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磁性鐵粉壓縮成壓粉鐵芯的材料受到人們的關注。鐵粉過去主要用作燒結部件的原料，現在壓粉鐵芯出現了新的用途，因此，對鐵粉的磁學特性極為關注，并推進了新型磁性鐵粉的開發。本文對純鐵粉壓粉鐵芯特性提高技術進行了介紹，并對壓粉鐵芯用于電磁轉換裝置的預期效果進行了展望。
由于環保和節能要求的不斷提高，使得變壓器、電動機等電磁轉換裝置的作用越來越大。電磁轉換裝置主要由鐵芯和線圈構成。鐵芯是決定電磁轉換裝置轉換效率、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磁條件。目前，壓粉鐵芯在電抗器和電動機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合金粉末和非晶態等強磁性粉末。
1壓粉鐵芯的磁學特性
對電磁轉換裝置的要求是高效率、高功率。電磁轉換裝置鐵芯的磁感應強度、磁導率和鐵損是評價裝置效率和功率的主要指標。因此，要求鐵芯具有高磁感應強度、高磁導率和低鐵損。材料的磁學特性用材料在靜磁場中的磁滯曲線和交變磁場中的鐵損來評價。
磁感應強度可用磁導率和外磁場強度之積來計算（見式（1））。因此，鐵芯高磁導率，可獲得高磁感應強度。此外，飽和磁感應強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強度。
B=μH （1）
式（1）中，B：磁感應強度；μ：磁導率；H：外磁場強度。
μDC=ημ0(μt-μ0)/[N(1-η)(μt-μ0)+μ0]+μ0 （2）
式（2）中，μDC：直流磁導率；η：鐵粉填充率；N：鐵粉粒子的有效反磁場系數；μt：鐵粉粒子的固有磁導率。
磁導率（μDC）可用計算強磁粉末成形體直流磁導率的理論公式（2）來計算。
由于μ0是常數，所以根據式（2）可知，直流磁導率μDC與鐵粉填充率η、鐵粉粒子的有效反磁場系數N、鐵粉粒子的固有磁導率μt有函數關系。因此，與磁感應強度的情況一樣，當鐵粉相同時，鐵粉成形體高密度化是獲得高磁導率的有效方法。
鐵損主要由磁滯損耗和渦流損耗構成，其控制因子如圖1所示。磁滯損耗與矯頑力有很大關系。矯頑力的控制因子是阻礙疇壁移動的因子。降低阻礙疇壁移動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，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；f：交變電流頻率；Bm：最大磁感應強度。
渦流損耗是交變磁場中發生的渦電流產生的焦耳熱損失。為了降低這種能量損失并防止部件發熱，應對渦流損耗進行控制。渦流損耗有粒子內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流動，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強度和磁導率。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。影響壓粉鐵芯磁學特性的主要因子如表1所示。為提高壓粉鐵芯磁學特性，在磁性鐵粉開發方面，主要是開發新型鐵粉和新型絕緣皮膜。
2新型磁性鐵粉的開發
2.1鐵粉的開發
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，在鐵粉開發時，應根據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率方面，應當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，也可獲得高磁導率。
2.2絕緣皮膜的開發
在交變磁場中產生的渦電流以焦耳熱的形式釋放出來，形成能量損失（鐵損）。為實現低鐵損化，需要對鐵粉粒子間進行絕緣處理。因此，在磁性鐵粉粒子表面形成絕緣皮膜。根據高磁感應強度和高磁導率的要求，絕緣材料應是不影響成形性的、用量少的、能承受成形時物理變形的材料。此外，壓粉鐵芯在壓縮成形時引入應變，導致磁滯損耗增加，所以在成形后要進行消除應變退火。消除應變退火溫度越高應變消除得越徹底。但是，如果退火溫度超過絕緣皮膜的耐熱溫度，絕緣皮膜會被破壞，發生粒子間渦流損耗，引起鐵損增加。對絕緣皮膜的要求是具有承受消除應變退火的耐熱性，以及耐鐵芯本身發熱的耐熱性，使皮膜具有耐久性。
熱處理溫度和壓粉體矯頑力的關系如圖2。從圖中可知，當退火溫度超過927K時，由于發生再結晶使晶粒細化，導致磁滯損耗（矯頑力）增大，所以，將壓粉體退火溫度目標值確定為927K。目前，現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。所以對新型皮膜不斷進行開發。
2.3神戶制鋼的磁性鐵粉
神戶制鋼對鐵粉和絕緣皮膜進行了深入研究，開發出高頻、低頻用磁性粉末。如圖3所示，當交變電流頻率增加時，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磁粉壓縮成形技術的開發
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，磁粉壓縮成形技術對于提高壓粉鐵芯的磁特性有很大作用。
3.1高密度化
壓粉鐵芯的構成要素有磁性材料鐵粉、絕緣材料、空隙和防止成形時發生熱黏結的潤滑劑。由于潤滑劑是非磁性物質，因此，在要求高磁性的壓粉鐵芯中，不希望混有潤滑劑。為此，神戶制鋼開發出不添加潤滑劑的、在模具內表面涂敷潤滑劑的潤滑成形技術，使壓粉鐵芯高密度化，提高了壓粉鐵芯的磁特性。但是，這種技術目前尚不能用于復雜形狀壓粉鐵芯的制造。因此，期待開發出復雜形狀壓粉鐵芯高密度化技術。
3.2鐵粉離子表面處理
在對壓粉鐵芯進行高密度成形時，由于鐵芯和模具之間的滑動，會降低鐵芯表面的電阻。原因是滑動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，要對壓粉鐵芯表面進行激光處理。
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機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。可以預期，由于發揮粉末冶金的特點，兩種用途壓粉鐵芯都可使電磁部件實現小型化、高效化及大功率化。
4.1壓粉鐵芯用于電動機的預期效果（低頻電路用途）
電動機主要在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，電動機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：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。這些特點提高了鐵芯設計的自由度，可實現電動機的小型高效率化。
4.2壓粉鐵芯用于電抗器的預計效果（高頻電路用途）
電抗器是使電壓波動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，所以主要應降低渦流損耗。因此，使用細晶粒鐵粉。電抗器鐵芯采用壓粉鐵芯時，預期的效果除了與電動機相同的①～③點，由于壓粉鐵芯內部空隙起著控制磁導率的作用，所以可產生減少間隙數的效果。 （高宏適）