DE1949599C3

DE1949599C3 - Ferrimagnetischer hochpermeabler Mangan-Zink-Ferritkern und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1949599C3
Application number: DE19691949599
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Phys. Dr 8000 München Röß
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1978-01-19

Description

peraturen wandert, in der Nähe der Zimmertemperatur liegt und damit der im allgemeinen notwendige kleine Temperaturkoeffizient der Permeabilität und die hohe Anfangspermeabilität gewährleistet sind. Die Kombination von geringster Inkonstanz und kleinem Temperaturkoeffizienten der Permeabilität ist bei Mangan-Zirtk-Ferriten daher meist widersprüchlich.

Zur Verbesserung der zeitlichen Stabilität der Anfangspermeabilität von derartigen Mangan-Zink-Ferritkernen, die geringe Verluste bei hohei Anfangspermeabilität aufweisen und die gleichzeitig brauchbare Temperaturkoeffizientwerte im normalen Anwendungstemperaturbereich besitzen, ist daher der folgende Grundzusammensetzungsbereich vorgeschlagen worden:

51,5 bis 53,5 Molprozent Fe₂O₃ und TiO₂,

davon 0,7 bis 3,5 Molprozent TiO₂ und mindestens etwa 49 bis höchstens 52,8 Molprozent Fe.,O.,,

26 bis 30,5 Molprozent MnO,

17 bis 22 Molprozent ZnO,
0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent CaO.

Zweckmäßig wird hierbei der Mangan-Zink-Ferritkern derart zusammengesetzt, daß dessen Anteile an Fe.,O_;1 + TiO., 52 bis 53 Molprozent betragen und Titandioxid daran mit 0,7 bis 2,0 Molprozent beteiligt ist. Manganoxid wird dabei in Anteilen zwischen 28 und 30 Molprozent und Zinkoxid in Anteilen von 17,5 bis 19,5 Molprozent verwendet.

Bisher entwickelte hochpermeable Mangan-Zink-Ferrite mit geringen Verlusten besitzen im allgemeinen eine Curietemperatur T_(:> \50^u C Sie haben entweder nur einen kleinen Anwendungstemperaturbereich, in dem ein kleiner positiver Temperaturkoeffizient der Anfangspermeabilität eingehalten wird, oder einen größeren Bereich, in dem der Temperaturkoeffizient der Anfangspermeabilität zwischen positiven und negativen — meist großen — Weiten schwankt. Insbesondere fällt nach tiefen Temperaturen hin die Permeabilität steil ab, und der Temperaturkoeffizient der Anfangspermeabilität wird sehr groß.

Da zwangsweise zur Erzielung eines kleinen Temperaturkoeffizienten und einer hohen Permeabilität das sekundäre Permeabilitätsmaximum bei Raumtemperatur oder sogar darunter liegt, ist der Abstand der beiden Permeabilitätsmaxima groll, und die /i(T)-Kurven neigen dazu, durchzuhängen und verändern sich leicht mit den Herstellungsbedingungen. Es ist daher schwer, einen bestimmten kleinen Temperi'turkoeffizienten in einem engen Temperaturbereich herzustellen.

Praktisch unmöglich ist es bei diesen Stoffen mit hoher Curie-Temperatur, einen bestimmten kleinen Temperaturkoeffizienten in einem weiten Temperaturbereich sicher zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines hochpcrmcablcn Ferrits, der mit großer Sicherheit gleichzeitig eine niedrige Inkonstanz und einen nahezu konstanten Temperaturkoeffizienten der Anfangspermeabilität in einem weiten Temperaturbereich besitzt Dieser Temperaturkoeffizient soll mit i/,«, a 0,7 ■ 10-e/° C so bemessen sein, daß elektrische Spulen mit Kernen aus diesem Ferrit gemeinsam mit Kondensatoren mit negativem Temperaturkoeffizienten in temperaturstabilen Schwingkreisen eingesetzt werden können. Durch geeignete Sinterbedingungen sollen außerdem auch kleine Verluste ίο bei ungeänderter Temperaturcharakteristik und Konstanz einstellbar sein.

Die Lösung der vorstehenden Aufgabe zeichnet sich erfindungsgemäß durch einen Ferrit folgender Zusammensetzung der Ausgangskomponenten aus:
>5

51,25 ± 0,2 Molprozent Fe.,O₃,
23,25 ± 1 Molprozent ZnO,
24,5 ± 1 Molprozent MnO,
1 ±0,1 Molprozent TiO.,.

Durch einen Ferrit dieser Zusammensetzung wird, wie aus der Figur ersichtlich ist, die Curietemperatur bis auf 120° C gesenkt und gleichzeitig eine Schulter in der Permeabilitäts-Temperaturkurve bei — 30 bis — 50 ' C eingestellt. Durch den ΤίΟ.,-Anteil in der Größenordnung von 1 Molprozent wird außerdem erreicht, daß keine steilen Permeabilitätsmaxima entstehen. So stellt sich ein nahezu linearer Permeabilitäts-Temperaturverlauf zwischen etwa —40 und + 100° C ein, mit einem relativen Temperaturkoeffizienten der Anfangspermeabilität

λ///, «0,7 · 10-o/⁰C.

Wegen des geringen Eisenanteils ist außerdem die zeitliche Inkonstanz mit Werten um DIu₁= 1 · 10~° wesentlich geringer als bei Kernen mit Eisengehalt von 53 bis 54 Molprozent.

Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung dieses Mangan-Zink-Ferrits sieht vor, daß eine Mischung folgender Zusammensetzung der Ausgangskomponenten

51,25 ± 0,2 Molprozent Fc₁O₃,

23,25 ± 1 Molprozent ZnO,

24,5 ± 1 Molprozent MnO,

1 ± 0,1 Molprozent TiO₂

trocken gemischt, etwa 1 Stunde bei 1050° C vorgesintert, etwa 4 Stunden unter Zusatz von 0,1 Gewichtsprozent CaCO₃ naß gemahlen, getrocknet und gepreßt, auf eine Sintertemperatur von 1250 bis 1320" C, insbesondere 1280 bis 13OO'^J C, aufgeheizt, 4 bis 5 Stunden bei dieser Temperatur in einer mit bis 5 Volumprozent Sauerstoff versetzten Stickstoffatmosphäre gesintert und anschließend in etwa 3 bis 10 Stunden, vorzugsweise 5 bis 7 Stunden, in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. Stickstoff, abgekühlt wird, in der der Sauerstoffgehalt von dem Prozentsatz bei Sintertemperatur stufenweise oder stetig so abgekühlt wird, daß ab etwa 1000" C weniger als 0,0^ Volumprozent Sauerstoff vorhanden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ferromagnetischer hochpermeabler Mangan-Zink-Ferritkern, der insbesondere für elektrische Spulen als Ferromagnetikum verwendbar ist und dessen Anfangspermeabilität sich durch eine große zeitliche Konstanz und eine flache lineare Temperaturcharakteristik in einem weiten Betriebstemperaturbereich auszeichnet, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung der Ausgangskomponenten:

51,25 ± 0,2 Molprozent Fe.,O.„
23,25 ± 1 Molprozent ZnO^
24,5 ± 1 Molprozent MnO,
1 +0,1 Molprozent TiO₂.

2. Verfahren zur Herstellung eines Mangan-Zink-Ferrits mit hoher AnfangspermeabiJität und kleinen Verlusten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung folgender Zusammensetzung der Ausgangskomponenten

51,25 ± 0,2 Molprozent Fe.,O.,,
23,25 ± 1 Molprozent ZnO"
24,5 ± 1 Molprozent MnO,
1 ±0,1 Mo! prozent TiO₂

gemischt, bei 1050" C vorgesintert, unter Zusatz von CaCO₁ gemahlen, gepreßt, auf eine Sintertemperatur von 1250 bis 1320° C, insbesondere 1280 bis 1300° C, aufgeheizt, 2 bis 5 Stunden bei dieser Temperatur in einei mit bis etwa 5 Volumprozent Sauerstoff versetzten Schutzgasatmosphäre gesintert und anschließend in etwa 3 bis 10 Stunden, vorzugsweise 5 bis 7 Stunden in einer unterhalb 1000" C maximal 0,05 Volumprozent Sauerstoff enthaltenden Schutzgasatmosphäre abgekühlt wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Mangan-Zink-Ferrits mit hoher Anfangspermeabilität und kleinen Verlusten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung folgender Zusammensetzung der Alisgangskomponenten

51,25 + 0,2 Molprozent Fe₀O₁,
23,25 ± 1 Molprozent ZnO"
24,5 ± 1 Molprozent MnO,
I ±0,1 Molprozent TiO₂

trocken gemischt, etwa 1 Stunde bei 1050° C vorgesintert, etwa 4 Stunden unter Zusatz von 0,1 Gewichtsprozent CaCO., naß gemahlen, getrocknet und gepreßt, auf eine Sintertemperatur von 1250 bis 1320° C, insbesondere 1280 bis 1300° C, aufgeheizt, 2 bis 5 Stunden bei dieser Temperatur in einer bis etwa 5 Volumprozent Sauerstoff versetzten Schutzgasatmosphäre gesintert und anschließend in etwa 3 bis IO Stunden vorzugsweise 5 bis 7 Stunden, in einer unterhalb 1000 C maximal 0,05 Volumprozent Sauerstoff enthaltenden Schutzgasatmosphäre abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgasatmosphäre Stickstoff verwendet wird.

Die Erfindung betrifft einen ferrimagnetischen hochpermeablen Mangan-Zink-Ferritkern, der insbesondere für elektrische Spulen als Ferromagnetikum verwendbar ist und dessen Anfangspermeabilitat sich durch eine große zeitliche Konstanz und eine flache lineare Temperaturcharakteristik in einem weiten Betriebstemperaturbereich auszeichnet. Das heißt, daß die Anfangspermeabilität in diesem Temperaturbereich langsam proportional zur Temperatur

ίο ansteigt und daß sie auch nach langer Lagerung des Kerns nur unwesentlich von dem vorher gemessenen Wert abgefallen ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Mangan-Zink-Ferritkerns.

Eine hohe Anfangspermeabilität von mehr als //,äjIOOO und geringe Verluste weisen Mangan-Zink-Ferrite in bekannter Weise insbesondere dann auf, wenn ihr Anteil an Fe₂O₃ in der Ausgangs-

ao mischung mehr als 50 Molprozent beträgt. Der den Betrag von 50 Molprozent Fe₂O., übersteigende Eisenoxidanteil \vird während der Herstellung des Ferrits teilweise oder vollständig in die zweiwertige Form FeO umgesetzt und als FeO · Fe₂O., in das kubische

Spinellgitter des Ferrits eingebaut. So ist beispielsweise in der DAS 10 54 002 beschrieben, daß optimale Gütewerte dann erreichbar sind, wenn das gesinterte Endprodukt 49,7 bis 50,6 Molprozent Fe₂O₃ und 0,3 bis 7,5 Molprozent FeO enthält. Der Anteil an Manganoxid in der Ausgangsmischung beträgt dabei 24 bis 38 Molprozent MnO, und der Rest besteht im wesentlichen aus Zinkoxid.

Es ist auch bekannt, daß sich Mangan-Zink-Ferrite mit geringem Verlustfaktor erzielen lassen, wenn bei ihrer Herstellung neben geringen Anteilen Kalziumoxid in der Größenordnung von 0,02 bis 0,1 Gewichtsprozent auch geringe Anteile von Titanoxid verwendet wtrden. Dabei läßt sich bei einem Eisengehalt von 53,5 Molprozent eine Anfangspermeabilitat von 1780 und ein auf die Anfangspermeabilität bezogener Verlustfaktor tg<V//; — 1,1 · IO~⁶ bei 100 kHz erreichen.

Ferner ist es bereits bekannt, zur Verbesserung des Verlustfaktors von Mangan-Zink-Ferrit diesem neben 0,05 bis 0,3 Gewichtsprozent Kalziumoxid, noch sehr geringe Anteile zwischen 0,005 bis 0.035 Gewichtsprozent Siliziumdioxid zuzugeben. Dabei wird auch bereits beschrieben, zur Verbesserung des Temperaturkoeffizienten der Permeabilität Oxide des AIuminiums, Zinns und des Titans in Anteilen von etwa 0,5 °/o zuzusetzen. Bei einem Fe.,O.,-Anteil von 54 Molprozent und einem Gehalt von 35 Molprozent MnO, Rest Zinkoxid, wird dort ein relativer Temperaturkoeffizient -χ/μ,γ — 0,8 · ΙΟ"«/" C in einem kleinen Betriebstemperaturbereich zwischen 0 bis +40° C bei einer Curie-Temperatur von 230" C erreicht.

Es hat sich nun aber gezeigt, daß bei Mangan-Zink-Ferriten die Inkonstanz mit zunehmendem Eisengehalt sehr steil ansteigt, und zwar etwa um einen Faktor 2 je 0,5 Molprozent Fe₂O.,, so daß z. B. bei gleicher Herstellung ein Ferrit mit 51 Molprozent Fe.,O., einen Wert für —ΟΛ/, I · 10-^β aufweist, während ein Ferrit mit 53 Molprozent Fe₂O., mit — DIiI₁ 16 · K)-" sehr inkonstant ist.

Andererseils ist es notwendig, einen relativ hohen Eisengehalt um etwa 53 Molprozent Fe₂O., einzustellen, damit das sekundäre Permeahilitntsmaximum. das mit zunehmendem Eisengehalt nach tiefen Tem-