CN100344572C - 高叠加性能锰锌系铁氧体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高叠加性能锰锌系铁氧体及其制备方法，该铁氧体包括主成分和辅助成分，主成分包括氧化铁、氧化锌和氧化锰，而主成分以各自标准物计的含量如下，Fe₂O₃：51mol%～56mol%，MnO：34mol%～40mol%，ZnO：6mol%～12mol%，辅助成分包括氧化钙、氧化钾和氧化钛，相对所述主成分总量，以其各自的标准物K₂O、CaO和TiO₂计的总含量为0.01～0.92wt%。本发明提供一种功率损耗较低、适于作为直流叠加性能好的行输出变压器和平滑扼流圈等器件磁芯的高叠加性能锰锌系铁氧体及其制备方法。

Description

高叠加性能锰锌系铁氧体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Mn-Zn系铁氧体及其制备方法，尤其涉及一种在低频(10KHz～100KHz)下具有较低的功率损耗和优异直流叠加性能的锰锌系铁氧体及其制备方法。

背景技术

软磁性的铁氧体因其具有相当高的磁导率而被用作为变压器、电感器、滤波器、高性能电源开关等感性元件的磁芯，其需求量将越来越大。一方面，随着信息产业技术的迅猛发展，电子设备的技术要求和指标正在不断改进和更新，电子设备的开关及计算、处理速度越来越快，而软磁铁氧体在交变电磁场下存在磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗等；另一方面，在某些电路中，电子器件往往需要在一定的直流状态下工作，例如行输出变压器、高频变压器和平滑扼流圈等。在这些情形下除了要求磁芯具有良好的电磁特性外，还需要起具有良好的直流叠加特性，即在叠加直流偏置下，要求磁芯的可逆磁导率下降幅度要小。目前，对于U型、EC型等很多磁芯，都提出了在一定直流电流下的叠加特性要求，并且要求越来越高。目前，TDK公司的HV45材料能较好地满足这方面的要求，然而国内鲜有厂家能够生产这种材料和满足这方面的材料需要。

在类似上述问题领域，有专利号为03115906.0的中国专利申请文件公开了一种锰-锌功率软磁铁氧体料粉及其制备方法，软磁铁氧体料粉中Fe₂O₃为58-79wt％，Mn₃O₄：15-30wt％，ZnO：5-15wt％，辅料(包括SiO₂、CaCO₃、V₂O₅、Nb₂O₅)：0-7wt％，总量满足100％。主料和辅料通过混合、预烧、粗粉碎、砂磨、喷雾造粒五个工序制成锰-锌功率软磁铁氧体料粉，据称其制成的料粉功耗较低，饱和磁感应强度Bs高。

与此类似的还有专利号为02150733.3的中国专利申请文件也公开了一种高频细晶粒软磁铁氧体磁体材料及其生产工艺，它是由氧化铁、氧化锌和氧化锰为主要原料制成的，其特征在于所述软磁铁氧体材料的平均晶粒尺寸是3-5μm，各组分以氧化物计的重量百分比范围是：Fe₂O₃：50-57％；ZnO：0-13％；MnO：30-50％；其余为掺杂成分M；其采用的工艺步骤是：配料、球磨、振磨、预烧、砂磨、造粒、成型、烧结、磨加工和包装，据称：其工艺适合工业化批量生产，生产成本低、工艺稳定、产品具有磁导率高、功率损耗小的特点，达到高频低功耗功率铁氧体材料PC50的技术指标，从而为实现电子器件的小型化、片式化提供了有利的条件。

类似地，还有公开号为JP2001068326的日本专利申请文件也公开了一种高磁导率、低损耗和用于变压器方面的Mn-Zn铁氧体，其采用包括镍氧化物的辅料，主料的配比及含量也有所不同，不赘述。

发明内容

本发明要达到的技术目的是要提供一种功率损耗较低、适于作为直流叠加性能好的行输出变压器和平滑扼流圈等器件磁芯的高叠加性能锰锌系铁氧体及其制造方法。

为此，本发明技术解决方案是一种高叠加性能锰锌系铁氧体，其包括主成分和辅助成分，主成分包括氧化铁、氧化锌和氧化锰，其主成分和辅助成分烧结形成面心立方的尖晶石晶结构，而所述主成分以各自标准物计的含量如下，Fe₂O₃：51％～56mol％，MnO：34mol％～40mol％，ZnO：6mol％～12mol％，所述辅助成分包括氧化钙、氧化钾和氧化钛，所述氧化钙、氧化钾和氧化钛以其标准物CaO、K₂O和TiO₂计的总含量为0.01～0.92wt％。本发明根据晶体学原理，采用实验发现的辅料和主料的特殊搭配，诱导和促使尖晶石内部结构均匀、点阵缺陷和气孔较少，减小了畴壁运动的阻力，材料的磁滞损耗变小，从而使磁芯磁化过程中的可逆磁化阶段延长，推迟了饱和磁化的趋近，从而改善了磁芯的直流叠加特性。低频下磁芯损耗的80％来自于磁滞损耗，该粉料在10～100KHz时具有低的功率损耗。

而且本发明的高叠加性能锰-锌功率铁氧体料粉具有良好的成型性能。料粉物理性能如下：

颗粒的含水量为0.2～0.6wt％，

松装比为：1.25～1.45g/cm³，

安息角为≤30°。

相对所述主成分总量，所述辅助成分以各自标准物计的含量分别为，CaO：0.002～0.12wt％，TiO₂：0.005～0.4wt％，K₂O：0.003～0.4wt％。上述成分分别优选为CaO：0.0028～0.056wt％，TiO₂：0.005～0.3wt％，K₂O：0.0034～0.4wt％。

为了强化本发明的上述优点，作为本发明的实用性好的实施例，所述辅助成分进一步包括硅氧化物、钒氧化物、铌氧化物、钴氧化物、锆氧化物其中一种或一种以上，相对所述主成分总量，这些辅助成分以其标准物SiO₂、V₂O₅、Nb₂O₅、Co₂O₃、ZrO₂计的总含量为0～0.515wt％。

所述辅助成分中硅氧化物、钒氧化物、铌氧化物、钴氧化物、锆氧化物相对所述主成分总量，各自以其标准物SiO₂、V₂O₅、Nb₂O₅、Co₂O₃、ZrO₂计的含量分别为，SiO₂：0～0.015wt％、V₂O₅：0～0.1wt％、Nb₂O₅：0～0.1wt％、Co₂O₃：0～0.2wt％、ZrO₂：0～0.1wt％。

相应地，本发明的另一相关技术解决方案是一种如上所述的高叠加性能锰锌系铁氧体的制造方法，该方法包括如下步骤：A)将对应各主成分的主原料Fe₂O₃、Mn₃O₄、ZnO粒料混合经过一次砂磨，制得平均粒径为1.0±0.3μm的主原料粉料；B)将所述主成分粉料经干燥、预烧，再加入纯水、分散剂和对应各辅助成分的辅助原料，一起进行二次砂磨，二次砂磨过程中加入粘合剂和消泡剂制得平均粒径为1.0±0.2μm混合粉料；C)将混合粉料经干燥、压制成型、在1300～1400℃下充氮气氛下保温4～7小时烧结、在平衡气氛下冷却制得所述铁氧体成品。本发明的方法及产品制作成本较低，适用于普通的大工业生产，利用本发明制得的磁芯具有很好的叠加性能，在低频下具有低的功率损耗、高的饱和磁感应强度和较高的居里温度，高频下100KHz功率损耗也能相当于TDK公司PC40档次的材料。

作为本发明方法的较佳实施例，本发明所述步骤B中，所述消泡剂包括正辛醇，所述粘合剂包括聚乙烯醇。

所述步骤B中，相对所述主成分总量，所述纯水的添加比例为35～38wt％，所述分散剂的添加比例为0～1.0wt％，所述粘合剂的添加比例为0.4～1.0wt％，所述消泡剂的添加比例为0～0.5wt％。

所述步骤B中，所述预烧温度控制在890℃±20℃范围，预烧过程中，所述主原料粉料的磁化度控制在0～25范围内。

所述步骤B、C中，所述干燥过程是采用喷雾方法；所述步骤C中，所述压制成型后的生坯的密度为3.0±0.2g/cm³

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

称取53.4mol％Fe₂O₃、38.6mol％MnO(原料形态为Mn₃O₄)、7.9mol％ZnO，其中铁红采用国产宝钢铁红(Fe₂O₃％≥99.2％)，Mn₃O₄采用金瑞普通(Mn％≥71％)，ZnO厂家为上海京华(ZnO％≥99.7％)。投入砂磨机中搅拌，控制平均粒径为1.0±0.3μm，一次喷雾后在890±20℃温度下用电热式回转窑进行预烧，控制磁化度在0～25。随后预烧料投入砂磨机进行二次砂磨，砂磨过程中相对所述主成分总量，加入纯水37％、分散剂0.01％和消泡剂0.008％，并加入添加剂CaCO₃0.06wt％、K₂CO₃0.06wt％、V₂O₅0.05wt％、Nb₂O₅0.05wt％、Co₂O₃0.04wt％、TiO₂0.15wt％，制得平均粒径为1.0±0.2μm的混合粉料。最后进行二次喷雾造粒得到Mn-Zn铁氧体颗粒料粉。

取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm的环形磁芯，成型密度为3.0±0.2g/cm³；取该颗粒料成型压制成U型生坯(外长38.3±0.6mm，全高33.6±0.3mm，底宽13.0±0.3mm，内档最小14.1mm，内深23.0±0.2mm，方腿宽10.7±0.2mm，圆柱直径13.0±0.3mm)产品，此型号的产品叠加性能对粉料和工艺具有高的要求。在1300～1400℃下N₂保护下进行烧结，保温4～7小时，在平衡气氛下冷却，再在磨床进行加工。

实施例2

称取52.9mol％Fe₂O₃、37.9mol％MnO(原料形态为Mn₃O₄)、9.1mol％ZnO，投入砂磨机中搅拌，控制平均粒径为1.0±0.3μm，一次喷雾后在890±20℃温度下用电热式回转窑进行预烧，控制磁化度在0～25。随后预烧料投入砂磨机进行二次砂磨，砂磨过程中相对所述主成分总量，加入纯水37％、分散剂0.01％和消泡剂0.008％，并加入添加剂SiO₂0.002wt％、CaCO₃0.04wt％、K₂CO₃0.4wt％、V₂O₅0.04wt％、Nb₂O₅0.05wt％、TiO₂0.15wt％、ZrO₂0.05wt％，控制二次砂磨的平均粒径为1.0±0.2μm。最后进行二次喷雾得到Mn-Zn铁氧体颗粒料粉。

取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm的环形磁芯，成型密度为3.0±0.2g/cm³；取该颗粒料成型压制U型生坯(外长38.3±0.6mm，全高33.6±0.3mm，底宽13.0±0.3mm，内档最小14.1mm，内深23.0±0.2mm，方腿宽10.7±0.2mm，圆柱直径13.0±0.3mm)产品，此型号的产品叠加性能对粉料和工艺具有高的要求，在1300～1400℃下N₂保护下进行烧结，保温4～7小时，在平衡气氛下冷却，再在磨床进行加工。

用美国2330功耗仪、日本理研BHS-4测试仪测得实施例1、2的环形和U型烧结体的相关性能如表1所示；用HP4284A电感叠加测试仪测得实施例1、2的U型烧结体叠加性能如表2所示。

                                    表1

批号	起始磁导率	饱和磁感应强度Bs(H＝1194A/m)	功率损耗mw/g(100℃)
						16KHz	64KHz	100KHz
			TDK HV45	2300	500				3	40	90
实施例1	2284	516				2.95	38.7	73.2
			实施例2	2315	512				3.05	41.2	75.6

                                        表2

批号	叠加电流I＝1.5A(1KHz，0.3V)			叠加电流I＝1.7A(1KHz，0.3V)
							100℃，φ0.3×112Ts×2，气隙δ＝0.4mm×2			100℃，φ0.3×112Ts×2，气隙δ＝0.4mm×2
	L0	L	L/L0	L0	L	L/L0
							实施例1	3.15	2.780	88.25％	3.15	2.6675	84.67％
实施例2	3.20	2.795	87.34％	3.20	2.68	83.75％

由表1和表2可见，本发明的锰锌系铁氧体磁芯产品功率损耗较低、具有较好的起始磁导率、饱和磁感应强度以及直流叠加性能。

Claims (9)

1、一种高叠加性能锰锌系铁氧体，该铁氧体包括主成分和辅助成分，主成分包括氧化铁、氧化锌和氧化锰，其特征在于：所述主成分以各自标准物计的含量如下，Fe₂O₃：51mol％～56molwt％，MnO：34mol％～40mol％，ZnO：6mol％～12mol％，所述辅助成分包括氧化钙、氧化钾和氧化钛，相对所述主成分总量，所述氧化钙、氧化钾和氧化钛以其标准物CaO、K₂O和TiO₂计的总含量为0.01～0.92wt％。

2、如权利要求1所述的高叠加性能锰锌系铁氧体，其特征在于：相对所述主成分总量，所述辅助成分以各自标准物计的含量分别为，CaO：0.002～0.12wt％，K₂O：0.003～0.4wt％，TiO₂：0.005～0.4wt％。

3、如权利要求1或2所述的高叠加性能锰锌系铁氧体，其特征在于：所述辅助成分进一步包括硅氧化物、钒氧化物、铌氧化物、钴氧化物、锆氧化物其中一种或一种以上，相对所述主成分总量，这些辅助成分以其标准物SiO₂、V₂O₅、Nb₂O₅、Co₂O₃、ZrO₂计的总含量为0～0.515wt％。

4、如权利要求3所述的高叠加性能锰锌系铁氧体，其特征在于：相对所述主成分总量，所述辅助成分中硅氧化物、钒氧化物、铌氧化物、钴氧化物、锆氧化物各自以其标准物SiO₂、V₂O₅、Nb₂O₅、Co₂O₃、ZrO₂计的含量分别为，SiO₂：0～0.015wt％、V₂O₅：0～0.1wt％、Nb₂O₅：0～0.1wt％、Co₂O₃：0～0.2wt％、ZrO₂：0～0.1wt％。

5、如权利要求1～4之一所述的高叠加性能锰锌系铁氧体的制备方法，所述方法包括如下步骤：A)将对应各主成分的主原料Fe₂O₃、Mn₃O₄、ZnO粒料混合经过一次砂磨，制得平均粒径为1.0±0.3μm的主原料粉料；B)将所述主原料粉料经干燥、预烧，再加入纯水、分散剂和对应各辅助成分的辅助原料，一起进行二次砂磨，二次砂磨过程中加入粘合剂和消泡剂    制得平均粒径为1.0±0.2μm的混合粉料；C)将混合粉料经干燥、压制成型、在1300～1400℃下充氮气氛下保温4～7小时烧结、在平衡气氛下冷却制得所述铁氧体成品。

6、如权利要求5所述的高叠加性能锰锌系铁氧体的制备方法，其特征在于：所述步骤B中，所述消泡剂包括正辛醇，所述粘合剂包括聚乙烯醇。

7、如权利要求5所述的高叠加性能锰锌系铁氧体的制造方法，其特征在于：所述步骤B中，相对所述主成分总量，所述纯水的添加比例为35～38wt％，所述分散剂的添加比例为0～1.0wt％，所述粘合剂的添加比例为0.4～1.0wt％，所述消泡剂的添加比例为0～0.5wt％。

8、如权利要求5所述的高叠加性能锰锌系铁氧体的制造方法，其特征在于：所述步骤B中，所述预烧温度控制在890℃±20℃范围，预烧过程中，所述主原料粉料的磁化度控制在0～25范围内。

9、如权利要求5所述的高叠加性能锰锌系铁氧体的制造方法，其特征在于：所述步骤B、C中，所述干燥过程是采用喷雾方法；所述步骤C中，所述压制成型后的生坯的密度为3.0±0.2g/cm³。