるように配合された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわない所定の温度において所定の期間に亘って保持した後、冷却することにより、鉄を主成分として含む母相と、当該母相を構成するセルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含むセル境界相と、を含むセルウォール構造を達成し、渦電流損失を十分に低減することができることを見出した。
【００１１】
本発明に係る交流用鉄基軟磁性材料の製造方法（以下、「本発明方法」と称される場合がある。）は、鉄を主成分として含む母相からなるセルと、前記セルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含むセル境界相と、を含む構造を有する交流用鉄基軟磁性材料の製造方法である。本発明方法によって製造される交流用鉄基軟磁性材料に含有される鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、の合計を１００ａｔ％とする場合、以下の条件が成立する。
【００１２】
鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせが、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）及びカルコゲン（Ｃｈ）の原子濃度の三元組成図において、８７ａｔ％Ｆｅ−１２ａｔ％Ｃｕ−１ａｔ％Ｃｈを表すＡ点、９１．９ａｔ％Ｆｅ−７．１ａｔ％Ｃｕ−１ａｔ％Ｃｈを表すＢ点、７５ａｔ％Ｆｅ−１３．１ａｔ％Ｃｕ−１１．９ａｔ％Ｃｈを表すＣ点、及び７５ａｔ％Ｆｅ−２０ａｔ％Ｃｕ−５ａｔ％Ｃｈを表すＤ点によって囲まれる領域である特定領域に対応する組み合わせである。
【００１３】
更に、本発明方法は以下に列挙する第１工程乃至第４工程を含む。
第１工程：鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせが上述した特定領域に対応する組み合わせとなるように、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）、当該カルコゲン（Ｃｈ）と鉄（Ｆｅ）との化合物及び当該カルコゲン（Ｃｈ）と銅（Ｃｕ）との化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質である硫黄源と、を秤量する。
【００１４】
第２工程：前記第１工程において秤量された前記鉄（Ｆｅ）、前記銅（Ｃｕ）及び前記硫黄源を含む粉末原料を型の中に充填する。
第３工程：前記第２工程において前記型の中に充填された前記粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように所定の温度である保持温度において所定の期間である保持期間に亘って保持することにより、半熔融状態の溶湯を生成させる。
第４工程：前記第３工程において得られた前記溶湯を所定の降温速度にて冷却して前記溶湯を凝固させることにより前記交流用鉄基軟磁性材料を得る。
【００１５】
好ましくは、前記第３工程における前記保持温度が１２００℃よりも高い温度である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、を主成分として含む鉄基軟磁性材料において、鉄を主成分として含む母相と、当該母相を構成するセルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含む（高い電気抵抗を有する）セル境界相と、を含むセルウォール構造を達成することにより、渦電流損失を十分に低減することができる。
【００１７】
本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る交流用鉄基軟磁性材料の製造方法（第１方法）によって製造される交流用鉄基軟磁性材料（第１材料）における鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせの範囲を示す三元組成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る鉄基軟磁性材料の製造方法（第２方法）に含まれる各工程を示すためのフローチャートである。
【図３】鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）及び硫黄（Ｓ）の三元系平衡状態図を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例１に係る鉄基軟磁性材料サンプルの研磨断面のＳＥＭ写真である。
【図５】本発明の実施例２に係る鉄基軟磁性材料サンプルの研磨断面のＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の実施例３に係る鉄基軟磁性材料サンプルの研磨断面のＳＥＭ写真である。
【図７】比較例１に係る鉄基軟磁性材料サンプルの研磨断面のＳＥＭ写真である。
【図８】比較例２に係る鉄基軟磁性材料サンプルの研磨断面のＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
《第１実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態に係る交流用鉄基軟磁性材料の製造方法（以下、「第１方法」と称される場合がある。）について説明する。
【００２０】
〈交流用鉄基軟磁性材料の内部構造〉
第１方法によって製造される交流用鉄基軟磁性材料（以下、「第１材料」と称される場合がある。）は、鉄を主成分として含む母相からなるセルと、セルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含むセル境界相と、を含む構造を有する鉄基軟磁性材料である。即ち、第１材料は、個々のセルがセル境界相によって覆われている「セルウォール構造」を有する。
【００２１】
母相の主成分である「鉄」は必ずしも純鉄に限定されるものではなく、例えば、純鉄、鉄−ケイ素合金、鉄−コバルト合金、鉄−アルミニウム合金、鉄−ケイ素−アルミニウム合金、及び鉄−ニッケル合金からなる群より選択される少なくとも１種を母相の主成分として含むことができる。特に、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及び珪素（Ｓｉ）は、鉄の一部として鉄の組成に含まれていてもよい（固溶されていてもよい）。更に、母相の主成分である「鉄」は、結果として得られる鉄基軟磁性材料の磁気特性に対する悪影響を及びさない限りにおいて、例えば窒素（Ｎ）及び／又は酸素（Ｏ）等の不純物を僅か（例えば、数百質量ｐｐｍ未満）に含有していてもよい。
【００２２】
セル境界相の主成分である「銅を含む硫化物」は、例えば、Ｃｕ２Ｓ、Ｃｕ５ＦｅＳ４、ＣｕＦｅＳ２、及びこれらから鉄（Ｆｅ）又は銅（Ｃｕ）が欠損した分子式によって表される硫化物からなる群より選択される少なくとも１種の物質である。Ｃｕ２Ｓ、Ｃｕ５ＦｅＳ４、及びＣｕＦｅＳ２から鉄（Ｆｅ）又は銅（Ｃｕ）が欠損した分子式によって表される硫化物の具体例としては、例えば、Ｃｕ１．９６Ｓ、Ｃｕ３１Ｓ１６、Ｃｕ７Ｓ４、Ｃｕ９Ｓ５、ＣｕＳ、ＣｕＳ２、ＣｕＦｅ２Ｓ３、Ｃｕ３ＦｅＳ８、Ｃｕ５ＦｅＳ６、及びＣｕ８Ｆｅ９Ｓ１６等を挙げることができる。これらの硫化物は高い電気抵抗を有するので、渦電流損失の低減に有効である。
【００２３】
〈交流用鉄基軟磁性材料の組成〉
第１材料は、鉄と、銅と、カルコゲンと、を主成分として含む鉄基軟磁性材料であり、このカルコゲンは少なくとも硫黄を含む。換言すれば、第１材料は、鉄と、銅と、硫黄と、を主成分として含む鉄基軟磁性材料であり、硫黄以外のカルコゲンを更に含んでいてもよい。このような第１材料に含有される鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、の合計を１００ａｔ％とする場合、以下の条件が成立する。
【００２４】
鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせが、図１の太い実線で囲まれた領域によって示すように、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）及びカルコゲン（Ｃｈ）の原子濃度の三元組成図において、８７ａｔ％Ｆｅ−１２ａｔ％Ｃｕ−１ａｔ％Ｃｈを表すＡ点、９１．９ａｔ％Ｆｅ−７．１ａｔ％Ｃｕ−１ａｔ％Ｃｈを表すＢ点、７５ａｔ％Ｆｅ−１３．１ａｔ％Ｃｕ−１１．９ａｔ％Ｃｈを表すＣ点、及び７５ａｔ％Ｆｅ−２０ａｔ％Ｃｕ−５ａｔ％Ｃｈを表すＤ点によって囲まれる領域である特定領域に対応する組み合わせである。
【００２５】
上記三元組成図において、点Ａと点Ｂとを結ぶ直線よりもカルコゲン（Ｃｈ）の含有率が低くなると、セル境界相を構成する原子の数が相対的に少なくなり、渦電流損失の低減に十分なセルウォール構造の形成が困難となるので望ましくない。一方、点Ｃと点Ｄとを結ぶ直線よりも鉄（Ｆｅ）の含有率が低くなると（具体的には、７５ａｔ％未満になると）、セル境界相を構成する原子の数が相対的に多くなり（具体的には、２５ａｔ％以上になり）、第１材料全体に占める磁性体部分である母相の比率が７５ａｔ％未満となる。その結果、第１材料を用いて製造される鉄基軟磁性コアの全体としての最大磁化が小さくなるので望ましくない。
【００２６】
また、点Ｂと点Ｃとを結ぶ直線よりもカルコゲン（Ｃｈ）の含有率が高くなると、銅（Ｃｕ）の含有率が相対的に低下し、低い電気抵抗を有する硫化鉄（ＩＩ）（ＦｅＳ）が粒界相において生成されて渦電流損失の低減効果の低下に繋がるので望ましくない。一方、点Ａと点Ｄとを結ぶ直線よりも銅（Ｃｕ）の含有率が高くなると、銅（Ｃｕ）の含有率が相対的に上昇し、低い電気抵抗を有する銅（Ｃｕ）が粒界相において生成されて渦電流損失の低減効果の低下に繋がるので望ましくない。
【００２７】
逆に、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせが上述した特定領域に対応する組み合わせである場合、高い電気抵抗を有するセル境界相と磁性体部分である母相とをバランス良く含むセルウォール構造が形成される。その結果、渦電流損失を十分に低減することができる。
【００２８】
〈製造方法〉
第１方法は、上述した第１材料の製造方法である。図２に示すように、第１方法は、以下に列挙する第１工程乃至第４工程を含む。
【００２９】
第１工程（ステップＳ０１）：鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの含有率の組み合わせが上述した特定領域に対応する組み合わせとなるように、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）、当該カルコゲン（Ｃｈ）と鉄（Ｆｅ）との化合物及び当該カルコゲン（Ｃｈ）と銅（Ｃｕ）との化合物からなる群より選択される少なくとも１種の物質である硫黄源と、を秤量する。
【００３０】
具体的には、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、のそれぞれの配合率の組み合わせが上述した特定領域に対応する組み合わせとなるように、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、を秤量してもよい。或いは、第２工程において各種粉末原料を加熱して半熔融状態（詳しくは後述する）の溶湯を生成させる過程におけるカルコゲン（Ｃｈ）の蒸発を低減することを目的として、例えば、カルコゲン（Ｃｈ）そのもの（単体）ではなく、鉄（Ｆｅ）のカルコゲン化物、銅（Ｃｕ）のカルコゲン化物、及び／又は鉄（Ｆｅ）及び銅（Ｃｕ）の複合カルコゲン化物等を使用してもよい。当然のことながら、後者の場合、カルコゲン化物を構成する鉄（Ｆｅ）及び／又は銅（Ｃｕ）もまた第１材料の主成分となる鉄（Ｆｅ）及び／又は銅（Ｃｕ）として扱う（配合率に算入する）。
【００３１】
第２工程（ステップＳ０２）：第１工程において秤量された鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）及び硫黄源を含む粉末原料を型の中に充填する。この第２工程は、第１材料を構成する全ての原材料の秤量が完了した後（即ち、ステップＳ０１の実行が完了した後）に実行される。型の中に充填される原材料の形状は粉末であり、それぞれの粉末原料の粒径及び／又は形状は、例えば、粉末原料を充填しようとする型のキャビティの大きさ及び／又は形状等に応じて適宜選択される。また、粉末原料を充填するときの圧力もまた、例えば、粉末原料を充填しようとする型のキャビティの大きさ及び／又は形状等に応じて適宜選択される。更に、当然のことながら、最終的に得られる第１材料における材質の均質性を確保する観点からは、それぞれの粉末原料が均質に分布するように十分に混合することが好ましい。
【００３２】
上記型は、圧粉成形において使用することができる型として当該技術分野において知られている種々のタイプの型の中から適宜選択することができる。この型を構成する材料として、例えば粉末材料の充填時に作用する圧力及び後述する第３工程における加熱温度等の加工条件に耐えることができる材料の中から適宜選択することができる。尚、この型のキャビティの大きさ及び／又は形状は、第１材料によって構成しようとする最終的な物体の大きさ及び形状に対応するものであってもよく、或いは二次加工を経て最終的な物体を得るための中間体の大きさ及び／又は形状に対応するものであってもよい。後者の場合、型は例えば坩堝等の単純な容器であってもよい。
【００３３】
第３工程（ステップＳ０３）：第２工程において型の中に充填された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように所定の温度である保持温度において所定の期間である保持期間に亘って保持することにより、半熔融状態の溶湯を生成させる。
【００３４】
この第３工程は第１材料を構成する全ての原材料の秤量及び型への充填が完了した後（即ち、ステップＳ０１及びステップＳ０２の実行が完了した後）に実行される。これらの原材料を加熱するための具体的な手段は特に限定されないが、例えば、これらの原材料を収容する型又は坩堝等の容器を熔解炉中に入れ、例えば赤外線ヒータ等の熱源を用いて加熱することができる。また、これらの原材料を加熱する際の周囲環境も特に限定されないが、例えばアルゴンガス（Ａｒ）又は窒素ガス（Ｎ２）等の不活性雰囲気下において加熱することが望ましい。或いは、これらの原材料を大気雰囲気下において加熱する場合は、例えばフラックスを混ぜる等して、原材料と大気との反応を防ぐことが望ましい。
【００３５】
上述したように、「保持温度」及び「保持期間」は、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように設定される。具体的には、保持温度は、例えば、図３に示すような三元系平衡状態図（ｔｅｒｎａｒｙ  ａｌｌｏｙ  ｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍ）に基づいて第１材料の組成に対応する融点を特定し、この特定された融点よりも低い温度として設定することができる。この特定された融点と保持温度との温度差の具体的な値は、例えば、当該温度差を様々な値に設定して予備実験を行い、これらの予備実験によって得られた材料において形成されたセルウォール構造を観察し、良好なセルウォール構造が得られる温度差を特定することによって定めることができる。保持時間もまた、例えば、保持時間を様々な長さに設定して予備実験を行い、これらの予備実験によって得られた材料において形成されたセルウォール構造を観察し、良好なセルウォール構造が得られる保持時間を特定することによって定めることができる。但し、保持温度及び保持期間を定めるための具体的な手法は上記に限定されない。
【００３６】
上記のように定められた保持温度及び保持期間によって上記第３工程を実行することにより、熔融せずに固体のまま残った鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相を含む溶湯を生成させることができる。即ち、第２工程において型の中に充填された粉末原料を保持温度において保持期間に亘って保持することにより、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相が固体のまま熔融せずに残っている状態の溶湯を生成させることができる。尚、本明細書においては、上記のように固体成分が溶湯中に残存している状態を「半熔融状態」と称する。
【００３７】
第４工程（ステップＳ０４）：上記第３工程において得られた（半熔融状態の）溶湯を所定の降温速度にて冷却して前記溶湯を凝固させることにより交流用鉄基軟磁性材料を得る。
【００３８】
この第４工程は第１材料を構成する原材料の大部分が熔融して半熔融状態の溶湯となった後（即ち、ステップＳ０３の実行が完了した後）に実行される。第４工程において所定の降温速度にて（半熔融状態の）溶湯を冷却して当該溶湯を凝固させることにより、セルウォール構造により渦電流損失が十分に低減された交流用鉄基軟磁性材料（第１材料）を得ることができる。
【００３９】
上記のように所定の降温速度にて溶湯を冷却して溶湯を凝固させるための具体的な手法は特に限定されないが、例えば赤外線ヒータ等の熱源を備える熔解炉中において所定の降温速度（例えば、５℃／秒）となるように上記熱源を制御しながら溶湯を冷却することができる。或いは、極めて大きい降温速度にて溶湯を急激に冷却することが望ましい場合は、例えば、水冷式銅製鋳型への溶湯の注入、溶湯を注入したインベストメント鋳型の低融点金属の溶湯への投入、及び水冷された銅板の表面上への注湯等の手法を採用することができる。
【００４０】
以上説明してきた各工程を含む第１方法によれば、前述したような組成となるように配合された粉末原料を、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように加熱した後に冷却することにより、渦電流損失が低減された交流用鉄基軟磁性材料（第１材料）を製造することができる。
【００４１】
〈第１方法によるセルウォール構造の形成促進メカニズム〉
上記のように、第１方法によれば、前述したような組成となるように配合された粉末原料を、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように加熱した後に冷却することによりセルウォール構造の形成が促進され、その結果、渦電流損失が低減された交流用鉄基軟磁性材料（第１材料）を製造することができる。第１方法によってセルウォール構造の形成が促進されるメカニズムにつき、以下に説明する。
【００４２】
従来技術に係る鋳造方法においては、全ての原材料を熔融させて溶湯を生成させるのが一般的である。この場合、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相は溶湯中には残存しておらず、熔融後の冷却過程において鉄（Ｆｅ）を主成分として含む結晶が析出し、成長する。この際、例えば型に接している部分等において柱状のデンドライト（柱状晶）が成長し易い。柱状のデンドライトは長い。また、１つのデンドライト内においては結晶の方位が揃っているので、１つのデンドライト内におけるアーム同士が接続し易い。更に、複数のデンドライトが接続する場合もある。このような接続が起こると、渦電流が流れ得る回路が大きく（長く）なり、結果として得られる交流用鉄基軟磁性材料において渦電流損失を十分に低減することが困難となる。
【００４３】
一方、第１方法の第３工程においては、上述したように、型の中に充填された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように所定の温度である保持温度において所定の期間である保持期間に亘って保持することにより、半熔融状態の溶湯を生成させる。即ち、第３工程の実行によって生成する溶湯においては、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、を含む合金の溶湯中に、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の少なくとも一部が未だ熔融せずに固体のまま残っている。
【００４４】
上記金属相の結晶方位は様々な方向を向いている。このような半熔融状態の溶湯が次の第４工程において冷却されると、それぞれの結晶の方位に沿ってγ鉄を主成分として含む結晶が成長し、それぞれの結晶が大きくなり、等軸晶となる。温度が更に降下するとγ鉄がα鉄に変態するが、それぞれの結晶の方位は第３工程において熔融せずに残っていた結晶の方位を反映している。
【００４５】
上記のように、第１方法によれば、第３工程において熔融せずに固体のまま残った金属相を核として鉄（Ｆｅ）を主成分として含む母相が成長する。従って、上述した従来技術に係る製造方法に比べ、柱状の長いデンドライトが析出・成長し難く、短い等軸晶が成長する。また、個々の等軸晶は様々な方向を向いており、それらの方位は不揃いである。これらにより、第１方法によれば、セルウォール構造の形成が促進される。
【００４６】
ところで、ある材料を加熱保持した場合において上述したようなセルウォール構造が形成されるための条件を表す関係式として、以下の式（１）を挙げることができる。
【００４７】
【数１】
2019009205.tif 000003
【００４８】
上式中、左辺のσｓ／ｌは固相と液相との間における界面エネルギーを、右辺のσｓ／ｓは固相と固相との間における界面エネルギーを、それぞれ表す。式（１）から明らかであるように、式（１）を成立させるためには右辺のσｓ／ｓを大きくすることが有効である。固相と固相との間における界面エネルギーを表すσｓ／ｓを大きくするためには、隣り合う結晶の方位のズレを大きくすることが有効である。
【００４９】
全ての原材料を熔融させて溶湯を生成させる一般的な従来技術に係る鋳造方法においては、上述したように、結晶の方位が同じ方向を向いている長い柱状晶が析出し易い。従って、隣り合う結晶の方位のズレが小さく、式（１）の右辺のσｓ／ｓが小さく、式（１）が成立し難い。つまり、界面エネルギーの面からもセルウォール構造が形成され難い。このため、セルウォール構造において欠陥が生じ易い。このような理由からも、上述したようなアーム間及び／又はデンドライト間における「接続」が生じ易い。その結果、渦電流の回路が大きく（長く）なり、結果として得られる交流用鉄基軟磁性材料において渦電流損失を十分に低減することが困難となる。
【００５０】
一方、第１方法の第３工程においては、型の中に充填された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように所定の温度である保持温度において所定の期間である保持期間に亘って保持する。即ち、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む結晶が様々な方位に向いた状態において溶湯が加熱保持される。従って、上述した式（１）の右辺（σｓ／ｓ）が大きくなるので、式（１）が成立し易くなり、界面エネルギーの面からもセルウォール構造が形成され易くなる。このため、セルウォール構造において欠陥が生じ難い。このような理由から、結晶間における「接続」が生じ難い。また、仮に結晶間における「接続」が生じたとしても、柱状晶に比べて等軸晶は短いので、渦電流が流れ得る回路が大きく（長く）なり難く、結果として得られる交流用鉄基軟磁性材料における渦電流損失の増大を招き難い。
【００５１】
また、式（１）は温度が高いほど成立し易い。従って、第３工程における保持温度は、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわない範囲において、できるだけ高い温度とすることが好ましい。
【００５２】
《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る交流用鉄基軟磁性材料の製造方法（以下、「第２方法」と称される場合がある。）について説明する。
【００５３】
第１方法の第３工程においては、前述したように、型の中に充填された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわないように所定の温度である保持温度において所定の期間である保持期間に亘って保持する。この保持温度は、前述したように、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわない範囲において、できるだけ高い温度とすることが好ましい。
【００５４】
しかしながら、型の中に充填された粉末原料の加熱中に鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわず且つ欠陥が十分に少ない良好なセルウォール構造が形成される限りにおいて、保持温度は如何なる温度であってもよい。例えば、保持温度は、前述したように三元系平衡状態図に基づいて特定される第１材料の組成に対応する融点に近い温度として設定してもよく、当該融点よりも大幅に低い温度として設定してもよい。
【００５５】
但し、保持温度は、第３工程において熔融してしまわずに固体のまま残る鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相（等軸晶）の周りを、鉄（Ｆｅ）と銅（Ｃｕ）とカルコゲン（Ｃｈ）とを含む液相（第二相）が完全に覆い、結果として稠密な構造を有する交流用鉄基軟磁性材料を確実に得ることができる温度である必要がある。
【００５６】
そこで、第２方法においては、第３工程における保持温度が１２００℃よりも高い温度である。これによれば、第３工程において固体のまま残っている鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相（等軸晶）の周りを、鉄（Ｆｅ）と銅（Ｃｕ）とカルコゲン（Ｃｈ）とを含む液相（第二相）が完全に覆い、結果として稠密な構造を有する交流用鉄基軟磁性材料を確実に得ることができる。
【実施例】
【００５７】
《鉄基軟磁性材料サンプルの製造》
上述した特定領域に該当する９０ａｔ％Ｆｅ−８．２ａｔ％Ｃｕ−１．８ａｔ％Ｓの三元組成となり（図１の点Ｓを参照）、合計質量が０．７ｇとなるように、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、及び硫黄源としての硫化鉄（ＦｅＳ）の各粉末を原材料として秤量した（第１工程）。尚、それぞれの粉末の粒径は、鉄（Ｆｅ）が１５０μｍ以下、銅（Ｃｕ）が７５〜１５０μｍ、及び硫化鉄（ＦｅＳ）が数μｍであった。
【００５８】
全ての粉末原料を薬包紙の上に乗せ、スパチュラを用いて十分に混合した後、アルミナ製の坩堝に充填した（第２工程）。この坩堝を、赤外線ヒータを熱源として備える熔解炉（赤外線加熱炉）内に入れ、一旦真空引きの後にアルゴン（Ａｒ）によって置換した。
【００５９】
そして、アルゴン気流下にて、以下に示す表１に記載されている保持温度において所定の保持期間（本実施例においては１０分間）保持した（第３工程）。その後、当該溶湯を５℃／秒の降温速度にて７００℃まで制御冷却し、それ以降は赤外線ヒータの電源を切って室温まで自然冷却した（第４工程）。
【００６０】
【表１】
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【００６１】
《鉄基軟磁性材料サンプルの溶湯状態》
上記のようにして得られた本発明の実施例１乃至３及び比較例１乃至３に係る各種鉄基軟磁性材料サンプルの第３工程における溶湯の状態につき、図３に示した三元系平衡状態図に基づいて判断した結果もまた表１に列挙する。
【００６２】
第３工程における保持温度がそれぞれ１３５０℃、１３００℃及び１２５０℃である実施例１乃至３に係るサンプルについては、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全ては熔融せずに一部が固体のまま残っている半熔融状態にあった。一方、保持温度が１３７５℃である比較例１に係るサンプルは、全ての粉末原料が完全に熔解している全熔融状態にあった。更に、保持温度が１２００℃である比較例２に係るサンプルについては、実施例１乃至３に係るサンプルと同様に半熔融状態にあった。加えて、保持温度が１０３９℃である比較例３に係るサンプルについては、全ての粉末原料が全く熔解せず、溶湯を生成させることができなかった。
【００６３】
《鉄基軟磁性材料サンプルの結晶系及びセルウォール構造》
次に、上述した条件下にて実行される第４工程を経て製造された各種鉄基軟磁性材料サンプルの研磨断面のＳＥＭ写真を図４乃至図８に示す。これらのＳＥＭ写真観察の結果によれば、第３工程において半熔融状態の溶湯が生成した実施例１乃至３及び比較例２に係るサンプルについては、何れも鉄（Ｆｅ）を主成分として含む等軸晶が形成された（図４乃至６及び８を参照）。一方、第３工程において全熔融状態の溶湯が生成した比較例１に係るサンプルについては、柱状晶が形成された（図７を参照）。また、全ての粉末原料が全く熔解せず溶湯を生成させることができなかった比較例３については、鉄基軟磁性材料サンプルを製造することができなかったので、ＳＥＭ写真観察は行わなかった。
【００６４】
更に、上記ＳＥＭ観察により、各種鉄基軟磁性材料サンプルにおけるセルウォール構造の有無についても評価した。その結果、第３工程における保持温度が好適な温度であって最終的に等軸晶が形成された実施例１乃至３及び比較例２に係るサンプルについては、良好なセルウォール構造が形成されていた（図４乃至６及び８を参照）。但し、比較例２に係るサンプルについては、良好なセルウォール構造が形成されていたものの、第３工程における保持温度が１２００℃と低過ぎる。その結果、熔融してしまわずに固体のまま残る鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相（等軸晶）の周りを、鉄（Ｆｅ）と銅（Ｃｕ）とカルコゲン（Ｃｈ）とを含む液相（第二相）が完全に覆うことができず、結果として稠密な構造を有する鉄基軟磁性材料サンプルを得ることができなかった（図８を参照）。一方、保持温度が１３７５℃と過度に高く、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔解した結果、大過冷却状態にある溶湯からの凝固によって形成された比較例１に係るサンプルについては、前述した従来技術に係る鉄基軟磁性材料と同様に、良好なセルウォール構造は形成されなかった（図７を参照）。
【００６５】
《鉄基軟磁性材料サンプルの評価結果》
以上のように、本実施例によれば、鉄（Ｆｅ）と、銅（Ｃｕ）と、少なくとも硫黄（Ｓ）を含むカルコゲン（Ｃｈ）と、が特定の範囲の含有率となるように配合された粉末原料を加熱し、鉄（Ｆｅ）を主成分として含む金属相の全てが熔融してしまわない所定の温度において所定の期間に亘って保持した後、冷却することにより、鉄を主成分として含む母相と、当該母相を構成するセルの境界に存在し銅を含む硫化物を主成分として含むセル境界相と、を含むセルウォール構造を達成することができる。
【００６６】
また、第３工程における保持温度を所定の温度（本実施例においては１２００℃）以下にすると、結果として稠密な構造を有する鉄基軟磁性材料を得ることができない場合があることも確認された。
【００６７】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び実施例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び実施例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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