JPS6187848A - 高抗張力軟磁性Ｆｅ基合金薄帯 - 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〕 この発明は、高抗張力軟磁性Ｆｅ基合金薄帯に関し、と
くに回転機や磁気軸受の回転子などの用途に用いてとり
わけ好適なものである。

（従来の技術） 近年、エレクトロニクスを初めとする電気・電子機器の
発展には目ざましいものがあるが、かような発展をより
一層助長する因子の一つとして回転機器の高速運動化を
あげることができる。

従来一般に使用されているモーターの回転子には、主と
して電磁鋼板を積層したものが用いられている。このよ
うなモーターの回転子の回転数は、現行のものでは高々
１０万ｒｐｍ程度以下であり、かかる回転子素材の電磁
鋼板としては、磁気特性に優れた高級無方向性けい素鋼
板が主として使用されてきた。

ところで最近では、モーターの高効率化の要語に伴って
モーターの回転速度をより一層高めることが必要とされ
るようになり、モーター回転子に対して、２０〜８０万
ｒｐｍあるいはそれ以上の回転数が要求されるようにな
ってきた。従ってモーター回転子の材料としてもそのよ
うな高速蜂運動に耐え得るものが必要とされるようにな
ってきた。

またこのようにモーターを高速回転させた場合に、転受
が機械的なベアリングでは摩耗が著しく、モーター効率
が大幅に劣化すると同時に信頼性が低下するという問題
が有り、この点かかる問題を解決するものとして最近で
は磁気軸受が考案されているが、この場合の磁気軸受も
一種の電動機を構成するものであるため、磁気軸受の回
転子もまたモーター回転子と同様に２０〜８０万ｒｐｍ
の高速回転に耐え得ることが要求されている。

ここにかような回転機器における高速回転化を実現する
ためには、まずかかる高速回転に耐え得る素材の開発が
問題となる。すなわち回転機器回転子の回転数が２０〜
８０万ｒｐｍにも高速化すると、該回転子に加わる遠心
力は従来に比し大幅に増大するため、現行の材料では回
転子が破壌に至°る危険性が高いからである。

たとえば、第４図に示したような内径Ｒ□、外径Ｒ８の
円板が回転した場合を考えると、板中任意の部分には、
半径方向の垂直応力Ｆｒと、接線方向の垂直応力Ｆｔと
が作用し、これらの応力の最大値は、簡単に次式で表わ
される。

ただしＷ：材料の重さ　ω：角速度 シ：ボアソン比　ｇ：重力の加速度 ここで（’ｔ）ＩＩｌａＸと（Ｆｒ）ｍａＸとを比較す
ると、（Ｆｔ）エエの方が（Ｆｒ）エエよりも常に大き
いことがら、回転円板としては、その抗張力が常に円周
応力（’ｔ）ｍａｘよりも大きい値を示すものが必要と
なる。

また上掲式から明らかなように、円板に加わる応力は、
外径の２乗および回転数の２乗に比例する。従って回転
数が高くなれば回転子に加わる応力は著しく大きくなり
、回転子が２０〜３０万ｒｐｍもの高い回転数の下で使
用される場合に、回転子の破壊を防止するためには、回
転子材料に対してときとしては１００　ｋｇ／ｌａ”　
　を超えるような高抗張力が要求されることになる。

ところで一般に鉄系材料の機械的強度を増加させる方法
としては、次表１に示すような方法をあげることができ
る。

表　　１ これらの方法のうち、電磁鋼板に対する強化方法として
は、固溶体強化法あるいは細粒化強化法が、磁気特性を
損わずしかも靭性も劣化させないことから最適と考えら
れている。ここに固溶体強化法は、合金元素が固溶する
ことによって結晶格子が歪み、これにより転位の運動に
対する抵抗力が高まって鋼材が９化されることを利用し
たものであり、また細粒化強化法は、結晶粒微細化によ
って粒界を増加させ、その粒界によって転位の運動を妨
げることで鋼材を強化させるものである。

一方、モーターや磁気軸受の回転子に使用される磁性材
料は、磁気的に軟質な材料すなわち軟磁性材料であるこ
とが必要であり、そしてその特性としては軟磁気特性に
優れていること換言すれば磁壁移動が容易であって磁束
密度で表わされる励磁特性が優れていること、および鉄
損値が低いことが重要になる〇 さらにとくに高速回転する場合の回転子は、高周波特性
に優れていることが要求される。ここで、モーターにお
ける回転数Ｎと周波ｉｆとの関係は次式で表わされる。

ｆ＝Ｎ−Ｐ／１２０　（１−８） ただしＰ：モーター極微、Ｓ：すべり この式から理解されるように、回転数が２０〜８０万ｒ
ｐｍの場合には、数ｋＨ２〜数十ｋＨｚの高い周波数領
域で鉄損値が低い軟磁性材料が要求される。

（発明が解決しようとする問題点） しかるに軟磁気特性は、機械的強度と相反するのが通常
である。すなわち一般に、軟磁気特性を向上させるべく
、結晶粒径を大きくしたり、また転位、析出物、介在物
などを低減させることによって磁壁移動の妨げとなるも
のを可能な限り少なくして磁増移動を容易にすることは
、機械的特性の面からはとりもなおさず強度や抗張力を
減少させる結果となっていた。

このため従来は、軟磁気特性が良好であって、しかも高
い抗張力を有する軟磁性材料を得ることは困難視されて
いたのである。

この発明は、上記の諸問題を有利に解決するもので、高
い抗張力を有するだけでなく、低い高周波鉄損や低保持
力など軟磁気特性にも優れた材料、具体的には抗張カニ
　５０　ｋｇ７Ｗ　　以上で、かつ磁束密度Ｂ：１．５
Ｔ以上、鉄損ＷＩＯ／１０００　：１００ｓＯ Ｗ／”９以下を満足する高抗張力無方向外電、ｌｉ？舒
’＜板の製造方法を提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は、前掲衣１に示した種々の強化法を再検討し
た結果開発されたもので、各強化法の中でも固溶体強化
法が、磁気特性への悪影響が比較的小さいこと、しかも
かかる強化法に伴う磁気特性の劣化は、その製造工程に
工夫を加えることによって十分に補償し得ることの新規
知見に立脚する。

さて発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意実験と検
討を加ねたところ、金属溶湯を、冷却ｍｌが高速で更新
移動する冷却体上に連続して供給し、その急冷凝固を強
いて薄帯とするいわゆる液体急冷法を活用すると共に、
薄帯の成分組成を以下に述べるとおりに調整することに
よって、所期した目的が有利に達成され得ることを究明
し、この発明を完成させるに到ったのである。

すなわちこの発明は、液体急冷法により得たＦ６基合金
薄帯であって、その成分が、Ｓｉ！　Ｌ５〜７．０ｗｔ
％（以下単に傷で示す）を含み、かつＢｅ：０．０１〜
３．０　％、Ｂ　：　０．０１〜８．０　％、Ｖ　：　
０．０５〜５．０％、Ｎｂ　！　０．０５〜５．０　％
、Ｔａ　：　０．０５〜５．０係、Ｚｒ　＋　０．０５
〜５．０　％、　Ｈｆ　！　０．０５〜５．０゛嘔、Ｏ
ｒ　：　０．５〜１０．０　％およびＯｕ　２０．５〜
５．０悌のうちから選んだ１種または２種以上を含有し
、残部はｙｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴
とするものである。

以下この発明を具体的に説明！る。

この発明に従う合金薄帯は、上述したように液体急冷法
によって作成されるものであり、急冷凝固自体の効果と
して、 ｌ）固溶限が拡大する ｍ）Ｍ同時の偏析を減少できる ８）結晶東１織が微細化される などの特長をそなえる他、液体急冷法による直接製板化
の効果として、 ４）［１加工材を直接薄板に製造できる５　）（１００
）＜ｏｖｖ）方位の集合組織カテキルなど、従来の溶解
−鋳造−圧延法にはない特長を有し、とくに回転子用の
高抗張力軟磁性材を製造するに当っては、上記のうち１
）、４）および６）がとりわけ有効に寄与する。すなわ
ち抗張力を向上させる元素が、室温では鉄中に固溶し幻
い場合であっても、液体急冷法ではその析出をおさえる
ことができる０まだモーターや磁気軸受の回転子に使用
される磁性材としては、磁化容易軸が板ｍＪ内のあらゆ
る方向を向いていることが必要とされるわけであるが、
上記６）に掲げたように急冷薄帯はそのままで（１００
）＜０ＶＷ）組織が得られるので、回転子材料にとって
は極めて有利である。さらに高抗張力を実現しようとす
る場合には、材料が硬く、脆くなってしまうので加工性
が著しく劣化することが多いが、上記４）として掲げた
とおり、急冷薄帯は圧延などの加工を施さなくても直接
に薄板の製造が可能であり、従って薄板を積層して使用
するモーター回転子材料において高抗張劣化を図る上で
有利である。

上に述べたような観点から、この発明においては液体急
冷直接製板法を採用することとした０次に発明者らは、
液体急冷法による軟磁性ｙｅ基合金薄帯の合金成分に関
し、次のような実験を行った＠ まず、電解鉄に種々の割合で８１お上びＢを添加配合し
た合金を溶解し、かかる合金′ｆａ湯をその噴射ノズル
から高速で回転する双ロールの接触部に連続して供給す
ることによって、急冷凝固させた。得られた１００〜２
００μｍ厚の薄帯試料について、インストロン試験によ
り抗張力を測定した結果を第１図に示す。

同図より明らかなように、Ｓｌを含有する鉄にＢを添加
することによって、抗張力は確実に向上することがわか
る。ここにＢを添加しなくともＳｌを６．５係以上含有
させることによって７０ψ−３以上の高抗張力を得るこ
とができるが、この場合には材料が脆くなって使用上の
不利が著しい。従って８１含有量を下げ、その分をＢで
補うことによって脆さを改善し、もって高抗張力化を図
ることが必要なわけである。

ついで発明者らは％４．ｆｉｌＳｉ−Ｆ８合金に、Ｂと
同様に種々の割合でＢｅ　、　Ｖ　ｓ　Ｎｂ　、　Ｔａ
　、　Ｚｒ　。

１１ｆ　、　ＯｒおよびＱｕを添加配合し、上記の実験
と同様にして作成した急冷薄帯の抗張力について調べた
。その結果を第２図に示す。

同図から明らかなように、上記した各元素を添加するこ
とによって抗張力はいずれも向上した。

さらに発明者らは、４．５％Ｓｉ　−Ｆｅ合金に種々の
割合でＢ　ｊ　Ｂｅ　Ｉ　Ｖ　ｅ　Ｎｂ　Ｉ　Ｔａ　Ｉ
　Ｚｒ　＃　Ｈｆ　ｌ　ＯｒおよびＯｕを添加して、前
記と同様にして急冷薄帯としたのち、各薄帯を水素中に
おいて９５０°Ｃで焼鈍した場合の鉄損ＷＩＯ／１００
Ｇについてイペた。

その結果をまとめて第８図に示す。

同図から明らかなように、かような元素の添加量の増大
に伴って鉄損値は劣化した。

このように、従来に較べると大幅に改善されているとは
いえ、これらの元素の多量添加は鉄損の劣化を招くため
、かかる元素の添加量は、抗張力向上のためにしても鉄
損に対する影響を考慮して設定することが肝要である。

（作用） 次にこの発明において成分組成範囲を前記のとおりに限
定した理由について説明する。

Ｓｉ　！　２．５〜７．０饅 Ｓｉ含有飛が、２．５％に満たないとα→ｒの相変態を
生じまた電気抵抗が低下して電磁特性の劣化を招き、一
方フ俤を頓えると著しく脆くなって歩留りや生産性が悪
化するだけでなく、飽和磁束密度が低下する。このため
Ｓｌはその含有量を２．５〜７．０係の範囲に限定した
。

Ｂ　、　Ｂｅ　：　０．０１〜８．ＯｔｌｂＢおよびＢ
ｅはそれぞれ含有量が０．０１１未満では抗張力の改善
効果に乏しく、一方８．０憾を超えると磁気特性が劣化
するきらいにあるので、０・０１〜８．０優の範囲に限
定した。

Ｖ　ｚ　Ｎｂｅ　Ｔａ　ｅ　Ｚｒ　、　Ｈｆ　Ｉ　０．
０５−５．０　％Ｖ　、　Ｎｂ　＃　Ｔａ　、　ｚｒお
よびＨｆはいずれも、含有量が０．０５％に満たないと
抗張力の改善効果に乏しく、一方５．０係を超えると介
在物および析出物が生成し易くなって磁気特性の劣化を
招くので、それぞれ０．０５〜５．０係の範Ｈに限定し
た。

Ｏｒ　：　０．１５〜１０．０　％ Ｑｒは、その含有量が０．５係に満たないと所期した抗
張力の改善効果は望み得す、一方１０．０％を超えると
飽和磁束密度の劣化が著しいので、０．５〜１０．０係
の範囲に限定した。

Ｏｕ　４０．５〜５．０％ Ｏｕ含有量が、０．５’１未満では抗張力の改善効果が
小さく、一方５．０％を超えると０気特性が劣化するの
で、０・５〜５．０％の範囲に限定した。

以上単独添加する場合につき、主に説明したが、上記の
成分組成範囲内であれば、２種以上を複合添加してもよ
い。しかしながら複合添加する場合あまりに多量の添加
は磁気特性の劣化を招くので、合計量で１８．０　％以
下とすることが望ましい。

次にこの発明の１！！遣方法について説明する。

まず上記の好適成分組成になる合金溶湯を、双ロール法
、単ロール法あるいはベルト法などの液体急冷法によっ
て急冷′Ｒ固させて薄帯化する。このとき合金溶湯の温
度は溶融温度よりも５０℃以上高いことが望ましい。と
いうのは（溶融温度＋５０）℃未満の場合には、溶湯が
ノズル内で冷却凝固されることに起因してノズル詰りを
生じ、その結果腐ｉ帯の連続製造ができなくなるおそれ
があるからである。

上述のようにして得られた急冷薄帯は、このままでモー
ター回転子などの磁性材料として使用することも勿論で
きるが、より一層の磁気特性の向上のためには、得られ
た急冷薄帯に適切な熱処理、たとえば７００℃以上望ま
しくは９００℃以上の温度で８０秒〜６０分間程度の短
時間の焼鈍処理を施すことが有効である。

第５図に、　　　　゛　　　　　　　　ｌチＢ一番９５
％Ｓｉ　−Ｆｅ合金薄帯を、如採÷畠千種々の温度で焼
鈍したときの焼鈍温度と鉄損ＷＩＧ／１０００との１係
についてＮべた結果を示す。

同図から明らかなように、上・記した合金においては焼
鈍温度の上昇とともに鉄損値は低減し、とくに９００℃
以上でその効果に著しかった。

このように急冷後の薄帯に焼鈍を施すことによって磁気
特性が向上する理由は、焼鈍によって結晶粒の粒径が粗
大化すること、および粗大化した結晶粒が板面に対して
（１００）＜ｏｖｗ）の方位をもつことにある。従って
かような焼鈍を施すことが、液体急冷法の特長をより一
層有効に活用していると言える。

かくして得られた高抗張力軟磁性材料は、電気抵抗が７
０〜９０ｇと高いため、商用周波数で使用する場合には
そのまま積層して使用しても問題は少ないが、高周波領
域で使用する場合には表面を絶縁することが必要とされ
る。というのは磁性材料を高周波領域で使用する場合は
、通常の商用周波数領域での使用と比較して渦電流損が
著しく増大するからである。この場合、鋼板磁性材を薄
肉材として積層して使用すれば高周波特性に対して有利
となるが、各層間の絶縁が不充分であると、板同志が接
触して薄い板を積層した効果が失われることになる。す
なわち厚い板を高周波領域で作動させた場合と同じこと
になり、磁気特性が劣化する。従って実際の使用に際し
ては、密着性に富む絶縁被膜を表面に被成しておくこと
が肝要である。

また、この発明に従う急冷薄帯を実機に適用する際には
、モーターコアなどの形状に打抜いた後に、打抜きによ
る歪を除去するために、７００〜８００℃程度の温度に
おいて歪取り焼鈍を施すことが望ましい。

（実施例） 実施例１ １　ｔｌａ　Ｂ　−４，５％　５ｉ−Ｆｅの組成になる
１６００℃のだ湯を、高速回転する双ｐ−ルの接触部に
射出して、板厚９０μｍの急冷薄帯とした。

得られた急冷薄帯ならびにその後に焼鈍処理を施した場
合の鉄損ＷＩＯ／１０００および抗張力δＴについて調
べた結果を下表２に示す。

表　　２ 実施例３ ４．５鴫Ｓｉ　−Ｆｅの基本組成になる浴湯中に、Ｂｅ
。

Ｈｆ　ｓ　Ｖ　ｚ　’Ｉ’ａ　、　Ｎｂ　、　Ｚｒ　、
　Ｏｕおよヒｃｒ　ｔそｔ−ｔソれ１％づつ添加した溶
湯を、高速で回転する双ロールの接触部に射出して、い
ずれも板厚的ｇｏ、ｇｍの急冷薄帯とした。

得られた各薄帯をそれぞれ１０００°Ｃで焼鈍したのち
の鉄損Ｗｌｏ／１Ｇ００と抗張力δＴとについて溜ぺた
結果を下表８にまとめて示す〇 なお比較のため番、５％Ｓｉ　−Ｆｅの組成になる薄帯
についても同様の調査を行い、得られた結果を比較例と
して表８に併記した。

表　　８ （発明の効果） かくしてこの発明によれば、鉄損特性をほとんど劣化さ
せることなしに抗張力を格段に向上させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋼中のＳｉおよびＢが抗張力に及ぼす影響を
示したグラフ、 第２図は、第８添加元素が抗張力に及ぼす影響を示した
グラフ、 第８図は、第８添加元素が鉄損に及ぼす影響を示したグ
ラフ、 第４図は内径Ｒ１外径Ｒ８の円板の平面図、第６図は、
１　％　Ｂ　−４，５％Ｓｉ　−Ｆｅ合金の焼鈍温度と
鉄損との関係を示したグラフである。 第１図 Ｓｉ（ｗｔ％）ｉｎ　Ｆｅ 第２図 ！刀ｎ元ｔ　（ｗｔ％） 第３図 清ト刀０元１ト（ｗｔ％Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｓｉ：２．５〜７．０ｗｔ％ を含み、かつ Ｂｅ：０．０１〜３．０ｗｔ％ Ｂ：０．０１〜３．０ｗｔ％ Ｖ：０．０５〜５．０ｗｔ％ Ｎｂ：０．０５〜５．０ｗｔ％ Ｔａ：０．０５〜５．０ｗｔ％ Ｚｒ：０．０５〜５．０ｗｔ％ Ｈｆ：０．０５〜５．０ｗｔ％ Ｃｒ：０．６〜１０．０ｗｔ％および Ｃｕ：０．５〜５．０ｗｔ％ のうちから選んだ１種または２種以上を含有し、残部は
   Ｆｅおよび不可避不純物の組成になる薄帯であって、こ
   の薄帯は、上記組成範囲の溶湯を、冷却面が高速で更新
   移動する冷却体上に連続して供給し、その急冷凝固を強
   いて得たものである高抗張力軟磁性Ｆｅ基合金薄帯。