改善二次料制备的锰锌铁氧体软磁性能的研究

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感应加热线圈盘磁条材料是影响电磁炉能效的主要因素之一。在制备锰锌铁氧体磁条材料时,既要考虑高的性能,如高磁导率、低矫顽力和高电阻率,又要考虑成本因素。而锰锌铁氧体的生产制造过程中,因磨削加工、缺角、软磁性能不达标等原因,会产生大量的二次料。采用集中堆放或填埋的方式处理锰锌铁氧体二次料会浪费资源、污染环境。如果采用二次料作为原料,重新制备锰锌铁氧体,既可以降低成本,又有利于资源循环利用。但目前工业上利用二次料制备的锰锌铁氧体难以满足高性能电磁炉磁条材料的要求。针对上述问题,本文在对两种商用二次料制备的锰锌铁氧体磁条和两种锰锌铁氧体二次料全面分析的基础上,以二次料为原料通过工艺和成分优化改善了锰锌铁氧体的软磁性能,系统研究了陶瓷法制备工艺和微量添加物掺杂对材料结构和性能的影响。首先,分析并对比了电磁炉厂商提供的两种常用的二次料制备的锰锌铁氧体磁条在化学成分、物相结构、微观形貌和软磁性能上的差异,同时对厂商提供的两种锰锌铁氧体二次料原料进行了化学成分、物相结构和微观形貌的分析。结果表明,两种磁条均没有被检测出含有掺杂元素,并且除了尖晶石型MnZn铁氧体相外均存在少量的杂相Fe2O3。晶粒组织更加均匀和气孔较少的磁条具有较好的软磁性能。而两种二次料原料,即成品粉料和配制好的粉料,除了Fe、Mn和Zn外,均含有掺杂元素Ca、Si、Zr和S,并均存在着杂相Fe2O3。成品粉料的粉末颗粒呈现出团聚的块状,而配制好的粉料的粉末颗粒基本上呈现出球形,颗粒的平均粒径为55230μm。其次,以二次料为原料,采用陶瓷法制备了锰锌铁氧体磁环,研究了工艺流程、烧结温度、烧结气氛和成型压力对锰锌铁氧体物相结构、微观形貌和软磁性能的影响,获得了优化的制备工艺。结果表明,成品粉料制备的样品具有更好的软磁性能,且按整个工艺流程和从二次球磨开始制备的样品的软磁性能较为接近。对于空气烧结的样品,提高烧结温度能改善微观组织,使组织更加均匀致密,获得更好的软磁性能,其中最佳的烧结温度为1300℃。烧结气氛中过高的氧分压会导致明显的不连续晶粒长大现象,降低样品的软磁性能,其中最佳的氧分压为3%。适当地增大成型压力可以提高样品的烧结密度,改善软磁性能,其中最佳的成型压力为600 MPa。对于气氛烧结的样品,最佳的烧结温度为1350℃,适当地增大烧结温度能获得更加致密的微观组织,提升样品的软磁性能。通过工艺优化研究,目前所获得的最优软磁性能为振幅磁导率2970、矫顽力11.6 A/m、比总损耗15.6 W/kg(100 mT、25 kHz),综合性能优于目前商用的普通二次料磁条。接着,为了改善微观组织、提升软磁性能,研究了氧化物Nb2O5掺杂对二次料制备的锰锌铁氧体结构与性能的影响。结果表明,微量的Nb2O5掺杂能有效地改善微观组织,阻碍晶粒的异常长大,减少气孔,同时不会导致杂相的出现。0.03 wt.%的Nb2O5掺杂可以将振幅磁导率从2592提高到2613,矫顽力从14.1 A/m降低至13.5 A/m,比总损耗从19.6 W/kg减小至18.6 W/kg(100 mT、25 kHz)。最后,针对空气烧结样品,利用稀土氧化物掺杂成功地提高了其软磁性能。系统研究了稀土氧化物Sm2O3和Gd2O3掺杂对二次料制备的锰锌铁氧体结构与性能的影响。结果表明,掺杂微量的Sm2O3、Gd2O3不会导致出现第二相SmFeO3或GdFeO3。同时两种稀土氧化物均能改善微观组织,使晶粒生长更加均匀,减小气孔率,从而提高样品的磁导率,降低矫顽力和比总损耗。当Sm2O3、Gd2O3的掺杂量为0.03 wt.%时,样品具有最佳的软磁性能。
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