DE4105507A1 - Verfahren zur herstellung von weichmagnetischen legierungen auf fe-ni-basis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Legierungskörpers auf Fe-Ni-Basis, wobei die Ausgangsstoffe erschmolzen, zu Blöcken vergossen, geschmiedet, gewalzt und geglüht werden.

Kristalline weichmagnetische Legierungen auf Fe-Ni-Basis mit niedrigen Koer­ zitivfeldstärken H_c und hohen Permeabilitätswerten µ sind nach dem Stand der Technik bekannt. Solche Legierungen werden nach dem Schmieden unter Einhal­ tung bestimmter Zwischenglühungen und Verformungsgrade durch Warm- und Kalt­ umformung zu dünnen Bändern verarbeitet, um bestimmte, für optimales weichma­ gnetisches Verhalten notwendige Rekristallisationsgefüge zu erzeugen. Ihr Einsatz erfolgt dann als Magnetkern, z. B. in Form von gewickelten Ringband­ kernen oder paketierten Stanzteilen mit zuvor aufgebrachter elektrischer La­ genisolation zur Unterdrückung der Wirbelstromverluste bei dynamischem Be­ trieb in induktiven Bauelementen, wie z. B. Transformatoren, Übertragern, Wandlern und Drosseln.

Besondere Anforderungen werden bei den genannten Legierungen an die magneti­ schen Permeabilitäten µ bei bestimmten, in der Regel kleinen aussteuernden Feldstärken H gestellt, da die Permeabilität die magnetische Flußdichte B und damit die Höhe der Induktionsspannung in einer den Kern umgebenden Drahtwick­ lung bestimmt. In der Regel erfolgt die Herstellung und der Abguß hochwerti­ ger kristalliner weichmagnetischer Legierungen unter Vakuum, um prozeßbe­ dingte Verunreinigungsaufnahmen aus der umgebenden Atmosphäre zu minimieren. Verunreinigungen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel - selbst in geringen Konzentrationen -, im ppm-Bereich führen im allgemeinen zu einer drastischen Schädigung der sekundärmagnetischen Kenngrö­ ßen des weichmagnetischen Werkstoffes, also auch der Permeabilitäten, insbe­ sondere im Bereich kleiner aussteuernder Feldstärken.

Auch die unbeabsichtigte, beim konventionellen Schmelzprozeß jedoch unver­ meidbare Bildung von nichtmetallischen Einschlüssen, die zusätzlich begün­ stigt wird durch einen Gehalt der obengenannten Verunreinigungen, hat einen negativen Einfluß auf das weichmagnetische Verhalten des Legierungskörpers. Als potentielle Verursacher für die Entstehung derartiger Einschlüsse kommen desoxidierend wirkende Zusätze, wie Silicium, Aluminium, Magnesium, Calcium und Mangan in Betracht (endogene Einschlüsse), aber auch eine Erosion des Tiegelmaterials (exogene Einschlüsse). Die Größe dieser Einschlüsse überdeckt den Mikrometer- und Submikrometerbereich.

Es besteht zwar die Möglichkeit, die erschmolzene Legierung beim Abguß zu filtern, was zu einer Verbesserung des Reinheitsgrades beiträgt, jedoch kön­ nen aufgrund der nicht beliebig zu verkleinernden Porengrößen des Filters nur größere Einschlußpartikel zurückgehalten werden.

In den geschilderten Fällen ist der die magnetischen Eigenschaften ver­ schlechternde Einfluß durch Fremdkörper ähnlich und resultiert aus einer Er­ schwerung des Ummagnetisierungsprozesses infolge der Bloch-Wand-Teilchen- Wechselwirkung. Hindernisse in der Größenordnung der Bloch-Wand-Dicke (etwa 0,1 µm) sind am effektivsten.

Weiterhin kommt bei dem nach dem Stand der Technik bekannten Erschmelzen der Legierungen hinzu, daß in einem unter dem Einfluß der Schwerkraft langsam er­ starrenden Gußblock die Verteilung der Einschlüsse inhomogen ist, was zu Wer­ teschwankungen über Länge und Breite des daraus zu fertigenden Bandmaterials führt. Schließlich ist auch noch auf die für das weichmagnetische Werteniveau ungünstige kornfeinende Wirkung von Einschlußpartikeln durch inhomogene Keimbildung hinzuweisen.

Insgesamt ergibt sich bei nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren, daß auch bei sorgfältigster Führung des Schmelz- und Abgußprozesses stets ein Ge­ halt an Verunreinigungspartikeln im Gefüge der weichmagnetischen Legierung vorhanden ist, der direkt oder indirekt zu einer unerwünschten magnetischen Härtung mit steigenden Koerzitivfeldstärken und sinkenden Permeabilitätswer­ ten insbesondere im Anfangsbereich führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs be­ schriebenen Gattung anzugeben, bei dem der Reinheitsgrad des Legierungskör­ pers erhöht und damit die weichmagnetischen Eigenschaften und insbesondere die Permeabilitäten bei kleinen magnetischen Feldstärken verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 aufgeführte Verfahren ge­ löst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben.

Das Elektroschlackeumschmelzen von Metallen ist im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere ist bekannt, daß das Elektroschlackeumschmelz­ verfahren neben einer hervorragenden Blockoberflächenqualität, eine weitge­ hende Steigerungsfreiheit und einen hohen Reinheitsgrad, d. h. geringen Anteil an vorwiegend oxidischen Einschlüssen, gewährleistet. Bei diesem Verfahren wird eine Elektrode als Ausgangswerkstoff durch Widerstandserhitzung einer Schlacke, die im flüssigen Zustand einen hohen elektrischen Widerstand auf­ weist, kontinuierlich abgeschmolzen. Die sich von der Unterkante der Elek­ trode ablösenden Metalltröpfchen durchwandern die flüssige Schlacke, wobei die in der Elektrode befindlichen nichtmetallischen Einschlüsse zum großen Teil entfernt werden. In der DE 36 19 293 A1 werden für das Elektroschlacke­ umschmelzen unter Vakuum von Superlegierungen Schlacken vorgeschlagen, die mindestens 80 Gew.-% oxidische Bestandteile besitzen. Als Hauptbestandteil solcher Schlacken wird u. a. Aluminiumoxid mit einem Anteil von 48 Gew.-% vor­ geschlagen.

Untersuchungen haben gezeigt, daß diese, für das Umschmelzen von Superlegie­ rungen optimale Schlacken für das Vakuum-Elektroschlackeumschmelzen von weichmagnetischen Werkstoffen auf Fe-Ni-Basis bezüglich des zur Erzielung ho­ her Permeabilitäten erforderlichen Reinheitsgrades völlig ungeeignet sind. Bei Verwendung der genannten Schlacken wurden in den umgeschmolzenen weichma­ gnetischen Werkstoffen hohe Anteile an kleinen Al₂O₃-Einschlüssen gefunden.

Das Verdienst der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schlackenzusam­ mensetzung für das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gefunden zu haben, mit der ein hinreichend hoher elektrischer Widerstand der flüssigen Schlacke erzielt werden kann und die gewährleistet, daß keine die Permeabilität nega­ tiv beeinflussenden Einschlüsse im weichmagnetischen Legierungskörper auftre­ ten. Dabei haben sich Schlackenzusammensetzungen mit 30 bis 50 Massen-% CaF₂, 15 bis 30 Massen-% SiO₂ und 25 bis 45 Massen-% CaO, insbesondere 45 Massen-% CaF₂, 33 Massen-% CaO, und 22 Massen-% SiO₂ bezüglich der aufgeführten Anfor­ derungen an den Reinheitsgrad als zur Lösung der Aufgabe geeignet erwiesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl mit in offenen Öfen als auch in Vakuum-Induktionsöfen erschmolzenen Elektroden aus einer weichmagnetischen Legierung auf Fe-Ni-Basis durchgeführt werden. An Luft erschmolzene Elektro­ den weisen üblicherweise Gasgehalte auf, die oberhalb der für weichma­ gnetische Werkstoffe auf Fe-Ni-Basis zulässigen Grenze liegen. Diese Elektro­ den werden erfindungsgemäß beim Elektroschlackeumschmelzen unter Vakuum umge­ schmolzen, wobei die Schlacken Siedepunkte oberhalb von 2000°C aufweisen.

Vorzugsweise soll das Elektroschlackeumschmelzen unter Vakuum oder bei Drücken zwischen 10^-2 mbar bis 1500 mbar durchgeführt werden. Weiterhin vor­ zugsweise wird die Elektroschlackeumschmelzanlage vor Beginn der Umschmelzung bis zu 10^-2 mbar evakuiert und danach mit Edelgasen bis zu 1500 mbar druckbe­ aufschlagt. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Elektroschlacke­ umschmelzanlage mehrfach mit Inert- oder Edelgasen, insbesondere dreimal mit Argon gespült, wobei die Anlage zwischen den einzelnen Spülvorgängen jeweils bis auf 2 × 10^-2 mbar evakuiert wird.

Im Schmiedezustand zeigten die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellten Proben eine deutlich größere und homogenere Kornstruktur gegenüber den nach dem Stand der Technik hergestellten.

Eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften wird insbesondere dann of­ fenbar, wenn die weichmagnetische Legierung den im Patentanspruch 9 aufge­ führten Verfahrensschritten unterzogen wird. Die Ursache hierfür liegt darin, daß das weichmagnetische Werteniveau im Ausgangs- oder Zwischenzustand zunächst noch relativ gering ist und durch die im Anspruch 9 beschriebenen Kaltumformungs- und Wärmebehandlungsprozesse ein weichmagnetisch hochwertiges Gefüge eingestellt wird, in dem sich die verfahrenstechnisch eingebrachten Modifikationen weiterhin verbessernd auf das magnetische Werteniveau auswir­ ken. So wiesen die erfindungsgemäß verarbeiteten Proben im wärmebehandelten Endzustand in transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen deutlich weniger Einschlüsse auf und lichtmikroskopische Untersuchungen ergaben in Bandrichtung geringere Korngrenzflächendichten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Verlauf der statischen Koerzitivfeldstärke H_cst in Abhängigkeit vom Kaltverformungsgrad,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Kaltverformung und der dynamischen Permeabilität µ₁₀ bei Hmax = 10 mA/cm und einer Frequenz von 50 Hz bei sinusförmiger Flußdichte,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Permeabilitätswerte µ von der Feld­ stärke Hmax für zwei verschiedene Kaltverformungsgrade (KV) und

Fig. 4 die lichtmikroskopisch in Bandrichtung ermittelte Korn­ grenzflächendichte Sv in Abhängigkeit vom Kaltverformungs­ grad.

In einem Vakuuminduktionsofen wurden eine weichmagnetische Fe-Ni-Basislegie­ rung mit mehr als 50 Gew.-% Nickel erschmolzen und zwei zylindrische Blöcke von etwa 100 mm Durchmesser unter Vakuum abgegossen. Einer der beiden Blöcke wurde als Elektrode für das Elektroschlackeumschmelzen nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren verwendet. Die Elektrode wurde dazu in eine Elektroschlacke­ umschmelzanlage eingebaut, die sowohl für den Betrieb unter Vakuum als auch unter Überdruck ausgerüstet ist. Nach dem Einfüllen der Schlacke mit der Zu­ sammensetzung 45 Massen-% CaF₂, 33 Massen-% CaO und 22 Massen-% SiO₂ und dem Verschließen der Anlage wurde das System dreimal mit Argon gespült und nach jedem Spülvorgang bis auf ca. 2 × 10^-2 mbar evakuiert. Danach wurde in der Anlage über Argon ein Druck von 1500 mbar eingestellt und der Umschmelzprozeß durchgeführt.

Für die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften standen somit ein im Va­ kuuminduktionsofen konventionell hergestellter Block (VO-Block) und ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugter Block (ESU-Block) zur Verfügung.

Die weitere Verarbeitung dieser beiden Blöcke bis zum lagenisolierten Ring­ bandkern für den Einsatz als Magnetkern in induktiven Bauelementen verlief vollkommen synchron und bestand aus folgenden Schritten:

• 1) Schmieden zu Platinen von etwa 10 mm Stärke
• 2) Schleifen zur Reinigung der Oberflächen
• 3) 1. Zwischenglühung
• 4) Kaltwalzen an 4 mm Zwischenstärke
• 5) 2. Zwischenglühung
• 6) Kaltwalzen an 0,11 mm Bandstärke unter Einstellung vier verschiedener Kaltverformungsgrade (KV)
  • a) KV=97,3% (keine weitere Zwischenglühung)
  • b) KV=94,5% (3. Zwischenglühung bei 2 mm)
  • c) KV=92,1% (3. Zwischenglühung bei 1,4 mm)
  • d) KV 89,0% (3. Zwischenglühung bei 1,0 mm)
• 7) Bandschneiden auf 9 mm Breite
• 8) Wickeln von lagenisolierten Ringbandkernen
• 9) abschließende Wärmebehandlung.

Zur vergleichenden magnetischen Prüfung der aus den beiden Blöcken herge­ stellten Ringbandkerne wurden die statischen und dynamischen (50 Hz) Hystere­ seschleifen gemessen. Daraus konnten die statischen Koerzitivfeldstärken H_cst sowie die dynamischen Permeabilitäten µ ermittelt werden.

Wie aus Fig. 1 deutlich erkennbar ist, wird das magnetische Wertniveau mit zu­ nehmender Kaltverformung bei weichmagnetischen Legierungen, die nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, im Vergleich zu den kon­ ventionell hergestellten Legierungen kontinuierlich besser; H_cst sinkt ab 90% Kaltverformung stark. Die Korrelation mit dem Kaltverformungsgrad ist eindeutig, wie sich aus nachfolgender Wertetabelle auch quantitativ ersehen läßt.

Im erfindungsgemäßen Zustand fällt H_cst mit dem letzten Verformungsschritt um 29% und die µ₁₀-Werte steigen mit wachsender Kaltverformung kontinuierlich, während der µ₁₀-Wert der konventionell hergestellten Vergleichlegierung bereits bei geringeren Verformungsgraden ein Maximum durchläuft und auch H_cst offen­ sichtlich bereits einen minimalen Grenzwert durchlaufen hat. Eine weitere Anhe­ bung des Werteniveaus im erfindungsgemäßen Zustand durch Erhöhung des Kaltver­ formungsgrades kann aus Fig. 1 und 2 ersehen werden.

Fig. 3 verdeutlicht, daß die Permeabilitätswerte der erfindungsgemäßen Legierung im Vergleich zu solchen nach dem Stand der Technik hergestellten Legierungen, ausgehend von der Maximalpermeabilität bei H ≈ 5 A/m, mit geringer werdender Feldstärke deutlich langsamer abfallen. Während die Maximalpermeabilitäten noch etwa gleich liegen (ca. 7% Unterschied), beträgt die Differenz bei H = 1 A/m bereits 19% und bei H = 0,5 A/m anwachsend auf 33% zugunsten der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Legierung.

Die Ursache für dieses Ergebnis liegt in der Erhöhung des Reinheitsgrades nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Permeabilitäten bei kleinen aussteuernden Feldstärken werden durch reversible Bloch-Wand-Bewegung bestimmt; diese sind insbesondere durch Teilchenwechselwirkungen in ihrer Beweglichkeit beeinträch­ tigt. Durch das erfindungsgemäß durchgeführte Elektroschlackeumschmelzen wird die Beweglichkeit der Bloch-Wände verbessert, was zu der erkennbaren Erhöhung des Permeabilitätsniveaus führt.

Auch die deutlich geringeren Korngrenzflächendichten in Bandrichtung bei hohen Kaltverformungsgraden, die aus Fig. 4 ersichtlich sind, tragen zur Verbesserung des Magnetwertniveaus über eine deutlich geringere Korngrenzwechselwirkung der Bloch-Wände im erfindungsgemäßen Zustand bei.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Legierungskörpers auf Fe-Ni-Basis, wobei die Ausgangsstoffe erschmolzen, zu Blöcken vergossen, geschmiedet, gewalzt sowie geglüht und ggf. zu dünnen Bändern wei­ terverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die gegossenen Blöcke einem Elektroschlackeumschmelzen unter Vakuum oder Schutz- und/oder Inertgasatmosphäre bei Verwendung von einer Schlacke mit der Zusammensetzung 30 bis 50 Massen-% CaF₂, 15 bis 30 Massen-% SiO₂ und 25 bis 45 Massen-% CaO unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlacke aus 45 Massen-% CaF₂, 33 Massen-% CaO und 22 Massen-% SiO₂ zusammensetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elek­ troschlackeumschmelzen unter einer Schutz- oder Inertgasatmosphäre bei ei­ nem Druck von maximal 1500 mbar durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elek­ troschlackeumschmelzen bei Drücken zwischen 10^-2 mbar bis 1500 mbar durch­ geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Luft erschmolzene Ausgangswerkstoffe (Elektroden) unter Vakuum einer Elek­ troschlackeumschmelzung unterzogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Vakuuminduktionsöfen erschmolzene Ausgangswerkstoffe (Elektroden) unter einer Schutz- oder Inertgasatmosphäre bei Drücken bis zu 1500 mbar einer Elektroschlackeumschmelzung unterzogen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Umschmelzung die Elektrodenumgebung (ESU-Anlage) bis zu 10^-2 mbar evakuiert und danach mit Edelgasen bis zu 1500 mbar druckbeauf­ schlagt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Umschmelzen die Elektrodenumgebung (ESU-Anlage) mehrfach mit Inert- oder Edelgas(en), vorzugsweise dreimal mit Argon, gespült und zwi­ schen den einzelnen Spülvorgängen jeweils bis auf 2 × 10^-2 mbar evakuiert worden ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroschlacke umgeschmolzenen Blöcke warm umgeformt werden durch Schmieden und/oder Walzen, oberflächengereinigt und unter Einstellung von mindestens 85% Kaltverformung, wobei mindestens eine Zwischenglühung zwi­ schen 800 und 1000°C vorausging, auf Bandstärken zwischen 0,5 mm und 0,003 mm kaltgewalzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kaltgewalzten Bänder zu Kernblechen, Bandkernen oder Formteilen weiter verarbeitet und diese abschließenden Schlußglühungen oberhalb 1000°C und teilweise Anlaß­ behandlungen unterhalb 600°C unter reduzierender Atmosphäre oder Schutz­ gas mit oder ohne Magnetfeldeinfluß unterzogen werden.