DE2539582C3 - Verschleißfeste Legierung - Google Patents

Verschleißfeste Legierung

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DE2539582C3
DE2539582C3 DE19752539582 DE2539582A DE2539582C3 DE 2539582 C3 DE2539582 C3 DE 2539582C3 DE 19752539582 DE19752539582 DE 19752539582 DE 2539582 A DE2539582 A DE 2539582A DE 2539582 C3 DE2539582 C3 DE 2539582C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Legierung mit hoher Permeabilität, die eine hervorragende Abriebbeständigkeit bzw. Verschleißfestigkeit besitzt und für Magnetköpfe (Aufzeichnungsköpfe, Aufnahmebzw. Sprechköpfe, Magnetisierungsköpfe) hervorragend geeignet ist sowie die Verwendung dieser Legierung als Kernmaterial für Magnetköpfe.
Aus der DE-AS 12 51039 ist eine mechanisch formbare, feinkörnige Eisen-Aluminium-Legierung bekannt, die 18 bis 31% Aluminium, das teilweise durch Silicium und/oder Beryllium ersetzt sein kann, Spuren bis 1% Zirkonium, Niob, Titan, Yttrium, Seltene Erdmetalle und/oder Bor und als Rest Eisen enthält und für magnetische Zwecke geeignet ist. Zur Vermeidung der intergranulären Sprödigkeit der rohen gegossenen Eisen-Aluminium-Legierung dieses Standes der Technik ist eine besondere Vorbehandlung dieser Legierung erforderlich.
Die DE-PS 7 12 667 beschreibt eine Silicium-Aluminium-Eisen-Legierung mit hoher Anfangspermeabilität, großem elektrischem Widerstand und geringen Hystereseverlusten, die 5 bis 11% Silicium, 3 bis 10% Aluminium und 82 bis 90% Eisen enthält und die zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften weniger als 2% Bor, Kupfer oder Phosphor enthalten kann.
Aus der DE-OS 22 55 975 ist schließlich eine Legierung, die aus 8,0 bis 11,0 Gew.-% Silicium, 4,0 bis 7,0 Gew.-% Aluminium und zum Rest aus Eisen besteht, bekannt, die als »Sendust«-Legierung bezeichnet wird und die ein Material hoher Permeabilität mit ausgezeichneter Anfangspermeabilität und effektiver Permeabilitätdarstellt.
Obwohl diese Legierung hervorragende magnetische Eigenschaften aufweist, die sie in heißgepreßter, gesinterter Form als magnetisches Material für die Pnlhörner vnn Magnetkönfen geeignet sein läßt, ist sie für die plasi-ische Bearbeitung zu spröde und nur schwer zu schneiden und zu schleifen. Wegen dieser Schwierigkeiten wurde die »Sendust«-Legierung nur für Massekerne verwendet, die durch Verpressen des Legierungspulvere hergestellt werden.
In jüngster Zeit ist jedoch der Wert dieser Legierung wegen ihrer Härte und :hrer Verschleißfestigkeit erneut erkannt worden. Somit wurden Versuche unternommen, diese Legierung als Kernmaterial für Magnetköpfe zu
ίο verwenden.
Als herkömmliche Kernmaterialien für Magnetköpfe wurden bislang Permalloy und Ferrit verwendet Jerioch besitzt Permalloy nur eine schlechte Verschleißfestigkeit und wird schnell durch die Reibung von
is Magnetbändern abgenutzt Auch in Fällen, bei denen Stoßbeanspruchungen auftreten, wie es bei Magnetkarten der Fall ist, ergibt Ferrit Probleme in bezug auf das Absplittern oder Abblättern (im folgenden als »Absplitterfestigkeit« bezeichnet) in den den Spalt bildenden Bereichen des Magnetkopfs.
Aufgrund dieses Nachteils der herkömmlichen Kernmaterialien für Magnetköpfe besteht ein starkes Bedürfnis für die Entwicklung eines Materials mit hoher Permeabilität das sowohl eine hohe Verschleißfestigkeit als auch eine hohe Absplitterfestigkeit besitzt
Obwohl die Sendust-Legierung hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften, der Absplitterfestigkeit und der Verschleißfestigkeit zu befriedigen vermag, zeigt es sich, daß diese Legierung eine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder Abnutzungsbeständigkeit benötigt. Ein weiterer Nachteil dieser Legierung liegt darin, daß sie nur schlecht spanabhebend oder maschinell bearbeitet werden kann. Die Legierung neigt dazu, während der spanabheben-
r> den Bearbeitung, wie des Schleifens und des Schneidens, Risse zu bilden, zu splittern oder abzublättern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Legierung mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften und insbesondere hoher Permeabilität zu
4u schaffen, die spanabhebend oder maschinell bearbeitet werden kann, ohne daß sie hierbei splittert oder abblättert und die eine hohe Verschleißfestigkeit und Absplitterfestigkeit besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Legierung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 gelöst, deren Korngröße durch die verwendeten Legierungsbestandteile se stark verkleinert sind, daß die bislang bei der spanabhebenden oder maschinellen Bearbeitung auftretenden Probleme, wie das Splittern, das Bilden von Rissen und das Abblättern der geschliffenen Flächen verhindert wird.
Das erfindungsgemäß zu verwendend«: Seltene Erdelement kann aus der Cer-Familie, die La, Ce, Pr, Nd, Pm und Sm umfaßt, oder der Yttrium-Familie, die Sc, Y, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu enthält ausgewählt werden und wird vorzugsweise aus der La, Ce, Y, Sm und Gd umfassenden Gruppe ausgewählt Es ist jedoch äußerst vorteilhaft, Mischmetall (im folgenden auch abgekürzt als MM bezeichnet) einzusetzen,
w) das 98 Gew.-% Seltene Erdelemente mit mehr als 40 Gew. % Cer enthält.
Es hat sich ferner gezeigt, daß der Zusatz eines Elements der Gruppe Ti, V, Mo, Cr und Mn einen Multiplikationseffekt bewirkt, wodurch die Verschleißte festigkeit bzw. die Abriebbeständigkeit der Sendust-Legierung verbessert und die Härte der Legierung erhöht werden.
Andererseits beträgt erfindungsgemäß die Zugabe-
menge von Aluminium 4 bis 8 Gew.-% und die von Silicium 8 bis 11 Gew.-%. Dies beruht darauf, daß die Anfangspermeabilität und die effektive Permeabilität der Legierung sich stark verschlechtern, wenn diese Elemente in Mengen zugesetzt werden, die von diesen Zusammensetzungsbereichen abweichen.
Die erfindungsgemäße Legierung ist den herkömmlichen ternären Fe-Si-Al-Legierungen hinsichtlich der Härte erheblich überlegen und weist sehr viel kleinere Kristallkörner als die herkömmlichen Legierungen auf. Als Ergebnis davon neigt die erfindungsgemäße Legierung beim Schneiden und Schleifen weniger zum Absplittern oder Abblättern, wobei die magnetischen Eigenschaften der Legierung, wie die Anfangspermeabilität und die effektive Permeabilität, sich nicht verschlechtern und in einigen Fällen sich sogar verbessern.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung verläuft wie folgt: Zunächst beschickt man einen Tiegel, der aus einem hitzebeständigen Material, das durch die Metallschmelze aus den eingebrachten Materialien nicht angegriffen wird, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Thoriumdioxid oder dergleichen, mit hochreinem Eisen und hochreinem Silicium. Diese Materialien werden durch Erhitzen im Vakuum oder unter einer Inertgasatmosphäre geschmolzen. Nach dem Aufschmelzen setzt man dem geschmolzenen Metall Aluminium, ein Seltenes Erdelement, das zur Verkleinerung der Kristallkörner dient, und Ti plus Mo, Cr, V oder Mn, die zur Steigerung der Härte dienen, zu. Man kann jedoch Ti, Mo, Cr und/oder V von Beginn an in den Tiegel einbringen, statt sie später zuzusetzen.
Wenn Mn gleichzeitig mit Aluminium etc. zugesetzt wird, führt dies nicht nur zu einer besseren Fließfähigkeit der Metallschmelze, sondern auch zu einer erhöhten Festigkeit oder Zähigkeit des daraus gebildeten Gußblocks oder Barrens. Dies erleichtert die spanabhebende oder maschinelle Bearbeitung, wie das Schneiden und Schleifen.
Wie oben beschrieben, werden das Seltene Erdelement und Mangan später zugesetzt, da Aluminium und Mangan bei einer frühen Zugabe verdampfen würden und das Seltene Erdelement mit dem Tiegel reagieren könnte.
Wenn die später zugesetzten Elemente vollständig in die Metallschmelze eingeschmolzen sind, erfolgt das Vergießen der Schmelze zu einem Gußblock oder einem Barren im Vakuum oder unter einer Inertgasatmosphäre.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiele 1 bis 7 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8
Man bereitet Barrenproben mit den Abmessungen 20 χ 60 χ 100 mm, indem man jeweils 1,5 kg der erfindungsgemäßen Legierungen und der herkömmlichen Legierungen, deren Zusammensetzung in der folgenden Tabelle angegeben sind, in einem Vakuum von 10~3 bis 10-4mmHg unter Verwendung eines Kupfertiegels unter Anwendung der Hochfrequenztechnik erschmilzt.
Jeder der in dieser Weise hergestellten Barren wird während 12 Stunden an der Luft bei 10000C geglüht, wonach die Mikro-Vickers-Härte des Barrens bestimmt wird. Durch Schneiden und Schleifen des Blockes wird eine dünne Platte mit den Abmessungen 033 χ 20 χ 60 mm hergestellt Dann wird zur Ermittlung der effektiven Permeabilität ein Testring mit einem AuSendurchmesser von 8 mm, einem Innendurchmesser von 4 rom und einer Dicke vorn 030 mm durch elektrische Funkenbearbeitung und durch Schleifen hergestellt
Die effektive Permeabilität eines jeden in dieser Weise hergestellten Testrings wird wie folgt gemessen:
Der Testring wird der im folgenden angegebenen Wärmebehandlung unterzogen, wonach 50 Wicklungen eines lackierten Drahtes mit einem Durchmesser von 0,1 mm in gleichmäßigen Abständen um das Teststück herumgewickelt werden. Dann wird mit diesem Testring unter Verwendung einer Maxwell-Brücke die Induktivität bei 1 kHz bestimmt Dann wird die effektive Permeabilität \Le mit Hilfe der folgenden Formel errechnet:
D Pn
in der
L die Induktivität in mH, D die Dichte in g/cm3, W das Gewicht des Testrings in g, /„ die mittl sre magnetische Wellenlänge, μο die Vakuumpermeabilität (=Απ ■ 10~7 H/m) und N die Anzahl der Wicklungen bedeuten.
Wärmebehandlungsbedingungen:
3 Stunden bei 10000C, wonach man den Ofen sich auf Raumtemperatur abkühlen läßt
Atmosphäre der Wärmebehandlung: Vakuum von 3 χ 10~4 mm Hg.
Zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit wird jeder Barren parallel zu einer Seite des Barrens, die eine Länge von 60 mm aufweist, mit Hilfe einer Schleifscheibe mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Dicke von 0,7 mm zerschnitten. Die Zeitdauer, die für das Schneiden eines Barrens benötigt wird, wird mit der entsprechenden Zeitdauer eines anderen Barrens verglichen. Der Druck, mit dem die Schleifscheibe gegen den Barren gedrückt wird, wird auf 20 kg eingestellt, während die Schleifscheibe mit einer
Drehzahl von 1200 min -' betrieben wird.
Die Werte hinsichtlich der spanabhebenden bzw. maschinellen Bearbeitbarkeit dieser Legierungen erhält man dadurch, daß man die Korngröße der Legierungsproben nach der Beendigung der Glühbehandlung ermittelt und auch die Anzahl der abgesplitterten Flecken feststellt, die sich an den Rändern einer 30 χ 30 mm Fläche einer jeden geglühten Testplatte mit den Abmessungen 80 χ 30 χ 30 mm beim Schleifen ergeben, das unter den folgenden Bedingungen
to durchgeführt wird:
Schleifbedingungen: Schleifrad:
Durchmesser: Drehzahl:
Zuführgeschwindigkeit: Schleiftiefe:
GC-120(Handelsbezeichnung) 180 mm 3000 min-' 1 m/sec Viooo mm
Beispiel 25 39 582 5 Mikro- Schneid 6 Anzahl der (bei 1 kHz)
Nr. Zusammensetzung Vickers- zeit Korngröße Absjilitte- 9620
Beispiele Härte rungen an 9 270
(Min.) den Rändern 9 360
(D (Gew.-%) 453 17 (ASTM-Nr.) 18 9 380
(2) Fe-9,6 Si-5,4 Al 487 32 2 12 8 550
Herkömmliche (3) Fe-9,6Si-5,4Al-0,5Ti 465 23 4 8 8510
Legierungen (4) Fe-9,6 Si-5,4 Al-Q1I Zr 469 24 5 9 8 630
(Vergleicns-
beispiele)		 (5) Fe-9,6 Si-5,4 Al-0,2 Nb 473 26 5 11 8 790
(ö) Fe-9,6 Si-5,4 Al-0,5 Ta 480 29 4 13 11300
(7) Fe-9,6 Si-5,4 Al-0,5 W 476 28 4 15
(8) Fe-9,6 Si-5,4 Al-0,5 Mo 471 25 3 14 10 700
(D Fe-9,6 Si-5,4 Al-0,5 Mn 522 44 3 0
Fe-9,6 Si-6,2 Al- 8 9940
Erfindungs (2) 0,lMM-l,0Ti-0,lMn 533 47 0
gemäße Fe-9,6 Si-6,2 Al- 8 10600
Legierungen (3) 0,lMM-l,0Ti-0,5Mn 548 50 0
Fe-9,6 Si-6,2 Al- 9 10500
(4) 0,1 MM-1,0 Ti-I1OMn 546 49 0
Fe-9,6 Si-6,2 Al- 10 10600
(5) 0,1 MM-1,0Ti-0,5 Mo 541 48 0
Fe-9,6 Si-6,2 Al- 9 10600
(6) 0,1 MM-1,0 Ti-0,5 Cr 539 48 0
Fe-9,6 Si-6,2 Al- 9
(7) 0,1 MM-1,0 Ti-0,5 V 525 44 0
Fe-9,6 Si-6,2 Al- 9
0,1 Y-1,0 Ti-0,5 Mn
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß die J5 erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen eine größere Härte aufweisen und eine wesentlich bessere Verschleißfestigkeit besitzen Gleichzeitig ist die Korngröße der erfindungsgemäßen Legierungen kleiner als die der 4<> herkömmlichen Legierungen, so daß die Anzahl der sich beim Schleifen ergebenden abgesplitterten Stellen extrem klein ist und die Legierungen nur eine sehr geringe Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften zeigen.
Hinsichtlich der Wirkungen der zugesetzten Elemente ist festzustellen, daß die Zugabe der ersten Gruppe
der Additive, die die Seltenen Erdelemente umfaßt, dazu dient, die Korngröße zu verkleinern. Dies führt dazu, daß die Legierungsprodukte eine sehr gleichmäßige spanabhebende und maschinelle Bearbeitbarkeit besitzen. Die Zugabe der zweiten Gruppe von Additiven, die Ti, Mo, Cr, V und Mn umfaßt, führt zu einer größeren Härte, die eine verbesserte Verschleißfestigkeit zur Folge hat. Weiterhin ergibt die kombinierte Zugabe der Elemente der Gruppe der ersten Additive und der Elemente der Gruppe der zweiten Additive einen Multiplikationseffekt in bezug auf die Verbesserung der Härte und der Verschleißfestigkeit bzw. Abriebbeständigkeit der Legierungen.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verschleißfeste Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 4 bis 8 Gew.-% Al, 8 bis 11 Gew.-°/o Si, 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Seltenen Erdelements, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Ti + mindestens eines Elements ausgewählt aus der V, Mo, Cr und Mn umfassenden Gruppe und zum Rest aus Eisen besteht
2. Verschleißfeste Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 4 bis 8 Gew.-% Al, 8 bis U Gew.-% Si, 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Seltenen Erdelements, 0,05 bis 1,0 Gew.-% Ti, 0,05 bis 1,0 Gew.-% V und zum Rest aus Eisen besteht, wobei der Gehalt an Ti + V 0,1 bis 1,5 Gew.-% beträgt
3. Verschleißfeste Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 4 bis 8 Gew.-t'o Al, 8 bis 11 Gew.-% Si, 0,05 bis 0,5 Gew.-% eines Seltenen Erdelements, 0,05 bis 1,0 Gew.-% Ti, 0,05 bis 1,0 Gew.-% V, 0,05 bis 1,0 Gew.-% Mn und zum Rest aus Eisen besteht, wobei der Gehalt an Ti, V und Mn 0,1 bis 1,5 Gew.-% beträgt
4. Verwendung der Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3 als Kernmaterial für Magnetköpfe.
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