DE1222271B - Verfahren zur Erzeugung hochpermeabler Nickel-Eisen-Legierungen mit einer rechteckfoermigen Hysteresisschleife - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

C22f

Deutsche Kl.: 4Od-1/10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

V18711VI a/40 d
27. Mai 1960
4. August 1966

Für eine Reihe von technischen Geräten ist zur Erreichung bestimmter Wirkungen die Verwendung von magnetisch weichen Werkstoffen mit rechteckförmiger Hysteresisschleife erforderlich.

Es sind bereits mehrere Verfahren bekanntgeworden, nach denen eine rechteckförmige Hysteresisschleife in magnetischen Werkstoffen erzeugt werden kann. Beispielsweise kann man durch Ausbildung einer kristallographischen Textur in 5O°/oigen Nickel-Eisen-Legierungen durch Kaltwalzen über 90% und Schlußglühung eine rechteckförmige Hysteresisschleife oder, wie im folgenden kürzer ausgedrückt, eine Rechteckschleife hervorrufen.

Es ist auch bekannt, daß durch Ausbildung einer uniaxialen Anisotropie, z.B. in 67°/oigen Nickel-Eisen-Legierungen, durch Glühen unterhalb des Curiepunktes im Magnetfeld Rechteckschleifen erhalten werden können.

Ferner ist vorgeschlagen worden, Werkstoffe mit kristallographischer Textur im Magnetfeld zu glühen, um eine gute Rechteckschleife zu erzielen, z.B. 67°/oige Nickel-Eisen-Legierungen mit 2 °/o Molybdän.

Es sind schließlich auch Verfahren bekanntgeworden, die ohne die Ausbildung einer ausgeprägten kristallographischen Textur oder einer magnetischen Anisotropie bei dünnen Bändern zu einer Rechteckschleife führen.

Beispielsweise kann man in dünnen Bändern unter 0,025 mm Dicke aus Nickel-Eisen-Legierungen mit 78 bis 82% Nickel, 3,7 bis 4,3 % Molybdän, Rest Eisen eine Rechteckschleife erzeugen, wenn man das Material erst warm walzt, dann mehrfach unter Einschaltung von Zwischenglühungen kalt walzt, wobei die letzte Kaltverformung 70 bis 85% beträgt, und danach bei 850 bis 975° C in einer Atmosphäre schlußglüht, die 75 bis 100 Volumprozent Wasserstoff enthält und deren Taupunkt unter —40° C liegt. Dickere Bänder der vorstehenden Legierungen sollten dagegen nach den Angaben der Literatur keine Rechteckschleife zeigen.

Eine nach dem vorbeschriebenen Verfahren in dünnen Bändern erzeugte Rechteckschleife hängt von der Größe der Aussteuerung ab. Die Rechteckigkeit ist nur bei Schleifen gegeben, die innerhalb eines engen Bereiches der Feldstärke ausgesteuert werden.

Die Erzeugung einer Rechteckschleife in dickeren Bändern, insbesondere solchen mit 0,025 bis 0,35 mm Dicke aus Legierungen der zuletzt genannten Art, ist bisher nicht bekanntgeworden. Die Herstellung dickerer Bänder aus hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierungen mit Rechteckschleife ist jedoch für spezielle Zwecke der Elektrotechnik sehr erwünscht, z. B. für Verfahren zur Erzeugung hochpermeabler
Nickel-Eisen-Legierungen mit einer
rechteckförmigen Hysteresisschleife

Anmelder:

Vacuumschmelze Aktiengesellschaft,
Hanau, Grüner Weg 37

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Friedrich Pfeifer, Hanau

die Fertigung von Magnetverstärkern, Zahlenspeiehern, Schalt- und Zähldrosseln sowie für Einzelelemente in elektronischen Anlagen.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß auch in Bandringkernen bzw. in entsprechendien Magnetkernformen erne Rechteckschleife erzeugt werden kann, wenn diese Magnetkerne aus einem 0,025 bis 0,35 mm, vorzugsweise einem 0,03 bis 0,35 mm, dicken Bandmaterial einer hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierung erstellt werden, diese Magnetkerne nach einer vorausgegangenen Wärmebehandlung im Vakuum, in neutraler oder in reduzierender Atmosphäre, z.B. in Wasserstoff, bei 900 bis 1150° C einer weiteren geeigneten Wärmebehandlung unterworfen werden. — Unter den den Bandringkernen entsprechenden Magnetkernformen werden vor allem solche Formen verstanden, deren Sicherungsverhalten der Hysteresisschleife den Bandringkernen ähnlich sind, wie Stanzringe, Stanzrahmen oder geschichtete Magnetkerne, die aus gestanzten, U-förmigen und in ihrer Basis verbreiterten Blechen bestehen.

Die Wärmebehandlung kann in einem Anlassen oder einem Abkühlen mit bestimmter Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches bestehen, wobei die Anlaßtemperaturen oder Abkühlungsgeschwindigkeiten von der Legierungszusammensetzung abhängen.

Es ist bereits ein Verfahren zur Verbesserung der Anfangspermeabilität in kupf erhaltigen Nickel-Eisen-Legierungen mit und ohne Molybdänzusatz bekannt. Bei diesem Verfahren folgt einer Wärmebehandlung bei hoher Temperatur eine Anlaßbehandlung bei niederer Temperatur. Dieses bekannte Verfahren stellt sich jedoch die alleinige Aufgabe, eine Erhöhung der Anfangspermeabilität in den eben genannten Legierungen zu bewirken, während das erfindungsgemäße Verfahren darauf gerichtet ist, die Rechteckigkeit der Hysteresisschleife dieser Legierungen zu erhöhen. Vergleichende Untersuchungen zei-

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gen aber, daß sich die beiden Verfahren im Endergebnis gegenseitig ausschließen, daß also entweder eine höhere Anfangspermeabilität bei schlechter Rechteckigkeit der Hysteresisschleife oder eine gute Rechteckigkeit der Hysteresisschleife bei niederer Anfangspermeabilität erhalten wird. Gegenüber diesem bekannten Verfahren ist es für das erfindungsgemäße Verfahren charakteristisch, daß die erste Wärmebehandlung bei wesentlich tieferen Temperaturen erfolgen kann und daß die Temperaturen für die Anlaßbehandlung zur Erzielung einer optimalen Rechteckigkeit der Hysteresisschleife immer unterhalb denjenigen Temperaturen liegen, die für Anlaßbehandlung zur Erzielung der optimalen Anfangspermeabilität nötig sind.

Trägt man, wie beispielsweise in A b b. 1 für eine kupferfreie Nickel-Eisen-Legierung aus 79 % Nickel, 1 bis 6% Molybdän, Rest Eisen dargestellt ist, die aus den einzelnen Untersuchungen ^erhaltenen optimalen Anlaßtemperaturen für gute Rechteckigkeit (T^), hohe Anfangspermeabilität (T_A) und die Curietemperatur (T_c) in Abhängigkeit vom Molybdänzusatz zu der gleichen Grundlegierung graphisch auf, so erhält man ein Temperatur-Molybdängehalt-Diagramm, aus dem der Verlauf der drei Temperaturen T^, T_A und T₀ in Abhängigkeit vom Molybdängehalt zu entnehmen ist. Dabei liegt zwischen der Kurve T₀ (als untere Grenze der Anlaßtemperatur zur Erzielung einer Rechteckschleife) und der Kurve T_A (als obere Grenze der Anlaßtemperatur zur Erzielung einer Rechteckschleife) ein Temperaturgebiet, in dem überwiegend eine Rechtecksehleife auftritt.

Die besten Werte für eine Rechtecksehleife werden jedoch durch die Anlaßtemperaturen bewirkt, die auf der völlig in dem Gebiet zwischen den Kurven T_A und T_c verlaufenden Kurve T% liegen.

Die vorstehenden Überlegungen gelten sinngemäß auch für andere Nickel-Eisen-Grundlegierungen mit verschiedenem Molybdänzusatz, z.B. für eine Grundlegierung mit Nickel, Kupfer und Eisen.

Aus den für diese Legierungen aufgestellten Temperatur-Molybdängehalt-Diagrammen kann die der jeweiligen Legierung entsprechende, vom Molybdängehalt abhängige optimale Anlaßtemperatur zur Erzielung einer Rechtecksehleife entnommen werden.

Es werden auch Rechteckschleifen erhalten, wenn der Molybdängehalt der Legierungen teilweise oder ganz durch Chrom und/oder Mangan im Verhältnis der Atomgewichte ersetzt wird, wobei auch hier zur Ermittlung günstiger oder optimaler Anlaßtemperaturen der jeweiligen Grundlegierungen entsprechende Temperatur-Chromgehalt- bzw. Temperatur-Mangangehalt-piagramme auf Grund von Vprversuchen aufgestellt-werden müssen.

Es wurde gefunden, daß die hochpermeablen kupferhaltigen oder kupferfreien Nickel-Eisen-Legierungen mit oder ohne Molybdänzusatz, bei denen durch eine spezielle Wärmebehandlung eine Rechteckschleife erzeugt werden kann, in dem in der Abb. 2 schraffierten Bereich des Legierangsdiagramms, vorzugsweise in dem mit a, b, c, d bezeichneten Bereich, liegen. In dem Legierungsdiagramm ist der Prozentgehalt für Eisen und Molybdän und/ oder Chrom und/oder Mangan zusammen angegeben.

Weiterhin wurde gefunden, daß eine Rechtecksehleife in den erwähnten Legierungen auch dann erzeugt werden kann, wenn diese Legierungen in einem Temperaturbereich, dessen obere Grenze oberhalb

der optimalen Anlaßtemperatur T^, z. B. bei 750° C, und dessen untere Grenze bei der Curietemperatur T_c, vorzugsweise bei der optimalen Anlaßtemperatur T_R, liegt, mit einer definierten Abkühlungsgeschwindigkeit, die ebenso wie die Anlaßtemperatur T_R von der Legierungszusammensetzung abhängig ist, abgekühlt werden. Das Abkühlen sowie das Anlassen erfolgt zweckmäßig im Vakuum, in neutraler oder in reduzierender Atmosphäre, z. B. in Wasserstoff.

Das definierte Abkühlen kann entweder im Anschluß an die Glühung bei 900 bis 1200° C vorgenommen werden, indem von dieser Temperatur beliebig rasch auf z. B. 750° C, dann mit definierter Geschwindigkeit z.B. bis zum Curiepunkt und anschließend auf Raumtemperatur z. B. an Luft abgekühlt wird. Das definierte Abkühlen kann auch in der Weise erfolgen, daß die Legierung nach der Glühung bei 900 bis 1200° C in beliebiger Weise auf Raumtemperatur abgekühlt, erneut auf z. B. 750° C erhitzt, bis zum völligen Temperaturausgleich bei dieser Temperatur gehalten und dann mit definierter Abkühlungsgeschwindigkeit z. B. bis zum Curiepunkt abgekühlt wird. Anschließend erfolgt Abkühlung auf Raumtemperatur, z. B. an Luft.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Erzeugung einer rechteckförmigen Hysteresisschleife in Bandringkernen oder in entsprechenden Magnetkernformen, die aus 0,03 bis 0;35mm dicken Bändern kupferhaltiger oder kupferfreier Legierungen hergestellt werden, eine Wärmebehandlung durchgeführt. Die Legierungen, die als Grundbestandteile 74 bis 82°/o Nickel, 0 bis 11% Kupfer, 9 bis 23% Eisen und neben den Grundbestandteilen 1 bis 6 % Molybdän enthalten, mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge an Eisen und Molybdän 15 bis 24% beträgt, und wobei das Molybdän ganz oder teilweise durch Chrom und/oder Mangan im Verhältnis der Atomgewichte ersetzt sein kann, und die in dem in A b b. 2 schraffierten Legierungsbereich liegen, und deren letzte Kaltverformung nicht über 90% betrug, werden bei 900 bis 1150° C geglüht und danach weiter wärmebehändelt.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung besteht darin, daß mindestens etwa 1 Stunde, vorzugsweise 2 bis 10 Stunden, bei einer Temperatur angelassen wird, die aus einem für die aus den jeweiligen Grundbestandteilen bestehende Legierung aufgestellten Temperatur-Molybdängehalt-Diagramm aus dem Bereich zwischen der Kurve T_c für die Curietemperatur und der Kurve T_A für die optimale Anlaßtemperatur zur Erzielung einer hohen Anfangspermeabilität gewählt wird. Der optimale Wert der Anlaßtemperatur zur Erzielung einer Rechtecksehleife ist einer Kurve T_R zu entnehmen, deren Verlauf durch Vorversuche ermittelt werden kann, und die in dem Bereich zwischen der Kurve T_A für optimale Anlaßtemperatur für hohe Anfangspermeabilität und der Kurve T₀ für die Curietemperatur liegt.
Die beschriebene Anlaßbehandlung kann unmittelbar nach dem Glühen bei 900 bis 1150° C oder nach beliebiger Zwischenabkühlung erfolgen.

Die Mindestdauer dieser Anlaßbehandlung zur Erzielung einer Rechtecksehleife hängt unter anderem von der Legierungszusammensetzung ab, z.B. auch von den von Fall zu Fall vorhandenen Beimengungen, wie etwa Magnesium.

Der mit 1 bis 6 % angegebene Molybdängehalt ist abhängig von dem Kupfergehalt der jeweils verwen-

deten Nickel-Eisen-Legierung, und zwar muß mit zunehmendem Kupfergehalt der zulässige Molybdängehalt abnehmen. Als Anhalt für das Maß dieser Abnahme sei angeführt, daß bei kupferfreien Nickel-Eisen-Legierungen der zulässige Molybdängehalt 6 °/o beträgt, dagegen bei Nickel-Eisen-Legierungen mit 4,5% Kupfer nur etwa 5%.

Die durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung erzielte Rechteckigkeit der Hysteresisschleife hängt von der Größe der Aussteuerung ab. Ein Kennzeichen für den Grad der Rechteckigkeit ist durch den Ausdruck B_rIB_m gegeben, wobei B₁. die Remanenz und B_m die bei der Feldstärke H_1n auftretende Induktion bedeutet. Im Sinne der Erfindung liegt eine gute Rechteckschleife dann vor, wenn der WertB_r/B_m>0,9 ist.

In A b b. 3 ist dargestellt, in welcher Weise sich z.B. bei einer erfindungsgemäß behandelten Legierung aus 79,3% Nickel, 5% Molybdän, 0,8% Mangan, Rest Eisen der Wert für B_r/B_m mit der Aussteuerung ändert. Danach tritt gute Rechteckigkeit (B_r/B_m > 0,9) in einem Feldstärkebereich von etwa 20 bis 100 mOe auf.

Die Form einer Schleifenhälfte einer mit 100 mOe ausgesteuerten Rechteckschleife für die genannte Legierung ist in A b b. 4 gezeigt. Die bei dieser Aussteuerung an der Legierung gemessenen Werte für die Induktion B_m und die Remanenz B_r sind in dieser Abbildung angedeutet.

A b b. 5 gibt für die zuletzt genannte hochpermeable Nickel-Eisen-Legierung einen Überblick über den Zusammenhang von Anfangspermeabilität, Koerzitivkraft, Verhältnis B_r/B_m und Anlaßtemperatur. Die Legierung war vor dem Anlassen 5 Stunden bei 1150° C in Wasserstoff geglüht worden. Die Anlaßzeit betrug 2 Stunden. Durch Verlängerung der Anlaßzeit auf 8 Stunden konnte der Wert für B_r/B_m noch etwas erhöht werden.

Wie aus Abb. 5 hervorgeht, ist die Anlaßtemperatur zur Erzielung einer guten Rechteckigkeit ziemlich kritisch, da die Kurve für B_r/B_m ein ausgeprägtes Maximum hat und deswegen sowohl eine Erhöhung als auch eine Erniedrigung der optimalen Anlaßtemperatur die Rechteckigkeit verschlechtert.

In ähnlicher Weise gibt es für das vorstehend beschriebene Abkühlen mit einer definierten Geschwindigkeit günstige Werte für diese.

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Beispiel 1

Aus einer Legierung, bestehend aus 79,3 % Nickel, 5 % Molybdän, 0,8 % Mangan, Rest Eisen, wurde ein Bandringkern von 35 mm Außen- und 25 mm Innendurchmesser bei 10 mm Bandbreite und 0,05 mm Banddicke hergestellt. Dieser Kern wurde 5 Stunden bei 1050° C in Wasserstoff geglüht. Danach erfolgte gemäß der Erfindung ein zweistündiges Anlassen bei 440° C in Wasserstoff, anschließend Abkühlen an Luft. An der so wärmebehandelten Legierung wurde eine Rechteckschleife mit einem Wert für B_r/B_m von 0,91 bei einer Aussteuerung mit einer Feldstärke H_m — 100 mOe gemessen.

Beispiel 2

Aus einer Legierung, bestehend aus 78,9% Nickel, 3,1% Molybdän, 0,6% Mangan, Rest Eisen, wurde ein Bandkern mit den gleichen Abmessungen wie im Beispiel 1 hergestellt. Der Bandkern wurde 2 Stunden bei 1150° C in Wasserstoff geglüht. Danach erfolgte gemäß der Erfindung ein zweistündiges Anlassen bei 500° C in Wasserstoff, anschließend ein Abkühlen an Luft. An der erfindungsgemäß wärmebehandelten Legierung wurde eine Rechteckschleife mit einem Wert für B_TIB_m von 0,94 bei einer Aussteuerung mit einer Feldstärke H_m = 100 mOe gemessen.

Beispiel 3

Aus einer Legierung, bestehend aus 76% Nickel, 1,8 % Chrom, 4,6 % Kupfer, 1 % Mangan, Rest Eisen, wurde ein Bandkern mit 35 mm Außen- und 25 mm Innendurchmesser bei 10 mm Bandbreite und 0,15 mm Banddicke hergestellt. Dieser Bandkern wurde 5 Stunden bei 1150° C in Wasserstoff geglüht. Von der Glühtemperatur wurde schnell bis auf 750° C abgekühlt, dann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10° je Stunde bis auf 360° C. (Die optimale Abao kühlgeschwindigkeit im Temperaturgebiet von 600 bis 300° C zur Erzielung einer hohen Anfangspermeabilität beträgt dagegen bekanntlich etwa 120° C je Stunde.) Von 360° C bis auf Raumtemperatur wurde der Bandkern an Luft abgekühlt. An dem eras findungsgemäß behandelten Bandkern wurde eine Rechteckschleife mit einem Verhältnis von B_r/B_m = 0,91 bei einer Aussteuerung mit einer Feldstärke H_m = 100 mOe gemessen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung einer rechteckförmigen Hysteresisschleife in Bandringkernen oder in entsprechenden Magnetkernformen, die aus 0,03 bis 0,35 mm dicken Bändern kupferhaltiger oder kupferfreier Nickel-Eisen-Legierungen mit Molybdän und/oder Chrom und/oder Mangan hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Bandringkerne oder entsprechende Magnetkernformen aus Legierungen, die als Grundbestandteile 74 bis 82% Nickel, 0 bis 11% Kupfer, 9 bis 23% Eisen und neben den Grundbestandteilen 1 bis 6% Molybdän enthalten, mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge an Eisen und Molybdän 15 bis 24% beträgt und wobei das Molybdän ganz oder teilweise durch Chrom und/oder Mangan im Verhältnis der Atomgewichte ersetzt sein kann, und die in dem in A b b. 2 schraffierten Legierungsbereich liegen, und deren letzte Kaltverformung nicht über 90% betrug, bei 900 bis 1150° C geglüht und danach mindestens etwa 1 Stunde, vorzugsweise 2 bis 10 Stunden, bei einer Temperatur angelassen werden, die aus einem für die aus den jeweiligen Grundbestandteilen bestehende Legierung aufgestellten Temperatur-Molybdängehalt-Diagramm aus dem Bereich zwischen der Kurve für die Curietemperatur und der Kurve für die optimale Anlaßtemperatur für hohe Anfangspermeabilitäten gewählt wird, und deren optimaler Wert im Hinblick auf eine gute Rechteckschleife einer Kurve zu entnehmen ist, deren Verlauf durch Vorversuche ermittelt werden kann, und die in dem Bereich zwischen den vorerwähnten Kurven liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungen, die in dem in Abb. 2 mit a, b, c, d bezeichneten Teil des

schraffierten Legierungsbereiches liegen, verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen vor der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung bei 900 bis 1150° C geglüht werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßbehandlung ersetzt wkd durch eine Abkühlung mit einer definierten Geschwindigkeit in einem Temperaturbereich, dessen obere Grenze oberhalb der optimalen Anlaßtemperatur und dessen untere Grenze bei der Curietemperatur, vorzugsweise bei der optimalen Anlaßtemperatur, liegt, wobei die Abkühlungsgeschwindigkeit von der Legierungszusammensetzung abhängt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Glühung bei 900 bis 1200° C beliebig auf eine Temperatur oberhalb der optimalen Anlaßtemperatur abgekühlt wird und man dann mit einer definierten Abkühlungsgeschwindigkeit, die von der Legierungszusammensetzung abhängt, bis auf die Curietemperatur vorzugsweise bis auf die optimale Anlaßtemperatur T_R, abkühlt, worauf die Abkühlung bis Raumtemperatur an Luft erfolgen kann.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Glühung bei 900 bis 1200° C in beliebiger Weise auf Raumtemperatur abgekühlt wird, und man dann auf eine Temperatur oberhalb der optimalen Anlaßtemperatur erhitzt, bis zum völligen Temperaturausgleich bei dieser Temperatur hält und darm mit einer definierten Abkühlungsgeschwindigkeit, die von der Legierungszusammensetzung abhängt, bis auf die Curietemperatur, vorzugsweise bis auf die optimale Änlaßtemperatur T_R, abkühlt, wonach die Abkühlung bis auf Raumtemperatur an Luft erfolgen kann.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung aus 79% Nickel, 1 bis 6% Molybdän, Rest Eisen bei einer Temperatur angelassen wird, die in Abhängigkeit vom Molybdängehalt in dem schraffierten Bereich der Abb. 1, vorzugsweise auf der Kurve T_R, liegt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühung bei 900 bis 1200° C im Vakuum oder in neutraler oder in reduzierender Atmosphäre erfolgt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen und Abkühlen im Vakuum od'er in neutraler oder in reduzierender Atmosphäre erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 867 006.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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