CN105132786B - 高强度软磁复合材料的制备方法及应用 - Google Patents
高强度软磁复合材料的制备方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105132786B CN105132786B CN201510621353.8A CN201510621353A CN105132786B CN 105132786 B CN105132786 B CN 105132786B CN 201510621353 A CN201510621353 A CN 201510621353A CN 105132786 B CN105132786 B CN 105132786B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- iron powder
- composite material
- magnetic composite
- soft
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明提供一种高强度软磁复合材料的制备方法，选用储量丰富的Fe为磁性粉末材料，原料廉价；采用液相还原法获得钝化铁粉，再采用高能球磨对高纯氧化镁粉末进行球磨，获得粒度为80nm～100nm的颗粒，再通过机械混合法使钝化铁粉和细化的氧化镁粉末混合均匀，经过压制、热处理获得高强度软磁复合材料；制备出的软磁复合材料电阻率大、涡流损耗小、孔洞缺陷少，强度高。该高强度软磁复合材料应用于电磁推力轴承的定子和推力盘。
Description
技术领域
本发明属于软磁材料技术领域，具体涉及一种高强度软磁复合材料的制备方法及应用。
背景技术
现代科学技术的发展要求磁性材料具有高磁导率、高电阻率、低矫顽力、低损耗、低磁各向异性系数、设计和加工灵活性等特点，因此要求软磁性片状材料的厚度薄而电阻率高，并尽量减少磁导率随频率提高而迅速下降的效应。传统软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫合金等磁性能虽然优异，但电阻率偏低，导致在交变磁场作用下涡流损耗很大；而软磁铁氧体材料磁性能尚可，但机械强度很低，已远远不能适应新发展的要求。
软磁复合材料(SMCs)是在软磁粉末颗粒外包覆一层绝缘层，经压制、热处理而成。由于其具有三维各向同性(3D)，低涡流损耗，在中、高频范围内相对低的总损耗，良好的频率特性及易于机械加工等特殊的优异性能而备受关注。因此可以制备很多常规软磁材料难以实现的部件，可应用于永磁电机中复杂的爪极结构、变压器、电磁整流器和电抗器等领域。由于现有的软磁复合材料的包覆层采用有机材料，与软磁粉末热性能差异较大，热处理过程中将产生大的孔洞(孔洞尺寸为2～5μm)，故产品机械强度相对较低，仅限用于在高频作用下具有复杂形状和磁路的电机，而在强度要求较高的电磁轴承领域无法使用。A.H.Taghvaei的论文“Analysis of the magnetic losses in iron-based softmagnetic composites with MgO insulation produced by sol–gel method”，其期刊为：Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Volume 332，Issue 23,页码：3748-3754，以二乙醇镁作为原料，氢氧化铵作为水解催化剂，采用溶胶凝胶法制备MgO涂层，制备工艺复杂，MgO的颗粒大小无法控制，且压制过程中压力过大MgO涂层易被破坏，从而导致涡流损耗增大，进而影响材料的磁性能。但现有的无机绝缘层也有缺点，无机绝缘材料颗粒尺寸过大或分布不均匀，均导致无机绝缘层包覆的软磁复合材料磁性能一般，无法满足机械强度要求。
为了提高软磁复合材料的强度，从材料学科的角度分析，上述软磁复合材料的组织并不理想。对于Fe含量为95wt％以上的软磁复合材料，试样表面孔洞较多，且均分布在Fe粉颗粒交界处，孔洞尺寸达到20μm。这种现象造成了磁性能急剧降低，强度和硬度也不均匀，产生较大的残余应力，易导致局部或整体的破坏。然而，纯铁的应力释放温度在570～775℃之间，而树脂的热处理温度又较低，与纯铁的应力释放温度差距较大，不能很好地消除应力；若热处理温度过高(500℃以上)，热固性树脂碳化，Fe粉颗粒表面的树脂绝缘层发生破坏，在树脂层处形成孔洞，增大涡流损耗，降低磁性能，故不适合在高频时工作。因此现有的软磁复合材料存在的问题是：在保证磁性能及电性能基础之上，现有的技术及方法无法制备机械性能优良的软磁复合材料。为了保证软磁复合材料的磁性能，首先MgO颗粒越细越好，其次由于MgO是脆性材料，易产生破坏，因此需要在Fe颗粒表面增加一个保护层，起到双重保护的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度软磁复合材料的制备方法，以克服现有的软磁复合材料孔洞多、涡流损耗大、磁性能低、机械强度低的问题。
本发明的另一个目的是提供上述高强度软磁复合材料的应用。
高强度软磁复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：
步骤1，处理铁粉
先备好纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99.99wt％，铁颗粒粒径为60～120μm；再将该纯铁粉末溶于浓度为99.9wt％的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，将铁粉烘干；
步骤2，钝化铁粉
将烘干后的铁粉与NaNO2的碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌15～30min，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500℃的恒温烧结10～20min，取出即得到钝化后的铁粉；
步骤3，细化MgO粉末
将纯度为99.5wt％的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，MgO粉末与球磨钢珠质量比为10:1，球磨时间5～8小时，整个球磨过程始终在循环水冷却下进行；球磨后的MgO粒径为80nm～100nm；
步骤4，制备双重复合金属粉末
向步骤2制备得到的钝化铁粉中加入细化后的MgO粉末，控制钝化铁粉与细化后MgO粉末的质量比为100：0.8～1.5；然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为500r/min，混合时间为1～2h，混粉过程始终在氩气保护和循环水冷却下进行，最终得到含有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
步骤5，压制
将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力 为600～800MPa下压制成型，保压5～10min，即得到高强度软磁复合材料的坯料；
步骤6，热处理
将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10℃/min的速率从室温升温至400～450℃，在真空度为10-3～10-1Pa和温度为400～450℃条件下对步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理2～3h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复合材料。
其中，NaNO2的碱性溶液，其溶质为NaNO2和NaOH，溶剂为去离子水；所述步骤1中未处理的纯铁粉末、NaNO2、NaOH和去离子水的质量比为50：0.1～0.2：0.25～0.4：50。
其中，步骤1中，将纯铁粉末溶于丙酮中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌，每次搅拌10～20min，搅拌3次，以达到去油的目的。
另外，步骤1中，洗净后的铁粉置于真空炉中以50～60℃的温度烘干。
其特征还在于，步骤3中，球磨的钢珠直径为5mm。
上述制备方法制备的高强度软磁复合材料的应用：该高强度软磁复合材料应用于电磁推力轴承的定子和推力盘。
本发明的有益效果是，制备方法简单，原料廉价，来源广泛，且符合现代工业发展需求；制备出的高强度软磁复合材料电阻率大、涡流损耗小、孔洞数量少，强度高，应用于电磁推力轴承的定子和推力盘。
附图说明
图1是本发明实施例1中MgO粉末的SEM组织图(a为球磨前MgO粉末的SEM组织图，b球磨后MgO粉末的SEM组织图)；
图2是本发明实施例1制备出的高强度软磁复合材料A放大500倍的微观组织图；
图3是本发明实施例2中球磨后MgO粉末放大20,000倍的SEM组织图；
图4是本发明实施例2制备出的高强度软磁复合材料B放大500倍的微观组织图；
图5是本发明实施例3中球磨后MgO粉末放大5,000倍的SEM组织图；
图6是本发明实施例3制备出的高强度软磁复合材料C放大500倍的微观组织图；
图7是本发明实施例4中球磨后MgO粉末放大5,000倍的SEM组织图；
图8是本发明实施例4制备出的高强度软磁复合材料D放大500倍的微观组织图；
图9是现有的树脂基软磁复合材料放大500倍的微观组织图；
图10是简化的电磁推力轴承示意图；
图11是电磁推力轴承的剖面图；(g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图12是方案1中第1组、第2组、第3组和第4组四组材料的频率与幅值的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图13是方案1中第2组和第5组两组材料的频率与幅值的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图14是方案1中第1组、第2组、第3组和第4组四组材料的频率与相位的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图15是方案1中第2组和第5组两组材料的频率与相位的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图16是方案2中第6组、第7组、第8组和第9组四组材料的频率与幅值的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图17是方案2中第7组和第10组两组材料的频率与幅值的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图18是方案2中第6组、第7组、第8组和第9组四组材料的频率与相位的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图19是方案2中第7组和第10组两组材料的频率与相位的关系曲线图；(g＝0.3mm，g代表推力盘与线圈之间的气隙宽度)
图20是方案2中第6组、第7组和第10组三组材料制作的电磁轴承涡流损耗随频率的变化关系图。
图中，1.定子，2.线圈，3.推力盘，4.轴承基体，5.外磁极，6.内磁极。
具体实施方式
本发明采用液相还原法获得钝化铁粉，采用高能球磨对高纯氧化镁粉末进行球磨，获得粒度为80nm～100nm的颗粒，再通过机械混合法使钝化铁粉和细化的氧化镁粉末混合均匀，经过压制、热处理获得高强度软磁复合材料。
实施例1
高强度软磁复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：
步骤1，处理铁粉
先备好1000g纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99.99wt％，铁颗粒粒径为60～120μm；再将该纯铁粉末溶于浓度为99.9wt％的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌10min，重复3次，以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，置于真空炉中以60℃的温度烘干；
步骤2，钝化铁粉
将烘干后的铁粉与NaNO2的碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌30min，NaNO2的碱性溶液混合前的pH值为8.0，加入铁粉后的搅拌过程中混合物的pH值升高并一直保持为9.5，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500℃的恒温烧结10min，取出即得到钝化后的铁粉；经XRD及XPS检测得到，Fe2O3钝化层厚度为2～5nm；
其中，上述NaNO2的碱性溶液，其溶质为2gNaNO2和6gNaOH，溶剂为1000g去离子水；
步骤3，细化MgO粉末
采用德国Simoloyer 01-2LM型卧式球磨机球磨，将纯度为99.5wt％的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，MgO粉末与球磨钢珠质量比为10:1，钢珠直径为5mm，球磨时间8小时，整个球磨过程始终在循环水冷却下进行；球磨后的MgO粒径为80nm～100nm；
步骤4，制备双重复合金属粉末
取500g步骤2制备的钝化铁粉，向钝化铁粉中加入6g细化后的MgO粉末；然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为500r/min，无钢珠参与，混合时间为1.5h，混粉过程始终在氩气保护和循环水冷却下进行，最终得到含有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
步骤5，压制
先将脱模润滑剂甘油涂覆于模具内表面，将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力为680Mpa下压制成型，保压8min，即得到高强度软磁复合材料的坯料；
步骤6，热处理
将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10℃/min的速率从室温升温至450℃，在真空度为10-3Pa和温度为450℃条件下对步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理3h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复合材料A。
如图1所示，步骤3中球磨前MgO粒径为3～10μm，球磨后MgO粒径为80nm～100nm。
如图2所示，MgO绝缘层分布均匀，且较连续，孔洞数较少，孔洞尺寸0.2～0.5μm。
实施例2
高强度软磁复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：
步骤1，处理铁粉
先备好1000g纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99.99wt％，铁颗粒粒径为60～120μm；再将该纯铁粉末溶于浓度为99.9wt％的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌12min，重复3次，以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，置于真空炉中以58℃的温度烘干；
步骤2，钝化铁粉
将烘干后的铁粉与NaNO2的碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌20min，NaNO2的碱性溶液混合前的pH值为8.0，加入铁粉后的搅拌过程中混合物的pH值升高并一直保持为9.5，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500℃的恒温烧结20min，取出即得到钝化后的铁粉；经XRD及XPS检测得到，Fe2O3钝化层厚度为2～5nm；
其中，上述NaNO2的碱性溶液，其溶质为2.5gNaNO2和5gNaOH，溶剂为1000g去离子水；
步骤3，细化MgO粉末
采用德国Simoloyer 01-2LM型卧式球磨机球磨，将纯度为99.5wt％的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，MgO粉末与球磨钢珠质量比为10:1，钢珠直径为5mm，球磨时间5小时，整个球磨过程始终在循环水冷却下进行；球磨后的MgO粒径为80nm～100nm；
步骤4，制备双重复合金属粉末
取500g步骤2制备的钝化铁粉，向钝化铁粉中加入5g细化后的MgO粉末；然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为500r/min，无钢珠参与，混合时间为1h，混粉过程始终在氩气保护和循环水冷却下进行，最终得到含有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
步骤5，压制
先将脱模润滑剂甘油涂覆于模具内表面，将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力为700Mpa下压制成型，保压6min，即得到高强度软磁复合材料的坯料；
步骤6，热处理
将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10℃/min的速率从室温升温至420℃，在真空度为10-3Pa和温度为420℃条件下对步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理3h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复合材料B。
如图3所示，步骤3中球磨前MgO粒径为3～10μm，球磨后MgO粒径为 80nm～100nm。
如图4所示，MgO绝缘层分布均匀，且较连续，孔洞数较少，孔洞尺寸0.2～0.5μm。
实施例3
高强度软磁复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：
步骤1，处理铁粉
先备好1000g纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99.99wt％，铁颗粒粒径为60～120μm；再将该纯铁粉末溶于浓度为99.9wt％的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌15min，重复3次，以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，置于真空炉中以50℃的温度烘干；
步骤2，钝化铁粉
将烘干后的铁粉与NaNO2的碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌15min，NaNO2的碱性溶液混合前的pH值为8.0，加入铁粉后的搅拌过程中混合物的pH值升高并一直保持为9.5，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500℃的恒温烧结15min，取出即得到钝化后的铁粉；经XRD及XPS检测得到，Fe2O3钝化层厚度为2～5nm；
其中，上述NaNO2的碱性溶液，其溶质为4g NaNO2和8g NaOH，溶剂为1000g去离子水；
步骤3，细化MgO粉末
采用德国Simoloyer 01-2LM型卧式球磨机球磨，将纯度为99.5wt％的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，MgO粉末与球磨钢珠质量比为10:1，钢珠直径为5mm，球磨时间7小时，整个球磨过程始终在循环水 冷却下进行；球磨后的MgO粒径为80nm～100nm；
步骤4，制备双重复合金属粉末
取500g步骤2制备的钝化铁粉，向钝化铁粉中加入7.5g细化后的MgO粉末；然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为500r/min，无钢珠参与，混合时间为2h，混粉过程始终在氩气保护和循环水冷却下进行，最终得到含有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
步骤5，压制
先将脱模润滑剂甘油涂覆于模具内表面，将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力为800Mpa下压制成型，保压5min，即得到高强度软磁复合材料的坯料；
步骤6，热处理
将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10℃/min的速率从室温升温至430℃，在真空度为10-2Pa和温度为430℃条件下对步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理2.5h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复合材料C。
如图5所示，步骤3中球磨前MgO粒径为3～10μm，球磨后MgO粒径为80nm～100nm。
如图6所示，MgO绝缘层分布均匀，且较连续，孔洞数较少，孔洞尺寸0.2～0.5μm。
实施例4
高强度软磁复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：
步骤1，处理铁粉
先备好1000g纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99.99wt％，铁颗粒粒径为60～120μm；再将该纯铁粉末溶于浓度为99.9wt％的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌20min，重复3次，以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，置于真空炉中以55℃的温度烘干；
步骤2，钝化铁粉
将烘干后的铁粉与NaNO2的碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌25min，NaNO2的碱性溶液混合前的pH值为8.0，加入铁粉后的搅拌过程中混合物的pH值升高并一直保持为9.5，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500℃的恒温烧结18min，取出即得到钝化后的铁粉；经XRD及XPS检测得到，Fe2O3钝化层厚度为2～5nm；
其中，上述NaNO2的碱性溶液，其溶质为3g NaNO2和7g NaOH，溶剂为1000g去离子水；
步骤3，细化MgO粉末
采用德国Simoloyer 01-2LM型卧式球磨机球磨，将纯度为99.5wt％的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，MgO粉末与球磨钢珠质量比为10:1，钢珠直径为5mm，球磨时间6小时，整个球磨过程始终在循环水冷却下进行；球磨后的MgO粒径为80nm～100nm；
步骤4，制备双重复合金属粉末
取500g步骤2制备的钝化铁粉，向钝化铁粉中加入4g细化后的MgO粉末；然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为500r/min，无钢珠参与，混合时间为1h，混粉过程始终在氩气保护和循环水冷却下进行，最终得到含有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
步骤5，压制
先将脱模润滑剂甘油涂覆于模具内表面，将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力为600Mpa下压制成型，保压10min，即得到高强度软磁复合材料的坯料；
步骤6，热处理
将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10℃/min的速率从室温升温至400℃，在真空度为10-1Pa和温度为400℃条件下对步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理2h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复合材料D。
如图7所示，步骤3中球磨前MgO粒径为3～10μm，球磨后MgO粒径为80nm～100nm。
如图8所示，MgO绝缘层分布均匀，且较连续，孔洞数较少，孔洞尺寸0.2～0.5μm。
将上述四个实施例得到的软磁复合材料A、软磁复合材料B、软磁复合材料C、软磁复合材料D与现有的树脂基软磁材料的强度做对比实验：
现将软磁复合材料A、软磁复合材料B、软磁复合材料C、软磁复合材料D与树脂基软磁材料这五种材料统一加工成长35mm×宽4mm×高5mm的条形状，用作测试抗弯强度。采用Instron5848试验机系统测试软磁复合材料的抗弯强度，该试验机为Instron公司研制的小载荷动静态材料试验系统。本实验加载速率为0.5mm/min，跨距为25mm。其公式为：
式中：F—破坏载荷/N，L—跨距/m，b—试样宽度/m，h—试样厚度/m， σbb为抗弯强度；得到的结果如表1所示：
表1软磁复合材料强度比较
现有的软磁复合材料的包覆层采用有机材料，如树脂基软磁复合材料，与软磁粉末热性能差异较大，热处理过程中将产生大的孔洞(孔洞尺寸为2～5μm)，如图9所示，故产品机械强度相对较低，仅限用于在高频作用下具有复杂形状和磁路的电机，而在强度要求较高的电磁轴承领域无法使用。本发明选用储量丰富的Fe为磁性粉末材料，原料廉价；采用液相还原法获得钝化铁粉，再采用高能球磨对高纯氧化镁粉末进行球磨，获得粒度为80nm～100nm的颗粒，再通过机械混合法使钝化铁粉和细化的氧化镁粉末混合均匀，经过压制、热处理获得高强度软磁复合材料；制备出的软磁复合材料电阻率大、涡流损耗小、孔洞缺陷少，强度明显提高，有望应用于高强度机械领域。
以现有的树脂基软磁复合材料(下文中简称“树脂基SMCs”)和本发明制备的高强度软磁复合材料(下文中简称“MgO基SMCs”)为研究对象，将两种不同的软磁复合材料应用于电磁推力轴承，对其进行研究和比较，其实验过程如下：
图10是一个简化了的电磁推力轴承示意图，也可以是一种实心结构的电磁作动器，它由定子1、推力盘3和线圈2组成，整个结构是轴对称的，其剖面图如图11所示，定子1由轴承基体4、外磁极5和内磁极6组成；电磁推力轴承 的相关尺寸参数如表2所示:
表2电磁推力轴承结构参数
以上述电磁推力轴承为例，在同样的轴承结构参数下，根据轴承定子和推力盘所采用材料的不同组合，共分为两组方案，如表3所示:
表3轴承定子及推力盘材料
所选材料的性能参数如表4所示，其中树脂基SMCs(Ⅰ)、MgO基SMCs(Ⅰ)的参数为1T时的磁导率，电阻率为测量值。此外，为了比较相同磁导率下有效磁阻的频率响应，树脂基SMCs(Ⅱ)、MgO基SMCs(Ⅱ)为在相同的 相对磁导率650的条件下，计算得到的相应的电阻率。
表4材料性能参数
当材料尺寸确定后，静态磁阻大小与磁导率成反比。尽管所选SMCs材料的相对磁导率要比碳钢的小很多，但由于气隙的存在，其静态磁阻很大(一般比整个磁路铁磁部分的静态磁阻要大的多)，因此方案1中的第2组和方案2中的第7组的静态磁阻增大并不太多，只是方案1中的第1组和方案2中的第6组的1.4倍。这会造成一定的静态性能损失，需要相应增大磁动势以保证同样的静态气隙磁密。
图12～图19分别给出了方案1和方案2得到的电磁推力轴承的有效磁阻的频率响应关系，从这八幅图中看出，随着频率增大，幅值、相位均增大；第1组和第6组的增加幅度最大，而第2组和第7组变化幅度最小；另外，第3组、第4组、第8组和第9组中，当定子为碳钢时，幅值、相位较定子为树脂基SMCs时小。由图12和图14可知，频率在60Hz之前，第2组、第3组和第4组的幅值均高于第1组，而第2组、第3组和第4组的相位均低于第1组；在100Hz后，第1组的幅值增加很快，1KHz时大约为第2组的1.6倍。由图13和图15可知，由于MgO基SMCs(Ⅰ)的相对磁导率、电阻率均大于树脂基SMCs(Ⅰ)， 故所得到的MgO基SMCs(Ⅰ)的幅值、相位均较小。由图16、图17、图18和图19可知，树脂基SMCs(Ⅱ)、MgO基SMCs(Ⅱ)和碳钢，三种材料在磁导率相同的情况下，电阻率越大，幅值及相位越小；当推力盘材料为碳钢时，即第6组和第9组，幅值及相位相差较小；当定子材料为碳钢时，即第6组和第8组，幅值及相位相差较大。由以上分析可以看出，磁轴承的有效磁阻大小与材料磁导率、电阻率成反比，与频率成正比，且与定子、推力盘材料的选择密切相关。
对于图11的结构模型，文献【1】采用有限元方法进行了涡流损耗的分析，并进行了实验验证。本发明采用同样的方法，利用ansys软件中的电磁场分析模块进行涡流损耗计算。由于轴承定子和推力盘靠近线圈及气隙区域会出现集肤效应，故需要对该部分网格进行加密。计算所采用的轴承结构参数如表2，材料性能参数如表4，施加的电流为0.5A。为了更明确地显示在相同磁导率条件下，不同电阻率对涡流损耗的影响，仅选择了第6组、第7组和第10组进行分析，计算结果如图20所示，从图20中可以看出，10Hz之前，三种材料制备的轴承损耗基本相同，10Hz后变化很快，三种材料的涡损差值也越来越大，第10组的涡损最小，第6组最大，第10组和第6组的电阻率关系一致。从实验中我们可以看出，第10组MgO基SMCs的涡流损耗在三组中最小。
文献【1】：Calculation of eddy current loss for magnetic thrust bearings
Y-S Tian,Y-H Sun,and L Yu
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part J:Journalof Engineering Tribology 2011,225(8)：798-805。
Claims (5)
1.高强度软磁复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
步骤1，处理铁粉
先备好纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99.99wt％，铁颗粒粒径为60～120μm；再将该纯铁粉末溶于浓度为99.9wt％的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，将铁粉烘干；
步骤2，钝化铁粉
将烘干后的铁粉与NaNO2的碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌15～30min，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500℃的恒温烧结10～20min，取出即得到钝化后的铁粉；
所述NaNO2的碱性溶液，其溶质为NaNO2和NaOH，溶剂为去离子水；所述步骤1中未处理的纯铁粉末、NaNO2、NaOH和去离子水的质量比为50：0.1～0.2：0.25～0.4：50；
步骤3，细化MgO粉末
将纯度为99.5wt％的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min，MgO粉末与球磨钢珠质量比为10:1，球磨时间5～8小时，整个球磨过程始终在循环水冷却下进行；球磨后的MgO粒径为80nm～100nm；
步骤4，制备双重复合金属粉末
向步骤2制备得到的钝化铁粉中加入细化后的MgO粉末，控制钝化铁粉与细化后MgO粉末的质量比为100：0.8～1.5；然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为500r/min，混合时间为1～2h，混粉过程始终在氩气保护和循 环水冷却下进行，最终得到含有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
步骤5，压制
将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力为600～800MPa下压制成型，保压5～10min，即得到高强度软磁复合材料的坯料；
步骤6，热处理
将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10℃/min的速率从室温升温至400～450℃，在真空度为10-3～10-1Pa和温度为400～450℃条件下对步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理2～3h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复合材料。
2.根据权利要求1所述高强度软磁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，将纯铁粉末溶于丙酮中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌，每次搅拌10～20min，搅拌3次，以达到去油的目的。
3.根据权利要求1所述高强度软磁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，洗净后的铁粉置于真空炉中以50～60℃的温度烘干。
4.根据权利要求1所述高强度软磁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，球磨的钢珠直径为5mm。
5.一种如权利要求1所述制备方法制备的高强度软磁复合材料的应用，其特征在于：该高强度软磁复合材料应用于电磁推力轴承的定子和推力盘。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510621353.8A CN105132786B (zh) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | 高强度软磁复合材料的制备方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510621353.8A CN105132786B (zh) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | 高强度软磁复合材料的制备方法及应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105132786A CN105132786A (zh) | 2015-12-09 |
| CN105132786B true CN105132786B (zh) | 2017-03-22 |
Family
ID=54718350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510621353.8A Active CN105132786B (zh) | 2015-09-25 | 2015-09-25 | 高强度软磁复合材料的制备方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105132786B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106782982B (zh) * | 2016-12-31 | 2019-02-01 | 浙江工业大学 | 一种软磁复合材料及其制备方法 |
| CN107068318A (zh) * | 2017-03-24 | 2017-08-18 | 合肥羿振电力设备有限公司 | 一种用于变压器的磁性材料及其制备方法 |
| CN109216006B (zh) * | 2018-08-29 | 2020-06-23 | 深圳顺络电子股份有限公司 | 软磁合金粉芯及其制备方法 |
| CN109754979B (zh) * | 2019-01-25 | 2020-10-02 | 同济大学 | 一种多层包覆软磁复合材料及其制备方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH032349A (ja) * | 1989-05-30 | 1991-01-08 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 難加工性材料の製造方法 |
| TW428183B (en) * | 1997-04-18 | 2001-04-01 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Magnetic core and method of manufacturing the same |
| CN101056729A (zh) * | 2004-09-06 | 2007-10-17 | 三菱综合材料Pmg株式会社 | 含Mg氧化膜被覆软磁性金属粉末的制造方法及使用该粉末制造复合软性磁材的方法 |
| CN101488389B (zh) * | 2008-01-18 | 2012-04-25 | 柯昕 | 一种磁芯的制造方法 |
-
2015
- 2015-09-25 CN CN201510621353.8A patent/CN105132786B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105132786A (zh) | 2015-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Geng et al. | Fe-Si/ZrO2 composites with core-shell structure and excellent magnetic properties prepared by mechanical milling and spark plasma sintering | |
| CN105132786B (zh) | 高强度软磁复合材料的制备方法及应用 | |
| Zhao et al. | Evolution of the insulation matrix and influences on the magnetic performance of Fe soft magnetic composites during annealing | |
| CN102202818B (zh) | 压粉磁芯及其制造方法 | |
| Zhou et al. | The core-shell structured Fe-based amorphous magnetic powder cores with excellent magnetic properties | |
| Luo et al. | Ultra-low inter-particle eddy current loss of Fe3Si/Al2O3 soft magnetic composites evolved from FeSiAl/Fe3O4 core-shell particles | |
| Cramer et al. | Binder jet additive manufacturing method to fabricate near net shape crack-free highly dense Fe-6.5 wt.% Si soft magnets | |
| Li et al. | In-situ formation of Fe3O4 and ZrO2 coated Fe-based soft magnetic composites by hydrothermal method | |
| Li et al. | Structure and magnetic properties of iron-based soft magnetic composite with Ni-Cu-Zn ferrite–silicone insulation coating | |
| JP4710485B2 (ja) | 軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法 | |
| Yi et al. | Microstructure and magnetic properties of FeSiAl soft magnetic composites prepared by chemical in-situ coprecipitation with NaOH | |
| Luo et al. | Enhanced magnetic properties and reduced core loss of intergranular insulating Fe-Si soft magnetic composites with three-shell SiO2-Fe2SiO4-SiO2 insulating layer | |
| Ouyang et al. | Near net shape fabrication of anisotropic Fe-6.5% Si soft magnetic materials | |
| Grande et al. | Investigations on different processing conditions on soft magnetic composite material behavior at low frequency | |
| CN102543346A (zh) | 压粉磁芯用铁基软磁性粉末及其制造方法和压粉磁芯 | |
| Wu et al. | Synthesis and magnetic properties of soft magnetic composites based on silicone resin-coated iron powders | |
| CN103862033A (zh) | 一种铁粉表面包覆处理方法 | |
| Luo et al. | Properties of Fe2SiO4/SiO2 coated Fe-Si soft magnetic composites prepared by sintering Fe-6.5 wt% Si/Fe3O4 composite particles | |
| Wang et al. | Reduction of core loss for FeSi soft magnetic composites prepared using atomic layer deposition-based coating and high-temperature annealing | |
| Cheng et al. | Ultra-low core loss FeSiAl soft magnetic composites with in-situ double oxidation layers of outer Fe3O4 layer and inner super-thin Al2O3/SiO2 hybrid layer | |
| Vetcher et al. | Electromagnetic characteristics and corrosion resistance of new magnetosoft materials based on capsulated iron powders | |
| Vovk et al. | Loss separation and thermal studies of Fe/SiO2/ferrite soft magnetic composites | |
| Liu et al. | Microstructural and compositional evolution of core-shell FeSiAl composites during high-temperature annealing | |
| Luo et al. | Influence of oxidation temperature on microstructure and electromagnetic performance of Fe-Si/Fe2SiO4 soft magnetic composites | |
| CN102789863B (zh) | 以玻璃粉作为包覆层的软磁复合材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xiao Ling Inventor before: Xiao Ling Inventor before: Li Ming Inventor before: Liu Gang |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220701 Address after: 310018 room 407-10, 4th floor, building 2, Haichuang technology center, Cangqian street, Yuhang District, Hangzhou, Zhejiang Province Patentee after: Zhejiang Zhiduo Network Technology Co.,Ltd. Address before: 710054 No. 58 Yanta Middle Road, Beilin District, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee before: XI'AN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Effective date of registration: 20220701 Address after: 315171 Gu Lin Zhen Ou Chi Xin Cun, Haishu District, Ningbo City, Zhejiang Province Patentee after: Ningbo Herong Magnetic Industry Co.,Ltd. Address before: 310018 room 407-10, 4th floor, building 2, Haichuang technology center, Cangqian street, Yuhang District, Hangzhou, Zhejiang Province Patentee before: Zhejiang Zhiduo Network Technology Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |