MnZn鐵氧體磁心燒結(jié)裂紋成因淺探＊

尉曉東

（陜西金山電器有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712021）

MnZn鐵氧體磁心燒結(jié)裂紋成因淺探＊

尉曉東

（陜西金山電器有限公司 陜西 咸陽(yáng) 712021）

MnZn鐵氧體磁心生產(chǎn)過(guò)程較復(fù)雜，裂紋是導(dǎo)致質(zhì)量問(wèn)題的重要因素。筆者針對(duì)導(dǎo)致燒結(jié)裂紋的各種原因進(jìn)行了分析，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了一些解決辦法。

MnZn鐵氧體 燒結(jié) 裂紋

因?yàn)殍F氧體磁心在燒結(jié)過(guò)程中伴隨著粘合劑、水分的排出以及固相反應(yīng)，其密度會(huì)發(fā)生很大變化，不當(dāng)?shù)臒Y(jié)制度會(huì)使毛坯在燒結(jié)過(guò)程中因?yàn)檫@種密度的變化而開(kāi)裂。另外固相反應(yīng)時(shí)的氣體排出、過(guò)度的氧化或者還原均是造成燒結(jié)裂紋的因素，因此制定合理的燒結(jié)制度是解決燒結(jié)過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵。

1 升溫開(kāi)裂

升溫過(guò)程造成的裂紋，其典型的斷面為粗糙的凸凹不平的顆粒狀（見(jiàn)圖1），這是因?yàn)榱鸭y的形成在鐵氧體固相反應(yīng)完成之前，升溫過(guò)程磁心開(kāi)裂與PVA的分解排出及毛坯密度等有很大關(guān)系。

圖1 升溫開(kāi)裂的典型斷面

1.1 升溫曲線(xiàn)

在燒結(jié)過(guò)程中，不合理的升溫或降溫速率均可導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂。通常坯體內(nèi)含有一定數(shù)量的水分和PVA，在升溫階段需要由坯體內(nèi)排出。在升溫階段，PVA受熱氧化分解為CO2和H2O，此過(guò)程為吸氧的放熱過(guò)程，反應(yīng)放出的熱量使坯體溫度進(jìn)一步升高。如果排膠段升溫速率過(guò)快（如200℃/h），則導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)坯體溫度急劇升高，PVA快速分解排出，從而導(dǎo)致坯體的開(kāi)裂。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)1799開(kāi)始排出的溫度約為200℃，約在270℃左右時(shí)排膠量達(dá)到最大。依此特點(diǎn)，如果200℃～300℃升溫速率過(guò)快，溫度很快達(dá)到270℃，PVA過(guò)快分解而產(chǎn)生大量熱量，造成坯體溫度急劇升高，而坯體溫度的升高又導(dǎo)致PVA更快的排出，最終使坯體開(kāi)裂。解決方法是選擇排膠速率適中的溫度區(qū)間（如230～240℃），根據(jù)毛坯的尺寸、體積，制定一個(gè)相對(duì)緩慢、合理的升溫速率，或選擇在230～240℃時(shí)保溫一定時(shí)間（如1h），使坯體有較小的溫升，從而消除由此原因?qū)е碌牧鸭y。有時(shí)由于坯體本身的氣孔及排膠段未排盡氣體會(huì)形成一些潛在的，無(wú)法通過(guò)肉眼察覺(jué)的裂紋，這種裂紋要通過(guò)性能測(cè)試、敲擊及強(qiáng)度測(cè)試等方法進(jìn)行檢測(cè)排除，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖2 典型MnZn鐵氧體磁心燒結(jié)溫度曲線(xiàn)

圖2顯示的是在燒結(jié)一種尺寸較大的環(huán)形磁心（單重660g）時(shí)采用的燒結(jié)溫度曲線(xiàn)和氣氛曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)燒結(jié)工藝，該磁心未出現(xiàn)裂紋缺陷。

1.2 坯體密度不均勻

由于不合理的模具設(shè)計(jì)、壓制方法或者由于較差的粉料工藝特性（如流動(dòng)性、粒度分布等）均有可能造成坯體各部分密度的差異，這種差異導(dǎo)致在燒結(jié)時(shí)坯體各部分收縮不同。由此造成的坯體收縮差異過(guò)大，超過(guò)了鐵氧體所能容忍的彈性限度，則會(huì)使坯體在密度梯度較大的部位開(kāi)裂，針對(duì)這種情況，通過(guò)改進(jìn)模具設(shè)計(jì)、壓制方法和粉料工藝特性等手段即可解決。

1.3 氣氛

由于坯體在升溫排膠段會(huì)發(fā)生PVA的氧化排出，這需要周?chē)鷼夥毡３忠欢ǖ难醴謮骸Ｈ绻G爐內(nèi)部氣流不暢等造成坯體周?chē)醴謮哼^(guò)低，PVA分解變緩。同時(shí)，在此階段坯體內(nèi)部發(fā)生固相反應(yīng)，亦需要有一定的氧分壓，PVA的氧化分解消耗了大量氧氣，使鐵氧體的氧化收縮受阻，但是隨著PVA分解完畢，氧分壓恢復(fù)到正常水平。由于固相反應(yīng)的特殊性，坯體表面首先急劇地氧化收縮，而坯體內(nèi)還未能進(jìn)行，這種不均勻的收縮往往會(huì)在坯體表面造成裂紋。因此根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，調(diào)整窯爐升溫段氣氛，保證適當(dāng)?shù)难醴謮?，是消除燒結(jié)裂紋的重要措施。

1.4 擺坯方式及承燒材料

磁心燒結(jié)裂紋也可能與燒結(jié)時(shí)的擺坯方式和所使用承燒材料有關(guān)。不當(dāng)?shù)臄[坯方式或者承燒材料的缺陷，會(huì)阻礙坯體的收縮，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成磁心開(kāi)裂。對(duì)于尺寸較大的磁心，或者堆垛過(guò)高的情況，要尤其注意。試驗(yàn)中燒結(jié)環(huán)形生坯，同批次燒結(jié)，堆垛5層和10層進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果在同樣的燒結(jié)制度下，10層的熟坯最下一只出現(xiàn)了燒前開(kāi)裂，而5層的就沒(méi)有。

2 降溫開(kāi)裂

降溫過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋斷面光滑，晶粒細(xì)小（見(jiàn)圖3）。降溫過(guò)程中產(chǎn)品尺寸隨溫度下降而收縮，并且因氣氛的不同在產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生不同程度的氧化。因此，制定合理的降溫制度能有效避免各種開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖3 降溫開(kāi)裂的典型斷面

2.1 降溫曲線(xiàn)

如果降溫速率過(guò)快，產(chǎn)品急劇收縮，在產(chǎn)品內(nèi)部積聚很大的內(nèi)應(yīng)力，造成產(chǎn)品炸裂。一般采用在高溫階段控制降溫，低溫段自然冷卻的方法可避免這種裂紋。

2.2 降溫氣氛

鐵氧體形成后在降溫過(guò)程中易被氧化，若控制不好此時(shí)的氧分壓，產(chǎn)品則可能因過(guò)度氧化而開(kāi)裂。如Mn鐵氧體在1050℃左右易被氧化而析出另相如β－Mn3O4。該相為正方結(jié)構(gòu)，與Mn鐵氧體（面心立方）不能固溶，引起晶格畸變，不僅對(duì)磁性能影響很大，而且由于氧化首先發(fā)生在坯體表面，表面被氧化為另相，與內(nèi)部有不同的晶格常數(shù)。這種差異會(huì)在相界處產(chǎn)生應(yīng)力，在冷卻過(guò)程中，應(yīng)力超過(guò)了材料的彈性極限，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋。對(duì)于尺寸較大的產(chǎn)品，這種現(xiàn)象尤為明顯。筆者就此進(jìn)行試驗(yàn)，在降溫過(guò)程中配合較高的氧分壓，在同一條件下同時(shí)燒結(jié)F31和F63磁環(huán)，前者雖然也被嚴(yán)重氧化，但敲開(kāi)后發(fā)現(xiàn)磁心斷面未發(fā)現(xiàn)正常的Mn鐵氧體相，而全部呈灰白色，而且未發(fā)現(xiàn)裂紋。后者只有表層約3～4mm為灰白色的另相，Mn鐵氧體被氧化層包裹，之間有明顯的相界（見(jiàn)圖4）。該氧化層上出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀裂紋，深及相界（見(jiàn)圖5）。由此可見(jiàn)，過(guò)度氧化亦會(huì)造成較嚴(yán)重的產(chǎn)品開(kāi)裂。

圖4 過(guò)度氧化的MnZn鐵氧體斷面

圖5 過(guò)度氧化的MnZn鐵氧體表面裂紋

綜上所述，燒結(jié)裂紋是影響鐵氧體磁心合格率的一個(gè)重要因素。在生坯沒(méi)有任何問(wèn)題的前提下，粉料的波動(dòng)、燒結(jié)制度、燒結(jié)氣氛、產(chǎn)品規(guī)格大小、排坯方法等都會(huì)影響裂紋的產(chǎn)生。產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋時(shí)，應(yīng)綜合考慮，積極采取措施加以消除。

1 李?lèi)?ài)民.鐵氧體材料成形時(shí)易出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法.電子元件與材料，2007，26（4）：68～69

2 張有綱，黃永杰，羅迪民.磁性材料.成都：成都電訊工程學(xué)院出版社，1988

3 周志剛，等.鐵氧體磁性材料.北京：科學(xué)出版社，1981

Research on Sintering Cracks of MnZn ferrite Cores

Wei Xiaodong（Shannxi Jinshan Electric Appliances Co.，LTD，Shannxi，Xianyang，712000）

The producing process of MnZn ferrite cores is more complex，the crack is an important factor lead to quality problems.The reasons of sintering cracks were analyzed，and according to our experience，some solutions proposed.

MnZn ferrite；Sintering；Cracks

TM277

A

1002－2872（2011）08－0026－02

尉曉東（1985－），本科，工程師；主要從事MnZn鐵氧體的燒結(jié)工藝研究。E－mail：weixdoz@126.com