DE60011426T2

DE60011426T2 - Magnetische glasartige legierungen für hochfrequenzanwendungen

Info

Publication number: DE60011426T2
Application number: DE60011426T
Authority: DE
Inventors: Joseph Ronald MARTIS; Horst Howard LIEBERMANN; Ryusuke Hasegawa
Original assignee: Metglas Inc
Current assignee: Metglas Inc
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: US6432226B2; EP1183403A2; AU4341600A; US20010001398A1; TW576871B; JP2013100603A; EP1183403B1; ATE268825T1; WO2000061830A2; KR100698606B1; CN1117173C; WO2000061830A3; DE60011426D1; CN1355857A; ES2223507T3; KR20020002424A; JP2002541331A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft metallische Glaslegierungen für die Verwendung bei hohen Frequenzen und die daraus bestehenden magnetischen Bauelemente.
Hintergrund der Erfindung
Metallische Glaslegierungen (amorphe Metalllegierungen oder metallische Gläser) sind im US-Patent 3 856 513 („das 531 Patent") offenbart, welches am 24.12.1974 an H.S. Chen und andere erteilt wurde. Diese Legierungen umfassen Zusammensetzungen, welche die Formel M_aY_bZ_c aufweisen, wobei M ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Cobalt, Vanadium und Chrom ist, Y ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphor, Bor und Kohlenstoff ist und Z ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Silicium, Zinn, Germanium, Indium, Antimon und Beryllium ist, und wobei „a" im Bereich 60 bis 90 Atomprozent, „b" im Bereich 0 bis 30 Atomprozent und „c" im Bereich 0,1 bis 15 Atomprozent liegen. Ebenso sind metallische Glasdrähte offenbart, welche die Formel T_iX_j haben, wobei T wenigstens ein Übergangsmetall ist und X ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphor, Bor, Kohlenstoff, Aluminium, Silicium, Zinn, Germanium, Indium, Antimon und Beryllium ist, wobei „i" im Bereich 70 bis 87 Atomprozent und „j" im Bereich 13 bis 30 Atomprozent liegen. Solche Materialien werden praktischerweise durch rasches Abschrecken der Schmelze hergestellt, wobei aus dem Stand der Technik wohlbekannte Herstellungsverfahren verwendet werden.
Metallischen Glaslegierungen fehlt es im Wesentlichen an weitreichender atomarer Ordnung und sind dadurch charakterisiert, dass Röntgenbrechungsmuster ein diffuses (breites) Intensitätsmaxima aufweisen, wobei das Muster in qualitativer Hinsicht den Brechungsmustern ähnlich ist, welche bei Flüssigkeiten oder anorganischen Oxidgläsern beobachtet werden. Bei Erhitzen auf eine ausreichend hohe Temperatur beginnen sie jedoch unter Entwicklung von Kristallisationswärme auszukristallisieren; Das Röntgenbrechungsmuster beginnt sich entsprechend dadurch von einem, welches für amorphe Materialien beobachtet wird, zu einem, welches für kristalline Materialien beobachtet wird, zu verändern. Folglich befinden sich die metallischen Legierungen im Glaszustand im metastabilen Zustand. Dieser metastabile Zustand der Legierung bietet signifikante Vorteile gegenüber der kristallinen Form der Legierung, insbesondere im Hinblick auf die mechanischen und magnetischen Eigenschaften der Legierung.
Die Verwendung metallischer Gläser in magnetischen Anwendungen wurde im 531 Patent offenbart. Es werden jedoch bestimmte Kombinationen magnetischer Eigenschaften benötigt, um magnetische Bauelemente, welche in der modernen Elektroniktechnologie benötigt werden, zu realisieren. Zum Beispiel das US-Patent 5 284 528, welches am 8.2.1994 an Hasegawa und andere erteilt wurde, spricht solch ein Bedürfnis an. Eine der wichtigen magnetischen Eigenschaften, die das Betriebsverhalten magnetischer Bauelemente in elektrischen oder elektronischen Geräten beeinflussen, wird magnetische Anisotropie genannt. Magnetische Materialien sind im Allgemeinen anisotrop und die Entstehung der magnetischen Anisotropie ist von Material zu Material unterschiedlich. In kristallinen, magnetischen Materialien kann eine der kristallographischen Achsen mit der Richtung der magnetischen Anisotropie zusammenfallen. Diese magnetische, anisotrope Richtung kann dann die magnetische Vorzugsrichtung sein, in dem Sinne, dass die Magnetisierung sich bevorzugt entlang dieser Richtung ausrichtet. Da keine wohldefinierten kristallographischen Achsen in metallischen Glaslegierungen vorhanden sind, konnte die magnetische Anisotropie in diesen Materialien erheblich reduziert werden. Das ist einer der Gründe, dass metallische Glaslegierungen dazu tendieren, magnetisch weich zu sein, was sie wiederum für viele magnetische Anwendungen geeignet macht. Die andere wichtige magnetische Eigenschaft wird Magnetostriktion genannt, welches als relative Änderung in den physikalischen Ausmaßen eines magnetischen Materials definiert ist, wenn das magnetische Material im unmagnetisierten Zustand magnetisiert wird. Folglich ist die Magnetostriktion eines magnetischen Materials eine Funktion des angelegten magnetischen Feldes. In der Praxis wird der Begriff „Sättigungsmagnetostriktion" (λ_s) häufig verwendet. Die Größe λ_s ist als relative Längenänderung definiert, die auftritt, wenn ein magnetisches Material in Richtung seiner Länge vom unmagnetisierten zum gesättigt magnetisierten Zustand magnetisiert wird. Folglich ist der Magnetostriktionswert eine dimensionslose Größe und wird gewöhnlich in Einheiten der Mikrodehnung angegeben (d.h. eine relative Längenänderung, gewöhnlich Teile auf eine Millionen oder ppm).
Magnetische Legierungen mit geringer Magnetostriktion sind aus den folgenden Gründen wünschenswert:

1. Weichmagnetische Eigenschaften, charakterisiert durch geringe Koerzitivkraft, hohe Permeabilität usw., werden im Allgemeinen dann erhalten, wenn beide die Sättungsmagnetostriktion und die magnetische Anisotropie des Materials klein werden. Solche Legierungen sind für verschiedene weichmagnetische Anwendungen, besonders für Hochfrequenzanwendungen, geeignet.
2. Ist die Magnetostriktion gering oder beträgt bevorzugt Null, so sind die magnetischen Eigenschaften solcher verschwindend gering magnetostriktiver Materialien unempfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung. In so einem Fall bedarf es kaum eines spannungsabbauenden Anlassens nach Wickeln, Stanzen oder anderer physikalischer Bearbeitung, welche für die Herstellung einer Vorrichtung aus diesem Material notwendig ist. Im Gegensatz dazu nehmen die magnetischen Eigenschaften von Materialien, die gegenüber Beanspruchung empfindlich sind, schon bei kleinster elastischer Beanspruchung beachtlich ab. Nach dem endgültigen formgebenden Bearbeitungsschritt, müssen die Spannungen in solchen Materialien vorsichtig abgebaut werden.
3. Ist die Magnetostriktion verschwindend gering, so zeigt ein magnetisches Material unter Wechselstromerregung einen geringen magnetischen Verlust aufgrund einer geringen Koerzitivkraft und verringerte Energieverluste aufgrund der geringen magneto-mechanischen Kopplung mittels Magnetostriktion. Kernverluste solcher verschwindend gering magnetostriktiver Materialien können sehr gering sein. Folglich sind solche verschwindend gering magnetostriktive Materialien da nützlich, wo es auf geringe magnetische Verluste und hohe Permeabilität ankommt. Solche Anwendungsgebiete umfassen verschiedenste bandgewickelte und mehrschichtige Bauelemente, wie Leistungstransformatoren, Sättigungsdrosseln, Linearspulen, Schnittstellenübertrager, Signalübertrager, magnetische Aufzeichnungsköpfe und Ähnliches. Elektromagnetische Geräte, die Material mit verschwindend geringer Magnetostriktion aufweisen, erzeugen nur wenig Geräusch unter Wechselstromerregung. Wenn dies auch der Grund für die oben beschriebenen reduzierten Kernverluste ist, so ist es auch eine wünschenswerte Charakteristik an sich, weil es das hörbare Brummen, was vielen elektromagnetischen Geräten eigen ist, beachtlich reduziert.

Es gibt drei wohlbekannte kristalline Legierungen mit keiner oder verschwindend geringer Magnetostriktion: Nickel-Eisen-Legierungen, welche etwa 80 Atomprozent Nickel enthalten (beipielsweise „80 Nickel-Permalloy"); Cobalt-Eisen-Legierungen, welche etwa 90 Atomprozent Cobalt enthalten; Eisen-Silicium-Legierungen, welche etwa 6,5 Gewichtsprozent Silicium enthalten. Von diesen Legierungen wurde Permalloy umfangeicher verwendet als die anderen, da diese leichter so zugeschnitten werden kann, dass sie sowohl keine Magnetostriktion als auch geringe magnetische Anisotropie aufweist. Diese Legierungen neigen jedoch dazu, empfindlich auf mechanische Erschütterung zu sein, was deren Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Obwohl vor kurzem einige Verbesserungen durch Herstellung Eisen basierter, kristalliner Legierungen, welche 6,5 % Silicium enthalten [J. Appl. Phys. Vol. 64 Seite 5367 (1988)], erreicht wurden, ist deren Akzeptanz als in technologischer Hinsicht konkurrierendes Material zurzeit nicht ersichtlich.
Wie oben bereits erwähnt, tritt magnetokristalline Anisotropie aufgrund der nicht vorhandenen Kristallstrukturen praktisch nicht in metallischen Glaslegierungen auf. Daher ist die Suche nach gläsernen Metallen mit fehlender Magnetostriktion wünschenswert. Die oben genannten chemischen Zusammensetzungen, welche zu fehlender oder verschwindend geringer Magnetostriktion in kristallinen Legierungen führten, schienen Hinweise in entsprechende Richtung zu geben. Die Ergebnisse waren jedoch enttäuschend. Zu diesem Zeitpunkt zeigten nur stark cobalthaltige und Cobalt-Nickel-basierte Legierungen mit kleinen Mengen Eisen fehlende oder verschwindend geringe Magnetostriktion im Glaszustand. Beispiele für diese Legierungen, von denen berichtet wurde, sind Co₂₇, Fe₃ P₁₆ B₆ Al₃ (AIP Conference Proceedings No. 24, Seiten 745–746 (1975)) und Co_31,2 Fe_7,8 Ni_39,0 B₁₄ Si₈ (Proceedings of 3^rd International Conference on Rapidly Quenched Metals, Seite 197 (1979)). Stark cobalthaltige metallische Glaslegierungen mit verschwindend geringer Magnetostriktion sind kommerziell unter den Handelsbezeichnungen METGLAS^® – Legierungen 2705M und 2714A (AlliedSignal Inc.) und VITROVAC^® 6025 und 6030 (Vacuumschmelze GmbH) erhältlich. Diese Legierungen wurden in einer Vielfalt magnetischer Bauelemente für den Hochfrequenzbetrieb verwendet. Nur eine Legierung (VITROVAC 6006), basierend auf Cobalt-Nickel-basierten, metallischen Glaslegierungen war kommerziell erhältlich und zwar für eine Anwendung als Anti-Diebstahl-Markierer (US-Patent 5 037 494). Neue magnetische metallische Glaslegierungen basierend auf Cobalt und Nickel, welche in magnetischer Hinsicht vielseitiger als die existierende Legierung sind, sind zweifellos wünschenswert.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine magnetische Legierung bereitgestellt, die zu mindestens 70% glasartig ist, mit der Formel Co_a Ni_b Fe_c M_d B_e Si_f C_g, worin M mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mo, Mn und Nb ist, "a–g" in Atomprozent angegeben sind und die Summe von "a–g" gleich 100 ist, "a" im Bereich von 25 bis 60 liegt, "b" im Bereich von 5 bis 45 liegt, "c" im Bereich von 6 bis 12 liegt, "d" im Bereich von 0 bis 3 liegt, "e" im Bereich von 5 bis 25 liegt, "f" im Bereich von 2 bis 15 liegt und "g" im Bereich von 0 bis 6 liegt, wobei die Legierung einen Wert der Sättigungsmagnetostriktion zwischen –3 ppm und +3 ppm aufweist, die Legierung bei einer Temperatur unter der ersten Kristallisationstemperatur der Legierung angelassen worden ist, die Legierung eine rechteckige Gleichstrom-B-H-Hystereseschleife mit einer Gleichstrom-B-H-Schleifenrechteckigkeit über 75% aufweist und die Legierung eine Sättigungsinduktion im gegossenen Zustand über etwa 0,5 Tesla aufweist.
Die metallische Glaslegierung wird durch rasche Aushärtung aus der Schmelze in Band-, Platten- oder Drahtform gegossen und wird zur Bildung eines magnetischen Bauteils gewunden oder gestapelt. Abhängig von den Anforderungen wird das Bauteil unterhalb seiner Kristallisationstemperatur wärmebehandelt (angelassen) mit oder ohne ein magnetisches Feld.
Metallische Glaslegierungen, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelt wurden, sind besonders für die Verwendung in Geräten geeignet, die bei hohen Frequenzen betrieben werden, wie Sättigungsdrosseln, Linearspulen, Leistungstransformatoren, Signalüberträger und ähnliches.
Metallische Glaslegierungen der vorliegenden Erfindungen sind ebenso als magnetische Markierungen in elektronischen Überwachungssystemen nützlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Erfindung und mit Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, ist die Erfindung tiefer zu verstehen und weitere Vorzüge werden verdeutlicht. Die Zeichnung ist ein Graph, der die B–H Charakteristik von Legierungen veranschaulicht, die in Abwesenheit eines angelegten Magnetfeldes angelassen wurden (A), mit einem entlang der Umfangsrichtung des Kerns angelegten Magnetfeld (B) und mit einem Magnetfeld, das in axialer Richtung bezogen auf den Kern des Bandes angelegt wurde (C).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine metallische Glaslegierung mit geringer Sättigungsmagnetostriktion bietet eine Menge Verwendungsmöglichkeiten in Hochfrequenzanwendungen. Ist die Legierung preiswert, verbessert sich seine technologische Verwendungsfähigkeit zusätzlich. Die metallische Glaslegierung der vorliegenden Erfindung hat die folgende Zusammensetzung: Co_a Ni_b Fe_c M_d B_e Si_f C_g, worin M mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mo, Mn und Nb ist, "a-g" in Atomprozent angegeben sind und die Summe von "a-g" gleich 100 ist, "a" im Bereich von 25 bis 60 liegt, "b" im Bereich von 5 bis 45 liegt, "c" im Bereich von 6 bis 12 liegt, "d" im Bereich von 0 bis 3 liegt, "e" im Bereich von 5 bis 25 liegt, "f' im Bereich von 2 bis 15 liegt und "g" im Bereich von 0 bis 6 liegt. Die Legierung weist einen Sättigungsmagnetostriktionswert zwischen –3 ppm und +3 ppm auf. Die Reinheit der obigen Zusammensetzung entspricht dem, was in normaler kommerzieller Anwendung üblich ist. Die metallische Glaslegierung wird auf herkömmliche Weise mit Techniken hergestellt, die bereits verfügbar sind; beispielsweise aus US-Patent 3 845 805, erteilt am 5.11.1974 und 3 856 513, erteilt 24.12.1974. Im Allgemeinen wird die metallische Glaslegierung in fortlaufender Band-, Drahtform usw. aus der Schmelze der gewünschten Zusammensetzung bei einer Rate von wenigstens 10⁵ K/s abgeschreckt. Die Summe aus Bor, Silicium und Kohlenstoff von ungefähr 20 Atomprozent der gesamten Legierungszusammensetzung verträgt sich mit der Fähigkeit der Legierung zur Glasausbildung. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Bestandteil M, das heißt der Wert „d", nicht weit mehr als 2 Atomprozent beträgt, wenn die Summe „e+f+g" 20 Atomprozent überschreitet. Die erfindungsgemäße metallische Glaslegierung ist besonders gläsern, was soviel bedeutet, dass sie zu 70% gläsern ist, ist bevorzugt wenigstens zu etwa 95 % gläsern und besonders bevorzugt zu 100% gläsern, was durch Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und/oder Differentialscanning-Kalorimetrie bestimmt wird.
Repräsentative metallische Glaslegierung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, sind in der Tabelle I gelistet, wobei die folgenden Eigenschaften der Legierungen in gegossenem Zustand angegeben sind: Sättigungsinduktion (B_S), Sättigungsmagnetostriktion (λ_s) und die erste Kristallisationstemperatur (T_x1).
Tabelle 1
Alle in Tabelle I aufgelisteten Legierungen zeigen eine Sättigungsinduktion B_s, welche 0,5 Tesla übersteigt und eine Sättigungsmagnetostriktion, die im Bereich – 3ppm und +3ppm liegt. Es ist im Hinblick auf die Größe der magnetischen Bauelemente wünschenswert, eine hohe Sättigungsinduktion zu haben. Magnetisches Material mit hoher Sättigungsinduktion macht kleine Komponentengröße möglich. Für viele zurzeit verwendete elektronische Geräte wird eine Sättigungsinduktion über 0,5 Tesla (T) als ausreichend hoch angesehen. Obwohl die erfindungsgemäßen Legierungen eine Sättigungsmagnetostriktion im Bereich zwischen –3ppm und +3ppm aufweisen, ist ein bevorzugter Bereich –2ppm und +2ppm, und besonders bevorzugt ist ein Wert von nahezu Null. Folglich sind die folgenden Legierungen Beispiele für die besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Legierungen:
Co₄₅ Ni₂₅ Fe₁₀ B₁₈ Si₂, Co₄₃ Ni₂₇ Fe₁₀ B₁₈ Si₂, Co₄₃ Ni₂₅ Fe₁₀ Mo₂ B₁₆ Si₂ C₂, Co₄₃ Ni₂₅ Fe₁₀ Mo₂ B₁₅ Si₂ C₃, Co₄₁ Ni₂₉ Fe₁₀ B₁₈ Si₂, Co_37,5 Ni_32,5 Fe₉ Mo₁ B₁₈ Si₂, Co_37,5 Ni_32,5 Fe₉ Mo₁ B₁₄ Si₆, Co_37,5 Ni_32,5 Fe₉ Mo₁ B₁₀ Si₁₀, Co_37,5 Ni_32,5 Fe₉ Mo₁ B₆ Si₁₄, Co₃₇ Ni₃₃ Fe₁₀ B₁₈ Si₂, Co₃₆ Ni₃₅ Fe₉ Mo₁ B₁₈ Si₂, Co₃₆ Ni₃₆ Fe₉ Mo₁ B₁₀ Si₁₀, Co₃₅ Ni₃₄ Fe₁₁ B₁₈ Si₂, Co₃₅ Ni₃₅ Fe₁₀ B₁₈ Si₂, Co₃₅ Ni₃₄ Fe₁₁ B₁₆ Si₁₄, Co_34,5 Ni₃₄ Fe_7,5 Mo₁ B₁₆ Si₈, Co_35,2 Ni_37,5 Fe₉ Mo₁ B₁₈ Si₂, Co_32,5 Ni_37,5 Fe₉ Mo₁ B₁₄ Si₈, Co_32,5 Ni_37,5 Fe₉ Mo₁ B₆ Si₁₄, Co₃₁ Ni₃₄ Fe₇ B₁₇ Si₂, Co₃₁ Ni₄₁ Fe₉ B₁₇ Si₂, Co₃₁ Ni₄₁ Fe₇ B₁₉ Si₂, Co₃₁ Ni₄₁ Fe₇ B₁₇ Si₄, Co₃₁ Ni₃₉ Fe₇ B₁₉ Si₄, Co₃₁ Ni₃₉ Fe₉ B₁₉ Si₂, Co₃₁ Ni₃₉ Fe₉ B₁₇ Si₄, Co₃₁ Ni₃₉ Fe₉ B₁₉ Si₂, Co₃₁ Ni₃₈ Fe₁₀ Mo₂ B₁₇ Si₂, Co₃₀ Ni₃₈ Fe₁₀ Mo₂ B₁₈ Si₂, Co₃₀ Ni₃₉ Fe₁₀ Mo₂ B₁₇ Si₂ C₁, Co₃₀ Ni₃₈ Fe₁₀ Mo₂ B₁₅ Si₂ C₃, Co₃₀ Ni₄₁ Fe₁₀ Mo₂ B₁₅ Si₂,Co₃₀ Ni₃₈ Fe₁₀ Mo₂ B₁₄ Si₆, Co₃₀ Ni₃₈ Fe₁₀ Mo₂ B₁₃ Si₂ C₅, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₉ Mo₂ B₁₈ Si₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₉ Mo₂ B₁₃ Si₂ C₅, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₁₀ B₁₈ Si₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₉ Mo₁ B₁₈ Si₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₁₀ B₁₅ Si₂ C₃, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₁₀ B₁₄ Si₂ C₄, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₁₀ B₁₃ Si₂ C₅, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₁₀ B₁₄ Si₄ C₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₁₀ B₁₂ Si₄ C₄, Co₃₀ Ni₃₄ Fe₁₀ B₂₂ Si₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₉ Mo₁ B₁₈ Si₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₉ Mo₁ B₁₄ Si₆, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₉ Mo₁ B₁₆ Si₄, Co₃₀ Ni_37,5 Fe₁₀ Mo_2,5 B₁₈ Si₂, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₈ Mo₁ B₁₈ Si₃, Co₃₀ Ni₄₀ Fe₈ Mo₁ B₁₇ Si_2,3 C_1,7, Co₂₉ Ni₄₃ Fe₇ B₁₉ Si₂, Co₂₉ Ni₄₁ Fe₉ B₁₉ Si₂, Co₂₉ Ni₄₃ Fe₇ B₁₇ Si₄, Co₂₉ Ni₄₅ Fe₇ B₁₇ Si₂ und Co₂₉ Ni₃₉ Fe₉ B₁₉ Si₄.
Wärmebehandlung oder Anlassen der metallischen Glaslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung verändert auf gewünschte Weise die magnetischen Eigenschaften der Legierung. Die Auswahl der Bedingungen beim Anlassen unterscheidet sich hinsichtlich des benötigten Verhaltens des anvisierten Bauteils. Wird beispielsweise das Bauteil als Sättigungsdrossel verwendet, ist eine rechtwinklige B-H-Schleife wünschenswert. Die Anlassbedingung kann dann ein magnetisches Feld erforderlich machen, das entlang der Richtung angelegt wird, in welcher das Betriebsfeld des Bauelement anliegt. Ist das Bauelement ein Ringkern, dann wird das magnetische Anlassfeld in Richtung Umfangsrichtung des Ringkerns angelegt. Wird das Bauelement als Schnittstellenüberträger verwendet, ist eine lineare B-H Schleife erforderlich und das Anlassfeld ist rechtwinklig zur Umfangsrichtung des Ringkerns ausgerichtet. Um diese Bedingungen und die daraus resultierenden Eigenschaften besser zu verstehen, zeigt 1 typische, aus dem Stand der Technik wohlbekannte B-H-Schleifen. Die vertikale Achse gibt die magnetische Induktion B in Tesla [T] und die horizontale Achse das angelegte magnetische Feld H in Ampere/Meter [A/m]. 1A gibt den Fall wieder, dass ein band-gewundener Kern ohne ein externes magnetisches Feld einer Wärmebehandlung unterzogen oder angelassen wird. Es sei hierzu angemerkt, dass die B-H Schleife weder rechtwinklig noch linear ist. Dieses Verhalten ist nicht geeignet für eine Anwendung als gesättigter Kern, kann jedoch für Anwendungen als Hochfrequenzüberträger nützlich sein, da hierbei die Rechtwinkligkeit unbedeutend ist. Wird ein so starkes Magnetfeld angelegt, dass ein band-gewundener Kern während des Anlassens in die magnetische Sättigung gebracht wird, ergibt sich eine B-H Schleife wie es die 1B zeigt. Diese Art rechtwinkliger (oder quadratischer) B-H Schleifen ist für Anwendungen als Sättigungsspule, einschließlich als Magnetverstärker, geeignet, welche in modernen Schaltnetzteilen für viele elektronische Geräte einschließlich für Personal Computer verwendet werden. Ist das angelegte magnetische Feld während des Anlassens rechtwinklig zum ringförmig bewickelten Kern, sieht die sich ergebende B-H Schleife, wie in 1C gezeigt ist, aus. Diese Art verscherter B-H-Charakteristik ist für magnetische Bauelemente erforderlich, deren Einsatz als Schnittstellenüberträger, Signalüberträger, Linearspulen, magnetische Drosseln und Ähnliches beabsichtigt wird.
Für die verschiedenen Anwendungen, die die erfindungsgemäße metallische Glaslegierung verwenden, sind spezifische Anlassbedingungen herauszufinden. Beispiele hierfür sind nachfolgend angegeben:
Beispiele
1. Probenzubereitung
Die metallischen Glaslegierungen, aufgelistet in Tabelle 1, wurden schnell mit einer Abkühlrate von 10⁶ K/s aus der Schmelze abgeschreckt, wobei die Techniken, welche von Chen u.a. im US-Patent 3 856 513 gelehrt wurden, angewandt wurden. Die erhaltenen Bänder, typischerweise 10 bis 30 um dick und 0,5 bis 2,5 cm weit, erwiesen sich gemäß Röntgendiffraktion (unter Verwendung Cu-K_α-Strahlung) und Differentialscanning-Kalorimetrie als frei von signifikanter Kristallstruktur. Die metallischen Glaslegierungen in der Bandform waren stark, glänzend, hart und duktil.
2. Magnetische Messungen
Die Sättigungsmagnetisierung M_S jeder Probe wurde mit einem kommerziell erhältlichen Schwingproben-Magnetometer (Princeton Applied Research) gemessen. Dafür wurde das Band in mehrere kleine Quadrate (etwa 2 mm × 2 mm) geschnitten, und jedes wurde in einen Probenhalter eingebracht, wobei deren Fläche parallel zum angelegten Feld ausgerichtet wurde, wobei das Feld ein Maximum von etwa 800 kA/m oder (10 kOe) aufwies. Die Sättigungsinduktion B_S (=4πM_SD) wurde mit Hilfe der gemessenen Massendichte D berechnet.
Die Sättigungsmagnetostriktion wurde anhand eines Stückes der Bandprobe (etwa 3 mm × 10 mm) gemessen, das an einem metallischen Dehnmessstreifen befestigt war. Die Probe mit dem Dehnmessstreifen wurde dann einem magnetischen Feld von etwa 40 kA/m (500 Oe) ausgesetzt. Die Längendehnung des Dehnmessstreifens wurde mit einer Widerstandsbrückenschaltung gemessen, die anderweitig beschrieben ist [Rev. Scientific Instrument, Vol. 51, Seite 382 (1980)], wobei die Feldausrichtung aus der Längsrichtung der Probe in eine Richtung entlang der Breite der Probe geändert wurde. Die Sättigungsmagnetostriktion wurde gemäß der folgenden Formel bestimmt: λs = 2/3 (Differenz aus den Dehnungen in den beiden Ausrichtungen).
Die ferromagnetische Curie-Temperatur θ_f wurde durch eine Induktionsmethode gemessen und überwacht mittels Difterentialscanning- Kalorimetrie, welche primär zur Bestimmung der Kristallisationstemperatur herangezogen wurde. Abhängig von der Chemie, fand die Kristallisation manchmal in mehr als einem Schritt statt. Da für die vorliegende Anwendung die erste Kristallisationstemperatur relevanter ist, sind die ersten Kristallisationstemperaturen der erfindungsgemäßen metallischen Glaslegierungen in Tabelle I gelistet.
Fortlaufende Bänder der metallischen Glaslegierungen, welche gemäß des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt wurden, wurden auf Spulenträger gewickelt (3,8 cm Außendurchmesser), um in magnetischer Hinsicht geschlossene Ringproben auszubilden. Jeder Probenringkern wies 30 g des Bandes auf und hatte eine primäre und sekundäre Kupferwicklung, welche mit einem kommerziell erhältlichen B-H Schleifen-Tracer verdrahtet wurden, um eine B-H Hystereseschleife der in 1 gezeigten Art zu erhalten. Der gleiche Kern wurde verwendet, um die Kernverluste durch die im IEEE-Standard 393–1991 beschriebene Methode zu ermitteln.
3. Magnetische Bauelemente aus Legierungen in gegossenem Zustand
Ringförmige Kerne, die gemäß Beispiel 2 unter Verwendung erfindungsgemäßer Legierungen in gegossenem Zustand hergestellt wurden, wurden getestet und zeigten rechtwinklige B-H Schleifen. Die Ergebnisse der Gleichstrom-Koerzitivkraft und Gleichstrom B-H Rechtwinkligkeitsgrad der Legierungen 2, 3, 6, 21, 41, 49, und 57 aus Tabelle I sind in Tabelle II angegeben.
Tabelle II
Geringe Koerzitivkraft und variierende B-H Rechtwinkligkeitsgrade sind Anzeichen dafür, dass die erfindungsgemäßen Legierungen für eine Vielfalt verschiedener magnetischer Anwendungen, wie Sättigungsdrosseln, Linearspulen, Leistungstransformatoren, Signalüberträger und Ähnliches geeignet sind.
4. Magnetische Bauelemente mit rechtwinkligen B-H Schleifen
Ringförmige Kerne, welche gemäß dem Verfahren aus Beispiel 2 hergestellt wurden, wurden bei einem magnetischen Feld von 800 A/m, das in Umfangsrichtung des Ringes angelegt wurde, angelassen. Die Ergebnisse der Gleichstrom B-H Hystereseschleifen einiger der Legierungen aus Tabelle I sind in Tabelle V aufgelistet.
Tabelle V
Koerzitivkraft H_c und B-H Rechtwinkligkeitsgrad (B_T/B_S , wobei B_T die Remanenzinduktion ist) einiger der metallischen Glaslegierungen aus Tabelle I. Die Legierungen wurden für 2 Stunden bei 320°C angelassen, wobei ein magnetisches Feld von 800 A/m in Umfangsrichtung des Kerns angelegt wurde.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäßen metallischen Glaslegierungen einen hohen Gleichstrom B-H Rechtwinkligkeitsgrad über 85 verbunden mit einer geringen Koerzitivkraft von weniger als 4 A/m erreichen, wenn sie mit einem Gleichstrom-Magnetfeld angelassen werden, das in Richtung der magnetischen Erregung ausgerichtet ist, und sie zeigen ferner, dass diese Legierungen für Anwendungen als Sättigungsspulen geeignet sind.
Tabelle VI fasst die Ergebnisse von Wechselstrom B-H und Hystereseverlustmessungen, gemessen bei 5 und 50 kHz an ringförmig gewundenen, kleinen Kernen, welche aus den Legierungen 29, 30, 31, 65, 66 und 67 der Tabelle I gemäß Beispiel 2 hergestellt wurden, zusammen.
Tabelle VI
B-H Rechtwinkligkeitsgrad bestimmt bei 5 kHz und Kernverluste bei 50 kHz von ringförmig gewundenen, kleinen Kernen mit einem Außendurchmesser von 12,5 mm, einem Innendurchmesser von 9,5 mm und einer Höhe von 4,8 mm. Diese Kerne wurden aus den Legierungen 29, 30, 31, 65, 66 und 67 der Tabelle I hergestellt. Das Gewicht jedes Kerns war 1,5 g. Ein Gleichstrom-Magnetfeld von 80 A/m war während des Anlassens in Umfangsrichtung dieser kleiner Kerne angelegt.
B-H Rechtwinkligkeitsgrade über 85 % und geringe Kernverluste von weniger als 400 W/kg machen Anwendungen als Sättigungsdrossel möglich. Ein Magnetverstärker ist eine dieser Sättigungsdrosseln. Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Magnetverstärkers ist ein hoher B-H Rechtwinkligkeitsgrad, der im Bereich zwischen 80 und 90 % bei den meisten kommerziellen Legierungen liegt.
Daher übertrifft der Magnetverstärker der vorliegenden Erfindung die meisten der kommerziell erhältlichen. Solche Magnetverstärker werden in weitreichendem Maße in Schaltnetzteilen für elektronische Geräte, einschließlich Personal Computer verwendet.

Claims

Magnetische Legierung, die zu mindestens 70% glasartig ist, mit der Formel Co_aNi_bFe_cM_dB_eSi_fC_g, worin M mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mo, Mn und Nb ist, "a-g" in Atomprozent sind und die Summe von "a-g" gleich 100 ist, "a" im Bereich von 25 bis 60 liegt, "b" im Bereich von 5 bis 45 liegt, "c" im Bereich von 6 bis 12 liegt, "d" im Bereich von 0 bis 3 liegt, "e" im Bereich von 5 bis 25 liegt, "f" im Bereich von 2 bis 15 liegt und "g" im Bereich von 0 bis 6 liegt, wobei die Legierung einen Wert der Sättigungsmagnetostriktion zwischen –3 ppm und +3 ppm aufweist, die Legierung bei einer Temperatur unter der ersten Kristallisationstemperatur der Legierung wärmebehandelt worden ist, die Legierung eine rechteckige Gleichstrom-B-H-Hystereseschleife mit einer Gleichstrom-B-H-Schleifenrechteckigkeit über 75% aufweist und die Legierung eine Sättigungsinduktion im gegossenen Zustand über etwa 0,5 Tesla aufweist.
Magnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einem Bereich von Sättigungsmagnetostriktion zwischen –2 × 10^–6 und +2 × 10^–6.
Magnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einer Zusammensetzung, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Co₄₅Ni₂₅Fe₁₀B₁₈Si₂, Co₄₃Ni₂₇Fe₁₀B₁₈Si₂, Co₄₃Ni₂₅Fe₁₀Mo₂B₁₆Si₂C₂, Co₄₃Ni₂₅Fe₁₀Mo₂B₁₅Si₂C₃, Co₄₁Ni₂₉Fe₁₀B₁₈Si₂, Co_37,5Ni_32,5Fe₉Mo₁B₁₈Si₂, Co_37,5Ni_32,5Fe₉Mo₁B₁₄Si₆, Co_37,5Ni_32,5Fe₉Mo₁B₁₀Si₁₀, Co_37,5Ni_32,5Fe₉Mo₁B₆Si₁₄, Co₃₇Ni₃₃Fe₁₀B₁₈Si₂, Co₃₆Ni₃₅Fe₈Mo₁B₁₈Si₂, Co₃₆Ni₃₆Fe₈Mo₁B₁₀Si₁₀, Co₃₅Ni₃₄Fe₁₁B₁₈Si₂, Co₃₅Ni₃₅Fe₁₀B₁₈Si₂, Co₃₅Ni₃₄Fe₁₁B₁₆Si₄, Co_34,5Ni₃₃Fe_7,5B₁₆Si₈, Co_32,5Ni₃₃Fe_7,5Mo₁B₁₈Si₂, Co_32,5Ni_37,5Fe₉Mo₁B₁₄Si₆, Co_32,5Ni_37,5Fe₉Mo₁B₆Si₁₄, Co₃₁Ni₃₄Fe₇B₁₇Si₂, Co₃₁Ni₄₁Fe₉B₁₇Si₂, Co₃₁Ni₄₁Fe₇B₁₉Si₂, Co₃₁Ni₄₁Fe₇B₁₇Si₄, Co₃₁Ni₃₉Fe₇B₁₉Si₄, Co₃₁Ni₃₉Fe₉B₁₉Si₂, Co₃₁Ni₃₉Fe₉B₁₇Si₄, Co₃₁Ni₃₉Fe₉B₁₉Si₂, Co₃₁Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₇Si₂, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₈Si₂, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₇Si₂C₁, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₆Si₂C₂, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₅Si₂C₃, Co₃₀Ni₄₁Fe₁₀Mo₂B₁₅Si₂, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₄Si₆, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀Mo₂B₁₃Si₂C₅, Co₃₀Ni₄₀Fe₈Mo₂B₁₈Si₂, Co₃₀Ni₄₀Fe₈Mo₂B₁₃Si₂C₅, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀B₁₆Si₂, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀Mo₁B₁₈Si₂, Co₃₀Ni₃₈Fe₁₀B₁₅Si₂C₃, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀B₁₄Si₂C₄, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀B₁₃Si₂C₅, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀B₁₆Si₄, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀B₁₄Si₄C₂, Co₃₀Ni₄₀Fe₁₀B₁₂Si₄C₄, Co₃₀Ni₃₄Fe₁₀B₂₂Si₄, Co₃₀Ni₃₄Fe₁₀B₁₈Si₂C₂, Co₃₀Ni₄₀Fe₉Mo₁B₁₈Si₄, Co₃₀Ni₄₀Fe₉Mo₁B₁₄Si₆, Co₃₀Ni₄₀Fe₉Mo₁B₁₈Si₄, Co₃₀Ni_37,5Fe₁₀Mo_2,5B₁₈Si₂, Co₃₀Ni₄₀Fe₈Mo₁B₁₈Si₃, Co₃₀Ni₄₀Fe₈Mo₁B₁₇Si_2,3C_1,7, Co₂₉Ni₄₃Fe₇B₁₉Si₂, Co₂₉Ni₄₁Fe₉B₁₉Si₂, Co₂₉Ni₄₃Fe₇B₁₇Si₄, Co₂₉Ni₄₅Fe₇B₁₇Si₂ und Co₂₉Ni₃₉Fe₉B₁₉Si₄.
Magnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einer rechteckigen Wechselstrom-B-H-Hystereseschleife mit einem B-H-Rechteckigkeitsverhältnis bei 5 kHz über 80%.
Magnetkern zur Verwendung in sättigbaren Gleichstrom-Induktoren, in dem der Kern ein magnetisches Element aufweist, das eine Legierung nach Anspruch 1 umfasst.
Magnetkern zur Verwendung in sättigbaren Wechselstrom-Induktoren, in dem der Kern ein magnetisches Element aufweist, das eine Legierung nach Anspruch 4 umfasst.
Magnetkern zur Verwendung in magnetischen Messwertgebern, in dem der Kern ein magnetisches Element aufweist, das eine Legierung nach Anspruch 4 umfasst.
Magnetische Legierung nach Anspruch 1 mit einer rechteckigen Gleichstrom-B-H-Hystereseschleife mit einem Gleichstrom-Rechteckigkeitsverhältnis über 85%.
Magnetische Legierung nach Anspruch 8 mit einer Gleichstrom-Koerzitivkraft von weniger als 4 A/m.
Magnetische Legierung nach Anspruch 4 mit einer rechteckigen Wechselstrom-B-H-Hystereseschleife mit einem B-H-Rechteckigkeitsverhältnis bei 5 kHz über 85%.
Magnetische Legierung nach Anspruch 10 mit einem Kernverlust von weniger als 400 W/kg, gemessen bei 50 kHz.