ФЕРРОКОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПЕРМАЛЛОЯ Российский патент 2000 года по МПК H01F1/22 

Изобретение относится к композиционным магнитным материалам, в частности к феррокерметам на основе порошков пермаллоя.

В настоящее время для различных областей применения в радиоэлектронике и технике связи необходимо большое разнообразие магнитных материалов. В технике связи, например, требования к сердечникам дросселей ряда устройств (например, вторичные источники питания, магнитные усилители и т.д.) многообразны и различны. Основной критерий применения - зависимость магнитных свойств от частоты и величины поля. Он определяет и область применения различных материалов и их разные конструкции.

В последние годы появилось большое количество устройств, работающих в сильных полях, с большими токами, которые должны иметь большую мощность и высокую индукцию насыщения. В настоящее время, в данной области используются материалы на основе порошков железа и порошков сплава "альсифер" (Fe-Si-Al). Но сердечники на основе распыленного железа имеют большие потери в сильных полях и начальную проницаемость не более 90 единиц. Сердечники на основе порошков альсифера могут иметь проницаемость до 125 единиц, меньшие потери, но имеют ограничения по величине индукции насыщения B_s для сильных полей (до 0,4 Тл). Во многих случаях применяются композиционные сердечники на основе порошка Mo - пермаллоя, которые имеет наименьшие потери по сравнению с сердечниками на основе распыленного железа и альсифера, но также ограничены по величине индукции B_s в сильных полях (~0,5 Тл). Кроме того, высокое содержание Ni в 80% молибденовом пермаллое заметно отражается на стоимости сердечников на его основе. Поэтому, в тех случаях, где высокая проницаемость менее важна, должна учитываться стоимость материала, могут применяться более низколегированные сорта сплавов пермаллоя, например с содержанием никеля (~ 50%). До настоящего времени феррокомпозиционных сердечников на основе порошков сплава 50H в России не было. Они были разработаны в результате исследований, проведенных в НИИ "Домен" в последние годы. Особое значение сердечники на основе этих материалов приобрели при изготовлении дросселей насыщения, а ввиду того, что можно получить сердечники с высокой начальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой H_c, также и для магнитных усилителей. Эти сердечники обладают преимуществами по отношению к сердечникам на основе порошкообразного Mo - пермаллоя (80% никеля) по величине индукции насыщения, особенно в полях свыше 100 Э (> 0.5 Тл). Поэтому они незаменимы в устройствах с высокой мощностью и большими токами.

Известен магнитодиэлектрический материал на основе Mo - пермаллоя следующего состава, мас.%:
хромовый ангидрид - 0,05 - 0,3
окись свинца - 0,08 - 5,66
двуокись кремния - 0,01 - 1,57
окись бора - 0,01 - 1,57
нитрид бора - 0,05 - 2,00
Mo-пермаллоя - остальное
Недостатком этого материала является недостаточная величина индукции насыщения B_s в сильных полях свыше 100 Э, что не дает возможности использовать этот высокостабильный материал в различных современных устройствах с большими токами и высокой мощностью (проходные фильтры помех, катушки индуктивности переключающих регуляторов, импульсные трансформаторы, трансформаторы строчной развертки).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является взятый нами за прототип феррокомпозиционный материал на основе молибденового пермаллоя следующего состава, мас.%:
хромовый ангидрид - 0,05 - 0,3
двуокись кремния - 0,47 - 1,41
окись свинца - 0,1 - 0,3
окись бора - 0,29 - 0,87
окись натрия - 0,57 - 1,42
окись лития - 0,37 - 1,11
окись висмута - 0,12 - 0,36
окись лантана - 0,14 - 0,42
окись кадмия - 0,37 - 1,11
молибденовый пермаллой - остальное
Недостатком этого материала также является невысокая индукция насыщения в сильных полях порядка 100 Э, что не дает возможности применять этот материал в радиоэлектронной аппаратуре с большими токами и высокой мощностью. Это связано с составом ферромагнитной фазы феррокерметов на основе молибденового пермаллоя, когда вариациями дисперсности ферромагнитной и диэлектрической фаз и технологическими режимами не удается получить индукцию насыщения B_s при поле H_A=100 Э выше чем 0,8 Тл.

Задача изобретения состояла в получении нового феррокомпозиционного материала с высокой индукцией насыщения B_s в сильных полях (свыше 100 Э) при сохранении оптимального комплекса параметров и высокой влагостойкости материала.

Достигнутый технический результат (величина индукции насыщения ≅ 1,1 Тл при H_A= 100 Э) изготовленных из материала сердечников позволяет успешно использовать их для радиоэлектронных устройств в диапазоне полей до 100 Э.

Феррокомпозиционный материал согласно изобретению, как и известный материал, содержит хромовый ангидрид, двуокись кремния, окись бора, окись свинца, окись натрия, окись лития, окись висмута, окись лантана и окись кадмия, молибденовый пермаллой, а отличается тем, что дополнительно содержит пермаллой 50 H при следующем соотношении компонентов, мас.%:
хромовый ангидрид - 0,15 - 0,25
двуокись кремния - 0,5 - 1,3
окись свинца - 0,1 - 0,25
окись бора - 0,4 - 0,62
окись натрия - 0,7 - 1,1
окись лития - 0,3 - 0,8
окись висмута - 0,16 - 0,24
окись лантана - 0,17 - 0,27
окись кадмия - 0,46 - 0,74
молибденовый пермаллой - 3,0 - 8,0
пермаллой 50 H - 94,06 - 86,33
В результате проведенных в НИИ "Домен" исследований по замене ферромагнитной фазы материала по патенту (2) на порошок пермаллоя другого состава 50 H было установлено определенное соотношение компонентов, позволяющее получить высокую индукцию насыщения сердечников из этого материала при сохранении требуемого уровня электромагнитных параметров.

При выходе за указанные выше пределы содержания компонентов наблюдается ухудшение свойств полученного материала. При уменьшении количества ферромагнитного материала 50 H до 75,84 мас.% падает величина индукции B_s и не достигается цель данного изобретения. При увеличении содержания вышеуказанного компонента чем 94,06 мас.% нарушается оптимальное сочетание электромагнитных параметров растут удельные потери и не наблюдается рост индукции насыщения и начальной магнитной проницаемости μ_н свыше 160 единиц.

Материал получают методами порошковой металлургии.

Предлагаемый композиционный материал получают нанесением на поверхность частиц порошка Mo - пермаллоя и пермаллоя 50 H первичной пленки хромового ангидрида; ранее смешением порошков с подготовленной специальным образом мелкодисперсной смесью (до ~ 3 мкм) окислов свинца, бора, кремния, натрия, лития, висмута, лантана, кадмия в соотношениях, указанных выше. Полученную смесь прессуют при давлении 14...20 т/см и спекают в азоте или в вакууме при давлении 10^-2 мм рт.ст.

Пример. Отсеянный порошок Mo-пермаллоя и пермаллоя 50 H фракции до 100 мкм, отложенный в водороде или вакууме при температуре 850 ± 10^oC в течение 8. . .11 ч, смешивают с водным раствором хромового ангидрида, окислами бора, свинца, кремния, натрия, лития, висмута, лантана, кадмия при соотношении компонентов, указанном в табл. 1. Полученную шихту прессуют при давлении 16. ..18 т/см² и спекают в вакууме или азоте при температуре 660^o...680^oC.

Спеченный материал имеет оптимальное сочетание электромагнитных параметров и высокое значение индукции насыщения при полях > 100 Э.

В табл. 1 и 2 приведены составы и свойства нового феррокомпозиционного материала, полученные аналогично приведенному примеру.

Из данных табл. 2 следует, что предположенный феррокомпозит на основе порошка сплава 50 H обеспечивает по сравнению с известным материалом повышение индукции насыщения в полях свыше 100 Э ~в 1,5 раза. Для сравнения величины коэффициентов потерь δ_f, δ_h, δ_n материала - прототипа были пересчитаны по формуле (2) на величину tgδ_м.

Предложенный материал позволит расширить области применения сердечников на основе порошков пермаллоя. Эти сердечники идеальны для применения в проходных фильтрах помех по цепям питания, где индуктор должен выдерживать большие переменные напряжения, не переходя в режим насыщения. В катушках фильтра сердечника из нового материала обеспечивают высокое накопление энергии.

Методы контроля электромагнитных параметров сердечников на основе порошка пермаллоя 50 H
1. Контроль начальной магнитной проницаемости проводится по ОСТ 11 707.022-80 при намагничивающем токе, не превышающем 30 μA (прибор ЭМЦ-4) μ_н, рассчитывалась по формуле

где μ_н - начальная проницаемость сердечника,
коэффициент индуктивности сердечника,
S - эфф. площадь поперечного сечения сердечника, мм,
n - число витков,
d_ср - эфф. путь магнитной линии сердечника.

2. Контроль тангенса угла магнитных потерь t_g δ_м проводился также по ОСТ 11 707.022-80 (ЭМ 18-5)
t_g δ_м рассчитывался по формуле:

где R_ас - сопротивление потерь в сердечнике, Ом,
μ - проницаемость,
L - индуктивность, Гн,
δ_h - коэффициент потерь на гистерезис,
δ_n - коэффициент потерь на последействие,
δ_f - коэффициент потерь на вихревые токи,
B_s - индукция насыщения,
f - частота, Гц.

3. Контроль температурного коэффициента начальной магнитной проницаемости ТК μ_н проводился по ОСТ 11 707.022-80 (установка У4-4М) и рассчитывался по формуле:

где f₁ - частота измерения при температуре T₁ ^oC,
f₂ - частота измерения при температуре T₂ ^oC.

4. Индукция насыщения сердечников измерялась на образцах к 52 х 36 х 14 на установке - регистратор петли магнитного гистерезиса 3257.

Расчетные формулы:
Ф = B•S•W₂ (4)
и

где W₁ и W₂ - число витков первичной и вторичной обмотки,
Ф - заданный поток (после ~100 Э),
B - магнитная индукция,
I - намагничивающий ток,
S - площадь поперечного сечения тороида,
d_ср - средний диаметр тороида.

Литература
1. А.с. N 529491. Кл. H 01 F 1/22, 1975.

2. Патент РФ N 2016429 "Феррокомпозиционный материал на основе молибденного пермаллоя".

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным магнитным материалам, которые могут найти применение в радиоэлектронной аппаратуре, в технике связи и электронике в качестве сердечников катушек индуктивности, проходных фильтров помех, импульсных трансформаторов и т. д. Феррокомпозиционный материал содержит хромовый ангидрид, двуокись кремния, окиси свинца, бора, натрия, лития, висмута, лантана, кадмия, молибденовый пермаллой и дополнительно содержит пермаллой 50Н при следующем соотношении компонентов, мас.%: хромовый ангидрид 0,15 - 0,25, двуокись кремния 0,5 - 1,3; окись свинца 0,1 - 0,25; окись бора 0,4 - 0,62; окись натрия 0,7 - 1,1; окись лития 0,3 - 0,8; окись висмута 0,16 - 0,24; окись лантана 0,17 - 0,27; окись кадмия 0,46 -0,74; молибденовый пермаллой 3,0 - 8,0; пермаллой 50Н 94,06 - 86,33. Материал обладает высокой индукцией насыщения в сильных полях (свыше 100 Э). 2 табл.

Феррокомпозиционный материал на основе пермаллоя, содержащий хромовый ангидрид, двуокись кремния, окиси свинца, бора, натрия, лития, висмута, лантана, кадмия и молибденовый пермаллой, отличающийся тем, что он дополнительно содержит пермаллой 50Н при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Хромовый ангидрид - 0,15 - 0,25
Двуокись кремния - 0,5 - 1,3
Окись свинца - 0,1 - 0,25
Окись бора - 0,4 - 0,62
Окись натрия - 0,7 - 1,1
Окись лития - 0,3 - 0,8
Окись висмута - 0,16 - 0,24
Окись лантана - 0,17 - 0,27
Окись кадмия - 0,46 - 0,74
Молибденовый пермаллой - 3,0 - 8,0
Пермаллой 50Н - 94,06 - 86,33