近年来电子技术发展迅猛，电子设备对所使用的电子元件性能需求不断提高，向着高频化、高功率、小型化的发展趋势突飞猛进^[1‒3]。一体成形电感是使用磁性粉末将线圈组包裹在其内部并压制而成的，因其为全密闭的构造，具备良好的磁屏蔽作用，能够有效降低外界电磁侵扰，并具有显著的降噪效果。一体成形电感因具备体积小、损耗低、耐腐蚀性强等优点，被普遍应用于智能手机、电脑、5G通讯、新能源汽车等领域^[4‒5]。软磁粉末作为一体成形电感的主要应用材料，要求具有高饱和磁感应强度（B_s）和低损耗等特点，用来减小电子元件尺寸及能量损失。因而开发高饱和磁感应强度、低损耗、高性能的新型软磁材料迫在眉睫。

FeSiCr合金粉末近些年来备受关注，是最有前景的软磁粉末产品之一。软磁粉末制备工艺主要有水雾化法、气雾化法、机械破碎法等。目前FeSiCr合金软磁粉末主要采用水雾化工艺制备^[6‒9]，因水雾化工艺具有生产成本低、工艺稳定、粉末粒度细等优点被广泛应用于粉末冶金行业，但水雾化产出粉末形貌特征较差是需要进一步攻克的难题。粉末形貌特征包括粉末形状、比表面积、球形度及表面缺陷等，直接关系到粉末的振实密度和流动性，从而影响粉末的综合性能^[10‒11]。

本文采用改进型组合雾化冶炼工艺制备出不同规格的FeSiCr软磁合金粉末，并与常规组合雾化工艺生产的粉末做对比，探索改进型组合雾化工艺对软磁粉末形貌特征、氧含量及磁性能的影响，为FeSiCr软磁合金粉末产品性能提升提供方向和依据。

1.   实验材料及方法

1.1   样品制备

将纯度＞99%工业纯铁、工业硅、金属铬按比例放入中频炉中，加热至1670～1700 ℃，待钢液完全融化，通过常规组合雾化工艺制粉，并经过液固分离、干燥、筛分、合批工序，得到化学成分为FeSi_3.5Cr_4.5的粉末，并经500目、400目、325目筛网筛分，粉末样品物理指标如表1所示。采用改进型组合雾化方式制备4#～6#样品粉末，钢液经过漏眼后，将钢液破碎并冷却凝固成粉末，然后分别采用500目、450目及250目筛网筛分。

表  1  FeSi_3.5Cr_4.5粉末样品物理指标

Table  1.  Physical properties of the FeSi_3.5Cr_4.5 powder samples

序号	制备工艺	筛网	D10 / μm	D50 / μm	D90 / μm	氧含量（质量分数） / ×10‒6	振实密度 / (g·cm‒3)
1#	常规	500目	2.47	6.05	12.87	3054	4.00
2#	常规	400目	3.60	10.59	24.56	2258	4.16
3#	常规	325目	4.15	14.09	42.67	1948	4.31
4#	改进型	500目	4.48	10.23	19.98	1314	4.67
5#	改进型	450目	6.41	13.93	22.81	864	4.76
6#	改进型	250目	8.95	25.90	42.53	600	4.90

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   检测与表征

采用Mastersizer3000型激光粒度分析仪检测粉末激光粒度，利用钢研纳克O-3000型氧分析仪检测粉末氧含量，并使用JW-BK222型比表面积孔径分析仪测量粉末比表面积。通过JSM-6510型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察粉末形貌，利用X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）分析粉末物相，并使用震动磁强计（vibration magnetometer，VSM）测试样品饱和磁感应强度。在样品粉末中加入质量分数1.5%树脂并与丙酮混匀，烘干后放入模具中压制成环，利用TH2829C型自动元件分析仪检测磁环电感，并通过MATS-2010SA型软磁交流测量装置检测磁环损耗。

2.   结果与分析

2.1   改进型组合雾化原理

常规组合雾化工艺将水雾化和气雾化两种雾化方式结合，既能利用气雾化制备出粉末具有成球性好、氧含量低的优点，又能拥有水雾化冷却速度快、粉末粒度细的特点。组合雾化过程如图1所示，熔融钢液通过漏眼进入到一次雾化区域，钢液被惰性气体冲击分裂，熔体在表面能及粘度的作用下，破碎成熔融小液滴并开始球化。当熔融液滴下落到水雾化打击区域时，进行二次雾化，小液滴在高压水射流的冲击下被再次破碎并急速冷却凝固成金属粉末。一次雾化阶段采用氮气、氩气等惰性气体为介质，可以阻止雾化过程中金属液滴的氧化反应，降低粉末氧含量；二次雾化阶段以水为介质。改进型组合雾化工艺则是在常规组合雾化基础上，进一步优化一次雾化阶段的效果，使粉末具有更充足的时间球化。

图  1  雾化过程示意图

Figure  1.  Schematic diagram of the atomization process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

一次雾化过程对粉末球形度的提升起到关键作用。雾化制造金属粉末过程中，See和Johnston^[12]通过确定冷却时间、熔化温度和凝固潜热时间的组成关系推导出熔融金属液滴在气体中冷却并凝固成金属粉末所需时间（t₁），如式（1）所示。

式中：d₁为液滴直径；ρ₁为熔体密度；h_c为传热系数；C_p为比热容；T₁为熔体温度；T_m为钢液熔点；T_gas为气体温度；ΔH为焓变。

Nichiporenko和Naida^[13]研究和计算了熔体雾化期间小液滴球化所用时间，得到液滴球化时间（t_sph），如式（2）所示。

式中：μ₁为液滴动力粘度；σ为表面张力；V为液滴体积；r₁为液滴球化前半径；r为液滴球化后半径。

因水的冷却速度极快，一般为10⁴～10⁵ K·s^‒1，实际雾化中最快可达10⁵ K·s^‒1，因此金属液滴在一次雾化区域被破碎成小液滴并球化后，在二次雾化过程迅速凝结成粉末，凝固时间几乎可以忽略不计，因此液滴从凝固形核开始到一次雾化结束的时间为t₂。t₂与一次雾化全程的长度呈正比，与熔体下落速度与加速度呈反比。当t₁＞t₂＞t_sph时，粉末球化时间充足，但是近似球形的液滴并未凝固成形，直接进入二次雾化阶段，被水再次破碎并凝固，产出异形颗粒粉末；当t₁＞t_sph＞t₂时，小液滴在一次雾化阶段球化时间不充足，进入二次雾化阶段时，未凝固的液滴被高压水冲击破碎，并凝固成不规则粉末；t_sph＞t₁＞t₂与t₁＞t_sph＞t₂效果一致。由此可知，只要t₁＞t₂，进入二次雾化阶段小液滴未凝固，则雾化后的粉末形貌球形度差，下文中将此类型的粉末形貌称为I类。当t₂＞t_sph＞t₁时，粉末球化时间不充足，但在进入二次雾化阶段时已经凝固成型，雾化后的粉末表面光滑，但球形度不高；t_sph＞t₂＞t₁原理与t₂＞t_sph＞t₁类似，将此类型的粉末形貌称为II类。当t₂＞t₁＞t_sph时，粉末有充分的时间球化，并在进入二次雾化阶段前，粉末凝固完成，由此形成近球形粉末，将此类型的粉末形貌称为Ⅲ类。

2.2   形貌分析

结合式（1）和式（2）可以看出，液滴凝固和球化时间的主要影响因素为液滴的粒径大小。图2（a）为改进型组合雾化工艺产出的10 μm磁粉，由于其粒径较小，液滴凝固时间短，同时粉末球化所需时间越短，因而本粒度段粉末呈球形，主要为III类形貌。图2（b）中同时有I、II、III类形貌，是由于粉末粒径较粗，粉末凝固时间相对较长，粉末主要呈球形、椭球形及不规则形态。常规组合雾化由于一次雾化时间较短，大部分呈水雾化常见的不规则形貌特征，表面粗糙，只有少量粒径较小的粉末呈表面光滑的椭球形、纺锤形、球形，如图2（c）和图2（d）所示，主要由I类形貌组成。

图  2  FeSiCr粉末形貌：（a）D₅₀=10 μm（改进型）；（b）D₅₀=25 μm（改进型）；（c）D₅₀=10 μm（常规）；（d）D₅₀=25 μm（常规）

Figure  2.  Morphology of the FeSiCr powders: (a) D₅₀=10 μm (improved); (b) D₅₀=25 μm (improved); (c) D₅₀=10 μm (conventional); (d) D₅₀=25 μm (conventional)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   比表面积及氧含量

比表面积（specific surface area）指在单位质量或体积下粉末表面占据的总面积，通常作为判断粉末形貌好坏的依据，粉末的比表面积越大，表示粉末形貌越不规则，拥有复杂的外表面。因改进型组合雾化工艺产出的粉末近似球形，为简化分析过程，了解不同粒径对粉末比表面积的影响，将每个粉末颗粒假设为密度均匀且半径相同的球体，采用粉末中值粒径（D₅₀）表示球体直径，则球体的质量比表面积（S_p）如式（3）所示。

式中：ρ为球体密度；S、V₁、R分别为球体总外表面积、体积和半径。由式（3）可知，在相同成分下，影响球体比表面积的最大因素是球体粒径，粒径越大，比表面积越小。如图3所示，4#～6#样品的比表面积随着粒径的增加而减小，并因球体的比表面积与球体粒径成反比关系，随着粉末粒径由10 μm增加到25 μm，其比表面积下降较为缓慢；常规组合雾化产出的1#～3#样品虽然形貌较差，但其粒径大小同样是影响比表面积的重要原因之一。已知在体积相同的情况下，球体的比表面积是最小的，因此，在粒径相同的情况下，4#～6#近球形样品粉末的比表面积普遍小于形貌不规则的1#～3#样品。

图  3  比表面积随粒度变化曲线

Figure  3.  Relationship between the specific surface area and grain size

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由于常规组合雾化与改进型组合雾化工艺均需要水来做雾化介质，雾化时熔融金属被雾化水破碎成金属颗粒后，会与雾化水产生的水蒸气密切接触，并被其包裹在表面，形成一层气膜来影响热传递；因此粉末颗粒很容易与水蒸气发生氧化反应，产生Cr₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、FeCr₂O₄等氧化物，并在颗粒表面形成一层氧化膜^[14]，如式（4）所示。

粉末中的总氧含量（X_tot，质量分数）^[15]如式（5）所示。

式中：X_b、X_O分别为粉末内部及表面氧含量；S_p为比表面积；ρ_ox为氧化物密度；ω_ox为氧化物中氧的质量分数；t_ox为氧化物厚度。为了解粉末表面氧含量占总氧含量的比重（X_O,rel），将式（5）重新调整为（6）。

在FeSiCr粉末氧化过程中，表面会形成成分和厚度不均匀的氧化物薄层，并且薄层上还具有富含Si和Cr氧化物微粒。Karlsson等^[15]对低铬材料表面氧化物相对量进行分析，并通过计算得出组成氧化层薄膜的氧约占总氧量的45%。张昊^[16]将粉末表面薄膜及氧化物微粒同时考虑在内，发现粉末表面的氧含量几乎占据了粉末的总氧含量，且粉末的氧化反应主要发生在粉末表面。

因此结合式（5）和式（6），可以看出影响粉末氧含量最大的因素为比表面积，随着粉末粒径的增大，粉末氧含量逐渐降低。其中4#～6#近球形样品粉末，因比表面积小，在粒径相似的条件下，改进型组合雾化工艺产出的粉末氧含量远小于常规组合雾化粉末的氧含量。另外与常规组合雾化方式相比，改进型组合雾化工艺延长了金属液滴与惰性气体接触时间，也是导致产出粉末氧含量低于常规雾化粉末的原因之一。

图4为不同工艺生产FeSiCr磁粉的X射线衍射图谱。从图中可以看出，2#、4#、6#样品均由α-Fe(Si,Cr)相组成，未出现其它相结构。说明常规组合雾化与改进型组合雾化生产的产品物相组成基本一致，且同工艺产出不同粒径的FeSiCr（4#、6#）物相结构也相同。

图  4  FeSiCr磁粉X射线衍射图谱

Figure  4.  XRD patterns of the FeSiCr magnetic powders

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   不同工艺FeSiCr磁粉的磁滞回线

图5（a）为不同工艺及粒度FeSiCr磁粉的磁滞回线。从图中可以看出，不同粒度的常规雾化粉末样品饱和磁化强度相差不大，改进型组合雾化工艺生产的4#、5#样品饱和磁化强度也无明显差异；但当粉末粒径从10 μm到25 μm时，饱和磁化强度略有提高，且改进型组合雾化粉末比常规组合雾化粉末饱和磁化强度高2%左右。

图  5  FeSiCr磁粉的磁滞回线：（a）磁滞回线；（b）局部放大图

Figure  5.  Hysteresis loops of the FeSiCr magnetic powders: (a) hysteresis loop; (b) partial magnification

下载: 全尺寸图片 幻灯片

已知，在磁化过程中磁晶内应力及各向异性会阻碍磁畴的旋转和移动，产生不可逆的磁化反应，从而影响矫顽力的大小，矫顽力与内应力、各向异性成正比。Kronmuller利用微磁学理论计算发现晶粒越大，矫顽力（H_c）数值越低^[17]。图5（b）为1#～6#样品的矫顽力。由图可知，不同工艺及粒度FeSiCr磁粉的矫顽力有着明显差异，随着粉末粒径的增大，粉末矫顽力呈下降趋势。这是因为随着粉末颗粒的粒径增大，雾化过程中液滴冷却速度相对减缓，晶粒有充足的时间生长，从而减少内部缺陷的生成，降低粉末内应力和各向异性，因此粉末粒径与矫顽力呈反比关系。另外，常规组合雾化工艺冷却速度比改进型组合雾化工艺快，粉末晶粒尺寸小，晶体缺陷增多，内应力大，晶界所占面积变多，粉末磁化过程中磁畴转动阻力增加，最终导致1#～3#样品粉末矫顽力普遍大于4#～6#样品。

2.5   磁粉形貌对磁导率的影响

粉末磁化过程与诸多因素有关联，磁化机理包括畴壁的位移和磁畴的旋转过程。畴壁位移主要阻力来自内应力和杂质，而磁畴旋转主要是受到磁晶各向异性、内应力以及退磁场能的影响^[3]，磁粉芯的有效磁导率（μ_e）如式（7）所示。

式中：μ_i为磁粉初始磁导率；M为磁粉芯质量；ρ₂为磁粉芯密度；m为磁粉质量；ρ₃为磁粉密度。由式（7）看出，磁粉质量一定时，影响磁粉芯有效磁导率的主要因素为磁粉芯的密度，密度越大，磁粉芯的有效磁导率越高。随着粉末粒径的增大，粉末比表面积越小，粉末的表面缺陷越少；在压制或振实的过程中，粉末颗粒之间会产生更少的孔隙，而且细小粉末颗粒能填充大颗粒之间的空隙，使磁粉芯的密度和粉末振实增加。如图6所示，随着粉末粒径的增大，磁粉芯密度变大，磁粉芯有效磁导率也不断提高。

图  6  FeSiCr磁粉芯磁导率随频率及粒度变化曲线

Figure  6.  Magnetic permeability in the core of the FeSiCr alloy powders with frequency and particle size

下载: 全尺寸图片 幻灯片

此外，在相同粒径下，改进型组合雾化粉末（4#～6#）的有效磁导率普遍低于常规组合雾化粉末（1#～3#）。这是因为粉末近似球形，压制时，颗粒之间接触面积仅为一个点，成形性差，并由此产生较大的退磁系数^[7]，粉末内部存在较高的退磁场，因此改进型组合雾化粉末退磁率系数大于常规雾化粉末。退磁系数（N）与磁粉有效磁导率关系（μ_e）如式（8）所示。

式中：N为退磁系数；θ_i为磁相体积分数。从式（8）中可以看出粉末退磁系数越大，磁粉的有效磁导率越低，因此形貌不规则的粉末，有效磁导率反而要优于球形粉末。另外，随着频率的提高，磁粉损耗不断增大，最终导致粉末磁导率有降低的趋势。

2.6   磁粉形貌对直流偏置能力的影响

给样品一个外加直流磁场，磁粉芯衰减后的有效磁导率与没有加磁场时的磁导率比值被称为直流偏置，比值越大，表示磁粉芯抵抗磁导率衰弱的能力越好，直流偏置能力越优秀。直流偏置能力的好坏与粉末的材料、形状和粒度以及磁粉芯的制备工艺等因素密切相关。磁粉芯普遍应用于直流或交流电路中，在使用过程中，磁粉芯的磁导率会有衰减现象，因此直流偏置能力是衡量磁粉芯磁性能好坏的重要指标之一^[18]。

如图7所示，在粉末粒径相同的情况下，改进型组合雾化粉末的直流偏置能力要优于常规雾化粉末，原因是近球形粉末具有较高的饱和磁感应强度，另外由于粉末颗粒之间有退磁场的存在，磁粉芯内部实际磁场强度要低于外加磁场，而具有较高退磁场的球形粉末内部实际磁场强度要低于具有低退磁场的不规则粉末，因此4#～6#近球形样品粉末更不易磁化达到饱和。从局部放大图中可以看出，随着粉末粒径的增大，磁粉芯的直流偏置能力逐渐减弱，是由于随着粉末粒度的增大，磁粉芯内部的气隙不断减少，磁粉芯达到饱和的阻碍会减弱，更容易达到饱和，因此磁粉芯的直流偏置能力逐渐衰弱。

图  7  FeSiCr磁粉芯直流偏置能力随直流磁场及粒度变化曲线

Figure  7.  DC bias properties in the core of the FeSiCr alloy powders with magnetic field and particle size

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.7   磁粉形貌对损耗的影响

为了节约能源，提倡绿色环保，降低磁粉芯工作温度，提高电子元件的使用寿命，磁粉芯的能量损失和消耗应控制的越小越好，而损耗则是判断材料在应用过程中能量损失多少的重要参数。磁粉芯的总损耗（P_cv）一般由三个部分组成：磁滞损耗（P_h）、涡流损耗（P_e）和残余损耗，其中残余损耗来自磁畴壁的磁化弛豫和共振，只有在高频和弱磁场中才能体现，因此在本文中对残余损耗不做考虑，总损耗（P_cv）可表示为如式（9）所示。

式中：K_h、K_e、n为常数；B_m为磁场强度；f为频率。由于磁滞损耗和涡流损耗会受到不同因素的影响，因此要对它们进行分开讨论。从式（10）可以看出P_cv/f与f为线性关系，因此可以检测不同频率下的总损耗，并通过线性拟合分别计算出磁滞损耗和涡流损耗，如式（11）和式（12）所示。

计算结果如图8所示，分别为100 kHz、50 mT下FeSiCr磁粉芯的磁滞损耗和涡流损耗，而此时磁滞损耗占主导作用。研究表明，在磁化过程中，随着磁畴的不可逆转动和位移，会产生热量并随之消散的这部分能量损失为磁滞损耗，通常与磁粉本身的成分、内应力等因素有关，因为常规雾化粉末（1#～3#）在冶炼过程中冷却速度快，这会使粉末内部有较大的内应力和各向异性，因此在磁化过程中，磁畴运动受到阻碍，产生了较高的磁滞损耗。

图  8  FeSiCr粉心损耗随粒度变化曲线：（a）磁滞损耗；（b）涡流损耗

Figure  8.  Core losses of the FeSiCr alloy powders with the frequency and particle size: (a) hysteresis loss; (b) eddy current loss

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从式（9）可以看出总损耗与磁场强度和频率呈正相关。从图9也可以看出，随着磁场强度和频率的增强，磁粉芯总损耗有增大的趋势。然而由于涡流损耗随磁场强度、频率的增加呈指数增涨，且磁滞损耗主要是受本体特征的影响，因此在高频下涡流损耗会占据主导作用。涡流损耗是指在交流磁场中磁体内部会产生涡流，并因此导致的能量损失。涡流损耗主要受粉末形貌、粒径大小以及电阻率等因素的影响。高频下涡流损耗公式还可表示为式（13）^[19]。

图  9  磁粉芯损耗随磁场强度及粒度变化曲线：（a）50 kHz；（b）100 kHz

Figure  9.  Curves of the magnetic core loss with magnetic field intensity and particle size: (a) 50 kHz; (b) 100 kHz

下载: 全尺寸图片 幻灯片

式中：C为常数；ρ_i为材料电阻率。从式中可以看出涡流损耗与粉末粒径的平方呈正比，与电阻率呈反比。因而随着粉末粒径的增大，磁粉的涡流损耗不断上升，如图8（b）所示。由于4#～6#球形样品压制后粉末之间为点对点接触，颗粒间有效接触面积较小，电子在穿越晶粒之间的阻力相对较大^[20]，因此球形粉末的电阻率较大，涡流损耗要小于常规雾化粉末。

3.   结论

（1）改进型组合雾化工艺通过优化一次雾化过程，增加粉末球化时间，产出粉末球形性好。改进型组合雾化粉末具有比表面积小、氧含量低的特点，这是因为雾化过程中产生的氧化物主要集中在粉末表面，比表面积越小，粉末氧含量越低。与常规组合雾化粉末对比，改进型组合雾化10 μm粉末比表面积由0.351 m²·g^‒1下降到0.147 m²·g^‒1。

（2）FeSiCr球形粉末内部存在较大的退磁场，磁粉芯的磁导率明显低于常规雾化粉末，但改进型组合雾化粉末具有优秀的直流偏置能力。在200 Oe磁场强度下，同为10 μm近球形粉末的直流偏置能力为57.65%，而形貌不规则粉末直流偏置能力仅为51.41%。改进型组合雾化粉末饱和磁化强度也略高于常规雾化粉末。

（3）随着磁场强度的增加，FeSiCr磁粉芯总损耗不断上升，在相同粒径下，改进型组合雾化粉末的总损耗要比常规雾化粉末低。这是因为改进型组合雾化粉末冷却速度较慢，粉末内应力较小、矫顽力低；同时由于近球形粉末具有较高的电阻率，改进型组合雾化粉末的磁滞损耗和涡流损耗均小于常规雾化粉末。在100 Hz、50 mT下，10 μm改进型组合雾化粉末与常规雾化粉末的总损耗分别为593 mW·m^‒3和734.2 mW·m^‒3。