EP0557689A2 - Method for manufacturing a magnetic pulse generator - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a pulse generator acting by sudden magnetic reversal when a magnetic field is applied, which consists of an elongated composite body made of at least two materials which have different thermal expansion behavior and are mechanically braced against one another by a heat treatment.
- Such a pulse generator as a composite body is described in DE-PS 31 52 008.
- This composite body contains a core and a shell, the materials of which may partially or all of magnetic materials with different coercive field strength.
- an alloy in the range of 45 to 55% by weight of cobalt, 30 to 50% by weight of iron and 4 to 14% by weight (chromium + vanadium) is used for the magnetically harder material.
- nickel is provided as the soft magnetic material.
- a material component with shape memory or by using materials with different thermal expansion coefficients by heat treatment a certain stress state is created, which results in a sudden magnetic reversal in the tensioned soft magnetic component of the composite body when exposed to an external magnetic field.
- This known composite body is in the form of an elongated magnetic switching core.
- DE-OS 34 11 079 a combination of hard and soft magnetic alloys is used to produce the composite body. From DE-PS 31 52 008 it is known that the hard magnetic component serve at the same time for bracing the soft magnetic component can. This construction has the advantage that a wire with a sheath of high strength can be obtained and that relatively short wires can be provided.
- the magnetization characteristic curve shifts, so that demagnetization zones at the edge of the strip are largely avoided by the flow in the hard magnetic envelope, with the result that a sudden magnetic reversal (Barkhausensprung) occurs in one direction , while this is missing in the case of magnetic reversal in the other direction.
- Much shorter switching cores can be used here, since the permanent magnet largely prevents demagnetization zones at the ends of the wire (pulse generator).
- the object of the present invention is to provide a method for producing such a pulse generator which, without additional process steps between the materials of the composite body, results in significantly higher voltages and thus considerably higher voltage pulses in the event of sudden magnetic reversal of the active component.
- the invention further solves the problem of realizing, in addition to the improved pulse behavior, a premagnetization of the magnetically active part of the composite body with sufficient coercive field strength, without the need to provide an additional strip of permanent magnetic material.
- This object is achieved in that an iron alloy is used for one of the materials, the additional alloy components of which are selected such that a microstructure transformation with volume change takes place at different temperatures, that an elongated composite body is produced from the materials and that this composite body is used as a heat treatment first heated above the upper conversion temperature and later cooled below the lower conversion temperature.
- a structural change with volume change is, for example, a change in the crystal structure through phase change e.g. from the alpha phase (body-centered cubic grid) to the gamma phase (face-centered cubic grid) or into the epsilon phase (hexagonal grid) and vice versa.
- a wire is shown in FIG. 1 as a composite body, the core of which consists of a soft magnetic material 1 and the jacket of which is made of an iron alloy 2.
- the coercive force of the iron alloy 2 is higher than that of the soft magnetic material 1.
- the soft magnetic material 1 consists of an alloy with 75.5 Ni 2.9 Mo 3.0 Ti 1.0 Nb rest Fe. In this alloy, the Ti and the Nb serve as a hardening additive to prevent the plastic magnetic material from being deformed too easily.
- This soft magnetic material has a magnetostriction greater than zero, i. H. the material expands in the direction of magnetization. For this reason, the desired jumping behavior is achieved when the soft magnetic material 1 is under tension in the finished pulse generator.
- the jacket is produced from an iron alloy, which undergoes structural changes at different temperatures.
- a martensitic hardening steel with the composition 17Cr 4Ni 4Cu 0.4Nb rest iron was selected.
- This is a martensitic hardening commercial steel, as it is known for example under the name ARMCO 17-4PH.
- ARMCO 17-4PH a martensitic hardening commercial steel, as it is known for example under the name ARMCO 17-4PH.
- PRODUCT DATA brochure from Armco Steel Corporation, Baltimore, Maryland, No. S-6c.
- This iron alloy has - like many other known steels - structural transformation points between the so-called alpha and gamma structure. The temperature behavior is shown on page 11 of the brochure mentioned.
- the alloy can then be cooled again, which causes a continuous volume reduction in accordance with the broken line to a temperature of below 200 ° C. This is where a back transformation of the structure begins, which is used in known steels in order to harden the steel.
- the resulting martensite (alpha phase) means that the volume does not decrease further as it cools further, but in contrast expands here, like the dashed curve (Product Data, Armco 17-4 PH, page 11) ) in the range from 300 to 100 ° C.
- this behavior is used to produce a pulse generator that achieves a particularly high mechanical tensioning of the component of a composite body, which is to undergo sudden magnetic reversal (Barkhausensprung) in a specific magnetic field.
- the composite body 3 in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is heated to a temperature above 750 ° C. and then cooled below 100 ° C.
- the soft magnetic material 1 and the iron alloy 2 initially expand approximately uniformly (depending on their coefficient of thermal expansion).
- the soft magnetic material tries to expand while the iron alloy shrinks or expands less. This creates a compressive stress in the soft magnetic material 1 and a tensile stress in the iron alloy 2.
- both the volume of the soft magnetic material 1 and that of the iron alloy 2 initially decrease continuously to a temperature below 300 ° C.
- certain mechanical stresses arise which are used in known pulse generators to pretension the magnetically active material, but are not essential here, although they can have a supporting effect.
- the heat treatment would in turn heat the composite material above this transition temperature to such an extent that tension compensation again takes place through plastic deformation or through recrystallization. Cooling would then cause the material to contract much more during the reverse conversion between 100 and 20 ° C than is the case with magnetic material 1, so that here - since the iron alloy shrinks more than the soft magnetic material - this soft magnetic material 1 gets under compressive stress.
- the iron alloys described here can therefore be used if you have a soft magnetic Wants to use material with negative magnetostriction to produce a pulse generator with sudden magnetic reversal for a given magnetic field.
- the lower transition temperature is below approximately 600 ° C., since this ensures that the stresses introduced are not reduced by relaxation processes or plastic deformation.
- FIG. 3 A corresponding magnetization curve is shown in FIG. 3.
- the field strength control was changed between ⁇ 80 A / cm.
- the dashed curve in FIG. 3 shows the hysteresis loop of the iron alloy under compressive stress. This dashed curve was determined by parallel displacement of the measured curve of the composite body.
- the solid curve in FIG. 4 is obtained, which is shifted horizontally on the one hand by the influence of the magnetic field of the iron alloy 2 and which on the other hand shows that when it passes through in one direction, the entire soft magnetic material 1 is suddenly magnetized again takes place because when the hysteresis loops pass in this direction, the wire ends of the soft magnetic material maintain their magnetization direction under the influence of the magnetic field of the iron alloy 2 until the external magnetic field forces the sudden magnetic reversal of the soft magnetic material 1.
- Fig. 6 now shows the voltage pulse of the composite body according to Fig. 1 with a diameter of 0.2 mm and a length of 90 mm in a coil of 1500 turns and also 90 mm in length after heating the composite body for 6 seconds to 1100 ° C and subsequent cooling.
- the composite body can be operated with a small modulation of, for example, 0.8 A / cm, since the core has a low coercive force of approximately 0.1 A / cm.
- the impulse achieved here with magnetized iron alloy 2 is compared in FIG. 6 with the amorphous wire according to US Pat. No. 4,660,025.
- Curve 4 shows the voltage pulse of the amorphous wire
- curve 5 shows the voltage pulse which results from the pulse generator produced according to the invention.
- the iron alloy is used as a sheath and the soft magnetic material as the core of a wire
- other materials can be used by plating etc., as is known.
- Flat, elongated composite bodies are obtained particularly advantageously by rolling the finished wire before the heat treatment.
- Using the iron alloy as a sheath offers the advantage of having a solid surface receives. In principle, however, it is also possible to use the iron alloy as the core of a wire or as the middle layer of a flat composite body.
- the finished composite wire can be annealed for at least 10 minutes at a temperature of 360 to 750 ° C. after the heat treatment according to the invention. With the improvement in strength of the iron alloy achieved in this way, a further increasing coercive field strength is then obtained.
- the elements Nb, Ti, Al, Cu, Be, Mo, V, Zr, Si, Cr, Mn can be used to increase the strength and / or to improve the corrosion resistance advantageously add to the iron alloy without its properties-reversible structural changes at different temperatures being significantly affected with volume changes.
- the entire wire or the strip from which the composite body is produced does not necessarily have to be subjected to the stationary heat treatment; heating can also be carried out as continuous annealing or by passing electrical current through it.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines durch plötzliche Ummagnetisierung bei angelegtem Magnetfeld wirkenden Impulsgebers, der aus einem langgestreckten Verbundkörper aus mindestens zwei Werkstoffen besteht, die unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen und durch eine Wärmebehandlung mechanisch gegeneinander verspannt werden.The invention relates to a method for producing a pulse generator acting by sudden magnetic reversal when a magnetic field is applied, which consists of an elongated composite body made of at least two materials which have different thermal expansion behavior and are mechanically braced against one another by a heat treatment.
Ein derartiger Impulsgeber als Verbundkörper ist in der DE-PS 31 52 008 beschrieben. Dieser Verbundkörper enthält einen Kern und eine Hülle, deren Werkstoffe teilweise oder alle aus magnetischen Werkstoffen mit unterschiedlicher Koerzitivfeldstärke bestehen können. Bei Verwendung zweier magnetischer Werkstoffe mit unterschiedlicher Koerzitivfeldstärke wird für das magnetisch härtere Material beispielsweise eine Legierung im Bereich von 45 bis 55 Gew.-% Kobalt, 30 bis 50 Gew.-% Eisen und 4 bis 14 Gew.-% (Chrom + Vanadium) verwendet, während als weichmagnetischer Werkstoff Nickel vorgesehen ist. Hier wird durch Einbau einer Werkstoffkomponente mit Formerinnerungsvermögen oder durch Verwendung von Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch eine Wärmebehandlung ein bestimmter Spannungszustand hergestellt, der in der verspannten weichmagnetischen Komponente des Verbundkörpers bei Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes eine sprunghafte Ummagnetisierung ergibt.Such a pulse generator as a composite body is described in DE-PS 31 52 008. This composite body contains a core and a shell, the materials of which may partially or all of magnetic materials with different coercive field strength. When using two magnetic materials with different coercive field strength, an alloy in the range of 45 to 55% by weight of cobalt, 30 to 50% by weight of iron and 4 to 14% by weight (chromium + vanadium) is used for the magnetically harder material. used, while nickel is provided as the soft magnetic material. Here, by installing a material component with shape memory or by using materials with different thermal expansion coefficients by heat treatment, a certain stress state is created, which results in a sudden magnetic reversal in the tensioned soft magnetic component of the composite body when exposed to an external magnetic field.
Dieser bekannte Verbundkörper liegt als langgestreckter magnetischer Schaltkern vor.This known composite body is in the form of an elongated magnetic switching core.
Es ist außerdem bereits aus der DE-OS 29 33 337 bekannt, einen Verbundkörper, bestehend aus Nickel oder unlegiertem Stahl als verspannende Komponente und einer Kobalt-Vanadium-Eisen-Legierung als magnetisch aktive Schaltkomponente zu verwenden. Bei der Herstellung wird eine Wärmebehandlung durchgeführt. Zunächst wird der Draht, aus dem der Verbundkörper vorzugsweise besteht, so weit erhitzt, daß eine Werkstoffkomponente sich unter den entstehenden Spannungen plastisch verformt, so daß diese Spannungen weitgehend abgebaut werden. Bei darauffolgender Abkühlung bewirken die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wiederum, daß mechanische Spannungen entstehen, die wegen der niedrigeren Temperatur nicht mehr zu einer plastischen Verformung führen und in der magnetisch aktiven Komponente - bedingt durch deren Magnetostriktion - die plötzliche Ummagnetisierung ergeben, wenn ein bestimmtes Magnetfeld angelegt wird.It is also known from DE-OS 29 33 337 to use a composite body consisting of nickel or unalloyed steel as the bracing component and a cobalt-vanadium-iron alloy as the magnetically active switching component. A heat treatment is carried out during manufacture. First, the wire, from which the composite body is preferably made, is heated to such an extent that a material component plastically deforms under the stresses that arise, so that these stresses are largely reduced. With subsequent cooling, the different coefficients of thermal expansion in turn cause mechanical stresses which, due to the lower temperature, no longer lead to plastic deformation and which, due to their magnetostriction, result in the sudden magnetic reversal in the magnetically active component when a specific magnetic field is applied.
Ein langgestreckter Verbundkörper mit einer niedrigen Ansprechfeldstärke von 1,0 Oe (etwa 0,8 A/cm) ist außerdem in der US-PS 46 60 025 beschrieben. Beispielsweise wird hier ein langgestreckter, 7,6 cm langer Draht aus amorphem Material verwendet und es ist angegeben, daß die Länge dieses Drahtes zwischen 2,5 und 10 cm sein kann. Hier sind die durch Abschreckung des Materials bei der Herstellung des amorphen Zustandes sich ergebenden inneren Spannungen Ursache für das magnetische Sprungverhalten.An elongated composite body with a low response field strength of 1.0 Oe (about 0.8 A / cm) is also described in US Pat. No. 4,660,025. For example, an elongated, 7.6 cm long wire made of amorphous material is used here and it is stated that the length of this wire can be between 2.5 and 10 cm. Here, the internal stresses resulting from the quenching of the material during the production of the amorphous state are the cause of the magnetic jumping behavior.
In der DE-OS 34 11 079 wird zur Herstellung des Verbundkörpers eine Kombination von hart- und weichmagnetischen Legierungen verwendet. Aus DE-PS 31 52 008 ist dazu bekannt, daß die hartmagnetische Komponente gleichzeitig zur Verspannung der weichmagnetischen Komponente dienen kann. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß man einen Draht mit einem Mantel hoher Festigkeit bekommt und daß man relativ kurze Drähte vorsehen kann.In DE-OS 34 11 079 a combination of hard and soft magnetic alloys is used to produce the composite body. From DE-PS 31 52 008 it is known that the hard magnetic component serve at the same time for bracing the soft magnetic component can. This construction has the advantage that a wire with a sheath of high strength can be obtained and that relatively short wires can be provided.
Durch Aufmagnetisierung des hartmagnetischen Mantels eines Verbundkörpres verschiebt sich die Magnetisierungskennlinie, so daß durch den Fluß in der hartmagnetischen Hülle Entmagnetisierungszonen am Rande des Streifens weitgehend vermieden werden mit der Folge, daß es hier bei der Ummagnetisierung in einer Richtung zu einer sprungartigen Ummagnetisierung (Barkhausensprung) kommt, während dieser bei einer Ummagnetisierung in der anderen Richtung fehlt. Man kann hier wesentlich kürzere Schaltkerne verwenden, da der Dauermagnet Entmagnetisierungszonen an den Enden des Drahtes (Impulsgebers) weitgehend verhindert.By magnetizing the hard magnetic jacket of a composite body, the magnetization characteristic curve shifts, so that demagnetization zones at the edge of the strip are largely avoided by the flow in the hard magnetic envelope, with the result that a sudden magnetic reversal (Barkhausensprung) occurs in one direction , while this is missing in the case of magnetic reversal in the other direction. Much shorter switching cores can be used here, since the permanent magnet largely prevents demagnetization zones at the ends of the wire (pulse generator).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Impulsgebers anzugeben, das ohne zusätzliche Verfahrensschritte zwischen den Werkstoffen des Verbundkörpers wesentlich höhere Spannungen und damit erheblich höhere Spannungsimpulse bei der plötzlichen Ummagnetisierung der aktiven Komponente ergibt. Weiterhin löst die Erfindung die Aufgabe, zusätzlich zum verbesserten Impulsverhalten eine Vormagnetisierung des magnetisch aktiven Teils des Verbundkörpers mit ausreichender Koerzitivfeldstärke zu realisieren, ohne daß ein zusätzlicher Streifen aus dauermagnetischem Material vorgesehen werden muß.The object of the present invention is to provide a method for producing such a pulse generator which, without additional process steps between the materials of the composite body, results in significantly higher voltages and thus considerably higher voltage pulses in the event of sudden magnetic reversal of the active component. The invention further solves the problem of realizing, in addition to the improved pulse behavior, a premagnetization of the magnetically active part of the composite body with sufficient coercive field strength, without the need to provide an additional strip of permanent magnetic material.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für einen der Werkstoffe eine Eisenlegierung verwendet wird, deren zusätzliche Legierungsbestandteile so gewählt sind, daß bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils eine Gefügeumwandlung mit Volumenänderung stattfindet, daß ein länglicher Verbundkörper aus den Werkstoffen hergestellt wird und daß als Wärmebehandlung dieser Verbundkörper erst über die obere Umwandlungstemperatur erhitzt und später unter die untere Umwandlungstemperatur abgekühlt wird.This object is achieved in that an iron alloy is used for one of the materials, the additional alloy components of which are selected such that a microstructure transformation with volume change takes place at different temperatures, that an elongated composite body is produced from the materials and that this composite body is used as a heat treatment first heated above the upper conversion temperature and later cooled below the lower conversion temperature.
Als Gefügeumwandlung mit Volumenänderung ist beispielsweise eine Änderung der Kristallstruktur durch Phasenumwandlung z.B. von der Alpha-Phase (kubisch raumzentriertes Gitter) in die Gamma-Phase (kubisch flächenzentriertes Gitter) oder in die Epsilon-Phase (hexagonales Gitter) und umgekehrt zu verstehen.A structural change with volume change is, for example, a change in the crystal structure through phase change e.g. from the alpha phase (body-centered cubic grid) to the gamma phase (face-centered cubic grid) or into the epsilon phase (hexagonal grid) and vice versa.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel ist anhand der Fig. 1 bis 6 einschließlich der Wirkungsweise des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Impulsgebers dargestellt.
- Fig. 1
- zeigt einen drahtförmigen Impulsgeber im Schnitt;
- Fig. 2
- stellt die Magnetisierungskurve bei kleiner Aussteuerung und nicht magnetisiertem hartmagnetischem Mantel dar;
- Fig. 3
- zeigt die Magnetisierungskennlinie bei voller Aussteuerung, bei der auch der Mantel des Impulsgebers nach Fig. 1 ummagnetisiert wird;
- Fig. 4
- zeigt die Magnetisierungskennlinie eines erheblich verkürzten Impulsgebers mit und ohne aufmagnetisiertem Mantel;
- Fig. 5
- zeigt den damit erzielbaren Spannungsimpuls bei Ummagnetisierung des weichmagnetischen Kerns;
- Fig. 6
- vergleicht den bei nicht aufmagnetisiertem Mantel erzielten Impuls mit dem bei einem amorphen Draht, der innere Verspannungen aufweist.
- Fig. 1
- shows a wire-shaped pulse generator in section;
- Fig. 2
- represents the magnetization curve with low modulation and non-magnetized hard magnetic jacket;
- Fig. 3
- shows the magnetization characteristic at full modulation, in which the jacket of the pulse generator according to Fig. 1 is remagnetized;
- Fig. 4
- shows the magnetization characteristic of a significantly shortened pulse generator with and without a magnetized jacket;
- Fig. 5
- shows the voltage pulse that can be achieved when magnetizing the soft magnetic core;
- Fig. 6
- compares the impulse achieved with a non-magnetized sheath with that with an amorphous wire with internal tension.
Als Verbundkörper ist in Fig. 1 ein Draht dargestellt, dessen Kern aus einem weichmagnetischem Werkstoff 1 und dessen Mantel aus einer Eisenlegierung 2 besteht. Die Koerzitivkraft der Eisenlegierung 2 ist dabei höher als diejenige des weichmagnetischen Werkstoffes 1. Im Ausführungsbeispiel besteht der weichmagnetische Werkstoff 1 aus einer Legierung mit 75,5 Ni 2,9 Mo 3,0 Ti 1,0 Nb Rest Fe. In dieser Legierung dient das Ti und das Nb als härtender Zusatz, um eine zu leichte plastische Verformung des weichmagnetischen Werkstoffs auszuschließen. Dieser weichmagnetische Werkstoff hat eine Magnetostriktion größer Null, d. h. der Werkstoff dehnt sich in Magnetisierungsrichtung aus. Aus diesem Grund wird das angestrebte Sprungverhalten dann erreicht, wenn bei dem fertigen Impulsgeber der weichmagnetische Werkstoff 1 unter Zugspannung steht.A wire is shown in FIG. 1 as a composite body, the core of which consists of a soft
Um diese Zugspannung in wesentlich größerem Maße als bei bekannten Verbundkörpern zu erreichen, wird der Mantel aus einer Eisenlegierung hergestellt, die bei unterschiedlichen Temperaturen jeweils Gefügeumwandlungen erfährt. Im Ausführungsbeispiel wurde ein martensitisch aushärtender Stahl der Zusammensetzung 17Cr 4Ni 4Cu 0,4Nb Rest Eisen gewählt. Hierbei handelt es sich um einen martensitisch aushärtenden handelsüblichen Stahl, wie er beispielsweise unter der Bezeichnung ARMCO 17-4PH bekannt ist. Hierzu wird auf den Prospekt "PRODUCT DATA" der Armco Steel Corporation, Baltimore, Maryland, Nr. S-6c, verwiesen. Diese Eisenlegierung weist - wie viele andere bekannte Stähle auch - Gefügeumwandlungspunkte zwischen dem sogenannten Alpha- und Gammagefüge auf. Das Temperaturverhalten ist auf Seite 11 des genannten Prospektes dargestellt. Man sieht aus diesem Diagramm, daß beim Aufheizen zunächst eine kontinuierliche Volumenvergrößerung bis zu einer Temperatur von etwa 620 °C stattfindet; von da ab beginnt die Gefügeumwandlung, die mit einer Volumenverminderung bis zu einer Temperatur von etwa 660 °C einhergeht. Ab hier vergrößert sich das Volumen - und damit die Länge des Mantels nach Fig. 1 - weiter, ohne daß eine weitere Umwandlung oder sonstige Anomalität vorkommt.In order to achieve this tensile stress to a much greater extent than in the case of known composite bodies, the jacket is produced from an iron alloy, which undergoes structural changes at different temperatures. In the exemplary embodiment, a martensitic hardening steel with the composition 17Cr 4Ni 4Cu 0.4Nb rest iron was selected. This is a martensitic hardening commercial steel, as it is known for example under the name ARMCO 17-4PH. Please refer to the "PRODUCT DATA" brochure from Armco Steel Corporation, Baltimore, Maryland, No. S-6c. This iron alloy has - like many other known steels - structural transformation points between the so-called alpha and gamma structure. The temperature behavior is shown on page 11 of the brochure mentioned. It can be seen from this diagram that during the heating process there is initially a continuous increase in volume up to a temperature of approximately 620 ° C .; from then on the structural transformation begins, which involves a volume reduction up to a temperature of about 660 ° C. From here the volume - and thus the length of the jacket according to FIG. 1 - increases further without any further conversion or other abnormality occurring.
Nach dem Aufheizen dieser Eisenlegierung über die obere Umwandlungstemperatur hinaus kann dann die Legierung wieder abgekühlt werden, was eine kontinuierliche Volumenverminderung entsprechend der gestrichelten Linie bis zu einer Temperatur von unter 200 °C bewirkt. Hier setzt nun eine Rückumwandlung des Gefüges ein, die bei bekannten Stählen ausgenutzt wird, um eine Härtung des Stahles zu erzielen. Der dabei entstehende Martensit (alpha- Phase) bewirkt, daß sich das Volumen bei weiterer Abkühlung nicht im bisherigen Maße weiter vermindert, sondern sich hier im Gegensatz dazu noch ausdehnt, wie die gestrichelte Kurve (Product Data, Armco 17-4 PH, Seite 11) im Bereich von 300 bis 100 °C erkennen läßt.After this iron alloy has been heated above the upper transition temperature, the alloy can then be cooled again, which causes a continuous volume reduction in accordance with the broken line to a temperature of below 200 ° C. This is where a back transformation of the structure begins, which is used in known steels in order to harden the steel. The resulting martensite (alpha phase) means that the volume does not decrease further as it cools further, but in contrast expands here, like the dashed curve (Product Data, Armco 17-4 PH, page 11) ) in the range from 300 to 100 ° C.
Erfindungsgemäß wird dieses Verhalten ausgenutzt, um einen Impulsgeber herzustellen, der eine besonders hohe mechanische Verspannung der Komponente eines Verbundkörpers erreicht, die bei bestimmtem Magnetfeld eine plötzliche Ummagnetisierung (Barkhausensprung) erfahren soll. Dazu wird der Verbundkörper 3 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auf eine Temperatur oberhalb 750 °C erhitzt und anschließend unter 100 °C abgekühlt. Dies hat zur Folge, daß der weichmagnetische Werkstoff 1 und die Eisenlegierung 2 sich zunächst etwa gleichmäßig ausdehnen (abhängig von deren Wärmeausdehnungskoeffizienten). Wenn die obere Umwandlungstemperatur der Eisenlegierung erreicht ist, versucht sich der weichmagnetische Werkstoff weiter auszudehnen, während die Eisenlegierung schrumpft oder sich weniger stark ausdehnt. Hierdurch entsteht eine Druckbeanspruchung im weichmagnetischen Werkstoff 1 und eine Zugbeanspruchung in der Eisenlegierung 2. Bei der hohen Temperatur nach der Umwandlung hat dies jedoch zur Folge, daß sich das mechanisch wesentlich weichere Material des Kerns plastisch verformt bzw. rekristallisiert, während dies bei der Eisenlegierung 2 mindestens nicht im gleichen Maße der Fall ist. Man kann daher davon ausgehen, daß bei der Wärmebehandlung ein Ausgleich der Spannungen erfolgt, so daß zu Beginn des Abkühlens keine Zug- oder Druckspannungen zwischen Kern und Mantel vorhanden sind.According to the invention, this behavior is used to produce a pulse generator that achieves a particularly high mechanical tensioning of the component of a composite body, which is to undergo sudden magnetic reversal (Barkhausensprung) in a specific magnetic field. For this purpose, the composite body 3 in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is heated to a temperature above 750 ° C. and then cooled below 100 ° C. The consequence of this is that the soft
Beim Abkühlen verringert sich sowohl das Volumen des weichmagnetischen Werkstoffs 1 als auch dasjenige der Eisenlegierung 2 zunächst kontinuierlich bis zu einer Temperatur unterhalb 300 °C. Wie bei bekannten Verbundkörpern entstehen - abhängig von den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe für Kern und Mantel - gewisse mechanische Spannungen, die bei vorbekannten Impulsgebern zur Vorspannung des magnetisch aktiven Werkstoffes ausgenutzt werden, hier aber nicht wesentlich sind, obgleich sie unterstützend wirken können.When cooling, both the volume of the soft
Wenn der Bereich zwischen 300 und 100 °C beim Abkühlungsvorgang durchlaufen wird, so bewirkt die martensitische Umwandlung der Eisenlegierung 2, daß diese sich plötzlich stark auszudehnen versucht, während der Kern aus weichmagnetischem Werkstoff 1 weiterhin schrumpfen will. Dies hat zur Folge, daß eine erhebliche Zugspannung auf den Kern und eine entsprechende Druckspannung auf den Mantel wirkt. Die mechanische Härte des Kerns aus einem weichmagnetischem Werkstoff 1 ist nun so gewählt, daß bei dieser relativ niedrigen Temperatur keine wesentliche plastische Verformung mehr erfolgt, so daß hohe elastische Zugspannungen im Kern wirken. Diese verursachen in Verbindung mit der positiven Magnetostriktion des weichmagnetischen Werkstoffes 1 eine wesentlich schnellere, plötzlich ablaufende Ummagnetisierung bei bestimmten Magnetfeldwerten, als dies bei weniger vorgespannten Verbundkörpern in bekannten Impulsgebern der Fall ist.If the range between 300 and 100 ° C is run through during the cooling process, the martensitic transformation of the
Anstelle des in Fig. 1 als Beispiel gewählten Stahls mit martensitischer Umwandlung sind alle anderen Eisenlegierungen, die eine entsprechende Umwandlung erfahren, ebenfalls verwendbar. Beispielsweise ist in der "RADEX-RUNDSCHAU" 1972, H. 3/4 ab Seite 212 "Ein extra fester Maraging-Stahl mit 250 kp/mm² Zugfestigkeit" beschrieben. Hierbei bedeutet das Wort "maraging": "martensitic aging hardening" und weist darauf hin, daß diese Gefügeumwandlungen beim bekannten Stand der Technik zur Aushärtung des Materials verwendet wurden, um besonders feste Stähle für mechanische Anwendungen zu erhalten. Auf Seite 216 in Abbildung 9 dieser Literaturstelle ist der Temperaturverlauf eines der beschriebenen Stähle dargestellt und zeigt, daß auch hier die Gefügeumwandlungen dazu führen, daß nach genügend hoher Erhitzung bei Abkühlung zwischen 200 und 130 °C eine Volumenvergrößerung erfolgt, die zur Verspannung von positiv magnetostriktiven weichmagnetischen Werkstoffen in einem Impulsgeber ausgenutzt werden kann.Instead of the steel with martensitic transformation chosen as an example in FIG. 1, all other iron alloys which undergo a corresponding transformation can also be used. For example, "RADEX-RUNDSCHAU" 1972, H. 3/4 from page 212 onwards describes "An extra-strong maraging steel with 250 kp / mm² tensile strength". The word "maraging" means "martensitic aging hardening" and indicates that these structural changes were used in the known prior art to harden the material in order to obtain particularly strong steels for mechanical applications. On page 216 in Figure 9 of this reference, the temperature profile of one of the steels described is shown and shows that here too the structural changes lead to an increase in volume after cooling with sufficient cooling between 200 and 130 ° C, which tensions positive magnetostrictive ones soft magnetic materials can be used in a pulse generator.
Um die Volumenänderung bei Gefügeumwandlung von Eisenlegierungen zur Verspannung eines weichmagnetischen Werkstoffes auszunutzen, ist es nicht unbedingt erforderlich, solche Legierungen zu wählen, die bei Abkühlung und bei relativ niedriger Temperatur keine weitere Abnahme des Volumens, sondern in einem bestimmten Temperaturbereich sogar eine Volumenzunahme aufweisen. Es genügt, wenn die normale Abnahme des Volumens bei Abkühlung sich während der Gefügeumwandlung verändert. Nachdem eine Abkühlung unter die untere Umwandlungstemperatur erfolgt ist, wird eine nachträgliche Erwärmung unterhalb der oberen Umwandlungstemperatur keine Gefügeänderung zur Folge haben, so daß die durch die Gefügeumwandlung erzeugten mechanischen Spannungen erhalten bleiben.In order to take advantage of the change in volume during structural transformation of iron alloys to brace a soft magnetic material, it is not absolutely necessary to choose alloys that do not show any further decrease in volume when cooled and at a relatively low temperature, but even show an increase in volume in a certain temperature range. It is sufficient if the normal decrease in volume when cooling changes during the structural change. After cooling below the lower transition temperature, subsequent heating becomes below the upper transformation temperature does not result in a structural change, so that the mechanical stresses generated by the structural transformation are retained.
Außerdem kann man Druckspannungen in einem weichmagnetischen Werkstoff erzeugen, wenn man zur Verspannung eine Eisenlegierung verwendet, deren Volumen sich bei Abkühlung unter die untere Umwandlungstemperatur verringert. Dies ist beispielsweise bei austenitischen Mangan-Stählen bekannt, bei denen keine Gamma- Alpha- Umwandlung, sondern eine Gamma- Epsilon- Umwandlung stattfindet. Dieses Umwandlungsverhalten ist beispielsweise in der Zeitschrift für Metallkunde Band 56, 1965 Heft 3, ab Seite 165 beschrieben. Bild 3 auf Seite 167 dieser Zeitschrift zeigt die Längenänderung in einer Eisenlegierung, die im wesentlichen außer Eisen 16,4 % Mn enthält. Die Zusammensetzung ist auf Seite 166, linke Spalte angegeben. Aus Bild 3 ist ersichtlich, daß hier bei Aufheizung (Pfeil nach rechts oben) wiederum eine kontinuierliche Volumen- bzw. Längenzunahme erfolgt, die sich bei der Umwandlung zwischen etwa 220 und 280 °C verstärkt.In addition, compressive stresses can be generated in a soft magnetic material if an iron alloy is used for the bracing, the volume of which decreases when it cools below the lower transformation temperature. This is known, for example, in the case of austenitic manganese steels in which there is no gamma-alpha conversion, but a gamma-epsilon conversion. This conversion behavior is described, for example, in the Zeitschrift für Metallkunde Volume 56, 1965 Issue 3, from page 165. Figure 3 on page 167 of this magazine shows the change in length in an iron alloy, which essentially contains 16.4% Mn in addition to iron. The composition is given on page 166, left column. From Figure 3 it can be seen that when heating (arrow to the top right) there is again a continuous increase in volume or length, which increases during the conversion between approximately 220 and 280 ° C.
Wenn man einen Verbundkörper mit diesem Material zur Herstellung eines Impulsgebers verwendet, würde man bei der Wärmebehandlung wiederum über diese Umwandlungstemperatur den Verbundwerkstoff soweit erhitzen, daß wiederum ein Spannungsausgleich durch plastische Verformung oder durch Rekristallisation erfolgt. Eine Abkühlung würde dann bewirken, daß sich das Material bei der Rückumwandlung zwischen 100 und 20 °C wesentlich stärker zusammenzieht als dies bei dem magnetischen Werkstoff 1 der Fall ist, so daß hier - da die Eisenlegierung stärker schrumpft als der weichmagnetische Werkstoff - dieser weichmagnetische Werkstoff 1 unter Druckspannungen gerät. Die hier beschriebenen Eisenlegierungen können also verwendet werden, wenn man einen weichmagnetischen Werkstoff mit negativer Magnetostriktion verwenden will, um einen Impulsgeber mit plötzlicher Ummagnetisierung bei gegebenem Magnetfeld herzustellen.If one uses a composite body with this material to produce a pulse generator, the heat treatment would in turn heat the composite material above this transition temperature to such an extent that tension compensation again takes place through plastic deformation or through recrystallization. Cooling would then cause the material to contract much more during the reverse conversion between 100 and 20 ° C than is the case with
Vorteilhaft ist es, wenn die untere Umwandlungstemperatur unterhalb etwa 600 °C liegt, da dann eher gewährleistet ist, daß die eingebrachten Spannungen nicht durch Relaxationsvorgänge oder plastische Verformung abgebaut werden.It is advantageous if the lower transition temperature is below approximately 600 ° C., since this ensures that the stresses introduced are not reduced by relaxation processes or plastic deformation.
Es ist außerdem möglich, Eisenlegierungen zu verwenden, bei denen die untere Umwandlungstemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegt. Um mit einem solchen Material einen Verbundkörper mit guter Verspannung herzustellen, muß mindestens kurzzeitig unter diese Umwandlungstemperatur abgekühlt werden. Wenn sich das Material dann wieder auf Raumtemperatur erwärmt, aber die obere Umwandlungstemperatur nicht erreicht, wird die Verspannung beibehalten, da es sich ähnlich wie das Material des verspannten weichmagnetischen Werkstoffes bei Temperaturänderungen verhält.It is also possible to use iron alloys where the lower transition temperature is below room temperature. In order to produce a composite body with good tension using such a material, it must be cooled below this transition temperature at least briefly. If the material then warms up again to room temperature, but does not reach the upper transition temperature, the bracing is maintained, since it behaves similarly to the material of the braced soft magnetic material when the temperature changes.
Solche Legierungen sind in der Zeitschrift "METALLURGICAL REVIEWS" 126 ab Seite 115 beschrieben. Das Diagramm in Abb. 4 auf Seite 118 zeigt, daß die untere Umwandlungstemperatur im Falle einer Eisenlegierung mit 29,7 % Ni und 6 % Al nach einer Alterungsglühung mit 700 °C abhängig von der Zeit dieser Glühung zunächst unterhalb der Raumtempertur liegt. Aus der genannten Abbildung sieht man jedoch, daß bei genügend langer Behandlungsdauer beispielsweise mit 700 °C die untere Umwandlungstemperatur auch über der Raumtemperatur liegt.Such alloys are described in the magazine "METALLURGICAL REVIEWS" 126 from page 115. The diagram in Fig. 4 on page 118 shows that the lower transformation temperature in the case of an iron alloy with 29.7% Ni and 6% Al after aging annealing at 700 ° C is initially below the room temperature depending on the time of this annealing. From the figure mentioned, however, it can be seen that if the treatment time is sufficiently long, for example at 700 ° C., the lower transition temperature is also above room temperature.
Bei dem eingangs genannten Beispiel mit hoher Verspannung des weichmagnetischen Werkstoffs 1 erzielt man dann eine sehr gute, ausgesprochen rechteckförmige Magnetisierungskurve, wie Fig. 2 zeigt. Hier ist auf der Ordinate wie üblich die Induktion und auf der Abszisse die Feldstärke im Bereich von ± 0,8 A/cm dargestellt. In diesem Aussteuerungsbereich bleibt die Magnetisierung der Eisenlegierung 2 im wesentlichen unverändert; und es wird der Magnetisierungssprung des weichmagnetischen Werkstoffs 1 bei etwa ± 0,2 A/cm ausgelöst.In the example mentioned at the beginning with high tension of the soft
Eine entsprechende Magnetisierungskurve ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wurde die Feldstärkenaussteuerung zwischen ±80 A/cm geändert. Eine Feldstärke, die ausreicht, um die hier als Mantel verwendete Eisenlegierung ebenfalls vollständig umzumagnetisieren. Man sieht hier den Induktionssprung bei etwa der Feldstärke 0, der durch die plötzliche Ummagnetisierung des vorgespannten weichmagnetischen Werkstoffes 1 erfolgt und man kann erkennen, daß die zur Verspannung des weichmagnetischen Werkstoffes 1 dienende Eisenlegierung etwa eine Koerzitivkraft von 39 A/cm besitzt, wie dies die gestrichelte Kurve in Fig. 3 zeigt, die die Hystereseschleife der unter Druckspannungen stehenden Eisenlegierung erhält. Diese gestrichelte Kurve wurde durch Parallelverschiebung der gemessenen Kurve des Verbundkörpers ermittelt.A corresponding magnetization curve is shown in FIG. 3. Here the field strength control was changed between ± 80 A / cm. A field strength that is sufficient to completely re-magnetize the iron alloy used here as a jacket. Here you can see the jump in induction at about the
Ein Vergleich mit dem Produktprospekt "PRODUCT DATA ARMCO 17-4 PH" auf Seite 12 zeigt, daß die hier im Beispiel verwendete Eisenlegierung normalerweise eine Koerzitivfeldstärke von ± 20 Oe = ± 16 A/cm besitzt. Diese wesentliche Erhöhung der Koerzitivfeldstärke der Eisenlegierung gegenüber dem an dem Material üblicherweise gemessenen Wert ergibt sich wahrscheinlich durch die kurzzeitig hohe Erhitzung des Materials in Verbindung mit den Druckspannungen, die es als Teil des Verbundkörpers als Reaktion auf die Zugspannung des weichmagnetischen Werkstoffes erfährt. Dies zeigt einen weiteren wesentlichen Vorteil der Verwendung von Eisenlegierungen in Verbindung mit einer Wärmebehandlung, die die Gefügeumwandlungen mit Volumenänderung zur Verspannung des weichmagnetischen Werkstoffs ausnutzt, da jetzt nicht zur Erzeugung einer ausreichenden Vormagnetisierung des Verbundkörpers ein zusätzlicher Dauermagnet vorgesehen werden muß.A comparison with the product brochure "PRODUCT DATA ARMCO 17-4 PH" on page 12 shows that the iron alloy used here in the example normally has a coercive field strength of ± 20 Oe = ± 16 A / cm. This substantial increase in the coercive field strength of the iron alloy compared to the value usually measured on the material is probably due to the briefly high heating of the material in connection with the compressive stresses which it experiences as part of the composite body in response to the tensile stress of the soft magnetic material. This shows another essential advantage of using iron alloys in connection with a heat treatment, which changes the structure with volume change to brace the exploits soft magnetic material, since an additional permanent magnet does not now have to be provided to generate sufficient premagnetization of the composite body.
Diese zusätzliche Vormagnetisierung ist dann vorteilhaft und erforderlich, wenn man kurze Drähte als Impulsgeber verwenden will. Bei relativ kurzen Drähten macht sich nämlich das eigene entmagnetisierende Feld stark bemerkbar, wie dies im einzelnen in DE-OS 34 11 079 beschrieben ist. Bei dem Verbundkörper nach Fig. 1 wurde daher die bei der Messung der Hystereseschleifen nach Fig. 2 und 3 gewählte Länge von 90 mm auf 20 mm verkürzt und wiederum die Hystereseschleife gemessen. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Man sieht an der gestrichelten Kurve (Messung bei entmagnetisiertem Mantel aus der Eisenlegierung 2), daß sich durch die Randeffekte die in Fig. 2 dargestellte Rechteckkurve etwas geschert ist. Es findet also keine plötzliche Ummagnetisierung des Kerns mehr statt.This additional bias is advantageous and necessary if you want to use short wires as a pulse generator. With relatively short wires, the own demagnetizing field is particularly noticeable, as described in detail in DE-OS 34 11 079. In the case of the composite body according to FIG. 1, the length selected when measuring the hysteresis loops according to FIGS. 2 and 3 was therefore shortened from 90 mm to 20 mm, and the hysteresis loop was again measured. This is shown in FIG. 4. It can be seen from the dashed curve (measurement with demagnetized sheath made of iron alloy 2) that the rectangular curve shown in FIG. 2 is somewhat sheared by the edge effects. So there is no sudden magnetic reversal of the core.
Wird jedoch die Eisenlegierung aufmagnetisiert, so erhält man die ausgezogene Kurve in Fig. 4, die einerseits durch den Einfluß des Magnetfeldes der Eisenlegierung 2 horizontal verschoben ist und die andererseits zeigt, daß bei Durchlaufen in einer Richtung wiederum eine plötzliche Ummagnetisierung des gesamten weichmagnetischen Materials 1 stattfindet, da bei Durchlaufen der Hystereseschleifen in dieser Richtung die Drahtenden des weichmagnetischen Werkstoffes ihre Magnetisierungsrichtung unter dem Einfluß des Magnetfeldes der Eisenlegierung 2 solange beibehalten, bis das äußere Magnetfeld die plötzliche Ummagnetisierung des weichmagnetischen Werkstoffes 1 erzwingt.If, however, the iron alloy is magnetized, the solid curve in FIG. 4 is obtained, which is shifted horizontally on the one hand by the influence of the magnetic field of the
In Fig. 5 ist nun die Spannung auf der Ordinate und die Zeit in Mikrosekunden auf der Abszisse aufgetragen. Hier wurde ein Verbunddraht mit 20 mm Länge von einer Wicklung mit 1000 Windungen umgeben. Die Ummagnetisierung erfolgte durch einen Wechselstrom mit 50 Hz in einer separaten Erregerspule, die so eingestellt war, daß die Feldstärke längs des Verbunddrahtes 5 A/cm betrug. Man sieht, daß hier ein Spannungsimpuls von etwa 0,95 V erzielbar ist, der allerdings wegen der Unsymmetrie der Hystereseschleife bei aufmagnetisierter Eisenlegierung nur in jeder zweiten Halbwelle auftritt.5, the voltage is now plotted on the ordinate and the time in microseconds on the abscissa. Here a composite wire with a length of 20 mm was surrounded by a winding with 1000 turns. The remagnetization was carried out by an alternating current at 50 Hz in a separate excitation coil, which was set so that the field strength along the composite wire was 5 A / cm. It can be seen that a voltage pulse of approximately 0.95 V can be achieved, which, however, occurs only in every second half-wave due to the asymmetry of the hysteresis loop in the case of magnetized iron alloy.
Fig. 6 zeigt nun den Spannungsimpuls des Verbundkörpers nach Fig. 1 bei einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Länge von 90 mm in einer Spule von 1500 Windungen und ebenfalls 90 mm Länge nach Erhitzung des Verbundkörpers für 6 Sekunden auf 1100 °C und anschließender Abkühlung. In diesem Zustand kann der Verbundkörper mit kleiner Aussteuerung von beispielsweise 0.8 A/cm betrieben werden, da der Kern eine geringe Koerzitivkraft von etwa 0.1 A/cm aufweist. Der hierbei erzielte Impuls bei aufmagnetisierter Eisenlegierung 2 wird in Fig. 6 mit dem amorphen Draht nach der US-PS 46 60 025 verglichen. Die Kurve 4 gibt den Spannungsimpuls des amorphen Drahtes und die Kurve 5 den Spannungsimpuls wieder, der sich bei dem erfindungsgemäß hergestellten Impulsgeber ergibt.Fig. 6 now shows the voltage pulse of the composite body according to Fig. 1 with a diameter of 0.2 mm and a length of 90 mm in a coil of 1500 turns and also 90 mm in length after heating the composite body for 6 seconds to 1100 ° C and subsequent cooling. In this state, the composite body can be operated with a small modulation of, for example, 0.8 A / cm, since the core has a low coercive force of approximately 0.1 A / cm. The impulse achieved here with
Obgleich im Ausführungsbeispiel die Eisenlegierung als Mantel und der weichmagnetische Werkstoff als Kern eines Drahtes verwendet wird, kann man - wie beim Bekannten - auch andere Werkstoffe durch Plattieren usw. verwenden. Flache, langgestreckte Verbundkörper erhält man besonders vorteilhaft durch Walzen des fertigen Drahtes vor der Wärmebehandlung. Die Eisenlegierung als Mantel zu verwenden, bietet den Vorteil, daß man eine feste Oberfläche erhält. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, die Eisenlegierung als Kern eines Drahtes oder als Mittelschicht eines flachen Verbundkörpers zu verwenden.Although in the exemplary embodiment the iron alloy is used as a sheath and the soft magnetic material as the core of a wire, other materials can be used by plating etc., as is known. Flat, elongated composite bodies are obtained particularly advantageously by rolling the finished wire before the heat treatment. Using the iron alloy as a sheath offers the advantage of having a solid surface receives. In principle, however, it is also possible to use the iron alloy as the core of a wire or as the middle layer of a flat composite body.
Für den Fall, daß man eine noch höhere Koerzitivfeldstärke der Eisenlegierung bzw. eine weitere Festigkeitsverbesserung wünscht, läßt sich der fertige Verbunddraht nach der Wärmebehandlung entsprechend der Erfindung noch für mindestens 10 Minuten bei einer Temperatur von 360 bis 750 °C glühen. Mit der dadurch erreichten Festigkeitsverbesserung der Eisenlegierung erhält man dann auch eine weiter steigende Koerzitivfeldstärke. Außer den festigkeitssteigernden Zusätzen, die in dem weichmagnetischen Werkstoff 1 des Ausführungsbeispiels enthalten sind, lassen sich zur Festigkeitssteigerung und/oder zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit die Elemente Nb, Ti, Al, Cu, Be, Mo, V, Zr, Si, Cr, Mn vorteilhafterweise der Eisenlegierung zusetzen, ohne daß deren Eigenschaften-reversible Gefügeumwandlungen bei unterschiedlichen Temperaturen mit Volumenänderungwesentlich beeinflußt werden.In the event that an even higher coercive field strength of the iron alloy or a further improvement in strength is desired, the finished composite wire can be annealed for at least 10 minutes at a temperature of 360 to 750 ° C. after the heat treatment according to the invention. With the improvement in strength of the iron alloy achieved in this way, a further increasing coercive field strength is then obtained. In addition to the strength-increasing additives contained in the soft
Da nur eine kurzzeitige Erhitzung des Verbundkörpers erforderlich ist, muß nicht unbedingt der ganze Draht oder das ganze Band, aus dem die Verbundkörper hergestellt werden, stationär der Wärmebehandlung unterzogen werden, man kann auch eine Erhitzung als Durchlaufglühung oder durch Durchleiten von elektrischem Strom vornehmen.Since the composite body is only required to be heated for a short time, the entire wire or the strip from which the composite body is produced does not necessarily have to be subjected to the stationary heat treatment; heating can also be carried out as continuous annealing or by passing electrical current through it.
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