热处理工艺对铁基软磁复合材料电磁性能的影响

李发长，冯晓鹏，李 一，柳学全，李金普，李 楠



热处理工艺对铁基软磁复合材料电磁性能的影响

李发长1，冯晓鹏2，李 一1，柳学全1，李金普1，李 楠1

(1. 中国钢研科技集团有限公司，北京 100081；2. 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083)

以磷酸为磷化剂对雾化铁粉进行磷化处理，然后在800 MPa压力下压制成环形生坯，分别在H2、N2和空气气氛下进行热处理，制成软磁复合材料磁芯，研究热处理气氛、热处理温度与时间对磁芯电磁性能的影响。结果表明：铁粉经磷化处理后，表面包覆完整均匀的磷酸盐绝缘层；与H2和N2气氛相比，磁芯压坯在空气气氛下热处理后拥有更高的磁导率和较小的磁损耗；空气气氛下500 ℃处理30 min是较优的热处理工艺，磁芯最大磁导率达到350，在频率为1 kHz和饱和磁感1T条件下的磁损耗仅为145 W/kg，进一步延长热处理时间或提高热处理温度，磁导率增加不明显，但电阻率显著降低，导致磁损耗显著增加，软磁性能恶化。

铁基软磁复合材料；热处理工艺；软磁性能

软磁复合材料(soft magnetic composites，简称SMC)是通过在铁磁颗粒表面包覆电绝缘膜层而获得的一类电磁应用材料[1−2]。与传统的叠片钢磁芯相比，采用粉末冶金工艺制备的SMC磁芯具有一系列独特的性能，包括三维各向同性磁性能、低的涡流损耗、中高频率下相对低的总损耗和灵活的磁芯结构设计等，能大幅降低磁芯的质量和体积，应用前景广阔[3−5]。近年来，随着电子器件的应用不断增加，市场对SMC的需求迅速增加。为了提高SMC的软磁性能，国内外对新型耐高温绝缘材料的选取和绝缘软磁粉末的制备进行了大量研究[6−9]，但对于SMC的成形和热处理工艺研究较少[10−11]。SMC颗粒表面存在绝缘层，不能进行高温烧结，只能通过热处理来脱除成形时所添加的润滑剂，提高磁芯的强度，同时部分消除内应力，提高磁芯的软磁性能[12−15]。因此对磁芯生坯的热处理气氛和温度等进行较深入的研究，对于制备高性能软磁复合材料具有重要意义。

本文作者以雾化铁粉为原料，采用磷化工艺制备绝缘铁粉，在800 MPa下压制成环形生坯，经热处理后制成SMC磁芯，研究热处理气氛、热处理温度和时间对SMC磁芯电磁性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

采用莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司生产的宽粒度分布的高纯雾化铁粉为原料，铁粉纯度＞99.3%(质量分数)，粒度分布列于表1。采用磷化工艺在铁粉表面生成绝缘包覆层，所用磷酸和丙酮由国药集团化学试剂北京有限公司生产。磁芯压制成形时采用本实验室自制的CC-1型超级润滑剂，该润滑剂是一类碳氢化合物，热处理后无残留；另外该润滑剂在压制时在压力作用下转变成液相，能增强粉末的流动性，优化压坯结构，润滑性能优异；相比普通润滑剂，较小的用量就能取得理想的润滑效果。磁芯热处理所用氮气和氢气由北京龙辉京城气体有限公司提供。

表1 高纯雾化铁粉的粒度分布

1.2 铁粉的磷化处理

铁粉在丙酮酸性溶液中磷化处理的同时能实现除油和清洗，因此铁粉磷化前无需进行前处理。磷化处理时丙酮为反应介质，磷酸为有效磷化剂。根据Y G KIR’YANOV等[16]关于铁粉的磷化反应动力学研究，控制磷化液中磷酸的质量浓度为0.01 g/mL。将铁粉加入磷酸与丙酮的混合液中，室温搅拌30 min，然后用丙酮清洗，在50 ℃温度下干燥1 h。

1.3 磁芯制备

在磷化处理的铁粉中添加0.2% (质量分数)CC-1润滑剂，放入螺带式混料机中搅拌30 min使其充分混合。将混合粉末倒入环形模具中，用微粉蜡作为模壁润滑剂，在800 MPa压力下压制成外径30 mm、内径20 mm、高5 mm的环形压坯。将压坯置于网带炉中，分别在H2、N2和空气气氛下500 ℃热处理30 min，制得铁基SMC磁芯，研究热处理气氛对磁芯性能的影响。另外，还研究空气气氛下热处理温度和时间对磁芯磁性能的影响。

1.4 测试与表征

采用JEOL(日本电子)JSM-6510A型扫描电镜对铁粉磷化前后的表面形貌与元素含量进行分析，并通过EDS对铁粉表面的元素分布进行分析。采用Rigaku (日本理学)DMAX-RB12KW旋转阳极X射线衍射仪分析铁粉的物相组成，CuKα辐射，波长为1.54056×10−4μm。

根据美国标准ASTMD4496-87，用广州四探针科技有限公司的RTS-8型四探针仪测试磁芯的电阻率。

用湖南联众科技有限公司的MATS-2010SD软磁直流测量装置测定磁芯的磁导率等静态软磁性能，并用MATS-2010SA软磁交流测试仪测定在频率1 kHz和饱和磁感1T条件下磁芯的磁损耗等动态软磁性能。

2 结果与讨论

2.1 铁粉的表征

图1所示为磷化处理后的铁粉的EDS分析结果，由图可确定铁粉表面存在铁、磷和氧元素，初步推断磷化处理使得铁粉表面生成了铁的磷酸盐膜层。根据EDS的分析深度，比较磷元素和铁元素的峰强，可进一步推断该磷酸铁盐膜层的厚度很小。表2所列为磷化前后铁粉的元素组成，结果表明铁粉磷化后纯度降低，磷、氧元素含量明显增加，由此也推断磷化过程中磷酸与铁发生反应，生成了某种含有磷和氧的物质包覆在铁粉表面。图2所示为磷化铁粉表面的铁、磷和氧元素的面分布，可见各元素在粉末表面都有良好广泛的覆盖，表明铁粉表面生成的磷酸盐膜层包覆完整、均匀。

图1 磷化铁粉的EDS分析

表2 铁粉磷化处理前后的元素组成

图3所示为磷化铁粉的XRD谱。很明显，所有的主峰都是体心立方结构铁的特征衍射峰，且峰形很尖锐。同时，在低角度出现了很多低强度杂峰，根据S REBEYRATA等[16]的研究，这些杂峰来自非晶或纳米晶结构的磷酸盐膜层，也可能是膜层太薄导致衍射信号太弱，以致于没有明显的衍射峰，这与图1中铁元素、磷和氧元素的强度很低体现磷酸盐膜层很薄是一致的。

2.2 热处理气氛的影响

热处理能脱除磁芯压坯中的润滑剂，同时可部分消除压制成形时产生的内应力，从而提高磁芯的磁性能。图4所示为在不同气氛下500 ℃热处理30 min所得磁芯在频率1 kHz和饱和磁感1T条件下的磁损耗与频率的关系。氢气是强还原性气氛，热处理时会损坏铁粉表面的磷酸盐绝缘层，进而使磁芯的磁性能恶化，因而与其他气氛下热处理的磁芯相比，所有频率下的磁损耗都明显更高。氮气和空气气氛下热处理不会对铁粉表面绝缘层产生影响，氮气气氛下热处理磁芯的磁损耗稍高于空气气氛下热处理的磁芯。这是由于空气气氛下热处理时，氧的渗透深度更深，使得软磁颗粒表面的氧化程度更大，从而导致磁芯的磁损耗降低。表3所列为不同气氛下热处理后磁芯的静态磁性能。可以看出，空气和氮气气氛下热处理的磁芯静态磁性能较接近，磁导率和饱和磁感应强度较高，矫顽力较低，综合性能明显优于氢气气氛下热处理的磁芯。这是因为成形时添加的超级润滑剂在空气气氛下能彻底脱除，氮气气氛下可能存在残留，而氢气气氛下会抑制润滑剂的分解。润滑剂脱除越彻底，磁芯中磁介质含量越高，因而磁导率和磁感应强度(测试磁场强度为10 kA/m)更高，而矫顽力和磁滞损耗降低。

2.3 热处理温度和时间的影响

热处理温度和时间也是影响SMC软磁性能的重要因素。图5所示为空气气氛下热处理温度和时间对铁基SMC最大磁导率的影响。很明显，随热处理温度升高或热处理时间延长，磁芯的最大磁导率不断小幅增大。这是因为热处理温度升高或时间延长，压制过程中产生的内应力得到更好地消除，磁芯结构得到改善，缺陷减少，阻碍磁畴运动的钉扎点密度降低，故导磁能力提高。由图可见，在500 ℃下热处理30 min时磁芯已具有较高的磁导率，进一步延长热处理时间，磁导率无明显增大，进一步提高温度，磁导率增加也较缓慢。

图2 磷化铁粉的形貌及铁、磷和氧元素面分布

图3 磷化铁粉的XRD谱

图4 热处理气氛对铁基SMC磁损耗的影响

表3 热处理气氛对铁基SMC静态软磁性能的影响

图5 热处理温度和时间对铁基SMC最大磁导率的影响

图6所示为空气气氛下热处理温度和时间对磁芯在频率为1 kHz、饱和磁感为1T条件下的磁损耗的影响。热处理温度在500 ℃以下时，随热处理温度升高或时间延长，润滑剂脱除更彻底，同时内应力得到更好地消除，矫顽力随之减小，磁滞损耗降低，故磁损耗减小。在500 ℃热处理30 min时，磁芯的磁损耗最低，而热处理时间超过30 min时，磁损耗增大，这是因为热处理时间过长，铁粉表面绝缘层开始发生分解，逐渐失去绝缘作用。热处理温度升高至550 ℃甚至更高时，会加速绝缘层的分解，热处理超过15 min时磁损耗大幅增加。与500 ℃/30 min热处理相比，600 ℃热处理30 min时磁损耗(1 kHz，1T)由145增加到 664 W/kg，意味着绝缘膜几乎完全分解，失去了降低涡流损耗的作用。

图6 热处理温度和时间对铁基SMC磁损耗的影响

图7所示为热处理温度对磁芯电阻率的影响。500 ℃以下热处理时，随热处理温度升高，材料的电阻率逐渐减小，但不明显；热处理温度超过500 ℃后，电阻率迅速降低。这是因为热处理温度较低时，随温度升高，润滑剂和内应力消除更彻底，磁芯结构得到改善，但铁粉之间依然存在磷酸盐绝缘层，因此电阻率变化不大；当热处理温度超过绝缘层能承受的温度时，绝缘膜层发生分解，铁粉颗粒之间相互连通，故电阻率迅速减小。磁芯涡流损耗e可用下式表达：e=C222/。式中：C为比例系数；表示磁感应强度；为工作频率；为铁粉粒径；表示磁芯的电阻率。可见随电阻率减小，涡流损耗大幅增加，总磁损耗显著增大。

为进一步观察绝缘层，对空气气氛下500 ℃热处理30 min的磁芯进行线扫描分析，结果如图8所示。从图中可看出，颗粒的包覆层较明显，且包覆完整；与颗粒内部相比，颗粒间的界面区域铁含量骤降，磷含量明显升高，这进一步证实了颗粒之间磷酸盐绝缘包覆层的存在，并且该绝缘层经压制成形和500 ℃热处理后未发生分解。

图7 热处理温度对铁基SMC电阻率的影响

图8 铁基SMC的截面线扫描分析

3 结论

1) 用丙酮为反应介质，磷酸为有效磷化剂，对铁粉进行磷化处理后，铁粉表面包覆的磷酸铁盐薄层完整、均匀。

2) 在空气气氛下进行热处理得到的铁基软磁复合材料磁芯具有较高的磁导率，且磁损耗低于氢气和氮气气氛下热处理的磁芯。

3) 空气气氛下500 ℃热处理30 min是较优的热处理条件，所得磁芯最大磁导率为350，在频率为 1 kHz和饱和磁感1T条件下的磁损耗仅为145 W/kg。

4) 铁基SMC磁芯的磁导率随热处理温度升高而增大；在300～500 ℃范围内，磁芯损耗和电阻率随热处理温度升高而降低，超过500 ℃后磁芯的磁性能 恶化。

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(编辑 汤金芝)

Effect of heat treatment process on magnetic and electrical properties of Fe-based soft magnetic composites

LI Fa-chang1, FENG Xiao-peng2, LI Yi1, LIU Xue-quan1, LI Jin-pu1, LI Nan1

(1. China Iron & Steel Research Institute Group, Beijing 100081, China;2. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Fe-based soft magnetic composites (SMC) were fabricated using the phosphating atomized iron powders pressed at 800 MPa and then heat-treated in the atmosphere of H2, N2and air, respectively. The effects of heat treatment atmosphere, temperature and time on the magnetic and electrical properties of the composites were studied. The results show that the iron powders surface is covered by the iron phosphate coating uniformly during the process of phosphating. High magnetic permeability and low magnetic loss are obtained after the heat treatment at the atmosphere of air. Moreover, the sample treated in air at 500℃ for 30min exhibits an excellent comprehensive performance, with the maximum magnetic permeability of 350, and the minimum magnetic loss of 145 W/kg when the frequency is 1 kHz and the saturation flux density is 1T. However, increasing time or temperature of the heat treatment, there is no obvious increases of the magnetic permeability, but electrical resistivity decreases sharply, which results in magnetic loss increasing and magnetic properties worsening.

Fe-based soft magnetic composites; heat treatment process; soft magnetic properties

TF123；TM271

A

1673-0224(2015)2-319-06

国家高技术研究发展计划资助项目(2013AA031102)

2013-12-16；

2014-06-13

柳学全，教授级高工，博士。电话：010-62182924；E-mail: xqnliu@sina.com