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软磁磁粉芯作为软磁材料系列重要组成部分具有独特的性能,被广泛用于电讯、雷达、电视、电源、太阳能发电等技术中作为电感滤波器、调频扼流圈、开关电源主振铁芯及逆变器,其工作频率可以从数十赫兹到兆赫兹范围。当今信息社会要求磁性器件向小型化、智能化、高集成化和超快速化等方向发展。磁粉芯具有高电阻、高频损耗低,高宽恒导磁等磁性能,使得其在许多应用场合是其它软磁材料难以比拟的。本文的研究工作是以粉末冶金生产工艺为基础,以传统磁粉芯的工业生产工艺过程为借鉴而进行的。系统研究了绝缘包覆、压制成型、去应力退火等制备工艺对FeSiAl磁粉芯和Fe74Cr2MO2Sn2P10C2Si4B4非晶磁粉芯磁性能的影响,制备出了性能较高的磁粉芯。运用改进工艺制备出性能较高的FINEMET纳米晶磁粉芯。在此基础上,研究了磁退火处理对三种金属软磁磁粉芯性能的影响。主要结论如下:
⑴大粒度磁粉制备的FeSiAl磁粉芯的磁导率较大,损耗也很高。通过适当的磁粉粒度配比可以有效地降低磁粉芯的损耗,提高磁粉芯的频率特性。实验发现FeSiAl磁粉芯最佳的粒度配比为:-100~+150目占4%,-150~+250目占8%,-250~+320目占34%,-320目占54%。
⑵有机+无机绝缘包覆方法适合制备高性能的金属磁粉芯。添加绝缘介质可提高磁粉芯的电阻率,降低涡流损耗,提高品质因数。绝缘介质过多会使磁粉芯中非磁性物质比例增大,磁导率降低。增加成型压力可以提高FeSiAl磁粉芯的压溃强度、密度、磁导率,降低矫顽力和损耗:但是过高的压力会使磁粉芯的磁导率降低。增加退火温度能够有效地提高FeSiAI磁粉芯的磁导率,降低磁滞损耗和矫顽力;过高的退火温度会增大磁粉芯的涡流损耗,降低磁导率。研究结果表明,FeSiAl磁粉芯的最佳制备工艺参数为:绝缘剂添加量为1.0%,成型压力为1800MPa,退火温度为660℃,退火时间为lh。相应的磁性能为:50kHz,0.05T下,磁导率为128,损耗低于80mW/cm3。该性能已达到国内领先水平。
⑶磁场退火工艺对FeSiAl磁粉芯具有一定的影响。纵向磁场退火可提高磁粉芯的磁导率,降低损耗。横向磁场退火可降低磁导率和损耗。纵向磁场退火获得的磁粉芯性能较好。
⑷研究发现,Fe74Cr2Mo2Sn2P10C2Si4B4非晶磁粉芯最佳的磁粉配比为:+200目占5%,-200~+250目占9%,-250~+320目占11%,-320~+500目占35%,-500目占40%。
⑸非晶磁粉芯的涡流损耗和磁滞损耗均随绝缘剂添加量的增加而降低,其中涡流损耗降低幅度较大;绝缘剂添加量过高或过低都会降低非晶磁粉芯的磁导率。增大成型压力能够有效地增加非晶磁粉芯的磁导率,降低损耗和矫顽力,但成型压力过大,会降低非晶磁粉芯的性能。增加退火温度能够有效地增大非晶磁粉芯的磁导率,降低损耗。但退火温度过高会使非晶磁粉晶化,生成导电性较差的非磁性相,降低磁导率。
⑹实验发现.Fe74Cr2Mo2Sn2P10C2Si4B4。非晶磁粉芯的最佳制备工艺参数为:绝缘剂添加量为5.O%,成型压力为1600MPa,退火温度为400℃,退火时间为lh。相应的性能为:4000kHz,20A/m下,非晶磁粉芯的磁导率为45,总损耗为6mW/cm3。
⑺磁场退火对非晶磁粉芯磁导率影响较小。纵向磁场退火能够增大非晶磁粉芯的总损耗,横磁场退火能够降低非晶磁粉芯的总损耗。
⑻与传统的纳米晶磁粉芯制备工艺相比,改进的纳米晶磁粉芯制备工艺能够有效地能够提高磁导率,降低损耗,提高品质因数。提高磁性能的原因在于,改进的工艺能够较好的释放磁粉的内应力。
⑼实验发现,纳米晶磁粉芯较好的磁粉粒度分布为:-500目占3.5%,-320~+500目占11.6%,-250~+320占25.8%,-200~+250占48.5%,-150~200目占5.2%,-100~+150占5.7%。运用该粒度分布,制备出的磁粉芯具有较高的磁性能:在1.6A/m,8000kHz下,磁导率61,总损耗为3.5 mW/cm3。
⑽对FINEMET纳米晶磁粉芯的磁场退火研究发现:纵向磁场退火可有效提高磁粉芯的磁导率,横向磁场退火降低磁导率;横向磁场退火比纵向磁场退火更有利于降低磁粉芯的磁损耗,纵向磁场退火处理有利于综合性能的提高。