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Eisen-Nickel-Legierung als Werkstoff für Kompensatorelemente Es ist
bekannt, daß sich gewisse magnetische Eisen-Nickel-Legierungen für Kompensatorelemente
in Anzeigegeräten, wie magnetischen Tachometern, elektrischen Meßgeräten od. dgl.,
eignen, deren Anzeigewert innerhalb eines weiten Bereiches von Temperaturschwankungen
vollkommen unabhängig sein muß. Legierungen dieser Art enthalten etwa 29 bis 31,%
Nickel, meist wesentlich geringere Mengen an Chrom sowie stets kleine Mengen an
Kohlenstoff und Silizium. Sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten der
magnetischen Permeabilität, der innerhalb eines Temperaturbereiches unter dem Curie-Punkt
nahezu konstant ist. Dieser Temperaturbereich erstreckt sich größenordnungsmäßig
über 100° C. Die martensitische Umwandlungstemperatur, bei der die Phasenumwandlung
von Gamma nach Alpha erfolgt, kann grundsätzlich innerhalb oder unterhalb des Temperaturbereiches
mit nahezu konstantem Temperaturkoeffizienten der Perrneabilität liegen.
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Damit die vorstehenden Legierungen die für den genannten Verwendungszweck
erforderlichen magnetischen Eigenschaften aufweisen, ist es notwendig, ihre Zusammensetzung
und Herstellung so zu gestalten, daß sie eine vorgegebene Curie-Temperatur und eine
ausreichend niedrige martensitische Umwandlungstemperatur aufweisen. In der Praxis
macht es nun aber erhebliche Schwierigkeiten derartige Legierungen mit stets gleichen
magnetischen Eigenschaften herzustellen, da sich der Zahlenwert des Curie-Punktes
von Schmelze zu Schmelze in unkontrollierbarer Weise verändert. Es wurde gefunden,
daß die mangelnde Treffsicherheit hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften der
Legierungen zum größten Teil auf Änderungen im Kohlenstoffgehalt und zu einem geringeren,
aber durchaus noch wesentlichen Anteil auf Schwankungen des Siliziumgehaltes zurückzuführen
ist. Bisher hielt man die Anwesenheit von Kohlenstoff erforderlich und bis zu einem
Gehalt von etwa 0,251/o . für unschädlich. Dementsprechend beträgt der Kohlenstoffgehalt
der für den gekennzeichneten Zweck üblicherweise verwendeten Legierung bis zu 0,2
oio mit gewissen Schwankungen um diesen Wert, die bisher als völlig unwichtig galten.
In Wirklichkeit aber haben schon sehr geringe Veränderungen des Kohlenstoffgehaltes
einen deutlichen Einfluß auf die magnetischen Eigenschaften. Der Silizumgehalt der
bisher verwendeten Legierungen beträgt in der Regel ebenfalls etwa 0,2'%.
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In der Praxis ist die Einstellung des Kohlenstoffgehaltes einer Legierung
auf einen vorgegebenen Wert innerhalb geringer Grenzen sehr schwierig, insbesondere
dann, wenn die Legierung im Schmelzfluß hergestellt wird. Bei einer Verringerung
des Kohlenstoffgehaltes steigt die martensitische Umwandlungstemperatur an, wobei
die Legierung ihre vielfach geforderte hohe Permeabilität bei geringen Temperaturen
einbüßt. Ein zum Zweck der Herabsetzung der martensitischen Umwandlungstemperatur
verringerter Eisengehalt bedingt zwangläufig einen höheren Nickelgehalt mit gleichzeitig
höherer Curie-Temperatur, $o daß die gestellten Anforderungen auch auf diesem Wege
nicht erfüllt werden können. Es wurde gefunden, daß bei nachstehenden, an sich bekannten
Legierungen, die martensitische Umwandlungstemperatur auf den erforderlichen, ausreichend
tiefen Wert und der Curie-Punkt ohne Schwierigkeit stets reproduzierbar eingestellt
werden können.
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Gegenstand der Erfindung ist deshalb die Verwendung einer Legierung
mit 28,4 bis 32,5"7& Nickel,t nicht mehr als 0,03 % Kohlenstoff, nicht mehr
als 0,03,1/o Silizium, einem oder mehreren der Elemente Kupfer, Molybdän und Mangan,
wobei der Wert 2 - Cu9/o -I-1,2 - Mo4/o -f- 2 - Mno/o zwischen 1,2 und 12 liegt,
Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen als Werkstoff für Kompensatorelemente.
Zweckmäßig
enthält die zu verwendende Legierung nur Kupfer und Molybdän in den angegebenen
Mengen, jedoch kein Mangan.
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Um die Schwankungen der magnesitischen Eigenschaften so gering wie
möglich zu halten, werden Molybdän oder Kupfer oder beide Elemente enthaltende Legierungen
zweckmäßig auf pulvermetallurgische Weise hergestellt. Mangan enthaltende Legierungen
sollten jedoch unter einer inerten Atmosphäre im Schmelzfluß erzeugt werden.
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Durch die Herabsetzung des Kohlenstoff- und des Siliziumgehaltes auf
unkritisch geringe Werte wird der nicht zu beherrschende Einfluß dieser Elemente
auf die magnetischen Eigenschaften ausgeschaltet. An ihre Stelle treten die Elemente
Molybdän, Kupfer und gegebenenfalls Mangan. Mit ihnen sind die martensitische Umwandlungsternperatur
und die Curie-Temperatur gut zu beherrschen.
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Es wurde gefunden, daß die Abhängigkeit der Curie-Temperatur (-),.
(in oF) und der Umwandlungstemperatur l-),4 (in 0F), bei der sich das Austenitgefüge
in martensitisches Gefüge beim Abkühlen umwandelt, annähernd durch folgende Gleichungen
gegeben sind: U,. =A1-;-- 70 - Ni o/o -48 ' Mn 0/0 - 22 Mo °/o + 40 - Cu °:'o und
U..t=A,-54-Ni%-90-Mn%-36 Moll/o- 36-Cu-o. In diesen Gleichungen ist der Zahlenwert
der Konstanten A1 und A_, von Verunreinigungen der Ausgangsstoffe und vom Herstellungsverfahren
abhängig. Diese Konstanten können für jedes technisch brauchbare Herstellungsverfahren
durch Versuch ermittelt werden. Danach sind die Werte O,. und ()f, für jede Zusammensetzung
der Legierung zu berechnen.
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Da vorstehende Temperaturgleichungen vier in den angegebenen Grenzen
veränderliche Gehalte an Legierungselementen enthalten, gibt es stets mehrere Möglichkeiten
um einen vorgegebenen Wert für die Temperaturen n,. und 02.,1 einzustellen. Demzufolge
können auch noch andere technisch wichtige Gesichtspunkte, wie beispielsweise die
Korrosionsbeständigkeit oder die Kosten der Rohstoffe, bei der Wahl der Zusammensetzung
der Legierung berücksichtigt werden.
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Bei der Herstellung der Legierungen auf pulvermetallurgische Weise
ergab sich, daß die Konstanten A 1 und A., die Zahlenwerte - 1900 bzw. +
1580 hatten. Wenn dabei eine Legierung angestrebt wird, für die die Temperaturen
(-),. und (-)A regelmäßig 140 und -160° F betragen sollen, dann gelten folgende
Gleichungen: 140 = -1900 + 70 - Ni °/o - 48 - Mn % - 22 - Mo 0'o + 40 - Cu 0'o und
-160 = 1580 -54-Nio/o-90-Mno/o-36-Moo1o-36-Cu"'o. Bei der Forderung nach guter Korrosionsbeständigkeit
wird zweckmäßig ein entsprechend hoher Molybdängehalt, z. B. 3 % Mo, eingestellt
und auf Mangan verzichtet. Das führt zu folgenden zwei simultanen Gleichungen 70-Nio/o+40-Cu%
= 2106, 54-Ni%+36-Cu% = 1632, aus denen sich 29,3% Nickel und 1,4% Kupfer errechnet.
Die fertige Legierung besteht daher aus 29,30./o Ni, 3% Mo, 1,4% Cu und der Rest
aus Eisen.
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Für die Herstellung einer austenitischen Legierung ist eine Wärmebehandlung
erforderlich. Unter der Voraussetzung, daß die Abkühlung nicht sehr langsam ist,
z. B. wenn es nicht länger als 6 Stunden dauert bis die Legierung auf -@ 200° C
abgekühlt ist, ist die Wärmebehandlung nicht kritisch.