技術論文

粉末工法によるCu-Ni-Fe（クニフェ）
合金線材の製造
柳谷彰彦*

Cu-Ni-Fe Semi-hard Magnetic Rods by Powder Metallurgical Process
Akihiko Yanagitani

Synopsis: Cu-Ni-Fe alloy is the practical semi-hard magnetic material with nominal composition of 60%Cu, 20%Ni and20%Fe(mass%) and it shows spinodal decomposition at 773K (500°C). This alloy has been usually produced bycasting process or powder metallurgical process using water atomized powder and used for magnetic scales.
These two conventional processes, however, should be improved because they needs complicated steps to manage both good magnetic properties and yield. The powder metallurgical process using rapidly solidified gas atomized powder was investigated and developed in this work.
Key words: magnetic, spinodal decomposition, gas atomization, powder metallurgy, hot-extrusion,fcc（ γ ）1．はじめにCu-Ni-Fe（クニフェ）合金はCu-60mass%，Ni20mass%，Fe-20mass%の組成で代表される実用の半硬質磁性材料1）で，古くから磁気式スケール材2），3）としてNiFe-rich（magnetic γ 1）使用されてきた。Cu-Ni二元系平衡状態図はFig.1に示す
ように全率固溶型4）で，Ni-65mass％，350℃近傍でスピFig.2ノーダル分解5）ー10）する系であり，クニフェ合金はこれにCu-rich（non-magnetic γ 2）

Schematic diagram of spinodal decompositionof Cu-Ni-Fe alloy.

Feを添加したものである。つまり，このクニフェ合金はFig.2に示すように，高温でfcc単相（ γ ）領域があり，600℃近傍で時効処理すると γ 相はNiFe-richの強磁性 γ 1相とCu-richの非磁性 γ 2相の2相に分離し，その際にスピノーダル分解によって反応が進行することを利用したものである。そしてスピノーダル分解後の冷間加工により強磁

1600
L

1400

性の γ 1相を細長く延ばし，保磁力および角形性を向上さ1455℃せるものであり，実用的には磁気式スケール材，磁気式表

Temperature/℃

1200
1000

示板などに使用されている。
1085℃

この材料は，古くは鋳造法2）によりインゴットを作製し，γ（Cu，Ni）

800

溶体化処理した後，熱間圧延加工により棒状試料を作製し，その後冷間引き抜きあるいはスウェージングにより直径数600
400354.5℃
65.5％

200

γ 1＋ γ 200 10
CuFig.1*粉末事業部

203040 50 60
mass％

70mmの線材に加工することにより形状異方化し，その後時Tc

効処理し，所望の磁気特性を発現させていた。また鋳造法によるインゴットを作製する方法をとらずに，粉末工法に80

よる製造方法 11）もあった。これは水アトマイズ法により90 100Ni

目的組成の合金粉末を作製し，還元熱処理を行なった後，金属製容器に充填し，所定の温度に加熱し，熱間押出しに

Equilibrium phase diagram of Cu-Ni alloy.

営業グループ長，工博

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粉末工法によるCu-Ni-Fe（クニフェ）合金線材の製造

より棒状材料を作製し，冷間引き抜きあるいはスウェージ

能材料の粉末作製においては、真空溶解および不活性ガス

ングにより直径2〜3mmの線材に加工することにより形状を用いたガスアトマイズ法が有利であり、センダスト系の異方化し，その後時効処理し，所望の磁気特性を発現させ軟磁性材料 15），MnAlC磁石材料 16）などで実用化されてきていた。さらに新しい試みとして，単体粉末からメカニカた。本研究では，真空誘導溶解ならびにアルゴンガスを用も報告されいたガスアトマイズ装置により，合金粉末を作製した。作

ルアロイング法により合金化させる方法

12）ー14）ている。

製した合金の組成をTable1に示す。

しかしながら従来から工業的に用いられてきた上記のいずれの方法も，量産工程としてはいくつかの問題点があり，Table1

Chemical composition of Cu-Ni-Fe alloy.

長く改善が求められてきた。その問題点というのは，鋳造法の場合、作製されたインゴットは結晶粒および成分偏析

CuNiFeが大きく，これに起因して鋳造後の熱間加工および冷間加Bal.

20.08.0

工時に割れが生じたり，磁気特性の劣化を招くことである。
水アトマイズ粉を使用した粉末工法 11）の場合には，合金2・2 固化成形方法

粉末の酸化は避けられず，還元熱処理する必要があり，還合金粉末の固化成形法には，焼結法，ホットプレス法，元熱処理時に粉末が焼結してしまい，粉砕工程を入れなけ

熱間等方プレス法，熱間押出法およびアップセット法 15）ればならないという問題があった。など，その目的に応じて適切な固化成形方法が用いられている。本報では，最終形状として線材を作製することを考

著者は，ガスアトマイズ粉末および熱間押出し法を使用慮し，熱間押出法を用いた。

した粉末工法を用いることにより，従来工法での問題を引き起こすことなく，良好な特性のCu-Ni-Fe（クニフェ）

ガスアトマイズ法により作製した粉末を金属製（S10C）の容器に充填し，ロータリーポンプを用いて1Pa以下の真合金線材を作製できたので報告する。

空度まで真空脱気したのち，脱気孔を封入し，ビレットを2．実験方法作製した。このときの充填密度は約65%であった。作製
したビレットの大きさは，外径185mm，長さ600mmで粉末工法によるCu-Ni-Fe合金線材の製造方法をFig.3あった。に示す。

作製したビレットを雰囲気加熱炉の中で，950℃まで2時間加熱し，2時間保持した後，炉から速やかに取出し，
Gas atomizing

ユージンセジュルネ式押出しプレス機により，直径65mm↓

丸棒に押出した。押出し後の材料は空冷により冷却した。

Canning

押出し後，棒材の表面をガラス取り酸洗した後，矯正を↓行い，さらにピーリング加工し，缶材を除去した。この棒Hot extrusion

材を1mの長さに切断し圧延素材とした。この圧延素材を↓1050℃の加熱炉に入れて保持し，直径63mmの棒材からHot rolling

直径9.5mmまで熱間圧延を行い，コイル状に巻き取った。

↓

このコイルの状態で熱間圧延後1030℃ー1.5時間で溶体Drawing化処理し，水冷により冷却した。溶体化後の直径9.5mm↓の線材を直径5.5mmまで冷間引抜き加工を行い，真空炉

Agingで600℃ー4時間一次時効の熱処理を行った。さらにこの↓

直径5.5mmの線材から直径2.2mmまで冷間引抜きを行った。直径2.2mmにおいて，アルゴンガス雰囲気で540℃

Drawing〜600℃の温度で，2時間二次時効処理を行った。その後↓直線化処理およびセンタレス加工により，直径2.0mmにAging仕上げ，直線材を作製した。
Fig.3

Process flow of Cu-Ni-Fe rod alloy.

3． 実験結果
3・1 粉末の特性

2・1 粉末作製方法
合金粉末の作製方法には様々な方法が用いられている

アルゴンガスや窒素ガスのいわゆる不活性ガスを用いたが、酸化や凝固偏析を嫌う磁性材料をはじめとする各種機

アトマイズ法で作製される粉末はほぼ球状を示し，流動性

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粉末工法によるCu-Ni-Fe（クニフェ）合金線材の製造がよく、充填密度が高いことが特徴である。ガスアトマイ

粉末の断面の凝固組織写真をFig.6に示す。ガスアトマ

ズ粉末の粒径とアトマイズのパラメーターとの間にはイズ法により作製された粉末の凝固はニュートン冷却に従の式（1）がよく知られており，これは粉末うとされており，いわゆる急速凝固が起こっているとされ

Lubanska17）の粒径が溶融金属の温度，溶湯の流量，ガス流量，ガス圧，る。18）作製したCu-Ni-Fe合金粉末の凝固組織の大きさはノズル径などの種々のパラメーターに依存するとするもの

1〜5 µ mであり，本合金粉末も急速凝固されていると考である。工業的量産規模のガスアトマイザーで作製した粉えられる。

末の平均粒径は通常数十 µ mである。本研究で作製した粉末の平均粒径は，約100 µ mであった。その外観写真と粒度分布をFig.4およびFig.5に示す。

Fig.6

Fig.4

Cross-sectional microstructure of Cu-Ni-Fe
atomized powder.

SEM image of Cu-Ni-Fe atomized powder.
3・2 成形体の熱間加工性
熱間押出し加工の予備実験として，100%密度の粉末成りCu-Ni-Fe合金の熱間加工性を検討した。熱間加工性の評価は800℃〜1125℃の温度領域で行った。その結果を8020401020000 2.4 3.3 4.7 6.6 9.4 13 19 27 38 53 75 106 150 212 300
Particle size/ µ m
Fig.5

Particle size distribution of Cu-Ni-Fe atomizedpowder.

ν mM〔 ν W（1＋ A））〕 （1）R.A.
True stress

60.0

30

50.0
40.0

2030.020.0

1010.00.0
700

χ m/D＝K4070.0
Reduction of area/％

60Cumulative/％

30Fig.7に示す

True stress/MPaVol.%
Cumulative%

40Vol./％

形体を粉末据込み法により作製し，グリーブル試験機によ10050800

900 1000 1100
Temperature/℃

01200

1/2

Fig.7gDeformability for Cu-Ni-Fe alloy.

χ m：粉末粒径，D：溶湯ノズル径，K：定数,ν m,：溶湯の動粘性係数， ν g：ガスの動粘性係数，

前記グリーブル試験の結果から，この合金は950℃で熱W：ウェーバー数 ρ V D/ γ ，M：溶湯の流量,間押出加工が可能であると判断し，熱間押出しを行った。

γ ：溶湯の表面張力， ρ ：溶湯の密度，

その結果，950℃では熱間押出しは良好に行われた。比較

V：溶湯に衝突するガス流速,のため1000℃でも同様に押出しを行ったが、押出し時にA：ガス定数，割れが生じた。

250

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粉末工法によるCu-Ni-Fe（クニフェ）合金線材の製造

このことから熱間押出し加工の最適温度は950℃である

加工および直線化加工は良好に行われた。

ことがわかった。

3・4 磁気特性

先のグリーブル試験結果の伸び・絞りの数値およびコイ

先に述べたように、このCu-Ni-Fe合金は，スピノーダル圧延時の温度低下を考慮して， 熱間圧延時の圧延温度ル分解を利用し，冷間加工と時効処理により磁気特性を発は1050℃が最適であると判断した。このデータをもとに，現させるものである。本研究で作製したCu-Ni-Fe合金線

直径63mmの圧延素材から直径9.5mmまで実機で熱間圧材の磁気特性をTable2に示す。残留磁束密度Brは0.265T，延を行った結果，この温度では熱間圧延材は,従来工法材

保磁力bHcは65.0kA/mを示し、実機で要求されるレベルと比較して割れがなく、ヘゲキズのない健全な状態で得ら19）であるBr 0.235T，bHc 54.0kA/m 以上の値を示した。

れた。
3・3 冷間加工性

Table 2

先に述べたように，この材料はスピノーダル分解とそのBr（T）

0.265

4 π Is（T）

0.290

bHc（kA/m）

65.0

BHmax（kA/m）

8.30

後の冷間加工により磁気特性を発現させるものである。したがって，時効処理の前段階つまり熱間加工の最終段階で，いったん溶体化処理を行い，材料を均一にしておく必要がある。

Magnetic properties of Cu-Ni-Fe rod alloy.

溶体化処理は1030℃ー1.5時間，水冷で行った。直径
3・5 機械的性質5.5mmまで冷間引抜加工を行った後，一次時効を600℃ー4時間，空冷で行った。この後，直径2.2mmまで冷間引本研究で作製したCu-Ni-Fe系合金線材の機械的性質を抜加工を行い，二次時効処理として540℃〜600℃の温度

Table3に示す。0.2%耐力は862MPa，伸びは6.5%が得で，2時間二次時効処理を行った。磁気特性におよぼす二ら れ ， 実 機 で 要 求 さ れ る レ ベ ル 19）で あ る 0 . 2 % 耐 力

次時効処理温度の影響をFig.8に示す。この結果から二次735MPa，伸び4%以上の値を示した。

時効の最適温度は，BrおよびbHcが最高値を示す560℃であることが明らかになった。

Table 3Mechanical properties of Cu-Ni-Fe rod.

二次時効後の材料はコイル状に巻かれており、実際にはYield stress（MPa）

直線材として用いられるため，直径2.0mmまでセンタレス加工および直線化を行った。冷間引抜加工，センタレス

862Elongation（％）

6.5

Hardness（HV）

243

Young’s modulus（GPa）

1340.28

Br/T

0.27

4．まとめ0.260.25

スピノーダル分解を利用したCu-Ni-Fe系半硬質磁性材0.240.23540

料について，従来は鋳造圧延工法または水アトマイズ粉末を用いた粉末工法が用いられていた。本研究では，ガスア
560
580
Temperature/℃

600

トマイズ粉末，熱間押出加工法および冷間引抜加工を組み合わせた新しい粉末工法により，Cu-Ni-Fe系合金線材の70作製を試みた。その結果，従来の鋳造圧延工法と比較して熱間圧延時の割れ発生およびヘゲキズの発生が低減でき，

bHc/KA/m65

また水アトマイズ粉末を使用した粉末工法において必要であった還元処理を省略でき，健全なCu-Ni-Fe系合金線材60を作製することができた。
55

文
50540
Fig.8

560580Temperature/℃

献6001）金子秀夫，本間基文：磁性材料，金属工学シリーズ8,（1972），

Aging temperature dependence of magnetic
properties for Cu-Ni-Fe alloy.

185.
2）日本国特許，特公昭55-9814.

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3）日本国特許，特公昭55-4248.

16）A.Yanagitani，A.Okawa and Y.Tanaka：

4）T.B.Massalski：Binary alloy phase diagrams，2nd.ed..，2

J.Mat.Sci.Eng.,A181/A182（1994），1355.

（1990），1444.

17）H.Lubanska：J.Metals,22（1970），45.

5）J.W.Cahn：Acta Met.,9（1961），795.

18）H.Matyia，B.C.Giessen and N.J.Grant：J.Inst.Metals,96（1968），

6）J.W.Cahn：Acta Met.,10（1962）
，179.

30.

7）J.W.Cahn：J.Chem.Phys.,42（1965）
，93.

19）私信

8）平野賢一，浅野和彦：固体物理,1（1966），3.

■著者

9）村上正紀，村上陽太郎：日本金属学会会報,10（1971），215.
10）矢島悦次郎，宮崎 亨：熱処理,12（1972），139.
11）日本国特許，特公平3-61882.
12）J.S.Benjamin：Met.Trans.,1（1970），2943.
13）J.S.Benjamin：Met.Trans.,5（1974），1929.
14）A.Yanagitani，M.Murakami and Y.Tanaka：Materials Transactions，
JIM，37，No.5（1996），1073.
15）柳谷彰彦，村上雅英，柳本 勝，田中義和：日本金属学会会報,30

柳谷彰彦（1991），551.

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