软磁铁氧体烧结过程的质量问题现象及解决措施.doc
软磁铁氧体烧结过程中的质量问题及解决方法1、烧结条件对磁性能的影响烧成条件对铁氧体的磁性能有很大的影响，烧结温度、烧结气氛和冷却方式是烧结条件的三个主要方面。 （一）烧结温度对磁性能的影响一般来说，烧结温度较低时，晶粒大小不均匀，孔隙散布在晶界处和晶粒内，呈不规则的多面体形状，磁导率μ和剩余磁感应强度Br均较低，但矫顽力HCB较大。烧结温度适当时，晶粒趋于均匀，孔隙呈球形，烧结密度低，磁导率μ和剩余磁感应强度Br较大，矫顽力HCB降低。 烧结温度过高时，虽然晶粒长大，但由于内部孔隙迅速扩大，部分杂质发生部分熔化，使晶界变形，不但烧结密度低，而且磁导率μ和剩磁感应强度Br也会明显下降，力学性能极其弱小，没有实用价值。对于软磁铁氧体，在一定的烧结温度范围内，起始磁导率μ也随温度升高而增大（即Q值下降）。对于硬磁铁氧体，烧结温度越高，剩磁感应强度Br越高，矫顽力HCJ越低。对于对旋铁氧体；烧结温度越高，饱和磁化强度越高。生产中，要针对不同的材料有针对性地控制。（二）烧结气氛对磁性能的影响。 气氛条件对于铁氧体烧结非常重要，特别是含有Mn、Fe、Cu、Co等金属元素的铁氧体，其价态随烧结过程中氧分压和温度的变化而变化，甚至发生相变。过度的氧化和还原会导致其它相（Fe2O3、FeO、Fe3O4、Mn2O3等）的析出，从而导致磁性能的剧烈变化。
在升温阶段，由于单一的尖晶石相尚未形成，周围的气氛要求不严格，可以在空气、真空或氮气中升温；在保温过程中，由于气孔的消除，晶粒的长大与完善，以及单一结构铁氧体的形成，这些都需要对烧结气氛的控制。可以说，烧结气氛是影响磁性能的重要因素，烧结气氛与固相反应速率、产物、组织等都有直接的关系。因此，要生产出各种性能的铁氧体(如高磁导率、低损耗、高密度的各种软磁铁氧体，高电阻率的旋磁体)，就必须控制烧结气氛。当要求的烧结气氛为氧化性气氛(高氧分压气氛)时，可向炉(窑)内通入纯氧； 当烧结气氛为还原性气氛(低氧分压气氛)时，可向炉(窑)内通入氧气，或抽真空。抽真空时应注意真空度不要太高，真空度过高易使空气电离，引起硅碳棒间打火，烧毁硅碳棒。所以充氮气控制烧结气氛对于含Zn软磁铁氧体的烧结非常重要，因为Zn的挥发与烧结气氛有着密切的关系。1、Zn的解离与挥发含锌软磁铁氧体在高温热处理过程中，可能会解离挥发，Zn的挥发必然导致产品性能的下降，如μ的明显下降，而且Zn的挥发生成Fe2+，使电阻率降低。 游离的ZnO进一步分解为4(1-x)4+2/4+xZnO+x/6O2：ZnOZn（熔点：9070C）+1/2O2。任何使等式右边含量减少的变化，都会促使化学反应向右进行。因此，从理论上讲，动态气氛和静态气氛必然会影响Zn的挥发。
另外，若埋粉为氧化铝，会发现埋粉颜色由白色变为蓝绿色。Al2O3+Zn(g)+1/4(蓝绿色)当温度高于时，锌的蒸气压明显升高，挥发严重。2、影响锌的游离和挥发的因素主要有：(1)铁氧体成分中ZnO的含量。如果成分中ZnO含量降低或Fe2O3、MnO等成分含量增多，Zn挥发就难以进行，开始挥发的温度也会升高。(2)加热温度与时间。Zn的挥发随加热温度的升高和加热时间的延长而加剧。(3)周围气氛的影响。气氛的状态对含锌铁氧体表面Zn的挥发有很大的影响。 动态气氛中流动的气体不断将铁氧体表面挥发掉的Zn带出窑外，加剧了ZnO的分解，使制品表面产生内应力。因此制品的机械强度明显低于静态气氛烧结制品。如果体系中缺氧，Zn的挥发就容易进行。因此，随着氧分压的升高，抑制Zn挥发和防止氧化对Zn或Zn的氧化物来说是矛盾的。 （4）Al2O3粉能加剧制品表面Zn的挥发。这是因为Zn与Al2O3反应生成（蓝绿色）。由于Zn的大量挥发，使表面晶粒间的空隙扩大，产生许多网状孔洞。这种疏松的“骨架”进一步增加了磁芯的应力，从而大大降低了磁芯的机械强度。 （三）冷却条件对磁性能的影响 冷却速度和冷却气氛对磁性能也有很大的影响。
一般锰锌铁氧体冷却时要防止氧化，所以采用真空冷却或者氮气冷却。但镍锌铁氧体需要适当的氧化气氛，可以大大提高铁氧体的电阻率ρ，从而降低涡流损耗，提高产品的Q值。对于Ni00.4ZnO0.4铁氧体，在同样的烧结温度（1300℃）下，在氧气中烧结并在氧气中缓慢冷却比在空气中缓慢冷却，电阻率ρ降低400倍。详情见表5-5。可见，气氛的变化对Ni00.4ZnO0.4铁氧体的电阻率ρ影响较大。 表 5- 5 烧结温度、烧结气氛及冷却方式对 NiZn 铁氧体电阻率ρ的影响 烧结温度 烧结气氛 冷却方式 电阻率ρ（ohm.cm） 1300 氧气 氧气中缓慢冷却 5.4* 氧气 空气中快速冷却 1.3* 空气 空气中缓慢冷却 1.3* 空气 空气中快速冷却 1.1* 空气 空气中缓慢冷却 9.6* 105 冷却过程主要涉及两个方面：1、冷却过程会引起产品的氧化或者还原，产生沉淀等，对于价格容易变动的高磁导率锰锌铁氧体，冷却过程中控制氧气气氛尤为重要。2、合适的冷却速度有利于提高产品合格率。 如果冷却速度过快，窑温过高，制品会因热胀冷缩而产生冷（冷）裂，或产生较大的内应力，使制品性能变坏。烧结铁氧体制品的窑炉设计对提高产品档次和合格率十分重要。
国内早期烧制砖、瓦采用倒焰窑，由于温差大，不能连续生产，产品质量差，而被淘汰。后来发展为推车式隧道窑，由于温差大，能耗高，气氛控制困难，逐渐被淘汰。目前，隧道式辊道窑、推板窑和二者结合的推板窑已得到广泛应用，且大多采用电加热（硅碳棒）。烧结中、低档永磁铁氧体产品时，也有采用煤推板窑以降低成本的。烧结高导磁软磁铁氧体时，采用可控气氛的钟罩式电炉最为理想。对不同类型的产品，应采用合适的窑炉、合理的窑温曲线和相应的气氛控制。 2.其它质量问题 烧结过程中，除了电磁性能出现问题外，还会出现开裂、变形、尺寸超差等质量问题。 （一）开裂 开裂。即制品表面出现裂纹或裂痕。烧结过程中的开裂可分为两大类，即温度开裂[见图5-9(a)(b)]和瀑布开裂[见图5-9(c)(d)]5-9几种常见的产品开裂类型 1.温度开裂 在升温阶段，由于干燥速度快，毛坯内的水分及黏合剂迅速蒸发，造成干燥开裂。另外，在黏合剂蒸发后。升温过快，造成毛坯收缩不均匀，也会导致开裂。这两类温度开裂的断面都不平整，这是因为开裂时毛坯尚未完全铁素体化。
2、冷却时产生裂纹在冷却过程中，由于冷却速度过快或炉温过高，可能会产生裂纹。裂纹一般较细而直，裂纹断面也比较整齐。也有的裂纹遍布于制品表面，称为龟裂。对于锰锌铁氧体来说，龟裂的产生原因多是由于锰锌铁氧体氧化严重（实际应用中，胶粘剂的挥发也会导致制品产生裂纹）。有时，制品表面的这种“龟纹”很细，在磨削前很难看到。可通过敲击时发出的声音来识别。有裂纹时，敲击时发出沉闷的声音，无裂纹时，发出类似金属的清脆声音。 3、避免产品开裂的方法（1）严格按照产品烧结工艺，不得擅自改变烧结工艺，特别是升温速度、装料时间、装料高度等。（2）对于大尺寸产品，入窑前应充分干燥，500℃以后降温速度不宜过快，实验室烧成的大尺寸产品出窑时，要用石棉布、耐火材料托盘包好，让产品慢慢冷却到室温。（3）锰锌铁氧体产品烧结时，如果采用真空淬火法，应注意按工艺要求保证槽内真空度。产品在高温区停留时间过长是不可避免的，当高温区碳棒断裂，不能维持烧结温度时，应立即更换碳棒，否则高温区产品会因氧化而报废。 （二）变形 薄壁环形、管状、锅状铁心、长条（棒状）天线及E（U）形磁心经常发生变形。克服变形的关键在于成型时制品密度的均匀性和制品装料工艺。装箱E（U）形磁心时，可将毛坯的腿向上放置，以减少变形。也可将毛坯压成“日”字形或“口”字形，烧结后再切成U形磁心。这样可有效防止该类型磁心的变形。
（三）尺寸公差尺寸公差是指产品烧结后（磨面除外）的尺寸超出了产品规定的尺寸公差范围。从工艺规定上看，产品电磁性能要求的最佳烧结温度应与产品合格尺寸要求的烧结温度一致。但在实际生产中，由于各种原因，二者有时并不一致，有时产品尺寸需要在公差的上限或下限进行烧成，才能满足性能要求，这时就容易造成尺寸公差等质量问题。除以上原因外，造成尺寸公差的原因还有：1、烧结温度不合适2、毛坯粉末预烧结温度过高或过低，成型毛坯重量一致性差；3、成型模具长时间使用后，模具部分部件磨损，造成产品个别尺寸公差。 此外，系统研究烧结过程中的相变对产品质量控制十分重要。对于石榴石和一些六角铁氧体，它们的形成反应中会先生成一些中间产物。例如，对Fe2O3、BaCO3和Co3O4的分析发现，它们要经过S、F、M、Y四个中间产物，才能最终生成“Z”相，而且Z相的相范围相对较窄。研究烧结过程中的相变对于烧结制度的确定无疑具有指导意义。