CN102136330A

CN102136330A - 一种复合软磁材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102136330A
Application number: CN2011100814275A
Authority: CN
Inventors: 李波; 胡季帆; 张玲; 赵宇; 秦宏伟; 郭炳麟; 李军; 王东玲; 彭勃; 王峻; 牟宗刚
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Shandong University; University of Jinan
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Shandong University; University of Jinan
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-07-27
Also published as: CN102360663B; CN102360663A

Abstract

本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种具有高密度、高磁感的复合软磁材料及其制备方法。该复合软磁材料由雾化铁基粉末、润滑剂和金属助粘剂组成，其中润滑剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.01-2％，金属助粘剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.01-2％；所述金属助粘剂和润滑剂均匀包覆在雾化铁基粉末颗粒表面。所述润滑剂为纳米活性碳酸钙和/或纳米三氧化二铝，金属助粘剂为钛酸酯。本发明制备工艺简单、材料成本低，密度高、磁感应强度大。

Description

一种复合软磁材料及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种用粉末冶金方法制备具有高密度的、高磁感的复合软磁材料及其制备方法。

背景技术

软磁材料应用领域广泛，可用于电动机的定子和转子、变压器以及感应器的铁芯等。与硅钢叠层技术相比，软磁材料具有显著的优点，特别是在制造具有复杂形状的软磁磁性部件时其优势更为明显。该材料可以通过选择合适的润滑剂和/或粘结剂包覆铁基粉末后压结，然后在一定温度下热处理或烧结。同时所选润滑剂对于实现材料的高密度和压制部件脱模是非常关键的。本发明提出用活性碳酸钙作为润滑剂，它同时具有润滑和绝缘性能，为了更好地获得高密度的软磁材料部件，可适当添加金属偶联剂作为金属助粘剂，将活性碳酸钙和金属偶联剂对铁粉颗粒表面进行包覆，以达到较好的绝缘性。同时，活性碳酸钙价格低廉、易得，润滑效果好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、材料成本低，密度高、磁感应强度大的复合软磁材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明是由如下技术方案实现的：

一种复合软磁材料，由雾化铁基粉末、润滑剂和金属助粘剂组成，金属助粘剂和润滑剂均匀包覆在雾化铁基粉末颗粒表面；其中，润滑剂为纳米活性碳酸钙和/或纳米三氧化二铝，金属助粘剂为钛酸酯；所述润滑剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.01-2％，金属助粘剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.01-2％。

所述雾化铁基粉末是雾化纯铁粉、雾化铁镍粉或其混合粉，其中雾化纯铁粉和雾化铁镍粉的混合粉中，雾化铁镍粉的质量占雾化铁基粉质量的比例≤5％。

所述雾化铁基粉末的粒径范围满足：至少30％、优选至少60％的雾化铁基粉末由粒径大于200μm的颗粒组成，粒径大于400μm的颗粒≤5％，粒径在10μm以下的粉末颗粒≤10％。

所述润滑剂中活性碳酸钙的粒度为10nm-2μm，优选纳米级(≤100nm)。

润滑剂为纳米三氧化二铝和活性碳酸钙的混合润滑剂时，纳米三氧化二铝质量占润滑剂总质量的比例≤10％。

所述金属助粘剂是钛酸正四丁酯或钛酸四异丙酯。

一种制备上述的复合软磁材料的方法，包括如下步骤：

将雾化铁基粉末与润滑剂和金属助粘剂分散于有机溶剂中，使得雾化铁基粉颗粒表面均匀包覆一层该润滑剂和助粘剂；再将包覆好的雾化铁基粉颗粒在550-750MPa的压力下压制，压制好的部件在120-200℃下真空退火10-60分钟，再在500-700℃氩气、氮气或真空保护气氛下退火30-180分钟，得到所需复合铁基软磁部件；其中润滑剂为活性碳酸钙和/或纳米三氧化二铝，金属助粘剂为钛酸酯。

所述雾化铁基粉末在进行润滑剂包覆之前为水雾化后的原始粉末或经过氢化处理或磷酸化处理后的雾化铁粉。

所述包覆步骤为机械搅拌混合包覆或超声振荡包覆，然后放置直至有机溶剂蒸发。

所述压制步骤是在50-60℃下压制，或常温下压制。

所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮中的一种，优选乙醇。

雾化铁基粉末粒径范围应满足：至少30％、优选至少60％的雾化铁基粉末由颗粒度超过200μm的颗粒组成，粒径大于400μm的颗粒最多占5％，粒径在10μm以下的粉末颗粒不多于10％。选择合适粒径的雾化铁基粉末，是获得高密度材料的前提之一。

本发明方法中的润滑剂为活性碳酸钙，粒度为10nm-2μm，优选纳米级(≤100nm)，纳米级的活性碳酸钙颗粒能够均匀分散于铁基粉颗粒表面，增加了铁基粉颗粒的流动性，同时提高了铁基粉颗粒表面的绝缘性。本发明所选润滑剂能同时作为成型部件的脱模剂。

本发明方法中，可以获得更高密度、高磁感的软磁材料。

添加剂(包括润滑剂和助粘剂)在复合材料中的总用量要适度。添加剂过少则压接材料致密低，导致复合材料磁感也不高；无磁性的添加剂过多，则会降低复合材料磁感。

本发明方法中的雾化铁基粉末在进行包覆之前，可直接采用雾化铁基粉原粉与润滑剂进行直接包覆，无需预处理，也可对雾化铁基粉原粉进行氢化工艺处理。

本发明方法中雾化铁基粉末表面的包覆工艺包括：机械搅拌混合包覆和超声振荡包覆，原则上也可以是流化床工艺包覆。机械搅拌混合包覆工艺的优点是可以快速，大批量的包覆。超声振荡包覆工艺能够保证铁基粉末表面均匀的包覆组合润滑剂。流化床工艺包覆可以大批量、均匀且快速地将组合润滑剂包于铁粉粉末表面。

本发明方法中的有机溶剂选用乙醇、异丙醇、丙酮或者丁酮。有机溶剂的作用是能够更好的帮助润滑剂和金属助粘剂在铁基粉颗粒表面的均匀包覆。

包覆有润滑剂和粘结剂的铁基粉颗粒在550-750MPa的压力下压制，可以在常温下，也可在50-60℃下压制，优选在常温下压制。

压制好的部件在120-200℃下真空退火10-60分钟，再在氩气、氮气或真空保护条件下，在550-600℃下退火30-180分钟，得到具有高密度、高磁感的复合铁基软磁部件。

总之，本发明提供了一种复合软磁材料以及制备方法，该复合软磁材料的原材料来源丰富、价格便宜，材料成本低，压结压力低，且密度较高。制备方法具有工艺简单、材料成本低，密度高、磁感应强度大等优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步阐述：

实施例1：

将雾化纯铁粉和雾化铁镍粉混合粉先进行氢化工艺处理，其中雾化铁镍粉质量占总雾化铁基粉末质量的3％，雾化铁基粉末的粒度在200-300μm之间的占50％，粒度大于400μm的颗粒占2％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占10％。将占雾化铁基粉末质量0.2％的纳米活性碳酸钙和0.05％的钛酸正四丁酯加入到铁基粉末中，加入有机溶剂丙酮充分混合，再在超声振荡器振荡10分钟，待有机溶剂蒸发。以750MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在120℃下真空退火10分钟，再在真空中600℃下热处理元件60分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.6g/cm³，磁感B₈₀₀₀为1.26T，最大磁导率μ_m为0.3mH/m。

实施例2：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-300μm之间的占50％，粒度大于400μm的颗粒占2.5％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占3％。组合润滑剂为纳米活性碳酸钙和纳米三氧化二铝，其中纳米活性碳酸钙质量占组合润滑剂总质量的96％。将占雾化铁基粉末质量0.1％的组合润滑剂和占雾化铁基粉末质量0.1％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂无水乙醇充分混合，搅拌混合15分钟，待有机溶剂蒸发。以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在200℃下真空退火30分钟，再在真空中600℃下热处理元件60分钟，得到复合软磁环状样品。其密度为7.55g/cm³，磁感B₈₀₀₀为1.186T，最大磁导率μ_m为0.3mH/m。

实施例3：

将雾化纯铁粉和雾化铁镍粉的混合粉用作原材料，其中雾化铁镍粉质量占雾化铁基粉末总质量的1％，雾化铁基粉末平均粒度在200-300μm之间的占30％，粒度大于400μm的颗粒占4％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占9％。润滑剂的加入实施如下：将占雾化铁基粉末质量2.0％的纳米活性碳酸钙和0.4％的钛酸四异丙酯加入到雾化铁基粉末中，加入有机溶剂丙酮中充分混合，再在超声振荡器振荡15分钟，待有机溶剂蒸发。以650MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在180℃下真空退火60分钟，再在真空中500℃下热处理元件40分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.1g/cm³，磁感B₈₀₀₀为1.12T，最大磁导率μ_m为0.2mH/m。

实施例4：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-300μm之间的占35％，粒度大于400μm的颗粒占3％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占6％。将占雾化铁基粉末质量0.5％的纳米活性碳酸钙和0.1％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂无水乙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡10分钟，待有机溶剂蒸发。以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在170℃下真空退火30分钟，再在真空中500℃下热处理元件90分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.39g/cm³，磁感B₈₀₀₀为1.236T，最大磁导率μ_m为0.3mH/m。

实施例5：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在250-400μm之间的占45％，粒度大于400μm的颗粒占2％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占5％。组合润滑剂为纳米活性碳酸钙和纳米三氧化二铝，其中纳米活性碳酸钙质量占组合润滑剂总质量的99％。将占雾化铁基粉末质量0.1％的组合润滑剂和占雾化铁基粉末质量0.1％的钛酸正四丁酯加入到雾化铁基粉末中，加入有机溶剂无水乙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡15分钟，待有机溶剂蒸发。以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品，挤压操作后，在120℃下真空退火45分钟，再在真空中500℃下热处理元件40分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.23g/cm³，磁感B₈₀₀₀为1.135T，最大磁导率μ_m为0.2mH/m。

实施例6：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-400μm之间的占40％，粒度大于400μm的颗粒占2％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占6％。组合润滑剂中纳米活性碳酸钙质量占润滑剂总质量的98％，其余为纳米三氧化二铝。占雾化铁基粉末质量0.1％组合润滑剂和0.01％的钛酸四异丙酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂异丙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡15分钟，待有机溶剂蒸发。以500MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在160℃下真空退火60分钟，再在氮气中500℃下热处理元件90分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.32g/cm³。

实施例7：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-300μm之间的占60％，粒度大于400μm的颗粒占5％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占5％。将占雾化铁基粉末质量0.1％的纳米活性碳酸钙和0.02％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂丁酮中充分混合，再在超声振荡器振荡20分钟，待有机溶剂蒸发。在50℃条件下，以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在150℃下真空退火40分钟，再在真空中600℃下热处理元件150分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.22g/cm³。

实施例8：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-400μm之间的占40％，粒度大于400μm的颗粒占5％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占7％。将占雾化铁基粉末质量0.5％的纳米活性碳酸钙和0.1％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂无水乙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡25分钟，待有机溶剂蒸发。在50℃条件下，以650MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在200℃下真空退火60分钟，再在氮气中500℃下热处理元件120分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.45g/cm³。

实施例9：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-400μm之间的占50％，粒度大于400μm的颗粒占2％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占8％。将占雾化铁基粉末质量1.0％的纳米活性碳酸钙和0.2％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂无水乙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡25分钟，待有机溶剂蒸发。在50℃条件下，以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在160℃下真空退火15分钟，再在真空中500℃下热处理元件180分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.41g/cm³。

实施例10：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-300μm之间的占45％，粒度大于400μm的颗粒占3％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占1％。将占雾化铁基粉末质量0.5％的纳米活性碳酸钙和2％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂无水乙醇充分混合，再在超声振荡器振荡15分钟，待有机溶剂蒸发。在50℃条件下，以650MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在150℃下真空退火15分钟，再在真空中500℃下热处理元件40分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.6g/cm³。

实施例11：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-300μm之间的占45％，粒度大于400μm的颗粒占3％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占8％。将占雾化铁基粉末质量2％的纳米活性碳酸钙和0.4％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂充分无水乙醇中混合，再在超声振荡器振荡25分钟，待有机溶剂蒸发。以700MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在150℃下真空退火50分钟，再在真空中550℃下热处理元件100分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.37g/cm³。

实施例12：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-400μm之间的占50％，粒度大于400μm的颗粒占2％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占9％。将占雾化铁基粉末质量1％的纳米活性碳酸钙和0.4％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂充分混合，再在超声振荡器振荡20分钟，待有机溶剂蒸发。在50℃条件下，以750MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在120℃下真空退火10分钟，再在氩气中550℃下热处理元件100分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.6g/cm³。

实施例13：

将雾化纯铁粉粉末用作原材料，铁粉平均粒度在200-300μm之间的占50％，粒度大于400μm的颗粒占3％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占9％。将占雾化铁基粉末质量1％的纳米活性碳酸钙和0.4％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂充分混合，再机械搅拌20分钟，待有机溶剂蒸发。在50℃条件下，以750MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在120℃下真空退火60分钟，再在氩气中550℃下热处理元件100分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.2g/cm³。

实施例14：

将雾化纯铁粉粉末磷酸化处理，铁粉平均粒度在200-400μm之间的占50％，粒度大于400μm的颗粒占1％，粒度在10μm以下的粉末颗粒占8％。将占雾化铁基粉末质量0.01％的纳米活性碳酸钙和2％的钛酸正四丁酯加入到铁粉末中，加入有机溶剂充分混合，再机械搅拌15分钟，待有机溶剂蒸发。在60℃条件下，以750MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，在200℃下真空退火10分钟，再在氩气中700℃下热处理元件30分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为6.9g/cm³。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims

1.一种复合软磁材料，其特征在于：它由雾化铁基粉末、润滑剂和金属助粘剂组成，金属助粘剂和润滑剂均匀包覆在雾化铁基粉末颗粒表面；其中，润滑剂为纳米活性碳酸钙和/或纳米三氧化二铝，金属助粘剂为钛酸酯；所述润滑剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.01-2％，金属助粘剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.01-2％。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述雾化铁基粉末是雾化纯铁粉、雾化铁镍粉或其混合粉，其中雾化纯铁粉和雾化铁镍粉的混合粉中，雾化铁镍粉的质量占雾化铁基粉质量的比例≤5％。

3.如权利要求1或2所述的材料，其特征在于：所述雾化铁基粉末的粒径范围满足：至少30％、优选至少60％的雾化铁基粉末由粒径大于200μm的颗粒组成，粒径大于400μm的颗粒≤5％，粒径在10μm以下的粉末颗粒≤10％。

4.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述润滑剂中活性碳酸钙的粒度为10nm-2μm，优选纳米级(≤100nm)。

5.如权利要求1所述的材料，其特征在于：润滑剂为纳米三氧化二铝和活性碳酸钙的混合润滑剂时，纳米三氧化二铝质量占润滑剂总质量的比例≤10％。

6.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述金属助粘剂是钛酸正四丁酯或钛酸四异丙酯。

7.一种制备如权利要求1所述的复合软磁材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

将雾化铁基粉末与润滑剂和金属助粘剂分散于有机溶剂中，使得雾化铁基粉颗粒表面均匀包覆一层该润滑剂和助粘剂；再将包覆好的雾化铁基粉颗粒在550-750MPa的压力下压制，压制好的部件在120-200℃下真空退火10-60分钟，再在500-700℃氩气、氮气或真空保护气氛下退火30-180分钟，得到所需复合铁基软磁部件；

其中润滑剂为活性碳酸钙和/或纳米三氧化二铝，金属助粘剂为钛酸酯。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述雾化铁基粉末在进行润滑剂包覆之前为水雾化后的原始粉末或经过氢化处理或磷酸化处理后的雾化铁粉。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述包覆步骤为机械搅拌混合包覆或超声振荡包覆，然后放置直至有机溶剂蒸发。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述压制步骤是在50-60℃下压制，或常温下压制。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮中的一种，优选乙醇。