CN111048275A - 一种基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磷酸‑硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，该软磁复合材料是在铁粉或铁基合金表面具有金属磷酸盐和硼氧化物绝缘包覆层；其制备方法如下：在磷酸‑硼酸的混合液中预先加入有金属离子，然后将清洗后的铁基软磁粉体加入磷酸‑硼酸的混合液中，放入干燥箱干燥，获得预处理后的磁粉；将预处理后的磁粉加入粘结剂后干燥，再加入润滑剂，进行压制成型，再置氮气或氩气氛围中，热处理获得软磁复合材料。本发明通过特殊方法包覆绝缘包覆层使得制备的复合材料在较高的温度下仍能保持较低的损耗和较高的磁导率。

Description

一种基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种软磁复合材料及其制备方法,具体涉及一种在铁基软磁颗粒表面通过金属离子修饰的磷酸-硼酸共反应包覆金属磷酸盐和硼氧化物绝缘层后压制成型制得软磁复合材料的方法，制得的材料可应用于开关电源、电动机磁芯、充电器磁芯、变压器磁芯等。
背景技术
磁性材料广泛的应用于电子，计算机和通信领域，现如今已经彻底的改变了我们的生活。目前磁粉芯因具有相对较高的磁通密度、较好的温度稳定性和机械冲击适应性，而广泛应用于航空、汽车、家用电器等领域中的微电机、电感器件、快速驱动及脉冲变压器。但传统的磁性材料在使用过程中也出现了一些弊端，当一些常用的电器设备如电动机在工作时，用于制造电动机机芯的硅钢片之间就会产生很大的涡流现象，这种涡流现象不但会造成能量的巨大损耗，还会使电动机温度升高。基于考虑到降低这种涡流现象带来的能量损耗，可以研究开发出一种新型绿色节能材料作为电动设备的机芯。同时，随着电子元器件和电子设备的发展，电器越来越往集成化和小型化的方向发展，这要求磁性材料有更高的磁导率和更小的损耗。随着电气设备小型化趋势以及为解决上述能源问题，对各式微型磁粉芯的需求日益显著。为了研制出能效更高、体积更小、质量更轻的粉芯，开发新型软磁复合材料(SMCs)成为当前热点，SMCs材料，有时也称为“绝缘包覆铁粉”，是近年来逐渐发展起来的一种新型铁基粉末软磁材料。这种材料的设计思路就是将铁芯的高饱和磁感应强度以及绝缘物质巨大的电阻率这两种特性结合起来，发挥二者的优势。
SMCs材料的绝缘包覆层的种类比较多，但以有机聚合物和无机氧化物为主，有机的如有机硅树脂、酚醛树脂、磷酸盐类等，无机绝缘包覆层有MgO、SiO2、Al2O3等。但这些材料都有各自的优缺点，如有机绝缘层的复合材料无法在高温下工作，甚至无法进行较高温度的热处理。而无机绝缘层的软磁复合材料中绝缘层的饱和磁感应强度普遍不高且磁导率较低，所以无机绝缘层加入后材料的饱和磁感应强度和磁导率都有一定程度的下降。目前对此类材料有很多的研究，也有大量相关的科研论文及专利，但总的来说，此类材料还有很多未解决的问题，其综合性能也还有进一步提升的空间，有着广阔的开发研究前景。
发明内容
本发明目的是提供一种具备低损耗、高磁导率和高磁感应强度的软磁复合材料及其制备方法，该材料是采用金属离子修饰的磷酸-硼酸共反应包覆金属的工艺在铁粉或铁基合金表面生成金属磷酸盐和硼氧化物绝缘包覆层。
本发明采用的技术方案是：
一种基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，所述软磁复合材料以铁基软磁粉体为原料，通过向一定浓度的磷酸-硼酸混合溶液中加入金属离子，再对铁基软磁粉体进行绝缘包覆，从而在铁基软磁粉体表面形成金属磷酸盐及硼氧化物包覆层，具体按如下方法制备：在磷酸-硼酸的混合液中预先加入有金属离子，然后将清洗后的铁基软磁粉体加入磷酸-硼酸的混合液中，放入干燥箱在40-80℃下干燥，获得预处理后的磁粉；将预处理后的磁粉加入粘接剂后干燥再加入润滑剂，在600～2000MPa条件下压制成型，置氮气或氩气氛围中，200-1000℃放置30～400min，获得软磁复合材料；
上述技术方案中，进一步的，所述的润滑剂为硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸镍、硬脂酸锌、二甲基聚硅氧烷、二硫化钼锂基脂、铝钙复合皂基润滑脂、SPANJAARD铬脂、SPANJAARD镍脂、SPANJAARD铜脂中的一种或几种。
进一步的，所述的磷酸-硼酸的混合液中H3PO4含量为0.05wt％-5wt％，H3BO3的含量为0.001wt％-5wt％。
进一步的，所述的铁基软磁粉体为：纯铁粉、铁硅铝粉、铁镍合金粉、铁镍钼合金粉、铁硅铬合金粉、铁硅合金粉中的一种或多种的混合物。
进一步的，所述的铁基软磁粉体的粒径为3～400μm。
进一步的，所述的金属离子为钙离子、镍离子、锌离子、铝离子、镁离子等中的一种或几种；来源为金属离子的硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、卤化物、有机金属化合物等一种或几种。
进一步的，所述的磷酸-硼酸的混合液中加入的金属离子质量含量(相对于磁粉质量)10ppm-1000ppm，更进一步为20ppm-650ppm。
进一步的，所述的粘结剂为硅酸锂、硅酸钠、硅酸铝、环氧树脂、硅树脂的一种或几种。
进一步的，所述的润滑剂添加量为0.01wt％-1wt％，且通过研磨将润滑剂与预处理磁粉混合均匀。
进一步的，所述压制成型是在400～800MPa条件下预压20～40s，800～2000MPa压制30～60s。
进一步的，热处理过程为：升温速率为2-10℃/min，升温至200-400℃/min保温30min，接着继续升温至300-1000℃保温1h，然后随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
(1)本发明金属离子修饰的磷酸-硼酸共反应包覆金属的工艺在铁粉或铁基合金表面生成金属磷酸盐和硼氧化物绝缘包覆层，工艺简单、操作方便、成本低廉、生产效率高，适于工业上的大规模的生产。(2)SMCs材料主要是通过模压成型，形状可以复杂多样化，而传统硅钢片主要是通过叠压形成，所以对于加工成复杂的零部件要相对容易很多。(3)很多实验方法表明很难在更高的温度下保持较低的损耗和较高的磁导率，而本发明方法通过在金属表面引入一层金属磷酸盐和硼氧化物绝缘包覆层，使其包覆层耐温性得到很大的提升，可以在550℃处理后损耗为150W/kg，磁导率为132；而现有的磷化方法在这个温度下由于磷化层分解导致损耗较高，为200W/kg以上，磁导率低于100。本发明的复合材料可广泛应用于电感器、电机、传感器、低频滤波器、电磁驱动装置和磁场屏蔽等方面。
附图说明
图1为磷化-硼酸混合溶液中加入钙、镁离子包覆的SEM图。
图2为500℃、550℃和600℃热处理下磷化-硼酸混合溶液中加入钙、镁离子样品45kHz下的磁损耗图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
称取0.05wt％的磷酸和0.001wt％的硼酸混合溶液于烧杯中，之后加入120ppm的硝酸钙和175ppm的硝酸镁，超声溶解后，往其中加入16g铁纯粉，超声5min左右，置于干燥箱中60℃下干燥30min获得预处理后的铁粉16g；将预处理后的铁粉16g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为70左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为427W/kg。
实施例2
称取5wt％的磷酸和5wt％的硼酸混合溶液于烧杯中，之后加入6000ppm的硝酸钙和875ppm乙酸镁，超声溶解后，往其中加入16g铁纯粉，超声5min左右，置于干燥箱中60℃下干燥30min获得预处理后的铁粉16g；将预处理后的铁粉16g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为75左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为87W/kg。
实施例3
称取0.2wt％的磷酸和0.004wt％的硼酸混合溶液于烧杯中，之后加入240ppm的硝酸钙和350ppm硝酸镁，超声溶解后，往其中加入16g铁纯粉，超声5min左右，置于干燥箱中60℃下干燥30min获得预处理后的铁粉16g；之后加入0.04g硅酸钠干燥获得最终粉末，将最终粉末16g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为108左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为127W/kg。
实施例4
称取0.2wt％的磷酸和0.004wt％的硼酸混合溶液于烧杯中，之后加入240ppm的硝酸钙和350ppm硝酸镁，超声溶解后，往其中加入16g铁纯粉，超声5min左右，置于干燥箱中60℃下干燥30min获得预处理后的铁粉16g；之后加入0.04g有机硅树脂干燥获得最终粉末，将最终粉末16g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为108左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为115W/kg。

Claims (7)

1.一种基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述软磁复合材料是在铁粉或铁基合金表面具有金属磷酸盐和硼氧化物绝缘包覆层；其制备方法如下：在磷酸-硼酸的混合液中预先加入有金属离子，然后将清洗后的铁基软磁粉体加入磷酸-硼酸的混合液中，放入干燥箱于40-80℃下干燥，获得预处理后的磁粉；将预处理后的磁粉加入粘结剂后干燥，再加入润滑剂，在600～2000MPa条件下压制成型，置氮气或氩气氛围中，200-1000℃放置30～400min，获得软磁复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述金属离子为钙离子、镍离子、锌离子、铝离子、镁离子中的一种或几种，其来源为金属离子的硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、有机金属化合物、或卤化物。
3.根据权利要求1所述的基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的铁基软磁粉体为：纯铁粉、铁硅铝粉、铁镍合金粉、铁镍钼合金粉、铁硅铬合金粉、铁硅合金粉的一种或多种混合物。
4.根据权利要求1所述的基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的磷酸-硼酸的混合液中H3PO4含量为0.05wt％-5wt％，H3BO3的含量为0.001wt％-5wt％。
5.根据权利要求1所述的基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的磷酸-硼酸的混合液中加入的金属离子质量含量(相对于磁粉质量)为10ppm-1000ppm。
6.根据权利要求1所述的基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的粘接剂为硅酸钠、硅酸锂、硅酸铝、环氧树脂、硅树脂的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的基于磷酸-硼酸共反应的软磁复合材料制备方法，其特征在于，热处理过程中，升温速率为2-10℃/min，升温至200-400℃/min保温30min，接着继续升温至300-1000℃保温1～3h，然后随炉冷却至室温。
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