CN105304308B

CN105304308B - 铁硅铝磁芯制备方法及所用磁芯无机复合绝缘包覆材料

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Publication number: CN105304308B
Application number: CN201510795239.7A
Authority: CN
Inventors: 李慎芳; 诸葛福杰; 林金荣
Original assignee: LINYI YINFENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Linyi Yinfeng New Material Technology Service Co.,Ltd.
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN105304308A

Abstract

本发明公开了一种铁硅铝磁芯制备方法及所用磁芯无机复合绝缘包覆材料，属于铁硅铝磁性材料领域，用以解决现有磁芯涡流损耗高、且磁芯多使用有机包覆材料所导致的在成型过程中应力难于消除、材料绝缘性能差、热处理等加热过程中有机物挥发量大等问题。本发明所述的铁硅铝磁芯的制备方法，包括铸锭熔炼、制粉、表面磷化处理、绝缘包覆、压制成型、退火处理及表面涂层步骤，所制备的铁硅铝磁芯涡流损耗低、磁导率温度系数小、温度稳定性好、直流叠加特性高、饱和磁感应强度高、高频特性佳，适合电子器件的高频化、小型化、大功率及抗电磁干扰的要求。

Description

铁硅铝磁芯制备方法及所用磁芯无机复合绝缘包覆材料

技术领域

本发明涉及一种铁硅铝磁性材料，具体地说，涉及一种添加锰锌铁氧体磁粉绝缘包覆剂的铁硅铝磁芯制备方法及所用磁芯无机复合绝缘包覆材料。

背景技术

铁硅铝磁芯因具有分布式气隙，特别适用于开关电源中的储能、滤波电感；因其具有较高的BS值和较低的损耗，与同体积、同导磁率的铁粉芯和铁氧体相比具有更高的储能能力，主要用于太阳能风力发电、大功率照明电源、电动汽车快速充电、扼流圈、谐振电感、滤波电感等。

铁硅铝磁芯主要应用于高频领域，随着工作频率的提高，涡流损耗增加的速率很快。涡流损耗不仅降低了磁芯的性能，而且会使器件发热。为减少涡流损耗造成的能量损耗，降低磁芯的导电性，增加其电阻率成为关键问题，传统的方法是在铁硅铝磁芯颗粒表面包覆一层电阻率较高的物质，传统的绝缘包覆材料多为有机材料，如环氧树脂、硅酮树脂、酚醛树脂等，铁硅铝磁芯在树脂等有机绝缘剂添加量为3.5％(重量分数)且低温热处理后具有较高的磁导率和较低的磁损耗。但是有机树脂等材料不耐高温，只能在较低温度下进行热处理，很难消除成型过程中产生的应力。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种采用无机复合绝缘包覆材料来制作低损耗、高直流叠加特性、高饱和磁感应强度、高频特性佳的铁硅铝磁芯的制备方法。

本发明所述的铁硅铝磁芯制备方法，包括以下步骤：

(1)铸锭熔炼：将铁硅铝合金浇筑成铸锭，铸锭在1450℃以上熔炼40-60min；

(2)制粉：将步骤(1)熔炼破碎后的合金导入球磨机磨粉，至颗粒呈扁平化为止；

(3)表面磷化处理：对粉末进行氢气保护热处理，将粉末预热至50-80℃，进行表面磷化处理；

(4)绝缘包覆：将磷化处理后的粉末烘干，向其中加入硅脂、锰锌铁氧体粉料、二氧化钛、氧化铬后干燥处理；后加入FK-155胶、内润滑剂MoS₂、润滑剂硬脂酸、硬脂酸钡，充分混合均匀；

(5)压制成型：将步骤(4)处理后的材料压制成铁硅铝磁芯；

(6)退火处理：将压制成型的铁硅铝磁芯在氮气氛围下进行退火处理；

(7)表面涂层：将退火处理后的铁硅铝磁芯置于丙酮树脂中浸润，至铁硅铝磁芯表面没有气泡为止，后烘干；用环氧树脂添加酚醛树脂在铁硅铝磁芯表面进行喷涂。

具体而言：

步骤(1)中铁硅铝合金中各组分及其重量分数为：9.0-10.0％Si、5.0-5.5％Al、0.1-0.15％Ti、0.05-0.1％Ni、0.01-0.03％Cr，余量为Fe。

步骤(2)中球磨时间为60h，球料重量比为10∶1，此步骤采用高能球磨工艺对粉料进行扁平化处理。随着机械力的增加，颗粒形状发生变化，球形度开始破坏，出现扁平化迹象，而且合金微粉在三维空间中如果至少有一维处于纳米尺度范围内的材料(10-100nm)，颗粒分散度好，随着机械时间的增加，扁平化程度进一步提高，颗粒在一定的温度范围内将呈现出超顺磁性，可显著提高磁导率。另外粉末的表面形貌有利于改善材料性能，强化绝缘剂的包覆效果。同时机械破碎法较水雾法和气雾法可减少设备投资和粉末的表面氧化，粉末的粒径分布合理、粉末表面洁净程度高。同时机械破碎法的粉末多为不规则多角形，对压制性能不会产生影响。

步骤(3)中，对步骤(2)制粉获得的粉末进行筛分处理获得平均粒径为70-80um的粉末后再进行氢气保护热处理，所述平均粒径为70-80um的粉末中100-120目≤15％(wt％)，120-200目为15％(wt％)，200-325目为51％(wt％)，余量为325目。粉料的粒度越大，直流偏置特性就会越差，粉料的粒度越小，直流偏置特性就越好。本发明磁粉粉料粒径平均为70-80μm的粉末中粗颗粒占比偏高，粗粉堆积所产生的间隙更小，间隙对磁畴不可逆移动的阻碍作用更小。与此同时提高粉末配比中粗颗粒所占比例，可显著提高磁芯的密度。

步骤(3)中磷化条件为：所述磷化液为0.5-1.0％(wt％)磷酸、98.5-97.8％(wt％)的酒精、1.0-1.2％(wt％)的铬酐的混合液，用磷化液对铁硅铝磁粉进行钝化处理15-30min，磷化液的使用量为铁硅铝磁粉重量的2-4％。用磷酸和铬酐对铁硅铝磁粉进行表面复合氧化处理，磷酸可以与磁粉表面生成薄薄的一层磷化膜，这层磷化膜可使颗粒与颗粒之间绝缘，并且磷化膜具有防止粉体再度氧化的作用。本发明混合磷化液加入量为铁硅铝磁粉总重量的2-3％为最佳，酸的加入量越多，磷化膜越厚，能够使粉体之间隔离开来，粉体的绝缘性能提高，磁导率下降。此外，磷酸为不易挥发的中强酸，有利于磷酸盐和颗粒表面充分接触，其有效磁导率可得到提高，体积功耗下降。磷酸含量过高会导致μe下降；铬酐的成膜性比磷酸法好，品质因数Q值更高，复合添加后较单一添加会显著改善产品磁性能。

步骤(4)中使用的锰锌铁氧体粉料的粒度为180-200nm；TiO₂平均粒度为80-90nm；加入的各物质及其所占磷化处理后的粉末的重量分数为：将磷化处理后的粉末烘干，向其中加入硅脂0.2-0.8％、锰锌铁氧体粉料1.2-2.3％、TiO₂0.1-0.3％、氧化铬0.03％(加入的硅脂、锰锌铁氧体粉末、二氧化钛、氧化铬等绝缘剂需先进行超声粉碎40-50min，并采用无水酒精作为稀释剂)后干燥处理；后加入FK-155胶0.15-0.22％、内润滑剂为MoS₂0.6-1.0％、润滑剂硬脂酸0.2-0.3％、硬脂酸钡0.2-0.3％，充分混合均匀。锰锌铁氧体(Mn₃O₄：21-24％(wt％)、ZnO：5-8％(wt％)、Fe₂O₃(wt％)：70-73％(wt％))中锰元素增加，则合成锰锌铁氧体粉料的结晶度提高，颗粒变大且趋于均匀，磁芯形成均匀的分布式间隙，磁芯饱和磁化强度增大，从而提高复合材料的磁性能。本发明所用锰锌铁氧体粉末等作为绝缘包覆剂制备铁硅铝复合磁芯，在保证磁芯高磁导率、低损耗等优势的前提下，还极大地提高和改善了磁芯的磁性能。铁硅铝软磁材料的特点是饱和磁感应强度大、磁导率高，但高频特性和功耗欠缺。锰锌铁氧体材料电阻率高、功耗低、高频特性好，但饱和磁感应强度略差，二者各有优势。基于此，选用铁氧体软磁颗粒粉末和纳米TiO₂粉料做绝缘介质，包覆在铁硅铝颗粒表面形成复合软磁材料，获得综合性能优势。锰锌铁氧体粉末和氧化钛粉末作为绝缘介质包覆铁硅铝粉末，其颗粒度比铁硅铝粉末小，在铁硅铝粉末颗粒表面形成一层粗糙的膜，有效隔绝铁硅铝磁粉颗粒间的接触，从而使得铁硅铝磁粉颗粒表面的电阻率增大，减小了铁硅铝粉末临近颗粒的导电性，减小磁芯的涡流损耗，改善直流叠加特性，降低功率损耗，进而改善品质因数。

步骤(5)采用自动干粉成型液压机成型，压制压力为18～20t/cm²，压制密度为6.0～6.1g/cm³。由于本发明粉料的粒度偏大，压坯密度越大，磁芯被压制得越密实，磁芯内部的间隙就越少，有效磁粉体积增大，更有利于磁畴的运动，可使材料得到较高的磁导率，矫顽力减小，损耗减小。采用该压制成型的压力可同时得到较好的直流偏置特性和较低的损耗，过大的成型压力将导致磁芯内部残留更大的内应力和矫顽力，从而增大磁滞损耗。粉料粒度和合理的成型压力是磁芯满足各项指标制备的关键，本制备方法所采用的成型压力可保证直流偏置特性、功耗特性、磁导率之间的平衡。

步骤(6)中退火处理条件为：通氮气将炉内氧气排净，在氮气氛围中升温，升温速率为4.5-5.5℃/min，升温至700-750℃后保温40-50min；后取出铁硅铝磁芯，用鼓风机速冷。后将铁硅铝磁芯放置烘箱中加热，在温度为70℃下加热50-70min，该加热处理更有利于消除内应力，提升产品磁性能。

步骤(7)中，采用环氧树脂粘结剂和丙酮进行浸润处理，增强了树脂的渗透性。丙酮的表面张力小，能够很好地浸润表面张力大的磁芯表面以及内部，上述有机材料常温下即能与被粘物形成牢固粘结的胶粘剂，增强了磁芯的强度。同时经浸润处理后磁芯的表面化学稳定性、电绝缘性、憎水性、抗污性强。在环氧树脂基础上添加酚醛类树脂充填了热处理后产品内的空隙，不仅提高使用温度到200℃，而且品质因数Q值得到了提高。

本发明的另一个目的在于提供一种铁硅铝磁芯的制备方法所使用的磁芯无机复合绝缘包覆材料，包含的组份及重量配比为：硅脂：锰锌铁氧体粉料：二氧化钛：氧化铬＝2-8：12-23：1-3：0.3。所用的锰锌铁氧体粉料的平均粒度为180-200nm，二氧化钛的平均粒度为80-90nm，所用锰锌铁氧体粉料中各组份及重量分数为：Mn₃O₄：21-24％、ZnO：5-8％、Fe₂O₃：70-73％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在铁硅铝冶炼原始配料过程中添加微量Ti、Ni、Cr元素，可改善Fe-Si-Al材料的加工性,降低脆性和提高电磁性能，可显著提高材料的饱和磁感应强度、提高电阻率、降低矫顽力、改善材料的温度特性；

(2)本发明磁芯几乎不含有机成分，磁芯不存在热老化问题，使用工作温度可显著提高；所述制备方法能够成功的消除成型过程中产生的应力；

(3)本发明所述的磁芯经双层包覆而成，双层包覆改善了绝缘效果，减少了高频下占主导的涡流损耗，在1-500kHz范围内具有相对稳定的磁导率，产品更宜于在高频段使用；

(4)本发明中采用的绝缘剂为无机非金属材料高温包覆材料，因其具有良好的热稳定性、电绝缘性以及抗氧化性，可提高热处理温度，一般在700～750℃温度范围内进行热处理。在该温度范围内，温度越高，晶粒内原子的热运动使残余内应力释放得越充分，磁畴转动阻力越小，磁导率提高越明显；同时因绝缘包覆中含较少有机质，不会破坏绝缘层，降低侧导率。经测试，用此温度热处理后保温40-50min后样品的磁性能最好，磁芯的功耗最小、磁导率和品质因数最大。通过提高成型密度和热处理温度可制造出有效磁导率为125、147、160的高磁导率铁硅铝磁芯。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步解释。

一种铁硅铝磁芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)用真空感应电炉按照成分及重量配比9.0-10.0％Si、5.0-5.5％Al、0.1-0.15％Ti、0.05-0.1％Ni、0.01-0.03％Cr，余量为Fe，在真空中进行合金冶炼浇铸成铸锭。熔炼温度为1450℃，合金熔化时间40min。

(2)对铁硅铝合金铸锭破碎后导入球磨机磨粉。采用高能球磨工艺，随着机械力的增加，颗粒形状发生变化，球形度开始破坏，出现扁平化迹象，球磨时间为60h，球料重量比为10∶1，经过60h球磨后粉末几乎完全扁平化。

(3)经过筛分取得粒径平均为70-80μm(100-120目≤25％(wt％)，120-200目15％(wt％)，200-325目51％(wt％),余为325目)的粉末,再进行纯氢气保护热处理。将粉末预热至50℃，用磷化液对铁硅铝合金粉进行表面磷化处理30min，磷化液的组成为：0.5-1.0％磷酸、98.5～97.8％酒精和1.0～1.2％铬酐的混合物，所述分数为重量分数，混合磷化液的用量为：混合磷化液占铁硅铝磁粉总重量的3-4％。

(4)粉末在120℃温度下烘干后，向其中添加的物质及其所占磷化处理后的铁硅铝粉末的重量分数为：硅脂0.2-0.8％、粒度为180-200nm加入量为1.2-2.3％的高电阻率的锰锌铁氧体粉料(Mn₃O₄：21-24％、ZnO：5-8％、Fe₂O₃：70-73％)和平均粒度为80-90nm的纳米TiO₂0.1-0.3％、0.03％氧化铬(以上均为重量分数)作为绝缘介质，继续焙炒后至干燥。将上述绝缘包覆后的铁硅铝粉末加入FK-155胶(0.15-0.22％)、内润滑剂MoS₂(0.6-1％)、润滑剂硬脂酸(0.2-0.3％)、硬脂酸钡(0.2-0.3％)；上述粉料充分混合均匀。

(5)采用自动干粉成型液压机成型，压制压力为18t/cm²，压制密度为6.0～6.1g/cm³。

(6)压制成品后进行热处理。将压制好的磁芯置于炉中退火，通氮气一段时间将炉内氧气排净，然后在持续的氮气气氛炉中升温，升温速率是4.5℃/min，升温至730℃时，保温40-50min。保温时间达到后，立刻取出磁芯，用鼓风机速冷，然后将退火之后的磁芯放置烘箱中加热，烘箱温度设定为70℃，加热50min。

(7)将环氧树脂粘结剂和丙酮混合均匀制成丙酮树脂，将加热之后的磁芯放入该溶液中，直至磁芯表面没有气泡为止，取出，放置于烘箱中，烘干为止。将固化好的磁芯，用绝缘性高的环氧树脂添加酚醛类树脂进行表面喷涂，在涂层上做打码标记，区分不同用途和工艺的磁环。

对所制备的铁硅铝磁芯进行性能测试，所得数据如下：

(1)100kHz时，磁芯的磁导率μ＝90；

(2)在高频特性方面，1-500kHz频率范围内磁芯的有效磁导率具有较好的稳定性，有效磁导率变化率小于45％；直流偏磁场下磁导率降低到50％时的直流偏磁场7000A/m；

(3)直流叠加特性：100kHz时，磁芯在1000e磁场强度下，初始磁导率系数＝0.43；

(4)磁芯的体积比损耗P_cv(100kHz，0.05T)＝211.3Mw/cm³；

(5)饱和磁感应强度1.05T；

(6)磁芯温度系数α_L＝0.399×10^-3℃^-1(-55～～150℃)，制品具有良好的温度稳定性；

(7)最高使用频率850kHz；最大工作温度200℃。

Claims

1.一种铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)表面磷化处理：对粉末进行氢气保护热处理，将粉末预热至50-80℃，进行表面磷化处理；磷化处理所使用的磷化液为：0.5-1.0％磷酸、98.5-97.8％酒精和1.0-1.2％铬酐的混合液；

(4)绝缘包覆：将磷化处理后的粉末烘干，向其中加入硅脂、锰锌铁氧体粉料、二氧化钛、氧化铬后干燥处理；然后加入FK-155胶、内润滑剂MoS₂、润滑剂硬脂酸、硬脂酸钡，充分混合均匀；锰锌铁氧体粉料中各组分及重量分数为：Mn₃O₄：21-24％、ZnO：5-8％、Fe₂O₃：70-73％；

(5)压制成型：将步骤(4)处理后的材料压制成铁硅铝磁芯；

2.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(1)中铁硅铝合金中各组分及其重量分数为：9.0-10.0％Si、5.0-5.5％Al、0.1-0.15％Ti、0.05-0.1％Ni、0.01-0.03％Cr，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(2)中球磨机球磨时间为60h，球料重量比为10∶1。

4.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(3)中，对步骤(2)制粉获得的粉末进行筛分处理获得平均粒径为70-80um的粉末后再进行氢气保护热处理。

5.根据权利要求4所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，所述平均粒径为70-80um的粉末中：100-120目粉末的重量分数小于等于25％，120-200目粉末的重量分数为15％，200-325目粉末的重量分数为51％，余量为325目的粉末。

6.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(3)中磷化处理条件为：室温条件下磷化处理15-30min。

7.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(4)中，加入的物质及其所占磷化处理后的粉末的重量分数为：将磷化处理后的粉末烘干，向其中加入硅脂0.2-0.8％、平均粒度为180-200nm的锰锌铁氧体粉料1.2-2.3％、平均粒度为80-90nm的二氧化钛0.1-0.3％、氧化铬0.03％，后干燥处理；后加入FK-155胶0.15-0.22％、内润滑剂MoS₂0.6-1.0％、润滑剂硬脂酸0.2-0.3％、硬脂酸钡0.2-0.3％，充分混合均匀。

8.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(5)采用自动干粉成型液压机成型，压制压力为18～20t/cm²，压制密度为6.0～6.1g/cm³。

9.根据权利要求1所述的铁硅铝磁芯制备方法，其特征在于，步骤(6)中退火处理条件为：通氮气将炉内氧气排净，在氮气氛围中升温，升温速率是4.5-5.5℃/min，升温至700-750℃后保温40-50min；后取出铁硅铝磁芯，用鼓风机速冷，后将铁硅铝磁芯放置烘箱中加热，在温度为70℃下加热50-70min。

10.一种权利要求1-9任一权利要求所述的铁硅铝磁芯制备方法所用磁芯无机复合绝缘包覆材料，其特征在于，包含的组份及重量配比为：硅脂：锰锌铁氧体粉料：二氧化钛：氧化铬＝2-8：12-23：1-3：0.3。