Verwendung einer weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Sättigungsinduktion und Vickershärte für Relaisteile

Abstract

 Zum Einsatz für Relaisteile wird eine Legierung angegeben, die neben hoher Sättigungsinduktion von über 1,0 T gleichzeitig eine hohe Vickershärte über 150 HV besitzt und im wesentlichen 40 bis 55 % Nickel, 0,5 bis 6 % Titan und 0 bis 5 % Niob enthält, wobei der Anteil von Niob und Titan größer als 1 % ist. Hierdurch kann auf eine Beschichtung zur Erzielung höherer Härte an den beim Schalten des Relais zusammentreffenden Relaisteilen verzichtet werden, ohne daß sich die Lebensdauer vermindert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer weichmagnetischen, durch Wärmebehandlung aushärtbaren Ni-Fe Legierung für Relaisteile mit Zusätzen aus einem oder mehrerer der Elemente Titan und Niob, die übliche Desoxidationszusätze und normale Schmelzverunreinigungen enthalten kann.

[0002] Aus dem Buch "Weichmagnetische Werkstoffe", 3. Aufl. 1977, S. 124, 126, 200 bis 205 sowie S. 288 ist es bekannt, hochnickelhaltige Legierungen, wie beispielsweise RECOVAC 100, (S. 288) für Relaisteile einzusetzen. Diese zeichnen sich durch eine besonders hohe Permeabilität aus, so daß sie für empfindliche Relais gut geeignet sind. Aber auch Legierungen mit geringerem Nickelanteil im Bereich von 45 bis 50 % werden für diesen Zweck eingesetzt, wie auf S. 126 der angegebenen Literaturstelle bei PERMENORM 5000 H3 hervorgeht. Dieser Werkstoff besitzt eine relativ hohe Sättigung, so daß mit wenig elektrischer Energie hohe Kräfte zum Schalten des Relais aufgebracht werden können.

[0003] Weiterhin verwendet man auch Nickel-Eisen-Legierungen mit einem Nickelgehalt zwischen 35 und 40 % Nickel für solche Relaisteile, bei denen die magnetischen Eigenschaften weniger eine Rolle spielen, als die Verarbeitbarkeit des Materials.

[0004] Bei hochnickelhaltigen Legierungen zur Anwendung für Magnetköpfe ist es zur Erzielung einer hohen Permeabilität bei gleichzeitig hoher Härte zur Verminderung des Verschleißes des Magnetkopfes aus DE 22 12 062 bekannt, der Legierung u. a. Titan und Niob zuzusetzen. Bei langsamer Abkühlung der geschmolzenen Legierung im Ofen oder einer zusätzlichen Anlaßbehandlung erreicht man damit eine Aushärtung des Materials durch Ausscheidung von Nickel-Verbindungen mit Titan oder Niob, so daß sich bei hoher Permeabilität auch eine hohe Härte des Materials ergibt. Diese hohe Härte ist für Relaisteile dann von besonderer Bedeutung, wenn eine hohe Lebensdauer des Relais gewährleistet sein muß. Man kann dann darauf verzichten, die Oberflächen der Relaisteile, die beim Schalten des Relais zusammenschlagen, mit einer verschleißfesten Schicht zu versehen, wie es erforderlich ist, wenn hohe Schaltzahlen erreicht werden sollen. Die Vermeidung dieser zusätzlichen Schicht bringt Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten, aber auch hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften, da es sich hier in den meisten Fällen wohl um nichtmagnetische Schichten handelt. Bei austenitischen Eisen-Nickel-Legierungen nach DE 30 12 673 ist es ebenfalls bekannt, u. a. Titan oder Niob zuzusetzen, um so eine Härtung durch Wärmebehandlung zu erreichen. Hier werden niedrige Nickelgehalte zwischen 33 und 45 % mit höheren Anteilen der Zusätze zur Aushärtung im Bereich von 4 bis 10 % so kombiniert, daß nach der Aushärtung der Nickelanteil unter 30 % liegt. Hierdurch erreicht man, daß das Gefüge der fertigen Legierung unmagnetisch ist.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Legierungsbereich innerhalb des Legierungssystems mit den Hauptelementen Nickel und Eisen anzugeben, der eine weitere entscheidende Verbesserung der für Relaisteile eingesetzten Legierungen im Hinblick auf diesen Verwendungszweck bringt. Die Kombination bestimmter Bereiche im Nickelgehalt zusammen mit entsprechenden Bereichen bei den Zusatzstoffen zur Aushärtung von Niob und Titan, läßt sich erfindungsgemäß gleichzeitig eine hohe Sättigungsinduktion bei gleichzeitig hoher Vickershärte und für die Empfindlichkeit des Relais ausreichender Permeabilität im Bereich von 25 000 bis 30 000 µ_max ein genügend weichmagnetischer Werkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke unter 0,15 A/cm angeben. Hierdurch können Relaisteile für Relais mit sehr hoher Lebensdauer angegeben werden, die durch ihre hohe Maximalinduktion relativ hohe Kräfte bei niedriger Erregung erzeugen und ohne verschleißfeste Beschichtung der mechanisch beanspruchten Oberflächen auskommen.

[0006] Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Erzielung einer Sättigungsinduktion über 1.0 Tesla bei gleichzeitig hoher Vickershärte über 150 HV eine Legierung mit in Gew.%: 40 - 55 % Ni, 0,5 - 6 % Ti und 0 - 5 % Nb mit der Maßgabe verwendet wird, daS der Anteil von Ti + Nb zusammen größer als 1 % ist.

[0007] Vorteilhafte Weiterbildungen der verwendeten Legierung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

[0008] Als Ausführungsbeispiel wurden unterschiedliche Legierungen folgendermaßen verarbeitet:

1. Heißwalzen zu Achtkantstäben mit 40 mm ⌀ bei einer Heißwalztemperatur von 1180 bis 1200 °C

2. Schälen der erhaltenen Stäbe zu einem runden ⌀ von 35 mm

3. Wärmebehandlung 5 h bei 1000 °C im Vakuumofen, anschließend Abschrecken in Wasser

4. Ziehen der Stäbe auf einen runden ⌀ von erst 24 und dann 19,5 mm.

[0009] Die Meßproben wurden bei 19,5 mm in walzhartem Zustand bei einer Schlußverformung von etwa 70 % entnommen. Die Messung der magnetischen Eigenschaften, wie Koerzitivfeldstärke, Permeabilitäts- und Induktionswerte erfolgte an Massivringen, die Messung der mechanischen Eigenschaften einschließlich der Härte an Proportionalstäben aus dem gezogenen Material. Bevor die magnetischen Eigenschaften gemessen wurden, sind die Massivringe einer Glühbehandlung bei einer Temperatur von 1150 °C über 4 h unterworfen und dann mit normaler Ofenabkühlung abgekühlt worden. Anschließend erfolgte eine Anlaßbehandlung zur Aushärtung bei 650 °C mit rascher Abkühlung in einer Kühlfalle. In der nachstehend aufgeführten Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen der Probelegierungen entsprechend der Chargen-Nr. 81/8476 bis 84/8529 aufgeführt.

[0010] Die Tabelle 2 zeigt für die gleichen Chargen-Nr. die gemessene Koerzitivfeldstärke Hc und die dazugehörige Vickershärte HV nach der Hochglühung sowie nach der zusätzlichen Anlaßbehandlung abhängig vom Anteil an Titan und Niob. Man sieht, daß zur Erzielung einer Vickershärte von über 150 Titan vorhanden sein muß, bei niedrigen Titangehalten jedoch ein höherer Anteil an Niob unerläßlich ist. Für optimierte Legierungen mit 46 bis 46,5 % Nickel, 1,45 bis 1,8 % Titan, 0 bis 1 % Niob, 0,45 bis 0,5 % Mangan, 0,25 bis 0,45 % Si, Rest Eisen, ergaben sich folgende Meßwerte nach der Schlußglühung:

Permeabilität µmax	= 25.000 - 30.000
Koerzitivfeldstärke Hc	= 0,10 - 0,15 A/cm
Sättigungsinduktion BS	= 1,35 T
Remanenzverhältnis BR / BS	= 0,40
Curietemperatur Tc	= 350 °C
spez. elektr. Widerstand	= 0,7 Ω * mm2/mm
Härte HV	= 220 - 280
Zugfestigkeit Rm	= 600 - 700 N/mm2 .

Tabelle 1

Chargen-Nr.	Ni	Mn	Si	Ti	Nb	Fe
1 kg - Schmelzen:
81/8476	50,1	0,46	0,21	0,73	-	48,4
81/8478	49,6	0,37	0,19	1,82	-	47,8
81/8479	50,6	0,06	0,20	2,54	-	46,4
81/8480	50,2	0,18	0,20	3,79	-	45,7
81/8486	49,8	0,29	0,20	-	0,88	48,2
81/8484	49,7	0,32	0,21	-	1,84	47,5
81/8487	49,6	0,31	0,21	-	2,88	45,8
81/8481	50,3	0,19	0,22	0,72	1,77	46,6
81/8626	49,9	0,61	0,21	2,10	1,00	46,2
81/8630	50,2	0,63	0,19	3,15	2,00	43,8

60 kg - Schmelzen:
84/8530	49,2	0,50	0,25	2,80	-	47,0
84/8565	50,1	0,53	0,22	1,28	1,79	46,0
84/8529	49,5	0,40	0,20	2,60	1,80	45,6

Tabelle 2

Chargen-Nr.	Ti	Nb	4h 1150°C, OK		4h 1150°C, OK +4h 650°C
			Hc(A/cm)	HV1	Hc(A/cm)	HV1
1 kg - Schmelzen:
81/8476	0,73	-	0,030	120	0,032	120
81/478	1,82	-	0,047	128	0,069	251
81/8479	2,54	-	0,300	190	0,530	289
81/8480	3,79	-	4,700	290	4,790	378
81/8486	-	0,88	0,032	118	0,036	130
81/8484	-	1,84	0,045	130	0,050	130
81/8487	-	2,88	0,042	135	0,047	140
81/8481	0,72	1,77	0,060	135	0,065	159
81/8626	2,10	1,00	0,230	350	0,300	370
81/8630	3,15	2,00	5,400	359	7,300	380

60 kg - Schmelzen:
84/8530	2,80	-	3,100	240	4,350	356
84/8565	1,28	1,79	0,090	161	0,086	270
84/8529	2,60	1,80	4,400	375	5,850	395

[0011] Besonders vorteilhafte Legierungen mit optimalen magnetischen Eigenschaften (höchstmögliche Permeabilität und höchstmögliche Sättigungsmagnetisierung) werden erhalten, wenn der Ti-Gehalt 1 bis 2 Gew.-% beträgt und der Legierungsgehalt an Ni so gewählt wird, daß nach der Bildung der Phase Ni3Ti der Ni-Gehalt der Matrix 47,5 Gew.-% beträgt. Bei gegebenem Ti-Gehalt läßt sich für diese Fälle der Ni-Gehalt berechnen nach:

wobei

• Ni(Ni3Ti): Nickel in der Phase Ni3Ti (in Gew.-%),
• Ti(Ni3Ti): Titan in der Phase Ni3Ti (in Gew.-%) = Ti-Gehalt der Legierung und
• Ni(Gesamt): Gesamtgehalt der Legierung an Ni, d. h. Ni in der Ni3Ti-Phase plus Ni in der Matrix (in Gew.-%) bedeuten.

[0012] Wenn die dynamischen Eigenschaften in Bezug auf die Anwendung eher im Vordergrund stehen, wird eine Legierungsvariante mit niedrigerem Ni-Gehalt der Matrix von 45,5 Gew.-% bevorzugt. Diese Variante führt bei geringen Abstrichen bezüglich (statischer) Permeabilität, Sättigungsmagnetisierung und Curietemperatur zu einem höheren spezifischen Widerstand: Für den Gesamtgehalt an Ni muß in diesem Fall gelten:

Ansprüche

1. Verwendung einer weichmagnetischen, durch Wärmebehandlung aushärtbaren Ni-Fe Legierung mit Zusätzen aus einem oder mehrerer der Elemente Ti und Nb, die übliche Desoxidationszusätze und normale Schmelzverunreinigungen enthalten kann, für Relaisteile, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Sättigungsinduktion über 1.0 Tesla bei gleichzeitig hoher Vickershärte über 150 HV eine Legierung mit in Gew.%: 40 - 55 % Ni, 0,5 - 6 % Ti und 0 - 5 % Nb mit der Maßgabe verwendet wird, daß der Anteil von Ti + Nb zusammen größer als 1 % ist.

2. Verwendung einer weichmagnetischen, durch Wärmebehandlung aushärtbaren Ni-Fe Legierung mit Zusätzen aus einem oder mehrerer der Elemente Ti und Nb, die übliche Desoxidationszusätze und normale Schmelzverunreinigungen enthalten kann, für Relaisteile, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Sättigungsinduktion über 1.0 Tesla bei gleichzeitig hoher Vickershärte über 150 HV eine Legierung mit in Gew.%: 40 - 55 % Ni, 0,5 - 6 % Ti und 0 - 5 % Nb mit der Maßgabe verwendet wird, daß der Anteil von Ti + Nb zusammen größer als 2 % ist.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung als Desoxidationszusätze 0,1 bis 2 % Mn und 0,1 bis 2 % Si enthält.

4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung über 45 bis 50 % Ni, 0,7 bis 3 % Ti und 0 bis 3 % Nb enthält.

5. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung folgender Zusammensetzung genügt: 46 bis 46,5 % Ni, 1,45 bis 1,8 % Ti, 0 bis 1 % Nb, 0,45 bis 0,5 % Mn, 0,20 bis 0,45 % Si, Rest Eisen.

6. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Ti-Gehalt von 1,5 bis 2 Gew.% und einen Gesamtgehalt an Ni gemäß der Formel

wobei

- Ni(Ni3Ti): Nickel in der Phase Ni3Ti (in Gew.-%),

- Ti(Ni3Ti): Titan in der Phase Ni3Ti (in Gew.-%) = Ti-Gehalt der Legierung und

- Ni(Gesamt): Gesamtgehalt der Legierung an Ni, d. h. Ni in der Ni3Ti-Phase plus Ni in der Matrix (in Gew.-%) bedeuten.

7. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Ti-Gehalt von 1,5 bis 2 Gew.% und einen Gesamtgehalt an Ni gemäß der Formel

wobei

- Ni(Ni3Ti): Nickel in der Phase Ni3Ti (in Gew.-%),

- Ti(Ni3Ti): Titan in der Phase Ni3Ti (in Gew.-%) = Ti-Gehalt der Legierung und

- Ni(Gesamt): Gesamtgehalt der Legierung an Ni, d. h. Ni in der Ni3Ti-Phase plus Ni in der Matrix (in Gew.-%) bedeuten.

8. Verwendung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach dem Schmelzen einer Schlußglühung bei 1000 bis 1200 °C sowie einer Anlaßbehandlung bei 600 bis 750 °C zur Ausscheidung der intermetallischen Gammaphase ausgesetzt wird.