Verfahren zur Herstellung eines Naterials für magnetische Kerne. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur Herstellung eines Materials für magnetische Kerne, insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich für die magnetischen Kerne von Belastungsspulen für Fernmelde stromkreise und ähnliche Vorrichtungen, und auf ein nach diesem Verfahren hergestelltes Material.
Bei der Fabrikation magnetischer Kerne < ius mit einer isolierenden Substanz ver mischten, fein unterteilten magnetischen Partikelchen war es schon bisher üblich, den zusammengepressten Kern Einer Wärmebe handlung zu unterwerfen, um auf diese Weise gleichmässige. möglichst hohe und über einen möglichst grossen Induktions bereich konstante Werte der Permeabilität zu erzielen.
Diese Wärmebehandlung wurde gewöhn lich bei der verhältnismässig niedrigen Tem peratur von ungefähr 93 bis 110 C durchgeführt und erstreckte Sieh über die verhältnismässig lange Zeitdauer von etwa 12 Stünden. Wird für die Kerne ein mag netisches Material mit hoher Permeabilität, beispielsweise eine Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Anfangspermeabilität verwendet, so erhält man einen Kern, dessen elektrische und magnetische Eigenschaften bedeutend weniger befriedigen, als man aus den Eigen schaften des Ausgangsmaterials schliessen könnte.
Diese nachteilige Wirkung, welche :ich zum Beispiel in einer Herabsetzung der Permeabilität und einer Erhöhung des Hvsteresisverlustes äusserte, muss dem Press- vorgang, bei unzureichender Wirkung der darauf folgenden Wärmebehandlung zuge schrieben werden.
Gemäss dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Materials für magnetische Kerne wird ebenfalls eine gepulverte Nickel- Eisen-Legierung mit isolierendem Material (yemischt; letzteres ist ,jedoch derart be schaffen, dass dessen isolierende Eigen schaften bei Temperaturen zwischen 450 und 800 C nicht zerstört werden, und die zusammengepresste Mischung wird einer Wärmebehandlung mit einer zwischen den genannten Grenzen liegenden Temperatur nntenvorfen. gerne, die aus dem gemäss vorliegender Erfindung hergestellten Material bestehen,
können zugleich sehr niedrige Wirbelstrom- verluste, eine verhältnismässig hohe Permea- bilität und eine beträchtliche Stabilität auf weisen, welche Eigenschaften besonders bei Kernen für Belastungsspulen und ähnliche Vorrichtungen erwünscht sind. Wird ein sol cher Kern während oder nach dem Press- vorgang einer Wärmebehandlung mit hoher Temperatur unterworfen, so kann der Ver lust der magnetischen Eigenschaften wäh rend des Pressvorganges verhütet oder wieder zurückgewonnen werden.
Ein gemäss dem Verfahren hergestellte, in erster Linie in Betracht kommendes Ma terial ist dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Isolationsmaterial Kaolin und ein Flussmittel enthält.
In den nachstehend beschriebenen Aus führungsbeispielen des Verfahrens kommt ein solches Isoliermaterial zur Anwendung, doch soll dadurch nicht gesagt sein, dass nicht auch andere hitzebeständige, isolierende Stoffe mit Erfolg benützt werden könnten.
Nachstehend wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung anhand einiger Aus führungsbeispiele beschrieben.
In einer Ausführungsform werden die metallischen Partikelchen mit einer Mi schung aus einem Flussmittel, beispielsweise Borsäure, und Kaolin in kolloidaler Suspen sion behandelt, wobei die einzelnen Legie- rungspartikelchen isoliert werden, worauf sie durch Pressen zu Kernen von gewünschter Gestalt und Grösse geformt weiden.
Hierauf werden die gerne mit einer Zinkhydroxyd- lösung imprägniert und zum Austreiben der Feuchtigkeit erwärmt und schliesslich auf die für die bestimmte Legierung die besten Ergebnisse bewirkende Temperatur erwärmt, um den Isolator zu festigen und in den, meist ringförmigen, Kernen die verlangte Permea- bilität, niedrige Hysteresisverluste und hohen spezifischen Widerstand und damit niedrige Wirbelstromverluste zu erhalten.
Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird das magnetische Material auf folgende Weise vorbereitet: Das anzu wendende magnetische Material wird vor zugsweise aus einer gewöhnlich unter dem Namen "Permalloy" bekannten Nickel-Eisen- Legierung zubereitet, wobei diese Legierung in geeigneter Weise gepulvert wird.
Die Erfahrung zeigte, dass in denjenigen Fällen, in welchen niedrige Wirbelstromverluste ge wünscht werden, die Partikelchen sehr klein und von solcher Grösse sein müssen, dass sämtliche leicht durch ein sogenanntes "120- maschiges Sieb" und ein grosser Prozentsatz durch ein "200-maschiges Sieb" hindurch gehen. Für eines der Ausführungsbeispiele der Erfindung wird die Legierung derart zubereitet, dass ungefähr 78i% Teile. Nickel und 211/2 Teile Eisen in einer oxydierenden Atmosphäre miteinander geschmolzen wer den, worauf die so gewonnene Legierung in eine Form gegossen wird.
Die durch dieses Verfahren zubereitete Legierung ist ausser ordentlich brüchig und kann deshalb leicht zu kleinen Partikelchen, bezw. Pulver redu ziert werden, aus welchem dann die Kerne geformt werden.
Das Zerkleinern der Legierung kann dabei in irgend einer geeigneten Weise durchgeführt werden. Bevor das isolierende Material hinzugefügt wird, werden die fein unterteilten Panikelchen der Nickel-Eisen- Legierung in einem abgeschlossenen Behälter bei einer Temperatur von ungefähr<B>750'</B> C bis<B>980'</B> C ausgeglüht, wobei eine Tempe ratur von 925 C besonders gute Ergebnisse zeitigte. Hierauf muss die ausgeglühte Le gierung, deren Teilchen beim Ausglühen zusammenbacken, neuerdings zerkleinert wer den. Hierauf wird sie mit dem Isolator ge mischt.
Gemäss einer besonderen Ausführungs- form der Erfindung wird der Isolator für die Pulverpartikelchen durch Mischen der Bestandteile auf folgende Art hergestellt: Ein Teil Kaolin wird in drei Gewichtsteilen Wasser durch Erwärmen auf ungefähr 95 C vollständig aufgelöst und durchgeschüttelt, bis es eine dünne, gleichmässige kolloidale Masse bildet. Hierauf wird dieser Masse ein Flussmittel, beispielsweise Borsäure, in einer Menge, welche gleich vier Gewichts prozenten des Kaolins ist, beigegeben, um- die Schmelztemperatur zu erniedrigen und die Adhäsionsfähigkeit des Kaolins zu ver grössern.
Die Borsäure wird vorzugsweise im heissen destillierten Wasser, vor dem Bei fügen des Kaolins gelöst. Hierauf wird das gepulverte Permalloy zu dieser Mischung hinzugefügt. Die Pulvermenge richtet sich nach der gewünschten Permeabilität und dem bestimmten Verwendungszweck des fer tigen Kernes. Das Pulver wird mit der Kaolinlösung durch starkes Schütteln von Hand oder durch Wälzen in einer rotieren den Trommel gemischt, wobei die Tempe ratur dieser Mischung ungefähr 100 C sein soll, solange, bis alles mechanisch zurück gehaltene Wasser ausgetrieben ist.
Die ge trockneten isolierten Pulverpartikelchen wer den hierauf in eine für das Pressen der Kerne geeignete Form gebracht und mit einem Druck von ungefähr 14000 Kilogramm pro cm' geformt. Der hohe Druck beim Formen der Ringe wird deshalb angewendet, da es sich herausgestellt hat, dass, wenn die Dichte des Kernes, bezw. des Ringes erhöht wird, seine Permeabilität ebenfalls zunimmt.
Die gepressten Kerne, welche wie bereits erwähnt worden ist, die Form von Ringen besitzen mögen, werden hierauf in einer Lö sung von Zinkhydroxyd, welche einen Über schuss an Ammoniak besitzt, je nach der Grösse des Kernes während der Dauer von zwei bis sechs Minuten imprägniert, um dieser Lösung zu gestatten, sich ebenfalls um die einzelnen Pulverpartikelchen zu verteilen.
Das dabei hinzugefügte Zinkhydrogyd zer fällt bei der hohen Temperatur des nach folgenden Ausglühprozesses und bildet auf den Partikelchen eine Oxydschicht. Die Ringe werden hierauf bei 100 C während mehreren Stunden im Ofen getrocknet, um das hygroskopisch zurückgehaltene Wasser und Ammoniak zu entfernen, worauf sie in einen Ofen gestellt und während mehreren Stunden bei ungefähr<B>260'</B> C erwärmt wer den, um den Gehalt an chemisch gebun- denem Wasser zu reduzieren.
Nachdem die Ringe getrocknet sind, werden sie vorzugs weise in geschlossenen Töpfen auf die in diesem Falle geeignete Ausglühtemperatur von ungefähr 675 C (bezw. auf eine zwi schen 450 und<B>800'</B> C liegende) Temperatur erhitzt, um das Kaolin teilweise zu schmel zen und den Ringen die grösstmögliche Per meabilität zusammen mit niedrigen Kern verlusten zu geben. Man kann dabei zu nächst eine kleine Anzahl R.rüfringe aus dem nach obigem Verfahren isolierten Pulver her stellen und ihre Permeabilität messen.
Sollte diese zu niedrig sein, so kann sie dadurch erhöht werden, dass vor dem Pressen der zur Verwendung gelangenden Ringe, zu dem nach dem Verfahren isolierten Perma.Jloy- pulver, eine geeignete Menge von nicht oder nur wenig isoliertem Pulver hinzugefügt wird.
Die Wärmebehandlung kann so durch geführt werden, dass entweder das geformte Material gerade vor dem Zusammenpressen auf die gewünschte Temperatur gebracht wird und heiss gepresst wird. worauf dann die heissen Kerne in geeignete Ofen oder Kühlkammern gebracht werden, in welchen sie innerhalb der richtigen Zeit auf Zimmer temperatur abgekühlt werden, oder indem die fertigen Kerne zu irgend einer Zeit nach Durchführung des mechanischen Prozesses einer geeigneten Wärmebehandlung unter worfen werden.
Durch Anwendung verschiedener Wärme behandlungen nach dem Zusammenpressen können die magnetischen und elektrischen Eigenschaften verbessert werden und ferner können die Permeabilität und die Hysteresis- verluste verbessert und kontrolliert werden.
Die magnetischen Partikelchen werden vor dem Pressen isoliert, um dadurch den elektrischen Widerstand der Kerne erheb lich zu vergrössern und die Wirbelstromver- luste zu -vermindern, wenn der Kern einem wechselnden magnetischen Feld unterworfen wird. Der beim Pressen zum Verdichten des Materials angewendete Druck genügt, um seine. Dichte derjenigen des Metalles,_ aus welchem die Partikelchen bestehen, zu nä hern, und leere Räume zwischen den Par- tikelchen zu beseitigen, so dass der gepresste Kern praktisch eine feste gleichartige Masse bildet.
Es hat sich herausgestellt, dass der Pressprozess die Isolation verletzen oder ab reiben kann, -wodurch der elektrische Wider stand der geformten Masse verkleinert wird. Dies kann dadurch vermieden werden, dass man vor dem Pressprozess die isolierten Mag netpartikelchen durch Beifügen einer kleinen Menge eines Schmiermittels, beispielsweise Paraffinöl, mit dem Schmiermittel umgibt. Bei richtiger Anwendung eines dazu geeig neten Schmiermittels lässt sich die Festig keit des Kernes bei gleichzeitig höherem elektrischen Widerstand aufrechterhalten.
Zur Bildung eines Kernes werden eine An zahl der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Ringe gleichachsig aufgestapelt und darauf die torroidförmigen Wicklungen angebracht. Die Zahl der Ringe ist dabei von den gegebenen elektrischen Eigenschaf ten des Fdinmeldestromkreises, in den die Belastungsspulen eingeschaltet werden, ab h ängig.
Es ist klar, dass, obschon in der obigen Beschreibung für die Mittel, womit die Permalloypartikelchen isoliert werden, be stimmte Bestandteile und bestimmte Pro portionen dieser Bestandteile genannt wur den, andere Proportionen oder Bestand teile dafür gewählt werden können. Ebenso ist die Anwendung des genannten Fluss- inittels nicht unerlässlich, sondern es können zwecks Herabsetzung der Schmelztemperatur des Kaolins andere Fluss'mittel, wie zum Beispiel Borax, gewöhnliches Salz oder Mag nesiumsulfat an Stelle der Borsäure ange wendet werden.
Durch Anwendung derartiger Kerne bezw. Ringe können Induktanzeinheiten ge bildet werden, deren Kernpermeabilität hö her und deren Hysteresis- und Wirbelstrom verluste gleich oder kleiner sind, als bei Kernen, die nach irgend einem der bekann ten Verfahren hergestellt wurden; mit sol chen Kernen gebildete Tnduhtionseinheiten erfordern auch, dementsprechend, ein gerin geres Volumen für den Kern und die Wick lung.
Method of manufacturing a material for magnetic cores. The invention relates to a process for producing a material for magnetic cores, in particular, but not exclusively for the magnetic cores of load coils for telecommunication circuits and similar devices, and to a material produced by this method.
In the manufacture of magnetic cores mixed with an insulating substance, finely divided magnetic particles, it was already customary to subject the compressed core to a heat treatment in order to achieve uniformity. to achieve the highest possible permeability values that are constant over the largest possible induction range.
This heat treatment was usually carried out at the relatively low temperature of about 93 to 110 C and extended over the relatively long period of about 12 hours. If a magnetic material with high permeability, for example a nickel-iron alloy with high initial permeability, is used for the cores, a core is obtained whose electrical and magnetic properties are significantly less satisfactory than could be inferred from the properties of the starting material.
This disadvantageous effect, which I expressed, for example, in a reduction in permeability and an increase in the loss of steresis, must be attributed to the pressing process, if the effect is insufficient, the subsequent heat treatment.
According to the present method for producing a material for magnetic cores, a powdered nickel-iron alloy is also mixed with insulating material (the latter is, however, created in such a way that its insulating properties are not destroyed at temperatures between 450 and 800 C) and the compressed mixture is subjected to a heat treatment with a temperature lying between the stated limits, which consist of the material produced according to the present invention,
can at the same time have very low eddy current losses, a relatively high permeability and a considerable stability, which properties are particularly desirable in cores for load coils and similar devices. If such a core is subjected to a heat treatment at a high temperature during or after the pressing process, the loss of magnetic properties during the pressing process can be prevented or recovered.
A primarily suitable material produced according to the method is characterized in that said insulation material contains kaolin and a flux.
In the exemplary embodiments of the method described below, such an insulating material is used, but this is not intended to mean that other heat-resistant, insulating materials cannot also be successfully used.
The method of the present invention is described below with reference to some exemplary embodiments.
In one embodiment, the metallic particles are treated with a mixture of a flux, for example boric acid, and kaolin in colloidal suspension, the individual alloy particles being isolated, whereupon they are pressed into cores of the desired shape and size.
Then they are impregnated with a zinc hydroxide solution and heated to drive out the moisture and finally heated to the temperature that brings about the best results for the particular alloy in order to strengthen the insulator and in the mostly ring-shaped cores the required permeability, low hysteresis losses and high specific resistance and thus low eddy current losses.
When carrying out the present method, the magnetic material is prepared in the following way: The magnetic material to be used is preferably prepared from a nickel-iron alloy commonly known under the name "Permalloy", this alloy being powder-coated in a suitable manner.
Experience has shown that in those cases in which low eddy current losses are desired, the particles must be very small and of such a size that all of them can easily pass through a so-called "120-mesh sieve" and a large percentage through a "200-mesh sieve Sieve "go through it. For one of the embodiments of the invention, the alloy is prepared such that approximately 78% parts. Nickel and 211/2 parts iron melted together in an oxidizing atmosphere, whereupon the alloy obtained in this way is poured into a mold.
The alloy prepared by this process is extremely brittle and can therefore easily become small particles, respectively. Powder are reduced from which the cores are then formed.
The alloy can be comminuted in any suitable manner. Before the insulating material is added, the finely divided particles of the nickel-iron alloy are annealed in a closed container at a temperature of approximately <B> 750 '</B> C to <B> 980' </B> C, a temperature of 925 C produced particularly good results. Then the annealed alloy, the particles of which stick together when annealed, has to be comminuted recently. It is then mixed with the isolator.
According to a particular embodiment of the invention, the insulator for the powder particles is produced by mixing the ingredients in the following way: One part of kaolin is completely dissolved in three parts by weight of water by heating to about 95 ° C. and shaken until it is a thin, uniform colloidal mass forms. A flux, for example boric acid, is then added to this mass in an amount equal to four percent by weight of the kaolin in order to lower the melting temperature and increase the adhesiveness of the kaolin.
The boric acid is preferably dissolved in hot distilled water before adding the kaolin. The powdered permalloy is then added to this mixture. The amount of powder depends on the desired permeability and the specific use of the fer term core. The powder is mixed with the kaolin solution by vigorous shaking by hand or by rolling in a rotating drum, the temperature of this mixture should be around 100 C until all mechanically retained water is driven out.
The dried isolated powder particles are then brought into a shape suitable for pressing the cores and shaped at a pressure of approximately 14,000 kilograms per cm '. The high pressure when forming the rings is used because it has been found that when the density of the core, respectively. of the ring is increased, its permeability also increases.
The pressed cores, which, as has already been mentioned, may have the shape of rings, are then impregnated in a solution of zinc hydroxide, which has an excess of ammonia, for a period of two to six minutes, depending on the size of the core to allow this solution to also spread around the individual powder particles.
The added zinc hydrocarbon falls at the high temperature of the subsequent annealing process and forms an oxide layer on the particles. The rings are then dried in the oven at 100 C for several hours in order to remove the hygroscopically retained water and ammonia, after which they are placed in an oven and heated for several hours at approximately 260 ° C, to reduce the content of chemically bound water.
After the rings have dried, they are preferably heated in closed pots to the annealing temperature of approximately 675 C (or to a temperature between 450 and 800 ° C) that is suitable in this case Partially melting kaolin and giving the rings the greatest possible permeability together with low core losses. You can first make a small number of back rings from the powder isolated according to the above procedure and measure their permeability.
If this is too low, it can be increased by adding a suitable amount of non-isolated or only slightly isolated powder to the Perma.Jloy powder isolated by the process, before the rings to be used are pressed.
The heat treatment can be carried out in such a way that either the shaped material is brought to the desired temperature just before it is pressed and is hot-pressed. whereupon the hot cores are placed in suitable ovens or cooling chambers, in which they are cooled to room temperature within the correct time, or by subjecting the finished cores to a suitable heat treatment at any time after the mechanical process has been carried out.
By applying various heat treatments after the compression, the magnetic and electrical properties can be improved and, furthermore, the permeability and the hysteresis losses can be improved and controlled.
The magnetic particles are isolated before pressing in order to increase the electrical resistance of the cores considerably and to reduce eddy current losses when the core is subjected to an alternating magnetic field. The pressure applied during pressing to compact the material is sufficient to lift its. To approximate the density of that of the metal of which the particles are made, and to remove empty spaces between the particles, so that the pressed core forms practically a solid, homogeneous mass.
It has been found that the pressing process can damage or rub off the insulation, reducing the electrical resistance of the molded mass. This can be avoided by surrounding the isolated magnetic particles by adding a small amount of a lubricant, for example paraffin oil, with the lubricant before the pressing process. If a suitable lubricant is used correctly, the strength of the core can be maintained with a higher electrical resistance at the same time.
To form a core, a number of the rings produced by the process described are stacked equiaxially and the toroidal windings are attached to it. The number of rings depends on the given electrical properties of the Fdinmeldestromkreises in which the load coils are switched on.
It is clear that, although in the above description for the means by which the permalloy particles are isolated, certain components and certain proportions of these components were mentioned, other proportions or components can be chosen for them. The use of the mentioned flux is also not essential, but other fluxes, such as borax, common salt or magnesium sulfate, can be used instead of boric acid in order to lower the melting temperature of the kaolin.
By using such cores respectively. Rings can be made inductance units, the core permeability of which is higher and whose hysteresis and eddy current losses are equal to or smaller than in cores made by any of the well-known processes; With such cores formed torque units also require, accordingly, a less volume for the core and the winding.