粉末粒度对FeNi50 磁粉芯性能的影响研究

2021-07-21吕世雅麻洪秋孟令兵江忠民

中国金属通报 2021年14期

张军，吕世雅，麻洪秋，孟令兵，江忠民

（安泰（霸州）特种粉业有限公司，北京 100081）

进入二十一世纪以来，磁性材料在电子信息产业中发挥着越来越重要的作用，已经成为仅次于半导体的重要基础材料，是现代化科技与经济发展不可缺少的重要因素。金属磁粉芯作为磁性材料家族中的重要成员，由于其具有较高的饱和磁感应强度，优异的频率特性等特点，能够更加满足于电力电子器件向小型化，集成化的发展。金属磁粉芯是以金属或合金粉末为原料，通过粉末冶金工艺加工出来的一种金属软磁材料，主要用于生产各类电感器，滤波器和变压器等电子元器件，目前已广泛应用于风能和太阳能逆变器，不间断电源等领域[1-5]。本文主要研究了粉末粒度对金属磁粉芯的损耗，磁导率和直流偏置DC-Bias 特性的影响。

1 实验

采用安泰科技生产的气雾化FeNi50 粉末为原料，在同批次原粉中分别筛取120 目，200 目，300 目和400 目4 个样品，然后通过粉末冶金工艺，制备出内外径为8 mm×14 mm 的环形磁粉芯，然后测试其磁性能。实验中采用同一炉次粉末原料，这样能够保证化学成分相同，在制程中采用相同的成形压力，相同的粘结剂配比及含量，相同的热处理工艺，只是对粉末粒度作为单一变量进行研究。

本实验金属磁粉芯初级线圈N1 为14 匝，次级线圈N2 为5匝，粉末形貌采用日本电子JSM-IT200 仪器分析，磁粉芯损耗用联众科技MATS-2010SA 仪器测量，磁粉芯磁导率用同惠电子TH2829C 自动元件分析仪器测量，用马尔文Mastersizer 2000 仪器测量粉末激光粒度，用钢研纳克O-3000 仪器测量粉末氧含量。用美国Lakeshore8600 型振动样品磁强计测不同粒径粉末的矫顽力Hc 和Ms。

表1 为不同粒度的FeNi50 粉末激光粒度D50 和氧含量指标，数据显示粉末筛分目数越细，D50 数值越小。粉末粒度尺寸越细小，单位重量的粉末比表面积就越大，雾化过程中与气体接触面越多，所以粉末氧含量也越高。

表1 不同粒度FeNi50 粉末的D50 和氧含量对比

图1 为FeNi50 原料粉末的显微照片。可以看出气雾化粉末表面光滑，无卫星颗粒，球形度较好，不同粒度分布的颗粒尺寸大小明显不同。

图1 不同粒度FeNi50 粉末的SEM 形貌对比

2 结果与讨论

2.1 FeNi50 原料粉末粒度分布对金属磁粉芯损耗的影响

图2 为不同粒度的FeNi50 粉末原料制成的磁粉芯在50KHz，100mT 和100KHz，100mT 条件下测的损耗。从结果可以看出，在相同的测试条件下，频率越高，磁粉芯的损耗越高；粉末粒度越细，磁粉芯损耗越低。

图2 不同粒度磁粉芯在50KHz，100mT 和100KHz，100mT 条件下的损耗

金属磁粉芯的损耗Pc由三部分构成：磁滞损耗Ph，涡流损耗Pe和剩余损耗Pr，如公式1 所示。

剩余损耗Pr 是指总的磁损耗减去磁滞损耗和涡流损耗后所剩余的部分。通常情况下，Pr剩余损耗只有在非常低的磁感应强度和较高的频率下才有意义，因此一般情况下公式（1）可简化成如下形式[6]。

上式中f 为工作频率；H 为外加磁场；B 为磁感应强度；KH 和KE 为比例常数；ρ 为电阻率；d 为有效尺度，对于磁粉芯而言，d 指的是绝缘粉末颗粒的直径。

因为金属软磁材料的磁滞回线面积比较小，所以在交流高频条件下的损耗主要是涡流损耗，表2 列出了不同粒度磁粉芯所测的电阻值，可以看出随着粉末粒度的变细，磁粉芯的电阻值增加。这是因为粉末粒度细化后，单位质量的粉末颗粒数量增多，比表面积增大，绝缘包覆层增加，由公式（2）可以得出，电阻率越高损耗越小，因此样品中-400 目的粉末磁粉芯损耗最低，这与实际测的损耗值规律相同。根据公式（2）还可以得出，粉末粒度细化后，有效颗粒尺寸d 降低，因此总的损耗降低，同样验证了我们实测的损耗数据变化规律。

表2 各粒度磁粉芯电阻

2.2 FeNi50 原料粉末粒度分布对磁粉芯磁导率的影响

首先根据自动元件分析仪器测量出磁粉芯的电感值，然后利用公式（3）计算出磁粉芯的磁导率。

（3）式中L 表示为电感；μ 为相对磁导率；N 为磁粉芯绕线匝数；A 为磁粉芯的有效截面积；l 为有效磁路长度。

图3 为各粒度的磁粉芯在不同频率下所得到的对应磁导率。可以看出当频率较低时，粗颗粒粉末对应磁粉芯的磁导率较高，细颗粒粉末对应磁粉芯的磁导率较低，当频率在500KHz 时出现拐点，随着频率的继续增加，细颗粒粉末的磁导率大于粗颗粒粉末磁粉芯的磁导率。从实验数据结果我们可以看出，粉末粒径越细小，磁粉芯的磁导率随频率增加下降速度越慢，最终磁导率会高于粗粉，曲线更加平缓。

图3 各粒度磁粉芯在不同频率下的磁导率

表3 列出了各粒度磁粉芯的饱和磁化强度Ms 和矫顽力Hc，可以看出，Ms 参数作为材料的内禀属性，主要与材料成份本身有关，对于FeNi50 粉末来说，粒度变化对Ms 基本没有影响，而矫顽力受颗粒尺寸的影响比较大，可以看出随着粉末粒度的细化，磁粉芯的矫顽力逐渐增加。由图1 可以看出，粉末呈现近球形，对于大致球形的晶粒，矫顽力会随着晶粒尺寸的增大而减小，成反比关系。一般来说，晶粒尺寸越大，磁畴越大，每个磁畴内的原子磁矩增多，材料磁导率越大，同时磁畴壁减少，磁畴壁越易移动，矫顽力越低。

表3 各粒度磁粉芯饱和磁化强度和矫顽力

2.3 FeNi50 原料粉末粒度分布对磁粉芯直流偏置特性DCbias 的影响

通过测量磁粉芯在不同叠加直流磁场下的磁导率变化，对磁粉芯的直流偏置特性DC-bias 进行评价。表4 显示为不同粒度磁粉芯的直流叠加特性，从数据可以看出，-120 目对应磁粉芯在外加50 Oe 磁场下的磁导率是未加磁场时的94.8%，在外加100 Oe 磁场下磁导率为未加磁场时的79.2%，而-400 目磁粉芯在外加50 Oe 磁场下磁导率能够保持在未加磁场时的97.1%，在外加100 Oe 磁场下磁导率能够保持在未加磁场时的86.2%，因此，-400 目磁粉芯直流偏置特性明显好于-120 目磁粉芯。