DE2947802A1

DE2947802A1 - Ternaere amorphe legierungen aus eisen, bor und silizium

Info

Publication number: DE2947802A1
Application number: DE19792947802
Authority: DE
Inventors: Fred Everett Luborsky; John Lee Walter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-11-29
Filing date: 1979-11-28
Publication date: 1980-06-12
Also published as: JPS5594460A; DE2947802C2; FR2442894B1; FR2442894A1; ES486427A0; ES8102596A1; GB2038358B; CA1145162A; GB2038358A; PH14784A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Metallegierungen und mehr im besonderen bezieht sie sich auf neue amorphe Metalllegierungen mit einer einzigartigen Kombination aus magnetischen und physikalischen Eigenschaften. Weiter betrifft die Erfindung Bänder und andere brauchbare Gegenstände aus diesen Legierungen.

Es ist erkannt worden, daß amorphe Metalle mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung vorteilhaft in elektrischen Apparaten eingesetzt werden können, wie Speise- und Leistungstransformatoren, doch ermangeln solche Legierungen der erforderlichen Duktilität und Stabilität für diesen Zweck. So hat z. B. die eisenreiche Legierung FeQ₀Bp₀ eine 4-ir M von etwa 16 000 Gauss, beginnt jedoch innerhalb von 2 Stunden bei 325°C zu kristallisieren und ist recht schwierig in Form von duktilen Bändern für elektrische Apparaturen herzustellen. Andere bekannte amorphe Legierungen haben eine etwa größere Stabilität und angemessene Duktilität für diesen Zweck, doch ist ihre Sättigungsmagnetisierung zu gering. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß ein sehr enger Bereich von amorphen Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium sowohl die erwünschte Magnetisierung als auch andere Eigenschaften für eine hervorragende Leistungsfähigkeit in elektrischen Apparatu ren, wie Motoren und Transformatoren haben. Infolgedessen ist es jetzt aufgrund der vorliegenden Erfindung möglich, ein amorphes Metall in Form eines Bandes zu schaffen, das ausreichend duktil ist, um in elektrischen Apparaten benutzt zu werden und das gute magnetische Eigenschaften und Stabilität bei erhöhter Temperatur hat.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

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Figur 1 ein Diagramm der Sättigungsmagnetisierung in elektromagnetischen Einheiten/g bei Zimmertemperatur für eine Vielfalt von Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium,

Figur 2 ein ternäres Diagramm der Koerzitivkraft einer Vielfalt von Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium,

Figur 3 ein Diagramm der Kristallisationstemperatur ternärer Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium und

Figur ¹I ein kombiniertes Diagramm der Sättigungsmagnetisierungs-Konturlinien der Figur 1 und der Koerzitivkraft Konturlinien der Figur 2, über die die Konturlinie der Figur 3 bei 32O⁰C gelegt ist. Der schattierte Bereich A, B, C, D, E, F, A bezeichnet die amorphen ternären Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium, die gleichzeitig die Eigenschaften der Sättigungsmagnetisierung von mindestens etwa 17Ί elektromagnetischen Einheiten/g bei etwa 30°C, die Induktionskoerzitivkraft nach dem Glühen von weniger als etwa 0,03 Oersted und die Kristallisationstemperatur von mindestens etwa 320 C haben.

Aus Figur 1 ergibt sich, daß eine hervorragende Gruppe von Legierungen von den Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium innerhalb der gebrochenen Linien erhalten wird, d. h. von 80 Atom-Jt Eisen, 19 Atom-Ϊ Bor und 1 Atom-? Silizium bis zu 8I.3M Atom-? Eisen, 17 1/1 Atom-Ϊ Bor und 1 Atom-? Silizium bis zu 8l 3M Atom-Ϊ Eisen, 12 l/k Atom-? Bor und 6 Atom-Ϊ Silizium bis zu 82 1/4 Atom-Ϊ Eisen, 11 3M Atom-? Bor und 6 Atom-? Silizium. Diese Bezeichnung schließt jedoch nur einen Teil des Spektrums der amorphen Metallegierungen aus Eisen, Bor und Silizium ein, die die einzigartige Kombination von Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung haben. Dieses vollkommene Spektrum wird weiter unten unter Bezugnahme auf Figur k beschrieben.

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In Figur 1 sind die Sättigungsmagnetisierungen für eine Vielfalt amorpher Legierungen aufgetragen. Die Magnetisierungen bei Zimmertemperatur und darunter wurden mit kleinen abgewogenen Probekörpern in einem vibrierenden Probenmagnetometer bis zu einer maximalen Feldstärke von 20 KOe bestimmt. Die Ergebnisse

wurden auf H = oo extra- poliert unter Benutzung einer l/H -Funktion. Die Ergebnisse oberhalb von Zimmertemperatur wurden aus den diesbezüglichen Magnetisierun^skurven erhalten, die bis zum Wert der Magnetisierung bei Zimmertemperatur normalisiert waren. Einer Untersuchung des Diagrammes kann entnommen werden, daß die Legierungen der Erfindung eine erwünschte Sättigungsmagnetisierung von 178 elektromagnetischen Einheiten/g bei Zimmertemperatur (30°C) haben.

In Figur 2 ist die Induktionskoerzitivkraft für eine Reihe von Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium aufgetragen, die bestimmt wurde an 10 cm langen Bändern, die man innerhalb eines 20 cm langen Solenoids anordnete, der dann für 120 Minuten bei einer Temperatur wenige Grade unterhalb der in Figur 3 gezeigten Kristallisationstemperaturen geglüht wurde. Eine kleine Anzeigespule wurde mit einem integrierenden Flußmeßgerät verbunden und die Magnetisierung gegen das Feld wurde dann auf einem X-Y-Aufzeichnungsgerät dargestellt bei langsamer Variation des Feldes. Einer Untersuchung des Diagrammes kann entnommen werden, daß die geringste Koerzitivkraft von 0,02 Oersted bei allen Legierungen gefunden wird, die die erwünschte hohe Sättigungsmagnetisierung von 178 elektromagnetischen Einheiten/g haben, wie sie in Figur 1 gezeigt wird.

Die Kristallisationstemperaturen in Figur 3 wurden bestimmt durch Aufzeichnen der Temperatur, bei der die Koerzitivkraft zu steigen beginnt, nachdem man die Probe 2 Stunden lang erhöhten Temperaturen ausgesetzt hat. Den Diagrammen kann entnommen werden, daß die Legierungen mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung und einer geringen Koerzitivkraft auch annehmbar hohe Kristallisationstemperaturen haben. Kristallisations-

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temperaturen von bis zu 340 C werden für die Legienngen mit 6 % Silizium erhalten, verglichen mit einer Kristallisationstemperatur von 310 - 315°C für die FegpB „-Legierung. Dies ist erwünscht, da es gestattet, die Legierung zu glühen, um die Belastungen zu entfernen und das anfänglich hohe koerzitive Feld zu vermindern, ohne zu gestatten, daß die amorphe Legierung kristallisiert und ihre erwünschten magnetischen Eigenschaften verliert. Die Legierungen nach der vorliegenden Erfindung können daher oberhalb von etwa 32O°C geglüht werden, ohne daß Kristallisation auftritt.

Figur 4 zeigt eine Kombination der Gradientenlinien der Figuren 1 und 2 unter Hinzufügung der Konturlinie der Figur 3 für 320 C. Aus dieser Figur wird das Zusammenfallen der Eigenschaften der hohen Sättigungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur, der hohen Kristallisationstemperatur und der geringen Koerzitivkraft deutlich. Wie der Figur 1 entnommen werden kann, gibt es eine scharfe Zunahme der Steilheit des Gradienten der Konturlinien der Sättigungsmagnetisierung vom Werte 174 elektromagnetischer Einheiten/g zu höheren Werten. Es wurde niemals vorher erkannt, daß in diesem System amorphe Legierungen gefunden werden könnten mit der ungewöhnlichen Kombination der Eigenschaften von Sättigungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur (d. h. etwa 3O⁰C) von mindestens etwa 174 elektromagnetischen Einheiten/g, der Induktionskoerzitivkraft von weniger als etwa 0,03 Oersted und der Kristallisationstemperatur von mindestens etwa 32O°C. Legierungen mit dieser ungewöhnlichen Kombination von Eigenschaften finden sich in dem schattierten Bereich, der durch die Gradientenlinien der Koerzitivkraft, der Sättigungstemperatur und der Kristallisationstemperatur begrenzt ist, deren Schnittpunkte mit A, B, C, D, Έ, F bezeichnet sind. Noch wirksamere Legierungszusammensetzungen finden sich in dem Bereich, der mit a, b, c, d bezeichnet ist und der definiert ist durch die Zusammensetzungen:
8l Atom-Ϊ Eisen, l6 Atom-? Bor und 3 Atom-SS Silizium (Punkt a);

8l 3/4 Atom-J» Eisen, 15 1/4 Atom-Ϊ Bor und 3 Atom-JS Silizium (Punkt d),

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81 1/2 Atom-!? Eisen, 13 1/2 Atom-? Bor und 5 Atom-? Silizium (Punkt b) und

82 Atom-? Eisen, 13 Atom-? Bor und 5 Atom-? Silizium.

Die Legierungen PeQ₁ ^B „Si und FeQ₁ B Si ebenso wie die optimale Zusammensetzung, die einen Eisengehalt von 8l 1/2 Atom-?, ein Borgehalt von 14 1/2 Atom-? und einen Siliziumgehalt von ¹I Atom-? hat, sind Teil des Bereiches a, b, c, d.

Das Herstellen der neuen Legierungen nach der vorliegenden Erfindung, erfolgt durch Vermischen der Legierungsbestandteile in den erforderlichen Anteilen in Form von Pulver und Schmelzen der Mischung zur Herstellung der geschmolzenen Legierung, um daraus Bänder der gewünschten Abmessungen zu gießen. Das Abkühlen erfolgt mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um amorphes Material herzustellen.

Obwohl Variationen hinsichtlich der Schmelzpunkte zwischen den erfindungsgemäßen Legierungen Anforderungen bedingen können, die hinsichtlich des Schmelzens und Gießens varieren, kann doch die Herstellung und Bearbeitung dieser Legierungen mit gleichmäßig zufriedenstellenden Ergebnissen ausgeführt werden. In anderen Worten, die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung sind in einer im wesentlichen routineförmigen Weise reproduzierbar, solange die zusammensetzungsmäßigen Begrenzungen bei der Herstellung der Legierungen streng eingehalten werden.

Bänder aus den erfindungsgemäßen amorphen Legierungen mit Eigenschaften, wie sie im einzelnen in den Figuren 1, 2 und 3 angegeben sind, werden hergestellt durch Richten eines Stromes der Legierung auf die Oberfläche einer sich rasch drehenden Kühlwalze oder Trommel. Ein typisches Band hat eine Dicke von 0,025 cm und ist 0,13 cm breit. Die amorphe Natur des erhaltenden Bandes wird bestätigt durch Röntgenstrahldiffraktion, differentielle Abtastkalometrie und Messungen der magnetischen und physikalischen Eigenschaften. Werden die Segmente für 2 Stunden bei Temperaturen

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im Bereich von 100 bis 400°C in gereinigtem Stickstoff geglüht, dann wird als Kristallisationstemperatur die Temperatur genommen, bei der bei dem 2-stündigen Glühen die Koerzitivkraft abrupt zunimmt .

Um einen Transformator- oder Motorstator herzustellen, können Streifen der vorgenannten Legierung mit einer Breite von etwa 12 mm und einer Dicke von etwa 0,05 mm mit einem Binder, wie Polyamid-Imid überzogen werden und die Streifen werden in 6 Schichten in einem Hohlraum eines nichtmagnetischen Werkzeuges aus rostfreiem Stahl angeordnet, der mit Teflon-beschichtetem Aluminium ausgekleidet ist, wobei alternierende Schichten bei 90° liegen. Die Streifen werden mittels Permanentmagneten, die unter dem Werkzeug angeordnet sind, an Ort und Stelle gehalten, und man preßt den Verbundkörper mit 1*10 kg/cm bei 33O°C für 2 Minuten, nachdem man sich das Werkzeug einige Minuten auf 33O⁰C ohne Druck hat vorerhitzen lassen, um eine Gleichgewichtseinstellung zu erhalten und überschüssige Luft und überschüssiges Wasser aus Werkzeug und Band auszutreiben, Der Verbundkörper wird dann 2 Stunden lang bei 325°C geglüht und hat danach eine geringe Koerzitivkraft und eine hohe Sättigungsmagnetisierung*

Andere Verbundkörper werden mit ähnlichen Ergebnissen mit oder ohne Binder hergestellt. Andere geeignete Binder schließen Epoxyharze, Polyamidimide, Cyanacrylate und Phenolharze ein. Der Binder sollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der mit dem des Metallbandes verträglich ist, er sollte elektrisch isolieren, rasch härten und die thermischen Anforderungen der beabsichtigten Anwendung und Glühung erfüllen, wenn erforderlich. In einigen Fällen gibt es weitere Anforderungen, wie eine Verträglichkeit mit den handelsüblichen Kühlmitteln, wenn der Einsatz für Kompressormotoren zur Raumkühlung erfolgt.

Um einen gewickelten Transformator herzustellen, wird die amorphe Metallfolie mit einer Breite von bis zu 15 cm auf einen Dorn mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt gewickelt. Die Zahl der auf den Dorn aufgebrachten Windungen und die Breite des

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Bandes hängen von der Transformatorstärke ab.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können offensichtliche Modifikationen vorgenommen werden wie ein untergeordneter Gehalt an kristallinem Material, das die Eigenschaften des Gegenstandes nicht ernstlich beeinträchtigt. Je nach dem jeweiligen Gegenstand und seinem beabsichtigten Einsatz kann er bis zu 10 % des kristallinen Materials enthalten.

0 3 0 G 2 4 / G 7 S 3

Claims

Patentansprüche

1. Amorphe Metallegierung aus Eisen, Bor und Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß sie gleichzeitig die Werte der Sättigungsmagnetisierung von mindestens etwa 174 elektromagnetischen Einheiten/g bei etwa 3O⁰C, eine Induktionskoerzitivkraft von weniger als etwa 0,03 Oersted und ,eine Kristallisationstemperatur von mindestens etwa 32O°cY, wobei die Legierung im wesentlichen aus Eisen, Bor und Silizium besteht und eine Zusammensetzung in dem Bereich A, B, C, D, E, F, A, der Figur 4 hat.

2. Legierung nach Anspruch 1 , weiter g-ekennzeichnet durch eine Zusammensetzung im Bereich des ternären Eisen- Bor-und Siliziumdiagrammes, der durch die Zusammensetzungen definiert ist:

81 Atom-! Eisen, l6 Atom-! Bor und 3 Atom-! Silizium; 81 3/4 Atom-! Eisen, 15 1/4 Atom-! Bor und 3 Atom-! Silizium;

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INSPECTED

81 1/2 Atom-SS Eisen, 13 1/2 Atom-JS Bor und 5 Atom-Ϊ Silizium und

82 Atom-Ϊ Eisen, 13 Atom-? Bor und 5 Atom-Ϊ Silizium.

3. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Formel Fe₀. ,Β.,- -Si,.

öl,3 15>7 3

k. Legierung nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch die Formel Fe _Q1 r-B... r-Si,..

öl,b 14,5 4

5. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Formel Fe₃. -,Β., ,Si_c.

dl,7 13,3 5

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