CN106041061A - 一种高性能低损耗的复合磁粉芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能低损耗的复合磁粉芯及其制备方法，制备方包括以下步骤：(1)干式搅拌磨法制备FeSi/SiO2核壳结构粉末；(2)放电等离子烧结制备FeSi/SiO2块体材料；(3)对块体复合材料进行750‑850℃真空热处理，得到高性能低损耗的复合磁粉芯。与现有技术相比，本发明利用气体反应搅拌球磨制备FeSi/SiO2包覆粉末，耗时短、包覆均匀、操作简单；利用放电等离子烧结制备颗粒间绝缘的FeSi/SiO2复合磁粉芯，在保持磁粉芯高饱和磁化强度、低矫顽力的基础上，大大提高了电阻率并显著降低高频涡流损耗，有利于提高能源转换效率，特别适用于目前低压大电流、大功率密度及高频化的技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁粉芯材料，尤其是涉及一种高性能低损耗的复合磁粉芯及其制备方法。
背景技术
高硅钢一般是指含4.5wt.％-6.7wt.％Si的FeSi合金，相比于传统硅钢片材料，它具有高磁导率μ(高灵敏度)、高饱和磁感应强度Bs、低矫顽力Hc，接近于零的磁致伸缩λ(清净无噪音)和低铁损(高效节能)等更优异的软磁性能，能够广泛用于发电机、变压器及各种电机、电器等，特别是其低铁芯损耗和接近于零的磁致伸缩，对降低变压器的噪声和实现电机、电器的低能耗、低发热、微小型化、低噪声、高稳定性都极为有利，同时能够带动电机和电器产品的升级、换代。
虽然FeSi合金具有优异的软磁性能，但Si含量过高时，其延伸率和塑性急剧下降，导致高的室温脆性和低的热加工性能，轧制、成形和冲剪异常困难，通过常规的热轧和冷轧法易出现各种轧制缺陷，难以加工成薄板，导致其生产与应用受到严重制约。
为突破FeSi合金室温脆性的技术瓶颈，多年来国内外科研工作者进行了多种研究尝试，研究工作主要集中在以下3个方面：(1)直接制备法，如用热轧冷轧法、急冷甩带法、粉末轧制或喷射成形法等；(2)塑化改性法：如采用添加合金元素适当牺牲软磁性能而改善加工性能，再利用传统工艺方法及设备轧制；(3)扩散增Si法：在已经轧制成型的普通低硅钢薄板表面沉积富Si层或者纯Si层，然后通过热扩渗方式提高含Si量，制备得到相应Si含量的高硅钢薄板，如化学气相沉积(CVD)，物理气相沉积(PVD)，热浸法，脉冲电沉积以及电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法。其中，CVD工艺最为突出和成功，已经被日本钢管公司(NKK)大规模生产，但是工艺复杂，能耗多，成本高，作业环境恶劣，不能满足经济效益和环保的要求。
相比以上制备方法，粉末冶金方法制备FeSi合金具有工艺简单，能耗少、成本低等优点而倍受人们关注。但是目前该方法无法避开轧制环节，且FeSi合金电阻率小，涡流损耗大，铁损高，缩短了高硅钢片的使用寿命并且难以制备特殊形状的高硅钢片。
在粉末冶金方法中，近年来发展起来的放电等离子烧结(SPS)利用直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结方法，通过调节脉冲直流电的大小控制升温速率和烧结温度，是集等离子活化、热压和电阻加热为一体，具有升温速率快、烧结时间短、冷却迅速、晶粒均匀，并能保持原始材料的自然状态，材料致密度高、密度均匀性好、外加压力和烧结气氛可控等特点的一种新型的快速烧结技术。
张联盟等(具有塑性变形能力的Fe-6.5wt.％Si复合块体材料的制备方法，中国发明专利，CN 1434144A，2003.08.06)公开了一种将Si-Fe复合粉进行SPS烧结制备具有塑性变形能力的Fe-6.5wt.％Si合金的方法，由于复合粉末采用Si粉和Fe粉配比后混合球磨制备，无法确保球磨及后续烧结扩散过程中的成分稳定及均一，使得制备的Fe-6.5wt.％Si粉末存在成分偏差，因而影响其最终性能，尤其是磁性能。并且该发明仅关注FeSi材料的塑性提高，忽略了实际应用中主要应用的软磁性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用放电等离子烧结(SPS)制备FeSi/SiO2复合磁粉芯的方法。在制备工艺上要求FeSi/SiO2核壳结构粉末包覆均匀，烧结出的FeSi/SiO2复合磁粉芯具有高致密度、高饱和磁化强度、低矫顽力、性能稳定、高电阻率，从而实现高频低铁损。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)干式搅拌磨法制备FeSi/SiO2核壳结构粉末：将FeSi粉末与纳米SiO2粉末按一定质量配比后进行干式搅拌球磨，获得FeSi/SiO2核壳结构粉末；
(2)放电等离子烧结制备FeSi/SiO2块体材料：将FeSi/SiO2核壳结构粉末进行放电等离子烧结，获得块体复合材料；
(3)真空热处理：对块体复合材料进行750-850℃真空热处理，得到高性能低损耗的复合磁粉芯。
进一步地，步骤(1)制备FeSi/SiO2核壳结构粉末时，采用气体反应搅拌球磨法，通入0.2-0.9MPa的惰性气体与微量氧气的混合气体，并通入循环水冷却。
进一步地，惰性气体与微量氧气的混合气体中，氧气的体积百分比2％-5％。
进一步地，步骤(1)中气体反应搅拌球磨过程中，采用不锈钢球球径1-5mm，球料比5-20:1，转速100-400r/min，球磨时间0.5-4h。
进一步地，步骤(1)中所述的FeSi/SiO2核壳结构粉末以FeSi为核，以SiO2为壳，在FeSi粉末表面均匀包覆一层1-2μm的SiO2粉末。
进一步地，步骤(1)中制备所述的FeSi/SiO2核壳结构粉末时，纳米SiO2粉末添加量为FeSi粉末与纳米SiO2粉末总质量的5-15wt.％。
进一步地，步骤(2)中所述的放电等离子烧结工艺为：烧结温度750℃-1150℃，保温时间4-20min，升温速率25-60K/min，烧结压力20-100MPa，真空度≤10Pa。
进一步地，步骤(3)所述的真空退火处理工艺为：先控制加热速度为<20℃/min升温到450-600℃，再控制加热速度为6-18℃/min升温到最终温度750-850℃，然后再保温2h，真空度≤10-3Pa。
采用上述任一种制备方法得到的高性能低损耗的复合磁粉芯。
本发明制备的FeSi/SiO2复合磁粉芯具有较低高频低损耗等性能，特别适用于目前低压大电流、大功率密度及高频化的技术要求，可以部分替代纯铁粉芯、铁镍粉芯及铁硅铝粉芯等产品，应用到逆变电源、电力有源功率因数补偿电路、太阳光伏系统电源滤波，制作成高功率密度一体电感器，大量应用到负载点POL和VRM电源中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明制备的FeSi/SiO2核壳结构粉末利用干式搅拌磨的方式。充分利用了搅拌磨能量利用率高并具有搅拌和分散作用的特点，综合动量及冲量的作用，有效地进行包覆，制备出的FeSi/SiO2核壳结构粉末包覆均匀，SiO2粉末较好地包覆在FeSi粉末表面，厚度为1-2μm。
(2)本发明制备的FeSi/SiO2复合磁粉芯，由于采用高电阻率的SiO2进行绝缘包覆，使得烧结后的复合磁粉芯颗粒间绝缘，显著提高了电阻率，降低了高频涡流损耗。
(3)本发明中利用SPS制备FeSi/SiO2块体复合材料，在较短时间内快速烧结致密化，所得产品成分均匀，晶粒尺寸小，保留了FeSi/SiO2核壳结构粉末优异的磁性能(高饱和磁化强度及低矫顽力)。相较于传统的粉末冶金方法，避免轧制，同时可以有效地降低烧结温度和压强。工艺简单，性能稳定，重复性高。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为利用SPS在烧结温度950℃，保温时间8min，烧结压力60MPa，升温速率50K/min参数下烧结所得Fe-6.5wt.％Si磁粉芯的SEM图像。
图3为利用SPS在烧结温度950℃，保温时间12min，烧结压力60MPa，升温速率50K/min参数下烧结所得FeSi/SiO2复合磁粉芯的SEM图像。
图4为利用SPS在烧结温度1000℃，保温时间8min，烧结压力60MPa，升温速率50K/min参数下烧结所得FeSi/SiO2复合磁粉芯的SEM图像和EDS面扫描图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用如图1所示的工艺制备高性能低损耗的复合磁粉芯，具体步骤如下：
将90wt.％的平均粒径为39μm的FeSi气雾化粉末与10wt.％的30nm的SiO2粉末称重后混合。利用搅拌球磨机进行干式搅拌球磨，所用不锈钢球球径为3mm，球料比为10:1，转速为300r/min，球磨时间为2h，保护气氛为0.5MPa的氩气，球磨过程中通过研磨泵外套的循环水冷却进行温度控制，温度保持在12-15℃。将搅拌球磨制备的FeSi/SiO2核壳结构包覆粉末称重15g，放入石墨模具中进行SPS烧结得到22×5mm的FeSi/SiO2块体复合材料。烧结工艺参数如下：烧结温度1000℃，保温时间8min，烧结压力60MPa，升温速率50K/min。将烧结块体进行800℃，2h的真空热处理，真空度≤10-3Pa，得到FeSi/SiO2复合磁粉芯。从图4和表1中可以看出，SiO2均匀包覆在FeSi表面，电阻率相较于对比例提高了近18倍，同时，绝缘层有效地将涡流限制在颗粒内部，使得高频涡流损耗相较于对比例降低了近3倍。本例中FeSi/SiO2复合磁粉芯比FeSi磁粉芯饱和磁化强度降低约20emu/g，矫顽力基本相近，具有优异的软磁性能。
实施例2
本实施例中，SPS烧结工艺参数如下：烧结温度950℃，保温时间12min，烧结压力60MPa，升温速率50K/min。FeSi/SiO2核壳结构包覆粉末的制备方法、FeSi/SiO2块体复合材料的真空热处理参数与实施例1相同。从图3和表1中可以看出，SiO2均匀包覆在FeSi表面，电阻率相较于对比例提高了近45倍，同时，绝缘层有效地将涡流限制在颗粒内部，使得高频涡流损耗相较于对比例降低了近10倍。FeSi/SiO2复合磁粉芯比Fe-6.5wt.％Si磁粉芯饱和磁化强度降低约22emu/g，矫顽力基本相近，具有优异的软磁性能。
对比例
称取15g的Fe-6.5wt.％Si气雾化粉末放入石墨模具中进行SPS烧结得到22×5mm的Fe-6.5wt.％Si块体材料。烧结工艺参数如下：烧结温度950℃，保温时间8min，烧结压力60MPa，升温速率50K/min。将烧结块体进行800℃，2h的真空热处理，真空度≤10-3Pa，得到Fe-6.5wt.％Si磁粉芯。从图2可以看出，粉末颗粒间紧密结合，但仍然存在少量孔洞，颗粒边界明显可见。Fe-6.5wt.％Si磁粉芯饱和磁化强度降低约206.22emu/g，矫顽力为8.44Oe，电阻率为8.5×10-7Ω·m，高频涡流损耗较大。
表1 SPS制备的Fe-6.5wt.％Si磁粉芯及FeSi/SiO2复合磁粉芯的磁性能比较
实施例3
一种高性能低损耗的复合磁粉芯，包括以下步骤：
(1)干式搅拌磨法制备FeSi/SiO2核壳结构粉末：将5wt.％纳米SiO2粉末与余量FeSi粉末混合后利用搅拌球磨机进行球磨，所用不锈钢球球径为1mm，球料比为5:1，转速为100r/min，球磨时间为4h，反应气氛为惰性气体及微量氧气(体积百分比：2％)，球磨过程中通过研磨泵外套的循环水冷却进行温度控制，以避免过度发热影响粉末性能。
(2)SPS烧结制备FeSi/SiO2块体材料：称取一定量制备的FeSi/SiO2核壳结构粉末，装入石墨模具中，进行SPS烧结，获得块体复合材料。烧结条件为：烧结温度750℃，保温时间20min，升温速率25K/min，烧结压力20MPa，真空度≤10Pa。
(3)真空热处理：将烧结的块体复合材料放入真空热处理炉进行热处理。真空热处理条件为：先控制加热速度为<20℃/min升温到450℃，再控制加热速度为6℃/min升温到最终温度800℃，然后再保温2h，真空度≤10-3Pa。
实施例4
一种高性能低损耗的复合磁粉芯，包括以下步骤：
(1)干式搅拌磨法制备FeSi/SiO2核壳结构粉末：将10wt.％纳米SiO2粉末与余量FeSi粉末混合后利用搅拌球磨机进行球磨，所用不锈钢球球径为3mm，球料比为10:1，转速为200r/min，球磨时间为2h，反应气氛为惰性气体及微量氧气(体积百分比：4％)，球磨过程中通过研磨泵外套的循环水冷却进行温度控制，以避免过度发热影响粉末性能。
(2)SPS烧结制备FeSi/SiO2块体材料：称取一定量制备的FeSi/SiO2核壳结构粉末，装入石墨模具中，进行SPS烧结，获得块体复合材料。烧结条件为：烧结温度950℃，保温时间10min，升温速率40K/min，烧结压力60MPa，真空度≤10Pa。
(3)真空热处理：将烧结的块体复合材料放入真空热处理炉进行热处理。真空热处理条件为：先控制加热速度为<20℃/min升温到520℃，再控制加热速度为10℃/min升温到最终温度750℃，然后再保温2h，真空度≤10-3Pa。
实施例5
一种高性能低损耗的复合磁粉芯，包括以下步骤：
(1)干式搅拌磨法制备FeSi/SiO2核壳结构粉末：将15wt.％纳米SiO2粉末与余量FeSi粉末混合后利用搅拌球磨机进行球磨，所用不锈钢球球径为5mm，球料比为20:1，转速为400r/min，球磨时间为0.5h，反应气氛为惰性气体及微量氧气(体积百分比：5％)，球磨过程中通过研磨泵外套的循环水冷却进行温度控制，以避免过度发热影响粉末性能。
(2)SPS烧结制备FeSi/SiO2块体材料：称取一定量制备的FeSi/SiO2核壳结构粉末，装入石墨模具中，进行SPS烧结，获得块体复合材料。烧结条件为：烧结温度1150℃，保温时间4min，升温速率60K/min，烧结压力100MPa，真空度≤10Pa。
(3)真空热处理：将烧结的块体复合材料放入真空热处理炉进行热处理。真空热处理条件为：先控制加热速度为<20℃/min升温到600℃，再控制加热速度为18℃/min升温到最终温度850℃，然后再保温2h，真空度≤10-3Pa。
实施例3-5中所得FeSi/SiO2复合磁粉芯，均具有较低高频低损耗等，特别适用于目前低压大电流、大功率密度及高频化的技术要求，可以部分替代纯铁粉芯、铁镍粉芯及铁硅铝粉芯等产品，应用到逆变电源、电力有源功率因数补偿电路、太阳光伏系统电源滤波，制作成高功率密度一体电感器，大量应用到负载点POL和VRM电源中。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)干式搅拌磨法制备FeSi/SiO2核壳结构粉末：将FeSi粉末与纳米SiO2粉末混合后进行干式搅拌球磨，获得FeSi/SiO2核壳结构粉末；
(2)放电等离子烧结制备FeSi/SiO2块体材料：将FeSi/SiO2核壳结构粉末进行放电等离子烧结，获得块体复合材料；
(3)真空热处理：对块体复合材料进行750-850℃真空热处理，得到高性能低损耗的复合磁粉芯。
2.根据权利要求1所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)制备FeSi/SiO2核壳结构粉末时，采用气体反应搅拌球磨法，通入0.2-0.9MPa的惰性气体与微量氧气的混合气体，并通入循环水冷却。
3.根据权利要求2所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，惰性气体与微量氧气的混合气体中，氧气的体积百分比2％-5％。
4.根据权利要求2所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中气体反应搅拌球磨过程中，采用不锈钢球球径1-5mm，球料比5-20:1，转速100-400r/min，球磨时间0.5-4h。
5.根据权利要求1所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的FeSi/SiO2核壳结构粉末以FeSi为核，以SiO2为壳，在FeSi粉末表面均匀包覆一层1-2μm的SiO2粉末。
6.根据权利要求1所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制备所述的FeSi/SiO2核壳结构粉末时，纳米SiO2粉末添加量为FeSi粉末与纳米SiO2粉末总质量的5-15wt.％。
7.根据权利要求1所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的放电等离子烧结工艺为：烧结温度750℃-1150℃，保温时间4-20min，升温速率25-60K/min，烧结压力20-100MPa，真空度≤10Pa。
8.根据权利要求1所述的一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的真空退火处理工艺为：先控制加热速度为<20℃/min升温到450-600℃，再控制加热速度为6-18℃/min升温到最终温度750-850℃，然后再保温2h，真空度≤10-3Pa。
9.一种采用权利要求1-8中任一项所述制备方法得到的高性能低损耗的复合磁粉芯。
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