DE3841241C2 - Metallfaser und Verfahren zur Herstellung einer Metallfaser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine weichmagnetische Me­ tallfaser mit sehr großer Leistungsfähigkeit, die leicht magnetisierbar ist, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Faser. Die neue Metallfaser gemäß der vorliegenden Erfindung hat insbesondere eine hervorragende Zähigkeit und eignet sich als Komponente für ein elektromagnetisches Mate­ rial und ein zusammengesetztes Material, das einsetzbar ist in verschiedenen Bereichen unter Ausnutzung seiner charakte­ ristischen Eigenschaften.

Es sind viele Untersuchungen angestellt worden und Vor­ schläge für Metallfasern gemacht worden, unter anderem neue Materialien und Entwicklungen für deren Verwendung, und das Anwendungsgebiet wird immer breiter.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung einer Metall­ faser bekannt, Beispiele werden nachfolgend gegeben:

• 1. Bei einem ersten Verfahren wird ein stabförmiges Metall­ material unter Verwendung einer Ziehform oder Düse aus Hartmetall oder Diamant gezogen. Bei diesem Verfahren ist eine mehrstufige Drahtziehbehandlung erforderlich, um eine feine Faser zu erhalten. Zusätzlich wird eine Glühstufe benötigt, zum Entfernen der in der Drahtzieh­ stufe erzeugten inneren Spannung. Es sind daher viele Stufen erforderlich und dies macht das Verfahren kompli­ ziert und verringert dessen Produktivität.
• 2. Bei einem weiteren Verfahren wird ein festes Metallmate­ rial geschnitten, um einen spanförmigen Draht zu erhal­ ten. Im Vergleich zu dem oben genannten Verfahren (1) ist dieses Verfahren besser geeignet und einfacher und erfordert weniger Stufen. Jedoch hat dieses Verfahren den Nachteil, daß die Querschnitte der erhaltenen Fasern ungleichmäßig sind und außerdem Schnittdefekte und ähn­ liches an der Oberfläche der Fasern auftreten können. Den Fasern mangelt es daher an der Homogenität.
• 3. Bei einem weiteren Schmelzspinnverfahren wird ein ge­ schmolzenes Metall durch eine Düse mit einem kleinen Durchmesser, einem Schlitz oder ähnlichem extrudiert und durch Kühlen verfestigt. Diese Verfahren umfassen Glas- Beschichtungsspinnverfahren, Spinnen in einem flüssigen Kühlmittel, Spinnen in rotierender Flüssigkeit und ähn­ liches. Mit Hilfe dieser Verfahren wurden kristalline oder amorphe Fasern von verschiedenen Metallen oder Le­ gierungen hergestellt. Insbesondere wurden Entwicklungen von vielen neuen Materialien erreicht durch Einsetzen von Abschrecken zur Verfestigung.

Davon ausgehend, haben die Erfinder der vorliegenden Erfin­ dung bereits ein Verfahren zum Herstellen einer Metallfaser unter Verwendung eines Schmelzspinnverfahrens, insbesondere Spinnen in rotierender Flüssigkeit, entwickelt. Dieses Ver­ fahren ist zum Gegenstand von Patentanmeldungen gemacht wor­ den, z. B. die japanischen Patentanmeldungen Nr. 61-87849, 62-56393 und 63-75118.

Diese Anmeldungen betreffen eine wesentliche Verbesserung eines Schmelzspinnverfahrens für eine Eisenlegierung und ein Verfahren zum Herstellen einer Metallfaser mit einer spezi­ fischen Struktur, wobei einzelne Kristalle unterschiedlicher Größe so miteinander in Serie verbunden sind, daß Korngren­ zen zwischen den jeweiligen einzelnen Kristallen wie bei einem "Bambusstab" vorliegen.

Mit der fortschreitenden technischen Entwicklung wächst die Nachfrage nach kleineren und leichteren elektromagnetischen Vorrichtungen. Eine Möglichkeit eine kleinere elektromagne­ tische Vorrichtung bereitzustellen besteht z. B. darin, daß man ein magnetisches Material in Faserform gießt. Damit die magnetischen Eigenschaften eines faserartigen magnetischen Materials verbessert werden, ist es wichtig, eine leicht magnetisierbare Struktur zu schaffen, in der sowohl die Zahl der Defekte wie Korngrenzen und Verunreinigungen als auch die innere Spannung gering sind. Um eine weichmagnetische Faser zu erhalten, die in Richtung der Faserachsenrichtung anisotrop ist und eine hohe Permeabilität, ein hohes Qua­ dratverhältnis, eine niedrige Koerzitivkraft und eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte aufweist, ist es er­ forderlich, die Richtungen der leicht magnetisierbaren Ach­ sen von Kristallen in Richtung der Faserachse der weichmag­ netischen Faser anzuordnen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Metallfaser und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzu­ stellen, die besonders gute magnetische Eigenschaften hat.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentan­ sprüche.

Die vorliegende Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß eine Metallfaser geschaffen werden muß, deren Kristall­ struktur sich von der einer üblichen Metallfaser unterschei­ det, und die erhalten wird, indem die Schmelzspinnbedingun­ gen, die Wärmebehandlungsbedingungen und ähnliches in ge­ eigneter Weise eingestellt werden, und daß so für ein größeres Anwendungsgebiet geeignete Metallfasern bereitge­ stellt werden.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird eine weichmagneti­ sche Faser mit hoher Leistungsfähigkeit bereitgestellt, die eine hohe spezifische Permeabilität, ein großes Br/Bs (Qua­ dratverhältnis), eine niedrige Koerzitivkraft und eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte aufweist. Dies wird insbe­ sondere dadurch erreicht, daß die Anzahl der Defekte, wie Korngrenzen und interne Spannungen der Kristalle verringert werden und so deren Magnetisierung erleichtert wird und ge­ eignete Struktureigenschaften geschaffen werden, so daß die Richtungen der leicht magnetisierbaren Achsen in Richtung der Faserachse angeordnet sind.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen an­ gegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Spinnen in ro­ tierender Flüssigkeit,

Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem das Verhältnis zwischen der spezifischen Permeabilität und einer erregenden Fre­ quenz (bei Raumtemperatur) einer weichmagnetischen Faser aufgetragen ist und

Fig. 4 ein Diagramm mit Gleichstrommagnetisierungskurven (bei Raumtemperatur) einer weichmagnetischen Faser.

Eine erfindungsgemäße weichmagnetische Metallfaser hat eine dendritische Struktur in einer einzigen Richtung, die aus einer zusammengesetzten Struktur einer Gruppe von Dendriten besteht, wobei erste Arme oder Primärarme in einem Winkel von höchstens 20° bezogen auf die Metallfaserachse gewachsen sind, und der Durchmesser der Metallfaser höchstens 100 µm beträgt. Diese Metallfaser wird hergestellt durch Schmelz­ spinnen eines geschmolzenen Metalls durch eine Spinndüse mit einem Durchmesser von höchstens 100 µm und Abschrecken des Metalls zu dessen Verfestigung.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine einkristalline weichmagnetische Metall­ faser bereitgestellt, die über ihre gesamte Länge ein ein­ kristallines Metall aufweist, deren Durchmesser höchstens 100 µm und deren Länge wenigstens 40 mm beträgt. Diese Me­ tallfaser wird hergestellt durch Schmelzspinnen eines ge­ schmolzenen Metalls aus einer Spinndüse mit einem Durchmes­ ser von höchstens 100 µm, Abschrecken zu dessen Verfestigung und Wärmebehandlung des sich ergebenden Drahts, wodurch eine Homogenisierung erreicht wird.

Der hier verwendete Ausdruck "einkristallin" bedeutet nicht ein ideales Einkristallwachstum von einem einzelnen Kern ohne Korngrenzen, der aus einem Raumgitter besteht, in dem Moleküle und Atome gleichmäßig angeordnet sind, sondern ein Kristall mit Defekten, wie Versetzungen und Untergrenzen. Der Ausdruck "Untergrenze" steht hier für eine Grenze, an der sich Orientierungen von Kristallen voneinander in einem Winkelbereich von höchstens einigen Graden unterscheiden.

Wie bekannt, handelt es sich bei dem Spinnen in rotierender Flüssigkeit um ein Verfahren, bei dem eine Kühlflüssigkeits­ schicht auf der inneren Umfangsfläche einer sich drehenden zylindrischen hohlen Trommel durch Zentrifugalkraft ausge­ bildet wird und ein geschmolzenes Metall in Form eines fei­ nen Drahts aus einer Düse mit einem kleinen Durchmesser in die Kühlflüssigkeitsschicht eingespritzt wird, so daß der Draht durch Abschrecken verfestigt wird. Dann wird der Draht auf der inneren Umfangsfläche der hohlen Trommel oder einer anderen geeigneten Vorrichtung aufgewickelt. Mit Hilfe die­ ses Verfahrens können feine Fasern aus verschiedenen Metall­ materialien hergestellt werden.

Abhängig von einer bestimmten Art von Legierungen variiert die Zähigkeit einer nach dem oben beschriebenen Verfahren erhaltenen Metallfaser mit ihrem Durchmesser. Insbesondere ist eine Metallfaser mit einem großen Durchmesser schwer zu handhaben, weil sie sehr spröde ist und leicht bricht, wenn sie um einen Winkel von 90° oder mehr gebogen wird. Manchmal ist deren Verwendung dadurch begrenzt. Es ist festgestellt worden, daß in der Innenstruktur einer herkömmlichen Metall­ faser mit geringer Zähigkeit in jedem Querschnitt senkrecht zur Faserachse, zwei oder mehr Kristallkörner vorliegen, d. h., daß eine sogenannte polykristalline Struktur vorhanden ist. Im Gegensatz dazu wurde beobachtet, daß in einer Me­ tallfaser mit einem kleinen Durchmesser, z. B. ungefähr 130 µm im Durchmesser, wie sie in der japanischen Patentanmel­ dung Nr. 62-56393 beschrieben ist, eine solche Struktur vor­ liegt, bei der einzelne Kristallteile wie bei den Zwischen­ knoten einer Bambusstabverbindung entlang der Faserachsen­ richtung in unregelmäßigen Abständen von ungefähr 0,1 bis 5 mm miteinander verbunden sind. Derartige einzelne Kristall­ strukturteile haben eine hervorragende Zähigkeit, so daß die Faser elastisch wird und auch dann nicht bricht, wenn sie bis zu 180° an dem "Bambusverbindungs"-Teil gebogen wird.

Jedoch sind auch bei dieser Metallfaser die Zähigkeit und Elastizität an einem "Bambusverbindungs"-Teil entsprechend der Korngrenze verschlechtert und die Metallfaser kann bre­ chen, wenn sie um mehr als 180° an dem "Bambusverbindungs"- Teil gebogen wird.

Mit der vorliegenden Erfindung werden folgende Ergebnisse erzielt:

• 1. Dadurch, daß der Durchmesser einer Düse zum Spinnen in rotierender Flüssigkeit 100 µm oder weniger beträgt und die Abschreckgeschwindigkeit zum Verfestigen eines ge­ schmolzenen Metalls wesentlich höher ist, ist eine zu­ sammengesetzte Struktur bestehend aus einer Gruppe von Dendriten, die in Richtung zur Faserachsenrichtung ange­ ordnet sind, erhältlich.
• 2. Wenn der Durchmesser einer Spinndüse und einer Faser kleiner wird, wird der Winkel zwischen Primärarmen des Dendriten und der Faserachse ebenfalls kleiner.
• 3. Obwohl die Metallfaser, in der eine Gruppe von Dendriten entlang der Faserachsenrichtung angeordnet ist, über ihre gesamte Länge homogen ist, befindet sich im Quer­ schnitt der Fasern nicht ein einzelner Dendrit sondern zwei oder mehr Dendrite.
• 4. Wenn jedoch die Metallfaser von oben (3) einer Wärmebe­ handlung unterzogen worden ist, sind im Querschnitt keine deutlichen Korngrenzen erkennbar und die Faser weist im wesentlichen ein einkristallines Material über ihre gesamte Länge auf, bis auf einige Versetzungen, Un­ tergrenzen und ähnliches.

Die oben unter (1) bis (4) angegebenen Ergebnisse werden im folgenden noch näher konkretisiert.

Wenn der Durchmesser einer Spinndüse zum Spinnen in rotie­ render Flüssigkeit 100 µm oder weniger beträgt (insbesondere bevorzugt höchstens 90 µm), ist eine gleichmäßige dendriti­ sche Struktur erhältlich, bei der der Winkel zwischen Pri­ märarmen und der Faserachse höchstens 20° beträgt (bezie­ hungsweise höchstens 10°, wenn der Durchmesser der Spinndüse höchstens 90 µm beträgt).

Auch wenn die genauen Mechanismen für die Bildung der oben genannten Struktur durch Einstellen des Faserdurchmessers auf höchstens 100 µm nicht ganz klar sind, lassen sich ange­ sichts der Untersuchungsergebnisse der inneren Struktur, des Kristalls und der Orientierung der erhaltenen Faser folgende Feststellungen machen:

Die Abschreckgeschwindigkeit in der Kühlflüssigkeitsschicht variiert mit der unterschiedlichen Dicke eines eingespritzten Strahls eines geschmolzenen magnetischen Materials. Da­ durch werden die Bedingungen für die Bildung und das Wachs­ tum von Kristallen verändert, so daß die Wachstumsrichtung der Kristalle in Richtung der Faserachsenrichtung angeordnet wird. Außerdem bleibt selbst dann, wenn die Dendrite nach einer Wärmebehandlung verschwunden sind, die Richtungs­ eigenschaft der Primärarme erhalten. Dies kann in vorteil­ hafter Weise die Richtungseigenschaften der Kristalle beein­ flussen.

Wenn die Metallfaser mit der zuvor genannten Struktur einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wird sie über ihre gesamte Länge zu einem einkristallinen Material. Dadurch hat die wärmebehandelte Faser eine ausgezeichnete Elastizität und Flexibilität im Vergleich mit der Faser ohne Wärmebehandlung und bricht auch dann nicht, wenn sie um einen Winkel von 180° gebogen wird. Weiterhin haben Kristalle in dieser Me­ tallfaser eine spezifische Richtungseigenschaft in Bezug auf die Faserachsenrichtung, wodurch hervorragende magnetische Eigenschaften erreicht werden.

Wenn beispielsweise die Gleichstrom-Magnetisierungsei­ genschaft der einkristallinen Metallfaser gemäß der vorlie­ genden Erfindung gemessen wird, hat die Faser eine spezifi­ sche Permeabilität von wenigstens 90000 und eine Koerzitiv­ kraft von höchstens 24 A/m (0,3 Oersted) bei DC-Magnetisie­ rung und ein Verhältnis Br/Bs von wenigstens 0,9. Die erfin­ dungsgemäße Metallfaser hat damit äußerst gute Eigenschaften als weichmagnetisches Material.

Wie beschrieben, hat die erfindungsgemäße weichmagnetische Faser einen sehr kleinen Durchmesser von höchstens 100 µm und die spezifische Permeabilität ist sehr hoch und zwar we­ nigstens 90000 bei DC-Magnetisierung. Der Durchmesser der erfindungsgemäßen Faser wird auf höchstens 100 µm begrenzt, weil bei einem größeren Durchmesser, wie nachfolgend im ein­ zelnen beschrieben wird, die erforderlichen Richtungseigenschaften nicht bereitgestellt werden können und der oben ge­ nannte hohe Wert der spezifischen Permeabilität nicht er­ zielt werden kann. Die untere Grenze der spezifischen Per­ meabilität bei DC-Magnetisierung von 90000 wird definiert, weil die Eigenschaften, die für das gewünschte hochpermeable weichmagnetische Material erforderlich sind, nicht erhalten werden können, wenn die Permeabilität unterhalb von 90000 liegt.

Wenn der Durchmesser der Faser 100 µm übersteigt, kann fer­ ner wegen der nicht ausreichenden Richtungseigenschaften der hohe Wert für Br/Bs von wenigstens 0,9 nicht erhalten wer­ den. Das Verhältnis Br/Bs ist begrenzt auf wenigstens 0,9 und die Koerzitivkraft ist begrenzt auf höchstens 24 A/m (0,3 Oersted), weil sonst die erforderlichen Eigenschaften für das gewünschte weichmagnetische Material, das eine große Br/Bs-Hysteresis aufweist, nicht erhalten werden können.

Fig. 4 zeigt Gleichstrom-Magnetisierungskurven bei Raumtem­ peratur, die erhalten werden durch Anlegen eines DC-magneti­ schen Felds von höchstens 800 A/m (10 Oersted) in Richtung der Faserachsenrichtung an eine Probe, die erhalten wird durch Herstellen einer magnetischen Faser aus einem magneti­ schen Material, einer Fe-5,7 Gew.-% Si-Legierung unter Ver­ wendung von Einspritzdüsen mit einem Durchmesser von 190 µm und 75 µm (entsprechend denen der Fasern) zum Spinnen in rotierender Flüssigkeit und nachfolgender Wärmebehandlung bei 1000°C für eine Stunde. Wie Fig. 4 zeigt, beträgt die Koerzitivkraft jeweils höchstens 16 A/m (0,2 Oersted). Je­ doch beträgt Br/Bs der feineren Faser mit 75 µm Durchmesser 0,99, d. h. nahezu 1, während das der anderen Faser niedrig ist, etwa 0,87.

Wenn der Durchmesser der Faser 100 µm übersteigt, ist ein hoher Wert für die magnetische Sättigungsflußdichte wie oben nicht erreichbar, wegen der nicht ausreichenden Richtungs­ eigenschaften. Die gesättigte magnetische Flußdichte in einem DC-magnetisierten Zustand, die begrenzt ist auf minde­ stens 1,8 Tesla (18 kGauss), und die magnetische Flußdichte im magnetischen Feld von 800 A/m (10 Oersted), die begrenzt ist auf mindestens 1,7 Tesla (17 kGauss), werden wegen der erforderlichen Eigenschaften für das gewünschte weichmagnetische Material mit hoher magnetischer Flußdichte, nicht erreicht.

Wie aus Fig. 4 deutlich wird, beträgt die Koerzitivkraft jeweils höchstens 24 A/m (0,3 Oersted). Wenn jedoch die mag­ netischen Flußdichten bei angelegtem maximalem magnetischen Feld miteinander verglichen werden, zeigt die feinere magne­ tische Faser mit einem Durchmesser von 75 µm einen sehr ho­ hen Wert von etwa 1,75 Tesla (17,5 kGauss), während die dicke Faser mit einem Durchmesser von 190 µm den sehr nied­ rigen Wert von etwa 1,15 Tesla (11,5 kGauss) zeigt. Dies veranschaulicht den bedeutsamen Unterschied der magnetischen Eigenschaften der Proben. Wenn DC-Magnetisierungskurven bei Raumtemperatur in gleicher Weise wie in Fig. 4 untersucht werden, unter Verwendung von Spinndüsen mit 150 µm und 95 µm Durchmesser, beträgt die spezifische maximale Permeabilität der sich ergebenden dicken magnetischen Faser mit 150 µm Durchmesser etwa 53000, während die der dünnen magnetischen Faser mit einem Durchmesser von 95 µm 121000 beträgt, also mehr als doppelt so hoch ist wie die zuvor genannte. Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Permeabilität (Längsachse) von der Erregungsfrequenz (Querachse) bei einer Probe, die erhalten wird durch Herstellen einer magnetischen Faser aus dem gleichen Material wie oben mit dem gleichen Spinnverfahren wie oben und einer Wärmebehandlung bei 1100°C für 2 Stunden. Die Werte werden erhalten bei Anlegen eines äußeren magnetischen Felds von 16 A/m (0,2 Oersted). Wie aus Fig. 3 ersichtlich, zeigt die feine magnetische Faser mit einem Durchmesser von 95 µm eine größere spezifische Permea­ bilität in jedem Frequenzband, als die dickere magnetische Faser mit einem Durchmesser von 150 µ.

Es sind faserartige bzw. fadenartige einkristalline Materia­ lien bestehend aus einem Metall, sogenannte "Whisker" be­ kannt. Der Ausdruck "Whisker" verbildlicht seine Morpholo­ gie, ist aber nicht klar definiert. Bekannte "Whisker" haben einen Durchmesser von einigen µm bis einigen 100 µm und eine Länge von einigen mm bis einigen cm und sind erhältlich bei­ spielsweise durch ein Übertragungsverfahren aus der Gas­ phase. Es handelt sich dabei um eine kurze Faser, bestehend aus mehreren abgeschlossenen nadelartigen Kristallen, die sich deutlich von einer einkristallinen langen Faser (mit einem Seitenverhältnis von mehr als 400) mit Versetzungen und Untergrenzen gemäß der vorliegenden Erfindung, unter­ scheidet.

Für die erfindungsgemäße Faser können verschiedene Metallar­ ten verwendet werden. Unter anderem sind insbesondere eine Fe-Si-Legierung, Fe-Al-Legierung oder Fe-Si-Al-Legierung ge­ eignet zum Erreichen der charakteristischen Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung. Bevorzugt sind außerdem diese Fe-Legierungen, die eine geeignete Menge eines oder mehrerer Seltenerdmetalle enthalten. Besonders bevorzugte Seltenerdmetalle sind die aus der Lanthanserie mit einer Atomzahl von 57 bis 71, genauer, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Im, Yb und Lu. Diese Seltenerdmetalle, können allein oder in Kombinationen verwendet werden. Unter diesen Seltenerdmetallen ist Ce besonders bevorzugt. Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung können andere weitere Zusätze eingesetzt werden abhängig von einer bestimmten Ver­ wendung der weichmagnetischen Faser und der geforderten Ei­ genschaften. Ferner sind unvermeidbar in diesen Legie­ rungszusätzen üblicherweise Verunreinigungsbestandteile ent­ halten.

Zum Herstellen der erfindungsgemäßen Metallfaser kann ein Verfahren zum Spinnen in rotierender Flüssigkeit, wie es in den japanischen Patentanmeldungen Nr. 55-64948 und 62-56393 beschrieben ist, verwendet werden. Ein Beispiel einer Vorrichtung zum Spinnen in rotierender Flüssigkeit ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Fig. 1 zeigt eine schematische Vorderansicht der Vorrichtung und Fig. 2 einen Teilquer­ schnitt von der Seite. Zum Ausführen des Spinnens in rotie­ render Flüssigkeit wird eine Kühlflüssigkeitsschicht 8 auf einer Innenumfangsfläche der sich schnell drehenden Dreh­ trommel 6 ausgebildet. Dann wird geschmolzenes Metall von einer Spinndüse 2, die am Boden eines Schmelztiegels 1 ange­ ordnet ist, gegen die Oberfläche 9 oder das Innere der Kühl­ flüssigkeitsschicht 8 gespritzt und das Metall wird zu einer Faser 4. Diese wird auf der inneren Umfangswand der drehen­ den Trommel aufgewickelt, während sie rasch abgekühlt und verfestigt wird. In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung wird das Metall von einer Heizeinrichtung 3 ge­ schmolzen und mit Hilfe eines inerten Gases 5 gespritzt. Die Trommel 6 wird durch einen Motor 7 und einen Riemen 10 ge­ dreht. Durch Einstellen der Umfangsgeschwindigkeit der Kühl­ flüssigkeitsschicht auf eine im wesentlichen gleiche oder geringfügig höhere Geschwindigkeit als die Einspritzge­ schwindigkeit des geschmolzenen Metalls aus der Spinndüse 2, ist in einfacher Weise eine Metallfaser mit gleichmäßiger Querschnittsgröße und -form erhältlich. Die zum Spinnen zu verwendende Kühlflüssigkeit ist nicht auf eine bestimmte be­ grenzt und es kann jede reine Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder ähnliches verwendet werden. Jedoch ist Wasser besonders bevorzugt wegen der Kosten und der Kühlwirksamkeit. Die Drehtrommel kann entweder horizontal oder senkrecht angeord­ net werden. Vorzugsweise beträgt die Oberflächengeschwindig­ keit der Kühlflüssigkeitsschicht in der Drehtrommel etwa 300 bis 800 m/min, der Einspritzwinkel des geschmolzenen Metalls in die Kühlflüssigkeitsschicht 40 bis 80° und der Abstand zwischen der Spinndüse 2 und der Oberfläche der Flüssig­ keitsschicht 9 entsprechend etwa 0,5 bis 4 mm.

Erfindungsgemäß sollte beim Spinnen in rotierender Flüssig­ keit der Bohrungsdurchmesser der Spinndüse 2 nicht größer als 100 µm und der Durchmesser der gesponnenen Metallfaser nicht mehr als 100 µm betragen. Wenn der Bohrungsdurchmesser der Spinndüse 2 100 µm übersteigt, übersteigt der Durchmes­ ser der gesponnenen Metallfaser ebenfalls 100 µm, was zu ei­ ner unzureichenden Abschreck-Geschwindigkeit führt.

Infolgedessen kann eine einheitliche, dendritische Struktur, in der der Winkel zwischen den Primärarmen der dendritischen Struktur und der Faserachse höchstens 20° sein soll, nicht erhalten werden. Ebensowenig kann die gewünschte einkristal­ line Struktur über die gesamte Länge erhalten werden, auch wenn die nachfolgend beschriebene Wärmebehandlung danach durchgeführt wird. Infolgedessen sind Zähigkeit und Elasti­ zität unzureichend. Wenn aber eine Düse mit einem Durchmes­ ser von höchstens 100 µm verwendet wird, ist der Durchmesser der Faser nicht größer als 100 µm, und es wird eine Struktur erhalten, in der der Winkel zwischen den Primärarmen der dendritischen Struktur und der Faserachse regelmäßig höchstens 20° beträgt und die einkristalline Struktur über die gesamte Länge durch eine nachfolgende Wärmebehandlung erhältlich ist. So wird eine hervorragende Zähigkeit und Elastizität erzielt.

Die gewünschte erfindungsgemäße Metallfaser kann auch durch andere Schmelzspinnverfahren hergestellt werden, solange die oben beschriebenen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung beibehalten werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Metallfaser hergestellt werden durch Spinnen eines geschmol­ zenen Metalls aus einer Spinndüse mit einem Durchmesser von höchstens 100 µm im Abschreckgas wie Luft, Stickstoff, Ar­ gon, Dampf oder ähnliches.

Die Bedingungen für die Wärmebehandlung gemäß der vorliegen­ den Erfindung sollten so gewählt werden, daß entsprechend einer bestimmten Art von Metallen die beim Abschrecken und Verfestigen gebildeten Dendrite im wesentlichen verschwinden und homogene neue einkristalline Kristalle gebildet werden. Allgemein ist zum Durchführen der Wärmebehandlung eine Tem­ peratur geeignet, die niedriger ist als die Verfestigungs- Schmelzkurventemperatur des Metalls -10°C aber nicht höher ist als 1/3 der Schmelztemperatur des Metalls, so daß die Metallfaser innerhalb kürzerer Zeit ohne Schmelzen der Me­ tallfaser homogenisiert wird.

Wenn beispielsweise eine aus Fe-4 Gew.-% Si zusammengesetzte Faser wärmebehandelt wird, sollte die Behandlungstemperatur im Bereich von 600 bis 1400°C, bevorzugt im Bereich von 800 bis 1300°C liegen. Für den Fall, daß die Faser aus Fe-6,5 Gew.-% Si zusammengesetzt ist, wird die Wärmebehandlung bei 900 bis 1300°C, vorzugsweise 950 bis 1250°C durchgeführt. Ferner wird die Wärmebehandlung bevorzugt in einem Vakuum bzw. einem starken Unterdruck oder in einer Schutzgasatmos­ phäre wie Argon oder ähnliches oder in einer reduzierten Ar­ gonatmosphäre mit etwa 10% Wasserstoff durchgeführt.

Wenn die Wärmebehandlung im Vakuum durchgeführt wird, be­ trägt der Unterdruck höchstens 0,01 Torr, vorzugsweise höchstens 0,001 Torr.

Bei der Untersuchung der Ursache für die starke Verbesserung der magnetischen Flußdichte durch Verringern des Durchmes­ sers der magnetischen Faser, wurde die innere Struktur ge­ prüft und folgende Punkte festgestellt. Bei einer dicken magnetischen Faser mit einem Durchmesser von mehr als 100 µm liegt die Wachstumsrichtung von vielen Primärarmen der Den­ drite in einem Winkel von mehr als 20° in Bezug auf die Fa­ serachse vor der Wärmebehandlung, während bei einer dünnen magnetischen Faser mit einem Durchmesser von weniger als 100 µm die Wachstumsrichtung von allen Primärarmen der Dendrite in einem Winkel von höchstens 20° in Bezug auf die Faser­ achse liegt. Wenn diese wärmebehandelt werden zum Verringern der Korngrenzen und der internen Spannung und die Kristall­ orientierung mit Hilfe des Ätzporen-Verfahrens untersucht wird, bestätigt sich, daß die Kristallorientierung der wär­ mebehandelten Faser die Struktur vor der Wärmebehandlung wiedergibt. Das bedeutet für eine dicke magnetische Faser, daß viele einzelne Kristallorientierungen in einem Winkel von mehr als 20° in Bezug auf die Faserachsenrichtung lie­ gen, während für eine feine magnetische Faser spezifische Kristallorientierungen gleichmäßig in einem Winkel von höchstens 20° in Bezug auf die Faserachsenrichtung liegen. Es war bekannt, daß eine leicht magnetisierbare Richtung in einem bestimmten Verhältnis zu der Kristallrichtung steht. Bei einer feinen magnetischen Faser mit einem Durchmesser von höchstens 100 µm, werden die Primärarme der Dendrite, die vor der Wärmebehandlung gleichmäßig in einem Winkel von höchstens 20° zur Faserachse liegen, wirksam in der Struktur wiedergegeben, selbst nachdem die Korngrenzen und inneren Spannungen verringert wurden. Im Ergebnis wird eine leicht magnetisierbare und extrem anisotrope magnetische Faser er­ halten. Diese Eigenschaften haben einen vorteilhaften Ein­ fluß auf die Erhöhung der magnetischen Flußdichte.

Außerdem bedeutet eine sehr geringe Anzahl von Korngrenzen eine hervorragende Zähigkeit und Elastizität. Damit ist die magnetische Faser ein Material mit sehr guten Eigenschaften für deren Handhabung einschließlich deren Herstellung und Weiterverarbeitung.

Im allgemeinen hat die so erhaltene Metallfaser einen runden Querschnitt in Form eines Kreises, einer Ellipse oder ähnli­ chem. Jedoch ist die Querschnittsform nicht darauf be­ schränkt und kann beispielsweise durch geeignete Wahl einer Spinndüse mit einer geeigneten Querschnittsform verändert werden.

Die erfindungsgemäße weichmagnetische Faser mit einer hohen Permeabilität kann verwendet werden als ein miniaturisiertes bzw. verkleinertes weichmagnetisches Material in der Form einer einzelnen Faser. Außerdem kann sie verwendet werden als ein weichmagnetisches Material mit hervorragenden Hoch­ frequenzeigenschaften in Form eines Faserbündels, das mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens mit einem isolierenden Ma­ terial beschichtet wurde.

Beispielsweise kann ein effektiver magnetischer Verstärker mit einer sehr kleinen Zeitkonstante bereitgestellt werden, indem man weichmagnetisches Material für den Magnetkern eines Magnetverstärkers verwendet.

Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung, beschränken sie aber nicht.

Beispiel 1

Das Spinnen in rotierender Flüssigkeit wird durchgeführt unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 mit einer Fe-6,5 Gew.-% Si-Legierung als Ausgangsmetall, wobei der Durchmesser der Einspritzdüse verändert wird zum Erzeu­ gen von Eisenlegierung-Metallfasern mit unterschiedlichen Durchmessern. Als Kühlflüssigkeit wird Wasser (15°C) verwen­ det. Obwohl die Spinnbedingungen unterschiedlich sind abhän­ gig von dem Durchmesser der Spinn-(Einspritz)-Düse, wird die Drehgeschwindigkeit der Trommel und die Einspritzgeschwin­ digkeit des geschmolzenen Metalls im wesentlichen so gesteu­ ert, daß die Oberflächengeschwindigkeit der Wasserschicht in der Drehtrommel gleich oder geringfügig größer als die Strahlfließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls ist. Es werden drei verschiedene Metallfasern mit 150 µm, 90 µm und 70 µm Durchmesser erhalten, die in einer Vakuumatmosphäre (höchstens 66,5 . 10^-3 Pa (höchstens 5 × 10^-4 Torr)) unter Verwendung eines Elektroofens bei 1100°C 2 Stunden lang behandelt werden.

Von den drei Metallfasern hat die Faser mit 150 µm Durchmes­ ser eine schlechte Flexibilität bzw. Elastizität oder Bieg­ barkeit über ihre gesamte Länge, weil der Winkel zwischen den Primärarmen und der Faserachse groß ist und auch nach einer Wärmebehandlung eine polykristalline Struktur vor­ liegt, obwohl eine dendritische Struktur vor der Wärmebehandlung vorliegt. Im Gegensatz dazu wachsen die Primärarme der dendritischen Struktur bei der Metallfaser mit 90 µm Durchmesser gleichmäßig in einem Winkel von etwa 7° bezogen auf die Faserachse, und nach der Wärmebehandlung sind keine genauen Korngrenzen erkennbar, obwohl Untergrenzen fest­ stellbar sind. Die Faser ist daher flexibel über ihre ge­ samte Länge und kann um einen Winkel von 180° gebogen wer­ den. Die Faser mit einem Durchmesser von 70 µm kann in einem Winkel von etwa 180° über ihre gesamte Länge gebogen werden, weil der Winkel zwischen den Primärarmen der dendritischen Struktur und der Faserachse gleichmäßig um etwa 4° beträgt.

Dann wird die Metallfaser mit einem Durchmesser von 70 µm naß abgerieben, sowohl in Richtung auf die Faserachse als auch in der Querschnittsrichtung, und es werden 10 bis 20 µm große kristallographische Mikroporen mit Hilfe des Ätzporen­ verfahrens in geeigneter Weise verteilt auf der Oberfläche der Proben eingebracht. Die Formen und Orientierungen bezo­ gen auf die Faserachsenrichtung der Poren werden untersucht und es wird festgestellt, daß die Formen der geätzten Poren in dem Bereich im rechten Winkel zur Faserachsenrichtung fast identisch zueinander sind und die Orientierungen eben­ falls identisch sind.

Obwohl die Formen und Orientierungen der geätzten Poren im Bereich entlang der Faserachsenrichtung fast identisch zu­ einander sind, verlaufen die Orientierungen in einigen Fäl­ len gleichmäßig schräg in Bezug auf die Faserachse. Dadurch ist feststellbar, daß die Metallfaser ein im wesentlichen einkristallines Material ist, obwohl Untergrenzen im Inneren vorhanden sind. Die Metallfaser mit 70 µm Durchmesser hat ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften, wie eine mag­ netische Sättigungsflußdichte von 1,8 Tesla, eine Koerzitiv­ kraft von 11,2 A/m (0,14 Oersted), eine spezifische Permea­ bilität von 121000 und ein DC-Magnetisierungs-Verhältnis von 0,98.

Beispiel 2

In der gleichen Weise wie beim Beispiel 1 werden zwei Sorten von Eisenmetallfasern mit unterschiedlichen Durchmessern (160 µm und 70 µm) hergestellt durch Spinnen von geschmol­ zenem Fe-25 Gew.-% Al und Homogenisieren mittels einer Wär­ mebehandlung in einer Vakuumatmosphäre (höchstens 39,9 . 10^-3 Pa (höchstens 3 × 10^-4 Torr)) bei 1150°C für 2 Stunden. In der Metallfaser mit 160 µm Durchmesser sind deutliche Korngrenzen erkennbar, während in der Metallfaser mit 70 µm Durchmesser im wesentlichen nur ein einkristallines Material erkennbar ist, weil keine deutlichen Korngrenzen erkennbar sind, obwohl Teil-Untergrenzen vorhanden sind.

Beispiel 3

In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 werden Eisenmetall­ fasern mit 200 µm, 155 µm bzw. 65 µm im Durchmesser herge­ stellt unter Verwendung einer Fe-5,2 Gew.-% Al-2,7 Gew.-Si- Legierung und darauf folgendem Homogenisieren durch Wärmebe­ handlung in einer Vakuumatmosphäre (26,6 . 10^-3 Pa (2 × 10^-4 Torr)) bei 1100°C für 10 Stunden.

Als Ergebnis werden bei den Fasern mit 220 µm und 155 µm im Durchmesser Korngrenzen beobachtet, während die Metallfaser mit 65 µm im Durchmesser ein einkristallines Material ist, weil keine deutlichen Korngrenzen erkennbar sind trotz Vor­ liegens von Untergrenzen.

Wie zuvor beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Sprödigkeit einer Metallfaser verbessert werden unter Beibehaltung seiner ursprünglichen Eigenschaften. Die erfin­ dungsgemäße Metallfaser ist daher sehr flexibel und leicht biegbar und dadurch sind die Handhabbarkeiteigenschaften be­ deutend verbessert. Zusätzlich weist die Faser ein einkri­ stallines Material auf und hat hervorragende magnetische Eigenschaften. Eine solche einkristalline Metallfaser gemäß der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden als Faser­ material, das Anforderungen an die Eigenschaften hohe Per­ meabilität und niedrige Koerzitivkraft, wie auch die Anfor­ derungen an weichmagnetische Eigenschaften erfüllt. Da außerdem die erfindungsgemäße Metallfaser eine weichmagneti­ sche Faser ist, kann diese als ein besonders verkleinertes weichmagnetisiertes Material, nämlich als Kernmaterial in verschiedenen elektromagnetischen Vorrichtungen und in ande­ ren elektromagnetischen Anwendungsgebieten, z. B. als Sensor verwendet werden.

Claims (30)

1. Weichmagnetische Metallfaser, gekennzeichnet durch eine in einer Richtung verlaufende dendritische Struktur, die eine zusammengesetzte Struktur einer Gruppe von Dendri­ ten aufweist, wobei erste Arme in einem Winkel von höchstens 20° in Bezug auf die Metallfaserachse gewach­ sen sind, und wobei der Durchmesser der Metallfaser höchstens 100 µm beträgt.

2. Metallfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe, Fe-Si-Legie­ rung, Fe-Al-Legierung oder Fe-Si-Al-Legierung.

3. Metallfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe, Fe-Si-Sel­ tenerdmetall-Legierung, Fe-Al-Seltenerdmetall-Legierung oder Fe-Si-Al-Seltenerdmetall-Legierung.

4. Metallfaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall ausgewählt wird aus der Gruppe Me­ talle der Lanthan-Serie.

5. Metallfaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall Ce ist.

6. Metallfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser einen runden Querschnitt aufweist.

7. Einkristalline, weichmagnetische Metallfaser, gekenn­ zeichnet durch ein einkristallines Material über deren gesamte Länge, wobei der Durchmesser der Faser höchstens 100 µm und die Länge der Faser mindestens 40 mm beträgt.

8. Metallfaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe, Fe-Si-Legie­ rung, Fe-Al-Legierung oder Fe-Si-Al-Legierung.

9. Metallfaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe, Fe-Si-Sel­ tenerdmetall-Legierung, Fe-Al-Seltenerdmetall-Legierung oder Fe-Si-Al-Seltenerdmetall-Legierung.

10. Metallfaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall ausgewählt wird aus der Gruppe, Me­ talle aus der Lanthan-Serie.

11. Metallfaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Seltenerdmetall Ce ist.

12. Metallfaser nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Faser einen runden Querschnitt aufweist.

13. Einkristalline Metallfaser nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Per­ meabilität bei Gleichstrommagnetisierung mindestens 90000 beträgt.

14. Einkristalline Metallfaser nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Br/Bs mindestens 0,9 und die Koerzitivkraft höchstens 24 A/m (0,3 Oersted) bei Gleichstrommagnetisierung beträgt, wobei Br die mag­ netische Restflußdichte und Bs die magnetische Sätti­ gungsflußdichte ist.

15. Einkristalline Metallfaser nach Anspruch 7 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die magnetische Sättigungs­ flußdichte bei Gleichstrommagnetisierung mindestens 1,8 Tesla (18 kGauss) und die magnetische Flußdichte bei ei­ nem magnetischen Feld mit 800 A/m (10 Oersted) wenig­ stens 1,7 Tesla (17 kGauss) beträgt.

16. Verfahren zur Herstellung einer weichmagnetischen Me­ tallfaser mit einer in einer Richtung verlaufenden den­ dritischen Struktur, gekennzeichnet durch Schmelzspinnen eines geschmolzenen Metalls mit einer Spinndüse mit ei­ nem Durchmesser von höchstens 100 µm und Abschrecken des sich ergebenden Fasermaterials, so daß sich dieses ver­ festigt und zur Metallfaser wird, die eine zusammenge­ setzte Struktur von einer Gruppe von Dendriten aufweist, wobei Primärarme in einem Winkel von höchstens 20° in Bezug auf die Metallfaserachse gewachsen sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe Fe-Si-Legie­ rung, Fe-Al-Legierung oder Fe-Si-Al-Legierung.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe Fe-Si-Sel­ tenerdmetall-Legierung, Fe-Al-Seltenerdmetall-Legierung oder Fe-Si-Al-Seltenerdmetall-Legierung.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall ausgewählt wird aus der Gruppe Me­ talle aus der Lanthanserie.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall Ce ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzspinnen durch Einspritzen des geschmolzenen Metalls durch die Spinndüse in eine Kühlflüssigkeitsschicht erfolgt, die entlang einer inne­ ren Umfangsfläche einer rotierenden zylindrischen Trom­ mel ausgebildet ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzspinnen durch Spinnen des geschmolzenen Metalls in einem abschreckenden Gas er­ folgt.

23. Verfahren zum Herstellen einer einkristallinen, weich­ magnetischen Metallfaser, gekennzeichnet durch Schmelz­ spinnen eines geschmolzenen Metalls aus einer Spinndüse mit einem Durchmesser von höchstens 100 µm, Abschrecken des sich ergebenden Fasermaterials zu dessen Verfesti­ gung und Wärmebehandeln der sich ergebenden Metallfaser zum Homogenisieren, so daß die Metallfaser erhalten wird, die über ihre gesamte Länge ein einkristallines Material aufweist und einen Durchmesser von höchstens 100 µm und eine Länge von wenigstens 40 mm aufweist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe Fe-Si-Legie­ rung, Fe-Al-Legierung oder Fe-Si-Al-Legierung.

25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe, Fe-Si-Sel­ tenerdmetall-Legierung, Fe-Al-Seltenerdmetall-Legierung oder Fe-Si-Al-Seltenerdmetall-Legierung.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall ausgewählt wird aus der Gruppe, Me­ talle der Lanthanserie.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerdmetall Ce ist.

28. Verfahren nach Anspruch 23 bis 27, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmebehandlungstemperatur höchstens eine Temperatur von 10°C unterhalb einer Verfestigungs­ schmelzkurve des Metalls aber wenigstens 1/3 der Schmelztemperatur der Legierung beträgt.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzspinnen durch Einspritzen eines geschmolzenen Metalls durch die Spinndüse in eine Kühlflüssigkeitsschicht erfolgt, die entlang einer inne­ ren Umfangsfläche einer rotierenden zylindrischen Trom­ mel ausgebildet ist.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzspinnen durch Spinnen des geschmolzenen Metalls in einem abschreckenden Gas er­ folgt.