软磁铁氧体批量生产的工艺技术及质量控制--打印文章

摘要：简要分析了软磁铁氧体在不同应用场合下的性能选择，并结合批量生产中各制造工序对磁芯性能、尺寸和外观质量、成本等的影响，明确指出了各工序的工艺技术要求及产品质量的控制方法和控制因素。

　　软磁铁氧体经过40多年的发展，其工艺已日趋成熟、稳定，各企业间的差异在日渐缩小，例如配方和烧结工艺，也无多少技术秘密可言，但大规模稳定生产高质量软磁铁氧体就比较棘手。这是因为软磁铁氧体材料牌号繁多，磁芯形状、尺寸各不相同，用户对品质的要求越来越高，对交货期要求大大缩短，而磁芯制造商为控制成本,降低经营风险又必须大量减少库存（这将在一定程度上缩短了生产和技术准备周期），这都给批量生产带来许多困难。批量生产中的症结出现在备料、成型、烧结、磨加工和分包等各个环节，工艺技术及质量控制也应紧紧贯穿于这些环节中。

　　软磁铁氧体是由Fe、Zn、Mn或Ni的氧化物按一定比例混合，经预烧、破碎、造粒、压制成型、烧结和磨加工而成。软磁铁氧体分为MnZn铁氧体和NiZn铁氧体两类，MnZn铁氧体比NiZn铁氧体的产量和用量都要大得多。本文仅对MnZn铁氧体的批量生产工艺技术及质量控制进行简要描述。

　　在软磁铁氧体的批量生产过程中，做好技术质量的控制工作十分重要。通过加强技术质量控制，提高产品合格率，是降低生产成本的重要途径之一。软磁铁氧体的批量生产技术质量控制，简单地说，就是要把以预防和控制为主的基本思想，贯穿于从原材料的选择开始直到产品交付使用的整个生产经营过程。

　　许多工艺技术人员认为，达到优异的磁性能是磁芯生产中技术质量控制的最重要目标，其实这是一种较片面的认识。根据基础物理效应，一种软磁材料不可能同时兼有各种有利的磁特性，在某些磁特性之间总是相互折衷的，如不能同时获得最高磁导率和最低功率损耗。在实际生产中，应根据用户的不同需求，有选择性地保证某些磁特性，比如在高电感元件应用中，应重点保证磁芯有高的电感因数AL；在电源变压器应用中，对功率损耗PC的要求更高一些；在回扫变压器应用中，需要磁芯有高的直流叠加特性。因此，在批量生产中，软磁铁氧体具有优异的磁特性并非是唯一重要的目标，在很大程度上要取决于其应用场合，其它诸如机械特性、外观质量、成本或交货期等也很重要，在某些场合下甚至更为重要些。而坚持预防和控制为主的基本思想，单从材料特性这一控制环节来说，就是要根据不同用户、不同磁芯使用要求上的差异，选择不同配方或不同烧结工艺的材料，固化工艺，规范管理，实现“管理流程化、作业标准化”，把复杂的问题简单化，把简单的问题重复做好，这样方能避免出现差错和正确处理好产品质量、生产效率及产品成本之间的矛盾统一关系。

　　软磁铁氧体的各制造工序对磁芯的特性、外观质量、成本、交货期等的影响有所不同。表1直观地概括了这种相关性。当然，表1中的评价也较为主观，可能因企业工艺设备状况和工序匹配情况不同而异，但它指出了整个软磁铁氧体生产和经营中的关键问题。技术质量控制是为生产和经营服务的，因此,必然要结合这些实际问题开展工作。

表 1 软磁铁氧体控制特性与生产工序的相关性

生产工序	磁特性	机械特性	尺寸和外观质量	成本	交货期
原材料选择及配方	☆☆☆	☆	☆	☆☆☆	—
备料	☆☆	☆	☆	☆☆	☆
成型	☆	☆☆	☆☆☆	☆☆	☆☆☆
烧成	☆☆☆	☆☆☆	☆☆	☆☆	☆☆
磨加工	☆	☆☆	☆☆	☆☆	☆
分选及包装	—	—	☆	☆	☆

　　注：☆表示生产工序对特性的影响度指数；—表示该工序对特性影响不大。

　　提高软磁铁氧体特性的关键之一在配方(包括二次球磨中加杂)，因此应重点选择好主配方料，要求主配方料的纯度要高、含有害杂质如氯根、酸根等较少、化学活性和流动性要好、粒度分布适当、3种主配方料的比表面积匹配较好。就功率铁氧体来说，目前国内外制造商的配方大约为：Fe₂O₃（53～54）mol％、MnO（35～40）mol％、ZnO（8～12）mol％之间。如PC44，有厂家取配方为：Fe₂O₃53.3mol％、MnO 36.5mol％、ZnO 10.2mol％。为促进固相反应、助熔、防止晶粒长大、改善材料性能及增加机械强度等，通常在配方中要加入一些有益的杂质，如Al₂O₃、HfO₂、Nb₂O₅、TiO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、CaO、ZrO₂、Pb₃O₄及CoO等，但要控制好添加量，过多反而有害。

　　在本工序，应重点预防和控制原材料的纯度并确保配方称量的准确性。

　　以典型的氧化物法备料（湿式混料）工艺为例，该工序包括一次砂（或球）磨、一次喷雾干燥、预烧、二次球（或砂）磨、二次喷雾干燥等过程。一次砂（或球）磨的主要目的是保证主配方料混合均匀，从生产效率的角度，一般选择砂磨方式，时间仅需约1h即可（球磨则需要6h左右），料∶球∶水=1∶2～2.5∶0.6～0.7，并采用等径钢球。一次喷雾干燥的目的是将混合均匀的原料烘干、造粒，使其具有一定的密度，这有利于固相反应的进行和提高预烧效率，减少预烧中料在窑体内的粘壁现象。预烧时要根据所用的窑体（回转窑效果更好）和原料，确定合适的预烧温度和保温时间，这对成型生坯的收缩率、颗粒料（二次料）的流动性、松装密度和二次烧结温度曲线的选择都有很大影响。一般软磁铁氧体的预烧温度在1000℃左右，用回转窑预烧的效果较好。

　　经过预烧的坯料是多气孔、多缺陷、低密度的部分铁氧体化物质，将其用球磨机粉碎、研磨制成利于压制成型的粒度，这道工序习惯上称为二次球磨，球磨时间约需12～16h，以确保颗粒料的平均粒径在1μm以下。加杂通常在二次球磨时进行，同时加入一些粘合剂如聚乙烯醇（PVA）以满足干压成型的要求。

　　备料工序的最后一步是在喷雾干燥器中造粒，将粉料制成具有良好流动性、有一定强度和粘度的颗粒，以利于成型。干压成型要求颗粒料的含水量在0.2％～0.4％、粒度在100～350μm为宜，而且最好呈正态分布(150～300μm占80％以上)，同时要求松装密度≥1.32g/cm³，这将减少成型坯件起层和减少颗粒料填充模腔时的“拱桥现象”，从而改善成型生坯的强度和密度均匀性。在本工序，应重点预防和控制二次球磨后颗粒料的平均粒径、颗粒料的粒度及其分布、松装密度、含水量、粘合剂的质量和加入量等。

　　成型是软磁铁氧体制造过程中的关键工序之一，干压成型是经常采用的成型方式。成型的质量对磁芯的几何尺寸、外观、电磁性能都有极大影响。成型坯件密度的均匀性尤为重要，坯件密度不均匀，会导致烧结产品出现开裂、起层、变形等缺陷，这些缺陷常见于罐形、高度高臂薄的EC、EEL形等磁芯中。成型是批量生产中控制难度最大的工序之一，它对颗粒料的粒度、流动性、粘结性、模具、压机以及调试人员、操作人员的要求都较高。压机操作不当、使用颗粒料的特性不好、或模具设计不到位，都会造成产品微观结构的不均匀，内部出现裂纹。颗粒料的流动性决定着颗粒料在模腔中的填充速度和填充效果；模具设计应根据产品形状、坯件的收缩比、颗粒料的装料比、可成型性等，综合考虑其压制方向、相关尺寸、模腔高度、凹模脱坯锥度。

　　在本工序，应重点预防和控制不同特性颗粒料的选择和使用、生坯重量、磁芯底厚及密度的均匀性，严防内部开裂或起层的产品批次流入下工序。

　　烧成直接决定软磁铁氧体的最终组成、相的分布、晶粒大小、致密性、尺寸、外观及性能。烧成应根据所用烧结设备、预烧温度高低、预烧料的收缩性、粘合剂的种类和加入比例、产品性能要求、形状及大小、装坯重量和方式等方面的不同，确定合适的烧结温度及烧结曲线。一般来说，在升温阶段（约从室温到500℃），主要是坯件内水分、粘合剂和润滑剂的挥发过程，此时须缓缓升温以避免坯件开裂；此后是坯件逐渐收缩阶段，升温速率可适当提高，但从900℃到1200℃，升温速率要适当，因为这一段烧成影响着磁芯晶粒的大小、均匀度、气孔率及分布等；到最高烧结温度后，应有一个3～5h左右的保温段；在降温阶段，冷却速率及氧含量对产品的电磁性能及合格率也有很大影响。

　　在烧成工序，应重点预防产品粘连、变形和开裂；重点控制氧含量、窑尾气压的变化以及产品外型尺寸和性能的一致性。根据用户和产品的不同要求，规范工艺，实行定窑、定温、定气氛、定摆坯方式和定期疏通排胶管道的标准化作业模式。

　　经烧成的磁芯只有极少数可以直接使用，大部分必须经过磨加工才能获得满足用户要求的机械尺寸和外观。磁芯的磨加工方式通常有直线通过式、圆盘通过式和圆盘周期式等。直线通过式的加工效率很高，但它需要下垫砂带、钢带，而且磁芯相对于台面也在移动，因此其精度较差，对电感量一致性要求较高和用户需要批量开气隙的磁芯，该种加工方式会存在隐患。采用圆盘周期式磨床加工时，由于磁芯与台面相对固定，且不垫任何介质，因此加工精度较高，适合于加工小型磁芯，其缺陷是磁芯磨损（掉块）会严重一些。

　　提高磨加工产品质量的一致性，要精选钢带、砂带，必要时，根据产品的磨加工特点，制作一些专用夹具可很好地保证批量磨加工的一致性。此外，磁芯上的烧结粘连异物如钢玉砂、料粉、毛刺等的处理也相当重要，清除不干净会导致产品磨斜、表面不平整、尺寸偏差大、电感量及功率损耗散差较大等不良后果，因此在加工前，对磁芯进行简单的分选和处理也是非常必要的。本工序应重点预防操作人员的倾向性加工错误，重点规范磨加工进刀速度、不同产品的磨加工设备选择和加工方法，以确保产品尺寸和电感量等参数。

　　由于批量生产中的影响因素较多，加之用户要求的不断提高，个别的品质偏差也会导致用户的投诉甚至批量退货，因此，对磨加工后的产品进行出厂前的分选，是十分必要的。其职能通常包括两方面：一是根据用户要求分选，淘汰出外观、尺寸或性能不符合要求的产品，包括必要时逐测产品性能或逐量产品尺寸；二是对一些产品实行外型尺寸分档以利于有效配对。

　　本工序应从规范管理出发，建立较完善的产品质量追溯制度（能追溯到产品交付用户使用时），坚决杜绝漏分漏检现象。当然，规范不同产品的包装材料和包装方式以利于用户使用，也是本工序管理的重点内容之一。

　　以上就软磁铁氧体磁芯的全部生产过程，从原材料选择及配方→备料→成型→磨加工→分选及包装等各个工序，都进行了详细的介绍，并指出了应该注意的事项。