Co基磁性合金及用它製造的磁性部件的製作方法
2023-05-07 07:06:06
專利名稱：Co基磁性合金及用它製造的磁性部件的製作方法
技術領域：
本發明是關於用於大電流用的零相電抗器、電磁屏蔽材料等的噪音處理部件、變頻變壓器、有源濾波器用扼流線圈、天線、平滑扼流線圈、可飽和電抗器、雷射電源、加速器用脈衝電源磁性部件等的高頻磁特性優良的Co基磁性合金及用它製造的高性能磁性部件。
因Fe基納米結晶合金顯示了優良的軟磁特性，被用於共態扼流線圈、高頻變壓器、脈衝變壓器等的磁心。代表的組成體系已知有在特公平4-4393號公報(USP4881989號)和特開平1-242755號公報上記載的Fe-Cu-(Nb，Ti，Zr，Hf，Mo，W，Ta)-Si-B系合金和Fe-Cu-(Nb，Ti，Zr，Hf，Mo，W，Ta)-B系合金等。這些Fe基納米結晶合金採用由通常液相和氣相急冷製成非晶態合金後、通過熱處理使其微晶化的方法而製成。作為由液相急冷的方法，已知的有單輥法、雙輥法、離心急冷法、旋轉液中抽絲法、霧化法和空穴法等。另外，作為由氣相急冷的方法，已知的有濺射法、真空鍍膜法、離子噴鍍法等。由於使採用這些方法製作的非晶態合金微晶化，所以Fe基納米結晶合金幾乎沒有非晶態合金常見的熱不穩定性，並在與Fe系非晶合金同程度的高飽和磁通密度和低磁致伸縮方面顯示優良的軟磁特性，這些已被公知。還已知納米結晶合金隨時間變化小、溫度特性也優良。
本發明擬解決的課題Fe基納米結晶軟磁合金與現有的軟磁性材料相比，在以大體相同的飽和磁通密度的材料的條件下作比較時，比現有的軟磁性材料導磁率高、磁心損失也低，軟磁特性優良。但是，在變壓器等中使用時，最合適的使用頻帶域，在用薄帶材料時，是在數10kHz附近，在更高頻率的用途中則未必有充分的特性可言。另外，在噪音處理部件中使用時，也希望有這樣的材料效果特別大的是在1MHz以下，在更高頻帶域也顯示優良的特性。另外，在高電流用的噪音處理部件的場合，從防止磁心飽和與工作不穩定的觀點出發，希望有顯示低矩形比的磁化曲線，而且在更高頻率的領域顯示優良的特性的材料。在這樣的用途中，在低頻區域比導磁率達數萬的高導磁率材料存在著磁心材料磁飽和的問題，和在高頻下不能得到充分特性的問題。
另外，在可飽和電抗器和加速器等中使用的磁性開關的用途中，為了提高控制性、提高壓縮率、提高效率，作為磁心材料希望是具有高矩形比的低磁心損失的材料。
作為克服上述問題的處理，研究了通過薄膜化降低渦流損失和高電阻粒狀薄膜等。但是，高電阻粒狀薄膜的場合在增加磁性材料的體積上有限度，作為在操縱高能量的脈衝電源和大容量變頻器中使用的磁性開關、變壓器、扼流線圈等的磁心材料使用是困難的。
因而，作為磁心材料即使對於容易增加體積的薄帶材料和塊狀材料，也迫切希望出現在更高頻率下磁特性優良的材料。
可是，雖然通過熱處理使非晶態合金薄帶進行結晶製造的Fe基納米結晶軟磁合金在數百kHz以下的頻帶一般導磁率高，作為線圈部件用材料重要的特性之一的質量係數Q也大致顯示高的值，但在MHz帶以上時，即使進行磁場熱處理等賦予感應磁各向異性，也存在不能得到十分高的Q的問題，在用於因直流重疊造成的材料飽和與3相電源線路用扼流線圈等的場合，存在因信號不平衡造成的磁性飽和問題。
作為Co基納米結晶合金，雖然已知在JP-A-3-249151(US-A-5151137)中記載的合金，但這裡所示的合金含有大量的B化物，即使進行磁場熱處理，在高頻下也存在難以得到高的Q和十分低的矩形比或者十分高的矩形比的特性的問題。解決課題的方法為解決上述問題，本發明者進行了銳意研究，結果發現，用通式(Co1-aFea)100-y-cM′yX′c(原子％)表示，式中M′表示從V、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Sc、Ta及W中選擇的至少一種元素，X′表示從Si及B中選擇的至少一種元素，a、y及c是分別滿足a＜0.35、1.5≤y≤15、4≤c≤30的組成，組織的一部分或全部由平均粒徑50nm以下的晶粒組成，初比導磁率在2000以下的Co基磁性合金在MHz帶域顯示出優良的高頻磁性特徵，據此想到了本發明。
本發明合金是採用將上述組成的金屬熔液通過單輥法等超急冷卻法進行急冷，一旦製成非晶合金後，將其加工，升溫至結晶化溫度以上進行熱處理，形成平均粒徑50nm以下的微晶的方法製作的。熱處理前的非晶合金希望不含結晶相，但也可以含一部分結晶相。熱處理通常在氬氣、氮氣、氦氣等惰性氣體中進行。熱處理期間的至少一部分期間，施加使合金飽和的十分強的磁場進行磁場熱處理，賦予感應磁各向異性。還依存於合金磁心的形狀，一般在薄帶的寬度方向(卷磁心的場合是磁心高度方向)上施加的場合，施加8kA/m以上的磁場。在磁路方向施加磁場進行熱處理的場合，施加8A/m以上的磁場。施加的磁場用直流、交流、反覆的脈衝磁場哪一種都可以。通常在300℃以上的溫度範圍內施加磁場20分鐘以上，在升溫中，保持在一定溫度中及冷卻中也施加的方法，使高頻的Q或矩形比提高，可得到更佳的結果。相反，在無磁場中進行熱處理、不合適的磁場熱處理的場合，高頻磁特性變差。熱處理通常希望在露點-30℃以下的惰性氣體氣氛中進行，若在露點-60℃以下的惰性氣體氣氛中進行熱處理時，可以得到波動小、更佳的結果。熱處理時的最高到達溫度是結晶化溫度以上，通常是450℃至700℃的範圍。保持在一定溫度的熱處理類型的場合，從大量生產的觀點出發，在一定溫度下的保持時間通常是24小時以下，優選是4小時以下。熱處理時的平均升溫速度，優選的是從0.1℃/min至200℃/min，更優選的是從0.1℃/min至100℃/min，平均冷卻速度，優選的是從0.1℃/min至3000℃/min，更優選的是從0.1℃/min至100℃/min，在該範圍可以得到高頻磁特性特別優良的合金。熱處理不是一段，可以進行多段的熱處理和多次熱處理。另外，還可以使直流、交流或脈衝電流流過合金，進行使合金髮熱的熱處理。
經過以上方法製造的本發明合金可以容易地得到初比導磁率為2000以下的特性，而且可以容易地實現在1MHz下Q是4以上、矩形比Br·B8000-1是20％以下的特性，或者矩形比Br·B8000-1是85％的特性。這裡，B8000是施加8000Am-1的磁場場合的磁通密度，B800是施加800Am-1的磁場時的磁通密度。特別是在初比導磁率為1000以下的場合，可以得到Q特別高的好結果。
在本發明中，Fe量比a＜0.35是必要的，a在0.35以上時不能賦予充分的感應磁各向異性，使用時，在與磁化方向大體垂直的方向上一邊施加使合金飽和的充分的磁場、一邊進行熱處理時，導致1MHz下的Q的顯著降低，因而不佳。另外，使用時，在與磁化方向大體相同的方向上一邊施加使合金飽和的充分的磁場、一邊進行熱處理的場合，a在0.35以上時，矩形比容易變低，因而不佳。特別優選的範圍為a＜0.2。在該範圍內，磁致伸縮小，得到高Q或高的矩形比，而且因應力造成的特性劣化也小，得到更好的結果。M′及X′是促進非晶形成的元素。M′是從V、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Sc、Ta及W中選擇的至少一種元素，M′的量y是1.5≤y≤15、X′量c是4≤c≤30的範圍。Y不滿1.5原子％時，熱處理後不能得到微細的晶粒組織、不能得到高Q，因而不佳。Y超過15原子％時，溫度特性差，因而不佳。X′是從Si及B中選擇的至少一種元素。X′量c小於4原子％時，熱處理後的晶粒難以微細化，因而不佳，c超過30原子％時，因導致飽和磁通密度降低，因而不佳。特別是B含有量在4原子％以上15原子％以下的場合，感應磁各向異性變大，得到高的Q或高矩形比的優良特性。
平均粒徑50nm以下的晶粒的其餘部分主要是非晶相。雖然晶粒比率多時，感應磁各向異性變大、更高頻的Q提高，但存在一部分非晶相時可以實現高的電阻率，因晶粒變微細也改善了軟磁特性而得到了好的結果。
本發明合金，根據需要，可用SiO2、MgO、Al2O3等粉末或膜覆蓋合金薄帶表面，通過化成處理進行表面處理，通過陽極氧化處理在表面形成氧化物層、進行層間絕緣等處理，可以得到更好的結果。這樣特別是在通過層間的高頻中可以降低渦流的影響、有改善高頻Q和磁心損失等特性的效果。在表面狀態良好而且由寬幅薄帶構成的磁心中使用的場合，該效果明顯。還有，在由本發明合金製作磁心時，還可以根據需要進行浸漬和塗布等。本發明合金在高頻的用途中可以發揮最好的性能，但也可以用作傳感器和低頻的磁性部件。特別是，在容易使磁性飽和的用途的場合可以發揮優良的特性。
雖然對於薄帶在高頻中用現有薄帶材料也能得到高的Q，但在使用時一邊與磁化方向大體垂直的方向上施加磁場一邊進行過熱處理的本發明合金，用薄膜和粉末就可以得到同樣優良的特性。Q稱為質量係數，用導磁率的實數部μ′和導磁率的虛數部μ″的比表示。它是表示作為高頻磁心材料的性能的特性之一，在製作Q高的線圈部件的場合，損失少，特性優良。
本發明Co基磁性合金的磁化困難的軸向的直流B-H回線呈水平傾斜的形狀，其各向異性磁場Hk通常為950Am-1以上。本合金即使施加大的磁場，材料的磁性也難以飽和，因此適合用於大功率。初比導磁率約為2000以下，即使與同一片厚的現有的納米結晶合金薄帶相比，直至高頻帶，比導磁率都降低，顯示了水平特性。
本發明中，也可以用從Cu、Au中選擇的至少一種元素置換Co、Fe的總量的10原子％以下。通過用Cu、Au置換，使晶粒更微細化，高頻磁特性更提高。最佳的置換量是0.1≤x≤3(原子％)，因在該範圍製造容易，可以得到Q高、特別優良的高頻磁特性。
本發明中也可以用Ni置換Co的一部分。通過置換Ni，可以改善耐蝕性和調整感應磁各向異性。
另外，本發明合金中也可以用從Cr、Mn、Sn、Zn、In、Ag、鉑族金屬元素、Mg、Ca、Sr、Y、稀土類元素、N、O及S中選擇的至少一種元素置換M′的一部分。通過用從Cr、Mn、Sn、Zn、In、Ag、鉑族金屬元素、Mg、Ca、Sr、Y、稀土類元素、N、O及S中選擇的至少一種元素置換M′的一部分，得到了改善耐蝕性、提高電阻率、調整磁特性等的效果。特別是Pd和Pt等鉑族金屬元素可以增大感應磁性的各向異性，可以提高更高頻帶的Q等的特性。
另外，也可以用從C、Ge、Ga、Al及P中選擇的至少一種元素置換X′的一部分。通過用從C、Ge、Ga、Al及P中選擇的至少一種元素置換X′的一部分，有調整磁致伸縮、使晶粒變得細微等的效果。
在本發明合金的一部分中形成平均粒徑50nm以下的晶粒。優選的是上述晶粒佔組織的30％以上的比率，更優選的為50％以上，特別優選的為60％以上。特別希望的平均粒徑是2nm至30nm，在該範圍內，對於1MHz以上的高頻可以得到特別高的Q。
在上述的本發明合金中形成的晶粒主要是以Co作為主體的結晶相，也可以固溶Si、B、Al、Ge和Zr等。另外，也可以含有序晶格。上述結晶相以外的其餘部分主要是非晶相，但實際上在本發明中也僅僅含有由結晶相組成的合金。在含有Cu和Au合金的場合，也有存在含有一部分Cu和Au的面心立方結構的相(fcc)的情況。
另外，在非晶相存在於晶粒周圍的場合，電阻率變高，因晶粒成長受抑制、晶粒變微細，因而改善了軟磁特性，得到更好的結果。
由於本發明合金中不存在化合物相，顯示了更優良的高頻磁特性。
另外，在本發明合金中，平均粒徑50nm以下的晶粒的至少一部分或全部是體心立方結構(bcc)的晶粒的場合，感應磁各向異性變大，顯示了特別優良的高頻磁特性。本發明合金中，平均粒徑50nm以下的晶粒的至少一部分或全部也可以是面心立方結構(fcc)的晶粒，可以得到優良的軟磁特性和低磁致伸縮特性。在本發明合金中，平均粒徑50nm以下的晶粒的至少一部分或全部也可以是含有六方晶(hcp)的晶粒。
本發明的另一項是以上述Co基磁性合金構成作為特徵的磁性部件。用上述本發明合金構成卷磁心或層疊磁心、將導線構成扼流線圈卷，可以實現在高頻顯示高Q的低損失的高性能變壓器、扼流線圈和電感線圈。另外，因由上述本發明合金構成的片，高頻磁特性優良，所以適於噪音處理用部件。另外，在作為調諧式高頻加速空腔諧振用鐵心使用的場合，因顯示高的Q，所以能夠發揮優良的特性。另外，由高矩形比的上述Co基磁性合金構成的磁性部件，在磁性開關磁心等方面能夠實現優良的特性。
圖2是表示本發明的合金的X線衍射圖的一例的圖。
圖3是表示本發明的合金的直流B-H回線的一例的圖。
圖4是表示本發明的合金的飽和磁通密度Bs、矩形比Br/B8000、初比導磁率μr與Fe量a的依賴關係圖。
圖5是表示本發明的合金的感應磁各向異性常數Ku與Fe量a的依賴關係圖。
圖6是表示本發明的合金的Q與Fe量a的依賴關係圖。
圖7是表示本發明的感應磁各向異性常數Ku與熱處理溫度的依賴關係圖。
圖8是表示本發明的感應磁各向異性常數Ku與結晶體積比率X的依賴關係圖。
圖9是表示熱處理後的本發明合金磁心及現有扼流線圈用低導磁率磁心的磁心損失Pcv與頻率的依賴關係圖。
圖10是表示由本發明合金製成的磁心及現有的扼流線圈用磁心的直流重疊特性。
圖11是表示本發明合金的複數導磁率及質量係數Q與頻率依賴關係圖。
圖12是表示本發明合金與現有納米結晶軟磁合金的質量係數Q與頻率的依賴關係圖。
發明的實施方式以下用實施例說明本發明，但本發明不限定於這些內容。
將製作的磁心插入氮氣氣氛的熱處理爐中，按圖1所示的熱處理曲線進行熱處理。熱處理時，在與合金磁心的磁路垂直的方向(合金薄帶的寬度方向)，即磁心的高度方向上施加280kAm-1的磁場。熱處理後的合金結晶化，由電子顯微鏡觀察的結果估計，組織的大部分由粒徑20nm左右的微細的體心立方結構的晶粒組成，晶粒的比率估計為65％左右。結晶相的大部分是體心立方結構。其餘的基體主要是非晶相。圖2示出了X線衍射圖。由X衍射圖可以看出顯示體心立方結構相的結晶峰，沒有看出化合物相的峰。
然後，測定該合金磁心的直流B-H回線、在1MHz下的質量係數Q(＝μ′/μ″)。圖3示出了直流B-H回線，表1示出了所得結果。為進行比較，對本發明以外的Febal.Cu1Nb3Si15.5B6.5合金進行同樣熱處理後的特性也示於表1。本發明合金磁心的B8000是0.97T、1MHz下的交流初比導磁率μriac是270、Br/B8000是1％、1MHz下的Q是18，比本發明以外的合金在高頻中顯示了更高的Q，而且，因顯示出矩形比低、難以飽和的B-H回線，所以適於高頻加速空腔諧振用鐵心和噪音處理用線圈部件。另外，本發明合金在100kHz、0.2T下的磁心損失是260kWm-3，因在數百kHz以下的磁心損失也十分低，所以也可以用於數百kHz以下使用的變壓器和扼流線圈。另一方面，現有合金與本發明合金相比，Q也低，因而較差。
由以上可知在a＜0.35時可以得到大的Q。在a＜0.2時可以得到特別大的Q。
圖11示出了複數導磁率及質量係數Q與頻率的依賴關係。μ′(實數部)直至數MHz大致是恆定的，μ″(虛數部)成為最大的頻率數超過10MHz，頻率特性優良。雖然在該頻帶Q單調地減少，但在1MHz也顯示10以上的高值。圖12示出了本發明合金與現有納米結晶軟磁合金的Q與頻率依賴關係的比較。本發明合金比現有的納米結晶合金從100KHz直到MHz帶有Q高的優點，可知適於天線和高頻用電感器等部件。
另外，熱處理中的磁場施加方向是在與磁心的磁路垂直方向(合金薄帶寬度方向)上施加，熱處理過的本發明合金，由於有難以飽和的特徵，所以也可以不僅在高頻帶而且在低頻帶(商用頻帶數)用於電流傳感器和電抗器等部件中。還有，也可以用於各種傳感器和電磁屏蔽部件。發明的效果按照本發明，由於能夠實現了適用於大電流用零相電抗器、電磁屏蔽材料等的噪音處理部件、變頻變壓器、有源濾波器用扼流線圈、天線、平滑扼流線圈、雷射電源、加速器用脈衝電源磁性部件等的Co基磁性合金及用它製造的高性能磁性部件，所以其效果顯著。
表1
表2
AM非晶相表3
AM非晶相
權利要求
1.一種Co基磁性合金，其特徵在於，用通式(Co1-aFea)100-y-cM′yX′c(原子％)表示，式中M′表示從V、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Sc、Ta及W中選擇的至少一種元素，X′表示從Si及B中選擇的至少一種元素，a、y及c是分別滿足a＜0.35、1.5≤y≤15、4≤c≤30的組成，組織的一部分或全部由平均粒徑50nm以下的晶粒組成，初比導磁率在2000以下。
2.權利要求1所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，B的含有量是4原子％以上15原子％以下。
3.權利要求1或2所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，存在一部分非晶相。
4.權利要求1至3任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，不存在化合物相。
5.權利要求1至4任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，平均粒徑50nm以下的晶粒的至少一部分或全部是體心立方結構的晶粒。
6.權利要求1至5任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，平均粒徑50nm以下的晶粒的至少一部分或全部是面心立方結構的晶粒。
7.權利要求1至6任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，平均粒徑50nm以下的晶粒的至少一部分或全部是六方晶的晶粒。
8.權利要求1至7任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，a＜0.2。
9.權利要求1至8任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，用Ni置換Co的一部分。
10.權利要求1至9任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，用從Cu、Au中選擇的至少一種元素置換Co和Fe的總量的10原子％以下。
11.權利要求1至10任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，用從Cr、Mn、Sn、Zn、In、Ag、鉑族金屬元素、Mg、Ca、Sr、Y、稀土類元素、N、O及S中選擇的至少一種元素置換M′的一部分。
12.權利要求1至11任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，用從C、Ge、Ga、Al及P中選擇的至少一種元素置換X′的一部分。
13.權利要求1至12任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，在1MHz下Q是4以上、矩形比Br·B8000-1是20％以下。
14.權利要求1至13任一項所記載的Co基磁性合金，其特徵在於，矩形比Br·B8000-1是85％以上。
15.一種磁性部件，其特徵在於，該部件是由權利要求1至14任一項所記載的Co基磁性合金構成。
全文摘要
本發明的課題是，實現適用於大電流用零相電抗器、電磁屏蔽材料等的噪音處理部件、變頻變壓器、有源濾波器用扼流線圈、天線、平滑扼流線圈、雷射電源、加速器用脈衝電源磁性部件等的高頻磁特性優良的Co基磁性合金及用它製造的高頻用高性能磁性部件。本發明的構成是，Co基磁性合金，其特徵在於，用通式(Co
文檔編號C22C45/04GK1400327SQ0210542
公開日2003年3月5日 申請日期2002年3月1日 優先權日2001年3月1日
發明者吉澤克仁 申請人:日立金屬株式會社