DE3841748C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legierung als Werkstoff zur Herstellung von gegossenen Magnetköpfen.

Hochgesättigte magnetische Legierungen haben hohe Korrosions­ widerstandswerte und eignen sich als Magnetköpfe in Audio- und Tonbandgeräten.

An solche Werkstoffe werden nachfolgende Forderungen gestellt:

Es sind eine hohe magnetische Flußdichte und eine hohe magnetische Permeabilität erforderlich. Bei einer niedrigen Koerzitiv­ kraft sollen eine hohe Härte und gute Werte des Verschleiß­ widerstandes vorliegen und der Werkstoff soll einen hohen elektrischen Widerstand haben.

Eine bekannte magnetische Legierung für Magnetköpfe ist die Sendust-Legierung der Gruppe Fe-Si-Al, die eine hoch gesättigte Magnetflußdichte bis zu 1,1 Tesla (T) sowie eine hohe Härte aufweist und in Magnetköpfen für Audio- und Videobandgeräte und in Form eines feinen Pulvers als Ausgangsmaterial für Magnet­ bänder und Magnetkartenfolien verwendet wird. Dieser Werkstoff erreicht aber nicht die erforderliche niedrige Koerzitivkraft.

Von dieser Werkstoffgruppe sind hier die Legierungen der Gruppe Fe-Co zu betrachten. Einerseits ist diese Legierung vorteilhaft, da ihre Magnetflußdichte Bs bis 2 Tesla betragen kann, anderer­ seits ist ihre hohe Magnetostriktion und ein wesentlicher Abfall der magnetischen Permeabilität, der nach dem Gießen beobachtet wird, nachteilig. Ferner ist es schwierig, diese Legierung im Kaltverfahren zu bearbeiten, so daß der Werkstoff in der Regel nicht anwendbar ist, d. h. unge­ eignet für die Herstellung von Magnetköpfen bzw. Magnetkernen.

Aus der US-PS 42 36 946 sind Werkstoffe zur Herstellung von magnetischen Legierungen und zugehörige Herstellungsverfahren bekannt. Man verwendet hierbei u. a. eines der nachfolgenden Legierungssysteme:

Fe-Cr-B
Fe-Si
Fe-Si-B
Fe-B
Co-Fe-B

Allerdings werden diese Werkstoffe in Form von amorphen magnetischen Dünnschichtfilmen hergestellt, wobei als wesentliche Verfahrensschritte das Aufsprühen des Werkstoffes in dünner Schicht auf einem Träger und ein bestimmter Anlaßvorgang ein­ gesetzt werden. Dabei soll ein Werkstoff mit magnetisch stabiler Achse neben hoher Permeabilität erreicht werden.

Die bekannten Werkstoffe betreffen insbesondere ein Legierungs­ system, in welchem bis 10 Gew.-% eines metallischen Stoffes, der nicht Nickel, Eisen oder Kobalt ist, als Übergangsstoff dient und aus der nachfolgenden Gruppe von Übergangsmetallen ausgewählt ist:

Cr, Mo, V, Cu, Pd, Pt, Re, Ru, Ta, Zr, Hf, Rh, Y und Al.

Auch diese Werkstoffe werden ausschließlich für magnetische Dünnschichtmaterialien vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung einer Legierung als Werk zur Herstellung von gegossenen Magnet­ köpfen vorzuschlagen, welche eine hohe Magnetflußdichte auch dann beibehält, wenn der Werkstoff zu Magnetköpfen gegossen wird. Also soll nach dem Gießen kein nennenswerter Abfall der Magnet­ flußdichte auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Legierung nach dem Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Legierung sind in den Unteran­ sprüchen dargestellt.

Ferner wird bei einer solchen Magnetkopflegierung, ohne Nachteile, durch Hinzufügung eines Additivs der Korrosionswider­ stand verbessert.

Der Siliziumgehalt muß in der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung zwischen 6 und 12 Gew.-% liegen; denn liegt der Siliziumgehalt unter 6 Gew.-%, ist nicht mehr gewährleistet, daß der Wert der Magneto­ striktion auf Null geht.

Andererseits, wenn der Siliziumgehalt oberhalb von 12 Gew.-% liegt, ist festzustellen, daß ein ganz wesentlicher Abfall des Wertes der Magnetflußdichte eintritt und nicht mehr ein hoch gesättigter Magnetwerkstoff vorliegt. Entsprechend gilt, daß Kobalt zwischen 3 und 20 Gew.-% liegen soll, weil der erfindungsgemäß zu verwendende Werk­ stoff sehr brüchig wäre, wenn der Kobaltgehalt unter 3 Gew.-% fällt. Andererseits, wenn sein Gehalt 20 Gew.-% übersteigt, zeigt der erfindungsgemäß zu verwendende Werkstoff eine verzerrte Magnetostriktion, die in der Regel so hoch ist, daß eine gesättigte Magnetflußdichte zu klein wird, um ihn derart herzustellen, daß die Magneto­ striktion auf Null geht, sofern nicht der Si-Gehalt wesentlich erhöht wird. Der Aluminiumgehalt der Legierung soll zwischen 1 und 3 Gew.-% liegen, weil der Zusatz von Aluminium zu dieser Legierungsgruppe der Art Fe-Co-Si, welche im mono­ klinen System von grober Struktur vorliegt und deshalb an sich brüchig ist, durch diesen Zusatz und zugehöriger Trans­ formation seiner Kristall-Struktur wesentlich in ein isome­ trisches System überführbar ist und damit die Zerbrechlich­ keit herabgesetzt wird. Mit anderen Worten: Ein Aluminium­ gehalt von 0,1 bis 3 Gew.-% ist unerläßlich, denn wenn der Aluminiumgehalt unter 0,1 Gew.-% fällt, findet ein Übergang aus dem monoklinen System in ein isometrisches System nicht statt; aber wenn der Aluminiumgehalt 3 Gew.-% übersteigt, findet ein Abfall der Magnetflußdichte statt.

Ist Cr allein einer bekannten Legierung der Gruppe Fe-Co-Si hinzugefügt, erhält man keinen verbesserten Korrosionswider­ stand, wenn der Anteil an Cr niedriger als 1,5 Gew.-% ist; andererseits fällt die Magnetflußdichte unter den Wert 1,3 T, wenn der Cr-Gehalt 4 Gew.-% übersteigt.

Werden aber sowohl Cr als auch Ru dieser Legierung hinzuge­ fügt, so bringt ein Gehalt an Cr weniger als 1 Gew.-% keine wesentliche Verbesserung und ein Cr-Gehalt höher als 4 Gew.-% führt zu einem wesentlichen Abfall der Magnetflußdichte der Legierung. Andererseits, wenn der Anteil an Ru unter 0,5 Gew.-% liegt, tritt keine Verbesserung ein. Ein Gehalt von Ru über 5 Gew.-% führt zu einem Abfall der magnetischen Charakteristika der Legierung.

Ein Zusatz von Cr zu der Legierung führt dazu, daß der Korro­ sionswiderstand erhöht wird während ein Zusatz von Ru, in Synergismus mit Cr, einerseits in verstärkter Weise den Korrosionswiderstand erhöht, aber andererseits der Herab­ setzung der Magnetflußdichte entgegenwirkt, die bei Zusatz von Co auftreten könnte.

Eine Legierung gemäß der Anmeldung kann dadurch hergestellt werden, daß der Werkstoff in einem elektrischen Lichtbogenofen oder im Vakuum geschmolzen und metallurgisch gesintert wird.

Beispiel 1

Eine Anzahl ringförmiger Proben mit gleichem äußeren Durch­ messer von 10 mm, innerem Durchmesser von 6 mm und 1 mm Höhe, aber jeweils von unterschiedlicher Zusammensetzung in Gew.-% innerhalb vorbestimmter Bereiche, wurde aus anmeldungsgemäßen Werkstoffen der Gruppe Fe-Co-Si-Al in einem Lichtbogenofen hergestellt. Für Vergleichszwecke wurde eine Anzahl von Kontrollproben gleicher Abmessung, jedoch unterschiedlichen Gehaltes an Si, Co oder Al hergestellt.

Dann wurden jede Probe sowie jede Kontrollprobe einer Anzahl von Prüfungen in bezug auf anfängliche magnetische Perme­ abilität, auf die nach dem Gießen verbliebene niedrigere Perme­ abilität, die anfängliche Koerzitivkraft, die Koerzitivkraft nach dem Gießen, auf die gesättigte Magnetflußdichte, die Vickershärte und die Bruchfestigkeit geprüft. Zugehörige Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.

Den Tabellen 1 und 2 ist zu entnehmen, daß die Proben gemäß Nr. 5 bis 16, hergestellt aus dem Werkstoff gemäß Anmeldung, eine beachtliche Bruchfestigkeit, verglichen mit den Kontroll­ proben Nr. 3 und 4 aufweisen, wobei letztere keinen Zusatz an Al enthalten und eine relativ niedrige Koerzitivkraft auf­ weisen. Ähnlich zeigen die Proben Nr. 5 bis 15 eine beachtlich hohe Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft sowie eine hohe Vickers-Härte, verglichen mit den Kontrollgruppen Nr. 1 und 2. Ferner zeigen jede der Proben Nr. 5 bis 16 eine gesättigte hohe Magnetflußdichte von mehr als 1,1 T, also einen Wert, der höher als derjenige der Sendust-Legierung ist.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen, daß durch Al-Zusatz gemäß Proben Nr. 5 und 7 ein beachtlich niedriger Abfallwert der Permeabi­ lität und ein hoher Bruchfestigkeitswert vorliegen, verglichen mit der Kontrollprobe Nr. 2, in dem kein Al als Additiv enthalten ist. Die Proben Nr. 6, 9 und 13, die Al als Additiv enthalten, zeigen einen hohen Bruchfestigkeitswert und weitere vor­ teilhafte Eigenschaften, verglichen mit der Kontrollprobe Nr. 4, in dem kein Al als Additiv enthalten ist.

Fig. 1 zeigt das Verhältnis zwischen dem Gehalt an Si und der magnetischen Permeabilität µ_e (f=1 kHz) nach dem Guß der Legierung, die eine chemische Zusammensetzung von Fe_91,5-x Si_x-Co₈-Al_0,5 aufweist.

Es ist ersichtlich, daß eine erfindungsgemäß zu verwendende Legierung dieser Art, die Si in den Grenzen zwischen 6 und 12 Gew.-% enthält, eine gute Permeabilität hat.

Obige Versuche belegen, daß eine Legierung der Gruppe Fe-Co-Si, wenn diese Elemente mit bestimmten Intervallwerten vorhanden sind und denen Al innerhalb eines bestimmten Intervallwertes zugesetzt wird, eine stark erhöhte Bruchfestigkeit hat, und zwar ohne Verlust der magnetischen Eigenschaften.

Die Legierung ist sehr vorteilhaft zur Herstellung von gegossenen Magnetköpfen: sie weist eine ausgezeichnete gesättigte Magnetflußdichte von mehr als 1,4 T, eine hohe magnetische Permeabilität, eine niedrige Koerzitivkraft als auch gute magnetische Kennlinien nach dem Vergießen sowie eine hohe Vickershärte auf. Auch der Verschleißwiderstand ist ausge­ zeichnet und der Werkstoff ist gut zu bearbeiten.

Beispiel 2

Das nachfolgende erläuterte Beispiel eines Werkstoffes betrifft solchen mit einem erhöhten Korrosionswiderstand, verglichen mit der Fe-Co-Si-Al-Legierung nach Beispiel 1.

300 g einer Fe-Co-Si-Al-Legierung, mit einer vorbestimmten Menge eines Additivs, wurde in einem Lichtbogenofen hergestellt. Die Proben hatten die Abmessungen: 30 mm äußerer Durchmesser, 6 mm innerer Durchmesser und 1 mm Dicke. Sie wurden durch ein elektrisches Entladungsverfahren hergestellt, ebenfalls eine Anzahl von Kontrollproben mit einer abweichenden Zusammen­ setzung.

Die Proben und die Kontrollproben wurden einem Härtungsverfahren bei der Temperatur von 1173°K zwei Stunden in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre unterworfen und dann in einem Ofen gekühlt. Diese Proben wurden auf magnetische Eigenschaften und auf die Vickershärte geprüft. Die Proben wurden auf magnetische Permeabilität und die Koerzitivkraft vor und nach der Wärmebehandlung geprüft und es wurde die gesättigte Magnet­ flußdichte jeder Probe bestimmt. Alle Proben und Kontrollproben wurden ebenfalls auf Korrosionsfreiheit geprüft, indem sie in der Luft einer Temperatur von 833°K und einer relativen Feuch­ tigkeit von 95% während 96 Stunden ausgesetzt wurden. Danach wurde das Auftreten von Rost an ihnen geprüft. Diejenigen Muster, bei denen die Rostbildung gleichmäßig über die Oberfläche beobachtet werden konnte, wurden mit × markiert; solche, bei denen die Rostbildung lückenhaft auftrat, wurden mit ∆ markiert und solche, bei denen keine Rostbildung auftrat, wurden mit ○ markiert. Den Tabellen 3 und 4 ist die Zusammensetzung und das Prüfergebniss an den Prüflingen und Kontrollprüflingen zu entnehmen.

Es ist erkennbar von Tabellen 3 und 4, daß die Prüflinge Nr. 5 bis 15 mit erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen einen erhöhten Korrosionswiderstand haben, verglichen mit den Kontrollprüf­ lingen Nr. 3 und 4, die kein Cr und/oder Ru als Additive enthalten.

Alle Legierungsproben von Nr. 5 bis 15 und Nr. 18 und 20, haben einen Wert für gesättigte Magnetflußdichte von mehr als 1,3 T, der höher als der zugehörige Wert 1,1 T bei der Sendust-Legierung ist. Ferner weisen die Proben ausgezeichnete magnetische Charakteristika sowie eine ausreichend hohe magnetische Permeabilität und eine Koerzitivkraft auf.

Von den Proben Nr. 8, 9, 12, 13, 15, 16 und 18, welche aus einer Legierung der Gruppe Fe-Co-Si-Al hergestellt sind und Cr als Additiv enthalten, zeigt die Nr. 9, welche 3 Gew.-% Cr enthält, eine etwas verringerte Magnetflußdichte von 1,31 T auf. Andererseits zeigt der Vergleich der Kontrollprobe Nr. 16 mit der Probe Nr. 18, daß, wenn der Gehalt an Cr von 1,5 Gew.-%, bei der Probe Nr. 18 herab bis auf 1,0 Gew.-% bei Kontrollprobe Nr. 16 verringert wird, eine Verringerung des Korrosions­ widerstandes eintritt. Dies ergibt, daß die oberen und unteren Grenzen des zugesetzten Cr-Gehaltes hier mit 4% bzw. 1,5% vorteilhaft festzulegen sind.

Die Proben Nr. 5, 6, 7, 10, 11, 14, 17, 19 und 20 wurden aus einer Legierung Fe-Co-Si-Al hergestellt, welcher sowohl Cr als auch Ru hinzugefügt wurden. Beim Vergleich der Proben Nr. 5, 7 und 17 ist es ersichtlich, daß, während ein Gehalt an Ru von 5% die Eigenschaften dieser Art der Legierung verbessern, ein Gehalt von Ru von 10% eine wesentliche Herab­ setzung der magnetischen Permeabilität ergibt. Ferner kann ein Cr-Gehalt von 3% den gesättigten Magnetfluß bis auf 1,3 T G herabsetzen, wie im Falle der Probe Nr. 2.

In Fig. 2 ist das Verhältnis zwischen dem Cr-Gehalt und dem Ru-Gehalt, bezogen auf Rostwerte, dargestellt.

Obige Feststellungen lassen den Schluß zu, daß ein vorbestimmter Gehalt an Cr im Bereich von 1 bis 4 Gew.-% und von Ru im Bereich von 0,5 bis 5 Gew.-% die Legierung verbessern.

Eine erfindungsgemäß zu verwendende Legierung zeigt nur eine kleine Ver­ ringerung des Wertes an magnetischer Permeabilität nach dem Gießen, aber eine hohe gesättigte Magnetflußdichte zwischen 1,4 T und 1,8 T als auch eine hohe Bruchfestigkeit.

Somit erhärten auch die Versuche, daß eine der vorstehenden Legierungen geeignet ist für gegossene Magnetköpfe. Sie weisen eine hohe gesättigte Magnetflußdichte von mehr als 1,3 T, eine hohe magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft auf. Ferner liegen gute magnetische Charakteristika nach dem Gießen, eine hohe Vickershärte, eine hohe Verschleißfestigkeit und einem ausgezeichneten Korrosionswiderstand vor, so daß die Herstellung von Magnet­ köpfen hoher Qualität gegeben ist.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Claims (3)

1. Verwendung einer Legierung, bestehend aus (in Gew.-%)
3 bis 20% Kobalt,
6 bis 12% Silizium
0,1 bis 3% Aluminium und
Eisen als Rest,
als Werkstoff zur Herstellung von gegossenen Magnetköpfen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Legierung zusätzlich
1,5 bis 4% Chrom
aufweist.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Legierung zusätzlich
1,0 bis 4% Chrom und
0,5 bis 5% Ruthenim
aufweist.