CN104425093A

CN104425093A - 一种铁基软磁复合材料及其制备方法

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Publication number: CN104425093A
Application number: CN201310364834.6A
Authority: CN
Inventors: 聂军武; 包崇玺; 张文军; 彭元东; 马建
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: CN104425093B

Abstract

本发明公开了一种铁基粉末软磁复合材料，它由雾化铁基粉末、超细高熔点无机物和润滑剂组成，该雾化铁基粉末表面包覆有磷酸盐和有机硅树脂绝缘层，其制备方法包括以下步骤：将雾化铁基粉末和超细无机物充分混合，然后在非氧化气氛中高温加热处理，保温30min以上后冷却至室温，所得无机物隔离的铁粉进行表面磷化处理和有机硅树脂包覆，然后压制退火。由于混有高熔点超细无机物对铁粉的隔离，铁粉可在1000℃左右的较高温度下退火而不发生烧结且具有高压缩性，铁粉经磷化处理后表面覆有绝缘层，同时磷化物对铁粉有润滑作用，压制时减小内摩擦，提高粉体压坯密度。有机硅树脂的加入改善了铁粉表面绝缘层的分布，因此粉末成形体烧结后软磁性能达到优化。

Description

一种铁基软磁复合材料及其制备方法

技术领域

本发明粉末冶金及磁性材料技术领域，具体是一种高压缩性的铁基软磁复合材料及其制备方法。

背景技术

新型高性能铁基软磁复合材料（Iron soft magnetic composites）对于各种电子产品实现高精度、高灵敏度和大容量、小型化的发展要求具有极为重要的作用。ISMC材料制备的关键是对磁性颗粒进行绝缘包覆处理，不仅能有效降低高频涡流损耗，而且还结合了粉末冶金技术的生产优势，在航空、汽车、家用电器以及其他领域得到广泛的应用。为弥补铁-树脂SMC材料热处理温度低，高温机械强度低等不足，人们开始尝试将铁粉与多组分介电材料复合，希望在不影响电阻率的前提下，尽可能减少树脂的添加量。因此说，如何提高软磁复合材料的综合性能一直是该类磁体的研究重点。

专利文献（日本特许4044591号公报）公开了通过在铁基粉末表面按顺序形成含有特定元素的磷酸盐类转化膜、硅酮树脂皮膜的方法，成功获得了高磁通密度、低铁损的压粉磁芯。专利文献（CN201080001075.1）报道了通过添加7nm～500nm的无机绝缘粉末来提高铁粉的热处理温度而不使粉末烧结，以获得更高的压缩性能，该铁粉经过有机绝缘层的包覆，在1100～1400MPa的压力下获得高压坯密度，磁粉芯的磁导率和直流BH特性都比较高。这些方法都在一定的应用范围内取得很好的成效。不过使用这些方法，不能在维持低损耗的基础上，充分地实现高压缩性和高烧结强度。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种组分合理、综合性能优异的铁基软磁复合材料，其软磁复合铁粉具有高压缩性。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铁基软磁复合材料的制备方法，工艺简单合理，在铁粉表面先进行磷化处理形成绝缘层和自润滑层，能有效减少有机包覆的用量，从而实现高温烧结以提高密度和强度，同时软磁粉芯的损耗降低。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铁基软磁复合材料，其特征在于：是由雾化铁基粉末、超细高熔点无机物和润滑剂组成，该雾化铁基粉末表面包覆有磷酸盐和有机硅树脂绝缘层；其中超细高熔点无机物的质量为雾化铁基粉末质量的0.1～1.5%；润滑剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.1～1.0%。

作为优选，所述雾化铁基粉末为30-300μm级别的雾化纯铁粉，其粒度偏差在10～30μm之间。

作为优选，所述超细高熔点无机物为纳米氧化铝、二氧化硅、硅酸钙或氧化钛中的至少一种，其粒径在5～500nm内。

作为优选，所述磷酸盐是由磷化液在雾化铁基粉末表面磷化反应后所产生，磷化液为以下化合物中的一种：铁系磷化液SD302、锌系磷化液SD305或防锈磷化液SD309，磷化时间3～15min。

再优选，所述有机硅树脂为环氧改性硅树脂、聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂或聚酯改性硅树脂中的一种，有机硅树脂的包覆层厚度为0.2～4μm。

再优选，所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸、EBS蜡、酰胺蜡或聚乙烯醚中的一种。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铁基软磁复合材料的制备方法，其特征在于：将雾化铁基粉末和超细高熔点无机物充分混合，然后在非氧化气氛中加热铁粉混合物，800℃～1100℃下保温30min以上软化处理后冷却至室温，使得超细高熔点无机物在铁粉表面扩散，将所得无机物隔离的铁粉进行表面进行磷化处理和有机硅树脂包覆；接着在上述所得软磁铁粉中混入适量润滑剂，在600-1400MPa的压力下压制，压制好的部件进行退火热处理，在450-850℃的环境中保温处理20-60min，即得到所需的铁基软磁复合材料。

作为优选，所述雾化铁基粉末为30-300μm级别的雾化纯铁粉，其粒度偏差在10～30μm之间；所述超细高熔点无机物为纳米氧化铝、二氧化硅、硅酸钙或氧化钛中至少一种，其粒径在5～500nm之间；所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸、EBS蜡、酰胺蜡或聚乙烯醚中的一种。

作为改进，所述磷化处理是指将磷化液喷淋到铁粉中，机械搅拌，然后快速烘干；所述磷化液为铁系磷化液、锌系磷化液或防锈磷化液中的一种，磷化时间3～15min；

所述有机硅树脂包覆是指将有机硅树脂稀释后喷淋到铁粉中，机械搅拌，然后快速烘干；所述有机硅树脂为环氧改性硅树脂、聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂或聚酯改性硅树脂中的一种，有机硅树脂的包覆层厚度为0.2～4μm。

再改进，所述退火热处理的工艺参数为：退火稳定450-850℃，处理时间20-60min，退火气氛为N₂/H₂气氛非氧化气氛或在空气气氛中退火。

与现有技术相比，本发明的优点在于：为提高铁粉的压缩性，铁粉经过加热退火，由于混有超细高熔点无机物对铁粉的隔离，铁粉可在1000℃左右的较高温度下退火而不发生烧结。铁粉经磷化处理后表面覆有绝缘层，同时磷化物对铁粉有润滑作用，压制时减小内摩擦，提高粉体压坯密度，并有效减少有机包覆的用量；有机硅树脂的加入改善了铁粉表面绝缘层的分布，因此粉末成形体烧结后软磁性能达到优化。本发明的制备工艺简单合理，软磁复合铁粉不发生烧结而且具有高压缩性，制得的软磁复合材料具有优异的磁性能。

附图说明

图1是本发明实施例1铁基粉末混合超细无机物退火后表面形貌图；

图2是本发明实施例1铁基粉末退火后表面磷化形貌图；

图3是本发明实施例2铁基粉末包覆绝缘层后剖面形貌图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明实施例中所用铁基粉末均为商业购买的普通水雾化纯铁粉。例如优选牌号为300W的铁粉，其中优选粒度在30～50μm范围内的铁粉为高频软磁铁粉芯原料，另选粒度范围在50～500nm内的无机物为超细绝缘隔离粉，此处优选纳米氧化铝，两种粉末经搅拌混合，其中纳米无机粉所占质量百分比为0.8%。

混合均匀的铁粉原料放入网带式加热炉内加热退火，保温温度控制在900～1100℃范围内，此处优选1000℃，保温30min。加热和冷却到室温时炉内保持非氧化性气氛。所得高压缩性软磁粉末如图1所示的微观形貌，其表面均匀分布超细高熔点无机物。

上述混合粉末处理好后，以喷淋方式加入一定量的铁基磷化液，此处优选商业购买的SD302铁基常温磷化液，对铁粉进行表面磷化，磷化时间根据所需磷化层厚度决定，此处5min即可磷化好。磷化后的铁基粉末表面形貌如图2所示，磷酸盐颗粒呈现四方型颗粒形貌，且大小均匀、致密。

为改善铁粉绝缘层包覆的均匀性，在磷化后软磁粉末上包覆一次有机硅树脂，此例中优选有机树脂为环氧改性硅树脂，含量为0.02%，包覆后软磁粉在烘箱中进行1.5小时烘干，使包覆厚度为0.2～4μm。

用以上方法所得软磁粉末，在软磁粉末中混入占软磁粉末质量0.7%的硬脂酸锌润滑剂，在1100MPa的压力下压制，压制好的部件在650℃的环境中保温处理40min，得到所需铁基复合软磁磁环；软磁粉末的压缩性能和制备的磁环样品性能见表1。

实施例2

选择普通水雾化纯铁粉，其中优选粒度在100～280μm范围内的铁粉为低频软磁铁粉芯原料，更为优选的是100～150μm的铁粉含量不大于3%，150～180μm的铁粉含量不大于16%，其余为180～280μm的铁粉。另选粒度范围在50～500nm内的无机物为超细绝缘隔离粉，此处优选纳米氧化铝，两种粉末经搅拌混合，其中纳米无机粉所占质量百分比不超过0.5%。

混合均匀的铁粉原料放入网带式加热炉内加热退火，保温温度控制在900～1100℃范围内，此处优选1050℃，保温30min。加热和冷却到室温时炉内保持非氧化性气氛。

上述混合粉末处理好后，以喷淋方式加入一定量的铁基磷化液，此处优选商业购买的SD302铁基常温磷化液，对铁粉进行表面磷化，磷化时间根据所需磷化层厚度决定，此处5min即可磷化好。

为改善铁粉绝缘层包覆的均匀性，可选择地在磷化后软磁粉末上包覆一次有机硅树脂，此例中优选有机树脂为环氧改性树脂，含量为0.02%，包覆后软磁粉在烘箱中进行1.5小时烘干，使包覆厚度为0.2～4μm。最终所获得高压缩性软磁粉末包覆有均匀一致的绝缘层，如图3所示的铁粉颗粒剖面微观形貌，包覆层连续清晰可见。

用以上方法所得软磁粉末，在软磁粉末中混入占软磁粉末质量0.4%的硬脂酸润滑剂，在1100MPa的压力下压制，压制好的部件在800℃的环境中保温处理25min，得到所需铁基复合软磁磁环；软磁粉末的压缩性能和制备的磁环样品性能见表1。

实施例3

选择普通水雾化铁粉，其中优选粒度在100～280μm范围内的铁粉为原料，另选粒度范围在50～500nm内的无机物为超细绝缘隔离粉，此处优选纳米氧化硅，两种粉末经搅拌混合，其中纳米无机粉所占质量百分比不超过0.5%。

用以上方法所得软磁粉末，在软磁粉末中混入占软磁粉末质量0.5%的硬脂酸锂润滑剂，在1100MPa的压力下压制，压制好的部件在550℃的空气环境中保温处理60min，得到所需铁基复合软磁磁环；软磁粉末的压缩性能和制备的磁环样品性能见表1。

表格1（a，b，c分别对应实施例1-3中根据本发明制备的样品，d，e为市售参比样品）

注：以上软磁部件均为内径8mm、外径16mm的磁环，压制压力1100MPa，高度控制在5mm左右。

Claims

1.一种铁基软磁复合材料，其特征在于：是由雾化铁基粉末、超细高熔点无机物和润滑剂组成，该雾化铁基粉末表面包覆有磷酸盐和有机硅树脂绝缘层；其中超细高熔点无机物的质量为雾化铁基粉末质量的0.1～1.5%；润滑剂的质量为雾化铁基粉末质量的0.1～1.0%。

2.根据权利要求1所述的铁基软磁复合材料，其特征在于：所述雾化铁基粉末为30-300μm级别的雾化纯铁粉，其粒度偏差在10～30μm之间。

3.根据权利要求1所述的铁基软磁复合材料，其特征在于：所述超细高熔点无机物为纳米氧化铝、二氧化硅、硅酸钙或氧化钛中的至少一种，其粒径在5～500nm内。

4.根据权利要求1所述的铁基软磁复合材料，其特征在于：所述磷酸盐是由磷化液在雾化铁基粉末表面磷化反应后所产生，磷化液为以下化合物中的一种：铁系磷化液SD302、锌系磷化液SD305或防锈磷化液SD309，磷化时间3～15min。

5.根据权利要求1所述的铁基软磁复合材料，其特征在于：所述有机硅树脂为环氧改性硅树脂、聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂或聚酯改性硅树脂中的一种，有机硅树脂的包覆层厚度为0.2～4μm。

6.根据权利要求1所述的铁基软磁复合材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸、EBS蜡、酰胺蜡或聚乙烯醚中的一种。

7.一种权利要求1～6任意一项权利要求所述的铁基软磁复合材料的制备方法，其特征在于：将雾化铁基粉末和超细高熔点无机物充分混合，然后在非氧化气氛中加热铁粉混合物，800℃～1100℃下保温30min以上软化处理后冷却至室温，使得超细高熔点无机物在铁粉表面扩散，将所得无机物隔离的铁粉进行表面进行磷化处理和有机硅树脂包覆；接着在上述方法所得软磁铁粉中混入适量润滑剂，在600-1400MPa的压力下压制，压制好的部件进行退火热处理，在450-850℃的环境中保温处理20-60min，即得到所需的铁基软磁复合材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述雾化铁基粉末为30-300μm级别的雾化纯铁粉，其粒度偏差在10～30μm之间；所述超细高熔点无机物为纳米氧化铝、二氧化硅、硅酸钙或氧化钛中至少一种，其粒径在5～500nm之间；所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、硬脂酸、EBS蜡、酰胺蜡或聚乙烯醚中的一种。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述磷化处理是指将磷化液喷淋到铁粉中，机械搅拌，然后快速烘干；所述磷化液为铁系磷化液、锌系磷化液或防锈磷化液中的一种，磷化时间3～15min；所述有机硅树脂包覆是指将有机硅树脂稀释后喷淋到铁粉中，机械搅拌，然后快速烘干；所述有机硅树脂为环氧改性硅树脂、聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂或聚酯改性硅树脂中的一种，有机硅树脂的包覆层厚度为0.2～4μm。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述退火热处理的工艺参数为：退火稳定450-850℃，处理时间20-60min，退火气氛为N₂/H₂气氛非氧化气氛或在空气气氛中退火。