Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Spulenmantela. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Spulenmantels aus einem einen spezifischen Widerstand höher als 1000 Ohm/em aufweisenden Material, das we nigstens ferroinagnetiselies kubisches Ferrit enthält, wobei der Mantel bei niedriger In duktion, selbst bei hohen Frequenzen, nur zu geringen Verlusten Anlass gibt, was für Rund funk- und Telephoniezwecke, z.
B. für die An fertigung von Filterspulen, Pupinspulen, Transformatoren und elektroakustischen Vor richtungen von Bedeutung ist. Die Erfindung bezieht sieh ferner auf einen nach diesem Verfahren hergestellten ferromagnetischen Mantel.
Nach bekannten Verfahren können ferro- magnetische kubische Ferrite mit einem Ho hen spezifischen elektrischen Widerstand, z. B. 1000 Ohin/cm und höher, erhalten wer den, so dass die Wirbelstroniverluste niedrig sind.
Unter kubischen Ferriten werden nachste hend sowohl die kubischen Ferrite der For mel MFe,0" worin M ein zweiwertiges Metall bedeutet, als auch aus solchen Ferriten beste hende Mischkristalle (mit kubischer Ferrit- struktur) verstanden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Verluste, welche bei sol chen Ferriten, trotzdem die Wirbelstromver- luste sehr klein sind, auftreten können, mit dem Sauerstoffgehalt des Ferrites im Zusam- inenhang stehen.
Bezüglich des Sauerstoffgehaltes kann bemerkt werden, dass es bekannt ist, dass ein Ferrit bei Erhitzung auf hohe Temperaturen, wie sie z. B. bei deren Herstellung angewen det werden, Sauerstoff abgeben kann. Um einen solchen Sauerstoffmangel zu vermeiden, wurde die obenerwähnte Erhitzung in reinem Sauerstoff durchgeführt.
Es wurde nunmehr festgestellt, dass, sogar wenn eine für die Herstellung oder für andere Zwecke erforderliche Erhitzung in reinem Sauerstoff durchgeführt wird, ein geringer Sauerstoffmangel vielfach auftritt, und dass überraschenderweise ein solcher geringer Sauerstoffmangel, der nur einige Hundertstel Gewichtsprozente des gesamten Ferritgewieh- tes betragen kann, für die Verluste sehr naeh- teilig ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines @ferromagnetisehen Spulen niantels aus einem einen spezifischen Wider stand höher als 1000 Ohm/ein aufweisenden Material, das wenigstens ferromagnetisches kubisches Ferrit enthält, ist dadurch gekenn zeichnet, dass bei der Anfertigung für einen so hohen Sauerstoffgehalt des Ferrites Sorge getragen wird, dass bei Zimmertemperatur der auf die magnetische Feldstärke null extrapo lierte Verlustfaktor tg ö, gemessen an einem Ringkern,
der aus einem auf gleiche Weise bereiteten Material besteht, im Frequenzgebiet zwischen 10 und 1000 kIIz weniger als 0,06 be trägt. Der Verlustfaktor tg 8 ist definiert als Glas Verhältnis von Kernverlustwiderstand R, extrapoliert auf die Feldstärke null, und Blindwiderstand wL einer Ringspule, die mit einem Ringkern aus dem betreffenden Mate rial versehen wird.
Der Wert R schliesst dem nach den von der Spulenwicklung gelieferten Anteil, nämlich den Gleichstromwiderstand und den von der Frequenz des Spulenstro- mes abhängigen Wechselstromwiderstand be dingt durch 'V#Tirbelstromverluste der Spulen wicklung, nicht ein. Ebenso sind Verluste durch Spulenkapazität und diejenigen in den Dielektrika nicht im Werte R eingeschlossen.
Ein solcher Sauerstoffgehalt kann auf ver schiedene Weise erreicht werden, je nach der Art des Ferrites.
Das grundsätzlich einfachste Verfahren besteht darin, dass man durch eine geeignete Wahl der Verhältnisse dafür Sorge trägt, dass die für die Bereitung des Ferrites erforder liche Erhitzungstemperatur genügend niedrig gehalten wird.
Was diese Erhitzungstemperatur anbe langt, wird bemerkt, dass z. B. bei einem Fer- rit, das durch Erhitzung einer innigen Mi schung der das Ferrit zusammensetzenden fe sten Oxyde bereitet wird, die Temperatur von der Intensität und der Feinheit abhängen wird, mit der bzw. zu der die Mischung ge mahlen ist.
Eine während längerer Zeit ge mahlene, sehr feine Mischung wird innerhalb einer angemessenen Zeit ein völlig durehrea- giertes, homogenes Produkt bei niedrigeren Temperaturen ergeben können als eine wäh rend kurzer Zeit gemahlene, gröbere 1Ti- sehung. Mit Rücksicht auf die Anfangsper- meabilitä.t des Endproduktes ist, wie im nach folgenden näher auseinandergesetzt wird, eine solche vollständige Reaktion von grösster Be- deutimg.
Wird ein Ferrit in der Weise bereitet, dass aus einer Lösung der Metallverbindungen ein Niederschlag erzielt wird und der feinver teilte Niederschlag erhitzt wird, so ist für eine vollständige Reaktion im allgemeinen eine niedrigere Erhitzungstemperatur erfor- derlich, als wenn das Ferrit auf die oben-um- schriebene Weise erhalten wird.
Obzwar die Abänderung der Verhältnisse, unter denen ein Ferrit bereitet wird, einen gewissen Spielraum in der erforderlichen Er hitzungstemperatur ermöglicht, gelingt es vielfach in der Praxis nicht, schon bei der Bereitung eines Ferrites für einen genügend hohen Sauerstoffgehalt Sorge zu tragen. In diesem Falle lässt man ein solches Ferrit mit. einem zu niedrigen Sauerstoffgehalt, das also in bezug auf Sauerstoff ungesättigt ist, zweck- mässigerweise durch Anwendung von reinem Sauerstoff, Sauerstoff aufnehmen.
Die Verhältnisse, insbesondere die Tem peratur, bei der man ein Ferrit Sauerstoff aufnehmen lässt, sind von verschiedenen Fak toren abhängig, wie von der Sauerstoff menge, die aufgenommen werden muss, um im Frequenzbereich zwischen 10 und 1000 klIz einen Viert für tg ö kleiner als 0,06 zu erreichen, von dem Mass, in dem alle Teile des Ferrites für Sauerstoff zugänglich sind, von seiner Feinkörnigkeit bzw. Porosität und fer ner von der Art und der Zusammensetzunu des Ferrites.
Es hat sieh. ergeben, dass die erreichten Verlustwerte am niedrigsten sind, wenn das Ferrit möglichst viel Sauerstoff aufgenom men hat. Da die aufgenommene Sauerstoff menge bei Abnahme der Temperatur steigt, ist. es daher vorteilhaft, niedrige Tempera turen anzuwenden. Anderseits muss man aber dein Umstand Rechnung tragen, dass die Ge schwindigkeit, mit der Sauerstoff aufgenom men wird, bei abnehmender Temperatur ab nimmt.
Diese Geschwindigkeit ist ferner in hohem Masse von der Feinkörnigkeit und der Porosität des Ferrites abhängig, und es ist. daher mit Rücksicht auf die Zeit, welche die Sauerstoffaufnahme sonst beansprucht, er wünscht, das Ferrit in feinkörniger, poröser Form anzuwenden.
Ein wichtiger Faktor, der zu berüeksieh- tigen ist, ist die Anfangspermeahilität des Endproduktes, da die Brauchbarkeit eines ferromagnetisehen Mantels zur Hauptsache durch den Wert des Quotienten aus dem Ver- lustfaktor tg ö und der Anfangspermeabilitä t bedingt wird. Von grosser Bedeutung sind -Mäntel mit einer hohen Anfangspermeabilität -und niedrigen Verlusten.
Man wird daher vorzugsweise bei der Anfertigung solcher Mäntel die -lal3nalunen zur Erreichung eines geringen Verlustfaktors mit den -Massnahmen kombinieren, welche für das Erreichen einer hohen Anfangsperineabilität erforderlich sind, wobei dafür Sorge getragen werden muss, dass die verschiedenen Massnahmen einander nicht widerstreitig sind.
Es wurde nunmehr festgestellt, dass inan den Wert der Anfangspermeabilitä-t dadurch günstig beeinflussen kann, dass auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, -dass sich eine einzige homogene Ferritpliase bildet.
In bezug auf die Aufnahme von Sauerstoff muss aber dafür Sorge getragen werden, dass bei dieser Erhitzung nicht eine so hohe Tem peratur angewendet wird, dass das Material dichtsintert. Hat eine solche unerwünschte Erhitzung stattgefunden, so kommt dies in Grobkörnigkeit des Materials zum Ausdruck, das dann nicht mehr genügend Sauerstoff aufzunehmen vermag.
Ini allgemeinen ist es mit Rücksicht auf die Perrneabilität vorteilhaft, das Abkühlen nach der erwähnten Erhitzung langsam er folgen zu lassen, so dass Abschreckspannun- gen im Ferrit vermieden werden. Eine Ge schwindigkeit von höchstens 10 C pro Mi nute ist für hohe Anforderungen genügend langsam. Wenn die Gefahr der Bildung einer unerwünschten '.Menge einer zweiten Phase be steht, welche die Anfangspermeabilität nach teilig beeinflusst, so kann mit einer grösseren (seschwindigkeit, z.
B. etwa 1000 C pro Mi nute, abgekühlt werden. Aus dem Vorher gehenden folgt weiter, dass bei Aufnahme von Sauerstoff die Temperatur vorzugsweise über der Temperatur bleiben muss, bei der sich eine zweite Phase bilden kann.
Naturgemäss ist die an einem Ferrit erreichte Anfangspermeabilität von seiner Art und Zusammensetzung abhängig. So sind die Möglichkeiten zur Vermeidung der Bil dung einer zweiten Phase bei verschiedenen Ferriten stark verschieden. Das Erhalten eines röntgenographiseh homogenen Ferrites ist. aber in vielen Fällen möglich.
Ferner hat sieh ergeben, dass, ebenso wie bei andern ferromagnetischen Materialien, die Anfangspermeabilität vielfach einen Höchst wert. dicht. unter dem Curiepunkt aufweist; sehr günstig wird daher ein Ferrit sein mit einem Curiepunkt, der ungefähr zwischen 50 und 2500 C liegt. Ein solches Ferrit wird z.
B. in der Weise erhalten, dass Zinkferrit, das einen niedrigen Curiepunkt besitzt, mit einem Ferrit mit einem höheren Curiepunkt kombiniert wird, wie Niekelferrit.
Zwecks Erhaltung einer homogenen Fer- ritphase ist die Anwendung von reinen Roh- niaterialien bei der Bereitung des Ferrites Hauptbedingung. Um zu erreichen, dass bei caer Bereitung auf dein sogenannten trockenen. Wege die Ausgangsmaterialien, aus denen das Ferrit bereitet wird, bei möglichst niedriger Temperatur völlig miteinander reagieren, werden sie einer Mahlbearbeitung unterwor fen, bei der man vorzugsweise so weit mahlt, dass eine mittlere Grösse der Teilchen von 1 Mikron oder kleiner erhalten wird.
Da be- kanntlieh bei solehen -1ahlverfahren eine Ver unreinigung des ztt mahlenden Stoffes durch Abnutzen der 3lahlv orrichtung auftreten kann und solche Verunreinigungen wegen der hohen Anforderungen, welche an die Reinheit gestellt werden müssen, ilnerwünseht sind, muss man diesem. Umstand bei der Wahl der Mahlvorrichtung Rechnung tragen.
Ein sehr günstiges Bereitungsverfahren für ein Ferrit ist das Verfahren auf dem 4o- genannten nassen Wege. Bei Niedersehlägen einer Lösung der das Ferrit zusammenset zenden Bestandteile kann nämlich eine sehr grosse Feinheit der Teilehen, und zwar eine mittlere Grösse der Teilchen, kleiner als 0,7.
Mikron erreicht werden, so dass eine für die vollständige Reaktion erforderliche Erhit zung bei niedriger Temperatur erfolgen kann. Ferner lässt sich bei der Bereitung auf nas sem 1Vege ein Ferrit leicht in reinem Zu stande erhalten. Will man einen auf diese Weise erhaltenen Niederschlag für Presssen geeignet machen, so wird er nach erfolgter Trocknung z. B. auf eine Temperatur von etwa 500 bis 700 C vorerhitzt.
Der Quotient
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kann im Frequenz gebiet von 10 bis 1000 kHz weniger als 0,001 betragen. Ferromagnetische Mäntel nach der Erfindung sind mit Erfolg in Spulen für Radio- und Telephoniezwecke verwendbar. Durch das Anbringen eines oder mehrerer so genannter Luftspalte können ihre Eigen schaften in mancher Hinsicht noch verbes sert werden.
Ausführungsbeispiele von Spulen mit. aus Ferrit bestehendem Mantel sind in den Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnung dargestellt.
In Fig. 1 bezeichnet leinen Kern aus ge pulvertem Material, der von der Spule 2 um geben ist. Um die Spule samt dem Kern herum ist ein Mantel 3 angebracht, der aus einem Rotationskörper besteht, der aus Magne- siumzinkferrit mit einer Anfangspermeabili- tät von 400 hergestellt ist.
In Fig. 2 bestehen der Kern 1 und der Mantel 3 beide aus Magnesiumzinkferrit, -und zwischen dem Kern und dem Mantel sind die beiden Luftspalte 4 und 4' angebracht, um die effektive Permeabilität des magnetischen Kreises mit Rücksicht auf die Verluste hin reichend zu erniedrigen.
Das Verfahren nach der Erfindung wird im nachfolgenden an Hand einiger Beispiele näher erläutert, in denen die Bereitung eini ger Ferrite mit niedrigen Verlusten, teilweise mit hohen Werten für die Anfangspermeabi- lität, beschrieben ist. Die genannten Ferrite be sitzen alle eine sogenannte Spinellstruktur, sind also kubisch. Die in den Beispielen er wähnten Werte für die Anfangspermeabilität ,u sind durch Messungen an einem aus einem auf gleiche Weise bereiteten Material beste henden ringförmigen Kern festgestellt wor den.
Die Qualität eines Materials hinsichtlich der Verluste ist in der Grösse tg
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ausgedrückt, in der R der auf die Feldstärke null extrapolierte Kernverlustwiderstand und I, die Induktivität einer auf einen ringför- migen Kern aufgewickelten Spule ist. und a) die Kreisfrequenz, bei der R und L gemessen werden.
<I>Beispiel I:</I> Ein während anderthalb Stunden durch Sintern auf<B>10000</B> C erhaltenes reines Kupfer kadmiumferrit der Zusammensetzung 25 Mol Kupferoxyd, 25 Mol % Kadmiumoxyd und 50 Mol % Ferrioxyd wird während etwa 200 Stunden in einer Eisenkugelmühle gemahlen;
vom gemahlenen Ferrit wird mit einem Druck von 4 Tonnen/cm2 ein kleiner Mantel mit einem Durchmesser von 3 cm und einer Wand stärke von 4 mm gepresst., der darauf wäh rend 6 Stunden auf<B>10000</B> C in einem Sauer stoffstrom erhitzt wird, worauf mit einer Ge schwindigkeit von<B>50</B> C pro Minute im Sauer stoffstrom abgekühlt wird. Der erhaltene Mantel besitzt einen tg ö von etwa 0,01 bei einer Frequenz von 1000 kHz und einer An fangspermeabilität von 100.
Der Wert .
EMI0004.0059
beträgt somit etwa 0,0001 bei 1000 kHz. Die Abhängigkeit von tg ö von der Frequenz wird durch, die Kurve a der Fig. 3 dargestellt.
Beispiel 1I: Eine Mischung von 20 Mol% reines Kup feroxyd, 30 Mol % reines Zinkoxyd und 50 Mol % reines Ferrioxyd wird während etwa 200 Stunden in einer Eisenkugelmühle gemahlen; von der Mischung wird auf die in Beispiel I beschriebene Weise ein Mantel ge presst, der während 2 Stunden auf<B>10500</B> C in einem Sauerstoffstrom erhitzt wird.
Darauf wird mit einer Geschwindigkeit von<B>50</B> C pro Minute bis auf<B>6000</B> C abgekühlt, auf welche Temperatur der Mantel während 12 Stunden gehalten wird; schliesslich wird bis auf Zim mertemperatur abgekühlt, alles in Sauerstoff. Der erhaltene Mantel besitzt eine tg ö von etwa 0,02 bei 1000 kHz und eine Anfangs permeabilität von 200. Der Wert von
EMI0004.0077
. beträgt daher 0,0001 bei 1000 kHz. Die Ab hängigkeit von tg ö von der Frequenz wird durch die Kurve b der Fig. <B>3</B> dargestellt.
Man kann ein Kupferzinkferrit der ge nannten Zusammensetzung auch in der Weise bereiten, dass aus 1 Liter einer gereinigten Lösung von 0,2 Mol Kupfersulfat, 10,3 Mol Zinksulfat und 1 Mol Eisennitrat in der Wärme mit 0,5 Liter 9 inolar Natronlauge ein Niederschlag erzielt wird, der nach dem Auswaschen getrocknet und einer Vorerhit- zung auf 7000C unterworfen wird, zwecks Erhöhung der Pressbarkeit, ferner auf die im Beispiel I beschriebene Weise zu einem Man tel gepresst wird und dann erhitzt wird.
Wenn während 3 Stunden auf 9000 C erhitzt wird, ferner mit einer Geschwindigkeit von 5(IC pro Minute bis auf<B>6000C</B> abgekühlt wird, dann diese Temperatur während 30 Stunden aufrechterhalten wird, und schliess lich bis auf Zimmertemperatur abgekühlt wird, alles in einem Sauerstoffstrom, so wird die Abhängigkeit von tg b von der Frequenz für den auf diese Weise erhaltenen Mantel durch die Kurve c der Fig. 3 dargestellt. Die Anfangspermeabilität beträgt 500.
Wird die ser auf dein nassen Wege erhaltene Kupfer zinkferritmantel nach der Behandlung auf <B>6000</B> C noch während 19 Stunden auf 5100 C, während 34 Stunden auf 4100 C und während 12 Stunden auf 310 C gehalten, alles in Sauerstoff, so ergibt sich ein Mantel, bei dem die Abhängigkeit von t- < ) von der Fre quenz durch die Kurve d der Fig. 3 darge stellt wird. Die Anfangspermeabilität des auf diese Weise erhaltenen Mantels beträgt 410.
Beispiel. III: Eine Mischung von 28 Mol % reines 1VIagnesiumoxyd, 18 Mol J reines Zinkoxyd und 54 Mol 5o reines Ferrioxyd wird während 30 Stunden in einer Eisenschwingungsmühle gemahlen.
Von der Mischung wird auf die ini Beispiel I beschriebene Weise ein Mantel ge- presst., der während zwei Stunden auf 14000 C in Sauerstoff erhitzt wird, worauf langsam mit 5 bis 101) C pro Minute in Sauerstoff ab gekühlt wird. Das erhaltene Produkt besass einen Wert tg b = 0,02 bei 1000 kIIz und eine Anfangspermeabilität von<B>150.</B> Die Abhängigkeit von tg b von der Fre quenz wird durch die Kurve e in der Fig. 3 dargestellt..
Wird dieser langsam gekühlte Mantel auf 10000 C erhitzt, während 18 Stunden auf diese Temperatur gehalten und weiter wäh rend 20 Stunden auf 7500 C, worauf wieder langsam abgekühlt wird, alles in Sauerstoff, so werden die t- b-Werte von Kurve f der Fig. 3 erhalten.
<I>Beispiel IV:</I> Eine Mischung von 20 Mo1 "7o reines Nik- keloxvd, 30 Mol % reines Zinkoxyd und 50 Mol % reines Ferrioxyd wird während 30 Stunden in einer Eisenschwingungsmühle Be inahlen;
von der Mischung wird auf die in Beispiel I beschriebene Weise ein Mantel ge- presst, der während einer Stunde auf 14000 (.' erhitzt wird, weiter während 16 Stunden auf 930" C gehalten und dann langsam etwa 10 C pro Minute abgekühlt wird, alles in Sauer stoff. Die to- 3-Werte des erhaltenen Mantels sind durch die Kurve cg der Fig. 3 dargestellt. Die Anfangspermeabilität beträgt 560.
Durch Anwendung einer Sauerstoffbehandlung von 12 Stunden bei 10000 C und 20 Stunden bei 750 C bei dem erhaltenen Mantel ändern sich die tg 3-Werte nicht.
Sämtliche oben angegebenen tb b-Werte beziehen sich auf den auf die Feldstärke null extrapolierten Wert für Zimmertemperatur.