CN104036899A

CN104036899A - 一种核壳结构软磁复合材料的制备方法

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Publication number: CN104036899A
Application number: CN201410229933.8A
Authority: CN
Inventors: 严密; 唐星; 吴琛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: CN104036899B

Abstract

本发明公开了一种核壳结构软磁复合材料的制备方法。它的步骤如下：1）选取粒径为100-400目高纯铁粉进行粒度配比；2）通入高纯氢气进行还原反应；3）通入氨气和氢气的混合气体进行表面渗氮；4）渗氮过程结束，最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉，Fe₄N膜厚为0.5-10um；5）将制备好的铁粉在800-1300MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料，采用有机粘结剂进行粘结；6）将环形软磁复合材料在真空退火炉中进行热处理。本发明针对现阶段铁粉芯电阻率低，在中高频电流中涡流损耗大的缺点，通过表面热处理工艺对铁粉进行核壳结构设计，提高了粉芯的电阻率，较大幅度降低了铁粉芯的损耗。

Description

一种核壳结构软磁复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及软磁复合材料制备技术领域，具体涉及一种核壳结构软磁复合材料的制备方法。

背景技术

金属软磁复合材料（又称磁粉芯）具备高磁感应强度、高磁导率、低矫顽力和低损耗的性能特点，在电子信息、电工以及中高频领域有着广泛应用。当前科技的进步急需各种高性能的电子器件，因此对软磁复合材料提出了更高的要求。

磁粉芯包含的种类很多，常见的有铁粉芯、铁镍磁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钼磁粉芯、铁硅镍磁粉芯和铁硅磁粉芯等。最早研究的是铁粉芯，铁粉芯的优势在于压型性好、饱和磁感应强度高和有效磁导率高，并且成本很低。但由于铁粉芯电阻率低，在交流电场下工作时，涡流损耗过大，磁损耗偏高，高频性能差。

解决铁粉芯涡流损耗高的缺点，进行有效的绝缘包覆是关键。绝缘包覆剂主要可以分为有机包覆和无机包覆。有机物绝缘剂主要包括环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等，其特点是热稳定性差，在较高温度下进行退火工艺时，绝缘包覆层容易分解，导致软磁颗粒间的涡流损耗增加。无机包覆材料主要是磷酸盐和氧化物，特点是熔点高，热稳定性好。上述包覆层均为非磁性物质，会对磁粉芯的性能有稀释作用，降低磁粉芯的磁导率。为了保持复合材料良好的性能，可以采用磁性绝缘包覆剂。

Hoganas 公司通过复杂的化学反应过程，在Fe粉颗粒表面生成一层厚度可控的Fe₃P包覆层。采用Fe₃P作为包覆层，一方面可以提高材料的电阻率，降低材料在交流条件下的涡流损耗；另一方面可以使磁粉芯保持优良的磁学性能。但是，Fe₃P的热稳定性不高，容易氧化和分解，同时存在工艺制备过程复杂，磷化处理废液对环境污染的不足。

中国发明专利103426584A公开了一种铁氧体复合磁粉芯的制备方法，主要采用水热法制备颗粒尺寸均匀的纳米镍锌铁氧体颗粒，对经过磷酸钝化后的软磁合金粉末进行包覆处理，制备成磁粉芯。本发明的优点在于提高了磁粉芯的磁学性能，铁氧体的颗粒尺寸可控且大小均匀。因为水热法包覆不牢固，且成本高，不适用于工业生产。

中国发明专利101996723A中，采用控制氧化法在铁粉颗粒表面上原位生成一层Fe₃O₄壳层，制备出了结构均匀的Fe/Fe₃O₄复合软磁粉末，采用硅树脂进行粘接制成软磁磁粉芯。该方法制备出的磁性粉末饱和磁化强度M_s为200.6emu/g，稍低于纯铁粉的217.1emu/g，粉芯材料具有较好的内禀磁性能。但此方法需要在低真空的可控氧化炉内进行，成本较高。本发明采用气体渗氮，采用氢气和氨气的混合气体，工艺简单，成本较低，并且能够生成具有软磁特性的Fe₄N薄膜，饱和磁感应强度和磁导率均得到提高。

目前通过表面化学热处理生成磁性薄膜增加磁粉芯整体电阻率的研究较少。本发明的创新点在于设计出了一种核壳结构的铁粉，进一步降低了铁粉芯的磁损耗，同时保持良好的磁学性能。此工艺过程简单，成本较低，可以运用到工业生产中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种核壳结构软磁复合材料的制备方法，该方法制备的软磁复合材料低成本，具备低损耗、高饱和磁感应强度的特点，可以解决现有铁粉芯在中高频下涡流损耗大的问题。

核壳结构软磁复合材料的制备方法的步骤如下：

1）选取粒径为100-400 目高纯铁粉进行粒度配比，其中，-100 ~ +200 目占总重量30-40%，-200~ +300 目占总重量30-40%、-300 目占总重量20-30% ，剩余的为-400 目铁粉，将配好的铁粉放入管式炉中央的石英管中；

2）通入高纯氢气进行还原反应，还原温度为450-600℃，氢气流量控制在100-200 ml/min，还原时间为60-120 min；

3）通入氨气和氢气的混合气体进行表面渗氮，氨气在混合气体中的摩尔分数控制在20-60%之间，混合气体总流速控制在100-300 ml/min之间，渗氮温度为400-650℃，渗氮时间为3-7 h；

4）渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温。最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉，Fe₄N膜厚为0.5-10 um；

5）将制备好的铁粉加入有机粘接剂，粘接剂的重量为磁粉重量的2%，再加入磁粉重量的0.25%的硬脂酸锌，在800-1300 MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料；

6）将环形软磁复合材料在真空退火炉中进行热处理，退火温度为500-650℃，时间为30-60 min。

所述的粘结剂采用硅树脂、环氧树脂或酚醛树脂。

本发明具有以下效果：针对现阶段铁粉芯电阻率低，在中高频电流中涡流损耗大的缺点，本发明通过表面热处理工艺对铁粉进行核壳结构设计，一定程度提高了粉芯的电阻率，较大幅度降低了铁粉芯的损耗。本发明的另一个特点在于，核壳结构铁粉芯具有较高的饱和磁感应强度，可以应用在大功率器件中。

具体实施方式

核壳结构软磁复合材料的制备方法的步骤如下：

所述的粘结剂采用硅树脂、环氧树脂或酚醛树脂。

实施例1：

将纯度为99%的铁粉进行-300 目、-200 目、-100 目分级处理后混合，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占40%，-200 ~ +300 目占40%、-300 目占20%。将混合铁粉放入管式炉中央的石英管中，通入纯度为99.999%的氢气进行还原反应。还原温度为450℃，氢气流量为100 ml/min，还原时间为120 min。通入氨气和氢气的混合气体进行渗氮，氨气在混合气体中的摩尔分数为60%，氨气纯度为99.98%。混合气体总流速控制在100 ml/min，渗氮温度为400℃，渗氮时间为5 h。渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温，最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉。在铁粉中加入丙酮稀释的环氧树脂，环氧树脂的加入量为磁粉重量的2%，再加入磁粉重量的0.25%的硬脂酸锌，在800 MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料，外径为34 mm，内径为20 mm，高度为5.2 mm。压制好的磁粉芯在500℃进行退火，退火时间为60 min。测试的磁学参数如下：

实施例2：

将纯度为99%的铁粉进行-300 目、-200 目、-100 目分级处理后混合，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占40%，-200 ~ +300 目占30%、-300 目占20%，-400 目占10%。将混合铁粉放入管式炉中央的石英管中，通入纯度为99.999%的氢气进行还原反应。还原温度为500℃，氢气流量为120 ml/min，还原时间为120 min。通入氨气和氢气的混合气体进行渗氮，氨气在混合气体中的摩尔分数为40%，氨气纯度为99.98%。混合气体总流速控制在150 ml/min，渗氮温度为400℃，渗氮时间为5 h。渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温，最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉。在铁粉中加入丙酮稀释的酚醛树脂，酚醛树脂的加入量为磁粉重量的2%，再加入磁粉重量的0.25%的硬脂酸锌，在800 MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料，外径为34 mm，内径为20 mm，高度为5.2 mm。压制好的磁粉芯在550℃进行退火，退火时间为60 min。测试的磁学参数如下：

实施例3：

将纯度为99%的铁粉进行-400 目、-300 目、-200 目、-100 目分级处理后混合，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占40%，-200 ~ +300 目占30%、-300 目占20% ，-400 目占10%。将混合铁粉放入管式炉中央的石英管中，通入纯度为99.999%的氢气进行还原反应。还原温度为600℃，氢气流量为200 ml/min，还原时间为60 min。通入氨气和氢气的混合气体进行渗氮，氨气纯度为99.98%，氨气在混合气体中的摩尔分数为40%。混合气体总流速控制在200 ml/min，管式炉内保持常压，渗氮温度为550℃，渗氮时间为5 h。渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温，最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉。在铁粉中加入二甲苯溶液稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉重量的2%，再加入磁粉重量0.25%的硬脂酸锌，在1000 MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料，外径为34 mm，内径为20 mm，高度为5.2 mm。压制好的磁粉芯在600℃进行退火，退火时间为60 min。测试的磁学参数如下：

实施例4：

将纯度为99%的铁粉进行-400 目、-300 目、-200 目、-100 目分级处理后混合，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占30%，-200 ~ +300 目占30%、-300 目占30% ，-400 目占10%。将混合铁粉放入管式炉中央的石英管中，通入纯度为99.999%的氢气进行还原反应。还原温度为450℃，氢气流量为150 ml/min，还原时间为90 min。通入氨气和氢气的混合气体进行渗氮，氨气纯度为99.98%，氨气在混合气体中的摩尔分数为50%。混合气体总流速控制在250 ml/min，管式炉内保持常压，渗氮温度为550℃，渗氮时间为7 h。渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温，最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉。在铁粉中加入二甲苯溶液稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉重量的2%，再加入磁粉重量0.25%的硬脂酸锌，在1300 MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料，外径为34 mm，内径为20 mm，高度为5.2 mm。压制好的磁粉芯在600℃进行退火，退火时间为60min。测试的磁学参数如下：

实施例5：

将纯度为99%的铁粉进行-400 目、-300 目、-200 目、-100 目分级处理后混合，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占30%，-200 ~ +300 目占30%、-300 目占30% ，-400 目占10%。将混合铁粉放入管式炉中央的石英管中，通入纯度为99.999%的氢气进行还原反应。还原温度为550℃，氢气流量为150 ml/min，还原时间为90 min。通入氨气和氢气的混合气体进行渗氮，氨气纯度为99.98%，氨气在混合气体中的摩尔分数为20%。混合气体总流速控制在300 ml/min，管式炉内保持常压，渗氮温度为650℃，渗氮时间为3 h。渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温，最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉。在铁粉中加入二甲苯溶液稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉重量的2%，再加入磁粉重量0.25%的硬脂酸锌，在1300 MPa的压强下压制成环形的软磁复合材料，外径为34 mm，内径为20 mm，高度为5.2 mm。压制好的磁粉芯在650℃进行退火，退火时间为30 min。测试的磁学参数如下：

Claims

1.一种核壳结构软磁复合材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：

4）渗氮过程结束，继续通入氨气和氢气混合气体，管式炉内温度逐渐降至室温,

最终生成表面包覆Fe₄N薄膜的核壳结构铁粉，Fe₄N膜厚为0.5-10 um；

2.根据权利要求1所述的一种核壳结构软磁复合材料的制备方法，其特征在于所述的粘结剂采用硅树脂、环氧树脂或酚醛树脂。