王龍峰

NiZn軟 磁鐵氧體陶瓷產(chǎn)品的變形及其消除

王龍峰

(陜西金山電器有限公司 陜西 咸陽 712021)

通過減小NiZn軟磁鐵氧體陶瓷顆粒料的收縮比,毛坯密度的控制,裝燒方式的改進(jìn),燒結(jié)工藝的調(diào)整等措施,解決了NiZn軟磁鐵氧體陶瓷工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的變形問題。

NiZn軟磁鐵氧體 收縮比 毛坯密度 裝燒方式 燒結(jié)工藝 工字形磁心 磁棒 變形

在NiZn軟磁鐵氧體陶瓷產(chǎn)品中,工字形磁心和磁棒產(chǎn)品由于材料和形狀原因,生產(chǎn)過程中控制比較困難,容易出現(xiàn)變形問題,我們通過試驗(yàn),對(duì)其顆粒料、成形和燒結(jié)工藝進(jìn)行了調(diào)整及改善,尋求合理的解決辦法,取得了好的效果。

1 工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的變形機(jī)理

工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝屬于氧化物干法生產(chǎn)工藝,工藝流程為：配料混合 -預(yù)燒 (或造球預(yù)燒)-粉碎 -造粒 -混合 -成形 (或成形切削)-燒結(jié)-檢分包裝。影響工字形磁心和磁棒產(chǎn)品變形的影響因素主要有：顆粒料的收縮比、毛坯的密度及密度均勻性、裝燒方法、燒結(jié)過程溫度曲線和氣氛曲線的控制、窯內(nèi)氣流和溫度的均勻性、燒結(jié)時(shí)的推進(jìn)速度。

2 影響因素分析及控制

2.1 顆粒料的收縮比

圖1 壓制過程示意圖

顆粒料的收縮比與原材料活性、預(yù)燒溫度和保溫時(shí)間、以及毛坯密度大小有關(guān)系。顆粒料的壓制及與密度的關(guān)系見圖1、2。

2.2 毛坯的密度及密度均勻性

一般而言,毛坯的密度越大,毛坯的收縮比就會(huì)越小,產(chǎn)品變形度就越小。增加毛坯密度就要增加成形壓力,但壓力過大就會(huì)造成毛坯開裂,所以只有從根本上增加顆粒料的松裝密度,才能提高毛坯強(qiáng)度。毛坯密度的均勻性與顆粒料的流動(dòng)角關(guān)系較大,流動(dòng)角越小,壓制過程中的填充性越好,毛坯密度越均勻。另外,壓制條件與毛坯密度均勻性也有很大關(guān)系,如圖3、4所示。我們采用上下加壓,毛坯上下端的密度一致,而中間密度比兩端密度小,要減小中間密度和兩端的差異,只有延長保壓時(shí)間。

2.3 裝燒方法

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),裝燒方法對(duì)工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的變形影響很大,尤其是緊貼著匣缽的產(chǎn)品變形較大,分析原因,一方面與匣缽的光滑度有關(guān),產(chǎn)品在收縮過程中受到匣缽的阻力較大,另一方面緊靠匣缽的一面升溫慢,造成同一產(chǎn)品固相反應(yīng)收縮不同步可能是變形的另一個(gè)原因。對(duì)于高度和外徑比例懸殊過大的磁棒產(chǎn)品,裝燒方法對(duì)其變形度影響很大,高度越高,外徑越小,散裝時(shí)越容易變形,采取平躺排燒可以減小產(chǎn)品變形。另外,匣缽?fù)笟饪椎拇笮?duì)產(chǎn)品的變形也有影響,透氣孔越小,靠近匣缽的產(chǎn)品越容易出現(xiàn)變形和大小頭。

2.4 燒結(jié)過程溫度曲線和氣氛曲線的控制

燒結(jié)過程對(duì)產(chǎn)品變形的影響主要是要制定合理的燒結(jié)溫度曲線,因?yàn)楫a(chǎn)品的固相反應(yīng)致密化收縮過程是在低于主要成分熔化溫度下進(jìn)行的,工字形磁心所用顆粒料中 CuO、Bi2O3等低熔點(diǎn)物質(zhì)含量較多,容易導(dǎo)致熔融變形,所以燒結(jié)溫度不能太高。另外,如果是燃?xì)飧G燒結(jié),氣氛控制也很關(guān)鍵,窯內(nèi)要有充足的氧含量,否則就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品異常變形。

2.5 窯內(nèi)氣流和氣氛的均勻性

氣流是流體的一種,它具有易流動(dòng)性,也具有粘滯性,還有慣性和可壓縮性,如圖5所示。

圖5 流速與固體邊界距離的關(guān)系

圖6 氣體邊界突變形成的旋渦

氣體在窯內(nèi)流動(dòng)時(shí),受到的阻力有兩種：一種是由于氣體本身的粘滯性及其與窯內(nèi)壁、推板、匣缽、坯件構(gòu)成的氣流邊界間的摩擦產(chǎn)生的阻力稱為摩擦阻力或沿程阻力;另一種是氣流經(jīng)過窯壁某些部分 (凹凸部分)、匣缽、坯件時(shí),由于流速方向和大小的變化產(chǎn)生渦流而造成的,這種阻力只發(fā)生在局部地方,稱為局部阻力。如圖6所示。

雙推板燒結(jié)窯垂直于推進(jìn)方向的截面如圖7所示。窯腔內(nèi)坯件和窯頂之間的空間、坯件和窯左右側(cè)面之間的空間以及兩列推板上的坯件的邊沿與窯膛中心之間的空間均為氣流的主通道。從冷卻段至燒結(jié)段的氣流大部分都沿此邊界流動(dòng),然后從升溫段排出。圖8是燒結(jié)段進(jìn)氣、排氣孔部分沿推進(jìn)方向的局部截面的流線示意圖。從圖8可以看出兩個(gè)相鄰的承燒板上坯件之間的空間給經(jīng)過坯件上部的氣流造成了沿程阻力致使其間氣流形成旋渦。從坯件頂部至窯頂氣流的速度分布見圖9。兩列推板及承燒座所裝的坯件在靠窯腔中心的邊沿構(gòu)成的通道中,從推板結(jié)合部的推板面至窯頂?shù)臍饬鞣植既鐖D 10所示。由于氣流邊界的沿程阻力的影響,主通道內(nèi)的氣流在同一截面都呈不均勻分布。

在燒結(jié)軟磁鐵氧體的雙推道燒結(jié)窯內(nèi),在其推進(jìn)方向上要滿足 3條工藝曲線：溫度曲線、氣氛 (含氧量)曲線和壓強(qiáng)曲線。氣體壓強(qiáng)曲線是為氣氛曲線服務(wù)的,是氣氛調(diào)節(jié)和控制的基本條件。

2.6 工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的升溫

熱量的傳遞有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射 3種方式,實(shí)際上,熱量的傳遞通常是這 3種方式的綜合,只不過在不同的情況下,這 3種方式有主次之分。對(duì)燒結(jié)軟磁鐵氧體的雙推窯而言,從升溫至燒結(jié)結(jié)束,可以按三個(gè)階段來劃分：第一階段為排膠段,其溫度低于 600℃,以對(duì)流傳熱為主,輻射、傳導(dǎo)傳熱為輔;第二階段為升溫段,其溫度在 600℃～1000℃,以對(duì)流傳熱為主向,以輻射傳熱為主過渡,傳導(dǎo)傳熱為輔;第三階段為高溫升溫和燒結(jié)段,其溫度在 1000℃以上,以輻射傳熱為主,對(duì)流、傳導(dǎo)為輔。不管采用哪一種方式得到熱傳遞的情況下,在坯件加熱的過程中,坯件必須先由表面吸收熱量,然后從坯件表面向坯件內(nèi)部傳遞熱量,坯件各部分要達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間,因此,加熱坯件并達(dá)到預(yù)定的溫度和溫度均勻性,提供足夠的吸熱面積和足夠的加熱時(shí)間是很重要的。

坯件在加熱過程中所需的吸熱量按下式計(jì)算：

式中：θ1、θ2——坯件的終溫和初溫 ,℃;m——坯件的重量,g;——坯件θ2至θ1這一溫度區(qū)間的平均比熱容 ,cal/(℃·g)。

軟磁鐵氧體的比熱容與其無機(jī)物的種類和各成分含量、有機(jī)物種類和各成分含量、水分含量、坯件密度有關(guān),同時(shí),坯件比熱容隨坯件所處的環(huán)境溫度而變化。在加熱過程中坯件溫度上升所需要的熱量必須通過坯件表面來吸收,施熱物體向受熱物體表面?zhèn)鳠?。通過坯件表面向坯件傳熱所需的時(shí)間與工作的吸熱面積成反比 (導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)、輻射系數(shù)確定時(shí))。坯件內(nèi)部傳熱關(guān)系如圖 11、12所示：

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

為了改善工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的變形,我們做了一系列試驗(yàn)。

3.1 毛坯收縮比試驗(yàn)

通過提高預(yù)燒溫度,增加毛坯密度,制備了 R3×20磁棒,通過測試收縮比從 1.170減小到 1.150,變形廢品率從 5.3%減小到 0.3%以內(nèi)。

3.2 裝燒方式試驗(yàn)

針對(duì)匣缽對(duì)工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的影響,我們?cè)O(shè)計(jì)了氧化鋁墊片,進(jìn)行了鎳鋅工字形和磁棒產(chǎn)品的燒結(jié)試驗(yàn)。在同樣溫度條件下,采用氧化鋁墊片,產(chǎn)品不易變形,而且產(chǎn)品外觀較好,沒有產(chǎn)品和耐火材料之間的粘連問題。但是要注意,氧化鋁墊片的使用溫度不能高于 1200℃,因?yàn)檠趸X墊片設(shè)計(jì)厚度一般只有 1mm,燒結(jié)溫度過高,墊片就會(huì)軟化變形,反而會(huì)影響產(chǎn)品變形度。

針對(duì)個(gè)別尺寸大的磁棒產(chǎn)品,高度較高,散裝容易出現(xiàn)粘連和變形,我們采取擺燒工藝,對(duì)外徑 10mm以上產(chǎn)品采取豎直擺燒,高度直徑比大的產(chǎn)品采取平躺兩層擺燒。試驗(yàn)證明,這種擺燒方法可以在一定程度上減少產(chǎn)品變形。

3.3 燒結(jié)工藝試驗(yàn)

通過在推板窯中,放慢推進(jìn)速度,適當(dāng)降低燒結(jié)溫度,通過調(diào)整窯爐各風(fēng)門控制溫度均勻性,在一定程度上控制了產(chǎn)品的變形。但要注意經(jīng)濟(jì)性,一般升溫速度控制在 8h左右,保溫時(shí)間控制在 3h左右。產(chǎn)品越大,壁越厚,推進(jìn)速度越要放慢。反之,產(chǎn)品越小,壁越薄,推進(jìn)速度可以快些。

通過試驗(yàn)研究認(rèn)為,NiZn軟磁鐵氧體陶瓷工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的變形問題。主要與NiZn軟磁鐵氧體陶瓷顆粒料的收縮比、毛坯密度、裝燒方式、燒結(jié)工藝有關(guān)。通過減小顆粒料的收縮比,增加毛坯密度,控制毛坯密度均勻性;采用氧化鋁片墊燒,調(diào)整燒結(jié)工藝等措施,可以解決NiZn軟磁鐵氧體陶瓷工字形磁心和磁棒產(chǎn)品的變形問題。