JP2010053407A - 磁性成形体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相対密度が高く、磁気特性が向上した磁性成形体を提供すること。
【解決手段】非晶質の金属Ｍを、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、その金属Ｍが結晶化する温度以上、その金属Ｍの融点未満の温度範囲まで加熱することにより、相対密度が高く、磁気特性が向上した磁性成形体を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性成形体およびその製造方法に関する。

従来、磁気ヘッド、トランス、またはモーターのコアなどには、磁性成形体として、アモルファス合金の圧密体などが用いられている。このような磁性成形体は、モーター等の電気製品の小型化に伴い、磁気特性の向上が求められている。
そこで、高密度にすることで、優れた磁気特性を有する磁性成形体を得る方法として、金属ガラスを、ガラス転移温度以上、結晶化温度未満の過冷却温度領域においてプレス成形する方法が知られている。

例えば、金属ガラス合金粒子を、ガラス転移温度以上、結晶化開始温度以下の過冷却液体の状態で、２００ＭＰa以上の圧力をかけて成形することにより、高密度であるとともに、成形したままの状態において金属ガラス単相組織を有し、かつ優れた軟磁気特性を有し、高い比抵抗を有する金属ガラスからなるバルク状のＦｅ基焼結金属軟磁性材料を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２０４２９６号公報

しかるに、特許文献１に記載される方法では、比較的小さく単純な形状のサンプルとして磁性成形体を得る場合には、サンプル内の温度を過冷却液体の温度に均一に管理できるが、比較的大きく様々な形状の製品として磁性成形体を得ようとすると、サンプル内の温度が不均一になる場合がある。
とりわけ、金属ガラスは、結晶化開始温度の直前まで変形を続けるため、その直前の温度まで昇温することが望ましいところ、製品として磁性成形体を得ようとすると、そのような厳密な温度管理を徹底することは困難である。

そして、サンプル内の温度が不均一になると、焼結後の磁性成形体中に、密度や磁気特性の異なる部分が混在してしまい、その結果、磁性成形体を高密度化しにくく、磁気特性を向上させにくい場合がある。
そこで、本発明の目的は、高密度で、磁気特性が向上した磁性成形体を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の磁性成形体の製造方法は、非晶質の金属を、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、前記金属が結晶化する温度以上、前記金属の融点未満の温度範囲まで加熱する工程を含むことを特徴としている。
また、本発明の磁性成形体は、上記磁性成形体の製造方法により製造され、相対密度が９９．５％以上であることを特徴としている。

本発明の磁性成形体の製造方法では、非晶質の金属を１００ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、その金属が結晶化する温度以上、前記金属の融点未満の温度範囲まで加熱する過程で、過冷却液体領域において高密度化するため、サンプル全体を結晶化温度直前で維持するという厳密な温度の管理を不要とすることができる。その結果、９９．５％以上という高い相対密度を有し、磁気特性が向上した磁性成形体を得ることができる。

本発明の磁性成形体は、非晶質の金属を原料としている。非晶質の金属としては、例えば、Ｆｅ系金属ガラス、Ｃｏ系金属ガラス、Ｎｉ系金属ガラスなどが挙げられ、好ましくは、Ｆｅ系金属ガラスが挙げられる。
非晶質の金属の組成としては、例えば、ＴＭ−Ａｌ−Ｇａ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系（ＴＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属元素）、Ｆｅ−Ｍ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系（Ｍは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕより選ばれる１種または２種以上の元素）などが挙げられる。

具体的には、Ｆｅ系金属ガラスの組成としては、例えば、上記した非晶質の金属の組成において必須元素としてＦｅを含有する組成、すなわち、Ｆｅ−Ａｌ−Ｇａ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｍ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系（Ｍは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕより選ばれる１種または２種以上の元素）などが挙げられ、好ましくは、Ｆｅ−Ｍ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系（Ｍは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕより選ばれる１種または２種以上の元素）が挙げられる。

Ｃｏ系金属ガラスの組成としては、例えば、上記した非晶質の金属の組成において必須元素としてＣｏを含有する組成、すなわち、Ｃｏ−Ａｌ−Ｇａ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系が挙げられる。
Ｎｉ系金属ガラスの組成としては、例えば、上記した非晶質の金属の組成において必須元素としてＮｉを含有する組成、すなわち、Ｎｉ−Ａｌ−Ｇａ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ系が挙げられる。

また、非晶質の金属の形状としては、例えば、粉末状、燐片状などが挙げられ、好ましくは、粉末状が挙げられる。粉末状の非晶質の金属の場合、その平均粒子径は、例えば、１〜２００μｍ、好ましくは、５〜４５μｍである。
また、非晶質の金属の過冷却液体領域の温度幅は、後述する方法で測定され、例えば、１０℃以上、好ましくは、３０℃以上である。

以下、本発明の磁性成形体の製造方法に用いられる製造装置について説明する。
図１は、本発明の磁性成形体の製造方法に用いられる製造装置の一例としての放電プラズマ焼結機の一実施形態を示す要部概略断面図である。
放電プラズマ焼結機１は、図１に示すように、真空チャンバ２、金型３、パンチ４および電極部５を備えている。

真空チャンバ２は、金属などから形成される耐圧容器であり、図示しない真空ポンプなどにより所定の真空度に維持される。
金型３は、炭化タングステンなどから略円筒形状などに形成され、真空チャンバ２内部に配置されている。
パンチ４は、炭化タングステンなどから形成され、その外面が金型３の内面に密接するように、金型３の内部に挿通され、上下方向において、互いに間隔を隔てて対向配置されている。また、各パンチ４は、金型３の内部に対して、その対向方向に沿って進退可能に設けられている。

そして、各パンチ４における金型３の内部側端部の端面と、金型３の内面とにより、非晶質の金属Ｍを収容する収容空間６が形成されている。収容空間６内の非晶質の金属Ｍは、各パンチ４が金型３の内部へ向かって進出することにより、所定の圧力Ｐで加圧される。
電極部５は、各パンチ４における金型３の外部側端部に設けられ、真空チャンバ２の内部と外部との両方にわたって配置されている。電極部５は、図示しない外部電源から、パンチ４を介して、収容空間６内の非晶質の金属Ｍに電力を供給する。

そして、磁性成形体を得るには、まず、磁性成形体を製造する前に、非晶質の金属Ｍのガラス転移温度、および、非晶質の金属Ｍが結晶化する温度（以下、結晶化温度と記載する。）を測定する。
非晶質の金属Ｍのガラス転移温度および結晶化温度は、ＤＳＣ（示差走査熱量測定）により測定できる。あるいは、より実用的な温度を、放電プラズマ焼結機を用いて測定することもできる。まず、成形圧力Ｐで加圧しながら、真空チャンバ２内を、例えば、１０Ｐａ以下、好ましくは、１Ｐａ以下まで減圧する。

そして、真空チャンバ２内を減圧したときの、非晶質の金属Ｍの上下方向長さｔ（図１参照。）をｔ_０とする。
次いで、非晶質の金属Ｍを、前工程と同じ圧力Ｐで加圧しながら、電極部５からパンチ４を介して非晶質の金属Ｍに電力を供給し、例えば、１０℃／分以上、好ましくは、４０℃／分以上の昇温速度で、非晶質の金属Ｍを昇温する。

そして、各温度における非晶質の金属Ｍの上下方向長さｔ_ｘ℃を測定し、ｔ_０とｔ_ｘ℃との差を変位Δｔとする。そして、変位Δｔが増加し始める温度を、ガラス転移温度とし、変位Δｔが最大値となる温度を結晶化温度とする（図２参照。）。
そして、測定されたガラス転移温度および結晶化温度に基づいて、磁性成形体を製造する。

まず、収容空間６内に非晶質の金属Ｍを充填し、各パンチ４を金型３の内部に向かって進出させ、非晶質の金属Ｍを、例えば、５０ＭＰａ以上、好ましくは、１００ＭＰａ以上の圧力Ｐで加圧しながら、真空チャンバ２内を、例えば、１０Ｐａ以下、好ましくは、１Ｐａ以下まで減圧する。
次いで、非晶質の金属Ｍを、例えば、１００ＭＰａ以上、好ましくは、１５０ＭＰａ以上の圧力Ｐで加圧しながら、電極部５からパンチ４を介して非晶質の金属Ｍに電力を供給し、例えば、１０℃／分以上、好ましくは、４０℃／分以上の昇温速度で、非晶質の金属Ｍを昇温する。

そして、非晶質の金属Ｍの温度が、そのガラス転移温度を超過すると、非晶質の金属Ｍは、粘性流動が可能な過冷却液体に状態変化する。このとき、金型３と、各パンチ４とが協働して、非晶質の金属Ｍを所定の形状に成形する。
次いで、非晶質の金属Ｍを、例えば、１００ＭＰａ以上、好ましくは、１５０ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、例えば、１０℃／分以上、好ましくは、４０℃／分以上の昇温速度で昇温する。

そして、非晶質の金属Ｍが、結晶化温度以上に加熱されると、非晶質の金属Ｍは、所定の形状のまま結晶化し、結晶質の金属Ｍになる。
具体的には、非晶質の金属Ｍを、例えば、結晶化温度以上、結晶質の金属Ｍの融点以下、好ましくは、結晶化温度以上、結晶質の金属Ｍの融点以下、かつ、結晶化温度を１００℃超過する温度以下、さらに好ましくは、結晶化温度以上、結晶質の金属Ｍの融点以下、かつ、結晶化温度を２０℃超過する温度以下に加熱する。

なお、結晶化温度以上に加熱した後、その加熱温度を一定時間保持することもでき、すぐに後述の冷却工程に移ることもできる。
次いで、結晶質の金属Ｍを、例えば、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、例えば、放冷により冷却する。
そして、結晶質の金属Ｍを、例えば、２００℃以下、好ましくは、１００℃以下に冷却したときに、放電プラズマ焼結機１から取り出して、磁性成形体を得る。

本発明の磁性成形体の製造方法によれば、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、非晶質の金属Ｍが結晶化する温度以上で加熱するので、過冷却液体の温度管理を不要とすることができる。その結果、相対密度が高く、磁気特性が向上した磁性成形体を得ることができる。
また、本発明の磁性成形体は、９９．５％以上という高い相対密度を有している。そのため、磁性成形体を小型化することができる。

このような本発明の磁性成形体は、例えば、モーターのコア、磁気ヘッド、トランスなどに用いることができる。

以下に、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これら実施例および比較例に何ら限定されるものではない。
（使用原料および使用装置）
以下に、各実施例および各比較例において使用した原料および装置を示す。
・原料
Ｆｅ系金属ガラス粉末（Ｌｉｑｕａｌｌｏｙ、アルプス電気製、組成：Ｆｅ−Ｃｒ−Ｐ−Ｃ−Ｂ−Ｓｉ、平均粒子径：１６．５μｍ）
・製造装置
放電プラズマ成形機（放電プラズマ焼結機、ＳＰＳシンテックス製、金型：炭化タングステン製）
・磁力測定装置
試料振動型磁力計（ＶＳＭ、玉川製作所製）
（磁性成形体の製造方法）
１）ガラス転移温度および結晶化温度の測定
まず、放電プラズマ焼結機の収容空間内にＦｅ系金属ガラス粉末２ｇを充填し、各パンチを金型の内部に向かって進出させ、Ｆｅ系金属ガラス粉末を、３００ＭＰａで加圧しながら、真空チャンバ内を、１Ｐａまで減圧した。

次いで、Ｆｅ系金属ガラス粉末を、３００ＭＰａで加圧しながら、電極部からパンチを介してＦｅ系金属ガラス粉末に電力を供給し、４０℃／分の昇温速度で、Ｆｅ系金属ガラス粉末を昇温した。
そして、温度と変位との関係をプロットして、図２に示すグラフを得た。図２から変位Δｔが増加し始める温度、すなわち、Ｆｅ系金属ガラス粉末のガラス転移温度が、２００℃であり、変位Δｔの増加が停止した温度（Δｔが最大値となる温度）、すなわち、Ｆｅ系金属ガラス粉末の結晶化温度が、４７５℃であることを確認した。
２）磁性成形体の製造
Ｆｅ系金属ガラス粉末２ｇを金型に充填し、放電プラズマ成形機にセットし、真空チャンバ内を、１Ｐａまで減圧した。

次いで、Ｆｅ系金属ガラス粉末を、表１に示す圧力で加圧しながら、４０℃／分の昇温速度で、ガラス転移温度である２００℃を超過するまで昇温した。
引き続き、表１に示す圧力で加圧しながら、４０℃／分の昇温速度で、表１に示す温度まで昇温した。
次いで、表１に示す圧力で加圧しながら、放冷により室温まで冷却し、磁性成形体を得た。
（磁性成形体の評価方法）
下記の方法で、相対密度および磁束密度を測定した。結果を表２に示す。
１）相対密度の測定
得られた磁性成形体の直径、厚みをマイクロメータで測定し、質量を電子天秤で測定し、下記式により、相対密度を計算した。
相対密度（％）＝［質量（ｇ）／｛（直径（ｃｍ）／２）^２×π×厚み（ｃｍ）｝］／金属Ｍの真密度（ｇ／ｃｍ^３）×１００
２）残留磁束密度の測定
得られた磁性成形体の残留磁束密度を、試料振動型磁力計を用いて、１．５９×１０^６Ａ／ｍの磁場中において、測定した。

本発明の磁性成形体の製造方法に用いられる製造装置の一例としての放電プラズマ焼結機の一実施形態を示す要部概略断面図である。 Ｆｅ系金属ガラス粉末を３００ＭＰａで加圧しながら加熱した場合における、温度と変位との関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｍ 金属
Ｐ 圧力

Claims (2)

1. 非晶質の金属を、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、前記金属が結晶化する温度以上、前記金属の融点未満の温度範囲まで加熱する工程を含むことを特徴とする、磁性成形体の製造方法。
2. 請求項１に記載の磁性成形体の製造方法により製造され、相対密度が９９．５％以上であることを特徴とする、磁性成形体。

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