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Verfahren zur Herstellung magnetischen Materials.
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung und Verwendung eines magnetischen Materials, dessen Betriebseigenschaften konstant bleiben und das sich insbesondere zur induktiven Belastung von Signalleitungen. für Magnetkerne von Belastungsspulen, für Transformatoren. Relais. Filterspulen und Leitungsnachbildlmgen eignet.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, bei magnetischem Material. wie es für Signalgeräte gebraucht wird. die Änderungen in den magnetischen Eigenschaften herabzusetzen. Durch derartige Änderungen werden bekanntlich häufig Verzerrungen in den Sigllalströmpl1 verursacht.
Zwei solcher maguelischen Eigenschaften sind Permeabilität und veränderlicher Kraftlinienfluss wegen der Hysteresis. Weiter bezweckt die Erfindung, verhältnismässige Beständigkeit der ver-
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mit niedriger Feldstärke gebraucht wird. zu schaffen und zu gleicher Zeit einen hohen Wert der Permeabilität. Weiter bezweckt die Erfindung, in einem magnetischen Material jene Eigenschaften zu erzeugen, die besonders das Material für den Gebrauch als Belastungsmaterial in Signalleitungen geeignet machen.
Es sind nun Nickel-Eisenlegierungen bekanntgeworden, die ungefähr 25 bis 800/0 Nickel enthalten. Die Behandlung dieser Legierungen bestand darin, dass durch mechanische Mittel, z. B. Ausrollen zu Bändern, Blechen oder Drähten, das Material zunächst gehärtet und darauf vollständig ausgeglüht wurde.
Als Ergebnis von ausgedehnten Untersuchungen Ist nun gemäss der Erfindung gefunden worden, dass, wenn Nickel-Eisenlegierungen, die von etwa 30 bis zu 60% Nickel enthalten, einer besonderen Behandlung unterworfen werden, die Permeabilität verhaltnismässig konstant wird über einen sehr weiten Bereich von niedrigen Kraftliniendichten. Solche Bereiche werden gewöhnlich für Signalzwecke benutzt. Im Vergleich zu Eisen ist die Permeabilität des neuen magnetischen Materials hoch. während der Hysteresisverlust sehr niedrig und der spezifische Widerstand sehr hoch sind. Das Material ist also in mehrfacher Hinsicht wesentlich besser als Eisen.
Die Behandlung der vorzugsweise verwendeten Nickel-Eisenlegierungen zwecks Erzielung der oben angegebenen Eigenschaften kann gemäss der Erfindung etwa wie folgt geschehen :
Der Legierlngsblock wird nach dem Giessen durch mechanische Bearbeitung, z. B. durch Walzen und gelegentliches teilweises Ausglühen in dem Masse. wie dies erforderlich erscheint. behandelt, bis dünne Blättchen oder Streifen von ungefähr 0'05 cm Dicke erhalten werden. Dieses Verfahren ruft einen gewissen mässigen Härtegrad in dem Metall hervor. Das Material wird dann einer Temperatur unterworfen. die niedriger ist als diejenige, die gewöhnlich für das Ausglühen des Materials gebraucht wird. Ausserdem wird die Erhitzung für eine kürzere, Zeit angewendet, als bei Ausglühprozessen im allgemeinen üblich ist.
Wenn man eine Legierung. die 36% Nickel und 64% Eisen enthält, benutzt, so wird eine Temperatur von ungefähr 42 ;) 0 C bis 7500 C während ungefähr 15 Minuten aufrechterhalten. Zu dem gleichen Ergebnis gelangt man in gewissen Grenzen, wenn man eine der beiden Grossen, z. B. die Zeitdauer der Hitzebehandlung erhöht und gleichzeitig die andere Grösse. z. B. die Temperatur niedriger wählt. Die geeigneten Werte von Temperatur und Zeit können in jedem Fall durch einen Versuch genau bestimmt werden. Die Abkühlung geschieht vorzugsweise schneller, als dies gewöhnlich
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bei Glühprozessen üblich ist ; doch gibt es hier keinen kritischen Wert.
Abkühlung in Luft auf gewöhnliche Zimmertemperatur genügl. Das bisher beschriebene Verfahren der Behandlung eines Materials bei einer Temperatur und während einer Zeit, die unzureichend sind. um ein Maximum an Weichheit zu erzeugen, wird hier als teilweises Ausglühen bezeichnet.
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Bei der Herstellung von Belastungsspulen für Telephonleitungen, bei denen die Kerne aus Eisendraht bestehen, hat es sich bei dem neuen Verfahren als möglich erwiesen, einen halbhart gezogenen Draht zu erhalten. bei dem die Anfangspermeabilität ungefähr 125 und die Änderung der Permeabilität nicht mehr als 2 bis 3"/ bei einem Kraft1iniendichtebereich von 0'30 cgs Einheiten beträgt. Der Hysteresisverlust beläuft sich auf etwa 2'25. 10s Erg pro Wechsel und pro cm3 bei einer maximalen Kraftliniendichte von 8 /s Einheiten und sein Widerstand beträgt pro es ungefähr 9 Mikroohm.
Fig. 1 der Zeichnung ist ein senkrechter Schnitt durch eine beispielsweise gewählte Ausführungsform einer Belastungsspule für Signalleitungen, bei welchen der Spulenkern aus lamellenartig aufeinanderliegenden Schichten des neuen Materials besteht. Fig. 2 zeigt die Ver- änderung der Permeabilität des neuen Materials innerhalb eines Gebietes der Kraftliniendichten von 0 bis 100 c, qs Einheiten, verglichen mit der Eisensorte, die die höchste erreichbare Permeabilitätskonstanz innerhalb dieses Gebietes besitzt. Fig. 3 zeigt an Hand einer Kurve die Anfangspermeabilitäten, die man bei einer Form des neuen Materials bei einigen bestimmten Behandlungstemperaturen erhält. Die Kurve nach Fig. 4 zeigt die Hysteresisverluste, die man nach der Wärmebehandlung des Materials bei verschiedenen Temperaturen erhält.
In Fig. 5 wird die prozentuale Permeabilitätsverändernng gezeigt, die eintritt, wenn die maximale Kraftliniendichte von 0 auf 100 cgs Einheiten geändert wird, nachdem das neue Material bei einer Wärmebehandlung den verschiedenen in der Figur angegebenen Temperaturen ausgesetzt worden ist.
Bei der Herstellung des Materials zum Gebrauch für Kerne von Belastungsspulen wird das Verhältnis von Nickel zu Eisen z. B. ungefähr 36 : 64 gewählt. Diese Mischung wird in einem elektrischen Ofen zusammengeschmolzen. Für den vorliegenden Zweck sind reine Handelsprodukte dieser beiden Metalle geeignet. Die geschmolzene Legierung wird in eine Gussform gebracht. in der man sie erstarren lässt. Der so erhaltene Block wird dann wiederholt abwechselnd warm und kalt ausgewalzt. Hiedurch wird die Dicke herabgesetzt und das Material
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in eine Sauerstoffatmosphäre einbringt bei einer Temperatur von über 4000 C, die unterhalb der endgültigen Behandlungstemperatur liegt. Die Dauer dieses Prozesses hängt ab von der
Dicke der gewünschten Oxydationshaut.
Gute Ergebnisse sind gefunden worden, wenn man das
Material auf die erwähnte Temperatur während ungefähr 15 Minuten erhitzt.
Der Kern wird dann während einer Zeit und einer Temperatur einer Hitzebehandlung unterworfen, die geringer sind als die zum vollständigen Ausglühen erforderlichen Grössen, und wird dann abgekühlt. Beispielsweise hat es sich als wünschenswert erwiesen, den Kern auf eine Temperatur von ungefähr 4800 C zu erhitzen und bei dieser Temperatur für ungefähr 15 Minuten zu belassen, worauf man den Kern abkühlt.
Versuche haben gezeigt, dass die Abkühlung keinen kritischen Punkt hat. Gute Ergebnisse sind gefunden worden, wenn man die Abkühlung dadurch beschleunigt, dass man den Kern in einem Strom kalter Luft anordnet.
Es hat sich als wünschenswert gezeigt, den Kern nach der Hitzebehandlung zu impräg- nieren dadurch, dass man ihn unter einem teilweisen Vakuum in eine heisse, geschmolzene
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Eintauchen aus der geschmolzenen Masse entfernt, getrocknet und abgekühlt. Hiedurch erhält man eine steife widerstandsfähige Spule. Als Isoliermaterial kann man eine Harzmischung, die z. B. Kolophonium enthält, oder eine Mischung von Harz und Harzöl im Verhältnis von 3 : 1 veiwenden.
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ist. bei der die Erhitzung ausgeführt wird. Fig. 3 zeigt die Anfangspermeabilitäten für einen Bereich von Erhitzungstemperaturen für eine Eisen-Nickellegierung mit 371/20/0 Nickel und für eine Dauer der Hitzebehandlung von 15 Minuten.
In dieser Figur sind die Permeabilitäten als Ordinaten und die Temperaturen als Abszissen aufgetragen. Selbstverständlich hängt die Gestalt der Kurve etwas von dem Betrage und der Art der mechanischen Behandlung ab, der das Material während der Bearbeitung auf die endgültigen Abmessungen unterworfen ist. Im allgemeinen erhält man eine entsprechende Kurvengestalt auch für andere Perioden von Hitzebehandlung. wenn deren Dauer bis zum Erreichen des Maximums der Kurve länger und die Temperatur niedriger ist. Die Änderung, die so eintritt durch Verlängerung der Behandlungsdauer über einige Stunden, ist nicht aufgezeichnet.
Fig.. 1, zeigt für eine Nickel-Eisenlegierung, die 371/2% Nickel enthält, die Grösse des Hysteresisverlustes in einem Bereich der Erhitzungstemperatur und bei einer Dauer der Erhitzung von la Minuten in jedem Falle. Die Figur zeigt die Hysteresisverluste in Erg pro Periode und
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in der Kraftliniendichte unterhalb 100 cgs Einheiten zu erhalten. als wenn das Material entweder unausgeglüht bleibt oder vollständig ausgeglüht wird.
Aus Fig. 5 ist die Art und Weise ersichtlich, in welcher das erwähnte Verfahren die Änderung der Permeabilität, ausgedrückt in Prozenten, herabsetzt. Die Kurve der Fig. 5 gibt ein Beispiel und ist nach oben oder unten oder seitlich verschoben, je nach der Vorbehandlung des Materials.
In Fig. 2 sind Kurven dargestellt, die die Änderungen der Permeabilität mit der Kraftlinielldiehte für die geeignetste Eisenart im Vergleich zu dem neuen magnetischen Material zeigen. Die Kurve A zeigt diejenige Form des Eisens, die die konstanteste Permeabilität über diesen Bereich besitzt, und die Kurve B veranschaulicht das neue magnetische Material in der Form von Nickel-Eisenlegierung. Es besteht vergleichsweise eine Konstanz der Permeabilität der Materialien-über einen weiten Bereich von niedrigen Kraftliniendichten. Die Anfangspermeabilitäten sind dargestellt In Prozenten als Ordinaten und die Kraftliniendichten als Abszissen aufgetragen.
Kurve B bezieht sich auf eine Nickel-Eisenlegierung mit einem Prozentgehalt von
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weniger der Grösse der besten Belastungsspulen. die für den gleichen Zweck bisher benutzt wurden. Es ist offensichtlich, dass das bisher beschriebene Material ebensogut für gleichmässige Belastung von Signalleitern als auch für Belastungsspulen geeignet ist.
Im Vergleich zu Belastungsmaterial. in dem eine hohe Permeabilität durch Hitzebehandlung entwickelt ist, nachdem das Material in einer für gleichmässige Belastung geeigneten Form über dem Kupferleiter angeordnet wird. hat das Material gemäss der Erfindung den Vorteil, dass, wenn eine Hitzebehandlung eines belasteten Leiters erwünscht oder notwendig wird. die erforderlichen Temperaturen verhältnismässig niedrig sind und keine besonderen Vorsichtsmassregeln erfordern, um unzulässige Beanspruchung des Kupferleiters zu verhindern.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung bei Belastung von Leitungen, die-für einen Betrieb mit hoher Frequenz bestimmt sind. Für solche ist die Verzerrung bekaanterweise bei Verwendung des üblichen Belastungsmaterials besonders gross.
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Innerhalb des Bereiches dieser Erfindung liegt es, die erwähnte Behandlung auf irgendein beliebiges magnetisches Material anzuwenden, derart, dass dieses sich dem besonderen, in der Anmeldung angegebenen Material und dem Grade anpasst, bis zu dem die gewünschten Eigenschaften erhalten werden, für den Zweck der Erlangung derjenigen Ergebnisse, die hierin beschrieben sind.
Die bei dem neuen Verfahren vorzugsweise benutzten Nickel-Eisenlegierulfgen bestehen hauptsächlich aus Nickel und Eisen. Es können aber auch andere Elemente in kleinen Beträgen enthalten sein. Ein Gehalt der Nickel-Eisenlegierungen, die gemäss der Erfindung benutzt werden, von 35 bis 380/0 Nickel ist besonders geeignet für Belastung und ähnliche Zwecke.
Es scheint, als ob 36% Nickel am besten wäre. Die Erfindung ist jedoch anwendbar für einen Gehalt von 30 bis 600/0 Nickel und kann auch benutzt werden, wenn für einige Zwecke ein Gehalt von 60 bis 80 oder auch 90"/a Nickel vorteilhaft erscheint.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines aus einer Nickel-Eisenlegierung bestehenden magnetischen Materials, welches durch mechanische Bearbeitung gehärtet und darauf einer Erwärmung ausgesetzt wird, insbesondere für die Verwendung zur induktiven Belastung von Signalleitungen und für Magnetkern von Belastungsspulen, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der mechanischen Bearbeitung vorgenommene Erwärmung bei einer derartigen Temperatur und oder in einer derartigen Zeitdauer vorgenommen wird, dass die dadurch erzielte Erweichung des Materials unterhalb des zu erreichenden Maximums bleibt.