DE1139983B - Use of a binary nickel-cobalt alloy for the production of magnetostrictive elements - Google Patents
Use of a binary nickel-cobalt alloy for the production of magnetostrictive elementsInfo
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Description
Verwendung einer binären Nickel-Kobalt-Legierung zur Herstellung magnetostriktiver Elemente Magnetostriktive Elemente dienen zur Umwandlung elektrischer in mechanische Schwingungen und werden für diesen Zweck beispielsweise in Echolot-und Ultraschallbohrgeräten verwendet. Maßgebend für die Wirksamkeit eines magnetostriktiven Elements ist das Quadrat des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. K, der damit wiederum ein Maß für die Wirksamkeit des bei der Umwandlung magnetischer in mechanische Energie verwendeten magnetischen Werkstoffs ist. Der genannte Koeffizient wird definiert durch Er kann durch Versuche ermittelt werden. Ursprünglich wurde als Werkstoff für magnetostriktive Elemente reines Nickel verwendet. Doch ist auch die Verwendung von Nickelstahl, von Legierungen aus Nickel und Kupfer, Nickel und Kobalt, Chrom-Nickel, Chrom-Stahl und anderen Metallen vorgeschlagen worden. Beispielsweise haben Untersuchungen, die bei Feldstärken von 60 bis 1100 Örsted durchgeführt wurden, ergeben, daß die Magnetostriktion bei Kobalt-Nickel-Legierungen mit hohem Kobaltgehalt, also mehr als 50 % Kobalt, besonders ausgeprägt ist.Use of a binary nickel-cobalt alloy for the production of magnetostrictive elements Magnetostrictive elements are used to convert electrical into mechanical vibrations and are used for this purpose, for example, in echo sounders and ultrasonic drilling devices. The square of the electromechanical coupling coefficient is decisive for the effectiveness of a magnetostrictive element. K, which in turn is a measure of the effectiveness of the magnetic material used in converting magnetic into mechanical energy. The said coefficient is defined by It can be determined through experiments. Originally, pure nickel was used as the material for magnetostrictive elements. However, the use of nickel steel, alloys of nickel and copper, nickel and cobalt, chromium-nickel, chromium steel and other metals has also been suggested. For example, studies carried out at field strengths of 60 to 1100 Örsted have shown that magnetostriction is particularly pronounced in cobalt-nickel alloys with a high cobalt content, i.e. more than 50% cobalt.
Die Erfindung bezieht sich auf den Fall, daß ein magnetostriktives Element bei verhältnismäßig niedrigen Feldstärken, also solchen unterhalb von 30 Örsted; zu arbeiten hat, eine Bedingung, die z. B. bei den eingangs genannten Umwandlern gegeben ist. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß bei derart niedrigen Feldstärken, bei denen der Magnetkern noch ungesättigt bleibt, der Kopplungskoeffizient K ein Maximum bei wesentlich niedrigeren Kobaltgehalten durchläuft. Sie schlägt demgemäß die Verwendung einer binären Nickel-Kobalt-Legierung mit 15,0 bis 20,5 0/0 Kobalt zur Herstellung magnetostriktiver Elemente für Umwandler vor, die bei Feldstärken unter von 30 Örsted arbeiten. Dabei ist es besonders zweckmäßig, @die Legierung aus dem engeren Bereich zu wählen, der zwischen 16,8 und 18,8% Kobalt liegt.The invention relates to the case that a magnetostrictive Element at relatively low field strengths, i.e. those below 30 Örsted; has to work, a condition that e.g. B. in the converters mentioned above given is. It is based on the knowledge that at such low field strengths, in which the magnetic core still remains unsaturated, the coupling coefficient K a Maximum passes through at significantly lower cobalt contents. She proposes accordingly the use of a binary nickel-cobalt alloy with 15.0 to 20.5% cobalt for the manufacture of magnetostrictive elements for transducers that work at field strengths work under of 30 Örsted. It is particularly useful to @the alloy to choose from the narrower range, which is between 16.8 and 18.8% cobalt.
Die Abhängigkeit des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten vorn Kobaltgehalt einer binären Nickel-Kobalt-Legierung ist in dem Diagramm dargestellt. Für jede untersuchte Legierung wurde das Magnetisierungsfeld so eingestellt, daß K sein Maximum erreichte. Dabei ergab reines Nickel ein K von 31% und handelsübliches Nickel mit 1% Kobaltgehalt.ein K von 33 %; bei 15 % Kobalt war K auf 41 % und bei 18 % Kobalt auf 46 % gestiegen. Bei weiterer Steigerung des Kobaltgehaltes begann K dann wieder zu fallen. Es betrug bei 20 % Kobalt 410/0.The dependence of the electromechanical coupling coefficient in front The cobalt content of a binary nickel-cobalt alloy is shown in the diagram. For each alloy examined, the magnetization field was adjusted so that K reached its maximum. Pure nickel gave a K of 31% and commercial nickel Nickel with 1% cobalt content; a K of 33%; at 15% cobalt, K was 41% and at 18% cobalt increased to 46%. With a further increase in the cobalt content began K then to fall again. At 20% cobalt it was 410/0.
Erwähnt sei, daß der Koeffizient K ein weiteres Maximum bei wesentlich niedrigeren Kobaltgehalten, nämlich im Bereich von 2 bis 6 % Kobalt durchläuft. Die Verwendung binärer Legierungen aus Nickel und Kobalt in diesem Bereich ist Gegenstand eines älteren Patents.It should be mentioned that the coefficient K has a further maximum at essential lower cobalt contents, namely in the range of 2 to 6% cobalt passes through. The use of binary alloys of nickel and cobalt in this area is the subject of an older patent.
Es sei ferner erwähnt, daß die hier angegebenen Prozentwerte für K nicht unbedingt vergleichbar mit K-Werten sind, die nicht in der oben angegebenen Weise, sondern bei Remanenz gemessen worden sind.It should also be mentioned that the percentages given here for K not necessarily comparable with K values that are not given in the above Way, but have been measured at remanence.
Bei der Herstelllung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Legierungen wird normalerweise handelsüblich reines Nickel verwendet, das die üblichen Verunreinigungen und daher oft auch geringe Mengen Kobalt enthält, die bei der Herstellung berücksichtigt werden müssen.In the production of the alloys proposed according to the invention Normally commercially pure nickel is used, which contains the usual impurities and therefore often also contains small amounts of cobalt, which are taken into account during production Need to become.
Bei gewissen Umwandlern hoher Leistung, beispielsweise solchen für Ultraschallbohrer, muß durch einen ständigen Wasserstrom für Kühlung gesorgt werden. Einer der Gründe dafür liegt darin, daß ferromagnetische Legierungen ihre ferromagnetischen Eigenschaften oberhalb der Curietemperatur verlieren und daher ein übermäßiger Temperaturanstieg verhindert werden maß. Es ist ein Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen, daß die Curietemperatur durch Beigabe von Kobalt zu Nickel steigt. Daher können Umwandler, für deren magnetostriktive Elemente eine aus dem angegebenen Bereich ausgewählteLegierung verwendet ist, verhältnismäßig hohen Temperaturen ohne ernsthafte Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften ausgesetzt werden. Beispielsweise beträgt die Curietemperatur einer Kobalt-Nickel-Legierung mit 18 % Kobalt etwa 580° C gegenüber der Curietemperatur von 355°'C des handelsüblichen Nickels.With certain high power converters, such as those for Ultrasonic drill, must be provided by a constant flow of water for cooling. One of the reasons for this is that ferromagnetic alloys have their ferromagnetic Losing properties above the Curie temperature and therefore an excessive increase in temperature prevented are measured. It is an advantage of those used in the present invention Alloys that the Curie temperature increases by adding cobalt to nickel. Therefore, transducers for whose magnetostrictive elements one of the specified Range selected alloy is used, relatively high temperatures without severe deterioration in magnetic properties. For example the Curie temperature of a cobalt-nickel alloy with 18% cobalt is about 580 ° C compared to the Curie temperature of 355 ° C of commercially available nickel.
Es hat sich im übrigen gezeigt, daß eine Verbesserung der dynamischen Magnetostriktion bei einem gegebenen Umwandler einen leichten Abfall der Resonanzfrequenz zurr Folge [hat. So beträgt bei einem mit optimaler Magnetisierung arbeitenden Umwandler die mechanische Resonanzfrequenz für Nickellamellen 34,2 kHz, während sie für Lamellen aus einer Legierung von 18 % Kobalt und 82 % Nickel gleich 33,6 kHz ist. Hierauf maß beim Entwurf eines Umwandlers und bei der Bestimmung seiner Erregungsfrequenz Rücksicht genommen werden.It has also been shown that an improvement in the dynamic Magnetostriction will cause a slight drop in the resonance frequency for a given transducer result [has. In the case of a converter operating with optimal magnetization, for example the mechanical resonance frequency for nickel fins is 34.2 kHz, while for fins made of an alloy of 18% cobalt and 82% nickel is 33.6 kHz. On that measured when designing a transducer and determining its excitation frequency To be taken into account.
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