1 前言
Fe基软磁复合材料具有高的磁导率、低的涡流损耗和总损耗，作为电抗器、变压器、电感器、滤波器、调频扼流圈及开关电源的铁芯部分，广泛地应用于电讯、雷达、电视、电源等技术中，它的工作频率可以从几十赫兹到兆赫兹量级[1,2]。金属磁性粉末的绝缘包覆是该类磁体制备的一个重要工序。绝缘包覆层分为两个主要的类型：无机物包覆层和有机物包覆层。无机包覆层又可细分为金属氧化物包覆层(如Al2O3、MgO、Fe2O3等)、磷酸盐包覆层(如磷酸锌、磷酸铁和磷酸锰等)和硫化物包覆层等[3-6]。有机物包覆层包括热塑性包覆层和热固性包覆层[1,7]。新发展起来一种磁性物质作为包覆剂，如MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、Ni铁氧体等[8-12]。由于这些包覆物为磁性物质，最大的优点是避免了非磁性物质对磁性物质磁导率和饱和磁感应强度的大幅度降低。此外，如MnZn、NiZn铁氧体本身是软磁材料，具有较高的电阻率，在高频下应用[13,14]。因而采用铁氧体软磁材料作为包覆剂除了可以保留较高的磁导率和磁感应强度外，还可以提高Fe基软磁复合材料的应用频率，具有高频稳定性。
本研究以NiZn铁氧体作为包覆剂，以氯化盐作为原料，采用化学共沉淀法制备NiZn铁氧体并在溶液中完成对纯Fe粉的包覆。进一步将所得包覆粉末进行压制成形和热处理，获得所需要的软磁复合材料。研究了NiZn铁氧体的含量、热处理气氛及温度等参数对磁体性能和显微组织的影响。
2 实验
表1为实验所用试剂，其中包括氯化铁、氯化镍、氯化锌、氢氧化钾溶液，以上试剂均为分析纯。各化学试剂FeCl3﹒6H2O、NiCl2﹒6H2O、ZnCl2和KOH量按共沉淀反应式(1)进行配比。磁性金属粉末为霸州宏升生产平均粒度31μm的雾化铁粉。制备25克包覆粉末，包覆剂Ni0.5Zn0.5Fe2O4为4wt%，则需要配比的各化学试剂量见表1所示。
表1 实验试剂
化学共沉淀过程中的化学方程式如下：
将称量好的试剂FeCl3﹒6H2O、NiCl2﹒6H2O和ZnCl2溶于75 ml去离子水中，用玻璃棒搅拌混合均匀制成溶液A。同时将试剂KOH溶于75 ml去离子水中，混合均匀制成碱溶液B。另外，将相应量的铁粉加入300 ml的去离子水中，得到悬浊液C。至此完成反应前的准备工作。反应时，将制备好的溶液A和碱溶液B同时以约5 ml/min的速度滴入悬浊液C中，同时用机械搅拌器对悬浊液C不断进行搅拌，使其充分反应，约15分钟反应结束后，静置使其沉淀，并多次用去离子水冲洗沉淀物，直至PH值为7。
将上述所得悬浊液倒入蒸发皿中，放入干燥箱中进行烘干，烘干温度设定为200℃，保温时间为5小时。冷却后进一步将烘干的粉末倒入研钵中进行研磨，直至粉末完全分散为止。
在粉末中添加0.6%的硬脂酸锂润滑剂，随后在800 MPa的压力下压制成尺寸为Φ21.1 mm×Φ12.9 mm×4.9 mm的环形磁芯。将压制好的压坯放于马弗炉中于500℃保温60min，随后冷却至室温。
通过扫描电镜对Fe粉、包覆粉末和热处理磁体进行形貌观察，并采用能谱仪对Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4包覆粉末和磁环样品进行元素成分分析。对包覆粉末使用XRD和傅里叶红外光谱进行了物相分析。采用LCR1062A电感表间接测定材料在不同频率(2 kHz、10 kHz、50 kHz、100 kHz、200 kHz)的磁导率。损耗在VR152测试仪上完成。
3 结果与讨论
3.1共沉淀法NiZn铁氧体包覆Fe粉特征
图1为纯Fe粉及包覆粉末的扫描电镜形貌图，对比图1中a、b两图可以发现，未经包覆的铁粉颗粒拥有光滑的表面，而图b的Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4软磁复合材料粉末的表面能够清晰的看出包覆有细小的颗粒，同时也有一些较大的散落颗粒。因此采用化学共沉淀法可成功地在纯Fe粉颗粒表面包覆了一层物质。
图1 纯铁粉包覆前后的SEM图，a)铁粉颗粒b)Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4粉末
进一步对所包覆的粉末进行能谱分析，图2为Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4软磁复合粉末表面EDS图。由图可见，包覆粉末的表面含有铁、氧、镍、锌等元素，这些元素正是NiZn铁氧体的主要成分。
图2 Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4软磁复合材料的表面成分EDS图
图3为通过化学共沉淀法制备的由质量分数4%镍锌铁氧体包覆的软磁复合材料的X射线衍射分析图。进一步对包覆粉末进行XRD分析，由图可见，在35.5°、56.8°和62.8°处出现明显的尖晶石结构铁氧体特征峰，其分别对应的晶面指数为(311)、(511)和(400)，同时结合上文的表面成分能谱分析，可以判断，包覆于铁粉表面的细小颗粒为化学共沉淀法制备的镍锌铁氧体。
图3 Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4软磁复合材料粉末的XRD图
图4为包覆粉末的红外光谱吸收谱。由图4可见，3420 cm-1和1620 cm-1 波段吸收峰对应的是O-H伸缩振动和H-OH弯曲振动，2920 cm-1对应的是C-H2改性的C-H伸缩振动，2850 cm-1对应 CH2收缩振动，2360 cm-1对应的是空气中的二氧化碳振动峰，1320 cm-1是CH3弯曲振动峰，552 cm-1为无机盐吸收峰，为铁的氧化物吸收峰。表明包覆后的粉末表面除了水气等物质外，就是铁的氧化物。
图4 包覆粉末的红外光谱分析
3.2 热处理后磁体的磁性能和显微组织
所得软磁复合材料的磁性能如表2所示。由表可见，热处理后软磁复合材料的磁导率比压坯的要高，而损耗却明显地降低。磁体在2kHz-200kHz范围内，随着频率的升高，磁导率具非常稳定(从32.8到34.7之间)，没有出现异常减小的现象。磁损耗一般包括三部分：一是磁滞损耗，与测试的频率成正比;二是涡流损耗，与磁体的电阻率成反比，与频率的平方成正比;三是剩余损耗，这部分比较复杂，但通常比较小。因此随着频率的升高，磁损耗Pcv升高得很快。
表2 500℃空气气氛次下热处理后磁体在不同频率下的磁性能
图5为500℃空气处理60min后磁体的SEM图。由图可见，磁体在该温度处理后具有完整而较为均匀的绝缘层。进一步对所观察到的绝缘层进行能谱分析，如图6所示。从图中可以看出，较大的颗粒为基体金属纯铁，不含有其他元素(如图6a);颗粒边界(深色部分)的靠近Fe颗粒部分含有Fe和氧元素(如图6b);而中间区域含有的元素为铁、氧、镍、锌(如图6c)。由此可见，由于磁体是在空气中进行热处理，在空气气氛下，随着热处理的进行，氧气可通过绝缘层的表层逐渐渗透到Fe颗粒表面，或者Fe颗粒从边界的包覆层铁氧体中直接获得氧离子而生成铁的氧化物[15]。因此上述两者原因均可在Fe颗粒和NiZn铁氧体包覆层之间形成一个薄层的铁氧化物过度区。此过度区域只含有Fe和氧，不含有Ni和Zn元素等其他元素。
图5 500℃空气中热处理后样品的SEM图.
图6 空气气氛下500℃热处理后样品的EDS图
由于纯铁和铁氧体与气氛的反应条件不同，热处理环节中的气氛对热处理后的磁体成分和性能具有非常重要的影响。空气气氛有助于防止铁氧体还原却可能使纯铁氧化。因此，过高的热处理温度和过长的保温时间有可能会降低软磁复合材料的饱和磁感应强度，这是因为部分纯Fe氧化生产铁的氧化物，铁的氧化物的饱和磁感应强度均比纯Fe低。所以热处理气氛对于NiZn铁氧体包覆的Fe软磁复合材料具有非常重要的作用。
4 结论
(1)化学共沉淀法能够较好地完成的铁氧体制备和包覆纯Fe粉的过程，所得包覆层均匀，为尖晶石结构的NiZn铁氧体。
(2)磁体经空气气氛500℃下热处理后，在纯Fe颗粒和铁氧体绝缘层之间形成了一铁的氧化物过度区。所得磁体磁性能在2kHz-200kHz频率范围内均有较稳定的磁导率。
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声明：
“共沉淀法制备NiZn铁氧体包覆Fe软磁复合材料” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色技术网
来源：江苏鹰球集团有限公司、中南大学粉末冶金国家重点实验室
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