JP2018508978A - ナノ結晶質の磁性合金をベースとする磁心 - Google Patents

ナノ結晶質の磁性合金をベースとする磁心 Download PDF

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Abstract

磁心は、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めているような局所的構造を有するナノ結晶質合金のリボンを含む。このリボンは、０．６ないし１．２原子パーセントの量のＣｕ、１０ないし２０原子パーセントの量のＢ、および０原子パーセントよりも多く１０原子パーセントまでの量のＳｉ（ＢとＳｉは１０ないし２４原子パーセントの合わせた含有量を有する）を含む鉄基合金の組成を有することができる。【選択図】図１

Description

[0001]本発明の態様は、高い飽和磁気誘導、低い保磁力および低い鉄損を有するナノ結晶質の磁性合金をベースとする磁心に関する。
[0002]結晶質のケイ素鋼、フェライト、コバルト基の非晶質軟質磁性合金、鉄基で非晶質の合金およびナノ結晶質の合金は、誘導磁力計、電気チョークコイル、パルス電源装置、変圧器、モーター、発電機、電流センサー、アンテナ用磁心および電磁波遮断シートにおいて広く用いられてきた。広く用いられているケイ素鋼は安価で、高い飽和磁気誘導ＢＳを示すが、しかし、高い周波数において損失が多い。高い磁気損失の理由の一つは、それらの保磁力ＨＣが約８Ａ/ｍと高いことである。フェライトは低い飽和磁気誘導を有し、従って、高出力の誘導磁力計において用いられるときに磁気的に飽和する。コバルト基の非晶質合金は比較的高価であり、通常１Ｔ未満の飽和磁気誘導をもたらす。コバルト基の非晶質合金から構成された磁性部材は、それらの低い飽和磁気誘導の故に、低いレベルの動作磁気誘導（これは飽和磁気誘導ＢＳよりも低い）を補うために大きなものである必要がある。鉄基の非晶質合金は１．５〜１．６ＴのＢＳを有し、これはケイ素鋼についての約２ＴのＢＳよりも低い。上述した装置のためのエネルギー効率が良く、小さなサイズの磁心を製造するために、１．６Ｔを超える飽和磁気誘導と８Ａ/ｍ未満の保磁力ＨＣを有する磁性合金が、明らかに必要とされている。
[0003]高い飽和磁気誘導と低い保磁力を有する鉄基のナノ結晶質合金が、国際出願の公開公報ＷＯ２００７/０３２５３１号（以下、「’５３１公報」と呼ぶ）において教示されている。この合金は、Ｆｅ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｕｘＢｙＸｚ（Ｘ：Ｓｉ、Ｓ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａ、およびＢｅからなる群からの少なくとも一つ）（ここで、ｘ、ｙ、ｚについては０．１≦ｘ≦３、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、および１０＜ｙ＋ｚ≦２４（全て原子パーセント））の化学組成を有し、また６０ｎｍ未満の平均直径を有する結晶質粒子が分散していて合金の３０容積パーセントよりも多くを占めている局所的構造を有する。この合金は銅を含有するが、しかし、合金中でのその技術的な役割は明確には示されていない。’５３１公報の時点においては、銅の原子はナノ結晶のための種として提供される原子のクラスターを形成し、ナノ結晶は材料を製造した後の熱処理によってサイズを大きくして、これにより’５３１公報に定義された局所的構造を有するようになる、と考えられた。加えて、銅の混合の熱は一般的な冶金上の法則に従って鉄とともに正になるために銅のクラスターは溶融した合金の中に存在することができ、このことが溶融した合金における銅の上方の含有量を決定する、と考えられた。しかし、急速に凝固する間に銅はその固溶限に達し、そのために析出し、そしてナノ結晶化のプロセスを開始する、ということが後に明らかになった。過冷条件の下では、急速に凝固するときに初期のナノ結晶化を可能にするような想定される局所的な原子構造を達成するためには、銅の含有量ｘは１．２と１．６の間でなければならない。従って、’５３１公報における０．１≦ｘ≦３という銅の含有量の範囲は大きく低減された。本出願において、これらの合金はＰタイプの合金として分類される。実際のところ、’５３１公報の合金は部分的な結晶化のために脆いことが見いだされ、従って、得られた磁気特性は許容できるものではあったが、扱うことが困難であった。加えて、’５３１公報の合金についての急冷凝固の条件は凝固速度によって大きく変化したので、安定した材料の鋳造は困難であることが見いだされた。従って、’５３１公報の製品を上回る改良が望まれている。
国際公開ＷＯ２００７/０３２５３１号
[0004] ’５３１公報の製品を上回るような改良の過程において、本発明の態様に従う合金において、鋳造によらない微細な結晶粒子を最初に有する合金を急速に加熱することによって、微細なナノ結晶構造が形成されることが見いだされた。また、熱処理した合金は、１．７Ｔを超える高い飽和磁気誘導といった、優れた軟質の磁気特性を示すことも見いだされた。これらの磁気特性を示す合金は、本出願においてはＱタイプの合金と呼ばれる。本発明の態様に従うＱタイプの合金におけるナノ結晶化の機構は、ＰやＮｂのようなガラス形成元素を他の元素で置き換えることによって、結晶化の際に合金中に形成される非晶質相の熱安定性が向上するという点で、関連する技術分野の合金（例えば、米国特許８００７６００号および国際特許公開ＷＯ２００８/１３３３０１号を参照）の機構とは異なる。さらに、元素の置換によって、熱処理の間に析出する結晶質粒子の成長が抑制される。加えて、合金リボンの急速な加熱は材料中の原子の拡散速度を低下させ、その結果、結晶の核形成位置の数が低減する。Ｐタイプの合金において見いだされる元素のＰがその純度を材料中で維持するのは困難であって、Ｐは３００℃未満の温度で拡散する傾向があり、それにより合金の熱安定性が低下する。従って、Ｐはこの合金において望ましい元素ではない。ＮｂやＭｏのような元素はガラス質または非晶質の状態にあるＦｅ基合金の成形性を改善することで知られているが、しかし、それらは非磁性であってそれらの原子サイズは大きいので、合金の飽和磁気誘導を低下させる傾向がある。従って、望ましい合金においては、ＮｂやＭｏのような元素の含有量は可能な限り低くするべきである。
[0005]関連する技術分野の製品においてしばしば遭遇する、熱処理を行う間の大きな微結晶の成長は、リボン状の材料においては緩和されるが、積層した磁心またはトロイド状の磁心（トロイダルコア）のような大きな寸法を有する磁心においては、均一な熱処理が保証されなければならない。
[0006]従って、本発明の一つの側面は、合金の熱処理を行う際の加熱速度を増大させ、それによりナノ結晶化材料における鉄心損失のような磁気損失を低減し、改善した性能を有する磁性部材が得られるようなプロセスを開発することである。
[0007]本発明の一つの主要な側面は、発電や管理における変圧器や誘導磁力計において磁心を使用する目的で、本発明の態様における最適に熱処理された合金をベースとする磁心を提供することである。
[0008]前の段落で説明した成分元素の全ての効果を考慮すると、合金は、ＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚの化学組成を有することができ、ここで、０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４であり、数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび本開示において後に説明する様々な選択元素の添加物である。この合金は、例えば、米国特許４１４２５７１号において教示される急冷凝固方法によってリボン状に鋳造することができる。
[0009]前の段落で示した化学組成を有する急冷凝固したリボンは、最初に４５０℃と５５０℃の間の温度でこのリボンを金属またはセラミックの表面に直接接触させ、次いで、１０℃/秒よりも大きな加熱速度で３００℃を超えるまでリボンを急速加熱することによって熱処理することができる。
[0010]前の段落の熱処理は、想定される用途に応じて、ゼロの磁界の中か、あるいはリボンの長さまたは幅の方向に沿って加えられる所定の磁界の中のいずれかで行うことができる。
[0011]上で説明した熱処理プロセスは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズを有するナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてそれらのナノ結晶が３０容積パーセントよりも多くを占めるような局所的構造を生成する。
[0012]前の段落に係る熱処理したリボンは、８０Ａ/ｍにおいて１．６Ｔを超える磁気誘導、１．７Ｔを超える飽和磁気誘導および６．５Ａ/ｍ未満の保磁力ＨＣを有する。加えて、この熱処理したリボンは１．６Ｔおよび５０Ｈｚにおいて０．４Ｗ/ｋｇ未満の鉄心損失および１．６Ｔおよび６０Ｈｚにおいて０．５５Ｗ/ｋｇ未満の鉄心損失を示した。
[0013]熱処理したリボンはトロイド状の磁心になるように巻かれ、次いで、リボンの長さ方向に沿って加えられる磁界を伴って、あるいは磁界を伴わずに、４００℃〜５００℃において１分〜８時間にわたって熱処理されうる。このような磁界を伴う焼鈍の手順は、本開示において縦磁界焼鈍と呼ばれる。リボンが磁心を形成するように巻かれる場合、磁心の円周方向がリボンの長さ方向である。従って、巻かれた磁心の円周方向に沿って加えられる磁界を伴う焼鈍は、縦磁界焼鈍の一形態である。
[0014]トロイド状の磁心は、緩めたときに１０ｍｍから２００ｍｍまでのリボン曲率半径を有することができ、そして（２−Ｒｗ/Ｒｆ）によって定義されるリボン弛緩率は０．９３よりも大きいだろう。ここで、ＲｗとＲｆはそれぞれ、リボンを解放する前のリボン曲率半径およびリボンが解放された後の拘束の無い状態でのリボン曲率半径である。
[0015]トロイド状の磁心は０．７を超えるＢｒ/Ｂ８００を有することができ、ここでＢｒおよびＢ８００はそれぞれ、加えた磁界が（残留磁気で）０Ａ/ｍおよび８００Ａ/ｍのときの磁気誘導である。
[0016]トロイド状の磁心は、１．６Ｔおよび５０Ｈｚにおいて０．１５Ｗ/ｋｇから０．４Ｗ/ｋｇまでの範囲（０．１６Ｗ/ｋｇから０．３１Ｗ/ｋｇまでの値を含む）の鉄心損失、１．６Ｔおよび６０Ｈｚの励起において０．２Ｗ/ｋｇから０．５Ｗ/ｋｇまでの範囲（０．２６Ｗ/ｋｇから０．３８Ｗ/ｋｇまでの値を含む）の鉄心損失のそれぞれを示すことができる。保磁力は４Ａ/ｍ未満であってもよく、また３Ａ/ｍ未満であってもよい。保磁力は２Ａ/ｍないし４Ａ/ｍの範囲（２．２Ａ/ｍから３．７Ａ/ｍまでの範囲の値を含む）であってもよい。
[0017]トロイド状の磁心は変圧器鉄心、電気チョーク、パワーインダクタ、その他同種類のものに製作することができる。
[0018]トロイド状の磁心は、１０ｋＨｚにおいて、０．１Ｔの磁気誘導において３Ｗ/ｋｇの鉄心損失、０．２Ｔの磁気誘導において１０Ｗ/ｋｇの鉄心損失、および０．４Ｔの磁気誘導において２８Ｗ/ｋｇの鉄心損失を有することができる。
[0019]トロイド状の磁心は、高い周波数において操作される変圧器鉄心、パワーインダクタの鉄心、その種の他のものに製作することができる。
[0020]トロイド状の磁心は、飽和磁気誘導ＢＳに接近していて１．７Ｔから１．７８Ｔまでの範囲のＢ８００を有することができる。
[0021]リボンの長さ方向に沿って加えられる磁界がゼロのとき、トロイド状の磁心は、リボンの幅方向に沿って加えられる磁界を伴って熱処理することができる。リボンの幅方向はリボンの長さ方向に対して横断するので、この手順は本開示において横磁界焼鈍（直交磁界焼鈍）と呼ばれる。リボンの幅方向に沿う磁界を用いることによって、トロイド状の磁心のＢＨ特性を修正することができる。この手順はトロイド状の磁心の実効透磁率を修正するために用いることができる。
[0022]上の段落に係るトロイド状の磁心は、例えば、大電流を伝えるパワーインダクタにおいて利用するか、また変流器において利用することができる。そのような変流器は電力量計において利用することもできる。
[0023]本発明の第１の態様において、磁心はＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚＡａＸｂで表される組成を有するナノ結晶質合金のリボンを含み、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、ナノ結晶質合金のリボンは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めているような局所的構造を有する。組成は、本開示において論じられる組成のうちのいずれであってもよい。
[0024]本発明の第２の態様においては、本発明の第１の態様の磁心において、リボンは４３０℃から５５０℃までの範囲の温度において１０℃/秒以上の加熱速度で３０秒未満にわたって熱処理を受けたものであり、熱処理を行う間に１ＭＰａと５００ＭＰａの間の張力が加えられていて、そして巻いた磁心を形成するために、熱処理の後にリボンは巻かれている。
[0025]本発明の第３の態様においては、本発明の第２の態様の磁心において、磁心は、磁心の円周方向に沿って加えられる４ｋＡ/ｍ未満の磁界において、４００℃から５００℃までの温度において１．８ｋｓ（キロ秒）〜１０．８ｋｓにわたって、巻いた形でさらに熱処理されたものである。
[0026]本発明の第４の態様においては、本発明の第１から第３までの態様のいずれかの磁心において、磁心は巻いた磁心であり、磁心の丸い部分は緩めたときに曲率半径が１０ｍｍと２００ｍｍの間になるリボンで構成されていて、そして磁心の丸い部分は、（２−Ｒｗ/Ｒｆ）によって定義されるリボン弛緩率が０．９３よりも大きくなるものであり、ここで、ＲｗとＲｆはそれぞれ、リボンを解放する前のリボン曲率半径およびリボンが解放された後の拘束の無い状態でのリボン曲率半径である。
[0027]本発明の第５の態様においては、本発明の第２から第４までの態様のいずれかの磁心において、ナノ結晶質合金のリボンは、１０℃/秒よりも大きな平均の加熱速度で、室温から４３０℃を超えて５５０℃未満の所定の保持温度まで熱処理されていて、このとき保持時間は３０秒未満である。
[0028]本発明の第６の態様においては、本発明の第２から第４までの態様のいずれかの磁心において、ナノ結晶質合金のリボンは、１０℃/秒よりも大きな平均の加熱速度で、３００℃から４５０℃を超えて５２０℃未満の所定の保持温度まで熱処理されていて、このとき保持時間は３０秒未満である。
[0029]本発明の第７の態様においては、本発明の第６の態様の磁心において、磁心を構成するプロセスにおける保持時間は２０秒未満である。
[0030]本発明の上記の第１から第７までの態様の磁心は、電力分配用変圧器である装置において利用することができる。本発明の上記の第１から第７までの態様の磁心は、２Ａ/ｍないし４Ａ/ｍの範囲の保磁力を有することができる。本発明の上記の第１から第７までの態様の磁心は、電力分配用変圧器または商業用および高周波数において稼働される電力管理のための誘導磁力計である装置において利用することができ、それらの磁心は２Ａ/ｍないし４Ａ/ｍの範囲の保磁力を有し、また６０Ｈｚおよび１．６Ｔにおいて０．２Ｗ/ｋｇ〜０．５Ｗ/ｋｇの鉄心損失、および５０Ｈｚおよび１．６Ｔにおいて０．１５Ｗ/ｋｇ〜０．４Ｗ/ｋｇの鉄心損失を有し、また１．７Ｔを超えるＢ８００を有することができる。本発明の上記の第１から第７までの態様の磁心は、商業用および高周波数において稼働される電力管理のための誘導磁力計またはパワーエレクトロニクスにおいて用いられる変圧器である装置において利用することができ、それらの磁心は１０ｋＨｚおよび０．５Ｔの動作誘導レベルにおいて３０Ｗ/ｋｇ未満の鉄心損失を有し、また１．７Ｔを超えるＢ８００を有する。
[0031]本発明のさらなる態様において、磁心を製造する方法には以下のことが含まれる：非晶質合金のリボンを４３０℃から５５０℃までの範囲の温度において１０℃/秒以上の加熱速度で３０秒未満にわたって熱処理して、この熱処理を行う間に１ＭＰａと５００ＭＰａの間の張力が加えられ、リボンはＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚＡａＸｂで表される組成を有し、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、そして熱処理の後にリボンを巻いて、それにより巻き磁心を形成する。
[0032]本発明のさらなる態様において、磁心は、０．６ないし１．２原子パーセントの量のＣｕ、１０ないし２０原子パーセントの量のＢ、および０原子パーセントよりも多く１０原子パーセントまでの量のＳｉ（ＢとＳｉは１０ないし２４原子パーセントの合わせた含有量を有する）を含む鉄基合金の組成を有するナノ結晶質合金のリボンを含み、このナノ結晶質合金のリボンは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めているような局所的構造を有する。磁心は、上で論じた第１から第７までの態様について上で説明した（磁気特性を含めた）特徴あるいは本開示の他の部分で説明する特徴のうちの一つ以上を含むか、あるいは満たしていてもよい。
[0033]本発明のさらなる態様において、ナノ結晶質合金のリボンは、ＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚＡａＸｂで表される合金組成を有し、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、ＡｕおよびＡｇから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、全ての数値は原子パーセントであり、またこのリボンは非晶質のマトリックスの中に分散している４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶を有する局所的構造を有し、ナノ結晶はリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めていて、そしてリボンは少なくとも２００ｍｍのリボン曲率半径を有する。磁心は、上で論じた第１から第７までの態様について上で説明した（磁気特性を含めた）特徴あるいは本開示の他の部分で説明する特徴のうちの一つ以上を含むか、あるいは満たしていてもよい。
[0034]実施態様についての以下の詳細な説明および添付する図面について論究することによって、本発明はより十分に理解され、またさらなる利点が明らかになるだろう。
[0035]図１は本発明の態様に係る熱処理したリボンのＢ-Ｈ挙動を例示していて、ここで、Ｈは加えた磁界であり、Ｂは生じた磁気誘導である。 [0036]図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃは、本発明の態様の熱処理したリボンの平らな表面（図２Ａ）、くぼんだ表面（図２Ｂ）および凸状の表面（図２Ｃ）について観察された磁区構造を示す。白と黒の矢印で示されているように、黒と白で示される二つの磁区における磁化の方向は、互いに１８０°違う方に向いている。 [0037]図３は、図２Ｃに示す１、２、３、４、５および６の箇所における詳細な磁区パターンを示す。 [0038]図４Ａおよび４ＢはＦｅ８１Ｃｕ１Ｍｏ０．２Ｓｉ４Ｂ１３．８の組成を有するサンプルについて得られたＢＨ挙動の上半を示し、このサンプルを、最初に３ＭＰａの張力を加えながら４８１℃の加熱浴の中で８秒にわたって５０℃/ｓの加熱速度で焼鈍し（曲線Ｂ（点線）で示す）、次いで、１．５ｋＡ/ｍの磁界を用いて５４００秒にわたって４３０℃で二次焼鈍を行ったもの（曲線Ａで示す）である。左の図４Ａおよび右の図４Ｂにおける曲線はそれぞれ、８０Ａ/ｍまでの磁界および８００Ａ/ｍまでの磁界において得られたデータである。８０Ａ/ｍの磁界における磁気誘導であるＢ８０および８００Ａ/ｍの磁界における磁気誘導であるＢ８００も示されている。これらの量は、本発明の態様に係る合金の磁気特性を特徴づけるために用いられる。 [0039]図５Ａおよび５Ｂは、表２に挙げた（ＯＤ，ＩＤ）＝（９６．０，９０．０）のコアサイズを有するＦｅ８１Ｃｕ１Ｍｏ０．２Ｓｉ４Ｂ１３．８合金から製造されたトロイド状の磁心についてのＢＨ挙動の上半（図５Ａ）を示し、また図５Ｂにおいて１０ｋＨｚの周波数における動作磁束Ｂｍの関数としての鉄心損失Ｐ（Ｗ/ｋｇ）を示す。 [0040]図６Ａおよび６Ｂは、図６Ａにおける励起磁束密度Ｂｍおよび図６ＢにおけるＢＨループの関数としての、曲線Ａによって示される６０Ｈｚにおける鉄心損失および曲線Ｂによって示される５０Ｈｚにおける鉄心損失を示す。鉄心はＯＤ＝１５３ｍｍ、ＩＤ＝１１７ｍｍおよびＨ＝２５．４ｍｍの寸法を有し、Ｆｅ８１．８Ｃｕ０．８Ｍｏ０．２Ｂ１３の化学組成を有するリボンから巻かれる。 [0041]図７は、本発明の態様に係る典型的なＰタイプの合金（Ｐで示される）と典型的なＱタイプの合金（Ｑで示される）および従来の６．５％Ｓｉ鋼（Ａ）、Ｆｅ基非晶質合金（Ｂ）、およびナノ結晶質のFinemet FT3合金（Ｃ）についての１０ｋＨｚの周波数における鉄心損失Ｐ（Ｗ/ｋｇ）対動作磁気誘導Ｂｍ（Ｔ）を比較している。 [0042]図８Ａおよび８Ｂは、本発明の態様に係る楕円形の磁心の例（７１で示される）およびこの磁心について得られるＤＣ ＢＨループ（７２で示される）を示す。 [0043]図９は、４００Ｈｚ、１ｋＨｚ、５ｋＨｚおよび１０ｋＨｚの周波数における磁心の動作磁束密度Ｂｍ（Ｔ）の関数としての鉄心損失Ｐ（Ｗ/ｋｇ）を示し、図８Ａの磁心について測定したものである。 [0044]図１０は、図８Ａ-Ｂの磁心についての透磁率対動作周波数を示す。 [0045]図１１Ａは、本発明の態様の磁心の急速な温度上昇を特徴づける焼鈍温度のプロフィールを示し、室温から５００℃までとそれに続く磁心の冷却について試験したものである。[0046]図１１Ｂは、磁心の円周方向に沿って加えた３．５ｋＡ/ｍの磁界を用いて４３０℃において５．４ｋｓにわたって二次焼鈍としてのさらなる熱処理を受けた図１１Ａの磁心のＢＨ挙動を示す。
[0047]本発明の態様において用いられる延性金属のリボンは、米国特許４１４２５７１号に記載された急冷凝固方法によって鋳造することができる。リボンの形状は、リボンを製造した後の熱処理に適していて、この熱処理は鋳造したリボンの磁気特性を制御するために用いられる。
[0048]本発明の態様において用いられるリボンのこの組成は、０．６ないし１．２原子パーセントの量のＣｕ、１０ないし２０原子パーセントの量のＢ、および０原子パーセントよりも多く１０原子パーセントまでの量のＳｉ（ＢとＳｉの合わせた含有量は１０ないし２４原子パーセントの範囲である）を含む鉄基合金の組成とすることができる。この合金はまた、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、ＡｕおよびＡｇの群から選択される少なくとも一つの元素を０．０１〜１０原子パーセントまでの量で含んでいてもよい（この範囲には０．０１〜３原子％および０．０１〜１．５原子％の範囲の値といった値が含まれる）。組成の中にＮｉが含まれるとき、Ｎｉは０．１〜２または０．５〜１原子パーセントの範囲であってもよい。Ｃｏが含まれるとき、Ｃｏは０．１〜２または０．５〜１原子パーセントの範囲で含まれていてもよい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷの群から選択される元素が含まれるとき、これらの元素の合計の含有量は、合計で０．４原子パーセント未満（これには０．３未満および０．２未満のいかなる値も含まれる）のいかなる値であってもよい。この合金はまた、Ｒｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、および希土類元素の群から選択される少なくとも一つの元素を５原子パーセント以下および未満の任意の値の量で含んでいてもよい（これには２、１．５および１原子パーセント以下および未満の値も含まれる）。
[0049]Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、ＡｕおよびＡｇの群から選択される少なくとも一つの元素についての上述した範囲（これにはＣｏおよびＮｉについての個々の所定の範囲も含まれる）の各々は、Ｒｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、および希土類元素の群から選択される少なくとも一つの元素についての上記の所定の範囲の各々と共存していてもよい。上で論じたものを含めて、組成の変形のいずれにおいても、Ｆｅならびに全ての付随的または不可避の不純物は、１００の合計の原子パーセントを構成するための残部の構成要素であるか、または実質的に構成要素となりうる。上記の組成の構成のいずれにおいても、Ｐの元素は合金組成から排除されうる。組成の構成の全ては、Ｆｅの含有量が少なくとも７５、７７または７８原子パーセントの量であることを条件として、実施することができる。
[0050]本発明の態様に適した一つの組成範囲の例は、８０〜８２原子％のＦｅ、０．８〜１．１原子％または０．９〜１．１原子％のＣｕ、３〜５原子％のＳｉ、１２〜１５原子％のＢ、およびＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、ＡｕおよびＡｇの群から選択される一つ以上の元素で構成されるものを合わせて０〜０．５原子％であり、上述した原子パーセントは、付随的または不可避の不純物は別として、合計で１００原子％となるように選択される。
[0051]合金の組成は、前の二つの段落において具体的に列挙した所定の範囲の元素ならびに付随的不純物だけから成るか、あるいは本質的に成っていてもよい。合金の組成はまた、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｂ、およびＳｉの元素の（これら特定の元素についての）上記の所定の範囲ならびに付随的不純物だけから成るか、あるいは本質的に成っていてもよい。実際的に不可避な不純物を含めて、いかなる付随的不純物の存在も、ここで権利請求するいかなる組成によっても排除されない。選択成分（Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、および希土類元素）のいずれかが存在する場合、それらは少なくとも０．０１原子％の量で存在しうる。
[0052]本発明の態様において、リボンの化学組成は、Ｆｅ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｕｘＢｙＳｉｚで表すことができて、ここで、０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、および１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４であり、これらの数値は原子パーセントである。本発明の態様に係るこれらの合金は、本出願においてはＱタイプの合金と呼ばれる。
[0053]０．６≦ｘ＜１．２のＣｕ含有量が用いられるが、その理由は、ｘ≧１．２の場合、Ｃｕ原子が形成するクラスターはｂｃｃＦｅの微細な結晶質粒子のための種として役立つからである。そのようなクラスターのサイズは熱処理したリボンの磁気特性に影響を及ぼしたが、そのサイズを制御するのは困難であった。従って、ｘは１．２原子パーセント未満になるように設定される。熱処理によってリボンにナノ結晶化を誘導するためには特定の量のＣｕが必要であったため、それはＣｕ≧０．６と決定された。
[0054]非晶質のＦｅ-Ｂ-Ｓｉマトリックスにおける混合の正の熱（positive heat）のために、Ｃｕ原子は密集して、マトリックスとＣｕクラスター相の間の境界エネルギーを低下させる傾向があった。関連する技術分野の合金において、合金中でのＣｕ原子の拡散を制御するために、ＰやＮｂなどの元素が添加された。これらの元素は熱処理したリボンにおける飽和磁気誘導を低下させたので、本発明の態様においては合金中で排除するか、または最小限にしてもよい。これらの元素を有する関連する技術分野の合金は、本開示においてはＰタイプの合金に分類される。従って、ＰおよびＮｂの元素のいずれか一方または両者は合金中に存在しなくてもよいか、あるいは、偶発的または不可避的な量を除けば存在しなくてもよい。あるいは、Ｐが存在しない代わりに、Ｐは本明細書で論じている最小限の量で含まれていてもよい。
[0055]上で説明したように合金にＰまたはＮｂを添加することによってＣｕの拡散を制御する代わりに、リボンを急速に加熱することによってＣｕ原子が拡散するのに十分な時間を与えないようなやり方で、熱処理のプロセスが修正される。
[0056]前に提示したＦｅ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｕｘＢｙＳｉｚ（０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４）という組成において、ｂｃｃ-Ｆｅのナノ結晶を含む熱処理した合金において１．７Ｔよりも大きな飽和磁気誘導を達成するために、（このような飽和磁気誘導が望ましい場合は）Ｆｅの含有量は、７５原子パーセント、好ましくは７７原子パーセント、より好ましくは７８原子パーセントを超えるか、あるいは少なくともこれらの値であるべきである。Ｆｅの含有量が１．７Ｔを超える飽和磁気誘導を達成するのに十分である限りは、Ｆｅの原材料の中に通常見いだされる付随的不純物は許容可能であった。７５、７７または７８原子パーセントよりも多いＦｅのこれらの量は、以下で論じるＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、Ａｕ、およびＡｇの含有物、およびＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、および希土類元素の含有物とは無関係に、本開示のいかなる組成においても実施することができる。
[0057]前に提示したＦｅ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｕｘＢｙＳｉｚ（０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４）という組成において、Ｆｅ１００−ｘ−ｙ−ｚ によって示されるＦｅの含有量の０．０１原子パーセントから１０原子パーセントまで、好ましくは０．０１〜３原子パーセントまで、最も好ましくは０．０１〜１．５原子パーセントまでは、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、Ａｕ、およびＡｇの群から選択される少なくとも一つで置換されていてもよい。Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＶおよびＣｒなどの元素は熱処理したリボンの非晶質相の中で合金化する傾向があり、その結果、微細な粒子サイズを有するＦｅに富むナノ結晶が生じ、ひいては飽和磁気誘導を増大させ、そして熱処理したリボンの軟磁性を向上させる。これらの元素の存在は（以下で論じる個々の元素の範囲を含めて）、７５、７７または７８原子パーセントよりも多い量である合計のＦｅ含有量との組み合わせにおいて存在してもよい。
[0058]上述したＦｅの置換元素であるＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、Ａｕ、およびＡｇのうち、ＣｏとＮｉの添加はＣｕ含有量を増大させ、その結果、熱処理したリボンにおいて微細なナノ結晶を生じさせ、ひいては、リボンの軟磁性を改善した。Ｎｉの場合、その含有量は好ましくは０．１原子パーセントから２原子パーセントまで、より好ましくは０．５ないし１原子パーセントであった。Ｎｉの含有量が０．１原子パーセント未満のとき、リボンの加工適正が劣った。Ｎｉの含有量が２原子パーセントを超えると、リボンにおける飽和磁気誘導と保磁力が低下した。Ｃｏの添加の場合、Ｃｏの含有量は好ましくは０．１原子パーセントと２原子パーセントの間であり、より好ましくは０．５原子パーセントと１原子パーセントの間であった。
[0059]さらに、上述したＦｅの置換元素であるＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、Ａｕ、およびＡｇのうち、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷなどの元素は熱処理したリボンの非晶質相の中で合金化する傾向があり、非晶質相の安定性に寄与し、また熱処理したリボンの軟磁性を改善した。しかし、これらの元素の原子サイズはＦｅのような他の遷移金属よりも大きく、それらの含有量が多い場合は、熱処理したリボンにおける軟磁性は低下した。従って、これらの元素の含有量は０．４原子パーセント未満であることが好ましかった。それらの含有量は、合計で好ましくは０．３原子パーセント未満、またはより好ましくは０．２原子パーセント未満であった。
[0060]前に提示したＦｅ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｕｘＢｙＳｉｚ（０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４）という組成において、Ｆｅ１００−ｘ−ｙ−ｚ によって示されるＦｅの５原子パーセント未満、より好ましくは２原子パーセント未満はＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、および希土類元素の群からの一つで置換されてもよい。高い飽和磁気誘導が望ましいときは、これらの元素の含有量は好ましくは１．５原子パーセント未満、より好ましくは１．０原子パーセント未満であった。
[0061]上述した組成のリボンを、以下で説明する最初の熱処理に供することができる。リボンは１０℃/秒を超える加熱速度で所定の保持温度まで加熱される。保持温度が３００℃に近いとき、加熱速度は概して１０℃/秒を超えなければならない。というのは、それは熱処理したリボンにおける磁気特性にかなり影響を及ぼすからである。保持温度は（Ｔｘ２−５０）℃を超えることが好ましく、ここで、Ｔｘ２は結晶質の粒子が析出した温度である。保持温度は４３０℃よりも高いことが好ましい。温度Ｔｘ２は市販の示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって決定することができる。本発明の態様の合金は、加熱すると二つの特性温度を伴って二段階で結晶化する。高い方の特性温度において、二次結晶相が析出し始め、本開示においてはこの温度がＴｘ２と呼ばれる。保持温度が４３０℃よりも低いとき、析出とそれに続く微細な結晶粒子の成長は十分なものではなかった。しかし、最も高い保持温度は５３０℃よりも低く、この温度は本発明の態様の合金のＴｘ２に相当する。保持時間は３０秒未満であることが好ましく、より好ましくは２０秒未満、最も好ましくは１０秒未満であった。上のプロセスの幾つかの例を実施例１および２に提示する。
[0062]上の段落の熱処理したリボンは巻かれて磁心にされ、これは次に４００℃と５００℃の間で９００秒と１０．８ｋｓの間の時間、熱処理された。応力の除去が十分になされるように、熱処理の時間は好ましくは９００秒よりも長く、より好ましくは１．８ｋｓよりも長かった。より高い生産性が望まれる場合は、熱処理の時間は１０．８ｋｓ未満であり、好ましくは５．４ｋｓ未満であった。この追加のプロセスは熱処理したリボンの磁気特性を均質化することが見いだされた。実施例３は上で説明したプロセスによって得られた結果（図４）の幾つかを示す。
[0063]熱処理のプロセスにおいて、リボンに磁気異方性を誘起させるために磁界が加えられた。加えられた磁界はリボンを磁気的に飽和させるのに十分なほどに高いものであったが、それは好ましくは０．８ｋＡ/ｍよりも高かった。加えられた磁界はＤＣ（直流）、ＡＣ（交流）またはパルスの形のいずれかであった。熱処理を行う間に加えられた磁界の方向は、四角形、円形または線形のＢＨループの必要性に応じて予め決定された。加えた磁界がゼロのとき、５０％〜７０％の中程度の角形比を伴うＢＨ挙動が生じた。磁気異方性は磁性材料において磁気損失のような磁気的性能を制御するのに重要な因子であり、本発明の態様の合金の熱処理によって磁気異方性を制御するのが容易であることが有利であった。
[0064]熱処理の間に適用される磁界の代わりに、機械的な張力が加えられた。これにより、熱処理したリボンにおいて張力で誘起される磁気異方性が生じた。有効な張力は１ＭＰａよりも大きく５００ＭＰａ未満であった。張力の下で熱処理したリボンについて得られたＢＨループの例は図１に示される。観察された局所的な磁区は図２Ａ〜２Ｃおよび図３に示される。
実施例１
[0065]Ｆｅ８１Ｃｕ１．０Ｓｉ４Ｂ１４ の組成を有する急冷凝固させたリボンを、４９０℃に加熱した３０ｃｍの長さの青銅板の上を２５ＭＰａの張力をリボンに加えながら３〜１５秒にわたって移動させた。リボンが青銅板の温度である４９０℃に達するのに５〜６秒かかり、加熱速度は５０〜１００℃/秒となった。熱処理したリボンについて市販のＢＨループトレーサーで特徴づけを行い、その結果を図１に示す。ここで、薄い実線は鋳造したままのリボンまたは急冷したままのリボン（Ａｓ-Ｑ）についてのＢＨループに相当し、一方、実線、点線および半点線はそれぞれ、４．５ｍ/分、３ｍ/分、および１．５ｍ/分の速度を用いて張力焼鈍（テンション・アニーリング）したリボンについてのＢＨループに相当する。
[0066]図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃは、実施例１のリボンについてKerr顕微鏡によって観察された磁区を示す。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃはそれぞれ、リボンの平らな表面、凸状の表面、およびくぼんだ表面からのものである。そこで示されるように、黒い部分において白い矢印で示される磁化の方向は、黒い矢印で示される白い部分の磁化の方向とは１８０°違う方に向いている。図２Ａと２Ｂは、磁気特性がリボンの幅にわたって、また長さ方向に沿って均一であることを示している。一方、図２Ｃに相当する圧縮した部分においては、局所的な応力が地点ごとに変化している。
[0067]図３は、図２Ｃにおけるリボンの１、２、３、４、５および６の箇所における詳細な磁区パターンを示す。これらの磁区パターンはリボンの表面近傍での磁化の方向を示していて、これらはリボンにおける局所的な応力の分布を反映している。
実施例２
[0068]熱処理したリボンは比較的平らではあったが、本発明の態様に従ってリボンの最初の熱処理を行う間にリボンに曲率半径が生じた。リボンの曲率半径Ｒ（ｍｍ）の範囲を決定するために、Ｂ８０/Ｂ８００ が０．９０よりも大きい熱処理したリボンにおいて、Ｂ８０/Ｂ８００ 比をリボンの曲率半径の関数として調査したが、その曲率半径は、既知の曲率半径を有する丸い表面の上に熱処理したリボンを巻きつけることによって変化した。結果を表１に示す。表１におけるデータは、Ｂ８０/Ｂ８００＝０．００２８Ｒ＋０．４８ でまとめている。表１におけるデータは磁心を設計するために、例えば、積層リボンから製造される磁心を設計するために用いられる。
[0069]サンプル１は実施例１における図２Ａの平らなリボンの場合に相当し、磁化の分布は比較的均一であるが、大きな値のＢ８０/Ｂ８００ になり、これは好ましいものである。Ｂ８０、Ｂ８００およびＢＳ（飽和磁気誘導）の量は図４Ａおよび４Ｂにおいて確定される。図４Ａ、４Ｂに示すように、Ｂ８００はＢＳ（飽和磁気誘導）に近似し、本発明の四角形のＢＨループ材料において、ならびに実際の適用において、Ｂ８００はＢＳとして扱われる。図４Ａおよび４Ｂにおいて、残留磁気誘導ＢｒはＨ＝０における誘導で確定される。
実施例３
[0070]Ｆｅ８１Ｃｕ１Ｍｏ０．２Ｓｉ４Ｂ１３．８合金のリボンのストリップサンプル（細長いサンプル）を、最初に４７０℃の加熱浴の中で５０℃/秒よりも大きな加熱速度を用いて高温のプレートの上で１５秒間焼鈍し、次いで、１．５ｋＡ/ｍの磁界中で４３０℃において５４００秒にわたって二次焼鈍した。同じ化学組成のストリップの別のサンプルを、最初に４８１℃の加熱浴の中で５０℃/秒よりも大きな加熱速度を用いて３ＭＰａの張力を加えながら８秒間焼鈍し、次いで、１．５ｋＡ/ｍの磁界中で４３０℃において５４００秒にわたって二次焼鈍した。二次焼鈍の前後にこれらのストリップについて得られたＢＨループの例を図４Ａおよび４Ｂに示す。実線Ａは二次焼鈍の後を、破線は最初の焼鈍の後をそれぞれ示す。Ｂ８０（８０Ａ/ｍの磁界励起における磁気誘導）の量およびＢ８００（８００Ａ/ｍにおける磁気誘導）の量も示されている。これらの量は本発明の熱処理した材料の特徴づけを行うために用いられる。示されているように、両方の線において表されている保磁力は３．８Ａ/ｍであり、これは４Ａ/ｍよりも小さい。曲線ＡについてのＢｒ、Ｂ８０、およびＢ８００の値はそれぞれ、１．３３Ｔ、１．６５Ｔ、および１．６７Ｔである。曲線ＢについてのＢｒ、Ｂ８０、およびＢ８００の値はそれぞれ、０．７８Ｔ、１．４９Ｔ、および１．６３Ｔである。
実施例４
[0071]前述したＦｅ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｕｘＢｙＳｉｚの組成を有するリボンを、最初に３７．５ｍｍの曲率半径を有する黄銅またはＮｉめっきした銅の表面にリボンを直接に接触させることによって４７０℃と５３０℃の間の温度において熱処理し、続いて０．５秒と２０秒の間の接触時間で、１０℃/秒よりも大きな加熱速度で３００℃超にリボンを急速加熱した。得られたリボンは４０ｍｍと５００ｍｍの間の曲率半径を有していた。次いで、熱処理したリボンを巻いてトロイド状の磁心とし、これを４００℃〜５００℃において１．８ｋｓ〜５．４ｋｓ（キロ秒）にわたって熱処理した。
[0072]前の段落に係るトロイド状の磁心は、緩めたときにリボン曲率半径が１０ｍｍから２００ｍｍまでの範囲となり、そして（２−Ｒｗ/Ｒｆ）によって定義されるリボン弛緩率が０．９３よりも大きいように巻かれた。ここで、ＲｗとＲｆはそれぞれ、リボンを解放する前のリボン曲率半径およびリボンが解放された後の拘束の無い状態でのリボン曲率半径である。
[0073]外径（ＯＤ）＝４２．０ｍｍ〜１３０．５ｍｍ、内径（ＩＤ）＝４０．０ｍｍ〜１３３．０ｍｍおよび高さ（Ｈ）＝２５．４ｍｍ〜５０．８ｍｍを有するトロイド状の磁心は、図５Ａによって概ね特徴づけられるＢＨループを有する焼鈍したリボンから製造された。磁心の高さＨは、合金Ａ、ＢおよびＣについては２５．４ｍｍであり、合金Ｄについては５０．８ｍｍであった。表２に挙げた合金Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの化学組成はそれぞれ、Ｆｅ８１Ｃｕ１Ｍｏ０．２Ｓｉ４Ｂ１３．８、Ｆｅ８１Ｃｕ１Ｓｉ４Ｂ１４、Ｆｅ８１．８Ｃｕ０．８Ｍｏ０．２Ｓｉ４．２Ｂ１３、およびＦｅ８１Ｃｕ１Ｎｂ０．２Ｓｉ４Ｂ１３．８であった。トロイド状の磁心の鉄心損失や励起電力などの磁気特性は、ＡＳＴＭＡ９２７標準規格に従う試験方法によって特徴づけられた。Ｆｅ８１Ｃｕ１Ｍｏ０．２Ｓｉ４Ｂ１３．８のリボンに基づく磁心について得られた励起磁束密度Ｂｍの関数としての鉄心損失の一例を、図５Ｂに示す。Ｂ８００、ＢｒおよびＨＣなどのその他の関連する特性は、磁心のサンプルについてＢＨループを測定することによって決定された。
これらの特性の幾つかの例を表２に示す。
[0074]図６Ａおよび６Ｂは、最初に５ＭＰａのリボン張力を加えながら４９９℃で１秒にわたって焼鈍し、そして磁心の円周方向に沿って２．２ｋＡ/ｍの磁界を加えながら４３０℃で５．４ｋｓにわたって二次焼鈍することによって製造した表２に示すＤの組成を有する合金を用いて、ＯＤ＝１５３ｍｍ、ＩＤ＝１１７ｍｍおよびＨ＝２５．４ｍｍの寸法を有する磁心から得られた磁気特性のグラフの例を示す。
表２．本発明の態様のトロイド状の磁心の物理的および磁気的な特性。合金Ａ、ＢおよびＣについてＨ＝２５．４ｍｍ；ｔＣ＝リボンの接触時間；Ｐ１６/６０およびＰ１６/５０はそれぞれ、１．６Ｔおよび６０Ｈｚと５０Ｈｚの励起における鉄心損失；Ｂｒは８００Ａ/ｍにおける残留磁気であり、Ｂ８００は磁気誘導である。
[0075]表２は、本発明の態様の合金は、熱処理すると、１．７０Ｔから１．７８Ｔまでの範囲の飽和磁気誘導および２．２Ａ/ｍから３．７Ａ/ｍまでの範囲の保磁力ＨＣを有することを示している。これらは３％ケイ素鋼についてのＢＳ＝２．０ＴおよびＨＣ＝８Ａ/ｍと比較すべきであり、本発明の態様の合金をベースとする磁心は５０Ｈｚおよび６０Ｈｚの操作において従来のケイ素鋼の値の約１/２の鉄心損失を示すことを表している。表２におけるデータは、５０Ｈｚ/１．６Ｔおよび６０Ｈｚ/１．６Ｔにおいてそれぞれ、０．１６Ｗ/ｋｇ〜０．３１Ｗ/ｋｇおよび０．２６Ｗ/ｋｇ〜０．３８Ｗ/ｋｇの鉄心損失を与える。異なる磁気誘導のレベルにおいて５０Ｈｚおよび６０Ｈｚにおける鉄心損失は図６Ａに示され、また図６Ｂは、低い保磁力（ＨＣ＜４Ａ/ｍ）を伴う狭いＢＨループによって低い励起電力が生じることを示す。この励起電力は磁心を励起させるための最小限のエネルギーである。従って、これらの磁心は、電力変圧器および大電流を伝える誘導磁力計において用いられる磁心に適している。
実施例５
[0076]実施例４のトロイド状の磁心の高周波数磁気特性をＡＳＴＭ Ａ９２７標準規格に従って評価した。表２からのＯＤ＝９６．０ｍｍ、ＩＤ＝９０．０ｍｍおよびＨ＝２５．４ｍｍのトロイド状の磁心についての鉄心損失Ｐ（Ｗ/ｋｇ）対動作磁束Ｂｍ（Ｔ）の例を図５Ｂに示す。線Ｑによって示される本発明の態様の別の合金について得られた同様のデータを、６．５％Ｓｉ鋼（線Ａ）、非晶質Ｆｅ基合金（線Ｂ）、ナノ結晶質のFinement FT3合金（線Ｃ）および関連する技術分野のＰタイプの合金（線Ｐ）についてのデータとともに図７で比較する。FT3合金は１．２Ｔの飽和磁気誘導を有し、これは本合金の値（１．７Ｔ〜１．７８Ｔ）よりもずっと低いので、本発明の態様の合金はずっと高い動作磁気誘導において操作することができて、そのため小さな磁性部品を構築することができる。図７はまた、高周波数において０．２Ｔを超える動作磁気誘導のレベルについては、本発明の合金をベースとする磁心における鉄心損失は先行技術のＰタイプの合金よりも低いことを示している。例えば、図７は、本発明の態様の磁心の１０ｋＨｚおよび０．５Ｔの磁気誘導における鉄心損失は３０Ｗ/ｋｇであり、これは同じ条件下で励起される先行技術のＰタイプの合金についての４０Ｗ/ｋｇに匹敵することを示している。従って、本発明の態様の磁心はパワーエレクトロニクスにおいて利用される電力管理用のインダクタとして用いるのに適している。
実施例６
[0077]急冷したリボンを、前に説明した最初の熱処理プロセスに従って熱処理した。次いで、熱処理したリボンを巻いて、図８Ａに示すような楕円形の磁心にした。ここで、磁心の直線部分は５８ｍｍの長さを有し、曲線部分は２９×２ｍｍの曲率半径を有し、そして磁心の内側と外側はそれぞれ３１７ｍｍおよび３０７ｍｍの磁路の長さを有していた。次いで、この巻いた磁心を、「実施例４」における最初の段落において前に説明した二次焼鈍プロセスによって熱処理した。次いで、二次焼鈍した磁心について実施例１のようにしてＤＣＢＨループを得た。これを図８Ｂにおける曲線７２によって示す。次いで、ＡＳＴＭ Ａ９２７標準規格に従って鉄心損失を測定し、その結果を、４００Ｈｚ、１ｋＨｚ、５ｋＨｚおよび１０ｋＨｚの動作励起周波数における磁心の動作磁束密度Ｂｍ（Ｔ）の関数として図９に示す。０．０５Ｔの励起磁界を用いて周波数の関数として透磁率を測定し、これを図１０に示す。１０ｋＨｚおよび０．２Ｔの磁気誘導における鉄心損失は７Ｗ/ｋｇであり、これは図５Ｂに示したトロイド状に巻いた磁心を用いて測定した１０Ｗ/ｋｇの対応する鉄心損失に匹敵すると認められる。従って、高周波数における磁気的な性能は磁心の形状とサイズによっては顕著に影響されず、このことは、磁心を製造する間に導入される応力は本発明の態様の二次焼鈍によって十分に解放されることを示している。
実施例７
[0078]Ｆｅ８１．８Ｃｕ０．８Ｍｏ０．２Ｓｉ４．２Ｂ１３の化学組成を有する２５．４ｍｍの幅のリボンを、図１１Ａの加熱プロフィールによって示されるように、５ＭＰａの張力の下で１秒以内に５００℃まで急速に加熱し、そして空冷した。次いで、この熱処理したリボンを巻いて、ＯＤ＝９６ｍｍ、ＩＤ＝９０ｍｍおよび２５．４ｍｍの磁心高さを有する磁心にした。次いで、巻いた磁心を、磁心の円周方向に沿って３．５ｋＡ/ｍの磁界を加えながら４３０℃で５．４ｋｓにわたって熱処理した。室温まで冷却したとき、実施例１で行ったように、市販のＢＨヒステリシス図装置によって磁心のＢＨ挙動を測定した。結果を図１１Ｂに示す。これは０．９６の角形比と３．４Ａ/ｍの保磁力を与える。従って、この磁心は高い磁気誘導において操作される用途に適している。
実施例８
[0079]下の表３に示すように、本発明の態様の合金および（比較例としての）’５３１公報の二つの合金について１８０°曲げ延性試験を行った。１８０°曲げ延性試験は、リボン形状の材料が１８０°曲げたときに破断するか、または亀裂が入るか否かを試験するために一般的に用いられる。ここに示すように、本発明の態様の製品は曲げ試験において破壊を示さなかった。
[0080]本開示の全体を通して用いられているものとして、「まで」という用語は範囲の終点を含む。従って、「ｘからｙまで」は、ｘとｘを含めた範囲ならびにそれらの間の中間点の全てを指し、そのような中間点も本開示の部分である。さらに、数値で示す量の偏差も可能であることを、当業者であれば理解するだろう。従って、明細書または請求項において数値について言及しているときは常に、おおよそその数値であるか、あるいはほぼその数値であるような追加の値も本発明の範囲に入ることを理解されたい。
[0081]幾つかの態様を示して説明したが、本発明の原理と精神から逸脱することなくこれらの態様において変更がなされうることを当業者であれば認識するだろう。本発明の範囲は請求項およびそれらの同等物において明確にされる。
[0008]前の段落で説明した成分元素の全ての効果を考慮すると、合金は、
の化学組成を有することができ、ここで、０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４であり、数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび本開示において後に説明する様々な選択元素の添加物である。この合金は、例えば、米国特許４１４２５７１号において教示される急冷凝固方法によってリボン状に鋳造することができる。
[0023]本発明の第１の態様において、磁心は
で表される組成を有するナノ結晶質合金のリボンを含み、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、ナノ結晶質合金のリボンは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めているような局所的構造を有する。組成は、本開示において論じられる組成のうちのいずれであってもよい。
[0031]本発明のさらなる態様において、磁心を製造する方法には以下のことが含まれる：非晶質合金のリボンを４３０℃から５５０℃までの範囲の温度において１０℃/秒以上の加熱速度で３０秒未満にわたって熱処理して、この熱処理を行う間に１ＭＰａと５００ＭＰａの間の張力が加えられ、リボンは
で表される組成を有し、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、そして熱処理の後にリボンを巻いて、それにより巻き磁心を形成する。
[0033]本発明のさらなる態様において、ナノ結晶質合金のリボンは、
で表される合金組成を有し、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０＜ｚ≦１０、１０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、ＡｕおよびＡｇから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、全ての数値は原子パーセントであり、またこのリボンは非晶質のマトリックスの中に分散している４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶を有する局所的構造を有し、ナノ結晶はリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めていて、そしてリボンは少なくとも２００ｍｍのリボン曲率半径を有する。磁心は、上で論じた第１から第７までの態様について上で説明した（磁気特性を含めた）特徴あるいは本開示の他の部分で説明する特徴のうちの一つ以上を含むか、あるいは満たしていてもよい。
[0080]本開示の全体を通して用いられているものとして、「まで」という用語は範囲の終点を含む。従って、「ｘからｙまで」は、ｘとｙを含めた範囲ならびにそれらの間の中間点の全てを指し、そのような中間点も本開示の部分である。さらに、数値で示す量の偏差も可能であることを、当業者であれば理解するだろう。従って、明細書または請求項において数値について言及しているときは常に、おおよそその数値であるか、あるいはほぼその数値であるような追加の値も本発明の範囲に入ることを理解されたい。

Claims (25)

  1. ０．６ないし１．２原子パーセントの量のＣｕ、１０ないし２０原子パーセントの量のＢ、および０原子パーセントよりも多く１０原子パーセントまでの量のＳｉを含み、ＢとＳｉは１０ないし２４原子パーセントの合わせた含有量を有する鉄基合金の組成を有するナノ結晶質合金のリボンを含む磁心であって、
    前記ナノ結晶質合金のリボンは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めている局所的構造を有する、前記磁心。
  2. ＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚＡａＸｂで表される組成を有するナノ結晶質合金のリボンを含む磁心であって、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、
    前記ナノ結晶質合金のリボンは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めている局所的構造を有する、前記磁心。
  3. 前記リボンは４３０℃から５５０℃までの範囲の温度において１０℃/秒以上の加熱速度で３０秒未満にわたって熱処理を受けたものであり、前記熱処理を行う間に１ＭＰａと５００ＭＰａの間の張力が加えられていて、そして巻いた磁心を形成するために、熱処理の後にリボンは巻かれている、請求項１または２に記載の磁心。
  4. 前記磁心は、磁心の円周方向に沿って加えられる４ｋＡ/ｍ未満の磁界において、４００℃から５００℃までの温度において１．８ｋｓ（キロ秒）〜１０．８ｋｓにわたって、巻いた形でさらに熱処理されたものである、請求項３に記載の磁心。
  5. 前記磁心は巻いた磁心であり、そして
    前記磁心の丸い部分は緩めたときに曲率半径が１０ｍｍと２００ｍｍの間になるリボンで構成されていて、そして
    前記磁心の丸い部分は、（２−Ｒｗ/Ｒｆ）によって定義されるリボン弛緩率が０．９３よりも大きくなるものであり、ここで、ＲｗとＲｆはそれぞれ、リボンを解放する前のリボン曲率半径およびリボンが解放された後の磁心に拘束が無いときのリボン曲率半径である、請求項１または２に記載の磁心。
  6. 前記ナノ結晶質合金のリボンは、１０℃/秒よりも大きな平均の加熱速度で、室温から４３０℃を超えて５５０℃未満の所定の保持温度まで熱処理されていて、このとき保持時間は３０秒未満である、請求項３に記載の磁心。
  7. 前記ナノ結晶質合金のリボンは、１０℃/秒よりも大きな平均の加熱速度で、３００℃から４５０℃を超えて５２０℃未満の所定の保持温度まで熱処理されていて、このとき保持時間は３０秒未満である、請求項３に記載の磁心。
  8. 前記保持時間は２０秒未満である、請求項７に記載の磁心。
  9. 前記ナノ結晶質合金のリボンの組成には少なくとも７８原子％のＦｅが含まれる、請求項１または２に記載の磁心。
  10. 前記ナノ結晶質合金のリボンの組成には０．０１原子パーセントから１０原子パーセントまでのＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つが含まれる、請求項１または２に記載の磁心。
  11. 前記ナノ結晶質合金の組成にはＮｂ、Ｚｒ、ＴａおよびＨｆから選択される少なくとも一つが合計で０．４原子パーセント未満の量で含まれる、請求項１０に記載の磁心。
  12. 前記ナノ結晶質合金のリボンの組成において、Ｒｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素の合計の量は２．０原子パーセント未満である、請求項１または２に記載の磁心。
  13. Ｒｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素の合計の量は１．０原子パーセント未満である、請求項１２に記載の磁心。
  14. 請求項１または２に記載の磁心を含む電力分配用変圧器。
  15. 請求項１または２に記載の磁心を含む、商業用および高周波数において稼働される電力管理のための誘導磁力計。
  16. 請求項１または２に記載の磁心を含む、パワーエレクトロニクスにおいて用いられる変圧器。
  17. ４Ａ/ｍ未満の保磁力を有する、請求項１または２に記載の磁心。
  18. 請求項１または２に記載の磁心を含む装置であって、
    前記磁心は６０Ｈｚおよび１．６Ｔにおいて０．２Ｗ/ｋｇ〜０．５Ｗ/ｋｇの鉄心損失および５０Ｈｚおよび１．６Ｔにおいて０．１５Ｗ/ｋｇ〜０．４Ｗ/ｋｇの鉄心損失を有し、また１．７Ｔを超えるＢ８００を有し、そして
    前記装置は電力分配用変圧器または商業用および高周波数において稼働される電力管理のための誘導磁力計である、前記装置。
  19. 請求項１または２に記載の磁心を含む装置であって、
    前記磁心は１０ｋＨｚおよび０．５Ｔの動作誘導レベルにおいて３０Ｗ/ｋｇ未満の鉄心損失を有し、また１．７Ｔを超えるＢ８００を有し、そして
    前記装置は商業用および高周波数において稼働される電力管理のための誘導磁力計またはパワーエレクトロニクスにおいて用いられる変圧器である、前記装置。
  20. ０．８を超えるＢｒ/Ｂ８００および１．７Ｔを超えるＢ８００を有する、請求項１または２に記載の磁心。
  21. 請求項１または２に記載の磁心を製造する方法であって、
    前記リボンを４３０℃から５５０℃までの範囲の温度において１０℃/秒以上の加熱速度で３０秒未満にわたって熱処理して、この熱処理を行う間に１ＭＰａと５００ＭＰａの間の張力を加えること、および
    前記熱処理の後に前記リボンを巻いて、それにより巻き磁心を形成すること、
    を含む前記方法。
  22. 前記リボンを巻いた後に、磁心の円周方向に沿って加えられる４ｋＡ/ｍ未満の磁界において、４００℃から５００℃までの温度において１．８ｋｓ〜１０．８ｋｓにわたって、巻いた形で磁心をさらに熱処理することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記巻く前の熱処理は、１０℃/秒よりも大きな平均の加熱速度で、室温から４３０℃を超えて５５０℃未満の所定の保持温度まで、３０秒未満の保持時間を用いて行われる、請求項２１に記載の方法。
  24. 磁心を製造する方法であって、
    非晶質合金のリボンを４３０℃から５５０℃までの範囲の温度において１０℃/秒以上の加熱速度で３０秒未満にわたって熱処理すること、この熱処理を行う間に１ＭＰａと５００ＭＰａの間の張力が加えられ、前記リボンはＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚＡａＸｂで表される組成を有し、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物である、および
    前記熱処理の後に前記リボンを巻いて、それにより巻き磁心を形成すること、
    を含む、前記方法。
  25. ＦｅＣｕｘＢｙＳｉｚＡａＸｂで表される組成を有するナノ結晶質合金のリボンを含む磁心であって、ここで０．６≦ｘ＜１．２、１０≦ｙ≦２０、０≦（ｙ＋ｚ）≦２４、および０≦ａ≦１０、０≦ｂ≦５であり、全ての数値は原子パーセントであり、そして残部はＦｅおよび付随的不純物であり、またＡはＮｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐ、Ｃ、ＡｕおよびＡｇから選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、またＸはＲｅ、Ｙ、Ｚｎ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎおよび希土類元素から選択される少なくとも一つの元素である任意の含有物であり、
    前記ナノ結晶質合金のリボンは、４０ｎｍ未満の平均の粒子サイズのナノ結晶が非晶質のマトリックスの中に分散していて、そしてこのナノ結晶がリボンの３０容積パーセントよりも多くを占めている局所的構造を有する、前記磁心。
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