Nickel und Eisen enthaltendes magnetisches Material. Die Erfindung bezieht sich auf ein Nickel und Eisen enthaltendes magnetisches Ma terial und auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials.
Das erfindungsgemässe Material zeichnet sich dadurch aus, da.ss die Änderung der Per meabilität innerhalb eines Flussdichteberei- ches von mindestens 200 C. G. S.-Einheiten kleiner a15 5 % ist.
Gemäss dem in erster Linie vorgesehenen Verfahren zur Herstellung des erfindungs gemässen Materials, wird der Bereich, in wel chem die Permeabilität durch geeignete Be handlung praktisch konstant gemacht wer den kann, dadurch erhöht, dass ihm Kobalt in einer Menge von ungefähr 5 /o bis un gefähr 85 % beigefügt wird.
Man suchte schon lange dem Verlangen nach einem magnetischen Material mit prak tisch konstanter Permeabilität für kleine 3,Tagnetisierungskräfte zu entsprechen, und fand dabei, dass bei einem Nickel und Eisen enthaltenden magnetischen Material der De reich, in welchem die Permeabilität konstant bleibt, vergrössert werden kann, wenn man das Material gemäss dem Patent Nr. 119563 zusammensetzt und der dort beschriebenen Wärmebehandlung unterwirft.
Eine solche Legierung zeigt eine konstante Permeabi- lität bis hinauf zu einer Flussdichte von zirka<B>150</B> C. G. S.-Einheiten.
Nach der vorliegenden Erfindung lä.sst sich dieser Bereich wesentlich vergrössern, und er kann, wenn nur eine mässige Per meabilität verlangt wird, in der Tat äusserst gross sein, während er, wenn zugleich eine verhältnismässig hohe maximale Permeabilität gefordert wird, etwas kleiner ausfällt.
Das erfindungsgemässe Material zeigt je doch noch weitere Eigenschaften; die je nach den verschiedenen Verwendungszwecli:en des Materials durch passende Änderung der Zusammensetzung in weitgehendem Masse verändert werden können, so dass die eine oder andere im Hinblick auf die Verwen dung des Materials hervorgehoben werden kann, ohne dass dadurch die wichtigste Eigen schaft, nämlich die Permeabilitätskonstanz, innerhalb des genannten Bereiches verloren geht.
Eine dieser weitern Eigenschaften ist beispielsweise das Fehlen praktisch in Be tracht fallender Hysteresisverluste innerhalb des für Fernmeldeapparate in Frage kom menden Flussdichtebereiches zu nennen. Es zeigte sich weiter, dass auch bei höheren Flussdichten die Hysteresisverluste, die Re manenz und die Koerzitivkraft mit dem er findungsgemässen Material klein wird.
Wie erwähnt wurde, können diese Eigen schaften nach dem Verfahren dieser Erfin dung erhalten werden, indem man einer Le gierung aus Nickel und Eisen Kobalt zu setzt, und zwar mehr als in der Regel im handelskäuflichen Nickel vorhanden ist. In der weiteren Beschreibung werden einige bei spielsweise Zusammensetzungen des magne tischen Materials und dessen Eigenschaften ausführlich beschrieben. Zur Erzeugung eines Materials mit einer Anfangspermeabilität 400, welcher Wert für magnetisierende Kräfte von 0 bis 2 Gauss praktisch konstant ist, ist folgende Durch führungsweise des Verfahrens vorgesehen.
Eine Legierung aus zirka 45 % Nickel, zirka 25 % Kobalt und zirka 30 % Eisen, die, wenn gewünscht, bis zirka 5 % 1@Tangan als Beigabe enthalten kann, wird durch Schmelzen der einzelnen Bestandteile in einem Induktionsofen vorbereitet. Dazu können hochwertige hand-elskäufliehe Ma terialien verwendet werden. Das geschmol zene Material wird zu Stäben oder Barren gegossen, welche hierauf durch Walzen, Ziehen und Schmieden im Gesenk zur ge wünschten Form bearbeitet werden.
Der bearbeitete Gegenstand wird hierauf einem Glühverfahren, bei welchem die Tem peratur ungefähr 1100 C beträgt, unter worfen. Eine besondere Art der Durchfüh rung dieses Glühverfahrens ist folgende: Ein aus einer Chrom-Nickel-Eisen-Legierung be stehender Tiegel von beliebiger Form wird etwa, bis zur Hälfte mit den auszuglühenden Gegenständen gefüllt. Hierauf wird der Tiegel mit einem Deckel zugedeckt und letz terer mit einer :Schicht Eisenfeilspäne über deckt, worauf ,der Tiegel in einen elektrischen Ofen, dessen Temperatur etwa.<B>900'C</B> be tragen soll, gestellt wird.
Nach etwa<B>90</B> Minuten wird die Temperatur des Inhaltes des Tiegels auf etwa 1100'C erhöht und während 70 Minuten auf dieser Höhe ge halten. Das Material wird hierauf im Ofen der Abkühlung überlassen und so abgekühlt, da.ss es in einer Abkühlungszeit von 180 Mi nuten eine Temperatur von<B>350'C</B> erreicht, worauf es sich mit irgend einer gewünschten Abkühlungsgeschwindigkeit auf Raumtempe ratur abkühlen darf. Dieses Verfahren diente zur Erzeugung der Materialien, deren mag netische Eigenschaften in den Fig. 1 bis 9 der beigefügten Zeichnung graphisch darge stellt sind.
Wenn nun die Anfaugspermeabilität des im Tiegel befindlichen Materials höher aus fallen soll als beim soeben erwähnten Vor gang, so wird es nach Abkühlung auf zirka 350 C neuerdings auf zirka 725 C erhitzt und hierauf auf 350 C abgekühlt, wobei die Abkühlung so reguliert wird, dass das Material die gewünschte Temperatur in etwa 1 bis 3 Minuten erlangt. Hierauf wird das Material mit irgend einer gewünschten Ab kühlungsgeschwindigkeit auf Raumtempera tur abgekühlt. Dieses Verfahren erhöht die Anfangspermeabilität, verkleinert hingegen den Magnetis:ierungskräftebereich ,ierungskräftebereich, in wel chem die Permeabilität konstant ist.
Wenn die Anfangspermeabilität noch hö her ausfallen soll, erwärmt man das Ma terial nach dem Glühverfahren neuerdings auf etwa. 725 und ¯kühlt es hierauf rasch auf Zimmertemperatur ab. In diesem Falle wird die Anfangspermeabilit@t noch mehr erhöht, der Bereich konstanter Permeabilität jedoch noch mehr verkleinert, und es besteht zudem eine gewisse Tendenz zur Vergrö sserung der Hysteresisverluste bei niedrigen Feldstärken.
In der beigefügten Zeichnung stellen B. Il und ,a die magnetische Flussdichte beziv. die magnetisierende Kraft und die Perure a- bilität in C. G.8.-Einheiten dar.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen Kennlinien eine Materials mit 45 % Nickel, 25 % Kobalt und 30 %p Eisen mit 0,5 % Mangan, welches zur Erhöhung der Bearbeitbarkeit beigefiigt wurde, wobei das Material zur Erzeugung eines maximalen Bereiches mit konstanter Permeabilität dem zuerst beschriebenen Ver fahren unterworfen worden ist.
Die Kurve der Fig. 1 weist schon auf die grosse Permeabilitätskonstanz für kleine Magnetisierungskräfte hin.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die An fangspermeabilität dieses bestimmten Ma terials etwa 460 beträgt, und dass sich dessen Permeabilität bei magnetisierenden Kräften bis etwa 2 Gauss kaum merklich ändert. Die Fig. 1 zeigt ferner, dass das Material bei einer Magnetisierungskraft von 45 Gauss die hohe F lussdichte von 1500 C. G. S.-Einheiten besitzt.
Die Kurve der Fig. 3 zeigt die Hystere- sisschleife für eine maximale Flussdichte von zirka 500 C. G. S.-Einheiten. Wie ersichtlich, sind die Hysteresisverluste derart vernach- lässigbar klein, dass die Schleife als Gerade erscheint.
Di e Fig. 4 zeigt die Hy steresisschleif e (a) des verbesserten Materials bei einer maxi malen Flussdichte von etwa 600 Kraftlinien per cm\, sowie die Hysteresiskurven von S S iliziumstahl (b) und Armco -Eisen (c).
Diese Figur zeigt in deutlicher Weise, dass das gemäss vorliegender Erfindung herge- stellte Material im Gegensatz zu den ge nannten andern Materialien wenigstens, pral- tisch gesprochen, keine Hysteresisverluste aufweist.
Die Kurve cler Fig. 5 bezieht sich auf eine Komposition aus ungefähr 60 % Nickel, 15 % Kobalt imel 25 % Eisen.
In diesem Falle beträgt dir. Anfangspermeabilität 631 und ändert bis zu einer Fussdichte von 700 C. G.8.-Einheiten nieht. Eine aus 70 ö \Nickel, 1.5 % Kobalt und 15 ! Eisen be stehende Komposition besitzt eine Anfangs permeabilität von 390 und ändert bis zu In duktionen von 200 C. Cxr. S.-Einheiten nicht.
Die Kurve der Fig. 6 bezieht sich auf eine Komposition, die annähernd 73,3 Nickel, 6 % Kobalt und 20,5 % Eisen, so- wie 0,2 % Mangan enthält und eine An fangspermeabilität voll 1430 besitzt und hin auf bis zu Induktionen von 715 C. G. S.- Einheiten keine beträchtliche Änderung ir. der Permeabilität aufweist. Die maximale: Permeabilität beträgt zirka 5600 bei einer Magnetisierungskraft von 1,1 Gauss.
Eine Komposition aus annähernd 20 Nickel, 50 % " Kobalt und 30 % Eisen zeigt einevernachlässigbarePermeabilitätsänderung bei Magnetisierungskräften von 4 Gauss, wel che in diesem Falle eine Flussdichte von 450 C. G. S.-Einheiten erzeugen.
Die Kurve der Fig. 7 bezieht sich auf eine Komposition aus annähernd 50 Nickel, 30 % Kobalt und 20 % Eisen, welche eine Anfangspermeabilität von 231 besitzt, die bis zum Werte von B=:716 oder Il= 3,1 konstant bleibt.
Die Fig.8 bezieht sich auf eine Kom position aus 10 % Nickel, 70 % Kobalt und 20 % Eisen, welche im Flussdichtebereich bis 225 eine konstante Permeabilität 57 und vernachlässigbare Hysteresisverluste besitzt.
Die hinsichtlich der Permeabilitätskon- stanz mit den verschiedenen, nach den voran gehenden Verfahren vorbereiteten Materia lien erzielten Verbesserungen sind aus der Fig.9 zu ersehen, in welcher die maximale Flussdichte als Abszisse und die prozentuale. Änderung der Permeabilität als Ordinate aufgetragen wird.
In dieser Figur zeigt die Kurve f für gewöhnliches Eisen in guter Handelsqualität, die Kurve e für eine Eisen-Nickel-Legierung nach Patent Nr. 119563, die Kurve d für das Material der Fig. 5, die Kurve c für das Material der Fig. 6, die Kurve b für das Material der Fig.2 und die Kurve a für das Material der Fig. B.
Es ist ersichtlich, dass wenn eine verhält nismässig kleine Permeabilität, beispielsweise die Permeabilität 57, gefordert wird, gemäss vorliegender Erfindung ein Material hervor gebracht werden kann, dessen Permeabilität in einem sehr grossen Bereich konstant bleibt.
Aus vorstehendem geht hervor, dass der Eisengehalt in allen den besprochenen Kom- positionen 10 his <B>410</B> % beträgt. Solche Kom positionen besitzen kleine oder vollständig vernachlässigbare Hysteresisverluste für Werte von B bis hinauf zu 500 oder l0()0.
Jede der oben erwähnten Kompositionen kann kleine Quantitäten Mangan enthalten, sei es als Verunreinigung oder dass dieses dem Material zur Erhöhung, der Bearbeit- barkeit beigegeben worden ist. Zur Erhö hung des spezifischen Widerstandes und weiteren Zwecken können dem Material Chrom oder andere Substanzen beigegeben werden.
Ein beim erfindungsgemässen Material oft aufgewiesenes charakteristisches Kennzeichen besteht darin, dass die Anwendung eines star ken Gleichstromes oder einer grossen in einer Richtung wirkenden Magnetisierungskraft, die hierauf auf einen niederen Wert reduziert wird, die Permeabilität für überlagerte, schwache wechselnde Magnetisierungskraft beträchtlich erhöht.
In einem besonderen Falle, wo eine in einer Richtung wirkende rJagnetisierungskraft von 25 Gauss auf eine Komposition aus 45 % Nickel. 25 % Kobalt und 30 % Eisen angewendet und hierauf be seitigt wurde, zeigte sich eine Erhöhung der Anfangspermeabilität von 45 auf 750.
Die magnetischen Eigenschaften der er findungsgemäss hergestellten Materialien er leiden, wenn letztere mechanisch beansprucht werden, Änderungen, und es werden daher regelmässig vor des Anwendung dieser 211a- terialien Massnahmen getroffen werden, durch die eine übermässige mechanische Beanspru chung vermieden wird.
Das erfindungsgemässe #Llateria.l (bezw. besondere Arten desselben) eignet sich be sonders zur Herstellung von Spulenkernen, so wie für punktförmige und verteilte Belastung von Fernmeldeleitern für Tiefsee- und Über- landtelephonie bezw. Telegraphie, sei es für Niederfrequenz- oder Trägerfrequenzströme, von Belastungsspulen für kombinierte Tele- phon- und Telegraphenanlagen,
Übertra- gerspulen oder Transformatoren, insbeson dere Speisespulen, Spulen für Wellenfilter, Relais, Dynamomaschinen, elektroma gneti- sche Hochfrequenzvorrichtungen, magneti sche Kreise elektrischer Messinstruriiente usw.
Zur Bereitung de Haterials für 2,qleich- mässige Belastung von Leitern wird es z-i#ecli- mässigerweise zuerst zu einem dünnen Baud geformt und hierauf dieses zu einer flachen Spirale gerollt. Die Dicke dieser Spirale, das heisst, die Breite des Bandes kann 3,1.75 mm betragen. Der Innendurchmesser mag dabei 7,62 cm und der Aussendurchmesser 8,89 cm erreichen.
Das Ausglühen wird in der oben beschrie benen Weise durchgeführt, und wenn die Anfangspermeabilität auf Kosten des Be reiches, in welchem diese konstant ist, erhöht werden soll, wird nach dem Ausglühen ein. passendes Wiedererwärmungsverfahren ange wendet, bei welchem die Spirale auf 725 C erwärmt und hierauf an frischer Luft ab gekühlt wird.
Dem magnetischen Material für gleich mässig belastete Fernmeldeleiter können die gewünschten Eigenschaften auch so erteilt werden, dass das Belastungsmaterial zuerst auf dem Leiter angebracht wird, worauf eine aus dem Leiter gebildete Spule mit geeig netem Durchmesser in. einem zenügend gro ssen Ofen gemäss dem oben \beschriebenen Verfahren mit Wärme behandelt wird.
Magnetic material containing nickel and iron. The invention relates to a nickel and iron containing magnetic Ma material and to a method for producing this material.
The material according to the invention is characterized in that the change in permeability within a flux density range of at least 200 C.G.S. units is less than 15 5%.
According to the primarily intended method for producing the material according to the invention, the range in which the permeability can be made practically constant by suitable treatment is increased by adding cobalt in an amount of approximately 5 / o to un about 85% is attached.
The demand for a magnetic material with a practically constant permeability for small 3, magnetic forces has been sought for a long time, and it has been found that in a magnetic material containing nickel and iron, the degree in which the permeability remains constant can be increased when the material is assembled according to patent no. 119563 and subjected to the heat treatment described there.
Such an alloy exhibits a constant permeability up to a flux density of approximately 150 C.G.S. units.
According to the present invention, this area can be increased significantly and, if only moderate permeability is required, it can in fact be extremely large, while it is somewhat smaller if a relatively high maximum permeability is required at the same time.
The material according to the invention shows, however, still further properties; which, depending on the various uses of the material, can be changed to a large extent by appropriately changing the composition, so that one or the other can be emphasized with regard to the use of the material without affecting the most important property, namely the Permeability constancy, is lost within the specified range.
One of these other properties is, for example, the absence of any hysteresis losses that are practically considered within the flow density range that can be used for telecommunications equipment. It was also shown that the hysteresis losses, the remanence and the coercive force with the material according to the invention are small even at higher flux densities.
As mentioned, these properties can be obtained by the process of this invention by adding cobalt to an alloy of nickel and iron, more than is usually present in commercially available nickel. In the further description, some are described in detail, for example, compositions of the magnetic material and its properties. To produce a material with an initial permeability 400, which value is practically constant for magnetizing forces of 0 to 2 Gauss, the following implementation of the method is provided.
An alloy of approx. 45% nickel, approx. 25% cobalt and approx. 30% iron, which, if desired, can contain up to approx. 5% 1 @ tangan as an addition, is prepared by melting the individual components in an induction furnace. High-quality materials that can be bought by hand can be used for this. The molten material is poured into rods or ingots, which are then processed into the desired shape by rolling, drawing and forging in the die.
The processed object is then subjected to an annealing process in which the temperature is approximately 1100 ° C. A special type of implementation of this annealing process is as follows: A crucible of any shape made of a chromium-nickel-iron alloy is filled approximately up to halfway with the objects to be annealed. The crucible is then covered with a lid and the latter is covered with a layer of iron filings, whereupon the crucible is placed in an electric furnace, the temperature of which should be about .900'C </B>.
After about 90 minutes, the temperature of the contents of the crucible is increased to about 1100 ° C. and kept at this level for 70 minutes. The material is then left to cool in the oven and cooled so that it reaches a temperature of <B> 350'C </B> in a cooling time of 180 minutes, whereupon it is cooled to room temperature at any desired rate allowed to cool down. This process was used to produce the materials whose magnetic properties are graphically shown in FIGS. 1 to 9 of the accompanying drawings.
If the initial permeability of the material in the crucible is to be higher than in the process just mentioned, after cooling to about 350 C it is heated to about 725 C and then cooled to 350 C, the cooling being regulated so that the material will reach the desired temperature in about 1 to 3 minutes. The material is then cooled to room temperature at any desired rate. This method increases the initial permeability, but reduces the magnetization force range, in which the permeability is constant.
If the initial permeability is to be even higher, the material is recently heated to around using the annealing process. 725 and then quickly cools it down to room temperature. In this case, the initial permeability is increased even more, but the range of constant permeability is reduced even more, and there is also a certain tendency to increase the hysteresis losses at low field strengths.
In the attached drawing, B. Il and, a represent the magnetic flux density beziv. represents the magnetizing force and the permeability in C.G.8.-units.
1 to 4 show characteristics of a material with 45% nickel, 25% cobalt and 30% iron with 0.5% manganese, which was added to increase the machinability, the material being used to generate a maximum area with constant permeability first described process has been subjected to.
The curve in FIG. 1 already indicates the great constancy of permeability for small magnetization forces.
From Fig. 2 it can be seen that the initial permeability of this particular material is about 460, and that its permeability hardly changes noticeably with magnetizing forces of up to about 2 Gauss. FIG. 1 also shows that the material has the high flux density of 1500 C.G.S. units with a magnetizing force of 45 Gauss.
The curve in FIG. 3 shows the hysteresis loop for a maximum flux density of approximately 500 C.G.S. units. As can be seen, the hysteresis losses are so negligibly small that the loop appears as a straight line.
Di e Fig. 4 shows the hy steresis loop e (a) of the improved material at a maximum flux density of about 600 lines of force per cm \, as well as the hysteresis curves of silicon steel (b) and Armco iron (c).
This figure clearly shows that the material produced in accordance with the present invention, in contrast to the other materials mentioned, at least, in practical terms, has no hysteresis losses.
The curve in Fig. 5 relates to a composition of approximately 60% nickel, 15% cobalt and 25% iron.
In this case you are. Initial permeability 631 and changes up to a root density of 700 C. G.8.-units not. One of 70 nickel, 1.5% cobalt and 15! Existing iron composition has an initial permeability of 390 and changes up to inductions of 200 C. Cxr. S. units do not.
The curve in FIG. 6 relates to a composition which contains approximately 73.3 nickel, 6% cobalt and 20.5% iron, as well as 0.2% manganese and has an initial permeability of full 1430 and up to Inductions of 715 CGS units showed no significant change in permeability. The maximum: permeability is around 5600 with a magnetizing force of 1.1 Gauss.
A composition of approximately 20 nickel, 50% cobalt and 30% iron shows a negligible change in permeability at magnetizing forces of 4 Gauss, which in this case produce a flux density of 450 C.G. S. units.
The curve in FIG. 7 relates to a composition of approximately 50 nickel, 30% cobalt and 20% iron, which has an initial permeability of 231, which remains constant up to a value of B =: 716 or II = 3.1.
FIG. 8 relates to a composition of 10% nickel, 70% cobalt and 20% iron, which has a constant permeability 57 and negligible hysteresis losses in the flux density range up to 225.
The improvements achieved in terms of the permeability constancy with the various materials prepared according to the preceding process can be seen in FIG. 9, in which the maximum flux density as the abscissa and the percentage. Change in permeability is plotted as the ordinate.
In this figure, curve f shows for ordinary iron of good commercial quality, curve e for an iron-nickel alloy according to Patent No. 119563, curve d for the material of FIG. 5, curve c for the material of FIG. 6, curve b for the material of Fig. 2 and curve a for the material of Fig. B.
It can be seen that if a relatively small permeability, for example the permeability 57, is required, according to the present invention a material can be produced whose permeability remains constant over a very large range.
It emerges from the above that the iron content in all of the compositions discussed is 10 to 410%. Such compositions have small or completely negligible hysteresis losses for values from B up to 500 or 10 () 0.
Each of the compositions mentioned above can contain small quantities of manganese, be it as an impurity or that this has been added to the material to increase the workability. Chromium or other substances can be added to the material to increase the specific resistance and for other purposes.
A characteristic feature often shown in the material according to the invention is that the use of a strong direct current or a large magnetizing force acting in one direction, which is then reduced to a low value, increases the permeability for superimposed, weak alternating magnetizing force considerably.
In a particular case where a unidirectional magnetizing force of 25 Gauss is applied to a 45% nickel composition. 25% cobalt and 30% iron was applied and then removed, an increase in the initial permeability from 45 to 750 was found.
The magnetic properties of the materials produced according to the invention suffer changes when the latter are mechanically stressed, and measures are therefore regularly taken before these materials are used to avoid excessive mechanical stress.
The # Llateria.l according to the invention (or special types of the same) is particularly suitable for the production of coil cores, as well as for punctiform and distributed loading of telecommunication conductors for deep sea and overland telephony or. Telegraphy, be it for low-frequency or carrier-frequency currents, of loading coils for combined telephone and telegraph systems,
Transmitter coils or transformers, in particular feed coils, coils for wave filters, relays, dynamo machines, electromagnetic high-frequency devices, magnetic circuits of electrical measuring instruments, etc.
To prepare the material for uniform loading of conductors, it is usually first shaped into a thin baud and then rolled into a flat spiral. The thickness of this spiral, that is, the width of the band, can be 3.1.75 mm. The inside diameter may reach 7.62 cm and the outside diameter 8.89 cm.
The annealing is carried out in the manner described above, and if the initial permeability is to be increased at the expense of the range in which it is constant, a is after the annealing. Appropriate rewarming process is used in which the coil is heated to 725 C and then cooled in fresh air.
The desired properties can also be given to the magnetic material for uniformly loaded telecommunication conductors by first applying the loading material to the conductor, whereupon a coil formed from the conductor with a suitable diameter is placed in a sufficiently large furnace according to the one described above Process is treated with heat.