CN101441914A

CN101441914A - 一种非晶软磁合金涂层及其制备方法

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Publication number: CN101441914A
Application number: CNA2008101492313A
Authority: CN
Inventors: 倪晓俊; 赵新彬; 卢志超; 吴嘉伟; 薄希辉; 郭金花; 李德仁; 孙克; 周少雄
Original assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: CN101441914B

Abstract

本发明涉及一种非晶软磁合金涂层及其制备方法。具体的，本发明涉及一种非晶软磁合金涂层，其特征在于涂层材料的组成为：0.5～8重量％ Cr，1～12重量％ Mo，1～8重量％ Sn，3～10重量％ P，0.1～1.5重量％ C，0.1～3重量％ B，和0.1～6重量％ Si，其余为Fe，其中该涂层的50体积％以上为非晶态结构。本发明还涉及该涂层的用途和制备方法。

Description

一种非晶软磁合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁屏蔽领域，具体的涉及一种非晶软磁合金涂层及其制备方法和用途。

背景技术

随着各种电器的普及和电子计算机、通讯卫星、高压输电网等的广泛应用，电磁环境日益复杂，电磁污染已经成为现今社会的一大公害。电磁辐射不仅会对一些高度集成化、高速化和数字化的电气设备正常工作产生干扰，而且不同频率、不同强度的电磁辐射充斥在生活环境中也给人们带来了诸如电磁干扰、电磁泄密、危害健康等一系列问题。

电磁屏蔽是抑制电磁辐射污染和干扰的有效手段，从而使电磁屏蔽材料成为电磁辐射防护领域的研究热点。依据电磁屏蔽的原理，为在较宽广的频率范围内都有好的屏蔽作用，屏蔽材料应是高电导率及高磁导率二者兼备材料。某些金属或合金是电的良导体，如铜、铝等，对电场和高频磁场有很好的屏蔽作用，但对低频电磁场的屏蔽却不够理想；而有些金属或合金，如铁、硅钢、坡莫合金等却对低频电磁场有很好的屏蔽作用，但由于其磁性能存在易受机械加工影响、对应力敏感、重量大等缺点，使这些材料的使用受到了一定的限制。

非晶态软磁合金具有优异的磁性能，而且对应力不敏感，加工方便，在配电变压器铁芯、电流互感器铁芯等器件中已经得到广泛应用。非晶态软磁合金具有高饱和磁感应强度、高磁导率等性能，同时具有耐磨损、耐腐蚀等优点，是一种新型的电磁屏蔽材料。1976年国外第一次报道了用非晶态软磁合金做磁屏蔽材料。目前，非晶态合金屏蔽材料在结构屏蔽材料、复合材料和屏蔽涂镀层材料皆有研究和应用。

作为结构屏蔽材料使用的非晶态合金多以带材形式使用。Der-Ray Huang等借助于树脂转换模型合成技术结合非晶态合金Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈带材和铁磁性粉末制成了更好功效的阴极射线管漏斗形屏蔽装置。通过使用不同厚度的非晶带材和改变铁磁性粉末的重量百分比可以达到提高屏蔽效能的目的。对于含六层非晶带的装置，在2Oe(直流和交流60Hz)的应用磁场下获得约25～27dB的最大屏蔽效果，增加铁磁性粉末后，屏蔽因子可以提高到27～30dB。

俄罗斯中央黑色冶金研究院采用电镀、热喷涂等方法进行了一系列非晶软磁合金电磁屏蔽材料的研究工作。该研究院研究了表面上电解沉积非晶态合金膜的金属板的屏蔽性能。衬底金属材料采用厚度为1mm的电工钢板、厚度为0.5mm的80HXC、81HMA合金板以及1mm厚的铝合金板，在金属表面电解沉积10～20μm厚的NiP非晶态膜制成屏蔽板。当NiP非晶态涂层厚20μm，在0.01～30MHz的频率范围内具有很强的电磁屏蔽效果(磁场部分不小于60dB，电场部分大于90dB)。他们还研究了采用等离子喷涂法制得的厚非晶态涂层复合板的屏蔽性能。实验采用等离子喷涂法在80HXC合金和钢10895表面以及铝合金表面上喷涂71KHCP型非晶合金涂层(厚度100μm)，制成复合材料。该材料有可能用作适合低频范围的屏蔽材料，可使磁场减弱至少50dB。此外，还采用非晶态合金71KHCP(CoNiFeBSi系)纤维与铝屑或铝箔，以聚乙烯为基体用热压法制成多层复合材料，该复合材料具有立体网状结构，在厚度为1～2mm的条件下，在10～30MHz频率范围内，磁场衰变不少于60dB。

美国专利US5260128提供了一种电磁屏蔽板，由Co基非晶薄片层、导电金属层和绝缘层组成，具有良好的低频和高频磁屏蔽效能。

中国专利申请CN01128966.X提供了一种低频电磁波磁屏蔽复合涂料及其制备方法，采用磁性粉、磁性纤维和非晶磁性粉作导磁填料，用高分子树脂作成膜物质，于常温下与偶联剂和溶剂进行调配、混炼、研磨、过滤等工序，制得低频电磁波磁屏蔽涂料。其中，非晶磁性粉为20～100μm粒径的Fe-Cu-Mn-Si-B、Fe-Cu-Nb-Si-B和Fe-Nb-Mo-Cu-Si-B的至少一种。它具有抗磁场干扰、防电子信息泄漏和防电磁环境污染的性能，其磁屏蔽效能达14～15dB，可广泛用于电子信息产品的磁屏蔽，建造磁屏蔽室和电子信息保密室方面。

目前的非晶态合金电磁屏蔽技术的技术主要存在以下不足：(1)非晶态软磁合金主要以带材、薄片、纤维或粉末形式使用，以带材使用时对于较复杂的表面难以覆盖，而以薄片、纤维或粉末使用时多制备成复合材料使用，制备工艺比较复杂；(2)采用Co基非晶态合金制备热喷涂涂层复合板成本比较高，而且饱和磁感应强度比较低；(3)采用电镀或其它溅射沉积方法制备涂层存在污染环境或制备成本偏高的缺点，而且不适于大面积屏蔽时使用。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种非晶软磁合金涂层及其制备方法。其中，本发明的涂层在较宽的频率范围内有良好的电磁屏蔽作用，同时耐腐蚀、耐磨损。同时，根据本发明的涂层制备方法的工艺简单、成本低廉。另外，本发明还提供了上述涂层的新用途。

在本发明的一个实施方案中，本发明提供了一种非晶软磁合金涂层，其特征在于，涂层材料的组成为

0.5～8重量％ Cr，

1～12重量％ Mo，

1～8重量％ Sn，

3～10重量％ P，

0.1～1.5重量％ C，

0.1～3重量％ B，和

0.1～6重量％ Si，

其余为Fe，

其中该涂层的50体积％以上为非晶态结构。

在本发明的另一个实施方案中，本发明提供了一种非晶软磁合金涂层的制备方法，该方法包括步骤，

(1)制备预合金化的粉末；

(2)筛分预合金化的粉末，以得到粒度为400～50目范围内的粉末；

(3)采用等离子喷涂或高速火焰喷涂制备所述非晶软磁合金涂层。

附图说明

图1为序号2成分粉末和喷涂层的X射线衍射图谱

图2为序号2成分喷涂层的DSC曲线

图3为序号2成分喷涂层在300KHz～1.5GHz下的屏蔽效能变化曲线

图4为序号2成分喷涂层的屏蔽效能随直流磁场强度的变化曲线

图5为序号2成分喷涂层的涂层动电位阳极极化曲线

具体实施方式

本发明的用于电磁屏蔽应用的非晶软磁合金涂层的组成按重量百分比计为0.5～8重量％Cr，1～12重量％Mo，1～8重量％Sn，3～10重量％P，0.1～1.5重量％C，0.1～3wt％B，0.1～6重量％Si，其余为Fe。

上述涂层更加优选的成分范围按重量百分比计为0.5～8重量％Cr，1～12重量％Mo，2～6重量％Sn，3～7重量％P，0.1～1.5重量％C，0.5～2wt％B，1.5～5重量％Si，其余为Fe。

上述铁基非晶软磁合金材料的磁导率高，饱和磁感应强度大，非常适合做磁屏蔽材料，Cr元素的加入可以提高合金耐腐蚀性能，Cr、Mo的综合作用使合金具有很高的硬度，并提供耐磨性能。

该涂层具有非晶态结构，并可能包含少量的氧化物和孔隙；另外，该涂层可以具有非晶和纳米晶混合的结构，并可能包含少量的氧化物和孔隙。

在本发明的一个优选实施方案中，该涂层的高频屏蔽效能为80dB以上，优选为90dB以上。

在本发明的另一个优选实施方案中，该涂层的直流磁屏蔽效能为10dB以上，优选为12dB以上，更优选为10-14dB。

在本发明的另一个优选实施方案中，该涂层的显微维氏硬度(HV100g)为600以上，优选为650以上。

本发明的涂层的制备方法包括步骤第一步，制备出具有上述成分范围内的合金粉末；

第二步，将粉末进行筛分，选取粒度为400～50目，更优选400-100目范围内的粉末作为热喷涂材料；

第三步，采用等离子喷涂或高速火焰喷涂制备非晶态电磁屏蔽涂层。

在本发明的一个优选实施方案中，在所述第一步中，铁基非晶合金粉末可以采用雾化或磨粉方式制备，制备的粉末是预合金化的粉末；

在所述第二步中，铁基非晶合金粉末的筛分可以采用实验筛、标准拍击式震动筛、其它类型的震动筛或气流式粉末分级设备等实现；

在本发明的一个优选实施方案中，在喷涂之前优选对基体进行预处理去除基体表面的油污、氧化物，增大粗糙度，采用的方法包括化学清洗、喷砂、机械除锈、机械加工粗化等各种方法，对于一般表面优选的是喷砂处理。

在所述第三步中，优选采用等离子喷涂或高速火焰进行喷涂。对于等离子喷涂，根据涂层厚度可以采用一次性喷涂或多层间歇喷涂。对于高速火焰喷涂粉末优选粒度在200～100目。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.采用铁基非晶软磁合金制备电磁屏蔽涂层，具有成本低廉、屏蔽效果好、兼具耐腐蚀和耐磨损等优点；

2.采用热喷涂方法制备电磁屏蔽涂层，制备效率高，适应工件广，可以适合复杂的屏蔽结构，可以喷涂大面积的屏蔽涂层；

3、本发明的电磁屏蔽涂层，应力敏感性小，涂层厚度容易控制。

实施例

分别采用水雾化、气雾化和喷带后磨粉工艺制备粉末，粉末成分如表1。筛分后得到400～50目粉末，采用等离子和高速火焰喷涂制备涂层，基体是紫铜，喷涂前进行喷砂处理，等离子喷涂工艺参数为：电弧电压60V，电弧电流500A，主气(Ar气)流量：70～80L/min，氢气流量：15～20L/min，喷涂距离100～120mm，送粉速度50～60g/min；高速火焰喷涂工艺参数为：O2压力和流量1.0MPa和200～240L/min，丙烷压力和流量0.75MPa和60～70L/min，空气压力和流量。0.7MPa和300～350L/min，送粉速度45～55g/min，喷涂距离250mm。工艺和涂层性能见表2。

以成分2为例进行进一步的具体分析如下。

图1为序号2成分粉末(a)和喷涂层(b)的XRD衍射图谱，可以看出，两条曲线形状走势趋于一致。曲线a为完全的宽化漫散衍射峰，说明粉末基本由非晶相组成。曲线b在漫散包上叠加着晶化相衍射峰，但衍射峰很不尖锐，说明涂层主要由非晶相组成，夹杂少量晶化相，非晶化程度很高。

表1 实施例成分(重量％)

序号	Fe	Cr	Mo	Sn	B	C	Si	P
序号	Fe	Cr	Mo	Sn	B	C	Si	P	1	82.91	1.00	1.80	2.64	0.84	0.70	4.10	6.00
2	80.17	2.02	3.72	4.61	0.84	0.47	2.18	6.00	1	82.91	1.00	1.80	2.64	0.84	0.70	4.10	6.00
2	80.17	2.02	3.72	4.61	0.84	0.47	2.18	6.00	3	74.78	3.98	7.34	4.54	0.83	0.46	2.15	5.92
4	69.54	5.99	10.86	5.48	1.82	0.35	2.12	3.84	3	74.78	3.98	7.34	4.54	0.83	0.46	2.15	5.92

表2 实施例工艺与性能

序号	粉末制备	粉末粒度(目)	喷涂方法	高频屏蔽效能(dB)	直流磁屏蔽效能(dB)	显微维氏硬度(HV100g)
序号	粉末制备	粉末粒度(目)	喷涂方法	高频屏蔽效能(dB)	直流磁屏蔽效能(dB)	显微维氏硬度(HV100g)	1	水雾化	100～200	等离子喷涂	≥80	10～13	847
2	气雾化	100～300	等离子喷涂	≥80	12～14	700	1	水雾化	100～200	等离子喷涂	≥80	10～13	847
2	气雾化	100～300	等离子喷涂	≥80	12～14	700	3	磨粉	200～400	HVOF	≥90	10～12	725
4	磨粉	200～400	HVOF	≥90	12～14	651	3	磨粉	200～400	HVOF	≥90	10～12	725

图2为序号2成分喷涂层的DSC曲线，可见曲线上存在两个放热峰，在516℃左右有一个特别明显的放热峰，表明涂层发生了非晶态向晶态的转化；在619℃附近还有一个较小的放热峰，说明在这一温度残余非晶相发生了二次晶化。

图3为序号2成分喷涂层在300KHz1.5GHz下的屏蔽效能变化曲线，可见在300KHz-1.5GHz频段，样品的屏蔽效能可达80dB，具有良好的屏蔽效能。

图4为序号2成分喷涂层的屏蔽效能随直流磁场强度的变化曲线，在10Oe的直流磁场下，涂层屏蔽效能约为13.6dB；在15Oe的直流磁场下，涂层屏蔽效能约为4.2dB；当直流磁场增大到40Oe，涂层屏蔽效能约为2.5dB；屏蔽效能随磁场强度增加而下降，在弱磁场下具有良好屏蔽效能。

图5为序号2成分喷涂层的涂层动电位阳极极化曲线，介质是5％NaCl，自腐蚀电位约为-730.7mV，自腐蚀电流约为8.13μA/cm²，存在明显的钝化区，钝化区宽度约为710mV，可见该涂层具有良好的耐腐蚀能力。

Claims

1.一种非晶软磁合金涂层，其特征在于涂层材料的组成为

0.5～8重量％ Cr，

1～12重量％ Mo，

1～8重量％ Sn，

3～10重量％ P，

0.1～1.5重量％ C，

0.1～3重量％ B，和

0.1～6重量％ Si，

其余为 Fe，

其中该涂层的50体积％以上为非晶态结构。

2.根据权利要求1的涂层，其中，该涂层材料的组成为

0.5～8重量％ Cr，

1～12重量％ Mo，

2～6重量％ Sn，

3～7重量％ P，

0.1～1.5重量％ C，

0.5～2重量％ B，和

1.5～5重量％ Si，

其余为 Fe。

3.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层材料的Cr含量为0.5-7重量％，优选为1-6重量％。

4.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层材料的Mo含量为1.5-11重量％。

5.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层材料的Sn含量为2.5-5.5重量％。

6.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层材料的P含量为3.5-6.5重量％。

7.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层材料的C含量为0.2-1重量％，优选为0.3-0.8重量％。

8.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层的高频屏蔽效能为80dB以上，优选为90dB以上。

9.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层的直流磁屏蔽效能为10dB以上，优选为12dB以上，更优选为10-14dB。

10.根据权利要求1或2的涂层，其中，该涂层的显微维氏硬度(HV100g)为600以上，优选为650以上。

11.根据权利要求1-10中任一项的涂层用于电磁屏蔽涂层的用途。

12.根据权利要求1-10中任一项的涂层用于耐腐蚀涂层的用途。

13.根据权利要求1-10中任一项的涂层用于耐磨损涂层的用途。

14.根据权利要求1-10中任一项的非晶软磁合金涂层的制备方法，该方法包括步骤

(1)制备预合金化的粉末；

15.根据权利要求14的非晶软磁合金电磁屏蔽涂层的制备方法，在所述第(1)步中，采用雾化或磨粉方式制备预合金化的粉末。