DE3001889A1

DE3001889A1 - Magnetischer glasartiger metallegierungsbogen und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE3001889A1
Application number: DE19803001889
Authority: DE
Inventors: Robert Charles O'handley; Michael Oluf Sullivan
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1979-01-22
Filing date: 1980-01-19
Publication date: 1980-07-31
Also published as: JPS6130649A; JPS55122864A; US4268325A; DE3001889C2; JPH0127125B2; JPH0525946B2

Description

Magnetischer glasartiger Metallegierungsbogen und Verfahren zu dessen

Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tempern magnetischer glasartiger Metallegierungsbögen oder -folien in magnetischen Feldern sowie die dabei erhaltenen magnetischen Materialien.

Glasartige Metallegierungen zeigten attraktive weiche ferromagnetische Eigenschaften für verschiedene Anwendungsbereiche. Solche weichen magnetischen Materialien können als Teile für Relais, für. Wechselstromgeneratoren, für Transformatoren, Motoren, magnetische Verstärker, mechanische Gleichrichter, Lagerbehälter, Schaltkerne, aktive und passive Transducer, magnetostriktive Vibratoren, Telefonmembranen, elektromagnetische Polschuhe, Magnetbandaufzeichnerköpfe, magnetostatische Abschirmungen, als ein Pulver für Massenkerne, als Modulatoren und als Sender verwendet werden.

F.E. Luborsky et al. beschreiben in IEEE Transactions on Magnetics, Band Mag. 11, Seite 1644 (1975) die schlechte Reaktion von Gleichstromeigenschaften von Ringspulen auf magnetisches Tempern.

F.E. Luborsky et al. beschreiben in Rapidly Quenched Metals, Herausgeber N.J. Grant und B.C. Giessen (MIT Press, Cambridge, Mass. 1976), Seite 467, daß Spannungsentlastung und bestimmte magnetische Temperungen die magnetischen Gleichstromeigenschaften glasartiger Fe₄₀Ni₄ P₁ .B,.-Legierungsbänder verändern.

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Becker et al. lehren in der US-PS 4 116 728 das Tempern von Ringspulen in parallelen Magnetfeldern.

B.S. Berry beschreibt in der US-PS 4 033 795 ein Verfahren zum Induzieren magnetischer Anisotropie in einer amorphen ferromagnetischen Legierung, wie dem amorphen ferromagnetischen Material Fe₇₁-P₁₁-C₁₀. Die Veränderung im Young-Plastizitätsmodul mit angelegtem Magnetfeld wird verbessert, indem man in einem Magnetfeld in der Querrichtung tempert, und wird vermindert, indem man in der Längsrichtung tempert.

F. Pfefer et al. beschreiben in Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 6, Seiten 80 bis 83 (1977), daß das magnetische Tempern von glasartiger Fe₄₀Ni.-P₁₄B_fi-Legierung zu hohen statischen Permeabilitäten führen kann.

Gemäß der Erfindung wird ein magnetischer glasartiger Metalllegierungsbogen in einem magnetischen Feld, das im wesentlichen senkrecht zu der Bogenoberflache orientiert ist, bei einer erhöhten Temperatur getempert. Das angelegte magnetische Feld ist ausreichend stark, um eine Magnetisierung im Inneren des Bogens im wesentlichen in dieser Richtung zu induzieren. Ein zweites schwächeres magnetisches Feld kann in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Feld gleichzeitig mit dem ersten Feld oder anschließend bei einer niedrigeren Temperatur angelegt werden. Das zweite Feld kann zusätzlich noch einmal oder mehrmals angelegt werden.

Der getemperte Legierungsbogen nach der Erfindung besteht aus einem Bogen aus wenigstens einer glasartigen Metallegierung, vorzugsweise mit einer Permeabilität von wenigstens

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etwa 1000 bei geirnger Induktion- Geringe Induktion ist eine Induktion von etwa 10 bis 100 Guass, Der Ausdruck "Permeabilität", wie er hier verwendet wird, meint die relative Permeabilität. Die relative Permeabilität ist das Verhältnis der Induktion in dem Medium zu der Induktion im Vakuum.

Diese Legierungsbögen haben geringe Hystereseverluste und sind äußerst geeignet als Transformatorkerne. Der Koeffizeint des Beitrages der Ebene parallel zu dem Bogen an der Dichte der freien magnetischen Energie der Legierungsbögen ist vorzugsweise etwa gleich dem Koeffizienten des senkrechten Anteils an der Dichte der freien magnetischen Energie. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die leicht magnetische Achse im wesentlichen senkrecht zu der Bogenebene.

Vorzugsweise besteht die glasartige Metallegierung im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Eisen und Kobalt, von denen bis zu etwa drei Viertel durch Nickel und bis zu etwa ein Viertel durch eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und Wolfram ersetzt sein können, und der Rest aus wenigstens aus einem Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor, von denen bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium ersetzt sein können und bis zu etwa einem Drittel durch Aluminium ersetzt sein kann, plus gelegentlich in üblicher Weise auftretenden Verunreinigungen.

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In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Diagramm von statischen B-H-Kurven für einen getemperten Kern aus einem aufgewickelten Streifen von 5>4 cm breiter Fe₄₀Ni. Ρ,-,Β^-Glaslegierung,

Fig. 2 ein Diagramm statischer B-H-Kurven für gestanzte Kerne von Fe₄₀Ni₄ ^B ₂ -Glaslegierungen, in einem Feld getempert,

4 3 Fig. 3 ein Diagramm des Kernverlustes bei 10 Hz, 10 Gauss der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform und

Fig. 4 ein Diagramm der Impedanzpermeabilität bei 100 Gauss, gemessen an dem ringlaminierten Kern, getempert zum Zustand C von Fig. 3 mit der Zusammensetzung ^Fe4O^Ni4O^B2O·

Ein magnetischer glasartiger Metallegierungsbogen wird bei erhöhter Temperatur in einem Magnetfeld getempert oder geglüht, das im wesentlichen senkrecht zu der Bogenoberflache ausgerichtet ist, wobei das Magnetfeld im wesentlichen so stark ist, um eine Magnetisierung im Inneren des Bogens im wesentlichen in dieser Richtung zu induzieren. Es ist bevorzugt, daß ein solches Feld die magnetische Legierung sättigt.

Vorzugsweise wird gleichzeitig ein schwächeres Magnetfeld im. wesentlichen senkrecht zu dem ersten Feld zusammen mit diesem ersten Feld bei der ausgewählten erhöhten Temperatur oder auch nachfolgend bei Temperaturen zwischen etwa 25 und 1OO° C unterhalb der erhöhten Temperatur verwendet.

Der Ausdruck "glasartig", wie er hier verwendet wird, meint einen Zustand, in welchem die Komponentenatome in ungeordneter Weise angeordnet sind, d.h. es gibt keine Ordnung über

fläÖÖ"! 1 /07 B ^

einen längeren Bereich. Ein solches glasartiges Material ergibt breite, diffuse Beugungspeaks, wenn es elektromagetischer Strahlung mit Wellenlängen im Röntgenstrahlenbereich (etwa 0,01 bis 50 S Wellenlänge) ausgesetzt wird. Dies steht im Gegensatz zu einem kristallinen Material, in welchem die Atome der Komponenten in einer bestimmten Ordnung angeordnet sind und scharfe Beugungspeaks ergeben. Ein primär glasartiges Material kann auch eine kleinere Menge kristallines Material einschließen. Obwohl die Legierung primär glasartig ist, ist es bevorzugt, daß sie im wesentlichen glasartig ist, um die Gefahr eines Wachstums von Kristalliten bei hohen Temperaturen (oberhalb 200° C) auf ein Minimum herabzusetzen, was zu einem wesentlichen Verlust an weichen magnetischen Eigenschaften führen würde.

Es ist erwünscht, daß der magnetische glasartige Metallegierungsbögen nach der Erfindung innerhalb des Erfindungsgedankens auch mehrere übereinander angeordnete Bögen einschließt. Ein glasartiger Metallegierungsbögen ist nach seiner Fabrikation im allgemeinen relativ dünn. Demnach ist es allgemein erforderlich, eine solche Mehrzahl oder Anordnung übereinanderliegender Bögen zu verwenden. Die glasartigen Metallegierungsbögen sind beispielsweise Bögen, Bänder, Streifen, Filme, Folien, Platten oder Schichten, Solche Bögen können gemäß den US-PSen 3 862 658, 3 881 540 und 4 077 462 und gemäß der BE-PS 859 694 erhalten werden. Relevante Teile dieser Patente seien zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.

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Der glasartige Metallegierungsbogen hat allgemein eine Dicke zwischen etwa 0,02 und 0,1 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,03 und 0,06 mm.

Um kompakte ferromagnetische Körper zu erhalten, kann eine Anzahl von Bögen miteinander laminiert werden. Die resultierenden laminierten Körper sind beispielsweise Stäbe, zylindrische Kerne, hufeisenförmige Kerne und dergleichen.

Die magnetischen glasartigen Metallegierungsbogen zeigen bei ausreichend niedriger Temperatur, besonders unterhalb der Curie-Temperatur, zusammenwirkende magnetische Phänomene und besonders Ferromagnetismus.

Die bei der Herstellung der Bögen verwendeten glasartigen Metallegierungen bestehen im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Eisen und Kobalt, von denen bis zu etwa drei Viertel durch Nickel und bis zu einem Viertel durch eines oder mehrere der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und Wolfram ersetzt sein können, wobei der Rest aus wenigstens einem Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor

von denen
besteht,/bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium ersetzt sein können und bis zu etwa einem Drittel durch Aluminium und übliche Verunreinigungen ersetzt sein können. Der Teilersatz von Eisen und/oder Kobalt durch Nickel kann zu höheren Permeabilitätswerten führen. Der Teilersatz der Metalloidelemente kann erfolgen, um die Bildung des glasartigen Fadens während des Gießens aus dem geschmolzenen Zustand zu verbessern und/oder dessen Eigenschaften einschließlich der magnetischen Eigenschaften zu verbessern.

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Der Austausch durch Nickel in einer Menge von mehr als etwa drei Viertel der Gesamtmenge an Eisen und/oder Kobalt neigt dazu, die Restinduktion zu vermindern und somit die Flußkapazität auf unannehmbar niedrige Werte zu vermindern. Ein bevorzugter maximaler Austausch durch Nickel beträgt etwa drei Fünftel der Gesamtmenge an Eisen und/oder Kobalt, um eine Hohe Flußkapazität (flux carrying capacity) zu erhalten.

Die glasartigen Metallegierungen enthalten ohne den Teilaustausch gegen Metalle und Metalloide Zusammensetzungen, die im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines der Metalle Eisen und Kobalt bestehen, wobei der Rest aus wenigstens einem der Elemente Bor, Kohlenstoff und Phosphor besteht. Beispiele sind etwa die folgenden nominalen Zusammensetzungen: Fe₈₀B₂₀, Fe₈₆B₁₄, Co₇₄Fe₆B₃₀, Fe₅₄Co₁₆B₂₀ und Fe₆QCo₁₈B₁^ (die Zahlenangaben bedeuten Atomprozente). Die glasartigen Metallegierungen enthalten auch mit maximalem Teilaustausch sowohl durch Metalle als auch durch Metalloidelemente Zusammensetzungen, die im wesentlichen aus etwa 19 bis 22 Atom-% wenigstens eines der Metalle Eisen und Kobalt, etwa 56 bis 65 Atom-% Nickel, etwa 9 bis 17 Atom-% wenigstens eines der Elemente Bor, Kohlenstoff und Phosphor und etwa 4 bis 8 Atom-% wenigstens eines der Elemente Silicium und Aluminium bestehen. Zusammensetzungen zwischen den Bereichen mit geringstem und größtem Austausch, wie ^Fe4O^Ni4O^P14^B6' ^Ni5O^Fe3O^B2O ^{Und Ni}49^Fe29^P14^B6^Si2 ^{sind eben}~ falls eingeschlossen.

Bis zu etwa 10 Atom-% Eisen und/oder Kobalt können auch durch andere Ubergangsmetallelemente ersetzt werden, die

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üblicherweise mit Eisen und Kobalt legiert werden, ohne die erwünschten magnetischen und mechanischen Eigenschaften der bei der Erfindung verwendeten glasartigen Metallegierungen nachteilig zu beeinflussen. Ein solcher Austausch bzw. Ersatz kann vorgenommen werden, um eine Verbesserung spezieller Eigenschaften, wie der Härte, der Korrosionsbeständigkeit, des elektrischen Widerstandes und dergleichen, zu erhalten. Beispiele solcher Ubergangsmetallelemente sind etwa Chrom, Molbydän, Kupfer, Mangan, Vanadin, Niob, Tantal und Wolfram. Beispiele glasartiger Legierungen, die zweckmäßig nach der Erfindung verwendet werden, sind etwa solche der folgenden nominalen Zusammensetzungen: Fe₆₃Co₁₅Mo₂B₂ , Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈, Fe₇₁Mo₉C₁₈B₃, Fe₃₇Ni₃₇Cr₄B₂₃, Fe₆₇Ni₁₀Cr₃B₂₀ Fe₇₈MOpB₂₀ und Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈. Kobalthaltige Zusammensetzungen glasartiger Legierungen, die für die Verwendung in den weichen ferromagnetischen Legierungen nach der Erfindung geeignet sind, sind etwa jene der Formel Co Fe Ni M , worin M

U V W Z

Bor, Kohlenstoff, Silicium oder Phosphor bedeutet, u etwa 4O bis 80, ν etwa 5 bis 15, w etwa 10 bis 50 und ζ etwa 15 bis 20, alle in Atomprozenten, sind, wobei die Summe von u+v+w+z= 100 ist.

Die Bestandteilselemente der nominalen Zusammensetzungen können innerhalb einiger Atomprozente ohne wesentliche Verän derung der Eigenschaften variiert werden. Die Reinheit aller Zusammensetzungen ist jene, die man in der normalen industriellen Praxis findet»

Bei einer bestimmten Feldstärke ist die Effektivität als ein weiches magnetisches Material bei magnetischen Anwendungen,

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wie als Transformatorenkerne, umso größer, je hoher die Permeabilität der glasartigen Metallegierung ist. Der Begriff "Permeabilität", wie er hier verwendet wird, meint relative Permeabilität. Die relative Permeabilität ist das Verhältnis der Induktivität in dem Medium zu der Induktivität im Vakuum. Eine Permeabilität von wenigstens etwa 1000 bei niedriger Induktion wird als erwünscht angesehen, um praktisch brauchbare weiche magnetische Materialien zu entwickeln. Niedrige Induktion ist eine Induktion von etwa 10 bis 100 Gauss. Solche Werte können durch geeignete Auswahl der Legierungszusammensetzung und/oder durch geeignete Behandlung des Bogems erreicht- werden.

Glasartige Metallegierungen, wie Fe₄₀Ni. P..^B, und ^FeQ_O ^B20^/ haben den Vorteil, daß sie ausnehmend hohe Permeabilität entwickeln, wenn sie während ihrer Verarbeitung abgeschreckt werden. Einzelheiten der Verfahrensbedingungen und Methoden zur Bildung glasartiger Metallegierungen sind leicht erhältlich, siehe die US-PSen 3 856 513 und 3 845 805.

Die für die Temperung nach der Erfindung verwendeten Felder können ein erstes statisches Magnetfeld, das im wesentlichen senkrecht zur der Bogenebene ausgerichtet ist, und ein zweites schwächeres statisches Magnetfeld, das im wesentlichen parallel zu der Bogenebene ausgerichtet ist, sein. Alternierende elektromagnetische Felder können ebenfalls bei Frequenzen bis zu etwa 100 kHz verwendet werden- Außerdem können die magnetischen Felder intermittierend als pulsierende Felder verwendet werden.

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Das erste magnetische Feld sollte ausreichen, um eine Flußdichte bzw. magnetische Kraftliniendichte von wenigstens etwa einem Viertel der Sättigungsinduktion der glasartigen magnetischen Legierung zu induzieren. Vorzugsweise ist das angelegte erste Feld wenigstens das 1,1 fache der Sättigungsinduktion in Gauss der magnetischen glasartigen Legierung bei der erhöhten Temperatur der ersten Temperung. Das erste magnetische Feld sollte vorzugsweise wenigstens etwa 100 Örsted haben. Das Anlegen des ersten magnetischen Feldes bei der erhöhten Temperatur und das Herabkühlen in dem Feld führt zu einem Bogen mit einer leichten magnetischen Achse senkrecht zu der Bogenebene.

Alternativ sollte im Hinblick auf die Beziehung Hi = H - 4||M, worin Hi das innere Magnetfeld, H das angelegte Magnetfeld und M die magnetische Induktion in cgsemu-Einheiten (H in Örsted, M in Gauss) bedeuten, das innere Feld Hi wenigstens etwa Qrsted hat.

Das zweite Magnetfeld sollte ausreichen, um im wesentlichen den Bogen in einer Richtung in der Ebene zu sättigen. Vorzugsweise ist die Richtung des zweiten Feldes in der Ebene die Richtung des Flusses bzw. der Kraftlinien der magnetischen Felder, die bei den Anwendungen des Bogens auftreten. Im allgemeinen kann das zweite Magnetfeld eine Menge zwischen etwa 1 bis 1O Örstedt erreichen, kann gleichzeitig mit dem ersten Feld bei erhöhter Temperatur oder anschließend bei niedrigerer Temperatur verwendet werden.

In der Ausführungsform, bei der das erste und zweite Feld nacheinander verwendet werden, sollte das Anlegen der Felder

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vorzugsweise im wesentlichen zu einer Sättigung in der betreffenden Richtung führen. Nacheinanderanwendung eines ersten und eines zweiten Feldes kann erreicht werden, indem man zeitlich gestaffelte Felder pulsieren läßt. Solche Impulse können eine Zeit von etwa einer Millisekunde bis zu einer Stunde dauern und liegen vorzugsweise bei einer Zeit von etwa einer Sekunde bis einer Minute.

Die erhöhte Temperatur sollte vorzugsweise unterhalb der Glasübergangstemperatur T und oberhalb etwa 225° C liegen. Die Glasübergangstemperatur T ist die Temperatur, unterhalb

14 welcher die Viskosität des Glases 10 Poxsen übersteigt.

Die magnetische glasartige Legierung wird in einem ersten Feld bei der erhöhten Temperatur allgemein während etwa 10 Minuten bis 10 Stunden und vorzugsweise zwischen etwa 1 und 2 Stunden getempert. Wenn die erhöhte Temperatur sehr nahe bei der Glasübergangstemperatur T liegt, können kürzere Temperungszeiten geeignet werden. Unter diesen Bedingungen sollte das erste Magnetfeld vorliegen. Gegebenenfalls kann auch das zweite Magnetfeld vorliegen. Sodann wird die magnetische glasartige Legierung in Gegenwart ähnlicher Magnetfelder mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 0,1 C/Min. und 100 C/Min. und vorzugsweise zwischen 0,5 C/Min. und 5 C/Min. gekühlt. Während des Kühlverfahrens steigt die Sättigungsinduktion der glasartigen Metallegierung allgemein, doch ist es nicht erforderlich, die Magnetfelder zu verändern, wenn man auf die oben angegebenen Bereiche kühlt. Die angegebene Temperungsstufe kann unterbrochen werden, wenn eine Temperatur zwischen etwa 100 und 250° C und vorzugsweise zwischen etwa 150 und 200° C erreicht wurde.

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Vorzugsweise wird das zweite Feld anschließend an das erste Feld angelegt. Der magnetische glasartige Metallegierungsbögen wird auf eine Temperatur zwischen etwa 25 und 100 C geringer als die erhöhte Temperatur während einer Zeit von bis zu etwa 10 Stunden und vorzugsweise während einer Zeit bis zu etwa 1 Stunde gebracht. Sodann wird der glasartige Metallegierungsbögen mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 0,1 C/Min. und 100 C/Min. und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa O,5° C/Min. und 5° C/Min. gekühlt. Diese Stufe kann unterbrochen werden, wenn eine Temperatur zwischen etwa 100 und 225 C und vorzugsweise zwischen 150 und 200° C erreicht ist.

Die zweite Temperungsstufe kann dann einmal oder mehrmals unter den oben genannten Bedingungen wiederholt werden. Vorzugsweise wird die zweite Temperungsstufe bei der Herstellung von Transformatorenkernen wiederholt, bis ein Minimum des Kernverlustes erhalten wird. Im allgemeinen wird ein solches Minimum mit weniger als etwa lOsekündigen Temperungen und gewöhnlich bei weniger als etwa 3sekündigen Temperungen erreicht.

Breite Bänder von glasartigen Metallegierungsbögen auf der Basis von Fe-Ni, die nach der Erfindung getempert wurden, zeigen magnetische Eigenschaften in niedrigem Feld, die vergleichbar sind mit jenen herkömmlicher schmaler glasartiger Metallegierungsbänder ähnlicher Zusammensetzung. Außerdem zeigen ringlaminierte Kerne, wenn sie nach der Erfindung im Magnetfeld getempert wurden, Eigenschaften vergleichbar jenen gewerblicher Permalloymetalle und Ferrite, und der getem-

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perte glasartige magnetische Legierungsbogen nach der Erfindung kann verwendet werden, wo niedrige Magnetisierungsverluste erfordert werden, wie für Transformatorenkerne.

Ein Kern aus einem aufgewickelten Streifen ist ein zusammengerollter Streifen, der im wesentlichen zylindrische Symmetrie hat, wobei die zweidimensionalen Tangentenebenen der Streifenoberfläche parallel zu Ebenen liegen, die durch die Zylinderachse gehen.

Ein ringlaminierter Kern ist ein Stapel ebener Kreisringe, der im wesentlichen Zylindersymmetrie hat, wobei die zweidimensionalen Tangentenebenen der Ring senkrecht zu der Zylinderachse liegen.

Hp (parallel) für einen Kern aus einem aufgewickelten Streifen ist in einer Richtung in einer tangentialen Ebene ausgerichtet, und diese Ebene ist an jedem Punkt entlang dem Streifen senkrecht zu der Richtung der Zylinderachse.

Nh (senkrecht) für einen Kern aus einem aufgewickelten Streifen ist in einer Richtung senkrecht zu der Tangentialebene ausgerichtet.

Hp (parallel) für einen ringlaminierten Kern ist in der Tangentialebene ausgerichtet.

Hn (senkrecht) für einen ringlaminierten Kern ist parallel zu der Zylinderachse ausgerichtet.

Ein Koordinatensystem wird für jeden Punkt eines ringlaminierten Kernes folgendermaßen eingeführt: Die x-Achse liegt in dem Tangentenabstand zum Ring in einer Richtung senkrecht zu der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem Punkt und der Zy-

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Linderachse. Hp fluchtet mit der x-Achse. Die y-Achse liegt in dem Tangentenabstand zu dem Ring in der Richtung von der Zylinderachse zu dem Punkt, Die z-Achse liegt in einer senkrechten Richtung zu der Tangentenebene und bildet zusammen mit der x-Achse und der y-Achse ein rechtsgängiges Koordinatensystem. Hn fluchtet mit der z-Achse. In diesem Abstand werden Kugelkoordinaten eingeführt, indem die Koordinaten eines Vektors einer Einheitslänge folgendermaßen definiert werden:

χ = sin (Theta) cos (Phi)
y = sin (Theta) sin (Phi)
ζ = cos (Theta)

In dem ringlaminierten Kern kann eine magnetische freie Ener-M

giedichte F_M in Erg/cm definiert werden.

K ist als der isotrope Beitrag zu F in Erg/cm bezeichnet.

Kp wird als der Koeffizient des parallelen Beitrags zu F_M bezeichnet.

K wird als der Koeffizient des senkrechten Beitrags zu F_M bezeichnet.

Die folgende Gleichung gilt:

Fm = K₀ + K_p /cos² (Theta) + sin² (Phi]_7 + K_n sin² (Theta) +

2
K_D cos Θ.

2
Der Ausdruck K cos θ bedeutet die Demagnetisierung und Formanisotropie.

Der optimale Kernverlust und die optimale Permeabilität in einem Material liegen vor, wenn K etwa gleich K ist. In die-

2
sem Fall brauchen F = K_Q + K_p sin θ bei Vernachlässigung

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des Ausdruckes K und die Spins eine potentielle Barriere nicht zu überschreiten, um aus der Ebene wie in einer Blochwand auszuschwingen. Eine direkte Messung von K und K ist j edoch schwierig *

Ein Tempern in dem ersten Feld, das senkrecht zu der Bogenebene ausgerichtet ist, führt zu K > K , und die B-H-Kurve ist überschnitten. Wiederholtes aufeinanderfolgendesTempern in dem zweiten Feld steigert das Verhältnis K /K . An einem Punkt in einer solchen Folge wird ein Kernverlustminimum beobachtet, und dann ist K /K etwa 1. Das Tempern magnetischer Legierungsgläser, um K /K etwa gleich 1 zu erhalten, hängt von zahlreichen Variablen, wie der Curie-Temperatur T , der Sattxgungsmagnetisierung 4 Ms, der Probenform, der Empfänglichkeit für Feldtemperung, den Erhitzungs- und Kühlgeschwindigkeiten, der Temperungstemperatur Τ_Λ, der Kristallisationstemperatur T , der Glasübergangstemperatur T und dem angelegten Feld, ab.

Die Magnetisierungsverluste und Permeabilitäten metallischer Gläser werden verbessert durch Einführung von mehr Blochwänden. Die Abwesenheit von Korngrenzen in diesen nicht kristallinen Materialien macht eine Steuerung der Größe der Weiss"sehen Bezirke (domain size) durch die Korngröße unmöglich. Eine Verminderung der Energiedichte der Blochwände (domain walls) in einer bestimmten Probe führt jedoch zu einer Glexchgewichtskonfiguration, die mehr Blochwände enthält. Ein Weg zur Verminderung der Blochwand-Energiedichte ist die, eine leichte Achse in der Richtung einem Feld zu induzieren, daß die Magnetisierung im Zentrum der Blochwand,

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':"-⁵V mV·«
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d.h. senkrecht zu der Ebene der Probe, stattfindet. Dies ist nicht leicht durchführbar für einen Kern aus einem aufgewickelten Streifen, doch ist dies leicht durchführbar in einem rxnglaminierten Kern unter Verwendung von Permanentmag neten für die Erzeugung von H zusätzlich zu dem Umfangsfeld

Durch Variieren der relativen Größe der beiden induzierten Anisotropien (K bzw. K_p) bekommt man eine Bedingung, die die Eigenschaften in niedrigem Feld optimiert.

Praktisch sollte das Tempern in einem starken Feld stattfinden, das senkrecht zu der Bogenebene ausgerichtet ist (H grö ßer oder etwa gleich 4H Ms (T ) ) , und dann sollte Stufe für Stufe K erhöht werden. Die Probe sollte durch optimale Kernverlustwerte gehen, wenn anfangs K /K > 1 und am Ende

V^Kn > ^{1 ist}*
Beispiel 1

Mehrere Ringspulen aus einem aufgewickelten Streifen wurden aus Streifen von glasartiger Legierung Fe₄₀Ni4_O ^pi4^B6 ^^{n e}i-^ner Breite von 5,4 cm hergestellt. Sie wurden 2 Stunden bei 325° C getempert, sodann mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 C/Min. in einem Umfangsfeld von 10 Oe abgekühlt.

Die Ergebnisse für einen solchen Kern mit einem Außendurchmesser von 3,2 cm und einem Gewicht von 12,5 g sind nachfolgend beschrieben, Kerne aus aufgewickeltem Streifen wurden auch aus breiten Streifen einer glasartigen Metalle-

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gierung Fe_4nNi_4nB₉ hergestellt. Sie wurden bei Temperaturen von 350 bis 380 C im Magnetfeld getempert.

Mehrere ringlaminierte Ringspulenkerne wurden aus ringförmigen ausgestanzten Teilen aus einem 2 cm breiten Streifen einer glasartigen Legierung Fe_4nNi_4nB₉ zusammengesetzt. Diese Kerne wurden verschiedenen Temperungsbedingungen im Magnetfeld ausgesetzt. Die Ergebnisse für einen solchen ringlaminierten Kern mit einem Innendurchmesser von 1 cm und einem Außendurchmesser von 1,7 cm und einem Gewicht von 3,6 g werden beschrieben.

Die glasartigen Metallegierungen Fe_4nNi₄ P₁₄B, und Fe₄ Ni₄ B„ zeigen die folgenden Eigenschaften: Spezifische Magnetisierung (emu/g): 84, 103; Dichte (g/cm ): 7,5, 7,7; Sättigungsmagnetisierung 4 i| M (kG) : 7,9, 10,0; Curie-Temperatur T ( C) : 247, 395; Kristallisationstemperatur T (°C): 380, 389.

Zusätzlich zu der einfachen Umfangsfeldtemperung wurden einige der ringlaminierten Kerne einem magnetischen Feld senkrecht zu den Bogenebenen ausgesetzt.

Beispiel 2

§t§G§5£^S§2ⁿ§tf§ldtemgerun2en_von_Fe_4nNi₄ P₁^B,!Legierung Eine B-H-Kurve ist eine Aufzeichnung der magnetischen Induktion in Abhängigkeit von dem angelegten Magnetfeld H für ein Material, das zusammenwirkende magnetische Effekte zeigt. Die B-H-Kurve des im Magnetfeld getemperten Kern aus aufgewickeltem Streifen von 5,4 cm Breite aus einer Glaslegierung Fe_4nNi_4nP^₄B,- ist in der ausgezogenen Kurve in Fig. 1 ge-

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zeigt- Das Parallelfeld H in ümfangsrichtung ist als H, bezeichnet. Hier ist H 0,6 Oe, und H ist 0,014 Oe, Wenn H

max c max

0,2 Oe ist, dann ist H 0,0125 Oe. Eine starke Verbesserung bezüglich der Eigenschaften des Körpers, wie er gegossen ist (gestrichelte Linie in Fig. 1), wird durch Tempern im Magnetfeld realisiert. Die Anfangsmagnetisierungskurve (im Magnetfeld getempert) zeigt Glexchstromperineabilitate bei 20, 40 und 100 Gauss von 7500, 10 000 bzw. 16 000.

Der Kernverlust für die Probe Fe₄ Ni P₁₄B₆ beim Tempern ist

3
für die Frequenzbereiche 10 kleiner oder etwa gleich f,

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kleiner oder etwa gleich 10 Hz und 5 χ 10 kleiner oder gleich B , kleiner oder etwa gleich 3 χ 10 Gauss durch die Beziehung L = Af B (2) beschrieben.

A ist eine Konstante gleich 1,05 χ 10 für den Verlust in Watt/kg, f ist die Frequenz, B ist die maximale Induktion, a = 1,43 und b = 1,59. So waren bei B =10 Gauss und f = 10 und bei 10 Hz die Kernverluste L 0,12 bzw. 3,2 Watt/kg. Diese Kernverlustwerte sind vergleichbat mit den besten Ergebnissen für schmale Streifen dieser glasartigen Legierung und liegen gerade oberhalb des Bereiches der Werte, die für handelsübliche 80 %ige Nickel-Permalloymetalle und für handelsübliche Ferrite angegeben werden*

Beispiel 3

Temgern_von_Fe-_nNi_4nB„ -Leaierun2_im_Ma2netfeld Im Magnetfeld getemperte Kerne aus aufgewickelten breiten Streifen einer glasartigen Metallegierung Fe₄QNi .B„ zeigten attraktive Eigenschaften in niedrigem Magnetfeld, typischer-

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weise H = 0,01 Oe, B = 5400 Gauss. Ringlaminierte Kerne von glasartiger Metallegierung Fe.Ni B zeigten attraktive magnetische Gleichstromeigenschaften, wie ein Koerzitivfeld H kleiner oder etwa gleich 0,02 Oe und 6000 kleiner oder etwa gleicn der remanenten Induktion B (kleiner oder gleich 9000 Gauss) nach dem Kühlen von 350 bis 380° C in einem ümfangsfeld. Eine Aufeinanderfolge von Temperungen in gekreuztem Feld mit einem Magnetfeld H ergab einen Anstieg der B-H-Kurven, die in Fig. 2 gezeigt sind. Die Kurve (a) wurde durch Kühlen von 360° C mit etwa 1° C/Min. in gekreuzten Feldern H etwa gleich 1 Oe, N etwa gleich 2000 Oe, erhalten. Die Kurven (b) bis (d) wurden nach einer bis drei zusätzlichen Hitzebehandlungen (Kühlen von 270° C) nur in Anwesenheit des ümfangsfeldes beobachtet.

4 3

Der Kernverlust bei 10 Hz, 10 Gauss für diese Aufeinanderfolge von magnetischen Zuständen ist in Fig. 3 als eine Funktion der Remanenz nach jeder Temperung gezeigt. Der Quadratbezugspunkt ist für eine in gekreuztem Feld getemperte Stanzringprobe in einer Stufe H_p = 1 Oe, H = 2000 Oe.

4 Für B = 3,5 kG ist der Kernverlust bei 10 Hz ein Minimum, was eine vorteilhafte Beziehung zwischen K_ und K zeigt. Bei niedrigeren (höheren) Frequenzen tritt das Minimum bei höheren (niedrigeren) Werten von B auf. Der Kernverlust für die getemperten Proben, um B = 3,5 kG zu haben, ist etwa

— 12 durch die Gleichung 2 mit A=9xi0 , a = 1,5 und b = 1,75 beschrieben. Der bei 10⁴ _Hz, 10³ Gauss, L - 1,6 Watt/kg beobachtete Verlust ist der niedrigste Wert, der für dieses Me-

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tallglas beschrieben ist» Er fällt in den Bereich von Werten für verschiedene handelsübliche Permalloymetalle und Ferrite. Weder Kerne aus einem aufgewickelten Band noch ringlaminierte Kerne dieser nur in einem Umfangsfeld H getemperten Zusammensetzung (B im Bereich von 3,4 bis 8,5 kG zeigend) zeigten Kernverluste bei 10 Hz und 10 Gauss kleiner als 4 Watt/kg.

Die Impedanzpermeabilität bei 100 Gauss der Probe (c) in den Fig. 2 und 3 liegt bei 9800 bei 10 Hz (mehr als das 2fache derjenigen von MN30 Mn-Zn-Ferrit) und nimmt mit steigender Frequenz geringer ab, als dies in einem Standardkern von 4-79 Mo-Permalloymetall gemessen wurde. Oberhalb 50 kHz zeigt das Metallglas höhere Permeabilität als der Permalloykern, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist.

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Claims

Dr. Hans-Heinrich Willrath f Dr. Dieter Weber DipL-Phys. Klaus Seifiert PATENTANWÄLTE D - 6200 WIESBADEN 1 1 6 . 1 . 1 9 80 Postfach 6145 Gustav-Freytag-Scraße 25 Dr. We /Wh ig· (0 6121) 37 27 20 Telegrammadresse: WILLPATENT Telex: 4-186 247 7000-1396 Allied Chemical Corporation, Columbia Road and Park Avenue, Morristown, New Jersey 07960, USA Magnetischer glasartiger Metallegie- rungsbogen und Verfahren zu dessen Herstellung Priorität: Serial No. 005 045 vom 22. Januar 1979 in USA Patentansprüche

1. Magnetischer glasartiger Metallegierungsbogen, dadurch gekennzeichnet, daß die leichte magnetische Achse im wesentlichen senkrecht zu der Bogenebene liegt.

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2. Bogen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient des parallelen Anteils an der freien magnetischen Energiedichte etwa gleich dem Koeffizienten des senkrechten Anteils an der freien magnetischen Energiedichte ist.

3. Bogen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Eisen und Kobalt, von denen bis zu etwa drei Viertel durch Nickel und bis zu einem Viertel durch wenigstens eines der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und/oder Wolfram ersetzt sein können, dem Rest aus wenigstens einem Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor, von denen bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium und bis zu etwa ein Drittel durch Aluminium ersetzt sein können, sowie gegebenenfalls üblichen Verunreinigungen besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines magnetischen glasartigen Metallegierungsbogens nach Anspruch 1 bis 3 durch Hitzebehandlung in einem Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Magnetfeld bei einer erhöhten Temperatur in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Bogenoberfläche in ausreichender Stärke anlegt, um eine Magnetisierung im Inneren des Bogens im wesentlichen in dieser Richtung zu induzieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man einen glasartigen Metallegierungsbogen mit einer Permeabilität von wenigstens etwa 1000 bei einer Induktion von etwa 10 bis 100 Gaus verwendet.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man aufeinanderfolgend zusätzlich noch ein zweites Magnetfeld

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anlegt, das schwächer als das erste Magnetfeld ist und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld ausgerichtet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein zweites Magnetfeld mit einer Stärke verwendet, die wenigstens etwa 0,1 Örsted beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine erhöhte Temperatur zwischen etwa 225 C und der Glasübergangstemperatur des Legierungsbogens verwendet.

9. Verfahren nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man eine erhöhte Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur der verwendeten glasartigen Metallegierung und eine Stärke des Magnetfeldes von wenigstens etwa 1000 Örsted verwendet.

1O. Verfahren nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man einen glasartigen Metallegierungsbogen verwendet, der im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% Eisen und/oder Kobalt, von denen bis zu etwa drei Vierteln durch Nickel und bis zu etwa ein Viertel durch wenigstens eines der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und/oder Wolfram ersetzt sein können, und dem Rest aus wenigstens einem Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor, von denen etwa drei Fünftel durch Silicium und bis zu etwa ein Drittel durch Aluminium ersetzt sein können, sowie aus üblichen Verunreinigungen besteht.

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