CN101169996A - 一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Mn－Zn铁氧体磁性材料及其制备方法，该Mn－Zn铁氧体磁性材料的主成分及含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为52～56mol％；ZnO为2～10mol％；MnO为38～42mol％；辅助成分为：CaO：400～800ppm，Nb₂O₅：100～400ppm，ZrO₂：100～800ppm，Co₂O₃：1000～5000ppm中的一种或组合，它是一种具有高饱和磁感应强度、超高温条件下低功耗优良的电磁特性的Mn－Zn铁氧体磁性材料。

Description

一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Mn-Zn铁氧体磁性材料，尤其涉及一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料及其制备方法，属于磁性材料技术领域。

背景技术

目前大多数软磁铁氧体功率损耗最低点范围是在80和100℃之间。如菲利普公司的3C94、3C96材料，日本FDK公司公布的4H45材料及4H47材料，都具有高温高Bs，低功耗等特点；但这些材料一般应用于常规的电子电路中。由于安全原因其最大工作温度不超过100℃。工作温度超过100℃就不适合甚至可能引起火灾。典型例子如安装在汽车发动机邻近区域的自动化电子设备，他们的工作温度可超过140℃，大多数软磁铁氧体功率损耗在此区域内功率损耗呈正的温度系数，而且功率损耗增长幅度大。

发明内容

本发明针对现有技术在超高温度的条件下，功率损耗大的缺点；提供一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料及其制备方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料，该Mn-Zn铁氧体磁性材料主相为尖晶石结构，由主成分和辅助成分制成；其中所述的主成分及含量以氧化物计算为：

Fe₂O₃为52～56mol％；

ZnO为2～10mol％；

MnO为38～42mol％；

辅助成分含量以氧化物计算为：CaO：400～800ppm，Nb₂O₅：100～400ppm，ZrO₂：100～800ppm，Co₂O₃：1000～5000ppm中的一种或多种组合。

在上述的应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料，主成分以氧化物计算的优化含量为Fe₂O₃为52～56mol％；ZnO为2～10mol％；MnO为38～42mol％；辅助成分以氧化物计算优化含量为CaO：500～700ppm，Nb₂O₅：100～300ppm，ZrO₂：100～600ppm，Co₂O₃：1000～3000ppm中的一种或组合。

在Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备过程中，常用的辅助成分有CaO、Nb₂O₅、TiO₂、TiO₂、NiO、V₂O₅、Co₂O₅等，辅助成分的添加虽然能够比较有效的降低损耗功率，但随着添加量的增多，铁氧体烧结体的晶粒内的某种异相析出，导致在烧结体中的畴壁移动被抑制反而导致损耗的增大，使得Mn-Zn铁氧体的损耗将会增加；但是如果添加的太少，则不能起到有效降低损耗功率的效果；所以本发明人通过长期的实验研究发现：将主成分的含量调整为：Fe₂O₃为52～56mol％；ZnO为2～10mol％；MnO为38～42mol％；辅助成分的含量调整为：CaO：400～800ppm，Nb₂O₅：100～400ppm，ZrO₂：100～800ppm，Co₂O₃：1000～5000ppm中的一种或组合；特别优选Fe₂O₃为52～55mol％；ZnO为4～9mol％；MnO为39～41mol％；辅配方调整为：CaO：500～700ppm，Nb₂O₅：100～300ppm，ZrO₂：100～600ppm，Co₂O₃：1000～3000ppm中的一种或组合；可以获得在超高温条件具有低功耗性能的Mn-Zn铁氧体磁性材料；该Mn-Zn铁氧体磁性材料的μ_i、Bs及功率损耗Pv为：

μ_i：1800±25％；

Bs：25℃；50Hz：1194A/m≥520mT

100℃；50Hz：1194A/m≥430mT

140℃；50Hz：1194A/m≥360mT

Pv：140℃；100KHz：100mT≤50kW/m³

140℃；100KHz：200mT≤350kW/m³

140℃；500KHz：50mT≤300kW/m³。

本发明的Mn-Zn铁氧体磁性材料在超高温条件具有低功耗性能的另一个重要机理是本发明人根据上述众多辅助成分的在Mn-Zn铁氧体材料中的作用机理，筛选出具有改善Mn-Zn铁氧体材料低功耗性能的四种辅助成分及其含量；CaO：500～700ppm；添加CaO通过使此材料晶粒间晶界偏析，可使Mn-Zn铁氧体达到低损耗的目的；Nb₂O₅：100～300ppm；添加Nb₂O₅通过使此材料晶粒间晶界高电阻化，从而减小损耗；ZrO₂：100～600ppm；添加ZrO₂通过使此材料晶粒内部高电阻化，降低损耗；从化学价考虑，铁氧体内加入四价离子会引起亚铁离子的增加，这样会使μ-T曲线中的二峰位置向低温移动；添加ZrO₂的变化可控制μ_i～T曲线的二峰的位移和曲线的平缓度，从而有效控制各温度段比温度系数a_F的大小。Co₂O₃：1000～3000ppm；添加Co₂O₃通过使此材料μ-T曲线平坦(即K₁-T曲线平缓)，获得平缓且低值的Pcv-T曲线。

此外本发明还涉及该应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1).配料：按上述主成分方和辅助成分以氧化物计的含量进行配料，

(2).球磨和振磨：将上述配料好的成分用V形混料器干式球磨，球磨时间为0.5～1小时；球磨后的成分采用振磨机进行振磨，振磨时间为0.4～1小时；

(3).预烧：将上述振磨后的粉料放入空气窑中进行预烧，其中预烧温度为800～1200℃，预烧时间为0.5～10小时；

(4).砂磨：将上述预烧后的预烧料加入水和球在循环式砂磨机进行砂磨，其中砂磨时间为0.5～4小时；所述的料∶球∶水的重量比为：0.6～1.5∶0.6～1.5∶0.45～0.85；

(5).造粒成型：将上述砂磨后的料粉通过造粒机进行造粒，然后采用全自动干压机进行成型，其中造粒时入口温度控制在250～290℃，出口温度110～150℃；

(6).烧结：将上述造粒成型后的坯料放入烧结炉在N₂保护的条件下进行烧结，其中所述的烧结温度为1220～1420℃，烧结时间为2～6小时，烧结后在平衡气氛中冷却即得到Mn-Zn铁氧体磁性材料。

在上述的应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料制备方法中，作为优选，步骤(3)中所述的预烧温度为900～1100℃，预烧时间为1～5小时。

在上述的应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料制备方法中，作为优选，步骤(4)中所述的料∶球∶水的重量比为：0.8～1.2∶0.8～1.2∶0.55～0.65。

在上述的应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料制备方法中，步骤(4)中经砂磨后的粉料平均粒度为0.8～1.4μm。

在上述的应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料制备方法中，步骤(5)中成型后毛坯密度控制在2.5～3.6g/cm³，尺寸公差控制在土0.1mm。纵上所述，本发明具有以下优点；

1.本发明的Mn-Zn铁氧体磁性材料由于主成分和辅助成分配伍合理，选择的辅助成分合适，含量适中，该Mn-Zn铁氧体磁性材料能够在超高温条件下具有低功耗的性能从而能够应用于安装在汽车发动机邻近区域的自动化电子设备。

2.本发明的制备方法具有工艺流程简单、生产成本低、工艺稳定、能制造出具有高饱和磁感应强度、超高温条件下低功耗，具有优良的电磁特性的Mn-Zn铁氧体磁性材料。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1

1.配料：按主配方和辅配方以氧化物计的重量百分比进行配料，其中主配方为Fe₂O₃为53.18mol％；ZnO为6.17ol％；MnO为40.65ol％；辅配方为CaO：600ppm，Nb₂O₅：250ppm，ZrO₂：150ppm，Co₂O₃：1800ppm。

2.球磨：用V形混料器干式强混，混料的时间为0.7小时；

3.振磨：采用振磨机振磨，振磨时间0.6小时；

4.预烧：采用空气窑直接对粉料进行预烧，温度为950℃，时间为2.5小时。

5.砂磨：采用循环式砂磨机进行砂磨，砂磨时间为2小时；其中料∶球∶水＝1∶1∶0.6；经砂磨后的粉料平均粒度为1.0～1.2μm。

6.造粒成型：采用造粒机进行造粒，然后采用全自动干压机进行成型，其中造粒时入口温度控制在270℃，出口温度130℃，成型时标准环毛坯密度控制在3.0g/cm³，尺寸公差控制在土0.1mm。

7.烧结：采用烧结炉进行烧结，并用N₂保护烧结，烧结温度控制在1360℃：烧结时间为4小时，然后在平衡气氛中冷却；

将制备好的样环用HP429lA测试材料的磁导率，用SY8258测试磁感应强度Bs，用SY8232测试功耗。

对比实施例1

1.配料：按主配方和辅配方以氧化物计的重量百分比进行配料，其中主配方为Fe₂O₃为52.79mol％；ZnO为7.77mol％；MnO为39.4mol％；辅配方为CaO：500ppm，Nb₂O₅：200ppm，ZrO₂：300ppm。

2.球磨：用V形混料器干式强混，混料的时间为0.7小时；

3.振磨：采用振磨机振磨，振磨时间0.6小时；

4.预烧：采用空气窑直接对粉料进行预烧，温度为950℃，时间为2.5小时。

5.砂磨：采用循环式砂磨机进行砂磨，砂磨时间为2小时；其中料∶球∶水＝1∶1∶0.6；经砂磨后的粉料平均粒度为1.0～1.2μm。

6.造粒成型：采用造粒机进行造粒，然后采用全自动干压机进行成型，其中造粒时入口温度控制在270℃，出口温度130℃，成型时标准环毛坯密度控制在3.0g/cm³，尺寸公差控制在土0.1mm。

7.烧结：采用烧结炉进行烧结，并用N₂保护烧结，烧结温度控制在1360℃：烧结时间为4小时，然后在平衡气氛中冷却；

将制备好的样环用HP4291A测试材料的磁导率，用SY8258测试磁感应强度Bs，用SY8232测试功耗。其中实施例1和对比实施例的磁性能如表1所示：

表1：实施例1和对比实施例1的磁性能的比较

从表1可以看出：本发明的Mn-Zn铁氧体磁性材料由于主成分和辅助成分配伍合理，含量适中；所以其磁性能较对比实施例1好。

实施例2

1.Fe₂O₃为53.18mol％；ZnO为6.17mol％；MnO为40.65mol％；辅配方为CaO：600ppm，Nb₂O₅：250ppm，ZrO₂：150ppm，Co₂O₃：1000pm。

2.球磨：用V形混料器干式强混，混料的时间为0.7小时；

3.振磨：采用振磨机振磨，振磨时间0.6小时；

4.预烧：采用空气窑直接对粉料进行预烧，温度为950℃，时间为2.5小时。

5.砂磨：采用循环式砂磨机进行砂磨，砂磨时间为2小时；其中料∶球∶水＝1∶1∶0.6；经砂磨后的粉料平均粒度为1.0～1.2μm。

6.造粒成型：采用造粒机进行造粒，然后采用全自动干压机进行成型，其中造粒时入口温度控制在270℃，出口温度130℃，成型时标准环毛坯密度控制在3.0g/cm³，尺寸公差控制在土0.1mm。

7.烧结：采用烧结炉进行烧结，并用N₂保护烧结，烧结温度控制在1360℃：烧结时间为4小时，然后在平衡气氛中冷却；

将制备好的样环用HP4291A测试材料的磁导率，用SY8258测试磁感应强度Bs，用SY8232测试功耗。

实施例3

1.配料：按主配方和辅配方以氧化物计的重量百分比进行配料，其中主配方为Fe₂O₃为53.18mol％；ZnO为6.17mol％；MnO为40.65mol％；辅配方为CaO：600ppm，Nb₂O₅：250ppm，ZrO₂：150ppm，Co₂O₃：5000ppm。。

2.球磨：用V形混料器干式强混，混料的时间为0.7小时；

3.振磨：采用振磨机振磨，振磨时间0.6小时；

4.预烧：采用空气窑直接对粉料进行预烧，温度为950℃，时间为2.5小时。

5.砂磨：采用循环式砂磨机进行砂磨，砂磨时间为2小时；其中料∶球∶水＝1∶1∶0.6；经砂磨后的粉料平均粒度为1.0～1.2μm。

6.造粒成型：采用造粒机进行造粒，然后采用全自动干压机进行成型，其中造粒时入口温度控制在270℃，出口温度130℃，成型时标准环毛坯密度控制在3.0g/cm³，尺寸公差控制在土0.1mm。

7.烧结：采用烧结炉进行烧结，并用N₂保护烧结，烧结温度控制在1360℃：烧结时间为4小时，然后在平衡气氛中冷却；

将制备好的样环用HP4291A测试材料的磁导率，用SY8258测试磁感应强度Bs，用SY8232测试功耗。测试结果如表2所示：

表2：实施例2～实施例3磁性忍

从表2可以看出本发明的Mn-Zn铁氧体磁性材料能够在超高温条件下具有低功耗的性能从而能够制备安装在汽车发动机邻近区域的自动化电子设备。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明；本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明己作出了详细的说明并引证了一些具体实例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料，该Mn-Zn铁氧体磁性材料主相为尖晶石结构，由主成分和辅助成分制成；其中所述的主成分及含量以氧化物计算为：

Fe₂O₃为52～56mol％；

ZnO为2～10mol％；

MnO为38～42mol％；

辅助成分含量以氧化物计算为：CaO：400～800ppm，Nb₂O₅：100～400ppm，ZrO₂：100～800ppm，Co₂O₃：1000～5000ppm中的一种或多种组合。

2.根据权利要求1所述的一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料，其特征在于：所述的主要成分及含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为52～55mol％；ZnO为4～9mol％；MnO为39～41mol％。

3.根据权利要求1所述的一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料，其特征在于：所述的辅助成分及含量以氧化物计算为：CaO：500～700ppm，Nb₂O₅：100～300ppm，ZrO₂：100～600ppm，Co₂O₃：1000～3000ppm中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于超高温条件低功耗Mn-Zn铁氧体磁性材料，其特征在于：所述的Mn-Zn铁氧体磁性材料的μ_i、Bs及功率损耗Pv为：

μ_i：1800±25％；

Bs：25℃；50Hz：1194A/m≥520mT

100℃；50Hz：1194A/m≥430mT

140℃；50Hz：1194A/m≥360mT

Pv：140℃；100KHz：100mT≤50kW/m³

140℃；100KHz：200mT≤350kW/m³

140℃；500KHz：50mT≤300kW/m³。

5.一种如权利要求1所述Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1).配料：按上述主成分方和辅助成分以氧化物计的含量进行配料，

(2).球磨和振磨：将上述配料好的成分用V形混料器干式球磨，球磨时间为0.5～1小时；球磨后的成分采用振磨机进行振磨，振磨时间为0.4～1小时；

(3).预烧：将上述振磨后的粉料放入空气窑中进行预烧，其中预烧温度为800～1200℃，预烧时间为0.5～10小时；

(4).砂磨：将上述预烧后的预烧料加入水和球在循环式砂磨机进行砂磨，其中砂磨时间为0.5～4小时；所述的料∶球∶水的重量比为：0.6～1.5∶0.6～1.5∶0.45～0.85：

(5).造粒成型：将上述砂磨后的料粉通过造粒机进行造粒，然后采用全自动干压机进行成型，其中造粒时入口温度控制在250～290℃，出口温度110～150℃；

(6).烧结：将上述造粒成型后的坯料放入烧结炉在N₂保护的条件下进行烧结，其中所述的烧结温度为1220～1420℃，烧结时间为2～6小时，烧结后在平衡气氛中冷却即得到Mn-Zn铁氧体磁性材料。

6.根据权利要求5所述的Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的预烧温度为900～1100℃，预烧时间为1～5小时。

7.根据权利要求5所述的Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的料∶球∶水的重量比为：0.8～1.2∶0.8～1.2∶0.55～0.65。

8.根据权利要求5或7所述的Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中经砂磨后的粉料平均粒度为0.8～1.4μm。

9.根据权利要求5所述的Mn-Zn铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(5)中成型后毛坯密度控制在2.5～3.6g/cm³，尺寸公差控制在土0.1mm。