DE3120169A1

DE3120169A1 - Ferromagnetische metallegierungsgegenstaende, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung

Info

Publication number: DE3120169A1
Application number: DE19813120169
Authority: DE
Inventors: Ryusuke 07960 Morristown N.J. Hasegawa
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1980-05-29
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1982-02-11
Also published as: JPS5739103A; DE3120169C2; US4385944A

Description

Ferromagnetische Metallegierungsgegenstände, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft magnetische Gegenstände aus Kernen und Polstücken sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben aus metallischem Glaspulver.

Amorphe Metallegierungen und Gegenstände daraus sind von Chen und PoIk in der US-PS 3 856 513 beschrieben. Diese US-Patentschrift lehrt bestimmte neue Metallegierungszusammensetzungen, die man im amorphen Zustand erhält und die besser als damals bekannte kristalline Legierungen auf der Basis der gleichen Metalle sind. Diese Zusammensetzungen werden leicht zu dem amorphen Zustand abgeschreckt und besitzen erwünschte physikalische Eigenschaften. Diese Patentschrift lehrt, daß Pulver solcher amorphen Metalle mit einer Teilchengröße im Bereich von etwa 10 bis 250 μπι durch Atomisieren der geschmolzenen Legierung unter Bildung von Tröpfchen derselben und Abschrecken der Tröpfchen in einer Flüssigkeit, wie Wasser, gekühlter Salzlösung oder flüssigem Stickstoff, hergestellt werden können.

Die Herstellung von magnetischen Teilchen durch Verdichtung von Permalloy und anderen kristallinen Legierungspulvern ist bekannt. Neue Anwendungen, die verbesserte magnetische Eigenschaften erfordern, machten Bemühungen notwendig, Legierungen und Verdichtungsverfahren zu entwickeln, die

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gleichzeitig die Festigkeit und die magnetische Reaktion magnetischer Gegenstände erhöhen.

Die vorliegende Erfindung liefert amorphe Metallegierungspulver, die besonders für die Verdichtung zu Teilen oder Körpern mit ausgezeichneter Festigkeit und magnetischer Reaktion geeignet sind. Außerdem liefert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Gegenstände, in denen die Verfestigung und Verdichtung von glasartigem Metallpulver durch Verwendung von mechanischem Druck und/oder eines Bindemittels bewirkt wird.

Nach dem Verfahren dieser Erfindung hergestellte Gegenstände haben niedrige Remanenz und hohe Permeabilität. Typischerweise haben solche verfestigten oder verdichteten magnetischen glasartigen Metallegierungskörper eine relative magnetische Anfangspermeabilität von wenigstens etwa 100. Wenn hier von "relativer Permeabilität" gesprochen wird, meint dies das Verhältnis der magnetischen Induktion in einem Medium, die durch ein bestimmtes Feld erzeugt wird, zu der magnetischen Induktion im Vakuum, die durch das gleiche Feld erzeugt wird.

Die magnetischen kompakten Körper mit hoher Permeabilität nach der vorliegenden Erfindung werden allgemein aus glasartigen Metallegierungen in Pulverform hergestellt. Das allgemeine Verfahren für die Herstellung metallischer Glaspulver aus Legierungen schließt eine Stufe schnellen Abschreckens und eine Atomisierstufe ein. Jede dieser Stufen kann zuerst

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kommen, und das Verfahren kann in irgendeiner Reihenfolge durchgeführt werden. Methoden für die Herstellung von glasartigen Metallegierungspulvern sind in den schwebenden US-Patent anmeldungen Serial No. 023 411, 023 412 und 023 413, alle eingereicht am 23. März 1979, beschrieben. Die Herstellung einer glasartigen Legierung kann gemäß der Lehre der US-PS 3 856 553 erfolgen. Die resultierenden Bögen, Bänder, Streifen und Drähte sind brauchbare Vorläufer der · hier beschriebenen Materialien.

Der Beginn mit der Pulververfestigung oder -verdichtung des Pulvers ist die Anfangsstufe der Herstellung eines Körpers oder Gegenstandes. Für eine solche Verfestigung eingestelltes Pulver kann feines Pulver (mit einer Teilchengröße unter 100 μπι) , grobes Pulver (mit einer Teilchengröße zwischen 100 und 1000 μπι) und Flocken (mit einer Teilchengröße zwischen 1000 und etwa 5000 μπι) umfassen. Die Verfestigung kann erhalten werden, indem man glasartiges Metallegierungspulver preßt oder adhäsiv bindet.

Im Falle, daß geringe Permeabilitäten erwünscht sind, wird ein Teilchendurchmesser von etwa 5 bis 10 μΐη verwendet. Für hohe Permeabilitäten werden größere Teilchendurchmesser von etwa 0,1 mm oder mehr verwendet. Eine Kombination von relativ hoher Permeabilität (z.B. in der Größenordnung von etwa 100) und ausgezeichneter mechanischer Härte (z.B. in der Größenordnung von etwa 800 kg/mm²) bekommt man durch Verwendung von Teilchen mit einer Maschengröße (US-Siebreihe) von etwa 325. Flockenkerne verwenden größere Teilchen

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mit parallelen Ebenen. Die Eigenschaften kommen in diesem Fall näher an jene lamellenartiger Kerne heran.

Für eine Verfestigung oder Verdichtung können Pulver in evakuierte Blechdosen eingefüllt und dann zu Streifen geformt oder isostatisch zu Scheiben, Ringen oder irgendeiner anderen erwünschten Form gepreßt werden. Außerdem können Pulver unter ihrer Glasübergangstemperatur in herkömmlichen Techniken zu irgendeiner erwünschten Form im Vakuum heiß gepreßt werden. Vorzugsweise wird das feinste Pulver kalt gepreßt.

Die Pulver können mit einem geeigneten organischen Bindemittel, wie beispielsweise Paraffin usw., vermischt und dann zu geeigneten Formen kalt gepreßt werden. Als Isolatoren und Bindemittel werden Harze verwendet, wie Phenolformaldehydharze, z.B. Bakelite (Handelsmarke der Union Carbide Corporation). Andere geeignete Bindemittel sind beispielsweise synthetische Harze, trocknende öle, Rückstände aus der Destillation von ölen oder Fetten, Lösungen von Pflanzengummis oder Harzen und oxidierte Öl- oder Wachsverbindungen. Die Bindemittelmenge kann bis zu 30 Gewichts-% ausmachen und ist vorzugsweise geringer als 10 Gewichts-% und stärker bevorzugt zwischen 0,5 und 3 Gewichts-% für Kerne mit hoher Permeabilität. Solche geformten Legierungen können eine Dichte von wenigstens 60 % des theoretischen Maximum haben. Das gepreßte Objekt kann bei einer relativ niedrigen Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur gehärtet werden, um eine stärkere Festigkeit zu ergeben,

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und dann zu den Endabmessungen gemahlen werden. Das bevorzugte Produkt dieses Verfahrens umfaßt Formen, die als magnetische Teile geeignet sind.

Das Härtungsverfahren kann mit gleichzeitiger Anwendung eines Magnetfeldes durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt das Härtungsverfahren in Abwesenheit von Sauerstoff. Die Verfahren sind auf die optimalen Wärmebehandlungszyklen so eingestellt, daß man ein hinsichtlich der magnetischen und Struktureigenschaften erwünschtes Produkt aus glasartiger Metallegierung bekommt.

Nach dem Kompaktieren oder Verdichten wird das Endprodukt zu den Endabmessungen geschliffen. Dieses Verfahren ist geeignet, große Maschinenwerkzeuge einfacher Geometrie herzustellen. Außerdem kann das fertiggestellte Produkt, wenn erwünscht, je nach der in der Anwendung benutzten speziellen Legierung geglüht werden. Der feste Körper hat eine Dichte von nicht weniger als 60 % und vorzugsweise 95 % der Legierung in einem gegossenen Zustand.

Ein metallisches Glas ist ein Legierungsprodukt einer Schmelze, die ohne Kristallisation zu einem starren Zustand gekühlt wurde. Solche metallischen Gläser haben allgemein wenigstens einige der folgenden Eigenschaften: Hohe Härte und Kratzbeständigkeit, große Glattheit einer glasartigen Oberfläche, Dimensions- und Formbeständigkeit, mechanische Steifheit, Festigkeit, Duktilität, hohen elektrischen Widerstand im Vergleich mit entsprechenden Metallen und Legierungen derselben sowie ein diffuses Röntgenstrahlenbeugungsbild.

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Der Ausdruck "Legierung" wird hier im herkömmlichen Sinne zur Bezeichnung eines festen Gemisches zweier oder mehrerer Metalle verwendet (Condensed Chemical Dictionary, 9. Auflage, Van Norstrand Reinhold Co., New York, 1977). Diese Legierungen enthalten zusätzlich zugemischt wenigstens ein nicht metallisches Element. Die Ausdrücke "glasartige Metalllegierung", "metallisches Glas", "amorphe Metallegierung" und "glasige Metallegierung" werden hier als äquivalente Bezeichnungen verwendet.

Für die bei der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren geeignete Legierungen sind beispielsweise solche der Zusammensetzung
(Fe,Ni,Co)_65-88(Mo,Nb,Ta,Cr,V)_0-10(P,B,C,S)_l2_₂₅.

Bevorzugte ferromagnetische Legierungen nach der vorliegenden Erfindung beruhen auf einem Element der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel. Die Legierungen auf Eisenbasis haben die allgemeine Zusammensetzung

Fe_40-88(Co,Ni)_0-40(Mo,Nb,Ta,V,Cr)_Q-1 _Q (P,B,C,Si)_12-25, die Legierungen auf Kobaltbasis haben die allgemeine Zusammensetzung

Co_40-88(Fe,Ni)_0-40(Mo,Nb,Ta,V₇Mn,Cr)_0-10(P,B,C,Si)_12-25, und die Legierungen auf Nickelbasis haben die allgemeine Zusammensetzung
Ni_40-84(Co,Fe)_4-40(Mo,Nb,Ta,V,Mn,Cr)_0-10(P,B,C,Si)_12-25.

Bevorzugte Legierungen haben Atomprozentsätze von weniger als 5 Atom-% Kohlenstoff, 20 Atom-% Bor, 20 Atom-% Silicium und 10 Atom-% Phosphor.

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Amorphe Metallpulver können verdichtet oder kompaktiert werden, um geeignete Teile für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen, wie elektromagnetische Korne, Polstück«·' und dergleichen. Die kompaktiorten glasartigen Metallteile haben eine hohe Permeabilität. Sie können viel weniger Nickel als herkömmliche gepreßte Legierungsteile vergleichbarer Permeabilität enthalten. Die Verarbeitung von solchem glasartigen Metallpulver für magnetische Körper ist im wesentlichen die gleiche wie jene von Permalloypulverη. Die resultierenden Kerne können als Transformatorkerne und in anderen Wechselstromanwendungen verwendet werden.

Für diese speziellen Anwendungen, d.h. die Verwendung verdichteter amorpher Metallpulver, sollten ferromagnetische amorphe Legierungen relativ geringe mechanische Härte (d.h. weniger als 1000 kg/mm²) haben, so daß das Kompaktieren wirk- ^ sam durchgeführt werden kann. Amorphe Legierungen, die für solche Anwendungen bevorzugt sind, sind beispielsweise

^Fe82^P18' ^Fe80^P15^C5' ^Fe88^B12' ^Fe83^B17' ^Fe80^P16^C3^B1/ ^Fe80^P14^B6 und Fe₄₀Ni₄₀P₁₄Bg. Diese Legierungen haben Härtewerte im Bereich zwischen 760 und 1000 kg/mm².

Die folgenden Beispiele dienen einem vollständigeren Verständnis der Erfindung. Die speziellen Techniken, Bedingungen, Materialien, Mengenverhältnisse und berichteten Werte, die der Erläuterung der Prinzipien und der Durchführung der Erfindung dienen, sind beispielhalber angegeben und sollen nicht den Erfindungsgedanken einschränken.

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Beispiel 1

Amorphe Metallflocken oder grobe Pulver mit Teilchen im Bereich zwischen etwa 100 und 500 μΐη und 500 bis 2000 μΐη einer Legierung mit der Zusammensetzung Fe₄₀Ni₄₀P₁₄Bg werden hergestellt, indem man einen Strom von atomisierten geschmolzenen Tröpfchen auf einer Kühlsubstratoberfläche abschreckt. Die resultierenden groben Pulver und Flocken wurden anschließend durch Glühen unterhalb der Glasübergangstemperatur während einer Stunde bei 200° C versprödet, und dann wurden die Pulver und Flocken einem Mahlvorgang in einer trockenen Kugelmühle unter einer Atmosphäre von äußerst reinem Argon während 16 Stunden unterzogen. Dieses Verfahren führte zu feinen amorphen Teilchen unregelmäßiger Form mit einer Teilchengröße von weniger als 30 μπι. Die resultierenden feinen Pulver wurden gleichmäßig mit 2 % Magnesiumoxidteilchen im Submikronbereich vermischt, und die Zusammensetzung wurde unter Verwendung von Hochdruck zwischen 14 000 und 17 500 kg/cm² zu einem Ringdurchmesser von 1,252 cm verpreßt. Die Zugabe von feinem Keramikpulver war dazu bestimmt, einen gleichmäßig verteilten Luftspalt in dem Kern zu liefern, um so seinen Widerstand zu verhöhen. Die komprimierten Kerne wurden 2 bis 16 Stunden bei 300° C geglüht. Typischerweise fand man, daß ein mit 17 500 kg/cm² gepreßter und 16 Stunden bei 300° C geglühter Kern eine Permeabilität von 125 Einheiten besaß.

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Beispiel 2

Drei ringförmige Körper wurden aus glasartiger Metallegierung der Zusammensetzung Fe₄-Ni₄₀P₁₄Bg hergestellt. Die Ringkörper wurden durch Pressen von glasartigem Metallegierungspulver in eine Form hergestellt. Die Probe a) wurde aus zerkleinerter glasartiger Metallegierung hergestellt, und die Proben b) und c) wurden aus Pulver von 325 Maschen hergestellt. Die Probe a) zeigte ein Koerzitivfeld H = 0,69 Oe und eine relative Anfangspermeabilität von 107. Die Proben b) und c) hatten ein Koerzitivfeld H von 2,15 Oersted bzw. 2,58 Oersted und eine relative Anfangspermeabilität von 97 bzw. 121. Jeder der ringförmigen Körper zeigte feldunabhängige Wechselstrompermeabilität von etwa 90 bis zu der Frequenz von 500 kHz.

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Claims

- ϊ - ■

Patentansprüche

1„ Ferromagnetischer glasartiger Metallgegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus glasartigem Metalllegierungspulver besteht, das durch mechanische Verankerung und/oder durch ein Bindemittel zusammengehalten wird.

2. Ferromagnetischer glasartiger Metallgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine relative Anfangspermeabilität von wenigstens etwa 100 besitzt.

3. Verfahren zur Herstellung von ferromagnetischen glasartigen Metallgegenständen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet i daß man ferromagnetisches glasartiges Metallpulver mit mechanischem Druck unter Bildung eines verfestigten und/oder verdichteten Körpers verdichtet oder verfestigt»

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verfestigung durch mechanischen Druck unterstützt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verfestigung durch ein Bindemittel zum Binden des Pulvers unterstützt.

6ο Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Verfestigungsstufe mit dem Pulver einen Isolator vermischt, wobei die Pulverteilchen durch den Inhalator im wesentlichen getrennt voneinander gehalten werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Pulver verwendet, das die Zusammensetzung

₂₂₅ besitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den verfestigten Körper während der Verfestigungsstufe in einem Magnetfeld bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur härtet.

9. Verfahren nach Anspruch 3 bis 8₇ dadurch gekennzeichnet, daß man das Glaspulver in einer Form mit einer Dichte von wenigstens etwa 60 % des theoretischen Maximum verfestigt oder verdichtet.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kaltpressen isostatisch mit isotropem Druck, der von allen Seiten auf den Gegenstand ausgeübt wird, durchführt.

11. Verwendung eines ferromagnetischen glasartigen Metallgegenstandes nach Anspruch 1 und 2 für magnetische Werkzeuge und Gerätschaften.

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