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Verfahren zur Herstellung eines Magnetkernes
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetkerne und Verfahren zu deren Herstellung. Die Er- findung bezieht sich insbesondere auf gewisse Verbesserungen an Magnetkernen und deren Herstellungs- verfahren zwecks Verbesserung der physikalischen und magnetischen Eigenschaften der Kerne, insbeson- dere zur Erhöhung der Permeabilität, unter möglichster Verminderung der Kernverluste. Derartige Ma- gnetkerne können für viele Zwecke Verwendung finden, sie sind jedoch in erster Linie für niederfrequen- te Telephonkreise bestimmt.
Ein Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung neuer und verbesserter Magnetkerne. Weiters sieht die
Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Magnetkernen vor. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung neuer und verbesserter Isoliermaterialien für Magnetkerne.
Spezielle Ziele der Erfindung liegen in der Erhöhung der magnetischen Permeabilität, in der Ver- minderung der Kernverluste und in der Steigerung der mechanischen Festigkeit von Magnetkernen, die durch Komprimieren von Magnetteilchen mit einem mindestens ein Alkalisilikat enthaltenden Isolier- überzug erhalten werden.
Die Magnetkerne werden dadurch hergestellt, dass man feinverteilte Magnetteilchen mit einer isolierenden Masse überzieht, die aus einem feuerfesten Metallsilikat, Magnesiumhydroxyd und einem Alkalisilikat besteht. Die isolierten Teilchen werden dann zu einem Kern verpresst und der Kern bei einer Temperatur von 538 bis 7050C gebrannt, um die Magnetteilchen zu glühen und den Überzug zu härten.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Verbesserung von Magnetkernen, von Verfahren zu deren Herstellung und von hiefür geeigneten Isoliermaterialien, wobei in erster Linie Magnetkerne mit erhöhter Permeabilität, mit verminderten Kernverlusten und mit höherer mechanischer Festigkeit erzielt werden sollen.
Es ist erwünscht, aus vielen Gründen den Permeabilitätsgrad der Magnetkerne so viel als möglich zu erhöhen, u. zw. so weitgehend, als dies ohne wesentliche nachteilige Wirkung auf den Kernverlust geschehen kann. Beispielsweise kann man zur Erreichung eines bestimmten Resultates durch Steigerung der Permeabilität des Kernes zur Verwendung von Magnetkernen kleinerer Grösse übergehen, so dass man also sowohl an Raum als auch Material für die Kerne spart. Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ist die Einsparung an Nickel von besonderer Bedeutung, das als Hauptbestandteil der Magnetteilchen verwendet wird.
Als Alternative sei angeführt, dass man einen Magnetkern derselben Grösse mit weniger Drahtwicklungen zu umwinden braucht, um die gleiche Transformatorwirkung zu erzielen.
Gemäss der Erfindung wird die Permeabilität erhöht, ohne jedoch die Kernverluste wesentlich zu steigern oder irgendeine andere wichtige Eigenschaft zu verändern. Zu diesem Zwecke wird ein gebrannter Kern mit Wasser getränkt und hierauf nochmals bei einer Temperatur von 538 bis 7050C gebrannt. Vorzugsweise wird der gebrannte Kern 30 - 60 Minuten lang in kochendem Wasser behandelt und anschliessend in einer wasserstoffhältigen Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 6500C nochmals gebrannt. Will man die Permeabilität noch weiter steigern, so kann man die Massnahmen des Tränkens und nochmaligen Brennens ein zweites Mal wiederholen.
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Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird diese Wasserbehandlung mit einer Alumi- natbehandlung kombiniert. Diese in einem noch unveröffentlichten Vorschlag beschriebene Aluminatbe- handlung besteht darin, dass der aus den isolierten Teilchen nach dem Verpressen erhaltene Kern mit ei- nem Alkalialuminat imprägniert und nachfolgend unter Glühen der Magnetteilchen und Aushärtung des Überzuges gebrannt wird.
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den nachfolgenden, im einzelnen be- schriebenen speziellen Ausführungsformen und Beispielen im Zusammenhang mit der angeschlossenen
Zeichnung hervor. Die Zeichnung zeigt graphisch die Wirkung einer Wasserbehandlung gemäss der Erfin- dung auf die Permeabilität und die Kernverluste bei 1800 Hz.
Vorbekannte Verfahren :
Obgleich verschiedenartige feinverteilte Magnetteilchen zur Durchführung der Erfindung verwendet werden können, ist es doch vorzuziehen, eine spröde Metallegierung aus der Nickel-und Eisenlegierun- gen umfassenden, unter der Bezeichnung "Permalloy" bekannten Gruppe zu verwenden. Von besonderem
Interesse ist eine molybdänhaltige"Permalloy"-Legierung, die im wesentlichen aus etwa 82% Nickel, 16% Eisen und 2% Molybdän besteht.
Gemäss einer Methode zur Behandlung und Zerkleinerung der Legierung werden die Metallkomponen- ten der Legierung miteinander verschmolzen und im geschmolzenen Zustande oxydiert, um die Legierung spröde zu machen. Bei dieser Behandlung zeigt die beim Erstarren erhaltene Legierung ein feinkristalli- nes Gefüge, was die Überführung in ein feines Pulver mittels üblicher Vermahlungs-und Pulverisierungs- methoden erleichtert.
Das erhaltene Magnetpulver wird durch ein Sieb von 0, 13 mm lichter Maschenweite gesiebt. Etwai- ge zu grosse Teilchen werden nochmals vermahlen. Die Hauptmenge der Teilchen fällt in einen Grössen- bereich von etwa 0, 07 bis 0, 05 mm. Das gesiebte Pulver wird hierauf einer Wärmebehandlung durch
Glühen bei einer Temperatur von 815 bis 8700C unterworfen, um beim Mahlvorgang im magnetischen
Material entstandene Spannungen zu beseitigen.
Die Teilchen werden dann mit einer Isolierung aus einem feuerfesten Metallsilikat, Magnesiumhy- droxyd und einem Alkalisilikat überzogen. Vorzugsweise stellt man den Überzug aus 1 Gew.-Teil Talk (hydratisiertes Magne : iumsilikat), 0, 3-0, 4 Gew.-Teilen Natriumsilikat und 0, 06-0, 08 Gew.-Teilen
Magnesiumhydroxyd her. Das optimale Verhältnis für das technische Verfahren liegt bei 1 Gew.-Teil
Talk, 0,35 Gew.-Teilsn Natriumsilikat und 0, 07 Gew. -Teilen Magnesiumhydroxyd. Das Natriumsilikat soll ein hohes Verhältnis von Silikat zu Soda, vorzugsweise etwa 1, 6-3, 0 Teile Silikat auf 1 Teil Soda, aufweisen.
Es könne sowohl andere feuerfeste Metallsilikate, wie Aluminiumsilikate, als auch andere
Alkalisilikate, wie K. liumsilikat, verwendet werden.
Die Überzugsmasse wird vorzugsweise in mindestens drei Verfahrensstufen mit Hilfe einer wässerigen
Suspension der Bestandteile aufgebracht, worauf nach jeder Stufe bei einer Temperatur von etwa 132 bis
1490C bis zur Trockne erhitzt wird.
Nachdem die Teilchen isoliert-wurden, werden sie unter einem Druck von etwa 10500bis14000kg/cm zu einem Kern von Gestalt, z. B. einem Ring, verpresst. Im Verlaufe dieser Druckanwendung werden die
Magnetteilchen abermals Spannungen ausgesetzt, wodurch die magnetischen Eigenschaften ungünstig beeinflusst werden. Die Kerne werden daher nochmals einer Wärn LehpndlLng durch Glühen unterworfen. indem man sie bei einer Temperatur von etwa 538 bis ze brennt. Vorzugsweise wird dieses Nachbrennen der Kerne in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 6500C vorgenommen. Während dieser Wärmebehandlung wird das Isoliermaterial vollständig ausgehärtet.
Gemäss der technischen Ausfiihrungsform des vorstehend beschriebenen Verfahrens werden Kernringe mit einer Isolierung der angegebenen Art erzeugt, wobei etwa 1, 25 Gew. -Teile Isoliermaterial auf je 100 Gew.-Teile Magnetpulver kommen. Derartige Kemringe zeigen eine durchschnittliche magnetische Permeabilität von 125 bei 1800 Hz, sowie einen durchschnittlichen Kernverlust von 0, 190 Einheiten (Ohm je Permeabilitätseinheit je Induktivitätseinheit) bei 1800 Hz. Die bei den derzeitigen Herstellungsmethoden erreichbaren Grenzen für solche Kemringe sind Permeabilitäten von mindestens 115 und Kernverluste von nicht mehr als 0, 240 Einheiten.
Wasserbehandlung :
Gemäss der Erfindung werden Kerne, die im allgemeinen nach vorbekannten, den weiter oben unter dieser Überschrift beschriebenen Verfahren oder nach andern, noch unveröffentlichten Methoden hergestellt wurden, in der Weise behandelt, dass man sie nach dem Brennvorgang mit Wasser tränkt und hierauf bei einer Temperatur von 538 bis 7050C abermals brennt. Durch diese zusätzlichen-Massnahmen wird die Permeabilität der Kerne ohne wesentliche nachteilige Wirkung auf den Kernverlust gesteigert. Vorzugsweise werden dip Kerne 30 - 60 Minuten lang in kochendes Wasser eingetaucht gehalten und hierauf
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in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 6500C nochmals gebrannt.
Obwohl die anfängliche Permeabilität (vor dem Eintauchen in Wasser) je nach den Verfahrensbedin- gungen, insbesondere den Eigenschaften des magnetischen Metalles und der verwendeten Menge der Iso- lierung, beträchtlich schwanken kann, so wird doch in allen Fällen durch das Eintauchen in Wasser und den abermaligen Brennvorgang die Permeabilität erhöht. Vorzugsweise beträgt die Menge der Isolierung etwa 0, 5-1, 5 Gew.-Teile, bezogen auf 100 Gew.-Teile des magnetischen Pulvers ; das Verfahren umfasst auch Gemische von schwächer und stärker isolierten Pulvern. Das verbesserte Verfahren hat sich über einen weiten Bereich von Verfahrensbedingungen für eine Steigerung der Permeabilität um etwa 18 - 24
Einheiten als wirksam erwiesen, wobei die durchschnittliche Erhöhung etwa 20 Einheiten beträgt.
Durch dieselbe Behandlung nimmt der Kernverlust in den meisten Fällen etwas ab oder bleibt etwa gleich. Im Durchschnitt zeigt der behandelte Kern einen Kernverlust von etwa 0, 01 Einheiten.
Die Massnahmen des Tränkens und nochmaligen Brennens können ein zweites Mal wiederholt werden, um die Permeabilität weiter zu steigern. In diesem Falle schwankt die Erhöhung der Permeabilität zwischen etwa 9 und 12 Einheiten, wobei die durchschnittliche Steigerung bei etwa 10 Einheiten liegt. Der Kernverlust steigt jedoch etwas, u. zw. von einem Wert gleich dem ursprünglichen auf einen um etwa 0, 02 Einheiten höheren Wert. Ein gegebenenfalls anschliessender weiterer Eintauch- und Brennvorgang bewirkt noch eine weitere Steigerung der Permeabilität um etwa 6 - 10 Einheiten, doch nimmt auch der Kernverlust weiter zu, so dass in vielen Fällen eine weitere Behandlung aus diesem Grunde nicht angezeigt ist.
Das Eintauchen in Wasser ohne nochmaligen Brennvorgang oder ein nochmaliger Brennvorgang ohne Tränken sind nicht imstande, irgendeine bedeutende Änderung der Permeabilität hervorzubringen. In glei eher Weise erzielt man auch durch Tränken mit Wasser nach dem Pressvorgang, aber vor dem ersten Brennen, keine wesentliche Steigerung der Permeabilität.
Nach dem erfindungsgemäss verbesserten Verfahren kann der nasse Kern unmittelbar bei einer Tem- peraturvon 6500C in den Brennofen eingebracht werden. Gewünschtenfalls kann der Kern jedoch auch zuerst getrocknet oder bei einer niedrigeren Temperatur behandelt werden. In jedem Falle ist die Erhöhung der Permeabilität im wesentlichen dieselbe. Vorzugsweise verwendet man beim Verfahren kochendes Wasser. Das Eintauchen in weniger heisses Wasser ist weniger wirksam, so dass man die Tränkdauer verlängern muss. Ganz allgemein gilt die Regel, dass die Steigerung der Permeabilität umso grösser ist, je heisser das Wasser und je länger die Eintauchdauer ist.
Die Zeichnung stellt graphisch an Hand eines typischen Beispieles die durchschnittliche Wirkung der Tränkdauer in kochendem Wasser auf die magnetischen Eigenschaften, Permeabilität und Kernverlust dar. Die Kurven H und G zeigen die Änderung der Permeabilität bzw. des Kemverlustes bei dem ersten Tauch-
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einer Stunde praktisch die gesamte potentielle Steigerung erzielt wurde. Die bevorzugte Dauer liegt zwischen 30 und 60 Minuten, wobei für die meisten Verwendungszwecke 45 Minuten einen guten, praktischen Durchschnitt darstellen. Die Kurve H zeigt einen Abfall der Kernverluste um 0, 01 Einheiten, als Ergebnis einer einstündigen Tauchbehandlung mit nachfolgendem nochmaligem Brennvorgang. Die Kurven J bzw.
K zeigen eine Steigerung der Permeabilität um 11 weitere Einheiten sowie einen Anstieg des Kernverlustes, der wieder auf etwa den ursprünglichen Wert zurückgeführt wurde, als Ergebnis eines zweiten einstündigen Tränkvorganges mit anschliessendem nochmaligem Brennvorgang. In ähnlicher Weise zeigen die Kurven L und M, dass die Permeabilität bei einem dritten einstündigen Eintauchvorgang um 7 weitere Einheiten erhöht wurde, während der Kernverlust um 0, 017 Einheiten zunahm.
Die Erfindung betrifft auch nach dem verbesserten Verfahren hergestellte Magnetkerne, also Magnetkerne mit verbesserten magnetischen Eigenschaften als neue Erzeugnisse. Da der Mechanismus, nach welchem die Wasserbehandlung und das nachfolgende Glühen die Eigenschaften der Kerne beeinflussen, nicht voll geklärt ist, lassen sich keine genauen Angaben machen, wodurch sich die verbesserten Kernringe hinsichtlich ihrer physikalischen oder chemischen Struktur von den bekannten Kernringen unterscheiden. Es ist jedoch klar, dass das erfindungsgemässe Verfahren zu einem neuen Erzeugnis führt, da zumindest eine wichtige physikalische Eigenschaft der Kerne, nämlich die magnetische Permeabilität, wesentlich geändert wurde.
Beispiel l : Gemäss einem speziellen Beispiel der Erfindung wurden mehrere nach dem weiter oben beschriebenen technischen Verfahren hergestellte Kernringe als Muster verwendet. Diese Kernringe, die mit 1, 25 Gew. -Teilen Isolierung, wie schon früher beschrieben, isoliert waren, wurden unter einem Druck von 11200 kg/cm2 zu Kernringen verpresst und in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Tempe-
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ratur von 6500C gebrannt. Die mittlere Permeabilität dieser Kernringe war 125, der mittlere Kernverlust 0, 190 Einheiten.
Diese gebrannten Kerne wurden 45 Minuten lang in kochendes Wasser eingetaucht und die getränkten Kerne ohne Zwischenbehandlung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 6500C gebrannt. Die mittlere Permeabilität der behandelten Kerne betrug 145, was einer Zunahme um 20 Einheiten oder 16% entsprach, während der mittlere Kernverlust 0, 176 Einheiten betrug, was einer Abnahme um 0, 014 Einheiten entsprach.
Die nochmals gebrannten Kerne wurden dann während eines weiteren Zeitraumes von 45 Minuten in kochendes Wasser eingetaucht und in einer wasserstoffhältigen Atmosphäre bei 6500C nachgebrannt. Die mittlere Permeabilität dieser Kerne betrug 155, was eine weitere Steigerung um 10 Einheiten und eine Gesamterhöhung um 24% des ursprünglichen Wertes darstellt. Während des Vorganges nahm der durchschnittliche Kernverlust wieder auf den ursprünglichen Wert von 0, 19 Einheiten zu.
Die Kerne wurden hierauf ein drittes Mal wasserbehandelt und nachgebrannt. Die mittlere Permeabilität stieg auf 163 Einheiten, was eine weitere Zunahme um 8 Einheiten bedeutet, doch stieg auch der Kernverlust auf 0, 25 Einheiten an, so dass das Produkt nicht mehr den derzeitigen Herstellungsnormen entsprach.
Beispiel 2 : Gemäss einem zweiten Beispiel für die Anwendung der Wasserbehandlung wurde eine Serie von 2000 Kernen, die bei der technischen Erzeugung als ausserhalb der Norm liegend ausgeschieden worden waren, nach dem erfindungsgemäss verbesserten Verfahren behandelt. Diese Kerne zeigten Perme-
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dernis von 115 Einheiten entsprachen. Ansonsten waren die Kerne tadellos geformt und wiesen annehm- bare Kernverlustwerte auf. Sämtliche Ausschusskerne wurden 1 Stunde lang in kochendem Wasser gehal- ten und in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre bei 6500C nochmals gebrannt. Die schliesslich erzielten
Permeabilitätswerte der behandelten Kerne stiegen auf 123 - 134 Einheiten an, während die Kernerluste noch immer annehmbar waren.
Es wurde somit die Permeabilität dieses gesamten Satzes an Ausschusskernen in einem einzigen Eintauch- und Nachbrennvorgang genügend erhöht, um den technischen Normen gerecht zu werden.
Beispiel 3 : Bei diesem Beispiel wurden Gemische von isolierten Pulvern verwendet. Die isolierten Teilchen wurden in zwei verschiedenen Ansätzen verarbeitet. Ansatz A enthielt 0, 8 Gew.-Teile Isolierung, Ansatz B dagegen die Standardmenge von 1, 25 Gew. -Teilen Isolierung. Im übrigen wurden diese Ansätze nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt.
Nun wurde eine Reihe von Kernen aus einem gleichmässigen Gemisch von 74% der schwächer isolierten Teilchen aus Ansatz A und 26% der Standardteilchen aus Ansatz B gepresst. Einige der Kerne wurden ohne weitere Behandlung gebrannt. Aus dem Pulvergemisch nach den gebräuchlichen Press- und Brenn- verfahren hergestellte Kerne hatten eine mittlere Permeabilität von etwa 165 und einen Kernverlust von 0, 28 Einheiten.
Die Vorteile der Verwendung eines Gemisches von schwächer und stärker isolierten Pulvern liegen darin, dass die erzielbare Permeabilität etwa dem Gewichtsdurchschnitt aus den beiden Bestandteilen folgt, während sich der Kernverlust mehr dem Wert des stärker isolierten Pulvers als dem Durchschnittswert näherte Vorzugsweise werden 70-80% Teilchen mit 0, 50-0, 90 Teilen Isolierung auf 100 Teile Metall mit 30 - 200/0 Teilchen mit 1, 2-l, 5 Teilen Isolierung vermischt.
Beispiel 4 : Gemäss einem weiteren Beispiel wurde ein Gemisch von isolierten Pulvern der in Beispiel 3 beschriebenen Art zur Erzielung einer hohen Permeabilität verwendet, wobei die Kernringe nach dem Pressen und vor dem Brennvorgang mit Natriumaluminat behandelt wurden, um die Kernverluste herabzusetzen. Die Natriumaluminatbehandlung ist in dem oben erwähnten, noch nicht veröffentlichten Vorschlag näher beschrieben.
Diese Kerne wurden aus den Pulvermischungen gepresst, jedoch nach dem Pressen und vor dem Bren- nen während einer Stunde mit einer 10%-igen Natriumaluminatlösung getränkt. Diese Kerne wurden hierauf gebrannt, wobei sich eine Permeabilität von 165 ergab (unverändert, s. Beispiel 3), während der Kernverlust auf 0, 176 Einheiten abgenommen hatte, was nun weit innerhalb der Toleranzgrenze lag.
Eine Anzahl von auf diese Weise hergestellten Kernringen wurden hierauf 45 Minuten lang in kochendem Wasser eingetaucht gehalten und dann in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre'bei 6500C nachgebrannt. Die Permeabilität nahm um 22 Einheiten auf 187 zu, während der Kernverlust unverändert blieb.
Eine zweite Tauchbehandlung in Wasser während 30 Minuten mit nachfolgendem Brennvorgang erhöhte die Permeabilität auf 198, während der Kernverlust geringfügig auf 0,205 Einheiten anstieg.
Die gegenständliche Wasserbehandlung kann auch in Verbindung mit einer in einem noch nicht ver-
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öffentlichten Vorschlag beschriebenen Ölbehandlung angewendet werden, die darin besteht, dass die iso- lierten Teilchen vor dem Verpressen zu einem Magnetkern mit Öl behandelt werden, wobei das Öl von dem Alkalisilikat der Isolierung absorbiert wird und mit diesem unter Bildung eines isolierenden Bestand- teiles reagiert. Vorteilhaft kann die Wasserbehandlung auch in Kombination mit der Aluminatbehandlung und der Ölbehandlung angewendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkernes, bei welchem feinverteilte Magnetteilchen mit einer ein Alkalisilikat enthaltenden Isolierung überzogen und die isolierten Teilchen zu einem Kern verpresst werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern gebrannt, der gebrannte Kern mit Wasser getränkt und dann nochmals gebrannt wird.