DE2521422C3 - Verfahren zur Herstellung magnetischer Alnico-Werkstoffe und Verwendung dieser Werkstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Alnico-Werkstoffe - mit verbesserten mechanischen und magnetischen Eigenschaften, bei dem der Werkstoff im Gußzustand im Bereich des Einphasengebiets mit Querschnittsabnahmen zwischen 30 und 95%, insbesondere 70 bis 90%, warmverformt und anschließend wärmebehandelt wird. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung dieser Werkstoffe.

Alnico-Gußlegierungen weisen nach einer Abkühlung aus dem homogenen Bereich und nachfolgendem Anlassen bei Temperaturen zwischen 650 und 550°C hervorragende magnetische Eigenschaften auf und eignen sich daher in besonderem Maße für die Herstellung von Dauermagnet-Werkstoffen. Solche Alnico-Gußlegierungen sind aber so hart und spröde, daß eine Bearbeitung nur durch Schleifen oder Warmtrennen möglich ist. Aus solchen Werkstoffen hergestellte Dauermagnete werden deshalb sofort in endgültiger Form durch Gießen hergestellt. Bei der mechanischen Bearbeitung und der thermischen Behandlung sind Alnico-Gußlegierungen rißanfällig.

Als eine wesentliche technologische Verbesserung wurde daher eine spanlose Verformung durch Schmieden, Walzen oder Strangpressen gegenüber dem Gießen von Alnico-Werkstoffen angesehen. Dabei mußte vorausgesetzt werden, daß die bei Gußwerkstoffen üblichen magnetischen Kennziffern auch bei verformten! Werkstoff erreichbar sein sollten. Dazu wurde vorgeschlagen, Alnico-Gußlegierungen mit einem feinkörnigen Gefüge im Zweiphasengebiet warm zu verformen. Nach dieser Verfahrensweise lassen sich zwar feinkristalline Gußlegierungen warmverformen, jedoch weisen die so behandelten Legierungen keine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften auf und ermöglichen, wegen der immer noch vorhandenen RißanfüHigkeit. keine problemlose span

abhebende Bearbeitung.

Aus der DT-AS 1248 078 ist ein Verfahren zum Herstellen permanenter Magnete aus einer Legierung mit 10 bis 30% Nickel, 7 bis 15% Aluminium, bis 16% Kobait, bis 6% Kupfer und Rest - außer den üblichen Verunreinigungen - Eisen, mit verbesserten magnetischen Eigenschaften und geringer Rißanfalligkeit bekannt, bei dem die Legierung durch Strangpressen zu einem Strang bzw. Knüppel vom Querschnitt des

ίο herzustellenden Magneten verformt wird. Nach diesem bekannten Verfahren soll das Strangpreßverhältnis mindestens 5:1, vorzugsweise 10:1 bis 20:1, betragen, und das Strangpressen soll bei 1140 bis 1240^rC durchgeführt werden. Die nach dem aus der DT-AS 12 48 078 bekannten Verfahren hergestellten Werkstoffe werden also im Bereich des Einphasengebietes warmverformt und anschließend wärmebehandelt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Alnico-Werkstoffs, der sich insbesondere spanabhebend bearbeiten läßt und gleichzeitig verbesserte magnetische Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird in überraschender Weise dadurch gelöst, daß von grobkristallin erstarrtem Werkstoff ausgegangen wird. Der Verlauf der Liquidus- und Soliduslinie sowie die Existenzbereiche der a- und der (α + y)-Berciche werden vom Gehalt der Legierungselemente, insbesondere vom Titan-Gehalt, beeinflußt. Für die in Tabelle 1 wiedergegebenen Legierungen erstreckt sich der Bereich der kubisch-raumzentrierten α-Phase zwischen ca. 1200'Cundca. 1260'C; die untere Grenze des (a+ ^-Bereichs liegt bei ca. 850 C, so daß sich der (a+ y)-Bereich zwischen 850'C und 1200'C erstreckt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Alnico-Werkstoffe lassen sich problemlos spanabhebend bearbeiten und weisen verbesserte magnetische Eigenschaften auf. Die spanabhebende Bearbeitung kann durch Drehen, Bohren, Fräsen oder Gewindeschneiden erfolgen und muß vor der Wärmebehandlung zur Einstellung der gewünschten magnetischen Kennwerte durchgeführt werden. Die Werte für die Koerzitivfeldstärken der magnetischen Polarisation und der magnetischen Flußdichte sind gegenüber dem Ausgangszustand ohne Warmverformung wesentlich erhöht. Die Tabelle 2 zeigt den Vergleich der magnetischen Kennwerte von wärmebehandelten Alnico-Werkstoffen im Gußzustand und nach einer Warmformgebung.

Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß von aus vakuumbehandelter Schmelze abgegossenem Werkstoff ausgegangen wird. Durch die Behandlung der Schmelze im Vakuum wird ein hoher oxidischer Reinheitsgrad erzielt, wobei das Vorhandensein von heterogenen Keimbildnern, die eine feinkörnige Gefugeausbildung verursachen könn-

ss ten, bei der Erstarrung der Schmelze weitgehend unterbunden wird. In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß von mit komplexen Desoxidationsmitteln behandeltem und in heiße Formen mit Kühlplatten oder kalte Formen abgegossenem Werkstoff ausgegangen wird.

Zweckmäßigerweise wird der abgegossene, grobkristalline Werkstoff mit Querschnittsabnahmen zwischen 70 und 90 % verformt, da bei diesen Umformungsgraden eine sehr gute spanabhebende Bearbeitung ge-

hs währleistet ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffs für die Herstellung von

magnetischen, zwischen Warmformgebung und Wärmebehandlung spanend bearbeiteten Bauteilen. Solche Bauteile lassen sich durch Drehen, Bohren oder Fräsen problemlos auf gewünschte Formen und Abmessungen bringen. Auch lassen sich durch Gewindeschneiden aus dem Werkstoff Proben für den Zugversuch herstellen. Darin liegt ein wesentlicher technischer Fortschritt, da solche Proben aus spröden Werkstoffen nicht herzustellen sind. Festigkeitskennwerte von Alnico-Werkstoffen, deren Kenntnisse für die Konstruktion von mechanisch beanspruchten Magnetsystemen notwendig ist, konnten bisher nur durch Näherung von statischen Biegeversuchen ermittelt werden. Durch die Erfindung wird die Herstellung solcher Bauteile für Magnetsysteme möglich, deren Festigkeitskennwerte aus konstruktiven Gründen genau ermittelt werden müssen.

In besonderem Maße eignet sich der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt Werkstoff zur

> Herstellung rißunempfindlicher, magnetischer Bauteile. Bekanntlich sind hochkoerzitive Alnico-Werkstoffe besonders rißanfällig, während die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffe und die daraus gefertigten Bauteile auch bei sehr

ίο kleinen oder sehr großen Abmessungen rißunempfindlich sind.

Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ohne daß sich die Erfindung darauf beschränkt

Tabelle 1 zeigt chemische Zusammensetzungen und Zugfestigkeit von Alnicolegierungen nach der Warmformgebung.

Legierung Chemische Zusammensetzung

Co Ni Cu

Ti

Fe

Zugfestigkeit nach
DIN 50146

(N/mm²)

A	39,3	14,05	2,0	7,10	7,50	29,55	580
B	39,25	14,00	1,95	7,10	7,70	29,50	700
C	40,7	13,70	2,05	7,00	7,10	29,20	500
D	39,2	14,2	3,10	7,60	7,60	27,95	530

Tabelle 2 zeigt magnetische Kennwerte von wärmebehandelten Alnico-Werkstoffen im Gußzustand und nach einer Warmformgebung.

Legierung	Zustand	Magnetwerte	kA/m	Br	(BI Umax
			130	T	kJ/m3
		kA/m	142	1,02	90
Λ	stengelkristallisierter Gußwerkstoff optimal wärmebehandelt	132	144	0,87	52
	warmverformt optimal wärmebehandelt	146	152	0,91	74
B	stengelkristallisierter Gußwerkstoff optimal wärmebehandelt	148	118	0,75	40
	warmverformt optimal wärmebehandelt	164	142	1,01	70
C	stengelkristallisierter Gußwerkstoff optimal wärmebehandelt	120	138	0,83	45
	warmverformt optimal wärmebehandelt	148	144	0,76	42,5
D	regellos erstarrter Gußwerkstoff optimal wärmebehandelt	148		0,73	37,5
	warmverformt optimal wärmebehandelt	158

Beispiel I

Zur Herstellung der Legierungen A und B (Tabelle 1) werden in einem Vakuum-Induktionsofen Elektrolytkobalt, Elektrolyteisen, Nickel und Kupfer zusammen mit einer dem AusgangssauerstolTgehalt der AusgangswerkstolTe äquivalenten Kohleeinwaage eingeschmolzen und einer Vakuum behandlung unterzogen. Danach werden Kohle, Aluminium, Titan und Schwefel zugesetzt. Die Schmelzen werden in heiße Formen mit Kühlplatten abgegossen. Die erstarrte Schmelze weist ein störstellenarmes stengeliges Gefüge auf. Aus dieser Schmelze werden zylindrische Probestäbe mit 34 mm Durchmesser hergestellt. Ein Teil der Probestäbe wird im Gußzustand einer Wärmebehandlung aus drei Schritten unterzogen:

a) Homogenisieren 15 min. bei 1220 bis 1240 C in einer H₂/Luft-Atmosphäre im Magnetfeld,

b) isotherme Salzbadbehandlung im Magnetfeld 15 min. bei 820 bis 850°C an Luft,

c) AnJassen 5 Stunden bei 650 C und 24 Stunden bei 550C.

Anschließend werden an dieser: Stäben zu Vergleichszwecken die magnetischen Kennwerte ermittelt (Tabelle 2). Der andere Teil der Probestäbe wird allseitig in einen Stahlmantel eingefaßt und anschließend in einer Strangpreßanlage warmverformt. Die ummantelten Stäbe werden bei 600°C vorgewärmt und danach in einem Salzbad auf 1200^GC aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 30 Minuten bei dieser Temperatur werden die Stäbe dem Salzbad entnommen, in Glaspulver gewälzt und mit einem Preßverhältnis von F₀ZF, =8:1 (wobei F₀ der Ausgangsquerschnitt und F₁ der Querschnitt des verformten Stabes bedeuten) gepreßt. Die gepreßten Stränge werden in Wasser abgeschreckt und zerteilt. Die Alnico-Kerne werden aus der Ummantelung herausgedrückt und spanabhebend zu Probestäben für den Zerreißversuch und für die Ermittlung der magnetischen Kennwerte bearbeitet. Diese Probestäbe werden der gleichen Wärmebehandlung wie die ursverformten Probestäbe unterzogen. Die mechanischen und magnetischen Kennwerte dieser Proben ergeben sich aus d.11 Tabellen 1 und 2.

Beispiel 2

Die Legierungen C und D, deren chemische Zusammensetzungen aus Tabelle 1 hervorgehen, weiden in einem offenen Induktionsofen erschmolzen. Nach dem Einschmelzen des Einsatzes wird Kohle zugesetzt und die Schmelze zur Intensivierung der (C + O)-Reaktion mit Argon durchspült. Nach dem Abklingen der Kochreaktion wird zur Desoxidation der Schmelzen ein komplexes Desoxidationsmittel Ca-Si-Mg zugesetzt. Danach werden der Legierung C Kohle, Aluminium, Titan und Schwefel sowie der Legierung D Aluminium und Titan zugesetzt. Vor dem Abguß wird die Schmelze nochmals mit Argon durchspült, um die Abscheidung von nichtmetallischen Teilchen aus der Schmelze zu erleichtern. Die Legierung C wird in erhitzte Formen mit Kühlplatte abgegossen, die Legierung D in kalte Formen.

Aus den erstarrten Schmelzen beider Legierungen werden zylindrische Probestäbe mit einem Durchmesser von 56 mm hergestellt. Die Stäbe der Legierung C weisen ein stengelig kristallisiertes Gefüge, Stäbe der Legierung D ein regellos grobkristallines Gefüge auf. Der eine Teil der Probestäbe wird einer Wärmebehandlung wie im Beispiel 1 unterzogen und anschließend zu Vergleichszwecken mit den verformten Probestäben der Ermittlung der magnetischen Kennwerte zugeführt. Der andere Teil der Probestäbe wird, wie im Beispiel ] beschrieben, warmverformt, wobei das Preßverhältnis jedoch 10:1 beträgt. Anschließend werden ebenfalls spanabhebend Probestäbe für den Zugversuch und Tür die Ermittlung der magnetischen Kennwerte hergestellt und einer Wärmebehandlung wie im Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse der mechanischen und magnetischen Kennwerte zeigen die Tabellen 1 und 2.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung magnetischer Alnico-Werkstoffe mit verbesserten mechanischen und magnetischen Eigenschaften, bei dem der Werkstoff im Gußzustand im Bereich des Einphasengebiets mit Querschnittsabnahmen zwischen 30 und 95%, insbesondere 70 bis 90%, warmvert'ormt und anschließend wärmebehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von grob kristallin erstarrtem Werkstoff ausgegangen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von aus vakuumbehandelter Schmelze abgegossenem Werkstoff ausgegangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von mit komplexen Desoxidationsmitteln behandeltem und in heiße Formen mit Kühlplatten oder kalte Formen abgegossenem Werkstoff ausgegangen wird.

4. Verwendung eines nach den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellten Werkstoffs für die Herstellung von magnetischen, zwischen Warmformgebung und Wärmebehandlung spanend bearbeiteten Bauteilen.

5. Verwendung eines nach Ansprüchen 1 bis 3 hergestellten Werkstoffs für die Herstellung rißunempfindlicher magnetischer Bauteile.