UNIVERSITATEA ”LUCIAN BLAGA” din SIBIUFACULTATEA DE INGINERIE ”Hermann Oberth”

REFERAT

Tehnologia Echipamentelor Electrice

Procesul Tehnologic de Fabricare a Miezurilor de Ferită Dure

COORDONATOR: CONF.DR.ING. POPESCU LIZETA

STUDENT: TATU IOAN-AURELIAN

Grupa 341/2

20111

Cuprins

1. Compoziţia chimică a feritelor..........................................................................................pag 32. Magneţi din ferite dure......................................................................................................pag 43. Tehnologia miezurilor din ferite dure...............................................................................pag 5

Producera pulberii......................................................................................pag 7 Dozarea amestecului de pulbere................................................................pag 9 Presinterizarea amestecului........................................................................pag 9 Formarea miezurilor...................................................................................pag 9 Sinterizarea.................................................................................................pag 10 Rectificarea pieselor sinterizate.................................................................pag 12 Decalarea...................................................................................................pag12 Polizarea....................................................................................................pag 12 Asamblarea circuitelor magnetice.............................................................pag 13 Miezurile magneto-dielectrice...................................................................pag 13

4. Utilizarea miezurilor de ferite dure..................................................................................pag 145. Producatori.......................................................................................................................pag 15Bibliografie............................................................................................................................pag 15Fişă tehnologică.....................................................................................................................pag 17

Procesul Tehnologic de Fabricare a Miezurilor de Ferită Dure2

1. Compozitia chimica a feritelor.

Feritele sunt compuşi de forma, (MeO)(Fe2O3) în care Me este un metal bivalent (mangan,

zinc nichel, magneziu) sau o grupare de elemente cu valenţa totală 2. Proprietăţile magnetice ale

feritelor au la bază structura internă a acestora formată din subreţele magnetice atomice care apar

spontan în volume finite (domenii Weiss), fiecare reţea având momentele magnetice elementare

orientate în acelaşi sens pe un grup de linii reticulare paralele, iar pe un alt grup de linii

reticulare paralel cu primul orientarea a momentelor magnetice elementare este inversată.

Faţă de materialele feromagnetice, feritele au următoarele avantaje principale:

Rezistivitatea electrică este mult mai mare . Acest fapt determină pierderi prin curenţi

turbionari mult mai mici şi deci posibilitatea folosirii la frecvenţe mult mai mari;

Caracteristicile magnetice sunt mai stabile la solicitări mecanice (şocuri, vibraţii, etc).

Ca dezavantaje, comparativ cu materialele feromagnetice amintim:

Permeabilitate magnetică relativă mai mică; la ferite cel mult 4000 iar la feromagnetici

speciali (permalloy, mumetal, dinamax) se poate depăşi 1.000.000.

Inducţia magnetică de saturaţie mai mică; 0.3T la 0.4T faţă de 1.2T pana la 2.2 T.

Temperatură Curie mai scăzută şi dependenţă mai pronunţată a caracteristicilor magnetice de

temperatură;

Sunt dure, casante şi deci greu de prelucrat mecanic (se pot prelucra doar prin rectificare

abrazivă).

Feritele se împart în două mari tipuri în funcţie de de valoarea intensităţii câmpului

magnetic coercitiv, Hc :

-ferite moi, Hc<0.8A/cm,

-ferite dure, Hc>10A/cm.

Feritele moi, au pierderi prin histerezis mai mici (ciclul de histerezis mai îngust) şi sunt

utilizate pentru fabricarea miezurilor magnetice destinate să lucreze la frecvenţe ridicate sau în regim

de comutaţie.

Feritele dure se folosesc pentru obţinerea magneţilor performanţi (ferite cu bariu) şi a

benzilor magnetice înregistratoare de informaţii (ferite de cobalt).

3

Fig 1. Câmpul magnetic coercitiv Hc, la feritele moi şi dure.

2. Magneţi din ferite dure

Magneţi din ferită, denumiţi uneori şi magneţi ceramici din cauza procesului lor de producţie,

sunt cei mai puţini costisitori din clasa materialelor din care se fabrică magneţi permanenţi. Acest

material a devenit disponibil comercial la mijlocul anilor 1950, şi-a găsit de la drumul său în

nenumărate aplicaţii, inclusiv magneţi în formă de arc pentru motoare, mandrine magnetice, şi

instrumente magnetice.

Magneţii din ferite dure sunt magneţi permanenţi sinterizaţi compuşi din ferită de bariu sau

stronţiu. Această clasă de magneţi are o rezistenţă bună la demagnetizare şi coroziune, datorită costului

lor scăzut, magneţi din ferită se bucură de o gamă foarte largă de aplicaţii, aceştia ocupă aproximativ

75% din piaţa mondială de magneţi constanţi.

Într-o stare magnetică saturată, feritele dure conduc fluxul magnetic bine şi au o permeabilitate

magnetică mare. Acest lucru permite acestor aşa numiţi magneţi-ceramici să stocheze câmpuri

magnetice puternice mai mari decât fierul în sine. Aceştia sunt magneţi cei mai frecvent utilizaţi în

aparate de radio.

4

Fig. 2. Curbe de magnetizare pentru un material magnetic dur :

a)curba de magnetizare, curba produsului BH=f(H) şi BH=f(B)

b)curbele de întoarcere (de recul)H-câmp coercitiv B-inducţie remanentă

Fig 3. Ciclul de histerezis pentru feritele dure

Proprietăţile fizice tipiceTemperatura Curie (˚C) 450Temperatura maximă de operare (˚C) 250Duritatea (Hv) 480-580Densitatea (g/cm3 ) 4,8 - 4,9

Permeabilitatea relativă (μrec ) 1,05 - 1,20

Puterea de saturaţie a câmpului, kOe (kA/m) 10 (800)Coeficientul de temperatură al Br (% / ˚C) -0,2Coeficientul de temperatură al iHc (% / ˚C) 0,3Rezistenţa la rupere (N/mm) <100Rezistenţa de rupere transversală (N/mm) 300

5

Tab.1 Proprietăţile fizice ale magneţilor din ferite dure.

3.Tehnologia miezurilor din ferite dure

Daca metalul bivalent care intră în constituţia feritei (în afară de fier) este bariu, ferita este

magnetic dură. Structura sa este hexagonală şi formula chimică BaO(Fe2O3)6.Feritele dure sunt în

opoziţie cu feritele moi , după încetarea acţiunii câmpului magnetic îşi păstrează proprietăţile

magnetice.

Fig 4. Magneţi din ferite dure

Feritele dure, dintre care cele mai răspândite sunt feritele de bariu, utilizate ca atare sau asociate

ca magneţi permanenţi, precum şi materiale magneto-electrice.

Prin tehnologia de fabricaţie se pot varia următoarele proprietăţi:

magnetizarea;

energia cristalină;

anizotropiile;

magnetostricţiunea;

textura, forma si mărimile particulelor.

6

Fig 5. Reprezentare în schema bloc producerea de pulberii.

Principalele operaţii ale procesului tehnologic de confecţionare a miezurilor magnetice din

materiale metalo-ceramice presate din pulberi sunt:

a.Producerea pulberii (prin procedee mecanice, fizice, chimice, electrolitice).

Primul pas in producţia de pulbere începe cu analiza chimică a materiilor prime (pulbere de

fier) , oxizi sau carbonaţi ale componentelor majore. Puritatea acestor materiale contribuie direct la

calitatea produsului final şi trebuie să fie controlată pentru a asigura consistenţa de la lot la lot.

Cantitatea exactă a componentelor majore este cântărită şi amestecată cu grijă, într-un amestec

omogen. Acest amestec se poate face într-un proces uscat, sau poate fi adăugată apă pentru a forma un

amestec care apoi este amestecat într-o moara cu bile. Când este folosit amestecul cu apă este necesar

să se folosească un procedeu de uscare necesar pentru a reduce conţinutul de umiditate înainte de

calcinare. Calcinarea este un proces în care temperatura pulberii trebuie ridicată la 1100˚C în aerul din

atmosferă. În timpul calcinări există o descompunere parţială a carbonaţilor şi a oxizilor, are loc

evaporarea impurităţilor volatile şi o omogenizare a amestecului de pulbere.

7

Fig 6. Procesul tehnologic a materialelor ferimagnetice

După calcinare pudra este amestecată cu apă şi amestecul este măcinat pentru a obţine

dimensiuni mici şi particule uniforme. La această etapă a procesului se adaugă de lianţi şi lubrifianţi,

tipul de liant şi lubrifiant este determinat de tehnologie.

Ultimul pas în pregătirea pulberi este uscarea prin pulverizare a amestecului.

Pulberea de fier se obţine pe cale electrolitică în următoarele condiţii:

– electrolitul conţine 120-140 g/l FeSO4, 40-50 g/l NaCl si 0,2-0,28 g/l H2SO4,

– densitatea de curent: 4...5 A/dm2; tensiunea: 4,5...4,7 V;

– temperatura: 40-54˚C.

8

Fig 7. Pulbere de ferită de bariu,stronţiu şi compus magnetic.

b.Dozarea amestecului de pulberi în proporţia necesară (volumetric, gravimetric sau prin

reglarea timpului de umplere), adică amestecul trebuie să fie corect dozat din punct de vedere al

naturii si granulatiei.

c.Presinterizarea amesteclui, adică formarea soluţiilor solide si a reacţiei între oxizi. Operaţia

de presinterizare se execută în cuptoare, la temperaturi între 900 şi 1000 °C şi are loc în soluţie apoasă

d.Formarea miezurilor, prin presarea în matriţă. Se pot astfel realiza forme de circuite

magnetice din cele mai diferite. Tehnica cea mai des folosită este uscarea prin apăsarea pulberi în

configuraţia miezului. Alte tehnici sunt extrudarea şi presarea izo-statică.

Presarea se face într-o matriţă din material nemagnetic aplicându-se un câmp magnetic exterior.

Prezenţa acestui câmp face ca particulele să capete o orientare preferenţială, după direcţia câmpului.

Materialul rezultat are proprietăţi superioare pe această direcţie (pe direcţia perpendiculară inducţia

remanentă este de 2-10 ori mai mică) anizotropia fiind cu atât mai pronunţată cu cât temperatura de

sinterizare este mai ridicată.

9

Fig 8. Presă hidraulică pentru formarea feritei dure anizotrope.

Uscarea prin presare sau compactare se face utilizând o acţiune combinată de lovituri de sus şi

de jos într-o cavitate, astfel încât o densitate uniformă este formată. Astăzi presele şi sculele

tehnologice permit presarea din mai multe părţi astfel obţinându-se forme de miezuri destul de

complexe.

Pentru a se asigura o densitate uniformă în direcţia presării, construcţia sculei trebuie să

permită presarea simultană, bilaterală, a miezului. Aceasta se realizează cu prese de construcţie

specială.

În toate metodele dimensiunile instrumentului de formare trebuie să fie mai mari decât

dimensiunile produsului final cu un factor care permite contracţia în timpul sinterizări.

e.Sinterizarea

Acesta este pasul cel mai critic în procesul de fabricaţie a feritei. În timpul acestei faze a

procesului produsul atinge caracteristicile magnetice şi mecanice finale.

10

Fig 9. Schimbarea volumului miezului în procesul de sinterizare

Sinterizarea are loc la temperaturi cuprinse între 1050-1320 ˚C, după care se rectifică

suprafeţele. Procesul de sinterizare al pulberilor se bazează pe cele trei fenomene:

difuzia atomilor ce conduce la creşterea şi consolidarea suprafeţelor de contact şi

crearea unor punţi de legătură între granule;

recristalizarea şi creşterea granulelor;

curgerea plastică a materialului care are drept efect creşterea suprafeţelor de

contact, reducerea porozităţii şi eliminarea tensiunilor interne.

Fig 10. Ciclul de sinterizare

Sinterizarea reprezintă o operaţie de încălzire în cursul căreia se produce consolidarea completa

a pulberilor prin procese de sudare prin difuzie. Încălzirea pentru sinterizare se executa la temperatura

de 2/3 ... 4/5 din temperatura de topire a componentului cel mai greu fuzibil din amestecul de pulberi.

Pentru împiedicarea oxidării interne a comprimatului operaţia de sinterizare se execută în atmosferă

controlată (reducătoare sau neutră) sau în vid. În mod curent sinterizarea se execută în atmosferă de

hidrogen, care prezintă avantajul că produce reducerea peliculelor de oxizi de la suprafaţa particulelor

comprimatului, asigurându-se astfel suprafeţe curate pentru difuzie.

Într-o anumită măsură contribuie şi procesele de curgere plastică produse de tensiunile care nu

s-au relaxat prin efect post - elastic precum şi fenomenele de evaporare - condensare de la suprafaţa

particulelor.

Tratamentul termic la sinterizare se alege astfel încât să se obţină un material cu o energie

magnetică maximă. În figura de mai jos este prezentată caracteristica B-H pentru ferită dură după

sinterizarea la diverse temperaturi. Se observă că varianta optimă este sinterizarea are loc la 1100˚C.

11

Procesul tehnologic de sinterizare este foarte productiv, putându-se aplica în producţia de serie

mare. În acelaşi timp trebuie relevat faptul că regimurile de temperatură si duratele precum şi

compoziţia chimică trebuie respectate cu stricteţe, în caz contrar obţinându-se procente foarte ridicate

de rebuturi.

Produsele sinterizate se deosebesc de produsele obţinute prin tehnologiile clasice (turnare,

deformare plastica) prin porozitatea reziduală şi prin fineţea granulaţiei. Aceste deosebiri structurale

provoacă şi deosebirile de proprietăţi între un material produs prin presare şi sinterizare din pulberi

şi acelaşi material obţinut prin tehnologii clasice.

Figura 11. Caracteristici B-H pentru ferite dure după sinterizarea la diferite temperaturi.

f. Rectificarea pieselor sinterizate

După sinterizare cele mai multe ferite necesită o operaţie de finisare pentru a satisface

cerinţele clienţilor. Deşi proprietăţile magnetice intrinseci au fost stabilite în timpul sinterizări şi nu pot

fi modificate, tehnicile corespunzătoare de finisare pot optimiza performanţele magnetice ale

miezurilor de ferită. Cum ar fi : decalarea, polizarea, coacerea etc.

g. Decalarea

Există două metode acceptate pentru a specifica un decalaj. Unul este de a specifica o valoare

Al, al doilea este de a specifica o lungime mecanică de decalaj. Utilizatorul trebuie să precizeze una

dintre cele două metode, nu ambele.

h. Polizarea

Polizarea este un proces de producţie adiţional folosit pentru a scădea efectele golului de aer

asupra miezurilor împerecheate, de obicei apărând la miezurile împerecheate cu permeabilitatea

12

materialului peste 5000 în vederea atingeri maximului lui A, valoare pentru un material dat. Procesul

implică polizarea suprafeţei de îmbinare a miezului, după măcinare.

i. Asamblarea circuitelor magnetice ale miezurilor sinterizate.

Este ultima operaţie în tehnologia miezurilor de ferite dure.

j. Miezurile magneto-dielectrice din aliaje cu forţă coercitivă mare de tipul: alni, alnico, alnisi, se

folosesc miezuri magnetice dure.

Procesul tehnologic cuprinde operaţiile:

prepararea amestecului de pulberi;

formarea miezului prin presare;

tratament termic şi impregnare.

La prepararea masei cu lac are loc înglobarea pulberilor magnetice într-un liant dielectric sau

organic termoreactiv (lacul bachelitic) sau termoplast (polistirenul).

Formarea miezului se face prin presare în matriţe montate pe prese de construcţie specială,

care să permită o presare simultană, bilaterală a miezului pentru uniformizarea densităţii. Tratamentul

termic urmăreşte, după caz, polimerizarea liantului, stabilizarea proprietăţilor electromagnetice şi

înlăturarea efectului ecruisării amestecului în urma presării.

Sinterizarea oferă posibilitatea obţinerii unor miezuri magnetice cu forme complicate, cu o

tehnologie specifică şi economică.

Fig 12. Fazele formării miezurilor din pulberi în matriţe, prin presarea bilaterală.

13

4. Utilizarea miezurilor de ferite dure

Motivele pentru care utilizarea feritelor dure se face pe scară din ce în ce mai largă sunt : se obţin din materii prime ieftine, în timp ce unele materiale magnetice dure, metalice

(de tip AlNiCo) se obţin din materiale scumpe; au o temperatură stabilă : magneţii din ferită pot fi folosiţi între -40˚C şi 200˚C; sunt tari şi fragile : pot fi tăiate folosindu-se scule diamantate; au rezistenţă bună la demagnetizare; au proprietăţi superioare în ceea ce priveşte inducţia remanentă; previn foarte bine coroziunea.

Au dezavantaje : au caracteristici energetice mai scăzute decât alte materiale magnetice, densitate scăzută a fluxului de saturaţie, conductivitate termică redusă, sunt materiale fragile de unde rezultă rezistenţă scăzută la rupere.

Din feritele dure se pot obţine : magneţi cilindrici şi inelari anizotropi, segmenţi pentru motoare electrice, plastoferite şi magnetoplaste, magneţi anizotropi paralelipipedici, ferite izotrope, benzi magnetice etc.

Fig 13. Magnet din ferită dură.

Se folosesc foarte mult în electronică de putere de înaltă frecvenţă, la transformatoare de diferite tipuri, la electromagneţi, motoare, magneţi de radio, difuzoare, telecomunicaţii, industria auto etc.

14

5.Producători

1.Ferite Urziceni (singurul producător din România)http://www.rofep.ro/

2. Aksa-magnethttp://www.aksamagnet.com.tr/eng/index.html

3.New Land magnet http://www.newlandmagnet.com.cn/

Bibliografie

1. Popescu L. “Tehnologia echipamentelor electrice”, Editura Alma Mater, Sibiu 2008

2. Popescu L. “Materiale electrotehnice”, Editura Alma Mater, Sibiu 2008

3. Popescu L. “Îndrumător de laborator - Tehnologia echipamentelor electrice”, Editura Alma

Mater, Sibiu 2009

4. http://staff.etc.tuiasi.ro/dpatelli/MCCP-pdf/Mccp

15

5. http://books.google.ro/books?

id=p3KHPUhaOaUC&pg=PA66&dq=ferrite+cores&hl=ro&ei=4DkGTcqyKYzsOcSXKYB&sa=X&o

i=book_result&ct=result&resnum=1&sqi=2&ved=0CCcQ6AEwAA#v=onepage&q=ferrite

%20cores&f=false

6. http://www.hmagnet.com/ferrite.htm

7. http://www.aksamagnet.com.tr/eng/hard-ferrit.html

8. http://aparate.elth.ucv.ro/BROJBOIU/CURSURI/Tehnolog%20de%20fab%20a%20mas%20si

%20echip%20el/Curs/TFMAE_Prelegerea%203.pdf

9. http://www.newlandmagnet.com/hard-ferrite.htm

10. http://www.intl-magnetics.org/pdfs/SFG-98.pdf

11. http://www.hmagnet.com/ferrite.htm 12. r ofep@rofep.ro13. http://www.aksamagnet.com.tr/eng/hard-ferrit.html 14. http://aparate.elth.ucv.ro/BROJBOIU/CURSURI/Tehnolog%20de%20fab%20a%20mas%20si

%20echip%20el/Curs/TFMAE_Prelegerea%203.pdf15. http://www.rofep.ro/

16.http://www.aksamagnet.com.tr/eng/index.html 17. http://www.newlandmagnet.com.cn/

16

Fişă tehnologică

Fişă Tehnologic

ă

Întreprinderea: Facultatea de Inginerie Hermann Oberth Data: 23.11. 2011

Denumire produs : Miez de ferită dură Nr. reper : 1Întocmit : Tatu Ioan-Aurelian Verificat : Popescu Lizeta Aprobat: Popescu Lizeta

Necesar pt. 2000 buc. reper: 200 grame/piesa

Valabil pt. seria de: 50.000 buc/saptămână

Nr. operaţi

e

Operaţia Atelierul

SDVCalificarea muncitorilo

r

Indicaţii tehnologice

Timpul normat

min.

1. Analiza chimică a materiilor

prime

A1Laborator Laborant Stronţiu,

Bariu 10

2. Producerea pulberilor

A2 Moară cu bile Inginer de proces

- 5

3. Amestecarea pulberi cu apă

A2 Moară cu bile operator - 20

4. Uscarea pulberi A2 Cuptor operator Reducerea conţinutului de umiditate.

10

5. Calcinarea pulberii

A2 Cuptor operator 1100˚C 5

6. Amestecarea pudrei cu apă şi măcinarea fină

A2 Moară cu bile operator particule uniforme

15

7. Adăugarea de lubrifianţi

A2 Cuptor operator - 5

8. Uscarea prin pulverizare

A2 Cuptor operator - 5

9.Dozarea

amestecului de pulberi

A2 Cântar operator În funcţie de granulaţie.

5

10. Presinterizarea amestecului

A2 Cuptor operator 900 - 1000 °C 10

11. Formarea miezurilor

A2 Presă operator Presare în matriţă

20

12. Sinterizarea A3 Laser operator - 2-24 ore

13.Rectificarea

pieselor A4 Maşină rectificat tehnician Finisare 15

17

sinterizate14. Decalarea A4 Micro - metru tehnician Dimensiunile 515. Polizarea A4 Polizor operator - 6

16. Control final A5 Micro - metru tehnician - 2

17. Asamblarea circuitelor magnetice

A6 Maşină operator - 5

18