DE1608251C - Ferromagnetisches Material - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ferromagnetische Materialien, welche gekennzeichnet sind durch große mechanische Härte, hohe Permeabilität und eine beträchtliche Sättigungsmagnetisierung.

Es wird ein magnetisches Material benötigt, welches sowohl eine hohe Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft als auch eine große mechanische Härte aufweist. Zum Beispiel eignet sich Material dieser Art zur Verwendung bei den Köpfen von Magnetbandgeräten, insbesondere einem Gerät zur Videoaufzeichnung, wo die Kopfabnutzung normalerweise ein wichtiger Gesichtspunkt ist. Bekannte weichmagnetische Materilaien sind nicht vollständig zufriedenstellend hinsichtlich all dieser Eigenschaften für eine praktische Verwendung. Es ist auch notwendig, daß ein weichmagnetisches Material für diese Verwendung eine vernünftig hohe Curietemperatur aufweist. Eine Curietemperatur von 20 bis 30°C schränkt die praktische Anwendung des Material stark ein.

Ein Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung eines Materials, welches gekennzeichnet ist durch eine große mechanische Härte, eine hohe magnetische Permeabilität, eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine hohe Curiete mperatur.

Die Erfindung wird jetzt in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, in welcher

F i g. 1 eine graphische Darstellung der statischen Hysteresisschleife einer typischen Zusammensetzung gemäß der Erfindung (Kurve A) im Vergleich mit einer Kurve B von Materialien ohne Titanzusätze ist.

Eine Legierung mit einer Zusammensetzung nach der chemischen Summenformel

st ein ferromagnetisches kristallines Material mit einem Cr₂₃C_e-Äufbau. Wenn λ: den Wert von etwa 4 hat, dann hat die Legierung eine hohe magnetische Permeabilität. Die erfindungsgemäße Legierung besitzt davon ausgehend eine Zusammensetzung nach der Summenformel:

Durch teilweises Ersetzen von Kobalt und Eisen durch Titan, während die ursprüngliche kubische Struktur beibehalten wird, hat die auf diese Weise erhaltene Legierung einen kubischflächenzentrierten Aufbau, welcher zu der Raumgruppe O^ Fm3m gehört, d. h., es ist ein Cr₂₃Ce-Auf bau.

ίο In der atomischen Anordnung eines Kristalls von Co₂₀Al₃B₆ nehmen die Kobaltatome die Punktstellungen »f« und »h« des Fm3m ein, Aluminiumatome nehmen die Punktstellungen »a« und »c« ein, und Boratome besetzen die Punktstellung »e«, wobei die von Stadelmaier und anderen in »Metall«,* 1962, Bd. 16, S. 773 und 1229 und in der Zeitschrift für Metallkunde, 1963, Bd. 54, S. 640 und 644, angegebene Nomenklatur verwendet wird.

Die Legierung Co₂₀-^yFe₁TiJzAl₃B₆ ist eine einzige

so Phase des Cr₂₃C_e-Aufbaus, wenn (λ- + y) kleiner als etwa 10 ist.

Wenn (x + y) größer als etwa 10 ist, besteht die Legierung aus zwei Phasen der Cr₂₃C₆-Phase und eine andere Phase. Die Anwesenheit einer anderen Phase

as beeinflußt die magnetische Permeabilität der Legierung nachteilig.

In F i g. 1 ist die Kurve A die B-H-Km\e der Legierung Co_16i24Fe_3i673Ti_0j087Al₃B₆. Die Kurve B ist die entsprechende Kurve für die Legierung

Co_15>8Fe₄,₂Al₃B_e

bei der Titan weggelassen ist. Es ist zu sehen, daß der erfindungsgemäße Zusatz eines kleinen Anteils an Titan eine vorteilhafte Wirkung hinsichtlich der Herabsetzung der Koerzitivkraft und der Steigerung der magnetischen Permeabilität hat. Es ist wahrscheinlich, daß die Verringerung der Koerzitivkraft auf die Verringerung der magnetostriktiven Wirkung in dieser Phase zurückzuführen ist.

Probe nummer	Zusammensetzung (Atomprozent)	Co	Fe	Ti	Effektive Permeabilität bei 100 Hz	Anfangs permeabilität	Maximale Permeabilität	■'	60 000	Koerzitivkraft	Elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur
	62	7							(Oe)	(μΩ -cm)
0-1	56	13	—	-500
0-2	55	14	—	-2000	3 000	10 000		0,2
0-3	48	21	—	—1000
0-4	48	10,9	0,1	-500			65 000
1-1	57	'11,9	0,1	2270			65 000	0,2
1-2	56	12,9	0,1	5200				0,10
1-3	55	13,9	0,1	6400	12 000	60 000		0,05	-150
1-4	52	16,9	0,1	3550			0,15
1-5	57	11,8	0,2	2100
2-1 .	56	12,8	0,2	4360		0,12
2-2	55	13,8	0,2	5200	12 000	0,05
2-3	54	14,8	0,2	3950
2-4	53	15,8	0,2	3500
2-5	58	10,7	0,3	3260
3-1	56	12,7	0,3	2180
3-2	55	13,7	0,3	5000	12 000	0,05	-15Ö
3-3	54	14,7	0,3	4830	12 000	0,05
3-4	53	15,7	0,3	3770	•
3-5	59	9,6	0,4	4000
4-1	57	11,6	0,4	2050	4 000
4-2	4270

(Fortsetzung vorstehender Tabelle)

Probe nummer	Zusammensetzung (Atomprozent)	Co	Fe j Ti	0,5	Effektive Permeabilität bei 100 Hz	Anfangs permeabilität	Maximale Permeabilität	Koerzitivkraft	Elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur
	55	13,5	0,5				(Oe)	(μΩ -cm)
5-1	53	15,5	0,5	4460			0,05
5-2	51	17,5	0,6	3800
5-3	56	12,4	0,7	2020
6-1	53	15,3	0,8	4530	12 000	60 000	0,05	-150
7-1	57	11,2	0,8	3610
8-1	55	13,2	1,0	3350
8-2	56	12,0	3770
10-1	2570	4 000		0,15

In der Tabelle ist die effektive Permeabilität der Legierung COjjo-z-j/FeiTi_vAl₃B_e als Funktion des Atomprozentsatzes von Kobalt und Titan aufgeführt. Die Atomprozentsätze von Aluminium und Bor werden auf den Werten von 10,35 bzw. 20,7% gehalten. Die Proben solcher Legierungen werden hergestellt, indem sie auf eine hierin später beschriebene Art geschmolzen werden, und die effektive Permeabilität wird bei einer Frequenz von 100 Hz auf bekannte Weise gemessen. Die Tabelle zeigt ferner noch weitere magnetische und elektrische Kenngrößen des Kobalt-Eisen-Titan-Ternärsystems.

Zur Erzielung einer höheren Permeabilität ist es notwendig, daß der Wert λ: im Bereich von 2,9 bis 5,2 liegt und daß y im Bereich von 0,005 bis 0,30 liegt. Die Legierung gemäß der Erfindung hat andererseits eine Vickershärte von 1100, während entsprechende im Handel erhältliche weichmagnetische Materialien eine Härte von etwa 500 oder weniger haben. Die Curietemperatur der Legierung

liegt im Bereich von 260 bis 400⁰C und die Sättigungsmagnetisierung im Bereich von 63 bis 86 emu/g, wenn χ und y in den obenerwähnten Bereichen liegen.

In der Tabelle sind die Zusammensetzungen und die effektive Permeabilität von 29 Proben angegeben, Die Verhältnisse der Bestandteile sind als Atomprozentsätze angegeben.

Die Legierung Co₂₀-I-IzFe_xTiVAl₃Be hat einen kristallinen Cr_MC_e-Aufbau, der eine solche Atomanordnung hat, daß die Punktstellungen »f« und »h« des Fm3m eingenommen werden von Kobalt-, Eisen- und Titanatomen, die Punktstellungen »a« und »c« des Fm3m von Aluminiumatomen besetzt sind und die Punktstellung »e« des Fm3m durch Boratome besetzt ist. Die magnetischen Eigenschaften der Legierung werden nicht nachteilig beeinflußt, wenn die Anteile der Aluminiumatome oder Boratome oder beider ein wenig von den stöchiometrischen Verhältnissen abweichen. Eine größere Abweichung sowohl bei den Bor- als auch bei den Aluminiumatomen beeinflußt die magnetischen Eigenschaften. Ein geeigneter Atomprozentsatz für Aluminium liegt im Bereich von 6,5 bis 11,2% und der für Bor bei 17,0 bis 25,9%.

Brauchbare magnetische Materialien werden bei Verwendung der folgenden Verhältnisse, in Atomprozentsätzen, gemäß der Erfindung erzielt:

, Kobalt 51,0 bis 59,0%

Eisen 9,0 bis 18,0%

Titan..... 0,02 bis 1,0%

Aluminium 6,5 bis 11,2%

Bor 17,0 bis 25,9%

Bevorzugte Materialien werden erhalten mit den Zusammensetzungen:

Kobalt 53,0 bis 58,0%

Eisen 10,2 bis 16,0%

Titan 0,02 bis 0,8%

Aluminium 6,5 bis 11,2 %

Bor 17,0 bis 25,9%

Materialien mit überragender magnetischer Permeabilität werden erhalten mit den Zusammensetzungen-
Kobalt 55,0 bis 57,0%

Eisen 11 bis 14%

Titan... 0,02 bis 0,6%

Aluminium 6,5 bis 11,2 %

Bor 17,0 bis 25,9%

Die erfindungsgemäßen Legierungen können nach bekannten metallurgischen Verfahren entweder durch Sintern oder durch Schmelzen hergestellt werden. Ausgangsmaterialien sind Kobalt, Aluminium, Bor, Eisen und Titan, jeweils von höchster Reinheit und in körniger Form. Im Handel in körniger Form erhältliches Material kann verwendet werden. Die Bestandteile werden in der Form von Stücken mit grob 2,5 mm Durchmesser in den entsprechenden Verhältnissen gemischt und in einer Argonatmosphäre nach herkömmlichen Verfahren auf etwa 1600° C erwärmt. Die Schmelze läßt man dann auf Raumtemperatur abkühlen. Der sich ergebende Rohblock ist eine Verbindung aus fünf Komponenten, die aus einer einzigen Phase des oben angegebenen Kristallaufbaus besteht. Der Schmelzpunkt der Verbindung liegt etwa zwischen 1400 und 1500⁹C. Es ist kein besonderes Abkühlungsverfahren erforderlich, um zufriedenstellende magnetische Eigenschaften zu erhalten. Dies ist ein Vorteil im Vergleich zur Herstellungeines herkömmlichen Materials wie Alnico, welches besondere Abkühlungsverfahren benötigt. Es besteht keine Wirkung der Abkühlungsgeschwindigkeit auf die sich ergebenden magnetischen Eigenschaften von Materialien gemäß der Erfindung.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Materials durch Sintern wird eine innige Mischung von Pulvern der Bestandteile zu einer gewünschten Form gepreßt, wobei der Druck geeigneterweise höher als 500 kg/cm² ist. Je höher der verwendete Druck ist, desto dichter ist das sich ergebende gepreßte Produkt, so daß für die meisten Zwecke ein hoher Druck zweckmäßig ist. Das gepreßte Produkt wird dann gesintert durch Erwärmung auf 800 bis 1000⁰C für etwa 1 bis 200 Stunden. Die Erwärmung wird in einer Atmosphäre verringerten Luftdruckes oder in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, wie Argon, durchgeführt bei einem Druck von 10-² bis ΙΟ"⁶ Torr. Die Porosität des gesinterten Materials kann durch den Druck und/oder durch die Sintertemperatur und die Sinterzeit auf eine Weise gesteuert werden, wie sie auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie gut bekannt ist.

Die magnetische Permeabilität wird an einem Ring des Materials gemessen, welcher aus einem Rohblock geschnitten ist, der nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. In einer typischen Probe zur Messung hat der Ring einen Außendurchmesser von 14,5 mm, einen Innendurchmesser von 5,0 und eine Dicke von 2,0 mm. Der Ring wird mit 50 Wicklungen eines Drahtes umwickelt, und die Messung der magnetischen Permeabilität wird in bekannter Weise durchgeführt.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind sehr geeignet zur Verwendung bei der Herstellung von Magnetköpfen für Video-Bandgeräte.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Ein Gemisch mit der folgenden Zusammensetzung in Atomprozent wurde hergestellt:

Kobalt ' 56,39%

Eisen 12,75%

Titan 0,30%

Aluminium 9,72 %

Bor 20,84%

Das Gemisch wurde auf die oben beschriebene Weise geschmolzen. Die Pulver-Röntgen-Brechungslinien der Proben zeigten einen kubisch-flächenzentrierten Gitteraufbau der Cr₂₃C_e-Type. Dieses Material entspricht im Atomverhältnis der Formel

l_s,₈Bj

Kobalt 54,68%

Eisen 12,37%

Titan 0,29%

Aluminium 10,10%

Bor 22,56%

Das Material wurde wie oben beschrieben geschmolzen. Dieses Material hat die Atomverhältnisse, die gegeben sind durch

Das Material ist ein aus einer einzigen Phase der Cr₂₃C„-Type bestehende Struktur und hat eine effektive Permeabilität von 4800 bei 100 Hz.

Beispiel 3

Als weiteres Beispiel wurde das Material auf die gleiche Weise mit den Atomverhältnissen

Co_iei24Fe_3i673Ti_0i087Al_3i2B_ei4

hergestellt. Es zeigte sich, daß dieses Material im wesentlichen die gleichen magnetischen Eigenschaften wie das Material

Co_16i24Fe_3i673Ti_0i087AI₃B₆

hat.

Selbstverständlich sind die Materialien und hier beschriebenen Verfahren nur als Beispiele angegeben.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Weichmagnetische Legierung hoher mechanischer Härte mit einer Kristallstruktur vom Cr₂₃C₆-Typ, bestehend aus 51 bis 59 Atomprozent Kobalt, 9 bis 18 Atomprozent Eisen, 0,02 bis 1,0 Atomprozent Titan, 6,5 bis 11,2 Atomprozent Aluminium, 17,0 bis 25,9 Atomprozent Bor.

2. WeichmagnetischeLegierungnachAnspruch 1, bestehend aus 53 bis 58 Atomprozent Kobalt, 10 bis 16 Atomprozent Eisen, 0,02 bis 0,8 Atomprozent Titan, 6,5 bis 11,2 Atomprozent Aluminium, 17,0 bis 25,9 Atomprozent Bor.

3. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 55 bis 57 Atomprozent Kobalt, 11 bis 14 Atomprozent Eisen, 0,02 bis 0,6 Atomprozent Titan, 6,5 bis 11,2 Atomprozent Aluminium, 17,0 bis 25,9 Atomprozent Bor.

4. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einer Zusammensetzung entsprechend der chemischen Summenformel

Das Material hat eine effektive Permeabilität von 5000 bei 100 Hz, eine Vickershärte von 1100, eine Curietemperatur von 22O⁰C und eine magnetische Sättigungsflußdichte von 7300 Gauß.

Beispiel 2

In einem zweiten Beispiel wird ein Material durch Schmelzen eines Gemisches hergestellt, welches die folgende Zusammensetzung in Atomprozenten hat.

5. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einer Zusammensetzung entsprechend der chemischen Summenformel

6. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einer Zusammensetzung entsprechend der chemischen Summenformel

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen