DE68921856T2

DE68921856T2 - Weichmagnetische auf Fe-basierende Legierung.

Info

Publication number: DE68921856T2
Application number: DE68921856T
Authority: DE
Inventors: Masami Okamura; Takao Sawa; Yumiko Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1989-12-19
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2009-12-20
Also published as: EP0374847A3; KR910013321A; US5019190A; EP0374847A2; DE68921856D1; EP0374847B1; KR930000413B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis, die verwendet wird und insbesondere geeignet ist zur Herstellung von Teilen wie beispielsweise zur Herstellung eines Magnetkerns.
Herkömmlich wurden kristalline Materialien wie beispielsweise Permalloy und Ferrit als Material für einen Magnetkern verwendet, der für solche Teile wie einen Schaltregler verwendet wird, der im Hochfrequenz-Bereich betrieben wird. Jedoch weist Permalloy einen niedrigen spezifischen Widerstand auf. Folglich steigt der Eisenverlust bzw. Wirbelstromverlust bei hoher Frequenz. Andererseits weist Ferrit einen niedrigen Wert des Eisenverlustes bzw. Wirbelstromverlustes bei hoher Frequenz auf. Seine magnetische Flußdichte hat jedoch einen niedrigen Wert von höchstens 5.000 G. Folglich steigt dessen Eisenverlust in der Nähe des Sättigungspunktes, wenn das Material bei hoher Betriebs- Magnetflußdichte verwendet wird.
In jüngerer Zeit ist für Leistungstransformatoren, die als Schaltregler verwendet werden, und für Drosselspulen, asymmetrische Drosselspulen und dergleichen, die in einem Transformator verwendet werden, der bei hoher Frequenz betrieben wird, eine Miniaturisierung der Größe erwünscht. Um eine Miniaturisierung zu erreichen, ist ein Anstieg der Betriebs-Magnetflußdichte entscheidend. Diesbezüglich ist eine Senkung des Eisenverlustes des Ferrits ein Hauptproblem für dessen praktische Anwendung geworden.
Neuerdings hat eine amorphe Magnetlegierung, die keine Körner (Kristallteilchen) aufweist, als Beispiel für ein Material zur Lösung der oben genannten Probleme erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da die amorphe Magnetlegierung ausgezeichnete charakteristische weichmagnetische Eigenschaften aufweist, wie beispielsweise eine hohe magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft. Deswegen wurde sie mitunter praktisch eingesetzt.
Die amorphe Magnetlegierung enthält Eisen (Fe), Cobalt (Co) und Nickel (Ni) als Grundkomponenten. Phosphor (P), Kohlenstoff (C), Bor (B), Silicium (Si), Aluminium (Al) und Germanium (Ge) werden der Legierung ergänzend als Elemente zum Erreichen eines amorphen Zustandes zugesetzt (Metalloid). Jedoch zeigt die amorphe Magnetlegierung nicht immer einen niedrigen Wert des Eisenverlustes bzw. Wirbelstromverlustes bei jeder Frequenz und bei niedrigen Materialkosten.
Beispielsweise ist eine amorphe magnetische Legierung auf Fe-Basis wirtschaftlich und zeigt bei einer niedrigen Frequenz im Bereich von 50 bis 60 Hz einen sehr niedrigen Wert des Eisenverlustes, der nahezu ein Viertel des Wertes von Siliciumstahl beträgt. Bei hoher Frequenz oberhalb des Bereichs von 10 kHz zeigt jedoch die amorphe magnetische Legierung auf Fe-Basis einen sehr hohen Wert des Eisenverlustes, und sie kann daher kaum zur Verwendung in Anlagen wie beispielsweise Schaltreglern geeignet sein, die bei hoher Frequenz betrieben werden.
Zur Verbesserung dieses Nachteils wird ein Mengenanteil des Fe einer amorphen magnetischen Legierung auf Fe-Basis ersetzt durch ein nicht-magnetisches Metall wie beispielsweise Niob (Nb), Molybdän (Mo) und Chrom (Cr), um mit dem Ziel einer Senkung des Eisenverlustes und einer Erhöhung der magnetischen Permeabilität dieses Materials auf einen hohen Wert die Magnetostriktion zu erniedrigen. Jedoch werden im Fall eines Magnetkerns, der mittels einer Harzform hergestellt wird, aufgrund des Schrumpfung des Harzes beim Härten in gewissem Umfang Druckkräfte auf den Magnetkern ausgeübt. Dadurch wird im Laufe der Zeit die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften relativ merklich. Aus diesem Grund hat eine amorphe magnetische Legierung auf Fe-Basis keine ausreichenden Charakteristika zum Einsatz in der Praxis als weichmagnetisches Material bei Betrieb bei hoher Frequenz erreicht.
Andererseits kam eine amorphe magnetische Legierung auf Co-Basis praktisch in Gebrauch als Magnetteil elektrischer Anlagen wie beispielsweise eines Magnetverstärkers. Dies geschah aufgrund des niedrigen Wertes des Eisenverlustes und des hohen Rechteckigkeits-Verhältnisses ihrer magnetischen Eigenschaften bei hoher Frequenz. Die Materialkosten eines derartigen Materials sind jedoch vergleichsweise hoch. Wie oben bereits festgestellt, ist eine amorphe Legierung auf Fe-Basis ein wirtschaftliches weichmagnetisches Material, weist jedoch bei ihrer praktischen Verwendung Beschränkungen im Hochfrequenzbereich auf, und zwar wegen ihres relativ hohen Wertes der Magnetostriktion und der Unterlegenheit gegenüber einer amorphen Legierung auf Co-Basis im Hinblick auf den Eisenverlust und die magnetische Permeabilität.
Obwohl eine amorphe Legierung auf Co-Basis überlegene magnetische Eigenschaften aufweist, hat die amorphe Legierung auf Co-Basis den Nachteil, daß die Materialkosten hoch sind.
Die Druckschrift EP-A 0 271 657 offenbart eine weichmagnetische Legierung auf Fe- Basis, die eine durch die folgende allgemeine Formel wiedergegebene Zusammensetzung aufweist:
[Fe&sub1;&submin;aMa]100-x-y-z-α-β-γ CuxSiyBzM'aM"βXγ
worin M für Co und/oder Ni steht, M' für wenigstens ein Element steht, das aus der aus Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti und Mo bestehenden Gruppe gewählt ist, M" für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der aus V, Cr, Mn, Al, Elementen der Platin-Gruppe, Sc, Y, Seltenerd-Elementen, Au, Zn, Sn und Re bestehenden Gruppe, X für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der aus C, Ge, P, Ga, Sb, In, Be und As bestehenden Gruppe und die Indices a, x, y, z, α, β und γ jeweils den folgenden Beziehungen genügen:
0 ≤ a ≤ 0,5;
0,1 ≤ x ≤ 3;
0 ≤ y ≤ 30;
0 ≤ z ≤ 25;
5 ≤ y + z ≤ 30;
0,1 ≤ α ≤ 30;
β ≤ 10; und
γ ≤ 10;
wobei wenigstens 50 % der Legierungsstrukur feinkristalline Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1.000 Å oder weniger sind. Diese Legierung weist einen niedrigen Kernverlust, eine Zeitveränderung des Kernverlustes, eine hohe Permeabilität und eine niedrige Magnetostriktion auf.
Die Druckschrift EP-A 0 342 923, die am 23. November 1989 veröffentlicht wurde, offenbart eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis, die ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften bei hoher Sättigungs-Magnetflußdichte aufweist und gekennzeichnet ist durch feine Kristallkörner und die allgemeine Formel (I)
(Fe&sub1;&submin;a-b CuaMb)100-c Yc (I)
worin M für wenigstens ein Seltenerdelement steht, Y für wenigstens eines der Elemente Si, B, P und C steht und die Indices a, b und c, ausgedrückt in Atom- %, den folgenden Beziehungen genügen:
0,005 ≤ a 0,05;
0,005 ≤ b ≤ 0,1; und
15 ≤ c ≤ 28.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Fehler oder Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, zu eliminieren oder zu verbessern und eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis zu schaffen, die eine hohe Sättigungs-Flußdichte und ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften bei hoher Frequenz aufweist. Die vorstehende und weitere Aufgaben können gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst werden durch Schaffung einer weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis, die im wesentlichen besteht aus einer Legierung auf Fe-Basis, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legierung auf Fe-Basis feine Kristallkörner mit einer mittleren Größe von 300 Å (30 nm) oder weniger einschließt und jedes der feinen Kristallkörner aus einer raumzentrierten kubischen Phase besteht, die wenigstens teilweise ein Übergitter einschließt.
Für die resultierende Legierung wurde also gefunden, daß durch vernünftige Beschränkung der mittleren Größe der Kristallkörner und durch die Existenz eines Übergitters in den Körnern die Legierung ausgezeichnete magnetische Eigenschaften zeigen kann.
Die obigen Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch vollständiger nachfolgend aus einer Betrachtung der folgenden Beschreibung, zusammengenommen mit den beigefügten Figuren und Tabellen.

Kurze Beschreibung der Figuren

In den beigefügten Figuren sind
- die Figuren 1(a) und 1(b) graphische Darstellungen, die das Röntgenbeugungsmuster der weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß Ausführungsform 1 bzw. einer Legierung zeigen, die nachfolgend in der Vergleichs-Form 1 genannt ist;
- Figur 2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Koerzitivkraft und Temperatur der weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wie sie in Ausführungsform 2 angegeben ist;
- Figur 3 eine Graphik, die das Röntgenbeugungsmuster der weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wie sie in Ausführungsform 2 angegeben ist; und
- Figur 4 eine Graphik, die die Beziehung zwischen Koerzitivkraft und Temperatur bei der weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wie sie in Ausführungsform 3 beschrieben ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, wurden von den Erfindern intensive Untersuchungen an verschiedenen Arten von Legierungen durchgeführt. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde gefunden, daß eine magnetische Legierung auf Fe-Basis mit extrem feinen Körnern, die eine mittlere Größe von 300 Å (30 nm) oder weniger aufweisen, außergewöhnliche weichmagnetische Eigenschaften besitzen. Dies führte zu der vorliegenden Erfindung, in der die magnetische Legierung auf Fe-Basis eine raumzentrierte kubische Phase, die ein Supergitter enthält, als ihre Kristallstruktur aufweist.
Jede Einheitszelle einer raumzentrierten kubischen Phase (bcc-Phase) hat eine solche Struktur, daß ein Atom an jeder Ecke und im zentralen Abschnitt der Einheitszelle positioniert ist.
Eine bevorzugte Zusammensetzung der magnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung hat die durch die folgende allgemeine Formel wiedergegebene Zusammensetzung:
FeaCubMcM'dM"eSifBg worin M wenigstens ein Element ist, das gewählt ist aus der aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Seltenerd-Elementen des Periodensystems bestehenden Gruppe; M' wenigstens ein Element ist, das gewählt ist aus der aus Mangan (Mn), Aluminium (Al), Germanium (Ge) und Elementen der Platin-Gruppe bestehenden Gruppe; M" Cobalt (Co) und/oder Nickel (Ni) ist; und Fe, Cu, Si und B für Eisen, Kupfer, Silicium bzw. Bor stehen.
Jeder der Koeffizienten a, b, c, d, e, f bzw. g genügt der folgenden Formel:
a + b + c + d + e + f + g = 100 (Atom-%)
0,01 ≤ b ≤ 8;
0,01 ≤ c ≤ 10;
0 ≤ d ≤ 10;
0 ≤ e ≤ 20;
10 ≤ f ≤ 25;
3 ≤ g ≤ 12; und
17 ≤ f+g ≤ 30.
Nachfolgend genannt sind die Gründe für die Beschränkung der Arten der Elemente und der mittleren Feinkorngrößen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Erläuterung beginnt mit den Gründen für die Beschränkung der Elemente.
Kupfer (Cu) ist wirksam zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, zur Verhinderung der Vergrößerung der Korngröße und zur Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften wie beispielsweise Eisenverlust und magnetische Permeabilität. Das Element ist besonders wirksam in Bezug auf eine Veranlassung einer frühen Fällung der bcc-Phase bei vergleichsweise niedriger Temperatur.
Die Zugabe einer zu geringen Mengen Kupfer führt zu keiner Wirkung auf die Erniedrigung des Eisenverlustes. Im Gegensatz dazu verursacht eine Überschußmenge Kupfer eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften. In Bezug darauf wird der Kupfergehalt beschränkt auf den Bereich von 0,01 bis 8 Atom-%, und der bevorzugte Gehalt an Cu im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt bei 0,1 bis 5 Atom-%. In diesem Bereich ist der Kernverlust besonders klein und die Permeabilität ist hoch. Das Element M ist nicht nur wirksam im Hinblick auf eine Vereinheitlichung der Korngrößen, sondern auch im Hinblick auf eine Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften durch Verringerung der Magnetostriktion und der magnetischen Anisotropie. Das Element ist auch wirksam dabei, die magnetischen Eigenschaften gegenüber Temperaturschwankungen zu stabilisieren. M ist insbesondere wirksam zur Stabilisierung einer bcc-Phase und kann die bcc- Phase gegenüber Temperaturschwankungen über einen größeren Bereich durch gemeinsame Wirkung mit dem Kupfer stabilisieren.
Die Zugabe einer zu geringen Menge des Elements M führt zu keinem Einfluß. Andererseits verursacht eine Überschußmenge des Elements keine Nicht-Kristallisation und eine Erniedrigung der Sättigungs-Flußdichte.
In Bezug darauf wird der Gehalt des Elements M auf einen Bereich von 0,01 bis 10 Atom-% beschränkt. Der bevorzugte Bereich liegt bei 1 bis 8 Atom-%.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Wirkungen hat jedes der Elemente M, die aus der aus Elementen der Gruppen IVA, Va und VIa des Periodensystems bestehenden Gruppe gewählt sind, die folgenden Wirkungen:
Ein unter den Elementen der Gruppe IVa des Periodensystems gewähltes Element dehnt den Bereich der Bedingungen für die Hitzebehandlung zum Erhalt der am meisten geeigneten charakteristischen magnetischen Eigenschaften aus.
Ein unter den Elementen der Gruppe Va des Periodensystems gewähltes Element ist wirksam zur Verbesserung der Zähigkeit und maschinellen Bearbeitbarkeit wie beispielsweise zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitung.
Ein unter den Elementen der Gruppe VIa des Periodensystems gewähltes Element verbessert die Verschleißbeständigkeit und Rauhheit der Materialoberfläche.
Von den oben genannten Elementen haben Tantal (Ta), Niob (Nb), Wolfram (W) und Molybdän (Mo) eine erhebliche Auswirkung auf die Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften. Vanadium (V) zeigt merkliche Wirkungen bei der Verbesserung der Zähigkeit und bei der Verbesserung der Oberflächenrauhheit des Materials. Die Zugabe dieser Elemente ist recht wünschenswert.
Das Element M' ist ein Element, das wirksam ist zur Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften. Die Zugabe einer Überschußmenge des Elements M' ruft jedoch eine Senkung des Wertes der Sättigungs-Flußdichte hervor. In diesem Zusammenhang wird der Maximalgehalt des Elements M' beschränkt auf höchstens 10 Atom-%.
Al, welches eines der möglichen Elemente für M' ist, ist wirksam zur Erzeugung feiner Körner, zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften und zur Stabilisierung einer bcc-Phase.
Ge ist ebenfalls zur Stabilisierung einer bcc-Phase wirksam. Ein unter den Elementen der Platin-Gruppe, die andere mögliche Elemente für M' sind, gewähltes Element trägt zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bzw. der Verschleißfestigkeit bei.
Das Element M" ist wirksam zur Verbesserung der Sättigungs-Flußdichte und ist folglich wirksam zur Verbesserung der Magnetostriktion und der weichmagnetischen Eigenschaften.
Aufgrund der Tatsache, daß eine Überschußmenge des Elements M" die Sättigungs- Flußdichte senkt, wird jedoch dessen Gehalt im Bereich von 20 Atom-% oder weniger gewählt.
Silicium (Si) und Bor (B) fördern das Nicht-Kristallisieren einer Legierung, können die Kristallisationstemperatur erhöhen und können folglich die Hitzebehandlungsbedingungen zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften verbessern. Insbesondere bildet Si eine feste Lösung in Fe, die die Hauptkomponente feiner Körner ist und wirkt in der Richtung, daß es die Magnetostriktion und magnetische Anisotropie verringert.
Die Wirksamkeit von Si zur Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften ist jedoch nicht merklich, wenn der Gehalt an Si 10 Atom-% oder weniger beträgt. Wenn er 25 Atom-% übersteigt, werden relativ grobe große Körner mit einem Durchmesser im Bereich von Mikrometern aufgrund des Fehlens eines ultraschnellen Abschreckungs-Effekts gefällt.
Si ist ein essentielles Element zum Aufbau eines Übergitters, und sein Gehalt wird auf einen Bereich zwischen 10 und 25 Atom-% gesteuert, um ein Übergitter zu erzeugen. Er wird noch mehr bevorzugt auf einen Bereich von 10 bis 22 Atom-% gesteuert.
Wenn der Gehalt an B geringer ist als 3 Atom-%, wird keine ausreichende Wirkung bei der Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften erhalten, und zwar wegen einer Fällung relativ grober Körner. Wenn dessen Gehalt andererseits 12 Atom-% übersteigt, fällt das Element B leicht im Verlauf der Hitzebehandlung aus und verschlechtert die weichmagnetischen Eigenschaften.
Es ist wünschenswert, daß das Verhältnis der Elemente Si und B der Beziehung Si/B ≥ 1 genügt, und dabei werden ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften erhalten.
Besonders dadurch, daß man die Menge an Si im Bereich von 14 bis 20 Atom-% hält, senkt sich der Wert der Magnetostriktion λ s bis auf fast Null, und eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften durch eine Harzform wird erfolgreich verhindert. Außerdem werden überlegene weichmagnetische Eigenschaften unmittelbar nach der Wärmebehandlung erhalten, die für eine lange Zeit aufrechterhalten werden können. In diesem Fall ist der Gehalt an M von mehr als 2 Atom-% zur praktischen Verwendung bevorzugt, da die Korrosionsbestandigkeit stark verbessert wird.
Eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung kann erhalten werden durch Anwendung eines Verfahrens, das auf eine Fällung feiner Körner abgestellt ist. In dem Verfahren, das auf die Fällung feiner Körner abgestellt ist, werden dünne Streifen einer amorphen Legierung, die durch ein Flüssigkeits-Abschreckverfahren hergestellt wurden, oder amorphe Pulver, die durch Anwendung eines Atomisierschrittes oder eines mechanischen Legierungsverfahrens hergestellt wurden, 10 min bis 50 h, vorzugsweise 0,5 h bis 25 h, im Temperaturbereich (Tx - 50) bis Tx ºC, vorzugsweise im Temperaturbereich von (Tx - 30) bis Tx ºC, hitzebehandelt, worin Tx die Kristallisationstemperatur der vorgenannten Legierung bei Messung einer Aufheizgeschwindigkeit von 10 Grad/min ist.
Nachfolgend werden feine Körner der weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis angesprochen.
Bei der weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung sind recht wenige feine Körner nicht bevorzugt, da diese feinen Körner zu einer zu stark amorphen Phase führen und einen großen Eisenverlust, einen niedrigen Wert der magnetischen Permeabilität, eine große Magnetostriktion und eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften hervorrufen. Andererseits verschlechtern sich die weichmagnetischen Eigenschaften, wenn grobe Körner mit einer mittleren Größe von mehr als 300 Å (30 nm) dieses Materials auftreten.
Aus diesen Gründen wird die mittlere Feinkorngröße bei 300 Å (30 nm) oder weniger gehalten.
Der verbleibende Anteil der Basis-Legierungsstruktur, der nicht aus feinkristallinen Körnern besteht, kann amorph sein.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Messung der mittleren Größe der feinen Körner erläutert.
Allgemein besteht ein Kristallkorn aus einer Anzahl von Kristalliten. Jedoch wird im Fall einer Legierung auf Fe-Basis mit ultrafeiner Kristallstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kristallkorn als Einkristall angenommen, so daß die Größe des Kristallits im wesentlichen gleich der Korngröße ist.
Allgemein wird die Größe eines Kristallits mittels eines Röntgenbeugungsverfahrens gemessen. Bei diesem Verfahren schwankt die Breite des Beugungsmusters in dem Maße mehr, als die Größe des Kristallits kleiner wird. In diesem Zusammenhang ist die Beziehung zwischen der Größe (D) des Kristallits und der Breite (W) des Beugungsmusters allgemein gegeben durch die folgende Scherrer-Gleichung:

D = K λ / β cos θ

worin λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlen ist, θ der Bragg-Winkel ist und K eine Proportionalitäts-Konstante ist.
Die mittlere Feinkorngröße gemäß der vorliegenden Erfindung wird bestimmt als arithmetisches Mittel der Messungen, die erhalten wurden durch mehr als 10-maliges Messen derselben Legierungsprobe.
Die weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt überlegene weichmagnetische Eigenschaften bei hoher Frequenz und kann in geeigneter Weise als Hochfrequenz-Magnetkern-Material verwendet werden, beispielsweise für einen Magnetkopf, einen Dünnfilmkopf, einen Hochfrequenz-Transformator einschließlich eines solchen zur Verwendung bei hoher Spannung, einen Magnetverstärker, eine asymmetrische Drosselspule, eine symmetrische Drosselspule, ein Hochspannungsimpuls-Störschutzfilter, einen Flachinduktor, einen Magnetpulverkern und einen Magnetschalter wie beispielsweise für eine Laserenergiequelle. Sie kann auch in geeigneter Weise verwendet werden als Magnetmaterial für verschiedene Sensoren wie beispielsweise einen Stromsensor, einen Richtungssensor, einen Sicherheitssensor und einen Drehmomentsensor.
Die vorliegende Erfindung wird noch klarer verständlich bei Bezugnahme auf die folgenden Ausführungsformen.

Ausführungsform 1

Ein amorphes Band aus einer Legierung mit der Zusammensetzung Fe&sub7;&sub3;Cu&sub1;Nb&sub4;Si&sub1;&sub5;B&sub7;, das 5 mm breit und 14 um dick war, wurde erhalten durch ein Einzel-Walzen-Verfahren, und ein ringförmiger Magnetkern mit einem Innendurchmesser von 12 mm und einem Außendurchmesser von 18 mm wurde erhalten durch Aufwickeln dieses Bandes.

Vergleichs-Form 1

Zu Vergleichszwecken wurde ein ringförmiger Magnetkern mit der Zusammensetzung Ft&sub7;&sub4;Nb&sub4;Si&sub1;&sub5;B&sub7; hergestellt unter Anwendung desselben Verfahrens, wie es in der Ausführungsform 1 angewendet wurde.
Die ringförmigen Magnetkerne der Ausführungsform 1 und der Vergleichs-Form 1 wurden 50 min lang bei einer Temperatur von 30 ºC oberhalb der Kristallisationstemperatur jedes Magnetkerns mit einer Heizgeschwindigkeit von 10 ºC/min hitzebehandelt.
Die Magnetkerne der Ausführungsform 1 und der Vergleichs-Form 1 wurden durch Röntgenbeugung unter folgenden Bedingungen getestet:
- Target: Cu;
- Spannung: 40 kV;
- Elektrischer Strom: 100 mA.
Wenn Röntgenstrahlen mit einer speziellen Wellenlänge X auf eine Oberfläche eines Metalls projiziert werden, das geordnete Übergitter aufweist, werden diese Röntgenstrahlen von Atomebenen in Kristallen reflektiert. Mit anderen Worten: Bei einem Röntgenbeugungsverfahren werden Röntgenstrahlen selektiv in spezielle Richtungen reflektiert, so daß sie der folgenden Bragg-Gleichung entsprechen, worin θ der Einfallswinkel ist und d die Entfernung zwischen den Atomebenen ist:
n λ = 2 d sin θ (n = 1, 2, 3 ...).
Daher kann die Existenz eines Übergitters durch Messung der Menge reflektierter Röntgenstrahlen unter Einsatz eines Röntgenbeugungstests bestätigt werden. Die Ergebnisse dieses Röntgenbeugungstests sind in den Figuren 1(a) und (b) gezeigt, worin die Reflexionsrate der Röntgenstrahlen angegeben ist in Impulszahlen pro Sekunde (count numbers per second; cps).
Im Fall der Legierung der Ausführungsform 1 erscheinen abgelenkte Röntgenstrahlen, wie sie typisch für ein Übergitter sind, in der Nähe von 2 θ = 27º und 31º, und es werden die Peaks P&sub1; und P&sub2; bestätigt. Andererseits erscheint im Fall der Legierung der Vergleichs-Form 1 kein Peak reflektierter Röntgenstrahlen, wie dies in Figur l (b) gezeigt ist. Dies erklärt das Nichtbestehen eines Übergitters.
Als nächster Schritt wurde die anfängliche magnetische Permeabilität u' bei 1 kHz (anregende Magnetfelder Hm = 5 mOe (0,4 A/m)) und die Gleichstrom-Koerzitivkraft Hc mit einem Impedanz-Analysator an Magnetkernen gemessen, die aus den beiden vorstehend beschriebenen Legierungen hergestellt worden waren.
Außerdem wurden Proben einiger Teststücke von jedem der Magnetkerne abgenommen, und deren Oberflächen wurden durch ein Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) beobachtet, und die Korngrößen wurden gemessen.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle I Existenz eines Übergitters Anfängliche magnetische Permeabilität u'(1 kHz) Koerzitivkraft Hc (Oe) < A/m> Kristallteilchen-Größe (Å) < nm> Ausführungsform 1 Vergleichs-Form 1 beobachtet nein
Wie sich offensichtlich aus den erhaltenen Daten ergibt, besitzt eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete magnetische Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe magnetische Permeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft.

Ausführungsform 2

Ein amorphes Band aus einer Legierung mit der Zusammensetzung Fe&sub7;&sub3;,&sub5;Cu&sub3;,&sub5;Nb&sub3;Si&sub1;&sub4;B&sub6; mit einer Breite von 10 mm und einer Dicke von 16 um wurde durch ein Einzel-Walzen- Verfahren hergestellt, und es wurde ein ringförmiger Magnetkern mit einem Innendurchmesser von 12 mm und einem Außendurchmesser von 15 mm durch Aufwickeln dieses dünnen Bandes hergestellt.
Der ringförmige aufgewickelte Kern wurde 60 min lang bei verschiedenen Temperaturen hitzebehandelt, und seine Koerzitivkräfte wurden gemessen. Die Beziehung zwischen den gemessenen Koerzitivkräften (Hc) der ringförmigen Magnetkerne und den Hitzebehandlungstemperaturen ist in Figur 2 gezeigt.
Wie sich offensichtlich aus Figur 2 ergibt, kann eine Legierung mit einer niedrigen Koerzitivkraft im Bereich von 500 bis 600 ºC erhalten werden.
Der bei 570 ºC hitzebehandelte Magnetkern erfuhr einen Röntgenbeugungstest unter denselben Bedingungen wie in Ausführungsform 1, und die Testergebnisse sind in Figur 3 angegeben.
Wie sich offensichtlich aus Figur 3 ergibt, weist die Legierung mit einer niedrigen Koerzitivkraft reflektierte Röntgenstrahlen auf, die für ein Übergitter typisch sind, und die Peaks P&sub1; und P&sub2; wurden bestätigt. Die Korngrößen der Legierung wurden durch TEM gemessen, und es wurde bestätigt, daß sie zwischen 100 und 200 Å (10 und 20 nm) streuten.

Ausführungsform 3

Ein amorphes Band aus einer Legierung mit der Zusammensetzung Fe&sub7;&sub3;Cu&sub1;Nb&sub2;,&sub5;Si&sub1;&sub7;B&sub6;,&sub5; wurde mittels eines Einzel-Walzen-Verfahrens in derselben Weise wie bei Ausführungsform 1 hergestellt, und es wurde ein ringförmiger aufgewickelter Kern mit einem Innendurchmesser von 12 mm, einem Außendurchmesser von 15 mm und einer Höhe von 5 mm durch Aufwickeln dieses dünnen Bandes hergestellt.
Die ringförmigen Magnetkerne wurde 50 min lang bei verschiedenen Temperaturen hitzebehandelt, und es wurde ihre Koerzitivkraft (Hc) gemessen. Die Beziehung zwischen der gemessenen Koerzitivkraft der ringförmigen Magnetkerne und den Hitzebehandlungstemperaturen ist in Figur 4 gezeigt.
Wie sich offensichtlich aus Figur 4 ergibt, wurde eine Koerzitivkraft von mindestens 6 mOe (0,48 A/m) bei etwa 510 ºC erhalten.
Ein Röntgenbeugungstest wurde an einem Magnetkern, der um 510 ºC hitzebehandelt worden war, von den oben genannten Testproben unter denselben Bedingungen wie in Ausführungsform 1 durchgeführt. Reflektierte Röntgenstrahlen, die typisch für ein Übergitter waren, wurden bei kleinen Ablenkungswinkeln in ähnlicher Weise wie in Figur 1 und Figur 3 beobachtet. Die Korngrößen des Materials wurden durch TEM gemessen, und es wurde bestätigt, daß sie zwischen 100 und 200 Å (10 und 20 nm) streuten.

Ausführungsform 4

Amorphe Bänder aus verschiedenen Legierungen, wie sie in Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden in derselben Weise wie bei Ausführungsform 1 hergestellt, und ringförmige gewickelte Kerne mit einem Innendurchmesser von 12 mm und einem Außendurchmesser von 15 mm wurden durch Aufwickeln dieser dünnen Bänder hergestellt.
Diese ringförmigen gewickelten Kerne wurden in gleicher Weise 80 min lang bei derselben Temperatur hitzebehandelt, und es wurde eine anfängliche magnetische Permeabilität von 1 kHz (anregendes Magnetfeld Hm = 5 mOe (0,40 A/m)) und eine Gleichstrom- Koerzitivkraft an den Magnetkernen mit einem Impedanz-Analysator gemessen. Außerdem wurde das Vorhandensein eines Übergitters durch Röntgenbeugungstests bestätigt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in derselben Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Probe Nr. Zusammensetzung der Legierung Existenz eines Übergitters Koerzitivkraft Hc(mOe) < A/m> anfängliche magnetische Permeabilität u '1KHz × 10&sup4; beobachtet neinWie sich offensichtlich aus Tabelle 2 ergibt, zeigen Proben aus der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Übergitter enthalten (Proben Nr. 1 bis 11) überlegene magnetische Eigenschaften, verglichen mit den Eigenschaften der Proben, die kein Übergitter enthalten (Proben Nr. 12 bis 14).
Die Korngrößen des Materials wurden mittels TEM gemessen, und es wurde bestätigt, daß sie zwischen 100 und 200 Å (10 und 20 nm) streuten.

Ausführungsform 5

Pulver verschiedener Legierungen mit der in Tabelle 3 aufgeführten Zusammensetzung wurden durch ein Atomisierverfahren hergestellt. Die Teilchen dieser Pulver hatten runde Form, und deren mittlerer Durchmesser lag im Bereich von 10 bis 50 um.
Diese Pulver wurden mit flüssigem Glas gemischt, das als Bindemittel diente. Das resultierende Material wurde zu ringförmigen Magnetkernen mit den Maßen 38 mm x 19 mm x 12,5 mm unter Druck geformt, und die Proben Nr. 1 bis 6 wurden bei einer Temperatur von 540 ºC 60 min lang hitzebehandelt, bevor sie als Teststücke dienten.
Zu Vergleichszwecken wurde ein ringförmiger Magnetkern (Probe Nr. 9) aus Eisenstäuben hergestellt, und die Herstellung erfolgte in derselben Weise wie bei Proben Nr. 1 bis 6.
Außerdem wurde zu Vergleichszwecken eine Bewertung durchgeführt an einem ringförmigen Magnetkern aus der Probe Nr. 7, die aus einem amorphen Band aus Fe&sub7;&sub1;Cu&sub1;Mo&sub3;Si&sub1;&sub3;B&sub1;&sub2; hergestellt worden war, und aus einer Probe Nr. 8, die aus Fe&sub7;&sub9;Si&sub1;&sub0;B&sub1;&sub1; hergestellt worden war, die zu derselben Form wie die Proben Nr. 1 bis 6 geformt wurden, hitzebehandelt wurden, mit Harz imprägniert wurden und an denen ein Spalt ausgebildet worden war.
Es wurden Messungen der anfänglichen magnetischen Permeabilität u' bei 10 kHz und einem Q-Wert (bei 100 kHz) durchgeführt, der einen Verlust an Magnetismus darstellte. Die Messungen erfolgten an jedem Magnetkern und sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Tabelle3 Probe Nr. Zusammensetzung der Legierung anfängliche magnetische Permeabilität u ' 1KHz Q-Wert 100 KHz F.&sub7;&sub9;Si&sub1;&sub0;B&sub1;&sub1; *) Eisenstaub Anmerkung: *) geschnittener Kern
Es wurde also klargestellt, daß alle Magnetkerne der vorliegenden Erfindung eine hohe magnetische Permeabilität und einen hohen Q-Wert erzielten.
Röntgenbeugungstests an Magnetkernen, die aus denselben Materialien hergestellt waren, die dieselben Stufen der Hitzebehandlung unter denselben Bedingungen wie in Ausführungsform 1 erhalten hatten, bestätigten die Tatsache, daß reflektierte Röntgenstrahlen, die typisch für ein Übergitter waren, auf der Seite eines kleinen Ablenkungswinkels erschienen. Die mittleren Korngrößen des Materials wurden durch TEM gemessen, und es wurde bestätigt, daß sie zwischen 100 und 200 Å (10 und 20 nm) streuten.
Wie oben erläutert, kann die vorliegende Erfindung eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis mit ausgezeichneten weichmagnetischen Eigenschaften bei hoher Frequenz sowie mit einer hohen Sättigungs-Flußdichte liefern.
Es versteht sich für Fachleute in diesem technischen Bereich, daß die vorstehende Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der offenbarten Erfindung beschreibt, und daß verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung durchgeführt werden können, ohne vom Bereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis, die im wesentlichen besteht aus einer Legierung auf Fe-Basis, wobei die Legierung auf Fe-Basis feine Kristallkörner mit einer mittleren Größe von 300 Å (30 nm) oder weniger einschließt und jedes der feinen Kristallkörner aus einer raumzentrierten kubischen Phase besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase wenigstens teilweise ein Übergitter einschließt.

2. Weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis nach Anspruch 1, worin die Legierung auf Fe-Basis eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende allgemeine Formel wiedergegeben wird:

FeaCubMcM'dM"eSifBg,

worin M wenigstens ein Element ist, das gewählt ist aus der aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Seltenerd-Elementen bestehenden Gruppe,

M' wenigstens ein Element ist, das gewählt ist aus der aus Mn, Al, Ge und den Platin- Elementen bestehenden Gruppe, und

M" Co und/oder Ni ist,

worin die Koeffizienten a, b, c, d, e, f bzw. g jeweils folgenden Beziehungen genügen:

a + b + c + d + e + f + g = 100 (Atom-%)

0,01 ≤ b ≤ 8;

0,01 ≤ c ≤ 10;

0 ≤ d ≤ 10;

0 ≤ e ≤ 20;

10 ≤ f ≤ 25;

3 ≤ g ≤ 12; und

17 ≤ f+g ≤ 30.

3. Weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis nach Anspruch 2, worin das Verhältnis des Gehalts an Si zum Gehalt an B 1 oder höher ist.

4. Magnetkern, umfassend eine weichmagnetische Legierung auf Fe-Basis nach Anspruch 1.

5. Magnetkern nach Anspruch 4, worin die Legierung auf Fe-Basis, worin die Legierung auf Fe-Basis eine Zusammensetzung aufweist, die durch die folgende allgemeine Formel wiedergegeben wird:

FeaCubMcM'dM"eSifBg

M" Co und/oder Ni ist,

a + b + c + d + e + f + g = 100 (Atom-%)

0,01 ≤ b ≤ 8;

0,01 ≤ c ≤ 10;

0 ≤ d ≤ 10;

0 ≤ e ≤ 20;

10 ≤ f ≤ 25;

3 ≤ g ≤ 12; und

17 ≤ f+g ≤ 30.

6. Elektrische Vorrichtung, umfassend ein Magnetteil aus einer weichmagnetischen Legierung auf Fe-Basis nach Anspruch 1.

7. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Dünnfilm-Kopf ist.

8. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Magnetkopf ist.

9. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Hochfrequenz- Transformator ist.

10. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Magnetverstärker ist.

11. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil eine asymmetrische Drosselspule ist.

12. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil eine symmetrische Drosselspule ist.

13. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Hochspannungsimpuls-Störschutzfilter ist.

14. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Flachinduktor ist.

15. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Magnetpulverkern ist.

16. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das Magnetteil ein Magnetschalter ist.

17. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die elektrische magnetische Vorrichtung ein Schaltregler ist.