Verfahren zum Behandeln Eisen und Nickel enthaltender magnetischer Legierungen. Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln Dien und Nickel enthaltender magnetischer Legie rungen, wie sie zum Beispiel für Signal anlagen und auch sonst für Apparate zur Verwendung kommen, wo nur niedrige Feldstärken in Betracht kommen, so für) induktiv belastete Leitungen, Translatoren, Relais, Spulen für Filter und für Ketten leiter zu Ausgleichszwecken.
'Wo immer auch magnetisches Material magnetischen Feldern, welche durch Fern meldeströme erzeugt worden sind, unter- wvorfen ist, entsteht eine Verzerrung dieser Ströme, da kein magnetisches Material be kannt ist, welches nicht irgend eine inner halb des Arbeitsbereiches variable Kenn grösse besitzt. Besonders störend sind Än derungen der Permeabilität mit der Felcd- stärke oder mit der resultierenden Kraft liniendichte, welch letztere auch bei gleicher Feldstärke infolge von Remanenzwirkungen verschieden sein kann.
Zweck vorliegender Erfindung ist eine Verminderung der Änderungen der Permea- bilität. Es erweist sich, dass dabei auch hohe Werte des spezifischen Widerstandes, also niedrige Wirbelstromverluste, hohe Permea bilitätswerte und geringe Hysteresiswirkun- gen erzielbar sind.
Das neue Verfahren besteht darin, dass man eine Legierung, die Eisen und Nickel als Hauptbestandteile aufweist, teilweise ausglüht bei einer Temperatur und wäh rend einer Zeitdauer, die wesentlich niedri ger ist, als da.ss die maximale Weichheit er zeugt würde, und zwar so, dass eine an nähernd vollkommen konstante Pernieabili- tät über einen weiten Bereich niedriger Kraftliniendichten erhalten wird. Die Eisen- Nickel-Legierung kann auch andere Stoffe in geringen Mengen enthalten.
Das Verfahren kann zum Beispiel wie folgt durchgeführt werden: Der Legierungsbarren wird durch Wal zen und gelegentliches Ausglühen in dünne Blätter von ungefähr 0,05 mm Dicke ver arbeitet. Diese Bearbeitung erzeugt einen bestimmten mässigen Härtegrad des Metalles. Darauf wird es einer Temperatur, welche unterhalb der gewöhnlich für das Aus glühen verwendeten Temperatur liegt, un terworfen, und zwar während einer Zeit dauer, welche kürzer ist als diejenige des Ausglühprozesses.
Wird eine Legierung mit 36 % Nickel und 64 % Eisen verwendet, so beträgt die angewendete Temperatur un gefähr 425 bis 750' C und die Zeitdauer, während welcher die Legierung dieser Tem peratur unterworfen wird, ungefähr 15 Mi nuten. Dasselbe Resultat kann innerhalb gewisser Grenzen durch gleichzeitiges Ver grössern des einen Faktors und durch Ver kleinerung des andern erhalten werden. Die richtigen Werte der Temperatur und der Zeit können in jedem einzelnen Falle durch den Versuch festgestellt werden. Die Ge schwindigkeit des Abkühlens wird vorzugs weise grösser gewählt als diejenige, welche beim Ausglühen verwendet wird; dies be sitzt jedoch keine entscheidende Bedeutung. Abkühlen an der Luft bei gewöhnliclher Zimmertemperatur genügt.
Der eben be schriebene Prozess, in welchem ein Material während einer Zeitdauer einer Tenmperattur unterworfen wird, welche nicht genügt, um das Material vollständig weich zu machen, wird im Nachfolgenden als partielles Aus glühen bezeichnet.
Die Anfangspermeabilität der eben ge nannten, 36 % Nickel enthaltenden Legie rung liegt innerhalb der Grenzen 125 bis 1000 und die Permeabilitätsänderungen ge mäss der jungfräulichen Magnetisierungs kurve für Flussdichten von 0 bis 100 C.G.S.- Einheiten liegen zwischen 2 bis 5 %. Der Hysteresisverlust bei einer Flussdichte von 8 C.G.S.-Einheiten kann bis 1,5 .10-4 Erg. pro Periode und cm' heruntergehen, welcher Wert ungefähr 1/15 desjenigen von hartgezogenem Eisendraht ist. Der spezifische Widerstand beträgt etwa 80 Mikrohm pro W3.
Die induktive Belastung von Fernmelde leitungen bietet ein geeignetes Beispiel zur Veranschaulichung der Herstellungsweise und der Anwendung des neuen Materials und wurde aus diesem Grunde auch für die nach folgende Beschreibung gewählt. Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine Belastungsspule zum Belasten von Fernmeldeleitern.
In dieser Spule be steht der Spulenkern aus Blättern, welche aus einem gemäss der Erfindung behandelten Material bestehend gedacht sind; Fig. 2 zeigt eine Kurv u zur Veranschau lichung der Permeabilitätsänderungen eines gemäss der Erfindung behandelten magne tischen Materials für Flussdichten von 0 bis 100 C.G.S.-Einheiten, im Vergleich mit einer Eisensorte von grösstmöglicher Permnea- bilitätskonstanz innerhalb des gleichen Be reiches; Fig. 3 zeigt eine Kurve für die Anfangs permeabilität, welche für eine bestimmte Zusammnensetzung des neuen Materials, als Funktion der Temperatur des teilweisen Ausglübens erhalten wird;
Fig. 4 zeigt eine Kurve, in welcher die Hysteresisverluste für dieselbe Materialzu sammensetzung aufgetragen sind, ebenfalls als Funktionen der Temperaturen des teil weisen Ausglühens; Fig. 5 zeigt die prozentuale Änderung der Permeabilität für Änderungen für Fluss dichte von 0 bis 100 C.G.S.-Einheiten, eben falls für dieselbe Zusammensetzung und als Funktion der Ausglühtemperatur.
Bei der Herstellung des als Kern für Pupinspulen verwendeten Materials werden Nickel und Eisen, zum Beispiel etwa 36 % Nickel und der Rest Eisen, in einem Induk- tions- oder Lichtbogenofen geschmolzen. Reine Handelsqualitäten dieser beiden 3ITe- talle sind für diesen Zweck geeignet.
.NU- auf wird die geschmolzene Legierung in eine Barrenform gegossen, wo man sio er starren lässt. Dann wird der Barren wieder holt abwechselnd heiss und kalt ausgewalzt, wodurch seine Dicke bis auf 0,
05 nim redu- zi.--rt wird und demzufolge seine Länge zu- nimmt. Hierauf wird der Streifen durch clineiderollen oder .Scheiben geführt, wel che seine Ränder auf beiden Seiten gerad linig beschneiden, wodurch der Streifen eine genaue gleichmässige Breite von 2,51 ein erhält. Dieses Band aus komposition wird dann zu einem Ringkern, wie dies Fig. 1 zeigt, gerollt, wobei die Windurigen gegeneinander isoliert werden.
Eine gute Isolierung der Windungen des Ringkernes wird dadurch erhalten, dass das Band, bevor es nach der soeben beschriebe nen Weise zu einem Ring gewickelt wird, einem Oxydationsprozess unterworfen wird. Dieser Oxydationsprozess besteht darin, dass alles Öl und Fett des Bandes durch Alkohol entfernt wird und dass es einer Sauerstoff atmosphäre von über 400 C, welche Tem peratur jedoch unter der Enderhitzungs- temperatur liegt, wie im späteren beschrie ben ist, ausgesetzt wird. Die Dauer dieses Prozesses hängt von der Dicke der ge- wiinschten Oxydschicht ab; doch wurden gute Resultate durch Erhitzen auf die ge nannte Temperatur während 15 Minuten er zielt.
Der Kern wird darauf einer Wärme behandlung unterworfen, deren Temperatur niedriger und deren Zeitdauer kürzer ist als für ein vollständiges Ausglühen nötig wäre, und wird darauf abgekühlt. Zum Bei spiel wurde es zweckmässig befunden, den Kern auf eine Temperatur von nahezu 480 C zu erhitzen und auf dieser Tempera tur während etwa 15 Minuten zu belassen, worauf man ihn abkühlen lässt. Versuche haben gezeigt, dass die Abkühlungsgeschwin digkeit nicht entscheidend ist; gute Resultate sind aber beim Beschleunigen des Abkühlens durch Aussetzen des Kernes in einem kalten Luftstrahl erhalten worden.
Es wurde für zwecknmässig befunden, den Kern nach der Wärmebehandlung in eine heisse geschmolzene, isolierende Kompound- masse, welche beim Abkiühlen erstarrt, bei teilweisem Vakuum einzutauchen. Der Kern wird nach dem Eintauchen herausgezogen und dlemn Trocknen und Abkühlen über lassen. Dadurch wird, bei geeigneter Be wicklung, eine feste und dauerhafte Spule erhalten. Gute Resultate ergab eine Harz masse, welche aus einer Mischung aus Harz und Terpentinöl im Verhältnis 3:1 be steht.
Zur Herstellung einer Pupinspule, wel che eine Induktanz von 28 Millihenry und einen effektiven Widerstand von weni ger als 3 Ohm bei' einem 1800periodigen Wechselstrom von 0,002 Ampere, welcher durch eine Wicklung von ungefähr 285 Win dungen aus Kupferdraht Nr. 22 fliesst, be sitzen soll, können 227 Gramm von dem auf die im Vorstehenden beschriebene Weise zu einem Streifen verarbeiteten Material zu einem dichten Ring von ungefähr 3,5 cm Innendurchmesser gerollt werden, wobei die Enden der Spulen auf irgend eine passende Weise gehalten werden.
Der besondere Wert der für das Material gewünschten Permeabilität wird variieren und hängt von der Verwendung des Ma terials ab. Um sich irgend einen bseonderen Wert der Permeabilität, welcher über einen weiten Bereich niedriger Flussdichten kon stant ist, zu sichern, muss die Temperatur während der Wärmebehandlung bis zu einem genau bestimmten Punkt getrieben werden. Allgemein kann gesagt werden, cdass, je höher die gewünschte Permeabilität sein soll, auch die Temperatur, bis zu der die Wärme behandlung geführt werden soll, höher lie gen muss.
Fig. 3 zeigt die Anfangspermeabilität, welche für eine Reihe von Wärmebehand- lun gstemperaturen einer Eisen-Nickel-Le- gierung mit 371/s % Nickel erhalten wird, wobei die Dauer der Wärmebehandlun,- 1.5 Minuten beträgt. In dieser Figur sind die Perme < ibilitäten als Ordinaten und die' Temperaturen als Abszissen aufgetragen.
wobei m < in sich vergegenwärtigen muss, cla.ss die Form der Kurve gleichzeitig auch von der Grösse und Art der mechanischen Be handlungen abhängt, welchen das Material, bis es die endgültigen Dimensionen besitzt, unterworfen wird. Die gleiche Kurventype wird auch für andere Anwendungsperioden der Wärmebehandlung erreicht: je länger die Perioden sind, um so niedriger fallen die Temperaturen, bei welchen der Scheitel punkt der Kurve eintritt, aus. Die auf diese Weise erhaltene Anderung ist jedoch hei Verlängerung der Periode auf eine oder wenige Stunden nick bemerkbar.
Die Fig. 4 zeigt die Grösse des Hyste resisverlustes für eine Reihe von Mirme- behandlungstemperaturen für eine Eisen- Nickel-Legierung mit 37 1/2 % Nickel, wo bei die Wärmebehandlung jeweilen 15 Mi nuten dauerte. Diese Figur zeigt der Hy steresisverlust in Erg. pro Periode u@@ cm3 für eine maximale Flussdichte von g @. G i. S.- Einheiten als Ordinaten. Die Temperaturen sind als Abszissen aufgetragen.
Das wie oben beschrieben hergest,ellte magnetische Material zeigt eine niedrige Permeabilitätsänderung, bei Änderung der Flussdichten unter 100 C. G. S.-Einheiten. Durch das beschriebene Wärmebelhandlungs- verfahren wird es möglich, Permneabilitäten für gegebene Änderungen der Flussdichte unter 100 C. G. S.-Einheiten zu erhalten, die kleiner sind, als wenn das Material voll- oder überhaupt nicht ausgeglüht wird. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, in welcher Weise dlas besehriebene Wärmebehandlungsverfah ren die prozentuale Änderung der Permeabili tät verkleinert.
Die Kurve naeh Fig. 5 dient einzig zur Veranschaulichung der Verhältnisse für eine Eisen-Nickel-Legierung mit 371/2 %t Nickel; sie kann entweder nach oben oder unten oder seitlich verschoben werden, und zwar je nach der Vorbehand lung des Materials.
In Fig. 2 sind Kurven gezeichnet, wel che die Änderung der Permeabilität mit der Flussdichte für das bestgeeignete Eisen ver glichen mit der verbesserten magnetischen Legierung darstellen. Die Kurve A wurde für Eisen aufgenommen und die Kurve B für das verbesserte magnetische Material, wobei sich die verhältnismässige Konstanz der Permeabilität über einen weiten Bereich niedriger Flussdichten zeigt. Als Ordinaten sind Anfangspermeabilität und als Abszis sen die Flussdichten aufgetragen. Die Kurve B wurde für eine Eisen-Nickel-Legierung mit 37 1/2 % Nickelgehalt aufgenommen, nach einer Wärmebehandlung bei etwa 4g0 C, wie beschrieben. Eine Spule, welche der oben beschrie benen entspricht, nimmt ungefähr einen Drittel oder weniger des Volumens der besten heute verwendeten und dem gleichen Zweck dienenden Pupinspulen ein.
Es ist klar, dass das oben besclhriebene Material sich ebensogut zur kontinuierlichen Belastung von Fernmeldeleitern eignet, wie a a ls Material für Pupinspulen. Verglichen mit dem bekannten Belastungsmaterial, in welchem durch Würmebehandlung eine hohe Permeabilität entwickelt wird, nach dem es unter vorheriger Erteilung einer für eine kontinuierliche Belastung passenden Form auf dem Kupferleiter angebracht wor den ist, besitzt das Material dieser Erfin dung den Vorteil, dass die Begrenzung weg fällt, welche daher stammt, dass, sobald eine Wärmebehandlung des belasteten Leiters er folgen soll, die verlangte Temperatur ver hältnismässig niedrig gehalten werden muss, und dass keine besonderen Massnahmen zur Verhütung von Verletzungen des Kupfer leiters getroffen werden müssen.
Diese Erfindung besitzt für die Belastun gen von Leitungen, aruf denen bohe Fre quenzen verwendet werden, besondere Be deutung, da die unter der Bezeichnung Intermodulation bekannte Störung bei rder Verwendung gewöhnlichen Materials ver- lhältnismässig gross ist.
Die erwähnten Eisen-Nickel-Legierungen bestehen im wesentlichen aus Nielkel und Eisen; doch Mönnren much andere Elemente in kleinen Beträgen vorhanden sein. Dire Reibe der Eisen-Nickel-Legierungen dieser Erfindung mit 35 % his 3g % ist insbeson dere für Behastungs- und ähnliche Zwecke dienlich, wobei 36 % Niclkel vielleicht die beste ist. Das Verfahren ist für Legierungen fmnit irgendwelchem Nickelgehalt vorteilhaft, besonders aber für Legierungen von 30 bis 90 ,'a Nickel.