JPS61212450A - 板厚が大きく靭性のすぐれたＦｅ基非晶質合金薄帯 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は移動する冷却基板の表面で溶融状態にある金属
（合金）を急冷凝固する方法によってつくられる板厚が
大きく、かつ靭性のすぐれたＦｅ基非晶質合金薄帯に関
するものである。

〔従来の技術〕

金属（合金）を溶融状態から急冷して連続的に薄帯をつ
くる方法として基本的なものに遠心急冷法、単ロール法
で代表される溶融紡糸法がある。

この方法は回転する金属製ドラムの内周面又は外周面に
溶融金属のジェットを噴出して急冷凝固させ、−気に金
属の薄帯や線をつくるものである。

この方法によれば冷却速度がきわめてはやいので、合金
組成を適正に選ぶならば液体金属に類似した構造をもつ
非晶質金属（合金）を得ることができる。

非晶質金属（合金）は特異な性質によって実用的に注目
されている金属材料であるが、冷却速度に関する制約か
ら一般に薄い板厚の材料しか製造できない点が応用範囲
を制限していた。

一般に非晶質合金の限界板厚は合金組成に依存すること
が知られておＦ）　、Ｈａｇｌｗａｒａらの報告（Ｓｅ
１．Ｒｅｐ、Ｒｅｓ、　　ｒｎａｔ、Ｔｏｈｏｋｕ　　
Ｕｎｌｖ、Ａ−２９（１９８１）　　ｒ３５１）によれ
ば、片面冷却法の一つである単ロール法を用いてＦｓ−
８１−Ｂ合金を非晶質化する場合板厚は”７５””ｌＯ
Ｂ＋５が２５０　Ｊｉｍでもっとも厚く、この成分から
遠ざかるに従い板厚は小さくなることが示されている。

しかしながら、実用的な幅（２０ｓａ＋以上）を有する
薄帯についてはこのように大きな板厚は得られないこと
は経験的に知られている。その理由の１つは薄帯の幅が
広くなるに従い、冷却速度が低下するためである。すな
わち板幅が大きくなるに従い、冷却基板の熱負荷は大き
くなシ、基板温度が上昇し、結果として冷却速度が低下
する。冷却速度の低下は当然の事ながら、同一合金組成
に対して非晶質状態で得られる板厚を小さくする。

Ｈａｇｌｗａｒａらの結果が大きな限界板厚を示した理
由は彼らの実験が冷却速度のはやい狭幅ｙｚン（１ｍ巾
）で行われたためと思われる。

冷却条件の悪い幅広材料の板厚限界は、Ｈａｇｉｗａｒ
ａらの結果に比べてかなシ小さく、２５ｍ幅の場合４５
μｍ程度であった。これより板厚を大きくする丸めに、
製造条件を変えても良い材料は得られない。すなわち、
従来の片面冷却法において板厚を変える製造パラメータ
は１）ノズル開口部の幅（基板移動方向の長さ）、１１
）溶湯噴出圧力、＋ｉ＋）ノズルと冷却基板の間隔、ｉ
い冷却基板の移動速度の４つと考えられてきたが、これ
らのノ４ラメータを変えるだけでは４５μｍを越える板
厚を得ることはできなかった。ノ９ラメータの適正範囲
を越えて無理に厚い板厚をつぐろうとすると、できた薄
帯の形状や表面性状、特性（ｆｊＩｉ性、機械的性質）
が劣化した。

このように幅広で板厚の大きな実用性の高い材料をつく
ることは技術的にきわめて困難な状況にあったが、最近
２５．４ｍ幅の薄帯において８０μｍ厚の薄帯の製造が
可能になったことが報告されている（　Ｊｏｕｒｎａｌ
　ｏｆ　ＡｐｐＨ＊ｄ　Ｐｈｙｓｌｃｓ　ｖｏＬ　５５
　。

Ａ６（１９８４年）Ｐ、１７８７）。それによると、Ｆ
・８０Ｂ１４．５Ｓ’！、５Ｃ２合金において急冷まま
の薄帯の曲げ応力による破壊歪（∈ｆ）は板厚の増加と
ともに低下し、４０μｍ厚以上では０．０１以下の小さ
な値になることが示されている（第１図参照）。ここで
破壊歪は通常ε（＝＝　ｔ／（２ｒ−ｔ　）で表わされ
る。ここでｔは薄帯の板厚、ｒは曲げ半径である。

板厚６０μｍの場合破壊歪が０．０１以下であるという
ことは、材料を直径６ｗ以下のシリンダーに巻くことが
出来ないことを意味する。これは材料利用上の欠点とな
る。例えば巻き鉄心においてコーナ一部Ｏｒに制約を与
えることになるほか、脆さが巻き加工中の材料破断の頻
度を多くする。

このような材料利用上の要求から板厚が厚いだけでなく
、機械的性質のよい非晶質材料の出現が望まれていた。

このような要求にある程度応える靭性のすぐれた厚手の
非晶質合金薄帯を製造する方法を本発明者らはすでに見
い出している。それは第２図に示すような複数個のスロ
ット状開口部６，６をもつノズル５を用い、このノズル
を通して合金の溶湯を移動する冷却基板上に流出させ薄
帯とするものである、従来用いられている単一スロット
のノズルでは板厚が５０μｍ以上で形状のよい薄帯は得
られなかった。その理由は、たとえスロットの幅（基板
の移動方向に測った長さ）を広げて・臂ドル（ノズルか
ら流出した溶湯が基板上で形成する湯溜シ）は不安定と
なシ、即ち溶湯の供給と薄帯の形成のマスバランス（物
質収支）が平衡しないため、均一な形状および材質の薄
帯はつくれないからである。またパドルが不安定である
と合金と基板との熱接触が低下して冷却速度が落ち、作
製された薄帯は結晶化したり、脆くなったりした。

上記多重スロットのノズルを用いてつくられる板厚の大
きな非晶質薄帯は、それ以外の方法でつくられたもの（
前記引用文献Ｊｏｎｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐＨｅｄＰｈ
ｙａｉｅｓ　ｖｏｌ、　５５．　Ａ６　（１９８４年）
ｐ、１７８７）に比べて曲げ応力による破壊歪∈ｆが大
きいすなわち靭性がすぐれていることが確認されている
（第１図参照）。

しかしながら上記の改良された従来方法によってつくら
れた非晶質薄帯についても、用途によっては靭性、ある
いは延性が不充分であることが指摘されてきた。破壊歪
∈ｆは一般に板厚の増加とともに減少するため板厚の大
きな倒斜で特に実用上の問題が多く生じた。改善された
従来法によってつくられた板厚８５μｍ　Ｏ”’５（１
−５”４．５Ｂ１２Ｃ１（原子％）のｅＥｆは０５０１
５〜０．０２であり、同等の組成（”８０Ｂ１４．５８
’３．５０２　）でほぼ同じ板厚８２μｍの上記引用文
献に示される従来材のＧｆ　　Ｏ，００６に比べて３倍
程度靭性がすぐれているが、数値そのものが小さく実用
に際して問題が解消したわけではなかった。

そこでこのような厚手非晶質合金に付随する脆い欠点を
最小限に抑え、靭性および延性のすぐれた厚手非晶質合
金薄帯の出現が待望されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、厚く、広幅で、かつ機械的性質のよい、特に
曲げ破壊歪の大きいＦｅ基非晶質合金薄帯を提供するも
のである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のＦ・基非晶質合金は、溶湯を移動する冷却基板
の上に噴出し、急冷してつくられるもので板幅が少くと
も２０　ｍ　、板厚が少なくとも５０μｍであり、かつ
曲げ応力に対する破壊歪（ｅｆ）のた靭性を有する。こ
こで６ｆ　＝ｔ／（２ｒ−ｔ）で、ｔは薄帯の板厚、ｒ
は曲げ変形したときに材料が破壊する曲げ半径である。

本発明の非晶質合金の破壊歪の大きさを材料の板厚に対
して示したのが第１図である。従来材および改良された
従来材に比べて本発明の薄帯はさらに破壊歪が大きく、
靭性が改善されていることが分る。同等の組成をもつＦ
＠基合金に対して、同じ板厚でＧｆの大きさを比較して
みると、板厚７０μｍのとき、従来材の０．００７　、
改良された従来材の０．０２〜０．０３に対して本発明
材は０．０４〜０．０６の高い値を有する。これは従来
材が１０−φ、改良された従来材が２．７ｍφのシリン
ダーに巻き付けられるとき、しばしば破断が生ずるのに
対して、本発明材では２ＭφのシリンダーＫｅいても全
く破断が起らないほどの高い靭性を示すことを意味する
。

本発明の厚い非晶質合金薄帯は先に説明したように第２
図に示すような複数のスロット状開口部をもつノズルを
用い、それを通して合金の溶湯を移動する冷却基板上に
流出させ薄帯とする。冷却基板は熱伝導のよい材質でつ
くられたロール、シリンダー、ベルトなどが用いられる
。多重ノズルを用いることによって大きな・母ドルが安
定に保持され、しかも、上流側で形成された凝固部が下
流側に位置する開口部から噴出される溶湯流の圧力によ
って再度基板に押し付けられるため、長い時間にわたり
基板との高い熱接触状態が実現される。

このため移動方向に長く形成されるパドル（パドルは条
件によシ、合体して一体になる場合と、複数個に分れる
場合があυ得る）と高められた冷却速度、したがって大
きな凝固速度によって、厚い非晶質薄帯の製造が可能と
なる。

本発明の厚手非晶質薄帯の高靭性は前述の多重スロット
ノズルを用いる方法を採用するとともに溶湯が凝固した
後とくに合金のガラス遷移温度以下の冷却速度を高める
手段によって達成される。

温度範囲は合金のガラス遷移温度から３００℃以下の温
度までの冷却速度がとくに重要で、本発明の高靭性の厚
手非晶質薄帯はこの温度域を１０００Ｃ／秒よシはやい
平均冷却速度で冷やすことによって得られる。ここで冷
却速度は薄帯の自由面（冷却基板に接触する面と反対の
面、すなわち雰囲気側の面）の冷却速度をいう。冷却速
度を求めるために、必要な鋳造中の薄帯の温度は例えば
特開昭５９−６４１４４号公報に開示される接触式の温
度計によって測定できる。

靭性を高めるために冷却速度を制御すべき温度域の上限
はガラス遷移温度とすべきであるが、これは合金によっ
て異なるだけでなく非晶質合金では正確な値を求めるこ
とが困難なことが多い。このため制御温度域の上限は５
００℃とした。

実際に冷却速度を制御するためには少なくとも鋳造中の
薄帯の自由面上、異なる２点で測温する必要がある。本
発明では温度の計測は第３図のような方法で行なわれた
。第３図はｍａ中の薄帯１がロール２の表面に張り付い
ている個所の温度を測る方法を示すもので、高温側のム
点と低温側のＢ点又は０点（＃帯の１−中央）に接触式
温度計３゜４の端子を接触させる。なお５はノズルであ
る。

ム点およびＢ点又は０点で計測された温度を外挿（又は
内挿）すれば他の位置の温度を概算できる。

したがって５００℃から３００℃の間の平均冷却速度を
計算できる。

先に述べた５００℃から３００℃の間の平均冷却速度１
０００℃／秒は５０μｍ以上の板厚をもつ従来のＦｅ基
非晶質合金の曲げ破壊歪音大巾に向上させるための臨界
冷却速度である。

次に臨界冷却速度を越えるはやい冷却速度で薄帯を冷や
すための具体的手段について説明する。

５００℃から３００℃までの冷却速度に影響を及ぼす因
子は板厚が一定の場合、溶湯温度、ロール周速、ロール
温度および薄帯と熱伝達媒体との熱的接触状態表どが考
えられるが、本発明者らはこのうち薄帯の熱的接触状態
が最も支配的であることを実験的に見出した。単ロール
法で非晶質金属の薄帯を作製する場合、ｌｖ湯の湯溜シ
からロールによって引き出された薄帯は、引き出された
後も短時間ロールと熱的に接触した状態にある。直径６
００　ｗｍ　ｅ幅７０５ｗ＊の調合金製の単ロールを用
いて、２５１幅の非晶質合金薄帯をつくるとき、薄帯の
板厚が８０μｍ以下ならば、ロールと接触状態にある薄
帯の冷却速度は１０００℃／秒以上でめった。通常の製
造条件の範囲で溶湯偏度、ロール周速、ロール温度を変
えても冷却速度は大幅に変わらなかった。しかし、薄帯
がロールを離れ、大気中に放されると冷却速度は一気に
１０２程度も低下した。

したがって、５００〜３００℃の間の冷却速度を１００
０℃／秒以上に高める方策としては薄帯がその自由面温
度が少なくとも３００℃に低下するまでロールとよい熱
的接触状態を保持することが一つの方法である。板厚が
４０〜５０μｍ以下の薄い薄帯の場合、ガス圧力やナイ
フェツジあるいは巻き取シなどによって強制的に剥離し
ない限９、薄帯はロールに張シ付いているので、剥離位
置を適切に定めるだけでよいが、板厚が厚くなるほど剥
離は早くなるので、薄帯をロールに押し付ける手段を講
する必要がでてくる。このために薄帯自由面にガスの吹
き付け、押し付はロールによる押し付けなど公知の方法
が採用できる。またロール径を大きくすることも接触時
間を長くするために有効である。

薄帯とロールの接触時間を長くする方法は約８０μｍ厚
以下の薄帯に有効でありたが、それを越えると、冷却速
度は不充分となシ、シばしば１０００℃／秒を下回こと
かある。このような場合、さらに補助冷却手段を講じる
必要がある。補助冷却手段としては第４図に示すような
補助冷却ロール７．７・・・やベルト、ドライアイス、
水など全薄帯の自由面に接触させて薄帯を両面から冷却
する方法、および／又は剥離後直ちに２次冷却を行なう
方法がある。

次に本発明の合金の組成について述べる。

本発明の非晶質合金薄帯はＦｅｉ主成分とし、Ｂ。

Ｓｉ、Ｃ，Ｐ等の１種または２８１以上を半金属として
含む合金であυ、また要求される特性に応じてＦ・を機
械的性質を低下させない範囲で一部他の金属と置換して
もよい。すなわち磁気特性を要求される場合にはＦ・の
輪以内の量をＣｏ、Ｎｌの１種または２程と置換しても
よい、また磁気特性改善のためにＭｏ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓ
ｎの１種または２′ｔ１１以上、耐食性改善のためにＭ
ｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＴＩ、Ｚｒ、Ｖ＊Ｈｆ＋Ｔｍ＋　　。

Ｗの１種または２種以上、機械的特性改善のためにＭｎ
、ムＡ、Ｃｕ、８１１等を添加してもよい。なお含有量
の範囲はＦｅは４０〜８２％（ａｔ％、以下同じ）（但
しＦ・の輪以内をＣｏ、Ｎｉの１種または２ａ［と置換
可能）％　Ｂは８〜１７％、８％は０〜１５％、Ｃは７
％以下、その他の元素は合計１０％以下の範囲で用途に
応じて選択される。また合金を構成する全元素の合計を
１００％とする。

〔実施例〕

次に実施例をあげて説明する。

実施例１ 凝固後の薄帯の冷却速度を制御できる単ロール装置を用
いて化学組成がＦ・８０．５８’６．５Ｂ１２Ｃ１（ａ
ｔ’）の非晶質合金薄帯を鋳造し、その機械的性質を調
べる実験を行なった。

用いた冷却ロールの直径は６００ａｓ、幅Ｔｏｗｓで溶
湯を噴出するノズルは第２図（ｂ）のタイプの３重スロ
ットノズル（幅ｄＯ０４■、長さ１２５■。

間隔＊　１　ｍ　）であった。

製造条件が噴出圧０．２１ｗ　／　ａｎ２、ロール回転
数ｇ　ｏ　ｏ　ｒｐｍ、　　リＩン剥離位＆をノズル直
下から外周に沿りて９２譚離れた位置とするとき（第３
図（ｂ）参照）、つくられる薄帯のＳＯＯ〜３００℃に
おける平均冷却速度は約６　Ｘ　１０３℃／秒となシ、
その板厚は平均５５μｍ　、　１８０’密着曲げによっ
て破壊しないすなわち∈ｆ＝１の高い靭性を有していた
。

実施例２ 実施例１と同一の装置で、同じ組成の非晶質合金薄帯を
つくった。製造条件が噴出圧０．２　ｋｇ／ｃｍ２゜ロ
ール回転数６００ｒｐｒａ、ＩＪｚン剥離位置を実施例
１と同じ９２備離れた位置とするとき、つくられる薄帯
の５００〜３００℃における平均冷却速度は約４．５Ｘ
１０　　℃／秒となシ、その板厚は平均７２１１ｍ　、
曲げ破壊歪は０．０４〜０．０６であった。

因みに冷却速度がｌ　Ｘ　１０３℃／秒より小さい条件
でつくられた同一合金の薄帯（従来材）は、板厚５５μ
ｍＯ薄帯に対して、破壊歪は０．０３〜０．０６板厚７
２／ＪｍＯ薄帯に対して、０．０１−０．０３であり、
本発明の厚手材の機械的性質がすぐれていることが分る
。

実施例３ 第４図に示す補助冷却手段を講じた単ロール装置によっ
てアモルファス薄帯を作製し、その効果を調べる実験を
行なった。ただし補助冷却用の付属装置を除き主要部は
実施例１に用いたものと同一である。また溶湯を噴出す
るノズルは第２図（、）のタイプの４重スロットノズル
で（ｄＱ、４ｍ。

１２５鴎、息１　ｍｍ　）、鋳造条件は噴出圧０．２匈
、に扁２゜ロール回転数４０　Ｏｒｐｍであった。合金
Ｆ・８０．５”６．５Ｂ１２Ｃ１に対してりくられた薄
帯の板厚破壊歪；鋳造中の各部の温度、冷却速度などは
第１表に示した。

補助冷却手段によって薄帯とロールの熱的接触を高める
本発明の方法によって作製された厚手薄帯は比較例（補
助冷却なし）に比べて、曲げ破壊歪が大きくすぐれた機
械的性質を有することが分る。

以下余白 〔発明の効果〕 以上述べたように、機械的性質のすぐれた厚いアモルフ
ァス合金が得られるようになった結果、鉄心材料として
鉄心成形加工時の材料の破断や割れが少なくなり、材料
歩留シや作業能率が向上したほか、アモルファス材料の
小型構造部材としての適用を可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の厚手アモルファス合金の曲げ破壊歪を
従来材と比較する図、 第２図（ａ）　ｌ　（ｂ）　ｔ　（ｃ）は本発明の厚手
アモルファス合金をつくるために用いられるノズルの例
を示す下面図、 第３図（、）　、　（ｂ）は単ロール法において薄帯の
剥離位置、薄帯温度計測位置を説明する図、第４図は補
助冷却機構を付与した単ロール装置の構造および薄帯温
度計測位置を説明する図である０ １：薄帯、２：ロール、３，４：接触式温度計、５ニノ
ズル、６：スロット状開口部、７：補助冷却ロール。 第２図 す 第３図 （Ｃ１）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、板厚５０μｍ以上、かつ板幅が２０ｍｍ以上であり
   、急冷ままの薄帯について自由面を外側にした曲げ破壊
   歪∈ｆが次の不等式、 −ｌｏｇ∈ｆ≧１１．４／（ｔ−５０）−１．９２ここ
   で∈ｆはｔ／（２ｒ−ｔ）（ただし最大値は１）、ｔは
   薄帯の板厚（μｍ）、ｒは曲げ変形したときに材料が破
   壊する曲げ半径である。一 を満足することを特徴とする靭性のすぐれたＦｅ基非晶
   質合金薄帯。