CN102063989A

CN102063989A - 高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102063989A
Application number: CN 201010518405
Authority: CN
Inventors: 范仲康; 张凯; 傅膑; 刘培元
Original assignee: RUYUAN DONG YANG GUANG MATERIALS CO Ltd
Current assignee: RUYUAN DONG YANG GUANG MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: CN102063989B

Abstract

本发明涉及一种高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料及其制备方法，软磁材料包含如下含量的主成分：Fe₂O₃为53.5-55mol％，ZnO为4-9.5mol％，MnO为余量；相对主成分的总重量还包含如下含量的副成分：WO₃为0.01-0.05wt％，NiO为0.005-0.03wt％，ZrO₂为0.02-0.06wt％。本发明的软磁材料在宽温度下具有更高的饱和磁通密度Bs外，其饱和磁通密度Bs与剩余磁通密度Br之间还具有更大的差值，尤其是在宽温度范围内的功率损耗大幅降低，叠加性能好，居里温度也较高，因此，其多个电磁参数之间能达到更优化的配合，特别适合在直流叠加较大的多种应用场合实现更高、更稳定的电感功能。

Description

高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件及其制备，更具体地说，本发明涉及一种锰锌软磁材料及其制备方法。

背景技术

在电子、电器设备中，广泛采用着各种不同质量要求的磁性材料产品，而能以较优性价比实现各种电磁参数的合理搭配，从而满足功能各异的电子、电器设备的不同参数要求的优质磁性材料产品，成为业内竞相研发的目标。

近年来，变频空调器、变频调速器的用量和档次一直都在迅速提高，其变频电路通常包括为控制电路、低压电路提供电源的开关电源电路、整流滤波用的扼流圈等，这些关键不可或缺的电路和元器件都要采用软磁材料磁芯，如在开关电源电路中，通常采用半导体开关管产生直流脉冲加于脉冲变压器初级，以使脉冲变压器次级能向脉冲调制电路提供脉冲电流，同时还可经整流滤波后输出直流电压；又例如：对直流脉冲进行整流滤波的电路中的扼流圈，也是工作在交流叠加直流成分的电路环境中。

上述交流叠加越来越大直流成分的多种应用场合，实质上对软磁材料电磁参数的搭配提出了相应更高的要求：除要求磁芯材料在常温、高温下都具有很高的饱和磁通密度Bs外，还要求饱和磁通密度Bs与剩余磁通密度Br具有较大的差值、很低的功率损耗尤其是在较宽温度范围内有低的功率损耗、较高的居里温度。

为能提高电感元件在直流叠加下的工作稳定性，必须优化磁芯的某些电磁参数，但是，磁芯电磁参数的优化往往对软磁材料的理化晶相结构提出相互矛盾的要求，例如：高Bs的理化晶相结构相当程度上就是高损耗理化晶相结构，反之亦然；因此，如何能够在改善其中某一项或几项电磁参数情况下，同时兼顾地优化而不是劣化其它的电磁参数，一直是国内外相关企业普遍面临的重大而长期的挑战；换言之，为在上述多种应用场合进一步提高磁芯的电磁性能，传统的软磁材料的电磁参数组合仍然存在很大的改进空间。

发明内容

针对现有技术的上述缺点，本发明提供一种高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料及其制备方法，其具有如下优点：制得的软磁材料在宽温度下具有更高的饱和磁通密度Bs，其饱和磁通密度Bs与剩余磁通密度Br之间还具有更大的差值，尤其是在宽温度范围内功率损耗较低，而且居里温度较高，因此，其多个电磁参数之间能达到更优化的配合，特别适合在大直流叠加的多种应用场合实现更高、更稳定的电感功能。

为此，本发明的技术解决方案之一是一种高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料，其包含如下含量的主成分；Fe₂O₃为53.5-55mol％，ZnO为4-9.5mol％，MnO为余量；相对主成分的总重量还包含如下含量的副成分：WO₃为0.01-0.05wt％，NiO为0.005-0.03wt％，ZrO₂为0.02-0.06wt％。

本发明的高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料，采用特有的组分配方和作为副成分的掺杂元素相互配合，经过研磨、压制、烧结而得；其中的主成分配方力求更合理地为掺杂提供有利的基础，在此基础上，进而以独到的掺杂促进更好地液相烧结、更细化晶粒，生长出更为均匀细化的晶粒分布，同时控制晶界气孔率，形成较高成品密度，最终生成更为合理的软磁微观结构，从而获得更高Bs、更低Br、更低的功率损耗、较高居里温度的高性能软磁材料，实现了多个电磁参数之间的更优化配合。

由后面实施例实测得到的数据可见，本发明软磁材料制得的磁芯及其电感元件，比之传统磁芯及其电感元件，其在相同交流条件下所能承受的叠加直流电流要高出7％左右，直流叠加性能大幅改善；而且，由实施例的磁芯的电感参数组合可见，本发明软磁材料在饱和磁通密度Bs、Bs与剩余磁通密度Br之间的差值、在较宽温度区间的功率损耗数值、居里温度等参数方面，获得了全面的提升。因此，本发明软磁材料能以其更优、更稳定的直流叠加适应性能，保持更为稳定、良性的工作循环，特别适合在直流叠加较大的变频空调器、变频无级调速器以及太阳能、风能发电、电动汽车等诸多场合的推广使用。尤其在常态待机的电子设备上，本发明软磁材料在室温工作温度时的较低损耗，具有传统磁芯难以比拟的优势和强大的维稳效应。

为了进一步优化液相烧结、促进晶粒更加细化，生长出更为均匀细化的晶粒分布，生成密度更高、微观结构更为合理的软磁材料，本发明软磁材料还包括如下的改进：

相对所述主成分的总重量，所述软磁材料还包含如下含量的副成分：CaO为0.01-0.04wt％、Nb₂O₅为0.02-0.05wt％、TiO₂为0.02-0.15wt％、CO₂O₃为0.05-0.3wt％、MoO₃为0.01-0.03wt％、V₂O₅为0.02-0.06wt％。

为了进一步优化软磁材料多项电磁参数的整体组合、针对直流叠加提供更为稳定、优良的性能配合，本发明软磁材料还包括如下的改进：

在1194A/m测试条件下，25℃时所述软磁材料的饱和磁通密度Bs＞540mT，其剩磁密度Br＜95mT，100℃时所述软磁材料的饱和磁通密度Bs＞450mT，其剩磁密度Br＜55mT；在100kHz、200mT测试条件下，25℃时所述软磁材料的功率损耗P＜520kW/m³，100℃时所述软磁材料的功率损耗P＜310kW/m³。

为了进一步保障软磁材料针对直流叠加的稳定性、增加电感参数优化的范围，本发明软磁材料还包括如下的改进：

所述软磁材料的居里温度Tc＞280℃。

相应地，本发明的另一技术解决方案是一种如上所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤，

步骤A：对主成分含量进行配比，然后在砂磨机中加入去离子水进行一次砂磨，在一次砂磨结束前10-15分钟加入PVA溶液；

步骤B：将经一次砂磨后的浆体进行一次喷雾造粒，然后放入预烧炉内预烧；

步骤C：对经预烧的主成分再进行副成分含量的配比，然后将含主、副成分的粉料放入砂磨机中加入去离子水和消泡剂进行二次砂磨，在二次砂磨结束前10-15分钟加入PVA溶液，制得平均粒径为0.80～0.95μm的磨细料浆；

步骤D：将磨细料浆进行二次喷雾造粒，制得粒径为60～200μm的喷雾颗粒粉料；然后将喷雾颗粒粉料压制成型，制得密度为3.00-3.15g/cm³的生坯；

步骤E：将生坯在氮气保护气氛炉中控制温度为1310-1390℃的条件下保温4～8小时烧结，控制温度冷却后制得所述软磁材料。

本发明软磁材料的制备方法在组分配方的基础上，配合组分配方促进晶粒细化、均匀化分布，简捷、高效地生产制得在较宽温度下具有更高的饱和磁通密度Bs、且饱和磁通密度Bs与剩余磁通密度Br之间差值更大，在较宽温度下的功率损耗更低、直流叠加更加优异，居里温度也较高的软磁材料；本发明制备方法制得的软磁材料特别适合在大直流叠加场合广泛应用。

为了提高砂磨的效果、优化主成分工艺和理化性能，本发明制备方法还包括如下改进：所述步骤A中：所述一次砂磨持续35-50分钟。

为了进一步提高优化主成分工艺和理化性能、改进后续烧结反应的微观结构，本发明制备方法还包括如下改进：

所述步骤B中：预烧炉中温度控制在820-890℃，预烧炉保温持续2.5-3.5小时。

所述步骤C中：二次砂磨持续时间为50-90分钟。

所述步骤E中：保温烧结时的氧分压为4.5-8.4％。

所述步骤E中：冷却是在氮氧气氛中进行冷却直至室温。

本发明软磁材料的上述制备方法，在烧结工艺上：通过控制保温时间及氧分压，以控制产品中气孔大小及数量；适当延长保温时间，促进固相反应完全、晶粒生长均匀、减少气孔和异相，以获得高密度、高饱和磁通密度的锰锌铁氧体材料。

实验证明，本发明软磁材料的制备方法对于实现软磁材料的整体优良性能确实效果显著。

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

称取Fe₂O₃：53.8mol％，Mn₃O₄(以MnO计)：38.2mol％，ZnO：8.0mol％三种原料，然后在砂磨机中加入适量的去离子水进行一次砂磨35分钟，在一次砂磨结束前10-15分钟加入适量的PVA溶液，然后进行一次喷雾造粒；

将经一次砂磨后的浆体进行一次喷雾造粒，然后放入预烧炉内预烧，预烧炉中温度控制在830℃，预烧炉保温持续3.5小时；

对经预烧的主成分再进行副成分含量的配比，相对主成分的总重量，WO₃为0.04wt％，NiO为0.008wt％，ZrO₂为0.05wt％，CaCO₃(以CaO计)为0.03wt％，Nb₂O₅为0.05wt％，TiO₂为0.13wt％，CO₂O₃为0.05wt％，MoO₃为0.01wt％，V₂O₅为0.05wt％；

然后将含主、副成分的粉料放入砂磨机中加入去离子水和消泡剂进行二次砂磨，二次砂磨持续时间为70分钟，在二次砂磨结束前10-15分钟加入PVA溶液，制得平均粒径为0.80～0.95μm的磨细料浆；

将磨细料浆进行二次喷雾造粒，制得粒径60～200μm的喷雾颗粒粉料；然后将喷雾颗粒粉料压制成型，制得密度为3.00-3.15g/cm³的H25*15*7.5mm标样环生坯和PQ40生坯；

将生坯在氮气保护气氛炉中控制1340℃的温度条件下，保温烧结5小时，保温烧结时的氧分压为6.1％；然后在氮氧气氛中控制温度进行冷却直至室温，制得所述软磁材料。

实施例2：

称取Fe₂O₃：54.8mol％，Mn₃O₄(以MnO计)：40.4mol％，ZnO：4.8mol％三种原料，然后在砂磨机中加入适量的去离子水进行一次砂磨40分钟，在一次砂磨结束前10-15分钟加入适量的PVA溶液，然后进行一次喷雾造粒；

将经一次砂磨后的浆体进行一次喷雾造粒，然后放入预烧炉内预烧，预烧炉中温度控制在860℃，预烧炉保温持续3小时；

对经预烧的主成分再进行副成分含量的配比，WO₃为0.01wt％，NiO为0.03wt％，ZrO₂为0.02wt％，CaCO₃(以CaO计)为0.04wt％，Nb₂O₅为0.02wt％，TiO₂为0.06wt％，C_O2O₃为0.25wt％，MoO₃为0.01wt％，V₂O₅为0.03wt％；

然后将含主、副成分的粉料放入砂磨机中加入去离子水和消泡剂进行二次砂磨，二次砂磨持续时间为60分钟，在二次砂磨结束前10-15分钟加入PVA溶液，制得平均粒径为0.80～0.95μm的磨细料浆；

将生坯在氮气保护气氛炉中控制1350℃的温度条件下，保温烧结7小时，保温烧结时的氧分压为6.9％；然后在氮氧气氛中控制温度进行冷却直至室温，制得所述软磁材料。

实施例3：

称取Fe₂O₃：54.5mol％，Mn₃O₄(以MnO计)：39.8mol％，ZnO：5.7mol％三种原料，然后在砂磨机中加入适量的去离子水进行一次砂磨45分钟，在一次砂磨结束前10-15分钟加入适量的PVA溶液，然后进行一次喷雾造粒；

将经一次砂磨后的浆体进行一次喷雾造粒，然后放入预烧炉内预烧，预烧炉中温度控制在890℃，预烧炉保温持续2.5小时；

对经预烧的主成分再进行副成分含量的配比，WO₃为0.02wt％，NiO为0.02wt％，ZrO₂为0.04wt％，CaCO₃(以CaO计)为0.01wt％，Nb₂O₅为0.04wt％，TiO₂为0.08wt％，C_O2O₃为0.15wt％，MoO₃为0.03wt％，V₂O₅为0.02wt％；

然后将含主、副成分的粉料放入砂磨机中加入去离子水和消泡剂进行二次砂磨，二次砂磨持续时间为50分钟，在二次砂磨结束前10-15分钟加入PVA溶液，制得平均粒径为0.80～0.95μm的磨细料浆；

将生坯在氮气保护气氛炉中控制1370℃的温度条件下，保温烧结6小时，保温烧结时的氧分压为7.8％；然后在氮氧气氛中控制温度进行冷却直至室温，制得所述软磁材料。

实施例4：

称取Fe₂O₃：54.2mol％，Mn₃O₄(以MnO计)：38.4mol％，ZnO：7.4mol％三种原料，然后在砂磨机中加入适量的去离子水进行一次砂磨50分钟，在一次砂磨结束前10-15分钟加入适量的PVA溶液，然后进行一次喷雾造粒；

将经一次砂磨后的浆体进行一次喷雾造粒，然后放入预烧炉内预烧，预烧炉中温度控制在850℃，预烧炉保温持续3小时；

对经预烧的主成分再进行副成分含量的配比，WO₃为0.03wt％，NiO为0.01wt％，ZrO₂为0.03wt％，CaCO₃(以CaO计)为0.02wt％，Nb₂O₅为0.03wt％，TiO₂为0.10wt％，C_O2O₃为0.10wt％，MoO₃为0.02wt％，V₂O₅为0.04wt％；

然后将含主、副成分的粉料放入砂磨机中加入去离子水和消泡剂进行二次砂磨，二次砂磨持续时间为80分钟，在二次砂磨结束前10-15分钟加入PVA溶液，制得平均粒径为0.80～0.95μm的磨细料浆；

将生坯在氮气保护气氛炉中控制1320℃的温度条件下，保温烧结8小时，保温烧结时的氧分压为5.2％；然后在氮氧气氛中控制温度进行冷却直至室温，制得所述软磁材料。

将实施例1-4中烧结制得的H25*15*7.5mm软磁材芯体用BHS-40测试仪测试Bs、Br和用2335测试仪测试功率损耗，具体性能测试见表1。

表1 各实施例和传统材料制得的标样环H25*15*7.5mm样品性能测试表

由表1各项性能逐项对比可见：在1194A/m测试条件下，本发明软磁材料在25℃时的饱和磁通密度Bs＞540mT，其剩磁密度Br＜95mT，在100℃时的饱和磁通密度Bs＞450mT，其剩磁密度Br＜55mT；本发明软磁材料在100kHz、200mT测试条件下，25℃时的功率损耗P＜520kW/m³，100℃时的功率损耗P＜310kW/m³，由此可见：本发明软磁材料各项电磁性能均优于传统样品。

将实施例1-4烧结好的PQ40磁芯样品和传统材料PQ40磁芯样品，均用0.35mm线径制成40匝电感线圈、垫0.35mm气隙片，分别在25℃、100℃的温度下，在1KHz、1V交流基础上向电感线圈上叠加直流，用HP4284和HP42841A测试电感和叠加性能，测得各电感线圈的直流-电感值如表2和表3：

表2 各实施例和传统材料制得的PQ40样品25℃叠加性能测试表

表3 各实施例和传统材料烧结的PQ40样品100℃叠加性能测试表

业内通常以电感跌落到叠加电流前电感60％左右时的叠加直流电流为磁芯性能近于失效的临界电流。

25℃时，所有PQ40磁芯样品的60％电感值约为396μH，查表2本发明实施例制得的PQ40磁芯样品对应的临界电流为4.7A，而传统PQ40磁芯样品对应的临界电流为4.4A，计算可得二者的临界电流差别率为(4.7A-4.4A)/4.4A＝6.8％。

100℃温度时，所有PQ40磁芯产品的60％电感值约为405μH，查表3知本发明实施例制得的PQ40磁芯样品对应的临界电流约为3.8A，而传统PQ40磁芯样品对应的临界电流为3.5A，计算可得二者的临界电流差别率为(3.8A-3.5A)/3.5A＝8.6％。

由表2、3对比足证：本发明软磁材料的直流叠加性能性能确实优于传统样品。且以上各项测试表明：本发明材料的直流叠加性能优异，加之较高的饱和磁通密度和较低的剩磁密度，更低的功率损耗，能较好满足25℃～100℃宽温度范围内高Bs、高直流叠加、低损耗特性的要求；本发明的软磁材料在直流叠加较大的多种应用场合，具有更高、更稳定的电感功能；能大幅增加了客户设计器件时的工作余量、加大电子器件的稳定性和使用寿命，还有利于器件小型化设计和降低成本。

Claims

1.一种高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料，其特征在于：其包含如下含量的主成分：Fe₂O₃为53.5-55mol％，ZnO为4-9.5mol％，MnO为余量；相对主成分的总重量还包含如下含量的副成分：WO₃为0.01-0.05wt％，NiO为0.005-0.03wt％，ZrO₂为0.02-0.06wt％。

2.如权利要求1所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料，其特征在于：相对所述主成分的总重量，所述软磁材料还包含如下含量的副成分：CaO为0.01-0.04wt％、Nb₂O₅为0.02-0.05wt％、TiO₂为0.02-0.15wt％、CO₂O₃为0.05-0.3wt％、MoO₃为0.01-0.03wt％、V₂O₅为0.02-0.06wt％。

3.如权利要求1所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料，其特征在于：在1194A/m测试条件下，25℃时所述软磁材料的饱和磁通密度Bs＞540mT，其剩磁密度Br＜95mT，100℃时所述软磁材料的饱和磁通密度Bs＞450mT，其剩磁密度Br＜55mT；在100kHz、200mT测试条件下，25℃时所述软磁材料的功率损耗P＜520kW/m³，100℃时所述软磁材料的功率损耗P＜310kW/m³。

4.如权利要求1所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料，其特征在于：所述软磁材料的居里温度Tc＞280℃。

5.一种如权利要求1-4之一所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

6.如权利要求5所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，其特征在于：所述步骤A中，所述一次砂磨持续35-50分钟。

7.如权利要求5所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，其特征在于：所述步骤B中，预烧炉中温度控制在820-890℃，预烧炉保温持续2.5-3.5小时。

8.如权利要求5所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，其特征在于：所述步骤C中，二次砂磨持续时间为50-90分钟。

9.如权利要求5所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，其特征在于：所述步骤E中，保温烧结时的氧分压为4.5-8.4％。

10.如权利要求5所述高饱和磁通、高直流叠加、低损耗的软磁材料的制备方法，其特征在于：所述步骤E中，冷却是在氮氧气氛中控制温度进行冷却直至室温。