CN111383810A

CN111383810A - 一种非晶合金磁粉芯的制备方法

Info

Publication number: CN111383810A
Application number: CN201911023326.5A
Authority: CN
Inventors: 张丛; 姚骋; 李�根; 金志洪
Original assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-07-07

Abstract

本发明涉及软磁合金技术领域，针对合金磁粉高磁导率和低功耗不可兼得的问题，提供一种非晶合金磁粉芯的制备方法，先将铁基非晶粉加入磷酸溶液中钝化，再与无机绝缘材料均匀混合得到复合粉，然后将复合粉加入到已稀释的粘接剂溶液中，使粘接剂与复合粉充分混合、烘干，加入脱模剂增加复合粉的流动性，接着将产物压制成型得到磁芯坯料，最后将磁芯坯料放置在有惰性气氛保护的高温下进行退火，得到非晶合金磁粉芯成品。本发明制备过程简单、性能稳定，得到磁导率大于70、功耗小于450 kW/m³的非晶合金磁粉芯。

Description

一种非晶合金磁粉芯的制备方法

技术领域

本发明涉及软磁合金技术领域，尤其是涉及一种非晶合金磁粉芯的制备方法。

背景技术

磁粉芯是一种新型的复合电子材料，它是由合金粉末与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。磁粉芯特有的软磁性能是其他软磁材料难以比拟的，因而磁粉芯应用广泛，为软磁材料的发展创新提供了条件。非晶材料的直流偏置性能好、损耗低、宽频条件下的磁导率稳定性好，但相对于铁粉芯而言，非晶磁粉芯的磁导率较低。目前市场上μ_a＝80的合金磁粉芯，功耗P_cv在500kW/m³左右。

目前对非晶材料的研究一方面是提高粉末原料本身的性能，例如通过添加或替代一些微量元素Cr[87]、Co[88]、Nb[89]、Cu[90]、Mo[91]等元素提高材料的饱和磁感应强度和磁导率，但是会提高成本；另一方面是对磁粉芯的制备工艺进行优化，例如一篇专利号为CN104575913B，名称为《一种低损耗非晶磁粉芯的制备方法》的专利，公开了一种低损耗非晶磁粉芯的制备方法，旨在提供一种损耗低且直流叠加性能好的低损耗非晶磁粉芯的制备方法。它通过添加合适的耐高温绝缘材料，及选择合适的绝缘包覆方法，通过压制成型及高温退火工艺，制备得到磁导率在60-90之间和具有较好强度的非晶磁粉芯。该发明的产品不仅损耗低，在100kHz/100mT条件下损耗低于500mW/cm³；而且具有较好的直流叠加性能，在100Oe磁场强度条件下，直流叠加性能在65-70％之间，但是该发明步骤繁琐，磁导率和功耗还能进一步优化。据此需要提供一种理想的解决方法。

发明内容

本发明为了克服合金磁粉芯高磁导率和低功耗不可兼得的问题，提供一种非晶合金磁粉芯的制备方法，采用铁基非晶粉为原料，对粉末进行钝化、绝缘包覆、高温退火处理，通过对磁粉芯的制备工艺进行优化筛选，得到了兼具较高磁导率和较低功耗的非晶合金磁粉芯。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种非晶合金磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：

1)取铁基非晶粉，加入磷酸溶液中进行反应，使粉末颗粒的表面形成一层致密的钝化膜，其中磷酸添加量为铁基非晶粉的0.1-1.0wt％；

2)将上述钝化好的铁基非晶粉与无机绝缘材料均匀混合，得到复合粉，其中无机绝缘材料添加量为铁基非晶粉的0.1-2.0wt％；

3)将上述复合粉加入到已稀释的粘接剂溶液中，使粘接剂与复合粉充分混合，再烘干，其中粘接剂的添加量为复合粉的0.5-5.0wt％；

4)往步骤3)的产物中加入脱模剂，增加复合粉的流动性，其中脱模剂添加量为复合粉的0.1-0.8wt％；

5)将步骤4)的产物压制成型，成型压强为1400-2200MPa，得到磁芯坯料；

6)将磁芯坯料放置在有惰性气氛保护的高温下进行退火，得到非晶合金磁粉芯成品。

本发明采用铁基非晶粉为原料，先用磷酸溶液对粉末进行钝化处理：钝化工艺可以提高电阻率。再用无机绝缘材料作为绝缘包覆剂进行包覆：绝缘包覆可有效提高磁粉芯的电阻率使涡流损耗极大程度上降低，同时提高磁粉芯的电磁转化效率以及使用频率。虽然无机物的电阻率高，但无机物粘接性弱，因此还需在磁粉中加入粘接剂，粘结剂也可以增加磁粉芯的电阻率，减小磁芯的涡流损耗。接着在复合粉中加入脱模剂以增加复合粉的流动性。然后压制得到磁芯坯料。最后在有惰性气氛保护的高温下进行退火：压制成型后的生坯磁粉芯中存在着残余内应力，会增加磁畴运动的困难程度，降低磁粉芯的磁性能，因此要经过退火处理来提高磁粉芯的磁导率。退火在惰性气体下进行，可以避免磁粉芯氧化。本发明制得的非晶合金磁粉芯同时具有较高磁导率和较低的功耗。

作为优选，所述步骤6)中退火温度为460-630℃，升温速率1-4℃/min。退火温度过低就无法更好地消除内应力；适当的退火温度不仅能减小内应力引起的磁性能恶化，还能减少磁粉芯中的缺陷，提高性能；过高的退火温度会导致非晶粉晶化，使磁粉芯的性能发生变化。

作为优选，所述步骤6)中退火温度为500-590℃，升温速率为1-3℃/min。实验结果表明：在460-590℃退火温度范围内，磁粉芯的磁导率先升高后降低，磁粉芯的损耗则先降低后升高。460-500℃退火不足以消除磁粉芯中的内应力，590-630℃条件下对非晶磁粉芯进行退火处理，由于其温度已接近非晶材料的晶化温度，磁粉芯的磁导率降低。

作为优选，所述步骤1)中磷酸添加量为铁基非晶粉的0.2-0.7wt％，磷酸溶液的溶剂选自水、乙醇或丙酮中的一种。磷酸的作用是与粒度表面反应生成一层钝化膜，当粉末粒度组成一定时，粉末的总比表面积是一定的。当磷酸含量过高时，粉末表面产生的钝化膜厚度增加，使粉末本身的磁性成分减少，使制得的生坯电感下降，当磷酸含量过低时，粉末表面不能产生完整的钝化膜。本发明优选的磷酸用量，可以形成一层薄而均匀的钝化膜。

作为优选，所述步骤2)中无机绝缘材料添加量为铁基非晶粉的0.1-1.0wt％，无机绝缘材料包括氧化铝、氧化硅、高岭土、云母粉和氧化镁中的一种或几种混合物。利用氧化铝、氧化硅、高岭土、云母粉和氧化镁中的一种或几种混合物作为包覆剂制备的磁粉芯的磁导率更高、损耗更低，综合磁性能更好。合适的包覆剂含量可以使非晶磁粉芯具备优良的磁性。包覆剂的含量增加时，粉末颗粒表面的包覆层较厚，磁粉芯的密度降低。当包覆剂的含量超过1.0wt％时，磁粉芯的磁密度降低，致使非晶磁粉芯的磁导率值降低。磁粉芯的电阻率越高，其涡流损耗就越小。由于磁粉芯中包含具有较低电阻率的磁性粉末部分以及电阻率较高非磁性的部分(如包覆剂、粘接剂等)，当包覆剂的含量由低逐渐升高时，非晶磁粉芯的损耗大体呈现出不断减小的趋势。当包覆剂含量由0.1wt％增加至2.0wt％时，随着包覆剂含量增加，非晶磁粉芯的电阻率升高，因此非晶磁粉芯涡流损耗降低，使非晶磁粉芯的总损耗表现为降低的趋势。

作为优选，所述步骤3)中粘接剂添加量为复合粉的1.0-3.5wt％，粘接剂为硅树脂、环氧树脂、硅酮树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、氰酸酯树脂中的一种或几种混合物。本发明优选的粘结剂添加量可以在铁基非晶粉末的表面形成一层薄薄的均匀包覆层，不仅能够实现粉末表面的完整包覆，而且不会产生堆积浪费，节省了辅料成本。

作为优选，所述步骤4)中脱模剂添加量为复合粉的0.2-0.6wt％，脱模剂选自硬脂酸锌、硬脂酸镁或硬酯酸铝中的一种。

作为优选，所述步骤5)中成型压强为1600-2100MPa。在磁粉芯压制过程中，成型压力会令磁粉芯的性能产生较大的变化。压力太小则压制后的磁粉芯中的气隙较多，密度较小，因而磁导率小。适当提高磁粉芯的成型压力的大小，使得压制过程中粉末颗粒产生位移，磁粉芯中的空隙减少，从而使磁粉芯的密度增加，提高磁粉芯的磁导率，也能使磁粉芯中磁性物质所占体积分数增加，降低矫顽力、减小损耗。压力过大时，一方面过大的压力会使绝缘包覆层发生破裂，磁性颗粒裸露出来增加磁粉芯的损耗；另一方面过大的压力会对模具产生一定的破坏性降低模具的使用寿命。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)本发明提供一种非晶磁粉芯制备方法，过程简单、性能稳定，得到磁导率大于70、功耗小于450kW/m³的非晶合金磁粉芯；(2)优选退火温度为460-630℃，既能减小磁粉芯中的内应力，又不会改动原料粉末的组织构造使磁粉芯的性能发生变化，使磁粉芯的性能达到最优化；(3)优选的粘结剂添加量为复合粉的1.0-3.5wt％，更好在铁基非晶粉末的表面形成一层薄薄的均匀包覆层，不仅能够实现粉末表面的完整包覆，而且不会产生堆积浪费，节省了辅料成本。

附图说明

图1是非晶条带破碎粉的SEM图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。实施例所用原料铁基非晶粉为非晶条带破碎粉，主成份为Fe、Si和B，破碎粉的SEM图如图1所示。

实施例1

1)将丙酮稀释后的磷酸加入到非晶条带破碎粉中，磷酸为非晶粉的0.3wt％，丙酮为非晶粉的10wt％，在80℃下搅拌至干燥；

2)往干燥后的粉中加入非晶粉质量的0.2wt％的无机绝缘剂-云母粉与高岭土的混合粉(云母粉与高岭土质量比为1:2)，通过球磨法将非晶粉与无机绝缘剂混合均匀，得到复合粉；

3)加入复合粉质量1.4wt％的硅树脂作为粘接剂，硅树脂用丙酮稀释，烘干后加入复合粉质量0.4wt％的硬脂酸锌作为脱模剂，在1800Mpa的压强下压制成12.76*7.66*4.8mm(外径*内径*高)的磁环；

4)将压制好的磁环置于N₂气氛中550℃退火20min，升温速率为3.0℃/min，得到磁粉芯成品。

实施例2

1)将蒸馏水稀释后的磷酸加入到非晶条带破碎粉中，磷酸为非晶粉的0.1wt％，蒸馏水为非晶粉的10wt％，在150℃下搅拌至干燥；

2)往干燥后的粉中加入非晶粉质量的0.1wt％的无机绝缘剂-氧化铝，通过球磨法将非晶粉与无机绝缘剂混合均匀，得到复合粉；

3)加入复合粉质量5wt％的聚酰亚胺作为粘接剂，聚酰亚胺用丙酮稀释，烘干后加入复合粉质量0.1wt％的硬脂酸镁作为脱模剂，在1400Mpa的压强下压制成12.76*7.66*4.8mm(外径*内径*高)的磁环；

4)将压制好的磁环置于N₂气氛中460℃退火20min，升温速率为1.0℃/min，得到磁粉芯成品。

实施例3

1)将乙醇稀释后的磷酸加入到非晶条带破碎粉中，磷酸为非晶粉的1wt％，乙醇为非晶粉的10wt％，在120℃下搅拌至干燥；

2)往干燥后的粉中加入非晶粉质量的2wt％的无机绝缘剂-二氧化硅，通过球磨法将非晶粉与无机绝缘剂混合均匀，得到复合粉；

3)加入复合粉质量0.5wt％的环氧树脂作为粘接剂，环氧树脂用丙酮稀释，烘干后加入复合粉质量0.8wt％的硬脂酸铝作为脱模剂，在2200Mpa的压强下压制成12.76*7.66*4.8mm(外径*内径*高)的磁环；

4)将压制好的磁环置于N₂气氛中630℃退火20min，升温速率为4.0℃/min，得到磁粉芯成品。

实施例4

1)将丙酮稀释后的磷酸加入到非晶条带破碎粉中，磷酸为非晶粉的0.2wt％，丙酮为非晶粉的10wt％，在80℃下搅拌至干燥；

2)往干燥后的粉中加入非晶粉质量的0.4wt％的无机绝缘剂-高岭土，通过球磨法将非晶粉与无机绝缘剂混合均匀，得到复合粉；

3)加入复合粉质量1wt％的硅酮树脂作为粘接剂，硅酮树脂用丙酮稀释，烘干后加入复合粉质量0.2wt％的硬脂酸锌作为脱模剂，在1600Mpa的压强下压制成12.76*7.66*4.8mm(外径*内径*高)的磁环；

4)将压制好的磁环置于N₂气氛中500℃退火20min，升温速率为3.0℃/min，得到磁粉芯成品。

实施例5

1)将丙酮稀释后的磷酸加入到非晶条带破碎粉中，磷酸为非晶粉的0.7wt％，丙酮为非晶粉的10wt％，在80℃下搅拌至干燥；

2)往干燥后的粉中加入非晶粉质量的1wt％的无机绝缘剂-氧化镁，通过球磨法将非晶粉与无机绝缘剂混合均匀，得到复合粉；

3)加入复合粉质量3.5wt％的酚醛树脂作为粘接剂，酚醛树脂用丙酮稀释，烘干后加入复合粉质量0.6wt％的硬脂酸锌作为脱模剂，在2100Mpa的压强下压制成12.76*7.66*4.8mm(外径*内径*高)的磁环；

4)将压制好的磁环置于N₂气氛中590℃退火20min，升温速率为3.0℃/min，得到磁粉芯成品。

测试方法：测试电感L、品质因数Q(品质因数越高，表示磁粉芯损耗的能量越低，磁性能越好。)和直流叠加特性(DCB@50Oe)采用直径为0.4mm的铜线，均匀的在磁环上绕30匝，测试条件为100kHz，1V，25℃。测试功耗P_cv用直径为0.4mm的铜线，均匀在磁环上绕30匝*5匝，测试条件为100kHz，100mT，25℃。测试结果如下表所示：

从上述实施例可以看出：本发明通过对磁粉芯的制备工艺进行优化筛选，提供的非晶磁粉芯制备方法过程简单、性能稳定，得到磁导率大于70、功耗小于450kW/m³的非晶合金磁粉芯。比上文提到的对比文件中磁导率大于60，损耗低于500mW/cm³有所改进，而且步骤更简单。另外本发明功耗和磁导率可小范围调整，能满足更多需求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取铁基非晶粉，加入磷酸溶液中进行反应，使粉末颗粒的表面形成一层致密的钝化膜，其中磷酸添加量为铁基非晶粉的0.1-1.0 wt%；

2）将上述钝化好的铁基非晶粉与无机绝缘材料均匀混合，得到复合粉，其中无机绝缘材料添加量为铁基非晶粉的0.1-2.0 wt%；

3）将上述复合粉加入到已稀释的粘接剂溶液中，使粘接剂与复合粉充分混合，再烘干，其中粘接剂的添加量为铁基非晶粉的0.5-5.0 wt%；

4）往步骤3）的产物中加入脱模剂，增加复合粉的流动性，其中脱模剂添加量为复合粉的0.1-0.8 wt%；

5）将步骤4）的产物压制成型，成型压强为1400-2200 MPa，得到磁芯坯料；

6）将磁芯坯料放置在有惰性气氛保护的高温下进行退火，得到非晶合金磁粉芯成品。

2.根据权利要求1所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤6）中退火温度为460-630 ℃，升温速率1-4 ℃/min。

3.根据权利要求2所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤6）中退火温度为500-590 ℃，升温速率为1-3 ℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中磷酸添加量为铁基非晶粉的0.2-0.7 wt%，磷酸溶液的溶剂选自水、乙醇或丙酮中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中无机绝缘材料添加量为铁基非晶粉的0.1-1.0 wt%，无机绝缘材料包括氧化铝、氧化硅、高岭土、云母粉和氧化镁中的一种或几种混合物。

6.根据权利要求1所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中粘接剂添加量为复合粉的1.0-3.5 wt%，粘接剂为硅树脂、环氧树脂、硅酮树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、氰酸酯树脂中的一种或几种混合物。

7.根据权利要求1所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中脱模剂添加量为复合粉的0.2-0.6 wt%，脱模剂选自硬脂酸锌、硬脂酸镁或硬酯酸铝中的一种。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种非晶合金磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中成型压强为1600-2100 MPa。