carbonio di ferrite

Quando ne parlanocarbonio di ferrite, molti pensano subito alle classiche ferriti di stronzio o di bario, ma il carbonio è tutta un'altra storia. Spesso nelle conversazioni in produzione si sente dire che il carbonio è per gli acciai, ma nelle ferriti è un'impurità che viene rimossa. Ma in pratica tutto è più complicato. Io stesso l'ho pensato a lungo finché non mi sono imbattuto in un lotto di materiale di un fornitore, in cui le fasi contenenti carbonio hanno dato un effetto inaspettato sulla stabilità termica: non l'hanno migliorata, ma l'hanno peggiorata in un certo intervallo. Questo mi ha costretto a scavare più a fondo.

Cosa succede realmente al carbonio nella carica

Nella tecnologia classica per la produzione di ferriti, soprattutto quelle dure, il carbonio spesso entra nella carica attraverso le materie prime: ossidi di ferro, carbonati. Tentano di bruciarlo nella fase pre-calcinazione. Ma bruciarlo completamente è l'ideale. In realtà, soprattutto con forni di grandi dimensioni, ci sono sempre zone locali in cui il carbonio viene immagazzinato sotto forma di grafite o addirittura forma carburi di ferro durante il processo di sinterizzazione. Non è sempre un disastro. In alcune marche di ferriti per applicazioni a bassa frequenza, un piccolo contenuto di carbonio residuo, convenzionalmente fino allo 0,2%, può anche appianare un po' il ciclo di isteresi, rendendolo un po' più rettangolare - ma questa è una linea molto sottile, incrociata - e la forza coercitiva si insinua in modo incontrollabile.

Ricordo in uno dei vecchi impianti di produzione associaticarbonio di ferriteimpianti, si è verificato un problema con un lotto di anelli per trasformatori di impulsi. La permeabilità magnetica variava da lotto a lotto. Cominciarono a esaminarlo: la colpa non era della composizione principale, ma del metodo di preparazione dell'ossido di ferro. È stata utilizzata polvere di ferro ridotta, che è stata poi ossidata. E a seconda della modalità di ossidazione, le catene di carbonio del processo carbonilico originale sono rimaste nella struttura. Furono loro a creare ulteriori centri per riparare le mura del dominio. La soluzione non è stata trovata nella combustione ideale, ma nell'introduzione controllata di calcite nella carica, che durante il processo ha legato questo carbonio in una fase stabile nella fase di sinterizzazione. Ma questo ha aggiunto una fase al controllo.

Un altro punto è che il carbonio può migrare. Se la ferrite sinterizzata viene poi sottoposta a lavorazione meccanica - taglio, molatura - il surriscaldamento locale del bordo può portare alla diffusione del carbonio dall'atmosfera circostante (olio, CO2) nello strato superficiale. Questo crea uno strato sottile e fragile, che poi sviluppa microfessure durante il ciclo termico. Ciò è stato osservato su prodotti che funzionavano con alimentatori con grandi differenze di temperatura. Ho dovuto cambiare il liquido refrigerante durante la rettifica e introdurre la ricottura a bassa temperatura dopo la lavorazione.

Casi pratici ed esperimenti falliti

Circa dieci anni fa abbiamo fatto un esperimento: un tentativo di creare ferrite con una migliore lavorabilità per forme complesse. L'idea era quella di introdurre deliberatamente carbonio fine sotto forma di fuliggine nella polvere della pressa prima dello stampaggio. Hanno pensato così: durante la sinterizzazione, il carbonio brucerà, lasciando dei micropori che ridurranno la fragilità e faciliteranno la successiva rifinitura con un utensile diamantato. La teoria ha funzionato in parte, ma la fattibilità è effettivamente migliorata. Ma le proprietà magnetiche, in particolare l'induzione di saturazione e le perdite per correnti parassite, sono diminuite notevolmente. I pori si comportavano come interruzioni in un circuito magnetico. Per i prodotti non responsabili potrebbe funzionare, ma per gli elementi di potenza sarebbe un completo fallimento. Ho dovuto rifiutare.

Ed ecco l’esempio opposto, in cui il carbonio ha svolto un ruolo positivo, ma in un ruolo diverso. Stiamo parlando delle ferriti per sensori. Lì hai bisogno della stabilità del punto Curie. Ci siamo trovati di fronte al fatto che quando si utilizzano materie prime secondarie (riciclaggio dei rifiuti), il materiale conteneva inevitabilmente tracce di legami organici, cioè lo stesso carbonio. Dopo aver ottimizzato il ciclo di sinterizzazione - un'esposizione più lunga a una temperatura intermedia - questi residui non si sono semplicemente bruciati, ma sono riusciti a ripristinare parte del ferro ferrico in ferro bivalente, il che è insignificante, ma ha spostato il punto di Curie in una regione a temperatura più elevata e ha reso la transizione più brusca. Ciò è stato utile per i sensori di temperatura. Ma ripetere questo effetto stabilmente in condizioni di produzione è un’altra sfida. Dipende da troppi fattori: granulometria, atmosfera nel forno, velocità di riscaldamento.

Qui vale la pena menzionare l'esperienza dei principali attori che lavorano da molto tempo con materiali magnetici su scala industriale. Ad esempio,Società LONGI(sito ufficiale -https://www.ljmagnet.ru), che dal 1993 sviluppa e produce attrezzature minerarie, tra cui, ovviamente, separatori magnetici. I loro ingegneri devono aver riscontrato il problema dell'influenza del carbonio sulle proprietà magnetiche delle ferriti nel contesto dell'usura e della stabilità degli elementi di separazione. Nel contesto della loro produzione a Fushun, con una superficie di 140.000 m2 e la produzione di circa 4.000 unità di apparecchiature all'anno, i problemi di riproducibilità e durata dei sistemi magnetici sono acuti. Penso che il loro approccio pratico ai materiali, quando è in gioco l’affidabilità di un’unità industriale, sia molto diverso dalla ricerca di laboratorio. Molto probabilmente seguono il percorso della massima purificazione della carica dal carbonio e l'uso di tecnologie di sinterizzazione collaudate e conservatrici per garantire per anni la stabilità del campo magnetico dei separatori. Questa è una scala diversa e una diversa filosofia di lavorare con il materiale.

Impatto sul processo e sul controllo qualità

Che aspetto ha in officina? Il principale punto di controllo è, ovviamente, la calcinazione. Ma anche qui non tutto è semplice. Se si esagera con la temperatura o con il tempo di permanenza durante la calcinazione degli ossidi, si può ottenere una struttura a grana troppo grossolana, che non può essere corretta successivamente. Il carbonio, se rimane, si comporta in modo particolarmente insidioso in una tale struttura: durante la successiva sinterizzazione può causare una ri-riduzione locale e la formazione di ferro metallico. E questo è già un matrimonio, e non sempre visibile agli occhi. Viene rilevato solo quando si misurano le perdite o dopo un funzionamento a lungo termine ad alta frequenza: il prodotto si surriscalda.

Pertanto, è stato introdotto un controllo aggiuntivo: non solo un'analisi chimica del carbonio totale (che richiede molto tempo), ma un test rapido per la resistività della polvere pressata dopo la calcinazione. Un metodo indiretto, ma funziona. Se la resistenza è inferiore al previsto, è possibile che siano presenti carbonio residuo o forme di ferro a bassa valenza. Il lotto viene inviato per un'ulteriore ricottura.

Un'altra sfumatura pratica è lo stampo. Per formare prodotti complessi, come nuclei a forma di U, vengono utilizzati leganti organici. Anche questo, infatti, è carbonio. La loro quantità e tipologia (alcol polivinilico, paraffina) sono fondamentali. Troppo poco e la parte si sfalderà durante il trasporto per la sinterizzazione. Troppo: una volta bruciato, rimarranno pori dilatati e deformazioni. L'abbiamo selezionato sperimentalmente e per ogni dimensione standard del prodotto esisteva una ricetta diversa. Non esiste una soluzione universale. Te lo ricordi solo dopo diversi lotti infruttuosi e reclami da parte dei collezionisti.

Specifiche per i diversi tipi di ferriti

Nelle ferriti manganese-zinco (Mn-Zn), utilizzate per nuclei altamente permeabili, l'atteggiamento nei confronti del carbonio è il più severo. Lì anche le tracce possono aumentare le perdite residue. Tutta la tecnologia è progettata per rimuoverlo. La sinterizzazione in atmosfera contenente ossigeno viene spesso utilizzata nella fase finale proprio per ossidare eventuali composti di carbonio residui.

Con le ferriti al nichel-zinco (Ni-Zn) per applicazioni RF la storia è leggermente diversa. Inizialmente c'è una resistività più elevata e l'effetto del carbonio sulla conduttività elettrica non è così fatale. Ma può influenzare la cinetica della formazione della fase durante la sinterizzazione della reazione. Ci sono stati casi in cui l'aggiunta deliberata di una piccola quantità di carbonato ad una carica di ferrite Ni-Zn per assorbitori a microonde ha consentito un migliore controllo della dimensione dei grani: il carbonio ha temporaneamente inibito la diffusione dei cationi ad un certo stadio. Ma questo, ancora una volta, è il know-how di una produzione specifica, che non viene pubblicizzata.

Per le ferriti di bario e stronzio (magneti duri), il carbonio è principalmente il nemico. Riduce la forza coercitiva. Ma c'è un punto interessante nella produzione di magneti anisotropi mediante pressatura a secco in un campo magnetico. Gli additivi contenenti carbonio (stearati) vengono utilizzati per migliorare la scorrevolezza della polvere e l'orientamento delle particelle. L'obiettivo è che si decompongano completamente e se ne vadano prima che i grani della fase principale inizino a crescere. Se il regime di temperatura viene disturbato, il carbonio degli stearati penetra nei confini dei grani e peggiora drasticamente le proprietà magnetiche del magnete finito. Monitorato mediante termogravimetria durante lo sviluppo del regime.

Pensieri ad alta voce e conclusioni non ovvie

Quindi, tornando acarbonio di ferrite. Non è solo una "miscela". Si tratta di un parametro tecnologico che può essere sia un fattore destabilizzante che, in un quadro molto ristretto, uno strumento per influenzare determinate proprietà. Tutto dipende da cosa produci, da quali attrezzature e per quali condizioni operative. La purezza assoluta non può essere raggiunta su scala industriale e non è sempre necessaria. La cosa principale è capire dove può apparire (materie prime, leganti, atmosfera), come si comporterà in un profilo di temperatura specifico e come stabilizzare questo processo da lotto a lotto.

Spesso i problemi con la riproducibilità delle proprietà non si basano sulla composizione principale, ma su tali "piccole cose" - il contenuto e la forma del carbonio che galleggia a causa di un cambiamento nel fornitore di ossido o a causa dell'usura del rivestimento del forno, cambiando l'atmosfera. Pertanto, nelle mappe dei processi tecnologici per i prodotti critici, ora scriviamo in una riga separata non solo il “contenuto di Fe2O3”, ma anche il “contenuto massimo di C dopo la calcinazione” e persino il “tipo di legante consigliato per la pressatura”. Ciò riduce i rischi.

Di conseguenza, lavorare con le ferriti è sempre un compromesso tra caratteristiche magnetiche, producibilità, costo e stabilità. Il carbonio è uno degli attori in questo campo. Non può essere ignorato, ma nemmeno demonizzato. Basta conoscerne le abitudini nella vostra specifica catena tecnologica. Come molte cose nella scienza dei materiali, ci sono più dati empirici ed esperienza accumulata che pura teoria tratta dai libri di testo. E questa esperienza, compresi gli esperimenti falliti, è ciò che distingue un professionista da un teorico.