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DE2338042C2 - Schichtwerkstoff hoher Permeabilität für Kernteile von Magnetköpfen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Schichtwerkstoff hoher Permeabilität für Kernteile von Magnetköpfen und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE2338042C2
DE2338042C2 DE19732338042 DE2338042A DE2338042C2 DE 2338042 C2 DE2338042 C2 DE 2338042C2 DE 19732338042 DE19732338042 DE 19732338042 DE 2338042 A DE2338042 A DE 2338042A DE 2338042 C2 DE2338042 C2 DE 2338042C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schichtwerkstoff hoher Permeabilität für die Kernteile von Magnetköpfen mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schichtwerkstoffes.
Allgemein bekannte Schichtwerkstoffe werden aus verhältnismäßig dünnen Lagen weichmagnetischen Metalls unter Zwischenschaltung von Isolierenden Trennschichten aus organischen Verbindungen aufgebaut, um die Wirbelstromverluste zu vermindern. Die Handhabung der außerordentlich dünnen Lagen aus welchmagnetlschem Metall zum Aulbau des Schichtwerkstoff« bereitet aber Schwierigkelten, wobei es zu einer Verbiegung und Verformung des Materials zur Bildung der Lagen aus weichmagnetisch*™ Metall, etwa beim Abziehen von einer Vorratsrolle oder beim Aufeinanderlegen zu einem Stapel, kommen kann, so daß aufgrund der sodann dem Metall Innewohnenden Spannungen die magnetischen Eigenschaften verändert werden. Das wiederum kann zur Folge haben, daß aus dem betreffenden Schichtwerkstoff hergestellte Magnetköpfe sich nach einer Prüfung der elektrischen und magnetischen Eigenschalten als Ausschuß erweisen. Diese Schwierigkeiten haben mitunter dazu geführt, daß die einzelnen Lagen aus welchmagnetlschem Metall nur begrenzt dünn ausgeführt werden konnten, so daß die Qualität entsprechender Magnetköple bezüglich des Frequenzverhaltens ebenfalls begrenzt war.
Aus der CH-PS 5 03 359 Ist ein Schichtwerkstoff der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften aufgrund einer Verformung des weichmagnetischen Metalls während der Fertigung dadurch beseitigt wird, daß der gesamte Schichtenverband einer Wärmebehandlung zum Weichglühen der Lagen aus weichrnagnetischem Metall unterzogen wird, was durch die Verwendung organischer Trennschichten ermöglicht wird.
Nachteilig Ist jedoch bei dem bekannten Schichtwerkstoff bzw. dem Verfahren zu seiner Herstellung, daß der feste Schichtenverband durch zwischen den Lagen aus weichmagnetischem Metall erzeugte Metallbrücken erzielt wird, die während der Wärmebehandlung durch Diffusion entstehen und sich durch die isolierenden Trennschichten hindurch erstrecken. Diese MetallDrükken stellen punktförmige Verschweißungen zwischen den Lagen aus weichmagnetischem Metall dar und verschlechtern die Eigenschaften des betreffenden, aus dem Schichtwerkstoff hergestellten Magnetkopfs beträchtlich, so daß In bestimmten Fällen Magnetköpfe, welche den bekannten Schichtwerkstoff enthalten, bei hohen Frequenzen nicht brauchbar sind.
Aus der US-PS 28 03 570 Ist es bekannt, SchlchtwerK-stoffe zur Herstellung von Ringkernen In der Welse aulzubauen, daß zwischen den Lagen aus welchmagneilschem Metall jeweils eine Schicht aus einem Metalloxid vorgesehen wird, welche als Isolator oder Halbleiter wirksam ist und welche eine Wärmebehandlung zum Weichglühen des magnetisch aktiven Werkstoffs gestattet. Es zeigt sich jedoch, daß es nicht gelingt, aus Schichtwerkstoffen nach der US-PS 28 03 570 Magnetköpfe herzustel-
"" len, welche auch nur annähernd befriedigende Eigenschaften bei hohen Frequenzen besitzen oder reproduzierbare magnetische und elektrische Werte aufweisen. Aus der DE-AS 12 87 709 Ist schließlich ebenfalls ein
Schichtwerkstoff der eingangs beschriebenen Art bekannt. Aufgrund der Maßnahmen bei der Herstellung dieses bekannten Schichtwerkstoffs ist eine mechanische Verspannung der weichmagnetischen Metallschichten zu befürchten, weshalb der bekannte Schichtwerkstoff nicht für die Herstellung von Aufnahme- oder Wiedergabeköpfen geeignet ist.
Durch die Erfindung soil die Aufgabe gelöst werden, einen Schichtwerkstoff der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß er zur Herstellung der Kernteile von Magnetköpfen geeignet ist, die im Bereich hoher Frequenzen betrieben werden sollen, reproduzierbare Eigenschaften besitzen und eine wesentlich erhöhte Lebensdauer gegenüber entsprechenden bekannten Geräten aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des anliegenden Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Wahl eines eine Wärmebehandlung zulassenden Werkstoffs für die isolierenden, anorganisck-en Trennschichten und eine Wärmebehandlung zum Weichglühen des magnetisch aktiven Metalls allein nicht dazu ausreichen, einen für die Herstellung der Kernteile von Magnetköpfen geeigneten Schichtwerkstoff zu bilden, sondern daß es für die reproduzierbaren, guten magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Magnetköpfe wesentlich ist. daß die isolierenden, anorganischen Schichten echte Trennschichten sind, welche aufgrund der Anpassung ihrer reiativen thermischen Ausdehnung an die entsprechenden Werte des weichmagnetischen Metalls eine neuerliche Verspannung des weichgeglühten Metalls während des Abkühlens zu vermeiden hellen.
Praktische Versuche mit Schichtwerkstoffen der hier vorgeschlagenen Art haben überdies ergeben, daß aus solchem Schichtwerkstoff hergestellte Magnetköpfe eine bis zu dreißigfach längere Lebensdauer besitzen als vergleichbare Magnetköpfe bekannter Bauart.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des hler vorgescMa'genen Schichtwerkstoff« und ein Verfahren zu seiner Herstellung sind Gegenstand der anliegenden Ansprüche 2 bis 10.
Bedeutsam ist, daß gemäß einer vorteilhaften Form des hler vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens bei der Bildung der festen Verbindung zwischen den Lagen des Schichtwe:kstoffes oder auch bei eleem späteren Verfahrensabschnlit eine Wärmebehandlung in solcher Weise vorgesehen sein kann, daß die Weichglühtemperatur für das weichmagnetische Metall erreicht wird.
Die Formgebung, beispielsweise durch Ausstanzen, erfolgt vor der Wärmebehandlung. Auf diese Weise können bei der Wärmebehandlung auch diejenigen Spannungen beseitigt werden, die während der Formgebung in den Schichtwerkstoff eingebracht worden sind.
Für die Herstellung mehrspuriger Magnetköpfe können mehrere Schichten aus hochleltfählgem Abschlrmwerkstolf, beispielsweise aus Kupfer, zwischen benachbarte Lagen aus weichmagnetischem Metall eingeschaltet werden. Die Lagen aus weichmagnetischem Metall schirmen dann die magnetischen Felder ab und die Lagen aus Le!- > terwefkstoli schirmen die elektrischen Felder ab.
Es wird bemerkt, daß bei Verwendung von Glas als Material zur Bildung der isolierenden Trennschichten weder Verfahrensschrltte zur Querschnittsreduzierung noch Verfahrensschrltte zum Aufdampfen oder zur Elek- f iroplaltlerung bestimmter Schichten notwendig sind. Kommt es nur darau! in, die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, so kann es In bestimmten Fällen nicht einmal notwendig sein, den geschichteten Verband auf die Weichglühtemperatur des magnetisch aktiven Werkstoffes zu erhitzen. Eine ausreichend feste Verbindung kann bereits lediglich dadurch erzielt werden, daß der geschichtete Verband über den Erweichungspunkt des Glases erhitzt wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es stellen dan
Fig. 1 eine FAplosionsdarstellung zur Erläuterung der Herstellung des Schichtwerkstoffes und
Fig. 2 einen Teilschnitt längs der in Fig. 1 angedeuteten Schnittebene 9-9.
Praktische Ausführungsformen sind so ausgebildet, daß Glas zusammen mit den Lagen aus weichmagnetischem Metall den Schichtwerkstoff bildet und erhitzt wird, um eine gute Verbindung zwischen den Lagen herzustellen. Es ist dabei notwendig sicherzustellen, daß nach dem Weichglühen das weictimagnetische Metall seine hohe Permeabilität behält und die Schichten ausreichend fesi miteinander verbunden bleiben.
Fließendes Glas befindet sich im ^.!gemeinen über seiner sogenannten Bearbeitungstemperat^r. Etwas unterhalb dieser Temperatur ist der Erweichungspunkt zu suchen, und unterhalb dieses Wertes befindet sich der Vergütungspunkt. Der Spannungsaufnahmepunkt oder Erstarrungspunkt von Glas liegt bei noch etwas niedrigeren Temperaturen. Unterhalb des Spannungsaufnahmepunktes kann sich Glas nicht mehr an Beanspruchungen anpassen, so daß Spannungen in das Glas eingeführt werden können. Diese Spannungen lassen sich durch Erhitzen des Glases auf die Vergütungs- oder Weichglühtemperatur beseitigen. Oberhalb des Erstarrungspunktes oder Spannungsaufnahmepunktes können keine Spannungen in das Glas eingeführt werden. Aus diesem Grunde erstreckt sich der Temperaturbereich, in welchem die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem weichmagnetischen Metall und dem Glas aneinander angepaßt sein müssen, von dem Spannungsaufnahmemarkt für eine bestimmte Glassorte bis zur Raumtemperatur oder zu der Temperatur, bei welchem das betreffende Bauteil verwendet werden soll.
rfei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde als weichmagnetisches Metall eine Nickel-Eisen-Molybdän-Legierung (Hymu SOO) und eine Glassorte verwendet, welche in der Veröffentlichung »Kiik-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology«, 2. Ausgabe 1965, als »Corning 1990« bezeichnet Ist. Diese besondere Glassorte hatte einen Erweichungspunkt bei 500° C, einen Vergütungspunkt bei 370° C, und einen Spannungsaufnahmspunkt bei 340° C. Die Glassorte bestand aus 41% SlIIzI-umdloxid, 40% Bleioxid, 12% Kaliumoxid, 5% Natriumoxid und 2% Lithiumoxid.
Gemäß Fig. 1 wechseln sich Lagen 60 aus weichmacne'v.schem Metall mit Glasschichten 62 ab. Die Lagen 60 bestehen aus blattartigem Material, in welches Elemente 64 auf phutographischem Wege eliigeätzt sind. Die dargestellten Elemente 64 haben die Form von MagneikopfKemelementen. Das Glas liegt in Schichten von Glasstaub vor. das unter Verwendung eines flüchtigen organischen Bindemittels in eine bandartige oder follenartige Form gebracht lsi, wie etwa In der US-PS 33 71 001 beschrieben.
Die aus weichmagnetischem Metall bestehenden Blätter haben eine Dicke von etwa 0,025 mm und werden nach Reinigung du'th FührungsöHnungen 66 über Führungsstilte 68 übereinandergeschichlet. welche von einer Platte 70 aulragen. Die jeweils dazwischenliegend vorgesehenen Glasschichten haben eine Starke von etwa
0,005 mm, so daß ein geschichteter Verband entsprechend Flg. 2 entsteht.
Die gesamte Plattenanordnung wird dann In einer sauerstoffhaltlgen Atmosphäre erhitzt. Das organische Bindemittel verflüchtigt sich, ohne daß ein unerwünschter Rest zurückbleibt. Das Glas wird dann ausreichend stark erhitzt, um eine Verbindung zu den Schichten aus welchmagnetlschem Metall herzustellen. Das bedeutet, daß das Glas mindestens auf seinen Erweichungspunkt, Im vorliegenden Falle au! 500° C, erhitzt wird.
Ein mit Führungsbohrungen 74 versehenes Gewicht 72 wird auf die Führungsstifte 68 aufgesteckt und liegt über dem zusammengefügten Schichtwerkstoff 61 und zur Festlegung der Dicke dienenden Abstandsstücken 76. Die gesamte Anordnung wird dann In ein evakuierbares Gefäß oder einen anderen sauerstofffreien Raum eingebracht, um eine Oxydation während eines nachfolgenden Warmebehandlungsschrlttes zu vermelden, wahrend welchem ein Weichglühen des weichmagneiischen Werkstoffes stattfindet, was Im Falle der oben erwähnten Nikkel-Elsen-Molybdän-Leglerung In einem Bereich w>n etwa 600° bis 1200° C geschieht. Das Gewicht 72 drückt den Schichtwerkstoff auf eine gewünschte Dicke zusammen, die durch die Höhe der Abstandsstücke 76 festgelegt wird, und das weichmagnetische Metall wird vollständig weichgeglüht oder spannungsfrei geglüht, so daß die bei der Herstellung eingebrachten Spannungen beseitigt werden.
Der weichgeglühte Schichtwerkstoff wird anschließend einer Abkühlung unterzogen, welche auf das verwendete, weichmagnetische Metall abgestimmt ist. Für die zuvor erwähnte Legierung beträgt die Abkühlgeschwindigkeit etwa 195° C bis 280° C je Stunde von der Weichglühtemperatur des betreffenden Metalls herab zum Durchfahren seiner Curietemperatur (im Falle der hler betrachteten Nlckel-Elsen-Molybdän-Leglerung etwa 460° C), bis schließlich eine Temperatur etwas unterhalb der Curietemperatur erreicht wird (Im vorliegenden Falle etwa 370° C). Um den Aulbau von Spannungen zu verhindern, die durch Temperaturgradienten verursacht werden könnten, wurde der Schichtwerkstoff im Bereich von 370° C bis 40° C mit einer Geschwindigkeit von 100° C je Stunde abgekühlt und dann aus dem Ofen herausgenommen.
Schließlich wird der vollständig weichgeglühte Schichtwerkstoff in die gewünschten Werkstücke zerschnitten, geschliffen und poliert.
Die Permeabilität der In der oben beschriebenen Weise aufgebauten, geschichteten Werkstücke waren ausgezeichnet, und es ergab sich beim Vergleich mit geschiehteten Werkstücken, welche organische Trennschichten und weichmagnetische Metallagen gleicher Dicke (0,025 mm) besaßen, folgendes Ergebnis:
Flußdichte Frequenz Permeabilität Permeabilität (Tesia) (Hertz) von neuartigem von bekanntem
Schichtwerkstoff Schichtwerkstoff
0,0040 1000 13 000 11000
0,0040 50 000 8 000 7 200
0,2000 1000 35 000 35 000
0,2000 50 000 10 000 9 400
40
45
55
60
Mit anderen weichmagnetischen Metallen können 6d andere Glassorten kombiniert werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen, wie oben angegeben wurde, solange das Metall und das Glas im wesentlichen gleiche thermische Ausdehnungskoelli/Ienien besitzen. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowohl des Glases »Corning 1990« als auch der Nlckel-F.isen-Molybdän-Lcglcrung HyMu 800 waren sowohl bei Raumtemperatur als auch am Spannungsaufnahmepunkt des Glases tatsächlich gleich. Gegenwärtig scheint es, daß zwar Unterschiede der relativen thermischen Ausdehnung über 0.5 Promille In bestimmten Füllen zugelassen werden können, daß aber Unterschiede von 0,1 Promille verhältnismäßig wenig Schwierigkeiten bereiten. Es kann gesagt werden, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Im wesentlichen gleich angesehen werden können, selbst wenn die Ausdehnungsunterschiede etwa 0.5 Promille betragen.
Viele andere Kombinationen von weichmagnetischem Metall und Glas liefern auch zufriedenstellende Ergebnisse. Beispiele sind die erwähnte Nickel-Elsen-Molybdan-Legierung In Verbindung mit den Glassorten »Corning Oi iö« oder »Corning 9776«. Dabei isi die Zusammensetzung der zuerst genannten Glassorte 50% SlO2. 19,5% K2O, 6% Na2O, 10% BaO. 5.5% AI2O,, 7.2% CaO und 1,8% F. Die Zusammensetzung der an zweiter Stelle genannten Glassorte Ist 88% PbO und 12% B2O1. Werden bestimmte Glassorten mit sehr niedrig liegendem Erweichungspunkt verwendet, so kann es zweckmäßig sein, den Schichtwerkstoff nachträglich nicht mehr auf die Weichglühtemperatur der Lagen aus weichmagnetischem Metall ü» erhitzen, um die Glasschichten zu schonen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der hler verwendeten Werkstoffe sind aus der Literatur bekannt. Beispielsweise finden sich entsprechende Werte in folgenden Veröffentlichungen: »Cavtech Alloys for Electronic, Magnetic, and Electrical Applications«, Carpenter Technology Corp.. 1965; »Allegheny Ludlum Blue Sheet Series«, Allegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh; »Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology«, 2 Aus°abs, !965, SsUen 533ST., insbesondere Seite 573; »Handbook of Glass Manufacture«, Odgen Publishing Company, New York, 1961; oder Standardkataloge von Glasherstellern wie Corning Glass Works, Corning, New York; Owens-Illinois Glass, Toledo, oder Jenaer Glaswerke.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten für viele magnetische Legierungen liegen im Bereich von etwa 0.47 -10-7 mm/°C bis etwa 5,1 ■ 107 mm/c C. Andererseits erstreckt sich der Bereich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas von etwa 0,22 ■ 10-7mm/°C für reines Quarz (Siliziumdioxid) über 5,9· lO-'mm/T für Bortrioxid (B2Oj) bis schließlich hinauf zu Gläsern auf Schwefelbasis mit therm'schen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 31 - 10-7mm/°C. Man erkennt also, daß eine Vielzahl verschiedener Glaser mit den gebräuchlichen magnetischen Legierungen in der vorgeschlagenen Weise kombiniert werden kann. Darüber hinaus können verschiedene Elemente den Legierungen beigegeben werden, um ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei den verschiedenen Temperaturen oder in den verschiedenen Temperaturbereichen nach oben oder nach unten zu korrigieren. Auch lassen sich vielerlei Beigaben den Glassorten hinzufügen, um ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu beeinflussen. In diesem Zusammenhang sei auf die oben erwähnte Literatur »Kirk-Othmer«, Seiten 538 und ff. verwiesen.
Die beschriebenen isolierenden Trennschichten sind außerordentlich hart, so daß der resultierende Schichtwerkstoff sehr verschleißfest ist, was ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung in Magnetköpfen ist.
Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Schichtwerkstoff hoher Permeabilität für die Kernteile von Magnetköpfen mit einer Mehrzahl von Lagen aus weichmagnetischem Metall und jeweils zwischengelagerten elektrisch isolierenden anorganischen Schichten, die ais durchgehende Trennschichten ausgebildet sind und eine aufgrund einer Wärmebehandlung gebildete, feste Verbindung zu den angrenzenden Lagen aus weichmagnetischem Metall aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die relative thermische Ausdehnung der anorganischen Trennschichten und der Lagen aus weichmagnetischem Metall mindestens im Bereich der Betriebstemperatur im wesentlichen übereinstimmt.
2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschichten Sillriummonoxid erhalten oder hieraus bestehen.
3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschichten (62) Glas enthalten oder hieraus bestehen.
4. SchichtwerkstolT nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die relativen thermischen Ausdehnungen der Trennschichten und der Schichten aus weichmagnetischem Metall um nicht mehr als 0,5 Promille unterscheiden.
5. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus weichmagnetischem Metall vollständig weichgeglüht sind.
6. Verfahren zur Herstellung .-ines Schichtwerkstoffes nach einem der Ai^pcüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Glas als Trennschichtmaterial dieses in Form von Partikelchen als Zwischenlage angebracht wird und in einem flüchtigen Bindemittel gebunden ist und daß bei der Wärmebehandlung eine Temperatur oberhalb der Verflüchtigungstemperatur des Bindemittels zur Wirkung gebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zur Verflüchti-
ii> gung des Bindemittels in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. ein Wärmebehandlungsschritt zum Erreichen der Weichglühtemperatur des weichmagnetischen Metalls in einer sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem bzw. einem Wärmebehandlungsschritt zum Erreichen der Weich-
-° giühtemperatur des weichmagnetischen Metalls der gesamte Schichtwerkstoff mit gesteuerter Abkühlungsgeschwindigkeit unter Durchlaufen des Curie-Temperaturpunktes für das weichmagnetische Metall abgekühlt wird.
-5
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem zur Bildung der Trennschichten verwendeten Material bzw. dem Glas vor dem Herstellen des Schichtwerkstoffes Zusätze zur Angleichung des thermischen Ausdehnungskoef-
Ju fizienten an denjenigen des weichmagnetischen Metalles beigegeben werden.
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