JPH0545662B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は非晶質合金組成物、特に鉄、ケイ素お
よびホウ素を含む、高い温度で増強されたAC磁
性をもつ非晶質合金に関する。 研究により特定の合金組成物から固体非晶質材
料が得られることが示された。非晶質材料は実質
的に広範囲の原子秩序をもたず、幅広い強度極大
よりなるＸ線回析図によつて特色づけられる。こ
のような図は液体または普通の窓ガラスの回析図
と性質が類似する。これは鋭く狭く強度極大より
なる回析図を生じる結晶質材料と対照的である。 これらの非晶質材料は準安定状態にある。十分
に高い温度に加熱すると、これらは結晶化熱を放
出して結晶化し、Ｘ線回析図は非晶質の特性をも
つものから結晶質の特性をもつものに変化する。 新しい非晶質合金がH.S.チエンおよびD.E.ポー
クにより米国特許第3856513号明細書（1974年12
月24日発行）に示されている。これらの非晶質合
金はM_aY_bZ_cをもち、この式中Ｍは鉄、ニツケ
ル、コバルト、クロムおよびバナジウムの群から
選ばれる少なくとも１種の金属であり、Ｙはリ
ン、ホウ素および炭素よりなる群から選ばれる少
なくとも１種の元素であり、Ｚはアルミニウム、
アンチモン、ベリリウム、ゲルマニウム、インジ
ウム、スズおよびケイ素よりなる群から選ばれる
少なくとも１種の元素であり、“ａ”は約60〜90
原子％であり、“ｂ”は約10〜30原子％であり、
“ｃ”は約0.1〜15原子％である。これらの非晶質
合金はリボン、シート、線材、粉末などの形で広
範な用途に適していることが認められた。チエン
およびポークの特許には式TiXjの式をもつ非晶
質合金も示されており、この式中Ｔは少なくとも
１種の遷移金属であり、Ｘはアルミニウム、アン
チモン、ベリリウム、ホウ素、ゲルマニウム、炭
素、インジウム、リンケイ素およびスズよりなる
群から選ばれる少なくとも１種の元素であり、
“ｉ”は約70〜87原子％であり、“ｊ”は約13〜30
原子％である。これらの非晶質合金は線材に適し
ていることが認められた。 米国特許第4300950号明細書には本質的にホウ
素12〜15％、ケイ素１〜８％および鉄80〜84％
（原子％）からなる非晶質合金が示されている。
これらの合金は比較的低い結晶化温度およびキユ
リー温度（すなわち400℃以下）を示す。そのた
めその磁性は長期間の加熱時効処理により実質的
に低下し、これらの合金の誘導水準は高い温度で
は比較的低い。従つてこれらの合金は操作温度が
しばしば100℃を越える電源磁性体用（power
magnetics application）としては十分に適した
ものではない。 欧州特許出願第095831号明細書（1983年３月28
日出願）にはホウ素４〜10％、ケイ素14〜17％お
よび鉄73〜80％（原子％）、ならびに付随する不
純物よりなる非晶質合金が示されている。これら
の合金は高い励磁電力（たとえば60Hzおよび
1.4Tにおいて３〜5VA／Kg程度）を示し、低い
励磁力を要求する電源磁性体用としては十分に適
さない。 欧州特許出願第095803号明細書（1983年３月28
出願）にはホウ素６〜10％、ケイ素14〜17％およ
びクロム１〜４％（原子％）よりなり、付随する
不純物以上を含まず、残部が鉄である非晶質合金
が示されている。これらのクロム含有合金は比較
的低い固有飽和磁束密度および比較的低いキユリ
ー温度を有し、高い温度、高磁束密度用には不適
当である。 米国特許第4437907号明細書にはケイ素８〜19
％、ホウ素６〜13％、炭素０〜3.5％および鉄74
〜80％（原子％）からなり、付随する不純物を含
む非晶質合金が示されている。これらの合金は低
い結晶化温度（たとえば515℃以下）を示し、従
つて電源磁性体用には十分に適当ではない。 欧州特許出願第0058269号明細書（1981年５月
８日）には本質的にホウ素12〜16％、ケイ素５〜
10％および鉄77〜80％（原子％）からなり、付随
する不純物以上を含まない非晶質合金が示されて
いる。そこには、高い温度における増強された磁
束密度および長期間にわたる熱安定性を示す合金
に関しては記述されていない。 上記の非晶質合金が見出された時点では、それ
らは当時知られていた多結晶質合金よりも優れた
磁性を示した。それにもかかわらず、高い温度に
おける改良された磁性およびより高い熱安定性を
要求する新たな用途のため、他の合金組成物を開
発する努力が必要となつた。 本発明によれば、少なくとも90％は非晶質であ
り、本質的に式Fe_aSi_bB_c（式中“ａ”、“ｂ”およ
び“ｃ”は原子％であつてそれぞれ79.4〜79.8、
６〜８および12〜14であり、ただし“ａ”、“ｂ”
および“ｃ”の合計は100である）を有するを有
する合金であつて、該合金の60Hzで及び1.4Tで
100℃において測定したときの電力損失が0.3W／
Kgより大ではなく、又同じ条件で測定したときの
励磁電力が0.47VA／Kgより大ではないものであ
る合金が提供される。 本発明において、「電力損失」とは、コアと循
環する渦電流による、熱の形でのエネルギーの消
散に帰する磁気コア中におけるエネルギーの損失
及びヒステリシス損失を意味する。又、「励磁電
力」とは、磁性材料中で、ある磁束密度を維持す
るのに必要な電力を意味する。 本発明の合金はＸ線回折により測定して少なく
とも90％は非晶質であり、好ましくは少なくとも
97％が非晶質であり、最も好ましくは100％が非
晶質である。これらの合金は、目的組成の溶融物
を調製し、溶融合金を急速に回転している冷却ホ
イール上で鋳造することにより少なくとも約10⁵
℃／秒の速度で急冷することによりなる既知の方
法によつて加工される。 さらに本発明は、少なくとも90％は非晶質であ
り、本質的に式Fe_aSi_bB_c（式中“ａ”、“ｂ”およ
び“ｃ”は原子％であり、それぞれ約79.4〜
79.8、６〜８および12〜14であり、ただし“ａ”、
“ｂ”および“ｃ”の合計は100である）を有する
組成物よりなる合金の磁性を高める方法であつ
て、非晶質合金を、該合金の60Hzで及び1.4Tで
100℃において測定したときの電力損失が0.3W／
Kgより大ではなく、又同じ条件で測定したときの
励磁電力が0.47VA／Kgより大ではないものとな
る条件下で焼鈍する工程からなる方法を提供す
る。この場合の焼鈍は、該合金を、応力を除去す
るのに十分であり、ただし結晶化を開始するのに
必要であるよりも低い温度に加熱し；該合金を
0.5℃／分〜75℃／分の速度で冷却し；そして、
上記加熱及び冷却の間該合金に磁場を与える各工
程から成る。 さらに本発明は、少なくとも90％は非晶質であ
り、本質的に式Fe_aSi_bB_c（式中“ａ”、“ｂ”およ
び“ｃ”は原子％であり、それぞれ79.4〜79.8、
６〜８および12〜14であり、ただし“ａ”、“ｂ”
および“ｃ”の合計は100である）を有する組成
物よりなる合金からなる、電磁デバイス用コアー
を提供する。 本発明の合金は約100〜150℃の温度で改善され
たAC磁性を示す。従つてこれらの合金は電力変
成器、航空機用変成器、電流変成器、高周波数変
成器（たとえば約400Hzから100KHzに及ぶ操作周
波数をもつ変成器）、スイツチコアー、高利得磁
気増幅器、および低周波インバータに使用するの
に特に適している。 本発明は以下の詳細な記述および添付の図面を
参照するとより十分に理解され、かつ他の利点も
明らかになるであろう。 第１図は本発明の範囲内および範囲外の合金に
ついて熱安定性（すなわち鉄含量の関数としての
1.4T／60Hzの励磁電力の変化（％）を比較した
グラフであり、 第２図は本発明の範囲内および範囲外の合金に
ついて鉄含量の関数としての飽和磁束密度（すな
わち8000A／ｍおよび100℃で測定した磁束密度）
を比較したグラフである。 本発明による新規な非晶質Fe−Si−Ｂ合金の
組成は、鉄約79.4〜79.8原子％、ケイ素６〜８原
子％、およびホウ素12〜14原子％よりなる。この
種の組成物は高い温度で増強されたAC磁性を示
す。これらの改良された磁性は高い磁化、低いコ
アー損および低い電圧電流要求により証明され、
これらは約100〜150℃の範囲の温度で一定かつ安
定である。上記範囲内で好ましい組成物は鉄79.5
原子％、ホウ素13原子％からなり、残部はケイ素
である。 本発明の合金は、少なくとも約90％が非晶質で
あり、好ましくは少なくとも約97％が非晶質であ
り、最も好ましくは100％が非晶質である。より
大きな容量％の非晶質材料をもつ合金ほど磁性が
改善される。非晶質材料の容量％はＸ線回折によ
り測定することが好都合である。 これらの非晶質合金は溶融物を約10⁵〜10⁶℃／
秒の速度で冷却することにより製造される。すべ
ての材料の純度は商業上普通に見られるものであ
る。スプラツト急冷による金属箔、および迅速急
冷による連続リボン、線材、シートなどの加工に
は種々の技術が用いられる。一般に特定の組成を
選び、必要な元素の（または分解してこれらの元
素を生成する材料、たとえばフエロボロン、フエ
ロシリコンなどの）粉末またはグリニユールを希
望する割合で溶融し、均質化し、この溶融合金を
冷却面、たとえば回転シリンダー上で迅速に急冷
する。 本発明の合金を含む連続金属ストリツプを加工
するための最も好ましい方法は米国特許第
4142571号明細書（ナラシマン、Nara−simhan）
に示されるものである。このナラシマン特許（参
考のためここに引用する）には溶融合金を移動し
ている冷却体の表面に析出させることにより連続
金属ストリツプを形成する方法が示されている。
この方法は(a)冷却体の表面を縦方向に約100〜約
2000ｍ／分の一定のあらかじめ定められた速度
で、該表面に近接してリツプと表面の間隙が約
0.03〜約１mmとなる位置にある一対の一般に平行
なリツプにより定められるスロツト付ノズルのオ
リフイスを越えて移動させ、オリフイスは一般に
冷却体の移動方向に対して直角に配置され、そし
て(b)溶融金属液流をノズルのオリフイスを通して
移動している冷却体の表面と接触させ、金属をそ
こで固化させて連続ストリツプを形成させる工程
からなる。好ましくはノズルスロツトは約0.34〜
１mmの幅をもち、第１リツプはこのスロツトの幅
の少なくとも等しい幅をもち、第２リツプはスロ
ツト幅の約1.5〜３倍の幅をもち、ナラシマン法
により製造される非晶質金属ストリツプは少なく
とも約７mm、好ましくは少なくとも約３cmの幅を
もつ。ストリツプは少なくとも0.02mmの厚さであ
るが、用いる合金の融点、固化性および結晶性に
応じて約0.14mmまたはこれ以上の厚さであつても
よい。 本発明の合金は低い融点および高い過冷
（under−cooling）を示すので、他の鉄系金属ガ
ラスと比較して改良された加工性をもつ。 本発明合金の磁性を合金の焼鈍により高めるこ
とができる。焼鈍の方法は一般に、応力の除くの
に十分であり、ただし結晶化を開始させるのに要
求されるよりも低い温度に合金を加熱し、合金を
冷却し、加熱および冷却中に合金に磁場を与える
ことよりなる。一般に約340〜440℃の温度が加熱
に際して用いられる。約0.5〜75℃／分の冷却速
度範囲が用いられ、約１〜16℃／分の速度が好ま
しい。 上記のように本発明の合金は改良された磁性
（特により高い飽和磁束密度）を示し、これは先
行技術による合金が示す最高125℃よりもむしろ
約100〜約150℃の温度において安定である。本発
明合金の温度安定性が増大したことにより、これ
らを高温における用途、たとえば電力を居住地ま
たは商業的な消費者に配分するための変圧器のコ
アーとして用いることができる。 より詳細には上記のFe−Ｂ−Si組成物につい
ては、焼鈍条件を適切に選ぶことにより優れた損
失特性および励磁電力特性を達成することができ
る。損失特性および励磁電力特性を別としても、
他の２基準、すなわち高い温度における飽和磁速
密度、および熱安定性は電源磁性体としての用途
にとつてきわめて重大であり、最適なものでなけ
ればならない。 高い温度における飽和磁速密度は100℃で
B8000A／ｍを測定することにより概算すること
ができる。第２図は本発明の範囲内および範囲外
のFe−Ｂ−Si含有合金について鉄含量の関数と
しての飽和磁速密度（すなわちB8000A／ｍおよ
び100℃で測定した磁速密度）からなるグラフで
ある。第２図に示すように、約79.4原子％以上の
鉄を含有する合金に関する100℃における飽和磁
速密度は79.4％よりも低い鉄含量をもつものより
も約１％高い。損失評価の観点からは、高い温度
における操作磁速密度のこの利得により変成器の
寸法が縮小され、電源磁性体コアー材料としての
非晶質合金の固有値が著しく高められる。 広範な熱安定性は“急速固化した材料の化学お
よび物理学”に関するシンポジウム（ミズーリ州
セントルイスで1982年10月26−27日にATME金
属学会により開催）の議事録中でダツタらにより
論じられた促進時効処理により概算することがで
きる。促進時効処理は、普通の操作温度よりも高
い温度に暴露された原型コアーの重要な軟質磁性
の変化（すなわち1.4T／60HzにおけるVAの変化
％）を測定し、この特性の変化を操作温度にまで
外挿することよりなる。第１図は本発明の範囲内
および範囲外のFe−Ｂ−Si含有合金につき促進
時効（すなわち熱安定性）挙動（すなわち鉄含量
の関数としての1.4T／60Hzの励磁電力の変化％）
を比較したグラフである。時効処理は240℃で
2200時間行われた。第１図に示すように約79.8原
子％以上の鉄を含有する合金は励磁電力が実質的
に増大した（すなわち著しく時効処理された）。
有利なことに、約79.4〜79.8の鉄含量をもつ本発
明の範囲内の合金については、高い温度における
飽和磁束密度および熱安定性が同時に最適化され
た。 本発明合金からなるコアーを電磁デバイス、た
とえば変成器に用いた場合、これらはきわめて高
い磁化、低いコアー損、および低い電圧電流要求
を示し、従つて電磁デバイスのより効果的な操作
が行われる。コアーを循環する渦電流の結果磁気
コアーに生じるエネルギー損失のため、エネルギ
ーの熱の形で消失する。本発明合金から作成した
コアーは操作に必要な電気エネルギーがより少な
く、生じる熱が少ない。変成器コアーを冷却する
ために冷却装置を必要とする用途、たとえば航空
機の変成器および大型の電力変成器においては、
本発明合金から作成されたコアーにより発生する
いつそう少ない熱量を除去するために必要な冷却
装置がいつそう少ないのでさらに節約が実現され
る。さらに本発明合金から作成されたコアーの著
しく高い磁化および高い効率により、一定の容量
定格につき重量の少ないコアーが得られる。 本発明をより良く理解するために下記の例を提
示する。本発明の原理および実際を説明するため
に示された特定の手法、条件、材料、割合および
報告したデータは例示であり、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 鉄、ケイ素およびホウ素を含有する各種組成の
合金リボン（幅0.0254ｍ）約0.030Kgをそれぞれ
0.0397ｍおよび0.0445ｍの内径および外径をもつ
ステアタイト製コアー上に巻きつけることにより
円環状の試料を作成した。高温用マグネツト線
150回を円環上に巻きつけて、焼鈍のために
795.8A／ｍのD.C.円周磁場を与えた。試料を不
活性ガス雰囲気中で340〜440℃の温度で２時間焼
鈍し、加熱および冷却に際して795.8A／ｍの磁
場を与えて各組成物につき最適の磁場焼鈍条件を
決定した。各組成物につき最適な磁場焼鈍条件は
コアーの励磁電力が最低になる条件である。試料
は約10℃／分の速度で冷却された。 試料AC磁性、すなわち電力損失（Ｗ／Kg）お
よび励磁電力（RMS VA／Kg）を周波数60Hzお
よび磁気の強さ1.4テスラにおいて正弦磁束法に
より測定した。 本発明の範囲内の各種合金組成物につき磁場焼
鈍したAC磁気の値を表１に示す。

【表】 比較のため本発明の範囲外にある若干の非晶質
合金の組成およびそれらの磁場焼鈍したAC測定
値を表に示す。これらの合金は本発明の範囲内
のものと対照的に室温および100℃より高いコア
ー損およびより高い電圧電流要求をもつ。

【表】 高い温度における本発明の合成組成物の改善さ
れた飽和磁束密度を説明するために、表からの
試料１〜６をさらに8000A／ｍの駆動磁場で100
℃において励磁することにより試験した。こうし
て試験された合金の改良された飽和磁束密度を表
に示す。

【表】 比較のため、本発明の範囲外の非晶質合金若干
の組成、ならびに8000A／ｍの駆動磁場および
1000℃におけるそれらの飽和磁束密度測定値を表
に示す。

【表】 以上、本発明をかなり詳細に記述したが、これ
らの詳細に厳密に従う必要はなく、当業者にはさ
らに変更および修正をなしうることが自明であ
り、これらはすべて特許請求の範囲により定めら
れる本発明の範囲に含まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の範囲内および範囲外の合金に
ついて熱安定性（すなわち鉄含量の関数としての
1.4T／60Hzの励磁電力の変化（％）を比較した
グラフであり、第２図は本発明の範囲内および範
囲外の合金について鉄含量の関数としての飽和磁
束密度（すなわち8000A／ｍおよび100℃で測定
した磁束密度）を比較したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも90％は非晶質であり、本質的に式
   Fe_aSi_bB_c（式中“ａ”、“ｂ”および“ｃ”は原子
   ％であつてそれぞれ79.4〜79.8、６〜８、および
   12〜14であり、ただし“ａ”、“ｂ”および“ｃ”
   の合計は100である）を有する組成よりなる合金
   であつて、該合金の60Hzで及び1.4Tで100℃にお
   いて測定した電力損失及び励磁電力が、電力損失
   については0.3W／Kgより大ではなく、励磁電力
   については0.47VA／Kgより大ではないものであ
   る合金。 ２ 合金が少なくとも97％非晶質である、特許請
   求の範囲第１項に記載の非晶質合金。 ３ 合金が100％非晶質である、特許請求の範囲
   第１項に記載の非晶質合金。 ４ “ａ”および“ｃ”がそれぞれ79.4〜79.7お
   よび13であり、残部がケイ素である、特許請求の
   範囲第１項に記載の非晶質合金。 ５ 合金が100℃および駆動磁場8000A／ｍにお
   いて少なくとも1.50Tの磁束密度を有する、特許
   請求の範囲第１項に記載の合金。 ６ (a)冷却体の表面を縦方向に、100〜2000ｍ／
   分の一定のあらかじめ定められた速度で、該表面
   に近接してリツプと前記表面との間〓が0.03〜１
   mmとなる位置にある一対の一般に平行なリツプに
   より定められるノズルスロツトのオリフイスの位
   置を通過せしめて移動させ、オリフイスは一般に
   冷却体の移動方向に対して直角に配置され、(b)溶
   融金属液流をノズルのオリフイスを通過させて移
   動している冷却体の表面と接触させ、金属をそこ
   で固化させて連続ストリツプを形成させ、そして
   (c)合金を焼鈍してその電力損失および励磁電力を
   改善する工程からなる方法により製造されるもの
   である特許請求の範囲第１項に記載の合金。 ７ 少なくとも90％は非晶質であり、本質的に式
   Fe_aSi_bB_c（式中“ａ”、“ｂ”および“ｃ”は原子
   ％であつてそれぞれで79.4〜79.8、６〜８、およ
   び12〜14であり、ただし“ａ”、“ｂ”および
   “ｃ”の合計は100である）を有する組成よりなる
   合金を、応力を除去するのに十分であり、ただし
   結晶化を開始するのに必要であるよりも低い温度
   に加熱し；該合金を0.5℃／分〜75℃／分の速度
   で冷却し；そして上記の加熱および冷却の間該合
   金に磁場を与える、各工程を含むことから成る、
   100℃で60Hzで及び1.4Tで測定したときの電力損
   失及び励磁電力が、電力損失については0.3W／
   Kgより大ではなく、励磁電力については
   0.47VA／Kgより大ではないものとなるよう、該
   合金の磁気特性を高める方法。 ８ 合金を加熱する温度範囲が340〜440である、
   特許請求の範囲第７項に記載の方法。 ９ 焼鈍工程が、合金を340〜440℃の範囲に加熱
   し；合金を１℃／分〜16℃／分の速度で冷却し；
   そして上記の加熱および冷却に際して合金に磁場
   を与えることよりなる、特許請求の範囲第７項に
   記載の方法。