DE3001889A1 - Magnetischer glasartiger metallegierungsbogen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Magnetischer glasartiger metallegierungsbogen und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Description
Magnetischer glasartiger Metallegierungsbogen und Verfahren zu dessen
Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tempern magnetischer glasartiger Metallegierungsbögen oder -folien in magnetischen
Feldern sowie die dabei erhaltenen magnetischen Materialien.
Glasartige Metallegierungen zeigten attraktive weiche ferromagnetische
Eigenschaften für verschiedene Anwendungsbereiche. Solche weichen magnetischen Materialien können als Teile für
Relais, für. Wechselstromgeneratoren, für Transformatoren, Motoren, magnetische Verstärker, mechanische Gleichrichter, Lagerbehälter,
Schaltkerne, aktive und passive Transducer, magnetostriktive Vibratoren, Telefonmembranen, elektromagnetische
Polschuhe, Magnetbandaufzeichnerköpfe, magnetostatische Abschirmungen,
als ein Pulver für Massenkerne, als Modulatoren und als Sender verwendet werden.
F.E. Luborsky et al. beschreiben in IEEE Transactions on Magnetics,
Band Mag. 11, Seite 1644 (1975) die schlechte Reaktion von Gleichstromeigenschaften von Ringspulen auf magnetisches
Tempern.
F.E. Luborsky et al. beschreiben in Rapidly Quenched Metals, Herausgeber N.J. Grant und B.C. Giessen (MIT Press, Cambridge,
Mass. 1976), Seite 467, daß Spannungsentlastung und bestimmte magnetische Temperungen die magnetischen Gleichstromeigenschaften
glasartiger Fe40Ni4 P1 .B,.-Legierungsbänder verändern.
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Becker et al. lehren in der US-PS 4 116 728 das Tempern von
Ringspulen in parallelen Magnetfeldern.
B.S. Berry beschreibt in der US-PS 4 033 795 ein Verfahren
zum Induzieren magnetischer Anisotropie in einer amorphen ferromagnetischen Legierung, wie dem amorphen ferromagnetischen
Material Fe71-P11-C10. Die Veränderung im Young-Plastizitätsmodul
mit angelegtem Magnetfeld wird verbessert, indem man in einem Magnetfeld in der Querrichtung tempert, und wird
vermindert, indem man in der Längsrichtung tempert.
F. Pfefer et al. beschreiben in Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 6, Seiten 80 bis 83 (1977), daß das magnetische Tempern von glasartiger Fe40Ni.-P14Bfi-Legierung zu
hohen statischen Permeabilitäten führen kann.
Gemäß der Erfindung wird ein magnetischer glasartiger Metalllegierungsbogen
in einem magnetischen Feld, das im wesentlichen senkrecht zu der Bogenoberflache orientiert ist, bei
einer erhöhten Temperatur getempert. Das angelegte magnetische Feld ist ausreichend stark, um eine Magnetisierung im
Inneren des Bogens im wesentlichen in dieser Richtung zu induzieren. Ein zweites schwächeres magnetisches Feld kann in
einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Feld gleichzeitig mit dem ersten Feld oder anschließend bei einer
niedrigeren Temperatur angelegt werden. Das zweite Feld kann zusätzlich noch einmal oder mehrmals angelegt werden.
Der getemperte Legierungsbogen nach der Erfindung besteht aus einem Bogen aus wenigstens einer glasartigen Metallegierung,
vorzugsweise mit einer Permeabilität von wenigstens
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BAD ORIGINAL
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etwa 1000 bei geirnger Induktion- Geringe Induktion ist eine Induktion von etwa 10 bis 100 Guass, Der Ausdruck "Permeabilität",
wie er hier verwendet wird, meint die relative Permeabilität. Die relative Permeabilität ist das Verhältnis
der Induktion in dem Medium zu der Induktion im Vakuum.
Diese Legierungsbögen haben geringe Hystereseverluste und sind äußerst geeignet als Transformatorkerne. Der Koeffizeint
des Beitrages der Ebene parallel zu dem Bogen an der Dichte der freien magnetischen Energie der Legierungsbögen
ist vorzugsweise etwa gleich dem Koeffizienten des senkrechten Anteils an der Dichte der freien magnetischen Energie.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die leicht magnetische Achse im wesentlichen senkrecht zu der Bogenebene.
Vorzugsweise besteht die glasartige Metallegierung im wesentlichen
aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Eisen und Kobalt, von denen bis zu etwa
drei Viertel durch Nickel und bis zu etwa ein Viertel durch eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Vanadin,
Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und Wolfram ersetzt sein können, und der Rest aus wenigstens aus einem
Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor, von denen bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium ersetzt
sein können und bis zu etwa einem Drittel durch Aluminium ersetzt sein kann, plus gelegentlich in üblicher Weise auftretenden
Verunreinigungen.
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BAD ORiGfMAL
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In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Diagramm von statischen B-H-Kurven für einen getemperten
Kern aus einem aufgewickelten Streifen von 5>4 cm breiter Fe40Ni. Ρ,-,Β^-Glaslegierung,
Fig. 2 ein Diagramm statischer B-H-Kurven für gestanzte Kerne von Fe40Ni4 B 2 -Glaslegierungen, in einem Feld
getempert,
4 3 Fig. 3 ein Diagramm des Kernverlustes bei 10 Hz, 10 Gauss der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform und
Fig. 4 ein Diagramm der Impedanzpermeabilität bei 100 Gauss, gemessen an dem ringlaminierten Kern, getempert zum
Zustand C von Fig. 3 mit der Zusammensetzung Fe4ONi4OB2O·
Ein magnetischer glasartiger Metallegierungsbogen wird bei erhöhter Temperatur in einem Magnetfeld getempert oder geglüht,
das im wesentlichen senkrecht zu der Bogenoberflache ausgerichtet ist, wobei das Magnetfeld im wesentlichen so
stark ist, um eine Magnetisierung im Inneren des Bogens im wesentlichen in dieser Richtung zu induzieren. Es ist bevorzugt,
daß ein solches Feld die magnetische Legierung sättigt.
Vorzugsweise wird gleichzeitig ein schwächeres Magnetfeld im. wesentlichen senkrecht zu dem ersten Feld zusammen mit
diesem ersten Feld bei der ausgewählten erhöhten Temperatur oder auch nachfolgend bei Temperaturen zwischen etwa 25
und 1OO° C unterhalb der erhöhten Temperatur verwendet.
Der Ausdruck "glasartig", wie er hier verwendet wird, meint einen Zustand, in welchem die Komponentenatome in ungeordneter
Weise angeordnet sind, d.h. es gibt keine Ordnung über
fläÖÖ"! 1 /07 B ^
einen längeren Bereich. Ein solches glasartiges Material ergibt breite, diffuse Beugungspeaks, wenn es elektromagetischer
Strahlung mit Wellenlängen im Röntgenstrahlenbereich (etwa 0,01 bis 50 S Wellenlänge) ausgesetzt wird. Dies steht
im Gegensatz zu einem kristallinen Material, in welchem die Atome der Komponenten in einer bestimmten Ordnung angeordnet
sind und scharfe Beugungspeaks ergeben. Ein primär glasartiges Material kann auch eine kleinere Menge kristallines Material
einschließen. Obwohl die Legierung primär glasartig ist, ist es bevorzugt, daß sie im wesentlichen glasartig
ist, um die Gefahr eines Wachstums von Kristalliten bei hohen Temperaturen (oberhalb 200° C) auf ein Minimum herabzusetzen,
was zu einem wesentlichen Verlust an weichen magnetischen Eigenschaften führen würde.
Es ist erwünscht, daß der magnetische glasartige Metallegierungsbögen
nach der Erfindung innerhalb des Erfindungsgedankens auch mehrere übereinander angeordnete Bögen einschließt.
Ein glasartiger Metallegierungsbögen ist nach seiner Fabrikation im allgemeinen relativ dünn. Demnach ist es
allgemein erforderlich, eine solche Mehrzahl oder Anordnung übereinanderliegender Bögen zu verwenden. Die glasartigen
Metallegierungsbögen sind beispielsweise Bögen, Bänder, Streifen, Filme, Folien, Platten oder Schichten, Solche Bögen
können gemäß den US-PSen 3 862 658, 3 881 540 und 4 077 462 und gemäß der BE-PS 859 694 erhalten werden. Relevante
Teile dieser Patente seien zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
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BAD ORIGINAL
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Der glasartige Metallegierungsbogen hat allgemein eine Dicke
zwischen etwa 0,02 und 0,1 mm und vorzugsweise zwischen etwa 0,03 und 0,06 mm.
Um kompakte ferromagnetische Körper zu erhalten, kann eine Anzahl von Bögen miteinander laminiert werden. Die resultierenden
laminierten Körper sind beispielsweise Stäbe, zylindrische Kerne, hufeisenförmige Kerne und dergleichen.
Die magnetischen glasartigen Metallegierungsbogen zeigen
bei ausreichend niedriger Temperatur, besonders unterhalb der Curie-Temperatur, zusammenwirkende magnetische Phänomene
und besonders Ferromagnetismus.
Die bei der Herstellung der Bögen verwendeten glasartigen Metallegierungen bestehen im wesentlichen aus etwa 70 bis
90 Atom-% wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Eisen und Kobalt, von denen bis zu etwa drei Viertel durch Nickel
und bis zu einem Viertel durch eines oder mehrere der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und
Wolfram ersetzt sein können, wobei der Rest aus wenigstens einem Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor
von denen
besteht,/bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium ersetzt sein können und bis zu etwa einem Drittel durch Aluminium und übliche Verunreinigungen ersetzt sein können. Der Teilersatz von Eisen und/oder Kobalt durch Nickel kann zu höheren Permeabilitätswerten führen. Der Teilersatz der Metalloidelemente kann erfolgen, um die Bildung des glasartigen Fadens während des Gießens aus dem geschmolzenen Zustand zu verbessern und/oder dessen Eigenschaften einschließlich der magnetischen Eigenschaften zu verbessern.
besteht,/bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium ersetzt sein können und bis zu etwa einem Drittel durch Aluminium und übliche Verunreinigungen ersetzt sein können. Der Teilersatz von Eisen und/oder Kobalt durch Nickel kann zu höheren Permeabilitätswerten führen. Der Teilersatz der Metalloidelemente kann erfolgen, um die Bildung des glasartigen Fadens während des Gießens aus dem geschmolzenen Zustand zu verbessern und/oder dessen Eigenschaften einschließlich der magnetischen Eigenschaften zu verbessern.
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BAD ORIGINAL
Der Austausch durch Nickel in einer Menge von mehr als etwa drei Viertel der Gesamtmenge an Eisen und/oder Kobalt neigt
dazu, die Restinduktion zu vermindern und somit die Flußkapazität auf unannehmbar niedrige Werte zu vermindern. Ein bevorzugter
maximaler Austausch durch Nickel beträgt etwa drei Fünftel der Gesamtmenge an Eisen und/oder Kobalt, um
eine Hohe Flußkapazität (flux carrying capacity) zu erhalten.
Die glasartigen Metallegierungen enthalten ohne den Teilaustausch gegen Metalle und Metalloide Zusammensetzungen, die
im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines der Metalle Eisen und Kobalt bestehen, wobei der Rest aus
wenigstens einem der Elemente Bor, Kohlenstoff und Phosphor besteht. Beispiele sind etwa die folgenden nominalen Zusammensetzungen:
Fe80B20, Fe86B14, Co74Fe6B30, Fe54Co16B20 und
Fe6QCo18B1^ (die Zahlenangaben bedeuten Atomprozente). Die
glasartigen Metallegierungen enthalten auch mit maximalem Teilaustausch sowohl durch Metalle als auch durch Metalloidelemente
Zusammensetzungen, die im wesentlichen aus etwa 19 bis 22 Atom-% wenigstens eines der Metalle Eisen und
Kobalt, etwa 56 bis 65 Atom-% Nickel, etwa 9 bis 17 Atom-% wenigstens eines der Elemente Bor, Kohlenstoff und Phosphor
und etwa 4 bis 8 Atom-% wenigstens eines der Elemente Silicium und Aluminium bestehen. Zusammensetzungen zwischen den
Bereichen mit geringstem und größtem Austausch, wie Fe4ONi4OP14B6' Ni5OFe3OB2O Und Ni49Fe29P14B6Si2 sind eben~
falls eingeschlossen.
Bis zu etwa 10 Atom-% Eisen und/oder Kobalt können auch durch andere Ubergangsmetallelemente ersetzt werden, die
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üblicherweise mit Eisen und Kobalt legiert werden, ohne die erwünschten magnetischen und mechanischen Eigenschaften der
bei der Erfindung verwendeten glasartigen Metallegierungen nachteilig zu beeinflussen. Ein solcher Austausch bzw. Ersatz
kann vorgenommen werden, um eine Verbesserung spezieller Eigenschaften, wie der Härte, der Korrosionsbeständigkeit,
des elektrischen Widerstandes und dergleichen, zu erhalten. Beispiele solcher Ubergangsmetallelemente sind etwa
Chrom, Molbydän, Kupfer, Mangan, Vanadin, Niob, Tantal und Wolfram. Beispiele glasartiger Legierungen, die zweckmäßig
nach der Erfindung verwendet werden, sind etwa solche der folgenden nominalen Zusammensetzungen: Fe63Co15Mo2B2 ,
Fe40Ni38Mo4B18, Fe71Mo9C18B3, Fe37Ni37Cr4B23, Fe67Ni10Cr3B20
Fe78MOpB20 und Fe40Ni38Mo4B18. Kobalthaltige Zusammensetzungen
glasartiger Legierungen, die für die Verwendung in den weichen ferromagnetischen Legierungen nach der Erfindung geeignet
sind, sind etwa jene der Formel Co Fe Ni M , worin M
U V W Z
Bor, Kohlenstoff, Silicium oder Phosphor bedeutet, u etwa 4O bis 80, ν etwa 5 bis 15, w etwa 10 bis 50 und ζ etwa 15
bis 20, alle in Atomprozenten, sind, wobei die Summe von u+v+w+z= 100 ist.
Die Bestandteilselemente der nominalen Zusammensetzungen können innerhalb einiger Atomprozente ohne wesentliche Verän
derung der Eigenschaften variiert werden. Die Reinheit aller
Zusammensetzungen ist jene, die man in der normalen industriellen Praxis findet»
Bei einer bestimmten Feldstärke ist die Effektivität als ein weiches magnetisches Material bei magnetischen Anwendungen,
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BAD ORIGINAL
wie als Transformatorenkerne, umso größer, je hoher die Permeabilität
der glasartigen Metallegierung ist. Der Begriff "Permeabilität", wie er hier verwendet wird, meint relative
Permeabilität. Die relative Permeabilität ist das Verhältnis der Induktivität in dem Medium zu der Induktivität im Vakuum.
Eine Permeabilität von wenigstens etwa 1000 bei niedriger Induktion wird als erwünscht angesehen, um praktisch brauchbare
weiche magnetische Materialien zu entwickeln. Niedrige Induktion ist eine Induktion von etwa 10 bis 100 Gauss. Solche
Werte können durch geeignete Auswahl der Legierungszusammensetzung und/oder durch geeignete Behandlung des Bogems
erreicht- werden.
Glasartige Metallegierungen, wie Fe40Ni. P..^B, und FeQO B20/
haben den Vorteil, daß sie ausnehmend hohe Permeabilität entwickeln, wenn sie während ihrer Verarbeitung abgeschreckt
werden. Einzelheiten der Verfahrensbedingungen und Methoden zur Bildung glasartiger Metallegierungen sind leicht erhältlich,
siehe die US-PSen 3 856 513 und 3 845 805.
Die für die Temperung nach der Erfindung verwendeten Felder können ein erstes statisches Magnetfeld, das im wesentlichen
senkrecht zur der Bogenebene ausgerichtet ist, und ein zweites schwächeres statisches Magnetfeld, das im wesentlichen
parallel zu der Bogenebene ausgerichtet ist, sein. Alternierende elektromagnetische Felder können ebenfalls bei
Frequenzen bis zu etwa 100 kHz verwendet werden- Außerdem können die magnetischen Felder intermittierend als pulsierende
Felder verwendet werden.
030G31/0755
Das erste magnetische Feld sollte ausreichen, um eine Flußdichte bzw. magnetische Kraftliniendichte von wenigstens
etwa einem Viertel der Sättigungsinduktion der glasartigen magnetischen Legierung zu induzieren. Vorzugsweise ist das
angelegte erste Feld wenigstens das 1,1 fache der Sättigungsinduktion in Gauss der magnetischen glasartigen Legierung
bei der erhöhten Temperatur der ersten Temperung. Das erste magnetische Feld sollte vorzugsweise wenigstens etwa 100 Örsted
haben. Das Anlegen des ersten magnetischen Feldes bei der erhöhten Temperatur und das Herabkühlen in dem Feld
führt zu einem Bogen mit einer leichten magnetischen Achse senkrecht zu der Bogenebene.
Alternativ sollte im Hinblick auf die Beziehung Hi = H - 4||M, worin Hi das innere Magnetfeld, H das angelegte Magnetfeld
und M die magnetische Induktion in cgsemu-Einheiten (H in Örsted, M in Gauss) bedeuten, das innere Feld Hi wenigstens
etwa Qrsted hat.
Das zweite Magnetfeld sollte ausreichen, um im wesentlichen den Bogen in einer Richtung in der Ebene zu sättigen. Vorzugsweise
ist die Richtung des zweiten Feldes in der Ebene die Richtung des Flusses bzw. der Kraftlinien der magnetischen
Felder, die bei den Anwendungen des Bogens auftreten. Im allgemeinen kann das zweite Magnetfeld eine Menge zwischen
etwa 1 bis 1O Örstedt erreichen, kann gleichzeitig mit dem
ersten Feld bei erhöhter Temperatur oder anschließend bei niedrigerer Temperatur verwendet werden.
In der Ausführungsform, bei der das erste und zweite Feld nacheinander verwendet werden, sollte das Anlegen der Felder
030031/0755
vorzugsweise im wesentlichen zu einer Sättigung in der betreffenden
Richtung führen. Nacheinanderanwendung eines ersten und eines zweiten Feldes kann erreicht werden, indem
man zeitlich gestaffelte Felder pulsieren läßt. Solche Impulse können eine Zeit von etwa einer Millisekunde bis zu
einer Stunde dauern und liegen vorzugsweise bei einer Zeit von etwa einer Sekunde bis einer Minute.
Die erhöhte Temperatur sollte vorzugsweise unterhalb der Glasübergangstemperatur T und oberhalb etwa 225° C liegen.
Die Glasübergangstemperatur T ist die Temperatur, unterhalb
14 welcher die Viskosität des Glases 10 Poxsen übersteigt.
Die magnetische glasartige Legierung wird in einem ersten Feld bei der erhöhten Temperatur allgemein während etwa
10 Minuten bis 10 Stunden und vorzugsweise zwischen etwa 1 und 2 Stunden getempert. Wenn die erhöhte Temperatur sehr
nahe bei der Glasübergangstemperatur T liegt, können kürzere
Temperungszeiten geeignet werden. Unter diesen Bedingungen
sollte das erste Magnetfeld vorliegen. Gegebenenfalls kann auch das zweite Magnetfeld vorliegen. Sodann wird die magnetische
glasartige Legierung in Gegenwart ähnlicher Magnetfelder mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 0,1 C/Min.
und 100 C/Min. und vorzugsweise zwischen 0,5 C/Min. und 5 C/Min. gekühlt. Während des Kühlverfahrens steigt die Sättigungsinduktion
der glasartigen Metallegierung allgemein, doch ist es nicht erforderlich, die Magnetfelder zu verändern,
wenn man auf die oben angegebenen Bereiche kühlt. Die angegebene Temperungsstufe kann unterbrochen werden, wenn
eine Temperatur zwischen etwa 100 und 250° C und vorzugsweise zwischen etwa 150 und 200° C erreicht wurde.
030Q31/075K
Vorzugsweise wird das zweite Feld anschließend an das erste
Feld angelegt. Der magnetische glasartige Metallegierungsbögen
wird auf eine Temperatur zwischen etwa 25 und 100 C geringer als die erhöhte Temperatur während einer Zeit von
bis zu etwa 10 Stunden und vorzugsweise während einer Zeit bis zu etwa 1 Stunde gebracht. Sodann wird der glasartige Metallegierungsbögen
mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 0,1 C/Min. und 100 C/Min. und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit
zwischen etwa O,5° C/Min. und 5° C/Min. gekühlt. Diese Stufe kann unterbrochen werden, wenn eine Temperatur
zwischen etwa 100 und 225 C und vorzugsweise zwischen 150 und 200° C erreicht ist.
Die zweite Temperungsstufe kann dann einmal oder mehrmals unter den oben genannten Bedingungen wiederholt werden. Vorzugsweise
wird die zweite Temperungsstufe bei der Herstellung von Transformatorenkernen wiederholt, bis ein Minimum
des Kernverlustes erhalten wird. Im allgemeinen wird ein solches
Minimum mit weniger als etwa lOsekündigen Temperungen
und gewöhnlich bei weniger als etwa 3sekündigen Temperungen erreicht.
Breite Bänder von glasartigen Metallegierungsbögen auf der Basis von Fe-Ni, die nach der Erfindung getempert wurden,
zeigen magnetische Eigenschaften in niedrigem Feld, die vergleichbar sind mit jenen herkömmlicher schmaler glasartiger
Metallegierungsbänder ähnlicher Zusammensetzung. Außerdem zeigen ringlaminierte Kerne, wenn sie nach der Erfindung im
Magnetfeld getempert wurden, Eigenschaften vergleichbar jenen gewerblicher Permalloymetalle und Ferrite, und der getem-
030031/07 5 5
3001883
perte glasartige magnetische Legierungsbogen nach der Erfindung
kann verwendet werden, wo niedrige Magnetisierungsverluste erfordert werden, wie für Transformatorenkerne.
Ein Kern aus einem aufgewickelten Streifen ist ein zusammengerollter
Streifen, der im wesentlichen zylindrische Symmetrie hat, wobei die zweidimensionalen Tangentenebenen der
Streifenoberfläche parallel zu Ebenen liegen, die durch die Zylinderachse gehen.
Ein ringlaminierter Kern ist ein Stapel ebener Kreisringe, der im wesentlichen Zylindersymmetrie hat, wobei die zweidimensionalen
Tangentenebenen der Ring senkrecht zu der Zylinderachse liegen.
Hp (parallel) für einen Kern aus einem aufgewickelten Streifen ist in einer Richtung in einer tangentialen Ebene ausgerichtet,
und diese Ebene ist an jedem Punkt entlang dem Streifen senkrecht zu der Richtung der Zylinderachse.
Nh (senkrecht) für einen Kern aus einem aufgewickelten Streifen ist in einer Richtung senkrecht zu der Tangentialebene
ausgerichtet.
Hp (parallel) für einen ringlaminierten Kern ist in der Tangentialebene
ausgerichtet.
Hn (senkrecht) für einen ringlaminierten Kern ist parallel zu der Zylinderachse ausgerichtet.
Ein Koordinatensystem wird für jeden Punkt eines ringlaminierten Kernes folgendermaßen eingeführt: Die x-Achse liegt in
dem Tangentenabstand zum Ring in einer Richtung senkrecht zu der kürzesten Verbindungslinie zwischen dem Punkt und der Zy-
030031/0755
BAD ORiGiNAL
Linderachse. Hp fluchtet mit der x-Achse. Die y-Achse liegt
in dem Tangentenabstand zu dem Ring in der Richtung von der Zylinderachse zu dem Punkt, Die z-Achse liegt in einer senkrechten
Richtung zu der Tangentenebene und bildet zusammen mit der x-Achse und der y-Achse ein rechtsgängiges Koordinatensystem.
Hn fluchtet mit der z-Achse. In diesem Abstand werden Kugelkoordinaten eingeführt, indem die Koordinaten
eines Vektors einer Einheitslänge folgendermaßen definiert werden:
χ = sin (Theta) cos (Phi)
y = sin (Theta) sin (Phi)
ζ = cos (Theta)
y = sin (Theta) sin (Phi)
ζ = cos (Theta)
In dem ringlaminierten Kern kann eine magnetische freie Ener-M
giedichte FM in Erg/cm definiert werden.
K ist als der isotrope Beitrag zu F in Erg/cm bezeichnet.
Kp wird als der Koeffizient des parallelen Beitrags zu FM
bezeichnet.
K wird als der Koeffizient des senkrechten Beitrags zu FM
bezeichnet.
Die folgende Gleichung gilt:
Fm = K0 + Kp /cos2 (Theta) + sin2 (Phi]_7 + Kn sin2 (Theta) +
2
KD cos Θ.
KD cos Θ.
2
Der Ausdruck K cos θ bedeutet die Demagnetisierung und Formanisotropie.
Der Ausdruck K cos θ bedeutet die Demagnetisierung und Formanisotropie.
Der optimale Kernverlust und die optimale Permeabilität in einem Material liegen vor, wenn K etwa gleich K ist. In die-
2
sem Fall brauchen F = KQ + Kp sin θ bei Vernachlässigung
sem Fall brauchen F = KQ + Kp sin θ bei Vernachlässigung
030031/0755
BAD ORIGINAL
des Ausdruckes K und die Spins eine potentielle Barriere
nicht zu überschreiten, um aus der Ebene wie in einer Blochwand auszuschwingen. Eine direkte Messung von K und K ist
j edoch schwierig *
Ein Tempern in dem ersten Feld, das senkrecht zu der Bogenebene ausgerichtet ist, führt zu K
> K , und die B-H-Kurve ist überschnitten. Wiederholtes aufeinanderfolgendesTempern
in dem zweiten Feld steigert das Verhältnis K /K . An einem Punkt in einer solchen Folge wird ein Kernverlustminimum
beobachtet, und dann ist K /K etwa 1. Das Tempern magnetischer Legierungsgläser, um K /K etwa gleich 1 zu erhalten,
hängt von zahlreichen Variablen, wie der Curie-Temperatur T , der Sattxgungsmagnetisierung 4 Ms, der Probenform, der Empfänglichkeit
für Feldtemperung, den Erhitzungs- und Kühlgeschwindigkeiten,
der Temperungstemperatur ΤΛ, der Kristallisationstemperatur
T , der Glasübergangstemperatur T und dem
angelegten Feld, ab.
Die Magnetisierungsverluste und Permeabilitäten metallischer Gläser werden verbessert durch Einführung von mehr Blochwänden.
Die Abwesenheit von Korngrenzen in diesen nicht kristallinen Materialien macht eine Steuerung der Größe der
Weiss"sehen Bezirke (domain size) durch die Korngröße unmöglich.
Eine Verminderung der Energiedichte der Blochwände (domain walls) in einer bestimmten Probe führt jedoch zu
einer Glexchgewichtskonfiguration, die mehr Blochwände enthält. Ein Weg zur Verminderung der Blochwand-Energiedichte
ist die, eine leichte Achse in der Richtung einem Feld zu induzieren, daß die Magnetisierung im Zentrum der Blochwand,
0 30 0 31/0755
':"-5V mV·«
BAD ORIGINAL
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d.h. senkrecht zu der Ebene der Probe, stattfindet. Dies ist
nicht leicht durchführbar für einen Kern aus einem aufgewickelten
Streifen, doch ist dies leicht durchführbar in einem rxnglaminierten Kern unter Verwendung von Permanentmag
neten für die Erzeugung von H zusätzlich zu dem Umfangsfeld
Durch Variieren der relativen Größe der beiden induzierten Anisotropien (K bzw. Kp) bekommt man eine Bedingung, die
die Eigenschaften in niedrigem Feld optimiert.
Praktisch sollte das Tempern in einem starken Feld stattfinden, das senkrecht zu der Bogenebene ausgerichtet ist (H grö
ßer oder etwa gleich 4H Ms (T ) ) , und dann sollte Stufe für
Stufe K erhöht werden. Die Probe sollte durch optimale Kernverlustwerte gehen, wenn anfangs K /K >
1 und am Ende
VKn > 1 ist*
Beispiel 1
Beispiel 1
Mehrere Ringspulen aus einem aufgewickelten Streifen wurden aus Streifen von glasartiger Legierung Fe40Ni4O pi4B6 ^n ei-ner
Breite von 5,4 cm hergestellt. Sie wurden 2 Stunden bei 325° C getempert, sodann mit einer Geschwindigkeit von etwa
1 C/Min. in einem Umfangsfeld von 10 Oe abgekühlt.
Die Ergebnisse für einen solchen Kern mit einem Außendurchmesser von 3,2 cm und einem Gewicht von 12,5 g sind
nachfolgend beschrieben, Kerne aus aufgewickeltem Streifen wurden auch aus breiten Streifen einer glasartigen Metalle-
030031 /
BAD
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gierung Fe4nNi4nB9 hergestellt. Sie wurden bei Temperaturen
von 350 bis 380 C im Magnetfeld getempert.
Mehrere ringlaminierte Ringspulenkerne wurden aus ringförmigen ausgestanzten Teilen aus einem 2 cm breiten Streifen
einer glasartigen Legierung Fe4nNi4nB9 zusammengesetzt. Diese
Kerne wurden verschiedenen Temperungsbedingungen im Magnetfeld ausgesetzt. Die Ergebnisse für einen solchen ringlaminierten
Kern mit einem Innendurchmesser von 1 cm und einem Außendurchmesser von 1,7 cm und einem Gewicht von 3,6 g werden
beschrieben.
Die glasartigen Metallegierungen Fe4nNi4 P14B, und Fe4 Ni4 B„
zeigen die folgenden Eigenschaften: Spezifische Magnetisierung (emu/g): 84, 103; Dichte (g/cm ): 7,5, 7,7; Sättigungsmagnetisierung
4 i| M (kG) : 7,9, 10,0; Curie-Temperatur T ( C) : 247, 395; Kristallisationstemperatur T (°C): 380, 389.
Zusätzlich zu der einfachen Umfangsfeldtemperung wurden einige
der ringlaminierten Kerne einem magnetischen Feld senkrecht zu den Bogenebenen ausgesetzt.
§t§G§5£^S§2n§tf§ldtemgerun2en_von_Fe4nNi4 P1^B,!Legierung
Eine B-H-Kurve ist eine Aufzeichnung der magnetischen Induktion in Abhängigkeit von dem angelegten Magnetfeld H für ein
Material, das zusammenwirkende magnetische Effekte zeigt. Die B-H-Kurve des im Magnetfeld getemperten Kern aus aufgewickeltem
Streifen von 5,4 cm Breite aus einer Glaslegierung Fe4nNi4nP^4B,- ist in der ausgezogenen Kurve in Fig. 1 ge-
030 0 31/0755
BAD ORIGINAL
zeigt- Das Parallelfeld H in ümfangsrichtung ist als H, bezeichnet.
Hier ist H 0,6 Oe, und H ist 0,014 Oe, Wenn H
max c max
0,2 Oe ist, dann ist H 0,0125 Oe. Eine starke Verbesserung bezüglich der Eigenschaften des Körpers, wie er gegossen ist
(gestrichelte Linie in Fig. 1), wird durch Tempern im Magnetfeld realisiert. Die Anfangsmagnetisierungskurve (im Magnetfeld
getempert) zeigt Glexchstromperineabilitate bei 20, 40 und 100 Gauss von 7500, 10 000 bzw. 16 000.
Der Kernverlust für die Probe Fe4 Ni P14B6 beim Tempern ist
3
für die Frequenzbereiche 10 kleiner oder etwa gleich f,
für die Frequenzbereiche 10 kleiner oder etwa gleich f,
5 2
kleiner oder etwa gleich 10 Hz und 5 χ 10 kleiner oder gleich B , kleiner oder etwa gleich 3 χ 10 Gauss durch die
Beziehung L = Af B (2) beschrieben.
A ist eine Konstante gleich 1,05 χ 10 für den Verlust in
Watt/kg, f ist die Frequenz, B ist die maximale Induktion, a = 1,43 und b = 1,59. So waren bei B =10 Gauss und f = 10
und bei 10 Hz die Kernverluste L 0,12 bzw. 3,2 Watt/kg. Diese Kernverlustwerte sind vergleichbat mit den besten Ergebnissen
für schmale Streifen dieser glasartigen Legierung und liegen gerade oberhalb des Bereiches der Werte, die für handelsübliche
80 %ige Nickel-Permalloymetalle und für handelsübliche Ferrite angegeben werden*
Temgern_von_Fe-nNi4nB„ -Leaierun2_im_Ma2netfeld
Im Magnetfeld getemperte Kerne aus aufgewickelten breiten Streifen einer glasartigen Metallegierung Fe4QNi .B„ zeigten
attraktive Eigenschaften in niedrigem Magnetfeld, typischer-
030031/0755
weise H = 0,01 Oe, B = 5400 Gauss. Ringlaminierte Kerne
von glasartiger Metallegierung Fe.Ni B zeigten attraktive
magnetische Gleichstromeigenschaften, wie ein Koerzitivfeld H kleiner oder etwa gleich 0,02 Oe und 6000 kleiner
oder etwa gleicn der remanenten Induktion B (kleiner oder gleich 9000 Gauss) nach dem Kühlen von 350 bis 380° C in
einem ümfangsfeld. Eine Aufeinanderfolge von Temperungen in
gekreuztem Feld mit einem Magnetfeld H ergab einen Anstieg der B-H-Kurven, die in Fig. 2 gezeigt sind. Die Kurve (a)
wurde durch Kühlen von 360° C mit etwa 1° C/Min. in gekreuzten
Feldern H etwa gleich 1 Oe, N etwa gleich 2000 Oe, erhalten. Die Kurven (b) bis (d) wurden nach einer bis drei
zusätzlichen Hitzebehandlungen (Kühlen von 270° C) nur in Anwesenheit des ümfangsfeldes beobachtet.
4 3
Der Kernverlust bei 10 Hz, 10 Gauss für diese Aufeinanderfolge von magnetischen Zuständen ist in Fig. 3 als eine
Funktion der Remanenz nach jeder Temperung gezeigt. Der Quadratbezugspunkt
ist für eine in gekreuztem Feld getemperte Stanzringprobe in einer Stufe Hp = 1 Oe, H = 2000 Oe.
4 Für B = 3,5 kG ist der Kernverlust bei 10 Hz ein Minimum, was eine vorteilhafte Beziehung zwischen K_ und K zeigt.
Bei niedrigeren (höheren) Frequenzen tritt das Minimum bei höheren (niedrigeren) Werten von B auf. Der Kernverlust für
die getemperten Proben, um B = 3,5 kG zu haben, ist etwa
— 12 durch die Gleichung 2 mit A=9xi0 , a = 1,5 und b = 1,75
beschrieben. Der bei 104 Hz, 103 Gauss, L - 1,6 Watt/kg beobachtete
Verlust ist der niedrigste Wert, der für dieses Me-
030031/0755
3001883
tallglas beschrieben ist» Er fällt in den Bereich von Werten
für verschiedene handelsübliche Permalloymetalle und Ferrite.
Weder Kerne aus einem aufgewickelten Band noch ringlaminierte Kerne dieser nur in einem Umfangsfeld H getemperten Zusammensetzung
(B im Bereich von 3,4 bis 8,5 kG zeigend) zeigten Kernverluste bei 10 Hz und 10 Gauss kleiner als 4 Watt/kg.
Die Impedanzpermeabilität bei 100 Gauss der Probe (c) in den Fig. 2 und 3 liegt bei 9800 bei 10 Hz (mehr als das 2fache
derjenigen von MN30 Mn-Zn-Ferrit) und nimmt mit steigender Frequenz geringer ab, als dies in einem Standardkern von
4-79 Mo-Permalloymetall gemessen wurde. Oberhalb 50 kHz zeigt
das Metallglas höhere Permeabilität als der Permalloykern, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist.
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Claims (3)
1. Magnetischer glasartiger Metallegierungsbogen, dadurch gekennzeichnet,
daß die leichte magnetische Achse im wesentlichen senkrecht zu der Bogenebene liegt.
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2. Bogen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient
des parallelen Anteils an der freien magnetischen Energiedichte etwa gleich dem Koeffizienten des senkrechten
Anteils an der freien magnetischen Energiedichte ist.
3. Bogen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er
im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% wenigstens eines Metalles aus der Gruppe Eisen und Kobalt, von denen bis zu
etwa drei Viertel durch Nickel und bis zu einem Viertel durch wenigstens eines der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer,
Molybdän, Niob, Tantal und/oder Wolfram ersetzt sein können, dem Rest aus wenigstens einem Metalloid aus der Gruppe Bor,
Kohlenstoff und Phosphor, von denen bis zu etwa drei Fünftel durch Silicium und bis zu etwa ein Drittel durch Aluminium
ersetzt sein können, sowie gegebenenfalls üblichen Verunreinigungen besteht.
4. Verfahren zur Herstellung eines magnetischen glasartigen Metallegierungsbogens
nach Anspruch 1 bis 3 durch Hitzebehandlung in einem Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß man
ein Magnetfeld bei einer erhöhten Temperatur in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Bogenoberfläche in ausreichender
Stärke anlegt, um eine Magnetisierung im Inneren des Bogens im wesentlichen in dieser Richtung zu induzieren.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man einen glasartigen Metallegierungsbogen mit einer Permeabilität
von wenigstens etwa 1000 bei einer Induktion von etwa 10 bis 100 Gaus verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man aufeinanderfolgend zusätzlich noch ein zweites Magnetfeld
030031/0755
anlegt, das schwächer als das erste Magnetfeld ist und in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Magnetfeld
ausgerichtet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein zweites Magnetfeld mit einer Stärke verwendet, die
wenigstens etwa 0,1 Örsted beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine erhöhte Temperatur zwischen etwa 225 C und der
Glasübergangstemperatur des Legierungsbogens verwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man eine erhöhte Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur
der verwendeten glasartigen Metallegierung und eine Stärke des Magnetfeldes von wenigstens etwa 1000 Örsted verwendet.
1O. Verfahren nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
man einen glasartigen Metallegierungsbogen verwendet, der im wesentlichen aus etwa 70 bis 90 Atom-% Eisen und/oder
Kobalt, von denen bis zu etwa drei Vierteln durch Nickel und bis zu etwa ein Viertel durch wenigstens eines der Metalle
Vanadin, Chrom, Mangan, Kupfer, Molybdän, Niob, Tantal und/oder Wolfram ersetzt sein können, und dem Rest aus wenigstens
einem Metalloid aus der Gruppe Bor, Kohlenstoff und Phosphor, von denen etwa drei Fünftel durch Silicium und
bis zu etwa ein Drittel durch Aluminium ersetzt sein können, sowie aus üblichen Verunreinigungen besteht.
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