CN102659418B - 高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法 - Google Patents

高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法 Download PDF

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Abstract

一种高密度高饱和磁感应强度 Mn-Zn 系铁氧体的烧结方法，属于软磁铁氧体制备技术领域。包括升温阶段、保温阶段和降温阶段，升温阶段包括铁氧体坯件依次途经窑炉炉膛的一区、二区和三区，特点：在一区以 80-150 ℃ /h 的升温速率升温至 1050 ℃；在二区以 70-100 ℃ /h 的升温速率自 1050 ℃升温到 1150 ℃，同时通入氮气；在三区以 120-180 ℃ /h 的升温速率自 1150 ℃升温至 1300-1350 ℃，且控制氧分压；保温阶段是指在 1300-1350 ℃时进行保温；在降温阶段先以 80-120 ℃ /h 的降温速率自 1300 ℃ -1350 ℃降温至 1000 ℃，再以 120-200 ℃ /h 的降温速率自 1000 ℃降至 150 ℃，出炉。优点：可将密度、初始磁导率、饱和磁通密度提高；节约能源；减少氮气的耗用量。

Description

高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法
技术领域
本发明属于软磁铁氧体制备技术领域，具体涉及一种高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法。
背景技术
上面提及的高密度和高饱和磁感应强度的概念是相对于已有技术中的Mn-Zn系功率铁氧体的密度和饱和磁感应强度而言的，已有技术中的Mn-Zn系功率铁氧体的密度通常在4.7-4.8×103kg/m3，和饱和磁感应强度通常在500-506mT，初始磁导率通常在2200-2500，因此得以显著提升这些技术指标的Mn-Zn系铁氧体则称为高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系功率铁氧体。
随着网络通讯、家用电器和IT产品等的飞速发展，对电子元器件的要求也日益严苛。特别是随着电子元器件的小型化和高效率化，对应用于电子设备的变压器也有着亦步亦趋的小型化和高效率化要求。同时，希望作为变压器用的Mn-Zn系功率铁氧体的诸如前述的密度、饱和磁感应强度和初始磁导率能够显著提高。如业界所知：提高Mn-Zn系功率铁氧体的密度不仅有助于提高饱和磁感应强度和初始磁导率，而且还可改善机械强度而有利于精密加工。
在已公开的中国专利文献中不乏见诸关于铁氧体的烧结的技术信息，略以例举的如CN101205137A推荐有“一种干压成型的烧结永磁铁氧体的制造方法”、CN101945836A提供有“烧结的铁氧体材料及制备烧结的铁氧体材料的方法”和CN10202046A披露有“一种高磁导率MnZn铁氧体材料的烧结方法”，等等。
典型的如CN100466114C揭示的“一种高饱和磁通密度MnZn铁氧体的烧结方法”，其是将烧结过程中的第一升温段的时间和温度分别控制为60-360min和600-800℃，并且在大气气氛中烧结；将第二升温段的时间和温度分别控制为180-480min和1100-1450℃，并且在该第二升温段使氧分压维持为0.001-2％；将保温段的温度维持为1100-1450℃，时间维持为30-600min，并且将氧分压维持为2-10％；将降温段在360-1200min内使温度自1100-1450℃降至100℃，并且维持平衡氧分压。该专利方案得到的Mn-Zn铁氧体的饱和磁感应强度为423(100℃下测试)，具体可参见该专利的说明书第3页。
又，CN101817679A公开的“一种锰锌铁氧体烧结工艺”是将铁氧体坯体置于窑炉中以平均升温速率为120℃/h升温至1340℃，并且保温90min，接着以2.5℃/min的降温速率降温至1270℃，并且再次保温180min，最后，待再次保温结束后并且降温至200℃时出窑。得到铁氧体采用排水法检测，其气孔率为9-17％，密度为4.64g/cm3-4.91g/cm3。具体可参见该专利申请的说明书第2页的实施例1-3。
由并不限于上面例举的专利或专利申请技术可知，烧结工艺的合理与否会对Mn-Zn系铁氧体的密度直接产生影响，从而对饱和磁感应强度和磁导率产生影响。
研究表明，Mn-Zn系铁氧体坯件在升温过程中逐渐生成尖晶石相时会释放出氧，如果升温速率控制不好，由于升温导致坯件密度开始上升，表面开始硬化，坯件中的空气以及由于固相反应生成的氧气分子便难于逸出而残留在铁氧体内部，同时，原材料中的氯化物因得不到充分挥发而局部形成氧化铁晶粒并且非连续增长，从而影响铁氧体的密度和磁性能。因此，Mn-Zn铁氧体内部的气孔大小以及气孔分布与烧结温度、升温速率、烧结时间以及周边的气氛环境(氧分压)有相当大的关系。从理论上讲，在升温的特定阶段铁氧体释放氧时如果降低铁氧体周边环境中的氧分压，能够促进铁氧体内部的氧逸出铁氧体表面，从而有效地减少存在于铁氧体内部的气孔，那么毫无疑问可以提高铁氧体的密度，同时提高饱和磁感应强度和磁导率。对此业界均在不懈地研究与探索，但是成功应用的也仅仅限于周期式工作的实验马弗炉与钟罩炉，在隧道式窑炉中迄今为止尚未见诸有成功的乃至可以借鉴的报导。
鉴于上述已有技术，本申请人作了积极有益的并且经过了反复的实验，找到了在隧道式窑炉中得以显著提高铁氧体密度的烧结方法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的任务在于提供一种有助于显著提高密度而藉以改善饱和磁通感应及磁导率、有利于节约烧结所耗的能源、有益于节省作为保护气体的氮气而藉以降低制造成本并且体现节约型和节能型经济精神的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法。
本发明的任务是这样来完成的，一种高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，包括升温阶段、保温阶段和降温阶段，所述的升温阶段包括铁氧体坯件依次途经窑炉炉膛的一区、二区和三区，特征在于：在所述的一区以80-150℃/h的升温速率自室温升温至1050℃，在一区的烧结气氛为空气并且控制该一区的氧分压；在所述的二区以70-100℃/h的升温速率自1050℃升温到1150℃，同时通入氮气，并且控制该二区的氧分压和控制氮气的流量以及控制铁氧体坯件途经二区的速度；在所述的三区以120-180℃/h的升温速率自1150℃升温至1300-1350℃，并且控制该三区的氧分压；所述的保温阶段是指在1300-1350℃时进行保温，并且控制保温时间和控制保温时的氧分压；在所述的降温阶段先以80-120℃/h的降温速率自1300℃-1350℃降温至1000℃，并且在降温阶段降低氧分压，再以120-200℃/h的降温速率自1000℃降至150℃，并且进而控制氧分压，出炉，得到密度为4.85-4.95×103kg/m3的高密度高饱和磁感应强度的Mn-Zn系铁氧体。
在本发明的一个具体的实施例中，所述的控制该一区的氧分压是将一区的氧分压控制为20-22％。
在本发明的另一个具体的实施例中，所述的控制二区的氧分压是将二区的氧分压控制为0.1-0.3％；所述的控制氮气流量是将氮气的流量控制为25-35m3/h，所述的控制铁氧体坯件途经二区的速度是将速度控制为0.9-1.8m/h。
在本发明的又一个具体的实施例中，所述的控制三区的氧分压是将三区的氧分压控制为1-4％。
在本发明的再一个具体的实施例中，所述的控制保温时间和控制保温时的氧分压是将保温时间控制为3-6h，将保温时的氧分压控制为2-8％。
在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的在降温阶段降低氧分压是将氧分压自2-8％降至0.01-0.03％。
在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的进而控制氧分压是将氧分压控制为0.015％以下。
在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的二区的长度为1.5-2m。
本发明提供的技术方案由于将升温烧结阶段的二区实质上构成慢速升温区，并且在整个升温阶段仅在该区域通入氮气保护气体，因而不仅可将密度提高至4.85-4.95×103kg/m3，相对于已有技术提高了0.1-0.2×103kg/m3，而且将初始磁导率(ui)提高至2600-2790，相对于已有技术提高了390-450，并且将饱和磁通密度提高至515-525mT，相对于已有技术提高了15-19mT；此外，烧结温度相对于已有技术的1365℃降为1320℃从而可以节约能源；由于仅在二区通入氮气保护气体，因而相对于已有技术在升温阶段的二区和三区相对应的温度段全面通入氮气而言可以显著减少氮气的耗用量，藉以体现经济性。
附图说明：
图1为本发明所示的各烧结阶段的温度曲线与氧分压曲线示意图。
具体实施方式
实施例1
以对外径29.25mm，内径17.5mm以及厚度为10mm，并且压制密度为3-3.05g/cm3的环状Mn-Zn铁氧体坯件付诸连续式隧道窑进行烧结为例。
请见图1，该图示意了连续式隧道窑对前述Mn-Zn铁氧体坯件在升温烧结过程中的温度以及氧分压曲线。整个烧结方法包括升温阶段、保温阶段和降温阶段，具体如下：
升温烧结阶段包括Mn-Zn铁氧体坯件依次途经窑炉炉膛的一区、二区和三区，在所述的一区以85℃/小时的升温速率(也可称升温速度，以下同)自室温升温至1050℃，在该一区的烧结气氛为空气，氧分压为21％；在所述的二区以85℃/h的升温速率由1050℃升温至1150℃，同时以35m3/h的流量向该二区引入氮气，使该二区的空间氧分压在0.2％，以及该二区的长度为1.6m，Mn-Zn铁氧体坯件途经该区域的速度为1.36m/h；在三区以150℃/h的升温速率由1150℃升温到1320℃，三区的氧分压控制4％，然后进入保温阶段，保温时间为4h，保温阶段的氧分压控制在4％。保温结束后进入降温阶段，在该降温阶段先以85℃/h的降温速率由1320℃降温至1000℃，氧分压控制由4％降至0.015％，再以150℃/h的降温速率由1000℃降至150℃，进而控制氧分压为＜0.015％，出炉，得到由下表所示的技术指标的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体磁环(抽取十枚进行测试)。
Figure BDA0000154062440000041
实施例2
图略。
升温阶段包括Mn-Zn铁氧体坯件依次途经窑炉炉膛的一区、二区和三区，在一区以145℃/h的升温速率自室温即常温升温1050℃，在该一区的烧结气氛为空气，氧分压为22％；在二区以90℃/h的升温速率由1050℃升温至1150℃，同时以30m3/h的流量向该二区引入氮气，使该二区的氧分压在0.3％，以及该二区的长度为1.8m，Mn-Zn铁氧体坯件途经该区域的速度为1.62m/h；在三区以170℃/h的升温速率由1150℃升温到1330℃，三区的氧分压控制1％。在1330℃保温5h，形成保温阶段，保温阶段的氧分压控制在2％，保温结束后进入降温阶段，在该降温阶段先以110℃/h的降温速率由1330℃降温至1000℃，氧分压控制由2％降至0.01％，再以165℃/h的降温速率由1000℃降至150℃，氧分压控制＜0.015％，出炉，得到由下表所示的技术指标的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体磁环(抽取十枚进行测试)。其余均同对实施例1的描述。
Figure BDA0000154062440000051
实施例3：
图略。
升温阶段包括Mn-Zn铁氧体坯件依次途经窑炉炉膛的一区、二区和三区，在一区以110℃/h的升温速率自室温升温至1050℃，在该一区的烧结气氛为空气，氧分压为20％；在二区以75℃/h的升温速率由1050℃升温至1150℃，同时以32.5m3/h的流量向该二区引入氮气，使该二区的氧分压在0.1％，以及该二区的长度为1.9m，Mn-Zn铁氧体坯件途经该区域的速度为1.52m/h；在三区以125℃/h的升温速率由1150℃升温到1345℃，三区的氧分压控制2.5％，在1345℃保温3h，形成保温阶段，保温阶段的氧分压控制在7％。保温阶段结束后进入降温阶段，在该降温阶段先以95℃/h的降温速率由1345℃降温至1000℃，氧分压控制由7％降至0.03％，再以195℃/h的降温速率由1000℃降至150℃，氧分压控制＜0.015％，出炉，得到由下表所示的技术指标的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体磁环(抽取十枚进行测试)。其余均同对实施例1的描述。
Figure BDA0000154062440000061
综上所述，本发明提供的技术方案克服了已有技术中的欠缺，完成了发明任务，体现了申请人在技术效果栏中所述的技术效果，并且相对于已有技术可节能5-10％。

Claims (8)

1.一种高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于包括升温阶段、保温阶段和降温阶段，所述的升温阶段包括铁氧体坯件依次途经窑炉炉膛的一区、二区和三区，特征在于：在所述的一区以80-150℃/h的升温速率自室温升温至1050℃，在一区的烧结气氛为空气并且控制该一区的氧分压；在所述的二区以70-100℃/h的升温速率自1050℃升温到1150℃，同时通入氮气，并且控制该二区的氧分压和控制氮气的流量以及控制铁氧体坯件途经二区的速度；在所述的三区以120-180℃/h的升温速率自1150℃升温至1300-1350℃，并且控制该三区的氧分压；所述的保温阶段是指在1300-1350℃时进行保温，并且控制保温时间和控制保温时的氧分压；在所述的降温阶段先以80-120℃/h的降温速率自1300℃-1350℃降温至1000℃，并且在降温阶段降低氧分压，再以120-200℃/h的降温速率自1000℃降至150℃，并且进而控制氧分压，出炉，得到密度为4.85-4.95×10 3 kg/m 3 的高密度高饱和磁感应强度的Mn-Zn系铁氧体，所述的控制二区的氧分压是将二区的氧分压控制为0.1-0.3%。
2.根据权利要求1所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的控制该一区的氧分压是将一区的氧分压控制为20-22%。
3.根据权利要求1所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的控制氮气流量是将氮气的流量控制为25-35m 3 /h，所述的控制铁氧体坯件途经二区的速度是将速度控制为0.9-1.8m/h。
4.根据权利要求1所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的控制三区的氧分压是将三区的氧分压控制为1-4%。
5.根据权利要求1所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的控制保温时间和控制保温时的氧分压是将保温时间控制为3-6h，将保温时的氧分压控制为2-8%。
6.根据权利要求1所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的在降温阶段降低氧分压是将氧分压自2-8%降至0.01-0.03%。
7.根据权利要求1所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的进而控制氧分压是将氧分压控制为0.015%以下。
8.根据权利要求1或3所述的高密度高饱和磁感应强度Mn-Zn系铁氧体的烧结方法，其特征在于所述的二区的长度为1.5-2m。
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