JP2710948B2 - 耐蝕性に優れた超微細結晶Ｆｅ基合金及びその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、耐蝕性が要求される用途、例えば磁気ヘッ
ド、各種トランス等に用いられる耐蝕性に優れた超微細
結晶Fe基合金及びその製法の改良に関するものである。

［従来の技術］ 従来から、磁気ヘッドや各種トランス等には珪素鋼、
Fe−Al−Si合金、パーマロイ合金やアモルファス合金等
が用いられており、耐蝕性を改善するため、Cr,Ti等を
添加したり、表面コーティングを行い耐蝕性を改善する
ことが行われている。これらの例は特公昭60−39160号
公報、特公昭60−41139号公報や特公昭60−41141号公報
等に記載されている。しかしながら、これらの合金は飽
和磁束密度や軟磁性の点で一長一短があり、必ずしも満
足できる特性ではない。

ところで我々は、先に先願昭62−183876号等において
超微細結晶粒組織を有するFe基合金が優れた軟磁気特性
を有し、更にCrやRu等を添加することにより耐蝕性が著
しく改善されることを示した。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前記超微細結晶Fe基合金は、耐蝕性を
改善する目的でCr等を添加すると飽和磁束密度が低下し
てくるため高飽和磁束密度を維持し、耐蝕性を改善する
のには必ずしも十分ではなく、同じ添加量で更に耐蝕性
を改善することが望まれていた。

本発明の目的は、同一組成で耐蝕性を更に改善した超
微細結晶粒組織を有するFe基合金およびその製法を提供
することである。

［問題点を解決する手段］ 上記目的を鑑み鋭意検討の結果、本発明者等はFe−Si
−Ｂを基本成分とする合金にCuと、Nb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及
びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とを
複合添加し、一旦非晶質合金とした後で適当な熱処理を
することにより、組織の大半が微細結晶粒からなり、か
つ合金表面に酸化物層が形成されたFe基合金が得られ、
耐蝕性が改善されることを発見し、本発明に想到した。

即ち、本発明のFe基合金は一般式： （Fe_1-aM_a）_{100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γ}Cu_xSi_yB_z▲
Ｍ^′ _α▼▲Ｍ^″ _β▼Ｘ_γ（原子％） （但し、ＭはCo及び／又はNiであり、Ｍ′はNb,W,Ta,Z
r,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種
の元素、Ｍ″はV,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,Y,希土類元
素,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも１種
の元素、ＸはC,Ge,P,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選
ばれた少なくとも１種の元素であり、a,x,y,z,α，β，
及びγはそれぞれ０≦ａ≦0.5,0.1≦ｘ≦10,0≦ｙ≦30,
0＜ｚ≦25,5≦ｙ＋ｚ≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び
０≦γ≦10を満たす。）により表わされる組成を有し組
織の少なくとも50％が微細な結晶粒からなり、合金表面
に酸化物層が形成されているものである。

また、本発明のFe基合金の製造方法は前記非晶質合金
を急冷することにより得る工程と、これを酸素が存在す
る雰囲気で加熱し微細な結晶粒を形成する熱処理工程を
有することを特徴とする。

本発明のFe基合金において、Feは０〜0.5の範囲でCo
及び／又はNiで置換してもよい。

本発明において、Cuは必須元素であり、その含有量ｘ
は0.1〜10原子％の範囲である。

Si及びＢは、合金組織の微細化に特に有用な元素であ
る。本発明のFe基合金は、好ましくは、一旦Si,B添加効
果により非晶質合金とした後に熱処理により微細結晶粒
を形成することにより得られる。Siの含有量ｙ、Ｂの含
有量ｚは、ｙが30原子％以下、ｚが25原子％以下、ｙ＋
ｚが５〜30原子％が望ましい。

本発明において、ｙの好ましい範囲は６〜25原子％で
あり、ｚの好ましい範囲は２〜25原子％であり、ｙ＋ｚ
の好ましい範囲は14〜30原子の範囲である。

本発明においてはＭ′はCuとの複合添加により析出す
る結晶粒を微細化する作用を有するものであり、Nb,W,T
a,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１
種の元素である。Nb等は合金の結晶化温度を上昇させる
作用を有するがクラスターを形成し結晶化温度を低下さ
せる作用を有するCuとの相互作用により、結晶粒の成長
を抑え、析出する結晶粒が微細化するものと考えられ
る。

Ｍ′の含有量αは0.1〜30原子％であり、0.1原子％未
満だと結晶粒微細化の効果が不十分であり、30原子％を
越えると飽和磁束密度の著しい低下を招く。好ましい
Ｍ′の含有量αは１〜10原子％である。より好ましいα
の範囲は２≦α≦８であり、この範囲で特に優れた軟磁
性が得られる。なおＭ′としてNbが磁気特性の面で最も
好ましい。また、Ｍ′の添加によりCo基高透磁率材料と
同等の高い透磁率を有するようになる。

V,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,Y希土類元素,Au,Zn,Sn,Re
からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素である
Ｍ″は耐蝕性を改善したり、磁気特性を改善したり、磁
歪を調整したりする目的のために添加することができる
ものであるが、その含有量はせいぜい10原子％以下であ
る。それは含有量が10原子％を越えると著しい飽和磁束
密度の低下を招くためであり、特に好ましい含有量は５
原子％以下である。

これらの中でRu,Rh,Pd,Os,Ir,Pr,Au,Cr,Al,Vからなる
群から選ばれる少くとも１種の元素を添加した場合は特
に表面に酸化物層が形成した場合、耐蝕性が良くなるた
め磁気ヘッド材として好適である。

本発明の合金において、C,Ge,P,Ga,Sb,In,Be,Asから
なる群から選ばれた少なくとも１種の元素ｘを10原子％
以下含み得る。これらの元素は非晶質化に有効な元素で
あり、Si,Bと共に添加することにより合金の非晶質化を
助けると共に、磁歪やキュリー温度の調整に効果があ
る。

上記組成を有する本発明のFe基合金はまた組織の少な
くとも50％以上が微細な結晶粒からなる。

この結晶粒はbcc構造のα−Feを主体とするものでSi
やＢ等が固溶していると考えられる。この結晶粒は1000
Å以下と著しく小さな結晶粒径を有することを特徴と
し、合金組織中に均一に分布している。結晶粒の平均粒
径とは、各粒子の最大寸法を平均したものである。平均
粒径が1000Åを越えると良好な軟磁気特性が得られなく
なる。好ましい平均粒径は500Å以下であり、より好ま
しくは200Å以下であり、特に50〜200Åである。

合金組成のうち微細結晶粒以外の部分は主に非晶質で
ある。なお、微細結晶粒の割合が実質的に100％になっ
ても良い。

なお、N,O,S等の不可避的不純物については所望の特
性が劣化しない程度に含有していても本発明の合金組成
と同一とみなすことができるのではもちろんである。

酸化物層の圧差は通常50〜5000Åの範囲が望ましくこ
の範囲で強固の酸化物層が形成しやすい。

次に本発明のFe基合金の製造方法について説明する。

まず上記所定の組成の溶湯から、片ロール法、双ロー
ル法等の公知の液体急冷法によりリボン状の非晶質合金
を形成する。通常、片ロール法等により製造される非晶
質合金リボンの板厚は５〜100μｍ程度である。

この非晶質合金は結晶相を含んでいてもよいが、後の
熱処理により微細な結晶粒を均一に生成するためには非
晶質であるのが望ましい。液体急冷法により、熱処理を
経ずに本発明の合金を得ることも可能である。

非晶質リボンは熱処理の前に巻回、打抜、エッチング
等をして所定の形状に加工する。というのは、非晶質の
段階ではリボンは加工性が良いが、一旦、結晶化すると
加工性が著しく低下するからである。

熱処理は所定の形状に加工した非晶質合金リボンを通
常酸素が存在する雰囲気中において一定時間保持し行
う。熱処理温度及び時間は非晶質合金リボンからなる磁
心の形状、サイズ、組成等により異なるが、一般的に45
0〜700℃で５分から24時間程度が望ましい。熱処理温度
が450℃未満であると結晶化が起りにくく、熱処理に時
間がかかりすぎる。また、700℃より高いと粗大な結晶
粒が生成するおそれがあり、微細な結晶粒を均一に得る
ことができなくなる。また、熱処理時間については、５
分未満では加工した合金全体を均一な温度とすることが
困難であり、磁気特性がばらつきやすく、24時間より長
いと生産性が悪くなるだけでなく結晶粒の過剰な成長が
起こりやすい。好ましい熱処理条件は、実用性及び均一
な温度コントロール等を考慮して、500〜650℃で５分〜
６時間である。

熱処理雰囲気は大気中等の酸化性雰囲気が望ましい
が、不活性ガス中に酸素を含む雰囲気でも良い。冷却は
空冷や炉冷等により、適宜行うことができる。また、場
合によっては多段の熱処理を行うこともできる。

熱処理を磁場中で行うこともできる。磁場中熱処理に
より本合金に磁気異方性を生じさせることができる。

磁場は熱処理の間中かける必要はなく、合金のキュリ
ー温度Tcより低い温度のときに印加するだけで十分であ
る。磁場中熱処理の場合も熱処理を２段階以上で行うこ
ともできる。また、回転磁場中で熱処理を行うこともで
きる。

また、本発明のFe基合金スパッター法等の薄膜化技術
を用いて製造することも可能であり、薄膜磁気ヘッド等
も作製できる。また、回転液中防糸法やガラス被覆防糸
法等により細線状のものも作製できる。

また、キュビテーション法やアトマイズ法あるいは単
にロール法等により作製した薄帯を粉砕する等により粉
末状のものも製造することが可能である。

また、本発明合金は酸化性の雰囲気で非晶質合金を製
造し表面に酸化物を形成した後不活性ガス中で熱処理し
ても得られる。

［実施例］ 以下、本発明を実施例に従って説明するが本発明はこ
れらに限定されるものではない。

実施例１ 原子％でSi 13.5％,B 9％,Nb 3％,Cu 1％残部実質的
にFeからなる組成の合金溶湯を単ロール法によりArガス
中で急冷し厚さ18μm,幅5mmの非晶質合金薄帯を作製
し、真空中550℃に１時間保持する熱処理を行った。熱
処理後の合金は組織の大部分が粒径100Å程度の超微細
なbcc Fe固溶体結晶粒からなっていた。次にこの合金表
面をオージェ電子分光装置により分析した。得られた結
果を第１図（ａ），（ｂ）に示す。自由凝固面側は46
Å，ロール接触面側は42Å酸素が含まれており酸化物相
は50Å未満の厚さであった。

次に前記非晶質合金薄帯を、酸素が５％，窒素が約95
％含まれたガス雰囲気中で550℃に一時間保持する熱処
理を行った。熱処理後の合金は組織の大部分が粒径100
Å程度の超微細なbcc Fe固溶体結晶粒からなっていた。
次にこの合金表面をオージェ電子分光装置により分析し
た。

得られた結果を第２図（ａ），（ｂ）に示す。

自由凝固面側230Å，ロール接触面側は150Å酸素が含
まれており表面の酸化物層の厚さは50Å以上あることが
確認された。

次にこの２つの熱処理を行った合金を水中に１日間入
れ耐蝕性を検討した。真空中で熱処理した合金は錆が発
生したのに対し、酸素Ｏが存在する雰囲気で熱処理し表
面に50Å以上厚さの酸化物層を形成した本発明合金反ほ
とんど錆が発生しておらず良好な耐蝕性を示した。

実施例２ 原子％でCu 1％,Nb 10％,B 9％，残部実質的にFeから
なる組成の合金溶湯を単ロール法によりHeガス中で急冷
し厚さ15μm,幅5mmの非晶質合金薄帯を作製した。

次にこの合金薄帯を窒素70％，酸素30％の混合ガス中
で590℃に１時間保持し、室温まで５℃/minの冷却速度
で冷却した。熱処理後の合金内部のミクロ組織は50Å前
後の超微細な結晶が組織のほとんどを占めていた。次に
この合金薄帯の表面をオージェ電子分光装置により分析
した。得られた結果を第３図に示す。

自由凝固面側は880Å，ロール接触面側は1380Åの厚
さまで酸素Ｏが含存在しており、かなり厚い酸化物層が
形成されていることが確認された。この酸化物はNb,Si,
Fe等の酸化物であると考えられる。

次にこの合金を水中に３日間入れ耐蝕性を検討した。
水素中で熱処理した合金は錆が発生したのに対し、表面
に酸化物層を形成した本発明合金はほとんど錆が発生し
ておらず良好な耐蝕性を示した。

実施例３ 原子％でCu 1％,Nb 10％,B 9％，残部実質的にFeから
なる組成の合金溶湯を単ロール法により、酸化性雰囲気
である大気中で急冷し、厚さ15μm,幅5mmの非晶質合金
薄帯を作製した。

次にこの合金薄帯をArガス雰囲気中で590℃に１時間
保持し、室温まで５℃/minの冷却速度で冷却した。熱処
理後の合金内部のミクロ組織は実施例２と同様であっ
た。次にこの合金表面をオージェ電子分光装置により分
析した。得られた結果を第４図に示す。

自由凝固面側は285Å，ロール接触面側は315Åの厚さ
まで酸素Ｏが存在しており、実施例２と同様かなり厚い
酸化物層が形成されていることが確認された。

次にこの合金を水中に３日間入れ耐蝕性を検討した。
本発明合金はほとんど錆が発生しておらず良好な耐蝕性
を示した。

実施例４ 原子％でCu 1％,Nb 3％,Si 8％,B 9％，残部実質的に
Feからなる組成の合金溶湯を単ロール法により、酸化性
雰囲気である大気中で急冷し、厚さ15μm,幅5mmの非晶
質合金薄帯を作製した。

次にこの合金薄帯をArガス雰囲気中及び窒素ガスと酸
素ガス（５％）を混合したガス雰囲気中で550℃に１時
間熱処理し室温まで冷却し、オージェ電子分光装置によ
り表面分析を行った。

Arガス雰囲気中で熱処理した場合を第５図、酸素ガス
が存在する雰囲気で熱処理した場合を第６図に示す。

酸素を混在させた雰囲気で熱処理した場合は著しく酸
化物層が厚くなっていることがわかる。

高純度のArガス中で熱処理した場合、酸化物層が50Å
未満であり、合金を水中に入れ耐蝕性を検討した結果、
錆が発生し、耐蝕性は酸化層を厚く形成したものより劣
っていた。

実施例５ 第１表に示す組成の本発明合金薄帯を作製し、水道吸
に入れ耐蝕制を検討した。得られた結果を第１表に示
す。

本発明合金の耐蝕性は酸化物層の厚さが薄い合金より
耐蝕性に優れている。

［発明の効果］ 本発明によれば耐蝕性に優れた超微細結晶Fe基合金及
びその製法を提供できるためその効果は著しいものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第５図は比較のため示した酸化物層の薄い合
金のオージェ電子分光装置により分析した表面の厚さ方
向の分析結果を示した図、第２図，第３図，第４図及び
第６図は本発明合金のオージェ電子分光装置により分析
した表面の厚さ方向の分析結果を示した図である。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Cuを0.1〜10原子％、Ｍ′を0.1〜30原子％
   （但し、Ｍ′はNb,W,Ta,Zr,Hf,Ti及びMoからなる群から
   選ばれた少なくとも１種の元素）、Ｂを25原子％以下、
   及び残部Feからなる組成を有し、組織の少なくとも50％
   が微細な結晶粒からなり、各結晶粒の最大寸法で測定し
   た粒径の平均が1000Å以下である超微細結晶Fe基合金に
   おいて、合金表面に50Å以上の厚さの酸化物層が形成さ
   れていることを特徴とする耐蝕性に優れた超微細結晶Fe
   基合金。
2. 【請求項２】Siを30原子％以下含有し、かつSiとＢの合
   計は５〜30原子％であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の耐蝕性に優れた超微細結晶Fe基合金。
3. 【請求項３】10原子％以下のＭ″（但しＭ″は、V,Cr,M
   n,Al,白金属元素,Sc,Y,希土類元素,Au,Zn,Sn,Reからな
   る群から選ばれた少なくとも１種の元素）を含有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項のい
   ずれかに記載の耐蝕性に優れた超微細結晶Fe基合金。
4. 【請求項４】10原子％以下のＸ（但しＸはC,Ge,P,Ga,S
   b,In,Be,Asからなる群から選ばれた少なくとも１種の元
   素）を含有することを特徴とする、特許請求の範囲第１
   項乃至第３項のいずれか１項に記載の耐蝕性に優れた超
   微細結晶Fe基合金。
5. 【請求項５】FeをFe_1-aM_a（但し、ＭはCo及び／又はNi
   であり、０＜ａ≦0.5を満たす。）に置換したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１
   項に記載の耐蝕性に優れた超微細結晶Fe基合金。
6. 【請求項６】微細な結晶粒を有する組織の残部が非晶質
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５
   項の何れか１項に記載の耐蝕性に優れた超微細結晶Fe基
   合金。
7. 【請求項７】一般式： （Fe_1-aM_a）_{100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γ}Cu_xSi_yB_zM′
   _αＭ″_βＸ_γ（原子％） （但し、ＭはCo及び／又はNiであり、Ｍ′はNb,W,Ta,Z
   r,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種
   の元素、Ｍ″はV,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,Y,希土類元
   素,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも１種
   の元素、ＸはC,Ge,P,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選
   ばれた少なくとも１種の元素であり、a,x,y,z,α，β及
   びγはそれぞれ０≦ａ≦0.5,0.1≦ｘ≦10,0≦ｙ≦30,0
   ≦ｚ≦25,5≦ｙ＋ｚ≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び０
   ≦γ≦10を満たす。） により表される組成の非晶質合金を、酸素が存在する雰
   囲気で組織の少なくとも50％が微細な結晶粒となるよう
   に熱処理する工程を含むことを特徴とするFe基合金の製
   法。
8. 【請求項８】一般式： （Fe_1-aM_a）_{100−ｘ−ｙ−ｚ−α−β−γ}Cu_xSi_yB_zM′
   _αＭ″_βＸ_γ（原子％） （但し、ＭはCo及び／又はNiであり、Ｍ′はNb,W,Ta,Z
   r,Hf,Ti及びMoからなる群から選ばれた少なくとも１種
   の元素、Ｍ″はV,Cr,Mn,Al,白金属元素,Sc,Y,希土類元
   素,Au,Zn,Sn,Reからなる群から選ばれた少なくとも１種
   の元素、ＸはC,Ge,P,Ga,Sb,In,Be,Asからなる群から選
   ばれた少なくとも１種の元素であり、a,x,y,z,α，β及
   びγはそれぞれ０≦ａ≦0.5,0.1≦ｘ≦10,0≦ｙ≦30,0
   ≦ｚ≦25,5≦ｙ＋ｚ≦30,0.1≦α≦30,0≦β≦10及び０
   ≦γ≦10を満たす。） により表される組成の非晶質合金を、酸化性雰囲気で作
   製し、表面に酸化物層を形成後、組織の少なくとも50％
   が微細な結晶粒となるように熱処理する工程を含むこと
   を特徴とするFe基合金の製法。