新一代磁性材料“磁性鐵粉”展望
近年來，將表面涂敷絕緣皮膜的強(qiáng)磁性鐵粉壓縮成壓粉鐵芯的材料受到人們的關(guān)注。鐵粉過去主要用作燒結(jié)部件的原料，現(xiàn)在壓粉鐵芯出現(xiàn)了新的用途，因此，對(duì)鐵粉的磁學(xué)特性極為關(guān)注，并推進(jìn)了新型磁性鐵粉的開發(fā)。本文對(duì)純鐵粉壓粉鐵芯特性提高技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)壓粉鐵芯用于電磁轉(zhuǎn)換裝置的預(yù)期效果進(jìn)行了展望。
由于環(huán)保和節(jié)能要求的不斷提高，使得變壓器、電動(dòng)機(jī)等電磁轉(zhuǎn)換裝置的作用越來越大。電磁轉(zhuǎn)換裝置主要由鐵芯和線圈構(gòu)成。鐵芯是決定電磁轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換效率、輸出功率和體積大小的重要部件。用作鐵芯的材料有電工鋼板等鐵系合金材料、非晶態(tài)材料和軟磁鐵氧體等氧化物材料，這些材料分別適用于不同頻率和勵(lì)磁條件。目前，壓粉鐵芯在電抗器和電動(dòng)機(jī)鐵芯的用量不斷增加。壓粉鐵芯除了使用鐵粉，還可使用Fe-Si合金粉末和非晶態(tài)等強(qiáng)磁性粉末。
1壓粉鐵芯的磁學(xué)特性
對(duì)電磁轉(zhuǎn)換裝置的要求是高效率、高功率。電磁轉(zhuǎn)換裝置鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率和鐵損是評(píng)價(jià)裝置效率和功率的主要指標(biāo)。因此，要求鐵芯具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率和低鐵損。材料的磁學(xué)特性用材料在靜磁場(chǎng)中的磁滯曲線和交變磁場(chǎng)中的鐵損來評(píng)價(jià)。
磁感應(yīng)強(qiáng)度可用磁導(dǎo)率和外磁場(chǎng)強(qiáng)度之積來計(jì)算（見式（1））。因此，鐵芯高磁導(dǎo)率，可獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度。此外，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵芯中的磁性體量成正比，所以增加壓粉鐵芯的密度，可有效提高鐵芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。
B=μH （1）
式（1）中，B：磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ：磁導(dǎo)率；H：外磁場(chǎng)強(qiáng)度。
μDC=ημ0(μt-μ0)/[N(1-η)(μt-μ0)+μ0]+μ0 （2）
式（2）中，μDC：直流磁導(dǎo)率；η：鐵粉填充率；N：鐵粉粒子的有效反磁場(chǎng)系數(shù)；μt：鐵粉粒子的固有磁導(dǎo)率。
磁導(dǎo)率（μDC）可用計(jì)算強(qiáng)磁粉末成形體直流磁導(dǎo)率的理論公式（2）來計(jì)算。
由于μ0是常數(shù)，所以根據(jù)式（2）可知，直流磁導(dǎo)率μDC與鐵粉填充率η、鐵粉粒子的有效反磁場(chǎng)系數(shù)N、鐵粉粒子的固有磁導(dǎo)率μt有函數(shù)關(guān)系。因此，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的情況一樣，當(dāng)鐵粉相同時(shí)，鐵粉成形體高密度化是獲得高磁導(dǎo)率的有效方法。
鐵損主要由磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成，其控制因子如圖1所示。磁滯損耗與矯頑力有很大關(guān)系。矯頑力的控制因子是阻礙疇壁移動(dòng)的因子。降低阻礙疇壁移動(dòng)因子的作用可以使磁滯損耗下降。鐵損（Wt）是磁滯損耗（Wh）和渦流損耗（We）之和（如式（3））。磁滯損耗與交變電流頻率成正比，渦流損耗與交變電流頻率的平方成正比。因此，在高頻區(qū)，降低渦流損耗更為重要。
Wt=Wh+We=K1·f·Bm1.6+ K2·f2·Bm2 （3）
式中，K1、K2：系數(shù)；f：交變電流頻率；Bm：最大磁感應(yīng)強(qiáng)度。
渦流損耗是交變磁場(chǎng)中發(fā)生的渦電流產(chǎn)生的焦耳熱損失。為了降低這種能量損失并防止部件發(fā)熱，應(yīng)對(duì)渦流損耗進(jìn)行控制。渦流損耗有粒子內(nèi)渦流損耗和粒子間渦流損耗。粒子間渦流在跨越粒子間的大范圍內(nèi)流動(dòng)，造成的渦流損耗很大。所以為抑制粒子間渦流，在鐵粉粒子表面形成絕緣皮膜。
壓粉鐵芯的高密度化可有效提高磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。此外，為了降低渦流損耗，在粒子表面形成絕緣皮膜，使粒子間具有電絕緣性。影響壓粉鐵芯磁學(xué)特性的主要因子如表1所示。為提高壓粉鐵芯磁學(xué)特性，在磁性鐵粉開發(fā)方面，主要是開發(fā)新型鐵粉和新型絕緣皮膜。
2新型磁性鐵粉的開發(fā)
2.1鐵粉的開發(fā)
在鐵粉粒子間被絕緣的情況下，鐵粉粒子直徑是渦流損耗的控制因子。因此，在鐵粉開發(fā)時(shí)，應(yīng)根據(jù)鐵粉的用途選擇適宜的鐵粉粒子直徑。但是，在降低磁滯損耗和提高磁導(dǎo)率方面，應(yīng)當(dāng)考慮粒子直徑以外的因素，即晶粒粗大化和減少夾雜物含量。此外，晶界也是阻礙疇壁移動(dòng)的因子，所以粗大晶粒鐵粉粒子壓粉體的磁滯損耗小，在低頻區(qū)適用于粗晶粒鐵粉粒子。此外，有研究指出，將鐵粉加工成板狀使板狀鐵粉成形物具有磁各向異性，也可獲得高磁導(dǎo)率。
2.2絕緣皮膜的開發(fā)
在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生的渦電流以焦耳熱的形式釋放出來，形成能量損失（鐵損）。為實(shí)現(xiàn)低鐵損化，需要對(duì)鐵粉粒子間進(jìn)行絕緣處理。因此，在磁性鐵粉粒子表面形成絕緣皮膜。根據(jù)高磁感應(yīng)強(qiáng)度和高磁導(dǎo)率的要求，絕緣材料應(yīng)是不影響成形性的、用量少的、能承受成形時(shí)物理變形的材料。此外，壓粉鐵芯在壓縮成形時(shí)引入應(yīng)變，導(dǎo)致磁滯損耗增加，所以在成形后要進(jìn)行消除應(yīng)變退火。消除應(yīng)變退火溫度越高應(yīng)變消除得越徹底。但是，如果退火溫度超過絕緣皮膜的耐熱溫度，絕緣皮膜會(huì)被破壞，發(fā)生粒子間渦流損耗，引起鐵損增加。對(duì)絕緣皮膜的要求是具有承受消除應(yīng)變退火的耐熱性，以及耐鐵芯本身發(fā)熱的耐熱性，使皮膜具有耐久性。
熱處理溫度和壓粉體矯頑力的關(guān)系如圖2。從圖中可知，當(dāng)退火溫度超過927K時(shí)，由于發(fā)生再結(jié)晶使晶粒細(xì)化，導(dǎo)致磁滯損耗（矯頑力）增大，所以，將壓粉體退火溫度目標(biāo)值確定為927K。目前，現(xiàn)行的耐熱性絕緣皮膜有磷酸系皮膜、耐熱樹脂皮膜、這兩種材料的復(fù)合皮膜和MgO皮膜，但這些皮膜很難完全滿足上述特性的要求。所以對(duì)新型皮膜不斷進(jìn)行開發(fā)。
2.3神戶制鋼的磁性鐵粉
神戶制鋼對(duì)鐵粉和絕緣皮膜進(jìn)行了深入研究，開發(fā)出高頻、低頻用磁性粉末。如圖3所示，當(dāng)交變電流頻率增加時(shí)，壓粉鐵芯的鐵損小于電工鋼板鐵芯，因此，壓粉鐵芯可替代電工鋼板鐵芯。
3磁粉壓縮成形技術(shù)的開發(fā)
磁粉壓縮成形是壓粉鐵芯制造中不可或缺的工序。壓粉鐵芯的磁特性受壓粉體密度的影響很大。所以，磁粉壓縮成形技術(shù)對(duì)于提高壓粉鐵芯的磁特性有很大作用。
3.1高密度化
壓粉鐵芯的構(gòu)成要素有磁性材料鐵粉、絕緣材料、空隙和防止成形時(shí)發(fā)生熱黏結(jié)的潤(rùn)滑劑。由于潤(rùn)滑劑是非磁性物質(zhì)，因此，在要求高磁性的壓粉鐵芯中，不希望混有潤(rùn)滑劑。為此，神戶制鋼開發(fā)出不添加潤(rùn)滑劑的、在模具內(nèi)表面涂敷潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑成形技術(shù)，使壓粉鐵芯高密度化，提高了壓粉鐵芯的磁特性。但是，這種技術(shù)目前尚不能用于復(fù)雜形狀壓粉鐵芯的制造。因此，期待開發(fā)出復(fù)雜形狀壓粉鐵芯高密度化技術(shù)。
3.2鐵粉離子表面處理
在對(duì)壓粉鐵芯進(jìn)行高密度成形時(shí)，由于鐵芯和模具之間的滑動(dòng)，會(huì)降低鐵芯表面的電阻。原因是滑動(dòng)面附近的鐵粉離子因變形而互相接通。因此除了要保證鐵粉粒子間的絕緣性，為使渦電流流通路徑絕緣化，要對(duì)壓粉鐵芯表面進(jìn)行激光處理。
4壓粉鐵芯的用途
壓粉鐵芯的用途有兩種。一種是用于電流頻率為幾千赫茲的電動(dòng)機(jī)鐵芯的低頻電路用材；另一種是用于電抗器鐵芯的高頻電路用材?？梢灶A(yù)期，由于發(fā)揮粉末冶金的特點(diǎn)，兩種用途壓粉鐵芯都可使電磁部件實(shí)現(xiàn)小型化、高效化及大功率化。
4.1壓粉鐵芯用于電動(dòng)機(jī)的預(yù)期效果（低頻電路用途）
電動(dòng)機(jī)主要在1kHz的低頻下使用，在這種使用條件下，降低磁滯損耗的重要性大于降低渦流損耗。所以使用粗晶粒鐵粉。
目前，電動(dòng)機(jī)鐵芯主要使用電工鋼板。但壓粉鐵芯具有電工鋼板沒有的如下特點(diǎn)：①形狀自由度高；②高頻鐵損低；③磁各向同性的三維磁回路。這些特點(diǎn)提高了鐵芯設(shè)計(jì)的自由度，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的小型高效率化。
4.2壓粉鐵芯用于電抗器的預(yù)計(jì)效果（高頻電路用途）
電抗器是使電壓波動(dòng)引起的波紋電流平滑化的電磁部件。由于電抗器是在幾萬赫茲條件下工作，所以主要應(yīng)降低渦流損耗。因此，使用細(xì)晶粒鐵粉。電抗器鐵芯采用壓粉鐵芯時(shí)，預(yù)期的效果除了與電動(dòng)機(jī)相同的①～③點(diǎn)，由于壓粉鐵芯內(nèi)部空隙起著控制磁導(dǎo)率的作用，所以可產(chǎn)生減少間隙數(shù)的效果。 （高宏適）