DE3037002C1

DE3037002C1 - Magnetkern

Info

Publication number: DE3037002C1
Application number: DE19803037002
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 4300 Essen Wolf
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1989-02-23
Also published as: FR2491252A1; FR2491252B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung mit einer Sättigungsflußdichte >1.5T, mit einer Remanenz, die <0.5T beträgt, und einer Koerzitivfeldstärke von < 30 mA/cm und deren Verwendung.

Aus der DE-OS 27 44 333 ist eine Legierung mit 49 bis Gew.-% Nickel, bis zu 4% Molybdän, Rest Eisen einschließlich geringer Verarbeitungs- und Desoxidationszusätze wie Silicium und Mangan bekannt, die nach dem Erschmelzen zu dünnen Bändern gegebenenfalls unter Zwischenglühungen, kaltgewalzt worden ist, anschließend zu Ringbandkernen verarbeitet und einer Hochtemperaturglühung in trockener Wasserstoffatmosphäre zwischen HOO⁰C und 1250⁰C unterzogen worden ist, bevor der Ringbandkern abschließend von einer Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien quer zur späteren Flußrichtung verlaufen, abgekühlt worden ist.

Aus dem J. Magn. Magn. Mat. 9 (1978), 170 ff. ist darüber hinaus bekannt, daß die Hystereseschleife des magnetischen Werkstoffes um so flacher verläuft, je langsamer die Abkühlgeschwindigkeit gewählt wird. Tabelle 1 in der vorgenannten Druckschrift zeigt jedoch, daß selbst unter optimalen Bedingungen zwar eine verhältnismäßig niedrige Remanenz, aber nur eine relativ hohe Koerzitivfeldstärke von 80 bis 100 mA/cm erreicht werden kann.

Auch wenn man die in Z. Metallk, 70 (1979) 142, beschriebenen Verfahrensschritte, also insbesondere eine Zwischenglühung bei 680 bis 900⁰C, eine Schlußverformung von 98%, eine Glühung bei 950 bis 1180⁰C in reinem Wasserstoff und die abschließende Querfeldtemperung mit Abkühlungen von 550⁰C bis 200⁰C mit 10 bis 150°C/h auf die ebenfalls dort beschriebene binäre und molybdänhaltige Nickel-Eisen-Legierung mit 47 bis 65% Nickel anwendet, erhält man lediglich Koerzitivfeldstärken von 0.1 A/cm.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung zu schaffen, der sowohl eine hohe Sättigungsflußdichte, eine niedrige Remanenz als auch eine niedrige Koerzitivfeldstärke besitzt. Überraschenderweise ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch lösbar, daß man eine im Prinzip bekannte Legierung aus 50 bis 58% Nickel, Rest Eisen einschließlich geringer Desoxidationszusätze den üblichen Vorbehandlungsschritten wie Erschmelzen, Abgießen in Blöcken, Warmbandverarbeitung unterzieht, eine Kaltverformung von wenigstens 93% durchführt und das so hergestellte Band zu Ringbandkernen wickelt, anschließend eine 4- bis östündige Schlußglühung bei 1150 bis 1250⁰C in reiner Wasserstoff atmosphäre und abschließend eine 4- bis 6stündige Anlaßbehandlung zwischen 460 und 500⁰C in einem Magnetfeld vornimmt, dessen Feldlinien in der Bandebene parallel zur Walzrichtung verlaufen.

Während man bisher bei der Herstellung von weichmagnetischen Werkstoffen mit flachverlaufenden Hystereseschleifen davon ausgegangen ist, daß neben den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahrensschritten insbesondere zum Abschluß eine Temperung unterhalb der Curietemperatur in einem Magnetfeld, dessen Feldlinie in der Bandebene senkrecht zur Walzrichtung verlaufen oder eine Abkühlung in einem derartigen magnetischen Querfeld durchgeführt werden muß, zeigt die Erfindung überraschenderweise, daß die Kombination der im Anspruch 1 aufgeführten Verfahrensschritte, also insbesondere auch eine Längsfeldtemperung bei Temperaturen, die knapp unterhalb der Curietemperatur liegen, nämlich im Bereich zwischen 460 und 500⁰C, zu Werkstoffen mit flachverlaufenden Hystereseschleifen und mit deutlich verbesserten weichmagnetischen Eigenschaften führt. Dies ist um so erstaunlicher, weil bisher angenommen worden ist, daß eine Längsfeldtemperung zu Werkstoffen mit Rechteckschleifen, d. h. zu einer sehr hohen Remanenz, oder mit normalen Hystereseschleifen mit hoher Permeabilität führt.

So wird beispielsweise in der DE-AS 12 59 367 ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Nickel-Eisen-Werkstoffe mit rechteckiger Hystereseschleife und vorzugsweise hoher Anfangspermeabilität beschrieben, wonach der über 95% kaltverformte Werkstoff durch Schlußglühen bei Temperaturen, die über 1030° C liegen, in den Zustand der Sammelrekristallisation gebracht und nach dem Abkühlen in einem Temperaturbereich zwischen 600 und 400⁰C in einem Magnetfeld ausgesetzt wird.

Entsprechende Anweisungen sind auch den Aufsätzen von G. Rassmann und H. Wich »Werkstoffzustand und magnetische Eigenschaften der Legierung mit 50% Nickel und 50% Eisen«, Ber. Arb. Gem. Ferromagn.

ORIGINAL INSPECTED

1959, Verlag Stahleisen, Düsseldorf (1960) 181 und H. Fahlenbrach »Über den Einfluß von Anisotropien, insbesondere von Magnetfeld-Wärmebehandlungen, auf die Eigenschaften magnetischer Werkstoffe«, Metall 16(1962), 1185, zu entnehmen.

Auch in Z. Metallk. 57 (1966) 240 wird von f. Pfeifer eine binäre Eisen-Nickel-Legierung vorgeschlagen, die im wesentlichen 48 bis 67 Gew.-% Nickel, Rest Eisen enthält, im Vakuum erschmolzen und vergossen, heiß- und kaltgewalzt, teils mit, teils ohne Zwischenglühung, to zu Bandringkernen verarbeitet und 5 Stunden bei 1150 bis 125O⁰C in reinem Wasserstoff geglüht und abschließend anlaßbehandelt worden ist. Hierzu ist unter anderem auch eine isotherme Magnetfeldbehandlung mit 16stündiger Querfeldtemperung bei verschiedenen Temperaturen in dem Bereich von 350 bis 550⁰C jeweils nach schneller vorheriger Abkühlung durchgeführt worden. Ausweislich der Fig. 2 auf Seite 241 der. vorgenannten Druckschrift sinkt bei einer Nickel-Eisen-Legierung mit 57 Gew.-% Nickel zwar die Remanenz bzw. die relative Remanenz (Verhältnis von Remanenz und Sättigungsflußdichte) bei Behandlungs-Temperaturen oberhalb von 450⁰C deutlich ab, jedoch nicht unter 0.6 T bzw. 40%. Im übrigen besitzt der Werkstoff bei Behandlungs-Temperaturen unterhalb von 450⁰C eine Rechteckschleifenform. ,

Ferner läßt sich der erfindungsgemäße Magnetkern auch wirtschaftlicher als bisher herstellen. Während die nach dem Stand der Technik für unabdingbar gehaltene Querfeldtemperung zum Aufbau eines in bezug auf die Magnetkerne axial wirkenden Magnetfeldes ein relativ großes äußeres Feld erforderlich machte, kann bei der Herstellung der längsfeldbehandelten Magnetkerne das Magnetfeld durch eine stromführende Schiene erzeugt werden, die gleichzeitig als mechanische Aufnahmevorrichtung für die Magnetkerne dient. Die dabei aufzubringenden Feldstärken sind we£3n des geschlossenen magnetischen Kreises deutlich niedriger.

Versuche haben ergeben, daß es bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere auf die Einhaltung der Anlaßtemperatur im Bereich zwischen 460 und 500° C ankommt. Bei einer niedrigeren Anlaßtemperatur von z. B. 440° C ergibt sich eine deutlich höhere Remanenz von ca. 0.5 bis 1.0 T. Wählt man eine Anlaß temperatur über 500⁰C, so ergibt sich nur ein sehr geringer Anlaßeffekt, der bei Erreichen der Curie-Temperatur (z.B. r_c=530°C für eine 55%ige Nickel-Eisen-Legierung) vollständig verschwindet, so daß weder eine niedrige Remanenz, noch eine niedrige Koerzitivfeldstärke erzielt wird. Nur eine Anlaßtemperatur zwischen 460 und 500⁰C garantiert niedrige Koerzitivfeldstärken um 0.02 A/cm bei gleichzeitig sehr niedriger Remanenz um 0.2 T.

Insgesamt zeichnet sich der erfindungsgemäße Werkstoff durch eine bisher nicht bekannte Eigen-Schaftskombination von niedriger Remanenz, niedriger Koerzitivfeldstärke und einer außerordentlich hohen Steilheit der Hystereseschleife aus. Zudem sind die Ummagnetisierungsverluste des erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffs infolge des sehr kleinen Flächeninhaltes der Hystereseschleife vorteilhafterweise sehr niedrig.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierung unter Zwischenglühung bei Temperaturen unter 800⁰C, vorzugsweise zwischen 650 bis 800⁰C kalt verformt worden. Dadurch ist gewährleistet, daß nach der Schlußglühung ein sehr grobkörniges, anisotropes, sekundär rekristallisiertes Gefüge mit großen mittleren Korndurchmessern über 2 mm bis über 5 mm erzeugt wird, . -

Ferner soll die letzte. Kaltverformung wenigstens 95%. betragen und die Anlaßbehandlung möglichst bei einer Temperatur durchgeführt werden, die ca. 50⁰C unter der Curie-Temperatur liegt. .

Die' erfindungsgemäß hergestellten Magnetkerne weisen darüber hinaus aber auch eine hohe Sättigungsflußdichte von ca. 1.55 T auf, die in Verbindung mit ihrer niedrigen Remanenz einen, großen nutzbaren unipola-ren Induktionshub von ca. 135 T ergibt. Gleichzeitig ist .. die Impulspermeäbilität außerordentlich hoch. Bei quasistatischer Messung, d. h. bei einer großen Impulsdauer, ergibt sich beispielsweise bei einem vorgegebenen Induktionshub von AB= 1.0 T. der außerordentlich hohe Wert von \i_p=4.0 000, wenn, man ji_p als das Verhältnis μ_ρ=ΔΒ/(μοΔΗ) definiert. Je nach Banddicke erniedrigt sich dieser Wert im dynamischen Betrieb in Abhängigkeit von der Impulsdauer infolge von Wirbelströmen, Bei einer Banddicke von 0.05 mm.können aber bei einer Impulsdauer von 100μ-s noch-;u#=20000 erreicht werden. Bei einer Banddicke von 04 mm erhält man entsprechend ca. μ_ρ=10 000.

Die im vorigen Absatz beschriebenen-Eigenschaften machen es vorteilhafterweise möglich, die erfindungsgemäßen Magnetkerne in induktiven .Bauelementen für den Impulsbetrieb einzusetzen, wo es einerseits auf einen möglichst großen unipolaren Induktionshub und andererseits auf eine hohe Impulspermeabilität ankommt. Als Beispiele sind Impulsübertrager und Schutzdrosseln angeführt, die im Zusammenhang mit Halbleiter-Bauelementen benötigt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die erfindungsgemäß hergestellten Magnetkerne sehr gut geeignet für Summenstromwandler allstromsensitiver Fehlerstromschutzschalter, die nicht nur bei reinem Wechselfehlerstrom auslösen sollen, sondern die ihre Schutzfunktion auch bei Auftreten pulsierender Gleichfehlersiröme behalten sollen. Hierbei ist der Bereich angesprochen, in dem mit Nennfehlerströmen Ian über 30 mA, insbesondere mit Nennfehlerströmen zwischen 300 und 500 mA, wie sie häufig in der Praxis vorgeschrieben sind, gerechnet werden muß. Derartige Summenstromwandler benötigen Magnetkerne mit einer hohen Permeabilität bei einer Feldstärke, wo die Auslösung erfolgen soll: Eigenschaften, die der erfindungsgemäße Magnetkern besitzt. Beim erfindungsgemäßen Magnetwerkstoff erhält man z. B. eine Wechselstrompermeabilität (50Hz) νοημ~=48 000 bzw. eine Permeabilität bei Erregung mit einweggleichgerichteten sinusförmigen Feldstärken (50 Hz Stromhalbwellen) μ ""=40 000 im ganzen Feldstärkebereich von Heff=30 mA/cm bis /f_e//=60 mA/cm. Die Permeabilität ist in dem genannten Bereich also unabhängig von der Kurvenform des Erregerstromes gleichmäßig hoch.

Legt man die anwendungsnahe Feldstärke von Heft=50 mA/cm zugrunde, so besitzen die bisher etwa nach der DE-OS 27 44 333 bekannten Werkstoffe zwar auch eine relativ gleichmäßige Permeabilität von ca. 7500 (Wechselstrompermeabilität bei sinusförmigem Wechselstrom von 50 Hz) und ca. 6000 (sinusförmige, einweggleichgerichtete Stromhalbwellen von 50 Hz) in Verbindung mit einer relativ niedrigen Remanenz von 0.15 T, jedoch sind die vorgenannten Permeabilitätswerte viel zu niedrig, wenn man diesen Werkstoff für Fehlerstromschutzschalter mit Nennfehlerströmen zwischen 300 und 500 mA einsetzen will.

Aber auch die unter anderem in der DE-AS 12 59 367 beschriebenen, 50 bis 58 Gew.-% enthaltenen Nickel-Eisen-Legierungen, die bei H_e[[=5(S mA/cm eine bereits ausreichend hohe Wechselstrompermeabilität von ca. 130 000 besitzen, erfüllen nicht die Forderung nach einer gleichmäßigen Permeabilität unabhängig von der Kurvenform des Erregerstroms, da die Permeabilität bei Erregung mit einweggleichgerichteten, sinusförmigen Feldstärken nur ca. 20 000 beträgt. Im übrigen liegt die Remanenz mit ca. LOT viel zu hoch, so daß insgesamt dieser Werkstoff nur für herkömmliche, nicht allstromsensitive Fehlerstromschutzschalter geeignet ist.

Diesen Nachteil, im ganzen Feldstärkebereich von f/eff= 30 mA/cm bis H_e[f= 60 mA/cm nicht für jede Kurvenform des Erregerstromes gleichmäßige Permeabilitätswerte zu besitzen, haben auch die nach den in den oben zitierten Druckschriften im magnetischen Querfeld behandelten Werkstoffe.

Ein Ausführungsbeispiel· des erfindungsgemäßen Magnetkerns soll im folgenden näher erläutert werden.

Eine Legierung mit der Zusammensetzung 54.60 Gew.-% Nickel, 0.4 Gew.-% Mangan, 0.15 Gew.-% Silicium, Rest Eisen ist erschmolzen, in Blöcken abgegossen, warmgeschmiedet und bis auf eine Dicke von 4 mm warmgewalzt worden. Anschließend wurde das Material bei 750⁰C zwischengeglüht und auf die Enddicke von 0.1 mm kaltgewalzt Das derart hergestellteTBand ist zu Ringkernen gewickelt worden, 5 h bei 1220⁰C in Wasserstoff geglüht und anschließend im Ofen abgekühlt worden. Schließlich ist eine 6stündige Anlaßbehandlung bei 480⁰C im Magnetfeld durchge-

führt worden, wobei die Feldlinien in der Bandebene parallel zur Walzrichtung verliefen.

Der vorbeschriebene Magnetkern besitzt nachstehend genannte Eigenschaften, die im einzelnen auch aus der in der Abbildung dargestellten Hystereseschleife

ίο erkennbar sind.

Gleichstromremanenz bei einer
Aussteuerungsfeldstärke
von//=2 A/cm

Statische Koerzitivfeldstärke
Maximaler unipolarer
Induktionshub

Impulspermeabilität bei großer
Impulsdauer (quasistatisch)

50-Hz-Wechselstrompermeabilität
bei einer sinusförmigen Feldstärke von Heft=50 mA/cm
50-Hz-Permeabilität bei einer
einweggleichgerichteten sinus-

förmigen Feldstärke von
//_eff=50 mA/cm

5_Λ=0.195Τ
H₀= 0,017 A/cm

μ_Ρ=40 700

μ~=48 700

-=40 150

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetkern aus einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung mit einer Sättigungsflußdichte > 1.5 T, mit einer Remanenz < 0.5 T und einer Koerzitivfeldstärke <30mA/cm, dadurch gekennzeichnet, daß die im Prinzip bekannte Legierung aus 50 bis 85% Nickel, Rest Eisen einschließlich geringer Desoxidationszusätze erschmolzen, in Blöcken abgegossen, zu Warmband verarbeitet, wenigstens 93% kaltverformt und das so hergestellte Band zu Bandkernen gewickelt worden ist, anschließend einer 4- bis 6stündigen Schlußglühung bei 1150 bis 1250° C in reiner Wasserstoffatmo-Sphäre und einer abschließenden, 4- bis 6stündigen Anlaßbehandlung zwischen 460 und 500° C in einem Magnetfeld unterzogen worden, ist, dessen Feldlinien in der Bandebene parallel zur Walzrichtung verlaufen. ·

2. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung unter Zwischenglühung bei Temperaturen unter 800° C, vorzugsweise 650 bis 800° C, durchgeführt worden ist.

3. Magnetkern nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Kaltverformung wenigstens 95% betragen hat.

4. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt worden ist, die ca. 50° C unter der Curie-Temperatur liegt.

5. Verwendung des nach Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichneten Magnetkerns für induktive Bauelemente, wie Übertrager und Drossel, die im unipolaren Impulsbetrieb arbeiten.

6. Verwendung des nach Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichneten Magnetkerns als Summenstromwandler allstromsensitiver Fehlerstromschutzschalter mit Nennfehlerströmen über 30 mA, insbesondere zwischen 300 und 500 mA.