简介概要

MnZn-FeNi复合烧结软磁材料的烧结过程和性能研究

来源期刊：稀有金属2011年第1期

论文作者：杨红川于敦波李世鹏胡权霞闫文龙李扩社

文章页码：28 - 32

关键词：复合烧结软磁;密度;晶粒;磁性能;

摘要：采用粉末冶金法制备了MnZn-FeNi复合软磁材料,采用排水法、金相显微镜和X射线衍射仪等手段,研究了样品的烧结过程、坯体的致密化、晶粒生长规律、样品的相结构。采用物理性能综合测试仪（PPMS）测定烧结体的磁性能,研究了材料的微观结构和材料软磁性能之间的关系,分析了样品磁性能变化规律。研究表明,样品密度随烧结温度升高而增大,当烧结温度超过1673K以后,密度变化趋缓。在烧结过程中,影响材料致密性的主要因素为材料中的气孔和晶粒。随烧结温度升高,气孔向晶界和样品表面迁移,并且合并长大,同时,晶粒也发生长大。复合烧结软磁中的FeNi合金和MnZn软磁铁氧体仍保持原有的相结构,在1773K的较高烧结温度时,软磁铁氧体出现分解,产生了部分杂相。通过优化烧结工艺,复合烧结软磁材料的烧结温度在1573～1673K范围内时,样品取得了较好的磁性能,其磁性能为初始磁导率μi=1128,饱和磁化强度Ms=4349kA·m-1。

稀有金属 2011,35(01),28-32

MnZn-FeNi复合烧结软磁材料的烧结过程和性能研究

于敦波李世鹏胡权霞闫文龙李扩社

北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心有研稀土新材料股份有限公司

摘要：

采用粉末冶金法制备了MnZn-FeNi复合软磁材料, 采用排水法、金相显微镜和X射线衍射仪等手段, 研究了样品的烧结过程、坯体的致密化、晶粒生长规律、样品的相结构。采用物理性能综合测试仪 (PPMS) 测定烧结体的磁性能, 研究了材料的微观结构和材料软磁性能之间的关系, 分析了样品磁性能变化规律。研究表明, 样品密度随烧结温度升高而增大, 当烧结温度超过1673K以后, 密度变化趋缓。在烧结过程中, 影响材料致密性的主要因素为材料中的气孔和晶粒。随烧结温度升高, 气孔向晶界和样品表面迁移, 并且合并长大, 同时, 晶粒也发生长大。复合烧结软磁中的FeNi合金和MnZn软磁铁氧体仍保持原有的相结构, 在1773K的较高烧结温度时, 软磁铁氧体出现分解, 产生了部分杂相。通过优化烧结工艺, 复合烧结软磁材料的烧结温度在1573～1673K范围内时, 样品取得了较好的磁性能, 其磁性能为初始磁导率μi=1128, 饱和磁化强度Ms=4349kA·m-1。

关键词：

复合烧结软磁;密度;晶粒;磁性能;

中图分类号： TF124.5

收稿日期：2010-03-01

基金：国家自然科学基金资助项目 (50771022);

Sintering Processes and Properties of MnZn-FeNi Composite Sintered Soft Magnets

Abstract：

MnZn-FeNi composite soft magnetic materials were prepared by powder metallurgy technique.Sintering processes of samples, densifying processes of roughcasts, law of grain growth, and phase structure of samples were systematically investigated by dewaterinig method, metallographic microscope and X-ray diffractometer, etc.Magnetic properties of sintering samples were measured with physical property integration measurement system (PPMS) .The relation between microstructure and soft magnetic properties were studied, and the variation of magnetic properties was analyzed.The results showed that the density of the samples increased with the sintering temperature rising.The increase of density slowed down, when the sintering temperature was above 1673 K.In the process of sintering, the change of void and grain in the samples had primary effect on the compactness.With sintering temperature going up, the void moved to grain boundary and surface of the samples, partly amalgamated and grew up, at the same time, the grain also grew up.FeNi alloys and MnZn ferrite in the composite soft magnetic materials remained original phase components, but at the higher sintering temperature of 1773 K, the ferrite began to decomposed, and a small quantity of impurity occurred.The appropriate sintering temperature ranged from 1573 K to 1673 K, the optimal magnetic properties were obtained, initial permeability μi=1128, saturation magnetization Ms=4349 kA·m-1.

Keyword：

composite sintering soft magnetic materials;density;grain;magnetic properties;

Received： 2010-03-01

随着信息技术的迅猛发展, 高频化、集成化、小型化成为电子产品的发展趋势, 研制高性能、高效率的小型化磁性电感器件已成为该领域研究的热点 ^[1,2,3,4,5] 。作为电感器的核心部件, 在高频电路中使用的电感磁芯主要有软磁铁氧体和金属磁粉芯。软磁铁氧体材料的特点在于它的高电阻率, 在高频使用条件下仍具有较高的磁导率, 而且涡流损耗小。铁氧体磁芯最大的不足在于饱和磁通密度小, 直流叠加特性和机械性能差 ^[6,7,8] 。软磁金属磁粉芯具有较大的饱和磁通密度, 与软磁铁氧体磁芯相比, 使用金属磁粉芯时, 在磁路设计时不必设置间隙, 可以减少蜂鸣音和漏磁产生的铜损, 但金属磁粉芯最大的缺点是磁导率低 ^[9,10,11,12] 。因此, 传统的软磁磁芯材料越来越难以满足现代电子工业的发展。由金属软磁和铁氧体软磁所组成的金属基-铁氧体复合软磁材料是为适应电子工业的一些特殊需求而在近年开发的一种新型软磁材料 ^[13] 。该材料的特点是力学性能比软磁铁氧体高, 磁导率比磁粉芯材料高而电阻率比金属软磁材料高, 克服了单一软磁铁氧体材料、金属软磁和磁粉芯材料的不足, 具有较好的综合性能 ^[14,15] 。本论文以MnZn-FeNi复合烧结软磁为研究对象, 对材料的烧结过程和材料性能进行了初步研究。

1 实验

将MnZn铁氧体粗破碎至1～2 mm的颗粒, 在对辊球磨机上球磨1～2 h, 球磨介质为乙醇, 得到粒度小于100 μm的铁氧体粉末, FeNi粉末为真空雾化粉末, 粒度为50～80 μm。将铁氧体粉末与FeNi合金按质量比1∶1混合球磨1 h。在小型成型压力机上压制成型, 压力为5～10 MPa, 保压时间为5 min。在1373, 1473, 1573, 1673, 1773 K等温度下烧结2 h, 烧结气氛为含氧的氮气, 氧分压为0.2 Pa。利用X射线衍射仪分析样品的相结构, 扫描速度为4 (°) ·min^-1, 扫描范围为20°～80°。应用金相显微镜分析样品的显微组织, 用水密度法测量样品的密度, 利用物理性能综合测试仪 (PPMS) 测量样品的磁性能, 采用双电桥法测试样品的电阻率。

2 结果与讨论

2.1烧结体的微结构

图1为烧结体温度与烧结体密度的关系, 从图中可以看出, 在1373～1773 K范围内, 随烧结温度的升高, 样品的密度一直呈上升的趋势。在1373～1673 K烧结温度范围内, 随着烧结温度的上升, 烧结体密度上升较快, 而在超过1673 K的较高温度范围内, 密度上升趋缓。样品在烧结后密度的大小, 主要取决于烧结体晶粒的变化和烧结粉体的致密化过程。在实际烧结过程中, 粉料成型体的致密化主要依赖于样品烧结过程中气孔的排出、长大与迁移。图2为不同烧结温度下复合烧结软磁材料的金相显微结构。从图2 (a) 可以看出, 在1373 K较低烧结温度时, 晶粒中存在较多气孔, 而且晶粒较小。随着烧结温度的提高, 气孔发生迁移和长大, 气孔一般向晶界和表面迁移。一部分气孔通过烧结体表面而排出烧结体, 另一部分气孔通过大气孔合并小气孔而长大。未排除烧结体的气孔, 常位于两晶粒的晶界、三晶粒或多晶粒的结合点处, 少量被包裹在晶粒中。温度超过1673 K后, 致密化过程明显减慢, 而晶粒生长则较为迅速, 如图2 (c) 。据Coble ^[15] 的定义, 固相烧结可分为3个阶段, 即烧结初期、烧结中期和烧结后期。烧结中期始于晶粒生长开始之时, 并伴随颗粒间界面的广泛形成, 大部分的致密化过程和部分的显微结构变化产生于这一阶段。因此, 烧结的中期阶段对烧结体的密度起着主要的影响。在中期烧结期间, 无论是致密化还是晶粒生长, 其基本的推动力均为表面张力, 表面扩散是它们共同的物质传送途径, 温度的高低对烧结进程起着决定性的影响。因此, 烧结温度较低时, 烧结过程主要集中在烧结初期和烧结中期, 烧结后期进行的不充分或还未进入烧结后期, 烧结就已结束, 烧结过程的致密化进行的不充分, 如图2 (a) 的显微组织所示。随着烧结温度的提高, 烧结过程的三阶段进行的也就越充分, 其致密化程度也越高, 其密度随温度增加也迅速提高, 如图2 (c) 。由于在较高烧结温度时, 烧结致密化得以充分进行, 其密度大小主要取决于烧结后期的晶体生长, 因此, 当烧结温度超过1673 K时, 其密度增加比较缓慢, 如图1所示。

图1 烧结体密度和温度的关系

Fig.1 Relation between density and sintering temperature of samples

图2 不同烧结温度下样品的显微组织

Fig.2 Microscopic structure at different sintering temperature

(a) 1373 K; (b) 1573 K; (c) 1773 K

图3是复合烧结软磁样品在1373, 1473, 1573, 1673, 1773 K不同烧结温度下的X射线衍射图谱。从图中可以看出, 在烧结温度范围内, 复合烧结软磁样品为MnZn铁氧体和FeNi的两相结构, 其中实心三角形是FeNi合金三强峰, 其余小实心圆点为MnZn铁氧体的衍射峰。表明在传统烧结气氛 (有氧分压的氮气) 中, 烧结复合软磁材料中的铁氧体和FeNi合金仍保持原有的相结构, 但当温度较高时有少量杂相出现。

根据MnZn铁氧体[311]衍射峰的半高宽, 利用Scherre公式, D=Kλ/βcosθ, 式中: 常数K=0.89, λ=0.154178 nm, β为半高宽, θ为衍射角, 计算复合烧结软磁样品中MnZn铁氧体晶粒的平均粒径。同理也可计算出烧结体中FeNi合金的晶粒与温度的关系, 计算结果如图4所示。比较图1, 4可以看出, 在1373～1773 K的烧结温度范围内, 随着烧结温度的增加, 烧结体的密度增加, 烧结体的晶粒尺寸也在增加, 但密度和晶粒变化的趋势存在差别。从图1中可以看出, 在烧结的开始阶段, 复合烧结软磁的密度增加较快, 到1673 K以后, 密度增加趋于平缓。从图4中看到, 烧结体在开始阶段, 晶粒变化比较缓慢, 当温度超过1673 K时, 晶粒增长较快, 在达到1773 K时出现了较快地增长, 这可能与晶粒出现了不连续地异常长大有关。因此, 比较密度和晶粒的变化可以看出, 在烧结温度较低时, 烧结体的致密化对样品的密度有较大影响, 而在较高温度时, 晶粒的变化对样品的密度有较大的影响。

图3 不同烧结温度下的X射线衍射图

Fig.3 XRD at different sintering temperature

2.2烧结体的磁性能和电阻率

图5和6分别为样品在不同温度下的磁化曲线和电阻率, 图7为不同烧结温度下材料的初始磁导率, 图8为不同烧结温度下的材料的饱和磁化强度。从图7, 8中可以看到, 在烧结温度较低时, 随烧结温度的升高, 样品的磁导率和饱和磁化强度都迅速提高, 在1673 K时达到最大, 随后下降。主要是在温度较低时, 在烧结体中存在较多的气孔, 烧结体密度较低, 如图2 (a) 所示, 导致磁导率和饱和磁化强度较低。当烧结温度提高时, 有利于烧结体中气孔的收缩和排除, 降低了烧结体中的孔隙率, 如图2 (b) , (c) 。同时, 在烧结温度较高时, 便于消除烧结体中的内应力, 使得材料中磁畴转动受到的阻力降低, 在外磁场作用下, 磁畴转动更加容易, 有利于样品磁导率的提高。同时, 烧结温度较高时, 晶界上原子的扩散和传输加快, 有利于晶界的迁移, 样品的晶粒长大, 晶界相减少, 有利于烧结体的致密化, 因此, 在一定温度范围内, 提高烧结温度, 使得样品的软磁性能得以提高。但当烧结温度超过1673 K时, 由于烧结温度较高, 出现了少量的MnO和Fe₂O₃, 如图3所示, 恶化了材料的软磁性能。同时, 在高温烧结时, 材料会出现晶粒的不连续长大, 破坏了材料的均匀性, 对材料的性能产生了不利的影响。因此, 材料的烧结温度应控制在一个合适的温度范围内。在本实验工艺条件下, 烧结温度为1673 K时, 复合软磁材料具有较好的软磁性能, 其初始磁导率μ_i=1128, 最大饱和磁化强度M_s=4349 kA·m^-1。一般金属磁粉芯材料的初始磁导率不超过200, MnZn软磁铁氧体材料的饱和磁化强度为3000～5000 kA·m^-1, 因此, MnZn-FeNi复合烧结软磁材料的初始磁导率要大大高于磁粉芯材料, 而饱和磁化强度与软磁铁氧体材料相当, 同时, 材料的力学性能特别是抗冲击能力明显高于铁氧体, 能在一定程度上克服软磁铁氧体材料容易发生裂纹和掉渣的现象。图6为不同烧结温度下样品的电阻率, 从图上可以看到, 随烧结温度的提高, 样品的电阻率是逐步下降的, 最后稳定在1500～2000 μΩ·cm, 明显高于金属软磁材料的电阻率, 具有一定的抗涡流能力, 拓展了材料的应用领域。因此, 对复合烧结软磁材料软磁性能的初步研究表明, 该材料有可能应用于常规软磁材料 (金属软磁、磁粉芯和软磁铁氧体) 无法应用的一些方面。