JPS60165349A - 高張力軟磁性Ｆｅ基合金急冷薄帯 - 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】 この発明はモーターの回転子等に使用される軟磁性材料
に関し、特に高抗張力布しかつ鉄損値が低い高抗張力軟
磁性材料に関するものである。

従来一般に使用されているモーターの回転子には、主と
して電磁鋼板を積層したものが用いられている。このよ
うなモーターの回転子の回転数は、現行のものでは高々
１０万「ｐＩｌ程度以下であり、その回転子素材の電磁
鋼板としては、磁気特性が優れた高級無方向性珪素鋼板
が主として使用されていた。

ところで最近ではモーターの高効率化の要請に伴なって
モーターの回転速度をより一層高めることが必要とされ
るようになり、モーター回転子に対して、２０〜３０万
ｒｐｌあるいはそれ以上の回転数が要請されるようにな
っており、したがってモーター回転子の材料としてもそ
のような高速回転に耐え得ることが要求されるようにな
っている。

またこのようにモーターを高速回転化した場合には、軸
受が機械的なベアリングでは摩耗が激しく、モーター効
率を著しく劣化させると同時に信頼性が悪化する問題が
あり、そこで最近では磁気軸受が考案されているが、こ
の場合の磁気軸受も１種の電動機を構成するものであっ
て、その磁気軸受の回転子もモーター回転子と同様に２
０〜３０万ｒｐｍの高速回転に耐え得ることが要求され
る。

モーターや磁気軸受の回転子が２０〜３０万ｒｐ脂とい
う高速で回転すれば、回転子自体に加わる遠心力による
応力も著しく大きくなり、回転子材料が破壊するおそれ
がある。すなわち、第１図に示すような内径ｒｌ　、外
径「２の円板が回転した場合、その円板の外周方向に加
わる遠心力による応力Ｆは、次のように見積ることがで
きる。

ここではＴは材料密度、ωは角速度、９は重力加速度、
請はポアソン比を表わす。上記の式から明らかなように
、円板に加わる応力は、外径の２乗および回転数の２乗
に比例する。したがって回転数が高くなれば回転子に加
わる応力は著しく大きくなり、回転子が２０〜３０万ｒ
ｐｍの高い回転数で回転した場合の応力による回転子の
破壊を防止するためには、回転子材料に対して場合によ
っては１００　ｋｏ／−を越えるような高抗張力が必要
とされる。

ところで一般に鉄系材料の機械的強度を増加させる方法
としては次の■〜■に示すような方法が知られている。

■Ｃ，Ｓｔ　、Ｍｎ　、Ｐ等の添加により固溶体強化を
図る方法； ■Ｎｂ、Ｔｔ、Ｖ等の添加により析出強化を図る方法： ■Ｎｂ　、　■＋　、ｖ等の添加や熱処理によって細粒
化による強化を図る方法： ０Ｍ０１Ｃｒ等の添加と熱処理によって組織強化を図る
方法： ■冷間加工によって加工強化を図る方法：これらの方法
のうち、電磁鋼板に対する強化方法としては、固溶体強
化法あるいは細粒化強化法が、磁気特性を損わずかつ靭
性も劣化させないことから最適であると考えられている
。ここで固溶体強化法は、合金元素が固溶することによ
って結晶格子が歪み、これにより転位の運動に対する抵
抗力が高まって鋼材が強化されることを利用したもので
あり、また細粒化強化法は、結晶粒微細化によって粒界
を増加させ、その粒界によって転位の運動を妨げること
で鋼材を強化させるものである。

一方、モーターや磁気軸受の回転子に使用される磁性材
料は、磁気的に軟質な材料、すなわち軟磁性材料である
ことが必要であり、そしてその特性として軟磁気特性が
優れていること、換言すれば磁壁移動が容易であって磁
束密度で表わされる励磁特性が優れていること、および
鉄損値が低いことが重要である。さらに特に高速回転す
る場合の回転子は、高周波特性の優れていることが要求
される。ここで、モーター等の回転数Ｎと周波数ｆとの
関係は次式で表わされる。

ｆ−Ｎ−Ｐ／１２０　（１−ｓ　） 但しＰはモーター極数、Ｓは辷りである。この式から理
解されるように、回転数が２０〜３０万「ｐｍの場合に
は、数ｋＨｚ〜数十ｋＨ２の高い周波数領域で鉄損値が
低い軟磁性材料が要求される。

しかるに軟磁気特性は、機械的強度と相反するのが通常
である。すなわち、一般に軟磁気特性を向上させるべく
磁壁移動を容易にする方法としては、結晶粒径を大きく
し、また転位、析出物、介在物を減少させて、磁壁移動
の妨げとなるものを可能な限り少なくする方法が採られ
ているが、このような方法は、機械的特性の点からはと
りもなおさず強度や抗張力を減少させる方法となってい
る。

したがって従来は、軟磁気特性が良好であって、しかも
高い抗張力を有する軟磁性材料を得ることは困難である
と考えられていた。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、特
に高周波特性が優れ、しかも高抗張力を有する、モータ
ー等の高速回転子に適した軟磁性材料を提供することを
目的とするものである。具体的には、磁束密度Ｂｓｏ値
（５０００Ａ／ｉの磁場における磁束密度）が１．５丁
以上、鉄損Ｗ１ｏＡｏ０゜値が（磁束密度１．０丁、周
波数１　ｋＨｚでの鉄損）１００ｗ／ｋｇ以下を示し、
かつ抗張力が７０ｋｏ／−以上を示すＦｅ基合金の軟磁
性材料を提供することを目的とするものである。

本発明者等は上述のような目的を達成するべく鋭意実験
・検討を重ねたところ、溶湯をノズルから回転する冷却
体上に吹付けて急速に凝固させる所謂急冷凝固法（液体
急冷法）を適用することによってｌ”ｅ基合金薄帯材料
を作成し、しかもその場合のＦｅに対する合金成分を適
切に選定することによって上述の要求を満足する材料が
得られることを見出し、この発明をなすに至ったのであ
る。

すなわちこの発明の軟磁性材料は、急冷凝固法によるＦ
ｅ基合金急冷薄帯材料であって、その合金成分として、
Ｓ１２．５〜７．０％を含有し、かつＴｉ０００５〜３
．０％、Ｗ　Ｏ，０５〜３．０％、ＭＯｏ、０５〜３．
０％、Ｍｎ　Ｏ，１〜１１．５％、Ｎ　ｉ　０．１〜２
０．０％、および、Ｂｏ、ｓ〜１３．０％のうちから選
ばれた１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび
不可避的不純物よりなることを特徴とするものである。

以下この発明についてさらに詳細に説明する。

この発明の軟磁性材料は、前述のように急冷凝固法によ
って作成されたものであるが、この急冷凝固法の特徴と
しては、急冷凝固自体の効果として、 ■固溶限の拡大を図ることができる； ■凝固時の偏析を減少できる； ■結晶組織が微細化される： さらに急冷凝固法による直接製板化の効果として、■難
加工材を直接薄板として製造できる；■集合組織として
（１００）　Ｃｏｋｉ’）ができる；など、従来の通常
の溶解−詩造一圧延法にはない特徴を有する。特に回転
子用の高抗張力軟磁性材を製造する上においては、上記
のうち■、■の特徴が有利に作用する。すなわち、モー
ターや磁気軸受の回転子に使用される磁性材としては、
磁化容易軸が板面内のあらゆる方向にあることが必要で
あるが、前記特徴■に掲げたように、急冷薄帯はそのま
まで（１００）（ＯＪ’）組織が得られるから、回転子
材料には極めて有利である。また高抗張力を実現しよう
とする場合には、材料が硬く、跪くなって加工性が著し
く劣化することが多いが、前記特徴■に掲げたように圧
延等の加工を施さなくても直接薄板の製造が可能であり
、したがって薄板を積層して使用するモーター回転子材
料において高抗張力化を図るに有利である。

上述のような観点から、この発明においては急冷凝固法
による急冷薄帯を採用することとした。

そして本発明者等は、急冷凝固法による軟磁性Ｆｅ基合
金急冷薄帯の合金成分について、次のような実験・検討
を行った。

先ず、電解鉄に種々の」の８ｉを添加するとともに種々
の量のＭＯもしくはＮ１を添加した合金を溶解し、その
合金溶湯をノズルから回転する双ロールの接触部に連続
注入することによって、急速凝固させた。得られた１０
０〜２００μ謹厚の薄帯試料に対して、インストロンで
荷臣を加えて抗張力を測定した。それらの結果を第２図
、第３図に示す。

第２図には、ＳｌおよびＭＯを複合添加した場合の８１
添加量および〜１０添加ｎど抗張力との関係を示ず。第
２図から、Ｓｌを含有する鉄にＭＯを添加すれば、抗張
力が確実に向上することがわかる。ここで、ＭＯを添加
せずに８１を６．５％以上にした損金にも、７０廟／ｄ
以上の高抗張力を得ることもできるが、その場合には材
料が脆くなって使用上不利となる。したがって３１含有
量を下げて、その分だけＭＯ等の元素を添加することに
より脆さを改善し、しかも高抗張力化を図ることが望ま
しい。

第３図には、ＳｌおよびＮｉを複合添加した場合の８１
添加量およびＮｉ添加量と抗張力との関係を示す。第３
図から、３ｉを含有する鉄にＮｉを添加した場合も抗張
力が確実に向上し、例えば４．５％３ｉ−Ｆｅ合金にＮ
ｉを５％添加した場合の抗張力は、はぼ６％５ｔ−Ｆｅ
合金の抗張力と等しいことがわかる。なおＮｉを添加し
た場合には伸びも１０〜２０％あり、靭性が向上するこ
とも、回転子材料としては有利である。

また本発明者等は、４，５％５ｔ−Ｆｅ合金に種々の量
のＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、もしくはＡ１を添加し
て、前記同様に急冷薄帯を製造′し、抗張力を測定した
。その場合のＷ等の各合金の添加量と抗張力との関係を
第４図に示す。第４図からＡｌ＜ｌ　＜Ｍｎ　＜Ｔｉ　
＜ＭＯ＜ＶＪの順に抗張力が大きくなることがわかる。

ここで、これらの元素を多量に添加することは、その合
金の飽和磁束密度を低下させる原因となり、その意味か
らは望ましいことではないが、機械的特性からは上記実
験結果に示すように有利となる。したがってこれらの元
素の添加量を適切に設定することが両者の特性を満足さ
せる上で重要である。

さらに本発明者停は、４．５％５ｉ−Ｆｅ合金に種々の
ｍの’ｖＶ、Ｔｉ　、Ｍｏ　、Ｍｎ　１Ａｌ、もしくは
Ｎｉを添加して、前記同様に急冷薄帯とし、各急冷薄帯
を水素中において９５０℃で焼鈍した場合の鉄損ＷＩＯ
／＋ｏｏθを調べた。その結果を各添加元素の添加量と
対応して第５図に示す。第５図から、Ｗ、ＭＯ、ＴＩを
添加した場合には生母の添加でも鉄損の劣化が著しく、
一方Ｍｎ　ｓ　Ａｐ、ｘ＋を添加した場合には鉄損の劣
化はさほど大きくないことがわかる。このように各添加
元素が鉄損に対して及ぼす悪影響の程度は異なるから、
抗張方向上のために添加するこれらの元素の添加口は、
それぞれの鉄損に対する影響の程度を考讃して設定する
必要がある。

以上のように急冷薄帯として３ｉ含有鉄にＷｌＭ　ｏ　
、Ｔ　Ｉ　、Ｍ　ｎ　ｓ　Ｎ　ｉ−あるいはＡ１の１種
以上を添加することは、Ｓｉ量を減少させて材料の脆化
を防止しつつ高抗張力を得るに有効であり、またその場
合の各元素の添加量は高周波領域での鉄損特性を大幅に
劣化させずまた磁束密度を低下させない範囲として適切
な範囲が存在することがわかる。本発明者等はこのよう
な実験結果に基いてさらに実験を積み重ねた結果、高抗
張力軟磁性［”ｅ基合金急冷薄帯としての適切な成分組
成を見出し、この発明をなしたのである。

次にこの発明における成分限定理由を説明する。

Ｓｉ　：３ｉはこの発明のＦｅ基合金急冷薄帯の基本的
な合金成分であり、Ｓｉ量が２．５％よりも少なければ
、α→γの相変態を生じて電磁特性を著しく損うと同時
に、機械的特性としても著しく陥くなり、また電気抵抗
が低下して高周波磁気特性（鉄損特性）も劣化する。一
方Ｓｉ量が７％を越えれば鋼板が著しく跪くなり、歩留
りや生産性が悪化するとともに、飽和磁束密度が低下す
る。したがって８１含有量は２．５〜７．０％の範囲内
とした。

Ｗ：Ｗは抗張力を高めるに著しく有効な元素であるが、
０．０５％より少なければその効果が少なくまた３％を
越えれば磁気特性、特に鉄損特性が著しく悪化する。し
たがってＷは０．０５〜３％の範囲内とした。

Ｍｏ：Ｍｏも抗張力を高めるに有効な元素であるが、０
．０５％より少なければその効果が期待できず、一方３
．０％を越えれば磁気特性、特に鉄損特性も悪化するか
ら、ＭＯは０．０５〜３．０％の範囲内とした。

７ｉ　：Ｔｉも抗張力を高めるに有効な元素であるが、
０．０５％より少なければその効果がほとんど得られず
、′一方３．０％を越えれば１１気特性、特に鉄損特性
が悪化するから、Ｔｉは０．０５〜３．０％の範囲内と
した。

Ｎｉ　：Ｎｉも抗張力を向上させるに有効な元素である
。／／、０．１％より少なければその効果はほとんど得
られず、一方２０％を越えればα→γ相変態を生じ、非
磁性γ相の体積率が増加して、磁気特性が著しく損われ
、飽和磁束密度も低下する。したがってＮ＋添加量は０
．１〜２０．０％の範囲内とした。

Ｍｎ：Ｍｎも抗張力を高めるに有効な元素であるが、０
．１％未満ではその効果が著しく小さい。一方１１．５
％を越えればα→γ相変態を生じて非磁性γ相が増加し
、磁気特性が著しく劣化すると同特に、跪くなって歩留
り、生産性が低下する。したがってＭ　ｎは０．１〜１
１．５％の範囲内とした。

Ａｊ２：Ａｊ２も抗張力を高める元素であるが、０．５
％未満ではその効果が期待できず、一方１３％を越える
場合には熱処理の方法によっては規則格子を形成して、
鋼板が著しく脆くなり、製品化が困難となるから、０．
５〜１３．０％の範囲内とした。

なおＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｊ７はいずれか１
種を上述の範囲内で単独で添加しても、あるいは２種以
上を複合添加しても良い。但し２種以上を複合添加する
場合、その合計量は１３％程度以下とすることが望まし
い。

次にこの発明の急冷薄帯の製造方法について説明する。

先ず前記成分組成の合金溶湯を公知の方法によつで溶製
し、その合金溶湯を双ロール法、単ロール法あるいはベ
ルト法等の急冷凝固法（液体急冷法）によって急冷凝固
させる。ずなわち、合金溶湯をノズルから双ロール、単
ロールもしくはベル１−等の回転冷却体上に連続的に吹
付けて、急速に凝固させ、急冷薄帯とする。ここでノズ
ルに供給する際の合金酒漬温度はその合金の溶融温度よ
り５０゛Ｃ以上高いことが望ましい。すなわち、溶融温
度＋５０℃未満の場合には、溶湯がノズル中で冷却され
る影響によって溶湯がノズル孔内で凝固し、ノズル詰り
を生じて連続的に薄帯が製造できなくなるおそれがある
。

上述のようにして得られた急冷薄帯は、これそのままモ
ーター回転子等の磁性材料として使用しても良いが、こ
の場合機械的強度は優れるものの、磁気特性は未だ満足
できる程度には至らない。そこで、急冷凝固によって得
られた薄帯に適切な熱処理を施すことが磁気特性を向上
させる上で有効である。すなわち、７００℃以上、望ま
しくは９００℃以上の温度で３０秒〜６０分間程度の短
時間保持する焼鈍処理を施すことが有効である。第６図
に、４．５％３ｌ−Ｆｅ合金急冷薄帯および１％Ｗ−１
％Ｍｏ　−４，５％５ｉ−１”ｅ合金急冷薄帯を種々の
温度で焼鈍した場合の焼鈍温度と鉄損Ｗ１０　Ａｏｏｏ
との関係を示す。第６図から明らかなように、いずれの
合金においても焼鈍温度の上昇とともに鉄損が減少し、
特に９００℃以上で著しく鉄損が小さくなる。但し焼鈍
温度が１０００℃を越えれば、鉄損の減少度合いは小さ
くなる。

上述のように焼鈍により急冷薄帯の磁気特性が向上する
原因は、焼鈍によって結晶粒径が粗大化すること、およ
び粗大化した結晶粒が板面に対しく１００１００）（ｏ
の方位をもつことにある。したがってこのような焼鈍を
施すことが、急冷凝固法の特徴をより一層有効に活用し
ていると言える。

以上のような高抗張力軟磁性材料は、商用周波数で使用
す場合には電気抵抗が７０〜９０Ωと高いため、そのま
ま積層して使用しても問題は少ないが、高周波領域で使
用する場合には、材料表面の絶縁が必要とされる。すな
わち、磁性材料を高周波領域で使用する場合は、通常の
商用周波領域での動作と比較して渦電流損が著しく増大
する。

この場合、鋼板磁性材を薄厚材として積層して使用すれ
ば、高周波特性に対して有利となるが、各層間の絶縁が
不完゛分であれば、板同士が接触して、薄い板を積層し
た効果が失われることになる。すなわち、厚い板を高周
波領域で動作させた場合と同じことになり、磁気特性が
劣化する。したがってこの発明の軟質磁性急冷薄帯材料
を積層して実際のモーター回転子等に使用する場合も、
密着性の良好な絶縁被膜を１表面に塗布しておくことが
望ましい。

また、この発明の急冷薄帯を実機に適用する際には、モ
ーターコア等の形状に打抜いた後に、打抜きによる歪を
除去するため、７００〜８００℃程度の温度で歪取焼鈍
を施すことが望ましい。

以下にこの発明の実施例を記す。

実施例１ 第１表の試料番号１〜４に示すように、４．５％５ｉ−
Ｆｅ合金をベースとしてこれにＮ＋、Ｍｅ等を添加した
各合金の溶湯をＦＢ製し、その１５７０℃の温度の各合
金溶湯をノズルから回転する冷却双ロールの接触部に注
湯し、急冷凝固させて、直接製板を行なった。得られた
急冷薄帯の厚みは０．１ｒＡｗ、板幅は２００ＩＩｌｌ
であった。各−帯について、水素中において１０００℃
で５分間焼鈍し、焼鈍後の機械的特性および磁気特性を
調べた。その結果を第１表に併せて示す。

実施例２ 第２表の試料長＠５〜９に示すように、５．５％３ｉ−
Ｆｅ合金をベースとし、これにＭＯ，ＩＴＶ等を添加し
た各合金の溶湯を溶製し、その１５７０℃の温度の合金
溶湯をノズルから回転する冷却双ロールの接触部に注渇
し、急冷凝固させて直接製板を行なった。得られた急冷
薄帯の板厚は０．１■、板幅は２００ＩＩｌｌｌｌであ
った。各３帯について、水素中において１０００℃で５
分間焼鈍し、焼鈍後の機械的特性および磁気特性を調べ
た。その結果を第２表に併せて示す。

第１表、第２表から明らかなように、４．５％Ａ１−１
”ｅ系もしくは５．５％５ｉ−Ｆｅ系をベースとし、こ
れにＭｏ、ＷｌＮｉ等の１種または２種以上を添加した
この発明の成分範囲内の急冷薄帯は、いずれも焼鈍後の
抗張力が７０　ｋｏ／−以上に達しており、しかも鉄損
Ｗ　１ｏ　ｙｔｏｏ−が７５ｗ／ｋｇ以下であって１０
０ｗ／ｋｏ以下の目標値を充分に達成しており、また磁
束密度も１．６０　Ｔ以上であって１．５０７以上の目
標値を充分に達成している。

以上のようにこの発明の軟磁性Ｆｅ基合金急冷薄帯材料
は、７０　ｋａ／−以上の極めて高い抗張力を有し、し
かも高周波領域での鉄損が低いとともに磁束密度も高く
、したがって特に高速で回転するモーターや磁気軸受の
回転子等に適用して有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は中空円板に加わる応力を説明するための略解図
、第２図はＭＯ−３ｉ−１”ｅ系急冷薄帯におけるＳｉ
ｌＭｏ１ｌと抗張力との関係を示す相関図、第３図はＮ
ｌ　−８ｉ−Ｆｅ系急冷薄帯における８１量、Ｎｉｌと
抗張力との関係を示す相関図、第４図は４．５％３ｉ−
１”ｅ系をベースとし、Ｗ、ＭＯ等の各種元素をそれぞ
れ添加した急冷薄帯における各添加元素の添加量と抗張
力との関係を示す相関図、第５図は同じり４．５％３ｉ
　−Ｆｅ系をベースとし、Ｗ、ＭＯ等の各種元素をそれ
ぞれ添加した急冷薄帯における各添加元素の添加量と鉄
損Ｗ１０　Ａｏｏｏとの関係を示す相関図、＠６図はこ
の発明の急冷薄帯に対する焼鈍温度と鉄損Ｗ１゜／１ｉ
ｌＤＯとの関係を示す相関図である。 出願人　川崎製鉄株式会社 代理人　弁理士　豊田代入 （ほか１名） １図 ＠２認１ ’Ｓ；　（ｗ＋％）ｉｎ　Ｆｅ 癌、−３崗 ０　１　２３４　５６７’　８　９ ８Ｈ（ｗ＋Ｋ）ｉｎ　Ｆｅ ユ呑乃ａ１元、＋　（Ｗｔ　Ｚ） シ本１ｒＪ７ｃ大（ｗｔス） 篇６１ノコ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｓｉ２．５〜１．０％（重層％、以下同じ）を含有し、
   かつＴｉ　Ｏ，０５〜３．０％、ｗ　ｏ、ｏｓ〜３．０
   ％、ＭＯｏ、０５〜３．０％、Ｍｎ　Ｏ，１〜１１．５
   ％、Ｎ＋０．１〜２０．０％、およびＡｌｏ、５〜１３
   ．０％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し
   、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴
   とする高張力軟磁性Ｆｅ基合金急冷薄帯。