Ferrit Die Erfindung betrifft einen Ferrit. Bekanntlich werden solche Materialien in der Weise hergestellt, dass die feingepulverten Oxyde gemischt, und zu Kernen von der gewünschten Form gepresst und diese Kerne dann einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Die schweizerische Patentschrift Nr. 329180 be schreibt, wie Ferrite mit hoher Permeabilität und niedrigem Hysteresisverlust dann erhalten werden, wenn dafür gesorgt wird, dass das Eisen-3-Oxyd im fertigen Ferrit so angenähert wie möglich in stöchio- metrischer Proportion vorhanden ist.
Es wird dort zu diesem Zweck ein Verfahren zur Herstellung von Ferriten beschrieben, bei dem von einer Mi schung ausgegangen wird, die Eisen-3-Oxyd, Man ganoxyd und Zinkoxyd enthält und in der der Mol- prozentsa-tz des Eisen-3-Oxydes dieser Mischung zwischen 50 und 56 liegt, wobei die Wärmebehand lung in einer Stickstoffatmosphäre stattfindet, welche zwischen 0,01 und 1,2 Volumprozent Sauerstoff ent hält.
Der mit diesem Verfahren erhaltene Ferrit ent hält zwischen 49,7 bis 50,6 (vorzugsweise 49,7 und 50,3) Mol. /o Eisen-3-Oxyd und zwischen 0,3 und 7,5 Mol:o/o Eisen-2-Oxyd.
Obgleich die Verlustfaktoren der nach diesem Verfahren hergestellten Ferrite bei Frequenzen von der Grössenordnung<B>80'</B> kHz niedriger als bisher sind, so sind sie doch bei Frequenzen von 200 kHz und mehr immer noch relativ hoch.
Der erfindungsgemässe Ferrit zeichnet sich da durch aus, dass er Mischkristalle aufweist, die aus 51 bis 52,5 Mol.o/o Eisen-3-Oxyd, 4 bis 12 Mol II/o Eisen-2-Oxyd, 16 bis 30 Mol.o/o Manganoxyd und ferner aus Zinkoxyd aufgebaut sind.
Diese Anteile des Eisen-3-Oxydes und des Eisen- 2-Oxydes sind grösser als diejenigen nach dem ge- nannten Patent und führen zu einer Verminderung der Anfangspermeabilität gegenüber derjenigen jenes Patentes, anderseits aber zu einem Qualitätfaktor Q, der in Funktion der Frequenz weniger rasch abnimmt als derjenige der bisher bekanntgewordenen gemisch ten Mangan-Zink-Ferrite.
Es zeigt sich weiter, dass Ferrite gemäss der Er findung bei Frequenzen von 200 und mehr Kilohertz geringere Verluste aufweisen als solche, die nach dem vorgenannten Patent Nr. 329180 hergestellt sind. Ferner erweist es sich, dass die erfindungs gemässen Ferrite einen niedrigen Temperaturkoeffi zient der Permeabilität aufweisen. Gewisse der nach dem genannten Patent hergestellte Ferrite hatten einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizient der Permeabi- lität, bei andern war er aber ungewöhnlich hoch.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Ferrites nach vorliegender Erfindung ist dadurch gekennzeichnet; dass eine Mischung von feinteiligem Eisen-3-Oxyd, einem Manganoxyd und Zinkoxyd hergestellt wird, in welcher der Anteil des Eisen-3- Oxydes 54 bis 62 Mol:
o/o ausmacht, dass hierauf diese Mischung gepresst und das gepresste Material in einer 2 bis 20 (vorzugsweise zwischen 5 bis 15) Volumen prozent Sauerstoff enthaltenden Stickstoffatmosphäre bei einer im Bereich von 1150 bis 1280 C liegenden Temperatur einer Wärmebehandlung unterzogen wird, worauf das Material in reinem Stickstoff abgekühlt wird, wobei während dieser Behandlung das Eisen-3- Oxyd teilweise in Eisen-2-Oxyd übergeht, so dass Mischkristalle der genannten Zusammensetzung auf weisender Ferrit entsteht.
Unter reinem Stickstoff soll dabei Stickstoff verstanden werden, der weniger als 0,01 Volumenprozent Sauerstoff enthält.
Die Qualitäten von magnetischen Materialien für Fernmeldezwecke, wie beispielsweise für Kerne von Induktionsspulen sind gekennzeichnet durch ihre Anfangspermeabilität ,u, ihren Wirbelstromverlust- koeffizient Fn, ihren Hysteresisverlustkoeffizient <I>H</I> und ihren Remanenzverlustkoeffizient t.
Diese ver schiedenen Koeffizienten können mittels einer Prüf induktionsspule von L Henry, deren Kern aus dem betreffenden magnetischen Material besteht, gemes sen werden, deren Wirkwiderstand bei der Kreis frequenz (o <I>= 2</I> arf Radian in der Sekunde gemessen wird, sowie der Teil Rp dieses Widerstandes, der auf die Verluste in diesem Kern zurückzuführen ist. Der Qualitätsfaktor ist dann
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Die Anfangspermeabilität ist dabei in einem Ma gnetfeld von weniger als einem Millioersted für eine Frequenz von 800 Hz und bei einer Temperatur von 20 C zu messen.
Für die Bestimmung des Koeffi zienten der verschiedenen Verluste dient die folgende Formel:
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in welcher Rp, ein Verlustwiderstand im Ferritkern einer Spule in Ohm, L die Induktivität dieser Spule in Henry, f die Frequenz in Hertz,<I>N</I> die Anzahl Windungen der Wicklung, 1 der Effektivwert des Stromes in der Wicklung in Ampere, 1 die mittlere Länge der Kraftlinien in Zentimetern, Fn der Wirbel stromverlustkoeffizient, H der Hysteresisverlust koeffizient und t der Remanenzverlustkoeffizient ist.
Der Wirbelstromverlustkoeffizient Fn wird in Ohm pro Henry ausgedrückt und auf die Frequenz 800 Hz bezogen. In Wirklichkeit wird er aber zwi schen 40 und 200 Hz und bei einer Temperatur von 20 C für einen Kern von 0,5 Y, 0,6 cm, das heisst 0,3 cm2 Querschnittsfläche, in einem derart niedrigen Feld (von beispielsweise 1 Millioersted) gemessen, dass der Hysteresisverlust vernachlässigt werden kann.
Der Hysteresisverlustkoeffizient N in Ohm pro Henry für ein Feld
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gleich eine Amperewindung pro Zentimeter, bezogen auf die Frequenz 800 Hz, sollte in Feldern von 2 bis 30 Millioersted für 100 kHz und bei 20 C gemessen werden.
Der Remanenzverlustkoeffizient t in Ohm pro Henry, bezogen auf die Frequenz 800 Hz, wird in einem sehr schwachen Feld und bei einer Tempera tur von 20 C von der Ordinate des Anfangspunktes der Kurven
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abgeleitet.
Beim Versuch zur Herstellung von Induktions spulen mit möglichst hohem Qualitätsfaktor und möglichst kleinem Volumen ist es zweckmässig, die gewünschten Eigenschaften für Kernmaterial durch das Produkt P<I>=</I> ,uQ zu kennzeichnen.
In einem Ferrit, der Mangan und Zink enthält, besteht die Möglichkeit, dass ausser den Ionen Mn2+ noch andere als zweiwertige Mangan-Ionen vorhan den sind. In der vorliegenden Beschreibung wird für die Bestimmung des Molekulargehaltes an Eisen-3- Oxyd und Eisen-2-Oxyd angenommen, dass das Mangan nur im zweiwertigen Zustand vorhanden sei.
Der Molekülgehalt des Eisen-2-Oxydes wird dann aus dem Gewichtsanteil erhalten, der durch die Kon zentration eines Reduziersalzes in einer Lösung be stimmt werden kann, die erhalten wird, wenn man den Ferriten unter Luftausschluss durch Chlorwasser stoffsäure angreifen lässt. Der Molekülgehalt des Eisen-3-Oxydes im Ferrit wird dann aus der Zusam mensetzung der Mischung vor dem Sintern errech net, während der Gewichtsanteil des Eisen-2-Oxydes wie beschrieben bestimmt wird.
Bei der Herstellung von erfindungsgemässen Ferriten kann der Eisen-2-Oxyd-Gehalt bei im übrigen gleichen Verhältnissen durch den prozen tualen Sauerstoffgehalt im Stickstoff bestimmt wer den, mit dem der Ofen während des Sinterns bis zum Zeitpunkt beschickt wird, wo nur noch reiner Stick stoff verwendet wird. Um den genauen erforder lichen prozentualen Sauerstoffgehalt innerhalb der gegebenen Grenzen festzulegen, kann beispielsweise von einem anfänglichen Sauerstoffgehalt von 10 /o ausgegangen werden und dann, je nachdem die Prü fung einen Mangel oder einen überschuss an Fe0 ergibt, der Sauerstoffgehalt erhöht oder herabgesetzt werden.
Ein paar wenige Versuche genügen, um den günstigsten Sauerstoffgehalt zu bestimmen. Die Än derung der Stickstoffatmosphäre unterliegt in bezug auf den Zeitpunkt ihrer Durchführung nicht sehr kri tischen Bedingungen, sollte aber immerhin vorgenom men werden, bevor die Temperatur beim Abkühlen unter l000 C fällt.
Die Herstellungsbedingungen sind im übrigen gleich jenen, die in der genannten Patentschrift Nr. 329180 beschrieben sind.
In allen nachfolgend beschriebenen Ausführungs beispielen wird zum Zwecke der Herabsetzung der Wirbelstromverluste ein sehr kleiner, unter einem Gewichtsprozent liegender Zusatz von Calcium zu gesetzt. <I>Beispiel 1</I> Als Ausgangsstoffe werden reine Oxyde, nämlich Fe<B>20.,</B> Mn304, Zn0, die weniger als 1 Gew.o/o Fremdstoffe enthalten, verwendet.
Diese Stoffe wer den gemahlen und in einer Stahlkugeln enthaltenden Kugelmühle 24 Stunden lang gründlich gemischt, wo bei die Mischung die folgende Zusammensetzung in Malprozenten aufweisen soll: 55,211/o Fe203, 27,51/o MnO, 17,3% Zn0. Dieser Mischung wird 0,
15 Ge- wichtsprozent Calcium in der Form von Calcium- carbonat beigefügt. Aus dieser Mischung wird dann ein Ringkern gepresst, der hierauf während vier Stun den einer Wärmebehandlung bei 1225 C in einer 5 Volumprozent Sauerstoff enthaltenden Stickstoff atmosphäre unterzogen wird.
Der auf diese Weise hergestellte Ferrit weist Mischkristalle auf, die aus 51,5 Mol:o/a Fe,203, 4,7 Mol II/o Fe0, 26,9 Mol.o/o MnO und 16,9 Mol:o/o Zn0 aufgebaut sind, und hat die folgenden Eigenschaften: ,u <I>=</I> 1400 und ,uQ bei 300 kHz - 160 000. Das Material hat einen Curie punkt von 210 C.
Wären Herstellungsverhältnisse gewählt worden, die zu einem im wesentlichen stöchiometrischen Ma terial führen würden, dann wäre der Wert für ,uQ bei 300 kHz nur ungefähr gleich 50 000.
<I>Beispiel 2</I> Als Ausgangsmaterial wird eine Mischung von folgender Zusammensetzung in Molprozenten ge- wählt: 56,8% Fe203, 28,1% MnO, 15,1% ZnO. Die Mischung wird während vier Stunden in einer 10% Sauerstoff enthaltenden Stickstoffatmosphäre bei 1225 C wärmebehandelt und dann während 15 Stunden in reinem Stickstoff abgekühlt.
Das er haltene Material hat die folgenden Eigenschaften:
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,ciQ bei 500 kHz - 120 000. Der Curiepunkt liegt bei 242 C.
Die Analyse zeigt, dass das Eisen-2-Oxyd 3,9 Ge wichtsprozent ausmacht und der Molprozentgehalt der Mischkristalle des erhaltenen Ferrites wie folgt ist: Fe203 51,8%., Fe0 6,4%, MnO 27,2% und Zn0 14,6,11/a. Die Produkte P<I>=</I> ,y.Q bei 700 kHz und 1 MHz besitzen die Werte 80 000 bzw. 50 000.
Mit diesem Material ist ein Topfkern mit einem Durchmesser von 26 mm, einer Höhe von 17,6 mm, einem Volumen von 9,5 cm3 und einem Luftspalt von 1,5 mm hergestellt worden. Mit einer geschlos senen Wicklung von vier Lagen zu 15 Windungen aus emailliertem und mit Seide umsponnenem Kupfer litzendraht 100 X 0,03 mm und zehn Lagen aus 0,02 mm dickem Polystyrolband zwischen den Draht lagen betrug die Induktivität 0,360 mH. Es wurde ein Qualitätsfaktor Q von 600 bei 700 kHz und von 500 gegen 1 MHz erreicht.
Bei einer auf einem gleich dimensionierten Ringkern gewickelten Induktionsspule von 0,760 mH, die statt 60 Windungen 75 Windungen des gleichen Drahtes und einen Luftspalt von 1,00 Millimeter aufwies, erreichte der Qualitätsfaktor Q den Wert 800 bei 400 kHz.
<I>Beispiel 3</I> Bei diesem Beispiel wurde eine feingepulverte Mischung in der folgenden Zusammensetzung in Molprozenten als Ausgangsmaterial verwendet: 58,8% Fe203, 25,6%. MnO, 15,
6% Zn0. Diese Mischung wurde während vier Stunden in einer 15% Sauerstoff enthaltenden Stickstoffatmosphäre bei 1225 C wärmebehandelt und dann während 15 Stunden in reinem Stickstoff abgekühlt. Die Eigen schaften dieses Materials waren wie folgt: ,u = 700,
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p.Q bis 700 kHz = 80 000, ,uQ bei 1 MHz = 60 000.
Das Material hat einen Curiepunkt von 244 C.
Eine Analyse zeigte, dass das Eisen-2-Oxyd einem Gewichtsanteil von<B>501ü</B> entsprach und die Be- rechnung ergab die folgende Zusammensetzung für die Mischkristalle des fertigen Ferrits in Molprozen- ten: 52,2'1/a Fe2O3, 8,3'% Fe0, 24,4% MnO, 15,1% Zn0.
Die Ferrite nach vorliegender Erfindung besitzen ausser den bereits genannten Vorteilen einen niedri gen Temperaturkoeffizient der Permeabilität über einen relativ weiten Temperaturbereich. In den fol genden Beispielen wird dieser Koeffizient
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eben falls angegeben. Dabei ist
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worin,u",a, und ,u",i" die Maximal- bzw. Minimal werte der Anfangspermeabilität zwischen den Tempe raturen t2 und t1 der Grenzen des betrachteten Be reiches und ,u, der Wert der Anfangspermeabilität bei 0 C ist.
Die folgenden Beispiele ergeben ein zwischen - 60 und + 125 C.
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<I>Beispiel 4</I> Bei diesem Beispiel wurde von reinen Oxyden, das heisst solchen, die weniger als 0,1% Fremdstoffe enthalten, ausgegangen, wobei die Zusammensetzung vor dem Mahlen in Molprozenten wie folgt war:
60%: Fe203, 180/a MnO und 220/G Zn0. Diesen Be- standteilen wurde ein Zusatz von weniger als 0,1 Gewichtsprozent Cafcium beigefügt. Die Mischung wurde wie oben beschrieben gepresst und während vier Stunden in einer 5 % (Volumprozent) Sauerstoff enthaltenden Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt und dann während 15 Stunden in reinem Stickstoff abgekühlt.
Der so hergestellte Ferrit zeigte einen Gewichts anteil an Eisen-2-Oxyd von 6,61/o, und für die Zu sammensetzung der Mischkristalle des fertigen Ferrits ergab sich in Molprozenten:
51,7% Fe2O3, 10,8% Fe0, 16,9'% MnO und 20,6% Zn0. Ein solcher Ferrit besitzt die folgenden Eigenschaften:
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,uQ bis 200 kHz = 120 000,
EMI0003.0137
zwischen -60 und + l25 C. Der Curiepunkt liegt bei 190 C.
<I>Beispiel 5</I> Bei einer vor dem Mahlen eine Zusammensetzung von 59,0 Mol:o/o Fe203, 20,0 Mol.O/o MnO und 21,0 Mol.O/o. ZnO aufweisenden Mischung, der 0,1 Gewichtsprozent Calcium zugesetzt worden ist, wird nach einer gleichen Wärmebehandlung wie beim Bei spiel 4 ein Ferrit mit den folgenden Eigenschaften erhalten: ,u = 900,
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EMI0003.0149
,4Q bis 200 kHz = 150 000,
EMI0003.0152
zwischen -60 und -, 125 C.
Dieses Material hat einen Curiepunkt von 205 C. Der Gewichtsanteil des Eisen-2-Oxydes beträgt 5,8% und die daraus errechnete Zusammensetzung in Molprozenten ist für die Mischkristalle wie folgt:
51,80/a Fe203, 9,2% Fe0, 18,8% MnO und 20,2% Zn0.
<I>Beispiel 6</I> Mit einem Ausgangsmaterial, das sich vor dem Mahlen, in Molprozenten ausgedrückt, aus 58% Fe203, 22% MnO und 20% Zn0 zusammensetzt, dem 0,
1 Gew.O/o Calcium beigegeben ist und das während vier Stunden in einer 5 % Sauerstoff ent- haltenden Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt und dann während 15 Stunden abgekühlt wird, entsteht ein Ferrit, der die folgenden Eigenschaften besitzt:
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pQ bei 200 kHz = 200 000,
EMI0004.0047
zwischen -60 und + 125 C. Dieses Material hat einen Curie punkt von 210 C.
Die Analyse ergibt für das Eisen-2-Oxyd einen Gewichtsanteil von 5% und damit eine Zusammen- setzung der Mischkristalle des fertigen Materials in Molprozenten von:
51,6% Fe203, 8,31/o Fe0, 21,0% MnO und 19,1% Zn0. <I>Beispiel 7</I> Mit einem sich aus 58 Mol.O/o Fe2O3,
24 Mol % MnO und 18 Mol II/o Zn0 sowie 0,1 Gew.O/o Calcium zusammensetzenden und wie im Beispiel 4 wärme behandelten Ausgangsmaterial wird ein die folgenden Eigenschaften aufweisendes Material erhalten: ,u =
EMI0004.0086
,uQ bei 200 kHz = 150 000,
EMI0004.0089
zwischen -60 und + 125 C. Der Curiepunkt liegt bei 220 C.
Die Analyse ergibt für das Eisen-2-Oxyd einen Gewichtsanteil von 4,6%, woraus die Mischkristalle des fertigen Materials aus 52,2 Mol.O/a Fe203, 7,7 Mol.O/o Fe0, 23,1 Mol. /o MnO und 17 Mol. /o Zn0 zusammengesetzt errechnet werden können.
Ein gleich zusammengesetztes Ausgangsmaterial, das aber in einer nur 1 Vol.O/o Sauerstoff enthalten den Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt wird, das heisst in der im genannten früheren Patent beschrie benen Weise, ergibt für das Produkt P<I>=</I> ,uQ bei 200 kHz einen Wert von nur 40 000.