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Verfahren zur Herstellung von ferromagnetischen, keramischen Körpern
Die Erfindung betrifft die Herstellung weicher, ferromagnetischer Körper mit hoher
Permeabilität und geringen Verlusten, welche bei verhältnismäßig hohen Frequenzen
Verwendung finden können und aus Mischkristallen von Metalloxyden vom ferromagnetischen
Spinelltyp bestehen und nachstehend als ferrokeramische Körper bezeichnet werden.
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Man kennt bereits magnetische Stoffe mit hoher anfänglicher Permeabilität
und geringen Verlusten, welche aus Mischferriten mit mindestens drei Bestandteilen
der folgenden chemischen Zusammensetzung bestehen: X(Fe203) + Y(MO), wobei X -f-
Y = 1, in welcher M zwei oder mehrere zweiwertige Metalle, wie Mangan, Zink, Nickel,
Eisen, Kupfer, Cadmium, Magnesium, bedeutet.
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Bei einem Ferrit gegebener Zusammensetzung, welcher aus handelsüblichen,
technisch reinen Oxyden erhalten wurde, wurde oft eine ziemlich große Streuung der
Werte der magnetischen Werte festgestellt. Man weiß, daß größere Permeabilitätsunterschiede
sich bei der Verwendung sehr nachteilig auswirken.
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Die erfindungsgemäß erhaltenen Körper besitzen die genannten Nachteile
nicht. Ihre Herstellung erfolgt so, daß man die Ausgangsmischung von x1 (Fe.
03) + x2 (Cr. 0") -f- y1 (Mn 02) -f- y2 (Zn 0), in welcher x1 + x2 -f- y1
+ y2 = 1 ist, wobei die molekularen Mengenanteile x1, x2, y1 und y2 innerhalb der
folgenden Grenzen liegen 0,49 < x1 < 0,61 0,02 < x2 < 0,06 0,20 <
y1 < 0,27 0,15 < y2 < 0,27 bei einem Druck zwischen 3 und 5 t/qcm preßt,
sie 3 bis 5 Stunden bei einer Temperatur zwischen 1220 und 1320'C
in einer
Luftatmosphäre sintert und sie dann in zwei Etappen abkühlt, wobei die erste Abkühlung
bis auf 500° langsam und die zweite Abkühlung bis auf Raumtemperatur schnell erfolgt
und die ganze Abkühlung in atmosphärischer Luft durchgeführt wird.
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Zur Erläuterung der nachstehenden Ausführungen seien die Verluste,
welche unter der Einwirkung eines magnetischen Wechselfeldes in einem magnetischen
Stoff auftreten, definiert. Es ist üblich, bei schwachem Feld diese Verluste durch
die Verlustkoeffizienten t, h und F zu definieren, welche die Verluste infolge
Ummagnetisierung (Restverluste) bzw. die Hysteresisverluste bzw. die Wiibelstromverluste
kennzeichnen.
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Diese Koeffizienten werden nach der klassischen Methode bestimmt,
welche darin besteht, die Verluste auf einer auf einem Ringkern befindlichen Selbstinduktionsspule
zu messen, wobei der Kern mit dem zu prüfenden Stoff hergestellt ist und eine Wicklung
von N Windungen trägt.
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Diese Selbstinduktionsspule besitzt einen durch die nachstehende Formel
gegebenen Verlustwiderstand. In der Formel sind die verschiedenen Verlustkoeffizienten
in üblicher Weise auf eine Frequenz von 800 Hz/Sek. bezogen:
In der Formel bedeutet R" den Verlustwiderstand in Ohm, L die Induktanz in
Henry, f die Frequenz in Hz/Sek., N die Anzahl Windungen der Wicklung,
I die wirksame Intensität des Stroms in der Wicklung in Ampere, l die mittlere
Länge der magnetischen Kraftlinien in cm, t den Verlustkoeffizient durch Ummagnetisierung
in Ohm/Henry, h den Hysteresisverlustkoeffizient in Ohm/Henry/Ampere-Windung/cm,
F den Wirbelstromverlustkoeffizient in Ohm/Henry.
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Für die nachstehend beschriebenen, erfindungsgemäß erhaltenen Stoffe
sind die Koeffizienten t und F auf der Basis von bei mehreren Frequenzen zwischen
20 und 250 kHz pro Sekunde durchgeführten Messungen berechnet. Der Koeffizient h
entspricht der Messung bei 100 kHz/Sek. für eine Änderung des magnetischen Feldes
von 0 bis 30 Milliörsted.
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Die anfängliche magnetische Permeabilität soll bei niedriger Frequenz
und in einem Magnetfeld unterhalb 2 Milhörsted gemessen werden.
Die
erfindungsgemäß erhaltenen Stoffe besitzen die folgende chemische Zusammensetzung:
Xl (F2 03), X2 (Cr2 O3) , Yl (Mn O), Y2 (Zn 0), Y3 (Fe 0). In der Formel bedeuten
Xl, X2, Yl, Y2 und Y3 die molekularen Mengenanteile der Bestandteile und
XI -y- X2 + Y,-+ Y2 -f- Y3 = 1. Die molekularen Mengenanteile der Bestandteile der
genannten Zusammensetzungen bewegen sich in den folgenden-Grenzen: 0,44 - <-X,
< 0,58 0;017 <=X2 < 0,06 _. 0,19 .< Y, < 0,27 0,14 <_Y, < 0,27
0 < Y3 < 0,10 Ein solches Material besitzt die folgenden Eigenschaften 1.
Sein Curiepunkt liegt oberhalb 110° C, 2. seine anfängliche Permeabilität u liegt
zwischen 500 und 1300, 3. seine Verlustkoeffizienten t, F und lt, welche
vorstehend definiert wurden, liegen innerhalb der folgenden Bereiche
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keine sehr reinen Ausgangsstoffe. Es können
so die folgenden Prozente Verunreinigungen geduldet werden: Si02 .................................
< 0,50/" A1203 ................................ < 1 0/0 Kupferoxyd und Oxyde
anderer Schwermetalle ............................. < 0,10 J0 Oxyde und
Sulfate der Alkali- und Erdalkalimetalle ........................ < 0,10/0
Diese Prozentzahlen sind Gewichtsprozent. Aus vorstehendem ergibt sich, daß die
verwendeten Oxyde nur den handelsüblichen Reinheitsgrad haben.
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Das Herstellungsverfahren umfaßt die folgenden Verfahrensstufen: 1.
Die in die Zusammensetzung einzubringenden Oxyde werden getrennt in einer- Stahlkügehnühle
vorzugsweise unter Zugabe von destilliertem Wasser in einen sehr feinkörnigen Zustand
übergeführt.
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2: Die Oxyde Fe, 0, Cr, 0, Zn 0 und Mn 02 werden in
den gewünschten Mengen 8 bis 12 Stunden in einer Kugelmühle zusammen mit einer solchen
Menge destilliertem Wasser vermischt, welche ausreicht, um ein Ankleben der Oxyde
an den Wänden zu verhindern.
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3. Die Mischung wird getrocknet und bildet ein sehr -feines Pulver,
in welchem die größte Abmessung der Körnchen unterhalb 2 Mikron liegt.
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4. Zur Herstellung der magnetischen Kerne wird die Mischung in den
geeigneten Formen einem Druck von 4 t/qcm ausgesetzt.
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5. Die Kerne werden in einem Ofen unter langsamer Steigerung der Temperatur
auf 600'C (6 bis 12 Stunden) getrocknet.
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6. Die Sinterung erfolgt. bei einer maximalen, zwischen 1220 und 1320°C
liegenden Temperatur. Die maximale Behandlungstemperatur richtet sich nach dem gewünschten
Wert der Permeabilität, welcher mit steigender Sinterungstemperatur ansteigt. Die
Erhöhung der Permeabilität ist indessen von einer Erhöhung der Hysteresisverluste
begleitet, wenn die Sinterungstemperatur etwa 1260'C
überschreitet. Die maximale
Temperatur wird 3 bis 5 Stunden aufrechterhalten.
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7. Die Abkühlung erfolgt in zwei Etappen. Die erste Abkühlung bis
auf 500°C geht verhältnismäßig langsam innerhalb von 3 bis 5 Stunden vor sich. Die
zweite Abkühlung auf 500°C auf Raumtemperatur erfolgt sehr rasch, und zwar, indem
man die Kerne schnell aus dem Ofen entnimmt.
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Die gesamten Verfahrensschritte der Trocknung und der Sinterung werden
in atmosphärischer Luft durchgeführt.
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Es wurde durch chemische Analyse und durch Röntgenanalyse festgestellt,
daß der erfindungsgemäß erhaltene ferrokeramische Körper aus Verbindungen der Formel
(Fe2O3, Cr,03, MO) besteht, in welcher M die zweiwertigen Metalle Eisen, Mangan
und Zink umfaßt. Ferner wurde festgestellt, daß das Cr203 nicht im freien Zustand,
sondern in fester Verbindung vorliegt.
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Es wurde weiter festgestellt, daß die Anwesenheit von Cr203 in der
Mischung dem erhaltenen Stoff eine größere Homogenität der Kristallstruktur verleiht.
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Durch diese Verbesserung der Struktur werden die Schwankungen der
Anfangspermeabilität unter ± 5 0/0 verringert. Außerdem betragen die Schwankungen
bei jedem der verschiedenen Verlustkoeffizienten, bezogen auf den Mittelwert, nicht
mehr als ± 20 0/0 Das folgende Beispiel beschreibt das Herstellungsverfahren eines
magnetischen Stoffes mit einer mittleren anfänglichen Permeabilität von etwa 1000.
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Beispiel Die Mischung besitzt die folgende molekulare Ausgangszusammensetzung:
0,50 (Fe, 03) + 0;02 (Cr. 0,) + 0;25 (Mn 02) + 0,23 (Zn 0) mit einem Gehalt
an Verunreinigungen (Kieselsäure) von 0,4 Gewichtsprozent der Gesamtoxyde. Nach
der Zerkleinerung und Durcharbeitung der Mischung, wie vorstehend beschrieben, was
12 Stunden dauert, werden die Proben einem Druck von 4 t/qcm unterworfen. Die Kerne
werden dann durch allmähliches Erhitzen bis auf 600°C getrocknet und anschließend
bei 1270° C während 4 Stunden gesintert. Dann werden die Proben in dem Ofen während
4 Stunden bis auf 500° C und anschließend rasch in der freien Luft durch Herausnehmen
aus dem Ofen abgekühlt.
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Die an mehreren Reihen von Proben gemessene anfängliche Permeabilität
lag zwischen 970 und 1060.