襄樊变压器使用铁氧体的技术介绍

  摘要：根据襄樊变压器用PC44、PC50等功率铁氧体材料的高起始磁导率(μi)、饱和磁通密度(Bs)、低功率损耗(Rc)等特性要求，分别讨论了配方、添加物和烧结工艺等关键技术对该类材料制备的影响。
  引言
　随着技术的发展，进一步增加了对设备的多功能化和高密度化的需求，作为设备不可缺少的，迫切要求实现轻量化。而为了使化，首先要求襄樊变压器化。工作频率更高的PC44及PC50功率铁氧体材料和磁芯就是为适应这种需求而发展起来的。
　铁氧体的性能并不是仅仅由其化学成分及晶体结构决定的，还需要研究和控制它们的密度、晶粒尺寸、气孔率以及它们在晶粒内部和晶粒之间的分布等。因此，制备高性能功率铁氧体材料，配方是基础、烧结是关键。配方和密度决定着材料的饱和磁通密度Bs(功率铁氧体磁芯通常工作于有直流偏置场的状态下，高Bs是为了保证磁芯具有高直流叠加特性的需要)和居里温度(fc)，而掺入有效的添加物并与适当的烧结工艺相匹配，则对铁氧体的性能具有决定意义，影响着固相反应的程度及******的相组成、密度和晶粒大小等，使软磁铁氧体的微观结构得到更有效的控制，从而确保材料的主要特性参数达到和谐的统一。
1 高性能功率铁氧体的主配方选择
　为提高功率转换效率并避免饱和，要求用在襄樊变压器中的功率铁氧体材料具有高Bs、高起始磁导率(μi)和高振幅磁导率(μa)，同时为了避免襄樊变压器在下发热击穿，材料的功率损耗(Rc)应尽量小，希望呈负的温度系数。可以说，衡量功率铁氧体材料优劣的3个重要磁性能参数是μi、曰Bs和Rc以及这些参数的频率、温度和时间稳定性，它们之间是一个矛盾的统一体，某些参数甚至严重对立，将它们有机统一的总体思路是控制磁晶各向异性常数K1～t曲线及铁氧体的微观结构，在配方、添加物和烧结工艺上使K1有一个好的温度特性，将K1的***小值调节到合适的位置，并使其趋向于零。
　μi的大小对磁芯具有高电感因数(AL)的贡献***为直接，因此，保证铁氧体有较高的μi值是必须的。但另一方面，μi与材料截止频率fr之间相互制约，提高材料的使用频率与提高μi是相互对立的，在实际材料中只能相互兼顾。
　就功率铁氧体的Bs鼠和居里温度tc来说，是由配方和密度决定的。对于功率铁氧体的主配方，国内外软磁科研工作者已做了较深入的系统研究，并把它制成如图1所示的相图(添加物)的形式使之更直观地表现出来。日本TDK公司经过多年研究，进一步在mn—zn铁氧体成分相图中划定了取值区域，其中心位置配方约为：FezO3：MnO：znO=53．5：36．5：10(摩尔分数)，这与国内许多企业PC44的主配方FezO3：MnO：ZnO=53．3：36．5：1O．2(摩尔分数)基本一致。就PC44、PC50而言，由于其Bs都比较高，必须采用过Fe配方，因为Fe2O3，含量在(51～55)mO1％范围内，Bs随Fe2O3含量的增加而增大(反之，ZnO含量过多则会造成材料高温，或者Bs和tc的下降)。******的配方组合可通过正交工艺试验，结合加杂和烧结工艺形式优选确定。
2 高性能功率铁氧体的添加物选择
　功率铁氧体的化学成分不是决定铁氧体性质的唯一因素，阳离子和晶点缺陷在晶位中的分布起着头等重要的作用。通过掺入添加物和工艺调整来改善铁氧体的微观结构，更有助于使材料的主要特性参数达到和谐的统一。根据基础磁学理论，功率铁氧体材料的截止频率fr与铁氧体的晶粒大小d右式(1)关系。
式中：Ms为材料的饱和磁化强度；
　β为阻尼系数。
　由式(1)可知，，与d(μ1一1)成反比例关系，所以，通过掺入添加物和烧结工艺的调整使晶粒细化，减小晶粒尺寸，可以提高材料的截止频率(也就提高了其工作频率)。但晶粒尺寸的限减小，必定增损耗。另一方面，μ1的高低(与烧结温度有较大关系)也关系到fr的大小。
　对通常工作在几百kHz下的PC44、PC50材料而言，功率损耗主要由磁滞损耗Rh和涡流损耗Pe两部分组成。由于hocBm3(Bm为工作磁通密度)，可见为降低Ph,材料的Bs要高，成分的均匀性要好(采用高纯原材料)，同时必须改善晶粒大小的一致性并提高材料密度，尽量减小内应力。涡流损耗用式(2)表示。
　Pe=(丌2／4)·r2·lf2·Bm2／p　　 （2）
式中：r为平均晶粒尺寸；
　p为电阻率。
　可见，在下降低材料功率损耗主要有两条途径：提高电阻率；控制铁氧体的晶粒在******状态范围内(晶粒过小，Pe会变小，但Ph会增大)。
　控制晶粒大小和电阻率的***有效办法是合理地掺人添加物和改善烧结工艺。众所周知，掺入一些有益的添加物如Sn02、TiO2、Co2O3等，可进一步控制材料的K1值，使其在较宽的温度范围内变得很小；复合添加CaO和SiO2，可增大材料的电阻率、降低材料的功率损耗。实际上，对Mn—zn铁氧体性能提高有实用价值的添加物较多，它们的主要作用可分为3类：******类添加物在晶界处偏析，影响晶界电阻率；第二类影响铁氧体烧结时的微观结构变化，通过烧结温度和氧含量的控制可改善微观结构，降低功率损耗、提高材料磁导率的温度和时间稳定性、扩展频率等；第三类则固溶于尖晶石结构之中，影响材料磁性能。Ca、Si等元素的添加物属******类和第二类；Bi、Mo、V、P等元素属第二类；_Ti、Cr、C0、Al、Mg、Ni、Cu、Sn等元素的主要作用属第三类。
　所示为MoO，、CuO等6种添加物对 Mn—zn铁氧体磁导率的影响，其中μ1和分别表示未掺添加物和掺入了少量添加物的铁氧体的磁导率；图3示出了掺入SiO2对Mn—Zn铁氧体磁导率的影响；图4所示为TiO2添加量对Mn—Zn铁氧体μi一t曲线的影响；图5(a)与图5(b)分别示出的是复合添加SiO2、CaO一对Mn—zn铁氧体在100 kHz时的电阻率和比损耗系数(tanδ6／μi)的影响。
  日本东北金属公司科研人员在开发SB—lM(相当于PC50)材料时，发现通用的复合添加物SiO2CaO有一部分会在晶粒内溶解，从而增大磁滞损耗，在500 kHz～1MHz条件下，其降低功率损耗的效果并不好．．为此，他们开展了卓有成效的研究工作，期望找出不使磁滞损耗增大的更有效提高电阻率的添加物。表l列出了他们的研究成果，在这8种添加物中，Al2O3、SnO2、TiO2都溶解于晶粒内，几乎看不到有提高电阻率的效果，其它添加物主要在晶界内游离。这些添加物中，HfO2对提高电阻率***为显著[2]，其降低涡流损耗效果******。
　在开发高性能功率铁氧体材料时，要充分利用前人的成果，不要花过多精力浪费在配方和添加物的摸索上。总的配方和掺杂原则是尽可能地使磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩常数λs趋近于零。选择添加物要注意以下原则：
　1)掺入添加物总量(wt％)应控制在O．2％以下；
　2)CaO(或CaCO3)和SiO2通常是不可或缺的添加物；
　3)V2O5、Nb205、_Ti02、Ta2O5、HfO2、CO2O3等高价离子组合添加，组分不宜过多，******不超过4种，每种添加物的重量一般应控制在1000ppm，以下；
  4)在上述各添加物中，除了Co3+子外，其它离子的K1值都是负值，如飞利浦公司开发的3F3材料(介于PC40和PC50之间的一种材料)，基本技术要点就是同时添加了Ti4+和C03+以控制材料的温度特性，减少磁滞损耗，如图6所示。
3 高性能功率铁氧体的烧结工艺
　烧结是制备高性能功率铁氧体材料的关键工序。在烧结过程中，升降温速度、******烧结温度和炉内气氛是该工序中必须严格控制的3个关键因素，它们对铁氧体材料的微观结构、化学成分及电磁性能等参数都有很大影响。合适的烧结工艺应根据原材料配方及添加物情况、预烧温度、窑炉结构及长度、降温方式、功率铁氧体的性能取舍等综合确定，并通过材料的***终性能来进行工艺验证和判定。
　升温速度对铁氧体产品的密度、晶粒大小及均匀性有直接关系，升温速度过快将使晶粒尺寸不均匀，内部存在较多的气孔；升温速度太慢，则烧成的铁氧体密度低，气孔明显增大。为了得到晶粒小而均匀(PC40材料，晶粒约为10～14μm，PC50材料，晶粒约为3～6μm)、气孔少、密度高、开裂缺陷的铁氧体，600℃以下升温不宦过快，600～900℃可快一些，900～l100℃为晶粒初生阶段，宜平稳升温，同时采取致密化措施处理，1100℃以上可稍快一些，******烧结温度不大于1 350℃(为限制晶粒尺寸)，保温时间3～4h即可，然后在氮气(N2)保护下选择合适的氧分压降温。
　在900～1100℃左右采取致密化措施是十分必要的，其目的是降低铁氧体中的气孔率。日本TDK公司特别在意900～1100℃之间的升温速率和周围气氛的控制，他认为这个阶段是保证铁氧体获得好的微观结构的关键，对PC44、PC50等高性能功率铁氧体的制备，该阶段的控制尤为重要。通常采取的致密化措施是从900 ℃平稳升温至l100℃，再保温1h，同时充入适量的N2以控制氧分压。这可使铁氧体的表观密度迅速达到真实密度的99％，而且大多数气孔是停留在晶界上。当然，在1000℃以下的升温段，保证窑内有足够的氧含量及废气排气管道的畅通也是非常重要的。
　在降温阶段会引起铁氧体的氧化或还原，通过加入适量的N2保护气氛以控制窑炉内的氧分压，是为了防止铁氧体在冷却过程中Mn、Fe、CoCu等离子变价、产生脱溶物、引起晶格变化等。过度的氧化与还原，就有另相如a-Fez03、Fe0、Fe3O4、Mn203析出，从而导致磁性能的急剧恶化。图7是配方为Fe2O3：MnO：ZnO=51．9：26．8：18. 3(mol％)的功率铁氧体平衡气氛相图，从图7中可看出气氛对尖晶石相和Fe2O3相界内氧化状态的重要性。要特别注意，先沿等成分线冷却，接着在******的温度下通过相界迅速冷却，这时生长动力学不敏感，使a-Fe203的脱溶***少，氧化和生成另相的程度***轻。图8列出了功率铁氧体的典型烧结工艺曲线。