JPH10130797A - ナノ結晶性軟磁性体から成る磁気コアの製造方法 - Google Patents

ナノ結晶性軟磁性体から成る磁気コアの製造方法

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JPH10130797A
JPH10130797A JP9311379A JP31137997A JPH10130797A JP H10130797 A JPH10130797 A JP H10130797A JP 9311379 A JP9311379 A JP 9311379A JP 31137997 A JP31137997 A JP 31137997A JP H10130797 A JPH10130797 A JP H10130797A
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ヴラン フィリップ
Georges Couderchon
クーデルション ジョルジュ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ナノ結晶構造を有する鉄ベースの軟磁性合金
から成る少なくとも１つの磁気コアの製造方法。 【解決手段】 (a) 鉄ベースの軟磁性合金から非晶質リ
ボンを作り、(b) このリボンの最大磁気透過性となるア
ニーリング温度Tmを求め、(c) リボンから少なくとも１
つのコア素材を作り、(d) 少なくとも１つのコア素材
を、Tm＋10℃〜Tm＋50℃の温度Ｔ且つ0.1 〜10時間の温
度保持時間ｔで、少なくとも１回アニーリングしてナノ
結晶を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電気機器用の磁気回
路を製造するためのナノ結晶性(nanocristallin)磁性材
料に関するものである。
【０００２】
【従来技術】ナノ結晶性磁気材料は周知であり、例えば
欧州特許第0,271,657 号、第0,299,498 号に記載されて
いる。この材料は60原子％ (atom％) 以上の鉄、銅、珪
素、硼素を含み、任意成分としてニオブ、タングステ
ン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、チタンおよ
びモリブデンから選択される元素を少なくとも一種含む
鉄をベースにした合金である。これを非晶質リボンの形
に鋳造し、熱処理して極めて微細な結晶化を起こさせる
（結晶の直径は 100ナノメートル以下）。
【０００３】この材料は電気機器、例えば作動遮断器(d
isjoncteurs differentiel) に使用される軟磁性コアを
製造するのに適した磁気特性、特に、非常に優れた磁気
透過性を有し、広いヒステリシスループ（Br/Bm ≧0.5)
あるいは狭いヒステリシスループ（Br/Bm ≦0.3)のいず
れかを有することができる（Br/Bm は最大磁気誘導に対
する残留磁気誘導の比) 。約500 ℃の温度で１回のアニ
ーリング操作で熱処理した場合には広いヒステリシスル
ープが得られる。狭いヒステリシスループは熱処理時に
少なくとも１回のアニーリング操作を磁場下で行った場
合に得られる。このアニーリング操作はナノ結晶を生成
させるためのアニーリングにすることができる。
【０００４】ヒステリシスループが広い材料は非常に高
い磁気透過性を有することができ、従来のパーマロイ型
合金よりも高い磁気透過性を有することもある。この材
料はこの極めて高い磁気透過性によってＡＣクラスの作
動遮断器すなわち交流障害電流に対して感度の高い作動
遮断器の磁気コアの製造に適している。しかし、そのよ
うな使用を可能にする多量生産を満足に行うためにはコ
アの磁気特性が十分な再現性を有して用いなければなら
ない。
【０００５】ＡＣクラスの作動遮断器用の磁気コアを多
量生産するためには、ナノ結晶構造が得られる非晶質磁
性合金のリボンを使用する。マンドレルの周りに一定長
さのリボンを巻き付け、スポット溶接によってほぼ矩形
断面を有する一連のトーラス(tore)を作る。得られたト
ーラスをアニーリングしてナノ結晶を生成させて、それ
によって所望の磁気特性を与える。アニーリング温度は
合金の磁気透過性が最大になるように 500℃付近を選択
する。こうして得られた磁気コアにはコイルが巻き付け
られるが、このコイルによって機械的応力が生じ、コア
の磁気特性が低下する。巻付け作業による応力を抑制す
るためにトーラスは保護ケースの中に配置され、フォー
ム座金等によって保護ケース内にキー止めされるが、ト
ーラスを保護ケース内部にキー止めすること自体によっ
てわずかな応力が誘導される。この応力はコア上に非常
に優れた磁気特性を発生させる上で有害である。保護ケ
ースの使用は効果的ではあるが、必ずしも十分ではな
く、工業的に生産される装置の特性は巻付け作業後に低
下し、バラツキが大きく、所望用途に使用することがで
きない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は上記欠
点を解決して、ＡＣクラスの電流遮断器の大量生産で利
用可能な程度のバラツキを有する、400,000 以上の磁気
透過性（50Hz最大インピーダンスに対する相対透過性）
と、広いヒステリシスループとを兼ね備えたナノ結晶性
材料から成る磁気コアを大量生産する手段を提供するこ
とにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の対象は、下記
(a)〜(d) を特徴とする、ナノ結晶構造を有する鉄ベー
スの軟磁性合金から成る少なくとも１つの磁気コアの製
造方法にある： (a) 鉄ベースの軟磁性合金から非晶質リボンを作り、
(b) このリボンの最大磁気透過性となるアニーリング温
度Tmを求め、(c) リボンから少なくとも１つのコア素材
を作り、(d) 少なくとも１つのコア素材を、Tm＋10℃〜
Tm＋50℃、好ましくはTm＋20℃〜Tm＋40℃の温度Ｔ且つ
0.1 〜10時間、好ましくは0.5 〜５時間の温度保持時間
ｔで、少なくとも１回アニーリングしてナノ結晶を形成
させる。少なくとも１回のアニーリング操作は磁場下で
行うことができる。
【０００８】本発明方法は、ナノ結晶構造を示す鉄ベー
スの全ての軟磁性合金に適用されるが、特に下記化学組
成（at％）を有する合金に適用される： Fe≧60％ 0.5 ％≦Cu≦1.5 ％ ５％≦Ｂ≦14％ ５％≦Si＋Ｂ≦30％ ２％≦Nb≦４％
【０００９】ＡＣクラス作動遮断器（交流の障害電流に
対して敏感）用の磁気コアを大量生産する場合には、ナ
ノ結晶構造を獲得することが可能な非晶質構造を有する
軟磁性合金より成るリボンを使用する。この合金は主成
分である鉄を60原子％以上含有し、さらに下記(a) 〜
(c) を含有する： (a) 0.1 〜３ at.％、好ましくは0.5 〜1.5 at.％の
銅、(b) ニオブ、タングステン、タンタル、ジルコニウ
ム、ハフニウム、チタンおよびモリブデンから選択され
る少なくとも一種の元素0.1 〜30原子％、好ましくは２
〜５原子％（ニオブ含有率は２〜４原子％にするのが好
ましい）、(c) 珪素および硼素の合計含有率は５〜30原
子％、好ましくは15〜25原子％であり、硼含有率は最大
25原子％、好ましくは５〜14原子％にでき、珪素含有率
は最大30原子％、好ましくは12〜17原子％にすることが
できる。この合金の化学組成には原材料に起因する不純
物または精錬によって生じ不純物をさらに少量含んでい
てもよい。
【００１０】非晶質リボンは公知のように、液体金属を
高速凝固させることによって得られる。磁気コア素材も
公知の方法で作ることができ、リボンをマンドレルの周
りに巻きつけ、切断し、スポット溶接によって末端を固
定して矩形断面を有する小さいトーラスを形成する。こ
の磁気コア素材をアニーリング処理し、非晶質マトリク
ス中に100 ナノメートル以下の寸法のナノ結晶を析出さ
せる。この非常に細かい結晶化によって所望の磁気特性
を得ることができ、磁気コアブラン素材を磁気コアに変
換することができる。
【００１１】本発明者は、アニーリング条件がコアの磁
気特性に与える影響は合金の化学組成だけでなく個々の
リボンの各製造条件によって変り、制御不可能であると
いう事実を見い出した。従って、本発明では所定の継続
時間でアニーリングを行った時にリボンから製造される
トーラスに最大の磁気透過性を与えることが可能な温度
Tmをアニーリングを実行する前に決定する。この温度Tm
は個々のリボンに特異的なものであり、当業者には公知
の試験によって各リボン毎に求める。温度Tmを求めた
後、Tm＋10℃〜Tm＋50℃、好ましくはTm＋20℃〜Tm＋40
℃の温度Ｔで0.1 〜10時間、好ましくは0.5 〜５時間ア
ニーリングする。この温度および時間はアニーリングを
調節するための２つの部分的に均等なパラメータである
が、アニーリング温度の変化はアニーリング時間の変化
よりもはるかに大きい影響を与える。特に、使用可能な
アニーリング温度範囲の限界値付近において大きい影響
を与える。従って、処理条件の調節で温度は相対的に粗
いパラメータであり、時間は細かい調節パラメータであ
る。
【００１２】各処理条件は磁気コアの用途に応じて決定
される。熱処理後、各コアを保護ケースに入れ、例えば
座金を用いて保護ケース内に固定する。用途によっては
個々のコアを樹脂に封入することができる。アニーリン
グ温度がTmに等しくない場合には、コアの磁気透過性が
最大にはないが、本発明者らは本発明方法で操作するこ
とによって十分な信頼性で400,000以上の磁気透過性を
達成することができるということを見い出した。本発明
者達はさらに、得られた磁気コアは作動遮断器の大量生
産に好適であり、特に、コイリング応力の影響を受け難
いということを確認している。以下、本発明の実施例を
説明するが、本発明が以下記実施例に限定されるもので
はない。
【００１３】
【実施例】本発明および比較例として、幾何学形状の等
しいトーラス (円環面) 型磁気コア（内径＝11mm、外形
＝15mm、高さ＝10mm）の３つのロット（Ａ、Ｂ、Ｃ）を
製造した。３種類のロットは合金 Fe73Cu1Nb3Si15 Ｂ
8(原子％）を用いて、厚さ22μｍの非晶質リボンの形に
鋳造した。これから磁気コア素材を製造した後、温度Tm
を求めた。温度Tmは500 ℃と決定した (アニール時間は
１時間) 。ロットＡは従来法に従って 505℃(Tm ＋５
℃）で１時間アニーリングした。ロットＢは本発明方法
に従って 530℃（Tm＋30℃）で３時間アニーリングし
た。ロットＣは比較例で 555℃（Tm＋55℃）で３時間ア
ニーリングしたものである。各ロットについて磁気透過
性の平均値と標準偏差を求めた (一つは裸のコアの状態
で、もう一方はコアを保護ケース内に収容した状態すな
わちトーラスを保護ケース内部にキー止めする際にコア
にわずかに応力を加えた状態で測定した) 。測定結果は
下記［表１］にまとめて示してある（これら３つの場合
でBr／Bm比は約 0.5）。
【００１４】
【表１】
【００１５】この結果は、ロットＡの結果に比べて、ロ
ットＢのコアの磁気透過性の平均値はコアを保護ケース
内に収容したことの影響およびそれによって生じる応力
の影響をほとんど受けないことがわかる。ロットＣにつ
いても同じことがいえる。一方、保護ケース内に収容し
たバッチＡとバッチＢの磁気コアの磁気透過性の平均値
はほぼ等しいにもかかわらず、保護ケースに収容したバ
ッチＣの磁気コアの磁気透過性の平均値ははるかに低く
なっている。
【００１６】保護ケースに収容または収容しなかったロ
ットＢとロットＣの磁気コアの磁気透過性値の標準偏差
は、保護ケースに収容または収容しなかったロットＡの
磁気コアの磁気透過性値の標準偏差よりも低いこともわ
かる。ロットＡとロットＢとの差はロットＢの磁気コア
がロットＡの磁気コアに比べて機械的応力の影響を受け
難いという事実に起因する。ロットＣの磁気コアは理論
上ロットＢの磁気コアよりも機械的応力の影響を受け難
いにもかかわらず、ロットＣの磁気コアの透過性は用途
に適した値にはならない。平均値と標準偏差との差から
ロットＡのコアの約23％とロットＣのコアの約80％は40
0,000 以下の磁気透過性を有するが、ロットＢでは磁気
透過性が400,000以下のものはわずかに13％である。
【００１７】ロットＢのコアの磁気特性のばらつきはロ
ットＡのコアの磁気特性のばらつきよりも小さく且つ磁
気特性の機械的応力に対する感受性はＡよりもＢにおい
て少ないので、ロットＢの磁気コアはコイリング後にＡ
Ｃクラスの作動遮断器で使用するのに適している。これ
に対してロットＡのコアは信頼性に欠ける。ロットＣの
磁気コアは理論的にはロットＢのコアよりも機械的応力
の影響を受けにくいにもかかわらず、十分に高い磁気透
過性を持たないため作動遮断器で使用するには適してい
ない。
【００１８】用途（例えばクラスＡの作動遮断器）では
ヒステリシスループの狭い磁気コアを使用する必要があ
る。そのようなコアは少なくとも１回のアニーリング操
作を磁場下で行うことで製造することができる。この磁
場下でのアニーリング操作はナノ結晶を析出させるため
の上記のアニーリングか、350 ℃〜550 ℃の温度で行う
追加のアニーリング操作にすることができる。この方法
で得られるコアも上記の場合と同様に機械的応力に対す
る感受性がはるかに低く、大量生産での信頼性を高くす
ることができる。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下記 (a)〜(d) を特徴とする、ナノ結晶
    構造を有する鉄ベースの軟磁性合金から成る少なくとも
    １つの磁気コアの製造方法： (a) 鉄ベースの軟磁性合金から非晶質リボンを作り、
    (b) このリボンの最大磁気透過性となるアニーリング温
    度Tmを求め、(c) リボンから少なくとも１つのコア素材
    を作り、(d) 少なくとも１つのコア素材を、Tm＋10℃〜
    Tm＋50℃の温度Ｔ且つ0.1 〜10時間の温度保持時間ｔ
    で、少なくとも１回アニーリングしてナノ結晶を形成さ
    せる。
  2. 【請求項２】 温度保持時間を0.5 〜５時間にする請求
    項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 アニーリング温度ＴをＴm ＋20℃〜Ｔm
    ＋40℃にする請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 鉄ベースの軟磁性合金が下記化学組成
    （原子％）を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載
    の方法： Fe≧60％ 0.1 ％≦Cu≦３％ ０％≦Ｂ≦25％ ０％≦Si≦30％ さらに、ニオブ、タングステン、タンタル、ジルコニウ
    ム、ハフニウム、チタンおよびモリブデンから選択され
    る少なくとも一種の元素を0.1 〜30原子％の割合で含
    み、残部は不可避不純物であり、さらに下記関係式を満
    足する： ５％≦Si＋Ｂ≦30％。
  5. 【請求項５】 鉄ベースの軟磁性合金の化学組成が下記
    をさらに満足する請求項４に記載の方法： 15％≦Si＋Ｂ≦25％。
  6. 【請求項６】 鉄ベースの軟磁性合金の化学組成が下記
    をさらに満足する請求項４に記載の方法： 0.5％≦Cu≦1.5 ％
  7. 【請求項７】 鉄ベースの軟磁性合金の化学組成が、ニ
    オブ、タングステン、タンタル、ジルコニウム、ハフニ
    ウム、チタニウムおよびモリブデンから選択される少な
    くとも一種の元素を２〜５原子％の割合で含有する請求
    項４に記載の方法。
  8. 【請求項８】 鉄ベースの軟磁性合金の化学組成が下記
    をさらに満足する請求項４に記載の方法： 12 ％≦Si≦17％。
  9. 【請求項９】 鉄ベースの軟磁性合金の化学組成が下記
    をさらに満足する請求項８に記載の方法： 0.5 ％≦Cu≦1.5 ％ ５％≦Ｂ≦14％ 15％≦Si＋Ｂ≦25％ ニオブ、タングステン、タンタル、ジルコニウム、ハフ
    ニウム、チタンおよびモリブデンから選択される少なく
    とも一種の元素を２〜４原子％で含む。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１回のアニーリングを磁場
    下で行う請求項１に記載の方法。
JP9311379A 1996-10-25 1997-10-27 ナノ結晶性軟磁性体から成る磁気コアの製造方法 Withdrawn JPH10130797A (ja)

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