CN107578877B

CN107578877B - 一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯及其制备方法

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Publication number: CN107578877B
Application number: CN201710516188.9A
Authority: CN
Inventors: 唐冬冬; 王湘粤; 刘志坚; 刘天成; 关连宝; 张伟; 李德仁; 卢志超
Original assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: CN107578877A

Abstract

本发明涉及一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯及其制备方法，该方法包括如下步骤：首先将10～50wt％的通过‑120～+150筛目的、30～70wt％的通过‑150～+200筛目的和20～40wt％的通过‑200～+270筛目的三种铁基纳米晶合金非晶结构粉末依次进行混合处理、钝化处理、粘结处理、加润滑剂包覆造粒处理，得到包覆粉末；其次进行压制成型处理，并对压坯进行退火热处理；最后进行涂层处理，获得磁粉芯。该铁基纳米晶磁粉芯在100kHz条件下，磁导率μ＝90±7，B_m＝0.1T下的损耗P_cv≤380kW/m³；直流偏磁场为100Oe时，磁导率下降至30％以上。

Description

一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯及其制备方法，属于铁基软磁材料制备技术领域。

背景技术

铁基非晶、纳米晶磁粉芯是近年来随着电源趋向于高频、低电压、大电流的发展方向而兴起的新型软磁磁性材料，两者优异的软磁性能、相对低廉的成本，是其他包括铁粉芯、铁硅铝粉芯、铁镍粉芯等有力的竞争者。其中具有较高饱和磁感Bs的铁基非晶磁粉芯可以很好的应用在PFC电源电路中，但是也有相应的缺点，非晶合金较大的磁致伸缩系数导致其磁粉芯使用在电路中有着不可避免的噪音。铁基纳米晶合金具有更低的损耗、几乎等于零的磁致伸缩系数、较佳的直流偏置能力，可以很好的消除噪音。尽管不同材质的磁粉芯的制备步骤大致相似，但是如何选择材料配比，平衡匹配工艺步骤条件，从而制备得到磁性能更佳的磁粉芯，需要技术人员不断地探索。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯及其制备方法，该磁粉芯同时具有极佳的损耗特性和较好的直流偏置特性。发明名称中所述“磁导率μ＝90”，表示规格型号，是指该铁基纳米晶磁粉芯的磁导率为90这个级别。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一，将重量含量为10～50％(比如12％、15％、20％、25％、30％、 35％、40％、45％、48％)的A级别粉末、重量含量为30～70％(比如32％、 35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、68％)的B级别粉末和重量含量为20～40％(比如22％、25％、30％、35％、38％)的C级别粉末进行混合处理，得到混合合金粉末；其中，所述A级别粉末为通过-120～+150筛目的铁基纳米晶合金非晶结构粉末，所述B级别粉末为通过-150～+200筛目的铁基纳米晶合金非晶结构粉末，所述C级别粉末为通过-200～+270筛目的铁基纳米晶合金非晶结构粉末；

步骤二，对步骤一得到的所述混合合金粉末采用钝化剂进行钝化处理，再加入粘合剂进行粘结处理，然后添进润滑剂以完成包覆造粒处理，得到包覆粉末；

步骤三，将步骤二得到的所述包覆粉末进行压制成型处理，得到磁粉芯压坯；

步骤四，对所述磁粉芯压坯进行退火热处理；

步骤五，将步骤四得到的磁粉芯进行涂层处理，最终获得表面有绝缘涂层的所述铁基纳米晶磁粉芯。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述铁基纳米晶合金非晶结构粉末是通过将铁基纳米晶合金非晶结构带材依次进行脆化热处理、破碎处理、筛分处理制备而来。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述铁基纳米晶合金非晶结构带材通过单辊快淬法制得；所述铁基纳米晶合金非晶结构带材为 Fe-Nb-Cu-Si-B纳米晶合金，其化学成分按原子百分比包括：Nb：2～4at.％， Cu：0.5～2at.％，Si：13～16at.％，B：6～9at.％，余量为Fe。上述铁基纳米晶合金非晶结构薄带是快淬方法制备，原始状态是非晶结构，需经过晶化退火热处理后，生成纳米晶相，这个时候就是纳米晶合金纳米晶结构。本申请中，步骤一所用原料粉末也是纳米晶合金非晶状态粉末，在最后去应力/晶化热处理时，生成纳米晶相，得到纳米晶粉芯。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述脆化热处理的温度为 260～460℃(比如265℃、280℃、300℃、320℃、350℃、380℃、400℃、 420℃、445℃)，保温时间为2～5h(比如2.5h、3h、4h、4.55h、5h)。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述破碎处理依次包括粗碎处理和细碎处理；所述粗碎处理后得到面积在1～2cm²铁基纳米晶合金非晶结构碎片，所述细碎处理后得到150μm以下的所述铁基纳米晶合金非晶结构粉末。如果采用一步制得对应粒度粉末，容易损坏关键部位，影响设备寿命。破碎方法主要影响粉末的微观形貌，而微观形貌决定了后续压制成型的容易难度。采用本申请的上述破碎处理方式能够提高产能，提高生产效率，更易于推广。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述筛分处理具体为分别经 120目、150目、200目、270目筛网筛分，以获得不同粒度大小的铁基纳米晶非晶合金粉末。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤一得到的所述混合合金粉末的粒度D50为90～110μm(比如92μm、95μm、98μm、100μm、102μm、 105μm、108μm)，能维持磁导率达到90μ范畴且能进一步保证最终磁粉芯的软磁性能。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤二中，所述钝化剂选自磷酸或硝酸酒精溶液，所述磷酸或硝酸酒精溶液中各种组分的质量配比为：磷酸/硝酸:水:乙醇＝1:1.2:30，所述钝化剂的添加量为所述混合合金粉末质量的5～10％(比如5.2％、5.5％、6％、7％、8％、8.5％、9％、9.5％)。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤二中，所述粘合剂选自环氧树脂、聚酰亚胺、酚醛树脂、氰酸脂、丙烯酸树脂、水玻璃中的任意一种或几种，所述粘合剂的添加量为所述混合合金粉末质量的0.5～3％(比如 0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％、2.8％)。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤二中，所述润滑剂为硬脂酸锌或硬脂酸镁，所述润滑剂的添加量为所述混合合金粉末质量的0.3～ 1％(比如0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％)；润滑剂的添加量过低，则在压制过程中，无法有效脱模而缩短模具寿命，坯料外观也会较差；添加量过高，则会引入过多非磁性物质，严重影响性能。更优选地，所述润滑剂的添加量为所述混合合金粉末质量的0.3～0.6％(比如0.35％、0.4％、0.5％、 0.55％)。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤三中所述压制成型处理为在室温下模压成型，压制压力为1600～2400MPa(比如1650MPa、1800 MPa、1900MPa、2000MPa、2100MPa、2200MPa、2300MPa、2350MPa)，保压时间1～6s(比如2s、3s、4s、5s)。更优选的，压制压力在1900-2100MPa 之间、保压时间在2.5s～3.5s之间，粉芯的软磁性能最佳。本申请中采用了合适的粉末配比和包覆工艺，包覆粉末的成型性很好，只需很短的保压时间，有利于批量生产时效率的提升。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤四中所述退火热处理的温度为480～580℃(比如485℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540 ℃、550℃、560℃、570℃、575℃)，保温时间0.5～2h(比如1h、1.5h)。退火热处理可以消除压制成型处理后的剩余应力，同时还使非晶状态下的纳米晶磁粉芯开始晶化以生成纳米晶微结构，纳米晶相的生成，会进一步降低磁粉芯最终的损耗。优选地，所述退火热处理在流动空气下进行；更优选地，在摆放时，各个所述磁粉芯压坯之间留有空隙；由于在前面的步骤中加入了有机物质——粘结剂，在高温下热处理，有机物会燃烧，而引入流动空气可以加快有机物的分解，有机物分解越彻底，磁粉芯内部的非磁性物质越少，对性能的影响越小；而各个磁粉芯压坯间隔开放置可以增加磁粉芯压坯与空气的接触面积，更加有利于有机物的分解。通常退火在真空或惰性气体下进行，以避免粉芯过度氧化，而在本申请中，由于退火温度较低，再加上混合粉末在压制之前做了包覆造粒处理，所以本申请的退火即使在流动空气下进行也不会导致磁粉芯的氧化，故此处优选采用流动空气下进行退火热处理。

上述制备方法中，作为一种优选实施方式，步骤五中，所述涂层处理经流化床完成；更优选地，所述涂层处理所用涂料为环氧树脂粉末。

一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯，采用上述方法制备而成，所述铁基纳米晶磁粉芯在100kHz条件下，磁粉芯磁导率μ＝90±7，B_m＝0.1T下的损耗P_cv≤380kW/m³；直流偏磁场为100Oe时，磁导率下降至30％以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的制备方法采用初始状态是非晶结构的铁基纳米晶合金非晶薄带，经脆化热处理使其结构弛豫，韧性消失，薄带脆化，经过粗碎、细碎处理后，通过大量工艺实验验证以确定不同粒度段的粉末配比，保证粉芯的软磁性能在本规格型号(磁导率μ＝90)粉芯要求的范围内；然后通过合适的包覆工艺和压制工艺制备磁芯，再经合适的退火热处理工艺，消除压制残余应力的同时促使内部非晶结构晶化，生成纳米晶相，最终制得质量优良的纳米晶磁粉芯。

2)本发明提供的铁基纳米晶磁粉芯在100kHz条件下，磁粉芯磁导率μ＝90±7，B_m＝0.1T下的损耗P_cv≤380kW/m³；直流偏磁场为100Oe时，磁导率下降至30％以上，同时具有极佳的损耗特性和较好的偏置特性，且有效避免噪音缺陷。

附图说明

图1为本发明提供的铁基纳米晶磁粉芯制备方法的优选实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供的磁导率μ＝90高磁导率Fe基纳米晶磁粉芯的制备方法的一个优选实施方式，包括如下步骤：利用单辊快淬法制得的Fe基纳米晶合金薄带(非晶结构状态)进行脆化热处理；采用机械破碎法破碎该薄带，先进行粗碎，然后进行细碎，依序获得合金碎片及粉末；将合金粉末筛分分级后后再进行配比以获得既定粒度的混合合金粉末；将配比后的铁基纳米晶合金非晶结构粉末进行包覆造粒；造粒后的包覆粉末由室温模压成型获得磁粉芯压坯；对成型后的磁粉芯进行退火热处理；最后通过流化床用绝缘环氧树脂粉末涂布该磁粉芯。上述整个制备流程如图1所示。

实施例1

(1)选取单辊快淬法制得的Fe基纳米晶合金非晶结构薄带并对该薄带进行脆化热处理；

该单辊快淬法制备的Fe基纳米晶合金非晶薄带为Fe₇₃.5Nb₃Cu₁Si₁₃.5B₉纳米晶合金。

脆化热处理温度选用320℃，并保温4h，此时带材充分脆化，以便下一步粗碎获得金属碎片；

(2)对经步骤(1)得到的充分脆化的Fe基纳米晶合金非晶带材采用粗碎机(机械式)破碎，获得面积为1-2cm²Fe基纳米晶非晶合金碎片；

(3)将经步骤(2)所获得Fe基非晶碎片进一步经精磨机(机械式)细碎，获得150μm以下的Fe基纳米晶合金非晶结构粉末；

(4)将步骤(3)所获得Fe基纳米晶合金非晶结构粉末进行筛分分别经过120目、150目、200目、270目筛网，获得不同粒度段的Fe基纳米晶合金非晶结构粉末；粒度-120～+150目的为A级别粉末，粒度-150～+200目的为B级别粉末，粒度-200～+270目的为C级别粉末；

(5)将所获得不同粒度段的铁基纳米晶非晶合金粉末按照如下比例配比倒入混料机内，搅拌杆搅拌均匀得到混合合金粉末：A级别粉末重量占比 25％，B级别粉末重量占比40％，C级别粉末重量占比35％；配比混料后的混合合金粉末粒度D50＝91.2μm；

(6)往步骤(5)获得的混合合金粉末中加入重量占比6％(用量为混合合金粉末总重量的6％)的磷酸酒精溶液(质量配比为磷酸:水:酒精＝1:1.2:30)进行钝化处理，在80℃下匀速搅拌直至干燥；然后加入重量占比 2％(用量为混合合金粉末总重量的2％)的环氧树脂，在60℃下匀速搅拌直至干燥；最后加入重量占比0.6％(用量为混合合金粉末总重量的0.6％)的硬脂酸锌，常温下匀速搅拌均匀后，完成包覆造粒，得到包覆粉末；

(7)将步骤(6)获得的包覆粉末在室温下模压成型得到磁粉芯压坯，压制压力为2000MPa，保压时间3s，压制规格Φ33*19.9*10.7mm；

(8)将步骤(7)获得的磁粉芯压坯间隔开(即各个磁粉芯压坯之间留有空隙)放入网带式热处理炉中，在流动空气下进行退火，同时完成去应力热处理及晶化热处理，热处理的保温温度为520℃，保温时间60min；

(9)通过流化床在将上述退火后的磁粉芯表面涂布环氧树脂绝缘粉末即得成品。

经检测，本实施例制备的铁基纳米晶磁粉芯样品的性能测试结果如下表 1所示，此外，表中还列出市场上常见的“铁硅铝”(Sendust)和“铁硅”磁粉芯产品(这两种成分的磁粉芯均属于江西大友磁材有限公司，尺寸相同：外径33mm，内径19.9mm，高度10.7mm)的相关性能数据，用与本发明的磁粉芯进行比较。从该表1中数据可以看出本实施例制备的铁基纳米晶磁粉芯在100kHz条件下，磁粉芯磁导率μ＝89.2，B_m＝0.1T下的损耗P_cv≤349.4 kW/m³，直流偏磁场在100Oe时，磁导率衰减至34.2％，表明本实施例制备的铁基纳米晶磁粉芯同时具有较好的直流偏置特性和较佳的损耗特性。

表1

实施例2-5和对比例1-2

实施例2-5除所用A级别粉末、B级别粉末和C级别粉末所用重量占比与实施例1不同外，其他制备工艺都与实施例1相同，具体配比见表3。

表3

经检测，实施例2-5和对比例1-2制备的铁基纳米晶磁粉芯样品的性能测试结果如下表4所示。从该表中可以看出，实验例2-实验例5，磁导率均在90μ范畴内，损耗都小于380kW/m³；对比例1中，当粉末C超出规定的 40％，损耗符合要求，但磁导率远远达不到90μ，这是因为细粉比例过高，内部气隙增加，导致磁导率过低；对比例2中，当粉末A超出规定的50％，损耗较大，且磁导率略低于90μ下限，这是因为粗粉比例较大，高频涡流损耗增加迅速，故损耗较大，且压制密度有所下降，导致磁导率偏低。

表4

实施例6-7

实施例6-7除钝化剂的添加量与实施例1不同外，其他制备工艺都与实施例1相同，具体成分及产品性能见表5。

表5

实施例8-10

实施例8-10除添加的粘合剂和添加量与实施例1不同外，其他制备工艺都与实施例1相同，具体成分及产品性能见表6。

表6

实施例11-12

实施例11-12除压制成型处理制度与实施例1不同外，其他制备工艺都与实施例1相同，具体成分及产品性能见表7。

表7

实施例13-14

实施例13-14除退火热处理制度与实施例1不同外，其他制备工艺都与实施例1相同，具体成分及产品性能见表8。

表8

Claims

1.一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一，将重量含量为10～50％的A级别粉末、重量含量为30～70％的B级别粉末和重量含量为20～40％的C级别粉末进行混合处理，得到混合合金粉末；其中，所述A级别粉末为通过-120～+150筛目的铁基纳米晶合金非晶结构粉末，所述B级别粉末为通过-150～+200筛目的铁基纳米晶合金非晶结构粉末，所述C级别粉末为通过-200～+270筛目的铁基纳米晶合金非晶结构粉末；

步骤四，对所述磁粉芯压坯进行退火热处理；

步骤五，将步骤四得到的磁粉芯进行涂层处理，最终获得表面有绝缘涂层的所述铁基纳米晶磁粉芯；

所述铁基纳米晶合金非晶结构粉末是通过将铁基纳米晶合金非晶结构带材依次进行脆化热处理、破碎处理、筛分处理制备而来；

所述铁基纳米晶合金非晶结构带材为Fe-Nb-Cu-Si-B纳米晶合金，其化学成分按原子百分比包括：Nb：2～4at.％，Cu：0.5～2at.％，Si：13～16at.％，B：6～9at.％，余量为Fe；

步骤一中，得到的所述混合合金粉末的粒度D50为90～110μm；

步骤二中，所述钝化剂选自磷酸或硝酸酒精溶液，所述磷酸或硝酸酒精溶液中各种组分的质量配比为：磷酸/硝酸:水:乙醇＝1:1.2:30，所述钝化剂的添加量为所述混合合金粉末质量的5～10％；所述粘合剂的添加量为所述混合合金粉末质量的0.5～3％；

步骤二中，所述润滑剂为硬脂酸锌或硬脂酸镁，所述润滑剂的添加量为所述混合合金粉末质量的0.3～1％；

步骤三中所述压制成型处理为在室温下模压成型，压制压力为1900～2100MPa，保压时间2.5s～3.5s；

步骤四中所述退火热处理的温度为480～580℃，保温时间0.5～2h；所述退火热处理在流动空气下进行。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述铁基纳米晶合金非晶结构带材通过单辊快淬法制得；

所述脆化热处理的温度为260～460℃，保温时间为2～5h；

所述破碎处理依次包括粗碎处理和细碎处理，所述粗碎处理后得到面积在1～2cm²铁基纳米晶合金非晶结构碎片，所述细碎处理后得到150μm以下的所述铁基纳米晶合金非晶结构粉末。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤二中，所述粘合剂选自环氧树脂、聚酰亚胺、酚醛树脂、氰酸脂、丙烯酸树脂、水玻璃中的任意一种或几种。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述润滑剂的添加量为所述混合合金粉末质量的0.3～0.6％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述制备方法，其特征在于，在摆放时，各个所述磁粉芯压坯之间留有空隙。

6.根据权利要求1-4中任一项所述制备方法，其特征在于，步骤五中，所述涂层处理经流化床完成。

7.根据权利要求1-4中任一项所述制备方法，其特征在于，所述涂层处理所用涂料为环氧树脂粉末。

8.一种磁导率μ＝90的铁基纳米晶磁粉芯，采用如权利要求1-7中任一项所述方法制备而成，所述铁基纳米晶磁粉芯在100kHz条件下，磁粉芯磁导率μ＝90±7，B_m＝0.1T下的损耗P_cv≤380kW/m³；直流偏磁场为100Oe时，磁导率下降至30％以上。