Električna izolacija amorfnih Fe-Ni prahov Electrical Insulation of Amorphous Fe-Ni Povvders
Brecelj F.1, K. Zupan, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Ljubljana
Raziskovali smo možnosti medsebojne električne izolacije prašnih zrnc amorfnih in mikrokristaliničnih zlitin 80NiFe in Fe40Ni40Si14B6. Površino zrnc smo oksidirali v alkalni raztopini KMn04 in fosfatirali s H3P04. Najvišje prebojne napetosti so bile dosežene pri površinski oksidaciji zlitine 80NiFe m so primerljive s temi napetostmi pri izoliranem karbonilnem železu. Občutno nižje prebojne napetosti so bile karakteristične za zlitino Fe40Ni40Si14B6.
Ključne besede: kovinska stekla, izolacijska trdnost, magneto-dielektriki
The capabilities of establishing mutual electrical insulation between fine particles of amorphous Fe40Ni40Si14B6 and of microcristaline 80NiFe alloys vvere investigated. Their surface vvas oxidated in alkaline solution of KMn04 and phosphatated by H3P04. The highest breakdovvn voltages vvere achieved at 80NiFe alloy oxidation. They are comparable to breakdovvn voltages at isolated carbonyl povvders. For the Fe l0Ni40Si14Bt alloy substantially lovver breakdovvn voltages vvere significant.
Key vvords: metallic glasses, insulation breakdovvn, magnetodielectrics
1. Uvod
Električna izolacija mehkomagnetnih prahov je zanimiva za izdelavo magnetodielektrikov. Magnetodielektriki so zaradi visoke električne upornosti podobno kot feriti visokofrekvenčni magnetni materiali. V svoji osnovi so to skupki, sestavljeni iz bolj ali manj drobnih, mehkomagnetnih kovinskih zrn potopljenih v matrici iz dielektrične snovi. Njihove magnetne lastnosti so odvisne predvsem od lastnosti materiala kovinskih zrn, od njihove velikosti, oblike in medsebojne lege v matrici. Najmanjše faktorje magnetnih izgub imajo magnetodielektriki izdelani iz neprežarjenega karbonilnega železa. Ta lastnost je posledica strukture dielektrika. saj trdih okroglih zrnc karbonilnega železa ne moremo stisniti v gmoto z veliko gostoto, ki bi imela majhno efektivno magnetno režo, verjetno pa tudi zaradi mikrostrukture karbonilnega železa, ki otežuje tvorbo magnetnih domen v zrnih. Neposrednih podatkov o tej lastnosti karbonilnega železa nismo zasledili.
V novejšem času je zelo napredovala tehnologija izdelave RST zlitin z amorfno, nano in mikro kristaliničnimi strukturami po postopkih hitrega ohlajanja talin. Magnetne lastnosti teh zlitin so dobro karakterizirane. Njihova glavna sestavina je lahko železo, železo-nikelj ali kobalt in po tem kriteriju jih delimo v tri osnovne skupine, vsaka od njih ima svoje značilnosti. Železove zlitine imajo od vseh npr. največjo gostoto magnet-
1 Franc Brecetj. dipl. inž. kem. tchn. Inštitut za elektroniko in \ akuumsko tehniko
Teslova 30,6I(XX> Ljubljana
nega pretoka v nasičenju, nikelj-železove manjšo koercitivnost in magnetostrikcijo od železovih, kobaltove največjo perme-abilnost in najmanjše energijske izgube v VF polju, vendar sorazmerno nizko gostoto magnetnega pretoka v nasičenju in najvišjo ceno. Vsem je skupno, da imajo v primerjavi s kristaliničnimi zlitinami majhne izgube, zato obstoji možnost njihove uporabe v magnetodielektrikih namenjenih za delovanje v VF poljih večjih moči. Pri izdelavi teh zlitin z vodno ali plinsko atomizacijo lahko dobimo z uporabo ustreznih tehnoloških parametrov že pri sintezi prah z želeno granu-lacijo'", trakove pa moramo zmleti, kar ni prezahteven postopek, saj so te zlitine krhke.
Tehnološki postopek izdelave magnetodielektrikov zahteva sorazmerno visoke tlake stiskanja zmesi prahov in organskega veziva (nad 0,3 GPa). Ker je vezivo v tej fazi izdelave še tekoče, ne more preprečiti neposrednega stika med kovinskimi zrni ampak le zapolni vrzeli med njimi in moramo medsebojno izolacijo zagotoviti že v predhodnem postopku, s sintezo dovolj trdne izolacijske plasti okrog vsakega zrna. Znani so postopki izolacije trakov iz amorfnih zlitin pri izdelavi magnetnih jeder'2', vendar noben od teh postopkov za izolacijo prahov ni primeren, ker z dodajanjem dielektričnih substanc ne moremo zagotoviti enakomerne izolacije vsakega zrna posebej. Perspektivnejši so postopki, pri katerih se izolacijska plast tvori s kemijsko reakcijo med materialom zrna in dodanim reagentom. Seveda pa mora biti reakcija tako vodena, da se porabi le manjši del kovine in temperatura pri kateri reakcija poteka, mora biti dovolj nizka, da še ne pride do kristalizacije v amorfni zlitini.
2. Opis uporabl jenih amorfnih prahov
Za izdelavo poskusnih magnetodielektrikov smo si izbrali prah Supermallova s sestavo SONiFe izdelan po postopku vodne atomizacije in zlitino Fe4(1Ni4nSi l4B6. ki je bila v obliki folije. Obe zlitini sta bili izdelani na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani. Folijo smo zmleli v prah v tresilnem mlinu firme Retsch. s tridimenzionalnim gibanjem jeklenih kroglic. Podobno granulacijo kot jo je imel Supermalloy. to je <45 pm smo dosegli z dvofaznim mletjem. Do granulacije okrog 100 pm smo mleli suho, potem pa v amilacetatu.
3.	Postopki izolacije prahov
Preizkusili smo dva načina izolacije, fosfatiranje in oksi-dacijo.
Pri poskusih fosfatiranja smo posnemali postopek, ki ga za svoje prahove iz karbonilnega železa priporoča tovarna BASF"1. Fosfatirali smo s 85% 11 PO,, razredčeno v acetonu. Količina je bila preračunana na ut.'/J čiste (1007r) kisline. Oksidirali smo s KMnOj v alkalnem mediju. Dodajali smo 3 ut.% NaOH in 1% KMn04. oba razredčena v vodi.
Zlitine Fe40Ni40Si14B6 po omenjenih postopkih nismo uspeli zadostno izolirati. Opazili pa smo. da po dodatku raztopine NaOH poteka neka kemijska reakcija, katere produkt je plin. ki se izloča iz zmesi. Reakcije še nismo podrobneje raziskali, predvideli pa smo možnost, da reagira amorfni Si v zlitini in posledica je izločanje vodika. Zato smo poskusili, če poteka reakcija tudi v nasičeni raztopini Ca(OH),, saj bi na ta način lahko dosegli tvorbo kalcijevih silikatov na površini zlitine. Reakcija v te j raztopini res poteka, vendar je oksidacija šibkejša kot v NaOH, zato nastane pretanka izolacijska plast oksida. Pač pa se nekoliko izboljša izolacijska trdnost fosfatiranega prahu, če ga obdelamo naknadno še v nasičeni raztopini CaO.
4.	Metoda merjenja izolacijskih lastnosti prahov
Kvaliteto izolacije smo merili na napravi, ki je shematsko prikazana na sliki 1.
Figure t: Shematic illustration of powdcr resistanee measurement
Prah je bil med meritvijo stiskan s silo 20N. Generator za napetosti do 300 V je bil usmernik, nad to napetostjo pa kontrol-nik izolacije NL 036 0-4000V izdelan v ISKRI. Kontrolnik generira izmenično napetost, pri preboju skozi izolator se avtomatsko izklopi. Omejilni upor R je bil nujen predvsem pri meritvah z usmernikom.
5. Rezultati
Rezultati meritev tokovno napetostnih karakteristik izolirane zlitine Fe4„Ni4(lSi14B„ vidimo na sliki 2.
Slika 2: Tokovno-napetostne karakteristike aprašene zlitine Fe4l|NiillSi14B„
•	fosfatirane
oksidirane s KMnO, v NaOH A fosfatirane in dodatno obdelane v nasičeni ra/topini Ca(OH); Figure 2: Current - voltage characteristics of powdered Fe^Ni^SiiA
•	phosphatated
O o\idized by KMnOj in NaOH A phosphatated and supplementary treated in saturated CalOH), solution
U[V j
Slika 3: Tokovno-napetostna karakteristika uprašene zlitine Super-mailov SONiFe
•	fosfatirane
C oksidirane s kMnOj v NaOH Figure 3: Current-voltage characteristic of powdered Supermalloy SONiFe alloy
•	phosphatated
C oxidized by KMn04 in NaOH
Pri izolaciji s fosfatiranjem in oksidaciji s KMn04 smo višanje napetosti morali prekiniti, ker seje prah že tako grel, da se je zmehčala stena plastičnega ohišja, v katerem je bil prah stisnjen. Z dodatno obdelavo fosfatiranega prahu v Ca(OH), raztopini (12 ur. da so se nehali pojavljati mehurčki plina v usedlini), pa se je U-I karakteristika popolnoma spremenila. Tok je z napetostjo naraščal zelo počasi in je pri 140 V dosegel šele 0,014mA. Ko je bil na tej napetosti ca lmin. pa je nenadoma prišlo do preboja (črtkana črta na diagramu), tok je v trenutku narastel na 50 mA in gaje omejeval le še predupor v merilnem vezju.
Precej boljšo izolacijo smo dosegli s prahom Supermallova 80NiFe. Rezultate vidimo na sliki 3.
Pri fosfatiranem prahu je tok z naraščanjem napetosti linearno naraščal do 300 V. ko je prišlo do nenadnega preboja, ko se prah praktično še ni nič segrel. Pri oksidiranem prahu je tok z napetostjo naraščal do napetosti 500 V počasi, potem pa vse hitreje in prah se je pričel greti. Pri 1000 V je prišlo do preboja.
Preboj je povzročil trajne posledice in prah je ostal prevoden tudi po ohladitvi in pri nizkih napetostih.
6.	Zaključki
Prahove amorfnih zlitin na osnovi Fe-Ni lahko uspešno izoliramo tako po fosfatirnem postopku kot z izolacijo s KMn04 v NaOH. Boljše rezultate smo dobili z oksidacijo.
Dodatki Si in B v teh zlitinah bistveno zmanjšajo napetostno trdnost izolacijskih plasti. Razlaga tega pojava in njegova morebitna odprava, je cilj nadaljnih raziskav na tem področju.
7.	Literatura
' B. Šuštaršič, M. Torkar: Izdelava prahov hitroreznih jekel z vodno atomizacijo Vakuumist 23-24, 1991, 2-3
C. H. Smith, B. N. Turman, H. C. Harjes: Insulations formetallic glass-es in pulse power systems, IEEE trans, on electron dev.. 38, 1991, 4, 750-757
Carbonyl Iron Povvder Specialties for Electronics p.L5. BASF AG Marketing Grundchemikalien, D-6700 Ludvvigshafen