CN111383835A - 一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性功能材料技术领域，具体涉及一种用于一体成型电感及其FeSiCr颗粒料的制备方法，以FeSiCr合金粉末为原料经磷酸钝化、初次烘烤、配胶、包覆胶料、造粒、风干、二次烘烤、混料后制成，所述配胶原料为有机溶剂、二氧化硅包覆纳米氮化铝、甲基苯基硅树脂、环氧树脂、环氧树脂固化剂。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中制备方法条件可控，二氧化硅包覆纳米氮化铝具有较好的润滑性和导热性，在颗粒料表面形成膜层增强颗粒料的机械强度、导热性和耐储存稳定性，所得电感坯体，减少在坯体成型过程中的破损，使其具有高密度、高阻率和高饱和磁感应强度，稳定性好，适于一体成型电感的批量生产。

Description

一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料及其制备方法

技术领域

本发明属于磁性功能材料技术领域，具体涉及一种用于一体成型电感及其FeSiCr颗粒料的制备方法。

背景技术

一体成型电感包括座体和绕组本体，所述座体为将绕组本体埋入金属磁性粉末内部压铸而成，其结构特征满足电子产品不断小型化的发展要求，广泛应用于电脑主板、显卡、工控机、服务器上、手机、平板电脑及汽车电子产品中；一体成型电感具有高饱和磁通密度(Bs)，在电路中的主要的作用是滤波、振荡、延迟、陷波等，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用，微型电感已经成为高端电子制造行业中关键器件，随着自动化控制技术、智能终端等电子制造领域的进步，电子器件日益向小型化、高性能、高速化发展，这就促使软磁材料进一步向超细、高磁导率和低损耗发展；铁硅铬软磁合金粉末具有高感量、耐饱和电流特性好、绝缘阻抗高及不生锈等特点，广泛应用于小体积、高频率、大功率的一体成型电感类器件，铬的添加能够提高合金的电阻率和耐腐蚀性、降低磁各向异性，还能改善合金的抗氧化性，现有技术中通过优化铁硅铬颗粒料的制备条件，是铁硅铬颗粒具有更低的损耗和更好的饱和特性；为了优化铁硅铬颗粒粉末的性质，申请号为201610271045.1的专利文件公开了一种耐高温磁粉制备方法，以铁硅铬为主料，用磷酸的丙酮溶液钝化处理后晾干，然后烘烤后得到处理粉料，再加入环氧树脂、酚醛多环氧树脂及有机溶液搅拌处理后进行烘烤，得到耐高温磁粉，由于环氧树脂和酚醛树脂协同作用，在铁硅铬粉表面形成均匀的树脂薄膜以起到防氧化特性，从而以提高磁粉的耐高温性能，可在190℃的环境中使用，同时具有优异的电磁特性。申请号为201611237409.0的专利文件中公开了一种软磁合金材料及其制备方法，通过Fe系合金的粗细颗粒的混合能在降低损耗的同时确保填充密度，进而保证磁导率；其在一定浓度的磷酸盐或者硝酸盐溶液中反应，Fe系合金与溶液发生钝化反应，在合金材料的表面生成金属盐钝化膜层，可增加合金颗粒间的绝缘损耗，具有该钝化膜层的干燥颗粒粉末与水、树脂、含硅溶液等制浆后二次造粒、进而压制、热处理后制得合金材料；通过使合金粉末表面产生金属盐类钝化膜层，含硅材料的填充可增加合金颗粒间的绝缘性，从而减小合金材料在交变电流下的涡流损耗，该申请的软磁合金材料的损耗在100kHz/100mT条件下为1000mW/cm³左右，而在减小损耗的同时，起始磁导率保持在50左右，其中，水溶性树脂可为PVA、水溶性硅树脂或者水溶性丙烯酸树脂，含硅水溶液为二氧化硅水溶液或水玻璃，通过控制水溶性树脂和含硅水溶液的添加量，使得浆料的性能适于喷雾干燥，进而使干燥粉末的颗粒表面具有金属盐钝化膜层，合金颗粒与合金颗粒之间有硅颗粒间隔填充，增加颗粒间的绝缘性，从而降低损耗，其中水溶性树脂起到的作用是与底材有效附着，固化后具有较好的绝缘性和抗腐蚀性，但是在实际应用中，二氧化硅水溶液或水玻璃在干燥过程中体积收缩较大，所形成的膜层容易开裂，而膜层开裂会在采用粉末压实工艺制备电感磁芯时晶界密度均匀性差，在膜层的树脂老化过程中会加速出现裂纹，进而会出现电磁性能快速恶化、机械性能下降的问题，导致一体成型电感的可靠性无法保证，无法满足在添加高温潜伏性固化剂制成的颗粒在常温环境下能储存约1年的要求，因此，需要对如何提高一体成型电感的可靠性，保证其储存性能需要进一步研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有的一体成型电感耐储存性差的问题，提供了一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法。本发明解决技术问题所采用的技术方案是：以FeSiCr合金粉末为原料经磷酸钝化、初次烘烤、配胶、包覆胶料、造粒、风干、二次烘烤、混料后制成，所述FeSiCr合金粉末的成分为Si6.0wt%、Cr4.8wt%、O＜0.2wt%、余量为铁；所述FeSiCr合金粉末粒径为-325目、-500目中一种或两种的混合物，其中，FeSiCr合金粉末中位粒径D50范围为5μm-30μm；所述FeSiCr合金粉末在经磷酸钝化前在70-80℃预热30-40分钟；通过合理选择FeSiCr合金粉末的规格并进行预热，能在避免影响FeSiCr合金粉末性质的条件下加快磷酸钝化，保证磷酸钝化时的稳定性；

所述配胶原料为有机溶剂、二氧化硅包覆纳米氮化铝、甲基苯基硅树脂、环氧树脂、环氧树脂固化剂；所述二氧化硅包覆纳米氮化铝的外层二氧化硅壳厚度为20-30nm。

作为优选方案，所述磷酸钝化过程为在装有FeSiCr合金粉末的绝缘搅拌机中加入磷酸的丙酮溶液，搅拌30-40分钟即可；磷酸的加入量为FeSiCr合金粉末质量的0.3%-1.5%，丙酮的加入量为FeSiCr合金粉末质量的8%-30%；通过控制磷酸和丙酮的加入，实现对金属盐钝化膜层厚度的控制，进而实现对颗粒间绝缘性和损耗的有效控制。

作为优选方案，所述初次干燥为在60-100℃的条件的烘箱中烘至丙酮完全挥发；所述二次烘烤为在50-80℃中烘烤1-2小时。

作为优选方案，所述有机溶剂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的5%-15%、二氧化硅包覆纳米氮化铝的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.03%-0.3%、甲基苯基硅树脂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.5%-2%、环氧树脂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.2%-1%，所述环氧树脂固化剂的用量相当于环氧树脂质量的15%；各原料合理配比在密封条件下不断搅拌，至胶料完全溶解，制作成均质液体胶。

作为优选方案，所述有机溶剂为丙酮、乙酸乙酯中的一种；所述甲基苯基硅树脂为聚甲基苯基有机硅树脂或聚乙基苯基有机硅树脂中的一种或两种。

作为优选方案，所述环氧树脂为E-20环氧树脂的柔性在压制过程中对于FeSiCr合金粉末起到保护作用，减少铁损；所述环氧树脂固化剂为变性脂环族多胺类固化剂WK-6610，该固化剂固化温度容易控制，具有较高的机械强度和耐化学药性，增强坯体的强度，防止在固化过程中出现脱模裂纹。

作为优选方案，所述混料为将二次烘烤后的FeSiCr合金粉末加入混料机中，再加入相当于合金颗粒料质量0.4-1.0%的脱模机，在密封条件下，混料15-40分钟后出料即得。

由以上所述方法制备的一体成型电感的FeSiCr颗粒料电极表面无裂纹，表面光滑，保存期大于一年。

所述纳米氮化铝导热性好，热膨胀系数小，具有较好的耐冲击性能和耐腐蚀性能，同时还具有较好的绝缘性；采用溶胶-凝胶法，利用正硅酸乙酯水解-缩聚反应，在温度为40℃时，在氨水的催化下反应得到，二氧化硅包覆膜属于惰性层，不会与纳米氮化铝发生反应，还能起到保护氮化铝的作用，同时对纳米氮化铝的团聚起到减弱作用，降低纳米氮化铝的表面能使其处于稳定状态，改善其分散性能；通过控制反应条件控制二氧化硅包覆膜厚度，能够保证纳米氮化铝的稳定状态和分散效果。

通过限定FeSiCr合金粉末中铬的用量，能确定FeSiCr合金粉末的防锈性能；通过合理选择FeSiCr合金粉末的颗粒粒径范围，在采用粉末压实工艺制备中能保证其压制性能，环氧树脂的柔性对颗粒料起到保护作用，减少破坏；二氧化硅包覆纳米氮化铝具有较好的润滑性和导热性，能够保护FeSiCr合金粉末不生锈，在压实过程中避免FeSiCr颗粒料之间或与线圈之间的磨损，纳米氧化铝的热膨胀系数小，避免成型过程或后期储存过程中出现裂纹，提高一体成型电感的储存稳定性。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明中制备方法条件可控，金属盐钝化膜层厚度为200-300nm，具有优良的绝缘性，能够降低材料在交流磁场中的磁损耗，二氧化硅包覆纳米氮化铝具有较好的润滑性和导热性，在颗粒料表面形成膜层增强颗粒料的机械强度、导热性和耐储存稳定性，所得颗粒料在采用粉末压实工艺制备电感坯体，减少在坯体成型过程中的破损，使其具有高密度、高阻率和高饱和磁感应强度，稳定性好，适于一体成型电感的批量生产。

具体实施方式

本发明的构思是，现有的FeSiCr颗粒料通过加入含硅水溶液，在减小损耗的同时保证磁导率不受影响，但二氧化硅水溶液或水玻璃在干燥过程中体积收缩较大，所形成的膜层容易开裂，而膜层开裂会在采用粉末压实工艺制备电感磁芯时晶界密度均匀性差，在膜层的树脂老化过程中会加速出现裂纹，进而会出现电磁性能快速恶化、机械性能下降的问题；本申请中通过调整均质液体胶的原料及配比，加入具有较好的润滑性和导热性的二氧化硅包覆纳米氮化铝，保护FeSiCr合金粉末不生锈，在压实过程中避免FeSiCr颗粒料之间或与线圈之间的磨损，纳米氧化铝的热膨胀系数小，避免成型过程或后期储存过程中出现裂纹，提高一体成型电感的储存稳定性；加入一定量的甲基苯基硅树脂，在保证机械性能不受影响的同时提高体积电阻率；进而得到在减小损耗的同时保证磁导率不受影响，且能改善颗粒料的耐储存性。

下面通过实施例和对比例，对本发明的技术方案作进一步的说明。其中变性脂环族多胺类固化剂WK-6610由上海凯茵化工有限公司提供；所述环氧硅油产品型号为BD-1208；所述有机溶剂为丙酮。

实施例1

一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，包括以下步骤：

（1）磷酸钝化，取粒径为-325目、-500目中一种或两种的混合物的FeSiCr合金粉末，所述FeSiCr合金粉末的成分为Si6.0wt%、Cr4.8wt%、O＜0.2wt%、余量为铁；其中，FeSiCr合金粉末中位粒径D50范围为5μm-30μm；所述FeSiCr合金粉末在经磷酸钝化前在70-80℃预热30-40分钟；然后在装有FeSiCr合金粉末的绝缘搅拌机中加入磷酸的丙酮溶液，搅拌30-40分钟即可；磷酸的加入量为FeSiCr合金粉末质量的0.3%-1.5%，丙酮的加入量为FeSiCr合金粉末质量的8%-30%；

（2）初次烘烤，当绝缘搅拌机中FeSiCr合金粉末完全散开时，将钝化后的合金粉转移到烘箱中，在60-100℃的条件下烘至丙酮完全挥发；

（3）配胶，依次将有机溶剂、二氧化硅包覆纳米氮化铝、甲基苯基硅树脂、环氧树脂、环氧树脂固化剂加入配胶桶中，在密封条件下不断搅拌，至胶料完全溶解，制作成均质液体胶；

所述有机溶剂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的5%-15%、二氧化硅包覆纳米氮化铝的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.03%-0.3%、甲基苯基硅树脂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.5%-2%、环氧树脂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.2%-1%，所述环氧树脂固化剂的用量相当于环氧树脂质量的15%；

（4）包覆胶料，将步骤（2）中初次烘烤后的合金粉末和步骤（3）中均质液体胶加入到包覆机中，在打开搅拌及抽气条件下，不断搅拌，随着有机溶剂的不断会发，在不断搅拌的条件下，合金粉末由最初形成的较大团块，逐渐破碎分散成较小颗粒团，停止搅拌，出料；

（5）造粒，将上述所得颗粒团料加入到装有40目筛网的造粒机中，开机造粒；

（6）风干，将造粒后的粉末放入托盘中，尽量铺开，放在通风橱中粉干0.5-2小时；

（7）二次烘烤，将上述风干后的颗粒料放入烘箱中，在温度为50-80℃的条件下烘烤1-2小时，直至溶剂完全挥发；

（8）混料，将上述烘烤后冷却至室温的颗粒料加入到混料机中，再加入相当于合金颗粒料质量的0.4-1.0%的脱模机，在密封条件下，开启混料机，混料15-40分钟出料，得到FeSiCr颗粒料，将颗粒料放入密封袋中，抽真空密封保存，备用。

实施例1

将FeSiCr合金粉末在温度为75℃的氮气氛围中预热35分钟，然后然后在装有FeSiCr合金粉末的绝缘搅拌机中加入相当于其重量0.8%磷酸和22%的丙酮，搅拌35分钟即可；当绝缘搅拌机中FeSiCr合金粉末完全散开时，将钝化后的合金粉转移到烘箱中，在80℃的条件下烘至丙酮完全挥发；依次将相当于FeSiCr合金粉末重量5%有机溶剂、0.03%二氧化硅包覆纳米氮化铝、0.5%甲基苯基硅树脂、0.2%环氧树脂，相当于环氧树脂重量15%的环氧树脂固化剂加入配胶桶中，在密封条件下不断搅拌，至胶料完全溶解，制作成均质液体胶；包覆胶料、造粒，将造粒后的粉末放入托盘中，尽量铺开，放在通风橱中粉干1小时；将上述风干后的颗粒料放入烘箱中，在温度为65℃的条件下烘烤1.5小时，直至溶剂完全挥发；然后将上述烘烤后冷却至室温的颗粒料加入到混料机中，再加入相当于合金颗粒料质量的0.7%的环氧硅油，在密封条件下，开启混料机，混料22分钟出料，得到FeSiCr颗粒料，将颗粒料放入密封袋中，抽真空密封保存，备用。

实施例2

将FeSiCr合金粉末在温度为70℃的氮气氛围中预热40分钟，然后然后在装有FeSiCr合金粉末的绝缘搅拌机中加入相当于其重量1.5%磷酸和30%的丙酮，搅拌40分钟即可；当绝缘搅拌机中FeSiCr合金粉末完全散开时，将钝化后的合金粉转移到烘箱中，在100℃的条件下烘至丙酮完全挥发；依次将相当于FeSiCr合金粉末重量10%有机溶剂、0.18%二氧化硅包覆纳米氮化铝、1.3%甲基苯基硅树脂、0.6%环氧树脂，相当于环氧树脂重量15%的环氧树脂固化剂加入配胶桶中，在密封条件下不断搅拌，至胶料完全溶解，制作成均质液体胶；包覆胶料、造粒，将造粒后的粉末放入托盘中，尽量铺开，放在通风橱中粉干1小时；将上述风干后的颗粒料放入烘箱中，在温度为80℃的条件下烘烤1小时，直至溶剂完全挥发；然后将上述烘烤后冷却至室温的颗粒料加入到混料机中，再加入相当于合金颗粒料质量的1.0%的环氧硅油，在密封条件下，开启混料机，混料40分钟出料，得到FeSiCr颗粒料，将颗粒料放入密封袋中，抽真空密封保存，备用。

实施例3

将FeSiCr合金粉末在温度为80℃的氮气氛围中预热30分钟，然后然后在装有FeSiCr合金粉末的绝缘搅拌机中加入相当于其重量0.3%磷酸和8%的丙酮，搅拌30分钟即可；当绝缘搅拌机中FeSiCr合金粉末完全散开时，将钝化后的合金粉转移到烘箱中，在60℃的条件下烘至丙酮完全挥发；依次将相当于FeSiCr合金粉末重量15%有机溶剂、0.3%二氧化硅包覆纳米氮化铝、2%甲基苯基硅树脂、1%环氧树脂，相当于环氧树脂重量15%的环氧树脂固化剂加入配胶桶中，在密封条件下不断搅拌，至胶料完全溶解，制作成均质液体胶；包覆胶料、造粒，将造粒后的粉末放入托盘中，尽量铺开，放在通风橱中粉干0.5小时；将上述风干后的颗粒料放入烘箱中，在温度为50℃的条件下烘烤2小时，直至溶剂完全挥发；然后将上述烘烤后冷却至室温的颗粒料加入到混料机中，再加入相当于合金颗粒料质量的0.4%的环氧硅油，在密封条件下，开启混料机，混料15分钟出料，得到FeSiCr颗粒料，将颗粒料放入密封袋中，抽真空密封保存，备用。

设置对比例1，在实施例1的基础上不添加二氧化硅包覆纳米氮化铝，其余内容不变；设置对比例2，在实施例1的基础上将二氧化硅包覆纳米氮化铝替换为纳米氮化铝；设置对比例3，在实施例1的基础上不添加甲基苯基硅树脂，其余内容不变；设置对比例4，在实施例1的基础上不对FeSiCr合金粉末进行预热，其余内容不变；

将上述各组所得FeSiCr颗粒料模压成环形磁芯，使用HP-4284型LCR测试仪测试样品的电感值并换算初始磁导率μi；用SY-8218型B-H分析仪测试样品的功率损耗，测试条件为100kHz/100mT；在XJ830D-纤维拉力测试仪进行固化强度性能测试，对各组固化强度进行检测；在恒温烤箱+Chroma19053绝缘测试仪按要求进行老化测试，在老化2小时和老化114小时后分别检测绝缘阻抗；各组结果为重复测试5次后的平均值；测试结果如下：

表1

组别	初始磁导率μi	损耗（mW/cm³）	固化强度（Kgf）	老化2小时绝缘阻抗（Ω）	老化30小时绝缘阻抗（Ω）
						实施例1	62	541.26	82.36	3.18×10<sup>7</sup>	2.37×10<sup>3</sup>
实施例2	59	538.75	83.92	3.05×10<sup>7</sup>	2.42×10<sup>3</sup>
						实施例3	67	612.33	81.37	3.22×10<sup>7</sup>	2.41×10<sup>3</sup>
对比例1	62	536.48	83.75	2.83×10<sup>7</sup>	65
						对比例2	64	695.34	69.34	3.04×10<sup>7</sup>	180
对比例3	58	586.16	74.62	3.12×10<sup>7</sup>	2.04×10<sup>3</sup>
						对比例4	62	542.39	82.43	3.16×10<sup>7</sup>	2.35×10<sup>3</sup>

通过以上数据可以看出，本发明中方法制备的FeSiCr颗粒料在减小损耗的同时保证磁导率不受影响，其耐老化性能较好，具有较好的储存稳定性，且具有较强的固化强度，进而能避免装配过程中的磨损。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方法。

Claims (8)

1.一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，以FeSiCr合金粉末为原料经磷酸钝化、初次烘烤、配胶、包覆胶料、造粒、风干、二次烘烤、混料后制成，其特征在于，所述FeSiCr合金粉末的成分为Si6.0wt%、Cr4.8wt%、O＜0.2wt%、余量为铁；所述FeSiCr合金粉末粒径为-325目、-500目中一种或两种的混合物，其中，FeSiCr合金粉末中位粒径D50范围为5μm-30μm；所述FeSiCr合金粉末在经磷酸钝化前在70-80℃预热30-40分钟；

所述配胶原料为有机溶剂、二氧化硅包覆纳米氮化铝、甲基苯基硅树脂、环氧树脂、环氧树脂固化剂；所述二氧化硅包覆纳米氮化铝的外层二氧化硅壳厚度为20-30nm。

2.如权利要求1所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，其特征在于，所述磷酸钝化过程为在装有FeSiCr合金粉末的绝缘搅拌机中加入磷酸的丙酮溶液，搅拌30-40分钟即可；磷酸的加入量为FeSiCr合金粉末质量的0.3%-1.5%，丙酮的加入量为FeSiCr合金粉末质量的8%-30%。

3.如权利要求1所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，其特征在于，所述初次干燥为在60-100℃的条件的烘箱中烘至丙酮完全挥发；所述二次烘烤为在50-80℃中烘烤1-2小时。

4.如权利要求1所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的5%-15%、二氧化硅包覆纳米氮化铝的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.03%-0.3%、甲基苯基硅树脂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.5%-2%、环氧树脂的用量相当于FeSiCr合金粉末质量的0.2%-1%，所述环氧树脂固化剂的用量相当于环氧树脂质量的15%。

5.如权利要求4所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮、乙酸乙酯中的一种；所述甲基苯基硅树脂为聚甲基苯基有机硅树脂或聚乙基苯基有机硅树脂中的一种或两种。

6.如权利要求4所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂为E-20环氧树脂；所述环氧树脂固化剂为变性脂环族多胺类固化剂WK-6610。

7.如权利要求1所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法，其特征在于，所述混料为将二次烘烤后的FeSiCr合金粉末加入混料机中，再加入相当于合金颗粒料质量0.4-1.0%的脱模机，在密封条件下，混料15-40分钟后出料即得。

8.如权利要求1-7任一项所述一种用于一体成型电感的FeSiCr颗粒料的制备方法制得的FeSiCr颗粒料。