DE618850C - Herstellung von Gegenstaenden mit hoher und konstanter Permeabilitaet, niedriger Koerzitivkraft und geringer Hysterese - Google Patents

Description

Bibliofheek
fcssr. Ind. Eigendom

150CT. 1935

AUSGEGEBEN AM
20. SEPTEMBER 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 40 b GRUPPE 14

Electrical Research Products, Inc. in New York

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. Juli 1926 ab

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit hoher und konstanter Permeabilität, niedriger Koerzitivkraft und geringer Hysterese. Die Erfindung liegt in folgendem: Zur Herstellung der Gegenstände werden Legierungen mit 5 bis 77 % Kobalt, 10 bis 75 °/o Nickel und 10 bis 37 °/₀ reinem Eisen verwendet. Um die erwähnten magnetischen Eigenxo schäften zu erhalten, werden die Gegenstände bei-etwa 1100⁰ C mindestens eine Stunde erhitzt und sodann im Ofen langsam erkalten gelassen.

Ein besonderes Wärmeverfahren besteht darin, daß die Gegenstände zunächst während 90 Minuten von 900 auf 1100⁰C gebracht, dann bei 1100⁰ etwa 70 Minuten lang geglüht und hierauf innerhalb 180 Minuten von 1100 auf 350⁰ C abgekühlt werden.
Die Gegenstände gemäß der Erfindung dienen beispielsweise als Spulen oder Stückbelastungen und fortlaufende Belastungen von Nieder- und Trägerfrequenzsignalleitern in Untersee- und Landleitungen für Telephonie und Telegraphic, des ferneren als Belastungsspulen für zusammengesetzte Fernsprech- und Telegraphenanlagen, Übertragerspulen oder Transformatoren, insbesondere als Batteriezuführungsspulen, Wellensiebkettenspulen, für bestimmte Klassen von Relais, dynamoelektrische Maschinen, elektromagnetische Hochfrequenzvorrichtungen und magnetische Kreise elektrischer Meßinstrumente.

Als besonders vorteilhaft können die Gegenstände der Erfindung zur fortlaufenden Belastung von Fernsprechleitungen oder langer Unterseetelegraphenkabel mit hoher Signalisierungsgeschwindigkeit benutzt werden. Gegenüber der Anwendung von Werkstoffen mit innerhalb des Bereiches magnetisierender Kräfte veränderlicher Permeabilität, wie sie bisher in Anwendung kamen, werden hierdurch große Vorteile erzielt.

Als bekannt ist die Tatsache zu erwähnen, · daß bestimmte Legierungen eine verhältnismäßig konstante Permeabilität über einen bestimmten Bereich von magnetischen Kräften und auch einen relativ niedrigen Hystereseverlust aufweisen. Ferner sind auch schon magnetische Stoffe bekannt geworden, die aus So Nickel und Eisen bestehen und als Unreinigkeit eine sehr kleine Kobaltmenge enthalten. Schließlich sind schon Legierungen bekannt, die reines Eisen, 40 bis 70 °/„ Nickel und bis zu ro °/₀ Kobalt enthalten. Diese Legierungen haben sich bezüglich ihrer mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen (unterhalb des Gefrierpunktes) gut bewährt. Als magnetischer Werkstoff sind sie nicht verwendet· worden.

An Hand von einzelnen Beispielen wird die Erfindung weiter erläutert.

ι. Beispiel

Ein besonderer magnetischer Werkstoff nach der Erfindung besteht aus annähernd 5 45 °/₀ Nickel, 25 % Kobalt und 30 % Eisen mit etwa 0,5 % Mangan, das hinzugefügt wird, um die Bearbeitungsmöglichkeit zu steigern. Der Werkstoff weist eine flächenzentrierte kubisch-kristallinische Struktur auf. to Die in Abb. 1 bis 9 einschließlich gegebenen Kurven beziehen sich auf dieses Beispiel und dienen zur Erläuterung der Erfindung. Der aus diesem magnetischen Werkstoff hergestellte Gegenstand ist bei einer hohen Temperaturwärme zu behandeln. Die zur Ausführung kommende spezielle Wärmebehandlung wird noch später beschrieben.

In allen Abbildungen der Zeichnung sind die magnetisierenden Kräfte und Flußdichten ao. in CGS-Einheiten aufgetragen.

Die Magnetisierungskurve in der Abb. 1 zeigt, daß der Werkstoff die hohe Flußdichte von 15 000 CGS-Einheiten bei einer magnetisierenden Kraft von 45 Gauß aufweist. Die Kurve (Abb. 2) gibt die große Konstanz der Permeabilität bis hinauf zu einer magnetisierenden Kraft von fast zwei Gauß an; danach beträgt die Anfangspermeabilität etwa 460 für diesen besonderen Werkstoff. Kurve α der Abb. 3 stellt die obere Hälfte der Hystereseschleife für Flußdichten bis zu 600 CGS-Einheiten dar, die als eine gerade Linie erscheint. Durch ballistische Verfahren konnte kein Hystereseverlust nachgewiesen werden; Koerzitivkraft und Remanenz sind daher praktisch Null. Durch genauere Induktanzbrückenverfahren, die auf niedrige Induktionen anwendbar sind, wurde der Hystereseverlust als 0,024 X io~

erg cm³

pro Periode

festgestellt, und zwar bei einer Induktion von 100 CGS-Einheiten. Dieser Wert ist fast vernachlässigbar, so daß der Hystereseverlust im Maßstab der Zeichnung nicht dargestellt werden konnte. Die Hystereseschleife erscheint deshalb als gerade' Linie. Kurve b und c zeigen die entsprechenden Werte von Silitstahl und Armco-Eisen.
Abb. 4 bis 9 enthalten halbe Hystereseschleifen des Werkstoffes für verschiedene Maximalinduktionen und veranschaulichen die Hystereseverluste bei zunehmender Induktion. Der durch Kreise bezeichnete aufsteigende Ast und der durch Punkte bezeichnete absteigende Ast der Abb. 4 fallen zusammen und bilden eine gerade Linie, die durch den Ausgangspunkt geht und das Fehlen von Hysterese, Remanenz und Koerzitivkraft andeutet. Ein Vergleich der Abb. 4 mit Abb. 2 zeigt, daß die Anfangspermeabilität bis zu Induktionen von'600 CGS-Einheiten konstant ist.

Abb. 5 bis 8 zeigen die Hystereseverluste, wenn die Flußdichte noch weiter zunimmt. In Abb. 5 und 6 macht sich die Hysterese bereits bemerkbar, aber die Flächenräume der Schleifen sind verhältnismäßig klein und der Hystereseverlust daher unwesentlich. Wenn aber die Flußdichte Werte von 1500 oder mehr erreicht, wie in Abb. 7 und S dargestellt ist, nimmt der Hystereseverlust schnell zu; trotzdem sind aber bemerkenswerterweise Remanenz und Koerzitivkraft praktisch noch Null.

Abb. 9 zeigt eine Hälfte der Hystereseschleife für eine Flußdichte von annähernd "15000 CGS-Einheiten. Diese Schleife hat die allgemeine Form der gewöhnlichen Hystereseschleife, welche man mit Eisen und anderen magnetischen Werkstoffen erhalt. Sie unterscheidet sich grundsätzlich von den Kurven der Abb. 7 und 8 dadurch, daß die Koerzitivkraft und Remanenz beträchtlich sind, wenn auch geringer als bei den meisten magnetischen Werkstoffen. Dies trifft insbesondere für die Remanenz zu. Der Hystereseverlust bei dieser hohen maximalen Flußdichte ist also verhältnismäßig gering im Vergleich mit demjenigen anderer magnetischer Werkstoffe.

2. Beispiel

Die Kurven der Abb. 10 bis 14 einschließlich beziehen sich auf einen magnetischen Werkstoff gemäß der Erfindung, der 60 °/₀ Nickel, 15 °/₀ Kobalt und 25 % Eisen enthält. Die Anfangspermeabilität beträgt in diesem Falle 631 und bleibt bis 700 CGS-Einheiten konstant. Abb. 10 zeigt sowohl eine Magnetisierungskurve als auch eine Hystereseschleife für B == 13 250. Abb. 11 ist eine gra- phische Darstellung der Permeabilität für schwankende Werte der magnetisierenden Kraft. Abb. 12 bis 14 einschließlich sind Hälften von Hystereseschleifen für einzelne Induktionswerte. Abb. 13 und 14 zeigen ebenfalls Magnetisierungskurven und Hystereseschleifen für den Werkstoff dieses Beispiels.

3. Beispiel

Ein Werkstoff, der aus annähernd 70 °/o Nickel, 15 % Kobalt und 15 % Eisen besteht, hat eine Anfangspermeabiliät von 390 und keine nennenswerte Permeabilitätsveränderung bis hinauf zu Induktionen von CGS-Einheiten.

4. Beispiel

Die Kurven der Abb. 15 bis iS einschließ- > lieh beziehen sich auf einen Werkstoff aus annähernd 73,3% Nickel, 6 %-Kobalt und

20,5 °/o Eisen und 0,2 % Mangan, welcher eine Anfangspermeabilität von 1430 und Konstanz der Permeabilität bis zu 715 CGS-Einheiten aufweist, und zwar ist Abb. 15 die graphische Darstellung der Permeabilität in Abhängigkeit von der Feldstärke. Abb. 16 bis 18 veranschaulichen Hälften von Hystereseschleifen für einzelne Induktionswerte. Die maximale Permeabilität beträgt etwa 5600 bei einer magnetisierenden Kraft von i,i Gauß.

5. Beispiel

Eine Zusammensetzung von annähernd 20 °/o Nickel, 50 % Kobalt und 30 °/₀ Eisen zeigt eine zu vernachlässigende Veränderung der Permeabilität bei magnetisierenden Kräften von 4 Gauß, welche in diesem Falle eine Flußdichte von 450 CGS-Einheiten erzeugt.

6. Beispiel

Die Kurven der Abb. 19 bis 22 einschließ-. lieh beziehen sich auf einen Werkstoff von annähernd 50 °/₀ Nickel, 30 °/₀ Kobalt und 20 % Eisen, welcher eine Anfangspermeabilität von 231 aufweist, die bis zum Werte von B = 716 oder H = 3,1 konstant ist.

7. Beispiel

Abb. 23 bis 28 einschließlich betreffen einen Werkstoff von 10 °/₀ Nickel, 70 °/o Kobalt und 20 °/o Eisen, mit weniger als 1 °/o Mangan, welcher konstante Anfangspermeabilität und keinen Hystereseverlust bis zu einer Flußdichte von 225 hat, wobei die Permeabilität in diesem Bereiche 57 ist. Abb. 24 zeigt außer einer halben Hystereseschleife für 80 Gauß auch die durch Punkte bezeichnete Magnejtisierungskurve des Werkstoffes. Zusammenfassend sei bemerkt, daß bei den magnetischen Werkstoffen gemäß der Erfindung Hystereseverlust, Koerzitivkraft und Remanenz bei Induktionen von 500 bis 1000 zu vernachlässigen sind. Sie haben außerdem sehr niedrige Koerzitivkraft und Remanenz, die sich oft Null nähert, bei Induktionen bis zu 5000 CGS-Einheiten.

Zur Erzielung der höchsten Werte der Anfangspermeabilität verbunden mit Konstanz der Permeabilität soll, wie Versuche ergeben haben, das Nickel wenigstens 20 % des magnetischen Werkstoffgehaltes umfassen. Der höchste Grad von Konstanz der Permeabilität, vereinigt mit hoher Anfangspermeabilität und niedrigem Hystereseverlust, ist mit Prozentsätzen von Eisen erzielt worden, die sich bis zu 37 % erstrecken.

Um die Eigenschaften dieser Werkstoffe weiter zu erläutern, werden die folgenden weiteren Daten gegeben. Die Zusammensetzung von 45 % Nickel, 25 °/o Kobalt und 30 °/₀ Eisen (vgl. Beispiel 1) hat einen Widerstand von 19 Mikro-Ohm/cm; eine maximale Permeabilität von 2075 bei H= 4,12; Remanenz von 3400 und Koerzitivkraft von 1,3 bei H = 50 Gauß. Der Hystereseverlust ist zu vernachlässigen bei einer maximalen Flußdichte von 570 CGS-Einheiten und beträgt

⁹'⁵⁴ Έη^ ^{pr0 Periode bei}

5>⁶5 erg bei

960; 93,2 erg bei 1500; 1185 erg bei 5050: 2500 erg bei 8480 und 3375 erg bei 14900. Der Werkstoff, der 60 °/₀ Nickel, 15 °/₀ Kobalt und 25 °/₀ Eisen enthält (vgl. Beispiel 2), hat eine Flußdichte von 13 250 CGS-Einheiten bei H = 30,7; einen Widerstand von 17,5 Mikro-Ohm/cm; Remanenz und Koerzitivkraft von 1700 bzw. 0,7 bei h -f- 30,7 Gauß und. eine maximale Permeabilität von 2680 bei H = 2,45. Der Hystereseverlust ist zu vernachlässigen bis zuß= 895 und beträgt

1,24 —%· pro Periode bei einer maximalen

Flußdichte von 725 CGS-Einheiten; 8,4 erg bei S40; 27 erg bei 1050; 8S erg bei 1250; 632 erg bei 5400; 1240 erg bei 8230; 150S erg bei 13 250.

Der Werkstoff von 73,3 % Nickel, 6 °/₀ Kobalt, 20,5 °/₀ Eisen und 0,2 °/₀ Mangan (vgl. Beispiel 4) hat einen. Widerstand von 15,5 Mikro-Ohm/cm, Remanenz und Koerzitivkraft von 2700 bzw. 3,5 bei H = 21 Gauß, maximale Permeabilität von 5600 bei 1,1 H und zu vernachlässigenden Hystereseverlust bei Flußdichten bis zu 715 CGS-Einheiten. Der Hystereseverlust pro cm³ und Periode beträgt 23 erg bei einer Flußdichte von 1520 CGS-Einheiten; 348 erg bei 5125 und 785 erg bei 11 500.

Der Werkstoff von 10 °/o Nickel, 70 % Kobait und 20 % Eisen mit einem Bruchteil von ι % Mangan (vgl. Beispiel 7) hat einen Widerstand von 15,36 Mikro-Ohm/cm; Remanenz und Koerzitivkraft von 9340 und 3,56 bei 80 Gauß, maximale Permeabilität von 1545 bei H = 6,5 und zu vernachlässigenden Hystereseverlust bei Flußdichten bis zu CGS-Einheiten. Der Hystereseverlust pro Kubikzentimeter und Periode beträgt erg bei einer Flußdichte von 340 CGS-Einheiten; 150 erg bei 620; 1040 erg bei 1700; 2740 erg bei 3950, und 14 160 erg bei 500 CGS-Einheiten.

Jede der oben als Beispiel angegebenen Zusammensetzungen kann kleine Mengen von Mangan entweder als Unreinheit oder als Zusatz enthalten, um den Werkstoff bearbeitungsfähiger zu machen. Chrom oder ähnliche Elemente oder Substanzen können zugesetzt werden, um den spezifischen Widerstand des Werkstoffes zu steigern oder für andere Zwecke.

Eine besondere Eigenschaft des Werkstoffes nach der Erfindung besteht darin, daß er nach Anlegung eines starken Gleichstromes oder einer gleichgerichteten magnetisierenden Kraft von großem Werte und nachfolgender Herabsetzung auf einen niedrigen Wert eine stark gesteigerte Permeabilität für überlagerte schwache und wechselnde magnetisierende Kräfte aufweist. In einem besonderen ίο Falle steigerte eine vorübergehende Feldstärke von etwa 25 Gauß bei der Legierung von 45 °/₀ Nickel, 25 % Kobalt und 30 % Eisen die Anfangspermeabilität von 435 auf 750.

Mit andern Worten, die Permeabilitätskurve folgt der Kurve der Abb. 2 für zunehmende angelegte magnetisierende Felder; bei . Abnahme des Feldes aber um kleine Stufen weichen die gemessenen Werte der Permeabilität von der Kurve der Abb. 2 ab. Diese Abweichung ist nicht groß, bis der Punkt der maximalen Permeabilität erreicht ist. Links von dem Punkt maximaler Permeabilität aber liegt der Wert der Permeabilität nach hoher Magnetisierung beträchtlich über der Kurve und hat in dem besonderen obenerwähnten Falle einen Anfangswert von 750. Wenn eine Probe des Werkstoffes also hoch magnetisiert wird, wird das Kennzeichen konstanter Permeabilität für einen Bereich von magnetisierenden Kräften gestört. Um die Anfangspermeabilität auf einen niedrigeren Wert zurückzubringen, muß der Werkstoff entmagnetisiert werden. Um die Konstanz der Permeabilität auf den höchsten Grad wieder herzustellen, ist es unerläßlich, dem Werkstoff eine erneute Wärmebehandlung zuteil werden zu lassen.

Eine weitere Eigenschaft, die sich gewöhnlich bei diesen Werkstoffen zeigt, besteht darin, daß die Magnetisierungskurve für hohe Werte der Induktion oft teilweise außerhalb der Hystereseschleife liegt. Dies ist z. B. in Abb. 10 der Fall, wo die Magnetisierungskurve (durch Punkte angegeben) den unteren Ast der Hystereseschleife (durch Kreise angegeben) bei einer Induktion von B = 500 kreuzt und sich mit ihr bei einer Induktion von 2? = etwa 7000 wiedervereinigt. In Abb. 14 kreuzt die Magnetisierungskurve die Schleife und hat einen kleinen Teil außerhalb der Hystereseschleife liegen. Immer hat die Magnetisierungskurve für größere Induktionen als nach Abb. 14 einen Teil außerhalb der Hystereseschleife liegen. Eine weitere Eigentümlichkeit besteht darin, daß der Hystereseverlust bei einem gewissen Wert der Flußdichte ein Maximum erreicht, für größere Flußdichten somit nicht weiter zunimmt.

Die magnetischen Eigenschaften der Werko stoffe nach der Erfindung sind unter dem Einfluß mechanischer Beanspruchungen und Spannungen Wechsel unterworfen und müssen infolgedessen bei ihrer Verwendung mit Vorsicht behandelt werden, um übermäßige Beanspruchungen und Spannungen zu vermeiden.

Zur Herstellung der magnetischen Werkstoffe nach der Erfindung können Metalle handelsüblicher Reinheit zusammen in einem Induktionsofen geschmolzen werden. Die geschmolzene Legierung wird in Stangen oder Barren gegossen, die durch Walzen, Drücken oder Ziehen in die ge\vünschten Formen verarbeitet werden.

Nach der mechanischen Herstellung der Gegenstände werden diese dem Wärmeverfahren zur Erzeugung der gewünschten magnetischen Eigenschaften unterworfen. Die Temperatur, auf welche der Gegenstand erhitzt wird, und das Maß der Abkühlung bestimmen in weitem Maße die angestrebten magnetischen Eigenschaften.

Der Gegenstand kann im Tiegel wie üblich ausgeglüht werden, um Oxydation zu verhindern. Das Ausglühen geschieht bei etwa iioo° C für wenigstens eine Stunde, worauf der Gegenstand im Ofen auf Zimmertemperatur abkühlen kann. Dies ist das Verfahren, das bei der Herstellung von Gegenständen aus Legierungen benutzt wurde, deren magnetische Kennzeichen in den Abb. r bis 22 dargestellt sind. In einem besonderen Falle wurde der Gegenstand in einem Chrom-Nickel-Tiegel hineingelegt. Der Tiegel wurde in einen elektrischen Ofen gestellt, sobald sich dessen Temperatur auf etwa 900⁰ C befand. In 90 Minuten stieg die Temperatur des Tiegels auf 1100⁰ C und wurde auf dieser Temperatur 70 Minuten lang gehalten. Der Gegenstand kühlte dann im Ofen ab und erreichte eine Temperatur von 350⁰ C in 180 Minuten Kühlzeit.

Der im Tiegel ausgeglühte Gegenstand kann nach-Abkühlung auf Zimmertemperatur wieder .erhitzt werden bis auf etwa 725⁰ C. Die Abkühlung kann schneller erfolgen als im ersten Falle, und zwar mit einer Ivühlgeschwindigkeit von 2° C bis 5⁰ C je Sekunde, bis auf ungefähr 350⁰ C herab, worauf die Abkühlung- auf Zimmertemperatur mit belie- no biger Geschwindigkeit erfolgt.

Es kann auch der im Tiegel ausgeglühte Gegenstand nach der Wiedererhitzung auf etwa 725° C schnell, beispielsweise dadurch abgekühlt werden, daß dieser auf einer großen Kupferplatte in die offene Luft gestellt wird.

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit hoher und konstanter Permeabilität, niedriger Koerzitivkraft und geringer Hysterese, dadurch gekenn-

   zeichnet, daß zur Herstellung der Gegenstände Legierungen mit 5 bis 77 % Kobalt, 10 bis 75 °/₀ Nickel und 10 bis 37°/o reinem Eisen verwendet werden, und die Gegenstände bei etwa 1100⁰ C mindestens ι Stunde erhitzt und sodann langsam im Ofen erkalten gelassen werden.
2. 2. Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Warmbehandlung die Gegenstände zunächst während 90 Minuten von 900 auf 1100⁰ C gebracht, dann bei 1100⁰ etwa 70 Minuten lang geglüht und hierauf innerhalb iSo Minuten von 1100 auf 35°° C abgekühlt werden.
3. 3. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 5 bis 77°/o Kobalt. 10 bis 76⁰I₀ Nickel, 10 bis 37% reines Eisen, weniger als 1% Mangan, sowie ο bis i°/„ Chrom zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch 1 oder 2.
4. 4. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 45% Nickel, 25°/,, Kobalt,· 30% reines Eisen zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch 1 oder 2.
5. 5. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 73,3 °/o Nickel, 6,0% Kobalt, 20,5 °/o reines Eisen, 0,2% 3c Mangan zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch ι oder 2.
6. 6. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 50% Nickel, 30% Kobalt, 20% reines Eisen zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch 1 oder 2.
7. 7. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung io°/₀ Nickel, 7O°/₀ Kobalt, 20 % reines Eisen zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch 1 oder 2.
8. 8. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 60% Nickel, i5°/o Kobalt, 25 °/o reines Eisen zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen nach. Anspruch 1 oder 2.
9. 9. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 2o°/₀ Nickel, 50% Kobalt, 30 °/„ reines Eisen zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch 1 oder 2.
10. 10. Die Verwendung eines Werkstoffes der Zusammensetzung 70% Nickel, 15% Kobalt, 15% reines Eisen zur Herstellung und Wärmebehandlung von Gegenständen gemäß Anspruch 1 oder 2.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen