CN102360662A - 一种铁基复合软磁材料及其制备方法 - Google Patents

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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
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Abstract

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复杂形状的软磁磁性部件的铁基复合软磁材料及其制备方法。本发明提供了一种以磷酸铁为绝缘剂，以硼酸酯为润滑粘结剂的复合软磁材料，它由雾化铁基粉末、纳米磷酸铁和润滑粘结剂组成，该雾化铁基粉末颗粒表面均匀包覆一层该纳米磷酸铁和润滑粘结剂；其中所述润滑粘结剂为硼酸酯，质量为雾化铁基粉末质量的0.01-1.5％，纳米磷酸铁质量为雾化铁基粉末质量的0.01-1.5％。本发明制备工艺简单、材料成本低，密度高、磁感应强度大。

Description

一种铁基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复杂形状的软磁磁性部件的铁基复合软磁材料及其制备方法。
背景技术
与传统硅钢叠层技术相比，软磁粉末冶金技术在生产复杂形状部件时表现出独有的优势。复杂形状的部件经烧结过程后可以直接出产，而不需要高成本的成形加工，如车削、洗削、镗削或磨削等。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。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。但是，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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型高密度、高磁感的铁基复合软磁材料及其制备方法，用磷酸铁作为绝缘剂、硼酸酯作为润滑粘结剂，可实现材料的高密度和压制部件的易于脱模。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种铁基复合软磁材料，由雾化铁基粉末、纳米磷酸铁和润滑粘结剂组成，该雾化铁基粉末颗粒表面均匀包覆一层该纳米磷酸铁颗粒和润滑粘结剂；其中所述润滑粘结剂为硼酸酯润滑，质量为雾化铁基粉末质量的0.01-1.5％；纳米磷酸铁质量为雾化铁基粉末质量的0.01-1.5％。
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混合粉中雾化铁镍粉的质量占雾化铁基粉质量的比例≤9％。
所述雾化铁基粉末的粒径范围满足：至少30％、优选至少50％的雾化铁基粉末由粒径超过20μm的颗粒组成，粒径大于40μm的颗粒≤5％，粒径在1μm以下的粉末颗粒≤10％。所述纳米磷酸铁颗粒粒径≤100nm，优选10-50nm。
所述润滑粘结剂为下列化合物中的一种：硼酸三丁酯、硼酸三正丙酯、硼酸三乙酯、硼酸三甲酯、聚乙二醇硼酸酯、三乙醇胺硼酸酯、三异丙醇胺环硼酸酯、硼酸三异丙酯、油酸二乙醇酰胺硼酸酯、聚乙二醇单甲醚硼酸酯、联硼酸频那醇酯、硼酸三异丁酯、异丙醇频哪醇硼酸酯、4-硝基苯硼酸频哪醇酯、聚氧乙烯丙三醇硼酸酯脂肪酸酯、聚氧乙烯丙三醇硼酸酯油酸酯、双甘油硼酸酯油酸(硬脂酸、月桂酸)酯，优选硼酸三丁酯、硼酸三正丙酯、硼酸三乙酯。
一种制备铁基复合软磁材料的方法，包括如下步骤：
将雾化铁基粉末与纳米磷酸铁和润滑粘结剂充分溶解或分散于有机溶剂中，使得雾化铁基粉颗粒表面均匀包覆一层该纳米磷酸铁和润滑粘结剂；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500-600℃下真空退火30-180分钟，得到所需铁基复合软磁部件。
所述包覆步骤为机械搅拌混合包覆、超声振荡包覆，然后放置直至有机溶剂蒸发。
所述雾化铁基粉末在进行磷酸铁和润滑粘结剂包覆之前可以是雾化后的原始粉末，也可以是经过氢化处理或磷酸化处理后的雾化粉末。
所述压制步骤是在50-60℃下压制，或是常温下压制。
所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮中的一种，优选乙醇。
雾化铁基粉末粒度范围满足：至少30％、优选至少50％的铁基粉末由粒径超过20μm的颗粒组成，粒径大于40μm的颗粒最多占5％，粒径在1μm以下的粉末颗粒少于10％。选择合适粒度的铁基粉，是能够获得高密度材料的前提。
本发明方法中的润滑粘结剂选自：
硼酸三丁酯、硼酸三正丙酯、硼酸三乙酯、硼酸三甲酯、聚乙二醇硼酸酯、三乙醇胺硼酸酯、三异丙醇胺环硼酸酯、硼酸三异丙酯、油酸二乙醇酰胺硼酸酯、聚乙二醇单甲醚硼酸酯、联硼酸频那醇酯、硼酸三异丁酯、异丙醇频哪醇硼酸酯、4-硝基苯硼酸频哪醇酯、聚氧乙烯丙三醇硼酸酯、聚氧乙烯丙三醇硼酸酯油酸酯、双甘油硼酸酯油酸(硬脂酸、月桂酸)酯、优选硼酸三丁酯、硼酸三正丙酯、硼酸三乙酯。上述润滑粘结剂均匀分散于雾化铁基粉颗粒表面，增加铁基粉颗粒的流动性。本发明所选润滑粘结剂能同时作为成型部件的脱模剂。
本发明方法中雾化铁基粉表面的包覆工艺包括：机械搅拌混合包覆，超声振荡包覆，原则上还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粉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，优选乙醇。有机溶剂的作用是能够更好的帮助组合润滑剂的均匀包覆。
总之，本发明提供了一种新型的铁基复合软磁材料及其制备方法。其原材料来源丰富、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：
将雾化纯铁粉和铁镍粉混合粉用作原材料，其中雾化铁镍粉的质量占雾化铁基粉总质量的5％，雾化铁基粉具有8-20μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量0.2％的硼酸三丁酯和将占雾化铁基粉质量0.3％的磷酸铁颗粒(粒径10-20nm)加入到铁基粉末中，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，压制好的部件在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7.47g/cm3，磁感B8000为1.20T，最大磁导率μm为0.3mH/m。
实施例2：
将雾化纯铁粉和铁镍粉混合粉用作原材料，其中铁镍粉质量占雾化铁基粉总质量的9％，雾化铁基粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于5％。将占雾化铁基粉质量0.5％的硼酸三异丁酯和占雾化铁基粉质量0.1％的10-20nm磷酸铁加入到铁基粉末中，加入有机溶剂乙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡15分钟，待有机溶剂蒸发。以700MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在150℃下真空退火30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7.58g/cm3，磁感B8000为1.092T，最大磁导率μm为0.2mH/m。
实施例3：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-20μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于9％。将占雾化铁基粉质量0.3％的聚乙二醇单甲醚硼酸酯和占雾化铁基粉质量0.05％的10-20nm磷酸铁加入到铁粉粉末中，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。以650MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在180℃下真空退火40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7.52g/cm3，磁感B8000为1.22T，最大磁导率μm为0.1mH/m。
实施例4：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量1.0％的10-20nm磷酸铁和占雾化铁基粉质量1.3％的硼酸三丁酯加入到铁粉粉末中，加入有机溶剂异丙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡20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，压制好的部件在200℃下真空退火30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7.02g/cm3，磁感B8000为0.879T，最大磁导率μm为0.1mH/m。
实施例5：
将雾化纯铁粉和铁镍粉混合粉用作原材料，其中铁镍粉质量占雾化铁基粉总质量的4％，铁基粉具有30-50μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。润滑剂的加入实施如下：将占雾化铁基粉质量0.1％的硼酸三正丙酯和占雾化铁基粉质量0.2％的20-100nm磷酸铁加入到铁基粉末中，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，压制好的部件在120℃下真空退火30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7.07g/cm3，磁感B8000为1.02T，最大磁导率μm为0.1mH/m。
实施例6：
将雾化纯铁粉和铁镍粉混合粉用作原材料，其中铁镍粉质量占雾化铁基粉总质量2％，铁基粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于5％。将占雾化铁基粉质量0.6％的异丙醇频哪醇硼酸酯和占雾化铁基粉质量0.2％的纳米磷酸铁加入到铁基粉末中，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。在60℃下，以550MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃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7.23g/cm3。
实施例7：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于5％。将占雾化铁基粉质量0.1％的硼酸三丁酯和占雾化铁基粉质量0.4％的10-50nm磷酸铁加入到铁粉粉末中，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。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，压制好的部件在200℃下真空退火60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7.32g/cm3。
实施例8：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-50μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量0.6％的硼酸三丁酯和占雾化铁基粉质量0.5％的10-40nm磷酸铁加入到铁粉粉末中，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。在60℃条件下，以650MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃下真空退火40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。
实施例9：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有20-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于5％。将占雾化铁基粉质量0.2％的硼酸三丁酯和占雾化铁基粉质量1.0％的纳米磷酸铁加入到铁粉粉末中，加入有机溶剂无水乙醇中充分混合，再在超声振荡器振荡20分钟，待有机溶剂蒸发。在60℃下，以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在150℃下真空退火45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10：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-50μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量1％的硼酸三丁酯和占雾化铁基粉质量1％的纳米磷酸铁加入到铁粉粉末中，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。以750MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃下真空退火30分钟，再在真空中500℃下热处理元件120分钟，得到复合软磁环状样品，其密度为7.2g/cm3。
实施例11：将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有20-40μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于5％。将占雾化铁基粉质量1％的纳米磷酸铁和占雾化铁基粉质量1.5％的硼酸三丁酯加入到铁粉粉末中，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60℃条件下，以600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在150℃下真空退火30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12：、将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量1.5％的纳米磷酸铁和占雾化铁基粉质量0.01％的聚氧乙烯丙三醇硼酸酯加入到铁粉粉末中，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。以500MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃下真空退火30分钟，再在真空中550℃下热处理元件30分钟，得到复合软磁环状样品，其密度仅为6g/cm3。
实施例13：
将雾化纯铁粉粉末用作原材料，这种铁粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量0.01％的10-20nm磷酸铁和占雾化铁基粉质量0.01％的聚氧乙烯丙三醇硼酸酯加入到铁粉粉末中，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。以500MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃下真空退火30分钟，再在真空中550℃下热处理元件30分钟，得到复合软磁环状样品，其密度仅为6.6g/cm3。
实施例14：
将雾化纯铁粉粉末先进行氢化处理，这种铁粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量0.01％的纳米磷酸铁和占雾化铁基粉质量0.01％的聚氧乙烯丙三醇硼酸酯加入到铁粉粉末中，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60℃条件下，以500MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃下真空退火60分钟，再在真空中550℃下热处理元件30分钟，得到复合软磁环状样品，其密度仅为7.2g/cm3。
实施例15：
将水雾化纯铁粉粉末进行磷酸化处理，这种铁粉具有10-30μm之间的平均粒度，粒度在1μm以下的粉末颗粒少于10％。将占雾化铁基粉质量1.5％的10-20nm磷酸铁和占雾化铁基粉质量0.4％的聚氧乙烯丙三醇硼酸酯加入到铁粉粉末中，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600MPa的压力单轴向挤压成环状样品。挤压操作后，压制好的部件在200℃下真空退火10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6.92g/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 (10)

1.一种铁基复合软磁材料，其特征在于：它由雾化铁基粉末、纳米磷酸铁和润滑粘结剂组成，该雾化铁基粉末颗粒表面均匀包覆一层该纳米磷酸铁颗粒和润滑粘结剂；其中所述润滑粘结剂为硼酸酯润滑，质量为雾化铁基粉末质量的0.01-1.5％；纳米磷酸铁质量为雾化铁基粉末质量的0.01-1.5％。
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混合粉中雾化铁镍粉的质量占雾化铁基粉质量的比例≤9％。
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50％的雾化铁基粉末由粒径超过20μm的颗粒组成，粒径大于40μm的颗粒≤5％，粒径在1μm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：所述纳米磷酸铁颗粒粒径≤100nm，优选10-50nm。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于：所述润滑粘结剂为下列化合物中的一种：硼酸三丁酯、硼酸三正丙酯、硼酸三乙酯、硼酸三甲酯、聚乙二醇硼酸酯、三乙醇胺硼酸酯、三异丙醇胺环硼酸酯、硼酸三异丙酯、油酸二乙醇酰胺硼酸酯、聚乙二醇单甲醚硼酸酯、联硼酸频那醇酯、硼酸三异丁酯、异丙醇频哪醇硼酸酯、4-硝基苯硼酸频哪醇酯、聚氧乙烯丙三醇硼酸酯脂肪酸酯、聚氧乙烯丙三醇硼酸酯油酸酯、双甘油硼酸酯油酸(硬脂酸、月桂酸)酯，优选硼酸三丁酯、硼酸三正丙酯、硼酸三乙酯。
6.一种制备如权利要求1所述的铁基复合软磁材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
将雾化铁基粉末与纳米磷酸铁和润滑粘结剂充分溶解或分散于有机溶剂中，使得雾化铁基粉颗粒表面均匀包覆一层该纳米磷酸铁和润滑粘结剂；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500-600℃下真空退火30-180分钟，得到所需铁基复合软磁部件。
7.如权利要求6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、超声振荡包覆，然后放置直至有机溶剂蒸发。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述雾化铁基粉末在进行磷酸铁和润滑粘结剂包覆之前可以是雾化后的原始粉末，也可以是经过氢化处理或磷酸化处理后的雾化粉末。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述压制步骤是在50-60℃下压制，或是常温下压制。
10.如权利要求6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。
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