铁粉芯环形磁体的制备工艺优化.docx

铁粉芯环形磁体的制备工艺优化王进 1，万 娟 1，郑志刚 1，刘仲武 1，汪民 2（1. 华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2. 广州市德珑电子器件有限公司，广东 广州 510663）摘要: 采用环氧树脂作粘结剂，高纯还原铁粉作原料制备了环形铁粉芯。研究了环氧树脂含量、成型工艺及粉末粒度分布对铁粉芯磁性能的影响。结果表明，在粒度分布为 50150 m 的铁粉中添加占其质量 2%的环氧树脂于400 mpa 下压制成型的铁粉芯拥有较好的磁性能。当外加磁场为 400 a/m 时，样品中的有效磁导率e 在测试频率范 围（30110 khz）内基本保持恒定，其值为 105 左右。选取粒度分布为 5075 m 的铁粉，采用相同工艺制得的铁 粉芯在 8 000 a/m 外加磁场下的起始磁导率i 达 83.1，最大磁导率m 达 238.1。关键词: 铁粉芯；制备工艺优化；成型压强；绝缘包覆；粒度分布；软磁性能doi: 10.14106/ki.1001-2028.2014.11.013中图分类号: tm271.2文献标识码:a文章编号:1001-2028（2014）11-0056-05preparation process optimization of iron powder ring coreswang jin1, wan juan1, zheng zhigang1, liu zhongwu1, wang min2(1. school of material science and engineering, south china university of technology, guangzhou 510640, china; 2.guangzhou deloop electronic device co., ltd, guangzhou 510663, china)abstract: iron powder ring cores were fabricated from high purity reduced iron powders using epoxy resin as a binder.effects of epoxy resin content, molding process and iron particle size distribution on the magnetic performance of the cores were investigated. the results show that iron powder core fabricated with the iron particle size of 50150 m and epoxy resin content accounted for 2% by mass of iron powders, pressed under a pressure of 400 mpa has good magnetic properties, whose e (effective permeability) basically remaines stable at around 105 under an applied magnetic field of 400 a/m and an alternating current frequency of 30110 khz. while using the same process, with the iron particle size of 5075 m, the i (initial permeability) and m (maximum permeability) of the prepared iron powder core are 83.1 and 238.1 under an applied magnetic field of 8 000 a/m, respectively.key words: iron powder core; preparation process optimization; molding pressure; insulation coating; particle sizedistribution; soft magnetic properties磁粉芯是指将铁磁性粉末与绝缘粘结剂混合压制而成的复合软磁材料。由于铁磁性颗粒很小，又 被非磁性电绝缘物质隔开，因而磁粉芯的电阻率高， 涡流损耗较低，可在较高频率范围内应用1-3。根据 其中铁磁性粉末种类的不同，其可分为纯铁粉芯、 铁硅铝粉芯、铁镍粉芯以及一些软磁合金粉芯4。铁粉芯的最大特点是价格便宜，因此被大量用 于制作各种高频整流电路中的平滑扼流圈、电感以 及汽车发动机电喷系统的点火线圈。另外，其还具有初始磁导率随频率变化稳定性好、直流叠加特性好等特点，但是相对于铁硅铝粉芯及其他合金粉芯 而言，其高频应用下的损耗较大6-7。信息科技的不断进步与节能环保需求的提升对 铁粉芯性能提出了更高的要求5。为获得优良的偏磁 特性、高电阻率、低涡流损耗以及良好温度特性等， 除了不断采用新的材料外，铁粉芯制作工艺的优化 也是非常关键的8-9。目前，国外在低铁损、高磁通 密度铁粉芯的研究工作中取得了长足发展；而国内收稿日期：2014-08-23通讯作者：刘仲武基金项目：广东省教育部产学研结合资助项目（no. 2012b091000072）作者简介：刘仲武（1971），男，湖南邵阳人，教授，主要从事稀土永磁、软磁材料、磁制冷材料与技术、磁性薄膜等研究，e-mail: ；王进（1984），男，湖北荆州人，博士研究生，研究方向为软磁材料，e-mail: wolfwood_ 。-1500-1000 -500 0 500 1000 15002.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.057第 33 卷 第 11 期王进等：铁粉芯环形磁体的制备工艺优化对铁粉芯性能改进的研究还主要集中在优化制备工艺和包覆方法上10-11。以往研究中多采用蜡作为粘结 剂，但是由于蜡的熔点较低，以其作粘结剂制得的 铁粉芯应用温度偏低；随着科技的发展，近年来提 出了使用酚醛树脂或环氧树脂作为粘结剂压制铁粉 芯的新工艺。将铁粉用有机粘结剂包覆，虽然可以 降低损耗，但过量使用有机粘接剂会导致铁粉芯磁 导率过低，在小型设备应用中响应变慢、灵敏度降 低，进而导致铁粉芯的应用受限。而在添加适量绝 缘粘结剂的同时，选定合适的压制压强也能有效调 控成型铁粉芯的性能，但相关研究还比较缺乏。本 研究中，笔者采用环氧树脂为粘结剂，高纯还原铁 粉为原料制成铁粉芯，研究了环氧树脂含量、成型 压强和粉末粒度等对铁粉芯磁性能的影响，以期开 发具有较好频率稳定性和低损耗的铁粉芯。2.05 t，具有良好的软磁性能。100 m图 1 原始还原铁粉的 sem 照片fig.1 sem image of original reduced iron powders2.01.51.00.500.51.01.52.0s实验1采用 wfe99.9%的高纯还原铁粉为原料，选用环氧树脂 e-12 为绝缘粘结剂。将粒度分布为 50150 m 的铁粉倒入偶联剂质量分数为 0.5%的丙酮溶液中进 行偶联处理，并置于真空干燥箱烘干。之后取用一 定量的环氧树脂加入处理后的粉末中，并利用超声搅 拌机将粉末和环氧树脂超声搅拌均匀，再次使用真空 干燥箱烘干。将混合均匀并干燥后的粉末置于自制模 具中，分别在 200，300，400，500 及 600 mpa 下压 制成型，制备出外径 20 mm、内径 12 mm、高度 6 mm 的磁环。在磁环上采用直径为 0.5 mm 的漆包线均匀 绕初级线圈 70 匝，采用直径为 0.35 mm 的漆包线均 匀绕次级线圈 10 匝，然后对铁粉芯的磁性能进行测 试，并通过测试所得结果来对工艺进行优化。采用美国 quantum design 公司设计制造的综合 物性测量系统(ppms)中的振动样品磁强计（vsm） 模块测量原始粉末的磁性能，采用荷兰 fei 公司生 产的 quanta200 扫描电子显微镜(sem)观察原始粉末 的形貌特征，利用湖南联众科技有限公司生产的 mats-2010sd 软磁直流测量装置和 mats-2010sa 软磁交流测量装置分别对铁粉芯的静态磁性能和动 态磁性能进行测定表征。1 500 1 000 500 0500 1 000 1 500h / (kam1)图 2 原始还原铁粉的磁滞回线fig.2 hysteresis loop of original reduced iron powders2.2 粘结剂含量与成型压强对铁粉芯静态磁性能的影响为了达到逐步优化制备工艺的目的，首先考察 了环氧树脂含量及成型压强对铁粉芯静态磁性能的 影响。实验中分别选用占铁粉质量 2%，3%和 4%的 环氧树脂（即z(树脂:铁粉)=2%，3%，4%）对粒度 分布为 50150 m 铁粉进行绝缘包覆。图 3 所示为不同环氧树脂含量下成型压强对铁 粉芯起始磁导率的影响曲线。由图可见，随着环氧 树脂含量增加，铁粉芯的起始磁导率整体呈下降趋 势。由非磁性颗粒边界模型(nmgb)可知12：dmim =(1)effd + dmi式中：eff 为磁粉芯实测的磁导率；d 为磁粉颗粒直径；为颗粒间距；i 为磁粉颗粒的起始磁导率。 随着环氧树脂含量增加，粉末之间的包覆层越厚，导致粉末间距增大，因此铁粉芯的磁导率会随 之下降。而且环氧树脂属于非磁性组分，非磁性组 分含量增加，导致铁粉芯的密度降低，这也会造成 磁导率的降低。从图 3 可以看出，随着成型压强的增大，铁粉 芯磁导率均呈先升高后下降趋势，这可以通过铁粉2结果与讨论2.1 原始粉末形貌及性能图 1 为原始还原铁粉的 sem 照片，从图中可以 看出其原始粉末颗粒大小均匀，尺寸范围为 50150 m。通过 vsm 测试原始还原铁粉磁滞回线，结果如图 2 所示，从图中可以得到其饱和磁通密度 bs 为芯中磁导率与相关参数的关系式来进行解释：13b /t b =2.05 tvol.33 no.11nov. 201458王进等：铁粉芯环形磁体的制备工艺优化m 2由式（3）可知，随着成型压强的增大，所得铁粉芯中铁粉之间的间隙逐渐减小，铁粉的体积分数 会逐渐增大，从而导致铁粉芯的矫顽力逐渐降低（如 图 4 中z( (树脂:铁粉)=4%对应曲线所示规律）。而对于环氧树脂用量为铁粉质量的 2%和 3%时所制的铁粉芯，随着成型压强的增大，矫顽力整体 呈现增大的趋势。与图 4 中z(树脂:铁粉)=4%对应曲 线所体现出的规律不同，不能从式（3）中得到解释， 这可能是由于环氧树脂用量为铁粉质量的 2%和 3% 时，所制铁粉芯的包覆效果不如环氧树脂用量为铁 粉质量的 4%时所制铁粉芯的，在较大压力作用下绝 缘层将被破坏，引入大量应力，导致矫顽力增大（如 图 4 中z(树脂:铁粉)=2%和z(树脂:铁粉)=3%对应曲线所示），图 4 中环氧树脂用量为铁粉质量的 3%时所制铁粉芯对应曲线显示成型压强增大到 400 mpa 情 况下，其绝缘层才会遭到破坏。而环氧树脂用量为 铁粉质量的 4%时所制铁粉芯的矫顽力是随着压力的 增加而递减的，可见其绝缘层并未被破坏。同时，从图 4 中还可以得到，随着环氧树脂含 量的增加，铁粉芯的矫顽力整体呈逐渐降低趋势。 这是由于环氧树脂用量为铁粉质量的 2%和 3%时所 制铁粉芯的包覆效果不如环氧树脂用量为铁粉质量 的 4%时所制铁粉芯的，随压力增大绝缘层破坏致使 应力大量引入，导致矫顽力增大，因而出现矫顽力 随粘结剂含量升高而降低的现象。m =s(2)iak + blss式中：i 是起始磁导率；ms 是材料的饱和磁化强度；是磁粉芯的残余内应力；k 是磁各向异性常数；s是磁致伸缩系数；与是常数。706050403020200300400 500p / mpa600图 3 不同环氧树脂含量下成型压强对铁粉芯起始磁导率的影响曲线fig.3i-p curves of iron powder cores with different epoxy resin contents成型压强的提升可以提高铁粉芯的致密度，从而增加材料的饱和磁化强度，提高铁粉芯的起始磁 导率；但在成型压强加大到一定程度后的致密度对 磁导率和饱和磁化强度的提高就不再明显，而此时 铁粉芯中残余内应力的增加对铁粉芯性能的影响会 占据主导地位，从而使铁粉芯的磁导率下降。因此， 要合理选择环氧树脂含量和成型压强的大小，才能 获得磁导率相对较高的铁粉芯。另外，从图 3 中还可以看出，环氧树脂用量为 铁粉质量的 2%时，所制铁粉芯的磁导率在 400 mpa 成型压强下相对于其他两个样品出现了一个突然的 增大，达到最大值 65，分析认为这一方面是由于符 合上述关系式（2）所示的规律；而另一方面由于环 氧树脂含量少，绝缘包覆层薄，不排除其较大压力 下会破坏绝缘层，造成磁性粉末颗粒直接接触，导 致磁导率突然增大的可能。图 4 所示为不同环氧树脂含量下成型压强对铁 粉芯矫顽力的影响曲线。在铁粉芯组成一定、铁粉 被有机物完全隔离包覆的情况下，铁粉芯的矫顽力 和其中铁粉体积分数 x 的关系可以通过 neel 给出的 关系式进行近似描述14：520500480460440420400380200300 400 500p / mpa600图 4 不同环氧树脂含量下成型压强对铁粉芯矫顽力的影响曲线fig.4hc-p curves of iron powder cores with different epoxy resin contents图 5 所示是不同环氧树脂含量下成型压强对铁粉芯损耗的影响曲线。众所周知，在一定外加磁场下磁滞损耗实质上即为磁滞回线所围成的面积，矫 顽力越小，所对应的损耗越低。对比图 4 和图 5 可 以看出，矫顽力和磁滞损耗的变化规律基本一致。图 6 是 在 不同 成型压强 下 制 备的 z( 树脂 : 铁 粉)=2%的铁粉芯的金相照片。其中白色部分为铁粉， 黑色部分为环氧树脂。从图 6 中可以看出较大压力下，铁粉压制得更加密实，密度更大，这也证实了 较大压力下所制铁粉芯的软磁性能更好。h (x) = h (0)1 - x(3)cc式中：x 为铁粉芯中铁粉所占体积分数；hc(x)为铁粉体积分数为 x 时铁粉芯的矫顽力，hc(0)为铁粉的体 积分数为 0 时铁粉芯的矫顽力。当 x=1 时，hc(x)=0，式（3）是错误的，因为在实际软磁材料中，矫顽力不可能为 0。尽管如此，此式已被文献14证实，能 够很好地描述材料的特性。ihc / (am1)z(树脂:铁粉)=2%z(树脂:铁粉)=3%z(树脂:铁粉)=4%z(树脂:铁粉)=2%z(树脂:铁粉)=3%z(树脂:铁粉)=4%160014001200100080060040059第 33 卷 第 11 期王进等：铁粉芯环形磁体的制备工艺优化图 8 是不同成型压强下压制成型的z( 树脂: 铁粉)=2%的铁粉芯的损耗随频率的变化趋势图。从图8 中可以发现，无论在何种成型工艺条件下，铁粉芯 的损耗都随着测试频率的升高而上升；在 400 mpa 下，铁粉芯的损耗整体最低。磁粉芯交流应用中的 总损耗可以表示为15：1 6001 4001 2001 0008006002 21.6p = pe + ph + pc = eb f + nbf + pc(4)400200300400 500p / mpa600式中：p 为磁粉芯的总损耗；b 为磁通密度；pe、ph和 pc 分别表示涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗；e和 n 分别表示的是涡流损耗与磁滞损耗系数；f 是测 试频率。从式（4）可见在较高频率下，涡流损耗占 主导作用。涡流损耗主要包括粉末颗粒间产生感应 电流而导致的表面涡流损耗与铁粉芯粉末内部产生 的局部涡流损耗。对于传统的铁粉芯而言，在较高 频率下，其涡流很大，使总损耗达到 1 000 w/kg 以 上甚至更大，而本研究所制备的铁粉芯在粉末表面 进行了包覆处理，包覆材料环氧树脂有效阻隔了粉 末的接触，提高了电阻率，降低了涡流损耗。图 5 不同环氧树脂含量下成型压强对铁粉芯磁滞损耗的影响曲线fig.5pu-p curves of iron powder cores with different epoxy resin contents(a)(b)400 m400 m（a）200 mpa；（b）400 mpa不同成型压强下制备的铁粉芯的金相照片(z(树脂:铁粉)=2%)图 6fig.6 the metallographic photos of iron powder cores prepared under different molding pressures2.3 成型压强对铁粉芯动态磁性能的影响因为所制尺寸的铁粉芯一般应用于小型设备， 对元件的灵敏度有一定需求，这就要求磁导率相对 较高更为合适。根据环氧树脂含量对铁粉芯静态磁 性能影响所得结果及变化规律，在此选定绝缘剂环 氧树脂的用量为铁粉质量的 2%来进行成型压强对铁 粉芯动态磁性能影响的分析。有效磁导率(e)的大小及频率特性在很大程度上 决定了铁粉芯的应用范围和前景。图 7 是在不同成型压强下压制成型的z(树脂:铁粉)=2%的铁粉芯的有 效磁导率随频率的变化趋势图。从图 7 中可以发现， 制备的铁粉芯在 30110 khz 的频率范围内具有稳定 的磁导率，几乎不随频率的变化而变化，说明其频 率稳定性良好。其中，在 400 mpa 压制成型的铁粉 芯，在外加磁场为 400 a/m 时，所得有效磁导率整体 最高，并且其值稳定在 105 左右。30025020015010050020406080100120f / khz图 8 不同成型压强下制备的铁粉芯的 p-f 曲线fig.8 p-f curves of iron powder cores prepared under different molding pressures2.4 粒度分布对铁粉芯静态磁性能的影响根据前期的实验结果及规律，在环氧树脂 e-12 用量为铁粉质量的 2%和成型压强为 400 mpa 的工艺 条件下来考察粉末粒度对铁粉芯静态磁性能的影 响。对粒度分布为 50150 m 的粉末进行分筛后， 通过选定工艺条件来进行铁粉芯成型，表 1 所示为 不同粒度的铁粉制备的铁粉芯在 8 000 a/m 的外加 磁场下的磁性能。从表中可以看出，选用粒径范围 为 5075 m 铁粉制备的铁粉芯的磁导率最高，起始磁导率i 可达 83.1，最大磁导率m 可达 238.1。由式（1）可知，小颗粒有利于涡流损耗的减小。这是由 于颗粒太大，同样含量的粘结剂相对包覆层变厚， 导致磁导率降低，而颗粒被绝缘粘结剂包覆完整的 情况下，绝缘层越薄越好，颗粒之间相互绝缘，可 降低涡流损耗。颗粒太小，粉末之间的空隙增加，140130120110100908070z(树脂:铁粉)=2%6020406080100120f / khz不同成型压强下制备的铁粉芯的e-f 曲线图 7fig.7e-f curves of iron powder cores prepared under different molding pressurespu / (jm3)ep / (wkg1) 200 mpa300 mpa400 mpa500 mpa600 mpa 200 mpa z(树脂:铁粉)=2% 300 mpa400 mpa500 mpa600 mpaz(树脂:铁粉)=2%z(树脂:铁粉)=3%z(树脂:铁粉)=4% vol.33 no.11nov. 201460王进等：铁粉芯环形磁体的制备工艺优化压制后所制得磁粉芯密度较小，磁导率降低。表 1 不同粉末粒度分布的铁粉制备的铁粉芯的性能tab.1 the performances of iron powder cores with different powder particle size distributions始磁导率i 可达 83.1，最大磁导率m 可达 238.1。参考文献：1maeda t, mochidda y, nishioka t. soft magnetic material and dust coreproduced therefrom: us, b2, 7887647 p. 2011-02-15.suzuki k. nanocrystalline soft magnetic materials: a decade of alloydevelopment j. mater sci forum, 1999, 521: 321-314.toyoda h, kugai h, hirose k, et al. process for producing soft magnetism material and powder magnetic core: us, b2, 7601229 p.2009-10-13.万娟, 郑志刚, 王进, 等. fe-si-b 非晶磁粉芯的制备及其软磁性能j. 电子元件与材料, 2012, 31(10): 45-48.刘亚丕, 何时金, 包大新, 等. 软磁材料的发展趋势 j. 磁性材料及 器件, 2002, 34(3): 26-32.舒阳会, 任伊飞, 俞永, 等. 高频纯铁磁粉芯的工艺研究 j. 航天制造技术, 2005(1): 10-15.刘颖, 安德鲁贝克. 软磁复合材料中铁粉纯度与工艺条件的研究j. 材料开发与应用, 2007, 22(5): 36-39.邹联隆. 纯铁磁粉芯的磁特性研究 j. 磁性材料及器件, 1999, 3(3):221-224.邹联隆. 制备纯铁磁粉芯的工艺研究 j. 粉末冶金材料科学与工程,1999, 3(3): 221-224.23注：i 为起始磁导率；m 为最大磁导率；pu 为磁滞损耗；bm 为最大磁通密度；br 为剩磁；hc 为矫顽力。4结论采用高纯还原铁粉为原料制备了铁粉芯，研究 了绝缘剂含量、成型工艺及粉末粒度分布对铁粉芯 磁性能的影响。得出结论如下：（1）在铁粉芯的静态磁性能测试中，随着成型 压强的增大，环氧树脂用量为铁粉质量的 2%，3% 和 4%时包覆制备的铁粉芯的磁导率均呈先升高后下 降趋势。（2）选用粒度分布在 50150 m 的高纯还原铁 粉为原料，采用占铁粉质量 2%的环氧树脂 e-12 为粘 结剂包覆制备的铁粉芯在 30110 khz 的频率范围内 具有稳定的磁导率，说明其频率稳定性良好。其中， 在 400 mpa 下压制成型的铁粉芯在 400 a/m 外加磁场 下的有效磁导率可达 105 左右。（3）通过逐步优化的工艺，选用粒度分布在5075 m 的高纯还原铁粉为原料，采用占铁粉质量2%的环氧树脂 e-12 对其进行包覆后，在 400 mpa下压制成型的铁粉芯在 8 000 a/m 外加磁场下的起35678910 hirose k, toyoda h, nishioka t. soft magnetic material and method of producing powder