CN109830353A

CN109830353A - 一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末

Info

Publication number: CN109830353A
Application number: CN201811632209.4A
Authority: CN
Inventors: 郭峰; 汪贤; 黄裕茂; 金叶萍; 许玉成; 周庆国
Original assignee: CHAI XIULAN
Current assignee: CHAI XIULAN
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明提供了一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末。采用该方法制备的粉末由内向外具有三层结构，最内层材料为维氏硬度大于等于800的磁性金属或合金粉末，是金属粉芯的磁性能的来源；第二层材料为维氏硬度小于等于400相对较软的金属或合金薄膜，其在粉末成型过程中起到减小应力的作用；最外层材料为无机非金属材料形成的具有绝缘层。另外，采用该粉末制备的金属粉芯的残余应力小、粉芯密度高、成型压力小，因此金属粉芯具有较低的损耗、较高的磁导率。此复合结构磁性粉末适用于制备硬度高、变形难的磁性金属粉末的金属粉末，例如Sendust合金粉末、非晶软磁金属粉末、纳米晶合金粉末等，使之在成型过程中明显降低成型压力及残余应力，并提高其粉芯密度，最终改善金属粉芯性能。

Description

一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末

技术领域

本发明属于磁性功能材料领域，涉及一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末。

背景技术

磁粉芯是具有分布气隙特征的一类软磁材料，其材料由金属粉末、粉末表面绝缘剂及粘结剂组成；颗粒之间依靠表面的绝缘剂彼此保持绝缘，粉末之间依靠粘结剂而彼此保持一定的强度，颗粒之间的气隙成为主要的储能位置。

通常磁粉芯包括铁粉芯、铁硅粉芯、铁硅铝粉芯、坡莫合金粉芯。近年来随着电力电子行业的发展，器件小型化、高频化及高功率密度的要求导致现有磁粉芯难以很好地满足发展要求，因此综合性能优异的非晶磁粉芯成为研发的重要目标之一。目前，已经有FeSiB系的非晶磁粉芯（破碎法）产品，并表现出低损耗、高直流偏置特性的特征。但是非晶软磁优异的软磁特性（尤其是低损耗特征）未得到完全发挥，例如以上FeSiB非晶磁粉芯的单位体积损耗是FeSiB非晶带材绕制的铁芯损耗的5倍左右。

分析其原因后发现其核心在于非晶粉末的高硬度、难变形特性导致在压制成型过程非晶粉末不会发生塑性变形，因此粉末之间的空隙无法填充、粉芯密度小；同时非晶粉末之间的接触面积是局部点，造成结合强度小，并导致其磁路在这些点集中，从而引起局部点的磁感应强度增加、磁导率下降；再有，这些高硬度、难变形合金粉末在压力成型过程产生的局部点接触问题还将引起应力在这些局部区域集中，从而使得矫顽力增加、磁导率下降，导致其磁粉芯损耗增加、电感下降。以上原因导致非晶合金等难变形、高硬度材料的性能未得到充分发挥。因此，对于高硬度、难变形的材料磁粉芯的研制一直都是业界的难题，例如高性能铁硅铝磁粉芯、纳米晶磁粉芯和非晶磁粉芯。

本发明旨在提供一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，以解决高硬度、难变形材料的磁粉芯性能未得到完全发挥的问题。其原理在于：

（1）最内层材料为磁性金属，通常具有难变形、高硬度特征，例如铁硅铝合金、铁基非晶软磁合金、钴基非晶软磁合金、铁基纳米晶合金等；

（2）第二层为金属材料，通常具有易变性、硬度低的特征，与（1）中所述材料形成互补，例如铝、铜、镍、铁等金属。在压力成型过程中，压力首先达到第二层金属的压缩变形强度并使之发生塑性变形，从而减小作用于最内层金属粉末的应力并降低压制力；同时，通过软金属的塑性变形将继续加载的压力传导至还未发生变性的软金属表面，从而将力均匀地分散，并增加了粉末之间的接触面积，最终大大减少应力集中点并使难变形、高硬度粉末实现最佳的密堆拓扑，但第二层金属与内层金属的占比较小以及厚度较薄，所以不影响内层金属较好的磁性能；

（3）虽然以上结构已经缓解了应力集中和密度小的问题，但是作为磁粉芯的磁性金属粉末其表面必须保证绝缘，这样才能保证高频下电流不会在粉末之间流通，从而减小涡流损耗。因此，最外层结构的材料必须具有绝缘特征，例如金属氧化物等。

通过以上原理，本发明旨在解决难变形、高硬度材料在制备磁粉芯时遇到的困难，从而使得磁性材料尽可能发挥出优异的特性。

发明内容

本发明提供了一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，该复合结构的磁性金属粉末由内向外具有三层结构,如附图1所示。

最内层材料为磁性金属粉末1，是金属粉芯磁性能的来源，通常属于高硬度、难变形合金，可以是铁硅铝、铁基非晶合金、钴基非晶粉末、纳米晶等维氏硬度大于等于800的金属的其中一种；以上金属粉末表面氧含量要小于等于 3000ppm，粉末体积平均粒度D50在3.0-100.0um之间，粉末形貌要尽量避免棱角，具体要求为粉末横断面呈现的长宽比要小于等于4.5。

第二层薄膜材料为相对第一层金属硬度较软的金属层2，其在粉芯成型过程中起到减小应力集中和提高粉芯密度的作用，可以是铝、铜、锡、镍、铁等维氏硬度小于等于400的金属单质或其合金的其中一种,且其厚度在0.01-2.00um之间，优选为小于等于0.01-1.00um，且第二层金属与内层金属的重量百分比为在 0.05％-0.8％之间；其制备方法通常采用化学镀或电镀，内层金属粉末先经过镀前酸洗将表明的氧化物去除，具体要求是酸洗后粉末表明氧含量小于等于600ppm，然后在渡槽里进行反应，反应过程要保证金属粉末不断处于分散状态，例如采用带有小孔的滚筒利用旋转产生的自由落体运动将粉末不断分散聚合，从而保证新鲜镀液有效进入粉体之间。

最外层材料无机非金属材料薄膜，为绝缘层3，具有优秀的绝缘特征，保证金属粉末彼此之间绝缘，其形成方法为酸式盐溶液与前述金属粉末混合并干燥固化形成的正盐类无机物，例如采用磷酸二氢铝溶液与金属粉末混合，溶液PH 值在2.0-5.0之间，随后将其干燥并在100-300℃之间干燥固化，之后金属粉末表明便形成绝缘层，且该绝缘层与基体金属的结合面为化学结合；另外，还可以采用无机酸水溶液与表面金属发生氧化还原反应形成绝缘层，酸根的摩尔数要小于等于上述金属粉末外层金属摩尔数的30％，且该酸溶液PH值在2.0-5.0之间，例如稀硝酸溶液、磷酸溶液、硼酸溶液、铬酸溶液等，反应完成后脱水干燥形成正盐绝缘层。最外层材料除具有绝缘作用外，同时也可以具有粘结作用，尤其是在一定温度下通过材料软化使得粉末之间得以产生粘结力，这是因为有些无机绝缘物在一定温度下同时也有粘结剂的作用，例如磷酸盐、硼酸盐等。

本发明所述的最内层金属粉末的制备方法很多，可以是破碎法、水雾化、气雾化、羰基还原法等，此环节不属于发明内容，因此在此不一一列举。本发明第二层金属完全包裹在最内层金属表面上，厚度为0.01-2um，具体厚度需要根据最内层金属粉末的粒径调整，最内层金属粉末粒径越大，第二层金属的厚度越大，且第二层金属与内层金属的重量百分比为在0.05%-0.8%之间，以保证内层金属的磁性能不受影响该金属层获得的方法很多，例如化学镀、蒸镀等，此环节不属于发明内容，因此在此不一一列举。本发明最外层绝缘物质完全包裹在第二层金属表面上，厚度为0.01-20um，具体厚度需要根据应用要求而定，原则是在保证器件工作时绝缘层不被电压击穿的前提下越薄越好，该层获得的方法也很多，例如化学反应法、物理涂覆法、溶胶凝胶法等，此环节不属于发明内容，因此在此不一一列举。

附图说明：

附图1为本发明粉末的复合结构示意图。

具体实施方法

实施例1：

该实施例采用Fe₇₈(SiB)₂₂雾化非晶粉末，形状近似球形，平均粒径D50为26um，之后采用阳极镀工艺在其表面生成厚度为0.2um的金属铝薄膜，然后在PH=2.0的磷酸溶液中加热到100℃反应10分钟生成一层磷酸铝盐复合物，厚度为0.05um；最后通过压力成型及热处理制备出磁粉芯。为了对比，采用Fe₇₈(SiB)₂₂水雾化非晶粉末及相同的工艺制备出磁粉芯。其性能如下表：

由上表可知，采用本发明复合结构非晶粉末可以有效减小磁粉芯损耗并提高磁导率，这是因为中间的铝金属层有效地缓解了应力集中并提高了压制密度。

实施例2：

该实施例采用Fe₇₈(SiB)₂₂水雾化非晶粉末，形状近似球形，平均粒径D50为26um，之后采用电镀工艺在其表面生成厚度为0.1um的金属铁薄膜，然后在PH=2.0的磷酸溶液中加热到100℃反应10分钟生成一层磷酸铁盐复合物，厚度为0.05um；最后通过压力成型及热处理制备出磁粉芯。为了对比，采用Fe₇₈(SiB)₂₂水雾化非晶粉末及相同的工艺制备出磁粉芯。其性能如下表：

由上表可知，采用本发明复合结构非晶粉末可以有效减小磁粉芯损耗并提高磁导率，这是因为中间的铁金属层有效地缓解了应力集中并提高了压制密度；

实施例3：

该实施例采用Fe₇₈Si_9.6Al_5.4破碎粉末，形状近似球形，平均粒径D50为45um；之后采用阳极镀工艺在其表面生成厚度为0.2um的金属铝薄膜，然后在PH=2.0的磷酸溶液中加热到100℃反应10分钟生成一层磷酸铝盐复合物，厚度为0.05um；最后通过压力成型及热处理制备出磁粉芯。为了对比，采用Fe₇₈Si_9.6Al_5.4水雾化非晶粉末及相同的工艺制备出磁粉芯。其性能如下表：

由上表可知，采用本发明复合结构非晶粉末可以有效减小磁粉芯损耗，这是因为：

（1）中间的铁金属层有效地缓解了应力集中；

（2）中间的铁金属层的塑性变形使得在压力成型过程各个金属粉末可以有效协调，最终改善粉末之间的接触面积，使得磁路集中的现象有所缓解。

Claims

1.一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末其特征在于：（1）该粉末具有三层结构，最内层材料为维氏硬度大于等于800的软磁金属粉末，表面氧含量要小于等于3000ppm，体积平均粒度D50在3.0-100.0um之间，粉末横断面呈现的长宽比小于等于4.5；第二层材料为相对第一层金属硬度较软的维氏硬度小于400的金属薄膜，采用电镀或化学镀等方法在最内层金属表面形成铝、铜、锡、镍、铁等金属薄膜，且其厚度在0.05-1.00um之间；最外层材料为无机非金属材料构成的绝缘层；（2）最内层金属可以是铁硅铝、铁基非晶合金、钴基非晶粉末、铁基纳米晶等金属的其中一种，第二层可以是铝、铜、锡、镍、铁等金属单质或其合金的其中一种，且一般采用化学镀、电镀等方法制备，最外层材料是无机非金属材料构成的绝缘层，包括磷酸盐、硼酸盐、铬酸盐、硝酸盐等，其具有优秀的绝缘特征，保证金属粉末彼此之间绝缘；（3）该粉末在成型压力作用下硬度较软的第二层金属材料发生塑形变形而最内层金属材料和最外层绝缘材料无塑性变形，（4）采用该粉末制备的金属粉芯密度达到5.5g/cm³及以上且成型压力小于等于1500MPa。

2.根据权利要求1所述的一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，其特征在于：该粉末形貌可以是球形、椭球形、多边形等的其中一种或一种以上，优选球形和正多边形粉末，且粉末横断面呈现的长宽比小于等于4.5，粉末体积平均粒度D50在3.0-100.0um之间。

3.根据权利要求1所述的一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，其特征在于：所采用的最内层金属粉末优选为维氏硬度大于1000的铁基软磁非晶和钴基软磁非晶粉末以及铁基纳米晶软磁粉末。

4.根据权利要求1所述的一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，其特征在于：第二层金属薄膜的厚度在0.01-2.00um，优选为小于等于0.01-1.00um,且第二层金属与内层金属的重量百分比为在0.05%-0.8%之。

5.根据权利要求1所述的一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，其特征在于：最外层无机非金属材料绝缘层厚度在0.01-1.00um，优选为小于等于0.01-0.10um，该绝缘层采用化学氧化还原法制备，且酸溶液或酸式盐的PH=2.0-5.0，随后将其干燥并在100-300℃之间干燥固化；该酸溶液可以是稀硝酸溶液、铬酸溶液、磷酸溶液、硼酸溶液，该酸式盐可以是磷酸二氢钠、磷酸二氢铝、磷酸二氢钾、磷酸二氢锌等，且酸根的摩尔数要小于等于上述金属粉末外层金属摩尔数的30%。

6.根据权利要求1所述的一种高成型密度、低成型压力、表面绝缘的磁性金属粉末，其特征在于：采用该复合粉末制备的粉芯其密度大于等于5.5g/cm³且成型压力小于等于1500MPa，优选为5.6g/cm³且成型压力小于等于1500MPa。