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Verfahren zur Erzeugung von magnetisierbaren Blechen aus einer Eisen-Aluminium-Legierung
Die Erfindung betrifft die Herstellung magnetisierbarer Bleche aus Eisen-Aluminium-Legierungen,
die sowohl eine hohe magnetische Sättigung als auch einen erheblichen Anteil von
Doppelorientierung (Würfeltextur) und deshalb hohe Permeabilität aufweisen. In diesen
Eisen-Aluminium-Blechen soll während oder nach der Wärmebehandlung keine schädliche
Alpha-Gamma-Umwandlung stattfinden.
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Das mit der Erfindung erstrebte Ziel wird in Eisen-Aluminium-Blechen
mit niedrigem Aluminiumgehalt erreicht. Für die Anwendung in magnetischen Geräten
werden Legierungsbleche erfindungsgemäß nach einem Walz- und Glühschema hergestellt,
welches in Verbindung mit den besonderen, nachstehend angegebenen Zusammensetzungen
Erzeugnisse mit hoher magnetischer Sättigung und einem großen Betrag an Doppelorientierung
und damit hoher Permeabilität herzustellen erlaubt. Es können damit ungewöhnliche
magnetisierbare Werkstoffe hergestellt werden, die besonders nützlich für die Anwendung
z. B. in rotierenden Maschinen sind, weil höchste Flußdichte angewendet werden kann,
ohne unverhältnismäßig große Kupferverluste auftreten zu lassen. Weiterhin sind
diese Werkstoffe wegen ihrer hohen Permeabilität erwünscht, um die Menge des für
eine Bewicklung in einem rotierenden Gerät gebrauchten Kupfers so gering wie möglich
zu halten.
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Für die Ausführung der Erfindung wird von bekannten Eisen-Aluminium-Legierungen
ausgegangen (s. das Buch von Bozorth, »Ferromagnetism«, 1956, S. 210 bis 220), in
welchen der Aluminiumgehalt möglichst verringert, aber noch ausreichend ist, um
die Alpha-Gamma-Umwandlung zu unterdrücken, die in im wesentlichen reinem Eisen
nach Wärmebehandlung auftritt. Der Aluminiumgehalt sollte so niedrig wie möglich
gehalten werden, um höchste magnetische Sättigung zu sichern. Es muß jedoch genügend
Aluminium vorhanden sein, um die Alpha-Gamma-Umwandlung zu unterdrücken und die
Textureigenschaften beizubehalten, die in dem nachstehend beschriebenen Walz- und
Glühverfahren erhalten werden. Der Aluminiumgehalt sollte daher genügend hoch sein,
um die Alpha-Gamma-Umwandlung in der entstehenden Legierung zu unterdrücken, aber
nicht mehr als höchstens 1,5 Gewichtsprozent betragen. Während man theoretisch sagen
könnte, daß der Aluminiumgehalt möglichst gering gehalten werden sollte, um höchste
Sättigung zu erreichen, wird aus praktischen überlegungen im allgemeinen etwas mehr
als ein Mindestgehalt gebraucht. Der praktische Mindestgehalt ist deshalb von der
Größenordnung von 1 Gewichtsprozent Alu-; minium.
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Legierungen für die Durchführung der Erfindung können leicht gemäß
üblicher Technik hergestellt werden. Ein zufriedenstellendes Verfahren schließt
das Schmelzen von Elektrolyteisen mit einer Reinheit von mindestens etwa 99 % und
das Zufügen von handelsüblich reinem Aluminium mit einer Reinheit von mindestens
etwa 99 % zu der Schmelze ein. Die Schmelze kann in einem Vakuumofen unter einem
Teildruck, z. B. von der Größenordnung von etwa einer halben Atmosphäre, von Helium
oder einem Schutzgas hergestellt werden. Die Schmelze wird üblich unter der Schutzgasatmosphäre
gegossen, um möglichst geringe Aluminiumverluste zu bekommen. Zweckmäßig ist es,
mit dem Schmelzdruck zu gießen. Die erstarrte Legierung wird dann heiß gewalzt,
d. h. bei einer Temperatur von der Größenordnung von 800 bis 1000° C oder mehr,
um ein Blech für das weitere Walzen und Glühen gemäß der Erfindung zu erhalten.
Der Block wird gewöhnlich heiß zu einer Platte mit einer Dicke von der Größenordnung
von etwa 1.0 bis 19 mm gewalzt, denn diese Dicke wurde als geeignete Ausgangsdicke
für die anschließenden Kaltwalzschritte befunden.
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Die so hergestellte Platte aus Eisen-Aluminium wird dann kalt auf
Endstärke gewalzt, d. h. auf eine Stärke von der Größenordnung von 0,05 bis 0,76
mm oder mehr. Wie oben ausgeführt, sind die erhaltenen
Erzeugnisse
von besonderem Nutzen in rotierenden Maschinen. Für diesen Zweck werden die dickeren
Stärken von 0,50 bis 0,76 mm bevorzugt. Eisen-Aluminium mit 1 bis 1,5% Aluminium
ist duktil und kann bei Raumtemperatur kaltgewalzt werden. Wenn gewünscht, kann
warmgewalzt werden, d. h. bei einer Temperatur bis 650° C. Wenn die Endstärke erreicht
ist, wird das Blech geglüht.
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Um die am meisten gewünschten Eigenschaften in dem Endprodukt zu erhalten,
wird eine besondere Glühvorschrift befolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß zur Erzeugung von
magnetisierbaren Blechen mit hoher Maximalpermeabilität in zwei in der Walzebene
liegenden, zueinander senkrechten Richtungen und mit hoher Sättigungsinduktion von
einer Eisen-Aluminium-Legierung mit 1 bis 1,51/o Aluminium, Rest Eisen mit den unvermeidbaren
Verunreinigungen, ausgegangen wird, wobei eine 10 bis 19 mm dicke warmgewalzte Platte
mit einem Verformungsgrad über 90 % kaltgewalzt und in trockenen Wasserstoff 1 bis
4 Stunden, vorzugsweise 1 bis 2 Stunden, bei 950 bis 1250° C, vorzugsweise 1150
bis 1250° C, geglüht wird und das Kennzeichen hat, daß der Schlußglühung eine 1/2-
bis 2stündige Glühung bei 650 bis 800° C mit Abkühlung auf unterhalb 400° C vorgeschaltet
ist.
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An Stelle von trockenem Wasserstoff können auch andere Schutzgase
treten. Gute Eigenschaften können auch dann entwickelt werden, wenn das doppelte
Glühverfahren angewendet wird, aber der Abkühlungsschritt zwischen den Glühungen
in Wegfall kommt.
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In der vorstehend beschriebenen Weise werden Streifen, Bleche und
andere Formen von Legierungen erzeugt, die einen hohen Grad von Würfellage oder
Doppelorientierung aufweisen. Die Erzeugnisse sind gewöhnlich dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens 50 % der Körner in Würfellage orientiert sind. Es ist daher offensichtlich,
daß die erzeugten Werkstoffe magnetisch durch Eigenschaften gekennzeichnet sind,
die sich denjenigen von Einkristallen mehr nähern als übliche magnetische Werkstoffe,
die für diese allgemeinen Zwecke verwendet wurden.
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Die Erfindung wird nachstehend weiter in Verbindung mit dem folgenden
Beispiel beschrieben. Elektrolytflockeneisen mit einer Reinheit von 99,90/a wurde
in einen Magnesiatiegel in einem Vakuumofen mit Widerstandswicklungen gebracht.
Der Ofen wurde evakuiert und dann mit Helium auf etwa eine halbe Atmosphäre Druck
gebracht. Dann wurde das Eisen geschmolzen. Zu der im Ofen befindlichen Schmelze
wurde handelsüblich reines Aluminium (Reinheit 99,99%) hinzugefügt. Nachdem die
Schmelze als gleichförmig angesehen wurde, wurde sie in eine Blockform innerhalb
des Ofens gegossen und erstarren gelassen.
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Nach dem Abkühlen des Blockes wurde dieser wieder auf 950° C erhitzt
und heiß zu einer Platte mit einer Dicke von 12,7 mm gewalzt. Die Platte ließ man
auf Raumtemperatur abkühlen. Anschließend wurde sie bei etwa Raumtemperatur kalt
zu einem Blech von 0,63 mm Dicke gewalzt.
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Das Blech wurde in einen Glühofen gebracht, der eine Atmosphäre von
trockenem Wasserstoff enthielt, und dort bei 700° C für 1 Stunde gehalten. Am Ende
dieser Zeitdauer wurde das Blech in einen Kühlraum gebracht und auf Raumtemperatur
abkühlen gelassen. Dann wurde das Blech in einen Ofen gebracht, der eine Atmosphäre
aus trockenem Wasserstoff bei 1200° C enthielt und 2 Stunden lang gehalten. Am Ende
dieser Zeit wurde es in Luft abgekühlt.
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Derart hergestellte Streifen wurden üblichen Gleichstrommessungen
zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften unterworfen. Die erhaltenen Werte
sind die folgenden:
| Tabelle I |
| Eisen- Legierungs- 1, max - Irc Bi *) Bio *) Bioo *) Brio *)
H (B=10) B |
| s |
| Legierung elemente |
| 1- |
| Si-Fe 2,65% Si 8600 0,58 8,0 14,5 17,4 7,9 3,2 20,4 |
| Si-Fe 1,30% Si 6800 0,85 5,3 13,8 17,3 8,7 2,11
21,1 |
| Si-Fe 0,70% Si 6000 0,94 4,5 14,0 17,5 8,2 2,52 21,2 |
| Si-Fe 0,250% Si 2000 2,0 1 14,0 17,9 8,5 4,0 21,4 |
| Al-Fe 1% Al 14000 ' 0,31 12,0 16,7 19,0 - 0,70 21,2 |
| *) In Kilogauß, gemittelt in der Walzrichtung und der senkrechten
Richtung des Bleches. |
Jede der nach Tabelle I geprüften Eisen-Silizium-Legierungen war ein handelsübliches
Produkt, und die in der Tabelle zusammengestellten Werte sind veröffentlichte Werte
dieser Werkstoffe. Das Eisen-Aluminium wurde gemäß der Erfindung hergestellt. Aus
den Werten ist zu entnehmen,sdaß in den ersten beiden Eisen-Silizium-Legierungen
die Sättigungsinduktion hoch ist, aber die Maximalpermeabilität nur einen mäßigen
Wert hat. Es wird angenommen, daß diese Legierungen der Alpha-Gamma-Umwandlung nicht
unterlagen. In der Legierung, die 0,25% Silizium enthält, ist festzustellen, daß
eine hohe Sättigungsinduktion erhalten wurde. Die Maximalpermeabilität war jedoch
in diesem Fall erheblich herabgesetzt, wahrscheinlich infolge des Auftretens einer
Umwandlung. Das Eisen-Aluminium andererseits zeigte eine Sättigungsinduktion von
der Größenordnung der besten Eisen-Silizium-Legierungen und hatte eine allen anderen
Legierungen weit überlegene Maximalpermeabilität. Obwohl dies die am meisten hervorragende,
in den Werkstoffen entwickelte Eigenschaft ist, kann aus den übrigen Zahlenangaben
festgestellt werden, daß in allen geprüften Eigenschaften, für die in Tabelle I
Werte angegeben sind, eine bedeutende Verbesserung erhalten wurde. Etwa 60 0/0 der
Körner waren doppelorientiert.
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Aber auch ein Vergleich der Induktionswerte, der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Magnetbleche mit dem Stand der Technik, wie er aus dem bereits
erwähnten Buch von B o z o r t h,
»Ferromagnetism«, 1956, S. 217,
hervorgeht, zeigt die Überlegenheit des Verfahrens der Erfindung. Betrachtet man
die in Fig. 7 bis 9 auf S. 217 dargestellte Kurve, die sich auf die Messungen an
einem quadratischen Rahmen bezieht, bei dem sich die vorteilhaften Eigenschaften
der Würfeltextur am deutlichsten auswirken, so kann man für die Induktion Bio einen
Wert von angenähert 15,6 Kilogauß entnehmen, wogegen die Tabelle I der Erfindung
für Bi() den bedeutend höheren Wert von 16,7 Kilogauß angibt.
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Um auch Verlustwerte verschieden hergestellter Eisen-Aluminium-Bleche
vergleichen zu können, wurde eine Versuchsserie mit Blechen von zwei handelsüblichen
Eisen-Silizium-Legierungen und einer Legierung durchgeführt, die gemäß der Erfindung
hergestellt wurde.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind die folgenden: