DE69823621T2

DE69823621T2 - Herstellungsverfahren für einen nanokristallinen weichmagnetischen Kern für Anwendung in einem Differentialschutzschalter

Info

Publication number: DE69823621T2
Application number: DE69823621T
Authority: DE
Inventors: Georges Couderchon; Philippe Verin; Christian Caquard
Original assignee: Mecagis SNC
Current assignee: Mecagis SNC
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: EP0921541B1; PL330101A1; EP0921541A1; PL186806B1; FR2772181A1; DE69823621D1; ATE266245T1; FR2772181B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkern aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, der insbesondere für die Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters der Klasse A verwendet werden kann.
Die Fehlerstromschutzschalter der Klasse A sind Fehlerstromschutzschalter mit Eigenstrom, die nicht nur auf sinusförmige Fehlerströme empfindlich sind, sondern auch auf gepulste Fehlerströme ansprechen. Die Fehlerstromschutzschalter enthalten einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung mit einer hohen magnetischen Permeabilität (Impedanz) μ_z bei 50 Hz, einem Verhältnis der Remanenz und der Sättigungsflussdichte Br/Bm unter 0,2 und einer guten Temperaturstabilität der magnetischen Eigenschaften im Bereich der Betriebstemperatur, die sich von –25 bis +100°C erstreckt. Die maximale magnetische Permeabilität (Impedanz) μ_z sollte hoch sein; je höher sie ist, desto kleiner können die Abmessungen des Magnetkerns und somit der Fehlerstromschutzschalter sein; das Verhältnis Br/Bm sollte gering bleiben, um die Empfindlichkeit des Schutzschalters für gepulste Ströme aufrechtzuerhalten. Die Empfindlichkeit des Schutzschalters für gepulste Fehlerströme ist umso besser, je höher die Werte ΔB_stat und ΔB_dyn, sind, wobei ΔB_stat und ΔB_dyn die Amplituden der Änderung der magnetischen Induktion bedeuten, die im ersten Fall durch ein einweggleichgerichtetes und im zweiten Fall durch ein vollweggleichgerichtetes alternierendes Erregerfeld erzeugt werden.
Magnetkerne für Fehlerstromschutzschalter der Klasse A können hergestellt werden, indem eine weichmagnetische Legierung des Typs verwendet wird, die mehr als 60 At.% Eisen, Kupfer, Silicium, Bor und ein Element enthält, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist. Die Magnetkerne werden hergestellt, indem die Legierung in Form eines amorphen Bandes gegossen wird, das in Form eines Magnetkerns gewickelt und dann einer thermischen Kristallisationsbehandlung, die dazu dient, der Legierung eine nanokristalline Struktur zu geben, und schließlich einer thermischen Behandlung unter einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld unterzogen wird, das kontinuierlich während der gesamten thermischen Behandlung angelegt wird, wobei die thermische Behandlung bei etwa 400°C erfolgt. Die auf diese Weise hergestellten Magnetkerne besitzen eine zufrieden stellende Temperaturstabilität und weisen ein Verhältnis Br/Bm unter 0,2 auf. Es können mit diesen Kernen jedoch weder eine bei 50 Hz in einem maximalen Anregungsfeld von 10 mA/cm (Spitzenwert) bei 25°C gemessene magnetische Permeabilität (Impedanz) μ_z über 170 000 noch Werte von ΔBstat und ΔB_dyn über 0,19 Tesla für ein Anregungsfeld mit einer maximalen Amplitude von 10 mA/cm erhalten werden, wodurch die Möglichkeiten der Miniaturisierung begrenzt werden.
In der Druckschrift DE 40 19 636 ist ein Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von amorphen ferromagnetischen Materialien beschrieben worden, das darin besteht, diese Materialien kontinuierlich einem alternierenden Magnetfeld auszusetzen, dessen Frequenz im Bereich von 50 bis 50 kHz liegt und das eine sinusförmige, dreieckige oder rechteckige Form besitzt, wobei die Stromdichte im Bereich von 10 bis 500 A/cm² liegt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesem Nachteil abzuhelfen, indem ein Mittel zur Herstellung eines Magnetkerns vorgeschlagen wird, der für einen Fehlerstromschutzschalter der Klasse A verwendbar ist, der gleichzeitig eine bei 50 Hz in einem maximalen Anregungsfeld von 10 mA/cm (Spitzenwert) gemessene mag netische Permeabilität (Impedanz) μ_z über 200 000 und für ein Anregungsfeld mit einer maximalen Amplitude von 10 mA/ cm Werte von ΔB_stat und ΔB_dyn über 0,2 Tesla aufweist.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 At.% Eisen, 10 bis 20 At.% Silicium, 0,1 bis 2 At.% Kupfer, 5 bis 20 At.% Bor, 0,1 bis 10 At.% mindestens eines Elements, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen enthält, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 At.% liegt und wobei die nanokristalline Legierung durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand hergestellt wird. Nach diesem Verfahren wird an dem Magnetkern eine thermische Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 450°C durchgeführt, wobei das Magnetfeld in Form von Pulsen angelegt wird.
Vorzugsweise wird die thermische Behandlung in dem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 300 bis 400°C durchgeführt.
Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf nanokristalline weichmagnetische Legierungen, deren chemische Zusammensetzung 10 bis 17 At.% Silicium, 0,5 bis 1,5 At.% Kupfer, 5 bis 14 At.% Bor und 2 bis 4 At.% mindestens eines Elements umfasst, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist.
Bevor die thermische Kristallisationsbehandlung der im amorphen Zustand vorliegenden Legierung erfolgt, kann an der Legierung im amorphen Zustand eine thermische Relaxationsbehandlung bei einer Temperatur unter der Temperatur der beginnenden Kristallisation der Legierung im amorphen Zustand durchgeführt werden. Die thermische Relaxationsbehandlung besteht vorzugsweise darin, eine Temperatur von 250 bis 480°C während einer Zeitspanne von 0,1 bis 10 h zu halten.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Magnetkern kann vorteilhaft für die Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters mit Eigenstrom der Klasse A verwendet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden noch detaillierter beschrieben und durch ein Beispiel erläutert.
Für die Herstellung eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung wird die Legierung in Form eines amorphen Bandes gegossen, anschließend wird ein Segment des Bandes von geeigneter Länge so um einen Spulenkern gewickelt, dass eine torische Spule mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt erhalten wird. Die Spule, die den Magnetkern bilden wird, wird dann einer thermischen Kristallisationsbehandlung unterzogen, die dazu dient, die amorphe Struktur zu destabilisieren und die Bildung von Kristallen zu bewirken, deren Größe unter 100 nm und sogar unter 20 nm liegt, und auf diese Weise eine so genannte "nanokristalline" Struktur zu erhalten. Diese Behandlung wird anschließend durch eine thermische Behandlung unter einem zu der Achse des Kerns parallelen Magnetfeld abgeschlossen, d. h. einem Magnetfeld, das parallel zur Achse des Kerns verläuft. Die Legierung ist von dem Typ, der insbesondere in den europäischen Patentanmeldungen EP 0 271 657 und EP 0 299 498 beschrieben wurde. Sie besteht hauptsächlich aus Eisen in einem Mengenanteil über 60 At.% und enthält ferner:

– 0,1 bis 2 At.% und vorzugsweise 0, 5 bis 1, 5 At.% Kupfer;
– 10 bis 20 At.% und vorzugsweise weniger als 17 At.% Silicium;
– 5 bis 20 At.% und vorzugsweise weniger als 14 At.% Bor;
– 0,1 bis 10 At.% wenigstens eines Elements, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist; vorzugsweise 2 bis 4 At.% Niob.

Die Legierung enthält außerdem Verunreinigungen, die aus dem Herstellungsverfahren stammen.
Die Summe der Mengenanteile an Silicium und Bor sollte vorzugsweise unter 30 At.% und noch besser unter 25 At.% bleiben.
Das Kristallisationsglühen besteht darin, eine Temperatur über der anfänglichen Kristallisationstemperatur und unter der Temperatur, bei der sekundäre Phasen aufzutreten beginnen, die die magnetischen Eigenschaften stören, zu halten. Die Temperatur beim Kristallisationsglühen liegt im Allgemeinen im Bereich von 500 bis 600°C, sie kann jedoch für jedes Band optimiert werden, indem beispielsweise durch Versuche die Temperatur, die zur maximalen magnetischen Permeabilität führt, durch Versuche ermittelt wird. Diese Temperatur kann dann als Temperatur für das Rekristallisationsglühen gewählt werden.
Die unter dem Magnetfeld durchgeführte thermische Behandlung wird bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 450°C und vorzugsweise 300 bis 400°C durchgeführt. Während die Temperatur gehalten wird, wird das Magnetfeld in Form von aufeinander folgenden Pulsen angelegt. Ein Puls entspricht einer Zeitspanne, während der das angelegte Magnetfeld maximal ist, worauf eine Zeitperiode folgt, in der das Magnetfeld nicht vorhanden oder sehr gering ist (unter 10% des während der Behandlung maximal erreichten Magnetfeldes). Das während einer Periode angelegte Magnetfeld kann konti nuierlich oder alternierend sein, wobei im letzten Fall die Intensität des Magnetfelds der Spitzenintensität entspricht (bei jeder Halbschwingung erreichte maximale Intensität). Die Intensität des Magnetfelds kann während der gesamten Zeitspanne, in der das Feld anliegt, konstant (Rechteckpulse) oder veränderlich sein. Alle Pulse können von der gleichen Intensität oder dagegen von einem Puls zum anderen von unterschiedlicher Intensität sein. Die thermische Behandlung kann am Ende der Zeitspanne, in der das Magnetfeld des letzten Pulses angelegt wird, abgeschlossen sein; es ist wesentlich, dass die Behandlung mindestens zwei Zeitperioden aufweist, während denen das Magnetfeld angelegt ist, die durch eine Zeitspanne getrennt sind, während der das Magnetfeld nicht angelegt ist. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass die Temperaturstabilität der magnetischen Eigenschaften des Magnetkerns beträchtlich verbessert werden, wenn so verfahren wird.
Man erhält durch dieses Verfahren einen Magnetkern, dessen bei einem mit 50 Hz und mit einer maximalen Amplitude von 10 mA/ cm alternierenden magnetischen Anregungsfeld bei 25°C gemessene magnetische Permeabilität (Impedanz) μ_z über 200 000 liegt und dessen magnetische Permeabilität sich im Temperaturbereich von –25 bis +100°C weniger als 25% ändert. Außerdem liegt das Verhältnis Br/Bm der Remanenz und der Sättigungsflussdichte unter 0,2, ΔB_stat und ΔB_dyn liegen beide über 0,2 Tesla, wobei das Verhältnis ΔB_stat zu ΔB_dyn in der Gegend von 1 liegt. Ein solcher Magnetkern kann in einem Fehlerstromschutzschalter der Klasse A eingesetzt werden. Wegen seiner magnetischen Eigenschaften kann der Querschnitt des Kerns bei gleicher Empfindlichkeit des Fehlerstromschutzschalters im Vergleich mit dem Querschnitt einer Magnetkerns nach dem Stand der Technik deutlich reduziert werden.
Zusätzlich zu den beschriebenen thermischen Behandlungen kann vor der thermischen Kristallisationsbehandlung an dem Magnetkern eine thermische Relaxationsbehandlung bei einer Temperatur unter der Temperatur der beginnenden Kristallisation des amorphen Bandes und vorzugsweise im Bereich von 250 bis 480°C durchgeführt werden. Dieses Relaxationsglühen hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften der Kerne gegenüber Temperatur vermindert, die Streuung der magnetischen Eigenschaften von in Serie hergestellten Kernen vermindert und die Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften gegenüber Beanspruchungen vermindert werden kann.
Ausgehend von einem Band aus der Legierung Fe_73,5Si_13,5B₉Cu₁Nb₃ (73,5 At.% Eisen, 13,5 At.% Silicium etc.) mit 20 μm Dicke und 10 mm Breite (durch direktes Abschrecken an einem gekühlten Rad erhalten) werden zwei Serien A und B von Magnetkernen hergestellt, die beide bei 530°C einer einstündigen Kristallisationsbehandlung (ohne Relaxationsbehandlung) unterzogen worden. Zum Vergleich wurde die erste Serie A von Kernen einer thermischen Behandlung von 1 h bei 350°C unter einem zur Achse des Kerns parallelen kontinuierlich anliegenden Magnetfeld, unterzogen. Die andere Serie, B, wurde erfindungsgemäß einer thermischen Behandlung von 1 h bei 350°C unter einem parallel zur Achse des Kerns verlaufenden Magnetfeld unterzogen, das in Form von Pulsen von 5 mit unter Magnetfeld angelegt wurde, die durch Zeitspannen von 15 mit ohne Magnetfeld getrennt waren. Für eine Serie wurden die Werte μ_z, ΔB_stat und ΔB_dyn bei 25°C für ein alternierendes Anregungsmagnetfeld von 50 Hz mit einer maximalen Amplitude von 10 mA/cm gemessen; es wurde auch das Verhältnis Br/Bm ermittelt. Die Ergebnisse waren die folgenden:
Die Beispiele zeigen sehr gut die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften, die durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt wird: μ_z über 200 000, ΔB_stat und ΔB_dyn über 0,2 Tesla mit ΔB_stat/ΔB_dyn in der Gegend von 1 und Br/Bm unter 0,2.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 At.% Eisen, 10 bis 20 At.% Silicium, 0,1 bis 2 At.% Kupfer, 5 bis 20 At.% Bor, 0,1 bis 10 At.% mindestens eines Elements, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen enthält, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 At.% liegt und wobei die nanokristalline Legierung durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Magnetkern eine thermische Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 450°C durchgeführt wird, wobei das Magnetfeld in Form von Pulsen angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung in dem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 300 bis 400°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der nanokristallinen weichmagnetischen Legierung 10 bis 17 At.% Silicium, 0,5 bis 1,5 At.% Kupfer, 5 bis 14 At.% Bor und 2 bis 4 At.% mindestens eines Elements umfasst, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung der thermischen Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand eine thermische Relaxationsbehandlung an der Legierung im amorphen Zustand bei einer Temperatur unter der Temperatur der beginnenden Kristallisation der Legierung im amorphen Zustand durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Relaxationsbehandlung darin besteht, eine Temperatur im Bereich von 250 bis 480°C während einer Zeitspanne von 0,1 bis 10 Stunden zu halten.
Magnetkern aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 At.% Eisen, 10 bis 20 At.% Silicium, 0,1 bis 2 At.% Kupfer, 5 bis 20 At.% Bor, 0,1 bis 10 At.% mindestens eines Elements, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen enthält, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 At.% liegt, wobei die nanokristalline Legierung erhältlich ist durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand in einem zur Achse des Kerns parallelen Feld, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mit 50 Hz und mit einer maximalen Amplitude von 10 mA/cm alternierenden magnetischen Anregungsfeld bei 25°C die magnetische Permeabilität (Impedanz) μ_z über 200 000 liegt, das Verhältnis Br/Bm der Remanenz Br und der Sättigungsflussdichte Bm unter 0,2 liegt und die Werte ΔB_stat und ΔB_dyn über 0,2 Tesla liegen.
Verwendung eines Magnetkerns nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters mit Eigenstrom der Klasse A.