CN104858441B

CN104858441B - 一种微细片状金属软磁合金粉末的制备方法

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Publication number: CN104858441B
Application number: CN201510259577.9A
Authority: CN
Inventors: 贺会军; 盛艳伟; 赵新明; 赵文东; 张金辉; 边隽杰; 袁国良; 王山山
Original assignee: BEIJING COMPO ADVANCED TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Youyan Additive Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: CN104858441A

Abstract

本发明涉及一种微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，属于金属及合金粉末制备技术领域。该方法包括选取Fe、Si、Al、Ni和Mo中的两种或三种为原料进行合金配料；采用中频感应炉进行合金熔炼；采用二流雾化法对熔体进行雾化处理，并制得近球形合金粉末；通过机械球磨对合金粉末进行扁平化处理；对得到的片状粉末进行退火处理，经超声振筛制备得到微细片状金属软磁合金粉末。该方法制备生产的粉末为微细片状，粒度在10‑100μm，平均厚度为0.1μm‑5μm，径厚比为50‑500，粉末扁平化率达到90％。本方法制粉工艺简单、生产效率高、生产成本低，可有效实现软磁粉芯制品品质的提高和制造成本的降低。

Description

一种微细片状金属软磁合金粉末的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，属于金属及合金粉末制备技术领域。

背景技术

金属软磁粉芯作为一种重要的磁性功能材料，随着电子器件小型化、高频化的发展，在各种电感元器件、功率变压器等领域中具有非常广泛的应用前景，具有独特性能的软磁粉芯在上述领域的应用将产生巨大的经济效益。金属磁粉芯是采用金属或合金软磁材料制成的粉末，通过粉末冶金生产工艺制备的软磁复合材料，其磁性能和物理性能受原料粉末、成形工艺及后处理工艺影响十分明显。为了提高材料的磁导率和机械强度，通常采用增大的软磁粉芯压制成型生坯的密度。而为实现上述目的，使用的金属原料粉末必须具有良好的成型性和压缩模制技术的适宜性，即粉末易于模压成型为高密度元件，同时坯体容易地从模具中脱出，因而对模压成型设备及模具要求较高。

在金属软磁合金粉末压制成型之前，首先需要对粉末进行钝化处理和绝缘处理，对于采用包覆技术涂敷的软磁合金粉末，磁芯元件的研究旨在发展提高其特定物理和磁性能，希望金属软磁粉芯在扩展的频率范围内具有高磁导率、低磁芯损耗、高饱和磁感应强度及高机械强度。但是，经过绝缘预处理后表面会包覆一层绝缘层，使得粉末颗粒间距增大，从而使得铁粉在压制成型后，坯体的密度会降低，进而影响到芯体的磁导率和力学强度。此外，现有原料粉末大多采用雾化法和机械破碎法制备，粉末成型需要较大的压力，导致压制坯体内应力大，不易脱模并致使坯体开裂，降低生产效率并增加生产成本。为消除内应力磁粉芯进行高温退火处理，但对磁粉芯成型体进行高温热处理后，磁粉芯的尺寸会发生变化，通常会由于高温热处理而产生体积膨胀，不但影响最终产品的尺寸精度，而且磁性能有恶化的倾向。

发明内容

本发明针对高磁导率和高致密度金属软磁粉芯的制备问题，将雾化法与机械球磨法相结合，目的在于提供一种金属软磁粉芯用片状粉末的制备方法。该方法制备的粉末能够在使坯体的成型密度提高的同时，大幅度地降低压粉成型后的脱模压力，从而实现制品品质的提高和制造成本的降低。此外，通过压制过程致密化和粉末扁平化处理工艺，使得粉末晶粒细化，并获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，制备的软磁粉芯具有磁导率高、高频下涡流损耗低等优点。

本发明将快速凝固雾化法和机械球磨法的特点和优势相结合，通过气雾化或水雾化制备金属软磁合金粉末，并通过机械球磨的方法，获得微细、片状结构合金粉末。由于采用雾化法制备合金粉末，具有纯度高、成分均匀无偏析，粉末粒度容易调控等优点，并且通过机械球磨的方法高效地获得片状结构粉末，工艺简单，制备成本低廉。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取Fe、Si、Al、Ni和Mo中的两种或三种为原料进行合金配料；

(2)采用中频感应炉进行合金熔炼；

(3)采用二流雾化法对熔体进行雾化处理，并制得近球形合金粉末；

(4)通过机械球磨对合金粉末进行扁平化处理；

(5)对得到的片状粉末进行退火处理，经超声振筛制备出微细片状金属软磁合金粉末。

步骤(1)中，所述的原料纯度大于99.9wt％；合金成分主要为FeSi6.5、FeSi5.5、FeSi4.5、FeSi9.6Al5.4、FeNi50和FeNi81Mo2。

步骤(2)中，中频熔炼采用真空熔炼或大气熔炼；采用真空熔炼时，预抽真空处理，真空度达到1×10^-4～1×10^-2Pa，熔炼室充入保护气体(氮气或氩气)，压力为0.1～0.50MPa；采用大气熔炼时，熔炼室充入惰性气体(氮气或氩气)保护，压力为0.1～0.30MPa，避免合金氧化。

所述的熔炼温度为1550～1750℃，合金熔体过热度为100-250℃。

步骤(3)中，所述的雾化处理包括气雾化处理和水雾化处理；所述的气雾化处理采用的雾化器为超音速气雾化喷嘴，气雾化压力为0.50～10MPa；所述的水雾化处理采用的雾化器为V型高压水雾化喷嘴，水雾化压力为35-70MPa。

所述的超音速气雾化喷嘴的气雾化压力优选为1.5-10MPa，使熔体液流分散、破碎形成细小液滴。

步骤(4)中，所述的机械球磨为行星球磨或高能搅拌球磨方式；所述的机械球磨过程中，添加硬脂酸、聚乙烯醇或聚乙二醇等高分子表面活性剂作为粉体分散剂，添加量为粉末(原料)质量的0.2-2wt％，防止粉末二次团聚；所述的机械球磨过程中，球料比选用3:1-20:1。

高能搅拌球磨机转速为200-1880rpm，球磨时间为30-120min。行星球磨的转速为50-300rpm，球磨时间为30-150min。

金属粉末在钢球的冲击、摩擦作用分层、延展和粉碎，近球形状粉末逐渐研磨成扁平状，粉末表面较为光滑，颗粒之间界限明显，不存在团聚现象。

步骤(5)中，粉末的退火处理为采用真空电炉，在惰性气体(N₂或Ar)保护条件下进行退火热处理，退火温度为450-650℃，保温时间为1-3h。

所述的微细片状软磁合金粉末粒度细小，粒度在10-100μm，杂质含量低，平均厚度为0.1μm-5μm，径厚比为50-500，粉末扁平化率达到90％(质量百分比)。

本发明以原料纯度大于99.9％的Fe、Si、Al、Ni、Mo中两种或三种为原料，通过中频真空感应炉进行熔炼，熔炼室内气体压力为0～0.50MPa，熔炼温度在1550～1750℃。将熔炼后合金熔体倾倒入中间包中，采用双层雾化喷嘴对熔体进行雾化处理，雾化压力控制在2.0～10MPa，并对合金熔滴进行强制冷却和分散，减少卫星球的生成。雾化粉末通过钢球的冲击、摩擦作用分层、延展，在150min时，粉碎成为片状粉末，采用2％物料质量的硬脂酸作为粉体分散剂能很好的起到助磨、防止二次团聚的作用，球料比选用20:1～3:1为佳，在500rpm的转速下能制备出片径d50≤50μm、片厚σ≤5μm的片状坡莫合金粉末。通过扁平化处理，合金粉末获得了扁平薄片状外形结构，同时其晶粒细化并获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，材料的微波复磁导率实部和虚部均有显著提高，介电常数有效降低。

本发明方法制备的片状软磁粉末可应用于高磁导率、高强度、低损耗软磁粉芯的制备。采用本发明制备的片状合金粉末不仅明显提高粉末冶金软磁粉芯压制成型后的机械强度，而且大幅度地降低压粉成型后的脱模压力，从而一并实现制品品质的提高和制造成本的降低。同时，扁平化处理后的粉末其晶粒细化，并获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，制备的软磁粉芯具有磁导率高、高频下涡流损耗低等优点，从而大幅拓展软磁粉芯的使用领域。本方法制粉工艺简单、生产效率高、生产成本低，可有效实现软磁粉芯制品品质的提高和制造成本的降低。

本发明的优点：

(1)采用雾化法制备原料粉末，合金粉末具有纯度高、成分均匀无偏析，粉末粒度容易调控。此外，该方法通过机械球磨的方法高效地获得片状结构磁粉，工艺简单，生产效率高、易于实现规模化生产。

(2)微细片状软磁合金粉末粒度细小，杂质含量低，平均厚度为0.1μm-5μm，径厚比为50-500，粉末扁平化率达到90％(质量百分比)。

(3)粉末扁平化处理后压制过程中相互啮合，明显提高粉芯坯体的机械强度，且大幅度地降低压粉成型后的脱模压力。同时，扁平化处理后的粉末其晶粒细化，获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，制备的软磁粉芯具有磁导率高、涡流损耗低等优点，从而一并实现制品品质的提高和制造成本的降低。

具体实施方式

本发明的微细片状软磁合金粉末的制备方法，包括合金中频熔炼、超音速雾化制粉、粉末机械球磨及退火处理等制备过程，包括以下步骤：

(1)纯度大于99.9％的Fe、Si、Al、Ni、Mo中两种或三种为原料，通过中频真空感应炉进行熔炼，熔炼室内气体压力为0～0.50MPa，熔炼温度在1550～1750℃；雾化处理时，采用的雾化器为超音速气雾化喷嘴或V型高压水雾化喷嘴，对合金熔体进行初级雾化，气雾化压力为0.50～10MPa(水雾化压力为35-70MPa)。采用超音速雾化喷嘴对合金熔体进行雾化处理，雾化压力优选控制在2.0～10MPa，并对合金熔滴进行强制冷却和分散，减少卫星球的生成；

(2)将气雾化软磁合金粉末与不锈钢球一起放入行星球磨机的不锈钢球磨罐内，采用机械球磨法对雾化合金粉末进行扁平化处理。添加硬脂酸、聚乙烯醇、聚乙二醇等高分子表面活性剂作粉体分散剂，添加量粉末质量的0.2-2％(质量百分数)，防止粉末二次团聚。球料比选用3:1-20:1，高能搅拌球磨机转速200-1880rpm，球磨时间为30-120min。金属粉末在钢球的冲击、摩擦作用分层、延展，粉碎成为片状粉末。扁平化处理后近球形状粉末逐渐研磨成扁平状，粉末表面较为光滑，颗粒之间界限明显，不存在团聚现象；

(3)将扁平化处理后的片状粉末装入真空电炉中，进行惰性气体(N₂、Ar)保护条件退火热处理，退火温度为450-650℃，保温时间为1-3h。通过扁平化处理，铁硅合金料获得了扁平薄片状外形结构，同时其晶粒细化并获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，材料的微波复磁导率实部和虚部均有显著提高，介电常数有效降低。

以下结合具体实施例进一步说明本发明，这些实施例仅用于说明而非限定本发明的保护范围。

实施例1

微细片状软磁合金FeSi6.5粉末的制备方法，该方法按以下步骤进行：首先选用纯度大于99.9wt％的Fe、Si为原料(Si含量为6.5w％)，通过中频真空感应炉进行真空熔炼，预抽真空处理，真空度达到1×10^-3Pa，熔炼室充入氮气保护，熔炼室内气体压力为0.20MPa，熔炼温度1650℃。待合金充分熔化、成分均匀化后通过双层超音速雾化喷嘴对金属液流进行雾化制粉处理。雾化介质为高纯氮气(或氩气)，雾化压力控制在4.5MPa。熔体液滴通过雾化气体进行强制破损、分散和冷却，形成微小近球形粉末。采用机械球磨法对雾化合金粉末进行扁平化处理，将气雾化软磁合金粉末与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐内，球料比选用5:1，并添加粉末质量0.5wt％的硬脂酸作粉体分散剂，防止粉末二次团聚。高能搅拌球磨机转速1000rpm，球磨时间为30min。金属粉末在钢球的冲击、摩擦作用分层、延展，粉碎成为片状粉末。扁平化处理后近球形状粉末逐渐研磨成扁平状，粉末表面较为光滑，颗粒之间界限明显，不存在团聚现象。将扁平化处理后的片状粉末装入真空电炉中，进行惰性气体(N₂、Ar)保护条件退火热处理，退火温度为450℃，保温时间为1h。

制备得到的粉末为微细片状，平均粒度为100μm，平均厚度为2μm，径厚比为50，粉末扁平化率达到90％。通过扁平化处理，铁硅合金料获得了扁平薄片状外形结构。同时，其晶粒细化并获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，材料的微波复磁导率实部和虚部均有显著提高，介电常数有效降低。

实施例2

微细片状软磁合金FeNi50粉末的制备方法，该方法按以下步骤进行：首先选用纯度大于99.9wt％的Fe、Ni为原料(Ni含量为50wt％)，通过中频真空感应炉进行大气熔炼，熔炼过程采用氮气保护，避免合金氧化。合金熔炼温度在1750℃，并保持过热度150℃。待合金充分熔化、成分均匀化后通过V型高压水雾化喷嘴对金属液流进行雾化制粉处理，雾化压力控制在50MPa，制备出近球形金属软磁粉末。将气雾化软磁合金粉末与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐内，球料比选用10:1，并添加粉末质量的1wt％的聚乙烯醇作粉体分散剂，防止粉末二次团聚。高能搅拌球磨机转速500rpm，球磨时间为60min。金属粉末在钢球的冲击、摩擦作用分层、延展，粉碎成为片状粉末。然后，将扁平化处理后的片状粉末装入真空电炉中，进行惰性气体(N₂、Ar)保护条件退火热处理，退火温度为600℃，保温时间为2h。制备得到的粉末为微细片状，平均粒度50μm，平均厚度为0.2μm，径厚比为250，粉末扁平化率达到90％。

实施例3

微细片状软磁合金FeNi81Mo2粉末的制备方法，该方法按以下步骤进行：首先选用纯度大于99.9wt％的Fe、Ni、Mo为原料，按合金成分进行配料。通过中频真空感应炉进行真空熔炼，预抽真空处理，真空度达到1×10^-2Pa，熔炼室充入氮气保护，熔炼室内气体压力为0.30MPa，熔炼温度1750℃。待合金充分熔化、成分均匀化后通过双层超音速雾化喷嘴对金属液流进行雾化制粉处理。雾化介质为高纯氮气(或氩气)，雾化压力控制在8.5MPa。熔体液滴通过雾化气体进行强制破损、分散和冷却，形成微小近球形粉末。采用机械球磨法对雾化合金粉末进行扁平化处理，将气雾化软磁合金粉末与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐内，球料比选用20:1，并添加粉末质量的1wt％的硬脂酸作粉体分散剂，防止粉末二次团聚。行星球磨机转速100rpm，球磨时间为60min。金属粉末在钢球的冲击、摩擦作用分层、延展，粉碎成为片状粉末。扁平化处理后近球形状粉末逐渐研磨成扁平状，粉末表面较为光滑，颗粒之间界限明显，不存在团聚现象。将扁平化处理后的片状粉末装入真空电炉中，进行惰性气体(N₂、Ar)保护条件退火热处理，退火温度为550℃，保温时间为1.5h。制备得到的粉末为微细片状，粒度在10μm，平均厚度为0.1μm，径厚比为100，粉末扁平化率达到90％。通过扁平化处理，铁镍钼合金料获得了扁平薄片状外形结构。

实施例4

微细片状软磁合金FeSi9.6Al5.4粉末的制备方法，该方法按以下步骤进行：首先选用纯度大于99.9wt％的Fe、Si、Al为原料，按合金成分进行配料，通过中频真空感应炉进行大气熔炼，熔炼过程采用氮气保护，避免合金氧化。合金熔炼温度在1550℃，并保持过热度100℃。待合金充分熔化、成分均匀化后通过V型高压水雾化喷嘴对金属液流进行雾化制粉处理，雾化压力控制在70MPa，制备出近球形金属软磁粉末。将气雾化软磁合金粉末与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐内，球料比选用5:1，并添加粉末质量的1.5wt％的聚乙烯醇作粉体分散剂，防止粉末二次团聚。高能搅拌球磨机转速1500rpm，球磨时间为60min。金属粉末在钢球的冲击、摩擦作用分层、延展，粉碎成为片状粉末。然后，将扁平化处理后的片状粉末装入真空电炉中，进行惰性气体(N₂、Ar)保护条件退火热处理，退火温度为400℃，保温时间为1h。制备得到的粉末为微细片状，平均粒度在80μm，平均厚度为1μm，径厚比为80，粉末扁平化率达到80％。

上述方法经超声振筛制备生产的粉末为微细片状，粒度在10-100μm，平均厚度为0.1μm-5μm，径厚比为50-500，粉末扁平化率达到80％以上(质量百分比)。采用该发明制备的片状合金粉末不仅明显提高软磁粉芯压制成型后的机械强度，而且大幅度地降低压粉成型后的脱模压力，从而实现制品品质的提高和制造成本的降低。同时，扁平化处理后的粉末晶粒得到细化，获得晶粒尺寸小于交换作用长度的纳米晶结构，制备的软磁粉芯具有磁导率高、高频下涡流损耗低等优点。

Claims

1.一种微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，包括以下步骤：

(2)采用中频感应炉进行合金熔炼；所述的熔炼为真空熔炼或大气熔炼；采用真空熔炼时，预抽真空处理，真空度达到1×10^-4～1×10^-2Pa，熔炼室充入保护气体，压力为0.1～0.50MPa；采用大气熔炼时，熔炼室充入惰性气体保护，压力为0.1～0.30MPa；

(3)采用二流雾化法对熔体进行雾化处理，并制得近球形合金粉末；所述的雾化处理包括气雾化处理和水雾化处理；所述的气雾化处理采用超音速气雾化喷嘴，气雾化压力为0.50～10MPa；所述的水雾化处理采用高压水雾化喷嘴，水雾化压力为35-70MPa；

(4)通过机械球磨对合金粉末进行扁平化处理；

(5)对得到的片状粉末进行退火处理，所述的退火处理为采用真空电炉，在惰性气体保护下进行，退火温度为450-650℃，保温时间为1-3h，经超声振筛制备得到微细片状金属软磁合金粉末。

2.根据权利要求1所述的微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的原料纯度大于99.9w％。

3.根据权利要求1所述的微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的熔炼温度为1550～1750℃，合金熔体过热度为100-250℃。

4.根据权利要求1所述的微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的气雾化压力为1.5-10MPa。

5.根据权利要求1所述的微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的机械球磨为行星球磨或高能搅拌球磨。

6.根据权利要求5所述的微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的机械球磨过程中，添加硬脂酸、聚乙烯醇或聚乙二醇作为粉体分散剂，添加量为0.2-2％；球料比为3:1-20:1。

7.根据权利要求5所述的微细片状金属软磁合金粉末的制备方法，其特征在于：所述的高能搅拌球磨的转速为200-1880rpm，球磨时间为30-120min；所述的行星球磨的转速为50-300rpm，球磨时间为30-150min。