软磁铁氧体大生产品质稳定性控制
2005-10-31 10:43:17
来源：《国际电子变压器》2005年11月刊
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1引言
当今世界，数字电视、数字通讯、数码相机、笔记本电脑、手机等电子产品无时无刻不与人们相伴，人们对生活高质量的追求与日俱增，要求电子产品除了具有一般功能外，还要功能多样化、个性化、小型化，因此对磁性材料也提出了更高的要求。目前两大类软磁锰锌铁氧体材料中，功率类铁氧体材料向高频、低损耗、高直流叠加方向发展，高磁导率类铁氧体材料向超高磁导率、高频、高居里温度、宽温方向发展，而磁心的形状也向较复杂和小型化的EIF、ECF、PLT、L、EFD、EFC型方向发展。为了满足这些特殊要求且适合批量生产，铁氧体磁心就必须尺寸一致性好，以利于标准化流水线装配，同时电气特性尤其是电感一致性好，使用时采用标准线圈高效作业。而要达到这些要求，对软磁铁氧体磁心的批量生产的质量控制就尤为重要。本文对批量生产的各个环节的品质控制谈一些浅要看法。
2关键工艺
制粉；成型；烧结；磨加工。
3品质控制
3.1粉体质量
粉体质量包括它的物理特性和电气特性，电气特性要通过烧结以后才显现出来，它与材料配方及添加剂有关，同时也与工艺过程有关，而物理特性在成型时就能体现出来，一般对粉体质量的评价主要是成型性评价，成型性好的粉体成型压力小，粉体流动性好，压制的毛坯不粘膜、起层和开裂，烧结后不开裂，粉体应着重控制以下参数：
a.颗粒尺寸分布
由于产品小型化，对粉体粒度要有新的要求，传统颗粒度为40~200目，对于小磁心来说，为了充分填满复杂和窄小的模腔，可能需要80~240目、峰值为140目的粉体以提高粉体流动性，否则毛坯各处密度差异大，烧结后收缩不一致，导致变形、尺寸一致性差而难以适应批量磨加工的要求，并影响电感和功耗的一致性，造成质量较大波动。
b.含水量
粉体含水量低，成型压力大，压制的毛坯易起层、开裂，含水量高则易粘膜，造成表面缺陷，可调整料浆浓度及喷雾干燥器的出口温度，使含水量控制在0.4%左右。
c.磁化度
磁化度是表明粉体预烧过程中固相反应程度及吸氧量的一个重要参数，其测试值与测试装置影响很大，如果在预烧过程中吸氧量不足，则会在二次烧结过程中吸氧速度过快而引起产品内应力增大造成产品开裂，因此，对预烧温度曲线及其工艺控制相当重要。
当然，粉体的松装比重，流动角等也要控制在合适范围内。
3.2成型
成型品的密度均匀性直接影响烧成品的外形、尺寸及性能，对大尺寸产品而言，除了控制整体密度外，还要控制其分体密度，对小尺寸产品要控制毛坯密度线的位置，以保证烧成器不出现张口、收口、两端尺寸不一致、扭曲等缺陷，尤其对小产品的重量控制相当重要。如某磁心毛坯重量为2克，一般天平精度为0.1克，即使按毛坯重量最小公差0.1克计算，累积重量偏差为0.2克。因此毛坯密度就有10%（或±5%）的偏差（相对于2克），显然我们不能容忍如此大的偏差，否则烧成品尺寸一致性极差。当然我们可以更换精度更高的天平，但这样一方面成本高，另一方面工作效率降低且高精度天平易损坏，而如果我们将10只毛坯合并称重，则重量为20克，如果设定其公差为±0.2克，再加上天平0.1克的精度，这样毛坯密度只有2.5%（或±1.25%）的偏差（相对于20克），因此毛坯密度一致性得到大大提高，亦即提高了烧成品的尺寸一致性。
3.3烧结
对MnZn软磁铁氧体磁心，国内大部分厂家采用氮气保护窑烧结，也有厂家采用钟罩炉或真空炉（钢包炉）绕结，相比之下，氮气窑内的气流流动性较大，因而Zn的挥发（尤其是高磁导率材料）较大，因此排坯的外围产品和内部产品烧结后的成份就有差异，导致性能一致性差，若材料起始磁导率为μi（一般采用环形磁心测量），则制成具体的磁心后其有效磁导率为：
(1)
式中：μe——磁心有效磁导率；
δ——配对磁心的配合面的残存气隙，m；
Le——磁心有效磁路长度，m。
对此分两种情况来处理：
对不需磨加工的磁心（闭路磁心），δ=0，由式(1)得知，μe=μi，μi的散差大小就决定了μe的散差大小，对μi=2000左右的材料，批量生产的μi散差为±(10~20)%，可以满足一般产品μe散差±25%(通常由电感因数AL来体现)的要求，而对于μi=7000~12000的材料，由于Zn挥发，批量生产的μi散差可达±(25~50)%，因此，对该类磁心要使μe(或AL)达到±25%的散差是较困难的，可以通过在烧结时按位置分档或性能分类，或在不同烧结位置放置不同品种来解决。
对需要配对使用的磁心，磁心配合面需要进行磨加工，我们来分析由于烧结温度和气氛的波动造成μi的变化对磁心μe的影响，假设μi有一增量Δμi，相应μe有一增量Δμe，则由式(1)得到式(2)：
(2)
经变换可得：
(3)
由式(3)可反推出μe的变化对μi的影响：
(4)
表1列出了μi分别为2000、5000、7000的典型材料制造的Le分别为20、45、70mm的典型磁心，当μi散差为±25%、δ为6μm时由式(3)得出的μe的散差情况。
表1显示出，Δμe/μe的绝对值总是比Δμi/μi的绝对值小，这说明制成配对磁心磨加工后不仅降低了磁导率（由材料起始磁导率μi变为磁心有效起始磁导率μe），同时也缩小了散差范围。
反之，如果我们要求批量生产的磁心的μe散差（即AL散差）为±25%，那么我们允许μi的变化幅度有多大？我们可由式(4)推出表2。
同样，表2显示出允许的Δμi/μi的绝对值比Δμe/μe的绝对值大。实际上，表1、表2的数据是在假设磨加工质量（配合面残存气隙量）不变的情况下得到的，考虑到批量磁心磨加工质量的波动，Δμe/μe会更大一些，而允许的Δμi/μi也会更小一些，最关键的还是调节烧结气氛的均匀性，缩小μi的散差范围。
3.4磨加工
磨加工方式一般分为直线通过式、圆盘通过式、直线往返式、圆盘周期式（批装式）等，由于直线通过式需要下垫砂带、钢带，而且磁心相对于台面在移动，因此精度较差，但效率很高，圆盘周期式磨床的磁心与台面相对固定，且不垫任何介质，因此精度较高，精度要求最高的抛光产品也采用圆盘周期式磨加工。
提高磨加工产品质量的一致性，要精选钢带、砂带，其厚度尺寸均匀性直接影响磨加工产品尺寸的一致性，必要时，制作一些专用工具可很好地保证批量磨加工的一致性。
另外，磁心上的烧结粘连异物的处理也相当重要，清除不干净会造成尺寸不稳定、磨加工表面不平整而导致磁心电感量及功耗测试的视在值散差增大。
4结束语
软磁铁氧体磁心大批量生产的品质稳定性非常重要，个体的品质偏差有时会使整批产品不能使用，造成重大损失，因而必须严格控制批量生产过程中的不稳定因素，做到提前预防，以确保批量产品质量的一致性。
当今世界，数字电视、数字通讯、数码相机、笔记本电脑、手机等电子产品无时无刻不与人们相伴，人们对生活高质量的追求与日俱增，要求电子产品除了具有一般功能外，还要功能多样化、个性化、小型化，因此对磁性材料也提出了更高的要求。目前两大类软磁锰锌铁氧体材料中，功率类铁氧体材料向高频、低损耗、高直流叠加方向发展，高磁导率类铁氧体材料向超高磁导率、高频、高居里温度、宽温方向发展，而磁心的形状也向较复杂和小型化的EIF、ECF、PLT、L、EFD、EFC型方向发展。为了满足这些特殊要求且适合批量生产，铁氧体磁心就必须尺寸一致性好，以利于标准化流水线装配，同时电气特性尤其是电感一致性好，使用时采用标准线圈高效作业。而要达到这些要求，对软磁铁氧体磁心的批量生产的质量控制就尤为重要。本文对批量生产的各个环节的品质控制谈一些浅要看法。
2关键工艺
制粉；成型；烧结；磨加工。
3品质控制
3.1粉体质量
粉体质量包括它的物理特性和电气特性，电气特性要通过烧结以后才显现出来，它与材料配方及添加剂有关，同时也与工艺过程有关，而物理特性在成型时就能体现出来，一般对粉体质量的评价主要是成型性评价，成型性好的粉体成型压力小，粉体流动性好，压制的毛坯不粘膜、起层和开裂，烧结后不开裂，粉体应着重控制以下参数：
a.颗粒尺寸分布
由于产品小型化，对粉体粒度要有新的要求，传统颗粒度为40~200目，对于小磁心来说，为了充分填满复杂和窄小的模腔，可能需要80~240目、峰值为140目的粉体以提高粉体流动性，否则毛坯各处密度差异大，烧结后收缩不一致，导致变形、尺寸一致性差而难以适应批量磨加工的要求，并影响电感和功耗的一致性，造成质量较大波动。
b.含水量
粉体含水量低，成型压力大，压制的毛坯易起层、开裂，含水量高则易粘膜，造成表面缺陷，可调整料浆浓度及喷雾干燥器的出口温度，使含水量控制在0.4%左右。
c.磁化度
磁化度是表明粉体预烧过程中固相反应程度及吸氧量的一个重要参数，其测试值与测试装置影响很大，如果在预烧过程中吸氧量不足，则会在二次烧结过程中吸氧速度过快而引起产品内应力增大造成产品开裂，因此，对预烧温度曲线及其工艺控制相当重要。
当然，粉体的松装比重，流动角等也要控制在合适范围内。
3.2成型
成型品的密度均匀性直接影响烧成品的外形、尺寸及性能，对大尺寸产品而言，除了控制整体密度外，还要控制其分体密度，对小尺寸产品要控制毛坯密度线的位置，以保证烧成器不出现张口、收口、两端尺寸不一致、扭曲等缺陷，尤其对小产品的重量控制相当重要。如某磁心毛坯重量为2克，一般天平精度为0.1克，即使按毛坯重量最小公差0.1克计算，累积重量偏差为0.2克。因此毛坯密度就有10%（或±5%）的偏差（相对于2克），显然我们不能容忍如此大的偏差，否则烧成品尺寸一致性极差。当然我们可以更换精度更高的天平，但这样一方面成本高，另一方面工作效率降低且高精度天平易损坏，而如果我们将10只毛坯合并称重，则重量为20克，如果设定其公差为±0.2克，再加上天平0.1克的精度，这样毛坯密度只有2.5%（或±1.25%）的偏差（相对于20克），因此毛坯密度一致性得到大大提高，亦即提高了烧成品的尺寸一致性。
3.3烧结
对MnZn软磁铁氧体磁心，国内大部分厂家采用氮气保护窑烧结，也有厂家采用钟罩炉或真空炉（钢包炉）绕结，相比之下，氮气窑内的气流流动性较大，因而Zn的挥发（尤其是高磁导率材料）较大，因此排坯的外围产品和内部产品烧结后的成份就有差异，导致性能一致性差，若材料起始磁导率为μi（一般采用环形磁心测量），则制成具体的磁心后其有效磁导率为：
(1)
式中：μe——磁心有效磁导率；
δ——配对磁心的配合面的残存气隙，m；
Le——磁心有效磁路长度，m。
对此分两种情况来处理：
对不需磨加工的磁心（闭路磁心），δ=0，由式(1)得知，μe=μi，μi的散差大小就决定了μe的散差大小，对μi=2000左右的材料，批量生产的μi散差为±(10~20)%，可以满足一般产品μe散差±25%(通常由电感因数AL来体现)的要求，而对于μi=7000~12000的材料，由于Zn挥发，批量生产的μi散差可达±(25~50)%，因此，对该类磁心要使μe(或AL)达到±25%的散差是较困难的，可以通过在烧结时按位置分档或性能分类，或在不同烧结位置放置不同品种来解决。
对需要配对使用的磁心，磁心配合面需要进行磨加工，我们来分析由于烧结温度和气氛的波动造成μi的变化对磁心μe的影响，假设μi有一增量Δμi，相应μe有一增量Δμe，则由式(1)得到式(2)：
(2)
经变换可得：
(3)
由式(3)可反推出μe的变化对μi的影响：
(4)
表1列出了μi分别为2000、5000、7000的典型材料制造的Le分别为20、45、70mm的典型磁心，当μi散差为±25%、δ为6μm时由式(3)得出的μe的散差情况。
表1显示出，Δμe/μe的绝对值总是比Δμi/μi的绝对值小，这说明制成配对磁心磨加工后不仅降低了磁导率（由材料起始磁导率μi变为磁心有效起始磁导率μe），同时也缩小了散差范围。
反之，如果我们要求批量生产的磁心的μe散差（即AL散差）为±25%，那么我们允许μi的变化幅度有多大？我们可由式(4)推出表2。
同样，表2显示出允许的Δμi/μi的绝对值比Δμe/μe的绝对值大。实际上，表1、表2的数据是在假设磨加工质量（配合面残存气隙量）不变的情况下得到的，考虑到批量磁心磨加工质量的波动，Δμe/μe会更大一些，而允许的Δμi/μi也会更小一些，最关键的还是调节烧结气氛的均匀性，缩小μi的散差范围。
3.4磨加工
磨加工方式一般分为直线通过式、圆盘通过式、直线往返式、圆盘周期式（批装式）等，由于直线通过式需要下垫砂带、钢带，而且磁心相对于台面在移动，因此精度较差，但效率很高，圆盘周期式磨床的磁心与台面相对固定，且不垫任何介质，因此精度较高，精度要求最高的抛光产品也采用圆盘周期式磨加工。
提高磨加工产品质量的一致性，要精选钢带、砂带，其厚度尺寸均匀性直接影响磨加工产品尺寸的一致性，必要时，制作一些专用工具可很好地保证批量磨加工的一致性。
另外，磁心上的烧结粘连异物的处理也相当重要，清除不干净会造成尺寸不稳定、磨加工表面不平整而导致磁心电感量及功耗测试的视在值散差增大。
4结束语
软磁铁氧体磁心大批量生产的品质稳定性非常重要，个体的品质偏差有时会使整批产品不能使用，造成重大损失，因而必须严格控制批量生产过程中的不稳定因素，做到提前预防，以确保批量产品质量的一致性。
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