-
Technischer
Bereich
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer supermagnetostriktiven Legierung, welche in der Lage ist,
eine sehr große
Magnetostriktion mittels einer Phasentransformation zu zeigen.
-
Stand der
Technik
-
Ein
Funktionsmaterial, welches in der Lage ist, eine Versetzung (Magnetostriktion)
und eine Kraft (Druck) zu erzeugen, wird als Betätigungsglied bezeichnet, welches
in einer großen
Spanne von Anwendungen wie elektronischen Vorrichtungen, medizinischen
Instrumenten und Produktionsvorrichtungen verwendet wird. Solch
ein Funktionsmaterial umfasst ein piezoelektrisches Material, ein
magnetostriktives Material, ein Formgedächtnismaterial und andere.
Ein beachtenswertes magnetostriktives Material ist eine Seltenerd-Legierung
Tb0.3Dy0.7Fe (Journal
of Alloys and Compounds, vol. 258, 1997), welche im Handel erhältlich ist
(Handelsname: Terfenol – D).
Terfenol – D
weist eine maximale Magnetostriktion von 0,17% auf.
-
Die
japanische Patentoffenlegungsschrift No. 11-269611 offenbart eine
Fe/Pt-basierte oder Fe/Pd-basierte,
schnell-erstarrte Legierung, welche eine Magnetostriktion von 0,15
bis 0,2% aufweist. Weiterhin ist Ni2MnGa
als Formgedächtnislegierung bekannt,
dessen kristalliner Zustand durch ein magnetisches Feld oder ein
elektrisches Feld geändert wird,
um eine Hochgeschwindigkeitsansteuerung bereitzustellen (Industrial
Materials Vol. 45, No. 12, Nov. 1997, pp108–111, japanische Patentoffenlegungsschrift
No. 10-259438). Diese Formgedächtnislegierung
weist jedoch eine hohe Sprödigkeit
und schlechte Verarbeitbarkeit auf. Die japanische Patentoffenlegungsschrift
No. 62-170453 offenbart eine weitere Formgedächtnislegierung, welche 25–30% zum
Eisen hinzugefügtes
Pt enthält,
und welche eine unregelmäßige atomare
Anordnung aufweist, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern. Die japanische
Veröffentlichung
der PCT Anmeldung in japanischer Sprache No. 11-509368 offenbart
eine Methode zur Steuerung eines Materials, welches eine Doppelstruktur aufweist,
um eine Änderung
der Form zu bewirken und eine Bewegung und/oder Kraft im Material
zu verursachen, indem auf das Material ein magnetisches Feld aufgebracht
wird, welches eine geeignete Ausrichtung und Stärke aufweist, um eine gewünschte Neuausrichtung
der Doppelstruktur zu erreichen.
-
(Problem, das durch die
Erfindung gelöst
werden soll)
-
In Übereinstimmung
mit Fortschritten bei der Verkleinerung elektronischer Vorrichtungen
und der Verbesserung medizinischer Instrumente und Produktionsvorrichtungen
ist es gewünscht,
ein Betätigungsglied
zu erhalten, welches aus einem Material gemacht ist, welches in
der Lage ist, eine größere Verschiebung
(größere Magnetostriktion)
mit ausgezeichneter Verarbeitbarkeit bereitzustellen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
(Mittel zur Lösung des
Problems)
-
Durch
die Fokussierung auf eine Phasentransformation in einer Legierungsstruktur
haben die Erfinder erfolgreich eine Magnetostriktion von 0,3% oder
mehr insbesondere 0,5% oder mehr, erreicht, indem Fe3-xPt1+x (–0,02 < x < 0,2) einer Hitzebehandlung
unter erfindungsgemäßen Bedingungen
zum Ordnen ausgesetzt wird.
-
Speziell
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren der Herstellung einer
supermagnetostriktiven Legierung, welche einen Ordnungsgrad von
0,6 bis 0,95 aufweist, welcher erreicht wird, indem Fe3-xPt1+x (–0,02 < x < 0,2) einer Hitzebehandlung ausgesetzt
wird. Selbst wenn das Ordnen bei einer Fe3-xPt1+x-Legierung durchgeführt wird, welche einen Gehalt
von weniger als –0,02
oder mehr als 0,2 an x aufweist, wird keine FCC-FCT (austenitisches Eisen – martensitisches
Eisen) martensitische Umwandlung bewirkt. Eine bevorzugter Bereich
von x ist 0,0 < x < 0,1.
-
Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Methode zur Herstellung der oben
angesprochenen supermagnetostriktiven Legierung gerichtet, welche
die folgenden Schritte umfasst: Eine Fe3-xPt1+x (–0,02 < x < 0,2) Legierung
eines Rohmaterials wird einem Homogenisierungsanlassen ausgesetzt,
und dann wird das entstandene Produkt einer Hitzebehandlung bei 700
bis 1000 K für
0,5 bis 600 Stunden ausgesetzt. Gegeben den Fall, dass das ganze
Pt und Fe in Fe3Pt, welches eine flächenzentrierte
Struktur aufweist, jeweils in den Ecken und Flächenmitten der Kristallstruktur
angeordnet sind, so ein Zustand wird als vollkommen geordneter Zustand
oder Ordnungsgrad S = 1 bezeichnet, dann könnte eine maximale Magnetostriktion
erreicht werden, indem der Ordnungsgrad im Bereich zwischen 0,6
und 0,95 vorgesehen wird. Wenn der Ordnungsgrad geringer als 0,6 oder
größer als
0,95 ist, wird keine FCC-FCT martensitische Umwandlung bewirkt.
-
Die
durch die vorliegende Erfindung erhaltene Legierung zeigt eine extrem
große
Magnetostriktion von 0,5%, selbst unter einem schwachen magnetischen
Feld von ca. 4T. In magnetostriktiven Legierungen ist mittels Erweiterung
einer herkömmlichen Auslegung,
in der Drehrichtungen bzw. Spins in einem magnetischen Bereich miteinander
koordiniert werden, die erreichbare Magnetostriktion ΔI/I höchstens
im Bereich von 10–6. Einer der Hauptgründe für die extrem
große
Magnetostriktion von 0,5% (5 × 10–3)
in der vorliegenden Erfindung ist, dass ein kristallographischer
Bereich (cristallographic domain (variant)) (abweichend) auf einen
magnetischen Bereich beschränkt
ist, um einen einzigen Bereich zu formen, und daher die Spin-Achsen
kristallographisch ebenso miteinander koordiniert sind. Die vorliegende
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung bereit,
welche eine hervorragende Bearbeitbarkeit aufweist, und daher kann
die Legierung in die Form eines einkristallinen Blocks, eines polykristallinen
Blocks, eines Blechs (inklusive der Form einer Rolle), eines Strangs,
einer Folie oder ähnlichem
gebracht werden. Die vorliegende Erfindung kann ebenso eine Formgedächtnislegierung bereitstellen,
in der der kristallographische Bereich (abweichend) und der magnetische
Bereich in der Größe annäherungsweise
angeglichen sind und in Richtung eines aufgebrachten magnetischen
Felds ausgerichtet sind.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
ein Graph, der eine auf einer Ordnungszeit basierende Phasentransformation
als Funktion zeigt.
-
2 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen einem aufgebrachten magnetischen
Feld und der Magnetostriktion eines Fe3Pt-Einkristalls
in einem ersten Beispiel zeigt.
-
3 ist
ein Graph, der eine Temperaturabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität des Fe3Pt-Einkristalls in dem ersten Beispiel zeigt.
-
4 ist
ein Diagramm, welches Röntgenprofile
des Fe3Pt-Einkristalls in dem ersten Beispiel bei
77 K und 100 K zeigt.
-
5 ist
ein Graph, der eine Temperaturabhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Fe3Pt-Einkristalls in dem ersten Beispiel zeigt.
-
Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
-
In
der vorliegenden Erfindung kann eine Fe3-xPt1+x (–0,02 < x < 0,2)-Legierung
als Ausgangs- oder Rohmaterial oder nicht wärmebehandeltes Material mittels
eines Verfahrens zur Herstellung eines Einzelkristalls, eines Gießverfahrens
oder eines Sprüh-
bzw. Kathodenzerstäubungsverfahrens
vorbereitet werden. Das Ausgangs- oder Rohmaterial wird einem Homogenisierungsanlassen
bei 1200 bis 1700 K ausgesetzt, und das zum Homogenisieren angelassene
Ausgangs- oder Rohmaterial wird dann in eine vorgegebene Form geschnitten.
Dann wird das Ausgangs- oder Rohmaterial einer Lösungsbehandlung bei 1200 bis
1700 K ausgesetzt, um die durch das Schneiden verursachte Verformung
zu beseitigen. Für
eine Ordnung wird das der Lösungsbehandlung
ausgesetzte Ausgangs- oder Rohmaterial in eine Siliciumdioxidröhre (silica)
eingeschlossen, in welcher ein Vakuum enthalten ist, oder die mit
Argongas gefüllt
ist, um eine Oxidation des Ausgangs- oder Rohmaterials zu verhindern,
und wird bei 700 K bis 1000 K, vorzugsweise bei 800 K bis 900 K,
für 0,5
bis 600 Stunden, vorzugsweise für
1 bis 96 Stunden erhitzt.
-
Jegliche
geeignete Geschwindigkeit kann gewählt werden, um das Ausgangs-
oder Rohmaterial bis zur Ordnungstemperatur zu erhitzen und um das
erhitzte Material von der Ordnungstemperatur herunterzukühlen. Das
erhitzte Material kann entweder mittels Luftkühlung oder Wasserkühlung (beispielsweise
einem Prozess des Eintauchens in Wasser, das eine Temperatur von
20°C aufweist)
gekühlt werden.
Das Produkt von Ordnungstemperatur x Ordnungszeit wird eingestellt,
um einen gewünschten
Grad der Ordnung S zu erreichen, der sich zwischen 0,6 und 0,95
bewegt. Wenn das Ausgangs- oder Rohmaterial mittels des Giessverfahrens
vorbereitet wird, ist es gewünscht,
das Ausgangs- oder Rohmaterial zu schmieden oder zu walzen, um die Kristallorientierung
zu koordinieren. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann eine Eisen-Platinlegierung
auf einem auf 770 K bis 1000 K aufgeheizten Substrat aufgetragen
werden.
-
Durch
das Ordnen wird die Kristallstruktur des Ausgangs- oder Rohmaterials
von einer flächenzentrierten
Würfelstruktur
(FCC) zu einer flächenzentrierten
Tetragonalstruktur (FCT) geändert.
Somit kann der Ordnungsgrad mittels einer Röntgenanalyse detektiert werden. 1 ist
ein Graph, der eine auf der Ordnungszeit basierende Phasentransformation
beim Ordnen bei 923 K zeigt. 1 zeigt,
dass eine martensitische (Ms)Transformationstemperatur von BCT-Martensit
(durchgezogene Linie) und FCT-Martensit (gestrichelte Linie) und
eine Einleitungstemperatur für
die Bildung eines Tweed-Musters in der Kristallstruktur von der
Ordnungszeit abhängig
sind. Der auf der unteren linken Seite der 1 gezeigte
FCT-Bereich entspricht der durch die vorliegende Erfindung bereitgestellten
Legierung, die einen Ordnungsgrad von 0,6 bis 0,95 aufweist.
-
Erstes Beispiel
-
Ein
Fe3Pt-Legierung für eine Einkristallmasse wurde
durch das Fliesszonenverfahren vorbereitet und wie folgt weiter
verarbeitet.
- (1) Schmelzen: 26 g Eisen und
30 g Platin wurden in einem Lichtbogenofen geschmolzen, um ein atomares
Eisen/Platin-Verhältnis
von 3:1 bereitzustellen.
- (2) Einkristallziehen: Unter Verwendung einer Fliesszonenschmelzvorrichtung
mit vier ellipsoiden Spiegeln wurde das geschmolzene Eisen/Platin
in einer einkristallinen Form mittels des Fliesszonenverfahrens
gezogen, um eine Fe3Pt-Einkristallmasse
von 56 g zu erhalten.
- (3) Homogenisierungsanlassen: Unter Verwendung eines elektrischen
Ofens wurde die Fe3Pt-Einkristallmasse bei
einer konstanten Temperatur von 1373 K für 24 Stunden erhitzt und dann
langsam abgekühlt.
- (4) Schneiden: Die wärmebehandelte
Einkristallmasse wurde in einen Würfel geschnitten, welcher eine
Seitenlänge
von 2 mm aufweist. Die Kristallorientierung der geschnittenen Einkristallmasse
wurde mittels eines Laue-Verfahrens überprüft und eingestellt, um die
Richtung von [001] mit der Richtung eines magnetischen Felds in Übereinstimmung
zu bringen.
- (5) Einschluss in die Siliziumdioxid(silica)-Röhre: Dann
wurde die geschnittene Einkristallmasse in eine Siliziumdioxid(silica)-Röhre eingeschlossen, welche
einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 50 mm aufweist.
- (6) Lösungsbehandlung:
Um die durch das Schneiden verursachte Verformung zu beseitigen,
wurde die Fe3Pt-Einkristallmasse bei einer konstanten
Temperatur von 1373 K für
1 Stunde in der Siliziumdioxid(silica)- Röhre,
in der ein Vakuum gehalten wurde oder die mit Argongas gefüllt war,
erhitzt und dann langsam abgekühlt.
- (6)(7, Übers.)
Ordnen: Unter Verwendung eines elektrischen Ofens wurde die Fe3Pt-Einkristallmasse bei einer konstanten
Temperatur von 923 K für
12 Stunden erhitzt.
- (7)(8, Übers.)
Abkühlen:
Nach dem Erhitzen wurde die Einkristallmasse luftgekühlt.
-
Messen
der Magnetostriktion: Die thermische Ausdehnung und die Magnetostriktion
wurden durch die Messung der Änderung
des Abstands zweier Ebenen mittel einer Kapazitätsmessung gemessen. Ein Verfahren
mit einer Kapazität
mit drei Anschlüssen
wurde für
die Kapazitätsmessung
verwendet. Für
den Einkristall von zwei Kubikmillimetern wurden die thermische
Ausdehnung und die Magnetostriktion gemessen, während die Richtung von [001]
mit der Richtung eines magnetischen Felds in Übereinstimmung gebracht wurde.
-
2 zeigt
das Messergebnis. Die magnetische Feldstärke (T) wurde von 0 T bis 4
T verändert, wie
durch das Zeichen ➀ (durchgezogene Linie) gezeigt, von
4 T bis 0 T, wie durch das Zeichen ➁ (einfach gepunktete
Strichpunktlinie) gezeigt, und von 0 T bis –4 T und dann weiter zu 0 T
wie durch das Zeichen ➂ (doppelt gepunktete Strichpunktlinie)
gezeigt. Wie aus 2 ersichtlich ist, zeigt der
Fe3Pt-Einkristall der vorliegenden Erfindung
eine Magnetostriktion von 5 × 10–3.
Dieser Wert ist gleich dem Dreifachen dessen herkömmlicher
Beispiele. 3 zeigt eine Temperaturabhängigkeit
der magnetischen Suszeptibilität,
und 4 zeigt Röntgenprofile
bei 77 K und 100 K. Basierend auf den 3 und 4 kann
die Anzahl der Bereiche und ihre Magnetostriktionen berechnet werden,
und diese berechneten Werte stimmen mit dem Messergebnis überein. 5 ist
ein Graph, der eine Temperaturabhängigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zeigt. Wie aus 5 ersichtlich ist, zeigt sich
eine Formänderung
von 5 × 10–5,
und drei Varianten werden vorgestellt.
-
Zweites Beispiel
-
Eine
Fe3Pt-Polykristallmasse in Form eines Blechs
wurde durch ein Giessverfahren vorbereitet und wie folgt weiter
verarbeitet.
- (1) Schmelzen: Das selbe geschmolzene
Metall wie im ersten Beispiel wurde in einem wassergekühlten Kupfertiegel
verfestigt, um eine polykristalline Fe3Pt-Masse
der Grösse
30 × 20 × 10 mm zu
erhalten.
- (2) Walzen: Die polykristalline Masse wurde mittels eines Einzelwalzenwalzverfahrens
gewalzt, um ein blechförmiges
Stück mit
einer Dicke von 1 mm zu erhalten.
- (3) Homogenisierungsanlassen: Dieser Schritt und die folgenden
Schritte sind dieselben wie die im ersten Beispiel.
-
Die
Magnetostriktion der erhaltenen Legierung war 3 × 10–3.
-
Drittes Beispiel
-
Eine
Fe3Pt-Polykristalllegierung wurde mittels
eines Spritzverfahrens (spattering method) vorbereitet und wie folgt
weiterverarbeitet.
- (1) Spritzen (Spattering):
Unter Verwendung einer Magnetron-Spritzvorrichtung
wurde eine Legierung, die eine Gattierung von Fe3Pt
als Target aufweist, auf ein Substrat gespritzt, um eine atomare Eisen/Platinrate
von 3:1 bereitzustellen. Dann wurde ein Film aus einer Fe3Pt-Legierung mit einer Dicke von 0,001 mm
aus dem abgeschiedenen und vom Substrat geschälten Film gewonnen.
- (3) Homogenisierungsanlassen: Dieser Schritt und die folgenden
Schritte sind dieselben wie die im ersten Beispiel.
-
Die
Magnetostriktion der erhaltenen Legierung war 3 × 10–3.
-
Industrielle
Anwendbarkeit
-
Die
magnetostriktive Legierung der vorliegenden Erfindung zeigt eine
sehr große
Magnetostriktion von 0,3% oder mehr, insbesondere 0,5% oder mehr,
und sie weist eine exzellente Formbarkeit auf. Daher kann die Legierung
in beliebige Formen wie Blechteile, Folien oder Drähte gebracht
werden. Die Legierung kann auch als Folie mittels eines Spritzverfahrens
geformt werden.