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Verfahren zur Herstellung eines Eis en-Mangan-Magnesium-Zink-Ferrits
Zusatz zur Patentanmeldung C5474IVc/80b Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung eines Eisen-Mangan-Magnesium-Zink-Ferrits, welches eine weitere
Ausbildung des in der Hauptpatentanmeldung C 5474 IVc/80b geschützten Verfahrens
darstellt.
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Das Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung bezweckt, Ferrite zu schaffen,
die hohe Anfangspermeabilität mit geringen Verlustkoeffizienten verbinden. Gemäß
der Hauptpatentanmeldung wird ein Gemisch von mindestens 50 Molprozent Eisenoxyd
(Fe203), 24 bis 38 Molprozent Manganoxyd (M110), 0,4 bis 5 Molprozent Magnesiumoxyd
(M-0), Rest Zinkoxyd (Z110) nach dein Pressen derart bei 1000 bis 1250° C in einer
indifferenten Atmosphäre erhitzt, daß 0,1 bis 2,5 Molprozent Eisenoxydul (Fe0) im
Werkstoff gebildet werden, während der Gehalt an Fe203 auf ungefähr 50 Molprozent
verringert wird, und daß anschließend die erhaltenen Stoffe langsam abgekühlt werden.
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Es hat sich herausgestellt, daß der durch Erhitzen und Zersetzung
eines Teils des im Ausgangsgemisch vorhandenen Fee 03 erhaltenen Fe O im fertigen
Ferrit oberhalb 2,5 Molprozent sein und bis 5,5 Molprozent gehen kann. Das Verfahren
gemäß dem vorliegenden Zusatzpatent ist dadurch gekennzeichnet, daß durch Erhitzen
mehr als 2,5 bis 5,5 Molprozent Fe 0 gebildet werden. Dabei muß selbstverständlich
die schon für die Hauptpatentanmeldung wesentliche weitere Bedingung, wonach der
molekulare Anteil von Fee 03 durch das Erhitzen auf ungefähr 50 Molprozent verringert
wird, auch bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Zusatzanmeldung erfüllt werden.
Die Folge davon ist, daß das Fe. 0.. im Ausgangsgemisch zwangläufig eine Erhöhung
erfahren muß. Das für das Verfahren gemäß der Erfindung geeignete Ausgangsgemisch
setzt sich zusammen aus 51,2 bis 55 Molprozent Fee 03, 27 bis 37 Molprozent Mn O,
0,4 bis 3 Molprozent Mg O, Rest Zn O.
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Die erfindungsgemäß erhaltenen Ferrite sind wegen ihrer weiter unten
näher erläuterten Eigenschaften für sehr viele Anwendungsgebiete geeignet. Es ist
insbesondere interessant, sie als Transformatorkerne in der Fernmeldetechnik zu
benutzen, insbesondere für die Übertragung von hohen Frequenzen. Ferner ist ihre
Benutzung als Transformatorkern bei der Übertragung verhältnismäßig hoher Leistungen
interessant, wie dies z. B. in der Impulstechnik der Fall ist.
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Die durch das Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen fertigen Ferrite
sind durch die nachstehende Schemaformel gekennzeichnet: (m Fe2031 x MnO,
y Fe O, z Mg O, q Zn O) , in welcher die Koeffizienten an, x, y, z, q den
molekularen Prozentgehalt bedeuten, so daß (m -h x -i- y > -f- z -I- q) = 100'°/a
ist. Diese Koeffizienten müssen dann erfindungsgemäß zwischen folgenden Grenzen
liegen: 49,30/0 < in G 50,711/o 27 % G x < 37 0/0 ' 2,5°/c. < y < 5,5°/0
0,411/o G z < 3 11/o Zwischen diesen Grenzen können alle beliebigen Kombinationen
hergestellt werden, so daß sich ergibt: q = 100% - (r11 -I- x -I- y + z)%.
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Ferner wird der Fe 0-Gehalt durch die Bestimmung des Oxydationsgrades
nach der Konzentration einer durch Angriff einer Probe unter Luftabschluß durch
Salzsäure erhaltenen Lösung an reduzierendem Salz bestimmt, was eine bequeme Feststellung
ermöglicht.
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Derartige Ferrite besitzen folgende Eigenschaften: 1. Die Anfangspermeabilitätß
liegt über 1300 und kann 3000 erreichen.
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2. Der Curie-Punkt liegt zwischen 150 und 248° C. 3. Die die Veränderung
der Induktion in Abhängigkeit von dem angelegten Feld darstellende Kurve weicht
bis zu einer Induktion von über 3300 Gauß bei 20° C und über 3000 Gauß bei 60° C
praktisch nicht von einer geraden Linie ab.
4. Für ein Feld von
100 Örstedt liegt die Induktion bei 20° C über 3800 Gauß.
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5. Bei Betrachtung der nachstehenden Formel:
worin Rp Verlustwiderstand in dem Ferritkern einer Induktionsspule, in Ohm; L der
Selbstinduktionskoeffizient dieser Spule in Henry; f die Frequenz in Hertz; N die
Windungszahl der Wicklung der Spule; I der Effektivwert des Stromes in der Wicklung
in Ampere; L die Länge des magnetischen Kreises in cm; Fit der Koeffizient
der Wirbelstromverluste; lt der Koeffizient der Hystereseverluste; t der
Koeffizient der Nachwirkungsverluste, sind die den Gegenstand der Erfindung bildenden
Ferrite durch folgende Werte der drei Verlustkoeffizienten gekennzeichnet:
6. Die Veränderungvon
in Abhängigkeit von der Frequenz ist so gering, daß diese Materialien bis zu Frequenzen
von etwa 10 MHz ausgezeichnete Ergebnisse liefern.
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7. Der an einem Ringkörper ohne Luftspalt gemessene Temperaturkoeffizient
der Anfangspermeabilität
(wobei /c die Anfangspermeabilität bei 15° C ist) ist zwischen 15 und 65° C kleiner
als 8 - 10-s. Er kann Null oder sogar negativ werden, wenn der molekulare Gehalt
an FeO 3,5% übersteigt.
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Zur Herstellung dieser oben durch ihre Zusammensetzungen und ihre
Eigenschaften bestimmten Materialien müssen erfindungsgemäß die nachstehenden Bedingungen
sehr genau eingehalten werden.
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1. Zur Herstellung einer innigen Mischung der Bestandteile vor der
vollständigen Bildung des Ferrits werden die feingepulverten Oxyde (wobei die größte
Abmessung der Teilchen kleiner als ein Tausendstel Millimeter ist) in einer Mühle
innig gemischt. Gegebenenfalls werden bei der Berechnung der Bestandteile des Gemischs
durch die Mühle eingeführtes Eisen sowie Verunreinigungen berücksichtigt.
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2. Die in den zur Herstellung des Ferrits dienenden Oxyden enthaltenen
Verunreinigungen, wie Alkalien, Kalzium, Blei usw., haben einen bedeutenden Einfluß
auf die Permeabilität. So hat die Erfinderin festgestellt, daß zur Erzielung sehr
hoher Permeabilitätswerte der Gesamtbetrag der Verunreinigungen in den Ausgangsoxyden
höchstens 0,2% betragen darf und daß durch die benutzte Herstellungsart keine weiteren
Verunreinigungen eingeführt werden dürfen, die diesen Wert übersteigen.
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3. Die zur Herstellung des Ferrits dienenden Oxyde sind vorzugsweise
Fee 03, Mn3 04, 11g0 und Zn O. Bei merklicher Entfernung von dem Manganoxyd l@ln304
können die obigen Eigenschaften des Ferrits nicht mit Sicherheit reproduziert werden.
Die Oxyde des Ausgangsgemisches werden so dosiert, daß der molekulare Prozentsatz
nach der Umformung für das Fez 03 zwischen 50,3 und 55%, für das MnO zwischen 27
und 37%, für das MgO zwischen 0,4 und 30/& lieg L und daß der Prozentsatz
an Zn O den Rest darstellt. Bei der Festlegung eines zwischen diesen Grenzen liegenden
Gehalts an 11n0 wird hierdurch gleichzeitig der Gehalt an 11n304 festgelegt, wenn
einzig und allein dieses Manganoxyd benutzt wird. 4. Die Bildung des Ferrits soll
bei einer Temperatur von etwa 1250° C erfolgen. Der Ofen muß während der ganzen
Brenndauerzeit mit einem indifferenten Gas gespeist werden, z. B. Stickstoff, dessen
konstanter Gehalt an Sauerstoff so bemessen ist, daß die praktisch indifferente
Atmosphäre des Ofens im Augenbilck des Beginns der Abkühlung zwischen 0,03 und 0,70°/a
ihres Volumens an Sauerstoff enthält.
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Die Kühlung muß langsam erfolgen, z. B. in 13 Stunden.
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5. Zur Erzielung der höchsten Werte der Anfangspermeabilität muß das
Ferrit bei der höchstmöglichen Temperatur gebildet werden, welche im allgemeinen
um 1250° C liegt. Die Höhe der Temperatur ist durch die Bildung von deutlich sichtbaren
Kristallen auf dem Ferrit begrenzt, welche insbesondere seine Verluste erhöhen.
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Die Herstellungsbedingungen sind anschließend an Hand eines Beispiels
genauer erläutert. ' Beispiel Man geht von sehr reinen (Verunreinigungsgehalt gleich
0,1%) Eisen-, Mangan-, Magnesium- und Zinkoxyden Fee 03, Mn. ,041 Mg O, Zn O aus,
deren Gewichte 682,6 bzw. 198,1 bzw. 3,3 bzw. 115,9 g betragen, was molekularen
Prozentsätzen an Fee 03, Mn O, Mg O, Zn O von 51 bzw. 31 bzw. 1 bzw. 17 0/0 entspricht.
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Diese Oxyde werden während 20 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen
und innig gemischt.
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Hierauf werden sie zu Ringkörpern mit einem Außendurchmesser von 33
mm und einem Innendurchmesser von 18 mm mit etwa rechteckigem Querschnitt, z. B.
unter einem Druck von 5 t/cm2, gepreßt. Diese Ringkörper werden in einen Ofen gebracht
und während 3 Stunden auf 1220° C erhitzt. Durch den Ofen wird Stickstoff geleitet,
welcher 0,08 Volumprozent Sauerstoff enthält. Nach einer Sinterzeit von 3 Stunden
läßt man den Ofen abkühlen, wobei die thermische Trägheit so groß ist, daß der Ofen
in etwa 17 Stunden wieder auf die Raumtemperatur kommt.
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Das so gebildete Ferrit hat folgende molekulare Zusammensetzung: m
= 49,90°/o, x = 29,75%, y = 3,10%, z = 0,95°/o, q = 16,300/a, wobei der fest-;
gestellte Eisenüberschuß von der Mühle herrührt. Dieses Ferrit weist nachstehende
Eigenschaften auf: Anfangspermeabilität,u = 2150, Curie-Punkt 198° C, Induktion
für ein Feld von 100 Örstedt: 4500 Gauß bei 20° C, der Linearitätsgrenze der Kurve
B = f (H)
entsprechender Wert der Induktion bei 20 und 60° C : 3400 und 3100
Gauß, Verlustkoeffizienten
Temperaturkoeffizient der Anfangspermeabilität: 2 - 10-s.