JP6601139B2 - 軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金及びＦｅ系非晶質合金薄帯 - Google Patents

Description

本発明は、電力トランス、高周波トランスなどの鉄心等に用いられるＦｅ系非晶質合金及びＦｅ系非晶質合金薄帯に関するものである。

合金を溶融状態から急冷することによって、連続的に薄帯や線を製造する方法として遠心急冷法、単ロ−ル法、双ロ−ル法等が知られている。これらの方法は、高速回転する金属製ドラムの内周面または外周面に溶融金属をオリフィス等から噴出させることによって、急速に溶融金属を凝固させて薄帯や線を製造するものである。また、合金組成を適正に選ぶことによって、液体金属に類似した非晶質合金を得ることができ、磁気的性質あるいは機械的性質に優れた材料を製造することができる。

このような急冷凝固により得られる非晶質合金として、これまで多くの成分が提案されている。例えば、特許文献１では、原子％で、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｖからの少なくとも１種で６０〜９０％、Ｐ、Ｃ、Ｂからの少なくとも１種で１０〜３０％、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｂｅからの少なくとも１種で０．１〜１５％からなる合金成分が提案されている。特許文献１に記載の技術は非晶質相が得られる合金成分を提案したもので、特に電力トランスや高周波トランスなどの鉄心等の用途に限定した、いわゆる磁気的性質のみに注目した成分の提案ではない。

その後、磁気的性質に注目した非晶質合金としての合金成分も多く提案されている。例えば、特許文献２では、原子％で、Ｆｅが７５〜７８．５％、Ｓｉが４〜１０．５％、Ｂが１１〜２１％からなる合金成分が提案されている。

一方、特許文献３では、Ｆｅ、Ｃｏからの少なくとも１種で７０〜９０％、Ｂ、Ｃ、Ｐからの少なくとも１種で１０〜３０％、さらに、Ｆｅ、Ｃｏの含有量を、Ｎｉでその３／４まで、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗでその１／４まで代替でき、又、Ｂ、Ｃ、Ｐの含有量を、Ｓｉでその３／５まで、Ａｌでその１／３まで代替できる合金成分が提案されている。

特許文献１、３で提案された非晶質合金成分の中でも、エネルギ−損失である鉄損が低いこと、飽和磁束密度および透磁率が高いこと、さらには安定して非晶質相が得られる等の理由から、例えば特許文献２に示すようなＦｅＳｉＢ系非晶質合金が、電力トランスや高周波トランスの鉄心等の用途として有望視されるようになった。

以来、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金の合金成分に関する開発は、このＦｅＳｉＢ系を中心にして進められた。すなわち、ＦｅＳｉＢ系非晶質合金においての一層の鉄損低減開発が盛んに行われ、多くの成果が生み出された。

非晶質合金における鉄損の改善はかなり進められ、例えば、特許文献４により、単板測定による鉄損Ｗ１３／５０（磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損）で、安定して０．１００Ｗ／ｋｇ以下の低鉄損を実現可能となるまでに至った。

つまり、特許文献４では、原子％で、Ｆｅを７８％以上８６％以下、Ｂを８％以上１８％以下、Ｃを３％以上１０％以下、Ｓｉを０．１％以上５％以下、さらに、Ａｌを０．１％以上３％以下含有し、残部不可避的不純物からなる合金成分が提案されている。

特開昭４９−９１０１４号公報 特開昭５７−１１６７５０号公報 特開昭６１−３０６４９号公報 特開２００８−２４０１４７号公報

従来、非晶質合金における鉄損低減開発はかなり進んでいるものの、一方で、電力トランスや高周波トランスなどの鉄心等の用途での磁束密度の改善が強く要求されている。しかし、従来、低鉄損を維持しながら飽和磁束密度が安定して１．６０Ｔ以上となる非晶質合金を得ることは非常に困難であった。

本発明は、このような磁束密度改善のニーズに応えるべく、低鉄損を維持しながら一層の高磁束密度化を実現できるＦｅ系非晶質合金及びＦｅ系非晶質合金薄帯の提供を課題とする。

本発明者は、これまで提案された各種合金成分の構成元素のうち、先に述べた例えば、特許文献４に記載のＦｅをメインとし、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ及びＡｌからなる成分系に注目し、低鉄損を維持しながら更なる高磁束密度化について検討及び実験を行った。そして、Ｆｅをメインとし、添加元素がＢ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌを主体とする成分系を基本として、さらに他の元素も組み合わせて詳細実験を行った結果、飽和磁束密度が安定して１．６０Ｔ以上になる非晶質合金の成分を見出した。そして、この知見を基に検討を重ね、本発明を完成するに至った。

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は、以下のとおりである。

（１）原子％で、Ｆｅを８０．０％以上８８．０％以下、Ｂを６．０％以上１２．０％以下、Ｃを２．０％以上８．０％以下、Ｓｉを０．１０％以上３．０％以下、Ａｌを０．１０％以上２．０％以下含有し、さらに、Ｍｏを０．１０％以上６．０％以下含有し、残部不可避的不純物からなり、磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損（Ｗ１３／５０）が０．１００Ｗ／ｋｇ以下、かつ、飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上であることを特徴とする軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
（２）Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種以上で、上記（１）に記載の合金のＦｅを１０．０原子％以下の範囲で、代替することを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
（３）上記（１）または（２）に記載のＦｅ系非晶質合金からなることを特徴とするＦｅ系非晶質合金薄帯。

本発明によれば、低鉄損を維持したまま飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上となるＦｅ系非晶質合金を提供できる。
また、本発明によれば、低鉄損を維持したまま飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上となるＦｅ系非晶質合金薄帯を提供できる。

以下、本発明の実施形態に係るＦｅ系非晶質合金について詳細に説明する。
本実施形態のＦｅ系非晶質合金の特徴は、Ｆｅ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌからなる合金に、更にＭｏを添加し、構成元素の含有量を最適化したことにより、軟磁気特性、特に低鉄損を維持したまま飽和磁束密度を製造ロット内で安定して一層高くすることを実現したことにある。また、本実施形態のＦｅ系非晶質合金は、ベースであるＦｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏで代替することで更なる軟磁気特性の改善を実現したことにある。低鉄損とは、単板測定による鉄損Ｗ１３／５０（磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損）で、安定して０．１００Ｗ／ｋｇ以下を示すことであり、本実施形態では、この低鉄損特性を備えたまま１．６０Ｔ以上の高い飽和磁束密度を示すＦｅ系非晶質合金を実現できる。

はじめに、本実施形態のＦｅ系非晶質合金において、各元素の含有量を限定した理由について述べる。

ＢおよびＣは、本実施形態のＦｅ系非晶質合金において、非晶質相形成及び非晶質相の熱的安定性を向上させるために添加する。さらに、これら元素の含有量を最適化することで、軟磁気特性を一層改善することが可能であり、例えば、飽和磁束密度を安定して１．６０Ｔ以上を実現することができる。Ｂが６．０原子％未満、Ｃが２．０原子％未満ではＦｅ系非晶質合金において、非晶質合金が安定して得られないことから、飽和磁束密度を安定して１．６０Ｔ以上とすることが困難となる。一方、Ｂを１２．０原子％超、Ｃを８．０原子％超としても、鉄損を安定して０．１００Ｗ／ｋｇ以下を維持したまま、飽和磁束密度を安定して１．６０Ｔ以上とすることは困難となる。従って、Ｂを６．０原子％以上１２．０原子％以下、Ｃを２．０原子％以上８．０原子％以下の範囲に限定した。

さらに、本実施形態のＦｅ系非晶質合金において、Ｓｉ，Ａｌを添加すると非晶質相形成能が改善し、非晶質相の熱的安定性が一層向上する。Ｓｉ、Ａｌの含有量はそれぞれ、０．１０原子％以上、３．０原子％以下、０．１０原子％以上、２．０原子％以下とする。Ｓｉ及びＡｌが０．１０原子％未満では非晶質相形成能の改善が認められず、Ｓｉが３．０原子％超、Ａｌが２．０原子％超では非晶質相形成能の改善があまり認められないからである。

Ｍｏの添加も非晶質相形成能を一層向上させる。Ｍｏの含有量は０．１０原子％以上、６．０原子％以下とする。Ｍｏが、０．１０原子％未満では非晶質相形成能のより一層の向上が認められず、６．０原子％超では非晶質相形成能の向上があまり認められないからである。

Ｆｅ系非晶質合金において、Ｆｅの含有量は通常、７０原子％以上であれば一般的な鉄心としての実用的なレベルの飽和磁束密度が得られるが、１．６０Ｔ以上の高い飽和磁束密度を得るためには、Ｆｅを８０．０原子％以上にする必要がある。一方、Ｆｅの含有量が８８．０原子％超となると、非晶質相の形成が困難となり、非晶質合金特有の良好な軟磁気特性（例えば、鉄損Ｗ１３／５０を安定して０．１００Ｗ／ｋｇ以下）を得ることが難しくなる。よって、本実施形態のＦｅ系非晶質合金において、Ｆｅ含有量を８０．０原子％以上８８．０原子％以下の範囲と限定した。

一般的に、飽和磁束密度はＦｅの含有量でほぼ決まり、Ｆｅの含有量が高い程、飽和磁束密度が高くなる。本実施形態のＦｅ系非晶質合金の場合、非晶質相を形成するためにＢやＣなどの元素を添加するが、その分Ｆｅの含有量が低くなり、得られる飽和磁束密度には制限があった。本実施形態のＦｅ系非晶質合金では新たにＭｏを添加することで非晶質相形成能を向上させたことでＦｅの含有量を多くすることが可能となり、これが１つのポイントとなって本実施形態のＦｅ系非晶質合金を実現できた。

また、本実施形態のＦｅ系非晶質合金において、飽和磁束密度１．６５Ｔ以上を得るためのＦｅのより好ましい範囲は８４．０〜８８．０原子％とすることができ、更に好ましくは８４．０原子％超〜８８．０原子％とすることができる。
また、本実施形態のＦｅ系非晶質合金において、０．０９０Ｗ／ｋｇ以下の低鉄損を得るためには、Ｆｅのより好ましい範囲は８０．０〜８４．０原子％とすることができる。

本実施形態のＦｅ系非晶質合金では、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、１０．０原子％以下の範囲で代替することで、高飽和磁束密度を維持したまま鉄損などの軟磁気特性の改善も実現できる。これら元素による代替量に上限を設けたのは、１０．０原子％超となると、飽和磁束密度が低くなることや原料コストが嵩むためである。

本実施形態のＦｅ系非晶質合金は、通常、薄帯の形態で得ることができる。このＦｅ系非晶質合金薄帯は、上述の実施形態において説明した成分からなる合金を溶解し、溶湯をスロットノズル等を通して高速で移動している冷却板上に噴出し、該溶湯を急冷凝固させる方法、例えば、単ロ−ル法、双ロ−ル法によって製造することができる。これらのロール法に用いるロールは金属製であり、ロールを高速回転させ、ロール表面またはロール内面に溶湯を衝突させることで合金の急冷凝固が可能である。

単ロ−ル装置には、ドラムの内壁を使う遠心急冷装置、エンドレスタイプのベルトを使う装置、及びこれらの改良型である補助ロ−ルやロ−ル表面温度制御装置を付属させたもの、減圧下あるいは真空中、または不活性ガス中での鋳造装置も含まれる。

本実施形態では、薄帯の板厚、板幅などの寸法は特に限定しないが、薄帯の板厚は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。また、板幅は１０ｍｍ以上が好ましい。
以上説明の如く得られたＦｅ系非晶質合金薄帯は、電力トランスや高周波トランスでの鉄心等の用途として用いることができる。

なお、本実施形態のＦｅ系非晶質合金は、薄帯の他に粉末状とすることも可能である。その場合、上述の組成の合金溶湯を満たしたるつぼのノズルから回転するロールあるいは冷却用の水などの液体の中に高速で合金溶湯あるいは合金溶湯の液滴を噴出して急冷凝固する方法を採用することができる。

上述の方法により、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金粉末を得ることができる。

上述のように得られたＦｅ系軟磁性合金粉末は、金型等により圧密して目的の形状に成形し、必要に応じ焼結して一体化することで、電力トランスや高周波トランス、コイルの鉄心等の用途として適用することができる。

なお、本実施形態のＦｅ系非晶質合金が非晶質組織を有するか否かは、例えば、Ｆｅ管球を用いたＸ線回折装置によるＸ線回折測定で確認できる。すなわち、Ｘ線回折測定において明確な回折ピークが得られない場合は、Ｆｅ系非晶質合金が非晶質組織を有していると確認できる。

以下、実施例について説明する。
（実施例１）
以下の表１に示す各種成分の合金をアルゴン雰囲気中で溶解し、単ロ−ル法で薄帯に鋳造した。鋳造雰囲気は大気中であった。そして、得られた薄帯について軟磁気特性を調査した。使用した単ロ−ル薄帯製造装置は、直径３００ｍｍの銅合金製冷却ロ−ル、試料溶解用の高周波電源、先端にスロットノズルが付いている石英ルツボ等から構成される。

この実験では、長さ２０ｍｍ、幅０．６ｍｍのスロットノズルを使用した。冷却ロ−ルの周速は２４ｍ／秒とした。結果として、得られた薄帯の板厚は約２５μｍであり、板幅はスロットノズルの長さに依存するので２０ｍｍであり、長さはおよそ５０ｍであった。

得られた薄帯の飽和磁束密度は、ＶＳＭ装置（振動試料型磁力計）を用いて測定した。薄帯の鉄損は、ＳＳＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｔｒｉｐ Ｔｅｓｔｅｒ）を用いて測定した。なお、鉄損測定条件は、磁束密度１．３Ｔ、周波数５０ｋＨｚである。これらの特性測定用の試料は、いずれも１ロットの全長に渡って６箇所から採取し、鉄損測定用のサンプルは１２０ｍｍ長さに切断した薄帯サンプルとした。これら鉄損測定用の薄帯サンプルは３６０℃にて１時間、磁場中でアニ−ルを行って測定に供した。アニ−ル中の雰囲気は窒素雰囲気とした。一方、ＶＳＭ装置用の試料は、上記６個所からの薄帯サンプルについていずれも幅中央部から採取した薄片とした。

飽和磁束密度及び鉄損の測定結果は６個所でのデ−タの平均値を、表１に示した。

表１の試料Ｎｏ．１〜２３の結果から明らかなように、Ｆｅを８０．０原子％以上８８．０原子％以下、Ｂを６．０原子％以上１２．０原子％以下、Ｃを２．０原子％以上８．０原子％以下、Ｓｉを０．１０原子％以上３．０原子％以下、Ａｌを０．１０原子％以上２．０原子％以下、更に、Ｍｏを０．１０原子％以上６．０原子％以下の本発明範囲とすることによって、飽和磁束密度１．６０Ｔ以上、又、磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損が０．１００Ｗ／ｋｇ以下と、良好な軟磁気特性を有するＦｅ系非晶質合金薄帯が得られることがわかった。なお、実施例のＦｅ系非晶質合金薄帯はいずれも、Ｘ線回折測定において明確な回折ピークが観察されず、非晶質であることが確認された。

これらに対して、試料Ｎｏ．２４〜３６に示す比較例のうち、試料Ｎｏ．２５、２６、２８では、破断発生や、表面にうねりが発生し、飽和磁束密度や鉄損の測定ができなかった（表１中の軟磁気特性の欄中に「−」で示す）。

試料Ｎｏ.２５はＦｅ含有量が望ましい範囲の上限８８．０原子％を上回った例であり、試料Ｎｏ．２６はＢ含有量の望ましい範囲の下限６．０原子％を下回った例、そして試料Ｎｏ．２８はＣ含有量が望ましい範囲の下限２．０原子％を下回った例である。

一方、試料Ｎｏ．２４、２７、２９〜３５では薄帯が得られても飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上及び鉄損が０．１００Ｗ／ｋｇ以下の両者を満足する特性は得られなかった。

試料Ｎｏ.２４はＦｅ含有量が望ましい範囲の下限８０．０原子％を下回った例で飽和磁束密度が低下した例、試料Ｎｏ.２７はＢ含有量が望ましい範囲の上限１２．０原子％を上回り鉄損が増加した例、試料Ｎｏ.２９はＣ含有量が望ましい範囲の上限８．０原子％を上回り鉄損が増加した例である。試料Ｎｏ.３０はＳｉ含有量が望ましい範囲の下限０．１０原子％を下回り鉄損が増加した例、試料Ｎｏ.３１はＳｉ含有量が上限の３．０原子％を上回り鉄損が増加した例である。又、試料Ｎｏ．３２はＡｌ含有量が下限の０．１０原子％を下回り鉄損が増加した例であり、試料Ｎｏ．３３はＡｌ含有量が上限の２．０原子％を上回り鉄損が増加した例である。更に、試料Ｎｏ．３４はＭｏ含有量が望ましい範囲の下限０．１０原子％を下回り鉄損が増加した例、試料Ｎｏ.３５はＭｏ含有量が望ましい範囲の上限６．０原子％を上回り鉄損が増加した例である。

更に、試料Ｎｏ．３６はＭｏを含有しない例であり、Ｍｏを含有しないことから、飽和磁束密度１．６０Ｔ以上、鉄損０．１００Ｗ／ｋｇ以下の両者とも満足しない特性となった。

これらの対比から、本発明により、Ｆｅ系非晶質合金において磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損が０．１００Ｗ／ｋｇ以下という優れた鉄損を維持しながら、更なる飽和磁束密度の改善を実現できることがわかった。

（実施例２）
表１のＮｏ．１に示す合金について、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で代替した各種成分の合金を用いて、実施例１と同様の装置、条件により薄帯を鋳造した。なお、用いた合金の具体的な成分については、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏについてのみを表２に示した。結果として、得られた薄帯の板厚、板幅、長さはそれぞれ、約２５μｍ、２０ｍｍ、およそ５０ｍであった。得られた薄帯の飽和磁束密度及び鉄損について評価した。これらの特性評価に用いた試料の採取方法及び測定条件は、実施例１と同じであった。その測定結果を表２に示す。なお、表２での表示要領は、表１の場合と同様である。

表２の試料Ｎｏ．１〜７の結果から明らかなように、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、１０．０原子％以下の範囲で代替しても、飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上で、鉄損をＷ１３／５０で安定して０．１００Ｗ／ｋｇ以下とできることがわかった。また、いずれの試料も、Ｘ線回折測定において明確な回折ピークが観察されず、非晶質であることが確認された。

（実施例３）
表１のＮｏ．１１に示す合金について、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ，Ｃｏの少なくとも１種で代替した各種成分の合金を用いて、実施例１と同様の装置、条件により薄帯を鋳造した。なお、用いた合金の具体的な成分については、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏについてのみを表３に示した。結果として、得られた薄帯の板厚、板幅、長さはそれぞれ、約２５μｍ、２０ｍｍ、およそ５０ｍであった。得られた薄帯の飽和磁束密度及び鉄損について評価した。これらの特性評価に用いた試料の採取方法及び測定条件は、実施例１と同じであった。その測定結果を、表３に示す。なお、表３での表示要領は、表１の場合と同様である。

表３の試料Ｎｏ．１〜７の結果から明らかなように、Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｒ、Ｃｏの少なくとも１種で、１０．０原子％以下の範囲で代替しても、飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上で、鉄損をＷ１３／５０で安定して０．１００Ｗ／ｋｇ以下にできることがわかった。また、いずれの試料も、Ｘ線回折測定において明確な回折ピークが観察されず、非晶質であることが確認された。

本発明により、飽和磁束密度が高く鉄損が低い、すなわち、品質が良好なＦｅ系非晶質合金、例えば、Ｆｅ系非晶質合金薄帯を工業的規模で安定して製造することが可能となった。本発明のＦｅ系非晶質合金の特性は、これまでのＦｅ系非晶質合金より品質が良好であることから、産業上の利用可能性は大きい。

Claims (3)

1. 原子％で、Ｆｅを８０．０％以上８８．０％以下、Ｂを６．０％以上１２．０％以下、Ｃを２．０％以上８．０％以下、Ｓｉを０．１０％以上３．０％以下、Ａｌを０．１０％以上２．０％以下含有し、さらに、Ｍｏを０．１０％以上６．０％以下含有し、残部不可避的不純物からなり、
   磁束密度１．３Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損（Ｗ１３／５０）が０．１００Ｗ／ｋｇ以下であり、かつ、飽和磁束密度が１．６０Ｔ以上であることを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
2. Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏのうち少なくとも１種以上で、請求項１に記載のＦｅ系非晶質合金のＦｅを１０．０原子％以下の範囲で、代替したことを特徴とする、軟磁気特性に優れたＦｅ系非晶質合金。
3. 請求項１または請求項２に記載のＦｅ系非晶質合金からなることを特徴とするＦｅ系非晶質合金薄帯。