用于软磁复合材料的机械合金化超细Fe-Si粉末

《Materials Research Bulletin》：Mechanically alloyed ultrafine Fe-Si powders for soft magnetic composites

机械合金化制备Fe-6.5Si超细粉末经800℃退火后显著改善软磁性能，高频涡流损耗降低且有效磁导率超22，为低成本高频磁芯材料开发提供新途径。

　　

作者：赖淑芳|周洋|徐水源|吴仁华|袁同新|于洪雅|何家毅|聂敏|郭海|刘中武

华南理工大学材料科学与工程学院，中国广州510640

摘要

最广泛使用的软磁Fe-Si合金通常以片材或粉末的形式存在，分别通过铸造和轧制或雾化工艺制备。在本研究中，采用机械合金化方法从Fe和Si粉末制备了超细Fe-Si粉末。长时间球磨逐渐将Fe和Si转化为单一的α-(Fe,Si)固溶体。经过50小时的球磨后，获得了成分均匀、平均粒径为3.8 μm的粉末。随后在800°C下进行2小时的退火处理，通过应力释放有效改善了粉末的软磁性能。不同Fe-Si SMC的磁性能表明，基于Fe-6.5Si的SMC在100 Oe下的高频涡流损耗最低，直流偏置性能优异（92.1%），有效磁导率超过22。此外，本研究中采用机械合金化方法制备的SMC的铁损远低于以往报道的同类产品。这种低损耗优势在更高频率下预计会更加明显。本研究表明，机械合金化是一种简单可行的方法，可用于制备在MHz高频下具有良好性能的Fe-Si基SMC。

引言

电力电子技术和5G无线通信的快速发展推动了电子元件向小型化和轻量化的方向发展[1]、[2]、[3]，这对软磁材料和器件提出了更高的要求。在所有软磁材料中，具有良好频率稳定性、低铁损和制造灵活性的软磁复合材料（SMC）被广泛应用于变频空调的电感器和变压器、光伏逆变器、不间断电源、新能源汽车以及储能电站[4]、[5]。 Fe-Si合金是一类重要的软磁材料，具有较高的饱和磁化强度M_s、较低的磁各向异性H_a和相对较高的电阻率ρ[6]、[7]。众所周知，Fe-6.5Si合金（除非另有说明，否则均为重量百分比）具有优异的软磁性能，这归因于其接近零的磁晶各向异性场、显著降低的磁致伸缩率以及比低Si合金更高的电阻率。制备Fe-Si合金的传统方法包括铸造轧制和气体雾化。铸造轧制可用于制备厚度通常大于1 mm的Fe-Si板材，但由于这些合金的塑性较低，难以制备Si含量较高的样品（如4.0 wt.%及以上）。由Fe-Si板材制成的软磁芯还存在板材间电气绝缘不足的问题，导致高频下涡流损耗迅速增加，有效磁导率也在kHz范围内显著下降，从而影响品质因数[6]、[8]、[9]。因此，基于Fe-Si的SMC受到了广泛关注。目前，雾化Fe-Si合金粉末是制造SMC的主要原料。然而，尽管雾化技术已经成熟，但仍存在诸多挑战，包括工艺复杂和成本高昂。最重要的是，通过雾化方法获得的细粉（如粒径小于20 μm的粉末）产量非常低。众所周知，超细粉末（例如粒径小于5 μm的粉末）对于制备低铁损和高频率稳定性的SMC至关重要[10]、[11]、[12]。因此，开发超细Fe-Si粉末对于软磁材料的未来发展具有重要意义。 目前，已经提出了多种自下而上和自上而下的方法来制备超细粉末，包括化学合成和机械合金化。基于化学的方法存在工艺复杂和难以大规模生产的问题。特别是，通过化学方法合成含Si的Fe基合金粉末至今尚未成功。相比之下，机械合金化（MA）是一种简单的粉末制备工艺。利用球磨技术已经制备了基于铁的软磁合金粉末，如Fe-Ni、Fe-Si-Ni和Fe-Cr-Si[13]、[14]、[15]。也有报道指出可以通过这种方法获得Fe-Si粉末[16]，但目前对机械合金化Fe-Si粉末的工艺和性能仍缺乏详细研究。有限的报告显示Fe-Si粉末的粒径约为30 μm[17]。制备超细粉末仍面临诸多技术挑战。在球磨过程中，控制冷焊和颗粒破碎之间的动态平衡十分困难。粉末粒径的减小通常伴随着颗粒团聚和污染。长时间球磨可能会引入来自研磨介质和工艺控制剂的氧和碳杂质[18]、[19]。晶粒细化不可避免地会导致较大的晶格应变，从而增加矫顽力并降低软磁性能[17]。因此，目前机械合金化Fe-Si粉末的工业应用尚未实现。 在本研究中，采用机械合金化方法制备Fe-Si合金粉末。使用细粒度的Fe和Si粉末作为原料，可以获得超细Fe-Si粉末，粒径小于5 μm的粉末产率高达66%。系统评估了机械合金化粉末及其不同成分的SMC的微观结构和磁性能。基于Fe-6.5Si的SMC表现出最佳的综合性性能。结果表明，机械合金化是一种有效且低成本的工艺，可用于制备适用于MHz高频的Fe-Si基SMC粉末。

实验部分

实验方法

实验中使用了粒径分别为2-5 μm和3-5 μm、纯度分别高于99.99%和99.9%的Fe和Si粉末作为起始材料。机械合金化采用行星式球磨机（TJX-450）在氩气气氛中进行球磨。球磨罐和球磨介质均采用氧化锆制成。为减少粉末团聚，向粉末中添加了2 wt.%的正庚烷作为工艺控制剂（PCA）。

Fe-6.5Si合金粉末的制备与性能

图1展示了经过0-60小时球磨后的Fe-6.5Si粉末的X射线衍射（XRD）图谱。观察到的反射峰对应于α-(Fe,Si)相和残余Si相。未发现与有序B?和DO?相相关的超晶格反射，表明仅形成了体心立方（BCC）固溶体相。此外，也未检测到由研磨介质引入的杂质衍射峰。随着球磨时间的延长，...

结论

本研究证明，机械合金化是制备用于SMC的超细Fe-Si合金粉末的有效方法。使用细粒度的Fe和Si粉末作为原料，经过50小时、1200 rpm的球磨后，可形成单一的α-(Fe,Si)固溶体，粒径约为3.8 μm。在800°C下进行2小时的退火处理可以有效释放晶格应变和缺陷，降低矫顽力，并提高饱和磁化强度。

作者贡献声明

何家毅：项目管理和资金筹措。 于洪雅：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理和资金筹措。 袁同新：方法学研究、数据采集与处理。 吴仁华：数据验证、资源管理和项目管理。 徐水源：软件开发、方法学研究、数据采集与处理。 周洋：方法学研究、数据分析、正式分析、数据采集与处理。 赖淑芳：初稿撰写、方法学研究、正式分析、数据采集与处理、概念构思。 刘中武：撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了深圳市顺络电子有限公司的支持，该支持来自顺华先进材料与组件联合研究所的先进软磁合金实验室项目。