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软磁铁氧体烧结过程的质量问题现象及解决措施

一、烧结条件对磁性能的影响
    烧培条件对铁氧体的磁性能有很大影响。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
    一般说来，烧结温度偏低时，晶粒大小不均匀，气孔分散于晶界和晶粒内部，呈不规则多面形。磁导率μi和剩磁感应强度Br都较低，但是矫顽力HCB较大。烧结温度适当，则晶粒趋于均匀、气孔呈球形、烧结密度较低、磁导率μi和剩磁感应强度Br较大，矫顽力HCB有所减少。烧结温度过高时，晶粒虽然增大，但是由于内部的气孔迅速膨胀，有的杂质发生局部熔融而使晶界变形，则不仅烧结密度低，磁导率μi和剩磁感应强度Br也将显著下降，机械性能极其脆弱，无实用价值。
    对软磁铁氧体而言，在一定的烧结温度范围内，初始磁导率μi随烧结温度升高而增大，损耗角正切tgδ也随温升而增大(即Q值减少)。对硬磁铁氧体而言，烧结温度高，剩磁感应强度Br也高，而矫顽力HCJ减小。对旋磁铁氧体而言；烧结温度高，则饱和磁化强度也较高。在生产中，必须针对各种材料的不同特点，结H合产品的其它性能要求而区别对待，由试验确定最佳的烧结温度。
    (二)烧结气氛对磁性能的影响
气氛条件对铁氧体烧结非常重要，尤其对含有易变价的Mn，Fe，Cu，Co等金属元素的铁氧体，在烧结过程中随着氧分压和温度的变化而发生电价的变化以至相变，过度的氧化与还原，就有另相析出（如α-Fe2O3，FeO，Fe3O4，Mn2O3等），将导致磁性能的急剧变化。
在升温阶段，因为还没有形成单一尖晶石相，对周围气氛要求不苛刻，在空气中、真空中或氮气中升温均可；在保温过程中，由于发生了气孔的排除、晶粒的长大和完善、单一结构铁氧体的生成，这些均要求控制好烧结气氛。可以说，烧结气氛是影响磁性能的一个重要因素。烧结气氛和固相反应速度、产物及微观结构均有直接关系。因此要控制好烧结气氛来生产各种不同性能的铁氧体(如各种高磁导率、低损耗、高密度的软磁铁氧体和高电阻率的旋磁铁氯体等)。
当所需的烧结气氛为氧化气氛(高氧分压气氛)时，可向炉（窑）内通纯氧气；烧结气氛为还原气氛(低氧分压气氛)时，可向炉(窑)内通氧气或抽真空。抽真空时应注意真空度不可太高。真空度太高容易使空气电离，造成硅碳棒间打火烧坏硅碳棒，因此用充氮气的方法控制氧分压为好。
对含Zn的软磁铁氧体的烧结，控制好烧结气氛十分关键，因为Zn的挥发与烧结气氛密切相关。
1、Zn的游离与挥发
含锌铁氧体在高温热处理过程中有可能发生游离与挥发。Zn挥发必然导致产品性能下降，例如μi大幅度下降，Zn挥发产生了Fe2+，使电阻率下降等。以ZnFe2O4为例，将有如下反应：
ZnFe2O4→(1-x) ZnFe2O4 +2/3xFe3O4+xZnO+x/6 O2↑
游离的ZnO进一步分解：ZnO→Zn（熔点：9070C）+1/2 O2↑
任何减少方程式右边含量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对Zn挥发产生影响。此外，若埋粉为氧化铝，会发现埋粉的颜色由白色变成了篮绿色。
Al2O3+Zn（g）+1/2 O2→ZnAl2O4  （篮绿色）
当温度高于12000C时，锌的蒸汽压大幅度提高，挥发严重。
2、影响锌的游离与挥发的因素主要有：
（1）铁氧体组成中ZnO的含量
若组成中ZnO的含量下降或Fe2O3，MnO等成分上升时，Zn挥发将难以进行，挥发开始的温度也升高。
（2）加热温度与时间
Zn挥发随加热温度的上升和加热时间的延长而加剧。
（3）周围气氛的影响
①、气氛状态对含锌铁氧体表面Zn挥发有较大影响。动态气氛流动的气体不断地将铁氧体表面挥发的Zn带出窑外，加剧了ZnO分解，使产品表面产生内应力，因此产品机械强度明显低于静态气氛烧结产品。
②、如果体系内缺氧，Zn的挥发就容易进行，所以氧分压提高，则Zn或ZnO就不易游离或分解，对MnZn铁氧体而言，Zn挥发的抑制与防止氧化是矛盾的。
（4）Al2O3粉能加剧产品表面Zn的挥发
这是由于Zn与Al2O3反应生成ZnAl2O4（篮绿色）的缘故。由于Zn大量挥发，使表面晶粒之间空隙加大，并产生许多网状孔洞，这种松散的"框架"，使磁芯应力进一步增大，从而大大降低磁芯机械强度。
    (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影响。一般锰锌铁氧体冷却时要防止氧化，故采用真空冷却或氮气冷却方法。镍锌铁氧体却需要适当的氧化气氛，这样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Ni00.4·ZnO0.6·Fe2O4铁氧体，同样的烧结温度（1300℃）下，氧气中烧结，氧气中缓冷比空气中缓冷电阻率ρ降低400倍，具体见表5-5,可见该变气氛对Ni00.4·ZnO0.6·Fe2O4铁氧体的电阻率ρ的影响较大。
表5-5烧结温度、烧结气氛、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（欧.厘米）
1300       氧气       氧气中缓冷    5.4*105
1300       氧气       空气中快冷    1.3*103
1300       空气       空气中缓冷    1.3*105
1300       空气       空气中快冷    1.1*103
1200       空气       空气中缓冷    9.6*105
降温过程中主要涉及两方面的问题：
1、冷却过程中将会引起产品的氧化或还原，产生脱溶物等。对易变价的锰锌铁氧体高磁导率材料。控制冷却过程中的氧气氛尤为重要。
2、合适的冷却速度有利于提高产品合格率。若冷却速度过快，出窑温度过高，因热胀冷缩导致产品冷（降温）开裂，或产生大的内应力，恶化产品性能。
烧结铁氧体产品的窑炉设计对提高产品档次、合格率十分重要。早期，国内曾采用烧砖瓦的倒焰窑，由于温差大，不能连续生产及产品质量差而被淘汰，继而发展为推车式的隧道窑炉，由于温差大，能耗高及气氛难控制，亦逐步被淘汰。目前，隧道式的辊道窑，推板窑以及两者结合而成的辊道--推板窑已普遍采用，多数采用电热式（硅碳棒）。烧结中、低档永磁铁氧体产品时，为了降低成本亦采用煤推板窑。烧结高磁导率软磁铁氧体时，采用可控气氛的钟罩式电炉较为理想。对于不同类型的产品，应采用适合的窑炉、合理的窑炉温度曲线以及相应的气氛控制。
二、其他质量问题
    在烧结工序中，除电磁性能方面的问题外，还会出现开裂、变形、尺寸超差等方面的质量问题。
(一)开裂
    开裂。即产品表面出现裂纹或裂口。烧结过程中开裂可分为两类情况，即升温开袋[见图5-9(a)(b)]和降瀑开裂 [见图5-9(c)(d)]
5-9        几种常见的产品开裂类型
1．升温开裂
在升温阶段，由于干燥的速度太快，坯件内的水份和粘合剂急剧挥发出来，导致干燥开裂。再者，粘合剂挥发完以后。升温速度太快，引起坯件的不均匀收缩也会导致开裂。这两种升温开裂的断面均不平整，这是因为坯件开裂时尚未完全铁氧体化。
    2．降温开裂
    在降温过程中，由于冷却速度太快，或出炉温度太高，会引起炸裂。其裂纹一般细而直，裂纹断面也较齐整。
    还有裂纹遍布产品表面的开裂，称龟裂。龟裂的原因对锰锌铁氧体来说，多是由于锰锌铁氧体的严重氧化（实践中，粘合剂的挥发也可以导致产品出现龟裂）。有时，产品表面上的这种"龟纹"很细，在磨加工前不易看出，可用敲击方法根据其发出的声音来判别，有龟裂时，敲击发出暗哑声，无龟裂时发出类似金属的清脆声。
    3．避免产品开裂的方法
   (1)严格按产品烧结工艺操作，不得擅自更改烧结工艺，尤其是升温速度、进车时间和装车高度。
   (2)尺寸大的产品，进窑前要充分干燥，500℃以后的降温速度不能太快，实验室烧大产品在出炉时，应用石棉布连同耐火盘包好，让产品缓慢降至室温。
   (3)烧结锰锌铁氧体产品时，如用真空淬火法要注意按工艺要求保证罐内的真空度。尽量难免产品在高温区停留时间过长。当高温区的碳棒断掉而不能维持烧结温度时，应立即更换碳棒，否则高温区的产品将去因氧化而报废。
    (二)变形
    变形多发生于薄壁的环形、管形、罐形铁芯、长条(棒)形天线及E(U)形磁芯等，克服变形的关键在于成型时产品密度的均匀性以及产品的装坯工艺，E(U)形磁芯在装盒时可将坯件的腿朝上放置以减少变形，还可采取成型时压制成"日"字或"口"字形坯件，烧结后再切割成E或U形磁芯，这样可有效地防止这类磁芯的变形。
(三)尺寸超差
    尺寸超差是指产品烧结后的尺寸(磨加工面除外)超过了产品所规定的尺寸公差允许范围。从工艺规定来说，产品的电磁性能所需的最佳烧结温度应该与产品合格尺寸所要求的烧结温度相一致，然而实际生产中，由于种种原因二者有时不能统一，有时需将产品尺寸烧在公差的上限或下限，性能才合格。此时，则易容易发生尺寸超差的质量问题。
    除上述原因外，产生尺寸超差的原因还有：
    1．烧结温度不当；
    2．坯件粉料的预烧温度偏高或偏低，成型坯件的重量一致性差；
3．成型模具长时间使用后，模具的某些零件磨损大，造成产品的个别尺寸超差。
此外，烧结过程中物相变化的系统研究对产品质量的控制十分重要。对于石榴石以及某些六角铁氧体，在其生成反应过程中，先生成某些中间产物。例如由Fe2O3，BaCO3，Co3O4制备Co2Z（Ba3Co2Fe24O41），经XRD物相分析发现共经历S、F、M、Y四个中间产物，最后才生成"Z"相，且Z相的成相区间较窄，对烧结过程相态变化的研究对于烧结制度的确定无疑具有指导意义。