DE69928381T2

DE69928381T2 - Verfahren zur herstellung von mangan-zinc-ferrit-kernen und mangan-zinc-ferrit-kerne

Info

Publication number: DE69928381T2
Application number: DE69928381T
Authority: DE
Inventors: Yukiharu Chuo-ku KINOSHITA; Hiroyasu Chuo-ku TAKAHASHI; Jun Chuo-ku SAWAI
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: EP1065191A1; KR20010034349A; DE69928381D1; EP1065191B1; CN1156413C; JP2000340419A; US6309558B1; KR100383394B1; CN1288451A; WO2000031000A1; EP1065191A4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mangan-Zink-Ferrit-Kerns für Ablenkjoche (deflecting yokes) oder Transformatoren und Spulen und einen solchen Mangan-Zink-Ferrit-Kern.
Für neuere CRT-Sichtbildmonitore und Fernsehgeräte, die jetzt auf dem Markt sind, ist eine auffallende Bewegung im Gange, immer größere Schirme zu haben und immer höhere Frequenzen zu erreichen. Dementsprechend gibt es einen starken Bedarf für die Entwicklung eines Ferritmaterials für Ablenkjoche, welches immer bessere elektromagnetische Eigenschaften aufweist als jene eines herkömmlichen Ferritmaterials, beispielsweise eine immer höhere Permeabilität und Sättigungsflussdichten und immer niedrigere Magnetkernverluste. Bisher wurde Magnesium-Zink-Ferrit als ein solches Ferritmaterial für Ablenkjoche verwendet. Jedoch setzt der Magnesium-Zink-Ferrit eine gewisse inhärente Grenze für seine elektromagnetischen Eigenschaften und erzeugt so aufgrund von Magnetkernverlusten viel Wärme, wenn er in der Form eines Kerns verwendet wird. So ist es oft schwierig, einen solchen Ferrit für einen Ablenkjochkern, der für große Schirme, Weitwinkelablenkung und hohe Frequenzen verwendet wird, zu verwenden.
Unter den Ferritkernen, von den bekannt ist, dass diese eine hohe Permeabilität, hohe Sättigungsflussdichten und niedrige Magnetkernverluste aufweisen, gibt es einen Mangan-Zink-Ferrit-Kern, welcher 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfasst. Jedoch ist dieser Kern darin nachteilig, dass sein elektrischer Oberflächenwiderstand niedrig ist und dieser keine Isolation zwischen den Wicklungen sicherstellen kann. Somit gibt es einen gleich bleibenden Bedarf für einen Ferritkern mit hohem elektrischen Oberflächenwiderstand und niedrigen Magnetkernverlusten.
Mit der Weiterentwicklung elektronischer Ausrüstung mit niedrigem Profil, wird nun auch von Transformatoren und Spulen gefordert, dass diese dünner und dünner werden. Bei solchen Anwendungen wurden bisher Mangan-Zink-Ferrit-Kerne, welche 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfassten und niedrige Magnetkernverluste aufwiesen, verwendet. Für solche Mangan-Zink-Ferrit-Kerne, welche 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfassen, ist es jedoch schwierig, sehr viel größere Verringerungen in der Dicke zu erreichen, da aufgrund ihres niedrigen elektrischen Oberflächenwiderstandes ein isolierender Spulenkörper (bobbin) verwendet werden muss, um die Drähte um diesen herum zu wickeln.
Aus diesem Grund sind bisher Transformatoren oder Spulen, welche durch das direkte Bereitstellen von Drähten um einen Nickel-Zink-Ferrit-Kern mit hohem elektrischem Oberflächenwiderstand herum, ohne Rückgriff auf irgendeinen isolierenden Spulenkörper erhalten wurden, entwickelt worden, wodurch sehr viel größere Verringerungen in der Dicke erreicht wurden. In diesem Fall gibt es jedoch ebenfalls das Problem, dass Magnetkernverluste aufgrund der Verwendung des Nickel-Zink-Ferrit-Kerns geopfert werden müssen.
In diesem Zusammenhang besteht ebenfalls ein Bedarf für einen Ferritkern mit hohem elektrischem Oberflächenwiderstand und niedrigen Magnetkernverlusten.
Während das Problem mit dem Mangan-Zink-Ferrit, welcher 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfasst, erläutert wurde, versteht man, dass dieses Problem mehr oder weniger bestehen bleibt für Mangan-Zink-Ferrit, der weniger als 50 Mol-% an Fe₂O₃ umfasst. Es wird jedoch festgestellt, dass, wenn die Menge an Fe₂O₃ sinkt, das Problem nach und nach unbedeutend wird.
In der WO 98 32140 A wird ein Mangan-Zink-Ferrit-Kern offenbart, welcher einen hohen Widerstand, eine hohe Permeabilität und einen niedrigen Kernverlust aufweist. Jedoch betrifft dieses ein Ferritmaterial, welches 43,0–49,5 Mol-% an Fe₂O₃ enthält.
Um den elektrischen Oberflächenwiderstand des oben erwähnten Mangan-Zink-Ferrit-Kerns, welcher 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfasst, zu erhöhen, hat beispielsweise die JP-A 6-295812 ein Verfahren vorgeschlagen, um einen Mangan-Zink-Ferrit-Kern, welcher 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfasst, einer Oxidationsbehandlung zu unterziehen, wodurch eine elektrische Isolationsschicht auf der Oberfläche von diesem gebildet wird. Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, einen Mangan-Zink-Ferrit-Kern mit niedrigen Magnetkernverlusten und hohem elektrischen Oberflächenwiderstand zu erhalten. Mit diesem Magnetkern können sehr viel mehr Verringerungen in der Dicke erreicht werden, da die Drähte direkt um den Kern herum gewickelt werden können.
Jedoch wurde nun bei dem vorstehenden herkömmlichen Verfahren der Herstellung eines Mangan-Zink-Ferrit-Kerns, welcher 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfasst, gefunden, dass es die folgenden Probleme aufweist.

(A) Es wird eine längere Zeit zur Bildung der oben erwähnten elektrischen Isolationsschicht benötigt, was zu einem Anstieg bei den Herstellungskosten führt. Beispielsweise beschreibt das „Mittel zur Lösung des Problems" in der obigen Veröffentlichung, dass das Abkühlen auf 900°C bei einer Geschwindigkeit von ca. 75°C pro Stunde nach Abschluss des Brennens (bei einer Brenntemperatur von 1.250°C) durchgeführt wird. Somit werden, um auf 900°C abzukühlen, d.h. für einen Temperaturabfall von 350°C, ca. 4,7 Stunden benötigt. Bei 900°C oder weniger wird die Abkühlung bei einer Geschwindigkeit von 300°C pro Stunde durchgeführt, und Luft wird zwischen 700°C und 400°C eingeführt, um eine elektrische Isolationsschicht zu bilden. Unter der Annahme, dass die Auslasstemperatur des Ofens 100°C beträgt, wird eine Kühldauer von ca. 7,5 Stunden benötigt. Wenn die elektrische Isolationsschicht unter derartigen Oxidationsbedingungen gebildet wird, ist es wahrscheinlich, dass diese aufreißt.
(B) Bei dem Verfahren, das in der obigen Veröffentlichung offenbart ist, wird eine Atmosphäre mit geringer Sauerstoffkonzentration unter Verwendung von Stickstoffgas als der Brennatmosphäre verwendet. Jedoch führt die Einführung von Stickstoffgas von Außen zu einigen weiteren Kosten für den Magnesium-Zink-Ferrit-Kern, der gegenwärtig als ein Ablenkjochkern verwendet wird und der durch Brennen ohne Rückgriff auf die Einführung von Stickstoffgas von Außen erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein Verfahren zur Herstellung eines Mangan-Zink-Ferrit-Kerns, welches einen Mangan-Zink-Ferrit-Kern mit hohem elektrischem Oberflächenwiderstand und niedrigen Magnetkernverlusten ohne Rückgriff auf die Einführung von Stickstoffgas von Außen, jedoch innerhalb eines kurzen Zeitraums herstellen kann, und einen derartigen Mangan-Zink-Ferrit-Kern bereitzustellen.
Ein solches Ziel ist durch die Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, erreichbar.
Der Mangan-Zink-Ferrit in dem Mangan-Zink-Ferrit-Kern der vorliegenden Erfindung umfasst als den Hauptbestandteil Eisenoxid in einer Menge zwischen 50,5 Mol-% und 54 Mol-% und insbesondere zwischen 51,5 Mol-% und 53,5 Mol-%, berechnet auf der Basis von Fe₂O₃.
Der Mangan-Zink-Ferrit gemäß der vorliegenden Erfindung enthält Manganoxid (MnO) und Zinkoxid (ZnO) als zusätzliche Hauptbestandteile. Es wird dann gewünscht, dass der Gehalt an Zinkoxid zwischen 7 Mol-% und 21 Mol-% und vorzugsweise zwischen 12 Mol-% und 17 Mol-%, berechnet auf der Basis von ZnO, liegt, wobei der Rest Manganoxid (MnO) ist.
Der Mangan-Zink-Ferrit gemäß der vorliegenden Erfindung enthält als einen Nebenbestandteil Calciumoxid in einer Menge von 0,04 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% und vorzugsweise 0,10 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, berechnet auf der Basis von CaO. Jede Abweichung in der Menge von CaO von diesem Bereich macht es unmöglich, niedrige Magnetkernverluste und einen hohen elektrischen Oberflächenwiderstand zu erhalten.
Der Mangan-Zink-Ferrit gemäß der vorliegenden Erfindung enthält als einen weiteren Nebenbestandteil Vanadiumoxid in einer Menge von 0 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% und vorzugsweise 0,025 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%, berechnet auf der Basis von V₂O₅. Durch die Einarbeitung von Vanadiumoxid (V₂O₅) können niedrige Magnetkernverluste und hohe Sättigungsflussdichten erhalten werden, wobei der elektrische Oberflächenwiderstand hoch genug ist, um eine Isolation zwischen den Wicklungen selbst bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen sicherzustellen, so dass die Oberfläche des Ferritkerns weniger anfällig für Risse ist. Jedoch macht es zuviel Vanadiumoxid (V₂O₅) schwierig, niedrige Magnetkernverluste zu erhalten.
Vermutlich sind die obigen Nebenbestandteile Calciumoxid und Vanadiumoxid hauptsächlich an den Korngrenzen vorhanden.
Der Mangan-Zink-Ferrit gemäß der vorliegenden Erfindung kann als weitere mögliche Nebenbestandteile Si, Nb, W, Co, Ti, Mg, Ta, Cu usw. enthalten. Der Gehalt von solchen Nebenbestandteilen sollte sich vorzugsweise auf ca. 0,01 Gew.-% bis ca. 2 Gew.-% und insbesondere 0,02 Gew.-% bis ca. 1,8 Gew.-% des Mangan-Zink-Ferrrits belaufen.
Wie der Mangan-Zink-Ferrit-Kern gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, wird nun erklärt.
Zuerst wird ZnO zu pulverförmigen Oxiden von Eisen und Mangan zugegeben, welche durch ein solches Zerstäubungsbrennverfahren, wie es in der JP-B 47-11550 angegeben wird, oder dergleichen hergestellt wurden, und die Materialien werden dann mittels einer Kugelmühle oder dergleichen gemischt und zusammen pulverisiert. Alternativ können Fe₂O₃, Mn₃O₄ und ZnO entsprechend der üblichen Pulvermetallurgie in einer Kugelmühle oder dergleichen zusammen gemischt werden, kalziniert werden und in einer Kugelmühle oder dergleichen pulverisiert werden. Die durchschnittliche Primärpartikelgröße nach der Pulverisierung sollte vorzugsweise in der Größenordnung von 0,8 μm bis 1,7 μm liegen.
Es wird beobachtet, dass, wenn die obigen Nebenbestandteile einschließlich CaO und V₂O₅ in den Ferrit eingearbeitet werden, diese vorzugsweise vor der Pulverisierung zu den Hauptbestandteilen zugegeben werden sollten.
Nach der Pulverisierung werden die Pulver getrocknet und dann zu der vorher bestimmten Kernform geformt.
Der geformte Kernpressling wird gesintert. Die Sintertemperatur oder die hohe Haltetemperatur für den Pressling sollte vorzugsweise zwischen 1.270°C und 1.350°C liegen, auch wenn dieses von der verwendeten Brennatmosphäre abhängt. Für die Brenn- oder Sinteratmosphäre wird eine Atmosphäre verwendet, welche Sauerstoff in einer Konzentration von 5% bis 21%, vorzugsweise 5% bis 15% und noch bevorzugter 5% bis 10% enthält. Bei einer Sauerstoffkonzentration von weniger als 5% ist es unmöglich, einen elektrischen Oberflächenwiderstand zu erhalten, der hoch genug ist, um eine Isolation zwischen den Wicklungen sicherzustellen. Bei einer Sauerstoffkonzentration, die 21% übersteigt, was höher ist als die von Luft, werden andererseits einige zusätzliche Kosten verursacht. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Kontrolle der Sauerstoffkonzentration in der Brennatmosphäre durch die Verwendung von Luft, Kohlendioxidgas und Dampf erreicht; das bedeutet, es wird nichts anderes als der Stickstoff in der Luft verwendet, wodurch eine beträchtliche Verringerung der Kosten zur Bildung der Brennatmosphäre erreicht wird. Wenn LPG als die Wärmequelle zum Brennen verwendet wird und ein Abgas, das daraus resultiert, als Kohlendioxidgas zur Kontrolle der Sauerstoffkonzentration in der obigen Brennatmosphäre verwendet wird, dann ist es möglich, eine weitere Verringerung der Kosten zu erreichen.
Die Sinterdauer oder die Dauer, um den Kernpressling bei hoher Temperatur zu halten, sollte vorzugsweise zwischen 1 Stunde und 3 Stunden liegen. Die Geschwindigkeit der Erwärmung des Kernpresslings auf die Sintertemperatur sollte vorzugsweise zwischen 100°C/Stunde und 700°C/Stunde und insbesondere zwischen 400°C/Stunde und 700°C/Stunde liegen.
Der schnelle Temperaturabfall oder die schnelle Abkühlung des Kernpresslings von der Sintertemperatur – das heißt ein Merkmal der vorliegenden Erfindung – sollte bei einer Geschwindigkeit von 250°C/Stunde bis 850°C/Stunde, vorzugsweise 250°C/Stunde bis 800°C/Stunde und noch bevorzugter 300°C/Stunde bis 800°C/Stunde, wenn Calciumoxid und Vanadiumoxid dazu zugegeben werden, und bei einer Geschwindigkeit von 300°C/Stunde bis 850°C/Stunde, vorzugsweise 350°C/Stunde bis 800°C/Stunde und noch bevorzugter 400°C/Stunde bis 800°C/Stunde, wenn Calciumoxid dazu zugegeben wird, durchgeführt werden. Bei einer zu langsamen Kühlgeschwindigkeit ist die Oberfläche des Mangan-Zink-Ferrit-Kerns dafür anfällig, zu reißen, und bei einer zu schnellen Kühlgeschwindigkeit kann kein ausreichender elektrischer Oberflächenwiderstand erhalten werden.
Das obige Abkühlen wird durchgeführt, indem Luft in die Brennatmosphäre eingeführt wird. Durch die Einführung von Luft in die Brennatmosphäre wird die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre bei 400°C bis 200°C während dieser Abkühlung gewöhnlich ca. 21%.
Auf diese Weise kann der Mangan-Zink-Ferrit-Kern der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Der so hergestellte Mangan-Zink-Ferrit-Kern kann bei 500 V einen hohen elektrischen Oberflächenwiderstand von 1 × 10⁶ Ω oder höher und bei 100°C und 100 kHz-20 mT einen niedrigen Magnetkernverlust von 12 kW/m³ oder weniger aufweisen und kann gut als ein Kern ohne Risse auf der Oberfläche dienen. Dieses ermöglicht, dass Wicklungen direkt um den Kern herum bereitgestellt werden, was zu weiteren Verringerungen in der Größe führt.
Zusätzlich kann dieser Mangan-Zink-Ferrit-Kern bei 100°C und 1 kHz eine hohe Sättigungsflussdichte von 270 mT oder höher aufweisen.
Die obere Grenze für den elektrischen Oberflächenwiderstand des Mangan-Zink-Ferrit-Kerns, der bisher gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, beträgt 1 × 10¹⁰ Ω und insbesondere 5 × 10⁷ Ω, die untere Grenze für den Magnetkernverlust beträgt 1,0 kW/m³ und insbesondere 2,0 kW/m³, und die obere Grenze für die Sättigungsflussdichte beträgt ungefähr 400 mT.
Der Mangan-Zink-Ferrit-Kern gemäß der vorliegenden Erfindung sollte vorzugsweise eine durchschnittliche Kristallkorngröße von 15 μm oder weniger aufweisen. Bei einer durchschnittlichen Kristallkorngröße, die 15 μm übersteigt, wird der Magnetkernverlust groß.
Hier ist die durchschnittliche Kristallkorngröße so, wie sie nachstehend definiert ist.
Zuerst wird der Durchschnitt der Schnittflächen von Kristallkörnern, die in einem Schnitt des gesinterten Ferrits erscheinen, d.h. die Schnittfläche von einem Kristallkorn, festgestellt.
Dann wird der Durchmesser einer Kugel, welche einen großen Kreis mit derselben Fläche wie diese Schnittfläche ergibt, festgestellt. Dieser Wert wird hierin als die durchschnittliche Kristallkorngröße definiert.
Für eine solche Messung wird beispielsweise gesinterter Ferrit spiegelpoliert und dann mit Salzsäure oder dergleichen geätzt. Eine Fotographie wird von diesem geätzten Ferrit unter einem Metallelektronenmikroskop mit ca. 500 bis 1.000-facher Vergrößerung aufgenommen. Die Kristallkörner in einem Bereich mit einer Fläche von wenigstens 10.000 μm² werden gezählt.
Wenn der erfinderische Mangan-Zink-Ferrit-Kern, welcher wie oben erwähnt konstruiert wurde, als ein Ablenkjoch in ein Produkt eingebaut wird, ist es möglich, die Wärmeerzeugung um ca. 3°C oder weniger und insbesondere ca. 4°C bis ca. 5°C im Vergleich zu einem herkömmlichen Joch zu verringern.
BEISPIEL
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter in Bezug auf spezielle Beispiele erklärt. Das Wort „Vergl.", das in den Verfahrensdatentabellen verwendet wird, bezieht sich auf Vergleichsbeispiele, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Beispiel 1 (Einfluss von zugegebenem CaO)
Bereitgestellt wurde ein Material, das 53 Mol-% Fe₂O₃, 33 Mol-% MnO und 14 Mol-% ZnO als Hauptbestandteile und 0,02 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% CaO als einen Nebenbestandteil umfasste.
Dieses Material wurde wie folgt hergestellt. Zuerst wurden die Hauptbestandteile abgewogen und in der vorstehenden Zusammensetzung zusammengemischt. Die so gemischten Pulver wurden für eine vorgegebene Zeit bei 950°C kalziniert. Die so kalzinierten Pulver wurden unter der Zugabe von CaO zu diesen pulverisiert. Die erhaltenen Pulver wurden unter der Zugabe von Polyvinylalkohol zu diesen granuliert, und das granulierte Material wurde unter Druck geformt, um einen ringförmigen Pressling zu erhalten. Danach wurde der Pressling gebrannt.
Das Brennen wurde durchgeführt, indem der Pressling bei einer Aufwärmgeschwindigkeit von 500°C/Stunde erwärmt wurde und dieser für 1,5 Stunden bei der Sintertemperatur oder der hohen Haltetemperatur für den Pressling von 1.320°C gehalten wurde. Nach dem Brennen wurde der Pressling bei einer Kühlgeschwindigkeit von 600°C/Stunde abgekühlt. Die Sauerstoffkonzentration wurde kontrolliert, indem Kohlendioxidgas, welches ein Abgas von der Wärmequelle war, oder LPG und Dampf verwendet wurden. Die Sauerstoffkonzentration bei der hohen Haltetemperatur für den Pressling wurde auf 7% eingestellt. Wenn der Schritt des Haltens des Presslings beendet war, wurde die Abkühlung durchgeführt, indem Luft in die Brennatmosphäre eingeführt wurde. Durch die Einführung von Luft wurde die Sauerstoffkonzentration der Brennatmosphäre bei einer Temperatur von 300°C oder weniger 21%.
Die Zusammensetzung der so erhaltenen gesinterten Ferritproben wurde durch Fluoreszenz-Röntgenstrahl-Analyse analysiert. Als Folge wurde gefunden, dass die Proben im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufwiesen wie die des Materials nach der Herstellung. Jede Probe wies eine ringförmige Form auf, welche einen Außendurchmesser von 30 mm, einen Innendurchmesser von 20 mm und eine Höhe von 8 mm aufwies.
Jede der erhaltenen ringförmigen gesinterten Proben wurde im Hinblick auf ihren Magnetkernverlust bei 100°C und 100 kHz-200 mT, ihre Sättigungsflussdichte bei 100°C und ihren elektrischen Oberflächenwiderstand bei 500 V gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
CaO ist wirksam, um eine Schicht mit hohem Widerstand an der Kristallkorngrenze des Ferritkerns zu bilden, wodurch niedrige Magnetkernverluste und ein hoher elektrischer Oberflächen widerstand erreicht werden. Wie man anhand von Tabelle 1 vorhersagen kann, wird, wenn ein CaO-Gehalt von weniger als 0,04 Gew.-% auf ein solches Herstellungsverfahren, welches ein schnelles Abkühlen bei einer Kühlgeschwindigkeit von 600°C/Stunde verwendet, angewendet wird, die Widerstandsschicht, die an der Korngrenze gebildet wird, unzureichend, was zu einer Verschlechterung bei den Magnetkernverlusten und ebenso dem elektrischen Oberflächenwiderstand führt. Es wird ebenfalls gefunden, dass, wenn der Gehalt an CaO 0,70 Gew.-% übersteigt, aufgrund eines anomalen Wachstums der Kristalle die Magnetkernverluste schlechter werden und der elektrische Oberflächenwiderstand niedriger wird. Anders ausgedrückt, wenn der Gehalt an CaO in dem Bereich von 0,04 Gew.-% bis 0,70 Gew.-% gemäß der vorliegenden Erfindung liegt, kann eine Schicht mit hohem Widerstand gleichmäßig an der Korngrenze gebildet werden, die selbst bei einem so kostengünstigen Herstellungsverfahren wie mit der Verwendung einer schnellen Abkühlung bei einer Kühlgeschwindigkeit von 600°C/Stunde einen erhöhten elektrischen Oberflächenwiderstand aufweist. Die Zunahme bei dem Widerstand der Korngrenze kann ebenfalls Wirbelstromverluste verringern und zu niedrigen Magnetkernverlusten beitragen.
Die gesinterten Ferritproben Nr. 1, 4 und 9 wurden spiegelpoliert und dann mit Salzsäure geätzt. Es wurde eine Fotographie von der so polierten Oberfläche jeder Probe unter einem 500fachen Metallmikroskop aufgenommen, um deren durchschnittliche Kristallkorngröße d zu untersuchen.
Die durchschnittliche Kristallkorngröße und die Kristallkorngrößenverteilung wurden wie folgt berechnet.
Ein quadratischer Bereich von 100 μm × 100 μm wurde auf der so aufgenommenen Fotographie eingezeichnet, um zu zählen, wie viele Kristallkörner darin vorlagen. Jedoch wurde ein Kristallkorn, das an der Grenze des Bereichs vorlag, als n = 1/2 gezählt. Dann wird die durchschnittliche Kristallkorngröße anhand der folgenden Gleichung gefunden:
Als ein Ergebnis wurde gefunden, dass die durchschnittlichen Kristallkorngrößen der Proben Nr. 1 und 9 (zum Vergleich) d = 5,88 μm bzw. d = 16,34 μm betrugen. Andererseits wurde gefunden, dass die durchschnittliche Kristallkorngröße der Probe Nr. 4 (erfindungsgemäß) d = 6,25 μm betrug.
Beispiel 2 (Einfluss von zugegebenen V₂O₅)
Materialien mit einer ähnlichen Zusammensetzung der Hauptbestandteile wie in Beispiel 1 und welche 0,10 Gew.-% CaO und 0 Gew.-% bis 0,225 Gew.-% V₂O₅ als Nebenbestandteile enthielten wurden eingewogen, gemischt, kalziniert, pulverisiert und wie in Beispiel 1 geformt. Im Übrigen wurden ringförmige Presslinge wie in Beispiel 1 erhalten. Dann wurden die Presslinge gebrannt.
Die Zusammensetzung von jeder der so erhaltenen gesinterten Ferritproben wurde durch Fluoreszenz-Röntgenstrahl-Analyse analysiert. Als Folge wurde gefunden, dass die Probe im Wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufwies wie die des Materials nach der Herstellung. Jede Probe wies eine ringförmige Form auf, welche eine Außendurchmesser von 30 mm, einen Innendurchmesser von 20 mm und eine Höhe von 8 mm wie in Beispiel 1 aufwies.
Jede der erhaltenen ringförmigen gesinterten Proben wurde im Hinblick auf ihren Magnetkernverlust bei 100°C und 100 kHz-20 mT, ihre Sättigungsflussdichte bei 100°C und ihren elektrischen Oberflächenwiderstand bei 500 V gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

*: Abweichung von dem bevorzugten Bereich der Erfindung

Wie aus Tabelle 2 vorhergesagt werden kann, ist V₂O₅ wirksam, um die Sinterfähigkeit des Ferritkerns zu fördern und eine Schicht mit hohem Widerstand an der Kristallkorngrenze zu bilden, wodurch niedrige Magnetkernverluste, hohe Sättigungsflussdichten und ein hoher elektrischer Oberflächenwiderstand erreicht werden. Wie wiederum aus Tabelle 2 vorhergesagt werden kann, können, wenn V₂O₅ bei einem solchen Herstellungsverfahren wie mit der Verwendung der Kontrolle der Sauerstoffkonzentration mit Kohlendioxidgas und Dampf und einer schnellen Abkühlung bei einer Kühlgeschwindigkeit von 600°C/Stunde verwendet wird, die Magnetkernverluste bei erhöhten Sättigungsflussdichten verringert werden. Wenn der Gehalt an V₂O₅ 0,20 Gew.-% übersteigt, werden die niedrigen Magnetkernverluste aufgrund der zu schnellen Beschleunigung der Kristallisation schlechter. Wenn der Gehalt an V₂O₅ in dem Bereich von 0 Gew.-% bis 0,20 Gew.-% gemäß der vorliegenden Erfindung liegt, können hohe Sättigungsflussdichten und niedrige Magnetkernverluste selbst bei einem so kostengünstigen Herstellungsverfahren wie mit der Verwendung der Kontrolle der Sauerstoffkonzentration mit Kohlendioxidgas und Dampf und einer schnellen Abkühlung bei einer Kühlgeschwindigkeit von 600°C/Stunde erreicht werden. Zusätzlich ist weniger wahrscheinlich, dass Risse auf der Oberfläche des Ferritkerns auftreten, was zu einem hohen elektrischen Oberflächenwiderstand führt.
Beispiel 3 (Einfluss 1 der Kühlgeschwindigkeit)
Materialien mit einer ähnlichen Zusammensetzung der Hauptbestandteile wie in Beispiel 1 und welche 0,10 Gew.-% CaO als einen Nebenbestandteil enthielten wurden eingewogen, gemischt, kalziniert, pulverisiert und wie in Beispiel 1 geformt.
Das Brennen wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass die Kühlgeschwindigkeit auf 900°C/Stunde, 800°C/Stunde, 600°C/Stunde, 400°C/Stunde, 300°C/Stunde und 200°C/Stunde geändert wurde.
Jede der erhaltenen ringförmigen gesinterten Proben wurde im Hinblick auf deren Magnetkernverlust, Sättigungsflussdichte und elektrischen Oberflächenwiderstand wie in Beispiel 1 wie auch das Vorliegen von Rissen auf der Oberfläche gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

*: Abweichung von dem bevorzugten Bereich der Erfindung

Aus Tabelle 3 kann man sehen, dass die Probe Nr. 21, welche bei einer langsameren Kühlgeschwindigkeit erhalten wurde, viel von der elektrischen Isolationsschicht aufweist und so wegen einer längeren Dauer der Oberflächenoxidationsbehandlung einen höheren elektrischen Oberflächenwiderstand aufweist. Jedoch verschlechtern sich die Magnetkernverluste mit Rissen auf der Oberfläche des Ferritkerns aufgrund der Bildung von zu vielen Nichtferritbestandteilen. Die Probe Nr. 26, die bei einer zu schnellen Kühlgeschwindigkeit erhalten wurde, weist andererseits ohne Risse auf der Oberfläche aufgrund der Bildung von weniger der elektrischen Isolationsschicht niedrigere Magnetkernverluste auf. Jedoch wird der elektrische Oberflächenwiderstand niedriger. Die Proben Nr. 22 bis 25, die bei der richtigen Kühlgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, liefern im Gegensatz dazu Mangan-Zink-Ferrit-Kerne ohne Risse auf der Oberfläche mit hohem elektrischem Oberflächenwiderstand, da geeignete elektrische Isolationsschichten mit niedrigen Magnetkernverlusten gebildet werden.
Beispiel 4 (Einfluss 2 der Kühlgeschwindigkeit)
Materialien mit einer ähnlichen Zusammensetzung der Hauptbestandteile wie in Beispiel 1 und welche 0,10 Gew.-% CaO und 0,10 Gew.-% V₂O₅ als Nebenbestandteile enthielten wurden eingewogen, gemischt, kalziniert, pulverisiert und wie in Beispiel 1 geformt.
Das Brennen wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass die Kühlgeschwindigkeit auf 700°C/Stunde, 600°C/Stunde, 400°C/Stunde, 300°C/Stunde, 250°C/Stunde und 200°C/Stunde geändert wurde.
Jede der erhaltenen ringförmigen gesinterten Proben wurde im Hinblick auf deren Magnetkernverlust, Sättigungsflussdichte und elektrischen Oberflächenwiderstand wie in Beispiel 1 wie auch das Vorliegen von Rissen auf der Oberfläche gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4

*: Abweichung von dem bevorzugten Bereich der Erfindung

Anhand von Tabelle 4 kann man verstehen, dass die Probe Nr. 31, welche bei einer langsameren Kühlgeschwindigkeit von 200°C/Stunde erhalten wurde, eine dickere elektrische Isolationsschicht aufweist und so aufgrund einer längeren Dauer der Oberflächenoxidationsbehandlung einen höheren elektrischen Oberflächenwiderstand aufweist. Jedoch verschlechtern sich die Magnetkernverluste mit Rissen auf der Oberfläche des Ferritkerns aufgrund der Bildung von zu vielen Nichtferritbestandteilen. Die Probe Nr. 37, die bei einer zu schnellen Kühlgeschwindigkeit von wenigstens 900°C/Stunde erhalten wurde, weist andererseits ohne Risse auf der Oberfläche aufgrund der Bildung von weniger der elektrischen Isolationsschicht niedrigere Magnetkernverluste auf. Jedoch wird der elektrische Oberflächenwiderstand niedriger. Die Proben Nr. 32 bis 36, die in dem richtigen Bereich der Kühlgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, liefern im Gegensatz dazu Mangan-Zink-Ferrit-Kerne ohne Risse auf der Oberfläche mit hohem elektrischem Oberflächenwiderstand, da geeignete elektrische Isolationsschichten mit niedrigen Magnetkernverlusten gebildet werden.
Beispiel 5 (Einfluss der Sauerstoffkonzentration)
Materialien mit einer ähnlichen Zusammensetzung der Hauptbestandteile wie in Beispiel 1 und welche 0,10 Gew.-% CaO als einen Nebenbestandteil enthielten wurden eingewogen, gemischt, kalziniert, pulverisiert und wie in Beispiel 1 geformt.
Das Brennen wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, dass die Sauerstoffkonzentration bei dem Schritt des Haltens bei hoher Temperatur auf 3%, 5%, 7%, 10%, 15% und 21% eingestellt wurde. Durch die Einführung von Luft bei dem Abkühlungsschritt wurde, wie bereits erklärt wurde, die Sauerstoffkonzentration bei 300°C oder weniger 21%. Um einen Sauerstoffgehalt zu erhalten, welcher 21% überstieg, wurde eine spezielle Zufuhr von Sauerstoff benötigt, und daher wurden aufgrund einiger zusätzlicher Kosten keine Experimente bei einer solch hohen Sauerstoffkonzentration durchgeführt. Aus diesem Grund sind solche hohen Sauerstoffkonzentrationen aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen.
Jede der erhaltenen ringförmigen gesinterten Proben wurde im Hinblick auf deren Magnetkernverlust, Sättigungsflussdichte und elektrischen Oberflächenwiderstand wie auch das Vorliegen von Rissen auf der Oberfläche wie in Beispiel 2 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Wie bei den vorstehenden Beispielen wurde die Sauerstoffkonzentration der Brennatmosphäre mit Kohlendioxidgas und Dampf kontrolliert.
Tabelle 5
Aus Tabelle 5 kann man sehen, dass, wenn eine Sauerstoffkonzentration von weniger als 5% auf ein solches Herstellungsverfahren, welches ein schnelles Abkühlen bei einer Kühlgeschwin digkeit von 600°C/Stunde verwendet, angewendet wird, niedrige Magnetkernverluste aufgrund einer verringerten Menge an Sauerstoff und damit der Bildung von weniger der elektrischen Isolationsschicht erhältlich sind. Jedoch gibt es einen Abfall bei dem elektrischen Oberflächenwiderstand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, einen Mangan-Zink-Ferrit-Kern zu erhalten, welcher 50 Mol-% oder mehr an Fe₂O₃ umfasst, welcher schnell bei geringen Kosten aber mit hohen Sättigungsflussdichten, niedrigen Magnetkernverlusten und einem elektrischen Oberflächenwiderstand, der hoch genug ist, um Risse auf der Oberfläche zu verhindern, hergestellt werden kann.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die elektrische Isolationsschicht auf der Oberfläche des Kerns während des schnellen Abkühlens bei einer Kühlgeschwindigkeit von 250°C/Stunde bis 850°C/Stunde und vorzugsweise 300°C/Stunde bis 850°C/Stunde gebildet werden kann, ist es möglich, die Zeit zur Herstellung des Kerns in hohem Maße zu verringern. Beispielsweise kann ein solcher Temperaturabfall von 250°C/Stunde und vorzugsweise 300°C/Stunde in ein wenig mehr als höchstens 1 Stunde erreicht werden. Dieses bedeutet, dass bei der Geschwindigkeit von 250°C/Stunde die Behandlungsdauer ca. 1/3 der herkömmlichen Dauer von ca. 4,7 Stunden beträgt, während die Abkühlungsdauer ca. 3/5 beträgt, und bei der Geschwindigkeit von 300°C/Stunde die Behandlungsdauer ca. 1/4 beträgt, während die Abkühlungsdauer ca. 1/2 beträgt. Es ist somit möglich, deutliche Verringerungen bei den Herstellungskosten des Kerns zu erreichen. Je höher die Kühlgeschwindigkeit und je niedriger die Konzentration an Sauerstoff bei dem Abkühlungsschritt, desto kleiner ist das Ausmaß der Oxidation. Unter den Bedingungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Kühlgeschwindigkeit hoch, und die Sauerstoffkonzentration wird niedrig. Für die elektrische Isolationsschicht, die unter solchen Bedingungen gebildet wird, besteht ein geringes oder kein Risiko für Risse. Die Isolationsschicht kann ebenfalls aufgrund des kleinen Ausmaßes der Oxidation niedrige Magnetkernverluste beibehalten.
Die elektrische Isolationsschicht, die innerhalb eines so kurzen Zeitraums wie oben erwähnt gebildet wird, kann möglicherweise im Hinblick auf die elektrische Isolation unzureichend sein oder kann möglicherweise darin versagen, einen ausreichend hohen Widerstand aufzuweisen. Mit der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine ausreichende Isolation, um eine Isolation zwi schen den Wicklungen sicherzustellen, erhältlich, da die vorstehend genannte Menge an CaO zu dem Ferrit als Nebenbestandteil zugegeben wird.
Der Mangan-Zink-Ferrit-Kern, welcher gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird, kann so bei 500 V einen hohen elektrischen Oberflächenwiderstand von 1 × 10⁶ Ω oder höher und vorzugsweise 1 × 10⁶ Ω bis 1 × 10¹⁰ Ω, bei 100°C und 100 kHz–20 mT einen niedrigen Magnetkernverlust von 12 kW/m³ oder weniger und vorzugsweise 1 kW/m³ bis 10 kW/m³ und bei 100°C eine hohe Sättigungsflussdichte von 270 mT oder höher und vorzugsweise 300 mT bis 400 mT aufweisen.
Insbesondere kann bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffkonzentration der Brennatmosphäre mit Kohlendioxidgas, d.h. einem Abgas der Verbrennung, welches als die Wärmequelle verwendet wird, und Dampf, d.h. ohne Rückgriff auf die Einführung von Stickstoffgas kontrolliert werden, wodurch Verringerungen der Kosten erreicht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Mangan-Zink-Ferrit-Kerns durch Formen eines Mangan-Zink-Ferrits in eine bestimmte Kernform, Brennen eines Kernpresslings in einer Brennatmosphäre mit einer durch Kohlendioxid und Dampf kontrollierten Sauerstoffkonzentration, und Kühlen des Kernpresslings mit einer Kühlgeschwindigkeit von 250°C/Stunde bis 850°C/Stunde, wobei der Mangan-Zink-Ferrit als Hauptbestandteil Eisenoxid in einer Menge von 50,5 Mol-% bis 54 Mol-%, berrechnet auf der Basis von Fe₂O₃, enthält, wobei der Magnesium-Zink-Ferrit Calciumoxid als Nebenbestandteil in einer Menge von 0,04 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, berrechnet auf der Basis von CaO, enthält, wobei die Sauerstoffkonzentration der durch das Kohlendioxid und Dampf kontrollierten Brennatmosphäre zwischen 5% und 21% liegt, und wobei ein Verbrennungsgas aus einer Wärmequelle als Kohlendioxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mangan-Zink-Ferrit Eisenoxid als Hauptbestandteil in einer Menge von 51,5 Mol-% bis 53,5 Mol-%, berechnet auf der Basis von Fe₂O₃, enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Kühlgeschwindigkeit zwischen 300°C/Stunde und 850°C/Stunde beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kühlgeschwindigkeit zwischen 400°C/Stunde und 800°C/Stunde beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Mangan-Zink-Ferrit des Weiteren Vanadiumoxid als Nebenbestandteil in einer Menge von 0 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, berechnet auf der Basis von V₂O₅, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kühlen durch Einführen von Luft in die Brennatmosphäre erfolgt.
Mangan-Zink-Ferrit-Kern, der durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist, wobei der Kern bei 500 V einen elektrischen Oberflächenwiderstand von 1 × 10⁶ Ω oder höher und bei 100°C und 100 kHz–20 mT einen Magnetkernverlust von 12 kW/m³ oder weniger aufweist.