CN104028747A - 一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法。它包括如下步骤：1）将金属磁粉过筛进行粒度配比；2）利用非均匀形核法对配好的金属粉末进行绝缘包覆后干燥；3）将干燥后的磁粉与粘结剂混合均匀，加入脱模剂干压成型，将其压制成坯样；4）将坯样于保护气氛中保温0.5~2h，空冷，喷涂，得到目标产物。本发明采用非均匀形核法制备的复合粉末包覆均匀、致密，包覆层厚度可控，具有良好的抗氧化性、高的电阻率、高的饱和磁化强度，具有优良的磁性能和力学性能；采用非均匀形核法在金属磁粉表面均匀包覆一层Al₂O₃绝缘层，包覆效果优于现有方法，且可操作性强，便于批量生产。

Description

一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法

技术领域

本发明涉及磁性材料的制备技术领域，尤其涉及一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法。

背景技术

金属软磁复合材料是由绝缘介质包覆的铁磁颗粒均匀压制而成的软磁材料。在磁粉芯的制备工艺中，高温退火处理可以有效减少残余应力与缺陷，从而降低磁滞损耗，然而高温热处理也会导致绝缘层的分解而增加涡流损耗。因此具有良好高温稳定性的包覆剂逐渐成为人们研究的热点。绝缘包覆一般分为有机包覆和无机包覆。有机包覆树脂耐热温度较低，不能进行高温退火处理。无机包覆可以分为：磷酸盐包覆（磷酸锌、磷酸铁和磷酸锰）以及氧化物包覆（SiO₂、MgO和铁氧体）等。磷酸盐对磁粉有很好的粘附性以及高的电阻率，但是热稳定性低，同样不适合进行高温热处理，不利于应力释放和降低磁滞损耗，并且由于磷酸等有害物质的使用，大规模的工业生产会造成环境污染。而金属氧化物具有较高的耐热温度，能够满足退火处理的要求，且电阻率很高，高频下涡流损耗较低，是优良的绝缘包覆剂。

传统的无机绝缘包覆处理方法可以分为干化学法和湿化学法。干化学法是对磁粉与无机绝缘剂进行简单地机械混合，无法对磁粉表面形成均匀有效的包覆；而湿化学法又分为沉淀法、水热法与溶胶凝胶法等，沉淀法制备的包覆颗粒大小不一，且在磁粉表面容易团聚造成分布不均匀；水热法可以制备结晶良好不团聚的纳米氧化物颗粒，但氧化物颗粒易沉淀，难以对磁粉形成均匀包覆；溶胶凝胶法合成周期长，制备成本高，且有机溶剂容易对环境造成污染。因此需要一种能够实现有效均匀包覆，且简单易行、成本较低、适用于工业化生产的方法。非均匀形核法是利用磁粉表面作为形核基体，让包覆颗粒的晶核直接在磁粉表面生长，从而在磁粉表面形成均匀涂覆一层包覆层。一般用于包覆陶瓷颗粒、氧化物颗粒等领域，本发明将该方法应用于包覆软磁复合材料上。与其它包覆方法相比，非均匀形核生成的包覆层更加均匀、致密，且可以控制表面包覆层的厚度。

专利CN100500783C采用由SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、云母粉的纳米颗粒混合物作为绝缘剂制备FeSiAl软磁复合材料，但是磁粉与绝缘剂的均匀混合较难控制，难以对磁粉进行均匀包覆。

专利号为201310411806.5的中国发明专利公开了采用水热法制备纳米铁氧体粉末对磁粉进行绝缘包覆的方法，该法可以制备出颗粒尺寸大小均一、可控的纳米铁氧体颗粒，但铁氧体颗粒容易沉淀，且与基体结合力不牢容易脱落，因而难以对磁粉进行有效的均匀包覆。

专利号为201310417871.9的中国发明专利公开了采用溶胶凝胶法在软磁合金粉末表面原位制备颗粒尺寸均匀的纳米铁氧体颗粒，经压制、热处理工艺得到新型铁氧体软磁复合材料。但由于磁粉颗粒比较重，在混合过程中容易沉淀，难以均匀包覆。

专利号为201310212031.9的中国发明专利公开了一种金属软磁复合材料的制备方法，选用纳米氧化物分散液对金属磁粉进行绝缘包覆。由于这种分散液稳定性差，且纳米颗粒对磁粉的粘附性欠佳，难以实现均匀包覆；同时在磁粉加工成软磁复合材料的过程中，磁粉表面粘附的绝缘物质容易脱落，导致磁粉绝缘性能差，磁芯涡流损耗偏大。

发明内容

针对目前软磁复合材料的绝缘包覆层不均匀、热稳定性差等缺陷，本发明提供了一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法，本发明的技术方案如下：

金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法包括如下步骤：

1）粒度配比：对金属磁粉过筛后进行粒度配比，所述金属磁粉是铁基磁粉、铁硅基磁粉或铁镍基磁粉；

2）非均匀形核法绝缘包覆：称取金属磁粉重量2.5~4.0%的Al(NO₃)₃·9H₂O，用蒸馏水配成300~500mL的Al(NO₃)₃溶液；用冰乙酸和CH₃COONa·3H₂O配成pH=4.0~5.0的缓冲液300~500mL，将金属磁粉加入到缓冲液中剧烈搅拌，使金属磁粉均匀分散，形成悬浮液；剧烈搅拌的同时，向悬浮液中逐滴加入Al(NO₃)₃溶液，继续搅拌20~40min，在室温下静置12~15h，过滤得到包覆后的金属磁粉；将包覆后的金属磁粉置于50~100oC环境中干燥10~20h，得到Al(OH)₃前驱体包覆的金属磁粉，将Al(OH)₃前驱体包覆的金属磁粉在400~700oC下煅烧2~5h；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量0.5~2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀；最后加入占Al(OH)₃前驱体包覆的金属磁粉总重0.5~2.0%的脱模剂并混合均匀，得到待成型磁粉；

3）压制成型：将待成型磁粉在600~2000MPa的压强下压制成型，得到软磁复合材料；

4）热处理：采用氮气或氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于400~650oC环境中保温30~120min；

5）表面喷涂：在步骤4）处理后的软磁复合材料表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到金属软磁复合材料。

所述的金属磁粉的重量优选为10~20g。

所述的粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂、低熔点玻璃粉、SiO₂中的一种或多种。

所述的脱模剂优选为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙或二硫化钼中的一种或多种。

与现有的软磁复合材料制备方法相比，本发明主要具有如下优点：

（1）可以精确控制包覆层的厚度及其化学组分，工艺过程易控制，包覆层活性高；

（2）采用非均匀形核法制备的复合粉末包覆均匀、致密，包覆层厚度可控，具有良好的抗氧化性、高的电阻率、高的饱和磁化强度，具有优良的磁性能和物理性能；

（3）采用非均匀形核法在金属磁粉表面均匀包覆一层Al₂O₃绝缘层，包覆过程温度低，包覆效果优于现有方法，设备简单，可操作性强，便于批量生产；

（4）绝缘包覆层具有良好的耐热性能，可以在600oC以上的温度进行退火处理而不发生分解和破坏；

（5）Al₂O₃绝缘层电阻率较高，可以有效提高软磁复合材料的电阻率，大幅降低软磁复合材料的磁芯损耗。

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说明。

实施例1

将15g铁粉过筛进行粒度配比后，称取占铁粉重量4.0%的Al(NO₃)₃·9H₂O，用蒸馏水配成400mL的Al(NO₃)₃溶液；用冰乙酸和CH₃COONa·3H₂O配成pH=5.0的缓冲液400mL，将铁粉加入到缓冲液中剧烈搅拌，使铁粉均匀分散，得到悬浮液；剧烈搅拌的同时，向悬浮液中逐滴加入Al(NO₃)₃溶液，继续搅拌0.5h，在室温下静置12h；形成Al(OH)₃前驱体包覆在铁粉表面，在500oC下煅烧3h；然后将包覆后的铁粉置于80oC环境中干燥12h；向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量0.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为环氧树脂；向包覆铁粉中加入占包覆铁粉总重0.5%的二硫化钼并混合均匀，得到待成型铁粉；将待成型铁粉在600MPa的压强下压制成外径23.6mm，内径14.4mm，高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氮气作保护气氛，将环形软磁复合材料置于600oC环境中保温30min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁基金属软磁复合材料。

在铁基金属软磁复合材料上采用线径Ф0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得铁基金属软磁复合材料磁性能具体如下：

（1）软磁复合材料磁导率：71；

（2）直流叠加性能：10kHz，H=100Oe时，L_H/L_O=62.3%；

（3）100kHz/1V条件下，品质因数Q=47；

（4）软磁复合材料损耗：50kHz/100mT时，P_CV=1087.6mW/cm³。

实施例2

将20g铁硅铝磁粉过筛进行粒度配比，称取占铁硅铝磁粉重量3.0%的Al(NO₃)₃·9H₂O，用蒸馏水配成300mL的Al(NO₃)₃溶液；用冰乙酸和CH₃COONa·3H₂O配成pH=4.0的缓冲液300mL，将磁粉加入到缓冲液中剧烈搅拌，使磁粉均匀分散，得到悬浮液；剧烈搅拌的同时，向悬浮液中逐滴加入Al(NO₃)₃溶液，继续搅拌20min，在室温下静置13h；然后将包覆后的磁粉置于50oC环境中干燥20h；形成Al(OH)₃前驱体包覆在磁粉表面，在400oC下煅烧5h；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量1.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为酚醛树脂；向包覆磁粉中加入占包覆磁粉总重2.0%的脱模剂并混合均匀，脱模剂为硬脂酸锌和硬脂酸钡按质量比1:1混合的混合物，得到待成型磁粉；将待成型磁粉在2000MPa的压强下压制成外径23.6mm，内径14.4mm，高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于650oC环境中保温60min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁硅铝软磁复合材料。

在铁硅铝软磁复合材料上采用线径Ф0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料磁性能具体如下：

（1）软磁复合材料磁导率：98；

（2）直流叠加性能：10kHz，H=100Oe时，L_H/L_O=55.1%；

（3）100kHz/1V条件下，品质因数Q=55；

（4）软磁复合材料损耗：50kHz/100mT时，P_CV=247.2mW/cm³。

实施例3

将10g铁镍磁粉（铁、镍的质量含量各为50%）过筛进行粒度配比，称取占铁镍磁粉重量2.5%的Al(NO₃)₃·9H₂O，用蒸馏水配成500mL Al(NO₃)₃溶液；用冰乙酸和CH₃COONa·3H₂O配成pH=4.5的缓冲液500mL，将磁粉加入到缓冲液中剧烈搅拌，使磁粉均匀分散，得到悬浮液；剧烈搅拌的同时，向悬浮液中逐滴加入Al(NO₃)₃溶液，继续搅拌40min，在室温下静置15h；然后将包覆后的磁粉置于100oC环境中干燥10h；形成Al(OH)₃前驱体包覆在磁粉表面，在700oC下煅烧2h；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为硅树脂；向包覆磁粉中加入占包覆磁粉总重1.0%的脱模剂并混合均匀，脱模剂为硬脂酸锌和硬脂酸钙按质量比1:1混合的混合物，得到待成型磁粉；将待成型磁粉在1400MPa的压强下压制成外径23.6mm，内径14.4mm，高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氮气作保护气氛，将软磁复合材料置于400oC环境中保温120min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁镍基软磁复合材料。

在铁镍基软磁复合材料上采用线径Ф0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料磁性能具体如下：

（1）软磁复合材料磁导率：152；

（2）直流叠加性能：10kHz，H=100Oe时，L_H/L_O=67.5%；

（3）100kHz/1V条件下，品质因数Q=61；

（4）软磁复合材料损耗：50kHz/100mT时，P_CV=233.6mW/cm³。

Claims (4)

1. 一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）粒度配比：对金属磁粉过筛后进行粒度配比，所述金属磁粉是铁基磁粉、铁硅基磁粉或铁镍基磁粉；

2）非均匀形核法绝缘包覆：称取占金属磁粉重量2.5~4.0%的Al(NO₃)₃·9H₂O，用蒸馏水配成300~500mL的Al(NO₃)₃溶液；用冰乙酸和CH₃COONa·3H₂O配成pH=4.0~5.0的缓冲液300~500mL，将金属磁粉加入到缓冲液中剧烈搅拌，使金属磁粉均匀分散，形成悬浮液；剧烈搅拌的同时，向悬浮液中逐滴加入Al(NO₃)₃溶液，继续搅拌20~40min，在室温下静置12~15h，过滤得到包覆后的金属磁粉；将包覆后的金属磁粉置于50~100oC环境中干燥10~20h，得到Al(OH)₃前驱体包覆的金属磁粉，将Al(OH)₃前驱体包覆的金属磁粉在400~700oC下煅烧2~5h；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量0.5~2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀；最后加入占Al(OH)₃前驱体包覆的金属磁粉总重量0.5~2.0%的脱模剂并混合均匀，得到待成型磁粉；

3）压制成型：将待成型磁粉在600~2000MPa的压强下压制成型，得到软磁复合材料；

4）热处理：采用氮气或氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于400~650oC环境中保温30~120min；

5）表面喷涂：在步骤4）处理后的软磁复合材料表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到金属软磁复合材料。

2. 根据权利要求1所述的一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法，其特征在于：所述的金属磁粉的重量为10~20g。

3. 根据权利要求1所述的一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法，其特征在于：所述的粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂、低熔点玻璃粉、SiO₂中的一种或多种。

4. 根据权利要求1所述的一种金属软磁复合材料的非均匀形核绝缘包覆处理方法，其特征在于：所述的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙或二硫化钼中的一种或多种。