JPH0534814B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はコアーおよび極片として作られた磁性
物品、ならびにこれらをガラス質金属粉末から製
造する方法に関する。

非晶質金属合金およびこれから作られる物品は
米国特許第3856513号明細書（1974年12月24日発
行）にチエンおよびポークによつて示されてい
る。その明細書は、非晶質の状態で得られ、同一
金属を基礎とするそれ以前に知られていた結晶性
合金よりも優れた新規な合金組成物を教示してい
る。そこに示された組成物は急冷により容易に非
晶質の状態になり、望ましい物理的特性をもつ。
その明細書にはさらに、キヤストリボンの摩砕ま
たはエアミル粉砕によつて10〜250μｍの範囲の
粉径をもつ非晶質金属粉末を製造しうることが示
されている。

パーマロイおよび他の結晶性合金粉末の圧縮
（consolidation）によつて磁性物品を製造するこ
とは知らている。改善された磁性を要求する新た
な用途は、磁性物品の強度および磁性反応が同時
に高められた合金および圧縮法を開発するために
努力を必要とした。

本発明によれば、圧縮して優れた磁性反応を示
す物体となすために特に適した非晶質金属合金が
提供される。さらに本発明によれば熱的機械的方
法を用いてガラス質金属粉末を圧縮する、磁性物
品の製法が提供される。

本発明方法により製造された物品は残留磁気お
よび透磁率が低く、これは広い周波数にわたつて
一定である。一般にこの種の圧縮態磁性ガラス質
金属合金物体は少なくとも15の比透磁率
（ralative magnetic permeability）をもつ。
こゝで用いられる“比透磁率”という語は、真空
中で同一磁場により生じる磁気誘導に対する特定
磁場によりある媒体中で生じる磁気誘導の比を意
味する。

より詳細には本発明によれば強磁性ガラス質金
属粉末をガラス転移温度付近であつて当該合金の
結晶化温度以下のプレス温度69〜690MPaの圧力
において静圧により圧縮する工程を含む方法によ
つて、磁性金属合金の成形品が製造される。これ
により、380〜450℃の範囲の温度で１〜４時間の
間０〜800A／ｍの磁場の存在下で、成形加工後
の焼鈍を行うのに特に適した圧縮態磁性ガラス質
金属合金物体が形成される。この焼鈍された物品
は改良されたインピーダンス透磁率をもち、信号
および高周波数の電力変圧器などに用いるのに特
に適している。

本発明の好ましい態様および添付の図面に関す
る詳細な記述を参照すると、本発明がより十分に
理解され、他の利点が明らかになるであろう。

第１図はメルトから直接に非晶質金属粉末をキ
ヤステイングするために用いられる装置の略図で
あり、この装置は刻みのあるキヤステイング用指
示体をもつ。

第２図は圧縮された物体の密度の変化を圧縮時
間および圧縮温度の関数として示すグラフであ
る。

第３図はインピーダンス透磁率の変化を成形加
工後の焼鈍時間の関数として示すグラフである。

第４図はインピーダンス透磁率の変化を絶縁さ
れていない粉末および絶縁された粉末の周波数の
関数として示すグラフである。

第５図はインピーダンス透磁率の変化の異なる
粒径のものから製造したコアーの周波数の関数と
して示すグラフである。

第６図はコアー損の変化を成形加工後の焼鈍時
間の関数として示すグラフである。

透磁率が15よりも大きい本発明の磁性圧縮物体
は一般に粉末状のガラス質金属合金から製造され
る。合金からガラス質金属粉末を製造する一般的
方法は、急冷工程および微粒化（atomization）
工程を伴うものである。合金は直接リボンにキヤ
ステイングされ、摩砕、ボールミル粉砕またはエ
アーミル粉砕によつて希望する粒径範囲の粉末ま
たはフレークにされる。粉末化処理を補助するた
めに、リボン試料は合金の結晶化温度以下におけ
る脆化熱処理を施される。

あるいは粉末またはフレーク（こゝではその厚
さよりも大きさのオーダーの小さな直径をもつ粒
子と定義される）を第１図に示される型の刻みを
もつキヤステイング用支持体を用いて、希望する
範囲の寸法をもつ最終形状のものに直接にキヤス
テイングすることができる。これにより製造され
る粒子またはフレークの寸法は、刻みの深さおよ
びそれらの問隔に応じて変動するであろう。一般
に刻みは規則的な間隔をもつ多数の山および谷を
含み、隣接する山の間隔は0.01〜0.1cmの範囲に
あり、山の頂部から谷の底部までの距離は0.005
〜0.05cmの範囲にある。このようなキヤステイン
グ用支持体の形状によつて一般に0.01〜0.1cmの
範囲の寸法をもつ粉末粒子またはフレークが得ら
れる。

第１図に示されるように、装置１０は可動性の
冷却面１２、溶融金属１６を保持するために溜め
１４、および頂部に溜め１４と連結しかつその底
部に冷却面１２に近接した開口をもつノズル１８
をもつ。冷却面１２は規則的な間隔をもつ山２２
および谷をもつ。隣接する山は0.01〜0.1cmの距
離ｄの間隔をもつ。山の頂部から谷の底部までの
距離ｙ（図示されていない）は0.005〜0.05cmで
あ。粉末は溶融合金を刻み目つき支持体（冷却面
１２）上に落下させることによつて直接に製造さ
れる。この支持体は100〜2000ｍ／分の速度で縦
方向に動くよう設定された回転式冷却ロール、エ
ンドレスベルト（図示されていない）などであ
る。これにより得られた粉末粒子の寸法は、距離
ｄおよびｙの大きさによつて直接に変化する。

図示された態様においてノズル手段は冷却面の
運動方向に一般に垂直に配置されたスロツトをも
つ。スロツトは一対の平行なリツプ、すなわち冷
却面の運動方向に番号をつけられた第１リツプお
よび第２リツプによつて規定される。ノズル１８
のスロツトは冷却面の運動方向に測定して0.2〜
１mmの幅をもつ。第１リツプは少なくともスロツ
ト幅に等しい幅をもち、第２リツプはスロツト幅
の1.5〜３倍の幅をもつ。リツプと冷却面の間隙
はスロツト幅の0.1〜１倍である。ガラス質合金
の製造は米国特許第3856513号（チエンらに付与）
明細書中に示される基本的教示によつて行うこと
ができる。得られらシート、リボン、テープおよ
び線材はここに記載された材料の有用な前駆物質
である。

粉末の圧縮は物体を製造するに際して最初の工
程である。圧縮用の粉末には微粉末（105μｍよ
りも小さな粒径をもつもの）、粗大粉末（105〜
300μｍの粒径をもつもの）およびフレーク
（300μｍよりも大きな粒径をもつもの）が含まれ
うる。圧縮はガラス転移温度付近であつて結晶化
温度よりも低い温度のガラス質金属粉末をプレス
することによつて得ることができる。

低い透磁率（すなわち25以下）を希望する場合
は、105μｍ以下の粒径を採用する。高い透磁率
（100以上）のためには300μｍ以上の比較的大き
な粒径を採用する。

圧縮のためには排気したカンに粉末を入れたの
ちストリツプを形成させるか、あるいは均衡プレ
スしてデイスク、リングその他の希望する形状、
たとえばトランスおよびインデユーサーのコア
ー、モーターの固定子およびローター部品となす
ことができる。さらに粉末を結晶化温度以下であ
つてかつガラス転移温度領域の温度で加温プレス
し、トランス／インデユーサーコアーまたモータ
ーのローター／固定子セグメントなど希望するい
かなる形状にもなすことができる。圧縮はガラス
転移温度の近くで起こる粉末またはフレーク粒子
の間での機械的からみ合いおよび狭い範囲
（Short−range）での拡散結合によつておこるも
のと考えられる。

これまで非晶質合金は、非常に硬いこと、及び
剪断力や圧縮力によつて容易に変形しないことか
ら、粒子間結合（interparticle bonding）を実現
することは困難とされていた。本発明者らは、研
究の結果、圧縮処理を行う温度と圧力を適正に選
定すれば粒子間結合の実現が可能であることを見
出し本発明を完成するに至つたのである。

ガラス転移温度（Tg）よりかなり低い温度で
は粒子が比較的硬いため、圧縮処理中に加えられ
る剪断力および圧縮力によつて容易には変形しな
い。一方Tgよりもかなり高い温度では、圧縮中
に非晶質粒子が初期結晶化する危険性が高い。こ
れに対し、Tgからほぼ50℃の範囲内にプレス温
度で圧縮を行えば良好な粒子間結合が達成される
ことが見出された。さらに、圧縮圧力は69〜
690MPaの範囲としなければならない。この範囲
以外では、たとえ前記の温度範囲で圧縮処理を行
つても良好な粒子間結合を得ることはできない。
温度、圧力の２つの条件が共に満たせれることが
本発明においては必須である。

粉末を適切な有機結合剤、たとえばパラフイ
ン、ポリスルホン、ポリイミド、フエノールホル
ムアルデヒド樹脂と混和したのち常温プレスして
適切な形状となることもできる。結合剤の量は30
重量％までであり、高透磁率をもつコアーのため
には10重量％以下が好ましく、0.5〜３重量％が
より好ましい。このように成形された合金は理論
的最大の少なくとも60重量％の密度をもつ。プレ
スされた物体は結合剤の硬化温度よりも低い比較
的低温で硬化させてより高い強度を与えたのち研
削して最終的形状となすことができる。この方法
の好ましい生成物は、磁性成分として適した形状
をもつものを含む。硬化過程は同時に磁場を与え
ることによつて行うことができる。

金属ガラスは冷却されて結晶化することなく剛
性の状態になつた溶融合金である。この種の金属
ガラスは一般に下記の特性のうち少なくとも幾つ
かをもつ。高度の硬さおよび引掻抵抗、ガラス質
面の平滑性が大きいこと、寸法および形状の安定
性、機械的剛性、強度、延性、それに関連する金
属及び合金と比較して高い電気抵抗、および拡散
性のＸ線回折のパターン。

こゝで“合金”という語は２種またはそれ以上
の金属の固体混合物を示すものとしての普通の意
味で用いられる（コンデンスト・ケミカル・デイ
クシヨナリー、第９版、フアン・ノーストラン
ド・ラインホールド社、ニユーヨーク、1977）。
これらの合金はさらに少なくとも１種の非金属元
素を混合含有する。“ガラス質金属（glassy
metal）合金”、“金属ガラス（mesallic gass）”、
“非晶質金属（amorphous metal）合金”および
“ガラス質金属（vitreous metal）合金”という
語はすべてこゝで同等に用いられる。

本発明に示される方法に適した合金には組成物
〔Fe、Ni、Co〕_65-88〔Mo、Nb、Ta、Cr、Ｖ〕_0-10
〔Ｂ、Ｃ、Ｓ〕_5-25が含まれる。

本発明による好ましい強磁性合金は鉄、コバル
トおよびニツケルよりなる群のうちの１員子に基
づくものである。鉄を基礎とする合金は一般組成
Fe_40-88（Co、Ni）_0-40（Mo、Nb、Ta、Ｖ、Cr）
（B_0-10C、Si）_5-25をもち、コバルトを基礎とする
合金は一般組成Co_40-88（Fe、Ni）_0-40（Mo、Nb、
Ta、Ｖ、Mn、Cr）_0-10（Ｂ、Ｃ、Si）_5-25をもち、
ニツケルを基礎する合金は一般組成Ni_40-80（Co、
Fe）_4-40（Mo、Nb、Ta、Ｖ、Mn、Cr）_0-10（Ｂ、
Ｃ、Si）_5-25をもつ。

特に好ましい合金は鉄79原子％、ホウ素16原子
％およびケイ素５原子％の組成をもつ。

非晶質金属服末を圧縮して、電磁気コアー、極
片など各種の用途に適した成形加工部品となすこ
とができる。ガラス質金属圧縮物は高い透磁率ま
たは低い透磁率をもつ。得られたコアーはトラン
スのコアー、モーターの固定子またはローターそ
の他の交流用に用いることができる。この種の用
途に好ましい非晶質合金にはFe₇₈B₁₃Si₄、
Fe₇₉B₁₆Si₅およびFe₈₁B_13.5Si_3.5C₂が含まれる。

以下の実施例は本発明をより十分に理解するた
めに示したものである。本発明の原理および実施
を具体的に説明するために示された特定の技術、
条件、材料、割合および報告されたデータは一例
であつて、本発明の範囲を限定するものと解すべ
きではない。

実施例 １ 300μｍ以下の粒径およびFe₇₉B₁₆Si₅（下に書か
れた数値は原子％である）の組成をもつ非晶質金
属粉末を米国特許第4142571号明細書に詳述され
た方法に従つてメルトから直接にキヤステイング
されたリボンをエアーミル粉砕することによつて
製造した。キヤステイングされたリボンは16時間
のボールミル粉砕前に不活性な窒素雰囲気下に
400℃で１〜２時間の脆化処理も施された。この
操作により300〜10μｍの範囲の微細な非晶質粒
子が得られた。得られた微細な粉末粒子を種々の
粒径範囲、すなわち“−325メツシユ”（40μ
ｍ）、“−150メツシユ”（150μｍ）および“−
48メチシユ”（300μｍ）に篩分けした。次いで
SiO₂およびメタノールを含有するスラリーと粒
子を混和することにより粉末を１〜３重量％
SiO₂で被覆するか、またはMgOおよびメタノー
ルを含有するスラリーを用いて１重量％MgOで
被覆した。被覆された−150メツシユおよび−325
メツシユのサイズの粉末を黒鉛鋳型中で410〜510
℃の範囲の温度において５分、15分および30分間
プレスした。用いた圧力は69MPaであつた。
Fe₇₉B₁₃Si₉合金について正確にガラス転移温度を
測定することはできなかつたので、結晶化温度
T_X（＝530℃）よりも低い410〜510℃の広い温度
範囲にわたつて加温プレスを行つた。コアー密度
の変化をプレス条件の関数として第２図に示す。
460℃、1/2時間でほぼ80〜85％の理想的な密度が
得られた。しかし、これよりも高い温度では同じ
密度を得るためにプレス時間を短縮することがで
きる。また特定の用途に必要な希望する形状、す
なわち棒状、トロイド（toroid）、EI型などに直
接に加温プレスするために各種の型を加工するこ
ともできる。

実施例 ２ 合金の粒径105μｍ以下およびFe₇₉B₁₆Si₅の組成
をもつ非晶質金属粒子を実施例１に示されたエア
ーミル粉砕によつて、また注型し放しのリボンを
400℃で１時間熱処理することにより脆化したの
ちボールミル粉砕によつて製造した。エアーミル
粉砕した粒末粒子を１重量％MgOで被覆した。
トロイドコアー（内径＝25mm、外径＝38mmおよび
厚さ＝12mm）を430℃で1/2時間の加温プレスによ
り成形加圧した。加工後の焼鈍の効果を評価する
ために、絶縁された粉末および絶縁されていない
粉末の双方から製造したプレス成形コアーを435
℃で１〜４時間焼鈍し、対応するインピーダンス
透磁率を測定し、第３図にプロツトした。

成形加工後の焼鈍によつて透磁率が実質的に改
善され、最適な焼鈍は本実施例で採用した特定の
組成および圧縮法に関しては435℃で１〜２時間
であることを見出された。

実施例 ３ 合金の粒径105μｍ以下およびFe₇₉B₁₆Si₅の組成
をもつ非晶質金属粉末粒子を実施例１に示したエ
アーミル粉砕によつて製造した。

絶縁の効果を評価するため、430℃で1/2時間の
加温プレスにより１〜３重量％のSiO₂または
MgOを用いてトロイドコアー（内径＝25mm、外
径＝38mmおよび厚さ＝12mm）を作成した。成形加
工されたコアーを次いで435℃で１時間焼鈍し、
そのインピーダンス透磁率を周波数（．１テラス
の誘導で１〜100KHz）の関数として測定した。
結果を第４図に示す。絶縁された粉末コアーに関
するインピーダンス透磁率は、周波数と共に変化
しない。これに対し絶縁されていないコアーに関
する透磁率は、渦電流遮蔽により周波数と共に低
下する。この透磁率が一定であることは、信号お
よび高周波電力変圧器に望ましいきわめて重要な
磁気特性である。

実施例 ４ 異なる粒径範囲、すなわち“−48メツシユサイ
ズ”（300μｍ）および“−150メツシユサイズ”
（150μｍ）をもつ非晶質金属粉末を実施例１に
示した方法に従つてエアーミル粉砕により製造し
た。粉末粒子を１重量％MgOで被覆し、圧縮し
とトロイド試料（内径＝25mm、外径＝38mmおよび
厚さ＝12mm）となし、435℃で１〜２時間の成形
加工後焼鈍を行つた。このコアーのインピーダン
ス透磁率を周波数の関数としてプロツトした。第
５図に示すように、粒径が大きくなると共により
高い透磁率が得られた。

実施例 ５ 電力変圧器のコアーとして用いるためには、イ
ンピーダンス透磁率のほかにコアー損特性も重要
である。実施例１に記載したものと同一の合金
Fe₇₉B₁₆Si₅および同一の成形加工を用いて、粒径
−48メツシユおよび−150メツシユの絶縁（１％
MgO）粉末からトロイドコアー（内径＝25mm、
外径＝38mm、厚さ＝12mm）を製造した。成形加工
したコアーを435℃で１〜３時間焼鈍した。50K
Hz／．１テスラにおけるコアー損値を第５図に示
す。最適な加熱処理は435℃で２時間以上である
と思われる。高周波コアー損値は粒径が小さくな
ると共に、かつ１〜３重量％の絶縁によつて実質
的に低下した。最適な低周波（60〜400Hz）コア
ー損に必要な粉末特性および絶縁特性は高周波用
に必要なものと実質的に異なつている。低周波で
は渦電流は主体ではないので、60〜400Hzの変圧
器およびモータに用いるためには、絶縁されてい
ない比較的大きい粒径（たとえば300μｍ以上）
が望ましい。またこの種の低周波変圧器およびモ
ーターに用いるためには、非晶質マトリツクスの
部分的結晶化を避けるために比較的低い温度（た
とえば380〜420℃の範囲程度の温度）で成形加工
後の焼鈍を行うべきである。高周波用には粒系が
比較的小さく（たとえば105μｍ以下）、粒子は絶
縁体（たとえばMgO、SiO₂など）で被覆され、
焼鈍温度は420〜450℃の範囲にある。

以上に本発明をより詳細に記載したが、これら
の詳述に固執する必要はなく、当業者には種々の
変更および修正をなしうることは自明であり、こ
れらはすべて特許請求の範囲の記載により定めら
れる本発明の範囲内に包含されることは理解され
るであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はメルトから直接に非晶質金属粉末をキ
ヤステイングするために用いられる装置の略図で
あり、この装置は刻みのあるキヤステイング用支
持体をもつ。第２図は圧縮された物体の密度の変
化を圧縮時間および圧縮温度の関数として示すグ
ラフである。第３図はインピーダンス透磁率の変
化を成形加工後の焼鈍時間の関数として示すグラ
フである。第４図はインピーダンス透磁率の変化
を絶縁されていない粉末および絶縁された粉末の
周波数の関数として示すグラフである。第５図は
インピーダンス透磁率の変化を異なる粒径のもの
から製造したコアーの周波数の関数として示すグ
ラフである。第６図はコアー損の変化を成形加工
後の焼鈍時間の関数として示すグラフである。第
１図中の記号は下記のものを示す。 １２……冷却面、１４……溜め、１６……溶融
金属、１８……ノズル、２０……ノズルの開口、
２２……刻みの山、２４……刻みの谷。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 強磁性ガラス質金属粉末をガラス転移温度か
   らほぼ50℃の範囲内であつて当該合金の結晶化温
   度以下のプレス温度で69〜690MPaの圧力におい
   て静圧により圧縮して、圧縮態磁性ガラス質金属
   合金体となす工程を含む磁性金属合金の成形品の
   製法。 ２ 圧縮工程を１〜60分間行う、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 粉末が105μｍ以下の粒子直径をもつ粒子か
   らなる、特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 粉末が少なくとも300μｍの粒子直径をもつ
   粒子からなる、特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ５ 粒子を圧縮工程の前に絶縁体で被覆する工程
   を含む、特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６ 粒子を圧縮工程に際して黒鉛鋳型中で410〜
   510℃の範囲の温度において５〜30分間プレスす
   る、特許請求の範囲第５項記載の方法。 ７ 圧縮合金物体を380〜450℃の範囲の温度で１
   〜４時間焼鈍する工程を含む、特許請求の範囲第
   ２項記載の方法。 ８ 焼鈍工程を０〜800A／ｍの磁場の存在下で
   行う、特許請求の範囲第７項記載の方法。