JP3709149B2

JP3709149B2 - 高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯

Info

Publication number: JP3709149B2
Application number: JP2001083309A
Authority: JP
Inventors: 広明坂本; 有一佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP2002285304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力トランス、高周波トランスなどの鉄心に用いられる非晶質合金薄帯に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
合金を溶融状態から急冷することによって、連続的に薄帯や線を製造する方法として、遠心急冷法、単ロ−ル法、双ロ−ル法、などが知られている。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など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、磁気的性質あるいは機械的性質に優れた材料を製造することができる。
【０００３】
この非晶質合金は、その優れた特性から多くの用途において、工業材料として有望視されている。その中でも、電力トランスや高周波トランスなどの鉄心材料の用途としては、鉄損が低く、かつ、飽和磁束密度や透磁率が高いこと、などの理由からＦｅ系非晶質合金薄帯、例えば、Ｆｅ-Ｓｉ-Ｂ系が採用されている。
しかし、Ｆｅ-Ｓｉ-Ｂ系非晶質合金薄帯は、珪素鋼板と比較して鉄損は優れているが、飽和磁束密度Ｂ_sは劣っている。この理由は、飽和磁束密度を大きくすることを目的としてＦｅの含有割合を増加させると非晶質形成能が低下し、非晶質合金薄帯を安定して製造することが困難になってしまうためである。飽和磁束密度を大きくすることが可能であるならば、鉄心の小型化が可能になり、さらに、トランスなどの鉄心の設計自由度が増えるため大きなメリットが出てくる。このような要求に対し従来より以下に記述する技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特開平5-140703号公報には、（Ｆｅ_aＳｉ_bＢ_cＣ_d）_100-XＳｎ_X、原子％でａ=0.80〜0.86、b=0.01〜0.12、c=0.06〜0.16、d=0.001〜0.04、ただし、a+b+c+d=1、X=0.05〜1.0なる組成を有する非晶質合金薄帯が開示されている。この技術は、Ｓｎの添加によって高Ｆｅ領域でも非晶質形成能を高めたことであるが、得られた飽和磁束密度は1.73Ｔが限界である。
【０００５】
また、特開平6-220592号公報には、Ｆｅ_aＣｏ_bＳｉ_cＢ_dＭ_x、原子％で60≦a≦83、3≦b≦20、かつ、80≦a+b≦86、1≦c≦10、11≦d≦16、XがＳｎの場合には0.1≦X≦1.0、XがＣｕの場合には0.1≦X≦2.0、XがSの場合には0.01≦X≦0.07で、かつ、a+b+c+d+X=100、なる組成を有する非晶質合金薄帯が開示されている。
この技術では、大きな飽和磁束密度が得られているが、この高磁束密度はＣｏ添加によって得られたものである。しかし、Ｃｏは非常に高価な元素であり、一部の高級用途にはこのようなＣｏ含有Ｆｅ基非晶質合金薄帯が使用されているが、素材コストが増加してしまうという欠点を有している。
【０００６】
更に、特開平6-264197号公報には、Ｆｅ_XＢ_YＳｉ_ZＭｎ_a、原子％でX=80超〜83、Y=6〜11、Z=8〜13、a=0.5〜3、なる組成を有する非晶質合金薄帯が開示されている。この技術は、Ｍｎ添加によって絶縁皮膜処理性を高めたことであるが、磁束密度は1.7Ｔまでは到達し得ないレベルである。
このように、従来技術では、低コストで大きな飽和磁束密度を有する実用的なＦｅ基非晶質合金薄帯は製造しえなかったものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、Ｆｅ基非晶質合金薄帯において、飽和磁束密度を大きくすることを目的としてＦｅの含有割合を増やした場合、非晶質形成能が低下して部分的に結晶化が生じてしまうために、鋳造ままの状態、あるいは、焼鈍後の状態において、安定して非晶質合金薄帯を得ることは困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、薄帯の組成を限定することによって、Ｆｅの含有割合が高い組成範囲においても、非晶質合金薄帯を安定的に鋳造することを可能にし、さらに、焼鈍においても、より低温での焼鈍を可能にすることによって、高磁束密度を維持しながら、交流における優れた軟磁気特性を有するＦｅ基非晶質合金薄帯を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気特性の中で高飽和磁束密度を主眼において、先ず、Ｆｅ基非晶質合金薄帯の高Ｆｅ組成領域においても急冷直後の薄帯が非晶質化し易い成分を種々探索し、さらに、それらの中で薄帯中の歪みが十分に緩和される焼鈍後においてもその非晶質状態が安定に維持される成分範囲を特定できた結果、成し得たものであって、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、およびＣの限られた組成範囲において特定範囲のＰを添加することによって達成されたものである。これらの特徴を備える本発明の要旨は、以下の通りである。（１）Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐの主要元素および不可避不純物で構成される非晶質合金薄帯であって、組成が原子％で86＜Ｆｅ≦90、2≦Ｓｉ＜4、5＜Ｂ≦16、0.02≦Ｃ≦4 、0.2≦Ｐ≦12であり、焼鈍後のＢ s が 1.74 Ｔ以上であることを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。（２）前記Ｆｅの組成が、原子％で86＜Ｆｅ≦88であることを特徴とする前項１記載の高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。（３）前項１または２記載の薄帯であって、焼鈍後のＢ80が1.5Ｔ超を有することを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。（４）前項３記載の高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯であって、さらに、焼鈍後の鉄損が0.12Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。（５）Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐの主要元素および不可避不純物で構成される非晶質合金薄帯であって、組成が原子％で82＜Ｆｅ≦90、2≦Ｓｉ＜4、5＜Ｂ≦16、0.02≦Ｃ≦4 、0.2≦Ｐ≦12であり、焼鈍後のＢsが1.74Ｔ以上であることを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述したように、Ｆｅ、Ｓｉ、ＢおよびＣの限られた組成範囲において特定範囲のＰを添加することにより、Ｆｅの含有可能な割合を大幅に向上させ、その結果、飽和磁束密度Ｂ_s、および80Ａ/ｍの磁場を印加した時の磁束密度Ｂ₈₀を従来では成し得なかった値にまで高めることができたことにある。さらに、高磁束密度と同時に優れた軟磁気特性の実現も可能としたことにある。ここで言う優れた軟磁気特性とは、周波数50Hz、磁束密度1.3Tでの単板測定による鉄損が0.12Ｗ／ｋｇ以下であることである。
【００１１】
Ｂ_sの値は少なくとも1.74Ｔ以上あれば、その薄帯を使用してトランスを作製した場合、高磁束密度設計が可能になるため、高Ｂ_s非晶質合金薄帯の優れた性能がトランスに反映させることができる。Ｂ₈₀は言うなれば磁化率、あるいは透磁率などと同様に磁化のし易さを表わすものであるが、1.5Ｔ超であればＢ_sが高くなった効果をトランスに反映させることができる。さらに、周波数50Hz、磁束密度1.3Tでの単板測定による鉄損が0.12Ｗ／ｋｇ以下であれば、非晶質合金薄帯としての優れた性能が得られる。
【００１２】
トランスの設計において、磁束密度を優先する場合、あるいは、鉄損を優先する場合の両者が考えられるため、高磁束密度と低鉄損が全て重なる必要はないが、両者が同時に得られれば非晶質合金薄帯の性能を最大限にトランスの性能に反映させることができる。
ここで、組成の限定理由について説明するが、本発明の最も特徴とするものは、２≦Ｓｉ＜４原子％の低Ｓｉの範囲において、Ｐを添加したことにある。以下に、各元素の組成範囲の限定理由を説明する。
【００１３】
Ｆｅは８２原子％超、９０原子％以下の範囲にする。なぜならば、Ｆｅが８２原子％以下の場合には鉄心の小型化などへ反映される十分な磁束密度が得られなくなり、９０原子％超の場合には非晶質形成が困難になって良好な磁気特性が得られなくなるからである。好ましくはＦｅを８６原子％超、９０原子％以下にすれば、1.74Ｔ以上のＢ_sを安定して得ることができるようになる。さらに好ましくは、Ｆｅを８６原子％超、８８原子％以下にすることによって、さらに安定した非晶質化が可能となり、1.74Ｔ以上のＢ_sを安定して得ることができるようになる。Ｆｅ量を前記した範囲に規定することによって、1.5Ｔ超のＢ₈₀が安定して得られるようになる。
【００１４】
Ｓｉは２原子％以上、４原子％未満の範囲に限定する。Ｓｉが２原子％未満の場合には、非晶質が安定して形成され難くなり、また、Ｓｉが４原子％以上の範囲では本願発明の特徴であるＰ添加による高Ｆｅ領域での優れた磁気特性が得られなくなるからである。
Ｂは５原子％超、１６原子％以下の範囲にする。Ｂが５原子％以下では非晶質が安定して形成され難くなり、１６原子％超としても更なる非晶質形成能の向上は認められなくなるからである。Ｐ添加による高Ｆｅ領域での優れた磁気特性をより有効に発現させるためには、Ｂを１４原子％未満にする。すなわち、Ｂが５原子％超、１４原子％未満の範囲において、磁気特性のばらつきがより少ない優れた非晶質薄帯が得られる。
【００１５】
Ｃは薄帯の鋳造性に効果がある元素である。Ｃを含有させることによって、溶湯と冷却基板の濡性が向上して良好な薄帯を形成させることができる。Ｃが０．０２原子％未満の場合はこの効果が得られない。また、Ｃを４原子％超含有させてもこの効果の更なる向上は認められない。したがって、０．０２原子％以上４原子％以下の範囲に限定した。
【００１６】
Ｐは本発明の最も重要な元素である。本発明者らは、既に、特開平9-202946号公報において、０．００８質量％以上、０．１質量％（０．１６原子％）以下のＰは、ＭｎとＳの許容含有量を増加させて安価な鉄源の使用を可能にする効果があることを見出しているが、本発明は、高Ｆｅ領域において、高磁束密度を維持しながら交流における優れた軟磁気特性を有する薄帯を製造することを目的として、Ｐ添加量、およびＦｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ量を種々変化させた実験を積み重ねた結果成し得た発明である。Ｐは０．２原子％以上、１２原子％以下の範囲で含有させる。なぜならば、Ｐが０．２原子％未満では、高磁束密度を維持した状態で優れた軟磁気特性を得るためのアニ−ル条件が存在しなくなり、また、Ｐを１２原子％超含有させても、Ｐのそれ以上の効果が得られないばかりか磁束密度が低下してしまうからである。Ｐが１原子％以上１２原子％以下であれば、Ｐの効果によって磁束密度のばらつきがより一層抑制でき、さらに、好ましくは、Ｐが１原子％以上１０原子％以下であれば磁束密度の低下も押さえられ、より一層Ｐの効果を発現させることが可能になる。
【００１７】
さらに、不可避不純物として、特開平9-202946号公報に示されているレベルのＭｎ、Ｓ、等の元素は含有しても特段の問題は生じない。
組成の特定に関して重要なことは、本発明におけるＰの効果は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ系の限定された組成範囲に所定量のＰを添加することによって、特に、２≦Ｓｉ＜４原子％の低Ｓｉの範囲において初めてＰの効果が発現されることである。
【００１８】
このような本発明のＦｅ基非晶質合金薄帯をトランス用鉄心の素材として用いることによって、高磁束密度設計が可能になるため、トランスの小型化、高性能化を達成することが可能になる。
本発明のＦｅ基非晶質合金薄帯は、所定の合金成分を溶解し、溶湯を移動している冷却基板上にスロットノズルを通して噴出させて、該合金を急冷凝固させる方法、例えば、単ロ−ル法、双ロ−ル法によって製造することができる。単ロ−ル装置にはドラムの内壁を使う遠心急冷装置、エンドレスタイプのベルトを使う装置、およびこれらの改良型である補助ロ−ルを付属させたもの、減圧下あるいは真空中、または不活性ガス中での鋳造装置も含まれる。本発明では、薄帯の板厚、板幅、などの寸法は特に規定されないが、薄帯の板厚は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。板幅は２０ｍｍ以上が好ましい。
【００１９】
本発明の原料として、例えば、鉄鉱石を原料とした製鉄プロセスで生産される一部の鋼種を鉄源に使用することが可能である。合金組成としては、例えば、Ｆｅ_83.5Ｓｉ₃Ｂ₁₂Ｃ₁Ｐ_0.5、Ｆｅ_84.1Ｓｉ_2.5Ｂ_11.4Ｃ₁Ｐ₁、Ｆｅ_86.5Ｓｉ_2.2Ｂ_6.8Ｃ_0.5Ｐ₄、Ｆｅ₈₇Ｓｉ_2.1Ｂ_5.6Ｃ_0.3Ｐ₅、Ｆｅ_87.3Ｓｉ_2.1Ｂ_5.5Ｃ_0.3Ｐ_4.8、等である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例を使って詳細に説明する。
（実施例１）
原子％で、Ｆｅ_aＳｉ_bＢ_cＣ_dＰ_eおよび0.2原子％のＭｎ、Ｓ等の不純物を含む組成の合金を使用した。ただし、a+b+c+d+e=99.8である。表１に示した各組成の合金を単ロ−ル法で鋳造し、非晶質化できたかどうかを調べた。
【００２１】
先ず、それぞれの組成からなる合金を石英ルツボ中で高周波溶解し、ルツボ先端に取り付けた開口形状が０．４ｍｍ×２５ｍｍの矩形状スロットノズルを通じてＣｕ合金製冷却ロ−ルの上に溶湯を噴出した。冷却ロ−ルの直径は５８０ｍｍ、回転数は８００ｒｐｍである。この鋳造によって、厚さ約２５μｍ、幅約２５ｍｍの薄帯が得られた。次に、鋳造した薄帯の自由面（ロ−ルに接触しない面）、ロ−ル面（ロ−ルに接触する面）をＸ線回折法によって回折プロファイルを測定した。回折プルファイルがブロ−ド化して非晶質状態になった場合には、○、鋭い結晶化ピ−クが現れた場合には×、それらの中間的状態の場合には△とした。結果を表1に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１７は、高Ｆｅ領域でＢとＰを変えた場合であるが、ＢとＰが本発明範囲に入っているＮｏ．１３とＮｏ．１４では非晶質化しているが、Ｂが５原子％以下であるＮｏ．１５〜Ｎｏ．１７では非晶質化することができなかった。Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．２０はＳｉ量を変えた場合であるが、Ｓｉ量が2原子％未満であるＮｏ．１８では非晶質形成が一部不安定になったが、Ｎｏ.１９及びＮｏ．２０では非晶質化した。
【００２４】
以上の例からわかるように、本発明範囲の組成を用いることによって、従来では成し得なかった高Ｆｅ領域での非晶質化が可能になることがわかる。
(実施例２)
実施例1で鋳造した薄帯の中で非晶質化した薄帯をそれぞれ１２０ｍｍの長さに切断し、２６０℃〜４００℃の温度範囲において２０℃間隔の各温度で窒素雰囲気中で１時間、磁場中で焼鈍した後、ＳＳＴ（単板磁気測定器）を用いて交流磁気特性を評価した。評価項目は、測定の最大印加磁場が80Ａ／ｍの時の最大磁束密度Ｂ₈₀、および最大磁束密度が1.3Ｔにおける鉄損である。なお、測定周波数は50Ｈｚである。また、ＶＳＭを用いて、飽和磁束密度Ｂ_sを測定した。
【００２５】
結果を表２に示す。なお、表２には２６０℃〜４００℃で焼鈍した中で最も軟磁気特性が優れた特性値を示してある。ただし、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８、およびＮｏ.１８では一部非晶質化が不完全であった部位が存在したため、その部位を磁気特性の評価から外し、非晶質化した部位での評価を実施した。
【００２６】
【表２】

【００２７】
Ｎｏ．１８〜Ｎｏ.２０のＳｉ量を変えた場合についてみると、Ｓｉ量が2原子％未満であるＮｏ．１８では磁束密度が本発明範囲に達していない。以上の例からわかるように、本発明範囲の組成を用いることによって、従来では成し得なかった高Ｆｅ領域での非晶質化が可能になるとともに、優れた軟磁気特性が達成できることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、本発明のＦｅ基非晶質合金薄帯を用いて鉄心に巻回した巻鉄心、または、該薄帯の打ち抜き片を積層した積鉄心を作製する場合、高磁束密度を維持しながら交流における優れた軟磁気特性を有することが可能になったため、トランスの小型化、高性能化、および、その設計自由度が増す大きなメリットが生じる。

Claims

Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐの主要元素および不可避不純物で構成される非晶質合金薄帯であって、組成が原子％で86＜Ｆｅ≦90、2≦Ｓｉ＜4、5＜Ｂ≦16、0.02≦Ｃ≦4 、0.2≦Ｐ≦12であり、焼鈍後のＢ s が 1.74 Ｔ以上であることを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。
前記Ｆｅの組成が、原子％で86＜Ｆｅ≦88であることを特徴とする請求項１記載の高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。
請求項１または２記載の薄帯であって、焼鈍後のＢ80が1.5Ｔ超を有することを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。
請求項３記載の高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯であって、さらに、焼鈍後の鉄損が0.12Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。
Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐの主要元素および不可避不純物で構成される非晶質合金薄帯であって、組成が原子％で82＜Ｆｅ≦90、2≦Ｓｉ＜4、5＜Ｂ≦16、0.02≦Ｃ≦4 、0.2≦Ｐ≦12であり、焼鈍後のＢsが1.74Ｔ以上であることを特徴とする高磁束密度を有するＦｅ基非晶質合金薄帯。