层状硅酸镁铝绝缘包覆剂对铁硅磁粉心性能的影响*

李文超，刘国忠，张公平，檀 杰，申星梅，郑翠红

(1. 安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002； 2. 安徽工业大学 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽 马鞍山 243002)

0 引 言

金属磁粉心是工业技术和日常生活中十分重要的一种软磁材料[1]，是由包覆着的电阻率高的绝缘层磁性颗粒以及气隙组成[2]。铁磁性颗粒包裹的绝缘层能够阻止在磁化过程中畴壁的位移，磁粉心很难被磁化致饱和状态，因而提高了它的直流叠加性能，所以绝缘环节也是制备磁粉心的关键步骤[3-5]。绝缘包覆主要集中在有机和无机物包覆研究，对于有机包覆剂，使用最多的是硅酮树脂、酚醛树脂以及一些硅树脂等[6-9]，但是它们耐高温性能较差，使得磁粉心不能在高温下进行退火处理，因此内应力难以被消除恶化磁性能，另外大多数树脂抗老化能力弱，对环境造成影响[10-11]。而无机包覆剂大多是使用磷酸钝化的工艺应用较为广泛，虽然磷酸钝化可以在磁粉颗粒表面生成一层均匀的绝缘膜，但是它的绝缘层较脆易在600 ℃时容易被破坏[12]，因而需要寻找新型无机绝缘包覆剂来实现对磁粉心性能的提升。

本实验选用了片层状的硅酸镁铝作为包覆剂，对比传统的磷酸钝化工艺，绝缘层是由Fe和磷酸反应生成磷酸铁，这样使得铁磁性物质减少，降低了饱和磁化强度从而影响了磁性能。而这种硅酸盐作为包覆剂是一种纯物理包覆，可以进一步提高磁粉颗粒表面的电阻率。实验研究了不同用量的硅酸镁铝凝胶对铁硅金属软磁粉心的有效磁导率、直流叠加性能(DC-bias)以及损耗的影响规律。

1 实 验

1.1 实验试剂

铁硅合金磁粉、硅酸镁铝、磷酸二氢铝、粘结剂、脱模剂。

1.2 磁粉包覆

本文以商购气雾化铁硅合金粉(质量分数)(Fe：93.5%；Si：6.5%)，分别采用层状结构的硅酸镁铝凝胶和磷酸二氢铝作为包覆剂在80C下对合金磁粉进行包覆，向包覆后的合金磁粉加入0.3%(质量分数)粘结剂以及0.3%(质量分数)脱模剂，混合均匀，即获得要得到的待成型合金磁粉。

1.3 磁粉心制备

合金磁粉在压机1 980 MPa的压力下制成外径17.27 mm，内径9.65 mm，高度6.45 mm的磁环坯体，坯体于680 ℃氮气气氛中处理1 h，得到172060型磁粉心

1.4 样品表征

采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)以及X射线衍射仪(D/Max-r)分析绝缘包覆前后的合金磁粉的形貌和相结构；使用直流偏置LCR测试系统(Microtest63770测试磁环在1～1 000 kHz的电感(H)并通过计算磁环的有效磁导率。

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其中L表示装有磁心线圈的电感(H)，Le为有效磁路长度，Ae为有效截面积(m2)，μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)。在1～1 000 kHz的品质因数(Q)以及100 kHz、0～15 920 A/m不同直流磁化场下的直流叠加性能；使用损耗测试仪(SYB216B-H)测试粉心磁环在固定频率f=50 kHz、0～0.1 T磁通密度下的损耗值。

2 结果与讨论

2.1 硅酸镁铝的凝胶化

硅酸镁铝理论上属于2∶1型硅酸盐结构，其结构示意如图1(a)所示，硅酸镁铝的结构中层与层之间只有分子间作用力，所以当水分子进入层间时，硅酸镁铝将快速膨胀，因为它具有很强的吸水性及离子交换能力，所以片层状结构容易被水分开。硅酸镁铝在水中分散度高，是自由水转变为束缚的非牛顿液体类型的触变性凝胶体，形成立体空间网状结构如图1(b)所示。层状的硅酸镁铝由于低价态的铝取代高价态的硅，导致本身带负电荷，综上所述2∶1型的硅酸镁铝容易水化成纳米级比厚度的化合物，所以可以作为磁粉的包覆层。

图2 硅酸镁铝凝胶化前后的SEMFig 2 SEM before and after gelling of magnesium aluminum silicat

图2为硅酸镁铝原粉和硅酸镁铝凝胶的SEM图像。由图2(a)可见，硅酸镁铝原粉呈现片层状结构聚集体，而图2(b)硅酸镁铝经水化形成凝胶后仍然保持单片层状。所以硅酸镁铝凝胶作为绝缘包覆剂时，可以有效包裹在合金磁性颗粒表面。

2.2 磁粉包覆

2.2.1 硅酸镁铝凝胶的包覆

图3为铁硅合金磁粉以及包覆硅酸镁铝后的绝缘磁粉的XRD图谱。它们均对应的空间点群为Im3m(229),所以两种粉末均是显著体心立方结构[13-14]。由图3(b)可见，2θ在20°附近有一个较宽的衍射峰，可能是硅酸镁铝包覆剂结晶性不高的单片层状结构[15]。

图3 硅酸镁铝凝胶对铁硅合金磁粉包覆前后的XRD图谱Fig 3 XRD map of iron silicon alloy magnetic powder and covered with magnesium silicate aluminum

采用固含量为20%(质量分数)的硅酸镁铝凝胶为包覆剂，对铁硅合金磁粉进行包覆，包覆剂的加入量按照硅酸镁铝固含量占磁粉质量计算，分别(质量分数)为1.0%、1.2%、1.4%、1.6%和1.8%，其磁粉表面形貌如图4所示。图4(a)为未包覆铁硅合金粉的SEM。气雾化铁硅合金颗粒呈球形，表面光滑且出现龟裂纹，这可能是由于在金属凝固过程中发生收缩[16]。经硅酸镁铝包覆后，合金磁粉表面包覆层粗糙，但均匀致密，表面明显有硅酸镁铝片层状结构，类似于鳞片。在硅酸镁铝包覆量在1.0%～1.6%(质量分数)时，磁粉颗粒表面包覆层较厚，且均匀致密，因此可以起到很好的绝缘作用。硅酸镁铝包覆量为1.8%(质量分数)时，磁粉颗粒表面包覆剂有堆积的现象产生，如图4(f)所示。过多的包覆剂相当于无机填料的作用，无包覆作用，且硅酸镁铝凝胶粘性较大，过多的包覆剂增大包覆工艺的难度，所以控制硅酸镁铝包覆量不大于1.6%(质量分数)。

图4 不同硅酸镁铝包覆量的铁硅合金磁粉表面SEMFig 4 SEM surface ofironsiliconalloymagneticpowderwith different amounts of magnesiumaluminumsilicate coating

2.2.2 磷酸二氢铝包覆

采用磷酸二氢铝为包覆剂，对铁硅合金磁粉进行包覆，包覆剂的加入量按照磁粉质量计算，分别为1.8%、2.0%和2.2%(质量分数)，其磁粉表面形貌如图5所示。

由图5可见，与硅酸镁铝凝胶包覆剂相比较，磷酸二氢铝包覆磁粉表面膜层薄，且不均匀，表面有聚集的磷酸盐存在。此外，随着磷酸二氢铝包覆量的增加，磁粉颗粒表面磷酸盐物质逐渐增多。这是由于包覆剂用量增多，有部分物质反应后来不及成膜，生成疏松的磷酸盐，图5(c)磁粉表面絮状物质为反应的疏松磷酸盐；可能还有部分磷酸二氢铝未能参与反应，在磁粉表面结晶。因此磷酸盐包覆的表面包覆层均匀性较差。

图5 磷酸二氢铝包覆的铁硅磁粉的SEMFig 5 SEM of Fe-Si magnetic powder coated with aluminum dihydrogen phosphate

2.3 包覆剂对磁粉心磁学性能的影响

将硅酸镁铝与磷酸二氢铝分别包覆的铁硅磁粉经配料、成型和热处理后，得到磁粉心成品，对其磁学性能进行测试，结果见表1和图6所示。由表1可见，以硅酸镁铝凝胶为包覆剂，得到172060型号对磁导率的要求，包覆剂的量为1.4%～1.6%(质量分数)质量计算，分别为1.8%、2.0%和2.2%(质量分数)，其磁粉表面形貌如图5所示。由图5可见，与硅酸镁铝凝胶包覆剂相比较，磷酸二氢铝包覆磁粉表面膜层薄，且不均匀，表面有聚集的磷酸盐存在。此外，随着磷酸二氢铝包覆量的增加，磁粉颗粒表面磷酸盐物质逐渐增多。这是由于包覆剂用量增多，有部分物质反应后来不及成膜，生成疏松的磷酸盐，图5(c)磁粉表面絮状物质为反应的疏松磷酸盐；可能还有部分磷酸二氢铝未能参与反应，在磁粉表面结晶。因此磷酸盐包覆的表面包覆层均匀性较差。而表1为磷酸二氢铝需要约2.2%(质量分数)。可见，与磷酸二氢铝相比，硅酸镁铝在用量较少的情况下能达到明显的降磁导率的效果。

表1 包覆剂种类和用量对磁粉心有效磁导率的影响

本文采用磷酸二氢铝作为合金磁粉包覆剂，属于化学包覆，硅酸镁铝为纯物理包覆，二者对磁粉心性能有一定的差异。为了对比两种包覆剂对磁粉心磁学性能的影响，选用磁导率相近的才有可比性。硅酸镁铝凝胶包覆剂用量(质量分数)为1.2%和1.6%，分别与磷酸二氢铝用量(质量分数)为1.8%和2.2%时磁粉心的有效磁导率相近，因此选用这两组包覆剂所制备的磁粉心，测定其在一定频率范围内的有效磁导率、直流叠加性能、品质因数以及磁损耗，结果如图6～9所示。

图6 频率对磁粉心有效磁导率的影响Fig 6 Effect of frequency on effective magnetic permeability of magnetic powder core

由图6中可知，磷酸二氢铝和硅酸镁铝包覆的磁粉心在1～1 000 kHz范围内，其有效磁导率都能保持良好的稳定性，频率的变化对有效磁导率的影响小。磁粉心的频率稳定性与绝缘粘结剂包覆好坏有着直接的关系。

(2)

图7 磁场强度对磁粉心直流叠加特性的影响Fig 7 Influence of magnetic field strengthon DC super position characteristics of magnetic powder core

图7为磁场强度对磁粉心直流叠加特性的影响。磁粉心的直流叠加特性随着绝缘剂用量的增多而增大。这是由于包覆剂量大，有利于在磁性颗粒之间形成更多的分布式气隙，从而提高了材料的抗饱和能力；另一方面，非磁性物质的增加，磁粉心有效磁导率降低，也延缓了其磁化至饱和的趋势，从而提高其直流叠加特性[18]。与磷酸二氢铝包覆的磁粉心相比，其具有更加优良的直流叠加特性。原因可能是磷酸二氢铝属于化学包覆，在一定程度上消耗原磁性物质，恶化磁学性能，使得直流叠加特性较差。

图8 频率对品质因数Q值的影响Fig 8 Effect of frequency on the Q value of quality factor

图8为两种包覆剂制得的磁粉心品质因数Q值随频率的变化关系。品质因数Q值用来表示磁粉心在交变磁场变化时能量的储存和损耗的性能，其值越大材料的损耗越小，性能也就越好[19]。硅酸镁铝作为包覆剂制得的磁粉心Q值较磷酸二氢铝的高，综合性能较好。

在频率f=50 kHz，磁场强度0～0.1T范围内，磁粉心功率损耗的变化如图9所示。随着磁场强度的增加，磁粉心的功率损耗逐渐增大；当包覆剂用量增加时，可以更好地隔绝粉末间的接触，提高电阻率，使得损耗降低；在其它条件相同的情况下，硅酸镁铝包覆的磁粉心功率损耗低于磷酸二氢铝包覆的磁粉心，且随着磁场强度的增加，两者功率损耗差别越来越大，在f=50 kHz，Bm=0.1T时，相差约5%。这可能是硅酸镁铝具有较高的电阻率，且包覆较为致密，能有效减少其涡流损耗[20]。

图9 磁感应强度对磁粉心损耗的影响Fig 9 Effect of magnetic induction on the loss of magnetic powder core

综上所述，硅酸镁铝包覆的磁粉心的综合性能要优于传统磷酸盐包覆。

3 结 论

(1)采用层状硅酸镁铝溶于水形成的凝胶作为气雾化铁硅合金磁粉的包覆剂，并成功制备出性能优异的铁硅合金磁粉心。

(2)与常用的磷酸二氢铝包覆剂相比，层状硅酸镁铝包覆的铁硅合金磁粉表面的包覆层更加致密且分布均匀。

(3)频率在1～1 000 kHz范围内二者包覆的磁粉心有效磁导率都具有良好的频率稳定性，但硅酸镁铝包覆的磁粉心具有更优异的直流叠加特性、品质因数以及功率损耗。