EP1407462A2 - Method for producing nanocrystalline magnet cores, and device for carrying out said method - Google Patents

Method for producing nanocrystalline magnet cores, and device for carrying out said method

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EP1407462A2
EP1407462A2 EP02745429A EP02745429A EP1407462A2 EP 1407462 A2 EP1407462 A2 EP 1407462A2 EP 02745429 A EP02745429 A EP 02745429A EP 02745429 A EP02745429 A EP 02745429A EP 1407462 A2 EP1407462 A2 EP 1407462A2
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EP
European Patent Office
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magnetic cores
furnace
annealing zone
high thermal
zone
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EP02745429A
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Jörg PETZOLD
Volker Kleespies
Hans-Rainier Hilzinger
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Vaccumschmelze GmbH and Co KG
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Vaccumschmelze GmbH and Co KG
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    • C21D2281/00Making use of special physico-chemical means

Definitions

  • the initially amorphous tape produced using this rapid solidification technology is then wound into magnetically variable magnetic cores, which can be oval, rectangular or round.
  • the central step in achieving good soft magnetic properties is the "nanocrystallization" of the alloy strips, which were still amorphous until then. From a soft magnetic point of view, these alloy strips still have poor properties because they have a relatively high magnetostriction
  • a crystallization heat treatment tailored to the alloy is carried out, an ultrafine structure is created, ie an alloy structure is formed in which at least 50% of the alloy structure is occupied by body-centered FeSi crystallites. This Crystallites are embedded in an amorphous residual phase made of metals and metalloids.
  • the amorphous strips are first wound on ring winding cores with as little tension as possible on special winding machines.
  • the amorphous band is first wound into a round ring band core and - if necessary - brought into a shape deviating from the round shape by means of suitable shaping tools.
  • suitable winding bodies shapes that deviate from the round shape can also be achieved directly when winding the amorphous tapes into toroidal tape cores.
  • the furnace has the shape of a tower furnace in which the annealing zone runs horizontally.
  • the horizontally running annealing zone is in turn divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls.
  • At least one, but preferably a plurality of support plates rotating about the tower furnace axis is then provided as the means for conveying the unstacked amorphous toroidal cores through the horizontally extending annealing zone.
  • the distribution curve for the magnetic characteristics of a production batch runs broadly, steadily and drops monotonically towards high values.
  • the exact course depends on the soft magnetic alloy used, the magnetic core geometry and the stack height.
  • FIG. 3 shows the influence of differently thick copper heat sinks on the exothermic behavior in toroidal tape cores, which had dimensions of approximately 21 x 11.5 x 25 mm.
  • FIG. Another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. Again, the shape of the furnace is that of a tower furnace, but the annealing zone is horizontal.
  • the horizontally running annealing zone is in turn divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls.
  • As means for conveying the unstacked amorphous toroidal cores through the horizontally extending annealing zone one, but preferably several, support plates rotating around the tower furnace axis are provided, which serve as heat sinks.

Abstract

The invention relates to a method and to a device for carrying out a manufacturing process in which all magnet cores to be produced are first continuously crystallized. Depending on whether the required hysteresis loops should be round, flat or rectangular, the magnet cores are either immediately finished, that is enclosed in housings, conditioned to a rectangular hysteresis loop in a direct-axis magnetic field or to a flat hysteresis loop in a magnetic cross-field and then finished.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zur Herstellung von nanokristallinen Magnetkernen sowie Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensProcess for producing nanocrystalline magnetic cores and device for carrying out the process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nanokristallinen Magnetkernen sowie Vorrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens .The invention relates to a method for producing nanocrystalline magnetic cores and devices for carrying out such a method.
Nanokristalline weichmagnetische Eisen-Basis-Legierungen sind seit langer Zeit bekannt und wurden beispielsweise in der EP 0 271 657 Bl beschrieben. Die dort beschriebenen weichmagnetischen Eisen-Basis-Legierungen weisen generell eine Zusammensetzung mit der Formel:Nanocrystalline soft magnetic iron-based alloys have been known for a long time and have been described, for example, in EP 0 271 657 B1. The soft magnetic iron-based alloys described there generally have a composition with the formula:
(Feχ-a a)100_x_y_z_α CuxSiyBzM'α (Feχ-a a ) 100 _ x _ y _ z _ α Cu x Si y B z M ' α
auf, wobei M Kobalt und/oder Nickel ist, M> mindestens eines der Elemente Niob, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Hafnium, Titan und Molybdän ist, die Indizes a, x, y, z und α jeweils die Bedingung 0 < a < 0,5; 0 , 1 < x < 3 , 0 ; 0 < y < 30,0; 0 < z < 25,0; 5 < y+z < 30,0 und 0,1 < α < 30 erfüllen.where M is cobalt and / or nickel, M> at least one of the elements niobium, tungsten, tantalum, zirconium, hafnium, titanium and molybdenum, the indices a, x, y, z and α each have the condition 0 <a < 0.5; 0.1 <x <3.0; 0 <y <30.0; 0 <z <25.0; 5 <y + z <30.0 and 0.1 <α <30.
Des Weiteren können die weichmagnetischen Eisen-Basis- Legierung auch eine Zusammensetzung mit der generellen FormelFurthermore, the soft magnetic iron-based alloy can also have a composition with the general formula
(Fei-a Ma)100_x_y_z_α_ß_γ CuxSiyBzM» αM"ßXγ(Fei-a M a ) 100 _ x _ y _ z _ α _ß_ γ Cu x Si y B z M » α M" ßXγ
aufweisen, wobei M Kobalt und/oder Nickel ist, Mv mindestens eines der Elemente Niob, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Hafnium, Titan und Molybdän ist, Mv x mindestens eines der Elemente Vanadium, Chrom, Mangan, Aluminium, ein Element der Platingruppe, Skandium, Yttrium, eine Selten Erde, Gold, Zink, Zinn und/oder Rhenium und X mindestens eines der Elemente Kohlen- stoff, Germanium, Phosphor, Gallium, Antimon, Indium, Beryllium und Arsen ist und wobei a, x, y, z, α, ß und γ jeweils die Bedingung 0 ≤ a < 0,5, 0,1 < x < 3,0, 0 < y < 30,0, 0 < z < 25,0, 5 < y + z < 30,0, 0,1 < α < 30,0, ß < 10,0 und γ < 10,0 erfüllen.have, where M is cobalt and / or nickel, M v is at least one of the elements niobium, tungsten, tantalum, zirconium, hafnium, titanium and molybdenum, M vx is at least one of the elements vanadium, chromium, manganese, aluminum, an element of the platinum group , Scandium, yttrium, a rare earth, gold, zinc, tin and / or rhenium and X is at least one of the elements carbon, germanium, phosphorus, gallium, antimony, indium, beryllium and arsenic and where a, x, y, z, α, ß and γ each the condition 0 ≤ a <0.5, 0.1 <x <3.0, 0 <y <30.0, 0 <z <25.0, 5 <y + z <30.0, 0.1 <α <30.0, β <10.0 and γ <10.0.
In beiden Legierungssystemen sind mindestens 50% der Legie- rungsstruktur von feinkristallinen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 100 nm oder weniger eingenommen. Diese weichmagnetischen nanokristallinen Legierungen werden in zunehmendem Umfang als Magnetkerne in Induktivitäten für verschiedenste elektrotechnische Anwendungen eingesetzt. Bei- spielsweise sind Summenstromwandler für wechselstromsensitive und auch pulsstromsensitive Fehlerstromschutzschalter, Drosseln und Transformatoren für geschaltete Netzteile, stromkompensierte Drosseln, Glättungsdrosseln oder Transduktoren aus Bandkernen, die aus Bändern aus den oben beschriebenen na- nokristallinen Bändern hergestellt worden sind, bekannt. Dies -geht beispielsweise aus der EP 0 299 498 Bl hervor. Des Weiteren ist der Einsatz solcher Ringbandkerne auch für Filtersätze, in der Telekommunikation bekannt, beispielsweise als Schnittstellenübertrager bei ISDN- oder auch DSL-Anwendungen.In both alloy systems, at least 50% of the alloy structure is occupied by fine crystalline particles with an average particle size of 100 nm or less. These soft magnetic nanocrystalline alloys are increasingly being used as magnetic cores in inductors for a wide variety of electrical engineering applications. For example, summation current transformers for AC-sensitive and also pulse-current-sensitive residual current circuit breakers, chokes and transformers for switched-mode power supplies, current-compensated chokes, smoothing chokes or transducers made from tape cores, which have been produced from tapes from the nanocrystalline tapes described above, are known. This is evident, for example, from EP 0 299 498 B1. Furthermore, the use of such toroidal cores is also known for filter sets in telecommunications, for example as an interface transmitter in ISDN or DSL applications.
Die in Rede stehenden nanokristallinen Legierungen können beispielsweise kostengünstig mittels der sogenannten Rascher- starrungstechnologie (beispielsweise mittels melt-spinning oder planar-flow-casting) hergestellt werden. Dabei wird zu- erst eine Legierungsschmelze bereitgestellt, bei der anschließend durch rasches Abschrecken aus dem Schmelzzustand eine zunächst amorphe Legierung hergestellt wird. Die für die oben in Rede stehenden Legierungssysteme erforderlichen Abkühlgeschwindigkeiten betragen dabei etwa 106 K/sec. Dies wird mit Hilfe des Schmelzspin-Verfahrens erreicht, bei welchem die Schmelze durch eine enge Düse auf eine schnell rotierende Kühlwalze gespritzt wird und dabei zu einem dünnen Band erstarrt. Dieses Verfahren ermöglicht die kontinuierliche Herstellung von dünnen Bändern und Folien in einem einzi- gen Arbeitsgang direkt aus der Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 50 m/sec, wobei Banddicken von 20 bis 50 μm und Bandbreiten bis ca. einigen cm möglich sind. Das mittels dieser Rascherstarrungstechnologie hergestellte zunächst amorphe Band wird dann zu geometrisch weiträumig variierbaren Magnetkernen gewickelt, wobei diese oval, recht- eckig oder rund sein können. Der zentrale Schritt zum erreichen guter weichmagnetischer Eigenschaften ist die "Na- nokristallisation" der bis dahin noch amorphen Legierungsbänder. Diese Legierungsbänder weisen aus weichmagnetischer Sicht noch schlechte Eigenschaften auf, da sie eine relativ hohe Magnetostriktion |λg| von ca. 25 x 10"6 aufweisen. Bei der Durchführung einer auf die Legierung abgestimmten Kristallisationswärmebehandlung entsteht dann ein ultrafeines Gefüge, d. h. es entsteht eine Legierungsstruktur, bei der mindestens 50% der Legierungsstruktur von kubisch raumzentrier- ten FeSi-Kristalliten eingenommen wird. Diese Kristallite sind in einer amorphen Restphase aus Metallen und Metalloiden eingebettet. Die festkörperphysikalischen Hintergründe für die Entstehung der feinkristallinen Struktur und die daher eingehende drastische Verbesserung der weichmagnetischen Ei- genschaften ist beispielsweise in G. Herzer, IEEE Transacti- ons on Magnetics, 25 (1989), Seiten 3327 ff. beschrieben. Danach entstehen gute weichmagnetische Eigenschaften wie eine hohe Permeabilität oder kleine Hystereseverluste durch Ausmittelung der Kristallanisotropie Ku des zufallsorientierten nanokristallinen "Gefüges" .The nanocrystalline alloys in question can be produced inexpensively, for example, using what is known as rapid solidification technology (for example using melt spinning or planar flow casting). An alloy melt is first provided, in which an initially amorphous alloy is then produced by rapid quenching from the melt state. The cooling rates required for the alloy systems in question are about 10 6 K / sec. This is achieved with the help of the melt spin process, in which the melt is sprayed through a narrow nozzle onto a rapidly rotating chill roll and solidifies into a thin band. This process enables the continuous production of thin tapes and foils in a single operation directly from the melt at a speed of 10 to 50 m / sec, whereby tape thicknesses of 20 to 50 μm and tape widths of up to a few cm are possible. The initially amorphous tape produced using this rapid solidification technology is then wound into magnetically variable magnetic cores, which can be oval, rectangular or round. The central step in achieving good soft magnetic properties is the "nanocrystallization" of the alloy strips, which were still amorphous until then. From a soft magnetic point of view, these alloy strips still have poor properties because they have a relatively high magnetostriction | λg | of approximately 25 x 10 "6. When a crystallization heat treatment tailored to the alloy is carried out, an ultrafine structure is created, ie an alloy structure is formed in which at least 50% of the alloy structure is occupied by body-centered FeSi crystallites. This Crystallites are embedded in an amorphous residual phase made of metals and metalloids. The solid-state physical background for the formation of the fine crystalline structure and the consequent drastic improvement in the soft magnetic properties is described, for example, in G. Herzer, IEEE Transactions on Magnetics, 25 (1989) , Pages 3327 ff. This gives rise to good soft magnetic properties such as high permeability or small hysteresis losses by averaging the crystal anisotropy K u of the randomly oriented nanocrystalline "structure".
Nachdem aus der EP 0 271 657 Bl bzw. der 0 299 498 Bl bekannten Stand der Technik werden die amorphen Bänder zunächst auf speziellen Wickelmaschinen möglichst spannungsfrei zu Ring- bandkernen gewickelt. Dazu wird das amorphe Band zunächst zu einem runden Ringbandkern gewickelt und - falls erforderlich - mittels geeigneter Formgebungswerkzeuge in eine von der runden Form abweichenden Form gebracht . Durch die Verwendung geeigneter Wickelkörper lassen sich jedoch auch direkt beim Wickeln der amorphen Bänder zu Ringbandkernen Formen erreichen, die von der runden Form abweichen. Danach werden nach dem Stand der Technik die spannungsfrei gewickelten Ringbandkerne in sogenannten Retortenöfen einer Kristallisationswärmebehandlung unterworfen, die zur Erzielung des nanokristallinen Gefüges dient. Hierbei werden die Ringbandkerne übereinander gestapelt und in einem solchen O- fen eingefahren. Es hat sich gezeigt, daß ein entscheidender Nachteil dieses Verfahrens darin liegt, daß durch schwache magnetische Streufelder, wie z. B. dem magnetischen Erdfeld eine Positionsabhängigkeit der Magnetwerte im Magnetkernsta- pel induziert wird. Während an den Stapelrändern beispielsweise hohe Permeabilitätswerte mit einem intrinsisch bedingten hohen Remanenzverhältnis von mehr als 60% vorliegen, sind die Magnetwerte im Bereich der Stapelmitte durch mehr oder weniger ausgeprägte flache Hystereseschleifen mit niedrigen Werten bezüglich der Permeabilität und Remanenz gekennzeichnet .According to the state of the art known from EP 0 271 657 B1 or 0 299 498 B1, the amorphous strips are first wound on ring winding cores with as little tension as possible on special winding machines. For this purpose, the amorphous band is first wound into a round ring band core and - if necessary - brought into a shape deviating from the round shape by means of suitable shaping tools. By using suitable winding bodies, shapes that deviate from the round shape can also be achieved directly when winding the amorphous tapes into toroidal tape cores. Then, according to the state of the art, the tension-free wound ring band cores are subjected to crystallization heat treatment in so-called retort furnaces, which is used to achieve the nanocrystalline structure. Here, the toroidal cores are stacked one above the other and inserted in such an oven. It has been shown that a decisive disadvantage of this method is that weak magnetic stray fields, such as. B. the magnetic earth field is induced a position dependence of the magnetic values in the magnetic core stack. For example, while high permeability values with an intrinsically high remanence ratio of more than 60% are present at the stack edges, the magnetic values in the area of the stack center are characterized by more or less pronounced flat hysteresis loops with low values with regard to permeability and remanence.
Dies ist beispielsweise in der Figur 1 dargestellt. Figur la zeigt dabei die Streuung der Permeabilität bei einer Frequenz von 50 Herz in Abhängigkeit der laufenden Kernnummer innerhalb eines Glühstapels. Die Figur lb zeigt die Abhängigkeit des Remanenzverhältnisses Br/Bm in Abhängigkeit der laufenden Kernnummer innerhalb eines Glühstapels . Wie den Figuren la und lb zu entnehmen ist, verläuft die Verteilungskurve für die Magnetwerte eines Glühfertigungsloses breit und stetig. Die Verteilungskurve fällt zu hohen Werten hin monoton ab. Der genaue spezifische Verlauf hängt dabei von der Legierung, der Magnetkerngeometrie und natürlich der Stapelhöhe ab.This is shown, for example, in FIG. 1. FIG. 1 a shows the scatter of the permeability at a frequency of 50 hearts as a function of the running core number within a glow stack. FIG. 1b shows the dependence of the remanence ratio B r / B m as a function of the sequential core number within a glow stack. As can be seen from FIGS. 1 a and 1 b, the distribution curve for the magnetic values of a production line for annealing products is wide and continuous. The distribution curve drops monotonically towards high values. The exact specific course depends on the alloy, the magnetic core geometry and of course the stack height.
Bei den in Rede stehenden nanokristallinen Legierungssystemen erfolgt die Einstellung des nanokristallinen Gefüges typischerweise bei Temperaturen von Ta = 450°C bis 620°C, wobei die notwendigen Haltezeiten zwischen wenigen Minuten und ca. 12 Stunden liegen können. Insbesondere geht aus der US 5,911,840 hervor, daß bei nanokristallinen Magnetkernen mit einer runden B-H-Schleife eine Maximalpermeabilität von μmax = 760.000 dann erreicht wird, wenn ein stationäres Tempera- turplateau mit einer Dauer von 0,1 bis 10 Stunden unterhalb der für die Kristallisation erforderlichen Temperatur von 250°C bis 480°C zur Relaxation des Magnetkernes verwendet wird. Dies erhöht die Dauer der Wärmebehandlung und reduziert damit die Wirtschaftlichkeit.In the case of the nanocrystalline alloy systems in question, the setting of the nanocrystalline structure is typically carried out at temperatures from T a = 450 ° C. to 620 ° C., the necessary holding times being between a few minutes and approximately 12 hours. In particular, US Pat. No. 5,911,840 shows that with nanocrystalline magnetic cores with a round BH loop, a maximum permeability of μ max = 760,000 is achieved when a stationary temperature turplateau with a duration of 0.1 to 10 hours below the temperature required for the crystallization of 250 ° C to 480 ° C is used to relax the magnetic core. This increases the duration of the heat treatment and thus reduces the economy.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Entdeckung zugrunde, daß die in den Figuren la und lb gezeigten magnetostatisch bedingten Parabelbildungen bei der Stapelglühung von Ringband- kernen in Retortenöfen magnetostatischer Natur sind und auf die Ortsabhängigkeit des Entmagnetisierungsfaktors eines Zylinders zurückzuführen sind. Weiterhin wurde -festgestellt, daß die mit dem Kerngewicht zunehmende exotherme Wärme des Kristallisationsprozesses nur unvollständig an die Umgebung des Glühstapels abgegeben werden kann und deshalb zu einer deutlichen Verschlechterung der Permeabilitätswerte führen kann. Es wird angemerkt, daß die Nanokristallisation selbstverständlich ein exothermer physikalischer Vorgang ist. Dieses Phänomen wurde bereits in der JP 03 146 615 A2 beschrie- ben. Die Folge dieser unzureichenden Abfuhr der Kristallisationswärme ist eine lokale Überhitzung der Ringbandkerne innerhalb des Stapels, die zu niedrigeren Permeabilitäten und zu höheren Remanenzen führen kann. Demnach sind die Permeabilitäten und die Remanenzen von Kernen im Zentrum des Glühsta- pels niedriger als die Permeabilitäten und Remanenzen von Ringbandkernen an den äußeren Enden des Glühstapels. Bisher hat man dieses Problem, soweit man es überhaupt erkannt hat, damit umschifft, daß man beispielsweise eben wie in der US 5,911,840, im Bereich der einsetzenden Nanokristallisation, d. h. also ab ca. 450°C, in unwirtschaftlicher Weise sehr langsam aufgeheizt hat. Typische Aufheizraten lagen dabei zwischen 0,1 und 0,2 K/min. , wodurch alleine das Durchfahren des Bereiches bis zur Temperatur von 490°C bis zu 7 Stunden betragen konnte. Diese Verfahrensweise war sehr unwirtschaft- lieh. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein neues Verfahren zur Herstellung von Ringbandkernen bereitzustellen, bei denen das eingangs erwähnte Problem der parabelartigen Streuung und sonstiger insbesondere exothermiebedingter Ver- schlechterungen von Magnetkennwerten vermieden werden kann, und das besonders wirtschaftlich arbeitet .The present invention is based on the discovery that the magnetostatic parabolas shown in FIGS. 1 a and 1 b in the stack annealing of toroidal cores in retort furnaces are magnetostatic in nature and are due to the location-dependent demagnetization factor of a cylinder. Furthermore, it has been found that the exothermic heat of the crystallization process, which increases with the core weight, can only be released incompletely to the surroundings of the glow stack and can therefore lead to a significant deterioration in the permeability values. It is noted that nanocrystallization is of course an exothermic physical process. This phenomenon has already been described in JP 03 146 615 A2. The result of this inadequate removal of the heat of crystallization is a local overheating of the toroidal cores within the stack, which can lead to lower permeabilities and higher remanence. Accordingly, the permeability and remanence of cores in the center of the glow stack are lower than the permeability and remanence of toroidal cores at the outer ends of the glow stack. So far this problem has been circumvented, as far as it has been recognized at all, in that, for example, just as in US Pat. No. 5,911,840, in the area of the onset of nanocrystallization, that is to say from about 450.degree. C., the heating has been very slow in an uneconomical manner. Typical heating rates were between 0.1 and 0.2 K / min. , which alone the passage through the area up to the temperature of 490 ° C could be up to 7 hours. This procedure was very uneconomical. The object of the present invention is therefore to provide a new method for producing toroidal tape cores, in which the aforementioned problem of parabolic scattering and other, in particular exothermic, deteriorations in magnetic characteristics can be avoided, and which works particularly economically.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Ringbandkernen der eingangs genannten Art ge- löst, bei dem die fertig gewickelten amorphen Ringbandkerne ungestapelt im Durchlauf zu nanokristallinen Ringbandkernen wärmebehandelt werden.According to the invention, this object is achieved by a process for the production of toroidal tape cores of the type mentioned at the outset, in which the completely wound amorphous toroidal tape cores are heat-treated in a continuous manner to form nanocrystalline toroidal tape cores.
Durch die Vereinzelung der Ringbandkerne wird eine identische magnetostatische Bedingung für jeden einzelnen Ringbandkern herbeigeführt. Die Folge dieser für jeden einzelnen Ringbandkern identischen magnetostatischen Kristallisationsbedingung ergibt die Beseitigung des in den Figuren la und lb gezeigten "Parabeleffektes" und damit eine Beschränkung der Streuungen auf legierungsspezifische, geometrische und/oder thermische Ursachen.The separation of the toroidal cores creates an identical magnetostatic condition for each individual toroidal core. The consequence of this magnetostatic crystallization condition, which is identical for each individual ring band core, results in the elimination of the "parabola effect" shown in FIGS. 1 a and 1 b and thus a limitation of the scattering to alloy-specific, geometric and / or thermal causes.
Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung der ungestapelten amorphen Ringbandkerne auf Wärmesenken durchgeführt, die eine ho- he Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was ebenfalls schon aus der JP 03 146 615 A2 bekannt ist. Dabei kommen als Material für die Wärmesenken insbesondere ein Metall oder eine metallische Legierung in Betracht. Insbesondere die Metalle Kupfer, Silber sowie wärmeleitfähiger Stahl haben sich als besonders geeignet erwiesen.The heat treatment of the unstacked amorphous toroidal cores is preferably carried out on heat sinks which have a high heat capacity and a high thermal conductivity, which is also already known from JP 03 146 615 A2. A metal or a metallic alloy is particularly suitable as the material for the heat sinks. The metals copper, silver and heat-conductive steel in particular have proven to be particularly suitable.
Es ist jedoch auch möglich die Wärmebehandlung auf einer Wärmesenke aus Keramik durchzuführen. Des Weiteren ist auch eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung denkbar, bei dem die Wärme zu behandelnden amorphen Ringbandkerne in ein Formbett aus Keramikpulver oder Metallpulver, vorzugsweise Kupferpulver eingebracht sind. Als Keramikmaterialien, sowohl für eine massive Keramikplatte bzw. für ein Keramikpulverbett, haben sich insbesondere Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid als besonders geeignet erwiesen.However, it is also possible to carry out the heat treatment on a ceramic heat sink. Furthermore, an embodiment of the present invention is also conceivable in which the amorphous toroidal cores to be treated are introduced into a mold bed made of ceramic powder or metal powder, preferably copper powder. Magnesium oxide, aluminum oxide and aluminum nitride have proven to be particularly suitable as ceramic materials, both for a solid ceramic plate or for a ceramic powder bed.
Die Wärmebehandlung zur Kristallisation wird in einem Temperaturintervall von ca. 450°C bis ca. 620°C vorgenommen, wobei die Wärmebehandlung ein Temperaturfenster von 450°C bis 500°C durchläuft und dabei mit einer Aufheizrate von 0,1 K/min bis ca. 20 K/min durchlaufen wird.The heat treatment for crystallization is carried out in a temperature interval of approx. 450 ° C to approx. 620 ° C, whereby the heat treatment runs through a temperature window of 450 ° C to 500 ° C and thereby with a heating rate of 0.1 K / min to approx 20 K / min is run through.
Die Erfindung wird vorzugsweise mit einem Ofen durchgeführt, wobei der Ofen ein Ofengehäuse, das zumindest eine Glühzone und eine Heizquelle aufweist, Mittel zur Beschickung der Glühzone mit ungestapelten amorphen Magnetkernen aufweist, Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Magnetkerne durch.die Glühzone aufweist und Mittel zur Entnahme der ungestapelten wärmebehandelten nanokristallinen Magnetkerne aus der Glühzone aufweist.The invention is preferably carried out with a furnace, the furnace having a furnace housing which has at least one annealing zone and a heating source, means for supplying the annealing zone with unstacked amorphous magnetic cores, means for conveying the unstacked amorphous magnetic cores through the annealing zone and means for Removal of the unstacked heat-treated nanocrystalline magnetic cores from the annealing zone.
Vorzugsweise wird die Glühzone eines solchen Ofens mit einem Schutzgas beaufschlagt.A protective gas is preferably applied to the annealing zone of such a furnace.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist dabei das Ofengehäuse die Gestalt eines Turmofens auf, bei dem die Glühzone vertikal verläuft. Die Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Magnetkerne durch die vertikal verlaufende Glühzone sind dabei vorzugsweise ein verti- kal verlaufendes Förderband.In a first embodiment of the present invention, the furnace housing has the shape of a tower furnace in which the annealing zone runs vertically. The means for conveying the unstacked amorphous magnetic cores through the vertically running annealing zone are preferably a vertically running conveyor belt.
Das vertikal verlaufende Förderband weist dabei senkrecht zur Förderbandfläche stehende Auflagen aus einem Material mit hoher Wärmekapazität, d. h. also entweder aus den eingangs be- schriebenen Metallen oder den eingangs beschriebenen Keramiken auf, die eine hohe Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfä- higkeit aufweisen. Die Ringbandkerne liegen dabei auf den Auflagen auf .The vertically running conveyor belt has supports perpendicular to the conveyor belt surface made of a material with a high heat capacity, ie either from the metals described above or the ceramics described at the outset, which have a high heat capacity and high thermal conductivity. ability. The toroidal cores lie on the supports.
Die vertikal verlaufende Glühzone ist dabei vorzugsweise in mehrere separate Heizzonen unterteilt, die mit separaten Heizregelungen versehen sind.The vertically extending annealing zone is preferably divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens weist dieser die Gestalt eines Turmofens auf, bei dem die Glühzone horizontal verläuft. Dabei ist die horizontal verlaufende Glühzone wiederum in mehrere separate Heizzonen unterteilt, die mit separaten Heizregelungen versehen sind. Als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Ringbandkerne durch die horizontal verlaufende Glühzone ist dann zumindest eine, vorzugsweise aber mehrere, sich um die Turmofenachse drehende Auflageplatten vorgesehen.In an alternative embodiment of the furnace according to the invention, it has the shape of a tower furnace in which the annealing zone runs horizontally. The horizontally running annealing zone is in turn divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls. At least one, but preferably a plurality of support plates rotating about the tower furnace axis is then provided as the means for conveying the unstacked amorphous toroidal cores through the horizontally extending annealing zone.
Die Auflageplatten wiederum bestehen ganz oder teilweise aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleit- fähigkeit, auf den die Magnetkerne aufliegen. Hierbei kommen insbesondere metallische Platten in Betracht, die aus den eingangs erwähnten Metallen, d. h. also Kupfer, Silber oder wärmeleitfähiger Stahl, bestehen.The support plates in turn consist entirely or partially of a material with high thermal capacity and high thermal conductivity on which the magnetic cores rest. In particular, metallic plates that come from the metals mentioned at the outset, ie. H. i.e. copper, silver or heat-conductive steel.
In einer dritten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens weist dieser ein Ofengehäuse auf, das die Gestalt eines horizontalen Durchlaufofens aufweist, bei dem die Glühzone wiederum horizontal verläuft. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, weil ein solcher Ofen relativ ein- fach herzustellen ist.In a third alternative embodiment of the furnace according to the invention, it has a furnace housing which has the shape of a horizontal continuous furnace, in which the annealing zone in turn runs horizontally. This embodiment is particularly preferred because such an oven is relatively easy to manufacture.
Dabei sind als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Ringbandkerne durch die horizontal verlaufende Glühzone ein Förderband vorgesehen, wobei das Förderband vorzugsweise wiederum mit Auflagen versehen ist, die aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, auf denen die Ringbandkerne aufliegen. Hierbei kommen wiederum die eingangs diskutierten metallischen und/oder keramischen Materialien in Betracht.A conveyor belt is provided as a means of conveying the unstacked amorphous toroidal cores through the horizontally extending annealing zone, the conveyor belt preferably being provided with supports which consist of a material with high thermal capacity and high thermal conductivity, on which the toroidal cores rest. Come here again the metallic and / or ceramic materials discussed at the beginning.
Typischerweise ist auch hier wiederum die horizontal verlau- fende Glühzone in mehrere separate Heizzonen unterteilt, die mit separaten Heizregelungen versehen sind.Typically, the horizontally running annealing zone is again divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls.
In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung läßt sich die zur Erzeugung von flachen Hystereseschleifen erfor- derlicher magnetische Querfeldbehandlung ebenfalls direkt und gleichzeitig im Durchlauf erzeugen. Dazu wird zumindest ein Teil des vom Ofengehäuse umschlossenen Durchlaufkanals zwischen den beiden Polschuhen eines magnetischen Jochs geführt, so daß die durchlaufenden Magnetkerne in axialer Richtung mit einem homogenen Magnetfeld beaufschlagt werden, wodurch sich in ihnen eine uniaxiale Anisotropie quer zur Richtung des gewickelten Bandes ausbildet. Die Feldstärke des Joches muß dabei so hoch sein, daß die Magnetkerne während der Wärmebehandlung in axialer Richtung zumindest teilweise aufgesättigt sind.In a further development of the present invention, the magnetic cross-field treatment required for the production of flat hysteresis loops can also be generated directly and simultaneously in one pass. For this purpose, at least a part of the flow channel enclosed by the furnace housing is guided between the two pole pieces of a magnetic yoke, so that the magnetic cores passing through are subjected to a homogeneous magnetic field in the axial direction, thereby forming a uniaxial anisotropy transverse to the direction of the wound band. The field strength of the yoke must be so high that the magnetic cores are at least partially saturated in the axial direction during the heat treatment.
Die Hystereseschleifen werden dabei umso flacher und linearer, je größer der Anteil der Länge des Ofenkanals ist, über den das Joch gelegt ist.The hysteresis loops become flatter and linear, the greater the proportion of the length of the furnace channel over which the yoke is placed.
Bei allen drei alternativen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ofens weisen die separaten Heizzonen eine erste Aufheizzone, eine Kristallisationszone, eine zweite Aufheizzone und eine Reifungszone auf.In all three alternative configurations of the furnace according to the invention, the separate heating zones have a first heating zone, a crystallization zone, a second heating zone and a maturing zone.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht. Dabei zeigen:The invention is illustrated below with reference to the drawing, for example. Show:
Figur 2 den Einfluß des Ringbandkerngewichts auf die Permea- bilität (50 Hz) von ohne Wärmesenke durchlaufgeglühten Ringbandkernen, Figur 3 den Einfluß von verschieden dicken Wärmesenken auf das exothermische Kristallisationsverhalten von durchlaufgeglühten Ringbandkernen,FIG. 2 shows the influence of the toroidal core weight on the permeability (50 Hz) of toroidal cores continuously annealed without a heat sink, FIG. 3 shows the influence of heat sinks of different thicknesses on the exothermic crystallization behavior of continuously annealed toroidal cores.
Figur 4 den Einfluß von verschiedenen Dicken von Wärmesenken auf die Maximalpermeabilität von durchlaufgeglühten Ringbandkernen unterschiedlicher Geometrie und unterschiedlicher Ringbandkernmasse,FIG. 4 shows the influence of different thicknesses of heat sinks on the maximum permeability of continuously annealed toroidal cores of different geometry and different toroidal core mass,
Figur 5 den Einfluß des Ringbandkerngewichts auf die Permeabilität (50 Hz) nach einer Durchlaufglühung auf einer 10 mm dicken Kupfer-Wärmesenke,FIG. 5 shows the influence of the toroidal core weight on the permeability (50 Hz) after continuous annealing on a 10 mm thick copper heat sink,
Figur 6 die Stirnflächen von zwei Vergleichsringbandkernen nach einer Durchlaufglühung ohne Wärmesenke und mit6 shows the end faces of two comparison toroidal cores after continuous annealing without heat sink and with
Wärmesenke,Heat sink
Figur.7 schematisch im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Turmofen mit vertikal laufendem Förderband,FIG. 7 schematically, in cross section, a tower furnace according to the invention with a vertically running conveyor belt,
Figur 8 einen erfindungsgemäßen mehrstöckigen Karusellofen,FIG. 8 shows a multi-storey carousel oven according to the invention,
Figur 9 einen erfindungsgemäßen Durchlaufofen mit horizontal verlaufendem Förderband und9 shows a continuous furnace according to the invention with a horizontally running conveyor belt and
Figur 10 eine Querfeiderzeugung mittels eines Jochs über dem Ofenkanal .10 shows a transverse field generation by means of a yoke over the furnace channel.
Insbesondere zur Herstellung von sogenannten runden Hystere- seschleifen werden Glühverfahren benötigt, die die Entstehung und Reifung von einem ultrafeinen nanokristallinen Gefüge unter möglichst feldfreien und thermisch exakten Bedingungen erlaubt. Wie eingangs erwähnt, wird nach dem Stand der Technik normalerweise die Glühung in sogenannten Retortenöfen ausgeführt, in denen die Magnetkerne übereinander gestapelt eingefahren werden. Der entscheidende Nachteil dieses Verfahrens ist, daß durch schwache Streufelder wie z. B. dem magnetischen Feld der Erde oder ähnlichen Streufeldern eine Positionsabhängigkeit der magnetischen Kennwerte im Magnetkernstapel induziert wird. Dies kann man als Antenneneffekt bezeichnen. Während an den Stapelrändern tatsächlich runde Hystereseschleifen mit einer hohen Permeabilität und einem intrinsisch bedingten hohen Remanenzverhältnis von mehr als 60% vorliegen, liegen in der Stapelmitte jedoch mehr oder weniger ausgeprägte flache Hystereseschleifen mit niedrigeren Permeabilitäten und Remanenzverhältnissen vor. Dies wurde eingangs in den Figuren la und lb gezeigt .Annealing processes are required in particular for the production of so-called round hysteresis loops, which allow the formation and maturation of an ultrafine nanocrystalline structure under field-free and thermally exact conditions as possible. As mentioned at the beginning, according to the prior art, the annealing is normally carried out in so-called retort furnaces, in which the magnetic cores are inserted stacked one above the other. The decisive disadvantage of this method is that weak stray fields such. B. the magnetic field of the earth or similar stray fields, a position dependence of the magnetic parameters in the magnetic core stack is induced. This can be called the antenna effect. While there are actually round hysteresis loops with a high permeability and an intrinsically related high remanence ratio of more than 60% at the stack edges, there are more or less pronounced flat hysteresis loops with lower permeabilities and remanence ratios in the middle of the stack. This was initially shown in Figures la and lb.
Entsprechend verläuft die Verteilungskurve für die magneti- sehen Kennwerte eines Fertigungsloses breit, stetig und fällt zu hohen Werten hin monoton ab. Wie eingangs erwähnt hängt der genaue Verlauf von der jeweils verwendeten weichmagnetischen Legierung, der Magnetkerngeometrie und der Stapelhöhe ab.Accordingly, the distribution curve for the magnetic characteristics of a production batch runs broadly, steadily and drops monotonically towards high values. As mentioned at the beginning, the exact course depends on the soft magnetic alloy used, the magnetic core geometry and the stack height.
Neben der magnetostatisch bedingten Parabelbildung besitzt die Stapelglühung in Retortenöfen den weiteren Nachteil, daß mit zunehmendem Magnetkerngewicht die exotherme Wärme des Kristallisationsprozesses nur unvollständig an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Folge ist eine Überhitzung der gestapelten Magnetkerne, die zu niedrigeren Permeabilitäten und zu hohen Koerzitivfeidstärken führen kann. Zur Umgehung dieser Probleme muß im Bereich der einsetzenden Kristallisation, d. h. also ab ca. 450°C sehr langsam aufgeheizt werden, was unwirtschaftlich ist. Typische Aufheizraten liegen dort bei 0,1 bis 0,2 K/min, wodurch alleine das Durchfahren des Bereiches bis 490°C bis zu 7 Stunden betragen kann.In addition to the magnetostatic parabolic formation, stack annealing in retort furnaces has the further disadvantage that the exothermic heat of the crystallization process can only be released to the environment incompletely with increasing magnetic core weight. The result is overheating of the stacked magnetic cores, which can lead to lower permeabilities and high coercive field strengths. To avoid these problems in the area of the onset of crystallization, i. H. So from about 450 ° C are heated very slowly, which is uneconomical. Typical heating rates are 0.1 to 0.2 K / min, which means that the passage through the area up to 490 ° C can be up to 7 hours.
Die einzige wirtschaftlich realisierbare großtechnische Al- ternative zur Stapelglühung im Retortenofen liegt in einer Glühung gemäß der vorliegenden Erfindung im Durchlauf. Durch die Vereinzelung der Magnetkerne durch das Durchlaufverfahren werden identische magnetostatische Bedingungen für jeden einzelnen Magnetkern geschaffen. Die Folge ist die Beseitigung der oben beschriebenen Parabeleffekte, die die Streuungen auf legierungspezifische, kerntechnologische und thermische Ursa- chen.The only economically feasible large-scale alternative to batch annealing in the retort furnace lies in annealing in accordance with the present invention in a continuous process. By separating the magnetic cores through the continuous process identical magnetostatic conditions are created for each individual magnetic core. The result is the elimination of the parabolic effects described above, which cause scattering on alloy-specific, nuclear technology and thermal causes.
Während die beiden ersten Faktoren gut kontrollierbar sind, kann die für Durchlaufglühungen typische schnelle Aufheizrate selbst bei vereinzelten Magnetkernen zu einer exothermen Wär- meentwicklung führen, die gemäß der Figur 2 eine mit dem Kerngewicht zunehmende Schädigung der Magneteigenschaften verursacht. Die Figur 2 zeigt den Einfluß des Magnetkerngewichts auf die Magnetwerte (μio ~ Mmax) wenn die Magnetkerne ohne eine Wärmesenke direkt im Durchlauf wärmebehandelt wer- den.While the first two factors are easy to control, the rapid heating rate typical of continuous annealing can lead to exothermic heat development even with isolated magnetic cores, which, according to FIG. 2, causes damage to the magnetic properties that increases with the core weight. FIG. 2 shows the influence of the magnetic core weight on the magnetic values (μio ~ Mmax) if the magnetic cores are heat-treated directly in the pass without a heat sink.
Da eine verzögerte Aufheizung zu einer unwirtschaftlichen Vervielfachung der Länge der Durchlaufstrecke führen würde, kann dieses Problem durch die Einführung wärmeabsorbierender Unterlagen (Wärmesenken) aus gut wärmeleitenden Metallen oder durch metallische oder keramische Pulverbetten gelöst werden. Als besonders geeignet haben sich Kupferplatten bewiesen, da diese eine hohe spezifische Wärmekapazität und eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch kann den Magnetkernen die exotherm erzeugte Kristallisationswärme stirnseitig entzogen werden. Darüber hinaus reduzieren derartige Wärmesenken die Aufheizrate, wodurch die exotherme Übertemperatur weiter eingeschränkt werden kann. Dies wird durch die Figur 3 veranschaulicht. Die Figur 3 zeigt den Einfluß unterschiedlich di- cker Kupfer-Wärmesenken auf das Exothermieverhalten in Ringbandkernen, die Abmessung von ungefähr 21 x 11,5 x 25 mm aufwiesen.Since delayed heating would lead to an uneconomical multiplication of the length of the throughput section, this problem can be solved by introducing heat-absorbing underlays (heat sinks) made of good heat-conducting metals or by metallic or ceramic powder beds. Copper plates have proven to be particularly suitable, since they have a high specific heat capacity and very good thermal conductivity. This means that the exothermic heat of crystallization can be extracted from the front of the magnetic cores. In addition, such heat sinks reduce the heating rate, which can further limit the exothermic overtemperature. This is illustrated by FIG. 3. FIG. 3 shows the influence of differently thick copper heat sinks on the exothermic behavior in toroidal tape cores, which had dimensions of approximately 21 x 11.5 x 25 mm.
Da die Rate des Temperaturausgleichs von der Temperaturdiffe- renz zwischen Magnetkern und Wärmesenke abhängt, ist deren Wärmekapazität über die Dicke an die Masse und Höhe des Magnetkerns anzupassen. Die Figur 4 zeigt den Einfluß der Dicke der Wärmesenken auf die Maximalpermeabilität von Ringbandkernen unterschiedlicher Geometrien bzw. Magnetkernmassen. Während nach der Figur 4 bei Magnetkernen mit kleinem Kerngewicht und/oder kleiner Magnetkernhöhe bereits eine 4 mm dicke Kupfer-Wärmesenke zu guten magnetischen Kennwerten führt, benötigen schwerere bzw. höhere Magnetkerne dickere Wärmesenken mit einer höheren Wärmekapazität. Es hat sich dabei als empirische Faustregel er- geben, daß die Plattendicke d > 0,4 x der Kernhöhe h sein sollte.Since the rate of temperature equalization depends on the temperature difference between the magnetic core and the heat sink, the thermal capacity of the magnetic core must be adapted to the mass and height of the magnetic core. FIG. 4 shows the influence of the thickness of the heat sinks on the maximum permeability of toroidal cores of different geometries or magnetic core masses. While, according to FIG. 4, a 4 mm thick copper heat sink already leads to good magnetic characteristics for magnetic cores with a small core weight and / or a small magnetic core height, heavier or higher magnetic cores require thicker heat sinks with a higher heat capacity. It has emerged as an empirical rule of thumb that the plate thickness should be d> 0.4 x the core height h.
Wie aus der Figur 5 hervorgeht, lassen sich unter Berücksichtigung dieser Regel über einen weiten Gewichtsbereich hinweg hervorragende magnetische Kennwerte (μ ax (50 Hz) > 500.000; μi > 100.000) erzielen.As can be seen from FIG. 5, taking this rule into account, excellent magnetic characteristics (μ ax (50 Hz)>500,000;μi> 100,000) can be achieved over a wide weight range.
Das Absenken der magnetischen Eigenschaften bei Durchlaufglü- hungen ohne Wärmesenken ist meist mit lamellenförmigen Ver- werfungen und Knicken der Bandlagen verbunden, was aus der Figur 6 hervorgeht. Die Figur 6 zeigt die Stirnflächen von zwei Ringbandkernen der Abmessungen 50 x 40 x 25 mm3 nach einer Durchlaufglühung ohne Wärmesenke (linker Kern) und auf einer 10 mm starken Kupfer-Wärmesenke (rechter Kern) . Bei rechten Kern traten an der Stirnseite praktisch keine Verwerfungen mehr auf. Beim linken Magnetkern hingegen liegt die Maximalpermeabilität bei μmax = 127.000, wo hingegen sie beim rechten Magnetkern ungefähr 620.000 betrug.The lowering of the magnetic properties in continuous annealing without heat sinks is usually associated with lamellar warpage and kinking of the strip layers, as can be seen from FIG. 6. FIG. 6 shows the end faces of two toroidal cores measuring 50 x 40 x 25 mm 3 after continuous annealing without a heat sink (left core) and on a 10 mm thick copper heat sink (right core). With the right nucleus there were practically no faults on the front side. When left magnetic core, however, the maximum permeability is μ m ax = 127,000, whereas it was approximately 620,000 at the right magnetic core.
Es hat sich gezeigt, daß nur dann, wenn mehr als ca. 85% der Stirnflächen eines Kerns verwerfungsfrei sind, auch gute magnetische Kennwerte erreicht werden können.It has been shown that good magnetic characteristics can only be achieved if more than approximately 85% of the end faces of a core are free of distortion.
Die Figur 7 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einen sogenannten Turmofen. Der Turmofen weist dabei ein Ofengehäuse auf, bei dem die Glühzone vertikal verläuft . Die ungestapelten amorphen Magnetkerne werden dabei durch eine vertikal verlaufende Glühzone durch ein vertikal verlaufendes Förderband gefördert.FIG. 7 schematically shows a first embodiment of the present invention, a so-called tower furnace. The tower furnace has a furnace housing in which the annealing zone runs vertically. The unstacked amorphous magnetic cores are conveyed through a vertically running annealing zone by a vertically running conveyor belt.
Das vertikal verlaufende Förderband weist dabei senkrecht zur Förderbandfläche stehende Wärmesenken aus einem Material mit hoher Wärmekapazität, vorzugsweise Kupfer, auf. Die Ringbandkerne liegen dabei mit ihren Stirnflächen auf den Auflagen auf. Die vertikal verlaufende Glühzone ist dabei in mehrere separate Heizungen unterteilt, die mit separaten Heizregelun- gen versehen sind.The vertical conveyor belt has heat sinks made of a material with a high heat capacity, preferably copper, which are perpendicular to the conveyor belt surface. The ring band cores lie with their end faces on the supports. The vertical annealing zone is divided into several separate heaters, which are provided with separate heating controls.
In der Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Auch hier ist wiederum die Gestalt des Ofens die eines Turmofens, bei dem die Glühzone jedoch horizontal verläuft. Dabei ist die horizontal verlaufende Glühzone wiederum in mehrere separate Heizzonen unterteilt, die mit separaten Heizregelungen versehen sind. Als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Ringbandkerne durch die horizontal verlaufende Glühzone ist wiederum eine, vorzugsweise aber mehrere sich um die Turmofenachse drehende Auflagenplatten vorgesehen, die als Wärmesenken dienen.Another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. Again, the shape of the furnace is that of a tower furnace, but the annealing zone is horizontal. The horizontally running annealing zone is in turn divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls. As means for conveying the unstacked amorphous toroidal cores through the horizontally extending annealing zone, one, but preferably several, support plates rotating around the tower furnace axis are provided, which serve as heat sinks.
Die Auflageplatten wiederum bestehen ganz oder teilweise aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit, auf dem die Magnetkerne mit ihren Stirnflächen aufliegen.The support plates in turn consist entirely or partially of a material with high thermal capacity and high thermal conductivity, on which the magnetic cores rest with their end faces.
Die Figur 9 schließlich zeigt eine dritte besonders bevorzug- te alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Ofengehäuse die Gestalt eines horizontalen Durchlaufofens aufweist. Dabei verläuft die Glühzone wiederum horizontal. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, weil ein solcher Ofen im Gegensatz zu den beiden oben genannten Öfen mit weniger Aufwand herzustellen ist. Dabei werden die Ringbandkerne durch die horizontal verlaufende Glühzone über ein Förderband gefördert, wobei das Förderband vorzugsweise wiederum mit Auflagen versehen ist, die als Wärmesenken dienen. Besonders bevorzugt sind hier wieder- um Kupferplatten. In einer alternativen Ausgestaltung des Transportes werden Platten als Wärmesenken genommen, die auf Rollen durch das Ofengehäuse gleiten.Finally, FIG. 9 shows a third particularly preferred alternative embodiment of the present invention, in which the furnace housing has the shape of a horizontal continuous furnace. The annealing zone again runs horizontally. This embodiment is particularly preferred because, in contrast to the two ovens mentioned above, such an oven can be produced with less effort. The ring belt cores are conveyed through the horizontally extending annealing zone on a conveyor belt, the conveyor belt preferably being provided with supports which serve as heat sinks. Again, copper plates are particularly preferred. In an alternative embodiment of the transport plates are taken as heat sinks that slide through the furnace housing on rollers.
Wie aus der Figur 9 hervorgeht, ist die horizontal verlaufen- de Glühzone wiederum in mehrere separate Heizzonen unterteilt, die mit separaten Heizregelungen versehen sind.As can be seen from FIG. 9, the horizontally running annealing zone is in turn subdivided into several separate heating zones which are provided with separate heating controls.
Bei einer speziellen Ausführungsform des in Figur 9 gezeigten Durchlaufofens läßt sich die zur Erzeugung einer flachen Hystereseschleife erforderliche magnetische Querfeldbehandlung direkt im Durchlauf durchführen. Die dazu erforderliche Vorrichtung ist in der Figur 10 gezeigt. Hierzu wird zumindest ein Teil des Durchlaufkanals des Ofens zwischen den Polschuhen eines Jochs geführt, so daß die durchlaufenden Mag- netkerne in axialer Richtung mit einem homogenen Magnetfeld beaufschlagt werden, wodurch sich in ihnen eine uniaxiale A- nisotropie quer zur Richtung des gewickelten Bandes ausbildet. Die Feldstärke des Joches muß dabei so hoch sein, daß die Magnetkerne während der Wärmebehandlung in axialer Rich- tung zumindest teilweise aufgesättigt sind.In a special embodiment of the continuous furnace shown in FIG. 9, the magnetic transverse field treatment required to produce a flat hysteresis loop can be carried out directly in the continuous process. The device required for this is shown in FIG. For this purpose, at least part of the passage of the furnace is guided between the pole pieces of a yoke, so that the magnetic cores which pass through are subjected to a homogeneous magnetic field in the axial direction, as a result of which a uniaxial anisotropy transverse to the direction of the wound strip is formed. The field strength of the yoke must be so high that the magnetic cores are at least partially saturated in the axial direction during the heat treatment.
Die Hystereseschleifen werden dabei umso flacher und linearer, je größer der Anteil der Länge des Ofenkanals ist, über den das Joch gelegt ist.The hysteresis loops become flatter and linear, the greater the proportion of the length of the furnace channel over which the yoke is placed.
Mit dieser Maßnahme wurden folgende Ergebnisse erzeiltThe following results were achieved with this measure
Bei einer Feldstärke von 0,3 T, die zwischen den Polschuhen des Joches, das entlang der gesamten Heizstrecke wirksam war, wurden Magnetkerne mit den Abmessungen 21mm x 11,5mm x 25 mm mit der Zusammensetzung Fet)aιCu1 osi15, 62 B 6 , 85 Nb 2, 98 erzeugt, die Permeabilitätswerte von ca.μ = 23.000 (f= 50 Hz) aufwiesen. Das Remanenzverhältnis wurde infolge der axialen Feldeinwirkung auf 5,6% reduziert.With a field strength of 0.3 T between the pole pieces of the yoke, which was effective along the entire heating section, magnetic cores with the dimensions 21 mm x 11.5 mm x 25 mm with the composition Fet ) a ιCu 1 o si 15, 6 2 B 6 , 85 Nb 2 , 98 generated that had permeability values of approx. μ = 23,000 (f = 50 Hz). The remanence ratio was reduced to 5.6% due to the axial field effect.
Bei Belegung von nur der halben Heizstrecke blieb die uniaxiale Anisotropie schwächer und die Hystereseschleife wurde weniger flach.When only half the heating distance was occupied, the uniaxial anisotropy remained weaker and the hysteresis loop became less flat.
Bei der Temperung ohne magnetisches Joch lag das Remanenzver- hältnis im Vergleich dazu um oder oberhalb von 50% und derIn the case of tempering without a magnetic yoke, the remanence ratio was in comparison to or above 50% and the
Permeabilitätsverlauf in Abhängigkeit von der Feldstärke entsprach dem von runden Hystereseschleifen.The permeability curve as a function of the field strength corresponded to that of round hysteresis loops.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Vorrichtungen lassen sich ein großtechnischer Fertigungsweg beschreiten, indem zunächst alle anfallenden Magnetkerne im Durchlauf kristallisiert werden. Je nach dem ob die geforderten Hyste- reschleifen nun rund, flach oder rechteckig sein sollen, werden diese Magnetkerne anschließend entweder sofort endverar- beitet, d. h. in Gehäuse gefaßt, in einem magnetischen Längs- feld auf eine rechteckige Hystereschleife oder in einem magnetischen Querfeld auf eine flache Hystereseschleife umgetempert und erst dann Endverarbeitet.With the method and the devices according to the invention, a large-scale production route can be followed by first crystallizing all of the magnetic cores that occur in one pass. Depending on whether the required hysteresis loops should now be round, flat or rectangular, these magnetic cores are then either immediately finished, i. H. encased in a housing, annealed in a longitudinal magnetic field on a rectangular hysteresis loop or in a magnetic transverse field on a flat hysteresis loop and only then finished.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren lassen sich die Kerne wesentlich schneller und in einer wesentlich wirtschaftlicheren Art und Weise herstellen. In contrast to the conventional processes, the cores can be manufactured much faster and in a much more economical way.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Magnetkernen bestehend aus einer weichmagnetischen Eisen-Basis-Legierung, wobei mindes- tens 50% der Legierungsstruktur von feinkristallinen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 100 nm oder weniger eingenommen wird, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Legierungsschmelze; b) Herstellung eines amorphen Legierungsbandes aus der Legie- rungsschmelze mittels Rascherstarrungstechnologie; c) Wickeln des amorphen Bandes zu amorphen Magnetkernen; d) Wärmebehandlung der ungestapelten amorphen Magnetkerne im Durchlauf zu nanokristallinen Magnetkernen.1. A method for producing magnetic cores consisting of a soft magnetic iron-based alloy, wherein at least 50% of the alloy structure is taken up by fine crystalline particles with an average particle size of 100 nm or less, with the following steps: a) providing an alloy melt; b) production of an amorphous alloy strip from the alloy melt using rapid solidification technology; c) winding the amorphous tape into amorphous magnetic cores; d) heat treatment of the unstacked amorphous magnetic cores in a pass to nanocrystalline magnetic cores.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung der ungestapelten amorphen Magnetkerne auf Wärmesenken, die eine hohe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the heat treatment of the unstacked amorphous magnetic cores is carried out on heat sinks which have a high thermal capacity and a high thermal conductivity.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Wärmesenken ein Metall oder eine metallische Legierung oder ein Metallpulver vorgesehen ist.3. The method according to claim 2, characterized in that a metal or a metallic alloy or a metal powder is provided as the material for the heat sinks.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß als Metall oder als Metallpulver Kupfer, Silber oder ein wärmeleitfähiger Stahl vorgesehen ist.4. The method according to claim 3, characterized in that copper, silver or a heat-conductive steel is provided as metal or as metal powder.
5. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Wärmesenken eine Keramik vorgesehen ist. 5. The method according to claim 2, characterized in that a ceramic is provided as the material for the heat sinks.
6. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Wärmesenken einen keramisches Pulver vorgesehen ist.6. The method according to claim 2, characterized in that a ceramic powder is provided as the material for the heat sinks.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik oder keramisches Pulver Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid vorgesehen ist.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that magnesium oxide, aluminum oxide or aluminum nitride is provided as ceramic or ceramic powder.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in einem Temperaturintervall von ca. 450°C bis ca. 620°C vorgenommen wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the heat treatment is carried out in a temperature interval of approximately 450 ° C to approximately 620 ° C.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , daß bei der Wärmebehandlung ein Temperaturfenster von 450°C bis 500°C durchlaufen wird.9. The method according to claim 8, characterized in that a temperature window of 450 ° C to 500 ° C is run through during the heat treatment.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfenster mit einer Aufheizrate von 0,1 K/Min bis ca. 20 K/Min durchlaufen wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the temperature window is run through with a heating rate of 0.1 K / min to about 20 K / min.
11. Ofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit A) einem Ofengehäuse, das zumindest eine Glühzone und eine11. Furnace for performing the method according to one of claims 1 to 10 with A) a furnace housing, the at least one annealing zone and one
Heizquelle aufweist; B) Mitteln zur Beschickung der Glühzone mit ungestapelten a- morphen Magnetkernen;Has heat source; B) means for loading the annealing zone with unstacked amorphous magnetic cores;
C) Mitteln zur Beförderung der ungestapelten amorphen Magnetkerne durch die Glühzone undC) means for conveying the unstacked amorphous magnetic cores through the annealing zone and
D) Mitteln zur Entnahme der ungestapelten wärmebehandelten nanokristallinen Magnetkerne aus der Glühzone. D) Means for removing the unstacked heat-treated nanocrystalline magnetic cores from the annealing zone.
12. Ofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ferner vorgesehen sind12. Oven according to claim 11, characterized in that further are provided
E) Mittel zur Beaufschlagung der Glühzone mit einem Schutz- gas .E) Means for applying a protective gas to the annealing zone.
13. Ofen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Ofengehäuse die Gestalt eines Turmofens aufweist, bei dem die Glühzone vertikal verläuft.13. Furnace according to claim 11 or 12, characterized in that the furnace housing has the shape of a tower furnace, in which the annealing zone extends vertically.
14. Ofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Magnetkerne durch die vertikal verlaufende Glühzone ein vertikal verlaufendes Förderband vorgesehen ist.14. Oven according to claim 13, characterized in that a vertically extending conveyor belt is provided as a means for conveying the unstacked amorphous magnetic cores through the vertically extending annealing zone.
15. Ofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das vertikal verlaufende Förderband mit senkrecht zur Förderbandfläche stehenden Auflagen aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist, auf denen die Magnetkerne aufliegen.15. Oven according to claim 14, characterized in that the vertical conveyor belt is provided with supports perpendicular to the conveyor belt surface made of a material with high thermal capacity and high thermal conductivity, on which the magnetic cores rest.
16. Ofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Magnetkerne durch die vertikal verlaufende Glühzone auf Rollen gelagerte Auflagen sind.16. Oven according to claim 13, characterized in that as means for conveying the unstacked amorphous magnetic cores through the vertically extending annealing zone are supports supported on rollers.
17. Ofen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagen aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, auf denen die Magnet- kerne aufliegen. 17. Oven according to claim 16, characterized in that the supports consist of a material with a high thermal capacity and high thermal conductivity, on which the magnetic cores rest.
18. Ofen nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch geke nzeichnet, daß die vertikal verlaufende Glühzone in mehrere separate Heizzonen unterteilt ist, die mit separaten Heizregelungen versehen sind.18. Oven according to one of claims 13 to 17, characterized in that the vertically extending annealing zone is divided into several separate heating zones, which are provided with separate heating controls.
19. Ofen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch geke nzeichnet, daß das Ofengehäuse die Gestalt eines Turmofens aufweist, bei dem die Glühzone horizontal verläuft.19. Furnace according to claim 11 or 12, characterized in that the furnace housing has the shape of a tower furnace, in which the annealing zone runs horizontally.
20 . Ofen nach Anspruch 19 , d a d u r c h g e k e n z e i c h n e t , daß die horizontal verlaufende Glühzone in mehrere separate Heizzonen unterteilt ist, die mit separaten Heizregelungen versehen sind.20th Furnace according to claim 19, so that the horizontally extending annealing zone is divided into several separate heating zones which are provided with separate heating controls.
21. Ofen nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen21. Oven according to one of claims 17 or 18, characterized in that as a means for transporting the unstacked amorphous
Magnetkerne durch die horizontal verlaufende Glühzone zumindest eine sich um die Turmofenachse drehende Auflageplatte vorgesehen ist.Magnetic cores through the horizontally extending annealing zone is provided at least one support plate rotating about the tower furnace axis.
22. Ofen nach Anspruch 19, dadurch ge ennzeichnet, daß die Auflageplatte ganz oder teilweise aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, auf denen die Magnetkerne aufliegen.22. Oven according to claim 19, characterized in that the support plate consists entirely or partially of a material with a high thermal capacity and high thermal conductivity, on which the magnetic cores rest.
23. Ofen nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sich um die Turmofenachse drehende übereinander gestapelte Auflageplatten vorgesehen sind. 23. Oven according to one of claims 18 to 20, characterized in that a plurality of support plates stacked one above the other rotating about the tower furnace axis are provided.
24. Ofen nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofengehäuse die Gestalt eines horizontalen Durchlauf- ofens aufweist, bei dem die Glühzone horizontal verläuft.24. Furnace according to one of claims 11 or 12, characterized in that the furnace housing has the shape of a horizontal continuous furnace, in which the annealing zone runs horizontally.
25. Ofen nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen Magnetkerne durch die horizontal verlaufende Glühzone ein Förderband vorgesehen ist.25. Oven according to claim 24, characterized in that a conveyor belt is provided as a means for conveying the unstacked amorphous magnetic cores through the horizontally extending annealing zone.
26. Ofen nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , daß das Förderband mit Auflagen versehen ist, die aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, auf denen die Magnetkerne aufliegen.26. Oven according to claim 25, characterized in that the conveyor belt is provided with supports which consist of a material with a high thermal capacity and high thermal conductivity on which the magnetic cores rest.
27. Ofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß als Mittel zur Beförderung der ungestapelten amorphen27. Oven according to claim 13, characterized in that as a means for transporting the unstacked amorphous
Magnetkerne durch die vertikal verlaufende Glühzone auf Rollen gelagerte Auflagen sind.Magnetic cores are supported by rollers due to the vertical glow zone.
28. Ofen nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagen aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, auf denen die Magnetkerne aufliegen.28. Oven according to claim 27, characterized in that the supports consist of a material with high thermal capacity and high thermal conductivity, on which the magnetic cores rest.
29. Ofen nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontal verlaufende Glühzone in mehrere separate29. Furnace according to one of claims 22 to 23, characterized in that the horizontally extending annealing zone in several separate
Heizzonen unterteilt ist, die mit separaten Heizregelungen versehen sind. Heating zones is divided, which are provided with separate heating controls.
30. Ofen nach Anspruch 14, 18 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die separaten Heizzonen eine erste Aufheizzone, eine Kristallisationszone, eine zweite Aufheizzone und eine Rei- fungszone umfassen.30. Oven according to claim 14, 18 or 24, characterized in that the separate heating zones comprise a first heating zone, a crystallization zone, a second heating zone and a maturing zone.
31. Ofen nach einem der Ansprüche 11 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der uniaxialen Anisotropie die Polschuhe eines magnetischen Joches zumindest teilweise über den vom Ofengehäuse umfassten Durchlaufkanal gelegt sind. 31. Oven according to one of claims 11 to 30, characterized in that to adjust the uniaxial anisotropy, the pole pieces of a magnetic yoke are at least partially placed over the passage channel comprised by the furnace housing.
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