DE69835961T2

DE69835961T2 - Verfahren zum glühen von amorphen bändern und etikett für elektronisches überwachungssystem

Info

Publication number: DE69835961T2
Application number: DE69835961T
Authority: DE
Inventors: Giselher Herzer
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2018-07-03
Also published as: US7651573B2; WO1999024950A1; DE69835961D1; EP1693811B1; EP1693811A2; EP1031121A1; JP4011849B2; EP1693811A3; US20030168124A1; KR20010032028A; JP2001523030A; ATE340396T1; US7026938B2; US20060170554A1; DE69835961T4; US20040194857A1; US6011475A; EP1031121B1; US6299702B1; US6551416B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische amorphe Legierungen und ein Verfahren zum Glühen besagter Legierungen in einem Magnetfeld. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner amorphe magnetorestriktive Legierungen für Anwendung in einem magnetomechanischen elektronischen Produktüberwachungssystem. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein magnetomechanisches elektronisches Produktüberwachungssystem, in dem ein derartiges Etikett zur Anwendung kommt, sowie ein Verfahren zur Herstellung der amorphen magnetorestriktiven Legierung und ein Verfahren zur Herstellung des Etiketts.
Beschreibung des Standes der Technik
Aus Chikazumi, Physics of Magnetism [Physik des Magnetismus] (Robert E. Krieger Publishing Company, Malbar, Florida), Kapitel 17, Seite 359 ff (1964) ist zum Beispiel allgemein bekannt, dass die meisten ferromagnetischen Legierungen bei Wärmebehandlung in einem Magnetfeld eine uniaxiale Anisotropie aufweisen, wobei die induzierte magnetische Vorzugsachse parallel zur Richtung des Glühfeldes bzw. im allgemeineren Sinn parallel zur Domänenmagnetisierung beim Glühen verläuft. Der obige Text führt ein Beispiel für die Magnetisierungskurve einer Permalloyprobe (kristalline Fe-Ni-Legierung) auf, die in einer Richtung senkrecht zur induzierten magnetischen Vorzugsachse gemessen wurde. Chikazumi stellt fest, dass in diesem Fall die Magnetisierung durch eine Drehung der einzelnen magnetischen Domänen erfolgt, woraus eine linear ansteigende Magnetisierungskurve entsteht.
Luborsky et al., „Magnetic Annealing of Amorphous Alloys" [Magnetisches Glühen von amorphen Legierungen] IEEE Trans. on Magnetics MAG-11, Seite 1644-1649 (1975) beschreibt ein frühes Beispiel für das Glühen von amorphen Legierungen in einem Magnetfeld. Man unterwarf amorphe Streifen einer FE₄₀Ni₄₀P₁₄B₆-Legierung dem Querfeldglühen in einem 4-kOe-Magnetfeld, das quer zum Band, d.h. im rechten Winkel zur Bandachse, und in der Bandebene orientiert war. Nach 2 Stunden Behandlung bei 325°C und anschließendem Abkühlen um 50°/min und 0.1°/min fand man zum Beispiel eine Hystereseschleife mit virtuell verschwindender Remanenz und linearer Abhängigkeit der Magnetisierung vom angelegten Feld bis zur ferromagnetischen Sättigung, wenn das angelegte Feld dem induzierten Anisotropiefeld gleich ist bzw. dieses übersteigt. Die Verfasser schrieben ihre Beobachtung der Tatsache zu, dass Glühen im Magnetfeld eine magnetische Vorzugsachse quer zur Bandrichtung induziert, und dass sich die Magnetisierung nach Anlegen eines Magnetfeldes durch Drehung aus dieser Vorzugsachse heraus ändert.
Amorphe Metalle sprechen besonders empfindlich auf Glühen im Magnetfeld an, da sie infolge ihrer glasartigen, nicht-periodischen Struktur keine magnetokristalline Anisotropie aufweisen. Amorphe Metalle können durch rasches Abkühlen der Schmelze in der Form von dünnen Bändern bereitgestellt werden, was zahlreiche verschiedene Zusammensetzungen zulässt. Legierungen für praktischen Gebrauch beruhen grundsätzlich auf Fe, Co und/oder Ni mit einem Zusatz von ca. 15 bis 30 A tom-% Si und B (Ohnuma et al., „Low Coercivity and Zero Magnetorestriction of Amorphous Fe-Co-Ni System Alloys" [Niedrige Koerzivität und Magnetorestriktion null bei amorphen Legierungen des Fe-Co-Ni-Systems], Phys. Status Solidi (a) Band 44, Seite K151 (1977)), was für die Glasbildung erforderlich ist. Aus der praktisch unbegrenzten Mischbarkeit der Übergangsmetalle im amorphen Zustand ergeben sich höchst vielseitige magnetische Eigenschaften. Laut Luborsky et al., „Magnetic Anneal Anisotropy in Amorphous Alloys" [Magnetische Glühanisotropie in amorphen Legierungen], IEEE Trans. on Magnetics MAG-13, Seite 953-956 (1977) und Fujimori „Magnetic Anisotropy" [Magnetische Anisotropie] in F. E. Luborsky (ed) Metallic Alloys, Butterworths, London, Seite 300-316 (1983) sprechen Legierungen mit mehr als einer Metallart besonders empfindlich auf Glühen im Magnetfeld an. Die Größe der induzierten Anisotropie K_u kann daher durch gezielte Wahl der Zusammensetzung sowie durch entsprechende Wahl der Glühtemperatur und -zeit im Bereich von einigen wenigen J/m³ bis zu ca. 1 kJ/m³ variiert werden. Dementsprechend kann das Anisotropiefeld, das durch H_k = 2 K_u/J_s gegeben ist (cf. Luborsky et al., „Magnetic Annealing of Amorphous Alloys" [Magnetisches Glühen von amorphen Legierungen] IEEE Trans. on Magnetics MAG-11, Seite 1644-1649 (1975); J_s ist die Sättigungsmagnetisierung) und das bei einem dem Querfeldglühen unterworfenen Material das Feld definiert, bis zu welchem die Magnetisierung vor Erreichen der Sättigung linear mit dem angelegten Feld variiert, zwischen Werten unter 1 Oe und ca. H_k = 25 Oe variiert werden.
Die mit dem Querfeldglühen von amorphen Legierungen verbundenen linearen Kennlinien der Hystereseschleife und die geringen Wirbelstromverluste sind in einer Reihe von Anwendungen zweckmäßig; hierzu gehören zum Beispiel Transformatorkerne (cf. Herzer et al., „Recent Developments in Soft Magnetic Materials" [Neue Entwicklungen im Bereich weiche magnetische Stoffe], Physics Scripta Band T24, Seiten 22-28 (1988)). Ein weiterer Anwendungsbereich, in dem querfeldgeglühte amorphe Legierungen besonders zweckmäßig sind, nutzt ihre magnetoelastischen Eigenschaften und wird unten ausführlicher behandelt.
Becker et al., Ferromagnetismus (Springer, Berlin), Kapitel 5, Seite 336 (1939) und Bozorth, Ferromagnetism [Ferromagnetismus] (d. van Nostrand Company, Princeton, New Jersey), Kapitel 13, Seite 684 ff (1951) erklären in ihren Lehrbüchern, dass die mit der Drehung des Magnetisierungsvektors verbundene Magnetorestriktion für die Tatsache verantwortlich ist, dass sich in ferromagnetischen Stoffen der Youngsche Modul mit dem angelegten Magnetfeld ändert; das wird gewöhnlich der ΔE-Effekt genannt.
Das US-Patent Nr. 5,820,040 und Berry et al., „Magnetic Annealing and Directional Ordering of Amorphous Ferromagnetic Alloy" [Magnetisches Glühen und Richtungsordnung von amorphen ferromagnetischen Legierungen], Physical Reviews Letters, Band 34, Seite 1022-1025 (1975) erkannten, das eine amorphe Fe-Legierung bei Querfeldglühen einen ΔE-Effekt aufweist, der den von kristallinem Eisen um zwei Größenordnungen überschreitet. Diesen bemerkenswerten Unterschied schrieb man dem Mangel an magnetokristalliner Anisotropie in der amorphen Legierung zu, der eine wesentlich stärkere Reaktion auf die durch Drehung bei der Magnetisierung bedingten angelegten Spannungen erlaubt. Man wies auch nach, dass Glühen in einem Längsfeld den ΔE-Effekt weitgehend unterdrückt, da in diesem Zustand die Domänenorientierungen nicht auf spannungsbedingte Drehung ansprechen. In dem Artikel von Berry et al. aus dem Jahr 1974 wird anerkannt, dass der erhöhte ΔE-Effekt in amorphen Metallen ein wertvolles Mittel zur Regelung der Schwingungsfrequenz eines elektromechanischen Oszillators mit Hilfe eines Magnetfeldes bildet.
Die Möglichkeit der Regelung der Schwingungsfrequenz durch ein angelegtes Magnetfeld erwies sich als besonders zweckmäßig in der Europäischen Anmeldung 0 093 281 für Etikette für Anwendung in elektronischen Produktüberwachungssystemen (EAS). Das Magnetfeld für diesen Zweck wird von einem magnetisierten ferromagnetischen Streifen (Vormagnetisierungsmagnet) erzeugt, der neben dem magnetoelastischen Resonator angeordnet ist, wobei Streifen und Resonator in einem Etikettgehäuse untergebracht sind. Die Änderung in der effektiven magnetischen Permeabilität des Etiketts bei der Resonanzfrequenz verleiht dem Etikett seine Signalidentität. Diese Signalidentität kann durch Änderung der Resonanzfrequenz mittels des angelegten Feldes entfernt werden. Auf diese Weise kann das Etikett zum Beispiel durch Entmagnetisierung des Vormagnetisierungsmagnets deaktiviert werden, wodurch das angelegte Magnetfeld entfernt und die Resonanzfrequenz erheblich geändert wird. Derartige Systeme (cf. Europäische Anmeldung 0 093 281 und Anmeldung PCT WO 90/03652) verwendeten anfänglich Etikette aus amorphen Bändern im „zubereiteten" Zustand, die infolge der mit herstellungsbedingten mechanischen Spannungen verbundenen uniaxialen Anisotropie ebenfalls einen merkbaren ΔE-Effekt aufweisen können.
US-Patent Nr. 5,469,140 offenbart, dass die Anwendung von querfeldgeglühten amorphen magnetomechanischen Elementen in elektronischen Produktüberwachungssystemen eine Reihe von Problemen löst, die mit dem Stand der Technik angehörenden Etiketten aus zubereitetem amorphem Material verbunden sind.
In einem Beispiel beschreibt das Patent ein lineares Verhalten der Hystereseschleife bis zu einem angelegten Feld von mindestens 10 Oe. Dieses mit Querfeldglühen verbundene lineare Verhalten vermeidet das Entstehen von Oberschwingungen, die in anderen EAS-Systemen (d.h. Oberwellensystemen) einen unerwünschten Alarm auslösen können. Derartige Störungen bei Oberwellensystemen verursachen bei den oben genannten magnetoelastischen Systemen nach dem Stand der Technik schwerwiegende Probleme infolge der nichtlinearen Hystereseschleife, die mit dem zubereiteten Zustand von amorphen Legierungen verbunden ist, da dieses nichtlineare Verhalten in einem EAS-Oberwellensystem einen (unerwünschten) Alarm auslöst. Das Patent lehrt ferner, dass Wärmebehandlung in einem Magnetfeld die Konstanz der magnetorestriktiven Streifen, was ihre Resonanzfrequenz betrifft, erheblich verbessert. Ein weiterer Vorteil dieser geglühten Resonatoren liegt in ihrer höheren Resonanzamplitude. Als Vorzugsmaterial lehrt dieses Patent eine Fe-Co-Legierung mit mindestens ca. 30 Atom-% Co, während ältere Stoffe nach dem Stand der Technik, wie zum Beispiel Fe₄₀Ni₃₈Mo₃B₁₈ nach der oben genannten PCT WO 90/03652, nicht für mit einem Impulsfeld arbeitende magnetomechanische EAS-Systeme geeignet sind, da das Glühen von derartigen Stoffen die Abfragezeit des Signals auf unerwünschte Weise reduziert. Im Deutschen Gebrauchsmuster G 94 12 456.6 erkannte der vorliegende Erfinder, dass eine lange Abfragezeit durch Wahl einer Zusammensetzung erreicht werden kann, die eine relativ hohe induzierte magnetische Anisotropie aufweist, und dass derartige Legierungen daher besonders gut für magnetoelastische Etikette in Produktüberwachungssystemen geeignet sind. Herzer lehrt, dass die erwünschten langen Abfragezeiten auch bei einem niedrigeren Co-Gehalt bis zu ca. 12 Atom-% erreichbar sind, wenn bei einer Fe-Co-Legierung bis zu ca. 50% des Fe und/oder Co durch Ni ersetzt werden. Die Notwendigkeit ei ner linearen Schleife mit relativ hoher Anisotropie und der Vorteil einer Ni-Legierung zur Verringerung des Co-Gehalts in derartigen magnetoelastischen Etiketten wurde später durch US-Patent Nr. 5,628,840 bestätigt.
In den obigen Beispielen erfolgte das Feldglühen quer zum Band, d.h. die Richtung des Magnetfeldes verlief senkrecht zur Bandachse und in der Ebene der Bandoberfläche. Dieses Verfahren wird in der vorliegenden Schrift Querfeldglühen genannt und ist im Stand der Technik als solches bekannt. Die Stärke des Magnetfeldes muss ausreichen, um das ganze Band in Querrichtung ferromagnetisch zu sättigen. Das lässt sich in Magnetfeldern mit nur einigen hundert Oe erreichen. Das Querfeldglühen kann zum Beispiel satzweise erfolgen, entweder in Ringwicklungen oder an abgelängten geraden Bandstreifen. Wie US-Patent 5,469,140 im Detail beschreibt, kann auch kontinuierlich geglüht werden, indem das Legierungsband von einer Rolle durch einen Ofen, in dem ein gesättigtes Querfeld an das Band angelegt wird, auf eine zweite Rolle transportiert wird.
Die Änderung der Magnetisierung durch Drehung und die zugehörigen magnetoelastischen Eigenschaften sind in erster Linie mit der Tatsache verbunden, dass sich eine Achse mit uniaxialer Anisotropie senkrecht zum angelegten Magnetfeld erstreckt. Die Anisotropieachse muss nicht unbedingt in der Bandebene verlaufen wie im Fall der querfeldgeglühten Proben; die uniaxiale Anisotropie kann auch von anderen Mechanismen verursacht werden. In einer typischen Situation verläuft zum Beispiel die Anisotropie senkrecht zur Bandebene. Eine derartige Anisotropie kann ebenfalls aus Magnetfeldglühen entstehen, diesmal jedoch in einem starken senkrecht zur Bandebene orientierten Feld. Das lehren Gyorgy in Metallic Glasses [Me tallische Gläser], 1978, Proc. ASM Seminar Sept. 1976 (American Society for Metals, Metals Park, Ohio), Kapitel 11, Seite 275-303, US-Patent Nr. 4,268,325, Grimm et al., 1985 „Minimization of Eddy Current Losses in Metallic Glasses by Magnetic Field Heat Treatment" [Minimierung der Wirbelstromverluste in metallischen Gläsern durch Wärmebehandlung im Magnetfeld], Proceedings of the SMM 7 Conference in Blackpool (Wolfson Centre for Magnetics Technology, Cardiff), Seite 322-336, de Wit et al., 1985 „Domain Patterns and High-Frequency Magnetic Properties of Amorphous Metal Ribbons" [Domänenprofile und magnetische Hochfrequenzeigenschaften von amorphen Metallbändern], J. Appl. Phys. Band 57, Seite 3560-3562 (1085) und Livingston et al., „Magnetic Domains in Amorphous Metal Ribbons" [Magnetische Domänen in amorphen Metallbändern], J. Appl. Phys. Band 55, Seite 3555-3559 (1985), und es wird im Folgenden als Senkrechtfeldglühen bezeichnet. Diese Senkrechtanisotropie kann auch aus magnetorestriktivem Koppeln mit inneren mechanischen Spannungen entstehen, die mit dem Herstellungsprozess verbunden sind (siehe obigen Artikel von Livingston et al., „Magnetic Domains in Amorphous Metal Ribbons" [Magnetische Domänen in amorphen Metallbändern] sowie das Kapitel von Fujimori in F. E. Luborsky (ed)), oder sie kann zum Beispiel durch teilweise Kristallisation der Oberfläche verursacht werden (Herzer G. „Surface Crystallization and Magnetic Properties in Amorphous Iron Rich Alloys" [Oberflächenkristallsation und magnetische Eigenschaften in amorphen eisenreichen Legierungen], J. Magn. Magn. Mat., Band 62, Seite 143-151 (1986)).
Wenn die magnetische Vorzugsachse senkrecht zur Bandebene verläuft, erfordert der hohe Entmagnetisierungsfaktor sehr feine Domänenstrukturen, um die magnetostatische Streufeld energie zu verringern (cf. Landau et al. in Electrodynamics of Continuous Media [Elektrodynamik von Endlosmedien], Pergamon, Oxford, England, Kapitel 7 (1981)). Die Domänenbreite liegt im typischen Fall bei bzw. unter 10 μm, und die sichtbaren Domänen sind im Allgemeinen Abschlussdomänen, während Bänder mit Anisotropie quer zum Band breite Plattendomänen aufweisen, die im typischen Fall ca. 100 μm breit sind (gemäß Lehre des obigen Artikels von Gyorgy und des obigen Artikels von de Wit et al. sowie Mermelstein „A Magnetoelastic Metallic Glass Low-Frequencz Magnetometer" [Ein magnetoelastisches Niederfrequenz-Magnetometer aus metallischem Glas], IEEE Transactions on Magnetics, Band 28, Seite 36-56 (1992)).
Eines der ersten Beispiele für Senkrechtfeldglühen wird in dem obigen Artikel von Gyorgy beschrieben, in dem die Domänenstruktur nach besagtem Glühen mit der verglichen wird, die sich aus Querfeldglühen bzw. Längsfeldglühen ergibt. Gyorgy stellt fest, dass die Domänenstruktur der senkrechtfeldgeglühten Probe typisch für ein uniaxiales Material ist, in dem die Vorzugsachse senkrecht zur Oberfläche verläuft.
Die letztere Feststellung wird in dem Artikel von de Wit et al. bestätigt, in welchem zwei Proben einer amorphen Co-Grundlegierung mit nahezu null Magnetorestriktion verglichen werden, eine nach Querfeldglühen in einem Feld von 0,9 kOe, die andere nach Senkrechtfeldglühen in einem Feld von 15 kOe. Wie bereits erwähnt stellten de Wit et al. fest, dass der Magnetisierungsprozess in beiden Fällen durch Drehung gesteuert wird, woraus sich ein im Wesentlichen lineares Verhalten der Magnetisierung mit dem angelegten Feld ergibt. Der oben genannte Artikel von Mermelstein kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung bei stark magnetorestriktivem amorphem Band auf Fe-Basis, das in einem Magnetfeld von 8,8 kOe quer- bzw. senkrechtfeldgeglüht wurde. Mermelstein stellt fest, dass der Magnetisierungsprozess in beiden Fällen durch Drehung des Magnetisierungsvektors in Richtung des angelegten Feldes gesteuert wird, und schließt daraus, dass ein Modell genügt, um die magnetischen und magnetoelastischen Eigenschaften sowie die Auswirkung des Wirbelstroms in beiden Fällen zu beschreiben. Mermelsteins Untersuchungen gingen auf einen magnetoelastischen Feldsensor unter Anwendung dieser Proben aus, und er kommt zu dem Schluss, dass beide Domänenstrukturen im Grund gleichwertige Rauschbasislinien aufweisen und Unterschiede in der Empfindlichkeit des Sensors lediglich den unterschiedlichen Anisotropiefeldern zuzuschreiben sind, die mit Unterschieden in der Wärmebehandlung verbunden sind.
Wie oben erwähnt stellten de Wit et al. jedoch fest, dass die Hystereseschleife der senkrechtfeldgeglühten Probe zwar im Wesentlichen linear war, aber im mittleren Bereich eine nichtlineare Öffnung aufwies, die im Gegensatz zur querfeldgeglühten Probe von stärkeren Wirbelstromverlusten begleitet war. Diese Feststellung wurde im obigen Artikel von Grimm et al. bestätigt, der über die Untersuchung der senkrechten Anisotropie in amorphen Fe-Co- und Fe-Ni-Legierungen berichtet, die durch Glühen in einem senkrecht zur Bandoberfläche liegenden Magnetfeld von 9 kOe induziert wurde. Grimm et al. schreiben diese Nichtlinearität gewissen Schaltvorgängen in den Abschlussdomänen zu. Nur im Fall der Probe mit der höchsten Magnetorestriktion (λ_s = 22 ppm) fand man eine im Wesentlichen lineare Magnetisierungsschleife mit vernachlässigbar geringer Hysterese und erheblich reduzierten Wirbelstromverlusten. Man stellte fest, dass in diesem Fall magnetorestriktive Wechselwirkungen die senkrechte Ausrichtung der Abschlussdomänen zum angelegten Feld begünstigen, woraus sich ein weniger komplexer Magnetisierungsvorgang innerhalb der Abschlussdomänen ergibt. Im Gegensatz dazu liegen die Streifen der Abschlussdomänen bei Proben mit niedrigeren Magnetorestriktionskonstanten (d.h. ca. 9 ppm in einer Probe bzw. in einer Probe mit nahezu null Magnetorestriktion) parallel zum angelegten Feld, was die oben erwähnte Nichtlinearität im mittleren Bereich der Hystereseschleife zur Folge hat.
Vergleichbare Ergebnisse offenbart das oben erwähnte US-Patent Nr. 4,268,325, das geglühte geschichtete Ringkerne beschreibt, die aus Ausstanzungen aus einem 2 cm breiten amorphen, glasartigen Fe₄₀Ni₄₀B₂₀-Band in einem Senkrechtfeld von 2 kOe und einem Umfangsfeld von 1 Oe hergestellt wurden. Laut diesem Patent führt das Anlegen eines derartigen Senkrechtfeldes beim Glühen zu einem Blech, dessen Vorzugsachse im Wesentlichen senkrecht zur Blechebene verläuft. Das Ergebnis war eine im Wesentlichen lineare Magnetisierungsschleife, aber wiederum mit einer nichtlinearen Öffnung im mittleren Bereich und verstärkten Wechselstromverlusten. Das oben genannte US-Patent Nr. 4,268,325 lehrt ferner, dass es zweckmäßig ist, zur Minimierung der Wechselstromverluste in einer zweiten Glühstufe ein Magnetfeld senkrecht zur Richten des ersten Magnetfeldes anzulegen. Die Verluste der beschriebenen Probe könnten tatsächlich durch nachfolgendes Glühen in einem Umfangsfeld reduziert werden. Diese zweite Glühstufe steigert die Remanenz und somit die Nichtlinearität und führte zu einem Minimum von ca. 3,5 kG bei verstärkter Remanenz, wo die Hystereseschleife im Wesentlichen nichtlinear war.
Aus diesen Beobachtungen ergibt sich, dass Senkrechtfeldglühen im Vergleich mit Querfeldglühen keine wirklichen Vorteile zu bieten hat. Querfeldglühen erscheint vielmehr vorteilhaft zu sein, wenn die betreffende Anwendung eine lineare Hystereseschleife und geringe Wirbelstromverluste erfordert. Außer dem lässt sich Querfeldglühen viel leichter experimentell realisieren als Senkrechtfeldglühen, zum Teil infolge der Feldstärken, die zur ferromagnetischen Sättigung des Bandes zwecks Erzielen einer gleichmäßigen Anisotropie in den beiden Fällen erforderlich sind. Angesichts ihrer magnetischen Weichheit können amorphe Bänder im Allgemeinen in inneren Magnetfeldern von einigen hundert Oe gesättigt werden. Das innere Magnetfeld in einer Probe mit begrenzten Abmessungen setzt sich jedoch aus dem extern angelegten Feld und dem Entmagnetisierungsfeld zusammen, das dem angelegten Feld entgegen wirkt. Während das Entmagnetisierungsfeld quer zum Band relativ schwach ist, ist das Entmagnetisierungsfeld senkrecht zur Bandebene relativ stark und gleicht bei einem Einzelband nahezu der Komponente der Sättigungsmagnetisierung senkrecht zur Bandebene. Dementsprechend lehrt das obige US-Patent Nr. 4,268,325, dass die Stärke des senkrecht angelegten Magnetfeldes vorzugsweise mindestens das 1,1-fache der Sättigungsinduktion bei Glühtemperatur betragen sollte. Das wird im typischen Fall mit einer Feldstärke von ca. 10 kOe oder mehr erreicht, wie in den oben erwähnten Artikeln über Senkrechtfeldglühen festgestellt wird. Dem gegenüber ist erfolgreiches Querfeldglühen in erheblich schwächeren Feldern von einigen wenigen Oe möglich. So lehren zum Beispiel das obige US-Patent Nr. 5,469,140 und die Europäische Anmeldung 0 737 986, dass beim Querfeldglühen eine Feldstärke über 500 Oe bzw. 800 Oe für die Sättigung ausreicht. Dieses mäßige Feld lässt sich natürlich wesentlich leichter und wirtschaftlicher realisieren als die zum Senkrechtfeldglühen benötigten starken Felder. Schwächere Magnetfelder erlauben einen größeren Spalt im Magnet, was den Bau des Ofens, der in diesen Spalt passen muss, vereinfacht. Wenn das Feld von einem Elektromagnet erzeugt wird, wird außerdem der Stromverbrauch reduziert. Bei einem aus Permanentmagneten aufgebauten Joch lassen sich mit weniger und/oder preisgünstigeren Magneten geringere Feldstärken realisieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß dem oben behandelten Stand der Technik ist anscheinend das Verfahren Querfeldglühen aus verschiedenen Gründen dem Senkrechtfeldglühen deutlich vorzuziehen. Der vorliegende Erfinder hat jedoch erkannt, dass ein Glühverfahren, bei dem eine erhebliche Komponente des beim Glühen angelegten Magnetfeldes außerhalb der Bandebene liegt, bei ordnungsgemäßer Durchführung wesentlich bessere magnetische und magnetoelastische Eigenschaften ergibt als die im Stand der Technik gelehrten herkömmlichen Verfahren. Die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung wird in den angehefteten Ansprüchen definiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung der Wirbelstromverluste in einem ferromagnetischen Band zu schaffen, das im Betrieb von einem statischen Vormagnetisierungsfeld magnetisiert wird.
Im spezifischeren Sinn besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine magnetorestriktive Legierung und ein Verfahren zu deren Glühen zu schaffen, um einen Resonator zu schaffen, dessen Eigenschaften für magnetomechanische elektronische Überwachungssysteme geeignet sind und dessen Leistung die von herkömmlichen Resonatoren übersteigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige magnetorestriktive amorphe Metalllegierung für Anwendung in einem Etikett in einem magnetomechanischen Überwachungssystem zu schaffen, die zu einem länglichen, verformbaren, magnetorestriktiven Streifen zugeschnitten werden kann, der durch Anlegen bzw. Entfernen eines Vormagnetisierungsfeldes H aktiviert bzw. deaktiviert werden kann und der im aktivierten Zustand von einem magnetischen Wechselfeld erregt werden kann, um bei einer Resonanzfrequenz f mechanische Resonanzschwingungen aufzuweisen, die nach Erregung eine hohe Signalamplitude haben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Legierung zu schaffen, in welcher bei einer Änderung in der Stärke des Magnetisierungsfeldes nur eine leichte Änderung in der Resonanzfrequenz f auftritt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Legierung zu schaffen, in welcher sich die Resonanzfrequenz f erheblich ändert, wenn der Resonator des Etiketts vom aktivierten in den deaktivierten Zustand geschaltet wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine derartige Legierung zu schaffen, welche bei Anwendung in einem Etikett für ein magnetomechanisches Überwachungssystem in einem Oberwellen-Überwachungssystem keinen Alarm auslöst.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einen derartigen Resonator enthaltendes Etikett sowie ein Verfahren zur Herstellung eines für Anwendung in einem magnetomechanischen Überwachungssystem geeigneten Etiketts zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein magnetomechanisches elektronisches Produktüberwachungssystem bereitzustellen, das mit einem Etikett betrieben werden kann, das einen aus einer derartigen amorphen magnetorestriktiven Legierung bestehenden Resonator enthält.
Die obigen Aufgaben werden gelöst durch einer Resonator, ein einen derartigen Resonator enthaltendes Etikett sowie ein mit einem derartigen Etikett arbeitendes magnetomechanisches Produktüberwachungssystem, wobei der Resonator von einer amorphen magnetorestriktiven Legierung gebildet wird, und wobei die amorphe magnetorestriktive Legierung so geglüht wird, dass eine feine Domänenstruktur mit einer Domänenbreite von weniger als 40 μm entsteht und dass eine Anisotropie induziert wird, die senkrecht zur Bandachse verläuft und in einem Winkel über 5° und bis zu 90° relativ zur Bandebene aus der Bandebene heraus weist. Die untere Grenze für den Anisotropiewinkel ist für die gewünschte Verfeinerung der Domänenstruktur erforderlich, die für die Verringerung der Wirbelstromverluste benötigt wird und daher die Signalamplitude und folglich die Leistung des mit einem derartigen Etikett arbeitenden elektronischen Produktüberwachungssystems verbessert.
Das lässt sich zum Beispiel in einer Ausführungsform der Erfindung erreichen, bei der Kristallinität von der Ober- und Unterseite des Bandes bzw. Streifens aus jeweils bis zu einer Tiefe von ca. 10% der Streifen- bzw. Banddicke eingeführt wird, woraus eine Anisotropie senkrecht zur Bandachse und zur Bandebene entsteht. Der Begriff „amorph" (mit Bezugnahme auf den Resonator) bedeutet in diesem Zusammenhang also mindestens 80% amorph (im Querschnitt des Resonators betrachtet). In einer weiteren Ausführungsform wird ein sättigendes Magnetfeld senkrecht zur Bandebene so angelegt, dass die Magnetisierung beim Glühen parallel zum betreffenden Feld ausgerichtet ist. Beide Behandlungen ergeben eine feine Domänenstruktur, eine Anisotropie senkrecht zur Bandebene und eine im Wesentlichen lineare Hystereseschleife. „Im Wesentlichen linear" umfasst im vorliegenden Zusammenhang die Möglichkeit einer kleinen nichtlinearen Öffnung in der Mitte der Hystereseschleife. Obwohl eine leicht nichtlineare Schleife in einem Oberwellensystem weniger Fehlalarme auslöst als herkömmliche Etikette, ist es wünschenswert, die restliche Nichtlinearität so weit wie möglich auszuschalten.
Das Glühen wird daher vorzugsweise so durchgeführt, dass die induzierte Anisotropieachse in einem Winkel von weniger als 90° zur Bandebene verläuft, was eine nahezu perfekt lineare Schleife ergibt. Diese „schräge" Anisotropie lässt sich realisieren, wenn das zum Glühen verwendete Magnetfeld eine zusätzliche Komponente quer zum Band aufweist.
Die obigen Aufgaben werden daher vorzugsweise dadurch gelöst, dass eine amorphe ferromagnetische Metalllegierung in einem Magnetfeld von mindestens ca. 1000 Oe geglüht wird, das so im Winkel zur Bandebene liegt, dass das Magnetfeld eine signifikante Komponente senkrecht zur Bandebene, eine Komponente von mindestens ca. 20 Oe quer zum Band und eine vernachlässigbar geringe Komponente längs der Bandachse aufweist, um eine magnetische Vorzugsachse zu induzieren, die senkrecht zur Bandachse ausgerichtet ist aber eine Komponente außerhalb der Bandebene enthält.
Die schräge magnetische Vorzugsachse lässt sich zum Beispiel durch Glühen in einem Magnetfeld erreichen, dessen Feldstärke ausreicht, um die Magnetisierung entlang seiner Richtung und in einem Winkel zwischen 10° und 80° im Verhältnis zu einer Linie quer zum Band zu orientieren. Das erfordert jedoch sehr hohe Feldstärken von rund 10 kOe oder wesentlich mehr, die sich nur mit Schwierigkeiten und hohem Aufwand erreichen lassen.
In einem Vorzugsverfahren zur Erfüllung der obigen Aufgaben wird daher ein magnetisches Glühfeld angelegt, dessen Stärke (in Oe) unter der Sättigungsinduktion (in Gauß) der amorphen Legierung bei Glühtemperatur liegt. Dieses Feld mit einer typischen Stärke von 2 kOe bis 3 kOe wird in einem Winkel zwischen ca. 60° und 89° im Verhältnis zu einer Linie quer zum Band angelegt. Dieses Feld induziert eine magnetische Vorzugsachse mit Anisotropie, die parallel zur Magnetisierungsachse beim Glühen verläuft (was im typischen Fall nicht mit der Feldrichtung bei so mäßigen Feldstärken übereinstimmt), und die schließlich in einem Winkel von mindestens 5° bis 10° aus der Bandebene heraus orientiert ist und gleichzeitig senkrecht zur Bandachse verläuft.
Abgesehen von ihrer Richtung ist die oben beschriebene schräge Anisotropie unabhängig durch ihre Größe gekennzeichnet, die ihrerseits durch die Anisotropie-Feldstärke H_k gekennzeichnet ist. Wie oben beschrieben wird die Richtung in erster Linie von der Orientierung und Stärke des Magnetfeldes beim Glühen bestimmt. Die Anisotropie-Feldstärke (Größe) hängt von einer Kombination des Zeit- und Temperaturprofils beim Glühen mit der Zusammensetzung der Legierung ab, wobei die Größenordnung der Anisotropie in erster Linie durch entsprechende Zusammensetzung der Legierung variiert (eingestellt) wird, worauf Abweichungen vom Durchschnitt (Nennwert) innerhalb von ca. +/– 40% des Nennwertes durch Variieren (Einstellen) der Glühtemperatur und/oder -zeit erzielt werden können.
Eine verallgemeinerte Formel für die Zusammensetzung einer Legierung, die bei oben beschriebenem Glühen einen Resonator ergibt, der sich für ein Etikett für Anwendung in einem elektronischen magnetomechanischen Produktüberwachungssystem oder Kennzeichnungssystem eignet, ist unten zu sehen. Fe_aCo_bNi_cSi_xB_yM_z.
Hierin sind a, b, c, x, y, z in Atom-% zu verstehen, und M ist ein oder mehrere die Glasbildung fördernde(s) Element(e), wie zum Beispiel C, P, Ge, Nb, Ta und/oder Mo und/oder ein oder mehrere Übergangsmetall(e), wie zum Beispiel Cr und/oder Mn, und hierin
15 < a < 75
0 < b < 40
0 ≤ c < 50
15 < x + y + z < 25
0 ≤ z < 4,
so dass a + b + c + x + z + y = 100.
Die Zusammensetzung muss im Detail den Anforderungen des jeweiligen Überwachungssystems angepasst werden. Besonders gut geeignete Zusammensetzungen weisen im Allgemeinen eine Sättigungsmagnetisierung J_s bei Glühtemperatur auf, die vorzugsweise unter ca. 1 T (= 10 kG) liegt, sowie einen Curie-Punkt T_c zwischen 350°C und 45°C. Innerhalb dieser Grenzen lässt sich der beste Fe-, Co- und Ni-Gehalt zum Beispiel aus den Daten von Ohnuma et al., „Low Coercivity and Zero Magnetorestriction of Amorphous Fe-Co-Ni System Alloys" [Niedrige Koerzivität und Magnetorestriktion null bei amorphen Legierungen des Fe-Co-Ni-Systems], Phys. Status Solidi (a) Band 44, Seite K151 (1977) auswählen. Dabei ist zu beachten, dass J_s und T_c durch Erhöhen bzw. Verringern der Summe x + y + z erhöht bzw. verringert werden können. Vorzugsweise sind außerdem im Allgemeinen diejenigen Zusammensetzungen zu wählen, die bei Glühen in einem Magnetfeld ein Anisotropiefeld von weniger als 13 Oe aufweisen.
Bei einem führenden elektronischen Produktüberwachungssystem auf dem Markt lassen sich die Aufgaben der Erfindung auf besonders vorteilhafte Weise durch Anwendung der folgenden Wertbereiche in der obigen Formel realisieren:
15 < a < 30
10 < b < 30
20 < c < 50
15 < x + y + z < 25
0 ≤ z < 4,
bzw. noch besser:
15 < a < 27
10 < b < 20
30 < c < 50
15 < x + y + z < 20
0 < x < 6|
10 < y < 20
0 ≤ z < 3.
Beispiele für besonders gut für dieses EAS-System geeignete Legierungen haben zum Beispiel eine Zusammensetzung wie Fe₂₄Co₁₈Ni₁₄Si₂B₁₆, Fe₂₄Co₁₈Ni₄₃Si₁B₁₆ oder Fe₂₃Co₁₅Ni₄₅Si₁B₁₆, eine Sättigungsrestriktion zwischen ca. 5 ppm und 15 ppm und/oder bei oben beschriebenem Glühen ein Anisotropiefeld von ca. 8 bis 12 Oe. Diese Beispiele weisen insbesondere nur eine leichte Änderung in der Resonanzfrequenz f bei Änderungen in der Magnetisierungsfeldstärke auf, d.h. |df/dH| < 700 Hz/Oe, aber zur gleichen Zeit ändert sich die Resonanzfrequenz f erheblich um mindestens ca. 1,4 kHz, wenn der Resonator des Etiketts vom aktivierten in den deaktivierten Zustand geschaltet wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Resonatorband eine Dicke von weniger als ca. 30 μm, eine Länge von ca. 35 mm bis 40 mm und eine Breite von weniger als 13 mm, vorzugsweise ca. 4 mm bis 8 mm, zum Beispiel 6 mm.
Andere Anwendungen, wie zum Beispiel Kennzeichnungssysteme oder Magnetfeldsensoren, erfordern ein empfindliches Ansprechen der Resonanzfrequenz auf das Vormagnetisierungsfeld, d.h. in diesem Fall einen hohen Wert von |df/dH| > 1000 Hz/Oe. Beispiele für besonders gut geeignete Legierungen haben eine Zusammensetzung wie zum Fe₆₂Ni₂₀Si₂B₁₆, Fe₄₀Co₂Ni₄₀Si₅B₁₃, Fe₃₇Co₅Ni₄₀Si₂B₁₆ oder Fe₃₂Co₁₀Ni₄₀Si₁B₁₆, eine Sättigungsrestriktion über ca. 15 ppm und/oder bei oben beschriebenem Glühen ein Anisotropiefeld von ca. 2 bis 8 Oe.
Außerdem können die mittels der hier beschriebenen Wärmebehandlung erzielbaren geringeren Wirbelstromverluste auch in nicht-magnetoelastischen Anwendungen vorteilhaft sein und die Leistung einer Co-Legierung mit nahezu null Magnetorestriktion steigern, wenn diese zum Beispiel in Ringkernen zum Einsatz kommt, die mit durch Gleichstrom erzeugter Vormagnetisierung betrieben werden.
Beschreibung der Zeichnungen
1a und 1b zeigen ein Bezugsbeispiel einer typischen Domänenstruktur eines amorphen Bandes, das nach dem Stand der Technik in einem Sättigungsfeld quer zum Band geglüht wurde; 1a ist eine Skizze dieser Domänenstruktur, und 1b zeigt ein Versuchsbeispiel dieser Domänenstruktur für eine amorphe Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 350°C in einem Querfeld von ca. 2 kOe geglüht wurde.
2a und 2b zeigen ein Bezugsbeispiel einer typischen Domänenstruktur eines amorphen Bandes, das nach dem Stand der Technik in einem Sättigungsfeld senkrecht zur Bandbreite geglüht wurde; 2a ist eine Skizze dieser Domänenstruktur, und 2b zeigt ein Versuchsbeispiel dieser Domänenstruktur für eine amorphe Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 350°C in einem Senkrechtfeld von ca. 10 kOe geglüht wurde.
3a und 3b zeigen die typischen Hystereseschleifen, die sich (a) aus Querfeldglühen in einem Magnetfeld von ca. 2 kOe und (b) aus Senkrechtfeldglühen in einem Magnetfeld von ca. 15 kOe ergeben; beide Schleifen wurden an einer 38 mm langen, 6 mm breiten und ca. 25 μm dicken Probe ermittelt: die Strichlinien vertreten in beiden Fällen die idealisierten linearen Schleifen und dienen zum Nachweis der Linearität und zur Definition des Anisotropiefeldes H_k; bei der in der Figur gezeigten Probe handelt es sich jeweils um eine Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 325°C geglüht wurde.
4 zeigt ein Bezugsbeispiel gemäß dem Stand der Technik für das typische Verhalten der Resonanzfrequenz f und der Resonanzamplitude A1 als Funktion des statischen Vormagnetisierungsfeldes H für ein amorphes magnetorestriktives Band, das in einem sättigenden Magnetfeld quer zum Band geglüht wurde; bei dem spezifischen Beispiel handelt es sich um einen 38 mm langen, 6 mm breiten und ca. 25 μm dicken Streifen einer a morphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 350°C in einem Querfeld von ca. 2 kOe geglüht wurde.
5 zeigt ein erfinderisches Beispiel für das typische Verhalten der Resonanzfrequenz f und der Resonanzamplitude A1 als Funktion des statischen Vormagnetisierungsfeldes H für ein amorphes magnetorestriktives Band, unter Anwendung einer Wärmebehandlung nach dem Stand der Technik durch Anlegen eines sättigenden Magnetfeldes senkrecht zur Bandebene während der Wärmebehandlung; bei dem spezifischen Beispiel handelt es sich um einen 38 mm langen, 6 mm breiten und ca. 25 μm dicken Streifen einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 350°C in einem Senkrechtfeld von ca. 15 kOe geglüht wurde.
6a und 6b veranschaulichen die Prinzipien des Feldglühverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; 6a ist eine Skizze des Bandquerschnitts (quer zum Band) und veranschaulicht die Orientierung des Magnetfeldvektors und der Magnetisierung beim Glühen; 6b zeigt den theoretisch geschätzten Winkel β des Magnetisierungsvektors beim Glühen als Funktion der Stärke und Orientierung des angelegten Glühfeldes. Die Feldstärke H ist auf die Sättigungsmagnetisierung J_s (T_a) bei Glühtemperatur normalisiert.
7 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung J_s einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung.
8a und 8b zeigen ein Beispiel für die Domänenstruktur eines gemäß der vorliegenden Erfindung geglühten amorphen Bandes, das eine senkrecht zur Bandachse und schräg zur Normalen der Bandebene ausgerichtete uniaxiale Anisotropie aufweist; 8b zeigt ein Versuchsbeispiel einer derartigen Domänenstruktur für eine amorphe Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 350°C in einem Magnetfeld mit einer Stärke von ca. 3 kOe geglüht wurde, das in einem Winkel von ca. 88° im Verhältnis zur Bandebene und zur gleichen Zeit senkrecht zur Bandachse ausgerichtet war.
9a und 9b zeigen ein erfinderisches Beispiel für (a) die magnetischen und (b) die magnetoresonanten Eigenschaften einer magnetorestriktiven amorphen Legierung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung geglüht wurde; 9a zeigt die bis zur Sättigung bei H_k nahezu lineare Hystereseschleife; 9b zeigt die Resonanzfrequenz f und die Resonanzamplitude A1 als Funktion eines statischen Vormagnetisierungsfeldes H; bei dem spezifischen Beispiel handelt es sich um einen 38 mm langen, 6 mm breiten und ca. 25 μm dicken Streifen einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 360°C in einem Magnetfeld mit einer Stärke von ca. 2 kOe geglüht wurde, das in einem Winkel von ca. 85° im Verhältnis zur Bandebene und zur gleichen Zeit senkrecht zur Bandachse ausgerichtet war.
10 vergleicht das typische Verhalten des Dämpfungsfaktors Q^–1 als Funktion eines statischen Vormagnetisierungsfeldes, der sich aus Feldglühen nach dem Stand der Technik bzw. gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt; bei dem spezifischen Beispiel handelt es sich um eine amorphe Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die im Durchlaufbetrieb ca. 6 s bei 350°C bis 360°C in einem Magnetfeld geglüht wurde.
11a, 11b und 11c veranschaulichen die Auswirkung der Stärke des beim Glühen angelegten Magnetfeldes H auf (a) die Resonanzsignalamplitude, (b) die Domänenstruktur und (c) das Anisotropiefeld H_k; das Glühfeld wirkte im Wesentlichen senk recht auf die Bandebene ein, d.h. im Winkel von ca. 85% bis 90%, abgesehen von den Datenpunkten bei H = 0, wo ein 2-kOe-Feld quer zum Band angelegt wurde; 11a zeigt die maximale Resonanzsignalamplitude sowie die Resonanzsignalamplitude im Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzfrequenz f ihren minimalen Wert hat; 11b zeigt die Domänengröße und den geschätzten Winkel der magnetischen Vorzugsachse im Verhältnis zur Bandebene; 11c zeigt das Anisotropiefeld; Region II verkörpert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung; die in der Figur gezeigten Ergebnisse wurden an einer Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung ermittelt, die ca. 6 s bei 350°C geglüht wurde.
12a und 12b veranschaulichen die Auswirkung der Glühfeldstärke H auf die Linearität der Hystereseschleife für ein im Wesentlichen senkrecht auf die Bandebene einwirkenden Feld, d.h. im Winkel von ca. 85% bis 90%, abgesehen von den Datenpunkten bei H = 0, wo ein 2-kOe-Feld quer zum Band angelegt wurde; 12a zeigt die typische Form der Hystereseschleife im mittleren Teil bei Glühen in einem „Senkrechtfeld" mit einer Stärke über bzw. unter der Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur; 12b zeigt die Auswertung der Linearität der Hystereseschleife mit der angelegten Glühfeldstärke mit Bezug auf die Koerzitivität H_c der geglühten Bänder; die in der Figur gezeigten Ergebnisse wurden an einer Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung ermittelt, die ca. 6 s bei 350°C geglüht wurde.
13a und 13b veranschaulichen den Einfluss der Stärke und Orientierung des Glühfeldes auf die Resonanzsignalamplitude; 13a zeigt die maximale Resonanzsignalamplitude, und 13b zeigt die Resonanzsignalamplitude im Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzfrequenz f ihren minimalen Wert hat; die in der Figur gezeigten Ergebnisse wurden an einer Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung ermittelt, die im Durchlaufbetrieb ca. 6 s bei 350°C in einem Magnetfeld mit der in der Figur gezeigten Ausrichtung und Stärke geglüht wurde.
14 veranschaulicht den Einfluss der Stärke und Orientierung des Glühfeldes auf die Linearität der Hystereseschleife mit Bezug auf die Koerzitivität H_c; die in der Figur gezeigten Ergebnisse wurden an einer Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung ermittelt, die im Durchlaufbetrieb ca. 6 s bei 350°C in einem Magnetfeld mit der in der Figur gezeigten Ausrichtung und Stärke geglüht wurde.
15a und 15b zeigen ein Beispiel für die Verschlechterung der Linearität der Hystereseschleife und der magnetoresonanten Eigenschaften, wenn die induzierte Anisotropie eine Komponente längs der Bandachse enthält; 15a zeigt die Hystereseschleife und die vorliegenden Magnetisierungsprozesse; 15b zeigt die Resonanzfrequenz f und die Resonanzamplitude A1 als Funktion des statischen Vormagnetisierungsfeldes H; bei dem spezifischen Beispiel handelt es sich um einen 38 mm langen, 6 mm breiten und ca. 25 μm dicken Streifen einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung, die ca. 6 s bei 360°C in einem Magnetfeld von ca. 2 kOe geglüht wurde, das „ideal" senkrecht zur Bandebene orientiert war, so dass keine signifikante Querfeldkomponente vorhanden war.
16a und 16b zeigen einen Querschnitt durch eine Glühvorrichtung gemäß dem erfinderischen Verfahren, die das Band durch den Ofen führt; 16a veranschaulicht die Orientierung des Bandes im Magnetfeld, wenn die Öffnung erheblich größer ist als die Bandbreite; 16b zeigt eine Anord nung, in der das Band im streng geometrischen Sinn vollkommen senkrecht zum angelegten Glühfeld ausgerichtet ist.
17a, 17b, 17c und 17d zeigen verschiedene Querschnitte von typischen Realisierungen der Glühvorrichtung im Rahmen des erfinderischen Verfahrens.
18 zeigt ein von einem Joch und Permanentmagneten gebildetes Magnetsystem zur Erzeugung der benannten Magnetfeldlinien im erfinderischen Verfahren.
19a und 19b zeigen ein Beispiel für das Durchlaufglühen eines geraden Bandes gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung; 19a zeigt den Querschnitt eines Magnetsystems mit einem dazwischen angeordneten Ofen, durch den das Band von einer Glühvorrichtung im gewünschten Winkel im Verhältnis zur Feldrichtung transportiert wird; 19b zeigt einen Längsschnitt durch das Magnetsystem; das Band wird von einer Rolle abgezogen, von Rollen unter Motorantrieb durch den Ofen transportiert und schließlich auf eine weitere Rolle gewickelt, wobei die Orientierung des Bandes im Magnetfeld von einer Glühvorrichtung gestützt wird.
20a und 20b veranschaulichen die Prinzipien einer mehrbahnigen Glüheinrichtung nach der Erfindung.
21 veranschaulicht das Prinzip der Regelung des Glühprozesses nach der Erfindung.
22a und 22b vergleichen die Resonanzsignalamplitude einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung nach Glühen in einem quer zum Band verlaufenden Magnetfeld (Stand der Technik) bzw. in einem Magnetfeld mit einem Winkel von ca. 85° zwi schen der Feldrichtung und einer Linie quer zum Band (Erfindung); die Feldstärke betrug jeweils 2 kOe, und die Bänder wurden im Durchlaufbetrieb ca. 6 s bei Glühtemperaturen zwischen ca. 300°C und 420°C geglüht; 22a zeigt die maximale Amplitude A1, 22b die Amplitude im Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzfrequenz ihren minimalen Wert hat.
23 vergleicht ebenfalls die Resonanzsignalamplitude einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₈-Legierung nach Glühen in einem quer zum Band verlaufenden Magnetfeld (Stand der Technik) bzw. in einem Magnetfeld mit einem Winkel von ca. 85° zwischen der Feldrichtung und einer Linie quer zum Band (Erfindung); die maximale Amplitude wird im Verhältnis zur Flanke |df_r/dH| bei der Vormagnetisierung aufgetragen, wo sich dieses Maximum einstellt; die Feldstärke betrug jeweils 2 kOe, und die Bänder wurden im Durchlaufbetrieb ca. 6 s bis 12 s bei Glühtemperaturen zwischen ca. 300°C und 420°C geglüht.
24 ist eine schematische Darstellung der Signalamplitude A1 im Verhältnis zum Vormagnetisierungsfeld für verschiedene Domänenbreiten und fasst einige grundlegende Aspekte der Erfindung zusammen; die Kurve für die Domänenbreite von ca. 100 μm ist typisch für querfeldgeglühte Proben nach dem Stand der Technik, und die Kurven für Domänenbreiten zwischen ca. 5 μm und 15 μm repräsentieren das Glühverfahren nach der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Vorbereitung der Legierung
Amorphe Metalllegierungen im System Fe-Co-Ni-Si-B wurden durch schnelles Abschrecken aus der Schmelze als dünne Bänder mit einer typischen Dicke von 25 μm bereitgestellt. Typische Beispiele für die untersuchten Zusammensetzungen und ihre grundlegenden Werkstoffparameter sind Tabelle I zu entnehmen. Alle Proben wurden aus mindestens 3 kg schweren Blöcken von handelsüblichen Rohstoffen gegossen. Die für die Versuche verwendeten Bänder waren 6 mm breit und wurden entweder direkt in Endbreite gegossen oder aus breiteren Bändern zugeschnitten. Die Bänder waren fest, hart und formbar und hatten eine glänzende Oberseite und eine etwas weniger glänzende Unterseite.
Tabelle I
Beispiele der untersuchten Legierungen und ihre magnetischen Eigenschaften. J_s ist die Sättigungsmagnetisierung, λ_s die Sättigungsmagnetorestriktionskonstante und T_c der Curie-Punkt. Der Curie-Punkt der Legierungen 8 und 9 ist höher als die Kristallisierungstemperatur der betreffenden Proben (ca. 440°C) und konnte daher nicht gemessen werden.
Glühen
Die Bänder wurden im Durchlaufbetrieb geglüht, wobei das Legierungsband von einer Rolle durch einen Ofen, wo ein Magnetfeld von mindestens 500 Oe angelegt wurde, auf eine andere Rolle (bzw. auf der Boden) transportiert wurde. Die Richtung des Magnetfeldes war durchwegs senkrecht zur Längsachse des Bandes, während der Winkel zur Bandebene von ca. 0° (Querfeldglühen), d.h. quer zum Band, bis zu ca. 90° (Senkrechtfeldglühen), d.h. im Wesentlichen senkrecht zur Bandebene, variierte. Das Glühen erfolgte in umgebender Atmosphäre.
Die Glühtemperatur betrugt rund 300°C bis 420°C. Die Untergrenze für die Glühtemperatur beträgt ca. 250°C, was zum Abbau der herstellungsbedingten Spannungen und für ausreichende Wärmeenergie zur Induktion einer magnetischen Anisotropie erforderlich ist. Die Obergrenze für die Glühtemperatur ergibt sich aus dem Curie-Punkt und der Kristallisierungstemperatur. Eine weitere Obergrenze für die Glühtemperatur ergibt sich aus der Anforderung, dass das Band nach der Wärmebehandlung formbar genug sein muss, um zu kurzen Streifen zugeschnitten zu werden. Die höchste Glühtemperatur ist vorzugsweise niedriger als die niedrigste Kenntemperatur des betreffenden Materials. Im typischen Fall liegt die Obergrenze der Glühtemperatur daher bei rund 420°C.
Die Zeit, in der das Band diesen Temperaturen ausgesetzt war, wurde durch Variieren der Glühgeschwindigkeit zwischen einigen Sekunden und ca. einer halben Minute eingestellt. Bei den vorliegenden Versuchen betrug die letztere 0,5 bis 2 m/min, da wir mit relativ kurzen Öfen mit einer Heißzone von nur 10 cm bis 20 cm arbeiteten. Durch Verlängern des Ofens auf bei spielsweise 1 m bis 2 m kann die Glühgeschwindigkeit jedoch auf bis zu 20 m/min erhöht werden.
Das Band wurde geradlinig durch den Ofen befördert und von einer länglichen Glühvorrichtung abgestützt, um das Verbiegen oder Verdrehen des Bandes durch die vom Magnetfeld her einwirkenden Kräfte und Drehmomente zu vermeiden.
In einem Versuchsaufbau erzeugte ein Elektromagnet das Magnetfeld zum Glühen. Die Polschuhe hatten einen Durchmesser von 100 mm und einen gegenseitigen Abstand von ca. 45 mm. Auf diese Weise konnte über eine Länge von ca. 700 mm ein homogenes Feld bis zu ca. 15 kOe erzeugt werden. Der Ofen war rechteckig (Länge 230 mm, Breite 45 mm, Höhe 70 mm). Die Heizdrähte waren bifilar gewickelt, um die vom Heizstrom längs der Bandachse erzeugten Magnetfelder zu vermeiden. Die zylindrische Glühvorrichtung (Länge 300 mm, Durchmesser 15 mm) bestand aus rostfreiem Stahl und wies einen rechteckigen Schlitz (6 × 7 mm) zur Führung des Bandes auf. Die homogene Temperaturzone war ca. 100 mm groß. Der Ofen war so im Magnet angeordnet, dass das angelegte Magnetfeld senkrecht zur Längsachse der Glühvorrichtung verlief und das Band noch in Anwesenheit des angelegten Feldes gekühlt wurde. Durch Drehen der Vorrichtung um ihre Längsachse konnte die Bandebene auf einen beliebigen Winkel zum angelegten Magnetfeld eingestellt werden, das zur gleichen Zeit senkrecht zur Bandachse verlief. Mit Hilfe dieses Versuchsaufbaus wurde der Einfluss der Stärke und des Winkels des angelegten Glühfeldes auf die magnetischen und magnetoelastischen Eigenschaften untersucht.
In einem zweiten Versuchsaufbau wurde das Magnetfeld von einem Joch aus FeNdB-Magneten und Magneteisenstahl erzeugt. Das Joch war ca. 400 mm lang und hatte einen Luftspalt von ca. 100 mm. Die Feldstärke in der Mitte des Joches betrug ca. 2 kOe. Der Ofen war diesmal zylindrisch, (Durchmesser 110 mm, Länge 400 mm). Als Heizdraht wurde ein Manteldraht verwendet, was gleichfalls die Abwesenheit von signifikanten vom Heizstrom erzeugten Magnetfeldern gewährleistete. Der Heizdraht wurde auf eine Länge von 300 mm gewickelt, was eine homogene Heißzone von ca. 200 mm ergab. Die Glühvorrichtungen waren diesmal rechteckig. Der Ofen war wieder so im Magnet angeordnet, dass das angelegte Magnetfeld senkrecht zur Längsachse der Glühvorrichtung verlief und das Band im heißen Zustand dem Magnetfeld ausgesetzt wurde. Die Glühvorrichtung war ebenfalls um die Längsachse drehbar, um das Band im beliebigen Winkel zum angelegten Magnetfeld zu positionieren, das senkrecht zur Bandachse verlief. Der zweite Aufbau eignet sich besser für die Herstellung als der Aufbau mit Elektromagnet. Die homogene Feldzone kann insbesondere durch ein längeres Magnetjoch erheblich verlängert werden und kann mehrere Meter lang sein, was den Einsatz eines größeren Ofens erlaubt und daher die Glühgeschwindigkeit erheblich steigert.
Prüfung
Das geglühte Band wurde in im typischen Fall 38 mm lange Stücke zerschnitten. Diese Proben wurden zur Messung der Hystereseschleife und der magnetoelastischen Eigenschaften verwendet.
Die Hystereseschleife wurde bei einer Frequenz von 60 Hz in einem Sinusfeld mit einer Spitzenamplitude von ca. 30 Oe gemessen. Das Anisotropiefeld wird als das Magnetfeld H_k definiert, bei dem die Magnetisierung den Sättigungswert erreicht (cf. 3a). Bei einer Vorzugsachse quer zum Band ist das Anisotropie-Querfeld wie folgt bezogen auf die Anisotropiekonstante K_u Hk = 2Ku/Js wobei J_s die Sättigungsmagnetisierung ist. K_u ist die Energie je Volumeneinheit, die benötigt wird, um den Magnetisierungsvektor aus der Richtung parallel zur magnetischen Vorzugsachse in eine Richtung senkrecht zur Vorzugsachse zu drehen.
Die magnetoresonanten Eigenschaften wie z.B. die Resonanzfrequenz f und die Resonanzamplitude A1 wurden als Funktion eines überlagerten Vormagnetisierungsfeldes H längs der Bandachse bestimmt, indem man Resonanzschwingungen mittels Tonbursts eines kleinen mit Resonanzfrequenz schwingenden magnetischen Wechselfeldes mit einer Spitzenamplitude von ca. 19 mOe erregte. Die Einschaltzeit der Bursts betrug ca. 1,6 ms, die Pause zwischen den Bursts ca. 18 ms.
Die Resonanzfrequenz der mechanischen Längsschwingung eines länglichen Streifens ist gegeben durch:
wobei L die Länge der Probe, E_H der Elastizitätsmodul im Vormagnetisierungsfeld H und ρ die Massendichte ist. Die typische Resonanzfrequenz der 38 mm langen Proben betrug je nach der Stärke des Vormagnetisierungsfeldes ca. 50 Hz bis 60 Hz.
Die mit mechanischer Schwingung über magnetoelastische Wechselwirkung verbundene mechanische Spannung ergibt eine periodische Änderung der Magnetisierung J rund um den vom Vormag netisierungsfeld H bestimmten Durchschnittswert J_H. Der damit verbundene Wechsel im Magnetfluss induziert eine elektromagnetische Kraft (EMK), die in einer eng gekoppelten Induktionswicklung rund um das Band mit ca. 100 Windungen gemessen wurde.
In EAS-Systemen wird das magnetoresonante Ansprechen des Etiketts zwischen den Tonbursts erfasst, was den Rauschpegel reduziert und daher zum Beispiel ein breiteres Gate zulässt. Nach der Erregung, d.h. nach Ende des Tonbursts, klingt das Signal exponentiell ab. Die Abklingzeit hängt von der Zusammensetzung der Legierung und der Wärmebehandlung ab und kann einige hundert Mikrosekunden bis mehrere Millisekunden betragen. Eine ausreichend lange Abklingzeit von mindestens 1 ms ist Voraussetzung für ausreichende Signalidentität zwischen den Tonbursts.
Die induzierte Resonanzamplitude wurde also ca. 1 ms nach Erregung gemessen. Diese Amplitude wird im Folgenden als A1 bzw. A bezeichnet. Eine hier gemessene hohe Amplitude A1 deutet sowohl gutes magnetoresonantes Ansprechen als auch geringe Signaldämpfung an.
Bei einigen Proben wurde auch die Domänenstruktur mit einem Kerr-Mikroskop mit Bildverarbeitung und einem Magnet mit Beobachtungsöffnung untersucht. Die Domänen wurde im typischen Fall auf der glänzenden Oberseite des Bandes beobachtet.
Physikalischer Hintergrund
1a und 1b zeigen die typischen Plattendomänenstrukturen nach dem Querfeldglühen, das eine uniaxiale Anisotropie quer zum Band ergibt. 2a und 2b zeigen die Streifen domänenstruktur mit Abschlussdomänen nach Glühen der selben Probe in einem Senkrechtfeld von 15 kOe, was eine uniaxiale Anisotropie senkrecht zur Bandebene ergibt.
Die Domänen werden zur Reduzierung der magnetostatischen Streufeldenergie gebildet, die aus den Magnetpolen an der Oberfläche der Probe entsteht. Die Dicke des amorphen Bandes beträgt gewöhnlich 20 μm bis 30 μm und ist daher wesentlich geringer als die Bandbreite, die im typischen Fall mehrere Millimeter oder mehr beträgt. Der Entmagnetisierungsfaktor senkrecht zur Bandebene ist daher viel höher als der quer zum Band. Wenn die magnetische Vorzugsachse senkrecht zur Bandebene verläuft, erfordert daher der höhere Entmagnetisierungsfaktor eine viel feinere Domänenstruktur zur Verringerung der magnetostatischen Streufeldenergie als bei einer quer zum Band verlaufenden Vorzugsachse. Die Domänenbreite für den Fall der senkrechten Anisotropie ist daher wesentlich geringer, im typischen Fall 10 μm oder weniger, als die Domänenbreite der Queranisotropie, die im typischen Fall ca. 100 μm beträgt.
Die Domänenbreite für diese Beispiele lässt sich ziemlich gut durch die unten stehende Gleichung beschreiben (cf. Landau et al. in Electrodynamics of Continuous Media [Elektrodynamik von Endlosmedien], Pergamon, Oxford, England, Kapitel 7 (1981))
wobei γ_w die Wandenergie der Domäne, K_u = H_kJ_s – 2 die Anisotropiekonstante und D die Abmessung der Probe, längs der die magnetische Vorzugsachse orientiert ist, bildet. D ist also gleich der Bandbreite für Queranisotropie in der Ebene, während D der Banddicke entspricht, wenn die magnetische Vorzugsachse senkrecht zur Bandebene verläuft.
3a und 3b vergleichen die mit den Domänenstrukturen aus 1a und 1b, 2a und 2b verbundenen Hystereseschleifen. Die in 3a gezeigte nach Querfeldglühen entstehende Schleife weist ein lineares Verhalten bis zum Feld H_k auf, wo die Probe ferromagnetisch gesättigt wird. Die in 3b gezeigte nach Senkrechtfeldglühen entstehende Schleife weist ebenfalls ein im Wesentlichen lineares verhalten auf. Bei der Öffnung in der Mitte bei H = 0 ist jedoch eine kleine Nichtlinearität zu beobachten. Diese Nichtlinearität ist wesentlich weniger merkbar als in Stoffen nach dem Stand der Technik, die in EAS-Systemen im zubereiteten Zustand zur Anwendung kommen. Bei Erregung durch ein Wechselfeld sind nichtsdestoweniger Oberschwingungen möglich, die in EAS-Systemen anderer Art einen unerwünschten Alarm auslösen können.
Der Unterschied in der Domänengröße zwischen den beiden Orientierungen der magnetischen Vorzugsachse ist offensichtlich und wurde wie oben beschrieben durch zahlreiche unabhängige Versuche bestätigt. Dass Wirbelstromverluste durch Verfeinern der Domänen reduziert werden können, ist ebenfalls bekannt. Dennoch wird üblicherweise angenommen, dass diese Verringerung der Verluste durch feinere Domänen nur zutrifft, wenn der Magnetisierungsprozess durch Verlagerung der Domänenwand geregelt wird. Im vorliegenden Fall wird die Magnetisierung aber in erster Linie durch die Drehung des Magnetisierungsvektors in Richtung des längs der Bandachse angelegten Magnetfeldes geregelt. Im Licht der die Wirbelstromverluste bestimmenden Grundmechanismen wurden die beiden Fälle daher als gleichwertig betrachtet, was durch den oben genannten Artikel von Mermelstein bezeugt wird. In der Praxis werden jedoch bei senkrechtfeldgeglühten Proben oft größere Verluste gemeldet als bei querfeldgeglühten Proben, was den zusätzlichen Hystereseverlusten infolge der nichtlinearen Öffnung in der Mitte der Hystereseschleife zuzuschreiben ist. Die letztere ist mit irreversiblen Magnetisierungsprozessen innerhalb der Abschlussdomänen verbunden, die z.B. mit dem unregelmäßigen „labyrinthartigen" Domänenprofil zu tun haben.
Im Gegensatz dazu geht die vorliegende Erfindung von der Erkenntnis aus, dass trotz der oben beschriebenen allgemeinen Ansicht die verfeinerte Domänenstruktur der senkrechtfeldgeglühten Proben bezüglich von geringeren Verlusten und besserem magnetoresonantem Verhalten vorteilhaft sein kann. Das trifft besonders in einer Situation zu, in welcher der Streifen von einem statischen Magnetfeld längs der Bandrichtung vormagnetisiert wird, während er von einem Wechselfeld in der selben Richtung erregt wird. Diese Situation gilt für aktivierte magnetoelastische Etikette in EAS-Systemen bzw. zum Beispiel in einem Umkehrtransformator in ISDN-Anwendungen.
Der physikalische Mechanismus für diese Verbesserung lässt sich aus einer früheren Beobachtung des Erfinders an querfeldgeglühten Proben ableiten (Herzer G., „Magnetomechanical Damping in Amorphous Ribbons with Uniaxial Anisotropy" [Magnetomechanische Dämpfung in amorphen Bändern mit uniaxialer Anisotropie], Materials Science and Engineering Band A226-228, Seite 631-635 (1997)). Demgemäß entsprechen die Wirbelstromverluste in einem amorphen Band mit quer induzierter Anisotropie nicht dem klassischen Ausdruck:
wie bisher allgemein angenommen, sondern vielmehr der Gleichung:
wobei t die Banddicke, f die Frequenz, B die Amplitude der Wechselstrominduktion, ρ_el der spezifische elektrische Widerstand, J_x die durch das statische Vormagnetisierungsfeld bedingte Komponente des Magnetisierungsvektors längs der Bandachse und J_s die Sättigungsmagnetisierung ist.
Da bei Feldern mit Vormagnetisierung ungleich null (d.h. J_x > 0) der Nenner in Gleichung (2b) weniger als eins beträgt, liegen die von dieser Gleichung beschriebenen Verluste höher als die klassischen Wirbelstromverluste P_e ^class, besonders wenn sich die Magnetisierung in Bandrichtung der Sättigung, d.h. J_x ≈ J_s, nähert. Nur bei einem statischen Magnetfeld null, wo die Verluste gewöhnlich gemessen werden, liegen bei beiden Modellen die selben Ergebnisse vor. Das ist vielleicht der Grund dafür, dass die mit Queranisotropie verbundenen nachteiligen Wirbelstromverluste bisher nicht richtig erkannt wurden.
Der Nenner in Gleichung (2b) ist mit der Tatsache verbunden, dass bei Stoffen mit uniaxialer Anisotropie senkrecht zur Richtung des angelegten Magnetfeldes der Magnetisierungsprozess von der Drehung des Magnetisierungsvektors bestimmt wird. Innerhalb einer Domäne wird daher eine Änderung der Magnetisierung in Längsrichtung des Bandes immer von einer Änderung der Magnetisierung senkrecht dazu begleitet. Die letztere erzeugt unzulässige Wirbelstromverluste, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, je mehr die Gleichgewichtslage des Magnetisierungsvektors vom statischen Vormagnetisierungsfeld in Richtung der Bandachse geneigt wird.
Wie der oben genannte Artikel von Herzer beschreibt, wirken sich diese unzulässigen Verluste u.a. dadurch aus, dass die magnetomechanische Dämpfung die Erwartungen der konventionellen Theorien erheblich überschreitet (cf. Bozorth, Ferromagnetism [Ferromagnetismus] (d. van Nostrand Company, Princeton, New Jersey), Kapitel 13, Seite 684 ff (1951)). Die Folgen sind in 4 veranschaulicht, welche die Resonanzfrequenz f_r und die Resonanzsignalamplitude A₁ eines amorphen Streifens zeigt, der nach dem Stand der Technik in einem Querfeld quer zum Band geglüht wurde. Wenn das angelegte Feld ungefähr die Hälfte des Anisotropiefeldes H_k überschreitet, nimmt die Resonanzsignalamplitude stark ab, und wo die Resonanzfrequenz durch ein Minimum läuft, was bei einem Vormagnetisierungsfeld in der Nähe des Anisotropiefeldes der Fall ist, gibt es kein merkbares Signal mehr.
Dazu ist zu sagen, dass die mit Queranisotropie verbundenen unzulässigen Wirbelstromverluste die effektive Resonanzsuszeptibilität, die sonst in einem hypothetischen isotropen Stoff zu erreichen wäre, stark einschränken.
Physikalische Prinzipien und Beispiele der Erfindung
Der Erfinder hat erkannt, dass zur richtigen Beschreibung des oben genannten Dämpfungsmechanismus angenommen werden muss, dass die Domänengröße wesentlich größer ist als die Banddi cke, was bei querfeldgeglühten Proben offensichtlich der Fall ist.
Indem er diese Annahme verwarf, fand der Erfinder, dass sich im Fall einer willkürlichen Domänengröße die Wirbelstromverluste richtiger wie folgt beschreiben lassen:
wobei P_e ^class die in Gleichung (2a) definierten klassischen Wirbelstromverluste sind, w die Domänenbreite, t die Banddicke und β der Winkel zwischen der magnetischen Vorzugsachse und der Bandebene ist (d.h. β = 0 für Queranisotropie und β = 90° für Senkrechtanisotropie).
Für β = 0 und w >> t, d.h. für eine Queranisotropie, erhalten wir ε ≈ 1 und am Ende die verstärkten Wirbelstromverluste von Gleichung (2b).
Bei sehr kleinen Domänen, d.h. w << t, gilt jedoch ε ≈ 0. In diesem Fall werden die Verluste durch den Ausdruck der klassischen Wirbelstromverluste (Gleichung (2a) beschrieben und würden in Anwesenheit eines Vormagnetisierungsfeldes viel kleiner sein als Verluste in einer querfeldgeglühten Probe.
Senkrechtanisotropie
Gemäß diesen neuen überraschenden theoretischen Ergebnissen stellt sich das senkrechtfeldgeglühte Material mit seiner feineren Domänenstruktur als wesentlich besser für magnetoelastische Anwendungsbereiche heraus, was geringere Wirbelstromdämpfung und somit höhere Resonanzsuszeptibilität betrifft.
Im Einklang mit dieser Theorie wurden Proben geglüht und ihre magnetoelastischen Eigenschaften untersucht. 5 zeigt ein typisches Ergebnis für die Resonanzfrequenz und -amplitude einer derartigen senkrechtfeldgeglühten Probe. Die Ergebnisse wurden an der selben Legierung (Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆) und unter den selben Bedingungen (d.h. Glühzeit 6 s, Glühtemperatur 350°C) ermittelt wie im Fall des in 4 gezeigten Beispiels. Anstelle des üblichen Querfeldes mit ca. 2 kOe wurde ein starkes Magnetfeld mit ca. 15 kOe senkrecht zur Bandebene angelegt.
Der Vergleich zwischen 4 und 5 zeigt, dass sich die Resonanzfrequenz f der beiden Proben zwar ziemlich, gleich verhält, die senkrechtfeldgeglühte Probe in einem breiten Vormagnetisierungsfeldbereich jedoch eine wesentlich höhere Amplitude aufweist als die querfeldgeglühte Probe. Insbesondere hat die Signalamplitude im Vormagnetisierungsfeld, wo f_r das Minimum erreicht, immer noch fast ihren Höchstwert. Das ist ein wichtiger Aspekt für Anwendung in Etiketten in EAS-Systemen, da die Resonanzfrequenz einen Fingerabdruck des Etiketts bildet. Die Resonanzfrequenz ändert sich gewöhnlich infolge von Änderungen in dem mit dem Magnetfeld der Erde verbundenen Vormagnetisierungsfeld H und/oder infolge der Streuung der Eigenschaften der Vormagnetisierungsmagnetstrei fen. Diese Frequenzschwankungen werden offensichtlich minimiert, wenn ein Wert in der Nähe des Feldes, wo f das Minimum erreicht, gewählt wird. Abgesehen von diesem Vorteil ist es auch offensichtlich, dass die im Allgemeinen höhere Signalamplitude der senkrechtfeldgeglühten Probe die Aufnahmeleistung (Erfassung) eines Etiketts in einem EAS-System verbessert.
Dazu ist zu sagen, dass die Verbesserung der magnetoresonanten Eigenschaften in erster Linie mit der senkrechten Anisotropie verbunden ist und nicht unbedingt mit dem Verfahren, mit Hilfe dessen diese erreicht wurde. Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anisotropie ist z.B. die teilweise Kristallisation der Oberfläche (cf. Herzer et al., „Surface Crystallization and Magnetic Properties in Amorphous Iron Rich Alloys" [Oberflächenkristallsation und magnetische Eigenschaften in amorphen eisenreichen Legierungen], J. Magn. Magn. Mat., Band 62, Seite 143-151 (1986)). Eine erste Ausführungsform der Erfindung betrifft daher die Verbesserung der Wirbelstromverluste und/oder magnetoresonanten Eigenschaften durch Herstellung einer Senkrechtanisotropie anstelle einer Queranisotropie. Es muss nichtsdestoweniger anerkannt werden, dass ein wichtiges Merkmal einer derartigen Senkrechtanisotropie darin zu sehen ist, dass die magnetischen und magnetoelastischen Eigenschaften innerhalb der Bandebene isotrop sind. Im Gegensatz zu einem Etikett oder Sensor mit einer Komponente von Queranisotropie spricht also die Leistung eines Etiketts oder Sensors aus einer Probe mit „rein" senkrechter Anisotropie, falls nahezu rund oder quadratisch, weniger empfindlich auf die Orientierung des angelegten Magnetfeldes an. Ein Produktüberwachungssystem mit einem neuartigen „runden" Etikett aus einem amorphen Streifen mit Senkrechtanisotropie sollte also bei der Erfassung noch empfindlicher ansprechen. Im Folgenden wird jedoch spezifisch ein länglicher, in Längsrichtung arbeitender Streifen besprochen. Die Hystereseschleife der senkrechtfeldgeglühten Probe weist eine im Wesentlichen lineare Kennlinie auf und erzeugt also bei Erregung durch ein Wechselfeld weniger Oberschwingungen als die für den zubereiteten Zustand kennzeichnende nichtlineare Hystereseschleife. Wie bereits gesagt, ist jedoch in der Mitte der Schleife noch eine geringfügige Nichtlinearität vorhanden, die mit dem unregelmäßigen „labyrinthartigen" Domänenprofil verbunden ist und nachteilig sein kann, wenn im Oberwellensystem absolut keine Störungen zulässig sind. Diese Nichtlinearität ist auch ein Mangel, wenn die Senkrechtanisotropie durch Kristallisation der Oberfläche erreicht wird.
Um diesen Mangel zu beheben, müssen wir uns daran erinnern, dass die Nichtlinearität mit dem unregelmäßigen Domänenprofil der senkrechtfeldgeglühten Probe zu tun hat. So lehren Grimm et al. in „Minimization of Eddy Current Losses in Metallic Glasses by Magnetic Field Heat Treatment" [Minimierung der Wirbelstromverluste in metallischen Gläsern durch Wärmebehandlung im Magnetfeld], Proceedings of the SMM 7 Conference in Blackpool (Wolfson Centre for Magnetics Technology, Cardiff), Seite 322-336 (1985), dass eine Möglichkeit, diese Nichtlinearität auszuschalten, in der Wahl einer Probe mit hoher Magnetorestriktion liegt. Hubert et al. fanden, dass magnetorestriktive Wechselwirkungen die senkrecht zum angelegten Feld liegenden Abschlussdomänen begünstigen, was innerhalb der Abschlussdomänen zu einem weniger komplexen Magnetisierungsprozess führt und daher zu einer Hystereseschleife ohne nichtlinearen Mittelabschnitt. Bei der Durchführung des beschriebenen Versuchs an einer amorphen Fe₅₃Ni₃₀Si₁B₁₆-Legierung mit einer Sättigungsmagnetorestriktion von λ_s ≈ 29 ppm, d.h. wesentlich höher als bei der Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung (λ_s ≈ 12 ppm) konnte der nichtlineare Abschnitt der Hystereseschleife beseitigt werden. Die Fe₅₃Ni₃₀Si₁B₁₆-Legierung sprach jedoch wesentlich empfindlicher auf die Resonanzfrequenz als Funktion des angelegten Vormagnetisierungsfeldes an als die Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung, obwohl das induzierte Anisotropiefeld praktisch gleich war. In einem Vormagnetisierungsfeld von 6 Oe war zum Beispiel die Flanke der Resonanzfrequenz |df_r/dH| rund 1700 Hz/Oe für die Fe₅₃Ni₃₀Si₁B₁₆-Legierung im Gegensatz zu nur 600 Hz/Oe für die Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung. Obwohl das empfindliche Ansprechen der Resonanzfrequenz auf die Vormagnetisierung in Überwachungssystemen, die sich diese Eigenschaft zunutze machen, vorteilhaft sein kann, ist sie bei bekannten gängigen Systemen, die den genauen Wert der Resonanzfrequenz bei gegebener Vormagnetisierung zur Identifizierung des Etiketts verwenden, offensichtlich nachteilig. Die vorgeschlagene Linearisierung der Schleife durch Wahl einer stark magnetorestriktiven Legierung ist also weniger gut geeignet für EAS-Systeme der letzteren Art.
Man suchte also nach besseren Methoden zur Beseitigung der obigen Nichtlinearität der Hystereseschleife unter Beibehaltung des mit der verfeinerten Domänenstruktur verbundenen verbesserten magnetoresonanten Ansprechens. Erstens erkannte man, dass dieses Ziel durch Bereitstellung einer magnetischen Vorzugsachse zu erreichen war, die zwar noch senkrecht zur Bandachse, aber schräg, d.h. in einem Winkel von 0° (Querrichtung) bis 90° (Senkrechtrichtung) zur Bandebene verlief. Zweitens benötigte man ein Glühverfahren, das eine derartige Schräganisotropie erzielen würde. Zu diesem Zweck musste man sich von den üblichen Verfahren nach dem Stand der Technik abwenden, der im Wesentlichen das Anlegen eines Magnetfeldes, das zur ferromagnetischen Sättigung der Probe in der betreffenden Richtung ausreicht, entweder quer zum Band oder senkrecht zur Bandebene lehrt.
Schräganisotropie
6a und 6b veranschaulichen die Grundprinzipien des Glühens im Magnetfeld nach der vorliegenden Erfindung. 6a ist eine schematische Darstellung des Bandquerschnitts und zeigt die Orientierung des beim Glühen angelegten Magnetfeldes und die resultierende Orientierung des Magnetisierungsvektors beim Glühen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik versuchte man nicht, das angelegte Magnetfeld stark genug zu machen, um den Magnetisierungsvektor in dieser Richtung zu orientieren, sondern man brachte den Magnetfeldvektor und den Magnetisierungsvektor beim Glühen an verschiedenen Stellen in verschiedenen Richtungen zur Wirkung.
Die Orientierung des Magnetisierungsvektors hängt von der Stärke und Orientierung des angelegten Feldes ab. Sie wird hauptsächlich vom Gleichgewicht der magnetostatischen Energie bestimmt, das dann besteht, wenn die Magnetisierung parallel zum angelegten Feld ausgerichtet ist, sowie zur magnetischen Streufeldenergie, die infolge des hohen Entmagnetisierungsfaktors senkrecht zur Ebene erforderlich ist, um die Magnetisierung aus der Ebene heraus zu orientieren. Die Gesamtenergie je Volumeneinheit lässt sich wie folgt ausdrücken:
wobei H die Stärke, α der Winkel des beim Glühen angelegten Magnetfeldes zur Ebene, J_s(T_a) die spontane Magnetisierung bei Glühtemperatur T_a, β der Winkel des Magnetisierungsvektors zur Ebene, μ₀ die Vakuumpermeabilität, N_zz der Entmagnetisierungsfaktor senkrecht zur Bandebene und N_yy der Entmagnetisierungsfaktor quer zum Band ist. Die Winkel α und β werden mit Bezug auf eine Linie quer zum Band bzw. eine Linie parallel zur Richtung des Magnetfeldes und der Magnetisierung (oder Anirotropierichtung) gemessen. Die für α und β angegebenen numerischen Werte beziehen sich auf den kleinsten Winkel zwischen besagten Richtungen. Die Winkel 85°, 95° (= 180° – 95°) und/oder 355° sind also zum Beispiel gleichwertig. Das Magnetfeld und/oder die Magnetisierung dürfen ferner keine merkbare Komponente längs der Bandachse aufweisen. Die Band- oder Streifenachse ist die Richtung, in der die Eigenschaften gemessen werden, d.h. in der das Vormagnetisierungsfeld oder das erregende Wechselfeld im Wesentlichen wirkt. Vorzugsweise handelt es sich dabei um die Längsachse des Streifens. Quer zum Band bezeichnet also eine Richtung senkrecht zur Bandachse. Im Prinzip können längliche Streifen auch durch Schneiden oder Ausstanzen aus einem breiteren Band hergestellt werden, wo die Längsachse in einer willkürlichen Richtung mit Bezug auf die von der ursprünglichen Gussrichtung definierte Achse verläuft. Im letzteren Fall bezieht sich der Ausdruck „Bandachse" auf die Längsachse des Streifens und nicht unbedingt auf die Gussrichtung, d.h. die Achse des breiten Bandes. Obwohl die Streifen- oder Bandachse in den vorliegenden Beispielen parallel zur Gussrichtung verläuft, sind die oben beschriebenen oder ähnliche Modifikationen dem Fachmann vertraut.
Der Winkel β, in dem der Magnetisierungsvektor zu liegen kommt, kann durch Minimieren dieses Energieausdrucks bezüglich von β ermittelt werden. Das Ergebnis der numerischen Methoden ist in 6b für ein 25 μm dickes amorphes Band angegeben. Im Fall eines senkrecht angelegten Feldes lässt sich das Ergebnis analytisch wie folgt ausdrücken:
unter Erkennung, dass N_yy << N_zz ≈ 1.
Dazu ist zu sagen, dass an diesem Modell infolge von interner Anisotropie, d.h. magnetorestriktiver Wechselwirkung mit inneren mechanischen Spannungen, ggf. kleinere Korrekturen vorgenommen werden müssen. Aber die zur Überwindung dieser Eigenanisotropie erforderlichen inneren Magnetfelder sind viel schwächer als die Entmagnetisierungseffekte, die in der in 6b skizzierten Situation vorherrschen.
Bei dem dünnen amorphen Band beträgt der Entmagnetisierungsfaktor quer zum Band nur ca. N_yy ≈ 0,004 (cf. Osborne „Demagnetizing Factors of the General Ellipsoid" [Entmagnetisierungsfaktoren des allgemeinen Ellipsoids], Physical Review B67 (1945) 351 (1945)). Das Entmagnetisierungsfeld quer zum Band ist also nur das 0,004-fache der Sättigungsmagnetisierung in Gauß, wenn das Band in dieser Richtung voll magneti siert ist. Demgemäß kann zum Beispiel eine Legierung mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1 Tesla (10 kG) quer zum Band homogen magnetisiert werden, wenn das extern angelegte Feld stärker als 40 Oe ist. Der Entmagnetisierungsfaktor senkrecht zum Band beträgt jedoch nahezu Eins, d.h. in einer besonders guten Annäherung kann N_zz ≈ 1 gesetzt werden. Bei Magnetisierung senkrecht zur Bandebene ist das Entmagnetisierungsfeld in dieser Richtung praktisch gleich der Sättigungsmagnetisierung in Gauß. Bei einer Sättigungsmagnetisierung von 1 Tesla (10 kG) ist also zur Orientierung der Magnetisierung senkrecht zur Bandebene ein Feld von ca. 10 kOe erforderlich.
6b zeigt den berechneten Winkel des Magnetisierungsvektors beim Glühen als Funktion der Stärke und Orientierung des angelegten Glühfeldes. Die Feldstärke H ist auf die Sättigungsmagnetisierung J_s(T_a) bei Glühtemperatur normalisiert. 7 zeigt in Form eines Beispiels die Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung für die untersuchte Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung. Im Vergleich zum Raumtemperaturwert von J_s = 0,95 T sinkt die Magnetisierung zum Beispiel bei einer Glühtemperatur von 350°C auf rund J_s = 0,6 T. Dieser Wert ist letzten Endes relevant für die oben beschriebenen Entmagnetisierungsfelder beim Glühen.
In diesem Zusammenhang ist zur Kenntnis zu nehmen, dass die magnetische Vorzugsachse beim Glühen nicht parallel zum angelegten Feld verläuft, sondern parallel zur Richtung des Magnetisierungsvektors beim Glühen. Der in 6 gezeigte Magnetisierungswinkel β entspricht also dem Winkel der nach dem Glühen induzierten Anisotropieachse.
8 veranschaulicht die bei einer derartigen schrägen Anisotropieachse erreichte Domänenstruktur. 8a ist ein aus mikromagnetischen Überlegungen erwartetes Schema. Wie im Fall der Senkrechtanisotropie werden Abschlussdomänen gebildet, um die aus der senkrechten Komponente des Magnetisierungsvektors entstehende magnetostatische Energie zu reduzieren. Bei kleinen Winkeln zur Ebene können die Abschlussdomänen entfallen, und die Domänenbreite wird auf jeden Fall zur Verringerung der magnetostatischen Streufeldenergie reduziert.
Bei dem in 8b gezeigten Beispiel handelt es sich um eine Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung, die ca. 6 Sekunden bei einer Temperatur von 350°C in einem Feld mit 3 kOe geglüht wurde, das in einem Winkel von ca. α ≈ 88° relativ zur Bandebene verlief. Sehr feine Domänen mit einer Breite von ca. 12 μm wurden beobachtet, d.h. erheblich schmaler als die Plattendomänen der querfeldgeglühten Probe (cf. 1). Der in 6b zu sehende magnetooptische Kontrast entspricht den Anschlussdomänen A bzw. B in 8a. im Gegensatz zum „labyrinthartigen" Domänenprofil der in einem Senkrechtfeld mit 15 kOe geglühten Probe (cf. 2) sind die Domänen jetzt regelmäßig quer zum Band orientiert.
Die angelegte Feldstärke von 3 kOe ist ca. die Hälfte der Magnetisierung in Gauß bei der Glühtemperatur T_a (J_s(360°C) ≈ 0,6 Tesla = 6 kG), d.h. μ₀H/J_s(T_a) ≈ 0,5. Demgemäß (cf. 6b) kann der Winkel der induzierten Anisotropie zur Ebene auf rund 30° geschätzt werden.
9 zeigt die Hystereseschleife und das magnetoresonante Verhalten einer ähnlich geglühten Probe. Wie 9a zeigt, ist die nichtlineare Öffnung im mittleren Abschnitt, die bei Senkrechtanisotropie vorhanden war (cf. 3b), jetzt verschwunden, und die Schleife ist so linear wie die der querfeldgeglühten Probe (cf. 3a). Die Resonanzsignalamplitude ist zwar etwas geringer als beim Senkrechtfeldglühen (cf. 5), aber offensichtlich höher als die der querfeldgeglühten Probe (cf. 4) in einem breiten Vormagnetisierungsfeldbereich.
10 vergleicht den magnetomechanischen Dämpfungsfaktor Q^–1 der in unterschiedlichen Feldern geglühten Proben. 10 zeigt klar, dass die Schräganisotropie dank ihrer feinen Domänenstruktur ähnlich wie die Senkrechtanisotropie zu wesentlich geringerer magnetomechanischer Dämpfung führt als die Queranisotropie. Diese Beobachtung entspricht den Ergebnissen für die Signalamplitude.
Einfluss der Glühfeldstärke
Zur detaillierten Verifizierung der obigen Ergebnisse untersuchte man in einem ersten Versuchssatz den Einfluss der Glühfeldstärke. Das Glühfeld. war im Wesentlichen senkrecht zur Bandebene orientiert, d.h. in einem Winkel von fast 90° (siehe auch nächsten Abschnitt). Die Ergebnisse sind in 11a, 11b und 11c sowie 12a und 12b gezeigt.
11a zeigt den Einfluss der Glühfeldstärke auf die Resonanzamplitude, 11b die entsprechende Veränderung der Domänengröße und des Anisotropiewinkels β relativ zur Bandebene.
Von der querfeldgeglühten Probe (bei H ≈ 0 gezeigt) aus sinkt die Domänengröße steil von ca. 100 μm auf Werte in der Größenordnung der Banddicke ab, während die Stärke des Senk rechtfeldes über ca. 1,0 kOe, d.h. ca. ein Sechstel der Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur, erhöht wird. Interessant ist, dass diese Verringerung der Domänengröße nur eine relativ kleine von der Ebene abweichende Komponente der magnetischen Vorzugsachse erfordert. Wie bereits gesagt reduziert diese Verfeinerung der Domänen die Streufeldenergie, die von der schrägen Komponente des Magnetisierungsvektors induziert wird, der zum Verlauf längs der Vorzugsachse neigt.
Diese Verringerung der magnetostatischen Streufeldenergie wird durch die Energie ausgeglichen, die zur Bildung der Domänenwände und schließlich der Abschlussdomänen benötigt wird. Unter Ausgleich dieser Energiebeiträge (cf. Kittel C., „Physical Theory of Ferromagnetic Domains" [Physikalische Theorie der ferromagnetischen Domänen], Rev. Mod. Phys. Band 21, Seite 541-583 (1949)) kann die Breite w der Domänenwand des erfinderischen Materials wie folgt geschätzt werden:
Wobei γ_w die Energie der Domänenwand, t die Banddicke, K_u = H_kJ_s/2 die Anisotropiekonstante, β der Winkel des Magnetisierungsvektors zur Ebene, N_zz der Entmagnetisierungsfaktor senkrecht zur Bandebene und N_yy der Entmagnetisierungsfaktor quer zum Band ist. Die durchgezogene Linie in 11b wurde mit Hilfe dieses Ausdrucks berechnet und gibt die durch magnetooptische Untersuchungen bestimmte experimentelle Domänengröße gut wieder (Quadrate in 11b).
Drei Regionen werden in 11a, 11b und 11c durch die römischen Ziffern I, II und III angedeutet (die Grenze zwi schen I und II ist nicht scharf, d.h. die beiden Bereiche können einander um ca. 0,5 kOe überlappen).
In Region I ist das Senkrechtfeld anscheinend zu schwach, um eine merkbare von der Ebene abweichende Anisotropiekomponente zu induzieren, woraus sich relativ breite, mit denen in 1 gezeigten vergleichbare Plattendomänen ergeben. Region I umfasst auch das Verfahren des Querfeldglühens nach dem Stand der Technik, das bei H ≈ 0 eingezeichnet ist. Senkrechtfeldglühen bei diesen niedrigen Feldstärken zieht, wie zu sehen ist, keine signifikante Verbesserung der Resonanzsignalamplitude gegenüber dem Querfeldglühen nach sich. Die Domänenbreite in Region I liegt im Bereich zwischen rund 40 μm und mehr als 100 μm und unterliegt einer relativ starken Streuung. Bei querfeldgeglühten Proben variiert die Domänenbreite in der Tat je nach der Vorgeschichte der betreffenden Probe zwischen ca. 100 μm (nach 50-Hz-Entmagnetisierung längs der Bandachse) und mehreren hundert μm (z.B. im Glühzustand oder nach Entmagnetisierung senkrecht zur Bandrichtung). Diese „instabilen" Domänenbreiten sind auch bei mehr senkrecht orientierten Feldern bis zu ca. 1 kOe zu beobachten. Die in 11b gezeigten Domänenbreiten sind tatsächlich diejenigen, die sich nach der Entmagnetisierung der Probe längs der Bandachse mit einer Frequenz von 50 Hz ergaben. Im Gegensatz dazu ist die Domänenbreite der in Region II und III (d.h. bei stärkeren senkrechten Glühfeldern) zu sehenden feineren Domänenstrukturen wesentlich stabiler und weniger stark von der magnetischen Vorgeschichte der Probe beeinflusst.
Region II entspricht Glühfeldern stärker als ca. 1 kOe aber schwächer als ca. 6 kOe, d.h. schwächer als die Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur. Das ergibt einen merkbar von der Ebene abweichenden Anisotropiewinkel von mindestens ca. 10° und eine feinere, regelmäßige Domänenstruktur, die am Beispiel von 8 zu sehen ist. Die typische Domänengröße in dieser Glühregion beträgt rund 10 μm bis 30 μm. Bei einer Glühfeldstärke ab ca. 1,5 kOe, d.h. bei einem Viertel der Sättigungsinduktion bei Glühtemperatur, ist eine signifikante Verbesserung der Resonanzamplitude festzustellen, wo die Domänenbreite der Banddicke von ca. 25 μm gleich wird bzw. diese unterschreitet, was die oben beschriebenen unzulässigen Wirbelstromverluste wirksam ausschaltet. Feldregion II bildet eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Region III, d.h. nach Glühen mit über der Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur liegenden Feldstärken, ist schließlich ein unregelmäßigeres, „labyrinthartiges" Domänenprofil zu beobachten, das für eine in 2 beispielsweise gezeigte Senkrechtanisotropie kennzeichnend ist. In dieser Region ist jedoch die geringste Domänenbreite, d.h. ca. 6 μm, zu beobachten, und zwar ziemlich unabhängig von der Stärke des Glühfeldes. Diese spezielle feine Domänenstruktur ergibt besonders hohe magnetoresonante Amplituden infolge der hochwirksamen Verringerung der Wirbelstromverluste. Die Verbesserung des Signals von magnetoelastischen Resonatoren durch Glühen eines amorphen Bandes bildet daher eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
11c veranschaulicht das Verhalten des Anisotropiefeldes H_k. Interessant ist, dass das Anisotropiefeld der senkrechtfeldgeglühten Bänder um ca. 10% kleiner ist als das der querfeldgeglühten Bänder. Dieser Unterschied wurde durch zahlreiche Vergleichsversuche bestätigt. Die wahrscheinlichste Ursache dieses Effekts ist mit den Abschlussdomänen verbunden, die dann gebildet werden, wenn die magnetische Vorzugsachse aus der Bandebene herauszustehen neigt. Die Abschlussdomänen weisen eine Magnetisierungskomponente längs der Bandachse auf, die entweder parallel oder antiparallel ist. Bei der Magnetisierung des Bandes mit einem Magnetfeld längs der Bandachse nimmt die Größe der parallel zum Feld orientierten Domänen leicht zu, während die antiparallelen kleiner werden. Die zum Herausdrehen des Großteils der Domänen aus ihrer Vorzugsrichtung erforderliche Energie wird also reduziert um den Bruchteil der Magnetisierungskomponente parallel zum Band gegenüber der Magnetisierungskomponente senkrecht zur Bandachse. Zur ferromagnetischen Sättigung des Bandes wird daher eine geringere Feldstärke H_k benötigt. Quantitativ lässt sich das effektive Anisotropiefeld durch die folgende Gleichung ausdrücken:
wobei K_u die induzierte Anisotropiekonstante, J_s die Sättigungsmagnetisierung, w die Domänenbreite der Streifendomänen, t die Banddicke und β der Winkel der magnetischen Vorzugsachse zur Ebene ist. K_u kann experimentell durch Messen des effektiven Anisotropiefeldes H_k ^trans einer querfeldgeglühten Probe mit β = 0 ermittelt werden, d.h. K_u = H_k ^transJ_s/2. Die Banddicke t kann mit einer Lehre oder unter Anwendung von anderen geeigneten Methoden gemessen werden, und die Domänenbreite w ergibt sich aus magnetooptischen Untersuchungen. Bei einem Band mit Schräganisotropie kann also der Anisotropiewinkel β durch Messen von H_k und mit Hilfe der folgenden Formel bestimmt werden:
wobei H_k ^trans das Anisotropiefeld einer Probe ist, die unter den selben thermischen Bedingungen in einem Querfeld quer zum Band geglüht wurde. Die Dreiecke in 11b repräsentieren der auf diese Weise bestimmten Anisotropiewinkel, der dem in Gleichung (5) berechneten erwarteten Anisotropiewinkel gut entspricht; das letztere Ergebnis wird in 11b durch die Strichlinie angedeutet.
12a und 12b fassen die Auswirkung der Glühfeldparameter auf die Linearität der Hystereseschleife zusammen. 12a ist eine vergrößerte Darstellung des mittleren Abschnitts der Schleife und zeigt die typischen Schleifenkennlinien für Quer-, Schräg- und reine Senkrechtanisotropie. 12b quantifiziert die Linearität mit Bezug auf die Koerzitivität der Probe. Nahezu „perfektes" lineares Verhalten in diesen Beispielen entspricht einer Koerzitivität von weniger als 80 mOe.
Eine praktisch lineare Schleife lässt sich daher entweder durch Querfeldglühen mit ausreichender Feldstärke oder durch Anlegen eines im Wesentlichen senkrechten Feldes von mindestens 1 kOe aber unter der Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur, d.h. im Fall des vorliegenden Beispiels ca. 6 kOe, realisieren.
Einfluss des Glühwinkels
In einem weiteren Versuchssatz wurde der Einfluss des Winkels des Glühfeldes untersucht. Wie 6 zeigt, wurde das Magnetfeld beim Glühen in einem Winkel cc zwischen einer Linie quer zum Band und der Feldrichtung angelegt. Längs der Bandachse ist theoretisch keine Feldkomponente vorhanden. Die Er gebnisse dieser Glühversuche sind in 13 und 13 und in Tabelle II zusammengefasst.
Tabelle II
Auswirkung des Glühwinkels α zwischen der Feldrichtung und einer Linie quer zum Band auf den Winkel β der Anisotropieachse relativ zur Bandebene, das Anisotropiefeld H_k, die maximale Resonanzamplitude A1_max im Vormagnetisierungsfeld H_Amax und auf die Domänenstruktur. Domäne I bezieht sich auf die querfeldgeglühten Plattendomänen nach 1, II auf die Struktur der Abschlussdomänen nach 8. Die Domänenbreite wurde im Glühzustand und nach der Entmagnetisierung der Probe in Längsrichtung des Bandes mit einer Frequenz von 50 Hz ermittelt. Die Beispiele betreffen eine Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung, die im Durchlaufbetrieb bei 350°C ca. 6 Sekunden in einem Feld mit einer Stärke von 3 kOe geglüht wurde.
13a und 13b veranschaulichen die Auswirkung des Glühwinkels α auf die Resonanzsignalamplitude bei verschiedenen Feldstärken. Bei Feldstärken über ca. 1,5 kOe wird das Resonanzverhalten bei Überschreiten eines Glühwinkels von ca. 40° erheblich verbessert und erreicht ein Maximum, wenn das Feld im Wesentlichen senkrecht zur Bandebene verläuft, d.h. wenn sich α 90° nähert.
13a und 13b zeigen auch, dass die Stärke des Glühfeldes keinen signifikanten Einfluss auf die magnetoresonanten Eigenschaften hat, wenn Querfeldglühen (0°) nach dem Stand der Technik zum Einsatz kommt.
14 zeigt die Koerzivität H_c für die selben Parameter zur Erklärung der Linearität der Hystereseschleife. Auch in diesen Beispielen ist lineares Verhalten bei einer Koerzivität unter 80 mOe gegeben. Starke Abweichungen vom perfekt linearen Verhalten sind nur bei mit 10 und 15 kOe senkrechtfeldgeglühten Proben zu finden, d.h. in einem Feld, das stärker ist als die Magnetisierung bei Glühtemperatur. Die Linearität bei diesen starken Glühfeldern lässt sich jedoch leicht durch einen Glühwinkel von weniger als rund 70° bis 80° verbessern.
Eine lineare Schleife und die höchsten Signalamplituden sind bei Bändern zu finden, die in starken Magnetfeldern (10 bis 15 kOe) schräg (α ≈ 30°-70°) geglüht wurden. Das bildet eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Bei mäßigen Feldern im Bereich zwischen ca. 1,5 kOe und der Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur (in den vorliegenden Beispielen ca. 6 kOe) ergeben sich die besten Signalamplituden in einem im Wesentlichen senkrechten Feld, d.h. bei einem Glühwinkel von ca. 60° bis ca. 90°, was eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bildet.
Auch hier wieder war die Resonanzamplitude eng mit der Domänenstruktur verwandt. Die Beispiele in Tabelle II weisen nach, dass die Domänenstruktur bei mäßigen Feldstärken von breiten Streifen in schmale Abschlussdomänen übergeht, wenn der Glühwinkel 60° überschreitet, was von einer erheblichen Erhöhung der Resonanzsignalamplitude begleitet wird.
An dieser Stelle müssen wir genauer definieren, was die Ausdrücke „im Wesentlichen senkrecht" bzw. „nahezu 90°" bedeuten. Sie bedeuten, dass sich der Glühwinkel 90° nähern sollte, d.h. rund 80° bis 89° aber nicht genau 90° betragen darf. Gegenwärtig ist der Erfinder der Ansicht, dass ein perfekt senkrecht – im streng mathematischen Sinn – zur Bandebene verlaufendes Glühfeld zu vermeiden ist. Dieser Punkt ist wichtig, wenn das Glühfeld schwächer ist als die Magnetisierung bei Glühtemperatur, d.h. wenn die Magnetisierung beim Glühen nicht ganz normal zur Ebene erfolgt. Der physikalische Hintergrund wird im Folgenden erläutert.
Man braucht eine schräge Anisotropieachse mit einer Vektorkomponente senkrecht zur Ebene und einer Vektorkomponente quer zum Band. Beim Glühen muss die Magnetisierung also auf gleiche Weise orientiert werden.
Zuerst wollen wir annehmen, dass ein Feld genau senkrecht zur Ebene angelegt wird, aber nicht stark genug ist, um den Magnetisierungsvektor ganz aus der Ebene heraus zu drehen. Die in der Ebene liegende Komponente der Magnetisierung orientiert sich dann längs der Bandachse anstatt senkrecht dazu. Ein Grund hierfür ist darin zu sehen, dass der Entmagnetisierungsfaktor in Längsrichtung des Bandes um mindestens eine Größenordnung niedriger ist als der Faktor quer zum Band. Ein weiterer Grund liegt darin, dass die beim Glühen zum Transport des Bandes durch den Ofen benötigte Zugspannung eine Vorzugsachse längs der Bandachse (für positive Magnetorestriktion) ergibt. Im Endergebnis wird die induzierte magnetische Vorzugsachse schräg an der Bandachse entlang orien tiert, d.h. mit einer Vektorkomponente wie gewünscht senkrecht zur Ebene, aber mit einer anderen Vektorkomponente längs der Bandachse anstatt quer zum Band. Diese Längsanisotropiekomponente neigt dazu, die Domänen längs der Bandachse auszurichten, was einen verstärkten Beitrag zur Verlagerung der Domänenwände leistet. Daraus entstehen eine nichtlineare Schleife und verringertes magnetoelastisches Ansprechen.
Diesen Mechanismus erkannte der Erfinder aus einem Versuch bei mäßigen Glühfeldern, wo die Orientierung der Bandebene „perfekt" senkrecht zum Glühfeld besonders betont wurde. Die Ergebnisse sind in 15a und 15b dargestellt und veranschaulichen die nichtlineare Hystereseschleife und das schlechte magnetoresonante Ansprechen, das in diesem Versuch festgestellt wurde. Bei der Untersuchung der Domänenstruktur stellte sich heraus, dass ein großer Teil des Bandes Domänen längs der Bandachse aufwies, die für die nichtlineare Hystereseschleife und das geschwächte Ansprechen verantwortlich sind.
Es wird also eine Triebkraft benötigt, die beim Glühen die in der Ebene liegende Komponente der Magnetisierung quer zum Band orientiert. In der einfachsten und wirksamsten Lösung wird die Normale der Bandebene ein wenig aus der Feldrichtung weg gedreht. Daraus ergibt sich eine in der Ebene liegende Querkomponente H_y des Magnetfeldes, die durch die folgende Gleichung gegeben ist: Hy = Hcosα (8)
Diese Querkomponente H_y sollte stark genug sein, um das Entmagnetisierungsfeld und die magnetoelastischen Anisotropie felder bei Glühtemperatur zu überwinden. Das Mindestfeld H_y ^min quer zum Band sollte also mindestens den folgenden Wert haben: Hminy ≈ NyyJs(Ta)/μ0 + 3λs(Ta)σ/Js(Ta) (9)
Demgemäß sollte der Glühwinkel den folgenden Wert haben:
In Gleichungen (8) bis (10) ist H die Stärke und α der Winkel des beim Glühen angelegten Magnetfeldes relativ zur Ebene, J_s(T_a) ist die spontane Magnetisierung bei der Glühtemperatur T_a, λ_s(T_a) die Magnetorestriktionskonstante bei der Glühtemperatur T_a, μ₀ die Vakuumpermeabilität, N_yy die Entmagnetisierung quer zum Band und σ die Zugspannung im Band.
In den Versuchen kamen die folgenden typischen Parameter zur Anwendung: T_a ≈ 350°C, N_yy ≈ 0,004, J_s(T_a) ≈ 0,6 T, λ_s(T_a) ≈ 5 ppm und σ ≈ 100 MPa. Das ergibt ein Mindestfeld von ca. H_y ^min ≈ 55 Oe, das in Querrichtung überwunden werden muss. bei einer Gesamtstärke des Glühfeldes von 2 kOe bedeutet das, dass der Glühwinkel weniger als ca. 88,5° betragen sollte.
So kleine Abweichungen von 90° ergeben sich oft mehr oder weniger automatisch aus „Mängeln" im Versuchsaufbau, zum Beispiel infolge von Mangel an Homogenität oder von nicht ganz richtiger Einstellung der Magneten.
Diese kleinen Abweichungen von 90° können aber auch von Natur aus vorkommen, da das Magnetfeld dazu neigt, die Bandebene in einer Lage parallel zu den Feldlinien zu orientieren. 16a und 16b zeigen den Querschnitt einer mechanischen Glühvorrichtung 1, die bei der Orientierung des Bandes 2 im Ofen hilft. Wenn die Öffnung 3 der Vorrichtung 1 größer ist als die Banddicke, wird das Band 2 vom Drehmoment des Magnetfeldes automatisch geneigt, auch wenn sonst alles ganz richtig eingestellt ist. Der resultierende Winkel α zwischen der Bandebene und dem Magnetfeld hängt von der Breite h der Öffnung und der Breite b des Bandes ab, d.h.
Auch bei einer relativ schmalen, ca. 0,2 mm breiten Öffnung ergibt sich bei einem 6 mm breiten Band ein Winkel α ≈ 88°. Diese Abweichung von 90° genügt, um ein ausreichend starkes Querfeld zu erzeugen, das die in der Ebene liegende Komponente der Magnetisierung quer zum Band orientiert. Die Breite h der Öffnung 3 in der Glühvorrichtung 1 darf ungefähr die Hälfte der Bandbreite nicht überschreiten. Vorzugsweise beträgt sie nicht mehr als rund ein Fünftel der Bandbreite. Um den freien Durchgang des Bandes durch die Öffnung zu ermöglichen, sollte die Breite h vorzugsweise mindestens das 1,5-fache der durchschnittlichen Banddicke betragen.
„Im Wesentlichen" senkrecht bezeichnet daher eine Orientierung von nahezu 90°, aber um einige Grade davon abweichend, um wie oben erklärt ein ausreichend starkes Querfeld zu erzeugen. In diesem Sinn wird gelegentlich auch der Begriff „senkrecht" allein im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung verwendet. Das gilt besonders für Feldstärken unter der Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur. Die im Beispiel von 16b gezeigte Anordnung, wo das angelegte Feld perfekt senkrecht zur Bandebene verläuft, ist weniger gut geeignet.
In den meisten bisher besprochenen Fällen wurde das Band durch den Aufbau der Glühvorrichtung mehr oder weniger automatisch aus der perfekten 90°-Orientierung heraus geneigt.
Die beschriebene Glühvorrichtung ist zur Führung des Bandes durch den Ofen erforderlich. Sie verhindert insbesondere die Ausrichtung der Bandebene parallel zu den Feldlinien, die Querfeldglühen zur Folge haben würde. Die Glühvorrichtung kann jedoch den weiteren Zweck haben, das Band in Querrichtung zu biegen. Wie die Europäische Anmeldung 0 737 986 offenbart, ist eine derartige Querbiegung wichtig, wenn magnetomechanische Dämpfung infolge der Anziehungskraft des Resonators und des Vormagnetisierungsmagnets vermieden werden soll. Derartige Glühvorrichtungen sind in 17c und 17d schematisch dargestellt. In einer derartigen Glühvorrichtung ist die Möglichkeit, dass das Band durch das Drehmoment des Magnetfeldes verdreht werden könnte, praktisch ganz ausgeschaltet. Wenn also eine derartige Biegevorrichtung zum Einsatz kommt, muss das Glühfeld unbedingt richtig so orientiert werden, dass die Normale der Bandebene um einige Grade von der Feldrichtung abweicht.
Wenn bei mäßiger Feldstärke beim Glühen ein im Wesentlichen senkrechtes Feld angelegt wird, entspricht das unserer Lehre für die Praxis, und bei schlechtem magnetoresonantem Ansprechen oder unzulässig hohen Verlusten muss die Orientierung zwischen Feld und Bandnormale nur um einige wenige Grade geändert werden. Diese Regel ist zwar ganz einfach aber von kritischer Bedeutung und bildet eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beispiel eines Glühgeräts
In der Praxis ist die Erzeugung der stärksten Magnetfelder im großtechnischen Umfang mit technischen Problemen und Kosten verbunden. Aus diesem Grund ist Senkrechtfeldglühen bei Feldstärken vorzuziehen, die leicht erreichbar sind und dabei die Eigenschaften des Produkts erheblich verbessern.
Ein wichtiger Faktor der Erfindung liegt darin, dass im Gegensatz zur bisherigen Ansicht eine Feldstärke, welche die Magnetisierung parallel zur Feldrichtung ausrichtet, nicht erforderlich ist, sondern dass ein mäßiges Feld sehr wirksam sein kann und besser geeignet ist.
Feldstärken bis zu ca. 8 kOe lassen sich in einem Magnetsystem ohne signifikante technische Probleme realisieren. Ein Magnetjoch mit hoher Feldstärke kann also fast beliebig lang gebaut werden, mit einem bis zu 6 cm breiten Spalt, der für einen Ofen ausreicht.
Solche Feldstärken sind zwar wünschenswert aber nicht unbedingt erforderlich. Die obigen Versuche haben erwiesen, dass das Anlegen eines im Wesentlichen senkrecht zur Bandebene verlaufenden Feldes von rund 2 bis 3 kOe durchaus ausreicht, um die erwünschte Verbesserung der Eigenschaften zu erzielen. Ein derartiges Magnetsystem hat den Vorteil, dass es mit einem bis zu 15 cm breiten Spalt und geringeren Magnetkosten gebaut werden kann.
Nach der Beschreibung des Baus eines Glühgeräts mit einem derartigen Magnetsystem werden weitere Versuche beschrieben, die mit einem relativ mäßigen „senkrechten" Feld von 2 kOe durchgeführt wurden.
18 ist eine räumliche Darstellung eines Magnetsystems, das im typischen Fall Permanentmagneten 7 und ein Eisenjoch 8 umfasst. Das Magnetfeld im Spalt 18 zwischen den Magneten ist den Strichlinien entlang gerichtet und hat eine Stärke von mindestens ca. 2 kOe. Die Magneten bestehen vorzugsweise aus einer FeNdB-Legierung, die zum Beispiel im Handel unter der Bezeichnung VACODYM erhältlich ist. Derartige Magneten sind bekannterweise besonders stark, was bei der Erzeugung der nötigen Feldstärke vorteilhaft ist.
19a ist ein Querschnitt durch ein derartiges Magnetsystem 7, 8 mit einem dazwischen angeordneten Ofen 6, in dem das Band 4 mit Hilfe einer Glühvorrichtung 5 im gewünschten Winkel relativ zur Feldrichtung transportiert wird. Außen ist der Ofen mit Wärmeisolierung zu versehen, so dass die Außentemperatur ca. 80°C bis 100°C nicht überschreiten kann.
19b ist ein Längsschnitt durch das Magnetsystem 7, 8 und den Ofen 6 im Magnet. Das Band 4 läuft von einer Rolle 1 ab, wird von den von einem Motor angetriebenen Rollen 3 durch den Ofen transportiert und schließlich auf die Rolle 2 gewickelt. Die Glühvorrichtung 5 sorgt dafür, dass das Band geradlinig durch den Ofen geht, d.h. das versehentliche oder uneinheitliche Verbiegen oder Verdrehen des Bandes wird vermieden, da dies sonst „eingeglüht" und die gewünschten Eigenschaften beeinträchtigen würde.
Das Band muss dem Magnetfeld im Heißzustand ausgesetzt werden. Das Magnetsystem 7, 8 sollte also die selbe Länge haben wie der Ofen 6 und vorzugsweise länger sein. Die Glühvorrichtung 5 muss mindestens so lang sein wie der Magnet und/oder der Ofen, vorzugsweise länger, um eine Beeinträchtigung der Eigenschaften infolge des oben erwähnten Verbiegens oder Verdrehens durch die Kräfte und das Drehmoment des Magnetfeldes zu vermeiden. Außerdem hilft eine mechanische Zugspannung längs der Bandachse beim geradlinigen Transport des Bandes durch den Ofen. Diese Spannung sollte mindestens 10 MPa betragen, vorzugsweise rund 50 bis 200 MPa. 500 MPa dürfen jedoch nicht überschritten werden, da die Gefahr eines Bandrisses (kleinen mechanischen Fehlern zuzuschreiben) bei unzulässig hohen Spannungen zunimmt. Eine beim Glühen zur Wirkung kommende Zugspannung induziert auch eine geringfügige magnetische Anisotropie entweder parallel oder senkrecht zur Spannungsachse, je nach der Zusammensetzung der Legierung. Diese kleine Anisotropie kommt zu der vom Feld induzierten Anisotropie dazu und beeinflusst daher die magnetischen und magnetoelastischen Eigenschaften. Die Zugspannung ist daher so zu regeln, dass sie um höchstens ca. +/– 20 MPa vom Sollwert abweicht.
Die oben genannte Glühvorrichtung dient auch zur Abstützung des Bandes im gewünschten Winkel relativ zum Feld. Ein ferromagnetisches Band richtet sich gewöhnlich so aus, dass die Bandebene parallel zu den Feldlinien liegt. Wäre das Band nicht abgestützt, würde das Drehmoment des Magnetfeldes die Bandebene parallel zu den Feldlinien drehen, was konventionelles Querfeldglühen zur Folge haben würde.
17a bis d zeigen den Querschnitt der besagten Glühvorrichtung im Detail. Sie besteht vorzugsweise aus einem se paraten Ober- und Unterteil, und zwischen diesen beiden Teilen wird das Band nach dem Zusammenfügen platziert. Die Beispiele gemäß 17a und 17b dienen lediglich zur Führung des Bandes durch den Ofen. Wie bereits gesagt kann die Glühvorrichtung das Band außerdem in Querrichtung biegen, was in 17c und 17d zu sehen ist. Diese Vorrichtungen eignen sich ebenfalls für das Glühverfahren nach der vorliegenden Erfindung. In der letzteren Ausführung besteht praktisch keine Möglichkeit, dass das Band vom Drehmoment des Magnetfeldes verdreht werden könnte. Wenn daher eine derartige Biegevorrichtung verwendet wird, muss das Glühfeld unbedingt richtig so orientiert werden, dass die Normale der Bandebene um einige Grade von der Feldrichtung abweicht, was, wie bereits gesagt, bei mäßigen Glühfeldstärken besonders wichtig ist.
Verschiedene Glühvorrichtungen gemäß 17a bis d wurden geprüft und haben sich als sehr zweckmäßig erwiesen. As wichtig stellte sich heraus, dass die Vorrichtung mindestens so lang ist wie der Ofen 6 und vorzugsweise länger als der Magnet 7, 8, um Verdrehen oder Verbiegen durch das mechanische Drehmoment und die Kraft des Magnetfeldes auszuschalten.
Die geprüften Glühvorrichtungen bestanden aus keramischen Werkstoffen oder rostfreiem Stahl. Beides bewährte sich ausgezeichnet, und beide Werkstoffe wiesen kein bzw. nur ein schwaches ferromagnetisches Verhalten auf. Sie sind also im Bereich des Magnetfeldes leicht zu handhaben. Das bedeutet, dass die Vorrichtung vor Ort leicht zusammengebaut und zerlegt werden kann, was bei Bandriss oder beim Laden eines neuen Bandes erforderlich sein kann. Diese Überlegung schließt jedoch die Eignung eines ferromagnetischen Werkstoffs für den Bau der Glühvorrichtung nicht aus. Eine ferromagnetische Vorrichtung könnte als eine Art Joch wirken, um das auf das Band einwirkende Magnetfeld zu verstärken, was die Magnetkosten auf vorteilhafte Weise senken würde.
Der Einfachheit halber zeigen 19a und 19b der Transport eines Einzelbandes durch den Ofen 6. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Glühsystem jedoch mindestens eine zweite Bahn mit entsprechenden Ab- und Aufwickelrollen, in der ein zweites Band unabhängig aber auf gleiche Art und Weise durch den Ofen 6 transportiert wird. 20a und 20b sind schematische Darstellungen eines derartigen zweibahnigen Systems. Zwei- oder mehrbahnige Systeme dieser Art steigern die Glühleistung. Die einzelnen Bahnen werden vorzugsweise so angeordnet, dass genug Platz ist, um ein Band zu „laden", während die andere Bahn/die anderen Bahnen läuft/laufen. Das verbessert ebenfalls die Leistung, besonders wenn das Band in einer Bahn beim Glühen reißt. Auf diese Weise kann der Fehler behoben werden, während die anderen Bahnen weiter laufen.
Im mehrbahnigen System können die einzelnen Bahnen entweder in ein und demselben Ofen untergebracht werden, oder jede Bahn kann in ihrem eigenen Ofen mit kleinerem Durchmesser laufen. Die letztere Ausführung kann vorteilhaft sein, wenn die Bänder in den verschiedenen Bahnen bei unterschiedlichen Temperaturen geglüht werden sollen.
Die magnetischen Eigenschaften, wie z.B. die Resonanzfrequenz oder das Vormagnetisierungsfeld für die maximale Resonanzamplitude, hängen stark von der Zusammensetzung der Legierung und von den Parametern der Wärmebehandlung ab. Andererseits sind sie stark abhängig von den Eigenschaften der Hystereseschleife, wie z.B. vom Anisotropiefeld oder von der Permeabilität. Eine weitere Verbesserung besteht daher in einer On-line-Regelung der magnetischen Eigenschaften beim Glühen, die in 21 schematisch dargestellt ist. Zur Realisierung kann das geglühte Band 4 vor dem Aufwickeln durch einen Elektromagnet und eine Sensorspule 20 geführt werden. Der Elektromagnet erzeugt ein Prüffeld, und die Reaktion des Materials wird von der Sensorspule aufgenommen. Auf diese Weise können die magnetischen Eigenschaften beim Glühen gemessen und mit Hilfe eines Steuergeräts 21, das die Glühgeschwindigkeit, die Glühtemperatur und/oder die Zugspannung in Längsrichtung des Bandes entsprechend einstellt, berichtigt werden. In dem Abschnitt, wo die Eigenschaften des Bandes gemessen werden, ist darauf zu achten, dass das Band einer möglichst geringen Zugspannung ausgesetzt wird, da eine solche Zugspannung über Magnetorestriktion die gemessenen magnetischen Eigenschaften beeinflusst. Zu diesem Zweck kann vor dem Eintritt des Bandes in den Elektromagnet und die Sensorspule 20 eine „tote Schleife" eingefügt werden. Ein mehrbahniger Ofen ist mit mehreren Elektromagneten und Sensorspulen 20 ausgestattet, so dass die Glühparameter der einzelnen Bahnen unabhängig voneinander eingestellt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Glühsystems hat das Magnetfeld eine Stärke von ca. 2 bis 3 kOe und ist in einem Winkel von ca. 60° bis 89° zur Bandebene orientiert. Das Magnetsystem 7, 8 und der Ofen 6 sind vorzugsweise mindestens 1 m lang und vorzugsweise noch länger, was hohe Glühgeschwindigkeiten von rund 5 bis 50 m/min ermöglicht.
Weitere Beispiele
In einem weiteren Versuchssatz wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, nämlich Glühen des Bandes in einem Feld mäßiger Stärke, d.h. unter der Sättigungsmagnetisierung des Materials bei Glühtemperatur, senkrecht zur Bandebene, d.h. genauer gesagt in einem Winkel von 60° bis 89° relativ zu einer quer zum Band verlaufenden Linie, eingehender geprüft.
Für die unten besprochenen Beispiele verwendete man eine Feldstärke von ca. 2 kOe, die von dem oben beschriebenen Permanentmagnetsystem erzeugt wurde. Das Magnetfeld lag in einem Winkel von ca. 80° zur Bandebene, woraus sich eine Schräganisotropie ergibt, d.h. die magnetische Vorzugsachse verläuft senkrecht zur Bandachse, ist aber um ca. 10° bis 30° aus der Bandebene heraus geneigt. Auf diese Weise erhielt man lineare Hystereseschleifen mit verbessertem magnetoresonantem Ansprechen. Diese Ergebnisse werden mit denen verglichen, die bei Glühen in einem Feld quer zum Band (Querfeld) unter Anwendung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik erzielt werden, das ebenfalls lineare Hystereseschleifen ergibt.
Die Versuche liefen wie oben beschrieben in einem relativ kurzen Ofen. Die Glühgeschwindigkeit betrug ca. 2 m/min, was beim betreffenden Ofen einer effektiven Glühzeit von ca. 6 Sekunden entspricht. Die magnetischen und magnetoresonanten Eigenschaften werden u.a. von der Glühzeit bestimmt, die durch Einstellen der Glühgeschwindigkeit variiert werden kann. In einem längeren Ofen erreichte man die selben Ergebnisse mit einer erheblich höheren Glühgeschwindigkeit, z.B. 20 m/min.
Auswirkung der Glühtemperatur und -zeit
In einem ersten Satz dieser Versuche wurde eine amorphe Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung eingehend auf die Auswirkung der Glühtemperatur und -zeit untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt und in 22a und 22b und 23 gezeigt. Bei allen diesen Beispielen lagen die Resonanzfrequenzen bei 57 kHz bei H_max und bei 55 kHz bei H_min. In allen Beispielen aus Tabelle III war das Band nach dem Glühen formbar.
Ein repräsentatives, detaillierteres Beispiel der Ergebnisse ist bereits in 9 zu finden, die Beispiel 4 aus Tabelle III entspricht.
Tabelle III
Magnetoresonante Eigenschaften einer amorphen Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆-Legierung, die im Durchlaufbetrieb bei der angegebenen Glühtemperatur T_a für die angegebene Zeit t_a in einem Magnetfeld mit einer Stärke von ca. 2 kOe in einem Winkel von ca. 85° (vorliegende Erfindung) bzw. 0° (Stand der Technik) relativ zu einer Achse quer zum Band geglüht wurde. H_k ist das Anisotropiefeld, H_max das Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzamplitude A₁ das Maximum erreicht, A_max besagtes Maximalsignal, |df/dH| die Flanke der Resonanzfrequenz f_r bei H_max, H_fmin das Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzamplitude A₁ das Minimum erreicht, A_fmin besagtes Minimalsignal und Δf die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen bei 2 Oe bzw. 6,5 Oe.
22a und 22b zeigen, dass das erfinderische Glühverfahren bei allen Glühtemperaturen und -zeiten eine wesentlich höhere magnetoresonante Signalamplitude ergibt als konventionelles Querfeldglühen. Wie bereits gesagt, ergibt das Verfahren nach der Erfindung auch mehr lineare Hystereseschleifen, was anderen Glühverfahren nach dem Stand der Technik gegenüber vorteilhaft ist, wo die induzierte Anisotropie senkrecht zur Bandebene ist.
Die Veränderung der Amplitude mit der Glühtemperatur und -zeit ist in 22a und 22b mit einer entsprechenden Veränderung der Resonanzfrequenz im Verhältnis zur Kurve des Vormagnetisierungsfeldes verbunden. Letztere ist am besten gekennzeichnet durch das Ansprechen der Resonanzfrequenz f auf eine Änderung im Vormagnetisierungsfeld H, d.h. der Flanke |df_r/dH|. Tabelle III führt diese Flanke bei H_max auf, wo die Resonanzamplitude ihr Maximum erreicht. Bei H_fmin, wo die Resonanzfrequenz das Minimum erreicht, ist die Flanke praktisch null, d.h. |df_r/dH| ≈ 0.
In einem Etikett für ein führendes handelsübliches EAS-System wird das Vormagnetisierungsfeld von einem ferromagnetischen Streifen erzeugt, der neben dem amorphen Resonator angeordnet ist. Die Identität des Etiketts liegt in seiner Resonanzfrequenz, die beim gegebenen Vormagnetisierungsfeld einem Vorgabewert von z.B. 58 kHz möglichst nahe kommen sollte und durch eine entsprechende Länge des Resonators eingestellt wird. In der Praxis unterliegt das Vormagnetisierungsfeld jedoch durch das Magnetfeld der Erde und/oder durch Streuung der Eigenschaften des Magnetwerkstoffs bedingten Schwankungen von ca. +/– 0,5 Oe. Die Flanke |df/dH| bei betrieblicher Vormagnetisierung sollte also möglichst klein sein, um die Signalidentität des Etiketts zu wahren und auf diese Weise die Aufnahmeleistung des Überwachungssystems zu verbessern. Das lässt sich u.a. durch entsprechende Bemessung des Vormagnetisierungsstreifens realisieren, so dass dieser ein Magnetfeld erzeugt, bei dem die Resonanzfrequenz den Minimumwert hat, d.h. |df/dH| ≈ 0. Die Erfassungsleistung eines derartigen Etiketts hängt jedoch auch von der Resonanzsignalamplitude des Resonators ab. Es ist also vielleicht noch vorteilhafter, das Material des Resonators und/oder des Vormagnetisierungsmagnets so einzustellen, dass das Vormagnetisierungsfeld H_max, wo das Resonanzsignal das Maximum erreicht, nahe kommt. Der Wert |df_r/dH| sollte jedoch möglichst klein bleiben. Die Frequenzschwankungen infolge von zufälligen Veränderungen des Vormag netisierungsfeldes sollten kleiner sein als ungefähr die halbe Bandbreite der Resonanzkurve. Bei Tonbursts von ca. 1,6 ms sollte die Flanke bei betrieblicher Vormagnetisierung weniger sein als rund |df/dH| < 700 Hz/Oe.
23 zeigt die maximale Resonanzamplitude bei H_max als Funktion der Flanke |df/dH| bei H_max. 23 weist ebenfalls nach, dass die beim Glühen nach der Erfindung erreichte magnetoresonante Signalamplitude wesentlich höher ist als die beim herkömmlichen Querfeldglühen erreichte. Höhere Amplituden A1 lassen sich insbesondere auch bei niedrigeren Flanken |df/dH| erreichen, was vorteilhaft ist.
Das Feld H_max mit der maximalen Amplitude liegt im typischen Fall zwischen 5 Oe und 8 Oe. Das entspricht dem bei den obigen Etiketten zum Einsatz kommenden Vormagnetisierungsfeld. Die von den Magneten erzeugten Vormagnetisierungsfelder sind vorzugsweise nicht stärker, um magnetische Klemmung durch die Anziehungskraft zwischen Vormagnetisierungsmagnet und Etikett zu vermeiden. Außerdem darf das Vormagnetisierungsfeld nicht so schwach sein, dass die relative Veränderung infolge von unterschiedlichen Orientierungen des Etiketts im Magnetfeld der Erde reduziert würde.
Obwohl das empfindliche Ansprechen der Resonanzfrequenz auf das Vormagnetisierungsfeld wünschenswert ist, ist auch eine signifikante Änderung in der Resonanzfrequenz bei Entmagnetisierung des Magnets erwünscht, um das Etikett zu deaktivieren. Die Änderung der Resonanzfrequenz bei Deaktivierung sollte also mindestens etwa der Bandbreite der Resonanzkurve entsprechen, d.h. im oben erwähnten Tonburst-Erregungsmodus über ca. 1,4 kHz liegen. Tabelle III gibt die Frequenzänderung Δf bei Verringerung des Vormagnetisierungsfeldes von ca. 6,5 auf 2 Oe an, die ein Maß der Frequenzänderung bei Deaktivierung bildet. Alle Beispiele in Tabelle III erfüllen die typischen Deaktivierungsanforderungen für ein Etikett in besagtem handelsüblichem EAS-System.
Die Zusammensetzung Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆ ist ein für obiges EAS-System besonders gut geeignetes Beispiel. Das erfinderische Glühverfahren verleiht dieser Legierung auch bei niedriger Flanke eine wesentlich höhere magnetoresonante Signalamplitude als durch Querfeldglühen dieser Legierung oder anderer Legierungen erreichbar ist.
Auswirkung der Zusammensetzung
In einem zweiten Versuchssatz wurde das erfinderische Glühverfahren bei verschiedenen Zusammensetzungen zur Anwendung gebracht. Einige repräsentative Beispiele wurden in Tabelle I aufgeführt. Tabelle IV gibt die magnetoresonanten Eigenschaften bei Glühen unter Anwendung des oben beschriebenen erfinderischen Verfahrens an. Zum Vergleich führt Tabelle IV auch die Ergebnisse des Glühens in einem Magnetfeld quer zum Band nach dem Stand der Technik auf. In Tabelle V sind die Gütefaktoren des Glühverfahrens nach der vorliegenden Erfindung aufgeführt. In allen Beispielen aus Tabelle III war das Band nach dem Glühen formbar. Die Resonanzfrequenzen der 38 mm betrugen je nach Vormagnetisierungsfeld und Zusammensetzung der Legierung rund 50 bis 60 kHz.
Tabelle IV
Beispiele der in Tabelle I aufgeführten amorphen Legierungen, die im Durchlaufbetrieb gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung (Feld von 2 kOe um 85° aus der Ebene geneigt) und gemäß den Prinzipien nach dem Stand der Technik (Querfeld von 2 kOe) bei der angegebenen Glühtemperatur T_a mit einer Geschwindigkeit geglüht wurden, die eine Glühzeit von ca. 6 s ergab. H_k ist das Anisotropiefeld, H_max das Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzamplitude A₁ das Maximum erreicht, A_max besagtes Maximalsignal, |df/dH| die Flanke der Resonanzfrequenz f_r bei H_max, H_fmin das Vormagnetisierungsfeld, wo die Resonanzamplitude A₁ das Minimum erreicht, A_fmin besagtes Minimalsignal und Δf die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen bei 2 Oe bzw. 6,5 Oe.
Tabelle V
Gütefaktoren für die in Tabelle IV aufgeführten Beispiele. Der Gütefaktor ist das Verhältnis zwischen den Resonanzamplituden nach Magnetfeldglühen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung und nach Magnetfeldglühen nach dem Stand der Technik. Die Spalte A_max bezieht sich auf die Zunahme der maximalen Resonanzamplitude, die Spalte A_fmin auf die Signalamplitude, wo die Resonanzfrequenz das Minimum erreicht.
Die Legierungen Nr. 1 bis 7 sprechen besonders gut auf das Glühverfahren nach der Erfindung an und weisen eine wesentlich höhere magnetoresonante Signalamplitude auf als beim konventionellen Querfeldglühen. Legierungen Nr. 1 bis 4 sind noch mehr vorzuziehen, denn sie verbinden eine hohe Signalamplitude mit einer niedrigen Flanke |df/dH|. Bevorzugt sind innerhalb dieser Gruppe Legierungen Nr. 2 bis 4, da diese Eigenschaften bei einem erheblich geringeren Co-Gehalt erzielt werden als in Beispiel 1, was die Rohstoffkosten reduziert.
Die Zusammensetzungen Nr. 8 und 9 sind weniger gut geeignet für die Bedingungen nach der Erfindung, da die Verbesserung der maximalen Signalamplitude nur geringfügig ist und im experimentellen Streubereich liegt. Legierung Nr. 9 hat ferner einen ziemlich hohen Co-Gehalt, was mit hohen Rohstoffkosten verbunden ist.
Ein Grund für die weniger gute Eignung der Legierungen Nr. 8 und 9 für das in den Versuchen zur Anwendung kommende Glühverfahren nach der Erfindung liegt in ihrer hohen Sättigungsmagnetisierung und ihrem hohen Curie-Punkt. Diese beiden Eigenschaften haben eine wesentlich höhere Sättigungsmagnetisierung bei Glühtemperatur zur Folge. Die Entmagnetisierungsfelder bei Glühtemperatur sind also stärker, was stärkere Glühfelder erforderlich macht. Die in den Versuchen zur Anwendung kommende Feldstärke von 2 kOe war offensichtlich nicht hoch genug. Nur bei Senkrechtglühen (85°) in einem Feld von ca. 5 kOe sprach Legierung Nr. 8 positiv auf das erfinderische Verfahren an und erreichte eine 10%-ige Erhöhung der maximalen Signalamplitude. Das ist auch be Legierung Nr. 9 zu erwarten, obwohl diese nicht spezifisch untersucht wurde. Gutes Ansprechen auf geringere Glühfeldstärken ist offensichtlich vorteilhaft, weshalb Legierungen Nr. 1 bis 7 bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bilden.
Richtprinzipien für die Wahl der Zusammensetzung
Amorphe Metalle können in zahlreichen verschiedenen Zusammensetzungen mit einer Reihe von Eigenschaften hergestellt werden. Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Aufstellung von Richtprinzipien zur Auswahl von besonders gut für magnetoelastische Anwendungen geeigneten Legierungen aus diesem großen Bereich.
Benötigt werden in derartigen Anwendungen eine bestimmte Veränderung der Resonanzamplitude mit dem Vormagnetisierungsfeld sowie gutes magnetoelastisches Ansprechen, d.h. eine hohe magnetoresonante Signalamplitude.
Nach Livingston, „Magnetomechanical Properties od Amorphous Metals" [Magnetomechanische Eigenschaften von amorphen Metallen], phys. stat. sol. (a) Band 70, Seite 591-596 (1982) lässt sich die Resonanzfrequenz für ein querfeldgeglühtes amorphes Band für H < H_k ziemlich gut wie folgt als Funktion des Vormagnetisierungsfeldes beschreiben:
wobei λ_s die Sättigungsmagnetorestriktionskonstante, J_s die Sättigungsmagnetisierung, E_s der Youngsche Modul im ferromagnetisch gesättigten Zustand, H_k das Anisotropiefeld und H das angelegte Vormagnetisierungsfeld ist.
Dieses Verhältnis trifft auch beim Glühverfahren nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu. Die Signalamplitude verhält sich wie in 24, wo die Resonanzfrequenz f und die Amplitude als Funktion des Vormagnetisierungsfeldes normalisiert auf das Anisotropiefeld H_k dargestellt werden. Die Signalamplitude wird durch Verfeinern der Domänen erheblich verbessert, was mit Hilfe des hier beschriebenen Glühverfahrens zu erreichen ist. Diese Verbesserung wird besonders wirksam, wenn die Probe mit einem Feld H vormagnetisiert wird, dessen Stärke ca. das 0,4-fache des Anisotropiefeldes beträgt: Wie 24 zeigt, ergibt das eine wesentlich höhere Signalamplitude in einem wesentlich größeren Vormagneti sierungsbereich als beim Glühen im Querfeld nach dem Stand der Technik.
Für die meisten Anwendungen sind eine Zusammensetzung und ein Glühverfahren zu empfehlen, die dem Band ein solches Anisotropiefeld verleihen, dass die zur Anwendung kommenden Vormagnetisierungsfelder das ca. 0,3- bis 0,95-fache des Anisotropiefeldes betragen. Da das Anisotropiefeld H_k auch das Entmagnetisierungsfeld der Probe längs der Bandachse umfasst, müssen Zusammensetzung und Wärmebehandlung der Länge, Breite und Dicke des Resonators angepasst werden. Bei Beachtung dieser Prinzipien und Anwendung des Glühverfahrens nach der Erfindung lassen sich in einem großen Bereich von Vormagnetisierungsfeldern hohe Resonanzsignalamplituden erzielen.
Die Wahl der zur Anwendung kommenden Vormagnetisierungsfelder wird in der Praxis von verschiedenen Faktoren bestimmt. Im Allgemeinen sind Felder von weniger als ca. 8 Oe vorzuziehen, da dies den Energiebedarf reduziert, wenn die Vormagnetisierungsfelder mit dem von Feldwicklungen erzeugten Strom erzeugt werden. Wenn das Vormagnetisierungsfeld von einem Magnetstreifen neben dem Resonator erzeugt wird, ergibt sich die Notwendigkeit von schwachen Vormagnetisierungsfeldern aus der Anforderung, dass die magnetische Klemmung des Resonators und des Vormagnetisierungsmagnets vermieden werden muss, sowie aus den wirtschaftlichen Anforderungen eines aus einer kleinen Werkstoffmenge herzustellenden Vormagnetisierungsmagnets.
Legierungen Nr. 1 bis 7 aus Tabelle I haben gemäß den Beispielen in Tabelle IV im Allgemeinen schwache Anisotropiefelder von rund 6 Oe bis 10 Oe und eignen sich daher besser für schwächere Vormagnetisierungsfelder als Legierungen Nr. 8 und 9, die im typischen Fall ein Anisotropiefeld von rund 15 Oe aufweisen. Das ist ein weiterer Grund für die Vorzugsstellung der Legierungen Nr. 1 bis 7.
Die benötigte Resonanzfrequenz lässt sich leicht durch Wahl einer entsprechenden Länge für den Resonator einstellen. Eine weitere Anforderung ist ein scharfes Ansprechen der Resonanzfrequenz auf das Vormagnetisierungsfeld. Letzteres entspricht der Flanke |df_r/dH|, die sich aus Gleichung (12) wie folgt ableiten lässt:
Nach der Wahl des Vormagnetisierungsfeldes H und somit H_k wird die gewünschte Frequenzflanke |df,/dH| in erster Linie von der Sättigungsmagnetorestriktion λ_s bestimmt (die von den übrigen freien Parametern am stärksten von der Zusammensetzung der Legierung abhängt). Das gewünschte Ansprechen der Resonanzfrequenz auf das Vormagnetisierungsfeld kann also durch Wahl einer Zusammensetzung mit einer geeigneten Sättigungsmagnetorestriktion erreicht werden, was sich aus Gleichung (13) schätzen lässt.
In einem für ein führendes handelsübliches EAS-System zu verwendenden Etikett ist, wie oben ausführlicher beschrieben, eine niedrige Flanke |df_r/dH| erforderlich. Zur gleichen Zeit wird ein mäßiges Anisotropiefeld benötigt, so dass das Etikett bei ziemlich schwachen Vormagnetisierungsfeldern optimal eingesetzt werden kann. Es ist also eine Zusammensetzung mit einer Magnetorestriktion von weniger als ca. 15 ppm zu empfehlen. Das ist ein weiterer Grund für die Tatsache, dass Legierungen Nr. 1 bis 4 besonders gut für diese Anwendung ge eignet sind. Zur Gewährleistung des magnetoelastischen Ansprechens muss die Magnetorestriktion mindestens einige wenige ppm betragen. Eine Magnetorestriktion über 5 ppm ist ferner erforderlich, wenn sich die Frequenz bei Deaktivierung des Etiketts stark genug ändern soll.
Ein niedriger aber endlicher Wert für die Magnetorestriktion kann durch Wahl einer Legierung mit einem Fe-Gehalt unter ca. 30 Atom-% aber von mindestens ca. 15 Atom-% und Beigabe einer Kombination vom mindestens 50 Atom-% Ni und Co erreicht werden.
In weiteren Anwendungen wie zum Beispiel elektronischen Kennsystemen oder Magnetfeldsensoren ist starkes Ansprechen der Resonanzfrequenz auf das Vormagnetisierungsfeld erforderlich; in diesen Fällen muss |df/dH| > 1000 Hz/Oe betragen. Es empfiehlt sich also die Wahl einer Legierung mit einer Magnetorestriktion von mehr als ca. 15 ppm, die in Tabelle I von Legierungen Nr. 5 bis 7 beispielhaft gezeigt ist. Zur gleichen Zeit muss die Legierung ein ausreichend schwaches Anisotropiefeld aufweisen, was ebenfalls eine Grundvoraussetzung für das gute Ansprechen von f_r auf das Vormagnetisierungsfeld bildet.
Wenn der Resonator gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung geglüht wird, weist er eine vorteilhaft höhere Signalamplitude in einem größeren Feldbereich auf als Resonatoren nach dem Stand der Technik.

Claims

Resonator für Anwendung in einem Etikett in einem magnetomechanischen elektronischen Produktüberwachungssystem, wobei besagter Resonator aus einem flächigen ferromagnetischen Element mit einer Dicke und einer Elementachse besteht und eine feine Domänenstruktur mit einer maximal das 1,5-fache besagter Dicke betragenden Domänenbreite aufweist und eine induzierte magnetische Vorzugsachse hat, die im Wesentlichen senkrecht zu besagter Elementachse verläuft und eine schräg zur Elementebene verlaufende Komponente aufweist.
Resonator nach Anspruch 1, in welchem die Domänenstruktur eine maximale Breite von 40 μm hat.
Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei besagter Resonator ein magnetisches Verhalten aufweist, das durch eine Hystereseschleife gekennzeichnet ist, die bis zu einem Magnetfeld, das im Wesentlichen einem besagtes ferromagnetisches Element sättigenden Magnetfeld gleich ist, linear verläuft.
Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bestehend aus einem flächigen amorphen Element mit der Zusammensetzung Fe_aCo_bNi_cSi_xB_yM_z, wobei a, b, c, x, y, z in Atom-% zu verstehen sind und M mindestens ein die Glasbildung förderndes Element und/oder ein Übergangsmetall ist, und wobei 15 < a < 75 0 < b < 40 0 ≤ c < 50 15 < x + y + z < 25 0 ≤ z < 4, so dass a + b + c + x + z + y = 100.
Resonator nach Anspruch 4, wobei das die Glasbildung fördernde Element aus der Gruppe C, P, Ge, Nb, Ta und Mo ausgewählt wird.
Resonator nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Übergangsmetall aus der Gruppe Cr und Mn ausgewählt wird.
Resonator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₂₄Co₃₀Ni₂₆Si_8,5B_11,5 besteht.
Resonator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₃₂Co₁₀Ni₄₀Si₂B₁₆ besteht.
Resonator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₃₇Co₅Ni₄₀Si₂B₁₆ besteht.
Resonator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₄₀Co₂Ni₄₀Si₅B₁₃ besteht.
Resonator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei 15 < a < 30 10 < b < 30 20 < c < 50 15 < x + y + z < 25 0 ≤ a < 4, so dass a + b + c + x + z + y = 100.
Resonator nach Anspruch 11, wobei 15 < a < 27 10 < b < 20 30 < c < 50 15 < x + y + z < 20 0 < x < 6| 10 < y < 20 0 ≤ z < 3, so dass a + b + c + x + z + y = 100.
Resonator nach Anspruch 12, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₂₄Co₁₈Ni₄₀Si₂B₁₆ besteht.
Resonator nach Anspruch 12, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₂₄Co₁₆Ni₄₃Si₁B₁₆ besteht.
Resonator nach Anspruch 12, wobei besagtes ferromagnetisches Element aus einem flächigen Element mit der Zusammensetzung Fe₂₂Co₁₅Ni₄₅Si₁B₁₆ besteht.
Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei besagtes ferromagnetisches Element von einem Streifen gebildet wird.
Etikett für Anwendung in einem elektromechanischen elektronischen Produktüberwachungssystem, besagtes Etikett bestehend aus: einem Vormagnetisierungselement zur Erzeugung eines Vormagnetisierungsfeldes mit einer Feldstärke im Bereich von 1 bis 10 Oe; einem Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einem Gehäuse zur Aufnahme des besagten Vormagnetisierungselements und des besagten Resonators.
Magnetomechanisches elektronisches Überwachungssystem, bestehend aus: einem Etikett nach Anspruch 18; Sendemitteln zur Erregung des besagten Etiketts, um diesen zur mechanischen Resonanz und zur Abgabe eines Signals mit besagter Resonanzfrequenz zu veranlassen; Empfangsmitteln zum Empfang des besagten Signals von besagter Resonanzfrequenz; an besagte Sende- und Empfangsmittel angeschlossenen Synchronisiermitteln zur Aktivierung der besagten Empfangsmittel zur Erfassung des besagten Signals bei besagter Resonanzfrequenz nach der Erregung des besagten Etiketts durch die besagten Sendemittel; und einem Alarmgerät, wobei besagte Empfangsmittel Mittel zur Auslösung des Alarmgeräts umfassen, wenn die besagten Empfangsmittel besagtes Signal bei besagter Resonanzfrequenz von besagtem Resonator erkennen.
Verfahren zur Herstellung eines Resonators, besagtes Verfahren bestehend aus den folgenden Schritten: Bereitstellung eines flächigen ferromagnetischen Bandes mit einer Dicke und einer längs dem besagten ferromagnetischen Band verlaufenden Bandachse; Glühen des besagten ferromagnetischen Bandes in einem Magnetfeld mit einer Hauptkomponente senkrecht zu einer das besagte ferromagnetische Band enthaltenden Ebene, einer Komponente in der besagten das besagte ferromagnetische Band enthaltenden Ebene und quer zur besag ten Bandachse und mit einer kleinsten Komponente längs dem besagten Band beim Glühen, und durch das besagte Glühen die Herstellung einer feinen Domänenstruktur mit einer das 1,5-fache der besagten Dicke betragenden maximalen Breite in dem besagten ferromagnetischen Band, mit einer im Wesentlichen senkrecht zu besagter Bandachse verlaufenden magnetischen Vorzugsachse und einer Komponente schräg zur Bandebene; und Zuschneiden eines Stückes des besagten ferromagnetischen Bandes zur Bildung eines Resonators.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Magnetfeld von mindestens 1000 Oe im Winkel zu einer das besagte flächige ferromagnetische Band enthaltenden Ebene beim Glühen verläuft, so dass das besagte Magnetfeld eine signifikante Komponente senkrecht zu besagter Ebene, eine Komponente von mindestens 20 Oe quer zum besagten ferromagnetischen Band und eine kleinste Komponente längs der besagten Bandachse aufweist, um in dem besagten ferromagnetischen Band eine magnetische Vorzugsachse senkrecht zu besagter Bandachse und mit einer von der besagten Ebene abweichenden Komponente zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Glühens aus Glühen des besagten ferromagnetischen Bandes bei einer Glühtemperatur in besagtem Magnetfeld mit einer Stärke in Oe besteht, die unter einer Sättigungsinduktion des besagten ferromagnetischen Bandes bei besagter Glühtemperatur in Gauß liegt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Glühens aus der Orientierung des besagten Magnetfeldes in einem Winkel zwischen ca. 60° und ca. 89° relativ zu ei ner Linie quer zum besagten flächigen ferromagnetischen Element besteht.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schritt des Glühens aus Glühen des besagten ferromagnetischen Bandes zur Herstellung der besagten Komponente der magnetischen Vorzugsachse besteht, die um ca. 10° bis ca. 80° von besagter Ebene abweicht.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Glühens aus Glühen des besagten ferromagnetischen Bandes bei einer Glühtemperatur in besagtem Magnetfeld mit einer Stärke in Oe besteht, die über einer Sättigungsinduktion des besagten ferromagnetischen Bandes bei besagter Glühtemperatur in Gauß liegt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Schritt des Glühens aus der Orientierung des besagten Magnetfeldes in einem Winkel zwischen ca. 30° und ca. 80° relativ zu einer Linie quer zum besagten Band besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei der Schritt des Glühens den Schritt des durchlaufenden Transports des besagten Bandes durch einen Ofen in besagtem Magnetfeld mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 m/min umfasst.