SE439399B - Forfarande for minskning av ommagnetiseringsforlusterna i tunna band av mjukmagnetiska amorfa metallegeringar - Google Patents

Description

15 20, 25 30 35 H0 _tur, den så kallade kristallisationstemperaturen. Om den amorfa 7801353-9 ställningsbetingelserna kan de amorfa legeringarna vara fullständigt amorfa eller utgöra en tvåfasig blandning av det amorfa och det kristallina tillståndet. I allmänhet avses med en "amorf metall- legering" en legering, vilken till minst 50 %, företrädesvis till minst 80 %, För varje amorf metallegering finnes en karakteristisk tempera- v? är amorf. legeringen värmes till eller över denna temperatur, så övergår den till det kristallina tillståndet. Vid värmebehandlingar under kristal- lisationstemperaturen bibehålles däremot det amorfa tillståndet.

De hittills kända, mjukmagnetiska och amorfa metallegeringarna har sammansättningen MyX1_ , varvid M betecknar minst en av metaller- na järn, kobolt och nickel, och X betecknar minst ett av de så kallade glasbildande elementen bor, kol, kisel och fosfor, samt y ligger mellan cirka 0,60 och 0,95. Förutom metallerna M kan de amorfa legeringarna även innehålla ytterligare metaller, speciellt då titan, zirkonium, vanadin, niob, tantal, krom, molybden, volfram, mangan, palladium, platina, koppar, silver eller guld, medan förutom de glasbildande elementen X eller eventuellt även i stället för dessa kan föreligga elementen aluminium, gallium, indium, germanium, tenn, arsenik, antimon, vismut eller beryllium (jämför DT-OS 25 #6 676, DT-OS 25 53 003, DT-OS 26 05 815 och DT-OS 26 28 362). i För en teknisk användning är amorfa, mjukmagnetiska legeringar vid motsvarande magnetiska egenskaper av stort intresse, eftersom de som redan angivits omedelbart kan framställas i form av tunna band.

För de hittills inom tekniken vanliga, kristallina mjukmagnetiska metallegeringarna är däremot för framställning av tunna band ett flertal valsningssteg med talrika mellanglödgningar erforderliga.

Det är känt, att de magnetiska egenskaperna hos mjukmagnetiska, amorfa metallegeringar kan påverkas genom en värmebehandling vid en temperatur under kristallisationstemperaturen. Sålunda ger hos ett antal kobolthaltiga, mjukmagnetiska amorfa legeringar en motsvaran- de värmebehandling under helium i ett parallellt till det behandlade bandets längdriktning löpande magnetfält ett så kallat längsfält, vilket är tillräckligt för att mätta legeringen tekniskt till en förhöjd remanens och en minskad koercitivfältstyrka. En motsvarande värmebehandling i ett lodrätt mot det behandlade bandets längdrikt-- I ning och parallellt med bandets plan löpande magnetfält, ett så kallat tvärfält, ger en kropp, vars magnetisering i närheten av _ fältstyrkevärdet noll nästan linjärt ändrar sig med fältstyrkan (DT-OS 25 H5 676). 10 15 2G 25 30 35 UU 7801353-9 Vid ingående undersökningar av band och ringbandkärnor av den amorfa mjukmagnetiska legeringen FeÛ,u0NiÛ,u0P0,14B0,06 visade det sig, att en glödgningsbehandling vid en temperatur mellan Curie- temperaturen och kristallisationstemperaturen leder till en mekanisk spänningsutlösning av legeringen, och att de magnetiska egenskaperna hos den motsvarande behandlade legeringen i avsevärd utsträckning är beroende av de betingelser, under vilka legeringen i anslutning till glödgningsbehandlingen kyles till en temperatur under Curie- temperaturen. Glödgningsbehandlingarna genomfördes vid dessa kända undersökningar under kväve och under vakuum. Genom glödgning och följande kontrollerad kylning i ett magnetiskt längsfält ökades remanensen och remanensförhállandet, såsom även är vanligt för kri- stallina, mjukmagnetiska material, gentemot de icke glödgade kärnorna.

Genom glödgning och följande avkylning i ett magnetiskt tvärfält minskades däremot,likaledes på samma sätt som för kristallina, mjuk- magnetiska kärnor, remanensen och remanensförhållandet gentemot de icke glödgade kärnorna, så att de motsvarande induktivitets-fält- styrkekurvorna förlöper planare än de för de icke glödgade kärnorna och på grund av sitt plana förlopp uppvisar en så kallad F-karakteri- stik. Vid glödgningsbehandlingen under kvävgas minskade dessutom koercitivfältstyrkan och ommagnetiseringsförlusterna gentemot de icke glödgade kärnorna avsevärt, medan de motsvarande effekterna vid glödgning under vakuum var något mindre utpräglade (jämför IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-11, No. 6, 1975, sid. 164%-16ß9 och Conference on Radpidly Quenched Metals, Vol. 1, Boston 1975, sid. N67 ff.) Genom glödgningen i kvävgas kunde vid dessa kända undersök- ningar med ett undantag ommagnetiseringsförlusterna dock endast minskas till värden, vilka är ungefärligen dubbelt så höga som om- magnetiseringsförlusterna hos band av liknande mjukmagnetíska lege- ringar. Sålunda erhölls exempelvis i ett magnetiskt växelfält vid en maximal induktion av 0,1 T och en frekvens av 10 kHz i det gynnsammas- te fallet förlustvärden av 18 mW/cma (= 2,H W/kg), medan de mot- svarande förlusterna hos förlustfattiga handelsvaror av kristallina, mjukmagnetiska legeringar endastuppgårtill cirka 1 W/kg. Endast i ett angivet fall uppnåddes i det angivna magnetiska växelfältet ett förlustvärde av cirka 1,33 W/kg. Den motsvarande kärnan hade dock avkylts med en i teknisk praxis icke längre kontrollerbart hög kylningshastighet, och uppvisade dessutom ettremanensförhållande av 0,2, vilket redan det icke längre ger någon plan F-slinga. För ett nrr, .f- FÛÛR ïffivfif- 10 15 20 25 30 35 H0 7801353-9 antal tekniska användningar, vilka hittills varit förbehållna de kristallina mjukmagnetiska legeringarna, är dock just en hysteres- kurva i form av en F-slinga vid samtidigt möjligastlåga.magnetierings- förluster önskvärd.

Föreliggande uppfinning har till syftemål, att med ett för- farande av den i början angivna typen ytterligare minska ommagne- _ tiseringsförlusterna hos mjukmagnetiska amorfa metallegeringar och samtidigt erhålla en möjligast flat F-karakteristik hos hysteres- kurvan.

Enligt uppfinningen uppnås detta genom att glödgning och avkylning genomföres i luft eller andra oxiderande medier.

Glödgningen och den kontrollerade avkylningen i luft leder till överraskande låga ommagnetiseringsförluster och till likaledes överraskande låga remanenser och remanensförhållanden. På vilka verkningar av värmebehandlingen i luft som denna effekt beror, har hittills icke fullständigt uppklarats. Det synes dock som att en förspänning av bandet av den amorfa legeringen genom ett tunt oxidskikt på bandytan spelar en roll. En motsvarande effekt kan även uppnås genom andra oxiderande medier.

Speciellt lämpligt vid beaktande av de gynnsamma värden som kan uppnås för remanens, remanensförhållande och magnetiserings- förluster har det visat sig vara att ett band eller en av ett band lindad magnetkärna av en legering med sammansättningen Fe0,u0Ni0,u0P0,1nB0,06 under minst cirka 2,5 till 2 timmar glödgas vid en temperatur mellan cirka 280 och 350 C, varefter den kontrolle- rat lämnas att svalna till en temperatur av 200°C eller lägre.

Vid temperaturer mellan 280 och 350°C kan vid de angivna kortaste glödgningstiderna av cirka 0,5 - 2 timmar en fullständig mekanisk spänningsutlösning hos banden uppnås. De längre av de minsta glödgningstiderna skall därvid användas vid de lägre temperaturerna, och de kortare vid de högre temperaturerna. Temperaturerna ligger vidare tillräckligt över legeringens Curietemperatur av cirka 230°C och under kristallisationstemperaturen av 360°C. För den kontrollera- de avkylningen har vidare för den angivna legeringen en kylnings- hastighet av cirka 100 - 250°C per timme visat sig vara speciellt lämplig i beaktande av de erhållna magnetiska karakteristiska värdena.

Vid glödgning och kylning i luft har det vidare en avsevärd betydelse huruvida kylningen genomföras utan magnetfält eller i ett - magnetfält. Om glödgningen och kylningen genomföras utan magnetfält, 10 15 20 25 30 35 H0 7801353-9 erhålles ett mycket lågt remanensförhâllande och mycket låga för- luster. En vidare minskning av förlusterna vid ett något förhöjt remanensförhållande kan erhållas därigenom, att bandet av den amorfa legeringen, respektive en från bandet lindad kärna under den kontrollerade kylningen till nära mättning magnetiseras i ett magnetfält som löper i bandets längdriktning.

Kylningen i ett längsfält är därför speciellt lämplig när möjligast låga förlustvärden skall erhållas. Genom magnetisering av ett band eller en motsvarande kärna under kylningen till nära mättning i ett magnetiskt tvärfält kan magnetiska karakteristiska egenskaper uppnås, vilka ligger mellan dem som uppnås vid kylning i ett längsfält och dem vid kylning utan fält. Däremot är om- magnetiseringsförlusterna något högre än vid de andra magnetiserings- typerna.

Magnetiseringen till nära mättning måste i vart fall genom- föras under den kontrollerade kylningen från en temperatur över curietemperaturen till en temperatur under curíetemperaturen. Av rent praktiska orsaker pålägger man dock oftast det motsvarande magnetfältet redan under glödgningen till mekanisk avspänning.

Med en magnetisering till nära mättning avses en magnetisering av mer än 60 % av mättningen. Företrädesvis drives magnetiseringen möjligast nära mättningsvärdet.

Uppfinningen beskrivas närmare under hänvisning till en figur, vilken visar induktions-fältstyrkekurvor för ringband- kärnor som behandlats enligt uppfinningen, och till utförings- exempel. ' Från ett cirka 2 mm brett och 0,05 mm tjockt band av en mjukmagnetisk, amorf legering med sammansättningen Fe0,u0Ni0,n0P0,luBÛ,Û6 framställdes ett flertal ringbandkärnor med 20 mm ytterdiameter och 10 mm innerdiameter. De enskilda band- varven isolerades från varandra medelst magnesiumoxidpulver.

De lindade kärnorna, vilka var och en bestod av 70-80 varv, anbringades i passande skyddstråg av aluminium. Kärnorna under- kastadesdärefteri skyddstrågen en 30 minuters avspänningsglödning vid en temperatur av cirka 325°C, vilket ligger mellan legeríngens Curietemperatur av cirka 230°C och kristallisationstemperaturen av cirka 36000. I anslutning till glödgningen lämnades kärnorna att kontrollerat svalna med en svalningshastighet av cirka 200°C per timme till en temperatur under Curietemperaturen, i föreliggande fall till cirka 10000. Det ytterligare svalnandet till omgivningens ”Poor Qvzxwff 10 15 20 25 30 7801353-9 temperatur skedde okontrollerat.

Glödgningen och det följande kontrollerade avsvalnandet genom- fördes i luft under olika betingelser. En del av kärnorna glödgades och kyldes i ett magnetfält som löpte parallellt med det lindade bandets längsriktning, alltså ett så kallat längsfält, vilket åstadkoms med en på kärnan anbringad lindning och som med en fält- styrka av 16 A/om magnetiserade den amorfa legeringen till nära C dess mättnadsvärde. En annan del av kärnorna glödgades och kyldes i ett magnetfält som var riktat vinkelrätt mot bandets längdriktning och parallellt till kärnans lindningsaxel, alltså ett så kallat tvär- fält. För detta ändamål anbringades kärnorna i fältet från en 10 cm lång stavmagnet av A1NiCo 26/6 med en tvärsnittsarea av H x 4 cmz. En ytterligare del av kärnorna glödgades och kyldes utan magnetfält.

För jämförelse underkastades ytterligare kärnor en motsvarande behandling, varvid dock glödgningen och den följande kontrollerade avkylningen genomfördes under vätgas.

Hos de sålunda behandlade kärnorna.uppmättessedan induktions- -fältstyrkekurvor vid 50 Hz med en vektormätare. Från dessa kurvor bestämdes de relativa växelfältpermeabiliteterna uu, dvs. permea- biliteten vid en magnetisk fältstyrka av H mA/cm, och umax, alltså maximala permeabiliteten. Dessutom bestämdes statiskt koersitiv- fältstyrkan Hc och remanensen Br. Från den senare och från mättnads- induktionen BS, vilken vid den använda legeringen uppgick till cirka 0,8 T, bestämdes förhållandet mellan remanensen Br och mättnadsinduk~ tionen BS, alltså det så kallade remanensförhållandet Br/BS, vilket utgör ett lämpligt mått för hystereskurvans lutning och därmed för F-karaktären hos hysteresslingan. Dessutom mättes ommagnetiserings- förlusterna PFe i ett magnetiskt växelfält med en maximal induktion av 0,1 T och en frekvens av 10 kHz, och i ett magnetiskt växelfält med en maximal induktion av 0,2 T och en frekvens av 20 kHz.

Mätvärdena har i följande tabell sammanställts med mätvärden från en icke glödgad ringbandkärna av samma amorfa legering. n? 7801353-9 Q.Fm w.:r mm«.o m«=.o o.mw Qom mw omv wmmunflw wzoH m.- :,~ m««.@ ::f.@ 9.:? Qom :N OQO m »~wwnw>» .Nm Q.fm m.m w>m.o Q~:.@ °.- ooc wm com m »Hmm amp: .Nx 0,=m >.m @m>.@ ~m.Q @.@ OQO Fww Qom N: vfiwwmmcwfi ,~m Q.wf _ o,~ >~@.Q :mQ.@ =.m~ oo; m omm m wHwwnw>» .pung ~.mv f.« ofo.Q mfo.o °.ow Qom N Qom r pflmm amwn .pwsq >.@f mm.Q omo,o Q«.Q m.ßf Qom m~ DGV mf pflnmmmcmfl .pwsq wx\z m¥\s B e0\ fiumx QNÛH ~.ov«mm Aumx ofma f.ovw@@ mm wm\sm om xwa= 1; .nwmfiwweflwwnmwnwcmmmfiw aJmmßwm. 1 W ......._._....:__».._._.._._.__...___.

,.. PooRWQUALIfI 10 15 20 25 30 35 40 7801353-9 I figuren visas de vid 50 Hz uppmätta induktions-fältstyrke- kurvorna hos de i luft glödgade och avkylda ringbandkärnorna.

På abskissaxeln angives i logaritmisk skala den effektiva magnetiska fältstyrkan Heff i A/cm, och på ordinataxeln, likaledes i logaritmisk Kskala, anges den i vart fall maximala amplituden É hos induktionen i T. Kurvan a uppmättes hos en i längsfält glödgad och avkyld kärna, kurvan b för en utan magnetfält glödgad och avkyld kärna, och kurvan c för en i tvärfält glödgad och avkyld kärna. Kurvorna visar en nära linjär ökning av induktionen med fältstyrkan. De går mycket flackt, och uppvisar därmed en utpräglad F-karakteristik.

Vid en jämförelse mellan de i tabellen sammanställda värdena framgår det speciellt tydligt, att för de i luft glödgade och kylda kärnorna är remanensen och remanensförhållandet gentemot den icke glödgade kärnan och de under vätgas glödgade och kylda kärnorna utomordentligt små. Speciellt anmärkningsvärt är minskningen av de båda värdena för den kärna som underkastas en glödgningsbehandling' i längsfält under luft i jämförelse med värdena hos den icke glödgade kärnan. Vanligtvis ökas nämligen genom en glödgning med kontrollerad avkylning i längsfält remanensen och remanensförhållan- det, vilket exempelvis även är fallet för den under vätgas i längsfält glödgade och avkylda kärnan.

Vidare visar tabellen, att genom glödgningen och den följande kontrollerade avkylningen i luft minskas ommagnetiseringsförlusterna gentemot dem hos en icke glödgad kärna i en utsträckning, som långt överstiger den minskning som erhålles vid en glödgningsbehandling under vätgas. Speciellt små är förlusterna för de i luft i längsfält och utan fält glödgade och kylda kärnorna. Hos kärnor av 0,05 mm tjocka band av handelsvaror av kristallina permalloylegeringar (cirka 76,5 viktsprocent nickel, 4,5 viktsprocent koppar, 3-3,5 viktsprocent molybden, återstoden järn) erhålles vid 0,2 T och 20 kHz ommagnetiseringsförlustvärden av 10-12 W/kg. De i luft i längs- fält, respektive utan magnetfält glödgade och kylda kärnorna av den amorfa legeringen är sålunda i avseende på förlustvärdena fullständigt likvärdiga med de i handeln tillgängliga permalloy- legeringarna.

Permeabiliteten uu ökas avsevärt gentemot den icke glödgade kärnan genom glödgningen och avkylningen i luft, om.också mindre starkt än genom glödgningen under vätgas. Däremot minskar den maximala permeabiliteten uma gentemot den icke glödgade kärnan x i ringa utsträckning vid glödgning och kylning i luft i längsfält, 10 15 20 25 30 35 #0 7801353-9 och med en faktor av cirka 5-10 vid glödgning och kylning i luft utan fält respektive i tvärfält. Minskningen av koercitivfältstyrkan är vid glödgning och kylning i luft mindre starkt utpräglad än vid glödgning och kylning under vätgas. Ommagnetiseringsförlusterna vid 0,1 T och 10 kHz hos de i luft glödgade och kylda kärnorna ligger vid en samtidig_mycket låg remanens och lågt remansförhållande även avsevärt under dem hos de redan nämnda, kända och under kvävgas glödgade och kylda kärnorna; Motsvarande minskningar av ommagnetiseringsförlusterna vid en samtidigt flack T-karakteristik hos hystereskurvan kan med hjälp av förfarandet enligt uppfinningen även uppnås med andra mjuk- magnetiska, amorfa legeringar. Speciellt gynnsamma verkningar är att förvänta hos legeringar, vilkas magnetostriktion icke är noll.

För undersökning av inverkan från avkylningshastigheten lämnadestvårdngbandkärnor av tidigare beskriven typ efter en 30 minuters avspänningsglödgning vid cirka 325°C i ett magnetiskt längsfält att svalna med en svalningshastighet av 1200°C per timme, vilken dock för en teknisk användning endast med svårighet kan uppnås eller regleras, respektive med en svalningshastighet av 10°C per timme. Gentemot kylningen i längsfält med en svalnings- hastighet av 200°C per timme minskades härvid visserligen rema- nensen och remanensförhållandet ytterligare till cirka 30, respektive M5 %, och erhölls därigenom i vart fall en ännu flackare hysteres- kurva, men de relativa permeabiliteterna uu och umax sjönk vid avkylningshastigheten av 1200°C per timme till cirka 50, respektive 30 %, och vid avkylningshastigheten av 10°C per timme till cirka 6, respektive 7 % av de värden som uppnåddes vid avkylningen med 200°C per timme. Ommagnetiseringsförlusterna steg vid avkylningen med 1200°C per timme med cirka 30 %, och vid avkylningen med l0°C per timme ännu starkare gentemot förlusterna vid avkylningen med 200°C per timme. Området med en medelhög avsvalningshastighet av cirka 100 till 250°C per timme är därför speciellt lämpligt för avsvalnandet i längsfält i luft på grund av de relativt höga permeabiliteter och låga ommagnetiseringsförluster som kan uppnås samtidigt redan mycket flackt förlopp av hystereskurvorna.

De enligt föreliggande förfarande behandlade banden, respektive bandkärnorna lämpar sig speciellt för transformator- kärnor vid strömmatningar med mellanfrekvensfiför en frekvens av exempelvis 20 kHz. Förutom de låga ommagnetiseringsförlusterna, vilka utgör en förutsättning för sådan användning, är en flack vid POOR QUALITY

Claims (5)

10 . för mellanfrekvens användes exempelvis ofta 'L - i bandets längsriktning. 7801353-2 10 F-karakteristik hos hystereskurvan för transformatorkärnorna av väsentlig betydelse vid ett antal kretsanordningar för sådana ström- matningar. Gentemot strömmatningar med en frekvens av 50 Hz har strömmatningar med mellanfrekvens den fördelen, att de tillhörande transformatorerna kan utformas väsentligt mindre och att det dess- utom vid 50 Hz ofta störande brummet bortfaller. Strömmatningar anläggningar för ' f) databearbetníng, kontorsräknare, kassaregister och fjärrskrift- apparater. Dessutom lämpar sig enligt uppfinningen behandlade band och bandkärnor av amorfa, mjukmagnetiska legeringar även för an- vändningar vid unipolär utstyrning, där ett flackt förlopp hos hystereskurvan likaledes år av betydelse. __..- PATENTKRAV

1. Förfarande för minskning av ommagnetiseringsförlusterna i tunna band av mjukmagnetíska, amorfa metallegeringar, varvid ett band eller en av ett band lindad magnetkärna först för mekanisk spänningsutlösning glödgas vid en temperatur över Curie- temperaturen och under kristallisationstemperaturen för legeringen och därefter reglerat bringas att svalna till en temperatur under Curietemperaturen, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att glödgningen 4 och avsvalningen genomföras i luft eller andra oxíderande medier.

2. - 2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att ett band eller en av ett band lindad magnetkärna av en legering 7 med-sammansättningen Fe0,u0Ni0,4ÛP0,14B0,O6 under minst cirka 0,: till 2 timmar glödgas vid en temperatur mellan cirka 280 och 350 C och därefter reglerat bringas att svalna till en temperatur av I 20000 eller lägre. _ _ Z

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e'd k n a t d ä r a v, E att avsvalnandet genomföras med en avsvalningshastighet av cirka 100 till 2so°c per timme.

4. Q. Förfarande enligt något av krav 1 - 3, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att bandet eller magnetkärnan under avsvalnandet magnetiseras till nära mättning.

5. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att bandet eller magnetkärnan magnetiseras i ett magnetfält som löper