CN103559974A - 一种非晶纳米晶复合磁粉芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种非晶纳米晶复合磁粉芯及其制备方法；本发明提供的非晶纳米晶复合磁粉芯，主要由铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末、有机粘结剂和绝缘剂组成，绝缘剂采用无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物，有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~2wt%和0.5~4wt%；其制备方法包括非晶带材脆化处理、机械法破碎成粉末、筛分、钝化处理和绝缘包覆、模压成形、热处理；本发明所制备的复合磁粉芯在中高频下具有优良的软磁性能、热稳定性和机械强度，可被大量用于各种开关电源模块上的滤波、稳流（扼流）、储能等各种电感元件。

Description

一种非晶纳米晶复合磁粉芯及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种非晶纳米晶复合磁粉芯及其制备方法。 

背景技术

非晶、纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能，其薄带卷绕铁芯制品获得了广泛应用。但由于高频下涡流损耗大，非晶、纳米晶软磁合金薄带卷绕铁芯很难在高频下使用。因此，采用粉末冶金工艺，研发高频下的非晶、纳米晶磁粉芯已是必然趋势。磁粉芯是一种新型的复合电子材料，它是由非晶带材粉末与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。其制备工艺流程如附图1所示，其步骤依次为非晶带材脆化处理、机械法破碎成粉末、筛分、钝化处理和绝缘包覆、模压成形、热处理制成磁粉芯，最后进行性能测试。 

由于粉末颗粒很小（一般在38μm~180μm），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面，由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁率。由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，故磁导率随频率的变化也就较为稳定，粉芯可以制备成各种形状的异形件。由于粉末被绝缘材料包围，形成分散气隙，大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗，使磁粉芯具有抗饱和特性与宽频响应特性，主要用于开关电源磁芯、共模电感，高频逆变器和零序互感器等。 

随着电子产品向小型化与高频化方向的发展，要求磁器件在较宽的频率下，具有恒定的磁导率，在高频下，磁粉芯具有低的损耗，即要求磁粉芯在中高频下具有优良的动态性能和低的损耗。但是纳米晶磁粉芯虽然具有良好的频率特性，但是由于粉末通常采用带材球磨的方法获得，粉末存在异性化问题，绝缘也比较困难，损耗较高；铁基非晶磁粉芯，磁导率较低，基本在100以下，而损耗是所有磁粉芯中最低的。 

为克服上述缺陷，申请号为2005101325001、授权公告号为CN100490029C的中国专利《磁粉芯用非晶纳米晶复合粉末及其磁粉芯制备方法》公开了一种非晶纳米晶磁粉芯，包括0.2-7wt%的绝缘剂，0.01-5wt%粘结剂，0.01-2wt%润滑剂，50-95wt%铁基纳米晶粉末或铁基非晶粉末，5-50wt%铁硅粉、铁硅铝粉、铁基纳米晶粉、铁基非晶粉、铁镍粉和铁镍钼粉中的至少一种；粘结剂选自以下物质：有机粘结剂、如环氧树脂，或无机粘结剂、如磷酸盐；绝缘剂选自以下物质：1、氧化物粉末，如SiO₂、CaO、Al₂O₃、TiO₂等，2、硅酸盐类、磷酸盐类等，3、其他矿物粉，如云母粉、高岭土等，4、化学方法生成的表面薄膜或发生的表面氧化物。 

但是上述软磁材料当选用酚醛树脂或环氧树脂等有机物作为粘结剂时，仍具有以下缺陷：1、由于掺入了大量的绝缘树脂，单位体积内磁性颗粒含量降低，直流磁通密度低。2、经有机物粘结、压实后，粉末间的密度相对较低，造成材料的饱和磁感应强度和磁导率都不高。3、由于有机物的使用温度低，耐热性和温度稳定性较差，压制后的块体材料，在经过热处理后机械强度显著降低。 

作为与本发明申请有关的现有技术文献包括： 

中国发明专利CN101118797B

中国发明专利CN1967736A

中国发明专利CN101787499B。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种含有机粘结剂的非晶纳米晶复合磁粉芯，使其具有优良的磁性能和机械强度，本发明还提供了该复合磁粉芯的制备方法。 

本发明的技术方案为：一种非晶纳米晶复合磁粉芯，主要由铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末、有机粘结剂和绝缘剂组成，绝缘剂采用无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物。 

优化的，所述无机氧化物选自SiO_2、Al₂O_3、TiO_2、ZrO₂的一种或多种；所述碳化物选自AlC、TiC中的一种或两种；所述氮化物选自AlN、TiN中的一种或两种。 

优化的，有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~2wt%和0.5~4wt%。 

优化的，有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~1wt%和1~2.3wt%。 

优化的，所述铁基非晶粉末的组成为Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂，其中：70≤a≤85，0.2≤b≤0.9；所述铁基纳米晶粉末的组成为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉。 

优化的，两种粉末中铁基非晶粉末的重量含量为15-60wt%，铁基纳米晶粉末为40-85wt%。 

优化的，两种粉末中铁基非晶粉末的重量含量为15-40wt%，铁基纳米晶粉末为60-85wt%。 

优化的，所述铁基非晶粉末的粒度为-200~+270筛目；所述铁基纳米晶粉末的粒度为-270~+325筛目。 

本发明提供的非晶纳米晶复合磁粉芯的制备方法，包括非晶带材脆化处理、机械法破碎成粉末、筛分、钝化处理和绝缘包覆、模压成形、热处理，其采用上述任何一种技术方案的复合磁粉芯的组分、粒度及其含量，操作筛分、钝化处理和绝缘包覆步骤。 

优化的，热处理在氩气保护下进行，且温度在350~490℃之间；所述模压成型采用的压力为10~20t/cm²。 

本发明提供的非晶纳米晶复合磁粉芯采用酚醛树脂、环氧树脂等有机粘结剂，并通过加入无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物为绝缘剂，弥补了绝缘树脂带来的材料热处理温度低、高温热处理后机械强度低等不足。并且通过采用合理的有机粘结剂、绝缘剂的添加量，能够实现对树脂添加量的控制，并同时保证绝缘效果，改善了磁粉芯的磁性能和机械性能。 

本发明提供的非晶纳米晶复合磁粉芯，除包括铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末、有机粘结剂和绝缘剂外，还包括适量的钝化剂和润滑剂，其中钝化剂采用磷酸液，润滑剂优选硬脂酸盐或滑石粉。 

本发明的绝缘剂有多种选择和组合，能够满足对成本、热处理温度、机械强度、磁性能等方面的不同需求。 

本发明的铁基纳米晶粉末选用的是Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉，材料较为常见，容易获得。铁基非晶粉末选用的是Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂，其中70≤a≤85，0.2≤b≤0.9，此时磁粉芯的综合性能较好，其成分按原子个数百分比计算，Fe占70%-85%、C占2%、Si和B为余量，其中Si占上述余量的20%-90%。 

本发明通过混合非晶与纳米晶粉末，形成合理的的“非晶+纳米晶”组织，制备出电感频率特性较好的复合磁粉芯，具有较稳定的磁导率和较低的损耗。 

本发明还通过粉末的粒度配比使材料得到最佳物理特性和组成均匀性。 

成型压力对磁粉芯的性能有着至关重要的影响。成型压力增加，磁粉芯的密度增加，其磁感应强度也增大，使电导率值增加。本发明的压制压力控制在10~20t/cm²即1-2GPa。 

热处理工艺是影响磁芯性能最敏感的因素。热处理对磁粉芯的主要作用是一方面可以提高磁粉芯的强度，另一方面则可以消除成形时磁粉的内应力以提高磁导率。一般地说，热处理温度、时间、气氛和冷速等，对磁粉芯性能都有影响，特别是热处理温度的影响最为显著。温度过高，内应力消除和晶粒长大，磁导率增加，但是由于绝缘介质的分解及破坏，会使涡流损耗增加。本发明的优选方案为将成型后的粉芯在氩气保护气氛下，热处理温度控制在350~490℃之间。 

综上所述，本发明所制备的复合磁粉芯在中高频下具有优良的软磁性能、热稳定性和机械强度，可被大量用于各种开关电源模块上的滤波、稳流（扼流）、储能等各种电感元件。 

附图说明

图1为现有技术中磁粉芯的制备方法流程框图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施方式具体说明本发明。 

实施例1 

本实施例提供的非晶纳米晶复合磁粉芯，主要由铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末、有机粘结剂和绝缘剂组成，有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~2wt%和0.5~4wt%；且绝缘剂为无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物。所述无机氧化物选自SiO_2、Al₂O_3、TiO_2、ZrO₂的一种或多种；所述碳化物选自AlC、TiC中的一种或两种；所述氮化物选自AlN、TiN中的一种或两种。所述绝缘剂均采用纳米粉体。

所述铁基非晶粉末采用通过-200~+270筛目的非晶Fe₈₀Si_12.6B_5.4C₂粉末，所述铁基纳米晶粉末采用通过-270~+325筛目的纳米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉粉末，有机粘结剂采用酚醛树脂。 

具体的，铁基非晶Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂粉末中a为80，b为0.7。 

两种粉末中铁基非晶粉末的重量含量为35wt%，铁基纳米晶粉末为65wt%。 

本实施例改变绝缘剂的种类、比例及有机粘结剂和绝缘剂的添加量，得到有机粘结剂含量为0.5~2wt%和绝缘剂含量为0.5~4wt%的12个例子，编号为（1）-（12），具体各个例子中绝缘剂的种类、绝缘剂的比例、有机粘结剂和绝缘剂的含量如表1所述。 

上述12个例子中非晶纳米晶复合磁粉芯的制备方法，其步骤依次为： 

非晶带材脆化处理：分别将上述成分的铁基非晶带材和铁基纳米晶带材进行脆化处理；

机械法破碎成粉末：分别将脆化后的带材通过粉碎机加工成粉末；

筛分：将粉末经过筛分得到通过-200~+270筛目的非晶粉末和通过-270~+325筛目的纳米晶粉末；

钝化处理和绝缘包覆：将铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末在磷酸液中经过钝化处理后，与有机粘结剂、绝缘剂和润滑剂混合并干燥成干粉；其中润滑剂为滑石粉，其添加量为铁基非晶粉末和铁基纳米晶粉末总重量的2wt%。

模压成形：将绝缘包覆好的粉末倒入刚性模具中进行单轴向压制，压制压力控制在15t/cm²。 

热处理：将成型材料在氩气保护气氛下进行热处理制成规格为APB46P60的复合磁粉芯，热处理温度采用430℃，时间为60min。 

性能测试：检测磁磁芯的密度、抗压强度和损耗，并将结果记录在表1中。其中抗压强度根据《GB/T10424-2002 烧结金属摩擦材料 抗压强度的测定》方法测定。 

对比例1 

本对比例提供的磁粉芯及其制备方法与实施例1的区别仅在于绝缘剂的种类、比例及有机粘结剂和绝缘剂的添加量，本对比例中绝缘剂采用SiO₂或Al₂O₃或TiO_2，具体提供了3个例子，编号为i-iii，具体各个例子中绝缘剂的种类、比例及有机粘结剂和绝缘剂的添加量如表1所述。

表1 

  

注1：本发明、本实施例和本表中所述粘结剂和绝缘剂的含量为，粘结剂或绝缘剂的重量分别占铁基非晶粉末和铁基纳米晶粉末两种粉末总重量的比例。

注2：本表所述绝缘剂重量比例为与其左列中绝缘剂种类相对应的重量比例，如序号为（1）的例子中所采用的绝缘剂为ZrO₂、AlC和TiN三种物质的混合物，其中三种物质的重量比例为ZrO₂：AlC：TiN=5：4：1。 

由表1可知，本发明实施例中的例子（1）、（6）、（12）与对比例1中的i-iii号例子对比可知，本发明实施例的绝缘剂采用无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物，磁粉芯的密度、抗压强度和损耗均优于对比例，说明其饱和磁感应强度、直流磁通密度和热稳定性优于对比例，说明本发明提供的磁粉芯具有优良的力学性能和磁性能。 

钝化处理和绝缘包覆步骤的主要作用是通过高能球磨在粉末颗粒表面均匀包覆一薄层绝缘膜，该步骤中所采用的试剂组成对磁粉芯力学性能有较大的影响，对比例1中有机粘结剂选用耐热型树脂，其在高温下逐渐分解碳化，并恶化磁粉芯的力学性能和磁性能。但本发明选用耐热性树脂为粘结剂并同时采用无机纳米氧化物、碳化物和氮化物的混合物为绝缘剂，改善了耐热性树脂的性能，大大提高了其耐热温度，减少了其在热处理中的分解，使磁粉芯在经过热处理后，仍能保持优良的力学性能和磁性能。 

粘结剂太少时粘结剂不能完全填充在粉末之间的空隙中，磁粉中空隙较多，力学性能较差，而当粘结剂的含量过多时，空隙内的粘结剂基本饱和，难以容纳更多的粘结剂，因此磁体体积开始增加，密度降低，力学性能下降。当绝缘剂过多时，使磁粉芯的损耗增大，磁性能降低。 

由表1的数据可知，本发明实施例中的粘结剂总量在0.5%~2%范围内，绝缘剂在1%～4%范围内，制备磁粉芯力学性能和磁性能较好；尤其是粘结剂在0.5%-1%范围内，绝缘剂在1%～2.3%范围内时，磁粉芯抗压强度达到了479MPa以上，同时损耗在157以下。 

最优化方案为粘结剂含量为0.75%，绝缘剂含量为2.25%，绝缘剂采用ZrO₂、AlC、TiN的混合物，三者重量比例为5：4：1时，其抗压强度达到了491.5MPa，损耗为149。 

综上所述，本发明绝缘剂采用无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物使磁粉芯具有优良的磁性能和力学性能；作为优选方案，有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~2wt%和0.5~4wt%；进一步优选有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~1wt%和1~2.3wt%。 

实施例2： 

本实施例提供的非晶纳米晶复合磁粉芯，主要由铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末、有机粘结剂和绝缘剂组成，有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的1wt%和2wt%。

所述铁基非晶粉末采用通过-200~+270筛目的非晶Fe₈₀Si_12.6B_5.4C₂粉末，所述铁基纳米晶粉末采用通过-270~+325筛目的纳米晶Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉粉末，有机粘结剂采用环氧树脂，绝缘剂采用ZrO₂、AlC、TiN的混合物，三者重量比例为5：4：1。 

两种粉末中铁基非晶粉末的重量含量为15-60wt%，铁基纳米晶粉末为40-85wt%。 

具体的，铁基非晶Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂粉末中a为80，b为0.7。 

本实施例改变两种粉末的比例，得到4个例子，标记为1-4，具体各个例子中铁基非晶粉末和铁基纳米晶粉末的含量如表2所述。 

上述非晶纳米晶复合磁粉芯的制备方法，其步骤依次为： 

非晶带材脆化处理：分别将上述成分的铁基非晶带材和铁基纳米晶带材进行脆化处理；

机械法破碎成粉末：分别将脆化后的带材通过粉碎机加工成粉末；

筛分：将粉末经过筛分得到通过-200~+270筛目的非晶粉末和通过-270~+325筛目的纳米晶粉末；

钝化处理和绝缘包覆：将铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末在磷酸液中经过钝化处理后，与有机粘结剂、绝缘剂和润滑剂混合并干燥成干粉；其中润滑剂为滑石粉，其添加量为铁基非晶粉末和铁基纳米晶粉末总重量的2wt%。

模压成形：将绝缘包覆好的粉末倒入刚性模具中进行单轴向压制，压制压力控制在10t/cm²。 

热处理：将成型材料在氩气保护气氛下进行热处理制成磁粉芯，热处理温度为450℃，时间为60min。 

性能测试：检测磁芯的磁性能，记录在表2中。 

实施例3 

本实施例提供的非晶纳米晶复合磁粉芯与实施例1的区别在于，所述铁基非晶粉末采用Fe₈₀Si_7.2B_10.8C₂粉末。具体的，铁基非晶Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂粉末中a为80，b为0.4。

本实施例改变两种粉末的比例，得到4个例子，标记为5-8，具体各个例子中铁基非晶粉末和铁基纳米晶粉末的含量如表2所述。 

本实施例提供的上述非晶纳米晶复合磁粉芯的制备方法，与实施例2的区别在于铁基非晶带材采用Fe₈₀Si_7.2B_10.8C₂制成铁基非晶粉末。 

性能测试：检测磁芯的磁性能，并记录在表2中。 

实施例4 

本实施例提供的磁粉芯及其制备方法与实施例2的区别仅在于所述铁基非晶粉末采用Fe₇₈Si₉B₁₃粉末。本实施例改变两种粉末的比例，得到3个例子，标记为①-③，具体各个例子中铁基非晶粉末和铁基纳米晶粉末的含量如表2所述。

性能测试：检测磁芯的磁性能，并记录在表2中。 

具体的实施例2-4使用精密LCR测量仪测量其电感，然后根据L=（0.4πμN2A×10-2）/l导出磁导率，其中N代表圈数，A代表磁芯的截面积，l代表磁路的平均长度，测量条件为：交流电压为1V，频率为1kHz，初级匝数30圈，次级3圈。 

表2 

实施例2-4通过混合非晶与纳米晶粉末，形成合理的的“非晶+纳米晶”组织，制备出电感频率特性较好的复合磁粉芯，具有较稳定的磁导率和较低的损耗。由上表例子2、6与②的对比可知，铁基非晶粉末采用Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂，其中70≤a≤85，0.2≤b≤0.9时，复合磁粉芯的性能较采用Fe₇₈Si₉B₁₃时较优；1-8编号的例子中3、4、7、8编号例子的损耗和磁导率优于其他例子，因此本发明两种粉末中优选的组合为铁基非晶粉末的重量含量为15-60wt%，铁基纳米晶粉末为40-85wt%，进一步优选铁基非晶粉末的重量含量为15-40wt%，铁基纳米晶粉末为60-85wt%。

Claims (10)

1.一种非晶纳米晶复合磁粉芯，主要由铁基非晶粉末、铁基纳米晶粉末、有机粘结剂和绝缘剂组成，其特征在于：绝缘剂采用无机氧化物、碳化物和氮化物的混合物。

2.根据权利要求1所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：所述无机氧化物选自SiO_2、Al₂O_3、TiO_2、ZrO₂的一种或多种；所述碳化物选自AlC、TiC中的一种或两种；所述氮化物选自AlN、TiN中的一种或两种。

3.根据权利要求2所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~2wt%和0.5~4wt%。

4.根据权利要求3所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：有机粘结剂和绝缘剂的重量分别占两种粉末总重量的0.5~1wt%和1~2.3wt%。

5.根据权利要求4所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：所述铁基非晶粉末的组成为Fe_a（Si_bB_1-b）_98-aC₂，其中：70≤a≤85，0.2≤b≤0.9；所述铁基纳米晶粉末的组成为Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉。

6.根据权利要求5所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：两种粉末中铁基非晶粉末的重量含量为15-60wt%，铁基纳米晶粉末为40-85wt%。

7.根据权利要求6所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：两种粉末中铁基非晶粉末的重量含量为15-40wt%，铁基纳米晶粉末为60-85wt%。

8.根据权利要求7所述的非晶纳米晶复合磁粉芯，其特征在于：所述铁基非晶粉末的粒度为-200~+270筛目；所述铁基纳米晶粉末的粒度为-270~+325筛目。

9.一种非晶纳米晶复合磁粉芯的制备方法，包括非晶带材脆化处理、机械法破碎成粉末、筛分、钝化处理和绝缘包覆、模压成形、热处理，其特征在于：根据权利要求1～8任何一项所述的复合磁粉芯的组分、粒度及其含量，操作筛分、钝化处理和绝缘包覆步骤。

10.根据权利要求9所述的非晶纳米晶复合磁粉芯的制备方法，其特征在于：热处理在氩气保护下进行，且温度在350~490℃之间；所述模压成型采用的压力为10~20t/cm²。