DE2826627C2

DE2826627C2 - Verwendung einer Legierung aus Bor und Eisen zur Herstellung ferromagnetischer Materialien

Info

Publication number: DE2826627C2
Application number: DE2826627A
Authority: DE
Inventors: Ryusuke Morristown N.J. Hasegawa; Ranjan Ray
Original assignee: Allied Corp Morris Township NJ; Allied Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1978-06-19
Publication date: 1983-12-22
Also published as: GB1598886A; JPS5828341B2; US4134779A; DE2826627A1; FR2395321B1; FR2395321A1; NL7806463A; JPS548113A

Description

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Die Gleichgewichtslöslichkeiten von Bor in a-Fe (Ferrit) und y-Fe (Austenit) sind ziemlich klein, und zwar geringer als 0,05 bzw. 0,11 Atom-.% (Constitution of Binary Alloys, Seiten 249 bis 252, McGraw-Hill Book Co, Ina, 1958). Versuche, die Löslichkeit von Bor in Eisen durch eine Verspritzabschrecktechnik zu steigern, waren ohne Erfolg (Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Band 245, Seiten 253 bis 257,1969) und führten zur Bildung von Ferrit und Fe3B ohne Veränderungen hinsichtlich der Menge der austenitischen Phase. Solchermaßen hergestellte Legierungen mit einem Gehalt von 1,6 und 3,2 Gewichts-% (7,7 bzw. 14,5 Atom-%) Bor sind sehr spröde und können nicht leicht zu dünnen Bändern oder Streifen verarbeitet werden.

Aus der De-As 12 44 417 sind Dauermagnetwerkstoffe aus 0,5 bis 8 Gewichts-% Bor und Rest Eisen bekannt. Aus »Constitution of Binary Alloys«, 1958, Seiten 249 bis 252 ist es bekannt, daß beim Abkühlen einer Schmelze von Eisen—Bor-Legierungen «-Phase entsteht, und in der De-OS 26 05 615 sind Magnetköpfe aus einer 50%ig amorphen Legierung aus 60 bis 95 Atom-% Eisen und 5 bis 40 Atom-% Bor beschrieben. «

Die der Erfindung zugrundeligende Aufgabe bestand nun darin, ferromagnetische Materialien mit hoher Sättigungsmagnetisierung zu erhalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe verwendet man erfindungsgemäß eine Legierung bestehend aus 4 bis 12 Atom-% Bor und Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen als Werkstoff zur- Herstellung von ferromagnetischen Materialien durch ν Abschrecken einer Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10⁴ bis 10⁶⁰CZSeIo, die eine kubisch raumzentrierte Struktur und eine Sättigungsmagnetisierung von 16,6 kG für FeasB« bis 20,0 kG für Fe₉₆B₄ aufweisen.

Diese Legierungen lassen sich leicht als kontinuierliche oder fortlaufende Fäden mit guter Biegeduktfiität gewinnen, indem man ihre Schmelze auf einer sich schnell drehenden Abschreckoberfläche ablagert. Sie besitzen mäßig hohe Härte und Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Sättigungsmagnetisierung und hohe Hitzebeständigkeit Sie werden beispielsweise für Magnetkerne verwendet, die ho'he Bildungsmagnetisierung erfordern.

Die Zusammensetzungen von erfindungsgemäß verwendeten Legierungen sind in der Tabelle ! zusammen mit ihren Gleichgewichtsstrukturen und bei schnellem Abschrecken auf Raumtemperatur erhaltenen Phasen aufgelistet RöntgenstrahlenbeuguRgsanalyse zeigt, daß beim Abschrecken eine einzelne metastabile Phase «%Fe (B) mit raumzentrierter kubischer Struktur erhalten wird. Tabelle I zeigt auch die Veränderung des Gitterparameters und der Dichte in Abhängigkeit von der Bordkonzentration. Es ist ersichtlich, daß das Gitter sich mit der Zugabe von Bor zusammenzieht, was eine vorherrschende Auflösung kleiner Boratome an den Substitutionsstellen des «-Fe-Gitters zeigt Dies wird weiterhin durch die Zahl der Atome in der EinheitszeJle (berechnet aus der Dichte und den Gitterparametern) in der festen Lösung gestützt. Die Atomzahl je Einheitszelle bleibt im wesentlichen konstant bei 2 (innerhalb experimenteller Fehlergrenzen) ungeachtet der Konzentration des Gelösten. Wie bekannt ist, ist dies charakteristisch für eine Substitutions-Feststofflösung. Vergleichsweise liegt reines Fe in der «-Phase (Gleichgewicht) bei Raumtemperatur vor und hai eine mittlere Dichte von 4,87 g/cm³, einen Gitterparameter von 2,8664 und 2,0 Atome je Einheitszelle. Es sei bemerkt, daß nach der Erfindung weder das Gemisch der Gleichgewichtsphasen von a-Fe und FejB, das aus dem Fe-B-Phasendiagramm zu erwarten ist, noch die orthofhombische FejB-Phase, die bisher durch Versprühabschrecken erhalten wurde, gebildet werden.

Tabelle I Rönigenstrahlenanalyse und Dichtemessungen bei unter Abschrecken gegossenen Fe (B)-Bändern

Legiemngs-	Gleichgewichts	Phasen nach dem	Mittlere Dichte	Gitler-	Atomzahl
zusammensetzung	phasen bei Raum	Abschrecken		parameter⁹)	in der
	temperatur				Einheitszelle
(Atom-%)			(g/cm³)	(Angstrom)

Fe₉₆B₄

Fe₉₄B₆
Fe₉₂B₈
Fe₁₁₁B₁₂

a-Fe + Fe₃B

a-Fe + Fe₂B
a-Fe + Fe₂B
a-Fe + Fe₂B

a-Fe (B)
feste Lösung")

a-Fe (B) s.s a-Fe (B) s.s a-Fe (B) s.s 7,74

7,74
7,73
7,55

2,864

2,863
2,861
2,855

2,03

2,06
2,09
2,10

^J) = geschätzte maximale Fehlergrenze = ±0,001 Angström, ^b) = metastabile feste Lösungen von a-Fe (B) vom W-A2-Typ.

Die Bormenge in den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen ergibt sich aus zwei Überlegungen. Die obere Grenze von 12 Atom-% wird durch die Kühlgeschwindigkeit bestimmt Bei den Kühlgeschwindigkeiten von 10⁴ bis ί O⁶⁰CySeIc bilden Zusammenset- ϊ zungen, die mehr als 12 Atom-% Bor enthalten, eine im wesentlichen glasartige Phase und nicht die raumzentrierte kubische Phase einer festen Lösung. Die untere Grenze von 4 Atom-% wird von der Fließfähigkeit der geschmolzenen Zusammensetzung bestimmt. Zusam- m mensetzungen, die weniger als 4 Atom-% Bor enthalten, haben nicht die für das Schmelzspinnen zu Fäden erforderliche Fließfähigkeit

Die Tabelle II zeigt die Härte; die Dehnung beim Bruch und die Temperatur, bei der sich die metastabile r> Legierung in einen stabilen kristallinen Zustand umwandelt Ober den Bereich von 4 bis 12 Atom-% Bor liegt die Härte im Bereich von 4169 bis 9015 N/mm², die Zugfestigkeit im Streich von 1421 bis 2483 N/mm², und die Umwandltingstemperatur im Bereich von 880 bis 770K.

Tabelle II

Mechanische Eigenschaften von schmelzgesponnenen Fe (B)-Bändern in Form einer rajwnzentrierten ku- ^2> bischen festen Lösung

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Legierungs-	Härte	Zug	Umwandlungs
zusammen		festigkeit	temperatur
setzung
(Atom-%)	(N/mm²)		(K)
Fe₉₆B₄	4169	1421	880
Fe₉₄B₆	5464	1669	860
Fe₉₂B,	6847	1931	820
Fe₉₀B)O	7358	2103	795
FetaiJi?	9015	2483	770

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Bei der Umwandlungstemperatur erfolgt eine voranschreitende Umwandlung rj einem Gemisch stabiler Phasen, im wesentlichen von reinem a-Fe und tetragonalem Fe2B. Die hohen Umwandlungstemperatüren der Legierungen nach dem erfindungsgemäßen Abschrecken sind ein Anzeichen für ihre hohe Wärmebeständigkeit

Weitere magnetische Eigenschaften der Legierungen nach der Erfindung sind in Tabelle III aufgelistet. Diese enthalten die Sättigungsmomente in Bohr-Magneton je Fe-Atom sowie die Curie-Temperaturen. Das Sättigungsmoment von reinem Eisen-(a-Fe) ist 2,22 μβ/Fe-Atom und seine Curie-Temperatur 1043 K.

Tabelle IH

Magnetische Messungen mit kristallinen Legierungen

Borgehall Sättigungsmoment Curie-Temperatur

(Atom-%) (μ,,/Fe-Atom) (K)

55

60

2,19
2,17
2,15

978 964 944

65 Borgehalt
(Atom-%)

Sättigungsmoment
(si_e/Fe-Atom)

Curie-Temperatur (K)

2,13
2,10

916
878

Legierungen, die im wesentlichen aus etwa 4 las 6 Atom-% Bor und dem Rest Eisen bestehen, haben B_s-Werte, die mit den kornorientierten Fe-Si-Transformator-Legierungen (B₃= 19,7 kG) vergleichbar sind, und sind bevorzugt In diesem Bereich sind die Legierungen duktil und somit brauchbar in Transformatorksrnen.

Die ferromagnetischen Materialien werden erfindungsgemäß mit Vorteil als längliche Körper hergestellt deren Querabmessung viel kleiner als ihre länge ist wie als Bänder, Drähte, Streifen oder Bögen mit einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Querschnitt

Abschreckgeschwindigkeiten geringer als 10*°C/Sek. führen zu Gemischen bekannter Gleichgewichtsphasen von Λ-Fe und Fe2B. Abschreckgeschwindigkeiten größer als 10⁶⁰CZSeIc. führen zu der metastabilen orthorhombischen FejB-Phase und/oder zu glasartigen Phasen. Kühlgeschwindigkeiten von wenigstens 10⁵⁰C/ Sek. ergeben leicht die raumzentrierte kubische Phase einer festen Lösung und sind demnach bevorzugt

Verschiedene Methoden sind verfügbar, um ferromagnetische Materialien in Form von Bändern, Drähten oder Bögen herzustellen. Typischerweise wird eine spezielle Zusammensetzung .ausgewählt Pulver der Elemente Fe und B in den erwünschten Mengenverhältnissen werden geschmolzen und homogenisiert, und die Schmelze wird rasch abgeschreckt indem sie auf eine Kühlfläche, wie einen sich schnell drehenden Zylinder, gebracht wird. Die Schmelze kann beispielsweise nach dem Schmelzspinnverfahren gemäß der US-PS 38 62 658, nach dem Schmeizziehverfjhren gemäß der US-PS 35 22 836 und nach dem Schmelzextraktionsverfahren gemäß der US-PS 38 63 700 auf die Kühlfläche gebracht werden. Die Legierungen können in Luft in mäßigem Vakuum oder einem Inertgas gebildet werden.

Beispiele

Legierungen wurden aus den angegebenen Elementen (Reinheit höher als 993%) hergestellt und aus der Schmelze in Form fortlaufender Bänder schnell abgeschreckt Typisch« Querschnittsabmessungen der Bänder waren I,5mmx4(^m. Die Dichten wurden durch Vergleich des Probengewichtes in Luft und Bromoform (CBr₄, ρ=2,865 g/cm³) bei Raumtemperatur bestimmt Die Röntgenstrahlenbeugungsbilder wurden mit Filtrierter Kupferstrahlung in einem Diffraktometer aufgenommen. Das Spektrometer war mit einem Siliciumstandard kalibriert, wobei die maximale Fehlerquelle im Gitterparameter auf ±0,001 Angström geschätzt wurde. Die Thermomagnetisierungswerte wurden mit einem Vibrationsproben-Magnetometer im Temperaturbereich zwischen 4,2 und 1050 K aufgenommen. Die Härte wurde mit der Diamantpyramidenmethode unter Verwendung einer Vicker-Kerbeinrichtung gemessen, die aus einem Diamant in der Form einer Pyramide mit einer quadratischen Grundfläche mit einem Neigungswinkel von 136" zwischen einander gegenüberliegenden Flächen bestand. Belastungen von 100 g wurden aufgebracht. Die Ergebnisse der Messungen sind in den Tabelle I, II und III zusammengestellt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung bestehend aus 4 bis 12 Atom-% Bor und Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen als Werkstoff zur Herstellung von ferromagnetischen Materialien durch Abschrecken "einer Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10* bis WC/Sek, die eine kubisch raumzentrierte Struktur und eine Sättigungsmagnetisierung von 16,6 kG für Fe₈SB₁₂ bis 20,0 kG für Fe₉SB₄ aufweisen.

2. Verwendung einer Legierung bestehend aus 4 bis 6 Atom-% Bor für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die durch Abschrecken einer Schmelze mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 10⁵⁰CZSeL hergestellt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

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