软磁性能（通用3篇）
软磁性能 篇1
1 前言
当前,全球磁性材料生产的总产值保持在年平均增长率为5.5%的水平,其中软磁材料产值的年平均增长率为3%,这主要归功于我国电子信息和汽车工业充电桩市场的迅速发展。
铁硅铝合金作为一种磁性能优异的软磁合金材料,不仅具有高硬度、高电阻率、低磁各项异性常数、低矫顽力、低磁滞损耗和低涡流损耗,还具有极强的耐腐蚀性,也作为结构材料被广泛使用[1,2,3]。
此外,铁硅铝合金可制成铁硅铝磁粉芯,国际上被称之为Sendust磁粉芯,也被称之为Kool Mμ磁粉芯[4],是一种新型的电子节能材料,铁硅铝磁粉芯是以粉末冶金工艺为基础,由铁硅铝粉体经表面绝缘包覆,与粘结剂混合压制而成的一种软磁材料[5,6]。近年来,软磁铁硅铝粉末及其磁粉芯制品在电子行业的应用受到了极大的关注[7,8,9,10,11,12]。以铁硅铝磁粉芯的电子器件已广泛应用于太阳能、电源、电抗器、汽车充电桩等许多领域。
对于铁硅铝磁粉体的制备,目前主要采用气(水)雾化法和机械破碎法两种生产工艺来制备。其中,对于气(水)雾化法,其可制取粉体性能优良、粉体纯度高、粉体形貌呈球形。然而,该生产工艺生产成本高,且对场地和环境的要求较高,不利于铁硅铝粉体在市场上的竞争。与气(水)雾化法相比,机械破碎法具有生产流程简单,成本低的优点。
有鉴于此,基于机械破碎法,本文对国内外代表性生产的铁硅铝磁粉芯性能进行了对比和研究,进而为铁硅铝粉体的制备工艺进一步优化提供参考依据。
2 材料制备
2.1 铁硅铝成分确定
当前,常用铁硅铝粉末的成分范围为:以质量分数计,wt Si%的为8%-11%;wt Al%的为5%-7%。鉴于软磁铁硅铝粉体成分的变化对其磁性能的影响比较大,而高性能真空软磁Fe Si Al的成分控制比较严格,只有很窄的范围,粉体的纯度对所制备的磁粉芯的损耗影响也比较大。我们根据多批次的实验数据研究表明铁硅铝粉体的成分为Al:5.4-5.6%,Si:9.4-9.6%左右磁性能最好。
为精确控制产品成分,并同时达到抑制成分出现偏析、减少夹杂物、降低钢中的氧含量的效果,在机械破碎法生产过程中,主要从以下几个方面进行控制,第一、真空冶炼铁硅铝时要严格控制出钢温度和过热度;第二、出钢前要搅拌均匀;第三、浇铸时要控制出钢温度且缓慢浇铸。表1列出了不同厂家生产的铁硅铝粉体成分、松装密度、流动性及其氧含量的对比情况。
由表1可知,钢研所生产的铁硅铝粉体成分(详见钢研1#和2#)与美国所生产的产品较为接近。与其它厂家产品相比,钢研所生产的铁硅铝粉体松装密度较高为2.96 g/cm3,粉体的流动性也相应较高为33.5 S/50 g,这表明钢研所生产的粉体形貌较好。另外,氧含量低的铁硅铝磁粉性能也比较优良。
2.2 铁硅铝生产工艺流程
图1给出了机械破碎法生产铁硅铝粉体的生产工艺流程。图2和图3分别给出了国内和国外知名企业采用机械破碎法生产的铁硅铝粉体形貌。从由图2可知,Fe Si Lv磁粉呈不规则多边形,边缘棱角分明,颗粒外表粗糙不平,这是机械法加工得到的FeSi Lv磁粉的显著特点。
3 铁硅铝粉体的性能研究
3.1 粒度分布
铁硅铝粉体的粒度及粒度分布直接影响磁粉芯的工艺性能。鉴于采取机械破碎法制取的铁硅铝粉体颗粒比较粗,生产过程中,为满足客户的需求,对铁硅铝粉体粒度的大小、分布有非常严格精确的控制,通过筛分把颗粒大小不同的原始粉末进行分级,如采用180目、200目、230目300目、375目的标准分样筛筛分所需的不同粒度粉体。表2是采取机械破碎法制取的铁硅铝粉体的粒度分布与国内外铁硅铝样品的比较情况。
由表可知,与其它厂家生产的铁硅铝粉体粒度相比,钢研所生产的铁硅铝粉体40μm以下占29.10%,粒度较细。此外,钢研所生产的铁硅铝粉体粒度在40μm-75μm的范围的比例为84.4%,而其它厂家的多为80.5%左右,即铁硅铝粉体粒度分布较合理,可以满足不同客户对粉体粒度的要求。
分别将三种粒度粉末钢研1#、韩国粉、美国粉加入8%粘结剂压制的磁粉芯样品,在600℃氨分解炉气氛中热处理1小时后炉冷,在频率100KHz下测试性能,结果如表3所示。从表3可知,随着粉料粒度的减小,磁粉芯的有效磁导率μe降低,因为磁粉粒度越小,比表面积越大,界面越多,因此,有效磁导率μe值越小。
3.2 铁硅铝磁粉热处理工艺研究
对于铁硅铝粉体热处理工艺,采用氨气分解炉退火处理粉末,液氨加热至800-850℃,在镍基催化剂作用下,将氨进行分解,可以得到含75%H2和25%N2的氢氮混合气体。以提高磁粉的纯度、降低粉体中的碳、氧和其他杂质的含量。Shokrollahi H等发现[13,14],球磨后退火粉末的磁损低于未经退火粉末的磁损,而经过球磨-退火-二次球磨-二次退火两步热处理粉末的磁损低于球磨后退火样品的磁损,同时经两步热处理的粉芯样品的有效磁导率最高。对于热处理工艺,需要在各种不同的因素中选取,Fe Si Al磁粉在氨分解气体气氛下进行热处理,目的是消除磁粉在破碎时内应力,从而改善其电磁特性。根据我们实验数据,800-820℃磁导率较高为130.16,损耗较低为479.14 mw/cm3。
4 结论
1)通过新产品研发,不断找到新的方法、新的成分配比,控制Al:5.4-5.6%,Si:9.4-9.6%之间,从而提高Fe Si Al磁粉的磁性能。
2)提高热处理温度可显著提高有效磁导率,降低功耗,本工艺中最佳热处理温度为800-820℃。
3)随着Fe Si Al磁粉粒度的减少,压制成型的磁粉芯有效磁导率降低,可以通过增加Fe Si Al粉粒度来提高磁导率μe。
软磁性能 篇2
铁氧体是一种非金属磁性材料,是铁和其他一种或多种适当金属组成的复合氧化物。Mn_Zn软磁铁氧体具有高饱和磁化强度、高起始磁导率、低矫顽力、低损耗以及高电阻率等优良特性,是一种新型功能材料,在工业自动化设备及电子仪表、通讯设备、计算机外设和环境保护等领域有很好的应用前景[1~5]。近年来信息技术、通讯技术突飞猛进,新型绿色照明呼之欲出,这对Mn_Zn软磁铁氧体材料的性能提出了进一步的要求[6]。纳米化处理是软磁铁氧体改性的前沿技术之一[7]。采用机械合金化法[8]对氧化物原料粉末进行纳米化处理,可以有效提高软磁铁氧体的磁学性能[9,10]。为此,本研究以经机械合金化(MA)处理后的纳米级氧化物粉体为原料制备Mn_Zn软磁铁氧体材料,研究了粉体粒度及烧结温度对材料组织及性能的影响,探索采用纳米级氧化物粉体作为原料的最佳制备工艺,使铁氧体获得最佳的磁性能,以满足信息及通讯行业对Mn_Zn软磁铁氧体性能日益提高的要求。
2 试验
试验用原料为分析纯的Fe2O3、ZnO和MnO粉末,粒度为48μm。将Fe2O3、ZnO和MnO按质量分数为51%、24%和25%分别精确称取混合;加入少量无水乙醇,放入几何尺寸为(52.6 mm×63.7 mm)的耐磨合金罐中,磨球采用两种不同直径的轴承钢钢球,分别为8 mm和6 mm,两种磨球质量比为2∶1,球料比为20∶1,在室温下用XQM-0.4 L型变频行星式球磨机,以表1的MA工艺进行分组球磨;球磨得到的粉末经PVA造粒。本研究以第6组制得的粉末为例进行分析。
作为对比试验,分别将预制的微米级粉末和球磨后造粒制得的纳米级粉末使用WE-60万能材料试验机在钢压模具中采用400 MPa的压制压力,保压30 s,冷压成规格为外径28.4 mm、内径20.6、高5 mm的环形冷压生坯。采用高温箱式电阻炉分别在950、1 000、1 050、1 100℃烧结1 h,然后随炉冷却,冷却气氛为空气。具体烧结工艺参数见表2。
采用振动样品磁强计(VSM)测量烧结样品的磁滞回线,考察了样品的饱和磁化强度和矫顽力特征;在XRD-700型X射线衍射仪上对烧结前不同粒度的粉体样品及烧结试样进行组成相的定性分析;用Nephot-Ⅱ型金相显微镜进行组织形貌观察;用HV-120型维氏硬度计测量试样的硬度;根据阿基米德原理采用ESJ200-4型电子分析天平测量试样的密度。
3 结果及分析
3.1 粉体烧结前后的XRD
图1给出了试验样品XRD结构的分析结果,为了便于指标化及分析,图1给出了1 050℃烧结前后Mn_Zn铁氧体混合粉体与块体材料的XRD测试结果,图1中曲线(a)是原始粉末的XRD曲线,曲线(b)是经过MA处理后粉体的XRD曲线,曲线(c)是烧结后铁氧体块体的XRD曲线。比较曲线(a)和(b)可以发现,将原始粉体进行高能球磨后,衍射峰明显降低且宽化,表明其晶粒显著细化。这是由于当晶粒度小于100 nm时,晶粒细化可以引起衍射线的宽化。由衍射峰宽度,根据谢乐公式估算其晶粒尺寸约为15~50 nm,说明形成了较好的纳米晶结构。另外,比较曲线(b)和(c)可以发现,烧结后块体材料的衍射峰明显且尖锐,而且烧结前的粉体在烧结后生成了新的结晶相,与标准图谱对照,发现新衍射峰的位置与MnFe2O4和ZnFe2O4的标准图谱吻合,表明产物为MnFe2O4和ZnFe2O4,与理论上Mn_Zn软磁铁氧体的相组成一致。根据XRD衍射图谱可知,在烧结过程中,Fe2O3、ZnO和MnO发生反应,生成了尖晶石型的Mn_Zn铁氧体,其反应方程式为:
3.2 Mn_Zn铁氧体材料的磁学性能
图2为不同烧结工艺、不同粒度的粉体制备的Mn_Zn铁氧体所测得的磁滞回线。可以看出,任何一种工艺均产生闭合的磁滞回线,剩磁和矫顽力均不为零,而且磁滞回线的宽度窄,斜率大,说明磁导率较高,表现出软磁特性。由图2(a)、(b)、(c)、(d)可知,由较细粒径粉体制得的Mn_Zn软磁铁氧体随烧结温度的升高,饱和磁化强度逐渐增加,矫顽力逐渐减小,在1 050℃时饱和磁化强度达到最大值,1 100℃烧结试样的饱和磁化强度略有降低,而矫顽力呈增大趋势。饱和磁化强度受内应力、气孔及结构的影响较大,气孔的存在会使材料内部存在较大的磁化阻滞,降低材料的磁化性能。烧结温度较低时,材料组织不够致密均匀,提高烧结温度和延长烧结时间可以降低气孔率,使气孔球化和增大晶粒。但过高的烧结温度又容易使晶粒过分长大,影响整体磁性能,所以当烧结温度适中时,材料具有最佳的磁学性能。对比图2(c)、(e)可知,在制备工艺相同的条件下,由纳米级粒径组成的粉体烧结制得的铁氧体材料的磁学性能优于微米级粒径的粉体,这是由于较细粒径的粉体烧结制得的Mn_Zn软磁铁氧体,其组织更加均匀致密而且气孔少。图2(f)是商用Mn_Zn软磁铁氧体的磁滞回线,可以看出本研究样品与其存在一定的差距,这是因为本研究的侧重点是粉体粒度对铁氧体磁性能的影响,制样件未经掺杂及后续处理。表3的结果说明了以上的分析。表3是本研究中不同工艺Mn_Zn铁氧体磁性能的对比,对比1#、3#、5#、7#样品可以明显看出,在1 050℃下纳米级粉末获得了较其他温度下更好的磁性能,除1#样品外,其余纳米级烧结样品的磁性能均优于微米级样品中最好的6#样品。这是由于烧结颗粒尺度的减小,使得Mn_Zn铁氧体材料的气孔率降低,晶粒减小并且更加致密所致。
3.3 显微组织
图3是不同粒度组成、不同温度烧结所制备的Mn_Zn软磁铁氧体的金相显微组织。其中,图3(a)、(c)、(e)、(g)是原料平均粒径为65 nm,烧结温度依次为950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃的Mn_Zn软磁铁氧体试样的金相组织,图3(b)、(d)、(f)、(h)是原料平均粒径为48μm,烧结温度依次为950℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃的Mn_Zn软磁铁氧体试样的金相组织。可以看出,Mn_Zn软磁铁氧体的显微组织均由灰白色的基体组织(分析为MnFe2O4和ZnFe2O4)、灰黑色块体的氧化铁和黑色的孔隙(固相烧结零件的原始态)组成。
当烧结温度相同、粉末粒度不同时(即图(a)与(b)、(c)与(d)、(e)与(f)、(g)与(h)),较细的原料粒度组成可获得均匀致密的显微组织。这是因为较粗粒径样品的颗粒成型性不好,压制过程中容易出现裂纹或分层现象,导致成型密度不够,孔隙较多,而且烧结的过程为固相烧结,粒径较细的粉末,其表面能更高,接触面积更大,反应更加完全,因此,经MA混合的平均粒径为65 nm样品的金相组织得到明显改善,均匀、致密且气孔小。
对相同粒径的粉体,当烧结温度提高时,气孔(图中黑色斑点)明显减少。当达到1 050℃时,获得了致密而均匀的组织,随后在1 100℃时气孔又开始增多。这是因为随着烧结温度的提高,粉末的反应更加充分,有利于得到致密而均匀的组织。但是当烧结温度过高时,颗粒反应过程中会有少量液相生成,液相凝固时,不同的相之间会形成空隙,即显微照片上的孔洞,而且烧结温度过高也会加速ZnO的分解,导致ZnO大量挥发,使得材料出现孔洞,导致磁导率下降,从而影响Mn_Zn铁氧体材料的性能。
3.4 密度及硬度
图4分别给出了不同粒度组成的Mn_Zn软磁铁氧体材料的相对密度和硬度随烧结温度变化的关系曲线。从图4(a)可以看出,平均粒径为纳米级的铁氧体材料,其相对密度明显高于平均粒径为微米级的材料,且随烧结温度的升高两种材料的相对密度呈增加趋势,均在1 050℃处出现最大值,随后出现下降。从图4(b)可以看出,平均粒径为纳米级的铁氧体材料,其硬度也明显高于平均粒径为微米级的材料,且随烧结温度的升高两种材料的硬度逐渐增加,均在1 050℃时达到最大值,之后随温度的升高硬度下降。从图4还可以看出,不论是微米级还是纳米级粉末获得的材料,其变化规律一致。根据显微组织照片可知,纳米级粒径粉体烧结后可以得到致密均匀的组织,所以其相对密度和硬度明显提高,这为磁性材料获得高饱和磁感应强度和良好的力学性能提供了有力的保证。
4 结论
(1)采用粉末冶金技术,将粒度为65 nm的Fe2O3、MnO和ZnO混合、成型后在1 050℃固相烧结1~2 h即可获得组织致密、硬度较高,且具有六方晶体结构的Mn_Zn软磁铁氧体材料。
(2)采用纳米级粉体压制烧结得到的Mn_Zn铁氧体材料的性能明显优于微米级粉体得到的材料,是制备高性能Mn_Zn软磁铁氧体材料的理想粉体。
参考文献
[1]陈国华.21世纪软磁铁氧体材料和元件发展趋势[J].磁性材料及器件,2001,32(4):34-36.
[2]Miha Drofenik,Andrej Znidarsic,Darko Makovec.Use ofthe Retarded Solution-reprecipitation Process to Attain aHigher Initial Permeability in MnZn Ferrites[J].Commu_nication of the American Ceramic Society,2003,86(9):1601-1603.
[3]吴雪予.抗EMI滤波器设计与应用原理[J].磁性材料及器件,1999,30(5):23-28.
[4]桑商斌,古映莹,黄可龙.Mn_Zn铁氧体纳米晶的水热法制备及热动力学研究[J].功能材料,2001,32(1):27-29.
[5]Marko Rzznen,Miha Drofenik.Hydrothermal Synthesisof Manganese Zinc ferrites[J].I.Aru.Ceram.Soc.1995,78(9):2449-2455.
[6]王永明,王新,王其民,等.添加剂对Mn_Zn功率铁氧体材料性能的影响及机理分析[J].人工晶体学报,2006,35(3):645-650.
[7]王宝罗,方卫民.纳米Mn_Zn软磁铁氧体的制备及其产品表征[J].化学世界,2007(5):262-265.
[8]严红革,陈振华.反应球磨技术原理及其在材料制备中的应用[J].功能材料,1997,28(1):25-27.
[9]冯则坤,李海华,何华辉.低损耗Mn_Zn功率铁氧体研究进展[J].磁性材料及器件,2002,33(2):33-35.
软磁性能 篇3
在我国,锰锌软磁铁氧体普遍应用于通讯、传感、设备开关,音像制品等软磁材料上,随着经济的快速发展,软磁材料的应用范围也越来越广泛,对锰锌软磁铁氧体的质量要求也就越来越高。而决定锰锌软磁铁氧体的性能的重要工序在于制粉,这一工序的好坏直接影响着锰锌软磁铁氧体的内禀特性。而铁氧体原始颗粒作为制粉的原料,其物理和化学性能是控制锰锌软磁铁氧体产品质量的决定性因素。因此,探求性价比高且环保的锰锌软磁铁氧体粉料的制备方法是十分必要的。
1 氧化物法(干法)
氧化物法(干法)是我国锰锌软磁铁氧体工业的主要生产方法。氧化物法(干法)的原料采用有较高纯度的氧化铁、碳酸锰(或氧化锰)、氧化锌等,并将其按比例配合烧结成型制成。
粉料制作的一般工艺流程如图1所示。
氧化物法具有易操作,原料易加工,适用于大规模生产的优势,但是因市面上的高纯度的氧化铁、碳酸锰(或氧化锰)、氧化锌的价格昂贵,大大增加了产品的成本。而且,在各组分氧化物的反应活性较低,就极易产生不同的各组分高温扩散反应速度,即使混合生产,也不能做到微观均匀。所以通常生产加工时,会使用高温合成的工艺,将合成温度增加到上千度,但是,成份中的微观组织分布依旧不均匀。这些缺点只能相对减少,并不能有效规避。
而随着我国自动化技术的迅猛发展,势必会对铁氧体材料的性能质量的要求越来越高。
很明显,传统的制作工艺已不能满足技术发展对产品的要求,传统的氧化物法已经不能适应较高的材料性能。这些年在广大科技工作者的共同努力下,在制粉技术方面已经取得了明显的进步。
2 共沉淀法
化学共沉淀法是将一种可溶解于水中的金属盐类按所需比例溶解于水,所制备材料制成剂量,使其能够呈离子状,均匀混合后使用配套的沉淀剂使金属离子均匀的沉淀或结晶,然后将沉淀物进行脱水或热分解而制得铁氧体微粉。这种化学共沉淀法可以按照所使用的沉淀剂的类型不同,剂量不同,配制出不同的碳酸盐、草酸盐等不同盐类或氢氧化物。化学共沉淀法制铁氧体微粉与传统的氧化物法相比,前者所制的铁氧体微粉的颗粒更细小,更均匀,纯度更高,化学活性更好,所以国内外在共沉淀法的研究与开发上投入了很大的精力。
3 水热法
水热法制备纳米级超微晶是在一种压力容器中,用水作为制备材料。近几年较为流行。这种水热反应的必要条件是有水或酸、碱或络合剂等矿物剂参与制备。在水热反应时,粉体由溶解再结晶,这种结晶方式就会使制得的纳米晶发育的更加饱满,并具有粒径小,粒度分布窄、团聚程度轻的特点,这种方式也不用高温煅烧的预处理,结晶也会因此避免晶粒变大,形成明显缺陷等不足,所含杂质量也会大大降低,烧结活性也会较高。通常根据水热反应法所制备的超微晶粒一般不超过几十纳米。不过最新研究数据表明,水热反应所制得的产物的纯度,磁性甚至颗粒的大小都会受到制备过程的温度和时间的影响。
据记载,水热法最初是应用在制造高性能氧化铁磁的工艺中。但我国对水热法制备铁氧体粉的工艺早有研究。在中南大学化学化工的实验室里,就有人通过使用添加剂制备出了锰锌软磁铁氧体纳米晶,这种锰锌软磁铁氧体纳米晶不仅磁性较好,更具有杂质量低,团聚程度低,结晶度高,粒度分布均匀且分布较窄的优势,平均单相粒径为10~20 nm。
而且,在对产物进行热稳定性研究时发现,这种锰锌软磁铁氧体纳米晶的烧结活性比一般的晶体更好,可以将烧结温度控制在空气中为870°C,在氢气中为115°C。所以通过水热反应法在不需要高温灼烧的条件下,就可以直接得到结晶良好的粉体,利用球磨,可以规避粉体的团聚,杂质和结构缺陷等问题,同时粉体烧结活性也是很高的。此工艺不仅技术简单,能耗较低,在低投入的条件下也能保证低污染。因此,该方法被认为具有良好应用前景。
4 结语
当前信息的广泛交流,使铁氧化材料的发展进入了快车道,而软磁铁氧体材料,特别是锰锌软磁铁氧体作为电子产业的主要原料,产量比从前大大增加,这种材料也不仅仅局限在某一领域。如今,我国对化工产业转变经济发展方式提出了更高的要求,对环保节能技术的发展给予了大力支持。因此,对锰锌软磁铁氧体等软磁材料的研究成为科研工作的焦点。不过,当视野放向全世界时,我们会发现与一些发达国家相比,我国在制粉和其他诸多工艺的研究水平上还存在较大的差距。所以我国科技人员要加紧步伐,迎头追赶,坚持科技是第一生产力的发展目标,将我国的科技水平提升到新的高度。
摘要：在对锰锌软磁铁氧体生产工艺技术研究问题上,制备软磁材料的新技术得益于比以往更加频繁的学科交流,如雨后春笋般出现在人们面前,软磁铁氧体粉的制备也面临着更多的机遇和挑战。多年来,经过我国科研工作者坚持不懈的研究探索,克服了种种技术上、材料上的难题,在铁氧体材料的研究领域取得了重大突破。本文结合大量国内外已有的研究资料和个人实验,讨论了软磁铁氧体,特别是锰锌软磁铁氧体材料制粉工艺的制作方法,综述了此项技术的研究现状和应用前景。
关键词：锰锌软磁铁氧体,生产工艺,研究
参考文献
[1]李自强,李春.软磁材料锰锌软磁铁氧体共沉粉料的研制[J].四川联合大学学报:工程科学版,1997(05):23-29.
[2]张保平,唐谟堂,杨声海.共沉淀法制备锰锌软磁铁氧体前躯体共沉过程中钙、镁深度脱除的热力学分析[J].湿法冶金,2003,22(04):200-203.