DE19612556C2 - Verwendung einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung - Google Patents
Verwendung einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-LegierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-
Legierung mit sehr hoher magnetischer Permeabilität.
Weichmagnetische Werkstoffe sind durch geringe Ummagnetisierungsverluste
gekennzeichnet. Geringe Ummagnetisierungsverluste haben neben einer kleinen
Koerzitivfeldstärke insbesondere hohe magnetische Permeabilitäten zur
Voraussetzung. Um hohe magnetische Permeabilitäten zu erreichen, ist es
erforderlich, sowohl die Kristallanisotropiekonstante K1 als auch die
Magnetostriktionskonstante λ möglichst klein zu halten. In Nickel-Eisen-
Legierungen kann die Kristallanisotropiekonstante im Konzentrationsbereich
zwischen 57 und 75 Masse-% Nickel mit Hilfe einer geeigneten
Wärmebehandlung zum Verschwinden gebracht werden. Bei 80 Masse-%
Nickel wird die Magnetostriktionskonstante λ111, bei 83 Masse-% Nickel die
Magnetostriktionskonstante λ100 zu Null. In dem Bereich um 79 bis 80 Masse-%
Nickel lassen sich im Sinne eines Kompromisses sowohl kleine
Kristallanisotropien als auch kleine Magnetostriktionskonstanten erzielen. Dort
werden in binären Nickel-Eisen-Legierungen deshalb bisher die höchsten
magnetischen Permeabilitäten erzielt. Die Verhältnisse lassen sich nochmals
verbessern, wenn Kupfer, Molybdän oder Chrom zulegiert werden.
Der Stand der Technik ist zusammenfassend in Metals Handbook, 9. Auflage,
Vol. 3, 1980, S. 602 und 603 beschrieben. Dort sind beispielhaft die
kommerziellen Legierungen Supermalloy mit nominell (alle Angaben in Masse-
%) 79Ni, 5Mo, Moly Permalloy und Hymu 80 mit nominell 79Ni, 4Mo sowie
Mumetal mit nominell 77Ni, 5Cu, 2,75Cr genannt. Die DIN 17 745, Ausgabe
Januar 1973 nennt die Legierung NiFe15Mo mit 3 bis 5Mo, NiFe16CuCr mit 4
bis 6Cu und 1,5 bis 2,5Cr sowie NiFe16CuMo mit 4 bis 6Cu und 3 bis 5
Mo, wobei in allen 3 Fällen der Nickelgehalt bis zu 1% Kobalt ausdrücklich
einschließt. Die ASTM Standard Specification for Nickel-Iron Soft Magnetic
Alloys, A 753-85 sowie die US Military Specification MIL-N-14411 C (MR)
machen hiervon im einzelnen etwas abweichende Angaben. Tabelle 1 gibt die
Angaben zur chemischen Zusammensetzung aus diesen 3 Spezifikationen
zusammenfassend wieder.
Neben den vorstehend angegebenen Hauptlegierungselementen ist der
Reinheitsgrad dieser Legierungen von erheblicher Bedeutung für ihre
weichmagnetischen Eigenschaften. So wird in Metals Handbook, 9. Auflage,
Vol. 3, 1980, S. 602, Spalte 3 Absatz 3 angegeben, daß die interstitiellen
Verunreinigungen wie diejenigen an Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel,
Sauerstoff und an nichtmetallischen Verunreinigungen gering gehalten werden
müssen. Nichtmetallische Verunreinigungen entstehen aufgrund der
erforderlichen Desoxidationsbehandlung der Schmelzen vor dem Gießen. Die
Folge sind feinverteilte nichtmetallische Einschlüsse. Je nach Art der
angewendeten Desoxidationsmittel können diese nichtmetallischen Einschlüsse
aus Oxiden von Aluminium, Calzium, Magnesium oder anderen
sauerstoffaffinen Elementen bestehen. Aufgrund dieser Erkenntnisse werden
weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierungen mit Nickelgehalten um 80% und
höchsten Anforderungen an die weichmagnetischen Eigenschaften nach dem
Stand der Technik bisher aus ausgewählten sauberen Einsatzstoffen mit Hilfe
der Vakuumschmelztechnik hergestellt, wie für die in der DE OS 39 10 147
genannten Beispiele auf S. 8, Zeile 53 und auf Seite 10, Zeile 28 ausdrücklich
angegeben wird. Auch dabei können nach dem dort beschriebenen Stand der
Technik schon weitere besondere Maßnahmen wie das Zulegiern von Bor oder
die Einstellung eines Calziumgehalts von 0,0007 bis 0,006% in Verbindung
mit einem einzugrenzenden Mangangehalt erforderlich werden.
Fortschritte in Elektrotechnik und Elektronik führen nun dazu, daß derartige
Werkstoffe mit höchsten Anforderungen an die weichmagnetischen
Eigenschaften in zunehmendem Umfang benötigt werden, so daß die
Herstellung mit Hilfe üblicher Stahlwerkstechnologie von zunehmendem
Interesse wird. Unter üblicher Stahlwerkstechnologie wird hierbei das
Erschmelzen im offenen Lichtbogenofen mit nachfolgender Pfannenmetallurgie
zur Desoxidation, Entschwefelung und Entgasung verstanden.
Der US 5,500,057 ist eine Nickellegierung zu entnehmen, deren Kupfergehalt
zwischen 1,5 und 3 Gew.-% beträgt. Ein Optimum der Anfangspermeabilität
bei einem Parameter X wird im Bereich von 3,3-3,7 erreicht.
Das DE-Buch: S. Cedigkian, Die magnetischen Werkstoffe, Grundlagen,
Eigenschaften und Anwendungen, Düsseldorf 1973, S. 225-235 nennt u. a.
hochnickellegierte Sorten mit 70-80 Gew.-% Ni ohne weitere Angaben über
die Zusammensetzung. Die Anfangspermeabilitäten der hier aufgeführten
Eisen-Nickel-Legierungen liegen bei max. 100.000 und die
Maximalpermeabilität ist lediglich bei zwei bekannten Legierungen oberhalb von
400.000 angesiedelt.
In ähnlicher Form ist das GB-Buch: R. A. Mc Currie, Ferromagnetic Material
Structure and Properties, London 1994, S. 40-43 zu werten, da hier nur die
Grundzusammensetzung von Supermalloy, mit 79% Ni, 16% Fe und 5% Mo
angegeben ist.
Auch aus dem DD-Buch: H. Reinboth, Technologie und Anwendung
magnetischer Werkstoffe, Berlin 1970, S. 170-181, ergibt sich nichts
Zusätzliches. Es wird eine Legierung Supermalloy mit der vorgenannten
Grundzusammensetzung herausgestellt, deren Anfangspermeabilitäten über
100.000 liegen. Es wird angegeben, daß diese Legierung unter Vakuum
erschmolzen wird.
Das NE-Buch: C. W. Chen, Magnetium and Metallurgy of soft magnetic
materials, Amsterdam 1977, S. 385-391 geht nicht über den Aussagegenalt
der vorangegangenen Druckschriften hinaus.
Auch die der US-A 4,935,201 zu entnehmenden Legierungen werden unter
Vakuum erschmolzen. Es wird ferner die Lehre angeführt, Kalzium in einer
solchen Menge zuzusetzen, daß Schwefel vollständig gebunden wird mit einem
Verhältnis Ca/S < 1,5 und < 3,5.
Es war deshalb die Aufgabe gestellt, einen ausgewählten Legierungsbereich zu
finden, der auch unter derart äußerst erschwerten Voraussetzungen die
Einstellung sehr hoher weichmagnetischer Eigenschaften, gemessen als
Anfangs- und als Maximalpermeabilitäten erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer offen erschmolzenen, mit
Aluminium und/oder Silizium desoxidierten Nickellegierung folgender
Zusammensetzung (in Masse%):
79 bis 81% Nickel
4 bis 6% Molybdän
0,002 bis 0,020% Aluminium und/oder
0,1 bis 0,5% Silizium
79 bis 81% Nickel
4 bis 6% Molybdän
0,002 bis 0,020% Aluminium und/oder
0,1 bis 0,5% Silizium
Rest Eisen einschl. unvermeidbarer Verunreinigungen, bei denen u. a.
Magnesium auf weniger als 0,0015% und Kalzium auf weniger als 0,0008%
und die Summe Magnesium + Kalzium auf weniger als 0,0020% begrenzt
sind, als Werkstoff für weichmagnetische Bauteile, die eine
Anfangspermeabilität µ4 < 280.000 und eine bei 50 Hz gemessene maximale
Permeabilität µmax. < 400.000 aufweisen müssen.
Der Nickelgehalt liegt bevorzugt im Bereich von 80 bis 81% und der
Molybdängehalt bei 4,5 bis 5,5%.
Chrom und Kupfer können jeweils bis 0,4 Masse-% enthalten sein und Mangan
bis 0,8 Masse-%. Kobalt sollte auf max. 0,04% begrenzt werden.
Die Legierung ist weiter gekennzeichnet durch einen Kobaltgehalt von max.
0,04 Masse-%.
Im Vergleich zum Stand der Technik zeigt sich dabei überraschenderweise, daß
es für die Erzielung höchster magnetischer Permeabilitäten vor allem auf die
Einstellung von in definierter Weise eingeschränkten Gehalten an Calzium und
Magnesium ankommt. Andere desoxidierend wirkende Elemente wie
insbesondere Silizium und überraschenderweise auch Aluminium haben
dagegen keinen so starken Einfluß. Die Gegenüberstellung in Tabelle 2 macht
dies in Verbindung mit der nachfolgenden Tabelle 3 deutlich.
Zur Charakterisierung und Bestimmung der magnetischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Legierung wurden 30 to-Chargen aus dem offenen Lichtbogenofen mit anschließender Pfannen
behandlung über eine Block- und anschließende Warmbandwalzung an etwa 4 mm und
anschließenden Kaltverformungen mit Zwischenglühung an Band der Dicke 0,07 mm gewalzt.
Aus diesem kaltgewalzten Band wurden mit MgO-Puder isolierte Ringbandkerne der
Abmessung 22 mm × 15,5 mm × 20 mm gewickelt. Auf diese Art gefertigte Ringbandkerne
wurden einer Wärmebehandlung unter einer trockenen Wasserstoffatmosphäre, die wie folgt
beschrieben ist, unterzogen:
- - Aufheizung in etwa 4 bis 5 Stunden auf 1100°C
- - 6-stündiges Halten bei 1100°C
- - Abkühlung in etwa 6 bis 7 Stunden auf einen Temperaturbereich bei dem die höchste Permeabilität ermittelt wird (um etwa 480°C) zur Einstellung der Kristallanisotropie konstanten K1 = 0
- - schnelle Abkühlung an Luft bis Raumtemperatur
Entsprechend der Aufgabenstellung ist der erfindungsgemäße Werkstoff magnetisch dadurch
gekennzeichnet, daß die bei der Frequenz 50 Hz gemessene Anfangspermeabilität µ4 - d. h.
gemessen bei der Feldstärke H = 4 mA/cm - Werte größer 280000 und die Maximalpermeabilität
µmax-Werte größer 400000 deutlich überschritten wird. Das ist für den Stand der Technik nicht
der Fall, wie die nachfolgende Tabelle 3 zeigt:
Die erfindungsgemäßen Legierungen E1, E2 und E3 zeichnen sich gemäß Tabelle 2 durch
Magnesiumgehalte bis zur 0,0008% aus. Der obere Grenzwert von 0,0015% Mg für den
erfindungsgemäß beanspruchten Legierungsbereich leitet sich aus weiteren beispielhaften
Erschmelzungen ab, welche im Fall eines im erfindungsgemäßen Bereich liegenden Calzium
gehalts mit 0,0012% Mg zu den entsprechend der Aufgabenstellung zu erreichenden
Permeabilitätswerten führen, mit 0,0018% Mg und mehr aber nicht, wie die nachfolgende
Tabelle 4 zeigt:
Betrachtet man nun den Calziumgehalt der in Tabelle 2 aufgeführten Legierungsbeispiele, so
liegen diese für die erfindungsgemäßen Legierungen E1 bis E3 zwischen 0,0003 und 0,0006%,
im Fall der zum Stand der Technik gehörenden Legierungen T1 bis T4 zwischen 0,0010 und
0,0014%. Die mit max. 0,0008% Calzium angegebene Abgrenzung des beanspruchten
Legierungsbereichs leitet sich daraus ab. Wie Tabelle 4 in Ergänzung deutlich macht, gehörten die
Legierungen T9 und T11 trotz ihres im erfindungsgemäßen Bereich liegenden Magnesiumgehalts
mit 9 Masse-ppm entsprechend 0,0009 Masse-% Ca tatsächlich dem Stand der Technik an.
Um zu der erfindungsgemäßen Legierung zu kommen, müssen die Schmelzen demnach mit
Silizium und ggfs. etwas Aluminium desoxidiert werden, während die Aufnahme von Magnesium
und Calzium durch Verwendung eines geeigneten Pfannenfutters und Anwendung einer hierfür
geeigneten Prozeßführung auf die erfindungsgemäßen oberen Grenzwerte beschränkt werden
muß.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, den gemäß dem in Tabelle 1 entweder
gar nicht oder mit max. 0,5 oder max. 1% beschränkten Kobaltgehalt auf max. 0,04% zu
begrenzen. Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß höhere Kobaltgehalte als
0,04% den um etwa 480°C liegenden Temperaturbereich, bei dem die höchste magnetische
Permeabilität ermittelt wird (s. o.), sehr schmal machen. Da sich in industriellen
Öfen gewisse Temperaturgradienten nicht vermeiden lassen, wird damit die
industrielle Verarbeitbarkeit sehr erschwert. Das läßt sich durch die
erfindungsgemäße Einschränkung des Kobaltgehalts vermeiden. So wurde in zwei
beispielhaften Fällen die Breite des Temperaturbereichs, bei dem sich höchste
magnetische Permeabilitäten erzielen lassen, bei Anwesenheit von 0,06 Masse-%
Kobalt zu 7°C ermittelt, im Fall eines auf 0,03 Masse-% eingeschränkten
Kobaltgehalts aber zu 22°C.
Claims (5)
1. Verwendung einer offen erschmolzenen, mit Aluminium
und/oder Silizium desoxidierten Nickellegierung folgender
Zusammensetzung (in Masse-%):
79 bis 81% Nickel
4 bis 6% Molybdän
0,002 bis 0,020% Aluminium und/oder
0,1 bis 0,5% Silizium
Rest Eisen einschl. unvermeidbarer Verunreinigungen, bei denen u. a. Magnesium auf weniger als 0,0015% und Kalzium auf weniger als 0,0008% und die Summe Magnesium + Kalzium auf weniger als 0,0020% begrenzt sind, als Werkstoff für weichmagnetische Bauteile, die eine Anfangspermeabilität µ4 < 280.000 und eine bei 50 Hz gemessene maximale Permeabilität µmax. < 400.000 aufweisen müssen.
79 bis 81% Nickel
4 bis 6% Molybdän
0,002 bis 0,020% Aluminium und/oder
0,1 bis 0,5% Silizium
Rest Eisen einschl. unvermeidbarer Verunreinigungen, bei denen u. a. Magnesium auf weniger als 0,0015% und Kalzium auf weniger als 0,0008% und die Summe Magnesium + Kalzium auf weniger als 0,0020% begrenzt sind, als Werkstoff für weichmagnetische Bauteile, die eine Anfangspermeabilität µ4 < 280.000 und eine bei 50 Hz gemessene maximale Permeabilität µmax. < 400.000 aufweisen müssen.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,
jedoch mit 80 bis 81% Ni und 4,5 bis 5,5% Mo für den Zweck
nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1,
die jeweils bis 0,4% Chrom und/oder Kupfer und/oder bis 0,8%
Mangan enthält für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, jedoch mit einem Kobaltgehalt von max. 0,04% für den
Zweck nach Anspruch 1.
5. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1
bis 4, bei der die Gehalte an Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff
und Sauerstoff auf folgende Werte begrenzt sind (in Masse-ppm):
bis 3 ppm S,
bis 5 ppm P,
bis 30 ppm C,
bis 30 ppm O in gebundener Form als Oxid.
bis 3 ppm S,
bis 5 ppm P,
bis 30 ppm C,
bis 30 ppm O in gebundener Form als Oxid.
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1996112556 Revoked DE19612556C2 (de) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | Verwendung einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0890177A1 (de) |
| DE (1) | DE19612556C2 (de) |
| WO (1) | WO1997037361A1 (de) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19900351A1 (de) * | 1999-01-07 | 2000-07-13 | Krupp Vdm Gmbh | Weichmagnetische Eisen-Nickel-Legierung |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4935201A (en) * | 1988-05-13 | 1990-06-19 | Nkk Corporation | Ferromagnetic Ni-Fe alloy, and method for manufacturing alloy article having excellent surface quality of said alloy |
| US5500057A (en) * | 1993-04-30 | 1996-03-19 | Nkk Corporation | NI-FE magnetic alloy and method for producing thereof |
-
1996
- 1996-03-29 DE DE1996112556 patent/DE19612556C2/de not_active Revoked
-
1997
- 1997-03-15 EP EP97908240A patent/EP0890177A1/de not_active Withdrawn
- 1997-03-15 WO PCT/EP1997/001310 patent/WO1997037361A1/de not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4935201A (en) * | 1988-05-13 | 1990-06-19 | Nkk Corporation | Ferromagnetic Ni-Fe alloy, and method for manufacturing alloy article having excellent surface quality of said alloy |
| US5500057A (en) * | 1993-04-30 | 1996-03-19 | Nkk Corporation | NI-FE magnetic alloy and method for producing thereof |
Non-Patent Citations (8)
| Title |
|---|
| ASTM Standard A 753-85 * |
| DD-Buch: REINBOTH, H.: Technologie und Anwendung magnetischer Werkstoffe, Berlin 1970, S. 170-181 * |
| DE-Buch: CEDIGHAN, S.: Die magnetischen Werk- stoffe, Düsseldorf 1973, S. 225-235, insbes. S. 231 * |
| DIN 17745 * |
| GB-Buch: Mc CURRIE, R.A.: Ferromagnetic mate- rials, London 1994, S. 40-43 * |
| Metals Handbook, Bd. 3, 9. Anf.,, 1980, S.602/603 * |
| MIL-N-14411 C (MR) * |
| NE-Buch: CHEN, C.".: Magnetism and metallurgy of magneticmaterials, Amsterdam 1977, S. 385-391 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0890177A1 (de) | 1999-01-13 |
| WO1997037361A1 (de) | 1997-10-09 |
| DE19612556A1 (de) | 1997-10-02 |
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