Amorphe ferromagnetische werkstoffe - magnetische grundlagen, eigenschaften und anwendungen

Journal of Magnetism and Magnetic Materials 9 (1978) 191-199 0 North-Holland Publishing Company

AMORPHEFERROMAGNETISCHEWERKSTOFFE-MAGNETISCHEGRUNDLAGEN, EIGENSCHAFTENUNDANWENDUNGEN AMORPHOUSFERROhlAGNETICMATERIALS-MAGNETICFUNDAMENTALS, PROPERTIESANDAPPLICATIONS H.-R. HILZINGER, Vacuumschmelze

A. MAGER und H. WARLIMONT

GmbH, Hanau, Fed. Rep. Germany

Eingegangen am 3. Juli 1978

Nach einem cberblick iiber die magnetischen Grundkonstanten und die erzielten Eigenschaftswerte amorpher Legierungen werden technische Anwendungsm6glichkeiten behandelt.

ferromagnetischer

After a survey is given of the fundamental magnetic aspects and the properties attained with ferromagnetic amorphous alloys, different fields of applications are discussed.

1. Zielsetzung

Darstellung der magnetischen Grundlagen und der Gesichtspunkte fiir die Anwendung ferromagnetischer metallischer Gl’iser gegeben werden.

Die Mijglichkeit, amorphe Metalle durch Aufdampfen, KathodenzerstSuben und elektrolytische Abscheidung herzustellen, ist in jiingerer Zeit durch die Erzeugung amorpher BPnder und Dr5hte direkt aus der Schmelze erg’anzt worden. Die besonderen Eigenschaften und Eigenschaftskombinationen der so gewonnenen metallischen Glaser erschliessen zahlreiche Anwendungsmtiglichkeiten. Ferromagnetische metallische Gl%er kijnnen magnetisch weich und mechanisch hart sein. Infolge der relativ hohen mechanischen H’arte spielen plastische Verformungen fiir das weichmagnetische Verhalten eine wesentlich geringere Rolle als bei den verformun&empfmdlichen kristallinen Legierungen. Derartige Eigenschaften und der wirtschaftlich aussichtsreich erscheinende Weg der Direktherstellung aus der Schmelze lassen erwarten, dass metallische GlIser die jetzt verwendeten weichmagnetischen Werkstoffe zumindest erginzen und mtiglicherweise such teilweise ersetzen werden. Die Herstellungsbedingungen und die Struktur der metallischen Glher sind in einem kiirzlich erschienenen ijbersichtsaufsatz von einem der Autoren ausfiihrlich dargestellt worden [l] und werden deshalb hier nicht behandelt. Es soll vielmehr eine zusammenfassende

2. Grundlagen Die Ummagnetisierungseigenschaften magnetischer Werkstoffe werden weitgehend durch Anisotropieenergien und Abweichungen von der Homogenitit bzw. Stijrungen im Material bestimmt (vgl. z.B.‘ijbersichten in [2,3]). Bei kristallinen weichmagnetischen Werkstoffen sind das erfahrungsgemlss vor allem die mag netische Kristallenergie einerseits und die Kristallkorngr&se [4- 121 sowie Fremdk6rpereinschliisse [lo-l 9] andererseits. Eine wesentliche Rolle spielen ausserdem die Magnetostriktion im Zusammenhang mit mechanischen Verspannungen (vgl. z.B. [2,3,13,20]) und uniaxiale Anisotropieenergien, wie sie durch die Nahordnung von Legierungsatomen oder mit Fremdatomen bewirkt werden kijnnen [21-25.1 In amorphen Legierungen entfallen die Wirkungen der Kristallenergie ganzlich oder fiihren nur zu einem statistischen Restanteil der Anisotropie [26], ein Korngrijsseneffekt kann nicht auftreten. Es ist daher zunichst iiberraschend aber nicht er191

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192

staunlich, dass amorphe Legierungen, die im Aufspritzverfahren aus dem schmelzfltissigen Zustand hergestellt werden, schon unmittelbar nach dem Abschrecken haufig.recht giinstige weichmagnetische Eigenschaften aufweisen [27] - im Gegensatz zu den kristallinen Legierungen, bei denen im allgemeinen nur eine Gluhbehandlung im Bereich urn etwa 1OOO’C zu einer leichten Ummagnetisierbarkeit fiihrt (vgl. [2,3,28]). Urn hohe Permeabilitatswerte besonders im Bereich niedriger Feldaussteuerungen zu erhalten, mtissen jedoch such die amorphen Magnetlegierungen einer zudtzlichen Anlassbehandlung unterzogen werden, allerdings nur in einem Temperaturbereich von ca. 150 bis unterhalb etwa 400°C, wobei die Kristallisationstemperatur nicht iiberschritten werden darf [l]. Ausser. dem so&en die Magnetostriktionswerte mijglichst niedrig liegen, urn den Einfluss mechanischer Verspannungen auf die Magnetwerte gering zu halten. Fur die technische Einsatzmoglichkeiten eines ferromagnetischen Materials sind dartiber hinaus eine Reihe von weiteren Bedingungen zu erftillen. So miissen z.B. die magnetischen Sattigungsinduktionen und die CurieTemperaturen ausreichend hohe Werte aufweisen und ausserdem sol1 eine hinreichende Temperaturstabilitat im Bereich der technischen Anwendungstemperaturen vorliegen. Bei angelassenem Material sind haufig recht ungiinstige mechanische Eigenschaften zu erwarten, insbesondere eine Versprbdung, im Gegensatz zu den ganz ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften im

-

RCO’Handley. 1976

o0 Fe

l

T

Tl

20

40 xc0

eqme

ferromagnetische

Legierungen

abgeschreckten Zustand. Die Verspriidungstemperaturen lassen sich durch die Abschreckgeschwindigkeit beim Herstellungsprozess sowie durch die Zusammensetzung beeinflussen [29,30], so dass hier eventuell noch Verbesserungen zu erzielen sind. Die wesentlichen Grundeigenschaften verschiedener technisch interessanter amorpher Legierungen sollen im folgenden naher betrachtet werden. Bei den Sattigungswerten tritt gegenuber den kristallinen Legierungen allem Anschein nach zunachst nur eine relative Verminderung auf, die auf der Verschiedenheit der Zustlnder amorph und kristallin beruht. Aber die zur Herstellung der aufgespritzten Legierungsbander notwendigen kristallisationsverzijgernden metalloidischen Zusdtze - in der Regel etwa 20 At% (vgl. [ 11) - fiihren doch zu deutlich niedrigeren Werten. Fur die ferromagnetischen Basis-Legierungen Fe-Co, CoNi und Fe-Ni mit jeweils 20 At% Borzusatz ist der Verlauf der Sattigungspolarisation J, tiber der Zusammensetzung in Abb. 1 dargestellt (nach [31] und eigenen Untersuchungen). Gunstige Sattigungswerte ergeben sich fur die Legierungen mit hohem Eisengehalt und im Co---Fe-System. Zu hohe Nickel-Konzentrationen - im Co--Ni-System oberhalb etwa 40 At% und im FeNiSystem oberhalb etwa 60 At% Ni - erniedrigen die Sattigungswerte so stark, dass diese Legierungen fur tibliche technische Anwendungen ausscheiden. Abb. 2 zeigt den Verlauf der Curie-Temperaturen Tc fur amorphe Legierungen [32] im Vergleich zu

-

Messurqen

Tl

.

R CO’liandley, 19%

elgene

kssqen

60 At X80 -

Abb. 1. SPttigungspolarisation Js amorpher Legierungen auf Basis Co-Fe, Co--Ni und Fe-Ni mit 20 At% Bor. Fig. 1. Magnetic saturation valuesJ, of amorphous alloys based on Co-Fe, Co-Ni and Fe-Ni containing 20 at% boron.

H.-R. Hilzinger et al. / Amorphe ferromagnetische 1400

193

Legierungen

EE.Luborsky,1977 K

K

aoo-

1200

4

PI, Cx.lj

I

Fe1oc-x Px

Tc

200 ’ Fe

400,G 02

0,4

0,6

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1,0

x)

CO,NI_

15

20

25

30

X-

Abb. 2. Curie-Temperaturen amorpher und kristalliner Legierungen (links), Einfluss verschiedener Metalloid-Zudtze (rechts). Fig. 2. Curie temperatures of amorphous and crystalline alloys (left), effect of different alloying metalloids (right).

kristallinen Metallen [33] im Fe-Co und Fe-Ni-Systern. Interessant ist hierbei der Verlauf im Konzentrationsbereich zwischen etwa 10 bis 30 At’% Ni, der beim kristallinen Fe-Ni-System infolge des ijberganges vom krz Gitter zum kfz Gitter im Gegensatz zu den amorphen Legierungen erheblich verminderte Curie-Temperaturen aufweist. Im rechten Teilbild von Abb. 2 ist die

R.C.O'tiandley, 19%

Wirkung der Anteile an verschiedenen Metalloidelementen auf die Lage des Curie-Punktes aufgezeigt [34]. Wahrend Phosphor-Zusatz zu einer Erniedrigung ftihrt, ergeben sich hohere Werte fur Kohlenstoff und vor allem fur Bor. In Abb. 3 ist der Verlauf der Sittigungsmagnetostriktion & fur die Legierungen auf Basis Fe-Ni und Fe-Co

X,.106

l R.C.O'Har&y,1976 0 H.Fu~imonet al, 1976

As.106

0

0.2

94

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0.8

IO

Ni/(Ni+Fe)

Abb. 3. Slttigungsmagnetostriktion h, amorpher Legierungen auf Basis Ni-Fe und Co-Fe. Fig. 3. Values of saturation magnetostriction Xs of amorphous alloys based on Ni-Fe and Co-Fe.

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Legierungen

3. Erzielte Eigenschaften

Abb. 4. Magnctisch induzierte Anisotropie Ku in amorphen Fe-Legierungen in Abhangigkeit von der Zusammensetzung [34.]. Fig. 4. Magnetic induced anisotropy K, in amorphous Fe alloys as function of composition [34].

in Abhangigkeit vom Nickel-bzw. Kobaltanteil dargestellt [35,36]. Es geht daraus hervor, dass sich im FeNi-System ein Nullwert der Magnetostriktion nur dann erreichen l&t, wenn zugleich such der Curie-Punkt auf Zimmertemperatur abgefallen ist. Damit sind such keine spannungsunempfindlichen Magnetlegierungen auf dieser Basis erreichbar. Beim Fe-Co-System ergibt sich dagegen ein technisch interessanter Nulldurchgang der Magnetostriktion fur einen relativen Kobalt-Anteil von ca. 95 At%, bezogen auf die Basis Fe-Co. Die fur die Einstellung von bestimmten Schleifenformen durch Magnetfeldtemperung wesentliche uniaxiale Anisotropie K, ist in Abb. 4 in Abhdngigkeit vom Eisen-Anteil verschiedener amorpher Legierungen dargestellt [34]. Als Parameter ist die Anlasstemperatur angegeben. Zur Khirung der Ummagnetisierungsvorgange an amorphen Legierungsbandern wurden eine Reihe von Beobachtungen der magnetischen Bereichsstrukturen durchgeftihrt (vgl. z.B. [37-40]). U.a. werden Beziehungen zwischen der Domanenanordnung und der Spritzrichtung, eine Variation innerhalb der Banddicke und das Auftreten von Kompressions- und Dilatationszentren festgestellt. Eine vollst2ndige Deutung der erhaltenen Strukturen ist nicht ganz einfach; es sei hier auf die angefiihrte Literatur hingewiesen.

Die durch Aufspritzen auf eine rotierende metallischc Ktihltrommel erhaltenen Legierungsbander haben meist eine rechteckformige Hystereseschleife. Das gilt im Bereich niedrigerer Aussteuerungen. Bei hoheren Feldstarken schliesst sich daran ein langsamer Anstieg bis zur Erreichung der eigentlichen Sattigungspolarisation an (vgl. z.B. [40]). Besonderes Interesse verdienen die amorphen Legierungen auf Kobal-Eisen-Basis mit ca. 95% CoAnteil wegen des Nulldurchganges der Magnetostriktion in diesem Konzentrationsbereich (vgl. [36,41]). An einem entsprechend hergestellten Legierungsband mit der Zusammensetzung Co7t,4Fe4,eSi8Bi6 ergaben sich bereits im Ausgangszustand recht gtinstige Magnetisierungseigenschaften mit Koerzitivfeldstarkewerten von H, < 10 mA/cm. Durch eine Magnetfeld-Anlassbehandlung, z.B. eine Stunde bei 15O”C, konnen Werte von ca. 2 mA/cm erzielt werden (vgl. Abb. 5, nach eigenen Ergebnissen). Die Sattigungswerte werden schon bei kleineren Feldstarken erreicht. Ausserdem ist ein solches Material mit kleiner Magnetostriktion weniger empfindlich, z.B. beim Aufwickeln

Abb. 5. Hystereseschleifen einer amorphen Legierung mit der Zusammensetzung Co71 ,qFeq,$igBL 6, Ausgangszustand und im Magnetfeld angelassen, gemessen an geraden Bandproben. Fig. 5. Hysteresis loops of amorphous Co,t,4Fe4,6SigBre, as quenched and after annealing in magnetic field, measured on straight strips.

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H.-R. Hilzinger et al. / Amorphe ferromagnetische Legierungen

serdem ist ein solches Material mit kleiner Magnetostriktion weniger emptindlich, z.B. beim Aufwickeln zu Ringbandkernen, einer Bauform, die man zur Bestimmung bzw. Ausnutzung hoher Permeabilitltswerte einsetzen muss. Bei den in Abb. 5 wiedergegebenen Magnetisierungskurven, die an geraden Bandstiicken von ca. 800 mm tinge in einer Feldspule von fiber 300 mm LLnge und den relativ kleinen Probenquerschnitten von 0.03 bis 0.05 mm ma1 1 bis 2 mm ermittelt wurden, ist trotz des giinstigen LPngen-Durchmesser-Verhgltnisses noch ein gewisser Scherungseinfluss zu erkennen (SchrCglage der rechteckfiirmigen Schleife). An gewickelten Ringbandkernen aus der amorphen Legierung Fe40Ni40P14B6 * ergeben sich zunichst nach dem Aufwickeln infolge der damit verbundenen mechanischen Verspannungen statische H,-Werte von etwa 30-50 mA/cm. Eine Temperbehandlung im LIngsfeld (Feld w&rend der Temperung parallel zur splteren Messrichtung) von 0,5 h Dauer bei 325°C und eine nachfolgende Abkiihlung mit 200°C/h fiihrt zu sehr gtinstigen magnetischen Eigenschaften [42] mit statischen H,-Werten und PermeabilitPten von 5-7 mA/cm, p4 = 500 000 und pmax = 800 000. Bei 50 Hz liegen die erreichten Permeabilitgtswerte wesentlich tiefer, aber bei einer Aussteuerung mit 4 mA/cm wurden noch beachtliche Werte von ca. 42 000 fiir ~4 erreicht (vgl. such Ergebnisse in [43]). An gestreckten magnetfeldgetemperten Proben wurden statische Tiefstwerte der KoerzitivfeldstCrke bis herab zu ca. 2 mA/cm ermittelt [44]. Infolge des Rechteck-Charakters der Hystereseschleife fi.ir das im tingsfeld getemperte Material zeigt sich jedoch beim hergang zu sehr kleinen Aussteuerungen (H <
hoch, bei im Prinzip ihnlichen Schleifenformen wie fiir amorphe Legierungen mit Fe40Ni40 t Metalloide. Die an magnetfeldgetemperten Ringbandkernen erhalte nen statischen Werte liegen bei 30 bis 40 mA/cm fiir H, und ca. 4000 fiir die Permeabilitit bei einer Feldaussteuerung von 16 mA/cm. Bei ubergang zu Wechselfeldern ergeben sich wiederum ausgepriigte Anomalieeffekte. Obwohl die Temperung der amorphen Legierungen in einem relativ niedrigen Temperaturbereich vorgenommen wird, zeigt sich iiberraschenderweise, dass such hierbei die Ofenatmosphlre eine entscheidene Rolle spielen kann. So lassen sich z.B. bei der Wgrmebehandlung der Legierung Fe40Ni40P14B6 im tingsfeld je nach der Anwendung von reinem Wasserstoff oder eines oxydierenden Mediums als Ofenatmosphgre vijllig verschiedene Schleifenformen erzielen [42]. WWrend man in Wasserstoff eine Rechteckschleife mit einer relativen Remanenz von 0,92 erhClt, ergibt sich z.B. in Luft eine sogenannte F-Schleife [47] mit einem Remanenzverhaltnis von nur ca. 0,l. Abb. 6 zeigt die bei 50 Hz gemessenen Magnetisierungskurven. Da das Material mit F-Schleifen-Charakteristik ausserdem noch sehr geringe Ummagnetisierungsverluste auf-

9005 @CT01 cgI2

-I 0,005 QOl

Heff 402

OQ5Alcm

Abb. 6. Der Einfluss der Anlassatmosphlre auf die Magnetisierungskurven von Fe40Ni40P14Bg (an Ringbandkernen, angelassen im zirkularen Magnetfeld mit 0,5 h bei 325’C und 200°C/h-Abkiihlgeschwindigkeit, [42]): (a) in Luft angelassen; (b) in H2 angelassen. Fig. 6. Influence of annealing atmospheres on the magnetization curve of amorphous Fe40Ni4$‘14B6 (tape wound cores annealed in circular magnetic fields 0,5 h at 325”C, cooling rate 200”C/h, [42]): (a) annealed in air; (b) annealed in Hz.

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weist, erscheinen so behandelte Werkstoffe durchaus interessant. Bei einer Aussteuerung bis zu einer Maximalinduktion von 0,2 T und einer Frequenz von 20 kHz ergaben sich folgende Vergleichswerte fur die Ummagnetisierungsverluste [42] : in Wasserstoff getempertes Material 34 W/kg, in Luft getempertes Material 11 W/kg. Die an einem solchen F-Material erzielten Ummagnetisierungsverluste liegen also gleich niedrig wie sie an kristallinen weichmagnetischen Permalloylegierungen erhalten werden [28,42]. Abb. 7 zeigt den Verlauf der Verluste in Abhangigkeit von Aussteuerung und Frequenz fiir verschiedene amorphe Legierungen bei 1 kHz im Vergleich mit einigen kristallinen Werkstoffen [48] (weitere Angaben in [34,49]). Gtinstigere Verlusteigenschaften bei hoheren Frequenzen wurden fur die Molybdan-haltige Legierung Fe4eNi3aMo4BIa (Metglas 2826 MB der Fa. Allied Chemical) mitgeteilt [50]. Aus Abb. 7 geht hervor, dass an amorphen Legierungen niedrigere Verluste erreicht werden konnen als bei technischen EisenSilizium-Legierungen, dass aber die kristallinen hochnickelhaltigen Permalloys im allgemeinen noch deutlich darunter liegen. Untersuchungen tiber die Stabilitat technisch interessanter amorpher Legierungen zeigten, dass die strukturelle Stabilitat (Rekristallisation, Oxydation, Phasenumwandlungen) such bei dem am wenigsten stabilen Material FeaeBae fur viele tech-

INDUCTION,GAUSS Abb. 7. Verlustwerte von amorphen Legierungen in Abhlngigkeit von der Induktion. Vergleich mit einigen handelsiiblichen Magnetlegierungen [48]. Fig. 7. Loss versus induction for amorphous alloys. Some commercial alloys are included for comparison [48].

Legierungen

nische Anwendungen noch ausreichen sollte. Kristallisation ist bei 175°C nach ca. 500 Jahren, bei 200°C allerdings bereits nach 25 Jahren zu erwarten [49]. Die Stabilitat von magnetischen Eigenschaften, die auf der magnetfeldinduzierten Anisotropie Ku beruht, erscheir z.B. bei der Legierung Fe4eNi4ePt4B6 nicht hinreicher gesichert [49]. Phosphor-freie Legierungen sollen jedoch eine geniigende magnetische Stabilitat aufweiser

4. AnwendungsmGglichkeiten bander

amorpher

Legierungs-

Es zeichnen sich z.Z. etwa vier mogliche Hauptanwendungsbereiche ab (vgl. [48,49] ferner Kurztibersicht in [51]): 1. Energietechnik, z.B. in Verteilertransformatoren [48,49]. 2. Magnetische Schirmung, z.B. in Form von Geflechten, Flechtschlauchen oder Folienstreifen [52, 531. 3. Magnetaufzeichnungstechnik, z.B. als Magnetkopf-Material [36]. 4. Verschiedene Gebiete der Elektronik: a) ijbertrager und Drosseln fur elektronische Stromversorgungen, Impulstibertrager, Magnetverstarker, Stromwandler u.a., vorzugsweise in der Form von Ringbandkernen [54-551. b) Streifenelemente fur magnetische Kennzeichnung, z.B. fur Diebstahlsicherungen in Kaufhausern (vgl. Hinweise in [57]). c) Magnetomechanische Anwendungen, wie Verzogerungsleitungen und mechanische Filter [58-601. Auf einige der aufgefiihrten Beispiele sol1 im folgenden etwas nlher eingegangen werden. Luborsky und Mitarbeiter haben sich besonders mit den Mglichkeiten des Einsatzes auf dem Gebiete der Energieverteilung beschaftigt [48]. Amorphe Bander in Dicken urn 0,05 mm zeigen deutlich geringere Verluste als handelstibliche gewalzte Silizium-EisenLegierungen (ca. 0,3 mm dick). Problematisch sind die geringere Sattigung und der kleinere Fiillfaktor, der mit der Anwendung diinner Bander verbunden ist. Trotz dieser Einschrlnkungen versprechen sich die Verfasser Erfolgaussichten auf dem Gebiete der sogenannten “distribution transformers” (Netztransformatoren im Leistungsbereich zwischen etwa 10 bis 50 kVA). Andere Untersuchungen beschaftigen sich mit der

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197

100

---

5-

t

I

gemessen berechnet

2-

10

S

5-

loo00

Hz

f-

Heff

A

Abb. 8. Die nach [61] aus Abschirmmessungen an zylindrischen Formen ermittelten Materialpermeabilitlten, fur (a) Schlauch aus Mumetall; (b) Geflecht aus amorpher Legierung (Metglas 2826); (c) Folie aus 80/20 Ni-Fe-Permalloy. Fig. 8. The permeabilities calculated from shielding measurements on cylindrical shapes [61], as: (a) flexible tubes of Mumetall; (b) braided strips of amorphous alloy (Metglas 2826); (c) wrapped foils of 80/20 Ni-Fe-permalloy. Abschirmwirkung von Amorphmaterial im Vergleich zu anderen Legierungen. Aus den zundchst zur Verftigung stehenden schmalen Bandern wurden Geflechtmatten und geflochtene Schlauche angefertigt [52]. Der Vergleich mit Permalloy-Folien etwa gleicher effektiver Dicke, die nach der Schlussghihung auf den gleichen Durchmesser wie das geflochtene Amorphmaterial (Metglas 2826) gewickelt wurden, zeigen bei hoheren Aussteuerungen im Bereich der Maximalpermeabilitat etwa doppelte Schirmfaktoren fur den Flechtschirm im Vergleich zur Folie. Im Anfangsbereich ergaben sich etwa die gleichen Werte wie bei Permalloy-Band, das infolge der beim Wickeln aufgetretenen Verformungen relativ niedrige Permeabilitlten angenommen hatte. Abb. 8 (nach [61]) zeigt die Auswertung der Abschirmergebnisse von Mendelsohn und Mitarbeitern [52,53] im Permeabilitats-Feldstarke-Diagramm mit Vergleichswerten fur einen Abschirmschlauch aus Mumetall * iiblicher Herstellung [62,63], wobei die

*@ Emgetragenes Warenzeichen der Vacuumschmelze GmbH Hanau.

Abb. 9. Die Frequenzabhiingigkeit des Abschirmfaktors S einer amorphen Legierung auf Co-Fe-Basis (Co-Fe, A) im Vergleich mit Mumetall. Beide Proben wurden nach der thermischen Schlussbehandlung auf ca. 25 mm @ gewickelt. Fig. 9. Frequency dependence of shielding factor S of an

amorphous Co-Fe-alloy (Co-Fe, A) in relation to Mumetall. Both samples were wrapped to diameters of 25 mm after the final thermal treatment.

Schlussghihung nach dem Wickeln vorgenommen wurde. Im Anfangsbereich ergeben sich fiir die Geflechte relativ geringe Permeabilitltswerte von ca. 2800 gegentiber ca. 13 000 fur den Abschirmschlauch. Die Frequenzabhangigkeit des Abschirmfaktors von amorphen Material (Fe4,sCo71,5SisB16, mit kleiner Magnetostriktion) und einem auf dem Verformungswege hergestellten Permalloy-Band (Mumetall) ist in Abb. 9 aufgezeigt. Beide Proben wurden nach den thermischen Schlussbehandlungen als schmale Streifen, 1,5 bis 2 mm breit und ca. 0,05 mm dick, auf ein keramisches Tragerrohr gewickelt und der Abschirmfaktor S wurde als Verhaltnis der Feldstarken Ha/Hi innerhalb und ausserhalb des Rohres im Frequenzbereich von f = 50 bis 20 000 Hz gemessen (nach R. Boll und F. Till). Der Vergleich zwischen berechnetem [63, 641 und gemessenem Frequenzabfall zeigt einen starken Anomalieeinfluss beim Band aus amorphem Material, d.h. einen wesentlich stirkeren Frequenzabfall als bei Annahme einer homogen verteilten Permeabilitit. Auch diese Ergebnisse weisen auf eine sehr geringe Zahl von Ummagnetisierungswanden im amorphen Material hin. Weitere Moglichkeiten fur den Einsatz von amorphen Legierungen ergeben sich eventuell in der Technik der Ton- bzw. Datenaufzeichnung. So werden z.B. bei Tonkiipfen hohe Abriebfestigkeiten bei gleichzeitig giinstigen weichmagnetischen Eigenschaften gefordert. Das

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legt eine Verwendung von amorphen Legierungen als Magnetkopf-Material nahe. Von Fujimori, Masumoto und Mitarbeitern wurde als besonders geeignete Legierung das weitgehend magnetostriktionsfreie Material Fe4,,Co7c sSi,sBtc vorgeschlagen [36]. Ein Anwendungsbeispiel auf dem Gebiete der Elektronik wurde von Milkovic und Mitarbeitern untersucht. Es handelt sich dabei urn einen Null-Stromwandler mit einem Ringbandkern aus Feer,Ni4cPi4 Be [ 541. Murakami und Mitarbeiter entwickelten einen magnetischen Regelkreis in Form einer magnetischen Briickenanordnung, bestehend aus einem hochpermeablen Ringbandkern aus Amorphmaterial und einem Brtickensteg aus Magneteisen niedriger Permeabilitat [55]. Eigene Versuche beschgftigten sich mit der MGglichkeit, in einem handelsiiblichen Fehlerstromschutzschalter der 0,s Ampere-Klasse (SFJ SSV 010) einen Wandlerkern aus amorphem Material einzusetzen. Die engen Platzverhaltnisse erfordern eine relativ hohe Aussteuerung im Wandlerkern. Eine entsprechende Erhohung der Sattigung urn 10% kann nach Ergebnissen von Becker u.a. [65] durch Ersatz des P durch B in Fe4eNi4ePi4B6 erzielt werden. Ein solches Magnetmaterial erreicht nach geeigneter Anlassbehandlung fiir den vorliegenden Aussteuerungsbereich von Herf = 40 bis 50 mA/cm die Induktions-Scheiterwerte fi von Permax @ M (ca. 55% NiFe) und tibertrifft sowohl Vacoperm @ BS als such Permenorm @ 5000 H2 (ca. 50% NiFe), [28,66]. Der wegen der ungiinstigen mechanischen Eigenschaften notwendige formbestandige Schutztrog ergibt jedoch eine schlechtere Raumausnutzung, so dass die effektive nutzbare Brutto-Induktion der Kerneinheit zu deutlich niedrigen Werten ftiht. In Abb. 10 sind die entsprechenden Netto- und Brutto-lnduktionskurven fur die amorphe Legierung FeeoN&B2c in Abhangigkeit von den effektiven Feldwerten im Vergleich zu anderen Materialien [66] aufgezeichnet. Eingetragen ist noch der fur den betreffenden Schutzschalter geforderte Mindestwert von i bei einer vorgegebenen Effektiv-Feldstarke von Heff = 44 mA/cm. Die Magnetisierungskurve muss oberhalb der Eckmarke v verlaufen. Der gleiche Fehlerstromschutzschalter lijste mit einem Kern aus Permenorm 5000 H2 bei einem FehlerStrom von ca. 380 mA aus, mit dem eingetrogten Kern aus Amorphmaterial gleicher Aussenabmessungen bei ca. 430 mA. Er lag damit knapp an der zulassigen oberen Grenze.

ferromagnetische

Legierungen

Teslo

l,O- f 3 0,5OJO,l

L

10

20

50

100

mAlcm

500

Abb. 10. Magnetisierungskurven i (H,ff) von verschiedenen Legierungen fur Feh!erstromschutzschalter [66], im Vergleich mit Fe4cNi4cBZc (B auf Netto- bzw. Brutto-Querschnitt bezogen). Fig. 10. Magnetization curves &H,ff) of different alloys for ground fault interrupter cores [66], in re!ation to Fe4ONi40B2C (B related to the net rcsp. gross section of the core).

5. Schlussfolgerungen

Der Einsatz von amorphen Legierungen auf den verschiedenen Anwendungsgebieten hangt unmittelbar davon ab, ob es gelingt, die herstellungsbedingten technologischen Probleme zu losen und eine wirtschaftlithe Fertigung in geeigneten Abmessungen und Qualitaten zu erreichen, die die Direktherstellung von Legierungsbindern aus der Schmelze vorteilhafter gestaltet als den iiblichen Produktionsprozess kristalliner Legierungen auf dem Verformungswege. Ob dieses Ziel erreichbar ist, erscheint noch ungewiss. Bis dahin werden sich die Anwendungen vorwiegend auf die Falle erstrecken, bei denen echte Eigenschaftsvorteile zu gewinnen sind. Andere Anstosse konnten sich aus der Rohstofflage ergeben (z.B. Einsatz von amorphen Legierungen auf Eisenbasis bei Nickel-Verknappung). Echte Vorteile bieten einerseits die Moglichkeit der Kombination gleichzeitig gtinstiger mechanischer und magnetischer Eigenschaften und andererseits die Erreichung sehr gunstiger magnetischer Eigenschaften durch Behandlung im Bereich relativ niedriger Temperaturen - dann allerdings mit bisher noch ungunstigen mechanischen Eigenschaften. Verbesserungen im dynamischen Verhalten und hinsichtlich der Alterungsbestandigkeit sind im Interesse erweiterter technischer Anwendungsmiiglichkeiten wesentlich. Literatur 111 H. warlimont, 2. Metallkde. 69 (1978) 212. [2] A. Mager, in: Nickel und Nickellegierungen, Herausgeb. K.E. Volk (Springer, Berlin, 1970) US.

H.-R. Hilzinger et al. / Amorphe ferromagnetische Legierungen [ 31 F. Pfeifer, in: Nickel und Nickellegierungen, Herausgeb. K.E. Volk (Springer, Berlin, 1970) S.73 und 99. [4] A. Mager, Ann. Physik 6.F. 11 (1952) 55. [S] T. Nagashima, in: Berichte der Arbeitsgemeinschaft Ferromagnetismus 1959 (Stahleisen, Dlisseldorf, 1960) S.148. [6] E. Kneller, Ferromagnetismus (Springer, Berlin, 1962) S.518. [7] A. Mager, Elektro-Anz. 28 (1975) 568. [8] E. Adler und H. Pfeiffer, IEEE Trans. Magn. Mag-10 (1974) 172. [9] W. Kunz und F. Pfeiffer, J. Magn. Magn. Mat. 4 (1977) 214. [lo] A. Mager, Entwicklung von weichmagnetischen Legierungen mit besonderen Eigenschaften (BMFT-Abschlussber. zu NT 314,1977/1978) im Druck. [ll] W. Kunz, Z. Metallkde. 69 (1978) 135. [ 121 F. Assmus, in: Soft Magnetic Materials 3, Conf. Bratislawa (1977) im Druck. [ 131 M. Kersten, Grundlagen einer Theorie der ferromagnetischen Hysterese und der Koerzitivkraft (Hirzel, Leipzig, 1944). [14] L. Nkel, Cahier Phys. 25 (1944) 21. [ 151 L.J. Dijkstra und C. Wert, Phys. Rev. 79 (1950) 979 und 81 (1951) 312. [ 161 E. Schwabe, Ann. Physik 6.F. 11 (1952) 99. [17] R. Brenner, Z. Angew. Phys. 7 (1955) 499. (181 A. Mager, Z. Angew. Phys. 14 (1962) 230. [19] H. Kronmiiller und H.-R. Hilzinger, J. Magn. Magn. Mat. 2 (1976) 11. [20] R. Becker und W. Diiring, Ferromagnetismus (Springer, Berlin, 1939). [21] L. Neel, C.R. Acad. Sci. Paris 237 (1953) 1613. [22] L. Nkel, J. Phys. Radium 15 (1954) 525. [23] S. Taniguchi und Y. Yamamoto, Sci. Rep. Tohoku Univ. A6 (1954) 330. [24] S. Taniguchi, Sci. Rep. Tohoku Univ. A7 (1955) 269 und A8 (1956) 173. [25] S. Chikazumi, J. Phys. Sot. Japan 10 (1955) 842.. [26] R. Alben, J.J. Becker und M.C. Chi, J. Appl. Phys. 49 (1978) 1653. [27] T. Egami, P.J. Flanders und C.D. Graham Jr., AIP Conf. Proc. 24 (1975) 697. [28] R. Boll: Weichmagnetische Werkstoffe, Herausgeb. Vacuumschmelze GmbH Hanau (Verlag Siemens AC, Berlin, 1977). [29] H.S. Chen, Scripta Met. 11 (1977) 367. [30] G.C. Chi, H.S. Chen und C.E. Miller, J. Appl. Phys. 49 (1978) 1715. [3 1] R.C. O’Handley, R. Hasegawa, R. Ray und C.P. Chou, Appl. Physics Lett. 29 (1976) 330. [32] R.C. Sherwood, E.M. Gyorgi, H.S. Chen, S.D. Ferris, G. Norman und H.J. Leamy, AIP-Conf. Proc. 24 (1975) 745. [33] E. Vogt, in: Magnetism and Metallurgy, Vol. 1, Herausgeb. A.E. Berkowitz und E. Kneller (Academic Press, New York, 1969) S.304. [34] F.E. Luborsky, J. Magn. Magn. Mat. 7 (1978) 143. [35] R.C. O’Handley, in: Amorphous Magnetism II, Herausgeb. R.A. Levy und R. Hasegawa (Plenum Press, New York, 1977) s.379.

199

[36] H. Fujimori, M. Kikuchi, Y. Obi und T. Masumoto, Sci. Rep. RITU A26 (1976) 36. [37] H.J. Leamy, S.D. Ferris, G. Norman, D.C. Joy, R.C. Sherwood, E.M. Gyorgy und H.S. Chen, Appl. Phys. Lett. 26 (1975) 259. [38] J.J. Becker, in: Magnetism and Magnetic Materials 1975, AIP Conf. Proc. 29 (1976) S.204. [39] H. Kronmiiller, R. Schafer und G. Schroeder, J. Magn. Magn. Mat. 6 (1977) 61. [40] A. Hubert, J. Magn. Magn. Mat. 6 (1977) 38. [41] H.S. Chen, E.M. Gyorgy, H.J. Leamy und R.C. Sherwood, Western Electric: D-Offenleg. Schr. 25 46 676 v. 29.4.1976. [42] F. Pfeifer und W. Behnke, J. Magn. Magn. Mat. 6 (1977) 80. [43] R. Mohs und U. Konig, J. Magn. Magn. Mat. 6 (1977) 84. [44] F.E. Luborsky, J.J. Becker und R.O. McCary, IEEE Trans. Magn. Mag-11 (1975) 1644. [45] F. Assmus, Siemens Forsch. Entw. Ber. 7 (1978) 118. [46] R.C. O’Handley, L.I. Mendelsohn, R. Hasegawa, R. Ray und S. Kavesh, J. Appl. Phys. 47 (1976) 4660. [47] F. Pfeifer und R. Deller, ETZ-A 89 (1968) 601. [48] F.E. Luborsky, J.J. Becker, P.G. Frischmann und L.A. Johnson, J. Appl. Phys. 49 (1978) 1769. [49] F.E. Luborsky, in: Amorphous Magnetism II, Herausgeb. R.A. Levy und R. Hasegawa (Plenum Press, New York, 1977) s.345. [50] R. Hasegawa, M.C. Narasimhan und N. DeCristofaro, J. Appl. Phys. 49 (1978) 1712. [51] F. Haberey, Elektro-Anz. 29 (1976) 537. [52] L.I. Mendelsohn, E.A. Nesbitt and G.R. Bretts, IEEE Trans. Magn. Mag-12 (1976) 924. [53] G.J. Sellers, European EMC Symp. Montreux (1977). [54] M. Milkovic, F.E. Luborsky, D. Chen und R.E. Tompkins, IEEE Trans. Magn. Mag-13 (1977) 1224. [55] K. Murakami, T. Watenabe und A. Goto, Intermag. Conf. Florenz (1978). [56] F.E. Luborsky, R.O. McCary und J.J. Becker, in: Rapidly Quenched Metals 1975, Sec. Int. Conf. Sect. I, Herausgeb. N.J. Grant und B.C. Giessen (MIT Press, Cambridge Ma, 1976) S.467. [57] H. Fahlenbrach, Techn. Mitt. Krupp-Werksber. 30 (1972) 149. [58] K.I. Arai, N. Tsuya, M. Yamada und T. Masumoto, IEEE Trans. Magn. Mag-12 (1976) 936. 1591 K.I. Arai und N. Tsuya, J. Appl. Phys. 49 (1978) 1718. [60] N. Tsuya, K.I. Arai und T. Ohsaka, IntermagConf. Florenz (1978). [61] A. Mager, vorgetragen in: Symp. Amorphe Magnetika, Ruhr- Univ. Bochum, Inst. Werkst. Elektrotech. (13.1 14.1.1977). [62] Vacuumschmelze GmbH, Firmenschr.: Magnetische Abschirmungen, FS-M9 (Hanau, Ausg. 1975). [63] R. Boll und H. Keller, ETZ-b 28 (1976) 42. [64] A. Mager, IEEE Trans. Magn. Mag-6 (1970) 67. [65] J.J. Becker, F.E. Luborsky und J.L. Walter, IEEE Trans. Magn. Mag-13 (1977) 988. [66] A. Mager, in: Weichmagnetische Werkstoffe fur Schalteinrichtungen, Vortrag 3, Techn., Akad. Esslingen (21./22.10.1974).