CH630959A5 - Ausscheidungshaertbare dauermagnetlegierung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine ausscheidungshärtbare 20 fachzugabe von Elementen wie C plus S bewirkt zwar eine Kri-Dauermagnetlegierung mit Stengelkristallgefüge insbesondere stallausrichtung, erzeugt jedoch nicht die erwünschten Magnet-Alnico-9-Dauermagnetlegierungen, bei denen der Co-Gehalt eigenschaften in einer Alnico-9-Dauermagnetlegierung, die geringer als bei herkömmlichen Alnico-Dauermagnetlegierun- weniger als 34 Gew.-% Co enthält.
gen ist und die ausserdem die drei Elemente C, S und Nb zusam- Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von verbesserten men enthalten. Normalerweise enthalten die sog. Alnico- 25 Alnico-9-Dauermagnetlegierungen mit einem niedrigen Co-Dauermagnetlegierungen nicht nur solche Gefügebestandteile Anteil von 28-30%, deren Magneteigenschaften gleich oder wie Al, Ni, Co, Cu und Fe, sondern auch viele Zusätze, die die besser als diejenigen üblicher Alnico-9-Dauermagnetlegierun-Magneteigenschaften verbessern. Ferner wurde die Verbesse- gen sind, so dass die vorgenannten Schwierigkeiten überwun-rung der Magneteigenschaften nicht nur von der Zusammen- den werden.
setzung allein abhängig gemacht, sondern basiert auf vielen 30 Die Dauermagnetlegierung nach der Erfindung ist dadurch anderen Faktoren wie der Richtcharakteristik des Kristallgefü- gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus 7-12 Gew.-% AI, ges, der isothermen Magnetbehandlung, dem Auslagern usw. 10-20 Gew.-% Ni, 28-30 Gew.-% Co, 1-7 Gew.-% Cu, 3,0-6,0 Diese Faktoren tragen natürlich zur Verbesserung der Rema- Gew.-% Ti, 0,02-0,2 Gew.-% C, 0,1-1,0 Gew.-% S und 0,1-4,0 nenz Br, Koerzitivkraft Hc und des maximalen Energieproduk- Gew.-% Nb, Rest Fe besteht, und dass das Nb-Ti-Verhältnis die tes (BH) maX bei; ein besonders wichtiger Gesichtspunkt bei 35 folgende Gleichung erfüllt:
der Berücksichtigung dieser Faktoren ist jedoch die Verbesse- 52,5 ^ 7 Nb + 10 Ti ä 63.
rung des maximalen Energieproduktes (BH)max. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
Unter den verfügbaren Alnico-Magnetstählen ist derjenige Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
mit dem höchsten maximalen Energieprodukt (BH)max der Fig.l eine Grafik, die die Beziehung zwischen den C- und
Alnico-9-Magnetstahl mit einem maximalen Energieprodukt 40 S-Gehalten und den Magneteigenschaften nach Stengelkristal-(BH)ma>! von 9,0 MGOe oder mehr, der dadurch hergestellt lisation zeigt; und wird, dass ein Alnico-9-Magnetstahl mit hohem Ti-Gehalt einer Fig. 2 eine Grafik, die den Bereich für Nb- und Ti-Gehalte einseitig gerichteten Erstarrung zur Bildung von Stengelkristal- zeigt, innerhalb dessen (BH)max 9,0 MGOe oder höher wird, lisation unterworfen, danach bei einer hohen Temperatur von Nach der Erfindung wird die Stengelkristallisation leicht
1200 °C oder mehr lösungsgeglüht, daraufhin schnell mit einer 45 erreicht durch den Zusatz von drei Elementen, nämlich C, S Abkühlgeschwindigkeit von 3 °C/s gekühlt, für 5-10 min in und Nb zusammen in den angegebenen Mengen, obwohl der einem Magnetfeld bei gleichbleibender Temperatur unterhalb Co-Gehalt auf 28-30% reduziert wird; diese Werte sind Curietemperatur gehalten und dann ausgelagert wird. beträchtlich geringer als bei üblichen Alnico-9-Dauermagnetle-
Diese Alnico-9-Dauermagnetlegierung, deren typische gierungen. Ferner können Alnico-9-Dauermagnetstähle erzielt
Zusammensetzung entweder 7,2% AI, 14,0% Ni, 34,0% Co, 4,0% 50 werden, deren Magneteigenschaften denen üblicher Alnico-9-Cu, 5,0% Ti, Rest Fe oder 7,2% Al, 13,0% Ni,.38,0% Co, 3,0% Cu, Dauermagnetstähle überlegen sind, indem die Ti- und Nb-8,0% Ti, Rest Fe ist, wobei sämtliche Prozentangaben Gew.-% Gehalte auf den Werten gehalten werden, die die oben angege-sind, hat nach der einseitig gerichteten Erstarrung ein Stengel- bene spezielle Gleichung erfüllen.
kristallgefüge und ein hohes maximales Energieprodukt Es werden nun die Zusammensetzungsbereiche der Dauer-
(BH)max, das mehr als zweimal so hoch wie dasjenige von 55 magnetlegierungen nach der Erfindung erläutert. Die Legierun-Alnico-5-Dauermagneten ist, die allgemein in Lautsprechern gen enthalten 7-12% Al. Wenn der Al-Gehalt weniger als 7% und Motoren verwendet werden; der Grund hierfür liegt in beträgt, wird die Lösungsglühtemperatur sehr hoch, und es ist einer speziellen Wärmebehandlung. Diese Magnetlegierungen anschliessend ein sehr schnelles Abkühlen erforderlich, um die werden jedoch noch nicht in industrieller Massenfertigung her- erwünschten Magneteigenschaften zu erzielen. Wenn anderergestellt. 60 seits der Al-Gehalt mehr als 12% beträgt, wird die Magnetlegie-
Dies hat zwei Gründe. Einmal sind Alnico-9-Dauermagnete rung spröde.
teuer, da sie einen hohen Co-Anteil haben; ihre Verwendung ist Der zulässige Ni-Gehalt liegt im Bereich von 10-20%. Bei also unweigerlich begrenzt. Um ferner die Magneteigenschaf- einem Ni-Gehalt von weniger als 10% wird die Remanenz Br zu ten einer Remanenz Br von 10000 G oder mehr, einer Koerzi- niedrig, um noch praktisch verwertbar zu sein. Im Bereich von tivkraft Hc von 1350 Oe oder mehr und eines maximalen Ener- 6514-15% Ni haben die Legierungen die höchste Koerzitivkraft gieprodukts (BH)max von 9,0 MGOe oder mehr zu erzielen, ist Hc und das höchste Energieprodukt (BH)max. Wenn der Ni-ein Co-Gehalt von mehr als 34% unerlässlich. Es wurden zwar Gehalt über 20% liegt, wird die Koerzitivkraft beträchtlich Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, den Co-Gehalt niedriger.
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Der Co-Gehalt muss im Bereich von 28-30% liegen. Die üblichen Alnico-Dauermagnetstähle sollten 34-40% Co enthalten, um ein maximales Energieprodukt (BH)max von 9,0 MGOe oder mehr zu erreichen, die Legierungen nach der Erfindung enthalten jedoch weniger als 34%, d.h. 28-30% Co. Bei einem unter 28% liegenden Co-Gehalt kann auch die Änderung der relativen Zusammensetzungsverhältnisse von Nb, C, S, Ti usw. die Verschlechterung der Magneteigenschaften aufgrund der Verringerung des Co-Gehalts nicht ausgleichen. Die Tabelle 1 zeigt z.B. die Zusammensetzungen und die Magneteigenschaften von Magnetlegierungen mit isotropen Kristallkörnern, die mehr als 4% Ti und mehr als 28% Co enthalten. Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigen die weniger als 34% Co enthaltenden Legierungen eine beträchtliche Verschlechterung der Remanenz Br und des maximalen Energieprodukts (BH)max.
Tabelle 1
AI
Ni
Co
Cu
Ti
Fe
Br
(G)
Hc (Oe)
(BH)max (MGOe)
8
17
28
3
4
Rest
7500
980
4,5
7
15
32
5
8
Rest
8800
1050
4,2
7
15
35
4
5
Rest
8200
1600
5,3
7
14
36
3
6
Rest
8000
1650
5,5
7
14
39
3
7
Rest
7400
1900
6,0
Dieser Trend ändert sich selbst dann nicht, wenn der Ti-Gehalt in Übereinstimmung mit der Beziehung zwischen Co und Ti auf den dem Co-Gehalt entsprechenden Wert geändert wird. Auch der Zusatz von C, S, Se, Te, Pb usw., die die für die Bildung von stengeligen Körnern wirksamen Zusätze sind, entweder allein oder kombiniert in den Höchstmengen ergab nichts als eine weit unterhalb des maximalen Energieprodukts von 9,0 MGOe oder mehr liegende Magneteigenschaft. Aus diesem Grund wurde bisher das maximale Energieprodukt (BH)max von 9,0 MGOe oder mehr mit Alnico-9-Magnetlegie-rungen mit einem unter 34% liegenden Co-Gehalt nicht erreicht. Um also den Co-Gehalt von der bisher üblichen Menge von 34% oder mehr auf 28-30% zu senken und trotzdem die ausgezeichneten Magneteigenschaften zu erzielen, war es erforderlich, den sich aus der Verringerung des Co-Gehalts ergebenden Nachteil zu beseitigen. Nach der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass der Ti-Gehalt optimiert wird und C, S und Nb zusammen zugesetzt werden. Ti erhöht die Koerzitivkraft Hc der Dauermagnete, sollte jedoch bevorzugt auf einen Bereich von 3,0-6,0% begrenzt sein, da es eine Kornverfeinerung bewirkt und die Remanenz verringert. Es wurde gefunden, dass dann, wenn der Ti-Gehalt im Bereich von 3,0-6,0% gehalten wird, die kombinierte Zugabe der drei Elemente C, S und Nb die Remanenz Br, die Koerzitivkraft Hc, das maximale Energieprodukt (BH)max und die Rechteckhysterese-schleife-Kennlinie verbessert, obwohl der Co-Gehalt auf 28-30% verringert wird. Durch Bestimmen des Ti-Gehalts im Bereich von 3,0-6,0% und durch Festlegen der C-, S- und Nb-Gehalte und der Korrelation zwischen dem Ti- und dem Nb-Gehalt in noch zu erläuternder Weise wird eine Dauermagnetlegierung mit sehr guten Magneteigenschaften und einem niedrigen Co-Gehalt von 28-30% erreicht.
Die Tabelle 2 zeigt Beispiele der Magneteigenschaften, die nach einer Stengelkristallisations-Behandlung einer Dauermagnetlegierung erhalten wurden, die hauptsächlich bestand aus 7,2-7,5% AI, 14,0-14,3% Ni, 28-30% Co, 3,5-4,0% Cu und 5,0-5,2% Ti, Rest im wesentlichen Fe, wozu C, S und Nb zugesetzt wurden.
Tabelle 2
Nr.
C
s
Nb
Br
Hc
(BH)max
(%)
(%)
(%)
(G)
(Oe)
(MGOe)
1
_
0,3
8600
1150
4,8
2
-
0,3
1,5
8700
1300
6,3
3
0,1
-
1,0
8300
1200
4,5
4
0,1
0,3
-
9000
1280
7,3
5
0,1
0,3
1,0
10000
1450
9,3
6
0,1
0,3
1,5
10200
1500
10,0
7
0,1
0,3
2,0
10200
1550
9,5
8
0,1
0,3
3,0
10000
1450
9,2
9
-
-
1,5
8700
1350
5,6
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, ist das maximale Energieprodukt (BH)max der 28-30% Co enthaltenden Legierungen 4,8, wenn nur S zugesetzt wird; er beträgt 5,6, wenn nur Nb zugesetzt wird, 6,3 bei Zugabe von S und Nb, 4,5 bei Zugabe von C und Nb und 7,3 bei Zugabe von C und S. Wenn jedoch die Legierungen alle drei Elemente C, S und Nb zusammen enthalten, haben sie ein maximales Energieprodukt (BH)max im Bereich von 9,2-10,0 MGOe und wesentlich bessere Magneteigenschaften.
In Fig. 1 wurden die C- und S-Gehalte für die Probenlegierungen geändert, während die Werte für AI bei 7%, für Ni bei 14,5%, für Co bei 29,8%, für Cu bei 3,5%, für Ti bei 5% und für Nb bei 1,5% gehalten wurden. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass die Magneteigenschaften insbesondere dann besser werden, wenn die C- und S-Gehalte in dem angegebenen Bereich liegen.
Die Grafik nach Fig. 2 gibt die Beziehung zwischen Ti und Nb wieder. Wenn der Ti-Gehalt nicht im Bereich von 3-6%
liegt, zeigt Nb überhaupt keine merkliche Auswirkung, und wenn der Ti-Gehalt im Bereich von 3-6% liegt, muss Nb im Bereich von 0,1-4,0% liegen, damit die optimalen Magneteigenschaften erhalten werden. Die verwendeten Probenlegierungen enthielten 7% AI, 14,5% Ni, 29,8% Co, 3,5% Cu, 0,1% C, 0,3% S und unterschiedliche Gehalte von Nb und Ti. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass die Nb- und Ti-Gehalte in den durch die beiden Linien definierten Bereich fallen sollten, der repräsentiert ist durch:
7 Nb (Gew.-%) + 10 Ti (Gew.-%) = 52,5 und
7 Nb (Gew.-%) + 10 Ti (Gew.-%) = 63.
Daraus ist ersichtlich, dass mit abnehmendem Ti-Gehalt der Nb-Gehalt erhöht und mit zunehmenden Ti-Gehalt der Nb-Gehalt verringert werden muss, jedoch nicht auf einen unter 0,1% liegenden Wert, da unterhalb von 0,1% Nb keine erwünschte Auswirkung zeigt. Auch sollte der Ti-Gehalt 6,0% nicht übersteigen, damit hohe Magneteigenschaften erhalten werden. Ferner sind die erwünschten Nb- bzw. Ti-Gehalte 0,5-3,0% bzw. 4,0-5,5%.
Der Bereich des Cu-Gehalts der Legierungen nach der Erfindung liegt bei 1-7%. Wenn der Cu-Gehalt im Bereich von 1,0-4,0% liegt, haben die Legierungen die höchste Koerzitivkraft Hc. Wenn der Cu-Gehalt 7% übersteigt, nimmt die Koerzitivkraft Hc der Legierungen stark ab.
Ferner enthalten die Legierungen nach der Erfindung auch 0,02-0,2% C, 0,1-1,0% S und 0,2% C. Wenn der S-Gehalt 1,0 übersteigt, sinkt die Koerzitivkraft. Wenn die C- bzw. S-Gehalte weniger als 0,02 bzw. 0,1% betragen, wird keine merkliche Auswirkung erzielt. Im übrigen sind C und S die Zusätze zur Bildung von stengelartigen Kristallkörnern; sie bedingen bei isotropen Kristallkörnern eine Verschlechterung der Koerzitivkraft Hc und des maximalen Energieprodukts (BH)max, sind jedoch zur Bildung von Stengelkörnern wirksam. Wenn also nur die Bildung von Stengelkörnern in Betracht gezogen wird, so gilt, dass diese umso besser wird, je höher die zugesetzten Mengen von C und S sind; die nach dieser Kornbildung erhalte5
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nen Magneteigenschaften sind jedoch nicht notwendigerweise gut. Somit resultiert der Zusatz von C und S in zwei miteinander unvereinbaren Auswirkungen, nämlich einerseits einer Verbesserung der Magneteigenschaften durch Unterstützung der Bildung von Stengelkörnern und andererseits einer Verschlechterung dieser Eigenschaften. Dieses Problem ist jedoch dadurch zu lösen, dass die Bereiche der C- und S-Gehalte in der angegebenen Weise festgelegt werden.
Eine der spezifischen Eigenschaften der Dauermagnetlegierungen nach der Erfindung ist, dass sie aufgrund eines niedrigeren Co-Gehalts einen engeren (a+y)-Zweiphasenbereich haben, der daher keine Schnellabkühlung erfordert; d.h. es besteht keine Gefahr von Rissbildung.
In der GB-PS 987636 ist eine Dauermagnetlegierung mit weniger als 30% Co angegeben und die Anwendung eines Zonenschmelzverfahrens zur Bildung von Stengelkörnern beschrieben. Die Bildung von Stengelkörnern in dieser Magnetlegierung ist selbst im Versuchsstadium auch bei Anwendung von Warmveformung extrem schwierig. Bei den Legierungen nach der Erfindung kann jedoch die Warmverformung für diesen Zweck sehr wohl angewandt werden. Dieser Unterschied ist der Tatsache zuzuschreiben, dass die Dauermagnetlegierung nach der GB-PS zwar eine Kombination von Nb und S verwendet, bei den Legierungen nach der Erfindung jedoch drei Elemente zusammen enthalten sind, nämlich Nb, S und C in Kombination.
Die Bildung von Stengelkörnern durch Warmverformen erlaubt die Herstellung von Magneten jeder Form und Grösse. 5 Es wird nun erläutert, wie die Dauermagnetlegierungen nach der Erfindung hergestellt wurden.
Die die erwünschte Zusammensetzung bildenden Stoffe wurden in einem üblichen Schmelzofen geschmolzen, und die Schmelze wurde in eine auf 1000-1100 °C erwärmte Form io gegossen und auf Abschreckplatten angeordnet. Während der Erstarrung wurde die Schmelze einer einseitig gerichteten Kühlung unterworfen zur Bildung eines Stengelkristallgefüges. Eine so erzeugte Probe mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 80 mm wurde einer Lösungsglühbehandlung i s bei einer Temperatur von 1250 °C für 20 min unterworfen und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach dieser Behandlung wurde die Probe einer isothermen Behandlung bei der optimalen Behandlungstemperatur unterzogen und dann ausgelagert, so dass ein Dauermagnet erzeugt wurde.
20 In der Tabelle 3 sind die Zusammensetzungen und die Magneteigenschaften der Dauermagnetlegierungen nach der Erfindung zusammen mit denen anderer Dauermagnetlegie-rungen zu Vergleichszwecken angegeben.
Tabelle 3
Nr.
AI
Ni
Co
Cu
Ti
Nb
Fe
Br (G)
Hc (Oe)
(BH)max (MGOe)
1
7,4
14,3
28,2
3,2
5,2
0,5
0,01
0,02
Rest
8600
1390
4,4
2
7,3
14,8
29,3
3,1
5,1
1,5
0,01
0,01
Rest
8500
1460
4,8
3
7,9
14,6
29,4
2,9
4,4
2,0
0,01
0,02
Rest
7900
1500
4,5
4
7,6
14,3
29,7
3,2
5,1
1,7
0,02
0,3
Rest
9600
1470
7,4
5
7,1
14,7
29,2
3,0
5,3
1,4
0,01
0,7
Rest
9650
1450
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6
7,9
14,8
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3,1
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1430
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7
7,4
14,4
29,4
3,0
5,3
1,6
0,17
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Rest
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1460
4,8
8
7,8
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29,6
3,0
5,2
1,6
0,21
0,03
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1420
4,8
9
7,5
14,5
29,5
3,1
5,3
1,4
0,05
0,3
Rest
10100
1480
9,3
10
7,6
14,7
29,8
2,9
5,0
1,5
0,06
0,6
Rest
10150
1480
9,4
11
7,8
14,6
28,9
3,0
5,1
1,6
0,11
0,3
Rest
10200
1500
9,8
12
7,38
14,8
29,9
3,3
5,2
1,5
0,10
1,1
Rest
9600
1350
7,2
13
7,7
14,3
29,8
3,0
5,1
1,5
0,16
0,3
Rest
10100
1450
9,4
14
7,6
14,5
29,6
3,0
5,2
1,5
0,18
0,2
Rest
9900
1440
9,2
15
7,6
14,5
29,6
3,0
5,2
1,5
0,25
0,5
Rest
9300
1370
7,3
C é 0,02% ist als Verunreinigung eingeschlossen. S S 0,03% ist als Verunreinigung eingeschlossen.
In der Tabelle 3 sind die Legierungen Nr. 9,10,11,13 und 14 diejenigen, die die Zusammensetzungsgrenzen entsprechend der Erfindung vollständig erfüllen.
Wie bereits erläutert, haben die Dauermagnetlegierungen nach der Erfindung sehr gute Magneteigenschaften trotz ihres im Vergleich zu herkömmlichen Alnico-9-Dauermagneten niedrigen Co-Gehalts, und zwar aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung, die die drei Elemente C, S und Nb zusammen in Kombination enthält. Ferner ist aufgrund des niedrigen Co-Gehalts von 28-30% der (a+y)-Phasenbereich eng und erfor-
5o dert kein schnelles Kühlen, so dass grosse Alnico-9-Dauermag-nete ohne die Gefahr von Rissbildungen herstellbar sind. Ferner bieten die Legierungen den Vorteil, dass Dauermagnete jeder Form herstellbar sind, da Warmverformungsverfahren wirksam anwendbar sind.
ss Die Legierungen können ferner weniger als 2% Si, weniger als 1% Zr, weniger als 3% Ta, weniger als 3% Cr, weniger als 1% Mn, weniger als 1% Sn, weniger als 0,5% B und weniger als insgesamt 2% eines oder mehrerer Elemente, die aus einer Gruppe umfassend V, Mo, W, Bi, und Pb ausgewählt sind, enthalten.
1 Blatt Zeichnungen
\
Claims (4)
1. Ausscheidungshärtbare Dauermagnetlegierung mit Sten- Alnico-9-Dauermagnetìegierungen hatte einen sehr ausgepräg-gelkristallgefüge, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentli- ten Einfluss auf die Magneteigenschaften und bewirkte eine chen aus 7-12 Gew.-% AI, 10-20 Gew.-% Ni, 28-30 Gew.-% Co, drastische Senkung der Remanenz Br, der Koerzitivkraft Hc 1-7 Gew.-%Cu, 3,0-6,0 Gew.-% Ti, 0,02-0,2 Gew.-% C, 0,1-1,0 5 und des maximalen Energieprodukts (BH)n,ax- Es ist somit äus-Gew.-% S und 0,1-4,0 Gew.-% Nb, Rest Fe besteht, und dass das serst schwierig, die erwünschten Magneteigenschaften in Nb-Ti-Verhältnis die folgende Gleichung erfüllt: einem in industrieller Massenfertigung herstellbaren Magnet
52,5 ^ 7 Nb + 10 Ti ^ 63. zu erzielen.
2. Dauermagnetlegierung nach Anspruch 1, dadurch Zum zweiten haben Alnico-9-Dauermagnetlegierungen, da gekenntzeichnet, dass sie 0,05-0,16 Gew.-% C, 0,3-1,0 Gew.-% S 10 sie einen hohen Ti-Anteil aufweisen, normalerweise eine Fein-und 1,4-1,6 Gew.-% Nb enthält. kornstruktur, die nur unter Schwierigkeiten in ein gutes Sten-
2
PATENTANSPRÜCHE unter 34% zu senken, aber die Verringerung des Co-Gehalts in
3. Dauermagnetlegierung nach Anspruch 1, dadurch gelkristallgefüge umgewandelt werden kann, indem die Legie-gekenntzeichnet, dass die Nb-, C- und S-Gehalte in die Bereiche rungen einer einseitig gerichteten Erstarrung unterworfen wer-nach den Fig. 1 und 2 fallen. den ; dies ist selbst bei Anwendung von Zonenschmelzverfah-
4. Verwendung der Dauermagnetlegierung nach einem der '5 ren, Warmverformen oder exothermem Verformen schwierig, vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung dauermagneti- Der Zusatz eines oder mehrerer Elemente wie S, C, P, Se, Te scher Teile. usw. ist zwar in bezug auf die Bildung eines Stengelgefüges wirksam, der Zusatz nur eines dieser Elemente kann jedoch keine ausreichende Kristallausrichtung bewirken. Eine Mehr-
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Family Applications (1)
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