DE1180954B

DE1180954B - Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Eisen-Kobalt-Legierungen

Info

Publication number: DE1180954B
Application number: DEV21717A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Heinz Keller
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1961-12-09
Filing date: 1961-12-09
Publication date: 1964-11-05

Description

Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Eisen-Kobalt-Legierungen Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von an sich bekannten weichmagnetischen Eisen-Kobalt-Legierungen. Es ist bereits bekannt, daß die magnetischen Eigenschaften von Eisen-Kobalt-Legierungen verbessert werden können, wenn man die Legierungen in möglichst großcer Reinheit unter Benutzung spezieller Schmelzverfahren herstellt.
Es lag nahe, die Reinheit der Eisen-Kobalt-Legierungen durch Anwendung hoher Schlußglühtemperaten zu erhöhen, wie es z. B. bei Eisen-Silizium- und Eisen-Nickel-Legierungen möglich ist. Ein derartiger Weg ist jedoch bei Eisen-Kobalt-Legierungen deswegen nicht gangbar, weil bei diesen eine Phasenumwandlung von :der kubisch raumzentrierten a-Phase in die kubisch flächenzentrierte y-Phase im Legierungsbereich von D bis 700% Kobalt bei Temperaturen zwischen 800 und 1000° C auftritt.
Durch eine solche Schlußglühung, die im Hinblick auf eine intensive Reinigungswirkung bei genügend hohen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen über etwa 1000° C, erfolgen müßte, würden die magnetischen Werte, z. B. die Remanenz und die Koerzitivfeldstärke, in starkem Maße verschlechtert werden, da bei diesen Temperaturen die Schlußglühung bereits oberhalb der a-y-Umwandlung liegt. Die Temperatur der Schlußglühung ist daher durch die Umwandlungstemperatur nach oben beschränkt, und zwar auf etwa 900 bis 1000° C. Eine ausreichende Reinigung ist bei dieser Temperatur aber nicht möglich. Man war deshalb bisher gezwungen, das Material von der Schmelze her so rein wie möglich zu halten, d. h. reinste und damit teure Rohstoffe zu verwenden.
Die Erfindung gibt nun einen Weg an, der zu Eisen-Kobalt-Legierungen größerer Reinheit und damit zu Legierungen mit verbesserten magnetischen Eigenschaften führt, ohne daß es notwendig wäre, reinste Rohstoffe als Ausgangsmaterial zu benutzen.
Erfindungsgemäß wird das gewünschte Ziel durch folgende Maßnahmen erreicht: Als Ausgangsmaterial werden die bisher bekannten Eisen-Kobalt-Legierungen üblicher Reinheit verwendet, die aus 15 bis 55% Kobalt, 0 bis 311/o Vanadin und Rest im wesentlichen Eisen bestehen. Nach dem Heißwalzen oder zwischen dem ersten und zweiten Kaltwalzschritt oder zwischen späteren aufeinanderfolgenden Kaltwalzschritten erfolgt eine Zwischenglühung im Temperaturbereich von 1000 bis 1400° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -30° C oder tiefer. Anschließend kann ein Nachtempern im oberen Temperaturgebiet der ca-Phase, d. h. bei einer Temperatur von etwa 800° C in trokkenem Wasserstoff, zur Erhöhung der Duktilität für eine Zeit von 2 Stunden oder .länger vorgenommen werden. Die Legierungen werden dann auf eine Temperatur von 800 bis 1000° C gebracht, bis ein vollständiger Temperaturausgleich erreicht ist, und werden danach von dieser Temperatur mit oder ohne Anwendung von Schutzgas abgeschreckt, darauf gebeizt und anschließend kaltverformt, vorzugsweise um 25 bis 50 %. Die Legierungen werden nun zu den gewünschten Gegenständen verarbeitet und abschließend in bekannter Weise bei einer Temperatur von 800 bis 850° C während einer Zeit von etwa 2 bis 10 Stunden geglüht, wobei die Schlußglühung und die Abkühlung nach der Schlußgiühung mit oder ohne Magnetfeld erfolgen.
Die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt aber nicht nur ein, wenn von Eisen-Kobalt-Legierungen üblicher Reinheit ausgegangen wird, sondern auch dann, wenn einAusgangsmaterial größerer Reinheit benutzt wird.
Bei dem Verfahren gemäß der Eründung wird für die Schlußglühung und das Nachtempern ebenso wie für die Zwischenglühung eine Atmosphäre von trokkenem Wasserstoff mit eineng Taupunkt von -30° C oder darunter verwendet.
Um eine möglichst gute Ausnutzung der technischen Einrichtung zu erreichen, .isst es zweckmäßig, die Legierungen vor Durchlaufverfahren aus dem Temperaturbereich von '800 bis 1000° C, vorzugsweise von 850°C, abzuschrecken und danach im Durchlaufefen zu beizen.
Besonders günstige Eigenschaften werden in .den Eisen-Kobalt-Legierungen erzielt, wenn die Abküh- Jung nach der Schlußglühung, wie bereits oben erwähnt, in einem Magnetfeld erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere wirksam für Bleche, Bänder oder Drähte bis zu einer Dicke von etwa 1 mm.

Es wird besonders betont, daß die Atmosphäre bei der erfindungsgemäßen Zwischenglühung für den Reinigungseffekt eine wesentliche Bedeutung hat. Bisher wurde eine Zwischenglühung von Eisen-Kobalt-Legierungen in Wasserstoff, insbesondere bei hohen Temperaturen, vermieden, weil damit angeblich eine Wasserstoffversprödung verbunden sein sollte. Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, tritt entgegen den bisherigen Annahmen bei einer Hochglühung in Wasserstoffatmosphäre keine merkbare Wasserstoffversprödung auf, wohl aber wurde eine intensive Reinigung der Kobalt-Eisen-Legierungen erreicht. Um eine Vorstellung von der durch die Hochglühung bei 1000 bis 1400° C erreichten Reinigungswirkung zu geben, werden in der nachstehenden Tabelle 1 die ermittelten Gasgehalte für die Legierung A (bestehend aus 48'% Kobalt, 1,75% Vanadin, Rest Eisen mit üblichen Oxydations- und Verarbeitungszusätzen) und für die Legierung B (bestehend aus 49,05% Kobalt, 1,97% Vanadin, Rest Eisen mit üblichen Oxydations- und Verarbeitungszusätzen) vor und nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Gewichtsprozent angegeben.

Tabelle I

Legierung A Legierung B

Gasgehalt vor der nach der vor der nach der

von Hoch- Hoch- Hoch- Hoch-

glühung glühurig glühurig glühurig

°/o ofo °/o °/o

N2 0,00388 0,00123 0,00382 0,00155

02 0,0085 0,00276 0,0076 0,00374

H2 0,00058 0,000156 0,00079 0,000332

Wie aus den Zahlenangaben der vorstehenden Tabelle hervorgeht, ist sowohl der prozentuale Gehalt an Stickstoff als auch an Sauerstoff und an Wasserstoff in beiden untersuchten Legierungen erheblich herabgesetzt worden, d. h., es ist eine deutliche Reinigung der Legierung eingetreten, die sich ihrerseits in einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Eisen-Kobalt-Legierungen auswirkt.

Durch die folgenden Beispiele soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Beispiel 1 Eine Legierung aus 49% Kobalt, 1,64% Vanadin und Rest im wesentlichen Eisen, die wie üblich im Hochvakuum verschmolzen und in bekannter Weise warm gewalzt worden war, wurde zweimal unter Einschaltung einer Zwischenglühung kalt gewalzt auf eine Dicke von 0,2 mm. Die Zwischenglühung erfolgte während einer Zeit von 5 Stunden bei 1300° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -40° C. Bei dieser Glühurig befand sich die Legierung im Gebiet der y-Phase.
Nach der Hochglühung erfolgte ein Nachtempern während 65 Stunden bei 800° C, d. h. eine Wärmebehandlung, die noch im Gebiet der a-Phase liegt. Anschließend daran wurde die Legierung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 500° C pro Stunde bis auf eine Temperatur von 350° C abgekühlt. Als nächster Schritt erfolgte ein Aufheizen der Legierung auf 840° C in Wasserstoff als Schutzgas, darauf ein Abschrecken in Wasser. Nach einer Beinbehandlung wurde ein Teil der Legierung um 50%, d. h. bis auf eine Dicke von 0,1 mm, und der andere Teil der Legierung um 75% d. h. bis auf eine Dicke von 0,05 mm, kaltverformt. Die erhaltenen Bänder wurden zu Ringbandkernen mit einem Außendurchmesser von 25 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Breite von 5 mm verarbeitet. Danach wurden die Ringbandkerne für 2 Stunden bei etwa 850° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -60° C geglüht und im Magnetfeld abgekühlt. An den so erhaltenen Kernen mit 0,1 mm Banddicke wurde eine Remanenz von 21200 Gauß und eine Koerzitivfeldstärke von 0,132 Oersted und an den Kernen mit 0,05 mm Banddicke eine Remanenz von 20100 Gauß und eine Koerzitivfeldstärke von 0,183 Oersted gemessen.
Beispiel 2 Eine Legierung aus 48% Kobalt, 1,75% Vanadin und Rest im wesentlichen Eisen, die, wie im Beispiel 1, in üblicher Weise im Hochvakuum erschmolzen und danach in bekannter Art warm gewalzt worden war, wurde zweimal unter Einschaltung einer Zwischenglühung kalt gewalzt bis auf eine Dicke von 0,2 mm. Die Zwischenglühung erfolgte während einer Zeit von 5 Stunden bei l300° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -40° C. Bei dieser Temperatur befand sich die Legierung im Gebiet der y-Phase.
Auch hier erfolgte ein Nachtempern während 65 Stunden bei 800° C, d. h. im Gebiet der a-Phase. Anschließend daran wurde die Legierung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 500° C pro Stunde bis auf eine Temperatur von 350° C abgekühlt.
Als nächster Schritt erfolgte ein Aufheizen der Legierung auf 840° C in Wasserstoff als Schutzgas, darauf ein Abschrecken in Wasser. Nach einer Beinbehandlung wurde ein Teil der Legierung um 50%, d. h. bis auf eine Dicke von 0,1 mm, und der andere Teil der Legierung um 75%, d. h. bis auf eine Dicke von 0,05 mm, kaltverformt.
Die erhaltenen Bänder wurden zu Ringbandkernen mit einem Außendurchmesser von 25 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Breite von 5 mm verarbeitet. Danach wurden die Ringbandkerne für 2 Stunden bei 850° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -60° C geglüht und im Magnetfeld abgekühlt.
An den so erhaltenen Kernen mit 0,1 mm Banddicke wurde eine Remanenz von 21200 Gauß und eine Koerzitivfeldstärke von 0,126 Oersted gemessen und an den Kernen mit 0,05 mm Banddicke eine Remanenz von 20 300 Gauß und eine Koerzitivfeldstärke von 0,143 Oersted gemessen. Beispiel 3 Eine Legierung aus 49,05% Kobalt, 1,97% Vanadin und Rest im wesentlichen Eisen, die, wie im Beispiel 1, in üblicher Weise im Hochvakuum erschmolzen und danach in bekannter Weise warm gewalzt worden war, wurde zweimal unter Einschaltung einer Zwischenglühung kalt gewalzt bis auf eine Dicke von 0,2 mm. Die Zwischenglühung erfolgte während einer Zeit von 5 Stunden bei 1300° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -40° C. Bei dieser Temperatur befand sich die Legierung im Gebiet der y-Phase.
Als nächster Schritt erfolgte ein Aufheizen der Legierung auf 800° C in Wasserstoff als Schutzgas, darauf ein Abschrecken in Wasser. Nach einer Beizbehandlung wurde :ein Teil der Legierung um 5011e, d. h. bis auf eine Dicke von 0,1 mm, und der andere Teil der Legierung um 75 %, d. h. bis auf eine Dicke von 0,05 mm, kalt verformt.
Die erhaltenen Bleche wurden zu Ringbandkernen mit einem Außendurchmesser von 25 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Breite von 5 mm verarbeitet. Danach wurden die Ringbandkerne für 2 Stunden bei 800° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -60° C geglüht und im Magnetfeld abgekühlt. An den so erhaltenen Kernen mit 0,1 mm Banddicke wurde eine Remanenz von 20000 Gauß und eine Koerzitivfeldstärke von 0,23 Oersted gemessen, und an den Kernen mit 0,05 mm Banddicke eine Remanenz von 20 200 Gauß und eine Koerzitivfeldstärke von 0,31 Oersted gemessen.

Zur Übersicht der durch die einzelnen Verfahrensschritte erreichten Werte für die Remanenz B, in Gauß und die Koerzitivfeldstärke H, in Oersted werden die gemessenen Werte einiger nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelter Magnetkerne in nachfolgender Tabelle zusammengestellt.

Tabelle II

Legierung a) Legierung b) Legierung c)

Zustand der Legierung und (Banddicke) B I H B H B H

Gauß Oe Gauß I Oe Gauß I Oe

Ausgangszustand nach optimaler Magnetfeldglühung 20900 0,24 20800 0,27 2.0000 0,80

(0,2 mm) .....................................

Hochglühung 5 Stunden 1300° C in H2 ohne Magnet-

feld (0,2 mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13700 2,04 13200 3,04 12700 4,20

Naehglühung 65 Stunden 800° C in H2 ohne Magnet-

feld (0,2 mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13900 1,76 14100 2,47 - -

Optimale Magnetfeldglühung (0,2 mm) . . . . . . . . . . . . 18700 0,99 19000 1,0 18000 2,0

500/0 kaltverformt (0,1 mm) 2 Stunden 860° C in H2,

optimale Abkühlung im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . 21200 0,132 21200 0,126 20000 0,23

75 0/0 kaltverformt (0,05 mm), optimale Magnetfeld-

glühung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20100 0,183 20300 0,143 20200 0,31

Die in Tabelle II genannten Legierungen waren wie folgt zusammengesetzt: Legierung a) 49 % Co; 1,64 % V, Rest im wesentlichen Eisen.

Legierung b) 48 % Co; 1,75 % V, Rest im wesentlichen Eisen.
Legierung c) 49,5% Co; 1,970% V, Rest im wesentlichen Eisen.
Der Tabelle ist zu entnehmen, daß die Hochglühung ohne Magnetfeld für sich allein genommen eine Verschlechterung der Remanenz und der Koerzitivfeldstärke ergibt, daß durch diese Hochglühung jedoch im Zusammenwirken mit einer nachfolgenden Kaltverformung von etwa 50% und einer Wärmebehandlung im Magnetfeld eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften gegenüber dem Ausgangszustand :erzielt wird, und zwar tritt eine Erhöhung der Remanenz und eine Herabsetzung der Koerzitivfeldstärke ein.
Die Meßwerte lassen auch erkennen, daß das Nachtempern von je 65 Stunden bei 800° C in Wasserstoffatmosphäre keine wesentliche Verbesserung der magnetischen Werte ergibt. In der praktischen Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat dieser Behandlungsschritt aber im Hinblick auf die Verbesserung der Duktilität Bedeutung.
Die durch die Erfindung erzielte Erhöhung der Remanenz und die Herabsetzung der Koerzitivfeldstärke sowie die Herabsetzung der Wattverluste bei 400 Hz werden in den A b b. 1 bis 3 veranschaulicht.
A b b. 1 zeigt die Abhängigkeit der Induktion von der Feldstärke einmal vor dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve a) und das andere Mal nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve b). A b b. 2 veranschaulicht die Erhöhung der Permcabilität. Aufgetragen ist die Permeabilität in Abhängigkeit von der Feldstärke. Kurve a gibt wiederum die Werte vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Kurve b diejenigen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an. Schließlich sind in A b b. 3 die Wattverluste bei einer Frequenz bei 400 Hz in Abhängigkeit von der Induktion dargestellt. Kurve a zeigt die Werte vor der Behandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und Kurve b nach einer solchen Behandlung.
Die erfindungsgemäß hergestellten Kobalt-Eisen-Legierungen mit hohen Induktionen, geringen Koerzitivfeldstärken und geringen Wattverlusten weisen auch eine gute Rechteckigkeit der Hystereseschleife auf. Sie lassen sich in besonders günstiger Weise als Relaiswerkstoffe in Form von Drähten und Bändern verwenden. Die erfindungsgemäßen Legierungen sind aber auch für alle Teile magnetischer Kreise, die eine besonders hohe Induktion führen müssen, mit Vorteil zu verwenden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Eisen-Kobalt-Legierungen aus 15 bis 55 % Kobalt, 0 bis 3 % Vanadin, Rest Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial solche Eisen-Kobalt-Legierungen üblicher Reinheit verwendet werden und diese Legierungen nach dem üblichen Warmwalzen oder zwischen dem 1. und 2. Kaltwalzschritt oder zwischen späteren aufeinanderfolgenden Kaltwalzschritten im Temperaturbereich von 1000 bis 1400° C in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -30° C oder tiefer zwischengeglüht werden, anschließend auf eine Temperatur von 800 bis 1000° C bis zum vollständigen Temperaturausgleich gebracht, darauf von dieser Temperatur abgeschreckt, danach gebeizt und dann kaltverformt werden, wonach die Legierungen zu den gewünschten Gegenständen verarbeitet und abschließend in bekannter Weise bei einer Temperatur von 800 bis 850° C in trockenem Wasserstoff während einer Zeit von etwa 2 bis 10 Stunden geglüht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der bei 1000 bis 1400° C stattfindenden Zwischenglühung ein zusätzliches Nachtempern in trockenem Wasserstoff im Temperaturgebiet der a-Phase, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 800 bis 850° C, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachtempern im Temperaturgebiet der a-Phase für eine Zeit von 2 bis 100 Stunden vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Nachtempern und die Schlußglühung in trockenem Wasserstoff mit einem Taupunkt von -30° C oder tiefer vorgenommen werden.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf die Abschrecktemperatur und das Halten auf dieser Temperatur bis zum Abschreckvorgang unter Anwendung von Schutzgas erfolgt.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen auf Abschrecktemperatur und das Abschrecken im Durchlaufverfahren erfolgen.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung nach dem Beizen, vorzugsweise mit einem Verformungsgrad von 25 bis 50%, vorgenommen wird. B.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gesamtkaltverformung von über 50% eine zusätzliche Zwischenglühung im Temperaturgebiet der a-Phase, vorzugsweise bei einer Temperatur von 800 bis 850° C, vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlußglühung mit Magnetfeldbehandlung erfolgt.
10. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 9 auf ein Ausgangsmaterial aus besonders reinen Eisen-Kobalt-Legierungen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 283 670; R. M. B o z o r t h , Ferromagnetism, 1956, S. 197 bis 205.