DE2116291B2 - Weichmagnetischer werkstoff fuer einen magnetkopf und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Werkstoff nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkstoffs.

Die in Magnetbandsystemen und insbesondere in Video-Aufzeichnungsgeräten verwendeten magnetischen Aufnahme- und Wiedergabeköpfe haben einen wesentlichen Einfluß auf die Gesamteigenschaften des Systems. Gute Betriebseigenschaften bei hohen Frequenzen hängen von verschiedenen Faktoren wie einem sehr kurzen Magnetluftspalt, einem geringen abstand zwischen Band und Kopf und einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Kopf ab. Der geringe Abstand zwischen Band und Kopf wird dadurch erreicht, daß sie sich direkt körperlich berühren. Wegen der Schleifwirkung zwischen Band und Kopf führt dies aber zu einem erheblichen Verschleiß des Kopfes, dessen Lebensdauer hierdurch begrenzt wird.

Zur Zeit werden viele Magnetköpfe aus einer hauptsächlich aus Eisen, Silicium und Aluminium bestehenden Legierung gefertigt, sie unter dem Warenzeichen »Alfecon« oder »Sendust« vertrieben wird. Dieses Materials wird in einem Vakuum-Schmelz- und Gießverfahren hergestellt, wobei die mittlere Endkorngröße ungefähr 350 Mikron beträgt. Durch die Schleifwirkung zwischen Band und Kopf wird die Lebensdauer dieser Köpfe typisch auf ungefähr 150 Betriebsstunden beschränkt.

Es ist bekannt (DT-PS 2 27 788), zum Herstellen eines Magnetkörpers möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit gepulverte magnetische Oxide mit feinstgepul-

vertem Eisen zu mischen, wobei die Menge des Eisenpul vers bis zu 90% des Gesamtgewichtes betragen kann, und die Mischung dann in die gewünschte Form zu pressen. Selbst wenn sich durch den OxidanteU die fjärte dieses an sich relativ weichen Werkstoffs erhöhen könnte, eignet er sich nicht zum Herstellen eines Magnetkopfes.

Ans der US-PS 28 64 734 ist ein Magnetkopf bekannt, zu dessen Herstellung eine spezielle Eisen-Aluminium-Legierung gemahlen und dann zu dünaen Racken gewalzt wird, die schließlich durch Erhitzung mit einer Isolierenden Oxidschicht überzogen werden, wobei es sich im wesentlichen um eine Alumiiiiumoxidschicht handelt Dieser Oxidüberzug der Flocken kann nicht zu einer nennenswerten Erhöhung der Abriebfestigkeit des Magnetkopfes beitragen, der zudem wegen der relativ großen (etwa 0,3 bis 0,5 mm langen) Flocken vor allem für kleine Spaltbreiten ungeeignet ist und auch hinsichtlich einer notwendigen Orientierung der Flokken zur Magnetflußrichtung Schwierigkeiten bereiten.

Aus der DT-AS !2 12 997 ist es bekannt, an den mechanisch relativ weichen Grundkörper eines Magnetkerns aus Mumetall, Permalloy oder einer Nickel-Eisen-Legierung ein Polstück aus mechanisch hartem Material, wie Sendust, Alfenol oder Thermenol anzuschmelzen. Der Werkstoff des bekannten Kernes hat kein zweiphasiges Befüge, sondern lediglich zwei aus verschiedenen einphasigen Legierungen bestehende Teile. Es wurde schon erwähnt, daß die Verschleißbeständigkeit einer solchen Legierung zu wünschen übrig läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff bzw. ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffs anzugeben, der verschleißfester ist als Preßkörper aus den bisher für Magnetköpfe verwendeten Werkstoffen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Werkstoff bzw. durch das im Anspruch 9 gekennzeichneten Verfahren.

Die kleineren Körner der zweiten Phase, die sich an den Korngrenzflächen jedes Kornes der ersten Phase befinden sollen, können aus einem Oxid der Legierung und/oder aus einem anderen magnetischen oder unmagnetischen Material bestehen, und bewirken eine erhebliche Verbesserung der Lebensdauer des Magnetkopfes. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Legierungen mit einphasigem Gefüge besteht darin, daß aufgrund der elektrischen Isoliereigenschaften des Materials der zweiten Phase Wirbelstromverluste vor allem bei hohen Frequenzen herabgesetzt werden. Gegenüber dem aus an ihrer Oberfläche oxidierten Flocken bestehenden bekannten Werkstoff ergibt sich ferner der Vorteil einer größeren magnetischen Richtungsgleichmäßigkeit. Außerdem erlaubt ein relativ feinkörniger Werkstoff gemäß der Erfindung die Herstellung von Magnetköpfen mit sehr kleinen, scharf definierten Spalten.

An bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Magnetkopfes mit einer Erregerwicklung, bei dem die Erfindung realisiert werden kann, und

Fig.2 eine graphische Darstellung des relativen Verschleißes des Magnetkopfes als Funktion der Betriebsdauer.

Der in F i g. 1 dargestellte Magnetkopf 1 besitzt Polstücke 2 und 3, die einander gegenüberliegen und zwischen sich einen Luftspalt 4 bilden. Die Breite des Luftspaltes 4 kann für Video-Aufnahme- und Wiedergabezwecke beispielsweise zwischen 1 und S Mikron betragen. Für die Anordnung einer Erregerwicklung 6 für den Magnetkopf 1 enthält dieser ein Loch 5. Die geometrische Gestalt des in Fig. 1 dargestellten Magnetkopfes soli nur ein Beispiel sein.

Das fur den Magnetkopf gemäß Fig. 1 verwendete Material enthält als erste Phase ein Material relativ kleiner Korngröße, so daß die erste Phase einen relativ großen Korngrenzbereich besitzt Praktisch hat dies eine größere Materialhärte zur Folge, weil gewöhnlich in der Nähe der Korngrenzen eines polykristallinen Materials eine erhöhte Härte feststellbar ist

Wenn man nun als zweite Phase ein Material mit größerer Abriebbeständigkeit in die Korngrenzbereiche des Materials der ersten Phase einfügt, so ergibt sich eine wesentliche zusätzliche Verbesserung der Härte des Gesamtmaterials.

Ein Phase kann definiert werden als homogener Teil einer Materie, der körperlich unterschiedbar und mechanisch trennbar ist Die erste oder primäre Phase ist diejenige, welche im größten Maße vorhanden ist, während die zweite Phase weniger als 50% des Gesamtvolumens ausmacht.

Vorzugsweise soll sich die zweite Phase vorherrschend in den Korngrenzbereichen zwischen benachbarten Kornern der primären Phase befinden (das heißt, daß die Körner der ersten Phase vom Material der zweiten Phase umgeben sind) statt im Inneren der Kornkomplexe der ersten Phase. Die zweite Phase kann in Form kleiner, harter, diskontinuierlicher, willkürlich verteilter Partikeln oder Körner eines gesonderten zweiten Materials in einer ersten Phase oder Grundmasse der Magnetlegierung vorliegen oder als dünne Schicht eines Oxydes der ersten Phase, die praktisch jedes Korn der ersten Phase oder Grundmasse umgibt.

Das Material der ersten Phase ist vorzugsweise eine Magnetlegierung und kann beispielsweise eine ternäre Eisen-Silicium-Aluminium-Legierung mit einem Gewichtsprozentbereich sein, der die Magnetlegierung umfaßt, die als »Sendust« und »Alfecon« bekannt sind. Für das Material der ersten Phase eignen sich aber auch andere Magnetlegierungen wie binäre Eisen-Nickel-Legierungen mit beispielsweise 45-75 Gewichtsprozent Nickel, die unter dem Namen »Permalloy« bekannt sind, binäre Eisen-Aluminium-Legierungen mit bis zu 16 Gewichtsprozent Aluminium (beispielsweise die unter dem Warenzeichen »Alfenol« vertriebene Legierung), ternäre Eisen-Nickel-Kupfer-Legierungen mit beispielsweise 17 Gewichtsprozent Nickel, 5 Gewichtsprozent Kupfer, Rest Eisen, also beispielsweise die Legierung »Mumetal«, und quaternäre Eisen-Nickel-Kupfer-Molybdän-Legierungen mit beispielsweise 77 Gewichtsprozent Nickel, 5 Gewichtsprozent Kupfer, 4 Gewichtsprozent Molybdän, Rest Eisen.

Mit dem Ausdruck »praktische« oder »effektive Härte« soll die wirkliche Verschleißbeständigkeit eines fertigen Magnetkopfes umschrieben werden, der in Berührung mit einem Magnetband steht, den wenn man Köpfe mit unterschiedlichen Verschleißeigenschaften im Labor mit einem normalen Härteprüfgerät, wie z. B. einem Gerät zum Prüfen der Rockwell-Härte untersucht, wird man möglicherweise nur einen kleinen meßbaren Unterschied in der Härte dieser Magnetköpfe feststellen.

Eine bevorzugte Methode zum Schaffen des erforderlichen Materials der zweiten Phase für die Korngrenzen besteht darin, daß man die Magnetlegierung während

der Verkleinerung der Partikelgröße vor der Verfestigung: oxydieren läßt Das Oxyd ist härter und abriebbeständiger als die Legierung. Stattdessen kann man auch eine nicht durch Oxydation gebildete andere Substanz der zweiten Phase zur Magnetlegierung in Form sehr kleiner Partikel zumischen, die sich während der Verfestigung in den Korngrenzbereichen der ersten Phase festsetzen.

Unabhängig davon, ob sie in Form kleiner Partikel zugesetzt oder durch Oxydation ausgebildet worden ist, muß die zweite Phase mindestens drei Bedingungen genügen:

1. Die Menge des Materials der zweiten Phase für die Korngrenzen, daß heißt sein Volumenprozentanteil, darf nicht so groß sein, daß die Magneteigenschaften des Magnetkopfes beeinträchtigt werden.

2. Die Partikelgröße des Materials der zweiten Phase sollte bei für Video-Signale bestimmten Magnetköpfen vorzugsweise nicht größer sein als beispielsweise 0,1 Mikron, so daß gegebenenfalls im Spaltenbereich vorhandene Korngrenzen die Spaltschärfe nicht ändern.

3. Das Material der zweiten Phase darf wenigstens bis hinauf zur Verfestigungstemperatur nicht ungünstig mit der Magnetlegierung reagieren, so daß die Magneteigenschaften der Magnetlegierung nicht verschlechtert werden.

Beispiele für verwendbare harte, abriebbeständige Materialien der zweiten Phase sind gewisse Karbide, Oxyde und Suizide, wie z. B. Siliciumkarbid, Wolframkarbid, Aluminiumoxyd, Zirkoniumoxyd und Eisensilizid.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Verfestigen der das dispergierte Material der zweiten Phase enthaltenden Magnetlegierung beschrieben. Das für diese Verfestigung oder Verdichtung angewandte Verfahren enthält Verfahrensschritte, die an sich schon als Heißpressen oder Drucksintern bekannt sind. Durch das Heißpreßverfahren kann man ein fast theoretisch dichtes Material praktisch ohne Kornwachstum erhaltea

Es ist zwar bekannt, keramische Magnetwerkstoffe wie z. B. Ferrite für Magnetköpfe einem Heißpreßvorgang zu unterziehen, doch war man bisher der Ansicht, es sei eine mittlere Endkorngröße von mindestens 30 Mikron und vorzugsweise von 50 Mikron oder mehr erforderlich, um den Verschleiß von Video-Magnetköpfen auf ein gewünschtes Maß herabzusetzen. Im Gegensatz hierzu wurde nun gefunden, daß eine Verringerung der mittleren Korngröße einer Magnetlegierung aus Eisen, Aluminium und Silicium und das Einfügen einer harten, gegen Abrieb widerstandfähigen zweiten Phase in die Korngrenzbereiche den Verschleiß des Magnetfcopfes verringern. Im FaOe von Ferritköpfen werden durch Anwendung des Heißpreßverfahrens gewisse, bei der Verwendung von Einkristallferriten auftretende Probleme umgangen, wie z. B. die Schwierigkeit, eines Ferritemkristall mit der richtigen Stöchiooietrie, einem begrenzten Bereich von Konzentrationsänderaagen der Bestandteile und magnetischer und eaecfeansEfaer Anisotropie zn züchten.

Ein bevorzugtes Verfahren znm Herstellen eines einer Oberflächenschicht aus Oxyd auf den einzelnen Legierungsteilchen oder Körnern wird vorzugsweise während des Zerreibens oder Zerstampfens bewirkt. Wenn die zweite Phase in Form harter, abriebbeständiger Teilchen beigefügt werden soll, geschieht dies vorzugsweise im Anschluß an das Zerreiben oder Zerstampfen. Der endgültige Körper aus dem Material für den Magnetkopf wird dann durch Heißpressen erzeugt.

ίο Die magnetische Legierung wird nach einem bekannten Vakuum-Schmelz- und Blockgießverfahren aus den einzelnen Bestandteilen im richtigen Verhältnis hergestellt, so daß sich die gewünschten optimalen Magneteigenschaften ergeben. Geeignete Gewichtsprozentbereiche für eine Eisen-Silicium-Aluminium-Legierung der erste Phase sind beispielsweise 6 bis 12% Silicium, 4 bis 9% Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen, wobei das Silicium und Aluminium zusammen maximal 17 Gewichtsprozent der Legierungsmischung ausmachen. Eine bevorzugte Zusammensetzung der ersten Phase besteht aus 85.3 Gewichtsprozent Eisen, 9,5 Gewichtsprozent Silicium und 5,2 Gewichtsprozent Aluminium (dieser Stoff ist unter dem Namen Alfecon bekannt und wird nachfolgend mit diesem Namen bezeichnet).

Die Außenfläche des Blockes wird abgeschliffen, um von der Form kommende Verunreinigungen zu beseitigen. Dann wird der Gußblock in ungefähr 2,5 mm dicke Scheiben zerschnitten. Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Scheiben aus der Legierung Alfecon einige Minuten lang in konzentrierter Salzsäure gereinigt, dann abgespült und getrocknet. Anschließend werden diese Scheiben in einem Stahlmörser so weit zerstampft, daß sie ein Sieb der Feinheit 20 (840 Mikron) passieren können. Dann wird das Legierungsmaterial in eine Kugelmühle gebracht die vorzugsweise aus Stahl besteht und Stahlkugeln enthält und in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels wie Äthylalkohol oder Isopropylalkohol beispielsweise 12

bis 16 Stunden lang gemahlea

Nach dem Mahlen wird das Pulver in einer Vakuumkammer bei Raumtemperatur getrocknet. An dieser Stelle des Verfahrens werden durch Siebe unterschiedliche Teilchengrößenbereiche ausgesondert

Der verwendete Teilchengrößenbereich liegt vorzugsweise unter 20 Mikron, wobei die mittlere Teilchengröße etwa 16 Mikron beträgt Aber auch Teilchengrößenbereiche von 20 bis 30 Mikron und mehr führten bei ihrer Verwendung zu relativ besseren Verschleißeigen-

schäften der Magnetköpfe.

Wenn die zweite Phase durch Oxydation der Teilchen der ersten Phase gebildet wird, ist die Verwendung von Alfecon-Teilchen der ersten Phase mit einer Korngröße von 44 Mikron oder weniger offenbar zn bevorzugen.

Ss Handelt es sich bei der zweiten Phase um etwas anderes, beispielsweise am ein hartes gesondertes zweites

Materials Bk «neu Magnetkopf sofl nun beschrieben wewJen. Gemäß diesem Verfahren wird eine ternäre Magweflegittrtuig ans Eisen, Silicium and Aluminium bergesteSt und bis auf eine Teflchengröße zerrieben «der zerstempft, die Idemer ais eine Vorgegdbene i&öße von beispielsweise 44 Mikron ist Die Bildung kritisch, so daß sich eine verbesserte Verschleißbeständigkeit ergibt wenn die Körner der Legierung oder ersten Phase 44 Mikron groß oder größer sind.

Es wurde festgestellt, daß sich eine Oxydschächt um jedes Teilchen der Magnedegienmg während des Mahlvorgangs bildet, wenn sich im organischen Lösungsmittel Wasser befindet nnd/oder wenn das getrocknete Pulver der Luft ausgesetzt wird Das organische Lösungsmittel sollte date· ve mit Wasser mischbar sein.
Während dieses Verfahrens erfolgt also in einem

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gewissen Ausmaß eine Oxydation der Magnetlegierung, und die einzelnen Legierungsteilchen werden weitgehend Von einem Oxyd der Legierung umschlossen. Zusätzlich wird nicht an den einzelnen Legierungsteilchen haftendes Oxyd durch das gesamte Legierungspulver hindurch homogen dispergiert und landet während der Verfestigung oder Verdichtung an den Korngrenzen. Die Verwendung eines nichtwässerigen Lösungsmittels mit einem kontrollierten Zusatz von Wasser statt eines wasserfreien Lösungsmittels hat den Vorteil, daß im ersteren Fall das Ausmaß der Oxydbildung wesentlich größer ist als im letzteren FaIL Dies läßt sich nachweisen, wenn man durch ein Heißpreßverfahren hergestellte Körper, die aus auf beide Arten hergestelltem Material bestehen, unter dem Mikroskop betrachtet Außderdem zeigt ein Vergleich der Verschleißeigenschaften von aus diesen Materialien hergestellten Magnetköpfen, daß Köpfe, die aus einem Material gefertigt werden, das in einer Lösung aus nichtwässerigem Lösungsmittel und Wasser gemahlen wurde, eine längere Betriebslebensdauer aufweisen. Es wurde gefunden, daß eine bevorzugte Lösung aus nichtwässerigem Lösungsmittel und Wasser mindestens 80 VoIumen-% Alkohol und höchstens 20 Volumen-% Wasser enthält

Wenn man in dieser Weise das Abriebbeständige Material einführt so hat dies den Vorteil, daß das Material sich gleichmäßiger um jedes Legierungsteilchen verteilt, als wenn das abriebbeständige Material gesondert beigefügt und dann im magnetischen Legierungspulver dispergiert würde.

Vorzugsweise sollte die Menge der unmagnetischen zweiten Phase den Betrag von ungefähr 1 Volumen-% nicht überschreiten. Der ausschlaggebende Faktor sind die magnetischen Eigenschaften des Magnetkopfes, daß heißt seine Fähigkeit ein angemessenes Signal/Rausch-Verhältnis einzuhalten und mit nicht allzu großen Treibströmen auszukommen. Es sei darauf hingewiesen, daß der prozentuale Volumenanteil der zweiten Phase auch wesentlich größer sein kann als 1%, falls für die zweite Phase ein magnetisches Material wie z. B. ein Ferrit mit einer Koerzitivkraft von höchstens 10 Oersted und vorzugsweise weniger als 1 Oersted verwendet wird.

Ein anderes Verfahren zum Einführen der Oxydphase besteht darin, die Magnetlegierung mit Partikeln der gewünschten Feinheit der Luft auszusetzen oder den Oxydationsvorgang dadurch zu beschleunigen, daß das Pulver in Luft bei mehreren Einhundert Grad Celsius erhitzt wird, nachdem es bis zum gewünschten Teilchengrößenbereich zerkleinert worden ist

Es können auch andere aus der Metallurgie oder JCeramik bekannte Verfahren zum Zerreiben oder .!es von Material angewandt werden, falte gesorgt wird, daß sich das Oxyd bilden kann oder zweite Phase als gesondertes Material zugesetzt

i wenn die feinkörnigen Magnetlegierung durch : andere Verfahren hergestellt wind, kann die _ aiit mchtwässerigeta Lösungsmittel und angewandt werden, te diesem FaB ist nur in MaBe ein Schteffea erforderlich, und die «nur Kageimöhfc wurde hauptsächlich

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t weiterer Te3 des Verfahrens besteht darin, das pulverformige und oxydierte Alfecon-Material durch Heißpressen im Vakuum oder in einer Edelgasumgebung wie Argon zu verdichten. Eine ausreichende Menge des Alfecon-Pulvers wird abgewogen und in eine Preßform gefüllt und zu einem vollkommen verdichteten geraden Zylinder gepreßt, dessen Durchmesser/ Höhe-Verhältnis etwa 2 beträgt Es wurden Proben mit Durchmessern von etwa 1,2 cm, 2,5 cm und 5 cm hergestellt Die Preßformen und Stempel können aus

ίο einer Molybdänlegierung hergestellt und mittels eines Molybdänwickelwiderstandsofens erhitzt werden. Die Preßform wird mit einem dicht passenden zylindrischen Einsatz aus Graphit hoher Reinheit ausgekelidet, der eine Wanddicke von etwa 0,63 cm und einen Innen durchmesser von etwa 1,27 cm hat

Graphit wird wegen seiner Schmiereigenschaften, seiner Bearbeitbarkeit und seiner Reaktionsträgheit gegen Alfecon als Einsatzmaterial verwendet Benutzt man in dieser Weise eine abgestützte Graphitpreßform, so ermöglicht dies ohne Zerstörung des Graphits während des Heißpressen Drücke, die größer sind als normal. Es können aber auch ganz aus Graphit bestehende Preßformen verwendet werden, falls die Wände so dick sind, daß sie die beim Heißpressen auftretenden Drücke aushalten.

Eine Alternativmethode zum Auskleiden der Molybdänpreßform, um eine Reaktion zwischen der Legierung und der Preßform zu verhindern und einen leichten Auswurf nach dem Heißpressen zu ermöglichen, wäre die Verwendung eines Gewebes aus Graphitfäden.

Die oberen und unteren Stempelflächen werden vom Alfecon-Material durch 15 mm dicke Scheiben aus Graphit oder Glaskohle (Sinterkohle) getrennt Auch in diesem Fall könnte man Gewebe aus Graphitfäden verwendea Die Preßform wird schwimmend betrieben, damit sich eine gleichmäßigere Dichte in der gesamten Probe ergibt Die Preßform und der Ofen befinden sich in einer wassergekühlten Heißpreß-Vakuumkammer, die auf mindestens 10-³Τοιτ evakuiert werden kann.

Auf den oberen Stempel oder Bär wird ein einachsiger Druck mittels einer konventionellen hydraulischen Presse und einen durch einen Balg abgedichteten Stößel

angelegt

Der eigentliche Heißpreßvorgang geschieht fol-

gendermaßea Die die gefüllte Preßform enthaltende Heißpreßkammer wird evakuiert und die Temperatur der Preßform wird auf 600⁰C erhöht und wenigstens eine Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten Hierdurch werden absorbierte Gase und Feuchtigkeit aus dem Pulver ausgetrieben. Außerdem wird dadurch gewährleistet, daß sich während des Heißpressens die höchstmögliche Dichte ergibt Dann wird das Pulvet ungefähr eine Minute lang bei einem Druck vor 1,05 t/cm² (15 000 psi) gepreßt Dieser Druck wird dam

SS weggenommen, und während die Temperatur da Preßform und ihres Inhalts auf 950 bis 100e°Cgesteigeri wird, wird ein Druck von 0,14 bis 0£l t/cm² angelegt Die Rate, mit der die Temperaair vob 600⁰C auf die Heißpreß temperatur gesteigert wird, beträgt etws 20°C/Minate. Durch eil fünf Minuten langes Glühen be der Temperatur von 950 bis HXXJ⁰C kann sich ca WärmegleichgewicBt einstellen, fan Falle von Proben deren Durchmesser größer ist als etwa L3cm, könnei längere GiShperioden fur ein Wärmegieichgewicfe notwendig sein. Dann wird eine Stande laag ein Draci von 1,05 t/cm² angelegt. Nach Ablauf dieser Stande i d l

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der Druck weggenommen, die elektrische Leistung de Ofens abgeschaltet und die Preßform auf Γ

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ratur abgekühlt.

Die sich ergebende Probe aus verdichtetem Material kann durch Anlegen einer Kraft an den oberen Stempel leicht aus der Preßform ausgeworfen werden. Die Verdichtung dieser Probe beträgt mehr als 99% der theoretischen Verdichtung. Ein fast porenfreies Material ist für Video-Magnetköpfe wichtig, um während des Betriebes eine gute Spaltschärfe und einen guten Hochfrequenzgang aufrechtzuerhalten. Für Video-Zwecke sollte die Porosität höchstens 1% und vorzugsweise nicht mehr als 0,1 % betragen. Aus einer Untersuchung einer polierten und geätzten Oberfläche des gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellten Materials unter dem Mikroskop ergibt sich, daß die zweite Phase offenbar in den Korngrenzbereichen ohne Kornwachstum der ersten Phase verteilt ist. Es wurde festgestellt, daß das die zweite Phase bildende Oxyd, das härter ist als die Magne'Iegierung, zu einer erhöhten Verschleißbeständigkeit von aus diesem Material hergestellten Magnetköpfen führt, die beispielsweise für Video-Aufzeichnungsgeräte für Quadruplex-Sendungen benutzt werden.

F i g. 2 zeigt die Ergebnisse von Versuchen, die mit Video-Magnetköpfen angestellt wurden, welche nach einem Heißpreßverfahren aus Alfecon-Material mit verschiedenen Teilchengrößenbereichen hergestellt wurden. Die Kurben 11 bis 13 gelten für Alfecon-Material mit einer Korn- oder Teilchengröße, die in einem Bereich von weniger als 44 Mikron, 20 bis 30 Mikron bzw. 10 bis 20 Mikron liegt. In Fig.2 ist der Spitzenvorsprung, d. h. die Dicke des vorspringenden Endes des Kopfes relativ zu einem im Vakuum gegossenen Standardkopf als Funktion der Zeit beim Test in einem Hochfrequenz-Video-Bandaufnahmegerät für Farbsendungen aufgetragen. Auch die Abnahme des vorspringenden Endes des Standardkopfes (Kurve 10) als Funktion der Zeit ist dargestellt. Die festgestellte Abnahme des Verschleißes mit der Abnahme der Teilchengröße des Alfecon-Materials dürfte auf eine Vergrößerung des Korngrenzbereiches und auf die entsprechend zunehmende Menge des auf der Verschleißfläche des Kopfes freiliegenden Materials der zweiten Phase zurückzuführen sein.

Durch Versuche wurde festgestellt, daß Video-Magnetköpfe, die aus feinkörnigem (Korngrößen von weniger als 44 Mikron, vorzugsweise 10 bis 20 Mikron), heißgepreßtem Alfecon-Material hergestellt wurden, in dessen Korngrenzbereichen wenig oder kein Material einer zweiten Phase vorhanden ist, mit einer Rd. j·. verschleißen, die mit dem Verschleiß von Köpfen vergleichbar ist, die aus im Vakuum gegossenem Alfecon-Material gemäß Kurve 10 in F i g. 2 gefertigt sind. Es scheint sich also kein oder nur ein geringer Verschleißvorteil bei einem Magnetkopf zu ergeben, der aus AJüeooa-Material ohne zweite Phase entweder mittels eines HeißpreBverfahrens oder eines konventionellen Sinterverfahrens hergestellt wird.

Das ohne Zusatz einer zweiten Phase hergestellte Material einer Eisen-Aiuminhim-Silicium-Legierung weist eine Rockwell-C-Härte von ungefähr 48 auf, während die gleiche Legienmgszusammensetzung, wenn Sir erfindungsgemäß eine zweite Phase zugesetzt wird, one RockweS-C-Härte von mindestens 50 hat Nach einem Heißpreßverfahren hergestellte Köpfe mit den beschriebenen zwei Phasen haben praktisch keine schiechteren Magaeteigenschaften als im Vakuum gegossene AJfecon-Köpfe.

Ün weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Wirbelstromverluste bei hohen Frequenzen herabii gesetzt werden, was auf die elektrischen IsöliereigeVg schäften des Materials der zweiten Phase zurückzüföhi; ren ist. Wirbelströme hängen nicht nur von ide'

S Frequenz des angelegten Signals ab, sondern auch spezifischen Widerstand des Kopfmaterials. Im Fall des hier beschriebenen Materials wird der spezifische! Widerstand des Alfecon-Materials durch die gew'ähltif Korngröße und das Vorhandensein einer zweiten P.ha^r"

ίο in den Korngrenzbereichen erhöht. . _v

Wie erläutert wurde, wird die erste Phase 'äerjj

Magnetlegierung so behandelt, daß in und um', de Korngrenzen der Legierung eine harte zweite Phase erzeugt wird. Dieser Vorgang kann durch erhöhte Temperaturen oder durch Behandlung in einer Lösung begünstigt werden, wodurch die Bildung einer Oxydoberfläche auf den Legierungsteiilchen beschleunigt wird. Es ist anzunehmen, daß durch diese Vorgänge zum Bilden der zweiten Phase zwischen den Materialien der beiden Phasen eine Bindung vorwiegend durch chemische Bindekräfte entsteht. Diese Bindekräfte scheinen einen größeren Zusammenhalt und eine bessere Bindung mit den einzelnen Teilchen der ersten Phase und eine etwas gleichmäßigere Verteilung der zweiten

Phase zu gewährleisten.

Die zweite Phase kann auch dadurch eingebaut werden, daß gesonderte kleine Teilchen eines zweiten Materials körperlich in die Korngrenzen durch die gesamte Magnetlegierung hindurch zugesetzt oder

dispergiert werden. Falls eine solche zweite Phase weitgehend inert ist, ist anzunehmen, daß die Teilchen in der verdichteten Struktur physisch durch Unregelmäßigkeiten der Teilchen oder Kornoberflächen der Legierung und/oder der zweiten Phase festgehalten werden. Wenn die zweite Phase nicht inert gegen die

Legierung ist scheint zusätzlich zur physischen Haftung

eine chemische Bindung an die Legierungskörner zu

entstehen.

Die Parameter des Heißpreßverfahrens, nämlich

Temperatur, Druck und Zeit, wurden beim beschriebenen Ausführungsbeispiel so gewählt wie es zum Herstellen eines verschleißbeständigen Materials mit einer ersten Phase aus Alfecon-Material zweckmäßig war. Um die Teilchen bis zu praktisch theoretischer

Verdichtung zusammenzupressen, kann man aber auch andere Kombinationen der Temperatur-, Druck- und Zeitwerte wählen. Beispielsweise wird bei einer Temperatur von 850° C, einem Druck von 1,05 t/cm² und einer Dauer von 1 Stunden ein vollkommen dichter Korper erzeugt Das gleiche gilt für 950° C bei 0,53 t/cm² sowie 1050°C bei 0,25t5cm* und jeweils 1 Stunde. Die Druck-, Temperatur- und Zeitwerte für ein Heißpreßverfahren hängen voneinander ab. Eine Heißpreßtemperatur von 75O°C etwa wfirde zum Brdciiea eäss?

vollständigen Dichte eine Zeit von nngefäfa· 6 Stande* bei einem Druck von 1,05 t/an² «fordern, dagegen nor ungefähr 1 Stande bei 1,76 t/cm*, während AJEfeoon-P* ver, das eine Temperatur von 1MHJ⁰C aod dnem Waäk von 033 t/cm* ausgesetzt wird, traf 5 &s tQ l&

to zum Erreichen der vollkommenen Dichte

g aufweiset!. Die eb aen Heißpreßparameter gelten Sir eise

Probe mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Höhe von 6,35 mm. Größere Durchmesser und/oder höhere Proben können wegen der größeren Reibung zwischen der Probe und der Wand der Preßform größere Drücke erforderlich machen.

Ein anderes Heißpreßverfahren, das ebenfalls zur Verdichtung eines Magnetlegierungspulvers angewandt werden kann, besteht darin, die Legierung kalt in eine gewünschte Form zu pressen, den kaltgepreßten Körper in ein feinkörniges inertes Pulver einzubetten, das sich in einer geeigneten Preßform befindet, und dann Hitze und druck anzulegen, wobei der Druck mittels des inerten Pulvers auf die Legierung übertragen wird.

Ein wieder anderes Verfahren führt zu einer Vielzahl heißgepreßter Körper in Form dünner Blätter. Die Herstellung dünner Blätter aus Magnetlegierung statt einer einzigen zylindrischen Probe, die 2,5 cm oder 5 cm dick sein kann, hat mindestens zwei Vorteile: 1.) entfällt der Zerschneidvorgang zum Formen dünner Gebilde für nacheinander hergestellte Köpfe, und 2.) geht weniger Legierungsmaterial verloren.

Ein Verfahren zum Heißpressen dünner Blätter kann folgende Schritte umfassen. Man nimmt eine mit Graphit ausgekleidete Preßform. Eine Scheibe aus 0,013 mm oder 0,25 mm dicker Graphitfolie wird gegen die Stirnfläche des unteren Stempels gelegt. In die Preßform wird soviel Magnetlegierungspulver gefüllt, wie für die gewünschte Dicke des verdichteten Materials erforderlich ist. Dieses Pulver wird eingeebnet und mit einem Druck von mehreren 100 kg/cm² gepreßt. Nun wird oben auf die Legierung eine zweite Scheibe aus Graphitfolie gelegt, und der Einfüllvorgang wird wiederholt. Die Zusammenschichtung aus Legierung und Graphitfolie kann fortgesetzt werden, bis die Gesamthöhe so groß ist, daß eine verdichtete Probe erzeugt wird, deren Höhe ungefähr die Hälfte des Durchmessers der Probe beträgt. Diese Anordnung wird dann einem Heißpreßvorgang gemäß dem oben für eine einzelne Probe beschriebenen Verfahren unterzogen. Die Graphitfolie zwischen jedem Magnetlegierungsblatt ermöglicht eine leichte Trennung der Blätter, wenn die Anordnung aus der Preßform herausgenommen wird. Das Ergebnis dieses Verfahrens sind eine Vielzahl dünner Blätter aus verdichtetem Magnetlegierungsmaterial, die etwa 0,5 mm dünn sein können.

Nach der beschriebenen Herstellung einer Probe wird das Material in bekannter Weise so bearbeitet, daß es die gewünschte geometrische Form eines Magnetkopfes erhält, wie sie beispielsweise in F i g. 1 dargestellt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Weichmagnetischer Werkstoff für einen Magnetkopf, der als erste Phase Partikel aus einer weichmagnetischen Legierung und eine zweite Phase aus mechanisch härterem und verschleißfeste rein, gegen das Material der ersten Phase hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften inertem Material enthält dadurch gekennzeichnet, 4aß beide Phasen des Werkstoffs aus Körnern gebildet sind, daß die mittlere Korngröße der zweiten Phase wesentlich geringer ist als diejenige des Materials der ersten Phase, damit die Schärfe des Spaltes des Magnetkopfes nicht beeinträchtigt wird, und daß das Material der ersten Phase mindestens 50 Volumenprozent des Werkstoffs ausmacht während die Menge des Materials der zweiten Phase so gering ist daß die Magneteigenschaften des Kopfes nicht wesentlich beeinträchtigt werden.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die weichmagnetische Legierung Eisen, Silicium und Aluminium enthält.

3. Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile der ersten Phase aus 6 bis 12 Gewichtsprozent Silicium, 4 bis 9 Gewichtsprozent Aluminium, Rest im wesentlichen Eisen bestehen, und daß das Silicium und Aluminium zusammen einen Gewichtsprozentanteil von höchstens 17% der Legierung haben.

4. Werkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Phase ein Oxyd der Legierung der ersten Phase ist und daß die Korngröße der Legierung der ersten Phase höchstens 44 Mikron beträgt.

5. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner der zweiten Phase eng mit der Umfangsfläche jedes der Körner der ersten Phase verbünden sind und diese wenigstens teilweise umgeben.

6. Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Phase aus einem harten, abriebbeständigen, unmagnetischen Oxyd oder Karbid eines Metalls besteht.

7. Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Phase aus Siliciumkarbid besteht.

8. Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Phase aus einem harten, abriebbeständigen magnetischen Keramtkmaterial kleiner Koerzitivkraft besteht.

9. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffs nach Anspruch 1, mit einer ersten Phase aus einer oxydierbaren magnetischen Legierung und einer harten, abriebbeständigen zweiten Phase in den Korngrenzbereichen der ersten Phase, dadurch gekennzeichnet, daß eine körnige Probe der ersten Phase mit einer Lösung aus einem nichtwässerigen Lösungsmittel und Wasser in eine Mühle gegeben wird: daß der Mühleninhalt so lange und bei einer solchen Temperatur gemahlen wird, daß sich eine Teilchengröße der Legierung von höchstens 44 Mikron ergibt und auf der Oberfläche der Teilchen der Legierung in einem vorbestimmten Ausmaß ein Oxyd der Legierung entsteht; daß die oxydierten Teilchen von der Lösung aus einem nichtwässrigen Lösungsmittel und Wasser abgesondert und dan getrocknet werden; und daß schließlich die getrockneten Teilchen bei vorbestimmtem Druck und vorbestimmter Temperatur so lange warmgepreßt werden, daß aus den Teilchen ein verdichteter Kompaktkörper entsteht

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck und die Temperatur sowie die Dauer des Pressens so gewählt werden, daß aus * den Teilchen ein Kompaktkörper entsteht, dessen Porösität weniger als 1 % beträgt

U. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probe verwendet wird, deren Teilchengröße höchstens 840 Mikron beträgt

IZ Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß der Mahlvorgang in einer stählernen Kugelmühle durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß nach dem Trocknungsschritt und vor dem Heißpreßschritt durch Sieben der Teilchen eine Quantität von Teilchen bereitgestellt wird, deren Größe höchstens 20 Mikron beträgt

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mahllösung mindestens 80 Volumenprozent Äthylalkohol oder Isopropylalkohol enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dad-.irch gekennzeichnet daß das nichtwässrige Lösungsmittel Azeton ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Heißpreßvorgang ein Druck im Bereich von 0.25 t/cm² bis 4,22 t/cm² und eine Temperatur im Bereich von 750⁰C bis 1100⁰C gewählt werden.