JPH03500668A - コバルトを含有する鉄基非晶質磁性合金 - Google Patents
コバルトを含有する鉄基非晶質磁性合金Info
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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】
コバルトを含有する改善された鉄基非晶質合金発明の分野
この発明は、コバルトを含有する鉄基非晶質金属合金に関し、特に、先行技術の
合金に比較して高い飽和誘導、低い鉄損、及び低い励磁力をもつ、コバルト、ホ
ウ素、ケイ素及び炭素を含有する鉄基非晶質金属の合金に関する。
発明の背景
非晶質材料は実質的に長範囲にわたる原子の規則性を欠いており、定量的に液体
または無機酸化物ガラスに見られる回折図形に類似している、拡散した(広い)
強度極大値からなるX線回折図形を特徴とするものである。このような図形は、
結晶質の材料に見られる、狭い強度極大値からなる回折図形とはきわたった対照
をなしている。
非晶質材料は、準安定状態で存在している。従って、十分に高い温度に加熱する
と結晶化の熱の放出につれて結晶化を始める。X線回折図形は、それによって、
非晶質に見られるものから結晶質材料に見られるものに変化し始める。
非晶質金属合金に関する最も良く知られている刊行物は、H9S、チェ2及びり
、E、ボークの米国特許第3,856,513号である。その中で明らかにされ
ているのは、弐M、Yb2.を有する非晶質金属合金の種類である。ここで、M
は鉄、ニッヶノ呟 コバルト、クロム及びバナジウムの群から選択された少なく
とも一つの金属であり、Yはリン、ポロン及び炭素からなる群から選択された少
なくとも一つの元素であり、2はアルミニウム、アンチモン、ベリリウム、ゲル
マニウム、インジウム、スズ及びケイ素からなる群から選択された少、なくとも
一つの元素である。
aは約60−90原子%の範囲で変動し、bは約10−30原子%の範囲で変動
し、とは約0.1−15原千%の範囲で変動する。
非晶質金属合金の分野の継続した研究と開発によって、ある種の合金系は、一定
の応用分野、特に、変圧器、発電機及び電動機の鉄心材料のような電気の応用分
野における有用性を高める、磁気的及び物理的特性を有していることが明らかl
こなってきた。 このような特性を示すものとして早くから確認された、一つの
このような合金は、FeaoBzoである。
しかしながら、Fe、。B2゜は、非晶質形態で鋳造することは困難であり、熱
的に不安定な傾向があることが知られている。従って、を忌鉄心、特に変圧器用
の鉄心の製造に非晶質金属合金を実際に使用することを可能とするために、より
優れた安定性及び鋳造性を有する合金が開発されなければならなかった。そのよ
うな種類の合金が、米国特許第i、219,355号に明らかにされている。
米国特許第4,219,355号で明らかにされている合金は、式Ft、B)S
+cCaによって表されており、ここで、”a″、#b#、#C″及び′d″は
原子%で、それぞれ、2は約80から約82まで、bは約12゜5から約14.
5まで、Cは約2.5から約5まで、dは約1.5から約2.5までで、変動す
る。これらの合金は約150°Cまでの温度で安定な、改良された交流及び直流
の磁気的特性を示す。結果として、これらの合金は、特に、電源変圧器、航空機
用変圧器、変流器、40(lHz用変圧変圧器気スイッチの鉄心、高い利得の磁
気増幅器及び低い周波数のインバーターの使用に適している。
他の種類の合金は、変圧器の製造に使用するのに適していることが確認されてい
る。例えば、米国特許第4,217,135号及び第4,300,950号は、
変圧器の鉄心の製造に有用なことが明らかにされている、ある種の鉄−ホウ素−
ケイ素合金に関する。
上記引用物許の闘示かもただちに明らかなように、非晶質金属合金の鋳造性、結
果として生ずる磁気的及び機械的特性、及びこれらの特性の熱的安定性に劇的な
効果を達成するためには、化学組成の相違は、大きい必要がないことがよく認識
されている。変圧器の鉄心用の材料に、特に、鋳造の容易さ、高い飽和磁化、低
い鉄損、低い励磁力、延性及び高い熱的安定性が最もめられている特性である。
よりよく変圧器の製造業のニーズに合致する合金がどうゆうものかを確認するこ
とについて実質的な進歩が見られたが、より高い飽和誘導、より低い鉄損、より
低い励磁力及び高い使用温度におけるより良い熱的安定性についても更に開発が
必要である。
発明の詳細な説明
本願発明は、本質的に式Fe、bCobBtSiactによって表されている組
成からなる新規な金属合金に関し、ここで、”a″、′b″、++C”・”d”
及び”C”は原子%であって、それぞれ、約75−約85、約0.1−約0.8
、約12−約15、約2−約5、約I−約3の範囲で変動する、本願発明の合金
は、優れた鋳造性及び延性を特徴とするものである。
本願発明は、また、少なくとも約90%以上非晶質の、上記の合金に関する。本
願発明の非晶質合金は、+ 00 ’Cで少なくとも1.5丁の飽和磁化の値を
示しており、がっ、1flo℃c’約0.2W/kgより少ない鉄損を示してい
る。更に、本願発明の非晶質合金は、好ましくは、約1.57の誘導レベルで約
0.3VA/kgより低い励磁力の値を示す。
本願発明は、また、このような非晶質合金を包含する、改良された鉄心に関する
。その改良された鉄心は、非晶質金属合金を包含し、との合金は、鉄、ケイ素、
ホウ素、炭素及びコバルトを含む組成を有し、磁界の存在下において焼きなまし
されているものである。
図面の簡単な説明
第1図は、先行技術の合金Fes+B+3.5sii、 scx及び本願発明の
合金Fe5o、 5cOa、 sB+s、 5sis、 6C2に対する、キュ
ーリ一温度並びに−次及び二次結晶化温度の比較曲線を示すものである。
第2図は、二つの先行技術の合金pc&1L3.5si3. scz及びFe7
BB+xSisのそれぞれと、本願発明の合金Ft@o、 5cOo、 6B+
3.5sis sczの種々の温度の関数としての飽和誘導の値を示すグラフで
ある。
第3a図及び第3b図は、先行技術の合金tea+Ls、 BS+a、 sex
及び本願発明の合金F−05COO,SB+3.5six、 5C2の試料の種
々の誘導の値における、鉄損及び励磁力を、それぞれ、グラフによって比較して
いるものである。
第4図は、先行技術の合金Fe7gBzSls及び本願発明の合金Ftao、
5cOo、 6B1i、 5six、 sciの種々の試料に対して種々の温度
における相対的な鉄損を示すものである。
第5a図及び第5b図は、先行技術の合金Fea+Brs、 as!s、 IC
2、本願発明の好適な合金Fc6゜5COa、 SB+3.5si3. IC!
及び本願発明の範囲外の合金Fe8゜CO+B+s、 5Sis、 scxの種
々の誘導の値における、鉄損及び励磁力をそれぞれグラフによって示すものであ
る。
発明の詳細な説明
本願発明の合金の組成は、式Fe、−bcabBts:ac、及び付随する不純
物によって表され、ここで、”〆、”b″、′c′%”a″及びcHは、原子X
であり、)″は約75−約85の範囲、′b”は約0.1−約o、gの範囲、T
T cITは約12−約15の範囲、” d ”は約2−約5の範囲、”e”は
約l−約3の範囲である。aからeまでの合計に不純物を加えて、100に等し
いことが理解されるはずである。
本願発明の合金は、少なくとも約90%非晶質、好ましくは約95%非晶質、よ
り好ましくは実質的に完全に非晶質の形態である場合に、高い飽和磁化の値、低
い交流の鉄損及び低い励磁力によって示される、高い直流及び交流の磁気的特性
を示ずものである。
本願発明の非晶質金属合金は、その合金の溶融物を少なくとも約10’に/se
eの速度で冷却することによって形成される。典型的Jこは、特別な組成は、必
要な元素の粉末または顆粒(または、ホウ化鉄、ケイ化鉄のような元素に分解す
る材料)から所望の割合で選択され、次いで、それが溶融され、均質化される。
その溶融物は、次に、平面状で急冷された(splsl quenched)箔
、または連続した線材、ストリップ、シート等のような各種の製品を形成するた
めに、冷却面に沈積される。
最も好ましくは、溶融物は、例えば米国特許第4,221,257号に明らかに
されている回転できるホイールの伜ような、急速に動く冷却面の上に該溶融物を
沈積させることにより、急速に急冷される。
本願発明の非晶質合金は、高い飽和磁化、低い鉄損及び低い励磁力の最適な組み
合わせをもたらすものである。それぞれの合金の与えられた個々の特性は、最も
好適な値より低いかもしれないことは、ただちに明らかとなるであろう。それに
もかかわらず、本願発明の合金は、磁性fXP、、S、特に、変圧器の製造寮に
おいて使用されているこれらの鉄心の製造に必要な諸特性の中で、理想的なバラ
ンスを構成するものである。
本願発明の非晶質合金は、好ましくは、約−40〜約+150°Cの温度の範囲
にわたって、少なくとも約1.5丁の飽和磁化の値を示すものである。そして、
より好ましくは、それらは、20℃で少なくとも約1.677の飽和磁化の値を
示し、最も好ましくは、80°C(非晶質合金配電変圧器の普通の作動温度)で
、少なくとも約1.ssTの値を示すものである。このような非晶質の合金に起
因する鉄損は1.3丁の誘導において、−40〜+150℃の範囲にわたって、
約0.2W/kgを超えない。より好ましくは、鉄損は、80〜100℃におい
て、1.3Tの誘導で、約0.18W/Igより低く、そして、より好ましくは
、+00°C及び1.3Tの誘導で、約0.17W/kgより高くない、鉄損を
示すものである。その上、本願発明の非晶質合金は、約1.5Tと同様に高い誘
導レベルで、約0 、3 VA/k !より低く、好ましくは、このような誘導
レベルで約0.25VA/Mより低く、より好ましくは、1.3Tで約0.20
VA/klより大きくない励磁力を示すものである。
本願発明の合金は、先行技術の合金に比較して、同程度の加工性を示している。
加えて、本願発明の非晶質合金は、第1図のグラフによって示されているように
、ある種の好適な先行技術の合金より、より安定である。特に、鉄の代わりにり
、Sg子Xのコバルトが使われている、本願発明の非晶質合金のキューリ一温度
は、コバルトを含有しない、相当する先行技術合金のそれよりも、IIK高い。
本1!X発明の合金の成分は、上述の諸性質の発揮に寄与するものである。磁気
的飽和を最大にするためには、鉄の含有量は、できるだけ高くされるべきである
。本願発明の合金の鉄の含有量が、約75−約R5JJi子%の範囲で変動する
ことができる場合に、最大の飽和の値を達成するためlこ、少なくとも約79厚
子Xの鉄含有量を保つことが、最も好ましい。ホウ素は、勿論、金属の非晶質形
態を助長するために加えられる。ケイ素は、その合金の結晶化温度及び磁気的安
定性を増大させるために加えられる。
炭素は、合金を非晶質状態に処理するのを容易にするために加えられる。従って
、ホウ素、ケイ素及び炭素の含有量は、約12−約IS、約2−約5、約1−約
3の範囲に、それぞれ、保持される。
本願の発明によって、鉄の代替物としてのコバルトの添加は、予想される以上に
、上で詳述した成分によって影響された全ての特性を高めることが分かった。し
かしながら、コバルトの添加は、約0.1−約0.8原子%の範囲内において、
最も好ましい、約0.4−約0.6W、子Xの範囲にコバルトが存在するように
、注意深く調整される必要がある。
本願発明の非晶質合金の特性は、更にその合金を焼きなますことによって高めら
れる。焼きなましの方法は、一般に、応力除去を達成するために十分なであるが
、結晶化を開始するのに必要な温度より低い温度まで合金を加熱し、冷却し、そ
して、少なくとも焼きなましのサイクルの間、最も好ましくは、冷却工程の間も
、合金に磁界をかけることからなる。一般的に、約300−約(OO’C!の範
囲の温度が、加熱の間使用され、その中で約360−約370℃の温度が最も好
ましい。約0.5−約75°C/+cinの冷却速度が使用され、その中で、最
も好ましい約10− Is℃/winが最も好ましい。
上で論じたように、本願発明の非晶質合金は、それを組み込む装置の通常の作動
温度(80°0−120’0)で安定であるような改善された磁気的諸性質を示
し、事実、第2図及び第4図で示されるように、少なくとも約150℃までの温
度で、充分安定である。高い熱的安定性は、本願発明の非晶質合金を、変圧器の
鉄芯材料、特に、配電変圧器(distribu)ionjrxnsform亡
r)への使用に適させている。詳細には、異常に低い鉄損と共に得られる、高い
誘導の値は、同じ体積の鉄芯をもつ先行技術の変圧器に比較して高い容量の変圧
器の作動を可能にする。その上に、低い工洋ルギー損失は、冷却容量の必要性を
低くすることを可能にし、それによって、航空機の使用に用いられる変圧器にと
って、特に意義のある重量の軽減を可能にする。更に、より低い励磁力のレベル
は、また、本願発明の非晶質合金から形成された変圧器の効率を高め、それに対
応して、動力の節約に寄与することになる。
次の実施例は、本願発明を例証するために示されている。詳細な技術、条件、材
料、割合及び記録されたデータが、発明を例証するためにお載されているが、添
付された請求の範囲によって限定された発明の範囲を制限するものとして解釈さ
れるべき組成FtarB+s、 5sis、 setを有する先行技術の非晶質
合金の試料及び本願発明の好適な合金Ftao、 5coo、 InI3. a
sia、 6C2試料は、これら材料のキューリ一温度および一次及び二次結晶
化温度を決定するために、DSC分析(20°C/ainの走査速度)を受けた
。先行技術の材料及び本願発明の好適な合金のどちらも次の工程によって製造さ
れた。
ベリリウム−鋼基体を有する、焼嵌め鋳造ホイールが、鉄基非晶質金属リボンを
製造するのに使用された。鋳造ホイールは、米国特許第4,537,239号で
説明されたものに類似した直径38cm。
幅31cmの内部冷却構造を有している。それは、20ra/sの円周面速度に
相当する、99Drpmの速度で回転された。基体は、鋳造方向の外側に約10
’傾斜したアイドリングブラシホイール(id圓Ω【brushwbe*I−)
により、走行中に連続的に調整された。それぞれ幅1.5mmをもつ一番目及び
二番目のりノブ(すノブは冷却ロールの回転の方向に番号を付けられた)によっ
て制限された暢0、fm及び長さl0cmの細長い穴(slot)付きのオリフ
ィスをもつノズルは、−次及び二次のリップと鋳造ホイール表面の間の隙間が0
.2allのような鋳造ホイールの外周面の移動の方向に垂直に載置された。
約1,100℃の融点をもつ鉄基金属合金は、1.30+1℃、約2.9ps:
g(20kPa)の圧力下で保持されているるつぼからノズルに供給された。圧
力は、アルゴンガスシールの方法(gas blanket)によって供給され
た。溶融合金は、Bkm/minの速度で細長い穴付きののオリフィスを通って
排出された。それは、冷却ロールの表面上でl0co+の幅をもつ0.026m
mの厚さのストリップに凝固された。
X線回折計を使っての試験で、ストリップは、組織的に非晶質であるこが分かっ
に。
第1図で示しているように、コバルトの添加は、より安定な非晶質の効果を示す
特性であるところのキューリ一温度の劇的な増大及び−凍結晶化温度の意義ある
増大を引き起こす。
実験例 2
下記の合金の試料は、その飽和誘導曲線を明らかにする@度の範囲にわたって試
験された。第2図の合金1は、本願発明の好適な合金Fete、 5coo、
bBls、 sSL、 IC!によって生じた曲線を指す。第2図の合金2は、
商業的に利用できる合金Fe76B+5Slsによって生じた曲線を指す。第2
図の合金3は、もう一つの商業的に利用できる合金pt@lB13.5sii、
sczを指す。試料は、実施例1で説明された工程に従って製造された。環状
体の試料は、それぞれ内径17.5crn外径24.8crnの鉄心を製造する
ために、上で詳細に説明されたそれぞれの組成をもつ、00.1kg幅10cr
nの合金リボンを鋼製マンドレルノこ巻き付けることによって製造された。40
巻きの高温磁性ワイヤは、焼きなましの目的で100eの直流の環状磁場を生ず
るようIこ、環状体に巻つけら合金2の試料は、加熱及び冷却の間、磁場をかけ
ながら、360℃で2時間、窒素雰囲気中で焼きなましされた。
合金l及び合金3の見本は、加熱及び冷却の間中、該領域の中で、355℃で2
時間、窒素雰囲気中で焼きなましされた。それぞれの試料は、約12℃/win
の急冷速度で200℃まで冷却され、その後、室温まで冷却された。飽和磁化の
値は、−40〜+150℃の範囲の温度にわたって決定された。温度に対する飽
和誘導の値の図は、実質的に一定温度で合金2に比較して、合金1のより高い誘
導の値、及び合金3のものに匹敵する飽和の値を、実質的に明らかに示す。しか
しながら、第3a図及び第3b図に明らかに示されているように、合金lの鉄心
の平均的鉄損は、合金3からなる鉄心に対して達成できる平均的な鉄損及び励磁
力よりかなり低い。従って、与えられた誘導レベルで作動された本願発明の非晶
質合金の鉄心は、先行技術材料から形成された鉄心と比較して、実質的により効
果的であることは、容易に理解しうるところである。同様に第4図で示されたよ
うに、本願発明の合金1から形成された鉄心は、合金2から形成された鉄心から
得られるものより意義的に低い、平均的な鉄損を示している。
実施例 3
環状体の鉄芯は、公称の組成Ftxr−xcoxB+s、 sS+3. scx
で、X・0,0.5及び1.(lを有する合金から組み立てられた。これらの環
状体は、そめ後、それぞれの鉄心の試料に対して、誘導曲線対磁気損失を明らか
にするために、誘導レベルの範囲にわたって試験された。第5a図及び第5b図
においては、それぞれの合金の曲線は、X=L !・0.5. x弓の場合の合
金から形成された鉄心の結果を、それぞれ表している。
合金は、実施例1で説明されたものととてもよく類似した工程4こよって製造さ
れt;。磁気的測定に用いる合金から製造された鉄心は、上で詳解された組成の
それぞれの約30g幅5cmの合金リボンを直径4cmのステアタイト・マンド
レルに巻つけることによって準備された。IN回巻の高温磁性ワイヤは、焼きな
ましの目的で100cの直流の環状磁界を与えるために、環状体に巻つけられた
。第5a図及び第5b図の曲線から容易に理解しうるように、本願発明の好適な
組成(すなわち、0.5%のCOを含有する)から形成された鉄心は、通常の作
動誘導レベルにわたって、最も低い鉄損及び励磁力を示している。より総括的に
は、コバルトの容量の臨界的意義(すなわち、約0.1−0.8に含有量を保持
している)、および結果としての鉄損及び励磁力の値の劇的な影響を示している
。
荷籐丁
叙 橘 w/kf
可 届 力 VA/J−
励 嵐 力 VA/に7
Claims (16)
- 1.実質的に式Fea−bC0bBcSidCcによって表される組成及び付随 する不純物とからなり、ここで“a”、“b”、“c”、“d”及び“e”は原 子%であって、それぞれ、約75−約85、約0.1−約0.8、約12−約1 5、約2−約5、約1−約3の範囲で変動する金属合金。
- 2.“a−b”が少なくとも約79.5である、請求の範囲第1項に記載の金属 合金。
- 3.“a−b”が少なくとも約80.5である、請求の範囲第1項に記載の金属 合金。
- 4.“b”が約0.4−約0.6の間にある、請求の範囲第2項に記載の金属合 金。
- 5.“b”が約0.5である、請求の範囲第3項に記載の金属合金。
- 6.“c”が約13.5である、請求の範囲第5項に記載の金属合金。
- 7.“d”が約3.5である、請求の範囲第6項に記載の金属合金。
- 8.“e”が約2である、請求の範囲第7項に記載の金属合金。
- 9.少なくとも約90%非晶質である、請求の範囲第1項に記載の合金。
- 10.実質的に全体に非晶質である、請求の範囲第1項記載の合金。
- 11.実質的に式Fea−bC0bBcSidCeによって表される組成及び付 随する不純物とからなり、ここで“a”、“b”、“c”、“d”及び“e”は 原子%であって、それぞれ、約75−約85、約0.1−約0.8、約12−約 15、約2−約5、約1−約3の範囲で変動し、約0℃〜約100℃の温度範囲 にわたって少なくとも約1.5Tの飽和誘導を有する金属合金。
- 12.実質的に式Fea−bC0bBeSidCeによって麦される組成及び付 随する不純物とからなり、ここでa”、“b”、“c”、“d”及び“e”は原 子%であって、それぞれ、約75−約85、約0.1−約0.8、約12−約1 5、約2−約5、約1−約3の範囲で変動し、少なくとも約90%非晶質である 金属合金からなる磁性鉄心。
- 13.約−40〜約+150℃の温度範囲にわたって、1.3Tの誘導において 、鉄心が約0.2W/kgを越えない、請求の範囲第12項に記載の磁性鉄心。
- 14.約1.5Tまでの誘導レベルにおいて励磁力の需要が約0.3VA/kg を越えない、請求の範囲第12項記載の磁性鉄心。
- 15.少なくとも約90%非晶質であり、100℃で少なくとも約1.5Tの飽 和誘導の値を有する金属合金からなる磁性鉄心であって、約1.3Tの誘導レベ ルで約0.2W/kgより低い鉄損を示し、約1.5Tの誘導レベルで約0.3 VAより大きくない励磁力の需要を示す磁性鉄心。
- 16.約1.3Tの誘導における励磁力の需要が約0.20VA/kgより大き くない、請求の範囲第15項記載の鉄心。
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