Procédé pour fabriquer une matière magnétique. La présente invention se rapporte à un procédé pour fabriquer une matière magné- tique servant, par exemple à la. construction de dispositifs électromagnétiques, et consis tant en au moins deux éléments du groupe magnétique.
Suivant le procédé, on chauffe cette matière approximativement à la tem pérature où 1a. perméabilité magnétique de la matière disparaît, après quoi on la refroidi rapidement, dans le but d'obtenir une ma tière magnétique présentant une haute per méabilité pour -de faibles forces magnéti- santes.
Dans la description suivante, on a exposé, à titre d'exemple, le procédé de fabrication appliqué à une matière composée de certains éléments, et cela. .dans le but de mieux faire comprendre l'utilité et les avantages que ce nouveau mode de fabrication peut offrir. Le dessin ci-joint donne un ensemble de dia grammes représentant: Fig. 1, une courbe indiquant la variation de la perméabilité par rapport à la température, pour une certaine matière magnétique, Fig. 2, une courbe indi quant la relation qui existe entre la résisti vité et le pourcentage d'un certain métal.
entrant dans lia composition de la matière, Fig. â, une courbe montrant la. relation qui existe entre les pertes par hystérésis et ce même pourcentage dii métal envisagé.
L'importance du rôle que joue le fer clans les applications électriques est bien connue, et la qualité qu'il offre d'une perméabilité très élevée le rend indispensable dans la cons truction .des noyaux des électro-aimants en trant dans la construction des dynamos, mo teurs, récepteurs téléphoniques, relais. télé graphiques etc.
Dans certains cas, on peut avantageusement lui adjoindre une très petite proportion d'un autre élément, tel que, par exemple, le silicium. On peut donc dire que la haute perméabilité qu'offre le fer rend ce métal particulièrement apte à la transforma tion de l'énergie du courant électrique en un effet mécanique utile, et réciproquement à la transformation de l'énergie mécanique en un courant électrique.
Dans les .machines d;Sr- namo-é.le:ctri.ques, on emploie ordinairement des noyaux en fer laminé soumis à des forces magnétisantes résultante , de l'ordre .de 2 à r. ou même plus, unités C. G. S., et cela afin d'obtenir à travers ces noyaux des flux ma gnétiques présentant 10.000 à 20.000 lignes de force par centimètre carré dé section.
Il serait donc désiraule d'obtenir un fer clé qua lité telle qu'il offre une perméabilité très grau de aux forces magnétisantes, et une den sité .du flux .magnétique de l'ordre -ci-dessus mentionné. De cette qualité du fer dépend la meilleure efficacité des électro-aimants.
L'acier au silicium, comparativement au fer ordinaire, possède des qualités magnéti- ques supérieures sous différents rapports, mais son emploi est limité par suite de sa fragilité et de la. -difficulté que l'on rencon- ire à le travailler, aussi le fer doux .de bonne qualité a été ,communément employé comme étant la matière magnétique, la meilleure pour la, construction des électro-aimants.
Les métaux qui pourraient remplacer le fer .dans nette construction, et qui sont le nickel et le cobalt, n'offrent qu'un coefficient clé perméa bilité très éloigné de celui du fer pour les forces magnétisantes de l'ordre envisagé, mais clés alliages de ces cieux métaux avec l'aluminium, le manganèse, et le cuivre ont été réalisés avec succès.
On sait qu'à l'ex ception de l'aluminium, tous ces :métaux ont des poids :atomiques et -des notations atomi ques très rapprochées l'une de l'autre, et les cinq éléments considérés, à savoir: le man- ganése, le fer, le nickel, le cobalt et le cui vre, ayant respectivement les notations ai:o.. iniques consécutives suivantes, 25, 26, 27, ?8 et 29, sont considérés comme appartenant ali groupe magnétique.
La qualité de grande perméabilité n'est. pas la: seule qualité qui doit être considérée dans la, recherche d'une bonne matière ma- @01ilétique. Si les forces magnétisantes et le flux qui en résulte doivent varier rapide nient, la. matière employée doit alors présen ter, dans la. généralité des cas, une perte par hystérésis très basse.
La création de cou rants clé Fouéault dans de semblables con ditions. peut :être évitée en grande partis par le feuilletage, mais le coefficient clé résisti vité de la matière est un facteur qui peut être très important dans ce cas, et l'on sait que plus grand est le coefficient de résisti vité, plus les pertes par courants de Fou cault sont fortes. Il est donc avantageux d'obtenir une nou velle matière magnétique comprenant des éléments du groupe magnétique combinés entre eux @suivant des proportions convena bles.
Quand cette nouvelle matière -magné tique est soumise à un traitement à chaud bien déterminé, et quand elle est préservée de tout effort étranger ou de toutes causes de dérangement, elle offre et maintient une per- méabilité extrêmement grande pour les fai bles forces magnétisantes :ainsi qu'une perte par hystérésis très basse.
La mise en pratique de ,cette invention peut varier beaucoup, aussi bien au point dc vue de la. composition et de la préparation de la matière ma.gaié tique, qu'au point de vue de soli application el: des protections prises contre toutes altérations de ses propriété: magnétiques.
Suivant l'exemple envisagé, du fer et du nickel. sont.- fondus ensemble dans un four électrique dans les proportions sui vantes: 21 1e la de fer pour 781!. % de niclrel. De bonnes qualités de ces deux métaux, tels qu'on les trouvent dans le commerce, peuvent servir .dans le but poursuivi ici.
Le composé obtenu en fusion est versé dans un moule el- refroidi sous forme cl.e lingots, desquels on peut obtenir la. matière magnétique sous la forme voulue.
Afin due la, matière ainsi produite pré sente une perméabilité bien définie, on a recours au traitement à chaud décrit ei-aprè5. Cette perméabilité particulière due doit pi,-",- senter la matière peut, par exemple être la.
perméabilité maximum que l'on peut obtenir pour une cemposition donnc,e, ou bien encore une perméabilité moindre que la. perméabilitA maximum, cette perméabilité moindre étant; nécessitée par suite de certaines conditions spéciales auxquelles la. matière doit être sou mise dans la. suite. Afin de déterminer le traitement convenant clans un certain cas particulier, il est recommandable, afin de faciliter l'essai, que la matière .se présente sous la. forme d'anneaux de dimensions con venables.
Cela peut être facilement obtenu en réduisant une partie de la matière sous la forme d'un ruban et en formant ensuite de ce ruban des échantillons d'essai.
Un des lingots obtenus en coulant le composé métallique en fusion, est * soumis à une opération répétée de laminage, par la quelle ce lingot est réduit en diamètre tout c n augmentant en longueur d'une valeur ecrrespondante. La tige ainsi formée est alors étirée au moyen d'opérations successives de tréfilage, de manière à l'amener à un dia mètre d'environ 0,8 mm.
Ce fil est en- suite passé entre des cylindres de laminoir < @ fils, et à la suite<B>(le</B> différentes opérations .cmblables il prend la forme d'un ruban d'en viron 0,15 mm d'épaisseur et 3,17 mm de longueur. Ce rubân est ensuite soumis à,l'ac- tion de cisailles ou disques tranchants qui ajustent les côtés clé manière que les angles soient d'équerre et que le ruban résultant de cette opération présente partout une largeur exacte et uniforme.
Ce ruban est maintenant prêt à être enroulé sous une forme cylindri que de manière à constituer un anneau, et en viron 12 mm de ruban constituent un cylin dre ou anneau de 76 mm clé diamètre, quand des feuilles de papier sont intercalées entre les couches successives. Ce papier peut être expulsé dans la suite au moyen d'un courant d'air, et la raison pour laquelle il est placé entre les diverses couches de ruban puis ex pulsé, réside dans le fait qu'il est nécessaire que les diverses couches du ruban métallique soient suffisamment lâches, afin que les ef forts ou tensions accidentelles qui peuvent se produire n'aient aucune action fâcheuse sur elles.
Les échantillons formés clé la ma nière qui vient d'être décrite, conviennent très bien pour servir d'essai au point de vue clé la. perméabilité, par l'une des méthodes bien connues. La matière obtenue suivant cette inven tion, présente pour des forces peu magnéti- santes une température critique ou tempéra ture de transition magnétique. Cela veuf, dire que si l'on chauffe la matière envisagée de la température normale à une température de plus en plus haute, la perméabilité qt'o-ffre cette matière croît jusqu'à une valeur limite à partir de laquelle la perméabilité décroît et disparaît très rapidement.
C'est cette tem pérature correspondant à la valeur limite de perméabilité qui est désignée sous le nom de température critique, et l'on a trouvé que pour la matière composée comme il est dit ci-dessus elle est notablement inférieure à 900 " centigrades. Toutefois cette tempéra ture varie avec la composition de la matière, et en général elle- est comprise entre 500 et 600 centigrades, bien qu'elle puiçse parfois dépasser ces limites.
Les échantillons sous forme d'anneaux servant aux essais, sont chauffés à enviro@l 900 " centrigrades et sont maintenus à * cette température pendant un temps assez long pour que toutes leurs parties soient bien ame nées à, la même température uniforme. Les échantillons sont ensuite ramenés lentement à la température critique, laquelle est com prise entre 550 et 625 centigrades pour un alliage de fer et de nickel dans lequel il entre de 55 à 80 % de nickel.
Il n'y a au cune objection à ce que les échantillons soient chauffés à une température légèrement supérieure à 900 , pourvu qu'une tempéra ture. suffisamment haute soit atteinte par toutes les parties de l'échantillon. La -vi tesse clé refroidissement de la température<B>(le</B> 900 à la. température critique doit être gra duée, et une durée clé trente minutes doit être observée s'il s'agit d'anneaux ayant les dimensions mentionnées précédemment. Les échantillons sont ensuite ramenés de la tem pérature critique à une température notable ment inférieure, par exemple vers 300 cen tigrades, et cela en un temps relativement court, sans cependant dépasser certaines li mites.
En d'autres termes, le refroidissement ne doit pas être trop rapide afin que des réactions internes ne puissent se produire, les quelles amèneraient une perméabilité infé rieure à la, perméabilité maximum que l'on peut obtenir, et, d'autre part, le refroidisse ment doit avoir lieu en un temps suffisam ment court pour qu'à la température normale la perméabilité obtenue soit maximum. On suppose que l'essai est fait avec une série d'échantillons semblables entre eux, ayant tous subis le même traitement en ce qui concerne la. température critique, mais ayant été refroidis de cette température cri tique à la température de 300 centigrades en des temps différents.
Ensuite ils peuvent être ramenés de cette dernière température à la température normale en un temps quelcon que convenable, après quoi ils sont soumis à l'essai pour déterminer la plus haute per méabilité qu'ils peuvent présenter. Si pour une raison quelconque, on ne peut utiliser plusieurs échantillons pour faire l'essai envi sagé, celui-ci peut s'effectuer au moyen d'un échantillon -unique, lequel est alors soumis au traitement à.
chaud exposé ci-dessus un cer tain nombre de fois, en ayant soin à chaque essai successif de faire varier la vitesse de refroidissement de la température critique à la température de 300 centrigrades. Les ré sultats ainsi obtenus permettent alors de dé terminer qu'elle est la vitesse de refroidisse ment de la température critique à la tempéra- turc de 300 centrigrades il faut choisir pour obtenir la perméabilité désirée.
A ce sujet, on doit remarquer que la perméabilité ex trême n'est pas nécessairement la meilleure, et l'on voit donc qu'au moyen des essais men tionnés, une certaine vitesse de refrodisse- ment peut être déterminée pour laquelle la perméabilité obtenue correspond exactement aux conditions existantes.
Les diagrammes montrés sur la. fig. 1. peuvent être consultés utilement dans la réali sation de ces essais. Les courbes indiquées sur cette figure se rapportent à un composé de nickel et de fer dans lequel il entre pour 'i0 <I>%</I> de nickel, et qui est soumis à une force magnétisante constante de<I>II</I> = 0,03. Sur ce diagramme les températures auxquelles ce composé est porté, sont mentionnées en abscisses, tandis que les ordonnées indiquinit les valeurs correspondantes de la perméabilité.
La courbe B est obtenue quand le refroidis sement de la température critique à la tem pérature de 300 s'effectue dans le meilleur temps, tandis que si ce refroidissement est trop rapide ou trop lent, la courbe peut pren dre l'allure indiquée en S. D'après ces dia grammes, on voit que pour un composé dans lequel une brande perméabilité a été déve loppée, la courbe R indique une brande va leur d'induction pour des températures rela tivement réduites, puis tombe à un minimum indiqué en P avant d'atteindre le maximum bien connu Q qui précède la, température cri tique, laquelle est dans ce cas d'environ 600 centigrades.
Si la perméabilité désirée n'a pas été réalisée, la courbe présente une allure semblable à celle indiquée par la courbe S qui ne contient pas de minimum intermé- diaire tel due P. En essayant la, série clés échantillons pour différentes vitesses de re froidissement, la vitesse voulue peut être fa cilement déterminée si l'essai donne une courbe semblable à R, renfermant un mini mum intermédiaire P, au lieu d'une courbe semblable à S sans minimum intermédiaire. Une légère pratique permet de déterminer très rapidement le meilleur procédé à suivre.
Bien que les proportions de 78'/2 <B>%</B> et<I>(lu,</I> ?1 1(@ % ont été données précédemment comme étant la proportionnalité suivant laquelle le nickel et le fer doivent entrer dans la com position de la matière magnétique perfection- liée, il est évident que ces proportions peuvent varier considérablement si l'on n'emploie que du nickel et du fer pour former le composé, e1; que cette proportionnalité ne peut plus avoir lieu si d'autres éléments que le nickel et le fer interviennent dans le composé.
Jus qu'il présent, on a trouvé que dans le cas où seuls le nickel et le fer étaient employés, la proportion mentionnée précédemment fournit la plus grande perméabilité pour des petites forces magnétisantes.
Si l'on meure les perméabilités offertes par des composés renfermant du nickel et du fer en d'autres proportions que celles indi quées, on trouve que la variation dans la pro portionnalité peut être considérable sans due des modifications sérieuses soient apportées à. la perméablitié. Par exemple.
quand on utilise pour l'essai des anneaux enroulés sui vant 19 procédé exposé ci-dessus, et dans les- quelles ï U o de nickel ont été utilisés au lieu de<B>78</B> 112 %, on trouve qu'après un recuit et un rëfroidissement convenable, la perméa bilité pour des forces magnétisantes voisines de zéro est d'environ 4100 et pour des forces de 0,2 unité C. G. S. elle est ,d'environ 15.000, tandis que pour un pourcentage de 78 1/2 les valeurs respectives de perméabilité sont <B>7000</B> et 88.500.
Ces valeurs sont plus gran des que celles obtenues avec de l'acier au si licium pour les mêmes forces magnétisantes, et dont les perméabilités respectives ont seule ment pour valeurs 400 et 1500. Il s'ensuit dont qu'une grande variation peut être ap portée aux proportions mentionnées, mais toutefois la perméabilité pour des petites forces magnétisantes sera beaucoup plus grande que pour les meilleures matières ma gnétiques connues jusqu'à ce jour.
La perméabilité maximum que l'on peut atteindre pour un composé comprenant 78 1J2 % de nickel et 21 'l, % de fer varie en tre 6000 et 9000 pour des forces magnéti santes voisines de zéro. Cette valeur est trouvée en déterminant une série de valeurs pour des forces excessivement basses, par exemple de l'ordre de 0,01 à 0,05 unités C. G. S. Les résultats obtenus et représentés au moyen de courbes peuvent s'exprimer par interpolation pour H = 0, donnant ainsi la valeur de la perméabilité pour une force ma gnétisante voisine de zéro.
La perméabilité maximum ainsi trouvée varie entre 45.000 et 60.000, et cette perméabilité se produit pour un pourcentage de nickel de 781/z % avec une force magnétisante d'environ 0,1 unité C. G. S., la valeur correspondante de l'induc tion B étant de 4500 à 5000 unités C. G. S.
Les qualités de la nouvelle matière ma gnétique ne peuvent évidemment être ob tenues en prenant l'ensemble ou la moyenne des qualités individuelles des éléments com posants. Non seulement sa perméabilité pour de faibles forces magnétisantes est plus grande que celle de chacun des éléments cons titutifs, nickel et fer, pris isolément, mais le nickel, dont la perméabilité est la plus basse, entre pour la majeure partie dans la forma- Lion du composé, tandis que le fer, qui cons titue le meilleur matériel magnétique connu jusqu'à ce jour, entre seulement dans la com position décrite pour une valeur inférieure au quart de l'ensemble.
On doit noter que la proportionnalité des éléments, nickel et fer, due donne le composé offrant le maximum de perméabilité pour les petites forces magnéti- santes et le minimum de piste par hystérésis, est aussi la proportionnalité donnant le com posé .qui placé dans un champ magnétique intense (H = 50à H = 500) ne produit pas de phénomène de Page.
Bien que le traite ment à chaud peut ne pas être nécessairement le même pour l'obtention de ces -divers ph6no- mènes, la coïncidence qui existe .dans les pro portionnalités voulues prouve l'existence d'un caractère unique fondamental dans la compo sition, et ce caractère atteint son maximum pour la proportionnalité mentionnée.
La résistivité du composé nickel-fer est considérablement plus grande que celle de cha cun des éléments composants, et elle corres pond approximativement aux valeurs indi quées par la courbe de la fig. 2. Ainsi pour un pourcentage de nickel. .do 78 ']2, on voit que la résistivité du composé est de 50 % su périeure à celle du nickel ou du fer pris isolé ment. Evidemment une proportion plus pe tite de nickel donne lieu à un composé dont la résistivité est assurément plus grande.
Dans certains cas il peut être désirable de sacrifier la perméabilité en égard à la résis tivité, car il peut se faire qu'il soit inutile d'obtenir la plus grande valeur possible au point de vue de la perméabilité, et alors il est préférable de diminuer la proportion de nickel entrant dans le composé afin-d'obtenir un point plus élevé sur la courbe de résisti vité de la fig. 2.
La fig. â montre les pertes par hystérésis obtenues avec des échantillons formés sui vant le procédé décrit, et pour lesquels la proportion de nickel varie sur une grande échelle. Les ordonnées de la courbe donnent le travail en ergs par centimètre cube repré senté par la boucle d'hystérésis ordinaire pour une induction maximum de 5000 unités C. G. S. par centimètre carré de section.
On voit d'après cette courbe que pour un pour centage de nickel de 781J2 % la valeur donnée descend à<B>100</B> ergs, et on doit noter que pour ce pourcentage non seulement, on a une perte par hy stérésis minimum, mais aussi une pe2- méabilité maximum. La va-leur obtenue pour ce composé de nickel et de fer est beaucoup plus basse que la valeur correspondante pour d'autres matières magnétiques. Ainsi pour une qualité supérieure de fer, la valeur don née est de 925, et pour le nickel la valeur correspondante est de 2200.
Les matières magnétiques obtenues sui vant cette invention trouvent un emploi très important en dehors de leur utilisation dans la construction des électro-aimants, et l'on peut citer comme exemple la construction des noyaux de transformateurs de fréquences, et des modulateurs. Dans d'autres cas, il est désirable d'accroître la réactance inductive d'un conducteur électrique, et dans ce but on place une matière magnétique dans le ehamlr des forces magnétiques associé au conducteur. Ce fait constitue le principe des bobines de réactance et des bobines de charge utilisées sur les lignes téléphoniques de transmission.
On doit tenir compte dans ces derniers cas qu'en téléphonie et en télégraphie les cou rants électriques utilisés sont excessivement faibles comparativement à ceux rencontrés clans la transmission ou dans la transforma tion de l'énergie électrique. Les bobines de réactance ainsi obtenues présentent une in ductance très grande et une basse résistance, et cela sous un très petit volume, ce qui a pour résultat d'économiser la matière et de diminuer le prix de revient. Les bobines dont les noyaux sont formés de cette ma tière magnétique conviennent particulière ment bien comme shunts magnétiques dans ]es appareils télégraphiques récepteurs pour câbles sous-marins.
Enfin son emploi est in diqué dans la construction des noyaux des transformateurs pour forces magnétisantes faibles, comme le cas se présente, par exem ple, dans les transformateurs pour courants d'arrivée des translateurs téléphoniques du genre thermionique.