CN101859622B

CN101859622B - 一种中频低损耗MnZn铁氧体磁芯的制造方法

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Publication number: CN101859622B
Application number: CN2009101337276A
Authority: CN
Inventors: 汪南东; 谭福清; 黄爱萍; 豆小明; 王家永; 冯则坤
Original assignee: JIANGMEN ANCI ELECTRONIC CO Ltd; JPMF GUANGDONG CO Ltd
Current assignee: Jiangmen Jiangyi magnetic material Co.,Ltd.
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2029-04-08
Also published as: CN101859622A

Abstract

本发明提供了一种中频低损耗MnZn铁氧体磁芯的制造方法，该方法由以下步骤构成：A、配料；B、研磨混合；C、预烧；D、二次研磨；E、造粒；F、成型；G、烧结。本发明通过添加低温助熔剂促进了固相反应，从而使预烧温度降低，在达到相同固相反应效果的基础上可以大大节约能源。此外，由于预烧温度低，粉体活性更好，因而可以在较低的温度下发生反应，从而降低了本发明的烧结温度，也节约能源。同时，本发明制造的MnZn铁氧体磁芯具有更低的损耗、更高的饱和磁通密度。

Description

一种中频低损耗MnZn铁氧体磁芯的制造方法

技术领域

本发明涉及一种MnZn铁氧体磁芯的制造方法，尤其涉及一种中频低损耗MnZn铁氧体磁芯的制造方法。

背景技术

自从功率铁氧体(LPL)材料问世之后，MnZn铁氧体磁芯材料就一直受到关注且在开关电源变压器领域中得到了广泛应用。随着制造工艺的不断改进，铁氧体材料，尤其是其高频化、低损耗的发展趋势非常迅速，如日本TDK公司采用喷雾焙烧制粉工艺，开发出了工作频率为100kHz-500kHz的损耗大幅下降的PC40(H7C4)和PC44材料，而Philips公司更是相继推出了工作频率为2MHz的3F4，甚至高达4MHz的3F5材料。虽然MnZn铁氧体材料的高频化发展非常迅猛，但是由于电子器件本身的高频化发展相对滞后。因此高频低损耗的功率铁氧体材料的市场需求相对较少，而对中频低损耗的功率铁氧体材料的需求量很大。

已知可以采用多种方法来制造中频低损耗的功率铁氧体材料。如专利号为200510033612.1的中国专利公开了一种低损耗锰锌铁氧体及其制备方法，铁氧体主成分为50mol％-55mol％的Fe₂O₃、31mol％-38mol％的MnO、8mol％-15mol％的ZnO，辅助成分包括0.01wt％-0.65wt％的CaO、K₂O和TiO₂，所述主成分和辅助成分烧结形成面心立方尖晶石晶形，但所得粉料具有良好的成型性能且烧结产品仅能达到PC40的技术标准，烧结温度为1300℃-1400℃。

专利号为03115906.0的中国专利公开了一种锰-锌功率铁氧体粉料及其制备方法，软磁铁氧体粉料中包含主料：58wt％-79wt％的Fe₂O₃、15wt％-30wt％的MnO、5wt％-15wt％的ZnO，辅料：0-7wt％，包括分散剂、消泡剂、添加剂，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-锌功率铁氧体粉料，在1350℃下烧成产品性也只能达到PC40的技术标准。

申请号为02138280.8的专利申请中提出一种主成分配方经优化的锰锌铁氧体，其主成分为53mol％-54mol％的Fe₂O₃、8mol％-11mol％的ZnO、36mol％-37mol％的MnO；并采用纳米级氧化物材料作为添加剂。该发明的锰锌铁氧体磁芯虽然具有高频、高饱和磁通密度和低损耗的优良性能，但因其采用纳米级氧化物作为添加剂，其生产成本较高，而且由于纳米材料易团聚，在生产过程中纳米添加剂不易均匀分散。

因此，可以看出现有的锰锌功率铁氧体材料，如锰锌铁氧体磁芯的制造方法存在烧结温度高、能量消耗高，从而导致制造成本高的缺陷。因此，需要提供一种改进的制造方法，该方法可以降低烧结温度，减少能量消耗，从而节约制造成本，同时由该方法制造的锰锌铁氧体磁芯具有较高的工作频率、更低的损耗以及更高的饱和磁通密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作频率较高，损耗更低，饱和磁通密度较高，而生产成本较低的MnZn铁氧体磁芯的制造方法。

本发明提供了一种中频低损耗MnZn铁氧体磁芯的制造方法，该方法包括：

A、配料：称取主成分：66wt％-74wt％的Fe₂O₃、20wt％-25wt％的Mn₃O₄、6wt％-10wt％的ZnO，同时称取不超过所述主成分总重量的1wt％的低温助熔剂，所述低温助熔剂选自V₂O₅、TiO₂、SnO₂、CuO中的一种或多种；

B、研磨混合：向上述称取的粉料中加入所述粉料总重量的60wt％-120wt％的水搅拌，并研磨混合均匀，然后喷雾干燥得粉料；

C、预烧：将所述步骤B中得到的粉料在预烧温度为700℃-1000℃下预烧1-3小时；

D、二次研磨：向所述步骤C中得到的粉料中添加辅助成分CaCO₃、SiO₂、Nb₂O₅、Co₂O₃、ZrO₂中的一种或多种以及再加入所述低温助熔剂、水、分散剂、消泡剂一起进行二次研磨，使研磨后的粉料粒径达到1.0±0.2μm，其中基于所述步骤C中得到的粉料的总重量，添加量为CaCO₃：0.02wt％-0.08wt％、SiO₂：0.002wt％-0.01wt％、Nb₂O₅：0.02wt％-0.06wt％、Co₂O₃：0.03wt％-0.20wt％、ZrO₂：0.01wt％-0.05wt％以及所述低温助熔剂：不超过0.5wt％、去离子水：60wt％-120wt％、分散剂：0.5wt％-3wt％、消泡剂：0.5wt％-3wt％；

E、造粒：基于所述步骤D中得到的粉料的总重量，向所述步骤D中得到的粉料中添加7wt％-12wt％的有机粘合剂的水溶液，混合均匀造粒得到用于成型的颗粒料；

F、成型：在50MPa-200MPa的压力下将颗粒料压制成生坯样品；

G、烧结：将所述步骤F中得到的所述生坯样品在1200℃-1350℃的烧结温度下烧结，并在所述烧结温度下保温2-8小时，然后冷却至180℃出炉，其中保温段氧分压为1％-15％，降温过程采用平衡氧分压。

本发明方法的步骤B和步骤D中，水为蒸馏水或去离子水，作为大批量生产，去离子水更为优选。

本发明方法的步骤C中，优选预烧温度为750℃-900℃，预烧后粉料中尖晶石相所占百分比大于80％。

本发明方法的步骤E中，有机粘合剂为聚乙烯醇。

本发明中使用的分散剂和消泡剂可以是本领域中常用的分散剂和消泡剂，如消泡剂可以选用正辛酸、硬脂酸等，分散剂可以选用聚丙酸、葡糖酸、柠檬酸等。

本发明通过添加低温助熔剂促进固相反应进行，预烧后粉料中尖晶石相所占百分比大于80％。

本发明所压制的生坯样品的密度控制在2.9±0.2g/cm³范围之内。

本发明提供的制造方法的烧结温度优选为1250℃-1330℃，采用二次还原烧结法，降温过程保持平衡氧分压。平衡氧分压根据公式1g(P(O₂))＝a-b/T计算，其中a取值5-10，b取值10000-15000，T为绝对温度。

因此本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的预烧温度低，通过添加低温助熔剂促进固相反应进行，在达到相同固相反应效果的基础上可以大大节约能源。

2、由于预烧温度低，粉体活性更好，可以在较低的温度下发生反应，从而降低了本发明的烧结温度，节约能源。

3、在第一次研磨混合步骤和第二次研磨粉碎步骤中都添加低温助熔剂，既降低了预烧温度，也降低了烧结温度。

此外，本发明制造的MnZn铁氧体磁芯具有更低的损耗、更高的饱和磁通密度。

下面将结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方案制造的添加了低温助熔剂的低温预烧样品的SEM照片。

图2为未添加低温助熔剂低温预烧样品的SEM照片。

具体实施方式

实施例1

称取主成分：67wt％的纯度为99.3％以上的Fe₂O₃、24wt％的Mn₃O₄(Mn含量为71.1％)、9wt％的纯度为99.7％以上的ZnO，同时称取低温助熔剂：基于主成分总重量的0.2wt％的CuO；在砂磨机中，向前述称取的粉料中加入所述粉料总重量的80wt％的水，搅拌并研磨混合均匀；喷雾干燥后在800℃下预烧2h；基于预烧后的粉料的总重量，加入添加物：0.04wt％的CaCO₃、0.003wt％的SiO₂、0.02wt％的Nb₂O₅、0.01wt％的ZrO₂以及再添加低温助熔剂：0.06wt％的TiO₂，再加入60wt％的去离子水、1wt％的分散剂、1wt％的消泡剂一起进行二次研磨，研磨至平均粒度为1.0±0.2μm；烘干后，基于研磨后的粉料的总重量，向该粉料中添加8wt％的聚乙烯醇的水溶液造粒(以上各物质都可以从市场上购得)；在90MPa的压力下，将颗粒料压制成OR 25×8-15mm的环形生坯样品；最后在用计算机程序控制的钟罩炉内，在1270℃的烧结温度下烧结，并在烧结温度下保温7小时，在平衡气氛下冷却至180℃出炉，保温段氧分压6％，降温过程采用平衡氧分压。烧结体断面的微观结构如图1的扫描电镜照片所示。

采用HP4294A阻抗分析仪(Agilent Technology 4294A)和专用夹具(Agilent Technology 16047E)测量样品磁环10kHz下的常温电感L，计算出材料的起始磁导率μ_i；用SY-8258型B-H测试仪在50Hz、1194A/m、25℃、100℃下测试样品的Bs；用Model 2335 Watt Meter测试样品磁环在f＝100kHz，B_m＝200mT，温度分别为25℃、60℃、100℃和120℃条件下的损耗，结果显示在下面的表1中。

比较实施例1：

除了第一次研磨混合时未添加低温助熔剂，其余步骤与实施例1相同；同时对制得的样品进行同样的性能测试，结果也显示在下面的表1中。

图2是比较实施例1的烧结体断面的微观结构的扫描电镜照片。由于比较实施例1中未添加低温助熔剂，因此其样品晶粒大小不均匀，晶粒内部和晶界的气孔也较多，这必然导致其密度、磁导率以及饱和磁通密度校低、磁滞损耗增大以致总的功率损耗增大。而实施例1中因为添加了低温助熔剂，所以从图1显示的SEM照片可以看出，样品的显微结构得到了改善，气孔少、晶粒大小相对更均匀，所以添加低温助熔剂的样品磁导率、饱和磁通密度高，而功率损耗低。

表1：实施例1与比较实施例1的性能结果比较。

实施例2：

称取主成分：70wt％的纯度为99.3％以上的Fe₂O₃、23wt％的Mn₃O₄(Mn含量为71.1％)、7wt％的纯度为99.7％的ZnO，同时称取低温助熔剂：基于主成分总重量的0.25wt％的SnO₂和0.25wt％的TiO₂；在砂磨机中，向前述称取的粉料中加入所述粉料总重量的90wt％的水，搅拌并研磨混合均匀；喷雾干燥后在780℃下预烧3h；基于预烧后的粉料的总重量，加入添加物：0.05wt％的CaCO₃、0.004wt％的SiO₂、0.03wt％的Nb₂O₅、0.02wt％的ZrO₂以及再添加低温助熔剂：0.09wt％的SnO₂，再加入70wt％的去离子水、1wt％的分散剂、1wt％的消泡剂一起进行二次研磨，研磨至平均粒度为1.0±0.2μm；烘干后，基于研磨后的粉料的总重量，向该粉料中添加8wt％的聚乙烯醇的水溶液造粒(以上各物质都可以从市场上购得)；在120MPa的压力下，将颗粒料压制成OR25×8-15mm的环形样品；最后在用计算机程序控制的钟罩炉内，在1290℃的烧结温度下烧结，并在烧结温度下保温6小时，在平衡气氛下冷却至180℃出炉，保温段氧分压10％，降温过程采用平衡氧分压。

采用与实施例1相同的方式进行测量，结果显示在表2中。

比较实施例2：

除了第一次研磨混合时未添加低温助熔剂，其余步骤与实施例2相同；同时对制得的样品进行同样的性能测试，结果也显示在下面的表2中。

比较实施例3：

除了在超出本发明要求的温度范围下，即1180℃下烧结之外，其余步骤与实施例2相同；同时对制得的样品进行同样的性能测试，结果也显示在下面的表2中。

表2

同样，比较实施例2由于未添加低温助熔剂，制备的样品晶粒大小不均匀，晶粒内部和晶界的气孔也较多，这必然导致其密度、磁导率以及饱和磁通密度校低、磁滞损耗增大以致总的功率损耗增大。而比较实施例3由于烧结温度过低，导致样品欠烧，晶粒大小悬殊，大量气孔分散在晶界和晶粒内部，磁导率和饱和磁通密度下降，损耗增大。

上面已经通过优选的实施例描述了本发明，但是，应该理解这些优选的实施例并非用于限定本发明的保护范围。相反，在本发明的主旨和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在由所附权利要求限定的本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种中频低损耗MnZn铁氧体磁芯的制造方法，所述方法包括：

A、配料：称取主成分：66wt％-74wt％的Fe₂O₃、20wt％-25wt％的Mn₃O₄、6wt％-10wt％的ZnO，同时称取不超过所述主成分总重量的1wt％的低温助熔剂，所述低温助熔剂选自V₂O₅、TiO₂、SnO₂、CuO中的一种或多种，所述配料为粉料；

D、二次研磨：向所述步骤C中得到的粉料中添加辅助成分CaCO₃、SiO₂、Nb₂O₅、Co₂O₃、ZrO₂中的一种或多种以及再加入所述低温助熔剂、去离子水、分散剂、消泡剂一起进行二次研磨，使研磨后的粉料粒径达到1.0±0.2μm，其中基于所述步骤C中得到的粉料的总重量，添加量为CaCO₃：0.02wt％-0.08wt％、SiO₂：0.002wt％-0.01wt％、Nb₂O₅：0.02wt％-0.06wt％、Co₂O₃：0.03wt％-0.20wt％、ZrO₂：0.01wt％-0.05wt％以及所述低温助熔剂：不超过0.5wt％、去离子水：60wt％-120wt％、分散剂：0.5wt％-3wt％、消泡剂：0.5wt％-3wt％；

F、成型：在50MPa-200MPa的压力下将颗粒料压制成生坯样品；

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤B中的水为蒸馏水或去离子水。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤C中的所述预烧温度为750℃-900℃。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤E中的所述有机粘合剂为聚乙烯醇。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤F中的所述生坯样品的密度为2.9±0.2g/cm³。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤G中的所述烧结温度为1250℃-1300℃。