[Technisches Gebiet der Erfindung]
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Magnetkernmaterial
für hohe Frequenzen, das aus einer Fe-Co-Basislegierung
hergestellt ist, hervorragende hochfrequent wechselnde, magnetische
Eigenschaften besitzt und bei einem Kopfkern und einem
Tauchkernmagnetjoch eines Nadelanschlagdruckers und weiterhin beim
Stator und beim Rotor eines Impulsmotors eingesetzt wird.
[Stand der Technik]
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Ein derartiges Magnetkernmaterial für hohe Frequenzen
sollte gewöhnlich schnell im Anstieg des magnetischen Flusses
sein, der aufgrund eines angelegten Stromes induziert wird,
wobei es erforderlich ist, den Verlust aufgrund eines
Überschußstromes zu verringern, indem das
Stromwiderstandsverhältnis des Magnetkerns groß gemacht wird. Daher werden die
meisten Magnetkernmaterialien aus einer Gußlegierungen auf Fe-
Grundlage hergestellt, die ein relativ großes
Stromwiderstandsverhältnis, hohe magnetische Eigenschaften und eine
Zusammensetzung besitzen, die zu 2 bis 3.5 Gew.-% aus Si und im
übrigen aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht
(die folgenden Prozentangaben bezeichnen Gewichtsprozent).
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In jüngster Zeit ist es notwendig geworden, daß zum
Beispiel ein Textverarbeitungssystem (word processor) geringe
Ausmaße und eine Hochleistungsfähigkeit besitzt, weshalb ein
Material hoher magnetischer Sättigungsflußdichte für den
Kopfkern
eines Nadelanschlagdruckers verwendet werden sollte, um
einen kompakten Kopfkern auszubilden. Um die Anforderungen zu
erfüllen, wird versucht, eine Legierung hoher Flußdichte, z.B.
eine 50%-Fe-50%-Co-Gußlegierung, die als "Permenjure" bekannt
ist, anstelle der Fe-Si-Gußlegierung zu verwenden (siehe
"Preliminary Lecture Paper of the 23th autumn Meeting", Japan
Electric Material Technique Association) . Eine derartige
Legierung mit hoher magnetischer Flußdichte besitzt jedoch, zum
Teil wegen einem geringen Stromwiderstand, schlechtere
hochfrequent wechselnde, magnetische Eigenschaften, als man
erwartet; das aus der Legierung hergestellte Magnetkernmaterial
wird im Anstieg des Magnetflusses wegen eines großen
Wirbelstromverlustes verschlechtert. Daher kann das aus der
Legierung hergestellte Magnetkernmaterial nicht die Anforderungen
der Hochgeschwindigkeitsabläufe und Klarheit beim Drucken
erfüllen, die in jüngster Zeit bei einem Textverarbeitungssystem
gefordert werden.
[Beschreibung der Erfindung]
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In Anbetracht dieser Bedingungen haben die Erfinder der
vorliegenden Erfindung Untersuchungen durchgeführt, um ein
Magnetkernmaterial für hohe Frequenzen zu erzeugen, das
hervorragende hochfrequent wechselnde, magnetische Eigenschaften
besitzt. Im Ergebnis haben die Erfinder ein Magnetkernmaterial
für hohe Frequenzen gefunden, das aus einer
Fe-Co-Basislegierung hergestellt ist und dessen Zusammensetzung
notwendigerweise 45 bis 53% Co, 0.3 bis 3%, vorzugsweise 0.5 bis 1.5%,
C, 0.1 bis 2% eines oder beider Elemente Mn und Si, 0.01 bis
0.2% mindestens eines der Elemente Mg, Ca und Ce beträgt und
einen Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen enthält,
wobei dessen Legierungsaufbau deart ist, daß 1 bis 20 Vol.-%
Graphit in einer Ferritgrundlage dispergiert sind. Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen 2 bis 4 und 6 bis 8 beschrieben. Darüberhinaus haben die
Erfinder herausgefunden, daß das Magnetkernmaterial noch
bessere hochfrequent wechselnde, magnetische Eigenschaften als
das herkömmliche Magnetkernmaterial für hohe Frequenzen
besitzt, das aus einer Fe-Co-Gußlegierung hergestellt wird,
einen geringen Wirbelstromverlust zuläßt und einen deutlich
schnellen Anstieg des magnetischen Flusses ergibt. Daher
erfüllt das Magnetkernmaterial leicht die Anforderungen, die von
Maschinen hoher Geschwindigkeit, geringer Größe und hoher
beistung erfordert werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage der obigen
Befunde bereitgestellt. Die folgenden Beschreibungen ergeben
eine Begründung zum Einfügen von Bestandteilen in die Fe-Co-
Basislegierung, die ein erfindungsgemaßes Magnetkernmaterial
für hohe Frequenzen bildet, eine Begründung zur Begrenzung der
Anteilsbereiche der enthaltenen Zusammensetzungen und eine
Begründung zur Begrenzung des Graphitanteils, wie oben angegeben.
(a) Co
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Der Grund dafür, Co als Bestandteil einzufügen, besteht
darin, daß Co zusammen mit dem Fe-Bestandteil einen
Gesamtanteils-Mischkristall (solid solution) in α-Phase aufbaut,
woraus sich eine deutlich hohe magnetische Flußdichte ergibt.
Außerdem besteht der Grund für die Begrenzung des Anteils des
eingefügten Co darin, daß die gewünschte hohe magnetische
Flußdichte nicht sichergestellt werden kann, wenn der Anteil
von eingefügtem Co geringer als 45% oder größer als 53 % ist.
Folglich wird der Co-Anteil bei der vorliegenden Erfindung zu
45 bis 53% bestimmt.
(b) C
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Der Grund dafür, C als Bestandteil einzufügen, besteht
darin, daß der größte Teil des C-Bestandteils in einer
Ferritmatrix
als Graphit dispergiert, woraus sich Verbesserungen bei
den hochfrequent wechselnden, magnetischen Eigenschaften
ergeben. Der Grund für die Begrenzung des Anteils des eingefügten
C besteht darin, daß, falls der Anteil geringer als 0.3% ist,
das Volumenverhältnis des in der Matrix dispergierten Graphits
geringer als 1% ist und die gewünschten Verbesserungen der
hochfrequent wechselnden, magnetischen Eigenschaften nicht
sichergestellt werden können, und falls der Anteil von C größer
als 3% ist, das Volumenverhältnis von Graphit übermäßig viel
höher als 20% ist und die hochfrequent wechselnden,
magnetischen Eigenschaften umgekehrt verschlechtert werden. Folglich
wird der C-Anteil bei der vorliegenden Erfindung zu 0.3 bis 3%
bestimmt. Dabei wird erfindungsgemäß insbesondere 0.5 bis 1.5%
bevorzugt.
(c) Mn und Si
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Der Grund, diese Bestandteile einzufügen, besteht darin,
daß sie eine Aktivität durch Deoxidation zeigen, woraus sich
Verbesserungen der hochfrequent wechselnden, magnetischen
Eigenschaften ergeben. Der Grund für die oben genannte
Begrenzung des Anteils der Bestandteile besteht darin, daß eine
gewünschte Deoxidationswirkung nicht sichergestellt werden kann,
wenn der Anteil geringer als 1% ist, während die hochfrequent
wechselnden, magnetischen Eigenschaften dazu neigen, sich zu
verschlechtern, wenn der Anteil größer als 2% ist. Folglich
wird der Anteil bei der vorliegenden Erfindung zu 0.1 bis 2%
bestimmt.
(d) Mg, Ca und Ce
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Der Grund zur Einfügung dieser Bestandteile besteht darin,
daß sie sich in einer Ferritmatrix zur Verbesserung des
Stromwiderstands im festen Zustand lösen (solid-solve), woraus sich
eine Verbesserung der hochfrequent wechselnden, magnetischen
Eigenschaften ergibt. Diese Bestandteile zeigen ferner eine
Entgasungswirkung zur Verringerung der Anteile sowohl von
Sauerstoff als auch von Stickstoff, die in der Legierung
enthalten sind, woraus sich eine Verbesserung der hochfrequent
wechselnden, magnetischen Eigenschaften ergibt. Wenn bessere
hochfrequent wechselnde, magnetische Eigenschaften
erforderlich sind, werden daher diese Bestandteile notwendigerweise
hinzugefügt. Der Grund zur Begrenzung des Anteils der
Bestandteile wie oben angegeben besteht darin, daß die erwünschte
Wirkung aufgrund der Entgasungsaktivität nicht erzielt werden
kann, falls der Anteil weniger als 0.01% beträgt, während die
Graphitierung schwierig ist und auch Zementit (Fe&sub3;C)
kristallisiert wird, falls der Anteil größer als 0.2% ist, woraus sich
eine Verschlechterung der hochfrequent wechselnden,
magnetischen Eigenschaften ergibt. Der Anteil dieser Bestandteile
wird bei der vorliegenden Erfindung zu 0.01 bis 0.2% bestimmt.
(e) Volumenanteil von Graphit
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Wie oben beschrieben läßt die Graphitdispersion in einer
Ferritmatrix deutliche Verbesserungen der hochfrequent
wechselnden, magnetischen Eigenschaften zu. Die gewünschten
Verbesserungen bei den hochfrequent wechselnden, magnetischen
Eigenschaften können jedoch nicht sichergestellt werden, wenn
der Volumenanteil von Graphit geringer als 1% ist, wobei die
hochfrequent wechselnden, magnetischen Eigenschaften auch dazu
neigen, verschlechtert zu werden, falls der Volumenanteil
größer als 20% ist. Folglich wird der Volumenanteil von
Graphit bei der vorliegenden Erfindung zu 1 bis 20% bestimmt.
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Obwohl jede Graphitform Wirkungen zur Verbesserung der
hochfrequent wechselnden, magnetischen Eigenschaften zeigt,
weist außerdem der Vergleioh von z.B. einem sphäroidalen
Graphit mit einem blättchenförmigen Graphit (flake graphit)
darauf hin, daß ein Magnetkernmaterial unter Verwendung eines
sphäroidalen Graphits bessere hochfrequent wechselnde,
magnetische Eigenschaften zeigt als das unter Verwendung eines
blättchenförmigen Graphits, falls die Bedingung erfüllt ist,
daß der Anteil des zugefügten sphäroidalen Graphits gleich dem
des blättchenförmigen Graphits ist. Wie die Erfinder
festgestellt haben, gilt dies, da ein sphäroidaler Graphit wirksamer
das Auftreten eines Wirbelstroms unterdrückt. Um die
hochfrequent wechselnden, magnetischen Eigenschaften zu
verbessern, werden sphäroidale Graphite vorzugsweise in einer
Metallzusammensetzung verwendet, in der der mittlere Durchmesser
des Sphäroids 0.5 bis 50 um beträgt, wobei insbesondere 2 bis
4 um bevorzugt werden.
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Da ein Magnetkernmaterial für hohe Frequenzen überraschend
hervorragende hochfrequent wechselnde, magnetische
Eigenschaften bietet, zeigt die Verwendung des magnetischen Kerns. in
einem bei einem Kopfkernmaterial und einem Tauchkernmagnetjoch
eines Nadelanschlagdruckers oder im Stator und beim Rotor
eines Impulsmotors äußerst gute Wirkungen und eine leichte
Beschleunigung des Nadelanschlagdruckers und des Impulsmotors,
wobei ihnen eine hohe Leistungsfähigkeit ermöglicht wird. Da
das Magnetkernmaterial eine derartige Metallzusammensetzung
wie die, in der Graphit dispergiert ist, besitzt, weist es
außerdem eine bessere Behandelbarkeit auf als die herkömmliche
Fe-Co-Baislegierung, die gleichermaßen für diese Anwendungen
benutzt wird.
[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
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Es zeigen:
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Figur 1: eine Mikroaufnahme mit 500-facher Verstärkung von
einer Metallzusammensetzung (50%Fe-48.9%Co-1.1%C)
eines Magnetkernmaterials für hohe Frequenzen, das
aus einer Fe-Co-Basislegierung hergestellt ist,
wobei
die Aufnahme ein Beispiel der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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Figur 2: eine Mikroaufnahme mit 500-facher Verstärkung von
einer herkömmlichen Metallzusammensetzung
(50%Fe-50%Co) eines herkömmlichen
Magnetkernmaterials für hohe Frequenzen, das aus einer Fe-Co-
Basislegierung hergestellt ist.
[Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung]
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Als nächstes wird das erfindungsgemäße Magnetkernmaterial
für hohe Frequenzen konkret unter Bezug auf die
Ausführungsformen beschrieben.
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Unter Verwendung eines gewöhnlichen
Hochfrequenzschmelzofens wird eine Metallschmelze mit einer gegebenen
Zusammensetzung zubereitet, und dann werden Mg, Ca, Ce und Si (Si wie
bei einer Legierung aus Fe-Si) mit der
Legierungszusammensetzung gemeinsam oder einzeln in die Metallschmelze
eingeimpft, wobei ein oder mehr als zwei Bestandteile, die unter
Mg, Ca und Ce und einer Fe-Si-Legierung ausgewählt wurden,
eingeimpft wurden, falls ein sphäroidaler Graphit gebildet
wurde, und eine Fe-Si-Legierung eingeimpft wurde, falls ein
blättchenförmiger Graphit gebildet wurde. Nach der Impfung
wurde die Metallschmelze gegossen, um einen Abguß mit
sphäroidalem Graphit und einen Abguß mit blättchenförmigem Graphit zu
erhalten, der Nadelkerne (9 Nadeln) von einem
Nadelanschlagdrucker als Magnetkernmaterial für hohe Frequenzen besitzt.
Der Abguß mit sphäroidalem Graphit wurde darauffolgend unter
Verwendung eines Vakuumheizofens für 3 Stunden bei 850ºC
gehalten und einem Anlassen unter der Bedingung einer
Ofenkühlung ausgesetzt. Auch der Abguß mit blättchenförmigem Graphit
wurde unter Verwendung eines Vakuumheizofens für 2 Stunden bei
50ºC gehalten und einem Anlassen unter der Bedingung einer
Ofenkühlung ausgesetzt. Anschließend besitzt jeder Abguß eine
Zusammensetzung, bei der Graphit in einer Ferritmatrix
dispergiert ist. Daher wurden unter Bearbeitung der Abgüsse zur
Bildung der endgültigen Gestalt erfindungsgemäße Nadelkerne 1 bis
17 ausgebildet, die aus einer Fe-Co-Basislegierung hergestellt
sind, welche Gehaltsanteile und einen Graphitanteil besitzt,
die jeweils entsprechend in Tabelle 1 gezeigt sind.
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Ferner wurde zum Vergleich eine Metallschmelze mit dem
selben Zusammensetzungsanteil für Vergleichsnadelkerne 1 bis 5
wie in Tabelle 1 gezeigt zubereitet, sogleich gegossen und
bearbeitet, um die endgültige Gestalt auszubilden. Jeder Anteil
der in den sich ergebenden Nadelkernen 1 bis 5 enthaltenen
Bestandteile weicht entsprechend von dem in Übereinstimmung mit
der Erfindung ab. Das Zeichen zeigt einen Anteil, der von
dem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
abweicht.
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Als nächstes wurden für jeden wie oben erhaltenen
Nadelkern zwei Kerne kontaktiert, wobei jede der Endoberflächen
einer jeden Nadel der Kerne exakt mittels eines
nichtmagnetischen Mediums mit einer Dicke von 0.3 mm zusammengefügt wurden
und eine Spule um die Nadel eines Nadelkernes gewunden wurde.
Dann wurde eine durch einen Rechteckimpuls induzierte Spannung
unter den folgenden Bedingungen zwischen den Spulenanschlüssen
angelegt: Schaltzyklus 50 Hz, Spannung zwischen den
Spulenanschlüssen: 30 V, Schaltzeit: 220 us, und magnetometrische
Kraft (Ni) : 150 Ampere/Wicklung (Strom*Anzahl der
Spulenwicklungen), wobei der sich ergebende magnetische Fluß Φ, der in
den Nadeln des Nadelkerns induziert wurde, gemessen wurde, um
die hochfrequent wechselnden, magnetischen Eigenschaften zu
bewerten.
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Ein Stift eines Nadelkernes besitzt im Schnitt eine
rechteckige Gestalt von 9.6 mm Länge * 0.17 cm² verfügbarer
Schnittfläche * 2.3 mm Breite. Ein magnetischer Fluß Φ wird
mit einer Meßspule gemessen und mit der folgenden Formel
berechnet:
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Φ = (1/Ns) e dt (wb)
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wobei Ns: die Anzahl der Meßspulenwicklungen (=3), und
e: die unter Verwendung eines Wellenformanalysators zwischen
den Spulen induzierte Spannung ist. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 zeigt auch den Volumenanteil von
in der Matrix dispergiertem Graphit.
[Gewerbliche Anwendbarkeit]
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Aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen wird klar, daß
alle erfindungsgemäßen Nadelkerne 1 bis 17 mit einer
Zusammensetzung, bei der sphäroidaler Graphit oder blättchenförmiger
Graphit in einer Ferritmatrix dispergiert sind, hervorragende
hochfrequent wechselnde, magnetische Eigenschaften zeigen,
während die Vergleichsnadelkerne 1 bis 5 nicht genügende
hochfrequent wechselnde, magnetische Eigenschaften zeigen können,
selbst wenn nur ein Anteil von Bestandteilen von dem
entsprechend der Erfindung abweicht (beim C-Bestandteil weicht der
Volumenanteil von Graphit auch von dem entsprechend der
Erfindung ab).
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Figur 1 ist eine Mikroaufnahme, die unter Bezug auf die
vorliegende Erfindung eine Metallzusammensetzung eines
Magnetkernmaterials für hohe Frequenzen zeigt, das aus einer Fe-Co-
Basislegierung hergestellt ist, und Figur 2 ist eine
Mikroaufnahme, die eine Metallzusammensetzung eines herkömmlichen
Magnetkernmaterials für hohe Frequenzen zeigt, das aus einer
Fe-Co-Basislegierung hergestellt ist. Beim Vergleich dieser
Mikroaufnahmen ist festzustellen, daß eine erfindungsgemäße
Legierung eine Metallzusammensetzung besitzt, in der Graphit
dispergiert ist, während eine herkömmliche Legierung eine
Metallzusammensetzung besitzt, in der bei Abwesenheit eines
Kohlenstoffbestandteils Graphit nicht dispergiert ist.
Tabelle 1
Zusammensetzung der Bestandteile (Gew.-%)
Graphit
Probe
magnetischer Fluß φ (wb) (x10&supmin;&sup6;)
Fe+ Verunreinigungen
Form
Volumenanteil (%)
Erfindungsgemäße Nadelkerne
Vergl.-Nadelkerne
Spuren
Rest
sphäroidal
blätt.-förmig
(*: Anteil, der vom erfindungsgemäßen Anteil abweicht