掺钛的铁硅系磁粉芯的制备及其性能研究

摘要

磁粉芯是一种由磁性粉末经过退火处理、绝缘包覆后，采用传统粉末冶金方法制备而成的一种新型复合软磁材料。磁粉芯磁特性优劣主要取决于磁粉本身性能与磁粉芯的制备工艺，具有优异性能磁粉芯的获得，必然是两者完美结合的产物。自十九世纪末铁粉芯的研究制备以来，大量科研工作者们集中于磁粉合金成分与粉芯制备工艺两方面对磁粉芯进行空前广泛的研究。
　　本文采用气雾化制粉技术制备的Fe-3Si-0.5Al-2Ni、Fe-3Si-0.5Al-2Ni-1Ti、Fe-3 Si-0.5Al-2Ni-2Ti三种软磁合金粉末，研究了雾化压力、熔炼温度以及漏嘴直径等工艺参数对Fe-3Si-0.5 Al-2Ni-1Ti软磁合金粉末形貌其粒径分布等性能的影响。并以气雾化软磁合金粉末为原料，结合模压成型方法制备了Fe-3Si-0.5Al-2Ni-Ti磁粉芯，通过扫描电镜、X射线衍射仪以及软磁交流测量装置等观察并表征了软磁合金粉末绝缘包覆前后的形貌、相结构以及磁粉芯的磁特性，探讨了粉末粒度、绝缘剂种类与添加量、压制力大小、退火工艺以及Ti元素含量等因素对Fe-3 Si-0.5Al-2Ni-Ti磁粉芯力学性能与有效磁导率μe、损耗Ps、品质因数Q等磁学特性的影响。
　　研究了Fe-3Si-0.5Al-2Ni-2Ti软磁合金粉末的碳、氧杂质含量与还原退火温度、保温时间的关系。研究表明:随着退火温度的升高、保温时间的延长，合金粉末的氧含量明显降低，碳含量则变化较小。合金粉末在850℃保温1h去应力退火后获得最低的碳、氧含量，粉末纯度最高，且无结块现象，利于优良磁粉芯磁性能的获得。
　　研究了Fe-3Si-0.5Al-2Ni-2Ti磁粉芯的有效磁导率μe、损耗Ps、品质因数Q等磁特性参数与合金粉末粒度及粒度分布的关系。研究表明:随着合金粉末粒度的减小，磁粉芯有效磁导率μe、损耗Ps降低，品质因数Q增大，综合磁性大幅度改善。
　　研究了Fe-3 Si-0.5Al-2Ni-2Ti磁粉芯的有效磁导率μe、损耗Ps与绝缘剂种类及其含量的关系。结果表明:当W-6C环氧树脂磁粉胶与硅树脂两种绝缘剂加入量同为0.5％时，W-6C绝缘包覆制备的磁粉芯具有更高的有效磁导率μe、更低的损耗Ps;随着W-6C绝缘包覆剂含量的增加，磁粉芯的有效磁导率μe、损耗Ps降低、品质因数提高，磁粉芯获得了良好的频率稳定特性。
　　研究了模压成型中压制力大小对Fe-3Si-0.5Al-2Ni-2Ti磁粉芯压坯密度、样品密度以及有效磁导率μe的影响。结果表明:随着压制力的增大，磁粉芯的压坯密度与样品密度升高，有效磁导率μe增加。
　　研究了退火温度、升温速率、保温时间等退火工艺参数对Fe-3Si-0.5Al-2Ni-2Ti磁粉芯磁性能的影响，结果表明:随着退火温度的变化，磁粉芯有效磁导率μe及损耗Ps在不同的温度阶段表现出不同的变化规律，当温度由180℃升至280℃，磁粉芯μe缓慢升高，而损耗Ps则明显降低;当温度进一步升至380℃，磁粉芯有效磁导率μe出现大幅降低，而损耗Ps则急剧升高;随着升温速率的增大，磁粉芯有效磁导率μe与品质因数Q先升高后降低，损耗Ps先减小而增大，在升温速率为120℃/h时，磁粉芯获得最佳磁性能;随着保温时间的延长，磁粉芯有效磁导率μe、品质因数Q不断增大，损耗Ps不断降低，当保温时间为150min时，磁粉芯获得最佳综合磁性能。
　　最后，研究并分析了Ti元素及其含量对Fe-3 Si-0.5Al-2Ni磁粉芯磁性能的影响。研究表明:磁粉芯有效磁导率μe、损耗Ps、涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph以及品质因数Q等磁学参数随着Ti含量的变化而表现出不同的变化规律。磁粉芯的μe随着Ti含量的增大而先升高后降低，当Ti含量为1％时获得最大有效磁导率;磁粉芯损耗Ps随着Ti含量的增加而降低，当Ti含量为2％时，磁粉芯获得最小的损耗Ps;磁粉芯涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph随着Ti含量的变化，表现出完全不同的变化，两者分别在Ti含量为1％与2％时获得最低值;而磁粉芯品质因数Q随着Ti含量的增加，先降低后升高，当Ti含量为2％时获得最大值，这也说明此时磁粉芯的综合磁性能最佳。