DE1458557C

DE1458557C - Weichmagnetische Korper und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1458557C
Application number: DE19641458557
Authority: DE
Inventors: Hakaru Sendai Kobayashi Takeo Naton Masumoto, (Japan)
Original assignee: The Foundation, The Research In stitute of Electric and Magnetic Alloys, Sendai City (Japan)
Priority date: 1963-09-28
Filing date: 1964-09-25
Publication date: 1973-03-08

Description

ίο Fe-Si-Al-Legierungen sind als Legierungen großer Permeabilität (Fe-Si-Al-Legierung) bekannt. Handelsübliche Legierungen dieses Typs, die die besten magnetischen Eigenschaften aufweisen, sind jedoch brüchig und lassen sich nicht schmieden oder walzen, so daß eine derartige Legierung nur im gegossenen oder pulverförmigen Zustand als magnetisches Kernmaterial angewandt werden kann. Wenn diese bekannten Legierungen weich, schmiedbar und walzbar sind, ist es sehr schwierig, ein einwandfreies Produkt ohne Fehlerstellen zu erzielen, es sei denn, daß bei dem Schmelzvorgang ein ausreichendes Entschwefeln und Desoxydieren durchgeführt wird, oder aber das langsame Schmieden in der ersten Arbeitsstufe des Schmiedevorgangs ausgeführt wird.

Es sind fernerhin auch weichmagnetische Körper aus einer Nickel-Mangan-Legierung mit einem Mangangehalt bis zu 25% bekannt. Derartige Körper besaßen jedoch lediglich eine Maximalpermeabilität von etwa 5000 Oe. Ferner ist' es bekannt, zur Herstellung weichmagnetischer Körper in einer Nickel-Kobalt-Legierung den Nickelgehalt durch einen Mangangehalt von höchstens 12% Mangan zu ersetzen und den elektrischen Widerstand durch den Zusatz weiterer Bestandteile Chrom, Molybdän, Silizium, Vanadium oder Aluminium in Anteilen von höchstens 6% zu erhöhen. Auch hierbei konnte man nicht eine ausreichende hohe Maximalpermeabilität erzielen.

Die Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, weichmagnetische Körper zu schaffen, welche durch entsprechende Warmbehandlung eine sehr hohe Maximal-Permeabilität erreichen lassen und hierüber hinaus einen hohen elektrischen Widerstand besitzen und sich bei allen diesen Eigenschaften auch ohne besondere Schwierigkeiten durch Walzen oder Schmieden herstellen lassen.

Die Lösung dieser Aufgabe. erfolgt gemäß der Erfindung einerseits durch weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 77 bis 86% Nickel, 14 bis 23% Mangan mit einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr. Diese erfindungsgemäßen Körper besitzen Maximalpermeabilitäten von 20000 bis 190 000.

Die Erfindung kann aber nicht nur durch weichmagnetische Körper aus binären Nickel-Mangan- Legierungen, sondern auch durch ternäre Legierungen durch Hinzufügung bestimmter dritter Elemente verwirklicht werden. Diese dritten Elemente sind in der nachfolgenden Beschreibung bei der Erläuterung der einzelnen möglichen Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen angeführt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Gründe, warum die maximale Permeabilität bekannter Legierungen bei höchstens 5000 Oe lag, darin bestehen, daß der Ordnungsgrad der bekannten Legierungen nicht im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 lag. Um Legierungen mit einer sehr hohen maximalen Permeabilität zu erzeugen, ist durch die Erfindung ein besonderes Wärmebehandlungsverfahren geschaffen,

mittels dessen es möglich ist, einen Ordnungsgrad im Bereich von 0,2 bis 0,5 zu schaffen, was zu dem Ergebnis führt, daß Legierungen mit einer hohen maximalen Permeabilität, beispielsweise von 20000 bis 190000, erzeugt werden können.

Diese Erkenntnis führt erfindungsgemäß zu einem Verfahren zur Herstellung von Körpern aus magnetischen Nickel-Mangan-Legierungen mit den für die Erfindung kennzeichnenden Eigenschaften. Die Erfindung geht hierbei von der bekannten Arbeitsweise aus, bei welcher ein Erhitzen der Legierung oberhalb der Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungslinie, ein Abkühlen auf Raumtemperatur und gegebenenfalls ein Nacherhitzen bei Temperaturen unterhalb dieser Linie stattfindet, und die Arbeitsweise der Erfindung besteht bevorzugt darin, daß die Legierungen bei einer Temperatur von 700 bis 1100⁰C in einer nichtoxydierenden Atmosphäre zwischen 10 Minuten und 10 Stunden erhitzt und dann mit einer von der Legierungszusammensetzung abhängenden Geschwindigkeit zwischen l°C/h und 200°C/sec. bis zu einer Anfangspermeabilität von mehr als 2000 abgekühlt werden.

Nach der Abkühlung kann die Legierung mehr als 5 Minuten bis 2 Stunden bei einer über 100⁰C und unterhalb der Ni₃Mn-Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungslinie liegenden Temperatur wärmebehandelt werden. Vorzugsweise wird jedoch ein Temperaturbereich zwischen 150 und 650° C gewählt. Längere Anlaßzeiten bis zu 150 Stunden können, wie die in Tabelle 1 angeführten Beispiele zeigen, gleichfalls vorteilhaft angewandt werden, wenn darauf geachtet wird, daß die Verdampfung des Mangans in tragbaren Grenzen gehalten wird. Das obenerwähnte Nacherhitzen und Tempern dienen dazu, die Ausbildung eines Ordnungsgrades im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 in dem Falle zu gewährleisten, daß der Ordnungsgrad in diesem Bereich nicht durch die anfängliche Erhitzung bei einer Temperatur oberhalb der Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungslinie und dem anschließenden Abkühlen auf Raumtemperatur erreicht wurde.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine Gleichgewichtskurve auf der Nickelseite des Nickel-Mangan-Systems.

Zum Herstellen eines erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körpers wird zunächst eine bestimmte Menge an Nickel in Luft oder anderem geeignetem Gas oder im Vakuum in einem geeigneten Schmelzofen erschmolzen und sodann eine geringe Menge eines Desoxydations- und Entschwefelungsmittels, wie Mn, Si, Al, Ti usw.,zwecks weitestgehender Entfernung von Verunreinigungen zugesetzt. Weiterhin wird der Schmelze eine bestimmte Menge eines oder mehrerer der Elemente der Gruppe Mn, Fe, V, Si, Ti, Mo, Al, Cr, W, Sb und Cu innerhalb des angegebenen Bereiches zugesetzt. Im Anschluß hieran wird ausreichend lange gerührt, um eine geschmolzene homogene Zusammensetzung zu erhalten. Dann wird die Schmelze in eine Gießform geeigneter Form und Größe zwecks Erzielens einer massiven Masse eingegossen, die bei Raumtemperatur oder höherer Temperatur z. B. zu einer dünnen Platte mit einer Dicke von 0,3 mm geschmiedet oder gewalzt wird.

Aus dieser dünnen Platte wird ein Ring mit einem Außendurchmesser von 46 mm und einem Innendurchmesser von 35 mm herausgestanzt. Der so herausgestanzte Ring wird sodann auf eine höhere Temperatur als derjenigen der Ni₃Mn-Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungslinie a-b in F i g. 1 mehrere Minuten bis mehrere hundert Stunden lang in einer nichtoxydierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff oder im Vakuum erhitzt, sodann mit geeigneter Geschwindigkeit abgekühlt, um so die ferromagnetischen Eigenschaften auszubilden. Es ist notwendig, in geeigneter Weise die Kühlgeschwindigkeit auszuwählen, die für das Erzielen überlegener magnetischer Eigenschaften in Abhängigkeit von der verschiedenen Zusammensetzung der Legierung am geeignetesten ist. In einigen Fällen werden die besten magnetischen Eigenschaften erzielt, wenn die in dieser Weise behandelte Legierung auf eine Temperatur über 100⁰C und unter derjenigen der Ni₃Mn - Ordnungs - Unordnungs - Umwandlungslinie a-b in F i g. 1 wenigstens 5 Minuten lang erhitzt wird. Die Permeabilität des ringförmigen Gegenstandes wird vermittels einer herkömmlichen ballistischen Galvanometers gemessen, und hierbei wird festgestellt, daß ausgezeichnete magnetische Eigenschaften vorliegen.

Fig. 1-A und 1-B geben Kurvendiagramme wieder, die die Veränderung der Anfangspermeabilität und der maximalen Permeabilität der Ni-Mn-Legierung vermittels der Wärmebehandlung erläutern;

F i g. 2-A und 2-B geben die Veränderung der Anfangspermeabilität und die maximale Permeabilität der Ni-Mn-Fe-Legierung wieder, die eine bestimmte Menge von 5% Fe enthält, wie sie durch die Wärmebehandlung verursacht wird;

F i g. 3-A und 3-B, F i g. 4-A und 4-B, F i g. 5-A und 5-B, F i g. 6-A und 6-B, F i g. 7-A und 7-B, Fig. 8-A und 8-B, Fig. 9-A und 9-B, Fig. 10-A und 10-B, Fig. H-A und H-B und Fig. 12-A und 12-B zeigen das Verhältnis zwischen der Zusammensetzung und der Anfangspermeabilität und der maximalen Permeabilität von Ni-Mn-Fe-Legierungen, Ni-Mn-V-Legierungen, Ni-Mn-Si-Legierungen, Ni-Mn-Ti-Legierungen, Ni-Mn-Mo-Legierungen, Ni-Mn-Al-Legierungen, Ni-Mn-Cr-Legierungen, Ni-Mn-W-Legierungen, Ni-Mn-Sb-Legierungen und Ni-Mn-Cu-Legierungen.

Die Punkte in den Kurven geben die Konzentration des höchsten Wertes zwischen den Ergebnissen wieder, wie sie durch Erhitzen der Probe zunächst im Vakuum auf eine Temperatur von 700 bis UOO⁰C 10 Minuten bis 10 Stunden lang und sodann Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von l°C/h bis 200°C/sec. oder gegebenenfalls durch ein anschließendes Tempern bei einer Temperatur von 150 bis 650⁰C mehr als 5 Minuten bis 2 Stunden lang erzielt worden sind. Die Kurvenzüge stellen statisch erhaltene äquivalente Kurven dar.

Fig. 13 zeigt Hysteresiskurven der Ni-Mn-Fe-Legierungen und der bekannten Legierungen, bestehend aus 4% Mo, 79% Ni, Rest Fe.

Fig. 1-A und 1-B und 2-A und 2-B zeigen, daß sich die Permeabilität erheblich in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Legierung und der Abkühlgeschwindigkeit von einer höheren Temperatur als derjenigen der Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungslinie verändert, und zeigen ebenfalls, daß bei Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur unter derjenigen der Ordnungs-Unordnungs-Umwandlungsline nach dem Abkühlen mit verschiedenen Geschwindigkeiten die Permeabilität weiter erhöht werden kann.
Der höchste Wert der Anfangspermeabilität und

der Maximalpermeabilität für jede Systemlegierung sind in der Tabelle I wiedergegeben. In der letzten Spalte dieser Tabelle ist der spezifische elektrische Widerstand angegeben.

In der Fig. 13 ist die Hysteresiskurve der Legierung Nr. 4 wiedergegeben, an Hand derer sich ergibt, daß die Fläche recht klein und somit auch die Hysteresis klein im Vergleich zu derjenigen der bekannten Legierungen aus Mo = 4%, Ni = 79%, Restanteil Fe, ist.

Wie aus den oben angegebenen magnetischen Eigenschaften der binären Legierung von Ni — Mn ersichtlich, handelt es sich hierbei um einen recht guten Wert, wenn jedoch ein drittes Element zugesetzt wird, wird die magnetische Eigenschaft weiter mit der Ausnahme verbessert, daß W, Sb und Cu zugesetzt werden, durch die etwas schlechtere magnetische Eigenschaften als in dem Fall der binären Legierung des Ni — Mn erreicht werden. Es ergibt sich jedoch ein Vorteil dahingehend, daß dieselben einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand (etwa 55 μ Ohm cm) als die vorerwähnten bekannten Legierungen aufweisen, die bisher allgemein Anwendung gefunden haben.

Tabelle I

Legierungs-Nr.	Ni	Mn	Fe	V	Zusammen Si	etzung (%) Ti	Mo	Al
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	78,7 78,3 76,8 76,8 76,6 77,9 78,5 81,8 80,4 77,8 78,5 77,0 78,2 81,8 81,0	21,3 21,7 18,4 18,2 18,4 19,8 19,0 16,2 17,6 19,4 18,7 20,0 18,8 16,4 17,2	4,8 5,0 5,0	2,3 2,5	2,0 2,0	2,8 2,8	3,0 3,0	1,8 1,8
			Cr		Sb	Cu
16 17 18 19 20 21	79,0 79,4 76,0 79,0 78,0 77,0	20,0 18,6 21,0 19,0 19,0 20,0	1,0 2,0	3,0	2,0 3,0	3,0

Kühlgeschwindigkeit nach dem Erhitzen auf 900⁰C !Stunde lang Anfangspermeabilität

C«⁰)

Maximale Permeabilität

Spezifischer elektrischer Widerstand

(μ Ohm cm)

10°C/h, sodann 50 h/38O°C gehalten . 10°C/h, sodann 50 h/380°C gehalten .

26°C/sec

9°C/sec

50°C/h, sodann 50 h/400°C gehalten .

10°C/h

50°C/h

10°C/h

50°C/h, sodann 50h/350°C gehalten .

5°C/h

50°C/h, sodann 100h/400°C gehalten 860
880

000
300
13000
500

900
900

390
11800

900

840
4410

18 000

20 400

157 800

187 000

190 000

89 800

131000

58 200

111 180

103000

126000

62400

66 800

60,7 60,6

70,0 69,1 57,0

55,4 52,9 48,2

63,0

Fortsetzung

Kühlgeschwindigkeit nach dem Erhitzen auf 900°C 1 Stunde lang

Maximale
Permeabilität

(,O

Spezifischer elektrischer Widerstand

(,« Ohm cm)

100°C/h

5°C/h

50°C/h, sodann 50 h/400°C gehalten .

5°C/h

10°C/h

5°C/h

50°C/h, sodann 150h/400°C gehalten

Bei dem oben angegebenen Beispiel werden die Legierungen 1 Stunde auf 900° C erhitzt und sodann mit verschiedenen Geschwindigkeiten abgekühlt. Die Erhitzungstemperatur, Erhitzungszeit und Abkühlgeschwindigkeit können jedoch außerhalb dieses Bereiches liegen, und die letzte Haltetemperatur und Zeit kann ebenfalls außerhalb dieses Bereiches liegen. Wenn die Temperatur bis 1000⁰C ansteigt und die Erhitzungszeit länger wird und sich z. B. auf länger als 5 Stunden beläuft, ist jedoch zu beachten, daß Mn verdampft wird und sich somit die Zusammen-Setzung verändert. Die erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körper zeigen nicht nur sehr hohe Permeabilität und elektrischen Widerstand, sondern 3 760

3 180
13 030

4 900
6 370

5 880
5 310
2 210
5 150

11000
33 700
30 200
25 320
20100

15 300

16 300
5 500

15 900

52,0

71,0 64,7 58,8

35,6 59,6

dieselben besitzen ebenfalls auf dem industriellen Gebiet den Vorteil, daß im Vergleich zu den herkömmlichen Permlegierungen das Schmieden und Walzen bei Raumtemperatur oder höherer Temperatur leichter ist.

Unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften nach den F i g. 1 bis 12 ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Zusammensetzung und der anfänglichen Permeabilität und der maximalen Permeabilität jeder Legierung und deren Konzentration, wie es in der Tabelle II wiedergegeben ist, und man sieht somit, daß die magnetischen Eigenschaften besser werden, wenn der Konzentrationsbereich enger wird.

Tabelle II

(1)	Ni (%)	Mn (%)	Fe(%)	Anfangspenneabilität	Maximale Permeabilität
	76 -93 77 -86 77,5-83	7 -24 14 -23 17 -22,5	0-20 0-14 0-13	500- 6 860 2000- 6 860 3000- 6 860	5000- 20400 8000- 20400 10000- 20400
(2)			V(%)
	60 -93 70 -84 73 -83	7 -25 10 -25 11 -22	0- 9 0- 5 0- 3	500-18000 2000-18 000 3000-18000	3000-190000 10000-190000 20000-190000
(3)			Si (%)
	74 -96 76,5-83 76,5-80,5.	3 -23 13,5-22 18 -22	0- 5 0- 4,5 0- 3,5	500-18 500 3000-18 500 4000-18 500	3000-131000 10000-131000 20000-131000
(4)			Ti(%)
	76 -96 77,5-89 80 -86	1 -24 8,5-22,5 12 -18,5	0- 7 0- 7 0- 5	500-10 900 2000-10 900 3000-10 900	3000-111180 10000-111180 20000-111180
(5)
	75 -94 76 -85 77 -83	5 -24 12 -23 14 -23	500-11800 2000-11800 3000-11800	3000-126000 7000-126000 20000-126000

209 532/317

Fortsetzung

(6)	Ni (%)	Mn (%)	Mo (%)	Anfangspermeabilität	Maximale Permeabilität
	74 -94 75 -84 75,5-81,5	4 -23 15 -23 15,5-23	0- 8 0- 8 0- 7	500- 7 840 2000- 7 840 3000- 7 840	3 000- 66 800 10000- 66 800 20 000- 66 800
(7)			Al (%)
	76 -94 77,5-85	3 -23 12 -22,5	0- 6 0- 4,5	500- 3 760 2000- 3 760	2000- 33 700 10000- 33 700
(8).			Cr(%)
	76 -95 76 -84	4 -24 16 -22,5	0- 6 0- 3,5	500-13 030 2000-13 030	3 000- 30 200 10000- 30 200
(9)			W (%)
	71 -95 74 -84	5 -23, 15 -22J5	0- 9 0- 5,5	500- 6 370 2000- 6 370	3 000- 20 100 7 000- 20100
(10)			Sb (%)
	74 -95 75 -85	3 -23 13 -22,5	0-11 0- 8	500- 5 880 2000- 5 880	3 000- 16 300 5 000- 16 300
(U)			Cu (%)
	75 -94 75,5-84	3 -23 14 -22,5	0-10 0- 6	500- 5 150 2000- 5 150	3 000- 15 900 5 000- 15 900

Der Grund, warum die Zusammensetzung der Ni-Mn-binären Legierungen und ternären Legierungen, die zusammen mit den anderen Elementen den binären Legierungen zugesetzt werden, innerhalb eines bestimmten Bereiches begrenzt werden sollte, beruht auf der Tatsache, daß die Legierungen mit einer innerhalb der angegebenen Bereiche liegenden Konzentration wesentlich höhere Permeabilität zeigen, wenn jedoch diese Bereiche überschritten werden,

verschlechtern sich deren Eigenschaften. Die erfindungsgemäßen weichmagnetischen Körper besitzen außer den vorstehend beschriebenen vorzüglichen weichmagnetischen Eigenschaften noch den Vorteil, daß die Legierungen, aus denen sie hergestellt sind, leicht geschmiedet und gewalzt werden können und im Endzustand einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 77 bis 86% Nickel, 14 bis 23% Mangan, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

2. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 70 bis 84% Nickel, 10 bis 25% Mangan und bis zu 14% Eisen, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

3. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 76,5 bis 83% Nickel, 13,5 bis 22% Mangan und bis zu 5% Vanadium, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

4. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 77,5 bis 89% Nickel, 8,5 bis 22,5% Mangan und bis zu 4,5% Silizium, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

5. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 76 bis 85% Nickel, 12 bis 23% Mangan und bis zu 7% Titan, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

6. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 75 bis 84% Nickel, 15 bis 23% Mangan und bis zu 8% Molybdän, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

7. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 77,5 bis 85% Nickel, 12 bis 22,5% Mangan und bis zu 4,5% Aluminium, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

8. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 76 bis 84% Nickel, 16 bis 22,5% Mangan und bis zu 3,5% Chrom, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

9. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 74 bis 84% Nickel, 15 bis 22,5% Mangan und bis zu 5,5% Wolfram, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

10. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 75. bis 85% Nickel, 13 bis 22,5% Mangan und bis zu 8% Antimon, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

11. Weichmagnetische Körper aus einer Legierung, bestehend aus 75,5 bis 84% Nickel, 14 bis 22,5% Mangan und bis zu 6% Kupfer, mit der Maßgabe einer Anfangspermeabilität von 2000 und mehr.

12. Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischen Körpern nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durch Erhitzen oberhalb der Ni₃Mn-Ordnungs-Umwandlungslinie, Abkühlen auf Raumtemperatur und gegebenenfalls Nacherhitzen bei Temperaturen unterhalb dieser Linie, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen bei einer Temperatur von 700 bis 1100⁰C in einer nichtoxydierenden Atmosphäre zwischen 10 Minuten und 10 Stunden erhitzt und dann mit einer von der Legierungszusammensetzung abhängenden Geschwindigkeit zwischen l°C/h und 200°C/sec. abgekühlt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper schließlich noch bei einer Temperatur zwischen 150 und 650⁰C wärmebehandelt werden.