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Revista Latinoamericana
de Metalurgia y Materiales. Vol. 5, N° 2, 1985
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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 magnéticamente
blandos, es el relacionado con la reproducibilidad de las propiedades magnéticas del producto final, a causa de la gran influencia que
ejercen en estas propiedades las variaciones de la microestructura. La microestructura, a su vez, es muy sensible a las variaciones de los
parárnetros del proceso de producción, tales como los relacionados a los regímenes de mezcla y molida, a los tratamientos térmicos. El
análisis 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 permeabilidad
máxima, 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 the
reproducibility of the magnetic properties of the final product because ofthe great influence ofmicrostructure parameters. These parameters, in their turn, change noticeably with the production parameters such as those connected with the milling procedures 01' the
thermal treatments. The analysis ofthe influence ofthermal treatments in high Zn contentNi-Zn ferrites brings, as aconsequence, that
a variation of 10 'C, in calcination 01' sintering temperatures, may cause changes in maximum permeability up to 5%,and in the initial
permeability and practica! high frequency limit up to 10%, respectively.
1. INTRODUCCION
Uno de los aspectos a tomar en cuenta durante el
proceso de producción de materiales policriatalinos magnéticamente blandos, y quizás el más importante, es el
relacionado con la reproducibilidad de las propiedades
magnéticas del producto final.
Los requerimientos más usuales en esta clase de
materiales,....al ser utilizados como núcleos de inductancias o transformadores, en el rango de radiofrecuencias
(hasta 100-150 MHz), son: poseer una alta permeabilidad inicial fJ.¡, y un bajo factor de pérdidas, tan 0, a la
mayor frecuencia posible. También son importantes, en
muchas aplicaciones, un valor pequeño del coeficiente de
estabilidad térmica, o: =(l/fJ.¡}dfJ.JdT,o un alto valor del
producto permeabilidad máxima - campo aplicado,
fLrnH(fJ.m)
, relacionado a las condiciones de saturación
del material.
En la práctica, siempre es necesario llegar a algún
compromiso, ya que la alta permeabilidad y la alta saturación traen siempre aparejados el incremento de las
pérdidas y la disminución del rango útil de frecuencias de
trabajo del material. Por esta razón, el productor de
ferritas está obligado, en cada caso, a escoger las propiedades del material de acuerdo a la aplicación específica
en que éste va a ser utilizado y, desde luego, a garantizar
la reproducibilidad de esas propiedades [1-4].
Uno de los factores que afecta notablemente la reproducibilidad de las propiedades magnéticas, en los
materiales blandos, es la alta sensibilidad que éstos
poseen a la variación de la composición de microimpurezas catiónicas presentes en la materia prima. En las
ferritas de Ni-Zn, la sustitución de una impureza por
otra, en el orden de 0.1- 0.2% en peso de óxido, puede dar
lugar a variaciones de 40 - 60% en fJ.¡y tan 8. La variación
entre 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 ocupación de microimpurezas de la materia prima varía notablemente de uno a otro fabricante, e incluso puede variar
significativamentede uno a otro lote, provenientes ambos
del mismo fabricante, aún en materia prima con grado de
pureza del orden de 99%.
Los demás factores que afectan la responsabilidad
del proceso de producción están relacionados con las propiedades extrínsecas del material.
Propiedades intrínsecas son las que dependen exclusivamente de la composición química y de la estructura cristalina (temperatura de Curie o Neél, magnetización de saturación, anisotropías cristalinas); las
extrínsecas son aquellas que, además de depender de la
composición y estructura cristalina, son sensibles a los
cambios en la microestructura: tamaño promedio de granos y distribución granular, porosidad, condiciones en la
frontera de los granos, microinhomogeneidades, etc. Los
parámetros de microestructura, a su vez, dependen fuertemente de los parámetros del proceso de producción del
material, tales como los relacionados a los regímenes de
mezcla y molida, o a los tratamientos térmicos durante la
calcinación de los polvos y la sinterización de los compactos.
Los parámetros magnéticos de mayor interés para
las aplicaciones prácticas (tan 8, fJ.iY todos los demás
relacionados al lazo de histérisis), están vinculados directamente a las propiedades extrínsecas (ver ref. 1 a 4),
por lo que una misma composición química y estructura
cristalina pueden dar lugar a muy diferentes propiedades magnéticas, frente a variaciones más o menos significativas de los parámetros del proceso productivo. De
aquí que, para lograr una producción estable de determinado material ferrítico, con propiedades bien definidas,
sea indispensable tanto garantizar la estabilidad de la
materia prima, como conocer la influencia relativa de
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cada parámetro del proceso de producción en las propiedades magnéticas del producto final.
Con el fin de estudiar la influencia de los parámetros
relacionados a los tratamientos térmicos, grupos de
muestras de ferrita de Ni-Zn, con composiciones en el
rango NiO; 17,5-22,5%,ZnO: 28,5-32%y F~03: 49,5-50%
molar, fueron sinterizadas mediante métodos cerámicos
convencionales. Este tipo de ferritas es utilizado ampliamente en múltiples aplicaciones, en el rango de frecuencias de hasta 1 MHz.
Las muestras se prepararon aplicando tiempos de
mezcla y molida de 1 hora, en un molino de bolas vertical,
de acero, conformadas a presión de 3 Ton/ crrr' en toroides
de sección cuadrada, de diámetro promedio 20 mm y
altura 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 un
intervalo relativamente amplio, alrededor de este valor,
prácticamente no influye en las propiedades magnéticas,
en comparación con las variaciones de Te' La sinterización se llevó a cabo con temperaturas máximas T, entre
1100 y 1200 °C, desde 1 hasta 4 h.
.
Para analizar las muestras sinterizadas, se midió la
densidadp, yseobtuvieron las curvas deu, ytan8 enfunción de la frecuencia.u, versus T y u-: versus H (curvas de
permeabilidad dinámica o de amplitud en función del
campo aplicado). Estas últimas se construyeron a partir
de las curvas de inducción normal, proporcionadas por el
equipo utilizado para efectuar las mediciones, que ya ha
sido descrito en otro lugar [7].Los valores de,u¡ y tan 8 se
midieron en un metro Q comercial; la medición de las curvas ,u¡ versus T se llevó a cabo en forma automática, con
un equipamiento que se describe en el anexo al final de
este artículo.
)J¡
1100
40
1000
900
/
800
30
I
700
'e.
600
•I
,-.....-~
eoo~ __~
20
-r __~ __~~~
1120
".0
1200
°C
Fig. 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.
1180
10
".0
1120
1140
8
6
4
2
2. RESULTADOS Y DISCUSION
0,5
Fig. 2.
En las Figs. 1 a 3 se muestran los resultados obtenidos al variar T., manteniendo constantes todos los demás
parámetros del proceso, en un grupo de muestras con
composición cercana al 18%molar de NiO. El incremento
de la temperatura máxima de sinterización va acompañado de un incremento en,u¡ (Fig. 1), pero aumentan las
pérdidas y disminuye el límite práctico de altas frecuencias (tan 8 = 0,1), como se ve en la Fig. 2.
~--------.---------_r------~~
,,o
O+-
1200
r
1,5
MHz
Curvas detan lJ en función de la frecuencia, para las muestrasde la Fíg. 1.
TS ("C)
.1000
1110
No obstante, el incremento de las pérdidas por
debajo de 0,5 MHz es relativamente pequeño, y se observa un mínimo del coeficiente relativo tan 8/,u¡ en la
Fig. 1, para T. = 1160 °C. El coeficiente de estabilidad
térmica, tomado entre 25 y 75°C, también se deteriora al
incrementarse Ts, aumentando su valor en forma prácticamente lineal (Fig. 3). En esta figura, también se observa claramente que las variaciones de las propiedades
magnéticas son originadas, exclusivamente, por variaciones en los parámetros extrínsecos. La variación de la
composicioín del material, o de su estructura cristalina
(presencia de otras fases), daría origen a variaciones de
la temperatura de Neél, o a deformaciones de las curvas
en la zona cercana a esa temperatura (~ 150°C), cosa que
no se observa.
100
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100
liZO
400
200
50
100
150
"c
Fig. 3. Curvas deu, en función de la temperatura, medidas a450 kHz.
temperatura de Neél "" 150°C.
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Latinoamericana
de Metalurgia
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. Sin
embargo, la disminución de Te y el incremento de T. no
n cualitativamente equivalentes para todos los paráos magnéticos, como se muestra a continuación.
El efecto de Te sobre las curvas de permeabilidad
árnica, en función del campo aplicado, aparece en la
19. 4, para muestras de composición 22,5% molar de
_-iO.
J'¡
600
a50
1050
!S00
400
300~
__ ~ __ ~ __ .- __ -r
4
3
2
__~
Permeabilidad
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)' Por
ntrario, en las curvas análogas.a las de la Fig. 4,
rudas para diferentes valores de T., el incremento de
originado por el aumento de Ts, va acompañado de
disminución en los valores de JJ.mH(jLm) Y Jl.m1JJ.¡. Un
tado similar a este último se obtiene cuando se
ían los intervalos de tiempo 1;", manteniendo constanlos parámetros restantes, como puede calcularse fáente a partir de la Fig. 5, donde el producto /J-mH(jLm)
. uye al aumentar t., a pesar de que JJ.m aumenta
alar.
H ()I",
)A.
)
(A/m)
y Materiales.
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Este comportamiento, aparentemente contradictorio, puede ser explicado si se toma en cuenta el hecho de
que la calcinación y la sinterización afectan en forma
diferente a los parámetros de microestructura, y al lazo
de histéresis del material. Según resultados experimentales de Igarashi y Kiyoshi, la porosidad del material
influye directamente en la remanencia Br' Y no afecta la
fuerza coercitiva He: a menor porosidad, mayor remanencia. Por otra parte, el tamaño promedio de los granos
no influye en Br' pero sí en el valor de He; a mayor promedio de granos, menor fuerza coercitiva [8].
Tanto el proceso de precocido, como el de sinterización, afectan conjuntamente la porosidad y el tamaño
promedio de granos. Sin embargo, las mediciones de la
densidad, llevadas a cabo en el transcurso de este trabajo
en los grupos de muestras sinterizadas, dan por resultado que la disminución de Teproporciona un aumento de
la densidad (menor porosidad) relativamente mucho
mayor que el originado por el incremento de Ts ó ts' Este
resultado coincide con el obtenido en ferritas de Mn-Zn
por otros autores [9]. Además, es conocido que Ts Y t, son
los parámetros que tienen una mayor influencia en el
control del crecimiento de los granos, durante la etapa de
sinterización. Por lo tanto, es posible concluir que la disminución de Tetiene una mayor influencia en la disminución de la porosidad y en el aumento de Br, Y menor
influencia en He,mientras que el incremento de T. o t", al
controlar en mayor medida el tamaño promedio de los
granos, afecta en mayor grado a He, disminuyendo su
valor. Es decir, la calcinación y la sinterización tienen
diferente influencia en la forma del lazo de histéresis, y
de aquí el diferente comportamiento de JJ.m/JJ.¡ Y Jl.mH(jLm),
ya que estos dos productos dan una medida de la mayor o
menor agudeza de las curvas de /-1-.., versus H, relacionadas directamente ala forma del lazo.
De la discusión anterior también se concluye que
cada conjunto de parámetros T., 1;" YTe, en el rango de
valores analizados, proporcionan materiales con diferentes propiedades magnéticas, aun cuando puedan
encontrarse coincidencias en los valores de algunos parámetros particulares, tal como se muestra, por ej., en la
Fig. 6, donde se observa qne es posible obtener el mismo
valor de JJ.¡ con diferentes valores de Te' ajustando el valor
de ts' Sin embargo, los restantes parámetros magnéticos
tomarán diferente valor.
}IN
1400
1300
\
~~
•\
\
~o
\
1200
\
,
2
g. 5.
1000
,
",
1000
3
1200
4~
'f'
1100
/400
aeo
1000
40
800
3~
4
!J.m (linea continua) y H(¡.Lm) (linea discontinua) en función de
t. . T. = 1200 ·C; Te = 950°C. NiO: 22.5% molar.
I
111
600
1
400~
Fig. 6.
__ r-
1050
I
1100
l' I
I/
I I
__~~.-
__.- __-r
-"
20
40
60
80
100
A / rfI
tJ-¡ en función de t., con Te como parámetro. T; = 1200°(;. NiO:
22,5% molar.
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A partir de los resultados obtenidos, es posible establecer un estimado de la variabilidad de los parámetros
magnéticos frente a variaciones de Te' T. Ó t. durante el
proceso de producción. La variación de 10 °C en t. -que
puede ser originada, incluso, por los gradientes de temperatura dentro del horno- da lugar a variaciones de ¡J.¡
que oscilan entre 3 y 12%.El coeficiente ll' varía entre 12 y
40%, Y el límite práctico de altas frecuencias entre 5 y
8%.
Una variación similar, de 10 °C, durante la calcinación, 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 de
10 minutos.
Las variaciones tienden a ser menores a medida que
T., 1;. Ó te aumentan; sin embargo, incrementar estos
parámetros con el fin de mejorar la reproducibilidad es
un criterio poco recomendable, tanto desde el punto de
vista de las propiedades magnéticas, como desde el
punto de vista del costo de producción de la ferrita.
posee salidas adicionales para ser conectadas a un
equipo de registro.
Considerando un núcleo toroidal de sección transversal rectangular, con permeabilidad compleja {l, la
impedancia viene dada por
donde w es la frecuencia angular
en el vacío:
y
4 la
inductancia
4 = (1/27T)JLoN2hln(b/a);
P« representa la permeabilidad en el vacío, N el
número de vueltas, y b, a, h, el diámetro externo, interno
y altura del toroide, respectivamente. Agrupando términos y sustituyendo tan 8 = ¡J."/¡J.':
3. CONCLUSIONES
Como se expresó en la introducción, los resultados
cuantitativos que aparecen en la sección anterior dependen fuertemente de otros parámetros del proceso, tales
como la composición de microimpurezas en la materia
prima utilizada, o la duración y características de los
procesos de mezcla y molida, Los resultados cualitativos
se pueden resumir de la forma siguiente: (LP AF: límite
práctico de altas frecuencias).
Para lograr que
incrementen su valor:
Aumentar
Disminuir
p; ¡J.¡, fLm, tan 8, ll'
TB' t
Te
B
H(p.m),LPAF
¡J.m/ ¡..t¡, ¡J.mH {fLm)
obteniéndose:
IZI= ¡J.'w4·
Si se escogen la frecuencia yel número de vueltas de
forma que la excitación sea pequeña, y w4 = 1. tendremos que ¡..t¡ = ¡J.'= I Z l. Entonces, es posible leer directamente los valores de la permeabilidad inicial en la escala
del instrumento, o registrarla mediante un sistema adecuado. En el SI de unidades, la condición w4 = 1 puede
escribirse como;
fN2 = (107)/41Thlníb/a),
Para garantizar la reproducibilidad de las propiedades magnéticas en este tipo de ferritas, es necesario
tomar en cuenta que una variación de 10°C en las tempe.raturas de calcinación o sinterización puede dar lugar a
variaciones del orden del5% en ¡J.m' Ydel 10%en ¡..t¡ y en el
LPAF, respectivamente, y de hasta un 40% en el coeficiente de estabilidad térmica.
ANEXO
Medición automática de las curvas
y en el rango de frecuencias de trabajo de la ferrita, tan
8 < 0,1, por lo que el último factor puede despreciarse,
¡..t¡
versus T
La medición de estas curvas se puede llevar a cabo
fácilmente con el auxilio de un metro de impedancias, tal
como el metro BM-507, marca Tesla. Este instrumento
proporciona, al medir impedancias en el rango de 50 Hz. 500 kHz, el valor modular de Z y el ángulo de desfasaje qJ,
en dos escalas independientes, en forma automática, y
donde f es la frecuencia. Si h se expresa en mm, las frecuencias vendrán dadas directamente en kHz .
El sistema de medición utilizado para caracterizar
las muestras comprende, además:
- Autotransformador variable con salida máxima
de 6A, acoplado a un motor sincrónico con un sistema de
engranes, que permite regular la velocidad de calentamiento del horno. La velocidad utilizada fue del orden de
5 DC/min.
- registrador tipo xy, con escalas del orden de 1
mV/cm para el eje de las temperaturas, utilizando termopares de chromel-alumel.
- Horno vertical de cámara pequeña (~ 0,5 dm"),
que posee camisa interior metálica y portamuestras de
aluminio, para garantizar al máximo la homogeneidad
de la temperatura. Con este mismo fin, el horno posee
doble tapa; una interna de aluminio y otra, más extensa,
de material refractario. Las tapas están divididas a la
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mitad, con el fin de facilitar la manipulación de los alambres de conexión. La resistencia se escogió de forma que
permite alcanzar una alta temperatura con un pequeño
valor de la corriente, a fin de reducir al máximo la inducción en el enrollado del toroide.
Este sistema permite hacer mediciones desde temperaturas por debajo de O"C, enfriando previamente la
cámara con nitrógeno líquido.
REFERENCIAS
. camisa tubular metálica; ~. resistencia; 3. portamuestras
e aluminio; 4. termopar, 5. polvo de alúmina; 6. núcleo
toroidal.
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Rev. Cubo Fís. (en vías de publicación).
8. J. Igarashi y O. Kiyoshi, J. Amer. Ceram. Soco60 (1977) 1.
9, M. A. Strivens
(1970) 239.
y
G. Chol, Proc. Internat. Conf. Ferrites, Japan