DE2708151C2 - Verwendung glasartiger Legierungen für Netztransformatoren oder Signalwandler - Google Patents
Verwendung glasartiger Legierungen für Netztransformatoren oder SignalwandlerInfo
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Description
40
Die Erfindung betrifft die Verwendung zu wenigstens 50% glasartiger Legierungen mit einer Magnetostriktion nahe 0 und mit hoher Sättigungsinduktion.
Die Sättigungsmagnetostriktion Λ, steht in Beziehung zu der teilweisen Längenveränderung ΔΙ/Ι, die in einem
magnetischen Material auftritt, wenn dieses aus dem demagnetisierten Zustand in den gesättigten, ferromagnetischen Zustand übergeht.
Für Netztransformatoren oder Signalwandler sind ferromagnetische Legierungen niedriger Magnetostriktion erwünscht. Die niedrige Gleichstrom-Koerzitivkraft von Materialien mit einer Magnetostriktion Null
wird auf Wechselstrom-Betriebsbedingungen übertragen, wo wiederum niedrige Koerzitivkraft und hohe
Permeabilität realisiert werden, vorausgesetzt, daß die magnetokristalline Anisotropie nicht zu groß und der
spezifische Widerstand nicht zu klein ist. Da auch «>
Energie nicht an mechanische Schwingungen verloren geht, wenn die Sättigungsmagnetostriktion Null ist,
kann der Kernverlust solcher Materialien recht gering sein. So sind magnetische Legierungen von mäßiger
oder niedriger magnetokristalliner Anisotropie mit einer Magnetostriktion Null brauchbar für Netztransformntoren und Signalwandler.
gen, die nullmagnetostriktive Materialien enthalten,
keine akustischen Geräusche und Wechselstromerregung. Obwohl dies der Grund für den obenerwähnten
niedrigeren Kernverlust ist, ist dies auch eine erwünschte Eigenschaft als solche, da sie den vielen elektromagnetischen Einrichtungen eigenen Summton ausschaltet
Es gibt drei bekannte kristalline Legierungen mit einer Magnetostriktion Null:
1. Nickel-Eisen-Legierungen mit einem Gehalt von etwa 80% Nickel,
2. Kobalt-Eisen-Legierungen mit einem Gehalt von etwa 90% Kobalt und
3. Eisen-Silicium-Legierungen mit einem Gehalt von
etwa 6 Gewichts-% Silicium.
Nullmagnetostriktive Legierungen innerhalb dieser Typen können auch kleine Zusätze anderer Elemente,
wie Molybdän, Kupfer oder Aluminium, enthalten, wie beispielsweise Legierungen aus 4% Mo, 79% Ni und
17% Fe oder aus 85 Gewichts-% Fe, 9 Gewichts-% Si und 6 Gewichts-% Al.
Legierungen der Gruppe 1 haben aber Sättigungsinduktionen (B1) im Bereich von nur etwa 6 kGauss, was
bei Signalwandler!) und Netztransformatoren ein Nachteil ist Wenn nämlich bei diesen beispielsweise
eine bestimmte Spannung bei ihrer Sekundärposition erforderlich ist, dann, ist für eine bestimmte Frequenz
und eine bestimmte Zahl von Sekundärwicklungen eine bestimmte Querschnittsfläche des Kernmaterials erforderlich, was eine Verminderung des Gewichtes und der
erforderlichen Drahtmenge für die Wicklungen verhindert.
Legierungen der Gruppe 2 haben eine viel höhere Sättigungsinduktion von etwa 19 kGauss, aber auch eine
stark negative magnetokristalline Anisotropie, die verhindert, daß diese Materialien gute weiche magnetische Materialien sind. Beispielsweise liegt die Anfangspermeabilität von Co90FeIO bei nur etwa 100 bis 200.
Die Legierungen der Gruppe 3 sind extrem brüchig und daher für den vorliegenden Zweck nicht verwendbar.
Weiterhin sind in der DE-OS 23 64 131 amorphe Legierungen der Formel
Μμ-θοΥιο-30Z0.1 -15
beschrieben, worin M Co und Fe, Y B und C und Z Al, Si,
Sn, Sb, Ge, In oder Be sein können. Für diese Legierungen findet sich der Hinweis, daß sie einzigartige magnetische Eigenschaften besitzen, ohne daß aber
die Magnetostriktion oder Sättigungsinduktion erwähnt sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand nun darin, für Netztransformatoren und
Signalwandler besser geeignete Legierungen mit niedriger magnetischer Anisotropie und guter Duktilität
zu bekommen.
Erfindungsgemäß verwendet man für diesen Zweck zu wenigstens 50% glasartige Legierungen der allgemeinen Formel
worin χ im Bereich von 0,84 bis 1,0, a im Bereich von 78
bis 85 Atom-%, 6 im Bereich von 10 bis 22 Atom-% und
cim Bereich von 0 bis 12 Atom-% sowie die Summe von b und c im Bereich von 15 bis 22 Atom-% liegen, mit
einer Magnetostriktion von -t-SxlO-6 bis -5x10 6
und einer Sättigungsinduktion von wenigstens 10 kGauss.
Bevorzugte Beispiele glasartiger Metallegierungen nach der Erfindung mit einer Magnetostriktion von im
wesentlichen Null sind beispielsweise
Co74Fe6B30, Co74Fe6Bi4C6 und Co74Fe6Bi6C4.
Diese glasartigen Legierungen besitzen niedrige magnetische Anisotropie wegen ihrer glasartigen Struktur, doch behalten sie dennoch eine hohe Sättigungsinduktion von etwa 11,8 kGauss und ausgezeichnete Duktilität. Einige magnetische Eigenschaften sind in der Tabelle I aufgeführt.
Diese glasartigen Legierungen besitzen niedrige magnetische Anisotropie wegen ihrer glasartigen Struktur, doch behalten sie dennoch eine hohe Sättigungsinduktion von etwa 11,8 kGauss und ausgezeichnete Duktilität. Einige magnetische Eigenschaften sind in der Tabelle I aufgeführt.
| Tabelle I | CO74Fe11B211 | Cu74Fe6B14C, | C74Fe6B16C4 |
| 11,8 0,03 9,8 760-810 |
11,8 0,04 |
11,8 0,03 |
|
| B% (kGauss) H, (abgeschreckt) (Oe) B, (abgeschreckt) (kGauss) T1- (0K) |
|||
In der Zeichnung bedeutet
F i g. 1, bei der auf den Koordinaten die Induktion in
kGauss und das angelegte Feld in Oe aufgetragen ist, die
Hysterese-Kurve einer glasartigen Legierung nach der Erfindung mit der Zusammensetzung Co74Fe6B3O und
Fig.2, in der auf den Koordinaten (a) die
Koerzitivkraft in Oe und (b) die Magnetostriktion in Mikroverformungen und die Zusammensetzung in
Atomprozenten aufgetragen ist, die Abhängigkeit der «1
Koerzitivkraft und der Magnetostriktion von dem Wert χ einer glasartigen Legierung nach der Erfindung mit
der Zusammensetzung(Co,Fei -xJeoB»
Die Gleichstrom-Hysterese-Kurve für ein aufgewikkeltes
und abgeschrecktes Toroid einer der erfindungs- r> gemäß verwendeten Legierungen (Co74Fe6B20) ist in
Fig. 1 gezeigt. Die hohe Sättigungsinduktion dieser Legierung im Vergleich mit derjenigen bekannter
glasartiger Legierungen stammt aus der Verwendung von Bor als Hauptmetalloid oder einziges Metalloid und
von Kohlenstoff als zweites Metalloid. Im allgemeinen haben die glasartigen Legierungen nach der Erfindung
wesentlich höhere Sättigungsinduktionen und Curie-Temperaturen (Tc) als andere glasartige Legierungen
mit dem gleichen Übergangsmetallgehalt, doch mit einem Gehalt anderer primärer Metalloide als Bor und
Kohlenstoff. Ohne Bindung an irgendeine spezielle Theorie wird doch angenommen, daß diese überraschenden
besseren Eigenschaften durch das Vorhandensein von Bor und Kohlenstoff erhalten werden, die eine
geringere Ladung auf die c/-Banden des Übergangsmetalls
als die anderen Metalloidelemente übertragen.
Fig.2 zeigt die Veränderung der Sättigungsmagnetostriktion
A5 und der Koerzitivkraft Hc für die glasartige
Legierung (Co,Fei . ,/80B20 über einen Bereich für χ von
0,625 bis 1,0 (oder entsprechend für die glasartige Legierung Co^Few-j-BM über den Bereich für y von 50
bis 80 Atom-%). Wegen der Abwesenheit von magnetokristalliner Anisotropie in diesen glasartigen
Legierungen folgt die Zusammensetzungsabhängigkeit to
von Hc eng derjenigen des absoluten Wertes der
Sättigungsmagnetostriktion A5.
Werte von A* die noch näher an Null sind, kann man für Werte von χ im Bereich von etwa 0,91 bis 0,98
erhalten. Für solche bevorzugten Zusammensetzungen hi
ist A1 kleiner als 2 χ ΙΟ-6. Im wesentlichen Nullwerte für
die Magnetostriktion erhält man für Werte von χ im Bereich von etwa 0.92 bis 0,96, und demnach sind solche
Zusammensetzungen am meisten bevoi-z-gt.
Die erfindungsgemäß verwendeten glasartigen Legierungen werden bequemerweise nach allgemein leicht
verfügbaren Methoden hergestellt, wie sie beispielsweise in d<:n US-PS 38 45 805 und 38 56 513 beschrieben
sind. Im allgemeinen werden die glasartigen Legierungen in der Form endloser Bänder, Drähte usw. aus einer
Schmelze der erwünschten Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von wenigstens eiwa 105K/Sek.
abgeschreckt.
Mit erhöhtem Gesamtmetalloidgehalt innerhalb der beanspruchten Bereiche ist im allgemeinen ein erhöhter
Kohlenstoffgehalt verbunden.
Die Leichtigkeit der Gasbildung wird durch Verwendung von Kohlenstoff im Bereich von 0 bis etwa 4
Atom-% zusammen mit einem Gesamtmetalloidgehalt von etwa 17 bis 20 Atom-% erhöht. Demnach sind
solche Zusammensetzungen bevorzugt.
Die Wirkung der Metalloide auf die Magnetostriktion ist für die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen
klei.i. Null-Magnetostriktion wird für ein Verhältnis von
Co : Fe von etwa 11,5 :1 in den kristallinen Legierungen
(Co92Fee) sowie in den erfindungsgemäß verwendeten
glasartigen Legierungen, wie Co/iaFee^B» und
Tabelle Il bringt einen Vergleich relevanter magnetischer
Eigenschaften von erfindungsgemäß verwendeten nullmagnetostriktiven Legierungen mit Legierungen
nach dem Stand der Technik. Ungefähre Werte oder Bereiche sind für die Sättigungsinduktion B5, die
magnetokristalline Anisotropie K und die Koerzitivkraft Wc angegeben. Niedrige Koerzitivkraft erhält man
nur, «-c«n sowohl A1 als auch K nahe Null gehen. Die
große negative Anisotropie der kristallinen Co-Fe-Legierung ist ein Nachteil. Diese große Anisuiropie kann
beseitigt werden, wenn man eine glasartige Legierung in etwa dem gleichen Verhältnis von Co : Fe wie dem der
kristallinen Legierungen in Tabelle Il herstellt, wobei die Null-Magnetobtriktion erhalten bleibt. Die Anwesenheit
der Metalloide P, Si und Al verschlechtert jedoch den ferromagnetischen Zustand so weit, daß die
verfügbare Flußdichte niedrig ist. Die erfividungsgemäß verwendeten glasartigen Legierungen besitzen im
Gegensa'7 dazu eine Magnetostriktion von Null oder nahezu Null mit wesentlich verbcsserler Flußdichte im
Vergleich mitden80%igen Nickellegierungen.
(k(iiiiiss)
(I(Γ ory/enf)
(OcI
Legierungszusammensetzung
(Atomprozente)
Bekannte kristalline Legierungen
| 78-80% NP | 6 bis 8 | f — ι |
0.01 |
| 88-94% Co* | 19 | -10' | - |
| 9".-, Si. (■)% ΑΓ (Cicw.-%) | Il | ( I | 0.05 |
| Bekannte glasartige Legierungen | |||
| Co11Fe1P16B6AI1 | 7 | + 1 | 0.013 |
| Co-|l'e,Si|5B|„ | fi | ' I | 0.013 |
| Glasartige Legierungen nach der F.rfindung | |||
| Co-, FeJJ,,, | 11.8 | + 1 | 0.03 |
| Co1Fe6B1,C6 | 11.8 | H | 0.04 |
| Co-|Fe6Bl(1C, | 11.8 | + 1 | 0.03 |
| Beispiele j ·> | angelegten Feld (O bis 9 kOc) lag. Die Satt |
I. Probenherstellung
Die glasartigen Legierungen wurden aus der Schmelze nach der Methode der US-PS 38 56 51J (in etwii
IOe" K/Sek.) abgeschreckt. Die resultierenden Streifen xi
mit einem Querschnitt von typischerweise 50μΓηχ1 mm waren praktisch frei von Kristallini tut.
wie durch Röntgenstrahlenbeugungsbilder (unter Verwendung von CuKA-Strahlung) und Abtsstkaloriinctrie
ermittelt wurde. Bänder der glasartigen Legierungen r> waren fest, glänzend, hart und duktil.
2. Magnetische Messungen
Bänder der glasartigen Legierungen von 6 bis IO m Länge wurden zu Spulen aufgewickelt (3.8 cm Außen- 4u
durchmesser), um Probcntoroide nit geschlossenem
magnetischem Weg >ü bilden. Jede Probe enthielt 1 bis
3 g Band. Isolierte Primär- und Sekundärwicklungen (jeweils wenigstens 100) wurden auf den Toroiden
aufgebracht. Diese Proben wurden verwendet, um Hysterese-Kurven (Koerzitivkraft und Remanenz) und
die Anfangspermeabilität mit einem handelsüblichen Kurvenaufzeichner und den Kernverlust (IEEE Stand
106-1972)zu erhalten.
Die Sättigungsinduktion S1 = H+ 4 π M, wurde mit in
einem handelsüblichen Schwingungsprobenmagnetometer gemessen. In diesem Fall wurde das Band zu
einigen kleinen Quadraten (etwa 1 mm χ ! mm) zerschnitten. Diese wurden willkürlich um ihre normale
Richtung orientiert, wobei ihre Ebene parallel zu dem tion stieg linear als eine Funktion der Steigerung des
Eisengehaltes von 11,4 kCjauss für Οη,Βι« bis
12.3 kumiss für Co;nFeioB:o.
Die Magnetisierung gegen die Temperatur wurde von 4,2 bis 1000 K in einem angelegten Feld von 8 kOe
gemessen, um das Sättigungsmoment je Metallatom riß
iind die Curie-Temperatur Tc zu erhalten. Das
Sättigungsmoment stieg linear als eine Funktion der Steigerung des Eisengehalles von l.J Borschen Magnetoncinheiten
je Metallatom für CoanBjn bis 1.4 Borschen
Magnetoneinheiten je Metallatom für Co7oFeioB». In
allen Fällen lag T1 weit oberhalb der Kristallisationstemperatur der glasartigen Legierungen, die im Bereich
von 623 bis 693"C lag. Daher wurde das Tc durch Extrapol?tion vin M(T) für die glasartige Phase
bestimmt. Die extrapolierte Curie-Temperatur von C080B20 fiel in den Bereich von 750 bis 800 K. und die
Zugabe von Eisen steigerte das 7V-noch weiter.
Für die Magneiostriktionsmessungen wurden Halbleiter-Verformungsmeßinstrumente
verwendet, die zwischen zwei kurzen Bandabschnitten befestigt waren. Die Bandachse und die Meßinstrumentachse waren parallel.
Die Magnetostriktion wurde als Funktion des angelegten Feldes aus der Längsverformung in Parallelrichtung
(ΔΙ/ΙΛ ) und in senkrechter Richtung (Al/Ij_) in
Feldebene nach der Formel
λ = 2/3(Δl/l
bestimmt.
bestimmt.
Ai/Ij_)
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:I, Verwendung von zu wenigstens 50% glasartigen Legierungen der allgemeinen Formelworin χ im Bereich von 0,84 bis 1,0, a im Bereich von 78 bis 85 Atom-%, b im Bereich von 10 bis 22 Atom-% und c im Bereich von 0 bis 12 Atom-% sowie die Summe von b und cim Bereich von 15 bis 22 Atom-% liegen, mit einer Magnetostriktion von +5 χ 10~6bis — 5 χ 10"6 und einer Sättigungsinduktion von wenigstens 10 kGauss für Netztransformatoren oder Signalwandler. ,2. Verwendung von zu wenigstens 50% glasartigen Legierungen der allgemeinen Formel nach Anspruch 1, worin χ im Bereich von 0,91 bis 0,98 liegt, und mit einer Magnetostriktion von -t-2 χ 10-* bis —2x 10-6fürdenZwecknach Anspruch 1.3. Verwendung von zu wenigstens 50% glasartigen Legierungen der allgemeinen Formel nach Anspruch 1, worin cim Bereich von 0 bis 4 Atom-% sowie die Summe von b und c im Bereich von 17 bis 20 Atom-% liegen, für den Zweck nach Anspruch I.4. Verwendung von zu wenigstens 50% glasartigen Legierungen der allgemeinen Formel nach Anspruch I, worin χ im Bereich von 0,92 bis 0,96 Atom-% liegt, mit einer Magnetostriktion von im wesentlichen 0 für den Zweck nach Anspruch 1. J05. Verwendung einer zu wenigstens 50% glasartigen Legierung der Formel O^FeeB» nach Anspruch I für den Zweck nach Ar-,pruch Ιό. Verwendung einer zn wenigstens 50% glasartigen Legierung der Formel 0(74Fe6BuCe nach J5 Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1.7. Verwendung einer zu wenigstens 50% glasartigen Legierung der Formel O^FeeBieC» nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1.
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