可采用粉末冶金工艺，以铁基非晶(铁、硅、硼)为主要原料制备非晶磁粉芯。非晶磁粉芯具有良好的频率稳定性、优异的直流偏置能力、较低的涡流损耗、高强度、高硬度、高耐蚀以及较高的软磁性能^[1]，主要用制造开关电源、共模电感、高频逆变器和零序互感器^[2]。

原料粉末的颗粒尺寸及其配比是影响非晶磁粉芯性能的关键参数之一。李晋尧等^[3]的研究结果表明，粉末粒度大于60 μm时使用鳞片状粉末可制备出不同用途的磁导率高的磁粉芯。魏鼎等^[4]研究了铁硅铝粉末颗粒尺寸对磁粉性能的影响。结果表明，使用粗颗粒制备的磁粉其矫顽力和剩余磁化强度均比使用细颗粒制备的磁粉小。Takemoto等^[5]研究了热处理条件对水雾化铁硅磁粉芯性能的影响以及与晶粒和颗粒尺寸的关系。结果表明，较高的热处理温度使晶粒尺寸增大、磁滞损耗降低和涡流损耗增加。合理选择粉末的颗粒尺寸、晶粒尺寸及热处理条件，能降低铁硅磁粉芯的损耗。徐永春等^[6]发现，中粒度非晶粉末与粗颗粒非晶粉末的占比约为70%时温压非晶磁粉芯的磁导率最高且损耗最低。刘红军等^[7]将破碎铁硅铝粉末筛分成不同的粒径级别，发现小粒径磁粉占比提高使磁导率和损耗降低、直流偏置能力提高。黄垒等^[8]认为，软磁合金粉末的粒度越小其直流偏置和损耗越优，但是磁导率越低。李天应等^[9]发现，粉末纯度的提高有利于铁硅铝磁粉芯磁性能的提高。

绝缘处理工艺也是影响磁粉芯性能的重要因素。刘菲菲等^[10]采用化学处理法使磷酸与铁粉发生化学反应生成无机绝缘包覆层，发现在600℃进行热处理生成的磷酸铁会发生晶化反应，使绝缘包覆层受到破坏。Taghvaei A. H^[11]对比了单纯磷酸的绝缘包覆及磷酸加环氧树脂双层绝缘包覆的磁粉芯，发现磷酸加环氧树脂绝缘包覆的磁粉芯具有更高磁导率频率稳定性和更低的损耗磁性能。万娟等^[12]研究了Fe-Si-B非晶磁粉芯的绝缘包覆，发现用磷酸丙酮溶液钝化处理的粉末制备的非晶磁粉芯其性能优于使用其他氧化物粉末、矿物粉及硅酸盐包覆处理的粉末制备的非晶磁粉芯。

目前已经研究了粉末的粒度、绝缘剂的选择、粒度对铁硅硼非晶磁粉芯磁导率的影响^[6]以及涡流损耗、磁滞损耗与粉末粒度的关系^[5]。关于绝缘配方的研究，主要集中在磷酸丙酮溶液的使用。使用丙酮作为易制毒试剂之一，难以批量生产且对影响环境和身体健康^[12]。本文使用废旧非晶铁芯为原料制备磁粉芯，研究非晶粉末的粒度配比和绝缘剂对其性能的影响。

将废旧非晶铁芯除油除胶后重熔冶炼制备非晶带材，将其在310℃进行2 h脆化，然后机械破碎成粉末，得到粒度为-140至+170目、-170至+200目、-200至+350目和-350至+1000目的粉末。

为了研究粒度配比对压制非晶磁粉芯性能的影响，选取同一批粉末按表1所示的样品组成，将以上不同粒度范围的粉末进行配比，得到六种不同粒度配比的非晶粉末样品原料。对每一组样品原料先混合均匀，然后进行绝缘处理：1.使用磷酸溶液对非晶粉末进行钝化处理，磷酸溶液的添加量(质量分数)为0.5%；2.加热干燥后添加0.5%的低熔点玻璃粉并搅拌均匀；3.添加1%的硅酮树脂并搅拌均匀；4.将得到的样品原料过80目筛后添加0.5%的硬脂酸锌润滑剂，混合40 min后得到绝缘处理的非晶粉末样品。将绝缘处理后的粉末放入模具中加20 t/cm²的压力压制成外径为26.9 mm、内径为14.7 mm、高度为11.2 mm的非晶磁粉芯。将其在440℃氮气气氛保护下进行退火处理30 min，得到待测非晶磁粉芯试样。

研究绝缘包覆工艺方案对非晶磁粉芯磁性能影响时，为了排除粉末质量及粒度配比的影响，选取同一批粉末且使用相同粒度配比的样品进行试验。粉末粒度的配比为：-140~+170目占10%，-170~+200目占30%；-200~+350目占30%，-350~+1000目占30%。非晶磁粉芯制备过程与上述方法相似，绝缘包覆处理采用如表2所示的四种不同绝缘工艺方案。

对比使用回收废旧非晶铁芯制备的非晶磁粉芯样品与使用常规铁硅硼合金制备的非晶磁粉芯样品磁性能的差异性时，为了排除粒度配比与绝缘方案对磁性能的影响，选取了同一批粉末、相同的粒度配比、相同的绝缘方案进行试验。粒度配比和绝缘方案与研究粒度配比影响时相同，两种非晶磁粉芯的制备过程相同，只有原材料不同，分别为回收废旧非晶铁芯和铁硅硼合金，不同的原材料制备方案列于表3。

对在不同工艺条件下制备的粉体样品和磁粉芯，主要表征非晶粉末的松装密度、振实密度，压制磁粉芯的重量及密度，退火后非晶磁粉芯的损耗Pcv(100 kHz/50 mT)及直流偏置能力(100 Oe)，电阻率ρ/Ω·m，损耗Pcv(100 kHz/50 mT)，直流偏置能力(100 Oe)，非晶磁粉芯强度等等。使用JL-A3型粉体综合特性测试仪测试非晶粉末的松装密度及流动性；用排水法测试非晶压制磁粉芯的压制密度；用WK1J4100R LCR仪测试非晶磁粉芯的电感；用SY8219 B-H测试仪测试非晶磁粉芯的损耗，测试条件为100 kHz/50 mT，单位为kW/m³；用Microtest 6377仪测试非晶磁粉芯的直流偏置能力，测试条件为1 kHz，1 V，ϕ0.9铜线单绕20圈，25.27 A(额定电流)，得到非晶磁粉芯在100 Oe下的电感；用KDY-1型四探针电阻/方阻测试仪，将样品压制成20 mm×10 mm×10 mm长方体，温度为25℃；使用万能压力试验机测试非晶磁粉芯的强度，单位N；用VEGA3 SBH型电子扫描显微镜观测非晶磁粉芯的形貌；使用Philips X′PERT Pro型X射线多晶衍射仪测试非晶粉末的物相组成，辐射源为Cu(Kα)，快扫2θ角为10°~80°。

使用公式

计算非晶磁粉芯的有效磁导率μ。其中L为电感(uH)，μ为有效磁导率，N为匝数，A_e为非晶磁粉芯截面积(mm²)，L_e为非晶磁粉芯磁路长度(mm)。

使用公式

计算直流偏置能力。其中L为额定电流下测试的电感值，L₀为0 A电流下的电感值。

使用公式

计算电阻率。其中R可以通过仪器直接读出来，S、L分别为四探针所构成的面积和长度。

图1给出了废旧非晶铁芯除油、重熔、制带、脆化、机械破碎处理后制备的非晶粉末的XRD谱。选取表征的样品为未筛分的非晶原粉粉末，即包含所有粒度区间的非晶粉末。从图1可以看出，制得的非晶粉末没有改变其非晶态结构，在2θ为45°左右仍是非晶态的典型“馒头峰”。这表明，整个工艺，包括除油、重熔、脆化及破碎等没有对非晶粉末的非晶态产生不良影响。

在非晶带材的破碎过程中，对粒度较粗的粉末进行二次重磨以得到更细的粉末，其圆整度越好；粒度越粗的粉末，其圆整度越差，越容易出现尖角。图2给出了粒度为-140~+170目非晶原粉典型形貌的扫描电镜照片。由图2可见，由于非晶粉末是由非晶带材(厚度约为26 um)破碎而成，经过机械破碎制得的粉末均呈薄片状，边缘圆整度较佳，鲜有尖角。具有这种形貌的粉末在压制工序中不会因为较多的尖角而破坏绝缘膜，导致涡流损耗We、磁滞损耗Wh升高和增大整体磁损耗。

图3给出了压制成型的非晶磁粉芯的形貌，分别为纵断面和上表面。由图3可以看出，非晶粉末经过绝缘包覆、压制成非晶磁粉芯时，片状的非晶颗粒基本上在一个方向堆叠，即非晶片状粉末的面均垂直于压制时的压力方向，磁力线沿着同一个方向传递，非晶磁粉芯的磁畴强度矢量克服磁晶各向异性的阻力变小，使磁畴更易转向外磁场方向。因此，用非晶破碎粉末制备的非晶磁粉芯具有更高的直流偏置能力和更低的损耗。

图4给出了六组粉末样品的粒度分布。其中的样品5、样品1、样品3、样品4，粒度为-140~+170目的粗粉的占比按照由少到多的排序分布；样品4、样品3、样品1、样品2、样品5中，粒度为350~+1000目的细粉的占比按照由少到多的排序分布；样品4全部为粒度为-140~+170目的粗粉；样品5全部为粒度为-350~+1000目的细粉；样品6中-170~+200目与-200~+350目的粉末各占一半。

表4给出了六组不同粒度配比的非晶粉末样品对磁性能的影响。从表4可见，非晶粉末粒度配比不同的非晶磁粉芯其损耗和直流偏置能力的差异较大。粒度较粗的-140~+170目非晶粉末占比增多时，非晶磁粉芯样品的损耗随之增大，而不含-140~+170目非晶粉末的非晶磁粉芯样品损耗较低。当粒度较细的-350~+1000目非晶粉末占比增多时，非晶磁粉芯样品的损耗并没有随着粒度变细而降低。其原因是，非晶磁粉芯涡流损耗与非晶粉末目数的平方呈正比，与电导率也呈正比。粉末越粗其涡流损耗越大，粉末粒度越细其涡流损耗越低。但是，样品5中均为-350~+1000目的细粉，制备的非晶磁粉芯样品的损耗并没有持续降。其原因是，粉末粒度太细使粉末的松装密度及流动性变差，影响压制效果从而影响其损耗性能。

图5给出了六组不同粒度配比下的非晶磁粉芯的压制密度与直流偏置能力的关系。由图5可见，非晶磁粉芯的压制密度与直流偏置能力有相同的变化趋势。非晶磁粉芯的压制密度越高，其直流偏置能力也越高。其原因是，非晶磁粉芯是由磁性铁硅硼粉末、无磁性的绝缘介质和粉末之间的非磁气隙组成，压制密度越高则非晶磁粉芯中的气隙越小，相同体积的非晶磁粉芯的磁性物质含量越高，从而使其电感的衰减程度降低，直流偏置能力提高。

图6给出了六组样品的松装密度与压制密度的关系。图6表明，非晶磁粉芯的压制密度与松装密度有相同的变化趋势。非晶粉末的松装密度越高，其压制的非晶磁粉芯密度越高。因为在非晶粉末的压制过程中，松装密度越高、流动性越好的粉末在模具中越易于流动。非晶粉末松装密度的高低，主要决定于粉末粒度的合理配比。粗粉之间的气隙太大，使填充的密实度降低。因此，即使粉末的流动性很好，松装密度也会很低。例如，样品4流动性很好但其松装密度却很低。细粉之间的流动性降低使松装密度降低，从而影响压制密度和非晶磁粉芯的直流偏置能力。因此，非晶粉末的松装密度和流动性可以作为评估粉末粒度配比是否合理的有效手段。从表3可以看出，样品1、样品3、样品6的松装密度与流动性均较高，制备出的非晶磁粉芯的压制密度及重量都较高，表明此实验中的粒度配比较合理，非晶磁粉芯的密度得到有效提高。因此，样品1、样品3、样品6的直流偏置能力性能都比较好，均高于68%。与最差的样品相比，直流偏置能力提高了3.5%，损耗降低了27%。但是，样品6是由-170~+200目、-200~+350目的粉末按照1:1的比例制备而成，同批次制备的-350~+1000目细粉及-150~+170目粗粉均不能利用，使样品6成本较高。因此，非晶粉末的最佳粒度配比为：-140~+170目占10%，-170~+200目占30%；-200~+350目占30%，-350~+1000目占30%。在此条件下非晶磁粉芯的损耗最低达到130 kw/m³，直流偏置能力最佳为68.5%。

表5给出了绝缘方案对磁性能和强度的影响。由表5可见，磷酸溶液+低熔点玻璃粉的方案无论在损耗、直流偏置能力还是在强度方面效果都比较好。对比实验a与实验b，表明添加磷酸溶液的非晶磁粉芯的损耗比水玻璃溶液低15%，直流偏置能力高2%；对比实验c与实验d，表明添加磷酸溶液的非晶磁粉芯的损耗比水玻璃溶液低约18%，直流偏置能力高1.4%。同时，添加磷酸溶液的非晶磁粉芯的电阻率高于水玻璃溶液。提高粉末的电阻率，是降低高频涡流损耗的有效方法之一^[13]。产生这种现象的原因是，磷酸溶液作为一种钝化剂在铁硅硼合金表面形成了一种以磷酸盐为主的颗粒状磷化膜，这层非金属的不导电隔离体使金属工件表面由优良导体转变为不良导体，能抑制金属工件表面微电的形成，阻止非晶粉末腐蚀，进而提高了非晶磁粉芯的耐腐蚀性能。而实验b中使用的水玻璃其主要成分硅酸钠，是由Na₂O和SiO₂按照一定比例组合而成的，其中的碱金属离子Na⁺是玻璃导电的载流子，含有的碱金属离子越多，离子活化能越低，玻璃的电导率就越大，介电性能就越差。

图7给出了热处理后的非晶磁粉芯内部形貌图片及能谱分析。由图7a、b可见，添加低熔点玻璃粉的非晶磁粉芯表面有白色的粘状物，是低熔点玻璃粉(图7c)，是低温玻璃粉在非晶磁粉芯热处理时熔融、冷却后收缩凝固的产物。粉状的低温玻璃粉经过高温烧结、冷却至室温后转变成陶瓷状的无机物，在很大程度上提高了非晶磁粉芯的强度。由表5可知，添加低熔点玻璃粉的非晶磁粉芯的样品a、样品b的强度几乎是未添加的样品c、样品d的2倍；添加低熔点玻璃粉的样品a的损耗也比样品c的损耗低3.8%，同样，样品b的损耗也比样品d的损耗低约6.6%。由此可知，低温玻璃粉作为一种无机固态粉末具有较高的电阻率，不仅在非晶磁粉芯中起绝缘剂作用，还起粘结剂作用。

表6给出了原材料对非晶磁粉芯性能的影响。由表6可知，样品1使用的原材料为回收废旧非晶铁芯，其损耗为130 kw/m³，直流偏置能力为68.5%，样品2使用的原材料为铁硅硼合金，其损耗为129 kw/m³，直流偏置能力为68.6%。两种原材料的损耗差异为0.78%，直流偏置能力的偏差为0.1%。由此可知，无论是使用回收废旧非晶铁芯制备的非晶磁粉芯，还是使用常规铁硅硼合金原材料制备的非晶磁粉芯，其损耗与直流偏置能力接近。因此，采用回收废旧非晶铁芯制备的非晶磁粉芯与常规生产制备的非晶磁粉芯磁性能无明显差异。

(1) 改变非晶粉末粒度配比，可提高非晶磁粉芯的直流偏置能力并降低磁损耗。当粉末粒度配比为：-140~+170目占10%，-170~+200目占30%，-200~+350目占30%，-350 ~+1000目占30%时非晶磁粉芯的损耗最低为130 kw/m³，直流偏置能力最佳为68.5%。

(2) 使用不同的绝缘剂封装非晶磁粉芯，则添加磷酸溶液+低熔点玻璃的非晶磁粉芯的损耗比添加水玻璃溶液+低熔点玻璃的非晶磁粉芯的损耗低15%、直流偏置能力高2%；单纯使用磷酸溶液的非晶磁粉芯比单纯使用水玻璃溶液的损耗低18%，直流偏置能力高1.4%。使用磷酸溶液的绝缘方案比使用水玻璃溶液的绝缘方案更能提高非晶磁粉芯的磁性能。

(3) 使用添加磷酸溶液+低熔点玻璃粉制备的非晶磁粉芯的损耗，比不使用时低3.8%、强度高2倍；使用添加水玻璃溶液+低熔点玻璃粉制备的非晶磁粉芯的损耗，比不使用时低6.6%、强度高1.3倍。低熔点玻璃粉不仅在非晶磁粉芯中起绝缘剂作用，还起粘结剂作用。

(4) 使用废旧非晶铁芯制备的非晶磁粉芯的磁性能与使用常规铁硅硼合金制备的非晶磁粉芯的磁性能相比，没有明显的不同。