CN100589216C - 一种软磁合金磁芯的涂层及其喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属软磁材料及制备领域，特别涉及一种软磁合金磁芯的涂层及其喷涂方法。该涂层主成分为热塑性树脂中的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醋丁纤维素、尼龙、聚酯中的任意一种或两种或为热固性树脂中的环氧聚酯、聚氨酯、不饱和聚酯、聚丙烯酸酯中的任意一种或两种，并添加至少一种相应助剂形成，采用相应的涂装工艺在软磁磁芯表面形成树脂涂层，涂层厚度在50～2000μm之间。上述软磁合金磁芯涂层的喷涂方法是空气喷涂、流化床浸涂、静电流化床浸涂、静电粉末喷涂、静电振荡粉末涂装、静电隧道粉末涂装中的任意一种或两种。本发明与现有技术相比，具有成本低，涂层后磁芯磁性能优良、尺寸一致性好，适合大批量生产的优点。
Description
技术领域
本发明属于金属软磁材料及制备领域，特别涉及一种软磁合金磁芯的涂层及其喷涂方法。
背景技术
在现有技术中金属软磁合金，如非晶、纳米晶软磁合金的的制备方法是，首先利用熔体急冷技术将合金熔体制备成厚度20-40μm非晶态薄带，将薄带卷绕成磁芯，再通过适当的热处理工艺使之具有良好的软磁性能。由于非晶、纳米晶磁芯热处理后变脆，在后续的绕线、运输和使用过程中容易产生破碎和掉渣现象，在一定程度上降低了它的软磁性能，并影响其使用效果。为解决上述问题，通常是把软磁合金磁芯装入相应尺寸的塑料、胶木或金属护盒，减少磁芯在后续的绕线、运输和使用过程中的破碎和掉渣现象，以保持磁芯良好的软磁性能。
这种利用护盒保护磁芯方法的缺点在于软磁磁芯和护盒之间存在一定空隙，当制作电流互感器时，需要对带护盒的磁芯多匝绕线(匝数n＞1000)，由于每匝线圈所包围磁芯的有效截面积AS较低，根据法拉第电磁感应定律，n匝线圈产生的感应电压U＝4.44nBfAS也较低，实际上间接降低了多匝绕线软磁磁芯最终的软磁性能，导致后续制作的电流互感器的性能较低。此外，在电子器件的制作中，器件尺寸的小型化始终是追求的目标之一，利用塑料护盒封装软磁磁芯造成磁芯的封装尺寸较大，不利于磁芯和后续制作的电子器件的尺寸小型化。
非晶纳米晶磁芯的另一种制作方法是在磁芯表面涂敷一层硬化的保护层，使后续的绕线可以直接在保护层上进行。与采用保护盒的方式相比，表面涂层可以显著减小保护层所占空间，缩小元器件的体积，此外树脂涂层与磁芯紧密地结合在一起，避免磁芯因震动而剥落、掉渣。
在现有磁芯表面涂层技术中，一般采用有机硅聚合物、聚酰亚胺类树脂、环氧树脂等材料涂覆。
中国专利申请02803133.4、200510085586.7和200510085587.1提出了一种利用有机硅聚合物涂膜保护磁芯端面的方法，但有机硅树脂的价格一般比较昂贵。
中国专利申请02809710.6提出了一种利用聚酰亚胺类树脂涂膜保护铁基非晶合金磁芯端面的方法，该方法是对热处理前的磁芯进行涂覆处理。由于涂覆后的磁芯需要经过热处理，要求涂覆材料能够耐受高达400℃以上的高温，增加了成本。
中国专利申请200510045671.0提出了一种以热蘸法为非晶磁芯涂覆树脂粉末的磁芯封装方法，但该方法在对铁芯进行热蘸时，只是把铁芯趁热翻滚进行最终的尺寸定型，这样不易保证批量生产涂层磁芯最终尺寸的一致性。
中国专利申请200520058193.2提出了以环氧树脂添加固化剂涂覆在铁基纳米晶合金磁芯本体的内外圈两个表面及磁芯本体两侧端面的技术路线，该方法可以为确保磁芯具有稳定磁性能提供一种防振结构，该方法不涉及具体的涂层磁芯生产工艺，因此不易保证批量生产涂层磁芯的最终尺寸。
发明目的及内容
本发明的目的在于提供一种成本低，涂层后磁芯磁性能优良、尺寸一致性好，适合大批量生产的软磁合金磁芯的涂层及其喷涂方法。
根据上述目的，本发明所提出技术方案的工作原理为：
所述表面具有树脂涂层的软磁合金磁芯，该表面树脂涂层主成分由具有长链的热塑性或热固性树脂中的至少一种构成，并添加至少一种助剂构成软磁合金磁芯最终的表面树脂涂层。其中，主成分是构成涂层的最主要物质，经硬化或固化后在磁芯表面形成一层厚度适当的、具有适当硬度的涂层，这样磁芯不用装入保护盒即可直接绕线。助剂的作用是适当调节主成分硬化或固化后的特性，例如改善涂层的强度、韧性、弹性及耐磨性以使得磁芯更好地防止外力作用下的变形，改变涂层的软化温度以适应使用环境的变化。改变树脂涂层厚度，以及助剂配比，还可以调节磁芯的线性膨胀系数，以减小外界环境对磁芯性能的各种影响。
所述表面具有树脂涂层的软磁合金磁芯的制造方法，1、选择具有长链的热塑性或热固性树脂，获得对软磁磁芯残余应力较小的树脂涂层；2、针对该热塑性或热固性树脂成分，选择相应的助剂，减小树脂涂层成形后对磁芯产生的残余应力，或有意产生某种特殊应力以改进磁芯的磁性能；3、针对具有短链的热塑性或热固性树脂，采用合适的磁芯表面涂层工艺，如逐层多次喷涂，以及相应调节软磁合金成分，降低树脂涂层成形时对软磁磁芯产生的应力。
根据上述目的和工作原理，本发明具体的技术方案为：
该涂层主成分为热塑性树脂中的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醋丁纤维素、尼龙、聚酯中的任意一种或两种或为热固性树脂中的环氧聚酯、聚氨酯、不饱和聚酯、聚丙烯酸酯中的任意一种或两种，并添加至少一种相应助剂形成，采用相应的涂装工艺在软磁磁芯表面形成树脂涂层，涂层厚度在50～2000μm之间。
上述磁芯材料是铁基非晶合金、钴基非晶合金、铁基纳米晶合金、铁镍基非晶合金、坡莫合金中的任意一种或两种。
上述助剂为固化剂、增塑剂、改性剂、稳定剂、防氧化剂、流平剂、光亮剂、消光剂、耐磨剂、防结块剂、防老化剂、阻燃剂、颜料、填料中的任意一种或两种。
上述软磁磁芯涂层的喷涂方法是空气喷涂、流化床浸涂、静电流化床浸涂、静电粉末喷涂、静电振荡粉末涂装、静电隧道粉末涂装中的任意一种或两种。
空气喷涂：将上述软磁磁芯预热到160℃～350℃，送入喷粉室，将粉末喷枪压力控制在0.2M～1.0MPa，将树脂粉末喷射在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型；
流化床浸涂：将上述软磁磁芯预热到160℃～350℃，送入流化床内，利用压缩空气使树脂粉末涂料呈沸腾状态，将树脂粉末均匀粘附在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～10min，使磁芯表面树脂涂层最终定型；
静电流化床浸涂：将在160℃～350℃预热的软磁磁芯磁芯送入流化床内，将电极电压控制在20k～120kV，利用压缩空气使树脂粉末涂料呈沸腾状态，将树脂粉末均匀吸附在磁芯表面，然后在160℃～450℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型；
静电粉末喷涂：将在160℃～350℃预热的软磁磁芯送入喷粉室，喷粉枪施加30k～90kV直流电压，利用喷枪将树脂粉末喷涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型；
静电振荡粉末涂装：将在160℃～350℃预热的软磁磁芯送入涂装室，在磁芯与电极之间施加3×104～7×104V电压，在磁芯表面均匀吸附树脂粉末，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型；
静电隧道粉末涂装：将在160℃～350℃预热的软磁磁芯送入喷粉室，喷粉枪施加电压在10～100V，利用压缩空气将带电树脂粉末喷涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
本发明与现有技术相比具有成本低，涂层后磁芯磁性能优良、尺寸一致性好，适合批量生产的优点。上述优点具体如下：
当该磁芯是铁基非晶合金时，其工频50Hz下的饱和磁感应强度在1.40T以上，初始导磁率(磁化场强度0.08A/m)在5000以上，从50Hz到500kHz磁芯电感量下降小于20％，在磁芯表面施加树脂涂层后，磁芯磁性能下降小于15％。
当该磁芯是钴基非晶合金时，其工频50Hz下的饱和磁感应强度在0.60T以上，50kHz下的导磁率在40000以上，在磁芯表面施加树脂涂层后，磁芯磁性能下降小于10％。
当该磁芯是铁镍基非晶合金时，其工频50Hz下的饱和磁感应强度在0.70T以上，最大导磁率在20万以上，在磁芯表面施加树脂涂层后，磁芯磁性能下降小于10％。
当该磁芯是铁基纳米晶合金时，其工频50Hz下的饱和磁感应强度在1.20T以上，初始导磁率(磁化场强度0.08A/m)在60000以上，在磁芯表面施加树脂涂层后，磁芯磁性能下降小于30％。
当该磁芯是坡莫合金时，其工频50Hz下的饱和磁感应强度在0.60T以上，初始导磁率(磁化场强度0.08A/m)在60000以上，在磁芯表面涂覆树脂涂层后，磁芯磁性能下降小于30％。
采用这种具有树脂涂层的软磁磁芯制造的40A电流互感器，互感器比差小于0.1％，角差小于7分。
采用这种具有树脂涂层的软磁磁芯制造的共模电感，10kHz下初始导磁率大于5万。
具体实施方式
采用纯铁、结晶硅、硼铁、纯钼、铌铁、电解铜、纯镍、纯铝、海绵钛等原材料配制钴基非晶合金、铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、坡莫合金、铁基纳米晶合金。
当制备坡莫合金时，采用如下的合金成分(重量百分比)：Ni：76～89，Fe：2～15，M：0～10，其中M为Cu，Nb，V，Mo中的一种或几种。
磁芯制备：在真空感应炉中炼制坡莫合金，将坡莫合金轧制成厚度＜0.30mm的带材，将合金带材卷绕成磁芯，在保护气氛下做热处理。
当制备铁基非晶合金时，采用如下的合金成分(重量百分比)：Fe：82.8％～93.6％，Si：2.5％～6.5％，B：1.1％～4.5％，M：2.5％～7.5％，其中M为V，Cr，Ni，Co，Mo中的任意一种或一种以上。
当制备钴基非晶合金时，采用如下的合金成分(重量百分比)：Co：75.2％～84.4％，Fe：2.3％～7.6％，Si：4.6％～15.5％，B：1.5％～3.5％，M：0.9％～5.3％，其中M为Ni，Mn，Cr，V中的任意一种或一种以上。
当制备铁镍基非晶合金时，采用如下的合金成分(重量百分比)：Fe：37.8％～50.6％，Ni：36.3％～53.2％，B：0.5％～3.5％，Si：1.6％～9.5％，M：0.3％～2.5％，其中M为Ni，Mn，Cr，V中的任意一种或一种以上。
当制备铁基纳米晶合金时，采用如下的合金成分(重量百分比)：Cu：0.8％～1.6％，Si：7.0％～9.5％，B：1.1％～2.0％，M：4.5％～7.5％，M′：0.001％～0.05％，Fe余量，其中M为Mo和/或Nb，M′为改进加工性能的Al和/或Ti。
非晶带材制备：采用真空感应炉熔炼上述钴基非晶合金、铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、铁基纳米晶合金成分的母合金，并将熔融母合金浇铸到快速运动的冷却介质上，形成厚度0.015～0.040mm的连续非晶质合金条带。
磁芯制备：将铁基非晶合金、钴基非晶合金和铁镍基非晶合金条带卷绕成为相应尺寸的磁芯，在保护气氛下做300℃～450℃的退火，以消除合金中的应力。将铁基纳米晶合金条带卷绕成为相应尺寸的磁芯，在保护气氛下做500℃～600℃的退火处理，使合金析出α-Fe晶粒，形成非晶和纳米晶的混合结构。可以将热处理后的不同材料的磁芯组合成复合磁芯。
采用本发明软磁合金磁芯成分、树脂涂层成分和喷涂方法，制备了表面具有树脂涂层的软磁合金磁芯。在软磁合金磁芯表面形成均匀致密的树脂涂层，成为具有优良性能的软磁磁芯，并可以进一步制备其它磁性器件。
表1是软磁合金磁芯成分、树脂涂层成分与所采用的涂层工艺对照。
表2是3只φ19-11-10mn铁基非晶合金磁芯(40匝，1V)在静电隧道粉末喷涂前后不同频率下电感量测试值(mH)，采用尼龙(添加0.5-1.5％流平剂)树脂粉末喷涂磁芯，喷粉枪施加电压在35V，利用喷粉枪将树脂粉末喷涂在磁芯表面，在230℃烘烤10min。
表3是4只φ65-40-20mm铁基非晶合金磁芯(10匝，1V)在静电流化床浸涂前后不同频率下电感量测试值(mH)，采用不饱和聚酯树脂(添加0.2-2.0％覆盖力改性剂)粉末浸涂磁芯，将电极电压控制在60kV，将树脂粉末均匀浸涂在磁芯表面，在200℃烘烤7min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
表4是3只35-26-10mm钴基非晶合金磁芯在静电振荡粉末涂装前后软磁性能测试数据，采用聚乙烯树脂(添加0.1-2.5％增塑剂)粉末涂装磁芯，在磁芯与电极之间施加4×104V电压，在磁芯表面均匀涂覆聚乙烯树脂粉末，在190℃烘烤10min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
表5是3只φ12.5-6-5mm钴基非晶合金和铁基非晶合金复合磁芯(40匝，1V)在静电振荡粉末涂装前后的电感量测量值(mH)，采用环氧聚酯(添加0.5-1.5％流平剂)和丙烯酸聚酯树脂(添加1.0-4.0％附着力改性剂)粉末浸涂磁芯，在磁芯与电极之间施加5×104V电压，首先在磁芯表面均匀涂覆环氧聚酯树脂粉末，在190℃烘烤10min，再在磁芯表面均匀涂覆丙烯酸聚酯树脂粉末，在200℃烘烤10min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
表6是3只φ23-20-9mm铁镍基非晶合金磁芯(初级线圈匝数N1∶次级线圈匝数N2＝2∶400)在静电流化床浸涂前后的电流-电压输出特性测试结果，采用丁酸-醋酸纤维素树脂(添加0.5-3.0％附着力改性剂)粉末浸涂磁芯，将上述磁芯送入流化床内，将电极电压控制在75kV，将树脂粉末均匀浸涂磁芯，在240℃烘烤5min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
表7是3只φ22-17-6mm坡莫合金磁芯在空气喷涂前后电感量测量值(μH)，采用聚氯乙烯树脂(添加0.3-2.5％增塑剂，0.5-3.5％流平剂)粉末喷涂磁芯，将上述软磁磁芯在烤箱中预热到160℃，将预热磁芯取出放入喷粉室，将粉末喷枪压力控制在0.60MPa，将树脂粉末喷涂在磁芯表面，在160℃烘烤15min。
表8是2只φ160-120-25mm坡莫合金磁芯在流化床浸涂后，1kHz～100kHz频率下的电感量测试值(μH)，采用聚丙烯树脂(添加0.5-3.0％稳定剂)粉末对磁芯表面进行涂覆，热浸涂前将磁芯预热到300℃，磁芯喷涂后在220℃烘烤5min。
表9是3只φ190-160-20mm铁基纳米晶合金磁芯在静电喷涂后，1kHz～100kHz频率下的电感量测试值(μH)，喷粉枪施加电压在35kV，采用聚氨酯树脂(添加0.2-2.0％填料)粉末均匀喷涂磁芯，在220℃烘烤12min。
表10是5只φ25-21-12mn铁基纳米晶合金磁芯在空气喷涂过程中的电流-电压测试数据，采用聚酯(添加0.5-3.0％热稳定剂)和尼龙(添加0.5-4.0％覆盖力改性剂)树脂粉末喷涂磁芯，喷涂聚酯粉末前，磁芯预热温度为200℃，喷后在190度烘烤10min，喷涂尼龙粉末前，磁芯预热温度为220℃，喷后在200度烘烤10min，。
磁性测量：可以对涂层后的磁芯进行磁性能测量。例如，可以测量磁芯的伏安特性(电流-电压特性)和电感量。
测量涂层磁芯的电流-电压特性时，利用伏特表测量与B相对应的电压U，用安培表测量与H相对应的电流I，用整流式伏特表测出测量线圈匝数为N2时的感应电动势的平均值Uav。进一步地，可以从伏安特性确定Bm-Hm磁化曲线。磁化场为：Hm＝1.414 I N1/1；在式中，N1为树脂涂层磁芯磁化线圈总匝数，I为安培表测量到的树脂涂层磁芯磁化电流有效值，1为树脂涂层磁芯样品平均磁路长度。磁感应强度为：Bm＝Uav/(4.44fN2As)；在式中，f为磁化电流的频率，As为每匝线圈所包围喷涂磁芯样品的有效截面积。
测量树脂涂层磁芯在不同频率下的电感量时，在磁芯上缠绕相应匝数的漆包线线圈，采用电感测试仪从高频到低频依次测量。
表2
表3
表4
表5
表6
表7
表8
表9
表10
Claims (7)
1、一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于该涂层主成分为热塑性树脂中的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醋丁纤维素、尼龙、聚酯中的任意一种或两种或为热固性树脂中的环氧聚酯、聚氨酯、不饱和聚酯、聚丙烯酸酯中的任意一种或两种，并添加至少一种相应助剂形成，采用相应的涂装工艺在软磁磁芯表面形成树脂涂层，涂层厚度在50～2000μm之间；
所述涂装工艺是空气喷涂、流化床浸涂、静电流化床浸涂、静电粉末喷涂、静电振荡粉末涂装、静电隧道粉末涂装中的任意一种或两种。
2、根据权利要求1所述的一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于空气喷涂是将上述软磁磁芯预热到160℃～350℃，送入喷粉室，将粉末喷枪压力控制在0.2～1.0MPa，将树脂粉末喷射在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
3、根据权利要求1所述的一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于流化床浸涂是将上述软磁磁芯预热到160℃～350℃，送入流化床内，利用压缩空气使树脂粉末涂料呈沸腾状态，将树脂粉末均匀粘附在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～10min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
4、根据权利要求1所述的一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于静电流化床浸涂是将在160℃～350℃预热的软磁磁芯磁芯送入流化床内，将电极电压控制在20～120kV，利用压缩空气使树脂粉末涂料呈沸腾状态，将树脂粉末均匀吸附在磁芯表面，然后在160℃～450℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
5、根据权利要求1所述的一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于静电粉末喷涂是将在160℃～350℃预热的软磁磁芯送入喷粉室，喷粉枪施加30～90kV直流电压，利用喷枪将树脂粉末喷涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
6、根据权利要求1所述的一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于静电振荡粉末涂装是将在160℃～350℃预热的软磁磁芯送入涂装室，在磁芯与电极之间施加3×104～7×104V电压，在磁芯表面均匀吸附树脂粉末，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
7、根据权利要求1所述的一种软磁合金磁芯的涂层的喷涂方法，其特征在于静电隧道粉末涂装是将在160℃～350℃预热的软磁磁芯送入喷粉室，喷粉枪施加电压在10～100V，利用压缩空气将带电树脂粉末喷涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面树脂涂层最终定型。
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