等用精铁矿粉代替铁红制备功率软磁铁氧体的实验研究

1、用精铁矿粉代替铁红制备功率软磁铁氧体的实验研究*姚学标,胡国光,尹 平(安徽大学 物理及材料科学学院,安徽 合肥 230039 * 基金项目:安徽省“十五”专项攻关项目 收稿日期:2004-05-12 通讯作者:姚学标 作者简介:姚学标(1939-,男,安徽安庆人,教授,1961年毕业于安徽大学物理系本科。其后在北京中国科学院半导体进修至1963年8月,现主要从事电子技术和磁性材料的研究。摘 要:用精铁矿粉(Fe 3O 4代替铁红(Fe 2O 3制备功率软磁铁氧体是一项开拓价廉量富原材料的高技术和高效益应用的创新研究课题。本文介绍了其中因代替原材料的成分不同及含SiO 2杂质量较高等引起的氧化

2、物制备工艺中面临新的技术关键和难点所进行的实验研究。结果不仅在实验室中用Fe 3O 4代替Fe 2O 3和Mn 3O 4代替MnCO 3研制出功率MnZn 铁氧体样品,而且在现有的小型企业生产线上中试生产出合格的功率软磁铁氧体元件产品。关键词:精铁矿粉;代用;MnZn 铁氧体;功率;制备工艺中图分类号:TM27 文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2004增刊1 引 言功率MnZn 软磁铁氧体是国内外重点发展和用途广泛的一种高性能磁性材料,此前,一般以价格较贵的铁红(Fe 2O 3和碳酸锰(MnCO 3为主要原材料,采用氧化物法工艺进行工业化生产,其大宗产品是相当于日本TDK 的PC

3、30性能的各种MnZn 铁氧体磁芯,考虑到铁红约占MnZn 软磁铁氧体原材料重量的60%,若用价格仅及铁红1/10且来源十分丰富的精铁矿粉(包含 精铁砂代替铁红和价值也较低的Mn 3O 4代替MnCO 3研究功率MnZn 软磁铁氧体,则是开拓原材料代用的创新研究,其研究成功能为我国高性能软磁铁氧体材料的快速发展和大规模工业化生产提供价廉量富的新型原材料,可使功率MnZn 铁氧体生产成本大幅度下降,市场竞争力大大增强,必将产生巨大的经济和社会效益。由于Fe 3O 4、Mn 3O 4同Fe 2O 3、MnCO 3的成分不同,且精铁矿粉中SiO 2等杂质量较高,若采用常规的制备软磁铁氧体的氧化物法工

4、艺,且又不增添新的设备和工序,则必然会遇到新的工艺技术关键和难点,其中最突出的是预烧工序中一方面要实现精铁矿粉经历氧化相变,变成活性好的-Fe 2O 3,另一方面要完成初步固相反应生成尖晶石型MnZn 铁氧体;烧结工序中要求缓解和抑制过多的Si 杂质的有害作用,防止MnZn 铁氧体的氧化和相变,获得密度高、气孔小、应力小和晶粒细而均匀的MnZn 铁氧体,从而保证产品性能达到PC30指标。此外,在球磨工序中力求粉料的粒度均匀细微,以利于预烧和烧结中氧化、相变和固相反应。针对以上问题,我们在实验室中进行了大量的工艺实验研究,在小试获得成功的基础上,又在芜湖市阳光磁性材料有限公司现有的生产线上成功地

5、进行了中试,生产出合格率94%和一致性好的PC30功率MnZn 铁氧体E 形磁芯20万只,并且已提供三家用户试用,其性能完全满足实用要求。2 实 验制备工艺为一般氧化物法的软磁铁氧体生产工艺,其流程如下图:由于是两种主要原材料的代用研究,研探最佳基本配方及掺杂实验首当其冲、非常重要,另作专题介绍,这里仅就预烧、球磨和烧结等攻关工艺实验作简要介绍。2.1 预烧工艺的实验探索预烧是用Fe3O4和Mn3O4制备功率MnZn铁氧体工艺中一个重要的环节。在该工序中,一方面使精铁矿粉经历氧化和两次相变,在950温度前形成活性好的-Fe2O3;另一方面在最高的预烧温度期间保证Mn3O4、ZnO、Fe2O3实

6、现初步固相反应,生成尖晶石型MnZn铁氧体多晶粒。本实验探索主要是选择各种不同的升温速率、预烧温度及冷却方式等,并用BHV-55智能型振动样品磁强计和40kV转靶式X射线衍射仪测量和分析每次实验中预烧粉料的比饱和磁化强度、磁化率和晶相结构,从而不仅易于选择最佳的预烧工艺条件,而且也便于选择最佳的基本配方和掺杂。2.2 球磨工艺的实验探索精铁矿粉和预烧料粉的粒度对制备铁氧体的质量有较大的影响,一般料粉愈细,平均粒径愈小,比表面积愈大,则有利于Fe3O4氧化相变和MnZn铁氧体的固相反应,便于获得高品位的烧结铁氧体。为此,进行球磨工艺的实验探究是必要的,我们采用滚筒式球磨机,主要是探究合适的料、球

7、、去离子水间配比和球磨时间,通过WLP202型平均粒度仪、电子透镜和X射线衍射仪测定精铁矿粉和预烧料的平均料径和最大粒径,并参考烧结后样品的磁性能,从而选定最佳的再球磨工艺条件。由于目前精铁矿粉的粒径一般为1520m,为便于其在预烧中氧化相变和固相反应顺利进行,则在配料前将其球磨一次,使其粒径达到2m左右。对于预烧料的二次球磨,我们较大地改变了常规的料、球、去离子水间配比,缩短了球磨时间,使磨后料粉的平均粒径达1m左右。2.3 烧结工艺的实验研究烧结是制备软磁铁氧体的最后一道关键工序,不同的烧结条件对铁氧体的磁性能有重大的影响,必须予以充分地重视。烧结温度、升温速率、烧结气氛和冷却方式是绕给条

8、件的四个主要方面,对此我们展开了大量的实验研究。首先,利用实验室中电脑自动控温、机械升降式硅钼銅罩炉进行了上百次不同配方和不同烧结条件的小规模试验。由于铁氧体中生长过程中大都为氧化反应,故可在空气中烧结,但对于MnZn铁氧体必须在低真空中降温冷却(当然也可采用氮气氛保护以防止其氧化和相变。经X射线衍射分析表明,在较低的烧结温度(10001260区Mn铁氧体可由Mn3O4和Fe2O4生成,并且在平衡气压下才有充分保证。其次,在上、下两次试验之间,用TYU-2000型磁性材料自动测试装置测量环形样品的饱和磁感强度B s,矫顽力H c和功耗P o,用LCCG-1型电感电容测量仪测起始磁导率i;并配以

9、电脑控温的加热器测居里温度T c,通过分析比较,逐渐改进下次试验的烧结条件。最后,在小试获得成功的烧结工艺条件下,利用芜湖市阳光磁性材料有限公司生产线上14m推板式电窑和附性真空釜等进行三轮中试烧结,均获得了圆满的结果。3 实验结果及讨论3.1预烧温度对样品磁性能的影响经过预烧工艺的实验探索,在最佳升温速率、保温时间和实施室温下去离子中淬火情况下,预烧温度对环形样品磁性能的影响如图1所示。据文献13介绍,软磁MnZn铁氧体的预烧温度一般为9001100,保温时间为25h,由图可见,用精铁矿粉和Mn3O4为原料制备MnZn铁氧体,宜采用上限的预烧温度,并且保温3h比较合适。 图1 预烧温度(T对

10、样品磁性能(B s,P o的影响Fig 1 Effect of presintering temperature (Ton the magnetic properties (B s, i, P o of the MnZnthe ferrite samples3.2 二次球磨时间对铁氧体磁性能的影响工艺条件制备的预烧MnZn铁氧体毛坯,经过破碎后,按料球去离子水=161.5进行二次球磨,研探二次球磨时间对样品磁性能的影响如图2所示。由图可见,起始随球磨时间增加,粉料粒径变小,比表面积增大,有利于烧结中固相反应和促进铁氧体晶粒致密生长,保证样品的i和B s得到提高,功率P o变小,但随着球磨时间延

11、长,由于钢球和筒壁的磨损,破坏了最佳配方,增添了杂质,从而导致P o迅速上升。由此可知合适的二次球磨时间为1215h, 粉料粒度达1m 左右比较适宜。 图2 二次球磨时间(t 对铁氧体磁性能(B s , i , P o 的影响Fig 2 Effect of the second ball wear time (T on themagnetic properties (B s , i , P o of the MnZn ferrite samples 3.3 烧结温度对铁氧体磁性能的影响采用成型前各工序最佳的掺杂配方及工艺条件,干压成型环形样品毛坯,选用合适的升温速率和低真空冷却方式,研究了不同

12、烧结温度对样品磁性能的影响,其结果为图3所示,依有关文献4,5,软磁MnZn 铁氧体的烧结温度一般为12001400范围,由图可见,烧结温度过低,MnZn 铁氧体的固相反应不充分,磁性能较差;随着温度升高,铁氧体样固相反应充分,且晶粒致密均匀和细小,则样品的i 、B s 增加,P o降低,性能逐渐达到最佳值;但随着温度继续上升,铁氧体中晶粒长大,造成1200处生长的M 铁氧体变粗,Fe 2+离子增加,并易使低熔点物质挥发,气孔增多,则使样品的磁性能下降。研究结果表明,最佳的烧结温度为12401280,这比一般铁氧体的烧结温度要低100左右,不仅保证其性能完全达到PC30的标准,而且还可降低能源

13、损耗。t / h此外,下表列出了三轮中试烧结产品中9个环形样品性能的数据。由此可见该实验研究工艺路线合理,工艺技术有特色。 1160 1200 1240 1280 1320 1360T/图 3 预烧温度(T 对样品磁性能(B s ,i ,P o 的影响Fig 3 Effect sintering temperature (T on the magneticsof properties (B s , i , P o of the MnZn samples轮次 样品号外径(mm 内径(mm 高(mm 质量B s (mTP o (W/Kgi T c (1-1 30.5 19.6 9.1 17.5 5

14、05.2 33.2 2169 227 1-2 30.5 19.6 9.1 17.4 507.1 32.7 2126 228 11-3 30.5 19.6 9.0 17.5 509.6 32.9 2296 230 2-1 30.4 19.6 9.0 17.5 510.2 32.4 2314 2342-2 30.4 19.5 8.9 17.4 511.2 31.1 2232 229 22-3 30.4 195. 8.9 17.5 509.6 31.2 2573 231 3-1 30.4 195.5 8.9 17.5 509.8 32.2 2326 2323-2 30.4 19.5 8.8 17.4

15、 508.4 32.7 2342 234 33-3 30.4 19.4 8.7 174 509.8 33.1 2312 2304 结 论此前,国内外一般均采用铁红和碳酸锰为主要原材料生产功率软磁MnZn 铁氧体,本研究表明,用精铁矿粉(包括精铁砂代替铁红,用Mn 3O 4代替MnCO 3完全可以生产出性能达到PC30的MnZn 铁氧体,特别是中试的生产线为国内一般中、小企业的工艺生产线,其设备和工艺条件均比较落后,在此条件下中试获得成功,若能采用喷雾造粒机、氮保护电窑和管道式生产流水等先进工艺设备和技术,则产品的合格率和性能肯定可以进一步提高。由此可见,该项研究为我国软磁铁氧体功能材料的发展提

16、供了价廉物美的新型原材料,具有重大的推广价值。参考文献:1 都有为. 铁氧体 M.南京: 江苏科学技术出版社, 1996. 2周志刚,等.铁氧体磁性材料 M. 北京: 科学出版社, 1981. 3 Nan Lin, et al. J. IEEE Trans, on Magn, 1982, 18(6: 1544. 4 Ross E. J.IEEE Trans, on Magn, 1982, 18(6: 1529-1534. 5 Yamade S, Ossuk E. J. Appl phys, 1997, 81: 4791-4795.Research on the preparation proc

17、ess of the power soft-ferrite using the refined iron-mineral powder in place of Fe2O3YAO Xue-biao, HU Guo-guang, YIN Ping(Department of Physics, Anhui University, Hefei 230039, ChinaAbstract:The preparation of the power soft-ferrite using the refined iron-mineral powder, that is Fe3O4 is a new studi

18、ed item, Which deals with the substitution of the raw material with low cost and rich source in high benefit and new technology .Because the composition of Fe3O4 is different from Fe2O3 and the content of impurities such as SiO2 and so on is higher in Fe3O4, the experimental research on key technics and difficulty problems in oxide-prepared process was reported in the pape