JP2011102438A - 直線的なｂｈループを有する鉄系アモルファス合金 - Google Patents

Abstract

【課題】 直線的なＢ-Ｈループと低いコア損失を併せ持つ金属ガラス合金の磁気特性を改善するための方法を提供する。
【解決手段】 実質的に約70〜87原子％の鉄を含む金属ガラス合金の帯板。鉄の約20原子％以下はコバルトによって置換され、鉄の約３原子％以下はニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンによって置換される。約13〜30原子％の残部の元素はホウ素、ケイ素および炭素からなる群から選択されるものを含む。この合金は応力除去が達成されるのに十分な温度で熱処理される。熱処理の間に加えられる磁界は、帯板の所定の容易磁化方向から離れた点への磁化を生じさせる。この金属ガラスは直線的なＤＣＢＨループと低いａｃ損失を示す。従って、それらは電流/電圧変換器において用いるのに特に適している。
【選択図】 図１

Description

本発明は強磁性アモルファス合金に関し、特にこの合金を焼なましすることによって加えられた磁界に対するその磁化曲線を直線的にするための方法に関する。

金属ガラスはいかなる長範囲規則度をも有していない準安定材料である。ガラス質合金のＸ線回折解析は、無機酸化物ガラスについて観察されるものに類似する拡散ハローだけを示す。金属ガラス（アモルファス合金）は米国特許第3,856,513号に開示されている。これらの合金はＭ_ａＹ_ｂＺ_ｃの式を有する組成物を含み、ここでＭは鉄、ニッケル、コバルト、バナジウムおよびクロムからなる群から選択される金属であり、Ｙはリン、ホウ素および炭素からなる群から選択される元素であり、そしてＺはアルミニウム、ケイ素、スズ、ゲルマニウム、インジウム、アンチモンおよびベリリウムからなる群から選択される元素であり、"ａ"は約60〜90原子％の範囲であり、"ｂ"は約10〜30原子％の範囲であり、そして"ｃ"は約0.1〜15原子％の範囲である。そこではＴ_ＩＸ_ｊの式を有する金属ガラスの線材も開示されていて、ここでＴは少なくとも一つの遷移金属であり、Ｘはリン、ホウ素、炭素、アルミニウム、ケイ素、スズ、ゲルマニウム、インジウム、ベリリウムおよびアンチモンからなる群から選択される元素であり、"Ｉ"は約70〜87原子％の範囲であり、そして"ｊ"は13〜30原子％の範囲である。このような材料は、この分野で周知の処理技術を用いて溶融物から１×10^６℃/秒のオーダーの急速冷却によって首尾よく製造される。

これらの開示は多くの金属ガラスについての普通でないかまたは独特の磁気特性も記載していて、それらの特性はその広い特許請求の範囲内にある。しかし、電流/電圧変換器のような特定の用途については、直線的なＢＨループと低い損失の組み合わせを備えた金属ガラスが必要とされる。

直線的なＢ-Ｈ特性は一般に、材料の磁化容易軸が励磁の方向に対して直角であるような軟磁性材料において得られる。そのような材料においては、外部磁界Ｈは磁束Ｂの平均の方向に傾く傾向があり、従って測定されるＢの量はＨに比例する。しかし、大部分の磁性材料は非直線的なＢ-Ｈ特性を有する。その結果、理想的な直線的なＢ-Ｈ特性は容易には得られない。理想的なＢ-Ｈ直線性からのいかなる偏向も、外部から加えられる磁界Ｈに対する磁気応答性の対応する偏向をもたらす。

直線的なＢ-Ｈ特性を示す磁性材料の典型的な例は、イソパーム（Isoperm）と呼ばれる冷間圧延した50％Fe-Ni合金である。アモルファス磁性合金の中では、熱処理されたCo富化合金が直線的なＢ-Ｈ特性を与えることで知られていて、それらは現行の変換器における磁性コア材料として現在用いられている。Co富化アモルファス合金は一般に、約10kGすなわち１テスラよりも小さい飽和磁束密度（saturation induction）を有し、このことが加えられる最大磁界のレベルを限定する。さらに、これらの合金は、合金を形成するのに要するCoの量が多いために高価である。10kGよりも大きい飽和磁束密度を有していて直線的なＢ-Ｈ特性を示す安価な合金が必要とされていることが明らかである。

本発明は、直線的なＢ-Ｈループと低いコア損失を併せ持つ金属ガラス合金の磁気特性を改善するための方法を提供する。概して言えば、この金属ガラスは実質的に約70〜87原子％の鉄と、鉄の約20原子％以下を置換するコバルトと、鉄の約３原子％以下を置換するニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンのうちの少なくとも１種と、約13〜30原子％のホウ素、ケイ素および炭素からなる群から選択される元素からなる。本発明の方法は、応力除去と帯板軸（ribbon axis）から離れた磁化方位が達成されるのに十分な時間と温度で金属ガラス合金を熱処理する工程を含む。本発明の一態様において、この方法は磁界が存在しない中で実施される。本発明の別の態様は、帯板軸に直角な方向に加えられる磁界が存在する中でこの方法を実施する工程を含む。

本発明の方法に従って処理された金属ガラス合金は、計量用途のための電流/電圧変換器のような磁界に対する直線的な応答性が要求される装置において用いるのに特に適している。

本発明の金属ガラス合金の熱処理は、その磁気特性を改善する。具体的には、本発明に従って熱処理を行うと、金属ガラス合金は直線的なＢＨループと低いａｃコア損失（交流コア損失）の優れた組み合わせを備えたものになる。この合金は実質的に約70〜87原子％の鉄と、存在する鉄の約20原子％以下を置換するコバルトと、鉄の約３原子％以下を置換するニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンのうちの少なくとも１種と、残部のホウ素、ケイ素および炭素からなる群から選択される元素からなる。熱処理方法は（ａ）応力除去が達成されるのに十分な温度までこの合金を加熱する工程と（ｂ）少なくとも冷却工程の間、合金に対して帯板軸に直角な方向に磁界を加える工程を含む。冷却工程は典型的には約−0.5℃/分から−100℃/分の範囲の冷却速度で実施され、好ましくは約−0.5℃/分から−20℃/分の範囲の冷却速度で実施される。一般に、磁界が加えられない中で熱処理を実施すると、非直線的なＢＨループが得られる。しかし、部分的な結晶化は局部的な磁界を生じさせ、これは磁界が加えられたかのように作用する。このことは、ひいては小さな励磁を生じさせるための直線的なＢＨ挙動を生み出す。これが起こると、帯板軸に直角な方向に沿って加えられる横断磁界は任意のものになる。

金属ガラス合金を形成する工程で鋳造応力が生じることが一般に見いだされている。金属ガラス合金から磁性部材を製造する工程によって、さらに応力が導入される可能性がある。従って、金属ガラス合金をある温度まで加熱し、それらの応力が除去されるのに十分な時間保持するのが好ましい。この熱処理の間に磁界を加えると、磁界が加えられた方向に沿った方向での磁気異方性の形成が促進される。この磁界は、合金が（ｉ）キュリー温度の近傍またはそれよりも50℃以下の範囲で低い温度にあるとき、および（ii）原子の拡散すなわち合金の成分の再配置が可能になるほど十分に高い温度にあるときに、特に有効である。

磁界は横断方向に加えられる。横断方向とは操作が行われる間の励磁の方向に対して垂直な方向として定義付けられる。磁性部材が巻き環状コイルであるとき、連続リボン（帯板）状の金属ガラスを用意し、これをロール状に巻き上げる。そのような環状コイルについては、横断方向はコイルの軸に平行である。横断磁界は、永久磁石と電磁石のいずれかの二つの磁極の間にコイルを同軸的に置くことによって、あるいは適当な電流によって励起されるソレノイドの内側にコイルを同軸的に置くことによって、首尾よく加えられる。

本発明の金属ガラスの好ましい熱処理の温度（Ｔ）と保持時間（ｔ）は、合金の組成に依存する。Ｔは典型的には約300〜450℃であり、ｔは１〜10時間である。

本発明の合金の磁気特性を改善するための方法は、熱処理の間に加えられる磁界の方向によってさらに特徴づけられる。

好ましい方法は、横断磁界が存在する中で熱処理を実施すること、そして任意の選択として、横断方向に加えられる第一の成分と長手方向に加えられる第二の成分を有する混合した磁界が存在する中で熱処理を実施することを含む。横断磁界が存在する中で熱処理を実施するとき、磁界の強さは50〜2000 Oe（4000〜160000 A/m）の範囲である。得られる材料は直線的なＢ-Ｈループと低いコア損失によって特徴づけられる。そのような焼なましされた材料を用いて製造された磁性コアは、ａｃ磁界（交流磁界）の強度を測定する電流/電圧変換器のような用途に特に適している。一定の透磁率すなわち直線的なＢ-Ｈループは、広い範囲の加えられる磁界にわたって直線的な出力を与えるための電流/電圧変換器のような装置を可能にする。

以下の実施例は本発明がさらに完全に理解されることを目的に提示される。本発明の理論と実際を説明するために示される特定の方法、条件、材料、割合および報告されるデータは例としてのものであり、これらが本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。

実施例１
鉄系アモルファス合金
約15〜30μmの厚さを有する本発明のアモルファス鉄系合金が、超急冷凝固法によって鋳造された。帯板または細長い帯板を巻き上げることによって磁性環状コイルが製造され、そして箱型炉の中で熱処理された。二つの永久磁石の磁極の間にコイルを同軸的に置くことによって、あるいは必要な電流を通すソレノイドの中にコイルを置くことによって、横断方向の磁界が形成された。

鉄系アモルファス合金の帯板が環状コイルの形に巻き上げられて磁性環状コイルが形成された。次いで、コイルの軸方向に沿って磁界を加えながら、炉の中でコイルが熱処理された。次いで、市販のＢＨヒステリシス記録計を使ってコイルが検査され、直線的なＢ-Ｈ関係が確かめられた。ここで、ＢとＨはそれぞれ磁束密度と磁界を表す。図１は、本発明に従って製造されたアモルファスFe系コアと先行技術のCo系アモルファス合金のコイルのＢ-Ｈ特性を比較したものである。本発明のコアは、コイルの円周方向に対して垂直に16000 A/mの磁界を加えながら400℃で10時間熱処理された。本発明のコアのＢ-Ｈ挙動は、約−15 Oe（−1200 A/m）から＋15 Oe（＋1200 A/m）の磁界の範囲で直線的であり、それに伴って磁束密度は−12kG（−1.2Ｔ）から＋12kG（＋1.2Ｔ）の範囲で変化する。一方、先行技術のCo系コアの直線的なＢ-Ｈ領域は約−７kG（−0.7Ｔ）から＋７kG（＋0.7Ｔ）の範囲の磁束密度の変化に限定され、これにより磁気応答性能が限定される。Ｂ-Ｈ特性が直線的であることは透磁率が直線的であることを意味し、透磁率はＢ/Ｈによって定義づけられる。図２は、本発明のアモルファス鉄系合金の透磁率は約1000kHzすなわち１MHzの周波数まで一定であることを示す。このことは、本発明のFe系アモルファス合金の磁気応答性が約1000kHzまでの全周波数範囲で一定のレベルに維持され得ることを意味する。

図３に示されるように、部分的に結晶化したFe系アモルファス合金のコアにおいて約３ Oe（240 A/m）未満の外部磁界に対して直線的なＢ-Ｈ挙動が見いだされた。この場合、熱処理を行う間の磁界は任意であった。このコアは低い電流レベルを感知するための電流変換器を与える。

Fe系アモルファス合金のｄｃ透磁率の典型的な例を表１に挙げる。ここで、Fe-B-Si系の環状コイル形の試料コアはＯＤ＝13.0mm、ＩＤ＝9.5mmおよび高さ＝4.8mmの寸法を有し、Fe-B-Si-C系のコアはＯＤ＝25.5mm、ＩＤ＝16.5mmおよび高さ＝9.5mmの寸法を有していた。Fe-B-Si系合金とFe-B-Si-C系合金の飽和磁束密度はそれぞれ1.56Ｔおよび1.60Ｔである。

実施例２
試料の製造
アモルファス合金が、米国特許第3,856,513号においてChen等によって教示される方法に従って約10⁶ K/sの冷却速度で溶融体から急冷された。代表的に10〜30μmの厚さと約１cm〜約20cmの幅を有する得られた帯板には、（Cu-Kα放射線を用いる）Ｘ線回折と示差走査熱量分析によって顕著な結晶性が無いことが確認された。帯板状のアモルファス合金は強く、光っていて、硬く、そして延性が高かった。

このようにして製造した帯板を切って細長い帯板とし、次いで異なる寸法のコイル状に巻き上げた。環状コイルを、磁界を加えるかまたは加えずに、300〜450℃の温度で炉中で熱処理した。熱処理の間に磁界が加えられたとき、磁界の方向はコイルの円周方向を横断する方向に沿っていた。代表的な磁界の強さは50〜2000 Oe（4000〜160000 A/m）であった。

磁気の測定
実施例２に従って製造した磁性環状コイルを慣用のＢＨヒステリシス記録計で試験して、Ｂ-Ｈ特性を得た。環状コイルについて、Ｂ/Ｈとして定義づけられる透磁率を周波数の関数として測定した。結果を図２に曲線で示す。

本発明をかなり詳細に説明してきたが、そのような詳細には厳密に固執する必要はなく、様々な変更と修正が当業者に示唆されていることが理解され、そのようなものの全てが特許請求の範囲によって定義づけられる本発明の範囲に含まれる。

本発明のアモルファスFe-B-Si系合金と先行技術のアモルファスCo系合金のＢ-Ｈ特性を示すグラフである。 図１のアモルファスFe系合金の周波数の関数としての透磁率を示すグラフである。 磁界を加えることなく420℃で6.5時間熱処理した本発明のアモルファスFe系合金のＢ-Ｈ特性を示すグラフである。

Claims (9)

1. アモルファス鉄系合金であって、70〜87原子％の鉄と、鉄の20原子％以下を置換するコバルトと、鉄の３原子％以下を置換するニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンと、残部のホウ素、ケイ素および炭素からなる群から選択される元素からなる組成を有し、前記合金は磁界が存在しない中で熱処理されることによって−１ Oe から＋１ Oe の範囲の加えられた磁界の中での直線的なＢＨ特性が付与され、そして前記合金の組成はFe₈₀Si₉B₁₁および Fe₈₁Si_3.5B_13.5C₂のうちの一つであることを特徴とするアモルファス鉄系合金。
2. 10kGすなわち１テスラ以上の飽和磁束密度を有する、請求項１に記載の熱処理されたアモルファス鉄系合金。
3. 前記合金は、300〜450℃の範囲の温度で熱処理されている、請求項１または２に記載のアモルファス鉄系合金。
4. 前記合金は、原子の拡散すなわち合金の成分の再配置が可能になるほど十分に高い温度で熱処理されている、請求項３に記載のアモルファス鉄系合金。
5. アモルファス鉄系合金であって、70〜87原子％の鉄と、鉄の20原子％以下を置換するコバルトと、鉄の３原子％以下を置換するニッケル、マンガン、バナジウム、チタンまたはモリブデンと、残部のホウ素、ケイ素および炭素からなる群から選択される元素からなる組成を有し、前記合金は磁界が存在する中で熱処理されることによって−15 Oe から＋15 Oe の範囲の加えられた磁界の中での直線的なＢＨ特性と低い磁気損失が付与され、そして前記合金の組成はFe₈₀Si₉B₁₁および Fe₈₁Si_3.5B_13.5C₂のうちの一つであることを特徴とするアモルファス鉄系合金。
6. 10kGすなわち１テスラ以上の飽和磁束密度を有する、請求項５に記載の熱処理されたアモルファス鉄系合金。
7. 前記合金は所定の容易磁化方向を有する帯板の形状を有していて、前記磁界は50 Oe（4000 A/m）〜2000 Oe（160000 A/m）の範囲の大きさを有し、また前記磁界は前記帯板の前記所定の容易磁化方向に対して垂直に加えられたことを特徴とする、請求項５または６に記載のアモルファス鉄系合金。
8. 前記合金は、300〜450℃の範囲の温度で熱処理されている、請求項５〜７のいずれかに記載のアモルファス鉄系合金。
9. 前記合金は、原子の拡散すなわち合金の成分の再配置が可能になるほど十分に高い温度で熱処理されている、請求項８に記載のアモルファス鉄系合金。

Images