200目FeSiAl粉末-125材料磁導率和損耗性能的改進

郭云峰, 劉仲武

(1.廣東省鋼鐵研究所，廣州 510640;2.華南理工大學 材料科學與工程學院,廣州 510641)

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200目FeSiAl粉末-125材料磁導率和損耗性能的改進

郭云峰1, 劉仲武2

(1.廣東省鋼鐵研究所，廣州 510640;2.華南理工大學 材料科學與工程學院,廣州 510641)

鐵硅鋁磁粉的性能與成分、粒度和制備工藝密切相關。針對熔煉和球磨破碎制備的200目FeSiAl粉末-125材料磁導率偏低和損耗高等方面問題,本文從球磨設備、球磨工藝、粉末粒度粉末形貌和化學成分等方面分析了性能降低的原因,發現Al成分的波動是造成性能不達標的主要原因。最后，采取有效的改進措施,提高FeSiAl粉末的磁導率，降低了磁損耗,從而改進了FeSiAl產品的性能。此外，本文還研究了熱處理工藝對鐵硅鋁磁粉芯損耗的影響。

FeSiAl粉末;磁導率;磁損耗

1 前言

軟磁材料是應用廣泛,種類最多的一類磁性材料。鐵硅鋁合金由于其優異的軟磁性能和綜合性能在許多應用場合具有其它軟磁材料難以比擬的優勢。

鐵硅鋁合金一般由84～86%Fe、5.2～5.6%Si,和9.1～9.7%Al構成。不僅具有高硬度、高電阻率、低磁各項異性常數、低矯頑力、低磁滯損耗和低渦流損耗，還具有極強的耐腐蝕性[1-4]。根據實際要求，鐵硅鋁合金可以塊體形式應用，也可以以磁粉芯形式應用。鐵硅鋁磁粉芯主要是代替鐵粉芯，在一些較高頻率特殊場合使用。鐵硅鋁磁粉芯的飽和磁感應強度在10500Gs左右；磁導率從26～125；磁致伸縮系數幾乎為0，損耗比鐵粉芯低70～80%，可在8KHz以上頻率下使用；在不同的頻率下工作時沒有噪聲產生；此外，比MPP有更高的DC偏流特性；具有最高的性價比。主要應用于輸出電感、交流電感、功率因素校正電路、線路濾波器等，有時也能代替有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用[5-7]。

本文介紹了200目FeSiAl粉末-125材料磁導率和損耗性能出現了異常,對影響磁粉芯性能的因素如化學成分、粉料粒度、熱處理工藝進行了討論，最終找到了影響的磁粉芯性能的因素，并進行了相應的措施改進。

2 異常問題描述

實驗室隨機抽樣檢測發現球磨工藝+熱處理生產的鐵硅鋁粉末性能出現異常，μ=125配方的粉末磁導率僅為50～70，損耗為2 600～2 800 mw/cm3。按生產正常工藝流程，立即在生產線抽樣同樣也發現了異常情況，粉末磁導率μ=45～60，損耗為2 300～2 600 mw/cm3。抽樣檢測結果及μ=125粉末標準樣測試結果見表1.

表1 鐵硅鋁粉末壓制成080磁環檢測磁導率和損耗情況

備注：*正常性能要求為：磁導率120～130 (10kHz條件檢測)，損耗 小于600 mw/cm3(100kHz,1000Gs)

3 原因分析與討論

為了厘清生產過程中鐵硅鋁磁粉出現性能異常的原因，我們對材料成分和制備工藝進行了仔細分析。影響鐵硅鋁磁粉芯性能的主要因素如圖1所示：

圖1 影響鐵硅鋁磁粉芯性能的主要因素

3.1 復合破碎工藝

分析表明,經復合破碎后，鐵硅鋁顆粒料與平常生產線產品沒有明顯差別，色澤、顆粒大小均正常，鐵硅鋁粉末形貌正常，設備保養記錄正常，因此，復合破碎存在問題的可能性比較小。

3.2 球磨工序

首先， 我們采用實驗球磨機同比檢測我們生產的標準樣粉和鋼研所異常粉末，我們又采用2號球磨機和3號球磨機同比檢測我們生產標準樣粉和鋼研所異常粉末。以上共產生6個對比樣品性能，均發現鋼研所異常粉末的3個樣品性能出現異常。

其次，原料切換實驗。用3號球磨機生產鋼研所異常料，然后把球磨機出料干凈后，切換標準樣材料，發現，對標準樣材料也產生了不良影響：磁導率有所下降：為110-120，(該批標準樣正常性能為128-131)。測試損耗： 結果為 680-730 mw/cm3該批標準樣正常性能為570-600 mw/cm3)。進一步說明產品性能確實存在異常情況。

第三， 2號球磨機和3號球磨機記錄追溯。 保養記錄無異常，真空度和氣壓顯示正常，排除了設備異常。

3.3 純凈度檢測分析

氧含量檢測(表2)顯示，標準樣本料和鋼研所異常料均達到合格的標準，說明產品純凈度不存在問題。

表2 氧含量檢測結果 (復合破碎后取樣，單位ppm)

3.4 粒度分布分析

鐵硅鋁磁粉芯的性能與粉末粒度和粒度分布有密切關系，合適的粒度和粒度分布可以使大顆粒之間的孔隙被小顆粒填充，從而提高了磁粉芯的密度，增大了磁導率。對比了標準樣和異常粉不同粒度的性能,結果如表3所示。對異常性能粉末進行篩分，粉末粒度分布正常，屬于200目粉末范圍，但是磁導率顯著偏低。磁粉的形貌、粒度及配比等都會影響磁粉的磁性能，粉末粒度增大，Q值減小，粉末越細，流動性越差，磁導率越低,損耗升高。為了得到所需要的磁導率和恒磁導性，必須控制粉末的粒度和粒度分布。

表3 標準樣和異常粉不同粒度樣品的磁導率和品質因數

3.5 化學成分檢測分析

對標準樣品和異常粉進行了化學成分分析，各取3個樣，結果如表4所示。相比標準樣品，異常粉中鋁含量偏高。

表4 鐵硅鋁原材料成份檢測結果

我們知道，成分對鐵硅鋁粉末性能有重要影響。純鐵(Fe)具有高飽和磁化強度Ms (2.16T，室溫)、低成本的優點，、但低的電阻率限制了它的應用。1900年，人們發現在Fe中添加少量(百分之幾)Si可以增加電阻率ρ、減小矯頑力Hc 。前者降低渦流損耗Pe，后者增加磁導率μ、降低磁滯損耗 Ph。添加少量的Al可以增加電阻率ρ，但減小Ms、Tc和塑性。Fe-Si-Al通過成分調整可以減小K和λS到零，獲得μ= 120 000，Ms=1.0T。起始磁導率可達30,000，最大磁導率130,000。三元Fe-Si-Al合金，在一個比較窄的成分范圍(9.6% Si, 5.4% Al, 85% Fe)內可以獲得優良的磁性能，如圖2所示[8]。

圖2 磁晶各向異性常數常數K1和磁致伸縮系數λs隨成分的變化

3.6 問題總結與解決措施

初步發現問題： 以上分析發現異常料中發現鋁含量波動較大。進行重新取樣進行化驗，證實鋼研所異常料鋁含量不合格，嚴重超標。在粉末粒度等其他方面沒有發現異常?？梢詳喽?，鋁含量偏離，是導致磁導率低、損耗高的原因。

對此，我們提出了解決措施:嚴格按照成分設計原則配料，及時跟蹤監測，最終成分命中率達到100%，從而解決了因成分波動造成磁導率偏低，損耗偏高的問題。改進后的鐵硅鋁粉壓制成磁環后的性能如表5所示。

表5 改進后的鐵硅鋁粉末壓制成080磁環檢測磁導率和損耗情況

備注：*正常性能要求為：磁導率120～130 (10kHz條件檢測)，損耗 小于600 mw/cm3(100kHz,1000Gs)

4 熱處理工藝對磁導率和損耗的影響

為了消除鐵硅鋁磁粉芯的內應力,壓制成型的磁粉芯必須進行熱處理。通過退火熱處理工藝還可以提高磁粉的純度、降低粉體中的碳、氧和其他雜質的含量。Shokrollahi H[9-10]發現，球磨后退火粉末的磁損低于未經退火粉末的磁損，而經過球磨-退火-二次球磨-二次退火兩步熱處理粉末的磁損低于球磨后退火樣品的磁損，同時經兩步熱處理的粉芯樣品的有效磁導率最高。

圖3為熱處理溫度對鐵硅鋁磁粉芯損耗的影響。開始加熱時，熱處理消除了磁粉芯在包覆壓制過程中的殘余應力，隨著溫度的升高，損耗下降的很快，當熱處理溫度控制在600-700°C時，殘余應力消失，磁粉芯處于最佳狀態，此時的損耗是最低的。隨后又隨著熱處理溫度的提高，損耗急劇上升，當溫度超過710°C，熱處理溫度超過了環氧樹脂的耐溫能力，絕緣壁被侵蝕，電阻率迅速下降，損耗就增加。

圖3 為熱處理溫度對鐵硅鋁磁粉芯損耗的影響

4 結論

針對鐵硅鋁粉末生產過程中出現性能異常的問題，對材料的化學成分、生產工藝、粒度和形貌等進行了系統分析，發現Al含量的波動是導致材料性能下降的主要原因。通過改進成分，獲得了滿足標準要求的產品。研究結果表明，化學成分對性能影響較大。鐵鋁合金是以鐵和鋁為主要成分的軟磁材料，通過調節鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料，三元Fe-Si-Al合金，在一個比較窄的成分范圍(9.6% Si, 5.4% Al, 85% Fe)內可以獲得優化的磁性能。此外，磁粉的形貌、粒度及配比等都會影響磁粉的磁性能，粉末粒度增大，Q值減小，粉末越細，流動性越差，磁導率越低,損耗升高。為了得到所需要的磁導率和恒磁導性，必須控制粉末的粒度和粒度分布。最后研究了熱處理對鐵硅鋁磁芯軟磁性能的影響，發現當熱處理溫度控制在600-700°C時，殘余應力消失，磁粉芯處于最佳狀態，此時的損耗是最低。

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Improvement of the permeability and loss properties of 200 mesh FeSiAl powder-s of -125 product

GUO Yunfeng1, LIU Zhongwu2

(1. Guangdong iron and Steel Research Institute, Guangzhou 510640;2. South China University of Technology, Guangzhou 510641)

The soft magnetic properties of FeSiAl powders are closely related to the composition, particle size and process. This work aims to solve the problem of low permeability and high magnetic loss of ball milled -125 FeSiAl powders, encountered in factory production. A systematic investigation on the ball milling process, facility, particle size, powder morphology, oxygen content, and composition of the prepared powders indicates that the fluctuation of Al content is the main reason of the reduced properties. After composition modification, the performance of FeSiAl products inclding the permeability and magnetic loss have been improved. The effect of heat treatment on the magnetic core loss based on FeSiAl was also studied.

FeSiAl powder;permeability; magnetic loss

郭云峰(1976—)，男，吉林長春人，工程碩士，高級工程師，現從事軟磁材料研究。

TM271

A

1671-3818(2016)03-0050-04