简介概要

发蓝工艺制备铁硅软磁粉芯及其磁性能研究

来源期刊：稀有金属2018年第11期

论文作者：吴鹏张政吴益明苏海林都有为

文章页码：1164 - 1171

关键词：金属软磁粉芯;Fe-6.5%Si（质量分数）合金;发蓝包覆;绝缘;磁性能;

摘要：开发了一种碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺,成功制备了性能优于传统磷酸钝化工艺的铁硅软磁粉芯,研究了发蓝液浓度对粉芯微结构和磁性能的影响。研究发现:磁粉表面形成了一层均匀、稳定的绝缘层。低浓度发蓝液的使用有助于提高磁粉的流动性,而大量发蓝膜在铁硅颗粒表面生成后,磁粉的流动性变差,由此导致粉芯密度随着发蓝液浓度的增加呈现先增大再减小的趋势。粉芯密度降低说明内部气隙增大,导致退磁场增强,磁滞增大,造成有效磁导率降低,直流偏置性能增强,磁滞损耗变大。损耗分离研究表明,粉芯损耗在100 kHz以下的变化主要由磁滞损耗所决定。

网络首发时间: 2018-06-25 17:25

稀有金属 2018,42(11),1164-1171 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17120035

发蓝工艺制备铁硅软磁粉芯及其磁性能研究

吴鹏张政吴益明苏海林都有为

国网江苏省电力有限公司电力科学研究院

合肥工业大学材料科学与工程学院

江苏瑞德磁性材料有限公司淮安市软磁粉芯与器件工程技术研究中心

南京大学物理系

摘要：

开发了一种碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺, 成功制备了性能优于传统磷酸钝化工艺的铁硅软磁粉芯, 研究了发蓝液浓度对粉芯微结构和磁性能的影响。研究发现:磁粉表面形成了一层均匀、稳定的绝缘层。低浓度发蓝液的使用有助于提高磁粉的流动性, 而大量发蓝膜在铁硅颗粒表面生成后, 磁粉的流动性变差, 由此导致粉芯密度随着发蓝液浓度的增加呈现先增大再减小的趋势。粉芯密度降低说明内部气隙增大, 导致退磁场增强, 磁滞增大, 造成有效磁导率降低, 直流偏置性能增强, 磁滞损耗变大。损耗分离研究表明, 粉芯损耗在100 kHz以下的变化主要由磁滞损耗所决定。

关键词：

金属软磁粉芯;Fe-6.5%Si (质量分数) 合金;发蓝包覆;绝缘;磁性能;

中图分类号： TM271.2

作者简介：吴鹏 (1983-) , 男, 河南西平人, 博士, 高级工程师, 研究方向:线圈类电力设备新技术;电话:025-68686878;E-mail:varletwp@163.com;

收稿日期：2017-12-21

基金：国网江苏省电力公司电力科学研究院科技项目 (J2017048);中央高校基本科研业务费专项资金项目 (JZ2016YYPY0055);淮安市重点研发计划项目 (HAG201629) 资助;

Magnetic Properties of Fe-Si Soft Magnetic Powder Cores Prepared by a Bluing Insulation Method

Wu Peng Zhang Zheng Wu Yiming Su Hailin Du Youwei

Electric Power Science Research Institute of Jiangsu Electric Power Company

School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology

Huaian Engineering Research Center of Soft Magnetic Powder Cores and Devices, Jiangsu Red Magnetic Materials Incorporation

Department of Physics, Nanjing University

Abstract：

An insulation method, comprising an alkaline bluing coating followed with a silica assisting insulation, was used to prepare the Fe-Si soft magnetic powder cores whose performances were better than that of the powder cores fabricated by the traditional phosphoric acid passivation. The effect of the bluing solution concentration on the microstructure and magnetic properties of the powder core was investigated. It was found that a homogeneous and stable insulation layer formed on the surface of powders. The fluidity of the magnetic powder was improved by insulating with a low concentration bluing solution, but further increase of the bluing solution concentration resulted in the deterioration of the powder fluidity. As a result, the powder core density decreased with the bluing solution concentration after an initial increase. The decrease of the density implied that a large number of air gaps, causing the strengthening of the demagnetization field and the hysteresis and thus resulting in the decrease of the effective permeability and the enhancement of the DC-bias performance, existed in the core. The study on the loss separation indicated that the variation of powder core loss at frequency lower than 100 k Hz was mainly determined by the hysteresis loss.

Keyword：

soft magnetic powder core; Fe-6.5%Si alloy; bluing coating; insulation; magnetic properties;

Received： 2017-12-21

金属软磁粉芯是一种重要的软磁材料, 兼具高饱和磁通密度、高电阻率、高直流偏置性能、高居里温度、低磁致伸缩系数等优点, 符合电力电子器件小型化、高频化、大功率、高效化、低噪声的发展方向 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。软磁粉芯一般由包覆有高电阻率绝缘层的铁磁性合金颗粒和气隙组成。绝缘包覆层均匀包覆在磁性颗粒表面, 有效隔断合金颗粒的涡流通路, 从而大幅提高粉芯的电阻率, 降低粉芯的高频涡流损耗 ^{[7,8,9,10,11,12,13,14]} 。而气隙会在粉芯内部导致退磁场, 使磁粉难以磁化到饱和, 从而极大地提高粉芯的直流偏置性能 ^[15] 。可见, 绝缘包覆层和气隙对粉芯的磁电性能有决定性影响, 绝缘环节是制备软磁粉芯的关键步骤, 对提高磁粉芯性能有重要作用 ^{[16,17,18,19,20,21]} 。目前, 针对绝缘工序的研究多集中在有机包覆或无机包覆上。对于有机包覆工艺, 由于作为包覆材料的树脂在高温下会分解, 因此导致粉芯无法在较高的温度下进行退火处理, 从而严重限制了粉芯性能的提升。而以磷酸钝化为代表的无机包覆工艺, 由于磷酸盐绝缘层较脆且分解温度也较低, 因此限制了粉芯在压制和退火工艺环节的性能优化。可见, 近一步提高软磁粉芯的性能迫切需要开发一种新的绝缘包覆工艺。

本实验开发了一种碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺。其中, 碱性发蓝是一种化学包覆过程, 可以在铁基合金磁粉表面形成致密的发蓝膜 ^[18] ;而氧化物辅助绝缘则是一种物理包覆过程, 可以进一步提高磁粉颗粒的表面电阻率。实验选择了具有高直流偏置特性、低磁致伸缩系数和低成本, 目前广泛用于大功率电抗器的Fe-6.5%Si合金粉芯作为研究对象, 利用碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺成功制备出面向低振动噪声大功率电抗器的铁硅软磁粉芯, 分析研究了发蓝液浓度对Fe-6.5%Si合金粉芯有效磁导率、直流偏置性能以及损耗的影响规律, 发现:少量发蓝液的使用有助于提高待成型粉末的流动性, 而大量发蓝膜在磁粉表面生成后, 待成型粉末的流动性变差, 从而在粉芯内部生成大量气隙, 造成粉芯内部退磁场增强, 导致较低的磁导率和较高的直流偏置性能。本文制备的磁导率牌号60μ的Fe-6.5%Si合金粉芯具有优异性能:100 kHz有效磁导率55.5 (对应于商用60μ标准牌号-7.5级) , 8000 A·m^-1的有效磁导率百分比约为76%, 50 kHz频率0.1 T磁场强度时的损耗为591 m W·cm^-3。

1 实验

1.1 粉芯制备

实验采用Si质量比为6.5%的商购气雾化铁硅合金粉末为原料, 将对比磁粉质量浓度分别为0‰, 3‰, 6‰, 9‰, 12‰的硝酸钙与对比磁粉质量浓度分别为0‰, 1‰, 2‰, 3‰, 4‰的氢氧化钠在室温下溶解于对比磁粉质量浓度为30%的水中, 以配比得到的碱性发蓝液作为主绝缘液 (以下以硝酸钙浓度为代表分别简称浓度为0‰, 3‰, 6‰, 9‰, 12‰的发蓝液) 。以对比磁粉质量浓度分别为14‰和30%的氧化硅粉末和水在室温下搅拌均匀的悬浮溶液为辅助包覆液。首先称取一定量的铁硅合金粉末, 分为5组;再将5组铁硅合金粉与上述5组不同浓度的发蓝液搅拌均匀后加热到100℃保温30 min, 再升温至130℃干燥20 min后取出, 获得发蓝绝缘合金粉末;然后将发蓝绝缘合金粉末加入到上述氧化硅水溶液中室温搅拌30 min后, 升温至130℃干燥20 min, 获得氧化硅辅助绝缘合金粉末;再将氧化硅辅助绝缘合金粉末中加入3‰粘结剂和3.75‰脱模剂并混合均匀, 即获得待成型粉料;之后将待成型粉料在1780MPa压强下压制成外径26.92 mm、内径14.73mm、高度11.18 mm的磁环压坯;最后将磁环压坯置于760℃氮气气氛中热处理30 min制得软磁粉芯磁环成品。

1.2 表征

实验使用电子天平 (WT6002) 测量样品重量及计算样品密度;使用扫描电子显微镜 (SEM, JSM-6490LV) 及其附带的X射线能谱仪 (EDS) 分析绝缘前后的铁硅合金粉末及热处理之后的粉芯磁环成品的形貌与微结构;使用直流偏置LCR测量系统 (Wayne Kerr 1J3260B+3265B) 测试粉芯磁环成品在1~2000 k Hz的有效磁导率以及100 kHz下的直流偏置性能;使用功率损耗测试仪 (Voltech PM1000+) 测试粉芯磁环成品的损耗, 损耗测试首先固定磁通密度为0.1 T, 测试粉芯在20~100kHz的损耗;然后固定频率为50 kHz, 测试粉芯在磁通密度为0.01~0.10 T时的损耗。

2 结果与讨论

图1 (a~c) 为铁硅合金原料粉、发蓝绝缘合金粉以及氧化硅辅助绝缘合金粉的SEM图像。可见, 气雾化铁硅合金原粉颗粒表面光滑, 但由于在金属凝固过程中会发生收缩, 表面会出现鳞片状结构 ^[22] 。经发蓝处理后, 磁粉表面包覆上一层薄的发蓝膜, 原粉表面的鳞片状起伏变得不明显。再经氧化硅辅助绝缘后, 在磁粉表面形成发蓝膜/氧化硅双绝缘层, 磁粉表面粗糙度明显增大, 原粉表面的鳞片状结构也被绝缘层完全覆盖而无法观察到。这说明本实验碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺可以在铁硅软磁粉芯中形成均匀、致密的绝缘层。

图1 铁硅合金原料粉, 发蓝绝缘合金粉以及氧化硅辅助绝缘合金粉的SEM图像Fig.1 Typical SEM images of raw powder particles (a) , bluing coated powder particles (b) and silica-insulated powder particles (c)

图2为铁硅合金原料粉、发蓝绝缘合金粉以及氧化硅辅助绝缘合金粉的XRD图谱。可见, 3种粉末均呈现显著的体心立方Fe-Si合金的特征衍射峰。但图中并未发现其他物相的衍射峰。这可能是由于发蓝膜结晶质量不高, 且绝缘物质的量太少, 低于X射线衍射仪能够分辨的精度所致。

图2 铁硅合金原料粉, 发蓝绝缘合金粉以及氧化硅辅助绝缘合金粉的XRD图谱Fig.2 Typical XRD patterns of raw powder (a) , bluing coa-ted powder (b) and silica-insulated powder (c)

图3示出了不同浓度发蓝液所对应的氧化硅辅助绝缘之后的待成型铁硅合金粉对比SEM图像。可见, 随着发蓝液浓度的增加, 所对应氧化硅辅助绝缘之后的待成型磁粉表面鳞片状结构逐渐消失, 表面先逐渐变得平坦, 然后又逐渐变得粗糙, 且表面粘附的小颗粒逐渐增多。

图4为粉芯磁环成品的断面SEM照片以及对应的EDS元素面分布图。可见, 粉芯具有磁粉与绝缘层/气隙的复合结构, 绝缘层材料含有少量的铁元素讯号以及大量的硅元素和氧元素讯号, 且绝缘层材料的元素讯号均匀连续地分布于磁粉间隙。这说明碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺在磁粉表面形成了均匀连续的绝缘层, 而且绝缘层在大压力成型和退火之后没有被破坏, 依然保持结构的连续性, 有效隔断了合金磁粉之间的磁路及涡流通路。这将有助于提高粉芯成品的直流偏置性能和降低粉芯成品的高频涡流损耗。

图5为粉芯磁环成品的密度随发蓝液浓度的变化曲线图。可见, 粉芯密度随发蓝液浓度的增大呈现先升高后降低的趋势。根据图3磁粉的表面形貌照片, 可知这是因为低浓度发蓝液的使用有助于消除原料粉表面的鳞片状起伏, 因此在一定范围内提高了待成型粉末的流动性, 而大量发蓝膜在磁粉表面生成后, 磁粉的表面粗糙度逐渐增大, 且粘附的小颗粒逐渐增多, 造成待成型粉末的流动性变差, 由此导致了粉芯密度随发蓝液浓度的增大先升高再降低。

图6为不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品的有效磁导率随频率的变化曲线图。由图6可见, 所有粉芯样品的有效磁导率在1~2000 k Hz范围内均具有较好的频率稳定性。随着发蓝液浓度的逐渐增加, 粉芯有效磁导率先增大再减小, 在发蓝液浓度为9‰时, 粉芯有效磁导率达到最大值。根据图5粉芯密度随发蓝液浓度的变化可知, 有效磁导率的升高对应于粉芯密度的增大, 而有效磁导率的降低则对应于粉芯密度的下降。由图2~4的相关分析可知, 发蓝处理和氧化硅辅助绝缘之后的磁粉表面, 会形成数量很少, 但均匀连续的绝缘层物质。这些非磁性或弱磁性绝缘物质的量很少, 在粉芯成品中存在于气隙之中, 它们的密度明显小于合金磁粉。因此, 粉芯密度的增大, 对应于这些绝缘层物质减少或气隙的减小, 从而导致粉芯内退磁场的减弱, 使磁化易于进行, 造成有效磁导率升高;反之, 粉芯密度降低, 则对应于绝缘层物质的增多或气隙的增大, 从而导致粉芯内退磁场的增强, 磁化变得困难, 造成有效磁导率降低 ^[15] 。对比可见, 发蓝液浓度为9‰的粉芯磁环成品具有相对最高的密度, 因此其有效磁导率最高。

图3 0‰, 3‰, 6‰, 9‰, 12‰发蓝液所对应的氧化硅辅助绝缘之后的铁硅合金粉SEM图像Fig.3 SEM images of silica-insulated powder particles prepared with 0‰ (a) , 3‰ (b) , 6‰ (c) , 9‰ (d) and 12‰ (e) bluing solutions

图4 粉芯磁环成品的断面SEM照片以及对应的EDS元素面分布图:Fe元素, Si元素, O元素Fig.4 Representative (a) SEM cross-section image and cor-responding EDS spatial elemental mapping of (b) Fe, (c) Si and (d) O for powder core

图5 粉芯磁环成品的密度随发蓝液浓度的变化曲线图Fig.5 Dependence of density of powder core on bluing solution concentration

图6 不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品的有效磁导率随频率的变化曲线图Fig.6 Effective permeabilityμeof powder cores prepared with different bluing solution concentration as functions of frequency

图7为不同发蓝液浓度制备的粉芯磁环成品直流偏置性能随外加直流磁化场强度的变化曲线图。可见, 随着外加磁化场强度的增加, 所有粉芯样品的有效磁导率百分比均降低。这是由于粉芯随着磁场强度的增加而逐渐被磁化到饱和所致。粉芯直流偏置性能随发蓝液浓度的变化规律与有效磁导率随发蓝液浓度的变化规律相反。随着发蓝液浓度由0‰提高到9‰, 7957.75 A·m^-1时的磁粉芯有效磁导率百分比由83.90%降低到67.76%;随着发蓝液浓度进一步增加到12‰, 7957.75 A·m^-1时的磁粉芯有效磁导率百分比增加至75.15%。如前所述, 这主要是由于高磁导率粉芯密度较高, 内部气隙少, 退磁场较弱, 因此粉芯抗饱和能力下降;而低磁导率粉芯的低密度对应于内部气隙的增多, 从而导致退磁场的增强, 造成直流偏置性能的提高。

图7 不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品直流偏置性能随外加直流磁化场强度的变化曲线图Fig.7Percent permeability%μeof powder cores prepared with different bluing solution concentration as functions of DC magnetizing field

图8为不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品损耗随频率的变化曲线图。由图8可见, 所有粉芯样品的损耗均随频率的升高而增大。这主要是因为粉芯的磁滞损耗和涡流损耗都随频率的增加而增大。而随着发蓝液浓度的增加, 磁粉芯损耗呈现先减小后增加的趋势。为了明确决定损耗变化的物理根源, 对图8损耗随频率的变化曲线进行了损耗分离, 并向300 kHz的更高频率段进行了拟合。图9分别示出了损耗分离之后获得的磁滞损耗P_h、涡流损耗P_e以及叠加后的总损耗P随频率变化的曲线图和磁滞损耗与涡流损耗随频率变化的曲线交点的放大图。由图9 (a, b) 可见, 随着发蓝液浓度的增加, 粉芯磁滞损耗先逐渐降低然后再升高, 而涡流损耗呈现先略降再持续增大的趋势。由图9 (c) 可见, 涡流损耗与磁滞损耗所合成的总损耗与实验数据符合良好。比较图9 (a, b) 中的损耗数值, 可发现:在较低频率下, 磁滞损耗高于涡流损耗;而随着频率的升高, 涡流损耗快速增大, 在超过一定频率后高于磁滞损耗。由图9 (d) 可见, 对于本实验制备的粉芯, 磁滞损耗频率曲线与涡流损耗频率曲线的交错点介于120~180 k Hz, 交错点的频率随着发蓝液浓度的升高而向低频移动, 说明高浓度发蓝液制备的粉芯, 其涡流损耗随频率的增加速度更快, 这可能是由发蓝处理对磁粉表面电阻率的影响所决定的, 在后续的实验中还需要对此现象做更深入的研究。对于磁滞损耗随发蓝液浓度的变化, 与粉芯密度随发蓝液浓度的变化恰好呈现相反趋势。对于未做发蓝处理而仅用氧化硅绝缘的粉芯, 其密度较小, 气隙较大, 粉芯内部退磁场较强, 因此磁滞损耗较高。随着发蓝液浓度的提高, 粉芯密度逐渐上升, 气隙减小, 退磁场减弱, 从而导致磁滞损耗的降低。但随着发蓝液浓度的进一步提高, 粉芯密度大幅下降, 气隙增大, 退磁场增强, 因此粉芯的磁滞损耗会迅速增大。粉芯总损耗的变化趋势是由微结构和电阻率所决定的磁滞损耗和涡流损耗的变化相互竞争后来共同决定的。

图8 不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品损耗随频率的变化曲线图Fig.8 Dependence of loss at 0.1 T for powder cores prepared with different bluing solution concentration as functions of measuring frequency

图9 不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品损耗分离拟合图Fig.9 Fitting curves of loss separation for powder cores prepared with different bluing solution concentration

(a) Fitting curves of hysteresis loss; (b) Fitting curves of eddy-current loss; (c) Fitting curves of total core loss; (d) An enlarged view of intersection points of fitting curves of hysteresis loss and eddy-current loss

50 kHz是软磁粉芯工业领域评价粉芯损耗时通常会采用的标准频率。图10示出了不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品在50 kHz的损耗随磁通密度的变化曲线。由图10可见, 所有粉芯样品的损耗均随磁通密度的增加而增加, 这是由于磁芯涡流损耗和磁滞损耗都随磁通密度的增加而升高。随着发蓝液浓度的增加, 磁粉芯损耗呈现先减小后增大趋势。由上述分析可知, 粉芯在50 kHz的损耗以磁滞损耗为主。因此, 粉芯在50 k Hz的总损耗随发蓝液浓度的变化规律主要是由粉芯内部气隙大小所影响的磁滞损耗的变化来决定的。

图1 0 不同浓度发蓝液制备的粉芯磁环成品损耗随最大磁通密度的变化曲线图Fig.10 Dependence of loss at 50 k Hz for cores prepared with different bluing solution concentration as functions of maximum magnetic flux density Bm

综合比较本实验所有粉芯样品的性能, 可以发现, 3‰发蓝液浓度所制备的铁硅粉芯具有远优于常规磷酸钝化工艺制备的商用铁硅粉芯60μ标准牌号产品, 具体包括:100 kHz有效的磁性能磁导率为55.5 (对应于商用60μ标准牌号-7.5级) 时, 8000 A·m^-1的有效磁导率百分比约为76%, 50kHz/0.1 T时的损耗为591 m W·cm^-3。

3 结论

开发了一种碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺, 成功制备出铁硅软磁粉芯, 研究了发蓝液用量对粉芯微结构和磁性能的影响。研究发现:绝缘处理在铁硅磁粉表面实现了发蓝膜/氧化硅绝缘层的均匀包覆。而不同发蓝液浓度会影响磁粉的流动性, 从而决定粉芯成品的密度, 造成不同浓度发蓝液所制备的粉芯内部含有数量不等的气隙, 而气隙增大会导致退磁场的增强, 从而导致有效磁导率的降低、磁滞的升高以及抗饱和能力的增强。本实验中, 随着发蓝液用量从0‰逐渐提高到12‰, 粉芯密度先升高再降低, 导致粉芯内退磁场先减弱再增强, 由此决定粉芯有效磁导率先增加后降低, 而直流偏置性能和磁滞损耗整体则呈现相反趋势。损耗分离发现在100 kHz以下的测试频率范围内, 粉芯损耗的变化主要由磁滞损耗决定。本实验所制备的铁硅粉芯性能明显优于常规磷酸钝化工艺制备的商用铁硅粉芯, 这说明碱性发蓝+氧化硅辅助绝缘工艺可为高性能铁硅粉芯的开发提供有益参考。