CN113380488A - 一种绝缘包覆金属磁粉、制备方法及金属磁粉心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘包覆金属磁粉、制备方法及金属磁粉心，属于磁性材料制造技术领域。该绝缘包覆金属磁粉在包含金属磁粉颗粒的表面被覆有绝缘包覆层，所述绝缘包覆层具有包含水合铝酸钙和铝胶的包覆层。本发明在磁粉颗粒表面包覆主要成分为水合铝酸钙和铝胶的无机绝缘材料，对磁粉颗粒之间进行物理隔离，降低磁粉损耗率；避免因采用钠盐或钾盐作为无机绝缘剂的磁粉时，表面形成Na(K)HCO₃结晶，出现“长毛”现象，此外，铝酸钙水化产物呈碱性，能防止磁粉生锈；包覆层均匀、厚度可控、具有高的热稳定性、高电阻，制得的磁粉心具有优良的磁学性能，采用这种方法对磁粉进行绝缘包覆，可操作性强，便于批量生产。

Description

一种绝缘包覆金属磁粉、制备方法及金属磁粉心

技术领域

本发明属于磁性材料制造技术领域，更具体地说，涉及一种绝缘包覆金属磁粉、制备方法及金属磁粉心。

背景技术

金属软磁磁粉心是一种以合金粉为原料，在磁粉表面包覆一层绝缘材料，经压制成型、热处理退火后而得到的新型软磁功能材料。其中，绝缘包覆是关键环节，对提高整体电阻率、降低涡流损耗，提高综合电-磁性能和力学性能起决定性作用。

绝缘包覆一般分为有机包覆和无机包覆。有机包覆剂主要包括热固性树脂(如环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等)和热塑性树脂(如聚乙烯、聚酰胺等)，这些有机物粘结性强，与基底金属磁粉结合力强，但耐热温度较低，在高温退火过程中容易分解，在高温热处理中磁粉表面膜层难以保持绝缘，因而恶化了磁粉心的磁学性能。无机包覆可以分为：磷酸、磷酸盐(磷酸锌、磷酸铁和磷酸锰)、氧化物(SiO₂、MgO和铁氧体)、硅酸盐等。无机物具有较高的耐热温度，能够满足磁粉心热处理的要求，且电阻率高，高频下涡流损耗低，是优良的绝缘包覆剂。但是这些无机物粘结性较差，与基底金属磁粉结合力弱，在制备低磁导率的磁粉心时，包覆层易开裂脱落，从而影响磁粉心的性能。

为解决上述问题，经检索，专利公开号为CN109616273A，公开日为2019年4月12日，该发明公开了一种无机凝胶包覆粘结金属磁粉心的方法，该方法包括如下步骤：(1)无机包覆剂和粘结剂凝胶化处理；(2)磁粉按照一定颗粒配比进行钝化处理；(3)将无机凝胶与磁粉混合干燥处理；(4)得到的混合物经成型和保护气氛热处理、冷却、喷涂，得到金属软磁磁粉心。该发明采用无机凝胶对磁粉绝缘包覆和粘结处理，其不足之处在于，该发明使用无机层状硅酸盐作为包覆层和粘结剂，利用金属表面亲水性，包覆不紧密。

再如专利公开号为CN108269670A，公开日为2018年7月10日，发明公开了一种铁硅铝软磁合金粉末的绝缘及包裹处理方法，包括以下步骤：S1、将纯铁、金属硅和电解铝锭经过熔炼均匀化后，形成铁硅铝合金，并制得未退火的软磁铁硅铝粉体；S2、把未退火的软磁铁硅铝粉体与绝缘材料在软磁合金粉体重量的1％-8％的溶剂中混合均匀；S3、将混合物在一密闭容器中搅拌并静置30分钟以上；S4、将搅拌好的粉体在气氛保护下的退火炉中完成粉体退火处理；S5、经过高温退火后的铁硅铝软磁合金粉末，表面已经形成一层100纳米厚度以下的绝缘包覆层；S6、将退火和绝缘处理后的粉体，混入粉末成型专用润滑剂。此外，专利公开号为CN104607644A，公开日为2015年5月13日，发明公开了一种软磁合金粉芯的绝缘处理方法，该发明先采用目标磁导率的绝缘材料对软磁合金粉体进行包覆，并压制成磁芯坯子；然后把磁芯坯子放入液体绝缘材料中浸泡，抽真空，并保持至少3分钟的时间，取出，烘干，退火处理。上述两种方法均采用绝缘材料对磁粉进行包覆，其中绝缘材料包括有机硅树脂、硅酸钠溶液、铝酸钠溶液、硅溶胶、磷酸、磷酸二氢铝中的一种或多种，其不足之处在于，以铝酸钠溶液为代表的无机包覆材料易出现钠盐挥发，与空气中的CO₂结合生成碳酸氢盐，在磁粉表面析出，影响磁粉性能。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有以钠盐为磁粉的无机绝缘包覆材料，磁粉表面易生成碳酸氢钠影响磁粉性能的问题，本发明提供一种绝缘包覆金属磁粉，包覆层均匀、致密且结合力强，耐热温度达到1000℃。

本发明还提供一种绝缘包覆金属磁粉的制备方法，采用活性含钙铝酸盐为原料，在表面形成主要成分为水合铝酸钙和铝胶的绝缘包覆层。

本发明还提供一种上述绝缘包覆金属磁粉得到的金属磁粉心，磁粉心具有综合的优良的磁学性能和力学性能。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的绝缘包覆金属磁粉，在包含金属磁粉颗粒的表面被覆有绝缘包覆层，所述绝缘包覆层具有包含水合铝酸钙和铝胶的包覆层。其中，水合铝酸钙和铝胶为活性含钙铝酸盐的水化产物，具体比例主要由活性含钙铝酸盐的类型决定。

更进一步地，所述绝缘包覆层还具有包含氧化物的包覆层。

更进一步地，所述绝缘包覆层还具有包含Al-Si系氧化物的包覆层。

本发明的一种上述绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：称取一定量活性含钙铝酸盐，加入一定量的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与金属磁粉颗粒搅拌均匀，在一定温度下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密包覆膜的磁粉。

更进一步地，所述活性含钙铝酸盐为铝酸盐水泥、铝酸一钙、二铝酸一钙和七铝酸十二钙的一种或以上；所述活性含钙铝酸盐的质量分数为金属磁粉颗粒的0.5wt％～4wt％。其中，将活性含钙铝酸盐的质量分数设为金属磁粉颗粒的0.5wt％时，能实现对磁粉的基本包覆，低于0.5wt％，包覆性能无法达到预期效果。

更进一步地，步骤S1中加入水的量为金属磁粉颗粒质量的4.5wt％-8wt％，步骤S2中将步骤S1所得混合物与金属磁粉颗粒在50-150℃下搅拌至干燥。其中，搅拌温度能实现颗粒的干燥即可；当加入的氧化物为硅溶胶时，硅溶胶中含有部分水(约70％)，能为反应体系提供一部分水，因此，当外加水的量为金属磁粉颗粒质量的2wt％时，能实现对活性含钙铝酸盐的水化要求，当外加入水的量小于金属磁粉颗粒质量的2wt％时，活性含钙铝酸盐水化不完全，影响包覆性能。

更进一步地，步骤S1中还加入氧化物或硅酸盐与活性含钙铝酸盐混合，再加入一定量的水搅拌均匀；所述氧化物为氧化硅粉、硅溶胶和氧化铝粉中的一种或以上，所述硅酸盐包括硅铝酸钠粉和硅酸铝粉中的一种或以上。氧化硅粉、氧化铝粉、硅铝酸钠粉、硅酸铝粉既可作为包覆剂，又起到填充物的作用，可调节磁粉心磁导率和增强粘结效果。

更进一步地，所述氧化物或硅酸盐与活性含钙铝酸盐的的质量分数之比为(0-1.4)：1。

更进一步地，所述氧化物或硅酸盐粒径小于20μm，所述活性含钙铝酸盐粒径小于70μm。其中粒径较小的氧化物或硅酸盐作为填充物填充在活性含钙铝酸盐颗粒的间隙中。

一种上述绝缘包覆金属磁粉心的制备方法，表面具有一层绝缘致密包覆膜的磁粉经压制成型、热处理、冷却、喷涂后得到磁粉心。

所述磁粉心的制备方法可遵循以下工艺：将所得坯体在惰性气体或还原性气氛中热处理一段时间后，冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

其中，所述压制成型的压力为1300～2000MPa，所述热处理温度为680～790℃，时间为0.5～1h，实际操作过程中，压制成型的压力、热处理温度和时间根据制得磁环的大小和形状有所调整，所述惰性气氛可以为氮气气氛、氦气气氛、氩气气氛等，所述还原性气氛可以为氢气气氛，实际操作过程中，也可使用惰性气体和还原性气体的混合气氛。

本发明采用活性含钙铝酸盐作为无机绝缘包覆剂，相较于现有技术，有以下作用：(1)较小磁损耗，采用活性含钙铝酸盐作为无机绝缘剂包覆在磁粉表面，对磁粉颗粒之间进行物理隔离，减低磁粉的损耗；(2)传统的采用钠、钾类的碱金属盐类作为无机绝缘剂的磁粉易出现“长毛”现象，其原因在于，制得的磁心内部有细孔，Na盐挥发和空气中的CO₂结合生成碳酸氢盐，在磁心表面结晶；(3)采用活性含钙铝酸盐对磁粉进行包覆，活性含钙铝酸盐水化产物呈碱性，既避免由于使用铝酸钠造成“长毛”现象，又防止磁粉生锈。

本发明采用氧化物或硅酸盐和活性含钙铝酸盐无机绝缘剂，包覆层均匀、致密且结合力强，耐热温度达到1000℃，其原因在于，活性含钙铝酸盐的水化产物经过高温形成铝酸盐矿物，即以固相反应逐步替代水化结合。因此，高温下，结合力不会收到影响。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明在磁粉颗粒表面包覆主要成分为水合铝酸钙和铝胶的无机绝缘材料，对磁粉颗粒之间进行物理隔离，降低磁粉损耗率；避免因采用钠盐或钾盐作为无机绝缘剂的磁粉时，表面形成Na(K)HCO₃结晶，出现“长毛”现象；此外，铝酸钙水化产物呈碱性，能防止磁粉生锈；

(2)本发明采用氧化物或硅酸盐和活性含钙铝酸盐制备无机绝缘剂，包覆层均匀、致密且结合力强，耐热温度达到1000℃，制备的磁粉心具有综合的优良的磁学性能；

(3)本发明采用包覆层均匀、厚度可控、具有高的热稳定性、高电阻，制得的磁粉心具有优良的磁学性能；采用这种方法对磁粉进行绝缘包覆，可操作性强，便于批量生产。

附图说明

图1为本发明金属磁粉的结构示意图。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

以下实施例采用的金属磁粉颗粒是采用气雾化制造的由纯铁构成的粒子(由气雾化粉构成的粒子)，金属磁粉颗粒可以为铁粉、铁硅铝磁粉、铁硅磁粉、铁镍磁粉或铁镍钼磁粉，还可以为非晶磁粉，如铁基非晶磁粉。所述氧化物或硅酸盐粒径小于20μm，所述活性含钙铝酸盐粒径小于70μm，其中，氧化物或硅酸盐粒径作为填料，活性含钙铝酸盐粒径过大容易造成水化不完全，包覆不均匀，影响包覆效果。

此外，本发明的绝缘包覆剂及包覆方法还可用于一体式电感的包覆，也可达到降低磁损耗的效果。

对金属磁粉颗粒进行绝缘包覆是增加磁粉颗粒表面电阻率，降低涡流损耗的一个有效方法。对磁粉的绝缘包覆有以下要求：(1)包覆材料电阻率高，可有效降低涡流损耗；(2)包覆方法可控性强，包覆层致密、完整、均匀；(3)包覆材料热稳定高，能在高温下进行热处理；(4)合金/绝缘层界面结合强度高，压制成型过程中包覆层不破碎、脱落。根据包覆材料，绝缘包覆一般分为有机包覆和无机包覆，有机包覆一般耐热性差，在高温退火过程中易分解。无机包覆一般采用磷酸、磷酸盐、氧化物、硅酸盐等对磁粉进行包覆。常用的无机包覆剂为硅溶胶和水玻璃，其中硅溶胶在680℃时强度明显降低，因此采用水玻璃对磁粉进行无机包覆，铝酸盐水解生成氢氧化铝，形成绝缘包覆层。现有文件中采用硅酸钠作为绝缘材料，磁粉压制成磁粉心后，其内部具有一定的孔隙，钠盐易挥发与空气的CO₂反应，在磁粉表面生成NaHCO₃，一般磁粉心表面喷涂一层环氧树脂，若有碳酸氢钠或碳酸氢钾生成，表面的环氧树脂层会鼓包，影响磁粉心性能。

需要说明的是，本发明采用不易挥发的铝酸钙，及其他与铝酸钙作用相同的含钙铝酸盐，通过水解的作用在磁粉表面包覆水解产物水合铝酸钙和铝胶，一方面可利用无机绝缘包覆层对磁粉颗粒进行物理隔离，降低涡流损耗；另一方面避免因使用钠盐导致磁粉表面生成NaHCO₃，此外，磁粉受潮易生锈，活性含钙铝酸钙的水解产物呈碱性，对磁粉具有一定防锈的作用。

本发明采用氧化物或硅酸盐和活性含钙铝酸盐无机绝缘剂，包覆层均匀、致密且结合力强，耐热温度达到1000℃，制备的磁粉心具有综合的优良的磁学性能和力学性能。

实施例1

本实施例的绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：按磁粉质量百分比分别称取铝酸盐水泥4.0wt％，加入6.0wt％的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与铁硅铝磁粉颗粒搅拌均匀，在80℃下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密水合铝酸钙和铝胶包覆层的金属磁粉。

将步骤S2所得表面具有一层绝缘致密水合铝酸钙和铝胶包覆层的磁粉进行成型、热处理、冷却和喷涂，得到金属磁粉心。上述具体的工艺为：将所得坯体在700℃下于氩气中热处理1h，然后冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

制得外径为26.8mm，内径为14.8mm，高度为11.0mm的磁环，对得到的磁粉心进行性能测试，如下表所述：

通过对上述性能参数分析，本实施例的磁粉心具有较小的磁损耗，因此得出采用活性含钙铝酸盐作为无机绝缘剂包覆在磁粉表面，对磁粉颗粒之间进行物理隔离，有效地减低磁粉的损耗。

实施例2

本实施例的绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：按磁粉质量百分比分别称取铝酸一钙1.0wt％，二铝酸一钙0.5wt％，硅溶胶1.0wt％，硅酸铝粉0.5wt％；加入5.5wt％的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与铁硅铝磁粉颗粒搅拌均匀，在75℃下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密包覆层的金属磁粉。

将步骤S2所得表面具有一层绝缘致密包覆层的磁粉成型、热处理、冷却和喷涂，得到金属磁粉心。上述具体的工艺为：将所得坯体在680℃下于氮气气氛中热处理1h，然后冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

制得外径为46.5mm，内径为24.3mm，高度为17.9mm的磁环，对得到的磁粉心进行性能测试，如下表所述：

实施例3

本实施例的绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：按磁粉质量百分比分别称取七铝酸十二钙0.5wt％，二铝酸一钙0.3wt％，硅溶胶0.6wt％，氧化铝粉0.4wt％，加入6wt％的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与铁硅磁粉颗粒搅拌均匀，在100℃下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密包覆层的金属磁粉。

将步骤S2所得表面具有一层绝缘致密包覆层的磁粉进行成型、热处理、冷却和喷涂，得到金属磁粉心。上述具体的工艺为：将所得坯体在720℃下于氮气气氛中热处理0.5h，然后冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

制得外径为17.3mm，内径为9.7mm，高度为6.4mm的磁环，对得到的磁粉心进行性能测试，如下表所述：

实施例4

本实施例的绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：按磁粉质量百分比分别称取铝酸盐水泥1.2wt％，氧化硅粉0.5wt％，硅铝酸钠粉0.4wt％，加入7.0wt％的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与铁硅磁粉颗粒搅拌均匀，在105℃下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密包覆层的金属磁粉。

将步骤S2所得表面具有一层绝缘致密包覆层的磁粉进行成型、热处理、冷却和喷涂，得到金属磁粉心。上述具体的工艺为：将所得坯体在730℃下于氮气气氛中热处理0.5h，然后冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

制得外径为46.4mm，内径为24.2mm，高度为17.8mm的磁环，对得到的磁粉心进行性能测试，如下表所述：

实施例5

本实施例的绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：按磁粉质量百分比分别称取铝酸一钙0.5wt％，二铝酸一钙0.4wt％，七铝酸十二钙0.4wt％，硅溶胶0.5wt％，氧化硅粉0.3wt％，加入8.0wt％的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与铁镍磁粉颗粒搅拌均匀，在120℃下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密包覆层的金属磁粉。

将步骤S2所得表面具有一层绝缘致密包覆层的磁粉进行成型、热处理、冷却和喷涂，得到金属磁粉心。上述具体的工艺为：将所得坯体在750℃下于氢气气氛中热处理0.5h，然后冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

制得外径为32.8mm，内径为20.1mm，高度为10.6mm的磁环，对得到的磁粉心进行性能测试，如下表所述：

实施例6

本实施例的绝缘包覆金属磁粉的制备方法，包括以下步骤：

S1：混料：：按磁粉质量百分比分别称取铝酸盐水泥0.8wt％，七铝酸十二钙0.4wt％，硅溶胶0.5wt％，硅铝酸钠粉0.4wt％，加入7.5wt％的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与铁镍磁粉颗粒搅拌均匀，在110℃下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密水包覆层的金属磁粉。

将步骤S2所得表面具有一层绝缘致密包覆层的磁粉进行成型、热处理、冷却和喷涂，得到金属磁粉心。上述具体的工艺为：将所得坯体在790℃下于氢气与氮气混合气体(氢气与氮气分压比为3:7)中热处理0.5h，然后冷却至室温，对磁粉心进行喷涂。

制得外径为56.9mm，内径为26.7mm，高度为15.1mm的磁环，对得到的磁粉心进行性能测试，如下表所述：

此外，采用含钙铝酸盐进行无机包覆后，由于干燥后的包覆层局部呈粉状，在压制后，强度不高，因此，在包覆干燥后的磁粉中，加入少量硅酸盐粘结剂，其中，硅酸根与活性含钙铝酸钙水解产物铝胶在高温下反应，生成莫来石类的物质，致使磁粉心强度高。

本发明不限于上述实施方案。所述实施方案可根据需要在不偏离本发明范围的前提下进行改变。

Claims (10)

1.一种绝缘包覆金属磁粉，在包含金属磁粉颗粒的表面被覆有绝缘包覆层，其特征在于，所述绝缘包覆层具有包含水合铝酸钙和铝胶的包覆层。

2.根据权利要求1所述的绝缘包覆金属磁粉，其特征在于，所述绝缘包覆层还具有包含氧化物的包覆层。

3.根据权利要求2所述的绝缘包覆金属磁粉，其特征在于，所述绝缘包覆层还具有包含Al-Si系氧化物的包覆层。

4.一种根据权利要求1所述绝缘包覆金属磁粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：混料：称取一定量活性含钙铝酸盐，加入一定量的水搅拌均匀；

S2：包覆：将步骤S1所得混合物与金属磁粉颗粒搅拌均匀，在一定温度下搅拌至干燥，得到表面具有一层绝缘致密包覆膜的磁粉。

5.根据权利要求4所述一种绝缘包覆金属磁粉的制备方法，其特征在于，所述活性含钙铝酸盐为铝酸盐水泥、铝酸一钙、二铝酸一钙、七铝酸十二钙和铁铝酸钙中的一种或以上；所述活性含钙铝酸盐的质量分数为金属磁粉颗粒的0.5wt％～4wt％。

6.根据权利要求5所述一种绝缘包覆金属磁粉的制备方法，其特征在于，步骤S1中加入水的量为金属磁粉颗粒质量的4.5wt％-8wt％，步骤S2中将步骤S1所得混合物与金属磁粉颗粒在50-150℃下搅拌至干燥。

7.根据权利要求4所述一种绝缘包覆金属磁粉的制备方法，其特征在于，步骤S1中还加入氧化物或硅酸盐与活性含钙铝酸盐混合，再加入一定量的水搅拌均匀；所述氧化物为氧化硅粉、硅溶胶和氧化铝粉中的一种或以上，所述硅酸盐包括硅铝酸钠粉和硅酸铝粉中的一种或以上。

8.根据权利要求7所述一种绝缘包覆金属磁粉的制备方法，其特征在于，所述氧化物或硅酸盐与活性含钙铝酸盐的的质量分数之比为(0-1.4)：1。

9.根据权利要求8所述一种绝缘包覆金属磁粉的制备方法，其特征在于，所述氧化物或硅酸盐粒径小于20μm，所述活性含钙铝酸盐粒径小于70μm。

10.一种金属磁粉心，由权利要求1至3任一项所述的金属磁粉经压制成型、热处理、冷却和喷涂后得到磁粉心。

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