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MagnetischeEisen-Nickel-Legierungen.
Es ist bekannt, dass sehr hohe Anfangspermeabilitäten durch Benutzung bestimmter magnetischer.
Legierungen, die zwei Elemente der magnetischen Gruppe enthalten und besonders durch Benutzung von Eisen-und Nickellegierungen gesichert werden können. Frühere Versuche haben gezeigt, dass die günstigsten Ergebnisse vom Standpunkt der Permeabilität bei niedrigen magnetisierenden Kräften mit einer Zusammensetzung erzielt werden können, die etwa dem Verhältnis von 78Yz % Nickel zu 21 Yz % Eisen entspricht. Es ist ferner vorgeschlagen worden, Chrom im Verhältnis von etwa 11% einer Nickel-EisenLegierung zuzusetzen, um ihren elektrischen Widerstand zu erhöhen.
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als 70% mit hoher Anfangspermeabilität.
Unter Anfangspermeabilität"wird jene Permeabilität verstanden, die sich für Null-Magnetisierungskräfte zeigen würde, wenn eine Reihe von Permeabilitätswerten, die durch magnetische Messung des Materials bei ausserordentlich niedrigen magnetisierenden Kräften, etwa von der Grössenordnung von H = 0'01 bis 0-05 C. G. S.-Einheiten erhalten werden, in einem Diagramm aufträgt und die erhaltenen Punkte zu einer Kurve verbindet, die die H- oder O-Achse des Diagrammes schneidet.
Versuche haben gezeigt, dass der Zusatz von 1% bis 8% Chrom, Molybdän, oder der Zusatz von Chrom und Molybdän innerhalb der angegebenen Grenzen die Anfangspermeabilität magnetischer EisenNickel-Legierungen mit einem Niekelgehalt von mehr als 70% wesentlich erhöht. Besonders bewährt hat sich eine Legierung, welche bei einem Niekelgehalt von annähernd 78-5% ungefähr 2% Chrom enthält.
Die Werte der Anfangspermeabilität und jener, welche mit einer magnetisierenden Kraft von 0#2 Gauss oder weniger bei einem solchen magnetischen Material erhalten wird, können viel grösser sein als die entsprechenden Werte der Permeabilitäten von Eisen bei diesen Kräften.
Die neuen Legierungen eignen sich besonders gut zur Anwendung in Signalsystemen, wie Telephonund Telegraphensystemen, bei Herstellung von Apparaten zum Anschliessen an Übermittlungsleitungen und im allgemeinen dort, wo es erwünscht ist, durch Benutzung magnetischen Materiales die magnetische Wirkung von in solchen Systemen benutzten elektrischen Strömen zu ändern.
Die Erlangung hoher Permeabilitäten bei niedrigen oder Null-magnetisierenden Kräften hängt jedoch nicht allein von der chemischen Zusammensetzung der Legierungen ab, vielmehr sind auch geeignete Hitzebehandlungen hiefür von Bedeutung.
Im nachstehenden ist auf zwei Arten von Hitze behandlungen Bezug genommen, die der Einfachheit halber mit. : 1- und B-Behandlung bezeichnet und in der im folgenden beschriebenen Weise durehgeführt werden : A. Das Material wird auf eine Temperatur von etwa 11000 C gebracht, hierauf langsam bis auf eine Temperatur, die in der'Nähe der magnetischen Übergangstemperatur der Legierung (nämlich jener Temperatur, bei welcher die Permeabilität nachdem sie ihr Maximum überschritten hat, plötzlich auf Null abfällt und von welcher ab das Material unmagnetisch ist) liegt, und sodann verhältnismässig rasch abgekühlt, nämlich schneller als die Abkühlung im Ofen gewöhnlich durchgeführt wird, aber nicht so rasch, dass übermässige Beanspruchungen bzw.
Spannungen auftreten, beispielsweise um 9-5'pro Sekunde. Das gleiche Ergebnis erzielt man, wenn man das auf 1100 C erhitzte Material langsam ganz abkühlt, hierauf wieder auf die magnetische Übergangstemperatur erhitzt und sodann die verhältnismässig raschere Arkühlung in der vorerwähnten Weise vominunt.
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B. Das Material wird auf ungefähr 11000 erhitzt und langsam abgekühlt.
Fig. 1 der Zeichnung enthält Kurven, welche die Änderungen der Anfangspermeabilität einer Nickel-Eisen-Legierung von ungefähr 78% Nickel und 21% Eisen zeigen, wenn verschiedene Mengen des Eisengehaltes durch gleiche Mengen Chrom ersetzt werden, nämlich bei einem von 0% bis 8% steigenden Chromgehalt. Die Ordinaten stellen Werte der Anfangspermeabilität und die Abszissen den Prozentgehalt von Chrom, das für gleich grosse Mengen von Eisen gesetzt wird, dar.
Beim Ersetzen einer kleinen Eisenmenge durch Chrom wird die Anfangspermeabilität erhöht, gleichgültig, ob die-A-oder B-Behandlung benutzt wird. Bei der A-Behandlung erreicht die Anfangspermeabilität anscheinend ein Maximum, wenn etwas mehr als 2% Chrom eingeführt worden sind, wogegen der Maximalwert bei der B-Behandlung erreicht ist, wenn 4% Chrom an Stelle der gleichen Menge Eisen getreten sind. Bei der B-Behandlung scheint die Anfangspermeabilität bei einer Zunahme von Chrom weniger rasch abzunehmen als bei Anwendung der A-Behandlung.
Fig. 2, in der die Ordinaten die Werte maximaler Permeabilität und die Abszissen Prozentgehalte an Chrom darstellen, zeigt die Wirkung beim Ersatz des Eisens durch gleiche Mengen von Chrom bis auf etwa 7% bei einer Legierung mit 78Yz% Nickel und 21Yz% Eisen. Bei Benutzung der Behandlung B scheint die maximale Permeabilität dann gefunden zu werden, wenn 4% Chrom anstatt der gleichen Eisenmenge gesetzt worden sind, während bei Benutzung der Behandlung J. die maximale Permeabilität rasch abnimmt, wenn kleine Mengen von Chrom gleiche Eisenmengen ersetzen, z.
B. :
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<tb>
<tb> Substituierter <SEP> Chrombetrag <SEP> Maximumpermeabilität
<tb> 1%-150. <SEP> 000
<tb> 2% <SEP> 60.000
<tb> 7% <SEP> 10. <SEP> 000
<tb>
Die Kurve in Fig. 3 zeigt die Änderungen in der Anfangspeimeabilität einer magnetischen Legierung im Zusammenhang mit den Änderungen in den Teilmengen an Nickel und Eisen, wenn der Zusatz der dritten Komponente auf einem konstanten Prozentgehalt gehalten wird. Die Ordinaten geben die Anfangspermeabilität und die Abszissen den Prozentgehalt an Nickel an. Die Kurve zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung mit einem Material das 1'9% Chrom, ungefähr 64% bis 84% Nickel und ungefähr 34-1% bis 14-1% Eisen enthält, wobei dieses Material der Behandlung A unterworfen wurde.
Es wurden die höchsten Werte der Anfangspermeabilität bei ungefähr 7812% Nickel und 19-6% Eisen gefunden. Gleiche Versuche wurden mit Nickel-Eisen-Chrom-Legierungen bis zu 8% Chromgehalt durchgeführt, wobei in jedem Fall die höchste Anfangspermeabilität erlangt wurde, wenn die Legierung ungefähr
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als Zusatz verwendet wurde. Es wurden bei Zusatz von kleinen Mengen Molybdän ebenso hohe und höhere Permeabilitäten erzielt, wenn der Nickelgehalt ungefähr 7812% des Ganzen beträgt, als wenn irgendein anderer Prozentgehalt benutzt wurde. Mit Kupfer jedoch entsteht die Spitze oder Kuppe der Kurve nicht an diesem Punkt, sondern an einem Punkt, wo der Nickelgehalt 7812% des gesamten Eisen-und Nickelgehaltes beträgt.
Die Kurven in Fig. 4 zeigen die Änderungen in der Wechselstrompermeabilität verschiedener magnetischer Legierungen, wenn sie einen durch einen Wechselstrom von 200 Perioden erzeugten Magnetisierungsflux von O'OOl C. G. S.-Einheiten, auf den ein veränderlicher Gleiehstrommagnetisierungsflux H überlagert ist, aufweisen. Die Ordinaten stellen Permeabilitätswerte und die Abszissen Werte der stetigen magnetisierenden Kräfte dar. Kurve 1 zeigt die mit einer Legierung, enthaltend 7812% Nickel und 2lu/2% Eisen erzielten Ergebnisse, Kurve 2 die Ergebnisse mit einer Legierung, die 7812% Nickel, 1'9% Chrom und im übrigen Eisen enthält, und Kurve 3 das Ergebnis mit einem magnetischen Eisen sehr guter Qualität.
Diese Kurven zeigen, dass die Legierung, welche ungefähr 2% Chrom enthält und einer überlagerten Gleichstrommagnetisierungskraft innerhalb der in Fig. 2 ersichtlichen Grenzen unterworfen wird, eine beträchtlich höhere Wechselstrompermeabilität hat als ein Material, das 7812% Nickel und 2112% Eisen enthält, und eine entschieden höhere Gleichstrompermeabilität hat als das beste
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wenn man bedenkt, dass belastete Leitungen und verschiedene Arten von Apparaten, wie Relais, Telephonempfänger und Übertragerspulen konstant einer kleinen Gleichstrommagnetisierungskraft unterworfen sind, auf die eine veränderliche Kraft überlagert wird, die von Spreeh-und Signalstromen herrührt.
Fig. 5 in der die Ordinaten der spezifische Leitungswiderstand R und die Abszissen den Prozentgehalt an Chrom darstellen, zeigt die Änderung in dem spezifischen Leitungswiderstand einer Legierung, die 7812% Nickel und im übrigen Eisen und Chrom enthält, für verschiedene Teilmengen der letzten zwei Bestandteile. Der spezifische Leittmgswiderstand der Legierung nimmt mit einer Vergrösserung der vorhandenen Chrommenge rasch zu.
Die Kurve Fig. 6, in der die Ordinaten den spezifischen Leitungswiderstand R und die Abszissen den Prozentgehalt an Nickel darstellen, zeigt die Änderung des spezifischen Leitungswiderstandes einer aus 2% Chrom und im übrigen aus Nickel und Eisen bestehenden Legierung bei verschiedenen Teilmengen der letzten zwei Bestandteile. Die Änderung im Nickelgehalt erzeugt sehr geringe Änderung in dem
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spezifischen Leitungswiderstand der Legierung.
Die Fig. 7, in der die Ordinaten Weite der magnetischen Induktion B oder die Induktionslinien pro Icmunddie Abszissen WertedermagnetisierendenKraftRdar- stellen, zeigt eine Reihe von Magnetisierungskurven für Nickel-Eisen-Chrom-Legierungen bei verschiedenen Prozentgehalten an Chrom im Vergleich zu einer Nickel-Eisen-Legierung, welche 78Y2% Nickel und 21% Eisen enthält, und zu einem sehr reinen magnetischen Eisen. Die Nickel-Eisen-Legierung und die verschiedenen Nickel-Eisen-Chrom-Legierungen wurden der Behandlung A unterworfen und die Eisenprobe wurde erhitzt, um die besten magnetischen Eigenschaften hervorzubringen. Kurve 1 ist die Magnetisierungskurve für die Legierung aus 78% Nickel und 2lu/2% Eisen.
Die Magnetisierungskurve 2 für die Legierung aus 78Y2 % Nickel, ungefähr 2% Chrom und im übrigen aus Eisen steigt weniger rasch oder weniger steil an als Kurve 1, ausgenommen nahe dem Ausgangspunkt und zeigt einen Sättigungspunkt bei einem beträchtlich kleineren Wert. Beide Kurven liegen jedoch weit oberhalb der Kurve für das Eisenmuster wie Kurve 3 zeigt, die bei sehr niedrigen magnetisierenden Kräften gar nicht steil begonnen hat. Kurve 4 ist die Magnetisierungskurve für eine Legierung aus ungefähr 78Y2 % Nickel, 0'98% Chrom und im übrigen aus Eisen. Die Kurven 5, 6 und 7 gelten für gleiche Legierungen, die 2-37%, 3-86% und 6-85% Chrom enthalten. Diese Kurven zeigen, dass für eine magnetisierende Kraft über ungefähr 0'025 C.
G. S.-Einheiten die Permeabilität bei einer Zunahme des Chromgehaltes kleiner wird. Die zum Hervorbringen maximaler Permeabilität notwendige magnetisierende Kraft nimmt mit Erhöhung des Chromgehaltes zu. Mit den gleichen Mustern gemachte Versuche zeigen praktisch die umgekehrten Resultate, wenn die Behandlung B benutzt wird, indem die Permeabilität für eine gegebene magnetisierende Kraft mit der Zunahme des Chromgehaltes steigt, und der Punkt maximaler Permeabilität bei Zunahme der Menge des vorhandenen Chroms sinkt. Diese Versuche zeigen ferner, dass Legierungen, die 3% oder mehr Chrom enthalten, für die Hitzebehandlung weniger empfindlich sind als jene, die weniger Chrom enthalten.
Durch Benutzung grösserer Chrommengen ist es daher möglich, ein gleichmässigeres Produkt mit dem gewöhnlichen Verfahren zu erhalten, obgleich diese Gleichmässigkeit mit einer Einbusse in der Permeabilität erkauft wird.
Die Kurven in Fig. 8 werden erhalten, wenn man als Abszissen die Permeabilitätswerte der Legierungen nach Fig. 7 und als Ordinaten die Werte der magnetischen Induktion B aufträgt. Kurve 1
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durch Chrom ersetzt sind, Kurve J für das Eisenmuster unter gleichen Bedingungen.
Die Hysteresiskurven der drei Materialien nach Fig. 8 sind in Fig. 9 dargestellt, wobei bloss die obere Hälfte der Kurven gezeigt ist, um alle Kurven in gleichem Massstabe zeichnen zu können. Diese Kurven sind bis zu einer maximalen Induktion von 5000 C. G. S. -Einheiten gefÜhrt. Kurve 1 stellt die halbe Hysteresisschleife der Legierung aus 78Y2 % Nickel und 21 Y2 % Eisen dar ; Kurve 2 stellt eine gleiche Kurve dar für die Legierung, in welcher ungefähr 2% des Eisens durch Chrom ersetzt sind ; Kurve 3 stellt die gleiche Kurve für das Eisenmuster dar.
Die Hysteresisschleife für die Chrom enthaltende Legierung ist, obgleich sie in diesem speziellen Fall etwas kleiner ist, als jene der Nickel-Eisen-Legierung ohne Chrom, tatsächlich von gleicher Grössenordnung ; beide haben aber eine viel kleinere Fläche (unge- fähr Vis) als jene der Schleife der Kurve 3 für das Eisenmuster.
Die Kurven in Fig. 9 zeigen, dass die Koerzitivkraft der Legierung mit Chrom, obgleich etwas kleiner, von der gleichen Grössenordnung ist wie die Koerzitivkraft der 78Y2% Nickel und 21yea Eisen enthaltenden Legierung, jedoch viel kleiner als die Koerzitivkraft für das beste magnetische Eisen, wie durch Kurve 3dargestellt ist. Nachdem die Nickel-Eisen-Legierung einer Magnetisierungskraft von 100 C. G. S.Einheiten unterworfen ist, hat die Koerzitivkraft dieser 78Y2 % Nickel enthaltenden Legierung und der ungefähr 2% Chrom enthaltenden Legierung eine Grösse von beiläufig 0-05 C. G. S.-Einheiten, während die Koerzitivkraft für das Eisenmuster ungefähr 0-86 C. G. S.-Einheiten beträgt.
Bei der Vorbereitung des magnetisehen Materiales wurde es, um den Übergang übermässiger Chrommengen in die Schlacke zu verhindern, als vorteilhaft gefunden, zuerst eine Vorlegierung von Chrom und Nickel herzustellen, worauf dieselbe einer Legierung aus Nickel und Eisen zugesetzt wird, die so zusammengesetzt ist, dass dem magnetischen Material das gewünschte Mengenverhältnis der Bestandteile zukommt, wenn die beiden Legierungen vereinigt werden. Wenn beispielsweise gewünscht wird, aus Nickel, Eisen und Chrom eine Legierung herzustellen, die ungefähr 2% Chrom enthält, so wird zuerst eine Vorlegierung von ungefähr 75% Nickel und 25% Chrom vorbereitet und diese Vorlegierung einem Bade von geschmolzenem Nickel-Eisen zugesetzt, um die gewünschten Teilmengen im Material zu erhalten.
Nachdem die drei Stoffe zusammengebracht worden sind, wird die Legierung in eine Form gegossen und abgekühlt, um eine dicke Stange zu bilden, die sodann gewalzt, geschmiedet und sonstwie bearbeitet wird, um sie in die gewünschte Form zu bringen.
Wenn die Legierung zur ständigen Belastung von Signalleitern benutzt werden soll, wird die Stange aus der Form genommen und einem wiederholten Schmieden und Ausglühen unterworfen oder heiss gewalzt, wodurch die Stange dünner und länger wird. Der so gebildete lange Stab wird dann wiederholt gezogen und ausgeglüht oder heiss gewalzt, wodurch er noch dünner und entsprechend länger wird.
Der lange Stab wird neuerdings wiederholt gezogen und ausgeglüht, bis er die geeignete Abmessung hat, worauf derselbe zwischen Walzen hindurchgeführt wird, die den Stab zu einem dünnen Streifen flach-
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drücken. Nach mehreren solchen Flachdruckoperationen erhält man einen Streifen von etwa 0'0144 cm Dicke und etwas mehr als 0-3 cm. In der letzten Glühoperation wird das Material auf 11000 C erhitzt. und sodann langsam abkühlen gelassen, womit die erste Stufe der Heissbehandlung ausgeführt ist. Letztere wird erst dann beendet, nachdem der Streifen auf den Leiter aufgewickelt worden ist.
Dieser Streifen wird zunächst durch Schneidrollen oder-scheiben geführt, die die beiderseitigen Streifenränder gerade schneiden und dem Streifen eine genaue und gleichmässige Breite geben und ihn zum Auftragen auf den Leiter geeignet machen. Soll das Belastungsmaterial in Form eines Drahtes benutzt werden, so wird das Ziehen so lange fortgesetzt, bis der Draht das richtige Kaliber hat.
Der Leiter, auf den der Draht oder Streifen aufgewickelt wird, ist vorteilhaft als Litzenkabel mit glatter zylindrischer Umfläehe ausgeführt. Nachdem der Draht oder Streifen um den Leiter gewickeltist, wird die Heissbehandlung zu Ende geführt, der belastete Leiter mit einem Druekausgleichsmittel imprägniert und schliesslich in bekannter Weise isoliert und armiert.
Für die beständige Belastung eines Signalleiters ist es wichtig, nicht allein hohe Permeabilität des Belastungsmaterials zu sichern, sondern auch die Dämpfungsverluste niedrig zu halten, damit die Übertragung durch den Leiter möglichst gut ist. Bei einem Belastungsmaterial mit ungefähr 2% Chrom werden die Dämpfungsverluste niedrig gehalten, da das Material nicht allein einen niedrigen Hysteresisfaktor besitzt, sondern auch wegen seines hohen spezifischen Leitungswiderstandes die Wirbelstromverluste ebenfalls so klein als möglich gehalten werden.
Die neuartigen Legierungen können ausser für die beständige Belastung von Signalleitern auch für andere Zwecke mit Vorteil verwendet werden. Beispielsweise können sie vorteilhaft in magnetischen Kreisen von Telephonempfängern, Anrufapparaten und elektromagnetischen Vorrichtungen mannigfache Art benutzt werden. Wegen der geringen Koerzitivkraft dieser Legierungen sind sie von besonderem Werte in magnetischen Stromkreisen von Messern mit beweglichen Flügeln, Grenzrelais, Phasenrelais und ähnlichen Vorrichtungen, bei welchen die Empfindlichkeit in der Funktion in beträchtlichem Mass ? von den magnetischen Teilen beeinflusst wird.
Der niedrige Sättigungspunkt und die Form der Magneti- sierungsl'1lrven machen die Legierungen in erhöhtem Masse für den Gebrauch in Kernen von Apparaten zur Änderung der Frequenz und magnetischen Modulatoren geeignet. Auch sind die charakteristischen Eigenschaften der Legierungen derart, dass sie sich besonders für die Kerne verschiedener Arten von Transformatoren, wie z. B. jene eignen, die zum Übertragen von Strömen innerhalb weiter Frequenzgrenzen dienen, wie solche Ströme beim Übertragen von Musik und Sprache auftreten. Wegen des geringen Hysteresisverlustes sind die Legierungen von speziellem Vorteil dann, wenn sie in den Kernen von Verteiltransformatoren benutzt werden, die ständig mit der Leitung verbunden sind. Weiters eignet sieh das Material speziell als magnetischer Schild zum Abschirmen von Apparaten gegen magnetische Fremdfelder.
Ausgeteilte oder beständige Belastungsdrosselspulen von sehr hoher Induktanz und niedrigem Widerstand können in besonders kleinem Umfange hergestellt werden, so dass an Material und Herstellungskosten erspart wird. Spulen mit aus diesen Legierungen hergestellten Kernen haben sich ganz besonders als magnetische Nebenschlüsse bei Empfangsapparaten'für die Unterseetelegraphie bewährt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Magnetische Eisen-Niekel-Legierungen mit einem Nickelgehalt von mehr als 70%, insbesondere für die Anwendung schwacher magnetischer Kräfte, wie sie bei Signalisiereinrichtungen (Telegraph, Telephon) verwendet werden, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 1% bis 8% Chrom oder Molybdän oder beiden Metallen.