水气联合雾化制备的铁基非晶粉末的结构及软磁性能-非晶中国

非晶金属软磁粉芯是一种具有良好综合性能的新型软磁材料，作为具有优良综合软磁性能和高性价比的新型软磁材料，Fe-Si-B非晶合金是磁粉芯材料的重要发展方向之一。

目前，对于研究较多的Fe-Si-B系列合金成分，如Fe⁷⁵Si¹⁵B¹⁰，Fe^77.5Si^13.5B⁹，Fe⁸⁰Si⁴B¹⁶、Fe⁸⁰Si⁹B¹³等，均无法达到非晶磁粉芯在100kHz，Bm=100mT测试条件下，铁损Pc<800mW/cm3，以及在100Oe直流叠加条件下，磁粉芯的磁导率降幅≤30%的应用要求。此外，目前用于制备非晶软磁粉芯粉末主要来源于非晶带材的破碎及机械球磨等，粉末多带有尖锐的棱角，磁粉芯在压制过程中容易刺破绝缘层导致粉末的绝缘性能降低，高频下磁粉芯损耗大幅增加。

由此，综合产品的应用条件要求，现有工艺以及经济成本等因素，拟采用水气联合雾化法制备成分为Fe⁷²Si^10.7B^10.7Cr^2.2P^1.5C^2.9合金粉末。

水气联合雾化制粉技术结合了水雾化和气雾化的优势，所制得的粉末兼有水雾化粉末粒度细和气雾化粉末球形度好的优点。

图1：水-气联合雾化示意图

具体雾化机理如图1所示，高温熔融金属液在重力及气体负压双重作用下进入雾化区域，钢液先于喷盘入口处被平行的涡旋气流预分散，破裂为“刷子状”的多个纤维丝状金属液滴，进而被八个V形喷嘴所喷射出的超高压雾化水破碎，钢液在表面张力作用下收缩成球，并冷却凝固成为细小球形金属粉末。

分别选用工业纯铁（纯度99.9%），工业硼铁、单晶硅、铬铁和高碳铁为试验原料，制备名义成分为Fe⁷²Si^10.7B^10.7Cr^2.2P^1.5C^2.9（at%）的合金。合金熔炼在敞口式中频冶炼炉内进行，依据元素的烧损情况及氧化难易程度依次将合金原料加入刚玉坩埚，提高功率至80～200 kW，直至炉料完全熔化。待钢液温度≥1580℃，精炼数分钟静置1～3 min后，钢液除渣干净，而后降低钢液温度至1450℃，确保合金熔融过热100～200℃，起泵开始雾化。

本雾化过程采用自主研制的八V型喷嘴喷盘，漏眼直径为4.5mm，所采用水雾化压力为105～110 MPa。雾化后粉末经水粉分离、真空干燥，气流分级和和批处理后，得到所需非晶粉末。

采用化学滴定法测试雾化粉末的化学成分；采用碳硫测定仪及测氧仪分别测量粉末碳、氧含量；采用激光粒度仪检测粉末粒度及分布；采用扫描电子显微镜观察粉末颗粒形貌及其内部显微组织结构，利用X射线衍射分析仪分析粉末颗粒相结构，靶材为铜；采用同步热分析仪测试粉末的玻璃转变温度和初始晶化温度，保护气体为氩气，升温速率为10℃/min；采用振动磁强计测量粉末比饱和磁化强度σs和矫顽力Hc。

表1： Fe⁷²Si^10.7B^10.7Cr^2.2P^1.5C^2.9合金粉末的物性

表1所示为水气联合雾化制备的Fe-Si-B-Cr-P-C合金粉末的化学成分及物性参数。由表1可知，粉末实测成分与名义成分偏差较小，成分准确，粉末氧含量较低，成品控制粉末粒度规格为D⁵⁰=13～17μm，粉末振实密度、松装密度同比较高，说明粉末的形貌、分散性较好，粒度分布合理。

图2：Fe⁷²Si^10.7B^10.7Cr^2.2P^1.5C^2.9合金粉末颗粒显微组织形貌:(a)一般粉末,(b)粉末截面

图2所示为Fe-Si-B-Cr-P-C合金粉末颗粒及其显微组织形貌。由图可知，粉末表面光洁、分散性好，颗粒主要为类球形，多呈椭球型，同时存在少部分的棒槌形、液滴状或其他不规则形状粉末颗粒。而类球形粉末对于制备高致密度、高饱和磁粉芯具有十分重要的意义。

造成粉末形貌差异的主要原因在于熔融金属液滴球化收缩及凝固时间，当液滴的凝固时间短于球化收缩时间时，金属液滴在完全球化之前已经凝固，所得粉末为不规则形状；当液滴凝固时间长于球化收缩时间时，液滴在凝固前有充分的时间球化收缩，所得到的粉末为球形粉末。此外，当粉末颗粒相对较粗时，则粉末颗粒表面预先凝固而内部仍处于熔融状态，在下降过程中冲击表面，从而使其形状由球形变成椭球或泪滴状，而已经凝固成固态的粉末颗粒间碰撞也将产生其余不规格的粉末颗粒。此外，从粉末截面形貌可知，其内部结构均匀单一，无明显第二相析出，呈现出典型非晶结构的特征。

据前人计算分析所得各种数据，得到Fe-Si-B三元合金体系的非晶形成成分范围如图3所示。

图3：Fe-Si-B三元体系非晶形成成分范围示意图

容易看到拟定的Fe-Si-B-Cr-P-C落在可形成非晶的成分范围之内。据此可说明Fe⁷²Si^10.7B^10.7Cr^2.2P^1.5C^2.9合金具有形成非晶合金的能力。

图4：Fe-Si-B-Cr-P-C合金的XRD谱

图4所示为Fe⁷²Si^10.7B^10.7Cr^2.2P^1.5C^2.9合金粉末的XRD谱。由图可知，合金存在非晶态合金标志性的宽化衍射峰，为一个典型的“馒头峰”，进一步说明合金为较完全的非晶态结构，无任何晶体相析出。

图5：Fe-Si-B-Cr-P-C非晶合金粉末热稳定性曲线

图5所示为在氩气氛下，以10℃/min的升温速率测得的雾化态Fe-Si-B-Cr-P-C非晶合金粉末的DSC曲线。由图可知，合金粉末加热过程中存在比较明显的玻璃化转变现象，转变温度Tg=495℃，同时在初始晶化温Tx=543℃附近有一个温度跨度较大的晶化放热峰，而继续升温出现的放热峰也说明合金具有典型的初晶晶化过程。非晶合金过冷液相区的宽度ΔTx=Tx-Tg=48℃，说明合金具有良好的热稳定性，非晶形成能力GFA能力强。金属软磁材料是由铁磁性元素和诸多性质、功能各异，但可导致组织结构多样化的类金属元素、结构调节元素搭配而成的。而材料的磁性能是一个常合金矫顽力对组织结构很敏感，而饱和磁化强度受成分、组织结构和外界条件等影响的物理量，通则与合金成分密切相关。FeSiB系列非晶合金随着Si与B相对含量不同，合金内部的结构出现了相应的变化，适当调整FeSiB系非晶合金中Si、B的比例，可获得较佳的综合性能（如高的饱和磁化强度、低矫顽力等）。

图6：Fe-Si-B-Cr-P-C非晶合金粉末磁滞回线

图6所示为雾化态Fe-Si-B-Cr-P-C合金粉末的磁滞回线，回线为狭窄细长状，呈现出典型软磁材料的特征。由图可知，Fe-Si-B-Cr-P-C合金的比饱和磁化强度σs为167.71 A·m2/kg，矫顽力Hc仅为68.04A/m；将Fe-Si-B-Cr-P-C合金粉末于800 MPa下冷压成27×14.5×11标准106磁粉芯环，在100kHz、Bm=100mT交流测试条件下，铁损Pc=680mW/cm3；且当外加磁场强度H=100Oe时，其有效磁导率i由65降至50.7，降幅仅为22%，说明磁粉芯环直流叠加特性好，综合软磁性能优异，满足产品的应用条件要求。