DE69611610T2

DE69611610T2 - Hochfester gegenstand aus eisen-kobalt-vanadium legierung

Info

Publication number: DE69611610T2
Application number: DE69611610T
Authority: DE
Inventors: W. Dietrich; S. Masteller
Original assignee: CRS Holdings LLC
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: TW377374B; JPH11505369A; KR100368472B1; BR9608519A; DE69611610D1; CA2220568A1; JP3551973B2; EP0824755B1; WO1996036059A1; EP0824755A1; CA2220568C; IL117490A0; US5501747A; IL117490A; KR19990014731A

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft weichmagnetische Materialien und insbesondere einen Gegenstand, der aus einer Eisen-Kobalt-Vanadium- Legierung gebildet ist, der in dem geglühten Zustand eine einzigartige Kombination von Fließgrenze, magnetischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften aufweist.

Allgemeiner Stand der Technik

Ein ferromagnetisches Material mit wenig oder keiner Remanenz wird als weichmagnetisch bezeichnet. Wenn ein weichmagnetisches Material in einem Magnetfeld magnetisiert wird und dann aus diesem Feld entfernt wird, verliert es den größten Teil des Magnetismus, den es in dem Feld aufwies. Ein weichmagnetisches Material ist gewöhnlich durch einen niedrigen Hystereseverlust, eine hohe magnetische Permeabilität und eine hohe magnetische Sättigungsinduktion gekennzeichnet. Weichmagnetische Materialien werden wegen ihrer erwünschten magnetischen Eigenschaften für derartige Anwendungen in zahlreichen statischen und sich drehenden elektrischen Einrichtungen verwendet, wie beispielsweise Motoren, Generatoren, Drehstrommaschinen, Transformatoren und Magnetlagern.
Eine von der Firma Carpenter Technology Corporation unter dem Warenzeichen HIPERCO® Alloy 50 vertriebene Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierung weist pro Gewichtseinheit des Materials eine sehr hohe Sättigungsmagnetisierung auf. Die nominelle Zusammensetzung der Legierung HIPERCO® Alloy 50 ist in Gewichtsprozent wie folgt:

Gew.-%

Kohlenstoff 0,01
Mangan 0,05
Silizium 0,05
Kobalt 48,75
Vanadium 1,90
Niob 0,05
Eisen Rest
Die Legierung HIPERCO® Alloy 50 ist in Rotor- und Statorblechen in Stromgeneratoren verwendet worden, da durch ihren Einsatz das Gewicht derartiger Einrichtungen beträchtlich verringert werden kann. Die magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Legierung sind in hohem Maße von der Korngröße der Legierung abhängig, die wiederum von der Zusammensetzung der Legierung und wie sie geglüht wird, insbesondere der Glühtemperatur abhängig ist. Die geringe Menge an Niob, die in der Legierung HIPERCO® Alloy 50 vorliegt, unterstützt die Kornverfeinerung, was der Stärke der Legierung zugute kommt. Wenn die Legierung bei der niedrigsten praktischen Temperatur geglüht wird (d. h. ungefähr 720ºC (1328ºF)), liefert sie eine Fließgrenze von bis zu 448 MPa (65 ksi, d. h. 65 kilo-psi) zusammen mit angemessenen magnetischen Eigenschaften. Obgleich eine Fließgrenze von 448 MPa (65 ksi) bisher angemessen gewesen ist, werden Stromgeneratoren und Magnetlager für Arbeitsgeschwindigkeiten über 50.000 U/min ausgelegt. Bei solchen Drehzahlen ist eine Fließgrenze erforderlich, die wesentlich über 448 MPa (65 ksi) liegt.
Das US-Patent Nr. 4,933,026 (Rawlings et al.) betrifft eine weichmagnetische Legierung mit, in Gewichtsprozent, der folgenden Zusammensetzung:

Gew.-%

Kohlenstoff 0,03 max.
Mangan 0,3 max.
Silizium 0,1 max.
Nickel 0,3 max.
Kobalt 33 - 55
Vanadium Keine positive Addition
Tantal + Niob 0,15-0,5
Eisen + Verunreinigungen Rest
Die in dem Patent von Rawlings et al. beschriebene Legierung enthält für den vorgegebenen Zweck, eine erhöhte magnetische Sättigungsinduktion zu erhalten, Ta und/oder Nb anstelle von V. Die Erfahrung mit der Legierung von Rawlings et al. hat jedoch gezeigt, daß die Legierung einen relativ niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist. Ein derartiger niedriger spezifischer elektrischer Widerstand führt zu unerwünscht hohen Energieverlusten von Wirbelströmen, wenn die Legierung beispielsweise in dem Rotor eines Generators mit hoher Drehzahl verwendet wird, der mit sehr hohen Flußumkehrraten von zum Beispiel ungefähr 5000 Hz arbeitet.
Das US-Patent Nr. 3,634,072 (Ackermann et al.) betrifft eine magnetische Legierung, die, in Gewichtsprozent, die folgende Zusammensetzung aufweist:

Gew.-%

Kohlenstoff 0,03 max.
Mangan 0,8 max.
Silizium 0,4 max.
Phosphor 0,02 max.
Schwefel 0,02 max.
Chrom 0,1 max.
Nickel 0,8 max.
Molybdän 0,2 max.
Kobalt 45 - 52
Vanadium 0,5 - 2,5
Niob 0,02 - 0,5
Zirconium 0,07 - 0,3
Eisen 45 - 52
Die in dem Patent von Ackermann et al. beschriebene Legierung enthält zur Verbesserung der Verformbarkeit 0,02-0,5% Niob und/oder 0,07-0,3% Zirconium, ohne daß die magnetischen Eigenschaften der Legierung beeinträchtigt werden. Eine wichtige Charakteristik dieser Legierung besteht darin, daß sie lange Zeiträume in dem Kornwachstumstemperaturbereich aushalten kann, ohne daß ihre Verformbarkeit einen wesentlichen Verlust erfährt. Der Kornwachstumstemperaturbereich erstreckt sich von unmittelbar über der Ordnungs-Unordnungs- Temperatur bis ungefähr zu der Ferrit-Austenit- Übergangstemperatur. Fertiggestellte Formen aus dem in Ackermann et al. beschriebenen Material erhalten eine letzte Glüh-Wärmebehandlung in trockenem Wasserstoff bei einer Temperatur im Bereich 760 bis 843ºC (1400 bis 1550ºF) über 4 Stunden. Ein gemäß Ackermann et al. hergestellter Gegenstand weist jedoch keine Fließgrenze auf, die so hoch ist, daß er sich in elektrischen Einrichtungen mit hohen Drehzahlen, wie beispielsweise den obenerwähnten Luftfahrtgeneratoren und Magnetlagern, eignen würde.
Angesichts des Obengesagten besteht ein Bedarf an einem geglühten Gegenstand, der sowohl eine hohe Fließgrenze als auch gute elektrische und magnetische Eigenschaften aufweist, damit er die Anforderungen erfüllen kann, die durch die wesentlich höheren Drehzahlen der neusten Generation von Stromgeneratoren und Magnetlagern gestellt werden.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die mit den bekannten weichmagnetischen Materialien verbundenen Probleme werden zu einem hohen Grade von einem Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst. Ein Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein magnetischer Gegenstand, der aus einer Eisen-Kobalt-Vanadium-Legierung gebildet ist, die in dem geglühten Zustand eine einzigartige Kombination von Fließgrenze, magnetischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften aufweist. Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein wärmebehandelter magnetischer Gegenstand bereitgestellt. Der magnetische Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist aus einer Legierung gebildet, die, in Gewichtsprozent, im wesentlichen besteht aus ungefähr:
C 0,003 - 0,02
Mn 0,10 max.
Si 0,10 max.
P 0,01 max.
S 0,003 max.
Cr 0,1 max.
Ni 0,2 max.
Mo 0,1 max.
Co 48 - 50
V 1,8 - 2,2
Nb 0,15 - 0,5
N 0,004 max.
O 0,006 max.
wobei der Rest im wesentlichen Eisen ist. Der Gegenstand wird nicht länger als ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von nicht über ungefähr 740ºC (1364ºF) geglüht und weist eine Fließgrenze bei Raumtemperatur von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) auf.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetlager bereitgestellt. Das Magnetlager umfaßt einen Stator mit einer Mittelöffnung und einen in der Mittelöffnung positionierten Rotor. Der Rotor umfaßt einen im allgemeinen scheibenförmigen Kern mit einem Durchmesser, der so bemessen ist, daß der scheibenförmige Kern in der Mittelöffnung des Stators positioniert werden kann. Der scheibenförmige Kern ist aus der in dem unmittelbar vorausgehenden Absatz dargelegten weichmagnetischen Legierung gebildet. Der scheibenförmige Kern wird nicht länger als ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von nicht über ungefähr 740ºC (1364ºF) geglüht und weist eine Fließgrenze bei Raumtemperatur von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) auf.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfaßt einen Stator mit einer Mittelöffnung und einen in der Mittelöffnung positionierten Rotor. Der Rotor umfaßt eine Trommel mit einer Abmessung, so daß sie innerhalb der Mittelöffnung des Stators positioniert werden kann. Die Trommel wird entsprechend dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung gebildet.
In der ganzen vorliegenden Anmeldung steht Prozent (%) für Gewichtsprozent, es sei denn, es ist etwas anderes angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der vorausgegangenen kurzen Darstellung sowie der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergibt sich bei ihrer Lektüre in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Magnetlagers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Perspektivansicht einer Drehstrommaschine der vorliegenden Erfindung von vorne rechts;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Fließgrenze bei Raumtemperatur und 0,2% Offset als Funktion des Niob in Gewichtsprozent für mehrere 2 Stunden lang bei 720ºC (1328ºF) und 2 Stunden lang bei 760ºC (1400ºF) geglühte Legierungszusammensetzungen; und
Fig. 4 eine graphische Darstellung des 20 kG-Energieverlustes als Funktion der Testfrequenz für verschiedene Kombinationen von Legierungszusammensetzung und Glühtemperatur.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein hochfester Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einer Eisen-Kobalt- Vanadium-Legierung gebildet, die eine wirksame Menge an Niob enthält. In der Legierung sind mindestens ungefähr 0,15% Niob, noch besser mindestens ungefähr 0,2% Niob vorhanden, um die Fließgrenze so zu verbessern, daß die Legierung in dem geglühten Zustand eine Fließgrenze bei Raumtemperatur und 0,2% Offset von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) aufweist. Niob vereinigt sich mit einem Teil des Eisens und/oder Kobalts und bildet die Laves-Phase Nb(Fe,Co)&sub2;, bei der es sich um Teilchen handelt, die das Kornwachstum beim Glühen der Legierung behindern. Eine feine Korngröße, feiner als ungefähr ASTM 10, ist in dem Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung erwünscht, da die Fließgrenze mit abnehmender Korngröße zunimmt. Obwohl das Kornwachstum durch Karbide und/oder Karbonitride eingeschränkt werden kann, hat sich herausgestellt, daß die Bildung der Laves-Phase besser vorhergesagt werden kann, da die Bildung von Karbiden und Karbonitriden von dem Kohlenstoffgehalt der Legierung abhängt, was schwer zu steuern ist. Außerdem hat sich herausgestellt, daß die Struktur von Teilchen der Laves-Phase bei höheren Temperaturen stabiler ist als die von Karbiden und Karbonitriden. Aus diesen Gründen liefert die Nb(Fe, Co)&sub2;-Laves-Phase ein konsistenteres und vorhersagbareres Verhalten der Legierung auf Glüh-Wärmebehandlungen. Außerdem ist eine gute strukturelle Stabilität besonders dann wichtig, wenn die Legierung warmverformt werden soll.
Es hat sich herausgestellt, daß mindestens ungefähr 0,2%, noch besser ungefähr 0,3% Niob in dieser Legierung den Bereich der Glühtemperaturen beträchtlich vergrößert, in dem eine Fließgrenze von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) erhalten werden kann. In dieser Legierung führt zuviel Niob zu der Bildung von übermäßigen Mengen an Laves-Phase, die an den Korngrenzen brüchige Filme bildet, was insbesondere während der Warmverformung zur Rißbildung führt. Dementsprechend ist Niob in dieser Legierung auf nicht mehr als ungefähr 0,5% und noch besser auf nicht mehr als ungefähr 0,4% begrenzt.
Der Fachmann erkennt, daß das Niob ganz oder teilweise durch Tantal ersetzt werden kann. Wenn Tantal vorliegt, wird es für Niob in einem Verhältnis von 1 : 1 basierend auf Atomprozenten substituiert.
Zur Bildung einer kleinen Menge von Karbiden und/oder Karbonitriden, die für eine zusätzliche Einschränkung des Kornwachstums sorgen, wenn die Legierung geglüht wird, liegen in der Legierung mindestens ungefähr 0,003% und noch besser mindestens ungefähr 0,010% Kohlenstoff vor. Eine niedrigere Menge an Kohlenstoff hat auf die magnetischen Eigenschaften der Legierung keinen wesentlichen positiven Einfluß, so daß der zusätzliche Aufwand, die Legierung zwecks Erreichens eines geringeren Kohlenstoffgehalts zu schmelzen und zu vergüten, nicht gerechtfertigt ist. In dieser Legierung ist Kohlenstoff auf nicht mehr als ungefähr 0,02%, vorzugsweise auf nicht mehr als ungefähr 0,015% begrenzt, damit die Bildung der Karbide und Karbonitride auf Mengen begrenzt wird, die die strukturelle Stabilität der Legierung und ihr Verhalten auf eine Glüh-Wärmebehandlung nicht beeinträchtigen.
In der Legierung liegen mindestens ungefähr 48%, noch besser mindestens ungefähr 48,5% Kobalt vor, um die magnetische Sättigungsinduktion zu verbessern. Durch eine übermäßige Menge an Kobalt wird jedoch die magnetische Sättigungsinduktion der Legierung beeinträchtigt, weshalb Kobalt auf nicht mehr als ungefähr 50%, vorzugsweise auf nicht mehr als ungefähr 49,0% begrenzt ist. Der Kobaltgehalt liegt vorzugsweise in einem gleichen Atomverhältnis mit Eisen vor.
In der Legierung liegen mindestens ungefähr 1,8%, noch besser mindestens ungefähr 1,9% Vanadium vor, um ihre Verformbarkeit zu verbessern. Außerdem trägt Vanadium zu dem durch diese Legierung gelieferten guten spezifischen elektrischen Widerstand bei. Ein hoher spezifischer elektrischer Widerstand ist erwünscht, um Wirbelstromverluste, die in Generatorrotoren mit hoher Drehzahl ein dominanter Verlustmechanismus sind, auf ein Minimum zu reduzieren. Die in der Legierung vorliegende Menge an Vanadium sollte vorzugsweise ausreichen, bei Raumtemperatur einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens ungefähr 40 uΩ-cm bereitzustellen. Zuviel Vanadium in der Legierung führt zu der Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen wie etwa FeCo&sub3;V, was die Legierung magnetisch härtet. Vanadium ist deshalb in dieser Legierung auf nicht mehr als ungefähr 2,2%, vorzugsweise auf nicht mehr als ungefähr 2,1% begrenzt.
Zusätzliche Elemente können in kontrollierten Mengen vorliegen, um andere, durch diese Legierung bereitgestellte erwünschte Eigenschaften zu verbessern. So kann in der Legierung beispielsweise eine geringe Menge an Mangan vorliegen, um ihre Warmverformbarkeit zu verbessern. Zuviel Mangan beeinträchtigt jedoch die magnetische Sättigungsinduktion. Wenn Mangan vorliegt, ist es dementsprechend in dieser Legierung auf nicht mehr als ungefähr 0,10% begrenzt. In der Legierung können bis zu ungefähr 0,1% Chrom vorliegen, um den spezifischen Widerstand der Legierung zu verbessern.
Der Rest der Legierung besteht, abgesehen von den üblichen Verunreinigungen, die sich in handelsüblichen Qualitäten von Legierungen finden, die für ähnliche Verwendungszwecke bestimmt sind, im wesentlichen aus Eisen. Die Mengen an diesen Elementen werden so gesteuert, daß die gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. In dieser Hinsicht liegen in der Legierung nicht mehr als ungefähr 0,10% Silizium vor, da zuviel Silizium die Bildung von Silikaten bewirkt, von denen übermäßige Mengen die Verformbarkeit der Legierung und das Erscheinungsbild eines daraus gebildeten kaltgewalzten Bands beeinträchtigen. In der Legierung liegen nicht mehr als ungefähr 0,01% Phosphor vor, da dieses die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigt und eine Versprödung der Legierung bewirkt. In der Legierung liegen nicht mehr als ungefähr 0,003% Schwefel vor, da Schwefel die Warmverformbarkeit der Legierung beeinträchtigt. In der Legierung liegen nicht mehr als ungefähr 0,2% Nickel vor, da Nickel die GammaPhasenumwandlungstemperatur der Legierung reduziert. Da in der Legierung Spannungen erzeugt werden, wenn sie von über der GammaPhasenumwandlungstemperatur abgekühlt wird, schränkt eine Reduzierung der GammaPhasenumwandlungstemperatur den Bereich von Temperaturen, in dem die Legierung ohne Erzeugung derartiger Spannungen geglüht werden kann, unnötig ein. In der Legierung liegen nicht mehr als ungefähr 0,1% Molybdän vor, da Molybdän Karbide bildet. Obwohl eine begrenzte Menge an Molybdänkarbiden von Vorteil ist, um das Kornwachstum einzuschränken, ist eine zu große Menge derartiger Karbide, wie oben erörtert, in der vorliegenden Legierung nicht erwünscht. In der Legierung liegen nicht mehr als ungefähr 0,004% Stickstoff vor, da Stickstoff zur Bildung von Karbonitriden führt. Obwohl eine geringe Menge an Karbonitriden von Vorteil sein kann, um das Kornwachstum einzuschränken, ist in der vorliegenden Legierung eine übermäßige Menge nicht erwünscht. Außerdem bewirken Karbonitride eine interkristalline Versprödung der Legierung. In der Legierung liegen nicht mehr als ungefähr 0,006% Sauerstoff vor, da Sauerstoff zu der Bildung von Vanadiumoxiden führt, was den spezifischen elektrischen Widerstand und die Verformbarkeit der Legierung beeinträchtigt.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Legierung wird unter Einsatz herkömmlicher Techniken hergestellt, bearbeitet und zu Produkten geformt. Sie kann in Luft beispielsweise durch einen Lichtbogenofen oder unter Verwendung wohlbekannter Vakuumschmelztechniken, wie beispielsweise Vakuuminduktionsschmelzen (VIM) und/oder Wiederaufschmelzen mit Vakuum-Lichtbogen (VAR), aufgeschmolzen werden. Nach dem Schmelzen und Gießen zu einem Block wird sie ab einer Ofentemperatur von ungefähr 1065-1232ºC (1950-2250ºF) zu Knüppeln oder Brammen geschmiedet. Nach der üblichen Oberflächenvorbereitung wird sie zu Bändern heißgewalzt, ebenfalls ab einer Ofentemperatur von ungefähr 1065-1232ºC (1950-2250ºF), die im noch heißen Zustand aufgewickelt werden. Das Band wird in Wasser schnell abgeschreckt, um die Verformbarkeit der Legierung zu verbessern, und dann wieder aufgewickelt.
Das auf diese Weise geformte Band ist ein Zwischenprodukt, das wesentlich dicker ist als das Fertigmaß. Das Fertigmaß wird dann durch Kaltwalzen des Bands auf die gewünschte Dicke oder auf das gewünschte Maß ausgebildet.
Ein Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus Blechstreifen gebildet werden oder maschinell aus geschmiedeten Knüppeln oder Stäben geformt werden. Gegenstände können auch durch Pulvermetallurgietechniken gebildet werden. Nachdem der Gegenstand ausgebildet worden ist, wird er geglüht, um die gewünschte Kombination von Festigkeit, magnetischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften, die für den Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung charakteristisch sind, zu liefern. Um die einzigartige Kombination von hoher Fließgrenze, elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu erhalten, die für die vorliegende Erfindung charakteristisch sind, werden die Glühzeit und -temperatur so gesteuert, daß die Glühtemperatur relativ niedrig liegt und die Glühzeit relativ kurz ist. Wie in dieser Beschreibung schon oben angemerkt, wirkt sich das Vorliegen von Niob in der Legierung auf den Bereich nützlicher Glühzeiten und - temperaturen aus. Mit steigendem Niobgehalt verbreitert sich der Bereich von Zeiten und Temperaturen, bei denen die Legierung geglüht werden kann, um eine Fließgrenze von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) zu erhalten. Die Glühtemperatur ist vorzugsweise auf nicht über ungefähr 740ºC (1364ºF) beschränkt, und die Glühzeit ist auf nicht mehr als ungefähr 4 Stunden beschränkt, noch besser auf nicht mehr als ungefähr 2 Stunden. Die Glühtemperatur beträgt vorzugsweise mindestens ungefähr 720ºC (1328ºF), noch besser mindestens ungefähr 730ºC (1346ºF), da der Rekristallisationsprozeß in der Legierung nur schwer zu steuern ist, ohne sie mindestens auf die Temperatur der Ordnungsreaktion zu erhitzen, die für die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Legierung bei ungefähr 720-730ºC (1328- 1346ºF) eintritt. Der Gegenstand wird mit einer Kühlrate von ungefähr 83ºC (150ºF) pro Stunde gekühlt Die Glüh-Wärmebehandlung kann gegebenenfalls in einer Schutzatmosphäre, wie etwa einer Vakuum-, Schutzgas- oder nichtoxidierenden Umgebung, durchgeführt werden.
Der Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich gut zum Einsatz in einem großen Bereich von Gegenständen, die eine Kombination aus hoher Fließgrenze und guten weichmagnetischen Eigenschaften erfordern. Ein Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders gut zum Einsatz in verschiedenen stehenden und sich drehenden Teilen in sich mit hohen Drehzahlen drehenden elektrischen Einrichtungen, wie etwa Motoren, Generatoren, Drehstrommaschinen und Magnetlagern. Ein Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch als ein Magnetkern für einen Transformator, eine Induktionsspule oder dergleichen ausgeführt werden.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein aktives Magnetlager 10 gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Magnetlager sind allgemein bekannt, und eine Ausführungsform ist in dem US- Patent Nr. 2,691,306 (Beams et al.) beschrieben, das unter Bezugnahme hier aufgenommen ist. Das Magnetlager 10 umfaßt einen Stator 20 und einen Rotor 30. Der Stator 20 umfaßt einen allgemein ringförmigen Kern 21 mit mehreren Speichen 22, die um den Innenumfang des ringförmigen Kerns 21 herum im wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind. Die Speichen 22 stehen radial zu der Mitte des ringförmigen Kerns 21 vor. Wicklungsträger 24 sind auf den Speichen 22 positioniert, um die Statorwicklungen 26 zu halten. Jede Statorwicklung 26 enthält eine Antriebsspule 27 und eine Flußerfassungsspule 28. Durch den ringförmigen Kern 21 und die Wicklungsträger 24 wird eine Mittelöffnung 25 des Stators 20 definiert. Der ringförmige Kern 21 und die Wicklungsträger 24 werden aus massivem geschmiedetem Lagermaterial, wie beispielsweise Knüppeln oder Stangen, oder aus Blechen aus Bandmaterial, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, zusammengebaut.
Der Rotor 30 ist in der Mittelöffnung 25 des Stators 20 positioniert. Der Rotor 30 umfaßt eine Welle 32 und einen scheibenförmigen Kern 34. Der scheibenförmige Kern 34 ist aus mehreren Blechen aus der gemäß der vorliegenden Erfindung produzierten hochfesten weichmagnetischen Legierung zusammengebaut. Jedes Blech besteht aus einem dünnen Ring, dessen Außendurchmesser so bemessen ist, daß er in die Mittelöffnung 25 des Stators 20 paßt. Der Innendurchmesser des Rings ist so bemessen, daß er mit Reibung um die Welle 32 paßt. Die Bleche sind gestapelt und bilden so den scheibenförmigen Kern 34 mit einem mittig angeordneten Loch, durch das die Welle 32 eingesetzt werden kann. Der scheibenförmige Kern 34 kann aber auch aus massivem geschmiedetem Lagermaterial der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sein.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein Einphasenstromgenerator 210 gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Generator 210 umfaßt einen Stator 220 mit einer Mittelöffnung 225. Ein Rotor 230 ist in der Mittelöffnung 225 des Stators 220 positioniert. Der Rotor 230 enthält eine Trommel 234, die gedreht werden kann. Die Trommel 234 ist aus mehreren Blechen aus der gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten hochfesten weichmagnetischen Legierung zusammengebaut. Die Trommel 234 kann aber auch aus massivem geschmiedetem Lagermaterial der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sein. Es sind zwei verschiedene leitende Schleifringe 240a und 240b vorgesehen, die voneinander isoliert sind und sich zusammen mit dem Rotor 230 drehen. Ein erster Anschluß 245a einer Spule 247 ist mit dem Schleifring 240a verbunden, und ein zweiter Anschluß 245b der Spule 247 ist mit dem anderen Schleifring 240b verbunden. Zwei stationäre Bürsten 250a und 250b liegen an den Schleifringen 240a bzw. 240b an. Jede Bürste 250 steht immer in Kontakt mit dem gleichen Schleifring 240. Die Bürsten 250a und 250b sind mit einem nicht gezeigten äußeren Stromkreis verbunden, so daß von dem Generator 210 erzeugter elektrischer Strom zu einer Last geleitet werden kann.

Beispiele

Um die einzigartige Kombination von Fließgrenze und elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu demonstrieren, die durch einen Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert werden, wurden die Beispiele 1-6 mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen in Gewichtsprozent hergestellt und getestet. Zu Vergleichszwecken wurden auch Vergleichsbeispiele A-C mit Zusammensetzungen, die außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, getestet. Ihre Zusammensetzungen in Gewichtsprozent sind ebenfalls in Tabelle 1 enthalten. Die Beispiele A und B stellen die Legierung HIPERCO® Alloy 50 dar. Beispiel C stellt die in Rawlings et al. offenbarte Legierung dar. Tabelle 1
Die Beispiele 1-6 und die Vergleichsbeispiele A und B wurden aus 181 kg -Schmelzen (400 lb -Schmelzen) hergestellt, die durch Vakuuminduktion geschmolzen und zu quadratischen Blöcken mit einer Seitenlänge von 19,0 cm (7,5 Zoll) gegossen wurden. Die Blöcke wurden ab einer Temperatur von 1177ºC (2150ºF) auf einer 5,08 · 10&sup5; kg großen Presse (500 Tonnen-Presse) in 11,4 cm (4,5 Zoll) mal 18,4 cm (7,25 Zoll) große Flachknüppel heißgepreßt und dann langsam abgekühlt. Die Knüppel wurden dann ab einer Temperatur von 1090-1200ºC (1994-2192ºF) zu Bändern mit einer Dicke von 2,0 mm (0,08 Zoll) heißgewalzt und dann aufgewickelt. Die Wickel wurden dann auf 820ºC (1508ºF) erwärmt und schnell abgekühlt, um einen atomar ungeordneten Zustand beizubehalten. Das Band wurde neu aufgewickelt, mit metallischem Schrot abgeblasen und in Säure gereinigt, um Oberflächenoxide zu entfernen. Die Wickel wurden dann auf eine Dicke von 0,15 mm (0,006 Zoll) und eine Breite von ungefähr 15,2 mm (6 Zoll) kaltgewalzt und entfettet. Das Vergleichsbeispiel C wurde in Form eines Bandes mit einer Dicke von 0,15 mm (0,006 Zoll) und einer Breite von ungefähr 20,3 cm (8 Zoll) von außerhalb erhalten. Es wird angenommen, daß das für Beispiel C verwendete Material auf eine Weise hergestellt wurde, die der für die Beispiele 1-6, A und B ähnelt.
Proben des 0,15 mm (0,006 Zoll)-Bands von den Beispielen 1-6 und A-C wurden ausgewertet, um die mechanischen und magnetischen Eigenschaften zu bestimmen. Aus rechteckigen Rohlingen des Bands wurden Bandzugproben geformt, die gewalzt wurden, um 1,9 cm (0,75 Zoll) breite mal 25,4 cm (10 Zoll) lange rechteckige Stücke zu erhalten. Die Längsachse jedes rechteckigen Stücks fällt mit der Walzachse des Bands zusammen. Die Breite in der Nähe der Mitte jedes rechteckigen Stücks wurde über eine Länge von ungefähr 6,4 cm (2,5 Zoll) auf 1,28 cm (0,505 Zoll) verengt, indem ungefähr 3,1 mm (0,122 Zoll)- Abschnitte von jeder der Längsseiten der rechteckigen Stücke mit einem Fräswerkzeug mit einem Radius von 1,3 cm (0,5 Zoll) entfernt wurden. Es wurden auch Ringbleche mit einem Außendurchmesser von 3,81 cm (1,5 Zoll) und einem Innendurchmesser von 3,2 cm (1,25 Zoll) aus dem 0,15 mm (0,006 Zoll) dicken Band geformt. Eine Gruppe von Zugproben und Ringblechen wurde zwei Stunden lang bei 720ºC (1328ºF) in trockenem Wasserstoff geglüht, und eine andere Gruppe zwei Stunden lang bei 160ºC (1400ºF).
Das mechanische Testen wurde an den Zugproben der Beispiele 1-6, A, B und C unter Verwendung einer horizontalen Zugprüfmaschine durchgeführt, in der die Zugprobe ergriffen und entlang ihrer Längsachse horizontal gezogen wird. Die Kraft und die Dehnung, bei der jede Probe brach, wurden gemessen, und die Fließgrenze bei Raumtemperatur und 0,2% Offset wurde bestimmt. Die Bestimmungen der Fließgrenze wurden doppelt durchgeführt, und die Mittelwerte der beiden Parallelmessungen für 2 Stunden lang bei 720ºC (1328ºF) (volle Symbole) bzw. 760ºC (1400ºF) (offene Symbole) geglühte Proben sind in Fig. 3 und Tabelle 2 gezeigt. Die Fließgrenze von Beispiel C ist zu Vergleichszwecken in Tabelle 2 aufgenommen. Tabelle 2
Die Daten in Fig. 3 und Tabelle 2 zeigen deutlich eine wesentliche Erhöhung der Fließgrenze für die 0,15% oder mehr Niob enthaltenden Beispiele, wenn sie 2 Stunden lang bei 720ºC (1328ºF) geglüht werden. Obwohl die Fließgrenze bei einer gegebenen Glühzeit und -temperatur allgemein mit dem Niobgehalt steigt, liefern die 0,15% oder mehr Niob enthaltenden Proben, wie in Fig. 3 gezeigt, im Vergleich zu den bei 760ºC (1400ºF) geglühten Proben beim Glühen bei 720ºC (1328ºF) eine wesentlich höhere Fließgrenze. Insbesondere geht aus den in Fig. 3 dargestellten Daten hervor, daß durch mehr als ungefähr 0,15% Niob enthaltende Proben ohne weiteres eine Fließgrenze von ungefähr 620 MPa (90 ksi) erhaltet wird, wenn der Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur von 720ºC (1328ºF) geglüht wird.
Die Kernverluste wurden für die Beispiele 4-6 bestimmt, die 2 Stunden lang bei. 720ºC (1328ºF) bzw. 760ºC (1400ºF) geglüht wurden. Der Kernverlust wurde bei einer Flußdichte von 20 kG und bei Testfrequenzen im Bereich von 60 bis 4000 Hz an den geglühten Ringblechen gemessen. Der Kernverlust wurde mit der ASTM Standard Procedure A927/A927M (Standard Test Method for Alternating-Current Magnetic Properties of Toroidal Core Specimens Using the Voltmeter-Ammeter- Wattmeter Method) [Standardtestverfahren zur Bestimmung von magnetischen Eigenschaften von Ringkernproben bei Wechselstrom nach der Voltmeter- Amperemeter-Wattmeter-Methode] bestimmt. Die Ergebnisse werden in Energieverlust umgewandelt, indem der Kernverlust durch die Testfrequenz dividiert wird. Die Werte für den Energieverlust sind in Tabelle 3 gezeigt und in Fig. 4 aufgetragen. Zu Vergleichszwecken sind in Tabelle 3 und Fig. 4 auch die Ergebnisse der Kernverlustprüfung für Beispiel B, das 2 Stunden lang bei 760ºC (1400ºF) geglüht wurde, und Proben von Beispiel C, die 2 Stunden lang bei 720ºC (1328ºF) bzw. 760ºC (1400ºC) geglüht wurden, gezeigt. Da die in Fig. 4 für jede Legierung bei jeder Glühtemperatur dargestellten Daten beinahe linear sind, enthält Fig. 4 eine Linie, die das Ergebnis einer linearen Regressionsanpassung durch jeden Datensatz darstellt, so daß die Ergebnisse leicht verglichen werden können. Die Steigung der Linie gibt den Anteil der Wirbelströme und dadurch den spezifischen elektrischen Widerstand an. Eine große Steigung weist auf einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand hin. Tabelle 3
Die in Fig. 4 dargestellten Daten zeigen, daß die Beispiele 4 bis 6 gemäß der vorliegenden Erfindung sich im Hinblick auf den Kernverlust als Funktion der Testfrequenz ähnlich wie Beispiel B verhalten, obwohl die gemessenen Kernverluste bei den Beispielen 4-6 bei jeder Testfrequenz allgemein etwas höher liegen als die des Beispiels B bei der gleichen Frequenz.
Die in Fig. 4 dargestellten Daten zeigen außerdem, daß die Beispiele 4-6 der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit Beispiel C eine deutliche Verbesserung des Kernverlustes bei ansteigender Testfrequenz liefern. Diese Verbesserung ist unabhängig von der verwendeten Glühzeit und -temperatur. Zur Verwendung in Stromgeneratoren mit hoher Drehzahl und Magnetlagern dem Stand der Technik wird ein niedriger Kernverlust bei Frequenzen zwischen 4000 und 5000 Hz benötigt.
In Tabelle 4 sind für die Beispiele 4-6 die spezifischen Widerstandswerte bei Raumtemperatur gezeigt, nachdem sie 2 Stunden lang bei 760ºC (1400ºF) geglüht worden sind. Der spezifische elektrische Widerstand ist bekannterweise vor der Glühtemperatur so gut wie unabhängig. Dementsprechend wird erwartet, daß die in Tabelle 4 gezeigten Werte für den spezifischen Widerstand von den bei einer beliebigen Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung geglühten gleichen Proben erzielt würden. Bei allen drei Beispielen lagen die spezifischen Widerstandswerte über 40 uΩ-cm, was erwünscht ist, um Wirbelstromverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Als Vergleich weist die Legierung HIPERCO® Alloy 50 (Beispiele A und B) bekannterweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von ungefähr 44 uΩ-cm und die Legierung nach Rawlings et al. (Beispiel C) einen spezifischen Widerstand von ungefähr 14 uΩ-cm auf, wie in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Zusammenfassend weisen die Beispiele 4-6 im Vergleich zu Beispiel B wesentlich höhere Fließgrenzen auf. Obwohl die Beispiele 4-6 im Vergleich mit Beispiel B etwas größere Kernverluste aufweisen, weisen sie weiterhin wesentlich bessere Kernverluste im Vergleich zu Beispiel C auf. Außerdem weisen die Beispiele 4-6 ungefähr den gleichen spezifischen elektrischen Widerstand wie die bekannte Legierung HIPERCO® Alloy 50 und einen wesentlich besseren spezifischen Widerstand als die durch Beispiel C dargestellte, Niob enthaltende Fe-Co-V-Legierung auf. Somit zeigen die in Fig. 3 und 4 und in den Tabellen 2-4 dargestellten Daten die einzigartige Kombination von Fließgrenze, magnetischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften, die durch einen Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung geliefert werden, im Vergleich zu den bekannten weichmagnetischen Materialien.

Claims

1. Magnetischer Gegenstand, der aus einer Legierung gebildet ist, die, in Gewichtsprozent, im wesentlichen besteht aus ungefähr:

C 0,003 - 0,02

Mn 0,10 max.

Si 0,10 max.

P 0,01 max

S 0,003 max.

Cr 0,1 max.

Ni 0,2 max.

Mo 0,1 max.

Co 48 - 50

V 1,8 - 2,2

Nb 0,15 - 0,5

N 0,004 max.

O 0,006 max.

Rest im wesentlichen Eisen, wobei der Gegenstand nicht länger als ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von nicht über 740ºC (1364ºF) geglüht worden ist und der Gegenstand eine Fließgrenze bei Raumtemperatur von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) aufweist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, der mindestens ungefähr 0,25% Niob enthält.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, der mindestens ungefähr 0,3% Niob enthält.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, der nicht länger als ungefähr zwei Stunden geglüht worden ist.

5. Gegenstand nach Anspruch 1, der bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 720ºC (1328ºF) geglüht worden ist.

6. Magnetlager, das folgendes umfaßt:

a. einen Stator mit einer Mittelöffnung darin; und

b. einen in der Mittelöffnung des Stators positionierten Rotor, der folgendes umfaßt: einen im allgemeinen scheibenförmigen Kern mit einem Durchmesser, der so bemessen ist, daß der scheibenförmige Kern in der Mittelöffnung des Stators positioniert werden kann, wobei der scheibenförmige Kern aus einer Legierung gebildet ist, die, in Gewichtsprozent, im wesentlichen besteht aus ungefähr:

C 0,003 - 0,02

Mn 0,10 max.

Si 0,10 max.

P 0,01 max

S 0,003 max.

Cr 0,1 max.

Ni 0,2 max.

Mo 0,1 max.

Co 48 - 50

V 1,8 - 2,2

Nb 0,15 - 0,5

N 0,004 max.

O 0,006 max.

Rest im wesentlichen Eisen, wobei der scheibenförmige Kern nicht länger als ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von nicht über 740ºC (1364ºF) geglüht worden ist und der scheibenförmige Kern eine Fließgrenze bei Raumtemperatur von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) aufweist.

7. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem der Stator folgendes umfaßt:

a. einen im allgemeinen ringförmigen Kern mit einem Innenumfang;

b. mehrere radial gerichtete Speichen, die um den Innenumfang des ringförmigen Kerns herum im wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind und von dem ringförmigen Kern aus nach innen vorstehen; und

c. mehrere Wicklungsträger, die jeweils auf einer der radial gerichteten Speichen positioniert sind.

8. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem der Rotor eine Welle umfaßt, die sich axial durch den scheibenförmigen Kern erstreckt.

9. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem der scheibenförmige Kern aus mehreren Blechen besteht, wobei jedes Blech allgemein ringförmig ist und einen Innendurchmesser mit einer solchen Abmessung aufweist, daß er eine Welle dort hindurch aufnehmen kann.

10. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem die Legierung mindestens ungefähr 0,25% Niob enthält.

11. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem die Legierung mindestens ungefähr 0,3% Niob enthält.

12. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem der scheibenförmige Kern nicht länger als ungefähr 2 Stunden geglüht worden ist.

13. Magnetlager nach Anspruch 6, bei dem der scheibenförmige Kern bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 720ºC (1328ºF) geglüht worden ist.

14. Rotor für eine sich drehende elektrische Maschine, der folgendes umfaßt: eine Trommel mit einer Abmessung, so daß sie innerhalb einer Mittelöffnung eines Stators positioniert werden kann, wobei die Trommel aus einer Legierung gebildet ist, die, in Gewichtsprozent, im wesentlichen besteht aus ungefähr:

C 0,003 - 0,02

Mn 0,10 max.

Si 0,10 max.

P 0,01 max

S 0,003 max.

Cr 0,1 max.

Ni 0,2 max.

Mo 0,1 max.

Co 48 - 50

V 1,8 - 2,2

Nb 0,15 - 0,5

N 0,004 max.

O 0,006 max.

Rest im wesentlichen Eisen, wobei die Trommel nicht länger als ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von nicht über 740ºC (1364ºF) geglüht worden ist und die Trommel eine Fließgrenze bei Raumtemperatur von mindestens ungefähr 620 MPa (90 ksi) aufweist.

15. Rotor nach Anspruch 14, bei dem die Trommel aus mehreren Blechen besteht.

16. Rotor nach Anspruch 14, bei dem die Legierung mindestens ungefähr 0,25% Niob enthält.

17. Rotor nach Anspruch 14, bei dem die Legierung mindestens ungefähr 0,3% Niob enthält.

18. Rotor nach Anspruch 14, bei dem die Trommel nicht länger als ungefähr zwei Stunden geglüht worden ist.

19. Rotor nach Anspruch 18, bei dem die Trommel bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 720ºC (1328ºF) geglüht worden ist.