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Die Erfindung bezieht sich auf weichmagnetische Werkstoffe des Ni-Fe-Legierungstyps,
die zwischen 40 und 90 Gewichtsprozent Nickel enthalten.
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Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein weichmagnetisches
Material zu schaffen, das ausgezeichnete magnetische Eigenschaften aufweist und
besonders zur Verwendung bei magnetischen Kernen in Magnetverstärkern, Speicherelemente
usw. geeignet ist.
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Die wesentlichen Eigenschaften weichmagnetischer Werkstoffe, die für
deren Verwendung in Magnetverstärkern, magnetischen Speicherelementen usw. Bedeutung
haben, .sind kleine Koerzitivkraft, hohe Sättigungsinduktion, weitgehend rechteckige
Magnetisierungsschleife und hohe Permeabilität. Für die praktische Anwendung wird
ferner ein hoher spezifischer Widerstand des weichmagnetischen Werkstoffes gefordert.
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Die bisher für die obengenannten Anwendungen benutzten weichmagnetischen
Werkstoffe umfassen: 4/79 »Permalloy« (4 °/o Mo, 79 °/o Ni, 0,3 °/o Mn, Rest Eisen),
»Mumetall« (77 °/o Ni, 2 °/o Cr, 5 °/o Cu, Rest Eisen) und »Supermalloy« (5 °/o
Mo, 79 °/o Ni, 0,3 °/a Mn, Rest Eisen). Diese Legierungen haben magnetische Eigenschaften,
wie sie in der Zusammenstellung 1 aufgeführt sind. Sie haben aber eine Hystereseschleife
mit ungenügender Rechteckform, weisen verhältnismäßig niedrige Sättigungsinduktionen
auf und haben - mit Ausnahme von »Supermalloy« - relativ hohe Koerzitivkräfte und
niedrige maximale Permeabilität.
| Tabelle 1 |
| Zusammensetzung Höchste Sättigungs- Koerzitiv- Spezifischer |
| Material Gewichtsprozent Permeabilität induktion kraft Widerstand |
| Rest Eisen Amax B" in Gauß Hc Oersted
Q in #t Qcm |
| 4-79 Mo »Permalloy«........ 79 Ni, 4 Mo, 0,8 Mn
1.1011 8700 0,05 55 |
| »Mumetall« . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Ni, 2 Cr, 5 Cu
1.105 6500 0,05 62 |
| »Supermalloy« . . . . . . . . . . . . . 79 Ni, 5 Mo, 0,8 Mn
8.1011 7900 0,003 65 |
| Erfindungsgemäße Legierung 65 Ni, 4 Ge 16 # 106 12200 0,0017
40 |
Durch die vorliegende Erfindung wird eine weichmagnetische Legierung geschaffen,
bei der die obenerwähnten Nachteile .der bisher bekannten und verwendeten Ni-Fe-Legierungen
durch eine Zugabe von Germanium zu der Legierung vermieden werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein weichmagnetischer Werkstoff vom Ni-Fe-Typ
mit dem Kennzeichen, daß er aus 0,1 bis 10 Gewichtsprozent Germanium, Rest Nickel
und Eisen in einem Gewichtsverhältnis von 4 : 6 bis 9 : 1 besteht.
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Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich aus durch hohe maximale
Permeabilität, hohe Sättigungsinduktion, sehr gute Rechteckigkeit der Hystereseschleife
und kleine Koerzitivkraft im Vergleich mit entsprechenden Werten -bekannter Ni-Fe-Legierungen.
Wenn die erfindungsgemäße Legierung einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen
wird, hat sie eine maximale Permeabilität von 10 - 106 oder darüber, eine Sättigungsinduktign
von 10 Kilogauß oder darüber, ein Rechteckigkeitsverhältnis der Hystereseschleife
von 0,9 oder mehr und eine Koerzitivkraft in der Größenordnug von 0,002 Oersted.
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Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen magnetischen Legierung werden
nun genauer unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung
zeigt: F i g.1 eine grafische Darstellung, in der die Abhängigkeit der magnetischen
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Ni-Fe-Legierung von dem Germaniumgehalt wiedergegeben
ist, F i g. 2 eine grafische Darstellung, aus der die Änderung der magnetischen
Eigenschaften einer 3,7-Ge-65-Ni-Fe-Legierung in Abhängigkeit von der Zeit einer
Wasserstoffbehandlung ersichtlich ist, der die Legierung unterworfen wird, F i g.
3 eine grafische Darstellung, aus der die Änderung der Koerzitivkraft in Abhängigkeit
von der Glühtemperatur einer Wasserstoffbehandlung einer 50-Ni-50-Fe-Legierung mit
Gehalten von 0, 1, 2 und 4 Gewichtsprozent Germanium ersichtlich ist, F i g. 4 und
5 grafische Darstellungen, aus denen die Änderungen der magnetischen Eigenschaften
in Abhängigkeit vom Germaniumgehalt für eine 42-Ni-58-Fe-Legierung (F i g. 4) und
eine 50-Ni-50-Fe-Legierung (F i g. 5) ersichtlich sind.
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Aus der F i g. 1, welche die Wirkung einer Zugabe von Germanium zu
der 65-Ni-Fe-Legierung zeigt, geht hervor, wie sich die maximale Permeabilität ,umax,
die Koerzitivkraft Hc und die Sättigungsinduktion Bs mit der Änderung des Germaniumgehaltes
der Ni-Fe-Legierung ihrerseits ändern. Alle hergestellten Prüfstücke waren vorher
einer Glühbehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1200'C während 2
Stunden, einem anschließenden Abkühlen an Luft und einem 1stündigen Anlassen bei
650°C unterworfen worden, woran sich eine Wärmebehandlung im Magnetfeld anschloß.
Wie man aus der F i g. 1 ersieht, nimmt die maximale Permeabilitätßmax zunächst
sehr schnell mit zunehmendem Germaniumgehalt zu und erreicht ein Maximum bei ungefähr
4°/o Germanium; dann nimmt die maximale Permeabilität wieder langsam ab. Im Gegensatz
hierzu nimmt die Koerzitivkraft Hc zunächst schnell mit zunehmendem Germaniumgehalt
ab; sie erreicht im Bereich von etwa 4°/o Germaniumgehalt ein flaches Minimum und
nimmt dann wieder langsam zu. Die Sättigungsinduktion Bs nimmt stetig in direkter
Abhängigkeit von der Zunahme des Germaniumgehalts ab.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß die 65-Ni-Fe-Legierung, die von 0,1
bis 10 Gewichtsprozent Germanium enthält, in bezug auf maximale Permeabilität und
geringe Koerzitivkraft sowohl »Supermalloy« als auch andere Ni-Fe-Legierungen ganz
wesentlich überragt und daß sie mit diesen Legierungen in bezug auf die Sättigungsinduktion
durchaus vergleichbar ist oder auch hier bessere Werte aufweist. So zeigt eine erfindungsgemäße
Legierung,
die 2 bis 6 °/o Germanium enthält, eine maximale Permeabilität von 10 - 106 oder
darüber und eine Sättigungsinduktion von ungefähr 11 bis 13 Kilogauß. Diese Werte
der magnetischen Eigenschaften liegen ganz wesentlich höher als entsprechende Werte
von »Supermalloy«, das bisher als ein magnetisches Material mit den besten magnetischen
Eigenschaften angesehen wurde.
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Der spefizische Widerstand, der sich für einen Germaniumgehalt von
0,1 bis 10"/, ergibt, hat einen Wert von 25 bis 45 p,Qcm, der nur wenig niedriger
liegt als der Widerstandswert von »Permalloy« oder ähnlichen Legierungen.
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Aus der F i g. 2 ist der Zusammenhang der magnetischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Legierung und der Dauer der Wasserstoffbehandlung bzw. der
Zeit ersichtlich, während der die Legierung in Wasserstoffgas geglüht wurde. Die
zu prüfenden Muster wurden aus einer Legierung hergestellt, die 3,7 °/o Ge, 650/,Ni,
und den Rest Eisen enthielt. Sie wurden in strömendem Wasserstoffgas bei 1200°C
während der in der Abszisse angegebenen Zeit in Stunden behandelt und dann an Luft
gekühlt, während einer Stunde auf 650°C erhitzt und dann in einem geeigneten Magnetfeld
abgekühlt.
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Aus der F i g. 2 erkennt man, daß bei einer Verlängerung der Zeit
der Behandlung in Wasserstoffgas die maximale Permeabilität @,max der Legierung
zunimmt, während die Koerzitivkraft Hc abnimmt. Das Rechteckigkeitsverhältnis oder
Remanenzverhältnis BrlBm nimmt zunächst zu und bleibt nach 5stündiger Wasserstoffbehandlung
im wesentlichen konstant. Nach einer Wasserstoffbehandlung von 8 Stunden hat die
Legierung eine maximale Permeabilität von 16 # 106, eine Koerzitivkraft von 0,0017
Oersted und ein Rechteckigkeits- oder Remanenzverhältnis von 0,99. Es ergibt sich
also aus der Darstellung gemäß F i g. 2, daß die magnetischen Eigenschaften der
erfindungsgemäßen Legierung durch die Wasserstoffbehandlung noch wesentlich verbessert
werden können.
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Die zur Demonstration der Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung verwendeten
Proben wurden jeweils in folgender Weise hergestellt: Die im gewünschten Verhältnis
gemischten Legierungskomponenten wurden unter Vakuumbedingungen bei einem Druck
von weniger als 10-4 Torr mit Zusatz von Mn als Desoxydationsmittel zur Erzeugung
eines Barrens mit Stengelstruktur geschmolzen, der einem Warmschmieden und einem
Warm- und Kaltwalzen zur Bildung eines Blechs mit einer Dicke von 0,5 mm unterworfen
wurde (abschließende Dickenabnahme durch Kaltwalzen 50 °/o); von diesem Blech wurde
eine ringförmige Probe mit einem Außendurchmesser von 28,5 mm und einemü Innendurchmesser
von 20,7 mm ausgestanzt und einer Wärmebehandlung unterworfen. Jede Probe enthält
etwa 0,1 bis 0,501, des als Desoxydationsmittel verwendeten Mn.
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F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Koerzitivkraft He und
dem Germaniumgehalt von Proben, die durch 2 Stunden langes Glühen von germaniumhaltigen
50-Ni-50-Fe-Legierungen mit 0 bis 40/0 Germanium in Wasserstoff bei den auf der
Abszisse aufgetragenen Temperaturen mit anschließendem raschem Abkühlen erhalten
wurden; die Ziffern an den einzelnen Kurven geben den Germaniumgehalt an.
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Dem Kurvenbild ist zu entnehmen, daß Hc mit steigender Glühtemperatur
sowie mit zunehmendem Germaniumgehalt kleiner wird.
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F i g. 4 zeigt für eine 42-Ni-58-Fe-Legierung die Abhängigkeit der
Koerzitivkraft He und der maximalen Permeabilitätpmax vom Germaniumgehalt von Proben,
die durch 2 Stunden langes Glühen in Wasserstoff bei 1100°C mit nachfolgendem Abkühlen
im Ofen und 30 Minuten langes Lagern des resultierenden Produktes bei einer Temperatur
von 650°C und anschließendes rasches Abkühlen erhalten wurden (Kurven a), und von
Proben, die in gleicher Weise, aber durch abschließendes Abkühlen im Ofen an Stelle
des raschen Abkühlens erhalten wurden (Kurven b).
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Wie das Kurvenbild erkennen läßt, haben beide Proben im wesentlichen
die gleiche Tendenz hinsichtlich der Abnahme von He mit zunehmendem Germaniumgehalt;
der Wert von He erreicht den kleinsten Wert bei einem Germaniumgehalt in der Nähe
von 2 °/o und nimmt mit einem über 2 °/o ansteigenden Germaniumgehalt wieder zu.
Die maximale Permeabilität,umax zeigt einen dazu etwa inversen Verlauf, und wie
man sieht, ist die durch unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeit bedingte Differenz
nicht so groß.
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F i g. 5 zeigt für eine 50-Ni-50-Fe-Legierung die Abhängigkeit der
Koerzitivkraft He und der maximalen Permeabilitätpmax vom Germaniumgehalt
bei Proben, die durch 2 Stunden langes Glühen in Wasserstoff bei 1200°C und anschließende
Abkühlung im Ofen und 30 Minuten langes Wiederaufheizen der Proben auf eine Temperatur
von 650°C mit nachfolgendem raschen Abkühlen hergestellt wurden (Kurven a), sowie
ähnliche Kurven für Proben, die in der gleichen Weise erhalten wurden, nur daß statt
des raschen Abkühlens die Abkühlung im Ofen durchgeführt wurde (Kurven b).
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Das Diagramm zeigt deutlich, daß die Koerzitivkraft Hc bei beiden
Behandlungen mit zunehmendem Germaniumgehalt abnimmt, und die Wirkung des Germaniumzusatzes
ist größer bei den im Ofen abgekühlten Proben, während der Wert von ,umax
zu
einer Zunahme tendiert. Es wird an Hand des Diagramms auch klar, daß die
Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Abkühlungsgeschwindigkeit durch
wachsende Zugabe von Germanium geringer wird.
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Die vorausgehenden Beispiele zeigen, daß der Zusatz von Germanium
zu Legierungen von Nickel-Eisen-Typ zu einer bemerkenswerten Verbesserung ihrer
magnetischen Eigenschaften führt.
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Aus den vorangehenden Beispielen folgt ferner, daß der Zusatz von
Germanium über eine bestimmte Menge hinaus eher zu einer Verschlechterung der magnetischen
Eigenschaften führt. Der Grund dafür liegt darin, daß ein Germaniumgehalt über die
Löslichkeitsgrenze in Ni-Fe-Legierungen hinaus die Ausscheidung einer Phase vom
Cu3Au-Gittertyp bewirkt.
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Zur Erläuterung einer weiteren Wirkung der Zugabe von Germanium dient
die nachfolgende Tabelle 2, die den Einfiuß eines Germanium- oder Molybdänzusatzes
auf die Curietemperatur und die Sättigungsinduktion von Ni-Fe-Legierungen zeigt;
es wird die Abnahme der Curietemperatur und der Sättigungsinduktion pro Gewichtsprozent
angegeben. Man erkennt an Hand der Tabelle, daß die Zugabe von Germanium, vom praktischen
Standpunkt aus betrachtet,
vorteilhafter ist als die Zugabe von
Molybdän, da die Curietemperatur höher liegt und es möglich ist, ein Material mit
größerer Sättigungsinduktion zu erhalten.
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Tabelle 2 Einfiuß der Zugabe von Ge und Mo auf die Curietemperatur
und die Sättigungsinduktion.
| Verringerung pro Gewichts- |
| prozent |
| Curie- ( Sättigungs- |
| temperatur Induktion |
| Ge in Ni-Fe-Legierung 170C 800 Gauß |
| Mo in Ni-Fe-Legierung 27 °C 1450 Gauß |
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist die erfindungsgemäße Legierung
besonders wertvoll als Werkstoff für Magnetkerne in Magnetverstärkern, Speicherelementen
usw.