(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金溶湯を急冷凝固することによって作られた軟磁性合金の粉末であって、該合金は、Ｓを０.００１重量％〜０.０４重量％含み、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ及びＣを、(Ｆｅ1-xＣｒx)a(Ｓｉ1-yＢy)100-a-bＣbとする割合で含み、残部が不可避的不純物である軟磁性合金粉末。但し、ｘ及びｙは原子比、ａ及びｂは原子％を示し、それぞれ、０＜ｘ≦０.０６、０.３≦ｙ≦０.７、７０≦ａ≦８１、０＜ｂ≦２である。
【請求項２】
合金溶湯を急冷凝固することによって作られた軟磁性合金の粉末であって、該合金は、Ｓを０.００１重量％〜０.０４重量％含み、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｂ及びＮｂを、Ｆｅ100-a-b-c-dＣｕaＳｉbＢcＮｂdとする割合で含み、残部が不可避的不純物である軟磁性合金粉末。但し、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を示し、それぞれ、０.１≦ａ≦３、０＜ｂ＜３０、０＜ｃ≦２５.５、５≦ｂ＋ｃ≦３０、０.１≦ｄ≦３０である。
【請求項３】
Ｓの少なくとも一部は、合金中に単体元素の状態で存在している請求項１又は請求項２に記載の軟磁性合金粉末。
【請求項４】
単体元素の状態で存在するＳは、０.００１重量％〜０.００９重量％である請求項３に記載の軟磁性合金粉末。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟磁性合金の粉末に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波トランス、電子機器のチョークコイル等の磁心として、Ｆｅ系非晶質軟磁性合金粉末を原料に用い、合金の結晶化温度より低い温度で加圧成形した非晶質構造のものや、合金の結晶化温度よりも少し高い温度で加圧成形した微結晶構造のものや、合金の結晶化温度より低い温度で加圧成形した後、結晶化温度よりも少し高い温度でさらに熱処理を施して微結晶化したものなどが使用されている。
この非晶質軟磁性合金の粉末は、一般的に、合金溶湯を急冷凝固することにより作られる。その代表的な方法として、いわゆる高速回転水流アトマイズ法が知られている(例えば特開平５−１４８５１６号公報等)。これは、冷却用筒体の内周面に沿って旋回しながら移動する冷却水層の内側空間部に溶融合金を供給し、該溶融合金に噴出ガスを吹き付けて分断すると共に、分断された溶融合金を冷却水層に供給し、急冷凝固させることにより金属粉末を得るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この高速回転水流アトマイズ法で作られた粉末は、粒子が細かいほど真球に近く、粒子が粗くなると扁平状又は長細い芋状となる。一般的には、平均粒径が約１００μm以上になると、扁平状又は長細い芋状の粒子が増加する傾向にある。
【０００４】
ところで、金属粉末の成形性を考えた場合、粒子の形状は球状乃至擬似球状のものが好ましい。このため、得られる粉末の平均粒径は少なくとも１００μmよりも小さく、好ましくは数十μm以下にする必要があった。
しかしながら、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系の非晶質軟磁性合金粉末を、高速回転水流アトマイズ法のように、合金溶湯を急冷凝固させて作る場合、通常の処理条件では、得られる粉末の平均粒径が約１００〜３００μmとなり、扁平状又は細長い芋状の粒子が数多く存在するのが実情である。
得られた粉末を分級によって平均粒径数十μm以下の粉末のみを選別すると、粉末の歩留まりが低下し、コストアップになる。
高速回転水流アトマイズ装置における溶融合金の分断圧力を大きくすることにより、得られる粉末の平均粒径を小さくすることはできるが、ランニングコストの大幅な上昇を招く不都合がある。
【０００５】
発明者は、得られる粒子の形状とＳ(イオウ)との関係について鋭意研究を重ねた結果、Ｓに粒子の微細化及び球状化を向上させる作用のあることを見いだした。これまでは、合金の溶製時に不可避的に混入するＳは不純物とみなして、できるだけ含有量を少なくするようにしていたために、扁平又は芋状の粒子が増える結果となっていた。
本発明の目的は、高速回転水流アトマイズ法等の急冷凝固法によりＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系の非晶質軟磁性合金の粉末を作製するに際し、粒子が微細化及び球状化された粉末を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の軟磁性合金粉末は、合金溶湯を急冷凝固することにより作られるものにおいて、合金は、Ｓ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ及びＣを有効元素とする構成であり、Ｓを０.００１重量％〜０.０５重量％含み、残部が実質的にＦｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ及びＣからなり、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ及びＣは、(Ｆｅ1-xＣｒx)a(Ｓｉ1-yＢy)100-a-bＣbとする割合で含まれており、前記式中、ｘ及びｙは原子比、ａ及びｂは原子％を示し、それぞれ、０＜ｘ≦０.０６、０.３≦ｙ≦０.７、７０≦ａ≦８１、０＜ｂ≦２である。
【０００７】
本発明の軟磁性合金粉末はまた、合金溶湯を急冷凝固することにより作られるものにおいて、合金は、Ｓ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｍ(但し、ＭはＮｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一種の元素)を有効元素とする構成であり、Ｓを０.００１重量％〜０.０５重量％含み、残部がＦｅ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｂ及びＭからなり、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｂ及びＭは、Ｆｅ100-a-b-c-dＣｕaＳｉbＢcＭdとする割合で含まれており、前記式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を示し、それぞれ、０.１≦ａ≦３、０＜ｂ＜３０、０＜ｃ≦２５.５、５≦ｂ＋ｃ≦３０、０.１≦ｄ≦３０である。
【０００８】
本明細書中、「実質的」とは、列挙した有効元素の他に、合金の溶製上不可避的に混入する元素(例えば、Ｎ、Ｐ、Ｏなど)を、軟磁性合金としての特性を劣化しない程度に含んでも差し支えないことを意味する。なお、合金の溶製上不可避的に混入する元素の合計量は、合金全体の０.１重量％以下であることが好ましい。
【０００９】
合金に含まれるＳの少なくとも一部は、単体元素の状態で存在することが望ましい。単体元素で存在するＳは、粒子の微細化及び球状化への寄与が大きいためである。Ｓを単体元素として存在させるには、出湯直前の合金溶湯中に単体元素又は混合物の形態で添加すればよい。
ところで、Ｓについては、鉄原料中に化合物として存在し、合金の溶製時に不可避的に含まれるものもあるが、本発明では、そのようなＳも有効元素として取り扱うものとし、前記の不可避的混入元素には含めないものとする。
従って、Ｓの含有量は、合金溶湯中に単体元素又は混合物の形態で添加するものと、合金の溶製時に不可避的に混入するものとの合計量である。
【００１０】
【成分限定理由の説明】
Ｓ：０.００１重量％〜０.０５重量％
本発明のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系非晶質合金は、Ｓを０.００１重量％〜０.０５重量％含んでいる。Ｓは、溶湯が急冷凝固する際、粒子(粉体)サイズを微細化する効果を有しており、これにより球状又は擬似球状の粒子を得ることができる。
Ｓの含有量を０.００１重量％〜０.０５重量％とするのは、含有量が０.００１重量％に満たないと、粒子の微細化効果を得ることができず、一方、０.０５重量％を超えると、粒子が脆くなり、割れや欠けが発生して角ばった粒子が形成され易くなる不都合があるからである。
【００１１】
Ｓの少なくとも一部は、前述したように、単体元素の状態で０.００１重量％〜０.００９重量％含むことが望ましい。
単体元素のＳは、０.００１重量％以上の添加によって粒子の顕著な微細化効果が認められ、その増量と共に微細化はさらに促進され、少なくとも０.００９重量％までは微細化の顕著な向上効果が認められるからである。
なお、単体元素で存在するＳは、鉄原料の化合物として不可避的に含まれるＳよりも、材質の劣化に対する影響が大きいこともあり、この点も考慮すると、単体元素のＳは、０.００９％以内の含有にとどめておくことがより好ましい。
【００１２】
(Ｆｅ1-xＣｒx)a(Ｓｉ1-yＢy)100-a-bＣb
Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ及びＣは、上記式で示される割合で含まれており、式中、ｘ及びｙは原子比、ａ及びｂは原子％を示し、それぞれ、０＜ｘ≦０.０６、０.３≦ｙ≦０.７、７０≦ａ≦８１、０＜ｂ≦２である。
Ｃｒは、合金の耐酸化性及び耐食性を確保するために、前記範囲内で含有させる。
Ｓｉ、Ｂ及びＣは、Ｆｅ基軟磁性合金の非晶質化を向上させるために、前記範囲内で含有させる。
【００１３】
Ｆｅ100-a-b-c-dＣｕaＳｉbＢcＭd
上記式中、Ｍは、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一種の元素である。
Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｂ及びＭは、上記式で示される割合で含まれており、式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を示し、それぞれ、０.１≦ａ≦３、０＜ｂ＜３０、０＜ｃ≦２５.５、５≦ｂ＋ｃ≦３０、０.１≦ｄ≦３０である。
Ｃｕは、後工程の熱処理でナノ結晶化(微結晶化)する際に結晶の核となるため、前記範囲内で含有させる。
Ｓｉ及びＢは、Ｆｅ基軟磁性合金の非晶質化を向上させるために、前記範囲内で含有させる。
Ｍ(Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一種の元素)は、後工程の熱処理でナノ結晶化する際、結晶の粗大化を防ぐ作用があり、前記範囲内で含有させる。Ｍとして、Ｎｂが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の非晶質軟磁性合金粉末は、合金溶湯を急冷凝固することによって作られる。その製造方法の一例として、前述の高速回転水流アトマイズ法について説明する。
図１は高速回転水流アトマイズ装置を示しており、(1)は内周面に冷却水層(9)を形成するための冷却用筒体、(15)は冷却水層(9)の内側の空間部(23)に溶融合金(25)を供給するためのるつぼ、(7)は冷却水を筒体(1)に供給するためのポンプ、(24)は流下した細流状の溶融合金(25)を溶滴に分断すると共に冷却水層(9)へ供給するための噴出ガス(26)を噴出するジェットノズルである。
冷却用筒体(1)は、その上部に、冷却水噴出流路(5)を有する冷却水噴出管(4)が周方向等間隔に複数個形成され、該流路(5)の出口は筒体(1)の内周面に沿って接線方向から冷却水を噴出供給できるように開口している。冷却水層(9)は、ポンプ(7)により供給された冷却水が、冷却用筒体(1)の内周面に沿って旋回しながら下方へ移動することにより形成される。
冷却用筒体(1)の内周面下部には、冷却水層(9)の層厚を調整するためのリング(10)が径方向の寸法調節可能に配備され、下端開口には円筒状の水切り用網体(11)が配備されており、該網体の下側に漏斗状の粉末回収器(12)が取り付けられている。
るつぼ(15)の外周には、加熱用の誘導コイル(18)が設けられ、上蓋には溶融合金を圧送するための不活性ガス(Ａｒ等)導入孔(21)、底部にはノズル孔(20)が形成されている。
【００１５】
るつぼ(15)の中に、Ｓ以外の原料が投入され、誘導コイル(18)によって溶解されて合金溶湯となり、溶融合金(25)が得られる。
溶融合金(25)をノズル孔(20)から出湯する直前に、純硫黄又はフェロ硫黄を投入する。この投入量は、ごく微量であるため、純硫黄では量的制御が困難である。このため、フェロ硫黄のように、混合物の形態で投入すれば、量的制御を都合良く行なうことができ、また溶湯内で溶融後、硫黄は直ちに単体元素の状態になる。
【００１６】
而して、溶融合金(25)は、不活性ガス導入孔(21)から供給された不活性ガスの圧送作用により、ノズル孔(20)を経て、冷却水層(9)の内側空間に供給される。この空間内には、ジェットノズル(24)より冷却水層(9)へ向けて噴出ガス(26)が吹き付けられており、溶融合金(25)はこの噴出ガス(26)によって分断されて、冷却水層(9)へ送られ、急冷凝固によって非晶質化され、合金粉末が得られる。
この合金粉末は、冷却水と共に水切り用網体(11)に入り、冷却水は遠心力作用で網体(11)から放射状に外方へ飛散し、合金粉末は回収器(12)を通って回収される。網体(11)から飛散した冷却水は、冷却水回収槽(13)に入り、排出口(14)を出た後、配管を経てタンク(8)に戻されて循環使用に供される。
【００１７】
【実施例】
次に本発明の具体的実施例を挙げて説明する。
(Ｆｅ0.97Ｃｒ0.03)76(Ｓｉ0.5Ｂ0.5)22Ｃ2からなる非晶質軟磁性合金の粉末No.１〜No.６(表１参照)を作製する。まず、所定通り配合された各種原料をるつぼ内で溶解して合金溶湯とし、溶融合金を得る。No.６については、純度が高くＳを実質的に含まない(０.００１％未満)原料を使用した。それ以外のものについては、Ｓが化合物として含まれる原料を使用した。
【００１８】
また、Ｆｅ73.5Ｃｕ1Ｓｉ13.5Ｂ9Ｎｂ3からなる非晶質軟磁性合金の粉末No.７〜No.１２(表１参照)を作製する。所定通り配合された各種原料をるつぼ内で溶解して合金溶湯とし、溶融合金を得る。No.１２については、純度が高くＳを実質的に含まない(０.００１％未満)原料を使用し、それ以外のものについては、Ｓが化合物として含まれる原料を使用した。
【００１９】
No.１〜No.３、No.５、No.７〜No.９、No.１１については、溶融合金を出湯する直前に、フェロ硫黄を単体元素の形態で合金溶湯に添加して溶解し、前述の要領にて急冷凝固させることにより、合金粉末を得た。
合金溶湯中に添加したフェロ硫黄中のＳ(単体元素として存在するＳ)の重量％と、原料中に化合物として含まれているＳの重量％を夫々、表１に示している。なお、原料中に化合物として含まれるＳの重量％は、合金粉末作製後、合金中に含まれるＳの総重量％を測定し、この測定量から、添加したＳの重量％を引き算することにより求めた。
得られた粉末を、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置により、各粒子径を測定し、平均粒径を求めた。平均粒径を表１に併せて示している。
【００２０】
【表１】
0004217997.tif 000002
【００２１】
No.１〜No.６の供試粉末と、No.７〜No.１２の供試粉末とでは、後者の粉末の方が平均粒径が全体的に大きい。その理由は、合金の含有成分の違いにより、後者の粉末には異形の粒子が数多く形成されたため、平均粒径の測定値が大きくなったものと考えられる。
No.４とNo.６の比較、No.１０とNo.１２の比較により、Ｓ含有による粒子の微細化向上効果が認められる。
No.４とNo.１の比較、No.１０とNo.７の比較により、単体元素で存在するＳによる顕著な粒子微細化向上効果が認められる。
No.１〜No.３の比較、No.７〜No.９の比較からは、単体元素のＳの含有量の増加と共に粒子の微細化が向上することを示している。
No.３とNo.５の比較、No.９とNo.１１の比較により、単体元素のＳは、０.００９％を超えても、粒子のさらなる微細化向上効果は期待できないことを示している。これらの結果から、単体元素としてのＳが顕著な微細化向上効果を発揮するのは、０.００１〜０.００９％の範囲であることがわかる。
なお、No.５とNo.１１については、Ｓの総量が０.０５％を超えており、粒子は微細であるが、脆くなっているため、割れや欠けが数多く発生しており、角ばった粒子が多数存在する結果となった。
【００２２】
No.１とNo.６の粉末について、粒径分布を示すヒストグラムを夫々、図２及び図３に示す。
【００２３】
粒子の球状化状態を観察したところ、粒子が微細であるほど、良好な球状化状態を示していた。
なお、得られた粉末No.１〜No.１２は、Ｘ線回折装置により、アモルファスであることが確認された。また、軟磁性体でもある。
【００２４】
【発明の効果】
Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金の溶湯を急冷凝固させて非晶質軟磁性合金粉末を製造する際、過酷な処理条件によらなくても、得られる粉末は、材料特性を損なうことなく、微細化かつ球状化される。従って、粉末製造コストの低減を達成することができ、また、得られた粉末に所定の成形加工を施す際、良好な成形性を得ることができる。
本発明の非晶質軟磁性合金粉末は、高周波トランス、電子機器のチョークコイル等の磁心材料として好適である。
【００２５】
本発明の非晶質軟磁性合金粉末を原料に用いて、微結晶構造のチョークコイルを作製するに際しては、粉末状態で、合金の結晶化温度より少し高い温度で加熱処理を施して微結晶質軟磁性合金粉末とした後、加圧成形することも可能である。従って、特許請求の範囲に規定される軟磁性合金粉末は、非晶質だけでなく、微結晶構造のものも含む意味と解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高速回転水流アトマイズ装置の一例の要部断面図である。
【図２】発明例のNo.１粉末の粒径分布を示すヒストグラムである。
【図３】比較例のNo.６粉末の粒径分布を示すヒストグラムである。
【符号の説明】
(1)  冷却用筒体
(4)  冷却水噴出管
(5)  冷却水噴出流路
(7)  ポンプ
(9)  冷却水層
(11)  水切り用網体
(15)  るつぼ
(20)  ノズル孔
(21)  不活性ガス導入孔
(24)  ジェットノズル
(25)  溶融合金
【図１】
0004217997.tif 000003
【図２】
0004217997.tif 000004
【図３】
0004217997.tif 000005