CN104409189B

CN104409189B - 复合软磁材料及其制备方法

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Publication number: CN104409189B
Application number: CN201410214819.8A
Authority: CN
Inventors: 聂敏; 周勋; 李有云
Original assignee: Shenzhen Sunlord Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Sunlord Electronics Co Ltd
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: CN104409189A

Abstract

本发明公开了一种复合软磁材料及其制备方法，该复合软磁材料包括如下组份：48.25～76.91wt％FeSiCr、15～30.5wt％Fe₂O₃、3～9wt％NiO、3.8～7.3wt％ZnO、1.0～2.5wt％CuO、0.01～0.65wt％Bi₂O₃、0.03～0.55wt％V₂O₅、0.15～0.75wt％SiO₂、0.1～0.5wt％Mn₃O₄。该复合软磁材料具有高起始磁导率和高Bs的复合软磁材料。

Description

复合软磁材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及软磁材料领域，具体涉及复合软磁材料及其制备方法。

【背景技术】

软磁铁氧体最大优点是在高频下具有较高的磁导率和电阻率(10²～10⁶Ω·cm)，软磁合金的最大优点是具有较高的饱和磁通密度(Bs)，具有直流叠加特性好的特点。

随着器件向着小型化和大电流化方向发展，对软磁材料性能提出了更高的要求。功率电感器在高频下使用，尤其是在100KHz及以上使用，一方面软磁合金往往由于电阻率较低，绝缘和耐压性能较低，磁心发热较大，造成器件的性能恶化，另一方面软磁铁氧体由于Bs相对较低，造成器件的直流偏置特性不足。另外，软磁合金粉芯的磁导率一般较低，为得到较高的电感量，器件往往需要增加绕线的圈数，从而造成铜损增加，器件的性能恶化，因而提高材料的起始磁导率必要。为对应功率电感的小型化和大电流化的要求，开发对应的较高磁导率和高Bs的复合软磁材料非常必要。

在国内已有一些相关复合软磁材料的制造方法的专利，具体如下：

(1)公开号为CN1637962，公开日为2005.07.13，发明名称为“复合烧结磁性材料及其制法、及使用该材料的磁性元件”的中国专利公开了一种复合烧结磁性材料、其制造方法和使用该复合烧结磁性材料的磁性元件。该复合烧结磁性材料既改善以往压粉磁芯的低透磁率，又克服了因为金属粉末和铁氧体层结合弱而使以往的压粉磁芯机械强度差的缺陷，本发明特别涉及用于变压器磁芯、扼流线圈、或者磁头等中的复合烧结磁性材料及其制造方法，以及适于作磁性元件的复合烧结磁性材料。该复合烧结磁性材料是由选自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中的至少一种金属粉末和选自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一种铁氧体粉末形成的铁氧体层构成的，并在两者间设置通过烧结形成的、使两者成为一体的扩散层。

(2)公开号为CN101777407A，公开日为2010.07.14，发明名称为“一种改进非晶粉芯导磁率及损耗的方法及依据此方法制备的复合粉芯”的中国专利公开了一种改进非晶粉芯导磁率及损耗的方法及依据此方法制备的复合粉芯。改进的方法为将铁氧体粉末按比例加入非晶合金粉末为铁基的软磁性粉末，铁氧体的重量百分比为2-20％。其中，铁氧体粉末可以选择锰锌铁氧体或镍锌铁氧体粉末等，另外非晶合金粉末可以是采用雾化方法制备的近似球形铁基非晶粉末以及利用破碎法制备而来的片状铁基非晶粉末。制备方法的原则在于合理选择两者粉末的粒度配比，使其混合后的粉末松装状态下的体积V＜V非晶+V铁氧体。利用其制备的非晶压型制品其损耗降低100mW/cm3(在0.1T，100kHz条件下测试)以上，导磁率提高5以上。

(3)公开号为CN102142309A，公开日为2011.08.03，发明名称为“一种块体非晶/铁氧体软磁复合材料及其制备方法”的中国专利公开了一种块体非晶/铁氧体软磁复合材料及其制备方法，该软磁复合材料是三维蜂巢结构的非晶/铁氧体软磁复合材料，是由高电阻率软磁铁氧体构成巢壁结构，巢壁铁氧体包围并完全隔离巢内软磁性非晶合金颗粒构成的非晶合金软磁相，使巢内非晶合金软磁相相互绝缘；软磁性非晶合金颗粒的含量为50wt％～99wt％，余为软磁铁氧体；制备方法是将软磁性非晶合金颗粒和软磁铁氧体粉末按比例混合，使软磁铁氧体粉末完全均匀包覆于软磁性非晶合金颗粒表面，再用放电等离子烧结技术，非晶合金颗粒不晶化而烧结致密化复合成形，最后进行去应力及纳米晶化退火热处理；所述块体非晶/铁氧体软磁复合材料比非晶合金软磁材料的电阻率明显提高，提高了非晶合金的工作频率。

(4)公开号为CN102693801A，公开日为2012.09.26，发明名称为“磁性材料及使用其的线圈零件”的中国专利公开了提供磁性材料及使用其的线圈零件。特别是提供一种可同时提高绝缘电阻及磁导率的新颖磁性材料，同时，提供使用此种磁性材料的线圈零件。该磁性材料包含粒子成形体，且该粒子成形体包括：多个金属粒子，包含Fe-Si-M系软磁性合金(其中，M是较Fe更易氧化的金属元素)；及氧化覆膜，形成在所述金属粒子的表面；且该粒子成形体(1)具有：中介着形成在相邻金属粒子表面的氧化覆膜而成的结合部、及不存在氧化覆膜的部分中的金属粒子彼此的结合部。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种复合软磁材料及其制备方法，以得到具有高起始磁导率和高Bs的复合软磁材料。

一种复合软磁材料，包括如下组份：

48.25～76.91wt％FeSiCr、15～30.5wt％Fe₂O₃、3～9wt％NiO、3.8～7.3wt％ZnO、1.0～2.5wt％CuO、0.01～0.65wt％Bi₂O₃、0.03～0.55wt％V₂O₅、0.15～0.75wt％SiO₂、0.1～0.5wt％Mn₃O₄。

在一个实施例中，FeSiCr为平均粒径为3～30μm的粉末。

在一个实施例中，Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Bi₂O₃、V₂O₅、SiO₂和Mn₃O₄的粒径均为50～100nm。

在一个实施例中，FeSiCr、Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Bi₂O₃、V₂O₅、SiO₂和Mn₃O₄分别占所述复合软磁材料的70.6wt％、19.05wt％、3.95wt％、4.2wt％、1.3wt％、0.2wt％、0.15wt％、0.25wt％、0.3wt％。

一种所述的复合软磁材料的制备方法，包括如下步骤：

混合步骤：按照所述的组份进行干法混合，得到混合料；

预烧步骤：将所述混合料在氮气保护进行预烧，得到预烧料；

粉碎步骤：以无水乙醇为溶剂，将所述预烧料进行湿法粉碎，得到粉碎浆料；

造粒步骤：在所述粉碎浆料中加入糠醛树脂，采用氮气保护喷雾造粒，得到颗粒料；

压制步骤：将所述颗粒料采用粉末成型机压制得到坯件；

烧结步骤：在氮气保护中烧结所述坯件烧结结束后随炉冷却至室温。

其中，上述混合步骤中，采用干法混合以利于预烧步骤，否则采用湿法混合，则延长了预烧步骤；而在粉碎步骤中，采用湿法混合则利于接着的造粒步骤，这样才能喷雾造粒。

在一个实施例中，在所述混合步骤中，混合时间为60～90分钟。

在一个实施例中，在所述预烧步骤中，预烧温度控制在670±20℃，预烧时间为200～300分钟，氧含量控制在1％以下。

在一个实施例中，在所述粉碎步骤中，粉碎时间为60～120分钟，粉碎后料浆粒径控制在3～30μm。

在一个实施例中，在所述造粒步骤，糠醛树脂等于粉碎浆料重量的3％至4％，优选为3.5％。

在一个实施例中，在所述压制步骤中，所述坯件的压制密度控制在(5.80±0.10)g/cm³；

或者在所述烧结步骤中，烧结温度控制在750℃～790℃，保温200～300分钟，烧结气氛为氮气，氧含量控制在1％以下。

本发明采用合理的主配方，通过调整FeSiCr粉末的含量来调整材料的饱和磁感应强度；通过调整纳米Fe₂O₃﹑NiO﹑ZnO﹑CuO的含量来调整生成的NiCuZn铁氧体的含量，从而提高材料的磁导率和增加材料的绝缘和耐压性能；通过增加纳米SiO₂的含量进一步提高材料的绝缘和耐压性能；加入纳米Mn₃O₄提高材料的磁导率；加入纳米Bi₂O₃和V₂O₅降低烧结温度；再通过制备生产工艺进一步调整材料结晶分布，从而得到较高的磁导率和Bs，并且保证一定的绝缘和耐压性能。该材料具有具有较高磁导率和高Bs的特点，适应功率电感的小型化和大电流化对软磁材料的的要求。

材料的性能指标如下：

(1)起始磁导率μ_i：75(1±20％)

(2)饱和磁感应强度Bs：≥1000mT

(3)绝缘电阻：≥50MΩ

(4)耐压：≥50V。

【附图说明】

附图是实施例和对比例的μ_i频谱图。

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

在一个实施例中，复合软磁材料的制备方法如下：

(1)混合：按表1(实施例和对比例)所述的主成分配比配料后进行干法混合，混合时间为60～90分钟；

(2)预烧：将混合好的材料在氮气保护推板窑中进行预烧，预烧温度控制在670±20℃，预烧时间为200～300分钟，氧含量控制在1％以下；

(3)粉碎：在上步预烧得到的预烧料中进行湿法粉碎，以无水乙醇为溶剂，粉碎时间为60～120分钟，粉碎后料浆粒径控制在3～30μm；

(4)造粒：在上步的料浆加入相当于料浆重量的3.5％的糠醛树脂，采用氮气保护喷雾造粒，得到颗粒料；

(5)压制：将上步的颗粒料采用粉末成型机压制得到坯件，坯件的压制密度控制在(5.80±0.10)g/cm³；

(6)烧结：在氮气保护电阻炉中进行烧结，烧结温度控制在750℃～790℃，保温200～300分钟，烧结气氛为氮气，氧含量控制在1％以下，烧结结束后随炉冷却至室温。

通过以上工序制得所述复合材料磁环样品(磁环尺寸为T8×5×2)。

将烧结后的复合材料磁环分别进行测试和评价。在匝数N＝26Ts条件下，使用HP-4284型LCR测试仪测试磁环样品的起始磁导率μ_i；用SY-8218型B-H分析仪测试样品的饱和磁感应强度Bs；用CH-333型绝缘耐压测试仪测试样品的绝缘和耐压性能；使用HP-4291B测试样品的频谱特性。

表1实施例和对比例的成分配比

表2实施例和对比例的磁性能

注意:超过规格下限的附加“*”。

表2列出了实施例和对比例的性能及评价，从表2中可以看出，本发明的实施例和对比例相比较，本发明有效地提高了材料的起始磁导率，并能保持相应的绝缘和耐压性能，较高的饱和磁感应强度。本发明的起始磁导率可以达到75(1±20％)。如表所示，实施例1的Bs明显优于对比例1，对比实施例和对比例的μ_i频谱(图1)，实施例的频谱特性与对比例的基本一致。拥有较高的Bs，而较高的Bs通常对应较高的饱和电流，并且频率特性基本与相应的铁氧体材料基本一致，本发明的材料应该能够满足功率电感的小型化和大电流化对软磁材料的要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims

1.一种复合软磁材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

混合步骤：按照如下组份进行干法混合，得到混合料，其中含有48.25～76.91wt％FeSiCr、15～30.5wt％Fe₂O₃、3～9wt％NiO、3.8～7.3wt％ZnO、1.0～2.5wt％CuO、0.01～0.65wt％Bi₂O₃、0.03～0.55wt％V₂O₅、0.15～0.75wt％SiO₂、0.1～0.5wt％Mn₃O₄；

压制步骤：将所述颗粒料采用粉末成型机压制得到坯件；

烧结步骤：在氮气保护中烧结所述坯件，烧结结束后随炉冷却至室温。

2.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是：

在所述混合步骤中，混合时间为60～90分钟。

3.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是：

在所述预烧步骤中，预烧温度控制在670±20℃，预烧时间为200～300分钟，氧含量控制在1％以下。

4.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是：

在所述粉碎步骤中，粉碎时间为60～120分钟，粉碎后料浆粒径控制在3～30μm。

5.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是：

在所述造粒步骤，糠醛树脂等于粉碎浆料重量的3％至4％。

6.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是：

在所述压制步骤中，所述坯件的压制密度控制在(5.80±0.10)g/cm³；

7.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是，FeSiCr为平均粒径为3～30μm的粉末。

8.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是，Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Bi₂O₃、V₂O₅、SiO₂和Mn₃O₄的粒径均为50～100nm。

9.如权利要求1所述的复合软磁材料的制备方法，其特征是：FeSiCr、Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Bi₂O₃、V₂O₅、SiO₂和Mn₃O₄分别占所述复合软磁材料的70.6wt％、19.05wt％、3.95wt％、4.2wt％、1.3wt％、0.2wt％、0.15wt％、0.25wt％、0.3wt％。