NL8402146A - Magneetkern op basis van lithium-zink-mangaan ferriet. - Google Patents

Description

k ^ HIN.11.089 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven "Magneetkem op basis van lithium-zink-mangaan ferriet"

De uitvinding heeft betrekking op een magneetkem van oxydisch, ferrcmagnetisch materiaal, bestaande uit een spinelferriet met kubische kristalstruktuur.

Magneetkemen van oxydisch, ferrcmagnetisch materiaal, 5 bestaande uit een spinelferriet met kubische kristalstruktuur, worden in grote aantallen gebruikt in inductiespoelen en in transformatoren op het gebied van telecommunicatie en industriële en consumentenelektronica. Afhankelijk van de toepassing kan men de materialen in kwestie in een viertal types verdelen: 10 - Het eerste type is een lage-verliezen ferriet bestand voor hoge kwaliteitsspoelen die in filters gebruikt worden. De magneetkemen zijn meestal ronde of vierkante potkemen. — - Het tweede type heeft een hoge magnetische beginpermeabiliteit en is bestemd voor laag-vermogen breedband- en pulstransfarmatoren.

15 De magneetkemen zijn meestal toroïden, E-kernen en verschillende typen potkemen.

- Het derde type is geschikt voor hoog-vermogen toepassingen zoals power transformatoren die in het frequentiegebied van 10-100 kHz werken. Het gebied van vermogens die verwerkt worden loopt typisch 20 van 10 tot 750 W. De magneetkemen zijn meestal U-kemen of E-kemen.

- Het vierde type is bestemd voor toepassing in magneetkemen voor hoge kwaliteitsspoelen die in het frequentiegebied van 2-12 MHz toegepast worden. De magneetkemen zijn meestal potkemen, toroïden, staven of kralen.

25 Hierboven nog niet vermelde toepassingen zijn verder magneetkemen voor antennestaven, storingsonderdrukkers en deeltjesversnellers. Geheugenkemen vallen hier typisch niet onder.

Voor toepassing bij hogere frequenties (in het bijzonder hoger dan 1 MHz) werd in verband met zijn hoge weerstand tot nu toe 30 Ni-Zn ferriet als magneetkernmateriaal gébruikt ( fi - 10^-Cl .cm).

(Een materiaal dat inzetbaar is bij frequenties boven 1 MHz is uiteraard ook geschikt voor toepassing bij frequenties beneden 1 MHz). Gezien de hoge prijs van Ni-Zn ferriet werd uitgezien naar een vervan- 8402146 ΕΗΝ.11.089 2 t 4 I ϊ Λ gend ferrietsysteem met vergelijkbare elektrische en magnetische eigenschappen.

De uitvinding verschaft een dergelijk ferrietsysteem. Dit wordt gekenmerkt door de volgende samenstelling 5 «“ο,Λ,5> 1 £ °*ff + 6 met 0,05 ^ z < 0,45 0 ^ a < 0,05 0,01 < x+y^" 0,25 10 -0,35 ^ J £ + 0,15 -0,5x ^ S 0,25a waaraan extra is toegevoegd p gew.% + q gew.% 15 waarbij 0 < p < 1,2 0 ^ q < 1,2 0,2 < p+q < 1,2

Naast een kostenbesparing van ongeveer 30% die de toepassing van dit op Li-Zn-Mn ferriet gebaseerde ferrietsysteem in magneetkemen 20 levert, blijkt een belangrijk voordeel te zijn dat de sintertemperatuur door de toevoeging van een kleine hoeveelheid ^^2^3 V2°57 ^ie zo klein is dat de elektrische en magnetische eigenschappen niet nadelig beïnvloed worden, aanzienlijk lager kan zijn dan de sinter-temperatuur van Ni-Zn ferriet, waardoor in het onderhavige Li-Zn-Mn 25 ferrietsysteem materialen vervaardigd kunnen worden die een hoge dichtheid kambineren met een kleine korrel, hetgeen resulteert in een grote mechanische sterkte. In een bepaald geval werd een breeksterkte gemeten die vijf maal groter was dan die van Ni-Zn ferriet met vergelijkbare elektrische en magnetische eigenschappen.

30 De totale hoeveelheid toegevoegd sintermiddel mag ener zijds niet hoger zijn dan 1,2 gew.% omdat bij grotere hoeveelheden de magnetische en elektrische eigenschappen ongunstig beïnvloed worden. De totale hoeveelheid mag anderzijds niet lager zijn dan 0,2 gew.%, omdat bij kleinere hoeveelheden de sintertenperatuur niet 35 voldoende verlaagd wordt, waardoor het te sinteren materiaal met het materiaal van de oven kan reageren, Li kan verdampen, en de korrels groter worden, dit alles ten koste van de elektrische, magnetische en mechanische eigenschappen.

8402146 < i PHN.11.089 3

Een ander voordeel van de lagere sintertemperatuur is dat de elektrische weerstand van de onderhavige Li-Zn-Mn ferrieten hoger is dan de elektrische weerstand van in verdere opzichten vergelijkbare Ni-Zn ferrieten.

De aanwezigheid van een kleine, doch specifieke hoeveelheid Mn blijkt in karibinatie net Bi^ en als sintermiddel, essentieel te zijn voor het verkrijgen van een hoge elektrische weerstand en lage, met de verliezen van Ni-Zn ferriet vergelijkbare, verliezen. Afhankelijk van de hoeveelheden Zn, Fe, Bi203 en V^Oj. dient de hoeveelheid Mn van 0,01 tot 0,25 formole-eenheden te variëren.

10

Een verder voerdeel van het hiervoor beschreven Li-Zn-Mn ferrietsysteem is, dat het, in het bijzonder door variatie van de Li-Zn-verhouding, een aantal materialen levert die aan uiteenlopende specificaties voldoen.

Bij een zinkgehalte z van 0,35 tot 0,45 farmule-eenheden zijn materialen net een magnetische permeabiliteit van 250 realiseerbaar.

Bij een zinkgehalte z van 0,25 tot en met 0,35 fonnule-eenheden zijn materialen met magnetische permeabiliteiten van 120 ^ realiseerbaar die tot hogere frequenties bruikbaar zijn.

Bij een zinkgehalte z van 0,15 tot en met 0,25 formule-eenheden zijn materialen met magnetische permeabiliteiten van 60 realiseerbaar die tot nog hogere frequenties bruikbaar zijn.

De toevoeging van maximaal 0,05 formule-eenheden Co leidt ^ tot materialen met lagere verliezen en tevens kan met het Co-gehalte de temperatuurfaktor van de permeabiliteit gestuurd worden.

Het materiaal in de reeks dat tot de hoogste frequenties bruikbaar is wordt gekenmerkt door een Zn-gehalte z van 0,10 tot en met 0,20 formule-eenheden. Bij lagere zinkgehaltes,in het bijzonder beneden 0,05 formule-eenheden, wordt de magnetische permeabiliteit te laag. De bovengrens van het Zn-géhalte wordt bepaald door de Curietemperatuur die gewenst wordt.

Een aantal uitvoer ingsvoorbeelden van de uitvinding zal nader warden toegelicht aan de hand van de figuren.

^ Figuur 1 is een grafiek die de zogenaamde "isoverliezen" toont van een aantal Li-Zn-Mn ferrietkemen met dezelfde permeabiliteit, (^u = 200) doch met verschillende Mi en Zn gehaltes. De verliezen werden gemeten bij 1 MHz.

8 Δ 0 ? 1- 4 'fi * J -* PHN.11.089 4

Figuur 2 is eenzelfde grafiek als fig. 1 doch gemeten bij 5 MHz.

Figuur 3 is eenzelfde grafiek als fig. 1 doch gemeten aan kernen met een permeabiliteit van 250.

5 Figuur 4 is eenzelfde grafiek als fig. 2, doch gemeten aan kernen met een permeabiliteit van 250.

Figuur 5 is een grafiek die de zogenaamde "isoweerstanden" toont van een aantal Li-Zn-Mn ferrietkemen met dezelfde permeabiliteit (^l = 200), doch met verschillende Mn en Zn gehaltes.

10 Figuur 6 is eenzelfde grafiek als fig. 5, doch gemeten aan kernen met een permeabiliteit van 250.

Figuur 7 is een grafiek die de verliesfaktor ( —StiL) ^ van een aantal Li-Zn-Mn-Co ferrietkemen toont als funktie van het Fe-géhalte.

15 Figuur 8 is een grafiek die de verliesf aktor ( van een aantal Li-Zn-Mn-Co ferrietkemen toont als funktie van het Fe-gehalte.

Figuur 9 is een grafiek die de temperatuurscoëfficiënt van de permeabiliteit TF van een aantal Li Zn Mn Co ferrietkemen 20 met =60 toont als funktie van het Co-gehalte.

Uitvoerlngsvocarbeeld I : ^0.30^.4(^0,03^,.02^.82 (met 0/46 gew.% Βΐ,,Ο^ enQ23 gew.% V20^) 25 Bereiding: 617/5 kg Fe^, 26,3 kg Mn^, 121,5 kg ZnO, 1,87 kg V^, 3,77 kg Bi203 en 38,1 kg Li^CO^ worden afgewogen en gedurende 4 uur met 600 1. water gemalen in een kogelmolen met een inhoud van 2000 1. Het poeder-water mengsel wordt gesproeidroogd en het verkregen granulaat in een roterende pijpoven voorgestookt qp 850°C.

gg 800 kg van het voorgestookte granulaat wordt met 500 1. water gedurende 6 uur in een 2000 1. kogelmolen gemalen en vervolgens 2x gespoeld, met telkens 30 1. water en 4 1. dispergator. Aan het mengsel wordt een hoeveelheid bindmiddel, bijvoorbeeld een emulsie van polymethacrylaat in water^ toegevoegd. De koncentratie bindmiddel 35 is 1 g. vaste binder per 100 g. droog poeder. Daarna wordt het mengsel gesproeidroogd. Ringen (¢).0 =9/15 nm) warden geperst met een druk van 1 ton/cm en vervolgens gesinterd in een oven: 2 uur qp een toptemperatuur van 1025°C in lucht). De eigenschappen van de gesin- 8402146 3 r < PHN.11.089 5 terde ringen zijn: specifieke dichtheid d = 4,75 g/cm , magnetische permeabiliteit ,u,= 243); magnetische verliezen (tg^ = —g / j s- / ijyitiz 56 x 10 en (tgd/yu.) = 260 x 10 , temperatuurscoëf ficiënt van de permeabiliteit TF = 17 x 10 ®/°C tussen +25 en +7Ö°C, specifieke 5 elektrische weerstand P = 0,8 x 10¾. m.

Twee series van een aantal magneetkemen met de samenstelling LÏq 2oZno 40Fe2 30-x+y°4+%· mst variërend Mn en Fe-gehalte cp de bovenbeschreven wijze (d(3s ander toevoeging van 0,46 gew.% en 0,23 gew.% V^O^) vervaardigd. De kernen van de eerste serie hadden 10 alle een permeabiliteit ,u. van 200 (hiertoe waren ze gesinterd op een ongeveer 50 C lagere temperatuur dan in uitvoeringsvoorbeeld I), en de kernen van de tweede serie hadden alle een van 250 (hiertoe waren ze gesinterd cp een ongeveer 150°C hogere temperatuur dan in uitvoeringsvoorbeeld I). Van de aldus vervaardigde kernen 15 werden de verliesfaktoren (*^“ ) gemeten. In fig. 1 (metingen bij 1 MHz) en Fig. 2 (metingen bij 5 MHz) zijn de resultaten van de metingen aan de kernen van de eerste serie weergegeven als funktie van de Mi en Fe gehaltes. Punten met dezelfde waarde van de verlies-faktor zijn door lijnen verbonden. Deze geven de zogenaamde isover-20 liezen aan. y = O geeft in beide grafieken het stoichiometrische Fe-gehalte aan.

De negatieve y-waarden representeren een ondermaat Fe en de positieve y-waarden een overmaat Fe. Uit de figuren 1 en 2 blijkt dat de laagste verliezen gevonden worden bij kernen met een kleine 2g ondermaat Fe. Afhankelijk van het frequentiegébied blijkt het Mn-gehal-te van de kernen wat lager (bij frequenties van 1 MHz) of wat hoger (bij frequenties van 5 MHz) te moeten zijn om minimale waarden van de verliesfaktor te realiseren.

Cp analoge wijze zijn in fig. 3 (metingen bij 1 MHz) en fig. 4 (metingen bij 5 MHz) de resultaten van de verliesmetingen

gU

aan de kernen van de tweede serie weergegeven.

Ook hieruit blijkt dat ten aanzien van de verliezen een kleine ondermaat Fe optimaal is. Bij frequenties van 1 MHz vindt men echter nu juist dat het Mn gehalte bij voorkeur laag moet zijn, en bij frequenties van 5 MHz dat het Mn gehalte iets hoger moet zijn 35 om minimale waarden van de verliesfaktor te realiseren.

Figuur 5 toont de resultaten van weerstandsmetingen aan de kernei van de eerste serie en Figuur 6 de resultaten van weerstands- 3402146 * * 4 EHN.11.089 6 metingen aan de kernen van de tweede serie als funktie van de Mn en Pe gehaltes. In beide gevallen worden de hoogste weerstandswaarden (10¾ m) gevonden bij kernen net een kleine ondermaat Fe.

5 Uitvoeringsvoarbeeld 11= ^,33^0,20^0,03^0,04^2,16^,73 (met 0,4 gew.% en 0,2 gew.% Bi202)

Bereiding: Te keer malen, sproeidrogen en voorstoken als onder I. Daarna wordt 800 g. voorgestookt granulaat gedurende 6 uur met 600 ml. 10 water gemalen in een 1 1. kogelmolen, vervolgens wordt het mengsel bij 200°C drooggedampt en worden er ringen van geperst en gesinterd als onder I. Om een kleinere korrel tg verkrijgen die lagere verliezen mogelijk maakt was in dit geval de s inter temper atuur 965°C.

3

De eigenschappen van de gesinterde ringen zijn: d = 4,53 g/cm , 15 /ui = 60' (tgc*//u)10«z = 76 X 10_S «> ^//">40 MHZ = 220 x 10_6' ƒ = 0,2x 105n m en TF = 20 X 10 .

Bovengenoemde eigenschappen maken het materiaal in kwestie zeer geschikt voor toepassing als magneetkemmateriaal in spoelen die bij hogere frequenties bedreven worden. Minimale waarden van de 20 verliesfaktor kunnen warden gerealiseerd door het juiste Fe gehalte in te stellen. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van de figuren 7 en 8. Fig. 7 toont de verliezen bij 10 MHz van een aantal kernen net ae samenstelling I^3M%,20Co0,03^(04Fe2,344+xO44x ^ met variërende Fe gehaltes werden vervaardigd (steeds met een toevoe-25 ging van 0,4 gew.% V205 en 0,2 gew.% Bi^.) Alle kernen waren zodanig gesinterd dat ze een = 60 hadden.

De laagste verliezen worden gevonden bij kernen met een ondermaat Fe die iets kleiner is dan 0,2.

Fig. 8 toont de verliezen gemeten bij 40 MHz. De laagste 30 verliezen worden gevonden bij kernen met een ondermaat Fe van ongeveer 0,2.

De door de grootheid é aangegeven afwijking van het stoidiicmetrische Fe gehalte kan tussen -0,35 (ondermaat Fe) en +0,15 (overmaat Fe) liggen. Dus -9,35 < cf ^ +0,15. Op grond 35 van het voorgaande is er echter een voorkeur van een ondermaat Fe, dus -0,35 < é < -0,15

Voor een zo konstant mogelijke tenperatuurscoëfficiënt 8402146 HEI. 11.089 7 * * van de permeabiliteit is het Co gehalte van belang. Dit wordt geïllustreerd aan de hand van fig. 9. Deze toont de temperatuurscoëffi-ciënt TF van een aantal kernen net de samenstelling LV384^,23-aCoa%,04Fe2,344+4°4+|4 dte verschillend 5 Co gehaltes vervaardigd werden (steeds onder toevoeging van 0,2 gew.% en 0,4 gew.% . De kernen waren op zodanige temperaturen gesinterd dat ze alle een = 60 hadden. Curve a verbindt punten met een konstante temperatuurscoëffic iënt in het temperatuurgebied van 5-25°C en curve b verbindt punten met een 10 konstante tenperatuurscoëfficiënt in het temperatuurgebied van 25-75°C. Bij een Co-gehalte a = 0,027 (overeenkomend met het snijpunt p van de curves a en b) wordt een temperatuurscoëfficiënt gerealiseerd die konstant is tussen 5 en 75°C. Dit geldt voor ferriet-keraen met een gegeven Fe gehalte (Δ = -0,1). Bij samenstellingen 15 met een grotere ondermaat Fe (A ζ -Or2) verschuift het pint P naar rechts. Het Co-gehalte nodig om een konstante TF tussen 5 en 75°C te realiseren neemt dan toe. (Het maximaal benodigde Co-gehalte is ongeveer 0,05). Bij toename van de ondermaat Fe kanen de curves a en b lager te liggen. De absolute waarde van TF wordt dus kleiner.

20 Opgemerkt wordt dat Co in een oxyderend milieu 3-waardig kan worden. Om een bruikbaar materiaal te verkrijgen dient ervoor gezorgd te worden dat het sinteren onder zodanige omstandigheden plaatsvindt dat maximaal de helft van de Co-ionen 3-waardig wordt.

Dit betekent dat in de formule die de samenstelling van het ferriet-25 materiaal voor magneetkemen volgens de uitvinding beschrijft: (Ll0,5Fe0,5) 1 -z-aZnzCoaMrixFe2-x+ ^ °4+| $ + £ de bovengrens van £ gelijk is aan +0,25 a.

De ondergrens van £ wordt bepaald door de omstandigheid 30 dat het Mi bij hogere sintertemperaturen, of in een minder oxyderend milieu, geheel tweewaardig kan worden. Om dit in rekening te brengen is 0,5 x

Experimenteel is vastgesteld dat materialen met optimale 35 kanbinaties van eigenschappen kunnen worden verkregen als de toevoeging van het sintermiddel ligt tussen 0,3 en 0,7 gew.%, terwijl het het gunstigste blijkt te zijn dat Bi^ en V20,- beide worden toege- 8 4 0 2 1 4?» ΡΗΝ.11.089 8 5 Λ 9 Ο voegd. Gunstige resultaten werden in het bijzonder verkregen bij toevoeging van 0,2 gew.% Bi2°3 en 0,4 V2°5* Daar niet voor alle toepassingen optimale kombinaties van eigenschappen nodig zijn, kan in bepaalde gevallen ook alleen of alleen worden toege- g voegd om de sinterteirperatuur te verlagen.

10 e 15 20 25 30 35 8402146

Claims (8)

1. Magneetkem van oxydisch, ferramgnetisch materiaal, bestaande uit een sp inelferriet net kubische kristalstruktuur, met 5 het kenmerk, dat het ferriet de volgende samenstelling heeft ^0,5^0,51 !Vx+<5 Vf i -£ net 0,05 z < 0,45 0 < a ^ 0,05 10 0,01 < xfy^0,25 -0,35 ^ £ <+0,15 -0,5x ^ £. £+0,25a waaraan extra is toegevoegd p gew.% Bi203 + q gew.% V205 15 waarbij 0 ·< p <C 1,2 0 < q 1,2 0,2 ^ p+q-^1,2

2. Magneetkem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 0 , 3 < p+q <T 0,7.

3. Magneetkem volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat p > 0 en q >0.

4. Magneetkem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 0,35 2 ^ 0,45. 25

5. Magneetkem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 0,25 < 2 < 0,35. a y> 0.

6. Magneetkem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 30 0,15 < 2 0,25 a > 0.

7. Magneetkem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 0,10 < 2 ^ 0,20 a > 0. 35

8. Werkwijze voor de vervaardiging van een magneetkem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat men een homogeen poedermengsel vormt, dit perst tot een magneetkem, deze sintert door een thermische behandeling bij een temperatuur tussen 3. o 2 1 4 6 PHN.11.089 10 „ \ 1 950 en 1100°C. 5 10 15 20 25 30 35 8402146