DE102018118207A1

DE102018118207A1 - Samariumhaltige weichmagnetische Legierungen

Info

Publication number: DE102018118207A1
Application number: DE102018118207.4A
Authority: DE
Inventors: Kuen-Shyang Hwang; Guo-Jiun Shu; Fang-Cheng Chou
Original assignee: Taiwan Powder Technologies Co Ltd; Taiwan Powder Tech Co Ltd
Current assignee: China Powder Technologies Co Ltd Suzhou Cn; Hpm Labs Co Ltd Tw; Taiwan Powder Technologies Co Ltd Tw
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2019-01-31
Also published as: JP2019049048A; CN109321784B; TW201910533A; CN109321784A; US20190048442A1; TWI652356B; US10982305B2; JP6539937B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf weichmagnetische Legierungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf weichmagnetische Legierungen, die Samarium („Sm“) enthalten. Nach einer nicht beschränkenden Ausführungsform wird eine Sm-haltige magnetische Legierung beschrieben, die 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Kobalt („Co“), weniger als 2,5 Gew.-% Sm und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Eisen („Fe“) enthält. Die Sm-haltige magnetische Legierung kann weiterhin mindestens ein Element X enthalten, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Vanadium („V“), Bor („B“), Kohlenstoff („C“), Chrom („Cr“), Mangan („Mn“), Molybdän („Mo“), Niob („Nb“), Nickel („Ni“), Titan („Ti“), Wolfram („W“) und Silizium („Si“) umfasst. Die Sm-haltige magnetische Legierung kann außerdem eine magnetische Flussdichte von mindestens 2,5 Tesla haben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/539,013 mit dem Titel „Samarium-haltige weichmagnetische Legierungen“, die am 31. Juli 2017 eingereicht wurde und deren Offenbarung hiermit durch Querverweis in ihrer Gesamtheit mit beinhaltet sein soll.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Samarium-haltige („Sm“) weichmagnetische Legierungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Anmeldung allgemein auf Sm-haltige weichmagnetische Legierungen mit einer hohen gesättigten magnetischen Flussdichte ausgerichtet.
HINTERGRUND
Von den verschiedenen Arten von Weichmagneten sind Eisen-(„Fe“)Kobalt-(„Co“) Legierungen eine der bekannteren Versionen. Wie man im US-Patent Nr. 1,739,752 erkennen kann, wird eine weichmagnetische Fe-Co-Legierung mit hoher magnetischer Flussdichte („B“) beschrieben. Die Fe-Co-Legierung des US-Patents Nr. 1,739,752 ist jedoch aufgrund der Tatsache, dass a' unterhalb von ca. 730 Grad C liegt, extrem spröde. Diese unerwünschte Eigenschaft macht die Fe-Co-Legierung nach dem US-Patent Nr. 1,739,752 ungeeignet für bestimmte industrielle Zwecke, wie beispielsweise die Herstellung von Platten, Blechen, Stangen, Rohren und anderen Gegenständen, die eine gute Verarbeitbarkeit erfordern.
Die Zugabe von Vanadium („V“) zu den vorgenannten Fe-Co-Legierungen war dazu bestimmt, um die Wahrscheinlichkeit eines α nach α' Phasenübergangs zu reduzieren. Auch die Zugabe von V zu Fe-Co-Legierungen führte zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstandes der Legierung, wodurch Wirbelstromverluste reduziert wurden. Die Zugabe von V zu Fe Co-Legierungen führt jedoch zu einer niedrigeren magnetischen Flussdichte. Solche Fe-Co-V-Legierungen sind in dem US-Patent Nr. 1,862,559 beschrieben.
Man hat herausgefunden, dass die Zugabe anderer Legierungselemente zu Fe-Co-Legierungen zu ähnlichen negativen Effekten führte (z.B. verminderte magnetische Flussdichte). Im Vergleich zu anderen Legierungselementen zeigte die Zugabe von V zu Fe-Co-Legierungen jedoch eine geringere Abnahme der magnetischen Flussdichte. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Fe-Co-V-Legierungen im Vergleich zu anderen Legierungselementen verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verbesserte Verarbeitbarkeit aufweisen. Während die magnetische Flussdichte etwas abnimmt, werden Fe-Co-V-Legierungen deshalb häufig zur Herstellung von Weichmagneten mit hohen magnetischen Flussdichten, geringen Wirbelstromverlusten, guten mechanischen Eigenschaften und guter Verarbeitbarkeit verwendet und akzeptiert. Insbesondere die Zusammensetzung solcher häufig verwendeten Fe-Co-V-Legierungen, die einen guten Kompromiss zwischen magnetischer Flussdichte, spezifischem Widerstand und mechanischen Eigenschaften bieten, umfasst etwa 47 Gew.-% bis 52 Gew.-% Co, etwa 2 Gew.-% V, wobei der Rest Fe (und unvermeidliche Verunreinigungen) sind.
Weitere Modifikationen an Fe-Co-V-Legierungen, wie z.B. solche mit ca. 50 Gew.-% Co und ca. 2 Gew.-% V, wurden ebenfalls entwickelt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 5,252,940 eine Fe-Co-V-Legierung mit etwa 2,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% V, die eine verbesserte Energieeffizienz unter stark variierenden Gleichstrombedingungen durch Reduzierung der Wirbelströme aufweist. Das US-Patent Nr. 4,933,026 beschreibt weiterhin eine Fe-Co-V-Legierung mit 0,1 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Niob („Nb“), die eine gute Duktilität bietet. Weiterhin beschreiben die US-Patente Nr. 6,685,882, 6,946,097 und 7,776,259 Fe-Co-V-Legierungen mit einem Zusatz von Bor („B“), Kohlenstoff („C“), Molybdän („Mo“), Nb, Nickel („Ni“), Titan („Ti“) und Wolfram („W“), was eine Legierung mit hoher Festigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit ermöglicht.
Es gibt in der Industrie viele Beispiele für konventionelle Fe-Co-Vo-Legierungen, wie vorstehend beschrieben. Zum Beispiel enthält eine kommerzielle Legierung - Hyperco 50HS-Legierung, erhältlich von Carpenter Technology Corporation - 48,75 Gew.-% Co, 1,90 Gew.-% V, 0,30 Gew.-% Nb, 0,05 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Mangan („Mn“) und 0,01 Gew.-% C, wobei der Rest Fe ist. Eine weitere kommerzielle Legierung - Hyperco 50A, die ebenfalls von Carpenter Technology Corporation erhältlich ist - enthält 48,75 Gew.-% Co, 2,00 Gew.-% V, 0,05 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Mn und 0,004 Gew.-% C, wobei der Rest Fe ist. Weitere kommerzielle Legierungen sind Vacoflux 48 und Vacodur 49 von Vacuumschmelze Gmbh & Co., die 49 Gew.-% Fe, 49 Gew.-% Co und 2 Gew.-% V bzw. 49 Gew.-% Fe, 49 Gew.-% Co und 2 Gew.-% V + Nb enthalten.
Jede der vorgenannten Legierungen bietet gewisse Vorteile, wie zum Beispiel bessere elektrische und mechanische Eigenschaften. Die meisten dieser Legierungen erreichen jedoch solche verbesserten elektrischen und mechanischen Eigenschaften auf Kosten bestimmter magnetischer Eigenschaften, wie beispielsweise der magnetischen Flussdichte. Durch den Verzicht auf eine hohe magnetische Flussdichte ist die Anwendbarkeit solcher Legierungen beschränkt. Daher sind verbesserte magnetische Legierungen, wie die nach der Fe-Co-V-V-Variante, erforderlich, die eine höhere magnetische Flussdichte und einen höheren spezifischen Widerstand bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften bieten.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf weichmagnetische Legierungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Sm-haltige weichmagnetische Legierungen mit höheren magnetischen Flussdichten.
Gemäß einem Beispiel wird eine Sm-haltige magnetische Legierung beschrieben. Die Sm-haltige magnetische Legierung kann 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co, weniger als 2,5 Gew.-% Sm und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe enthalten.
Gemäß einem anderen Beispiel wird eine Sm-haltige magnetische Legierung beschrieben. Die Sm-haltige magnetische Legierung kann 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co, weniger als 2,5 Gew.-% Sm, 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% V und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe enthalten.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird eine magnetische Fe-Co-Legierung beschrieben. Die magnetische Fe-Co-Legierung kann 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm enthalten und eine magnetische Flussdichte von mindestens 2,5 Tesla ermöglichen.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Materialien werden hier anhand von beispielhaften Ausführungsformen ausführlicher beschrieben. Die beispielhaften Ausführungsformen werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsformen stellen nicht beschränkende beispielhafte Ausführungsformen dar, wobei:

1 eine erläuternde Grafik ist, die einen Vergleich der magnetischen Flussdichten von Sm-freien Probenmaterialien mit Sm-haltigen Probenmaterialien gemäß verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung beschreibt; und
2 ein erläuterndes Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer magnetischen Legierung nach verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf magnetische Legierungen, insbesondere auf magnetische Legierungen, die die mit herkömmlichen Fe-Co-V-Magnetlegierungen verbundenen Beschränkungen überwinden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung allgemein auf die Überwindung der technischen Probleme im Zusammenhang mit konventionellen weichmagnetischen Legierungen, die die magnetische Flussdichte opfern, um die mit diesen Legierungen verbundenen elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Eine beispielhafte verbesserte magnetische Legierung kann durch die Einbeziehung von Sm in die magnetische Legierung erreicht werden. Durch die Einbeziehung von Sm können im Vergleich zu herkömmlichen magnetischen Fe-Co-V-Legierungen (wie vorstehend beschrieben) weichmagnetische Legierungen mit höheren magnetischen Flussdichten und höheren spezifischen Widerständen und guten mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Die verbesserte magnetische Legierung kann für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet werden, wie z.B. Trackpads für mobile Geräte, High-End-Kopfhörer, Hochleistungsmotoren für Elektrofahrzeuge und fortschrittliche Stromerzeugungseinheiten.
Als nicht beschränkendes Beispiel wird hier eine weichmagnetische Sm-haltige Legierung beschrieben. Die Sm-haltige weichmagnetische Legierung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass diese 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm enthält und eine magnetische Flussdichte von mindestens (ungefähr) 2,5 T aufweist. Als Beispiel kann die weichmagnetische Legierung zusätzlich zu Sm in den vorgenannten Mengen auch Co und Fe enthalten, wie nachfolgend beschrieben. Die beispielhafte weichmagnetische Sm-haltige Legierung kann gute mechanische und elektrische Eigenschaften erreichen, aber auch gute magnetische Eigenschaften haben (z.B. Bs ≥ 2,5 T).
Nach einer Ausführungsform kann die magnetische Legierung 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co, 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm, mindestens einmal 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% X und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe enthalten, wobei X aus einer Gruppe ausgewählt ist, die V, B, C, Chrom („Cr“), Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, W und Silizium („Si“) umfasst. Jedoch wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die vorgenannte Gruppe mehr Elemente oder weniger Elemente enthalten kann. Die magnetische Legierung nach der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise gute mechanische Eigenschaften und gute magnetische Flussdichten erzielen.
Nach einem weiteren Beispiel kann eine magnetische Legierung 15 bis 55 Gew.-% Co, 0,1 bis 2,5 Gew.-% Sm, 0,001 bis 10 Gew.-% V, mindestens einmal 0,001 bis 10 Gew.-% X und 35 bis 75 Gew.-% Fe enthalten, wobei X aus einer Gruppe ausgewählt ist, die B, C, Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, T, W und Si umfasst. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die vorgenannte Gruppe mehr Elemente oder weniger Elemente enthalten kann. Die magnetische Legierung nach der vorliegenden Ausführungsform kann beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen weichmagnetischen Fe-Co-V-Legierungen höhere magnetische Flussdichten erzielen, die durch den Zusatz anderer Legierungselemente zur Verbesserung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften verursacht werden.
Um die Verbesserungen nach der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, wurden Probenlegierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen vorbereitet. Nach einigen Ausführungsformen wurden die Proben durch Lichtbogenschmelzen hergestellt, aber auch andere Präparationsmittel (z.B. Pulvermetallurgie und Induktionsschmelzen, mit anschließendem Walzen oder Schmieden) sind möglich. Zusammensetzungen, die auf der vorliegenden Erfindung basieren, können zu einem Pulver, einer dünnen Folie, zu nanokristallinen Körnern und/oder amorphen Materialien hergestellt werden, jedoch ist diese Liste nicht als Beschränkung zu verstehen.
Um die Suszeptibilität der verschiedenen hier beschriebenen Proben zu messen, kann ein supraleitendes Quanteninterferenz-Magnetometer („SQUID“) verwendet werden. Der spezifische Widerstand einer Probe kann mit einer Vier-Punkt-Sonde gemessen werden, wobei die Probengröße etwa 4 mm x 1,5 mm x 0,3 mm beträgt.

Die Verbesserung, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, kann durch die erläuternden Tabellen 1a und 1b veranschaulicht werden, die Gewichtsprozente (Gew.-%) bzw. Atomprozente (at%) verschiedener Ausführungsformen (S1-S8), die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, und von Vergleichsbeispielen (C1-C8) beschreiben. Tabelle 1a

	Fe Gew.-%	Co Gew.-%	Sm Gew.-%	V Gew. -%	Nb Gew. -%	Mo Gew. -%	Mn Gew. -%	Si Gew.-%
C1	58,70	41,30	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
C2	57,53	40,47	0,0	2,0	0,0	0,0	0,0	0,0
C3	57,82	40,68	0,0	1,5	0,0	0,0	0,0	0,0
S1	57,67	40,58	0,25	1,5	0,0	0,0	0,0	0,0
C4	58,41	41,09	0,0	0,5	0,0	0,0	0,0	0,0
S2	57,97	40,78	0,75	0,5	0,0	0,0	0,0	0,0
C5	49,64	48,36	0,0	2,0	0,0	0,0	0,0	0,0
S3	49,14	47,86	1,0	2,0	0,0	0,0	0,0	0,0
S4	48,83	47,57	1,6	2,0	0,0	0,0	0,0	0,0
C6	45,26	51,74	0,0	3,0	0,0	0,0	0,0	0,0
S5	44,79	51,21	1,0	3,0	0,0	0,0	0,0	0,0
S6	44,32	50,68	2,0	3,0	0,0	0,0	0,0	0,0
C7	48,83	47,57	0,0	2,0	0,8	0,8	0,0	0,0
S7	48,07	46,83	1,5	2,0	0,8	0,8	0,0	0,0
C8	49,39	48,11	0,0	1,8	0,3	0,3	0,05	0,05
S8	48,07	46,83	1,3	1,8	0,3	0,3	0,05	0,05

Tabelle 1b

	Fe at%	Co at%	Sm at%	V at%	Nb at%	Mo at%	Mn at%	Si at%
C1	60,00	40,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
C2	58,66	39,11	0,0	2,24	0,0	0,0	0,0	0,0
C3	58,99	39,33	0,0	1,68	0,0	0,0	0,0	0,0
S1	58,93	39,29	0,10	1,68	0,0	0,0	0,0	0,0
C4	59,66	39,78	0,0	0,56	0,0	0,0	0,0	0,0
S2	59,49	39,66	0,29	0,56	0,0	0,0	0,0	0,0
C5	50,83	46,92	0,0	2,24	0,0	0,0	0,0	0,0
S3	50,63	46,73	0,38	2,26	0,0	0,0	0,0	0,0
S4	50,50	46,62	0,61	2,27	0,0	0,0	0,0	0,0
C6	46,38	50,25	0,0	3,37	0,0	0,0	0,0	0,0
S5	46,19	50,04	0,38	3,39	0,0	0,0	0,0	0,0
S6	45,99	49,83	0,77	3,41	0,0	0,0	0,0	0,0
C7	50,32	46,44	0,0	2,26	0,50	0,48	0,0	0,0
S7	50,00	46,16	0,58	2,28	0,50	0,48	0,0	0,0
C8	50,69	46,78	0,0	2,02	0,18	0,18	0,05	0,10
S8	50,41	46,53	0,50	2,04	0,19	0,18	0,05	0,10

Wie aus den Tabellen 1a und 1b ersichtlich, enthalten die verschiedenen Ausführungsformen der Proben S1-S8 jeweils Fe, Co, V und Sm. Zusätzlich enthalten die Proben S1-S8 weitere Elemente, wie beispielsweise Mn, Mo, Nb und Si. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass der Einsatz von Mn, Mo, Nb und Si nicht als Beschränkung zu verstehen ist. Wie in den Tabellen 1a und 1b dargestellt, enthalten die Proben S1-S8 nach der vorliegenden Erfindung jeweils weniger als (oder gleich) 2,5 Gew.-% Sm. Insbesondere kann die Menge an Sm nach einer Ausführungsform vorzugsweise 0,25 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% betragen. Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die in den Tabellen aufgeführten und hierin beschriebenen Werte Näherungswerte darstellen können, weil die genauen Gewichts-(und/oder Atom-) Prozentsätze von Probe zu Probe etwas variieren können. Zum Beispiel kann die Menge an Sm 0,25 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% mit einer Fehlergrenze von ± σ betragen, wobei σ durch Versuche bestimmt werden kann. Nach einem nicht-beschränkenden Ausführungsbeispiel kann σ gleich 0,1-0,5 Gew.-% betragen, dies ist jedoch nur ein Beispiel.
Nach einer Ausführungsform kann Tabelle 1a in vier Gruppen eingeteilt werden: Gruppe 1, Gruppe 2, Gruppe 3 und Gruppe 4.
Gruppe 1 kann Ausführungsformen umfassen, die sich auf die Proben S1 und S2 beziehen. Jede der Proben S1 und S2, wie in Tabelle 1a dargestellt, kann einen Fe-Gehalt von mehr als 50 Gew.-% aufweisen. Beispielsweise enthält die Probe S1 57,67 Gew.-% Fe und die Probe S2 57,97 Gew.-% Fe.
Gruppe 2 kann Ausführungsformen umfassen, die sich auf die Proben S3 und S4 beziehen. Jede der Proben S3 und S4, wie in Tabelle 1a dargestellt, kann einen Fe-Gehalt und Co-Gehalt von weniger als 50 Gew.-% aufweisen. Zum Beispiel weist die Probe S3 49,14 Gew.-% Fe und 47,86 Gew.-% Co auf, während die Probe S4 48,83 Gew.-% Fe und 47,57 Gew.-% Co aufweist.
Gruppe 3 kann Ausführungsformen umfassen, die sich auf die Proben S5 und S6 beziehen. Jede der Proben S5 und S6, wie in Tabelle 1a dargestellt, kann einen Co-Gehalt von mehr als 50 Gew.-% aufweisen. Beispielsweise weist die Probe S5 51,21 Gew.-% Co auf und die Probe S6 50,68 Gew.-% Co.
Gruppe 4 kann Ausführungsformen umfassen, die sich auf die Proben S7 und S8 beziehen. Jede der Proben S7 und S8, wie in Tabelle 1a dargestellt, kann einen Fe-Gehalt und Co-Gehalt haben, der auf einer der Proben der Gruppen 1-3 basiert; die Proben S7 und S8 können jedoch zusätzliche Elemente enthalten, beispielsweise Nb, Mo, Mn und Si. Gruppe 4 kann solche zusätzlichen Elemente enthalten, um die mechanischen Eigenschaften der entsprechenden Legierungen zu verbessern.
Jedes der Vergleichsbeispiele C1-C8 kann einer entsprechenden Probe S1-S8 im Wesentlichen ähnlich sein, mit der Ausnahme, dass die Vergleichsbeispiele C1-C8 nicht Sm enthalten brauchen. Zum Beispiel kann das Vergleichsbeispiel C1 58,70 Gew.-% Fe und 41,30 Gew.-% Co enthalten. Das Atomverhältnis von Fe zu Co beträgt etwa 60/40 (oder 1,5), und die magnetische Flussdichte und der spezifische Widerstand des Vergleichsbeispiels C1 betragen 2,5 T bzw. 0,15 µΩm. Die magnetische Flussdichte eines Materials entspricht einer Anzahl von Magnetfeldlinien, die ansonsten durch eine Materialoberfläche verlaufen würden. Die magnetische Flussdichte bezieht sich also auf eine Größe des Magnetfeldes eines bestimmten Materials durch eine bestimmte Oberfläche des Materials und die Fläche der Oberfläche (sowie den Winkel dieser Oberfläche relativ zur Normalen). Der spezifische Widerstand eines Materials gibt an, wie gut durch dieses Material elektrischer Strom fließen kann. Der spezifische Widerstand eines Materials kann sich auf das Produkt aus dem elektrischen Widerstand eines Materials und dem Verhältnis von Materialfläche zu Materiallänge beziehen.
Gruppe 1 Vergleich
Das Vergleichsbeispiel C2 in dem Ausführungsbeispiel ist dem Vergleichsbeispiel C1 im Wesentlichen ähnlich; das Vergleichsbeispiel C2 enthält jedoch zusätzlich 2 Gew.-% V zur Erhöhung der Verarbeitbarkeit, 57,53 Gew.-% Fe und 40,47 Gew.-% Co. Für das Vergleichsbeispiel C2 beträgt das Verhältnis von Fe/Co 58,66/39,11, was etwa 1,5 bleibt (wie für das Vergleichsbeispiel C1). Betrachtet man 1, so hat das Vergleichsbeispiel C1 eine magnetische Flussdichte von 2,5 T, während das Vergleichsbeispiel C2 eine magnetische Flussdichte von 2,29 T hat. So kann die Zugabe von V, wie im Vergleichsbeispiel C2, zu einer Abnahme der magnetischen Flussdichte führen. Außerdem beträgt der spezifische Widerstand des Vergleichsbeispiels C2 0,34 µΩm, was bedeutet, dass die Zugabe von V eine Erhöhung des spezifischen Widerstandes im Vergleich zum Vergleichsbeispiel C1 bewirkt. Insbesondere kann die Erhöhung des spezifischen Widerstandes auf die Zunahme der Anzahl der Elemente zurückzuführen sein, die den Legierungen beigemischt sind, wodurch der spezifische Widerstand erhöht wird, was Wirbelstromverluste weiter verringern kann.
Vergleichsbeispiel C3, bei dem Ausführungsbeispiel, enthält 57,82 Gew.-% Fe, 40,68 Gew.-% Co und 1,5 Gew.-% V. Vergleichsbeispiel C3 kann, nach einer Ausführungsform, mit Probe S1 verglichen werden, die auf dem Vergleichsbeispiel C3 basiert und zusätzlich 0,25 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält die Probe S1 57,67 Gew.-% Fe, 40,58 Gew.-% Co, 1,50 Gew.-% V und 0,25 Gew.-% Sm. Wie in 1 zu sehen ist, führt die Zugabe von Sm (z.B. 0,25 Gew.-% Sm) zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C3 bei Probe S1 zu einer Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Insbesondere steigt die magnetische Flussdichte von 2,28 T im Vergleichsbeispiel C3 auf 2,90 T in Probe S1 an. Außerdem beträgt der spezifische Widerstand des Vergleichsbeispiels C3 0,33 µΩm, während der spezifische Widerstand der Probe S1 0,38 µΩm beträgt. So kann durch Zugabe von Sm, insbesondere von 0,25 Gew.-% Sm, zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C3 eine wesentliche Erhöhung der magnetischen Flussdichte mit der Probe S1 erreicht werden. Dies kann auf die in der Probe S1 vorhandenen zusätzlichen Orbital-Elektronen zurückzuführen sein, die durch den Zusatz von Sm bedingt sind.
Das Vergleichsbeispiel C4 enthält 58,41 Gew.-% Fe, 41,09 Gew.-% Co und 0,50 Gew.-% V. Das Vergleichsbeispiel C4 kann mit der Probe S2 nach einer Ausführungsform verglichen werden, die auf dem Vergleichsbeispiel C4 basiert und weiterhin 0,75 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält Probe S2 57,97 Gew.-% Fe, 40,78 Gew.-% Co, 0,50 Gew.-% V und 0,75 Gew.-% Sm. Wie in 1 zu sehen ist, führt die Zugabe von Sm (z.B. 0,75 Gew.-% Sm) zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C4 bei Probe S2 ebenfalls zu einer Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Insbesondere steigt die magnetische Flussdichte von 2,28 T im Vergleichsbeispiel C4 auf 2,86 T in Probe S2 an. Zusätzlich beträgt der spezifische Widerstand des Vergleichsbeispiels C4 0,24 µΩm, während der spezifische Widerstand der Probe S2 0,31 µΩm beträgt. So kann durch Zugabe von Sm, insbesondere 0,75 Gew.-% Sm, zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C4 eine wesentliche Erhöhung der magnetischen Flussdichte bei der Probe S2 erzielt werden.
Zusammenfassend können die Proben S1 bzw. S2 durch Zugabe geringer Mengen Sm zu den Fe-Co-V-Legierungen nach den Vergleichsbeispielen C3 bzw. C4 höhere magnetische Flussdichten und hohe spezifische Widerstände erreichen. So ist die Gruppe 1, die Proben umfasst, bei denen der Gehalt von Fe in Gew.-% über 50 liegt und das Verhältnis von Fe/Co 1,5 beträgt, in der Lage, die magnetischen Flussdichten signifikant zu erhöhen und den spezifischen Widerstand durch geringe Zusätze von Sm zu erhöhen.
Gruppe 2 Vergleich
Das Vergleichsbeispiel C5 enthält nach einer weiteren Ausführungsform 49,64 Gew.-% Fe, 48,36 Gew.-% Co und 2,00 Gew.-% V. Im Vergleichsbeispiel C5 beträgt das Verhältnis von Fe/Co 50,83/46,92, also etwa 1,083. Die Materialstruktur des Vergleichsbeispiels C5 nach einer Ausführungsform ist, wie bereits erwähnt, im Wesentlichen ähnlich wie bei Vacoflux 48, das aufgrund seiner guten magnetischen und mechanischen Eigenschaften in der Industrie weit verbreitet ist.
Das Vergleichsbeispiel C5 kann mit der Probe S3 nach einer Ausführungsform verglichen werden, die auf dem Vergleichsbeispiel C5 basiert und weiterhin 1 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält die Probe S3 49,14 Gew.-% Fe, 47,86 Gew.-% Co, 2,00 Gew.-% V und 1,00 Gew.-% Sm. Das Vergleichsbeispiel C5 kann mit der Probe S4 nach einer Ausführungsform verglichen werden, die auf dem Vergleichsbeispiel C5 basiert und weiterhin 1,60 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält die Probe S5 48,83 Gew.-% Fe, 47,57 Gew.-% Co, 2,00 Gew.-% V und 1,60 Gew.-% Sm.
Wie in 1 dargestellt, ermöglicht die Zugabe von Sm (z.B. 1 Gew.-% Sm für Probe S3 und 1,60 Gew.-% Sm für Probe S4) zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C5 eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Darüber hinaus steigt auch der spezifische Widerstand der Proben S3 und S4 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel C5 an.
Beispielsweise hat das Vergleichsbeispiel C5 eine magnetische Flussdichte von 2,47 T (siehe 1) und einen spezifischen Widerstand von 0,39 µΩm, und hat die Probe S3 eine magnetische Flussdichte von 2,89 T und einen spezifischen Widerstand von 0,52 µΩm. Die Probe S4 hat eine magnetische Flussdichte von 2,74 T und einen spezifischen Widerstand von 0,61 µΩm. Mit anderen Worten, die geringe Zugabe von Sm zum Vergleichsbeispiel C5 erhöht die magnetische Flussdichte signifikant, wie die Proben S3 und S4 zeigen. Die höhere magnetische Flussdichte der Proben S3 und S4 entspricht weiterhin der höchsten magnetischen Flussdichte herkömmlicher Fe-Co-Legierungen, herkömmlicher Fe-Co-V-Legierungen und anderer bekannter weichmagnetischer Werkstoffe, was eine deutliche Verbesserung gegenüber bekannten Zusammensetzungen darstellt.
Eine Erhöhung des Sm-Gehalts führt nicht automatisch zu einer höheren magnetischen Flussdichte. Wenn zum Beispiel statt 1 Gew.-% bzw. 1,60 Gew.-% Sm zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C5, wie es bei den Proben S3 und S4 der Fall ist, 2,5 Gew.-% Sm zum Vergleichsbeispiel C5 hinzugefügt wird, beträgt die magnetische Flussdichte 2,48 T. Weiter, wenn 3.0 Gew.-% Sm zum Vergleichsbeispiel C5 hinzugfügt wird, sinkt die magnetische Flussdichte auf 2,05 T. Es reicht also nicht aus, Sm zum Vergleichsbeispiel C5 (oder anderen Vergleichsbeispielen) hinzuzufügen, sondern es muss eine entsprechende Menge Sm hinzuzugefügt werden, um die hierin beschriebenen Vorteile durch die vorliegende Erfindung zu erzielen.
Gruppe 3 Vergleich
Vergleichsbeispiel C6 nach einer anderen Ausführungsform enthält 45,26 Gew.-% Fe, 51,74 Gew.-% Co und 3,00 Gew.-% V. Im Vergleichsbeispiel C6 beträgt die magnetische Flussdichte 2,32 T.
Das Vergleichsbeispiel C6 kann mit der Probe S5 nach einer Ausführungsform, die auf dem Vergleichsbeispiel C6 basiert und weiterhin 1 Gew.-% Sm enthält, verglichen werden. Beispielsweise enthält die Probe S5 44,79 Gew.-% Fe, 51,21 Gew.-% Co, 3,00 Gew.-% V und 1,00 Gew.-% Sm. Das Vergleichsbeispiel C6 kann auch mit der Probe S6 nach einer Ausführungsform verglichen werden, die ebenfalls auf dem Vergleichsbeispiel C6 basiert und zusätzlich 2 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält die Probe S6 44,32 Gew.-% Fe, 50,68 Gew.-% Co, 3,00 Gew.-% V und 2 Gew.-% Sm.
Wie in 1 dargestellt, ermöglicht die Zugabe von Sm (z.B. 1 Gew.-% Sm für Probe S5 und 2 Gew.-% Sm für Probe S6) zur Zusammensetzung nach dem Vergleichsbeispiel C6 eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Beispielsweise hat das Vergleichsbeispiel C6 eine magnetische Flussdichte von 2,32 T (siehe 1). Die Probe S5 hat eine magnetische Flussdichte von 2,58 T und die Probe S6 eine magnetische Flussdichte von 2,35 T. Wie vorstehend erwähnt, nimmt die magnetische Flussdichte des resultierenden Materials jedoch nicht automatisch zu, wenn man lediglich Sm zum Vergleichsbeispiel C6 hinzufügt. Würde man beispielsweise anstelle von 1 Gew.-% und 2 Gew.-% Sm (wie bei den Proben S5 bzw. S6) bei dem Vergleichsbeispiel C6 3 Gew.-% Sm hinzufügen, würde sich die magnetische Flussdichte des resultierenden Materials auf 2,14 T verringern.
Gruppe 4 Vergleich
Bei einigen Ausführungen können den Fe-Co-V-Legierungen zusätzliche Elemente hinzugefügt werden, um Legierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften (z.B. Verringerung der Sprödigkeit) zu ermöglichen. So können beispielsweise Elemente, wie beispielsweise Al, C, Cr, Mn, Mo, Nb, Si, Ta, Ti und/oder W, zu Fe-Co-V-Legierungen der verschiedenen hier beschriebenen Typen hinzugefügt werden.
Vergleichsbeispiel C7 nach einer weiteren Ausführungsform enthält 48,83 Gew.-% Fe, 47,57 Gew.-% Co, 2,00 Gew.-% V, 0,8 Gew.-% Nb und 0,8 Gew.-% Mo. Im Vergleichsbeispiel C7 beträgt das Verhältnis von Fe/Co etwa 50,32/46,44 (oder 1,083). Im Vergleichsbeispiel C7 beträgt die magnetische Flussdichte 2,36 T.
Vergleichsbeispiel C7 kann mit der Probe S7 nach einer Ausführungsform verglichen werden, die auf dem Vergleichsbeispiel C7 basiert und weiterhin 1,5 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält die Probe S7 48,07 Gew.-% Fe, 46,83 Gew.-% Co, 2,00 Gew.-% V, 1,50 Gew.-% Sm, 0,8 Gew.-% Nb und 0,8 Gew.-% Mo. Wie in 1 dargestellt, ermöglicht die Zugabe von Sm zur Probe S7 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel C7 eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Beispielsweise hat die Probe S7 eine magnetische Flussdichte von 2,57 T.
Vergleichsbeispiel C8 nach noch einer weiteren Ausführungsform enthält 49,39 Gew.-% Fe, 48,11 Gew.-% Co, 1,8 Gew.-% V, 0,3 Gew.-% Nb, 0,3 Gew.-% Mo, 0,05 Gew.-% Mn und 0,05 Gew.-% Si. Im Vergleichsbeispiel C8 beträgt das Verhältnis von Fe/Co etwa 50,69/46,78 (oder 1,083), ähnlich wie im Vergleichsbeispiel C7. Im Vergleichsbeispiel C8 beträgt die magnetische Flussdichte 2,49 T.
Das Vergleichsbeispiel C8 kann mit der Probe S8 nach einer Ausführungsform verglichen werden, die auf dem Vergleichsbeispiel C8 basiert und weiterhin 1,3 Gew.-% Sm enthält. Beispielsweise enthält die Probe S8 48,07 Gew.-% Fe, 46,83 Gew.-% Co, 1,3 Gew.-% Sm, 1,8 Gew.-% V, 0,3 Gew.-% Nb, 0,3 Gew.-% Mo, 0,05 Gew.-% Mn und 0,05 Gew.-% Si. Wie in 1 zu sehen ist, ermöglicht die Zugabe von Sm zur Probe S8 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel C8 eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Beispielsweise hat die Probe S8 eine magnetische Flussdichte von 2,79 T.
Entsprechend den hier beschriebenen Ausführungsformen enthalten verschiedene Fe-Co-V-Legierungen einen Zusatz von Sm. Typischerweise kann sich die Verarbeitbarkeit der Legierungen verbessern, wenn Zusätze, wie beispielsweise B, C, Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, W und Si, zu Fe-Co-V-Legierungen hinzugefügt werden. Allerdings kann die magnetische Flussdichte nach diesen Szenarien abnehmen. Die Zugabe von Sm zu diesen Materialien, wie hierin beschrieben, führt zu einer weiteren Erhöhung der magnetischen Flussdichte, ohne die Verarbeitbarkeit der Legierung zu beeinträchtigen.
Die Sm-haltige Fe-Co-V-Legierung kann für verschiedene industrielle Anwendungen verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Hochleistungs-Transformatoren, hochentwickelte Stromerzeugungseinheiten, Track-Pads für mobile Geräte, fortschrittliche Magnetventile und dergleichen. Die hier beschriebene magnetische Legierung verbessert die Einsatzbereiche durch das reduzierte Gewicht der Legierung, die gleichzeitig im Wesentlichen die gleichen magnetischen Eigenschaften aufweist. Die Gewichtsreduzierung der magnetischen Legierung ist besonders wichtig, wenn die Legierung für motornahe Anwendungen, Magnetventile und Motoren in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektrofahrzeugindustrie eingesetzt wird.
2 ist ein erläuterndes Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer magnetischen Legierung nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Prozess 200 gemäß der 2 kann nach einigen Ausführungsformen bei Schritt 202 beginnen. Im Schritt 202 kann eine erste Menge Co erhalten werden. Zum Beispiel kann eine solche Menge an Co erhalten werden, sodass die resultierende Legierung 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co enthalten kann. Zum Beispiel kann eine solche Menge an Sm erhalten sein, dass die resultierende Legierung 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm enthalten kann. Im Schritt 206 kann eine dritte Menge Fe erhalten werden. Beispielsweise kann eine solche Menge an Fe erhalten werden, dass die resultierende Legierung 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe enthalten kann. Im Schritt 208 kann eine vierte Menge von mindestens einem Element X erhalten werden. Beispielsweise kann eine Menge von mindestens einem Element X erhalten werden, so dass die resultierende Legierung 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% X enthalten kann. Nach einigen Ausführungsformen kann das Element X aus einer Gruppe ausgewählt werden, die V, B, C, Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, W und Si umfasst. Im Schritt 210 kann eine Legierung gebildet werden, beispielsweise eine magnetische Legierung, die Co, Sm, Fe und X enthält. Nach einigen Ausführungsformen kann die magnetische Legierung durch Lichtbogenschweißen hergestellt werden. Nach einer anderen Ausführungsform kann die magnetische Legierung durch Pulvermetallurgie und Induktionsschmelzen hergestllt werden, mit einem anschließenden Walzen oder Schmieden.
Während hierin weichmagnetische Legierungen beschrieben wurden, sei darauf hingewiesen, dass viele Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom allgemeinen Lösungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Aus der Sicht eines Fachmanns auf diesem Gebiet unwesentliche Änderungen im Vergleich zum beanspruchten Gegenstand sollen ausdrücklich als gleichwertig im Rahmen der Patentansprüche angesehen werden. Daher sollen offensichtliche Substitutionen, die dem Fachmann auf diesem Gebiet heute oder später ersichtlich werden innerhalb des Schutzbereichs der definierten Elemente liegen.
Die beschriebenen Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung dienen einer Veranschaulichung und nicht einer Beschränkung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Sm-haltige magnetische Legierung, umfassend: 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co; weniger als 2,5 Gew.-% Sm; und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe.
Sm-haltige magnetische Legierung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: mindestens ein Element X, wobei die magnetische Legierung 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% X umfasst und wobei X aus einer Gruppe ausgewählt ist, die V, B, C, Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, W und Si umfasst.
Sm-haltige magnetische Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Element X, das aus der Gruppe ausgewählt ist, weiterhin das mindestens eine Element X umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist: 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% V; 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% C; 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% B; 0,05 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Cr; 0,02 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mn; 0,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Mo; 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Nb; 0,05 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Ni; 0,05 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Ti; 0,05 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% W; und 0,02 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Si.
Sm-haltige magnetische Legierung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetische Legierung 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm aufweist.
Sm-haltige magnetische Legierung nach Anspruch 4, wobei die magnetische Legierung zwischen 0,25 Gew.-% und 2,0 Gew.-% Sm aufweist.
Sm-haltige magnetische Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetische Legierung so ausgelegt ist, dass diese eine magnetische Flussdichte von mindestens 2,5 Tesla („T“) hat.
Sm-haltige magnetische Legierung, umfassend: 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co; weniger als 2,5 Gew.-% Sm; 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% V; und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe.
Sm-haltige magnetische Legierung nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: mindestens ein Element X, ausgewählt aus einer Gruppe, umfassend: 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% C; 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% B; 0,05 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Cr; 0,02 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mn; 0,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Mo; 0,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Nb; 0,05 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Ni; 0,05 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Ti; 0,05 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% W; und 0,02 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Si.
Sm-haltige magnetische Legierung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die magnetische Legierung 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm aufweist.
Sm-haltige magnetische Legierung nach Anspruch 9, wobei die magnetische Legierung zwischen 0,25 Gew.-% und 2,0 Gew.-% Sm aufweist.
Sm-haltige magnetische Legierung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die magnetische Legierung so ausgelegt ist, dass diese eine magnetische Flussdichte von mindestens 2,5 Tesla („T“) hat.
Magnetische Eisen („Fe“) - Kobalt („Co“) - Legierung, umfassend: 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Sm; und eine magnetische Flussdichte von mindestens 2,5 T.
Magnetische Fe-Co-Legierung nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: 15 Gew.-% bis 55 Gew.-% Co; und 35 Gew.-% bis 75 Gew.-% Fe.
Magnetische Fe-Co-Legierung nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin umfassend: mindestens ein Element X, wobei die magnetische Legierung 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% X umfasst und wobei X aus einer Gruppe ausgewählt ist, die V, B, C, Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, Ti, W und Si umfasst.
Magnetische Fe-Co-Legierung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, weiterhin umfassend: 0,25 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% Sm.