層狀硅酸鎂鋁絕緣包覆劑對(duì)鐵硅磁粉心性能的影響*

李文超，劉國(guó)忠，張公平，檀 杰，申星梅，鄭翠紅

(1. 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； 2. 安徽工業(yè)大學(xué) 冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

金屬磁粉心是工業(yè)技術(shù)和日常生活中十分重要的一種軟磁材料[1]，是由包覆著的電阻率高的絕緣層磁性顆粒以及氣隙組成[2]。鐵磁性顆粒包裹的絕緣層能夠阻止在磁化過(guò)程中疇壁的位移，磁粉心很難被磁化致飽和狀態(tài)，因而提高了它的直流疊加性能，所以絕緣環(huán)節(jié)也是制備磁粉心的關(guān)鍵步驟[3-5]。絕緣包覆主要集中在有機(jī)和無(wú)機(jī)物包覆研究，對(duì)于有機(jī)包覆劑，使用最多的是硅酮樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂以及一些硅樹(shù)脂等[6-9]，但是它們耐高溫性能較差，使得磁粉心不能在高溫下進(jìn)行退火處理，因此內(nèi)應(yīng)力難以被消除惡化磁性能，另外大多數(shù)樹(shù)脂抗老化能力弱，對(duì)環(huán)境造成影響[10-11]。而無(wú)機(jī)包覆劑大多是使用磷酸鈍化的工藝應(yīng)用較為廣泛，雖然磷酸鈍化可以在磁粉顆粒表面生成一層均勻的絕緣膜，但是它的絕緣層較脆易在600 ℃時(shí)容易被破壞[12]，因而需要尋找新型無(wú)機(jī)絕緣包覆劑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁粉心性能的提升。

本實(shí)驗(yàn)選用了片層狀的硅酸鎂鋁作為包覆劑，對(duì)比傳統(tǒng)的磷酸鈍化工藝，絕緣層是由Fe和磷酸反應(yīng)生成磷酸鐵，這樣使得鐵磁性物質(zhì)減少，降低了飽和磁化強(qiáng)度從而影響了磁性能。而這種硅酸鹽作為包覆劑是一種純物理包覆，可以進(jìn)一步提高磁粉顆粒表面的電阻率。實(shí)驗(yàn)研究了不同用量的硅酸鎂鋁凝膠對(duì)鐵硅金屬軟磁粉心的有效磁導(dǎo)率、直流疊加性能(DC-bias)以及損耗的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

鐵硅合金磁粉、硅酸鎂鋁、磷酸二氫鋁、粘結(jié)劑、脫模劑。

1.2 磁粉包覆

本文以商購(gòu)氣霧化鐵硅合金粉(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(Fe：93.5%；Si：6.5%)，分別采用層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鎂鋁凝膠和磷酸二氫鋁作為包覆劑在80C下對(duì)合金磁粉進(jìn)行包覆，向包覆后的合金磁粉加入0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粘結(jié)劑以及0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))脫模劑，混合均勻，即獲得要得到的待成型合金磁粉。

1.3 磁粉心制備

合金磁粉在壓機(jī)1 980 MPa的壓力下制成外徑17.27 mm，內(nèi)徑9.65 mm，高度6.45 mm的磁環(huán)坯體，坯體于680 ℃氮?dú)鈿夥罩刑幚? h，得到172060型磁粉心

1.4 樣品表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)以及X射線衍射儀(D/Max-r)分析絕緣包覆前后的合金磁粉的形貌和相結(jié)構(gòu)；使用直流偏置LCR測(cè)試系統(tǒng)(Microtest63770測(cè)試磁環(huán)在1～1 000 kHz的電感(H)并通過(guò)計(jì)算磁環(huán)的有效磁導(dǎo)率。

(1)

其中L表示裝有磁心線圈的電感(H)，Le為有效磁路長(zhǎng)度，Ae為有效截面積(m2)，μ0為真空磁導(dǎo)率(4π×10-7H/m)。在1～1 000 kHz的品質(zhì)因數(shù)(Q)以及100 kHz、0～15 920 A/m不同直流磁化場(chǎng)下的直流疊加性能；使用損耗測(cè)試儀(SYB216B-H)測(cè)試粉心磁環(huán)在固定頻率f=50 kHz、0～0.1 T磁通密度下的損耗值。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅酸鎂鋁的凝膠化

硅酸鎂鋁理論上屬于2∶1型硅酸鹽結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示，硅酸鎂鋁的結(jié)構(gòu)中層與層之間只有分子間作用力，所以當(dāng)水分子進(jìn)入層間時(shí)，硅酸鎂鋁將快速膨脹，因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的吸水性及離子交換能力，所以片層狀結(jié)構(gòu)容易被水分開(kāi)。硅酸鎂鋁在水中分散度高，是自由水轉(zhuǎn)變?yōu)槭`的非牛頓液體類型的觸變性凝膠體，形成立體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。層狀的硅酸鎂鋁由于低價(jià)態(tài)的鋁取代高價(jià)態(tài)的硅，導(dǎo)致本身帶負(fù)電荷，綜上所述2∶1型的硅酸鎂鋁容易水化成納米級(jí)比厚度的化合物，所以可以作為磁粉的包覆層。

圖2 硅酸鎂鋁凝膠化前后的SEMFig 2 SEM before and after gelling of magnesium aluminum silicat

圖2為硅酸鎂鋁原粉和硅酸鎂鋁凝膠的SEM圖像。由圖2(a)可見(jiàn)，硅酸鎂鋁原粉呈現(xiàn)片層狀結(jié)構(gòu)聚集體，而圖2(b)硅酸鎂鋁經(jīng)水化形成凝膠后仍然保持單片層狀。所以硅酸鎂鋁凝膠作為絕緣包覆劑時(shí)，可以有效包裹在合金磁性顆粒表面。

2.2 磁粉包覆

2.2.1 硅酸鎂鋁凝膠的包覆

圖3為鐵硅合金磁粉以及包覆硅酸鎂鋁后的絕緣磁粉的XRD圖譜。它們均對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)群為Im3m(229),所以兩種粉末均是顯著體心立方結(jié)構(gòu)[13-14]。由圖3(b)可見(jiàn)，2θ在20°附近有一個(gè)較寬的衍射峰，可能是硅酸鎂鋁包覆劑結(jié)晶性不高的單片層狀結(jié)構(gòu)[15]。

圖3 硅酸鎂鋁凝膠對(duì)鐵硅合金磁粉包覆前后的XRD圖譜Fig 3 XRD map of iron silicon alloy magnetic powder and covered with magnesium silicate aluminum

采用固含量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅酸鎂鋁凝膠為包覆劑，對(duì)鐵硅合金磁粉進(jìn)行包覆，包覆劑的加入量按照硅酸鎂鋁固含量占磁粉質(zhì)量計(jì)算，分別(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.0%、1.2%、1.4%、1.6%和1.8%，其磁粉表面形貌如圖4所示。圖4(a)為未包覆鐵硅合金粉的SEM。氣霧化鐵硅合金顆粒呈球形，表面光滑且出現(xiàn)龜裂紋，這可能是由于在金屬凝固過(guò)程中發(fā)生收縮[16]。經(jīng)硅酸鎂鋁包覆后，合金磁粉表面包覆層粗糙，但均勻致密，表面明顯有硅酸鎂鋁片層狀結(jié)構(gòu)，類似于鱗片。在硅酸鎂鋁包覆量在1.0%～1.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，磁粉顆粒表面包覆層較厚，且均勻致密，因此可以起到很好的絕緣作用。硅酸鎂鋁包覆量為1.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，磁粉顆粒表面包覆劑有堆積的現(xiàn)象產(chǎn)生，如圖4(f)所示。過(guò)多的包覆劑相當(dāng)于無(wú)機(jī)填料的作用，無(wú)包覆作用，且硅酸鎂鋁凝膠粘性較大，過(guò)多的包覆劑增大包覆工藝的難度，所以控制硅酸鎂鋁包覆量不大于1.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖4 不同硅酸鎂鋁包覆量的鐵硅合金磁粉表面SEMFig 4 SEM surface ofironsiliconalloymagneticpowderwith different amounts of magnesiumaluminumsilicate coating

2.2.2 磷酸二氫鋁包覆

采用磷酸二氫鋁為包覆劑，對(duì)鐵硅合金磁粉進(jìn)行包覆，包覆劑的加入量按照磁粉質(zhì)量計(jì)算，分別為1.8%、2.0%和2.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其磁粉表面形貌如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，與硅酸鎂鋁凝膠包覆劑相比較，磷酸二氫鋁包覆磁粉表面膜層薄，且不均勻，表面有聚集的磷酸鹽存在。此外，隨著磷酸二氫鋁包覆量的增加，磁粉顆粒表面磷酸鹽物質(zhì)逐漸增多。這是由于包覆劑用量增多，有部分物質(zhì)反應(yīng)后來(lái)不及成膜，生成疏松的磷酸鹽，圖5(c)磁粉表面絮狀物質(zhì)為反應(yīng)的疏松磷酸鹽；可能還有部分磷酸二氫鋁未能參與反應(yīng)，在磁粉表面結(jié)晶。因此磷酸鹽包覆的表面包覆層均勻性較差。

圖5 磷酸二氫鋁包覆的鐵硅磁粉的SEMFig 5 SEM of Fe-Si magnetic powder coated with aluminum dihydrogen phosphate

2.3 包覆劑對(duì)磁粉心磁學(xué)性能的影響

將硅酸鎂鋁與磷酸二氫鋁分別包覆的鐵硅磁粉經(jīng)配料、成型和熱處理后，得到磁粉心成品，對(duì)其磁學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1和圖6所示。由表1可見(jiàn)，以硅酸鎂鋁凝膠為包覆劑，得到172060型號(hào)對(duì)磁導(dǎo)率的要求，包覆劑的量為1.4%～1.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))質(zhì)量計(jì)算，分別為1.8%、2.0%和2.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其磁粉表面形貌如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，與硅酸鎂鋁凝膠包覆劑相比較，磷酸二氫鋁包覆磁粉表面膜層薄，且不均勻，表面有聚集的磷酸鹽存在。此外，隨著磷酸二氫鋁包覆量的增加，磁粉顆粒表面磷酸鹽物質(zhì)逐漸增多。這是由于包覆劑用量增多，有部分物質(zhì)反應(yīng)后來(lái)不及成膜，生成疏松的磷酸鹽，圖5(c)磁粉表面絮狀物質(zhì)為反應(yīng)的疏松磷酸鹽；可能還有部分磷酸二氫鋁未能參與反應(yīng)，在磁粉表面結(jié)晶。因此磷酸鹽包覆的表面包覆層均勻性較差。而表1為磷酸二氫鋁需要約2.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))?？梢?jiàn)，與磷酸二氫鋁相比，硅酸鎂鋁在用量較少的情況下能達(dá)到明顯的降磁導(dǎo)率的效果。

表1 包覆劑種類和用量對(duì)磁粉心有效磁導(dǎo)率的影響

本文采用磷酸二氫鋁作為合金磁粉包覆劑，屬于化學(xué)包覆，硅酸鎂鋁為純物理包覆，二者對(duì)磁粉心性能有一定的差異。為了對(duì)比兩種包覆劑對(duì)磁粉心磁學(xué)性能的影響，選用磁導(dǎo)率相近的才有可比性。硅酸鎂鋁凝膠包覆劑用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.2%和1.6%，分別與磷酸二氫鋁用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.8%和2.2%時(shí)磁粉心的有效磁導(dǎo)率相近，因此選用這兩組包覆劑所制備的磁粉心，測(cè)定其在一定頻率范圍內(nèi)的有效磁導(dǎo)率、直流疊加性能、品質(zhì)因數(shù)以及磁損耗，結(jié)果如圖6～9所示。

圖6 頻率對(duì)磁粉心有效磁導(dǎo)率的影響Fig 6 Effect of frequency on effective magnetic permeability of magnetic powder core

由圖6中可知，磷酸二氫鋁和硅酸鎂鋁包覆的磁粉心在1～1 000 kHz范圍內(nèi)，其有效磁導(dǎo)率都能保持良好的穩(wěn)定性，頻率的變化對(duì)有效磁導(dǎo)率的影響小。磁粉心的頻率穩(wěn)定性與絕緣粘結(jié)劑包覆好壞有著直接的關(guān)系。

(2)

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁粉心直流疊加特性的影響Fig 7 Influence of magnetic field strengthon DC super position characteristics of magnetic powder core

圖7為磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁粉心直流疊加特性的影響。磁粉心的直流疊加特性隨著絕緣劑用量的增多而增大。這是由于包覆劑量大，有利于在磁性顆粒之間形成更多的分布式氣隙，從而提高了材料的抗飽和能力；另一方面，非磁性物質(zhì)的增加，磁粉心有效磁導(dǎo)率降低，也延緩了其磁化至飽和的趨勢(shì)，從而提高其直流疊加特性[18]。與磷酸二氫鋁包覆的磁粉心相比，其具有更加優(yōu)良的直流疊加特性。原因可能是磷酸二氫鋁屬于化學(xué)包覆，在一定程度上消耗原磁性物質(zhì)，惡化磁學(xué)性能，使得直流疊加特性較差。

圖8 頻率對(duì)品質(zhì)因數(shù)Q值的影響Fig 8 Effect of frequency on the Q value of quality factor

圖8為兩種包覆劑制得的磁粉心品質(zhì)因數(shù)Q值隨頻率的變化關(guān)系。品質(zhì)因數(shù)Q值用來(lái)表示磁粉心在交變磁場(chǎng)變化時(shí)能量的儲(chǔ)存和損耗的性能，其值越大材料的損耗越小，性能也就越好[19]。硅酸鎂鋁作為包覆劑制得的磁粉心Q值較磷酸二氫鋁的高，綜合性能較好。

在頻率f=50 kHz，磁場(chǎng)強(qiáng)度0～0.1T范圍內(nèi)，磁粉心功率損耗的變化如圖9所示。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁粉心的功率損耗逐漸增大；當(dāng)包覆劑用量增加時(shí)，可以更好地隔絕粉末間的接觸，提高電阻率，使得損耗降低；在其它條件相同的情況下，硅酸鎂鋁包覆的磁粉心功率損耗低于磷酸二氫鋁包覆的磁粉心，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，兩者功率損耗差別越來(lái)越大，在f=50 kHz，Bm=0.1T時(shí)，相差約5%。這可能是硅酸鎂鋁具有較高的電阻率，且包覆較為致密，能有效減少其渦流損耗[20]。

圖9 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁粉心損耗的影響Fig 9 Effect of magnetic induction on the loss of magnetic powder core

綜上所述，硅酸鎂鋁包覆的磁粉心的綜合性能要優(yōu)于傳統(tǒng)磷酸鹽包覆。

3 結(jié) 論

(1)采用層狀硅酸鎂鋁溶于水形成的凝膠作為氣霧化鐵硅合金磁粉的包覆劑，并成功制備出性能優(yōu)異的鐵硅合金磁粉心。

(2)與常用的磷酸二氫鋁包覆劑相比，層狀硅酸鎂鋁包覆的鐵硅合金磁粉表面的包覆層更加致密且分布均勻。

(3)頻率在1～1 000 kHz范圍內(nèi)二者包覆的磁粉心有效磁導(dǎo)率都具有良好的頻率穩(wěn)定性，但硅酸鎂鋁包覆的磁粉心具有更優(yōu)異的直流疊加特性、品質(zhì)因數(shù)以及功率損耗。