Способ получения ферритовых изделий путем радиационно-термического спекания
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению магнитомягких ферритовых материалов. Может использоваться в электронной и радиопромышленности. Готовят шихту из синтезированного ферритового материала и 0,01-0,05 мас.% легкоплавкой добавки, предварительно механоактивированной в планетарной мельнице в течение 25-50 минут. Из полученного пресс-порошка прессуют заготовки, нагревают до температуры спекания облучением проникающим электронным пучком и осуществляют выдержку при температуре спекания под облучением. В процессе нагрева осуществляют изотермическую выдержку в течение 10-20 мин при температуре плавления легкоплавкой добавки. Обеспечивается уменьшение времени спекания, а также улучшение электромагнитных характеристик ферритов. 8 табл., 1 пр.
Реферат
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в электронной и радиопромышленности при производстве ферритовых материалов и изделий на их основе.
Известен способ радиационно-термической обработки (РТО) материалов, в частности изделий из ферритов и керамики, обеспечивающий спекание заготовок ферритов облучением проникающим импульсным электронным лучом (см. а.с. СССР №1391808, B22F 3/24, C04B 35/26. Авторы: Суржиков А.П., Анненков Ю.М., Новиков B.C. и др.). Недостаток - способ характеризуется большой длительностью спекания, не обеспечивает требуемое качество процесса спекания магнитомягкой ферритовой керамики, не обеспечивает требуемое качество магнитомягких ферритов.
Известен также способ получения ферритовых изделий (а.с. СССР №1627324, B22F 3/12, H01F 1/34. Авторы: Суржиков А.П., Притулов A.M., Кожемякин В.А. и др.), позволяющий снизить длительность спекания, качество спекания.
Согласно способу синтезированный ферритовый материал, содержащий лекгоплавкую добавку, формуют в заготовки, нагревают их облучением проникающим импульсным электронным пучком со скоростью 420-520 градусов в минуту до температуры плавления легкоплавкой добавки, выдерживают под облучением и при данной температуре в течение 10-20 мин, после чего продолжают радиационный разогрев заготовок до температуры спекания и выдерживают их при температуре спекания и под облучением.
Однако этот способ не уменьшает существенно время спекания при радиационно-термическом способе получения магнитомягкой ферритовой керамики, не обеспечивает требуемое качество магнитомягких ферритов.
Известны легкоплавкие добавки в виде оксида металла, использующиеся для улучшения процесса спекания ферритовой керамики (например, Bi2O3, CdO; см.: а.с. СССР №1627324, B22F 3/12, H01F 1/34. Авторы: Суржиков А.П., Притулов A.M., Кожемякин В.А. и др.). Однако данные добавки не лишены недостатков, поскольку не обеспечивают требуемое качество процесса спекания ферритовой керамики, не обеспечивают получение керамики с высокими электромагнитными характеристиками.
Цель изобретения - улучшение процесса спекания магнитомягких ферритовых материалов и изделий на их основе путем радиационно-термической обработки, а также уменьшение времени спекания при спекании методом радиационно-термической обработки, достижение характеристиками ферритов требуемых параметров.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый способ получения ферритовых изделий путем радиационно-термического спекания, включающий синтез ферритового материала, введение лекгоплавкой добавки, приготовление пресс-порошка, прессование заготовок, их нагревание до температуры спекания облучением проникающим электронным пучком и выдержку при температуре спекания под облучением, осуществление изотермической выдержки в процессе нагревания в течение 10-20 мин при температуре плавления легкоплавкой добавки, отличается тем, что с целью уменьшения времени спекания магнитомягкой ферритовой керамики, использования способа для магнитомягких ферритов, а также улучшения электромагнитных характеристик последних перед введением в синтезированную шихту легкоплавкой добавки, осуществляют механоактивацию последней в планетарной мельнице в течение 25-50 минут и вводят механоактивированную легкоплавкую добавку в синтезированную шихту в количестве 0,01-0,05 мас.% от общей массы ферритовой шихты.
Механоактивация синтезированного в планетарной мельнице ферритового материала обеспечивает увеличение его активности при спекании, что повышает плотность материала после спекания и уровень электромагнитных свойств.
Примеры реализации способа
Пример 1. В синтезированные по оксидной технологии порошки марганец-цинкового феррита вводили оксид висмута с последующим приготовлением пресс-порошка с поливиниловым спиртом в качестве связки. Кольцевые заготовки К20×12×6, полученные прессованием под давлением 200 МПа, после сушки до влажности менее 0,5 мас.% подвергались РТО, путем воздействия быстрыми электронами энергии 4 МэВ, значение тока в импульсе 400 мA, частота следования импульсов 50 Гц. В процессе нагрева осуществлялась изотермическая выдержка в течение 10 мин при температуре 820°C. Минимальное время РТ-спекания определялось исходя из обеспечения плотности феррита не менее 95% от теоретической плотности.
Использовался оксид висмута Bi2O3 ГОСТ 10216-75 марки «чда» исходный, а также механоактивированный путем измельчения и механической активации порошка в шаровой планетарной мельнице АПФ-3. Время активации составляло 20, 25, 35, 50 и 75 мин. Результаты исследований показали, что механоактивация позволяет на 7% уменьшить время РТО магнитомягких ферритов до их полной готовности и повысить уровень электромагнитных свойств.
В табл.1-4 представлены результаты зависимости времени РТО, требующегося для полной готовности разработанных магнитомягких ферритов, содержащих 0,03 мас.% оксида висмута, от времени механоактивации в планетарной мельнице АПФ-3. Средний размер частиц после механоактивации оценивали на газовом хроматографе ЛХМ-8МД. Значения электромагнитных параметров получены по усредненным данным на 5 образцах.
Таблица 1 | ||||||
Влияние времени механоактивации t добавки Bi2O3 в планетарной мельнице АПФ-3 на процесс РТО и индукцию насыщения ферритовой керамики Mn0,603Zn0,274Fe0,124Fe2O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
t, мин | 0 | 20 | 25 | 35 | 50 | 75 |
Средний размер частиц Bi2O3, нм | 425 | 362 | 251 | 194 | 141 | 139 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 125-130 | 118-121 | 110-114 | 105-112 | 108-117 | 110-119 |
Индукция насыщения в поле 240 А/м Вм, Тл | 0,30 | 0,31 | 0,33 | 0,34 | 0,34 | 0,32 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Таблица 2 | ||||||
Влияние времени механоактивации t добавки Bi2O3 в планетарной мельнице АПФ-3 на процесс РТО и начальную магнитную проницаемость ферритовой керамики Mn0,743Zn0,219Fe0,038Fe2O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
t, мин | 0 | 20 | 25 | 35 | 50 | 75 |
Средний размер частиц Bi2O3, нм | 425 | 362 | 251 | 194 | 141 | 139 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 120-130 | 118-126 | 111-116 | 105-112 | 108-115 | 112-117 |
Начальная магнитная проницаемость, µ | 1962 | 1996 | 2014 | 2211 | 2204 | 2103 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Таблица 3 | ||||||
Влияние времени механоактивации t добавки Bi2O3 в планетарной мельнице АПФ-3 на процесс РТО и начальную магнитную проницаемость ферритовой керамики Ni0,29Zn0,63Fe2,08O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
t, мин | 0 | 20 | 25 | 35 | 50 | 75 |
Средний размер частиц Bi2O3, нм | 425 | 362 | 251 | 194 | 141 | 139 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 115-119 | 112-116 | 108-111 | 101-104 | 105-108 | 109-112 |
Начальная магнитная проницаемость, µ | 1843 | 1915 | 2001 | 2101 | 2084 | 1993 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Таблица 4 | ||||||
Влияние времени механоактивации t добавки Bi2O3 в планетарной мельнице АПФ-3 на процесс РТО и начальную магнитную проницаемость ферритовой керамики Mg0,404Mn0,160Zn0,448Fe2O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
t, мин | 0 | 20 | 25 | 35 | 50 | 75 |
Средний размер частиц Bi2O3, нм | 425 | 362 | 251 | 194 | 141 | 139 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 110-114 | 108-111 | 107-109 | 97-100 | 102-105 | 106-108 |
Начальная магнитная проницаемость, µ | 578 | 596 | 614 | 627 | 621 | 599 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Как видно из представленных в табл.1-4 данных, наилучшие результаты для РТО и уровень параметров магнитомягкой ферритовой керамики оказывает оксид Bi2O3 (как легирующая добавка) после проведения механоактивации на планетарной мельнице АПФ-3 в течение 35 минут. При выходе за предел изобретения менее 25 минут время РТО заметно возрастает, а увеличение времени обработки более 50 минут не приводит к заметному изменению параметров спекания. Механизм улучшения процесса спекания ферритовой керамики в присутствии оксида Bi2O3 состоит в следующем. Оксид висмута является легкоплавкой добавкой и плавится уже при температуре немного выше 800°C. При этом имеет место процесс спекания феррита с участием жидкой фазы. С участием жидкой фазы процесс спекания проходит интенсивнее. Процесс механоактивации и наноразмерное состояние снижают температуру плавления оксида висмута, увеличивают площадь контакта и химическую активность участников реакции в процессе спекания, обеспечивают увеличение уровня электромагнитных свойств.
Пример 2. В синтезированные по оксидной технологии порошки марганец-цинкового феррита, вводили оксид висмута, с последующим приготовлением пресс-порошка с поливиниловым спиртом в качестве связки. Кольцевые заготовки К20×12×6, полученные прессованием под давлением 200 МПа, после сушки до влажности менее 0,5 мас.% подвергались РТО, путем воздействия быстрыми электронами энергии 6 МэВ, значение тока в импульсе 500 mA, частота следования импульсов 250 Гц. В процессе нагрева осуществлялась изотермическая выдержка в течение 20 мин при температуре 820°C. Минимальное время РТ-спекания определялось исходя из обеспечения плотности феррита не менее 95% от теоретической плотности.
Использовался оксид висмута Bi2O3 ГОСТ 10216-75 марки «чда» исходный, а также механоактивированный путем измельчения и механической активации порошка в шаровой планетарной мельнице АПФ-3. Время активации составляло 35 мин. Результаты исследований показали, что использование способа позволяет на 12% уменьшить время РТО магнитомягких ферритов до их полной готовности, повысить уровень электромагнитных свойств.
В табл.5-8 представлены результаты зависимости времени РТО, требующегося для полной готовности разработанных магнитомягких ферритов, содержащих механоактивированный оксид висмута, от его количества. Значения электромагнитных параметров получены по усредненным данным на 5 образцах.
Таблица 5 | ||||||
Влияние количества механоактивированной в планетарной мельнице АПФ-3 добавки Bi2O3 на процесс РТО и индукцию насыщения ферритовой керамики Mn0,603Zn0,274Fe0,124Fe2O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
Содержание Bi2O3, мас.% | 0 | 0,008 | 0,01 | 0,03 | 0,05 | 0,06 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 125-130 | 117-120 | 110-113 | 105-112 | 105-111 | 107-111 |
Индукция насыщения в поле 240 А/м Вм, Тл | 0,30 | 0,32 | 0,33 | 0,34 | 0,33 | 0,32 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Таблица 6 | ||||||
Влияние количества механоактивированной в планетарной мельнице АПФ-3 добавки Bi2O3 на процесс РТО и начальную магнитную проницаемость ферритовой керамики Mn0,743Zn0,219Fe0,038Fe2O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
Содержание Bi2O3, мас.% | 0 | 0,008 | 0,01 | 0,03 | 0,05 | 0,06 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 120-130 | 117-124 | 110-114 | 105-112 | 105-114 | 106-114 |
Начальная магнитная проницаемость, µ | 1962 | 1990 | 2006 | 2211 | 2207 | 2090 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Таблица 7 | ||||||
Влияние количества механоактивированной в планетарной мельнице АПФ-3 добавки Bi2O3 на процесс РТО и начальную магнитную проницаемость ферритовой керамики Ni0,29Zn0,63Fe2,08O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
Содержание Bi2O3, мас.% | 0 | 0,008 | 0,01 | 0,03 | 0,05 | 0,06 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 115-119 | 110-114 | 106-110 | 101-104 | 101-104 | 101-105 |
Начальная магнитная проницаемость, µ | 1843 | 1919 | 2012 | 2101 | 2087 | 1998 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Таблица 8 | ||||||
Влияние количества механоактивированной в планетарной мельнице АПФ-3 добавки Bi2O3 на процесс РТО и начальную магнитную проницаемость ферритовой керамики Mg0,404Mn0,160Zn0,448Fe2O4 (Tсп=1200°C) | ||||||
Содержание Bi2O3, мас.% | 0 | 0,008 | 0,01 | 0,03 | 0,05 | 0,06 |
Требующееся для полной готовности феррита минимальное время РТ-спекания, мин | 110-114 | 106-110 | 99-104 | 97-100 | 97-100 | 97-101 |
Начальная магнитная проницаемость, µ | 578 | 598 | 618 | 627 | 620 | 591 |
Примечание | Прототип | Выход за пределы | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Согласно изобретению | Выход за пределы |
Как видно из представленных в табл.5-8 данных, наилучшие результаты для РТО магнитомягкой ферритовой керамики демонстрирует при введении механоактивированного оксида Bi2O3 (как легирующая добавка) в количестве 0,03 мас.% При выходе за предел изобретения менее 0,008 мас.% время РТО заметно возрастает, а увеличение содержания более 0,05% не приводит к заметному изменению параметров спекания, но может снизить уровень электромагнитных параметров. Процесс механоактивации и наноразмерное состояние снижают температуру плавления оксида висмута, увеличивают площадь контакта и химическую активность участников реакции в процессе спекания, что обеспечивает повышение уровня электромагнитных свойств.
Способ получения ферритовых изделий путем радиационно-термического спекания, включающий синтез ферритового материала, введение легкоплавкой добавки в виде оксида висмута Bi2O3, приготовление пресс-порошка, прессование заготовок, их нагревание до температуры спекания облучением проникающим электронным пучком и выдержку при температуре спекания под облучением, осуществление изотермической выдержки в процессе нагревания в течение 10-20 мин при температуре плавления легкоплавкой добавки, отличающийся тем, что перед введением в синтезированную шихту легкоплавкой добавки осуществляют ее механоактивацию в планетарной мельнице в течение 25-50 минут и вводят механоактивированную легкоплавкую добавку в шихту в количестве 0,01-0,05 мас.% от общей массы ферритовой шихты.