JPS581183B2 - 磁束密度が高く角形比の大きい高透磁率非晶質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁束密度が高く角形比の大きい高透磁率非晶合
金に関する。

従来結晶構造を有する通常の金属、合金において、角形
比の大きいヒステリシス・ループを有する高透磁率金属
材料としては、高純度Ｆｅ，Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆ ｅ
−Ｎ ｉ合金、Ｆ ｅ −Ｎ ｉ −Ｍ ｏ合金などが
あり、それぞれの特性に応じて種々の分野で使用されて
いるが、これらの金属材料は製造上ならびに使用上にそ
れぞれ下記のような欠点がある。

高純度鉄は主として継電器に使用されているが、飽和磁
束密度Ｂｓと残留磁束密度Ｂｒの角形比Ｂｒ／Ｂｓは約
５０％強であり、大電流の整流、高増幅度を要する材料
としては適当でない。

Ｆｅ−Ｓｉ合金は変圧器モーターの鉄心として多量に使
用されているが、製造工程が複雑で、これを製造するに
要する燃料と電力の費用も多大で、原材料費の割合には
高価な合金となっている。

Ｆｅ−Ｎｉ合金およびＦ ｅ −Ｎ ｉ −Ｍ ｏ合金
は主として磁気増幅器、リアクトル等の材料として使用
されており、なかでもＭｏ−Ｃｕパーマロイ（７７％Ｎ
ｉ、４％Ｍｏ、５％Ｃｕ残部Ｆｅよりなる合金）は熱処
理を行うことによって角形比が約９０％にも達する優秀
なヒステリシス・ループを示すが、残留磁束密度は低く
熱処理および製造工程が複雑になっており、大量生産に
は適当でない。

本発明は、従来用いられている高透磁率金属材料が有す
る前記諸欠点がなく、磁束密度が高く、角形比が大きく
、耐食性が優れ、かつ硬度の大きい非品質合金を提供す
ることを目的とするものである。

本発明は、前記目的を達成するため、原子比率でＳｉ３
〜１６％，Ｂ５〜２４％で、しかもＳｉとＢの和が１８
〜２７％、Ｎｉ０．１〜４０％残部Ｆｅよりなる非晶質
合金に関するものである。

次に本発明を詳細に説明する。

通常金属は固体状態では結晶状態であるが、ある特殊な
条件、例えば特殊な合金組成と超急冷凝固させた場合に
は固体状態でも液体に類似した結晶構造を有しない原子
構造が得られ、このような金属あるいは合金は非品質合
金と称されている。

この非晶質合金はそれぞれの成分組成に応じてある温度
で結晶性合金に変化し、非品質合金としての特性が失わ
れ、前記温度は結晶化温度と称され、本発明の非晶質合
金の結晶化温度はほぼ４２０〜４９５℃の範囲内にある
。

本発明者等は本発明の前記特定成分組成を有する非品質
合金が磁束密度が高く、角形比が大きく、耐食性が優れ
、かつ硬度の大きいことを知見した。

第１表に本発明の非晶質合金、本発明の成分組成の範囲
外の非晶質合金並びに従来一般に用いられているスーパ
ーマロイ、Ｍｏ−Ｃｕ−パーマロイについて、それらの
成分組成ならびに磁気特性を示す。

第１表においてＮｏ．１〜８は本発明の非品質合金の代
表例であり、これらの非晶質合金は残留磁束密度Ｂｒな
らびに角形比が大きい等優秀な磁気特性を有することが
判る。

なお、比較例Ｎｏ．９〜１１は非晶質合金ではあるが、
その成分組成は本発明の合金の成分組成の範囲外にあり
、本発明の合金に比し、残留磁束密度Ｂｒは著しく減少
しており、また角形比は９０％以下である。

また比較例扁１２，１３はそれぞれスーパーマロイ、４
−７７Ｍｏ−Ｃｕパーマロイであるが、本発明の合金は
これら従米の最も優秀な軟磁性材料に比し、角形比が大
きく、最大透磁率、また残留磁束密度においても極めて
優秀な性能を有することが判る。

また前記スーパーマロイ、Ｍｏ−Ｃｕパーマロイのピツ
カース硬度Ｈｖは１２０位あるのに対し、本発明の非晶
質合金は７００〜８５０と非常に硬いため、従来の材料
のような歪による特性の劣化が非常に少ない。

さらにまた本発明の非品質合金はＮｉの添加によって耐
食性が優れており、従来の結晶質合金に見られる粒間腐
食は全然見られないという特徴を有する。

次に本発明の非品質合金の製造方法を説明する。

本発明の成分組成を有する合金溶湯を溶融状態から１０
４℃／秒以上の冷却速度で超急冷するこにより非晶質の
合金を製造することができる。

前記冷却速度が１０４℃／秒より遅いと完全に非晶質化
することができないので、１０４℃／秒以上の冷却速度
で超急冷する必要がある。

前記本発明の非品質合金を製造するには、例えば第１，
２，３図に概略を示す装置の何れかを用いることができ
る。

第１図において、１は下方先端に垂直にノズル５を有す
る石英管で、この石英管１の上端に設ける送入口２より
原料４ならびに不活性ガスを送入することができる。

石英管１の下方にノズル３を設け、ノズル３の先端に原
料４を溶融状態で噴出するスパウト５を設ける。

前記ノズル３を加熱する加熱炉６をノズル３を取巻いて
設ける。

スパウト５の垂直下方で外接あるいは僅かに離隔させる
ことのできるＡ，Ｂ２本の高速回転ロール８を設ける。

原料４をノズル３内で不活性ガス雰囲気下で加熱炉６に
よって加熱溶融させた溶湯をモーター７によって１００
０〜６０００ｒ．ｐ．ｍの高速回転されるＡ，Ｂ２本の
ロール８間に連続的に落下注入させると、前記溶湯は凝
固圧延されて非晶質合金を製造することができる。

前記ロールの離間距離および溶湯の落下注入量を調整す
ることによって、通常厚３０〜４０μ、幅１〜５ｍｍ、
長さ数ｍのリボン状非晶質合金を有利に製造することが
できる。

第２図に示す装置は、溶湯を溶融し落下させるまではそ
れぞれ第１図に示す装置と同一であるが（第１図の１，
２・・・・・・７はそれぞれ第２図の１０１，１０２・
・・・・・１０７に対応する）、第２図の装置にあって
は溶湯を高速回転する１枚の円板の外周面上に落下させ
て遠心力でリボン状に成形させつつ超急冷するようにし
た装置である。

第３図に示す装置において、２０１は下方先端、に水平
方向に噴出するノズル２０２を有する石英管で、その中
には原料金属２０３が装入され、溶解される。

２０４は原料金属２０３を加熱するための加熱炉であり
、２０５はモーター２０６により高速度、例えば５００
０ｒ．ｐ．ｍで回転される回転ドラムで、これは、ドラ
ムの回転による遠心力負荷をできるだけ小さくするため
、軽量で熱伝導性の良い金属、例えばアルミニウム合金
よりなり、内面には更に熱伝導性の良い金属、例えば銅
板２０７で内張リされている。

２０８は石英管２０１を支持して上下に移動するための
エアピストンである。

原料金属は、先ず石英管２０１の送入口２０１ａより流
体搬送等により装入され加熱炉２０４の位置で加熱溶解
され、次いでエアピストン２０８により、ノズル２０２
が回転ドラム２０５の内面に対向する如く、石英管２０
１が図に示す位置に下降され、次いで上昇を開始すると
ほぼ同時に溶融金属２０３にガス圧が加えられて、金属
が回転ドラムの内面に向かって噴流される。

石英管内部へは金属２０３の酸化を防ぐため絶えず不活
性ガス、例えばアルゴンガス２０９を送入し不活性雰囲
気としておくものとする。

回転ドラム内面に噴流された金属は高速回転による遠心
力のため、回転ドラム内面に強く接触せしめられること
により、超高速急冷却が与えられて非品質合金とするこ
とができる。

以上第１．２．３図にそれぞれ示す装置によれば繊維状
あるいはリボン状の非品質合金を製造することができる
。

１０４℃／秒以上で超急冷した本発明の非品質合金はそ
れぞれ優れた磁気特性を有するが、前記合金をさらに非
酸化性雰囲気あるいは真空中で結晶化温度未満乃至３０
０℃の温度範囲内で焼鈍することによってさらに磁気特
性を改質することができる。

また前記焼鈍を磁場下、応力下の何れか少なくとも１つ
のもとで行っても磁気特性を改善することができる。

本発明の非品質合金を実験データに基づいて説明する。

Ｆｅ６２．４，Ｎｉ１５．６，Ｓｉ８，Ｂ１４の本発明
の非品質合金の急冷したままのリボン状圧延試料を１０
０〜４５０℃の間の種々の温度で非酸化性雰囲気下で１
時間焼鈍して空冷した場合の磁気特性と焼鈍温度との関
係を第４図に示す。

同図より焼鈍温度３８０℃の場合保磁力Ｈｃは０．００
５０ｅ，残留磁束密度Ｂｒは１２，３００Ｇ、最大透磁
率μｍａｘは２００×１０４、角形比Ｂｒ／Ｂｍは９８
％であり、磁気増幅器、変圧器その他の電気機器用の材
料に好適に用いることができることが判る。

またＦｅ４６，８，Ｎｉ３１， ２ ，Ｓｉ８，Ｂ１４
の本発明の非品質合金の急冷したままのリボン状圧延試
料を１００〜４５０℃の間の種々の温度で非酸化性雰囲
気下で１時間焼鈍して空冷した場合の磁気特性と焼鈍温
度との関係を第５図に示す。

同図より焼鈍温度３７０℃の場合保磁力Ｈｃは０．００
８０ｅ、最大透磁率μｍａｘは１２５×１０４、角形比
Ｂｒ／Ｂｍは９８％であり、磁気増幅器、変圧器その他
の電気機器用の材料に好適に用いることができることが
判る。

Ｆｅ７８−Ｘ，ＮｉＸ，Ｓｉ８，Ｂ１４（第６図中●印
で示す）とＦｅ７８−Ｘ，ＮｉＸ，Ｓｉ１０，Ｂ１２（
第６図中○印で示す）の成分組成の非品質合金において
Ｎｉを０〜５５％の間で変化させてＦｅとＮｉとの和を
絶えず共に一定に、すなわち７８％としたものについて
、３８０℃で非酸化性雰囲気で１時間加熱焼鈍後空冷し
たリボン状試料について、磁気特性を調べた。

その結果を第６図に示す。同図より前者すなわちＦｅ
，ＮＩＸ ，Ｓｉ８，Ｂ１４の非晶質合金にあってはＮ
ｉが増加するに従い最大透磁率μｍａｘは増大し、Ｎｉ
が約１５％において最高の２００×１０４ となり、さ
らにＮｉが増加すると次第に減少することが判る。

一方ＦｅＮｉＸ，Ｓｉ１０，Ｂ１２の非晶質合金にあっ
ては、Ｎｉが増加するにつれて最大透磁率μｍａｘは単
調な減少を示す。

したがって磁束密度が大きく、かつ角形比の大きい高透
磁材料としては、前記２種の成分組成の合金の何れをも
使用することができ、Ｎｉは０．１〜４０％の範囲内が
良い。

またＦｅ６２．４，Ｎｉ１５．６，ＳｉＸ，Ｂ２２−Ｘ
の成分組成の急冷したまま非品質合金（第７図○印）と
３８０℃で１時間焼鈍し空冷した非晶質合金（第７図●
印）とについて、それぞれＳｉを４〜ｌ２％に変化させ
たものの磁気特性を調べた。

その結果を第７図に示す。

同図より急冷したままのものはＳｉ量を変えても磁気特
性はほとんど変化しないが、焼鈍したものにあってはＳ
ｉが８％のとき最高の最大透磁率μｍａｘ ２０×１０
４となり、Ｓｉ３〜１６％の範囲内が磁気特性が良いこ
とが判る。

本発明の非品質合金において、成分組成を限定する理由
を以下に説明する。

Ｓｉは３％より少ないと溶湯を超急冷しても非晶質化す
ることが困難であり、一方１６％より多いと高透磁率性
が失われ、また飽和磁束密度が低下するので、Ｓｉは３
〜１６％の範囲内にする必要がある。

殊にＳｉが５〜１２％の範囲内では第７図から判るよう
にμｍａｘが２０万〜２００万の良い特性の非品質合金
を得ることができ、さらにＳｉが６〜１０％の範囲内で
は９０万〜２００万の最も良い特性の非晶質合金を得る
ことができる。

Ｂは５％より少ないと超急冷しても非品質化することが
困難であり、一方２４％より多いと高透磁率性が失われ
飽和磁束密度が低下するのでＢは５〜２４％の範囲内に
する必要があり、１０〜１７％の範囲内ではさらに良い
特性の非晶質合金を得ることができ、１２〜１６％の範
囲内では最も良い特性の非品質合金を得ることができる
。

ＳｉとＢの和が１８％より小さいと超急冷しても非晶質
合金の製造が困難であり、一方前記和が２７％より多く
ても非晶質合金ができないから、ＳｉとＢの和は１８〜
２７％の範囲内にする必要があり、この関係を図示すれ
ば第８図のイロハニホで囲まれる範囲内となる。

なおＳｉ５〜１８％、Ｂ１０〜１７％かつＳｉとＢの和
２０〜２４％の成分組成範囲、すなわち第８図２で囲む
範囲内では前記のようにμｍａｘは２０万〜２００万と
なり、これらの成分組成範囲内でもＳｉ６〜１０５、Ｂ
１２〜１６％かつＳｉとＢの和２１〜２３％の成分組成
範囲、すなわち第８図３で囲む範囲内では前記のように
μｍａｘは９０万〜２００万の最も良い特性の非品質合
金を得ることができる。

Ｎｉは磁気特性を良くし、かつ耐食性を高める冫元素で
あり、Ｎｉが０．１％より少ないと前記磁気特性ならび
に耐食性の改善効果が少なく、一方４０％より多いと磁
気特性が低下するからＮｉは０．１〜４０％範囲内にす
る必要がある。

なお、本発明の非品質合金の焼鈍はこの合金の酸化を避
けるために非酸化性雰囲気下あるいは真空中で焼鈍する
ことが有利であり、また焼鈍は結晶化温度未満の温度で
行う必要があり、余り温度が低過ぎると焼鈍時間を長く
する必要があるので、通常３００℃前後から結晶化温度
４９５℃未満の温度範囲内で焼鈍を行うのが有利である
。

次に本発明を実施例について説明する。

実施例 本発明の非品質合金Ｆｅ５５，Ｎｉ２３，Ｓｉ１０，Ｂ
１２とＦｅ３１，Ｎｉ４７，Ｓｉ１０，Ｂ１２を前記第
１図に示す装置を用い圧延急冷法によって厚さ約３５μ
、幅約１．６ｍｍ、長さ数ｍのリボン状で造った。

得られた合金の非品質状態はＸ線回析によって確認した
。

リボンの長軸に沿って２〜３ｋｇ／ｍｍ２の張力を加え
た場合および２００Ｏｅの磁場を加えた場合についてい
ずれも１００〜４５０℃の温度に加熱して磁気特性を調
べた。

その結果を第２表に示す。

第２表に示すようにこれら合金の軟磁気特性は急冷した
ものに比べ倒れも熱処理したものの方が優れた値となっ
ている。

また熱処理中に張力あるいは磁場を加えると、保磁力Ｈ
ｃが約１／２〜１／１０に減少し、残留磁束密度Ｂｒと
最大透磁率μｍが２〜９倍に増加する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の合金を溶融状態から圧延超急冷するに
用いられる装置の概要を示す説明図、第２図は同じく円
板による超急冷する装置の概要を示す説明図、第３図は
同じく遠心法によって超急冷する装置の概要を示す説明
図、第４図はＦｅ６２．４， Ｎｉ １５．６，Ｓｉ８
， Ｂ１４の非晶質合金の軟磁性材料特性と熱処理との
関係を示す図、第５図はＦｅ４６．８ｔ Ｎｉ３１．
２，Ｓｉ８， Ｂ１４の非晶質合金の軟磁性材料特性と
熱処理との関係を示す図、第６図はＦｅ，ＮｉＸ，Ｓｉ
８，Ｂ１４ Ｆｅ，ＮｉＸ， Ｓｉ１０，Ｂ１２のＮｉ
の組成と磁性との関係を示す図、第７図はＦｅ６２．
４Ｎｉｌ ５，６ ＳｉＸ，Ｂ２２−ＸにおけるＳｉの
組成と磁性との関係を示す図、第８図は本願発明の合金
の成分中ＳｉとＢの成分組成範囲を示す図で、図中１．
２，３はそれぞれ特許請求の範囲第１，２，３項に対応
する組成範囲を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子比率で珪素３〜１６，％、硼素５〜２４％で、
   しかも珪素と硼素との和１８〜２７％、ニッケル０．１
   〜４０％残部鉄よりなる磁束密度が高く角形比の大きい
   高透磁率非品質合金。 ２ 原子比率で珪素５〜１２％、硼素１０〜１７チで、
   しかも珪素と硼素との和２０〜２４％、ニッケル０．１
   〜４０％残部鉄よりなる特許請求の範囲第１項記載の磁
   束密度が高く角形比の大きい高透磁率非品質合金。 ３ 原子比率で珪素６〜１０％、硼素１２〜１６％で、
   しかも珪素と硼素との和が２１〜２３％、ニッケル０．
   １〜４０％残部鉄よりなる特許請求の範囲第１あるいは
   第２項記載の磁束密度が高く角形比の大きい高透磁率非
   品質合金。