JP6227336B2

JP6227336B2 - 軟磁性コアの製造方法

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Publication number: JP6227336B2
Application number: JP2013187092A
Authority: JP
Inventors: 浦田　顕理; 顕理浦田; 芳佐竹
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: JP2015056424A

Description

本発明は、トランスやインダクタ、リアクトルなどに使用されるＦｅ基ナノ結晶合金を用いた軟磁性コアの製造方法に関する。

Ｆｅ基ナノ結晶合金は、高飽和磁束密度と低磁歪の両立が可能な軟磁性材料である。このＦｅ基ナノ結晶合金を用いた軟磁性コアの製造においては、アモルファス構造を有する合金組成物の薄帯を積層してコアを形成し、コアに熱処理を施して微細なｂｃｃＦｅ結晶を析出させる必要がある。

しかし、熱処理によってｂｃｃＦｅ結晶を析出させる際、ｂｃｃＦｅ結晶の結晶化に伴う自己発熱による過剰な温度上昇が起こり、ｂｃｃＦｅ結晶の結晶粒の肥大化とＦｅ−Ｂ、Ｆｅ−ＰなどのＦｅ化合物の析出による軟磁気特性の低下が生じる問題がある。

上記問題の対策として、特許文献１には、微細なｂｃｃＦｅ結晶を析出させる熱処理方法として、アモルファス相を主体とする急冷体を加熱して、ｂｃｃＦｅ結晶の結晶化に伴う発熱が開始した時点で１回目の熱処理を終了し、結晶化の発熱の終了後に２回目の熱処理を行う熱処理方法が開示されている。これにより、結晶化開始温度よりも高く、かつ化合物相を実質的に形成しない温度で熱処理を行うことで、結晶化に伴う自己発熱による過剰な温度上昇を防止して結晶粒の肥大化を防止することができ、軟磁気特性に優れたＦｅ基軟磁性合金の軟磁性コアを製造することができるとしている。

特開２００３−２１３３３１号公報

特許文献１では、ｂｃｃＦｅ結晶の結晶化による自己発熱の開始時点を検出する方法として、熱処理炉内部の雰囲気温度と、アモルファス構造を有する合金組成物を積層したコアの温度を同時に連続して計測し、コアの温度上昇率が雰囲気温度の上昇率よりも高くなった時点を検出することで検知できるとしている。

コアの温度の計測は、実際的には熱処理炉内に収容されている全てのコアについて実施することは製造コストを考慮すると現実的ではないので、温度を計測するコアを限定する必要がある。しかし、ｂｃｃＦｅ結晶の結晶化による自己発熱の開始時点は、炉の場所による温度条件や、熱処理炉の昇温速度、あるいはコアの大きさ、コアの製造時による組成ばらつきなどによって、個々のコアによってばらつきがあるので、限定されたコアによる温度計測では検出にもずれを生じることとなり、コアによっては昇温停止のタイミングに遅れが生じて、結晶化に伴う自己発熱よる過加熱でＦｅ化合物が析出して軟磁気特性が劣化する問題がある。

また、ｂｃｃＦｅ結晶の結晶化に伴う自己発熱を検知して昇温を停止したとしても、炉内温度が降下するには時間遅れが有るので、自己発熱による温度上昇はしばらくの間継続することになり、ｂｃｃＦｅ結晶化温度（第１結晶化温度）とＦｅ−Ｂなどの化合物の結晶化温度（第２結晶化温度）との差が小さいアモルファス合金組成物の場合には、コア内部の温度はＦｅ化合物の結晶化温度を超え、Ｆｅ化合物が析出して軟磁気特性が劣化する問題もある。

本発明は、上記従来技術が抱える問題点を解決し、Ｆｅ化合物の析出を抑制し、軟磁気特性に優れた軟磁性コアの製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明による軟磁性コアの製造方法は、Ｆｅを主成分として、すくなくともＢ、Ｐ、およびＣｕを含有するアモルファス合金薄帯を積層して形成される軟磁性コアの製造方法において、前記アモルファス合金薄帯のすくなくとも一方の面に、吸熱反応温度が、前記アモルファス合金薄帯のｂｃｃＦｅの結晶化による発熱が開始する第１結晶化温度と、Ｆｅ化合物の結晶化による発熱が開始する第２結晶化温度の間にある吸熱反応物質を配置して、熱処理を行うことを特徴とする。

また本発明では、前記吸熱反応物質が、メラミン樹脂、炭酸塩化合物、ＺｎまたはＺｎを含む合金から選択される一種類以上の物質であることが望ましい。

また本発明では、前記軟磁性コアが、前記アモルファス合金薄帯を、トロイダル状に巻いて形成されることが望ましい。

本発明において、第１結晶化温度とは、アモルファス合金薄帯のｂｃｃＦｅの結晶化による発熱が開始する温度であり、第２結晶化温度とは、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−ＰなどのＦｅ化合物の結晶化による発熱が開始する温度である。

また、本発明において、吸熱反応温度とは、吸熱反応による吸熱量が最大となる温度である。

本発明による軟磁性コアの製造方法は、アモルファス合金薄帯に吸熱反応物質を配置して熱処理を行うため、アモルファス合金相から析出するｂｃｃＦｅ結晶の、結晶化による自己発熱による熱量は、吸熱反応物質による吸熱反応によって自律的に吸収することができるので、熱処理炉などのコア外部の温度条件の特別な制御等を必要とせずにコアの過加熱を防ぐことで、結晶粒の肥大化による軟磁気特性の劣化を抑制することが可能となる。

また、吸熱反応物質の吸熱反応温度は、アモルファス合金薄帯の第１結晶化温度と第２結晶化温度の間にあるので、熱処理におけるコアの到達温度は第１結晶化温度を超え、ｂｃｃＦｅ結晶を確実に析出させることができる。一方、吸熱反応温度を超える過加熱は、吸熱反応によって抑制されるので、コアが第２結晶化温度へ到達することはなく、Ｆｅ化合物の析出が防止されるため、優れた軟磁気特性を有する軟磁性コアを得ることが可能となる。

以上のように、本発明によれば、ｂｃｃＦｅ結晶の肥大化と、Ｆｅ化合物の析出を抑制し、優れた軟磁気特性を有する軟磁性コアの製造方法が提供できる。

本発明による軟磁性コアの製造方法の一例を示す図で、図１（ａ）は、軟磁性コアの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ面の部分拡大断面図を示している。本発明の実施例における、アモルファス合金薄帯と吸熱反応物質の示差走査型熱量分析計（ＤＳＣ）によるＤＳＣ曲線を示す。本発明の実施例２、３における、熱処理後の薄帯表面のエックス線回折（ＸＲＤ）の結果を示す。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による軟磁性コアの製造方法の一例を示す図で、図１（ａ）は、片面に吸熱反応物質の層が形成されたアモルファス合金薄帯をトロイダル状に巻いて積層した熱処理前の軟磁性コアの斜視図を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ面の部分拡大断面図を示している。アモルファス合金薄帯２の片面に吸熱反応物質３の層が形成されており、アモルファス合金薄帯２を積層することによって、吸熱反応物質３とアモルファス合金薄帯２が交互に配置されるので、本発明における吸熱作用が効果的に発揮できる。

吸熱反応物質としては、吸熱反応温度がアモルファス合金薄帯の第１結晶化温度と第２結晶化温度の間に有れば、特に限定されない。吸熱反応として昇華を利用する物質、融解を利用する物質、分解反応を利用する物質などを使用することができ、それぞれ昇華温度、融解温度、分解温度が吸熱反応温度として作用する。

昇華を吸熱反応として利用する吸熱反応物質としては、メラミン樹脂が好ましく、特にメラミンシアヌレートは吸熱量が大きく好適である。

融解を吸熱反応として利用する吸熱反応物質としては、ＺｎおよびＺｎを含む合金が好ましい。特にＺｎは融点が４２０℃であり、上述のアモルファス合金薄帯の第１結晶化温度に近く、効率的な吸熱作用を得ることができる。

またＺｎを主成分とするＣｕやＡｌの合金は、融解温度が組成によって変化するので、融解温度すなわち吸熱反応温度を、アモルファス合金薄帯の第１結晶化温度および第２結晶化温度の高低に合わせて選択することができるため好都合である。

分解反応を吸熱反応として利用する吸熱反応物質としては、炭酸マグネシウムや炭酸アルミニウムなどの炭酸塩化合物が好ましい。特に炭酸マグネシウムは吸熱量が大きく好適である。

吸熱反応物質をアモルファス合金薄帯の表面に配置する方法としては、アモルファス合金薄帯の表面に吸熱反応物質の層を形成する方法、吸熱反応物質の薄板をアモルファス合金薄帯と重ねる方法などが有る。これらの方法は、吸熱反応物質の形状に応じて選択することができる。

吸熱反応物質の層を形成する方法としては、吸熱反応物質を溶媒に溶解して塗布する方法、吸熱反応物質の粉末を溶媒中に分散させて塗布する方法などが適用できる。

また、アモルファス合金薄帯を積層してコアを作成後、吸熱反応物質が溶解している溶液または吸熱反応物質が分散している分散液に浸漬して、アモルファス合金薄帯の積層面の隙間に浸透させても良い。

吸熱反応物質が金属の場合にはメッキも適用できるが、アモルファス合金薄帯と吸熱反応物質との密着性は特に必要とはしない。アモルファス合金薄帯の表面に吸熱反応物質の層が形成できれば良く、上記の方法に限定されない。

吸熱反応物質の吸熱量については、アモルファス合金薄帯の第１結晶化温度と吸熱反応物質の吸熱温度との差や、吸熱反応の温度特性などに依存するが、アモルファス合金薄帯のｂｃｃＦｅ結晶化による発熱量と同じ程度か、それよりも多い吸熱量があることが望ましい。

一方、吸熱反応物質の層を形成することによって、軟磁性コア中のＦｅ基ナノ結晶合金の占有率は減少する。したがって吸熱反応物質の層厚としては、占有率の減少による熱処理後の軟磁性コアの軟磁気特性の低下が顕著にならない層厚を選択する必要があり、具体的には、吸熱反応物質の層厚はアモルファス合金薄帯の厚さの１／４以下とすることが望ましい。

軟磁性コアの作製方法としては、片面に吸熱反応物質の層が形成されたアモルファス合金薄帯を、トロイダル状に巻いて積層して作製することができる。また打ち抜きなどの方法によってリング状の薄板に加工し、このリング状の薄板を積層して軟磁性コアを作成しても良い。この場合、吸熱反応物質の層の形成は、アモルファス合金薄帯をリング状に加工した後でも良く、コアを作成したときにアモルファス合金薄帯と吸熱反応物質が交互に積層されていれば良く、順序は問わない。

本発明におけるアモルファス合金薄帯は、Ｆｅを主成分として、少なくともＢ、Ｐ、およびＣｕを含有し、組成式Ｆｅ_ａＢ_ｂＳｉ_ｃＰ_ｘＣ_ｙＣｕ_ｚで表され、７９．０≦ａ≦８６．０ａｔ％、５≦ｂ≦１３ａｔ％、０≦ｃ≦８ａｔ％、１≦ｘ≦１０ａｔ％、０≦ｙ≦５ａｔ％、０．４≦ｚ≦１．４ａｔ％、および０．０６≦ｚ／ｘ≦１．２０である組成に適用できる。例えば、組成式がＦｅ_８３．３Ｂ_８Ｐ_８Ｃｕ_０．７、Ｆｅ_８３．３Ｓｉ_４Ｂ_６Ｐ_６Ｃｕ_０．７、Ｆｅ_８３．３Ｓｉ_４Ｂ_８Ｐ_４Ｃｕ_０．７などのアモルファス合金に適用できるが、これらの組成に限定されることはなく、第１結晶化温度と第２結晶化温度を有するアモルファス合金であれば適用が可能である。また、耐食性の改善や電気抵抗の調整などを目的として、Ｆｅの一部をＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ，Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｙ、Ｎ、Ｏおよび希土類元素のうち１種類以上の元素で、組成全体の３ａｔ％以下を置換し、Ｆｅとの合計が７９．０ａｔ％以上、８６．０ａｔ％以下であっても良く、例えば組成式がＦｅ_８２．３Ｓｉ_４Ｂ_８Ｐ_４Ｃｕ_０．７Ｎｂ_１であるアモルファス合金でもよい。

（実施例１）
組成式がＦｅ_８３．３Ｂ_８Ｐ_８Ｃｕ_０．７となる様に工業鉄、Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｐ合金および電気銅を秤量して高周波誘導加熱炉で溶解し、単ロール液体急冷法を用いて幅３０ｍｍ厚さ２５μｍのアモルファス合金薄帯を作製した。このアモルファス合金薄帯の結晶化温度と、炭酸マグネシウムの吸熱反応温度を示差走査型熱量分析計（ＤＳＣ）を用いて分析を行った。測定結果（ＤＳＣ曲線）を図２に示す。図２より、炭酸マグネシウムの吸熱反応温度は約４３５℃で、アモルファス合金薄帯の第１結晶化温度４０５℃と第２結晶化温度５０５℃の間にあることを確認した。

次に炭酸マグネシウムの粉末をアルコール中に分散させて分散液とし、幅１０ｍｍにスリット加工したアモルファス合金薄帯の表面に塗布した後、室温で２４時間自然乾燥させ、炭酸マグネシウムの層を形成した。層の厚さは４μｍから５μｍであった。

炭酸マグネシウムの層を形成したアモルファス合金薄帯を、トロイダル状に巻いて外径２２ｍｍ、内径１２ｍｍ、重量が２０ｇのコアを作製した。このトロイダル状のコアを、アルゴン雰囲気中にて３８０℃、２０分間熱処理を行い軟磁性コアを作製した。

熱処理後の軟磁性コアに巻き線を施し、インピーダンスアナライザを用いて１ｋＨｚにおける初透磁率を測定した。また交流ＢＨアナライザを用いてコアロスの測定を行った。また熱処理後の薄帯を、エックス線回折（ＸＲＤ）により測定を行い、析出物の同定を行った。結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例１における炭酸マグネシウムを、メラミンシアヌレートに換えて軟磁性コアを作製した。示差走査熱量分析の結果を図２に、初透磁率、コアロスの測定および析出物の結果を表１に示す。図２より、メラミンシアヌレートの吸熱反応温度は約４６０℃である。

（実施例３）
実施例１における炭酸マグネシウムを、Ｚｎに換えて軟磁性コアを作製した。示差走査熱量分析の結果を図２に、初透磁率、コアロスの測定および析出物の結果を表１に示す。図２より、Ｚｎの吸熱反応温度は、Ｚｎの融点と同じ４２０℃である。

（比較例１）
実施例１と同じアモルファス合金薄帯を、幅１０ｍｍにスリット加工し、トロイダル状に巻いて外径２２ｍｍ、内径１２ｍｍ、重量が２０ｇのコアを作製した。このトロイダル状のコアを、実施例と同様にアルゴン雰囲気中にて３８０℃、２０分間熱処理を行い軟磁性コアを作製し、インピーダンスアナライザを用いて１ｋＨｚにおける初透磁率を測定した。また交流ＢＨアナライザを用いてコアロスの測定を行った。結果を表１に示す。

表１より、本発明による軟磁性コアは、初透磁率が大きくコアロスが小さく、軟磁気特性に優れている。比較例１ではＦｅ−Ｐ相やＦｅ−Ｂ相のＦｅ化合物が薄帯中に析出して特性が大幅に低下しているが、本発明である実施例１〜３ではＦｅ−Ｐ相やＦｅ−Ｂ相などのＦｅ化合物は析出しておらず、初透磁率、コアロスとも良好な特性を得た。

図３に、実施例２、３における熱処理後の薄帯表面のエックス線回折（ＸＲＤ）結果を示す。表１に示したようにｂｃｃＦｅ相以外にはアモルファス合金に由来するＦｅ化合物は検出されていない。一方、吸熱反応物質であるメラミンシアヌレート（実施例２）およびＺｎ（実施例３）が表面に残存しているが、軟磁気特性への影響は、Ｆｅ化合物の析出に比べると非常に小さいものである。

以上の通り、アモルファス合金薄帯のすくなくとも一方の面に、吸熱反応温度が前記アモルファス合金薄帯の第１結晶化温度と第２結晶化温度の間にある吸熱反応物質の層を形成して積層したコアを熱処理して軟磁性コアを製造することにより、Ｆｅ化合物の析出を抑制し、軟磁気特性の優れた軟磁性コアの製造方法が得られる。

１軟磁性コア
２アモルファス合金薄帯
３吸熱反応物質

Claims

Ｆｅを主成分として、すくなくともＢ、Ｐ、およびＣｕを含有するアモルファス合金薄帯を積層して形成される軟磁性コアの製造方法において、前記アモルファス合金薄帯のすくなくとも一方の面に、吸熱反応温度が、前記アモルファス合金薄帯のｂｃｃＦｅの結晶化による発熱が開始する第１結晶化温度と、Ｆｅ化合物の結晶化による発熱が開始する第２結晶化温度の間にある吸熱反応物質を配置して、熱処理を行う軟磁性コアの製造方法。
前記吸熱反応物質が、メラミン樹脂、炭酸塩化合物、ＺｎまたはＺｎを含む合金から選択される一種類以上の物質であることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性コアの製造方法。
前記アモルファス合金薄帯を、トロイダル状に巻いて形成される請求項１または請求項２に記載の軟磁性コアの製造方法。
Ｆｅを主成分として、すくなくともＢ、Ｐ、およびＣｕを含有するアモルファス合金薄帯と、前記アモルファス合金薄帯のすくなくとも一方の面に吸熱反応後の物質を備え、前記アモルファス合金薄帯と前記吸熱反応後の物質とが積層して形成された軟磁性コア。