1引言 为保护直流输电系统的可控硅阀，一般是使用磁粉心阳极电抗器。该磁粉心大多使用经铁粉和树脂混合的固体。它在高磁场和高频条件下寿命应在30年以上。为此，磁粉心在饱和磁通密度高、铁损低的基础上，应具有一定的耐热性。使用磷酸、硼酸和镁的氧化物构成绝缘处理液，在铁粉表面均匀地形成一层绝缘被膜，为了防止绝缘被膜的破损，再在经绝缘处理铁粉的粒子间用聚酰亚胺进行粘合，就开发出了耐热性良好的磁粉心材料。 在高频领域中，涡流损耗占铁损的比率很高，如何降低涡流损耗是课题研究的关键。不过，在低频领域磁心的涡流损耗小，而磁滞损耗占铁损的比率大。所以，研究固化体的热处理条件是降低磁滞损耗的目的。另外，估计热处理会带来固有电阻的下降，故应进一步研究改善绝缘的方法。 本文阐述了为提高磁粉心的特性和解决所存在的一些问题而进行的试验结果。 2原料与实验方法 铁粉是使用粒径小于106μm的水雾化铁粉（日本神户制钢所生产的300NH）。对应1Kg铁粉，按50ml的配比将H3PO4、H3BO3和MgO分散溶解到规定量的水中，绝缘处理液混合后，在空气中453°K温度下干燥30min，根据实验结果认定，绝缘被膜以30nm厚度的均匀被膜为最佳。其绝缘处理铁粉中添加0～2mass%的热固性聚酰亚胺树脂，用搅拌机混合后，以490～980Mpa的压力压制成型，在453°K温度下加热保温300min，就制成了试验片。热处理是在氮气中573°K～873°K的温度进行30min。测试电阻率和剩余应力是使用60mm×10mm×10mm的试验片；测试磁性能是使用φ30mm×φ40mm×5mm的试验环。 试验片的两端涂上银浆料，附着铜电极，用2端子法测试固有电阻；用X射线衍射测试剩余应力；在8KA/m磁化力下测试直流B-H曲线；在频率50Hz～30KHz、励磁磁通密度0.05T～0.1T的条件下测试铁损。另外，通过改变频率，利用测得的铁损计算出磁滞损耗和涡流损耗。 3实验结果及其研究 3.1材料组分 磁粉心的铁损、固有电阻、磁通密度和成型密度之间有着非常紧密的关系。在15KHz、0.05T条件下，测得的固有电阻率对铁损的影响示于图1。通过改变绝缘处理条件和树脂添加量等，可改变试验片的固有电阻率。由图1可知，在各种条件下制成的试验片，其固有电阻率低于0.01Ωm时，铁损很大；伴随固有电阻率的增加，铁损随之下降，固有电阻率高于0.01Ωm时，铁损几乎保持固定。 由以下公式(1)可知，涡流损耗和磁滞损耗之和构成铁损。 （1） 式中，Wh为磁滞损耗；We为涡流损耗；K1、K2为系数；f为频率；Bm为励磁磁通密度；ρ为电阻率；t为材料的厚度。 铁损等于第1项所示的磁滞损耗和第2项所示的涡流损耗之和。特别是涡流损耗与频率的2次方成比例增加。由此可知，抑制涡流损耗最好是提高磁粉心的固有电阻率。换句话说，就是如图1所示，若磁粉心的固有电阻率大于0.01Ωm，就可抑制涡流损耗，使铁损降低。 成型密度对直流磁通密度的影响示于图2。磁通密度与成型密度是一组比例关系，伴随密度的增加，磁通密度也随之增加。 根据以上结果，显示出磁粉心的技术关键是固有电阻率应在0.01Ωm以上，并要求高密度。 为了提高固有电阻率，对每个铁粉都要进行绝缘。即使在热处理的条件下，都应在保持磁粉心绝缘性的同时，确保必要的高耐热性。这里对铁粉的绝缘，选择了两种绝缘材料。即使用由H3PO4、H3BO3和MgO组成的氧化物的混合物和聚酰亚胺。在0～2mass%的范围内，聚酰亚胺的不同添加量对固有电阻率和成型密度的影响示于图3和图4。树脂添加量为0mass%时，试验片的固有电阻率为0.0008Ωm，显示出经过绝缘处理的铁粉固有电阻率相当低。伴随树脂添加量的增加，固有电阻率慢慢上升，树脂添加量高于1.0mass%时，固有电阻率大于0.01Ωm。随着树脂添加量的增加，成型密度开始下降，添加量超过2.0mass%时，成型密度大幅度下降。 根据以上结果，可以认为，树脂添加量的最佳范围应在1.0mass%～2.0mass%的范围内。 3.2绝缘方法的改进 为了更进一步提高固有电阻率，应着眼于每个铁粉的表面形成均匀绝缘被膜的方法。由混合和干燥构成的绝缘处理工艺，将铁粉全部绝缘有两点特别令人关注。 第一点是选择最佳的界面活性剂。绝缘处理首先将水溶性绝缘处理液添加在铁粉中，用专用混合机混合。这时发现根据在绝缘处理液中添加界面活性剂的种类，固有电阻率有一定差异。界面活性剂的种类对添加低碳素钢和各种界面活性剂的绝缘处理液的损耗角及磁粉心的固有电阻率的影响示于图5。与标准的烷基（烃基）系界面活性剂 A比较，全氟烷基系的界面活性剂C与E以及十二（烷）基二甲胺烷基系的界面活性剂H降低了损耗角，提高了润湿性。特别是C与A比较，损耗角约降低了二分之一左右。损耗角的降低，界面活性剂很快渗透到铁粉中，可以认定铁粉表面形成一层更为均匀的绝缘被膜。正如图5所示，使用损耗角最低的C时，获得的固有电阻率最高。 第二点是往溶液中添加防锈剂。防锈剂添加量对磁粉心固有电阻率的影响示于图6。不添加防锈剂时，显示出密度和固有电阻率都很低。添加量为0.47mass%时，显示出固有电阻率的最大值，密度变得也很大。 由以上结果可知，添加最佳界面活性剂和防锈剂，可有效地使铁粉表面形成均匀的绝缘被膜。 3.3退火条件 由图1可知，固有电阻率在0.01Ωm以上的试验片，其铁损大约为17W/Kg左右，不过，铁损未必就是最低值。频率对铁损、磁滞损耗和涡流损耗的影响示于图7。在低频下磁滞损耗占铁损的大部分。为了进一步降低铁损，就应考虑降低磁滞损耗的效果。一般情况下，磁滞损耗与磁性材料的密度、组分、粒径和剩余应力等有一定的关系。这里主要着眼于降低剩余损耗。对应在磁粉心的制作工艺中因粉末成型时的压力高而产生很大的磁滞伸缩，我们认为，这都是除树脂固化外的热处理带来的影响。为此，降低剩余应力是降低磁滞损耗的最佳方法。 退火温度对试验片表面的剩余应力的影响示于图8。以添加2mass%树脂的绝缘处理铁粉作为原料，在压力为686MPa条件下压制成试验片。图中所示punchsurface和die surface表示为与试验片的冲头或冲模的壁面的损耗角。显示出die surface比punchsurface的剩余应力更大。伴随退火温度的上升，剩余应力下降，高于820°K的温度时，剩余应力几乎消失。由此获得的结果可以认定，高于820°K的退火对降低磁滞损耗非常有效。 在磁化力8000A/m下，退火温度对所测得的直流磁通密度和最大磁导率的影响示于图9。以添加1—2mass%树脂的绝缘铁粉作为原料，在686MPa的压力条件下压制成试验片。随着退火温度的上升，树脂为1mass%的试验片的磁通密度和最大磁导率也随之变大。树脂添加量为2mass%的试验片，即使在680°K的温度下退火，显示的磁通密度和最大磁导率几乎与退火前相等。高于680°K，随着退火温度的上升而增加。显示的树脂添加量为1mass%的试验片比树脂添加量为2mass%的试验片，其磁通密度和最大磁导率要高。这是因为树脂添加量为1mass%的试验片比树脂添加量为2mass%的试验片，其成型密度高的缘故。 在励磁磁通密度0.05T、频率15KHz条件下，退火温度对所测得的铁损、磁滞损耗和涡流损耗的影响示于图10a和图10b。树脂添加量为1mass%的试验片所测得的结果示于图10a；树脂添加量为2mass%的试验片所测得的结果示于图10b。这里的试验片制作条件与图9相同。首先，退火温度的上升，进一步降低了磁滞损耗，在823°K下显示出最小值。温度至753°K，涡流损耗没有变化，但到了823°K以上，涡流损耗急剧增加。因铁损是磁滞损耗和涡流损耗之和，根据退火温度的上升，磁滞损耗在低于753°K时有一些下降，涡流损耗在高于823°K时急剧增加。 同图8一样的试验片，其退火温度和固有电阻率的关系示于图11。退火前图中显示树脂添加量为2mass%的试验片，电阻率达到约100Ωm左右，随着退火温度的上升，固有电阻率急剧下降。温度升至823°K，固有电阻率降到0.01Ωm。树脂添加量为1mass%的试验片，直到温度升到683°K，固有电阻率才开始下降。到770°K固有电阻率降到0.01Ωm。 受到图10和图11的启发，铁粉的绝缘材料在热处理温度达到823°K以上时才开始恶化。其绝缘材料在室温下是非晶态的，但在高于823°K的温度下，变为准晶质，绝缘性能开始恶化。我们还认为，虽然在473K以上的温度显示出树脂的耐热性，但到了823°K以上的高温时，绝缘性能降低。 根据以上结果，我们认为降低铁损的最佳退火温度为753°K～823°K。 4结束语 为在铁粉表面形成均匀的无机绝缘被膜，应对绝缘处理中的界面活性剂的润湿性进行研究。另外，为降低处理后的固体剩余应力，还应研究退火条件。其结果可降低过去阳极电抗器用磁粉心材料的铁损。这是因为在不增加涡流损耗的基础上，只降低了磁滞损耗。 参考文献 《粉体与粉末冶金》Vol.49， No.1 2002.