DE102007035773B4

DE102007035773B4 - Weichmagnetische Legierung auf Eisen-Kobalt-Chrom-Basis sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102007035773B4
Application number: DE200710035773
Authority: DE
Inventors: Wietold Pieper; Dr. Gerster Joachim
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2027-07-28
Also published as: GB0813550D0; KR101037098B1; SG149786A1; DE102007035773A1; KR20090012144A; DE102007035773B9; GB2451220B; GB2451220A; HK1127157A1

Abstract

Weichmagnetische Legierung, die im Wesentlichen aus 5 Gew.-% ≤ Co ≤ 30 Gew.-%, 1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Al ≤ 2 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Si ≤ 1,5 Gew.-%, 0,017 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,2 Gew.-%, 0,01 Gew.-% ≤ S ≤ 0,05 Gew.-%, wobei Mn/S > 1,7, 0 Gew.-% ≤ 0 ≤ 0,0015 Gew.-%, und 0,0003 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,05 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%, wobei 0,117 Gew.-% ≤ (Al + Si + Mn + V + Mo + W + Nb + Ti + Ni) ≤ 5 Gew.-%, Rest Eisen besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine weichmagnetische Legierung auf Eisen-Kobalt-Chrom-Basis und ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus dieser Legierung, insbesondere von magnetischen Komponenten für Aktorsysteme.
Weichmagnetische Legierungen auf Eisen-Kobalt-Chrom-Basis sind zum Beispiel aus der DE 44 42 420 A1 bekannt. Solche Legierungen weisen eine hohe Sättigungsmagnetisierung auf und können daher dazu verwendet werden, elektromagnetische Aktorsysteme mit hohen Kräften und/oder kleinen Bauvolumen auszubilden. Eine typische Anwendung dieser Legierungen ist als Kern eines Magnetventils, wie zum Beispiel Magnetventile zur Kraftstoff einspritzung in Verbrennungsmotoren, oder als Anker eines elektrischen Motors.
Für die Herstellung von Teilen als weichmagnetische Teile für Verwendung bei Aktoren ist die Spanbarkeit des Materials ein wichtiger Faktor. Es hat sich herausgestellt, dass Legierungen auf Eisen-Koblat-Chrom-Basis bei spanender Bearbeitung einen hohen Verschleiß aufweisen. Dies kann durch die Qualität der bearbeiteten Oberfläche nachgewiesen werden sei manchen Anwendungen ist eine verbesserte Oberflächequalität wünschenswert.
Es ist bekannt, die Spanbarkeit von Legierungen auf Eisen-Basis durch die Zulegierung von Elemente wie Mn, S und Pb zu verbessern. Diese Elemente weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie bei weichmagnetischen Legierungen eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften verursachen, wie zum Beispiel in „Soft Magnetic Materials II Influence of Sulfur an Initial Permeability of commerical 49% Ni-Fe alloys”, D. A. Colling et al, J. Appl. Phys. 40 (1969) 1571 beschrieben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Legierung auf Eisen-Kobalt-Chrom-Basis vorzusehen, die eine verbesserte Spanbarkeit sowie gute weichmagnetische Eigenschaften aufweist.
Gelöst wird dies erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß besteht eine weichmagnetische Legierungen im Wesentlichen aus 5 Gew.-% ≤ Co ≤ 30 Gew.-%, 1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Al ≤ 2 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Si ≤ 1,5 Gew.-%, 0,017 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,2 Gew.-%, 0,01 Gew.-% ≤ S ≤ 0,05 Gew.-%, wobei Mn/S > 1,7, 0 Gew.-% ≤ O ≤ 0,0015 Gew.-%, und 0,0003 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,05 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%, wobei 0,117 Gew.-% ≤ (Al + Si + Mn + V + Mo + W + Nb + Ti + Ni) ≤ 5 Gew.-%, Rest Eisen.
Erfindungsgemäß weist die Legierung einen gewissen Gehalt von Mangan sowie Schwefel auf. Diese zwei Elemente führen zu einer verbesserten Spanbarkeit der Legierung. Die Legierung weist auch einen gewissen Gehalt von Cer auf. Es wird festgestellt, dass durch die Kombination von Schwefel, Mangan und Cer eine weichmagnetische Legierung mit einer verbesserten Spanbarkeit gegenüber einer Schwefel-freien Legierung angegeben wird, wobei gleichzeitig weichmagnetische Eigenschaften wie die weichmagnetische Eigenschaften einer Schwefel-freien Legierung beibehalten werden.
Schwefel ist in Eisen fast unlöslich. Eisensulfid bildet ein niedrigschmelzendes Eutektikum (T_g = 1188°C), das sich an den Korngrenzen anlagert und beim Warmwalzen bei 800°C bis 1000°C zur Rotbrüchigkeit führen kann. Sauerstoff setzt die eutektische Temperatur noch herab. Bei zusätzlicher Zugabe von Mangan ab dem Verhältnis Mn/S > 1,7, das das Verhältnis 1:1 in Atom% entspricht, wird der gesamte Schwefel bei 1600°C schmelzendem MnS gebunden. MnS hat einen deutlich höheren Schmelzpunkt als FeS und wird nach dem Walzen lang gestreckt und zeilig. Mangansulfide haben eine schmierende Wirkung auf den Schneidkeil und bilden Störstellen im Stahl, die zu kürzeren Spänen führen können. Bei MnS-Ausscheidungen wird vermutet, dass sie bei der erfindungsgemäßen Legierung eine ähnliche Funktion haben, da die Spanbarkeit der Legierungen verbessert ist.
Befügeanalysen in Verbindung mit EDX-Analysen der erfindungsgemäßen Legierungen weisen nach, dass die Legierung fein verteilte Mangansulfidausscheidungen aufweist. Bei Legierungen ohne eine Zulegierung von Cer werden gröbere Mangansulfidausscheidungen nachgewiesen.
Es wird vermutet, dass die feinere Verteilung der Mangansulfidausscheidungen nicht zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften führt. Eine mögliche Begründung dieses Unterschieds besteht darin, dass der Cergehalt Keime vorsieht, an denen sich die Mangansulfidausscheidungen bilden, was zu einer feineren Verteilung der Ausscheidungen führt.
Gleichzeitig wird die Spanbarkeit gegenüber einer Schwefelfreien Legierung verbessert. Dies kann durch Lichtmikroskopie der überdrehten Oberfläche nachgewiesen werden. Die Lichtmikroskopienanalyse erfindungsgemäßer Legierungen und Schwefelfreien Vergleichslegierungen zeigen, dass die Oberfläche der erfindungsgemäßen Legierungen deutlich homogener ist, als eine Legierung mit Mangansulfidausscheidungen, die kein Cer aufweist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Legierung einen Cer Gehalt aber kein Kalzium auf. In einer zweiten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Legierung Cer sowie Ca auf, wobei 0,001 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-% ist.
Eine Legierung mit einer Kombination von Ce und Ca sowie S wird auch gefunden, weichmagnetische Eigenschaften, die den weichmagnetischen Eigenschaften einer Schwefel-freien Vergleichslegierung entsprechen, sowie eine verbesserte Spanbarkeit aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsbeispiel weist die Legierung Ce sowie Ca auf, wobei 0,001 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%. In wieteren Ausführungsbesipiele, die Kazlium-frei sowie Kazlium enthaltend sind, wird der maximale Cergehalt reduziert. In diesen Ausführungsbeispielen ist 0,001 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,02 Gew.-% oder 0,001 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,005 Gew.-%.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird der Kobaltgehalt, Chromgehalt und/oder Mangangehalt genauer bestimmt. Die Legierung kann einen Kobaltgehalt von 8 Gew.-% ≤ Co ≤ 22 Gew.-% oder 14 Gew.-% ≤ Co ≤ 20 Gew und/oder einen Chromgehalt von 1,5 Gew.-% ≤ Cr ≤ 3 Gew.-% oder 6 Gew.-% ≤ Cr ≤ 15 Gew.-%.
Legierungen mit den oben genannten Zusammensetzungen weisen einen spezifischen elektrischen widerstand ρ > 0,40 μΩm oder ρ > 0,60 μΩm auf. Dieser Wert sieht eine Legierung vor, die beim Einsatz als Magnetkern eines Aktorsystems zu niedrigeren Wirbelströmen führt. Dies ermöglicht die Verwendung der Legierung in Aktorsystemen mit höheren Schaltzeiten.
In einer Ausführungsform ist die Streckgrenze R_p0,2 > 280 MPa. Diese höhere Festigkeit der Legierung kann die Betriebsdauer der Legierung beim Einsatz als Magnetkern eines Aktorsystems verlängern. Dies ist attraktiv bei der Verwendung der Legierung in Hochfrequenzaktorsystemen, wie bei Kraftstoffeinspritzventilen in Verbrennungsmotoren.
Die erfindungsgemäße Legierung weist gute weichmagnetische Eigenschaften sowie gute Festigkeit und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf. In weiteren Ausführungsformen weist die Legierung eine Koerzitivfeldstärke H_c < 5,0 A/cm oder H_c < 2,0 A/cm und/oder eine Maximalpermeabilität μ_max > 1000 auf. Diese Kombination aus hohem spezifischen Widerstand, niedriger Koerzitivfeldstärke sowie guter Spanbarkeit ist besonders vorteilhaft bei weichmagnetischen Teilen eines Aktorsystems oder eines elektrischen Motors.
Die Erfindung sieht ferner einen weichmagnetischen Kern für einen elektromagnetischen Aktor aus einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen vor. Dieser weichmagnetische Kern ist in verschiedenen Ausführungsformen ein weichmagnetischer Kern für ein Magnetventil eines Verbrennungsmotors, ein weichmagnetischer Kern für ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors, ein weichmagnetischer Kern für ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Ottomotors oder eines Dieselmotors.
Die Erfindung sieht auch einen weichmagnetischen Anker für einen elektrischen Motor vor, der ebenfalls aus einer Legierung einer der vorhergehenden Ausführungsform hergestellt wird.
Die unterschiedlichen Aktorsysteme, wie Magnetventile und Kraftstoffeinspritzventile haben unterschiedliche Anforderungen an Festigkeit sowie magnetische Eigenschaften. Diese Anforderungen können durch die Auswahl einer Legierung mit einer Zusammensetzung, die innerhalb der oben beschriebenen Bereiche liegt, erfüllt werden.
Die Erfindung sieht auch ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors mit einer Komponente aus einer weichmagnetischen Legierung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele vor. In weiteren Ausführungsformen ist das Kraftstoffeinspritzventil ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Ottomotors und ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Dieselmotors.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus einer Kobalt-Eisen-Legierung vor, bei dem durch Schmelzen und Warmverformung zunächst Werkstücke aus einer weichmagnetischen Legierung hergestellt werden, die im Wesentlichen aus 5 Gew.-% ≤ Co ≤ 30 Gew.-%, 1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Al ≤ 2 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Si ≤ 1,5 Gew.-%, 0,017 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,2 Gew.-%, 0,01 Gew.-% ≤ S ≤ 0,05 Gew.-%, wobei Mn/S > 1,7, 0 Gew.-% ≤ O ≤ 0,0015 Gew.-%, und 0,0003 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,05 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%, wobei 0,117 Gew.-% ≤ (Al + Si + Mn + V + Mo + W + Nb + Ti + Ni) ≤ 5 Gew.-%, Rest Eisen besteht. Eine Schlussglühung wird durchgeführt.
Die Legierung kann mittels verschiedener Verfahren erschmolzen werden. Möglich sind theoretisch alle gängigen Techniken, wie ein Erschmelzen an Luft oder mittels VIM (Vacuum Induction Melting). Dazu können z. B. der Lichtbogenofen oder induktive Techniken genutzt werden. Eine Behandlung mit VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) oder AOD (Argon Oxygen Decarburization) oder ESU (Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren) verbessert die Qualität des Produkts.
Zur Herstellung der Legierung wird das VIM-Verfahren bevorzugt, da sich damit die Gehalte der Legierungselemente exakter einstellen lassen und nichtmetallische Einschlüsse in der erstarrten Legierung besser vermieden werden können.
Dem Schmelzvorgang folgt je nach herzustellendem Halbzeug eine unterschiedliche Reihe von Verfahrensschritten.
Falls Bänder hergestellt werden sollen, aus denen später Teile gestanzt werden, wird der aus dem Schmelzvorgang hervorgegangene Gussblock durch Vorblocken in eine Bramme umgeformt. Unter Vorblocken wird das Umformen des Gussblocks in eine Bramme mit rechteckigem Querschnitt durch einen Warmwalzvorgang bei einer Temperatur von beispielsweise 1250°C verstanden. Nach dem Vorblocken wird durch Schleifen der auf der Oberfläche der Bramme ausgebildete Zunder entfernt. Dem Schleifen folgt ein weiterer Warmwalzvorgang, durch den die Bramme bei einer Temperatur von beispielsweise 1250°C in ein Band umgeformt wird. Anschließend werden die sich beim Warmwalzen auf der Oberfläche des Bands ausbildenden Verunreinigungen durch Schleifen oder Beizen entfernt, und das Band wird durch Kaltwalzen auf die endgültige Dicke umgeformt, die im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm sein kann. Schließlich wird das Band einer Schlussglühung unterzogen. Während der Schlussglühung heilen die durch die Umformvorgänge entstandenen Gitterfehlstellen aus und kristalline Körner werden im Gefüge gebildet.
Ähnlich verlauft der Herstellungsvorgang, wenn Drehteile hergestellt werden. Auch hier werden durch Vorblocken des Gussblocks Knüppel mit einem quadratischen Querschnitt hergestellt. Das sogenannte Vorblocken erfolgt dabei bei einer Temperatur von beispielsweise 1250°C, Anschließend wird der beim Vorblocken entstandene Zunder durch Schleifen entfernt. Dem folgt ein weiterer Warmwalzvorgang, durch den die Knüppel in Stangen oder Drähte bis zu einem Durchmesser von beispielsweise 13 mm umgeformt werden. Durch Richten und Schalen werden dann zum einen Verwerfungen des Materials korrigiert und zum anderen die sich während des Warmwalzvorgangs gebildeten Verunreinigungen auf der Oberfläche entfernt. Abschließend wird auch hier das Material einer Schlussglühung unterzogen.
Die Schlussglühung kann in einem Temperaturbereich von 700°C bi 1100°C durchgeführt werden. In einer Durchführungsform wird die Schlussglühung im Temperaturbereich von 750°C bis 850°C durchgeführt. Die Schlussglühung kann unter Inertgas, Wasserstoff oder Vakuum durchgeführt werden.
In einer weiteren Durchführungsform wird die Legierung vor der Schlussglühung kaltverformt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen naher erläutert.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm des Herstellverfahrens für ein Halbzeug aus einer Legierung gemäß der Erfindung, und
2 zeigt ein Magnetventil mit einem Magnetkern aus einer erfindungemäßen weichmagnetischen Legierung.
Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen von zwei erfindungsgemäßen Legierungen und zwei Vergleichslegierungen.
Tabelle 2 zeigt Eigenschaften für die Legierungen 1 und 2 der Tabelle 1.
Tabelle 3 zeigt elektrische und magnetische Eigenschaften der Legierungen 3 und 4 der Tabelle 1.
Tabelle 4 zeigt Festigkeitseigenschaften der Legierungen 3 und 4 der Tabelle 1.
Die Zusammensetzungen von zwei erfindungsgemäßen Legierungen sowie zwei Vergleichslegierungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Legierung 1 ist eine Vergleichslegierung, die kein Schwefel aufweist. Legierung 1 enthält jedoch Ce und besteht aus 16.45 Gew.-% Co, 2,06 Gew.-% Cr, 0,05 Gew.-% Mn, 0,49 Gew.-% Si, 0,19 Gew.-% Al, 0,0010 Gew.-% 0, weniger als 0,003 Gew.-% S, 0,002 Gew.-% Ce, Rest Eisen.
Legierung 2 ist erfindungsgemäß und folglich enthält sie Schwefel, S, sowie Cer, Ce, und Kalzium, C. Die Zusammensetzung der Legierung 2 ist 16.45 Gew.-% Co, 2,05 Gew.-% Cr, 0,05 Gew.-% Mn, 0,44 Gew.0-% Si, 0,17 Gew.-% Al, 0,0012 Gew.-% 0, 0,028 Gew.-% S, 0,05 Gew.-% Ce, 2 ppm Ca, Rest Eisen.
Die Eigenschaften von spezifischem elektrischen Widerstand ρ_el, Koerzitivfeldstärke H_c, Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 160 A/cm, J(160 A/cm), Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 400 A/cm, J(400 A/cm), Maximalpermeabilität μ_max, Streckgrenze R_p0,2 und Bruchdehnung A_L der Legierungen 1 und 2 sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.
Die Vergleichslegierung 1 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ_el von 0,430 μΩm, eine Koerzitivfeldstärke 1 von 0,90 A/cm, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 160 A/cm, J(160 A/cm), von 2,00 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 400 A/cm, J(400 A/cm), von 2,19 T, eine Maximalpermeabilität μ_max von 4016, eine Streckgrenze R_p0,2 von 233 Mpa und eine Bruchdehnung A_L von 22,7% auf.
Die erfindungsgemäße Legierung 2 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ_el von 0,422 μΩm, eine Koerzitivfeldstärke H von 1,18 A/cm, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 160 A/cm, J(160 A/cm), von 2,03 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 400 A/cm, J(400 A/cm), von 2,18 T, eine Maximalpermeabilität μ_max von 4376, eine Streckgrenze R_p0,2 von 296 Mpa und eine Bruchdehnung A_L von 22,4% auf.
Ein Vergleich dieser Werte zeigt, dass die Schwefel, Cer und Kalzium-enthaltende erfindungsgemäße Legierung 2 ähnliche weichmagnetische Eigenschaften wie die Schwefel-freie Vergleichs Legierung 1 aufweist. Der Schwefelgehalt führt somit nicht zu einer Verschlechterung der weichmagnetischen Eigenschaften, wie dies bei den Eisen-basierten Legierungen des Stands der Technik stattfindet.
Die Spanbarkeit dieser Legierungen wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lichtmikroskopie untersucht. Die erfindungsgemäße Legierung 2 zeigt deutlich weniger Verschleiß beim Spanen. Ebenso ist die Qualität der Oberfläche bei der erfindungsgemäßen Legierung 2 verbessert.
Die Legierung 2 wurde auch mittels Energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) untersucht. Diese Untersuchung zeigt, dass die Legierung 2 fein verteilte Mangansulfidausscheidungen aufweist. Diese Untersuchungen zeigen auch, dass sich im Kern dieser Ausscheidungen Cer befindet. Es wird somit vermutet, dass die feine Verteilung der Mangansulfidausscheidungen über die Zulegierung von Cer erzielt wird. Es wird auch vermutet, dass diese feine Verteilung der Mangansulfidausscheidungen die Ursache für die verbesserte Spanbarkeit ist, ohne dass die magnetischen Eigenschaften verschlechtert werden.
In der Tabelle 1 ist die Zusammensetzung zweier weiterer Legierungen 3 und 4 zusammengefasst. Im Vergleich zu den Legierungen 1 und 2 weisen die Legierungen 3 und 4 weniger Co und einen höheren Cr-Gehalt sowie einen höheren Al-Gehalt auf.
Legierung 3 ist eine Vergleichslegierung, die kein Schwefel aufweist. Legierung 3 besteht aus 9,20 Gew.-% Co, 13,10 Gew.-% Cr, 0,26 Gew.-% Al, Rest Eisen.
Legierung 4 ist erfindungsgemäß und enthält folglich S sowie Ce. Die Zusammensetzung der Legierung 4 ist 9,25 Gew.-% Co, 13,20 Gew.-% Cr, 0,08 Gew.-% Mn, 0,27 Gew.-% Al, 0,043 Gew.-% S, 0,01 Gew.-% Ce, Rest Eisen.
Im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Legierung 2 weist die Legierung 4 einen etwas höheren S-Gehalt und einen höheren Ce-Gehalt, aber kein Ca auf.
Elektrische und magnetische Eigenschaften der Legierungen 3 und 4 sind in der Tabelle 3 zusammengefasst.
Die Vergleichslegierung 3 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ_el von 0,6377 μΩm, eine Koerzitivfeldstärke H_c von 1,4 A/cm, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 100 A/cm, J(100 A/cm), von 1,68 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 160 A/cm, J(160 A/cm), von 1,76 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 200 A/cm, J(200 A/cm), von 1,79 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 400 A/cm, J(400 A/cm), von 1,82 T und eine Maximalpermeabilität μ_max von 4066 auf.
Die erfindungsgemäße Legierung 4 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ_el von 0,6409 μΩm, eine Koerzitivfeldstärke H_c von 1,7 A/cm, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 100 A/cm, J(100 A/cm), von 1,68 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 160 A/cm, J(160 A/cm), von 1,75 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 200 A/cm, J(200 A/cm), von 1,78 T, eine Sättigung J bei einer Magnetfeldstärke von 400 A/cm, J(400 A/cm), von 1,81 T und eine Maximalpermeabilitit μ_max von 2955 auf.
Wie bei den Legierungen 1 und 2 zeigt ein Vergleich dieser Werte für die Legierungen 3 und 4, dass die Schwefel und Cer-enthaltende erfindungsgemäße Legierung 4 ähnliche weichmagnetische Eigenschaften wie die Schwefel-freie vergleichslegierung 3 aufweist. Der Schwefelgehalt führt somit auch bei dieser Grundzusammensetzung nicht zu einer Verschlechterung der weichmagnetischen Eigenschaften, wie bei den Eisen-basierten Legierungen des Stands der Technik.
Die Festigkeitseigenschaften der Legierungen 3 und 4 sind in der Tabelle 4 zusammengefasst.
Die Vergleichslegierung 3 weist eine Zugfestigkeit R_m von 493 MPa, eine Streckgrenze R_p0,1 von 290 Mpa und R_p0,2 von 298 Mpa, eine Bruchdehnung A_L von 18,84%, eine Härte (Vickers) HV von 151, eine Einschürung Z von 83,08% und ein E-Modul von 132 GPa auf.
Die erfindungsgemäße Legierung 4 weist eine Zugfestigkeit 1 von 561 MPa, eine Streckgrenze R_p0,1 von 333 Mpa und R_p0,2 von 341 Mpa, eine Bruchdehnung A_L von 19,30%, eine Härte (Vickers) HV von 164, eine Einschürung Z von 79,94% und ein E-Modul von 148 GPa auf.
Ein Vergleich dieser Werte zeigt, dass die erfindungsgemäße Legierung mit MnS-Ausscheidungen gegenüber der Schwefel-freien Vergleichslegierung 3 verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Halbzeuge werden aus diesen erfindungsgemäßen Legierungen durch ein verfahren hergestellt, dessen Ablauf in der 1 dargestellt ist.
In dem in 1 dargestellten Ablaufdiagramm wird zunächst in einem Schmelzvorgang 1 die Legierung erschmolzen.
Die Legierung kann mittels verschiedener Verfahren erschmolzen werden. Möglich sind theoretisch alle gängigen Techniken, wie ein Erschmelzen an Luft oder mittels VIM (Vacuum Induction Melting). Dazu können z. B. der Lichtbogenofen oder induktive Techniken genutzt werden. Eine Behandlung mit VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) oder AOD (Argon Oxygen Decarburization) oder ESU (Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren) verbessert die Qualität des Produkts.
Zur Herstellung der Legierung wird das VIM-Verfahren bevorzugt, da sich damit die Gehalte der Legierungselemente exakter einstellen lassen und nichtmetallische Einschlüsse in der erstarrten Legierung besser vermieden werden können.
Dem Schmelzvorgang 1 folgen je nach herzustellendem Halbzeug eine unterschiedliche Reihe von Verfahrensschritten.
Falls Bänder hergestellt werden sollen, aus denen später Teile gestanzt werden, wird der aus dem Schmelzvorgang 1 hervorgegangene Gussblock durch Vorblocken 2 in eine Bramme umgeformt. Unter Vorblocken wird das umformen des Gussblocks in eine Bramme mit rechteckigem Querschnitt durch einen Warmwalzvorgang bei einer Temperatur von 1250°C verstanden. Nach dem Vorblocken wird durch Schleifen 3 der auf der Oberfläche der Bramme ausgebildete Zunder entfernt. Dem Schleifen 3 folgt ein weiterer Warmwalzvorgang 4, durch den die Bramme bei einer Temperatur von 1250°C in ein Band mit einer Dicke von beispielsweise 3,5 mm umgeformt wird. Anschließend werden die sich beim Warmwalzen auf der Oberfläche des Bands ausbildenden Verunreinigungen durch Schleifen oder Beizen 5 entfernt, und das Band wird durch Kaltwalzen 6 auf die endgültige Dicke im Bereich von 0,1 bis 2 mm umgeformt. Schließlich wird das Band einer Schlussglühung 7 bei einer Temperatur von 850°C unterzogen. Während der Schlussglühung heilen die durch die Umformvorgänge entstandenen Gitterfehlstellen aus und kristalline Körner werden im Gefüge gebildet.
Ähnlich verlauft der Herstellungsvorgang, wenn Drehteile hergestellt werden. Auch hier werden durch Vorblocken 8 des Gussblocks Knüppel mit einem quadratischen Querschnitt hergestellt. Das sogenannte Vorblocken erfolgt dabei bei einer Temperatur von 1250°C. Anschließend wird der beim Vorblocken 8 entstandene Zunder durch Schleifen 9 entfernt. Dem folgt ein weiterer Warmwalzvorgang 10, durch den die Knüppel in Stangen oder Drähte bis zu einem Durchmesser von 13 mm umgeformt werden. Durch Richten und Schälen 11 werden dann zum einen Verwerfungen des Materials korrigiert und zum anderen die sich während des Warmwalzvorgangs 10 gebildten Verunreinigungen auf der Oberfläche entfernt. Abschließend wird auch hier das Material einer Schlussglühung 12 unterzogen.
2 zeigt ein elektromagnetisches Aktorsystem 20 mit einem Magnetkern 21 aus einer erfindungsgemäßen weichmagnetischen Legierung, die in einer ersten Ausführungsform im Wesentlichen aus 16.45 Gew.-% Co, 2,05 Gew.-% Cr, 0,05 Gew.-% Mn, 0,44 Gew.-% Si, 0,17 Gew.-% Al, 0,0012 Gew.-% 0, 0,028 Gew.-% S, 0,05 Gew.-% Ce, 2 ppm Ca, Rest Eisen besteht.
In einer zweiten Ausführungsform besteht die weichmagnetische Legierung des Magnetkerns 21 im Wesentlichen aus 9,25 Gew.-% Co, 13,20 Gew.-% Cr, 0,08 Gew.-% Mn, 0,27 Gew.-% Al, 0,043 Gew.-% S. 0,01 Gew.-% Ce, Rest Eisen.
Eine Spule 22 wird mit Strom von einer Stromquelle 23 versorgt, so dass bei der Erregung der Spule 22 ein Magnetfeld induziert wird. Die Spule 22 ist um den Magnetkern 21 so angeordnet, dass auf Grund des induzierten Magnetfelds sich der Magnetkern 21 von einer ersten Position 24 bewegt, die mit der gestrichelten Linie in der 2 gezeigt ist, zu einer zweiten Position 25. In dieser Ausführungsform ist die erste Position 24 eine geschlossene Position und die zweite Position eine offene Position. Folglich ist der Strom 26 durch den Kanal 27 vom Aktorsystem 20 gesteuert.
In weiteren Ausführungsformen ist das Aktorsystem 20 ein Kraftstoffeinspritzventil eines Ottomotors oder eines Dieselmotors, oder ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Ottomotors oder eines Dieselmotors.
Bezugszeichenliste

20: Aktorsystem
21: Magnetkern
22: Spule
23: Stromquelle
24: erste Position des Magnetkerns
25: zweite Position des Magnetkerns
26: Strom
27: Kanal

Claims

Weichmagnetische Legierung, die im Wesentlichen aus 5 Gew.-% ≤ Co ≤ 30 Gew.-%, 1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Al ≤ 2 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Si ≤ 1,5 Gew.-%, 0,017 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,2 Gew.-%, 0,01 Gew.-% ≤ S ≤ 0,05 Gew.-%, wobei Mn/S > 1,7, 0 Gew.-% ≤ 0 ≤ 0,0015 Gew.-%, und 0,0003 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,05 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%, wobei 0,117 Gew.-% ≤ (Al + Si + Mn + V + Mo + W + Nb + Ti + Ni) ≤ 5 Gew.-%, Rest Eisen besteht.
Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,001 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%.
Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch 0,001 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,02 Gew.-%.
Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch 0,001 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,005 Gew.-%,
Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kobaltgehalt von 8 Gew.-% ≤ Co ≤ 22 Gew.-%.
Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Kobaltgehalt von 14 Gew.-% ≤ Co ≤ 20 Gew.-%.
Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Chromgehalt von 1,5 Gew.-% ≤ Cr ≤ 3 Gew.-%.
Weichmagnetische Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Chromgehalt von 6 Gew.-% ≤ Cr ≤ 15 Gew.-%.
Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ > 0,40 μΩm.
Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ > 0,60 μΩm.
Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Streckgrenze R_p,02 > 280 MPa.
Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine Koerzitivfeldstärke H_c < 5,0 A/cm.
Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Koerzitivfeldstärke H_c < 2,0 A/cm.
Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Maximalpermeabilität μ_max > 1000.
Weichmagnetischer Kern für einen elektromagnetischen Aktor aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Weichmagnetischer Kern für ein Magnetventil eines Verbrennungsmotors aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Weichmagnetischer Kern für ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Weichmagnetischer Kern für ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Ottomotors aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Weichmagnetischer Kern für ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Dieselmotors aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors mit einer Komponente aus einer weichmagnetischen Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Ottomotors ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil ein Direktkraftstoffeinspritzventil eines Dieselmotors ist.
Weichmagnetischer Anker für einen elektrischen Motor aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus einer Kobalt-Eisen-Legierung, bei dem durch Schmelzen (1) und Warmverformung (4, 10) zunächst Werkstücke aus einer weichmagnetischen Legierung hergestellt werden, die im Wesentlichen aus 5 Gew.-% ≤ Co ≤ 30 Gew.-%, 1 Gew.-% ≤ Cr ≤ 20 Gew.-%, 0,1 Gew.-% ≤ Al ≤ 2 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Si ≤ 1,5 Gew.-%, 0,017 Gew.-% ≤ Mn ≤ 0,2 Gew.-%, 0,01 Gew.-% ≤ S ≤ 0,05 Gew.-%, wobei Mn/S > 1,7, 0 Gew.-% ≤ O ≤ 0,0015 Gew.-%, und 0,0003 Gew.-% ≤ Ce ≤ 0,05 Gew.-%, 0 Gew.-% ≤ Ca ≤ 0,005 Gew.-%, Rest Eisen besteht, wobei 0,117 Gew.-% ≤ (Al + Si + Mn + V + Mo + W + Nb + Ti + Ni) ≤ 5 Gew.-%, und wobei eine Schlussglühung (7, 12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlussglühung (7, 12) im Temperaturbereich von 700°C bis 1100°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlussglühung (7, 12) im Temperaturbereich von 750°C bis 850°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung vor der Schlussglühung (7, 12) kaltverformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung unter Inertgas, Wasserstoff oder Vakuum schlussgeglüht wird.