水霧化制備FeSiCr軟磁粉末磁性能研究

孟令兵，于海琛?，呂世雅，江忠民，麻洪秋，關立東

1)安泰（霸州）特種粉業(yè)有限公司，霸州 065701

2)河北省特種粉體霧化技術(shù)創(chuàng)新中心，霸州 065701

一體成型電感（molding choke，MC）具有良好的磁屏蔽性，體積小、貼片式封裝，適用于高密度表面貼裝[1-3]。一體成型電感的發(fā)展歸功于電腦主板和電源技術(shù)的進步，能夠在大電流的條件下長期穩(wěn)定地為CPU供電，并起到濾波作用。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，一體成型電感的應用逐漸滲透到電子、電器各個領域，如智能手機、5G終端、新能源電動汽車、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等[4-6]。隨著器件的高頻化、大功率和小型化，未來一體成型電感元件的制造對粉末的要求是高磁導率、高飽和、高頻低損耗等。高磁導率和高飽和是為了適應未來電子器件小型化，高頻低損耗是為了適應電路芯片工作頻率的提升，提高電路轉(zhuǎn)化效率。隨著5G和新能源汽車的快速發(fā)展，高性能一體成型電感市場必然迅猛發(fā)展。

FeSiCr合金作為一體成型電感的主要用粉，其中Si元素的添加可提高材料的電阻率，使其適用于更高的頻率[7]，而Cr元素可增加電感的環(huán)境可靠性，提升其防銹能力，器件不用噴涂處理，更符合RoHS要求[8]。與羰基鐵粉相比，F(xiàn)eSiCr合金的磁導率更高，耐腐蝕性能更好。高性能的FeNi合金多依賴于高壓高溫處理，不適于模壓一體成型電感。與FeNi合金相比，F(xiàn)eSiCr合金制造工藝簡單，具有良好的塑性，其磁導率和直流疊加性能與FeNi合金相當。盡管FeSiCr合金在損耗方面比FeNi產(chǎn)品高一些，但其在成本上有更大的優(yōu)勢[9-11]。目前一體成型電感用FeSiCr合金粉末多為水霧化工藝生產(chǎn)[12-14]，本文針對5G通訊及新能源汽車領域?qū)σ惑w成型電感高磁導率、高飽和的需求，研究分析了不同粒度對FeSiCr軟磁合金粉末電感磁性能的影響，為產(chǎn)品應用提供實驗性指導。

1 實驗材料及方法

選擇工業(yè)純鐵（純度＞99.9%），工業(yè)硅（純度＞99.5%）和金屬鉻（純度＞99.0%）作為原材料，采用水霧化工藝制備FeSiCr軟磁合金粉末，粉末成分（質(zhì)量比）為Fe89.5Si5Cr5.5。首先將原料按設定配方配比好，然后將金屬原料加入中頻感應爐，加熱到1650～1680 ℃使金屬熔化，將鋼液倒入漏包中，鋼液經(jīng)過漏包底部的漏眼流下，采用高壓水打擊鋼液，使鋼液變成彌散細小的液滴，并迅速冷卻凝固，得到FeSiCr合金粉末。霧化介質(zhì)為水，霧化壓力100～120 MPa，粉末經(jīng)過脫水、干燥、篩分、合批制成所需樣品。圖1為FeSiCr軟磁合金粉末的工藝流程。

圖1 FeSiCr軟磁合金粉末制備工藝流程Fig.1 Flow chart of the preparation for the FeSiCr soft magnetic alloy powders

將篩分合批后的成品粉與質(zhì)量分數(shù)3%的樹脂濕混，放入干燥箱在65 ℃烘干1 h，再混入質(zhì)量分數(shù)0.3%的硬脂酸鋅，在600 MPa壓力下壓制成外徑14 mm、內(nèi)徑8 mm的磁環(huán)，繞線后采用電感電容電阻電橋分析儀（inductance capacitance resistance，LCR，TH2829&TH1778）測試電感，利用功率信號分析（MATS-2010SA）測試不同條件下產(chǎn)品的損耗。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM，JSM-6380LV）對不同粒度產(chǎn)品的形貌進行觀察，使用X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD,D8 Discover）對不同粒徑粉末的物相進行分析，利用磁強振動計（vibrating sample magnetometer，VSM,Lake Shore 8600）對不同粒度產(chǎn)品的飽和磁感應強度和矯頑力進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末顆粒特性研究

圖2為不同粒度FeSiCr粉末的形貌。由圖可知，粉末整體呈不規(guī)則形狀，有不規(guī)則的異形，也有不規(guī)整的橢球形。粉末粒度越小，顆粒形貌類球形的程度越高，這是因為粉末在冷卻過程中的球化時間與粒徑成正比。粉末粒度越小，顆粒球化所需的時間越短，同時顆粒冷卻所需時間也會縮短。對于大顆粒，因為顆粒冷卻時間和球化時間均較長，高速粉末由于顆粒間的碰撞和高壓水的強沖擊而形成不規(guī)則的異形顆粒。

圖2 FeSiCr不同粒度粉末形貌：（a）D50=5 μm；（b）D50=12 μmFig.2 Morphologies of the FeSiCr alloy powders with different particle size: (a)D50=5 μm;(b) D50=12 μm

圖3為不同粒徑FeSiCr磁粉的X射線衍射圖。由圖可知，不同粒徑的FeSiCr磁粉在特定衍射角下主要表現(xiàn)出相似的α-Fe（Si，Cr）相及部分Fe3Si相，未發(fā)現(xiàn)其他雜相，證明顆粒內(nèi)部的相結(jié)構(gòu)基本相似。

圖3 不同粒徑FeSiCr合金磁粉X射線衍射圖Fig.3 XRD patterns of the FeSiCr alloy powders with different particle size

圖4為不同粒徑FeSiCr合金磁粉的磁滯回線及矯頑力。從圖中可以看出，當粒徑（D50）從5 μm增加到35 μm時，磁粉的飽和磁化強度無明顯變化，但顆粒內(nèi)部的矯頑力存在一些差異。隨著粒徑增大，顆粒內(nèi)部的矯頑力呈現(xiàn)增加的趨勢，分析認為顆粒越大，冷卻過程中釋放出的熱量越多，多余的熱量會使顆粒內(nèi)部的晶粒長大。在晶體材料中，材料的矯頑力與晶粒尺寸成正相關，由于多余的熱量較少，所以帶來的晶粒長大和矯頑力都不會太大。

圖4 不同粒徑FeSiCr合金磁粉的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loop of the FeSiCr alloy powders with different particle size

2.2 粉末粒度對FeSiCr合金磁性能的影響

（1）粒度對磁導率的影響

磁導率是反應材料磁化能力強弱的物理量，磁化過程實質(zhì)是材料內(nèi)部原子磁矩取向的過程。FeSiCr磁粉心在磁化過程中存在磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移，對于同種材料而言，單位體積內(nèi)磁性物質(zhì)的含量直接決定了磁導率的高低，因此可以通過粒度分布來實現(xiàn)軟磁材料磁導率的優(yōu)化。磁導率與粒度的關系在過去幾十年內(nèi)已被廣泛研究[15-16]，在軟磁材料中，大顆粒對磁導率起主要貢獻，小顆粒可以填充顆粒間的氣隙，提高單位體積內(nèi)磁性物質(zhì)的含量，另外，細粉的存在可以提高粉心的高頻特性，降低損耗。在Johnson[17]模型中充分考慮了鐵磁性顆粒被非磁性物質(zhì)所包覆，得出了粉心磁導率與磁粉粒度的關系，如式（1）所示。

式中：μe是顆粒的有效磁導率（無量綱），μi是顆粒的本征磁導率，D是顆粒直徑，δ是與氣隙有關的有效厚度。

圖5是不同粒徑FeSiCr磁粉制成粉心圓環(huán)的有效磁導率隨頻率變化的曲線，以及FeSiCr磁粉粒度對磁導率和振實密度影響的曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著測試頻率的增加，磁導率幾乎保持穩(wěn)定，下降幅度不超過5%，頻率的提升會影響交流磁滯回線，使損耗增大，降低磁導率。但因為間隙和細粉的存在，使材料更容易達到恒導狀態(tài)[18?19]。此外，通過局部放大圖可以發(fā)現(xiàn)隨著磁粉粒度的增加，磁粉的振實密度和粉心的磁導率也隨之增加。因為顆粒越小其比表面積越大，在振實或壓實的過程中會引入更多的氣隙。磁粉在壓制過程中顆粒間會發(fā)生相對滑移、變形等來填充顆粒間的空隙，使體積減小達到緊密堆積，更小的顆粒會帶來更多的氣隙分布，減少單位體積內(nèi)鐵磁性物質(zhì)的占比，因此磁導率會隨著粉末粒度增大而提高。

圖5 FeSiCr磁導率隨頻率及粒度變化曲線Fig.5 Magnetic permeability of the FeSiCr alloy powders with the frequency and particle size

（2）粒度對直流偏置能力的影響直流偏置能力（direct current bias，DC bias）通常是用來衡量粉心在交流和直流應用電路中抗磁導率衰減的參數(shù)。在交流電路中外加恒定的直流源，其磁導率的變化主要是由直流磁場對疇壁的作用引起的。起初疇壁被各向異性場、位錯、氣隙等釘扎，隨著直流場的增加，會減除部分疇壁的釘扎作用，致使疇壁位移，使磁導率微弱增加，這是圖6中部分曲線在20 Oe磁場強度處磁導率增加的原因。當直流磁場增大到一定值時，會形成不可逆的疇壁位移，磁導率達到最大值，進一步增大偏置場，疇壁消失，疇壁位移對磁導率的貢獻逐漸降低，此時磁導率也會隨之降低。這是隨著直流磁場增加，磁粉心直流偏置能力逐漸減低的原因。

圖6 FeSiCr磁粉心直流偏置能力隨直流磁場和粒度變化的曲線Fig.6 DC bias properties in the core of the FeSiCr alloy powders with magnetic field and particle size

此外在局部放大圖中可以看出，隨著磁粉粒度的增大，粉心的直流偏置能力下降明顯。粒度越細，成型后引入的氣隙越多，反之，隨著粉末粒度的增加，材料內(nèi)部的氣隙會下降，而氣隙的存在可以很好的阻礙材料的磁化和飽和，使鐵磁體達到飽和變得更困難。但隨著粒度增大，氣隙減少，鐵磁體的抗飽和能力下降，因此隨著FeSiCr磁粉粒度的增加，直流偏置能力呈降低趨勢。

（3）粒度對損耗的影響

大多數(shù)情況下，損耗是一個更為重要的應用參數(shù)，因為其直接關系到能源的損失和能量的消耗，越低的損耗意味著越環(huán)保。粉心材料在應用時會隨著應用頻率沿磁滯回線反復磁化，在磁化過程中，會有部分能量轉(zhuǎn)化為不可逆的熱量散失掉，這部分損耗統(tǒng)稱為磁滯損耗，其主要與材料成型過程產(chǎn)生的內(nèi)應力及材料內(nèi)部的矯頑力等因素有關。其次，在交流磁場中，被磁化的磁體會感生出渦流，渦流在磁體顆粒內(nèi)部和橫截面中流動，最終產(chǎn)生渦流損耗以熱量的形式散掉，這部分損耗主要取決于樣品的大小、形狀和電阻率等因素。此外，磁化過程中疇壁的移動會在其周圍感生出渦流，同時疇壁的一些其它馳豫過程也會引起損耗，通常稱之為剩余損耗，這部分對于磁性材料的依賴都不是線性的[16]。因此，通常用總損耗（Wt）減去磁滯損耗（Wh）和渦流損耗（Wc），剩下的則是剩余損耗（We）。據(jù)此，總損耗可表示為如式（2）所示。

如圖7所示，隨著外加應用場頻率的提高，損耗呈急劇增加的趨勢，而隨著FeSiCr磁粉粒度的增加，損耗增加也較為明顯。粉心的渦流損耗和磁滯損耗均與頻率正相關，因此，隨著頻率的升高，損耗會急劇增加。而隨著粉末粒度增加而增加的這部分損耗主要來源于渦流損耗。粉心內(nèi)的渦流主要由兩部分組成[17]，一部分來自顆粒內(nèi)部渦流損耗，另一部分來自顆粒之間的渦流損耗。其中顆粒間的損耗可由式（3）得出。

圖7 FeSiCr粉心損耗隨頻率和粒度變化曲線Fig.7 Core losses of the FeSiCr alloy powders with frequency and particle size

式中：de是渦流流過的有效尺寸；B為材料的飽和磁化強度；β為幾何系數(shù)，與垂直于磁通方向的橫截面有關；f為交流場的頻率；ρinter為粉心顆粒間材料的電阻率。這部分渦流損耗更大程度決定于顆粒間的電阻率，對于本實驗，這部分差異可以忽略，認為顆粒間的電阻率相同或相近，因此不是造成隨著粒度增大而損耗增加的主要原因。另一部分顆粒內(nèi)的渦流損耗可表示為如式（4）所示。

式中：D為顆粒直徑，B為材料的飽和磁化強度，ρintra為顆粒本身的電阻率。對于成分相同的FeSiCr粉材可認為B和ρintra均是相近或相等的。通過式 （4）可得出，顆粒內(nèi)部的渦流損耗與粒徑的直徑平方成正比，因此可以解釋本實驗中損耗隨著FeSiCr磁粉粒徑D50增大而明顯增加。

3 結(jié)論

（1）隨著FeSiCr磁粉粒徑（D50）從5 μm增加到40 μm，其振實密度和磁導率也逐漸增大，因為粉末間引入的氣隙，導致FeSiCr粉心具有優(yōu)異的頻率特性，在1000 kHz以下可以保持恒導狀態(tài)。

（2）FeSiCr粉心隨著外加直流偏置磁場的增大，磁導率呈衰減趨勢，且磁粉粒度越粗，其對應的粉心衰減幅度越大。在100 Oe磁場條件下，粉末粒徑從5 μm增加到40 μm，粉心的抗直流偏置能力從77.48%降至64.25%。

（3）FeSiCr粉心的損耗隨著交流磁場頻率的增加急劇增加，而隨著磁粉粒度的增加，粉心的損耗也明顯表現(xiàn)出增加的趨勢，在100 kHz，50 mT條件下，損耗從10 μm的1483 mW·cm?3增加到40 μm的2354 mW·cm?3，這部分增加的損耗主要來源于顆粒內(nèi)部的渦流損耗。