DE1008181B

DE1008181B - Ferromagnetische Ferrite

Info

Publication number: DE1008181B
Application number: DEST5951A
Authority: DE
Inventors: Ernst Albers Schoenberg
Original assignee: Steatite Research Corp
Current assignee: Steatite Research Corp
Priority date: 1952-02-15
Filing date: 1953-02-11
Publication date: 1957-05-09
Also published as: FR1074864A; GB737284A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von ferromagnetischen keramischen Körpern, die Hysteresisschleifen von nahezu rechteckförmiger Form aufweisen.

Weiter ist es das Ziel der Erfindung, ein keramisches ferromagnetisches Material zu schaffen, das eine nahezu rechteckförmige Hysteresisschleife und eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit, z. B. von der Größenordnung von 1 bis 5 Mikrosekunden, besitzt.

Ferrite nach der Erfindung sollen aus einem Magnesium-Mangan-Ferrit bestehen, mit weniger als 50 Molprozent an dreiwertigen Eisen, von dem ein Teil durch ein anderes Oxyd eines dreiwertigen Metalls ersetzt werden kann.

Fig. 1 ist eine Zusammenstellung von Hysteresisschleifen verschiedener keramischer Ferrite, wie sie an einem Oszillographen erhalten wurden.

Fig. 2 ist ein Diagramm des Dreistoff systems von MgO, MnO₂, Fe₂O₃, in dem die Gewichtsprozente der einzelnen Komponenten eingetragen sind.

Fig. 3 ist ein Diagramm entsprechend Fig. 2, aber in Molprozent für das System MgO, MnO, Fe₂O₃.

Eigenschaften, die Ferrite mit nahezu rechteckförmiger Hysteresisschleife auszeichnen, sind wie folgt:

1. Das Verhältnis B_r/B_s soll so nahe wie möglich gleich 1 sein. Wenn die Hysteresisschleifen genau rechtwinklig oder viereckig wären, würde das Verhältnis 1 sein, aber dieses ideale Verhältnis ist praktisch unerreichbar. Für den vorliegenden Zweck wird die Schleife als rechtwinklig oder viereckig angesehen, wenn das Verhältnis B_rjB_s 0,8 oder mehr beträgt.

2. Die Hysteresisschleife soll steil sein, bzw. der Differentialquotient dBIdH soll groß sein.

3. Die Ecken der Hysteresiskurve sollen möglichst scharf sein. Bei der Verwendung geben Stoffe mit scharfen Ecken einen Effekt ähnlich dem plötzlichen Einschnappen eines mechanischen Schalters.

Andere wünschenswerte Eigenschaften sind, daß 4. die Koerzitivkraft gering sein und 5. die Sättigungsflußdichte hoch sein soll. Die Sättigungsflußdichte soll oberhalb 1200 Gauß liegen.

Magnetische Stoffe mit diesen Eigenschaften finden besondere Anwendungen in Rechen- und magnetischen Gedächtnissystemen. Im allgemeinen arbeiten die Kerne mit rechteckförmigen Schleifen in einem solchen System wie folgt: Das Kernmaterial wird magnetisiert und dann die Erregung abgeschaltet, so daß der magnetische Zustand des Kernes auf dem Restbetrag B_r oder auf Remanenz verbleibt. Wenn ein Stromstoß von kurzer Dauer und geeigneter Polarität zugeführt wird, der stark genug ist, die Masse umzumagnetisieren, kann infolge der Flußänderung in dem Kern an einer gesonderten Wicklung eine Spannung abgenommen werden. Durch Verwendung eines Satzes solcher Magnetkerne einer bestimmten Anordnung (Array) können mathematische Grundoperationen durchgeführt werden. Gewisse ferromagnetische Metalle können Ferromagnetische Ferrite

Anmelder:

Steatite Research Corporation,
Keasbey, N. J. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Patentanwalt,
München 9, Sckweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom .15. Februar 1952

Ernst Albers Schoenberg, Metuchen, N. J. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

für diesen Zweck verwendet werden, wenn sie vielfach lamelliert sind; aber Wirbelstromverluste und Abschirmeffekte machen die Ansprechzeit dieser Stoffe relativ groß.

as Demgegenüber haben die »Rechteckferrite<> mit ihren hohen Widerstandseigenschaften die Ansprechzeit von magnetischen Gedächtnissystemen im Verhältnis von etwa 40 :1 verkürzt und erlauben somit, die Systeme mit weit höheren Arbeitsgeschwindigkeiten zu betreiben.

Fig. 1 vergleicht die rechteckförmige Form einer Hysteresisschleife, die von Massen· nach der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, mit zwei typischen Hysteresisschleifen handelsüblicher Ferrite. Die rechteckförmige Schleife ist bei 21 gezeigt. Es sei bemerkt, daß diese Schleife scharfe Ecken 22 und 23 sowie steile Seiten 24 und 25 (dBJdH hoch) hat und der Punkt 29, in dem die Schleife die Y-Achse schneidet, B_r, nur wenig tiefer liegt als der Punkt 28 der Sättigungsflußdichte B₃.

Die Kurve 31 zeigt eine typische Hysteresisschleife.

Bei Ferriten dieser Art kann das Verhältnis B_r/B_s befriedigend sein, aber die Ecken 32 und 33 sind nicht scharf und die Seiten haben eine beträchtliche Schräglage (dB IdH niedrig).
Die Kurve 41 zeigt eine andere typische Hysteresisschleife mit den Ecken 42 und 43, die scharf genug sind, die gewünschte Schnappwirkung zu geben, und auch einen recht hohen dB/dH-Wert haben; aber bei diesem Material ist das Verhältnis B_rjB_s zu niedrig. In Fig. 1 sind die Kurven 21 und 31 von tatsächlichen Photographien von Hysteresisschleifen wiedergegeben, die auf dem Schirm eines Oszilloskops gezeichnet waren. Die Schleife 21 ist diejenige des Beispiels C (Punkt 13 der Fig. 3), das unten beschrieben wird. Um Hysteresisschleifen mit einem hohen Verhältnis B_rjB_s, kurzen An-

709 508/40E

Sprechzeiten und gut ausgebildeten Ecken zu erhalten, wird das folgende Gebiet der Mengenanteile angegeben:

MgO 10 bis 30 Gewichtsprozent

MnO₂ 5 „ 40 „

Fe₂O₃ 50 „ 70

Das durch diese Grenzen umrissene Gebiet ist im Diagramm der Fig. 2 dargestellt und durch die Linien, welche die Punkte 1,2,3,4 und 5 verbinden, gekennzeichnet. Umgewandelt in Molprozent lautet der gleiche Anteilbereich

MgO 24,4 bis 62 %

MnO₂ 4,7 „ 45 %

Fe₂O₃ 24,3 „ 47,6%

volle Eigenschaften entwickelt, die über diejenigen hinausgehen, die innerhalb der vorgenannten Grenzen erreichbar sind. Sättigungsflußdichte, Restmagnetismus, Höchst- und Anfangspermeabilität werden erhöht, während die Koerzitivkraft abnimmt. Die Hysteresisschleife, die dann langer, steiler und enger wird, hält ihre eckige Form aufrecht, solange man sich ziemlich nahe an die alten Grenzen hält, insbesondere solange die Eisenoxydmenge nicht merklich die 50-Molprozent-Grenze überschreitet.

Wenn man sich sehr niedrigen Magnesiumoxydgehalten von etwa 3 Gewichtsprozent oder 8 Molprozent nähert, werden jedoch die Ecken der Schleifen allmählich abgerundet, während oberhalb des Knies der Kurve der Zustand der Sättigung langsamer erreicht wird, wodurch die

Dieses Gebiet ist im Diagramm in Fig. 3 gezeigt, wobei 15 Schleife eine stärkere Schräglage erhält.

die Zahlen 1 bis 5 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 2 haben. Die folgenden Beispiele entsprechen den Punkten 11 und 12 in Fig. 3.

Beispiel A (dem Punkt 11 entsprechend)

Es wird ein Gemisch aus den folgenden Bestandteilen in den angegebenen Mengen hergestellt:

MgO 14 Gewichtsprozent

MnO₂ 30

Fe₂O₃ (rotes Eisenoxyd) .. 56 ,,

Das Gemisch wird in einer Kugelmühle zu einer feinverteilten und gründlich durchgemischten Masse naßvermahlen. Zum anfallenden Pulver werden geringe Mengen Bindemittel, wie Methylcellulose, und, falls notwendig, Wasser zugegeben und die Masse durch Pressen oder Strangpressen verformt. Das Produkt wird dann in Stickstoff bei angenähert 1260⁰C gebrannt.

Das erhaltene Produkt hat die folgenden Eigenschaften

Sättigungsflußdichte (B₈) 1650 Gauß

Restmagnetismus (B_r) 1375 Gauß

B₇IB₁ 0,83

Koerzitivkraft 2,1 örsted

Höchstpermeabilität 315

Anfangspermeabilität 60

Beispiel B (dem Punkt 12 entsprechend)

Nach dem in der vorgehenden Beschreibung dargelegten Verfahren wird ein Formkörper mit den folgenden Ausgangsstoffen hergestellt:

MgO 14 Gewichtsprozent

MnO₂ 35

Fe₂O₃ 51

Der Formkörper wird in Luft bei etwa 76O⁰C vorgebrannt und dann bei etwa 1230⁰C in einer Stickstoffatmosphäre fertiggebrannt. Die Eigenschaften des erhaltenen Produktes sind:

Sättigungsflußdichte (B₈) 1470 Gauß

Restmagnetismus (B₇) 1170 Gauß

B_r/B_s 0,81

Koerzitivkraft 2,4 Örsted

Höchstpermeabilität 275

Anfangspermeabilität 52

Es gibt einen weiteren Unterschied zwischen den Körpern innerhalb des Gebietes 1-2-3-4-5, insbesondere in dessen oberem Teil, und denen außerhalb des Gebietes in Richtung auf niedrigere Magnesiagehalte; die Ansprechzeit, d. h. die Zeit, in der ein Stromstoß quer durch die Wicklung erzeugt werden kann, wird immer länger. Für Massen in der Mitte des Feldes 1-2-3-4-5 wurde eine Ansprechzeit von 0,5 Mikrosekunden und für diejenige innerhalb, aber nahe dem Punkt 2 eine solche von 1 Mikro-Sekunde gemessen, während bei fallendem Magnesiagehalt bis zu 5 Mikrosekunden gefunden werden. Diese Nachteile werden jedoch durch den Gewinn an Sättigungsfluß dichte und den anderen obenerwähnten Eigenschaften ausgeglichen.

Blickt man vom Gebiet 1-2-3-4-5 zur linken Seite des Diagramms, so findet man dort ein anderes Gebiet von technisch wertvollen Kombinationen, das durch einen niedrigen Eisenoxydgehalt gekennzeichnet ist. Hier können natürlich keine hohen Sättigungswerte erwartet werden. Aber die Stoffe dieses Gebietes zeichnen sich gleicherweise durch Hysteresisschleifen von rechteckförmiger Form aus, wenn auch von kürzerem und breiterem Aussehen. Es gibt Anwendungen bei Rechensystemen, die Magnetkerne geringer Sättigung erfordern, und in diesen Fällen sind die Körper mit niedrigem Eisenoxydgehalt im linken Gebiet besser als die im rechten Gebiet oder in der Mitte des Feldes.

Es ist klar, daß es innerhalb des Systems der Oxyde von Magnesium-Mangan- und Eisenoxyd ein Gebiet gibt, in dem ferromagnetische Verbindungen mit rechteckförmigen Schleifen gefunden werden, das größer ist als das Gebiet 1-2-3-4-5. Der vollständige Bereich der wertvollen Massen mit rechteckförmigen Schleifen wird von der Umrandung umschlossen, die durch die punktierten Linien, welche die Punkte 7-8-9-10 verbinden, gekennzeichnet ist. Unter Einschluß des Gebietes 1-2-3-4-5 umfaßt das ganze Feld die folgenden Prozentwerte:

35

60

MgO 8 bis 62 Molprozent

MnO₂ 4 „ 77

Fe₂O₃ 15 „ 52

Es wurde gefunden, daß bis zu 14 Molprozent des dreiwertigen Eisens, bezogen auf die Menge dreiwertiges Eisen, durch andere dreiwertige Oxyde der Gruppe B₈O₃, Cr₂O₃, ALO,., Ti₅

O₃, Ga₂O₃, V₂O

Gd₂O₅

₃, La₂O₃, Ce₂O₃, und deren Gemische ersetzt

Nd₂O₃,

Wenn man das Dreioxydsystem von Magnesiumoxyd, Mangandioxyd und Eisenoxyd näher untersucht, findet man, daß eine Anzahl von technisch wertvollen Massen erhalten werden kann, die außerhalb des Feldes 1-2-3- 4-5 liegen.

Geht man zu niedrigeren Magnesiumoxydgehalten und höheren Eisenoxydgehalten über, so werden einige wert-

65 Sm₂O₃, Eu₂O;

werden können, so daß die Masse folgende wesentliche Bestandteile enthält:

MgO 8 bis 62 Molprozent

MnO₂ 4 „ 77

Metallsesquioxyde 15 „ 52

wobei mindestens 86% der Sesquioxyde aus Fe₂O₃ bestehen.

Zu den beschriebenen Körpern können kleine Zusätze, z. B. O bis 5 % Magnesiumfluorid, das einen Teil des Magnesiumoxyds ersetzt, und bzw. oder bis 5% eines zweiten Schwermetalloxyds und bzw. oder bis 4% eines das Fließen erleichternden Oxyds, einschließlich Nichtmetalloxyde und Leichtmetalloxyde, zugegeben werden. Dabei ist es verständlich, daß bei Körpern mit geringem Magnesiumoxydgehalt das zweite Schwermetalloxyd keinen höheren Prozentgehalt aufweisen soll als das Magnesiumoxyd, da anderenfalls der Körper seinen wesentlichen Charakter als Magnesium-Mangan-Ferrit verlieren würde. Andererseits kann, wenn 6 oder 8 oder 10 oder mehr % Magnesia vorhanden sind, die Zusatzmenge des zweiten Schwermetalloxyds bis zur oberen Grenze von 5 bis 8 % betragen. Höhere Prozentmengen von z. B. Zinkoxyd müssen streng vermieden werden. Mangan-Zink-Ferrite, wie sie von J. L. Snoek beschrieben sind, zeichnen sich durch ganz andere Eigenschaften (hohe Permeabilität und geringer Restmagnetismus) von den Massen mit Rechtecksschleifen (verhältnismäßig niedrige Permeabilitäten und hoher Restmagnetismus) aus, die Gegenstand vorliegender Anmeldung sind. Wenn geringe Mengen Zinkoxyd zugegeben oder in die Massen eingefügt sind, wird die Permeabilität erhöht, und die Ecken der Hysteresisschleife beginnen sich abzurunden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel C

Es wurde ein Gemisch mit folgender Zusammensetzung hergestellt: ;

MgO 12,5 Gewichtsprozent

MnO₂ 22,5

Fe₂O₃ 60,0

Al₂O₃ 5

Diese Masse wird in Luft bei 126O⁰C gebrannt und gibt ein Produkt mit folgenden Eigenschaften:

Sättigungsflußdichte 2300 Gauß

Restmagnetismus 2000 Gauß

B_rjB_s 0,87

Koerzitivkraft 1,6 Örsted

Höchstpermeabilität 600

Anfangspermeabilität 50

Beispiel D

Die Masse hatte folgende Zusammensetzung und wurde bei etwa 1260⁰C gebrannt:

MgO 3,8 Gewichtsprozent

MnO₂ 47,8 „

45,0

3,4

Die Masse enthält etwa 30,5 Molprozent Fe₂O₃ und 2,5 Molprozent Cr₂O₃.

Diese Masse wurde geformt und bei etwa 126O⁰C in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt und hatte die folgenden Eigenschaften:

Beispiel E

Fe₂O₃
Cr₂O₃

Sättigungsflußdichte 1800 Gauß

Restmagnetismus 1450 Gauß

B_rjB_s 0,81

Eine Masse mit folgenden Bestandteilen wurde hergestellt, plastifiziert und verformt:

MgO 8,5 Gewichtsprozent

ZnO 4,0

MnO₂ 22,5

Fe₂O₃ 60

V₂O₃ 5

Das verformte Produkt wurde bei etwa 1205° C gebrannt und hatte die folgenden Eigenschaften:

Sättigungsflußdichte 2400 Gauß

Restmagnetismus 2100 Gauß

B_rjB_s 0,87

Koerzitivkraft 1,5 Örsted

Höchstpermeabilität 600

Anfangspermeabilität 100

Zusammenfassend können die folgenden Verallgemeinerungen der Eigenschaften der in Fig. 3 gezeigten Massen gemacht werden:

1. Die besten Materialien für die vorliegende Anmeldung liegen innerhalb des Gebietes 1-2-3-4-5 mit bis zu 7 Molprozent Fe₂O₃ ersetzt durch andere Metallsesquioxyde oder deren Gemische.

2. Wenn man die Menge der zweiwertigen Oxyde herabsetzt, wird die Menge Fe₂O₃, die durch andere Sesquioxyde ersetzt werden kann, erhöht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verwendung von hochgebranntem Mangan-Magnesium-Ferrit aus 8 bis 62 Molprozent MgO, 4 bis 77 Molprozent MnO und 15 bis 52 Molprozent Sesquioxyden, die mindestens 86% Fe₂O₃ und bis zu 14% Sesquioxyde des B, Cr, Al, Ti, Ga, V, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Er oder ihrer Gemische enthält, wobei, berechnet auf die Gesamtmasse, weniger als 50 Molprozent Fe₂O₃ vorhanden sind, gegebenenfalls zusätzlich 4 Molprozent zweiwertige Schwermetalloxyde zugesetzt werden können, als ferromagnetische Masse, insbesondere für geformte Magnetkerne mit einem Verhältnis von Restmagnetismus zu Sättigungsflußdichte von mindestens 0,8.

2. Verwendung einer Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenzusammensetzung im Dreistoffsystem MgO—MnO-Sesquioxyd innerhalb des Gebietes der Punkte 1 (25 Molprozent MgO, 45 Molprozent MnO, 30 Molprozent Sesquioxyd), 2 (28 Molprozent MgO, 25 Molprozent MnO, 47 Molprozent Sesquioxyd), 3 (55 Molprozent MgO, 5 Molprozent MnO, 40 Molprozent Sesquioxyd), 4 (62 Molprozent MgO, 5 Molprozent MnO, 33 Molprozent Sesquioxyd) und 5 (57 Molprozent MgO, 62 Molprozent Mn O, 24 Molprozent Sesquioxyd) liegt und bei etwa 1315° gesintert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 661 721; USA.-Patentschriften Nr. 2 565 058, 2 568 881.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen