CN109848428A

CN109848428A - 金属软磁复合材料的制备方法及金属软磁复合材料

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Publication number: CN109848428A
Application number: CN201811603826.1A
Authority: CN
Inventors: 贺会军; 盛艳伟; 胡强; 赵新明; 王志刚; 安宁; 朱捷; 赵文东; 杨铭
Original assignee: BEIJING COMPO ADVANCED TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Youyan Additive Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明实施例涉及磁性材料的制备技术领域，公开了一种金属软磁复合材料的制备方法，包括如下步骤：将金属磁粉进行等离子球化处理；得到类球形磁粉；将类球形磁粉在可控气相辅助条件下进行热处理反应，形成绝缘包覆层，得到金属软磁复合材料。本发明通过将金属磁粉进行等离子球化处理，其中，等离子发生气体为还原性气体，这样便将等离子球化处理和金属磁粉还原处理一步完成，缩短了工艺流程，使得工艺更简单。此外，将等离子球化处理后的类球形磁粉在气相辅助条件下进行反应形成绝缘包覆层，这样类球形磁粉的外表面包覆均匀、致密的绝缘壳层，使得金属软磁复合材料具有较高的磁导率、直流叠加特效和低磁损耗的优异磁性能，从而提高了生产的良品率，降低了生产成本。

Description

金属软磁复合材料的制备方法及金属软磁复合材料

技术领域

本发明实施例涉及磁性材料的制备技术领域，特别涉及一种金属软磁复合材料的制备方法及金属软磁复合材料。

背景技术

金属磁粉芯是采用粉末冶金工艺，以软磁粉末为原料，通过与绝缘介质的混合后压制成型而制备的一种软磁复合材料。金属磁粉芯具有磁电转换和储能滤波的特殊功能，被广泛应用在光伏、充电桩及开关电源等领域。金属软磁粉芯主要可以分为FeNi、MPP、FeSi和FeSiAl，其中FeNi和MPP由于含Ni金属而价格昂贵，暂时无法得到广泛的普及。FeSi由于发热和磁损较高，限制了它的作用范围。FeSiA具有高饱和磁感应强度、高的直流叠加特性及良好的温度稳定性，完全符合未来电子器件向高频化、小型化、高精度、低能耗的发展需求。

目前，FeSiAl粉末主要的制备方法为机械破碎法和气雾化。其中，机械破碎法制备FeSiAl粉末工艺简单，成本低，但粉末的成分存在偏析，形貌不规则具有尖锐的棱角，在压制过程中容易刺穿绝缘包覆层，导致粉末电阻降低，磁损耗的增加，从而导致生产的良品率过低。气雾化制备的粉末球形度好、氧含量低、成分均匀、性能好，但工艺复杂、生产效率低，且生产成本高。

中国专利CN201310474156.9公开了一种铁硅铝软磁粉末颗粒形貌处理方法，制造步骤包括：1.将铁硅铝此粉末加入到搅拌桶内，铁硅铝磁粉末加入量占搅拌桶容量的70％，再加入0.1％的助磨剂；2.密封搅拌桶，抽真空至-75kpa，氩气保护；3.加热搅拌250℃、20rpm、1小时，80rpm、2小时；4.停止搅拌，自然冷却。虽然得到的铁硅铝合金分散均匀，相貌得到改善，但是颗粒残余应力较大、且依旧呈不规则的多边形且具有棱角但是颗粒形貌呈不规则多边形且具有棱角，在压制时极容易刺穿绝缘包覆层，从而影响磁粉心的性能。

综上所述，传统的FeSiAl合金粉末的制备方法已经不能满足未来对低成本、微细、球形和低损耗FeSiAl粉末的制备需求，提供一种工艺简单、生产良品率高的金属软磁复合材料制备方法是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种金属软磁复合材料的制备方法及金属软磁复合材料，使得制备工艺更加的简单，且提高了生产良品率，从而提高了生产效率、降低了生产成本。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种金属软磁复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将金属磁粉进行等离子球化处理；得到类球形磁粉；

将所述类球形磁粉在可控气相辅助条件下进行表面微氧化和退火处理，使类球形磁粉的表面原位形成绝缘包覆层得到金属软磁复合材料；

其中，等离子球化处理步骤中的等离子发生气体为还原性气体。

本发明的实施例还提供了一种由上述制备方法制备得到的金属软磁复合材料。

本发明实施例相对于现有技术而言，通过将金属磁粉进行等离子球化处理，其中，等离子发生气体为还原性气体，这样便将等离子球化处理和金属磁粉还原处理一步完成，缩短了工艺流程，使得工艺更简单。此外，将等离子球化处理后的类球形磁粉进行表面微氧化和退火处理绝缘包覆层，这样类球形磁粉的外表面包覆均匀、致密的绝缘壳层，使得金属软磁复合材料具有较高的磁导率、直流叠加特效和低磁损耗的优异磁性能，从而提高了生产的良品率，降低了生产成本。

另外，退火处理的温度为300-450℃；退火处理的时间为0.5-3h。

另外，金属磁粉制备方法包括如下步骤：将原料熔融后通过水雾化制粉方法制备金属磁粉；其中，水雾化制粉方法的步骤包括：雾化压力为50-70MPa，导液管直径为5-8mm，水流量为20-30L/min。

另外，熔融的温度为1550-1600℃，保温2-3min。

另外，金属磁粉包括铁基磁粉、铁硅铝磁粉或铁镍基磁粉中的任意一种。

另外，金属磁粉为铁硅铝磁粉，原料熔融的步骤包括：将原料按照合金成分预设重量比进行称重配料后进行熔融，再加入铝硅中间合金。

另外，绝缘包覆层为三氧化二铝包覆层、二氧化硅包覆层、三氧化二铬包覆层中的任意一种。

另外，还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意一种，或

还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意两种的混合，或

还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意三种的混合。

另外，还原性气体的流量为0-25m³/h。

另外，金属软磁复合材料的氧含量为300-800ppm，金属软磁复合材料的绝缘包覆层的厚度为10-50nm。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

实施例1

本实施例涉及一种金属软磁复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将金属磁粉进行等离子球化处理；得到类球形磁粉；

将所述类球形磁粉在可控气相辅助条件下进行表面微氧化和退火处理，使类球形磁粉的表面原位形成绝缘包覆层，得到金属软磁复合材料；

需要注意的是，经过等离子球化处理后的类球形磁粉中存在很多氧化物形态的杂质，而金属氧化物粉末是硬而脆的，且分布于类球形磁粉的表面，使得类球形磁粉在后续压制成型时的压制阻力增大，压制性能变坏。基于此，为了降低碳、氧和其他杂质的含量，提高类球形磁粉的纯度，等离子球化处理的气氛需要引入还原性气体(氢气)，使得粉末在等离子高温(>10000℃)区与氢气发生还原反应，降低粉末杂质含量。同时，为降低粉末的内应力，在将类球形磁粉在可控气相条件下进行表面微氧化和退火处理：退火处理的温度为300-450℃；退火处理的时间为0.5-3h。

进一步地，金属磁粉制备方法包括如下步骤：将原料合金熔融后通过水雾化制粉方法制备金属磁粉。水雾化制粉方法与其他制粉方法相比主要具有低偏析、高凝固率、近似球形或不规则的外形、成分均匀、生产效率高等特点，其作业原理是利用高压水流直接喷射在金属或合金液流上，强制粉碎并加速凝固。水雾化法制备的金属或合金粉末，由于雾化参数不同及合金粉末本身的性质不同，形成近似球形或不规则的形状；可通过改变水压、雾化区水位、金属溶液过热度等工艺参数来控制形状和收得率。具体地，水雾化制粉方法的步骤包括：雾化压力为50-70MPa，导液管直径为5-8mm，水流量为20-30L/min。

优选地，熔融的温度为1550-1600℃，保温2-3min。

金属磁粉可以是铁硅铝磁粉，在本实施例中，金属磁粉具体可以为铁硅铝(FeSiAl)磁粉，当然该金属磁粉也可以是铁基磁粉、铁镍基磁粉等。具体地，当金属磁粉为铁硅铝磁粉时，原料熔融的步骤包括：将原料按照合金成分预设重量比进行称重配料后进行熔融，再加入铝硅中间合金，这样可以避免铝元素氧化，有利于提高合金的流动性。

需要说明的是，可以在将类球形磁粉进行表面微氧化和退火处理后，再将类球形磁粉进行绝缘包覆，使类球形磁粉的表面形成的绝缘包覆层更加的均匀、致密。

优选地，本实施例中的绝缘包覆层可以是三氧化二铝(Al₂O₃)，当然该，绝缘包覆层绝缘包覆层还可以是二氧化硅、三氧化二铬等。具体地，

绝缘包覆层是制备磁粉心的关键，其目的就是用绝缘壳层将合金粉末包覆起来，以阻隔粉心之间的涡流，从而降低粉心的涡流损耗。具体地，Al₂O₃绝缘层电阻率较高，可以有效提高软磁复合材料的电阻率，大幅降低软磁复合材料的磁芯损耗。

值得一提的是，还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意一种，或还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意两种的混合，或还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意三种的混合。具体地，在本实施例中，还原性气体可以是氩气/氢气混合气，具体的，氩气的流量为10m³/h，氢气的流量为5m³/h。具体地，FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的具体制备方法如下：

选取工业纯铁、多晶硅、铝硅中间合金、电解镍和为原料，按FeSiAl合金的质量百分数为Fe 84.5％、Si 9.5％、Al5.5％进行计算配料，其中Ni含量为0.5％。将上述原料纯铁、多晶硅和电解镍先加入中频熔炼炉，合金熔炼温度为1550-1600℃，保温2min，然后再加入硅铝中间合金得到合金熔体；

采用水雾化制粉工艺将合金熔体制备成合金粉末，水雾化压力为70MPa，导液管直径为8mm，水流量为30L/min，制备得到的FeSiAl合金粉末平均粒度D50为18μm，氧含量2200ppm；

将制备的水雾化FeSiAl合金粉末进行烘干处理，并筛分-200目成品粉末。再将烘干、筛分后的FeSiAl合金粉末通过射频等离子球化处理设备进行球化处理，设备运行功率为80KW，设备真空度达到1×10^-3Pa后，采用氩气充满等离子体系统。采用氩气和氩气/氢气混合气作为边气和等离子体发生气，氩气作为载气。流量分别为25m³/h、10m³/h/5m³/h和3m³/h，FeSiAl合金粉末通过等离子高温区熔融、球化和还原处理一步完成。经过等离子球化处理，粉末由不规则形状变为类球形，氧含量降低为230ppm；

将球化处理粉末通过微氧化环境的退火炉与Al₂O₃反应进行表面包覆后进行退火处理，其退火处理工艺为350℃，处理时间为3h，气氛为氮气和压缩空气混合气，流量分别为15m³/h和0.5m³/h。通过上述处理后，制备得到FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料，使用扫描电子显微镜观察FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的SEM形貌为类球形，D50为25μm，氧含量为390ppm，表面Al₂O₃薄膜厚度为50nm。

与现有技术相比，通过将金属磁粉进行等离子球化处理，其中，等离子发生气体为还原性气体，这样便将等离子球化处理和金属磁粉还原处理一步完成，缩短了工艺流程，使得工艺更简单。此外，将等离子球化处理后的类球形磁粉在可控气相条件下进行表面微氧化和退火处理，这样类球形磁粉的外表面原位生成均匀、致密的绝缘壳层，使得金属软磁复合材料具有较高的磁导率、直流叠加特效和低磁损耗的优异磁性能，从而提高了生产的良品率，降低了生产成本。

实施例2

本实施例提供了一种FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

选取工业纯铁、多晶硅、铝硅中间合金、金属钴和金属铬为原料，按FeSiAl合金的质量百分数为Fe 83.8％、Si 9.5％、Al5.5％进行计算配料，其中Co和Cr含量分别为1.0％和0.2％。将上述原料纯铁、多晶硅、高纯铬和电解钴先后加入中频熔炼炉，合金熔炼温度为1550-1600℃，保温2min，然后再加入硅铝中间合金得到合金熔体；

采用水雾化制粉工艺将合金熔体制备成合金粉末，水雾化压力为50MPa，导液管直径为5mm，水流量为30L/min。制备粉末平均粒度D50为22μm，氧含量2050ppm；

将制备的水雾化FeSiAl合金粉末进行烘干处理，并筛分-200目成品粉末。再进行烘干、筛分后的FeSiAl合金粉末通过等离子喷涂设备进行球化处理，设备运行功率为30KW，采用氩气和氩气/氢气混合气作为边气和等离子体发生气，氩气作为载气。流量分别为15m³/h、8m³/h/5m³/h和2m³/h，粉末通过等离子高温区熔融、球化和还原处理一步完成。经过等离子球化处理，粉末由不规则形状变为类球形，氧含量降低为200ppm；

将球化处理粉末通过微氧化环境的退火炉与Al₂O₃反应进行表面包覆后进行退火处理，其退火处理工艺为450℃，处理时间为0.5h，气氛为氮气和压缩空气混合气，流量分别为15m³/h和0.5m³/h。通过上述处理后，制备得到FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料，使用扫描电子显微镜观察FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的SEM形貌为类球形，D50为28μm，氧含量为450ppm，表面Al₂O₃薄膜厚度为39nm。

实施例3

选取工业纯铁、多晶硅、铝硅中间合金、电解镍和电解锰为原料，按FeSiAl合金的质量百分数为Fe 84％、Si 9.5％、Al5.5％进行计算配料，其中Ni、Mn含量为0.5％。将上述原料纯铁、多晶硅和电解镍、锰先加入中频熔炼炉，合金熔炼温度为1550-1650℃，保温2min，然后再加入硅铝中间合金得到合金熔体；

采用水雾化制粉工艺将合金熔体制备成合金粉末，水雾化压力为60MPa，导液管直径为6mm，水流量为25L/min。制备粉末平均粒度D50为19μm，氧含量2150ppm；

将制备的水雾化FeSiAl合金粉末进行烘干处理，并筛分-200目成品粉末。再讲烘干、筛分后的FeSiAl合金粉末通过射频等离子球化处理设备进行球化处理，设备运行功率为70KW，设备真空度达到1×10^-3Pa后，采用氩气充满等离子体系统。采用氩气和氩气/氢气混合气作为边气和等离子体发生气，氩气作为载气。流量分别为10m³/h、8m³/h/5m³/h和3m³/h，粉末通过等离子高温区熔融、球化和还原处理一步完成。经过等离子球化处理，粉末由不规则形状变为类球形，氧含量降低为220ppm；

将球化处理粉末通过微氧化环境的退火炉与Al₂O₃反应进行表面包覆后进行退火处理，其退火处理工艺的温度为400℃，处理时间为2h，气氛为氮气和压缩空气混合气，流量分别为15m³/h和1m³/h。通过上述处理后，制备得到FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料，使用扫描电子显微镜观察FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的SEM形貌为类球形，D50为30μm，氧含量为460ppm，表面Al₂O₃薄膜厚度为45nm。

比较例1

以下是实施例1、省略等离子球化处理步骤而制备得到的FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的性能参数如表1：

表1：实施例1与比较例1制备得到的FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的性能参数

需要说明的是，FeSiAl合金粉末粒度越小，即粉末越细，表面积越大，界面越大，绝缘包覆层包覆的面积越多，电阻率越大，从而使得FeSiAl合金粉末的涡流损耗减小。

另外，FeSiAl合金粉末的氧含量越高，FeSiAl合金粉末内部就越容易被氧化，从而造成导磁系数降低，磁导率会下降，涡流损耗增加；而Al₂O₃薄膜厚度越大，FeSiAl合金粉末的电阻率高，使得涡流损耗降低。

由表1可知，经过等离子球化处理步骤制备得到的磁性能优异的FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料具有较高的磁导率、直流叠加特效和低磁损耗的优异磁性能。

对比例等离子球化处理步骤中等离子发生气的流量筛选

本实施例涉及一种FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的制备方法，本实施例中的制备方法与与实施例1大致相同，其不同之处在于：实施例1中的等离子发生气(氩气和氢气混合气)的流量为10m³/h+5m³/h。本实施例选取的等离子发生气(氩气和氢气混合气)的流量以及FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的性能参数如表2：

表2：不同等离子发生气流量下FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的性能参数

由表1可知，等离子发生气流量在10m³/h+5m³/h时，FeSiAl/Al₂O₃软磁复合材料的各项性能参数是最优的。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将金属磁粉进行等离子球化处理；得到类球形磁粉；

将所述类球形磁粉在气相辅助条件下进行表面微氧化和退火处理，使所述类球形磁粉的表面原位形成绝缘包覆层，得到金属软磁复合材料；

其中，所述等离子球化处理步骤中的等离子发生气体为还原性气体。

2.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述退火处理的温度为300-450℃；所述退火处理的时间为0.5-3h。

3.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述金属磁粉制备方法包括如下步骤：

将原料熔融后通过水雾化制粉方法制备金属磁粉；其中，所述水雾化制粉方法的步骤包括：

雾化压力为50-70MPa，导液管直径为5-8mm，水流量为20-30L/min。

4.根据权利要求2所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述熔融的温度为1550-1600℃，保温2-3min。

5.根据权利要求3所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述金属磁粉包括铁基磁粉、铁硅铝磁粉或铁镍基磁粉中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述金属磁粉为铁硅铝磁粉，所述原料熔融的步骤包括：

将原料按照合金成分预设重量比进行称重配料后进行熔融，再加入铝硅中间合金。

7.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述绝缘包覆层为三氧化二铝包覆层、二氧化硅包覆层、三氧化二铬包覆层中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，

所述还原性气体为氮气、氩气、氢气中的任意一种或多种；

所述还原性气体的流量为0-25m³/h。

9.一种由权利要求1～8任一项所述的金属软磁复合材料的制备方法制备得到的金属软磁复合材料。

10.根据权利要求9所述的金属软磁复合材料，其特征在于，

所述金属软磁复合材料的氧含量为300-800ppm，

所述绝缘包覆层的厚度为10-50nm。