JP7524664B2 - Fe-based alloy composition, powder and magnetic core of the Fe-based alloy composition - Google Patents
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Description
本発明は、Fe基合金組成物、Fe基合金組成物の粉末及び磁心に関する。 The present invention relates to an Fe-based alloy composition, a powder of the Fe-based alloy composition, and a magnetic core.
FeCuNbSiB系合金を代表とするFe基ナノ結晶合金は、低損失で高い透磁率を有するという優れた磁気特性のため、特に高周波領域での磁性部品として使用されている。 Fe-based nanocrystalline alloys, such as FeCuNbSiB alloys, are used in magnetic parts, especially in the high frequency range, due to their excellent magnetic properties of low loss and high magnetic permeability.
前記Fe基ナノ結晶合金は、合金溶湯を単ロール法等により急冷凝固させてアモルファス合金の薄帯を得た後、熱処理により(Fe-Si)bcc相の微細な結晶粒を析出させることにより、優れた磁気特性を得ることができる(例えば、特許文献1を参照)。以下、(Fe-Si)bcc相の微細な結晶を微細結晶、その粒を微細結晶粒と呼ぶ場合がある。 The Fe-based nanocrystalline alloy can have excellent magnetic properties by obtaining a ribbon of amorphous alloy by rapidly solidifying the molten alloy using a single roll method or the like, and then precipitating fine crystal grains of the (Fe-Si) bcc phase by heat treatment (see, for example, Patent Document 1). Hereinafter, the fine crystals of the (Fe-Si) bcc phase may be referred to as fine crystals, and the grains may be referred to as fine crystal grains.
単ロール法により得られる合金の形態が薄帯であるため、それを使用して作製される磁心の形状は限定的である。例えば、所望とする磁心の高さに相当する幅に合金薄帯をスリットし、所望とする内径及び外径に合わせて合金薄帯を巻回して成形される巻磁心では、その形状は、トロイダル形状、レーストラック形状等の環状に限定される。 Because the alloy obtained by the single roll method is in the form of a thin ribbon, the shape of the magnetic cores that can be made using it is limited. For example, in the case of a wound magnetic core, which is formed by slitting the alloy ribbon to a width corresponding to the desired height of the magnetic core and winding the alloy ribbon to match the desired inner and outer diameters, the shape is limited to annular shapes such as a toroidal shape or a racetrack shape.
他方、要求される磁心形状は環状に限定されず様々である。このため、プレスや押し出し等の成形方法を適用して、複雑な形状の磁心を作製することが出来るように、前記FeCuNbSiB系を含むFe基ナノ結晶合金の粉末化の検討がなされている。
粉末化の方法として、例えば、高圧水アトマイズ法や高速回転水流アトマイズ法(特許文献2)を用いることが出来る。また特許文献3に開示された、溶融金属にフレームジェットを噴射する方法(以下ジェットアトマイズ法とも呼ぶ)を採用しようとする試みもある。
On the other hand, the required magnetic core shape is not limited to annular, but is various. For this reason, powdering of Fe-based nanocrystalline alloys including the FeCuNbSiB system is being studied so that magnetic cores of complex shapes can be manufactured by applying molding methods such as pressing and extrusion.
As a method for powderization, for example, a high-pressure water atomization method or a high-speed rotating water jet atomization method (Patent Document 2) can be used. There is also an attempt to adopt a method of spraying a flame jet to a molten metal (hereinafter also referred to as a jet atomization method) disclosed in Patent Document 3.
しかしながら、単ロール法により合金の薄帯を得る場合に比べて、前述の方法ではFe基ナノ結晶合金の前段階にある合金粉末を得るのに、以下のような課題がある。 However, compared to obtaining a thin alloy ribbon using the single roll method, the above-mentioned method has the following problems in obtaining alloy powder, which is a precursor to an Fe-based nanocrystalline alloy:
(a)単ロール法により得られる合金の薄帯では、鋳造される合金溶湯が、冷却された銅合金のロールに直接接触することで急冷凝固される。一方、前述の高圧水アトマイズ法等のアトマイズ法では、合金溶湯の粒子が冷却媒体である水に接触し冷却される。冷却の際に発生する水蒸気被膜により、合金から水への熱伝達が阻害され、冷却速度が制限される。高速回転水流アトマイズ法では、高速な水流を供給し水蒸気被膜の形成を抑制するが、原理的に水蒸気被膜の発生を無くすことはできないため、単ロール法に比べて冷却速度が制限される傾向がある。 (a) In the case of alloy ribbons obtained by the single roll method, the molten alloy being cast is rapidly solidified by direct contact with a roll of cooled copper alloy. On the other hand, in atomization methods such as the high-pressure water atomization method described above, the particles of the molten alloy are cooled by contacting water, which is a cooling medium. The water vapor film that is generated during cooling inhibits the transfer of heat from the alloy to the water, limiting the cooling rate. In the high-speed rotating water flow atomization method, a high-speed water flow is supplied to suppress the formation of a water vapor film, but since the generation of the water vapor film cannot be eliminated in principle, the cooling rate tends to be limited compared to the single roll method.
また単ロール法により得られる合金薄帯では、合金薄帯の厚さを20μm前後に制御することにより、冷却速度を再現性良く一定に維持し、アモルファス合金とすることが容易である。それに対して、アトマイズ法で得られる合金粉末では、粒径の制御や粒度の均一化は困難であり、粒子の大きさがばらつき、サブμmから数100μm程度の粒度分布を持った粉末となり易い。
得られる合金粉末の理想的な組織は、アモルファス相、又はアモルファス相の一部に微細結晶相の(Fe-Si)bcc相が析出した混合組織(ナノヘテロ構造の初期微結晶合金)である。
一般的に小さい粒子は冷却速度が速く、大きい粒子(特にその内部)では冷却速度が遅くなる。相対的に小粒径の粒子では理想的な組織の合金粉末が得られ易い。一方、大粒径の粒子では冷却速度の不足から、磁気特性を劣化させるFe2Bの結晶が析出した合金となり易い傾向がある。
組織にFe2Bの結晶が多く含まれる合金粉末では、後工程で熱処理により微細な結晶粒を析出させても、磁気特性は低コアロスとならない場合がある。
In addition, in the case of an alloy ribbon obtained by the single roll method, by controlling the thickness of the alloy ribbon to about 20 μm, it is easy to maintain a constant cooling rate with good reproducibility and to obtain an amorphous alloy. In contrast, in the case of an alloy powder obtained by the atomization method, it is difficult to control the particle size or to make the particle size uniform, and the particle size tends to vary, resulting in a powder with a particle size distribution of sub-μm to several hundreds of μm.
The ideal structure of the obtained alloy powder is an amorphous phase or a mixed structure in which a fine crystalline (Fe-Si) bcc phase is precipitated in part of the amorphous phase (primary fine crystalline alloy with a nanoheterostructure).
Generally, small particles have a fast cooling rate, while large particles (especially the interior) have a slow cooling rate. Relatively small particles tend to produce alloy powder with an ideal structure. On the other hand, large particles tend to have an insufficient cooling rate, which tends to result in an alloy in which Fe 2 B crystals are precipitated, which deteriorates the magnetic properties.
In alloy powder containing a large amount of Fe 2 B crystals in the structure, even if fine crystal grains are precipitated by heat treatment in a later step, the magnetic properties may not achieve low core loss.
(b)高周波用途の磁心に使用する場合、高周波の磁束が粒子の表面近傍しか流れない現象(表皮効果)が顕著となる。粉末の形態では、比表面積が小さい大粒径の粒子ほど、その影響が大きい。粉末の表面近傍が磁気飽和に至った場合、粒子は磁性材料としての機能を失うため、高飽和磁束密度Bsの合金組成物を用いた粒子とするのが好ましい。しかしながら、このような合金組成物は、Feの組成量が多く、理想的な組織の合金が得られ難い問題がある。 (b) When used in magnetic cores for high frequency applications, the phenomenon in which high frequency magnetic flux flows only near the surface of the particles (skin effect) becomes prominent. In powder form, the larger the particle size and the smaller the specific surface area, the greater the impact. If the powder surface reaches magnetic saturation, the particles will lose their function as a magnetic material, so it is preferable to use particles made of an alloy composition with a high saturation magnetic flux density Bs. However, such alloy compositions have a high Fe content, making it difficult to obtain an alloy with an ideal structure.
従って、本発明の課題は、溶湯を急冷凝固させて合金粉末としたときに、アモルファス相、又は、アモルファス相と微細結晶相との混合組織を有し、Fe2Bの結晶の生成が抑制されている合金粉末を安定して得ることが可能なFe基合金組成物を提供することである。また、上記した合金粉末を熱処理して得られFe基合金組成物の粉末を提供することである。また、そのFe基合金組成物の粉末を用いて、優れた磁気特性を備える磁心を得ることである。 Therefore, an object of the present invention is to provide an Fe-based alloy composition that can stably provide an alloy powder having an amorphous phase or a mixed structure of an amorphous phase and a fine crystalline phase and in which the formation of Fe 2 B crystals is suppressed when the molten metal is rapidly solidified to form an alloy powder. It is also an object of the present invention to provide a powder of the Fe-based alloy composition obtained by heat treating the above-mentioned alloy powder. It is also an object of the present invention to provide a magnetic core having excellent magnetic properties by using the powder of the Fe-based alloy composition.
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、以下のFe基合金組成物、Fe基合金組成物の粉末及び磁心により前記課題を解決できることを見出し、本発明に想到した。 As a result of intensive research in view of the above object, the inventors discovered that the above problems could be solved by the following Fe-based alloy composition, powder of the Fe-based alloy composition, and magnetic core, and arrived at the present invention.
すなわち本発明は、
合金組成:Fe100-a-b-c-d-e-fCuaSibBcCrdSneMf(ここで、MはNb、Moの少なくとも一方であり、a、b、c、d、e及びfは、原子%で、0.6≦a≦1.8、2.0≦b≦10.0、11.0≦c≦17.0、0≦d≦2.0、0.01≦e≦1.5、及び0<f<1.0を満たす。)を有し、Feが77原子%以上であるFe基合金組成物である。
That is, the present invention provides:
The Fe-based alloy composition has an alloy composition of Fe 100-a-b-c-d-e-f Cu a Si b B c Cr d Sn e M f (wherein M is at least one of Nb and Mo, and a, b, c, d, e and f satisfy, in atomic %, 0.6≦a≦1.8, 2.0≦b≦10.0, 11.0≦c≦17.0, 0≦d≦2.0, 0.01≦e≦1.5, and 0<f<1.0), and contains 77 atomic % or more of Fe.
また、合金粉末は、Crの量が0.1≦d≦2.0である、又は前記Mの量が0.1≦f<1.0であることが好ましい。 In addition, it is preferable that the alloy powder has a Cr content of 0.1≦d≦2.0, or the M content of 0.1≦f<1.0.
前記Fe基合金組成物からなる粉末は、レーザー回折法によって求められる、粒子径と小粒子径側からの積算頻度との関係を示す積算分布曲線において、積算頻度50体積%に対応する粒子径である平均粒径d50が30μm以下であることが好ましい。
そして、合金組織中に平均結晶粒径が10~50nmの(Fe-Si)bcc相の微細結晶粒を20体積%以上有する、Fe基合金組成物の粉末であるのが好ましい。
The powder made of the Fe-based alloy composition preferably has an average particle size d50, which is the particle size corresponding to an accumulated frequency of 50 volume %, of 30 μm or less in an accumulated distribution curve showing the relationship between particle size and accumulated frequency from the small particle size side, determined by a laser diffraction method.
The powder is preferably an Fe-based alloy composition having 20% by volume or more of fine crystal grains of the (Fe-Si) bcc phase with an average crystal grain size of 10 to 50 nm in the alloy structure.
本発明の磁心は、前記Fe基合金組成物の粉末を用いて作製した磁心である。 The magnetic core of the present invention is a magnetic core made using powder of the Fe-based alloy composition.
前記磁心は、コアロス(2MHz,30mT)が10000kW/m3未満であることが好ましい。 The magnetic core preferably has a core loss (2 MHz, 30 mT) of less than 10,000 kW/ m3 .
本発明のFe基合金組成物によれば、溶湯を急冷凝固させて合金粉末としたときに、アモルファス相、又はアモルファス相と微細結晶相との混合組織を有し、Fe2Bの結晶の生成が抑制された合金粉末を得ることが可能となる。この合金粉末を熱処理して得られるFe基合金組成物の粉末を用いることにより、優れた磁気特性を備える磁心が得られる。 According to the Fe-based alloy composition of the present invention, when a molten metal is rapidly solidified to obtain an alloy powder, it is possible to obtain an alloy powder having an amorphous phase or a mixed structure of an amorphous phase and a fine crystalline phase, and in which the formation of crystals of Fe 2 B is suppressed. By using the powder of the Fe-based alloy composition obtained by heat treating this alloy powder, a magnetic core having excellent magnetic properties can be obtained.
以下、本発明のFe基合金組成物、Fe基合金組成物の粉末及び磁心について、実施形態を具体的に説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で適宜変更可能である。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。本明細書において段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
Hereinafter, the Fe-based alloy composition, the powder of the Fe-based alloy composition, and the magnetic core of the present invention will be described in detail with reference to embodiments thereof. However, the present invention is not limited to these embodiments and can be appropriately modified within the scope of the technical concept.
In this specification, a numerical range expressed using "to" means a range including the numerical values described before and after "to" as the lower and upper limits. In the numerical ranges described in stages in this specification, the upper limit or lower limit described in one numerical range may be replaced with the upper limit or lower limit of another numerical range described in stages. In addition, in the numerical ranges described in this specification, the upper limit or lower limit of the numerical range may be replaced with a value shown in the examples.
[1]組成
本実施形態のFe基合金組成物は、合金組成:Fe100-a-b-c-d-e-fCuaSibBcCrdSneMf(ここで、MはNb、Moの少なくとも一方であり、a、b、c、d、e及びfは、原子%で、0.6≦a≦1.8、2.0≦b≦10.0、11.0≦c≦17.0、0≦d≦2.0、0.01≦e≦1.5、及び0<f<1.0を満たす。)を有し、Feが77原子%以上である。また、本実施形態のFe基合金組成物の粉末の合金組成も同一である。
[1] Composition The Fe-based alloy composition of this embodiment has an alloy composition of Fe 100-a-b-c-d-e-f Cu a Si b B c Cr d Sn e M f (wherein M is at least one of Nb and Mo, and a, b, c, d, e, and f satisfy, in atomic %, 0.6≦a≦1.8, 2.0≦b≦10.0, 11.0≦c≦17.0, 0≦d≦2.0, 0.01≦e≦1.5, and 0<f<1.0), and contains 77 atomic % or more of Fe. The alloy composition of the powder of the Fe-based alloy composition of this embodiment is also the same.
前記Fe基合金組成物によれば、単ロール法と比べて冷却速度が制限されやすいアトマイズ法であっても、溶湯を急冷凝固させることにより、理想的なアモルファス相(単相)の合金、又はアモルファス相の一部に微細結晶相の(Fe-Si)bcc相が析出した混合組織の合金(ナノヘテロ構造の初期微結晶合金)が得られやすい。(Fe-Si)bcc相は、体心立方格子(body-centered cubic)構造のFeSi固溶体である。また合金の組織中においてFe2Bの結晶の生成が抑制されたFe基合金組成物の粉末を得ることができる。
微細結晶相は微細な(Fe-Si)bcc相であり、溶湯を急冷凝固させた状態では、透過型電子顕鏡(TEM)で10nm未満の粒状に観察される。クラスターとも呼ばれ、FeとSiに富む領域となっている。本願明細書において、特に断りのない限り、溶湯から急冷凝固によって得られたFe基合金組成物の合金の粉末のことを「合金粉末」と言い、後述するように、この「合金粉末」を熱処理して得られ、相対的に合金粉末よりも合金組織中に多くの微細結晶相の(Fe-Si)bcc相を含む合金組織を有する合金粉末のことを「Fe基ナノ結晶合金粉末」と言う。
According to the Fe-based alloy composition, even in the atomization method in which the cooling rate is more likely to be limited than in the single roll method, it is easy to obtain an ideal amorphous phase (single phase) alloy or an alloy with a mixed structure in which the (Fe-Si) bcc phase of a fine crystal phase is precipitated in a part of the amorphous phase (nanoheterostructure primary microcrystalline alloy) by rapidly solidifying the molten metal. The (Fe-Si) bcc phase is an FeSi solid solution with a body-centered cubic structure. In addition, it is possible to obtain a powder of the Fe-based alloy composition in which the formation of Fe 2 B crystals is suppressed in the alloy structure.
The fine crystal phase is a fine (Fe-Si) bcc phase, and in the state where the molten metal is rapidly solidified, it is observed in the form of grains of less than 10 nm by a transmission electron microscope (TEM). It is also called a cluster, and is an area rich in Fe and Si. In this specification, unless otherwise specified, the alloy powder of the Fe-based alloy composition obtained by rapid solidification from the molten metal is called "alloy powder", and as described later, the alloy powder obtained by heat treating this "alloy powder" and having an alloy structure containing a relatively large amount of the fine crystalline phase (Fe-Si) bcc phase in the alloy structure compared to the alloy powder is called "Fe-based nanocrystalline alloy powder".
ここで、Fe2Bの結晶の生成が抑制されている合金粉末とは、Fe2Bの結晶が生成されていない状態か、ごく微量のFe2Bの微細結晶が析出した状態のことである。
Fe2Bの結晶が生成されていない状態とは、X線回折(XRD)測定の結果、Fe2Bのピークは確認されず、回折ピークのピーク強度は、ベースラインを形成するノイズレベル(不回避的に得られるX線散乱)と同等か、又はそれより低くノイズレベル以下である状態を言う。ごく微量のFe2Bの微細結晶が析出した状態とは、Fe2Bの回折ピークのピーク強度が、ベースラインを形成するノイズレベル(不回避的に得られるX線散乱)よりもわずかに高い状態である。混合相であれば、合金粉末のX線回折(XRD)測定で、(Fe-Si)bcc相(110面)の回折ピークの強度(100%)に対して、Fe2Bの(002面)の回折ピークの強度が3%以下である状態を言う。本実施形態の合金粉末において、これらの回折ピークの強度は、2%以下がより好ましい。
Here, the alloy powder in which the formation of Fe 2 B crystals is suppressed refers to a state in which no Fe 2 B crystals are formed or a state in which an extremely small amount of fine Fe 2 B crystals are precipitated.
The state where Fe 2 B crystals are not generated refers to a state where, as a result of X-ray diffraction (XRD) measurement, no Fe 2 B peak is confirmed, and the peak intensity of the diffraction peak is equal to or lower than the noise level (X-ray scattering obtained unavoidably) forming the baseline. The state where a very small amount of Fe 2 B fine crystals are precipitated refers to a state where the peak intensity of the Fe 2 B diffraction peak is slightly higher than the noise level (X-ray scattering obtained unavoidably) forming the baseline. In the case of a mixed phase, the state where, in the X-ray diffraction (XRD) measurement of the alloy powder, the intensity of the diffraction peak of the (002 plane) of Fe 2 B is 3% or less with respect to the intensity (100%) of the diffraction peak of the (Fe-Si) bcc phase (110 plane). In the alloy powder of this embodiment, the intensity of these diffraction peaks is more preferably 2% or less.
前記合金粉末に後述する熱処理を施すことによって、平均結晶粒径Dが10~50nmの微細結晶相を有するFe基ナノ結晶合金粉末を得ることができる。微細結晶相は(Fe-Si)bcc相であって、アモルファス相からCuクラスター(Cuに富む領域)を起点に結晶化させることによって得られるものや、前記混合組織の微細結晶相が成長したものである。本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末の合金組織は、微細結晶相のみからなっていてもよく、微細結晶相とアモルファス相とからなる混合組織となっていてもよい。すなわち、このFe基ナノ結晶合金粉末は、その粉末の合金組織の全ての領域で平均結晶粒径Dが10~50nmの微細結晶組織となっていなくてもよく、20体積%以上で有すればよい。好ましくは30体積%以上、より好ましくは40体積%以上、より好ましくは50体積%以上、最も好ましくは60体積%以上の領域で、平均結晶粒径Dが10~50nmの微細結晶組織となっていればよい。 By subjecting the alloy powder to the heat treatment described below, it is possible to obtain a Fe-based nanocrystalline alloy powder having a fine crystalline phase with an average crystal grain size D of 10 to 50 nm. The fine crystalline phase is a (Fe-Si) bcc phase, which is obtained by crystallizing an amorphous phase from a Cu cluster (Cu-rich region) as the starting point, or is a phase in which the fine crystalline phase of the mixed structure has grown. The alloy structure of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment may consist of only a fine crystalline phase, or may be a mixed structure consisting of a fine crystalline phase and an amorphous phase. In other words, the Fe-based nanocrystalline alloy powder does not need to have a fine crystalline structure with an average crystal grain size D of 10 to 50 nm in all regions of the alloy structure of the powder, and it is sufficient that it has 20 vol% or more. It is sufficient that the fine crystalline structure has an average crystal grain size D of 10 to 50 nm in the region of preferably 30 vol% or more, more preferably 40 vol% or more, more preferably 50 vol% or more, and most preferably 60 vol% or more.
微細結晶相の平均結晶粒径Dは、Fe基ナノ結晶合金粉末のX線回折(XRD)パターンから、(Fe-Si)bccの回折面(110)でのピークの半値幅(ラジアン角度)を求め、以下Scherrerの式:
D=0.9×λ/((半値幅)×cosθ)
[λ:X線源のX線波長。例えば、X線源CoKαではλ=0.1789nm、X線源CuKα1ではλ=0.15406nm、θはブラッグ角(Bragg angle:回折角2θの半分)を表す。〕]
により求めることができる。
また微細結晶相の体積分率は、合金組織を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、微細結晶相の面積を合計し、観察視野面積に対する比率から算出した値である。
The average crystal grain size D of the fine crystal phase was determined by determining the half-width (radian angle) of the peak in the diffraction plane (110) of (Fe-Si) bcc from the X-ray diffraction (XRD) pattern of the Fe-based nanocrystalline alloy powder, and using the following Scherrer formula:
D = 0.9 × λ / ((half width) × cos θ)
[λ: X-ray wavelength of the X-ray source. For example, λ = 0.1789 nm for the CoKα X-ray source, λ = 0.15406 nm for the CuKα1 X-ray source, and θ represents the Bragg angle (half of the diffraction angle 2θ).]
It can be calculated by:
The volume fraction of the fine crystal phase is a value calculated by observing the alloy structure with a transmission electron microscope (TEM), adding up the areas of the fine crystal phases, and calculating the ratio of this to the area of the observed field.
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末では、その粉末の合金組織の全領域に対して、平均結晶粒径Dが10~50nmの微細結晶相の体積分率は20%以上であるが、20%~60%程度であってもよいし、60%以上であってもよい。微細結晶組織以外の部分は主にアモルファス相の組織である。また、磁気特性に影響しない程度で一部にデンドライト相等の粗大結晶粒が存在していても良い。 In the Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment, the volume fraction of the fine crystalline phase with an average crystal grain size D of 10 to 50 nm is 20% or more relative to the entire region of the alloy structure of the powder, but may be approximately 20% to 60%, or may be 60% or more. The portion other than the fine crystalline structure is mainly an amorphous phase structure. In addition, coarse crystal grains such as a dendrite phase may be present in some areas to the extent that they do not affect the magnetic properties.
上記したFe基合金組成物の組成範囲について、以下詳細に説明する。 The composition range of the Fe-based alloy composition described above is explained in detail below.
Feは、飽和磁束密度Bsを決定する主元素である。高い飽和磁束密度Bsを得るためには、Fe含有量は77.0原子%以上が好ましい。Fe含有量は、より好ましくは79.0原子%以上である。なお、前記合金組成を表す式において、(100-a-b-c-d-e-f)の値には、Fe以外に、前記合金組成を規定する元素以外の不純物を含んでいる。この不純物の含有量は、合計量として、0.2原子%以下が好ましく、0.1原子%以下がより好ましい。 Fe is the main element that determines the saturation magnetic flux density Bs. To obtain a high saturation magnetic flux density Bs, the Fe content is preferably 77.0 atomic % or more. More preferably, the Fe content is 79.0 atomic % or more. In addition to Fe, the value of (100-a-b-c-d-e-f) in the formula representing the alloy composition includes impurities other than the elements that define the alloy composition. The total content of these impurities is preferably 0.2 atomic % or less, and more preferably 0.1 atomic % or less.
アモルファス相からの微細結晶相の形成の起点となるCuクラスターを合金組織内に均一に生成させるために、Cu含有量は0.6原子%以上とする。Cu含有量は、好ましくは0.7原子%以上であり、さらに好ましくは0.8原子%以上であり、さらに好ましくは1.0原子%以上であり、さらに好ましくは1.15原子%以上である。他方、Cu含有量が1.8原子%を超えると、急冷凝固後(熱処理前)の合金粉末中に比較的大きな結晶が生成しやすくなり、熱処理後に粗大結晶粒に成長し、Fe基ナノ結晶合金粉末の磁気特性劣化に到るおそれがある。従って、熱処理後の粗大結晶粒発生を抑制するために、Cu含有量は1.8原子%以下とする。Cu含有量は、好ましくは1.6原子%以下であり、さらに好ましくは1.5原子%以下である。 In order to uniformly generate Cu clusters in the alloy structure, which are the starting points for the formation of a fine crystal phase from an amorphous phase, the Cu content is set to 0.6 atomic % or more. The Cu content is preferably 0.7 atomic % or more, more preferably 0.8 atomic % or more, more preferably 1.0 atomic % or more, and even more preferably 1.15 atomic % or more. On the other hand, if the Cu content exceeds 1.8 atomic %, relatively large crystals are likely to be generated in the alloy powder after rapid solidification (before heat treatment), which may grow into coarse crystal grains after heat treatment, leading to deterioration of the magnetic properties of the Fe-based nanocrystalline alloy powder. Therefore, in order to suppress the generation of coarse crystal grains after heat treatment, the Cu content is set to 1.8 atomic % or less. The Cu content is preferably 1.6 atomic % or less, and even more preferably 1.5 atomic % or less.
Snは、微細結晶相の形成の起点となるCuクラスターを合金組織内に均一に生成させる作用効果を高める元素である。また、熱処理後の粗大結晶粒の生成を抑制する作用効果を有する。つまり、アモルファス相においてCu濃度が比較的低い領域であってもSnの存在によって合金組織内で均一な微細結晶の生成を容易にすることができる。さらに、Snを含有するFe基ナノ結晶合金粉末を用いて作製した磁心はコアロスが小さいものとなりやすい。 Sn is an element that enhances the effect of uniformly generating Cu clusters, which are the starting points for the formation of fine crystal phases, within the alloy structure. It also has the effect of suppressing the generation of coarse crystal grains after heat treatment. In other words, even in areas where the Cu concentration is relatively low in the amorphous phase, the presence of Sn can facilitate the generation of uniform fine crystals within the alloy structure. Furthermore, magnetic cores made using Fe-based nanocrystalline alloy powder containing Sn tend to have small core loss.
Sn含有量は、前記作用効果を顕在化させるために0.01原子%以上とする。Sn含有量は、好ましくは0.05原子%以上であり、より好ましくは0.10原子%以上であり、さらに好ましくは0.15原子%以上であり、さらに好ましくは0.20原子%以上である。他方、Sn含有量は、高い飽和磁束密度を得るために、1.5原子%以下とする。Sn含有量は、より好ましくは1.0原子%以下であり、さらに好ましくは0.8原子%以下であり、さらに好ましくは0.7原子%以下である。Sn含有量がCu含有量を超えると前記作用効果が抑制されるので、SnはCu含有量を超えない範囲(つまり、e≦aである)とするのが好ましい。 The Sn content is 0.01 atomic % or more to realize the above-mentioned action and effect. The Sn content is preferably 0.05 atomic % or more, more preferably 0.10 atomic % or more, even more preferably 0.15 atomic % or more, and even more preferably 0.20 atomic % or more. On the other hand, the Sn content is 1.5 atomic % or less to obtain a high saturation magnetic flux density. The Sn content is more preferably 1.0 atomic % or less, even more preferably 0.8 atomic % or less, and even more preferably 0.7 atomic % or less. If the Sn content exceeds the Cu content, the above-mentioned action and effect are suppressed, so it is preferable that Sn does not exceed the Cu content (i.e., e≦a).
Siは、熱処理により微細結晶相としてFeと合金を生成し、(Fe-Si)bcc相を形成する元素である。また、急冷凝固時にアモルファス形成能に作用する元素である。再現性良く急冷凝固後にアモルファス相を形成させるため、Si含有量は2.0原子%以上とする。Si含有量は、好ましくは3.0原子%以上であり、さらに好ましくは3.5原子%以上である。他方、合金溶湯の粘度の再現性確保、及び急冷生成する合金粉末の粒径の均一性・再現性のためには、Si含有量は10.0原子%以下とする。Si含有量は、好ましくは8.0原子%以下であり、さらに好ましくは7.0原子%以下である。 Si is an element that forms an alloy with Fe as a fine crystal phase by heat treatment, forming the (Fe-Si) bcc phase. It is also an element that affects the ability to form an amorphous phase during rapid solidification. In order to reproducibly form an amorphous phase after rapid solidification, the Si content is set to 2.0 atomic % or more. The Si content is preferably 3.0 atomic % or more, and more preferably 3.5 atomic % or more. On the other hand, in order to ensure reproducibility of the viscosity of the molten alloy and uniformity and reproducibility of the particle size of the alloy powder generated by rapid solidification, the Si content is set to 10.0 atomic % or less. The Si content is preferably 8.0 atomic % or less, and more preferably 7.0 atomic % or less.
B(ホウ素)は、Siと同様に、急冷凝固時にアモルファス形成能に作用する元素である。また、Bは、微細結晶の核となるCu原子を合金組織内(アモルファス相中)に偏在化させず、均一に存在させる作用においても主要な元素である。再現性良く急冷凝固後にアモルファス相を形成させ、前記アモルファス相中にCu原子を均一に存在させるために、B含有量は11.0原子%以上とする。B含有量は、好ましくは11.5原子%以上であり、より好ましくは11.7原子%以上である。また、高い飽和磁束密度Bsを得るために、後述するSi量との合計量とも関係するが、B含有量は17.0原子%以下とする。B含有量は、好ましくは15.5原子%以下である。 B (boron) is an element that acts on the amorphous forming ability during rapid solidification, similar to Si. In addition, B is also a major element in the action of making Cu atoms, which are the nuclei of fine crystals, uniformly present in the alloy structure (in the amorphous phase) without uneven distribution. In order to form an amorphous phase after rapid solidification with good reproducibility and to make Cu atoms uniformly present in the amorphous phase, the B content is set to 11.0 atomic % or more. The B content is preferably 11.5 atomic % or more, and more preferably 11.7 atomic % or more. In addition, in order to obtain a high saturation magnetic flux density Bs, the B content is set to 17.0 atomic % or less, although it is related to the total amount with the Si content described later. The B content is preferably 15.5 atomic % or less.
Si及びBは合金組成中の含有量が比較的多いため、Fe含有量に大きな影響を与える。すなわち、Si含有量及びB含有量が増えると相対的にFe含有量が減少するため、得られるFe基ナノ結晶合金粉末の飽和磁束密度Bsが低下する。高い飽和磁束密度Bsを得るためは、Si含有量及びB含有量の合計量は20.0原子%以下(つまり、b+c≦20.0)が好ましく、19.0原子%以下(b+c≦19.0)がより好ましく、18.5原子%以下(b+c≦18.5)がさらに好ましい。 Since the contents of Si and B in the alloy composition are relatively high, they have a large effect on the Fe content. In other words, as the Si content and B content increase, the Fe content decreases relatively, and the saturation magnetic flux density Bs of the resulting Fe-based nanocrystalline alloy powder decreases. To obtain a high saturation magnetic flux density Bs, the total amount of Si content and B content is preferably 20.0 atomic % or less (i.e., b + c ≦ 20.0), more preferably 19.0 atomic % or less (b + c ≦ 19.0), and even more preferably 18.5 atomic % or less (b + c ≦ 18.5).
Crは合金粉末の耐蝕性向上に効果がある。また、CrはFe基ナノ結晶合金粉末を用いて作製した磁心の直流重畳特性の向上に効果がある。このため、上記の効果を得るためには、Crを含有させることが好ましい。なお、Crは選択元素であり、0原子%でもかまわない。Crを含有させる場合、上記の効果を得るために、Cr含有量は0.1原子%以上とすることが好ましい。Cr含有量は、より好ましくは0.2原子%以上であり、さらに好ましくは0.3原子%以上であり、さらに好ましくは0.4原子%以上である。他方、Crは飽和磁束密度向上に寄与しないため、2.0原子%以下とする。Cr含有量は、好ましくは1.5原子%以下であり、より好ましくは1.3原子%以下であり、より好ましくは1.2原子%以下であり、より好ましくは1.0原子%以下である。 Cr is effective in improving the corrosion resistance of the alloy powder. In addition, Cr is effective in improving the DC superposition characteristics of the magnetic core made using the Fe-based nanocrystalline alloy powder. Therefore, in order to obtain the above effect, it is preferable to contain Cr. Note that Cr is a selective element and may be 0 atomic %. When Cr is contained, in order to obtain the above effect, it is preferable that the Cr content is 0.1 atomic % or more. The Cr content is more preferably 0.2 atomic % or more, even more preferably 0.3 atomic % or more, and even more preferably 0.4 atomic % or more. On the other hand, since Cr does not contribute to improving the saturation magnetic flux density, it is set to 2.0 atomic % or less. The Cr content is preferably 1.5 atomic % or less, more preferably 1.3 atomic % or less, more preferably 1.2 atomic % or less, and more preferably 1.0 atomic % or less.
Nb,Moはともに、アモルファス相中に含まれると、アモルファス相の熱的安定性を向上させる効果がある元素である。FeをNbで置換することにより、溶湯を急冷凝固させて合金粉末とする急冷過程におけるFe2Bの析出を回避しやすくなる。また、1原子%あたり約30℃ほどアモルファス相からFe2Bが析出を開始する温度(析出開始温度Tx2)を上昇させる効果がある。FeをMoで置換した場合はその効果は若干劣るが、1原子%あたり15~20℃程度、Tx2を上昇させる効果がある。これにより、急冷過程におけるFe2Bの析出を回避しやすくなることに加え、結晶化を目的とした熱処理時にも、熱処理温度範囲が広くなるため、熱処理時の温度管理幅も広がり、製造効率を向上させる効果が期待できる。また、本発明者の研究で特にMoには、Tx2を上昇させる効果だけでなく、粉末の形状をより真球に近づける傾向が確認されており、合金粉末を圧縮成形した際の充填率を上昇させる上で有効であると考えられる。他方、Nb,Moともに、常磁性元素で、原子量が大きい元素であるため、1原子%置換することで、飽和磁束密度が約4%程度減少してしまう。上記の傾向を勘案すると、M(Nb,Moの少なくとも一方)の含有量は0<f<1.0原子%が良く、Tx2の上昇、形状安定化の効果を十分得るためには0.1原子%以上が好ましく、さらに好ましくは0.25原子%以上である。他方、飽和磁束密度降下の影響を少なくするためには、0.9原子%以下が好ましく、さらに好ましくは0.75原子%以下である。 Both Nb and Mo are elements that, when contained in the amorphous phase, have the effect of improving the thermal stability of the amorphous phase. By replacing Fe with Nb, it becomes easier to avoid the precipitation of Fe 2 B during the quenching process in which the molten metal is rapidly solidified to form an alloy powder. In addition, there is an effect of raising the temperature at which Fe 2 B starts to precipitate from the amorphous phase (precipitation start temperature Tx2) by about 30°C per atomic %. When Fe is replaced with Mo, the effect is slightly inferior, but there is an effect of raising Tx2 by about 15 to 20°C per atomic %. As a result, in addition to making it easier to avoid the precipitation of Fe 2 B during the quenching process, the heat treatment temperature range is also widened during heat treatment for the purpose of crystallization, so the temperature control range during heat treatment is also widened, and the effect of improving manufacturing efficiency can be expected. In addition, the inventor's research has confirmed that Mo not only has the effect of increasing Tx2, but also has a tendency to make the shape of the powder more spherical, which is considered to be effective in increasing the packing rate when the alloy powder is compressed. On the other hand, since both Nb and Mo are paramagnetic elements with large atomic weights, the saturation magnetic flux density decreases by about 4% when substituted with 1 atomic %. Considering the above tendency, the content of M (at least one of Nb and Mo) is preferably 0<f<1.0 atomic %, and in order to fully obtain the effects of increasing Tx2 and stabilizing the shape, it is preferably 0.1 atomic % or more, and more preferably 0.25 atomic % or more. On the other hand, in order to reduce the effect of the drop in saturation magnetic flux density, it is preferably 0.9 atomic % or less, and more preferably 0.75 atomic % or less.
[2]合金粉末
(1)製造方法
本実施形態の合金粉末は、アトマイズ法等により、前記合金組成を有する合金溶湯を急冷凝固させて得ることができる。この製造方法について、以下詳細に説明する。
[2] Alloy Powder (1) Manufacturing Method The alloy powder of this embodiment can be obtained by rapidly solidifying a molten alloy having the above-mentioned alloy composition by an atomization method, etc. This manufacturing method will be described in detail below.
まず、所望とする合金組成になるように純鉄、フェロボロン、フェロシリコン等の各元素原料を配合し、誘導加熱炉等で加熱し、融点以上として溶融することで、前記合金組成を有する合金溶湯を得る。 First, the raw elements of pure iron, ferroboron, ferrosilicon, etc. are mixed to obtain the desired alloy composition, and then heated in an induction heating furnace or the like and melted above the melting point to obtain a molten alloy having the alloy composition.
この合金溶湯を、アトマイズ法等により急冷凝固させて、合金粉末を製造する。アトマイズ法は種々の方式が知られており、その製造条件は、公知の製造技術から適宜選択することができる。 This molten alloy is rapidly cooled and solidified by atomization or other methods to produce alloy powder. Various types of atomization are known, and the production conditions can be appropriately selected from known production techniques.
上記の方法により得られたFe基合金組成物の合金粉末はアモルファス相単相、又はアモルファス相中に(Fe-Si)bcc相の微細結晶が析出した混合組織で、Fe2Bの結晶の生成が抑制されている。 The alloy powder of the Fe-based alloy composition obtained by the above method has a single amorphous phase or a mixed structure in which fine crystals of the (Fe-Si) bcc phase are precipitated in the amorphous phase, and the formation of Fe 2 B crystals is suppressed.
アトマイズ法で得られる粒子は球形に近く、冷却速度は粒径に大きく依存することが知られている。大気よりも熱交換効率が高い液体中や気体中(例えば、水、Heや水蒸気)を、粉砕された溶湯が高速で通過すると、その表面は高い冷却速度で冷却される。熱伝導に従い内部も冷却されるが、冷却速度にはばらつきがあって、先に固まる表層部と遅れて固まる中心部とで冷却速度に差が発生する。得られる合金粒子が相対的に大径である程に、冷却速度のばらつきは顕著に現れる。そのため、本発明のFe基合金組成物は本製法に適合した組成範囲を定めている。 The particles obtained by the atomization method are close to spherical, and it is known that the cooling rate is highly dependent on the particle size. When the pulverized molten metal passes at high speed through a liquid or gas (e.g., water, He, or steam) that has a higher heat exchange efficiency than air, the surface is cooled at a high cooling rate. The inside is also cooled due to heat conduction, but the cooling rate varies, and a difference occurs between the cooling rate of the surface layer, which solidifies first, and the cooling rate of the center, which solidifies later. The larger the diameter of the obtained alloy particles, the more noticeable the variation in cooling rate becomes. For this reason, the Fe-based alloy composition of the present invention has a composition range that is compatible with this manufacturing method.
[3]Fe基ナノ結晶合金粉末
(1)熱処理
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末は、合金粉末を熱処理し微細結晶化することによって得られる。微細結晶化の熱処理条件は以下の通りである。
[3] Fe-based nanocrystalline alloy powder (1) Heat treatment The Fe-based nanocrystalline alloy powder of the present embodiment is obtained by heat treating the alloy powder to form fine crystals. The heat treatment conditions for the fine crystallization are as follows.
(a)昇温速度
1)微細結晶化に必要な熱処理を施す際には、0.1~1000℃/秒程度の昇温速度が好ましい。
2)合金粉末を合金粉末と反応をしない容器にいれ、一つのバッチで熱処理する。単位面積当たりの合金粉末の深さが10mmを超える場合、微細結晶化による発熱による温度上昇を考慮して、昇温速度を0.1~1℃/秒程度に制御するのが好ましい。
3)合金粉末をロータリーキリルン等で連続的に熱処理する際には、単位時間あたりに運搬される合金粉末の体積(合金粉末の流量)によって、1~1000℃/秒の制御を施すのが好ましい。
(a) Heating Rate 1) When carrying out the heat treatment required for fine crystallization, a heating rate of about 0.1 to 1000° C./sec is preferred.
2) The alloy powder is placed in a container that does not react with the alloy powder and heat-treated as one batch. When the depth of the alloy powder per unit area exceeds 10 mm, it is preferable to control the heating rate to about 0.1 to 1°C/sec, taking into consideration the temperature rise due to heat generation caused by microcrystallization.
3) When the alloy powder is continuously heat-treated in a rotary grinder or the like, it is preferable to control the heat treatment rate to 1 to 1000° C./sec depending on the volume of alloy powder transported per unit time (flow rate of alloy powder).
(b)保持温度(微細結晶化温度)
保持温度は、示差走査熱量計(DSC)によって測定(昇温速度20℃/分)される、第1(低温側)の発熱ピーク(微細結晶相の析出による発熱ピーク)が現れる温度Tx1(微細結晶化温度)以上で、かつ第2(高温側)の発熱ピーク(Fe2Bの結晶や粗大結晶析出による発熱ピーク)が現れる温度Tx2未満の温度であるのが好ましい。
(b) Holding temperature (fine crystallization temperature)
The holding temperature is the temperature Tx1 (the temperature at which the first (lower temperature side) exothermic peak (the exothermic peak due to the precipitation of the fine crystalline phase) appears, as measured by a differential scanning calorimeter (DSC) (heating rate: 20° C./min). The temperature is preferably equal to or higher than the crystallization temperature and lower than the temperature Tx2 at which the second (higher temperature) exothermic peak (exothermic peak due to the precipitation of Fe 2 B crystals or coarse crystals) appears.
(c)保持時間
保持温度における保持時間は、合金粉末を一つのバッチで熱処理する際には、合金粉末が、前記保持温度に到達するように処理量によって適宜設定すれば良く、5分間~60分間が好ましい。合金粉末を連続的に熱処理する際は、一つのバッチで熱処理する場合よりも短時間で良い。最高到達温度で保持される時間は、1~300秒の間が好ましい。
(c) Holding Time When the alloy powder is heat-treated in one batch, the holding time at the holding temperature may be appropriately set depending on the processing amount so that the alloy powder reaches the holding temperature, and is preferably 5 to 60 minutes. When the alloy powder is heat-treated continuously, a shorter time is sufficient than when the alloy powder is heat-treated in one batch. The time for holding at the maximum reaching temperature is preferably between 1 and 300 seconds.
(d)降温速度
Fe基ナノ結晶合金粉末は100℃程度の温度以下となるまで冷却されるが、降温速度は合金粉末の磁気特性に対する影響が小さいため、特に制御する必要はない。生産性を考慮すれば、例えば、200~1000℃/時間で行えば良い。
(d) Cooling rate The Fe-based nanocrystalline alloy powder is cooled to a temperature of about 100° C. or less, but the cooling rate does not have a significant effect on the magnetic properties of the alloy powder, so there is no need to control it. Considering productivity, the cooling rate may be, for example, 200 to 1000° C./hour.
(e)熱処理雰囲気
熱処理雰囲気は、窒素ガス等、非酸化性雰囲気が好ましい。
(e) Heat Treatment Atmosphere The heat treatment atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen gas.
上記熱処理条件によれば、再現性良く、安定してFe基ナノ結晶合金粉末を得ることができる。 The above heat treatment conditions allow for stable and reproducible production of Fe-based nanocrystalline alloy powder.
(f)平均粒径d50
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末は、平均粒径d50が30μm以下であることが好ましい。なお、Fe基ナノ結晶合金粉末の平均粒径d50は、微細結晶化の熱処理前後で、実質的に変わらないので、合金粉末の平均粒径d50としてみることもできる。
アトマイズ等の方法により得られた本実施形態の合金粉末は、粒子の大きさが一定ではなく、広い粒度分布を有している場合が多い。そのため、所望の平均粒径d50とするためには、分級を行うのが好ましい。なお、平均粒径d50は、レーザー回折法によって求められる、粒子径と小粒子径側からの積算頻度との関係を示す積算分布曲線において、積算頻度50体積%に対応する粒子径(メジアン径)のことである。測定装置としては、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(例えば、堀場製作所製LA-920)を用いることが出来る。
(f) Average particle diameter d50
The Fe-based nanocrystalline alloy powder of the present embodiment preferably has an average particle size d50 of 30 μm or less. Note that the average particle size d50 of the Fe-based nanocrystalline alloy powder is substantially the same before and after the heat treatment for microcrystallization. Since this does not change, it can also be regarded as the average particle size d50 of the alloy powder.
The alloy powder of the present embodiment obtained by a method such as atomization often has a wide particle size distribution, with the particle size not being uniform. The average particle size d50 is the value at which the cumulative frequency reaches 50% by volume in a cumulative distribution curve showing the relationship between particle size and cumulative frequency from the small particle size side, which is determined by a laser diffraction method. The median diameter is the corresponding particle diameter. A laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device (for example, LA-920 manufactured by Horiba, Ltd.) can be used as the measuring device.
合金粉末あるいはFe基ナノ結晶合金粉末を分級し、粒径の大きい粒子を除くオーバーカットを行うことで平均粒径d50を調整し、30μm以下とすることが好ましい。より好ましくは29μm以下であり、さらに好ましくは28μm以下である。 The alloy powder or Fe-based nanocrystalline alloy powder is classified and overcut to remove large particles, thereby adjusting the average particle size d50 to 30 μm or less. It is more preferable that the average particle size d50 is 29 μm or less, and even more preferable that the average particle size d50 is 28 μm or less.
この合金粉末あるいはFe基ナノ結晶合金粉末の平均粒径d50は、分級により、例えば、平均粒径d50を20μm以下とすること、あるいは15μm以下とすること、あるいは10μm以下とすること、さらには5μm以下、1μm以下とすることもできる。一方、あまりにも小さい平均粒径d50とすることは、Fe基ナノ結晶合金粉末としての所望の磁気特性が得られない可能性もある。例えば、平均粒径d50は一般に磁区幅として定義される0.05μmを超える0.1μm以上であって、好ましくは、0.3μm以上、より好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上としても良い。 The average particle size d50 of this alloy powder or Fe-based nanocrystalline alloy powder can be, for example, 20 μm or less, 15 μm or less, 10 μm or less, or even 5 μm or less, or 1 μm or less, by classification. On the other hand, if the average particle size d50 is too small, it may not be possible to obtain the desired magnetic properties of the Fe-based nanocrystalline alloy powder. For example, the average particle size d50 is 0.1 μm or more, which exceeds 0.05 μm, which is generally defined as the magnetic domain width, and is preferably 0.3 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and even more preferably 1 μm or more.
合金粉末あるいはFe基ナノ結晶合金粉末は、用途によって好適な大きさが異なるため、用途に応じて好適な粒径の粉末となるように分級を行うのが好ましい。したがって、合金粉末あるいはFe基ナノ結晶合金粉末の平均粒径d50は、その用途に応じて、適宜設定することができる。また、分級により、粒径の幅(粒径の上限と下限)を適宜設定することもできる。 The suitable size of the alloy powder or Fe-based nanocrystalline alloy powder varies depending on the application, so it is preferable to classify the powder to obtain a suitable particle size depending on the application. Therefore, the average particle size d50 of the alloy powder or Fe-based nanocrystalline alloy powder can be set appropriately depending on the application. In addition, the particle size range (upper and lower limits of the particle size) can be set appropriately by classification.
(g)粒径が調節された合金粉末
例えば、合金粉末(あるいはFe基ナノ結晶合金粉末)を篩いで分級して、40μm超の粒径の粉末が粉末全体の10質量%以下であり、20μm超40μm以下の粒径の粉末が粉末全体の30質量%以上90質量%以下であり、20μm以下の粒径の粉末が粉末全体の5質量%以上60質量%以下とすることもできる。40μm超の粒径の合金粉末は、安定してアモルファス相、又はアモルファス相と微細結晶相との混合組織が得られにくい場合があるため、40μm超の粒径の粉末は10質量%以下とするのが好ましい。40μm超の粒径の粉末は、5質量%以下であるのがより好ましく、0質量%であるのが最も好ましい。つまり本実施形態の合金粉末やFe基ナノ結晶合金粉末では、一部にアモルファス相、又はアモルファス相と微細結晶相との混合組織となっていない粉末、あるいは合金組織中に平均結晶粒径が10~50nmの(Fe-Si)bcc相の微細結晶粒を20体積%以上有する組織となっていない粉末を含んでいても良い。
(g) Alloy powder with adjusted particle size For example, the alloy powder (or Fe-based nanocrystalline alloy powder) can be classified with a sieve so that the powder with a particle size of more than 40 μm is 10% by mass or less of the entire powder, the powder with a particle size of more than 20 μm and less than 40 μm is 30% by mass or more and 90% by mass or less of the entire powder, and the powder with a particle size of 20 μm or less is 5% by mass or more and 60% by mass or less of the entire powder. Since it may be difficult to obtain a stable amorphous phase or a mixed structure of an amorphous phase and a fine crystal phase with an alloy powder with a particle size of more than 40 μm, it is preferable that the powder with a particle size of more than 40 μm is 10% by mass or less. It is more preferable that the powder with a particle size of more than 40 μm is 5% by mass or less, and most preferably 0% by mass. In other words, the alloy powder and the Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment may contain powder that is not in an amorphous phase or a mixed structure of an amorphous phase and a fine crystalline phase, or powder that does not have a structure in which the alloy structure contains 20 volume % or more of fine crystal grains of the (Fe-Si) bcc phase with an average crystal grain size of 10 to 50 nm.
Fe基ナノ結晶合金粉末の粒度分布を調整することで所望の磁気特性を得ることができる。例えば、20μm以下の粒径の粒子を多く含めば、高周波用途の磁心に好適なFe基ナノ結晶合金粉末が得られ、20μm超40μm以下の粒径の粒子を多く含めば、高い初透磁率μi及び優れた直流重畳特性を有する磁心に好適なFe基ナノ結晶合金粉末を得られやすい。 By adjusting the particle size distribution of the Fe-based nanocrystalline alloy powder, the desired magnetic properties can be obtained. For example, if the powder contains a large number of particles with a particle size of 20 μm or less, an Fe-based nanocrystalline alloy powder suitable for magnetic cores for high frequency applications can be obtained, and if the powder contains a large number of particles with a particle size of more than 20 μm and less than 40 μm, an Fe-based nanocrystalline alloy powder suitable for magnetic cores with high initial permeability μi and excellent DC superposition properties can be easily obtained.
[4]磁心
(1)磁心用粉末
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末は、それ単独で、磁心用粉末として用いることができる。また、本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末と、さらに他の軟磁性材料の粉末との混合粉末にすることで、それぞれの異なる磁気的特徴を活用・補完し、磁心として用いた場合に、磁心損失の増加、透磁率の低下を抑えながら、重畳特性を改善する磁心用粉末とすることもできる。
[4] Magnetic core (1) Magnetic core powder The Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment can be used alone as a magnetic core powder. In addition, by mixing the Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment with powder of another soft magnetic material, the different magnetic characteristics of each material can be utilized and complemented, and when used as a magnetic core, the magnetic core powder can be used to improve the superposition characteristics while suppressing the increase in magnetic core loss and the decrease in magnetic permeability.
他の軟磁性材料の粉末としては、Fe系非晶質合金粉末や、純鉄、Fe-Si、Fe-Si-Crの結晶質の金属系軟磁性材料の粉末等が挙げられる。 Other examples of soft magnetic material powders include Fe-based amorphous alloy powders, and powders of crystalline metal-based soft magnetic materials such as pure iron, Fe-Si, and Fe-Si-Cr.
(2)磁心の作製
Fe基ナノ結晶合金粉末に、シリコーン樹脂等のバインダーと、有機溶剤を加えて、混錬し、造粒した後、有機溶剤を蒸発させて顆粒とする。前記顆粒をプレス金型に充填し、プレス成型して成形体とする。成形体を加熱し、バインダーを硬化して磁心を得る。
(2) Preparation of magnetic core: Fe-based nanocrystalline alloy powder is mixed with a binder such as silicone resin and an organic solvent, granulated, and then the organic solvent is evaporated to obtain granules. The granules are filled into a press die and pressed into a molded body. The molded body is heated to harden the binder, and the magnetic core is obtained.
バインダーとしては、他に、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、水ガラス等などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。磁心用粉末とバインダーとの混合物に、必要に応じて、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を混ぜても良い。油圧プレス成形機等で1MPa~2GPa程度の成形圧力で所定の形状に成形する。次いで、成形体を300℃~微細結晶化温度Tx1未満の温度で、1時間程度で熱処理して、成形歪みを除去するとともにバインダーを硬化させて磁心を得る。この場合の熱処理雰囲気は不活性雰囲気でも酸化雰囲気でも良い。得られる磁心は、円環状や、矩形枠状等の環状体であってもよいし、棒状や板状、更に複雑な形状であっても良く、その形態は目的に応じて様々に選択することができる。 Other examples of binders include, but are not limited to, epoxy resin, unsaturated polyester resin, phenol resin, xylene resin, diallyl phthalate resin, polyamide-imide, polyimide, water glass, etc. A lubricant such as zinc stearate may be mixed into the mixture of magnetic core powder and binder, if necessary. The mixture is molded into a desired shape at a molding pressure of about 1 MPa to 2 GPa using a hydraulic press molding machine or the like. The molded body is then heat-treated for about 1 hour at a temperature of 300°C to a temperature lower than the microcrystallization temperature Tx1 to remove molding distortion and harden the binder to obtain a magnetic core. The heat treatment atmosphere in this case may be an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere. The obtained magnetic core may be an annular body such as a circular ring or a rectangular frame, or may be a rod or plate, or may have a more complex shape, and the shape can be selected in various ways depending on the purpose.
磁心用粉末とバインダーとを含む混合物中にコイルを埋没させて一体成形しても良い。例えばバインダーに熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を適宜選択すれば、射出成形等の公知の成形手段で容易にコイルを封止したメタルコンポジットコア(コイル部品)とすることができる。 The coil may be embedded in a mixture containing magnetic core powder and a binder and molded as a single unit. For example, if a thermoplastic resin or a thermosetting resin is appropriately selected as the binder, a metal composite core (coil component) with a coil sealed therein can be easily produced by known molding methods such as injection molding.
いずれの場合も、得られる磁心は磁気特性に優れたものと成り、インダクタ、ノイズフィルタ、チョークコイル、トランス、リアクトルなどに好適に用いられる。 In either case, the resulting magnetic core has excellent magnetic properties and is suitable for use in inductors, noise filters, choke coils, transformers, reactors, etc.
(3)飽和磁束密度Bs
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末は、飽和磁束密度Bsが1.45T以上であることが好ましい。さらに好ましくは1.47T以上であり、さらに好ましくは1.48T以上であり、さらに好ましくは1.50T以上である。なお、飽和磁束密度Bsは、磁場Hを800kA/mまで印加して得られたB-HループでのBの最大値とする。また、VSM(振動試料型磁束計)で、磁場Hを800kA/mまで印加して得られたM-Hループ(磁化曲線)での飽和磁化Msから算出しても良い。
(3) Saturation magnetic flux density Bs
The Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment preferably has a saturation magnetic flux density Bs of 1.45 T or more. More preferably, it is 1.47 T or more, even more preferably, it is 1.48 T or more, and even more preferably, it is 1.50 T or more. The saturation magnetic flux density Bs is the maximum value of B in a B-H loop obtained by applying a magnetic field H up to 800 kA/m. It may also be calculated from the saturation magnetization Ms in an M-H loop (magnetization curve) obtained by applying a magnetic field H up to 800 kA/m using a VSM (vibrating sample magnetometer).
(4)コアロス
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末を用いて作製した磁心は、周波数2MHz、磁束密度30mTの条件で、コアロスが10000kW/m3未満であることが好ましい。より好ましくは、9500kW/m3以下であり、さらに好ましくは9000kW/m3以下である。
(4) Core Loss The magnetic core produced using the Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment preferably has a core loss of less than 10,000 kW/ m3 under conditions of a frequency of 2 MHz and a magnetic flux density of 30 mT. More preferably, the core loss is 9,500 kW/ m3 or less, and even more preferably, the core loss is 9,000 kW/ m3 or less.
(5)直流重畳特性
本実施形態のFe基ナノ結晶合金粉末を用いて作製した磁心に、絶縁被覆導線を所定のターン数で巻回した後、導線の2端を、LCRメータ及び直流電流源に接続することで、各重畳電流におけるインダクタンスLを測定できる。磁心形状から、磁路長及び断面積を算出し、前記インダクタンスLから、透磁率μを求めることができる。直流重畳電流を流さない場合、初透磁率μi(磁場強度H=0A/m)を測定できる。また、磁場強度H=10kA/mの直流磁場が発生する重畳電流では、透磁率μ10kを測定できる。
(5) DC Superposition Characteristics After winding an insulating coated conductor wire with a predetermined number of turns around a magnetic core made using the Fe-based nanocrystalline alloy powder of this embodiment, the two ends of the conductor wire are connected to an LCR meter and a DC current source, and the inductance L at each superposition current can be measured. The magnetic path length and cross-sectional area are calculated from the magnetic core shape, and the magnetic permeability μ can be obtained from the inductance L. When no DC superposition current is applied, the initial magnetic permeability μi (magnetic field strength H=0 A/m) can be measured. In addition, with a superposition current that generates a DC magnetic field with a magnetic field strength H=10 kA/m, the magnetic permeability μ10k can be measured.
本実施形態の磁心において、磁心の透磁率μ10kは、12.5以上が好ましく、12.8以上がより好ましく、13.5以上がより好ましい。μ10k/μi(増分透磁率Δμともいわれる指標)は、0.88以上が好ましく、0.89以上がより好ましく、0.90以上がさらに好ましい。初透磁率μiは、9.0以上が好ましく、10.0以上がより好ましく、11.0以上がさらに好ましく、12.0以上がさらに好ましく、13.0以上がさらに好ましく、14.0以上がさらに好ましく、14.5以上がさらに好ましく、15.0以上がさらに好ましい。 In the magnetic core of this embodiment, the magnetic permeability μ10k of the magnetic core is preferably 12.5 or more, more preferably 12.8 or more, and more preferably 13.5 or more. μ10k/μi (an index also known as incremental magnetic permeability Δμ) is preferably 0.88 or more, more preferably 0.89 or more, and even more preferably 0.90 or more. The initial magnetic permeability μi is preferably 9.0 or more, more preferably 10.0 or more, even more preferably 11.0 or more, even more preferably 12.0 or more, even more preferably 13.0 or more, even more preferably 14.0 or more, even more preferably 14.5 or more, and even more preferably 15.0 or more.
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に制限されるものではない。 The present invention will be specifically explained below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(1) 実施例1~5及び比較例1
Fe基合金組成物として、表1に示す合金A~Fの合金組成になるように、純鉄、フェロボロン、フェロシリコン等の各元素原料を配合し、誘導加熱炉で加熱し、融点以上として溶融した合金溶湯を、特許文献3に記載の急冷凝固装置(ジェットアトマイズ装置)を用いて、急冷凝固させ、合金粉末を得た。フレームジェットの推定温度は1300~1600℃、水の噴射量は4~5リットル/分で行った。
示差走査熱量計(DSC)によって測定(昇温速度20℃/分)した、第1の発熱ピークが現れる温度Tx1(微細結晶化温度)と第2(高温側)の発熱ピークが現れる温度Tx2も表1に示す。
(1) Examples 1 to 5 and Comparative Example 1
The Fe-based alloy compositions were prepared by blending the various elemental raw materials such as pure iron, ferroboron, and ferrosilicon so as to obtain the alloy compositions A to F shown in Table 1, heating them in an induction heating furnace, and melting the molten alloy at or above the melting point, followed by rapid solidification using the rapid solidification device (jet atomization device) described in Patent Document 3, to obtain alloy powders. The estimated temperature of the flame jet was 1300 to 1600° C., and the amount of water injected was 4 to 5 liters/min.
Table 1 also shows the temperature Tx1 (microcrystallization temperature) at which the first exothermic peak appears and the temperature Tx2 at which the second (higher temperature) exothermic peak appears, which were measured by a differential scanning calorimeter (DSC) (heating rate: 20° C./min).
得られた合金粉末を目開き32μmの篩いで分級した。篩を通過したそれぞれの合金粉末の粒度分布を、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所製LA-920)を用いて評価した。それぞれの合金粉末の平均粒径d50は、表2に示す値であった。また積算頻度90体積%に対応する粒子径であるd90も表2に示した。 The obtained alloy powder was classified using a sieve with 32 μm mesh. The particle size distribution of each alloy powder that passed through the sieve was evaluated using a laser diffraction scattering type particle size distribution measuring device (LA-920 manufactured by Horiba, Ltd.). The average particle size d50 of each alloy powder was the value shown in Table 2. Table 2 also shows d90, which is the particle size corresponding to an accumulated frequency of 90% by volume.
X線回折(XRD)測定の結果、実施例1~5の合金粉末は、アモルファス相と微細結晶相の(Fe-Si)bccピークとの混合組織からなることを確認した。なおFe2Bのピークは、確認できなかった。ここで、(Fe-Si)bccピークとは、前述の(Fe-Si)bcc相(110面)の回折ピークのことであり、Fe2Bのピーク(2θ=50°近傍、及び67°近傍)はそれぞれFe2Bの(002面)の回折ピーク、及び(022面)と(130面)とが合成された回折ピークのことである。
比較例1の合金Fの合金粉末は、前記XRD測定によりアモルファス相であることを確認した。またFe2Bのピークは確認できなかった。
As a result of X-ray diffraction (XRD) measurement, it was confirmed that the alloy powders of Examples 1 to 5 were composed of a mixed structure of an amorphous phase and a (Fe-Si) bcc peak of a fine crystal phase. The peak of Fe 2 B could not be confirmed. Here, the (Fe-Si) bcc peak refers to the diffraction peak of the above-mentioned (Fe-Si) bcc phase (110 plane), and the peaks of Fe 2 B (near 2θ=50° and near 67°) refer to the diffraction peak of the (002 plane) of Fe 2 B, and the diffraction peak of the composite of the (022 plane) and (130 plane), respectively.
The alloy powder of alloy F in Comparative Example 1 was confirmed to be an amorphous phase by the above-mentioned XRD measurement, and no peak of Fe 2 B was confirmed.
前記の分級した合金A~Fの合金粉末を、それぞれ走査型電子顕微鏡(SEM)により、500倍で観察した結果、視野内の合金粉末は概ね球状であった。ここで概ね球状とは、最大径を最小径で除した数値が1.25以下の卵形状などを含んだ形状を意味する。 When the alloy powders of the above-mentioned classified alloys A to F were observed at 500 times magnification using a scanning electron microscope (SEM), the alloy powder within the field of view was found to be roughly spherical. Here, roughly spherical means a shape including an egg shape where the maximum diameter divided by the minimum diameter is 1.25 or less.
実施例1~5および比較例1の合金粉末を、合金粉末と反応をしないアルミナ製の容器にいれ、300~400℃の間を平均昇温速度0.1~0.2℃/秒で昇温し、保持温度400℃で30分保持し、その後、室温まで約1時間で降温することにより熱処理を行い、Fe基ナノ結晶合金粉末を得た。この熱処理は、バッチ式の電気炉を使用し非酸化性雰囲気中で行った。 The alloy powders of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were placed in containers made of alumina, which does not react with the alloy powder, and were heated between 300 and 400°C at an average heating rate of 0.1 to 0.2°C/sec, held at 400°C for 30 minutes, and then cooled to room temperature in about 1 hour, resulting in heat treatment to obtain Fe-based nanocrystalline alloy powder. This heat treatment was carried out in a non-oxidizing atmosphere using a batch-type electric furnace.
<Fe基ナノ結晶合金粉末の評価>
得られた、実施例1~5、比較例1のFe基ナノ結晶合金粉末について、その断面を観察した。また、X線回折測定(XRD)で、回折パターンから、(Fe-Si)bccピーク(2θ=53°近傍)の半値幅(ラジアン角度)を求め、Scherrerの式により平均結晶粒径を求めた。
<Evaluation of Fe-based nanocrystalline alloy powder>
The cross sections of the obtained Fe-based nanocrystalline alloy powders of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were observed. In addition, the half-width (radian angle) of the (Fe-Si) bcc peak (near 2θ = 53°) was obtained from the diffraction pattern by X-ray diffraction measurement (XRD), and the average crystal grain size was calculated by Scherrer's formula.
図1、2は実施例2のFe基ナノ結晶合金粉末の断面を観察した透過型電子顕微鏡(TEM)像である。図1では、図中、右下の黒いバーの長さが100nmである。図2は、図1の拡大図であり、図中、右下の黒いバーの長さが50nmである。図2においては不明瞭だが、直接観察されるTEM像では粒径が10~50nmの、ほぼ球状の形態が観察できる。 Figures 1 and 2 are transmission electron microscope (TEM) images of the cross section of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Example 2. In Figure 1, the length of the black bar at the bottom right is 100 nm. Figure 2 is an enlarged view of Figure 1, where the length of the black bar at the bottom right is 50 nm. Although it is unclear in Figure 2, a nearly spherical shape with a particle size of 10 to 50 nm can be seen in the TEM image observed directly.
図3は、実施例2のFe基ナノ結晶合金粉末の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した電子回折パターンである。また、図10に、実施例2のFe基ナノ結晶合金粉末のX線回折パターンを示す。なお、図10には、比較例1のFe基ナノ結晶合金粉末のX線回折パターンも示す。図10において、上側が実施例2であり、下側が比較例1である。実施例2では、Fe2Bのピークはノイズレベルでほとんど見られない。実施例2は、Fe2B相が無く、微細結晶相とアモルファス相の混相となっていることがわかる。 Fig. 3 is an electron diffraction pattern of the cross section of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Example 2 observed by a transmission electron microscope (TEM). Fig. 10 shows the X-ray diffraction pattern of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Example 2. Fig. 10 also shows the X-ray diffraction pattern of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Comparative Example 1. In Fig. 10, the upper side is Example 2 and the lower side is Comparative Example 1. In Example 2, the peak of Fe 2 B is hardly observed at the noise level. It can be seen that Example 2 does not have an Fe 2 B phase, and is a mixed phase of a fine crystal phase and an amorphous phase.
また、Scherrerの式により求めた実施例2のFe基ナノ結晶合金粉末の平均結晶粒径Dは22nmであった。 The average crystal grain size D of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Example 2, calculated using Scherrer's formula, was 22 nm.
実施例1,3~5のFe基ナノ結晶合金粉末も、実施例2と同様に、微細結晶組織が得られており、Fe2Bは観察されなかった。実施例2と同様に、Scherrerの式により求めた実施例1,3~5の微細結晶合金粉末の平均結晶粒径Dは、それぞれ30nm、22nm、26nm及び25nmであった。 Similarly to Example 2, the Fe-based nanocrystalline alloy powders of Examples 1 and 3 to 5 also had fine crystalline structures, and no Fe 2 B was observed. Similarly to Example 2, the average crystal grain sizes D of the fine crystalline alloy powders of Examples 1 and 3 to 5 calculated by the Scherrer formula were 30 nm, 22 nm, 26 nm, and 25 nm, respectively.
比較例1のFe基ナノ結晶合金粉末のScherrerの式により求めた平均結晶粒径は23nmであった。 The average crystal grain size of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Comparative Example 1, calculated using Scherrer's formula, was 23 nm.
比較例1のFe基ナノ結晶合金粉末の断面を観察した透過型電子顕微鏡(TEM)像を図7,8に示す。図7では、図中、右下の黒いバーの長さが100nmである。図8は、図7の拡大図であり、図中、右下の黒いバーの長さが50nmである。また。図9に、比較例1のFe基ナノ結晶合金粉末の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した電子回折パターンを示す。これによれば、鮮明なパターンが観察され、結晶粒の粗大化が見込まれる。 Transmission electron microscope (TEM) images of the cross section of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Comparative Example 1 are shown in Figures 7 and 8. In Figure 7, the length of the black bar at the bottom right is 100 nm. Figure 8 is an enlarged view of Figure 7, in which the length of the black bar at the bottom right is 50 nm. Also, Figure 9 shows the electron diffraction pattern of the cross section of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Comparative Example 1 observed with a transmission electron microscope (TEM). According to this, a clear pattern is observed, and coarsening of the crystal grains is expected.
また、図10に示すように、比較例1では、Fe2Bのピークが見られる。(Fe-Si)bcc相(110面)の回折ピークの強度(100%)に対して、Fe2Bの(002面)の回折ピークの強度は、6.4%であった。 10, a peak of Fe 2 B was observed in Comparative Example 1. The intensity of the diffraction peak of the (002 plane) of Fe 2 B was 6.4% of the intensity of the diffraction peak of the (Fe-Si) bcc phase (110 plane) (100%).
実施例1~5及び比較例1においては、X線回折測定(XRD)は以下の装置及び測定条件で行った。
装置:
株式会社リガク製RINT2500PC
測定条件:
X線源:CoKα(波長λ=0.1789nm)
走査軸:2θ/θ
サンプリング幅:0.020°
スキャンスピ-ド:2.0°/分
発散スリット:1/2°
発散縦スリット:5mm
散乱スリット:1/2°
受光スリット:0.3mm
電圧:40kV
電流:200mA
In Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, X-ray diffraction measurements (XRD) were carried out using the following apparatus and under the following measurement conditions.
Device:
Rigaku Corporation RINT2500PC
Measurement condition:
X-ray source: CoKα (wavelength λ = 0.1789 nm)
Scan axis: 2θ/θ
Sampling width: 0.020°
Scan speed: 2.0°/min Divergence slit: 1/2°
Divergence vertical slit: 5 mm
Scattering slit: 1/2°
Receiving slit: 0.3 mm
Voltage: 40 kV
Current: 200mA
また実施例1~5及び比較例1の各Fe基ナノ結晶合金粉末の飽和磁束密度Bsは、理研電子株式会社製のVSM(振動試料型磁束計)で、磁場Hを800kA/mまで印加して得られたM-Hループ(磁化曲線)での飽和磁化Msと、表1に示した合金A~Fの真密度から算出した。 The saturation magnetic flux density Bs of each Fe-based nanocrystalline alloy powder in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 was calculated from the saturation magnetization Ms in the M-H loop (magnetization curve) obtained by applying a magnetic field H up to 800 kA/m using a VSM (vibrating sample magnetometer) manufactured by Riken Electronics Co., Ltd., and the true density of alloys A to F shown in Table 1.
得られた結果を纏めて表3に示す。 The results are summarized in Table 3.
実施例1~5の飽和磁束密度Bsは、1.48~1.54Tと高い。一方、Nbを含まない比較例1も1.55Tと高い飽和磁束密度を有する。実施例1~5は、アモルファス形成能を改善するためにFeをNbで置換したにも関わらず、飽和磁束密度Bsの減少は最小限に抑えられ、比較例に対して95%以上の値が得られている。 The saturation magnetic flux density Bs of Examples 1 to 5 is high, ranging from 1.48 to 1.54 T. On the other hand, Comparative Example 1, which does not contain Nb, also has a high saturation magnetic flux density of 1.55 T. In Examples 1 to 5, even though Fe was replaced with Nb to improve the amorphous forming ability, the decrease in saturation magnetic flux density Bs was kept to a minimum, and values of 95% or more were obtained compared to the comparative examples.
<Fe基ナノ結晶合金粉末を用いた磁心の磁気特性の測定>
Fe基ナノ結晶合金粉末(実施例1~5及び比較例1)と、シリコーン樹脂(旭化成ワッカーシリコーン製H44)及びエタノールとを、合金粉末100:シリコーン樹脂5:エタノール5.8の質量比とし、混錬後、エタノールを蒸発させて顆粒とし、圧力1MPaでプレス成型し、外径13.5mm×内径7mm×高さ2mmの磁心形状の成形体を得た。その後、300℃で樹脂を加熱硬化して測定用の磁心とした。
<Measurement of magnetic properties of magnetic core using Fe-based nanocrystalline alloy powder>
The Fe-based nanocrystalline alloy powder (Examples 1 to 5 and Comparative Example 1), silicone resin (H44 manufactured by Wacker Asahi Kasei Silicone) and ethanol were mixed in a mass ratio of 100 alloy powder, 5 silicone resin and 5.8 ethanol, and the ethanol was evaporated to form granules, which were then press molded at a pressure of 1 MPa to obtain a compact in the shape of a magnetic core with an outer diameter of 13.5 mm, an inner diameter of 7 mm and a height of 2 mm. The resin was then heated and cured at 300°C to obtain a magnetic core for measurement.
その磁心に一次側と二次側とで、それぞれ18ターンの巻線を行った。岩崎通信機株式会社製のB-Hアナライザ(SY-8218)によって、周波数0.5MHz、1MHz、2MHzの3点、磁束密度30mTの条件でコアロスを測定した。表4に、その測定結果を示す。 18 turns were wound around the magnetic core on both the primary and secondary sides. Using a B-H analyzer (SY-8218) manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd., the core loss was measured at three frequencies, 0.5 MHz, 1 MHz, and 2 MHz, and at a magnetic flux density of 30 mT. The measurement results are shown in Table 4.
また、前記磁心に30ターンの巻線を行った。アジレント・テクノロジー社製4284A:LCRメータ、及び同社製4184A:Bias Current Sourceを使って、0A~10.5Aの範囲で直流電流を重畳させた。印加電圧1V、周波数100kHzの条件で、電流値0A及び10.5Aの重畳電流(IDC=0A及び10.5A)におけるインダクタンスL(H)を求めた。10.5Aの直流電流の重畳により磁場強度H=10kA/mの直流磁場が発生する。 In addition, 30 turns were wound around the magnetic core. A DC current in the range of 0 A to 10.5 A was superimposed using an Agilent Technologies 4284A LCR meter and an Agilent Technologies 4184A Bias Current Source. Under conditions of an applied voltage of 1 V and a frequency of 100 kHz, the inductance L (H) was determined at superimposed currents of 0 A and 10.5 A (I DC =0 A and 10.5 A). The superimposition of a 10.5 A DC current generates a DC magnetic field with a magnetic field strength H = 10 kA/m.
磁心の寸法形状から、磁路長(m)及び断面積(m2)を算出した。 From the dimensions and shape of the magnetic core, the magnetic path length (m) and the cross-sectional area (m 2 ) were calculated.
透磁率μ=(L(H)×磁路長(m))/(4π×10-7×断面積(m2)×(巻数:30ターン)2)の式を用いて、透磁率μを求めた。なお、(4π×10-7)は、真空の透磁率μ0(単位:H/m)である。 The magnetic permeability μ was calculated using the formula: magnetic permeability μ=(L(H)×magnetic path length (m))/(4π×10 −7 ×cross-sectional area (m 2 )×(number of turns: 30 turns) 2 ), where (4π×10 −7 ) is the magnetic permeability μ 0 of a vacuum (unit: H/m).
条件IDC=0AのインダクタンスLの測定値より、初透磁率μiを求め、条件IDC=10.5Aの測定値より、透磁率μ10kを求めた。初透磁率μi、透磁率μ10k、及び透磁率μ10kを初透磁率μiで除した値:μ10k/μiを表4に示す。 The initial permeability μi was obtained from the measured value of inductance L under the condition I DC = 0 A, and the permeability μ10k was obtained from the measured value under the condition I DC = 10.5 A. Table 4 shows the initial permeability μi, the permeability μ10k, and the value obtained by dividing the permeability μ10k by the initial permeability μi: μ10k/μi.
実施例1~5では、初透磁率μi(100kHz)が14.16~15.25であった。また、実施例1~5のμ10k(100kHz)は12.96~13.57、μ10k/μi(100kHz)も0.89~0.92であり、比較例1と同等の結果を得た。一方、コアロスは比較例1と比べて実施例1~5の何れも小さく、比較例1は、周波数2MHzでのコアロスが10890kW/m3であり、10000kW/m3を超えているが、実施例1~5では、10000kW/m3未満の値が得られた。実施例1~5では、9000kW/m3以下のコアロスが得られている。
実施例1~5のコアロスが比較例1よりも小さい原因は、実施例1~5では、Fe2B化合物などの結晶磁気異方性が高い組織の含有率が低いことに起因して、比較例1よりも大幅に低くなっていると予想される。
In Examples 1 to 5, the initial permeability μi (100 kHz) was 14.16 to 15.25. In addition, μ10k (100 kHz) in Examples 1 to 5 was 12.96 to 13.57, and μ10k/μi (100 kHz) was also 0.89 to 0.92, and the same results as Comparative Example 1 were obtained. On the other hand, the core loss was smaller in all of Examples 1 to 5 compared to Comparative Example 1, and in Comparative Example 1, the core loss at a frequency of 2 MHz was 10890 kW/m 3 , which exceeded 10000 kW/m 3 , but in Examples 1 to 5, values less than 10000 kW/m 3 were obtained. In Examples 1 to 5, a core loss of 9000 kW/m 3 or less was obtained.
The reason why the core loss in Examples 1 to 5 is smaller than that in Comparative Example 1 is presumably because the content of structures with high crystalline magnetic anisotropy, such as Fe 2 B compounds, is low in Examples 1 to 5, which is significantly lower than that in Comparative Example 1.
以上述べたように、本発明によるFe基ナノ結晶合金粉末は、アモルファス形成能を改善するためにFeをNbで置換したにも関わらず、1.45T以上の高い飽和磁束密度Bsが得られ、周波数0.5kHzから2MHz、磁束密度30mTの条件で、コアロスの低い磁心が得られた。 As described above, the Fe-based nanocrystalline alloy powder of the present invention has a high saturation magnetic flux density Bs of 1.45 T or more, even though Fe is replaced with Nb to improve the amorphous forming ability, and a magnetic core with low core loss was obtained under the conditions of a frequency of 0.5 kHz to 2 MHz and a magnetic flux density of 30 mT.
(2)実施例6,7、比較例2
Fe基合金組成物として、表5に示す合金G,Hの合金組成になるように、純鉄、フェロボロン、フェロシリコン等の各元素原料を配合し、誘導加熱炉で加熱し、融点以上として溶融した合金溶湯を、特許文献3に記載の急冷凝固装置(ジェットアトマイズ装置)を用いて、急冷凝固させ、合金粉末を得た。フレームジェットの推定温度は1300~1600℃、水の噴射量は4~5リットル/分で行った。
示差走査熱量計(DSC)によって測定した、第1の発熱ピークが現れる温度Tx1と第2の発熱ピークが現れる温度Tx2も表5に示す。
(2) Examples 6 and 7, Comparative Example 2
As an Fe-based alloy composition, each element raw material such as pure iron, ferroboron, ferrosilicon, etc. was mixed so as to obtain the alloy compositions of alloys G and H shown in Table 5, and the mixture was heated in an induction heating furnace and melted at or above the melting point. The molten alloy was then rapidly solidified using the rapid solidification device (jet atomization device) described in Patent Document 3 to obtain an alloy powder. The estimated temperature of the flame jet was 1300 to 1600°C, and the amount of water injected was 4 to 5 liters/min.
Table 5 also shows the temperature Tx1 at which the first exothermic peak appears and the temperature Tx2 at which the second exothermic peak appears, as measured by a differential scanning calorimeter (DSC).
得られた合金G,Hの合金粉末と、前記合金Fの合金粉末とを目開き53μmの篩いで分級した。篩を通過したそれぞれの合金粉末の平均粒径d50は、表6に示す値であった。また積算頻度90体積%に対応する粒子径であるd90も表6に示した。なお、いずれの評価も実施例1~5、比較例1で用いた評価装置及び測定条件で行っている。
X線回折(XRD)測定の結果、実施例6,7の合金粉末は、アモルファス相と微細結晶相の(Fe-Si)bcc相との混合組織からなることを確認した。なおFe2Bのピークは、確認できなかった。
The obtained alloy powders of alloys G and H and the alloy powder of alloy F were classified using a sieve with a mesh size of 53 μm. The average particle size d50 of each alloy powder that passed through the sieve was the value shown in Table 6. Also shown in Table 6 is the d90, which is the particle size corresponding to an integrated frequency of 90 volume %. All evaluations were performed using the evaluation device and measurement conditions used in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
As a result of X-ray diffraction (XRD) measurement, it was confirmed that the alloy powders of Examples 6 and 7 were composed of a mixed structure of an amorphous phase and a fine crystalline (Fe-Si) bcc phase. No peak of Fe 2 B was confirmed.
比較例2の合金Fの合金粉末は、前記XRD測定により微細結晶相とアモルファス相の一部にFe2B相が析出した組織であることを確認した。 It was confirmed by the above-mentioned XRD measurement that the alloy powder of Alloy F in Comparative Example 2 had a structure in which the Fe 2 B phase was precipitated in part of the fine crystal phase and the amorphous phase.
前記の分級した合金G~Fの合金粉末を、それぞれ走査型電子顕微鏡(SEM)により、500倍で観察した結果、視野内の合金粉末は概ね球状であった。 When the alloy powders of the above-mentioned classified alloys G to F were observed at 500x magnification using a scanning electron microscope (SEM), the alloy powder within the field of view was generally spherical.
実施例6,7および比較例2の合金粉末を、合金粉末と反応をしないアルミナ製の容器にいれ、300℃~400℃まで平均昇温速度0.1~0.2℃/秒で昇温し、保持温度400℃で30分保持し、その後、室温まで約1時間で降温することにより熱処理を行い、Fe基ナノ結晶合金粉末を得た。この熱処理は、バッチ式の電気炉を使用し非酸化性雰囲気中で行った。 The alloy powders of Examples 6 and 7 and Comparative Example 2 were placed in containers made of alumina, which does not react with the alloy powder, and heated to 300°C to 400°C at an average heating rate of 0.1 to 0.2°C/sec., held at 400°C for 30 minutes, and then cooled to room temperature in about 1 hour, thereby performing heat treatment and obtaining Fe-based nanocrystalline alloy powder. This heat treatment was performed in a non-oxidizing atmosphere using a batch-type electric furnace.
<Fe基ナノ結晶合金粉末の評価>
得られた、実施例6,7、比較例2のFe基ナノ結晶合金粉末について、その断面を観察したところ、粒径が10~50nmの、ほぼ球状の形態が観察できた。
また、X線回折測定(XRD)で、回折パターンから、(Fe-Si)bccピーク(2θ=53°近傍)の半値幅(ラジアン角度)を求め、Scherrerの式により平均結晶粒径を求めた。評価は実施例1~5、比較例1で用いた評価装置及び測定条件で行った。
<Evaluation of Fe-based nanocrystalline alloy powder>
When the cross sections of the obtained Fe-based nanocrystalline alloy powders of Examples 6 and 7 and Comparative Example 2 were observed, it was found that the particles had a nearly spherical shape with a particle size of 10 to 50 nm.
In addition, the half-width (radian angle) of the (Fe-Si) bcc peak (near 2θ = 53°) was obtained from the diffraction pattern by X-ray diffraction measurement (XRD), and the average crystal grain size was calculated by Scherrer's formula. The evaluation was performed using the evaluation device and measurement conditions used in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
図4,5に、実施例7のFe基ナノ結晶合金粉末の断面を観察した透過型電子顕微鏡(TEM)像を示す。図4は、図中、右下の黒いバーの長さが100nmであり、図5は、図4の拡大図であり、図中、右下の黒いバーの長さが50nmである。また、図6に、実施例7のFe基ナノ結晶合金粉末の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した電子回折パターンを示す。 Figures 4 and 5 show transmission electron microscope (TEM) images of the cross section of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Example 7. In Figure 4, the length of the black bar at the bottom right is 100 nm, and Figure 5 is an enlarged view of Figure 4, where the length of the black bar at the bottom right is 50 nm. Figure 6 shows the electron diffraction pattern of the cross section of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Example 7 observed with a transmission electron microscope (TEM).
Scherrerの式により求めた実施例6(合金G)、実施例7(合金H)のFe基ナノ結晶合金粉末の平均結晶粒径Dはともに23nmであった。また、比較例2のFe基ナノ結晶合金粉末の平均結晶粒径は24nmであった。 The average crystal grain size D of the Fe-based nanocrystalline alloy powders of Example 6 (Alloy G) and Example 7 (Alloy H), calculated using Scherrer's formula, was 23 nm. The average crystal grain size of the Fe-based nanocrystalline alloy powder of Comparative Example 2 was 24 nm.
実施例6、7のFe基ナノ結晶合金粉末ではFe2Bは観察されなかった。比較例2では、X線回折測定(XRD)でFe2Bのピークが見られた。(Fe-Si)bcc相(110面)の回折ピークの強度(100%)に対して、Fe2Bの(002面)の回折ピークの強度は、3.5%であった。 No Fe 2 B was observed in the Fe-based nanocrystalline alloy powders of Examples 6 and 7. In Comparative Example 2, a peak of Fe 2 B was observed in X-ray diffraction measurement (XRD). The intensity of the diffraction peak of the (002 plane) of Fe 2 B was 3.5% of the intensity of the diffraction peak of the (Fe-Si) bcc phase (110 plane) (100%).
また、実施例6,7及び比較例2のFe基ナノ結晶合金粉末の飽和磁束密度Bsは飽和磁化Msをもとに算出した。 The saturation magnetic flux density Bs of the Fe-based nanocrystalline alloy powders in Examples 6 and 7 and Comparative Example 2 was calculated based on the saturation magnetization Ms.
得られた結果を纏めて表7に示す。 The results are summarized in Table 7.
実施例6、7の飽和磁束密度Bsは、アモルファス形成能を改善するためにFeをNb、Moで置換したにも関わらず、1.53T、1.57Tと高かった。 The saturation magnetic flux density Bs of Examples 6 and 7 was high at 1.53 T and 1.57 T, despite the replacement of Fe with Nb and Mo to improve the amorphous forming ability.
<Fe基ナノ結晶合金粉末を用いた磁心の磁気特性の測定>
Fe基ナノ結晶合金粉末(実施例6,7及び比較例2)と、リコーン樹脂(旭化成ワッカーシリコーン製H44)及びエタノールとを、合金粉100:シリコーン樹脂5:エタノール5.8の質量比として混錬後、エタノールを蒸発させて顆粒とし、圧力1MPaでプレス成型し、外径13.5mm×内径7mm×高さ2mmの成形体を得た。その後、300℃で樹脂を加熱硬化させて測定用の磁心とした。
<Measurement of magnetic properties of magnetic core using Fe-based nanocrystalline alloy powder>
The Fe-based nanocrystalline alloy powder (Examples 6, 7 and Comparative Example 2), silicone resin (H44 manufactured by Asahi Kasei Wacker Silicone) and ethanol were mixed in a mass ratio of 100 alloy powder, 5 silicone resin and 5.8 ethanol, the ethanol was evaporated to form granules, and the granules were press molded under a pressure of 1 MPa to obtain a molded body having an outer diameter of 13.5 mm, an inner diameter of 7 mm and a height of 2 mm. The resin was then heated and cured at 300°C to obtain a magnetic core for measurement.
その磁心を用い、コアロス(kW/m3)を測定した。また、電流値0A及び10.5Aの重畳電流(IDC=0A及び10.5A)におけるインダクタンスL(H)を求めた。測定条件IDC=0AのインダクタンスLの値より、初透磁率μiを求め、IDC=10.5AのインダクタンスLの値より、透磁率μ10kを求めた。表8に、その測定結果を示す。 The core loss (kW/m 3 ) was measured using this magnetic core. In addition, the inductance L (H) was calculated at superimposed currents of 0 A and 10.5 A (I DC = 0 A and 10.5 A). The initial permeability μi was calculated from the inductance L value under the measurement condition I DC = 0 A, and the permeability μ10k was calculated from the inductance L value under the measurement condition I DC = 10.5 A. Table 8 shows the measurement results.
実施例6,7では、初透磁率μi(100kHz)がともに15.6であり、μ10k(100kHz)はそれぞれ13.8、14.0であり、μ10k/μi(100kHz)は0.89、0.90であった。り、いずれも比較例2よりも高い初透磁率μiとなった。コアロスは比較例2と比べて小さく、実施例6、7の何れも実施例1~5よりも小さいコアロスが得られている。
特に実施例6ではNb量を他の実施例の半分以下にしていて、飽和磁束密度Bsが高い。実施例7はM元素としてMoを使用しているが、Nbを使用する実施例2と比較して、飽和磁束密度Bs、初透磁率μiが高く、小さいコアロスが得られていて、軟磁気特性改善効果が高い。
In Examples 6 and 7, the initial permeability μi (100 kHz) was 15.6, μ10k (100 kHz) was 13.8 and 14.0, respectively, and μ10k/μi (100 kHz) was 0.89 and 0.90. Thus, the initial permeability μi was higher than that of Comparative Example 2. The core loss was smaller than that of Comparative Example 2, and both Examples 6 and 7 had smaller core losses than Examples 1 to 5.
In particular, in Example 6, the amount of Nb is half or less of the other examples, and the saturation magnetic flux density Bs is high. Example 7 uses Mo as the M element, but compared to Example 2 using Nb, the saturation magnetic flux density Bs and initial permeability μi are high, and a small core loss is obtained, resulting in a high effect of improving the soft magnetic properties.
Claims (6)
レーザー回折法によって求められる、粒子径と小粒子径側からの積算頻度との関係を示す積算分布曲線において、積算頻度50体積%に対応する粒子径である平均粒径d50が30μm以下である、Fe基合金組成物の粉末。 A powder made of the Fe-based alloy composition according to claim 1 or 2,
A powder of an Fe-based alloy composition, in which an average particle size d50, which is the particle size corresponding to a cumulative frequency of 50 volume %, is 30 μm or less in a cumulative distribution curve showing the relationship between particle size and cumulative frequency from the small particle size side, obtained by a laser diffraction method.
合金組織中に平均結晶粒径が10~50nmの(Fe-Si)bcc相の微細結晶粒を20体積%以上有する、Fe基合金組成物の粉末。 A powder of the Fe-based alloy composition according to claim 3,
A powder of an Fe-based alloy composition having 20% by volume or more of fine crystal grains of (Fe-Si) bcc phase with an average crystal grain size of 10 to 50 nm in the alloy structure.
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