CN106495677A - 一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率电感用的高强度耐热冲击镍锌铁氧体及其制备方法，属于软磁铁氧体技术领域。该铁氧体主成分以各自标准物计的含量：Fe₂O₃48～50mol％，NiO 16～20mol％，ZnO 25～30mol％，CuO 5～8mol％，相对所述主成分总量，所述副成分以其标准物计的含量为：Bi₂O₃ 0.3～0.7wt％，Al₂O₃1.0～1.5wt％。本发明得到的功率镍锌铁氧体的平均晶粒尺寸为10～15μm，晶界鲜明，致密度高，气孔分布合理；具有优良的电磁性能、耐热冲击性能和较高的机械强度。

Description

一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体及其制备方法

技术领域

本发明属于软磁铁氧体技术领域，具体涉及一种功率电感用的高强度耐热冲击镍锌铁氧体及其制备方法。

背景技术

软磁铁氧体按照应用类型主要分为功率型铁氧体和高磁导率型铁氧体。相对于锰锌铁氧体，镍锌铁氧体具有高电阻率、高工作频率等优点，主要用作功率型铁氧体，适合制作各类高频天线、中高频电感磁芯、滤波器磁芯、变压器和磁放大器磁芯等。近些年，随着无铅绿色焊接技术的发展，各类贴装元件在安装和焊接的过程中要求具有较高的机械强度能够承受一定压力，同时，还必须能够承受来自焊接材料瞬间达到高温的热冲击，对器件高性能以及可靠性提出了更加严苛的要求。

目前，已有一些关于耐热冲击和高机械强度功率镍锌铁氧体及其制备方法被报道：申请号为201010206704.6，发明名称为“一种高抗折强度镍锌软磁铁氧体材料及其制造方法”的中国专利，其公开了一种高抗折强度镍锌软磁铁氧体材料，该铁氧体主配方以氧化物计算为：氧化铁Fe₂O₃ 35～50mol％，氧化锌ZnO 8～15mol％，氧化亚镍NiO 30～40mol％，氧化铜CuO 5～11mol％，该发明提供了一种磁导率在18±25％，具有较高抗折强度的镍锌软磁铁氧体材料的制备方法；申请号为201110314150.6，发明名称为“一种高强度耐热冲击镍锌铁氧体及其制备方法”的中国专利，其公开了一种功率电感适用的高强度耐热冲击镍锌铁氧体及其制备方法，属于软磁铁氧体技术领域，该铁氧体主成分以氧化物计算为：Fe₂O₃45～52mol％，NiO 20～29mol％，ZnO 20～30mol％，CuO 3～6.5mol％，辅助成分为CaCO₃0.2～0.5wt％，Co₂O₃ 0.01～0.09wt％，V₂O₅ 0.05～0.19wt％，SiO₂ 0.8～1.5wt％，得到耐热冲击性能和机械强度良好的功率镍锌铁氧体磁芯，其磁导率和饱和磁感应强度分别在200和280附近；申请号为201510557177.6，发明名称为“一种耐热冲击功率镍锌铁氧体及其制备方法”的中国专利，其公开了一种功率电感用的耐热冲击镍锌铁氧体及其制备方法，属于软磁铁氧体技术领域，该铁氧体主成分以各自标准物计的含量为：Fe₂O₃ 48～52mol％，NiO 16～29mol％，ZnO 22～31mol％，CuO 0.5～2mol％，Co₂O₃ 0.01～0.1mol％，所述副成分以其标准物计的含量为Bi₂O₃ 0.1～0.3wt％，WO₃ 0.05～0.1wt％，CaCO₃ 0.01～0.07wt％，SiO₂ 0.03～0.21wt％，结合分布掺杂方式，得到的功率镍锌铁氧体磁芯的磁导率和饱和磁感应强度分别在340和370附近，其耐热冲击性能和机械强度有一定的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优良电磁性能、耐热冲击性能、高机械强度的功率镍锌铁氧体及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体，具有优良电磁性能、耐热冲击性能和高强度等多重特点，用于功率电感，不仅能满足对器件小型化的要求，也满足对材料强度、热冲击和温度稳定性的需求，包括主成分和副成分，所述主成分为：氧化铁、氧化亚镍、氧化锌、氧化铜，所述主成分以各自标准物计的含量为：Fe₂O₃ 48～50mol％，NiO 16～20mol％，ZnO25～30mol％，CuO 5～8mol％，相对所述主成分总量，所述副成分以其标准物计的含量为Bi₂O₃ 0.3～0.7wt％，Al₂O₃ 1.0～1.5wt％。

优选地，所述副成分相对所述主成分总量，以其标准物计的含量为Bi₂O₃ 0.5～0.7wt％，Al₂O₃ 1.0～1.5wt％。

一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体的制备方法，依次包括了混合球磨、预烧、二次球磨、造粒、成型和烧结等步骤，副成分在二次球磨中加入，具体步骤如下：

(1)混合球磨：按主成分配比配料后进行湿法球磨混合，球磨时间为6小时；所述主成分以其各自标准物计的含量为：Fe₂O₃ 48～50mol％，NiO 16～20mol％，ZnO 25～30mol％，CuO 5～8mol％；

(2)预烧：将混合好的材料在烧结炉中进行预烧，预烧温度控制在1020±10℃，预烧时间为120分钟；

(3)二次球磨：在上述预烧得到的预烧料中加入副成分，进行二次球磨，球磨时间为12小时；所述副成分相对主成分总量以其标准物计的含量为Bi₂O₃ Bi₂O₃ 0.3～0.7wt％，Al₂O₃ 1.0～1.5wt％；

(4)造粒：在步骤(3)得到的粉料中加入粉料重量的8～10wt％的PVA(PVA溶液浓度10wt％)，得到颗粒料；

(5)压制：将步骤(4)得到的颗粒料压制得到坯件，压力为8±1MPa，保压时间为20s；

(6)烧结：在烧结炉中进行烧结，烧结温度控制在1100～1130℃，保温时间为120～180分钟，升温速率：1.5～2.0℃/min，烧结气氛为空气，烧结结束后随炉自然冷却至室温，即得到所述的镍锌铁氧体。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的高强度耐热冲击镍锌铁氧体通过调整配方，即通过调整Fe₂O₃来调整材料的饱和磁感应强度，通过调整NiO的含量来调整材料的使用频率，通过调整ZnO的含量来调整材料的磁导率。通过加入Bi₂O₃副成分，降低烧结温度并改善微观特性，提高起始磁导率；通过加入Al₂O₃固溶进入铁氧体，提高功率铁氧体的热传导系数和热扩散系数，从而改善温度稳定性和耐热冲击性能；同时，部分Bi₂O₃-Al₂O₃助剂在铁氧体晶界的分布有助于增加晶界厚度，在降低损耗同时提升机械强度；再通过生产工艺进一步调整材料的晶体结构，从而使之具有良好的综合磁性能、强度和耐热冲击性能。

2、本发明提供的高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体的耐热冲击能力可达到400℃以上，且该材料适用于表面安装的功率电感器的开发和大量生产，有利于传输较大功率的电源通路和DC-DC电源模块的小型化和薄型化。

材料的主要性能指标如下：起始磁导率μ_i 600±25％；饱和磁感应强度Bs400±5％mT；相对损耗因子tanδ/μ_i(×10^-6)≤200；比温度系数α_μi(×10^-6/℃)≤10；居里温度Tc(℃)≥200；热冲击前机械强度≥120Mpa，热冲击后机械强度≥100Mpa。

附图说明

图1为本发明实施例1的镍锌铁氧体的扫描电子显微镜(SEM)图片。

具体实施方式

以下根据具体实施例说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。

实施例

一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体的制备方法，包括以下步骤：

(1)混合球磨：按表1中(实施例)所述的主成分配比配料后进行湿法球磨混合，其中，水：球：料＝1.5:2.5:1，球磨时间为6小时；

(2)预烧：将混合好的料在硅钼棒烧结炉中进行预烧，预烧温度控制在1020±10℃，预烧时间为120分钟；

(3)二次球磨：在上述预烧得到的预烧料中加入副成分后进行二次球磨，其中，水：球：料＝1.5:2.5:1，球磨时间为12小时；

(4)造粒：在步骤(3)得到的粉料中加入相当于粉料重量的8wt％的PVA溶液(PVA溶液浓度10wt％)，得到颗粒料；

(5)压制：将步骤(4)得到的颗粒料采用油压机压制得到磁环和磁条坯件，压力分别为8±1MPa和13±1MPa，保压时间为20s；

(6)烧结：在硅钼棒箱式烧结炉中进行烧结，烧结温度控制在1120℃(升温速率为2.0℃/min)，保温180分钟，烧结气氛为空气，烧结结束后随炉自然降温至室温，即得到所述的镍锌铁氧体。

对比例

采用传统的氧化法制备镍锌铁氧体，其中所述主成分和副成分的含量以及制备的具体工艺参数见表1。其中，对比例1验证单独掺入Bi₂O₃对电磁性能、热冲击特性性能和机械强度的影响；对比例2，3验证不同Bi₂O₃-Al₂O₃掺杂对材料电磁性能、热冲击特性性能和机械强度的影响。

通过以上工序制得所述NiZn铁氧体制品(磁环样品：15.9×6.9×3.0，磁条样品：44.5*8.8*2.7，单位：mm)

将烧结后的磁环和磁条分别进行测试和评价。在匝数N＝15Ts条件下，用TH2828测试仪测试磁环样品的起始磁导率μ_i，损耗因子tanδ/μi；采用磁热重法测试磁环的居里温度Tc；分别测试20℃和60℃温度条件下的磁导率计算温度系数α_μi；用SY-8232型B-H分析仪测试样品的饱和磁感应强度Bs；采用闪射法导热仪LFA-457测量样品的热扩散系数和热传导系数，测试温度400℃。磁环热冲击实验过程为：将磁环没入温度为400℃以上锡槽中浸泡3秒，观察是否开裂。磁条的强度测试：采用美特斯工业系统有限公司微机控制电子万能试验机(最大负荷10kN)测试磁条热冲击前后的机械强度，压力通过球形点接触。三点弯曲强度R＝(3*F*L)/(2*b*h*h)，式中，F代表断裂负荷，b代表磁条的宽度，h代表磁条的厚度，L是仪器测试的跨度，这里取30mm。

表1实施例和对比例的成分配比及工艺条件

表2实施例和对比例的性能

表2列出了实施例和对比例的性能及评估结果，其中，未达指标要求的加“*”。从表2中可以看出，本发明实施例和对比例相比，本发明既能保持相应的起始磁导率、较高的饱和磁感应强度、低损耗因子的要求，同时也提高了材料的机械强度和耐热冲击能力。本发明采用提高预烧温度、按比例掺入Bi₂O₃-Al₂O₃的方式，一方面改善了高温烧结样品晶粒尺寸过大，气孔较多的问题，实施例的结晶较均匀，平均晶粒尺寸在10～15μm，气孔分布合理；另一方面，部分Al³⁺离子进入铁氧体晶格结构，减少了氧空位含量，使NiZn铁氧体热传导系数和热扩散系数显著提升。合理的均匀且相对较小的晶粒尺寸、较少的气孔率、良好的热传导率是实施例镍锌铁氧体的耐热冲击能力相对于对比例大幅提升的重要原因；而Bi₂O₃-Al₂O₃掺杂物在铁氧体中晶界分布有利于获得均匀致密的晶粒结构，同时增强晶界强度，有效提升了材料的机械强度。本发明能够满足小型功率电感对高强度耐热冲击NiZn铁氧体材料的性能要求。

Claims (3)

1.一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体，包括主成分和副成分，所述主成分为：氧化铁、氧化亚镍、氧化锌、氧化铜，所述主成分以各自标准物计的含量为：Fe₂O₃ 48～50mol％，NiO 16～20mol％，ZnO 25～30mol％，CuO 5～8mol％，相对所述主成分总量，所述副成分以其标准物计的含量为Bi₂O₃ 0.3～0.7wt％，Al₂O₃ 1.0～1.5wt％。

2.根据权利要求1所述的高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体，其特征在于，所述副成分相对所述主成分总量，以其标准物计的含量为Bi₂O₃ 0.5～0.7wt％，Al₂O₃ 1.0～1.5wt％。

3.一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体的制备方法，具体步骤如下：

(1)混合球磨：按主成分配比配料后进行湿法球磨混合，球磨时间为6小时；所述主成分以其各自标准物计的含量为：Fe₂O₃ 48～50mol％，NiO 16～20mol％，ZnO 25～30mol％，CuO5～8mol％；

(2)预烧：将混合好的材料在烧结炉中进行预烧，预烧温度控制在1020±10℃，预烧时间为120分钟；

(3)二次球磨：在上述预烧得到的预烧料中加入副成分，进行二次球磨，球磨时间为12小时；所述副成分相对主成分总量以其标准物计的含量为Bi₂O₃Bi₂O₃ 0.3～0.7wt％，Al₂O₃1.0～1.5wt％；

(4)造粒：在步骤(3)得到的粉料中加入粉料重量的8～10wt％的PVA，得到颗粒料；

(5)压制：将步骤(4)得到的颗粒料压制得到坯件，压力为8±1MPa，保压时间为20s；

(6)烧结：在烧结炉中进行烧结，烧结温度控制在1100～1130℃，保温时间为120～180分钟，升温速率：1.5～2.0℃/min，烧结气氛为空气，烧结结束后随炉自然冷却至室温，即得到所述的镍锌铁氧体。