JPH0211662B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は非晶質金属合金組成物に関し、詳しく
は、高められたA.C.磁気特性を有し、鉄、珪素
および硼素を含む非晶質合金に関する。 ある種の金属合金組成物から固体の非晶質物質
を得ることが可能であるということが研究によつ
て証明されている。非晶質物質は長範囲の原子規
則度を実質上欠いており、幅広い強度最大からな
るＸ線回折分布を有することを特徴としている。
そのような分布は、液体または通常の窓ガラスの
Ｘ線回折分布に質的に類似している。これは、結
晶質の物質が鋭く狭い強度最大からなるＸ線回折
分布を生ずるのと対照的である。 これらの非晶質物質は、準安定状態において存
在する。十分高温に加熱すると、それらは結晶熱
を発出して結晶化し、Ｘ線回折分布は非晶質の特
徴を有するものから結晶質の特徴を有するものに
変化する。 新規な非晶質合金が、H.S.ChenおよびD.E.
Polkによつて、米国特許第3856513号（1974年12
月24日公布）中に開示されている。これらの非晶
質合金はM_aY_bZ_cという式で表わされる組成を有
しており、式中Ｍは、鉄、ニツケル、コバルト、
クロムおよびバナジウムからなる群より選ばれる
少なくとも１種の金属であり、Ｙは燐、硼素およ
び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種の
元素であり、Ｚはアルミニウム、アンチモン、ベ
リリウム、ゲルマニウム、インジウム、錫および
珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元
素であり、“ａ”は約60乃至90原子％、“ｂ”は約
10乃至30原子％、“ｃ”は約0.1乃至15原子％であ
る。これらの非晶質合金はリボン、シート、ワイ
ヤー、粉末、等といつた形態での幅広い応用に適
していることが見い出されている。Chenおよび
Polkの特許はさらに、式T_iX_jを有する非晶質合
金（ただし、Ｔは少なくとも１つの遷移金属であ
り、Ｘはアルミニウム、アンチモン、ベリリウ
ム、硼素、ゲルマニウム、炭素、インジウム、
燐、珪素および錫からなる群より選ばれる少なく
とも１種の元素であり、“ｉ”は約70乃至87原子
％の範囲内にあり、かつ“ｊ”は約13乃至30原子
の範囲内にある。）をも開示している。これらの
非晶質合金はワイヤーとしての用途に適すること
が見い出されている。 上述の非晶質合金が発見された当時、それらは
当時知られていた結晶質合金よりも優れた磁気的
特性を有していることが証明された。それにも拘
らず、改善された磁気的特性とより高度な熱的安
定性とを必要とする新しい用途の存在が、さらに
別の合金組成を開発するための努力を必要として
きた。 本発明に従つて、式Fe_aSi_bB_cを有する組成から
実質的になり（ただし、式中“ａ”、“ｂ”および
“ｃ”は約75乃至78.5原子％、４乃至10.5原子％
および11乃至21原子％をそれぞれ表わし、“ａ”、
“ｂ”および“ｃ”の合計は100である。）、かつ少
なくとも90％の非晶質である金属合金が提出され
る。 該合金は少なくとも90％が非晶質であり、好ま
しくは少なくとも97％非晶質であり、最も好まし
くは100％非晶質である。ただし、上記％はＸ−
線回折によつて決定されたものである。該合金
は、所望の組成の溶融体を形成し、高速回転して
いる冷却輪の上で溶融合金をカーストすることに
より少なくとも約10⁵℃／秒の速度で急冷するこ
とからなる公知の方法によつて加工される。 さらに本発明は下記の特性を有する金属合金の
磁気特性を高める方法を提供する。その合金と
は、式Fe_aSi_bB_cを有する組成（ただし、式中
“ａ”、“ｂ”および“ｃ”はそれぞれ、約75乃至
78.5原子％および11乃至21原子％であり、“ａ”、
“ｂ”、“ｃ”の合計は100である。）から実質的に
なり、少なくとも90％非晶質の合金である。そし
てその方法は、上記非晶質金属合金を焼鈍する工
程からなる。 さらに本発明は、電磁気的装置中に使用するた
めのコアを提供する。該コアは、式Fe_aSi_bB_cを有
する組成（ただし、式中“ａ”、“ｂ”および
“ｃ”はそれぞれ、約75乃至78.5原子％、４乃至
10.5原子％および11乃至21原子％という範囲内の
原子％を表わし、“ａ”、“ｂ”および“ｃ”の合
計は100に等しい。）から実質的になる、少なくと
も90％非晶質の金属合金からなる。 本発明の合金は約150℃までの温度で、改善さ
れたA.C.磁気特性を示す。その結果として、該
合金は電力または電源変圧器（power
transformer）、航空機用変圧器、変流器、高周
波変圧器（たとえば、約400Hz乃至100KHzの範囲
にわたる稼働周波数を有する変圧器）、スイツチ
コア、高利得磁気増幅器および低周波インバータ
などの用途に適している。 本発明に従つて提供される新規な非晶質Fe−
Si−Ｂ合金の組成は、75乃至78.5原子％の鉄、４
乃至10.5原子％の珪素および11乃至21原子％の硼
素からなる。そういつた組成のものは、高められ
たA.C.磁気特性を示す。磁気特性が改善されて
いることは、磁化が高度に起ること、コア損失が
低いこと、電圧−電流需要が低いこと、そしてこ
れらが125℃までの温度では一定かつ安定に留ま
る。前述の範囲内の好ましい組成は、78原子％の
鉄、６乃至10原子％の珪素および残部硼素からな
る。 本発明の合金は少なくとも約90％非晶質であ
り、好ましくは少なくとも約97％非晶質であり、
最も好ましくは100％非晶質である。非晶質物質
の容積％がより大きな比率を占める合金において
は磁気特性が改善されている。非晶質物質の容積
％はＸ−線回折によつて都合よく決定される。 非晶質金属合金は溶融体を約10⁵乃至10⁶℃／秒
の速度で冷却することにより形成される。すべて
の物質の純度は、通常の商業的実施において見い
出される純度である。スプラツト急冷箔や超急冷
した連続のリボン、ワイヤー、シート、等を加工
するために各種の方法が採用できる。典型的に
は、特性の組成を選び必須の元素の（あるいは、
分解してフエロボロン、フエロシリコン、等を形
成する物質の）粉末または粒状物が所望の比率で
混合されているものを溶融して均一化し、そして
該溶融合金を回転しているシリンダーのような冷
却体の冷却面上で超急冷（rapidly quench）す
る。 本発明の合金を含む連続した金属ストリツプを
加工するための最も好ましい方法は、
Narasimhanへの米国特許第4142571号に記載さ
れている方法である。Narasimhanの特許は、明
細書では参考までに言及するが、溶融金属を運動
している冷却体の表面上に沈着せしめることによ
り、連続した金属ストリツプを形成する方法につ
いて述べている。該方法は次のような種々の工程
からなつている。すなわち：(a)冷却面がスロツト
付きノズルのオリフイスの位置を約100乃至約
2000ｍ／分の予め定めた一定の速度で長さ方向に
通過するように冷却体の表面（冷却面）を運動さ
せること。（ただし、前記スロツト付きノズルは、
冷却面に近接した位置に配置された一般に平行な
１対のリツプによつて構成されているものであ
り、その配置は両リツプと冷却面との間隙が約
0.03乃至１mmとなるようになされており、オリフ
イスは一般に冷却体の運動の方向と直角をなすよ
うに配置されている。）；および(b)溶融体にノズル
のオリフイスを通過させて溶融金属の流れを運動
している冷却体の表面と接触するように強制し、
そこで金属を固化させて連続したストリツプを形
成させる。好ましくは、ノズルスロツトは、約
0.34乃至１mmの幅を有し、第一のリツプは少なく
ともスロツトの幅に等しい幅を有し、第二のリツ
プはスロツト幅の約1.5乃至３倍の幅を有してい
る。Narasimhanの方法に従つて製造された非晶
質金属ストリツプは少なくとも約７mm、好ましく
は約１cm、さらに好ましくは少なくとも約３cmの
幅を有している。該ストリツプは厚さが少なくと
も0.02mmであるが、採用される合金の融点、固化
および結晶化特性に依存して約0.14mmほどの厚さ
になることもでき、あるいはもつと厚くなること
もできる。 本発明の合金は、他の鉄基金属ガラスに比し改
善された加工性を有している。何故なら、該合金
は最小化された融点と最大化されたアンダークー
リングとを示すからである。 該合金の磁気特性は、合金を焼鈍することによ
り高めることができる。焼鈍の方法は一般に、応
力除去を達成するには十分であるが結晶化が始ま
るために必要とされるよりも低い温度に合金を加
熱し、該合金を冷却し、かつ加熱および冷却中に
合金に磁場をかけることからなる。一般に、加熱
時には、約340℃乃至440℃の範囲内の温度が採用
される。冷却速度の範囲は約0.5℃／分乃至75
℃／分である。約１℃／分乃至16℃／分の速度が
好ましい。 上に論じた如く、本発明の合金は、先行技術の
合金によつて証明されているように最大125℃ま
でではなく、約150℃の温度まで安定な改善され
た磁気特性を示す。本発明の合金の高められた温
度安定性は、たとえば電力を住宅地や商業地の消
費者に分配するための変圧器中のコアのごとき、
高温での用途における有用性を高めている。 本発明の合金からなるコアが、変圧器のような
電磁気的装置中に用いられる場合、それらは、高
い磁化、低いコア損失、および低い電圧−電流デ
マンドを示し、従つて結果的に電磁気的装置の運
転が一層効率的になる。コアを通過して循環する
エデイー電流の結果としての磁性コア内のエネル
ギー損失は、結局、熱の形でのエネルギーの浪費
となる。本発明の合金からつくられたコアは運転
に要する電気エネルギーが少なく、熱の発生が少
ない。変圧器のコアを冷却するために冷却装置が
必要とされる場合、すなわち、たとえば般空機内
の変圧器や大出力変圧器などの場合、さらに追加
の節約利点がある。何故なら本発明の合金からつ
くられたコアによれば熱の発生量が少なくなるの
で、これを除くための冷却装置も小さくてよいの
である。さらに、本発明の合金からつくられたコ
アの場合は磁化が高く、コアの効率も高いので、
結局、与えられた容量等級に対するコアの重量が
小さくなるという利点がある。 下記の実施例は、本発明についてより完全な理
解を与るために示すものである。発明の原理と実
施を例示するために記載した特定の技法、条件、
物質、比率、および報告データ等は代表的なもの
であり、これらが本発明を不当に制限するもので
はない。 実施例 鉄、珪素および硼素を含む各種組成の合金リボ
ンで幅0.0254ｍのもの約0.030Kgを内径および外
径がそれぞれ0.0397ｍおよび0.0445ｍのステアタ
イト・コアの上に巻きつけることにより、トロイ
ド状テスト試料をつくつた。トロイドの上に高温
磁性ワイヤーを150ターン巻きつけて焼鈍を行な
う目的で795.8A／ｍのD.C.円周フイールドを生
じさせた。不活性気体雰囲気中で２時間をかけ、
340℃乃至440℃の範囲内の温度で、試料を焼鈍し
た。加熱および冷却時に795.8A／ｍのフイール
ドをかけて、各組成物についての最適フイールド
焼鈍条件を決定した。各組成物についての最適フ
イールド焼鈍条件とは、その条件の下でコアの励
磁力が最も低くなる条件である。試料は約10℃／
分の速度で冷却した。 試料のA.C.磁気特性、すなわち電力損失（ワ
ツト／Kg）および励磁力（RMSボルト−アンペ
ア／Kg）を、60Hzの周波数および1.4Teslaの磁気
強度において、サイン−フラツクス（sine−
flux）法により測定した。 本発明の範囲内の各種の合金組成物についての
フイールド焼鈍したA.C.磁性値を下記第表に
示す。

【表】 比較のため、本発明の範囲に入らない非晶質金
属合金のあるものについての組成およびそれらの
フイールド焼鈍A.C.測定値を下記第表に示す。
これらの合金は、本発明の範囲に入る合金に比較
して、室温および100℃において、より高いコア
損失、およびより高いボルト−アンペア デマン
ドを有している。

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 式Fe_aSi_bB_cを有する組成から実質的に成る、
   少なくとも90％非晶質の金属合金：ただし上記式
   中、“ａ”、“ｂ”および“ｃ”はそれぞれ75乃至
   78.5原子％、４乃至10.5原子％および11乃至21原
   子％を表わし、かつ、“ａ”、“ｂ”および“ｃ”
   の合計は100であり、前記合金は、0.37W／Kg以
   下の電力損失および2.34VA／Kg以下の励磁力を
   有し、ここに前記電力損失および励磁力はいずれ
   も、60Hz、1.4Tにおいて、かつ100℃において測
   定した値である。 ２ 前記合金が少なくとも97％非晶質である特許
   請求の範囲第１項に記載の非晶質金属合金。 ３ 前記合金が100％非晶質である特許請求の範
   囲第１項に記載の非晶質金属合金。 ４ 前記式中“ａ”および“ｂ”がそれぞれ78原
   子％および６乃至10原子％であり、残部が硼素で
   ある特許請求の範囲第１項に記載の非晶質金属合
   金。 ５ 下記の工程からなる、少なくとも90％が非晶
   質であり、かつコアの損失が0.37W／Kg以下であ
   る金属合金の製造方法。 ａ 実質的に式Fe_aSi_bB_c（ここでａ、ｂ、ｃは、
   それぞれ原子％で、75〜78.5、４〜10.5、11〜
   21であり、ａ、ｂ、ｃの和に不純物を加えたも
   のが100となる）を有する組成物からなる合金
   を、少くとも90％が非晶質である合金を製造す
   るための鋳造条件下で鋳造する工程、および、 ｂ 少なくとも90％が非晶質である合金を焼鈍す
   る工程。 ６ 前記焼鈍工程が、下記の諸操作からなること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の方
   法。 前記合金を、応力除去の達成に十分であるが結
   晶化開始に必要とされるよりは低い温度に加熱す
   ること； 前記合金を0.5℃／分乃至75℃／分の速度で冷
   却すること；並びに 前記加熱および冷却処理を行なう際に前記合金
   に磁場をかけること。 ７ 前記合金を加熱するための温度範囲が340℃
   乃至440℃であることを特徴とする、特許請求の
   範囲第６項に記載の方法。 ８ 前記焼鈍工程が下記の諸操作からなることを
   特徴とする、特許請求の範囲第５項に記載の方
   法。 前記合金を340℃乃至440℃の範囲内の温度に加
   熱すること； 前記合金を１℃／分乃至16℃／分の速度で冷却
   すること；並びに、 前記加熱および冷却の間、前記合金に磁場をか
   けること。 ９ 式Fe_aSi_bB_cを有する組成から実質的に成る、
   少なくとも90％非晶質の金属合金（ただし、式
   中、“ａ”、“ｂ”および“ｃ”はそれぞれ75乃至
   78.5原子％、４乃至10.5原子％および11乃至21原
   子％を表わし、かつ、“ａ”、“ｂ”および“ｃ”
   の合計は100である。）［ただし該合金はリボンの
   形態を有しており、かつ、その電力損失および励
   磁力を改善するために焼鈍されている］からな
   る、電磁気装置用のコア。 １０ 鋳造工程が(a)１対の一般に平行なリツプに
   よつて形成されているスロツト付きノズルのオリ
   フイスを通過させて、100乃至2000ｍ／分の一定
   の予め定められた速度で長手方向に冷却体の表面
   を運動させること（ただし前記リツプは、前記冷
   却面との距離が0.03乃至１mmとなるよう冷却面に
   近接した位置に配置されており、前記オリフイス
   は冷却体の運動方向に対して一般に直角方向に配
   置されている。）、(b)溶融金属の流れがノズルのオ
   リフイスを通つて、運動している冷却体の表面に
   接触するよう強制力を加え、これにより金属が冷
   却体の表面上で固化して連続したストリツプを形
   成するようにすること：および(c)前記合金を焼鈍
   して合金の電力損失および励磁力を改善すること
   ［ただし、前記電力損失は0.37W／Kg以下であり、
   かつ前記励磁力は2.34VA／Kg以下であり、ここ
   に前記電力損失および励磁力はいずれも、60Hz、
   1.4Tにおいて、かつ100℃において測定した値で
   ある］からなるものである、特許請求の範囲第５
   項に記載の金属合金の製造方法。