JP2008240148A

JP2008240148A - 軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金

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Publication number: JP2008240148A
Application number: JP2008037587A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sato; 有一佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: JP5320768B2; CN101589169B; CN101589169A

Abstract

【課題】鉄損Ｗ13/50が安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下の軟磁気特性が良好な非晶質合金を提供する。
【解決手段】Ｆｅを７８％以上８６％以下、Ｐを６％以上１８％以下、Ｃを２％以上１０％以下含有し、さらに、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも一方を、Ｓｉが０．１％以上５％以下、Ａｌが０．００５％以上５％以下の範囲で含有し、残部不可避的不純物からなり、又Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏで代替することも可能な軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
【選択図】なし

Description

本発明は、電力トランス、高周波トランスなどの鉄心等に用いられるＦｅ系非晶質合金薄帯に関するものである。

合金を溶融状態から急冷することによって、連続的に薄帯や線を製造する方法として遠心急冷法、単ロ−ル法、双ロ−ル法等が知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの内周面または外周面に溶融金属をオリフィス等から噴出させることによって、急速に溶融金属を凝固させて薄帯や線を製造するものである。また、合金組成を適正に選ぶことによって、液体金属に類似した非晶質合金を得ることができ、磁気的性質あるいは機械的性質に優れた材料を製造することができる。

このような急冷凝固により得られる非晶質合金として、これまで多くの成分が提案されている。例えば、特許文献１では、原子％で、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｖからの少なくとも１種で６０〜９０％、Ｐ、Ｃ、Ｂからの少なくとも１種で１０〜３０％、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｂｅからの少なくとも１種で０．１〜１５％からなる合金成分が提案されている。本特許は非晶質相が得られる合金成分を提案したもので、特に電力トランスや高周波トランスなどの鉄心等の用途に限定した、いわゆる磁気的性質のみに注目した成分の提案ではない。

その後、磁気的性質に注目した非晶質合金としての合金成分も多く提案されている。例えば、特許文献２では、原子％で、Ｆｅが７５〜７８．５％、Ｓｉが４〜１０．５％、Ｂが１１〜２１％からなる合金成分が提案されている。
一方、特許文献３では、Ｆｅ、Ｃｏからの少なくとも１種で７０〜９０％、Ｂ、Ｃ、Ｐからの少なくとも１種で１０〜３０％、さらに、Ｆｅ、Ｃｏの含有量を、Ｎｉでその３／４まで、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗでその１／４まで代替でき、又、Ｂ、Ｃ、Ｐの含有量を、Ｓｉでその３／５まで、Ａｌでその１／３まで代替できる合金成分が提案されている。

特許文献１、３で提案された非晶質合金成分の中でも、エネルギ−損失である鉄損が低いこと、飽和磁束密度および透磁率が高いこと、さらには安定して非晶質相が得られる等の理由から、例えば特許文献２に示すようなＦｅＳｉＢ系非晶質合金が、電力トランスや高周波トランスの鉄心等の用途として有望視されるようになった。

以来、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金の合金成分に関する開発は、このＦｅＳｉＢ系を中心にして進められた。すなわち、ＦｅＳｉＢ系非晶質合金においての一層の鉄損低減開発が盛んに行われ、多くの成果が生み出された。

しかしながら、非晶質合金における鉄損低減開発がかなり進んでいるものの、本用途での特性改善の要求は依然強く、更なる鉄損改善が要求されている。例えば、鉄損に関して単板測定による鉄損Ｗ13/50（磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損）を用いて述べると、これまで０．１２Ｗ／ｋｇを下回るまで改善することができたものの、安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下にすることは非常に困難であった。
特開昭４９−９１０１４号公報特開昭５７−１１６７５０号公報特開昭６１−３０６４９号公報

本発明の目的は、このような更なる鉄損改善のニ−ズに応えるべく、一層の低鉄損化を実現できる非晶質合金を提供することにある。

本発明者は、これまで提案された各種合金成分の構成元素のうち、先に述べた例えば、特許文献１および３での第２の成分群として分類されるＰ、Ｃ、Ｂの元素に注目し、再度それら元素の組み合わせ及び含有量について検討、実験を行った。そして、Ｐ、Ｃを主体とする成分系を基本として、さらに他の元素も組み合わせた詳細実験を行った結果、課題を実現できる、すなわち、鉄損Ｗ13/50（磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損）で、安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下を実現できる非晶質合金の成分を見出した。そして、この知見を基に検討を重ね、本発明を完成するに至ったのである。

本発明は、以下の通りである。
（１）原子％で、Ｆｅを７８％以上８６％以下、Ｐを６％以上１８％以下、Ｃを２％以上１０％以下含有し、さらに、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも一方を０．１％以上５％以下含有し、残部不可避的不純物からなることを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
（２）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種以上で、上記（１）に記載の合金のＦｅを３０％以下の範囲で、代替することを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
（３）原子％で、Ｆｅを７８％以上８６％以下、Ｐを６％以上１８％以下、Ｃを２％以上１０％以下含有し、さらに、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも一方を、Ｓｉが０．１％以上５％以下、Ａｌが０．００５％以上５％以下の範囲で含有し、残部不可避的不純物からなることを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
（４）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種以上で、上記（３）に記載の合金のＦｅを３０％以下の範囲で、代替することを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。

本発明によれば、非晶質合金の鉄損を一層低減することが可能となり、単板測定による鉄損Ｗ13/50を安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下とすることができる。さらに、Ｂを含有しないことから、高価なＢ源を使用しないため製造コストを低減できる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の特徴は、Ｆｅをベ−スとした合金において、Ｐ、Ｃを添加し、さらにＳｉ、Ａｌを選択添加することで構成元素の種類と含有量を最適化したことにより、軟磁気特性、特に鉄損をロット内で安定して一層低くすることを実現したことにある。又、ベ−スであるＦｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏで代替することで更なる軟磁気特性の改善を実現したことにある。

はじめに、各元素の含有量を限定した理由について述べる。ＰおよびＣは、非晶質相形成及び非晶質相の熱的安定性を向上させるために添加する。さらに、これら元素の含有量を最適化することで、鉄損値が一層改善できることが可能で、例えば、単板測定による鉄損Ｗ13/50が安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下とすることができる。Ｐが６原子％未満、Ｃが２原子％未満では非晶質合金が安定して得られないことから、鉄損が安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下とすることが困難となる。一方、Ｐを１８原子％超、Ｃが１０原子％超としても、非晶質相が安定して得られなくなり、鉄損をＷ13/50で安定して０．１Ｗ／ｋｇ以下とすることができなくなる。従って、Ｐを６原子％以上１８原子％以下、Ｃを２原子％以上１０原子％以下の範囲に限定した。

さらに、ＳｉおよびＡｌを添加すると非晶質相形成能が改善し、非晶質相の熱的安定性が一層向上する。これらの元素はどちらか一方の添加でも効果的で、両者を同時に添加してもよい。そして、その含有量は、Ｓｉが０．１原子％以上、５原子％以下、Ａｌが０．００５原子％以上、５原子％以下とする。Ｓｉの場合、０．１原子％未満ではその効果が認められず、５原子％超ではもはやこの効果が薄れてしまう。一方、Ａｌの場合、０．００５原子％未満ではその効果が認められず、５原子％超ではこの効果があまり認められないからである。なお、Ｓｉ、Ａｌ共に、この範囲を０．１原子％以上、３原子％以下とすると、さらに好ましい。

Ｆｅの含有量は通常、７０原子％以上であれば一般的な鉄心としての実用的なレベルの飽和磁束密度が得られるが、１．５Ｔ以上の高い飽和磁束密度とするためには、Ｆｅを７８原子％以上にする必要がある。一方、Ｆｅの含有量が８６原子％超となると、非晶質相の形成が困難となり、鉄損Ｗ13/50を安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下とすることが難しくなる。よって、Ｆｅ含有量を７８原子％以上８６原子％以下の範囲と限定した。

本発明では、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、０超３０原子％以下の範囲で代替することで、透磁率や磁束密度などの軟磁気特性の改善が実現でき、かつ、鉄損をＷ13/50で安定して０．１０Ｗ／ｋｇ以下とできる。これら元素による代替量に制限を設けたのは、３０原子％超となると、原料コストが嵩むためである。

本発明の非晶質合金の薄帯は、本発明の成分からなる合金を溶解し、溶湯をスロットノズル等を通して高速で移動している冷却板上に噴出し、該溶湯を急冷凝固させる方法、例えば、単ロ−ル法、双ロ−ル法によって製造することができる。単ロ−ル装置には、ドラムの内壁を使う遠心急冷装置、エンドレスタイプのベルトを使う装置、およびこれらの改良型である補助ロ−ルやロ−ル表面温度制御装置を付属させたもの、減圧下あるいは真空中、または不活性ガス中での鋳造装置も含まれる。本発明では、薄帯の板厚、板幅などの寸法は特に限定しないが、薄帯の板厚は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。また、板幅は１０ｍｍ以上が好ましい。

以下、本発明の実施例によりさらに説明する。
（実施例１）
表１に示す各種成分の合金をアルゴン雰囲気中で溶解し、単ロ−ル法で薄帯に鋳造した。鋳造雰囲気は大気中であった。そして、得られた薄帯について薄帯特性を調査した。使用した単ロ−ル薄帯製造装置は、直径３００ｍｍの銅合金製冷却ロ−ル、試料溶解用の高周波電源、先端にスロットノズルが付いている石英ルツボ等から構成される。この実験では、長さ２０ｍｍ、幅０．６ｍｍのスロットノズルを使用した。冷却ロ−ルの周速は２４ｍ／秒とした。結果として、得られた薄帯の板厚は約２５μｍであり、板幅はスロットノズルの長さに依存するので２０ｍｍであった。

薄帯の鉄損は、ＳＳＴ（Single Strip Tester）を用いて行った。測定条件は、磁束密度１．３Ｔ、周波数５０ｋＨｚである。鉄損測定試料には、１ロットの全長に渡って１２箇所から１２０ｍｍ長さに切断した薄帯サンプルを用い、それらの薄帯サンプルを３６０℃にて１時間磁場中でアニ−ルを行って測定に供した。アニ−ル中の雰囲気は窒素とした。

鉄損測定結果として、１ロットの中での最大値（Ｗmax）、最小値（Ｗmin）の値、および偏差（（Ｗmax−Ｗmin）／Ｗmin）の値を、表１に示した。

表１の試料Ｎｏ．１〜２７の結果から明らかなように、Ｆｅを７８原子％以上８６原子％以下、Ｐを６原子％以上１８原子％以下、Ｃを２原子％以上１０原子％以下、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも一方を、Ｓｉが０．１％以上５％以下、Ａｌが０．００５％以上５％以下の本発明の範囲とすることによって、磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損が０．１Ｗ／ｋｇ未満で、かつ、その偏差（（Ｗmax−Ｗmin）／Ｗmin）が０．１未満となり、薄帯の全長に渡って軟磁気特性に優れた薄帯が得られることがわかった。
これに対して、試料Ｎｏ．２８〜３８に示す比較例の成分範囲では、鉄損が０．１Ｗ／ｋｇより大きくなる部位が存在し、偏差（（Ｗmax−Ｗmin）／Ｗmin）も０．１以上となってしまう。
これらのころから、本発明によって、更なる軟磁気特性の改善が実現できることがわかった。

（実施例２）
表１のＮｏ．１に示す合金について、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で代替した各種成分の合金を用いて、実施例１と同様の装置、条件により薄帯を鋳造した。なお、用いた合金の具体的な成分については、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏについてのみを表２に示した。結果として、得られた薄帯の板厚は約２５μｍであった。得られた薄帯の鉄損を評価した。鉄損評価のための測定サンプルの採取方法及び測定条件は、実施例１と同じであった。その測定結果を表２に示す。なお、表２での表示要領は、表１の場合同様である。

表２の試料Ｎｏ．１〜９の結果から明らかなように、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、３０原子％以下の範囲で代替しても、鉄損をＷ13/50で安定して０．１０Ｗ／ｋｇ未満とできることがわかった。

（実施例３）
表１のＮｏ．１２に示す合金について、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で代替した各種成分の合金を用いて、実施例１と同様の装置、条件により薄帯を鋳造した。なお、用いた合金の具体的な成分については、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏについてのみを表３に示した。結果として、得られた薄帯の板厚は約２５μｍであった。得られた薄帯の鉄損を評価した。鉄損評価のための測定サンプルの採取方法及び測定条件は、実施例１と同じであった。その測定結果を、表３に示す。なお、表３での表示要領は、表１の場合同様である。

表３の試料Ｎｏ．１〜７の結果から明らかなように、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、３０原子％以下の範囲で代替しても、鉄損をＷ13/50で安定して０．１０Ｗ／ｋｇ未満とできることがわかった。

（実施例４）
表１のＮｏ．２１に示す合金について、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で代替した各種成分の合金を用いて、実施例１と同様の装置、条件により薄帯を鋳造した。なお、用いた合金の具体的な成分については、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏについてのみを表４に示した。結果として、得られた薄帯の板厚は約２５μｍであった。得られた薄帯の鉄損を評価した。鉄損評価のための測定サンプルの採取方法及び測定条件は、実施例１と同じであった。その測定結果を、表４に示す。なお、表４での表示要領は、表１の場合同様である。

表４の試料Ｎｏ．１〜７の結果から明らかなように、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、３０原子％以下の範囲で代替しても、鉄損をＷ13/50で安定して０．１０Ｗ／ｋｇ未満とできることがわかった。

（実施例５）
表１のＮｏ．２５に示す合金について、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で代替した各種成分の合金を用いて、実施例１と同様の装置、条件により薄帯を鋳造した。なお、用いた合金の具体的な成分については、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏについてのみを表５に示した。結果として、得られた薄帯の板厚は約２５μｍであった。得られた薄帯の鉄損を評価した。鉄損評価のための測定サンプルの採取方法及び測定条件は、実施例１と同じであった。その測定結果を、表５に示す。なお、表５での表示要領は、表１の場合同様である。

表５の試料Ｎｏ．１〜７の結果から明らかなように、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、３０原子％以下の範囲で代替しても、鉄損をＷ13/50で安定して０．１０Ｗ／ｋｇ未満とできることがわかった。

本発明の合金は、電力トランスや高周波トランスの鉄心や、更には各種電磁機器の部品や磁気シ−ルド材などに用いられる軟磁性材料として、幅広く使用することができる。

Claims

原子％で、Ｆｅを７８％以上８６％以下、Ｐを６％以上１８％以下、Ｃを２％以上１０％以下含有し、さらに、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも一方を０．１％以上５％以下含有し、残部不可避的不純物からなることを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種以上で、請求項１に記載の合金のＦｅを３０％以下の範囲で、代替することを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
原子％で、Ｆｅを７８％以上８６％以下、Ｐを６％以上１８％以下、Ｃを２％以上１０％以下含有し、さらに、Ｓｉ、Ａｌの少なくとも一方を、Ｓｉが０．１％以上５％以下、Ａｌが０．００５％以上５％以下の範囲で含有し、残部不可避的不純物からなることを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種以上で、請求項３に記載の合金のＦｅを３０％以下の範囲で、代替することを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。