JP2911733B2 - 高靭性非晶質合金薄帯およびその製造方法 - Google Patents

高靭性非晶質合金薄帯およびその製造方法

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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C45/02Amorphous alloys with iron as the major constituent

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶融状態にある合金に
対して相対的に移動している冷却基板の表面上で該合金
を急冷凝固させることによって製造した板厚が厚く、か
つ、靭性に優れた非晶質合金薄帯に関する。
【0002】
【従来の技術】合金を溶融状態から急冷することによっ
て、連続的に薄帯を製造する方法として遠心急冷法、単
ロール法、双ロール法、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。さらに、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
る。
【0003】非晶質合金は、特徴ある性質を持っている
ため、実用的に注目されており、その一部については、
既に、実用化されている。しかし、冷却速度を速くする
ことが必要であるため、一般に薄い板厚の材料しか製造
できず、このことが非晶質合金の応用範囲を狭めてい
た。
【0004】一般に、非晶質合金の限界板厚は、合金組
成に依存することが知られている。Hagiwaraらは、片面
冷却法の一つである単ロール法を用いてFe−Si−B
合金で板厚250μm、板幅1mmの非晶質薄帯を得た
(Sci.Rep.Res.Inst.TohokuUniv.A-29(1981),351 )。
しかし、実用的な幅である20mm以上の薄帯では、こ
のような厚い板厚が得られないことは経験的に知られて
いる。
【0005】従来の片面冷却法において、板厚を変える
製造パラメーターは、(1)基板移動方向に測定したノ
ズル開口部の幅、(2)溶湯噴出圧力、(3)ノズルと
冷却基板の間隔、(4)冷却基板の移動速度、の4つと
考えられている。しかし、これらのパラメーターを変え
るだけでは、25mm幅の場合で45μmを越える板厚
を得ることはできなかった。もし、これらのパラメータ
ーの適正範囲を超えて無理に厚い板厚の薄帯を作製する
と、得られる薄帯の形状や表面性状、磁気特性、機械的
性質が劣化してしまう。このように広幅、かつ、板厚の
厚い実用性の高い非晶質合金薄帯を作製することは、実
用的に極めて困難な状況にあった。
【0006】その後、J.Appl.Phys.,Vol.55,1787(1984)
に、幅25.4mmで板厚80μmの薄帯が製造された
ことが報告されている。その報告の中では、Fe80
14.5Si3.5 2 合金の急冷まま薄帯の曲げ応力による
破壊歪εf は、板厚の増加とともに低下し、40μm厚
以上では0.01以下の小さな値になっている。破壊歪
は、εf =t/(D−t)で表わされる。ここで、t
は、薄帯の板厚、Dは、破壊した時の曲げ直径である。
例えば、板厚60μmの場合の破壊歪が0.01以下で
あることは、その薄帯を直径6mm以下の円筒に巻くこ
とができないことを意味する。このことは、薄帯をトラ
ンス等の巻鉄心に用いる場合、コーナー部の曲率半径に
制約を与える他に、巻き加工中の薄帯破断の頻度が多く
なるために、利用上の欠点となる。
【0007】非晶質合金薄帯を打ち抜く際の割れの発生
を少なくすることを目的として、特開昭61−1532
66号公報には、冷却ロールからの剥離位置を溶湯噴射
部からロール周長の1/4と10cmの内のいずれか長い
方を取る方法が開示されている。しかし、この公報に
は、薄帯の温度に関する記載は一切ない。さらに、実施
例で扱われている薄帯は、Co基非晶質合金であり、そ
の板厚も30μmと薄いものである。また、特開昭56
−33443号公報に記載の製造方法も、剥離位置を溶
湯がロールに接触した位置から30cm以上と規定してい
るが、薄帯の温度に関する記載は一切なく、Co基非晶
質合金薄帯に限定している。さらに、実施例での薄帯厚
は27μmと薄く、機械的性質については一切触れてい
ない。
【0008】このように、板厚が厚いだけでなく機械的
性質が優れた非晶質薄帯は、従来にはなく、その出現が
望まれていた。本発明者らは、この要求に答えるべく靭
性に優れた厚い板厚の非晶質薄帯の製造方法を見い出し
た。すなわち、特開昭60−255243号公報では、
多重スロットノズル法によって製造した板厚が50μm
以上、板幅が20mm以上の急冷薄帯であり、急冷まま
薄帯の自由表面を外側にした曲げ破壊歪が0.01以上
である板厚が大きく、かつ強靭なFe基非晶質合金薄帯
を開示した。また、特開昭61−212449号公報で
は、500〜300℃の薄帯の自由表面の冷却速度を少
なくとも103 ℃/秒とし、かつ、薄帯が冷却基板から
剥離する時の温度を300℃以下にすることによって、
さらに、靭性を向上されることに成功した。このよう
に、これら特開昭60−255243号公報および特開
昭61−212449号公報による薄帯は、板厚が厚
く、かつ、従来に比較して靭性が改善されている。
【0009】しかし、実用的に見れば、板厚によらず曲
げ破壊歪εf が1であること、すなわち、完全密着曲げ
が可能であることが望ましい。前記特開昭60−255
243号公報および特開昭61−212449号公報で
は、実施例に示しているように、板厚が55μmを超え
るとεf は、0.01以上を維持してはいるものの、1
を下回ってしまう。したがって、曲げの曲率半径が小さ
い用途においては、薄帯の破断が起こる。さらに、広幅
のアモルファス薄帯を所定の幅にスリット加工する場
合、従来のどの方法によって製造された板厚55μm超
の薄帯においても、破断を生じさせず加工することは困
難であった。このような板厚の厚い非晶質合金薄帯に付
随する欠点を抑制し、靭性に優れた厚手非晶質合金薄帯
の出現が望まれていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
は、板厚が厚く、広幅で、かつ、特に機械的性質に優れ
た非晶質合金薄帯の製造方法およびそれによって製造し
た薄帯はなかった。本発明は、非晶質合金薄帯をトラン
スの巻鉄心等の種々の用途へ用いる場合に、その取扱い
が容易であり、板厚が厚く、広幅で、かつ、機械的性質
の中の曲げ破壊歪が格段に優れ、さらに、εf =1が必
要であるスリット加工が可能な靭性を付与した高靭性非
晶質合金薄帯の製造方法およびそれによって製造した薄
帯を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、下記の事項を
その要旨とするものである。 急冷凝固法による薄帯の製造において、500℃か
ら200℃における薄帯の自由表面の冷却速度を少なく
とも103 ℃/秒以上とし、該薄帯が冷却基板から剥離
する時の温度を200℃以下とすることによって、板厚
が55μm超、100μm以下、板幅が20mm以上
で、かつ、急冷まま薄帯の自由表面を外側にした曲げ破
壊歪εf が、次式を満たすことを特徴とする高靭性Fe
基非晶質合金薄帯の製造方法。 εf >0.1 ここで、εf =t/(D−t)であり、tは薄板の板
厚、Dは破壊した時の曲げ直径である。 板厚が55μm超、70μm以下であり、かつ、急
冷まま薄帯の自由表面を外側にした曲げ破壊歪εf が、 εf =1 を満たすことを特徴とする前項に記載の高靭性Fe基
非晶質合金薄帯の製造方法。 急冷凝固法による薄帯の製造において、多重スロッ
トノズルを用いて製造することを特徴とする前項およ
びに記載の高靭性Fe基非晶質合金薄帯の製造方法。 急冷まま薄帯の自由表面を外側にした曲げ破壊歪ε
f が、 εf =1 であることを特徴とする板厚が55μm超、70μm以
下である高靭性Fe基非晶質合金薄帯。
【0012】以下に、本発明を詳細に説明する。本発明
による非晶質合金薄帯は、溶湯を移動する基板の上に噴
出して急冷することによって製造されるもので、板厚が
55μm超、100μm以下である。板厚が55μm以
下の場合には、本発明によらなくても、本発明者らが前
記特開昭61−212449号公報に開示した方法によ
って、曲げ破壊歪が1の薄帯を製造することができる。
板厚が100μmより厚い場合には、薄帯を非晶質化す
ることが容易ではなくなる。したがって、板厚を55μ
m、100μm以下に限定した。板幅については、20
mmより小さい場合は実用的でなくなるので、板幅を2
0mm以上に限定した。
【0013】本発明による板厚の厚い非晶質合金薄帯の
格段に高い靭性は、溶湯が凝固した後のガラス遷移温度
以下における薄帯の冷却速度を高める手段によって達成
される。特に、冷却温度範囲として、500℃から20
0℃までが重要であり、この温度範囲を103 ℃/秒以
上で冷却することによって、高靭性薄帯が得られること
を新たに見い出した。ここで、冷却速度は、薄帯の自由
表面(冷却基板に接触する面と反対側の面)の冷却速度
である。
【0014】冷却温度範囲の上限は、靭性を格段に高め
るためにガラス遷移温度とすべきであるが、このガラス
遷移温度は合金組成によって異なるのみならず、非晶質
合金では正確にこの遷移温度を求めることが困難な場合
が多い。そこで、冷却速度を制御する温度範囲の上限を
500℃とした。また、冷却温度範囲の下限が200℃
より大きい場合は、薄帯の中に部分的に靭性が劣る領域
が存在し、曲げ破壊歪εf がばらつき、その値を0.1
より大きくすることができない。したがって、冷却を制
御する温度範囲を500℃から200℃とした。
【0015】この温度範囲における冷却速度が103
り小さい場合には、薄帯の中に部分的に靭性が劣る領域
が存在し、曲げ破壊歪εf がばらつき、その値を0.1
より大きくすることができない。この傾向は、板厚が厚
くなるほど大きくなる。したがって、500℃から20
0℃における薄帯の冷却速度を103 ℃/秒以上に限定
した。ここで、曲げ破壊歪εf を0.1より大きく規定
したのは、0.1以下では、実際にトランス等に加工す
る場合に薄帯が破壊しやすくなるためである。
【0016】本発明の靭性に優れた板厚が厚い非晶質合
金薄帯は、例えば、図1に示すような複数のスロット上
開口部を持つノズルを通じて溶湯を移動する冷却基板の
上に噴出させることによって製造させる。冷却基板は、
熱伝導の良い材質で作られたロール、シリンダーベルト
などが用いられる。多重スロットノズルを用いることに
よって、パドルが安定に保持される。しかも、上流側で
形成された凝固部が下流側に位置する開口部から噴射さ
れる溶湯流の圧力によって、再度基板に押し付けられる
ため、溶湯あるいは凝固部と基板の接触時間が長くな
る。その結果、冷却速度が速くなり、板厚の厚い非晶質
合金薄帯の製造が可能となる。本発明による薄帯は、多
重スロットノズルを用いる方法に限らず、例えば双ロー
ル法、双ベルト法などの冷却速度を高める他の手段によ
っても製造可能となる。
【0017】鋳造中における冷却速度は、例えば、特開
昭59−64114号公報に開示されている接触式の温
度計によって測定できる。実際に冷却速度を制御するた
めには、鋳造中の薄帯の自由表面上の少なくとも異なる
2点で測温する必要がある。本発明では、温度の計測
は、例えば、図2に示す方法で行う。図2は、鋳造中の
薄帯6がロール2の表面に張り付いている個所の温度を
測る方法を示すもので、高温側のA点と低温側のB点
(それぞれ薄帯幅の中央で測温)で計測された温度を外
挿または内挿することによって、他の位置の薄帯温度を
概算できる。この方法を用いることによって、500℃
から200℃の間の平均冷却速度を求めることができ
る。
【0018】前述した500℃から200℃までの平均
冷却速度103 ℃/秒は、55μm超、100μm以下
の板厚を持つFe基非晶質合金の曲げ破壊歪を大幅に向
上させるための臨界冷却速度である。
【0019】薄帯を臨界冷却速度以上の速度で冷却する
ためには、薄帯の自由表面温度が200℃以下になるま
で、薄帯をロールに張り付いた状態を維持しなければな
らない。200℃より高い温度で薄帯がロールから剥離
すると、剥離した部分の冷却速度は、空冷程度の小さな
冷却速度になるために、臨界冷却速度以上の冷却速度を
維持できなくなってしまう。したがって、薄帯が維持す
る時の温度を200℃以下に限定した。ここで、薄帯の
剥離は、ガス圧力やナイフエッジあるいは巻取りなどの
公知の手段で行なうことができる。ただし、板厚が厚く
なるほど薄帯の剥離は早くなるので、薄帯をロールに押
しつける必要性が出てくる。これに対しても、薄帯自由
表面へのガス吹き付け、補助ロールによる押し付け、等
の公知の手段を用いることができる。また、薄帯とロー
ルの接触時間を長くするために、ロール径を大きくする
ことも有効である。
【0020】さらに、本発明者等は、Fe基非晶質合金
薄帯を製造することによって、板厚が55μm超、70
μm以下の範囲において、曲げ破壊歪εf が1になるこ
とを見い出した。すなわち、この板厚範囲で完全密着曲
げが可能になった。
【0021】本発明が適用できる合金の成分は、Fe、
Co、Niなどの遷移金属、および、B、Si、C、P
などの半金属の一種または二種以上からなる。Fe、C
o、Niの一部をMo、Cr、Nb、Ta、Al、C
u、Zr、Sn、Mnなどで置換した合金系にも適用可
能である。
【0022】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づきさらに説明す
る。実施例1 単ロール法を用いて幅25mmの急冷薄帯を作製した。
使用したノズルは、2重スロットノズルおよび3重スロ
ットノズル(幅d=0.4mm、長さl=25mm、間
隔a=1mm)である。そのノズルから700rpmで
回転している直径580mmのCu合金製ロールの上に
溶湯を噴射した。薄帯の板厚は、溶湯の噴射圧力を変え
て調整した。合金組成は、原子百分率でFe80.5Si
6.5 121 である。剥離温度の調節は、剥離ガスを用
いて、薄帯がロールから剥離する位置を変えることによ
って行なった。この際、接触式熱電対によって、薄帯の
自由表面の温度を2点測定し、各点における温度から5
00〜200℃間の冷却速度を見積った。各薄帯で曲げ
試験を行なった結果を、表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】実施例2 実施例1と同様に単ロール法を用いて、幅25mmの急
冷薄帯を作製した。薄帯の板厚は、溶湯の噴出圧力およ
びロール回転数を変えて調整した。使用したノズルは、
3重スロットノズルおよび4重スロットノズルである。
薄帯の自由表面の温度を接触式熱電対で測定し、500
〜200℃間の冷却速度を103 ℃/秒以上、薄帯がロ
ールから剥離する時の温度を200℃以下に制御した。
なお、板厚が厚くなって、冷却速度が足りなくなる場合
には、補助冷却手段(補助冷却ガスまたは補助冷却ロー
ル)を用いた。合金組成は、原子百分率でFe80.5Si
6. 5 121 である。各薄帯で曲げ試験を行なった結果
を、表2に示す。
【0025】
【表2】
【0026】実施例1および2の結果をまとめて、図3
に示す。図3から、本発明に従って、薄帯を製造するこ
とによって、曲げ破壊靭性歪は、格段に向上することが
分る。実施例1および2では、多重スロットノズルを用
いて薄帯を製造したが、他の冷却手段を用いても製造可
能である。
【0027】
【発明の効果】本発明のFe基非晶質合金薄帯を製造す
ることによって、板厚が厚く、広幅で、かつ、曲げ破壊
歪が格段に優れている高靭性非晶質合金薄帯の製造が可
能になると共に、薄帯のスリット加工も可能になる。そ
の結果、これらの薄帯をトランスの巻鉄心等の種々の用
途へ用いる場合に、その取扱いが非常に容易になり、応
用範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例において使用したノズルであっ
て、(A)2重スロットノズル、(B)3重スロットノ
ズル、および(C)4重スロットノズルである。
【図2】単ロール法における薄帯の温度の測定方法を示
す概略図である。
【図3】本発明による薄帯の曲げ破壊歪と板厚の関係を
示す図である。
【符号の説明】
1 ノズル開口部 2 ロール 3,4 熱電対 5 溶湯 6 薄帯 a 開口部間隔 d 開口部幅 l 開口部長さ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−212450(JP,A) 特開 昭61−212449(JP,A) 特開 昭61−33740(JP,A) 特開 昭60−255243(JP,A) 特開 昭60−177936(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22D 11/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】急冷凝固法による薄帯の製造において、5
    00℃から200℃における薄帯の自由表面の冷却速度
    を少なくとも103 ℃/秒以上とし、かつ、該薄帯が冷
    却基板から剥離する時の温度を200℃以下とすること
    によって、板厚が55μm超、100μm以下、板幅が
    20mm以上で、かつ、急冷まま薄帯の自由表面を外側
    にした曲げ破壊歪εf が、次式を満たすことを特徴とす
    る高靭性Fe基非晶質合金薄帯の製造方法。 εf >0.1 ここで、εf =t/(D−t)であり、tは薄板の板
    厚、Dは破壊した時の曲げ直径である。
  2. 【請求項2】板厚が55μm超、70μm以下であり、
    かつ、急冷まま薄帯の自由表面を外側にした曲げ破壊歪
    εf が、 εf =1 を満たすことを特徴とする請求項1に記載の高靭性Fe
    基非晶質合金薄帯の製造方法。
  3. 【請求項3】急冷凝固法による薄帯の製造において、多
    重スロットノズルを用いて製造することを特徴とする請
    求項1および2に記載の高靭性Fe基非晶質合金薄帯の
    製造方法。
  4. 【請求項4】急冷まま薄帯の自由表面を外側にした曲げ
    破壊歪εf が、 εf =1 であることを特徴とする板厚が55μm超、70μm以
    下である高靭性Fe基非晶質合金薄帯。
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