JPS6019125B2

JPS6019125B2 - 捲鉄心材料

Info

Publication number: JPS6019125B2
Application number: JP51122196A
Authority: JP
Inventors: 健増本; 啓安藤森; 清渡辺; 繁弘大沼
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1976-10-12
Filing date: 1976-10-12
Publication date: 1985-05-14
Also published as: JPS5346698A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は改良された磁気特性を有する捲鉄心材料に関す
るものである。

さらに詳しくいえば、本発明は磁歪常数（＾ｓ）と磁気
的異方性が極めて小さく、透磁率特に初透磁率仏ｉが著
しく大きい軟磁性非晶質合金からなり、微小電流の検出
などに使用される変流器などに好適に用いられる捲鉄心
材料に関するものである。通常金属は固体状態において
は結晶となっているが、適当な組成の合金を溶融状態か
ら１ぴ〜１ぴ℃／ｓｅｃという速い冷却速度で超急冷凝
固させると非結晶状のものになる。

このような金属又は合金は非晶質金属又は非晶質合金と
呼ばれ、Ｘ線、電子線回折などの解析手段で結晶を示す
回折像を生じない。このような非晶質合金からなる磁性
材料は、結晶質合金さらなる磁性材料と異なり、結晶に
起因する磁気異方性を有しないため、磁歪を非常に小さ
くすると、好ましくは入ｓ＝０の条件が満たされると低
保磁力及び高透磁率が得られることになり、これを達成
するため多数の研究がなされている。例えばシャーウッ
ドらは鉄、コバルト系二元組成あるいは鉄、コバルト、
ニッケル系三元組成の非晶質について磁歪（＾ｓ）が零
となる組成点についての研究を行っている（ＡｍＣｏｎ
ｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃ．２４（１９７４），Ｐ．７４
５）、鉄、コバルト、ケイ素、ホウ素についてはＦｅ４
．７Ｃｏｍ．３Ｓｊ，５８ｏの組成点が入ｓ≠０であり
、急冷状態で保磁率０．０１ｏｅ．最大透磁率（仏ｍａ
Ｘ）１３×１びという報告がなされている（金属学会誌
１５．Ｎｏ．３（１９７６），ｐ１８８）。

また、鉄、コバルト、ホウ素系について、Ｆｅ６Ｃｏ７
４Ｂ２ｏの細貝ら点で、＾ｓ＝０．４×１０‐６，Ｈｃ
＝０．０３句ｅ，リｍ批＝２８×１ぴを示し、このもの
は低磁場での磁気特性がすぐれているとの報告がある。
（虫Ｍ／ｌｎに皿ａｇ．ＪｏｉｎｔＣｏｎｆｅｒｅＭｅ
，Ｊｕ肥（１９７６），Ｐｉｔｔ，ＰＡ，ＵＳＡ）。そ
のほか、鉄、コバルト、ニッケル、リン、ホウ素「アル
ミニウム系の非晶質合金について、鉄、コバルト、ニッ
ケルのみの三元組成に基づき、ニッケルが２５原子％以
下の組成範囲で入ｓ＝０になる組成線が知られ、Ｆｅ３
Ｃｏ７２Ｐ，６氏ＡＩ３の組成点のものが、急袷状態で
Ｈｃ＝０．０２＄ｅ，また２７０ｑｏ、４５分、３のｅ
の磁界中で熱処理しＨｃ＝０．０１＄ｅを得ることがで
きたとの報告がある。しかしながら、これらの報告から
明らかなように、これまでの非晶質合金は、急冷状態の
ままでは、保磁力の最小値は０．０１ｏｅ程度であり、
これ以下のものは知られていなかった。ところで、捲鉄
心用材料としては、高透磁率に加えて保磁力ができるだ
け低いもの、例えば０．０１雌以下のものが望ましい。

このように保磁力の低い磁性材料としてはパーマロィ系
磁性材料特にスーパーマロイ（Ｎｉ符Ｍ巧Ｆｅ，７）が
知られている。このスーパーマロィは、水素雰囲気中で
慎重に高温熱処理した場合に、０．００敗ｅという最４
・の保磁力を示す軟磁性材料である。しかしながら、こ
のスーパーマロィ系磁性材料は高価であるし、またその
すぐれた磁気特性を維持するには使用に際して磁性材に
応力が加わらないように配慮しなければならないという
欠点があるため、捲鉄心用材料としてまだ十分満足しう
るものとはいえない。本発明者らは、機械的性質、磁気
的特性においてすぐれていることが知られている非晶質
合金により、前記のスーパーマロィに匹敵する高透磁率
、低保磁力の磁性材料を、しかも熱処理などの特殊な改
善処理を加えずに製造することについて種々研究を重ね
た結果、透磁率や保磁力に大きな関係をもつ磁歪を決定
する要因が、遷移金属の構成比率だけにあるのではなく
、遷移金属と、ケイ素、ホウ素、リン、炭素のような半
金属との比率によっても磁歪が零の組成を得ることがで
きることを見出した。

すなわち、これまで知られていた磁歪零の組成は鉄の含
有量がすべて７原子％以下であるのに対し、遷移金属成
分（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）と半金属成分（Ｓｉ，８，Ｐ）
の割合を適当に選択することにより、鉄の含有量が７原
子％よりも大きいところでも磁歪がほとんど零になる組
成領域が存在する。例えば第１図は（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ
）ｘ（Ｓｉｏ．４＆．６），ｏｏ−ｘの組成をもつ非晶
質合金においてＥｅ，Ｃｏ，Ｎｉの成分合計を１００と
してｘを変えたときの磁歪零になる組成線を示すグラフ
であるが、この図から明らかなように、特にニッケル含
有量の２５原子％以上の領域においては鉄含有量７原子
％以上でも従来公知の磁歪の小さい高透磁率磁性材料よ
りもはるかにすぐれた特性をもち磁歪零の非晶質合金が
存在する。

そして、遷移金属成分の合計量の対する鉄の原子比（原
子％）をｙ、遷移金属成分の合計量をｘ（原子％）とし
たとき、第１図に示されている磁歪が０になる各組成線
は、ニッケルの含有量が２５原子％以上の領域において
は直線となっているから、一次式ｙ＝ａｘ十ｂ・・・・・・
ｍの関係を有することになる。

次にこの｛１｝式について、ｘ＝７０，７５，８０，８
５に対する第１図のｙの値を読み取ると、それぞれｙ＝
６．２，８．２，１０．２，１２．２カギ得られるので
、こられの値を‘１｝式に代入して、ａとｂとを求める
とａ＝０．４，ｂ＝−２１．８となり、ｙ＝一２１．８
十０．心 …・・・‘２’の式が
満足されたときに＾＝０が成立することが分る。

しかるに、この＾＝０になる条件は、一般に、半金属の
種類や組成比によって、ある程度変動し、計算値と実際
に必要な鉄の原子比との間に偏差を生じるのを免れない
。

そして、本発明における偏差△ｙの最大値は後記する第
１表から１．７になることが分るので、それを上記■式
の許容範囲として考慮すると、式一２２．５十０．舷≦
ｙ≦−２０．１十０．舷 ……｛３’
を満足する場合に本発明の目的が達成されることになる
。

本発明によれば、従来用いられている鉄、ニッケル系高
透磁率非晶質合金磁性材料の透磁率の改善を目的として
、鉄が３〜１３原子％、ニッケルが２５〜６０原子％、
ケイ素、ホウ素、リン及び炭素の少なくとも１種が１０
〜３０原子％からなり、所望に応じクロム及びマンガン
の中の少なくとも１種を１５原子％以下、モリブデン、
ジルコニウム、チタン、アルミニウム、バナジウム、ニ
オブ、タンタル、タングステン、銅、ゲルマニウム、ベ
リリウム及びビスマスの中から選ばれた少なくとも１種
を１０原子％以下、イットリウム、ランタン、セリウム
、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、プロメチウム
、ヨーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロ
シウム、及びオルミウムの中から選ばれた少なくとも１
種を５原子％以下を含み、残りがコバルトである合金を
、１ぴ〜１ぴｏｏ／ｓｅｃの速度で溶融状態から超急冷
し非晶質化した場合、その急冷状態のまますぐれた透磁
率を示すものが得られる。

このようにして得られた非晶質合金を単に結晶化する温
度以下で暁錨処理するか、あるいは磁界中又は応力の作
用下若しくは磁界中で応力の作用下に焼鈍処理を行い、
磁気履歴曲線の形状を変化調整させることにより透磁率
をいっそう改善することができる。

すなわち、本発明は、■鉄、ニッケル及びコバルトの三
元系遷移金属成分７０〜９０原子％と、（Ｂ｝ケイ素、
ホウ素、リン及び炭素の中から選ばれた少なくとも１種
の半金属成分３０〜１０原子％からなり、鉄の含有量が
３〜１３原子％、ニッケルの含有量が２５〜６０原子％
であることを特徴とする非晶質合金からなる捲鉄心材料
を提供するものである。

前記の組成においては半金属成分中にケイ素は２５原子
％以下、ホウ素が３０原子％以下、リンが３０原子％、
炭素が３０原子％以下が好ましい。この非晶質合金は、
前記の必須成分に加えて、前述したように、所望に応じ
Ｃｒ，Ｍｎを１５原子％以下、Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉ，山，
Ｖ．Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｃ↓ Ｑ，Ｂｅ，Ｂｉを１０原子
％以下、Ｙ，い，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｐｍ，Ｅｕ
Ｇｄ，Ｔ℃，Ｄｙ，Ｈｏを５原子％以下の量で含有す
ることができる。次に前記成分組成の非晶質合金を製造
する方法の１例を添付図面に基づいて説明する。

第２図は非晶質合金を製造する装置の１例を示す概略図
である。

図において１は下方先端に水平方向に噴出するノズル２
を有する石英管で、その中には原料金属３が装入され、
溶解される。４は原料金属３を加熱するための加熱炉で
あり、５はモーター６により高速度で、例えば５００仇
．ｐ．ｍ．で回転される回転ドラムであり、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、軽量で熱伝導性のよい金属、例えばアルミニウム合
金よりなり、内面にはさらに熱伝導性のよい金属、例え
ば鋼板７で内張りされている。

８は石英管１を支持して上下に移動するためのエアーピ
ストンである。

原料金属は先づ石英管１の送入口ｌａより流体搬送等に
より菱入され、加熱炉４の位置で加熱熔解され、次いで
エアーピストン８により、ノズル２が回転ドラム５の内
面に対向するごとく、石英管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３にガ
ス圧が加えられて、金属が回転ドラムの内面に向って噴
流される。

石英管内部へは金属３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９を送入し、不活性雰囲気と
しておくものとする。回転ドラムの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ため、超高速冷却が与えられて非晶
質金属となる。１例としてこのような製造方法にて作ら
れた（ＦｅＣｏＮｊ）７８Ｓｉ６氏６組成の飽和磁化の
値Ｂ幼（外部磁界２のｅ・における磁束密度）とＨｃの
値を第３図と第４図に示した。

第１図より明らかなように（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）７８Ｓ
ｉ６Ｂ．６の入ｓ≠０の組成線、すなわちＦｅＦｅ＋Ｃ
。

十Ｎｊの原子比率で１０．１原子％のＦｅ含有量の線に
沿って保磁力の小さな組成が存在し、第４Ｎｊ図に示し
た結果ではＮｉがＦｅ十Ｃ。

十Ｎｊの原子比率で約５０〜６５原子％の組成領域では
飽和磁化は小さくなるがＨｃが２〜４ｍｏｃ．と従釆全
く知られていない極めて小さな値の軟磁性材料が得られ
た。次に本発明の捲鉄心用高透磁率非晶質合金における
各成分の含有量を限定する理由を説明する。ケイ素は合
金組織の非晶質化を助長し非晶質合金の硬度を高める元
素であるが２５原子％より多いときには非晶質合金とす
ることが困難で、かつ合金を腕化するで、２５原子％以
下にする必要がある。またケイ素単独では第５図、第６
図より明らかなように非晶質化することはできない。ホ
ウ素、リン、炭素はケイ素と同様非晶質化組織を助長す
る元素であるが、これらのうち少なくとも１種の含有量
が１０原子％未満の場合と３０原子％を越えた場合、現
状の技術水準で到達可能な１び。

０／ｓｅｃ．程度の急袷速度では、非晶質化できなくな
り、かつ合金が硫化するので１０〜３０原子％の範囲内
にする必要がある。

さらにＳｉ，Ｂ，Ｐ，Ｃの半金属の総量が３５原子％を
超えると非晶質化が困難となる。リンの一部をケイ素で
置換したＰ−Ｓｉ系では第５図に示したごと〈非晶質化
できなくなる点がホウ素とリンの相違点である。

鉄は第１図に示した磁歪零の組成の半金属含有量の影響
と非晶質化を可能にする半金属の量、すなわち１０〜３
０原子％の範囲内での制約から３原子％より少ないとき
及び１３原子％より多いときは磁歪の小さな組成の選択
が不可能になり、透磁率が減少して、捲鉄心用に従来よ
り使用されているパーマ。

ィ系合金と比較してその優位性、磁気的特徴を失なう。
ニッケルは透磁率を高める元素であるが６０原子％を越
えると、磁気変態点温度（キューリー温点）が室温以下
になり、強磁性を失うので６０原子％以下にする必要が
ある。

一方２０原子％以下でもニッケルの透磁率改善効果は得
られるが、従来公知の保磁力値Ｈｃ＝０．００敗ｅ．を
下まわる著しく透磁率の高い優れた欧磁性材料が得られ
ないので、ニッケルは２５原子％以上とすることが好ま
しい。またニッケル２５原子％以上の組成で磁気異方性
定数Ｋｕが約１ぴｅｒｇ／ｃ椎と小さくなる。次に本発
明の実施例をあげ詳細に説明する。

実施例１純鉄（純度９９．９％）７．８原子％、電解
コバルト（純度９９．９％）２３．４原子％、モンドニ
ッケル（純度９９．９５％）４６．８原子％、シリコン
（純度９９．９９９％）６原子％、クリスタルボロン（
純度９９％）１６原子％をタンマン炉に入れ、アルゴン
ガス中で１５００ｑｏにて溶解し、その後急冷して母合
金を得た。この母合金を第２図の装置にて非晶質化した
。すなわち母合金をノズル中に入れ、電気炉にて１２５
０ｑ０で加熱し、アルゴンガスで圧力をかけつつ４００
仇ｐｍで回転するドラムに吹き出し、１ぴ℃／ｓｅｃで
急冷し試料を得た。この試料はＸ線回折、電子線回折に
よっても結晶構造は検出されず、非晶質合金であること
が確認された。次にその試料をトロイダル状に巻線して
磁気特性を測定したところ次の結果を得た。

Ｈｃ＝０．００Ｘだ，Ｂ２ｏ＝３５００，Ｂｒ／＆。

＝０．７８仏ｉ＝１２．８×１ぴ仏ｍａｘ＝２６．７×１ぴ実施例２実施例１と同様にしてＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｂ−Ｐ
系で組成を変えリボン状非晶質合金を作成した。

得られた試料の磁気特性を測定し、その結果を第１表に
示した。これらの結果より本発明のＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ−
Ｓｉ−Ｂ−Ｐ系のＮｉ含有量の多い磁歪の小さな組成物
で保磁力が極めて小さく、初透磁率が著しく大きい高透
磁率磁性材料が得られることが従来品の高透磁率磁性材
料と対比しても明らかである。

また、比較例から分るように、Ｎｉ含有量が２０原子％
未満のものは保磁力の点で本発明の範囲内のものに比べ
て劣っている。第１表．歪が０になる、の原子比燐の計算式ｙ＝−２１．８十
０．４ｘＫより計算された数値との間の偏差実施例３
実施例１及び２と同様な条件で第１表の合金号２の組成
（Ｆｅ７．８Ｃｏ偽Ｎｉ３，．２Ｓｉ６Ｂ６）の非晶質
合を中６伽、厚さ４０仏ｍの形状に製作し、この急・状
態の試料を重ね捲きして外径１７側、内径１３柳、高さ
６側の環状捲鉄心を作った。

この環状捲鉄心について雲相変流器（Ｚ．ＣＴとしての
性能を測定した。

ＺＣＴは漏電による感電事故死および漏電による火炎事
故防止のため、電磁遮断器と組合され亀ブレーカーとし
て、一般家庭にも普及し始めおり、小型化、高感度化の
要求がある。

なお、比較のため非晶質の捲鉄心と同一形状中６肋、厚
さ０．１伽のスーパーマロィを使った状捲鉄心とさらに
Ｍｎ−Ｚｎ系高透磁フェライト（ＴＤＫ製日５Ｂ材）で
同一形状の環状試料を準し、５０ＨＺの商用電流でＺＣ
Ｔとしての性能を測定した。

その結果を第２表と第７図に示した。非晶質合金とスー
パーマロィの捲鉄心は外径１９．仇吻、内径１１．５柳
、高さ８．２側のプラスチック製鉄心用ケースに挿入固
定して捲線時に応力が加わらないように配慮し、その上
から０．１２◇ＵＥＷ銅線を５００回それぞれに捲いた
。環状フェライト磁心の場合には絶縁テープを試料に捲
き、その上に直接前記銅線を捲いて測定用試料とした。
ＺＣＴは一般に第８図に示したような構成で検出する漏
電々流に対して１ターン貫通で用いられる。

検出電流感度としては２５ｍＡ位で遮断するようになっ
ているが１５ｈＡや５ｍＡと高感度のものもあり高感度
化の要求と小型化の要求も強い。漏電流２５ｈＡでは環
状鉄心に印加される磁界は約０．００６敗ｅとなる。第
２表は漏電電流に対応する一次側電流値と二・側出力電
圧の関係すなわち電流感度と過入力特を示したものであ
る。

第２表漏電時に遮断すべき感度電流値に到達した時、現在の漏
電プレー力では半導体増中回路を併用しても二次側出力
電圧は８〜１仇ｈＶ必要である。

この感度電流をより小さくするためには初透磁率ｒｉの
より高い材質を使用するか、二次側捲線を増す方法のど
ちらかが選択される。二次捲線を増すことはＺＣＴの体
積を増し、出来上り寸法が大きくなること、二次側捲線
の内部抵抗が高くなりＳ／Ｎ比が低下すること、また価
格の上昇につながり不都合である。そこでＺＣＴ用磁心
としては山ｉのより高い材質が望まれており６ｍ○ｅの
磁界で一ｉが１００，０００以上のものが要求される。
また一方一次側に回路の短絡等で過大な電流が流れた場
合、ＺＣＴの鉄心に大きな磁界が印加される。例えば５
０Ａの電流が瞬時的にせよ通電されたとき、本実施例で
は約１ぶた．にも達し、磁心は飽和近くまで磁化された
高透磁率材料に顕著に生ずる透磁率の低下現象が起り、
二次側出力電圧が通常の作動状態では低下する不都合が
生ずる。この変化率は小さいもの程望ましく、ある許容
範囲内におさえるために二次側に負荷抵抗をつないで出
力電圧の安定化を計っているが、ＺＣＴ鉄心の磁気特性
はこのため実質的には相当磯性‘こして使用されること
になる。次に述べる滋心の温度特性と併せて負荷抵抗値
は決定されるが変化の大きいもの程負荷抵抗値は小さく
なり、この結果二次出力電圧は低下して不都合を生ずる
。第７図は無負荷状態における二次側出力電圧の温度特
性の測定結果である。

これらの結果より本発明の非晶質合金は二次側出力電圧
が高く過入力特性、温度特性ともスーパーマロィよりも
優れ、ＺＣＴ用高透磁性材料に好適であることが明らか
である。

以上説明したように本発明で用いられる磁歪が小さい非
晶質高透磁率合金はＦｅ−Ｃｏ−Ｍ−Ｓｊ−Ｂ−Ｐ系を
基本として鉄の含有量が３〜１３原子％の適当な組成を
選択することによって用途に応じた磁気履歴曲線の形の
調整や、低磁場における著しく高い透磁率を得ることが
できること、非晶質本来の性質であるその製造方法から
薄板試料が容易に製造できること、かつ電気抵抗が従来
の金属磁性材料の約２．牙音程度大きいことから、高周
波特性にも優れ、広帯域トランス、パルストランス・マ
イクロアンペアで作動する磁気増中器用鉄心、微小電流
用変流器鉄Ｄ‘こ好適な材料を提供することができる。

図面の簡単な説明第１図は、（Ｆｅａ，ＣｏｂＮｊｃ）
ｘ（ＳｉｅＢｆ）ｙにおいて、ｘをパラメータとして、
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｊの組成比を変化させた場合の入ｓ≠０
の組成線を示すグラフ、第２図は非晶質合金を製造する
ために用いられる装置の一例を示す説明図、第３図は（
ＦｅＣｏＮｉ）７８Ｓｉ６Ｂ６において、Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉの組成比を変化させた場合のＨｃの関係を示すグラ
フ、第４図は同じくＺ。

の関係を示すグラフ、第５図及び第６図は非晶質化可能
なＰ，Ｂ，Ｓｉの範囲を示す組成図、第７図はフェライ
ト、スーパーマロィ及び本発明非晶質磁性合金を用いた
零相変流器の二次側出力電圧の温度特性を示すグラフ、
第８図は本発明非晶質磁性合金を用いた零相変流器の概
略図である。第６図第了図第１図第２図第３図第５図第８図第４図

Claims

【特許請求の範囲】１（Ａ）鉄、ニツケル及びコバルトの三元素遷移金属
成分７０〜９０原子％と、（Ｂ）ケイ素、ホウ素、リン
及び炭素の中から選ばれた少なくとも１種の半金属成分
３０〜１０原子％からなり、鉄の含有量が３〜１３％、
ニツケルの含有量が２５〜６０原子％の範囲にあり、か
つ遷移金属成分の合計量を×（原子％）、遷移金属成分
全量に対する鉄の原子比をｙ（原子％）としたとき、式
−２２．５＋０．４ｘ≦ｙ≦−２０．１＋０．４×で示
される条件が満足されている非晶質合金からなる捲鉄心
材料。２（Ｂ）成分において、ケイ素の含有量が２５原子％
以下の範囲で選ばれる特許請求の範囲第１項記載の捲鉄
心材料。