鍶永磁鐵氧體磁瓦裂紋原因分析

劉 松，王寅崗

(1.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106;2.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

0 引言

磁性材料是一種古老而年輕，且應(yīng)用廣泛的功能材料，已進(jìn)入了國民經(jīng)濟(jì)和國防的各個領(lǐng)域［1］。永磁材料作為磁性材料的一個重要組成部分，隨著其品種的增加、性能的提高、應(yīng)用的擴(kuò)大，已經(jīng)取得了輝煌的成就［2］。

鍶鐵氧體具有價格低、抗氧化性好、高矯頑力、高磁能積及單軸磁晶各向異性等優(yōu)點(diǎn)，被制備成永磁材料部件，在電子、信息、機(jī)械、汽車、微波等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［3］。磁瓦是微特電機(jī)不可缺少的部件，其產(chǎn)品質(zhì)量一直決定著相關(guān)行業(yè)的發(fā)展［4］。磁瓦裂紋是常見的產(chǎn)品失效形式，也是大部分生產(chǎn)廠家成品率低的主要原因。因而，對磁瓦裂紋產(chǎn)生原因的分析及改進(jìn)也成為工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)［5-6］。鍶鐵氧體作為無機(jī)非金屬材料，不論是本身結(jié)構(gòu)，還是制備工藝均與金屬材料有很大不同。雖然應(yīng)用無機(jī)非金屬材料的歷史比較悠久，但其失效機(jī)理和形貌表征并不像金屬材料那樣成熟。隨著工程實踐中無機(jī)非金屬材料應(yīng)用的增多，很多研究人員也正在對其斷裂失效等方面進(jìn)行研究［7-8］。由于無機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)特性等原因，致使其與金屬材料的斷裂失效機(jī)理和表征有所不同，但其失效分析的思路和方法是一致的。目前，無機(jī)非金屬材料的零部件失效案例的研究還相對較少。本研究采用掃描電子顯微鏡、能譜、X 射線衍射等手段，對鍶永磁鐵氧體磁瓦成品在檢測過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋原因進(jìn)行分析(其生產(chǎn)過程大致為配料→混磨→預(yù)燒→球磨→成型→燒結(jié)→加工→檢測)，旨在改進(jìn)其生產(chǎn)工藝，提高其產(chǎn)品合格率及對類似無機(jī)非金屬材料產(chǎn)品的裂紋原因分析提供失效分析思路和參考依據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 斷口檢查

裂紋位于磁瓦圓拱部位(圖1)，沿裂紋方向制取磁瓦斷口試樣，在體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。

圖1 磁瓦裂紋位置Fig.1 Location of magnetic shoe crack

斷口宏觀形貌顯示，磁瓦裂紋處斷口區(qū)域的顏色較暗，較為粗糙;人工打斷斷口區(qū)域較為細(xì)膩(圖2)。斷口微觀形貌顯示，裂紋處斷口粉粒結(jié)合較為松散，部分粉粒界面并沒有很好地結(jié)合在一起(圖3a);而人工打斷斷口微觀形貌顯示粉粒結(jié)合較好，有小氣孔形貌存在(圖3b)。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of the fracture

1.2 能譜分析

對裂紋處斷口進(jìn)行能譜分析(EDS)，分析位置和譜線圖見圖4，結(jié)果見表1，發(fā)現(xiàn)該處主要含有Fe、O、Sr 元素;而人工打斷斷口處則主要含有Fe、O、Sr、C 元素。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro appearance of fractures

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Results of EDS analysis (mass fraction/%)

1.3 X 射線衍射分析

應(yīng)用X 射線衍射分析(XRD)分別對裂紋斷口和人工打斷斷口進(jìn)行物相分析。檢測結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的SrFe12O19、SrCO3和Fe2O3的PDF 衍射圖片對照相應(yīng)的XRD 結(jié)果可知，人工打斷斷口上發(fā)現(xiàn)有SrCO3殘留，而裂紋斷口上卻沒有發(fā)現(xiàn)SrCO3物相的存在，但發(fā)現(xiàn)有Fe2O3物相的存在。

2 分析與討論

圖4 能譜分析譜線圖Fig.4 EDS spectral line pattern

圖5 XRD 分析結(jié)果Fig.5 Results of XRD analysis

從裂紋斷口形貌和能譜測試結(jié)果，可以排除該處存在異物夾雜或氧化皮夾雜等導(dǎo)致鍶鐵氧體粉粒結(jié)合力差而開裂的可能。鍶永磁鐵氧體磁瓦的生產(chǎn)制備工藝流程大致分為配料、預(yù)燒結(jié)、造粒、制坯成型、燒結(jié)、加工、檢測等，其中預(yù)燒結(jié)是制備高性能鍶永磁鐵氧體磁瓦的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［9］。制備鍶永磁鐵氧體磁瓦的原料主要是碳酸鍶(SrCO3)和鐵紅(Fe2O3)按一定比例混合。在氧化氣氛條件下，800 ℃時SrCO3開始分解，900 ℃以上開始逐步生成鍶鐵氧體晶體。Haberey等［10］發(fā)現(xiàn)在鍶鐵氧體的生成過程中先生成鈣鈦石型鐵氧體SrFeO3-x，再與余下的Fe2O3反應(yīng)生成SrFe12O19。反應(yīng)過程如下:

如果SrCO3不能充分分解，勢必會在鍶永磁鐵氧體磁瓦中殘留有SrCO3。EDS 檢測的結(jié)果顯示磁瓦人工打斷斷口中有C 元素存在，說明磁瓦基體可能有SrCO3殘留;XRD 分析的結(jié)果證實了磁瓦基體有SrCO3殘留。這不僅證明該磁瓦預(yù)燒結(jié)過程中工藝或操作不當(dāng)，還為裂紋在何工序產(chǎn)生的提供了判定依據(jù)。分析磁瓦的生產(chǎn)制備工藝流程可知，只有制坯成型、燒結(jié)和加工這3 個制備環(huán)節(jié)存有產(chǎn)生裂紋的可能。裂紋斷口EDS 分析未發(fā)現(xiàn)有C 元素存在，且XRD 分析的結(jié)果也證實了裂紋斷口沒有SrCO3物相。這些說明該處已沒有SrCO3殘留，而實際該磁瓦是有SrCO3殘留的。出現(xiàn)該現(xiàn)象只有一種可能，那就是裂紋在高溫?zé)Y(jié)或高溫?zé)Y(jié)之前就已經(jīng)產(chǎn)生了。因為只有在這種情況下，裂紋斷面上殘留的SrCO3才能在高溫?zé)Y(jié)條件下充分分解，CO2完全溢出;而磁瓦內(nèi)部殘留的SrCO3的分解及CO2的溢出就不太容易，圖3b 中的氣孔形貌也證明了這一點(diǎn)。斷口微觀形貌顯示，裂紋斷口粉粒結(jié)合較為松散，部分粉粒界面并沒有很好地結(jié)合在一起，這也佐證了裂紋產(chǎn)生在高溫?zé)Y(jié)或高溫?zé)Y(jié)之前。粉粒結(jié)合松散，粉粒界面并沒有很好地結(jié)合在一起說明裂紋處仍有部分粉粒沒有緊密結(jié)合生成鍶鐵氧體晶體。因為如果高溫?zé)Y(jié)時已有裂紋存在，該處由于裂紋的應(yīng)力釋放作用勢必減弱該處的結(jié)合力;加之殘留的SrCO3分解出CO2氣體也會破壞部分粉粒的結(jié)合及鍶鐵氧體晶體的生成。XRD 分析的結(jié)果顯示裂紋斷口上仍有Fe2O3物相的存在，也說明了這一點(diǎn)。因此，可以排除裂紋是在加工過程形成的可能。磁瓦的制坯成型是采用濕壓法［11］成型的。所謂濕壓法成型是指在壓制過程自動合模后，高壓泵管道將料漿注入型腔，在壓制同時，將漿料中的水分通過上模具中的小孔或?qū)Р塾烧婵毡贸槌?。為防止?jié){料被抽走，在上模具加濾布，加壓完畢后脫模、成型。濕壓成型法制坯，由于其采用水、料混合，不易產(chǎn)生裂紋。即使產(chǎn)生裂紋，也是層裂。層裂裂紋垂直于厚度方向，沿縱向擴(kuò)展。其原因主要是由于制坯成型過程中上、下模具施加的壓力在磁瓦坯料厚度方向是呈梯度變化的?？拷砻鎵毫Υ?，靠近心部壓力小(圖6)。當(dāng)壓力不均或施加壓力與磁瓦坯料厚度尺寸不匹配時就會產(chǎn)生垂直于厚度方向，平行于分模面的層裂裂紋。因為失效磁瓦的裂紋是平行于厚度方向的(圖1)，故可以排除其是在制坯成型過程產(chǎn)生的。因此通過以上分析，可以確定裂紋是在燒結(jié)工序產(chǎn)生的。燒結(jié)工序大致分為升溫、保溫和降溫3 個過程。保溫過程中磁瓦坯件的水分已基本揮發(fā)完全，且無明顯的熱應(yīng)力變化，因而不易產(chǎn)生裂紋;降溫過程產(chǎn)生裂紋的可能在上面的分析中就已經(jīng)被排除;最有可能產(chǎn)生裂紋的就是燒結(jié)的升溫階段。一般來說，在升溫階段的低溫區(qū)，主要是坯件內(nèi)水分的蒸發(fā)過程，如含水量太高、升溫速率太快、空氣循環(huán)不好等原因造成坯件急劇收縮，就會形成裂紋。通過對該磁瓦的燒結(jié)工藝試驗及研究發(fā)現(xiàn)，磁瓦坯件燒結(jié)過程中，300 ℃以下溫度時，水分揮發(fā)較慢;在300～600 ℃范圍，因溫度較高，水分揮發(fā)較快。通過調(diào)緩300～600℃范圍的升溫速率，使該型鍶永磁鐵氧體磁瓦裂紋引起的報廢率由原50%多，降低至小于10%。預(yù)燒結(jié)過程中SrCO3分解不完全，致使其殘留磁瓦中，勢必會影響到磁瓦的磁性能;也會在磁瓦燒結(jié)過程中分解CO2，使其局部產(chǎn)生氣體聚集，氣壓升高而開裂。因此充分的預(yù)燒結(jié)也是制備高性能磁瓦，預(yù)防裂紋產(chǎn)生的重要手段。

圖6 制坯成型時磁瓦坯料厚度方向受力示意圖Fig.6 Stress diagram of magnetic shoe in thickness direction during forming

3 結(jié)論

1)鍶永磁鐵氧體磁瓦裂紋產(chǎn)生在燒結(jié)工序。

2)燒結(jié)升溫工藝不當(dāng)是鍶永磁鐵氧體磁瓦裂紋產(chǎn)生的主要原因。

3)通過調(diào)緩燒結(jié)過程中300～600 ℃范圍的升溫速率，可大大降低由裂紋產(chǎn)生引起的報廢率。

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