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Hochverschleißfester magnetischer Werkstoff
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(Priorität der japanischen Anmeldung Nr. 155144/82 vom 8.September
1983).
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Die Erfindung betrifft einen hochverschleißfesten magnetischen Werkstoff,
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Es sind verschiedene magnetische Stoffe bzw. Werkstoffe, die eine
amorphe oder kristalline magnetische Legierung enthalten bekannt; sie sind jedoch
insofern ungenügend, als sie keinen hinreichenden Verschleißwiderstand bei der Herstellung
eines Kernes für den Magnettonkopf gewährleisten, so daß eine hinreichend lange
Lebensdauer nicht gegeben ist. Ein sogenannter hochverschleißfester Werkstoff für
den Kern eines magnetischen Tonkopfes aus,z.B. Ferrit wurde mit Hilfe der Pulvermetallurgie
hergestellt. Dieser Werkstoff ist jedoch in nachteiliger Weise porös und bei dem
Pulvermetallurgieverfahren gibt es hinsichtlich der benötigten Form bei diesem Werkstoff
enge Grenzen bzw. Nachteile. Die Neigung des Kernwerkstoffes zu Poren verringert
den Verschleißwiderstand. Wenn auch der durch Erschmelzen gewonnene Werkstoff im
wesentlichen frei von Poren ist, ist er nicht gut genug für einen verschleißfesten
Werkstoff. Falls man hochharte Substanzen in einer zweiten Phase dem ersten Werkstoff,
um den Verschleißwiderstand zu vergrößern, hinzufügt, so werden diese Partikelchen
nicht gleichmäßig genug im erschmolzenen Metall verteilt, sondern neigen dazu, zur
Obefläche abzufließen. Hieraus ergibt sich ein Werkstoff, indem die Substanz der
zweiten Phase von der Matrix getrennt ist, also ein solcher mit niedriger mechanischer
Festigkeit. Deshalb ist ein bekannter zusammengesetzter Werkstoff hergestellt nach
dem bekannten Schmelzverfahren nicht hinreichend gut für einen Kern eines Magnettonkopfes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff anzugeben,
dessen Verschleißwiderstand und die Festigkeit unter Beibehaltung guter magnetischer
Eigenschaften gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Somit ist es gelungen, einen hochverschleißfesten magnetischen Werkstoff
herzustellen, in dem Partikelchen einer Substanz der zweiten Phase gleichmäßig und
dreidimensional, d.h. über das ganze Volumen hinweg, verteilt bzw. dispergiert sind,
unter Einsatz der Flüssighärtungsmethode, die ebenfalls als Verfahren zur Schnellhärtung
einer Legierung bekannt ist.
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Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäß gewonnenen Werkstoffe alle
Vorteile ihrer Bestandteile, d.h. Komponenten aufweisen, also der schnellgehörteten
magnetischen Legierung sowie der Substanz der zweiten Phase.
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In der Zeichnung ist ein durch ein Elektronenmikroskop ge-' wonnenes
Foto dargestellt welches die Zusammensetzung des verschleißfesten magnetischen Werkstoffes
in seinem Gefüge darstellt.
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Die Substanz der zweiten Phase kann z.B. ein Karbid, ein Oxid oder
eine Zusammensetzung dieser Stoffe sein. Sie haben in der Regel einen höheren Schmelzpunkt,
eine höhere Festigkeit und einen höheren elektrischen Widerstand, verglichen mit
entsprechenden Werten des Metalles, sind aber zu spröde, um hoher mechanischer Spannung
zu widerstehen. Ein kohlenstoff- bzw. grafithaltiges Material hat ausgezeichnete
Schmier- und Widerstandseigenschaften gegen mechanische Gleitbeanspruchung. Es ist
deshalb möglich, einen magnetischen Werkstoff zu erhalten, der eine ausgezeichnete
Zähigkeit, Festigkeit und einen Verschleißwiderstand hat, wenn eine geeignete vorbestimmte
Kombination der schnellgehärteten Legierung und der Partikelchen einer Substanz
einer zweiten Phase verwendet werden. Dieser zusammengesetzte Werkstoff
gemäß
Erfindung, hat eine sehr hohe Festigkeit in der Zwischenschicht (interface) zwischen
der schnellgehärteten Legierung und den Partikelchen der zweiten Phase, da in entsprechenden
Ucr,eichel.l des Bruchgefüges zerbrochene Partikelchen der zweiten Phase, nach einem
Spannungstest, gefunden worden sind.
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Eine Prüfung des zusammengesetzten Werkstoffes gemäß Erfindung mit
Hilfe eines Elektronenmikroskopes odgl. zeigt eine gleich-' mäßige dreidimensionale
Dispersion der Partikelchen der zweiten Phase in der schnellgehärtenden magnetischen
Legierungsmatrix und ferner, daß diese im Wesentlichen porenfrei ist.
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Dies ist offensichtlich der Grund, warum der erfindungsgemäße Werkstoff
ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich Verschleißwiderstand, Zähigkeit und Festigkeit
besitzt.
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Der Werkstoff gemäß Erfindung kann durch das flüssige Härtungsverfahren
hergestellt werden. Es gibt verschiedene Verfahrensvarianten um eine schnellgehärtete
Legierung herzustellen.Z.B. kann man ein streifenförmiges Band der Legierung durch
ein Ein- bzw. Zweiwalzenverfahren oder durch ein Zentrifugalverfahren herstellen,
ferner eine Legierung als Draht durch das bekannte Spinnverfahren bei dem ein Wasserstrahl
eingesetzt wird, die Lösung rotiert oder einen Glasüberzug benutzt werden. Wenn
die Legierungszusammensetzung oder die Härtungsgeschwindigkeit in geeigneter vorbestimmter
Weise gewählt und überwacht wird, erhält man durch das flüssige Härtungsverfahren
das Erzeugnis in einer metastabilen Phase, z.B. in einer amorphen oder nicht gleichgewichtigen
kristallinen Phase, die nicht in der Phase des Gleichgewichtes im Legierungsdiagramm
erscheint, als auch in einer gleichgewichtigen kristallinen Phase.
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Amorphe Legierungen, die durch das flüssige Härtungsverfahren gewonnen
sind, weisen in der Regel hohe Zähigkeit und eine höhere Festigkeit als handelsübliche
Legierungen auf, die in der Regel eine kristalline Phase haben. Einige von diesen
haben ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften und hohen Korrosionswiderstand.
Sie können vorteilhaft in einem breiten
Spektrum zur Anwendung kommen
und ihre Nützlichkeit ist in der Praxis bereits erhärtet. Die nicht gleichgewichtigen
kristallinen Legierungen, hergestellt durch das flüssige Härtungsverfahren, haben
ebenfalls eine überlegene Festigkeit verglichen mit handelsüblichen, in der Regel
eine kristalline Phase aufweisenden Legierungen. Ferner ist das flüssige Härtungsverfahren
ebenfalls nützlich, um eine handelsübliche Legierung in Form eines dünnen Blattes
herzustellen, z.B.
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ein Sendust oder Fe-Si-Legierung in Streifen- bzw. Bandform.
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Die Substanz der zweiten Phase die erfindungsgemäß zum Einsatz kommt,
kann Kohlenstoff oder eine seiner Verbindungen sein, z.B. WC, TiC, oder NbC, ein
Oxid z.B. Al203, Fe203 oder SiO2; oder ein Metall wie Ti, Mo oder W oder eine Legierung
der Letzteren, oder eine Mischung der Letzteren.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend im Einzelnen anhand
von Beispielen erläutert: Beispiel 1 Fünf Arten von magnetischen Werkstoffen mit
hoher Verschleißfestigkeit, die unterschiedliche Zusammensetzungen gemäß nachfolgender
Formeln aufweisen, wurden durch das Einwalzenverfahren hergestellt: (Co70,5 Fe4,5
Si15 B1o)99 5 (WC) o,5 (Co70,5 Fe4,5 Si15 B1o) 99 (WC)1 (Co70,5 Fe4,5 Si15 B1o)97
(WC)3 (Co70,5 Fe4,5 Si15 B10)95 (WC)5 (Co70,5 Fe4,5 Sil5 Blo)9o (WC)10 In jeder
Formel bedeutet das erste Paar in den Klammern die schnellgehärtete Legierung als
Zusammensetzung und das Verhältnis jedes Elementes in Atomprozent, während das zweite
Paar in den Klammern die Substanz der zweiten Phase anzeigt.
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Die Substanz der zweiten Phase oder WC (Wolframkarbid) hat einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 1 ym. Die Verhältnisse der Legierung und der WC-Partikelchen
sind in jeder Formel durch Volumenprozente dargestellt.
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Jedes zusammengesetzte Material wurde wie nachfolgend angegeben hergestellt:
Ein Legierungsblock wurde hergestellt, durch Schmelzen von 420,9 g Co, 25,5 g Fe,
42,7 g Si und 11,o g B in einem Vakuum-Hochfrequenzofen. Ein Teil der Legierung
und das WC-Pulver wurden abgewogen um die Volumenanteile gemäß Formel zu gewinnen
und wurden durch Hochfrequenzinduktion in Anwesenheit von gasförmigem Argon in einer
Quarzglasdüse geschmolzen, die unmittelbar über einer Stahlwalze angeordnet ist.
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Es war erforderlich, eine Temperatur von 13oo0C (15730K) aufrechtzuerhalten,
um lediglich die Legierung zu schmelzen, aber das schmelzen von WC-Partikelchen
zu vermeiden. Es wurde ein vorbestimmter Argongasdruck auf die geschmolzene, WC-Partikelchen
enthaltende Legierung ausgeübt, um auf die Walze, die mit einer Geschwindigkeit
von 2000 Umdrehungen pro Minute rotiert wurde, über das schlitzförmige Ende der
Düse die WC-Partikelchen auszuspritzen. Dieses Verfahren entspricht der ansich bekannten
Methode, Legierungen rasch zu härten, wobei jedoch die Zuführung von WC-Pulver in
die Düse neu ist. Ein bandförmiger Streifen eines magnetischen Materials hoher Verschleißfestigkeit
mit einer Breite von 4 mm, einer Dicke von 30 ym und einer Länge von 5 m wurde hergestellt.
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Die Fotografie in der Figur zeigt die Verteilung der WC-Partikelchen
auf der Oberfläche des Werkstoffes, bestehend aus 95 Volumenprozent der Legierung
und 5 Volumenprozent WC, bei der die WC-Partikelchen durch Rücksprühen eingebracht
wurden. Die WC-Partikelchen sind in weißer Farbe dargestellt, sie sind im wesentlichen
gleichförmig in der Legierungsmatrix verteilt und es wurden keine Poren gefunden.
Ferner traten
auch keine Poren an der Seite des Bandes auf, welche
in Kontaktberührung mit der Kühlwalze gewesen ist, aber auch nicht im Querschnitt.
Diese Tatsachen erhärten, daß eine gleichmäßige dreidimensionale Verteilung der
WC-Partikelchen in der Legierungsmatrix stattgefunden hat.
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Eine gleichmäßige dreidimensionale Verteilung (Dispersion) der WC-Partikelchen
in der Legierungsmatrix wurde festgestellt in allen Werkstoffen der oben angegebenen
anderen Zusammensetzungen gemäß Formel.
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Es wurde ein Test dahingehend ausgeführt, während der Bildung des
Schmelzblockes WC-Pulver hinzuzufügen und es wurde festgestellt, daß hierbei ähnlich
gute zusammengesetzte Werkstoffe gewonnen werden.
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Eine die Matrix bildende amorphe Legierung hat eine Magnetostriktion
von dem Wert Null und eine hohe Permeabilität. Es war deshalb bisher vorgesehen
worden, diesen Werkstoff für den Kern eines Magnetkopfes zu verwenden. Wegen ihrer
Härte ist der Werkstoff jedoch nicht für die Verschleißbeanspruchung durch ein Magnetband
gut genug. Der erfindungsgemäße Werkstoff jedoch genügt dieser Verschleißbeanspruchung
da hier eine gleichmäßige Verteilung von harten WC-Partikelchen in der amorphen
Legierungsmatrix vorliegt, die eine Null-Magnetostriktion hat. Dementsprechend wurde
ein Magnettonkopf von jedem dieser Materialien wie vorstehend hergestellt und einem
Test in Zusammenwirken mit dem Magnetband für loo Stunden bei einer Umgebungstemperatur
von 2o0C (293 0K) und bei einer Feuchtigkeit von 50% ausgesetzt. Das Ergebnis ist
in der Tabelle 1 nachfolgend dargestellt: Tabelle 1 Anteil der WC-Partikelchen (Vol.
%) 0 0,5 1 3 5 io Größe des Verschleißes 8 4 3 2 1 1
Die Werte der
Tabelle 1 zeigen eine wesentliche Verbesserung des Verschleilßwiderstandes des zusammellgesetzten
Werkstoffes gemäß Erfindung, verglichen mit dem handels Üblichen, keine WC-Partikelchen
enthaltendem Material, bei welchem lediglich 70,5 Atomprozent Co, 4,5 Atomprozent
Fe, 15 Atomprozent Si und 1o Atomprozent B vorhanden sind. Besonders wird darauf
hingewiesen, daß sogar eine kleine Menge von zugesetzten WC-Partikelchen ganz wesentlich
den Verschleißwiderstand des Werkstoffes beeinflußen bzw. verbessern kann.
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Der elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Werkstoffe liegt
höher verglichen mit dem handelsüblichen, keine WC-Partikelchen enthaltenden Werkstoff.
Deshalb zeigt der zusammengesetzte, 3 Volumenprozent WC enthaltende neue Werkstoff
(der Ziffernwert nur als Beispiel) eine Verbesserung der wirkt samen Permeabilität
in einem 20 kHz überschreitenden Bereich.; Beispiel 2 Es wurden Zusammensetzungen
an magnetischen Werkstoffen in Form eines streifenförmigen Bandes mit einer Breite
von 4 mm, einer Dicke von 30 em und einer Länge von 5 m durch das Verfahren gemäß
Beispiel 1 hergestellt: (CO70,5 Fe4,5 Si15 B10)99 (C)1 (CO70,5 Fe4,5 Si15 B10)95
(C)5 (CO70,5 Fe4,5 Si15 B10)90 (C)10 Die Bedeutung der jeweiligen Formel und der
hier verwendeten Ziffern entspricht derjenigen, wie in Beispiel 1 erläutert.
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Die Kohlenstoffpartikelchen haben durchschnittlich einen Durchmesser
von 1 ym. Die Prüfung der Werkstoffe durch das Verfahren der parziellen Rückstreuung
zeigt eine gleichmäßige dreidimensionale Dispersion der Kohlenstoffpartikelchen
in der schnellgehärteten magnetischen Legierungsmatrix und eine dichte porenfreie
Struktur des Gefüges. Durch Röntgenstrahlung wurde festgestellt, daß die Matrix
amorph ist.
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Die gemäß diesem Beispiel zusammengesetzten Werkstoffe haben einen
ausgezeichneten Verschleißwiderstand, da sie in gleichmäßiger Verteilung hochschmierende
Kohlenstoffpartikelchen in der amorphen Legierungsmatrix, die ihrerseits eine Magnetstriktion
mit dem Wert Null hat, aufweisen. es wurde ein magnetischer Tonkopf mit jedem dieser
usammengesetzten Materialien gemäß Beispiel als Kern hergestellt und in Dauertest
über loo Stunden bei einer Raumtemperatur von 200C einem Verschleiß durch ein Magnetband
ausgesetzt. Das Ergebnis ist in der Tabelle 2 zusammengefaßt.
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Tabelle 2 Anteil der Kohlenstoffpartikelchen (Vol.%) 0 1 5 10 Größe
des Verschleißes (@m) 9 4 2 1 Der Tabelle 2 kann eine wesentliche Verbesserung es
Vcschleißwiderstandes des jeweiligen zusammengesetzten Werkstoffes, verglichen mit
einer handelsiiblichen amorphen Legierung entnommen werden, zusammengesetzt aus
70,5 Atomprozent Co, 4,5 Atomprozent Fe, 15 Atomprozent Si und lo Atomprozent B
und die keine Kohlenstoffpartikelchen enthält.
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Beispiel 3 Es wurden magnetische Werkstoffe in der Form eines streifenförmigen
Bandes mit einer Breite von 4 mm, einer Dicke von 40 ym und einer Länge von 1 m
durch das im wesentlichen bei Beispiel 1 verwendete Verfahren hergestellt, jedoch
durch eine Doppelwalze. Sie haben die folgende Zusammensetzung, wobei A1203 eine
durchschnittliche Partikelgröße von 0,5 @m hat: (Fe9 Gew % Si6 Gew.% Al)99 (Al2O5)1
(Fe9 Gew.% Si6 Gew.% Al)95 (Al2O3)5
Eine Prüfung der zusammengesetzen
Werkstoffe durch ein @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ zeigt eine gleichmäßige dreidimensionale
Dispersion von Al2O5-Partikelchen in der schnellgehärteten magnetischen Legierungsmatrix
und die Dischtestruktur war porenfrei. Die hier benutzte Matrix ist eine Sendustlegierung
die bekannt als ein Werkstoff hoher Permeabilität ist.
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Es wurde ein magnetischer Tonkopf durch benutzen jeweils einer dieser
zusammengesetzten Werkstoffe für einen Kern verwendet und er wurde 100 Stunden lang
bei einer Umgebungstemperatur von 20°C und einer Feuchtigkeit von 50% dem kontinuierlichen
Verschleiß eines Magnetbandes ausgesetzt.
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Die erfindungsgemäßen Werkstoffe haben eine so hohe Verschleißfestigkeit,
daß der Verschleiß des Werkstoffes, der ein Volumenprozent Al2O3-Partikelchen enthält,
etwa nur die Hälfte desjenigen des handelsüblichen Sendustbandes beträgt und der
Verschleiß des Werkstoffes, der 5 Volumenprozent Al2O3-Partikelchen enthielt, betrug
etwa 1/4 des vergleichbaren bekannten Wertes.
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Die zusammengesetzten Werkstoffe gemäß diesem Beispiel und das handelsübliche
Sendustband, welches keine Al2O3-Partikelchen enthält, wurden 10 Minuten lang bei
einer Temperatur von 850°C (1123°K) im Vakuum erhitzt und dann der Ofen geprüft.
Die wirkliche Permeabilität jedes Werkstoffes wurde geprüft. Die zusammengesetzten
erfindungsgemäßen Werkstoffe hatten eine relativ höhere effektive Permeabilität
im Frequenzbereich über 20 kHz. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der elektrische
Widerstand erhöht ist, wenn Al203-Partikelchen in dem Werkstoff vorliegen.