JPH07331396A - 磁気特性および耐脆化特性に優れた鉄基非晶質合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Fe−Ｂ−Si系非晶質合金の鉄損特性を、材料
の脆化を招くことなしに改善する。 【構成】化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここで、75≦Ｘ≦82 at ％ ７≦Ｙ≦15 at ％ ７≦Ｚ≦17 at ％ 0.2≦ａ＜0.5 at％ で示される組成になる合金溶湯の急冷凝固処理を、１〜
４％のH₂を含む CO₂雰囲気下で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気特性に優れかつ
耐脆化特性にも優れた鉄基非晶質合金およびその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開昭54−148122号公報、同55−9460号
公報及び同57−137451号公報に開示されているように、
Fe−Ｂ−Si系等の溶融合金を単ロール法等に従い、高速
で回転する冷却ロールの表面に射出して 10⁵〜10⁶ ℃／
ｓ程度の冷却速度で急冷凝固させると、板厚が数十μm
程度で、原子の配列が無秩序ないわゆる非晶質合金薄帯
が得られる。このような非晶質合金薄帯は、磁化され易
く、鉄損が低く、いわゆる磁気特性に優れることから、
トランス用鉄心材料として一部実用化されるに至ってい
る。

【０００３】しかしながら、かようなFe−Ｂ−Si３元系
非晶質合金薄帯は、ある程度低い鉄損値は得られるもの
の、その改善効果には限度があり、３元系ではそれ以上
低い鉄損は期待できないという問題があった。

【０００４】そこで、上記の３元系非晶質合金に、第４
成分として種々の元素の添加が試みられている。例え
ば、特公平１-54422号公報には、鉄損が低くかつ絶縁被
膜処理性に優れた鉄基非晶質合金として、Fe−Ｂ−Si系
にMn, Ni等を 0.5〜３at％添加したものが提案されてい
る。しかしながら、Mnを 0.5at％以上添加すると、材料
の脆化という新たな問題が生じた。また、磁束密度の低
下が実用上問題となった。

【０００５】また特開昭62−192560号公報には、Fe−Ｂ
−Si系にCr, Mo, Ta, Mn, Ni, Co,Ｖ，NbおよびＷのう
ちから選んだ１種または２種以上を0.05〜５at％含有さ
せ、さらに圧延等の処理により表面粗さを調整した非晶
質合金が提案されている。しかしながら、特開昭62−19
2560号公報では、材料の脆化に考慮が払われておらず、
たとえ製板後に圧延等の処理によって表面粗さを調整し
たとしても、脆化の低減に役立つかは疑問であり、また
少なくともかかる表面粗さ調整処理を別途に加えること
は工業的に極めて非能率なだけでなく、製造コストの面
でも不利も大きい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記の問
題を有利に解決するもので、磁気特性に優れるのはいう
までもなく、耐脆化特性に優れた鉄基非晶質合金を、そ
の有利な製造方法と共に提案することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述したとおり、Fe−Ｂ
−Si系鉄基非晶質合金の鉄損の改善には、該合金中にMn
を少量添加することが有効であるが、Mnの添加は磁束密
度の低下を招き、また材料の脆化を助長するという不利
を伴う。そこで発明者らは、この不利を克服すべく、鋭
意検討を重ねたところ、以下の知見を得た。 (1) Mn含有量が 0.2at％以上、 0.5at％未満であれば、
磁束密度をさほど低下させることなしに鉄損が改善でき
る。 (2) 溶湯の急冷凝固処理を還元性雰囲気中とくに少量の
H₂を含む CO₂雰囲気中で行うと、大気中で行った時より
も薄帯の表面粗さが大幅に改善されると共に、薄帯表面
の酸化状態も併せて改質される結果、割れの起点となる
クラックが生じにくくなり、材料の脆化が効果的に抑制
される。 (3) 表面粗さが改善されると、表面の凹凸に起因して生
じる磁極による反磁界が減少するので、磁束密度が向上
する。 (4) 従って、急冷凝固処理を（H₂＋CO₂)雰囲気中で行っ
て薄帯の表面性状を改善してやれば、Mn添加に伴う磁束
密度の低下や脆化の進行といった不利は、完全に解消さ
れる。 この発明は、上記の知見に立脚するものである。

【０００８】すなわちこの発明は、 化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここで、75≦Ｘ≦82 at ％ ７≦Ｙ≦15 at ％ ７≦Ｚ≦17 at ％ 0.2≦ａ＜0.5 at％ で示される組成になり、かつ表面粗さが中心線平均粗さ
Raで 0.6μm 以下であることを特徴とする磁気特性およ
び耐脆化特性に優れた鉄基非晶質合金（第１発明）であ
る。

【０００９】またこの発明は、 化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここで、75≦Ｘ≦82 at ％ ７≦Ｙ≦15 at ％ ７≦Ｚ≦17 at ％ 0.2≦ａ＜0.5 at％ で示される組成になる合金溶湯を、急冷凝固して非晶質
合金を製造するに際し、該急冷凝固処理を１〜４％のH₂
を含む CO₂雰囲気下で行うことを特徴とする磁気特性お
よび耐脆化特性に優れた鉄基非晶質合金の製造方法（第
２発明）である。

【００１０】以下、この発明を完成するに至った実験結
果に基づき、この発明を具体的に説明する。図１に、大
気中または CO₂とＨ₂ の組成比を変化させた種々の雰囲
気中で急冷凝固処理後、 320〜400 ℃の磁場中で熱処理
を施して得たFe_78-aＢ₁₃Si₉ Mn_a 組成の鉄基非晶質合金
の、Mn量と平均鉄損Ｗ_13/50 （周波数：50 Hz 、磁束密
度：1.3 Ｔのときにおける鉄損値）との関係について調
べた結果を示す。また図２には、同じ組成の鉄基非晶質
合金の、Mn量と磁束密度Ｂ₁₀（1000 A/mの磁界における
磁束密度）の関係について調べた結果を示す。なお、図
２中で、Mn量に対して磁束密度がばらついている（従っ
て図中に帯で示される）のは、表面粗さの影響のためで
ある。図１より、Fe−Ｂ−Si３元系合金にMnを適量添加
することによって、低鉄損が得られることがわかる。ま
た図２より、Mn添加に伴って磁束密度は低下する傾向に
あるものの、表面性状が良好であればその分磁束密度が
向上するので、実際には磁束密度の低下はほとんどない
ことがわかる。

【００１１】また同様に、Fe_81-aＢ₁₂Si₇ Mn_a 組成の鉄
基非晶質合金における、Mn量と平均鉄損Ｗ_13/50 および
磁束密度Ｂ₁₀との関係について調べた結果をそれぞれ、
図３，図４に示す。図４中における磁束密度のばらつき
は、表面粗さの影響によるものである。図３，４より明
らかなように、この場合もMnを適量添加することによっ
て、低鉄損、高磁束密度が得られている。またとくに、
この合金組成のようにFeを80％を超えて多量に含有させ
た場合には、より高い磁束密度が得られるという利点も
ある。

【００１２】しかしながら、かようなFe_81-aＢ₁₂Si₇ Mn
_a 組成の溶鋼の急冷凝固処理を大気中で行った場合に
は、図５中に破線で示すように、Mn量が 0.1at％から臨
界曲げ高さに反応があらわれ、Mn量の増加に伴ってその
値は大きくなる。すなわち、脆化が進行する。ここに臨
界曲げ高さとは、150 mm長さの合金薄帯をロール接触面
を外側にして中央部で曲げていった時に薄帯が割れる直
前の曲げ内側両表面間の距離をいい、材料の脆化程度の
指標の一つである。ここに、臨界曲げ高さが０mmのと
き、密着曲げが可能であるという。これに対し、急冷凝
固処理を３％のH₂を含む CO₂雰囲気中で行った場合に
は、同じく図５に実線で示すように、得られる非晶質合
金の臨界曲げ高さ曲線は大幅に下方に移行し、脆化が効
果的に改善されていることが判る。

【００１３】このような製板雰囲気の違いによる薄帯性
状の差異は、表面性状に良く現れていて、大気中で製板
した場合における薄帯のロール面の表面粗さはRaで 0.8
〜1.2 μm であるのに対し、３％のH₂を含む CO₂雰囲気
中で製板した場合におけるそれは 0.4〜0.6 μm であ
り、曲げた時にクラックの起点となる凹凸が極めて少な
く、それだけ割れにくくなっていることが判明した。そ
れに加えて、（H₂＋CO₂)雰囲気としたことによって、薄
帯表面の酸化状態が改質され、より一層脆化が改善され
ていることも判明した。ここに、（H₂＋CO₂)雰囲気中で
急冷凝固処理を行うことによって、表面粗度が改善され
る理由は、まだ明確に解明されたわけではないが、主要
成分がCO₂ という比重が大きく、輻射能が高いガスであ
ることに加え、弱還元性であり、溶湯の表面の酸化を抑
制し表面張力が低下せず、湯溜りがくずれにくくなるの
でロールと溶湯の間に巻き込むガスが低下すること、ま
た溶湯中のMn量増加による溶湯の粘度および溶湯表面に
生成するスラグの粘度の低下との相互作用によるものと
考えられる。

【００１４】図２および図４において、Mn添加量が 0.3
at％の場合における磁束密度のRa依存性について調べた
結果を図６に示す。同図より明らかなように、薄帯の表
面粗さが改善されるに従って磁束密度は向上し、とくに
Raが 0.6μm 以下の範囲でその効果は著しい。そこで、
この発明では、薄帯の表面粗さにつき、中心線平均粗さ
Raで 0.6μm以下の範囲に限定したのである。

【００１５】

【作用】次に、この発明において、合金の成分組成を上
記の範囲に限定した理由について説明する。 Fe：75〜82at％（以下単に％で示す） Feは、磁性材料としての性質を決定する上で重要な元素
である。このFe含有量が75％未満では、磁束密度が低い
ので実用的でなく、一方82％を超えると、鉄損が増加
し、また熱的安定性も劣化するので、Fe含有量は75〜82
％の範囲に限定した。より好ましい含有量範囲は80超〜
82％である。

【００１６】Ｂ：７〜15％ Ｂは、非晶質化を容易とする有用元素であるが、含有量
が７％に満たないと、アモルファス化しにくくなり、一
方15％を超えると、磁束密度が下がり、キュリー温度も
低下するので、Ｂ含有量は７〜15％の範囲に限定した。
より好ましい含有量範囲は９〜13％である。

【００１７】Si：７〜17％ Siは、材料の非晶質化を促進すると共に、キュリー点の
熱的安定性に有用な元素であるが、含有量が７％に満た
ないと、キュリー温度が低く実用的でなく、一方17％を
超えると鉄損が増大するので、Si含有量は７〜17％の範
囲に限定した。より好ましい含有量範囲は７〜10％であ
る。

【００１８】Mn：0.2 ％以上、 0.5％未満 Mnは、材料の鉄損低減に有効な元素であるが、含有量が
0.2％未満では鉄損の改善効果に乏しく、一方 0.5％以
上ではMn添加量の増加に伴って磁束密度の低下を招くと
同時に脆化も高まるので、Mn量は 0.2％以上、 0.5％未
満の範囲に限定した。

【００１９】さて上記の成分組成範囲に調整した溶鋼を
急冷凝固処理することによって非晶質合金が得られる
が、その製造工程中とくに急冷凝固処理を大気中で行う
と材料の脆化を生じる。この材料の脆化は、例えば巻き
トランス製作時に破断等のトラブルの原因となる。この
ようなトラブル防止には材料の臨界曲げ高さが小さいほ
ど効果があり、密着曲げ可能なものが最善である。例え
ば、密着曲げ可能なものの剪断不良発生率はゼロであ
り、臨界曲げ高さが0.10mmであるものの剪断不良発生率
は 0.2％、また臨界曲げ高さが0.25mmであるもののトラ
ブル発生率は 0.8％であった。そこで、この発明では、
急冷凝固処理をH₂を１〜４％の範囲で含む CO₂雰囲気中
で行うことにより、表面粗さをRaで 0.6μm 以下にする
と共に、薄帯表面の酸化を軽減することによって、材料
の脆化を効果的に防止し、併せて磁束密度を改善するの
である。

【００２０】ここに、急冷凝固時における雰囲気の主要
成分を CO₂ガスとしたのは、安価に得られる不活性ガス
であるのに加え、３元素気体であるため、輻射能が高
く、また比重も大きいので、ガス巻き込みによる表面粗
さの低減に効果的に働くとの理由による。また、この C
O₂ガス中に混入すべきH₂ガス量を１〜４％の範囲に限定
したのは、H₂ガス量が１％に満たないと十分な還元性雰
囲気が得られないことから、表面粗さRaを 0.6μm 以下
とすることができないだけでなく、表面酸化の軽減も不
十分となり、一方４％を超えると爆発の危険性など取扱
い上の困難性が増す上に、水素量が多くなると水素が表
面から侵入し脆くなるからである。かくして、脆化のお
それなしに、磁束密度が高く、かつ鉄損の低く非晶質合
金薄帯を得ることができる。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 表１に示すような種々の成分組成に溶製した合金溶湯
を、真空排気後３％H₂を含む CO₂ガスで置換した雰囲気
槽内で高速で回転するCuロールの表面に射出し、厚み：
25μm 、幅：10mmの非晶質合金薄帯とした後、 320〜42
0 ℃、１時間の磁場中焼鈍を施した。かくして得られた
鉄基非晶質合金薄帯の、鉄損値、磁束密度およびロール
接触面の表面粗さについて測定した結果を、表１に併記
する。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から明らかなように、この発明に従い
得られた非晶質合金薄帯はいずれも、低い鉄損値と高い
磁束密度が得られている。またいずれも、臨界曲げ試験
では密着曲げが可能で、耐脆化の面でも良好であった。

【００２４】実施例２ 急冷凝固雰囲気以外は、実施例１と同様にしてFe_80.6Ｂ
₁₂Si₇Mn_0.4組成の鉄基非晶質合金（厚み：25μm ）を製
造した。得られた各薄帯のロール接触面の表面粗さおよ
び臨界曲げ高さの急冷凝固時における雰囲気依存性なら
びに磁気特性について調べた結果を、表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２から明らかなように、急冷凝固時の雰
囲気の違いによって、薄帯の表面粗さおよび臨界曲げ高
さは変化し、この発明を満足する雰囲気で製造した場合
にはいずれも、中心線平均粗さRaは 0.5μm と小さく、
また密着曲げが可能で耐脆化性も良好であった。また、
この発明に従い得られた薄帯はいずれも、高磁束密度で
低鉄損の優れた磁気特性が得られた。これに対し、雰囲
気が不適切な場合はいずれも、中心線平均粗さRaは 0.6
μmを超え、またRaが大きくなるに従って臨界曲げ高さ
も高くなり、脆化が進行した。

【００２７】

【発明の効果】かくしてこの発明によれば、Fe−Ｂ−Si
系非晶質合金の鉄損を、磁束密度の低下を招くことなし
に、改善することができる。またこの発明では、急冷凝
固処理を少量のH₂を含む CO₂雰囲気中で行うことによ
り、Mn添加に伴う材料の脆化を効果的に軽減して、トラ
ンス組み立て時におけるトラブルを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Fe_78-aＢ₁₃Si₉ Mn_a 組成の鉄基非晶質合金の、
Mn量と平均鉄損Ｗ_13/50 との関係を示したグラフであ
る。

【図２】Fe_78-aＢ₁₃Si₉ Mn_a 組成の鉄基非晶質合金の、
Mn量と磁束密度Ｂ₁₀との関係を示したグラフである。

【図３】Fe_81-aＢ₁₂Si₇ Mn_a 組成の鉄基非晶質合金の、
Mn量と平均鉄損Ｗ_13/50 との関係を示したグラフであ
る。

【図４】Fe_81-aＢ₁₂Si₇ Mn_a 組成の鉄基非晶質合金の、
Mn量と磁束密度Ｂ₁₀との関係を示したグラフである。

【図５】Fe_81-aＢ₁₂Si₇ Mn_a 組成の鉄基非晶質合金の、
急冷凝固時における雰囲気の違いによる臨界曲げ高さ
を、Mn量との関係で示したグラフである。

【図６】Fe_77.7Ｂ₁₃Si₉Mn_0.3組成およびFe_80.7Ｂ₁₂Si₇M
n_0.3組成の鉄基非晶質合金の、中心部平均粗さと磁束密
度との関係を示したグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡部 誠司 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社鉄鋼研究所内 (72)発明者 志賀 信勇 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社鉄鋼研究所内 (72)発明者 小沢 三千晴 東京都千代田区内幸町２丁目２番３号 川 崎製鉄株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここで、75≦Ｘ≦82 at ％ ７≦Ｙ≦15 at ％ ７≦Ｚ≦17 at ％ 0.2≦ａ＜0.5 at％ で示される組成になり、かつ表面粗さが中心線平均粗さ
   Raで 0.6μm 以下であることを特徴とする磁気特性およ
   び耐脆化特性に優れた鉄基非晶質合金。
2. 【請求項２】化学式：Fe_X Ｂ_Y Si_Z Mn_a ここで、75≦Ｘ≦82 at ％ ７≦Ｙ≦15 at ％ ７≦Ｚ≦17 at ％ 0.2≦ａ＜0.5 at％ で示される組成になる合金溶湯を、急冷凝固して非晶質
   合金を製造するに際し、該急冷凝固処理を１〜４％のH₂
   を含む CO₂雰囲気下で行うことを特徴とする磁気特性お
   よび耐脆化特性に優れた鉄基非晶質合金の製造方法。