JPS6130016B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は磁気ひずみ値が実質的にゼロであ
り、飽和誘導が少なくとも10キロガウスであるガ
ラス状金属合金に関する。 飽和磁気ひずみλ_sは減磁強磁性状態から飽和
強磁性状態に移る時に磁性体に起る長さの分数変
化Δ／に関係する。磁気ひずみの数値はデイ
メンジヨンの無い量であつて屡々マイクロストレ
インの単位で与えられる（｜マイクロストレイン
とは百万分の一の長さにおける分数変化であ
る）。 磁気ひずみの低い強磁性合金は種々の相互に関
連性ある理由のために望ましいものである。 １ 弱い磁性（低い保磁力、高い誘磁率）は一般
に飽和磁気ひずみλ_s及び結晶磁気異方性Ｋの
両者が零に近ずいた時に得られる。従つて同一
異方性の場合にも、より低い磁気ひずみを有す
る合金はより低い直流保磁力とより高い透磁率
を示すだろう。この様な合金は磁気しやへい又
は種々の他の低周波磁気用途に適する。 ２ この様な磁気ひずみ零の材料の磁性は、もし
その材料がガラス状態にあるならば、機械的ひ
ずみに対し不感性である。この様な場合には、
こんな材料からある装置を形成するために必要
な巻上げ、押抜き、その他物理的処理後の応力
解放のための熱処理の必要が無くなる。これと
反対に結晶質合金の様な応力感応性材料の磁気
的性質はこの様な冷間加工により重大に変質す
るから注意深く熱処理しなければならぬ。 ３ 磁気ひずみ零の材料のこの低い直流保磁力
は、再び低い保磁力と高い透磁率が実現される
交流操作状態に持越される（もし結晶磁気異方
性があまり大き過ぎずかつ抵抗性があまり小さ
過ぎぬならば）。 ４ 最後に、磁気ひずみ零の材料を有する電磁装
置は交流励起の下で雑音を発生しない。これは
前記のより低い心損の理由であるが一方それは
多くの電磁装置に固有なハムを無くするからそ
れはまたそれ自体望ましい特性である。 磁気ひずみ零の周知の結晶質合金が３種ある、
即ち（他に指示しない限り原子％で示す） (1) 約80％のニツケルを含有するニツケル鉄合金
（80ニツケルパーマロイ） (2) 約90％のコバルトを含有するコバルト鉄合
金。 (3) 約６重量％のけい素を含有する鉄シリコン合
金。 これらの種類の中にはまた二成分系だが特定の
性質変化をもたらすためにモリブデン、銅又はア
ルミニウムの様な他の元素を少量添加している磁
気ひずみ零の合金も包含される。これらの例に
は、抵抗率と透磁率を増すためのMo4％、Ni79
％、Fe17％（モリパーマロイの名称で販売され
る）、磁性の軟かさと延性を改良するための種々
の量の銅を加えたパーマロイ（ミユーメタルの名
称で販売される）、異方性零のためのFe85重量
％、Si9重量％、アルミニウム６重量％（センダ
ストの名称で販売される）がある。 (1)に含まれる合金が上記の３種類の中で最も広
く使われるものでありその理由はこのものが磁気
ひずみ零であると共に異方性が低くそのために磁
性的に非常に穏かだからである、即ちこれは保磁
力が低く、透磁率が高く鉄損が少い。これらのパ
ーマロイは又機械的に比較的軟かく従つて容易に
ロール掛けしてシート状にし、切つてテープ型に
しスタンプして積層物にされる。然しこれらの材
料は僅かほぼ６〜８キロガウスだけの飽和誘導
（Ｂ_s）しか有せずこれは多くの用途において欠点
である。例えば信号変圧器または電力変圧器の二
次側で一定の電圧Ｖが必要である場合において
は、フアラデイの法則、Ｖ∝―NA△Ｂ、（な
お、式中、Ｖは信号変圧器、又は電力変圧器の二
次回路における誘導電圧、Ｎは、変圧器二次回路
の巻きのターン数、Ａは変圧器鉄心材料の断面
積、△Ｂは磁束密度変化、は交流電圧の周波数
を表わす。）によつて、周波数及び二次側ターン
数を一定とすれば、飽和誘導値（Ｂ_s）がより大
きい材料を使用することによつて一層大きい磁束
密度変化を可能とすることによつて、鉄心材料の
断面積を減少させ得る、ということができる。 (2)のCo₉₀Fe₁₀を基礎とする合金はパーマロイよ
りも遥かに高い飽和誘導（Ｂ_s約19キロガウス）
をもつ。然しこのものも又強い負の結晶磁気異方
性をもち良好な軟かな磁性材料であるとは言えな
い。例えばCo₉₀Fe₁₀の初透磁率は僅か約100〜200
である。 (3)のFe／６重量％Si及び関連三元合金センダ
スト（前記）もまたパーマロイよにも高い飽和誘
導を示す（それぞれＢ_sが約18キロガウス及び11
キロガウス）。然しこれらの合金は非常に脆く従
つて粉状でのみの制限された用途を見出している
だけである。 明かに望ましいのはパーマロイよりも高い飽和
誘導をもちしかも磁気異方性が低くかつ良い延性
を保有する磁気ひずみ零の合金である。 結晶磁気異方性はガラス状態では効果的に除去
されることは知られている。従つて磁気ひずみ零
のガラス状金属合金を求めることが望まれてい
る。この様な合金は前記した(1)〜(3)の合金の組成
の近くで見出されるかも知れない。しかし荷電を
遷移金属のｄ―電子状態に移すことにより磁化を
抑止する傾向があるメタロイドが存在しているの
で、80ニツケルパーマロイをベースとするガラス
状金属合金は室温では非磁性であるか或いは受入
れられない程低い飽和誘導を示すにすぎない。例
えばガラス状合金Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆（下付き数字は
原子％である）の飽和誘導は約８キロガウスであ
り、またガラス状合金Ni₄₉Fe₂₉P₁₄B₆Si₂は約4.6キ
ロガウスの飽和誘導をもつにすぎず、ガラス状合
金Ni₈₀P₂₀は非磁性である。ほとんど零に等しい
飽和磁気ひずみをもつガラス状金属合金で鉄の多
いセンダスト組成に近いものはまだ見出されてい
ない。前記の(2)で述べたCo―Fe結晶性合金を基
礎とする磁気ひずみ零のガラス状金属合金２種が
文献に報告されている。それはCo₇₂Fe₃P₁₆B₆A
_３（AIPコンフアレンス・プロシーデイングズ、
24号、745〜746ページ、1975）とCo₇₁Fe₄Si₁₅B₁₀
（14巻、ジヤパニーズ・ジヤーナル・オブ・アプ
ライド・フイジクス、1077〜1078ページ、1975）
である。第１表はこれらの材料の磁性の若干を表
示する。

【表】 これらのガラス状合金は低い保磁力を示しそし
て高い透磁率と低い鉄損失とをもつことが期待さ
れる、というのは飽和磁気ひずみが近似的に零で
ありそして一般的にはガラス状態では結晶磁気異
方性が非常に小さくかつ抵抗率が高いからであ
る。然しこれら合金の飽和誘導は種々の高ニツケ
ル結晶性合金によつて占められた範囲の下限にあ
る。従つてこれら合金は結晶性パーマロイの性質
に対して少しの改良しか提供しない。 本発明により、 (1) 少くとも50％がガラス質であり、式
（Co_xFe_1-x）_aＢ_b 式中ｘは0.92−0.96の範囲にあり、ａは78〜85
原子％の範囲にあり、ｂは15〜22原子％の範囲に
あり、磁気ひずみ値が実質的にゼロであり、かつ
飽和誘導が少なくとも10キロガウスである磁性合
金、 (2) 少なくとも50％がガラス質であり、式
（Co_xFe_1-x）_aＢ_bＣ_cを有し、 式中ｘは0.92−0.96の範囲にあり、ａは78〜85
原子％の範囲にあり、ｂは10〜22原子％の範囲に
あり、ｃは12原子％を越えない範囲にあつて、ｂ
とｃの和は15〜22原子％の範囲にあるものとし、
磁気ひずみ値が実質的にゼロであり、かつ飽和誘
導が少なくとも10キロガウスである磁性合金。 が提供される。 上記組成物の純度は普通の実際市販されている
ものに見られる程度のものでよい。本発明の合金
の望ましい性質に影響を与えるものではない付随
的不純物は含まれていても差支えない。 本発明の本質的に磁気ひずみ零のガラス状金属
合金の例にはCo₇₄Fe₆B₂₀、Co₇₄Fe₆B₁₄C₆及び
Co₇₄Fe₆B₁₆C₄がある。これらのガラス状合金は
そのガラス状構造の故に低い磁気異方性を有しし
かも尚約11.8キロガウスという高い飽和誘導とす
ぐれた延性とを保持する。若干の磁気的性質を第
２表に表示する。これは以前に報告されている磁
気ひずみ零のガラス状金属合金に対する第１表中
の性質と比較される。

【表】 これらの金属ガラスの一つ（Co₇₄Fe₆B₂₀）の巻
上時／急冷時トロイドに対する直流ヒステレシス
ループを第１図に示す。前から知られているガラ
ス状金属合金に比べこの合金の高い飽和誘導は主
たる又は唯一のメタロイドとしてほう素を使用し
又第二のメタロイドとして炭素を使用することに
由来する。一般的について、本発明のガラス状金
属合金は、同じ遷移金属含分をもつが主たるメタ
ロイドはほう素及び炭素以外のものを含有する他
のガラス状金属合金よりも、相当高い飽和誘導及
びキユリー温度（Tc）をもつ。何か特別の理論
に帰すまでもなく、これらの予期しない改良され
た性質はほう素及び炭素の存在によつて得られる
のであつて、これらの元素は他の半金属元素より
も少い荷電を遷移電を遷移金属ｄ―帯に運ぶ。 第２図はガラス状金属合金（Co_xFe_1-x）₈₀B₂₀に
おいてｘが0.625〜1.0の範囲の場合（或は、同じ
ことであるがガラス状金属合金Co_yFe_80-yB₂₀でｙ
が50−80原子％の場合）の飽和磁気ひずみλ_s及
び保磁力Hcの変動を示す。これらのガラス状金
属合金においては結晶磁気異方性が存在しないた
めに、Hcの組成に対する依存性は飽和磁気ひず
みλ_sの絶対値のそれに密接に追随する。 或る用途に対しては、小さい正の磁気ひずみ又
は小さい負の磁気ひずみをもつ材料を使うことが
望ましく或は許容さる。例えば磁気ひずみ零の合
金について得られるよりももつと大きい磁束密度
又はもつと高いTc（もつと小さい∂Ｍ／∂Ｔ）
の磁気ひずみの小さい合金が望ましいこともあ
る。 ｘが0.84−1.0の範囲の場合、これらのガラス
状金属合金の飽和磁気ひずみの絶対値｜λ_s｜は
５×10^-6より小さい。すなわち、＋５×10^-6ない
し−５×10^-6すなわち、＋５ないし−５マイクロ
ストレインの範囲内にある。飽和誘は少なくとも
10キロガウスである。 ｘが0.91−0.98の範囲では、｜λ_s｜は２×10^-6
より小さい。0.92−0.96の範囲では磁気ひずみは
実質上ゼロである。 本発明のガラス状金属合金は公知の技術によつ
て製造することができる。（例えば1974年11月５
日発行の米国特許第3845805号及び1974年12月24
日発行の米国特許第3856513号参照）一般にこれ
らの合金は連続したリボン、針金等の形で所望の
組成の溶融物から少なくとも約10⁵〓／秒の速さ
で急冷される。 第１の発明の場合、全合金組成の15−22原子％
の範囲のほう素が、又第２の発明の場合10−22原
子％の範囲のほう素と12原子％を超えない範囲の
炭素とが使用でき、この場合、ほう素と炭素との
合計量は15−22％の範囲とする。 ガラス形成の容易さを考えるときは、メタロイ
ドを17−20原子％とするのがもつともよい。この
場合炭素量は４原子％を超えないようにする。 ほう素又はほう素及び炭素を含有するガラス状
金属合金が、他の半金属元素を含む場合に比べ、
最高の飽和誘導及びキユリー温度をもつことは前
に述べた。然し磁気ひずみに対するメタロイドの
影響は本発明のこれらのガラス状金属合金におい
ては僅かである。 磁気ひずみゼロは結晶質合金Co₉₂Fe₈では、
Co：Fe比がほぼ11.5：１の場合達成できるが、
本発明のガラス状金属合金にあつては、例えば
Co₇₃.₆Fe₆.₄B₂₀とかCo₇₃.₆Fe₆.₄B₁₄C₆などにおいて
同様に達成できた。これに対し、従来のメタロイ
ドとしてケイ素、燐、アルミニウム及びホウ素を
含むガラス状金属合金の場合は、λ_s＝０とする
ためのCo：Fe比は14：１とやや増加し、
Co₇₀Fe₅M₂₅に相当する。このような結果を示す
理由が、後者の場合遷移金属／メタロイド比が低
いことに基づくのか、又は他のメタロイドが存在
することによるものかは明らかではない。然し磁
気ひずみ零の組成におけるこの相違は飽和誘導及
びキユリー温度に対するメタロイド効果程意味あ
るものではない。 第３表は本発明の磁気ひずみ零の合金の関連磁
気的性質の従来技術の合金との比較を提供する。
ここに開示する新しいガラス状金属合金を含む磁
気ひずみ零の数種の合金の飽和誘導Bs、結晶磁
気異方性Ｋ及び保磁力Hcに対する近似値又は範
囲を与える。低い保磁力はλ_s及びＫが共に零に
近づく時にのみ得られる。結晶性Co―Fe合金の
大きい負の異方性はこの点で欠点である。この大
きい異方性は第３表に示したガラス状金属組成と
近似的に同じCo：Fe比のガラス状金属組成を造
ることにより克服される。磁気ひずみ零はこの場
合も尚保持される。然し半金属Ｐ、Si及びＡの
存在は強磁性状態を、利用できる磁束密度が低く
なる程度まで薄めかつ劣化させる。これと対照的
に本発明のガラス状金属合金は80％ニツケル合金
に比べて相当改良された磁束密度を保ちつつ零又
は零に近い磁気ひずみを保持する。適当な熱処理
操作の開発が更に保磁力及び透磁率を改良するこ
とが期待される。

【表】 実施例 １ 試料の調製 ガラス状合金がチエン及びポークの米国特許第
3856513号により数示される技術に従つて溶融物
から急冷（約10⁶〓／秒）された。得たリボンは
代表的には断面50μｍ×１cmであるが、（CuK_a放
射線を使つた）Ｘ線回折及び走査熱量計により有
意な結晶質の無いことが測定された。このガラス
状金属合金は強く、ピカピカ光り、硬くそして延
性があつた。 ２ 磁気的測定 長さ６〜10mのこのガラス状金属合金の連続リ
ボンをボビン（外径3.8cm）上に巻いて閉鎖磁気
通路のトロイド状試料を形成した。各試料は１〜
３ｇのリボンをもつた。絶縁した一次及び二次の
巻物（それぞれ少くとも100を数える）をこのト
ロイドに適用した。これらの試料はヒステレシス
ループ（保磁力及び残留磁気）及び市販の曲線ト
レーサーを使う初透磁率及び鉄損失を得るために
使つた（IEEE基準‘106〜1972）。 飽和誘導Ｂ_s＝Ｈ＋４πＭ_s（Ｈは適用磁場、Ｍ
_sはその物質における飽和磁化
（saturationmagnefization）を表わす。）を市販
の試料振動式磁力計（プリンストン応用研究所）
で測定した。測定にあたり、リボンを数個の小さ
な正方形状（約１mm×１mm）にカツトした。これ
らをランダムに、ほぼ垂直方向に配置した。その
面は適用場（０−9KOe）に平行とした。飽和誘
導は増加する鉄含量の関数としてCo₈₀B₂₀の11.4
キロガウスからCo₇₀Fe₁₀B₂₀の12.3キロガウスま
で直線的に増加した。 金属原子当りの飽和モーメントｎ_B及びキユリ
ー温度Tcを得るために磁化対温度を8KOeを適用
した磁場で4.2゜〜1000〓につき測定した。飽和
モーメントは増加する鉄含量の関数として
Co₈₀B₂₀の金属原子当り1.3ボールマグネトンから
Co₇₀Fe₁₀B₂₀の金属原子当り1.4ボールマグネトン
へ直線的に増加した。すべての場合においてTc
はこれらガラス状金属合金の晶出温度（これは
623゜〜693℃の範囲にあつた）より充分上であつ
た。従つてTcはガラス相についてのＭ（Ｔ）の
外挿法により推定した。Co₈₀B₂₀の外挿したキユ
リー温度は750゜〜800〓の範囲に落ちそして鉄の
追加はTcを更に増大した。 磁気ひずみ測定は半導体ひずみゲージ（BLH
エレクトロニクス製）を使つたがこのゲージは２
個の短いリボンの間に結合した（イーストマンの
910セメント）。リボンの軸とゲージの軸とは平行
であつた。磁気ひずみは平行（Δ／‖）及び
垂直（Δ／⊥）平面内磁場での長さ方向での
ひずみから適用した磁場の関数として式λ＝２／
３（Δ／‖―Δ／⊥）により測定した。

【図面の簡単な説明】

第１図は誘導（キロガウス）及び調用磁場
（Oe）を座標にとり、組成Co₇₄Fe₆B₂₀をもつ本発
明のガラス状金属合金のヒステレシスループのグ
ラフである。第２図はａ保持力（Oe）及びｂ磁
気ひずみ（マイクロストレイン）と組成（原子
％）とを座標にとり、組成（Co_xFe_1-x）₈₀B₂₀をも
つ本発明のガラス状合金のｘの値に対する保持力
及び磁気ひずみの依存性のグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも50％がガラス質であり、式
   （Co_xFe_1-x）aB_bを有し、 式中ｘは0.92−0.96の範囲にあり、ａは78〜85
   原子％の範囲にあり、ｂは15〜22原子％の範囲に
   あり、磁気ひずみ値が実質的にゼロであり、かつ
   飽和誘導が少なくとも10キロガウスである磁性合
   金。 ２ 少なくとも50％がガラス質であり、式
   （Co_xFe_1-x）aB_bC_cを有し、 式中ｘは0.92−0.96の範囲にあり、ａは78〜85
   原子％の範囲にあり、ｂは10〜22原子％の範囲に
   あり、ｃは12原子％を越えない範囲にあつて、ｂ
   とｃの和は15〜22原子％の範囲にあるものとし、
   磁気ひずみ値が実質的にゼロであり、かつ飽和誘
   導が少なくとも10キロガウスである磁性合金。