DE19634981A1 - Verfahren zum Herstellen von Kernblechen für Modemübertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kern­ blechen für Modemübertrager, bei welchem ein aus einem 0,1 - 0,35 mm dicken Band aus einer Nickel-Molybdän-Kupfer-Eisen- Legierung gestanztes Kernblech einer Wärmebehandlung unterzo­ gen wird.

Ein geeigneter Werkstoff für Kernbleche in Modemübertragern ist unter anderem eine Eisen-Nickel-Legierung aus 75 bis 82 Gew.-% Nickel, 2 bis 5,5 Gew.-% Molybdän und 0 bis 5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen mit geringen Desoxidations- und Verarbei­ tungszusätzen, die einer speziellen Wärmebehandlung unterzo­ gen wurden. Im einzelnen werden dabei Kernbleche aus einem 0,1 bis 0,35 mm dicken Band aus der erwähnten Legierung 2 bis 6 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 950 und 1220°C geglüht, zur Einstellung des Zustandes hoher Anfangspermeabi­ lität einer 1- bis 3stündigen Anlaßbehandlung im Temperatur­ bereich von 450 bis 600°C unterzogen.

Die bislang bei Modemübertragern zum Einsatz gekommenen Le­ gierungen aus dem vorstehend genannten Legierungsbereich wa­ ren durch entsprechende Bemessung des Nickel- und Kupfer-Ge­ haltes so ausgewählt, daß die Magnetostriktion λ₁₁₁ in [111]- Richtung etwa gleich 0 ist. Durch die Glühbehandlung und die Anlaßbehandlung wird dabei eine hohe Anfangspermeabilität bei einer Kristallanisotropie K₁ = 0 eingestellt.

Modemübertrager müssen die Signale möglichst frei von Verzer­ rungen übertragen. Maß für die Qualität des Übertragers ist der Klirrfaktor (Total Harmonic Distortion THD), welcher einen möglichst niedrigen Wert annehmen sollte. Eine möglichst lineare Übertragung wird durch die Verwendung gestapelter Kernbleche als Übertragerkern erzielt, da die Scherung die Hystereseschleife linearisiert. Dies gelingt um so besser, je höher die Permeabilität der verwendeten Legierung ist.

Bei den bisher verwendeten Legierungen mit λ₁₁₁ ≅ 0 kommt es durch das Anlassen auf maximale Permeabilität µ zu der Situa­ tion, daß links vom µ(T) Maximum die Permeabilität steil ab­ fällt aufgrund der Kristallanisotropie K₁ < 0 und λ₁₁₁ ∼ 0. Rechts vom µ(T) Maximum hingegen kommt es bei derartigen Le­ gierungen zur Ausbildung von rechteckigeren Hystereseschlei­ fen aufgrund der Kristallanisotropie K₁ < 0. Um bei der An­ wendungstemperatur, die typischerweise im Temperaturbereich von +10 bis +40°C liegt, möglichst sicher eine hohe Permeabi­ lität µ zu erhalten, muß also so angelassen werden, daß K₁ = 0 knapp-unterhalb +10°C erreicht wird. Das bedeutet aber, daß bei den Anwendungstemperaturen eine leicht rechteckige Hyste­ reseschleife vorliegt, welche im Bereich der Anfangspermeabi­ lität wenig linear verlaufen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, gestanzte Kernbleche für Modemübertrager derart herzustellen, daß sie im für die Übertragung relevanten Frequenzbereich von 300 bis 3400 Hz einen niedrigen Klirrfaktor aufweisen.

Dies wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art er­ findungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Legierung verwendet wird, deren Nickel- und Kupfer-Gehalt im binären System Nickel-Kupfer in dem von dem Viereck A (80,5 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% Kupfer), B (82 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% Kupfer), C (70 Gew.-% Nickel, 16,5 Gew.-% Kupfer), D (70 Gew.-% Nickel, 14,4 Gew.-% Kupfer) begrenzten Gebiet liegt, deren Molybdän-Gehalt z in Gew.-% bei gegebenem Nickel-Gehalt x in Gew.-% der Be­ dingung

genügt und die, abgesehen von geringfügigen Verunreinigungen und den üblichen verarbeitungsfördernden und desoxidierenden Zusätzen, zum restlichen Teil aus Eisen besteht, und daß die Kernbleche zunächst wenigstens 30 Minuten lang zwischen 900 und 1200°C geglüht und dann entsprechend dem Molybdän-Gehalt derart zwischen 450 und 550°C angelassen werden, daß die ma­ gnetische Anisotropie K₁ bei einer Temperatur zwischen -5°C und +30°C gleich 0 wird.

Im Gegensatz zu den bisher bei Modemübertragern verwendeten Kernblechen mit Legierungen aus einer Magnetostriktion λ₁₁₁ = 0 ist bei den erfindungsgemäß hergestellten Kernblechen durch entsprechende Bemessung des Nickel- und Kupfer-Gehaltes die Sättigungsmagnetostriktion λ_s auf etwa 0 eingestellt. Genauer gesagt liegt sie innerhalb des von dem Viereck A-D begrenzten Gebieten zwischen 0,5.10^-6 und (-1).10^-6. Durch entspre­ chende Abstimmung der Anlaßtemperatur und des Molybdängehal­ tes wird ferner die Kristallanisotropie K₁ für eine Tempera­ tur zwischen -5°C und +30°C, beispielsweise für eine Tempera­ tur von 20°C, auf etwa 0 eingestellt. Bei vorgegebenem Nickel-Gehalt benötigt man hierzu mit wachsendem Molybdän-Ge­ halt abnehmende Anlaßtemperaturen. Reduziert man bei vorgege­ benem Nickel-Gehalt und vorgegebenem Molybdän-Gehalt die An­ laßtemperatur, so wird die Umgebungstemperatur, für die K₁ = 0 ist, etwas abgesenkt.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kernblechen die Permeabilität bei Abweichung von der Umgebungstemperatur, bei der im jeweiligen Fall K₁ = 0 ist und bei der damit das je­ weilige Maximum der Permeabilität liegt, im Temperaturbereich zwischen -10°C und +80°C weit weniger abnimmt, als dies bei Legierungen mit λ₁₁₁ = 0 der Fall ist.

Besonders günstig ist es, Kernbleche bei einer Temperatur zwischen 900 und 1050°C zu glühen. Dadurch nimmt zwar die ma­ ximale Permeabilität im Vergleich zu höheren Glühtemperaturen etwas ab, jedoch wird die Abhängigkeit der Permeabilität von der Umgebungstemperatur noch weiter verringert.

Damit das jeweilige Maximum der Permeabilität in den Bereich der überwiegenden Arbeitstemperatur von Modemübertragern zu liegen kommt, ist es ferner besonders günstig, die Kernbleche zwischen 470 und 520°C in Abhängigkeit vom Molybdän-Gehalt derart anzulassen, daß die Kristallanisotropieenergie K₁ bei einer Temperatur zwischen 0 und 20°C gleich 0 wird. Die zweckmäßige Dauer der Anlaßbehandlung ist von der Temperatur abhängig. Bei höheren Temperaturen genügen kürzere Zeiten. Bei einer Anlaßtemperatur von 480°C sollte die Anlaßbehand­ lung mindestens 30 Minuten dauern.

Um die Hystereseschleife eines Übertragerkerns weiter zu Li­ nearisieren und damit den Klirrfaktor weiter zu senken, ist es außerdem vorteilhaft, die Kernbleche in einem Querfeld zu tempern. Dies bedeutet, daß die Kernbleche für eine Zeit von 0,5 bis 50 Stunden bei einer Temperatur von 230 bis 400°C in einem Magnetfeld getempert werden, dessen Feldlinien quer zur späteren Richtung des magnetischen Flusses im Übertragerkern verlaufen.

Anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfin­ dung noch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem binären System Nickel- Kupfer mit dem erfindungsgemäß auszuwählenden Legierungsbe­ reich.

Fig. 2 zeigt schematisch im System Nickel-Molybdän die Mo­ lybdän-Gehalte der Legierungen, für die bei vorgegebenem Nickel-Gehalt je nach der angewandten Anlaßtemperatur K₁ bei 20°C etwa Null wird.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich des Klirrfaktors einer Legie­ rung mit λ₁₁₁ ∼ 0 und einer Legierung mit λ_s = 0 als Funktion der Frequenz.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich des Klirrfaktors einer Legie­ rung mit λ₁₁₁ ∼0 und einer Legierung nach der vorliegenden Erfindung mit λ_s = 0 als Funktion der Frequenz nach erfolgter Hochglühung bei 1150°C und daraufhin erfolgter Anlaßung bei einer Temperatur von 490°C für zwei Stunden.

Fig. 5 zeigt den Klirrfaktor als Funktion der Frequenz von - Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung mit λ_s ∼0 mit unterschiedlichen Wärmebehandlungen.

In Fig. 1 ist für Nickel-Molybdän-Kupfer-Eisen-Legierungen ein Ausschnitt aus dem binären System Nickel-Kupfer darge­ stellt. An der Abszisse ist der Nickel-Gehalt, an der Ordinate der Kupfer-Gehalt jeweils in Gew.-% aufgetragen. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen liegen in dem Viereck A (80,5 Ni, 0 Cu), B (82 Ni, 0 Cu), C (70 Ni, 16,5 Cu), D (70 Ni, 14,4 Cu). Entlang der Geraden AD ist die Sät­ tigungsmagnetostriktion der Legierungen etwa λ_s = 0,5.10^-6, entlang der Geraden BC etwa λ_s = (-1).10^-6. Die Legierungen, deren Sättigungsmagnetostriktion λ_s etwa gleich Null ist, liegen auf bzw. in unmittelbarer Nähe der durch den Punkt E (81 Ni, = Cu) parallel zu den Geraden AD und BC verlaufenden Geraden EF. Links von der Geraden EF ist also λ_s ≧ 0, rechts von der Geraden λ_s ≦ 0. Die bisher bei Kernblechen für Modemübertrager eingesetzten Legierungen liegen außerhalb des Vierecks ABCD auf bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft der durch den Punkt G (80 Ni, 0 Cu) parallel zu den Geraden AD und BC verlaufenden, unterbrochen gezeichneten Geraden g, die etwa der Magnetostriktion λ₁₁₁ = 0 entspricht.

Fig. 2 zeigt für die erfindungsgemäß zu verwendenden Legie­ rungen mit 70 bis 82 Gew.-% Nickel den entsprechenden Aus­ schnitt aus dem binären System Nickel-Molybdän. An der Ab­ szisse ist wiederum der Nickel-Gehalt, an der Ordinate der Molybdän-Gehalt jeweils in Gew.-% aufgetragen. Die Geraden a, b und c entsprechen näherungsweise dem zum jeweiligen Nickel- Gehalt gehörenden Molybdän-Gehalt, bei dem die Kristallani­ sotropie K₁ der entsprechenden Legierung gemessen bei einer Umgebungstemperatur von 20°C etwa gleich Null ist, mit der Anlaßtemperatur als Parameter. Im einzelnen entspricht die gerade a einer Anlaßtemperatur von etwa 450°C, die Gerade b einer Anlaßtemperatur von etwa 480°C und die Gerade c einer Anlaßtemperatur von etwa 550°C. Die zwischen den Geraden lie­ genden Bereiche entsprechen den dazwischenliegenden Anlaßtem­ peraturen.

Wie man aus Fig. 2 sieht, nimmt bei gegebenem Nickel-Gehalt die Anlaßtemperatur, der man bei 20°C K₁ ≈ 0 erreichen kann, mit zunehmendem Molybdän-Gehalt tendenziell ab. Wenn x den Nickel-Gehalt in Gew.-% und z den Molybdän-Gehalt in Gew.-% bedeuten, entspricht den Geraden a, b und c die Geraden­ gleichung

wobei für die Gerade a etwa C = 63,5, für die Gerade b C = 65,5 und für die Gerade c C = 68,0 ist. Daraus ergibt sich für die zwischen den Geraden a und c liegenden Molybdän-Gehalte z bei gegebenem Nickel-Gehalt x die Bedingung

Wählt man bei vorgegebenem Nickel- und Molybdän-Gehalt eine niedrigere Anlaßtemperatur als sie für K₁ = 0 bei 20°C erfor­ derlich ist, so wird für eine etwas niedrigere Umgebungstem­ peratur K₁ = 0. Umgekehrt erhöht sich die Umgebungstempera­ tur, für die man K₁ = 0 erhält, wenn man die Anlaßtemperatur über den zur Erzielung von K₁ = 0 bei 20°C erforderlichen Wert anhebt. Auch bei Wahl einer von 20°C abweichenden Umge­ bungstemperatur zwischen -5°C und +30°C, bei der K₁ = 0 wer­ den soll, wird man jedoch in der Regel hinsichtlich des Mo­ lybdän-Gehaltes der Legierung innerhalb der durch die Geraden a und c in Fig. 2 gegebenen Grenzen verbleiben.

Neben den Hauptlegierungskomponenten Nickel, Kupfer, Molybdän und Eisen können die erfindungsgemäß zu verwendenden Legie­ rungen, wie bereits erwähnt, abgesehen von geringfügigen Ver­ unreinigungen, noch die üblichen verarbeitungsfördernden und desoxidierenden Zusätze enthalten, vorzugsweise Mangan bis zu höchstens 1 Gew.-% und Silizium bis zu höchstens 0,5 Gew.-%. Besonders günstig sind Mangan-Gehalte bis zu etwa 0,5 Gew.-% und Silizium-Gehalte zwischen 0,1 und 0,3 Gew.-%.

Wie die verschiedenen Legierungen nun im Vergleich abschnei­ den, zeigen die Fig. 3 (ohne Anlaßbehandlung) und 4 (mit Anlaßbehandlung). Ohne Anlaßbehandlung liegen die Werte kaum auseinander. Die Legierung gemäß dem Stand der Technik ist mit kleinen Quadraten aufgetragen. Die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung mit kleinen Dreiecken.

Fig. 5 schließlich zeigt den Klirrfaktor einer erfindungsge­ mäßen Legierung mit λ_s ≈ 0 als Funktion der Frequenz. Die Kernbleche wurden entweder bei 1000 oder bei 1150°C für 5 Stunden unter Wasserstoff hochgeglüht und anschließend im Ofen abgekühlt (ohne Anlaßbehandlung:-) oder bei 490°C für 2 Stunden unter Wasserstoff angelassen (mit Anlaßbehandlung:a).

Die Messungen des Klirrfaktors wurden bei konstanter übertra­ gener Leistung durchgeführt. Bei konstanter übertragener Lei­ stung, z. B. -10 dBm d. h. 0,1 mW, ist U = R.I und damit

gleich Konstanz. Aus dem Induktionsgesetz folgt U proportional f.B. Dies bedeutet, daß bei Messung mit konstanter übertragener Leistung die Induktion B umgekehrt proportional zur Frequenz abnimmt. Im Vergleich zur Messung mit bei jeder Frequenz gleicher Induktion von z. B. 10 mT ist beispielsweise bei -10 dBm mit A_Fe = 0,23 cm² (22 Kernbleche) die Induktion von 10 mT bei F = 400 Hz erreicht. Bei niedrigerer Frequenz ist B entsprechend bei Messung mit konstant übertragener Leistung deutlich größer. Dies macht sich signifikant in schlechteren Klirrfaktoren bemerkbar. Bei höheren Frequenzen ist dagegen bei Messung mit konstant übertragener Leistung die Induktion niedriger.

Die effektive Permeabilität des Blechstapels hängt von Sche­ rung und Materialpermeabilität ab. Um eine gewünschte Induk­ tion entsprechend zum Beispiel -10 dBm zu erreichen, muß bei niedrigerer effektiver Permeabilität das Feld H und damit der Primärstrom höher gewählt werden. Es ist offensichtlich, daß die Übertrager mit Kernblechen aus Legierungen nach der vor­ liegenden Erfindung eine niedrigere Permeabilität aufweisen. Das besonders gute Abschneiden der Kernbleche aus Legierungen nach der vorliegenden Erfindung bei hohen Frequenzen liegt zum einen daran, daß höhere Verluste für eine stärkere Dämp­ fung der Oberwellen sorgen. Zum anderen ist aber auch die rundere Hystereseschleife bei den hier sehr niedrigen In­ duktionen für den besseren Klirrfaktor verantwortlich.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen von gestanzten Kernblechen für Modemübertrager, wobei ein aus einem 0,1 bis 0,35 mm dicken Band aus einer Nickel-Molybdän-Kupfer-Eisen-Legierung ge­ stanztes Kernblech verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung verwendet wird, deren Nickel- und Kupfer- Gehalt im binären System Nickel-Kupfer in dem von dem Viereck A (80,5 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% Kupfer), B (82 Gew.-% Nickel, 0 Gew.-% Kupfer), C (70 Gew.-% Nickel, 16,5 Gew.-% Kupfer), D (70 Gew.-% Nickel, 14,4 Gew.-% Kupfer) begrenzten Gebiet liegt, deren Molybdän-Gehalt z in Gew.-% bei gegebenem Nickel-Gehalt x in Gew.-% der Bedingung
genügt und die, abgesehen von geringfügigen Verunreinigungen und den üblichen verarbeitungsfördernden und desoxidierenden Zusätzen, zum restlichen Teil aus Eisen besteht, und daß das Kernblech zunächst wenigstens 30 Minuten lang zwischen 900 und 1200°C geglüht und dann entsprechend dem Molybdän-Gehalt derart zwischen 450 und 550°C angelassen wird, daß die magne­ tische Anisotropie K₁ bei einer Temperatur zwischen -5°C und +30°C gleich 0 wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernblech bei einer Temperatur zwischen 900 und 1050°C geglüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernblech zwischen 470 und 520°C in Abhängigkeit vom Molybdän-Gehalt derart angelassen wird, daß die magnetische Anisotropie K₁ bei einer Temperatur zwischen 0 und 20°C gleich 0 wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbleche für eine Zeit von 0,5 bis 50 Stunden bei einer Temperatur von 230 bis 400°C in einem Magnetfeld getem­ pert werden, dessen Feldlinien quer zur späteren Richtung des magnetischen Flusses im Modemübertragerkern verlaufen.

5. Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 4 herge­ stellten Kernblechs in einem Übertragerkern für Modems.