鐵氧體制粉

2015-11-06 15:29:00
PETER
原創
1030

高磁導率材料</span>一直是國內外軟磁材料研究的重點,它有著廣闊的市場應用前景,因而,高磁導率材料的研發正方興未艾。<br /><br />回顧高磁導率Mn-Zn鐵氧體研究歷史,早在上世紀四五十年代,國外就已確定了錳鋅鐵氧體的基本配方(Fe2O3MnOZnO)的摩爾比為:51.5-52.525.0-27.021.5-23。六七十年代國外對錳鋅鐵氧體制備工藝、相組成及顯微結構進行了研究。八九十年代對三元系材料性能與成分的關系及添加物影響進行了系統研究。八十年代則已出現了溶膠-凝膠的濕法制粉工藝,由于原料性能均勻,粒度分布窄,團聚性小,從而明顯減少材料的渦流損耗和磁滯損耗。這一階段的材料居里溫度也以從40℃提高到130℃以上,但溫度穩定性還較差。而今,高磁導率Mn-Zn鐵氧體材料基礎理論已經相當成熟了,提高磁導率一般從配方和工藝上著手,進一步改進其工藝和調整配方進行摻雜。<br /><br />我國高磁導率Mn-Zn鐵氧體材料的研發起步相對較晚,五十年代才有專業的鐵氧體生產工廠;七八十年代,隨著家電的普及及需求量巨增,國內開始引進國外先進工藝設備和技術著手開展Mn-Zn鐵氧體材料的研究,從而使生產規模和產品質量有了較大幅度的提高;九十年代起,國內基本上能制造大部分鐵氧體生產設備,進而大大促進了我國Mn-Zn鐵氧體材料產業的發展和產品性能的提高。<br /><br />軟磁鐵氧體材料品種繁多,用途不一,不同的材料有各自配方和工藝特點,從成分上看,高磁導率材料是屬于Mn-Zn鐵氧體,國內外多數廠家多采用氧化物法生產。從微觀上看,要求高磁導率材料的燒結體晶粒大,尺寸均勻,晶界直而且晶界上無氣孔,這就決定高磁導率材料的工藝有自身的特色。以下簡要歸納一下國內外高磁導率Mn-Zn鐵氧體材料的主要關鍵工藝:<br /><br />1.<span style="color:#ff0000;">原材料</span>:原材料的純度、雜質和活性對鐵氧體材料的性能有很大影響。在相同的工藝條件下,原材料純度的提高意味著磁導率的提高。純度高、雜質少、粒度細和活性高的材料對防止Mn-Zn鐵氧體材料燒結過程中形成巨晶是非常重要的,因為巨晶會影響鐵氧體的 微結構,阻礙固相反應,形成非磁性相,形成內應力和退磁場,使材料矯頑力增大,功耗大,磁導率下降。<br /><br />2.<span style="color:#ff0000;">配方</span>:配方是生產高磁導率Mn-Zn鐵氧體材 料的關鍵。通常在配方中提高Zn的比例可獲得磁導率高的產品,目前高磁導率材料的配方(摩爾比)一般都確定為Fe2O3:MnO:ZnO= (51.5-52.5):(25.0-27.0):(21.5-23)。實際生產中必須嚴格控制成分偏移,成分的微小偏移都可能對Mn-Zn鐵氧體材 料性能產生很大影響。要得到磁導率高的材料需注意以下幾方面:首先必須設法使磁晶各向異性常數 K1和飽和磁致伸縮系數λs趨于零,飽和磁化強度Ms盡可能大,盡可能降低材料的內外應力,形成精確而均勻的微結構。此外,在燒結過程中必須盡量避免Zn 的揮發,可采用過量的Fe2O3ZnO,使磁晶各向異性常數K1和飽和磁致伸縮系數λ s下降直至零。另外還必須考慮居里溫度,因為過多的Zn也會降低居里溫度,反而使材料失去實際使用的價值。在一定工藝條件下,最佳配方可用正交實驗確定, 投料時必須嚴格防止配方偏移。<br /><br />3.<span style="color:#ff0000;">制粉</span>制粉Mn-Zn鐵氧體生產中一個相當重要的工序,它分干法和濕法兩種:干法是將氧化物原料直接球磨混合,經成型和高溫燒結制成鐵氧體, 該方法工藝簡單配方準確,但燒結活性和混合均勻性受到限制,從而制約了其材料性能的完善。濕法有化學共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、超臨界法及微乳液法 等,一般常用濕法采用化學共沉淀法,其以碳酸鹽作沉淀劑,將組分金屬從混合鹽溶液中同時沉淀分離出來,經烘干、焙燒制成燒結活性和成分都比較均勻的鐵氧體粉末,再經成型和燒結制成Mn-Zn鐵氧體,但其工藝路線較前者復雜,且因工藝條件較敏感,穩定性相對較差。<br /><br />4.<span style="color:#ff0000;">摻雜</span>:摻雜是改善和提高鐵氧體材 料性能的有效措施,同樣也適用于高磁導率材料。上世紀七十年代日本TDK公司就在高磁導率材料中有意摻入了少量Bi2O3CaO,以改善材料的高頻性 能, 100kHz以下磁導率保持在7000左右。此外,日本東北金屬公司以SO3CaO為摻雜物生產的高磁導率材料在磁導率明顯提高的同時還能改善材料的 比損耗系數。日本富士公司用摻入MoO 3的方法改進鐵氧體材 料燒結工藝,可使材料的磁導率明顯提高。<br /><br />5.<span style="color:#ff0000;">壓制</span>:粉體的壓制就是把粉料制成毛坯,因生坯密度大小和均勻性及氣孔率 都對材料的磁導率有很大影響。尤其是對高磁導率材料的磁芯而言,壓制低氣孔率的毛坯是獲得高磁導率產品的先決條件之一,增加成型的壓強可有效降低毛坯的氣 孔率。因此,壓制是粉體制成毛坯的一個重要工序,大工業生產多數采用干壓成型技術。雖然該技術效率較高,但毛坯內部密度不太均勻,而且加大壓力對提高生坯 密度效果不明顯,過大壓力會導致生坯層斷裂等情況,為彌補干壓制成型工藝的缺陷,有時也采用等靜壓方式壓制粉體,這樣可得到密度高、氣孔率低、內部密度均勻的毛坯,以此提高鐵氧體材料的性能。<br /><br />6.<span style="color:#ff0000;">燒結</span>鐵氧體材料的燒結過程是一個物理和化學變化的結合過程,它對磁芯幾何尺寸和電磁性能起著決定性作用。對高磁導率材料來說,要得到密度高、氣孔率低、晶界直、晶粒大而均勻的鐵氧體磁芯,就必須在燒結時嚴格控制燒結溫度、燒結時間和燒結氣氛,同時要控制Mn離子和Zn離子的變價、防止出現Zn的高溫揮發配方偏移,又要保證鐵氧體固相反應完全和抑制巨晶形成。所以,燒結工藝和設備也是鐵氧體工序中至關重要的因素。國外起始磁導率在10000以下的材料一般在N2窯中燒結,而起始磁導率大于10000以上材料則在鐘罩爐內燒結。美國使用鐘罩爐工業生產鐵氧體材料的磁導率μi可達15000-18000,而國內高磁導率產品一般都在N2窯中燒結,磁導率很難突破10000。由此可見,國內與國外在高磁導率鐵氧體材料生產工藝技術上的存在著很大的差距

 

 

合成溫度對軟磁鐵氧體品質因素及初始磁導率的影響

 

隨著現代電子信息產業的迅猛發展,各種家用電器、辦公設備、通信 器材、醫療設備等向多功能和微型化的方向發展,從而對表面貼裝的電子元器件提出了全新的要求。研制高品質因素軟磁鐵氧體材料采取全濕法的制粉工藝方法,這 種工藝的特點具有工藝衛生保證,材料性能一致性好、性能高等。在整個生產過程中預燒和燒結是關鍵工序點,其合成工藝對材料的電磁性能及產品性能影響最大。 本文從選擇不同的合成工藝的角度去提高軟磁鐵氧體材料的品質因素和初始磁導率。
2實驗方法
2.1實驗方案
2.1.1采用Fe2O3ZnONiO及一些摻雜料等原材料,按一定的配比制成主燒塊,選擇不同的預燒溫度用實驗爐進行實驗,并制作成T25×15×7磁環(φ0.4×10Ts),其方案如表1
2.1.2采用2.1.1所制成的主燒塊及一些摻雜料等原材料,按照一定的比例進行二次配料制作成軟磁鐵氧體磁漿,選擇不同的燒結溫度用實驗爐進行實驗,并制作成T25×15×7磁環(φ0.4×10Ts),其燒成曲線如表2
2.2實驗工藝流程
按相同的配比配料和不同的溫度進行合成,按以下的工藝流程制作磁粉及磁芯并進行電磁性能檢測:
配料球磨干燥打粉按不同的溫度進行預燒,合成主燒塊進行電磁性能檢測二次配料二次球磨干燥打粉造粒成型DR切割按不同的溫度曲線進行燒結進行電磁性能檢測。
2.3樣品要求及檢測
2.3.1樣品應符合表3要求
2.3.2樣品檢測
2.3.2.1HP4284AHP4192A電橋檢測樣品的品質因素;
2.3.2.2給樣品均勻繞上10匝線徑為Φ0.4的漆包線,用計量合格的電橋測定電感量,測量頻率為1kHz,測量電壓為0.05V,按 (1) 式計算出初始磁導率。
 (1)
式中:μi:初始磁導率
 L:樣品的電感量(μH)
 N:繞線匝數
 H:樣品高度(mm)
 D1:樣品的外徑 (mm)
 D2:樣品的內徑(mm)
2.3.2.3把樣品放恒溫槽,以1/分以下的速度升溫,每隔10記錄電感L值一次,同時計算初始磁導率(μi),將算出的磁導率(μi)與溫度關系 作成如圖1所示曲線,在曲線下降部分求出最大值的80%的點與20%的點。連接這兩點并延長至μi=1的直線,它們的交點就是居里溫度(Tc)
3結果與分析
3.1不同的預燒溫度對品質因素、初始磁導率的影響
按相同配方配制的主燒塊分別在四個不同的預燒溫度下合成,合成后制作成軟磁鐵氧體磁心,對其磁心性能進行檢測,檢測結果見表4所示:
由表4可見,預燒溫度設計在(890970/2hr內,軟磁鐵氧體材料的性能及收縮均正常,無太大的影響;當設計在1000/2hr時,磁心的收 縮率小于1.145,并且晶粒較大,磁心的強度差,μi值略升,但Q值有下降趨勢,證明此參數點已飽和;當預燒溫度設計在850/2hr時,磁心的收縮 偏大,并且Q值下降,此參數點也過于飽和,不合適。綜合分析,最佳預燒溫度范圍在930±40
3.2不同的燒結溫度對品質因素、初始磁導率的影響
按相同的配比將主燒塊和摻雜料進行混合,分別在四個不同的燒結溫度下合成,合成后制作成軟磁鐵氧體磁心,對其磁心性能進行檢測,檢測結果見表5所示:
由表5可見,燒成溫度設計在(10801130)/3hr范圍內時,材料的性能及收縮均正常,無太大影響;當設計在1160/3hr時,磁心的結晶 過大,外觀過亮,其強度下降,收縮率偏大,此參數點為飽和控制點;當燒成溫度設計在1065/3hr時,磁心則收縮率偏小,沒有結晶,外觀偏暗淡,并且 材料的Q值有明顯的下降,此參數點也應作為飽和控制點。因此,在1100±20內的燒成溫度應比較合適。
4結論
合成溫度對軟磁鐵氧體材料的性能有一定的影響,合成溫度過高或過低都會造成產品性能偏低。
通過優化合成工藝,選擇出最佳的合成溫度。在實驗過程中,通過對預燒和燒結溫度的調整,預燒溫度控制在930±40范圍內,燒結溫度最佳控制在1100±20內;同時需要控制燒結過程中升溫速率,這對提高軟磁鐵氧體材料品質因素和初始磁導率也是至關重要的

 

球磨機砂磨機制備鐵氧體粉料的工藝對比及研究

李拴強

(陜西金山電氣集團有限公司 寶雞分公司陜西 寶雞721301)

  :介紹球磨機、砂磨機的原理,并詳細研究了球磨機、砂磨機制備鐵氧體粉料過程,通過實驗對比表明兩種粉碎設備在制粉過程中的優缺點。
   
關鍵詞:球磨機;砂磨機;研磨;鐵氧體粉料

鐵氧體產品的成型、燒結與鐵氧體粉料有密切聯系,在鐵氧體粉料的制備中,采用滾動球磨機和砂磨機分別對顆粒料進行細化。由于砂磨機在設計上與球磨機相比采用了優越的研磨機理,使得粉料的質量和生產效率得以大幅度提高,因而使砂磨機在鐵氧體粉料的制備中得到廣泛應用。

1球磨機、砂磨機的粉碎原理
    球磨機采用旋轉磨擦方式。當球磨機旋轉時,物料和鋼球隨球磨筒的轉動而運動到一定的高度后下落。物料靠下落鋼球的碰撞作用粉碎,靠鋼球之間及鋼球與球磨筒之間的磨擦作用使料粉細化。
   
砂磨機采用攪拌研磨方式。當砂磨機的攪拌裝置高速旋轉時,帶動稱為的鋼球做渦流運動,即鋼球在離心力的作用下沿罐壁從下向上運動。到達液面時再掉下來,循環往復的擠壓、研磨、沖撞粉料,起到細化粉料作用。
   
砂磨機除具有滾動式球磨機沖壓、研磨、互相撞擊的作用外,還具有以下的特點:
    (1)
攪拌式旋轉粉料與介質球,避免研磨死角,使粉碎、料漿混合更加均勻。
    (2)
轉速的提高,使研磨效果大大增強。
    (3)
由于所選用的徑小,砂料比大,增加了相互接觸的機率,提高了效率。
   
由于以上特點使得粉料的粒度分布和平均顆粒尺寸都優于普通滾動球磨機。
2
實驗過程
    為了對球磨機砂磨機在制備中進行比較,分別對不同條件下的鐵氧體料漿利用日本的激光粒度分析儀、粘度分析儀,分別對料漿的粒度,粘度進行對比實驗,在實驗中料(球徑Φ4 mmΦ6 mm)、分散劑、水的比例相同,為對工藝進行比較,得到準確的工藝參數,采用在球磨機中每間隔30 min取料漿樣一次,砂磨機每間隔10 min取料漿樣一次,并對料樣進行實驗分析,具體的測試結果如表1所示。
3
實驗結果的分析
3.1
球磨機砂磨機中粒度的分析
    從表1可以看出,砂磨機在開始的前30 min內,由于料顆粒較大、數目多,沖撞、擠壓作用占主導,大部分是把顆粒料碰撞為幾個碎片,所以粉碎作用明顯,效率很高,在這段時間中,主要以破碎為主,但隨著時間的增加(30 min),大部分顆粒被擊碎,由于鋼球球徑較粉料大,這時研磨起主導作用,效率有所下降。隨著時間的繼續增加(120 min), 研磨效率顯著下降,這是由于細小的微粒出現團聚現象。球磨機在開始的前60 min內,把原料碰撞為細小的顆粒, 隨著時間的增加(60 min),物料在鋼球之間及鋼球與球磨筒壁之間的作用下使料粉細化, 這時磨擦起主導作用。 隨著時間的繼續增加, (360 min) 鋼球球徑與粉料粒徑比增大, 磨擦作用顯著下降,微粒的粒徑幾乎不再變化。

 

3.2球磨機砂磨機中粘度的分析
    從表1可以看出,砂磨機開始時,粘度隨時間迅速增加,這是由于在開始時料球以破碎為主,破碎后的顆粒之間的摩擦大,粘度上升快,隨時間增長,料漿中的顆粒以研磨為主,料漿中不同粒徑微粒在研磨過程中結構上重新進行排列,使得粘度變化緩慢。在球磨機中粘度隨時間變化緩慢,這是由于球磨機的效率低造成的。
4
球磨機砂磨機效果的比較
4.1效率的比較
    從表1可以看出,砂磨機比球磨機的效率高得多,特別是在剛開始的幾個小時中。從給出長時間的統計結果看,將粒徑D粉碎到2.46 Um時, 砂磨機需要50 min, 球磨機需要390 min,球磨機的效率為球磨機390/50=7.8倍。
4.2
經濟效果的比較
    從表2可以看出,粉碎、砂磨機需要的成本為73.5/噸,而球磨機需要25.9/噸,每噸可以節約成本47.6元。具有良好的經濟效益。

 

5結語
    從球磨機、砂磨機參數的比較可以看出,砂磨機不論從粉碎時間還是粉碎的效率上都遠遠地優于球磨機,是制備鐵氧體料漿的良好設備。

 

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