退火工藝對Fe-Si-Ni-Al-Ti磁粉芯性能的影響

蔡一湘，毛新華，劉 辛，謝煥文

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退火工藝對Fe-Si-Ni-Al-Ti磁粉芯性能的影響

蔡一湘，毛新華，劉 辛，謝煥文

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院 粉末冶金研究所，廣東廣州 510650)

采用氣霧化技術(shù)并結(jié)合模壓成形方法制備Fe-3Si-2Ni-0.5Al-2Ti磁粉芯，通過熱分析儀、X射線衍射儀、電子探針以及軟磁交流測量裝置表征和分析了絕緣包覆劑的熱穩(wěn)定性、磁粉芯的相組成、碳氧含量及磁性能，并探討退火溫度、升溫速率、保溫時間對磁粉芯性能的影響。結(jié)果表明：隨退火溫度由180 ℃升高至280 ℃，磁粉芯的矯頑力下降，磁導(dǎo)率增大，損耗降低；但進(jìn)一步升高至380 ℃時，磁粉芯性能下降。升溫速率過快(3 ℃/min)或過慢(1 ℃/min)，均不利于磁粉芯性能的提高，較佳升溫速率為2 ℃/min。當(dāng)保溫時間由60 min延長至90 min時，磁粉芯的矯頑力下降、有效磁導(dǎo)率增大、損耗降低；但進(jìn)一步延長保溫時間(150 min)對磁粉芯性能的改善并不明顯。

Fe-Si-Ni-Al-Ti；磁粉芯；退火處理

磁粉芯是1種由軟磁金屬或合金粉末經(jīng)絕緣包覆后，采用傳統(tǒng)粉末冶金方法制備的1種新型軟磁復(fù)合材料，它具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、頻率特性良好、恒導(dǎo)磁等特點(diǎn)[1?2]。磁粉芯的磁特性主要取決于磁性粉末的磁性能、形貌、粒度及組配，絕緣包覆劑的種類與含量，壓制壓力以及后續(xù)退火工藝。在眾多影響因素中，除磁性粉末本身的磁性能外，后續(xù)退火工藝對磁粉芯磁性能的影響尤為顯著和敏感。

退火處理不僅可以消除粉末制備和模壓成形過程所引入的各種缺陷與內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而降低矯頑力、提高有效磁導(dǎo)率、減小損耗，同時還可以改善磁粉芯的力學(xué)性能，其具體影響主要由退火方式、退火溫度、保溫時間、升溫速率以及冷卻方式等因素決定。SHOKROLLAHI等[3]研究了退火方式對鐵磁粉芯磁滯損耗的影響，發(fā)現(xiàn)在低頻下高溫磁場退火處理的損耗低于低溫磁場退火處理的樣品；而在高頻率下高溫磁場退火處理的損耗高于其他退火工藝制備的樣品。WU等[4]研究了退火溫度對鐵基軟磁復(fù)合材料磁性能的影響，發(fā)現(xiàn)退火溫度升高能在很大程度上提高鐵基軟磁復(fù)合材料的初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率，增大飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，并降低材料矯頑力。李慶達(dá)等[5]研究了退火溫度對鐵硅鋁磁粉芯損耗的影響，表明提高退火溫度能夠有效地降低磁粉芯的渦流損耗和磁滯損耗，過高的退火溫度會增大渦流損耗。HEMMATI等[6]研究了保溫時間對磁粉芯磁性能的影響，表明當(dāng)退火溫度為200 ℃、保溫時間由12 h延長至24 h時，磁粉芯的矯頑力和磁滯損耗降低，磁性能有所改善；相對保溫時間對磁粉芯的影響來說，提高退火溫度對磁粉芯磁性能的改善更為有效。

目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)中有關(guān)退火工藝對磁粉芯磁特性的影響研究主要集中于退火溫度，而升溫速率、保溫時間等參數(shù)的研究報(bào)道較少，且多為單一因素研究對粉芯性能的影響。鑒于退火處理對磁粉芯磁特性的重要影響，本研究利用氣霧化技術(shù)制備了Fe-3Si- 2Ni-0.5Al-2Ti軟磁合金粉末，結(jié)合模壓成形及退火處理制成磁粉芯材料。并系統(tǒng)地探討研究退火溫度、升溫速率、保溫時間等諸多因素對包覆劑絕緣性能、磁粉合金相結(jié)構(gòu)以及磁粉芯動態(tài)磁性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

采用氬氣霧化技術(shù)制備Fe-3Si-2Ni-0.5Al-2Ti合金粉末，利用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分出<75mm等級的粉末。在粉末中加入0.5%的W-6C環(huán)氧樹脂絕緣包覆劑，充分混合均勻后放入ZK-82B型真空干燥箱中進(jìn)行75 ℃、 90 min的烘干處理。利用TDY38-100型四柱式液壓機(jī)將上述粉末冷壓成外徑28 mm、內(nèi)徑20 mm、高3 mm的環(huán)形樣品，壓制力為1960 MPa，保壓時間為5 s。將上述磁粉芯樣品在KTF-5-12型真空氣氛電阻爐中進(jìn)行退火處理，保護(hù)氣氛為氮?dú)?，溫度分別為180、280和380 ℃，時間分別為60、90 和150 min，升溫速率分別為1、2和3 ℃/min，隨爐冷卻至室溫。

采用NETZSCH STA 409 PC/PG綜合熱分析儀對W-6C環(huán)氧樹脂及其包覆的粉末進(jìn)行DSC-TG分析，采用Rigaku D/MAX-RC型X射線衍射儀(Cu Kα輻射)對不同退火溫度下磁粉芯的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)williamson–hall方法[7]利用MDI Jade 6軟件分析不同退火工藝處理后磁粉芯的微觀應(yīng)變，采用JEOL JXA-8100型電子探針中的能譜功能分析磁粉芯斷面的碳氧含量，采用湖南聯(lián)眾MATS-2010SA軟磁交流測量儀測量磁粉芯的矯頑力、有效磁導(dǎo)率和損耗。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂絕緣劑的熱穩(wěn)定性

圖1所示為W-6C環(huán)氧樹脂絕緣包覆劑的DSC- TG曲線。由圖1可知，DSC曲線在70 ℃時出現(xiàn)了1個吸熱峰，這是由于環(huán)氧樹脂的軟化所致；當(dāng)溫度在412 ℃左右時，又出現(xiàn)了2個比較明顯的吸熱峰，這表明W-6C環(huán)氧樹脂已經(jīng)開始發(fā)生熱分解。同時由TG曲線也可知，W-6C環(huán)氧樹脂在400 ℃之前沒有發(fā)生明顯的質(zhì)量耗損現(xiàn)象，質(zhì)量耗損開始于412 ℃左右，這也證實(shí)了此時環(huán)氧樹脂絕緣劑發(fā)生了熱分解；當(dāng)溫度升高至490 ℃時，其質(zhì)量耗損達(dá)83%。總之，根據(jù)DSC-TG曲線可知，W-6C環(huán)氧樹脂具有良好的耐熱性能，且為磁粉芯熱處理溫度的選擇提供了依據(jù)。因此選用的180、280 和380 ℃的退火溫度可保證磁粉芯的絕緣包覆層不會發(fā)生明顯的破壞。

圖1 W-6C環(huán)氧樹脂的DSC-TG曲線

2.2 退火溫度對磁粉芯磁性能的影響

圖2所示為Fe-3Si-2Ni-0.5Al-2Ti磁粉芯在不同溫度退火處理后的X射線衍射圖。由圖可見，經(jīng)180、280和380 ℃三種不同溫度退火后的磁粉芯中均只存在單一的α-Fe固溶相，并且衍射峰并未隨溫度發(fā)生偏移。這表明，F(xiàn)e-3Si-2Ni-0.5Al-2Ti磁粉芯在當(dāng)前的退火溫度下的物相結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化。圖3所示為根據(jù)上述X射線衍射圖計(jì)算出的磁粉芯內(nèi)部微觀應(yīng)變。由圖可知，磁粉芯內(nèi)部的微觀應(yīng)變隨退火溫度的升高而降低。這表明，較高的退火溫度可以有效消除磁粉芯在粉末制備和模壓成形過程中所引入的內(nèi)應(yīng)力。

圖2 不同退火溫度下磁粉芯的X射線衍射圖

圖3 磁粉芯微觀應(yīng)變和退火溫度的關(guān)系

圖4所示為不同退火溫度下磁粉芯磁性能和頻率的關(guān)系。由圖可知，不同退火溫度下的磁粉芯矯頑力均隨頻率的增加而增大，有效磁導(dǎo)率隨頻率的增加變化不大，質(zhì)量損耗隨頻率的增加急劇升高；隨退火溫度由180 ℃升高至380 ℃，磁粉芯的矯頑力逐漸減小，有效磁導(dǎo)率先增大后減小，質(zhì)量損耗先降低后升高。

圖4 不同退火溫度下磁粉芯磁性能和頻率的關(guān)系

在粉末制備及壓制成形過程中，磁粉芯存在大量的內(nèi)應(yīng)力與各種缺陷，而內(nèi)應(yīng)力及缺陷的存在可導(dǎo)致磁粉芯磁性能的變化。根據(jù)磁疇的釘扎理論，磁粉晶體中的缺陷與內(nèi)應(yīng)力對疇壁的移動會產(chǎn)生阻礙作用。缺陷越多，內(nèi)應(yīng)力越大，對疇壁的移動阻礙越大，矯頑力越大。退火溫度升高，可降低磁粉芯內(nèi)部的缺陷與內(nèi)應(yīng)力，減小疇壁的移動阻力，從而降低了磁粉芯的矯頑力[5, 8]。

關(guān)于內(nèi)應(yīng)力對磁粉芯磁導(dǎo)率的影響，可以根據(jù)內(nèi)應(yīng)力理論模型加以解釋[9]：

式中：i為磁導(dǎo)率；s為飽和磁化強(qiáng)度；s為飽和磁致伸縮系數(shù)；為殘余應(yīng)力。由上式可知，磁粉芯的磁導(dǎo)率與內(nèi)應(yīng)力成反比，由于內(nèi)應(yīng)力的存在，使得磁粉芯磁導(dǎo)率降低，在退火處理過程中，隨退火溫度升高，殘余內(nèi)應(yīng)力不斷得以消除，故在很大程度上提高了有效磁導(dǎo)率。然而在本研究中，隨退火溫度進(jìn)一步升高至380 ℃，磁粉芯的有效磁導(dǎo)率則出現(xiàn)大幅降低。表1所列為磁粉芯樣品在不同溫度退火處理后的氧元素含量。由表可知，隨退火溫度不斷升高，磁粉芯斷面的氧含量增多，且當(dāng)退火處理溫度為380 ℃時，其變化更為明顯。這充分說明，在退火處理后，磁粉芯磁性顆粒表面出現(xiàn)不同程度的氧化現(xiàn)象。因此，在380℃時，磁粉芯有效磁導(dǎo)率的大幅度降低與氧化物雜質(zhì)的產(chǎn)生有著密切的聯(lián)系。此時，磁粉芯有效磁導(dǎo)率的變化可采用NMGB模型進(jìn)行解釋[10]：

(2)

式中：e為有效磁導(dǎo)率；為晶粒邊界厚度；為晶粒尺寸(這里可為顆粒直徑間距)；i為磁粉顆粒的本征磁導(dǎo)率。由于380 ℃的退火溫度接近W-6C環(huán)氧樹脂絕緣劑的熱分解溫度，這可能會導(dǎo)致環(huán)氧樹脂絕緣劑發(fā)生“燒蝕”，使得磁性顆粒表面層被連帶發(fā)生氧化、有效顆粒直徑減小，從而導(dǎo)致磁粉芯的有效磁導(dǎo)率 降低。

磁粉芯損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗2部分，其中磁滯損耗主要與材料成分和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而渦流損耗則還取決于粉末粒度的大小與絕緣包覆的優(yōu)劣，其定義公式如下[11?12]：

式中：s為磁粉芯總損耗；h為磁滯損耗；e為渦流損耗；n和C為常數(shù)；為磁通密度；為工作頻率；為顆粒尺寸；為材料的電阻率。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中，渦流損耗主要與磁性顆粒的組織結(jié)構(gòu)及絕緣劑的性狀有關(guān)，在退火溫度低(180 ℃)時其值變化很小，此時磁粉芯損耗的大小主要取決于磁滯損耗。而當(dāng)溫度逐漸升高時(280 ℃)，由于磁粉芯內(nèi)部缺陷及內(nèi)應(yīng)力得以大幅度消除，使得磁粉芯矯頑力減小，磁滯損耗降低，進(jìn)而導(dǎo)致磁粉芯損耗降低。隨退火溫度進(jìn)一步升高至380 ℃，磁粉芯損耗隨溫度的升高而增大。這是由于380 ℃的退火溫度接近W-6C環(huán)氧樹脂絕緣劑的熱分解溫度，環(huán)氧樹脂絕緣層可能開始分解破壞，粉末與粉末間的絕緣性能變差，從而導(dǎo)致磁粉芯的電阻率降低，渦流損耗增大。此時的磁滯損耗和渦流損耗之間存在動態(tài)競爭關(guān)系，盡管此時的磁滯損耗較小，但渦流損耗在總損耗中占據(jù)支配地位，因此磁粉芯的總損耗增大。

表1 磁粉芯樣品在不同溫度退火處理后的氧元素含量

2.3 升溫速率對磁粉芯磁性能的影響

圖5所示為不同升溫速率下磁粉芯樣品的磁性能隨頻率的變化關(guān)系。由圖可知，隨升溫速率由1 ℃ /min升至3 ℃/min，磁粉芯矯頑力隨升溫速率的加快而明顯增大，有效磁導(dǎo)率先增大后減小，損耗先降低后升高，較佳升溫速率為2 ℃/min。升溫速率的提高可抑制磁粉芯晶粒內(nèi)原子的熱運(yùn)動，阻礙磁粉芯內(nèi)應(yīng)力的釋放(如圖6所示)，從而增大磁粉芯矯頑力。當(dāng)升溫速率較快(3 ℃/min)時，磁粉芯壓坯內(nèi)殘留的內(nèi)應(yīng)力并不能完全消除，進(jìn)而導(dǎo)致磁粉芯疇壁移動阻力較大，磁粉芯磁導(dǎo)率減小，磁滯損耗升高，磁粉芯的綜合磁性能惡化。而當(dāng)升溫速率較慢(1 ℃/min)時，壓坯由室溫升至280 ℃所需的時間較長(約255 min)，壓坯內(nèi)W-6C環(huán)氧樹脂絕緣層分解程度加劇(如圖7所示)。這將導(dǎo)致絕緣包覆性能惡化，磁粉芯的渦流損耗升高；并且絕緣層的分解還可能造成顆粒表面連帶氧化，使得磁導(dǎo)率減小，綜合磁性能下降。因此，磁粉芯在熱處理過程中升溫速率過快(3 ℃/min)或過慢(1 ℃/min)，均不利于改善磁粉芯的磁性能。

圖5 不同升溫速率下磁粉芯磁性能和頻率的關(guān)系

圖6 磁粉芯微觀應(yīng)變和升溫速率的關(guān)系

2.4 保溫時間對磁粉芯磁性能的影響

圖8所示為不同保溫時間下磁粉芯磁性能隨頻率的變化關(guān)系。由圖可知，當(dāng)保溫時間由60 min延長至90 min時，磁粉芯的矯頑力下降、有效磁導(dǎo)率增大、質(zhì)量損耗降低，磁粉芯綜合磁性能在很大程度上得以明顯改善。這是因?yàn)楸貢r間的延長，有利于磁粉芯內(nèi)應(yīng)力的釋放(如圖9所示)，對疇壁的釘扎作用減弱，因而磁性能提高。當(dāng)保溫時間進(jìn)一步延長至150 min時，磁粉芯的綜合磁性能仍有所改善，但效果不明顯。這可能是因?yàn)殡S保溫時間的進(jìn)一步延長，雖然內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步減少，但W-6C環(huán)氧樹脂絕緣劑會發(fā)生緩慢的分解(如圖10所示)，破壞了顆粒的絕緣包覆性能，使得渦流損耗有所升高；并且還可能造成顆粒表面連帶氧化，削弱內(nèi)應(yīng)力釋放對磁導(dǎo)率的增大作用，故此時磁粉芯綜合磁性能的改善不明顯。

圖7 不同升溫速率下環(huán)氧樹脂的質(zhì)量耗損曲線

圖8 不同保溫時間下磁粉芯磁性能和頻率的關(guān)系

圖9 磁粉芯微觀應(yīng)變隨保溫時間的變化

圖10 不同保溫時間下環(huán)氧樹脂的耗損曲線

3 結(jié)論

1) 當(dāng)退火溫度由180 ℃升至280 ℃時，磁粉芯的矯頑力下降，磁導(dǎo)率增大，損耗降低；當(dāng)溫度進(jìn)一步升至380 ℃，磁粉芯的矯頑力進(jìn)一步降低，但有效磁導(dǎo)率大幅減小，損耗急劇升高。

2) 隨升溫速率由1 ℃/min升至3 ℃/min，磁粉芯的矯頑力逐漸升高，有效磁導(dǎo)率先增大后減小，磁粉芯損耗先降低后升高，較優(yōu)升溫速率為2 ℃/min。

3) 當(dāng)保溫時間由60 min延長至90 min時，磁粉芯的矯頑力下降、有效磁導(dǎo)率增大、損耗降低；當(dāng)保溫時間進(jìn)一步延長至150 min時，磁粉芯的綜合磁性能改善不明顯。

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(編輯 高海燕)

Effect of annealing treatment on properties of Fe-Si-Ni-Al-Ti magnetic powder cores

CAI Yi-xiang, MAO Xin-hua, LIU Xin, XIE Huan-wen

(Department of Powder Metallurgy, Guangdong General Research Institute for Industrial Technology,Guangzhou 510650, China)

Fe-3Si-2Ni-0.5Al-2Ti magnetic powder cores were prepared by gas atomization and compression molding. The thermal stability of insulation binder, phase composition, carbon and oxygen content, magnetic properties of magnetic powder cores were analyzed by thermal analyzer, X-ray diffractometer, electron probe microanalyzer, and soft magnetic alternating current measurement, respectively. The effects of annealing temperature, heating rate, and holding time on the magnetic properties of magnetic powder cores were investigated. The results show that when the annealing temperature increases from 180 to 280 ℃, the coercivity decreases, effective magnetic permeability increases and loss decreases. However, further increment of the temperature deteriorates magnetic properties of the magnetic powder cores. The fast heating rate (3 ℃/min) or the slow one (1 ℃/min) are detrimental to improve the magnetic properties of cores, the optimal one is 2 ℃/min. when the holding time prolongs from 60 to 90 min, the coercivity decreases, effective magnetic permeability increases and the loss decreases. But further increment of the holding time can’t improve magnetic properties of the cores obviously.

Fe-Si-Ni-Al-Ti; magnetic powder cores; annealing treatment

TF125.13

A

1673-0224(2015)2-218-07

科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)資金(2010EG215058)

2013-10-11；

2014-12-27

蔡一湘，教授級高工，碩士。電話：020-61086628；E-mail: pmnerc@126.com