JP2013209681A

JP2013209681A - 鉄系非晶質合金薄帯

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Publication number: JP2013209681A
Application number: JP2012078770A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Imamura; 今村　　猛; Minoru Takashima; 高島　　稔; Seiji Okabe; 誠司岡部; Nobuisa Shiga; 信勇志賀
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP5967357B2

Abstract

【課題】安価で鉄損特性に優れるＦｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｎ系の非晶質合金薄帯を提供する。
【解決手段】化学式：Ｆｅ_ｘＢ_ｙＳｉ_ｚＭｎ_ａ（ここで、ｘ：７５〜８７ａｔ％、ｙ：６〜１５ａｔ％、ｚ：７〜１７ａｔ％、ａ：０．２〜３ａｔ％）で表される成分組成からなり、好ましくは、内数でさらにＮｉ:０．５ａｔ％以下、Ｃｒ：１ａｔ％以下、Ｃ：２ａｔ％以下、Ｐ：１ａｔ％以下およびＣｕ：２．０ａｔ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有し、冷却ロールと接した面における表面粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が０未満である鉄系非晶質合金薄帯。
【選択図】図２

Description

本発明は、巻きトランスや積みトランス等に使用される鉄心の材料に用いて好適な鉄系非晶質合金薄帯に関するものである。

小型のトランスやリアクトル等の鉄心材料として、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系の非晶質合金薄帯が使用されることが多くなってきている。上記合金薄帯としては、例えば、特許文献１〜３には、Ｆｅをベースにして、ＢやＳｉ等を添加した鉄系合金の溶湯を、高速回転する冷却ロールの外周面に射出して急冷凝固させた、厚さが数十μｍの非晶質合金薄帯が開示されている。

しかし、上記Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系の非晶質合金薄帯は、高価なＢを多量に含有させる必要があり、原料コストの点からは不利であり、Ｂを別の金属で代替することが検討されている。例えば、特許文献４および特許文献５には、上記合金系において、高価なＢを低減し、Ｍｎを添加した鉄系非晶質合金が開示されている。

特開昭５４−１４８１２２号公報特開昭５５−０９４４６０号公報特開昭５７−１３７４５１号公報特公平０１−０５４４２２号公報特許第３３６６６８１号公報

しかしながら、Ｂの一部をＭｎで代替した合金系は、Ｍｎ添加によって磁気特性が低下するという問題点を抱えており、上記特許文献４および５でも、この点についての検討がなされている。しかし、例えば、特許文献５に開示された非晶質合金は、鉄損Ｗ_{１３／５０}（磁束密度１．３Ｔ、励磁周波数５０Ｈｚでの鉄損）の値が最小でも０．１２Ｗ／ｋｇ程度であり、Ｍｎをほとんど含有しない合金系の鉄損値（０．１０Ｗ／ｋｇ）よりも劣っており、十分なレベルまで改善されていない。

一方、近年、エネルギーロスのさらなる低減が要求されるようになってきており、上述した特許文献４および５に開示された鉄系非晶質合金では、近年における低損失化に対する要求を十分に満足させることができなくなってきている。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ−Ｍｎ系で、鉄損特性に優れる非晶質合金薄帯を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系にＭｎを添加した成分系の鉄系非晶質合金薄帯において、薄帯の表面性状を適正化することで、Ｍｎ添加による磁気特性の劣化を軽減することができ、従来よりも低鉄損の鉄系非晶質合金薄帯を得ることができることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、
化学式：Ｆｅ_ｘＢ_ｙＳｉ_ｚＭｎ_ａ
（ここで、ｘ：７５〜８７ａｔ％、ｙ：６〜１５ａｔ％、ｚ：７〜１７ａｔ％、ａ：０．２〜３ａｔ％）
で表される成分組成からなり、冷却ロールと接した面における表面粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が０未満である鉄系非晶質合金薄帯である。

本発明の鉄系非晶質合金薄帯は、上記成分組成に加えてさらに、Ｎｉ：０．５ａｔ％以下、Ｃｒ：１．０ａｔ％以下、Ｃ：２．０ａｔ％以下、Ｐ：１．０ａｔ％以下およびＣｕ：２．０ａｔ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。

本発明によれば、鉄損特性に優れかつ鉄系非晶質合金薄帯を安価に提供することができるので、小型の変圧器やモーター、リアクトル等の鉄心に用いて好適に材料を提供することができる。

非晶質合金薄帯のロール面側の表面粗さＲａと鉄損Ｗ_{１３／５０}との関係を示すグラフである。非晶質合金薄帯のロール面側の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋと鉄損Ｗ_{１３／５０}との関係を示すグラフである。粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを説明する図である。

まず、本発明を開発する契機となった実験について説明する。
Ｆｅ：８０．５ａｔ％、Ｂ：８．２ａｔ％、Ｓｉ：１０ａｔ％およびＭｎ：１．３ａｔ％からなる成分組成からなる合金溶湯を、高速回転している単ロール式のＣｕロール外周面に射出し、厚みが２５μｍ、幅が７０ｍｍの鉄系非晶質合金薄帯を作製した。この際、Ｃｕロールの表面性状や表面温度および溶湯射出時の雰囲気を種々に変更した。
次いで、上記のようにして得た合金薄帯からサンプルを採取し、４００℃で１時間の磁場中焼鈍を施した後、磁気特性および薄帯の表面性状を調査した。なお、磁場中焼鈍時の磁界の強さは１．２ＭＡ／ｍとした。
磁気特性については、ＪＩＳＣ２５５０に記載の方法で鉄損Ｗ_{１３／５０}を測定した。
また、表面性状については、ＪＩＳＢ０６３３：２００１に記載の方法で、ＪＩＳＢ０６０１：２００１に規定された算術平均粗さＲａおよび粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを測定した。なお、単ロール法の場合、薄帯表面には、Ｃｕロールに接した面（ロール面）と、その反対側のＣｕロールと接しなかった面（自由面）とがあるが、製造条件による変化が大きいロール面側を調査し、測定方向は幅方向とした（以後、断りのない限り、同様とする。）。

図１は、上記測定結果について、薄帯の表面粗さＲａと鉄損Ｗ_{１３／５０}との関係を示したものである。この図から、表面粗さＲａが小さいほど鉄損が低くなる傾向が認められるが、Ｒａが小さくても鉄損が高い例や、Ｒａが１．４μｍを超えても低鉄損である例があり、明確ではない。

これに対して、図２は、粗さ曲線のスキューネスＲｓｋと鉄損との関係を示したものであり、Ｒｓｋと鉄損とはよい相関があり、Ｒｓｋが小さいほど鉄損が低くなること、特に、スキューネスＲｓｋが０未満では、鉄損が安定して低く、さらに、−１以下では、より鉄損が低減していることがわかる。

粗さ曲線のスキューネスＲｓｋが小さいほど、鉄損が低くなる理由については、まだ十分に明らかとなっていないが、発明者らは、次のように考えている。
粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、粗さ曲線の確率密度関数の非対象性の尺度、簡単に言えば、粗さ曲線の山と谷の高さ分布の非対象性を評価するパラメータであり、スキューネスが小さいとは、薄帯表面の粗さ曲線における山を凸、谷を凹とすると、図３（ａ）に示すように、粗さ曲線が凸側に偏って存在し、表面が滑らかであることを示している。したがって、Ｒｓｋが小さいときは、薄帯表面まで密に非晶質合金が存在するので、励磁されたときには薄帯の表面には磁束が多くに流れて、磁気特性が向上する。逆に、スキューネスＲｓｋが大きいとは、図３（ｂ）に示すように、粗さ曲線の凸部が先鋭化し、凸部同士が離間していることを示している。したがって、Ｒｓｋが大きいときは、薄帯表面の非晶質合金の密度が低く、励磁されたときに表面に流れる磁束が少なくなり、磁気特性が低下する。

発明者らは、上記の結果から、Ｆｅ−Ｂ−Ｓｉ系にＭｎを添加した成分系でも、合金薄帯の表面性状を適正化することで、Ｍｎ添加による磁気特性の劣化を抑制し、鉄損特性に優れる鉄系非晶質合金を得ることができることを見出し、本発明を開発するに至った。

次の、本発明の鉄系非晶質合金の成分組成について説明する。
本発明の鉄系非晶質合金は、Ｆｅ_ｘＢ_ｙＳｉ_ｚＭｎ_ａ（ここで、ｘ，ｙ，ｚおよびａは、各元素のａｔ％を示す。）の化学式で表される成分組成を有するものであることが必要である。以下、具体的に説明する。

Ｆｅ：７５〜８７ａｔ％
Ｆｅは、本発明の鉄系非晶質合金のベース成分であり、７５ａｔ％未満では、磁束密度が低くなり過ぎ、一方、８７ａｔ％を超えると、鉄損特性が低下する。よって、Ｆｅは７５〜８７ａｔ％の範囲とする。好ましく８０〜８３ａｔ％の範囲である。

Ｂ：６〜１５ａｔ％
Ｂは、非晶質化するために必要な元素であり、６ａｔ％未満では、合金が非晶質化しなくなる。一方、１５ａｔ％を超えると、磁束密度が低下するだけでなく、原料コストも増大する。よって、Ｂは６〜１５ａｔ％の範囲とする。好ましくは７〜９ａｔ％の範囲である。

Ｓｉ：７〜１７ａｔ％
Ｓｉは、鉄損の低減と非晶質化に必要な元素であり、７ａｔ％未満では、合金が非晶質化しなくなる。一方、１７ａｔ％を超えると、磁束密度が大きく低下する。よって、Ｓｉは７〜１７ａｔ％の範囲とする。好ましくは７〜１１ａｔ％の範囲である。

Ｍｎ：０．２〜３ａｔ％
Ｍｎは、高価なＢの代替元素であるとともに、表層酸化膜を改質し、良質の絶縁皮膜を形成する効果があることから、本発明では０．２ａｔ％以上を添加する。一方、３ａｔ％を超える添加は、磁束密度の低下をもたらす。よって、Ｍｎは０．２〜３ａｔ％の範囲とする。好ましくは０．５〜２ａｔ％の範囲である。

また、本発明の鉄系非晶質合金は、鉄損を低減することを目的として、上記基本成分組成に対し、内数で、すなわち合金全体に対して、Ｎｉ:０．５ａｔ％以下、Ｃｒ：１ａｔ％以下、Ｃ：２ａｔ％以下、Ｐ：１ａｔ％以下およびＣｕ：２．０ａｔ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することができる。ただし、これら値を超える添加は、磁束密度の大幅な低下をもたらすので好ましくない。
なお、上記成分以外の残部は、不可避的不純物である。

次に、本発明の鉄系非晶質合金薄帯の表面性状について説明する。
本発明の鉄系非晶質合金薄帯は、前述したように、磁気特性、特に鉄損特性を向上する観点から、急冷ロールと接した面（ロール面）側の表面における粗さ曲線のスキューネスＲｓｋが０未満であることが必要である。好ましくは−１以下である。

なお、本発明が、ロール面側の表面における粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを管理し、自由面側のＲｓｋを管理しない理由は、一般に、自由面側のＲｓｋは条件によらず０に近いこと、また、ロール面側のＲｓｋは、冷却ロールの表面粗さや急冷凝固条件によって大きく変動するため、自由面側よりも厳格に管理する必要があるからである。

次に、本発明の鉄系非晶質合金薄帯の製造方法について説明する。
本発明の鉄系非晶質合金薄帯は、上記成分組成に調整した合金の溶湯を、急速冷却して凝固させることで得られる。上記急冷方法としては、水冷された高速で回転しているＣｕ製あるいはＣｕ合金製のロール外周面に溶湯を射出し、急冷凝固させて非晶質化する一般的な薄帯製造方法を用いることができる。

上記方法は、ロールの数によって単ロール法と双ロール法に分けられるが、何れを用いてもよい。なお、本発明では、薄帯表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを管理しているが、単ロール法を用いる場合はロールと接する面側のみ、双ロール法を用いる場合は両面のＲｓｋを管理する必要がある。

また、上記急冷凝固させる際の条件として、雰囲気ガスは、薄帯の表面酸化による脆化を防止するため、ＣＯ_２やＡｒ、Ｎ_２等の非酸化性雰囲気とするのが好ましく、さらに、溶湯に混入した微量の酸素Ｏによる酸化を抑制する観点から、Ｈ_２を０．５ｖｏｌ％以上含有させた還元性雰囲気とするのがより好ましい。
また、薄帯表面のスキューネスＲｓｋを低減する観点からは、Ｈ_２を０．５ｖｏｌ％以上含んだＣＯ_２ガスやＡｒガスを溶湯がロールに接触する箇所に向けて噴射するのが効果的であるが、本発明では、スキューネスＲｓｋを０未満に低減できるなら、雰囲気ガスや噴射ガスを特に限定するものではない。

また、急冷凝固させる急冷ロールの表面粗さは、薄帯表面のスキューネスＲｓｋを低減する観点から、小さいほど好ましく、具体的には、算術平均粗さＲａで１０μｍ以下とするのが好ましい。さらに、１μｍ以下とすることがより好ましい。

また、薄帯表面のスキューネスＲｓｋを低減するためには、急冷凝固させる際の急冷ロールの表面に、８００℃程度に加熱した雰囲気ガスを熱風として吹き付け、ロールの表面温度と溶湯との温度差を少なくすることも有効である。その理由は、温度差に起因したＲｓｋの上昇を抑えるためである。

急冷ロール表面で急冷凝固させた薄帯は、その後、ロール表面から剥離し、コイル状に巻き取るのが好ましい。なお、磁性特性の向上を図るため、磁場中焼鈍を施したのち、コイル状に巻き取ってもよい。磁場中焼鈍の処理条件としては、５００ｋＡ／ｍ以上の磁場中において、２５０〜５５０℃の温度範囲で１０秒〜２時間程度の熱処理を施すのが好ましい。処理温度が２５０℃未満では、薄帯内部の歪を解消することができないため磁気特性向上効果が小さく、一方、５５０℃を超えると、結晶化が起こって磁気特性が低下するからである。その後、薄帯間同士の絶縁性を確保するため、絶縁皮膜を被成して製品とするのが好ましい。

Ｆｅ_８１．２Ｂ_８．３Ｓｉ_９Ｍｎ_１．５の成分組成を有する鉄系合金の溶湯を、高速回転するＣｕロールの外周面に射出（単ロール法）して、厚みが２５μｍ、幅が１００ｍｍの非晶質合金薄帯を作製した。このとき、Ｃｕロールの表面粗さＲａ、射出時の雰囲気ガスを表１に示したように種々に変化させた。また、表１に示した一部の例では、溶湯がＣｕロールに接触する直前のロール表面に８００℃に加熱した１ｖｏｌ％Ｈ_２＋９９ｖｏｌ％ＣＯ_２の熱風を吹き付けた。

斯くして得られた薄帯に、２ＭＡ／ｍの磁場中で３８０℃×１時間の磁場中焼鈍を施した後、表面性状を評価するため、薄帯のロール面側の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを、ＪＩＳＢ０６３３：２００１に記載の方法で測定し、また、磁気特性を評価するため、ＪＩＳＣ２５５０に記載の方法で鉄損Ｗ_{１３/５０}を測定した、それらの結果を表１中に併記した。この結果から、スキューネスＲｓｋが０未満である本発明例の合金薄帯は、いずれも鉄損Ｗ_{１３/５０}が０．８０Ｗ／ｋｇ以下の良好な鉄損特性を有していることがわかる。

表２に示した種々の成分組成を有する鉄系合金の溶湯を、高速回転するＣｕロールの外周面上に射出し（単ロール法）、厚みが２５μｍ、幅が１５０ｍｍの非晶質合金薄帯を作製した。この際、薄帯ロール面側の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋの低減を目的として、Ｃｕロールの表面粗さＲａを０．１５μｍに低減し、溶湯射出時の雰囲気を３ｖｏｌ％Ｈ_２＋９７ｖｏｌ％ＣＯ_２ガス雰囲気とした。また、全ての条件で、溶湯がＣｕロールに接触する直前のロール表面に８００℃に加熱した３ｖｏｌ％Ｈ_２＋９７ｖｏｌ％ＣＯ_２ガスの熱風を吹き付けた。

斯くして得られた非晶質合金薄帯に、５ＭＡ／ｍの磁場中で３８０℃×１時間の磁場中焼鈍を施した後、実施例１と同様にして、薄帯表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを測定した。その結果、Ｒｓｋはいずれも−１．４２〜−１．６３の範囲内にあった。また、実施例１と同様にして、鉄損Ｗ_{１３/５０}を測定し、その結果を表２に併記した。表２から、本発明の成分組成を満たす非晶質合金薄帯は、いずれも優れた鉄損特性を有していることがわかる。

Claims

化学式：Ｆｅ_ｘＢ_ｙＳｉ_ｚＭｎ_ａ
（ここで、ｘ：７５〜８７ａｔ％、ｙ：６〜１５ａｔ％、ｚ：７〜１７ａｔ％、ａ：０．２〜３ａｔ％）
で表される成分組成からなり、
冷却ロールと接した面における表面粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）が０未満である鉄系非晶質合金薄帯。
上記成分組成に加えてさらに、Ｎｉ：０．５ａｔ％以下、Ｃｒ：１．０ａｔ％以下、Ｃ：２．０ａｔ％以下、Ｐ：１．０ａｔ％以下およびＣｕ：２．０ａｔ％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の鉄系非晶質合金薄帯。