CN104036904A - 高饱和磁感应强度铁基非晶软磁复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高饱和磁感应强度铁基非晶软磁复合材料及其制备方法。构成非晶软磁复合材料的合金组成以原子比表示满足下式：Fe_100-a-b-c-dRE_aM_bP_cS_d，其中，0＜a≤8、10≤b≤25、0＜c≤10、0＜d≤0.5，RE为选自Y、La、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种，M为选自C、Si、B中的一种或多种。本发明所述的一种铁基非晶软磁复合材料的制备方法，工艺步骤包括：合金熔炼、雾化制粉、绝缘包覆、压制成型和热处理过程。该方法制备的铁基非晶软磁复合材料具备高饱和磁感应强度，能够应用在大功率、高频率的电子器件中。<sub/>

Description

高饱和磁感应强度铁基非晶软磁复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及软磁复合材料领域，尤其涉及一种高饱和磁感应强度的铁基非晶软磁复合材料及其制备方法。

背景技术

金属软磁复合材料（又名磁粉芯）具备高磁感应强度、高磁导率、低矫顽力和低铁损的性能特点，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，因此对磁粉芯提出了更高的要求。为了实现这一目标，磁粉芯的成分设计和制备工艺是关键。

磁粉芯包含的种类很多，常见的有铁粉芯、铁硅磁粉芯、铁镍磁粉芯、铁镍钼磁粉芯、铁硅铝磁粉芯等。铁粉芯具有压型性好、饱和磁感应强度高和有效磁导率高的优势，但其电阻率低，导致涡流损耗过大，磁损耗偏高，高频性能差。铁镍磁粉芯和铁镍钼磁粉芯具备高磁导率，但价格昂贵。铁硅铝磁粉芯具有较好的综合磁学性能，涡流损耗较低，且价格相对便宜，但直流偏置性能很差。非晶软磁，其饱和磁感应强度较高，矫顽力低，电阻率高，是制备高性能低损耗磁粉芯的优良材料。

日本M.Yagi课题组采用SWAP方法制备出成分为（Fe_0.97Cr_0.03）₇₆(Si_0.5B_0.5)₂₂C₂的非晶粉末，粉末尺寸小于150 um。采用玻璃粉末对非晶进行绝缘包覆，在1000-1500 MPa的条件下压制成磁粉芯，最后进行退火处理。在f=100 kHz,B_m=0.1 T的条件下，磁损耗为660 kW/m³。

中国钢铁研究总院X.Wang课题组采用水雾法制备出了成分为（Fe_0.76Si_0.09B_0.10P_0.05)₉₈C₂的非晶粉末，粉末尺寸在50-150 um之间。对非晶粉末进行无机和有机复合绝缘处理，在2000 MPa的压制成型，制备出的磁粉芯在520℃的条件下退火处理。（Fe_0.76Si_0.09B_0.10P_0.05)₉₈C₂的非晶玻璃具备较高的非晶形成能力，压制的磁粉芯在f=50 kHz,B_m=0.1 T的条件下损耗为353 kW/m³。

中国发明专利号103219119 A公开了一种高磁导率的铁基非晶磁粉芯。该发明采用成分为Fe-Si-B-C的非晶薄带将其破碎成粒度小于100 目的非晶粉末，通过一定的粒度配比后进行绝缘包覆，压力成型和热处理过程。采用该方法制备出的磁粉芯在f=100 kHz、B_m=0.1 T的条件下磁导率达到90，但损耗为470 kW/m³。本发明通过添加稀土元素，保持了较高的磁导率和饱和磁感应强度，并进一步降低了磁损耗。其次，本发明中允许一定范围内的S元素存在，降低了非晶软磁粉末的生产成本。

中国专利号101226803 A公开了一种铁基非晶软磁磁粉芯的制备方法，成分为在Fe-Si-B-C-P非晶体系的基础上添加高熔点元素Mo、Nb和大原子元素Cr。该体系的材料具有较高的非晶形成能力，制备出的磁粉芯在f=100 kHz,H_m=0.1 T的条件下损耗最小值达到260 mW/cm³。但此体系的非晶磁粉芯饱和磁感应强度不高，最大只能达到1.3 T。本发明通过稀土元素的添加，在磁损耗方面保持了较低的损耗值，同时提高了非晶磁粉芯的饱和磁感应强度值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁基非晶软磁复合材料的成分设计方案及其制备方法。通过添加稀土元素，进一步提高饱和磁感应强度，使其在大功率电力电子系统中应用。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种铁基非晶软磁复合材料，其特征在于构成非晶软磁复合材料的合金组成以原子比表示满足下式：

Fe_100-a-b-c-dRE_aM_bP_cS_d

其中，0＜a≤8、10≤b≤25、0＜c≤10、0＜d≤0.5，RE为选自Y、La、Eu、Gd 、Dy、

Ho、 Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种，M为选自C、Si、B中的一种或多种。

在一个优选方式实施方式中，1≤a≤3；

在一个优选方式实施方式中，13≤b≤18；

在一个优选方式实施方式中，3≤c≤5；

在一个优选方式实施方式中，0＜d≤0.3；

一种铁基非晶软磁复合材料的制备方法的步骤如下：

步骤一：将工业纯铁、多晶硅、磷铁合金、稀土RE和合金M按照原子比进行配料；

步骤二：将配好的原料在氩气保护下进行熔炼，熔炼温度为1200℃，采用水雾法制成非晶粉末，压强为20 MPa，制备的非晶粉末粒度小于200 μm；

步骤三：将所获得的非晶粉末进行-400 目、-300 目、-200 目、-100 目分级处理后进行粒度配比，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占20%~40%，-200 ~ +300 目占25% ~50%、-300 目占10% ~ 30% ，其余为-400 目；

步骤四：采用磷酸钝化工艺进行绝缘处理，磷酸的用量为磁粉重量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理；

步骤五：将钝化处理后的非晶粉末中加入二甲苯稀释的硅树脂中，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量的0.25%的硬脂酸锌，在1500-2100 MPa的压强下压制成环形铁基非晶软磁复合材料；

步骤六：将压制好的环形铁基非晶软磁复合材料在真空退火炉中400-450℃保温0.5-2 h。

本发明具有以下效果：

一种铁基非晶软磁复合材料，其饱和磁感应强度相对于现有非晶软磁复合材料提高，能够应用于大功率器件中。同时，电阻率进一步提高，涡流损耗下降，能够应用在较高频率范围。本发明的非晶铁基合金组成中，Si、B、P、C是非晶形成元素，元素Si和B通过与Fe作用，显著降低合金熔点，扩大固液相线温度区域，提高合金的自熔性。Si元素能够提高非晶态的热稳定性。P元素的作用是在降低非晶相上生成的α-Fe相的尺寸，同时能够提高非晶形成能力。添加稀土元素，一方面可以提高玻璃相的非晶形成能力和热稳定性，另一方面大部分稀土原子具有磁矩，可以一定程度提高饱和磁感应强度。以Y元素为例，根据Inoune提出的非晶形成三条经验准则，从元素的原子尺寸差角度，Y和Fe、Si、B原子半径差分别为47%、56%、102%，Y原子的添加使得元素半径分布均匀而合理；从混合焓的角度，Y-Fe、Y-Si、Y-B分别为-1 kJ/mol、-73 kJ/mol、-50 kJ/mol，说明Y元素和Fe、Si、B之间存在着强作用力，Y元素添加能够增加过冷液体的拓扑化学短程序和随机堆积密度，从而降低原子的扩散能力，初晶化相的析出和生成过程得到抑制，非晶稳定性增强。通过单独添加一种稀土元素，或者同时添加两种或多种稀土元素，不仅提高磁芯的非晶形成能力，同时保持较好的软磁性能。

具体实施方式

本发明涉及一种铁基非晶软磁复合材料，构成非晶软磁复合材料的合金组成以原子比表示满足下式：

Fe_100-a-b-c-dRE_aM_bP_cS_d

其中，0＜a≤8、10≤b≤25、0＜c≤10、0＜d≤0.5，RE为选自Y、La、Eu、Gd 、Dy、

Ho、 Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种，M为选自C、Si、B中的一种或多种。

在一个优选方式实施方式中，1≤a≤3；

在一个优选方式实施方式中，13≤b≤18；

在一个优选方式实施方式中，3≤c≤5；

在一个优选方式实施方式中，0＜d≤0.3；

一种铁基非晶软磁复合材料的制备方法的步骤如下：

步骤一：将工业纯铁、多晶硅、磷铁合金、稀土RE和合金M按照原子比进行配料；

步骤二：将配好的原料在氩气保护下进行熔炼，熔炼温度为1200℃，采用水雾法制成非晶粉末，压强为20 MPa，制备的非晶粉末粒度小于200 μm；

步骤三：将所获得的非晶粉末进行-400 目、-300 目、-200 目、-100 目分级处理后进行粒度配比，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占20%~40%，-200 ~ +300 目占25% ~50%、-300 目占10% ~ 30% ，其余为-400 目；

步骤四：采用磷酸钝化工艺进行绝缘处理，磷酸的用量为磁粉重量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理；

步骤五：将钝化处理后的非晶粉末中加入二甲苯稀释的硅树脂中，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量的0.25%的硬脂酸锌，在1500-2100 MPa的压强下压制成环形铁基非晶软磁复合材料；

步骤六：将压制好的环形铁基非晶软磁复合材料在真空退火炉中400-450℃保温0.5-2 h。

实施例1：

将Fe、Y、P、Si、B、C和S按照 Fe₇₅Y₁P_5.8Si₅B₁₂C₁S_0.2原子比进行配料。将配好的原料装入真空熔炼炉的坩埚，在氩气的环境下进行熔炼。采用水雾法将母合金粉碎成尺寸小于200

μm的非晶粉末，水压为20 MPa。对非晶粉末进行粒度配比，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%。混合非晶粉末采用磷酸钝化，磷酸的用量为磁粉质量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理。钝化处理后的粉末中加入二甲苯稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量0.25%的硬脂酸锌，在2100 MPa的压强下压制成环形，并在真空退火炉中450℃保温0.5 h，得到铁基非晶软磁复合材料。磁导率和损耗在 f=100 kHz，B=0.1 T的条件下测得。

实施例2：

将Fe、Y、Dy、P、Si、B、C和S按照 Fe₇₅Y₁Dy₁P_5.8Si₅B₁₀C₂S_0.2原子比进行配料。将配好

的原料装入真空熔炼炉的坩埚，在氩气的环境下进行熔炼。采用水雾法将母合金粉碎成尺寸小于200 μm的非晶粉末，水压为20 MPa。对非晶粉末进行粒度配比，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%。混合非晶粉末采用磷酸钝化，磷酸的用量为磁粉质量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理。钝化处理后的粉末中加入二甲苯稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量0.25%的硬脂酸锌，在2100 MPa的压强下压制成环形，并在真空退火炉中450℃保温0.5 h，得到铁基非晶软磁复合材料。磁导率和损耗在 f=100 kHz，B=0.1 T的条件下测得。

实施例3：

将Fe、Y、Dy、P、Si、B、C和S按照 Fe₇₃Y₃Dy₁P_5.8Si₅B₁₀C₂S_0.2原子比进行配料。将配好

的原料装入真空熔炼炉的坩埚，在氩气的环境下进行熔炼。采用水雾法将母合金粉碎成尺寸小于200 μm的非晶粉末，水压为20 MPa。对非晶粉末进行粒度配比，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占20%，-200 ~ +300 目占50%、-300 目占30% 。混合非晶粉末采用磷酸钝化，磷酸的用量为磁粉质量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理。钝化处理后的粉末中加入丙酮稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量0.25%的硬脂酸锌，在1500 MPa的压强下压制成环形，并在真空退火炉中400℃保温0.5 h，得到铁基非晶软磁复合材料。磁导率和损耗在 f=100 kHz，B=0.1 T的条件下测得。

实施例4：

将Fe、Y、Dy、P、Si、B和S按照 Fe₇₅Dy₂P_5.8Si₅B₁₂S_0.2原子比进行配料。将配好的原料

装入真空熔炼炉的坩埚，在氩气的环境下进行熔炼。采用水雾法将母合金粉碎成尺寸小于200 μm的非晶粉末，水压为20 MPa。对非晶粉末进行粒度配比，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占40%，-200 ~ +300 目占25% 、-300 目占10% ，-400 目占25%。混合非晶粉末采用磷酸钝化，磷酸的用量为磁粉质量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理。钝化处理后的粉末中加入丙酮稀释的硅树脂，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量0.25%的硬脂酸锌，在2100 MPa的压强下压制成环形，并在真空退火炉中450℃保温0.5 h，得到铁基非晶软磁复合材料。磁导率和损耗在 f=100 kHz，B=0.1 T的条件下测得。

Claims (7)

1.一种铁基非晶软磁复合材料，其特征在于构成非晶软磁复合材料的合金组成以原子比表示满足下式：

Fe_100-a-b-c-dRE_aM_bP_cS_d

其中，0＜a≤8、10≤b≤25、0＜c≤10、0＜d≤0.5，RE为选自Y、La、Eu、Gd 、Dy、

Ho、 Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种，M为选自C、Si、B中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁复合材料，其特征在于所述的1≤a≤3。

3.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁复合材料，其特征在于所述的13≤b≤18。

4.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁复合材料，其特征在于所述的3≤c≤5。

5.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁复合材料，其特征在于所述的0＜d≤0.3。

6.根据权利要求1所述的铁基非晶软磁复合材料，其中M为选自C、Si、B中的两种或三种。

7.一种如权利要求1所述的铁基非晶软磁复合材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：

步骤一：将工业纯铁、多晶硅、磷铁合金、稀土RE和合金M按照原子比进行配料；

步骤二：将配好的原料在氩气保护下进行熔炼，熔炼温度为1200℃，采用水雾法制成非晶粉末，压强为20 MPa，制备的非晶粉末粒度小于200 μm；

步骤三：将所获得的非晶粉末进行-400 目、-300 目、-200 目、-100 目分级处理后进行粒度配比，混合粉末的质量百分比含量为：-100 ~ +200 目占20%~40%，-200 ~ +300 目占25% ~50%、-300 目占10% ~ 30% ，其余为-400 目；

步骤四：采用磷酸钝化工艺进行绝缘处理，磷酸的用量为磁粉重量的0.4%，在50℃下进行1 h的钝化处理；

步骤五：将钝化处理后的非晶粉末中加入二甲苯稀释的硅树脂中，硅树脂的加入量为磁粉质量的2%，再加入磁粉质量的0.25%的硬脂酸锌，在1500-2100 MPa的压强下压制成环形铁基非晶软磁复合材料；

步骤六：将压制好的环形铁基非晶软磁复合材料在真空退火炉中400-450℃保温0.5-2 h。