HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Weichmagnetmaterial,
insbesondere ein Magnetmaterial auf Metallbasis, das zur
Verwendung als Material eines Magnetkopfes geeignet ist, und
ebenfalls einen aus einem solchen Magnetmaterial
hergestellten Magnetkopf.
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Bislang wurde eine Hartlegierung vom Fe-Si-Al-Typ, bekannt
als Sendust-Legierung, als Magnetmaterial auf Metallbasis
zur Verwendung als Material von Magnetköpfen verwendet.
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Dieses magnetische Material auf Metallbasis besitzt einen
hohen Sättigungswert der magnetischen Flußdichte, weist
jedoch einen hohen Wirbelstromverlust auf und infolgedessen
eine niedrige magnetische Permeabilität, insbesondere im
Hochfrequenzbereich als Folge von zu niedrigem elektrischem
Widerstand. Zusätzlich zeigen aus diesem Material
hergestellte Magnetköpfe schlechtere Verschleißfestigkeit gegenüber
Abrieb durch Magnetband, verglichen mit Magnetköpfen,
hergestellt aus Magnetköpfen vom Ferrit-Typ, hergestellt aus
oxidischen Magnetmaterialien.
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So sollen Magnetmaterialien zur Verwendung als Materialien
von Magnetköpfen hohen Sättigungswert der magnetischen
Flußdichte und hohen elektrischen Widerstand besitzen, wie auch
hohe Verschleißfestigkeit beim Standreibungskontakt zwischen
den aus solchen Materialien hergestellten Magnetköpfen und
Magnetbändern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Magnetmaterial
bereitzustellen, welches die zuvor beschriebenen
Anforderungen erfüllt.
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Zu diesem Zweck wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Magnetmaterial bereitgestellt, umfassend eine Legierung vom
Fe-Si-Al-Typ, die 5 bis 15 Gew.-% Si, 2 bis 7 Gew.-% Al und
als Rest im wesentlichen Fe enthält, worin wenigstens ein
Element, ausgewählt aus einer aus Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y,
Nb, Ta und Hf bestehenden Gruppe, in einer Menge von 0,001
bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Menge dieser Legierung, zu
dieser Legierung zugesetzt ist, und worin diese Legierung so
hergestellt ist, daß sie 0,0001 bis 1,5 Gew.-% Sauerstoff
enthält.
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In dem Magnetmaterial der Erfindung, welches die
zuvorgenannten Merkmale besitzt, bildet das Oxid des zuvorgenannten
Zusatzelementes eine Schicht mit hohem elektrischen Widerstand
längs der Korngrenze, so daß der elektrische Widerstand des
Materials als Masse erhöht wird unter Reduzierung des
Wirbelstromverlustes im Hochfrequenzbereich, so daß es möglich
ist, eine hohe magnetische Permeabilität zu erreichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 zeigt die Art, in der sich die magnetische
Permeabilität als Ergebnis des Zusatzes von Ca verändert;
und
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Fig. 2 zeigt die Art, in welcher sich die magnetische
Permeabilität als Ergebnis einer Änderung im
Zusammensetzungsverhältnis eines Legierungssystems Fe-Si-Al
verändert.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine Ausführungsform des Magnetmaterials der vorliegenden
Erfindung, gebildet durch Zusatz eines Zusatzelementes und
Sauerstoff zu einer Legierung auf Fe-Basis, insbesondere
einer Fe-Si-Al-Legierung, wird anhand eines Beispiels
beschrieben. Im allgemeinen bietet die vorliegende Erfindung
eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei einer
Legierung auf Fe-Easis. Die folgende Beschreibung befaßt sich
jedoch hauptsächlich mit einer Legierung vom Fe-Si-Al-Typ,
welche in spezifischer Weise als Magnetmaterial brauchbar
ist.
[Beispiel]
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Eine Zusammensetzung mit einem Endzusammensetzungsverhältnis
von 3 bis 18 Gew.-% Si, 1 bis 9 Gew.-% Al und als Rest im
wesentlichen Fe wurde verwendet. Zu dieser Zusammensetzung
wurde Ca in einer Menge von 0 bis 10 Gew.-% zu dem
Gesamtgewicht der Legierung zugegeben. Die Metalle wurden
eingewogen und in einer Vakuumatmosphäre durch
Hochfrequenzinduktionserhitzung geschmolzen, so daß eine
Fe-Si-Al-Ausgangslegierung (Sendust-Legierung) mit zugesetztem Ca hergestellt
wurde. Die Ausgangslegierung wurde für 2 h bei 700ºC bis
1000ºC innerhalb einer 0,01 Vol.-% O&sub2; und als Rest Ar
enthaltenen Atmosphäre hitzebehandelt. Die hitzebehandelte
Sendust-Legierung wurde analysiert, so daß bestätigt wurde,
daß die Sendust-Legierung 0,005 Gew.-% Sauerstoff enthielt.
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Ein Ring mit Außen- und Innen-Durchmessern von 8 mm und 4 mm
und einer Dicke von 0,2 mm wurde aus dem Stück der Sendust-
Legierung durch Funkenerosionsbehandlung ausgeschnitten, so
daß ein Teststück erhalten wurde. Die so erhaltenen
Teststücke mit verschiedenen Ca-Gehalten wurden einem Test zum
Zweck der Bestimmung der magnetischen Eigenschaften
unterzogen. Fig. 1 zeigt, wie die magnetische Permeabilität durch
Verändern des Ca-Gehaltes innerhalb des Bereiches von 0 bis
10 Gew.-% sich veränderte.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß bei einem Ca-Gehalt von
nicht größer als 0,001 Gew.-% keine wesentliche Verbesserung
bei der magnetischen Permeabilität im Hochfrequenzbereich (5
MHz) erreicht wird trotz der zuvorgenannten
Oxidationsbehandlung. Andererseits bewirkt ein 1 Gew.-% übersteigender Ca-
Gehalt, daß die magnetische Permeabilität auf Werte unter
1000 im Niederfrequenzbereich (100 kHz) nach der
Oxidationsbehandlung abnimmt, was eine große, 39,8 A/m (0,5 Oe)
übersteigende Koerzitivkraft ergibt, was für ein Magnetmaterial
eines Magnetkopfes sehr ungeeignet ist. Es wurde so
bestätigt, daß das beste Ergebnis erreicht wird, wenn der
Ca-Gehalt im Bereich zwischen 0,001 und 1 Gew.-% liegt.
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Fig. 2 zeigt, wie die magnetische Permeabilität sich
verändert, wenn das Zusammensetzungsverhältnis der Fe-Si-Al-
Legierung durch Zugabe von 0,001 bis 1 Gew.-% Ca verändert
wird. In dieser Figur schließt ein Bereich A
Zusammensetzungen ein, welche 3 bis 5 Gew.-% Si, 1 bis 2 Gew.-% Al und als
Rest im wesentlichen Fe enthalten, während ein Bereich B
Zusammensetzungen abdeckt, welche 5 bis 15 Gew.-% Si, 2 bis
7 Gew.-% Al und als Rest im wesentlichen Fe enthalten. Ein
Bereich C deckt Zusammensetzungen ab, welche 15 bis 18
Gew.-% Si, 7 bis 9 Gew.-% Al und als Rest Fe enthalten.
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Es ist aus dieser Figur ersichtlich, daß die
Zusammensetzungen mit einem Gehalt von 5 bis 15 Gew.-% Si, 2 bis 7 Gew.-%
Al und als Rest Fe überlegene magnetische Charakteristiken
aufweisen, d.h. Magnetfluß-Sättigungsdichte von 0,8 T (8000
G) oder darüber, und Werte der magnetischen Permeabilität u
von 3000 oder darüber und 1000 oder darüber bei Frequenzen
von 100 kHz bzw. 5 MHz. Außerhalb des zuvor angegebenen
Bereiches fallende Legierungszusammensetzungen zeigten zu
niedrige Werte der magnetischen Permeabilität u und konnten
nicht als ein Material für einen Magnetkopf eingesetzt
werden.
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Die Fe-Si-Al-Legierung mit Ca-Zusatz gemäß der Erfindung
zeigte, wenn sie keinen Sauerstoff enthielt, eine
Verminderung der magnetischen Permeabilität auf 200 bei 5 MHz,
obwohl die magnetische Sättigungsdichte 0,8 T (8000 G) oder
darüber betrug und die magnetische Permeabilität u mit einem
so hohen Wert wie 3000 oder darüber bei 100 kHz erhalten
wurde. Es wird kein nennenswerter Effekt der Oxidation
beobachtet, wenn der Sauerstoffgehalt 0,0001 Gew.-% oder
weniger beträgt. Dagegen bewirkt ein 1,5 Gew.-%
übersteigender Sauerstoffgehalt eine überschüssige Oxidation, was eine
Verschlechterung der magnetischen Charakteristika ergibt.
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Der Sauerstoffgehalt sollte daher bevorzugt im Bereich
zwischen 0,0001 und 1,5 Gew.-% liegen.
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Korngrenzen in den Sendust-Legierungen wurden selektiv und
sanft oxidiert, wenn die Temperatur der Oxidationsbehandlung
im Bereich zwischen 700ºC und 1000ºC lag.
Oxidationsbehandlung bei einer 1000ºC übersteigenden Temperatur bewirkte
dagegen Oxidation nicht nur der Korngrenzen, sondern auch der
Kristallkörner selbst, was eine schwerwiegende
Verschlechterung der magnetischen Charakteristika ergibt. Tatsächlich
lag die magnetische Permeabilität bei 100 kHz bei einem so
geringen Wert wie mehreren hundert. Andererseits bewirkte
eine Oxidationswärmebehandlung bei Temperaturen unterhalb
700ºC eine sehr langsame Oxidation an den Korngrenzen, was
eine sehr lange Zeitspanne von 100 h oder darüber für die
Wärmebehandlung notwendig macht, was unter industriellen
Gesichtspunkten vollständig inpraktikabel ist. Hinsichtlich
der Atmosphäre der Wärmebehandlung wurde kein wesentlicher
Oxidationseffekt beobachtet, wenn der Sauerstoffgasgehalt in
der Oxidationsbehandlungsatmosphäre 0,0001 Vol.-% oder
weniger betrug. Dagegen schritt die Oxidation übermäßig voran,
wenn der Sauerstoffgasgehalt in der Behandlungsatmosphäre
0,1 Vol.-% oder größer betrug, was eine Verschlechterung der
magnetischen Charakteristika ergibt. Daher wird die
Wärmebehandlung bevorzugt in einem Inertgas von 700ºC bis 1000ºC,
welches 0,0001 bis 0,1 Vol.-% Sauerstoffgas enthält,
durchgeführt. Es wurden hochreines Si, Fe und Al, welche
Reinheitsgrade von 99,98 % oder darüber besaßen, eingewogen, um eine
Endzusammensetzung von 9,5 Gew.-% Si, 5,5 Gew.-% Al und
85 Gew.-% Fe zu erhalten. Dann wurden 0,01 Gew.-% Ca
hinzugegeben, und das Gemisch wurde in einer Vakuumatmosphäre durch
Hochfrequenz-Induktionsaufheizung geschmolzen, so daß eine
Fe-Si-Al-Ausgangslegierung (Sendust-Legierung) mit
zugesetztem Ca gebildet wurde. Die Ausgangslegierung wurde
mechanisch zerkleinert, so daß ein Sendust-Pulver mit einer
Teilchengröße von 1 bis 3 um gebildet wurde. Das Sendust-Pulver
wurde unter Zusatz eines Bindemittels vom Sublimationstyp
bei einem Druck von 5 t/cm² kompaktiert, und der so
erhaltene
kompaktierte Körper wurde in einer Vakuumatmosphäre für 2
bis 3 h bei einer Temperatur von 1200 bis 1300ºC und einem
Druck von 300 bis 500 kg/cm² heißgepreßt, wodurch ein
Sendust-Sinterkörper mit einer hohen Dichte und einer
Kristallkorngröße von 5 bis 7 um erhalten wurde. Der so
erhaltene Sendust-Sinterkörper wurde bei 850ºC in einer Ar-
Gasatmosphäre mit einem Gehalt von 0,01 Vol.-% Sauerstoffgas
hitzebehandelt, so daß das Sendust-Material in einem Ausmaß
von 0,05 Gew.-% oxidiert wurde.
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Für Vergleichszwecke wurden Sendust-Sintermaterialien hoher
Dichte mit Kristallkorngrößen von 10 um, 15 um und 50 um
dadurch hergestellt, daß die Heißpresstemperatur um 100 bis
200ºC angehoben wurde, und die so erhaltenen
Sendust-Sinterteststücke wurden der Oxidationshitzebehandlung unterworfen,
die unter denselben, zuvor beschriebenen Bedingungen
durchgeführt wurde.
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Teststücke von 2 x 3 x 0,15 mm wurden aus diesen Sendust-
Sintermaterialien ausgeschnitten und einem Verschleißtest
unterzogen, bei welchem die Oberfläche von 3 x 0,15 mm jedes
Teststückes in Gleitreibungskontakt mit einem Magnetband auf
einem Videorecorderdeck (VTR-Deck) für 200 h bei einer
Temperatur von 20ºC und einer Feuchtigkeit von 30% gehalten
wurde. Hierbei zeigte das Teststück des
Sendust-Sintermaterials mit der Kristallkorngröße von 5 bis 7 um einen
Verschleiß mit einem Wert von 5 bis 10 um in der Richtung
senkrecht zur Gleitoberfläche. Die Verschleißwerte der
Teststücke mit den Kristallkorngrößen von 10 um, 15 um bzw.
50 um betrugen 15 um, 25 bis 30 um und 60 um. Tatsächliche
Magnetköpfe, welche in Gleitkontakt mit Magnetbändern
verwendet werden, haben eine praktische Lebensdauer oder
Verwendungsdauer, welche etwa 50 um beträgt, gemessen in der
Richtung senkrecht zur Gleitoberfläche. Dies bedeutet, daß das
Sendust-Material mit einer Kristallkorngröße von 50 um oder
darüber nicht in der Praxis eingesetzt werden kann. Das
Sendust-Material mit der Kristallkorngröße von 15 um,
welches einen Verschleiß mit einem Wert von 30 um in 200 h
zeigt, ist ebenfalls inpraktikabel, da der Verschleißwert
durch Gleitkontakt mit einem Magnetband für 500 h den
zuvorgenannten praktischen Grenzwert oder Verwendungswert
übersteigt. Infolgedessen wurde durch den
Verschleißfestigkeitstest bestätigt, daß das Sendust-Sintermaterial mit einer
Kristallkorngröße von 10 um oder darunter unter dem
Gesichtspunkt der Verschleißfestigkeit überlegen ist.
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Bei dieser Ausführungsform wurde Ca in einer Menge von 0,001
bis 1 Gew.-% zu dem Sendust-Material mit Kristallkorngröße
von 10 um oder darunter zugesetzt, und das so erhaltene
Material wurde einer Oxidationshitzebehandlung unterzogen, so
daß das Material Sauerstoff enthielt. Es wurde bestätigt,
daß dieses Material nicht nur eine verbesserte
Verschleißfestigkeit besaß, sondern auch eine verbesserte magnetische
Charakteristik. Das Material der Ausführungsform mit einer
Kristallkorngröße von 10 um oder darunter zeigte nämlich
eine Magnetpermeabilität u von 1000 bis 1200 bei 5 MHz,
während im Fall von Materialien mit mehr als 10 um oder darüber
liegenden Kristallkorngrößen die Magnetpermeabilität u 800 bis
1000 betrug.
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Ein Videorecorder-Magnetkopf (VTR-Magnetkopf) mit einer
Magnetaufzeichnungsspurbreite von 35 um wurde aus einem
Fe-Si-Al-Ca-Magnetmaterial mit einem Gehalt von 0,05 Gew.-%
Sauerstoff und einer Kristallkorngröße von 10 um oder
kleiner hergestellt. Als Beispiel wurde ein Magnetkopf aus einer
Fe-Si-Al-Legierung (ohne irgendein Zusatzelement und
Oxidation) Kristallkorngröße 50 um hergestellt. Beide Magnetköpfe
wurden einem Test unterworfen, der unter Verwendung eines
Magnetbandes vom γ-Fe&sub2;O&sub3;-Typ durchgeführt wurde, um die
Verschleißfestigkeitseigenschaften und magnetischen
Eigenschaften zu bestimmen.
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Dabei wurde bestätigt, daß der aus dem Magnetmaterial der
vorliegenden Erfindung hergestellte Magnetkopf einen
merklich verminderten Wert des Verschleißes, hervorgerufen durch
Gleitkontakt mit dem Magnetband, aufwies, beispielsweise
1/20 bis 1/30 des Wertes des Magnetkopfes, der aus einer
konventionell eingesetzten Fe-Si-Al-Legierung hergestellt
wurde. Es ist daher ersichtlich, daß der aus dem
Magnetmaterial der vorliegenden Erfindung hergestellte Magnetkopf eine
lange Gebrauchsdauer über eine Zeitspanne auszuhalten
vermag, welche das 20-fache oder darüber länger ist als
diejenige des aus dem konventionellen Material hergestellten
Magnetkopfes.
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Der Magnetkopf der Erfindung, hergestellt aus dem
Magnetmaterial vom Fe-Si-Al-Ca-Typ, zeigte ebenfalls eine
Ausgangsleistung, welche 5 bis 7 dB höher ist als diejenige, welche
von dem aus dem konventionellen Material hergestellten
Magnetkopf erzeugt wurde, gemessen bei 5 MHz.
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Das Magnetmaterial vom Fe-Si-Al-Ca-Typ der vorliegenden
Erfindung kann nicht nur nach einem metallurgischen
Verfahren, sondern auch nach einer Dünnfilmherstellungstechnik wie
durch Sputter- oder Aufdampfablagerung hergestellt werden.
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Obwohl die Erfindung anhand einer spezifischen
Ausführungsform beschrieben wurde, bei welcher Ca als Zusatzelement
zugesetzt wurde, dient dies lediglich der Erläuterung, und
derselbe Vorteil kann erreicht werden, wenn ein oder mehrere
Zusatzelemente, ausgewählt aus einer aus Alkalierdmetallen
einschließlich Be, Mg, Ca, Sr und Ba, sowie Sc, Y, Nb, Ta
und Hf bestehenden Gruppe, derart zugesetzt werden, daß die
Gesamtmenge dieser Zusatzelemente im Bereich zwischen 0,001
und 1 Gew.-% liegt.
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Wie beschrieben wurde, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich, ein metallisches Magnetmaterial zu erhalten,
welches überlegene Eigenschaften im hohen Frequenzbereich
wie auch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften,
insbesondere Verschleißfestigkeit, zeigt.