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磁性材料-------鐵氧磁體

磁性材料-------鐵氧磁體

在106個元素周期表上只有Fe、Co、Ni,三個元素，以及稀土族的Gd元素在室溫時具有鐵磁性表現。若將.Fe、Co、Ni,這三個元素和稀土族元素互相結合，或與其它不具有鐵磁性表現的元素互相結合，就可以做成各種不同特性的磁性材料。而氧化磁鐵就是典型的代表。它主要是由Fe2O3(氧化鐵) BaCo3(碳酸鋇)或SrCo3(碳酸鍶)金屬粉末在加以壓機成形，提供優良之成本/特性比率。此種磁鐵有兩種類型：一為等方性磁鐵(Isotropic Magnet)，另一為異方性磁鐵(Anisotropic Magnet)，異方性磁鐵同時又分為干式與濕式。鐵氧體屬于氧化物系統的磁性材料。可用于制造能量轉換、傳輸和信息存儲的各種功能器件。

目前燒結金屬軟磁材料有：
1、純鐵Fe：
2、鐵磷合金Fe-P：
3、鐵硅合金Fe-Si：
4、鐵鎳合金Fe-Ni：
5、鐵鉻合金Fe-Co：
6、肥粒鐵系不銹鋼Fe-Cr：
7、鐵錫合金Fe-Sn：

軟磁材料：
是指在較弱的磁場下，易磁化也易退磁的一種鐵氧體材料。有實用價值的軟磁鐵氧體主要是錳鋅鐵氧體Mn－ZnFe2O4和鎳鋅鐵氧體Ni－ZnFeO4。軟磁鐵氧體的晶體結構一般都是立方晶系尖晶石型，這是目前各種鐵氧體中用途較廣，數量較大，品種較多，產值較高的一種材料。主要用作各種電感組件，如濾波器、變壓器及天線的磁性和磁帶錄音、錄像的磁頭。

軟磁材料：
A：金屬軟磁材料：
使用于直流電場中：由電阻所產生之損失是唯一的能量損失。
使用于交流電場中：其感應磁束密度B會隨著H之變化而有時間上的延遲，此時間上的延遲將造成能量的損失。特別在高頻時此損失將更為嚴重。此能量損失之原因可分為磁滯損及渦電流損，總稱為鐵損。
1、磁滯損之量：磁滯曲線所圍繞之面積 × 頻率。
2、渦電流損之量：因磁場變化時會產生渦電流，此渦電流 × 材料之電阻＝Ic×Ic×R。
減少鐵損最有效的方法就是：選擇阻抗大的材料或使用薄片所迭成之鐵芯。
在粉末冶金金屬軟磁材料，其阻抗值很低，故在交流頻率下使用時，會有嚴重的渦電流損，故只能使用于直流或中低頻的磁性回路中。

B：鐵氧磁體磁材料：
因具有高阻抗值的優點，可減少渦電流損失。故通常使用于高頻和中高頻的磁性回路中。其缺點為感應磁束密度B低，平均不到金屬軟磁材料的1/2。

軟磁材料的常用磁性能參數：

飽和磁感應強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化向量整齊排列。
剩余磁感應強度Br：是磁滯回在線的特征參數，H回到0時的B值。
矩形比：Br∕Bs
矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質應力等）。
磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態密切相關。

一般軟磁材料須具有以下之條件：
1、大飽和磁束密度Bs值。
2、小矯頑磁力Hc值。
3、大導磁率μ值。
4、高阻抗ρ值。
其中：
1、磁束密度Bs與材料的致密性程度有關。密度愈高Bs愈大。
2、矯頑磁力Hc、導磁率μ則與材料之成份及顯微組織有很大關系。

氧化鐵磁石生產流程：
將原料：SrCO3、Fe2O3 ──＞計量混合──＞假燒──＞粗粉碎──＞微粉碎──＞壓制──＞燒結──＞研磨加工──＞洗滌清潔──＞出廠檢驗──＞裝運入庫

釹鐵硼鐵石生廠流程：
原材料──＞計量混合──＞真空熔煉──＞氣流研磨──＞壓制──＞真空燒結──＞毛胚性能測試──＞研磨──＞半成品檢驗──＞表面涂覆──＞線切割──＞鉆孔──＞切片──＞充磁及包裝──＞成品檢驗──＞裝運入庫

其生產流程如下所述：
一般制程
磁性陶瓷材料的制程分為干式法與混式法，前者以適當比例的金屬氧化物粉體為起始原料，在高溫加熱進行鐵氧磁體的粉體合成或燒結，濕式法則以金屬鹽水溶液為起始原料，包括沈淀、生成、干燥、熱處理等工程。而兩種以上成分的金屬鹽水溶液，以共沈法可以得到均勻超微狀的鐵氧磁體粉體，但它的缺點是缺乏量產性。生成沈淀之際，因沈淀微粒子常成獨特的針狀，板狀，立方體狀等析t.故利用此種結晶現象可大量生產磁帶用氧化物磁粉(，以下我們分述干式法制作多結晶燒結鐵氧磁體與濕式法制作微粒子氧化物磁粉。

5式法多結晶燒結氫氧磁體
工業上大量生產的高頻用軟磁鐵氧磁體及硬磁鐵氧磁體干式制程，因其用途完全不同為，在制造的控制下有很多不同點。但基本上有很多共通的制程纓作。
高頻用磁芯的燒結鐵氧磁體主要為尖晶石型的鐵氧磁體如錳鋅系，鎳鋅系. .永久磁石用鐵氧磁體如鍶系、鋇系則為六方晶系。
(a)鐵氧磁體粉體準備
起始原料粉體經混合，加熱(煅燒)粉碎制得鐵氧磁體粉體，粉體經造粒、加壓成形、加熱燒結得到燒結成品，制品的磁性受微細構造影響很大. ,為得到具優良磁持性的微結構，須研究鐵氧粉體的特性。

(t)原料的選擇與處置
原料以金屬氧化物或碳酸鹽為主，這些原料常為數V m~數十pm的微粉體。原料的純度曾，主原料的純度曾影響到產品偏離化學計量組成的程度，而微量不純物，亦不可輕忽其對最后特性之影響。原料的經時變化，如吸附水分、二氧化碳，分解等都會使產品偏離組成。故使用特性清楚的原料是增高生產性、管制質量的第一步。

(2)混合
為得均勻的混合粉體，常在混合粉體，汾體加水成泥漿，用球磨機(Ball Miller)混合。形成泥漿是要增高混合效率，防止發熱，混合時通常用水，但容易溶解的原料可改用氯乙烯、異丙醇、乙醇等溶劑，有時亦用全無液體的干式混合。而鐵氧磁體原料的混合通常用鋼制球磨罐，球罐與球的損耗會使鐵粉混入原料粉中，有時須補正組成的偏差，球磨機混合完成后，以泥漿濾壓機等脫水，干燥。

(3)煅燒
將均勻混合的原料粉體水I，混合粉體的粒子間進行固體反應，生成鐵氧磁體。此第1段加熱工程稱為煅燒，接著經粉碎及成形，而后加熱，此工程稱琵程稱為燒結。煅燒的理由如下:
1.原料為碳酸鹽或高級氧化物等時，:.須預先加熱分解釋出產生的氣體。
2.預先完成含氧化鉛，氧化鋅等揮發性，氧化物的反應，使燒結工程產生的外形尺寸收縮程度保:。叫1塤持一定
3.消除混合體的局部組成變動以求粉體的均勻性。

(4)粉碎與造粒
煅燒所進行的固相反應會產生粒子間的輕微燒結，須將之粉碎微粒化。此工程仍大都是以加水或泥漿，以鋼制球磨罐、球粉碎。粉碎后粉體的形狀影響后續粉體成形、燒結所得制品的微結構，而對磁特性有敏感影響，故粉碎工程很重要。由于粉碎之際發生的機械性應變或機械化學作用，會使鐵氧磁粉的磁特性劣化，可在不產生晶粒成長的溫度下作短時間退火處理即可。此項操作在橡膠磁體用鐵氧磁體之促成上很重要。如表17.30為比較硬磁鐵氧1氧磁體粉制造法不同所導致矯頑磁力的差異。經過
1、原料選擇：以金屬氧化物和碳酸鹽為主。通常為數μm~數十μm的微粉體。
2、計量混合：要得到均勻的混合原料，常在混合粉體加水成泥漿再用球磨機混合。對容易溶解的原料可改用異丙醇…等代替水。混合完成后，以泥漿濾壓機等脫水、干燥。
3、假燒：將均勻混合的粉體加熱，混合粉體的粒子間進行固體間反應，生成鐵氧體。
4、粉碎：假燒所進行之固相反應會產生粒子間的輕微燒結，須將之粉碎微粒化。此時粒徑約0.5~1.5μm。
5、造粒：可消除微粒子間的不規則黏著或黏于容器壁，改善流動性且可防粉體飛散。量產時粒徑約0.1~0.6mm。
6、壓制成形：目的再獲得與制品相似的粉體成形體。
7、燒結：直接決定磁特性、電性、機械性質等。燒結分為三期：
A：初期過程：加熱時先從微粒子接觸部結著，再形成頸部成長，造成粒子間距離減少而形成體收縮。氣孔率大約30%左右。
B：中期過程：由于粒子間的結合使粒子成長，趕出粒子間的空隙，使成形體更致密，成形體顯著收縮，氣孔率減少。氣孔率大約30%~10％。此過程中一部份空隙成為閉氣孔封入燒結體中。
C：為減少晶界能量，繼續進行晶粒成長，而被封入的氣孔經晶界擴散而少量排出于成形體外部，收縮變緩和。
8、研磨加工與洗滌清潔
9、出廠檢驗。

由以上的生產流程，我們可以知道燒結后成品密度和燒結之前的生胚密度，兩者之差異相當大。此由于燒結過程中粒子間的結合使粒子成長所造成的收縮。
若粉體成形的生胚密度不加以量測，則有可能造成燒結后產品因收縮而產生變形現象，浪費原料和成本。又金屬粉末經壓機成形之生胚是多孔性毛胚。此毛胚一旦浸入水中，立即產生瓦解，無法量測其生胚密度值。

經我們的訪問調查得知，目前工業界采用：
1、水銀壓入密度儀：利用水銀表面張力大的特性，將水銀給予加壓而滲入粉體內的細孔。由圧力和被圧入的水銀量來求得密度的方法。但經醫學家證實水銀是有毒的，如吸入汞蒸氣，咽下可溶性汞化合物或經皮膚吸收汞，都可引起汞中毒。

2、利用一般性橡膠比重計量測：使用其它溶液來代替水。如硅油…等帶有黏稠度的液體。其目的是避免此毛胚瓦解(防水處理)。簡單的說就是不讓滲入開放孔隙。因為多孔性產品的密度求法根據ASTM B311與MPIF Standard 42與JIS Z2505和GB/T 5163準則所規定。是以『體密度』為認定標準。而體密度(Bulk Density)即一般粉末燒結產品，它包含待測物體內密閉孔隙與開放孔隙所測得之密度。所以絕對不能讓液體滲入開放孔隙內。目前廠商可能都是使用硅油代替水的理由。但根據我們的了解，此硅油代替水的方法只是權宜之策。但硅油是黏稠度的液體，在產品處理上帶給操作者相當的不便。

以下是我們的實驗報告：
針對軟磁材料，我們作了以下之實驗報告，來驗證我們的產品適合使用于多孔吸水的磁性材料：
A：軟磁生胚材料：
條件：使用本公司專業型比重計MH-200P 200g 平均讀值0.001g 使用C程序
蠟溫80℃ 蠟比重：0.900 水溫15℃ 水密度值 0.998
演算公式為：Db＝Wa/【(Wb－Ww)/ 0.998－(Wb－Wa)/0.900】

干燥空氣中重	防水處理后空氣中重	防水處理后水中重	體密度值
11.308	11.652	7.629	3.099
11.340	11.711	7.676	3.123
11.314	11.617	7.462	3.116
11.220	11.736	7.657	3.025
11.296	11.622	7.587	3.069
11.257	11.648	7.593	3.102

B：軟磁燒結后材料：使用A程序
條件：使用本公司專業型比重計MH-300I 300g 平均讀值0.001g
工業酒精比重：0.800 水溫15℃ 水密度值 0.998
演算公式為：Db＝(Wa×0.998)/(Wb－Ww)

干燥空氣中重	防水處理后空氣中重	防水處理后水中重	體密度值
13.404	13.441	10.815	5.089
13.423	13.462	10.823	5.071
13.463	13.482	10.848	5.096
13.416	13.458	10.830	5.090
13.363	13.388	10.774	5.097

由以上的兩個實驗，可以證明我們的產品能輕易快速的、準確的直接讀出磁性材料的生胚、燒結密度。

本公司對電子比重計已有18年的實際生產銷售經驗。經3年的研發，終于生產出完全符合ASTM，MPIF，JIS，中國國家標準…等的標準粉末冶金專用電子比重計來服務于磁性材料行業。

A：專業型臺灣MatsuHaku電子比重計QL-300I：吸水體專用
稱重精度：0.005/0.01~200g 密度精度：0.001g/cm3   平均稱重精度：0.001g
體積精度：0.001 cm3  固體量測具有水溫度補償、可使用其它溶液代替水溶液。

B：專業型臺灣MatsuHaku電子比重計QL-600I：吸水體專用
稱重精度：0.02/0.01~600g  密度精度：0.001g/cm3   平均稱重精度：0.001g
體積精度：0.001 cm3  固體量測具有水溫度補償、可使用其它溶液代替水溶液。

以上二種機型完全依照ASTM、GB/T、JIS、ISO的標準方法為依規，且以阿基米得原理的水中置換法理論為基礎所設計而成。以精制石蠟來代替硅油做為防水處理劑，以三個變量公式。能輕易的讓  您快速的量取生胚和燒結密度值。

附錄：
生胚封蠟防水處理標準操作法
步驟：
1、將蠟粒直接放入蠟溶解槽上，然后電源power on給以加熱，可調至最高溫度讓其快速加熱，因蠟的熔點為60℃約1~2分鐘就可發現蠟開始溶解成液體，此時調降溫度至零位置或將電源power off。利用爐子的余溫即可將蠟完全溶解為液體。
2、拿150℃之溫度計測試蠟溫。
3、蠟溫勿超過150℃。
4、防水處理之蠟形成液體之后，首先測試防水處理劑的情況，必須達到(速浸速干)
5、此要求。(可拿夾子浸入速拿起，看看是否速干之狀況，而且覆蓋層要向糖衣一樣薄薄的一層。)
6、使用夾子夾住樣品先浸泡一半，在使用夾子夾住已防水浸泡之部份，再浸泡另一半。
7、如以上所示，即可完成防水處理之效果。

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