CN110453156A - 铁基微纳磁粉材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铁基微纳磁粉材料，所述磁粉材料的成分按重量百分比计包括：铁含量为83～85wt％、硅含量为7.5～8.8wt％、硼含量为1.5～2.0wt％、铌含量为2.0～4.5wt％、钼含量为0.5～2.0wt％、镍含量为0.1～0.5wt％，铜含量为0.1～1.0％；本技术方案通过对合金成分进行优化，调节了合金在快淬过程中的稳定性及非晶形成能力，实现了带材制备过程中的结构调控，使得制备的铁基微纳磁粉芯具有高磁导率、低矫顽力、低损耗、稳定性高的优点，其适用范围广，如无线充电隔磁片、微电子器件、微波5G通信领域。

Description

铁基微纳磁粉材料及其制备方法

技术领域

本技术方案属于磁性功能材料领域，特别涉及铁基非晶/纳米晶合金软磁磁粉体的成分设计、磁粉体制备与处理、磁粉体磁芯研制相关工艺。

背景技术

近些年，在支撑电子、通信技术蓬勃发展的各类电子材料中，磁性材料作为磁场电场的能力耦合、转换、传输及电磁信号的接收、处理、传递的核心，也是发展极为迅速。随着交叉学科技术的发展，各种精细检测手段和科研设备的快速普及，对材料的微观研究也推进到对原子内部结构信息的探索。大量研究工作表明，在稳态与亚稳态及无序与有序结构之间调控，可以实现材料在微观组织结构及宏观磁性能的双重突破。

在此环境下，非晶/纳米晶体材料作用一种突破尺寸界限的材料，其优异的力学、机械、磁电性能引起了人们的重视，得到了很好的发展。因此，基于这一思路而设计出的铁基非晶软磁材料，在电力领域获得了广泛应用，且由此带来了空载功率损耗的降低到约原有30％，贡献着电力能源的输送、配电效率与节能减排方面不可替代的社会与经济效益。同时，在铁基非晶软磁材料基础上，调控无序结构向有序结构的可控转变，获得了非晶基体嵌入10～20nm的α-Fe相复相结构，因其磁畴单元结构略大于纳米尺度α-Fe相，使得该结构的铁基非晶/纳米材料展现出高导磁率(μi)、低矫顽力(Hc)、高饱和磁感应强度(Bs)及低损耗(W)的优异软磁特性，在电子领域获得了大规模应用。

随着无线充电、电子电路集成化、磁性器件小型化的发展趋势，铁基非晶/纳米晶磁磁粉体的应用价值越来越受到重视，相关的科研人员及企业开始并投入与加大了对这一材料领域的研发与应用探索。作为铁基非晶/纳米晶软磁材料，高饱和磁感应强度与低损耗的双重优势赋予了该材料在这一领域新的机遇，可预测，在未来几年，随着以无线充电、电子信息为主导的电子通信的发展必将带来这一领域的进一步发展。

发明内容

本发明公开了铁基微纳磁粉材料及其制备方法，所述磁粉材料具有高的磁导率、低矫顽力、低损耗、并且稳定性好的优点。

为实现上述目的，本技术方案如下所述：

铁基微纳磁粉材料，所述磁粉材料的成分按重量百分比计包括：铁含量为83～85wt％、硅含量为7.5～8.8wt％、硼含量为1.5～2.0wt％、铌含量为2.0～4.5wt％、钼含量为0.5～2.0wt％、镍含量为0.1～0.5wt％，铜含量为0.1～1.0％。

进一步地，所述磁粉材料的成分按重量百分比计包括：铁含量为83～85wt％、硅含量为7.5～8.8wt％、硼含量为1.5～1.8wt％、铌含量为2.0～4.0wt％、钼含量为0.5～1.0wt％、镍含量为0.2～0.5wt％，铜含量为0.1～1.0％。

铁基微纳磁粉材料的制备方法，包括磁芯带材的制备及热处理、球磨制备磁粉体、磁粉芯的压制。

进一步地，所述磁芯带材的制备及热处理的步骤如下所述：

a.按上述组成元素的配比配置原料，采用中频炉非真空冶炼成母合金，然后将母合金重熔，并控制钢温及冷却速度，出钢喷带，完成磁芯带材的制备；

b.对磁芯带材进行热处理：

①将磁芯带材放入热处理炉的炉膛内，启动真空系统；设置热处理程序，采用PID控制技术设置热处理工艺路线，加热程序启动；

②当炉膛达到低真空状态<10Pa时，启动第一升温加速程序，设定第一升温速率v1、加热第一目标温度T1和第一保温时间t1，对磁芯带材以均匀的第一升温速率v1加热到第一目标温度T1，并保温t1分钟；

③完成步骤②后，启动第二升温加速程序，设定第二升温速率v2、加热第二目标温度T2及第二保温时间t2，对磁芯带材以均匀的第一升温速率v2加热到第一目标温度T2，并保温t2分钟；

④完成步骤③后，启动降温程序，设置第三目标温度为T3，磁芯带材随炉冷却至第三目标温度T3，然后将磁芯带材取出，并使磁芯带材空冷至室温，即完成磁芯带材的热处理。

分两次设定不同的升温速率、目标温度和保温时间，能有效地抑制α-Fe相在整个热处理过程中析出；并且在降温过程中采取先降至目标温度T3，再空冷的降温方法，能快速大幅降低淬态带材的温度，从而降低热处理时间和热处理成本，有效解决了传统热处理方法所耗费的时间长导致生产周期长、批量处理效率低从而造成耗时耗力的问题。

进一步地，所述第一升温速率v1为所用热处理炉标定的最大功率升温；第一目标温度T1为450±10℃；第一保温时间t1为60～90min。

进一步地，所述第二升温速率v2≤1℃/min；第二目标温度T2为480±10℃；第二保温时间t2为60～90min。

进一步地，所述第三目标温度为200～250℃。

进一步地，所述球磨制备磁粉体的制备过程为：采用卧式滚筒球磨装置，并用氧化锆陶瓷罐及氧化锆陶瓷球对完成热处理后的磁芯带材进行破碎球磨处理，球磨时间为10～25h。

进一步地，所用氧化锆陶瓷球为直径20mm的氧化锆陶瓷球、直径10mm的氧化锆陶瓷球、直径5mm的氧化锆陶瓷球的混合物，且所用直径20mm的氧化锆陶瓷球、直径10mm的氧化锆陶瓷球与直径5mm的氧化锆陶瓷球的数量比为1∶5∶10。

选用氧化锆陶瓷罐、氧化锆陶瓷球、合理配比不同直径的氧化锆陶瓷球，并合理设置球磨过程中滚筒转速和球磨时间，可有效实现调控控制淬态带材α-Fe相/非晶态复相结构的材料快速脆裂成微纳磁粉体。

进一步地，所述磁粉芯的压制过程为：

(1)对磁粉体进行原位钝化处理，采用磷酸原位钝化方法，向磁粉体中加入浓度为1.0～5.0％的磷酸，并配比20～50份丙酮，然后均匀混合搅拌20～30min，制得磁粉体-磷酸混合物；

(2)待磁粉体-磷酸混合物中的丙酮挥发超过80％后，采用50～100目的筛网进行造粒筛选，待造粒筛选完成后，然后在温度为130～150℃下进行烘烤干燥，其烘烤干燥时间为120～150min；

(3)向完成步骤(2)的磁粉体中加入1.0～5.0wt％的硅树脂及0.1～2.0wt％的偶联剂，并配比20～50份的丙酮，然后均匀混合搅拌20～30min，制得磁粉体-硅树脂混合物；

(4)采用称重法测定磁粉体-硅树脂混合物中的丙酮挥发超过80％后，采用50～100目的筛网进行造粒筛选，待造粒筛选完成后，然后在温度为80～100℃下进行烘烤干燥，其烘烤干燥时间为90～120min；

(5)磁粉芯压制，向完成步骤(4)的磁粉体中加入0.1～0.5wt％脱模剂，然后用模具压制成型，然后在温度为180～200℃下烘烤1～3h，制得磁粉芯。

本技术方案的有益效果为：通过对合金成分中Mo含量的调整，降低了Nb的含量，从而降低了软磁合金的晶化温度点，这有利于在后续处理过程中对α-Fe/非晶态复相结构的快速调控，并且Nb含量的降低使得热处理温度降低，从而提高了热处理效率及整体生产效率，而对Ni含量进行了优化，能够有效地提高了软磁合金的磁性能及扩展频率特性；合理设计Si元素在铁基软磁合金中的成分不仅能够有效地对α-Fe/非晶态复相结构的调控，还能保证铁基软磁合金具有优异的饱和磁感应强度；优化了Cu含量，从而使得铁基软磁合金具有较好的热稳定性；Cr元素添加不利于制备带材及后续处理的表面钝化，因此在本发明中并没有添加Cr元素；本申请中磁粉材料的制备方法能提高生产效率，并且能有效地减小在生产过程中成分及组织结构出现的偏差，从而提高了材料的软磁性能及频率特性。

附图说明

图1为实施例1中淬态带材的制备流程图；

图2为实施例1中对淬态带材进行热处理的流程图；

图3为实施例1中磁粉芯的制备流程图；

图4为实施例1中制得淬态带材经2～50h球磨时间处理后的粒度分布曲线；

图5为实施例1中制得淬态带材经10～25h球磨时间处理后的粒度分布曲线；

图6为实施例1中磁粉体经过不同浓度磷酸钝化处理后的有效磁导率趋势图；

图7为实施例1中磁粉体经过不同浓度磷酸钝化处理后的阻抗趋势图。

具体实施例

实施例1

参照图1，淬态带材的制备过程如下所述：

101：合金成分设计，基于铁基非晶成分的原子尺寸差、混合焓、组元多样化及添加、微调元素对组织结构与宏观磁性能的影响关系作为设计准则，却确定Fe为83.79％、Si为8.6％、B为1.53％、Nb为3.99％、Mo为0.89％、Cu为0.9％、Ni为0.30％；

102：根据设计的合金成分，进行母合金材料配重，所用原材料为工业纯钛、工业硅、硼铁、铌铁、钼铁、电解铜及电解镍；

103：原材料摆放，向冶炼炉中放入工业纯钛、工业硅、硼铁、电解铜、铌铁，然后加热冶炼炉进行炼钢；

104：当钢液翻滚时，先加入钼铁，然后再加入电解镍；

105：除气除渣；

106：对熔进行净化后，静置待用；

107：当钢液温度为1150～1200℃时，进行浇钢处理，使熔液快速冷却成致密母合金；

108：然后将步骤(107)制得的致密母合金进行重熔，并采用造渣剂进行保护；

109：当钢温为1340～1380℃，出钢喷带，制得淬态带材。

参照图2，对上述制得的淬态带材进行热处理，其过程如下所述：

201：将上述制备的淬态带材放入加热炉中，开启真空泵，当加热炉达到低低真空状态<10Pa时，关闭真空泵，启动加热程序；

202：加热炉启动第一升温加速程序，其中第一升温加速程序中的第一升温速率v1为加热炉标定的最大功率、第一目标温度T1为450±10℃及第一保温时间t1为70min；

203：对淬态带材以第一升温速率v1均匀加热到第一目标温度450±10℃，然后保温70min；

204：完成第一升温加热程序后，进行第二升温加速程序，其中第二升温速率v2为1℃/min、第二目标温度T2为480±10℃及第二保温时间t2为70min；以1℃/min的第二升温速率将完成第一升温加热程序的淬态带材均匀加热到第二目标温度480±10℃，然后保温70min；

205：完成第二升温加热程序后，进行降温程序，其中降温目标温度T3为220℃，关闭加热炉的加热系统，使完成第二升温加速程序的淬态带材随炉冷却至降温目标温度220℃；

206：将完成降温程序的淬态带材取出加热炉，使其空冷至室温。

对完成上述热处理的淬态带材进行球磨处理，其具体过程为如下所述：

采用卧式滚筒球磨装置，并用氧化锆陶瓷罐及氧化锆陶瓷球对完成热处理后的磁芯带材进行破碎球磨处理，球磨时间为20h。

进一步地，所用氧化锆陶瓷球为直径20mm的氧化锆陶瓷球、直径10mm的氧化锆陶瓷球、直径5mm的氧化锆陶瓷球的混合物，且所用直径20mm的氧化锆陶瓷球、直径10mm的氧化锆陶瓷球与直径5mm的氧化锆陶瓷球的数量比为1∶5∶10。

从图4中可以看出进行球磨时间小于10h时，所得到的磁粉体的粒径分布过大，并其中有些磁粉体的粒径已经超过了100μm；而球磨时间超过25h后，继续增大球磨时间，所得到磁粉体的粒径分布变化不大。

从图5中可以看出球磨时间为20h，磁粉体的粒径分布最接近正态分布，并且粒径在10～60μm，且包含大量纳米尺度的附着粉体，这有助于增强粉体磁芯气隙间的磁电耦合，实现更高频段范围内的导磁率提升及损耗降低。

参照图3，将上述制备的微纳磁粉体制备成磁粉芯，其具体过程为：

401：将上述制备的微纳磁粉体进行磷酸原位钝化处理，向微纳磁粉体中加入浓度为1.0％的磷酸及丙酮，其中微纳磁粉体、磷酸与丙酮的质量比为100∶1∶30，然后混合搅拌30min，制得微纳磁粉体-磷酸混合物；

402：采用称重法测定微纳磁粉体-磷酸混合物中的丙酮挥发超过80％后，采用50～100目的筛网对微纳磁粉体-磷酸混合物进行造粒处理，造粒处理后，对其进行烘烤干燥处理，其中烘烤干燥温度为140℃；

403：向完成步骤(402)的微纳磁粉体中加入硅树脂、偶联剂及丙酮，添加硅树脂的量为微纳磁粉体重量的2.5％，添加偶联剂的量为微纳磁粉体重量的3.0％，丙酮的添加量为30份，其中此30份是按微纳磁粉体质量份数计，然后混合搅拌30min，制得微纳磁粉体-硅树脂混合物；

404：采用称重法测定微纳磁粉体-硅树脂混合中的丙酮挥发超过80％后，采用50～100目的筛网对微纳磁粉体-磷酸混合物进行造粒处理，造粒处理后，对其进行烘烤干燥处理，其中烘烤干燥温度为90℃；

405：向完成步骤(404)的磁粉体添加脱模剂，其中脱模剂的添加质量为磁粉体质量的0.4％，然后用模具将其压制成磁粉芯，其中压制压强为100bar(1bar＝0.1MPa)，压制完成后，然后对完成压制的磁粉芯进行烘烤处理，其中烘烤温度为200℃，烘烤时间为3h，最终制得所述铁基微纳磁粉芯。

从图6及图7可以看出磁铁体经过不同浓度的磷酸钝化处理，其有效磁导率变化趋势及阻抗趋势变化并不大。

对制得的所述铁基微纳磁粉芯进行相关性能测试，测得所述磁粉芯(内径为8mm、外径为14mm、高为6mm)在10～100MHz频率下的有效磁导率的数值在100～150之间(参见图6)，并且从图7中可以看出，所述磁粉芯的有效磁导率与阻抗为线性变化关系，并且测得所述磁粉芯的饱和磁感应强度范围为1.0～1.2T，低损耗小于2.0A/m，直流叠加稳定性。所述磁粉芯适用范围广，如无线充电隔磁片、微电子器件、微波5G通信领域。

Claims (10)

1.铁基微纳磁粉材料，其特征在于，所述磁粉材料的成分按重量百分比计包括：铁含量为83～85wt％、硅含量为7.5～8.8wt％、硼含量为1.5～2.0wt％、铌含量为2.0～4.5wt％、钼含量为0.5～2.0wt％、镍含量为0.1～0.5wt％，铜含量为0.1～1.0％。

2.根据权利要求1所述的铁基微纳磁粉材料，其特征在于，所述磁粉材料的成分按重量百分比计包括：铁含量为83～85wt％、硅含量为7.5～8.8wt％、硼含量为1.5～1.8wt％、铌含量为2.0～4.0wt％、钼含量为0.5～1.0wt％、镍含量为0.2～0.5wt％，铜含量为0.1～1.0％。

3.权利要求1或权利要求2中所述铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，包括磁芯带材的制备及热处理、球磨制备磁粉体、磁粉芯的压制。

4.根据权利要求3所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所述磁芯带材的制备及热处理的步骤如下所述：

a.按所述的铁基微纳磁粉材料的组成元素的配比配置原料，采用中频炉非真空冶炼成母合金，然后将母合金重熔，并控制钢温及冷却速度，出钢喷带，完成磁芯带材的制备；

b.对磁芯带材进行热处理：

①将磁芯带材放入热处理炉的炉膛内，启动真空系统；设置热处理程序，采用PID控制技术设置热处理工艺路线，加热程序启动；

②当炉膛达到低真空状态<10Pa时，启动第一升温加速程序，设定第一升温速率v1、加热第一目标温度T1和第一保温时间t1，对磁芯带材以均匀的第一升温速率v1加热到第一目标温度T1，并保温t1分钟；

③完成步骤②后，启动第二升温加速程序，设定第二升温速率v2、加热第二目标温度T2及第二保温时间t2，对磁芯带材以均匀的第一升温速率v2加热到第一目标温度T2，并保温t2分钟；

④完成步骤③后，启动降温程序，设置第三目标温度为T3，磁芯带材随炉冷却至第三目标温度T3，然后将磁芯带材取出，并使磁芯带材空冷至室温，即完成磁芯带材的热处理。

5.根据权利要求4所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所述第二升温速率v2≤1℃/min；第二目标温度T2为480±10℃；第二保温时间t2为60～90min。

6.根据权利要求4所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所述第三目标温度为200～250℃。

7.根据权利要求4所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所述第一升温速率v1为所用热处理炉标定的最大功率升温；第一目标温度T1为450±10℃；第一保温时间t1为60～90min。

8.根据权利要求3所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所述球磨制备磁粉体的制备过程为：采用卧式滚筒球磨装置，并用氧化锆陶瓷罐及氧化锆陶瓷球对完成热处理后的磁芯带材进行破碎球磨处理，球磨时间为10～25h。

9.根据权利要求8所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所用氧化锆陶瓷球为直径20mm的氧化锆陶瓷球、直径10mm的氧化锆陶瓷球、直径5mm的氧化锆陶瓷球的混合物，且所用直径20mm的氧化锆陶瓷球、直径10mm的氧化锆陶瓷球与直径5mm的氧化锆陶瓷球的数量比为1∶5∶10。

10.根据权利要求3所述的铁基微纳磁粉材料的制备方法，其特征在于，所述磁粉芯的压制过程为：

(1)对磁粉体进行原位钝化处理，采用磷酸原位钝化方法，向磁粉体中加入浓度为1.0～5.0％的磷酸，并配比20～50份丙酮，然后均匀混合搅拌20～30min，制得磁粉体-磷酸混合物；

(2)待磁粉体-磷酸混合物中的丙酮挥发超过80％后，采用50～100目的筛网进行造粒筛选，待造粒筛选完成后，然后在温度为130～150℃下进行烘烤干燥，其烘烤干燥时间为120～150min；

(3)向完成步骤(2)的磁粉体中加入1.0～5.0wt％的硅树脂及0.1～2.0wt％的偶联剂，并配比20～50份的丙酮，然后均匀混合搅拌20～30min，制得磁粉体-硅树脂混合物；

(4)待磁粉体-硅树脂混合物中的丙酮挥发超过80％后，采用50～100目的筛网进行造粒筛选，待造粒筛选完成后，然后在温度为80～100℃下进行烘烤干燥，其烘烤干燥时间为90～120min；

(5)磁粉芯压制，向完成步骤(4)的磁粉体中加入0.1～0.5wt％脱模剂，然后用模具压制成型，然后在温度为180～200℃下烘烤1～3h，制得磁粉芯。