DE1071110B - Verfahren bei der Herstellung eines magnetostriktiven Schwimgekmentes - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren bei der Herstellung eines magiietostriktivcn Schwingelementes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Eiseti-Aluminium-Legierung, die 10,6 bis 15,5 '/e Aluminium enthalt, zu einer dünnen Platte oder zu einer anderen passenden Form von gewünschter Dicke verarbeitet wird, worauf das Werkstück bei hoher Temperatur geglüht und nachfolgend langsam von dieser Glühtemperatur ohne Abschrecken abgekühlt wird, um eine Ober-Ciitterstrukttir zu erzielen. i»

Die Legierung kann zusätzlich weniger al« etwa 1,00·/· eines oder mehrerer der Elemente Titan, Vanadium, Mangan, Magnesium, Chrom, Calcium, Silizium und Bor enthalten, um die Desoxydicrung und das Arbeiten bei hoher Temperatur zn vereinfachen, ij

Das Hauptziel der Erfindung ist, ein magnetostriktrres Sdtwingclcmcnt mit besseren magnetostriktiven Eigenschaften zu niedrigem Preis zu schaffen.

Bis )etzt bestehen die üblichen magnetostriktiven Schwiügetemente hauptsächlich aus Nickel oder aus *o einer Eisen, Kobalt, Chrom usw. enthaltenden Nickellegierung. Diese sind sehr kostspielig, da sie einen großen Anteil Nickel enthalten.

Es Ist bekannt, dafl eine 10 bis 17*/e Aluminium enthaltende Eisen-Alumtntum-Legicruitg vorteilhaft *s als Kern für elektrische Transformatoren usw. ver^ wendet werden kann. Dabei muß die Legiereng bei einer hoben Temperatur geglüht und anschließend von einem Temperaturbereich von etwa 400 bis ÄJO° C durch Tauchen in Wasser gekühlt werden, wodurch dnc hohe Permeabilität erzeugt wird. Das wesentliche Merkmal liegt dabei in dem Abschrecken des Materials aus dem Temperaturbereich von 400 bis 800° C, also von einer Temperatur, die über dem Umformungspunkt der Über-Gittcrsiruktur liegt, um nicht die uberstrukhir in ihrer ganxen Gröfle, die zu erreichen möglich ist, auszubilden. Wenn jedoch die Legierung nach dem Glühen langsam abgekühlt wird, ist ihre Permeabilität sehr klein, so daß eine derartige Legierung im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht geeignet ist.

Durch weitere Forschungen ergab sich, daß eine Eisen-AluniJnium-Lcgkrung, die 10,6 Ws 15,5·/· Aluminium enthält, ausgezeichnete roagnetostriktive Eigenschaften aufweist. Dies ist der Fall, wenn sie nach dem Glühen bei einer hoben über 600° C liegenden Temperatur langsam ohne besonderes Tauchen abgekühlt wird, wodurch man eincÜbcr-Gitterstruktur erreicht.

Bisher war es demgegenüber lediglich bekannt, dafl 5» durch das Zulcgkren von 10 Ve Aluminium zu Eisen eine Vergrößerung der Magnetostriktion erreicht wird. Man war auch der Ansicht, daß das Auswalzen von Fe-Al-Legierungen nur bis zu Aluminiutngehalten bis Verfahren bei der Herstellung
eines magnetostriktiven Sdiwingelementes

Anmelder:
The Research Institute for Iron«

Steel and other Metals

of the Tohoku University,

SendaiCity (Japan)

Vertreten Dr.-Ing. B. Hoffmann, Patentanwalt,
MCmdbftn 22, Widenmoyereti. 34

Bcaosprodu« Priorität: Japan vom β. MAn 1841

Dr. P. H, KoUsro Honda, Dr. P. H. Hakoru Masuxaoto,

Df. P. H. Yuki Shliakawa

und Tekero Kobayeshi, Sendet City (Japan),

sind als Erfinder genannt worden

zu 10 V« unter gewissen Vorsichtsmaßnahmen möglich ist. Man glaubte, Legierungen mit einem über 10 Ve liegenden Al-Gehalt wurden sich wegen ihrer großen Härte und Sprodigkcit nicht mehr bearbeiten lassen, und aus diesem Grund« würde eine Verwendung binärer Fe-Al-Legierungen für Zwecke der Elektrotechnik nicht in Frage kommen.
Zur Veranschaulichung der Erfindung dient die

Zeichnung.

Fig. 1 te igt ein Element, aus dem der raagnetostriktivc Körper zusammengesetzt wird;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des magneto-Slxiktirto Körpers.

Bei der Erfindung wird eine Eiscn-AluniintunvLcgierung, die 10,6 bis 15.5*/« Aluminium enthält, bei hohen, unter 800° C liegenden Temperaturen geschmiedet oder warm gewalzt, um eine dünne Platte gewünschter Dicke zu erhalten. Diese Platte wird auf die gewünschte Form, wie z. B. in Fig. 1 gezeigt, gestanzt und bei einer Temperatur über 600° C geglüht, um mechanische Spannungen zu beseitigen. Anschließend wird das Werkstück zur Bildung der gewünschten Struktur langsam von der Glühtemperatur abgekühlt. Dk so behandelten Platten werden gegeneinander elektrisch isoliert und in Lagen, wie aas Fig. 2 ersichtlich, angeordnet. Man erhält dca magnetostriktiven Körper2, indem man Windungen? in der dargestellten Weise durch den Körper führt, so daß die magnctostriktive Schwingung durch Erregung der

•ti mm*

Windungen 3 erzeugt wird. Der magnetostriktive Körper nach dieser Erfindung hat ausgezeichnete Schwingeigenschaften und den Vorteil, zu einem niedrigeren Preis hergestellt zu werden, wenn man ihn mit dem aus Nickel oder einer Nickellegierung vergleicht.

Die Schwingeigenschaften des magnetostriktiven Körpers nach der Erfindung, die z. B. für elektroakustische Umformer wie Unterwasser-Ultraschall-Signalgeber, Unterwasser-Ultraschall-Tiefenanzeigegeräte usw. verwendet werden, sollen im folgenden erläutert werden:

Der energetische Wirkungsgrad eines elektroakustischen Umformers ist höher, wenn die magneto-

K Γ²

striktive Kraft —— des magnetostriktiven Schwingelementes größer ist. Dabei stellt K die im Wechselstromfeld komplexe magnetische Suszeptibilität, Γ die Magnetostriktiv!tat und E die Youngsche Konstante dar. Mit Magnetostriktivität ist das Verhältnis der Zunahme der Magnetostriktion zur Zunahme der magnetischen Induktion oder, mit anderen Worten, die Ableitung der Magnetostriktion nach der durch die magnetische Feldstärke verursachten magnetischen Induktion bezeichnet.

Die magnetostriktive Kraft eines als Ausführungsbeispiel der Erfindung dienenden magnetostriktiven Körpers ist in einer Tabelle angegeben.

K J¹²
Die magnetostriktive Kraft —— wurde mittels der

Brückenmethode mit einem ringförmigen Versuchsstück von 0,04 mm Dicke, 60 mm äußeren und 46 mm innerem Durchmesser in einem schräg gerichteten direkten Magnetfeld von 10 Oersted gemessen.
Der energetische Wirkungsgrad η ist der magneto-

K .Γ²
striktiven Kraft —=— direkt proportional und ergibt

sich beispielsweise für einen magnetostriktiven Unterwasserschallgeber zu

ΚΓ*

-OC₀

π Qc ΚΓ² '

η =

Der Wirkungsgrad für die Umformung in elektroakustische Energien η wird durch diese Gleichung bestimmt, wobei ρ und ρ₀ die Dichten des Materials bzw. des Wassers bedeuten und C und C₀ die Schallgeschwindigkeit im Material bzw. Wasser darstellen.

Die folgende Tabelle möge die Abhängigkeit des energetischen Wirkungsgrades von der Legierungszusammensetzung veranschaulichen.

Zusammensetzung	Fe (°/o)	Wärme	ΚΓ*	V
Al (»/ο)	Rest	behandlung	E	52,0
10,1	Rest	(A)	0Ό10	90,3
10,8	Rest	(A)	0,029	98,9
11,7		(A)	0,049	39,6
	Rest	CB)	0,007	99,6
12,4		(A)	0,053	54,9
	Rest	(B)	0,011	99,8
13,1		(A)	0,055	58,1
	Rest	(B)	0,012	99,4
13,7		(A)	0,052	54,3
	Rest	(B)	0,010	90,6
14,8	(A)	0,030

(A) bedeutet ein Glühen von einer Stunde bei 1000° C und ein nachfolgendes langsames Abkühlen bei einem Abfall von 300° C pro Stunde.

(B) bedeutet ein Glühen von einer Stunde bei 1000° C mit langsamer Abkühlung auf 700° C und nachfolgendem Tauchen in Wasser.

Wie aus obigen Ergebnissen ersichtlich, kann eine beachtlich große magnetostriktive Kraft durch langsames Abkühlen ohne Tauchen nach dem Glühen bei ίο hohen Temperaturen bei einer Fe-Al-Legierung erzeugt werden, die etwa 10,6 bis 15,5% Aluminium enthält. Darüber hinaus erreicht man den größten Wert für eine Legierung, die Aluminium innerhalb eines Bereiches von 11,7 bis 13,7 % enthält. Verwendet K Γ²

man für eine 13,1% Aluminium enthaltende Legierung, so ergibt sich, wie aus obenstehender Tabelle ersichtlich, ein Wert von 0,055. Dabei wird diese Legierung langsam nach dem Glühen abgekühlt.

ao Der energetische Wirkungsgrad η der elektroakustischen Umwandlung beträgt für einen schmalen Weg in Seewasser theoretisch 99%. Dieser Wert ist wesentlich besser als der bei Nickel ermittelte Wert von 90%. Nickel wurde aber bisher als bestes Material angesehen.

Weiter ist aus der Tabelle ersichtlich, daß die magnetostriktive Kraft beim Abschrecken dieser Legierung von einer Temperatur über 700° C, die der Temperatur des Umformungspunktes der Struktur entspricht, z. B. durch Tauchen in Wasser, sehr klein wird, so daß diese Behandlung niemals zu dem Ziel der Erfindung führen kann.

Der Grund für die Gewinnung eines so ausgezeichneten magnetostriktiven Körpers nach der Erfindung Hegt in dem Auffinden des günstigsten Legierungsverhältnisses zwischen Eisen und Aluminium in Verbindung mit der besten Wärmebehandlung, insbesondere im langsamen Abkühlen der Legierung nach dem Erwärmen bis zur Glühtemperatur, wodurch Über-Gitterstruktur hinreichend entwickelt werden kann.

Die magnetostriktive Schwingplatte, die nach der Erfindung hergestellt wird, hat eine gewisse kristalline Anisotropie und auch eine bestimmte Richtcharakteristik ihrer Schwingungen. Um diese Eigenschaften besser hervorzuheben, muß die Legierung bei hoher Temperatur zu einer Platte bestimmter Dicke geschmiedet oder gewalzt werden und dann nach Erreichen der Glühtemperatur nochmals bei einer verhältnismäßig niederen Temperatur, wie beispielsweise unter 800° C gewalzt werden, um der Platte eine bestimmte kristalline Richtung zu geben. Ein nochmaliges Glühen bei einer über 600° C gelegenen Temperatur mit anschließendem langsamen Abkühlen bewirkt die gewünschte Gitterstruktur und entfernt im wesentlichen mechanische Spannungen, während die kristalline Anisotropie erhalten bleibt. Eine so hergestellte dünne Platte besitzt sowohl kristalline Anisotropie als auch eine Richtcharakteristik der Schwingung und gewährleistet besseres Schwingvermögen in einer bestimmten Richtung. Daher können ausgesprochen gute Ergebnisse durch die Konstruktion eines magnetostriktiven Körpers für diese bestimmte Schwingrichtung erzielt werden.

Die Legierung nach der Erfindung kann bei hoher Temperatur in eine gewünschte Form, z. B. einen Barren oder eine Stange geschmiedet oder gewalzt werden und nach einem Glühen bei einer oberhalb 600° C gelegenen Temperatur langsam abgekühlt werden, um einen magnetostriktiven Körper zu erhalten.

Die nach der Erfindung zusammengesetzte und behandelte Legierung gewährleistet außerdem beachtlich große statische Magnetostriktivität, d. h. eine große Magnetostriktion in einem durch Gleichstrom induzierten Magnetfeld, so daß sie für einen Gegenstand, der die statische magnetostriktive Eigenschaft unmittelbar ausnutzt, gut geeignet ist. Hierzu gehört beispielsweise ein magnetostriktives Bimetall und ähnliches Material.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren bei der Herstellung eines magnetostriktiven Schwingelementes, dadurch gekennzeichnet, daß eine 10,6 bis 15,5 % Aluminium enthaltende Eis^^Ahiminmm-Legierung bei genügend hoher, unter 800° C liegender Temperatur zu einer Platte von vorzugsweise weniger als 1 mm Dicke

geschmiedet oder gewalzt oder zu einer anderen Form verarbeitet und aus ihr die gewünschte Form des Elementes durch Ausstanzen herbeigeführt wird und nach einem Ausglühen bei hoher, über 600° C liegender Temperatur so langsam von dieser Glühtemperatur abgekühlt wird, daß sich eine Gitter-Überstruktur ausbildet.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf die dort genannten Eisen-Aluminium-Legierungen, die zusätzlich noch mindestens eines der ElementeJTitan, Vanadium, Mangan, Magnesium^ Chrom, Calcjum, Süizjum, Bor enthalten, mit der Maßgabe, daß der Anteil eines jeden dieser Elemente kleiner als 1 % ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
W. S. Messkin und A. Kussmann, »Die ferromagnetischen Legierungen«, 1932, S. 165.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

9M €89/398 12.59