专利名称：合金组合物、Fe基纳米晶合金及其制造方法和磁性部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合变压器、电感器和电动机的磁芯等使用的Fe基纳米晶合金及其制造方法。
背景技术：
在取得纳米晶合金时，若使用Nb等非磁性金属元素，则产生饱和磁通密度降低这样的问题。若使Fe量增加，减少Nb等非磁性金属元素的量，则虽然能够使饱和磁通密度增力口，但却会产生晶粒粗大这一另外的问题。作为清除这样的问题的Fe基纳米晶合金，例如在专利文献I中被公开。专利文献I :特开2007-270271号公报但是，专利文献I的Fe基纳米晶合金具有14X10_6这样的大磁致伸缩，并且具有低的导磁率。另外，因为在急冷状态下使结晶大量析出，所以专利文献I的Fe基纳米晶合金缺乏韧性。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种具有高饱和磁通密度且具有高导磁率的Fe基纳米晶合金及其制造方法。本发明的发明人进行了潜心研究，结果发现，作为用于得到具有高饱和磁通密度且具有高导磁率的Fe基纳米晶合金的起始原料，能够使用特定的合金组合物。在此，特定的合金组合物由规定的组成式表示，作为主相具有非晶相，并且具有优异的韧性。若对特定的合金组合物进行热处理，则能够析出由bccFe相构成的纳米晶。该纳米晶能够大幅降低Fe基纳米晶合金的饱和磁致伸缩。此被降低的饱和磁致伸缩带来高饱和磁通密度和高导磁率。如此，特定的合金组合物作为用于得到具有高饱和磁通密度且具有高导磁率的Fe基纳米晶合金的起始原料是有益的材料。本发明的一个方面，是提供一种合金组合物，其作为Fe基纳米晶合金的有益的起始原料，是组成式FeaBbSicPxCyCuz的合金组合物，其中，79彡a彡86at%, 5彡b彡13at%,0
<c ^ 8at%, I ^ x ^ 8at%, 0 ^ y ^ 5at%, 0. 4 ^ z ^ I. 4at% 以及 0. 08 < z/x < 0. 8。本发明的另一方面，是提供一种合金组合物，其作为Fe基纳米晶合金的有益的起始原料，是组成式FeaBbSicPxCyCuz的合金组合物，其中，81彡a彡86at%,6彡b彡IOat%,
2^ c ^ 8at%, 2 ^ X ^ 5at%, 0 ^ y ^ 4at%, 0. 4 ^ z ^ I. 4at% 以及 0. 08 < z/x < 0. 8。使用上述任意一种合金组合物作为起始原料制造的Fe基纳米晶合金，饱和磁致伸缩低，还具有高饱和磁通密度且具有高导磁率。
图I是表示本发明的实施例和比较例的热处理温度与矫顽磁力He的关系的图。图2是比较例的高分辨率TEM像的拷贝。左图表示热处理前的状态的像，右图表示热处理后的状态的像。图3是 本发明的实施例的高分辨率TEM像的拷贝。左图表示热处理前的状态的像，右图表示热处理后的状态的像。图4是表示本发明的实施例的DSC谱图和比较例的DSC谱图的图。
具体实施例方式本发明的实施方式的合金组合物，适合作为Fe基纳米晶合金的起始原料，为组成式 FeaBbSicPxCyCuz 的合金组合物。在此，79 彡 a 彡 86at% , 5 ^ b ^ 13at%, 0 < c ^ 8at%,I ^ x ^ 8at%, 0 ^ y ^ 5at%, 0. 4 ^ z ^ I. 4at% 以及 0. 08 < z/x < 0. 8。关于 b、c、x优选满足以下的条件6 < b < IOat%, 2 ^ c ^ 8at*%和 2 < x < 5at*%。关于 y、z、z/x优选满足以下的条件0彡y彡3at%,0. 4彡z彡I. lat%以及0. 08 ( z/x ( 0. 55。还有，也可以用 Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、Al、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、0 和稀土类元素之中的一种以上的元素对Fe的3at%以下进行置换。在上述合金组合物中，Fe元素是主要元素，是担负磁性的必须元素。为了饱和磁通密度的提高和原料价格的降低，基本上优选Fe的比例大。若Fe的比例比79&七％少，则得不到期望的饱和磁通密度。若Fe的比例比86at %多，则液体急冷条件下的非晶相的形成变得困难，晶粒直径有波动或粗大化。即，若Fe的比例比86at %多，则得不到均质的纳米晶组织，合金组合物会具有劣化的软磁特性。因此，Fe的比例优选为79at%以上、86at%以下。特别是需要I. 7T以上的饱和磁通密度时，优选Fe的比例为81at%以上。在上述合金组合物中，B元素是担负着非晶相形成的必须元素。若B的比例比5&七％少，则液体急冷条件下的非晶相的形成变得困难。若B的比例比13at%S，则AT减少，不能获得均质的纳米晶组织，合金组合物会具有劣化的软磁特性。因此，B的比例优选为5at%以上、13at%以下。特别是为了量产化而需要合金组合物具有低的熔点时，优选B的比例为10at%以下。在上述合金组合物中，Si元素是担负非晶形成的必须元素，在纳米晶化时有助于纳米晶的稳定化。若不含Si，则非晶相形成能力降低，进而得不到均质的纳米晶组织，其结果是软磁特性劣化。若Si的比例比8at%多，则饱和磁通密度和非晶相形成能力降低，进而软磁特性劣化。因此，Si的比例优选为8at%以下(不含0)。特别是若Si的比例为2at%以上，则非晶相形成能力得到改善，能够稳定制作连续薄带，另外A T增加，从而能够得到均质的纳米晶。在上述合金组合物中，P元素是担负非晶形成的必须元素。在本实施方式中，使用B元素、Si元素和P元素的组合，这与只使用任意一种的情况相比，会提高非晶相形成能力和纳米晶的稳定性。若P的比例比lat%少，则液体急冷条件下的非晶相的形成变得困难。若P的比例比8at%S，则饱和磁通密度降低，软磁特性劣化。因此，P的比例优选为lat%以上、8at 以下。特别是若P的比例为2at 以上、5at 以下，则非晶相形成能力提闻，能够稳定制作连续薄带。在上述合金组合物中，C元素是担负非晶形成的元素。在本实施方式中，使用B元素、Si元素、P元素和C元素的组合，这与只使用任意一种的情况相比，会提高非晶相形成能力和纳米晶的稳定性。另外，因为C廉价，所以通过C的添加可使其他半金属量降低，总材料成本得到降低。但是，若C的比例超过5at %，则合金组合物脆化，存在发生软磁特性的劣化这样的问题。因此，C的比例优选为5at%以下。特别是若C的比例在3at%以下，则能够抑制由于熔化时C的蒸发所引起的组成的波动。
在上述合金组合物中，Cu元素是有助于纳米晶化的必须元素。在此，Si元素、B元素及P元素与Cu元素的组合，或者Si元素、B元素、P元素及C元素与Cu元素的组合有助于纳米晶化这一点，是一个在本发明之前不被知晓而应该着眼的点。另外，Cu元素基本上为高价，在Fe的比例为81at%以上时，应该注意到合金组合物的脆化和氧化容易产生这一点。还有，若Cu的比例比0. 4&七％少，则纳米晶化变得困难。若Cu的比例比1.4at%S，则由非晶相构成的前体变得不均质，因此在Fe基纳米晶合金的形成时得不到均质的纳米晶组织，软磁特性劣化。因此，Cu的比例优选为0. 4at%以上、I. 4at%以下，特别是若考虑合金组合物的脆化和氧化，则优选Cu的比例为I. lat%以下。P原子和Cu原子之间有很强的引力。因此，若合金组合物含有特定比率的P元素和Cu元素,则形成IOnm以下的大小的团簇,该纳米尺度的团簇在Fe基纳米晶合金的形成时使bccFe结晶具有微细结构。更具体地说，本实施方式的Fe基纳米晶合金含有平均粒径为25nm以下的bccFe结晶。在本实施方式中，P的比例(x)和Cu的比例(z)的特定的比率(z/x)为0.08以上、0.8以下。在该范围以外，得不到均质的纳米晶组织，因此合金组成不具有优异的软磁特性。还有，若考虑合金组合物的脆化和氧化，则特定的比率(z/x)优选为0. 08以上、0. 55以下。本实施方式中的合金组合物，能够具有各种各样的形状。例如，合金组合物可以具有连续薄带形状，也可以具有粉末形状。连续薄带形状的合金组合物能够使用制造Fe基非晶薄带等所使用的单辊制造装置和双辊制造装置这样的现有装置形成。粉末形状的合金组合物可以由水雾化法和气雾化法制作，也可以通过粉碎薄带的合金组合物来制作。若特别考虑对高韧性的要求，则优选连续薄带形状的合金组合物在热处理前的状态下实施180°弯曲试验时可以进行密贴弯曲。在此，所谓180°弯曲试验是用于评价韧性的试验，弯曲试样而使弯曲角度为180°且使内侧半径为零。即,根据180°弯曲试验，试样被密贴弯曲(〇)或断裂(X)。在后述的评价中，从长3cm的薄带试样的中心将其弯折，检测是能够密贴弯曲(〇)还是断裂(X)。将本实施方式的合金组合物成形，能够形成卷绕磁芯、层叠磁芯、压粉磁芯等磁芯。另外，使用该磁芯，能够提供变压器、电感器、电动机和发电机等部件。基于本实施方式的合金组合物具有非晶相作为主相。因此，若在Ar气气氛这样的惰性气氛中对本实施方式的合金组合物进行热处理，则被晶化2次以上。设最初晶化开始的温度为第一晶化开始温度(Txl)，设第二次晶化开始的温度为第二晶化开始温度(Tx2)。另夕卜，设第一晶化开始温度(Txl)和第二晶化开始温度(Tx2)之间的温度差为AT = Tx2-Txlo仅称为“晶化开始温度”时，是指第一晶化开始温度(Txl)。还有，这些晶化温度例如可以使用差示扫描量热分析(DSC)装置，以40°C /分钟左右的升温速度进行热分析，从而进行评价。若以每分钟100°C以上的升温速度且在晶化开始温度(即第一晶化开始温度)以上对本实施方式的合金组合物进行热处理，则能够得到本实施方式的Fe基纳米晶合金。为了在Fe基纳米晶合金形成时得到均质的纳米晶组织，优选合金组合物的第一晶化开始温度(Txl)与第二晶化开始温度(Tx2)的差AT为100°C以上200°C以下。
如此得到的本实施方式的Fe基纳米晶合金，具有10，000以上的高导磁率和I. 65T以上的高饱和磁通密度。特别是通过选择P的比例(X)和Cu的比例(Z)以及特定的比率(z/x)和热处理条件，能够控制纳米晶的量而降低饱和磁致伸缩。为了避免软磁特性的劣化，优选饱和磁致伸缩为IOX 10_6以下，此外为了得到20，000以上的高导磁率，优选饱和磁致伸缩为5X10_6以下。使用本实施方式的Fe基纳米晶合金能够形成磁芯。另外，使用该磁芯能够构成变压器、电感器、电动机和发电机等部件。以下，一边参照多个实施例，一边对于本发明的实施方式进行更详细的说明。
权利要求
1.一种组成式FeaBbSicPxCyCuz的合金组合物，其中，79≤a≤86at%, 5≤ b≤13at%, O≤c ≤8at%, I ≤ x ≤8at%, O≤ y ≤5at%, 0. 4 ≤ z ≤ I. 4at% 以及 0. 08 < z/x < 0. 8。
2.一种组成式FeaBbSicPxCyCuz的合金组合物，其中，81≤a≤86at%，6≤b≤10at%，2 ≤ c ≤ 8at%, 2 ≤ x ≤5at%, 0≤ y≤ 4at%, 0. 4≤ z ≤I. 4at% 以及 0. 08 < z/x < 0. 8。
3.根据权利要求I或2所述的合金组合物,其中，0y 3at%,0. 4≤ z≤ I. Iat%以及 0. 08 ≤z/x ≤ 0. 55。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的合金组合物，其中，以Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、Al、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、O和稀土类元素之中一种以上的元素置换Fe的3at%以下而成。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的合金组合物，其中，具有连续薄带形状。
6.根据权利要求5所述的合金组合物，其中，180度弯曲试验时可以进行密贴弯曲。
7.根据权利要求I至4中任一项所述的合金组合物，其中，具有粉末形状。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的合金组合物，其中，具有差即AT= Tx2-Txl为100°C 200°C的第一晶化开始温度即Txl和第二晶化开始温度即Tx2。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的合金组合物，其中，具有由非晶和存在于该非晶中的初期微晶构成的纳米异质结构，所述初期微晶的平均粒径为0. 3 10nm。
10.一种使用权利要求I至9中任一项所述的合金组合物构成的磁性部件。
11.一种Fe基纳米晶合金的制造方法，其中，包括如下步骤准备权利要求I至9中任一项所述的合金组合物的步骤；和在升温速度为每分钟100°C以上且处理温度在该合金组合物的晶化开始温度以上这样的条件之下对所述合金组合物进行热处理的步骤。
12.一种利用权利要求11所述的方法制造的Fe基纳米晶合金，其中，具有10，000以上的导磁率和I. 65T以上的饱和磁通密度。
13.根据权利要求12所述的Fe基纳米晶合金，其中，平均粒径为10 25nm。
14.根据权利要求12或13所述的Fe基纳米晶合金，其中，具有10X10_6以下的饱和磁致伸缩。
15.—种使用权利要求12至14中任一项所述的Fe基纳米晶合金构成的磁性部件。
全文摘要
本发明提供一种组成式FeaBbSicPxCyCuz的合金组合物。参数满足以下的条件79≤a≤86at％；5≤b≤13at％；0＜c≤8at％；1≤x≤8at％；0≤y≤5at％；0.4≤z≤1.4at％以及0.08≤z/x≤0.8。或者参数满足以下的条件81≤a≤86at％；6≤b≤10at％；2≤c≤8at％；2≤x≤5at％；0≤y≤4at％；0.4≤z≤1.4at％以及0.08≤z/x≤0.8。
文档编号C21D6/00GK102741437SQ20098010039
公开日2012年10月17日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年8月22日
发明者牧野彰宏 申请人:牧野彰宏