DE3414942C2

DE3414942C2 -

Info

Publication number: DE3414942C2
Application number: DE19843414942
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Kumagaya Saitama Jp Yamauchi; Yasuo Urawa Saitama Jp Yamada; Atsushi Tokio/Tokyo Jp Oguchi; Minoru Yokohama Kanagawa Jp Otaguchi
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; National Research Institute for Metals
Current assignee: National Research Institute for Metals; Proterial Ltd
Priority date: 1983-04-19
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1990-07-12
Also published as: GB2139404B; DE3414942A1; GB2139404A; GB8409966D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkopf-Kern aus einer Fe-Si-Al-Legierung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Herkömmlicherweise werden Magnetköpfe aus Ferriten, Permalloy-, Sendust-Materialien, amorphen Kobaltlegierungen und dergleichen hergestellt. Ferrite weisen eine Permeabilität μ mit gutem Frequenzgang und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, was ein wichtiger Faktor für die Zuverlässigkeit von Magnetköpfen bildet, auf, sind jedoch wegen ihrer niedrigen Sättigungs-Magnetflußdichte Bs nachteilig. Permalloy-Werkstoffe haben zwar gute magnetische Eigenschaften und lassen sich wegen ihrer guten Bearbeitbarkeit leicht und bei niedrigen Kosten zu Magnetköpfen formen, weisen jedoch nur geringe Verschleißfestigkeit auf. Amorphe Legierungen werden als Werkstoffe für Magnetköpfe noch nicht lange eingesetzt und befinden sich daher noch im Forschungsstadium zur Verbesserung ihrer Eigenschaften. Bisher sind keine amorphen Legierungen vorgeschlagen worden, die gute magnetische Eigenschaften und gleichzeitig gute Verschleißfestigkeit haben.

In Gegensatz zu den obigen Werkstoffen weisen Sendust-Legierungen sowohl hohe Sättigungs-Magnetflußdichte Bs und Permeabilität μ als auch hervorragende Verschleißfestigkeit auf, so daß sie sich für Magnetköpfe eignen. Andererseits sind sie nur schlecht bearbeitbar, so daß sich Magnetköpfe aus diesen Werkstoffen nur schwierig und kostspielig herstellen lassen. Hinsichtlich der Verschleißfestigkeit sind Sendust-Legierungen zwar Permalloy-Materialien überlegen, im Vergleich zu Ferriten jedoch schlechter. Erwünscht ist daher eine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Sendust-Legierungen, da sie bei mit hohen Bandgeschwindigkeiten arbeitenden Magnetköpfen eingesetzt werden. Das Problem der Verschleißfestigkeit ist insbesondere dann gravierend, wenn Magnetköpfe in Umgebungen hoher Temperatur und Feuchtigkeit arbeiten.

Wegen ihrer Sprödigkeit werden Sendust-Legierungen gewöhnlich von Gußblöcken ausgehend bearbeitet. In einem Gußblock besteht jedoch die Tendenz, daß gelöste Atome beim Abkühlen des Blocks auskristallisieren. Während des Verfestigungsvorgangs einer Sendust-Schmelze gehen gelöste Si- und Al-Atome in dem Gußblock aus der festen in die flüssige Phase über, da sie in diesen beiden Phasen unterschiedliche Löslichkeit aufweisen, was zu einer höheren Konzentration dieser Bestandteile in der geschmolzenen Phase führt. Im Ergebnis tritt die Ausscheidung der gelösten Atome im Bereich von mehreren 100 µm bis mehreren µm auf. Daher weisen einzelne, von dem Gußblock abgeschnittene Magnetkopfscheibchen leicht unterschiedliche Zusammensetzungen auf, was zu einer Ungleichmäßigkeit der magnetischen Eigenschaften unter den erzeugten Magnetkopf-Kernen führt. Da die Si- Konzentration die magnetischen Eigenschaften von Magnetkopf-Kernen stärker beeinflußt als die Al-Konzentrationen, ist es höchst erwünscht, die Si-Ausscheidung zu unterdrücken, um Magnetkopf-Kerne mit gleichmäßigen magnetischen Eigenschaften zu erzielen.

Eine Erwärmung des Gußblocks bewirkt zwar eine Verringerung der Si-Ausscheidung, doch wäre eine solche Wärmebehandlung mehrere Stunden bis zu mehreren -zig Stunden bei einer Temperatur über 1200°C durchzuführen, um das Maß der Si-Ausscheidung in einem Bereich von ±0,2 Gew.-% zu halten. Eine Wärmebehandlung bei einer derart hohen Temperatur über eine so lange Zeitspanne erzeugt jedoch sehr große Kristallkörner, wodurch die Bearbeitbarkeit der Legierung äußerst stark herabgesetzt wird.

Ein Magnetkopf-Kern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus DE-AS 21 16 291 bekannt. Durch die in die Matrix der magnetischen Legierung eingebetteten nicht-metallischen Einschlüsse aus Metalloxiden oder -carbiden wird eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkopf-Kern mit einer derartigen Zusammensetzung zu schaffen, der eine noch höhere Verschleißfestigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Es hat sich herausgestellt, daß die danach vorgesehene orientierte Anordnung der nicht-metallischen Einschlüsse relativ zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmaterials zu einer Erhöhung der Abriebfestigkeit und gleichzeitig zu einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften führt.

Aus US-PS 39 31 642 ist es zwar bekannt, daß bestimmte Orientierungen des Materials eines Magnetkopf-Kerns relativ zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmaterials zu höheren Verschleißfestigkeiten führen können. Dort geht es jedoch um die kristallografische Orientierung von kristallinem Ferritmaterial, wobei die im kubischen Kristallgitter schräg liegende (111)-Kristallebene senkrecht oder parallel zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmediums verlaufen soll.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Magnetkopf-Kerns ist in Anspruch 5 angegeben. Aus der genannten US-PS 39 31 642 ist es zwar bekannt, das Ausgangsmaterial heiß zu pressen und den Block derart zu zerschneiden, daß für die einzelnen Magnetkopf-Kerne die gewünschte Orientierung erreicht wird. Zum Unterschied von diesem Stand der Technik arbeitet jedoch das Verfahren nach Anspruch 5 mit einem Strangpreßvorgang, wobei die gewünschte orientierte Anordnung der Einschlüsse im Zuge der Strangbildung zustande kommt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetkopf-Kerns bzw. des Verfahrens zu seiner Herstellung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 bzw. 6 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht eines entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung extrudierten Stranges aus einer Sendust-Legierung.

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zum Heiß-Strangpressen einer Sendust-Legierung,

Fig. 3 (a) eine 100fach vergrößerte Photographie der Mikrostruktur eines Sendust-Legierungsstranges,

Fig. 3 (b) eine 100fach vergrößerte Photographie der Mikrostruktur eines Gußkörpers aus einer Sendust-Legierung,

Fig. 4 (a) ein Diagramm zur Veranschaulichung der Si-Verteilung in Richtung der Länge eines Sendust-Gußköpers, und

Fig. 4 (b) ein Diagramm zur Veranschaulichung der Si-Verteilung in Richtung der Länge eines extrudierten Sendust-Stranges gemäß der vorliegenden Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte längliche extrudierte Strang 1 aus Sendust-Legierung weist einen C-förmigen Querschnitt auf und ist zur Verwendung als Magnetkopf-Kern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestimmt. Der Strang 1 hat einen Steg 2 und zwei an beiden Seiten des Steges 2 nach oben ragende Schenkel 3 und 4. Der Schenkel 3 weist eine Außenfläche 5 auf, die in Berührung mit einem magnetischen Aufzeichnungsmedium, etwa einem Magnetband, kommt.

Der hier verwendete Ausdruck "Sendust-Legierung" bezeichnet jede Legierung mit einer Zusammensetzung von 8 bis 13 Gew.-% Si, 3 bis 10 Gew.-% Al, Rest Eisen.

Die Sendust-Legierung enthält kleine Mengen kugelförmiger nicht-metallischer Einschlüsse aus Al₂O₃, SiO₂ usw. Soweit es jedoch Ti, Zr oder Cr als Zusätze enthält, fallen Carbide, Nitride und Oxide dieser Elemente als nicht-metallische Einschlüsse aus. Ti kann in einer Menge von 0,1 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 Gew.-%, Zr in einer Menge von 0,01 bis 1,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,3 Gew.-% und Cr in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 5 Gew.-% zugesetzt werden.

Es hat sich herausgestellt, daß sich derartige nicht-meallische Einschlüsse durch plastische Bearbeitung, etwa Heiß-Strangpressen, orientieren lassen. Ferner hat sich gezeigt, daß solche in einer bestimmten Richtung bezüglich der Bewegung des magnetischen Aufzeichnungsmediums orientierten nicht-metallischen Einschlüssen die Verschleißfestigkeit eines Magnetkopf-Kerns aus einer Sendust-Legierung erhöhen.

Der in Fig. 1 gezeigte Sendust-Strang mit C-förmigem Querschnitt kann durch Heiß-Strangpressen unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung hergestellt werden. Das Heiß-Strangpressen an sich ist in der japanischen Patentveröffentlichung JP 55-24962 B2 im einzelnen beschrieben.

Die in Fig. 2 gezeigte Heiß-Strangpreßvorrichtung 10 weist ein Gefäß 12, einen Preßring 14 mit einer Düse 16, einen Innenstempel 18 und einen diesen koaxial umgebenden Außenstempel 20 auf.

In das Gefäß 12 wird ein erwärmter Sendust-Stab 22 zusammen mit einem Druckmittel 24 eingeführt. Bei dem Druckmittel 24 kann es sich um feste oder pulverförmige Stoffe mit guter Fließfähigkeit, etwa Talg, Molybdänsulfid-Pulver oder Gemischen daraus mit Pyrophillit, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid handeln. Das Druckmittel 24 umgibt den Sendust-Stab 22 in dem Gefäß 12, so daß es auf alle Seitenflächen des Stabs 22 gleichmäßig Druck ausüben kann.

Zunächst wird der Außenstempel 20 vorgeschoben, der über das Druckmedium 24 einen gleichmäßigen Druck P 1 auf den Stab 22 aufübt. Sodann wird zum Extrudieren der Sendust-Legierung der Innenstempel 18 unter einem Druck P 0 verschoben.

Der Sendust-Strang 1 kann zwar kreisförmigen Querschnitt haben, vorzugsweise weist er jedoch einen Querschnitt auf, der im wesentlichen der Form des herzustellenden Magnetkopf-Kern-Plättchens gleicht. Ein Strang mit C-förmigem Querschnitt ist besonders vorteilhaft, da sich aus ihm einfach durch Zerschneiden einzelne Magnetkopf-Kern-Scheibchen herstellen lassen, so daß im wesentlichen keine Bearbeitung erforderlich ist, die sonst durchzuführen wäre. Zu diesem Zweck soll die Düse 16 eine C-förmige Öffnung aufweisen.

Der sich ergebende Sendust-Strang 1 enthält nicht-metallische Einschlüsse, die aufgrund des Heiß-Strangpreßvorgangs in Längsrichtung orientiert sind. Demgegenüber enthält die Mikrostruktur eines Sendust-Gußkörpers in keiner Vorzugsrichtung orientierte nicht-metallische Einschlüsse.

Der Strang 1 wird einer geeigneten Oberflächenbearbeitung unterzogen und dann in einzelne Magnetkopf-Kern-Scheibchen zerschnitten. Ein solches Scheibchen wird auf einem weiteren Kern-Scheibchen geeigneter Form zur Herstellung eines Magnetkopf-Kerns derart befestigt, daß die Oberfläche 5 eine zur Berührung mit dem jeweiligen magnetischen Medium dienende Fläche und die an die Fläche 5 anschließende obere Fläche 7 des Schenkels 3 (vergleiche Fig. 2) eine Luftspaltfläche bildet. Da die nicht-metallischen Einschlüsse im wesentlichen in Längsrichtung des Strangs 1 orientiert sind, verlaufen sie im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Fläche 5, was bedeutet, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des jeweiligen magnetischen Mediums ausgerichtet sind. Eine derartige Orientierung der nicht-metallischen Einschlüsse verleiht dem Magnetkopf-Kern viel höhere Verschleißfestigkeit als in einem Fall, bei dem nicht-metallische Einschlüsse zufallsverteilt oder parallel zur Bewegungsrichtung des magnetischen Mediums orientiert sind.

Es hat sich herausgestellt, daß das nach dem oben beschriebenen Heiß-Strangpreßverfahren erzeugte Sendust-Bauelement in Längsrichtung des Stranges eine gleichmäßige Si-Verteilung aufweist. Dabei liegt das Maß der Si-Ausscheidung in Längsrichtung des Strangs innerhalb von ±0,2 Gew.-%. Eine derartig gleichmäßige Si-Verteilung gewährleistet, daß aus dem gleichen Sendust-Strang hergestellte Magnetkopf-Kern-Scheibchen einen sehr gleichmäßigen Si-Gehalt und damit sehr gleichförmige magnetische Eigenschaften aufweisen.

Nachstehend wird die Erfindung mit weiteren Einzelheiten anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Legierungen der in Tabelle I gezeigte Zusammensetzungen wurden geschmolzen und zu Blöcken von etwa je 1 kg vergossen. Jeder Block wurde zu Stäben von 20 mm Durchmesser und 30 mm Länge zerschnitten. Ein so hergestellter Stab wurde auf 1150°C erwärmt und in die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung eingeführt. Als Druckmittel wurde Pyrophillit verwendet, der Außenstempel 20 wurde mit einer Kraft von 240 kN, der Innenstempel 18 mit einer Kraft von 200 kN vorgeschoben.

Durch das Heiß-Strangpressen wurde ein Sendust-Strang mit dem in Fig. 1 schematisch gezeigten Querschnitt erzeugt. Dieser Strang 1 hatte folgende Abmessungen

Abstand zwischen den äußersten Teilen der beiden Schenkel 3 und 4: 8 mm
Abstand zwischen den oberen Flächen 7, 8 und der Unterseite des Steges 2: 4 mm
Abstand zwischen den oberen Flächen 7, 8 und der oberen Fläche des Steges 2: 1,5 mm
Breite der oberen Fläche 7: 1,5 mm
Breite der oberen Fläche 8: 2 mm

Der Strang 1 wurde in Scheibchen mit einer Dicke von jeweils 0,2 mm zerschnitten. Das so hergestellte Kern-Scheibchen wurde nach einem Schleifvorgang einer Wärmebehandlung bei 1000°C unterworfen, und zur Bildung einer Magnetkopf-Kern-Probe wurden drei Scheibchen aufeinander geschichtet. Die untere Fläche des sich ergebenden Magnetkopf-Kernes, die mit einem Magnetband in Berührung kommen soll, wurde auf die gewünschte Oberflächenkrümmung geschliffen und anschließend mit einem Al₂O₃-Band geläppt.

Probe Nr.
Zusammensetzung (Gew.-%)
1
9,6 Si - 6,0 Al - Rest Fe
2	9,6 Si - 6,0 Al - 0,8 Ti - Rest Fe
3	9,6 Si - 6,0 Al - 0,1 Zr - Rest Fe
4	9,0 Si - 6,7 Al - 1,5 Cr - Rest Fe

Beispiel 3

Von dem nach Beispiel 1 hergestellten Sendust-Strang gemäß Probe Nr. 2 wurde eine mikroskopische Aufnahme mit einer Vergrößerung von 100 hersgestellt. Zum Vergleich wurde eine Aufnahme mit gleicher Vergrößerung von einem Sendust-Gußkörper der Probe Nr. 2 hergestellt. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 (a) bzw. 3 (b) dargestellt. Fig. 3 (a) zeigt deutlich, daß der durch Heiß-Strangpressen hergestellte Sendust-Strang nicht-metallische Einschlüsse enthält, die gemäß dem Pfeil parallel zur Extrusionsrichtung orientiert sind. Demgegenüber zeigt Fig. 3 (b), daß der Sendust-Gußkörper zufallsverteilt orientierte nicht-metallische Einschlüsse enthält.

Beispiel 3

Jeder der nach Beispiel 1 hergestellen Magnetkopf-Kerne wurde einem 1000-Stunden-Verschleißtest mit einem r-Fe₂O₃-Band unterzogen. Ebenso wurden Gußblöcke aus den gleichen Legierungen nach Tabelle I zu Magnetkopf-Kernen zerschnitten und dem gleichen Verschleißtest ausgesetzt.

Ferner wurden aus den oben erwähnten Sendust-Strängen und -Gußkörpern jeweils Proberinge mit 5 mm Außendurchmesser, 3 mm Innendurchmesser und 0,2 mm Dicke hergestellt. Diese Proberinge wurden 2 Stunden lang bei 1000°C wärmebehandelt und dann bezüglich ihrer magnetischen Eigenschaften: effektive Permeabilität μ _e, Koerzitivkraft H _c und Magnetflußdichte B₁₀, bei 800 A/m gemesen. Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.

Tabelle II

In der obigen Tabelle II bedeutet der Buchstabe hinter der Probenummer E eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der nicht-metallische Einschlüsse senkrecht zu der Bewegungsrichtung des jeweiligen Magnetbandes orientiert sind, während sich der Buchstabe S auf eine gegossene Legierung nach dem Stand der Technik bezieht, bei der nicht-metallische Einschlüsse zufallsverteilt orientiert sind.

Aus Tabelle II geht klar hervor, daß die Magnetkopf-Kerne nach der vorliegenden Erfindung denen nach dem Stand der Technik hinsichtlich Verschleißfestigkeit bei weitem überlegen sind, während sie im wesentlichen gleiche magnetische Eigenschaften aufweisen.

Beispiel 4

Eine Legierung der Probe Nr. 2 (9,6 Si - 6,0 Al - 0,8 Ti - Rest Fe) wurde in gleicher Weise wie in Beispiel I zu einem Sendust-Strang heiß extrudiert. Der Strang wurde in drei Arten von Magnetkopf-Kernen zerschnitten, in denen nicht-metallische Einschlüsse in drei Richtungen: 0°, 45° und 90° zur Bewegungsrichtung des Magnetbandes, orientiert waren. An diesen Magnetkopf-Kernen wurden die Verschleißfestigkeit und die magnetischen Eigenschaften gemesen. Die Ergebnisse sind in Tabelle III dargestellt.

Tabelle III

Aus Tabelle III ergibt sich deutlich, daß die Verschleißfestigkeit eines Magnetkopf-Kerns aus einer Sendust-Legierung am größten ist, wenn die nicht-metallischen Einschlüsse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Magnetbandes orientiert sind.

Beispiel 5

Die Legierung der Probe Nr. 2 wurde geschmolzen und zu einem Gußblock von etwa 1 kg vergossen. Aus diesem Block wurde ein Stab mit etwa 20 mm Durchmesser und 30 mm Länge hergestellt, der unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 2 bei 1200°C zu einem Strang mit rechteckigem Querschnitt von 10 mm × 5 mm heiß extrudiert wurde. Aus diesem Strang wurden 100 Proberinge mit 5 mm Außendurchmesser, 3 mm Innendurchmesser und 0,2 mm Dicke hergestellt, die bei 1000°C 2 Stunden lang wärmebehandelt und anschließend bezüglich der magnetischen Eigenschaften gemesen wurden. Die gleiche Messung wurde an 100 Proberingen gleicher Abmessungen durchgeführt, die aus dem Gußblock der gleichen Legierung hergestellt worden waren. Die Anzahl der Proberinge in jedem μ _e-Bereich ist in Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

μ _e bei 0,2 t, 1 kHz

Die Ergebnisse der Tabelle IV zeigen, daß der Strang bezüglich des m _e-Wertes viel gleichmäßiger ist als der Gußblock.

Beispiel 6

Der gleiche Strang und der gleiche Gußblock wie in Beispiel 5 wurden bezüglich der Ausscheidung einer durchschnittlichen Si-Zusammensetzung gemesen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 4 (a) und 4 (b) veranschaulicht. Fig. 4 (a) zeigt die Si-Verteilung in Längsrichtung des Gußblocks, Fig. 4 (b) die Si-Verteilung in Längsrichtung des Stranges. Es ergibt sich deutlich, daß der durch Heiß-Strangpressen hergestellte Strang eine viel gleichmäßigere Si-Verteilung aufweist als der Gußblock.

Claims

1. Magnetkopf-Kern aus einer Fe-Si-Al-Legierung mit einer Vielzahl von nicht-metallischen Einschlüssen aus Metalloxiden, -nitriden und/oder -carbiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Einschlüsse in einer orientierten Anordnung vorliegt, deren Orientierungsrichtung in der mit dem Aufzeichnungsmedium in Berührung kommenden Oberfläche im wesentlichen senkrechten zur Bewegungsrichtung des Aufzeichnungsmediums steht.

2. Magnetkopf-Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung außerdem Ti, Zr und/oder Cr enthält.

3. Magnetkopf-Kern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse Oxide, Nitride und/oder Carbide von Si, Al, Ti, Zr und/oder Cr enthalten.

4. Magnetkopf-Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine gleichförmige Si-Verteilung innerhalb eines Ausscheidungsbereichs von ±0,2 Gew.-% aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkopf-Kerns nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durch Heißpressen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heiß-Strangpreßvorgang unter seitlichem Druck angewandt und der so erhaltene Legierungsstrang zur Erzeugung des Kerns unter einem derartigen Winkel zur Strang-Längsrichtung zerschnitten wird, daß die gewünschte Orientierung erhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Heiß-Strangpressen der Legierung ein auf über 900°C erwärmter Legierungsstab (22) mit einem festen Druckmittel (24) umgeben und die Legierung unter Aufbringen von Druck auf das Druckmittel (24) extrudiert wird.