DK143072B - Fremgangsmaade til fremstilling af en ommagnetiserbar konstruktionsdel - Google Patents

Description

(S) (11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 1^3072 DANMARK «') Intel* c 22 F 1/10 • (21) Ansøgning nr. 91 6/73 (22) Indleveret den 21. feb. 1973 (24) Løbedag 21. feb. 1973 (44) Ansøgningen fremlagt og fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 25. Π1&Γ· 1 981 DIREKTORATET FOR ^ PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET (3°) Pr,ontet b"*®"" f™ den

22. feb. 1972, 227762, US

(71) WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED, 195 Broadway, New York, N.Y., US.

(72) Opfinder: Wendel Edward Archer, 468, Anthony Court, Gahanna, Franklin County, Ohio 43250s US: "Karl Martin _01sen, 231 Greenwood Avenue, Madison, Madison County, New Jersey 07g40, US: Paul William Renaut, 6153# Cherry Hill Drive, Columbus, Franklin County, Ohio 43213# Us.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Ingeniørfirmaet Hofman-Bang & Boutard.

(54) Fremgangsmåde til fremstilling af en ommagnetiserbar konstruktionsdel.

Opfindelsen angår en fremgangsmåde af den i krav l’s indledning angivne art.

I "Bell System Technical Journal” januar I960 side 1 f.f. er der beskrevet en gruppe af skifteanordninger, som udmærker sig ved tæt indesluttede, metalliske kontakter, som er en del af en magnetisk skiftekreds, som omfatter mindst én remanent magnetisk del. Den eller de remanent magnetiske dele, som i almindelighed sluttes ved hjælp af en omsluttende spolevikling, har en tilstrækkelig remanent magnetisering til at kontakterne enten kan holdes i sluttet eller åben stilling uden kontinuerlig energiforbrug.

2 143072

De hidtil anvendte konstruktioner af den nævnte art omfatter et par magnetisk "bløde tunger med kontaktzoner, hvilke tunger er magnetisk koblet til en eller flere remanent magnetiske dele, som er beliggende uden for omskifteren. Omkring samtidigt med, at de grundliggende konstruktionsdele fremkom, blev der foreslået forenklede varianter, hvor selve tungerne omfattede eller bestod af magnetisk materiale (se den ovennævnte artikel samt beskrivelsen til USA patent nr. 3.059.075).

Der er mange fordele ved remanent magnetiske tunger. Bortskaffelsen af de uden for kontakten anbragte remanent magnetiske dele fører både til en økonomisk fremstilling og til reducering af tolerancen. Tunger med en iboende remanent magnetisme kan drives på mange måder endog med effektbesparelse.

Selv om disse magnetiske tunger har åbentbare fordele har de ikke haft kommerciel betydning. I almindelighed tilskrives den fortsatte fremstilling af den uøkonomiske, store konstruktion, som gør brug af uden for beliggende, magnetiske skiftedele, visse vanskeligheder ved fremstillingen af den remanent magnetiske tunge. Den største vanskelighed ligger i formgivningen af tungen. Denne formgivning ønskes foretaget ved hjælp af en simpel presse eller et stempel (omfattende udfældning af en rundtråd). Man har fundet, at denne formgivning hyppigt fører til et sprødt materiale med risiko for brud, når der anvendes et egnet magnetisk materiale.

Ved den ovennævnte teknik er der forudsat anvendelse af en legering bestående af 50/50 dele kobalt og jern med et ringe tilskud af vanadium. Tilvejebringelse af den ønskede remanens (af størrelsesordene mindst 1,0 Tesia) omfatter en eller flere hærdeoperationer.

Fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.458.521 er det kendt at anvende en permanent magnetisk legering til fremstilling af ommagnetiserbare konstruktionsdele til ved ommagnetisering aktiverbare omskiftere, hvilken legering består af 40-75 vægtprocent kobalt, 25-60 vægtprocent jern og 1-5% vanadium, og har været tanderkastet en behandling omfattende mindst 60% koldvalsning og henstand ved 400°C-675°C i et tidsnam på mellem l/4 - 25 timer, hvor den kortere tid svarer til den højere temperatur.

3 143072

Dette magnetmateriale anvendes som hylster for selvholdende omskiftere og skal udvise en stabil koercitivkraft over et stort temperaturområde ved en høj remanens og et godt rektangelforhold.

Formålet med opfindelsen er at angive en fremgangsmåde som gør det muligt at anvende et sådant magnetmateriale til fremstillingen af tungerne til en omskifter af den nævnte art.

Dette opnås ved, at fremgangsmåden udøves som angivet i krav l's kendetegnende del. Ifølge opfindelsen hærdes der ved 550°C-670°C, altså den øvre del af det kendte temperaturområde.

Ved at udøve fremgangsmåden ifølge krav 2 opnås en let hærdet tråd, som medfører at den flade tungedel og den runde skaftdel opnår mere ensartede magnetiske egenskaber.

Opfindelsen vil blive forklaret nærmere ved den følgende beskrivelse af en udførelsesform for en indkapslet kontakt, idet der henvises til tegningen, hvis eneste figur viser en udførelsesform for en sådan kontakt.

Figuren viser en tungekontakt, der tjener som eksempel på sådanne kontakter, der tilsigtet fremstillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen. En detaljeret beskrivelse af et sådant apparat og et antal variationer er indeholdt i den forannævnte beskrivelse til U.S.A.-patent nr. 3.059.075. Figuren viser et glasrør 1 indeholdende to tunger 2 og 3, der hver er forsynet med kontaktområder henholdsvis 4 og 5. Størstedelen af hver af tungerne 2 og 3 er udfladet fra en rund tråd, hvis tværsnitsform er bibeholdt i udragende dele 6 og 7. Disse dele 6 og 7 træder ind i kapselen 1 gennem glastætninger 8 og 9. Apparatet har to adskilte viklinger 10 og 11, af hvilke den første, når den får strøm fra ikke viste midler, vil bevirke polarisering af tungen 2 i en af de to tilladte retninger, medens den anden vikling 11 vil bevirke pola- 4 143072 risering af tungen 3. Dette særlige arrangement, der i mere komplicerede former yil kunne indeholde overlappende viklinger, tillader særskilt styring af hver af tungerne og er derfor egnet til anvendelse i en opstilling af krydsningspunkter.

Driften af apparatet er meget simpel. Polarisering af tungerne 2 og 3 i den samme retning, f.eks. nord-syd fra venstre mod højre 1 figuren, bevirker kontaktslutning, medens magnetisering af tungerne 2 og 3 i modsatte retninger, f.eks. nord-syd for tungen 2 og syd-nord for tungen 3, regnet fra venstre mod højre, bevirker afbrydning. Som ovenfor nævnt er karakteren af det remanente materiale, der indgår i det mindste i en del i det mindste én af tungerne 2 og 3, således, at enten sluttet tilstand eller afbrudt tilstand vil kunne opretholdes uden energiforbrug, dvs. den remanente magnetisering er tilstrækkelig til at overvinde de naturlige tilbageføringskræfter i apparatet.

Apparatet vil kunne modificeres således, at for eksempel en af tungerne fremstilles med permanent formagnetisering, idet den fremstilles af et permamagnetisk materiale, der ikke omskiftes under drift, eller ved anvendelse af et særskilt formagnetiserende element, ved indbygning af et antal yderligere tunger eller kontakter eller ved forskellige strømkredsarrangementer.

Sammensætning af tungerne

Det blev omtalt, at det anvendte remanente materiale hører til den klasse materialer, der ofte betegnes "Remendur". Det blev omtalt, at det fulde område for sammensætningen af materialet er fra 40 til 75 vægtdele cobalt, 25 - 60 vægtdele jern og 1 - 5 vægtdele vanadium. Forskellige sammensætninger og foretrukne områder er angivet i beskrivelsen til U.S.A.-patent nr. 3.364.449.

Som omtalt deri består den nominelle, og foretrukne sammensætning af omtrent lige dele cobalt og jern, idet et foretrukkent område for hovedbestanddelene er angivet som 45 - 65 dele cobalt, resten jern. Det foretrukne område for vanadium, der tjener til at bestemme koercitivkraften, er fra 2 til 4 vægtdele, baseret på 100 vægtdele af de tre bestanddele, cobalt, jern og vanadium. Andre bestanddele vil kunne omfatte mangan, der skal tjene til at reducere den skadelige virkning af muligt svovlindhold, normalt op til omtrent i vægtdel på den ovennævnte basis, og muligt mindre 5 143072 mængder af silicium og aluminium, hver i en mængde af mindre end 1 vægtdel. Disse sidste to bestanddele tjener til at binde oxygen, der også vil kunne være skadeligt under behandlingen. Foruden de nævnte tilsigtede bestanddele er der tolerable mængder af sædvanligt optrædende urenheder. Sådanne urenheder, hvis samlede mængde ikke overskrider 1 vægtdel, kan bestå af nikkel, kul, kobber og svovl.

Behandling A. Det remanentmagnetiske materiale

Den angivne blanding betegnes kun "Remendur”, når den har en sådan middelhårdhed, at der fås en remanent magnetisering i en størrelsesorden af mindst 10.000 gauss. I magnetisk blød tilstand betegnes materialet sommetider "Permendur", medens det i hærdet tilstand sommetider betegnes "Yicalloy". Udviklingen af den fornødne kraft af magnetisk hårdhed kræver både koldbearbejdning og faseudfældningshærdning. Den foreliggende opfindelse er for en stor del baseret på den særlige måde, på hvilken disse behandlingstrin udføres. Selv om de for opfindelsen mest afgørende behandlingstrin er de tre afsluttende trin (i det følgende betegnet 5 eller 5 plus 5A, 6 og 7) angiver den følgende beskrivelse passende forudgående trin, begyndende med dannelsen af selve legeringen.

Trin 1. Af udgangsmaterialer fremstilles en smelte. Egnede materialer er elektrolytisk cobalt, elektrolytisk jern, ferrovanadium (en legering af vanadium og jern) og elektrolytisk mangan. Bestanddelene smeltes, smeltetemperatur oa. 1550° C. Temperaturen holdes et minut eller to for at sikre grundig sammenblanding, og ved afkøling dannes en blok.

Trin 2. Blokken undergår varmdeformation ved en temperatur mellem 900° C og 1250° C. Bearbejdning kan have fora af valsning, smedning eller ekstrudering. Behandlingen fortsættes til en passende dimension, f.eks. til en diameter på ca. 6 mm. Dette trin omfatter normalt mange passager eller stik.

6 143072

Trin 5. Det varmbearbejdede legeme bliver blødgjort ved opvarmning til en temperatur på mindst 750° C efterfulgt af bratkøling med en sådan hastighed, at der undgås kendelig faseudfældning. Dette sker sædvanligvis ved hastig nedsænkning i isvand (ice brine). Stuetemperatur opnås i løbet af mindre end 1 minut.

Trin 4. Den afkølede stang bliver koldbearbejdet til den ønskede endelige dimension (almindeligvis kold trækning til en diameter på mellem 0,025 og 0,125 cm).

Trin 5. Den første af de specielle behandlinger, der bidrager til hensigtsmæssig fremstilling ifølge opfindelsen, omfatter en strengudglødning. Yed dette trin bliver tråden blødgjort ved varmebehandling, således at der fås en trækstyrke på højst H.000 kg/cm og en forlængelse på mindst ca. 10 En eksempelvis behandling går ud på opretholdelse af en temperatur i et område fra ca.

850° C til 1050° 0. Denne temperatur bør holdes i et minimum mindst 5 sekunder, medens den øvre tidsgrænse er ukritisk og bestemmes af praktiske hensyn. Yed en procedure, der er fundet tilfredsstillende, bliver tråden ført gennem en varm zone med en længde på 1 m med en hastighed på ca. 2 m pr. minut, hvorved der opretholdes en temperatur i nærheden af temperatur i zonen i et tidsrum på ca. 15 sekunder. Umiddelbart efter denne opvarmning bliver tråden ført igennem et vandkølet kammer, i hvilket den nedkøles så hurtigt, at der forebygges faseudfælnding og tilhørende hærdning. Dette trin gennemføres af forskellige grunde i en reducerende atmosfære, f.eks. hydrogen eller cracked ammoniak. Selv om en inert atmosfære i princippet vil være tilladelig, er det af praktiske hensyn mere hensigtsmæssigt at arbejde med en reducerende atmosfære end at anvende den grad af omhu, der er nødvendig for at udelukke mindre mængder af oxiderende bestanddele fra sædvanlige "inerte” gasser. Hensigten med den reducerende atmosfære eller mere almindeligt med den ikke oxiderende atmosfære, er at undgå dannelsen af overfladeoxid, navnlig vanadiumdi oxid, der ved sin slibende virkning ville medføre hur- 7 143072 tigt slid af matricen i det efterfølgende trin 6. Anvendelsen af en sådan ikke-oxiderende atmosfære er også ønskelig for at tilvejebringe en forholdsvis ren overflade til den efterfølgende plettering til kontaktdannelse som omtalt senere under afsnit B.

Trin 5a. Selv om en strengudglødning som beskrevet - med henblik på apparategenskaber - vil være tilstrækkelig til at forberede materialet til koldbearbejdning under trin 6, vil visse praktiske overvejelser kunne kræve en modifikation. Man har for eksempel konstateret, at den færdige tunge opviser forskellige magnetiske egenskaber mellem den udfladede del, der bærer kontaktfladen, og den stadigt runde del, der tjener til tætningsfonnål.

Med henblik på hensigtsmæssig fremstilling vil det kunne være ønskeligt at behandle tungen således, at disse egenskaber bliver i højere grad ens. Selv om dette ikke vil have nogen endelig virkning på apparatets driftsegenskaber, kan det for eksempel være praktisk som følge af sådanne praktiske hensyn som specificering af trådegenskaber i det mellemprodukt, der skal undergå den i trin 6 omhandlede behandling. En mulig løsning i denne forbindelse er at anvende en let hærdet tråd ved dette trin. Dette kan f.eks. opnås ved en koldbearbejdning efter strengudglødning i trin 5. Denne koldbearbejdning, der må være så let, at tråden forbliver inden for værdierne for den højeste tilladelige træk-styrke, kan have form af en tværsnitsreduktion mellem 20 og 50 $>, Denne behandling må betragtes som valgfri.

Trin 6. Dette er en stanseoperation. Under dette trin bliver den runde tråd fra trin 5 eller trin 5 plus trin 5a udfladet til dannelse af den indre del af tungen, medens det runde tværsnit bevares i den del, der skal indsmeltes i glasrøret. Under denne stansning kan tungen også afskæres til den ønskede længde. De egenskaber, der udvikles i trin 6, eller de behandlingsfordele, der opnås under trin 6, angår kun udfladningsvirkningen. Ved stanseoperationen opnås en koercitiv- 8 143072 kraft på cirka 30 - 60 ørsted og en remanentmagnetisering på 7.000 - 10.000 gauss. Yderligere forbedring af egenskaberne opnås Ted en faseudfældningsbehandling som beskrevet under trin 7.

Da den tråd, der frembringes ved fremstillingstrinnene indtil trin 5 eller trin 5a, normalt viser nogen krumning, er det sædvanligt at rette tråden på dette tidspunkt. Som regel bliver den tråd, der udgår fra trin 5 eller trin 5a, først rettet, derpå udfladet og endelig afskåret til den ønskede længde i den angivne orden. Udretningen bar kun ringe virkning på de mekaniske og magnetiske egenskaber.

En yderligere mindre mekanisk behandling, der kan udføres ved dette tidspunkt, omfatter tromlerensning i væsker indeholdende slibemidler eller andre midler til fjernelse af mulige grater eller andre overfladeuregelmæssigheder, frembragt ved den mekaniske stanseoperation.

Man har i almindelighed konstateret, at graden af koldbearbejdning under stanseoparationen har relativ ringe virkning med hensyn til de endelige udviklede egenskaber. Hvis der for eksempel startes med en rund tråd med en diameter på 0,053 cm, af hvilken en prøve udflades til 0,013 cm og en anden til 0,02 eller 0,023 cm, ses der ikke nogen kendelig variation i de endelige magnetiske egenskaber. En tykkelsesreduktion på mindst ca. 40 $, svarende til forholdet mellem den mindste endelige tykkelse og den oprindelige tråddiameter, vil være tilstrækkelig ved dette trin til at give de fornødne driftsegenskaber.

Trin 7. Det sidste behandlingstrin omfatter faseudfældning ved en sådan temperatur i et sådant tidsrum, at der udvikles de ønskede værdier af remanentmagnetisering og koer citivkraft . Ved apparater af den ved opfindelsen omhandlede art ønskes det som regel, at den remanente magnetisering ligger inden for området fra 10.000 gauss til 20.000 gauss, og at koercitivkraften ligger inden for området fra 10 ørsted til 50 ørsted. Disse værdier 9 143072 gælder for både den runde og den flade del af tungen.

Man har konstateret, at de nævnte magnetiske egenskaber fås ved varmebehandling af tungen ved temperaturer inden for området fra 550° C til 670° C i et tidsrum fra 1/2 til 6 timer. Omfattende forBøg har vist, at væsentligt længere tidsrum eller højere temperaturer vil medføre en nedsættelse af både den remanente magnetisering og koercitivkraften til værdier under de angivne grænser. Kortere tid eller lavere temperatur medfører, at der bevares højere værdier for koercitivkraften, men bevirker ikke, at der udvikles den ønskede remanente magnetisering.

Det er foran omtalt, hvorledes den udragende del af tungen bliver hermetisk forbundet med kapselen. Det er blevet anført, at anvendelsen af en ikke-oxiderende eller fortrinsvis reducerende atmosfære i trin 5> hvorved der undgås dannelse af overfladeoxid, har gunstig virkning ved stanseoperationen og pletteringsoperationen. Desuden har det vist sig, at der ved andre behandlingstrin frembringes særlig gode hermetiske tætninger. Disse trin skal nu beskrives.

Trin 2a. Efter varmbearbejdning bliver oxidlaget fjernet enten mekanisk eller kemisk. Selv om sædvanlig bejdsning med stærk syre er anvendelig, har det vist sig mest ønskeligt at anvende mekanisk behandling, såsom slibning eller fræsning. Det vigtigste er her at få en glat overflade, således at stangen kan omformes til tråd uden overfladefejl. En sådan tråd er afgørende for hermetisk tætning, eftersom tætningen mellem tråd og glas synes at være primært en tryktætning, uden kemisk virkning.

Trin 5a. Efter bratkølingen vil det kunne konstateres, at der atter er dannet et ganske tyndt oxidlag, og dette må også fjernes, f.eks. ved sandblæsning. Alternativt vil der kunne anvendes bejdsning. Det vil kunne være muligt at udelade trin 2a og udføre hele overfladerensningen ved dette trin. Forsøg på at gennemføre hele 10 143072 slibe— eller frsseoperationen ved dette trin bar imidlertid i nogle tilfælde medført brud under koldbearbejdningen under trin 4. Det er muligt, at hele overfladebehandlingen vil kunne udføres på stænger med mindre diameter, enten fremstillet ved yderligere varmvalsning som under trin 2 eller ved koldbearbejdning af bratkølede stænger som under trin 4.

Trin 3b. Tidligere erfaringer har vist, at "Remendur" behandlet ifølge trin 3 er modtagelig for den fornødne koldtrækning eller anden tværsnitsreduktion ved koldbearbejdning uden anvendelse af en metallisk plettering. Billigere smøremetoder med anvendelse af olie eller tørre smøremidler har i almindelighed været betragtet som tilstrækkelige. Det har imidlertid vist sig, at anvendelse af en beklædning af kobber eller et andet blødt metal, såsom sølv eller tin, som regel påført elektrokemisk, eller alternativt et andet kemisk beklædningsmateriale, såsom zinkphos-phat, borax eller uorganiske oxalater, ikke blot medvirker til smørevirkning, men også giver et beskyttende lag, der letter fremstillingen af tråd med en mere fuldkommen overflade, egnet til hermetisk tætning. I lighed med den tidligere praksis kan sådant beklædningsmateriale fjernes, som regel ved kemisk ætsning, inden den sidste trækning gennem diamantmatricer (i modsætning til car-bidmatricer). Dette svarer i almindelighed til en diameter omkring 0,15 cm. Et tilladeligt alternativ ved dette trin er at bevare den bløde metalplettering af kobber eller et andet tilladeligt blødt metal, medens organisk beklædning ligesom tin eller andre letsmeltelige metaller må fjernes, da det endelige produkt må kunne tåle en temperatur mellem 600° og 1400° G ved dannelse af den hermetiske tætning.

Med henblik på at bevare en høj grad af overfladefuldkommenhed til optimering af den hermetiske tætning kan indføres en eller flere yderligere strengudglødninger startende ved en diameter på ca. 0,15 cm, for at und- 11 143072 gå overfladeridser. Denne udglødning kan ske ved, at tråden med en hastighed af 1 i pr. minut føres igennem en varm zone med en længde på 1 m, i hvilken der opnås temperaturer mellem 250° C og 1050° C i omtrent et halvt minut, efterfulgt af passage gennem et vandkølet kammer til hurtig køling.

B. Kontaktdannelse

Kontaktdelene på tungerne bliver forsynet med passende plettering på sædvanlig måde. Som regel vil et enkelt lag af hårdt guld (f.eks. cobalt-hærdet guld, frembragt i et cyanidbad med citratbuffer) være fyldestgørende. Tykkelsen af pletteringen, der heller ikke er usædvanlig, er ikke kritisk og kan ligge inden for området mellem 0,5 og 5 μ. Som følge af de usædvanlige små dimensioner, navnlig apparatets kontaktmellemrum, er det som regel ønskeligt at holde ensartet tykkelse inden for i 5 ¢.

C. Hermetisk tætning

Den anden operation, der fortjener omtale her, vedrører den hermetiske tætning mellem den udragende tungedel og materialet i kapselen. Kravene er de samme som ved tætninger mellem glas og metal på andre områder. En passende temperaturudvidelseskoefficient, der nøje svarer til den tilsvarende værdi for "Remendur", kan opnås ved anvendelse af blyglasblandinger eller andre passende materialer. Det blev omtalt, at i almindelighed må forbindelsen betragtes som i hovedagen en tryk tætning. Glasmaterialet i kapselen blødgøres ved opvarmning og bringes til at flyde omkring den udragende tunge. Ved afkøling bliver der udviklet trykspændinger i tætningsområdet ved en tilsigtet udformning, med en ganske ringe ulighed mellem udvidelseskoefficienteme for glasset og materialet i tungen. De bedste hermetiske tætninger er blevet fremstillet ved den foretrukne udførelsesform for opfindelsen, nemlig ved anvendelse af trinnene 2a, 3a og 3b.

Tungernes temperaturfølsomhed med hensyn til de ønskede driftsegenskaber medfører et yderligere krav til tætningsoperationen eller indsmeltningsoperationen. Det har vist sig, at, såfremt tungen holdes ved temperaturen over ca. 800° C, selv i de korte perioder på ca. 6 sekunder, der forekommer under indsmeltningen, vil kunne medføre en reduktion af koercitivkraften op til 20 $>.