KR20190130631A - Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 및 그 제조 방법 - Google Patents

Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시형태는, 냉각 롤의 표면에 부여된 용탕의 냉각체인, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본으로서, 냉각면인 리본 표면의 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역에 깊이 1μm 이상의 오목부를 가지며, 상기 깊이 1μm 이상의 오목부의 최대 면적이 3000μ㎡ 이하인, Fe기 아몰퍼스 합금 리본 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 및 그 제조 방법
본 개시는, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
철(Fe)기 아몰퍼스 합금 리본(Fe기 아몰퍼스 합금 박대)은, 변압기의 철심 재료로서 보급이 진행되고 있고, 나노 결정 연자성 재료도 제안되기에 이르고 있다.
나노 결정 연자성 재료로서는, Fe기 나노 결정 합금이 알려져 있다.
Fe기 나노 결정 합금은, 아몰퍼스 합금을 결정화함으로써 제조된다. 그리고, 아몰퍼스 합금의 리본(박대)을 주조하는 경우, 외주면이 예를 들어 구리(Cu) 합금인 냉각 롤의 표면에 합금 용탕을 토출하여 급냉 응고시킨다. 이에 의해, 합금 리본이 제작된다. 이 경우, 합금 리본의 표면의 평탄성을 안정적으로 유지하기 위해, 냉각 롤의 외주면은, 예를 들어 표면 거칠기가 0.5μm 이하인 평활면으로 유지되도록 관리되고 있다.
한편, 상기와 같이 냉각 롤의 외주면을 평활하게 유지하는 관점에서, 종래부터 통상 냉각 롤의 외주면을 연마 브러시 롤 등으로 연마하는 것이 행해지고 있다.
즉, 냉각 롤의 표면에 Fe기 아몰퍼스 합금의 용탕이 토출되어 냉각 롤에서 급냉 응고되어 합금 리본이 제작되고, 제작된 합금 리본은, 냉각 롤로부터 박리된다. 그런데, 박리 후에도, 냉각 롤의 외주면에 응고 합금의 일부가 잔류하는 경향이 있다. 냉각 롤의 외주면에 잔류한 합금은, 그 후에 토출된 Fe기 나노 결정 합금의 용탕에 대한 냉각 능력을 손상시키기 쉽다. 즉, 일반적으로 아몰퍼스 합금은 Cu 합금보다 열전도율이 낮기 때문에, 잔류한 아몰퍼스 합금이 외주면에 볼록 형상으로 존재하면, 냉각 롤의 외주면에 새로 토출된 용탕에 대한 냉각 효율이 저하되고, 그 결과, 제작되는 합금 리본이 취화(脆化)되기 쉬워지며, 경우에 따라서는 냉각 응고 후에 아몰퍼스 상태를 유지하지 못하고 일부 결정화되어 버리는 경우가 있다. 또한, 냉각면의 평탄성이 떨어지는 합금 리본밖에 얻지 못하는 경우도 있다.
그 때문에, 종래부터, 제조시에는 냉각 롤의 표면에 잔류하는 응고 합금을 연속적으로 제거하기 위해, 급냉 응고 후의 합금 리본을 냉각 롤로부터 박리한 후, 연마 브러시 롤 등에 의해 냉각 롤의 폭방향을 똑같이 연마하는 것이 행해지고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본공개특허 2002-316243호 공보
그러나, Fe기 나노 결정 합금용의, Fe-Si-B-Cu-Nb를 조성에 포함하는 Fe기 아몰퍼스 합금의 용탕은, 결정화되기 쉽고, Cu 합금에 대한 젖음성이 낮다. 그 때문에, 전술한 바와 같이 냉각 롤의 외주면의 평활이 유지되어도, 용탕이 냉각 롤의 외주면에 토출되어 급냉 응고되었을 때에 수축 응력이 발생하고, 급냉 응고로 발생한 수축 응력에 의해, 응고 직후보다 합금이 냉각 롤의 표면으로부터 박리(유리)하기 쉽다. 그 때문에, 냉각이 완만해짐으로써 자기(磁氣) 특성도 열화되기 쉬운 성질을 가지고 있다.
응고시의 수축 응력은, 냉각 롤 상에서 성형되는 합금 리본의 폭길이와 상관관계가 있기 때문에, 안정적으로 주조할 수 있는 합금 리본의 폭길이는, 예를 들어 50mm~60mm 정도로 제한되고, 상기와 같이 냉각 롤의 외주면을 똑같이 연마해도, 70mm 이상의 광폭의 합금 리본을 제작하는 경우에는, 안정적인 주조를 행할 수 없는 경우가 있었다.
본 개시는, 상기를 감안한 것이다.
본 발명의 일 실시형태가 해결하고자 하는 과제는, 광폭(바람직하게는 폭길이 70mm 이상; 이하 동일)이고 자기 특성이 우수한 Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태가 해결하고자 하는 과제는, 광폭이고 자기 특성이 우수한 Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
종래부터 행해지고 있는 냉각 롤의 연마는, 냉각 롤의 외주면의 잔류 합금을 제거하는 것을 목적으로 하고 있지만, 통상 행해지는 연마에 있어서, 용탕의 급냉 응고시에 발생할 수 있는 수축 응력에 따른 합금 리본의 박리(유리)가 억제되면, 광폭의 합금 리본의 주조가 가능해진다고 생각된다. 구체적으로는, 연마 브러시 롤의 조건을 선택함으로써, 냉각 롤의 외주면에 합금 리본의 박리(유리) 억제에 유효한 연마자국의 형성이 가능해진다는 착상에 이르렀다.
상기 과제를 해결하기 위한 구체적 수단에는, 이하의 태양이 포함된다.
<1> 냉각 롤의 표면에 부여된 용탕의 냉각체인, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본으로서,
냉각면인 리본 표면의 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역에 깊이 1μm 이상의 오목부를 가지며, 상기 깊이 1μm 이상의 오목부의 최대 면적이 3000μ㎡ 이하인, Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
<2> 상기 영역에서의, 깊이 1μm 이상이고, 또한 면적이 100μ㎡ 이상인 오목부의 면적률이, 1% 이상 10% 미만인 상기 <1>에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
<3> 상기 면적률이, 1% 이상 5% 미만인 상기 <2>에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
<4> 상기 오목부의 최대 면적이, 2500μ㎡ 이하인 상기 <1>~상기 <3> 중 어느 하나에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
<5> 전체 개수에 대해 60% 이상의 상기 오목부가, 하기 식 1을 만족시키는 상기 <1>~상기 <4> 중 어느 하나에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
하기 식 1에서, L은, 오목부의 주조 방향에서의 길이를 나타내고, W는, 오목부의 주조 방향과 직교하는 리본 폭방향에서의 폭길이를 나타낸다.
0.6≤L/W≤1.8 ···식 1
<6> 전체 개수에 대해 30% 이상의 상기 오목부가, 하기 식 2를 만족시키는 상기 <5>에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
0.6≤L/W≤1.2 ···식 2
<7> 리본폭의 길이가, 70mm 이상 250mm 이하인 상기 <1>~상기 <6> 중 어느 하나에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다.
<8> 냉각 롤의 표면에, 상기 냉각 롤을 하기 조건 (1)~(6)을 만족시키는 연마 브러시 롤에 의해 연속적으로 연마하면서, 용탕을 부여하는 공정을 갖는, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법이다.
(1) 상기 연마 브러시 롤의 브러시모의 조성: 폴리아미드 수지 및 무기 연마 지립(砥粒)을 함유
(2) 상기 무기 연마 지립의 입경(粒徑): 60μm~90μm
(3) 상기 브러시모의 길이방향과 직교하는 단면의 형상: 직경 0.7mm 이상 1.0mm 이하의 원형상
(4) 상기 냉각 롤에 대한 상기 연마 브러시 롤의 상대 회전 속도: 10m/초 이상 23m/초 이하
(5) 상기 브러시모의 선단부의 회전 방향과 상기 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ): 5° 이상 30° 이하
(6) 용탕을 부여할 때의 압력(용탕의 토출 압력): 20kPa 이상 30kPa 이하
<9> 상기 연마 브러시 롤은, 하기 조건 (7)~(8)을 더 만족시키는 상기 <8>에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법이다.
(7) 상기 연마 브러시 롤의 롤 지름: 직경 120mm 이상 300mm 이하
(8) 브러시모의 선단부에서의 브러시모 밀도: 0.2개/㎟ 이상 0.45개/㎟ 이하
<10> 상기 폴리아미드 수지가 나일론인 상기 <8> 또는 상기 <9>에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법이다.
<11> 상기 폴리아미드 수지의 함유량에 대한 상기 무기 연마 지립의 함유량의 비가, 질량 기준으로 10/90~40/60인 상기 <8>~상기 <10> 중 어느 하나에 기재된 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법이다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 광폭(바람직하게는 폭길이 70mm 이상)이고 자기 특성이 우수한 Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 광폭이고 자기 특성이 우수한 Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법이 제공된다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 적합한, 단롤법에 의한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 제조 장치의 일례를 개념적으로 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는, 냉각 롤에 대한 연마 브러시 롤의 위치 관계를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3은, 도 2의 냉각 롤 및 연마 브러시 롤의 위치 관계를 나타내는 개략 정면도이다.
도 4는, 자심의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 5는, 실시예 1의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
도 6은, 비교예 1의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 표면을 나타내는 SEM 사진이다.
이하, 본 개시에 관한 Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 및 그 제조 방법에 대해, 상세하게 설명한다.
본 명세서 중에서, 「~」를 이용하여 나타나는 수치 범위는, 「~」 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로 하여 포함하는 범위를 의미한다.
또한, 본 명세서 중의 「공정」의 용어는, 독립된 공정뿐만 아니라, 다른 공정과 명확하게 구별할 수 없는 경우에도, 그 공정의 소기의 목적이 달성되면 본 용어에 포함된다.
본 명세서 중에서, Fe기 아몰퍼스 합금 리본이란, Fe기 아몰퍼스 합금으로 이루어지는 리본(박대)을 가리킨다.
또한, 본 명세서 중에서, Fe기 아몰퍼스 합금이란, 함유되는 금속 원소 중에서 함유량(원자%)이 가장 많은 원소가 Fe(철)인 아몰퍼스 합금을 가리킨다.
본 개시에 관한 Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본은, Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 결정화시킴으로써 Fe기 나노 결정 합금을 제작하기 위한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이다. 이하, 본 개시에 관한 「Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본」을 단순히 「Fe기 아몰퍼스 합금 리본」이라고도 부른다.
〔Fe기 아몰퍼스 합금 리본〕
본 개시에 관한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본(이하, 단순히 「합금 리본」 또는 「리본」이라고도 함)은, 제조시에 냉각 롤의 표면에 부여된 용탕의 냉각체로서, 냉각 롤에 의해 냉각된 냉각면인 리본 표면의 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역에, 깊이 1μm 이상의 오목부를 가지며, 깊이 1μm 이상의 오목부의 최대 면적을 3000μ㎡ 이하로 한 것이다.
Fe기 나노 결정 합금용의, Fe-Si-B-Cu-Nb를 조성에 포함하는 Fe기 아몰퍼스 합금의 용탕은, 결정화되기 쉽고, 냉각 롤에 사용되는 구리(Cu) 합금에 대한 젖음성이 낮은 성질을 가지기 때문에, 용탕이 냉각 롤의 외주면에서 냉각됨에 따라, 외주면으로부터 박리하기 쉬워진다. 이렇게 하면, 냉각 롤에 의해 급냉 응고될 필요가 있는 용탕에 대한 냉각이 완만 또는 부족하고, 그 결과, 제작되는 합금 리본의 자기 특성의 저하 및 취화 등의 폐해를 초래하는 경우가 있다. 이는, 제작하는 합금 리본의 폭길이(즉 냉각 롤의 축방향의 길이)가 커짐에 따라 현저하게 나타나는 경향이 있다.
상기의 사정을 감안하여, 본 발명의 일 실시형태의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본에서는, 냉각 롤에의 젖음성이 낮고 광폭의 리본 형태라도, 냉각 롤에 의해 급냉 응고될 때에 용이하게 박리하기 어려운 밀착성을 부여하여, 냉각시의 급냉 속도를 유지한다. 그리고, 냉각면인 리본 표면의 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역에 존재하는 깊이 1μm 이상의 오목부의 최대 면적이 3000μ㎡ 이하인 것으로 한다.
이하에, 더욱 구체적으로 설명한다.
깊이 1μm 이상이고, 또한 최대 면적 3000μ㎡ 이하인 오목부의 형성은, 연마 브러시 롤의 조건을 적정하게 선택함으로써 행할 수 있다. 연마 브러시 롤의 조건의 선택에 의해, 냉각 롤의 외주면에, 롤 회전 방향의 직선적인 연마자국이 아니라, 롤 회전 방향에 대해 경사진 연마자국을 형성할 수 있다. 롤 회전 방향의 연마자국이 존재하는 경우에는, 좁고 긴 오목부(에어 포켓이라고 함. 여기서, 에어란, 분위기 가스를 의미하고, 가스 포켓이라고도 함)밖에 얻지 못하는 것에 반해, 경사진 연마자국이 존재하는 경우에는, 리본 표면에 미세하게 분산된 복수의 오목부(에어 포켓)가 얻어진다. 이에 의해, 깊이 1μm 이상이고, 또한 최대 면적 3000μ㎡ 이하인 오목부로 할 수 있다.
또한, 냉각 롤의 외주면에, 롤 회전 방향의 직선적인 연마자국이 아니라, 롤 회전 방향에 대해 경사진 연마자국을 형성함으로써, 롤 표면에 용탕 부여시에, 용탕이 연마자국에 들어가 응고할 때, 박리를 막기 위해 적합한 앵커 효과를 얻을 수 있다.
또한, 용탕과 롤 표면의 사이에 에어가 도입되는데, 오목부(에어 포켓)는 미세하게 분산되어 존재하므로, 오목부(에어 포켓)의 존재로 발생하기 쉬운 용탕의 냉각 속도의 저하가 억제되어 있다.
본 개시에 관한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본에서는, 롤면의 회전 방향에 대해 경사진 연마자국의 존재에 의해, 응고 전에 연마자국에 들어간 용탕에 의한, 리본 폭방향의 수축 응력으로 발생할 수 있는 박리되려고 하는 응력에 대한 앵커 효과가 작용하여, 박리(유리)가 억제되는 것으로 추정된다.
또한, 연마 브러시 롤의 조건을 적정하게 선택함으로써, 주조된 합금 리본의 냉각면에서의 오목부(에어 포켓)의 크기 및 수를, 연마 브러시 롤의 조건을 적정하게 선택하지 않은 경우에 비해, 대폭으로 저감할 수 있다. 덧붙여, 본 개시에 관한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본에서는, 냉각면에서의 오목부(에어 포켓)의 크기 및 수가 억제되기 때문에, 리본을 감았을 때의 코어에서의 점적률의 향상도 기대할 수 있다.
본 개시에서는, 리본 표면에 갖는 깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓) 중, 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역에 존재하는 깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)에 착안하여, 이 영역에 존재하는 깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)의 최대 면적을 3000μ㎡ 이하로 한다.
리본 표면에는 복수의 오목부(에어 포켓)가 존재하고 있어도 되지만, 리본의 냉각시에서의 냉각 속도는 리본 폭방향 중앙부에서 가장 저하되기 쉽다고 생각되기 때문에, 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역(이하, 「특정 영역」이라고도 함)에 존재하는 오목부(에어 포켓)에 있어서, 최대 면적을 상기 범위로 조정할 수 있으면 된다.
여기서, 리본 폭방향 중앙부란, 리본 폭방향의 중앙을 포함하는, 리본폭의 10%의 폭의 영역이다.
오목부(에어 포켓)의 깊이란, 합금 리본의 두께 방향에서의, 냉각 롤과 접촉한 냉각면으로부터의 거리(μm)를 가리킨다. 또한, 오목부(에어 포켓)의 면적이란, 냉각 롤과 접촉한 냉각면을 포함하는 평면에서의 오목부(에어 포켓)의 면적을 가리키고, 복수의 오목부(에어 포켓)가 존재하는 경우에는, 냉각면을 포함하는 평면에서의 면적이 가장 큰 오목부(에어 포켓)의 면적을 최대 면적으로 한다.
오목부(에어 포켓)의 유무와 오목부(에어 포켓)의 길이(L), 폭길이(W), 깊이, 및 오목부(에어 포켓)의 면적은, 고분해능 레이저 현미경 OLS4100(올림푸스 주식회사 제품)을 이용하여 측정되는 것이다.
깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)의 최대 면적으로서는, 합금 용탕의 급냉시의 냉각 속도의 저하를 억제하기 위해, 2500μ㎡ 이하가 바람직하고, 2000μ㎡ 이하가 보다 바람직하다.
또한, 공업적 생산성을 확보하기 위해, 깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)의 최대 면적은, 100μ㎡ 이상이 바람직하다.
특정 영역에 존재하는 깊이 1μm 이상인 오목부(에어 포켓) 중, 면적이 100μ㎡ 이상인 오목부(에어 포켓)의 합계의, 특정 영역에서의 면적률은, 10% 미만인 것이 바람직하고, 1% 이상 8% 미만의 범위가 보다 바람직하며, 1% 이상 5% 미만의 범위가 더욱 바람직하고, 3% 이상 5% 미만의 범위가 더욱 바람직하다.
면적이 100μ㎡ 이상인 오목부(에어 포켓)의 합계의 면적률이 8% 미만이면, 오목부에 들어간 에어(에어 포켓)에 기인하는 냉각 속도의 저하가 억제되고, 자기 특성을 양호하게 유지하기 쉽다. 또한, 면적이 100μ㎡ 이상인 오목부(에어 포켓)의 면적률이 1% 이상이면, 공업적 생산성을 확보할 수 있다.
오목부의 면적률은, 화상 해석 소프트웨어 SCANDIUM(올림푸스 주식회사 제품)을 이용하여, 특정 영역에 존재하는 깊이 1μm 이상의 오목부의 모든 면적을 측정하고, 특정 영역의 면적에 차지하는 모든 오목부(깊이 1μm 이상의 것)의 합계 면적의 비율을 계산함으로써 구해진다.
상기 중, 합금 용탕의 급냉시의 냉각 속도의 저하를 억제하면서, 공업적 생산성을 확보할 수 있는 점에서, 특정 영역에 존재하는 깊이 1μm 이상인 오목부(에어 포켓)의 최대 면적이 2500μ㎡ 이하이고, 또한 특정 영역에서, 깊이 1μm 이상이며 면적이 100μ㎡ 이상인 오목부(에어 포켓)의 면적률이 1% 이상 5% 미만인 경우가 특히 바람직하다.
깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)는, 주조 방향에서의 길이(L(μm)) 및 리본 폭방향에서의 길이(W(μm))가, 하기 식 1을 만족시키는 것이 바람직하다. 나아가 오목부(에어 포켓) 중, 전체 개수에 대해 60% 이상의 오목부(에어 포켓)가, 식 1을 만족시키는 태양이 보다 바람직하다.
식 1을 만족시키는 오목부(에어 포켓)의, 모든 오목부(에어 포켓)의 개수에 대한 비율은, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하다.
또, 주조 방향이란, 장척(長尺) 형상으로 제작된 합금 리본의 길이방향을 가리키고, 리본 폭방향이란, 주조 방향과 직교하는 짧은 방향을 가리킨다.
0.6≤L/W≤1.8 ···식 1
리본을 평면에서 보았을 때의 오목부(에어 포켓)의 형상에 있어서, 리본 폭방향에 대한 주조 방향의 길이의 비가 0.6 이상 1.8 이하이면, 롤 회전 방향에 대해 경사진 연마자국의 존재에 의해, 주조시에 형성되는 오목부(에어 포켓)의 대면적화가 억제되고, 냉각 속도의 저하가 억제되며, 자기 특성의 열화가 억제된다.
상기와 마찬가지의 이유로부터, L/W는, 하기 식 2를 만족시키는 태양이 보다 바람직하다. 나아가 오목부(에어 포켓) 중, 전체 개수에 대해 30% 이상의 오목부(에어 포켓)가, 식 2를 만족시키는 태양이 보다 바람직하다.
식 2를 만족시키는 오목부(에어 포켓)의, 모든 오목부(에어 포켓)의 개수에 대한 비율은, 45% 이상이 보다 바람직하고, 55% 이상이 더욱 바람직하다.
0.6≤L/W≤1.2 ···식 2
본 개시에 관한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본에서는, 리본폭(리본 폭방향의 폭길이)이 길수록 바람직하고, 보다 바람직하게는 70mm 이상 300mm 이하이며, 더욱 바람직하게는 100mm 이상 250mm 이하이다. 이러한 광폭의 합금 리본인 경우에, 냉각 롤에서의 박리 억제 효과가 높고, 자기 특성의 향상 효과가 보다 현저하다. 따라서, 본 개시에 관한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본은, 특히 폭길이 70mm 이상의 광폭의 합금 리본으로서 적합하다.
또한, 합금 리본의 폭길이가 70mm 이상이면, 대용량이고 실용적인 변압기를 얻을 수 있다. 한편, 합금 리본의 폭길이가 220mm 이하이면, 합금 리본의 생산성(제조 적성)이 우수하다.
합금 리본의 폭길이로서는, 자기 특성과 합금 리본의 생산성(제조 적성)의 관점에서, 100mm 이상 250mm 이하가 보다 바람직하고, 140mm 이상 220mm 이하가 더욱 바람직하다.
합금 리본의 두께로서는, 10μm 이상 26μm 이하의 범위가 바람직하다.
두께가 10μm 이상임으로써, 합금 리본의 기계적 강도가 확보되고, 합금 리본의 파단이 억제된다. 이에 의해, 합금 리본의 연속 주조가 가능해진다. 합금 리본의 두께는, 12μm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 두께가 26μm 이하임으로써, 합금 리본에 있어서, 안정된 아몰퍼스 상태를 얻을 수 있다.
합금 리본의 두께는, 22μm 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 개시에서의 Fe기 아몰퍼스 합금의 조성은, 함유되는 금속 원소 중에서 함유량(원자%)이 가장 많은 원소가 Fe(철)이며, Fe-Si-B-Cu-Nb계 조성을 갖는 경우가 바람직하다.
Fe기 아몰퍼스 합금은, 적어도 Fe(철)를 함유하지만, Si(규소) 및 B(붕소)를 더 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, Fe, Si 및 B에 더하여 구리(Cu) 및 니오븀(Nb)을 더 함유하는 것이다. Fe기 아몰퍼스 합금은, 합금 용탕의 원료가 되는 순철 등에 포함되는 원소인 C(탄소)를 더 포함해도 된다. 또, 니오븀(Nb)을 몰리브덴(Mo) 또는 바나듐(V)으로 치환 가능하고, 철(Fe)의 일부를 니켈(Ni) 또는 코발트(Co)로 치환할 수 있다.
Fe기 아몰퍼스 합금으로서는, Fe, Si, B, Cu, Nb, C 및 불가피 불순물의 총함유량을 100원자%로 하였을 때에, Fe의 함유량이 72원자%~84원자%이고, Si의 함유량이 2원자%~20원자%이며, B의 함유량이 5원자%~14원자%이고, Cu의 함유량이 0.2원자%~2원자%이며, Nb의 함유량이 0.1원자%~5원자%이고, C(탄소)의 함유량이 0.5원자% 이하이며, 잔부가 불순물로 이루어지는 Fe기 아몰퍼스 합금을 들 수 있다.
상기 Fe의 함유량이 72원자% 이상이면, 합금 리본의 포화 자속 밀도가 보다 높아지므로, 합금 리본을 이용하여 제조되는 자심의 크기 증가 또는 중량 증가가 보다 억제된다. 합금 리본을 이용하여 제조되는 자심의 형상은, 도 4에 도시된 원형상이어도 되고, 지름 방향 내측 공동 부분에 성형용의 지그(심재)를 이용하여, 대략 직사각형상 또는 레이스 트랙 형상으로 할 수 있다.
상기 Fe의 함유량이 84원자% 이하이면, 합금의 퀴리점의 저하 및 결정화 온도의 저하가 보다 억제되므로, 자심의 자기 특성의 안정성이 보다 향상된다.
또한, 상기 C(탄소)의 함유량이 0.5원자% 이하이면, 합금 리본의 취화가 보다 억제된다.
상기 C(탄소)의 함유량으로서는, 0.1원자%~0.5원자%가 바람직하다. 보다 바람직한 C(탄소)의 함유량으로서는, 0.15원자%~0.35원자%이다.
상기 C(탄소)의 함유량이 0.1원자% 이상이면, 합금 용탕 및 합금 리본의 생산성이 우수하다.
보다 바람직한 Fe기 아몰퍼스 합금은,
(a) Fe, Si, B, Cu, Nb, C 및 불가피 불순물의 총함유량을 100원자%로 한 경우에, Si의 함유량이 12원자%~18원자%이고, B의 함유량이 5원자%~10원자%이며, Cu의 함유량이 0.8원자%~1.2원자%이고, Nb의 함유량이 2.0원자%~4.0원자%이며, C의 함유량이 0.1원자%~0.5원자%이고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe기 아몰퍼스 합금;
(b) Fe, Si, B, Cu, Nb, C 및 불가피 불순물의 총함유량을 100원자%로 한 경우에, Si의 함유량이 14원자%~16원자%이고, B의 함유량이 6원자%~9원자%이며, Cu의 함유량이 0.9원자%~1.1원자%이고, Nb의 함유량이 2.5원자%~3.5원자%이며, C의 함유량이 0.15원자%~0.35원자%이고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe기 아몰퍼스 합금이다.
상술한 Fe기 아몰퍼스 합금 각각에 있어서, C(탄소)의 함유량은, Fe, Si 및 B의 총함유량을 100원자%로 하였을 때에, 0.1원자%~0.5원자%인 것이 바람직하다.
본 개시에 관한, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본은, 전술한 바와 같이, 냉각면에서의 특정 영역에 소정의 오목부(에어 포켓)를 가질 수 있는 방법이면, 특별히 제한 없이 공지의 제조 방법을 선택하여 제조할 수 있는데, 바람직하게는, 이하에 나타내는, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법에 의해 제조된다.
〔Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법〕
본 개시에 관한, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법(이하, 단순히 「Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법」이라고도 함)은, 냉각 롤의 표면에, 상기 냉각 롤을 하기 조건 (1)~(6)을 만족시키는 연마 브러시 롤에 의해 연속적으로 연마하면서, 용탕을 부여하는 공정을 가지고 있다.
(1) 연마 브러시 롤의 브러시모의 조성: 무기 연마 지립/폴리아미드 수지=30질량%/70질량%
(2) 상기 무기 연마 지립의 입경: 60μm~90μm
(3) 연마 브러시 롤의 브러시모의 길이방향과 직교하는 단면의 형상: 직경 0.7mm 이상 1.0mm 이하의 원형상
(4) 상기 냉각 롤에 대한 상기 연마 브러시 롤의 상대 속도: 10m/초 이상 23m/초 이하
(5) 상기 브러시모의 선단부의 회전 방향과 상기 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ): 5° 이상 30° 이하
(6) 용탕을 부여할 때의 압력: 20kPa 이상 30kPa 이하
본 개시의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법에서는, 상기 조건 (1)~(6)을 만족시키는 연마 브러시 롤을 이용하여, 롤 회전 방향에 대해 경사진 연마자국이 형성된 냉각 롤의 표면에 용탕을 부여하는 것이다.
우선, 연마 브러시 롤에 대해 설명한다.
-연마 브러시 롤-
연마 브러시 롤로서는, 롤축 부재와, 다수의 브러시모로 이루어지고 롤축 부재의 주위에 배치된 연마 브러시를 갖는 연마 브러시 롤(예를 들어, 도 1의 연마 브러시 롤(60))을 이용하는 것이 바람직하다.
(수지)
연마 브러시를 구성하는 브러시모는, 폴리아미드 수지를 함유한다.
브러시모가 폴리아미드 수지를 함유함으로써, 냉각 롤의 외주면에 깊은 연마자국이 발생하기 어렵고, 브러시모를 접촉시키는 방법에 의해 냉각 롤의 외주면에 형성하는 연마자국을 선택할 수 있다. 이에 의해, 합금 리본의 냉각 롤로부터의 박리(유리)를 억제할 수 있다.
폴리아미드 수지의 예로서는, 6나일론, 612나일론, 66나일론 등의 나일론 수지를 들 수 있다.
또한, 브러시모 중의 폴리아미드 수지의 함유량(브러시모 전량에 대한 폴리아미드 수지의 함유량. 이하 동일)은, 50질량% 이상인 것이 바람직하고, 60질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 브러시모 중의 폴리아미드 수지의 함유량이 50질량% 이상이면, 냉각 롤의 외주면에 깊은 연마자국이 발생하는 현상이 보다 억제된다. 브러시모 중의 수지의 함유량의 상한은, 100질량%이어도 되지만, 60질량%, 65질량%, 75질량%, 또는 80질량%이어도 된다.
(무기 연마 지립)
브러시모는, 상기 폴리아미드 수지에 더하여, 무기 연마 지립을 함유한다.
브러시모가 무기 연마 지립을 함유함으로써, 냉각 롤의 외주면에 대한 연마 능력이 보다 향상된다. 이 때문에, 합금 리본의 앵커 효과를 얻는 데에 적합한 형상의 연마자국의 형성을 행하기 쉽다.
무기 연마 지립으로서는, 알루미나, 탄화규소 등을 들 수 있다.
상기 조건 (2)에 관해, 무기 연마 지립의 입경은, 40μm~120μm가 바람직하고, 60μm~90μm가 보다 바람직하다.
여기서, 「무기 연마 지립의 입경」이란, 무기 연마 지립의 입자가 통과할 수 있는 체의 메시의 눈크기를 나타낸다. 예를 들어, 「무기 연마 지립의 입경이 60μm~90μm이다」라는 것은, 무기 연마 지립이, 눈크기 90μm의 메시를 통과하고, 또한 눈크기 60μm의 메시를 통과하지 못하는 것을 나타낸다.
브러시모 중에서의, 상기 폴리아미드 수지의 함유량에 대한 무기 연마 지립의 함유량의 비(질량비; 무기 연마 지립/폴리아미드 수지)는, 10질량%/90질량%~40질량%/60질량%가 바람직하고, 25질량%/75질량%~35질량%/65질량%가 보다 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30질량%/70질량%의 비율이다.
무기 연마 지립의 함유량이 40질량% 이하이면, 합금 용탕에의 연마 지립의 혼입이 보다 억제되어, 연마 지립에 기인하는 합금 리본의 결함이 억제된다. 무기 연마 지립의 함유량이 10질량% 이상이면, 냉각 롤의 외주면의 연마자국의 조절이 행하기 쉽다.
상기 조건 (1)~(2)에 관해, 연마 브러시 롤의 브러시모의 조성으로서는, 냉각 롤의 외주면의 연마자국의 조절이 행하기 쉬운 점에서, 무기 연마 지립이 탄화규소이고, 폴리아미드 수지가 나일론(바람직하게는 612나일론)이며, 탄화규소/나일론=30질량%/70질량%이고, 또한 무기 연마 지립의 입경이 60μm~90μm인 경우가 특히 바람직하다.
상기 조건 (3)에 관해, 연마 브러시 롤의 브러시모의 길이방향과 직교하는 단면의 형상은, 원형상이 되고, 원형상에는, 진원형 및 타원형이 포함된다. 또한, 브러시모의 원형 단면의 직경은, 0.7mm 이상 1.2mm 이하이고, 0.8mm 이상 1.0mm 이하가 바람직하다.
상기 조건 (1)~(6) 이외의 조건으로서, 브러시모는, 선단부에서의 브러시모 밀도가 0.2개/㎟ 이상 0.45개/㎟ 이하인 것이 바람직하고, 0.27개/㎟ 이상 0.40개/㎟ 이하인 것이 보다 바람직하다.
브러시모의 밀도가 0.2개/㎟ 이상이면, 냉각 롤의 외주면에 대한 연마 능력이 보다 향상되고, 외주면에 미소한 연마자국을 형성하기 쉽다. 또한, 브러시모의 밀도가 0.45개/㎟ 이하이면, 연마시의 마찰열의 방열성이 우수하다.
상기 조건 (1)~(6) 이외의 조건으로서, 연마 브러시 롤의 롤 지름은, 직경으로 120mm 이상 300mm 이하의 범위가 바람직하고, 130mm 이상 250mm 이하의 범위가 보다 바람직하며, 140mm 이상 200mm 이하의 범위가 더욱 바람직하다.
또, 연마 브러시 롤의 축방향 길이에 대해서는, 제조하는 합금 리본의 폭에 맞추어 적절히 설정할 수 있다.
-연마 브러시 롤에 의한 냉각 롤의 외주면의 연마 조건-
다음에, 냉각 롤의 외주면의 연마 조건에 대해 설명한다.
상기 조건 (4)에 관해, 냉각 롤에 대한 연마 브러시 롤의 상대 속도는, 10m/초 이상 23m/초 이하이다.
상대 속도가 10m/초 이상이면, 냉각 롤의 외주면에 대한 연마 능력이 보다 향상되고, 연마에 의해 외주면에 미소한 요철을 형성하기 쉬워진다. 또한, 상대 속도가 23m/초 이하이면, 연마시의 마찰열 저감의 점에서 유리하다.
상대 속도로서는, 12m/초~23m/초가 보다 바람직하고, 13m/초~20m/초가 더욱 바람직하다.
여기서, 냉각 롤에 대한 연마 브러시 롤의 상대 속도는, 연마 브러시 롤의 회전 방향과, 냉각 롤의 회전 방향이 서로 반대 방향인 경우(예를 들어 도 1의 경우), 연마 브러시 롤의 회전 속도(절대값)와 냉각 롤의 회전 속도(절대값)의 차의 절대값을 의미한다. 이 경우, 냉각 롤의 외주면과 브러시모가 접촉하는 접촉 부분에서는, 냉각 롤의 외주면의 특정 지점과, 연마 브러시 롤의 특정 브러시모가 동일 방향으로 이동한다.
한편, 냉각 롤에 대한 연마 브러시 롤의 상대 속도는, 연마 브러시 롤의 회전 방향과, 냉각 롤의 회전 방향이 동일 방향인 경우, 연마 브러시 롤의 회전 속도(절대값)와 냉각 롤의 회전 속도(절대값)의 합계를 의미한다.
상기 조건 (5)에 관해, 연마 브러시 롤의 브러시모의 선단부의 회전 방향과, 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ)는, 5° 이상 30° 이하이다.
예를 들어 도 2~도 3에 도시된 바와 같이 냉각 롤과 연마 브러시 롤이 배치되어 있어도 된다. 즉, 냉각 롤(30)과 연마 브러시 롤(60)은, 서로의 회전 방향이 각도(θ)를 이루는 위치 관계로 배치되어 있다. 이 경우, 연마 브러시 롤(60)은, 냉각 롤(30)의 회전 방향(P)에 대해, 연마 브러시 롤의 외주를 따라 부설되어 있는 브러시모의 선단부의 회전 방향(R)이 각도(θ)를 이루고, 각도(θ)를 5° 이상 30° 이하로 조절되어 있다.
여기서, 브러시모의 선단부의 회전 방향(R)은, 예를 들어 도 3과 같이, 원반형상의 연마 브러시 롤의 원형의 주면(主面)을 포함하는 평면의 면방향을 가리킨다.
각도(θ)를 마련함으로써, 냉각 롤의 외주면에, 롤 회전 방향(P)에 따른 직선적인 연마자국이 아니라, 롤 회전 방향(P)에 대해 경사진 연마자국을 형성할 수 있다. 경사진 연마자국이 형성됨으로써, 용탕이 부여되어 급냉 응고하여 합금 리본을 제작할 때, 리본 표면에 분산된 복수의 오목부(에어 포켓)를 형성할 수 있다. 즉, 각도(θ)가 5° 이상임으로써, 리본 표면에 분산된 복수의 오목부(에어 포켓)가 치우치지 않고 균일하게 형성된다. 또한, 각도(θ)가 30° 이하이면, 냉각 롤 외주면의 회전축 방향(합금 리본폭) 전역에 걸쳐 연마자국의 형성이 용이해지기 때문에 유리하다.
연마 브러시 롤의 브러시모의 선단부의 회전 방향(R)과 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(도 2~도 3 중의 각도(θ))로서는, 10° 이상 25° 이하가 바람직하고, 12° 이상 20° 이하가 보다 바람직하다.
종래, 연마 브러시 롤의 회전 방향(도 3 중의 화살표 방향(A))은, 냉각 롤의 회전 방향(P)과 평행한 것이 통상이었지만, 본 발명의 일 실시형태와 같이, 냉각 롤의 회전 방향(P)과 평행한 화살표 방향(A)으로부터 연마 브러시 롤의 회전 방향을 각도(θ) 경사시킨 경우, 냉각 롤의 표면과 접촉하지 않는 상태에서는, 브러시모의 선단의 움직임은 브러시 롤축의 회전 방향과 동일하지만, 냉각 롤과 브러시모의 선단부가 접한 상태에서는, 브러시모는, 브러시모의 선단부의 회전 방향(R)과, 냉각 롤의 회전 방향(P)이 이루는 각도(θ)를 중심으로 한 각도로 회전 방향(P)에 대해 경사진 연마자국이 냉각 롤의 표면에 형성한다.
그리고, 본 개시의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법에서는, 합금 리본이 주조되는 냉각 롤의 외주면의 임의의 위치에서의 연직 방향(시간에 대해 일정 방향)에 대해, 대략 직선 형상의 브러시모의 길이방향이 일치하지 않고, 또한 평행도 되지 않으며, 상기 연직 방향과 브러시모의 길이방향은 각도(5° 이상 30° 이하의 범위의 각도)를 이루고, 또한 이 각도는 주기적으로 시간 변화시킬 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 냉각 롤로부터 본 경우, 연마 브러시 롤의 회전 속도에 따라, 연마 브러시 롤의 회전 방향을 ±θ의 각도 범위에서 주기적으로 경사를 변화시킬 수 있다.
또, 주기적으로 시간 변화하기 때문에, 상기 연직 방향과 브러시모의 길이방향이 일시적으로 일치하거나 평행이 되는 경우가 있는 것은 허용된다.
냉각 롤의 표면에 형성되는 연마자국의 깊이로서는, 1μm~2μm의 범위가 바람직하다.
냉각 롤의 외주면에 대한 브러시모(연마 브러시)의 압입량(눌러 넣는 양)은, 적절히 조정되지만, 예를 들어 1mm~10mm로 할 수 있다.
상기 조건 (6)에 관해, 용탕을 부여할 때의 압력(용탕의 토출 압력)은, 20kPa~30kPa의 범위이고, 23kPa~28kPa가 바람직하며, 25kPa~28kPa가 보다 바람직하다.
용탕의 토출 압력이 20kPa 이상이면, 오목부(에어 포켓)의 형성이 억제되고, 보다 효율적으로 냉각을 행할 수 있다. 이에 의해, 합금 조직에 조대(粗大)한 결정립이 생성되기 어렵고, 양호한 자기 특성(B800)을 얻을 수 있다. 또한, 용탕의 토출 압력이 30kPa 이하이면, 패들(용탕 탱크부)의 형상이 안정되어, 안정된 주조가 가능해지는 점에서 유리하다.
용탕 노즐의 선단과 냉각 롤의 외주면의 거리는, 0.1mm~0.4mm가 바람직하고, 0.1mm~0.3mm가 보다 바람직하다.
본 개시의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법을 도면을 참조하여 더욱 설명한다.
도 1은, 단롤법에 의한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본 제조 장치의 일례를 개념적으로 나타내는 개략 단면도로서, 합금 리본 제조 장치를, 냉각 롤(30)의 축방향 및 합금 리본의 폭방향에 대해 수직인 면으로 절단한 경우의 절단면을 나타내고 있다. 여기서, 합금 리본(22C)은, 본 발명의 일 실시형태의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 일례이다. 또한, 냉각 롤(30)의 축방향과 합금 리본(22C)의 폭방향은 동일 방향이다.
도 1에 도시된 바와 같이, Fe기 아몰퍼스 합금 리본 제조 장치인 합금 리본 제조 장치(100)는, 용탕 노즐(10)을 구비한 도가니(20)와, 그 외주면이 용탕 노즐(10)의 선단에 대향하는 냉각 롤(30)을 구비하고 있다.
도가니(20)는, 합금 리본(22C)의 원료가 되는 합금 용탕(22A)을 수용할 수 있는 내부 공간을 가지고 있고, 이 내부 공간과 용탕 노즐(10) 내의 용탕 유로가 연통되어 있다. 이에 의해, 도가니(20) 내에 수용된 합금 용탕(22A)을, 용탕 노즐(10)에 의해 냉각 롤(30)에 토출할 수 있도록 되어 있다(도 1에서는, 합금 용탕(22A)의 토출 방향 및 유통 방향을 화살표 Q로 나타내고 있다). 또, 도가니(20) 및 용탕 노즐(10)은, 일체로 구성된 것이어도 되고, 별도의 몸체로서 구성된 것이어도 된다.
도가니(20)의 주위의 적어도 일부에는, 가열 수단으로서의 고주파 코일(40)이 배치되어 있다. 이에 의해, 합금 리본의 모합금이 수용된 상태의 도가니(20)를 가열하여 도가니(20) 내에서 합금 용탕(22A)을 생성하거나, 외부로부터 도가니(20)에 공급된 합금 용탕(22A)의 액체 상태를 유지할 수 있도록 되어 있다.
또한, 용탕 노즐(10)은, 합금 용탕을 화살표 Q의 방향으로 토출하기 위한 개구부(토출구)를 가지고 있다.
이 개구부는, 직사각형(슬릿 형상)의 개구부로 하는 것이 적합하다.
용탕 노즐(10)의 선단과 냉각 롤(30)의 외주면의 거리(최근접 거리)는, 용탕 노즐(10)에 의해 합금 용탕(22A)을 토출하였을 때에, 패들(22B)(용탕 탱크부)이 형성될 정도로 근접하고 있다.
냉각 롤(30)은, 회전 방향(P)의 방향으로 축회전한다.
냉각 롤(30)의 내부에는 물 등의 냉각 매체가 유통되고 있어, 냉각 롤(30)의 외주면에 형성된 합금 용탕의 도막을 냉각할 수 있도록 되어 있다. 합금 용탕의 도막을 냉각함으로써, 합금 리본(22C)(Fe기 아몰퍼스 합금 리본)이 생성된다.
냉각 롤(30)의 재질로서는, Cu 및 Cu 합금(Cu-Be 합금, Cu-Cr 합금, Cu-Zr 합금, Cu-Cr-Zr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Ni-Si 합금, Cu-Ni-Si-Cr 합금, Cu-Zn 합금, Cu-Sn 합금, Cu-Ti 합금 등)을 들 수 있고, 열전도성이 높은 점에서, Cu 합금이 바람직하며, Cu-Be 합금, Cu-Cr-Zr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Ni-Si 합금, 또는 Cu-Ni-Si-Cr 합금이 보다 바람직하다.
냉각 롤(30) 외주면의 표면 거칠기에는 특별히 한정은 없지만, 냉각 롤(30) 외주면의 산술 평균 거칠기(Ra)는, 0.1μm~0.5μm가 바람직하고, 0.1μm~0.3μm가 보다 바람직하다. 냉각 롤(30) 외주면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.5μm 이하이면, 합금 리본을 이용하여 변압기를 제조할 때의 점적률이 보다 향상된다. 냉각 롤(30) 외주면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.1μm 이상이면, Ra의 조정이 보다 용이하다.
산술 평균 거칠기(Ra)는, JIS B 0601: 2001에 준거하여 측정된 표면 거칠기를 가리킨다.
냉각 롤(30)의 직경은, 냉각능의 관점에서, 200mm~1000mm가 바람직하고, 300mm~800mm가 보다 바람직하다.
또한, 냉각 롤(30)의 회전 속도는, 단롤법에 있어서 통상 설정되는 범위로 할 수 있지만, 주속(周速) 10m/s~40m/s가 바람직하고, 주속 20m/s~30m/s가 보다 바람직하다.
합금 리본 제조 장치(100)는, 용탕 노즐(10)보다 냉각 롤(30)의 회전 방향의 하류측(이하, 단순히 「하류측」이라고도 함)에, 냉각 롤의 외주면으로부터 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 박리하는 박리 수단으로서, 박리 가스 노즐(50)을 더 구비하고 있다.
본 일례에서는, 박리 가스 노즐(50)로부터, 냉각 롤(30)의 회전 방향(P)과는 반대방향(도 1 중의 점선의 화살표 방향)으로 박리 가스를 분사함으로써, 냉각 롤(30)로부터 합금 리본(22C)을 박리한다. 박리 가스로서는, 예를 들어 질소 가스나 압축 공기 등의 고압 가스를 이용할 수 있다.
합금 리본 제조 장치(100)는, 박리 가스 노즐(50)보다 하류측에, 냉각 롤(30)의 외주면을 연마하기 위한 연마 수단으로서, 연마 브러시 롤(60)을 더 구비하고 있다.
연마 브러시 롤(60)은, 롤축 부재(61)와, 롤축 부재(61)의 주위에 배치된 연마 브러시(62)를 포함한다. 연마 브러시(62)는, 다수의 브러시모로 구성된다.
연마 브러시 롤(60)은, 회전 방향(R)의 방향으로 축회전함으로써, 그 연마 브러시(62)의 브러시모에 의해 냉각 롤(30)의 외주면을 연마한다.
상기 연마 수단(예를 들어 연마 브러시 롤(60))에 의한 연마의 목적은, 반드시 냉각 롤의 외주면을 깎는 것에는 한정되지 않고, 냉각 롤의 외주면에 잔류한 잔류물을 제거하는 것도 포함된다. 연마의 목적은, 하기 제1 목적 및 제2 목적 중 적어도 한쪽인 것이 바람직하다.
제1 목적은, 냉각 롤 외주면의 평활성의 열화를 수복하는 것이다. 상세하게는, 합금 용탕과 냉각 롤 외주면이 처음에 접촉할 때, 냉각 롤 외주면(예를 들어 Cu 합금)의 극히 일부가 합금 용탕 중에 용해하여, 냉각 롤 외주면에 미소한 오목부(탈락 부분)가 형성됨으로써, 냉각 롤 외주면의 평활성이 열화되는 경우가 있다. 냉각 롤 외주면의 평활성의 열화는, 제조되는 합금 리본의 롤면(냉각 롤 외주면에 접촉하였던 면. 이하 동일.)의 평활성 열화의 원인이 될 수 있다. 냉각 롤 외주면의 평활성이 열화된 경우에도, 상기 연마에 의해, 상기 미소한 오목부(탈락 부분)에 대해 상대적으로 볼록부가 되어 있는 부분(즉, 용해가 억제된 부분)을 거의 균등하게 제거함으로써, 냉각 롤 외주면의 평활성의 열화를 수복할 수 있다. 그 결과, 냉각 롤 외주면의 평활성의 열화에 기인하는, 합금 리본의 롤면의 평활성의 열화를 억제할 수 있다.
제2 목적은, 합금 리본 박리 후의 냉각 롤 외주면에 잔류한 잔류물(합금)을 제거하는 것이다. 냉각 롤 외주면에 토출된 합금 용탕은, 급속히 냉각되어 합금 리본을 형성하고, 그 후, 냉각 롤 외주면으로부터 박리된다. 이 때, 합금 리본의 재질인 합금의 일부가, 냉각 롤 외주면으로부터 박리되지 않고 잔류물로서 잔류하며, 이 잔류물이 냉각 롤 외주면에 고착하여 볼록부를 형성하는 경우가 있다. 합금 리본의 주조는 연속하여 행해지기 때문에, 상기 잔류물에 의한 볼록부가 형성된 냉각 롤 외주면에 대해, 다시 합금 용탕이 토출된다. 그 결과, 제조되는 합금 리본의 롤면에서, 상기 볼록부에 대응하는 위치에 오목부가 형성되고, 합금 리본의 롤면의 평활성이 열화되는 경우가 있다. 또한, 상기 볼록부를 구성하는 잔류물(합금)의 열전도성이 냉각 롤 외주면(예를 들어 Cu 합금)의 열전도성보다 낮은 경우에는, 상기 볼록부에서, 냉각 롤에 의한 급냉 특성이 국소적으로 열화되고, 합금 리본의 자기 특성이 저하될 우려가 있다. 합금 리본 박리 후의 냉각 롤 외주면에 상기 잔류물이 잔류한 경우에도, 상기 연마에 의해, 상기 잔류물을 제거할 수 있다. 그 결과, 상기 잔류물에 기인하는, 합금 리본의 롤면의 평활성의 열화를 억제할 수 있다. 또한, 상기 잔류물에 기인하는, 합금 리본의 자기 특성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 이 일례에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 연마 브러시 롤의 회전 방향(R)과 냉각 롤의 회전 방향(P)이 반대 방향으로 되어 있다(도 1에서, 회전 방향(R)은 좌방향, 회전 방향(P)은 우방향). 여기서, 냉각 롤과 연마 브러시 롤은, 도 2~도 3에 도시된 위치 관계를 가지고 배치되어 있고, 냉각 롤 및 연마 브러시 롤의 회전 방향을 장치의 정면에서 본 경우, 연마 브러시 롤의 회전 방향(R)과 냉각 롤의 회전 방향(P)은, 각도(θ)(=5° 이상 30° 이하)를 가지고 있다.
연마 브러시 롤의 회전 방향과 냉각 롤의 회전 방향이 반대 방향인 경우, 양자의 접촉 부분에서는, 냉각 롤의 외주면의 특정 지점과, 연마 브러시 롤의 특정 브러시모가 동일 방향으로 이동한다.
본 실시형태는, 이 일례와는 달리, 연마 브러시 롤의 회전 방향과 냉각 롤의 회전 방향이 동일 방향이어도 된다. 연마 브러시 롤의 회전 방향과 냉각 롤의 회전 방향이 동일 방향인 경우, 양자의 접촉 부분에서는, 냉각 롤의 외주면의 특정 지점과, 연마 브러시 롤의 특정 브러시모가 반대 방향으로 이동한다.
합금 리본 제조 장치(100)는, 상술한 요소 이외의 그 밖의 요소(예를 들어, 제조된 합금 리본(22C)을 권취하는 권취 롤, 합금 용탕에 의한 패들(22B) 또는 그 근방에 CO2 가스나 N2 가스 등을 분사하는 가스 노즐 등)를 구비하고 있어도 된다.
그 밖에 합금 리본 제조 장치(100)의 기본적인 구성은, 종래의 단롤법에 의한 아몰퍼스 합금 리본 제조 장치(예를 들어, 국제공개 제2012/102379호, 일본특허 제3494371호 공보, 일본특허 제3594123호 공보, 일본특허 제4244123호 공보, 일본특허 제4529106호 공보 등 참조)와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.
다음에, 합금 리본 제조 장치(100)를 이용한 합금 리본(22C)의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
우선, 도가니(20)에, 합금 리본(22C)의 원료가 되는 합금 용탕(22A)을 준비한다. 합금 용탕(22A)의 온도는, 합금의 조성을 고려하여 적절히 설정되지만, 예를 들어 1210℃~1410℃, 바람직하게는 1280℃~1400℃이다.
다음에, 회전 방향(P)으로 축회전하는 냉각 롤(30)의 외주면에, 용탕 노즐(10)에 의해 합금 용탕을 토출하여, 패들(22B)을 형성하면서 합금 용탕에 의한 도막을 형성한다. 형성된 도막을 냉각 롤(30)의 외주면에서 냉각하여, 외주면 상에 합금 리본(22C)을 형성한다. 다음에, 냉각 롤(30)의 외주면에 형성된 합금 리본(22C)을, 박리 가스 노즐(50)로부터의 박리 가스의 분사에 의해 냉각 롤(30)의 외주면으로부터 박리하고, 도시하지 않은 권취 롤에 의해 롤 형상으로 권취하여 회수한다.
한편, 합금 리본(22C)이 박리된 후의 냉각 롤(30)의 외주면은, 회전 방향(R)으로 축회전하는 연마 브러시 롤(60)의 연마 브러시(62)에 의해 연마된다. 연마된 냉각 롤(30)의 외주면에 대해, 다시 합금 용탕이 토출된다.
이상의 동작이 반복됨으로써, 길이가 긴 형상의 합금 리본(22C)이 연속적으로 제조(주조)된다.
상기 일례에 관한 제조 방법에 의해, 본 실시형태의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 일례인, 합금 리본(22C)이 제조된다. 합금 리본(22C)의 두께는, 10μm~26μm이다.
이하, 제조 방법의 일례의 바람직한 범위에 대해 설명한다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 그 주지를 넘지 않는 한, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 또, 특별히 언급이 없는 한, 「부」는 질량 기준이다.
〔실시예 1~5〕
<Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제작>
도 1에 도시된 합금 리본 제조 장치(100)와 마찬가지의 합금 리본 제조 장치를 준비하였다.
냉각 롤로서는, 외주면의 재질이 Cu-Ni 합금이고, 직경이 400mm이며, 외주면의 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.3μm인 냉각 롤을 이용하였다. 연마 브러시 롤에 대해서는 후기한다.
우선, 도가니 내에서, Fe, Si, B, Cu, Nb, C 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 용탕(이하, 「Fe-Si-B-Cu-Nb계 합금 용탕」이라고도 함)을 조제하였다. 구체적으로는, 순철, 페로실리콘, 및 페로보론을 혼합하여 용해시키고, Fe, Si, B, Cu, Nb, C 및 불가피 불순물의 총함유량을 100원자%로 하였을 때에, Si의 함유량이 15원자%이고, B의 함유량이 7원자%이며, Cu의 함유량이 1원자%이고, Nb의 함유량이 3원자%이며, C의 함유량이 0.2원자%이고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 용탕을 조제하였다.
원자%의 수치는, 용탕으로부터 합금의 일부를 채취하여, ICP 발광 분광 분석법에 의해 측정된 양이다.
다음에, 이 Fe-Si-B-Cu-Nb계 합금 용탕을, 장변의 길이 142mm×단변의 길이 0.5mm의 직사각형(슬릿 형상)의 개구부를 갖는 용탕 노즐의 그 개구부로부터, 회전하는 냉각 롤의 외주면에 토출하고, 급냉 응고시켜, 리본폭 142mm, 두께 18μm의 아몰퍼스 합금 리본을 3000kg 제작(주조)하였다. 주조 시간은 80분이며, 합금 리본이 끊어지지 않고 연속하여 주조되었다. 또, 모든 실시예에 있어서, 합금 리본은 끊어지지 않고 연속하여 주조되었다.
상기 주조는, 냉각 롤 외주면을 연마 브러시 롤의 연마 브러시(브러시모)에 의해 연마하면서 행하였다. 연마는, 도 2~도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 롤의 회전 방향(P)이 연마 브러시 롤의 회전 방향(R)에 대해 각도(θ)의 경사를 가지고 배치된 연마 브러시 롤의 브러시모를, 냉각 롤 외주면에 접촉시켜 행하였다. 합금 용탕은, 연마된 냉각 롤의 외주면에 대해 토출하여, 폭길이 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다(도 1 참조).
이하에, 주조의 상세한 조건을 나타낸다.
-주조 조건-
합금 용탕 온도: 1300℃
냉각 롤의 주속: 25m/s
합금 용탕의 토출 압력: 20kPa~30kPa의 범위 내로 조정
용탕 노즐 선단과 냉각 롤의 외주면의 거리(갭): 0.15mm~0.35mm의 범위 내로 조정
-연마 브러시 롤 및 연마의 조건-
(1) 브러시모의 조성: 수지인 612나일론(70질량%) 및 무기 연마 지립인 탄화규소(30질량%)를 포함함
(2) 브러시모(연마 브러시) 중의 탄화규소의 입경: 60μm~90μm
(3) 브러시모의 길이방향과 직교하는 단면의 형상: 직경 0.8mm의 원형상
(4) 냉각 롤에 대한 연마 브러시의 상대 속도: 11m/s~23m/s의 범위에서 조정
(5) 브러시모의 선단부의 회전 방향과 상기 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ): 15°
연마 브러시 롤의 회전 방향과 냉각 롤의 회전 방향의 관계: 반대 방향
(접촉 부분에서는, 냉각 롤의 외주면의 특정 지점과 브러시모가 동일 방향으로 이동)
(6) 연마 브러시 롤의 롤 지름(직경): 150mm
연마 브러시 롤의 축방향의 길이: 300mm
(7) 브러시모의 선단부에서의 브러시모 밀도: 0.27개/㎟
상기에 있어서, 실시예 2~5에서는, 실시예 1에 대해, 용탕의 토출 압력을 하기 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 폭길이 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다.
(비교예 1)
실시예 1에 있어서, 용탕의 토출 압력을 하기 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 폭길이 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다.
(비교예 2)
실시예 1에 있어서, 용탕의 토출 압력을 하기 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 폭길이 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다.
(비교예 3)
실시예 1에 있어서, 브러시모의 선단부의 회전 방향과 상기 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ)를 15°에서 0°로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 폭길이 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다.
(비교예 4)
실시예 4에 있어서, 브러시모의 선단부의 회전 방향과 상기 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ)를 15°에서 0°로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 폭길이 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다.
<오목부(에어 포켓)의 측정>
냉각 롤에 의해 급냉 응고된 합금 리본을 권취하여, Fe기 아몰퍼스 합금 리본을 제작하였다. 제작한 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 냉각면(냉각 롤 접촉면)의 폭방향 중앙부에서의 0.647mm×0.647mm의 영역에 존재하는 오목부(에어 포켓)를, 고분해능 레이저 현미경 OLS4100(올림푸스 주식회사 제품)을 이용하여 측정하였다. 측정 결과, 모든 Fe기 아몰퍼스 합금 리본이, 깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)를 가지고 있는 것을 확인하였다. 나아가 오목부(에어 포켓)의 길이(L), 폭길이(W) 및 깊이, 깊이 1μm 이상의 오목부(에어 포켓)의 최대 면적과 면적률을 구하였다.
또한, 실시예 1의 합금 리본의 주사형 전자 현미경(SEM) 사진을 도 5에, 비교예 1의 합금 리본의 SEM 사진을 도 6에 나타낸다.
<자심의 제작>
상기에서 제작한 폭 142mm의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본을, 폭방향 양단부를 5mm를 제외하고 폭 33mm로 절단(슬릿)하여, 4장을 겹친 4중의 리본으로 하였다. 그 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 합금 리본을 외경 19mm 및 내경 15mm의 크기가 되도록 감아, 토로이달 형상의 권회체로 하였다. 최외주 부분은, 최외주 리본 단부로부터 약 1~2mm의 위치에, 폭방향으로 1, 2개소를 스폿 용접에 의해 고정하였다. 얻어진 권회체를 나노 결정화시키기 위해, 이하의 열처리를 행하여, 자심을 제작하였다.
열처리는, 질소 분위기 중에서 실온(예를 들어 20℃)에서 550℃까지 4시간에 걸쳐 승온하고, 550℃에서 20분 유지한 후, 2시간에 걸쳐 100℃ 이하까지 냉각하였다.
<자속 밀도의 측정>
상기와 같이 하여 제작한 자심을 플라스틱제의 수납 케이스에 수납한 후, 수납 케이스의 외측에 직경 0.5mm의 절연 피복 도선을 1차 권선 10턴, 2차 권선 10턴을 감고, 직류 자화 측정 장치 SK110(메트론 기켄 주식회사 제품)을 이용하여, 자기장 강도 800A/m에서의 자속 밀도(B800(T))를 구하였다. 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~5에서는, B800은 1.18T 이상이며, 우수한 수치이다. 광폭의 합금 리본이면서, B800의 저하는 인정되지 않는다. 이는, 냉각 롤의 표면에서의 냉각 불충분한 상태에서의 박리 내지 유리가 억제되고, 합금 리본 용탕이 냉각 롤 상에 토출, 응고된 후, 충분히 냉각된 후, 리본이 박리되어 있다고 추측된다. 즉, 냉각 속도가 충분하기 때문에, 냉각 롤에 의해 주조 후의 합금 리본은, 안정된 아몰퍼스(비정질)라고 추측된다.
실시예 1~5에서는, 폭길이가 70mm 이상인 광폭의 리본이면서, 자속 밀도(B800)가, 폭길이가 50mm~60mm인 종래부터 이용되고 있는 협폭의 리본으로 제작된 자심에 대해 손색이 없는 동등한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, 비교예 1의 합금 리본에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 표면에 좁고 긴 오목부(에어 포켓을 부름)가 형성되어 있는 상태가 보이는 것에 반해, 실시예 1의 합금 리본의 표면을 나타내는 도 5에서는, 표면에 산재한 복수의 오목부(에어 포켓)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
오목부(에어 포켓)는, 합금 용탕이 냉각 롤과 접촉할 때에, 계면에 말려 들어가는 공기나 분위기 가스라고 생각된다. 일반적으로, 오목부(에어 포켓)가 크고, 또한 수가 많으면, 공기나 가스는 열전도율이 낮기 때문에, 합금 용탕의 냉각 롤 상에서의 냉각이 불충분해지는 경향이 있다.
실시예에서는, 오목부의 면적이 작고, 또한 면적률이 작기 때문에, 자기 특성(B800)이 우수하다.
한편, 비교예에서 B800의 값이 낮은 것은, 상기 오목부(에어 포켓) 부분에서의 냉각이 불충분해지고, 합금 조직의 일부에 조대한 결정립이 생성되어, 자기 특성(B800)을 열화시키고 있다고 추측된다. 이 점에서, 냉각 롤에 의해 주조한 후의 합금 리본이 안정된 아몰퍼스(비정질)인 실시예와 다르다.
또, 조대 결정립에 의한 자기 특성의 열화는, 나노 결정화를 위한 열처리에 의해서도 개선되지 않는다.
2017년 3월 31일에 출원된 미국 가출원 62/479,330의 개시는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 도입된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허출원, 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허출원, 및 기술 규격이 참조에 의해 도입되는 것이 구체적이고 각각에 기록된 경우와 동일한 정도로, 본 명세서 중에 참조에 의해 도입된다.

Claims (11)

  1. 냉각 롤의 표면에 부여된 용탕의 냉각체인, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본으로서,
    냉각면인 리본 표면의 리본 폭방향 중앙부의 0.647mm×0.647mm의 영역에 깊이 1μm 이상의 오목부를 가지며, 상기 깊이 1μm 이상의 오목부의 최대 면적이 3000μ㎡ 이하인, Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 영역에서의, 깊이 1μm 이상이고, 또한 면적이 100μ㎡ 이상인 오목부의 면적률이, 1% 이상 10% 미만인 Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 면적률이, 1% 이상 5% 미만인 Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부의 최대 면적이, 2500μ㎡ 이하인 Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    전체 개수에 대해 60% 이상의 상기 오목부가, 하기 식 1을 만족시키는 Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
    0.6≤L/W≤1.8 ···식 1
    식 1 중, L은, 오목부의 주조 방향에서의 길이를 나타내고, W는, 오목부의 주조 방향과 직교하는 리본 폭방향에서의 폭길이를 나타낸다.
  6. 청구항 5에 있어서,
    전체 개수에 대해 30% 이상의 상기 오목부가, 하기 식 2를 만족시키는 Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
    0.6≤L/W≤1.2 ···식 2
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    리본폭의 길이가, 70mm 이상 250mm 이하인 Fe기 아몰퍼스 합금 리본.
  8. 냉각 롤의 표면에, 상기 냉각 롤을 하기 조건 (1)~(6)을 만족시키는 연마 브러시 롤에 의해 연속적으로 연마하면서, 용탕을 부여하는 공정을 갖는, Fe기 나노 결정 합금용의 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법.
    (1) 상기 연마 브러시 롤의 브러시모의 조성: 폴리아미드 수지 및 무기 연마 지립(砥粒)을 함유
    (2) 상기 무기 연마 지립의 입경(粒徑): 60μm~90μm
    (3) 상기 브러시모의 길이방향과 직교하는 단면의 형상: 직경 0.7mm 이상 1.0mm 이하의 원형상
    (4) 상기 냉각 롤에 대한 상기 연마 브러시 롤의 상대 회전 속도: 10m/초 이상 23m/초 이하
    (5) 상기 브러시모의 선단부의 회전 방향과 상기 냉각 롤의 회전 방향이 이루는 각도(θ): 5° 이상 30° 이하
    (6) 용탕을 부여할 때의 압력: 20kPa 이상 30kPa 이하
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연마 브러시 롤은, 하기 조건 (7)~(8)을 더 만족시키는 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법.
    (7) 상기 연마 브러시 롤의 롤 지름: 직경 120mm 이상 300mm 이하
    (8) 브러시모의 선단부에서의 브러시모 밀도: 0.2개/㎟ 이상 0.45개/㎟ 이하
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 폴리아미드 수지가 나일론인 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법.
  11. 청구항 8 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리아미드 수지의 함유량에 대한 상기 무기 연마 지립의 함유량의 비가, 질량 기준으로 10/90~40/60인 Fe기 아몰퍼스 합금 리본의 제조 방법.
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