8

Лабораторная работа №6

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДИФФУЗИОННОГО ОБЖИГА ФЕРРИТА МАРКИ 3CЧI8 НА ЕГО ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА

1. Цель работы

Ознакомить с методиками определения плотности, фазовой одно­родности ферритов, расчета коэрцитивной силы.

2.Теоретическое введение

После смешения и измельчения исходных материалов, взятых в

определенных пропорциях (в зависимости от требуемого состава фер­рита), шихта поступает на предварительный обжиг.

Обычно температура предварительного обжига составляет 800-1100°C. Назначение предварительного обжига - повысить однородность и улучшить прессуемость порошка, а также уменьшить усадку изготов­ленных из него изделий при последующем спекании. В процессе пред­варительного обжига смесь оксидов претерпевает существенные физико-химические изменения, выражающиеся в том, что соответствующие оксиды реагируют между собой, образуя ферриты. Эту реакцию назы­вают реакцией ферритизации:

MeO+Fe₂O₃=MeFe₂O_{4 .}

В зависимости от температуры ферритизация в процессе предваритель­ного обжига проходит частично или полностью. Ферритовый порошок повторно размалывают, вводят в него пластификатор, из полученного пресспорошка формуют заготовки требуемых размеров и формы, и про­водят окончательный обжиг (или спекание) при температурах 1000-1450°С, необходимый для получения прочных изделий с заданными электромагнитными свойствами.

Особенности литий-содержащих ферритов

В связи с развитием СВЧ техники за последние годы заметно возросли требования, предъявляемые к параметрам ферритов. Наибольшее применение на СВЧ получили ферриты со структурой граната, но в последнее время возрастает интерес к литий-содержацим ферритам с решеткой шпинели, что обусловлено, прежде всего, их существенно меньшей стоимостью при возможности обеспечения такого же уровня свойств.

Кроме того, литий-содержащие шпинели обладают низким отноше­нием магнитострикции к анизотропии (в 3 раза меньшим, чем в грана­тах), что приводит к высоким значениям К_ППГ и К_КВ и низкой чувстви­тельности В_r. к напряжениям. Высокое значение К_ППГ Li.- фер­ритов позволяет использовать их в компьютерной технике.

Чистый Li-феррит имеет самое высокое из всех ферритов значение температуры Кюри Т_К=670°С при намагниченности насыщения 4M_S=3730 Гс. Однако такие свойства, как диэлектрические и маг­нитные потери, анизотропия, коэрцитивная сила, плотность требуют улучшения. Это достигается введением в Li_{0, 5}Fe_{2, 5}O₄ добавок Ti, Zn, Mn, Co, Bi.

Одним из направлений развития материаловедении ферритов явля­ется получение Li. -ферритов с низким значением H_C , что приводит к существенному уменьшению энергетических затрат при работе ферритовых элементов, уменьшению габаритов и массы установки. Другое направление - получение феррита с мелкозернистой микро­структурой с размером зерна 1 мкм, что позволит использовать феррит при высоких уровнях мощности.

Применение добавок и изменение технологии получения позволяет существенно повысить свойства Li-феррита. Так, в системе

Li-Ti-Zn-Fe-O ферриты с Нс ~ 0,5 э, тогда как в чистом Li-феррите Нс составляет несколько эрстед. Влияние различных добавок на свойства Li -феррита представлено в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Влияние добавок на свойства Li-феррита

Примечание:

R^*-коэфф. прямоугольности; S^*- коэфф. квадратности;

 -повышение; - понижение; M- минимальный эффект;

H-минимально

Кинетика образования Li-Ti-Zn-Mn-феррита (3СЧ18)

На основании данных рентгенофазного и термографического ана­лизов образование Li-Ti-Zn-Mn-феррита можно представить следую­щим образом.

1. При Т=300°С происходит разложение: MnCO₃MnO+CO₂ 

2. При дальнейшем нагреве до Т=550°С: Mn²⁺OMn³⁺₂O₃.

3. При Т=450°С начинается образование LiFeO₂, сопровождаю­щееся увеличением потерь веса и четким экзотермическим эффектом при T=580°C:

Li₂CO₃+Fe₂O₃ 2LiFeO₂+CO₂ .

4. В интервале Т=500-700°С происходит образование Li-Zn-Mn-шпинели:

Li _0.5(1-X) Fe _2.5-0.5X-Y Zn_X Mn_YO ₄ (экзоэффект при Т=680°С).

5. При Т=550°С образуется соединение: LiTiO₃ .

6. При Т=750°С происходит образование конечного продукта через промежуточные стадии:

LiTiO₃+Fe₂TiO₅2LiTiFeO₄

(1-t)Li_0.5(1-х) Fe_2.5-0.5x-yZn_xMn_yO₄+ tLiTiFeO₄ Li_0.5(1-х+t)Fe_{2.5-1.5t-0.5x-y}Zn_xMn_yTi _tO₄.

В процессе синтеза смеси при Т=650°С образуется Li-феррит, а при Т=750°С в составе Li-шпинели появляются диамагнитные ионы. Многие электромагнитные параметры ферритов (H_C , K_ППГ , К_КВ , H и др.) являются структурно-чувствительными. Известно, нап­ример, что увеличение среднего размера зерна сопровождается уменьшением H_C. Увеличение коэрцитивной силы наблюдается при возрас­тании дисперсии зерен по размерам при одинаковом среднем размере зерна.

Одной из основных причин увеличения разброса зерен по размера является прохождение процессов вторичной рекристаллизации, обусловленной, как правило, неоднородным распределением и растворением вторых фаз.

При изменении температуры диффузионного обжига реакция ферритообразования может проходить не полностью, поэтому при нагреве под спекание неоднородное распределение второй фазы и растворение ее может явиться причиной неоднородного роста зерен.

Рентгеновские исследования кинетики ферритообразования таких многокомпонентных ферритов затруднены, так как отражения многих фаз (например: Li_0.5Fe _2.5O₄ и LiFeO₂) перекрываются, поэтому целесообразным является проведение магнитных измерений с использованием неоднородного магнитного поля.

Анализ микроструктуры закаленных образцов показал, что, начиная с 950 С, наблюдается появление в структуре аномально крупных зерен, количество и скорость роста которых определяют конечный размер зерна и характер распределения пор в материале.

Из основных положений теории рекристаллизации следует, что количество вторых фаз, их распределение и температурный интервал растворения во многом определяют кинетику роста зерен. При температуре 900 С количество вторых фаз велико и миграция границ зерен заторможена. При повышении температуры выше 900 С происходит неоднородное растворение частиц вторых фаз, и в тех местах, где они растворились, происходит локальный рост зерен миграцией их границ, появляются аномальные крупные зерна.

Таким образом, формирование микроструктуры в феррите 3СЧ18 по принятой технологии идет механизмом вторичной рекристаллизации, одной из причин которой является неоднородное распределение и растворение вторых фаз в интервале активного спекания.

Определение параметров микроструктуры

Методы определения параметров микроструктуры являются стати­стическими. Следовательно, ошибка будет минимальной при наибольшем количестве зерен.

Оцениваются такие параметры:

D_СР- средний размер зерен;

²/D_СР - степень разнозернистости;

²- дисперсия распределения зерен по размерам.

Средний размер зерна подсчитывается методом случайных секущих, который заключается в следующем: на фотографии микрошлифа или при наблюдении под микроскопом N раз в любом направлении прово­дят прямые линии. Каждый раз отмечают число пересечений секущей с линиями границ зерен. Средний размер зерна рассчитывается по формуле:

DCР=(1/KN)*(li/mi)

где К - увеличение;

N - количество секущих l_i- длина i -и секущей, мкм; m_i - количество пересечений i -и секущей с линиями границ зерен (количество секущих - не менее 8-10).

Дисперсию распределения зерен по размерам определяют следую­щим образом. По длинам секущих, проведенных на фотографии микрошлифа , измеряют и записывают длины X* отрезков, заключенных между линиями пересечений секущих с линиями границ зерен.

Истинные значения длин хорд Х мкм получают делением измерен­ных на фотографии длин хорд в мм X* на величину K*I0³, где К -увеличение. Затем Х_i разбивают на интервалы с такой ценой деле­ния, чтобы количество интервалов было примерно равно 10. После подсчета частот выпадения интервалов определяют среднее значение зерна по формуле :

ХСР=ХInI/N

где X_I -середина i-го интервала;

n_I- частота попадания в i-й интервал;

N- сумма частот.

X2СР=Х2i*n i /m

После расчета среднего значения квадратов середин интервалов:

определяют дисперсию распределения зерен по размерам:

2=Х2CР-(XCР)2

Результаты оформляются в виде табл.3.2. Строится гистограмма распределения. Количество центров рекристаллизации определяется под­счетом количества зерен на единицу площади.