CN102136331A

CN102136331A - 一种高效软磁复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102136331A
Application number: CN 201010621275
Authority: CN
Inventors: 赵占奎; 王明罡
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102136331B

Abstract

本发明公开了一种高效软磁复合材料及其制备方法，该材料是由高电阻率软磁铁氧体构成巢壁结构，巢壁结构的铁氧体包围并完全隔离巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相，使巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相相互绝缘，软磁性金属或合金颗粒的含量为50wt％～99wt％，余为软磁铁氧体；其制备方法是，将软磁性金属或合金颗粒与软磁铁氧体粉末按比例混合，使软磁铁氧体粉末完全均匀包覆于软磁性金属或合金颗粒表面，再经放电等离子烧结致密化复合烧结成形，最后进行去应力退火热处理；高效软磁复合材料兼具高饱和磁感应强度和高电阻率特点，磁导率高、矫顽力低、磁芯损耗低，并且综合机械性能优异。可应用于较高工作频率、高磁场、高应力场合；制备方法简单，工艺操作方便。

Description

一种高效软磁复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及软磁材料，特别涉及一种高效软磁复合材料及其制备方法。

技术背景

磁性材料是国防、国民经济中重要的基础材料。近年来，出现了采用电驱动装置和电子控制装置实现产品的驱动、自动控制和多功能化的趋势，关键的核心材料之一就是软磁材料，迫切需要开发高响应、高功率密度、低损耗的软磁材料，实现器件的小型化和高效节能。

软磁材料主要有以硅钢为代表的金属软磁材料；铁氧体亚铁磁性软磁材料；以及非晶、纳米晶软磁材料。金属软磁材料(含非晶纳米晶合金软磁材料)具有高的高饱和磁感应强度(B_s)，但其低的电阻率ρ，使其在稍高的频率下即产生大的涡流损耗，只能适用于低频；铁氧体软磁材料具有高的电阻率适用于高频，但其B_s却只有金属软磁材料的1/4～1/3。

软磁复合材料(Soft magnetic composite materials，SMCs)，是在铁磁性粉末颗粒表面包裹绝缘介质后，采用粉末冶金工艺压制成所需形状得到的体材料。早期的SMCs始于铁-树脂材料，虽然电阻率高，但压坯密度低，因树脂遇热软化，故其热处理温度低，高温机械强度低。

美国专利技术(6527823、6903641和6940388)在粉芯中加入了一些无机氧化物、碳化物以及氮化物作为介电材料。在铁粉颗粒表面先生成磷酸盐覆盖膜，可实现树脂和磷化膜的双层绝缘包覆，可提高压坯密度，增强绝缘包覆层的热稳定性。

中国发明专利200710186855.8(已授权)公开了一种有机/无机复合包覆铁粉的软磁复合材料及其制备方法。绝缘物的量为铁粉重量百分比的0.05～1.5％，包括二氧化硅溶胶和聚合物构成，聚合物占绝缘物的5～30％。解决了绝缘膜容易脆裂、包覆不均匀、制备工艺复杂、软磁复合材料压制后不能烧结处理的技术问题。SMCs在成分上的问题是树脂及无机介电材料导致B_s降低。在制备工艺上的问题：为提高压坯密度而采用较大的成型压力导致绝缘层破坏及内应力的增大；为消除内应力在较高温下退火导致有机物软化和铁粉的氧化。

作为SMCs的绝缘层，最理想的绝缘组分是能有效地阻断铁磁颗粒间的涡流通路并能较好地耦合铁磁颗粒间的磁场的材料。软磁铁氧体即有高的电阻率又有高的磁导率，是最好的选择之一。

中国发明专利200710063643.6公布了一种高效软磁材料及其制备方法，该材料由金属软磁材料和软磁铁氧体组成，均匀混合后的粉末冷压后在烧结或热压或放电等离子烧结，该材料及克服了金属软磁低电阻率和铁氧体低磁感应强度，又保持了金属软磁材料和软磁铁氧体的优异性能。但其铁氧体的加入量必须达到或超过渝渗浓度条件下才有绝缘效果。过多的加入导致磁感应强度降低。

Gheisari Kh.等(J.Magn.Magn.Mater.2008，320(8)：1544-1548)利用软磁性Ni-Zn铁氧体作为绝缘介质包覆Fe粉。结果显示，10-20％Ni-Zn铁氧体的加入有效降低了涡流损耗，但由于其加入的铁氧体是亚微米至微米颗粒，随着铁氧体加入量的提高，烧结质量的下降，高频下的磁导率异常下降。具有高致密度的均匀完整的铁氧体绝缘层的SMCs尚未见报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高致密度的具有均匀完整软磁铁氧体绝缘层的高效软磁复合材料。

本发明的另一目的是提供一种高效软磁复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明之高效软磁复合材料是三维蜂巢结构的软磁性复合材料，是由高电阻率软磁铁氧体构成巢壁结构，巢壁结构的铁氧体包围并完全隔离巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相，使巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相相互绝缘，提高涡流电阻，降低涡流损耗，软磁铁氧体相起到阻断涡流通路的同时耦合磁场的作用，其中，软磁性金属或合金颗粒的含量为50wt％～99wt％，余为软磁铁氧体。

本发明之高效软磁复合材料的制备方法为：选择1～200微米的软磁性金属或合金颗粒和2～300纳米的软磁铁氧体粉末，按比例混合，使软磁铁氧体粉末完全均匀包覆于软磁性金属或合金颗粒表面，再经放电等离子烧结致密化复合烧结成形，最后进行去应力退火热处理。

1)成分选择

材料成分的选择主要考虑材料的成本和软磁性能及机械性能搭配，所述的金属软磁粉末，由电工纯铁、硅钢、Fe-Ni-Me系(Me是Cu、Cr、Nb、V、W、Si、Pb、Zn、Al、Ti、Mn中的一种或两种以上)、Fe-Co系、Fe-Co-V系、Fe-Al系、Fe-Al-Me系(Me是Co、Cr、Mo中的一种或两种以上)合金等多晶态铁磁性材料中的至少一种组成。所述的软磁铁氧体由Mn-Zn系、Ni-Zn系、Li-Zn系、Cu-Zn系、Ni-Co系和Mg-Zn系软磁铁氧体中的至少一种构成。所述软磁性金属或合金的粒度为1～200μm，软磁铁氧体粉末的粒度为2～300纳米。

2)复合包覆粉末制备

将所述的软磁性金属或合金颗粒和软磁铁氧体粉末按(1-99)∶1(质量比)混合，球磨或手工研磨至软磁铁氧体粉末完全均匀包覆于软磁性金属或合金颗粒表面，放入模具冷压定型。

3)放电等离子烧结致密化

采用放电等离子烧结系统，以软磁性金属或合金颗粒的烧结条件为依据，按相应的压力，温度，烧结电流等烧结条件，进行复合包覆粉末冷压坯的致密化烧结成形。

4)去应力退火热处理

烧结致密化成型后的软磁复合材料进行适宜温度的退火热处理，以消除软磁复合材料在放电等离子烧结成型过程中形成的内部应力，提高材料的软磁性能。

本发明的有益效果：

本发明技术所制备的高效软磁复合材料是一种三维蜂巢结构的软磁性复合材料。其特征在于高电阻率铁氧体构成巢壁结构，包围并完全隔离巢内金属或合金软磁相，使其相互绝缘，提高涡流电阻，降低涡流损耗，软磁铁氧体相起到阻断涡流通路的同时耦合磁场的作用。因此所述高效软磁复合材料兼具铁磁材料与铁氧体材料两种软磁性材料的优点，克服其缺点。具有以下优异的软磁特性：高饱和磁感应强度、高电阻率、高磁导率、低矫顽力、低剩磁、低涡流损耗、强抗偏磁能力、各向同性，同时具有优异的综合机械性能及耐磨损、抗高温、抗氧化、耐腐蚀等性能特点。可应用于较高工作频率、高磁场、高应力场合。可成为功率软磁材料的换代产品，广泛适用于高性能开关电源、变频、电动机、发电机、变压器等的软磁零(器)件的大功率化和小型化，具有重要的应用价值。

所述高效软磁复合材料的制备方法，成分适应范围宽，材料致密度高，微结构参数可控、制备工艺简单，高温退火消除应力彻底，烧结参数控制精确，可进行程序化自动生产。在材料制备的同时完成器件成型，适宜复杂形状器件的一次制备成型加工。

附图说明

图1是本发明之高效软磁复合材料制备工艺流程示意图。

图2是本发明之高效软磁复合材料截面的金相照片。

图3是本发明之高效软磁复合材料的磁滞回线。

图4是本发明之高效软磁复合材料的压缩曲线。

具体实施方式

如图2所示，本发明之高效软磁复合材料是三维蜂巢结构的软磁性复合材料，是由高电阻率软磁铁氧体构成巢壁结构，巢壁结构的铁氧体包围并完全隔离巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相，使巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相相互绝缘，提高涡流电阻，降低涡流损耗，软磁铁氧体相起到阻断涡流通路的同时耦合磁场的作用，其中，软磁性金属或合金颗粒的含量为50wt％～99wt％，余为软磁铁氧体。

如图1所示，本发明之制备方法是：

1)成分选择

材料成分的选择主要考虑材料的成本和软磁性能及机械性能搭配，在电工纯铁、硅钢、Fe-Ni-Me系(Me是Cu、Cr、Nb、V、W、Si、Pb、Zn、Al、Ti、Mn中的一种或两种以上)、Fe-Co系、Fe-Co-V系、Fe-Al系、Fe-Al-Me系(Me是Co、Cr、Mo中的一种或两种以上)合金等多晶态铁磁性材料中选择一种软磁性金属或合金的粒度为1～200μm，优选为价格低廉同时具有高饱和磁感应强度的成分为电工纯铁及硅钢的气雾化铁磁性粉末颗粒，粒度20-45μm。软磁铁氧体由Mn-Zn系、Ni-Zn系、Ni-Co系、Li-Zn系、Cu-Zn系、Ni-Co系和Mg-Zn系软磁铁氧体中的至少一种组成，软磁铁氧体粉末的粒度为2～300纳米。具体选Ni-Zn系、Ni-Co系30nm的软磁铁氧体作为包覆纳米粉末。

2)复合包覆粉末制备

分别将上述的软磁性金属或合金颗粒和软磁铁氧体粉末按19∶1(质量比)混合，手工研磨30min至软磁铁氧体粉末完全均匀包覆于软磁性金属或合金颗粒表面，放入模具冷压定型。

3)放电等离子烧结致密化

采用放电等离子烧结系统，以软磁性金属或合金颗粒的烧结条件为依据，在600MPa烧结压力下，980℃烧结3min，升温速率采用100℃/min。进行复合包覆粉末冷压坯的致密化烧结成形。

4)去应力退火热处理

烧结致密化成型后的软磁复合材料进行550℃的退火热处理，以消除软磁复合材料在放电等离子烧结成型过程中形成的内部应力，提高材料的软磁性能。

5)制备材料的截面扫描电子显微镜观察

金相观察烧结后的复合样品的组织结构特征。

6)制备材料的软磁性能测试

用nM-13型震动样品磁强计(VSM)测定样品的磁性能，场强800kA/m。

7)制备材料的力学性能测试

用CMT5205型微机控制电子万能试验机测量试样的应力—应变曲线，应变速率为5×10^-4s^-1。

实施例

制备过程如图1所示，首先气雾化Fe基合金，将制备的粉末过筛。以取粒度在63μm以下混合粒度气雾化粉末和市售纳米软磁性Zn_0.5Ni_0.5Fe₂O₄铁氧体粉末为原料。将Fe基合金粉末与Zn_0.5Ni_0.5Fe₂O₄纳米粉按19∶1(重量比)混合，研磨使Zn_0.5Ni_0.5Fe₂O₄纳米粉全部均匀包覆于Fe基合金粉末表面，冷压制胚后进行SPS烧结。SPS试验在Sumitomo公司的SPS-1050型放电等离子烧结机上进行，使用硬质合金模具，阴模内径直径15mm。阴模与阳模之间以及阳模与样品之间放有石墨纸，预紧后使电偶测温孔与样品中心位于同一高度，保证测温真实可靠。6MPa氩气气氛，升温速率为100℃/min，升温到980℃，保温3min。阳模的纵向单轴压力为600MPa，保持于整个烧结过程。烧结后形成的软磁复合材料的金相照片如图2所示，复合材料样品的组织结构由厚度为1μm左右的Zn_0.5Ni_0.5Fe₂O₄蜂巢巢壁和巢内的Fe基合金构成，软磁Fe基合金被铁氧体相所分隔。样品具有优异的软磁性能，如图3所示，样品具有1567.6MPa的高抗压强度，如图4所示。

Claims

1.一种高效软磁复合材料，其特征在于：其是三维蜂巢结构的软磁性复合材料，是由高电阻率软磁铁氧体构成巢壁结构，巢壁结构的铁氧体包围并完全隔离巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相，使巢内软磁性金属或合金颗粒软磁相相互绝缘。

2.根据权利要求1所述的一种高效软磁复合材料，其特征在于：所述高效软磁复合材料中的软磁性金属或合金颗粒的含量为50wt％～99wt％，余为软磁铁氧体。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效软磁复合材料，其特征在于：所述的软磁性金属或合金颗粒，由电工纯铁、硅钢、Fe-Ni-Me系、Fe-Co系、Fe-Co-V系、Fe-Al系和Fe-Al-Me系合金铁磁性材料中的至少一种构成。

4.根据权利要求3所述的一种高效软磁复合材料，其特征在于：所述的Fe-Ni-Me系中的Me是由Cu、Cr、Nb、V、W、Si、Pb、Zn、Al、Ti和Mn中的一种或两种以上构成。

5.根据权利要求3所述的一种高效软磁复合材料，其特征在于：所述的Fe-Al-Me系中的Me是由Co、Cr和Mo中的一种或两种以上构成。

6.根据权利要求1或2所述的一种高效软磁复合材料，其特征在于：所述的软磁铁氧体是由Mn-Zn系、Ni-Zn系、Li-Zn系、Cu-Zn系、Ni-Co系和Mg-Zn系软磁铁氧体中的至少一种组成。

7.根据权利要求1或2所述的一种高效软磁性复合材料，其特征在于：所述的软磁性金属或合金颗粒，其颗粒尺寸为1～200μm。

8.根据权利要求1或2所述的一种高效软磁性复合材料，其特征在于：所述的软磁铁氧体粉末，其颗粒尺寸为2～300nm。

9.一种高效软磁性复合材料的制备方法，该方法是：将软磁性金属或合金颗粒与软磁铁氧体粉末按比例混合，使软磁铁氧体粉末完全均匀包覆于软磁性金属或合金颗粒表面，再经放电等离子烧结致密化复合烧结成形，最后进行去应力退火热处理。