DE3334369C1 - Dauermagnetlegierung - Google Patents

Abstract

1 Die Erfindung betrifft die Verwendung von nach dem Saug- oder Stranggußverfahren erzeugten Stäben aus einer rostträgen, spanlos und spanabhebend bearbeitbaren Legierung bestehend aus (in Gew.-%) 22,5 bis 25,5 % Chrom 15,0 bis 17,5 % Kobalt 2,0 bis 4,0 % Molybdän 0,1 bis 0,8 % Silizium weniger als 0,06 % Kohlenstoff = C[tief]eff = %C + 0,86 Mal punkt %N weniger als 0,10 % Sauerstoff Rest Eisten einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, die einer Wärmebehandlung unterworfen worden waren, bestehend aus homogenisierendem Glühen, thermomagnetischem Behandeln im Bereich von 720 bis 740°C und Anlassen summierend mit oder ohne Zwischenabkühlen an Luft als Werkstoff zur Herstellung axial magnetisierter Dauermagnete mit einer jeweils in Magnetisierungsrichtung gemessenen Koerzitivfeldstärke [tief]B H[tief]c von mindestens 50 KA/m Remanenz Br von mindestens 1,2 T und einem Energiewert [BH][tief]max von mindestens 39 kJ/m[hoch]3.

Description

An FeCrCo-Legierungen mit 8 bis 80 % Co, 5 bis 35 % Cr, Rest Fe wurden von W. Köster (1) bereits im Jahre 1936 dauermagnetische Eigenschaften ermittelt, die jedoch nicht denen von Alnico-Magneten entsprachen. Ende der 60er Jahre erkannte H. Kaneko (2), daß die magnetische Härtung von Alnico-Legierungen und von Fe-Cr-Co-Legierungen in ähnlicher Weise über spinodale Entmischung von Ferrit verläuft.

Gegenüber den Alnico-Legierungen lassen Fe-Cr-Co-Legierungen Einsparungen an Kobalt und Nickel, höheres Ausbringen durch größere Duktilität sowie Warm- und Kaltverarbeitbarkeit vor der Aushärtungsbehandlung erwarten.

Betrieblich läßt sich magnetisches Material durch verschiedene Verfahren herstellen, wie Walzen, Sintern und Gießen.

Walzen mit Vorteilen bei der Massenerzeugung erfordert eine Reihe von Vorstufen wie Blockgießen, Schmieden, Glühen, Schleifen. Der zur Warmumformung geeignete Temperaturbereich ist wegen Bildung spröder Sigma-Phase unterhalb von 1100°C begrenzt.

Sintern ermöglicht die Herstellung komplexer Kleinteile nahezu in Fertigform. Die Sinterdichte ist jedoch der Dichte von Walzmaterial unterlegen. Aufwendig sind Pulvererzeugung sowie Sintern in sauerstoff- und stickstoffarmer Atmosphäre.

Das Gießen von Alnico-Legierungen erfolgt gewöhnlich durch Gießen in Formmasken. Unter anderem wegen des Gießsystems liegt das Ausbringen üblicherweise unter 60 %. Zudem ergeben sich wegen der Duktilität der Fe-Cr-Co-Legierungen Schwierigkeiten beim Entfernen der Gußstücke aus der Gießrinne.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile in einem betrieblichen, einhitzigen Verfahrensweg dauermagnetisches Stabmaterial aus einer optimalen Legierung des Fe-Cr-Co-Typs herzustellen, das nach einer geeigneten Wärmebehandlung trotz teilweise radialer Kristallausrichtung in axialer Vorzugslage folgende magnetische Kennwerte aufweist:

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]C mindestens 50 kA/m

Remanenz Br mindestens 1,20 T

Energiewert (BH)[tief]max mindestens 39 kJ/m[hoch]3.

Die verfahrenstechnische Teilaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch offene Erschmelzung und Sauggießen in Glasrohren oder Stranggießen in Kupfer-Kokillen. Das Sauggießen ist besonders flexibel in Menge und Abmessung des Produktes. Das Stranggießen ist rationell hinsichtlich hohen Ausbringens und geringer Personalkosten.

Die Legierung ist erfindungsgemäß im wesentlichen gekennzeichnet durch

22,5 bis 25,5 % Chrom

15,0 bis 17,5 % Kobalt

2,0 bis 4,0 % Molybdän

0,1 bis 0,8 % Silizium

weniger als 0,06 % Kohlenstoff = C[tief]eff = % C + 0,86 Mal punkt % N

weniger als 0,10 % Sauerstoff

Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer

Verunreinigungen

Die Legierungsoptimierung erfordert das Auffinden von Bestwerten der Koerzitivfeldstärke für Gehalte insbesondere von Chrom und Kobalt. Als ferritstabilisierendes Element wurde neben Chrom von im Mittel 23,5 % Molybdän von im Mittel 16 % wegen des unerwartet geringen Einflusses auf die Koerzitivfeldstärke bevorzugt. Die sich magnetisch ungünstig verhaltenden Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Silizium wurden mengenmäßig eingeschränkt. Ein geringer Siliziumgehalt wurde zur Desoxidation der Schmelze vorgesehen.

Aus Bild 1 ist die teilweise radiale Kristallausrichtung der optimierten Fe-Cr-Co-Mo-Legierung im Querschliff eines sauggegossenen Stabes ersichtlich.

Erfindungsgemäß umfaßt die Wärmebehandlung drei Hauptstufen:

a) homogenisierendes Glühen

b) thermomagnetisches Behandeln

c) Anlassen.

Die Homogenisierungsglühung zur Erzielung rein ferritischer Phase und bester magnetischer Eigenschaften ist der beanspruchten Legierung angepaßt durch eine Glühung im Bereich von 1230 bis 1280°C für 15 min bis 3 h, bevorzugt bei 1260°C für 30 min mit anschließender Wasserabschreckung.

Die thermomagnetische Behandlung zur Erzeugung anisotroper magnetischer Eigenschaften durch Ausrichten des Wachstums der ferromagnetischen Entmischungsbereiche im Magnetfeld wird eingeleitet durch Entspannungsglühen im Bereich von 720 bis 740°C für 10 bis 30 min, bevorzugt bei 730°C für 15 min. Nach Warmüberführen in den Magnetfeldofen erfolgt die spinodale Entmischung in einem axialen Ausrichtungsfeld von etwa 80 bis 240 kA/m bei 630 bis 645°C über 10 bis 120 min, bevorzugt 160 kA/m bei 640°C für 60 min.

Die Anlaßbehandlung zwischen etwa 600 und 500°C beeinflußt nicht wesentlich den durch die Magnetfeldbehandlung zwischen etwa 600 und 660°C erzeugten anisotropen Aufbau des spinodal entmischten Gefüges. Ein Magnetfeld bewirkt beim Anlassen keine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften. Wegen des Vorliegens der Mischungslücke vergrößern sich jedoch bei abnehmender Anlaßtemperatur bis zur Diffusionsgrenze der Substitutionsatome die Unterschiede in der Zusammensetzung der Eisen-Kobalt-reichen bzw. der Chrom-reichen Entmischungsbereiche. Um unter Vermeidung disktoninuierlicher Ausscheidungen an den Korngrenzen und unter Verhinderung sekundärer Ausscheidungen in den Entmischungsbereichen weitgehend die Gleichgewichtskonzentration entsprechend den Grenzen der Mischungslücke einzustellen, wird als ideales Anlassen eine angenähert kontinuierliche Abkühlung entsprechend der Funktion ln (C Mal punkt t) ~ l/T, mit t = Dauer, T = Temperatur und C = Konstante, angesehen (3). Überraschenderweise ist aber festgestellt worden, daß die Fe-Cr-Co-Legierung mit erfindungsgemäßer Zusammensetzung die besten dauermagnetischen Kennwerte, verfahrenstechnisch einfacher vollziehbar, nach einer mehrteiligen Anlaßbehandlung erreicht:

c) Anlassen

c a) 1. Stufe: 590 bis 625°C für 0,25 bis 10 h (optimal 600°C für 1 h)

c b) 2. Stufe: 555 bis 585°C für 0,5 bis 30 h (optimal 565°C für 15 h)

c c) 3. Stufe: 540 bis 500°C für 0 bis 50 h (optimal 520°C für 24h)

In den einzelnen Anlaßstufen sind Größtwerte der Glühdauer Kleinstwerten der Glühtemperaturen und umgekehrt zuzuordnen.

Das Anlassen kann jeweils mit oder ohne Zwischenabkühlen zwischen den einzelnen Stufen erfolgen.

Beispiele

Beispiel 1

(dem Anspruch nicht genügend)

Werkstoff:

Fe-24 % Cr-16 % Co-1 % Si-0,4 % Nb-0,4 % V

Herstellungsverfahren: Stranggießen

Wärmebehandlung:

1240°C 60 min/Wasser

+ 740°C 15 min/640°C kA/m 60 min/Luftkühlung

+ 620°C 1 h + 580°C 16 h + 540°C 48 h/Luftkühlung

Magnetische Eigenschaften:

Remanenz Br 1,28 T

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]C 46 kA/m

Energiewert (BH)[tief]max 37 kJ/m[hoch]3

Kurvenfüllbeiwert
<NichtLesbar>

63 %

Beispiel 2

(dem Anspruch genügend)

Werkstoff:

Fe-23,4 % Cr-15,8 % Co-2 % Mo-0,6 % Si

Herstellungsverfahren: Sauggießen

1240°C 60 min/Wasser

+ 740°C 15 min/640°C 160 kA/m 60 min/Luftkühlung

+ 620°C 1 h + 580°C 16 h + 540°C 48 h/Luftkühlung

Magnetische Eigenschaften:

Remanenz Br 1,27 T

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]C 52 kA/m

Energiewert (BH)[tief]max 40 kJ/m[hoch]3

Kurvenfüllbeiwert
<NichtLesbar>

60 %

Beispiel 3

(dem Anspruch genügend)

Werkstoff:

Fe-23,5 % Cr-16 % Co-0,3 % Si-3 % Mo

Herstellungsverfahren: Sauggießen

1260°C 30 min/Wasser

+ 730°C 15 min/640°C 160 KA/m 60 min/Luftkühlung

+ 600°C 60 min/Luft

+ 565°C 15 h/Luftkühlung

+ 520°C 24 h/Luftkühlung

Magnetische Eigenschaften:

Remanenz Br 1,27 T

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]C 60,5 kA/m

Energiewert (BH)[tief]max 45 kJ/m[hoch]3

Kurvenfüllbeiwert kleines Eta 59 %

Beispiel 4

(dem Anspruch genügend)

Werkstoff:

Fe-23,5 % Cr-16 % Co-0,3 % Si-3 % Mo

Herstellungsverfahren: Sauggießen

1260°C 30 min/Wasser

+ 730°C 15 min/640°C 160 kA/m 60 min/Luftkühlung

+ 600°C 1 h/Luft + 565°C 20 h/Luftkühlung

Remanenz Br 1,28 T

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]C 52,5 kA/m

Energiewert (BH)[tief]max 40 kJ/m[hoch]3

Kurvenfüllbeiwert kleines Eta 60 %

Beispiel 5

(dem Anspruch genügend)

Werkstoff:

Fe-23,5% Cr-16,3 % Co-3,0 % Mo-0,29 % Si

Herstellungsverfahren: Sauggießen

Wärmebehandlung

1260°C 60 min Argon/Wasser

+ 730°C 15 min/640°C 60 min 160 kA/m/Luftkühlung

+ (B620°C1 h + 580°C 16 h + 540°C 48 h/Luftkühlung

Magnetische Eigenschaften:

Remanenz Br 1,33 T

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]C 56,5 kA/m

Energiewert (B Mal punkt H)[tief]max 43,4 kJ/m[hoch]3

Kurvenfüllbeiwert
<NichtLesbar>

57,4 %

Literatur:

1) DE-PS 6 38 652 (W. Köster)

2) H. Kaneko; M. Homma; K. Nakamura und M. Miura;

AJP-Conf. Proc. Vol. 5, P 2, 1971 S. 1088/92

3) S. Jin; G. Y. Chin und B. C. Wonsiewicz:

JEEEE-Trans. On Magnetics 16, 1980, S. 139/46

Leerseite

Bild 1

Bild 2

Claims (2)

1. Verwendung nach dem Saug- oder Stranggießverfahren erzeugten Stäben aus einer rostträgen, spanlos und spanabhebend bearbeitbaren Legierung, bestehend aus (in Gew.-%)

22,5 bis 25,5 % Chrom

15,0 bis 17,5 % Kobalt

2,0 bis 4,0 % Molybdän

0,1 bis 0,8 % Silizium

weniger als 0,06 % Kohlenstoff = C[tief]eff = % C + 0,86 Mal punkt % N

weniger als 0,10 % Sauerstoff

Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen,

die einer Wärmebehandlung unterworfen worden waren, bestehend aus

a) homogenisierendem Glühen im Bereich von 1230 bis 1280°C für 15 min bis 3 h und Abschrecken in Wasser oder Öl

b) thermomagnetisches Behandeln im Bereich von 720 bis 740°C für 10 bis 30 min Abkühlen auf 630 bis 650°C, Anlegen eines Magnetfeldes, 80 bis 240 kA/m, in axialer Vorzugsrichtung für 10 bis 120 min und Abkühlen an Luft

c) Anlassen summierend mit oder ohne Zwischenabkühlung an Luft

c a) 590 bis 625°C für 0,25 bis 10 h

c b) 555 bis 585°C für 0,5 bis 30 h

c c) 540 bis 500°C für 0 bis 50 h

als Werkstoff zur Herstellung axial magnetisierter Dauermagnete mit einer jeweils in Magnetisierungsrichtung gemessenen

Koerzitivfeldstärke [tief]BH[tief]c von mindestens 50 kA/m

Remanenz Br von mindestens 1,2T und einem

Energiewert (BH)[tief]max von mindestens 39 kJ/m[hoch]3

2. Verwendung von Stäben gemäß Anspruch 1, jedoch aus einer Legierung mit (in Gew.-%)

23,0 bis 24,7 % Chrom

15,5 bis 17,0 % Kobalt

2,0 bis 3,5% Molybdän

0,2 bis 0,6 % Silizium

weniger als 0,06 % Kohlenstoff = C[tief]eff = % C + 0,86 Mal punkt % N

weniger als 0,08 % Sauerstoff

Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen

mit der Maßgabe

24,5 % < Chrom [tief]eff < 27 %

mit Chrom [tief]eff = % Cr + 1,85 Mal punkt % Si + 0,54 % Mal punkt Mo,

die folgender Wärmebehandlung unterworfen worden waren:

a) homogenisierendes Glühen im Bereich von 1250 bis 1270°C für 30 bis 60 min, Abschrecken in Wasser oder Öl,

b) thermomagnetisches Behandeln im Bereich von 725 bis 735°C für 10 bis 20 min, Abkühlen auf 635 bis 645°C, Anlegen eines Magnetfeldes, von 120 bis 200 kA/m, in axialer Vorzugsrichtung für 20 bis 80 min, Abkühlen an Luft,

c) Anlassen summierend mit oder ohne Zwischenabkühlung an Luft:

c a) 595 bis 605°C für 0,5 bis 1 h

c b) 560 bis 570°C für 1 bis 20 h

c c) 530 bis 500°C für 0 bis 30 h

für den Zweck nach Anspruch 1.