EP2697399A1 - Alloy, magnet core and process for producing a strip made of an alloy - Google Patents

Alloy, magnet core and process for producing a strip made of an alloy

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EP2697399A1
EP2697399A1 EP12720963.3A EP12720963A EP2697399A1 EP 2697399 A1 EP2697399 A1 EP 2697399A1 EP 12720963 A EP12720963 A EP 12720963A EP 2697399 A1 EP2697399 A1 EP 2697399A1
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EP
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alloy
permeability
less
heat treatment
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EP12720963.3A
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Giselher Herzer
Christian Polak
Viktoria BUDINSKY
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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    • C21D2201/03Amorphous or microcrystalline structure

Definitions

  • the present invention relates to an alloy, in particular a soft magnetic alloy suitable for use as a magnetic core, a magnetic core and a method for producing an alloy strip.
  • Nanocrystalline alloys based on a composition Feioo-a- b -cdxy- z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z can be used as a magnetic core for different applications.
  • the US 7,583,173 discloses a wound magnetic core which is used, inter alia, with a current transformer of (Fei_ a Ni a) ioo-x-y _ z _ a _ b _c CUxSiyBz baM 'M' ' ⁇ , wherein a ⁇ 0 , 3, 0.6 ⁇ x ⁇ 1.5, 10 ⁇ y ⁇ 17, 5 ⁇ z ⁇ 14, 2 ⁇ ⁇ 6, ⁇ ⁇ 7, ⁇ ⁇ 8, ⁇ 'at least one of the elements V, Cr, AI and Zn and M "are at least one of C, Ge, P, Ga, Sb, In and Be.
  • EP 0 271 657 A2 also discloses alloys with a summary on this basis.
  • These alloys also in the form of tapes, can be used as the magnetic core in various components, such as power transformers, current transformers and storage chokes.
  • the lowest possible production costs are generally desirable. However, the cost reduction should have as little or no effect on the operation of the magnetic core. In some applications of magnetic cores, further reduction of the size and weight of the magnetic core is desirable so that the size and weight of the component itself can be further reduced. At the same time, however, no increase in the manufacturing cost of the magnetic core is desired.
  • the object is therefore to provide an alloy which is suitable for use as a magnetic core, which can be produced more cheaply. Another object is to select the alloys so that the size and / or weight of the magnetic core can be reduced compared to a conventional magnetic core.
  • M is one or more of Mo
  • Ta or Zr is one or more of V
  • Z is one or more of C, P or Ge and 0 at% ⁇ a ⁇ 1.5 Atom%, 0 atom% ⁇ b ⁇ 2 atom%, 0 atom% ⁇ (b + c) ⁇ 2
  • the alloy is further formed in the form of a band and has a nanocrystalline structure in which at least 50% by volume of the grains have an average size of less than 100 nm.
  • the alloy also has a hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio, J T / J S , ⁇ 0.1, and a ratio of coercive field strength, H c , to anisotropic field strength, H a , ⁇ 10%.
  • the alloy thus has a composition with a niobium content of less than 2 atomic percent.
  • This has the advantage that the raw material costs are lower compared to a composition with a higher niobium content, since niobium is a relatively expensive element.
  • the lower limit of the silicon content and the upper limit of the boron content of the alloy are determined so that the alloy can be made in the form of a strip under tension in a continuous furnace, thereby achieving the above-mentioned magnetic properties.
  • the alloy may also exhibit the desired soft magnetic properties for magnetic core applications.
  • the shape as a band not only makes it possible to manufacture the alloy under tension in a continuous furnace, but also to manufacture a magnetic core having any number of windings. Consequently, the size and magnetic properties of the magnetic core can be easily adjusted by appropriate selection of the windings to the application. Due to the nanocrystalline structure with a particle size of less than 100 nm in at least 50% by volume of the alloy, a low saturation magnetostriction is achieved at high saturation polarization. Due to the heat treatment under tensile stress, a suitable magnetic alloy selection results in a magnetic hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio of less than 0.1 and a coercive field strength of less than 10% of the anisotropy field.
  • the central part of the hysteresis loop is defined as the part of the hysteresis loop that lies between the anisotropy field strength points that characterize the transition to saturation.
  • 5J on or 5J ab denote the standard deviation of the magnetization from a compensation straight line by the rising or rising branch of the hysteresis loop between magnetization values of + 75% of the saturation polarization J s .
  • This alloy is therefore particularly suitable for a magnetic core having a reduced size and a smaller weight with lower raw material costs and at the same time the desired soft magnetic properties for use as a magnetic core.
  • the remanence ratio of the alloy is less than 0.05.
  • the hysteresis loop of the alloy is thus even more linear or flat.
  • the ratio of coercive strength to anisotropic field strength is less than 5%.
  • the hysteresis loop even more linear, so that the Ummagnetleitershnee are even lower.
  • the alloy further has a permeability ⁇ of 40 to 3000 or 80 to 1500.
  • the alloy has a permeability between about 200 and 9000. In these and other examples, the permeability is determined primarily by the choice of tensile stress in the heat treatment. The tensile stress can be up to about 800 MPa without the band breaking.
  • Such relatively low permeabilities are advantageous for current transformers, power transmitters, storage chokes, and other applications where the magnetic core should not be ferromagnetic saturated so that the inductance does not suffer losses when high electrical currents flow through windings around the magnetic core.
  • Suitable permeability ranges result from the specific requirements of the respective application. Suitable ranges are 1500 to 3000, 200 to 1500 and 50 to 200. Thus, for example, a permeability ⁇ of about 1500 to about 3000 is advantageous for DC-tolerant current transformers, while for power transmitters a permeability range of about 200 to 1500 and for storage chokes rather a permeability range from about 50 to 200 is particularly suitable.
  • the alloy may have a saturation magnetostriction of less than 5 ppm in magnitude. Alloys with a saturation magnetostriction below these limits have particularly good soft magnetic properties even with internal stress, especially when the permeability is not significantly greater than 500. For higher permeabilities it is advantageous to select alloys with smaller values of saturation magnetostriction.
  • the alloy may also have a saturation magnetostriction of less than 2 ppm, preferably less than 1 ppm. Alloys with a saturation magnetostriction below these limits have particularly good soft-magnetic properties, even with internal stress, in particular if the permeability ⁇ is greater than 500 or greater than 1000.
  • the alloy comprises niobium and / or copper, where 0 ⁇ a ⁇ 0.5 and 0 ⁇ b ⁇ 0.5.
  • the silicon content and / or the boron content is further defined such that the alloy has 14 atom% ⁇ x ⁇ 17 atom% and / or 5.5 atom% ⁇ y ⁇ 8 atom%.
  • the alloy has the shape of a band.
  • This band may have a thickness of 10 ⁇ to 50 ⁇ . This thickness makes it possible to wind a magnetic core with a large number of windings, which at the same time has a small outer diameter.
  • At least 70 vol-% of the grains have a mean size of less than 50 nm. This allows a further increase in the magnetic properties.
  • the alloy is heat-treated in the form of a ribbon under tension to produce the desired magnetic properties.
  • the alloy ie the finished heat-treated strip, is thus also characterized by a structure which originated by this manufacturing process.
  • the crystallites have an average size of about 20-25 nm and a remanent elongation in the tape longitudinal direction between about 0.02% and 0.5%, which is proportional to the tensile stress applied during the heat treatment. For example, a heat treatment under a tensile stress of 100 MPa results in an elongation of about 0.1%.
  • the crystalline grains may have an elongation of at least 0.02% in a preferred direction.
  • the magnetic core may be in the form of a wound tape, wherein to form the magnetic core, depending on the application, the tape may be wound in a plane or as a solenoid about an axis.
  • the band of the magnetic core may be coated with an insulating layer to electrically insulate the windings of the magnetic core from each other.
  • the layer may be, for example, a polymer layer or a ceramic layer.
  • the tape may be coated with the insulating layer before and / or after winding into a magnetic core.
  • the magnetic core according to one of the preceding embodiments can be used in various components.
  • a power transformer, a current transformer and a storage choke with a magnetic core according to one of these exemplary embodiments are also specified.
  • a method for producing a tape is also disclosed, comprising: providing an amorphous alloy tape having a composition consisting of
  • M is one or more of the elements Mo, Ta, or Zr, a T or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni and Z, one or more of the elements C, P or Ge and 0 atom% ⁇ a ⁇ 1.5 atom%, 0 atom% ⁇ b ⁇ 2 atom%, 0 atom % ⁇ (b + c) ⁇ 2 atom%, 0 atom% ⁇ d ⁇ 5 atom%, 10 atom% ⁇ x ⁇ 18 atom%, 5 atom% ⁇ y ⁇ 11 atom% and 0 atom% ⁇ z ⁇ 2 atom % is.
  • Tape is heat treated under tension in a continuous oven at a temperature T a , where 450 ° C ⁇ Ta ⁇ 750 ° C.
  • This composition can be prepared with a heat treatment between 450 ° C and 750 ° C under tension with suitable magnetic properties for use as a magnetic core.
  • the heat treatment results in the formation of a nanocrystalline microstructure in which at least 50% by volume of the grains have an average size smaller than 100 nm.
  • this composition with less than 2 atomic percent of niobium can be made by this method to have a hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio, J r / J s , ⁇ 0.1, and a coercive-field strength, H c , to anisotropic field strength, H a , ⁇ 10%.
  • the strip is heat treated in the pass. Consequently, the belt is pulled through the continuous furnace at a speed s.
  • This speed s can be set so that a residence time of the belt in a temperature zone of the belt
  • Continuous furnace with the temperature within 5% of the T a is between 2 seconds and 2 minutes.
  • the time to heat the tape to the temperature T a is of a comparable order of magnitude as the duration of the heat treatment itself. The same applies to the duration of the subsequent cooling.
  • This residence time leads in this tempering temperature range to the desired structure and the desired magnetic properties.
  • the tape is pulled through the continuous furnace under a tension of between 5 and 160 MPa.
  • the band is pulled through the continuous furnace under a tensile stress of 20 MPa to 500 MPa. It is also possible to pull the strip through the kiln even with a higher tensile stress up to about 800 MPa without tearing it. This range of tensile stress is suitable for achieving the desired magnetic properties in the abovementioned compositions.
  • the value of the permeability ⁇ achieved is inversely proportional to the tensile stress a a applied during the heat treatment.
  • a tensile stress ⁇ a is required which corresponds to the relation ⁇ 3 ⁇ ⁇ / ⁇ enough.
  • has a value of ⁇ 48,000 MPa.
  • has a value of, for example, ⁇ 36000 MPa.
  • values in the range of ⁇ 30,000 MPa to ⁇ ⁇ 700,000 MPa can be used for the alloys according to the invention and the corresponding heat treatment process. The exact value depends on the composition, the tempering temperature and to some extent on the tempering time.
  • the tensile stress that leads to the desired magnetic properties may therefore be dependent on the composition of the alloy and on the tempering temperature as well as the tempering time.
  • the ⁇ for a bene vorgege- permeability tensile stress required a a from the permeability is a UTest Testglühung out under a tension a Te st according to the relation
  • the desired magnetic properties may also be dependent on the tempering temperature T a and consequently set by the selection of the tempering temperature.
  • the temperature T a ⁇ (T x2 + 30 ° C) is selected for execution in an off depending on the niobium content B according to the relation (T xi + 50 ° C) ⁇ T a.
  • T xi and T x2 correspond to the crystallization temperatures defined by the maximum of the heat of transformation, which are determined by means of thermal standard methods such as DSC (differential scanning calometry) at a heating rate of 10 K / min.
  • a desired value of the permeability or anisotropic field strength, as well as a permitted deviation range is predetermined.
  • magnetic properties of the belt are continuously measured when leaving the continuous furnace.
  • the tension on the belt is adjusted accordingly to bring the measured values of the magnetic properties back within the allowable deviation ranges.
  • This embodiment reduces the deviations of the magnetic properties over the length of the band, so that the magnetic properties within a magnetic core are more homogeneous and / or the magnetic properties of a plurality of magnetic cores made from a single band deviate less.
  • the uniformity of the soft magnetic properties of the magnetic cores especially in commercial production, can be improved.
  • FIG. 1 shows a diagram of hysteresis loops of comparative examples of nanocrystalline Fe 77 -xCui b x Sii 5.5 B s .5 with different niobium content after heat treatment in a magnetic field transverse to the strip direction.
  • FIG. 1 shows a diagram of hysteresis loops of comparative examples of nanocrystalline Fe 77 -xCui b x Sii 5.5 B s .5 with different niobium content after heat treatment in a magnetic field transverse to the strip direction.
  • FIG. 2 shows a diagram of hysteresis loops of nanocrystalline Fe 7 7 - x Cui b x Sii 5.5 B s .5 after heat treatment under a tensile stress along the strip direction for different niobium contents
  • Figure 3 shows a diagram of the remanence ratio of nanocrystalline Fe 7 7 _ x Cui b x Sii 5.5 B s .5 after heat treatment in the magnetic field and after heat treatment Tensile stress as a function of Nb content
  • Figure 4 shows a diagram of the saturation polarization of
  • FIG. 5 shows a diagram of saturation magnetostriction
  • Figure 8 shows the X-ray diffraction patterns for the alloy
  • FIG. 9 shows a diagram of permeability ⁇ , anisotropy field Ha / coercive field strength H c , remanence ratio
  • Figure 10 shows the upper and lower optimum annealing temperature
  • FIG. 11 shows a diagram of coercive field strength H c
  • Figure 12 shows a graph of hysteresis loops of a LE Government Fe 8o SINB 9 and a comparative composition
  • FIG. 13 shows a schematic view of a continuous furnace.
  • Table 1 shows the nonlinearity factor NL for various
  • Table 2 shows measured temperatures and crystallization temperatures T a suitable occasion for annealing times of about 2s to 10s for different Nb contents of the alloy Fe 77 _ x x CuiNb Sii5.5B s .5,
  • Table 3 shows magnetic properties of an alloy
  • Table 5 shows in the production state measured saturation polarization J s , after heat treatment at different tempering temperatures T a measured values of
  • Table 6 shows in the manufactured measured saturation polarization J s, measured after heat treatment values of non-linearity NL, remanence J T / J S, Koerzi - tivfeidschreib H c, anisotropy field H a and relative permeability ⁇ of various alloy compositions
  • Table 7 shows the saturation magnetostriction A s of different Alloy compositions measured in the state of manufacture and after heat treatment under tension at the specified tempering temperature T a .
  • FIG. 1 shows a diagram of hysteresis loops of nanocrystalline alloys in the form of a band.
  • the bands have a composition of Fe 7 7_ x Cui x Sii 5 . 5 B s .5.
  • Figure 1 shows that with decreasing Nb content the hysteresis loops become non-linear. This nonlinear hysteresis loop is undesirable in some magnetic core applications because the core loss losses are increased.
  • Table 1 shows the nonlinearity factors NL of the hysteresis loops shown in Figs. 1 and 2 for various heat treatments and various Nb contents.
  • Table 1 shows the nonlinearity factor of nanocrystalline Fe 77 - x Cui b x Sii 5 . 5 B s .5 after heat treatment in a magnetic field for 0.5 h at a temperature of 540 ° C and after a heat treatment under tensile stress of 100 MPa for 4s at 600 ° C for various Nb contents.
  • Figure 3 shows a graph of remanence J r / 'J s heat-treated samples as a function of the Nb content.
  • Figure 3 shows the remanence ratio of nanocrystalline Fe 77 _ x x CuiNb Sii. 5 5 B s . 5 after heat treatment in a magnetic field of 0.5 h at temperatures of 480 ° C to 540 ° C and after heat treatment under tensile stress of 4 s at temperatures between 520 ° C and 700 ° C as a function of the Nb content.
  • linear loops with a remanence ratio smaller than 0.1 and a non-linearity factor smaller than 3% are reliably achieved only for Nb contents greater than 2 at%.
  • linear loops with a remanence ratio less than 0.1 and a nonlinearity factor less than 3% can be reliably achieved for Nb contents less than 2 at% and even for compositions without niobium.
  • Tables 1 to 6 and Figures 2 to 12 show that linear loops with a small remanence ratio at
  • compositions can be achieved with a niobium content of less than 2 atom%, when the heat treatment is carried out under a tensile stress in the tape longitudinal direction. These compositions have the advantage that raw material costs are reduced since niobium is a relatively expensive element.
  • FIG. 2 shows a diagram of hysteresis loops of bands after heat treatment in the course of an effective one
  • the time is defined at which the band passes through the temperature zone at which the temperature within 5% corresponds to the tempering temperature given here.
  • the time to heat the tape to the tempering temperature is comparable to the duration of the heat treatment itself. The same applies to the duration of the subsequent
  • FIG. 2 shows that for Nb contents of less than 2 at%, hysteresis loops with a central linear part and a small remanence ratio can be obtained.
  • the composition with Nb 3at% is a comparative example and the compositions with Nb ⁇ 2at% are examples according to the invention.
  • the arrow shows by way of example the definition of the anisotropy field strength H a .
  • FIG. 3 shows a graph of a remanence ratio comparison for such tension-tempered samples, shown in FIG. 3 with filled diamonds, and for magnetic field-annealed samples, shown with open circle symbols, as a function of Nb content.
  • Alloys with Nb contents below 2 at% have a small remanence ratio of less than 0.05 only when heat-treated under tension.
  • the remanence ratio is significantly higher, so that these alloys are not suitable for some magnetic core applications.
  • Even for the alloy Fe 77 CuiSii 5.5 B s .5, ie without addition of Nb a substantially linear loop with a remanence ratio of less than 0.05 results when heat-treated under a tensile stress.
  • FIG. 4 shows a diagram of the saturation polarization of alloys with a composition of Fe 7 7 - x Cu x b x Sii 5.5 B s .5 as a function of the Nb content.
  • the alloys with reduced Nb content have a significantly increased saturation polarization. This can be beneficial in a corresponding weight and Reduced manufacturing costs of the magnetic core can be implemented. Thus, in addition to reduced raw material costs, a further advantage results since the device having the magnetic core can be made smaller.
  • FIG. 5 shows a plot of saturation magnetostriction ⁇ ⁇ , anisotropy field H a , coercive field strength H c , remanence ratio J r / J s and nonlinearity factor NL of a composition Fe 75. 5 Cu 1 b 1 . 5 Si 15 .5B5.5 after heat treatment of about 4 seconds duration under a tensile stress of about 50 MPa as a function of the tempering temperature.
  • the anisotropy field H a field corresponds to that in which the linear portion of the hysteresis loop passes into the saturation shown in FIG.
  • the tempering temperatures between which the desired properties can be achieved, are in the range of about 535 ° C to 670 ° C, which is highlighted hatched in the figure.
  • the hatched area shows the area in which linear loops with small saturation magnetostriction, high anisotropy field and small remanence ratio result. This is also the area in which the alloys have particularly linear loops.
  • Figure 5 thus is the most suitable tempering temperature between 535 ° C and 670 ° C.
  • FIG. 6 shows the tempering behavior of a niobium-free alloy variant in which the optimum tempering temperatures are in the range of approximately 500 ° C. to 570 ° C., ie significantly lower than the composition of FIG. 5.
  • the optimum tempering temperatures according to the invention here are in the range of about 500 ° C to 570 ° C.
  • a flat linear hysteresis loop with a remanence ratio of less than 0.1 results.
  • FIG. 7 shows the crystallization behavior measured by means of differential scanning calometry (DSC) at a heating rate of 10 K / min using the example of the alloy Fe 77 CuiSii 5.5 B s .5.
  • DSC differential scanning calometry
  • FIG. 8 shows the X-ray diffraction diagrams for the alloy Fe 77 CuiSii 5.5 B s .5 in the amorphous initial state and after heat treatment under tension at different tempering temperatures in accordance with the different crystallization stages defined by T xi and T x2 .
  • FIG. 8 shows the X-ray diffraction pattern after a heat treatment under tension for 4s at 515 ° C, ie in the starting area, where magnetic properties according to the invention are achieved, and at 680 ° C, ie in the unfavorable starting area where no linear hysteresis loops with a small remanence ratio can be achieved more.
  • Alloy Fe 7 7CuiSii 5 .5B 6 .5 the average size of these crystallites is approximately in the range 38-44 nm. Performing an analogous analysis with the alloy composition Fe75.5Cu1 1.5Si15.5B6.5 by so obtained at the appropriate optimal occasion - Temperatures a mean crystallite size in the range 20-25 nm.
  • boride phases crystallize out of the amorphous residual matrix, which unfavorably influence the magnetic properties and lead to a non-linear loop with a high remanence ratio and high coercive strength.
  • T x i which corresponds to the crystallization of bcc-FeSi
  • T x2 which corresponds to the crystallization of borides
  • the suitable tempering temperature is approximately between T xi and T x2 and leads to a structure of nanocrystalline grains with a mean grain size less than 50 nm, which in an amorphous Embedded matrix, and the desired magnetic properties.
  • T xi and T x2 and the tempering temperatures T a depend on the heating rate and the duration of the heat treatment. Therefore, with a heat treatment time of less than 10 seconds, the optimum tempering temperatures at higher temperatures than the measured by differential scanning calorimetry (DSC) at 10K / min crystallization temperatures T xi and T x2 of Table 2. Accordingly, for longer tempering times, for example, 10 min up to 60 minutes, the optimum tempering temperatures T a typically 50 ° C to 100 ° C lower than the values of T a listed in Table 2 for a heat treatment time of a few seconds.
  • DSC differential scanning calorimetry
  • the tempering temperatures T a may be adjusted according to the composition and duration of the heat treatment according to the teaching of FIG. 5 and based on the crystallization temperatures measured in the DSC according to Table 2.
  • the crystallization temperatures measured at a heating rate of 10 K / min correspond approximately to the optimum starting range for an isothermal heat treatment lasting a few minutes.
  • FIG. 9 shows the dependence of the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor on the tensile stress applied during the heat treatment.
  • FIG. 9 shows a diagram of the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor of nanocrystalline
  • Table 4 shows another example of the dependence of the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor on the tensile stress applied during the heat treatment.
  • the table shows the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor of nanocrystalline
  • FIG. 9 and Table 4 show that the anisotropic field strength H a and the permeability ⁇ can be adjusted in a targeted manner by adjusting the tension o a .
  • M is one or more of Mo, Ta, or Zr with 0 ⁇ b + c ⁇ 2,
  • T is one or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni with 0 ⁇ d ⁇ 5, Si 10 ⁇ x ⁇ 18
  • Z is one or more of the elements C, P or Ge with 0 ⁇ z ⁇ 2, wherein the alloy can have up to 1 atom% of impurities.
  • Typical impurities are C, P, S, Ti, Mn, Cr, Mo, Ni, and Ta.
  • the composition can exert an influence on the magnetic properties in certain heat treatments.
  • the heat treatment and in particular the tensile stress can be adjusted.
  • Table 5 shows examples of the alloy, which were approximately 4 seconds heat-treated under a tension of 50 MPa at an optimum for the respective composition tempering temperature T A, and a Comparative Example having a composition with a niobium content of above 2 atomic%.
  • the remaining examples, numbered 1 to 10, represent compositions according to the invention having an Nb content of less than 2 at%.
  • FIG. 10 additionally shows the optimum tempering temperatures and the crystallization temperatures of alloy examples 1 to 10.
  • FIG. 10 shows the lower and upper optimum Tempering temperature T al and T a2 for a tempering time of 4 s as a function of the crystallization temperatures T xl and T x2 measured in the DSC at 10 K / min.
  • alloys according to the invention can be varied within certain limits.
  • limits (1) instead of Nb further elements such as Mo, Ta and / or Zr (2) instead of iron other transition metals such as V, Mn, Cr, Co and or Ni or (3) elements such as C, P and / or Ge can be added without the properties change significantly.
  • the alloy composition was used as another embodiment
  • Table 6 therefore shows other examples of alloys in which the Cu content was varied systematically and a heat treatment of about 7 seconds duration was carried out at 600 ° C under a tensile stress of about 15 MPa.
  • the element Fe was gradually replaced by Cu, with the remaining alloying components remaining unchanged.
  • Table 6 shows no significant influence of the Cu content on the magnetic properties for Cu contents below 1.5at%.
  • the addition of Cu promotes the Embrittlement tendency of the strips during production.
  • alloys with Cu contents greater than 1.5at% (such as, for example, alloy no. 15 from Table 6) already exhibit a strong embrittlement in the production state, so that a 20 ⁇ m thick band of the alloy Fe 74.5 Cu 2 1.5 Si 15.5 B 6.5 in a Bending diameter of about 1 mm can break.
  • Such a brittle belt can not be caught or wound up directly during the casting process due to the high production line speeds (25-30 m / s) after leaving the cooling roller or only with great difficulty during the casting process. This makes the tape production uneconomical. Also, such break even at the beginning of brittle bands in the heat treatment to an increased extent, especially before they enter the zone of elevated temperature. With such a break, the heat treatment process is interrupted and the tape must be threaded through the oven again.
  • alloys with a Cu content of less than 1.5at% can be bent to a bending diameter of twice the strip thickness, ie typically less than 0.06 mm, without breaking. This allows the tape to be rewound directly during casting. Furthermore, the heat treatment of such initially ductile bands is much easier. Alloys with a Cu content of less than 1.5 at% become embrittled only after the heat treatment, but only after they have left the furnace and are cooled again. The probability of a ligament tear during the heat treatment is thus significantly lower. Also, in most cases, belt transport through the oven can continue despite demolition. All in all, ductile tapes can thus be produced more easily and thus more economically, as well as heat-treated at first.
  • the compositions shown in Tables 5 and 6 are nominal compositions in at% which coincide, within an accuracy of typically +0.5 at%, with the concentrations of the individual elements found in the chemical analysis.
  • the silicon content and the boron content also exert an influence on the magnetic properties of this type of nanocrystalline alloy with a niobium content of less than 2 atomic% when it is produced under tensile stress.
  • FIG. 11 shows a diagram of the course of coercive field strength H c and remanence ratio J r / ' J s of both alloys after heat treatment under a tensile stress of about 50 MPa as a function of tempering temperature T a .
  • the coercive field strength H c and the remanence ratio J r / J s of the alloy Fe 80 S 11B 9 according to the invention are represented by filled circle symbols and the comparative composition Fe 78 . 5 SiioBii.5 shown by open triangular symbols, after a heat treatment of 4 seconds duration at the tempering temperature T a under a tensile stress of about 50 MPa.
  • FIG. 12 shows a diagram of hysteresis loops of the two alloys after heat treatment for 4 s at about 565 ° C. under tensile stresses of 50 MPa (dashed line) or 220 MPa (solid line).
  • the hysteresis loop of the alloy according to the invention Fe 8 OSinB 9 is on the left and that of the comparative composition Fe 7 8.5 SiioBii. 5 is shown on the right.
  • the inventive composition Fe 8o SINB 9 after heat treatment between about 530 ° C and 570 ° C, a linear magnetization loop with a small remanence J r / J s ⁇ 0.1 and a low coercive field strength onto which is clearly below 100 A / m and finally only a few percent of the anisotropic field strength H a .
  • the composition Fevs.siioBn.s has a high remanence ratio throughout the entire heat treatment range.
  • the upper limit of the Si content and the lower limit of the boron content are also examined. While the alloy composition Fe75Cuo.5Nb1.5Si17.5B5.5 (see alloy no. 5 of Table 5) was produced as an amorphous, ductile band easily and had to heat treatment desirable properties, the alloy composition Fe had 7 5Cuo.5 bi.5Sii 8 B 5 after heat treatment only borderline magnetic properties and the alloy composition Fe 75 Cu o.5 bi .5 Sii 8.5 B 4.5 could no longer be prepared as a ductile amorphous band.
  • Table 7 shows the saturation magnetostriction constant ⁇ ⁇ of various alloy compositions measured in the state of manufacture and after 4s heat treatment under a tension of 50 MPa at the indicated tempering temperature T a .
  • an annealing temperature was chosen, which is distant from the maximum annealing temperature T a2 not more than 50 ° C, as this particularly small for a given composition values of the magnetostriction are obtained (see Figure 5) which will ultimately be determined by the alloy composition.
  • the effect of the Si content of the alloy is shown.
  • Table 7 demonstrates that, after heat treatment under tensile stress, a significant reduction in the saturation magnetostriction results, which can lead to reproducible magnetic properties.
  • a small amount of magnetostriction is the more important the higher the permeability.
  • alloys with a permeability greater than 500 or greater than 1000 have a comparatively low dependence on mechanical stresses if the saturation magnetostriction is less than 2 ppm or less than 1 ppm.
  • the alloy may also have a saturation magnetostriction of less than 5 ppm in magnitude. Alloys with a saturation magnetostriction below these limits still have good soft magnetic properties even at internal stress, when the permeability is less than 500.
  • the value of the saturation magnetostriction may still slightly depend on the tensile stress o a applied during the heat treatment.
  • the result is alloy
  • the apparatus 1 has a continuous furnace 2 with a temperature zone 3, this temperature zone being set so that the temperature in the furnace in this zone is within 5 ° C. of the tempering temperature T a .
  • the device 1 further comprises a coil 4, on which the amorphous alloy 5 is wound, and a take-up spool 6, on which the heat-treated belt 7 is received.
  • the tape is drawn at a speed s from the spool 4, through the continuous oven 2 to the take-up spool 6.
  • the belt 7 is in the direction of the device 9 to the device 10 under a tensile stress ⁇ .
  • the apparatus 1 further comprises an apparatus 8 for continuously measuring the magnetic properties of the belt 6 after it has been heat treated and drawn out of the continuous furnace 2.
  • the belt 7 is no longer under tension.
  • the measured magnetic properties can be used to set the tension under which the belt 7 is pulled through the continuous furnace 2. This is schematically illustrated by the arrows 9 and 10 in FIG.

Abstract

Provision is made of an alloy consisting of Fe100-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz and up to 1 atom% impurities, where M is one or more of the elements Mo, Ta or Zr, T is one or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni and Z is one or more of the elements C, P or Ge, and 0 atom% ≤ a < 1.5 atom%, 0 atom% ≤ b < 2 atom%, 0 atom% ≤ (b+c) < 2 atom%, 0 atom% ≤ d < 5 atom%, 10 atom% < x < 18 atom%, 5 atom% < y < 11 atom% and 0 atom% ≤ z < 2 atom%. The alloy is in the form of a strip and has a nanocrystalline microstructure, in which at least 50% by volume of the grains have a mean size of smaller than 100 nm, a hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio, Jr/Js, < 0.1, and a ratio of coercive field strength, Hc, to anisotropy field strength, Ha, < 10%.

Description

Beschreibung description
Legierung, Magnetkern und Verfahren zum Herstellen eines Bandes aus einer Legierung Alloy, magnetic core and method of making an alloy strip
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Legierung, insbesondere eine weich magnetische Legierung, die zur Anwendung als Magnetkern geeignet ist, einen Magnetkern und ein Verfahren zum Herstellen eines Bandes aus einer Legierung. The present invention relates to an alloy, in particular a soft magnetic alloy suitable for use as a magnetic core, a magnetic core and a method for producing an alloy strip.
Nanokristalline Legierungen auf Basis einer Zusammensetzung Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz können als Magnetkern bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Die US 7,583,173 offenbart einen gewickelten Magnetkern, der unter anderem bei einem Stromtransformator verwendet wird, der aus ( Fei_aNia) ioo-x- y_z_a_b_c CUxSiyBz baM' M' 'γ besteht, wobei a < 0,3, 0,6 < x < 1,5, 10 < y < 17, 5 < z < 14, 2 < α < 6, ß < 7, γ < 8, Μ' mindestens eines der Elemente V, Cr, AI und Zn und M' ' mindestens eines der Elemente C, Ge, P, Ga, Sb, In und Be ist. Nanocrystalline alloys based on a composition Feioo-a- b -cdxy- z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z can be used as a magnetic core for different applications. The US 7,583,173 discloses a wound magnetic core which is used, inter alia, with a current transformer of (Fei_ a Ni a) ioo-x-y _ z _ a _ b _c CUxSiyBz baM 'M''γ, wherein a <0 , 3, 0.6 <x <1.5, 10 <y <17, 5 <z <14, 2 <α <6, β <7, γ <8, Μ 'at least one of the elements V, Cr, AI and Zn and M "are at least one of C, Ge, P, Ga, Sb, In and Be.
Die EP 0 271 657 A2 offenbart ebenfalls Legierungen mit einer Zusammenfassung auf dieser Basis. EP 0 271 657 A2 also discloses alloys with a summary on this basis.
Diese Legierungen, auch in Form von Bändern, können als Mag- netkern bei verschiedenen Bauteilen, wie zum Beispiel Leistungstransformatoren, Stromtransformatoren und Speicherdrosseln, verwendet werden. These alloys, also in the form of tapes, can be used as the magnetic core in various components, such as power transformers, current transformers and storage chokes.
Bei Anwendungen für Magnetkerne sind generell möglichst gerin- ge Herstellkosten wünschenswert. Die Kostenreduktion soll dabei jedoch möglichst keine oder nur geringe Auswirkungen auf die Funktionsweise des Magnetkernes haben. Bei manchen Anwendungen von Magnetkernen ist eine weitere Verkleinerung der Größe und des Gewichts des Magnetkerns wünschenswert, so dass die Größe und das Gewicht des Bauteils selbst weiter reduziert werden kann. Gleichzeitig ist jedoch keine Erhöhung der Herstellungskosten des Magnetkerns gewünscht . In applications for magnetic cores, the lowest possible production costs are generally desirable. However, the cost reduction should have as little or no effect on the operation of the magnetic core. In some applications of magnetic cores, further reduction of the size and weight of the magnetic core is desirable so that the size and weight of the component itself can be further reduced. At the same time, however, no increase in the manufacturing cost of the magnetic core is desired.
Aufgabe ist es daher, eine Legierung bereitzustellen, die für die Anwendung als Magnetkern geeignet ist, welcher kostengünstiger hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es dabei die Legierungen so auszuwählen, dass die Größe und/oder das Gewicht des Magnetkernes gegenüber einem herkömmlichen Magnetkern reduziert werden kann. The object is therefore to provide an alloy which is suitable for use as a magnetic core, which can be produced more cheaply. Another object is to select the alloys so that the size and / or weight of the magnetic core can be reduced compared to a conventional magnetic core.
Gelöst ist dies durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche . Erfindungsgemäß wird eine Legierung angegeben, die This is solved by the subject matters of the independent claims. Further developments are the subject of the respective dependent claims. According to the invention, an alloy is specified which
aus Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz und bis zu 1 Atom% Verunreinigungen besteht. M ist eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni , Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge und 0 Atom% < a < 1,5 Atom%, 0 Atom% < b < 2 Atom%, 0 Atom% < (b+c) < 2from Fei oo -a- b -cdxy- z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z, and up to 1 atom% is impurities. M is one or more of Mo, Ta or Zr, T is one or more of V, Mn, Cr, Co or Ni, Z is one or more of C, P or Ge and 0 at% <a <1.5 Atom%, 0 atom% <b <2 atom%, 0 atom% <(b + c) <2
Atom%, 0 Atom% < d < 5 Atom%, 10 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 11 Atom% und 0 Atom% z < 2 Atom% . Die Legierung ist ferner in Gestalt eines Bandes ausgebildet und weist ein na- nokristallines Gefüge auf, bei dem zumindest 50 Vol% der Kör- ner eine mittlere Größe von kleiner als 100 nm aufweisen. Die Legierung weist auch eine Hystereseschleife mit einem zentralen linearen Teil, ein Remanenzverhältnis, JT/JS , < 0,1, und ein Verhältnis von Koerzitivfeidstärke , Hc, zu Anisotropiefeldstärke, Ha, < 10% auf. Atom%, 0 atom% <d <5 atom%, 10 atom% <x <18 atom%, 5 atom% <y <11 atom% and 0 atom% z <2 atom%. The alloy is further formed in the form of a band and has a nanocrystalline structure in which at least 50% by volume of the grains have an average size of less than 100 nm. The alloy also has a hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio, J T / J S , <0.1, and a ratio of coercive field strength, H c , to anisotropic field strength, H a , <10%.
Die Legierung weist somit eine Zusammensetzung mit einem Niob- gehalt von weniger als 2 Atomprozent auf. Dies hat den Vorteil, dass die Rohstoffkosten gegenüber einer Zusammensetzung mit einem höheren Niobgehalt niedriger sind, da Niob ein relativ teures Element ist. Ferner ist die Untergrenze des Siliziumgehalts und die Obergrenze des Borgehalts der Legierung so festgelegt, dass die Legierung in Gestalt eines Bandes unter einer Zugspannung in einem Durchlaufofen hergestellt werden kann, wobei die oben genannten magnetischen Eigenschaften erreicht werden. Folglich kann mit diesem Herstellungsverfahren die Legierung trotz des niedrigeren Niobgehalts auch die ge- wünschten weichmagnetischen Eigenschaften für Magnetkernanwendungen aufweisen. The alloy thus has a composition with a niobium content of less than 2 atomic percent. This has the advantage that the raw material costs are lower compared to a composition with a higher niobium content, since niobium is a relatively expensive element. Further, the lower limit of the silicon content and the upper limit of the boron content of the alloy are determined so that the alloy can be made in the form of a strip under tension in a continuous furnace, thereby achieving the above-mentioned magnetic properties. Thus, despite the lower niobium content, with this fabrication process, the alloy may also exhibit the desired soft magnetic properties for magnetic core applications.
Die Gestalt als Band ermöglicht nicht nur das Herstellen der Legierung unter Zugspannung in einem Durchlaufofen, sondern auch das Herstellen eines Magnetkerns mit einer beliebigen Anzahl von Wicklungen. Folglich kann die Größe und die magnetischen Eigenschaften des Magnetkerns durch eine entsprechende Auswahl der Wicklungen an die Anwendung einfach angepasst werden. Durch das nanokristalline Gefüge mit einer Korngröße von weniger als 100 nm in mindestens 50 Volumenprozent der Legierung wird eine niedrige Sättigungsmagnetostriktion bei hoher Sättigungspolarisation erreicht. Durch die Wärmebehandlung unter Zugspannung resultiert bei geeigneter Legierungsauswahl eine magnetische Hystereseschleife mit einem zentralen linea- ren Teil, einem Remanenzverhältnis von weniger als 0,1 und eine Koerzitivfeidstärke von weniger als 10% des Anisotropiefeldes. Damit verknüpft sind niedrige Ummagnetisierungsverluste und eine im linearen, zentralen Teil der Hystereseschleife in weiten Grenzen vom angelegten Magnetfeld bzw. der Vormagnetisierung unabhängige Permeabilität, die bei Magnetkernen für Anwendungen wie Stromwandler, Leistungsüberträgern und Spei- cherdrosseln gewünscht sind. The shape as a band not only makes it possible to manufacture the alloy under tension in a continuous furnace, but also to manufacture a magnetic core having any number of windings. Consequently, the size and magnetic properties of the magnetic core can be easily adjusted by appropriate selection of the windings to the application. Due to the nanocrystalline structure with a particle size of less than 100 nm in at least 50% by volume of the alloy, a low saturation magnetostriction is achieved at high saturation polarization. Due to the heat treatment under tensile stress, a suitable magnetic alloy selection results in a magnetic hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio of less than 0.1 and a coercive field strength of less than 10% of the anisotropy field. Linked to this are low re-magnetization losses and a permeability which is independent of the applied magnetic field or the bias in the linear, central part of the hysteresis loop and which is desired in magnetic cores for applications such as current transformers, power transmitters and storage chokes.
Hierin ist der zentrale Teil der Hystereseschleife definiert, als der Teil der Hystereseschleife, der sich zwischen den Anisotropiefeldstärkepunkten liegt, die den Übergang in die Sät- tigung kennzeichnen. Ein linearer Teil dieses zentralen Teils der Hystereseschleife wird hierin durch einen Nichtlineari - tätsfaktor NL von weniger als 3% definiert, wobei der Nichtli- nearitätsfaktor wie folgt errechnet wird: NL (in %) = 100 ( δJauf + ÖJab)/(2Js) (1) Here, the central part of the hysteresis loop is defined as the part of the hysteresis loop that lies between the anisotropy field strength points that characterize the transition to saturation. A linear part of this central part of the hysteresis loop is defined herein by a nonlinearity factor NL of less than 3%, the nonlinearity factor being calculated as follows: NL (in%) = 100 (δJ to + EJ ab ) / (2J s ) (1)
Dabei bezeichnen 5Jauf bzw. 5Jab die Standardabweichung der Magnetisierung von einer Ausgleichsgeraden durch den auf- bzw. ansteigenden Ast der Hystereseschleife zwischen Magnetisie- rungswerten von +75% der Sättigungspolarisation Js. In this case, 5J on or 5J ab denote the standard deviation of the magnetization from a compensation straight line by the rising or rising branch of the hysteresis loop between magnetization values of + 75% of the saturation polarization J s .
Diese Legierung ist somit besonders für einen Magnetkern geeignet, der eine reduzierte Größe und ein kleineres Gewicht bei niedrigeren Rohstoffkosten und gleichzeitig die gewünsch- ten weichmagnetischen Eigenschaften für die Anwendung als Magnetkern aufweist. This alloy is therefore particularly suitable for a magnetic core having a reduced size and a smaller weight with lower raw material costs and at the same time the desired soft magnetic properties for use as a magnetic core.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt das Remanenzverhältnis der Legierung weniger als 0,05. Die Hystereseschleife der Le- gierung ist somit noch linearer bzw. flacher. In einem weiteren Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis von Koerzitiv- feidstärke zu Anisotropiefeldstärke weniger als 5%. Auch ist in diesem Ausführungsbeispiel die Hystereseschleife noch linearer, so dass die Ummagnetisierungsverluste noch niedriger sind . In einem Ausführungsbeispiel weist die Legierung ferner eine Permeabilität μ von 40 bis 3000 oder 80 bis 1500auf . In einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Legierung eine Permeabilität zwischen etwa 200 und 9000 auf. In diesen und weiteren Beispielen wird die Permeabilität primär durch Wahl der Zug- Spannung bei der Wärmebehandlung bestimmt. Die Zugspannung kann dabei bis zu etwa 800 MPa betragen, ohne dass das Band reißt. Man kann somit mit einer vorgegebenen Zusammensetzung, ein Band mit einer Permeabilität innerhalb des gesamten Permeabilitätsbereichs von μ = 40 bis etwa μ = 10000 abdecken. Be- sonders lineare Schleifen ergeben sich dabei im Bereich niedriger Permeabilitäten, d.h. in etwa μ = 40 bis 3000. In one embodiment, the remanence ratio of the alloy is less than 0.05. The hysteresis loop of the alloy is thus even more linear or flat. In a further embodiment, the ratio of coercive strength to anisotropic field strength is less than 5%. Also is In this embodiment, the hysteresis loop even more linear, so that the Ummagnetisierungsverluste are even lower. In one embodiment, the alloy further has a permeability μ of 40 to 3000 or 80 to 1500. In another embodiment, the alloy has a permeability between about 200 and 9000. In these and other examples, the permeability is determined primarily by the choice of tensile stress in the heat treatment. The tensile stress can be up to about 800 MPa without the band breaking. Thus, with a given composition, it is possible to cover a band having a permeability within the entire permeability range from μ = 40 to about μ = 10000. Especially linear loops result in the range of low permeabilities, ie approximately μ = 40 to 3000.
Solch relativ niedrige Permeabilitäten sind vorteilhaft für Stromtransformatoren, Leistungsüberträger, Speicherdrosseln und weitere Anwendungen, bei dem der Magnetkern nicht ferro- magnetisch gesättigt werden sollte, damit die Induktivität keine Einbußen erleidet, wenn hohe elektrische Ströme durch Wicklungen um den Magnetkern fließen. Jeweils geeignete Permeabilitätsbereiche ergeben sich aus den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Geeignete Bereich sind 1500 bis 3000, 200 bis 1500 und 50 bis 200. So ist beispielsweise für gleichstromtolerante Stromwandler eine Permeabilität μ von etwa 1500 bis etwa 3000 vorteilhaft, wäh- rend für Leistungsüberträger ein Permeabilitätsbereich von etwa 200 bis 1500 und für Speicherdrosseln eher ein Permeabilitätsbereich von etwa 50 bis 200 besonders geeignet ist. Je niedriger die Permeabilität, desto höher können die elektrischen Ströme durch die Wicklungen des Magnetkerns sein, ohne das Material zu sättigen. Ebenso können bei gleicher Permeabi- lität diese Ströme umso höher sein, je höher die Sättigungspolarisation, Js , des Materials ist. Andererseits nimmt die Induktivität des Magnetkernes mit der Permeabilität und der Baugröße zu. Um Magnetkerne mit gleichzeitig hoher Induktivität und hoher Stromtoleranz zu bauen ist es daher vorteilhaft Le- gierungen mit höherer Sättigungspolarisation einzusetzen. In einem Ausführungsbeispiel wird durch Reduktion des Niob- Gehaltes beispielsweise die Sättigungspolarisation von Js = 1.21 T auf Js = 1.34 T, d.h. um mehr als 10% erhöht. Dies kann letztlich dazu ausgenutzt werden ohne Einbußen die Baugröße und das Gewicht des Kernes zu reduzieren. Such relatively low permeabilities are advantageous for current transformers, power transmitters, storage chokes, and other applications where the magnetic core should not be ferromagnetic saturated so that the inductance does not suffer losses when high electrical currents flow through windings around the magnetic core. Suitable permeability ranges result from the specific requirements of the respective application. Suitable ranges are 1500 to 3000, 200 to 1500 and 50 to 200. Thus, for example, a permeability μ of about 1500 to about 3000 is advantageous for DC-tolerant current transformers, while for power transmitters a permeability range of about 200 to 1500 and for storage chokes rather a permeability range from about 50 to 200 is particularly suitable. The lower the permeability, the higher the electrical currents through the windings of the magnetic core can be without saturating the material. Likewise, with the same permeability, these currents can be higher, the higher the saturation polarization, J s , of the material. On the other hand, the inductance of the magnetic core increases with the permeability and the size. To build magnetic cores with simultaneously high inductance and high current tolerance, it is therefore advantageous to use alloys with a higher saturation polarization. In one embodiment, for example, by reducing the niobium content, the saturation polarization of J s = 1.21 T is increased to J s = 1.34 T, ie, by more than 10%. This can ultimately be exploited without sacrificing the size and weight of the core to reduce.
Die Legierung kann eine Sättigungsmagnetostriktion von betragsmäßig kleiner als 5 ppm aufweisen. Legierungen mit einer Sättigungsmagnetostriktion unterhalb dieser Grenzwerte weisen besonders gute weichmagnetische Eigenschaften auch bei interner Spannung auf, besonders dann wenn die Permeabilität nicht wesentlich größer als 500 ist. Für höhere Permeabilitäten ist es vorteilhaft Legierungen mit kleineren Werten der Sättigungsmagnetostriktion auszuwählen . The alloy may have a saturation magnetostriction of less than 5 ppm in magnitude. Alloys with a saturation magnetostriction below these limits have particularly good soft magnetic properties even with internal stress, especially when the permeability is not significantly greater than 500. For higher permeabilities it is advantageous to select alloys with smaller values of saturation magnetostriction.
Die Legierung kann ferner eine Sättigungsmagnetostriktion von betragsmäßig kleiner als 2 ppm, vorzugsweise kleiner als 1 ppm aufweisen. Legierungen mit einer Sättigungsmagnetostriktion unterhalb dieser Grenzwerte weisen besonders gute weichmagne- tische Eigenschaften auch bei interner Spannung auf, insbesondere wenn die Permeabilität μ größer 500 bzw. größer 1000 ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Legierung Niobfrei, d.h. b = 0. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die Rohstoffkosten noch weiter reduziert sind, da das Element Niob vollständig weggelassen ist. The alloy may also have a saturation magnetostriction of less than 2 ppm, preferably less than 1 ppm. Alloys with a saturation magnetostriction below these limits have particularly good soft-magnetic properties, even with internal stress, in particular if the permeability μ is greater than 500 or greater than 1000. In one embodiment, the alloy is niobium-free, ie, b = 0. This embodiment has the advantage that the raw material costs are even further reduced since the element niobium is completely omitted.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Legierung Kupferfrei, d.h. a = 0. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Legierung Niob und Kupfer frei, d.h. a = 0 und b = 0. In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Legierung Niob und/oder Kupfer auf, wobei 0 < a < 0,5 und 0 < b < 0,5 ist. In another embodiment, the alloy is copper-free, i. a = 0. In another embodiment, the alloy is niobium and copper free, i. a = 0 and b = 0. In further embodiments, the alloy comprises niobium and / or copper, where 0 <a <0.5 and 0 <b <0.5.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist der Siliziumgehalt und/oder der Borgehalt weiter definiert, so dass die Legierung 14 Atom% < x < 17 Atom% und/oder 5,5 Atom% < y < 8 Atom% aufweist . In further embodiments, the silicon content and / or the boron content is further defined such that the alloy has 14 atom% <x <17 atom% and / or 5.5 atom% <y <8 atom%.
Wie oben bereits erwähnt, weist die Legierung die Gestalt eines Bandes auf. Dieses Band kann eine Dicke von 10 μπι bis 50 μπι aufweisen. Diese Dicke ermöglicht das Wickeln eines Magnetkerns mit einer hohen Anzahl an Wicklungen, der gleichzeitig einen kleinen Außendurchmesser aufweist. As already mentioned above, the alloy has the shape of a band. This band may have a thickness of 10 μπι to 50 μπι. This thickness makes it possible to wind a magnetic core with a large number of windings, which at the same time has a small outer diameter.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen mindestens 70 Vo- lumenprozente der Körner eine mittlere Größe kleiner 50 nm auf. Dies ermöglicht eine weitere Steigerung der magnetischen Eigenschaften . In a further exemplary embodiment, at least 70 vol-% of the grains have a mean size of less than 50 nm. This allows a further increase in the magnetic properties.
Die Legierung wird in Gestalt eines Bandes unter Zugspannung wärmebehandelt, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Die Legierung, d.h. das fertige wärmebehandelte Band, ist somit auch durch ein Gefüge gekennzeichnet, das durch dieses Herstellungsverfahren entstanden ist. In einem Ausführungsbeispiel weisen die Kristallite eine mittlere Größe von etwa 20-25 nm und eine remanente Dehnung in Bandlängsrichtung zwischen etwa 0.02% und 0.5% auf, welche proportional zu der bei der Wärmebehandlung angelegten Zugspannung ist. Zum Beispiel führt eine Wärmebehandlung unter einer Zugspannung von 100 MPa zu eine Dehnung von etwa 0.1%. The alloy is heat-treated in the form of a ribbon under tension to produce the desired magnetic properties. The alloy, ie the finished heat-treated strip, is thus also characterized by a structure which originated by this manufacturing process. In one embodiment, the crystallites have an average size of about 20-25 nm and a remanent elongation in the tape longitudinal direction between about 0.02% and 0.5%, which is proportional to the tensile stress applied during the heat treatment. For example, a heat treatment under a tensile stress of 100 MPa results in an elongation of about 0.1%.
Die kristallinen Körner können eine Dehnung von mindestens 0.02% in eine Vorzugsrichtung aufweisen. The crystalline grains may have an elongation of at least 0.02% in a preferred direction.
Ein Magnetkern aus einer Legierung nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele wird auch angegeben. Der Magnetkern kann die Gestalt eines gewickelten Bandes aufweisen, wo- bei zum Bilden des Magnetkerns, abhängig von der Anwendung, das Band in einer Ebene oder als Solenoid um eine Achse gewickelt werden kann. An alloy magnetic core according to any one of the above embodiments is also given. The magnetic core may be in the form of a wound tape, wherein to form the magnetic core, depending on the application, the tape may be wound in a plane or as a solenoid about an axis.
Das Band des Magnetkerns kann mit einer Isolierschicht be- schichtet sein, um die Wicklungen des Magnetkerns voneinander elektrisch zu isolieren. Die Schicht kann zum Beispiel eine Polymerschicht oder eine keramische Schicht sein. Das Band kann vor und/oder nach dem Wickeln zu einem Magnetkern mit der Isolierschicht beschichtet werden. The band of the magnetic core may be coated with an insulating layer to electrically insulate the windings of the magnetic core from each other. The layer may be, for example, a polymer layer or a ceramic layer. The tape may be coated with the insulating layer before and / or after winding into a magnetic core.
Wie bereits erwähnt, kann der Magnetkern nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele bei verschiedenen Bauteilen verwendet werden. Es wird auch ein Leistungstransformator, ein Stromtransformator und eine Speicherdrossel mit einem Magnet- kern nach einem dieser Ausführungsbeispiele angegeben. Ein Verfahren zum Herstellen eines Bandes wird auch angegeben, das Folgendes aufweist: Ein Band aus einer amorphen Legierung mit einer Zusammensetzung wird bereitgestellt, die aus As already mentioned, the magnetic core according to one of the preceding embodiments can be used in various components. A power transformer, a current transformer and a storage choke with a magnetic core according to one of these exemplary embodiments are also specified. A method for producing a tape is also disclosed, comprising: providing an amorphous alloy tape having a composition consisting of
Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz und bis zu 1 Atom% Verunreinigun- gen besteht, wobei M eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni und Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge und 0 Atom% < a < 1,5 Atom%, 0 Atom% < b < 2 Atom%, 0 Atom% < (b+c) < 2 Atom%, 0 Atom% < d < 5 Atom%, 10 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 11 Atom% und 0 Atom% < z < 2 Atom% ist. DiesesFei oo -a- b -cdxy- z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z, and up to 1 atom% is impurities gen, where M is one or more of the elements Mo, Ta, or Zr, a T or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni and Z, one or more of the elements C, P or Ge and 0 atom% <a <1.5 atom%, 0 atom% <b <2 atom%, 0 atom % <(b + c) <2 atom%, 0 atom% <d <5 atom%, 10 atom% <x <18 atom%, 5 atom% <y <11 atom% and 0 atom% <z <2 atom % is. This
Band wird unter Zugspannung in einem Durchlaufofen bei einer Temperatur Ta wärmebehandelt, wobei 450°C < Ta < 750°C beträgt . Diese Zusammensetzung lässt sich mit einer Wärmbehandlung zwischen 450°C und 750°C unter Zugspannung mit geeigneten magnetischen Eigenschaften für die Anwendung als Magnetkern herstellen. Die Wärmebehandlung führt zum Bilden eines na- nokristallinen Gefüges, bei dem zumindest 50 Volumenprozent der Körner eine mittlere Größe kleiner als 100 nm aufweisen. Insbesondere kann diese Zusammensetzung mit weniger als 2 A- tomprozent Niob mit diesem Verfahren so hergestellt werden, dass sie eine Hystereseschleife mit einem zentralen linearen Teil, ein Remanenzverhältnis, Jr/Js, < 0,1, und ein Verhältnis von Koerzitivfeidstärke, Hc, zu Anisotropiefeldstärke, Ha, < 10% aufweist. Tape is heat treated under tension in a continuous oven at a temperature T a , where 450 ° C <Ta <750 ° C. This composition can be prepared with a heat treatment between 450 ° C and 750 ° C under tension with suitable magnetic properties for use as a magnetic core. The heat treatment results in the formation of a nanocrystalline microstructure in which at least 50% by volume of the grains have an average size smaller than 100 nm. In particular, this composition with less than 2 atomic percent of niobium can be made by this method to have a hysteresis loop with a central linear part, a remanence ratio, J r / J s , <0.1, and a coercive-field strength, H c , to anisotropic field strength, H a , <10%.
Das Band wird im Durchlauf wärmebehandelt. Folglich wird das Band mit einer Geschwindigkeit s durch den Durchlaufofen gezo- gen. Diese Geschwindigkeit s kann so eingestellt werden, dass eine Verweildauer des Bandes in einer Temperaturzone des The strip is heat treated in the pass. Consequently, the belt is pulled through the continuous furnace at a speed s. This speed s can be set so that a residence time of the belt in a temperature zone of the belt
Durchlaufofens mit der Temperatur, die innerhalb 5% der Tempe- ratur Ta liegt, zwischen 2 Sekunden und 2 Minuten liegt. Dabei liegt die Zeitdauer um das Band auf die Temperatur Ta aufzuwärmen in vergleichbarer Größenordnung wie die Dauer der Wärmebehandlung selbst. Entsprechendes gilt für die Zeitdauer der anschließenden Abkühlung. Diese Verweildauer führt bei diesem Anlasstemperaturbereich zu dem gewünschten Gefüge und den gewünschten magnetischen Eigenschaften. Continuous furnace with the temperature within 5% of the T a is between 2 seconds and 2 minutes. In this case, the time to heat the tape to the temperature T a is of a comparable order of magnitude as the duration of the heat treatment itself. The same applies to the duration of the subsequent cooling. This residence time leads in this tempering temperature range to the desired structure and the desired magnetic properties.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Band unter einer Zug- Spannung zwischen 5 und 160 MPa durch den Durchlaufofen gezogen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Band unter einer Zugspannung von 20 MPa bis 500 MPa durch den Durchlauf- ofen gezogen. Es ist ferner möglich das Band auch mit einer höheren Zugspannung bis zu etwa 800 MPa durch den Ofen zu zie- hen, ohne daß es reißt. Dieser Bereich der Zugspannung ist geeignet, die gewünschten magnetischen Eigenschaften bei den o- ben genannten Zusammensetzungen zu erzielen. In one embodiment, the tape is pulled through the continuous furnace under a tension of between 5 and 160 MPa. In a further embodiment, the band is pulled through the continuous furnace under a tensile stress of 20 MPa to 500 MPa. It is also possible to pull the strip through the kiln even with a higher tensile stress up to about 800 MPa without tearing it. This range of tensile stress is suitable for achieving the desired magnetic properties in the abovementioned compositions.
Der Wert der erzielten Permeabilität μ ist umgekehrt proporti- onal zu der bei der Wärmebehandlung angelegten Zugspannung aa Um einen vorbestimmten Wert der relativen Permeabilität μ zu erzielen ist somit während der Wärmebehandlung eine Zugspannung öa erforderlich, welche der Beziehung σ3 ~ α/μ genügt. In einem Ausführungsbeispiel hat dabei α einen Wert von ~ 48000 MPa. In einem anderen Ausführungsbeispiel hat α einen Wert von beispielsweise α ~ 36000 MPa. So können Werte im Bereich ~ 30000 MPa bis α ~ 70000 MPa für die erfindungsgemäßen Legierungen und den entsprechenden Wärmebehandlungsprozess verwendet werden. Der genaue Wert von hängt im Einzelfall von der Zusammensetzung, der Anlasstemperatur und in gewissem Umfang von der Anlasszeit ab. Die Zugspannung, die zu den gewünschten magnetischen Eigenschaften führt, kann also abhängig von der Zusammensetzung der Legierung und von der Anlasstemperatur als auch der Anlasszeit sein. In einem Ausführungsbeispiel wird die für eine vorgege- bene Permeabilität μ erforderliche Zugspannung aa aus der Permeabilität UTest einer Testglühung unter einer Zugspannung aTest gemäß der Beziehung The value of the permeability μ achieved is inversely proportional to the tensile stress a a applied during the heat treatment. In order to achieve a predetermined value of the relative permeability μ, during the heat treatment a tensile stress δ a is required which corresponds to the relation σ 3 ~ α / μ enough. In one embodiment, α has a value of ~ 48,000 MPa. In another embodiment, α has a value of, for example, α~36000 MPa. Thus, values in the range of ~ 30,000 MPa to α ~ 700,000 MPa can be used for the alloys according to the invention and the corresponding heat treatment process. The exact value depends on the composition, the tempering temperature and to some extent on the tempering time. The tensile stress that leads to the desired magnetic properties may therefore be dependent on the composition of the alloy and on the tempering temperature as well as the tempering time. In one embodiment, the μ for a bene vorgege- permeability tensile stress required a a from the permeability is a UTest Testglühung out under a tension a Te st according to the relation
σ3~ σΤθΞίμτθΞί/μ ausgewählt. σ 3 ~ σ ΤθΞ ίμτθ Ξ ί / μ selected.
Die gewünschten magnetischen Eigenschaften können auch abhängig von der Anlasstemperatur Ta sein und folglich durch die Auswahl der Anlasstemperatur eingestellt werden. In einem Aus- führungsbeispiel wird die Temperatur Ta abhängig von dem Niob- gehalt b gemäß der Beziehung (Txi + 50°C) < Ta < (Tx2 + 30°C) ausgewählt. Dabei entsprechen Txi und Tx2 den durch das Maximum der Umwandlungswärme definierten Kristallisationstemperaturen, welche mittels thermischer Standardmethoden wie z.B. DSC (dif- ferential scanning calometry) bei einer Aufheizrate von 10 K/min bestimmt werden. The desired magnetic properties may also be dependent on the tempering temperature T a and consequently set by the selection of the tempering temperature. The temperature T a <(T x2 + 30 ° C) is selected for execution in an off depending on the niobium content B according to the relation (T xi + 50 ° C) <T a. In this case, T xi and T x2 correspond to the crystallization temperatures defined by the maximum of the heat of transformation, which are determined by means of thermal standard methods such as DSC (differential scanning calometry) at a heating rate of 10 K / min.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein gewünschter Wert der Permeabilität oder Anisotropiefeldstärke, sowie ein erlaubter Abweichungsbereich vorbestimmt. Um diesen Wert über die Länge des Bandes erreichen zu können, werden magnetische Eigenschaften des Bandes beim Verlassen des Durchlaufofens laufend gemessen. Wenn Abweichungen von den erlaubten Abweichungsbereichen der magnetischen Eigenschaften festgestellt werden, wird die Zugspannung an dem Band entsprechend eingestellt, um die gemessenen Werte der magnetischen Eigenschaften wieder innerhalb der erlaubten Abweichungsbereiche zu bringen. Dieses Ausführungsbeispiel verringert die Abweichungen der magnetischen Eigenschaften über die Länge des Bandes, so dass die magnetischen Eigenschaften innerhalb eines Magnetkerns ho- mogener sind und/oder die magnetischen Eigenschaften mehrerer Magnetkerne, die aus einem einzigen Band hergestellt sind, weniger abweichen. Somit kann die Gleichmäßigkeit der weichmagnetischen Eigenschaften der Magnetkerne, insbesondere bei kommerzieller Herstellung, verbessert werden. In a further embodiment, a desired value of the permeability or anisotropic field strength, as well as a permitted deviation range is predetermined. In order to achieve this value over the length of the belt, magnetic properties of the belt are continuously measured when leaving the continuous furnace. When deviations are detected from the allowed deviation ranges of the magnetic properties, the tension on the belt is adjusted accordingly to bring the measured values of the magnetic properties back within the allowable deviation ranges. This embodiment reduces the deviations of the magnetic properties over the length of the band, so that the magnetic properties within a magnetic core are more homogeneous and / or the magnetic properties of a plurality of magnetic cores made from a single band deviate less. Thus, the uniformity of the soft magnetic properties of the magnetic cores, especially in commercial production, can be improved.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der folgenden Beispiele, Tabellen und Zeichnungen näher erläutert. Embodiments will now be explained in more detail with reference to the following examples, tables and drawings.
Figur 1 zeigt ein Diagramm von Hystereseschleifen von Ver- gleichsbeispielen nanokristallinem Fe77- xCui bxSii5.5Bs.5 mit unterschiedlichem Niobgehalt nach Wärmebehandlung in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung, Figur 2 zeigt ein Diagramm von Hystereseschleifen von nanokristallinem Fe77_xCui bxSii5.5Bs.5 nach Wärmebehandlung unter einer Zugspannung längs der Bandrichtung für unterschiedliche Niobgehalte, Figur 3 zeigt ein Diagramm des Remanenzverhältnisses von nanokristallinem Fe77_xCui bxSii5.5Bs.5 nach Wärmebehandlung im Magnetfeld und nach Wärmebehandlung unter Zugspannung als Funktion des Nb-Gehaltes, Figur 4 zeigt ein Diagramm der Sättigungspolarisation von FIG. 1 shows a diagram of hysteresis loops of comparative examples of nanocrystalline Fe 77 -xCui b x Sii 5.5 B s .5 with different niobium content after heat treatment in a magnetic field transverse to the strip direction. FIG. 2 shows a diagram of hysteresis loops of nanocrystalline Fe 7 7 - x Cui b x Sii 5.5 B s .5 after heat treatment under a tensile stress along the strip direction for different niobium contents, Figure 3 shows a diagram of the remanence ratio of nanocrystalline Fe 7 7 _ x Cui b x Sii 5.5 B s .5 after heat treatment in the magnetic field and after heat treatment Tensile stress as a function of Nb content, Figure 4 shows a diagram of the saturation polarization of
Fe77-xCui bxSii5.5Bs.5 als Funktion des Nb-Gehaltes, Figur 5 zeigt ein Diagramm von SättigungsmagnetostriktionFe 7 7-xCui b x Sii5.5B s . 5 as a function of Nb content, FIG. 5 shows a diagram of saturation magnetostriction
As , Anisotropiefeld Hai Koerzitivfeidstärke Hc, Remanenzverhältnis Jr/Js und Nichtlinearitätsfaktor NL von Fe75.5Cu1 1.5S i 15.5B5.5 nach Wärmebehandlung unter einer Zugspannung bei unterschiedlichen Anlasstemperaturen, zeigt ein Diagramm von Remanenzverhältnis Jt/Js und Koerzitivfeidstärke Hc der Legierung FewCuiSiis.sBe.s nach Wärmebehandlung unter einer Zugspannung, zeigt das mittels Differential Scanning Calometry mit einer Aufheizrate von 10 K/min gemessene Kristallisationsverhalten der Legierung FewCuiSiis.sBe.s und die Definition der Kristallisationstemperaturen A s , anisotropy field H ai coercive field strength H c , remanence ratio J r / J s and nonlinearity factor NL of Fe 75 . 5 Cu 1 1 . 5 S i 15 .5B5. 5 after heat treatment under a tensile stress at different tempering temperatures, a graph of remanence ratio J t / J s and coercive field strength H c of the alloy FewCuiSiis.sBe.s after heat treatment under a tensile stress is shown by Differential Scanning Calometry with a heating rate of 10 K / min measured crystallization behavior of the alloy FewCuiSiis.sBe.s and the definition of crystallization temperatures
Figur 8 zeigt die Rontgenbeugungsdiagramme für die Legierung Figure 8 shows the X-ray diffraction patterns for the alloy
Fe77CuiS i i5.5Bs.5 im amorphen Ausgangszustand und nach Wärmebehandlung unter Zug bei verschiedenen Anlass- temperaturen entsprechend unterschiedlichen Kristallisationsstufen . Fe 77 CuiS ii 5 . 5 B s .5 in the amorphous initial state and after heat treatment under tension at various tempering temperatures corresponding to different crystallization stages.
Figur 9 zeigt ein Diagramm von Permeabilität μ, Anisotropie- feld Ha/ Koerzitivfeidstärke Hc, RemanenzverhältnisFIG. 9 shows a diagram of permeability μ, anisotropy field Ha / coercive field strength H c , remanence ratio
Jr/Js und Nichtlinearitätsfaktor NL von nanokristal- linem Fevs.sCuiNbi.sSiis.sBs.s nach Wärmebehandlung unter der angegebenen Zugspannung oa, Figur 10 zeigt die untere und obere optimale Anlasstemperatur Jr / Js and non-linearity factor of nano- NL linem Fevs.sCuiNbi.sSiis.sBs.s after heat treatment under the specified tension o a, Figure 10 shows the upper and lower optimum annealing temperature
Tai und Ta2 für verschiedene Legierungszusammenset- zungen als Funktion Kristallisationstemperaturen Txl und Tx2. Tai and T a2 for different alloy compositions as a function of crystallization temperatures T xl and T x2 .
Figur 11 zeigt ein Diagramm von Koerzitivfeidstärke Hc und FIG. 11 shows a diagram of coercive field strength H c and
Remanenzverhältnis JT/Js der Legierung Fe8oSinB9 und eine Vergleichszusammensetzung Fe78.5SiioBii.5 nach einer Wärmebehandlung unter einer Zugspannung, Remanence ratio J T / J s of the alloy Fe 8 oSinB 9 and a comparative composition Fe 78 .5SiioBii. 5 after a heat treatment under a tensile stress,
Figur 12 zeigt ein Diagramm von Hystereseschleifen einer Le- gierung Fe8oSinB9 und eine VergleichszusammensetzungFigure 12 shows a graph of hysteresis loops of a LE Government Fe 8o SINB 9 and a comparative composition
Fe78.5SiioBii.5 nach Wärmebehandlung unter unterschiedlichen Zugspannungen, und Fe 78 .5SiioBii. 5 after heat treatment under different tensile stresses, and
Figur 13 zeigt eine schematische Ansicht eines Durchlauf- ofens. FIG. 13 shows a schematic view of a continuous furnace.
Tabelle 1 zeigt den Nichtlinearitätsfaktor NL für verschiedene Table 1 shows the nonlinearity factor NL for various
Nb-Gehalte der Legierung Fe77_xCui bxSii5.5Bs.5 nach Wärmebehandlung im Magnetfeld (Vergleichsbei - spiel) und nach Wärmebehandlung unter einer mechanischen Zugspannung (erfindungsgemäßes Verfahren) , Nb contents of the alloy Fe 7 7 × Cui b × Sii 5.5 B s .5 after heat treatment in the magnetic field (comparative example) and after heat treatment under a mechanical tensile stress (method according to the invention),
Tabelle 2 zeigt gemessene Kristallisationstemperaturen und geeignete Anlasstemperaturen Ta für Anlasszeiten von etwa 2s bis 10s für verschiedene Nb-Gehalte der Legierung Fe77_xCuiNbxSii5.5Bs.5, Table 2 shows measured temperatures and crystallization temperatures T a suitable occasion for annealing times of about 2s to 10s for different Nb contents of the alloy Fe 77 _ x x CuiNb Sii5.5B s .5,
Tabelle 3 zeigt magnetische Eigenschaften einer Legierung Table 3 shows magnetic properties of an alloy
Fe7SCuiNbi.5Sii3.5B8 nach Wärmebehandlung im Durchlauf bei 610°C unter einer Zugspannung von ca. 120 MPa als Funktion der Anlasszeit ta, Tabelle 4 zeigt magnetische Eigenschaften einer Legierung Fe 7S CuiNbi.5Sii3 .5 B 8 after heat treatment in the course at 610 ° C under a tensile stress of approx. 120 MPa as a function of the tempering time t a , Table 4 shows magnetic properties of an alloy
Fe75Cuo.5 b1.5Si15.5B5.5 nach Wärmebehandlung mit der angegebenen Zugspannung oa, Tabelle 5 zeigt im Herstellzustand gemessene Sättigungspolarisation Js , nach Wärmebehandlung bei unterschiedlichen Anlasstemperaturen Ta gemessene Werte von Fe 75 Cuo. 5 b 1 . 5 Si 15 .5B5. 5 after heat treatment with the specified tensile stress o a , Table 5 shows in the production state measured saturation polarization J s , after heat treatment at different tempering temperatures T a measured values of
Nichtlinearität NL, Remanenzverhältnis JT/JS, Koerzi- tivfeidstärke Hc, Anisotropiefeldstärke Ha und rela- tive Permeabilität μ verschiedener Legierungszusammensetzungen, Non-linearity NL, remanence ratio J T / J S , coercive field strength H c , anisotropic field strength H a and relative permeability μ of different alloy compositions,
Tabelle 6 zeigt im Herstellzustand gemessene Sättigungspolarisation Js, nach Wärmebehandlung gemessene Werte von Nichtlinearität NL, Remanenzverhältnis JT/JS, Koerzi - tivfeidstärke Hc, Anisotropiefeldstärke Ha und relative Permeabilität μ verschiedener Legierungszusammensetzungen, und Tabelle 7 zeigt die Sättigungsmagnetostriktion As verschiedener Legierungszusammensetzungen gemessen im Herstellzustand und nach Wärmebehandlung unter Zug bei der angegebenen Anlasstemperatur Ta. Figur 1 zeigt ein Diagramm von Hystereseschleifen von na- nokristallinen Legierungen in Gestalt eines Bandes. Table 6 shows in the manufactured measured saturation polarization J s, measured after heat treatment values of non-linearity NL, remanence J T / J S, Koerzi - tivfeidstärke H c, anisotropy field H a and relative permeability μ of various alloy compositions, and Table 7 shows the saturation magnetostriction A s of different Alloy compositions measured in the state of manufacture and after heat treatment under tension at the specified tempering temperature T a . FIG. 1 shows a diagram of hysteresis loops of nanocrystalline alloys in the form of a band.
Die Untersuchungen wurden beispielhaft an 6 mm und 10 mm breiten und typischerweise 17 μπι bis 25 μπι dicken Metallbändern durchgeführt. Der erfinderische Gedanke ist jedoch nicht auf diese Abmessungen beschränkt. Die Bänder weisen eine Zusammensetzung von Fe77_xCui xSii5.5Bs.5 auf. Die Hystereseschleifen sind nach Wärmebehandlung im Magnetfeld gemessen, wobei eine Wärmebehandlung von 0.5h bei 540°C in einem Magnetfeld von H = 200 kA/m quer zur Bandrich- tung durchgeführt wird. Figur 1 zeigt, dass mit abnehmendem Nb-Gehalt die Hystereseschleifen nichtlinearer werden. Diese nichtlineare Hystereseschleife ist bei manchen Magnetkernanwendungen nicht gewünscht, da die Ummagnetisierungsverluste erhöht sind. The investigations were carried out by way of example on 6 mm and 10 mm wide and typically 17 μπι to 25 μπι thick metal bands. However, the inventive idea is not limited to these dimensions. The bands have a composition of Fe 7 7_ x Cui x Sii 5 . 5 B s .5. The hysteresis loops are measured after heat treatment in the magnetic field, whereby a heat treatment of 0.5 h at 540 ° C in a magnetic field of H = 200 kA / m is performed transversely to the band direction. Figure 1 shows that with decreasing Nb content the hysteresis loops become non-linear. This nonlinear hysteresis loop is undesirable in some magnetic core applications because the core loss losses are increased.
Tabelle 1 zeigt die Nichtlinearitätsfaktoren NL der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Hystereseschleifen für verschiedene Wärmebehandlungen und verschiedene Nb-Gehalte. Insbesondere zeigt Tabelle 1 den Nichtlinearitätsfaktor von nanokristalli- nem Fe77-xCui bxSii5.5Bs.5 nach Wärmebehandlung im Magnetfeld für 0.5h bei einer Temperatur von 540°C und nach einer Wärmebehandlung unter Zugspannung von 100 MPa für 4s bei 600°C für verschiedene Nb-Gehalte. Figur 3 zeigt ein Diagramm vom Remanenzverhältnis Jr/'Js wärmebehandelter Proben als Funktion des Nb-Gehaltes. Insbesondere zeigt Figur 3 das Remanenzverhältnis von nanokristallinem Fe77_ xCuiNbxSii5.5Bs.5 nach Wärmebehandlung im Magnetfeld von 0.5h bei Temperaturen von 480°C bis 540°C und nach einer Wärmebehand- lung unter Zugspannung von 4s bei Temperaturen zwischen 520°C und 700°C als Funktion des Nb-Gehaltes. Table 1 shows the nonlinearity factors NL of the hysteresis loops shown in Figs. 1 and 2 for various heat treatments and various Nb contents. In particular, Table 1 shows the nonlinearity factor of nanocrystalline Fe 77 - x Cui b x Sii 5 . 5 B s .5 after heat treatment in a magnetic field for 0.5 h at a temperature of 540 ° C and after a heat treatment under tensile stress of 100 MPa for 4s at 600 ° C for various Nb contents. Figure 3 shows a graph of remanence J r / 'J s heat-treated samples as a function of the Nb content. In particular, Figure 3 shows the remanence ratio of nanocrystalline Fe 77 _ x x CuiNb Sii. 5 5 B s . 5 after heat treatment in a magnetic field of 0.5 h at temperatures of 480 ° C to 540 ° C and after heat treatment under tensile stress of 4 s at temperatures between 520 ° C and 700 ° C as a function of the Nb content.
Für eine Wärmebehandlung im Magnetfeld, die mit offenen Kreissymbolen in der Figur 3 dargestellt ist, werden besonders li- neare Schleifen mit einem Remanenzverhältnis kleiner als 0.1 und einem Nichtlinearitätsfaktor kleiner als 3% zuverlässig nur für Nb-Gehalte größer als 2 at% erreicht. Im Gegensatz da- zu können für eine Wärmebehandlung unter einer Zugspannung lineare Schleifen mit einem Remanenzverhältnis kleiner als 0.1 und einem Nichtlinearitätsfaktor kleiner als 3% zuverlässig für Nb-Gehalte kleiner als 2 at% und sogar für Zusammensetzun- gen ohne Niob erreicht werden. For a heat treatment in the magnetic field, which is represented by open circular symbols in FIG. 3, particularly linear loops with a remanence ratio smaller than 0.1 and a non-linearity factor smaller than 3% are reliably achieved only for Nb contents greater than 2 at%. In contrast, For linear heat treatment, linear loops with a remanence ratio less than 0.1 and a nonlinearity factor less than 3% can be reliably achieved for Nb contents less than 2 at% and even for compositions without niobium.
Aus den Ergebnissen der Figuren 1 und 3 kann entnommen werden, dass ein Mindest-Nb-Gehalt von vorzugsweise größer als 2 at% gefordert wird, um ein Band mit geeigneten magnetischen Eigen- Schäften für Magnetkernanwendung herzustellen, wenn die Wärmebehandlung in einem Magnetfeld durchgeführt wird. From the results of Figs. 1 and 3, it can be seen that a minimum Nb content of preferably greater than 2 at% is required to produce a tape having suitable magnetoresin magnetic properties when the heat treatment is performed in a magnetic field ,
Die Tabellen 1 bis 6 und die Figuren 2 bis 12 zeigen, dass lineare Schleifen mit kleinem Remanenzverhältnis bei Tables 1 to 6 and Figures 2 to 12 show that linear loops with a small remanence ratio at
Zusammensetzungen mit einem Niobgehalt von weniger als 2 Atom% erreicht werden können, wenn die Wärmebehandlung unter einer mechanischen Zugspannung in Bandlängsrichtung erfolgt. Diese Zusammensetzungen haben den Vorteil, dass die Rohstoffkosten reduziert sind, da Niob ein relativ teures Element ist. Compositions can be achieved with a niobium content of less than 2 atom%, when the heat treatment is carried out under a tensile stress in the tape longitudinal direction. These compositions have the advantage that raw material costs are reduced since niobium is a relatively expensive element.
Figur 2 zeigt ein Diagramm von Hystereseschleifen von Bändern nach Wärmebehandlung im Durchlauf mit einer effektiven FIG. 2 shows a diagram of hysteresis loops of bands after heat treatment in the course of an effective one
Anlasszeit von 4s bei einer Temperatur von 600°C und unter einer Zugspannung von etwa 100 MPa . Tempering time of 4s at a temperature of 600 ° C and under a tensile stress of about 100 MPa.
Als Anlasszeit im Durchlauf wird hierein diejenige Zeit definiert, bei welcher das Band die Temperaturzone durchläuft, bei welcher die Temperatur innerhalb 5% der hier angegebenen Anlasstemperatur entspricht. Dabei liegt die Zeitdauer um das Band auf die Anlasstemperatur aufzuwärmen in vergleichbarer Größenordnung wie die Dauer der Wärmebehandlung selbst . Entsprechendes gilt für die Zeitdauer der anschließenden As starting time in the run, the time is defined at which the band passes through the temperature zone at which the temperature within 5% corresponds to the tempering temperature given here. In this case, the time to heat the tape to the tempering temperature is comparable to the duration of the heat treatment itself. The same applies to the duration of the subsequent
Abkühlung . Cooling .
Figur 2 zeigt, dass für Nb-Gehalte kleiner 2 at% Hystere- seschleifen mit einem zentralen linearem Teil und kleinem Remanenzverhältnis erhalten werden können. Die Zusammensetzung mit Nb 3at% ist ein Vergleichsbeispiel und die Zusammensetzungen mit Nb < 2at% sind erfindungsgemäße Beispiele. Der Pfeil zeigt exemplarisch die Definition der Anisotropiefeldstärke Ha. FIG. 2 shows that for Nb contents of less than 2 at%, hysteresis loops with a central linear part and a small remanence ratio can be obtained. The composition with Nb 3at% is a comparative example and the compositions with Nb <2at% are examples according to the invention. The arrow shows by way of example the definition of the anisotropy field strength H a .
Figur 3 zeigt ein Diagramm eines Vergleichs des Remanenzverhältnisses für solch zugspannungsgetemperte Proben, die in der Figur 3 mit gefüllten Rauten dargestellt sind, und für magnet- feldgetemperte Proben, die mit offenen Kreissymbolen gezeigt sind, als Funktion des Nb-Gehaltes. Legierungen mit Nb- Gehalten unter 2 at% weisen ein kleines Remanenzverhältnis von weniger als 0,05 auf, nur wenn sie unter Zugspannung wärmebehandelt werden. Wenn diese Zusammensetzungen unter einem Mag- netfeld getempert werden, ist jedoch das Remanenzverhältnis deutlich höher, so dass diese Legierungen für manche Magnetkernanwendungen nicht geeignet sind. Selbst für die Legierung Fe77CuiSii5.5Bs.5 d.h. ohne Nb-Zusatz, ergibt sich noch eine weitgehend lineare Schleife mit einem Remanenzverhältnis von weniger als 0,05, wenn sie unter einer Zugspannung wärmebehandelt wird. FIG. 3 shows a graph of a remanence ratio comparison for such tension-tempered samples, shown in FIG. 3 with filled diamonds, and for magnetic field-annealed samples, shown with open circle symbols, as a function of Nb content. Alloys with Nb contents below 2 at% have a small remanence ratio of less than 0.05 only when heat-treated under tension. However, when these compositions are annealed under a magnetic field, the remanence ratio is significantly higher, so that these alloys are not suitable for some magnetic core applications. Even for the alloy Fe 77 CuiSii 5.5 B s .5, ie without addition of Nb, a substantially linear loop with a remanence ratio of less than 0.05 results when heat-treated under a tensile stress.
Figur 4 zeigt ein Diagramm von der Sättigungspolarisation von Legierungen mit einer Zusammensetzung von Fe77_xCui bxSii5.5Bs.5 als Funktion des Nb-Gehaltes. Die Legierungen mit reduziertem Nb-Gehalt weisen eine deutlich erhöhte Sättigungspolarisation auf. Dies kann vorteilhaft in eine entsprechende Gewichts- und Herstellungskostenreduktion des Magnetkerns umgesetzt werden. Somit ergibt sich zusätzlich zu verminderten Rohstoffkosten ein weiterer Vorteil, da die Magnetkern aufweisende Vorrichtung kleiner gebaut werden kann. FIG. 4 shows a diagram of the saturation polarization of alloys with a composition of Fe 7 7 - x Cu x b x Sii 5.5 B s .5 as a function of the Nb content. The alloys with reduced Nb content have a significantly increased saturation polarization. This can be beneficial in a corresponding weight and Reduced manufacturing costs of the magnetic core can be implemented. Thus, in addition to reduced raw material costs, a further advantage results since the device having the magnetic core can be made smaller.
Figur 5 zeigt ein Diagramm von Sattigungsmagnetostriktion λΞ, Anisotropiefeld Ha, Koerzitivfeidstärke Hc, Remanenzverhältnis Jr/Js und Nichtlinearitätsfaktor NL von einer Zusammensetzung Fe75.5Cu1 b1.5Si15.5B5.5 nach Wärmebehandlung von ca. 4 Sekunden Dauer unter einer Zugspannung von ca. 50 MPa als Funktion der Anlasstemperatur. Das Anisotropiefeld Ha entspricht dabei demjenigen Feld bei dem der lineare Teil der Hystereseschleife in die Sättigung übergeht, der in der Figur 2 dargestellt ist. Die Anlasstemperaturen, zwischen denen die gewünschten Eigenschaften erreicht werden können, liegen im Bereich von ca. 535°C bis 670°C, welcher in der Abbildung schraffiert hervorgehoben ist. Der schraffierte Bereich zeigt den Bereich in welchem sich lineare Schleifen mit kleiner Sättigungsmagnetostriktion, hohem Anisotropiefeld und kleinem Remanenzverhältnis ergeben. Dies ist auch der Bereich, in dem die Legierungen besonders lineare Schleifen aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der Figur 5 liegt somit die geeignetste Anlasstemperatur zwischen 535°C und 670°C. FIG. 5 shows a plot of saturation magnetostriction λ Ξ , anisotropy field H a , coercive field strength H c , remanence ratio J r / J s and nonlinearity factor NL of a composition Fe 75. 5 Cu 1 b 1 . 5 Si 15 .5B5.5 after heat treatment of about 4 seconds duration under a tensile stress of about 50 MPa as a function of the tempering temperature. The anisotropy field H a field corresponds to that in which the linear portion of the hysteresis loop passes into the saturation shown in FIG. 2 The tempering temperatures, between which the desired properties can be achieved, are in the range of about 535 ° C to 670 ° C, which is highlighted hatched in the figure. The hatched area shows the area in which linear loops with small saturation magnetostriction, high anisotropy field and small remanence ratio result. This is also the area in which the alloys have particularly linear loops. In the embodiment of Figure 5 thus is the most suitable tempering temperature between 535 ° C and 670 ° C.
Diese Temperaturgrenzen sind weitgehend unabhängig von der Größe der Zugspannung. Sie hängen jedoch von der Dauer der Wärmebehandlung und dem Nb-Gehalt ab. So nehmen sie beispielsweise mit sinkendem Nb-Gehalt bzw. mit länger andauernder Wär- mebehandlung ab, wie in der Figur 6 und der Tabelle 2 dargestellt . These temperature limits are largely independent of the magnitude of the tensile stress. However, they depend on the duration of the heat treatment and the Nb content. For example, they decrease with decreasing Nb content or with longer lasting heat. mebehandlung, as shown in Figure 6 and Table 2.
Figur 6 zeigt hierzu das Anlassverhalten einer Niob-freien Le- gierungsvariante , bei welcher die optimalen Anlasstemperaturen im Bereich von ungefähr 500°C bis 570°C, also deutlich niedriger als die Zusammensetzung der Figur 5 liegen. Insbesondere zeigt Figur 6 ein Diagramm vom Remanenzverhältnis Jt/Js und der Koerzitivfeidstärke Hc der Legierung FewCuiSiis.sBs.s nach Wärmebehandlung für 4 Sekunden bei Ta = 613 °C unter einer Zugspannung von ca. 50 MPa. Die optimalen erfindungsgemäßen Anlasstemperaturen liegen hier im Bereich von ca. 500°C bis 570°C. Hier ergibt sich, wie durch das Inset schematisch angedeutet, eine flache lineare Hystereseschleife mit einem Rema- nenzverhältnis kleiner 0.1. FIG. 6 shows the tempering behavior of a niobium-free alloy variant in which the optimum tempering temperatures are in the range of approximately 500 ° C. to 570 ° C., ie significantly lower than the composition of FIG. 5. In particular, FIG. 6 shows a graph of the remanence ratio J t / J s and the coercive field strength H c of the alloy FewCuiSii s .sbs. S after heat treatment for 4 seconds at T a = 613 ° C. under a tensile stress of approximately 50 MPa. The optimum tempering temperatures according to the invention here are in the range of about 500 ° C to 570 ° C. Here, as schematically indicated by the inset, a flat linear hysteresis loop with a remanence ratio of less than 0.1 results.
Figur 7 zeigt das mittels Differential Scanning Calometry (DSC) mit einer Aufheizrate von 10 K/min gemessene Kristallisationsverhalten am Beispiel der Legierung Fe77CuiSii5.5Bs.5. Man erkennt zwei Kristallisationsstufen welche durch die Kristallisationstemperaturen Txl und Tx2 charakterisiert werden. Der in der DSC Messung durch Txl und Tx2 eingrenzte Temperaturbereich entspricht dabei dem Bereich optimaler Anlasstemperaturen welcher entsprechend Figur 6 für die Legierung zwischen 500°C und 570°C liegt. FIG. 7 shows the crystallization behavior measured by means of differential scanning calometry (DSC) at a heating rate of 10 K / min using the example of the alloy Fe 77 CuiSii 5.5 B s .5. One recognizes two crystallization stages which are characterized by the crystallization temperatures T xl and T x2 . The temperature range limited by T xl and T x2 in the DSC measurement corresponds to the range of optimum tempering temperatures corresponding to FIG. 6 for the alloy between 500 ° C. and 570 ° C.
Figur 8 zeigt die Rontgenbeugungsdiagramme für die Legierung Fe77CuiSii5.5Bs.5 im amorphen Ausgangszustand und nach Wärmebehandlung unter Zug bei verschiedenen Anlasstemperaturen ent- sprechend den durch Txi und Tx2 definierten unterschiedlichen Kristallisationsstufen. Insbesondere zeigt Figur 8 das Rönt- genbeugungsdiagramm nach einer Wärmebehandlung unter Zug für 4s bei 515°C, also im Anlassbereich, wo erfindungsgemäße Magneteigenschaften erreicht werden, und bei 680°C, also im ungünstigen Anlassbereich wo keine linearen Hystereseschleifen mit kleinem Remanenzverhältnis mehr erzielt werden können. FIG. 8 shows the X-ray diffraction diagrams for the alloy Fe 77 CuiSii 5.5 B s .5 in the amorphous initial state and after heat treatment under tension at different tempering temperatures in accordance with the different crystallization stages defined by T xi and T x2 . In particular, FIG. 8 shows the X-ray diffraction pattern after a heat treatment under tension for 4s at 515 ° C, ie in the starting area, where magnetic properties according to the invention are achieved, and at 680 ° C, ie in the unfavorable starting area where no linear hysteresis loops with a small remanence ratio can be achieved more.
Aus der Analyse der Beugungsmaxima folgt, dass bei Anlasstemperaturen, wo sich lineare Hystereseschleifen mit kleinem Remanenzverhältnis ergeben, sich als kristalline Phase im wesentlichen nur kubische Fe-Si Kristallite bilden, welche in eine amorphe Minoritätsmatrix eingebettet sind. Im Fall derFrom the analysis of the diffraction maxima, it follows that at tempering temperatures where linear hysteresis loops with a small remanence ratio result, essentially only cubic Fe-Si crystallites form, which are embedded in an amorphous minority matrix, as the crystalline phase. In the case of
Legierung Fe77CuiSii5.5B6.5 liegt die mittlere Größe dieser Kristallite etwa im Bereich 38-44 nm. Führt man eine analoge Analyse mit der Legierungszusammensetzung Fe75.5Cu1 1.5Si15.5B6.5 durch so erhält man bei den entsprechenden optimalen Anlass- temperaturen eine mittlere Kristallitgröße im Bereich 20-25 nm . Alloy Fe 7 7CuiSii 5 .5B 6 .5, the average size of these crystallites is approximately in the range 38-44 nm. Performing an analogous analysis with the alloy composition Fe75.5Cu1 1.5Si15.5B6.5 by so obtained at the appropriate optimal occasion - Temperatures a mean crystallite size in the range 20-25 nm.
In der zweiten Stufe der Kristallisation kristallisieren aus der amorphen Restmatrix Boridphasen, welche die Magneteigen- Schäften ungünstig beeinflussen und zu einer nichtlinearen Schleife, mit hohem Remanenzverhältnis und hoher Koerzitiv- feidstärke führen. In the second stage of crystallization, boride phases crystallize out of the amorphous residual matrix, which unfavorably influence the magnetic properties and lead to a non-linear loop with a high remanence ratio and high coercive strength.
In Tabelle 2 sind weitere Beispiele, sowie ergänzende Daten in Form der mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) bei 10K/min gemessenen Kristallisationstemperaturen Txi, die der Kristallisation von bcc-FeSi entspricht, und Tx2, die der Kristallisation von Boriden entspricht, dargestellt. Die geeignete Anlasstemperatur liegt ungefähr zwischen Txi und Tx2 und führt zu einem Gefüge von nanokristallinen Körnern mit einer mittleren Korngröße kleiner 50 nm, die in einer amorphen Matrix eingebettet sind, und den gewünschten magnetischen Eigenschaften . In Table 2 are further examples, as well as additional data in the form of the differential scanning calorimetry (DSC) at 10K / min measured crystallization temperatures T x i, which corresponds to the crystallization of bcc-FeSi, and T x2 , which corresponds to the crystallization of borides, shown. The suitable tempering temperature is approximately between T xi and T x2 and leads to a structure of nanocrystalline grains with a mean grain size less than 50 nm, which in an amorphous Embedded matrix, and the desired magnetic properties.
Allerdings hängen Txi und Tx2 bzw. die Anlasstemperaturen Ta von der Aufheizrate und der Dauer der Wärmebehandlung ab. Deshalb liegen bei einer Wärmebehandlungsdauer von kleiner als 10 Sekunden die optimalen Anlasstemperaturen bei höheren Temperaturen als die mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) bei 10K/min gemessenen Kristallisationstemperaturen Txi und Tx2 der Tabelle 2. Entsprechend liegen für längere Anlasszeiten von zum Beispiel 10 min bis 60 min Dauer die optimalen Anlasstemperaturen Ta typischerweise 50°C bis 100°C niedriger als die in Tabelle 2 aufgelisteten Werte von Ta für eine Wärmebehandlungsdauer von wenigen Sekunden. However, T xi and T x2 and the tempering temperatures T a depend on the heating rate and the duration of the heat treatment. Therefore, with a heat treatment time of less than 10 seconds, the optimum tempering temperatures at higher temperatures than the measured by differential scanning calorimetry (DSC) at 10K / min crystallization temperatures T xi and T x2 of Table 2. Accordingly, for longer tempering times, for example, 10 min up to 60 minutes, the optimum tempering temperatures T a typically 50 ° C to 100 ° C lower than the values of T a listed in Table 2 for a heat treatment time of a few seconds.
Entsprechend können die Anlasstemperaturen Ta je nach Zusammensetzung und Dauer der Wärmebehandlung nach der Lehre von Figur 5 und anhand der im DSC gemessenen Kristallisationstemperaturen nach der Tabelle 2 gegebenenfalls angepasst werden. Correspondingly, the tempering temperatures T a may be adjusted according to the composition and duration of the heat treatment according to the teaching of FIG. 5 and based on the crystallization temperatures measured in the DSC according to Table 2.
Tabelle 3 zeigt den Einfluss der Anlasszeit am Beispiel der Legierungszusammensetzung Fe7SCui bi.5Sii3.5B8. Für Anlasszeiten im Bereich weniger Sekunden bis weniger Minuten wird kaum ein signifikanter Einfluss auf die resultierenden Magneteigen- Schäften aufgezeigt. Dies gilt solange die Anlasstemperatur Ta zwischen den anhand von Tabelle 2 diskutierten Grenztemperaturen liegt. Letztere betragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel Txl = 489°C und Tx2 = 630°C aus der DSC-Messung bei Table 3 shows the influence of tempering time using the alloy composition Fe 7S Cui bi.5Sii3 .5 B 8 as an example. For tempering times in the range of a few seconds to a few minutes, hardly any significant influence on the resulting magnetic properties is shown. This applies as long as the tempering temperature T a is between the limit temperatures discussed with reference to Table 2. The latter are in the present embodiment T xl = 489 ° C and T x2 = 630 ° C from the DSC measurement at
10 K/min bzw. Tal = 540°C und Ta2 = 640°C für eine Wärmebehand- lung von 4 s Dauer. Die Anlasstemperatur beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ta = 610°C und liegt somit zwischen den unteren und oberen Werten beider Definitionen von Grenztemperaturen. Die bei einer Aufheizrate von 10 K/min gemessenen Kristallisationstem- peraturen entsprechen in etwa dem optimalen Anlassbereich für eine isotherme Wärmebehandlung von einigen Minuten Dauer. 10 K / min or T al = 540 ° C and T a2 = 640 ° C for a heat treatment of 4 s duration. The tempering temperature in the present embodiment is T a = 610 ° C and thus lies between the lower and upper values of both definitions of limit temperatures. The crystallization temperatures measured at a heating rate of 10 K / min correspond approximately to the optimum starting range for an isothermal heat treatment lasting a few minutes.
Figur 9 zeigt die Abhängigkeit der Permeabilität, des Anisotropiefeldes, der Koerzitivfeidstärke , des Remanenzverhält- nisses und des Nichtlinearitätsfaktors von der bei der Wärmebehandlung angelegten Zugspannung. Insbesondere zeigt die Figur 9 ein Diagramm der Permeabilität, des Anisotropiefeldes, der Koerzitivfeidstärke , des Remanenzverhältnisses und des Nichtlinearitätsfaktors von nanokristallinem FIG. 9 shows the dependence of the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor on the tensile stress applied during the heat treatment. In particular, FIG. 9 shows a diagram of the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor of nanocrystalline
Fe75.5Cu1 b1.5Si15.5B5.5 nach Wärmebehandlung für 4 Sekunden bei 613 °C unter der angegebenen Zugspannung oa. In allen Fällen ergab sich hierbei ein Remanenzverhältnis von typischerweise weniger als Jr/'Js < 0.04 und ein Nichtlinearitätsfaktor kleiner als 2%. Fe 75 . 5 Cu 1 b 1 . 5 Si 15 . 5 B 5 .5 after heat treatment for 4 seconds at 613 ° C below the specified tension o a . In all cases, this gave a remanence ratio of typically less than J r / ' J s <0.04 and a nonlinearity factor less than 2%.
Tabelle 4 zeigt ein weiteres Beispiel für die Abhängigkeit der Permeabilität, des Anisotropiefeldes, der Koerzitivfeidstärke, des Remanenzverhältnisses und des Nichtlinearitätsfaktors von der bei der Wärmebehandlung angelegten Zugspannung. Insbeson- dere zeigt die Tabelle die Permeabilität, das Anisotropiefeldes, die Koerzitivfeidstärke , das Remanenzverhältnis und den Nichtlinearitätsfaktors von nanokristallinem Table 4 shows another example of the dependence of the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor on the tensile stress applied during the heat treatment. In particular, the table shows the permeability, the anisotropy field, the coercive field strength, the remanence ratio and the nonlinearity factor of nanocrystalline
Fe7sCuo.5Nb1.5Si15.5B5.5 nach Wärmebehandlung für 4 Sekunden bei 605°C unter der angegebenen Zugspannung oa . In allen Fällen ergab sich hierbei ein Remanenzverhältnis von typischerweise weniger als JT/Js < 0.1 und ein Nichtlinearitätsfaktor kleiner als 3%. Figur 9 und Tabelle 4 zeigen, dass die Anisotropiefeldstärke Ha und die Permeabilität μ durch Anpassen der Zugspannung oa gezielt eingestellt werden können. Um einen vorbestimmten Wert der Anisotropiefeldstärke Ha bzw. Permeabilität μ zu erzielen ist bei der Wärmebehandlung eine Zugspannung oa ~ a μ0Η3/ ιΤΞ bzw. oa ~ α/μ erforderlich, wobei μ0 = (4π 10"7 Vs/ (Am) ) die magnetische Feldkonstante bezeichnet. Dabei bezeichnet a einen Materialparameter der primär von der Legierungszusammenset - zung, aber auch von der Anlasstemperatur und der Anlasszeit abhängen kann. Typische Werte liegen im Bereich ~ 30000 MPa bis α ~ 70000 MPa. Insbesondere ergibt sich für das Beispiel in Figur 9 ein Wert von ~ 48000 MPa und für das Beispiel in Tabelle 3 ein Wert von α -36000 MPa. Fe 7 sCuo. 5 Nb 1 . 5 Si 15 . 5 B 5 .5 after heat treatment for 4 seconds at 605 ° C below the specified tension o a . In all cases, this resulted in a remanence ratio of typically less than J T / J s <0.1 and a nonlinearity factor of less than 3%. FIG. 9 and Table 4 show that the anisotropic field strength H a and the permeability μ can be adjusted in a targeted manner by adjusting the tension o a . In order to achieve a predetermined value of the anisotropic field strength H a or permeability μ in the heat treatment, a tensile stress o a ~ a μ 0 Η 3 / ιΤ Ξ or o a ~ α / μ is required, where μ 0 = (4π 10 "7 A denotes a material parameter which may depend primarily on the alloy composition but also on the tempering temperature and the tempering time Typical values are in the range ~ 30,000 MPa to ~ ~ 70000 MPa For the example in FIG. 9, a value of ~ 48,000 MPa and for the example in Table 3 a value of α -36,000 MPa.
Die Ausführungsbeispiele in Figur 9 und Tabelle 3 machen ferner deutlich, dass sich um so linearere Schleifen erreichen lassen, je kleiner die eingestellte Permeabilität ist. So ergeben sich für Permeabilitäten kleiner als etwa μ = 3000 be- sonders lineare Schleifen mit einer Nichtlinearität kleiner als 2% und einem Remanenzverhältnis Jr/Js<0.05. The exemplary embodiments in FIG. 9 and Table 3 further make it clear that the smaller the set permeability, the more linear loops can be achieved. Thus, for permeabilities less than approximately μ = 3000, especially linear loops with a nonlinearity of less than 2% and a remanence ratio J r / J s <0.05 result.
Die Bänder der vorherstehenden Ausführungsbeispiele weisen einer Legierung mit der Zusammensetzung The bands of the preceding embodiments comprise an alloy having the composition
Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz auf, wobei Feioo-a- b -c d -x- y - z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z, wherein
Cu 0< a < 1.5, Cu 0 <a <1.5,
Nb 0 < b < 2, Nb 0 <b <2,
M eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta, oder Zr mit 0 ^ b+c < 2 ist,  M is one or more of Mo, Ta, or Zr with 0 ^ b + c <2,
T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni mit 0 < d < 5 ist, Si 10 < x < 18 T is one or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni with 0 <d <5, Si 10 <x <18
B 5 < y < 11 B 5 <y <11
Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge mit 0 ^ z < 2, wobei die Legierung bis zu 1 Atom% Verunreinigungen aufweisen kann. Typische Verunreinigungen sind C, P, S, Ti, Mn, Cr, Mo, Ni, und Ta.  Z is one or more of the elements C, P or Ge with 0 ^ z <2, wherein the alloy can have up to 1 atom% of impurities. Typical impurities are C, P, S, Ti, Mn, Cr, Mo, Ni, and Ta.
Die Zusammensetzung kann einen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften bei bestimmten Wärmebehandlungen ausüben. Um die gewünschten magnetischen Eigenschaften bei einer Zusammensetzung zu erreichen, kann die Wärmebehandlung und insbesondere die Zugspannung eingestellt werden. Tabelle 5 zeigt Legierungsbeispiele, welche etwa 4 Sekunden lang unter einer Zugspannung um 50 MPa bei einer für die jeweilige Zusammensetzung optimalen Anlasstemperatur Ta wärmebehandelt wurden, und ein Vergleichsbeispiel mit einer Zusammensetzung mit einem Niobgehalt von oberhalb 2 Atom% . Die übri- gen, mit 1 bis 10 durchnummerierten Beispiele stellen erfindungsgemäße Zusammensetzungen mit einem Nb-Gehalt kleiner 2 at% dar. Figur 10 zeigt ergänzend die optimalen Anlasstemperaturen und die Kristallisationstemperaturen der Legierungsbeispiele 1 bis 10. Insbesondere zeigt Figur 10 die untere und obere optimale Anlasstemperatur Tal und Ta2 für eine Anlasszeit von 4s als Funktion der im DSC bei 10 K/min gemessenen Kristallisationstemperaturen Txl und Tx2. The composition can exert an influence on the magnetic properties in certain heat treatments. In order to achieve the desired magnetic properties in a composition, the heat treatment and in particular the tensile stress can be adjusted. Table 5 shows examples of the alloy, which were approximately 4 seconds heat-treated under a tension of 50 MPa at an optimum for the respective composition tempering temperature T A, and a Comparative Example having a composition with a niobium content of above 2 atomic%. The remaining examples, numbered 1 to 10, represent compositions according to the invention having an Nb content of less than 2 at%. FIG. 10 additionally shows the optimum tempering temperatures and the crystallization temperatures of alloy examples 1 to 10. In particular, FIG. 10 shows the lower and upper optimum Tempering temperature T al and T a2 for a tempering time of 4 s as a function of the crystallization temperatures T xl and T x2 measured in the DSC at 10 K / min.
Diese Beispiele belegen, dass für erfindungsgemäße Legierungen die Zusammensetzung innerhalb bestimmter Grenzen variiert werden kann. Dabei können innerhalb der vorhin aufgezeigten Grenzen (1) anstelle von Nb weitere Elemente wie Mo, Ta und/oder Zr (2) anstelle von Eisen andere Übergangsmetalle wie V, Mn, Cr, Co und oder Ni bzw. (3) Elemente wie C, P und/oder Ge hinzulegiert werden, ohne dass sich die Eigenschaften nennenswert ändern. Um dies zu untermauern wurde als weiteres Ausführungs- beispiel die Legierungszusammensetzung These examples show that for alloys according to the invention the composition can be varied within certain limits. Within the previously indicated limits (1) instead of Nb further elements such as Mo, Ta and / or Zr (2) instead of iron other transition metals such as V, Mn, Cr, Co and or Ni or (3) elements such as C, P and / or Ge can be added without the properties change significantly. To substantiate this, the alloy composition was used as another embodiment
FS71. 5C02 . 5N10. sCro .5V0 . 5 n0 . 2Cu0.7Nb0. 5 O0 . 5 a0.4Si 15.5Bs.5Co.2 in 20 μπι Banddicke und 10 mm Bandbreite hergestellt. Die Le- gierung weist eine Sättigungspolarisation von Js = 1.25 T auf und reagiert auf Wärmebehandlung unter Zugspannung ähnlich wie z.B. die Legierungsbeispielen 2 - 5 aus Tabelle 3. So ergibt sich bei einer etwa 4 s dauernden Wärmebehandlung bei 600°C unter einer Zugspannung von 50 MPa ein Nichtlinearitätsfaktor von 0.4%, ein Remanenzverhältnis JT/Js = 0.01, eine Koerzitiv- feldstärke von Hc = 6 A/m, ein Anisotropiefeld von Ha = 855 A/m und ein Permeabilitätswert von μ = 1160. FS 71 . 5C02. 5N10. sCro .5V0. 5 n0. 2Cu0.7Nb0. 5 O0. 5 a0. 4 Si 15 . 5 B s . 5 Co.2 produced in 20 μπι tape thickness and 10 mm bandwidth. The alloy has a saturation polarization of J s = 1.25 T and responds to heat treatment under tensile stress similar to, for example, alloy examples 2-5 from Table 3. Thus, with a heat treatment of about 4 s at 600 ° C., a tensile stress of 50 MPa a nonlinearity factor of 0.4%, a remanence ratio J T / J s = 0.01, a coercive field strength of H c = 6 A / m, an anisotropy field of H a = 855 A / m and a permeability value of μ = 1160.
Aus Tabelle 5 geht hervor, dass sich auch ohne Cu-Zusatz wün- sehenswerte Magneteigenschaften ergeben. It can be seen from Table 5 that desirable magnetic properties result even without addition of Cu.
Tabelle 6 zeigt deshalb weitere Legierungsbeispiele bei welchen systematisch der Cu-Gehalt variiert wurde und eine Wärmebehandlung von etwa 7 Sekunden Dauer bei 600°C unter einer Zugspannung von etwa 15 MPa durchgeführt wurde. Insbesondere wurde in Tabelle 6 das Element Fe schrittweise durch Cu ersetzt, wobei die übrigen Legierungsbestandteile unverändert blieben . Aus Tabelle 6 ist für Cu-Gehalte unterhalb 1.5at% kein signifikanter Einfluss des Cu-Gehaltes auf die magnetischen Eigenschaften zu erkennen. Allerdings fördert der Zusatz von Cu die Versprödungsneigung der Bänder bei der Herstellung. Insbesondere zeigen Legierungen mit Cu-Gehalten größer als 1.5at% (wie z.B. die Legierung Nr. 15 aus Tabelle 6) bereits im Herstellzustand eine starke Versprödung, so dass ein 20μπι dickes Band der Legierung Fe74.5Cu2 1.5Si15.5B6.5 bei einem Biegedurchmesser von etwa 1 mm brechen kann. Table 6 therefore shows other examples of alloys in which the Cu content was varied systematically and a heat treatment of about 7 seconds duration was carried out at 600 ° C under a tensile stress of about 15 MPa. Specifically, in Table 6, the element Fe was gradually replaced by Cu, with the remaining alloying components remaining unchanged. Table 6 shows no significant influence of the Cu content on the magnetic properties for Cu contents below 1.5at%. However, the addition of Cu promotes the Embrittlement tendency of the strips during production. In particular, alloys with Cu contents greater than 1.5at% (such as, for example, alloy no. 15 from Table 6) already exhibit a strong embrittlement in the production state, so that a 20 μm thick band of the alloy Fe 74.5 Cu 2 1.5 Si 15.5 B 6.5 in a Bending diameter of about 1 mm can break.
Ein derart sprödes Band kann aufgrund der hohen Bandgeschwindigkeiten bei der Herstellung (25-30 m/s) nach Verlassen der Kühlwalze nicht oder nur mit hohen Schwierigkeiten während des Gießprozesses gefangen und direkt aufgewickelt werden. Dies macht die Bandherstellung unwirtschaftlich. Auch reißen solche, bereits von Anfang an spröden Bänder bei der Wärmebehandlung in erhöhtem Maße, insbesondere auch bevor sie in die Zone mit erhöhter Temperatur eintreten. Bei solch einem Abriss wird der Wärmebehandlungsprozess unterbrochen und das Band muss erneut durch den Ofen gefädelt werden. Such a brittle belt can not be caught or wound up directly during the casting process due to the high production line speeds (25-30 m / s) after leaving the cooling roller or only with great difficulty during the casting process. This makes the tape production uneconomical. Also, such break even at the beginning of brittle bands in the heat treatment to an increased extent, especially before they enter the zone of elevated temperature. With such a break, the heat treatment process is interrupted and the tape must be threaded through the oven again.
Hingegen lassen sich Legierungen mit einem Cu-Gehalt kleiner 1.5at% auf einen Biegedurchmesser von zweimal der Banddicke, also typischerweise kleiner 0.06 mm knicken, ohne dass sie brechen. Dies gestattet, das Band beim Gießen direkt aufzuhaspeln. Ferner ist die Wärmebehandlung solcher anfangs duktiler Bänder wesentlich einfacher. Legierungen mit einem Cu-Gehalt kleiner als 1.5 at% verspröden erst durch die Wärmebehandlung, aber erst nach dem sie den Ofen verlassen haben und wieder abgekühlt sind. Die Wahrscheinlichkeit für einen Bandriss während der Wärmebehandlung ist somit deutlich geringer. Auch kann in den meisten Fällen der Bandtransport durch den Ofen trotz Abriss weiterlaufen. Insgesamt lassen sich somit anfangs duktile Bänder problemloser und somit wirtschaftlicher herstellen, als auch wärmebehandeln. Bei den in Tabelle 5 und 6, gezeigten Zusammensetzungen handelt es sich um nominale Zusammensetzungen in at%, welche im Rahmen einer Genauigkeit von typischerweise +0.5 at% mit den in der chemischen Analyse gefundenen Konzentrationen der einzelnen Elementen übereinstimmt. On the other hand, alloys with a Cu content of less than 1.5at% can be bent to a bending diameter of twice the strip thickness, ie typically less than 0.06 mm, without breaking. This allows the tape to be rewound directly during casting. Furthermore, the heat treatment of such initially ductile bands is much easier. Alloys with a Cu content of less than 1.5 at% become embrittled only after the heat treatment, but only after they have left the furnace and are cooled again. The probability of a ligament tear during the heat treatment is thus significantly lower. Also, in most cases, belt transport through the oven can continue despite demolition. All in all, ductile tapes can thus be produced more easily and thus more economically, as well as heat-treated at first. The compositions shown in Tables 5 and 6 are nominal compositions in at% which coincide, within an accuracy of typically +0.5 at%, with the concentrations of the individual elements found in the chemical analysis.
Der Siliziumgehalt und der Borgehalt üben auch einen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften dieser Art von nanokristal- liner Legierung mit einem Niobgehalt von weniger als 2 Atom%, wenn sie unter Zugspannung hergestellt ist, aus. The silicon content and the boron content also exert an influence on the magnetic properties of this type of nanocrystalline alloy with a niobium content of less than 2 atomic% when it is produced under tensile stress.
Die Beispiele aus den Tabellen 3 bis 6 weisen die folgende gewünschte Kombination von Eigenschaften auf, also eine im zent- ralen Teil lineare Magnetisierungsschleife mit einem Remanenzverhältnis Jr/Js < 0.1 und einer kleinen Koerzitivfeidstärke Hc welche typischerweise nur wenige Prozente der Anisotropiefeldstärke Ha beträgt. Die Figuren 11 und 12 vergleichen die magnetischen Eigenschaften der Zusammensetzungen Fe80S i iiB9 und Fevs . sS i ioBn . s . Figur 11 zeigt ein Diagramm vom Verlauf von Koerzitivfeidstärke Hc und Remanenzverhältnis Jr/'Js beider Legierungen nach Wärmebehandlung unter einer Zugspannung von etwa 50 MPa als Funktion der Anlasstemperatur Ta . Die Koerzitivfeidstärke Hc und das Remanenzverhältnis Jr/Js der erfindungsgemäßen Legierung Fe80S i iiB9 wird durch gefüllte Kreissymbole dargestellt und der Vergleichszusammensetzung Fe78.5SiioBii.5 durch offene Dreiecksymbole dargestellt, nach einer Wärmebehandlung von 4 Sekunden Dau- er bei der Anlasstemperatur Ta unter einer Zugspannung von etwa 50 MPa. Figur 12 zeigt ein Diagramm von Hystereseschleifen der beiden Legierungen nach Wärmebehandlung für 4s bei etwa 565°C unter Zugspannungen von 50 MPa (gestrichelte Linie) bzw. 220 MPa (durchgezogene Linie) . Die Hystereseschleife der erfindungsge- mäßen Legierung Fe8oSinB9 ist links und die der Vergleichszusammensetzung Fe78.5SiioBii.5 ist rechts dargestellt. The examples from Tables 3 to 6 have the following desired combination of properties, ie, a central part linear magnetization loop with a remanence ratio J r / J s <0.1 and a small coercive field strength H c which typically only a few percent of the anisotropic field strength H a is. Figures 11 and 12 compare the magnetic properties of the compositions Fe 80 SiB 9 and Fevs. s i ioBn. s. FIG. 11 shows a diagram of the course of coercive field strength H c and remanence ratio J r / ' J s of both alloys after heat treatment under a tensile stress of about 50 MPa as a function of tempering temperature T a . The coercive field strength H c and the remanence ratio J r / J s of the alloy Fe 80 S 11B 9 according to the invention are represented by filled circle symbols and the comparative composition Fe 78 . 5 SiioBii.5 shown by open triangular symbols, after a heat treatment of 4 seconds duration at the tempering temperature T a under a tensile stress of about 50 MPa. FIG. 12 shows a diagram of hysteresis loops of the two alloys after heat treatment for 4 s at about 565 ° C. under tensile stresses of 50 MPa (dashed line) or 220 MPa (solid line). The hysteresis loop of the alloy according to the invention Fe 8 OSinB 9 is on the left and that of the comparative composition Fe 7 8.5 SiioBii. 5 is shown on the right.
Obwohl sich die in den Figuren 11 und 12 gezeigten Legierungen in ihrer chemischen Zusammensetzung nur relativ geringfügig unterscheiden, ergeben sich so große Unterschiede in den magnetischen Eigenschaften beider Legierungen. Although the alloys shown in FIGS. 11 and 12 differ only slightly in their chemical composition, so great differences in the magnetic properties of both alloys result.
So weist die erfindungsgemäße Zusammensetzung Fe8oSinB9 nach Wärmebehandlung zwischen etwa 530°C und 570°C eine lineare Magnetisierungsschleife mit einem kleinen Remanenzverhältnis Jr/Js < 0.1 und einer geringen Koerzitivfeidstärke auf, welche deutlich unter 100 A/m liegt und letztlich nur wenige Prozente der Anisotropiefeldstärke Ha beträgt. Hingegen weist die Zusammensetzung Fevs.sSiioBn.s im gesamten Wärmebehandlungsbereich ein hohes Remanenzverhältnis auf. Thus, the inventive composition Fe 8o SINB 9 after heat treatment between about 530 ° C and 570 ° C, a linear magnetization loop with a small remanence J r / J s <0.1 and a low coercive field strength onto which is clearly below 100 A / m and finally only a few percent of the anisotropic field strength H a . By contrast, the composition Fevs.siioBn.s has a high remanence ratio throughout the entire heat treatment range.
Selbst die niedrigsten Werte des Remanenzverhältnisses, welche bei Anlasstemperaturen zwischen 540°C und 570°C erreicht werden, betragen noch um Jr/Js ~ 0.5 (vgl. Fig. 11) . Ferner er- gibt sich bei diesen niedrigsten Werten von Jr/Js eine ungünstig hohe Koerzitivfeidstärke von etwa Hc ~ 800 - 1000 A/m. Dadurch verliert der zentrale Teil der Magnetisierungsschleife an Linearität und die starke Aufspaltung der Hystereseschleife führt zu nachteilhaften hohen Ummagnetisierungsverlusten (vgl. Fig. 12) . Diese Ausführungsbeispiele zeigen, dass sich bei Legierungszusammensetzungen mit einem Si -Gehalt von mehr als 10 at% und einem B-Gehalt von weniger als 11 at% nach Wärmebehandlung unter Zugspannung, eine flache, weitgehend lineare Hystere- seschleife mit einem Remanenzverhältnis JT/Js < 0.1 und einer geringen Koerzitivfeidstärke ergibt, welche deutlich unter 100 A/m liegt und nicht mehr als 10% des Anisotropiefeldes beträgt. Bei einem niedrigerem Siliziumgehalt und einem höheren Borgehalt als bei diesen Grenzwerten, sind die gewünschten magnetischen Eigenschafen bei dieser Wärmebehandlung unter Zugspannung nicht erreicht . Even the lowest values of the remanence ratio, which are achieved at tempering temperatures between 540 ° C and 570 ° C, are still around J r / J s ~ 0.5 (see Fig. 11). Furthermore, at these lowest values of J r / J s, an unfavorably high coercive field strength of approximately H c ~ 800 - 1000 A / m results. As a result, the central part of the magnetization loop loses linearity, and the strong splitting of the hysteresis loop leads to disadvantageous high remagnetization losses (compare FIG. 12). These embodiments show that in alloy compositions having a Si content of more than 10 at% and a B content of less than 11 at% after heat treatment under tensile stress, a flat, substantially linear hysteresis loop with a remanence ratio J T / J s <0.1 and a low coercive field strength, which is well below 100 A / m and not more than 10% of the Anisotropiefeldes. With a lower silicon content and a higher boron content than these limits, the desired magnetic properties are not achieved in this tensile stress treatment.
Die Obergrenze für den Si -Gehalt und die Untergrenze für den Bor-Gehalt werden auch untersucht. Während die Legierungszu- sammensetzung Fe75Cuo.5Nb1.5Si17.5B5.5 (siehe Legierung Nr. 5 aus Tabelle 5) problemlos als amorphes, duktiles Band herstellbar war und nach Wärmebehandlung wünschenswerte Eigenschaften aufwies, wies die Legierungszusammensetzung Fe75Cuo.5 bi.5Sii8B5 nach Wärmebehandlung nur noch grenzwertige Magneteigenschaften auf und die Legierungszusammensetzung Fe75Cuo.5 bi.5Sii8.5B4.5 ließ sich nicht mehr als duktiles amorphes Band herstellen. The upper limit of the Si content and the lower limit of the boron content are also examined. While the alloy composition Fe75Cuo.5Nb1.5Si17.5B5.5 (see alloy no. 5 of Table 5) was produced as an amorphous, ductile band easily and had to heat treatment desirable properties, the alloy composition Fe had 7 5Cuo.5 bi.5Sii 8 B 5 after heat treatment only borderline magnetic properties and the alloy composition Fe 75 Cu o.5 bi .5 Sii 8.5 B 4.5 could no longer be prepared as a ductile amorphous band.
Diese Ausführungsbeispiele zeigen, dass sich bei Legierungszusammensetzungen mit einem Si -Gehalt von weniger als 18 at% und einem B-Gehalt von mehr als 5 at% nach Wärmebehandlung unterThese embodiments show that for alloy compositions having a Si content of less than 18 at% and a B content of more than 5 at% after heat treatment
Zugspannung, eine flache, weitgehend lineare Hystereseschleife mit einem Remanenzverhältnis Jr/'Js < 0.1 und einer geringen Koerzitivfeidstärke ergibt, welche deutlich unter 100 A/m liegt und nicht mehr als 10% des Anisotropiefeldes beträgt. Bei einem höheren Siliziumgehalt als 18 at% und einem kleineren Borgehalt als 5at%, sind die gewünschten magnetischen Eigenschafen bei dieser Wärmebehandlung unter Zugspannung nicht erreicht bzw. lässt sich kein amorphes und duktiles Band mehr herstellen . Tensile stress, a flat, largely linear hysteresis loop with a remanence ratio J r / ' J s <0.1 and a low coercive field strength results, which is well below 100 A / m and not more than 10% of Anisotropiefeldes. At a silicon content higher than 18 at% and a boron content lower than 5at%, the desired magnetic properties in this tensile heat treatment are not reaches or can no longer produce an amorphous and ductile band.
Tabelle 7 zeigt die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λΞ verschiedener Legierungszusammensetzungen gemessen im Herstellzustand und nach 4s Wärmebehandlung unter einem Zug von 50 MPa bei der angegebenen Anlasstemperatur Ta. Insbesondere wurde eine Anlasstemperatur gewählt, welche nicht mehr als 50 °C von der maximal möglichen Anlasstemperatur Ta2 entfernt ist, da man so für eine gegebene Zusammensetzung besonders kleine Werte der Magnetostriktion erhält (vergleiche Figur 5) , welche letztlich durch die Legierungszusammensetzung bestimmt werden. Der Effekt der Si-Gehalt der Legierung wird gezeigt. Tabelle 7 belegt ergänzend zu Figur 5, dass sich nach Wärmbehandlung unter Zugspannung eine deutliche Absenkung der Sätti- gungsmagnetostriktion ergibt, was zu reproduzierbareren Magneteigenschaften führen kann. Insbesondere ergibt sich bei kleiner Magnetostriktion kein oder nur ein geringer Einfluss mechanischer Spannungen auf die Hystereseschleife. Solche mechanische Spannungen können auftreten, wenn das wärmebehandelte Band zu einem Magnetkern gewickelt wird oder wenn der Magnetkern in der weiteren Verarbeitung zu seinem Schutz in einen Trog oder in eine Kunststoffmasse eingebettet oder anschlie- ßend mit Windungen aus Draht versehen wird. Hieraus können besonders vorteilhafte Zusammensetzungen, nämlich solche mit kleiner Magnetostriktion abgeleitet werden. Table 7 shows the saturation magnetostriction constant λ Ξ of various alloy compositions measured in the state of manufacture and after 4s heat treatment under a tension of 50 MPa at the indicated tempering temperature T a . In particular, an annealing temperature was chosen, which is distant from the maximum annealing temperature T a2 not more than 50 ° C, as this particularly small for a given composition values of the magnetostriction are obtained (see Figure 5) which will ultimately be determined by the alloy composition. The effect of the Si content of the alloy is shown. In addition to FIG. 5, Table 7 demonstrates that, after heat treatment under tensile stress, a significant reduction in the saturation magnetostriction results, which can lead to reproducible magnetic properties. In particular, little or no influence of mechanical stresses on the hysteresis loop results with small magnetostriction. Such mechanical stresses can occur when the heat-treated strip is wound into a magnetic core or when the magnetic core is embedded in a trough or in a plastics material or subsequently provided with turns of wire for further protection. From this it is possible to derive particularly advantageous compositions, namely those with a small magnetostriction.
Wie durch die Beispiele aus Tabelle 7 belegt wird, lassen sich besonders vorteilhafte Magnetostriktionswerte von betragsmäßig kleiner als 5 ppm erreichen, wenn der Si Gehalt größer als 13 at% ist und die Wärmebehandlungstemperatur nicht mehr als 50 °C unterhalb der oberen Grenze Ta2 des optimalen Anlassbereichs liegt. Noch kleinere Werte der Sattigungsmagnetostriktion, welche betragsmäßig kleiner als 2 ppm lassen sich erreichen, wenn der Si Gehalt größer als 14 at% und kleiner als 18 at% ist und die Wärmebehandlungstemperatur nicht mehr als 50 °C unterhalb der oberen Grenze Ta2 des optimalen Anlassbereichs liegt. Noch kleinere Werte der Sättigungsmagnetostriktion, welche betragsmäßig kleiner als 1 ppm lassen sich erreichen, wenn der Si Gehalt größer als 15 at% und ist und die Wärmebe- handlungstemperatur nicht mehr als 50 °C unterhalb der oberen Grenze Ta2 des optimalen Anlassbereichs liegt. As evidenced by the examples of Table 7, particularly advantageous magnetostriction values of less than 5 ppm can be achieved if the Si content is greater than 13 at% and the heat treatment temperature is not more than 50 ° C is below the upper limit T a2 of the optimal starting range. Even smaller values of the saturation magnetostriction, which are smaller than 2 ppm in absolute value, can be achieved if the Si content is greater than 14 at% and less than 18 at%, and the heat treatment temperature is not more than 50 ° C. below the upper limit T a2 of the optimum tempering range lies. Even smaller values of the saturation magnetostriction, whose absolute value is less than 1 ppm, can be achieved when the Si content is greater than 15 at% and and the heat treatment temperature is not more than 50 ° C. below the upper limit T a2 of the optimum tempering range.
Ein betragsmäßig kleiner Wert der Magnetostriktion ist um so wichtiger, je höher die Permeabilität ist. So weisen Legierun- gen mit einer Permeabilität größer 500, bzw. größer als 1000 eine vergleichbar geringe Abhängigkeit von mechanischen Spannungen auf, wenn die Sättigungsmagnetostriktion betragsmäßig kleiner 2 ppm bzw. kleiner als 1 ppm ist. Die Legierung kann auch eine Sättigungsmagnetostriktion von betragsmäßig kleiner als 5 ppm aufweisen. Legierungen mit einer Sättigungsmagnetostriktion unterhalb dieser Grenzwerte weisen noch gute weichmagnetische Eigenschaften auch bei interner Spannung auf, wenn die Permeabilität kleiner 500 ist. A small amount of magnetostriction is the more important the higher the permeability. For example, alloys with a permeability greater than 500 or greater than 1000 have a comparatively low dependence on mechanical stresses if the saturation magnetostriction is less than 2 ppm or less than 1 ppm. The alloy may also have a saturation magnetostriction of less than 5 ppm in magnitude. Alloys with a saturation magnetostriction below these limits still have good soft magnetic properties even at internal stress, when the permeability is less than 500.
Der Wert der Sättigungsmagnetostriktion kann noch geringfügig von der während der Wärmebehandlung angelegten Zugspannung oa abhängen. So ergeben beispielsweise sich für Legierung The value of the saturation magnetostriction may still slightly depend on the tensile stress o a applied during the heat treatment. For example, the result is alloy
Fe75.5Cu1Nb1.5Si15.5B5.5 bei einer Wärmebehandlung von 4s bei 610°C in Abhängigkeit der Anlasszugspannung folgende Werte: λΞ ~ 1 ppm bei oa ~ 50 MPa, λΞ ~ 0.7 ppm bei oa ~ 260 MPa und λΞ ~ 0.3 ppm bei oa ~ 500 MPa Dies entspricht einer geringen Abnahme der Magnetostriktion von ΔλΞ ~ -0.15 ppm/100 MPa . Die anderen Legierungszusammensetzungen zeigen ein vergleichbares Verhalten . Figur 13 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1, die geeignet ist, die Legierung mit einer Zusammensetzung nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele in Gestalt eines Bandes herzustellen. Die Vorrichtung 1 weist einen Durchlaufofen 2 mit einer Temperaturzone 3 auf, wobei diese Tempe- raturzone so eingestellt ist, dass die Temperatur im Ofen in dieser Zone innerhalb 5°C von der Anlasstemperatur Ta ist. Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Spule 4, auf der die amorphe Legierung 5 aufgewickelt ist, und eine Aufnahmespule 6, auf der das wärmebehandelte Band 7 aufgenommen wird. Das Band wird mit einer Geschwindigkeit s von der Spule 4, durch den Durchlaufofen 2 bis zur Aufnahmespule 6 gezogen. Dabei steht das Band 7 in Laufrichtung von der Vorrichtung 9 bis zur Vorrichtung 10 unter einer Zugspannung σ3. Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Vorrichtung 8 zum laufenden Messen der magnetischen Eigenschaften des Bandes 6, nachdem es wärmebehandelt ist und aus dem Durchlaufofen 2 gezogen ist, auf. Im Bereich dieser Vorrichtung 8 steht das Band 7 nicht mehr unter Zugspannung. Die gemessenen magnetischen Ei- genschaften können verwendet werden, um die Zugspannung oa, unter der das Band 7 durch den Durchlaufofen 2 gezogen wird, einzustellen. Dies ist mit den Pfeilen 9 und 10 in der Figur 13 schematisch dargestellt. Durch dieses Messen der magnetischen Eigenschaften und das laufende Einstellen der Zugspan- nung kann die Gleichmäßigkeit der magnetischen Eigenschaften über die Länge des Bandes verbessert werden. Fe75. 5 Cu 1 Nb 1 . 5 Si 15 .5B5. 5 for a heat treatment of 4s at 610 ° C, depending on the initial tensile stress: λ Ξ ~ 1 ppm at o a ~ 50 MPa, λ Ξ ~ 0.7 ppm at o a ~ 260 MPa and λ Ξ ~ 0.3 ppm at o a ~ 500 MPa This corresponds to a small decrease the magnetostriction of Δλ Ξ ~ -0.15 ppm / 100 MPa. The other alloy compositions show similar behavior. FIG. 13 shows a schematic view of a device 1 which is suitable for producing the alloy with a composition according to one of the preceding embodiments in the form of a band. The apparatus 1 has a continuous furnace 2 with a temperature zone 3, this temperature zone being set so that the temperature in the furnace in this zone is within 5 ° C. of the tempering temperature T a . The device 1 further comprises a coil 4, on which the amorphous alloy 5 is wound, and a take-up spool 6, on which the heat-treated belt 7 is received. The tape is drawn at a speed s from the spool 4, through the continuous oven 2 to the take-up spool 6. In this case, the belt 7 is in the direction of the device 9 to the device 10 under a tensile stress σ. 3 The apparatus 1 further comprises an apparatus 8 for continuously measuring the magnetic properties of the belt 6 after it has been heat treated and drawn out of the continuous furnace 2. In the area of this device 8, the belt 7 is no longer under tension. The measured magnetic properties can be used to set the tension under which the belt 7 is pulled through the continuous furnace 2. This is schematically illustrated by the arrows 9 and 10 in FIG. By measuring the magnetic properties and continuously adjusting the tensile stress, the uniformity of the magnetic properties over the length of the ribbon can be improved.

Claims

Legierung, die alloy, the
aus Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz und bis zu 1 Atom% Verunreinigungen besteht, wobei M eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni und Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge ist und 0 Atom% < a < 1,5 Atom%, 0 Atom% < b < 2 Atom%, 0 Atom% < (b+c) < 2 Atom%, 0 Atom% < d < 5 Atom%, 10 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 11 Atom% und 0 Atom% < z < 2 Atom% ist, consists of Feioo- a - b - c - d - x - y - z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z and up to 1 atom% impurities, where M is one or more of the elements Mo, Ta or Zr, T is one or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni and Z is one or more of the elements C, P or Ge and 0 atom% <a <1.5 atom%, 0 atom% <b <2 Atom%, 0 Atom% < (b+c) < 2 Atom%, 0 Atom% < d < 5 Atom%, 10 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 11 Atom% and 0 Atom% < z < 2 atom%,
in Gestalt eines Bandes ausgebildet ist, is designed in the form of a band,
ein nanokristallines Gefüge, bei dem zumindest 50 Vol% der Körner eine mittlere Größe kleiner als 100 nm aufweisen, a nanocrystalline structure in which at least 50% by volume of the grains have an average size of less than 100 nm,
eine Hystereseschleife mit einem zentralen linearen Teil, a hysteresis loop with a central linear part,
ein Remanenzverhältnis, Jr/Js, < 0,1, und a remanence ratio, J r /J s , < 0.1, and
ein Verhältnis von Koerzitivfeidstärke , Hc, zu Anisotropiefeldstärke, Ha, < 10% aufweist. a ratio of coercive field strength, H c , to anisotropy field strength, H a , <10%.
Legierung nach Anspruch 1, wobei das Remanenzverhältnis, Jr/Js < 0,05 beträgt. The alloy of claim 1, wherein the remanence ratio, Jr/Js is <0.05.
Legierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Verhältnis von Koerzitivfeidstärke zu Anisotropiefeldstärke < 5% beträgt. Alloy according to claim 1 or claim 2, wherein the ratio of coercive field strength to anisotropy field strength is <5%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Permeabilität μ zwischen 40 und 3000 aufweist. Alloy according to one of claims 1 to 3, further having a permeability μ between 40 and 3000.
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner eine Sattigungsmagnetostriktion von kleiner als 2 ppm, vorzugsweise kleiner als 1 ppm, aufweist. 5. Alloy according to one of claims 1 to 4, further having a saturation magnetostriction of less than 2 ppm, preferably less than 1 ppm.
6 Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Permeabilität kleiner als 500 und eine Sattigungsmagnetostriktion von kleiner als 5 ppm aufweist. 6 Alloy according to one of claims 1 to 5, which has a permeability of less than 500 and a saturation magnetostriction of less than 5 ppm.
7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei b < 0.5 ist. 7. Alloy according to one of claims 1 to 6, where b <0.5.
8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei a < 0.5 ist . 8. Alloy according to one of claims 1 to 7, where a is <0.5.
9. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei 14 Atom%9. Alloy according to one of claims 1 to 8, wherein 14 atomic%
< x < 17 Atom% und 5,5 Atom% < y < 8 Atom% liegt. < x < 17 atom% and 5.5 atom% < y < 8 atom%.
10. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Band eine Dicke von 10 μπι bis 50 μπι aufweist. 10. Alloy according to one of claims 1 to 9, wherein the strip has a thickness of 10 μπι to 50 μπι.
11. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest 70% der Körner eine mittlere Größe kleiner 50 nm aufweisen . 11. Alloy according to one of claims 1 to 10, wherein at least 70% of the grains have an average size of less than 50 nm.
12. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die 12. Alloy according to one of claims 1 to 11, wherein the
kristallinen Körner eine Dehnung von mindestens 0.02% in eine Vorzugsrichtung aufweisen.. Crystalline grains have an elongation of at least 0.02% in a preferred direction.
13. Magnetkern aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12. 13. Magnetic core made of an alloy according to one of claims 1 to 12.
4. Magnetkern nach Anspruch 13, der die Gestalt eines gewickelten Bandes aufweist. 4. Magnetic core according to claim 13, which has the shape of a wound tape.
5. Magnetkern nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei das Band mit einer Isolierschicht beschichtet ist. 5. Magnetic core according to claim 13 or claim 14, wherein the tape is coated with an insulating layer.
6. Gleichstromtoleranter Stromtransformator aus einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 13 bis 15, welcher eine Permeabilität zwischen 1500 und 3000 aufweist 6. DC-tolerant current transformer made of a magnetic core according to one of claims 13 to 15, which has a permeability between 1500 and 3000
7. Leistungsüberträger aus einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 13 bis 15, welcher eine Permeabilität zwischen 200 und 1500 aufweist. 7. Power transmitter made of a magnetic core according to one of claims 13 to 15, which has a permeability between 200 and 1500.
8. Speicherdrossel aus einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 13 bis 15, welcher eine Permeabilität zwischen 50 und 200 aufweist. 8. Storage choke made of a magnetic core according to one of claims 13 to 15, which has a permeability between 50 and 200.
9. Verfahren zum Herstellen eines Bandes, das Folgendes aufweist : 9. Method for producing a band comprising:
Bereitstellen eines Bandes aus einer amorphen Legierung mit einer Zusammensetzung, die aus Providing an amorphous alloy ribbon having a composition consisting of
Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz und bis zu 1 Atom% Verunreinigungen besteht, wobei M eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni und Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge und 0 Atom% < a < 1,5 Atom%, 0 Atom% < b < 2 A- tom%, 0 Atom% < (b+c) < 2 Atom%, 0 Atom% < d < 5 Atom%, 10 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 11 Atom% und 0 A- tom% z < 2 Atom% ist, Wärmebehandlung des Bandes unter Zugspannung in einem Durchlaufofen bei einer Temperatur Ta, wobei 450°C < Ta ^ 750°C beträgt. Fei oo -a- b -cdxy- z Cu a Nb b M c T d Si x B y Z z and up to 1 atom% impurities, where M is one or more of the elements Mo, Ta or Zr, T is one or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni and Z one or more of the elements C, P or Ge and 0 atom% <a <1.5 atom%, 0 atom% <b <2 atom%, 0 atom % < (b+c) < 2 atom%, 0 atom% < d < 5 atom%, 10 atom% < x < 18 atom%, 5 atom% < y < 11 atom% and 0 atom% z < 2 Atom% is, Heat treatment of the strip under tension in a continuous furnace at a temperature T a , where 450 ° C < Ta ^ 750 ° C.
0. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Band mit einer Geschwindigkeit s durch den Durchlaufofen gezogen wird, so dass eine Verweildauer des Bandes in einer Temperaturzone des Durchlaufofens mit der Temperatur Ta zwischen 2 Sekunden und 2 Minuten liegt. 0. The method according to claim 19, wherein the strip is pulled through the continuous furnace at a speed s, so that a residence time of the strip in a temperature zone of the continuous furnace with the temperature T a is between 2 seconds and 2 minutes.
1. Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, wobei das Band unter einer Zugspannung von 5 MPa bis 800 MPa durch den Durchlaufofen gezogen wird. 1. The method according to claim 19 or claim 20, wherein the strip is pulled through the continuous furnace under a tensile stress of 5 MPa to 800 MPa.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Zugspannung aa abhängig von der Zusammensetzung gemäß dem Verhältnis σ3 ~ aTest wird, wobei μ die gewünschte Permeabilität und ΤβΞί die Permeabilität ist, wel che sich bei einer Testspannung aTest ergibt. 2. The method according to any one of claims 19 to 21, wherein the tensile stress a a depends on the composition according to the ratio σ 3 ~ a Te st is, where μ is the desired permeability and Τ β Ξ ί is the permeability that results from a test voltage a Test .
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Temperatur Ta abhängig von dem Niobgehalt b gemäß dem Verhältnis (Txl + 50°C) < Ta < (Tx2 + 30°C) ausgewählt wird. 3. The method according to any one of claims 19 to 22, wherein the temperature T a is selected depending on the niobium content b according to the ratio (T xl + 50 ° C) < T a < (T x2 + 30 ° C).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei 4. The method according to any one of claims 19 to 23, wherein
ein gewünschter Wert der Permeabilität oder des Anisotropiefeldes, ein maximaler Wert eines Remanenzverhältnisses, Jr/Js, von weniger als 0,1, und ein maximaler Wert eines Verhältnisses von Koerzitivfeidstärke zu Anisotropiefeldstärke, Hc/Ha, von weniger als 10% sowie einen erlaubten Abweichungsbereich jedes dieser Werte vorbestimmt werden, magnetische Eigenschaften des Bandes beim Verlassen des Durchlaufofens laufend gemessen werden, und a desired value of permeability or anisotropy field, a maximum value of a remanence ratio, J r /J s , of less than 0.1, and a maximum value of a ratio of coercive field strength to anisotropy field strength, H c /H a , of less than 10% and a permissible deviation range for each of these values can be predetermined, magnetic properties of the strip are continuously measured as it leaves the continuous furnace, and
wenn Abweichungen von den erlaubten Abweichungsbereichen der magnetischen Eigenschaften festgestellt werden, die Zugspannung an dem Band entsprechend eingestellt wird, um die gemessenen Werte der magnetischen Eigenschaften innerhalb der erlaubten Abweichungsbereiche wieder zu bringen . If deviations from the permitted deviation ranges of the magnetic properties are detected, the tension on the band is adjusted accordingly in order to bring the measured values of the magnetic properties back within the permitted deviation ranges.
EP12720963.3A 2011-04-15 2012-04-05 Alloy, magnet core and process for producing a strip made of an alloy Active EP2697399B1 (en)

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