JPS6133900B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、透磁率の高い鉄基非晶質合金に関
し、特に本発明はZrと半金属を含み、透磁率の高
い鉄基非晶質合金に関するものである。 従来結晶構造を有する高透磁率金属材料として
Fe―Si合金、Fe―Ni合金、Fe―Al合金、Fe―Si
―Al合金などがあり、それぞれの特性に応じて
多くの分野で使用されているが、これらの合金に
はなおそれぞれ特性上及び使上の欠点がある。 Fe―Si合金は、変圧器、モータ等の鉄心とし
て高透磁率合金中最も多量に使用されているが、
製造工程が複雑であり、これを製造するのに要す
る燃料ならびに電力も多大であるから、終局的に
は原料費の割合には高価な合金となつている。 Fe―Ni合金は、弱電関係の鉄心として使用さ
れており、なかでもNi78％を含有するJIS―PC級
パーマロイは透磁率が非常に高く、変成器、磁気
ヘツド用として、またデルタマツクス（Ni50％
とFeを含有する磁性合金の商品名）は履歴曲線
が急激な角形性を有するので、磁気増福器等の鉄
心として使用されている。しかしこれらの合金の
製造方法はFe―Si合金と同様に複雑である上に
高価なNiを多量に使用するので非常に高価な材
料である点で実用上難点がある。 Fe―Al合金であるアルパームはAl約16％を含
有する高透磁率合金であるが、塑性加工が非常に
困難であり、またFe―Si―Al合金であるセンダ
スト（Fe―10％Si―５％Al）は全く塑性加工が
できないという欠点があるので、特に高い硬度と
高い固有抵抗を有しているという特性が生かされ
る特殊な用途に限つて特殊加工の上使用されてい
る。すなわち前者は録画用磁気ヘツドとして温間
加工により製作され、後者はカードリーダー用の
磁気ヘツド、あるいはテープレコーダー用磁気ヘ
ツドとして放電加工或いは研削加工によつて製作
されているが、前者諸欠点のためその用途は自ら
制限されている。 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を除去、改善した新規な高
透磁率合金を提供することを目的とするものであ
り、特許請求の範囲に記載の合金によつて、その
目的を達成することができる。 次に本発明を詳細に説明する。 通常、固体の金属、合金は結晶構造を有する
が、適当な組成をもつ合金を液体状態から急速に
冷却するか、あるいは蒸着法、スパツタ法、メツ
キ法等の種々の技術を用いることにより液体に類
似した周期的原子配列を持たない非結晶構造の固
体が得られ、このような金属は非晶質金属あるい
は非晶質合金と呼ばれる（以下非晶質金属あるい
は非晶質合金を合わせて非晶質合金と称す）。こ
の非晶質合金は前述のように種々の技術を適当に
用いても得られることがよく知られており（例え
ば特開昭49−91014号）、中でも気相から超急冷す
るスパルタ法によれば液体急冷法により得られる
非晶質合金の組成範囲よりも広い組成範囲で非晶
質合金が得られることが知られている。なお液体
急冷法の例として、高速回転する１つの円板の外
周面上または高速に互いに逆回転する２つのロー
ルの間に液体金属を連続的に噴出させて回転円板
または双ロールの表面上で10⁴〜10⁶℃／秒程度の
冷却速度で急冷凝固させる方法がある。 又、非晶質合金を組成的にみると、金属―半金
属の組み合せからなるものと、金属―金属からな
るものとに大別することができる。 本発明者の１人は、前者すなわち金属元素と半
金属元素との組み合わせによる非晶質合金の一部
が高透磁率を有することをすでに特開昭51−
73920号によつて明らかにした。 又、後者すなわち遷移金属の組み合わせによる
非晶質合金として、鉄族元素とジルコニウムを含
む非晶質合金を発明し特願昭54−43838号によつ
て出願した。またさらにその一部が高い磁束密度
と低い磁歪を有する優秀な高透磁率材料であるこ
とを新規に知見して特願昭54−108078号により出
願した。 本発明者らは鉄とジルコニウムを含む非晶質合
金に関し、さらに詳細な研究を行なつた結果、
Fe―Zr2元系合金に主として半金属元素を加えた
本発明の非晶質合金を発明した。この合金は磁気
特性ならびに熱的安定性に優れ、またこの非晶質
合金にさらに所定の熱処理を施すことにより、あ
るいは前記所定の熱処理を磁場中で施すことによ
り極めて優れた磁気特性を有し、しかも従来の金
属―半金属系非晶質合金に比べ極めて熱的に安定
な性質を有することを新規に知見して本発明に想
到した。 第１表に、本発明の非晶質合金、比較例として
既知の非晶質合金の一部並びに従来一般に用いら
れている結晶質高透磁率金属材料について、それ
ぞれの成分組成および磁気特性を示した。 第１表において、No.１〜４の合金は本発明の非
晶質合金の代表例であり、No.５，６に掲げた合金
は既存のFe―Ｂ系およびFe―Ni―Ｐ―Ｂ系非晶
質合金、No.７，８はそれぞれ市販の３％方向性ケ
イ素鋼およびアルパームの特性である。

【表】

【表】 次に上記第１表の結果を総括的に述べる。 本発明合金No.１及び２と比較例No.５とを比べる
と、飽和磁束密度はほぼ同等で保磁力は約1/2に
低減し磁歪も小さいことが判る。これらの合金は
磁気シールド、リアクトル、あるいはパルストラ
ンス用として有用である。 又、本発明合金No.３及び４は比較例No.６と比べ
て飽和磁束密度はわずかに低下しているが、磁歪
定数と保磁力は著しく減少し、また結晶化温度が
大巾に増大している。特に結晶化温度の上昇によ
りキユーリー温度との間に適当な温度差があるた
め熱処理が極めて容易である。一方、比較例No.６
のFe₈₀B₂₀はキユーリー温度と結晶化温度の差が
２℃しかなく55mOeという保磁力を熱処理によ
つて得ることは工業的には非常に困難なことであ
る。 また既に一般に使用されている結晶質合金と比
較してみると、例えば比較例No.７と本発明合金と
では、飽和磁化については本発明合金の方が約10
〜40％程度低いが、保磁力は1/10以下、電気抵抗
は約６〜８倍である。 これらのことは、No.３及び４の本発明合金を磁
心材料として使用した場合、鉄損は上記結晶質高
透磁率金属材料に比べ約1/10以下に減少すること
になり、本発明合金中、飽和磁束密度が10KG以
上の値を有するものは、磁気増幅器、変圧器、モ
ーター等の鉄心として有望な材料である。 本発明の非晶質合金を製造するには本発明の合
金組成を有する材料を溶融し、ノズルより高速回
転する金属製片ロール上に噴出させて急冷、凝固
させると本発明の非晶質合金を得ることができ
る。 次に本発明の非晶質合金を実験データに基づい
て説明する。 以下で説明するすべての合金は前記の如く溶融
状態から超急冷し凝固させて非晶質化したもの
で、非晶質合金を製造する方法の１つであり、か
つ最も簡単な前記片ロール法によつて得た幅約２
mm、厚さ約20μｍのテープ状試料である。 第１図はFe―Zr2元系合金にZrを10％一定とし
てFeとＢを置換したときの室温における磁化の
大きさ、キユーリー温度、および結晶化温度の変
化を示している。 この図に見るようにFe₉₀―Zr₁₀2元系非晶質合
金はキユーリー温度が−28℃と室温以下であるた
め常温では非磁性であるが、Feを半金属である
Ｂで置換するとによりキユーリー温度および磁化
の大きさが急激に上昇し、置換量の増大と共に常
温でも強磁性体としての性質を有することが判
る。又、結晶化温度もＢ置換量の増大と共に上昇
するので実用上極めて有利である。 Fe―Zr2元系合金に対して、このような磁化の
大きさ、キユーリー温度、結晶化温度を上げる効
果は、Ｂだけでなく、Si，Ｐ，Ge，Al等の他の
半金属元素及び又は両性金属元素で置換した場合
にも同様である。 第２図はFe―Ｂ―Zr3元系非晶質合金の形成範
囲及びその結晶化温度の組成依存性を示す図であ
る。同図中〓印は非晶質と結晶質とが混在した組
織を有する合金組成を示し、一点鎖線で画成され
た範囲は非晶質合金が形成される組成範囲を示
す。同図においてZrの結晶化温度上昇に対する効
果は顕著であり、Zrの増大は本合金の熱的安定性
の向上に大きく寄与することが判る。 第３図Ａ，ＢはそれぞれFe―Ｂ―ZrおよびFe
―Si―Zr3元系非晶質合金の飽和磁束密度と成分
組成との関係を示す図である。 Ａ，Ｂ両図において見られるようにZrが少ない
程飽和磁束密度KGの高い値が得られるが、Zr原
子％が一定の場合、Feが70〜80原子％で最も高
い磁束密度を得ることが判る。 第４図はFe―Ｂ―Zr3元系非晶質合金の磁歪定
数と成分組成との関係を示す図である。 Zrの増加によつて磁歪を著しく低減せることが
できる。Fe―Ｂ系で30〜40×10^-6である磁歪は
Zrの増加とともに急激に小さくなり、ＢをZrで５
原子％置換しただけで約1/2に減少する。 以上のことからFe，ZrBのそれぞれの量を適当
に選ぶことによつて飽和磁束密度をそれほど低下
させずに磁歪が小さく、しかも熱的に安定な非晶
質高透磁率合金を得ることができることが判る。 第５図は本発明合金であるFe₇₀―V₃―Al₁₀―
Si₁₀―Zr₇（同図中△印）と比較合金であるFe₆₅―
Si₃₀―Zr₅（同図中〇印）、Fe₈₀―Ｂ₁₆―Zr₄（同図
中●印）、Fe₇₀―Co₁₀―Ｂ₁₅―Zr₅（同図中□印）
との４種の非晶質合金を約200Oeの磁場中におい
て、それぞれ100〜480℃間の各温度で30分間焼な
ました後、徐冷した際の熱処理温度による保磁力
の変化を示す。 上記第５図から判るように、焼鈍を施す前のそ
れぞれの急冷材の保磁力は30〜150mOe程度の値
であるが、これらの合金を非酸化性雰囲気あるい
は真空中において結晶化温度以下の温度範囲で磁
場中で焼なましを施すことによりさらに磁気特性
が大きく改善され、特に本発明合金においては保
磁力は10mOe程度にまで小さくなる。 なお、前記磁場中焼なましによる磁気特性改善
方法は本発明者の１人が発明し、特開昭51−
73923号公報により開示された方法によつた。 上記の方法により熱処理を施したFe―Ｂ―Zr3
元系非晶質合金の保磁力と成分組成との関係を第
６図に示す。 第６図から明らかなようにおおむねZrが４原子
％以上12原子％以下、Feが85原子％以下という
広い範囲で30mOe以下の小さい保磁力が得られ
る。また本発明合金の組成範囲からはずれると保
磁力は急激に増大することが判る。 本発明の特許請求の範囲第１項記載の非晶質合
金において各成分組成を限定する理由を説明す
る。 本発明の合金においてZrが４％より少ないと、
半金属を多量に含む組成でも非晶質化が困難にな
るか（例えばFe₆₇―Si₃₀―Zr₃，Fe₇₀―Al₂₇―Zr₃
等は超急冷しても結晶のまである）、あるいは又
Zrを含まず鉄を非晶質化させる事のできる元素例
えばＢ，Ｐ等を10％以上含む組成の合金でも、保
磁力は数百mOeと大きく実用的な高透磁率材料
を得ることができず（例えば第６図から判るよう
に、Fe₈₃―Ｂ₁₅―Zr₂，Fe₈₅―Ｂ₁₅等は500mOe以
上）、一方Zrを15％より多く含む組成の合金では
磁束密度が著しく低下するので、Zrは４〜15％の
範囲内にする必要がある。 半金属元素及び又は両性金属元素は本発明合金
中においては磁化の大きさ、キユーリー温度の上
昇をもたらす元素であるが、５％より少ないと磁
化の大きさ、キユーリー温度ともに十分上昇せ
ず、一方30％より多いと磁化の大きさが低下し、
さらに非晶質合金の脆化が著しくなるので５〜30
％の範囲内にする必要がある。 さらに又、Zrと半金属元素及び又は両性金属元
素はそれらの相乗効果で非晶質化を助成するか、
あるいは磁気特性を向上させるが、それらの合計
が14％より少ないとその効果が薄く透磁率が小さ
い。一方35％より多いと磁束密度が著しく低下す
るか、あるいは非晶質化が困難になるので、Zrと
半金属元素及び又は両性金属元素の合計は14〜35
％の範囲内にする必要がある。 本発明の合金においてFeの一部をCu，Mu，
Cr，Ｖ，Ti，Nb，Ta，Mo，Ｗのうちから選ば
れる１種又は２種以上10％以下で置換する理由
は、Mn，Cr，Ｖは保磁力の減少、透磁率の向
上、磁歪の低減等に著しい効果を有し、さらに硬
さ、耐食性を向上させるのに有効な元素であり、
Cu，Mo，Ｗ，Nb，Ta，Tiは非晶質構造の安定
化、硬さ、耐食性を向上させるのに有効な元素で
あるが、Mn，Cr，Ｖ，Cu，Mo，Ｗ，Nb，Ta，
Tiの何れか１種は２種以上が10％より多く含ま
れると磁束密度を著しく低下させるので10％以下
とする必要がある。 次にRu，Tc，Pr，Nd，Pm，Hf，Sm，La，
Ce，Eu，Gd，Tb，Dy，Hoは合金の製造を容易
にしたり、結晶化温度を上げたりする効果があ
り、特にZrが少ない合金でその効果が大きいが、
これらのうちから選ばれる何れか１種または２種
以上を５％以下とする理由は、５％より多いと酸
化されやすくなり、かえつて非晶質合金の製造が
困難になるので、これらの元素は５％以下にする
必要がある。 特許請求の範囲第２項記載の非晶質合金は、上
記特許請求の範囲第１項記載の非晶質合金に、さ
らに、磁束密度、保磁力および角形比の向上に寄
与する有効な元素としてCoおよびまたはNiを含
有した非晶質合金であるが、これらCo，Niが20
％より多いとかえつて磁束密度が低下するので20
％未満にする必要があり、かつCu，Mn，Cr，
Ｖ，Ti，Nb，Ta，Mo，Ｗからなる元素群および
またはRu，Tc，Pr，Nd，Pm，Hf，Sm，La，
Ce，Eu，Gd，Tb，Dy，Hoからなる元素群のう
ち選ばれた何れか１種又は２種以上の元素とCo
およびまたはNiとの合計が20％より多いと磁束
密度が著しく低下したり透磁率が低下したりする
ため、これらの元素は20％以下にする必要があ
る。 次に本発明を実施例について説明する。 実施例 １ 第２表に各種の組成を有する本発明合金の磁場
中焼なまし後の磁気特性を示す。Zrと各種の半金
属の組み合わせにより小さな保磁力と高い透磁率
が得られることがわかる。

【表】

【表】 なお本発明の合金中、第１表No.２の合金を
200Oeの磁場中において最適温度で熱処理した後
に無磁場中150℃で時効した。10000分経過後に室
温にて保磁力を測定したところ約10mOeでほと
んど変化がなかつた。 このように、本発明の合金は極めて熱的に安定
な性質を有することがわかる。 以上本発明合金は高い透磁率と極めて熱的に安
定な性質を兼ね備えた優れた合金である。

【図面の簡単な説明】

第１図はFe₉₀―_xB_xZr₁₀非晶質合金の室温にお
ける磁化の大きさ、キユーリー温度および結晶化
温度の組成依存性をす図、第２図はそれぞれFe
―Ｂ―ZrおよびFe―Si―Zr3元系非晶質合金の飽
和磁束密度の組成依存性を示す図、第３図Ａ，Ｂ
はFe―Ｂ―Zr3元系非晶質合金の結晶化温度の組
成依存性を示す図、第４図はFe―Ｂ―Zrの飽和
磁歪の組成依存性を示す図、第５図はFe₆₅―Si₃₀
―Zr₅，Fe₈₀―Ｂ₁₆―Zr₄，Fe₇₀―CO₁₀―Ｂ₁₅―Zr₅
およびFe₇₀―V₃―Al₁₀―Si₁₀―Zr₇の４種の非晶質
合金に磁場中熱処理を施した際の保磁力の熱処理
温度変化を示す図、第６図はFe―Ｂ―Zr3元系非
晶質合金の磁場中熱処理後の保磁力の組成依存性
を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子％でZr4〜15％、Be，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Al，
   Si，Ｐ，Ge，As，Ｓのなかから選ばれる何れか
   １種又は２種以上を５〜30％、但しこれらの元素
   とZrとの合計が14〜35％の範囲内にあり、かつ下
   記(イ)，(ロ)の元素群のなかから選ばれる何れか１種
   又は２種以上合計で15％以下を含み、残部実質的
   にFeよりなる透磁率の高い鉄基非晶質合金。 (イ) Cu，Mn，Cr，Ｖ，Ti，Nb，Ta，Mo，Ｗの
   うちから選ばれる１種又は２種以上10％以下、 (ロ) Ru，Tc，Pr，Nd，Pm，Hf，Sm，La，
   Ce，Eu，Gd，Tb，Dy，Hoのうちから選ばれ
   た１種又は２種以上５％以下。 ２ 原子％でZr4〜15％、Be，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Al，
   Si，Ｐ，Ge，As，Ｓのなかから選ばれる何れか
   １種又は２種以上を５〜30％、但しこれらの元素
   とZrとの合計が14〜35％の範囲内にあり、かつ下
   記(イ)，(ロ)の元素群のなかから選ばれる何れか１種
   又は２種以上合計で15％以下を含み、さらに下記
   (ハ)を含み、かつ(イ)，(ロ)のいずれか少なくとも１種
   以上と(ハ)の合計は20％以下であり、残部実質的に
   Feよりなる透磁率の高い鉄基非晶質合金。 (イ) Cu，Mn，Cr，Ｖ，Ti，Nb，Ta，Mo，Ｗの
   うちから選ばれる１種又は２種以上10％以下、 (ロ) Ru，Tc，Pr，Nd，Pm，Hf，Sm，La，
   Ce，Eu，Gd，Tb，Dy，Hoのうちから選ばれ
   た１種又は２種以上５％以下、 (ハ) Ni，Coのうち何れか少なくとも１種20％未
   満。