非晶/納米晶磁粉芯的熱壓制備工藝探究

胡 超，李維火，潘友亮

(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合后壓制而成的一種軟磁性材料，具有良好的軟磁特性及頻率特性，用于制作電感元件和變壓器等異形件。傳統(tǒng)的磁粉芯根據(jù)其組成和性能可分為純鐵粉芯、坡莫合金粉芯和鐵硅鋁磁粉芯。隨著非晶態(tài)合金材料的發(fā)現(xiàn)與不斷發(fā)展及納米技術(shù)、機械合金化等技術(shù)的成熟，非晶、納米晶磁粉芯作為一種新型磁粉芯，受到了國內(nèi)外學(xué)者和行業(yè)人士的青睞。其中，由非晶/納米晶軟磁性材料制成的磁粉芯，因其優(yōu)異的電磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度和高電阻率等性能，成為人們目前研究的熱點，且已投入生產(chǎn)和應(yīng)用[1]。另外，亦有人將不合格(表面光滑度、厚度或破損等)的非晶帶材粉碎成磁粉作為制備非晶/納米晶磁粉芯的原料。非晶/納米晶磁粉芯的性能除了與粉末材料本身的磁性能、形貌及粒度分布等有關(guān)外，還與其成型及熱處理工藝密切相關(guān)[2]。通常，它是通過使用粘接劑在冷壓或溫壓工藝條件下壓制成型，然而，冷壓或溫壓成型的成型壓力較大，并且使用粘接劑不僅會降低磁粉芯的密度，還會加快磁粉芯在使用過程中因發(fā)熱導(dǎo)致其老化及性能下降[3]。為此，筆者通過Geeble-3500熱模擬試驗機，在不使用粘接劑的條件下，采用直接熱壓成型的工藝方法，探索合理的熱壓工藝參數(shù)，獲得性能較好的非晶/納米晶磁粉芯樣品。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

采用由滁州全椒君鴻軟磁材料有限公司提供的由單輥旋淬法(淬速為40 m/s)制備的鐵基非晶薄帶(帶寬20～30 mm，厚度20～40μm)，成分為Fe-Si-B-Cu-Nb合金。

1.2 實驗方法

薄帶在真空碳管爐中脆化(573 K，1 h等溫退火)后，采用機械球磨法制備出非晶粉末，并采用氣流破碎法對粉末形貌進(jìn)行修正，篩分后按不同配比度配比出不同的粉末樣品。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的云母(粒度≤2.1μm)作為絕緣劑，并加入酒精混合均勻。

在熱壓溫度為773 K、熱壓壓力為180 MPa和熱壓時間為1 h的工藝條件下，使用美國DSI的Gleeble-3500熱模擬機、采用等溫退火處理方法熱壓制備磁粉芯樣品。利用德國Bruker D8Advance型X射線衍射儀(XRD)、德國耐馳DSC204型差示掃描量熱儀(DSC)、美國Lake shore Model 74035型振動樣品磁強記(VSM)對所制備粉體的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行測試，并通過阿基米德法測量其密度。

制備的粉末樣品按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比分別記為：

I號 80%(75～180 μm)+20%( 75μm)；II號60%(75～96μm)+40%( 75μm)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 磁粉芯的微觀結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性

圖1為非晶粉末樣品I和II在熱壓溫度為773 K、熱壓壓力為180 MPa和熱壓時間為1 h的工藝條件下壓制而成的磁粉芯樣品的X射線衍射譜。由圖1可知，在2θ=40°～50°之間出現(xiàn)了非晶漫散射峰和較明顯的晶化衍射峰交疊的峰，呈現(xiàn)明顯的Fe非晶與α-Fe(Si)納米晶混合的衍射特征。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，該峰為α-Fe(Si)(110)面的特征衍射峰，并且隨著粉末尺寸減小，α-Fe(Si)的(110)衍射峰的半峰寬增大，衍射峰強度降低。

利用Scherrer公式[5-6]D=0.9λ/βcosθ進(jìn)行Gauss和Cauchy 2種擬合，計算得磁粉芯樣品平均晶粒尺寸在10～20 nm之間，說明在773 K等溫退火條件下進(jìn)行熱壓實驗，能在非晶基體上析出單一的bcc結(jié)構(gòu)的α-Fe(Si)固溶體，形成納米微晶鑲嵌在非晶體的非晶/納米晶雙相結(jié)構(gòu)，這與文獻(xiàn)[7-9]對Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3非晶合金的最佳微晶化溫度為823 K左右的結(jié)果一致。

磁粉芯樣品I和II的DSC曲線如圖2。從圖2可以看出明顯的非晶放熱峰存在，說明磁粉芯樣品存在非晶結(jié)構(gòu)，與圖1的XRD譜呈現(xiàn)的結(jié)果相一致；二者初始晶化溫度差別不大，但是II號樣品的晶化溫度Tx比I號樣品的低，TxII=790 K，TxI=792 K。這可能是由于I號樣品粒度較粗，II號樣品粒度較細(xì)，破碎過程中，細(xì)粉畸變能大，存儲的能量高，表面能也高，在加熱過程中更容易從亞穩(wěn)態(tài)的非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖1 磁粉芯樣品I和II的XRD譜Fig.1 XRDspectrumofmagneticpowdercores smaplesIandII

圖2 磁粉芯樣品I和II的DSC曲線Fig.2 DSCtrancesformagneticpowder smaplesIandcIoIre

非晶合金的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg到晶化溫度Tx之間為非晶合金的過冷液相區(qū)。在過冷液相區(qū)非晶有超塑性，易壓制成型，且可以在非晶體中獲得非晶/納米晶雙相結(jié)構(gòu)，所以選擇實驗溫度為773 K。

2.2 熱壓壓力、時間對非晶/納米晶磁粉芯密度的影響

一般，磁粉芯的磁導(dǎo)率與材料成分和添加劑含量等有密切關(guān)系，然而對于相同成分和粒度等條件的磁粉芯樣品，磁粉芯的密度越高，材料的磁導(dǎo)率越大[10]。選取粉末粒度較細(xì)的II號磁粉樣品進(jìn)行熱壓實驗，并在熱壓溫度773 K，保溫1 h不變的條件下實驗研究熱壓壓力對磁粉芯密度的影響，以及在熱壓溫度773 K，熱壓壓力180 MPa不變的條件下實驗研究熱壓時間對磁粉芯密度的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，熱壓溫度、時間不變，磁粉芯的密度隨著熱壓壓力的升高而增大，但增大到一定數(shù)值后，增大的幅度越來越小。其原因是熱壓過程中升高壓力可以增加粒子接觸面上的壓應(yīng)力，當(dāng)粉體承受的壓應(yīng)力超過屈服切應(yīng)力越大時發(fā)生塑性流動越容易，便于得到更致密的塊體，但當(dāng)粉體承受的有效壓應(yīng)力不再超過其臨界切應(yīng)力，這時以大量原子團滑移而產(chǎn)生塑性形變的機制將不再起主要作用，致密化過程主要依靠單個原子或空穴的擴散蠕變來完成，因此整個粉末體的致密化速率緩慢下來，最后趨近于一最大終端密度值[11]。當(dāng)熱壓壓力為180 MPa時，磁粉芯實際密度為6.81 g/cm3。

從圖3還可看出，熱壓壓力、溫度不變，磁粉芯的密度隨著熱壓時間的延長而增大，這是由于熱壓時間的增加可延長致密化過程，有利于得到更致密的塊體。當(dāng)熱壓時間達(dá)到30 min時，磁粉芯實際密度為6.65 g/cm3。

綜上所述，隨著熱壓時間、壓力的增加，磁粉芯的密度隨之提高。當(dāng)設(shè)定熱壓時間為1 h，熱壓壓力為180 MPa時進(jìn)行熱壓實驗可以得到密度較大的磁粉芯樣品，密度約為6.81 g/cm3，更接近于Fe-Si-B-Cu-Nb非晶帶材的密度值7.18 g/cm3。

圖3 熱壓壓力、時間與磁粉芯密度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between density of themagnetic powder core and hot pressure or pressing time

圖4 2種配比度樣品I，II制得的磁粉芯的M-H磁滯回Fig.4 Hysteresis loopM-Hof three kinds of magnetic powder core samples I，I

2.3 熱壓工藝與傳統(tǒng)工藝制備的非晶/納米晶磁粉芯的性能比較

采用振動樣品磁強計(VSM)測量2種不同粒度配比(I，II)非晶粉末樣品熱壓后制得的磁粉芯的磁滯回線，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以讀出飽和磁感應(yīng)強度M和矯頑力H等宏觀磁性能數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)冷壓或溫壓制備的磁粉芯磁性能進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 不同配比度制備的磁粉芯樣品I，II的磁性能Tab.1 Magnetic performance of different proportion of core samples I，II

表1中III是傳統(tǒng)通過冷壓或溫壓得到的Fe基非晶/納米晶磁粉芯的磁性能，飽和磁感應(yīng)強度約在1.25 T，而矯頑力約在2 A/m[12]。由表1可知，制備的Fe基非晶/納米晶磁粉芯的飽和磁感應(yīng)強度比傳統(tǒng)的高，約1.34 T；矯頑力與傳統(tǒng)相差不大，約2 A/m，具有較好的軟磁性能。這是由于飽和磁感應(yīng)強度是非結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，主要由材料的成分及磁粉芯密度等因素決定[13]，而矯頑力與合金微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

3 結(jié) 論

1)Fe基非晶粉末在180 MPa壓力下，快速升溫到723 K，再緩慢升溫到773 K，保溫1 h，最后空冷所制得的磁粉芯中生成了納米微晶鑲嵌在非晶體的非晶/納米晶雙相結(jié)構(gòu)。

2)隨著熱壓壓力、時間的增加，磁粉芯的密度均得以提高。在熱壓壓力為180 MPa，熱壓溫度為723 K，熱壓時間為1 h時，磁粉芯的密度約為6.81 g/cm3，接近Fe-Si-B-Cu-Nb非晶帶材的密度值。

3)與傳統(tǒng)通過冷壓或溫壓制備的磁粉芯相比，制備的非晶/納米晶磁粉芯具有較高的飽和磁感強度，約為1.34 T，和較低的矯頑力，約2 A/m。

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