DE4217098C2

DE4217098C2 - Magnetkernvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE4217098C2
Application number: DE4217098A
Authority: DE
Inventors: Toshio Uehara
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2012-05-23
Also published as: JP2901373B2; DE4217098A1; MY108324A; CN1067327A; CN1060284C; JPH0573826A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetkern vorrichtung mit einer Oxidbeschichtung, die eine verbesserte Abriebfestigkeit und günstige Haftei genschaften erzielt durch Regulieren der Zusammen setzung der Oxidbeschichtung auf dem Kern einer magnetischen Legierung vom Fe-Ni-Typ und der Oxida tionsbedingungen bei der Bildung der Oxidbeschich tung.

Als Kernmaterialien für Magnetköpfe werden magneti sche Materialien wie Permalloy (eingetragenes Wa renzeichen), Sendust (eingetragenes Warenzeichen), Ferrit und amorphe Materialien verwendet. Permalloy (eine magnetische Legierung vom Fe-Ni-Typ) ist günstig hinsichtlich magnetischer Eigenschaften, aber unbefriedigend hinsichtlich Abriebfestigkeit. Daher wird, um die Abriebfestigkeit eines Kerns aus einer magnetischen Legierung vom Fe-Ni-Typ zu ver bessern, auf der Oberfläche eines solchen Kerns eine Oxidbeschichtung ausgebildet, indem man ihn in Sauerstoffgas, in der Atmosphäre oder in Dampf wärmebehandelt.

Es ist jedoch wahrscheinlich, daß dieser die Ab riebfestigkeit verbessernde Effekt durch eine Oxi dationsbehandlung in Abhängigkeit von den Bedin gungen variiert. Unter manchen Bedingungen wird keine Verbesserung der Abriebfestigkeit erhalten, und Abblättern der gebildeten Oxidbeschichtung kann auftreten. So verschlechtern sich die Leistung und Qualität der Magnetkernvorrichtung, und die Produk tion wird gehemmt.

Permalloy ist eine Legierung vom Fe-Ni-Typ, die 75 bis 85 Gewichts-% Ni und 10 bis 15 Gewichts-% Fe enthält, sowie weiterhin Nb, Mn, Al, Cr etc., um die magnetischen Eigenschaften und die Bearbeitbar keit zu verbessern. Die Metalloxide von Permalloy sind hauptsächlich Fe- und Ni-Oxide. Fig. 2 zeigt eine Analyse der Metalloxide.

Eine Beschichtung aus Fe- und Ni-Oxiden, wie sie unterhalb 570°C ausgebildet wird, ist in Fig. 4 gezeigt. Eine Basisoxidschicht 6 aus einer NiO- Schicht wird auf der Oberfläche eines Kerns 5 aus gebildet. Eine Zwischenoxidschicht 7 aus einer Fe₃O₄-Schicht und eine Oberflächenoxidschicht 8 aus einer Fe₂O₃-Schicht werden auf der Basisschicht 6 ausgebildet. Die Beschichtung wird dünn und porös.

Wenn ein Metall oder eine Legierung in einer oxi dierenden Atmosphäre wie Sauerstoffgas oder der natürlichen Atmosphäre erhitzt wird, reagiert das Metall oder die Legierung im allgemeinen mit Sauer stoff unter Bildung von Metalloxiden (Belag, Schicht, Schuppen). Damit die Oxidation fortschrei tet, muß der Sauerstoff das Metall oder die Legie rung durch das auf der Oberfläche des Metalls oder der Legierung gebildete Metalloxid hindurch erreichen.

Die Ionenradien von Metallen sind jedoch im allge meinen kleiner als der Ionenradius von Sauerstoff. Daher diffundieren im allgemeinen Metallionen schneller nach außen als Sauerstoffionen nach innen diffundieren.

Die Merkmale der in Fig. 5 veranschaulichten Eisen oxide sind folgendermaßen:
FeO (Wüstit-Schicht) als ein Halbleiter vom p-Typ mit Metalldefizit;
Fe₃O₄ (Magnetit-Schicht) als Halbleiter vom n-Typ mit Sauerstoffdefizit; und
Fe₂O₃ (Hämatit-Schicht) als Halbleiter vom n-Typ mit Sauerstoffdefizit.

Beim Halbleiter vom p-Typ kommt es darauf an, wie groß der Sauerstoff-Partialdruck ist, beim Halblei ter vom n-Typ jedoch nicht. Weil sich die Fehlstel len in der FeO-Schicht viel schneller bewegen als die Fehlstellen in anderen Schichten (der Zwischen oxidschicht 3 und der Oberflächenoxidschicht 4), wird die FeO-Schicht viel dicker als die anderen Schichten. Das Dicke-Verhältnis der drei Schichten ist:

FeO : Fe₃O₄ : Fe₂O₃ = 95 : 4 : 1.

Wenn die Spannung in der Oxidbeschichtung größer wird als die Bruchfestigkeit des Oxids, wenn die dichte Oxidbeschichtung bei der isothermen Oxidie rung dicker wird, ist es wahrscheinlich, daß die Beschichtung reißt oder abblättert.

Die innere Spannung der Beschichtung wird verur sacht von: Oberflächenspannung; elektrische Verwin dungsspannung in der Beschichtung; Volumenunter schied zwischen Metall und Oxid; Hydratisierung und Dehydratisierung; Einschlüsse; etc. Die innere Spannung der Beschichtung ist

P - P0 = (ε(ε - 1)/8π) (E² - r)/x

mit

P = senkrechte Belastung auf die Beschich tungsoberfläche
P0 = äußerer Luftdruck
ε = dielektrische Konstante der Beschichtung (= 2 bis 15)
r = Oberflächenspannung
x = Dicke der Beschichtung
E = Stärke des elektrischen Felds.

In der obigen Formel bezeichnet der erste Ausdruck die Wirkung der elektrischen Verwindung und der zweite Ausdruck die Wirkung der Oberflächenspan nung.

Daher verliert die FeO-Schicht ihre Anhaftung an das Metall des Kernmaterials trotz ihrer ver gleichsweise hohen Plastizität. Eine solch schnelle Schichtbildung erhöht die damit verbundene Span nung, was physische Defekte in der äußeren Schicht verursacht und so zum Eindringen von Gasmolekülen führt.

Das Oxid NiO kann ungeachtet von Temperaturerhöhung und Sauerstoff-Partialdruck erhalten werden. NiO ist ein Halbleiter vom p-Typ mit Metalldefizit.

Weiterhin wird, da NiO einen thermischen Expan sions-Koeffizienten besitzt, der sich von dem von Permalloy wesentlich unterscheidet, wie in Fig. 6 gezeigt, es in der Schichtstruktur einer hohen thermischen Belastung unterworfen. Diese Faktoren können auch die Oxidbeschichtung instabil machen und die Anhaftung zwischen dem Kern 1 und der Ba sisoxidschicht 2, die aus NiO-Schicht und FeO- Schicht zusammengesetzt ist, verringern.

Bruch oder Abblättern der Oxidbeschichtung ist insbesondere wahrscheinlich unter Trennbedingungen wie: Heiz- und Kühlzyklen; schnelles Aufheizen und schnelles Abkühlen. Bruch und Abblättern der Be schichtung werden verursacht durch thermische Span nung, die von verschiedenen thermischen Expansions- Koeffizienten von Oxiden und Legierungen herrührt. Die thermische Spannung ist insbesondere dann groß, wenn Legierung und Oxid während des Kühlvorgangs nach Oxidation bei hoher Temperatur schrumpfen.

Wenn zum Beispiel beide Seiten einer Legierungs platte mit Oxiden beschichtet sind, ist die durch eine Temperatur-Differenz ΔT in den Oxiden hervor gerufene Spannung

σ0 = {Eo (α0 - αM) ΔT}/{1 + 2 (E0/EM) (τ0/τM)}

mit

α = Koeffizient über eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Oxidationstemperatur und der Kühltemperatur
E = Elastizitätsmodul
τ = Dicke
(Die Kennzeichnungen 0 und M stehen für eine Oxidbeschichtung bzw. eine Legie rung).

Wenn τ0 wesentlich kleiner als τM ist, ist

σ0 = E0 (α0 - αM) ΔT

Daher hängen Brechen und Abblättern der Oxidbe schichtung während der Heizzyklen wesentlich vom Ausmaß der Temperaturdifferenz und der Differenz zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten von Oxid und Legierung ab. Die thermische Spannung steigt mit einem Ansteigen der Differenz ΔT zwi schen den Temperaturen der Legierung während der Oxidation und nach dem Kühlen. Wenn die thermische Spannung größer wird als die Reißfestigkeit des Oxids, reißt die Beschichtung und blättert ab.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine günstigere Magnetkernvorrichtung zu schaffen, bei der die Anhaftung einer Oxidbeschichtung verbessert ist, und die die obengenannten Probleme des Standes der Technik löst.

Zur Lösung der Aufgabe weist eine Magnetkernvor richtung nach vorliegender Erfindung auf:
einen aus einer magnetischen Legierung vom Fe-Ni- Typ gebildeten Kern;
eine NiO und FeO enthaltende Basisoxidschicht, die auf dem Kern ausgebildet ist;
eine Fe₃O₄ enthaltende Zwischenoxidschicht; und
eine Fe₂O₃ enthaltende Oberflächenoxidschicht.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetkernvorrichtung nach vorliegender Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer magneti schen Legierung vom Fe-Ni-Typ gebildeter Kern bei 570°C oder einer höheren Temperatur in Sauerstoff gas, der (natürlichen) Atmosphäre oder Dampf wärme behandelt wird, so daß auf dem Kern eine NiO und FeO enthaltende Basisoxidschicht ausgebildet wird, eine Fe₃O₄ enthaltende Zwischenoxidschicht auf der Basisoxidschicht ausgebildet wird, und eine Fe₂O₃ enthaltende Oberflächenoxidschicht auf der Zwischenoxidschicht ausgebildet wird.

Erfindungsgemäß wird eine Oxidbeschichtung auf dem Kern in der in Fig. 1 gezeigten Struktur ausgebil det, indem man den Kern bei 570°C oder darüber wärmebehandelt und allmählich abkühlt. Die so ge bildete Oxidbeschichtung besitzt eine verbesserte Abriebfestigkeit. Ebenso besitzt sie günstige Haft eigenschaften, da sie keiner hohen Spannung bezie hungsweise Belastung ausgesetzt ist.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung werden aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offenbart.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Magnetkernvor richtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die bei 570°C oder da rüber behandelt wurde;

Fig. 2 die Bestandteile einer Legierung vom Fe- Ni-Typ und ihrer Oxidbeschichtung nach dem Stand der Technik und ihre Gew.-%;

Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Abriebverlust von Permalloykernen und den Temperaturen, bei denen die Permalloyker ne oxidiert wurden;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Magnetkernvor richtung nach dem Stand der Technik, die als Kernmaterial eine magnetische Legie rung vom Fe-Ni-Typ verwendet;

Fig. 5 Schichten im Fe-O-System;

Fig. 6 die mittleren thermischen Expansionskoef fizienten von Metallen, Permalloy und darauf hauptsächlich gebildeten Oxiden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen aus einer magnetischen Legie rung vom Fe-Ni-Typ gebildeten Kern 1; eine aus NiO und FeO zusammengesetzte Basisoxidschicht 2; eine aus Fe₃O₄ (Magnetit-Schicht) zusammengesetzte Zwischenoxidschicht 3; und eine aus Fe₂O₃ (α-Häma tit-Schicht) zusammengesetzte Oberflächenoxid- Schicht 4. Die drei Oxidschichten werden ausgebil det durch Wärmebehandlung des Kerns 1 in Sauer stoffgas, der Atmosphäre oder Dampf bei 570°C oder einer höheren Temperatur. Die Temperatur zur Aus bildung einer Oxidbeschichtung muß 570°C oder höher sein, um die Bildung von FeO (Wüstit-Schicht) und die Bildung einer im wesentlichen dicken, dichten und harten Beschichtung sicherzustellen. Wenn die Bildung einer Oxidbeschichtung bei einer Temperatur unterhalb 570°C durchgeführt wird, ist es wahr scheinlich, daß die Oxidbeschichtung eine Struktur haben wird wie in Fig. 4 gezeigt.

Fig. 4 zeigt einen aus einer magnetischen Legie rung vom Fe-Ni-Typ gebildeten Kern 5; eine aus NiO zusammengesetzte Basisoxidschicht 6; eine aus Fe₃O₄ (Magnetit-Schicht) gebildete Zwischenoxidschicht 7; und eine aus Fe₂O₃ (Hämatit-Schicht) zusammenge setzte Oberflächenoxidschicht 8. Die drei Oxid schichten werden gebildet durch Wärmebehandeln des Kerns 5 in Sauerstoffgas, der Atmosphäre oder in Dampf bei einer Temperatur unterhalb 570°C.

Bei einer Temperatur von 570°C oder darüber wird die aus einer NiO-Schicht und einer FeO-Schicht zusammengesetzte Basisoxidschicht 2 auf der Ober fläche des Kerns 1 aus Permalloy ausgebildet. Auf der Basisoxidschicht 2 werden die Zwischenoxid schicht 3 aus einer Fe₃O₄-Schicht und die Ober flächenoxidschicht 4 aus einer Fe₂O₃-Schicht aus gebildet. Die ausgebildete Oxidbeschichtung wird im wesentlichen dick, dicht und hart. Fig. 5 zeigt, daß FeO (Wüstit-Schicht) im FeO-System bei einer Temperatur von 570°C oder darüber gebildet wird.

Um die Anhaftung der Oxidbeschichtung zu erhöhen, müssen innere Spannung und thermische Spannung ausgeschlossen werden. Wenn die Oxidations-Behand lung bei einer Temperatur unterhalb 570°C durchge führt wird, wird kein FeO gebildet, und daher be sitzt die Oxidbeschichtung günstige Hafteigenschaf ten. Wenn jedoch andererseits die Oxidationsbehand lung bei einer Temperatur von 570°C oder darüber durchgeführt wird, so daß FeO gebildet wird, muß die Kernoberfläche vor der Oxidationsbehandlung vorbehandelt werden, um innere Spannungen auszu schließen, die während der Oxidationsbehandlung verursacht werden können. Eine solche Vorbehandlung kann z. B. eine Ultraschallreinigung der Kernober fläche und ein Wärmebehandeln in H₂ sein.

Entscheidender für das Ausschließen thermischer Spannung ist, daß die Magnetkernvorrichtung nach der Wärmebehandlung bei einer vorbestimmten Tempe ratur nicht unter 570°C allmählich, nicht rasch abgekühlt werden muß. Für das Abkühlen der Magnet kernvorrichtung von der vorbestimmten Temperatur nicht unter 570°C auf 100°C müssen 20 min oder mehr vorgesehen werden, um eine Anhaftung zu erreichen, die so groß ist wie die der Oxidbe schichtung, die bei unter 570°C gebildet wird und daher kein FeO aufweist.

Wie oben beschrieben, wird die Basisoxidschicht 2 aus einer NiO- und einer FeO-Schicht ausgebildet durch Wärmebehandeln des Kerns 1 bei 570°C oder darüber. Da die Oxidation von Ni nicht stark von der Menge an vorhandenem Sauerstoff abhängt, und da sich Ni-Oxid leicht mit metallischen Ionen mischt, ist es wahrscheinlich, daß sich die Basisoxid- Schicht aus einer FeO-Schicht und einer NiO-Schicht bei 570°C oder darüber bildet. Diese Basisoxid schicht 2 ermöglicht die Bildung einer dichten und harten Oxidbeschichtung mit hoher Abriebfestigkeit. Obwohl ein großer Unterschied zwischen den thermi schen Expansionskoeffizienten der Schicht aus NiO und FeO und des Kerns 1 wahrscheinlich eine relativ große innere Spannung bewirkt und daher an sich ein Abblättern der Beschichtung begünstigt, erhöht das allmähliche Abkühlen nach der Oxidationsbehand lung die Anhaftung der Beschichtung an den Kern 1. So wird eine stabile Oxidbeschichtung erhalten.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Abriebver lust von Kernen und den Oxidationstemperaturen, bei denen die Kerne aus Permalloy oxidiert werden, um darauf eine Oxidbeschichtung auszubilden. Wie in der Zeichnung gezeigt, verringert sich der Abrieb verlust der Kerne in einem Temperaturbereich nicht unter 570°C.

Gemäß vorliegender Erfindung besteht eine Steige rung der Abriebfestigkeit und der Anhaftung der Oxidbeschichtung, welche bei üblichen aus magneti schen Legierungen vom Fe-Ni-Typ gebildeten Kernen beide nicht günstig sind. Eine erfindungsgemäße Magnetkernvorrichtung ist geeignet für einen Magnetkopfkern, der anwendbar ist für ein magneti sches Aufzeichnungsmedium hoher Koerzitivkraft.

Claims

1. Magnetkernvorrichtung, aufweisend:

- einen aus einer magnetischen Legierung vom Fe-Ni-Typ gebildeten Kern (1),
- eine auf dem Kern (1) ausgebildete NiO und FeO enthaltende Basisoxidschicht (2),
- eine Fe₃O₄ enthaltende Zwischenoxid schicht (3), und
- eine Fe₂O₃ enthaltende Oberflächen oxidschicht (4).

2. Verfahren zur Herstellung einer Magnetkernvor richtung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein aus einer magnetischen Legierung vom Fe-Ni-Typ gebildeter Kern (1) dergestalt bei einer Temperatur von 570°C oder darüber in Sauerstoffgas, der Atmosphäre oder in Dampf wärmebehandelt wird,
daß auf dem Kern (1) eine NiO und FeO enthal tende Basisoxidschicht (2) ausgebildet wird, auf der Basisoxidschicht (2) eine Fe₃O₄ ent haltende Zwischenoxidschicht (3) ausgebildet wird, und auf der Zwischenoxidschicht (3) eine Fe₂O₃ enthaltende Oberflächenoxidschicht (4) ausgebildet wird.