【新一代磁材料】（下）缺點是材料脆弱

Fe高濃度化是以往材料的課題

　　納米結晶的高導磁率和高飽和磁通密度這一此前一直未能實現的特點可通過其成分和構造來說明。

　　首先從成分來看，由于非晶相的磁應變為負應變，而α-Fe為正應變，因此整體看磁應變基本為零。從構造來看，1900年前后的研究顯示，越減細α-Fe的晶粒徑就越會顯示出軟磁性。具體表現為頑磁力即磁各向異性與粒徑的6次方呈比例下降。這樣，納米材料的磁應變及磁各向異性都基本變成了零。

　　不過，以往的納米結晶材料也存在缺點。這就是很難通過Fe的高濃度化來獲得高飽和磁通密度。

　　以往的納米結晶一般使用稱為Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1的材料。該材料從非晶態下進行熱處理時就會分離出Cu，在固相中形成小的Cu塊。而且，還會以此為成核點，析出α-Fe，形成α-Fe納米結晶。

　　該機理的成立條件是非晶淬火時的組織必須是非晶單相。由非晶單相形成的Fe的濃度也因合金不同而異，按原子比例大體在80％以下。要想實現這一構造，必須添加作為遷移金屬的鈮（Nb）及鋯（Zr）等元素。但這樣會導致磁化明顯降低，使飽和磁通密度降至1.2～1.3T。

　　而按照原子比例加入超過80％的Fe成分時，不會形成單層的非晶，即使實施液體淬火處理，得到的材料中也會含有數十nm到100nm的不均勻的α-Fe晶粒。這樣，即使再如何加熱，得到的也只是更大的α-Fe晶粒。也就是說，得到的非晶和納米結晶都是沒有用的。

　　因此，日本東北大學采用了不同的方法。首先在非晶構造中形成非常微小的α-Fe晶粒，以此為核通過450℃左右的熱處理生長出10nm左右的α-Fe晶粒（圖6）。為了形成這些微小的α-Fe，組合使用了P和Cu。通過加入P和Cu，可在經由液體淬火形成的非晶中形成P和Cu較濃的部分。這樣，Fe就會被擠出，生成α-Fe區域。只要條件完備，析出的α-Fe會非常小。

圖6：此次納米結晶材料使用的方法
制造非晶組織時，反而是先形成微小的α-Fe結晶，然后通過熱處理生長為10nm左右的結晶。


缺點是材料脆弱


　　接下來介紹一下此次開發的材料所具有的特性。此次的納米結晶材料由Fe85Si2B8P4Cu1及Fe86Si1B8P4Cu1成分構成，與成分為Fe78Si9B13的非晶材料和硅鋼相比，各項指標都表現出色（表2）。



　　首先是飽和磁通密度。非晶材料在施加800A/m外部磁場時，只能獲得1.5T左右的磁通密度，而納米結晶則可獲得1.8～1.9T左右。這一數值基本與公認飽和磁通密度較高的硅鋼相同。

　　導磁率方面，非晶材料為1萬左右，而納米結晶則提高到了2萬5000左右。與硅鋼比較的話，高出了一位數。

　　而且電阻也比硅鋼大。硅鋼為0.5μΩm左右，而納米結晶材料為0.7μΩm左右。這正處于硅鋼與非晶材料之間。電阻值高說明很適合用于馬達等曝露于高頻磁場中的用途。因為電阻值越高，就越能夠降低由高頻磁場產生的渦流損耗*。

*渦流損耗＝向磁性體實施高頻磁場時，由內部產生的渦狀電流導致的能量損失。渦狀電流最終會因為變成熱等而損失掉。

　　居里點（Curie Point）方面，納米結晶材料高達720℃左右，與硅鋼相當，因此還可在殘酷的環境下使用。而非晶材料非常低，只有395℃。

　　不過，納米結晶材料比硅鋼脆。硅鋼可實現無縫折疊的“緊貼彎曲”，而此次開發的納米結晶材料無法做如此大的彎曲。但與原來的非晶材料（熱處理后）及納米結晶材料相比并不脆弱。

　　下面來比較一下結晶材料與硅鋼的鐵損（表3）。在通過1.5T/50Hz的磁場時，實施了公認最高性能的區域控制的硅鋼要消耗0.61W/kg的能量，而納米結晶材料只需不到一半的0.25～0.28W/kg。通過1.7T/50Hz的磁場時，前者為0.84W/kg，而后者為0.36～0.49W/kg，將損失控制到了一半左右。



為實現塊狀化做準備

　　最后介紹一下為今后實現實用化所采取的舉措。首先是成本問題，不過此次的納米結晶材料極有望以低成本制造。

　　前面介紹的特性是使用高純度的材料測定的，但實用化時需要使用含有雜質的低價工業材料。不過，即使使用工業材料，也能得到性能幾乎不變的產品。原因是雜質在熱處理階段幾乎都被排出到非晶中，α-Fe納米結晶中不含雜質。

　　而且材料費也較低。由于由Si、B、P、Cu構成，不含昂貴的材料及稀有金屬，因此成本估計與鐵類非晶材料大體相同。

　　另外，制造設備也只需低價位的機器即可。由于液體淬火是在大氣中進行，因此不需要真空等設備。并且，此次材料的熔點為1070℃左右，在鐵基合金中非常低，所以制造設備無需特殊的耐熱材料。

　　而作為馬達及變壓器的芯材使用時，則需要塊狀材料。但目前還只能制造厚20μm（0.02mm）、寬50mm左右的帶狀材料。在塊狀材料的量產化方面，目前處于與企業共同研究的階段。

　　以塊狀化為目標的研究方向有兩個。一是進一步加厚、加寬帶狀材料的方法。如果制造出厚0.3mm以上、寬100mm左右的帶狀材料，便可利用層疊這些帶狀材料以樹脂等粘合的加工方法來獲得較厚的大塊材料。

　　另一個是制作粉末材料后裝入模具成型的方法。目前已知，使用水霧化法可制造出納米結晶材料的粉末（圖7）。（特約撰稿人：牧野 彰宏，日本東北大學金屬材料研究所教授）

圖7：納米結晶材料的粉末制造工序
水霧法是向水中噴射制成液體的材料，由此獲得淬火粉體的方法。通過回收粉末后實施熱處理來獲得粉體的納米結晶材料。該方法的有效性已得到確認。


作者簡介：牧野彰宏

工學博士。1980年在日本東北大學研究生院畢業后進入阿爾卑斯電氣。在擔任該公司中央研究所副所長后，1999年起成為日本秋田縣立大學系統科學技術部教授。2005年起任日本東北大學金屬材料研究所金屬玻璃綜合研究中心教授。1992年和1995年因“高Bs納米結晶磁性合金研發項目”獲得日本金屬學會論文獎及該技術開發獎，并且2000年還因“非平衡相磁性材料及其應用項目”獲得日本金屬學會本金屬學會成就獎