JP2000256812A - 軟磁性金属ガラス合金 - Google Patents
軟磁性金属ガラス合金Info
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Abstract
く、室温で軟磁性を有し、従来の液体急冷法で得られる
アモルファス合金薄帯よりも厚く製造できる可能性を有
する3元系を主体とする軟磁性金属ガラス合金の提供を
目的とする。 【解決手段】 本発明は、下記組成式で表され、ΔTx
=Tx−Tg(ただしTxは、結晶化開始温度、Tgは
ガラス遷移温度を示す。)の式で表される過冷却液体の
温度間隔ΔTxが20K以上を有するものである。 Fe100-x-yMxBy ただしMは、Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、
V、Cr、Wのうちの1種又は2種以上の元素であり、
x及びyは、原子%で3≦x≦14、9≦y≦22の範囲で
ある。
Description
た軟磁性金属ガラス合金に関するもので、広い過冷却液
体を有し、優れた軟磁気特性を有するものに関する。
結晶化の前の過冷却液体の状態においてある広い温度領
域を有し、これらは、金属ガラス合金(glassy alloy)
を構成するものとして知られている。そして、この種の
金属ガラス合金は、従来公知の液体急冷法で製造したア
モルファス合金の薄帯に比べてはるかに厚いバルク状の
アモルファス合金となることも知られている。
1960年代において最初に製造されたFe-P-C系の
アモルファス合金、1970年代において製造された
(Fe,Co,Ni)-P-B系、(Fe,Co,Ni)-S
i-B系合金、1980年代において製造された(Fe,
Co,Ni)-M(Zr,Hf,Nb)系合金、(Fe,C
o,Ni)-M(Zr,Hf,Nb)-B系合金が知られて
いるが、これらは、いずれも、105K/sレベルの冷
却速度で急冷して製造する必要があり、製造されたもの
の厚さは50μm以下の薄帯であった。また、金属ガラ
ス合金では、厚さ数mmのものが得られ、このような種
類の金属ガラス合金として、1988年〜1991年に
かけて、Ln-Al-TM、Mg-Ln-TM、Zr-Al-
TM(ただし、Lnは希土類元素、TMは遷移金属を示
す。)系等の組成のものが発見されている。
られているこれらの金属ガラス合金は、いずれも、室温
において磁性を持つことはなく、この点において磁性材
料として見た場合に工業的には大きな制約があった。従
って、従来より室温で磁性を有し、厚いバルク状のもの
を得ることができる可能性を有する金属ガラス合金の研
究開発が進められている。
液体状態を示すとしても、これらの過冷却液体の温度間
隔ΔTx、即ち、結晶化開始温度(Tx)とガラス遷移温
度(Tg)との差、即ち、(Tx−Tg)の値は一般に小
さく、現実的には、 金属ガラス形成能に乏しく、実用
性のないものであることを考慮すると、前記の通りの広
い過冷却液体の温度領域を持ち、冷却によって金属ガラ
スを構成することのできる合金の存在は、従来公知のア
モルファス合金の薄帯としての厚さの制約を克服可能な
ことから、冶金学的には大いに注目されるものである。
しかし、工業材料として発展できるか否かは、室温で強
磁性を示す金属ガラス合金の発見が鍵となっている。
の合金において磁性を有する金属ガラス合金の存在が報
告されるようになってきた。
元系の組成系において広い過冷却液体領域を有し、強磁
性を発現する理由として、原子半径の異なる多くの元素
からなる多元系合金とすることで、原子間の結び付きを
高め、ΔTxを出すとともに、添加成分の調整により過
冷却液体領域を広げることができるものと推定してお
り、このような背景から本願発明者らは多元系の組成を
中心として材料開発を進めてきた。また、組成系として
3元系程度で金属ガラス合金を製造できるならば、より
好ましいと考えられるが、3元系の金属ガラス合金で磁
性を発現するものは知られていない。
あり、過冷却液体の温度間隔が極めて広く、室温で軟磁
性を有し、従来の液体急冷法で得られるアモルファス合
金薄帯よりも厚く製造できる可能性を有する3元系を主
体とする軟磁性金属ガラス合金を提供することを目的と
する。
ガラス合金は、下記組成式で表され、ΔTx=Tx−Tg
(ただしTxは、結晶化開始温度、Tgはガラス遷移温
度を示す。)の式で表される過冷却液体の温度間隔ΔT
xが20K以上を有する。 Fe100-x-yMxBy ただしMは、Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、
V、Cr、Wのうちの1種又は2種以上の元素であり、
x及びyは、原子%で3≦x≦14、9≦y≦22の範囲で
ある。この組成系において室温で強磁性を示し過冷却領
域の温度間隔ΔTxの広い金属ガラス合金が得られる。
この金属ガラス合金は3元系を主体とし、構成元素数を
少なくできるので製造が容易であるとともに、高い比抵
抗を有する。
0K以上であり、x及びyは、原子%で5≦x≦10、1
2≦y≦18の範囲であることが好ましい。本発明は、
前記組成式のM元素がTiであり、飽和磁束密度が0.
7T以上であり、透磁率が13000以上であることを
特徴とする。
施の形態について説明する。本発明に係る軟磁性金属ガ
ラス合金は、Feを主成分とし、これにZr、Nb、T
a、Hf、Mo、Ti、V、Cr、Wのうちの1種又は
2種以上と、Bを所定量添加した成分系で実現される。
本発明に係る軟磁性金属ガラス合金は、一般式におい
て、 Fe100-x-yMxBy で表記することができ、この一般式において、3原子%
≦x≦14原子%、9原子%≦y≦23原子%なる関係が
好ましく、MはZr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、
Vのうちの1種又は2種以上からなる元素である。更に
前記の成分系において、ΔTx=Tx−Tg(ただしTxは
結晶化開始温度、Tgはガラス遷移温度を示す。)の式
で表される過冷却液体の温度間隔ΔTxが20K以上で
ある。前記の組成系において、Tiを含む組成系でΔT
xが20K以上であることが好ましい。また、前記の組
成系においてΔTxが60K以上であることがより好ま
しい。
成分であるFeは磁性を担う元素であり、高い飽和磁束
密度と優れた軟磁気特性を得るために重要である。ま
た、Feを多く含む成分系においてΔTxが大きくなり
易く、Feを多く含む成分系において元素MとBの含有
量を適正な値とすることで、ΔTxの値を60K以上に
することができる。
i、V、Cr、Wのうちの1種又は2種以上からなる元
素である。これらはアモルファスを生成させるために有
効な元素であり、元素Mのうち、特にTiが有効であ
る。
発明では9原子%以上、23原子%以下の範囲で添加す
る。この範囲を外れてBが9原子%未満であると、ΔT
xが消滅するために好ましくなく、22原子%よりも大
きくなるとアモルファスが形成できなくなるために好ま
しくない。
て、元素Mの組成比を示すxが5原子%≦x≦11原子
%の範囲、Bの組成比を示すyが14原子%≦y≦22原
子%の範囲であることが先の組成範囲より好ましく、更
には、元素Mの組成比を示すxが5原子%≦x≦10原
子%の範囲、Bの組成比を示すyが14原子%≦y≦18
原子%の範囲であることがより好ましい。なお、これら
の組成範囲の中でも、ΔTxを60K以上とするために
は、元素MをTiとして、5原子%≦Ti≦11原子
%、14原子%≦B≦17原子%の範囲とすることが好
ましい。
造するには、例えば、各成分の元素単体粉末を用意し、
前記組成範囲になるようにこれらの元素単体粉末を混合
し、次いでこの混合粉末をArガス等の不活性ガス雰囲
気中において、るつぼ等の溶解装置で溶解して所定組成
の合金溶湯を得る。次にこの合金溶湯を単ロール法を用
いて急冷することで、軟磁性金属ガラス合金薄帯を得る
ことができる。単ロール法とは、回転している金属ロー
ルに溶湯を吹き付けて急冷し、溶湯を冷却した薄帯状の
金属ガラスを得る方法である。なおここで、金属ガラス
合金を製造する場合に用いる方法は単ロール法に限ら
ず、双ロール法あるいはアモルファス合金を製造する場
合に用いられている他の種々の方法で差し支えない。更
に金属ガラス合金として薄帯以外の形状を得る場合には
アトマイズ法などの急冷粉末製造法、射出成形法などの
方法でも差し支えない。
-P-C系、Fe-P-B系、Fe-Ni-Si-B系等の組
成のものがガラス遷移を起こすものとして知られている
が、これらの合金の過冷却液体の温度間隔ΔTxはいず
れも20K以下と極めて小さく、実際的に金属ガラス合
金として構成することはできない。これに対して、本発
明方法で製造するべき軟磁性金属ガラス合金は、この過
冷却液体の温度間隔ΔTxが、20Kを超えて、30K
以上を確実に得られ、組成によっては40〜63Kとい
う顕著な温度間隔を有し、これまでの知見から知られる
Fe基合金からは全く予期されないものである。しか
も、軟磁性についても室温で優れた特性を有するこの系
の軟磁性金属ガラス合金は、これまでの知見に見られな
い全く新規なもので、これまでアモルファス合金が薄帯
としてしか実現できなかったのに対し、バルク状のもの
の製造を可能とし、遥かに実用性に優れたものとなる。
ガラス合金は、過冷却液体の温度間隔ΔTxが20Kを
大きく超えて、組成によっては63Kの極めて高いΔT
xを示し、従来一般のアモルファス材料に比べて溶湯か
ら急冷して製造する際の急冷条件を緩くできるので、薄
帯であれば従来のアモルファス材料の薄帯よりも厚いも
のを得ることができ、急冷時の製造条件によっては数m
mの厚さを有するバルク状のものを得ることができる可
能性を有する。
透磁率が極めて高く、実効透磁率において13000を
超えるものを容易に得ることができ、組成に応じて29
000の極めて優れた実効透磁率を得ることができる。
よって本発明組成系の金属ガラス合金を磁気ヘッドのコ
ア材として適用することが可能であり、その場合に従来
のアモルファス材料よりも厚いものを利用できるので従
来の薄いアモルファス薄帯を積層して構成していたコア
材よりも磁性材料の占積率を高めた好適なものを得るこ
とができる。
組成によって1.9〜2.0×10-6・Ω・m程度の高い
比抵抗を有するので、高周波用途に供した場合に渦電流
損失を低減することが可能であり、磁気ヘッドやトラン
ス等の高周波対応の磁気部品用として好適である。
炉で溶製した。溶製には小塊状の純鉄とTiとBを所定
量秤量し、これらを溶解することで母合金を製造した。
次に、この母合金をルツボで溶解し、アルゴンガス減圧
雰囲気中において40m/sで回転しているロールにル
ツボ下端のノズルから射出圧力5.9×104Paで回転
中の金属ロールに吹き出して急冷する単ロール法を実施
することにより、幅約1mm、厚さ約20μmの金属ガ
ラス合金薄帯の試料を製造した。得られた試料は、X線
回折と示差走査熱量測定(DSC)により分析し、振動
試料型磁力計(VSM)にて飽和磁化(σs)を測定
し、直流B-Hループトレーサにより保磁力(Hc)を
測定し、インピーダンスアナライザにより実効透磁率
(μe)をいずれも室温で測定した。また、磁歪(λ
s)は三端子容量法により測定した。
の合金のΔTxを示す三角組成図である。図1において
〇印で示す試料が金属ガラス合金を示し、●印で示す試
料がアモルファス合金を示し、△印で示す試料がアモル
ファスと結晶の混合組織の試料を示し、□印で示す試料
が結晶質合金を示す。この図に示す結果から、Fe-T
i-B系の3元系合金において、3原子%≦Ti≦14
原子%、9原子%≦B≦22原子%、70原子%≦Fe
≦80原子%の範囲とするとΔTxが発現する金属ガラ
スを得られ易いことがわかる。この範囲の中でも、5原
子%≦Ti≦11原子%の範囲、14原子%≦B≦22
原子%、72原子%≦Fe≦79原子%の範囲で仕切ら
れる実線の範囲で確実にΔTxが30Kを超える優れた
金属ガラスを得ることができることが明らかである。ま
た、図1に示す測定結果から、FeとTiとBの3元系
において、アモルファスを生成する組成領域の内部にΔ
Txを発現して金属ガラスになる領域が存在することが
明らかになった。更に、ΔTxとして、40を超える値
を得るためには、5原子%≦Ti≦11原子%、14原
子%≦B≦17原子%、74原子%≦Fe≦79原子%
の範囲であることが好ましいことも明らかである。
て、各組成合金の保磁力を測定した結果を示す三角組成
図である。この図に示す結果から本発明組成範囲の試料
はいずれも低い保磁力を有することが判明した。図3は
Fe-Ti-B系の3元系合金において、各組成合金の磁
化を測定した結果を示す三角組成図である。この図に示
す結果から本発明組成範囲の試料はいずれも高い磁化を
示すことが判明した。図4はFe-Ti-B系の3元系合
金において、各組成合金の実効透磁率を測定した結果を
示す三角組成図である。この図に示す結果から本発明組
成範囲の試料はいずれも高い実効透磁率を示すことが判
明した。これらの試料の中でも特に高いものにおいて
は、他の組成系の金属ガラス合金と比較しても極めて高
い29000、26000、24000の実効透磁率を
示した。
て、各組成合金のキュリー温度を測定した結果を示す三
角組成図、図6はFe-Ti-B系の3元系合金におい
て、各組成合金の融点を測定した結果を示す三角組成
図、図7はFe-Ti-B系の3元系合金において、各組
成合金の結晶化開始温度を測定した結果を示す三角組成
図である。更に図8はFe-Ti-B系の3元系合金にお
いて、各組成合金のガラス転移点を測定した結果を示す
三角組成図、図9はFe-Ti-B系の3元系合金におい
て、各組成合金の(ガラス転移点/融点)の値を示す三
角組成図である。これらの各図に示す測定結果から、本
願発明金属ガラス合金のキュリー温度と融点と結晶化開
始温度とガラス転移点を知ることができる。
Ti6.5B15.6の組成の試料はΔTx=63Kを示し、F
e74.3Ti4.9B20.8の組成の試料はTg/Tm=0.5
8、Tm=1492Kを示し、Fe77.9Ti6.5B15.6
の組成の試料は実効透磁率μe=29000を示し、F
e74.3Ti4.9B20.8の組成の試料はBs=1.21Tを
示した。図1において、Fe77.9Ti6.5B15.6の組成
の試料はΔTx=63K、Fe76.3Ti9.2B14.5の組成
の試料はΔTx=60K、Fe79.0Ti6.8B14.2の組成
の試料はΔTx=58K、Fe74.6Ti10.3B15.1の組
成の試料はΔTx=54K、Fe78.0Ti6.4B15.6の組
成の試料はΔTx=49K、Fe77.2Ti5.7B7.1の組
成の試料はΔTx=34K、Fe75.3Ti5.1B19.6の組
成の試料はΔTx=32K、Fe74.3Ti4.9B20.8の組
成の試料はΔTx=39Kを示した。なお、ΔTxにおい
て63Kの最大値を示した試料の比抵抗を測定したとこ
ろ、1.9×10-6・Ω・mの値を示し、Tg/Tmに
おいて0.58の値を示した試料の比抵抗は2.0×10
-6・Ω・mを示した。
測定した結果を示すが、図3において、Fe77.9Ti
6.5B15.6の組成の試料は飽和磁化から得られる値とし
て飽和磁束密度Bs=0.90Tを示した。同様に、F
e76.3Ti9.2B14.5の組成の試料は飽和磁束密度Bs
=0.76Tを示し、Fe79.0Ti6.8B14.2の組成の試
料は飽和磁束密度Bs=0.90Tを示し、Fe74.6T
i10.3B15.1の組成の試料は飽和磁束密度Bs=0.7
0Tを示し、Fe78.0Ti6.4B15.6の組成の試料は飽
和磁束密度Bs=0.91Tを示し、Fe77.2Ti5.7B
7.1の組成の試料は飽和磁束密度Bs=1.02Tを示
し、Fe75.3Ti5.1B19.6の組成の試料は飽和磁束密
度Bs=1.13Tを示した。また、Fe74.3Ti4.9B
20.8の組成の試料は飽和磁束密度Bs=1.21Tを示
した。
すが、Fe77.9Ti6.5B15.6の組成の試料は実効透磁
率μe=29000を示した。同様に、Fe79.0Ti
6.8B14.2の組成の試料は実効透磁率μe=26000
を示し、Fe74.6Ti10.3B15.1の組成の試料は実効透
磁率μe=24000を示し、Fe78.0Ti6.4B15.6
の組成の試料は実効透磁率μe=15000を示し、F
e77.2Ti5.7B7.1の組成の試料は実効透磁率μe=1
3000を示し、Fe74.3Ti4.9B20.8の組成の試料
は実効透磁率μe=15000を示した。
金のビッカース硬度を測定したところ、1300〜15
00Hvを示すことが判明した。このことから、本発明
組成系の軟磁性金属ガラス合金を磁気ヘッドのコア材と
して用いた場合、耐摩耗性が良好な磁気ヘッドを提供す
ることが期待できる。また、元素MをTiとすることに
より、比較的安易に製造することができる。
成分とし、Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、Vの
うちの1種又は2種以上の元素とBを含み、過冷却液体
の温度間隔ΔTxを20K以上にした3元系を主体とす
る金属ガラス合金であるので室温で強磁性を示すアモル
ファスの軟磁性金属ガラス合金を提供できる。また、高
い透磁率を示し、磁化の値も優れたアモルファスの軟磁
性金属ガラス合金を提供できる。
を5〜10原子%、Bの添加量を12〜18原子%の範
囲とするならば、室温で強磁性を示し、優れた実効透磁
率と磁化を示し、ΔTxにおいて40Kを確実に超える
アモルファスの軟磁性金属ガラス合金を得ることができ
る。
成の合金のΔTxを示す三角組成図である。
成の合金の保磁力を示す三角組成図である。
成の合金の磁化を示す三角組成図である。
成の合金の実効透磁率を示す三角組成図である。
成の合金のキュリー温度を示す三角組成図である。
成の合金の融点を示す三角組成図である。
成の合金の結晶化開始温度を示す三角組成図である。
成の合金のガラス転移点を示す三角組成図である。
成の合金の(ガラス転移点/融点)の値を示す三角組成
図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 下記組成式で表され、ΔTx=Tx−Tg
(ただしTxは、結晶化開始温度、Tgはガラス遷移温
度を示す。)の式で表される過冷却液体の温度間隔ΔT
xが20K以上を有する軟磁性金属ガラス合金。 Fe100-x-yMxBy ただしMは、Zr、Nb、Ta、Hf、Mo、Ti、
V、Cr、Wのうちの1種又は2種以上の元素であり、
x及びyは、原子%で3≦x≦14、9≦y≦22の範囲で
ある。 - 【請求項2】 前記ΔTxが40K以上であり、x及びy
は、原子%で5≦x≦10、12≦y≦18の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の軟磁性金属ガラス合
金。 - 【請求項3】 前記組成式のM元素がTiであり、飽和
磁束密度0.7T以上であり、透磁率が13000以上
であることを特徴とする請求項1または2に記載の軟磁
性金属ガラス合金。
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