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Die Erfindung betrifft einen auf Grund einer Wärmebehandlung einen festen Schichtverband bildenden Schichtwerkstoff mit hoher Permeabilität und niedriger Koerzitivfeldstärke für magneti- sche Aufzeichnungs- und Wiedergabeköpfe, mit einer Mehrzahl von Lagen aus magnetisch weichem Metall und jeweils dazwischenliegenden, im Verhältnis zum magnetisch weichen Metall elektrisch isolierenden, anorganischen Schichten.
Bei bekannten derartigen Schichtwerkstoffen für die Elektroindustrie dienen metallische Oxyde und Glas als anorganisches Schichtmaterial. Durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der den Schichtwerkstoff bildenden Materialien treten jedoch in diesen Werkstoffen Spannungen auf, die deren elektrische Eigenschaften nachteilig beeinflussen. Es wird zwar stets empfohlen, ein Übermass an Spannungen zu vermeiden, um vor allem bei der Verwendung von Glas als Zwischenlagenmaterial das Auftreten von Rissen und Sprüngen zu verhindern. Es ist bisher jedoch noch keine zufriedenstellende Anweisung zur Herstellung spannungsfreier Schichtwerkstoffe dieser Art gegeben worden.
Bei einem bekannten Schichtwerkstoff der eingangs erwähnten Art stehen ausserdem die Metallschichten quer durch die isolierenden Schichten hindurch miteinander durch punktförmige Verschweissungsbrücken in Verbindung. Dadurch wird das elektrische und magnetische Verhalten dieser Schichtwerkstoffe noch zusätzlich verschlechtert.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Schichtwerkstoff zu schaffen, bei dem die den bekannten Schichtwerkstoffen anhaftenden Nachteile vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass die isolierenden Schichten als zwischen den Lagen aus magnetisch weichem Metall befindliche, durchgehende Trennschichten ausgebildet sind, dass diese Trennschichten eine auf Grund der Wärmebehandlung gebildete, feste Verbindung zu den angrenzenden Lagen aus magnetisch weichem Metall aufweisen und dass mindestens im Bereich der Betriebstemperatur die relative thermische Ausdehnung der anorganischen Trennschichten mit derjenigen der Lagen aus magnetisch weichem Metall im wesentlichen übereinstimmt.
Insbesondere bestehen die Zwischenlagen aus Glas oder Siliziummonoxyd. Bei der Verwendung von Glas als Zwischenlagenmaterial ist es besonders günstig, wenn die thermischen Ausdehnungkoeffizienten des magnetisch weichen Metalls und des Glases beim Spannungsaufnahmepunkt des Glases und bei der Raumtemperatur bzw. bei derjenigen Temperatur, bei der der Werkstoff verwendet werden soll, übereinstimmen.
Unter Übereinstimmung wird vorzugsweise verstanden, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des magnetisch weichen Metalls und des Glases derart bemessen sind, dass die dimensionellen Änderungen zwischen Arbeitstemperatur und Spannungsaufnahmepunkt des Glases höchstens 500 ppM pro Längeneinheit betragen.
Fliessendes Glas befindet sich im allgemeinen über seiner sogenannten Bearbeitungstemperatur.
Etwas unterhalb dieser Temperatur liegt der Erweichungspunkt und unterhalb dieses Wertes befindet sich der Vergütungspunkt. Der Spannungsaufnahmepunkt oder Erstarrungspunkt von Glas liegt bei noch etwas niedrigeren Temperaturen. Unterhalb des Spannungsaufnahmepunktes kann sich Glas nicht mehr an Beanspruchungen anpassen, so dass in das Glas Spannungen eingeführt werden können. Diese Spannungen lassen sich durch Erhitzen des Glases auf die Vergütungs- oder Weichglühtemperatur beseitigen. Oberhalb des Erstarrungspunktes oder Spannungsaufnahmepunktes können keine Spannungen in das Glas eingeführt werden.
Aus diesem Grunde erstreckt sich der Temperaturbereich, in welchem die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem magnetisch weichen Material und dem Glas aneinander angepasst sein müssen, von dem Spannungsaufnahmepunkt für eine bestimmte Glassorte bis zur Raumtemperatur oder zu der Temperatur, bei welcher der betreffende Bauteil verwendet werden soll.
Als Zwischenlagenmaterial können aber auch andere durchgehende Werkstoffschichten verwendet werden, soferne sie die Bedingung des übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfüllen. Dies gilt beispielsweise für verschiedenste Halbleitermaterialien ebenso wie für Werkstoffe, die aus intermetallischen Verbindungen bestehen. Diese intermetallischen Verbindungen können gegebenenfalls auch in situ infolge der Wärmebehandlung im Schichtwerkstoff selbst gebildet werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiters ein Verfahren zur Herstellung eines eingangs genannten
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Schichtwerkstoffes, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf jede Lage aus magnetisch weichem Metall jeweils eine Schicht aus isolierendem anorganischen Werkstoff aufgebracht wird und dass hierauf der Schichtwerkstoff zusammengesetzt und erhitzt wird.
Wenn als Zwischenlagenmaterial Glas verwendet wird, so ist es vorteilhaft, demselben vor dem Herstellen des Schichtwerkstoffes Zusätze zur Angleichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Glases an den Ausdehnungskoeffizienten des magnetisch weichen Metalls beizugeben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird das anorganische Material in Form von Partikelchen in einem flüchtigen Bindemittel gebunden, auf das magnetisch weiche Metall aufgebracht, worauf der daraus hergestellte mehrlagige Verband auf eine Temperatur oberhalb der Verflüchtigungstemperatur des Bindemittels erhitzt wird. Dieser Wärmebehandlung kann eine weitere Wärmebehandlung in sauerstofffreier Atmosphäre zum Weichglühen des magnetischen weichen Metalls angeschlossen werden. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise der gesamte Schichtverband mit gesteuerter Abkühlgeschwindigkeit unter Durchlaufen des Curie-Temperaturpunktes für das magnetisch weiche Metall abgekühlt.
Die Formgebung der Werkstücke, welche aus dem Schichtwerkstoff, beispielsweise durch Ausstanzen, hergestellt werden sollen, erfolgt vor der Wärmebehandlung. Auf diese Weise können bei der Wärmebehandlung diejenigen Spannungen beseitigt werden, die während der Formgebung des Schichtwerkstoffes in dieselben eingebracht worden sind.
Wird das Verfahren in der angegebenen Weise ausgeführt, so sind weder Verfahrensschritte zur Querschnittsreduzierung, noch Verfahrensschritte zum Aufdampfen oder zur Elektroplattierung bestimmter Schichten notwendig. Kommt es nur darauf an, die Verschleissfestigkeit zu erhöhen, so braucht es in bestimmten Fällen nicht einmal notwendig sein, den geschichteten Verband auf die Weichglühtemperatur des magnetisch weichen Werkstoffes zu erhitzen. Eine ausreichend feste Verbindung kann bereits dadurch erzielt werden, dass der geschichtete Verband über den Erweichungspunkt des Isolierschichtmaterials erhitzt wird.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung des Schichtwerkstoffs zur Erläuterung von dessen Herstellung und Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie 9-9 der Fig. 1 in vergrössertem Massstab.
Bei einem Ausführungsbeispiel bestehen die Lagen --60-- aus magnetisch weichem Material einer unter der Bezeichnung HyMu 800 im Handel erhältlichen Legierung, welche 79% Nickel, 16% Eisen und 4% Molybdän enthält. Diese Legierung ist eine einphasige Legierung oder FeststoffLösungslegierung mit der Kristallstruktur des Nickels, die bei richtiger Wärmebehandlung eine sehr hohe Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft aufweist. Die Lagen --62-- bestehen aus einer Glassorte, welche in der Veröffentlichung"Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 2. Ausgabe 1965, als "Corning 1990" bezeichnet ist. Diese besondere Glassorte hat einen Erwei-
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oxyd und 2% Lithiumoxyd.
Gemäss Fig. 1 wechseln sich Schichten -60-- aus magnetischem Material mit Glasschichten - ab. Die Schichten --60-- bestehen aus magnetisch weichem Werkstoff, in welche auf photographischem Weg Elemente -64-- eingeätzt sind. Die dargestellten Elemente --64-- weisen die Form von Tonband-Abtastkopf-Abschnitten auf. Das Glas liegt in Schichten von Glasstaub vor, das unter Verwendung eines flüchtigen organischen Bindemittels in eine bandartige oder folienartige Form gebracht ist, wie dies etwa in der US-PS Nr. 3, 371, 001 beschrieben wurde.
Die aus magnetisch weichem Werkstoff bestehenden Schichten haben eine Dicke von etwa 0, 025 mm und werden nach Reinigung mittels Führungsstiften --68--, welche von einer Platte - aufragen und die Führungsöffnungen --66-- durchsetzen, übereinander geschichtet. Die jeweils dazwischenliegenden Glasschichten haben eine Stärke von etwa 0, 005 mm. Derart entsteht ein geschichteter Verband-61-entsprechend Fig. 2. Die gesamte Plattenanordnung wird dann in einer sauerstoffhältigen Atmosphäre erhitzt. Dabei verflüchtigt sich das anorganische Bindemittel, ohne dass ein unerwünschter Rest zurückbleibt. Das Glas wird dann ausreichend stark
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erhitzt, um eine Verbindung zu den Schichten aus magnetisch weichem Metall herzustellen.
Das bedeutet, dass das Glas mindestens auf seinen Erweichungspunkt, im vorliegenden Falle auf 500 C, erhitzt wird.
Hierauf wird auf die Führungsstifte -68-- ein mit Führungsbohrungen --74-- versehenes Gewicht-72-aufgesteckt. Dieses liegt über dem zusammengefügten Schichtwerkstoff-61-, wobei zur Festlegung der Dicke Abstandshalter --76-- dienen. Hierauf wird die gesamte Anordnung in ein evakuierbares Gefäss oder einen andern sauerstofffreien Raum eingebracht, um während eines nachfolgenden Wärmebehandlungsschrittes eine Oxydation zu vermeiden. Dabei erfolgt ein Weichglühen des magnetisch weichen Werkstoffes, was im Falle der obenerwähnten Nickel-EisenMolybdän-Legierung in einem Bereich von etwa 600 bis 1200 C geschieht. Das Gewicht --72-- drückt den Schichtwerkstoff auf eine gewünschte Dicke zusammen, die durch die Höhe der Abstandhalter - festgelegt wird.
Das magnetisch weiche Metall wird vollständig weichgeglüht oder spannungsfrei geglüht, so dass die bei der Herstellung eingebrachten Spannungen beseitigt werden.
Anschliessend wird der weichgeglühte Schichtwerkstoff einer Abkühlung unterzogen, welche auf den verwendeten, magnetisch weichen Werkstoff abgestimmt ist. Für die zuvor erwähnte Legierung beträgt die Abkühlgeschwindigkeit etwa 195 bis 280 C je Stunde von der Weichglühtemperatur des betreffenden Metalls unter Durchlaufen seiner Curietemperatur (im Falle der hier betrachteten Nickel-Eisen-Molybdän-Legierung etwa 4600C), bis schliesslich eine Temperatur etwas unterhalb der Curietemperatur erreicht wird (im vorliegenden Falle etwa 370 C). Um den Aufbau von Spannungen zu verhindern, die durch Temperaturgradienten verursacht werden könnten, wird der Schichtwerkstoff im Bereich von 370 bis 400C mit einer Geschwindigkeit von 100 C je Stunde abgekühlt und dann aus dem Ofen herausgenommen.
Schliesslich wird der vollständig weichgeglühte Schichtwerkstoff in die gewünschten Werkstücke zerschnitten, geschliffen und poliert.
Gemäss einer andern Ausführungsform kann auf das magnetisch weiche Metall Siliziummonoxyd aufgebracht werden, wonach die Lagen zur Bildung eines Schichtwerkstoffes in der vorstehend beschriebenen Weise aufeinandergelegt werden. Hiedurch ergeben sich ähnliche Eigenschaften, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Kommt es auf die guten Eigenschaften bei hohen Frequenzen nicht so wesentlich an, so ist es nicht einmal notwendig, den geschichteten Verband auf die Weichglühtemperatur des magnetisch weichen Metalls zu erhitzen. Es ist nur erforderlich, den Schichtwerkstoff so weit zu erhitzen, dass sich eine ausreichende Verbindung ergibt und die gewünschte hohe Verschleissfestigkeit des Materials erzeugt wird.
Die Permeabilitäten von in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Werkstücken waren ausgezeichnet. Beim Vergleich im geschichteten Werkstücken, welche bekannte Trennschichten und magnetisch weiche Metallschichten gleicher Dicke (0, 025 mm) besassen, ergaben sich folgende Werte :
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<tb>
<tb> Tesla <SEP> Frequenz <SEP> Permeabilität <SEP> des <SEP> Permeabilität <SEP> von
<tb> (Hertz) <SEP> erfindungsgemässen <SEP> bekannten <SEP> SchichtSchichtwerkstoffes <SEP> werkstoffen
<tb> 4. <SEP> 10 <SEP> -3 <SEP> 1000 <SEP> 13000 <SEP> 11000
<tb> 4.
<SEP> 10 <SEP> -3 <SEP> 50000 <SEP> 8000 <SEP> 7200
<tb> 0, <SEP> 2 <SEP> 1000 <SEP> 35000 <SEP> 35000
<tb> 0, <SEP> 2 <SEP> 50000 <SEP> 10000 <SEP> 9400
<tb>
Mit andern magnetisch weichen Metallen können andere Isolierwerkstoffe kombiniert werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen, solange das Metall und der Isolierwerkstoff aneinander angepasste thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowohl des Glases "Corning 1990" als auch der Nickel-Eisen-Molybdän-Legierung HyMu 800 waren zwischen der Raumtemperatur und dem Spannungsaufnahmepunkt des Glases praktisch gleich. Relative Unterschiede in der thermischen Ausdehnung
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von höchstens 500 ppM sind zulässig, Unterschiede von 100 ppM bereiten verhältnismässig wenig Schwierigkeiten. Thermische Ausdehnungskoeffizienten können, als im wesentlichen gleich angesehen werden, wenn die Ausdehnungsunterschiede zwischen Raumtemperatur und dem Spannungsaufnahmepunkt nicht mehr als 500 ppM betragen.
Auch viele andere Kombinationen von magnetisch weichem Metall und Glas liefern zufriedenstellende Ergebnisse. Beispiele sind die erwähnte Nickel-Eisen-Molybdän-Legierung in Verbindung mit den Glassorten "Corning 0110" oder "Corning 9776". Dabei ist die Zusammensetzung der zuerst genannten Glassorte 50% Si02, 19, 5% K2O, 6% Na20, 10% BaO, 5, 5% Al203, 7, 2%CaOundl, 8%F.
Die Zusammensetzung der zweitgenannten Glassorte ist 88% PbO und 12% B2 03.
Werden bestimmte Glassorten mit sehr niedrig liegendem Erweichungspunkt verwendet, so kann es zweckmässig sein, den Schichtwerkstoff nachträglich nicht mehr auf die Weichglühtemperatur der Lagen aus magnetisch weichem Werkstoff zu erhitzen, um die Glasschichten zu schonen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der hier verwendeten Werkstoffe sind aus der Literatur bekannt. Beispielsweise finden sich entsprechende Werte in folgenden Veröffentlichungen : "Cartech Alloy for Electronic, Magnetic, and Electrical Applications", Carpenter Technology Corp., 1965 :"Allegheny Ludlum Blue Sheet Series", Allegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh ; "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 2.
Ausgabe, 1965, Seiten 533 und folgende, insbesondere Seite 573 ;"Handbook of Glass Manufacture", Odgen Publishing Company, New York, 1961j oder Standardkataloge von Glasherstellern wie Corning Glass Works, Corning, New York ; Owens-Illinois Glass, Toledo, oder Jenaer Glaswerke.
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liziumdioxyd) über 5, 9. 10 -7 mm/cC für Bortrioxyd (BO) bis schliesslich hinauf zu Gläsern auf Schwefelbasis mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 31. 10-7 mm/ C. Man erkennt also, dass eine Vielzahl verschiedener Gläser mit den gebräuchlichen magnetischen Legierungen kombiniert werden kann.
Darüber hinaus können den Legierungen verschiedene Elemente beigegeben werden, um ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei den verschiedenen Temperaturen oder in den verschiedenen Temperaturbereichen nach oben oder nach unten zu korrigieren. Auch lassen sich den Glassorten verschiedenste Substanzen hinzufügen, um dadurch ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang sei auf die vorstehend erwähnte Literaturstelle"Kirk-Othmer", Seiten 538 und 580 ff verwiesen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Auf Grund einer Wärmebehandlung einen festen Schichtverband bildender Schichtwerkstoff mit hoher Permeabilität und niedriger Koerzitivfeldstärke für magnetische Aufzeichnungs- und Wiedergabeköpfe, mit einer Mehrzahl von Lagen aus magnetisch weichem Metall und jeweils dazwischenliegenden, im Verhältnis zum magnetisch weichen Metall elektrisch isolierenden, anorganischen Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Schichten (12) als zwischen den Lagen (10) aus magnetisch weichem Metall befindliche, durchgehende Trennschichten ausgebildet sind, dass diese Trennschichten eine auf Grund der Wärmebehandlung gebildete, feste Verbindung zu den angrenzenden Lagen aus magnetisch weichem Metall aufweisen und dass mindestens im Bereich der Betriebstemperatur die relative thermische Ausdehnung der anorganischen Trennschichten (12)
mit derjenigen der Lagen (10) aus magnetisch weichem Metall im wesentlichen übereinstimmt.