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MATIERES MAGNETIQUES ET PROCEDE DE FABRICATION.
L'invention concerne des matières magnétiques ainsi que les procédés utilisés pour les obtenir, Son application peut être très étendue, mais elle trouve particulièrement son emploi dans les cas où les forces magnétisantes sont faibles, comme par exemple dans les systèmes électriques de signalisation. La matière magnétique décrite ici présente comme caractéristiques importantes : une haute perméabilité, surtout pour de faibles forces magnétisantes ; unefai- ble perte par hystérésis; et une haute résistivité. Cette matière doit ces caractéristiques spéciales au fait qu'elle renferme une certaine quantité de molybdène et qu'elle comprend de préférence du fer et du nickel comme autres éléments constitutifs.
La proportion de ces éléments ..et le traitement subi par la matière, peuvent va- rier afin de renforcer une ou plusieurs des dites caractéristiques.
On connaît déjà certaines matières magnétiques consistant principalement de fer et de nickel, et qui ont été employées avec succès pour la construction des appareils magnétiques soumis à de faibles forces magnétisantes qui dépassent rarement 0. 2 gauss. Les matières magnétiques décrites ici conviennent surtout pour les con- ducteurs pupinisés des systèmes électriques de signalisation, les- quels conducteurs entrent.,dans la formation des câbles télégraphi- ques sous-marins.
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Certaines des étapes suivies pour la réalisation de la. ma tière décrite, sont semblables à celles suivies pour l'obtention des matières déjà connues, mais par les procédés envisagés ici, les oa- ractéristiques de la matière sont contrôlées ou accrues par l'addi- tion, en des proportions et sous des conditions convenables, d'une certaine quantité de molybdène. Les éléments constitutifs de l'al- liage sont répartis en des proportions voulues qui seront étudiées par la suite, et sont amenés sous une forme appropriée afin d'être soumis à un traitement à chaud pendant lequel les caractéristiques recherchées se développent. Ce traitement initial ne constitue pas une part de la présente invention, et il peut être remplacé par quel qu'autre traitement convenable, toutefois un traitement préliminai- re très satisfaisant consiste comme suit.
De bonnes qualités commerciales des matières devant être employées, sont fondues ensembles dans un fourneau, tandis qu'une fraction du pourcentage de manganèse est ajoutée afin d'accroître leur qualité au travail. Le composé en fusion est alors versé dans un moule qui lui donne la forme d'une tige épaisse.
Cette tige, a- . près avoir été retirée du moule, est soumise à des opérations rapi- des et répétées de laminage et de recuit par lesquelles son diamè- tre est réduit tandis que sa longueur s'accroit proportionnellement La longue tige ainsi obtenue est ensuite étirée *par des opérations répétées d'étirage et de recuit, jusqu'à ce qu'elle se présente sous la forme d'un fil de faible calibre dont on peut obtenir de minces rubans de 3 mms. de largeur et de 0.15 mm d'épaisseur, en la faisant passer entre des cylindres de laminoirs à fils. Un tel ruban d'une certaine longueur est enroulé sur un mandrin d'environ 64 mms de di- amètre, de manière qu'il constitue' un échantillon de la matière sous forme d'un anneau en spirale, plat et enroulé d'une manière lâche, comprenant environ 40 tours.
Cet anneau a donc un diamètre inté- rieur de 64 mms, tandis que son diamètre extérieur peut présenter environ 76 mms.
Après cette préparation préliminaire, la matière est sou- mise à un traitement à chaud spécial suivi d'un refroidissement lent ou rapide.
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Le traitement à chaud avec refroidissement lent s'effectue comme suit : L'échantillon est placé dans un pot à recuire et après que les précautions habituelles sont prises pour préserver la matière de l'oxydation pendant le recuit, le pot est chauffé dans un four é- lectrique à une température d'environ 1100 centigrades. Cette tem- pérature est maintenue pendant environ une heure. Le four contenant le pot à recuire est ensuite refroidi à la température d'environ 70 centigrades avant que l'anneau ne soit enlevé. Ce refroidissement environ exige/seize heures. Des mesures faites au moyen d'un couple thermo- électrique en contact avec le pot à recuire, ont démontré qu'une du- rée d'environ trois heures est nécessaire pour que ce pot passe des températures de 1100 à 350 centigrades.
Le traitement à chaud avec refroidissement rapide est le même que celui, bien connu, utilisé pour obtenir une haute perméabi- lité/Initiale avec des alliages contenant 78 1/2% de nickel et 21 1/2% de fer. Les échantillons sont chauffés à environ 1100 centigrades pendant environ une heure,puis peuvent se refroidir lentement, é- tant protégés de toute oxydation pendant ce procédé. Ils sont ensui' te rechauffés à environ 600 centigrades, enlevés rapidement du four et placés sur une plaque de cuivre qui est à la température du milieu ambiant.
Les propriétés magnétiques des matières obtenues par ce pro cédé, même celles formées de quelqu'alliages renferment seulement du fer et du nickel, sont sujettes à se modifier sous l'influence des efforts mécaniques. Il s'ensuit que des précautions doivent être prises dans l'emploi de ces matières afin d'éviter des efforts exces- sifs de traction et de compression. De même, quand un refroidisse- ment rapide est utilisé, des efforts internes, assez importants pour faire varier les propriétés magnétiques, peuvent se créer. Pour cet. te raison, des résultats uniformes peuvent être plus facilement ob- tenus avec des traitements à chaud suivis d'un refroidissement lent.
Quand un certain pourcentage de molybdène est introduit dans ces al- liages, ce pourcentage allant d'environ zéro jusqu'à 3 1/2 %, le taux de refroidissement nécessaire pour développer les propriétés magnétiques ordinairement recherchées, décroît ainsi qu'il est indi-
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que par les courbes des différente diagrammes montrés aux dessins.
L'addition de molybdène au fer et au nickel, comme cela a été utili- sé jusqu'à présent pour les alliages à grande perméabilité, ne per- met donc pas seulement d'améliorer les propriétés magnétiques de la matière, mais permet de réaliser un produit plus uniforme sans intro duire des complications coûteuses dans le procédé de fabrication.
Sur la figure 1 des dessins, les courbes indiquent l'effet exercé sur la perméabilité initiale d'un alliage magnétique renfer- mant 78 1/2 % de nickel pour 21 1/2 % de fer, quand du molybdène est ajoutent que son pourcentage s'accroît à partir d'une très petite va- leur initiale, le pourcentage du fer diminuant proportionnellement.
Sur ce diagramme, les pourcentages de molybdène sont portés en abs- cisses tandis que les perméabilités initiales sont portées en ordon- nées. Le traitement à chaud auquel chaque alliage est soumis, con- trôle les caractéristiques du produit résultant dans une large mesu- re. La courbe A représente le changement apporté dans la perméabili- té initiale quand le pourcentage en molybdène varie pour cette série d'alliages, après que ceux-ci ont été chauffés à 1100 centigrades puis refroidis lentement. La courbe B concerne les mêmes alliages, mais quand ceux-ci sont soumis à un traitement à chaud qui consiste en un circuit à la température de 1100 centigrades, suivi d'un nou- veau traitement à chaud à une température d'environ 6000 centigrades se terminant par un refroidissement rapide.
Si on le désire l'équi- valait de ce traitement à chaud peut être obtenu en chauffant à 110CP centigrades, en refroidissant lentement à 6000 centigrades, puis en refroidissant rapidement en dessous de cette température.
Avec le traitement à chaud pour lequel la courbe A a été obtenue, la plus haute perméabilité initiale était d'environ 20.000.
Cette valeur correspondait à un alliage contenant environ 3.7 % de molybdène, 78.5 %de nickel, et 17.8 % de fer. La courbe B, repré- sentant les alliages réalisés par un traitement à chaud aveo refroi- dissement rapide, montre que la plus haute perméabilité initiale, ob- tenue par ce traitement particulier, a lieu avec un alliage contenait environ 1.5 % de molybdène, 78.5 % de nickel, et 20 % de fer.
On voit par ces courbes que les alliages de cette série, renfermant environ
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1% à 5 % de molybdène pour 78 1/2 % de nickel, offrent une perméabi.- lité initiale de plus que 10.000. De plus, une perméabilité initiale plus haute était obtenue avec des alliages renfermant environ de 1% à 3% de molybdène quand un traitement à chaud avec refroidissement rapide a lieu, tandis qu'un refroidissement lent produit une perméa- bilité initiale plus haute dans les alliages renfermant environ 3% cu plus de molybdène.
La perméabilité initiale d'environ 20. 000 obtenue avec l'alliage renfermant 3.7% de molybdène, est supérieure à celle jusqu'ici obtenue avec n'importe quelle matière magnétique connue,et est d'environ quarante fois celle d'une bonne qualité d'acier au si- licium ou soixante fois celle du fer doux tel qu'il est communément fait usage dans les appareils électromagnétiques.
Une recherche préliminaire indique que la plus haute permé abilité initiale pouvant être obtenue dans cette série d'alliages, doit l'être avec environ 3.5 % de molybdène quand on utilise le trai- tement à chaud avec refroidissement lent : trouve aussi que la vi- tesse du refroidissement lent peut être variée en de très larges limi tes sans affecter lentement les caractéristiques, et que si le pour- centage en molybdène est réduit en-dessous de 3.5 %, la vitesse ma- ximum de refroidissement s'accroît. Une recherche plus complète de la vitesse maximum de refroidissement avec environ 3.5 % de molybdène était faite et confirmait les résultats primitivement obtenus.
On a trouvé, qu'excepté quand la vitesse de refroidissement est très len- te, telle que celle utilisée pour obtenir la courbe A de la fig.1, la meilleure vitesse doit être déterminée dans chaque cas, la courbe B représentant seulement une vitesse très grande qui peut être utili- sée (la vitesse qui donne la plus grande perméabilité initiale pour un alliage comprenant seulement du nickel et du fer dans le rapport de 78 1/2 % de nickel pour 21 1/2 de fer). En général la meilleure vitesse est une vitesse plus faible que celle utilisée pour obtenir la courbe B. Elle varie non seulement avec la composition de la ma- tière, mais aussi avec les dimensions et la forme de l'échantillon.
Bien qu'une variation moindre a lieu avec des vitesses de refroidis- sement faibles, les très bons résultats ne peuvent être obtenus qu'en
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déterminant la vitesse la meilleure dans chaque cas.' La. figure 2 montre, au moyen de courbes, le changement dans la perméabilité maximum d'un alliage contenant 78 3/2 % de nio- kel et 21 1/2 % de fer quand du molybdène est introduit, le pourcen- tage du fer diminuant proportionnellement. Les courbes A et B se rapportent, comme dans la fig.l, à des traitements à chaud aveo res- pectivement un refroidissement lent et un refroidissement rapide.
Les pourcentages en molybdène sont portés en abscisses et les permé- abilités maximum en ordonnées. On doit noter que la perméabilité la plus haute des perméabilités maxima est obtenue avec le traitement à chaud suivi d'un refroidissement rapide pour alliages ayant envi- ron 3 % ou moins de molybdène, tandis qu'un traitement à chaud sui- vi d'un refroidissement lent offre la plus haute des perméabilités maxima pour des alliages ayant des pourcentages plus élevés en molyb dène. Dans l'alliage contenant environ 3% de molybdène, une permé- abilité maximum de plus de 71.000 était obtenue pour un champ magné tique d'environ 0.06 gauss.
Comme pour le cas représenté fig.l, la grande vitesse de refroidissement utilisée pour obtenir le tracé de la courbe B est celle qui donne la plus haute perméabilité initiale pour un alliage contenant seulement du nickel et du fer dans le rapport de 78 1/2 % de nickel pour 21 1/2 % de fer. Elle représente, d'une manière ap- proximative, une limite supérieure pour la vitesse de refroidisse- ment désirable avec les alliages considérés. Comme cela a été éta- bli précédemment, la vitesse la meilleure de refroidissement doit être déterminée dans chaque cas.
Le diagramme de la fig.3 montre les perméabilités initiales d'une série d'alliages contenant environ 3.7 % de molybdène et le ree tant de nickel et de fer, la quantité de nickel variant tandis que le pourcentage de molybdène est maintenu constant. Le traitement à chaud est suivi d'un refroidissement lent comme pour le cas de la courbe A de la fig.l. Les pourcentages de nickel sont portés en abs- cisses, tandis que les perméabilités initiales sont portées en ordo nées. On a trouvé que l'alliage contenant 78.2% de nickel présente
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la plus haute perméabilité initiale, et que pour une faible diminu- tion ou un faible accroissement du pourcentage de nickel, la permé- abilité décroît rapid ement.
La fig.4 montre les courbes de magnétisation, ou courbes B-H, obtenues avec des échantillons de ces divers alliages, ainsi que la courbe correspondante pour un échantillon caractéristique d' une bonne qualité de fer. Les forces magnétisantes sont portées en abscisses et les flux magnétiques en ordonnées. On voit que la per- méabilité des alliages pour de faibles forces magnétisantes est très grande comparée à celle du fer ; se rapproche de la saturation pour des champs de faibles intensités; et que les coudes des courbes sont aigus.
La courbe A se rapporte à un alliage contenant le même pourcentage de nickel, 0.74 % de molybdène et du fer ; courbe D concerne un alliage de 3.7 %.de molybdène, du fer et le même pourcen- tage de nickel ; courbe E se rapporte à une bonne qualité de fer.
'Il résulte que la courbe pour l'alliage renfermant 3.7 % de molybdère s'élève plus rapidement à partir de l'origine que celle concernant les alliages renfermant une plus petite quantité de molybdène. Le traitement à chaud auquel l'échantillon renfermant 3.7 % de molybdène était soumis, comprenait un refroidissement lent, comme pour la cour- be A de la fig.l, tandis que le traitement à chaud utilisé pour les autres échantillons comprenait un refroidissement rapide comme pour la courbe B de la figure 1.
Les courbes de la fig.5 sont des courbes de perméabilité pour une force magnétisante alternative de 200 cycles et de 0.004 gauss, quand elle est superposée à une force constante, changée par étapes de 0 à 2 gauss. Des forces magnétisantes constantes sont por- tées en abscisses tandis que la perméabilité à 200 cycles par seconde et les unités H = 0.004 c.g.s. sont portées en ordonnées. La courbe A est pour un échantillon d'un alliage contenant environ 4 % de molyb dène, 79 % de nickel, et le restant de fer, le traitement à chaud é- tant suivi d'un refroidissement lent comme pour la courbe A de la fi- gure 1.
La courbe B se rapporte à un alliage fer-nickel renfermant 78 1/2% de nickel et 21 1/2 % de fer, cet alliage étant soumis à un traitement à chaud suivi d'un refroidissement rapide comme pour la
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courbe B de la fig.l. La. courbe C concerne du fer. De ces courbes l'on voit que l'échantillon contenant du nickel, du fer et du molyb dène présente, quand il est soumis à des forces magnétisantes alter natives, une perméabilité plus haute pour de faibles forces magné- tisantes que l'alliage fer-nickel, et une perméabilité beaucoup plue haute que le fer.
Sur la fig.6, les pertes par hystérésis sont montrées par les courbes A et B pour ces alliages, et cela pour une- induction de
5000. La courbe A représente des alliages subissant un traitement à chaud avec refroidissement lent, tandis que la courbe B représen- te des alliages subissant un traitement à chaud avec refroidissement rapide. Les vitesses respectives de ces refroidissements étant cel- les utilisées pour obtenir les courbes A et B de la fig.l. Les pour centages en molybdène sont portés en abscisses, tandis que les ergs par cm3 et par cycle, quand B = 5000 unités, sont portés en ordon- nées.
Bien que les pertes par hystérésis ne dépassent en aucun cas
180 ergs par cycle et par cm3, elles peuvent être maintenues forte- ment en-dessous de 100 ergs pour des alliages contenant approxima- tivement 4 % ou moins de molybdène, en choississant convenablement le traitement à chaud. Dans le cas d'un alliage contenant environ
3.7 % de molybdène et refroidi lentement, la perte par hystérésis pour B = 5000 est d'environ 40 ergs par cycle et par cm3. La courbe pour un échantillon à refroidissement rapide a aussi un point mini- mum qui correspond à un pourcentage de 1.5 % de molybdène.
Les courbes de la fig.7 sont obtenues en portant en ordon- nées les résistivités, et en abscisses les pourcentages de molybdène La résistivité des alliages de nickel, de fer et de molybdène, est plus grande que celle du fer. La résistance spécifique se place de 28 à 86 microhm-cms pour les alliages contenant de 0.75 % à 10 % de molybdène, 78 1/2 % de nickel, et des pourcentages variant en concor dance pour le fer. La résistivité pour un alliage de 3.7 % de molyb dène est de 56 microhm-cms. Cette résistivité, comparativement gran de, est caractéristique de tous les alliages de nickel-fer-molybdène qui ont été soumis à l'essai.
Les courbes de la fig.8 indiquent l'effet des forces coer-
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citives d'un alliage magnétique comprenant 78 1/2 % de nickel;21 1/2 % de fer quand du molybdène est introduit de manière variable et ac- croissante à partir d'une petite valeur initiale, et que le pourcen- otage en fer décroît progressivement. Les forces coercitives sont observées après qu'une force magnétisante de 100 gauss a été appli- quée, laquelle sature presque ou entièrement la matière. Les pour- centages en molybdène sont portés en abscisses tandis que les forces coercitives sont portées en ordonnées. La courbe A se rapporte à des alliages subissant un traitement à chaud avec refroidissement lent et la courbe B se rapporte à des alliages subissant un traitement à chaud avec refroidissement rapide.
Les vitesses respectives de re- froidissement sont celles utilisées pour obtenir les courbes A et B de la fig. l. On voit que ces courbes montrent une force coercitive minimum, environ aux points de perméabilité maximum indiqués fig.l, et aux points d'hystérésis minimum indiqués fig. 6. la valeur mini- mum de la 'force coercitive obtenue avec un refroidissement lent, est moindre que 0.04 gauss et étant obtenue avec l'échantillon contenant
3. 7 % de molybdène.
Les alliages qu'il est préférable d'utiliser sont ceux in- diqués en détail ci-dessus. Un exemple d'alliage dans lequel le mo- lybdène est ajouté à une matière magnétique autre qu'un composé de molybdè ne fer-nickel comprend : nickel 93.5 %,/5.27 %, impuretés sous forme de fer 0.49 %, de cobalt 0.64 %, et de très petites valeurs d'autres é- léments.
Quand cet alliage étant formé sous la forme d'un anneau é- chantillon du genre déjà décrit, et qu'un traitement à chaud avec re froidissement lent comme expliqué pour la courbe A de la fig.l est appliqué, la perméabilité initiale était trouvée égale à environ 500, la perméabilité maximum était d'environ 1800, la perte par hystéré- sis pour une induction de 2850 était d'environ 290 ergs par cm3 et par cycle, la résistance spécifique était d'environ 33 microhm-cms, et la force coercitive après l'application d'une force magnétisante de 26 gauss était de 0. 36 gauss. L'addition de molybdène au nickel produisant une perméabilité initiale d'environ 2 1/2 fois celle de -!' alliage au nickel seul, et une résistivité d'environ trois fois cel-
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le de ce dernier alliage.
Une amélioration considérable par rapport- aux autres propriétés était aussi obtenue.
La fig. 9 montre une section d'un conducteur pour câble sous-marin pupinisé, consistant en un conducteur toronné, N 5 jauge américaine (Brown et Sharpe), celui-ci comprenant un noyau central en cuivre 11 entouré de torons 12 en cuivre et enroulés en spirales.
Une couche pupinisatrice inductive 13 est formée par un ruban enrou-; lé hélicoïdalement d'une matière conforme à l'invention. Ce ruban est formé de la même manière que celui utilisé dans l'échantillon d' essai sous forme d'anneau décrit ci-dessus, et il a les mêmes dimen- sions. Au sujet de la facilité avec laquelle cette matière est in- fluencée par le champ magnétique terrestre, il est désirable de pu- piniser d'une manière continue pour l'appliquer sous la forme d'un fil plutôt que d'un ruban. Dans ce dernier cas, le procédé d'étira- ge du fil est prolongé jusqu'à ce que ce fil ait atteint le diamètre voulu. Les torons 12 sont au nombre de six et ont un profil tel qu' ils s'appliquent fermement l'un près de l'autre de manière à consti- tuer un anneau cylindrique autour du noyau central..
Un conducteur pupinisé de la forme montré fig. 9 a été trai: té à chaud de la manière suivante: Le conducteur pupinisé était éti- ré en long à travers un fourneau d'un genre bien connu. Celui-ci peut être un four électrique du genre dit moufle, présentant un tube en fer horizontal s'étendant à travers lui et se prolongeant à une distance considérable au delà. Ce tube a un revêtement en cuivre dont le diamètre intérieur est un peu plus grand que le diamètre ex-. térieur du conducteur pupinisé. Ce conducteur passe à travers le tu be à la vitesse d'environ 8 cms par minute, la température dU four étant maintenue à 1000 centigrades.
Le refroidissement du oonduo. teur a lieu en partie dans le prolongement du tube en fer et en par- tie dans le milieu extérieur du tube, lequel présente à peu près la température normale de la chambre où se fait l'expérience, c'est-à- dire environ 20 centigrades. Cela donne une vitesse lente de refroi dissement de l'ordre de celle envisagée ci-dessus en conférant la fig.l. Une perméabilité effective de la matière pupinisante sur le conducteur, d'environ 10. 000 est obtenue.
La meilleure vitesse de
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. refroidissement varie quelque peu avec les dimensions et la forme du conducteur, ainsi que la matière pupinisante, et les .conditions pour obtenir les meilleurs résultats doivent être déterminés dans chaque cas?
La matière magnétique perfectionnée décrite ici s'applique aux conducteurs pupinisés pour systèmes électriques de signalisation utilisant des lignes terrestres, ainsi que pour les appareils élec- triques subissant ordinairement des forces magnétisantes faibles. Cet te matière peut aussi être employée avec de grandes forces magnéti- santes, bien que ses avantages soient alors généralement moins pro- noncés,
REVENDICATIONS.
1- Matière magnétique comprenant un élément magnétique et du molybdène comme éléments principaux, cette matière présentant une perméabilité initiale plus grande que le fer.