DE2947802C2 - - Google Patents
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- DE2947802C2 DE2947802C2 DE2947802A DE2947802A DE2947802C2 DE 2947802 C2 DE2947802 C2 DE 2947802C2 DE 2947802 A DE2947802 A DE 2947802A DE 2947802 A DE2947802 A DE 2947802A DE 2947802 C2 DE2947802 C2 DE 2947802C2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C45/00—Amorphous alloys
- C22C45/02—Amorphous alloys with iron as the major constituent
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Description
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung gemäß Anspruch 1.
In der DE-OS 25 53 003 ist eine einen Kern aufweisende Mag
netvorrichtung beschrieben, deren Kern zu mindestens 50% aus
glasartiger (amorpher) Magnetmetall-Legierung der Formel (FE)70-85 T0-15
X15-25 besteht, wobei FE mindestens eines der Elemente Eisen,
Kobalt und Nickel, T mindestens ein Übergangsmetallelement
und X mindestens eines der Metalloidelemente Aluminium, Anti
mon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor,
Silizium und Zinn bedeuten.
Es ist erkannt worden, daß glasartige (amorphe) Metalle mit einer hohen
Sättigungsmagnetisierung vorteilhaft in elektrischen Apparaten
eingesetzt werden können, wie Speise- und Leistungstransforma
toren, doch ermangeln solche Legierungen der erforderlichen
Duktilität und Stabilität für diesen Zweck. So hat z. B. die
eisenreiche Legierung Fe₈₀B₂₀ eine 4π M s von etwa 1,6 T,
beginnt jedoch innerhalb von 2 Stunden bei 325°C zu kristalli
sieren und ist recht schwierig in Form von duktilen Bändern
für elektrische Apparaturen herzustellen. Andere bekannte glasartige
(amorphe) Legierungen haben eine etwas größere Stabilität und
angemessene Duktilität für diesen Zweck, doch ist ihre Sätti
gungsmagnetisierung zu gering.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine glasartige Legierung
anzugeben, die eine hohe Sättigungsmaepietisierung, eine niedrige Koerzitivkraft
und große Stabilität aufweist, um als Werkstoff für elektrische Motoren und
Transformatoren geeignet zu sein. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben.
Die vorliegende Erfindung be
ruht auf der Feststellung, daß ein sehr enger Bereich von
glasartigen Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium sowohl die
erwünschte Magnetisierung als auch andere Eigenschaften für
eine hervorragende Leistungsfähigkeit in elektrischen Apparatu
ren, wie Motoren und Transformatoren, haben. Infolgedessen ist
es jetzt aufgrund der vorliegenden Erfindung möglich, ein
glasartiges Metall in Form eines Bandes herzustellen, das aus
reichend duktil ist, um in elektrischen Apparaturen benutzt zu
werden und das gute magnetische Eigenschaften und Stabili
tät bei erhöhter Temperatur hat.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt
Fig. 1 ein Diagramm der Sättigungsmagnetisierung in
4 · 10-8 Wb/g bei Zimmertemperatur für mehrere glasartige Le
gierungen aus Eisen, Bor und Silizium,
Fig. 2 ein Diagramm der Koerzitivkraft mehrerer glasartiger ternärer
Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium,
Fig. 3 ein Diagramm der Kristallisationstemperatur glasartiger ternärer
Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium und
Fig. 4 ein kombiniertes Diagramm der Sättigungsmagnetisie
rungs-Konturlinien der Fig. 1 und der Koerzitivkraft-
Konturlinien der Fig. 2, über die die Konturlinie der
Fig. 3 bei 320°C gelegt ist. Der schattierte Bereich
A, B, C, D, E, F, A bezeichnet die glasartigen (amorphen) ternären
Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium, die gleich
zeitig die Eigenschaften der Sättigungsmagnetisierung
von mindestens etwa 0,69 · 10-5 Wb/g (174×4 · 10-8 Wb/g)
bei etwa 30°C, die Koerzitivkraft nach dem
Glühen von weniger als etwa 2,4 A/m und die Kri
stallisationstemperatur von mindestens etwa 320°C haben.
Aus Fig. 1 ergibt sich, daß eine hervorragende Gruppe von Le
gierungen von den Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium inner
halb der gebrochenen Linien erhalten wird, d. h. von 80 Atom-%
Eisen, 19 Atom-% Bor und 1 Atom-% Silizium bis zu 81 3/4 Atom-%
Eisen, 17 1/4 Atom-%Bor und 1 Atom-% Silizium bis zu 81 3/4
Atom-% Eisen, 12 1/4 Atom-% Bor und 6 Atom-% Silizium bis zu
82 1/4 Atom-% Eisen, 11 3/4 Atom-% Bor und 6 Atom-% Silizium.
Diese Bezeichnung schließt jedoch nur einen Teil des Spektrums
der glasartigen (amorphen) Metallegierungen aus Eisen, Bor und Silizium ein,
die die einzigartige Kombination von Eigenschaften gemäß der
vorliegenden Erfindung haben. Dieses vollkommene Spektrum wird
weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.
In Fig. 1 sind die Sättigungsmagnetisierungen für mehrere
glasartige (amorphe) Legierungen aufgetragen. Die Magnetisierungen bei
Zimmertemperatur und darunter wurden mit kleinen abgewogenen
Probekörpern in einem vibrierenden Probenmagnetometer bis zu
einer maximalen Feldstärke H von 1600 A/m bestimmt. Die Ergeb
nisse wurden auf H=∞ extrapoliert unter Benutzung einer
1/H²-Funktion. Die Ergebnisse oberhalb von Zimmertemperatur
wurden aus den diesbezüglichen Magnetisierungskurven erhalten,
die bis zum Wert der Magnetisierung bei Zimmertemperatur nor
malisiert waren. Einer Untersuchung des Diagramms kann entnom
men werden, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen
eine erwünschte Sättigungsmagnetisierung von 0,71 · 10-5 Wb/g
(178×4 · 10-8 Wb/g) bei Zimmertemperatur (30°C) haben.
In Fig. 2 ist die Koerzitivkraft für eine Reihe von
Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium aufgetragen, die be
stimmt wurde an 10 cm langen Bändern, die man innerhalb eines
20 cm langen Solenoids anordnete, der dann für 120 Minuten bei
einer Temperatur wenige Grade unterhalb der in Fig. 3 gezeigten
Kristallisationstemperaturen geglüht wurde. Eine kleine Anzeige
spule wurde mit einem integrierenden Flußmeßgerät verbunden
und die Magnetisierung gegen das Feld wurde dann auf einem X-Y
Aufzeichnungsgerät dargestellt bei langsamer Variation des
Feldes. Einer Untersuchung des Diagrammes kann entnommen werden,
daß die geringste Koerzitivkraft von 1,6 A/m bei allen Le
gierungen gefunden wird, die die erwünschte hohe Sättigungs
magnetisierung von 0,71 · 10-5 Wb/g haben,
wie sie in Fig. 1 gezeigt wird.
Die Kristallisationstemperaturen in Fig. 3 wurden bestimmt
durch Aufzeichnen der Temperatur, bei der die Koerzitivkraft
zu steigen beginnt, nachdem man die Probe 2 Stunden lang er
höhten Temperaturen ausgesetzt hat. Den Diagrammen kann ent
nommen werden, daß die Legierungen mit einer hohen Sättigungs
magnetisierung und einer geringen Koerzitivkraft auch annehm
bar hohe Kristallisationstemperaturen haben. Kristallisations
temperaturen von bis zu 340°C werden für die Legierungen mit 6%
Silizium erhalten, verglichen mit einer Kristallisationstempe
ratur von 310-315°C für die Fe₈₂B₁₈-Legierung. Dies ist er
wünscht, da es gestattet, die Legierung zu glühen, um die Be
lastungen zu entfernen und das anfänglich hohe koerzitive Feld
zu vermindern, ohne zu gestatten, daß die amorphe Legierung kri
stallisiert und ihre erwünschten magnetischen Eigenschaften ver
liert. Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können
daher oberhalb von etwa 320°C geglüht werden, ohne das Kristalli
sation auftritt.
Fig. 4 zeigt eine Kombination der Gradientenlinien der Fig. 1
und 2 unter Hinzufügung der Konturlinie der Fig. 3 für 320°C.
Aus dieser Figur wird das Zusammenfallen der Eigenschaften der
hohen Sättigungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur, der hohen
Kristallisationstemperatur und der geringen Koerzitivkraft deut
lich. Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, gibt es eine schar
fe Zunahme der Steilheit des Gradienten der Konturlinien der
Sättigungsmagnetisierung vom Werte 0,69 · 10-5 Wb/g
zu höheren Werten. Es wurde niemals vorher erkannt,
daß in diesem System amorphe Legierungen gefunden werden könnten
mit der ungewöhnlichen Kombination der Eigenschaften von Sätti
gungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur (d. h. etwa 30°C) von
mindestens etwa 0,69 · 10-5 Wb/g,
der Koerzitivkraft von weniger als etwa 2,4 A/m und der
Kristallisationstemperatur von mindestens etwa 320°C. Legie
rungen mit dieser ungewöhnlichen Kombination von Eigenschaften
finden sich in dem schattierten Bereich, der durch die Gradienten
linien der Koerzitivkraft, der Sättigungstemperatur und der
Kristallisationstemperatur begrenzt ist, deren Schnittpunkte
mit A, B, C, D, E, F bezeichnet sind. Noch wirksamere Legie
rungszusammensetzungen finden sich in dem Bereich, der mit a,
b, c, d bezeichnet ist und der definiert ist durch die Zusammen
setzung:
81 Atom-% Eisen, 16 Atom-% Bor und 3 Atom-% Silizium (Punkt a);
81 3/4 Atom-% Eisen, 15 1/4 Atom-% Bor und 3 Atom-% Silizium (Punkt d),
81 1/2 Atom-% Eisen, 13 1/2 Atom-% Bor und 5 Atom-% Silizium (Punkt b) und
82 Atom-% Eisen, 13 Atom-% Bor und 5 Atom-% Silizium.
81 3/4 Atom-% Eisen, 15 1/4 Atom-% Bor und 3 Atom-% Silizium (Punkt d),
81 1/2 Atom-% Eisen, 13 1/2 Atom-% Bor und 5 Atom-% Silizium (Punkt b) und
82 Atom-% Eisen, 13 Atom-% Bor und 5 Atom-% Silizium.
Die Legierungen Fe81,3B15,7Si₃ und Fe81,7B13,3Si₅ ebenso wie
die optimale Zusammensetzung, die einen Eisengehalt von 81 1/2
Atom-%, ein Borgehalt von 14 1/2 Atom-% und einen Siliziumge
halt von 4 Atom-% hat, sind Teil des Bereiches a, b, c, d.
Das Herstellen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen
erfolgt durch Vermischen der Legierungsbestandteile in
den erforderlichen Anteilen in Form von Pulver und Schmelzen
der Mischung zur Herstellung der geschmolzenen Legierung, um
daraus Bänder der gewünschten Abmessungen zu gießen. Das Abküh
len erfolgt mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um glasartiges (amorphes)
Material herzustellen.
Obwohl Variationen hinsichtlich der Schmelzpunkte zwischen den
erfindungsgemäß verwendeten Legierungen Anforderungen bedingen können, die
hinsichtlich des Schmelzens und Gießens variieren, kann doch die
Herstellung und Bearbeitung dieser Legierungen mit gleichmäßig
zufriedenstellenden Ergebnissen ausgeführt werden. In anderen
Worten, die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung sind in einer
im wesentlichen routineförmigen Weise reproduzierbar, solange
die zusammensetzungsmäßigen Begrenzungen bei der Herstellung der
Legierungen streng eingehalten werden.
Bänder aus den erfindungsgemäß verwendeten amorphen Legierungen mit Eigen
schaften, wie sie im einzelnen in den Fig. 1, 2 und 3 ange
geben sind, werden hergestellt durch Richten eines Stromes der
Legierung auf die Oberfläche einer sich rasch drehenden Kühl
walze oder Trommel. Ein typisches Band hat eine Dicke von 0,025 cm
und ist 0,13 cm breit. Die amorphe Natur des erhaltenden Bandes
wird bestätigt durch Röntgenstrahldiffraktion, differentielle
Abtastkalometrie und Messungen der magnetischen physikalischen
Eigenschaften. Werden die Segmente für 2 Stunden bei Temperaturen
im Bereich von 100 bis 400°C in gereinigtem Stickstoff geglüht,
dann wird als Kristallisationstemperatur die Temperatur genommen,
bei der bei dem 2-stündigen Glühen die Koerzitivkraft abrupt zu
nimmt.
Um einen Transformator- oder Motorstator herzustellen, können
Streifen der vorgenannten Legierung mit einer Breite von etwa
12 mm und einer Dicke von etwa 0,05 mm mit einem Binder, wie
Polyamid-Imid überzogen werden und die Streifen werden in 6
Schichten in einem Hohlraum eines nichtmagnetischen Werkzeuges
aus rostfreiem Stahl angeordnet, der mit Teflon-beschichtetem
Aluminium ausgekleidet ist, wobei alternierende Schichten bei
90° liegen. Die Streifen werden mittels Permanentmagneten, die
unter dem Werkzeug angeordnet sind, an Ort und Stelle gehalten,
und man preßt den Verbundkörper mit 140 kg/cm² bei 330°C für
2 Minuten, nachdem man sich das Werkzeug einige Minuten auf
330°C ohne Druck hat vorerhitzen lassen, um eine Gleichgewichts
einstellung zu erhalten und überschüssige Luft und überschüssi
ges Wasser aus Werkzeug und Band auszutreiben. Der Verbundkör
per wird dann 2 Stunden lang bei 325°C geglüht und hat danach
eine geringe Koerzitivkraft und eine hohe Sättigungsmagnetisierung.
Andere Verbundkörper werden mit ähnlichen Ergebnissen mit oder
ohne Binder hergestellt. Andere geeignete Binder schließen
Epoxyharze, Polyamidimide, Cyanacrylate und Phenolharze ein.
Der Binder sollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
haben, der mit dem des Metallbandes verträglich ist, er sollte
elektrisch isolieren, rasch härten und die thermischen Anfor
derungen der beabsichtigten Anwendung und Glühung erfüllen, wenn
erforderlich. In einigen Fällen gibt es weitere Anforderungen,
wie eine Verträglichkeit mit den handelsüblichen Kühlmitteln,
wenn der Einsatz für Kompressormotoren zur Raumkühlung erfolgt.
Um einen gewickelten Transformator herzustellen, wird die amorphe
Metallfolie mit einer Breite von bis zu 15 cm auf einen Dorn mit
einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt gewickelt. Die
Zahl der auf den Dorn aufgebrachten Windungen und die Breite des
Bandes hängen von der Transformatorstärke ab.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können offensichtliche Modi
fikationen vorgenommen werden, wie ein untergeordneter Gehalt
an kristallinem Material, das die Eigenschaften des Gegenstandes
nicht ernstlich beeinträchtigt. Je nach dem jeweiligen Gegen
stand und seinem beabsichtigten Einsatz kann er bis zu 10% des
kristallinen Materials enthalten.
Claims (2)
1. Verwendung einer glasartigen Eisen-Bor-Silicium-Legie
rung mit einer Zusammensetzung in einem Bereich, der
durch die Punkte
a (81 Atom-% Fe, 16 Atom-% B, 3 Atom-% Si)
b (81,5 Atom-% Fe, 13,5 Atom-% B, 5 Atom-% Si)
c (82 Atom-% Fe, 13 Atom-% B, 5 Atom-% Si)
d (81,75 Atom-% Fe, 15,25 Atom-% B, 3 Atom-% Si)in der Fig. 4 festgelegt ist, als Werkstoff für elek trische Motoren und Transformatoren mit einer Sätti gungsmagnetisierung von mindestens 0,7 · 10-5 Wb/g bei etwa 30°C, einer Koerzitivkraft von weniger als 2,4 A/m und einer Kristallisationstemperatur von min destens 320°C.
b (81,5 Atom-% Fe, 13,5 Atom-% B, 5 Atom-% Si)
c (82 Atom-% Fe, 13 Atom-% B, 5 Atom-% Si)
d (81,75 Atom-% Fe, 15,25 Atom-% B, 3 Atom-% Si)in der Fig. 4 festgelegt ist, als Werkstoff für elek trische Motoren und Transformatoren mit einer Sätti gungsmagnetisierung von mindestens 0,7 · 10-5 Wb/g bei etwa 30°C, einer Koerzitivkraft von weniger als 2,4 A/m und einer Kristallisationstemperatur von min destens 320°C.
2. Verwendung einer glasartigen Legierung gemäß An
spruch 1, die die Formel Fe81,3B15,7Si₃;
Fe81,5B14,5Si₄ oder Fe81,7B13,3Si₅ hat, für den Zweck
nach Anspruch 1.
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