CN101996723B - 一种复合软磁磁粉芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于软磁材料及其制备技术领域的一种复合软磁磁粉芯及其制备方法。采用控制氧化法在铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe3O4壳层，制备出了结构均匀的Fe/Fe3O4复合软磁粉末，将Fe/Fe3O4复合软磁粉末与适量的硅树脂进行混合，采用粉末冶金压实工艺制备出了高性能Fe/Fe3O4复合软磁磁粉芯。这种复合磁粉芯同时具有高密度、高磁导率、高磁通密度、低损耗和高断裂强度，适用于大功率和低损耗的使用场合。本发明具有原料来源丰富、工艺过程简单、对环境友好且适宜工业化生产等特点。

Description

一种复合软磁磁粉芯及其制备方法
技术领域
本发明属于软磁材料及其制备技术领域，特别涉及一种复合软磁磁粉芯及其制备方法。
背景技术
具有高磁通密度和低损耗使用特性的复合软磁材料是磁性材料领域的一个重要研究方向。这种材料可以制备现代化工业发展所必须的动力驱动系统中的电磁部件，如高速电机的转子等，在目前飞速发展的民用高科技混合动力汽车和纯电动汽车等领域有着潜在的应用前景和巨大的经济效益。由于在磁性能上要求材料同时具有高磁通密度和低损耗，传统的金属软磁材料和软磁铁氧体远达不到使用的要求。因此研究和开发新的复合软磁材料一直受到人们的重视。
复合软磁材料的制备工艺通常是对金属(如Fe粉)或合金(如Fe-Ni、Fe-Co或Fe-Si合金)磁性颗粒表面包覆有机物和无机物的绝缘层，或采用磁性颗粒基体-高电阻率连续纤维复合方式形成复合软磁粉体，然后采用粉末冶金压实工艺制备成致密的块体软磁材料。由于有机物绝缘层的耐热温度低，温度稳定性差，有机包覆的软磁复合材料不适宜用于高温条件。另外，有机物包覆使得粉末的压实密度较低，材料的磁通密度和磁导率都不高。目前多采用化学法实现金属磁性颗粒无机物包覆，包覆物多为含P或S的金属化合物，而含P或S包覆层的绝缘性不理想，而且含P或S的包覆液对环境污染严重。
Figure BSA00000290562500011
公司开发出的Somaloy系列复合软磁材料采用磷酸盐作为包覆前驱体，通过复杂的化学反应，在Fe粉颗粒表面上形成一层厚度可控的Fe3P包覆层，可以较大程度地提高材料的电阻率，减小材料在交流使用条件下的磁损耗。但
Figure BSA00000290562500021
公司所采用的包覆工艺比较复杂，而且对铁粉进行磷化处理的废液对环境有着潜在的污染，另外Fe3P包覆层绝缘性能不高，表面也容易氧化。
磁性粒子-氧化物核壳复合结构磁性材料的研究较早起源于生物医学的应用。如在具有超顺磁性的超微磁性粒子(颗粒尺寸小于10nm的Fe3O4)表面上均匀地包覆一层纳米级的氧化硅壳层可以形成核壳复合结构磁性粒子。由于氧化物壳层的存在，这种复合粒子不易团聚，分散性好，耐蚀性强；将药物装载在这种复合磁性纳米粒子的表面上，通过磁场的靶向作用输送到病灶组织，定位释放，到达高效和低毒治疗的效果。对于具有软磁特性的磁性粒子-氧化物核壳复合结构而言，通过调控磁性粒子的化学成分使材料具有优良的内禀磁性能，选择合适的氧化物作为壳层可以提高材料的电阻率。考虑到实际应用的要求，选择合适氧化物包覆层在磁性粒子表面上实现完全包覆是需解决的关键技术问题。选择合适氧化物包覆层的要求是，一方面提高复合磁性颗粒的电阻率，降低材料的磁损耗；同时包覆层不过多降低材料的饱和磁感应强度和磁导率，使得材料具有大功率使用特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高磁通密度和低损耗使用特性的复合软磁材料及其制备方法，采用控制氧化法在铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe3O4壳层，制备出结构均匀的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末。将Fe/Fe3O4复合软磁粉末与适量的硅树脂进行混合，采用粉末压实成型工艺制备出了高密度、高磁导率、高磁通密度、低损耗和高断裂强度的Fe/Fe3O4复合软磁磁粉芯。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种复合软磁磁粉芯，其特征在于：该复合软磁磁粉芯组成为表面包覆硅树脂的Fe/Fe3O4复合软磁粉末，由Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末和硅树脂采用粉末压实成型工艺压制而成，其中，Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的质量分数为99.2％～99.8％，硅树脂的质量分数为0.2％～0.8％，采用控制氧化法在平均粒径为170μm、Fe元素质量分数大于99％的高纯铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe3O4壳层构成所述的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末。
该复合软磁磁粉芯具有高磁通密度和低损耗使用特性。
其中，在平均粒径为170μm的铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe3O4壳层制备的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末，与硅树脂压制而成的复合软磁磁粉芯，并且当Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的质量分数为99.5％，硅树脂的质量分数为0.5％时，复合软磁磁粉芯效果最好。
一种复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)采用分析纯丙酮和分析纯乙醇清洗铁粉，所用铁粉为平均粒径为170μm、Fe元素的质量分数大于99％的高纯铁粉，铁粉清洗后在真空干燥箱中干燥；
(2)在1～3Pa的低真空下将可控气氛氧化炉加热到400～420℃；
(3)将步骤(1)中经清洗和干燥的铁粉放入步骤(2)中经事先加热的可控气氛氧化炉中，同时往可控气氛氧化炉中充入氩气和高纯氧气的混合气，待炉温恢复到400～420℃，保温40～50分钟；
(4)将步骤(3)经加热后的铁粉从可控气氛加热炉中取出，迅速转入一个室温的真空炉中，在真空条件下冷却至室温，得到Fe/Fe3O4复合软磁粉末；
(5)将步骤(4)中制得的Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末的质量分数为99.2％～99.8％，硅树脂的质量分数为0.2％～0.8％，混合后的物料采用粉末压实成型工艺压制成致密的环状试样，对环状样品在真空条件下进行退火处理，制成复合软磁磁粉芯。
所制复合软磁磁粉芯具有高密度、高磁导率、高磁通密度、低损耗和高断裂强度的特性，即制得了具有低损耗和大功率使用特性的复合软磁材料。
步骤(1)中，所述干燥温度为30～60℃，时间为20～30分钟。
步骤(2)中，以5～15℃/min的升温速率升温。
步骤(3)中，所述混合气中，高纯氧气的体积分数为15％～25％，氩气的体积分数为75％～85％，所述的氩气可选用高纯氩气或普通氩气。
步骤(4)中，所述的真空条件最好选用的真空度为3×10-3～5×10-3Pa。
步骤(5)中，所述环状试样在1200～1800MPa的压力下压制。
步骤(5)中，所述环状样品退火温度为500～700℃，退火时间为20～40分钟。
本发明采用控制氧化工艺在高纯铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe3O4薄层，制备出Fe/Fe3O4复合软磁粉末，与适量的硅树脂混合压实后可以制成一种高性能的Fe/Fe3O4复合磁粉芯。这种新型的复合磁粉芯同时具有高磁通密度、低损耗和高断裂强度，适用于大功率使用场合，在目前飞速发展的航天航空、核工业以及民用高科技如大飞机和混合动力汽车等领域有着潜在的应用前景和巨大的经济效益。本发明具有原料来源丰富、工艺过程简单、对环境友好且适宜工业化生产等特点。
附图说明
图1为实施例一中原料铁粉和铁粉表面原位生成Fe3O4后的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的X射线衍射(XRD)谱线，其中：
谱线(a)代表原料铁粉的X射线衍射图；
谱线(b)代表Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的X射线衍射图。
图2为实施例一中原料铁粉和铁粉表面原位生成Fe3O4后的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末在最大外加磁场为15kOe时测量的磁滞回线，其中：
回线(a)代表原料铁粉的磁滞回线；
回线(b)代表Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的磁滞回线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例一
具有高磁通密度和低损耗的复合软磁磁粉芯，其组成为表面包覆有硅树脂的Fe/Fe3O4复合软磁粉末，采用粉末压实工艺制成致密的磁粉芯，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末的质量分数为99.5％，硅树脂的质量分数为0.5％。对于Fe/Fe3O4复合软磁粉末，采用控制氧化法在平均粒径为170μm、Fe元素质量分数大于99％的高纯铁粉表面上原位生成Fe3O4。
具有高磁通密度和低损耗的复合软磁磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)取25g平均粒径为170μm、Fe元素的质量分数大于99％的高纯铁粉用分析纯丙酮和分析纯乙醇先后各清洗2次，然后在40℃的真空干燥箱中干燥30分钟；
(2)在2Pa的低真空和10℃/min的升温速率下将可控气氛氧化炉加热到400℃；
(3)将步骤(1)中经清洗和干燥的铁粉放入步骤2中经事先加热的可控气氛氧化炉中，同时往可控气氛氧化炉中充入高纯氧气和高纯氩气的混合气，其中高纯氧气的体积分数为20％，高纯氩气的体积分数为80％，待炉温恢复到400℃，保温50分钟；
(4)将步骤(3)经加热后的铁粉从可控气氛加热炉中取出，迅速转入一个室温的真空炉中，在4×10-3Pa的真空条件下冷却至室温，将得到Fe/Fe3O4复合软磁粉末；
(5)将步骤(4)中制得的Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂的质量分数分别为99.5％和0.5％，将混合后的粉末在1600MPa的压力下压制成致密的环状试样，对环状样品在600℃和真空条件下进行30分钟的退火处理，最终制成高密度、高磁导率、低损耗和高断裂强度的Fe/Fe3O4复合软磁磁粉芯，即为具有高磁通密度和低损耗的复合软磁材料。
图1为实施例一中原料铁粉和铁粉表面原位生成Fe3O4后的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的X射线衍射(XRD)谱线，可以看出铁粉经控制氧化后可以在表面上原位生成Fe3O4。铁粉表面生成Fe3O4后，Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的颜色从深灰色突变成深蓝色。利用Fe/Fe3O4核壳复合粉末生成后颜色的突变，可以更好地把握氧化工艺的精确度，对材料的实际生产过程有着重要的指导意义，有利于推动材料的进一步开发和应用。
采用振动样品磁强计(VSM)测量本实施例中制备的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末在最大外加磁场为15kOe时的磁滞回线，如图2所示，可以看出，Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的内禀矫顽力与原料铁粉相比基本相同，而饱和磁化强化度Ms高达207.6emu/g，稍低于纯铁粉相应的值(217.1emu/g)，表明Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末具有较好的内禀磁性能。
将本实施例制备的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末与适量的硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂的质量分数分别为99.5％和0.5％，将混合后的粉末在1600MPa的压力下压制成致密的环状试样，对环状样品在600℃和真空条件下进行30分钟的退火处理。本实施例中环状试样的密度为7.5g/cm3。采用交流B-H软磁测量磁滞回线仪测量环状试样的交流磁特性。本实施例中制备的Fe/Fe3O4复合磁粉芯具有低磁损耗、高磁通密度、高磁导率和高断裂强度，适宜用于电机转子等大功率和低损耗的使用场合。
实施例二
具有高磁通密度和低损耗的复合软磁磁粉芯，其组成为表面包覆有硅树脂的Fe/Fe3O4复合软磁粉末，采用粉末压实工艺制成致密的磁粉芯，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末的质量分数为99.8％，硅树脂的质量分数为0.2％。对于Fe/Fe3O4复合软磁粉末，采用控制氧化法在平均粒径为170μm、Fe元素质量分数大于99％的高纯铁粉表面上原位生成Fe3O4。
具有高磁通密度和低损耗的复合软磁磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)取25g平均粒径为170m、Fe元素的质量分数大于99％的高纯铁粉用分析纯丙酮和分析纯乙醇先后各清洗3次，然后在60℃的真空干燥箱中干燥20分钟；
(2)在1Pa的低真空和5℃/min的升温速率下将可控气氛氧化炉加热到420℃；
(3)将步骤(1)中经清洗和干燥的铁粉放入步骤2中经事先加热的可控气氛氧化炉中，同时往可控气氛氧化炉中充入高纯氧气和高纯氩气的混合气，其中高纯氧气的体积分数为15％，高纯氩气的体积分数为85％，待炉温恢复到420℃，保温40分钟；
(4)将步骤(3)经加热后的铁粉从可控气氛加热炉中取出，迅速转入一个室温的真空炉中，在5×10-3Pa的真空条件下冷却至室温，将得到Fe/Fe3O4复合软磁粉末；
(5)将步骤(4)中制得的Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂的质量分数分别为99.8％和0.2％，将混合后的粉末在1200MPa的压力下压制成致密的环状试样，对环状样品在500℃和真空条件下进行40分钟的退火处理，最终制成高密度、高磁导率、低损耗和高断裂强度的Fe/Fe3O4复合软磁磁粉芯，即为具有高磁通密度和低损耗的复合软磁材料。
与实施例一中的试样相比，由于提高了控制氧化的温度，铁粉表面原位生成的Fe3O4包覆层变厚，使得Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末颜色变成浅蓝色。采用振动样品磁强计(VSM)测量本实施例中制备的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末在最大外加磁场为15kOe时的磁滞回线。结果表明，本实施列中Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的饱和磁化强化度Ms与实施例一的样品相比稍有降低，但仍高达211.6emu/g，稍低于纯铁粉相应的值(217.1emu/g)，表明本实施例样品具有较好的内禀磁性能。
将本实施例制备的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末与适量的硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂的质量分数分别为99.8％和0.2％，将混合后的粉末在1200MPa的压力下压制成致密的环状试样，对环状样品在500℃和真空条件下进行40分钟的退火处理。本实施例中环状试样的密度为7.6g/cm3，与实施例一相比，由于硅树脂质量分数有所降低，因此本实施例中环状样品的密度有所提高。采用交流B-H软磁测量磁滞回线仪测量环状试样的交流磁特性。本实施例中制备的Fe/Fe3O4复合磁粉芯具有低磁损耗、高磁通密度、高磁导率和高断裂强度，适宜用于电机转子等大功率和低损耗的使用场合。
实施例三
具有高磁通密度和低损耗的复合软磁磁粉芯，其组成为表面包覆有硅树脂的Fe/Fe3O4复合软磁粉末，采用粉末压实工艺制成密实的磁粉芯，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末的质量分数为99.2％，硅树脂的质量分数为0.8％。对于Fe/Fe3O4复合软磁粉末，采用控制氧化法在平均粒径为170μm、Fe元素质量分数大于99％的高纯铁粉表面上原位生成Fe3O4。
具有高磁通密度和低损耗的复合软磁磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)取25g平均粒径为170μm、Fe元素的质量分数大于99％的高纯铁粉用分析纯丙酮和分析纯乙醇先后各清洗2次，然后在40℃的真空干燥箱中干燥20分钟；
(2)在3Pa的低真空和15℃/min的升温速率下将可控气氛氧化炉加热到420℃；
(3)将步骤(1)中经清洗和干燥的铁粉放入步骤(2)中经事先加热的可控气氛氧化炉中，同时往可控气氛氧化炉中充入高纯氧气和普通氩气的混合气，其中高纯氧气的体积分数为25％，普通氩气的体积分数为75％，待炉温恢复到420℃，保温50分钟；
(4)将步骤(3)经加热后的铁粉从可控气氛加热炉中取出，迅速转入一个室温的真空炉中，在3×10-3Pa的真空条件下冷却至室温，将得到Fe/Fe3O4复合软磁粉末；
(5)将步骤(4)中制得的Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂的质量分数分别为99.2％和0.8％，将混合后的粉末在1800MPa的压力下压制成致密的环状试样，对环状样品在700℃和真空条件下进行20分钟的退火处理，最终制成高密度、高磁导率、低损耗和高断裂强度的Fe/Fe3O4复合磁粉芯，即为具有高磁通密度和低损耗的复合软磁材料。
本实施例中采用普通氩气取代高纯氩气作为控制氧化气氛，也可制备出与实施例一和实施例二中类似的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末。本实施列中Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的饱和磁化强度Ms高达200.6emu/g，稍低于纯铁粉相应的值(217.1emu/g)，表明本实施例样品具有较好的内禀磁性能。与实施例二相比，本实施例中，由于进一步增加铁粉的氧化时间，铁粉表面原位生成的Fe3O4包覆层增厚，因此本实施例中Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的饱和磁化强度Ms值有所降低。将本实施例制备的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末与适量的硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂的质量分数分别为99.2％和0.8％，将混合后的粉末在1800MPa的压力下压制成致密的环状试样，对环状样品在700℃和真空条件下进行20分钟的退火处理。本实施例中环状试样的密度为7.4g/cm3，硅树脂质量分数增加和铁粉表面原位生成的Fe3O4包覆层增厚，导致了试样密度的降低。采用交流B-H软磁测量磁滞回线仪环状试样的交流磁特性。本实施例中制备的Fe/Fe3O4复合磁粉芯具有低磁损耗、高磁通密度、高磁导率和高断裂强度，适宜用于电机转子等大功率和低损耗的使用场合。

Claims (10)

1.一种复合软磁磁粉芯，其特征在于：该复合软磁磁粉芯组成为表面包覆硅树脂的Fe/Fe3O4复合软磁粉末，由Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末和硅树脂采用粉末压实成型工艺压制而成，其中，Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的质量分数为99.2％～99.8％，硅树脂的质量分数为0.2％～0.8％，采用控制氧化法在平均粒径为170μm、Fe元素质量分数大于99％的高纯铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe3O4壳层构成所述的Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末。
2.根据权利要求1所述的复合软磁磁粉芯，其特征在于：所述Fe/Fe3O4核壳复合软磁粉末的质量分数为99.5％，所述硅树脂的质量分数为0.5％。
3.一种复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)采用分析纯丙酮和分析纯乙醇清洗铁粉，所用铁粉为平均粒径为170μm、Fe元素的质量分数大于99％的高纯铁粉，铁粉清洗后在真空干燥箱中干燥；
(2)在1～3Pa的低真空下将可控气氛氧化炉加热到400～420℃；
(3)将步骤(1)中经清洗和干燥的铁粉放入步骤(2)中经事先加热的可控气氛氧化炉中，同时往可控气氛氧化炉中充入氩气和高纯氧气的混合气，待炉温恢复到400～420℃，保温40～50分钟；
(4)将步骤(3)经加热后的铁粉从可控气氛氧化炉中取出，迅速转入一个室温的真空炉中，在真空条件下冷却至室温，得到Fe/Fe3O4复合软磁粉末；
(5)将步骤(4)中制得的Fe/Fe3O4复合软磁粉末和硅树脂进行混合，其中，Fe/Fe3O4复合软磁粉末的质量分数为99.2％～99.8％，硅树脂的质量分数为0.2％～0.8％，混合后的物料采用粉末压实成型工艺压制成致密的环状试样，对环状样品在真空条件下进行退火处理，制成复合软磁磁粉芯。
4.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤 (1)中，所述干燥温度为30～60℃，时间为20～30分钟。
5.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，以5～15℃/min的升温速率升温。
6.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述混合气中，高纯氧气的体积分数为15％～25％，氩气的体积分数为75％～85％。
7.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的真空条件选用的真空度为3×10-3～5×10-3Pa。
8.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，环状试样在1200～1800MPa的压力下压制。
9.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述环状样品的退火温度为500～700℃，退火时间为20～40分钟。
10.根据权利要求3所述的复合软磁磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述氩气为高纯氩气或普通氩气。 
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