JP3366681B2 - 磁束密度が高く、絶縁被膜処理性に優れた低鉄損鉄系非晶質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、積トランスや巻トラ
ンス等の鉄心材料の用途に供して好適な鉄系非晶質合金
に関し、とくに鉄損特性や磁束密度などの軟磁気特性だ
けでなく、絶縁被膜処理性の向上を図ったものである。

【０００２】

【従来の技術】特公昭63-30393号公報や特公平２-11662
号公報に開示されているように、Fe−Si−Ｂ系等の溶融
合金を、単ロール法や双ロール法等によって 10⁵〜10⁶
℃／ｓ程度の冷却速度で急冷凝固させると、板厚が20〜
50μm 程度で無秩序な原子配列を持ついわゆる非晶質合
金薄帯が得られる。かような非晶質合金薄帯は、トラン
スやモーター等の鉄心材料として有力で、現在実用化さ
れるに至っている。

【０００３】特に、電力トランス用材料として市販され
ているFe₇₈B₁₃Si₉合金はその代表的なものであり、優れ
た鉄損特性が報告されている。しかしながら、ボロンは
高価な元素であることから、これに起因したFe−Ｂ−Si
合金の高価格がその商業化、拡販を妨げてきた。従っ
て、上記Fe₇₈B₁₃Si₉合金と同程度の磁気特性及び熱安定
性を維持しながら、しかもボロン量を抑えることができ
れば、コスト低減による工業的意義は極めて大きいとい
える。この点を考慮して、たとえば特公平１-54422号公
報には、Fe：75〜80at％（以下単に％で示す），Mn：0.
5 〜３％, Si：９〜15％, Ｂ：７〜13％組成になる、低
コストで、鉄損が低く、しかも絶縁被膜処理に優れた鉄
基非晶質合金が提案されている。

【０００４】また、非晶質合金薄帯を用いた電力用トラ
ンスは、従来のけい素鋼と比較すると磁束密度が低いた
め、大型化が余儀なくされるという問題がある。そのた
め、上記した市販のFe₇₈B₁₃Si₉合金についてもFe分を多
くしたFe₈₀B₁₂Si₈合金等に変わっており、磁束密度の改
善が重要視されている。かような考えのもとに特開昭61
-559号公報には、Fe：79.4〜79.8％、Ｂ：12〜14％、S
i：６〜８％組成のものが提案されている。

【０００５】さらに、最近の非晶質合金薄帯製造技術の
向上に伴い、表面粗度等の表面性状が改善され、占積率
は著しく向上したものの、一方で層間抵抗の低下を招来
している。従来の非晶質合金薄帯では、合金自身の高い
電気抵抗に加え表面粗度が大きかったことから、比較的
高い層間抵抗を容易に維持でき、このため層間絶縁のた
めの被膜は不要とされていた。しかしながら、表面性状
の改善による層間抵抗の低下に伴い、層間絶縁被膜の付
与が必要になってきた。

【０００６】かかる絶縁被膜の付与手段としては、湿式
法や電解法などが考えられるが、超急冷法による薄帯製
造においては、表面層の酸化が不可避であって表面には
酸化膜の形成が余儀なくされるため、湿式法によってク
ロム酸塩やりん酸塩の絶縁被膜を被成しようとしてもし
ばしば液はじきが発生し、他方電解法によっては均一な
電解が行い難く、いずれにしても均質な絶縁被膜の形成
は極めて難しいという問題があった。

【０００７】この点、前掲した特公平１-54422号公報で
は、Mnを添加することにより、良好な熱安定性を維持し
つつボロン量を効果的に低減して低コスト化を実現する
のみならず、併せて絶縁被膜処理性の改善を図ってい
る。しかしながら、この種合金すなわちFe：75〜80％、
Mn：0.5 〜３％、Si：９〜15％、Ｂ：７〜13％組成の合
金は、図１に示すように、Ｂ₁₀＜1.5 Ｔと磁束密度が低
く、しかもMn添加量が増大するに伴って磁束密度が一層
低下するところに問題を残していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題を有利に解決するもので、磁束密度の低下を招くこと
なしに、絶縁被膜処理性の有利な向上を実現した低鉄損
鉄系非晶質合金を提案することを目的とする。ここにこ
の発明で目標とする鉄損特性及び磁束密度は、Ｗ_13/50
≦0.20 W/kg、Ｂ₁₀≧1.5 Ｔである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、 化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここでＸ：80超〜83％ Ｙ：６〜11％ Ｚ：８〜13％ ａ：0.5 〜３％ で示される組成になり、かつ鉄損Ｗ_13/50 ≦0.20 W/kg
、磁束密度Ｂ₁₀≧1.5 Ｔを満足することを特徴とする
磁束密度が高く、絶縁被膜処理性に優れた低鉄損鉄系非
晶質合金である（第１発明）。

【００１０】またこの発明は、 化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a Ni_b ここでＸ：80超〜83％ Ｙ：６〜11％ Ｚ：８〜13％ ａ：0.5 〜３％ ｂ：0.2 〜２％ で示される組成になり、かつ鉄損Ｗ_13/50 ≦0.20 W/kg
、磁束密度Ｂ₁₀≧1.5 Ｔを満足することを特徴とする
磁束密度が高く、絶縁被膜処理性に優れた低鉄損鉄系非
晶質合金である（第２発明）。

【００１１】以下、この発明を由来するに至った実験結
果に基づき、この発明を具体的に説明する。さて、Fe−
Si−Ｂ３元系合金の鉄損と成分組成との関係について
は、従来から数多くの研究がなされており、例えば図２
に示す結果によれば、Fe：75〜78％の範囲においてはＢ
量を８〜10％に低減しても鉄損の劣化はほとんどない
か、あっても極く僅かであることが示されている。従っ
て、Ｂ量の低減は鉄損の若干の劣化をもたらすとは言
え、そのコスト低減を考慮すれば、工業的にはむしろメ
リットと言える。また、鉄損の低い組成では結晶化温度
Ｔ_X が高いことも知られている。

【００１２】しかしながら、単なるFe−Ｂ−Si系では組
成をいかように調整しても非晶質合金薄帯製造時に強固
なＢ−Si−Ｏを基本とする酸化物が形成されるため、絶
縁被膜処理時における液はじきや不均一電解を回避でき
ず、それ故良質の絶縁被膜の形成は望み得なかった。そ
こで酸化膜の改質を目的として、種々の添加元素につい
て調査したところ、Mnの添加がとりわけ有効であること
が究明された。

【００１３】図３に、第４成分としてMnを１％加えたFe
₈₁Mn₁ Ｂ₉Si₉組成の溶湯を、高速で回転する水冷銅合金
ロール表面に射出し、急冷凝固させて得た非晶質合金薄
帯につき、イオンマイクロアナライザーを用いて、表面
近傍での各元素の深さ方向分布について調べた結果を示
す。同図より明らかなように、表面酸化膜中に著しいMn
の濃縮が認められたが、かかるMnの濃縮によって酸化膜
が改善され、その結果、絶縁被膜形成処理時における不
均一な電流の流れが抑制され、均質な絶縁被膜の形成が
もたらされるものと考えられる。

【００１４】次に、Fe−Si−Ｂ３元系合金の飽和磁化に
ついて調べた結果を図４に示す。同図より明らかなよう
に、Fe：75〜80％の範囲では、磁束密度はＢ₁₀で 1.4〜
1.5 Ｔが限界であり、磁束密度の一層の向上のためには
80％を超えるFeの多量添加が必要となるが、図２からこ
の領域では大幅な鉄損劣化が予想される。しかしなが
ら、この点に関する発明者らの研究によれば、Mnの添加
はFeの磁気モーメントを希釈する効果があり、例えば図
５に示すように、鉄損はMnの添加に伴って低下すること
が判明した。この理由は、Mn添加によって磁歪が小さく
なり、透磁率が向上することに起因するものと考えられ
る。かくして、Fe含有量が80％を超えても、鉄損改善効
果が大きくしかも磁束密度も高い組成範囲が見出された
のである。

【００１５】

【作用】以下、この発明において、合金の成分組成を前
記の範囲に限定した理由について説明する。 Fe：80超〜83％ Feが80％以下では、より低い鉄損は得られるものの磁束
密度が劣り、一方83％を超えても、磁束密度の大幅な改
善は望めず、むしろ鉄損が大きく劣化する。

【００１６】Ｂ：６〜11％ Ｂが６％に満たないと作製したリボンが非晶質化せず、
鉄損が大幅に劣化し、一方11％を超えると、コスト面で
不利なだけでなく、Fe量が減少して磁束密度が低下す
る。なお、より好ましいＢ量は７〜９％である。

【００１７】Si：８〜13％ Siが８％未満では、作製したリボンが非晶質化せず、鉄
損の大幅な劣化を招き、一方13％を超えると相対的にFe
量が減少して磁束密度の低下を招く。

【００１８】Mn：0.5 〜３％ Mnは、酸化膜の改善による良質の絶縁被膜の形成という
観点から、少なくとも0.5 ％を必要とするが、３％を超
えると飽和磁束密度の低下が無視できなくなるので、Mn
量は 0.5〜３％好ましくは 0.5〜２％の範囲にする必要
がある。なお、かようなMn添加によって、結晶化温度も
約５〜15℃上昇する。しかもかかる組成域における結晶
化温度は周辺の組成域よりも高く、従って熱安定性に関
して好ましいことが確認されている。

【００１９】かくして、鉄損Ｗ_13/50 ≦0.20 W/kg 、磁
束密度Ｂ₁₀≧1.5 Ｔを満足し、しかも絶縁被膜処理性に
も優れた鉄系非晶質合金が、低コストの下に得られるの
である。

【００２０】ところで、発明者らはさらに、磁気特性を
損なうことなしに、熱安定性の一層の向上を図るべく、
種々の添加元素を模索したところ、Niの複合添加が極め
て有効であることの知見を得た。ここに、Niの添加量は
熱安定性の面から少なくとも 0.2％が必要である。しか
しながら、この発明の非晶質合金はトランスを主用途と
することから高い飽和磁束密度が要求されるところ、Ni
の多量添加は磁束密度低下をもたらすので、上限を２％
とした。また、かかるNi添加によって、結晶化温度も約
５〜40℃上昇することが確認されている。

【００２１】

【実施例】表１に示すような種々の成分組成に溶製した
合金溶湯を、高速で回転する水冷式のCu−Be合金ロール
表面に射出し、厚み：25μm 、幅：100 mmの非晶質合金
薄帯を作製した。ついで湿式法によって厚み約：0.5 μ
m のクロム酸塩−コロイド状シリカ系の絶縁被膜を被成
した後、 380℃、１時間の磁場中焼鈍を施した。絶縁被
膜被成処理後の液はじき性及び磁場中焼鈍後の磁気特性
について調べた結果を、表１に示す。なお一部の試料に
ついては結晶化温度Ｔ_X も測定し、その結果を表１に併
記した。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から明らかなように、この発明に従う
非晶質合金はいずれも、磁束密度が高く、かつ鉄損が低
く、また熱的安定性にも優れ、しかも絶縁被膜処理性も
良好であった。

【００２４】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、Fe−Ｂ−Si
３元系非晶質合金につき、高磁束密度及び低鉄損を維持
し、しかもＢ量の効果的な低減によって低コスト化を実
現できるだけでなく、熱安定性及び絶縁被膜処理性の大
幅な向上も併せて達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のFe−Ｂ−Si３元系合金におけるMn添加量
と磁束密度との関係を示したグラフである。

【図２】従来のFe−Ｂ−Si３元系合金における鉄損の組
成依存性を示した図である。

【図３】この発明に従うFe₈₁Mn₁B₉Si₉組成の非晶質合金
薄帯の表面近傍における各元素の深さ方向分布状況を示
した図である。

【図４】Fe−Ｂ−Si３元系合金における飽和磁化の組成
依存性を示した図である。

【図５】この発明に従うFe−Ｂ−Si３元系合金のMn添加
による鉄損の変化を示したグラフである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−333547（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−4914（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−133517（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−136660（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−16947（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−367202（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−255818（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 45/02 H01F 1/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここでＸ：80超〜83 at ％ Ｙ：６〜11 at ％ Ｚ：８〜13 at ％ ａ：0.5 〜３ at ％ で示される組成になり、かつ鉄損Ｗ_13/50 ≦0.20 W/kg
   、磁束密度Ｂ₁₀≧1.5 Ｔを満足することを特徴とする
   磁束密度が高く、絶縁被膜処理性に優れた低鉄損鉄系非
   晶質合金。
2. 【請求項２】化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a Ni_b ここでＸ：80超〜83 at ％ Ｙ：６〜11 at ％ Ｚ：８〜13 at ％ ａ：0.5 〜３ at ％ ｂ：0.2 〜２ at ％ で示される組成になり、かつ鉄損Ｗ_13/50 ≦0.20 W/kg
   、磁束密度Ｂ₁₀≧1.5 Ｔを満足することを特徴とする
   磁束密度が高く、絶縁被膜処理性に優れた低鉄損鉄系非
   晶質合金。