JPH09202946A - Fe系非晶質合金薄帯 - Google Patents

Fe系非晶質合金薄帯

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JPH09202946A
JPH09202946A JP1006696A JP1006696A JPH09202946A JP H09202946 A JPH09202946 A JP H09202946A JP 1006696 A JP1006696 A JP 1006696A JP 1006696 A JP1006696 A JP 1006696A JP H09202946 A JPH09202946 A JP H09202946A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 薄帯合金素材として、電解鉄等の高純度鉄源
を用いず、安価な鉄源を使用しても良好な特性を示す合
金薄帯を提供すると共に、薄帯の歩留りを向上させた薄
帯を提供する。 【解決手段】 Fe、Si、B、Cの主要元素および不
純物で構成される薄帯であり、主要元素の組成がFe
Siで表され、さらに、不純物として重量%
で、P0.008%以上0.1%以下、Mn0.15%
以上0.5%以下、S0.004%以上0.05%以下
を含有する交流における軟磁気特性に優れたFe系非晶
質合金薄帯。ただし、a、b、cおよびdは原子%で、
80<a≦82、2≦b<5、14≦c≦16、0.0
2≦d≦4、a+b+c+d=100である。これによ
って、合金薄帯の鉄源に低品位の材料の使用が可能とな
り、その結果、薄帯製造時の合金コストの低減が実現
し、安価な薄帯を製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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Fe系非晶質合金
薄帯に関するものである。
【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、連続的に薄帯や線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。また、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】この非晶質合金薄帯は、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
密度および透磁率が高いこと、等の理由からFe系非晶
質合金薄帯、例えば、FeSiB系、等が採用されてい
る。
【0004】この系の非晶質薄帯を鋳造する場合、不純
物は鉄損等を劣化させるため、従来から不純物を極力低
く抑えた合金素材が用いられてきた。すなわち、鉄源と
しては電解鉄が用いられていた。具体的に抑制されてい
た不純物としてはPおよびSがあり、特開昭59−16
947号公報では、Sを0.02重量%以下、Pを0.
015重量%以下に規定している。この公報には、Pは
鉄損を劣化させる元素として、また、Sは脆性を促進す
る元素として記載されている。組成は、Feを86〜9
5重量%、Siを0〜11重量%、Bを2〜4重量%、
Cを0〜1.5重量%に規定しており、これを原子%表
示に換算すると、Feが65.9〜85.4原子%、S
iが0〜18.3原子%、Bが8.3〜17.6原子
%、Cが0〜6.1原子%の広範囲をとっている。
【0005】また、特開昭57−137451号公報に
は、Fe−Si−B系非晶質薄帯における各種不純物元
素の最大許容量が示されており、例えば、Pは0.00
8原子%以下、Mnは0.12原子%以下、Sは0.0
2原子%以下と規定されている。この公報ではFeが7
8.5原子%超80原子%未満、Siが5原子%以上1
0原子%以下、Bが13原子%以上16原子%以下に規
制されているから、各不純物元素の最大許容量を重量%
表示に換算すると、Pが0.0053重量%以下、Mn
が0.14重量%以下、Sが0.0136重量%以下と
なる。この公報においても不純物元素は特性を劣化させ
る元素とされている。
【0006】非晶質合金薄帯を製造する場合の各不純物
量の許容値がこれらの公報に示されているようにかなり
小さいために、鉄鋼石を原料とした通常の製鋼プロセス
で生産される鋼を非晶質合金薄帯の鉄源に使用すること
は困難と考えられていた。なぜならば、これらの鉄源に
は許容量以上の不純物が含まれているからである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従
来、不純物元素の許容量がかなり低かったために、電解
鉄等の高純度な鉄源を使用しなければならなかった。高
純度な鉄源は高価であるために、薄帯合金コストが高く
なり、これが薄帯の製造コストを高くする一因になって
いた。薄帯を工業材料として広く普及させるためには、
製造コストを低減しなければならず、そのために、薄帯
合金コストを低減させることが強く望まれていた。ま
た、従来、1ロットの中で特性のばらつきがあり、これ
が歩留りを低下させ、製造コストを高くする一因になっ
ていた。
【0008】本発明の目的は、薄帯合金素材として、電
解鉄等の高純度鉄源を用いず、安価な鉄源を使用しても
良好な特性を示す合金薄帯を提供すると同時に、薄帯の
歩留りを向上させた薄帯を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】合金の低コスト化を実現
するためには、鉄源として、例えば、不純物をある程度
含有する低品位な鉄源を使用できるようにすれば良い。
一般に、低品位な鉄源は安価である故、合金コストを低
減できるからである。本発明者らは、不純物元素とし
て、特に、P、Mn、Sに注目し、これらの不純物元素
の含有量が異なる各種のFe−Si−B−C合金を用い
て実験を行った。その結果、Pを微量含有すると、その
他の不純物を従来より多く含有しても、薄帯の特性劣化
は起こらないことを見い出した。すなわち、従来よりも
不純物量を大きくできるという知見を得るに至った。
【0010】また、P、Mn、Sを微量含有する成分系
において、Fe、Si、B、Cの量を限られたある狭い
範囲に限定することによって、鉄損が改善されるととも
に、1ロットにおける特性のばらつきが少ない薄帯が安
定して得られ、歩留りが向上することを見い出した。こ
れらの知見を基に検討を重ね、本発明を完成するに至っ
たのである。
【0011】本発明は、下記の通りものである。 (1)Fe、Si、B、Cの主要元素および不純物で構
成される薄帯であり、主要元素の組成がFeSi
で表され、不純物として重量%で、P0.008
%以上0.1%以下、Mn0.15%以上0.5%以
下、S0.004%以上0.05%以下を含有する、交
流における軟磁気特性に優れたFe系非晶質合金薄帯。
ただし、a、b、cおよびdは、原子%で、 80<a≦82 2≦b<5、 14≦c≦16、 0.02≦d≦4、 であり、a+b+c+d=100である。 (2)磁束密度1.3T(テスラ)、周波数50Hz
(ヘルツ)での単板測定による鉄損が0.12W/kg
以下であることを特徴とする前記(1)に記載の交流に
おける軟磁気特性に優れたFe系非晶質合金薄帯。 (3)1ロットにおける磁束密度1.3T、周波数50
Hzでの単板測定による鉄損の最大値をWmax 、最小値
をWmin とした場合、(Wmax −Wmin )/Wmin ≦
0.15であることを特徴とする前記(1)および
(2)に記載の交流における軟磁気特性に優れたFe系
非晶質合金薄帯。
【0012】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
特徴は、従来、特性を劣化させる元素とされてきたPを
0.008重量%以上0.1重量%以下の範囲で積極的
に含有させることによって、Mnが0.15重量%以上
0.5重量%以下、Sが0.004重量%以上0.05
重量%以下の如く、MnおよびSを従来の許容値以上含
む安価な鉄源の使用を可能にしたことである。また、こ
れらの不純物を含んだ系において最適成分範囲を探索し
ていたところ、Feを80原子%超82原子%以下、S
iを2原子%以上5原子%未満、Bを14原子%以上1
6原子%以下の狭い限られた範囲に限定することによっ
て、鉄損が改善されるとともに、1ロットにおける鉄損
のばらつきが減少し、薄帯の歩留りを向上させることが
できたことである。
【0013】各元素の機能および含有量の適正範囲につ
いて述べる。Pを0.008重量%以上0.1重量%以
下の範囲にすると、前記したような安価な原料を用いた
場合でも単板測定による鉄損W13/50 (磁束密度1.3
T、周波数50Hzにおける鉄損)が0.12W/kg
以下の低い値を示す。Fe−Si−B系非晶質合金薄帯
を電力トランス等の鉄心として使う場合、鉄損はできる
だけ低くすることが要求されるが、W13/50 が0.12
W/kg以下であれば非晶質薄帯として十分な特性を発
揮することができる。一方、Pの含有量が0.008重
量%未満の場合には、不純物元素MnおよびSの許容量
を拡大する効果が現れず、鉄損W13/50 を0.12W/
kg以下にすることができなくなる。Pの含有量を0.
1重量%超とすると、もはやP添加による不純物許容量
拡大効果は現れなくなる。したがって、Pの含有量を
0.008重量%以上0.1重量%以下に限定した。さ
らに、大きな不純物許容量拡大効果を得るためには、P
の含有量を0.01重量%以上0.03重量%以下にす
ることが好ましい。
【0014】次に、MnおよびSの含有量の限定理由を
述べる。Mnを0.5重量%超、Sを0.05重量%超
含有する場合には、Pを0.008重量%以上0.1重
量%以下含有しても、薄帯の鉄損値は0.12W/kg
以下にすることができなくなる。したがって、Mnを
0.5重量%以下、Sを0.05重量%以下に限定し
た。一方、Mnを0.15重量%より少なくする場合、
Sを0.004重量%より少なくする場合には、もは
や、安価な鉄源を使うことができなくなり、従来のよう
に高価な高純度な鉄源を使用しなければならなくなる。
その結果、合金コストが増大し好ましくない。したがっ
て、Mnを0.15重量%以上、Sを0.004重量%
以上に限定した。さらに、Mn、Sの不純物元素の含有
量は、本発明で限定する範囲内においてできるだけ少な
い方が好ましく、Mnを0.15重量%以上0.3重量
%以下、Sを0.004重量%以上0.02重量%以下
にすることが好ましい。
【0015】また、不純物を含有した成分系において最
適値を探索しているうちに、主要構成元素であるFe、
Si、B、Cの各元素の含有量を狭い限られた範囲に限
定すると、鉄損W13/50 が0.12W/kg以下になる
とともに、1ロットにおける鉄損の最大値をWmax 、最
小値をWmin とした場合、(Wmax −Wmin )/Wmin
≦0.15となって1ロットの全長に渡って均一な特性
を持つ薄帯が得られることを見い出した。これは、F
e、Si、B、Cの各元素の範囲を限定することによっ
て、非晶質形成能が安定化し、その結果、全長に渡って
均質な構造を持つ薄帯が得られることによるものと考え
られる。Feの含有量は通常、70原子%以上であれば
鉄心としての実用的なレベルの飽和磁束密度が得られる
が、1.6T以上のより高い飽和磁束密度とするために
はFeを80原子%超にする必要がある。一方、Feの
含有量が86原子%超となると、非晶質の形成が困難と
なるが、非晶質を安定して得るためにはFe含有量を8
2原子%以下にすればよいことを見い出した。以上のこ
とから、Fe含有量を80原子%超82原子%以下の範
囲に限定した。
【0016】SiおよびBは、非晶質形成能および熱的
安定性を向上させるために添加する。Siが2原子%未
満、Bが14原子%未満では非晶質が安定して得られ
ず、(Wmax −Wmin )/Wmin ≦0.15を満たすこ
とができなくなる。本発明のように不純物が含まれる鉄
源を使用する場合には、Siを5原子%以上にすると、
(Wmax −Wmin )/Wmin ≦0.15を満たすことが
できなくなる。また、Bを16原子%超にすると、不純
物が含まれる鉄源を使用する場合には脆化が進み好まし
くなくなるとともに、原料コストが高くなってしまう。
したがって、Siを2原子%以上5原子%未満、Bを1
4原子%以上16原子%以下の狭い範囲に限定した。
【0017】Cは、薄帯の鋳造性向上に効果がある元素
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することができる。
Cが0.02原子%より少ない場合には、この効果が得
られない。また、Cを4原子%より多く含有させてもこ
の効果の向上は認められない。したがって、Cを0.0
2原子%以上4原子%以下に限定した。
【0018】以上のように、従来は高価な高純度鉄源を
使用しなければ低い鉄損が得られなかったのに対して、
本発明のように従来の許容値以上の不純物が含まれる鉄
源を用いてもW13/50 ≦0.12W/kgの低い鉄損が
得られる。また、Fe、Si、B、Cの含有量を従来よ
りも極狭い範囲に絞り込むことによって、1ロットにお
いて、(Wmax −Wmin )/Wmin ≦0.15という鉄
損が安定した薄帯が得られるようになった。これによっ
て、薄帯の合金コストの削減が可能になり、さらに、歩
留りの向上から、薄帯を安価に製造することが可能にな
った。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明の薄帯の成分を決める場
合、先ず、Fe、Si、B、Cの含有量を原子%で決定
し、次に、それに対して、Pが0.008重量%以上
0.1重量%以下、Mnが0.15重量%以上0.5重
量%以下、Sが0.004重量%以上0.05重量%以
下の本発明の範囲内に入るように、これらの不純物を含
んだ安価な鉄源の成分スペックを決定するのである。例
えば、Fe、Si、B、Cの好ましい合金組成は、原子
%で示すとFebal Si3.3 15.51 、Febal Si
2.215.11 、等である。
【0020】本発明によって、例えば、鉄鋼石が原料で
ある製鋼プロセスで生産される一部の鋼種を合金の鉄源
に使用することが可能になったが、本発明の薄帯を製造
するための鉄源は、この製鋼プロセスで生産される鋼種
に限定されるわけではない。
【0021】本発明の薄帯は、本発明の合金成分を溶解
し、溶湯をスロットノズル等を通して高速で移動してい
る冷却基板の上に噴出し、該溶湯を急冷凝固させる方
法、例えば、単ロール法、双ロール法によって製造する
ことができる。単ロール装置には、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ールやロール表面
温度制御装置を付属させたもの、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限定しない
が、薄帯の板厚は、例えば、10μm以上100μm以
下が好ましい。また、板幅は20mm以上が好ましい。
【0022】
【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに説明す
る。実施例1 Pを0.018重量%、Mnを0.21重量%、Sを
0.006重量%含有させたFe−Si−B−C合金を
アルゴン雰囲気中で溶解し、単ロール法で薄帯に鋳造し
た。鋳造雰囲気は大気中である。この際、表1に示すよ
うにFe、Si、B、C含有の割合を変化させて、これ
らの元素の含有割合と薄帯特性との関係を調べた。F
e、Si、B、Cの割合は、Fe+Si+B+C=10
0原子%として表示してある。使用した単ロール薄帯製
造装置は、直径580mmの銅合金製冷却ロール、試料
溶解用の高周波電源、先端にスロットノズルが付いてい
る石英るつぼ等から構成される。この実験では、長さ2
5mm、幅0.4mmのダブルスロットノズルを使用し
た。スロット間隔は1mmである。得られた薄帯の板厚
は、約50μmであった。
【0023】薄帯の鉄損は、SST(Single Strip Tes
ter)を用いて行った。測定条件は磁束密度1.3T、周
波数50Hzである。鉄損測定用試料には、1ロットの
全長に渡って12箇所から120mm長さに切断した薄
帯を用い、それらの薄帯を360℃で1時間磁場中でア
ニールを行って測定に供した。アニール中の雰囲気は窒
素である。
【0024】Wmax 、Wmin の値および偏差((Wmax
−Wmin )/Wmin )の値を、表1に示した。Wmax 、
Wmin は、それぞれ1ロットの中での鉄損の最大値およ
び最小値である。
【0025】
【表1】
【0026】表1の試料No.1〜24の結果から明ら
かなように、P、Mn、Sを本発明範囲内で含有し、F
eを80原子%超82原子%以下、Siを2原子%以上
5原子%未満、Bを14原子%以上16原子%以下、C
を0.02原子%以上4原子%以下の本発明の狭い範囲
にすることによって、磁束密度1.3T、周波数50H
zにおける鉄損が0.12W/kg以下になり、かつ、
(Wmax −Wmin )/Wmin が0.15以下となり、薄
帯の全長に渡って均一な軟磁気特性に優れた薄帯が得ら
れる。これに対して、試料No.25〜34に示す比較
例の成分範囲では、鉄損は0.12W/kgより大きく
なる部位が存在し、(Wmax −Wmin )/Wmin も0.
15より大きくなってしまうか、あるいは、(Wmax −
Wmin )/Wmin が0.15以下の場合でも薄帯の脆化
が大きくなってしまった。以上のことから、本発明によ
って、P、Mn、Sを含有している従来よりも低品位な
素材を使用できることがわかった。
【0027】実施例2 主要構成元素であるFe、Si、B、Cが原子%で、F
80.2Si3.3 15.51 なる組成に対して、P、M
n、Sが種々の割合で含有している合金を用いて、単ロ
ール法で薄帯を鋳造した。用いた装置は実施例1のもの
と同じである。ただし、スロットノズルは長さ25m
m、幅0.6mmのシングルスロットノズルを使用し
た。得られた薄帯の板厚は、約35μmであった。薄帯
の鉄損を評価するための測定片の採取方法および測定条
件は実施例1と同じである。その評価結果を、表2に示
す。
【0028】
【表2】
【0029】表2の試料No.1〜15の結果から明ら
かなように、Pが0.008重量%以上0.1重量%以
下、Mnが0.15重量%以上0.5重量%以下、Sが
0.004重量%以上0.05重量%以下の本発明範囲
内にある場合、磁束密度1.3T、周波数50Hzにお
ける鉄損が0.12W/kg以下になり、かつ、(Wma
x −Wmin )/Wmin が0.15以下となり、薄帯の全
長に渡って均一な軟磁気特性に優れた薄帯が得られる。
これに対して、試料No.16〜25に示したように、
P、Mn、Sの少なくとも一元素が本発明の範囲を外れ
る場合には、鉄損は0.12W/kgより大きくなる部
位が存在してしまう。さらに、試料No.22〜25で
は(Wmax −Wmin )/Wmin も0.15より大きくな
ってしまった。
【0030】また、No.16の結果から、不純物が無
い場合、すなわち、従来の電解鉄を用いた場合には本発
明のFe−Si−B−Cの狭い組成範囲では0.12W
/kg以下の鉄損は得られない。したがって、本発明の
組成範囲は、P、Mn、Sの不純物が所定量存在する時
にのみ現れる低鉄損領域であることが分る。以上のこと
から、本発明によれば、P、Mn、Sが含有している従
来よりも低品位な素材を使用できる。
【0031】実施例3 鉄源に製鋼プロセスで生産された鋼種を用いて、実施例
1と同様の単ロール薄帯製造装置および製造条件を用い
て薄帯を製造した。使用した鉄源の組成は、0.003
3重量%C、0.82重量%Si、0.0178重量%
P、0.21重量%Mn、0.006重量%S、残部F
eである。また、得られた薄帯の組成はFe80.4Si
3.2 15.41.0 (原子%)に対して、0.017重量
%P、0.20重量%Mn、0.005重量%Sが含有
しているものであった。薄帯の板厚は約50μmであっ
た。
【0032】実施例1と同様にして測定した薄帯の鉄損
の最大値Wmax は0.094W/kg、最小値Wmin は
0.088W/kgであり、(Wmax −Wmin )/Wmi
n =0.07となって、薄帯の全長に渡って均一な軟磁
気特性に優れた薄帯が得られた。以上のことから、本発
明によって、P、Mn、Sが含有している従来よりも低
品位な素材を使用できることが分る。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、合金薄帯の鉄源に低品
位の材料の使用が可能となり、その結果、薄帯製造時の
合金コストの低減が実現し、安価な薄帯を製造すること
ができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Fe、Si、B、Cの主要元素および不純
    物で構成される薄帯であり、主要元素の組成がFe
    で表され、不純物として、重量%で、P
    0.008%以上0.1%以下、Mn0.15%以上
    0.5%以下、S0.004%以上0.05%以下を含
    有することを特徴とする、交流における軟磁気特性に優
    れたFe系非晶質合金薄帯。ただし、a、b、cおよび
    dは、原子%で、 80<a≦82 2≦b<5、 14≦c≦16、 0.02≦d≦4、 であり、a+b+c+d=100である。
  2. 【請求項2】磁束密度1.3T、周波数50Hzでの単
    板測定による鉄損が0.12W/kg以下であることを
    特徴とする請求項1に記載の交流における軟磁気特性に
    優れたFe系非晶質合金薄帯。
  3. 【請求項3】1ロットにおける磁束密度1.3T、周波
    数50Hzでの単板測定による鉄損の最大値をWmax 、
    最小値をWmin とした場合、(Wmax −Wmin )/Wmi
    n ≦0.15であることを特徴とする請求項1および2
    に記載の交流における軟磁気特性に優れたFe系非晶質
    合金薄帯。
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