JPS5953344B2 - 鉄−ホウ素系ガラス質磁性合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガラス質合金、特にベリリウムを添加した鉄
−ホウ素ガラス質合金に関する。

ホウ素約１５〜２５原子パーセント、残部鉄から成る鉄
−ホウ素二元系ガラス質合金は、従来のガラス質合金と
比較して機械的、熱的および磁気的各特性がすぐれてい
るものとして、１９７７年７月１９日付米国特許第４０
３６６３８号に開示されている。

例えば、これらの合金は、限界引張強さが６０Ｏ、００
０ｐＳｉ（４．１４×１０９Ｐａ）、硬さが１３００ｋ
ｇ／一、結晶化温度が４７５℃（７４８゜に）（示差熱
分析によつて決定）、室温での飽和磁気が約１７０ｅｍ
ｕ／ｇ、保磁力が約Ｏ、０８０ｅ、そしてキューリ温度
が約３７５℃（６４８゜に）である。従来、飽和磁気を
低下させることなく、鉄−ホウ素系ガラス質合金の熱安
定性を増大させるいくつかの試みがなされてきた。

しかし、熱安定性を高めることが分かつた多くの元素、
例えばモリブデンは飽和磁気を実質上低下させまた飽和
磁気ひずみの低下も不十分であり、そのため用途によつ
ては許容されない。本発明によれば、鉄−ホウ素系ガラ
ス質合金にベリリウムを添加することによつて熱安定性
が改善されるとともに、その基本合金のもつ飽和磁気が
実質上保持される。

本発明に係る合金は、本質的に、ホウ素６〜１０原子％
、ベリリウム１０〜１４原子％（特に好ましくは１２〜
１４原子％）ならびに鉄および付随不純物８０〜８５原
子％から成り、約２０ｐμｍ以下の飽和磁気ひずみを有
する。ガラス質合金の熱安定性は多くの用途において重
要な特性である。熱安定性は合金の時間−温度変態挙動
によつて特徴づけられ、示差熱分析（ＤＴＡ）または磁
気的法（例えば、一度の関数としての磁化の程度による
）によつて一部決定することができる。本明細書でも考
慮されているように、相対的な熱安定性は、熱処理後に
保有する延性および曲げの程度によつても示される。Ｄ
ＴＡによつて観察されるように、同様な結晶上の挙動を
示すガラス質合金でも、同じ熱処理サイクルで処理した
ときに、脆化の程度が異なることがある。ＤＴＡで測定
する場合、結晶化温度Ｔｃは、ガラス質合金をゆつくり
加熱し（ほぼ２０〜５０゜Ｋ／Ｍｉｎ）、そのとき過剰
の熱が一定温度範囲内（結晶化温度）で発生するかある
いは過剰の熱が特定温度範囲（ガラス遷移温度）で吸収
されるかを知ることによつて決定される。特に、ガラス
遷移温度Ｔｃは最も低い結晶化温度つまり最初の結晶化
温度に近く、一般に、粘度が１０１３〜１０１４ポイズ
（１０１２〜１０１３Ｐａ）となる温度である。別法と
して、Ｔｃを決定するために磁気的方法を使用してもよ
い。例えば、ガラス質材料のガラス質から結晶質状態へ
の変態は磁化の急激な上昇を伴なう。この変態温度を本
明細書では結晶化温度として定鞠する。Ｔｃは加勢速度
によつて左右される赳゛め”：゛低い加熱速度、ｊ常”
は約１゜Ｋ／Ｍｉｎを使つてＴｃを決定する。一般に、
鉄−ホウ素系ガラス質合金は約６００〜６９０゜Ｋの結
晶化温度を示す（熱磁気的測定による）。

これらの合金のキユ一り温度は約５０゜低い。２つの理
由からこの結晶化温度を高めることが望ましい。

第１に、結晶化温度が高くなればその合金の耐用温度が
高くなるからである。ガラス質合金が結晶化するとしば
しばその物品がもろくク；ｇ：Ｇぢろん、“酎用温度が
高いこ｝゛１ま゛それだけ望まじ仏。−２゛１土、磁性
谷金を―鈍ｊ′▲としばしばその磁気的特性が改良され
、ぞのため完全に効果的なものとするために、この焼鈍
処理は、そのガラス質合金のキユ一り温度に近いかある
いはわずかに高い温度であつて、かつその結晶化温度よ
り低い温度で行なうべきである。キユ一り温度より上の
温度ではこのガラス質合金は磁性を示さない。したがつ
て、このキユ一り温度を経て冷却する期間中に、磁気異
方性がガラス質合金に誘導されるのが望ましい。もちろ
ん、結晶化温度より低い温度での焼鈍処理がガラス質合
金には望ましい。当然ながら、結晶化温度より低い温度
で焼鈍をすることによつで結晶化は防止されまたそのガ
ラス質合金が脆化するのも防止できる。本発明に係るガ
ラス質合金は、本質的にホウ素６〜１０原子％、ベリリ
ウム１０〜１４原子％（特に好ましくは１２〜１４原子
％）ならびに鉄および付随不純物８０〜８５原子％から
成る。

使用する各材料の純度は一般に商業的に行なわれている
場合にみられる程度である。

しかし、少量（数原子パーセントまで）の他の元素は存
在していてもよく、これは基本元素に由来するものであ
つてもあるいは故意に加えたものであつてもよく、それ
によつて合金の特性にほんのわずかな効果を及ぼすよう
にすることも本発明の範囲内である。そのような元素は
、例えば、ガラス形成性を改良するために使用してもよ
い。特に意図される元素としては、周期律表の第１Ｂ族
ないし第１Ｂ族および第族、の第４、５および６列の遷
移元素（鉄は除く）、および炭素、ケイ素、アルミニウ
ムおよびリンの両性元素（非金属元素）がある。ベリリ
ウムの含量は２つの理由からその範囲が限定される。

約２原子パーセントのベリリウムを添加すると基本とな
る鉄−ホウ素系ガラス質キユ一り温度および結晶化温度
の両方が２０゜以上高くなつてしまい、一方、ベリリウ
ムを約１４原子パーセントを越えて添加するとガラス質
というよりむしろ結晶性の材料が得られる。加うるに、
１０〜１４原子パーセント、特に１２〜１４原子パーセ
ントの範囲でベリリウムが存在すると、改良された熱安
定性、飽和磁気の最少の低下および飽和磁気ひずみの最
大の減少という条件が同時に満たされるという所望の複
合特性が与えられる。

したがつて上記添加範囲が好ましい。約１４原子パーセ
ントのベリリウムが磁気的特性と熱的特性との最良の組
合せを与えるため、最も好ましい。本発明に係るガラス
質合金は、基本となる鉄一ホウ素合金に比較してより高
いキユ一り温度および結晶化温度の両方を示す。

さらに、本発明のガラス質合金には、前記基本合金に比
較して飽和磁気ひずみの著しい低下（例えば低下率約５
０〜７０％）、および飽和磁気の最少の低下がみられる
。下記の例は、鉄−ホウ素合金にベリリウムを加えた場
合の効果を説明するために示すものである。次の組成す
なわち、ホウ素１８原子パーセント、べリリウム６原子
パーセントおよび残部鉄から成る合金は、室温での飽和
磁気が１５６ｅｍｕ／ｇ、飽和磁気ひずみが１２ｐｐｍ
、キユ一り温度が６９５゜Ｋおよび結晶化温度が７２１
Ｋであつて、これに対しその基本となる鉄一ホウ素合金
（ホウ素１８原子パーセント、残部鉄）では、それぞれ
、１７１ｅｍｕ／ｇ、３３ｐｐｍ、６４１Ｋおよび６５
８゜Ｋである。このように、６原子パーセントの鉄を６
原子パーセントのベリリウムで置き換えることによつて
、熱安定性に実質上の改良がなされるとともに、飽和磁
気はわずか９パーセントしか減少しないのに飽和磁気ひ
ずみをほぼ６５パーセントも減少させることができる。
これと対照的に、ホウ素２０原子パーセント、残部鉄の
基本合金において、その鉄の一部を６原子パーセントモ
リブデンで置換すると、飽和磁気が４１パーセント減少
しそして飽和磁気ひずみは６５パーセントを減少する。

さらに、キユ一り温度はほぼ２００゜Ｋだけ低下し、一
方結晶化温度はほぼ１００゜Ｋだけ上昇する。第１図は
２種のガラス質合金Ｆｅ８２−ＸＢｅＸＢｌ８およびＦ
ｅ８ＯＢｅＸＢ２Ｏ−０のキユ一り温度（θｆ）および
結晶化温度（Ｔｃ）の変化を゜゜ｘ゛の関数として表わ
すグラフである。

前者のガラス質合金については、両方の温度とも“゜Ｘ
”値の増加にしたがつて増大しているのが分かる。しか
し、結晶化温度はキユ一り温度より多少急激に増大して
いる。“ｘ゛値が大きくなるとその差が大きくなるが、
そのため結晶化温度に余り近づきすぎることなくその合
金のキユ一り温度を越えないように焼鈍温度を調整する
ことが一層容易になる。第１図における後者のガラス質
合金では、両方の温度は最初、“ｘ”値の増加に伴なつ
て増大し、次いで″ｘ”値がさらに大きくなると減少す
る。この場合にも、キユ一り温度と結晶化温度との差は
″ｘ゛値が大きいと増大し、したがつてその合金の焼鈍
は一層容易になる。第２図は２種のガラス質合金の飽和
磁気の変化を示す。

゜“ｘ”値（ほとんどの“゜Ｘ”値についてほぼ９パー
セント以下）が増加するにつれてわずかに減少している
が、これは最少と考えられる。しかし、これと対照的に
、Ｆｅ８Ｏ−ＸＭＯＸＢ２Ｏとして示されるように鉄を
ＭＯで置換した場合、第２図に示すように、飽和磁気が
実質的に減少してしまつｏ第３図は２種のガラス質合金
の飽和磁気ひずみの変化を示す。

“ｘ″の値が２〜６および１０〜１４の範囲にあるとき
に著しく減少するのが顕著である。飽和磁気（σ）の場
合のように直線的にあるいは二次関数的に比較するまで
もなく、予想されるように飽和磁気ひずみ（λ）はＦｅ
−Ｂ系に約２〜１４原子パーセントのＢｅを添加するこ
とによつて、はるかにすみやかに減少している。このよ
うに飽和磁気ひずみが減少すると、変圧器、テープヘツ
ドコア、リレーコアおよび他の電磁気装置に本発明合金
を使用した場合、作動時に発生する電気的雑音および音
響的雑音が少なくなる。本発明に係るガラス質合金は所
要組成の溶融体を少なくども約１０５℃／秒の速度で冷
却することによつて形成される。平板状の急冷ホイルお
よび急速冷却連続リボン、ワイヤ、シート等を製造する
には、当業界ですでに良く知られているように、各種の
方法が利用できる。通常は、特定の組成を選び、所要の
元素の粉末（あるいはフエロホウ素のように分解してそ
の元素を与える物質）の粉末を所望割合で溶解し、均質
化し、得られた溶融合金を、高速回転冷却シリンダのよ
うな冷却面上であるいは冷却かん水溶液のような適宜流
体中で、急速冷却する。このガラス質合金は空気中で形
成され得る。しかし、絶体圧力約５ｍｍＨｇ以下の部分
真空下でこれらのガラス質合金を形成することによつて
、すぐれた機械的特性が得られる。本発明に係るガラス
質合金は、Ｘ線回折法で｝Ｎｌｊ定して主としてガラス
質であり、好ましくは実質上すべてがガラス質である。
実質上すべてガラス質である場合には延性が改善される
ため、そのような合金が好ましい。実施例 均一な幅および厚さのリボン状ガラス質ストリツプの急
速溶解・製造を真空下で行なつた。

真空下で行なつたため、溶解または鋳込み時にみられる
合金の酸化および汚染が最少となり、また大気圧下で空
気中または不活性ガス中で処理したストリツプに通常み
られる表面欠陥（ブリスタ、バブルその他）がみられな
かつた。銅製シリンダは真空回転供給容器のシヤフトに
垂直に取り付け、ステンレス鋼製の真空室の中に置いた
。この真空室は両端にフランジが付けられ２つのサイド
ポートを有しており、拡散ポンプ装置に接続されていた
。この銅製シリンダは可変速度電動機によつて供給容器
を介して回転した。誘導コイルで取りかこまれたルツボ
は、真空室の内部にあつて回転シリンダの上方に置いた
。誘導電力の供給は溶融シリカから作つたルツボ内に収
容されている溶融合金に対して行なつた。ガラス質リボ
ンは、適宜非反応性ルツボ内で合金を溶解し、得られる
溶融体を、上からアハゴンで加圧して、ルツボの底部に
設けたオリフイスを通して、回転シリンダ（約１３００
０〜６０００ｆｔ／Ｍｉｎ−９１４．４〜１８２８．８
ｍ／Ｍｉｎ）の回転表面に放出・鋳込むことによつて製
造した。このような溶解および鋳込みは、真空度を調節
するためにアルゴンなどの不活性ガスを使用し、約２ｃ
ｍの部分真空下で行なつた。このような真空溶，解鋳造
装置を利用してベリリウムを含む多くのガラス形成性鉄
−ボロン合金を鋳込み、急冷して、実質上均一な厚さお
よび幅を有する連続リボンとした。一般にその厚さは３
５〜５０μｍの範囲にあり、幅は２−３１１］ｎであつ
た。得られたリボンはガ；ラス質であるかどうかについ
てＸ線回折法およびＤＴＡによつて検査した。磁気特性
は慣用のｘヒステリシス装置および試料振動型磁力計を
使つて測定した。キユ一り温度および結晶化温度は、温
度の関数としての磁気変化を測定することによつ：て決
定した（温度上昇は１゜Ｋ／分）ガラス質リボンは急冷
したままの状態ですべて延性であつた。１・鉄の一部を
ベリリウムで置換した場合：本質的にボロン１８原子パ
ーセントから成る組成５をもつたガラス質合禽を前述の
ようにして製造した。

ベリリウム含量は２〜・１４原子パーセントの間を変え
、残部（約８２〜７２原子パーセント）は本質的に鉄で
あつた。各組成のものについて測定された飽和磁気、キ
ユ一り温度、結晶化温度および飽和磁気ひずみを次の第
１表に示す。（第１表のデータは参考例として示したも
のである。）２・ボロンの一部をベリリウムで置換した
場合：本質的に、鉄８０原子パーセントから成るガラス
合金を前述のようにして製造し、ベリリウム含量を２〜
１４原子パーセントの範囲で変え、残部（約１８〜６原
子パーセント）は本質的にボロンとした。

飽和磁気、キユ一り温度および結晶化温度についての結
果を次の第１１表に示す。（第１１表中最後の３つの合
金が本発明の合金であつて、他は比較のため参考として
示したものである。第表 以上、本発明をかなり詳細に説明してきたが、その細部
は厳密にそのままである必要はなく、多くの変更・修正
は当業者にとつて明らかであり、それらはいずれも特許
請求の範囲によつて規定される本発明の範囲内のもので
あることが理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガラス質合金Ｆｅ８２−ＸＢｅＸＢｌ８およ
びＦｅ８ＯＦｅＸＢ２Ｏ−０について、キユ一り温度（
θＦ，゜Ｋ）および結晶化温度（Ｔｅ，Ｋ）を“Ｘ”値
（原子パーセント）に対して示したグラフである。 第２図は、ガラス質合金Ｆｅ８２−ＸＢｅＸＢｌ８およ
びＦｅ８ＯＢｅＸＢ２Ｏ−０について、Ｆｅ８Ｏ−ＸＭ
ＯＸＢ２Ｏ（従来技術）と比較して、室温における飽和
磁気（Ｅｍｕ／ｇ）の変化を゛゜ｘ”値（原子パーセン
ト）に対して示したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 本質的に、ホウ素６〜１０原子％、ベリリウム１０
   〜１４原子％並びに鉄および付随不純物８０〜８５原子
   ％から成り、２０ｐｐｍ以下の飽和磁気ひずみを有する
   、少なくとも５０％ガラス質であるベリリウム置換型鉄
   −ホウ素系磁性合金。 ２ ベリリウム含量が１３．５〜１４原子％である、特
   許請求の範囲第１項に記載の合金。 ３ 少なくとも８０％ガラス質である、特許請求の範囲
   第１項に記載の合金。 ４ 本質的に、ホウ素６〜１０原子％、ベリリウム１０
   〜１４原子％並びに鉄および付随不純物８０〜８５原子
   ％から成り、２０ｐｐｍ以下の飽和磁気ひずみを有する
   、少なくとも５０％ガラス質であるベリリウム置換型鉄
   −ホウ素系磁性合金を用いた電磁気コア。 ５ 前記合金のベリリウム含量が１３．５〜１４原子％
   である、特許請求の範囲第４項に記載の電磁気コア。 ６ 前記合金が少なくとも８０％ガラス質である、特許
   請求の範囲第４項に記載の電磁気コア。