粉末粒度對(duì)FeNi50 磁粉芯性能的影響研究

張 軍，呂世雅，麻洪秋，孟令兵，江忠民

（安泰（霸州）特種粉業(yè)有限公司，北京 100081）

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，磁性材料在電子信息產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，已經(jīng)成為僅次于半導(dǎo)體的重要基礎(chǔ)材料，是現(xiàn)代化科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可缺少的重要因素。金屬磁粉芯作為磁性材料家族中的重要成員，由于其具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，優(yōu)異的頻率特性等特點(diǎn)，能夠更加滿(mǎn)足于電力電子器件向小型化，集成化的發(fā)展。金屬磁粉芯是以金屬或合金粉末為原料，通過(guò)粉末冶金工藝加工出來(lái)的一種金屬軟磁材料，主要用于生產(chǎn)各類(lèi)電感器，濾波器和變壓器等電子元器件，目前已廣泛應(yīng)用于風(fēng)能和太陽(yáng)能逆變器，不間斷電源等領(lǐng)域[1-5]。本文主要研究了粉末粒度對(duì)金屬磁粉芯的損耗，磁導(dǎo)率和直流偏置DC-Bias 特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

采用安泰科技生產(chǎn)的氣霧化FeNi50 粉末為原料，在同批次原粉中分別篩取120 目，200 目，300 目和400 目4 個(gè)樣品，然后通過(guò)粉末冶金工藝，制備出內(nèi)外徑為8 mm×14 mm 的環(huán)形磁粉芯，然后測(cè)試其磁性能。實(shí)驗(yàn)中采用同一爐次粉末原料，這樣能夠保證化學(xué)成分相同，在制程中采用相同的成形壓力，相同的粘結(jié)劑配比及含量，相同的熱處理工藝，只是對(duì)粉末粒度作為單一變量進(jìn)行研究。

本實(shí)驗(yàn)金屬磁粉芯初級(jí)線(xiàn)圈N1 為14 匝，次級(jí)線(xiàn)圈N2 為5匝，粉末形貌采用日本電子JSM-IT200 儀器分析，磁粉芯損耗用聯(lián)眾科技MATS-2010SA 儀器測(cè)量，磁粉芯磁導(dǎo)率用同惠電子TH2829C 自動(dòng)元件分析儀器測(cè)量，用馬爾文Mastersizer 2000 儀器測(cè)量粉末激光粒度，用鋼研納克O-3000 儀器測(cè)量粉末氧含量。用美國(guó)Lakeshore8600 型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)不同粒徑粉末的矯頑力Hc 和Ms。

表1 為不同粒度的FeNi50 粉末激光粒度D50 和氧含量指標(biāo)，數(shù)據(jù)顯示粉末篩分目數(shù)越細(xì)，D50 數(shù)值越小。粉末粒度尺寸越細(xì)小，單位重量的粉末比表面積就越大，霧化過(guò)程中與氣體接觸面越多，所以粉末氧含量也越高。

表1 不同粒度FeNi50 粉末的D50 和氧含量對(duì)比

圖1 為FeNi50 原料粉末的顯微照片?？梢钥闯鰵忪F化粉末表面光滑，無(wú)衛(wèi)星顆粒，球形度較好，不同粒度分布的顆粒尺寸大小明顯不同。

圖1 不同粒度FeNi50 粉末的SEM 形貌對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 FeNi50 原料粉末粒度分布對(duì)金屬磁粉芯損耗的影響

圖2 為不同粒度的FeNi50 粉末原料制成的磁粉芯在50KHz，100mT 和100KHz，100mT 條件下測(cè)的損耗。從結(jié)果可以看出，在相同的測(cè)試條件下，頻率越高，磁粉芯的損耗越高；粉末粒度越細(xì)，磁粉芯損耗越低。

圖2 不同粒度磁粉芯在50KHz，100mT 和100KHz，100mT 條件下的損耗

金屬磁粉芯的損耗Pc由三部分構(gòu)成：磁滯損耗Ph，渦流損耗Pe和剩余損耗Pr，如公式1 所示。

剩余損耗Pr 是指總的磁損耗減去磁滯損耗和渦流損耗后所剩余的部分。通常情況下，Pr剩余損耗只有在非常低的磁感應(yīng)強(qiáng)度和較高的頻率下才有意義，因此一般情況下公式（1）可簡(jiǎn)化成如下形式[6]。

上式中f 為工作頻率；H 為外加磁場(chǎng)；B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度；KH 和KE 為比例常數(shù)；ρ 為電阻率；d 為有效尺度，對(duì)于磁粉芯而言，d 指的是絕緣粉末顆粒的直徑。

因?yàn)榻饘佘洿挪牧系拇艤鼐€(xiàn)面積比較小，所以在交流高頻條件下的損耗主要是渦流損耗，表2 列出了不同粒度磁粉芯所測(cè)的電阻值，可以看出隨著粉末粒度的變細(xì)，磁粉芯的電阻值增加。這是因?yàn)榉勰┝６燃?xì)化后，單位質(zhì)量的粉末顆粒數(shù)量增多，比表面積增大，絕緣包覆層增加，由公式（2）可以得出，電阻率越高損耗越小，因此樣品中-400 目的粉末磁粉芯損耗最低，這與實(shí)際測(cè)的損耗值規(guī)律相同。根據(jù)公式（2）還可以得出，粉末粒度細(xì)化后，有效顆粒尺寸d 降低，因此總的損耗降低，同樣驗(yàn)證了我們實(shí)測(cè)的損耗數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

表2 各粒度磁粉芯電阻

2.2 FeNi50 原料粉末粒度分布對(duì)磁粉芯磁導(dǎo)率的影響

首先根據(jù)自動(dòng)元件分析儀器測(cè)量出磁粉芯的電感值，然后利用公式（3）計(jì)算出磁粉芯的磁導(dǎo)率。

（3）式中L 表示為電感；μ 為相對(duì)磁導(dǎo)率；N 為磁粉芯繞線(xiàn)匝數(shù)；A 為磁粉芯的有效截面積；l 為有效磁路長(zhǎng)度。

圖3 為各粒度的磁粉芯在不同頻率下所得到的對(duì)應(yīng)磁導(dǎo)率。可以看出當(dāng)頻率較低時(shí)，粗顆粒粉末對(duì)應(yīng)磁粉芯的磁導(dǎo)率較高，細(xì)顆粒粉末對(duì)應(yīng)磁粉芯的磁導(dǎo)率較低，當(dāng)頻率在500KHz 時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著頻率的繼續(xù)增加，細(xì)顆粒粉末的磁導(dǎo)率大于粗顆粒粉末磁粉芯的磁導(dǎo)率。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果我們可以看出，粉末粒徑越細(xì)小，磁粉芯的磁導(dǎo)率隨頻率增加下降速度越慢，最終磁導(dǎo)率會(huì)高于粗粉，曲線(xiàn)更加平緩。

圖3 各粒度磁粉芯在不同頻率下的磁導(dǎo)率

表3 列出了各粒度磁粉芯的飽和磁化強(qiáng)度Ms 和矯頑力Hc，可以看出，Ms 參數(shù)作為材料的內(nèi)稟屬性，主要與材料成份本身有關(guān)，對(duì)于FeNi50 粉末來(lái)說(shuō)，粒度變化對(duì)Ms 基本沒(méi)有影響，而矯頑力受顆粒尺寸的影響比較大，可以看出隨著粉末粒度的細(xì)化，磁粉芯的矯頑力逐漸增加。由圖1 可以看出，粉末呈現(xiàn)近球形，對(duì)于大致球形的晶粒，矯頑力會(huì)隨著晶粒尺寸的增大而減小，成反比關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，晶粒尺寸越大，磁疇越大，每個(gè)磁疇內(nèi)的原子磁矩增多，材料磁導(dǎo)率越大，同時(shí)磁疇壁減少，磁疇壁越易移動(dòng)，矯頑力越低。

表3 各粒度磁粉芯飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力

2.3 FeNi50 原料粉末粒度分布對(duì)磁粉芯直流偏置特性DCbias 的影響

通過(guò)測(cè)量磁粉芯在不同疊加直流磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率變化，對(duì)磁粉芯的直流偏置特性DC-bias 進(jìn)行評(píng)價(jià)。表4 顯示為不同粒度磁粉芯的直流疊加特性，從數(shù)據(jù)可以看出，-120 目對(duì)應(yīng)磁粉芯在外加50 Oe 磁場(chǎng)下的磁導(dǎo)率是未加磁場(chǎng)時(shí)的94.8%，在外加100 Oe 磁場(chǎng)下磁導(dǎo)率為未加磁場(chǎng)時(shí)的79.2%，而-400 目磁粉芯在外加50 Oe 磁場(chǎng)下磁導(dǎo)率能夠保持在未加磁場(chǎng)時(shí)的97.1%，在外加100 Oe 磁場(chǎng)下磁導(dǎo)率能夠保持在未加磁場(chǎng)時(shí)的86.2%，因此，-400 目磁粉芯直流偏置特性明顯好于-120 目磁粉芯。

表4 各粒度磁粉芯直流疊加特性

隨著粉末粒度的變細(xì)，磁粉芯單位體積氣隙數(shù)量增加，氣隙會(huì)產(chǎn)生退磁場(chǎng)，阻礙磁化過(guò)程，使磁芯難以達(dá)到飽和，減小了直流磁場(chǎng)對(duì)磁粉芯磁導(dǎo)率的影響，從而其直流疊加偏置特性更穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）在相同的測(cè)試條件下，粉末粒度越細(xì)，磁粉芯損耗越低，電阻越高。

（2）在較低頻率時(shí)，粉末粒度越粗，磁粉芯的磁導(dǎo)率會(huì)越高，矯頑力越低，頻率響應(yīng)速度越快。當(dāng)頻率達(dá)到500KHz 以上時(shí)，細(xì)粉的磁導(dǎo)率反而有優(yōu)勢(shì)。

（3）粉末粒度越細(xì)，磁粉芯單位體積氣隙數(shù)量增加，造成磁化困難，使磁芯難以達(dá)到飽和，從而磁粉芯的直流偏置DC-Bias特性更加穩(wěn)定。