13.3. Изготовление магнитных сердечников из ферритов
Ферриты – это металлокерамические материалы, представляющие собой химические соединения окиси железа с окислами других металлов (Mn, Ni, Ba, Co, Mg, Li, Sm, Y, Gd и др.), обладающие магнитными свойствами. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по химическому составу, структуре, магнитным, электрическим и другим свойствам. В зависимости от химического состава ферриты применяют для изготовления постоянных магнитов (бариевые, кобальтовые и др.), магнитных сердечников ВЧ-диапазона (марганец-цинковые, никель-цинковые и др.) и СВЧ-диапазона (железо-иттриевые, магний-марганцевые, литий-цинковые и др.). Ферриты, изготовленные методом порошковой металлургии, изотропны, то есть обладают одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях. Изотропность ферритов позволяет изготавливать магнитные сердечники различной формы: стержни, пластины, кольца и сердечники сложной формы с отверстиями. На рис.13.9 представлены некоторые типы магнитопроводов различного назначения, изготовленных из ферритов: (а, б - замкнутый П-образный магнитопровод прямоугольного сечения; в, г – замкнутый П-образный сердечник круглого сечения; д – О-образный; е – Е-образный сердечник; ж – одна половина сердечника магнитной головки; з – сердечник для отклоняющей системы).
а |
б |
-
в
г
д
е
ж
з
Рис.13.9
Технологический процесс изготовления изделий из ферритов состоит из следующих основных этапов: приготовление смеси порошков окислов соответствующих металлов, прессование, термообработка.
Приготовление смеси окислов определенного химического состава бывает следующих видов: методом механического измельчения и смешения порошкообразных окислов, термическим разложением солей, совместным осаждением солей и гидроокисей.
Метод механического измельчения и смешивания окислов соответствующих металлов заключается в помоле исходных окислов в шаровых и вибрационных мельницах в сухом или увлажненном состоянии. Мокрый помол осуществляют с использованием жидкостей (вода, спирт, керосин, бензин). После помола и механической сепарации смесь (шихту) сушат, подвергают брикетированию и предварительному обжигу при температуре 800-1000 оС. В процессе обжига происходит реакция образования феррита - ферритизация. Компоненты шихты вступают в химическую реакцию в твердом состоянии с образованием соединений MeO Fe2O3. Преимуществом этого метода является точное соблюдение заданного состава шихты, недостаток – длительность измельчения компонентов и трудности получения частиц окислов требуемых размеров.
Методы термического разложения и совместного осаждения солей (гидроокисей) отличаются от механического тем, что процесс приготовления смеси включает получение самих окислов (каждого в отдельном или их смеси).
При термическом разложении солей исходными материалами являются сернокислые соли соответствующих металлов (FeSO4, MnSO4, ZnSO4), которые предварительно измельчают, перемешивают в определенной пропорции в шаровых мельницах и растворяют в воде. Раствор нагревают до кипения, при этом соли растворяются и оказываются равномерно перемешанными. Осадок после удаления воды прокаливают при температуре 900 - 1000 оС, в результате образуется порошок из смеси соответствующих окислов. Полученную смесь окислов брикетируют с последующим предварительным обжигом для образования соединений MeO Fe2O3.
При осаждении солей и гидроокисей применяют или раздельное осаждение компонентов с последующим смешиванием их, или совместное осаждение всех компонентов. Осаждение солей из водных растворов солей осуществляют углекислым аммонием (NH4)2CO3 или щавелевокислым аммонием, при этом получается осадок соли (например, MnCO3 или MnC2O4). Осаждение гидроокисей (например, Mn(OH)2 производят раствором едкого натра. Осадок обезвоживают и прокаливают для получения смеси окислов. Далее процесс получения химического соединения протекает аналогично предыдущим.
Формообразование ферритовых сердечников осуществляют, как правило, прессованием в пресс-форме при давлении 50-500 МПа. Исходный материал в виде брикетов предварительно измельчают в шаровых мельницах и смешивают с пластификатором (поливиниловый спирт, парафин, дектрин и др.), которые придают пластичность шихте на стадии формообразования и обеспечивают сохранность формы изделия до спекания. Шихту, в которую введен пластификатор, называют пресс-порошком.
При изготовлении сердечников применяют как одностороннее прессование (для сердечников небольших размеров и простой формы), так и двухстороннее (для сердечников сложный формы) на специальных пресс-автоматах.
Для примера на рис.13.10 изображена последовательность переходов при изготовлении ферритового кольцевого сердечника прессованием:
а – в подвижный отсекатель загружают пресс-порошок;
б – пуансоном 1 пресс-порошок вдавливается в кольцевую полость пресс-формы и производится прессование;
в – отвод пуансона;
г – отсекатель 2 при его перемещении влево спрессованный сердечник отделяется от остатка пресс-материала ;
д – выталкиватель 5 поднимает сердечник на уровень матрицы;
е – отсекатель возвращается в исходное положение, производится загрузка следующей порции пресс-порошка; ж - выталкиватель устанавливается в исходное положение, производится загрузка следующей порции порошка.
Затем цикл изготовления сердечника повторяется. Производительность такого пресс-автомата доходит до 60 шт/мин.
Рис. 13.10. Схема последовательности при изготовлении сердечников на пресс-автомате: 1 – пуансон; 2 – отсекатель; 3 – пресс-порошок; 4 – матрица; 5 – выталкиватель
Спекание ферритов осуществляется для завершения ферритизации, то есть образования соединения MeOFe2O3, выравнивания химического состава и получения плотной структуры феррита с определенными механическими, электрическими и магнитными свойствами. Свойства ферритов в сильной степени зависят не только от состава, но и от технологического режима спекания: выбора среды, скорости подъема температуры, температуры и времени выдержки при спекании, времени охлаждения. Сердечники спекают как в окислительных, так и в нейтральных средах, которые создаются инертными газами с небольшим содержанием кислорода и слабоокислительными газами.
На рис. 13.11 приведен примерный график изменения температуры во времени при спекании ферритов.
Рис. 13.11. Режим спекания ферритов
Первый участок, характеризующийся выдержкой при температуре 100-150 оС, необходим для предварительной сушки, при которой удаляется пластификатор. Затем следует подъем температуры до изотермической выдержки со скоростью, не превышающей 300 оС/ч. Более высокие скорости могут вызвать растрескивание заготовок. Температура спекания зависит от состава феррита и составляет 1200-1400 оС. В процессе спекания завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделия. На кинетику процесса спекания влияют дисперсность частиц, их форма, взаимодействие с атмосферой, химические реакции между компонентами, процессы рекристаллизации и другие факторы. Следует отметить, что максимальную плотность и лучших параметров ферритов достигают при спекании мелких порошков. После процесса спекания идет медленное охлаждение до температуры 1000 оС при скорости охлаждения 50-100 оС/ч, а затем резкое охлаждение (закалка) в струе сжатого воздуха. При этих условиях сохраняется структура кристаллической решетки феррита, характерная для высоких температур.
Для обжига шихты и спекания применяют туннельные печи непрерывного действия, которые представляют собой канал с зонами нагрева, выдержки и охлаждения, по которому с определенной скоростью перемещают ферритовые сердечники.
Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не позволяющими производить обработку резанием и допускающими только шлифовку и полировку.
После спекания производится контроль сердечников по геометрическим размерам и магнитным параметрам: начальной и максимальной относительной магнитной проницаемости μн, μmax; остаточной и максимальной магнитной индукции Вr, Вm; коэрцитивной силе Нс; коэффициенту прямоугольности α (для импульсных ферритов).
13.4. Изготовление монокристаллических ферритовых пленок
Тонкие ферритовые магнитные пленки монокристаллической структуры находят широкое применение в качестве элементов для магнитных логических и запоминающих устройств ЭВМ. Ферритовые монокристаллические пленки имеют совершенную кристаллическую структуру, в результате чего они характеризуются малой коэрцитивной силой, хорошо выраженной магнитной кристаллографической ориентацией. Наиболее широкое применение получили монокристаллические ферритовые магнитные пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД), представляющие собой магнитную пленку толщиной 1-10 мкм, полученную на монокристаллической подложке из немагнитного материала (рис.13.12). Если отсутствует внешнее магнитное поле, то в пленке возникают полосовые домены с противоположной намагниченностью, при этом площади, занимаемые доменами с противоположной намагниченностью, одинаковы (рис.13.12 а, б). При подаче внешнего магнитного поля На, перпендикулярного плоскости пленки, состояние доменов изменится. Часть из них, направление намагниченности которых совпадает с направлением приложенного поля, будет расти, а другая часть с противоположным направлением намагниченности – уменьшаться (стягиваться). При некотором значении На первые вырастут до пределов пленки, а вторые превратятся в образования небольших размеров цилиндрической формы - цилиндрические магнитные домены (рис. 13.12. в). При дальнейшем увеличении напряженности поля диаметр ЦМД постепенно уменьшается и при некотором значении Н вся пленка намагничивается однородно, то есть цилиндрические домены исчезают.
а б в
Рис. 13.12. Доменная структура в монокристаллической пленке с ЦМД: а – структура пленки (поперечный разрез); б – при отсутствии внешнего магнитного поля (вид сверху); в – при приложении внешнего поля На; 1 – магнитная пленка; 2 - немагнитная монокристаллическая подложка; Js - направление намагниченности доменов
В настоящее время разработаны способы, позволяющие генерировать домены, управлять их перемещением, фиксировать их наличие или отсутствие в заданной точке (т.е. считывать информацию).
Впервые цилиндрические магнитные домены были обнаружены в ортоферритах, имеющих химический состав MeFeO3, где Ме – трехвалентный ион иттрия или редкоземельные металлы. Диаметр ЦМД на монокристаллических пленках ортоферритов составляет около 10 мкм, что ограничивает объем памяти и быстродействие устройств из-за большого размера доменов.
Более перспективными являются монокристаллические пленки с ЦМД на основе феррит-гранатов состава Me3Fe5O12 (где Ме – ион иттрия или редкоземельного элемента), в которых удалось получить размер доменов до 1 мкм.
Для изготовления монокристаллических пленок с ЦМД применяют также ферро-шпинели МgxMn1-xFe2O4 и гексаферриты ВаFe12O19.
Монокристаллические ферритовые пленки получают методом эпитаксиального выращивания из газовой фазы или жидкого расплава на поверхность монокристаллической немагнитной подложки.
Ферритовые монокристаллические пленки выращиваются на подложке, которая должна иметь ту же кристаллическую структуру, что и наращиваемая пленка. При этом качество подложки определяет и качество пленки, так как последняя сохраняет морфологию подложки. Подложка не должна иметь на рабочей поверхности дефектов кристаллического (дислокации и дефекты упаковки) и механического (микротрещин, царапин и т.д.) характера.
На рис.13.13 представлена схема технологической установки для выращивания ферритовых монокристаллических пленок путем разложений галоидов металлов в парах воды и в соответствующей атмосфере. Чистые безводные галоиды металлов MeCe2, MeCl3 или MeBr2, MeBr3 перемешивают с FeBr3 и помещают в кварцевый тигель 4, который устанавливается в той части кварцевой трубы 6, где находится зона действия основного нагревателя. Температуру подложки 5 измеряют с помощью термопары 3. Смесь соответствующих газов и паров воды нагревается предварительным подогревателем 1. Температура и давление в кварцевой трубе поддерживаются постоянными. Для выращивания монокристаллических ферритовых пленок типа шпинели MeFe2O4 используют подложки на основе монокристаллов MgTiO3, MgAlO4 (титаномагниевая и алюмомагниевая шпинели), а пленки на основе ферритов-гранатов выращивают на немагнитной монокристаллической подложке из галлий-гадолиниевого граната Gd3Ga5O12.
Образование пленки феррита-граната на подложке происходит в результате следующих реакций:
2 MeX3 + 3H2O → Me2O3 + 6HX
2 FeX3 + 3H2O → Fe2O3 + 6HX
3 Me2O3 +5 Fe2O3 → 2 MeFe5O12,
где Ме – трехвалентные катионы иттрия или редкоземельных металлов, Х – галогены (Cl, Br).
Для завершения реакции образования ферритовой пленки требуется около 30 мин.
|
|
Рис. 13.13. Схема эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок |
Рис. 13.14. Схема эпитаксиального выращивания пленок методом транспортных реакций |
Более совершенные монокристаллические пленки получены методом транспортных реакций (методом близкого переноса). Сущность метода (рис.13.14) состоит в том, что исходное вещество (феррит, помещенный на держатель 5) с помощью обратимых химических реакций переносится в замкнутом объеме на подложку 1 и эпитаксиально выращивается на ней в виде пленки. Феррит образуется на подложке при относительно низких температурах (600 - 800 оС). Нагревателем служит платиновая лента 3, а проводниками 4 - молибденовые стержни. Температура измеряется термопарой 2. В качестве газоносителя используется безводный HCl или HBr. Применение внутреннего нагревателя позволяет получить требуемую разность температур между подложкой и исходным веществом при малом расстоянии между ними (доли миллиметра). Это значительно повышает скорость роста пленки, составляющую в среднем около 2 мкм/мин.
Эпитаксиальный способ выращивания пленок из жидкой среды заключается в наращивании на подложку монокристаллического слоя из жидкого раствора. Раствор представляет смесь исходных оксидов (в соответствии с химическим составом выращиваемой пленки феррита-граната) и легкоплавкого растворителя (например, смеси PbO и В2О3), обеспечивающего плавление смеси при относительно низкой температуре (900 - 1000 оС). Подложка, укрепленная на специальном держателе, погружается в раствор-расплав и выдерживается в нем до наращивания монокристаллической пленки. По истечении расчетного времени держатель с подложкой извлекают из расплава, что позволяет хорошо управлять толщиной эпитаксиального слоя. Полученные пленки контролируют по электромагнитным параметрам и дефектности структуры.
13.5. Изготовление сердечников из магнитодиэлектриков
Магнитодиэлектрики – это металлокерамические композиции, состоящие из частиц ферромагнетика с изолирующей неорганической или органической связкой. В качестве ферромагнитной основы применяют карбонильное железо, альсифер, ферриты, молибденовый пермаллой.
Карбонильное железо образуется при термическом разложении пентакарбонила железа согласно уравнению
Fe(CO)5 = Fe + 5CO.
В результате термического разложения получаются порошки с размером частиц 1 - 5 мкм сферической формы. В карбонильном железе совершенно отсутствуют примеси кремния, фосфора, серы, но содержится углерод.
Альсифер представляет собой сплав на основе алюминия, кремния и железа. В зависимости от содержания кремния и алюминия температурный коэффициент магнитной проницаемости его может быть положительным, отрицательным и равен нулю.
В качестве изолирующей связки применяют полистирол, фенолформальдегидные смолы, стекло.
Лучшими магнитными свойствами обладают магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа.
Типовой технологический процесс изготовления магнитопроводов из магнитодиэлектриков состоит из следующих основных этапов: приготовления магнитного порошка, приготовления формовочной массы, формообразования и термообработки.
Приготовление порошка осуществляют размолом в шаровых мельницах с последующей механической сепарацией для получения частиц нужного размера; размер ферромагнитных частиц составляет 2 - 20 мкм.
Для снятия наклепа, который образуется в процессе размола порошков, их подвергают обжигу при температуре 700 - 800 оС.
Приготовление формовочной массы заключается в том, что порошок магнитного материала тщательно смешивают с изолирующим материалом. Термопластичная связка в виде тонкоизмельченного порошка (полистирола), а термореактивная (фенолформальдегидная смола) – в вязкотекучем состоянии в виде олигомера в определенной пропорции смешиваются с магнитным порошком для обеспечения полного обволакивания ферромагнитных частиц диэлектрической связкой.
Формирование магнитопроводов осуществляют методами, подобными изготовлению деталей из пластмасс. Магнитодиэлектрики с термопластичной связкой - методом литья под давлением, а магнитопроводы с термореактивной связкой методом прессования – одностороннего или двухстороннего холодного прессования в зависимости от размеров или сложности формы магнитопровода.
Термообработка изделий проводится в тех случаях, когда магнитопровод изготавливают холодным прессованием. Термообработку осуществляют в специальных печках при температуре 140 - 150 оС. В процессе термообработки происходит переход смолы из вязкотекучего в твердое состояние, т.е. происходит процесс полимеризации.
Для повышения влагостойкости и защиты от окисления изделия пропитываются компаундами, кремнеорганическими смолами, парафином или церезином.
Контрольные вопросы
1. Какие виды ферромагнитных материалов применяют для изготовления пластинчатых и витых магнитопроводов?
2. Какие операции холодной листовой штамповки используют при изготовлении пластинчатых магнитопроводов?
3. Как влияют операции холодной листовой штамповки на структуру и магнитные параметры ферромагнитных параметров?
4. Для чего применяют отжиг магнитопроводов?
5. Приведите режимы отжига магнитопроводов из электротехнической стали и пермаллоя.
6. Для чего применяют изоляцию пластин? Приведите методы нанесения изоляции.
7. Приведите основные этапы изготовления пластинчатых магнитопроводов.
8. Как влияет усилие сжатия при сборке пластинчатых магнитопроводов на их магнитные свойства?
9. Приведите основные этапы технологического процесса изготовления витых магнитопроводов.
10. Какой способ применяют для удаления заусенцев магнитных сердечников, изготовленных из ленты толщиной 0,02 мм?
11. Рассмотрите способ нанесения изоляции витков ленточных магнитопроводов.
12. Что представляют собой ферриты, и чем они отличаются от металлических ферромагнетиков?
13. Какими кристаллическими структурами обладают ферриты различных марок?
14. Приведите область использования ферритов.
15. Какие вещества используют в качестве исходных компонентов в производстве ферритов?
16. Какие существуют методы получения исходных компонентов ферритов?
17. Приведите основные операции при получении формовочной массы.
18. Какие методы формообразования применяют при получении изделий из ферритов?
19. Каковы назначения предварительного и окончательного обжига? Приведите технологические режимы выполнения этих операций.
20. Какие материалы применяют в качестве ферромагнитных порошков и какие для диэлектрической связки при изготовлении магнитопроводов?
21. Рассмотрите основные этапы технологии изготовления сердечников из магнитодиэлектриков.
22. В каких магнитных материалах и при каких условиях можно получить цилиндрические магнитные домены (ЦМД).
23. На чем основано применение ЦМД в вычислительной технике?
24. Какими способами выращивают ферритовые монокристаллические пленки с ЦМД? Рассмотрите эти способы выращивания.