JPH04272159A - Ｆｅ基磁性合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気特性に優れ、特
にトランスの磁心材料等に好適なＦｅ基磁性合金であっ
て、微細結晶相と非晶質相との混合組織からなる合金に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、トランスの磁心材料としては方向
性ケイ素鋼板が使用されてきた。方向性ケイ素鋼板は、
高い飽和磁束密度を有するが、鉄損が大きく、また、製
造が難しいという難点がある。そのため、鉄損の小さい
Ｆｅ基非晶質合金が注目され、一部では実用化されてい
る。

【０００３】Ｆｅ基非晶質合金は主成分がＦｅ−Ｓｉ−
Ｂで、これにＣ、Ｃｒ、等の元素が添加されたものであ
る。このＦｅ基非晶質合金は低鉄損であって省エネルギ
ーの点から有利であるが、非晶質であるため、高温で作
動すると構造緩和を起こし、鉄損が時間とともに増大し
、また透磁率も劣化する。即ち、非晶質合金は熱的な安
定性に劣っている。

【０００４】特開昭６４−７９３４２　号公報には、Ｆ
ｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系の組成を有し、結晶粒径１
０００Å以下の微細ｂｃｃ結晶粒からなる軟磁性材料が
開示されている。これは低鉄損材料であり、かつ結晶質
であるため熱的安定性にも優れている。しかし、その代
表的な組成はＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂで表されもの
であり、比較的高価なＢを必須成分とするため、価格的
に不利であるばかりでなく、磁束密度も充分に大きいと
は言えない。従って、低周波数域で使用される柱上トラ
ンス等の磁心材料には不向きである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在知られている磁心
材料の中で特に優れた磁気特性を有すると考えられる前
記特開昭６４−７９３４２　号公報のＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ
−Ｓｉ−Ｂ系の結晶質合金でもなお高価であり、また、
比較的低周波、高飽和磁束密度で使用する磁心材料とし
て不向きである。 一方、低周波、高飽和磁束密度で動作させる磁心材料と
してはＦｅ−Ｓｉ−Ｂ非晶質合金があるが、今後はさら
に低鉄損の材料の要求が強くなるものと予想される。

【０００６】本発明の目的は、低い鉄損値を持ち、しか
も低価格のＦｅ基磁性合金を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は『一般式、Ｆｅ
１００−ｘ−ｙ−ｚ　Ｃｕｘ　Ｐｙ　Ｓｉｚ　で表され
る組成を有し、平均粒径が　３００Å以下の微細な結晶
粒と非晶質相との混合組織であることを特徴とする磁性
合金』を要旨とする。但し、ｘ、ｙおよびｚは原子％で
、０．１≦ｘ≦　１．５、１１≦ｙ≦１８、　０．１≦
ｚ≦　５、１６≦ｙ＋ｚ≦２３　　である。

【０００８】上記の一般式で表される組成中のＦｅは、
その一部を次の原子で置換することができる。なお、下
記の各元素の原子％は、合金全体を　１００原子％とし
た場合の原子％である。

【０００９】■　　原子％で、３％以下のＧｅ、３％以
下のＧａおよび２％以下のＡｌのうちの１種以上（ただ
し、２種以上の場合は、合計で３％以下）■　　原子％
で、それぞれ全体の３％以下のＭｏ、ＺｒおよびＮｂの
うちの１種以上（ただし、２種以上の場合は、合計で３
％以下）更に上記■および■の両群から選択した原子で
Ｆｅを置換することもできる。

【００１０】

【作用】前述のＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系の結晶質
合金は、一旦非晶質合金として製造したものを熱処理し
て結晶化させたものであり、その結晶は平均粒径で１０
００Å以下の微細粒である。非晶質合金製造のための基
本組成はＦｅ−Ｓｉ−Ｂであり、Ｃｕ、Ｎｂの添加は非
晶質から微細結晶粒を析出させるのに必須である。磁気
特性の向上にはこのような結晶粒の微細化が必要である
と考えられている。

【００１１】本発明の合金は、非晶質合金になりやすい
Ｆｅ−Ｐ−ＳｉにＣｕを添加したＦｅ−Ｃｕ−Ｐ−Ｓｉ
系であるが、この系においてもＣｕが上述の系と同様に
非晶質から微細結晶粒を析出させるのに有効であること
が確認された。 しかも微細結晶粒を含むＦｅ−Ｃｕ−Ｐ−Ｓｉ系合金は
Ｆｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ系の結晶質合金よりも磁束
密度が高いため、１．３　Ｔ（テスラ）　から１．５Ｔ
　の磁束密度で動作させた場合の鉄損が低いことが判明
した。また、Ｆｅ−Ｐ−Ｓｉ系合金は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ
系合金よりも非晶質形成能が高く製造が容易であること
、および、Ｂよりも安価なＰ、Ｓｉを原料とするため経
済的にも有利であること等から大量生産に適している。

【００１２】以下、前記のように組成および組織を限定
した理由を説明する。なお、特にことわりのない限り％
は原子％を意味する。

【００１３】Ｆｅ：高い飽和磁束密度を確保するためＦ
ｅを主体とする組成とする。

【００１４】Ｃｕ：非晶質から磁気特性の優れた微細結
晶粒を析出させるのに寄与する。Ｃｕが　０．１％未満
では微細結晶粒が十分に晶出せず、１．５　％を超える
と最初の非晶質化が困難になる。従って、適正なＣｕ量
は　０．１％以上、１．５　％以下である。即ち、前記
一般式において　０．１≦ｘ≦１．５　とするのがよい
。

【００１５】ＰおよびＳｉ：これらの元素は、結晶化に
先だって非晶質合金を製造する際にその非晶質化に寄与
する。これらの元素の合計含有量が１６％未満ではこの
目的は達成されない。

【００１６】また、合計含有量が２３％を超えると飽和
磁束密度の著しい低下を招く。従って、前記一般式にお
いて、１６≦ｙ＋ｚ≦２３としなければならない。

【００１７】なお、Ｐが１１％未満の場合は、Ｓｉを多
量に添加しても非晶質化がおこらない。

【００１８】一方、Ｐが１８％を超えると、結晶化の際
に粗大な結晶粒のＦｅ３Ｐが析出する。Ｓｉの必要量は
Ｐの含有量に依存する。即ち、Ｐの含有量が多ければＳ
ｉは少なくてすむ。Ｐの含有量が上記の範囲の最少量の
１１％である場合、５　％のＳｉが必要である。ただし
、Ｓｉの過剰添加は飽和磁束密度の低下を招くのでＳｉ
含有量の上限は５％とする。一方、非晶質化はＰの含有
量が多ければＳｉが無くても可能であるが、良好な軟磁
性を得るためには　０．１％以上のＳｉがあることが望
ましい。即ち、前記一般式において、１１≦ｙ≦１８、
　０．１≦ｚ≦５　とし、この範囲で１６≦ｙ＋ｚ≦２
３となるように調整する。

【００１９】Ｇｅ、Ｇａおよび　Ａｌ　：これらは、結
晶磁気異方性を減少させるのに寄与するので、ＧｅとＧ
ａはそれぞれ３％以下、Ａｌは２％以下の範囲でＦｅと
置換することが推奨される。ＧｅまたはＧａが３％を超
えると飽和磁束密度の低下を招き、Ａｌが２％を超える
と非晶質化が困難になる。これらの元素は２種以上複合
添加してもよいが、その場合、合計含有量は３％以下で
なければならない。３％を超えると飽和磁束密度が低下
する。

【００２０】Ｍｏ、Ｚｒおよび　Ｎｂ　：これらの元素
は、非晶質相から析出する結晶粒の微細化に寄与する。 この効果を得るためにはそれぞれ３％以下の範囲でＦｅ
と置換するのがよい。しかし、Ｍｏ、ＺｒまたはＮｂが
それぞれ３％を超えると飽和磁束密度が低下する。

【００２１】これらの元素も１種または２種以上組み合
わせて使用できる。２種以上を用いる場合は、その合計
含有量を３％以下としなければならない。合計含有量が
３％を超えると飽和磁束密度が低下するからである。

【００２２】本発明合金は、平均粒径が　３００Å以下
の微細結晶粒とその周囲の非晶質相との混合組織から成
る。 微細結晶粒とは、ｂｃｃ相のＦｅ固溶体を主体とするも
のであるが、Ｆｅ３　Ｐ、添加元素の酸化物、各種の金
属間化合物が含まれる場合がある。

【００２３】これら金属間化合物等は磁気特性を悪くす
る場合があるから、できるだけ存在しない方がよいが、
それらの粒径が小さく、かつ少量であれば存在も許容さ
れる。

【００２４】上記の本発明合金の組織は、非晶質相から
微細結晶相が析出することによって得られる。その析出
の程度によって、結晶相と非晶質相の混合比率が異なっ
てくる。結晶相の比率が高い程、磁気特性は向上するが
、結晶相がおよそ３０体積％以上であれば、実用上十分
な特性が得られる。なお、製造方法としては、まず非晶
質合金を製造し　（この最初の非晶質化は完全に行われ
なくてもよい。即ち、この段階で結晶相が多少存在して
いても差し支えない）　、これに適当な熱処理を施して
微細結晶を析出させる方法が一般的であるが、後述する
ように、液体からの急冷だけで、目的とする結晶相と非
晶質相の混合組織にすることもできる。

【００２５】本発明の合金を構成する結晶相は、その平
均粒径が　３００Å以下でなければならない。３００　
Åを超えると、結晶粒界等による磁壁のピニングが起こ
ったり、結晶粒微細化による結晶磁気異方性の効果が十
分に現れないことがあって磁気特性がわるくなるからで
ある。

【００２６】これまでに述べた組成と組織をもつ本発明
合金は、例えば次のようにして製造することができる。

【００２７】まず、所定の組成の溶湯から単ロール法、
双ロール法等の液体急冷法によって非晶質合金を製造す
る。あるいは、スパッタリング法、蒸着法等の気相急冷
法で非晶質薄膜を製造する。このとき、非晶質相の中に
所定粒径の結晶相が必要な量だけ析出した組織が得られ
れば、以下の熱処理は不必要である。しかし、実質的に
非晶質の合金になっているときは、これらの非晶質合金
を、窒素、Ａｒのような不活性ガス中もしくは真空中で
熱処理して微細結晶相を析出させる。熱処理温度は　３
００〜５００　℃とする。３００　℃より低いと結晶化
が進まず、５００　℃より高いと粗大な金属間化合物が
析出するからである。なお、熱処理に際しては、所定温
度まで加熱して直ちに冷却する　（一定温度での保持な
し）　方式、あるいは所定温度まで昇温してそこで例え
ば２４時間以内保持する方式等の様々なヒートパターン
を採用することができる。

【００２８】上記の熱処理は回転磁場中、または静止磁
場中で行うこともできる。回転磁場中熱処理は、熱処理
中の磁区固着を防ぐとともに、急冷により導入された誘
導磁気異方性を消去することにより軟磁性の向上に寄与
する。一方、動作時の磁化方向がある一方向に限定され
た特別な用途に使用される場合には、むしろ、その特定
方位の磁気異方性を付加することが望ましく、これは静
止磁場中での熱処理で実現される。

【００２９】

【実施例１】Ｆｅ８０．５Ｃｕ０．５Ｐ１４Ｓｉ４Ｎｂ
１なる組成の非晶質薄帯を単ロール法により作製した。 薄帯の幅は１０ｍｍ、厚みは３０μｍ　とした。この薄
帯を種々の温度で３０分間焼鈍し、鉄損と平均結晶粒径
、析出する結晶相および結晶化率を調べた。平均結晶粒
径は、Ｘ線回折ピークの　１１０ピークの半値幅から計
算して求めた。鉄損、および飽和磁束密度は試料をトロ
イダルに巻いて測定した。結果を表１に示す。

【００３０】表１に示した試験Ｎｏ．６は、比較材のＦ
ｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ結晶質合金である。本発明合
金はこれに較べて、Ｗ１３／５０　における鉄損がはる
かに低い。ただし、合金の化学組成が本発明で定める範
囲にあっても、試験Ｎｏ．５のように結晶相の平均結晶
粒径が大きすぎるものでは鉄損が著しく増大している。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【実施例２】表２に示す組成の非晶質薄帯を単ロール法
により作製し、示差熱分析（１０℃／ｍｉｎ）により結
晶化開始温度（Ｔｘ）を求めた。その後、これらの非晶
質薄帯をＴｘ＋３０℃まで　２００℃／ｍｉｎで加熱し
、１０分間保持して急冷した。このような熱処理を施し
た試料の平均結晶粒径、結晶化率、鉄損および飽和磁束
密度を表２に示す。平均結晶粒径はＸ線回析ピーク半値
幅から計算して求めた。 鉄損および飽和磁束密度は試料をトロイダルに巻いて測
定した。比較材としてＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ結晶
質材料およびＦｅ−Ｓｉ−Ｂ非晶質材料についての測定
結果も併記した。表２から明らかなように、本発明合金
はＦｅ−Ｃｕ−Ｎｂ−Ｓｉ−Ｂ結晶質材料およびＦｅ−
Ｓｉ−Ｂ非晶質材料よりもＷ１３／５０　における鉄損
が低い。

【００３３】

【表２】

【００３４】

【発明の効果】実施例にも示したとおり、本発明のＦｅ
基磁性合金は比較的低周波、かつ高飽和磁束密度で動作
させた場合の鉄損が低い。この合金は非晶質合金に較べ
て熱的安定性に勝り、しかも安価であるからトランス用
鉄芯などとして量産するのに好適である。

【００３５】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式、Ｆｅ１００−ｘ−ｙ−ｚ　Ｃｕｘ
   　ＰｙＳｉｚ　で表される組成を有し、平均粒径が　３
   ００Å以下の微細な結晶粒と非晶質相との混合組織であ
   ることを特徴とする磁性合金。但し、ｘ、ｙおよびｚは
   原子％で、０．１　≦ｘ≦　１．５、１１≦ｙ≦１８、
   ０．１≦ｚ≦　５、１６≦ｙ＋ｚ≦２３　　である。
2. 【請求項２】Ｆｅの一部が、原子％で全体の３％以下の
   Ｇｅ、３％以下のＧａおよび２％以下のＡｌのうちの１
   種以上（ただし、２種以上の場合は、合計で３％以下）
   で置換されていることを特徴とする請求項１に記載の磁
   性合金。
3. 【請求項３】Ｆｅの一部が、原子％でそれぞれ全体の３
   ％以下のＭｏ、ＺｒおよびＮｂのうちの１種以上（ただ
   し、２種以上の場合は、合計で３％以下）で置換されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の磁性合金。
4. 【請求項４】Ｆｅの一部が、原子％で全体の３％以下の
   Ｇｅ、３％以下のＧａおよび２％以下のＡｌのうちの１
   種以上（ただし、２種以上の場合は、合計で３％以下）
   、ならびにそれぞれ全体の３％以下のＭｏ、Ｚｒおよび
   Ｎｂのうちの１種以上（ただし、２種以上の場合は、合
   計で３％以下）で置換されていることを特徴とする請求
   項１に記載の磁性合金。