Ferromagnetisches Material mit einer nahezu rechteckigen Hystereseschleife und Verfahren zu dessen Herstellung Magnetkerne mit einer nahezu rechteckigen Hystereseschleife sind für verschiedene Anwendun gen von Bedeutung. Man verwendet diese Art von Kernen unter anderem für sog. < < magnetische Ge dächtnisse . Solche magnetische Gedächtnisse be nutzt man u. a. in Rechenmaschinen und für auto matische Kontrollen. Diese Kerne finden eine weitere Anwendung bei magnetischen Schaltern.
Das Mass der Rechteckigkeit der Hystereseschleife kann auf verschiedene Weise quantitativ zum Aus druck gebracht werden. Eine Bedingung für genü gende Rechteckigkeit ist, dass der Wert des Quotien ten
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wenigstens 0,7 beträgt und dass ausserdem der (R.)",.,-Wert wenigstens 0,5 ist. Zur Erläuterung der Bedeutung des erwähnten Quotienten wird auf Fig. 1 verwiesen, die eine schematische Darstellung eines Teils einer Sättigungs-Magnetisierungskurve ist.
In dieser Figur bezeichnet B= die remanente Induk tion und Bd diejenige Induktion, bei der sich die Hystereseschleife gerade schliesst. In der Praxis ist es häufig nicht einfach, Bd mit grosser Genauigkeit zu messen. Man findet aber leicht einen annähernd richtigen Wert für Bd auf Basis des Mittelwertes der Induktionen nach teilweiser Magnetisierung bzw.
teilweiser Entmagnetisierung (mit zwischenzeitlicher Sättigung), wobei die beiden Induktionen bei dersel ben Feldstärke gemessen werden, die derart gewählt wird, dass die Induktionen um mehr als 1 %" jedoch um weniger als 3 % voneinander abweichen. Bei
den beim Zustandekommen der vorliegenden Erfindung durchgemessenen Proben wurde auf diese Weise verfahren. Wenn hier vom Quotienten
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die Rede ist, so wird immer vorausgesetzt, dass an einem ring förmigen Magnetkern mit einem konstanten Quer- schnitt des ferromagnetischen Materials über den ganzen Umfang des Ringes und mit einem Aussen durchmesser von höchstens 1,6mal den Innendurch messer gemessen wurde.
Ein weiteres Mass für die Rechteckigkeit der Hystereseschleife des ferromagnetischen Materials ist das sog. Rechteckigkeitsverhältnis (R,)n""X.. Für die Bedeutung dieser Grösse wird auf Fig. 2 verwiesen, die eine schematische Darstellung eines Teils einer Magnetisierungskurve darstellt, die sich auf einen Fall bezieht, in dem vor dem Erreichen der magne tischen Sättigung mit der Entmagnetisierung ange fangen wurde. Die Grösse (R,).", wird als
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definiert.
Der Quotient
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ist eine Funktion der angelegten grössten Feldstärke H",. Es ergibt sich, dass dieser Quotient für einen bestimmten Wert von H"" der meist wenig von der Koerzitivkraft H, ab weicht, einen Höchstwert hat. Dieser Höchstwert des Quotienten wird mit dem Symbol (RS)",a, angedeutet.
Die zur Bestimmung von (R,).", erforderlichen Mes sungen von BW.) und wurden beim Zu standekommen der Erfindung
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gleichfalls an ringför migen Magnetkernen mit einem konstanten Quer schnitt des ferromagnetischen Materials längs des ganzen Umfanges des Ringes und mit einem Aussen durchmesser von höchstens 1,6 mal den Innendurch messer durchgeführt.
Bei den Anwendungen von ferromagnetischen Materialien mit einer nahezu rechteckigen Hysterese- schleife handelt es sich meist um Hochfrequenzwech- selströme und es kommt also darauf an, das Auf treten von Wirbelströmen möglichst zu vermeiden. Bei der Verwendung von feriomagnetischen Legie rungen kann dies dadurch erfolgen, dass die Magnet kerne aus gegenseitig isolierten, sehr dünnen Schich ten des ferromagnetischen Materials aufgebaut wer den. Es ist aber häufig äusserst schwer, wenn nicht unmöglich, diese Schichten hinreichend dünn zu machen.
Es ist daher vorteilhaft, bei diesen hohen Frequenzen oxydische Ferromagnetmaterialien zu verwenden, die aus dreiwertigem Eisenoxyd, Fe203, in Verbindung mit bestimmten zweiwertigen Oxyden, wie Cu0, Mg0, MnO und NiO aufgebaut sind, denn diese Stoffe haben an sich bereits eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit.
Es hat sich ergeben, dass ferromagnetische Werk stoffe, die aus Oxyden von Eisen, Mangan und Magnesium, innerhalb gewissen Konzentrationsbe reichen bestehen, bei Verarbeitung zu einem ferro- magnetischen Körper eine nahezu rechteckige Hyste- reseschleife haben und ausserdem eine ganz niedrige Koerzitivkraft besitzen. Es ist einleuchtend, dass eine niedrige Koerzitivkraft für die betreffenden Mate rialien eine günstige Eigenschaft ist, da sie beim praktischen Gebrauch der betreffenden Magnetkerne zu einer Energieersparnis führt.
Beim ferromagnetischen Material nach der Er findung liegt das Verhältnis der Mengen an Eisen, Mangan und Magnesium umgerechnet auf Gewichts prozente der Oxyde Fe2O3, MgO und MnO, im Be reich von 50 bis 70 Gewichtsprozent Fe203, bis 10 Gewichtsprozent Mg0, Rest MnO..
Beim Verfahren zur Herstellung eines ferro- magnetischen Materials nach der Erfindung wird ein das genannte Verhältnis ergebendes Gemisch von einem Manganoxyd, Eisen-(111)-oxyd und Magne- siumoxyd bei einer Temperatur von 1150 bis 1450 C gesintert. Anstelle der Oxyde lassen sich auch Ver bindungen der betreffenden Metalle verwenden, die unter den beim Sintern herrschenden Verhältnissen in Oxyde übergehen können, z. B. Karbonate oder Sulfate der betreffenden Metalle.
Ausf iihrungsbeispiel Ein Gemisch von Fe203, MnC03 und MgO wird während zwei Stunden mit Alkohol in einer rotie renden Kugelmühle gemahlen, darauf getrocknet, durch Erhitzung auf etwa 700 C eine Stunde vorge- sintert, und die vorgesinterte Masse abgekühlt und sechzehn Stunden lang mit Alkohol in einer Vibra- tionsmühle gemahlen.
Das so erhaltene Pulver wird getrocknet und gesiebt und nach dem Zusatz eines Bindemittels körnig gemacht und mit einem Druck von 4 Tonnen/cm2 zu Ringen gepresst. Darauf folgt die Endsinterung.
Für die Messungen von
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und (Ra)",.., alle bei Zimmertemperatur durchgeführt, wurden die so er haltenen Ringe, die einen Innendurchmesser von 3,8 mm und einen Aussendurchmesser von 5,9 mm hatten, mit 20 Sekundärwindungen Litzdraht und vier Primärwindungen dünnem Kupferdraht ver sehen. Die Ringe wurden dadurch vorher entmagne tisiert, dass durch die Primärwicklung ein Wechsel strom von stetig abnehmender Stärke geleitet wurde. Die Messungen erfolgten nach dem sog. ballisti schen Verfahren (vgl. Bozorth, Ferromagnetism , 1951, Seite 843 usw.).
In nachstehender Tabelle 1 sind
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und (R,)",ax von einigen Materialien nach der Erfindung mit den entsprechenden Zusammensetzungen, auf Gewichts prozente Mg0, MnO, und Fe203 umgerechnet, an gegeben.
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<I>Tabelle <SEP> 1</I>
<tb> Zusammensetzung
<tb> Gew.% <SEP> Gew.% <SEP> Gew.% <SEP> Br <SEP> (R )max
<tb> Mg0 <SEP> Mn02 <SEP> Fea03
<tb> 7,6 <SEP> 32,5 <SEP> 59,9 <SEP> 0,98 <SEP> 0,84
<tb> 6,5 <SEP> 41,9 <SEP> 51,6 <SEP> 0,96 <SEP> 0,80
<tb> 3,6 <SEP> 39,0 <SEP> 57,4 <SEP> 0,91 <SEP> 0,76
<tb> 3,1 <SEP> 47,2 <SEP> 49,7 <SEP> 0,95 <SEP> 0,74 Bei der Herstellung der Proben, auf die sich diese Tabelle bezieht, wurden zwischen 1250 und 1350 C wechselnde Sintertemperaturen angewendet, wobei mal in Sauerstoff, mal in Luft oder Stickstoff gesintert wurde.
Günstig sind Materialien, die als Mangan-Magne- siumferrite mit einem bestimmten Überschuss an Mangan aufzufassen sind. Es konnte nicht mit Sicherheit festgestellt werden, in welcher Form dieser Überschuss an Mangan in den betreffenden Materia lien vorhanden ist. Es hat sich ergeben, dass das Rechteckigkeitsverhältnis (R,)",", bei im übrigen glei chen Herstellungsverhältnissen des Materials eine Funktion- des Überschusses an Mangan gegenüber einer Zusammensetzung entsprechend der Formel a MnO - (1-a) MgO - Fe203 ist, wobei a zwischen 0,5 und 1 liegt. Die nachfol genden Tabellen 2 und 3 mögen zur Beweisführung dienen.
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<I>Tabelle <SEP> 2</I>
<tb> Rohstoffe <SEP> Zusammensetzung,
<tb> entsprechend <SEP> dem <SEP> umgerechnet <SEP> auf
<tb> nachstehenden <SEP> Gew. <SEP> % <SEP> der <SEP> Oxyde
<tb> atomaren <SEP> Verhält- <SEP> Mg0, <SEP> Mnoa <SEP> (R$)max <SEP> (Hel)max
<tb> nis <SEP> abgewogen <SEP> und <SEP> Fez03
<tb> Mg <SEP> Mn <SEP> Fe <SEP> <B>MgO</B> <SEP> MnOQ <SEP> Fea03
<tb> 0,50 <SEP> 0,75 <SEP> 2 <SEP> 8,2 <SEP> 26,6 <SEP> 65,2 <SEP> 0,53 <SEP> 1,6
<tb> 0,50 <SEP> 1,00 <SEP> 2 <SEP> 7,5 <SEP> 32,6 <SEP> 59,9 <SEP> 0,77 <SEP> 1,2
<tb> 0,50 <SEP> 1,25 <SEP> 2 <SEP> 7,0 <SEP> 37,6 <SEP> 55,4 <SEP> 0,61 <SEP> 1,4
<tb> 0,50 <SEP> 1,50 <SEP> 2 <SEP> 6,5 <SEP> 42,0 <SEP> 51,5 <SEP> 0,61 <SEP> 1,4 Bei der Herstellung der Proben, auf die sich die Tabelle 2 bezieht, wurde immer bei 1320 C in Luft gesintert.
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<I>Tabelle <SEP> 3</I>
<tb> Rohstoffe <SEP> Zusammensetzung,
<tb> entsprechend <SEP> dem <SEP> umgerechnet <SEP> auf
<tb> nachstehenden <SEP> Gew. <SEP> % <SEP> der <SEP> Oxyde <SEP> )max
<tb> atomarenVerhält- <SEP> Mg0, <SEP> MnO, <SEP> <B>(RB)maX</B> <SEP> (Hm
<tb> nis <SEP> abgewogen <SEP> und <SEP> Fea0g
<tb> Mg <SEP> Mn <SEP> Fe <SEP> <B>MgO</B> <SEP> MnO2 <SEP> Fea0g
<tb> 0,25 <SEP> 1,00 <SEP> 2 <SEP> 3,9 <SEP> 33,8 <SEP> 62,3 <SEP> 0,78 <SEP> 1,3
<tb> 0,25 <SEP> 1,25 <SEP> 2 <SEP> 3,6 <SEP> 39,3 <SEP> 57,0 <SEP> 0,82 <SEP> 1,3
<tb> 0,25 <SEP> 1,50 <SEP> 2 <SEP> 3,3 <SEP> 43,5 <SEP> 53,2 <SEP> 0,76 <SEP> 1,2
<tb> 0,25 <SEP> 1,75 <SEP> 2 <SEP> 3,1 <SEP> 47,3 <SEP> 49,6 <SEP> 0,61 <SEP> 1,2 Bei der Herstellung der Proben, auf die sich die Tabelle 3 bezieht, wurde immer bei 1300 C in Stickstoff gesintert.
Aus diesen Werten ergibt sich, dass die besten (R,)""",-Werte bei einem überschuss an Mangan wie in einer Zusammensetzung entsprechend der Formel (a+b) MnO # (1 -a) Mg0 # Fe203 erhalten wurden, wobei a zwischen 0,5 und 1 liegt und b = 0,25 bis 0,75 ist.
Die Werte von (Hlyl)"laY sind in den Tabellen 2 und 3 verzeichnet. Da, wie bereits früher bemerkt wurde, (H ).a, nur wenig von der Koerzitivkraft H, abweicht, geben diese Zahlenwerte also einen Ein druck von der Grösse der Koerzitivkraft in Oersted.
Auch hat sich ergeben, dass (R,)"", durch die Wahl der Endsintertemperatur beeinflusst wird. Die Tabelle 4, die dies beweist, bezieht sich auf Proben mit einer Zusammensetzung entsprechend 7,5 Ge wichtsprozent Mg0, 32,6 Gewichtsprozent Mn02 und 59,5 Gewichtsprozent Fe2O3. Diese Proben wur den durch Sintern in Luft bei verschiedenen Tempe raturen erhalten.
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<I>Tabelle <SEP> 4</I>
<tb> Sintertemperatur <SEP> (Ra)max <SEP> (Hm)max
<tb> 1250 <SEP> C <SEP> 0,65 <SEP> 2,0
<tb> 1320 <SEP> C <SEP> 0,77 <SEP> 1,2
<tb> 1355 <SEP> C <SEP> 0,65 <SEP> 1,2
<tb> 1390 <SEP> C <SEP> 0,55 <SEP> 1,2
<tb> 1400 <SEP> C <SEP> 0,54 <SEP> 1,4 Es ergab sich, dass eine Sinterung in einer Stick stoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1300 C zur Erzielung eines hohen (R,)"""-Wertes besonders günstig ist.
So hatte eine Probe mit einer Zusammensetzung entsprechend 7,0 Gewichtsprozent Mg0, 37,6 Gewichtsprozent Mn02 und 55,4 Ge wichtsprozent Fe203, welche durch Sinterung in Stickstoff bei 1300 C erhalten wurde, einen (Rg)maä Wert von 0,80 bei einem (H )"",.,-Wert von 1,5, während eine Probe mit einer Zusammensetzung ent- sprechend 3,6 Gewichtsprozent Mg0, 39,3 Gewichts prozent Mn02 und 57,1 Gewichtsprozent Fe2O3, unter gleichen Verhältnissen gesintert, einen (R,)"," Wert von 0,82 bei einem (H.).", -Wert von 1,3 hatte.
Aus den vorstehenden Angaben ergibt sich, dass eine Sintertemperatur von 1250-1350 C im allge meinen günstig ist; die Zusammensetzung beeinflusst naturgemäss die Lage der günstigsten Sintertempera- tur. Eine Sinterung in Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 1300 C kann zu hohen (R,)." -Werten, sogar von 0,80 und höher führen, wenigstens bei einem hinreichenden überschuss an Mangan, der auch wieder nicht zu gross sein darf.