DE68908769T2

DE68908769T2 - Weichmagnetische Legierung auf Eisenbasis.

Info

Publication number: DE68908769T2
Application number: DE89304927T
Authority: DE
Inventors: Masami C O Intellectua Okamura; Takao C O Intellectual Pr Sawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-05-17
Filing date: 1989-05-16
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2009-05-17
Also published as: DE68908769D1; US4985088A; EP0342923A3; EP0342923A2; KR890017728A; EP0342923B1; KR920007579B1

Description

Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf weichmagnetische Legierungen auf Fe-Grundlage.
Für Hochfrequenzgeräte wie beispielsweise abschaltende Regler wurden bislang vorwiegend Eisenkerne kristalliner Materialien wie zum Beispiel Permalloy oder Ferrit verwendet. Der spezifische Widerstand von Permalloy ist jedoch gering, so daß sich bei hohen Frequenzen ein erheblicher Kernverlust ergibt. Hinzu kommt, daß bei Ferrit, obgleich der Kernverlust bei hohen Frequenzen hier nur gering ist, auch die magnetische Induktion mit maximal 5.000 G gering ist. Infolgedessen nähert sich das Ferrit im Betrieb mit hohen magnetischen Induktionen rasch der Sättigung, mit dem Ergebnis, daß sich der Kernverlust erhöht.
In letzter Zeit wurde häufig eine Verkleinerung der im Hochfrequenzbereich eingesetzten Transformatoren angestrebt, so zum Beispiel bei den in abschaltenden Reglern, in Glättungsdrosselspulen sowie in Gleichtakt-Drosselspulen verwendeten Spannungstransformatoren. Aus der Verringerung der Größe ergibt sich jedoch die Notwendigkeit zur Erhöhung der magnetischen Betriebsinduktion, so daß das Anwachsen des Kernverlustes bei Ferrit in der Praxis zu einem größeren Problem wird.
Aus diesem Grunde richtete sich die Aufmerksamkeit in jüngster Zeit verstärkt auf amorphe Metallegierungen, d. h. Legierungen ohne kristalline Struktur, die aufgrund ihrer hervorragenden weichmagnetischen Eigenschaften wie z. B. ihrer hohen magnetischen Permeabilität und ihrer geringen Koerzitivkraft vermehrt zum Einsatz kommen. Bei diesen amorphen Metallegierungen handelt es sich vorwiegend um geringwertige Legierungen aus Fe, Co, Ni usw., denen zur Förderung des amorphen Zustands Halbmetalle (P, C, B, Si, Al, Ge usw.) beigegeben werden.
Nicht alle diese amorphen Legierungen weisen jedoch niedrige Kernverluste im Hochfrequenzbereich auf. Amorphe Legierungen auf Eisenbasis sind preisgünstig und zeichnen sich im Bereich der Frequenzen 50 bis 60 Hz durch einen äußerst geringen Kernverlust (etwa ein Viertel des Kernverlustes von Siliziumstahl) aus. Sie sind jedoch in keinster Weise zur Verwendung bei abschaltenden Reglern im Hochfrequenzbereich geeignet, da sich im Bereich zwischen 10 und 50 kHz extrem hohe Kernverluste ergeben. Um diesem Nachteil beizukommen, wurden Versuche zur Herabsetzung der Magnetostriktion und des Kernverlustes sowie zur Erhöhung der Permeabilität durch teilweisen Austausch von Fe durch nichtmagnetische Metalle wie z. B. Nb, Mo oder Cr unternommen. Allerdings verschlechtern sich die magnetischen Eigenschaften aufgrund von Härtung, Schrumpfung usw. einmal vorgenommener Preßharzbeschichtungen in wesentlich höherem Maße als bei Co- Legierungen, so daß solche Materialien als nicht ausreichend geeignet für den effektiven Einsatz im Hochfrequenzbereich angesehen werden müssen.
In magnetischen Bauteilen für elektronische Geräte wurden auch amorphe Legierungen auf Co-Basis verwendet, da sie einen geringen Kernverlust und ein hohes Rechteckigkeitsverhältnis im Hochfrequenzbereich aufweisen. Wegen der vergleichsweise hohen Kosten für Legierungen auf Co-Basis sind solche Materialien jedoch nicht wirtschaftlich.
Wie oben dargelegt, ergeben sich bei der Verwendung von amorphen Legierungen auf Fe-Basis, obgleich sie kostengünstige Materialien darstellen und eine vergleichsweise geringe Magnetostriktion aufweisen, im Hochfrequenzbereich diverse Probleme; darüber hinaus sind solche Legierungen hinsichtlich des Kernverlustes und der Permeabilität den amorphen Legierungen auf Co- Basis unterlegen. Diese wiederum verfügen zwar über hervorragende magnetische Eigenschaften, kommen aber aufgrund ihrer Kostenintensivität kaum für den industriellen Einsatz in Frage.
In Anbetracht der dargelegten Problemstellungen ist es das Ziel der hier beschriebenen Erfindung, eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Grundlage zur Verfügung zu stellen, die sowohl über einen hohem Sättigungsgrad bezüglich des magnetischen Induktionsflusses im Hochfrequenzbereich als auch über hervorragende weichmagnetische Eigenschaften verfügt. Die hier vorgestellte Legierung zeichnet sich vor allem durch feine Kristallkörner und ihre besondere Zusammensetzung aus.
Die hier beschriebene Erfindung stellt eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Grundlage mit feinen Kristallkörner wie in folgender Formel (I) beschrieben zur Verfügung:
wobei:
M für mindestens eines der Elemente Yttrium und der übrigen Seltenerdmetalle steht;
Z für mindestens eines der Elemente Si, B, P und C steht;
a und b wie folgt bestimmt sind:
0,005 ≤ a ≤ 0,05
0,005 ≤ b ≤ 0,1
c wie folgt für einen atomaren Prozentanteil steht:
15 ≤ c ≤ 28.
Das Flächenverhältnis besagter feiner Kristallkörner (Bereich 5 bis 30 nm/50 bis 300 Å) beträgt mindestens 30 %. Unter dem Flächenverhältnis der feinen Kristallkörner ist hierbei das Verhältnis der Oberfläche der feinen Körner zur Gesamtoberfläche in einer Ebene der Legierung zu verstehen, wie es sich beispielsweise aus Messungen per Mikrophotographie oder Mikrographie gemahlener und geschliffener Proben ergibt. Mindestens 80 % der feinen Kristallkörner sollten einen Durchmesser zwischen 50 und 300 Å aufweisen.
Somit ergibt sich als eines Hauptmerkmale der hier beschriebenen Legierung, daß diese feine Kristallkörner in der dargelegten Zusammensetzung enthält.
Im folgenden werden Möglichkeiten zur Realisierung der Erfindung beschrieben.
Eine Legierung entsprechend dieser Erfindung enthält: Fe, Cu; mindestens eines der Elemente Yttrium sowie der übrigen Seltenerdmetalle und mindestens eines der Elemente Si, B, P und C entsprechend der oben getroffenen Vorgaben.
Es ist zu beachten, daß Legierungen entsprechend dieser Erfindung die aufgeführten Bestandteile in den genannten absoluten bzw. relativen Mengen enthalten müssen, um eine Nutzung der Vorteile dieser neuartigen Legierungen zu ermöglichen. Kupfer beispielsweise dient der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, der Verhinderung der Kornvergröberung und zur Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften wie des Kernverlustes und der Permeabilität. Ist der Kupferanteil jedoch zu gering, bleibt der gewünschte Effekt der Beimengung aus. Ist der Kupferanteil hingegen zu groß, führt dies zu einer Verschlechterung der resultierenden magnetischen Eigenschaften. Daher ist für den Kupferanteil ein Wert aus dem Bereich 0,005 bis 0,05 zu wählen. Die günstigsten Werte sind die im Bereich 0,01 bis 0,04 (siehe obige Formel).
Bei M handelt es sich um mindestens eines der Elemente Yttrium sowie der übrigen Seltenerdmetalle, dessen/deren Beimengung zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften bezüglich eines geringeren Kernverlustes wie auch in bezug auf Temperaturänderungen und darüber hinaus zur Vereinheitlichung der Korngröße beiträgt. Ist der Anteil des Elements M zu gering, bleibt der gewünschte Effekt der Beimengung aus. Ist der Anteil von M hingegen zu groß, führt dies zu einer Herabsetzung des Curie- Punktes und infolgedessen zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften. Daher ist ein Wert aus dem Bereich 0,005 bis 0,1 zu wählen (siehe obige Formel). Die günstigsten Werte sind die im Bereich 0,01 bis 0,08; als optimal sind erst Werte im Bereich 0,02 bis 0,05 anzusehen.
Die kombinierte Beimengung von Cu sowie von Yttrium und/oder eines der übrigen Seltenerdmetalle führt zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften in bezug auf Temperaturveränderungen.
Mindestens eines der Elemente Si, B, P und C (in obiger Formel als Z bezeichnet) trägt zur Erzielung der amorphen Merkmale der Legierung bei der Herstellung bei oder führt zur direkten Absonderung feiner Kristalle. Bei einem zu geringen Anteil von Z gehen die Vorteile der Abschreckung (Superquenching) verloren und somit auch die genannten Effekte. Bei einem zu großen Anteil hingegen ergibt sich ein nur geringer Sättigungsgrad bezüglich des magnetischen Induktionsflusses; somit ergibt sich gleichfalls ein Verlust der genannten Effekte und letztendlich auch der verbesserten magnetischen Eigenschaften. Daher ist für Z ein Wert aus dem Bereich 15 bis 28 atomare Prozent zu wählen. Außerdem sollte das Verhältnis Si : B und/oder C : P (je nachdem, welche Elemente verwendet werden) nach Möglichkeit größer 1 sein.
Zur Erstellung der hier beschriebenen weichmagnetischen Legierung auf Fe-Grundlage ist wie folgt vorzugehen:
Durch Abschreckung mit einer Flüssigkeit oder aus einem per Atomisierungsmethode hergestellten abgeschreckten Pulver wird ein dünnes Band der amorphen Metallegierung hergestellt. Die Legierung wird hierauf für einen Zeitraum zwischen einer Minute und zehn Stunden wärmebehandelt; günstig sind hierbei Zeiträume zwischen zehn Minuten und fünf Stunden bei Temperaturen zwischen 50 C unter und 120 C über der Kristallisationstemperatur der amorphen Metallegierung. Zur Absonderung der gewünschten feinen Kristalle empfehlen sich Temperaturen zwischen 30 C unter und 100 C über der Kristallisationstemperatur. Eine direkte Absonderung der feinen Kristalle kann auch durch Einflußnahme auf die Härtegeschwindigkeit bei der Abschreckung mit einer Flüssigkeit erreicht werden.
Wie bereits erwähnt, ist es von großer Wichtigkeit, daß die Legierung feine Kristallkörner enthält. Bei einem unzureichenden Anteil feiner Kristallkörner in der hier beschriebenen Legierung, d. h. bei übermäßiger amorpher Phase, ergibt sich eine verstärkte Tendenz zur Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften nach der Preßharzbeschichtung und somit ein erhöhter Kernverlust, eine geringere Permeabilität sowie eine größere Magnetostriktion. Daher sollte die Legierung mindestens 30 % (Flächenverhältnis) feine Kristallkörner enthalten; günstiger sind mindestens 40 %, und erst ein Anteil von über 50 % ist als optimal anzusehen.
Außerdem wurde festgestellt, daß sich bei zu geringem Durchmesser der feinen Kristallkörner die gewünschte Verbesserung der magnetischen Eigenschaften nicht im vollen Umfang ergibt und daß andererseits zu große Durchmesser zu einer gegenteiligen und gleichfalls unerwünschten Beeinflussung dieser Eigenschaften führt. Daher sollten mindestens 80 % der feinen Kristallkörner eine Kristallgröße zwischen 50 Å und 300 Å aufweisen.
Die hier beschriebenen weichmagnetischen Legierungen auf Fe-Grundlage verfügen über hervorragende weichmagnetische Eigenschaften im Hochfrequenzbereich. Diese kommen insbesondere bei Verwendung dieser Legierungen in magnetischen Bauteilen wie etwa in bei Radiofrequenzen verwendeten Ferritkernen zum Tragen, so zum Beispiel in Magnetköpfen, in Dünnfilmköpfen, in Starkstrom- Radiofrequenztransformatoren, in Magnetverstärkern, in Glättungsdrosselspulen, in Gleichtakt-Drosselspulen, in Hochspannungsstörschutzfiltern, in Magnetschaltern für den Laserbereich usw.; sowie als magnetische Materialien für diverse Arten von Sensoren wie Sensoren für Stromquellen, Richtungssensoren, Sicherheitssensoren usw.
Im folgenden werden einige, wenn auch längst nicht alle Möglichkeiten zur Umsetzung der hier beschriebenen Erfindung dargestellt.

Beispiele 1 bis 12 - Allgemeines Verfahren

Ein dünnes Band der amorphen Legierung mit einer Dicke von 18 um wurde mittels Ein-Walzen-Methode (Single Roll Method) aus Legierungen entsprechend Tabelle I hergestellt. Diese amorphen Metallegierungen wurden hierauf so gewickelt, daß sich eine Ringspule mit einem äußeren Durchmesser von 18 mm, einem inneren Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 4,5 mm ergab. Es folgte eine etwa einstündige Wärmebehandlung bei ca. 30 ºC über dem Kristallisationspunkt der jeweiligen Legierung (gemessen bei einer Erwärmung von 10 ºC/min). Die auf diese Weise hergestellten Ringspulen wurden dann zu Messungen herangezogen.
Zum Vergleich wurden weitere Magnetkerne hergestellt, an denen etwa einstündige Wärmebehandlungen bei ca. 70 ºC unterhalb des Kristallisationspunktes der jeweiligen Legierung vorgenommen wurden.
Die Anteile feiner Kristallkörner in den dünnen Bändern, aus denen die Magnetkerne hergestellt wurden, und die Anteile der feinen Kristallkörner mit einem Durchmesser zwischen 50 Å und 300 Å sind in Tabelle I unter A bzw. unter B (%) aufgeführt.
Darüber hinaus enthält Tabelle I die bei Messungen des Kernverlustes, der Magnetostriktion, der Permeabilität bei 1 kHz, 2 mOe sowie des Sättigungsgrades bezüglich des magnetischen Induktionsflusses an fünf Probestücken magnetischer Kerne entsprechend der hier beschriebenen Erfindung, in denen feine Kristallkörner enthalten waren, sowie an fünf anderen Probestücken magnetischer Kerne entsprechend der hier beschriebenen Erfindung, in denen keine feinen Kristallkörner enthalten waren, nach einer Wärmebehandlung bei B = 2 G, F = 100 kHz ermittelten Durchschnittswerte. Tabelle 1 Beispiel Nr. Zusammensetzung der Legierung Kernverlust (mw/cc) Magnetostriktion (x10&supmin;&sup6;) Permeabilität @ 1 kHz (x10&supmin;&sup4;) Sattigungsgrad bzgl. magnet. Induktionsflusses (kG) Anmerkungen Zus. entspr. Erfindung Zus. nicht entspr. Erf
Aus Tabelle I wird ersichtlich, daß die hier beschriebene Legierung mit feinen Kristallkörnern im Vergleich zu Eisenkernen aus dünnen Bändern ohne feine Kristallkörner ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften bei hohen Frequenzen, eine hohe Permeabilität, einen geringen Kernverlust und eine geringe Magnetostriktion aufweist. Darüber hinaus betrug der Anstieg des Kernverlustes bei entsprechend den hier getroffenen Vorgaben hergestellten Magnetkernen mit feinen Kristallkörnern nach der Beschichtung mit Epoxidharz in jedem Fall weniger als 5 %, d. h. die hervorragenden magnetischen Eigenschaften blieben erhalten. Bei aus vergleichbaren Legierungen hergestellten Magnetkernen und dünnen Bändern aus amorphen Metallegierungen war dieser Anstieg hingegen dreimal so hoch. Somit ergibt sich gerade in diesem Bereich eine besonders auffallende Effizienzsteigerung mittels der hier beschriebenen Erfindung.
Die hier beschriebene Erfindung stellt Weicheisenlegierungen auf Fe-Grundlage mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften zur Verfügung, die sich durch feine Kristallkörner in der gewünschten Zusammensetzung und durch einen hohen Sättigungsgrad bezüglich des magnetischen Induktionsflusses im Hochfrequenzbereich auszeichnen.

Claims

1. Weiche, magnetische Legierung auf Fe-Basis mit feinen Kristallkörnern, die durch die Formel (I) definiert ist:

worin "M" mindestens ein Element aus den folgenden ist:

Yttrium und Seltene Erdelemente;

"Z" mindestens ein Element aus den folgenden ist:

Si, B, P und C; und

worin "a" und "b" folgendermaßen sind:

0,005 ≤ a ≤ 0,05

0,005 ≤ b ≤ 0,1

und "c" in Atomprozenten ausgedrückt folgendermaßen ist:

15 ≤ c ≤ 28

und das Gebietsverhältnis der vorhandenen Körner im Bereich von 5 nm (50 Å) bis 30 nm (300 Å) mindestens 30% beträgt.

2. Legierung nach Anspruch 1, wobei mindestens 80% der feinen Körner im Bereich von 5 bis 30 um (50 Å bis 300 Å) liegen.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis von Si:B und/oder C:P > 1 ist.

4. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei "a" 0,01 bis 0,04 ist.

5. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei "b" 0,01 bis 0,08 ist.

6. Legierung nach Anspruch 5, wobei "b" 0,02 bis 0,05 ist.

7. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei "c" 18 bis 26 Atomprozent ist.

8. Verfahren zum Behandeln einer weichen, magnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches die Wärmebehandlung der Legierung über eine Zeitspanne von einer Minute bis zehn Stunden bei einer Temperatur von 50ºC unter der Kristallisationstemperatur bis 120ºC über der Kristallisationstemperatur umfaßt, um feine Kristallkörner abzutrennen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Legierung über eine Zeitspanne von zehn Minuten bis fünf Stunden warmbehandelt wird.