【新一代磁材料】（下）缺点是材料脆弱

Fe高浓度化是以往材料的课题

　　纳米结晶的高导磁率和高饱和磁通密度这一此前一直未能实现的特点可通过其成分和构造来说明。

　　首先从成分来看，由于非晶相的磁应变为负应变，而α-Fe为正应变，因此整体看磁应变基本为零。从构造来看，1900年前后的研究显示，越减细α-Fe的晶粒径就越会显示出软磁性。具体表现为顽磁力即磁各向异性与粒径的6次方呈比例下降。这样，纳米材料的磁应变及磁各向异性都基本变成了零。

　　不过，以往的纳米结晶材料也存在缺点。这就是很难通过Fe的高浓度化来获得高饱和磁通密度。

　　以往的纳米结晶一般使用称为Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1的材料。该材料从非晶态下进行热处理时就会分离出Cu，在固相中形成小的Cu块。而且，还会以此为成核点，析出α-Fe，形成α-Fe纳米结晶。

　　该机理的成立条件是非晶淬火时的组织必须是非晶单相。由非晶单相形成的Fe的浓度也因合金不同而异，按原子比例大体在80％以下。要想实现这一构造，必须添加作为迁移金属的铌（Nb）及锆（Zr）等元素。但这样会导致磁化明显降低，使饱和磁通密度降至1.2～1.3T。

　　而按照原子比例加入超过80％的Fe成分时，不会形成单层的非晶，即使实施液体淬火处理，得到的材料中也会含有数十nm到100nm的不均匀的α-Fe晶粒。这样，即使再如何加热，得到的也只是更大的α-Fe晶粒。也就是说，得到的非晶和纳米结晶都是没有用的。

　　因此，日本东北大学采用了不同的方法。首先在非晶构造中形成非常微小的α-Fe晶粒，以此为核通过450℃左右的热处理生长出10nm左右的α-Fe晶粒（图6）。为了形成这些微小的α-Fe，组合使用了P和Cu。通过加入P和Cu，可在经由液体淬火形成的非晶中形成P和Cu较浓的部分。这样，Fe就会被挤出，生成α-Fe区域。只要条件完备，析出的α-Fe会非常小。

图6：此次纳米结晶材料使用的方法
制造非晶组织时，反而是先形成微小的α-Fe结晶，然后通过热处理生长为10nm左右的结晶。


缺点是材料脆弱


　　接下来介绍一下此次开发的材料所具有的特性。此次的纳米结晶材料由Fe85Si2B8P4Cu1及Fe86Si1B8P4Cu1成分构成，与成分为Fe78Si9B13的非晶材料和硅钢相比，各项指标都表现出色（表2）。



　　首先是饱和磁通密度。非晶材料在施加800A/m外部磁场时，只能获得1.5T左右的磁通密度，而纳米结晶则可获得1.8～1.9T左右。这一数值基本与公认饱和磁通密度较高的硅钢相同。

　　导磁率方面，非晶材料为1万左右，而纳米结晶则提高到了2万5000左右。与硅钢比较的话，高出了一位数。

　　而且电阻也比硅钢大。硅钢为0.5μΩm左右，而纳米结晶材料为0.7μΩm左右。这正处于硅钢与非晶材料之间。电阻值高说明很适合用于马达等曝露于高频磁场中的用途。因为电阻值越高，就越能够降低由高频磁场产生的涡流损耗*。

*涡流损耗＝向磁性体实施高频磁场时，由内部产生的涡状电流导致的能量损失。涡状电流最终会因为变成热等而损失掉。

　　居里点（Curie Point）方面，纳米结晶材料高达720℃左右，与硅钢相当，因此还可在残酷的环境下使用。而非晶材料非常低，只有395℃。

　　不过，纳米结晶材料比硅钢脆。硅钢可实现无缝折叠的“紧贴弯曲”，而此次开发的纳米结晶材料无法做如此大的弯曲。但与原来的非晶材料（热处理后）及纳米结晶材料相比并不脆弱。

　　下面来比较一下结晶材料与硅钢的铁损（表3）。在通过1.5T/50Hz的磁场时，实施了公认最高性能的区域控制的硅钢要消耗0.61W/kg的能量，而纳米结晶材料只需不到一半的0.25～0.28W/kg。通过1.7T/50Hz的磁场时，前者为0.84W/kg，而后者为0.36～0.49W/kg，将损失控制到了一半左右。



为实现块状化做准备

　　最后介绍一下为今后实现实用化所采取的举措。首先是成本问题，不过此次的纳米结晶材料极有望以低成本制造。

　　前面介绍的特性是使用高纯度的材料测定的，但实用化时需要使用含有杂质的低价工业材料。不过，即使使用工业材料，也能得到性能几乎不变的产品。原因是杂质在热处理阶段几乎都被排出到非晶中，α-Fe纳米结晶中不含杂质。

　　而且材料费也较低。由于由Si、B、P、Cu构成，不含昂贵的材料及稀有金属，因此成本估计与铁类非晶材料大体相同。

　　另外，制造设备也只需低价位的机器即可。由于液体淬火是在大气中进行，因此不需要真空等设备。并且，此次材料的熔点为1070℃左右，在铁基合金中非常低，所以制造设备无需特殊的耐热材料。

　　而作为马达及变压器的芯材使用时，则需要块状材料。但目前还只能制造厚20μm（0.02mm）、宽50mm左右的带状材料。在块状材料的量产化方面，目前处于与企业共同研究的阶段。

　　以块状化为目标的研究方向有两个。一是进一步加厚、加宽带状材料的方法。如果制造出厚0.3mm以上、宽100mm左右的带状材料，便可利用层叠这些带状材料以树脂等粘合的加工方法来获得较厚的大块材料。

　　另一个是制作粉末材料后装入模具成型的方法。目前已知，使用水雾化法可制造出纳米结晶材料的粉末（图7）。（特约撰稿人：牧野 彰宏，日本东北大学金属材料研究所教授）

图7：纳米结晶材料的粉末制造工序
水雾法是向水中喷射制成液体的材料，由此获得淬火粉体的方法。通过回收粉末后实施热处理来获得粉体的纳米结晶材料。该方法的有效性已得到确认。


作者简介：牧野彰宏

工学博士。1980年在日本东北大学研究生院毕业后进入阿尔卑斯电气。在担任该公司中央研究所副所长后，1999年起成为日本秋田县立大学系统科学技术部教授。2005年起任日本东北大学金属材料研究所金属玻璃综合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs纳米结晶磁性合金研发项目”获得日本金属学会论文奖及该技术开发奖，并且2000年还因“非平衡相磁性材料及其应用项目”获得日本金属学会本金属学会成就奖