DE19628138C1

DE19628138C1 - Iron@-nickel@ alloy for making soft magnetic components

Info

Publication number: DE19628138C1
Application number: DE1996128138
Authority: DE
Inventors: Bodo Dipl Phys Gehrmann; Angelika Dr Kolb-Telieps; Ulrich Dr Heubner; Walter Dipl Ing Kramer; Wolfgang Moettgen
Original assignee: Krupp VDM GmbH
Current assignee: Krupp VDM GmbH
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2016-07-13
Also published as: EP0818551A1

Abstract

Iron-nickel alloy contains in wt.%: 46-49 nickel; 0.5-1 titanium; 1.5-2 niobium; maximum 0.5 manganese; maximum 0.3 silicon; balance Fe and usual impurities.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisen-Nickel-Le gierung für hochpermeable weichmagnetische Bauteile mit einer Koerzitivfeldstärke Hc von max. 12 A/m bei einer Sättigungsflußdichte von größer als 1,35 T und einer mechanischen Härte HV10 < 125, insbesondere für Joche und Anker von elektromagnetischen Relais mit einer Härte HV10 < 140.The invention relates to the use of an iron-nickel Le alloy for highly permeable soft magnetic components a coercive field strength Hc of max. 12 A / m at one Saturation flux density greater than 1.35 T and one mechanical hardness HV10 <125, especially for yokes and Armature of electromagnetic relays with a hardness HV10 <140.

Es ist bekannt, daß weichmagnetische Eisen-Nickel-Le gierungen Anwendung als Werkstoff für Kerne und Joche für elektromagnetische Relais finden. Die Hauptanforderungen, die an solche Bauteile gestellt werden, sind eine hohe Permeabilität und eine sich aus der schmalen Hystereseschleife ergebende niedrige Koerzitivfeldstärke. Eine kleine magnetische Feldstärke, d. h. ein geringer erregender Strom im Luftspalt, soll nämlich eine hohe Flußdichte erzeugen, damit eine hohe Anziehungskraft auf den Anker ausgeübt wird. Außerdem ermöglicht eine niedrige Koerzitivfeldstärke ein leichtes Öffnen des Relais bei Unterbrechung des erregenden Stromes.It is known that soft magnetic iron-nickel-Le Alloys Application as material for cores and yokes for electromagnetic relays. The Main requirements placed on such components are a high permeability and one out the narrow hysteresis loop resulting in low Coercive field strength. A small magnetic field strength d. H. a low exciting current in the air gap, should namely generate a high flux density, thus a high Attraction is exerted on the anchor. Furthermore A low coercive force enables a light one The relay opens when the excitement is interrupted Current.

Der Stand der Technik für weichmagnetische Eisen-Nickel-Le gierungen als Kern- und Joch-Werkstoff für elektro magnetische Relais ist hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften in Tabelle 1 beschrieben, die der Norm DIN 17 405 "Weichmagnetische Werkstoffe für Gleichstromrelais" bezüglich der Werkstoffgruppe der Nickelstähle und Nickellegierungen auszugsweise entnommen ist. The state of the art for soft magnetic iron-nickel-le alloys as core and yoke material for electro magnetic relay is in terms of magnetic Properties described in Table 1 that the standard DIN 17 405 "Soft magnetic materials for DC relays" regarding the material group of nickel steels and Extracts of nickel alloys are extracted.

Die Norm DIN 17 745 "Knetlegierungen aus Nickel und Eisen" nennt als Ausgangswerkstoffe für die Sorten RNi 12 und RNi 8 die Legierung Ni 48 (Werkstoffnummern 1.3926 und 1.3927) mit rd. 50 Masse-% Ni. Die Sorten RNi 12 und RNi 8 haben eine Sättigungsflußdichte Bs von etwa 1,5 T. Neben den Relaiswerkstoffen mit etwa 50 Masse-% Nickel gibt es gemäß Tabelle 1 auf der einen Seite die Sorte RNi 24, d. h. Legierungen mit etwa 36 Masse-% Nickel, und auf der anderen Seite die Sorten RNi 5 und RNi 2, welche Legierungen mit etwa 80 Masse-% Nickel sowie mit Gehalten an den Elementen Kupfer, Chrom und Molybdän entsprechen.The standard DIN 17 745 "wrought alloys made of nickel and iron" names as starting materials for the types RNi 12 and RNi 8 the alloy Ni 48 (material numbers 1.3926 and 1.3927) with approx. 50 mass% Ni. The RNi 12 and RNi 8 have a saturation flux density Bs of about 1.5 T. In addition to the relay materials with about 50% by mass of nickel there is the variety according to Table 1 on one side RNi 24, i.e. H. Alloys with about 36% by mass of nickel, and on the other hand, the varieties RNi 5 and RNi 2, which Alloys with about 80% by mass nickel and with contents correspond to the elements copper, chrome and molybdenum.

Tabelle 1 Table 1

Magnetische Eigenschaften der Eisen-Nickel-Relaiswerkstoffe nach DIN 17 405 Magnetic properties of the iron-nickel relay materials according to DIN 17 405

Die Legierungen mit mittleren Nickelgehalten um etwa 50 Masse-% unterscheiden sich sowohl von den Legierungen mit niedrigen Nickelgehalten um etwa 36 Masse-% als auch von den Legierungen mit hohen Nickelgehalten um etwa 80 Masse-% insbesondere durch eine höhere magnetische Induktion bei einer Feldstärke von 4000 A/m, welche der Sättigungsinduktion entspricht. Legierungen mit mittleren Nickelgehalten zwischen etwa 45 und 50 Masse-% weisen die im Zweistoffsystem Eisen-Nickel höchsten erreichbaren Sättigungsinduktionen auf. Die entsprechenden technischen Legierungen sind hierbei frei von weiteren Legierungselementen. Sowohl die hochnickelhaltigen Legierungen als auch die Legierungen mit mittleren und niedrigen Nickelgehalten sind nach einer mehrstündigen Wärmebehandlung bei Temperaturen um 1100°C weich mit mechanischen Härtewerten von HV10 = 90 bis 110.The alloys with average nickel contents around 50% by mass differ from the alloys with low nickel contents around 36% by mass as well of the alloys with high nickel contents around 80% by mass, in particular due to a higher magnetic Induction at a field strength of 4000 A / m, which is the Saturation induction corresponds. Alloys with medium Nickel contents between about 45 and 50 mass% show that highest achievable in the two-substance system iron-nickel Saturation induction. The corresponding technical Alloys are free of other alloys Alloy elements. Both the high nickel ones Alloys as well as the alloys with medium and low nickel levels are after a few hours Heat treatment at temperatures around 1100 ° C with soft mechanical hardness values of HV10 = 90 to 110.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Eisen-Nickel-Le gierung für weichmagnetische Bauteile zu schaffen, welche die geforderte niedrige Koerzitivfeldstärke bei ausreichender Sättigungsinduktion und eine möglichst hohe Permeabilität, vorzugsweise für den Einsatz als Kern- und Joch-Werkstoff für elektromagnetische Relais besitzt und darüberhinaus mechanische Härtewerte von HV10 < 125 erreicht.The object of the invention is now an iron-nickel Le to create alloy for soft magnetic components, which contributes to the required low coercive force sufficient saturation induction and the highest possible Permeability, preferably for use as a core and Yoke material for electromagnetic relays owns and furthermore mechanical hardness values of HV10 <125 reached.

Eine erhebliche Steigerung der Festigkeit kann durch Ausscheidungshärtung erzielt werden. Bei Nickel- bzw. Eisenbasislegierungen ist dies durch die Elemente Ti, Al und Nb möglich. Diese Elemente sind in diesen Systemen in begrenztem Umfang löslich, so daß aus einem übersättigten Mischkristall durch geeignete Glühbehandlung fein verteilte Ausscheidungen in der Matrix erzeugt werden können. Die aufgrund dieser temperaturabhängigen Löslichkeit erzeugten Ausscheidungen erschweren die Bewegung von Versetzungen. Die stärkste Behinderung der Bewegung von Versetzungen in einer Matrix mit fein verteilten Ausscheidungen liegt dann vor, wenn diese einen Durchmesser von rd. 20-50 nm haben. Das entspricht in Legierungen mit rd. 50% Ni aber zugleich auch in etwa der Dicke der Blochwände, so daß man eine zu starke Beeinträchtigung von deren Beweglichkeit erwartet hat, im Gegensatz zu den Legierungen mit höherem Nickelgehalt im Bereich um 77%, bei denen die Blochwanddicke außerhalb dieser Größenordnung liegt. Die bekannten aushärtbaren hochnickelhaltigen Legierungen mit Ti- und Nb-Zusätzen weisen aber eine relativ niedrige Sättigungsflußdichte auf.A significant increase in strength can be achieved by Precipitation hardening can be achieved. With nickel or Iron-based alloys this is due to the elements Ti, Al and Nb possible. These elements are in in these systems limited solubility, so that from a supersaturated Mixed crystal fine by suitable annealing treatment distributed excretions are generated in the matrix can. The due to this temperature dependent Excretions produced by solubility complicate the Movement of transfers. The strongest disability of the Movement of dislocations in a matrix with fine Distributed excretions exist if these a diameter of approx. Have 20-50 nm. The corresponds in alloys with approx. 50% Ni but at the same time also roughly the thickness of the Bloch walls, so that one too severe impairment expected from their mobility has, in contrast to the alloys with higher Nickel content around 77%, where the Blochwandthickness is outside this range. The known hardenable alloys with high nickel content Ti and Nb additives have a relatively low level Saturation flux density.

Wie der aus DE-C-29 40 532 bekannte Werkstoff 243 M zeigt, ist eine wesentlich höhere Härte bei einer Eisen- Nickel-Legierung durch Zulegieren von Titan und Niob möglich. Bei einer Zusammensetzung von (in Masse-%) etwa 42% Ni, 2,1% Ti und 0,6% Nb und weiteren Elementen weist dieser Werkstoff nach einer vierstündigen Wärmebehandlung bei 1080°C eine Härte von etwa 340 HV10 auf. Die hierbei vorliegende sehr hohe Koerzitivfeldstärke von etwa 100 A/m und die sehr niedrige Maximalpermeabilität von etwa nur 2500 erfüllen aber nicht die magnetischen Mindestanforderungen für den Einsatz als Kern- und Joch-Werkstoff für elektromagnetische Relais.Like the material 243 M known from DE-C-29 40 532 shows is a much higher hardness with an iron Nickel alloy by alloying titanium and niobium possible. With a composition of (in mass%) about 42% Ni, 2.1% Ti and 0.6% Nb and other elements shows this material after a four hour Heat treatment at 1080 ° C a hardness of about 340 HV10 on. The present very high one Coercive field strength of about 100 A / m and the very meet low maximum permeability of only 2500 but not the minimum magnetic requirements for the Use as core and yoke material for electromagnetic relays.

Erfindungsgemäß gelingt es nun bei Legierungen mit etwa 50% Ni eine deutliche Steigerung der mechanischen Härtewerte zu erzielen, ohne daß es zu starkem Permeabilitätsverlust kommt.According to the invention, alloys with approximately 50% Ni a significant increase in mechanical To achieve hardness values without being too strong Loss of permeability is coming.

Die vorerwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verwendung einer Legierung, bestehend aus (in Masse-%):The above-mentioned object is achieved according to the invention by Use of an alloy consisting of (in mass%):

46,0 bis 49,0% Nickel,
0,5 bis 1,0% Titan,
1,5 bis 2,0% Niob,
max. 0,5% Mangan,
max. 0,3% Silizium,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.46.0 to 49.0% nickel,
0.5 to 1.0% titanium,
1.5 to 2.0% niobium,
Max. 0.5% manganese,
Max. 0.3% silicon,
Balance iron and manufacturing-related impurities.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Eisen-Nickel-Legierung erzielt die Normwerte der magnetischen Eigenschaften der bekannten Relaiswerkstoffsorten RNi 12 und RNi 8. The iron-nickel alloy to be used according to the invention achieves the standard values of the magnetic properties of the well-known relay material types RNi 12 and RNi 8.

Die magnetischen Eigenschaften sind ausreichend dafür, um diese Legierung als Kern- und Joch-Werkstoff für elektromagnetische Relais anzuwenden. So erreicht die Eisen-Nickel-Legierung z. B. nach einer vierstündigen Wärmebehandlung bei 1080°C mit Ofenabkühlung bis 450°C und anschließender Abkühlung an Luft eine Maximal permeabilität von etwa 35 000. Die Koerzitivfeldstärke Hc ist mit etwa 11 A/m sogar niedriger als der in der Norm DIN 17 405 für die Werkstoffsorte RNi 12 geforderte maximale Grenzwert von 12 A/m. Diese Werte sind mittels statischer Magnetisierungsmessungen bestimmt worden, die an aus 1,0 mm und 1,5 mm dicken gestanzten Ringen durchgeführt wurden.The magnetic properties are sufficient to this alloy as core and yoke material for apply electromagnetic relays. So the Iron-nickel alloy z. B. after a four-hour period Heat treatment at 1080 ° C with furnace cooling down to 450 ° C and subsequent cooling in air a maximum permeability of about 35,000. The coercive force Hc at around 11 A / m it is even lower than that in the standard DIN 17 405 required for the RNi 12 grade maximum limit of 12 A / m. These values are average static magnetization measurements have been determined on rings made of 1.0 mm and 1.5 mm thick were carried out.

Anhand eines Beispiels wird die Erfindung erläutert.The invention is explained using an example.

example

Eine erfindungsgemäß zu verwendende Fe-Ni-Legierung E mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 wurde in einem 30 t Lichtbogenofen erschmolzen und nach einer Block- und Warmbandwalzung zu Band der Prüfdicken 1,0 mm und 1,5 mm kaltgewalzt.An Fe-Ni alloy E to be used according to the invention the composition according to Table 2 was in a 30 t Arc furnace melted and after a block and Hot strip rolling to strips of test thicknesses 1.0 mm and 1.5 mm cold rolled.

Die magnetischen Eigenschaften der Legierung E sind in Tabelle 3 im Vergleich zu den Werten der bekannten Werkstoffe RNi 8, RNi 12 und RNi 24 aufgeführt. Neben den ausreichenden magnetischen Eigenschaften weist der Werkstoff E im geglühten Zustand eine höhere mechanische Härte von etwa HV10 = 145 als die bekannten Werkstoffe mit HV10 = 110 auf. Die höhere mechanische Härte im geglühten Zustand bewirkt eine erhöhte Verschleißfestigkeit der Oberflächen der aus diesem Werkstoff E hergestellten Bauteile. The magnetic properties of alloy E are in Table 3 compared to the values of the known Materials RNi 8, RNi 12 and RNi 24 listed. In addition to the sufficient magnetic properties material E in the annealed condition is higher mechanical hardness of about HV10 = 145 than the known ones Materials with HV10 = 110. The higher mechanical Hardness in the annealed condition causes an increased Wear resistance of the surfaces from this Material E manufactured components.

Tabelle 2 Table 2

Chemische Zusammensetzung der erfindungs gemäß zu verwendenden Legierung E (in Masse-%) Chemical composition of the alloy E to be used according to the invention (in% by mass)

Tabelle 3 Table 3

Magnetische Eigenschaften und Härte der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung E und der bekannten Werkstoffe RNi 24, RNi 12, RNi 8 Magnetic properties and hardness of alloy E to be used according to the invention and the known materials RNi 24, RNi 12, RNi 8

Claims

1. Use of an iron-nickel alloy with (in mass%) 46.0 to 49.0% Ni,
0.5 to 1.0% Ti,
1.5 to 2.0% Nb
Max. 0.5% Mn,
Max. 0.3% Si, balance iron and manufacturing-related impurities as a material for soft magnetic components that have a coercive force Hc of max. Must have 12 A / m with a saturation flux density of greater than 1.35 T and a mechanical hardness HV10 <125.

2. Use of the soft magnetic iron-nickel-le Gier according to claim 1 with a mechanical hardness HV10 <140 as material for yokes and anchors from electromagnetic relay.