超高磁导率软磁铁氧体材料BRL15K的研制

1、磁性材料及器件 2006年8月 49工艺·技术·应用 超高磁导率软磁铁氧体材料BRL15K 的研制徐辉宇，戴志云（上海宝钢磁业发展有限公司，上海 201900）摘 要：主要介绍了上海宝钢磁业发展有限公司批量生产的高频、高居里温度、超高磁导率锰锌软磁铁氧体材料BRL15K 的工艺技术及材料特性。关键词：MnZn 软磁铁氧体；烧结；添加剂；显微结构；磁导率中图分类号：TM277+.1 文献标识码：B 文章编号：1001-3830(200604-0049-03Development of Soft Ferrite Material BRL15KWith Super High In

2、itial PermeabilityXU Hui-yu, DAI Zhi-yunShanghai BaoSteel Magnetic Material Co.,Ltd, Shanghai 201900, ChinaAbstract: This paper introduce the technology and properties of soft ferrite material BRL15K with super highinitial permeability, which features high operation frequency, high Curie temperature

3、 and high saturation magnetic induction B s .Key words: MnZn soft ferrite; sintering; additives; microstructure; permeability1 引言随着数字技术和光纤通信技术的发展，在电子电路宽带变压器、综合业务数据网（ISDN ）、局域网（LAN ）、广域网（WAN ）、背景照明等领域脉冲变压器中需要大量性能优良的高磁导率MnZn 铁氧体磁芯，这些应用促进了高磁导率材料的飞速发展，尤其是超高磁导率材料的产业化研究。日本TDK 公司1996年就成功开发出了i 为15000的H5C3材料

4、，最近又推出了i 为30000的H5C5材料。而国内由于基础理论和工艺技术的落后，目前尚无企业能够大规模生产性能稳定的i 为15000的超高磁导率材料，仅有天通（TDG ）、东磁等少数国内知名软磁企业有过批量生产类似产品的报道。由于国内铁氧体工业的不断进步，目前对高磁导率材料的要求，已不再局限于过去的单纯追求磁导率高。它还必须有良好的频率特性，即随着频率的增高磁导率衰减缓慢，阻抗降低较小，当然还须收稿日期：2006-05-09 修回日期：2006-08-07 作者通信：E-mail: xuhuiyu2000有较高的居里温度和良好的温度特性。近几年来，随着国际电子制造业重心向亚洲转移，亚洲发展中

5、国家和地区的软磁铁氧体工业呈现快速发展趋势，据有关机构预计，到2006年底，整个亚洲软磁铁氧体产量将达到20万吨，约占全球铁氧体产量的三分之一左右，其中高磁导率铁氧体占30%，而磁导率为15000的材料处于国内领先、国际先进地位，有着十分广阔的市场前景1。本文报道我公司研制的BRL15K 材料的工艺和性能。2 理论依据根据铁磁学理论，铁氧体的起始磁导率i 来源于可逆畴壁位移和可逆的磁矩矢量转动，其数学表达式为：2s i 1s M +式中，a 、b 为常数，M s 为材料饱和磁化强度，K 1为磁晶各向异性常数，s 为饱和磁致伸缩系数，为内应力。由此式可以看出，起始磁导率值i 与50 J Magn

6、 Mater Devices Vol 37 No 42s M 成正比，与1s aK b +成反比，由于M s 的变化范围很小，所以不同配方组分铁氧体所获得的磁导率差异主要源于磁晶各向异性常数及磁致伸缩系数。当磁晶各向异性常数及磁致伸缩系数同时达到最小值时，才能获得最高的起始磁导率i 值，工艺过程中通常通过微量添加物来调整K 1和s 的值，另外还要合理控制铁氧体的显微结构2。3 研制过程根据以上理论，在实际研制过程中我们主要从以下几个方面进行考虑。3.1 工艺路线目前，国内软磁铁氧体生产工艺一般分为干法和湿法两种，干法生产软磁铁氧体材料具有效率高、成本低廉的优点，但相对于湿法则存在工艺稳定性差的

7、缺点，较难生产出对工艺、设备要求苛刻的高磁导率材料。目前，国内生产超高i 材料普遍采用湿法工艺。考虑到本公司有着多年干法批量生产一般高磁导率软磁铁氧体材料的基础和经验，同时为了能与后续的量产很好地衔接，因此我们采用干法生产工艺研制BRL15K 超高i 材料。干法工艺的生产工序一般包括配料、混合、预烧、粗粉碎、细粉碎、喷雾造粒、压制、烧结等八个重要工序，任何环节的疏忽都有可能前功尽弃。为研制超高磁导率软磁铁氧体材料，我们对每个生产工序进行了多次对比组合试验，逐步确定了生产超高磁导率软磁铁氧体的最佳工艺条件。3.2 原材料原材料的优劣直接影响着铁氧体材料的性能。综合考虑性能指标和生产成本，我们选择

8、多种高纯度、良好活性及有害杂质含量少的原材料，再根据它们物理性能（包括粒度、颗粒分布、BET ）的匹配关系，我们将NKK-SH 公司的氧化铁红、金瑞科技的氧化锰、上海京华化工厂的氧化锌作为研制BRL15K 材料的主原材料。 3.3 工艺条件主要包括配方、预烧、粉碎。众所周知，铁氧体研制中配方是基础，要满足K 1和s 都趋近于零，我们在原BRL10K 主配方的基础上略作调整，适当增加了ZnO 的含量。Fe 2O 3在52mol%左右，MnO 在23mol%左右，ZnO 在25mol%左右。再用进口球磨机混合，适当延长混合时间，并选择合适的预烧温度，经双管回转窑预烧后再进行多级碾磨，使得最终料粉平

9、均粒径为0.70.9m 。在此过程中发现多级碾磨可以很好地将料粉的粒径分布控制在比较狭窄的范围内。3.4 添加剂添加剂的掺入可以人为地调控材料的晶粒生长，从而改善材料的显微结构。在此过程中，我们使用了多种添加剂，其中Bi 2O 3作为一种助熔剂，它在高温下存在于晶界处，通过液相促进晶粒长大，从而提高材料磁导率。同时，我们发现添加MoO 3的作用非常明显，当掺入量控制在0.050.1%时，材料磁导率得到大幅度的提高，如图1所示。其原因在于高价的Mo 离子存在于晶界附近，增加了晶格内的空位，提高了晶界的移动度，从而促进了晶粒的长大，使得材料磁导率升高。同时，在实验中还发现，由于Mo 的掺入，材料对

10、烧结温度和烧结气氛的选择有了不同的要求。另外为了改善其频谱特性，我们还添加了微量的CaO ，也取得了明显的效果。 3.5 烧结烧结是制备高磁导率铁氧体的关键，由于试验设备有限，我们只能利用钢包炉进行烧结。而钢包炉的气氛可控性较差，因此烧结时提高气流量，并降低升温速率，将晶粒生长和气孔收缩时间相对错开，以提高材料密度。同时适当延长保温时间及改变降温过程中的气氛，使材料的磁导率及频谱特性达到最佳。4 研制结果与分析根据上述过程制成20×10×8mm 样环，置于钢包炉中于1380温度下烧结。用HP4284ALCR 测量仪测试样品的电磁性能，并用JEOL6460LV 扫描电子显微镜

11、对样品进行SEM 分析。4.1 材料基本性能表1给出了材料的基本性能。磁性材料及器件 2006年8月 51表1 基本性能测试（f r 150kHz ）样品itg /i 10T C B s B r H c 1 15880 3.85 135 435 59.8 2.30 2 16260 3.88 135 435 55.8 2.24 3 15970 3.46 136 429 63.6 2.27 4 15290 3.17 134 431 46.9 2.34 5 15490 2.99 135 433 57.4 2.324.2 材料特性曲线 050001000015000200002500030000 图2

12、给出了材料i 的温度特性与频率特性。i T 曲线次峰位置处于常温附近，且在2070内磁导率曲线比较平坦（低温度系数），可以适用于温度变化较宽的环境中。由i f 曲线图中可以看到，在频率为150kHz 时，其磁导率仍然保持在10000以上，因此该材料的频率适应范围也较宽。 4.3 材料的显微结构图3 材料样品的SEM 照片：(aBRL15K，(bBRL10K图3同时给出了BRL15K 和BRL10K 材料的SEM 照片，可以清晰地看到BRL15K 晶粒直径（35m ）明显大于BRL10K 材料。4.4与国外同类产品性能指标比较表2列出了材料的性能及与国外同类产品的比较。从表2可以看出，BRL15

13、K 材料完全达到国外同类牌号材料性能，如TDK 的H5C3，且具有更高的B s 和T C 值。表2 与国外同类产品性能指标比较3,4TDK NEC-TOKIN FERROXCUBEEPCOS 本公司H5C5 12001H3E6 T46 BRL15Ki 15000 300001200012000 12000 15000 15000(tg/i /×1067 15 1510 7 7 7B S /mT 380 380 340 400 400 400 430 B r /mT 100 100 100 100 100 10070H c /A·m 14.4 4.22.44.0 7.0 7.0 3.5T C / 110 110 120 120 120 120 120d /g·cm 34.95 5.00 5.004.95 4.95 4.95 5.005 结论（1）采用干法工艺成功制备了i 达15000的超高磁导率MnZn 铁氧体BRL15K 材料，该材料各项性能指标均能达到日本TDK 公司H5C3材料技术标准。（2）添加剂MoO 3的掺入，能很好地改善材料显微结构，当掺入量为0.050.15wt%时，可以明显地提高材料磁导率。（3）烧结工艺对获得高磁导率的MnZn 铁氧体是十分重要的。烧结时减缓升温速率，并将晶粒生长和气孔收缩时间相对错开，可以提高材料密度。致谢