JPH07122097B2 - 非晶質合金の部分断熱焼鈍方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は非晶質合金製環状磁気鉄心（以下、鉄心と呼
ぶ）の焼鈍方法に関するものである。

［従来の技術］ 非晶質合金は、溶融金属を約10⁶℃／秒で急冷すること
により製作され、その形状は厚さ20〜30μmm、幅25〜10
0mm程度の箔状のものである。

非晶質合金は通常の結晶構造の磁気材料よりも励磁損失
がきわめて少ないことより配電用変圧器等にも用いるこ
とが提案されている。

鉄心は非晶質合金を巻回して製作され、通常その断面は
４角形（長方形または正方形）であり、その表面は４面
よりなつている。

すなわち、鉄心軸と同軸の中央開口部の面（以下、内周
面と呼ぶ）、鉄心軸と同軸の鉄心の外周面（以下、外周
面と呼ぶ）、さらに鉄心軸と直角で内周面と外周面とで
囲まれた２つの面（以下、上部面、下部面と呼ぶ）より
なつている。

鉄心は成形後加工歪による磁気特性の劣化を回復するた
めに焼鈍を行う。

一般的には磁場焼鈍と呼ばれていてる鉄心に励磁コイル
を巻きつけ励磁をかけた状態で焼鈍する方法が行われて
いる。

鉄心の酸化を防ぐために、不活性ガス雰囲気中で焼鈍を
行い、鉄心焼鈍温度は350℃前後が採用されている。

鉄心の半径方向（積層方向）の熱伝導は鉄心軸方向の熱
伝導よりもはるかに悪いために、鉄心の内周面および外
周面付近は炉内雰囲気温度によく追随するが、鉄心半径
方向中央部の温度の追随は非常に遅い。

鉄心内に温度差が生じると熱応力が大きくなり、磁気特
性に悪影響を及ぼす。

このために鉄心内の温度差を大きくすることは避けなく
てはならず、炉内雰囲気温度が急激に上がらないように
しなければならない。

第３図は、従来の方法における炉内雰囲気温度と鉄心温
度の時間特性例であり、これによると炉内雰囲気の最高
保持温度は400℃付近であるが、そこに達するまでに300
℃付近の中間的な保持温度の時間帯が設けられている。

このような中間的な保持温度の時間帯を設けることによ
り焼鈍時間が長くなる。

300℃付近の中間的な保持時間帯の後に、再び炉内雰囲
気の昇温を行い炉内雰囲気の最高保持温度（400℃付
近）まで達すると、この温度で所定時間一定に保つた
後、鉄心焼鈍温度360℃よりも若干高い温度まで下げ、
この温度で一定に保つ。

鉄心焼鈍温度360℃よりも若干高い温度に炉内雰囲気が
保たれている間に鉄心温度が一様になり、鉄心焼鈍温度
360℃に達し、この状態がしばらく保たれた後、冷却に
入る。

鉄心温度は最終的には室温まで下るが、焼鈍を開始して
から前述の過程をへて鉄心温度が200℃まで冷却される
間を焼鈍時間としている。第３図における焼鈍時間は約
10時間を要している。

第３図における鉄心温度をみると前述のような炉内雰囲
気温度の調整を行つているにも拘わらず、鉄心の中心部
と内周面、外周面の間にはかなりの温度差が発生してい
ることが分る。

焼鈍過程で生じる鉄心の中心部と内周面、外周面の間の
温度差は非晶質合金積層厚さが厚いほど大きくなるの
で、鉄心が大形になるほど熱応力による磁気特性劣化の
危険性が増える。

［発明が解決しようとする問題点］ 鉄心の中央部と内外周面部との雰囲気温度に対する応答
差が大きい（中央部が遅く、内外周面部は速い）ため、
焼鈍時に鉄心内温度差による熱応力が発生しやすい。

この熱応力抑制のために炉内雰囲気の温度上昇過程で温
度上昇速度の調整などを行わなければならず、このため
炉内雰囲気温度の制御が複雑であり、かつ焼鈍に長時間
を要していた。

また、上記のような温度上昇速度の調整などを行つて
も、焼鈍過程において鉄心内の温度差により発生する熱
応力により焼鈍の磁気特性向上効果が阻害されるという
問題点があつた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明においては、焼鈍時に鉄心の内周面および外周面
に耐熱性の断熱材をとりつけて、雰囲気温度変化時の鉄
心内温度差を小さくする。

また、本発明における炉内雰囲気の温度条件は従来より
も炉内雰囲気温度、およびその上昇速度とも大きくと
る。

これらにより鉄心焼鈍時間を従来よりも短くするととも
に、焼鈍による磁気特性向上の効果が熱応力により阻害
される危険性も排除される。

［作用］ 金属板を積層した物体の熱伝導率は、積層面と直角な方
向（積層方向）の方が積層面と平行な方向よりもはるか
に小さい。これは、積層面と平行方向の熱伝導は、その
金属板にそつて行われるのに対し、積層方向の熱伝導は
積層板間の空間を経由して、または積層板同志の接触部
を経由して行われるが、上記空間は焼鈍時においては空
気または窒素等で満されており、これら気体の熱伝導率
は金属よりもはるかに小さく、また上記接触部において
は接触抵抗が存在するからである。

鉄心の400℃における熱伝導率を鉄心の軸方向と鉄心の
半径方向とについて測定した結果によると、軸方向の方
が半径方向よりも20倍の熱伝導率を有していた。

これより鉄心の内周面および外周面を断熱して焼鈍すれ
ば半径方向の温度はほとんど均一になり、軸方向には温
度差を生じるが、上記の断熱を行わなかつた場合に生じ
る半径方向の温度差よりもはるかに小さくなり、鉄心内
に発生する熱応力も小さなものとなる。

また、鉄心の内周面および外周面を断熱しない場合でも
半径方向の熱流は軸方向の熱流に対しきわめて小さいの
で、前記の断熱を行つても鉄心中心部の熱応答（この部
分が最も遅い）の遅れはごくわずかである。

上記の断熱処理により、焼鈍時の鉄心内温度差がきわめ
て小さくなるので、炉内雰囲気温度の上昇速度を大きく
することができる。

また、鉄心内周面および外周面付近の雰囲気温度に対す
る応答が遅くなるので過渡的な高温雰囲気によく耐える
ようになり、従来よりも炉内雰囲気の最高保持温度を大
きくとることができる。

以上のことにより、焼鈍時間の短縮を図ることができ
る。

上記の断熱を行うために、鉄心の内周面の内側および外
周面の外側に耐熱性断熱材（熱伝導率0.03〜0.14W/m℃,
500℃までの収縮率１〜３％）を取付ける。

これらの断熱材としては、ガラスウールやその他無機繊
維材料が適当である。

鉄心に取付ける方法としては、シート状断熱材を巻付け
る方法や形枠を用いて断熱材を充填する方法等がある。

シート状断熱材を巻付ける方法は容易に行えるものであ
り、巻付け厚さは25〜75mmとする。

このように内周面および外周面に断熱材を取付けた鉄心
に磁場焼鈍を行うための励磁コイルを巻付ける。

励磁コイルは500℃以上の温度に耐えるものを用いる。

鉄心は窒素ガス等不活性ガス雰囲気下におき励磁コイル
に直流通電を行いながら所定の温度条件で焼鈍を行う。
鉄心は通常磁場焼鈍すべきであるが、ある種の非晶質合
金，たとえば（Co₆₆Fe₄Ni₁B₁₄Si₁₅）や、（Fe_76.85Cr₂B
_16.1Si_4.8C_0.25）などを用いた場合は磁場をかけずに焼
鈍してもよい。

第１図に本発明における内周面および外周面に断熱材を
取付けた鉄心（磁場焼鈍用励磁コイルを巻付ける前の状
態）の概略図を示し、第２図に本発明による焼鈍時の温
度時間特性例を示す。

以下、第２図に基いて本発明を詳細に説明する。Tsは鉄
心焼鈍温度で、非晶質合金の加工歪み除去に充分な温度
で、かつ結晶化温度よりも低い範囲（325℃〜400℃）内
から選定する。

炉内雰囲気の最高保持温度（Tmax）はTsよりも100℃〜1
60℃高く設定する。

焼鈍開始後炉内雰囲気温度を急速かつ一様にTmaxまで上
昇し温度Tmaxで保持（一定温度に保つ）にはいる。

鉄心温度がTsに近づいたとき、炉内雰囲気温度をTsまで
下げる。

鉄心温度がTsに達して所定時間経過後に、焼鈍炉の熱入
力を停止し冷却に入る。

鉄心温度の冷却速度は0.1〜100℃／分の範囲内で鉄心の
形状により選択する。

鉄心の磁場焼鈍用通電は、鉄心温度が200℃程度に低下
するまで継続する。

［実施例］ 元素組成（Fe₇₈B₁₃Si₉）よりなる非晶質合金Metglas
（商品名）2605S−２の100mm巾リボンを巻回して変圧器
用環状鉄心を製作した。

鉄心寸法、重量は第１表〜第３表に示す。

第一表の鉄心は、本発明の実施例によるもので、鉄心内
周面および外周面にガラスウールを巻付けて断熱を行
う。

断熱材を巻付けた鉄心に、耐高熱電線を用い磁場焼鈍用
励磁コイルを巻回する。

コイルの巻回数は６ターンとし、通電時（直流）の磁化
力は800AT/mとする。

第２図は、第１表の鉄心を本発明の方法により焼鈍した
ときの温度時間特性例であり、実線は炉内雰囲気の温
度、一点鎖線は鉄心中心部の温度、破線は鉄心軸方向中
心部で、内周面より5mm鉄心内部に入つた点および外周
面より5mm鉄心内部へ入つた点を熱電対によつて測定し
た温度である。

鉄心焼鈍温度は360℃とする。

鉄心は焼鈍炉中において窒素ガス雰囲気中で磁場焼鈍を
行う。

焼鈍開始とともに励磁コイルに通電し、炉内雰囲気温度
を一様かつ急激に上昇せしめ、500℃より若干低目の最
高保持温度を保つ。

鉄心温度が鉄心焼鈍温度の360℃に近づき、それより若
干低目のときに、炉内雰囲気温度を降下させて360℃ま
で下げこの温度を保持する。炉内雰囲気温度が360℃に
保持されている間に鉄心の温度も360℃に達する。

鉄心温度が360℃近くの状態で１時間程度保持した後
に、焼鈍炉への熱入力を停止し、冷却に入る。

鉄心温度が200℃程度に下つたならば励磁コイルの通電
を停止し磁場焼鈍が終了する。

鉄心が200℃まで下る間の平均冷却速度は、1.5℃／分で
ある。

このようにして、本発明による焼鈍を行つた鉄心の磁気
特性データを第１表に示す。

第２表および第３表の鉄心は、本発明によらないもの
で、本発明の効果を確認するために製作したものであ
る。

ここで本発明の焼鈍方法と従来の焼鈍方法とを比較する
ために、従来の焼鈍方法についても特性を測定した。

第３図は、第２表の鉄心を従来の方法により焼鈍したと
きの温度時間特性例であり、実線は炉内雰囲気温度、一
点鎖線は鉄心中心部温度、破線は鉄心軸方向中心部で鉄
心内周部および鉄心外周部の温度であり（測定は熱電対
による）、第２表に磁気特性を示している。

第３表は焼鈍時の鉄心は従来と同様断熱材の取付けは行
わず、焼鈍の温度時間条件は第２図に示す炉内雰囲気温
度条件によるものであるが、鉄心の温度データは示して
いない。

第２図の本発明の特性と第３図の従来の特性とを比較す
ると、本発明においては炉内雰囲気温度の上昇を急激に
行い、炉内雰囲気の最高保持温度自体も高くとつて、従
来よりも焼鈍時間が短縮されて、かつ焼鈍時の鉄心内温
度差も従来の焼鈍方法よりも小さくなつている。

また、本発明の方法によれば、炉内雰囲気温度の制御も
簡単である。

第１表と第２表とを比較すると、本発明による焼鈍時間
の短縮、磁気特性の向上の効果（保磁力、励磁損失とと
もに減少）が数値的に明確に表われている。

なお、本発明による磁気特性の向上は、鉄心の外周面お
よび内周面に断熱材を取付けたことによるものであり、
単に従来の焼鈍時の鉄心の姿（断熱材の取付なし）のま
まで、焼鈍時間を短縮するために、第２図に示すような
本発明の焼鈍温度時間条件を適用しても、磁気特性は向
上するどころか、低下してしまう。

これは理論的にも推定されることであるが、第３表と第
１表、第２表とのデータを比較すると、これが実証され
ている。

［発明の効果］ 本発明によれば、焼鈍時間が短かくてすみ、炉内雰囲気
温度制御が簡単であり、磁気特性の優れた（保磁力およ
び励磁損失が小さい）鉄心を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による焼鈍時の鉄心への断熱材取付の概
略図、第２図は本発明による焼鈍の温度時間例を示すグ
ラフ、第３図は従来の方法による焼鈍の温度時間例を示
すグラフである。 １……鉄心、２……断熱材、ａ……炉内雰囲気温度を示
す曲線、ｂ……鉄心中心部温度を示す曲線、ｃ……鉄心
軸方向中心部で、鉄心の内周面よる5mm鉄心内部に入つ
た部分の温度および鉄心の外周面より5mm鉄心内部入つ
た部分の温度を示す曲線、ｃ′……鉄心軸方向中心部
で、鉄心内周面の温度および鉄心外周面の温度を示す曲
線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】箔状の非晶質合金を巻回した環状磁気鉄心
   の焼鈍において、前記環状磁気鉄心の外周面および内周
   面の表面を耐熱材で被い、前記非晶質合金の加工歪み除
   去に充分でかつ結晶化温度をこえない温度の範囲内で鉄
   心焼鈍温度を設定し、焼鈍初期の加熱時には炉内雰囲気
   温度を急速かつ一様に上昇せしめ、前記鉄心焼鈍温度よ
   りも高い温度まで上げたのち、この温度で保持し、前記
   環状磁気鉄心の温度が前記鉄心焼鈍温度に近づいたとき
   に、炉内雰囲気温度をこの鉄心焼鈍温度まで下げて、こ
   の温度で保持し、前記環状鉄心を前記鉄心焼鈍温度付近
   に所定の時間保持した後に、炉内雰囲気温度を下げ前記
   環状磁気鉄心を冷却する環状磁気鉄心の焼鈍方法。
2. 【請求項２】断熱材の取付けられた環状磁気鉄心に励磁
   用コイルを巻回し、前記励磁コイルに通電を行うことに
   より前記環状磁気鉄心に磁場を発生させながら焼鈍を行
   う特許請求の範囲第１項に記載の環状磁気鉄心の焼鈍方
   法。