CN109599240A - 一种铁氧体类软磁粉芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁氧体类软磁材料的粉末添加还原性强的金属粉末经绝缘包覆后模压成型再经热处理而成的磁粉芯，所述的磁粉芯的成分至少包括铁氧体软磁材料，铁，还原性强的金属以及还原性强的金属的氧化物，还可以包括有机或无机绝缘粘结剂以及有机或无机分散剂。依据本发明提供的方法制备得到的铁氧体类软磁粉芯能提高磁粉芯的有效磁导率和品质因数，提升磁粉芯的电阻率，能有效降低高频下的涡流损耗，具有良好的高频特性及温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及磁性元器件技术领域，尤其涉及一种基于铁氧体类软磁材料的粉末添加还原性强的金属粉末经绝缘包覆后模压成型再经热处理而成的磁粉芯。
背景技术
目前，磁粉芯被广泛用于各种开关电源中作为滤波电感、扼流电感、储能电感的磁性元件，磁粉芯主要有铁粉芯、坡莫合金粉芯、铁镍合金粉芯、铁硅合金粉芯、铁硅铝合金粉芯等，其中，铁粉芯价格较低，但高频下应用涡流损耗高，其他几种磁粉芯虽然高频特性适中或比较好，但价格略高或相当昂贵，限制了在电源中的应用。铁氧体是一种半导体非金属磁性材料，一般是指铁族的和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物。铁氧体类磁性材料制备的磁芯比常规磁粉芯的饱和磁通密度要低一些，但电阻率要高一些，损耗要低一些，高频特性要好一些，而且价格相对更低一些，因此，铁氧体类磁性材料被广泛用于各种开关电源中作为变压器和电感原件的磁芯。
在反激式开关电源、LLC谐振半桥或全桥变换电源的变压器的磁芯一般采用价格相对较低的锰锌铁氧体磁芯，正激式开关电源或推挽式开关电源的储能电感以及LLC谐振半桥或全桥变换电源和移相全桥变换电源的谐振电感的磁芯也可以使用锰锌铁氧体磁芯。在这些应用中，要求磁芯要有优良的直流叠加特性、高频低损耗、比较高的饱和磁通密度等特性，而锰锌铁氧体磁芯要达到这种要求，需要在磁芯中柱开气隙才能满足要求，虽然磁芯中柱开气隙后频率特性有所提高，但因常规的锰锌铁氧体磁芯电阻率不高，在越高的频率下，涡流损耗越大，不适合应用到很高的频率的开关电源中。
对于兆赫兹以上工作频率的电源中变压器和电感的应用，可以用高频特性好的锰锌铁氧体磁粉或镍锌铁氧体磁粉制备成低磁导率的高频磁粉芯，但对于几百千赫兹以上工作频率的电源中变压器和电感的应用，则不是很合适，因这类软磁材料的饱和磁通密度和初始磁导率都远远不及软磁铁粉芯或软磁合金粉芯的饱和磁通密度和初始磁导率，而且磁粉芯的工艺特点导致这种磁粉芯的饱和磁通密度和有效磁导率都比较低，达不到几百千赫兹的应用要求，同时价格也会比较高。
电子产品向小型化的方向发展，也就要求电子产品的适配电源具有更高的效率，更高的工作频率，实现小型化的要求，要达到这些要求，电源中使用的磁性元件需满足饱和磁通密度、有效磁导率、高电阻率、稳定性、工作频率都比较高以及涡流损耗低的要求。
鉴于金属磁粉芯和铁氧体类软磁材料各有优点和不足，有必要发明一种价格较低的高饱和磁通密度、高有效磁导率、高电阻率、高稳定性以及涡流损耗低高频特性好的铁氧体类软磁粉芯，才能更好的满足开关电源高频小型化和低成本的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效磁导率和品质因数更高的磁粉芯以及该磁粉芯的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明提供一种铁氧体类软磁粉芯，所述磁粉芯包括以下成分：铁氧体软磁材料、铁、还原性强的金属粉末以及还原性强的金属氧化物。
进一步的，所述磁粉芯还包括有机或无机绝缘粘结剂以有机或无机分散剂。
更进一步的，所述的铁和还原性强的金属的氧化物是所述的还原性强的金属粉末体添加至所述的铁氧体软磁材料的粉末体中在高温环境下与二价铁发生置换反应后的产物。
优选的，所述的铁氧体类软磁材料是锰锌铁氧体或镍锌铁氧体软磁材料。
更优选的，所述的铁氧体类软磁材料的粉末粒度大于100目。
优选的，所述的还原性强的金属粉末选用铝粉。
更优选的，所述还原性强的金属粉末粒度是大于300目。
本发明的还提供了一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按重量百分比称取40％～99.9％的铁氧体类软磁材料粉末和取0.1％～10％的还原性强的金属粉末和0％～50％有机或无机绝缘粘结剂以及0％～10％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌，磁混合物中的磁粉颗粒被充分包覆；
(2)模压：将上述步骤(1)得到的混合物放入模具中，在一定压力下将粉末压制成型；
(3)热处理：将上述步骤(2)模压成型所得磁粉芯至于充满空气或者真空或者惰性气体的高温炉内进行热处理，热处理时间至少0.5小时，使步骤(1)中添加的金属粉末与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经冷却后即得到本发明所述的一种铁氧体类软磁粉芯。
优选的，步骤(3)中所述高温炉的温度设置为300℃-1000℃范围。
优选的，步骤(2)中所述的压力为0.5～3GPa。
运用本发明的技术方案具有如下有益效果：
1.本发明一种铁氧体类软磁磁粉芯，其磁粉采用的是一种铁氧体类软磁材料的粉末，制备得到的铁氧体类软磁粉芯的电阻率比软磁铁粉芯或软磁合金粉芯的电阻率要高一些，涡流损耗更低，高频特性更好，同时磁粉芯的价格相对会更低，性价比较高；
2.本发明一种铁氧体类软磁磁粉芯，是基于铁氧体类软磁材料的粉末添加还原性强的金属粉末经绝缘包覆后模压成型再经热处理而成的磁粉芯，添加的还原性强的金属粉末与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和还原性强的金属粉末的氧化物成分，所含的铁呈原子态，且退火后具有软磁特性，因而可以增强磁粉芯的磁性，使磁粉芯的有效磁导率提高；同时，置换反应后得到的还原性强的金属的氧化物具有绝缘特性，使得铁氧体类软磁材料的粉末颗粒之间以及还原性强的金属粉末颗粒之间得到绝缘，使电阻率提高，磁粉芯的品质因数得到提高。采用本发明的制备方法制备得到的磁粉芯有效磁导率较高，涡流损耗更低，高频特性更好。
3.本发明一种铁氧体类软磁磁粉芯，其铁氧体类软磁材料的粉末颗粒被具有绝缘特性的还原性强的金属的氧化物和绝缘粘结剂包覆，也就是说软磁材料的粉末颗粒之间具有气隙，可以等效为铁氧体类磁芯防止饱和和增强直流叠加特性而开的气隙，使得本发明一种铁氧体类软磁磁粉芯可以应用于反激式开关电源、LLC谐振半桥或全桥变换电源中作为变压器的磁芯，也可以作为各类滤波电感、扼流电感、储能电感的磁芯，磁芯无需再另外开气隙，降低了变压器和电感的制造成本。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种铁氧体类软磁粉芯，所述磁粉芯包括以下成分：铁氧体软磁材料、铁、还原性强的金属粉末以及还原性强的金属氧化物。
具体的，在本发明的一个实施例中，磁粉芯还包括有机或无机绝缘粘结剂以有机或无机分散剂。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述的铁和还原性强的金属的氧化物是所述的还原性强的金属粉末体添加至所述的铁氧体软磁材料的粉末体中在高温环境下与二价铁发生置换反应后的产物，其中，有机或无机绝缘粘结剂的功能是粘结铁氧体类软磁材料的粉末颗粒和还原性强的金属粉末颗粒以及铁和还原性强的金属的氧化物的颗粒；有机或无机分散剂的功能是保证铁氧体类软磁材料的粉末和还原性强的金属粉末在制备过程中不发生团聚效应而使磁粉芯的电阻率降低，损耗增加，高频特性变差。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述的铁氧体类软磁材料是锰锌铁氧体或镍锌铁氧体软磁材料，所述的铁氧体类软磁材料的粉末粒度大于100目。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述的还原性强的金属粉末选用铝粉，所述还原性强的金属粉末粒度是大于300目。
本发明的还提供了一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按重量百分比称取40％～99.9％的铁氧体类软磁材料粉末和取0.1％～10％的还原性强的金属粉末和0％～50％有机或无机绝缘粘结剂以及0％～10％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌，磁混合物中的磁粉颗粒被充分包覆；
(2)模压：将上述步骤(1)得到的混合物放入模具中，在0.5～3GPa压力下将粉末压制成型；
(3)热处理：将上述步骤(2)模压成型所得磁粉芯至于充满空气或者真空或者惰性气体的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为300℃-1000℃范围，热处理时间至少0.5小时，使步骤(1)中添加的金属粉末与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经冷却后即得到本发明所述的一种铁氧体类软磁粉芯。置换反应的化学方程式为：
2Al+MnaZn(1-a)Fe2O4＝高温＝2Fe+MnaZn(1-a)Al2O4和2Al+Fe2O3＝高温＝2Fe+Al2O3
上述化学方程式中，MnaZn(1-a)Fe2O4是锰锌铁氧体的分子式，Fe2O3是锰锌铁氧体软磁粉末中少量的氧化铁的分子式，Al2O3是置换反应后得到的铝的氧化物的分子式，MnaZn(1-a)Al2O4是置换反应后得到的另一种铝的氧化物锰锌铝氧体的分子式，Al是铝的化学式，Fe是铁的化学式。
实施例1
按上述一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，按重量百分比为97.5％称取粒度为150目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为0.1％称取粒度为1000目的还原性强的铝粉末和取按重量百分比为2.4％称取的高温硅胶绝缘粘结剂混合得到磁混合物，充分搅拌后，将磁混合物粉末放入模具中，在2GPa压力下将粉末压制成型，将成型的磁粉芯至于有空气的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为500℃，热处理时间1小时，使还原性强的铝与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经自然冷却后即得到本发明所述范围内的一种铁氧体类软磁粉芯。
实施例2
按上述一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，按重量百分比为99.5％称取粒度为150目锰锌铁氧体软磁粉末和取按重量百分比为0.1％称取粒度为1000目的还原性强的铝粉末和取按重量百分比为0.4％称取的水玻璃绝缘粘结剂混合得到磁混合物，充分搅拌后，将磁混合物粉末放入模具中，在2GPa压力下将粉末压制成型，将成型的磁粉芯至于有空气的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为500℃，热处理时间1小时，使还原性强的铝与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经自然冷却后即得到本发明所述范围内的一种铁氧体类软磁粉芯。
实施例3
按上述一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，按重量百分比为40％称取粒度为150目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为10％称取粒度为1000目的还原性强的铝粉末和取按重量百分比为40％称取的高温硅胶绝缘粘结剂以及10％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌后，将磁混合物粉末放入模具中，在2GPa压力下将粉末压制成型，将成型的磁粉芯至于有空气的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为500℃，热处理时间1小时，使还原性强的铝与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经自然冷却后即得到本发明所述范围内的一种铁氧体类软磁粉芯。
实施例4
按上述一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，按重量百分比为60％称取粒度为150目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为5％称取粒度为1000目的还原性强的铝粉末和取按重量百分比为30％称取的高温硅胶绝缘粘结剂以及5％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌后，将磁混合物粉末放入模具中，在2.5GPa压力下将粉末压制成型，将成型的磁粉芯至于有空气的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为800℃，热处理时间1.5小时，使还原性强的铝与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经自然冷却后即得到本发明所述范围内的一种铁氧体类软磁粉芯。
实施例5
按上述一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，按重量百分比为80％称取粒度为200目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为3％称取粒度为1500目的还原性强的铝粉末和取按重量百分比为15％称取的高温硅胶绝缘粘结剂以及2％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌后，将磁混合物粉末放入模具中，在3GPa压力下将粉末压制成型，将成型的磁粉芯至于有空气的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为1000℃，热处理时间1小时，使还原性强的铝与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经自然冷却后即得到本发明所述范围内的一种铁氧体类软磁粉芯。
实施例6
按上述一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，按重量百分比为90％称取粒度为150目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为5％称取粒度为1500目的还原性强的铝粉末和取按重量百分比为4％称取的高温硅胶绝缘粘结剂以及1％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌后，将磁混合物粉末放入模具中，在2GPa压力下将粉末压制成型，将成型的磁粉芯至于有空气的高温炉内进行热处理，高温炉的温度设置为350℃，热处理时间0.8小时，使还原性强的铝与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经自然冷却后即得到本发明所述范围内的一种铁氧体类软磁粉芯。
取实施例1得到的磁芯粉，经检测实施例1得到的磁粉芯的有效磁导率为40-50，电阻最小为100兆欧，品质因数最小为3。
对比例1：而按常规制备方法，按重量百分比为97.5％称取粒度为150目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为2.5％称取的高温硅胶绝缘粘结剂混合后用2GPa压力将粉末压制成型，至于高温炉内经500℃高温热处理，经自然冷却后得到的磁粉芯的有效磁导率为20-30，电阻最小为10兆欧，品质因数最小为1.7。
取实施例2得到的磁芯粉，经检测磁粉芯的有效磁导率为70-80，电阻最小为50兆欧，品质因数最小为2.2。
对比例2：而按重量百分比为99.5％称取粒度为150目的锰锌铁氧体软磁粉末和按重量百分比为0.5％称取的水玻璃绝缘粘结剂混合后用2GPa压力将粉末压制成型，至于高温炉内经500℃高温热处理，经自然冷却后得到的磁粉芯的有效磁导率为40-50，电阻最小为5兆欧，品质因数最小为1.5。
由以上可以看出，按本发明的一种铁氧体类软磁粉芯及其制备方法所得到的磁粉芯与用常规制备方法所得到的磁粉芯比较，有效磁导率、电阻、品质因数明显都提高了，结构尺寸相同时，电阻率也就提高了，因而涡流损耗更低，高频特性更好。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铁氧体类软磁粉芯，其特征在于，所述磁粉芯包括以下成分：铁氧体软磁材料、铁、还原性强的金属粉末以及还原性强的金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的铁氧体类软磁粉芯，其特征在于：所述磁粉芯还包括有机或无机绝缘粘结剂、有机或无机分散剂中的一种或两种。
3.根据权利要求1或2所述的铁氧体类软磁粉芯，其特征在于：所述的铁和还原性强的金属的氧化物是所述的还原性强的金属粉末体添加至所述的铁氧体软磁材料的粉末体中在高温环境下与二价铁发生置换反应后的产物。
4.根据权利要求3所述的铁氧体类软磁粉芯，其特征在于：所述的铁氧体类软磁材料是锰锌铁氧体或镍锌铁氧体软磁材料，所述铁氧化类软磁材料的含量为40-99.9％。
5.根据权利要求4所述的铁氧体类软磁粉芯，其特征在于：所述的铁氧体类软磁材料的粉末粒度大于100目。
6.根据权利要求3所述的铁氧体类软磁粉芯，其特征在于：所述的还原性强的金属粉末选用铝粉，所述铝粉的含量为0.1-10％。
7.根据权利要求6所述的铁氧体类软磁粉芯，其特征在于：所述还原性强的金属粉末粒度是大于300目。
8.一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按重量百分比称取40％～99.9％的铁氧体类软磁材料粉末和取0.1％～10％的还原性强的金属粉末和0％～50％有机或无机绝缘粘结剂以及0％～10％的有机或无机分散剂混合得到磁混合物，充分搅拌，磁混合物中的磁粉颗粒被充分包覆；
(2)模压：将上述步骤(1)得到的混合物放入模具中，在一定压力下将粉末压制成型；
(3)热处理：将上述步骤(2)模压成型所得磁粉芯至于充满空气或者真空或者惰性气体的高温炉内进行热处理，热处理时间至少0.5小时，使步骤(1)中添加的金属粉末与铁氧体软磁材料中的2价铁发生充分的置换反应，使得磁粉芯含有铁和铝的氧化物成分，经冷却后即得到本发明所述的一种铁氧体类软磁粉芯。
9.根据权利要求8所述的一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述高温炉的温度设置为300℃-1000℃范围。
10.根据权利要求8所述的一种铁氧体类软磁粉芯的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的压力为0.5～3GPa。
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Effective date of registration: 20230310 Address after: 416000 Building F, Innovation and Entrepreneurship Demonstration Park, Hi-tech Zone, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, Hunan Province Patentee after: Hunan Huifeng Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 526100 Xiaoxiang Town Sanren Village Committee Xiaohantang Village, Gaoyao City, Zhaoqing City, Guangdong Province Patentee before: Zhou Minfei |
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Effective date of registration: 20230720 Address after: 724499 Circular Economy Industrial Park, Gaozhaizi Subdistricts of China, Ningqiang County, Hanzhong City, Shaanxi Province Patentee after: Shaanxi Huifeng Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 416000 Building F, Innovation and Entrepreneurship Demonstration Park, Hi-tech Zone, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, Hunan Province Patentee before: Hunan Huifeng Electronic Technology Co.,Ltd. |