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Es ist bekannt, daß Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Nickelgehalt
von größer als oder gleich 30()/o, die im Vakuumschmelzverfahren hergestellt sind;
ausgezeichnete magnetische Eigenschaften besitzen. Diese gut desoxydierten Legierungen
können ohne Schwierigkeit heiß geschmiedet oder gewalzt werden, wenn man für ihre
Herstellung von sehr reinen Ausgangsmaterialien ausgeht; ihr Verhalten erweist sich
jedoch als unterschiedlich, wenn die Ausgangsmaterialien Schwefel enthalten, wie
es für Materialien handelsüblicher Oualität oft der Fall ist. Die magnetischen Eigenschaften
bleiben dann zwar etwa gleich, dieVerformbarkeit bei hoherTemperaturwird jedoch
sehr schlecht, wenn keinerlei Entschwefelungsmittel zur Legierung zugesetzt werden.
Das Produkt kann dann weder geschmiedet noch warmgewalzt werden und ist trotz seiner
guten magnetischen Eigenschaften nur für sehr begrenzte Anwendungen brauchbar.
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Um diese Schwierigkeit z u umgehen, fügt man gemäß der üblichen Praxis
eine geringe Menge (beispielsweise 0,3 bis 0,5e0) Mangan zum Guß hinzu, um das Schmieden
oder Warmwalzen der Barren bzw. Blöcke zu erleichtern.
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Leider wirkt sich der Zusatz von Mangan, das sich mit dem Schwefel
unter Bildung eines relativ stabilen Sulfids verbindet, nachteilig auf die magnetischen
Eigenschaften der Legierung aus, wie die nachfolgende Tabelle zeigt, die sich auf
Toroide bzw. Kreisringe aus Streifen von 0,3 mm Dicke bezieht, die von drei unter
gleichen Bedingungen hergestellten bzw. verarbeiteten Gußproben mit den gleichen
Ausgangsmaterialien stammen.
| Tabelle I |
| Probe Chemische Analyse des Barrens Permeabilität Maximale
Koerzitivkraft |
| (o/o) bei 5 mOe Permeabilität (0e) |
| C = 0,172, Si = 0,02, |
| 1 mit Mangan Mn = 0,49, P = 0008, Ni -- 49,09g8 3560 39 000
0,127 |
| 0 = 0,0009, N = 0,0011 |
| C = 0,131, Si = Spuren, |
| 2 mit Mangan Mn = 0,34. S = 0,0089, 4170 39000 0,096 |
| P = 0,005, Ni = 49,50, |
| 0 = 0,0005, N = 0,0007 |
| C = 0,122, Si = 0,02, |
| 3 ohne Mangan Mn = Spuren, S = 0,0090, 9440 78000 0,043 |
| P = 0,008, Ni = 48,98, |
| 0 = 0,0010, N = 0,0019 |
Es wurde eine Wärmebehandlung vorgenommen, die in einem 6 Stunden langen Glühen
in Wasserstoff bei 1100° C bestand. Die beiden ersten Gußproben enthielten etwa
0,5 bzw. 0,3 % Mangan, während die dritte nur Spuren dieses Elementes enthielt.
Es ist außer jedem Zweifel, daß diese letzte Gußprobe, die zwar leider nicht schmiedbar
ist, sehr viel bessere magnetische Eigenschaften als die beiden ersten besitzt.
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Die in Tabelle I angegebenen Kohlenstoffgehalte wurden am Barren vor
jeder Verformung bestimmt. Diese relativ großen Mengen sorgen dafür, daß der Sauerstoffgehalt
des Materials sehr niedrig, in der Größenordnung von 10 ppm (Gewichtsteile pro 100
Teile), bleibt. Nach dem Auswalzen zu dünnen Streifen und nach einem 6 Stunden langen
Glühen bei 1100° C in gereinigtem Wasserstoff zur Entwicklung der magnetischen Eigenschaften
ist der Kohlenstoffgehalt auf etwa 0,01% abgefallen.
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Es wurde nun gefunden, daß man Eisen-Nickel-Legierungen mit einem
Nickelgehalt von 30 bis 7811,70 wesentlich verbessern kann, wenn man die Gesamtmenge
oder einen Teil des Mangans durch Uran ersetzt, und zwar wird das Material dadurch
zum einen schmiedbar, was für diese Legierungen ganz allgemein von Interesse ist,
und zum anderen sind die uranhaltigen Legierungen den manganhaltigen in magnetischer
Hinsicht überlegen, was zusammen mit der Verbesserung der Formbarkeit für die Anwendung
als magnetische Legierung von großem Interesse ist.
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Die erfindungsgemäße Eisen-Nickel-Legierung mit 30 bis 78079 Nickel
ist daher durch einen Gehalt von 0,02 bis 0,500,'o Uran, Rest Eisen und Nickel herstellungsbedingten
Verunreinigungen gekennzeichnet.
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Die Verbesserung der Schmiedbarkeit wird durch Verwendung von Uran
als Entschwefelungsmittel erhalten, und im Gegensatz zu früheren Untersuchungen
ist es von Bedeutung, daß das Uran in ein vorangehend gut resoxydiertes Material
eingebracht wird, um zu vermeiden, daß ein Teil des Urans in Form von Oxyd gebunden
wird.
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Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, daß der Sauerstoffgehalt 100
ppm nicht übersteigt. Die teilweise oder vollständige Herstellung bzw. Verarbeitung
im Vakuum oder unter Schutzgas oder reduzierender Atmosphäre kann herangezogen werden,
um einen Gehalt an Verunreinigungen zu erreichen, der so niedrig wie möglich ist.
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Es ist zwar bekannt, daß Uran eine große Affinität zu Sauerstoff und
Schwefel besitzt. So bildet es im Stahl schwerschmelzbare kugelförmige Einschlüsse,
die für Oxysulfide gehalten werden.
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Arbeiten über die Verwendung von Uran in Eisenlegierungen beschränkten
sich bisher auf gewöhnliche (legierte oder nichtrostende) Stähle zu dem alleinigen
Ziel, ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Es wird festgestellt, daß Uran
die Bruchfestigkeit bei
Raumtemperatur erhöht, die Härtbarkeit steigert
und die strukturelle Verfestigung begünstigt. Auch der Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit
von nichtrostenden Stählen wurde untersucht, allerdings sind die Ergebnisse noch
zu unvollständig, als daß man daraus Schlußfolgerungen hinsichtlich des endgültigen
Verhaltens ziehen könnte.
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Es existieren jedoch keine zusammenhängenden Angaben über den Einfluß
eines Uranzusatzes zu binären oder komplexen Eisen-Nickel-Legierungen mit einem
Nickelgehalt über 301"o, die dank ihrer speziellen physikalischen Eigenschaften
(insbesondere der magnetischen, dilatometrischen, elektrischen, mechanischen und
thermomechanischen Eigenschaften) zahlreiche Anwendungen gefunden haben.
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Weiter haben zwar Untersuchungen gezeigt, daß Uran für magnetische
Legierungen von Bedeutung ist, dabei wurde das Uran jedoch ausschließlich als Desoxydationsmittel
verwendet. Die gemäß der Erfindung erzielte positive Wirkung wird deutlich sichtbar,
an Hand der graphischen Darstellung der Verformbarkeit (hier gekennzeichnet als
Bruchdehnung) in Abhängigkeit von der Temperatur für 5 Eisen-Nickel-Barren mit 48
bis 50% Ni, deren Zusammensetzungen in der nachfolgenden Tabelle II angegeben sind.
| Tabelle II |
| Chemische Analyse (Angaben außer für O und N in %) |
| Bezugs- |
| (pp m) (ppm) |
| zeizhgn C Si Mn S P Ni Zusatz |
| 3 0,122 0,02 Spuren 0,0090 0,008 48,98 10 19 kein Zusatz |
| 2 0,131 Spuren 0,34 0,0089 0,005 49,50 5 7 Mn: 0,34 |
| 4 0,036 Spuren 0,09 0,0078 0,005 48,98 5 6 U : 0,05 |
| 5 0,084 Spuren Spuren 0,0073 0,007 49,15 6 5 U : 0,10 |
| 6 0,110 Spuren Spuren 0,0067 0,007 49,20 - - U: 0,25 |
Die Verformbarkeit der Barren ohne jeden Entschwefelungszusatz ist zwischen 500
und 800° C nahezu gleich Null; oberhalb von 800° C wird sie zwar besser, ohne jedoch
jemals eine befriedigende Höhe zu erreichen. Mit einem Zusatz von 0,3 % Mangan ist
der Sprödbereich vermindert, aber er verschwindet nicht vollständig. Ein Zusatz
von 0,05 bis 0,25 % Uran erteilt dagegen dem Metall eine beträchtliche Verformbarkeit,
die in jedem Falle deutlich besser ist als diejenige der Legierung mit
0,3 (VO
Mn, sobald die Temperatur 550°C übersteigt. Dieses überraschende Ergebnis
äußert sich in der Praxis durch eine große Verbesserung der Schmiedbarkeit; während
die Legierung ohne Zusatz nicht schmiedbar ist, ist das Schmieden von Barren mit
Uran kein Problem.
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Selbstverständlich sind die oben aufgeführten Urangehalte als Beispiel
und keinesfalls einschränkend angegeben. Die positive Wirkung von Uran ist bereits
bei einem Zusatz von 0,02 Gewichtsprozent spürbar; die obere Grenze für den Urangehalt
wird mehr durch Strahlenschutzbetrachtungen als durch technologische Bedingungen
bestimmt. Danach scheint es zweckmäßig zu sein, die maximale Konzentration auf 0,5
Gewichtsprozent zu begrenzen.
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Obgleich sich die Tabelle II und die Figur auf Legierungen mit 48
bis 50 % Ni beziehen, sind diese Gehalte natürlich ebenso nicht einschränkend aufzufassen;
der positive Einfluß des Uranzusatzes erstreckt sich auf alle Ferronickelsorten
mit einem Nickelgehalt von größer oder gleich 300: ().
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Außerdem wurde, wie bereits erwähnt, gefunden, daß der Zusatz von
Uran bei gleicher Schmiedbarkeit für die magnetischen Eigenschaften weniger nachteilig
ist als der Zusatz von Mangan. Dieser Umstand geht aus der nachfolgenden Tabelle
lII klar hervor, in der die magnetischen Eigenschaften nach einem 6 Stunden langen
Glühen bei 1100# C in Wasserstoff für Gußproben von Eisen-Nickel-Legierungen mit
48 bis 5001o Ni angegeben sind, die unter gleichen Bedingungen hergestellt bzw.
verarbeitet wurden und 0,34% Mn, 0,05% U, 0,10% U bzw. 0,25% U enthalten.
| Tabelle III |
| Magnetische Eigenschaften |
| Bezugs- Per- Maximale Koerzitiv- |
| zeichen Zusatz kraft |
| meabilität Per- |
| bei 5 mOelmeabilitätl (0e) |
| 2 0,34% Mn 4170 39000 0,096 |
| 4 0,05'% U 4830 75600 0,050 |
| 5 0,10'% U 4370 57500 0,080 |
| 6 0,25'% U 4580 46400 0,091 |
Diese Eigenschaften wurden an Toroiden bzw. Kreisringen aus Streifen von 0,3 mm
Dicke bestimmt, die gemäß der üblichen industriellen Technik hergestellt und 6 Stunden
lang bei 1100° C in gereinigtem Wasserstoff geglüht wurden. Man sieht, daß die magnetische
Qualität mit steigendem Urangehalt abnimmt, aber die Legierung mit 0,25 % Uran besitzt
noch eine höhere Permeabilität und eine geringere Koerzitivkraft als die Legierung
mit 0;340/'o Mangan und kann damit als dieser überlegen betrachtet werden.
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Auch in diesem Falle sind die Zusammensetzungen zur Erläuterung und
keinesfalls einschränkend angegeben. Was den Nickelgehalt betrifft, so wird dieser
für die beabsichtigte Anwendung vorzugsweise zwischen 43 und 55 0/0 liegen, jedoch
kann die durch Ersatz von Mangan durch Uran erzielte bessere magnetische Qualität
für alle Ferronickelsorten mit einem Nickelgehalt von größer oder gleich 30 bis
781/o erhalten werden. Die Tabelle IV gibt als Beispiel Ergebnisse für Gußproben
mit verschiedenen Nickelgehalten. Die entsprechenden Eigenschaften wurden
an
Toroiden bzw. Kreisringen aus Streifen von 0,07 mm Dicke bestimmt, die 6 Stunden
lang bei 1100° C in Wasserstoff geglüht und langsam im Ofen abgekühlt wurden (bei
den Legierungen mit 360/0 Nickel); sowie an Toroiden aus Streifen von 0,3 mm Dicke,
die 6 Stunden lang bei l000° C in Wasserstoff geglüht und ausgehend von 600° C rasch
abgekühlt werden (bei Legierungen mit 78 0.'o Ni).
| Tabelle IV |
| Art der Legierung S ("/o) Mn (%) U (0/0) Permeabilität
Maximale Koerzitivkraft |
| bei 5 mOe Permeabilität (0e) |
| Fe-Ni-Legierung mit 36'0h Ni ..... 0,01 0,3 - 2100
9000 0,20 |
| 0,01 - 0,05 2400 12000 0,17 |
| Fe-Ni-Legierung mit 78 a/o Ni ..... 0,007 0,48 - - 8000
52000 0,09 |
| 0,007 - 0,06 8900 70000 0,065 |
Auch bei Legierungen mit einem Nickelgehalt zwischen dem Vorzugsbereich von 43 bis
55 % und dem Höchstwert von 78 % ist ein Ersatz des Mangans durch Uran vorteilhaft,
wie die folgenden, nachgebrachten Beispiele zeigen.
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In der Tabelle V sind zum Vergleich die magnetischen Eigenschaften
einer Legierung mit 65,37 11/0 Nickel und 0,53 0!o Mangan und einer Legierung mit
65,40 °/o Nickel und 0,10 % Uran angegeben. Sie wurden an Bandproben ermittelt,
die 0,3 mm dick waren, nachdem eine Glühbehandlung von 6 Stunden bei 1000° C in
Wasserstoff und eine Abkühlung von 250''C/h vorausgingen. Wie bekannt, liegen die
magnetischen Eigenschaften bei solchen Nickelgehalten weitaus niedriger als bei
einem Nickelgehalt von z. B. 78 0,10, doch ergibt sich auch hier eine merkliche
Verbesserung, wenn die Legierung statt 0,53 % Mangan 0,101/o Uran enthält.
| Nachgebrachte Tabelle V |
| Legierung |
| Fe-Ni-Legierung Fe-Ni-Legierung |
| mit 65,47 % Ni, mit 65,40 % Ni, |
| 0,53'% Mn 0,10% U |
| Permeabilität |
| bei 5 mOe ...... 2050 2300 |
| Maximal- |
| permeabilität .... 8100 8700 |
| Koerzitivkraft, 0e . . 0,11 0,10 |
Der Hauptzweck der Erfindung wird durch den Ersatz von Mangan durch Uran in magnetischen
Eisen-Nickel-Legierungen erreicht. Da jedoch die durch das Uran erzielte Verbesserung
der Schmiedbarkeit unabhängig von der Anwendung des Materials gültig bleibt, ist
der Anwendungsbereich der Erfindung nicht ausschließlich auf magnetische Legierungen
beschränkt, sondern erstreckt sich in ganz allgemeiner Weise über alle Eisen-Nickel-Legierungen
mit einem Nickelgehalt von 30 bis 78 0.'o unabhängig von der geplanten Anwendung
(z. B. als magnetische Legierungen, Legierungen mit bestimmter Wärmedehnbarkeit,
Legierungen mit speziellen elastischen oder thermoplastischen Eigenschaften, Legierungen
mit bestimmtem spezifischem Widerstand). Die Verbesserung durch Uranzusatz tritt
ebenfalls bei Legierungen auf der Basis von Eisen und Nickel auf, die außer den
jedem metallurgischen Produkt anhaftenden Verunreinigungen noch Zusätze von z. B.
Chrom, Kupfer, Silicium, Molybdän, Aluminium, Kalzium oder Magnesium enthalten,
die, ohne den Charakter oder die Struktur der Legierung zu verändern, zu einer Vervollkommnung
der physikalischen Eigenschaften beitragen.