Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 5, N° 2, 1985 113

Ferritas de Ni-Zn: Producción, Tratamientos Térmicos y Propiedades Magnéticas

Arnaldo González Arias e Irina Guerasimenko

Departamento de Física Aplicada, Facultad de Física, Universidad de La Habana, La Habana, Cuba

Uno de los aspectos fundamentales a tomar en cuenta, durante el proceso de producción de materiales policristalinos magnéticamenteblandos, es el relacionado con la reproducibilidad de las propiedades magnéticas del producto final, a causa de la gran influencia queejercen en estas propiedades las variaciones de la microestructura. La microestructura, a su vez, es muy sensible a las variaciones de losparárnetros del proceso de producción, tales como los relacionados a los regímenes de mezcla y molida, a los tratamientos térmicos. Elanálisis de la influencia de los tratamientos térmicos, en ferritas de Ni-Zn de alto contenido de Zn, da por resultado que la variación de 10'C en las temperaturas de calcinación o sinterización puede dar lugar a variaciones del orden de hasta un 5%en la permeabilidadmáxima, y del 10% en la permeabilidad inicial y el límite práctico de altas frecuencias, respectivamente.

Ni-Zn Perrites: Production, Thermal Treatment and Magnetic Propertíes

One of the main facts to be taken into account in the production of soft polycrystalline magnetic materials is that connected with thereproducibility of the magnetic properties of the final product because ofthe great influence ofmicrostructure parameters. These para-meters, in their turn, change noticeably with the production parameters such as those connected with the milling procedures 01' thethermal treatments. The analysis ofthe influence ofthermal treatments in high Zn contentNi-Zn ferrites brings, as aconsequence, thata variation of 10 'C, in calcination 01' sintering temperatures, may cause changes in maximum permeability up to 5%,and in the initialpermeability and practica! high frequency limit up to 10%, respectively.

1. INTRODUCCION

Uno de los aspectos a tomar en cuenta durante elproceso de producción de materiales policriatalinos mag-néticamente blandos, y quizás el más importante, es elrelacionado con la reproducibilidad de las propiedadesmagnéticas del producto final.

Los requerimientos más usuales en esta clase demateriales,....al ser utilizados como núcleos de inductan-cias o transformadores, en el rango de radiofrecuencias(hasta 100-150 MHz), son: poseer una alta permeabili-dad inicial fJ.¡, y un bajo factor de pérdidas, tan 0, a lamayor frecuencia posible. También son importantes, enmuchas aplicaciones, un valor pequeño del coeficiente deestabilidad térmica, o:=(l/fJ.¡}dfJ.JdT,o un alto valor delproducto permeabilidad máxima - campo aplicado,fLrnH(fJ.m), relacionado a las condiciones de saturacióndel material.

En la práctica, siempre es necesario llegar a algúncompromiso, ya que la alta permeabilidad y la alta satu-ración traen siempre aparejados el incremento de laspérdidas y la disminución del rango útil de frecuencias detrabajo del material. Por esta razón, el productor deferritas está obligado, en cada caso, a escoger las propie-dades del material de acuerdo a la aplicación específicaen que éste va a ser utilizado y, desde luego, a garantizarla reproducibilidad de esas propiedades [1-4].

Uno de los factores que afecta notablemente la re-producibilidad de las propiedades magnéticas, en losmateriales blandos, es la alta sensibilidad que éstosposeen a la variación de la composición de microimpure-zas catiónicas presentes en la materia prima. En lasferritas de Ni-Zn, la sustitución de una impureza porotra, en el orden de 0.1- 0.2% en peso de óxido, puede darlugar a variaciones de 40 - 60% en fJ.¡y tan 8. La variaciónentre 0,05 y 0,2% de Si02, en ferritas de Mn-Zn, puede ori-

ginar variaciones de hasta el 200% en fJ.¡[5, 6]. La ocupa-ción de microimpurezas de la materia prima varía nota-blemente de uno a otro fabricante, e incluso puede variarsignificativamentede uno a otro lote, provenientes ambosdel mismo fabricante, aún en materia prima con grado depureza del orden de 99%.

Los demás factores que afectan la responsabilidaddel proceso de producción están relacionados con las pro-piedades extrínsecas del material.

Propiedades intrínsecas son las que dependen ex-clusivamente de la composición química y de la estruc-tura cristalina (temperatura de Curie o Neél, magneti-zación de saturación, anisotropías cristalinas); lasextrínsecas son aquellas que, además de depender de lacomposición y estructura cristalina, son sensibles a loscambios en la microestructura: tamaño promedio de gra-nos y distribución granular, porosidad, condiciones en lafrontera de los granos, microinhomogeneidades, etc. Losparámetros de microestructura, a su vez, dependen fuer-temente de los parámetros del proceso de producción delmaterial, tales como los relacionados a los regímenes demezcla y molida, o a los tratamientos térmicos durante lacalcinación de los polvos y la sinterización de los com-pactos.

Los parámetros magnéticos de mayor interés paralas aplicaciones prácticas (tan 8, fJ.iY todos los demásrelacionados al lazo de histérisis), están vinculados di-rectamente a las propiedades extrínsecas (ver ref. 1 a 4),por lo que una misma composición química y estructuracristalina pueden dar lugar a muy diferentes propieda-des magnéticas, frente a variaciones más o menos signifi-cativas de los parámetros del proceso productivo. Deaquí que, para lograr una producción estable de determi-nado material ferrítico, con propiedades bien definidas,sea indispensable tanto garantizar la estabilidad de lamateria prima, como conocer la influencia relativa de

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cada parámetro del proceso de producción en las propie-dades magnéticas del producto final.

Con el fin de estudiar la influencia de los parámetrosrelacionados a los tratamientos térmicos, grupos demuestras de ferrita de Ni-Zn, con composiciones en elrango NiO; 17,5-22,5%,ZnO: 28,5-32%y F~03: 49,5-50%molar, fueron sinterizadas mediante métodos cerámicosconvencionales. Este tipo de ferritas es utilizado amplia-mente en múltiples aplicaciones, en el rango de frecuen-cias de hasta 1 MHz.

Las muestras se prepararon aplicando tiempos demezcla y molida de 1hora, en un molino de bolas vertical,de acero, conformadas a presión de 3Ton/ crrr' en toroidesde sección cuadrada, de diámetro promedio 20 mm yaltura 6 mm. La calcinacion de los polvos (ferritización)se llevó a cabo a temperaturas Te entre 900 y 1100 °C,durante 1 h. La variación del tiempo de calcinación en unintervalo relativamente amplio, alrededor de este valor,prácticamente no influye en las propiedades magnéticas,en comparación con las variaciones de Te' La sinteriza-ción se llevó a cabo con temperaturas máximas T, entre1100 y 1200 °C, desde 1 hasta 4 h. .

Para analizar las muestras sinterizadas, se midió ladensidadp, yseobtuvieron las curvas deu, ytan8 enfun-ción de la frecuencia.u, versus T y u-: versus H (curvas depermeabilidad dinámica o de amplitud en función delcampo aplicado). Estas últimas se construyeron a partirde las curvas de inducción normal, proporcionadas por elequipo utilizado para efectuar las mediciones, que ya hasido descrito en otro lugar [7].Los valores de,u¡y tan 8 semidieron en un metro Q comercial; la medición de las cur-vas ,u¡ versus T se llevó a cabo en forma automática, conun equipamiento que se describe en el anexo al final deeste artículo.

2. RESULTADOS Y DISCUSION

En las Figs. 1 a 3 se muestran los resultados obteni-dos al variar T., manteniendo constantes todos los demásparámetros del proceso, en un grupo de muestras concomposición cercana al 18%molar de NiO. El incrementode la temperatura máxima de sinterización va acompa-ñado de un incremento en,u¡ (Fig. 1), pero aumentan laspérdidas y disminuye el límite práctico de altas frecuen-cias (tan 8 = 0,1), como se ve en la Fig. 2.

No obstante, el incremento de las pérdidas pordebajo de 0,5 MHz es relativamente pequeño, y se ob-serva un mínimo del coeficiente relativo tan 8/,u¡ en laFig. 1, para T. = 1160 °C. El coeficiente de estabilidadtérmica, tomado entre 25 y 75°C, también se deteriora alincrementarse Ts, aumentando su valor en forma prácti-camente lineal (Fig. 3). En esta figura, también se ob-serva claramente que las variaciones de las propiedadesmagnéticas son originadas, exclusivamente, por varia-ciones en los parámetros extrínsecos. La variación de lacomposicioín del material, o de su estructura cristalina(presencia de otras fases), daría origen a variaciones dela temperatura de Neél, o a deformaciones de las curvasen la zona cercana a esa temperatura (~ 150°C), cosa queno se observa.

eoo~ __~ -r __~ __~~~

1000

)J¡

1100

900

800

700

600

40

/I

I'e. •,-.....-~30

20

1120 ".0 1200 °CFig. 1. Jli (linea continua) y tan lJ/¡L¡ (linea discontinua) en función de

T, . T. = 900°C; t;, = 2 h, tomados a la temperatura ambiente.NiO: 17,5% molar.

O+- ~--------.---------_r------~~

10

8

6

4

2

1180 ".0 1140 1120

0,5 ,,o 1,5 MHz

Fig. 2. Curvas detan lJ en función de la frecuencia, para las muestras-de la Fíg. 1.r

1200

.1000

100

100

400

200

TS ("C)

"c

1110

114

liZO

50 100 150

Fig. 3. Curvas deu, en función de la temperatura, medidas a450 kHz.temperatura de Neél "" 150°C.

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El resultado de un análisis similar al anterior, man-• iendo constante T" y variando los valores de T, da por

ltado que el comportamiento de JJ.¡, a Y tan 8, al dismi-. T. en el rango analizado, es similar al que se obtiene

do T. aumenta en las Figs. 1 a 3; tanto ¡J.;, como tan 8_ a, incrementan su valor cuando T disminuye. Sinembargo, la disminución de Te y el incremento de T. no

n cualitativamente equivalentes para todos los pará-os magnéticos, como se muestra a continuación.El efecto de Te sobre las curvas de permeabilidad

árnica, en función del campo aplicado, aparece en la19. 4, para muestras de composición 22,5% molar de

_-iO.

600a50

1050

J'¡

!S00

400

300~ __ ~ __ ~ __ .- __ -r __~

2 3 4Permeabilidad dinámica en función del campo aplicado.medida a 60 Hz. T. = 1200 °C; t, = 2 h. NiO: 22,5% molar.

El producto Jl.mH(PnJ y el cociente Jl.m1JJ.¡, donde v;enta el máximo valor de p-: en las curvas, son

• ores a medida que aumenta /J-m (y disminuye Te)' Porntrario, en las curvas análogas.a las de la Fig. 4,rudas para diferentes valores de T., el incremento deoriginado por el aumento de Ts, va acompañado dedisminución en los valores de JJ.mH(jLm) YJl.m1JJ.¡. Untado similar a este último se obtiene cuando se

ían los intervalos de tiempo 1;", manteniendo constan-los parámetros restantes, como puede calcularse fá-ente a partir de la Fig. 5, donde el producto /J-mH(jLm). uye al aumentar t., a pesar de que JJ.m aumentaalar.

)A. H ()I", )

(A/m)

1400 \ ~~•\1300 \ ~o

\\

1200 4~,1100 'f' 40,1000 " 3~,

32 4g. 5. !J.m (linea continua) y H(¡.Lm) (linea discontinua) en función de

t. .T. = 1200 ·C; Te = 950°C. NiO: 22.5% molar.

Este comportamiento, aparentemente contradicto-rio, puede ser explicado si se toma en cuenta el hecho deque la calcinación y la sinterización afectan en formadiferente a los parámetros de microestructura, y al lazode histéresis del material. Según resultados experimen-tales de Igarashi y Kiyoshi, la porosidad del materialinfluye directamente en la remanencia Br' Y no afecta lafuerza coercitiva He: a menor porosidad, mayor rema-nencia. Por otra parte, el tamaño promedio de los granosno influye en Br' pero sí en elvalor de He; a mayor prome-dio de granos, menor fuerza coercitiva [8].

Tanto el proceso de precocido, como el de sinteriza-ción, afectan conjuntamente la porosidad y el tamañopromedio de granos. Sin embargo, las mediciones de ladensidad, llevadas a cabo en el transcurso de este trabajoen los grupos de muestras sinterizadas, dan por resul-tado que la disminución de Teproporciona un aumento dela densidad (menor porosidad) relativamente muchomayor que el originado por el incremento de Tsó ts' Esteresultado coincide con el obtenido en ferritas de Mn-Znpor otros autores [9]. Además, es conocido que TsY t, sonlos parámetros que tienen una mayor influencia en elcontrol del crecimiento de los granos, durante la etapa desinterización. Por lo tanto, es posible concluir que la dis-minución de Tetiene una mayor influencia en la disminu-ción de la porosidad y en el aumento de Br, Y menorinfluencia en He,mientras que el incremento de T. o t", alcontrolar en mayor medida el tamaño promedio de losgranos, afecta en mayor grado a He, disminuyendo suvalor. Es decir, la calcinación y la sinterización tienendiferente influencia en la forma del lazo de histéresis, yde aquí el diferente comportamiento de JJ.m/JJ.¡ Y Jl.mH(jLm),ya que estos dos productos dan una medida de la mayor omenor agudeza de las curvas de /-1-.., versus H, relaciona-das directamente ala forma del lazo.

De la discusión anterior también se concluye quecada conjunto de parámetros T., 1;" YTe, en el rango devalores analizados, proporcionan materiales con dife-rentes propiedades magnéticas, aun cuando puedanencontrarse coincidencias en los valores de algunos pa-rámetros particulares, tal como se muestra, por ej., en laFig. 6, donde se observa qne es posible obtener el mismovalor de JJ.¡con diferentes valores de Te'ajustando el valorde ts' Sin embargo, los restantes parámetros magnéticostomarán diferente valor.

}IN

/400

1100

1200

1000 aeo1000

8001050I

111 I1 l' II / I I400~ __ r- __~~.- __.- __-r -"

20 40 60 80 100 A / rfItJ-¡ en función de t., con Te como parámetro. T; = 1200°(;. NiO:22,5% molar.

600

Fig. 6.

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posee salidas adicionales para ser conectadas a unequipo de registro.

Considerando un núcleo toroidal de sección trans-versal rectangular, con permeabilidad compleja {l, laimpedancia viene dada por

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A partir de los resultados obtenidos, es posible esta-blecer un estimado de la variabilidad de los parámetrosmagnéticos frente a variaciones de Te' T. Ó t. durante elproceso de producción. La variación de 10 °Cen t. -quepuede ser originada, incluso, por los gradientes de tem-peratura dentro del horno- da lugar a variaciones de ¡J.¡que oscilan entre 3 y 12%.El coeficiente ll' varía entre 12y40%, Y el límite práctico de altas frecuencias entre 5 y8%.

Una variación similar, de 10 °C, durante la calcina-ción, origina variaciones de 2,5 - 5%en ¡J.m' La influencia

! de 1;. es relativamente menor, aunque no despreciable:entre 1 y 2% en el valor de ¡J.¡, para una diferencia de10 minutos.

Las variaciones tienden a ser menores a medida queT., 1;. Ó te aumentan; sin embargo, incrementar estosparámetros con el fin de mejorar la reproducibilidad esun criterio poco recomendable, tanto desde el punto devista de las propiedades magnéticas, como desde elpunto de vista del costo de producción de la ferrita.

3. CONCLUSIONES

Como se expresó en la introducción, los resultadoscuantitativos que aparecen en la sección anterior depen-den fuertemente de otros parámetros del proceso, talescomo la composición de microimpurezas en la materiaprima utilizada, o la duración y características de losprocesos de mezcla y molida, Los resultados cualitativosse pueden resumir de la forma siguiente: (LPAF: límitepráctico de altas frecuencias).

Para lograr queincrementen su valor:

p; ¡J.¡, fLm, tan 8, ll'

Aumentar

TB' tB

Disminuir

Te

H(p.m),LPAF

¡J.m/ ¡..t¡, ¡J.mH{fLm)

Para garantizar la reproducibilidad de las propie-dades magnéticas en este tipo de ferritas, es necesariotomar en cuenta que una variación de 10°C en las tempe-.raturas de calcinación o sinterización puede dar lugar avariaciones del orden del5% en ¡J.m' Ydel 10%en ¡..t¡ y en elLPAF, respectivamente, y de hasta un 40% en el coefi-ciente de estabilidad térmica.

ANEXO

Medición automática de las curvas ¡..t¡ versus T

La medición de estas curvas se puede llevar a cabofácilmente con el auxilio de un metro de impedancias, talcomo el metro BM-507, marca Tesla. Este instrumentoproporciona, al medir impedancias en el rango de 50 Hz-

. 500kHz, el valor modular de Z y el ángulo de desfasaje qJ,en dos escalas independientes, en forma automática, y

donde w es la frecuencia angular y 4 la inductanciaen el vacío:

4 = (1/27T)JLoN2hln(b/a);

P« representa la permeabilidad en el vacío, N elnúmero de vueltas, y b, a, h, el diámetro externo, internoy altura del toroide, respectivamente. Agrupando térmi-nos y sustituyendo tan 8 = ¡J."/¡J.':

y en el rango de frecuencias de trabajo de la ferrita, tan8< 0,1, por lo que el último factor puede despreciarse,obteniéndose:

IZI= ¡J.'w4·

Si se escogen la frecuencia yel número de vueltas deforma que la excitación sea pequeña, y w4 = 1. tendre-mos que ¡..t¡ = ¡J.'= IZ l.Entonces, es posible leer directa-mente los valores de la permeabilidad inicial en la escaladel instrumento, o registrarla mediante un sistema ade-cuado. En el SI de unidades, la condición w4 = 1 puedeescribirse como;

fN2= (107)/41Thlníb/a),

donde f es la frecuencia. Si h se expresa en mm, las fre-cuencias vendrán dadas directamente en kHz .

El sistema de medición utilizado para caracterizarlas muestras comprende, además:

- Autotransformador variable con salida máximade 6A, acoplado a un motor sincrónico con un sistema deengranes, que permite regular la velocidad de calenta-miento del horno. La velocidad utilizada fue del orden de5 DC/min.

- registrador tipo xy, con escalas del orden de 1mV/cm para el eje de las temperaturas, utilizando termo-pares de chromel-alumel.

- Horno vertical de cámara pequeña (~ 0,5 dm"),que posee camisa interior metálica y portamuestras dealuminio, para garantizar al máximo la homogeneidadde la temperatura. Con este mismo fin, el horno poseedoble tapa; una interna de aluminio y otra, más extensa,de material refractario. Las tapas están divididas a la

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I

í

. camisa tubular metálica; ~. resistencia; 3. portamuestrase aluminio; 4. termopar, 5. polvo de alúmina; 6. núcleo

toroidal.

117

mitad, con el fin de facilitar la manipulación de los alam-bres de conexión. La resistencia se escogió de forma quepermite alcanzar una alta temperatura con un pequeñovalor de la corriente, a fin de reducir al máximo la induc-ción en el enrollado del toroide.

Este sistema permite hacer mediciones desde tem-peraturas por debajo de O"C, enfriando previamente lacámara con nitrógeno líquido.

REFERENCIAS

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