金属磁粉心的研究与发展

金属磁粉心的研究与发展

张瑞标，朱小辉，杜成虎，柏海明，许佳辉

(天通控股股份有限公司，浙江海宁 314412)

摘 要：金属磁粉心具有优异的软磁性能，广泛应用于电感元件和变压器等领域。概括介绍了金属磁粉心的发展情况，重点对其磁性能的影响因素（粉料、绝缘包覆、成型和烧结等）进行了分析。

关键词：金属磁粉心；磁性能；影响因素

中图分类号：TM271 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2011)03-0001-03 Research and development of soft metal powder core

ZHANG Rui-biao, ZHU Xiao-hui, DU Cheng-hu, BAI Hai-ming, XU Jia-hui

TDG Holding Limited Company, Haining 314412, China

Abstract: Metal powder core is widely applied in inductance components and transformerdes for its excellent soft magnetic properties. This article mainly presents the situation of metal powder systematically, and also analyses the influencing factors of magnetic performances, including magnetic medium, insulating, pressing and sintering.

Key words:metal powder core； magnetic properties； influencing factors

1 引言

金属磁粉心是采用粉末冶金法制作粉料，经过绝缘包覆、压制成型、热处理工艺制成的软磁材料，具有高频涡流损耗小、温度稳定性好、良好的频率特性、恒导磁、饱和磁感应强度高等特性，用于线路滤波器、脉冲变压器、功率电感等功能元器件上具有其它材料难以比拟的优势而快速发展起来，已经成长为软磁材料家族中的一个非常重要的成员，在能量转换和信息处理等相关领域发挥着越来越重要的作用 [1~3]。

2 金属磁粉心发展及分类

2.1 磁粉心的发展

金属磁粉心生产历史悠久，最早是在19世纪末用蜡绝缘包覆压制磨碎铁粉，之后开发者通过优化合金成分研制出性能更良好的坡莫系合金。二战

收稿日期：2011-02-25 修回日期：2011-04-05

基金项目：浙江省省级工业新产品开发项目(201008DC0004) 通讯作者：朱小辉 E-mail: zxh-516@ 期间，日本开发了铁硅铝合金(Sendust)，性价比较Fe-Ni合金更高。近20年来，各国科研人员相继在非晶、超微晶、纳米晶和复合磁粉心等方面做了大量的研发工作，取得了一定的成就[4]。1984年，美国联合公司用Fe79B16Si5非晶态粉末制成非晶磁粉心。上世纪80年代末，上海钢研所用Fe47Ni29V2Si8B14粉末机械压制成非晶磁粉心。近年来随着逆变技术的快速发展及应用，伴随着EMC 的需求，金属磁粉心的发展又出现新的势头。世界各国科研工作者们纷纷开始着眼超微晶、纳米晶磁粉心的开发研究。传统上用单一成分合金粉制成的磁粉心已不能满足对磁心多样化的需求，为此把两种及两种以上不同成分的金属软磁合金粉末混合在一起制成复合磁粉心，通过调整各种合金粉的比例，可以控制多方面的磁性能，充分发挥每种粉末的各自优点，如朱正吼等人[5]利用铁基非晶与铁氧体复合制成Fe78Si13B9/铁氧体复合磁粉心。

2.2 金属磁粉心的分类

根据制备磁粉心原材料的不同，可以将磁粉心分为铁粉心、坡莫合金粉心、铁硅铝粉心以及非晶、

纳米晶软磁磁粉心四种。几种常见的金属磁粉心的

软磁性能如表1所示。

表1 几种常见金属磁粉心的电磁性能

B T－3

60 65 88 90 57 128 94

80 70 78 102 49 132 86

100 76 75 120 48 140 82 120 80 72 124 46 144 83

从表2还可以看出，磁粉心的磁导率与粉末粒

度有密切的关系。一般磁粉心粉末粒度越粗，磁粉

心的磁导率就越高；而粉末的粒度越细，磁导率就

越小。因为粉末越细，流动性越差，在压制过程中

越容易搭桥，造成粉心生坯密度降低，从而导致磁

导率降低；同时磁粉心粉末粒度越小，比表面积就越大，界面越多，粉料间的空隙就越多，磁性物质相对密度小，反之磁粉心的密度就越大。这种关系也可以应用非磁性颗粒边界模型（NMGB）进行解释[7]：

eff

µ=Dµi/(D+δµi) （1）

式中

eff

µ为有效磁导率，δ为磁粉颗粒直径，D为颗粒间距，µi为颗粒的本征磁导率。粉料粒径变小，则颗粒间距减小，因此磁粉心有效磁导率降低。因此在磁粉心制备中可以通过调整合适的粒度分布以使颗粒之间的填充达到最佳，提高磁粉心的密度，从而提高磁导率。

3.2 绝缘包覆

绝缘包覆是将金属磁性粉末粒子表面均匀包覆一层绝缘膜，直接影响到磁粉心磁导率和功率损耗等特性。早期磁粉心主要应用于低频，对其研究主要着眼于如何提高磁导率而对损耗要求不高，因而对粉的包覆并不重视，但是近年随着高频逆变技术的发展，电子元件逐渐向微型化和高频化发展，因此降低高频损耗就成了亟待解决的问题。

绝缘包覆分为无机绝缘剂和有机绝缘剂包覆。常用的无机绝缘剂有云母、滑石、石英、磷酸盐、氧化物层等；而有机绝缘剂包含硅树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂及聚乙烯醇等[8]。这些绝缘物质属于非磁性介质，加入后会在一定程度上降低材料的磁导率和磁通密度。常用的包覆工艺大致可分为三类[9]：（1）AMC方法，它是将粉末先用磷酸盐或铬酸盐钝化后清洗，再加水玻璃包覆，然后加入高岭土和滑石粉搅拌均匀；用水玻璃加高岭土烧干后加滑石粉，称为MC方法；（2）直接用高温树脂包覆，称之为RC方法；（3）化学包覆法，把经过活化处理的磁粉放进具有弱酸性（如磷酸盐和铬酸盐）溶液进行处理，前者称为PSiC方法，后者称为CSiC 方法。

磁粉心的磁性能还与绝缘剂的含量有很大关系，如图1所示。从图中可以看出，随绝缘剂用量增多，磁粉心的有效磁导率逐渐降低，这是因为绝缘剂属于非磁性的介质材料，而随着这些非磁性物质含量的增大，磁粉心的有效密度减小，进而降低磁粉心的有效磁导率。而品质因数随绝缘剂含量的增加而增大，这是因为绝缘剂含量增大，粉末颗粒表面被绝缘介质包覆并隔离开，使磁性颗粒物质表面的电阻率增大，减小了磁粉心的涡流损耗，故品质因数增高。