DE1091343B

DE1091343B - Verfahren zur Herstellung duennen magnetischen Materials hoher Permeabilitaet aus Eisen-Nickel-Molybdaenlegierungen

Info

Publication number: DE1091343B
Application number: DEA25531A
Authority: DE
Inventors: Martin Fredrick Littmann
Original assignee: Armco International Corp
Current assignee: Armco International Corp
Priority date: 1956-08-23
Filing date: 1956-08-23
Publication date: 1960-10-20

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines außerordentlich dünnen magnetischen Materials mit hoher Permeabilität, wobei eine Legierung aus 75 bis 85^o Nickel und 3 bis 6°/o Molybdän, Rest im wesentlichen Eisen, durch Heiß- und Kaltwalzen unter Zwischenglühen zwischen den Kaltwalzschritten auf eine Dicke von weniger als 25 μ gebracht wird, worauf das so bearbeitete Material in trockener Wasserstoffatmosphäre abschließend geglüht wird.

Es ist bekannt, daß Eisen-Nickel-Molybdänlegierungen der angegebenen Zusammensetzung magnetische Eigenschaften aufweisen, die für bestimmte Anwendungsfälle sehr vorteilhaft sind. So ist es bekannt, daß durch dünnes Auswalzen und anschließende Glühbehandlung eine annähernd rechteckige Form der Hysteresisschleife erhalten werden kann, wobei die Koerzitivkraft kleiner als bei Ferriten und gesinterten Metallen ist.

Magnetische Materialien mit rechteckigen Hysteresisschleifen haben sich auf verschiedenen Gebieten als wertvoll herausgestellt, beispielsweise bei der mechanischen Gleichrichtung von Wechselströmen oder auf dem Gebiet der magnetischen Verstärkung. Verfahren zur Untersuchung der Hysteresisschleife unter Verwendung von Gleichstrommeßgeräten sind in der Technik bekannt. Definitionsgemäß hat ein Material dann eine rechteckige Hysteresisschleife, wenn bei diesen Messungen ein hohes Verhältnis der remanenten Induktion (B₁.) zur maximalen Induktion (B_m) festgestellt wird. Das Verhältnis B_TIB_m hat für ein bestimmtes Material nicht einen einzigen Wert, sondern es ändert sich in Abhängigkeit von dem Spitzenwert der magnetischen Erregung und geht durch ein Maximum, wenn man sich der Sättigung nähert. Obgleich der Begriff der »Rechteckigkeit« in Anwendung auf Hysteresisschleifen in verschiedenen Richtungen gedeutet werden kann, sind doch die Stoffe, auf welche sich diese Erfindung bezieht, um so brauchbarer, je höher das höchste Verhältnis B_rfB_m wird. Im allgemeinen gilt eine Hysteresisschleife als rechteckig, wenn das Verhältnis B_T\B_m größer als 0,90 ist.

Ein besonderes Anwendungsgebiet finden Magnetkerne mit rechteckiger Hysteresisschleife bei elektronischen Ziffernrechengeräten zur Speicherung binärer Informationen.

Für diesen Anwendungsfall sind nur Stoffe mit sehr guter Rechteckigkeit der Hysteresisschleife geeignet. Bisher wurden mit gutem Erfolg Speicherzellen unter Verwendung eines Eisenmaterials mit 48% Nickelgehalt gebaut, das eine Dicke von nicht mehr als 12,7 μ besaß.

Die neuesten Entwicklungen sowohl auf dem Ge-Verfahren zur Herstellung
dünnen magnetischen Materials
hoher Permeabilität aus Eisen-Nickel-Molybdänlegierungen

Anmelder:

The Armco International Corporation,
Middletown, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Martin Fredrick Littmann, West Middletown, Ohio

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

biet der Ziffernrechengeräte als auch bei anderen elektronischen Anlagen machen höhere Ummagnetisierungsgeschwindigkeiten bzw. kürzere Umschaltzeiten innerhalb der Kerne erforderlich, als es mit den bisher erhältlichen Kernen aus Magnetbändern mit einer Dicke von 25 μ möglich war. Da die Erhöhung der Ummagnetisierungsgeschwindigkeit von der Verringerung der Wirbelströme abhängt, erscheint ein Auswalzen des magnetischen Bandes zu geringerer Stärke angebracht. Die Schwierigkeit liegt hierbei jedoch darin, daß bei den bisher bekannten Stoffen, bei welchen eine für diesen Zweck geeignete rechteckige Hysteresisschleife erzielt werden konnte, beispielsweise bei 3°/oigem Silizium-Eisen und bei. 48°/oigem Nickel-Eisen mit gerichtetem Korn, die Koerzitivkraft mit abnehmender Stärke schnell ansteigt und bei den erforderlichen ultradünnen Stärken außerordentlich hoch wird. Jedes Anwachsen der Koerzitivkraft ist jedoch unerwünscht, da dadurch ein größerer Magnetisierungsstrom bedingt wird, welcher dann eventuell die zur Verfügung stehende Größe überschreitet.

Andrerseits haben die eingangs angegebenen Eisen-Nickel-Molybdänlegierungen beim Auswalzen auf entsprechende Dicken zwar eine geringere Koerzitivkraft, doch ist die bei den üblichen Herstellungsverfahren erzielte Reckteckigkeit für den zuvor geschilderten Anwendungsfall nicht ausreichend.

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Das Ziel der Erfindung ist daher ein Verfahren, durch das ein außerordentlich dünnes Material mit hoher Permeabilität, guter Rechteckigkeit der Hysteresisschleife und verhältnismäßig niedriger Koerzitivkraft hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Material zur Erzielung einer niedrigen Koerzitivkraft und einer rechteckigen Hysteresisschleife von einer durch Heißwalzen erzielten Zwischenstärke in einer Folge von Stufen mit dazwischen eingeschobenen Glühstufen auf die endgültige Stärke verringert wird, wobei die letzte Stufe bei einer Stärke stattfindet, bei welcher eine 70- bis 85°/oige Streckung zur Erzielung der endgültigen Stärke erforderlich ist, und daß das abschließende Glühen in einer Atmosphäre, die vorwiegend aus Wasserstoff besteht und einen Taupunkt unter —40° C besitzt, bei einer Temperatur zwischen 750 und 1050° C vorgenommen wird.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Material ermöglicht es, bei sehr guter Rechteckigkeit der Hysteresisschleife und geringer Koerzitivkraft sehr viel höhere Magnetisierungsgeschwindigkeiten und kürzere Umschaltzeiten zu erzielen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielshalber erläutert.

Als Ausgangsmaterial wird eine Legierung verwendet, die zwischen 75 und 85% Nickel und zwischen 3 und 6 % Molybdän enthält, während der Rest hauptsächlich Eisen ist.

Mangan kann zur Desoxydation und zur Erzielung einer verbesserten Warmbearbeitbarkeit mit einem Anteil zwischen etwa 0,3 und 1%, vorzugsweise etwa 0,6%, zugesetzt werden. Silizium kann gleichfalls zur Desoxydation Verwendung finden; der Siliziumgehalt soll 0,3% in der Legierung nicht übersteigen.

Der Schwefelgehalt soll so niedrig wie möglich sein, vorzugsweise unter 0,005%, und der Bleigehalt unter 0,002%. Der Gehalt an Kohlenstoff soll gering sein, möglichst nicht mehr als etwa 0,1%. Der Aluminiumgehalt soll so gering wie möglich, zweckmäßigerweise unter 0,01% sein, worin sämtliche vorkommende B'ormen eingeschlossen sind. Diese und weitere Elemente, welche gewöhnlich als Verunreinigungen im Eisen, Molybdän oder Nickel enthalten sind, scheinen die interessierenden Eigenschaften nicht sehr stark zu beeinflussen, solange ihr Gehalt gering ist.

Die vorzugsweise verwendete Legierung enthält 80±2% Nickel und 4,0±0,3% Molybdän.

Die Legierungen können im elektrischen Ofen erzeugt werden (falls erwünscht, unter Verwendung eines Induktionsofens und in Vakuumschmelze, obwohl dies nicht immer notwendig ist). Es werden Barren gegossen, zu geeigneten Zwischenstärken heiß ausgewalzt und zum Kaltwalzen vorbereitet. Die Stoffe können an sich mit sehr starker Streckung ohne Zwischenglühen kaltgewalzt werden. Es ist jedoch bei der Herstellung von sehr dünnen Erzeugnissen gewöhnlich leichter, die beim Kaltwalzen erzielte Streckung in mehreren Stufen durchzuführen. Diese Stufen können in weiten Grenzen verändert werden.

Es ergibt sich dann folgendes Verfahren, mit dem das gewünschte Ergebnis zuverlässig erhalten wird:

Heißwalzen des Materials auf eine passende Dicke, beispielsweise 3 mm; Ausglühen im Glühtopf bei einer Temperatur von 870° C in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise in trockenem Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak; Kaltwalzen zu einer Dicke von 0,6 mm; offenes Glühen in einer reduzierten Atmosphäre bei 870⁰C; Kaltwalzen zu einer Dicke von 30 μ; nochmals offenes Glühen bei 870° C in einer reduzierenden Atmosphäre; Kaltwalzen zur endgültigen Dicke von 6 μ. Das Material ist dann für die abschließende Wärmebehandlung bereit.
Zur Erzeugung eines Materials von 3 μ Dicke wird das gleiche Verfahren durchgeführt, mit der Ausnahme, daß das Zwischenglühen bei einer Dicke von 12 μ stattfindet, wonach das Material direkt auf die Dicke von 3 μ vor der abschließenden Wärmebehandlung ausgewalzt wird.

Die Vorbehandlungsstufen sind nicht zwingend, sondern können in gewissen Grenzen verändert werden. Dagegen sind die abschließenden Behandlungsstufen für die Erzielung einer rechteckigen Hyste- resisschleife wesentlich. Deshalb wird vorzugsweise das Material bei einer Stärke zwischengeglüht, bei welcher eine 70- bis 85%ige Streckung in der letzten Walzstufe zu vollziehen ist. Die Anwendung der Zwischenglühstufen trägt auch wesentlich dazu bei, das Material zum leichteren Walzen weich zu machen. Das in der beschriebenen Weise behandelte Material ist nun in dem Zustand, in welchem es durch eine abschließende Wärmebehandlung seine endgültige magnetische Charakteristik erhält. Das Material selbst ist sehr empfindlich und schwierig zu handhaben. Es kann zwar zur Erzielung der endgültigen magnetischen Eigenschaften im Rohzustand behandelt werden, doch ist dieses Verfahren gewöhnlich nicht erwünscht, da die folgenden Bearbeitungsgänge, beispielsweise das Schlitzen, Aufwickeln zu Kernen usw., diese magnetischen Eigenschaften sehr nachteilig beeinflussen. Daher werden vorzugsweise zunächst die fertigen Kerne aus dem in der bisher beschriebenen Weise behandelten Material hergestellt, bevor die endgültige Wärmebehandlung vorgenommen wird. Aus diesem Grund und auch, weil die Kerne selbst gewöhnlich sehr klein sind und besonders zur Verwendung als Speicherzellen bei Ziffernrechenmaschinen in sehr großer Anzahl hergestellt werden müssen, werden die Verarbeitung des Materials, die Herstellung der Kerne und die endgültige Wärmebehandlung meistens nicht von dem Erzeuger des Materials oder vom Walzwerk selbst vorgenommen, sondern von dem Käufer. Daher ist das in der obigen Weise behandelte, zu Rollen aufgewickelte oder auf andere Weise in Massen verpackte Material ein im Handel erhältlicher Artikel, obgleich es seine endgültige Brauchbarkeit erst dann erhält, wenn es der abschließenden Wärmebehandlung unterzogen worden ist.

Wie bereits angegeben wurde, werden die Kerne gewöhnlich sehr klein gemacht; zur Verwendung bei Ziffernrechenmaschinen haben die Kerne meist einen Durchmesser unter etwa 6 mm. Vorzugsweise wird das Material in Streifen mit einer Breite von etwa 5 cm auf die richtige Dicke ausgewalzt, wobei Bearbeitungswalzen von sehr kleinem Durchmesser verwendet werden. Nach dem Walzen wird das Material zu Streifen von 3 mm bis 6 mm Breite geschlitzt, die zu Ringkernen aufgewickelt werden können. Wegen der großen Empfindlichkeit sowohl des Materials selbst als auch der kleinen Kerne, die oft nur aus einigen wenigen Windungeen des Streifens bestehen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Kerne auf winzige keramische Spulenkörper, beispielsweise

aus Steatit, aufzuwickeln. Diese Spulenkörper besitzen seitliche Flansche und dienen zur Stützung des Bandes bei der abschließenden Wärmebehandlung. Sie dienen ferner auch als Träger für die bei der Prüfung und in vielen Fällen auch bei der späteren Verwendung der Kerne erforderlichen elektrischen Wick-

lungen. Die Windungen aus dem Metallband werden vor der Wärmebehandlung sorgfältig mit einem Magnesiaüberzug gegenseitig isoliert.

Die Wärmebehandlung geschieht in einem geeigneten Glühtopf in einer Atmosphäre, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht und im wesentlichen frei von karbonisierenden, schwefelnden und nitrierenden Verunreinigungen ist. Der Wasserdampfgehalt sollte so gering wie möglich sein, und zwar so, daß der Taupunkt unter —40° C, vorzugsweise sogar unter -50° C liegt.

Die Glühtemperatur soll zwischen 750 und 1050° C, vorzugsweise zwischen 850 und 975° C liegen, wobei die Einwirkungszeit etwa 2 Stunden beträgt. Obwohl reiner Wasserstoff bevorzugt wird, können auch andere inerte Gase in beträchtlicher Menge vorhanden sein. Beispielsweise kann dissoziiertes Ammoniak verwendet werden. Der im dissoziierten Ammoniak vorhandene Stickstoff ist nicht schädlich, doch sollte jede größere Menge von undissoziiertem Ammoniak wegen seiner nitrierenden Wirkung vermieden werden.

Die angegebene Glühtemperatur ergibt den optimalen Kompromiß zwischen der Rechteckigkeit der Hysteresisschleife und einer möglichst geringen Koerzitivkraft, so daß die kürzestmögliche Umschaltzeit mit einem brauchbaren Nutz- zu Störsignalverhältnis bei Impulserregung erzielt wird. Höhere Temperaturen wurden zwar die Koerzitivkraft verringern, aber gleichzeitig die Rechteckigkeit verschlechtern.

Das Material braucht nur so lange auf der Glühtemperatur gehalten zu werden, wie notwendig ist, damit alle Teile der Beschickung auf eine gleichförmige Temperatur kommen. Im allgemeinen genügt für die zuvor beschriebenen kleinen Kerne 1 Stunde. Eine verhältnismäßig kurze Einwirkungszeit bei voller Temperatur kann zugelassen werden, beispielsweise 1 bis 2 Stunden, doch sollte eine noch längere Einwirkungszeit vermieden werden.

Das Material kann im Ofen gekühlt werden, so daß eine langsame Abkühlung über den gesamten Bereich bis etwa zur Zimmertemperatur erfolgt, oder es kann von einer Temperatur nicht wesentlich unter 540° C abgeschreckt werden, vorausgesetzt, daß die Abkühlung so durchgeführt wird, daß eine für die magnetischen Eigenschaften nachteilige Oxydation vermieden wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Material in einer Wasserstoffatmosphäre gehalten wird.

Der Glühtemperaturbereich und der Feuchtigkeitsgehalt der Glühatmosphäre sind kritisch, und zur Erzielung bester Ergebnisse darf nicht wesentlich davon abgegangen werden.

Die Koerzitivkraft bei einem nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Material von 6 μ Dicke beträgt etwa 0,10 Oersted, wenn der Spitzenwert der magnetischen Erregung H_m etwa 0,25 Oersted beträgt. Die entsprechende Hysteresisschleife ist in der Zeichnung dargestellt.

Gleichstrommessungen an einem gemäß der Erfindung hergestellten Material ergaben die folgenden Werte:

H_m Oersted	Kilogauß	Kilogauß	BrIB_n	^Hc Oersted
0,25 1	7,35 7,85	6,8 6,9	0,93 0,88	0,093 0,093

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines außerordentlich dünnen magnetischen Materials mit hoher Permeabilität, wobei eine Legierung aus 75 bis 85% Nickel und 3 bis 6% Molybdän, Rest im wesentlichen Eisen, durch Heiß- und Kaltwalzen unter Zwischenglühen zwischen den Kaltwalzschritten auf eine Dicke von weniger als 25 μ gebracht wird, worauf das so bearbeitete Material in trockener Wasserstoffatmosphäre abschließend geglüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material zur Erzielung einer niedrigen Koerzitivkraft und einer rechteckigen Hysteresisschleife von einer durch Heißwalzen erzielten Zwischenstärke in einer Folge von Stufen mit dazwischen eingeschobenen Glühstufen auf die endgültige Stärke verringert wird, wobei die letzte Stufe bei einer Stärke stattfindet, bei welcher eine 70- bis 85%ige Streckung zur Erzielung der endgültigen Stärke erforderlich ist, und daß das abschließende Glühen in einer Atmosphäre, die vorwiegend aus Wasserstoff besteht und einen Taupunkt unter —40° C besitzt, bei einer Temperatur zwischen 750 und 1050° C vorgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Bozorth: Ferromagnetism, 1955, S. 140 bis 144.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 628/350 10.60