熱處理工藝對鐵基軟磁復(fù)合材料電磁性能的影響

李發(fā)長，馮曉鵬，李 一，柳學(xué)全，李金普，李 楠

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熱處理工藝對鐵基軟磁復(fù)合材料電磁性能的影響

李發(fā)長1，馮曉鵬2，李 一1，柳學(xué)全1，李金普1，李 楠1

(1. 中國鋼研科技集團有限公司，北京 100081；2. 北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

以磷酸為磷化劑對霧化鐵粉進行磷化處理，然后在800 MPa壓力下壓制成環(huán)形生坯，分別在H2、N2和空氣氣氛下進行熱處理，制成軟磁復(fù)合材料磁芯，研究熱處理氣氛、熱處理溫度與時間對磁芯電磁性能的影響。結(jié)果表明：鐵粉經(jīng)磷化處理后，表面包覆完整均勻的磷酸鹽絕緣層；與H2和N2氣氛相比，磁芯壓坯在空氣氣氛下熱處理后擁有更高的磁導(dǎo)率和較小的磁損耗；空氣氣氛下500 ℃處理30 min是較優(yōu)的熱處理工藝，磁芯最大磁導(dǎo)率達到350，在頻率為1 kHz和飽和磁感1T條件下的磁損耗僅為145 W/kg，進一步延長熱處理時間或提高熱處理溫度，磁導(dǎo)率增加不明顯，但電阻率顯著降低，導(dǎo)致磁損耗顯著增加，軟磁性能惡化。

鐵基軟磁復(fù)合材料；熱處理工藝；軟磁性能

軟磁復(fù)合材料(soft magnetic composites，簡稱SMC)是通過在鐵磁顆粒表面包覆電絕緣膜層而獲得的一類電磁應(yīng)用材料[1?2]。與傳統(tǒng)的疊片鋼磁芯相比，采用粉末冶金工藝制備的SMC磁芯具有一系列獨特的性能，包括三維各向同性磁性能、低的渦流損耗、中高頻率下相對低的總損耗和靈活的磁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等，能大幅降低磁芯的質(zhì)量和體積，應(yīng)用前景廣闊[3?5]。近年來，隨著電子器件的應(yīng)用不斷增加，市場對SMC的需求迅速增加。為了提高SMC的軟磁性能，國內(nèi)外對新型耐高溫絕緣材料的選取和絕緣軟磁粉末的制備進行了大量研究[6?9]，但對于SMC的成形和熱處理工藝研究較少[10?11]。SMC顆粒表面存在絕緣層，不能進行高溫?zé)Y(jié)，只能通過熱處理來脫除成形時所添加的潤滑劑，提高磁芯的強度，同時部分消除內(nèi)應(yīng)力，提高磁芯的軟磁性能[12?15]。因此對磁芯生坯的熱處理氣氛和溫度等進行較深入的研究，對于制備高性能軟磁復(fù)合材料具有重要意義。

本文作者以霧化鐵粉為原料，采用磷化工藝制備絕緣鐵粉，在800 MPa下壓制成環(huán)形生坯，經(jīng)熱處理后制成SMC磁芯，研究熱處理氣氛、熱處理溫度和時間對SMC磁芯電磁性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

采用萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司生產(chǎn)的寬粒度分布的高純霧化鐵粉為原料，鐵粉純度＞99.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，粒度分布列于表1。采用磷化工藝在鐵粉表面生成絕緣包覆層，所用磷酸和丙酮由國藥集團化學(xué)試劑北京有限公司生產(chǎn)。磁芯壓制成形時采用本實驗室自制的CC-1型超級潤滑劑，該潤滑劑是一類碳氫化合物，熱處理后無殘留；另外該潤滑劑在壓制時在壓力作用下轉(zhuǎn)變成液相，能增強粉末的流動性，優(yōu)化壓坯結(jié)構(gòu)，潤滑性能優(yōu)異；相比普通潤滑劑，較小的用量就能取得理想的潤滑效果。磁芯熱處理所用氮氣和氫氣由北京龍輝京城氣體有限公司提供。

表1 高純霧化鐵粉的粒度分布

1.2 鐵粉的磷化處理

鐵粉在丙酮酸性溶液中磷化處理的同時能實現(xiàn)除油和清洗，因此鐵粉磷化前無需進行前處理。磷化處理時丙酮為反應(yīng)介質(zhì)，磷酸為有效磷化劑。根據(jù)Y G KIR’YANOV等[16]關(guān)于鐵粉的磷化反應(yīng)動力學(xué)研究，控制磷化液中磷酸的質(zhì)量濃度為0.01 g/mL。將鐵粉加入磷酸與丙酮的混合液中，室溫攪拌30 min，然后用丙酮清洗，在50 ℃溫度下干燥1 h。

1.3 磁芯制備

在磷化處理的鐵粉中添加0.2% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))CC-1潤滑劑，放入螺帶式混料機中攪拌30 min使其充分混合。將混合粉末倒入環(huán)形模具中，用微粉蠟作為模壁潤滑劑，在800 MPa壓力下壓制成外徑30 mm、內(nèi)徑20 mm、高5 mm的環(huán)形壓坯。將壓坯置于網(wǎng)帶爐中，分別在H2、N2和空氣氣氛下500 ℃熱處理30 min，制得鐵基SMC磁芯，研究熱處理氣氛對磁芯性能的影響。另外，還研究空氣氣氛下熱處理溫度和時間對磁芯磁性能的影響。

1.4 測試與表征

采用JEOL(日本電子)JSM-6510A型掃描電鏡對鐵粉磷化前后的表面形貌與元素含量進行分析，并通過EDS對鐵粉表面的元素分布進行分析。采用Rigaku (日本理學(xué))DMAX-RB12KW旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀分析鐵粉的物相組成，CuKα輻射，波長為1.54056×10?4μm。

根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMD4496-87，用廣州四探針科技有限公司的RTS-8型四探針儀測試磁芯的電阻率。

用湖南聯(lián)眾科技有限公司的MATS-2010SD軟磁直流測量裝置測定磁芯的磁導(dǎo)率等靜態(tài)軟磁性能，并用MATS-2010SA軟磁交流測試儀測定在頻率1 kHz和飽和磁感1T條件下磁芯的磁損耗等動態(tài)軟磁性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 鐵粉的表征

圖1所示為磷化處理后的鐵粉的EDS分析結(jié)果，由圖可確定鐵粉表面存在鐵、磷和氧元素，初步推斷磷化處理使得鐵粉表面生成了鐵的磷酸鹽膜層。根據(jù)EDS的分析深度，比較磷元素和鐵元素的峰強，可進一步推斷該磷酸鐵鹽膜層的厚度很小。表2所列為磷化前后鐵粉的元素組成，結(jié)果表明鐵粉磷化后純度降低，磷、氧元素含量明顯增加，由此也推斷磷化過程中磷酸與鐵發(fā)生反應(yīng)，生成了某種含有磷和氧的物質(zhì)包覆在鐵粉表面。圖2所示為磷化鐵粉表面的鐵、磷和氧元素的面分布，可見各元素在粉末表面都有良好廣泛的覆蓋，表明鐵粉表面生成的磷酸鹽膜層包覆完整、均勻。

圖1 磷化鐵粉的EDS分析

表2 鐵粉磷化處理前后的元素組成

圖3所示為磷化鐵粉的XRD譜。很明顯，所有的主峰都是體心立方結(jié)構(gòu)鐵的特征衍射峰，且峰形很尖銳。同時，在低角度出現(xiàn)了很多低強度雜峰，根據(jù)S REBEYRATA等[16]的研究，這些雜峰來自非晶或納米晶結(jié)構(gòu)的磷酸鹽膜層，也可能是膜層太薄導(dǎo)致衍射信號太弱，以致于沒有明顯的衍射峰，這與圖1中鐵元素、磷和氧元素的強度很低體現(xiàn)磷酸鹽膜層很薄是一致的。

2.2 熱處理氣氛的影響

熱處理能脫除磁芯壓坯中的潤滑劑，同時可部分消除壓制成形時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而提高磁芯的磁性能。圖4所示為在不同氣氛下500 ℃熱處理30 min所得磁芯在頻率1 kHz和飽和磁感1T條件下的磁損耗與頻率的關(guān)系。氫氣是強還原性氣氛，熱處理時會損壞鐵粉表面的磷酸鹽絕緣層，進而使磁芯的磁性能惡化，因而與其他氣氛下熱處理的磁芯相比，所有頻率下的磁損耗都明顯更高。氮氣和空氣氣氛下熱處理不會對鐵粉表面絕緣層產(chǎn)生影響，氮氣氣氛下熱處理磁芯的磁損耗稍高于空氣氣氛下熱處理的磁芯。這是由于空氣氣氛下熱處理時，氧的滲透深度更深，使得軟磁顆粒表面的氧化程度更大，從而導(dǎo)致磁芯的磁損耗降低。表3所列為不同氣氛下熱處理后磁芯的靜態(tài)磁性能?？梢钥闯?，空氣和氮氣氣氛下熱處理的磁芯靜態(tài)磁性能較接近，磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強度較高，矯頑力較低，綜合性能明顯優(yōu)于氫氣氣氛下熱處理的磁芯。這是因為成形時添加的超級潤滑劑在空氣氣氛下能徹底脫除，氮氣氣氛下可能存在殘留，而氫氣氣氛下會抑制潤滑劑的分解。潤滑劑脫除越徹底，磁芯中磁介質(zhì)含量越高，因而磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度(測試磁場強度為10 kA/m)更高，而矯頑力和磁滯損耗降低。

2.3 熱處理溫度和時間的影響

熱處理溫度和時間也是影響SMC軟磁性能的重要因素。圖5所示為空氣氣氛下熱處理溫度和時間對鐵基SMC最大磁導(dǎo)率的影響。很明顯，隨熱處理溫度升高或熱處理時間延長，磁芯的最大磁導(dǎo)率不斷小幅增大。這是因為熱處理溫度升高或時間延長，壓制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力得到更好地消除，磁芯結(jié)構(gòu)得到改善，缺陷減少，阻礙磁疇運動的釘扎點密度降低，故導(dǎo)磁能力提高。由圖可見，在500 ℃下熱處理30 min時磁芯已具有較高的磁導(dǎo)率，進一步延長熱處理時間，磁導(dǎo)率無明顯增大，進一步提高溫度，磁導(dǎo)率增加也較緩慢。

圖2 磷化鐵粉的形貌及鐵、磷和氧元素面分布

圖3 磷化鐵粉的XRD譜

圖4 熱處理氣氛對鐵基SMC磁損耗的影響

表3 熱處理氣氛對鐵基SMC靜態(tài)軟磁性能的影響

圖5 熱處理溫度和時間對鐵基SMC最大磁導(dǎo)率的影響

圖6所示為空氣氣氛下熱處理溫度和時間對磁芯在頻率為1 kHz、飽和磁感為1T條件下的磁損耗的影響。熱處理溫度在500 ℃以下時，隨熱處理溫度升高或時間延長，潤滑劑脫除更徹底，同時內(nèi)應(yīng)力得到更好地消除，矯頑力隨之減小，磁滯損耗降低，故磁損耗減小。在500 ℃熱處理30 min時，磁芯的磁損耗最低，而熱處理時間超過30 min時，磁損耗增大，這是因為熱處理時間過長，鐵粉表面絕緣層開始發(fā)生分解，逐漸失去絕緣作用。熱處理溫度升高至550 ℃甚至更高時，會加速絕緣層的分解，熱處理超過15 min時磁損耗大幅增加。與500 ℃/30 min熱處理相比，600 ℃熱處理30 min時磁損耗(1 kHz，1T)由145增加到 664 W/kg，意味著絕緣膜幾乎完全分解，失去了降低渦流損耗的作用。

圖6 熱處理溫度和時間對鐵基SMC磁損耗的影響

圖7所示為熱處理溫度對磁芯電阻率的影響。500 ℃以下熱處理時，隨熱處理溫度升高，材料的電阻率逐漸減小，但不明顯；熱處理溫度超過500 ℃后，電阻率迅速降低。這是因為熱處理溫度較低時，隨溫度升高，潤滑劑和內(nèi)應(yīng)力消除更徹底，磁芯結(jié)構(gòu)得到改善，但鐵粉之間依然存在磷酸鹽絕緣層，因此電阻率變化不大；當(dāng)熱處理溫度超過絕緣層能承受的溫度時，絕緣膜層發(fā)生分解，鐵粉顆粒之間相互連通，故電阻率迅速減小。磁芯渦流損耗e可用下式表達：e=C222/。式中：C為比例系數(shù)；表示磁感應(yīng)強度；為工作頻率；為鐵粉粒徑；表示磁芯的電阻率。可見隨電阻率減小，渦流損耗大幅增加，總磁損耗顯著增大。

為進一步觀察絕緣層，對空氣氣氛下500 ℃熱處理30 min的磁芯進行線掃描分析，結(jié)果如圖8所示。從圖中可看出，顆粒的包覆層較明顯，且包覆完整；與顆粒內(nèi)部相比，顆粒間的界面區(qū)域鐵含量驟降，磷含量明顯升高，這進一步證實了顆粒之間磷酸鹽絕緣包覆層的存在，并且該絕緣層經(jīng)壓制成形和500 ℃熱處理后未發(fā)生分解。

圖7 熱處理溫度對鐵基SMC電阻率的影響

圖8 鐵基SMC的截面線掃描分析

3 結(jié)論

1) 用丙酮為反應(yīng)介質(zhì)，磷酸為有效磷化劑，對鐵粉進行磷化處理后，鐵粉表面包覆的磷酸鐵鹽薄層完整、均勻。

2) 在空氣氣氛下進行熱處理得到的鐵基軟磁復(fù)合材料磁芯具有較高的磁導(dǎo)率，且磁損耗低于氫氣和氮氣氣氛下熱處理的磁芯。

3) 空氣氣氛下500 ℃熱處理30 min是較優(yōu)的熱處理條件，所得磁芯最大磁導(dǎo)率為350，在頻率為 1 kHz和飽和磁感1T條件下的磁損耗僅為145 W/kg。

4) 鐵基SMC磁芯的磁導(dǎo)率隨熱處理溫度升高而增大；在300～500 ℃范圍內(nèi)，磁芯損耗和電阻率隨熱處理溫度升高而降低，超過500 ℃后磁芯的磁性能 惡化。

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(編輯 湯金芝)

Effect of heat treatment process on magnetic and electrical properties of Fe-based soft magnetic composites

LI Fa-chang1, FENG Xiao-peng2, LI Yi1, LIU Xue-quan1, LI Jin-pu1, LI Nan1

(1. China Iron & Steel Research Institute Group, Beijing 100081, China;2. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Fe-based soft magnetic composites (SMC) were fabricated using the phosphating atomized iron powders pressed at 800 MPa and then heat-treated in the atmosphere of H2, N2and air, respectively. The effects of heat treatment atmosphere, temperature and time on the magnetic and electrical properties of the composites were studied. The results show that the iron powders surface is covered by the iron phosphate coating uniformly during the process of phosphating. High magnetic permeability and low magnetic loss are obtained after the heat treatment at the atmosphere of air. Moreover, the sample treated in air at 500℃ for 30min exhibits an excellent comprehensive performance, with the maximum magnetic permeability of 350, and the minimum magnetic loss of 145 W/kg when the frequency is 1 kHz and the saturation flux density is 1T. However, increasing time or temperature of the heat treatment, there is no obvious increases of the magnetic permeability, but electrical resistivity decreases sharply, which results in magnetic loss increasing and magnetic properties worsening.

Fe-based soft magnetic composites; heat treatment process; soft magnetic properties

TF123；TM271

A

1673-0224(2015)2-319-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2013AA031102)

2013-12-16；

2014-06-13

柳學(xué)全，教授級高工，博士。電話：010-62182924；E-mail: xqnliu@sina.com