DE2553003A1

DE2553003A1 - Magnetvorrichtungen

Info

Publication number: DE2553003A1
Application number: DE19752553003
Authority: DE
Inventors: Gerald R Bretts
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-26
Publication date: 1976-08-12
Also published as: NL182182B; HK3681A; NL7513556A; FR2293043A1; CA1200407A; JPS5177899A; JPS6130404B2; GB1525276A; DE2553003C2; NL182182C

Description

Die Erfindung betrifft Magnetvorrichtungen, insbesondere solche mit Kernen aus amorphen Metallegierungen. Magnetvorrichtungen, wie Transformatoren, Motoren, Generatoren und dergleichen besitzen Kerne, die aus magnetisch weichem Material zusammengesetzt sind. Hervorragende Eigenschaften, die bei magnetisch weichen Materialien verlangt werden sind a) geringer Hystereseverlust infolge innerer Reibung während eines magnetischen Kreisprozesses, b) niedrige Widerbelstromverluste induziert durch Änderungen im Kraftfluß, c) geringe Koerzitivkraft, d) hohe magnetische Permeabilität bei niedrigen Feldstärken, e) hoher Sättigungswert und f) minimale oder begrenzte Veränderung in der Permeabi-

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lität mit der Temperatur bei besonderen Verwendungen. Kosten, Zugänglichkeit und leichte Verarbeitung sind andere Faktoren, welche die schließliche Materialwahl beeinflussen.. .

Aufgrund von Untersuchungen wurde eine Anzahl von' Metallegierungen gefunden, die zur Verwendung als Kerne in Magnetvorrichtungen geeignet sind. Hierzu'gehören sehr reines Eisen,'Siiiciumstähle, Eisennickellegierungen, Eisenkobaltlegierüngen und Ferrite. Trotzdem suchte man ständig nach neuen Zusammensetzungen, mit denen,die,vorstehenden Eigenschaften verbessert werden..

Gemäß der Erfindung benutzt man bei Magnetvorrichturigen amorphe magnetische Metallegierungen als Kernei Aufgrund von Röntgenstrahl lenbeugung sind die Metallegierungen zumindest 50 %, vorzugsweise zumindest 80 % und besonders bevorzugt zumindest'95 % amorph. Die Metallegierungen haben die Formel ' ' (FE)7o-85^TO-15^X15-25" ^^^erin bedeutet FE mindestens 6ines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel, T mindestens ein Übergangsmetallelement und X mindestens eines der Metalloidelemente Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn, Vorzugsweise bedeutet X mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor, Kohlenstoff, Silicium und Aluminium.: Bei Benutzung als Kerne von Magnetvorrichtungen zeigen diese amorphen Metallegierungen allgemein überlegene Eigenschaften gegenüber bekannten polykristallinen Metallegierungen, wie sie. nach dem Stande der Technik benutzt werden.

Für die Beziehungen zwischen vielen makroskopischen physikalischen Eigenschaften polykristalliner Metallegierungen und amorpher Metallegierungen von praktisch derselben Zusammensetzung

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ist bisher noch keine Theorie entwickelt worden. Viele physikalische Eigenschaften vorbekannter amorpher Metallegierungen neigen zur Veränderung bei erhöhten Temperaturen. Im Gegensatz hierzu zeigt jedoch eine Klasse amorpher Metallegierungen, deren Zusammensetzungen nachstehend angegeben werden, sehr geringe Koerzitivkraft, hohe Durchlässigkeit, hohen elektrischen spezifischen Widerstand und andere erwünschte Eigenschaften, wie sie bei Verwendung in Magnetvorrichtungen verlangt werden.

Nach der Erfindung benutzte amorphe Metallegierungen können durch folgende Formel wiedergegeben werden (die Indices bedeuten Atom-%): (FE) _O-85^TO-15^X15-25* ^Hierin bedeutet FE mindestens ein Eisengruppenelement T, mindestens ein Übergangsmetallelement und X mindestens eines der Metalloidelemente Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn. Die Exsengruppenelemente sind Eisen, Kobalt und Nickel. Übergangselemente sind solche, die in den Gruppen IB bis VIIB und VIII des Periodensystems aufgeführt sind. Vorzugsweise bedeutet X mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor und Kohlenstoff mit geringen Zusätzen (bis zu etwa 5 Atom-%) an Aluminium und Silicium. Z*u den typischen Zusammensetzungen gehö-

^renFe8O^P16^B1^Al3' ^Fe4O^Ni4O^P14^B6' ^Fe29^Ni49^P14^B6^Si2' ^Fe25^Ni2₅-^Co20^CriO^B20' ^Fe55^Ni8^Co5^Cr15^B17' ^Fe82,6^P16^Al1^BO,4' ^Fe82,6^P16" Si. ₅B_{Q 4} und ^Fe _3o ^Ni45 6^Cr5^P19^BO 4* ^{Die Reinheit} aller genannten Elemente ist diejenige, wie sie sich in der normalen gewerblichen Praxis findet.

Die bevorzugten Zusammensetzungen richten sich nach der gewünschten besonderen Verwendung. Für hohe Sättigungswerte über etwa 15 Kilogauß ist es erwünscht, daß eine relativ hohe Menge an

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Kobalt und/oder Eisen vorhanden ist. Demnach kann eine solche Zusammensetzung durch die Formel (Co,Fe)._n oc^T^ ic^ic oc wieder-

/U-OD U—ID ID-ZD

gegeben werden, worin T und X die obigen Bedeutungen haben. Für geringere Koerzitivkraft unter etwa 0,05 Oersted kann die bevorzugte Zusammensetzung durch die Formel (Ni,Fe)7_O_85^To-15~ Χ.- wiedergegeben werden, worin T und X die oben angegebenen Bedeutungen haben und das Verhältnis von Nickel zu Eisen im Bereich von etwa 5:3 bis 1 : 1 liegt.

Die amorphen Metallegierungen werden durch Abkühlung einer Schmelze mit einer Rate von etwa 10 bis 10 ° C/Sek. gebildet, diese amorphen Metallegierungen sind gewöhnlich zu mindestens 50 % amorph, wenn sie in dieser Weise bearbeitet werden, was durch Röntgenstrahlenbeugung ermittelt wird, und sie können in einigen Anwendungen benutzt werden. Vorzugsweise jedoch sind die amorphen Legierungen zu mindestens 80 %, insbesondere zu mindestens 95 % amorph, um die höchste Leistung in Magnetvorrichtungen zu erreichen.

Verschiedenerlei bekannte Methoden stehen zur Fertigung von durch Sprühen abgeschreckten Folien und rasch abgestreckten endlosen Bändern, Drähten, Bögen usw. zur Verfugung. Wenn man diese Legierungen in Kernen für Magnetvorrichtungsverwendungen benutzt, haben diese Legierungen zweckmäßig Draht- oder Bandform. Draht und Band werden üblicherweise durch direktes Gießen geschmolzenen Matriais auf eine gekühlte Oberfläche oder in ein Abschreckmittel irgendwelcher Art hergestellt. Solche Verarbeitungsmethoden setzen die Fertigungskosten beträchtlich herab, weil keine zwischengeschalteten Drahtzieh- oder Bandbildungsmaßnahmen erforderlich sind.

Diese amorphen Metallegierungen zeigen hohe Zugfestigkeit und'

etwa 14 000 bis 42 000 kg/cm² (etwa 2OO 0OO bis 600 000 Pfund/- ^:·

Zoll ) je nach der jeweiligen Zusammensetzung. Im Vergleich ' ; hierzu liegt sie bei polykristallinen Legierungen, wie sie in ■ angelassenem Zustande benutzt werden, üblicherweise im Bereich

ο 2

von etwa 2800 bis 5600 kg/cm (etwa 40 OOO bis 8O 000 Pund/Zoll ) Eine hohe Zugfestigkeit ist von großer Bedeutung bei Verwendungen, wo starke Zentrifugalkräfte auftreten, wie sie bei Kernen ^; in Motoren und Generatoren festzustellen sind; denn Legierungen von höherer Festigkeit gestatten auch höhere Drehgeschwindigkeiten.

Alle amorphen Metallegierungen haben einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand im Bereich von etwa 160 bis 180 Mikro- ohm/cm bei 25 C je nach der jeweiligen Zusammensetzung.

Typische vorbekannte Materialien haben einen spezifischen Widerstand von etwa 45 bis 160 Mikroohm-cm. Ein hoher spezifischer Widerstand ist wertvoll bei Wechselstromverwendungen zur Herabsetzung der Wirbelstromverluste, die wiederum ein Faktor bei der Herabsetzung der Kernverluste sind. -

Die Verarbeitsbarkeit und Duktilität der amorphen Metallegierungen sind gut. Nach dem Stande der Technik führt eine mechanische Behandlung, wie Stanzen und Drücken, leicht zu einem Abbau der magnetischen Eigenschaften. Dieser Abbau muß durch zusätzliche Wärmebehandlung behoben werden. In amorphen Metallegierungen, wie sie gemäß der Erfindung verwendet werden, verändern sich die magnetischen Eigenschaften nicht und werden in vielen Fällen sogar durch eine solche Behandlung etwas verbessert.

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Ein.weiteres überraschendes Merkmal der amorphen Metallegierungen besteht darin, daß niedrigere Koerzitivkräfte erhalten werden als bei vorbekannten Zusammensetzungen mit praktisch demselben Metallgehalt, so daß es möglich ist, mehr von dem relativ billigen Eisen im Vergleich zu einem größeren Anteil Nickel zu benutzen, das teurer ist.

Je nach der jeweils vorgesehenen Verwendung sind die amorphen Metallegierungen bräuchbar als Kerne für Magnetvorrichtungen, wie Transformatoren, Motoren, Generatoren und dergleichen.

Beispiele

An mehreren amorphen Metallegierungsmustern wurden Magnetmessungen wie nächstehend angegeben durchgeführt. Es wurden Bänder zu mehrschichten Ringen eines Durchmessers von etwa 1 bis 2 cm ähnlich Bandwickelkernen für kleine und Minitransformatoren gewickelt. Zur Messung der magnetischen Induktion des Ringmusters wurden Primär- und Sekundärwicklungen aus gelacktem oder mit Polytetrafluoräthylen überzogenem Kupferdraht verwendet. Es wurde Magnetisierstrom von einem bipolaren Rechenverstärker geliefert, der von Hand kontrolliert oder von einem Generator mit veränderlichem Frequenzsignal getrieben wiaxde. Der Ausgang aus der Sekundärspule wurde integriert und gegen das Feld auf einem X-Y-Aufzeichner oder auf einem Oszilloskop wiedergegeben. Auf diese Weise wurden die Sättigungsmagnetisierung, die Remanenz, das Verhältnis von Remanenz zu magnetischer Induktion, '.die Koerzitivkraft und die maximale Durchlässigkeit in Gleichstromfeldern ermittelt.

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Die Ergebnisse von drei Proben amorpher Metallegierungen sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt. Probe 1 hatte eine Zusammensetzung von Fe₈₀P_{1 g}B..Al₃ (die Indices bedeuten Atom-%). Messungen wurden an einem Streifen aus Probe 1 einer Abmessung von 1,65 mm (0,065 Zoll) Breite und 0,036 mm (0,0014 Zoll) Dicke durchgeführt. Probe 2 hatte die Zusammensetzung Fe. Ni₄₀P₁₄Bg. Messungen wurden an einem Streifen aus Probe 2 mit den Abmessungen 1,60 mm (0,063 Zoll) Breite und 0,033 mm (0,0013 Zoll) Dicke durchgeführt. Probe 3 hatte die Zusammensetzung Fe₂₉Ni₄₉P₁ .BgSi . Messungen wurden an einem D-Draht aus Probe 3 durchgeführt, der im Querschnitt eine Halbellipse mit folgenden Abmessungen war: Ihre Hauptachse war 0,61 mm (0,024 Zoll) und die halbe Nebenachse war 0,071 mm (0,0028 Zoll).

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cn CD

Tabelle

An amorphen Metallegierungen gemessene physikalische Eigenschaften für Magnetvorrichtungsanwendungen

Sattigungsmagnetisie- Remanenz in Verhältnis von Rema- Koerzitivkraft Größte Durch-Probe rung in Kilogaüß Kilogauß nenz zu Induktion in Oersted lässigkeit

17,1 4,0 0,63 0,065

LO

O 2 8,3 4,1 0,9 0,01

4,9 1,85 0,8 0,01

La

62	X	10³	I
			00
			I
410	X	10³
185	X	10³

K)

cn cn

co

Demgegenüber hatten Streifen aus einer polykristallinen Legierung der Zusammensetzung 50 Ni - 50 Fe eine Sättigungsmagnetisierung von 15,5 Kilogauß, eine Remanenz von 12 bis 15 Kilogauß, ein Verhältnis von Remanz zu Induktion von 0,85 bis 0,95, eine Keerzitivkraft von 0,08 Oersted und eine höchste Durchlässigkeit von 100 χ 10 . Streifen aus einer anderen polykristallinen Legierung der Zusammensetzung 80 Ni - 15 Fe - 5 Mo hatten eine
Sättigungsmagnetisierung von 8 Kilogauß, eine Remanenz von 4
bis 6,5 Kilogauß, ein Verhältnis von Remanenz zu Induktion von 0,5 bis 0,9, eine Koerzitivkraft von 0,03 Oersted und eine
höchste Durchlässigkeit von 200 χ 10 .

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Claims

Patentansprüche

( 1. Einen Kern aufweisende Magnetvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zu mindestens 50 % aus amorpher Magnetmetallegxerung besteht.
2. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zu mindestens 80 % aus amorpher Magnetmetallegxerung besteht.
3. Magnetvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zu mindestens 95 % aus amorpher Magnetmetallegxerung besteht.
4. Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einer amorphen Magnetmetallegxerung der Formel (FE) OgT_0-^gX₁c_25 besteht, worin FE mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel-, T mindestens ein Übergangsmetallelement und X mindestens eines der Metalloidelemente Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn bedeuten.
5. Magnetvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einer amorphen Magnetmetallegxerung von der Formel (Co,Fe)₇₀_₈₅T₀_₁₅X₁₅_₂₅ besteht.
6. Magnetvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einer magnetischen Metallegierung von der Formel

(Ni,Fe)__{rt ΟΙ}-Τ_{Λ 41}-Χ_{ΛΓ nc} besteht, wobei das Verhältnis von Nickel 7O— ob 0—1-3 ib — Zo

zu Eisen im Bereich von etwa 5 : 3 bis 1 : 1 liegt.

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7. Magnetvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß X mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor, Kohlenstoff, Si licium und Aluminium bedeutet.

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