CN1402266A - 一种锰锌系铁氧体磁芯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锰锌系铁氧体磁芯，属于氧化物磁性材料技术领域。其中含有主要成份氧化铁(Fe₂O₃)：52－55摩尔％，氧化锌(ZnO)：7－12摩尔％，氧化锰(MnO)：36－38摩尔％，加入纳米级材料添加剂成份氧化钙(CaO)：0.01－0.5重量％、二氧化硅(SiO₂)：0.004－0.03重量％，在1150－1300℃之间烧结0.5－5小时，可以制造一种在至1.2兆赫兹的频率范围内具有起始磁导率为2600，电阻率达到15－20Ωm，具有高频、更高饱和磁通密度Bms和低磁损耗Pcv的优异锰锌铁氧体磁芯。

Description

一种锰锌系铁氧体磁芯

技术领域：

本发明涉及一种锰锌系铁氧体磁芯，属于氧化物磁性材料技术领域。

背景技术：

随着通信领域的迅速发展，锰锌铁氧体作为高频技术中的转换器、变压器和扼流圈应用材料必须具有特别的电磁、机械和热性质。用于高频电源变压器的铁氧体磁芯，特别是频率在3兆赫兹频率以下的高频、高效变压器，要求具有低磁芯损耗Pcv和更高饱和磁通密度Bms，以满足现在电器设备的微型化和高效率的要求。

本发明作出以前，在已有技术中，申请号00126316.1提出一种Fe₂O₃、MnO和ZnO的基本组成中含SiO₂、CaO和NiO的铁氧体，该铁氧体还含有Nb₂O₅、ZrO₂、P和B中的一种或两种或多种，将上述材料成型坯件在1300℃和控制氧分压的气氛中烧结5小时，以改进磁芯损耗Pcv和饱和磁通密度Bms。但是由于NiO含量高达0.45重量％，磁各向异性较大，且电阻率一般只有6-10Ωm之间。为了实现变压器的高频化、高效率，还要求进一步提高电阻率，并且其所含有的添加剂成份，由于是微米级材料，所以不能从根本上达到对磁性材料微观结构上的优化。

发明内容：

本发明目的在于克服上述不足之处，从而提供一种具有高频、高饱和磁通密度Bms和低磁损耗Pcv，以满足现在电器设备的微型化和高效率要求的锰锌系铁氧体磁芯。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

(1)根据本发明，锰锌(Mn-Zn)铁氧体主要成份起始原料，采用按Fe₂O₃为基准计算为52-55摩尔％的氧化铁、按ZnO为基准计算为7-12摩尔％的氧化锌，按MnO为基准计算为36-38摩尔％，将它们称重，同时加入相对于上述主要成份的分散剂：0.4-0.6重量％、去离子水：40-150重量％、粘合剂：0.1-1.2重量％、消泡剂：0.1-0.3重量％、在高速混合器中混和60-90分钟，通过喷雾干燥机制成平均粒度为80-100微米，水份在0.1重量％以下，且流动角小于40度的颗粒；(2)采用回转窑或隧道窑进行预烧，预烧温度为800-1050℃之间，预烧时间为5分钟-3小时；(3)进行干式或湿式粉碎10-40分钟，制成平均粒度为1.5-2.0微米的粉料；(4)相对于上述预烧粉料，加入纳米级材料作为添加剂成份，其包括：按SiO₂为基准计算为0.004-0.03重量％的氧化硅，按CaO为基准计算为0.01-0.5重量％的氧化钙；另外，可加入按Nb₂O₅为基准计算为0.004-0.06重量％的氧化铌，按Ta₂O₅为基准计算为0.006-0.10重量％的氧化钽，按V₂O₅为基准计算为0.006-0.12重量％的氧化钒，按ZrO₂为基准计算为0.004-0.04重量％的氧化锆中的一种或二种或更多种；进一步可加入按SnO₂为基准计算为0.04-0.4重量％的氧化锡或按TiO₂为基准计算为0.04-0.4重量％的氧化钛，纳米级材料添加剂粒度范围在10-500mm之间。再加入分散剂：0.4-0.6重量％、去离子水：40-150重量％、粘合剂：0.1-1.2重量％、消泡剂：0.1-0.3重量％、在砂磨机中粉碎40-90分钟，磨成平均粒度为0.6-1.2微米；(5)通过喷雾干燥机制成约80-200微米，且流动角小于30度的颗粒；(6)用加湿器进行加湿，成含水量为0.5-1.0重量％的颗粒；(7)采用自动成型机进行成型具有一定形状的坯件；(8)进行烧结，在保持温度为1150-1300℃和引入氮气或真空控制氧浓度的气氛中烧结0.5-5小时，制得外径为25毫米、内径为15毫米、厚度为5毫米形状的环形磁芯。

本发明可以通过下面的1-6的任意一个构成而得到。

1.一种锰锌系铁氧体磁芯，其中含有主要成份的氧化铁、氧化锌和氧化锰。按Fe₂O₃、ZnO、MnO分别为：Fe₂O₃：52-55摩尔％，ZnO：7-12摩尔％，，MnO：36-38摩尔％。

含有作为纳米级材料添加剂成份按SiO₂为基准计算为0.004-0.03重量％的氧化硅；按CaO为基准计算为0.01-0.5重量％的氧化钙。

2.上述1中的锰锌系铁氧体磁芯，其中相对于上述主要成份，作为纳米级材料添加剂成份，进一步含有氧化铌、氧化钽、氧化钒和氧化锆的一种或者一种以上，按Nb₂O₅：0.004-0.06重量％，Ta₂O₅：0.006-0.10重量％，V₂O₅：0.006-0.12重量％，ZrO₂：0.004-0.04重量％。

3.上述1或2的锰锌系铁氧体磁芯，其中相对于上述主要成份，作为纳米级材料添加剂成份，进一步含有氧化锡或氧化钛，按SnO₂：0.04-0.4重量％或TiO₂：0.04-0.4重量％。

4.上述1-3的任意一种锰锌系铁氧体磁芯，其中相对于上述主要成份，作为纳米级材料添加剂成份，进一步含有纳米级材料作为添加剂成份：按磷P或硼B的含量为0.01重量％以下。

5.上述1-4的任意一种锰锌系铁氧体磁芯，在具有引入氮气或真空控制氧浓度的烧结气氛烧成为一定形状的磁芯，并在1150-1300℃之间烧结0.5-5小时成所述磁芯。

6.上述1-5的任意一种锰锌系铁氧体磁芯，所述磁芯在至1.2兆赫兹的频率范围内具有起始磁导率为2600，电阻率达到15-20Ωm。

本发明还具有以下特征：

本发明的锰锌系铁氧体磁芯含有按Fe₂O₃为52-55摩尔％的氧化铁、按ZnO为7-12摩尔％的氧化锌，按MnO为36-38摩尔％的氧化锰作为主要成份。相对于上述主要成份，含有纳米级材料添加剂成份，按SiO₂为0.004-0.03重量％的氧化硅；按CaO为0.01-0.5重量％的氧化钙。纳米级材料添加剂粒度范围在10-500mm之间。并在其制造过程中，相对于上述主要成份和纳米级材料添加剂成份，需加入①分散剂，如聚丙酸为0.4-0.6重量％，②粘合剂，如聚乙烯醇为0.1-1.2重量％，③消泡剂，如正辛醇为0.1-0.3重量％，④去离子水为40-150重量％。

主要成份优选分别按Fe₂O₃为52-55摩尔％的氧化铁，优选是53-54摩尔％，按ZnO为7-12摩尔％的氧化锌，优选是8-11摩尔％，按MnO为36-38摩尔％的氧化锰，优选是36-37摩尔％。

根据本发明的锰锌系铁氧体磁芯，通常所含有的纳米级材料添加剂成份，按SiO₂为0.004-0.03重量％的氧化硅，优选是0.006-0.02重量％；按CaO为0.01-0.5重量％的氧化钙，优选是0.04-0.08重量％。SiO₂和CaO存在于晶界上。

根据本发明的锰锌系铁氧体磁芯通常还可含有纳米级材料添加剂成份氧化铌、氧化钽、氧化钒、氧化锆的一种或一种以上。相对于上述主要成份，分别按Nb₂O₅、Ta₂O₅、V₂O₅、ZrO₂为：Nb₂O₅：0.004-0.06重量％，优选0.01-0.04重量％；Ta₂O₅：0.006-0.10重量％，优选0.02-0.05重量％；V₂O₅：0.006-0.12重量％，优选0.02-0.05重量％；ZrO₂：0.004-0.04重量％，优选0.01-0.03重量％。

通过这些纳米级材料添加剂元素，可大幅度提高特别是高周波数1MHz以上的磁导率。在这些元素中，特别优选氧化铌、氧化锆两种或以上并用，且比例是任意的。

另外，根据本发明的锰锌系铁氧体磁芯中，作为添加剂成份可优选纳米材料按SnO₂为0.04-0.4重量％的氧化锡，优选0.1-0.3重量％或TiO₂为0.04-0.4重量％的氧化钛，优选0.1-0.3重量％。

根据本发明的锰锌系铁氧体磁芯中，作为添加剂成份可优选纳米材料，按磷P或硼B的含量为0.01重量％以下，优选0.001-0.005重量％。

由此，可以呈现下述的实际效果。

可在至1.2兆赫兹的频率范围内具有起始磁导率为2600，电阻率达到15-20Ωm，并在近似100℃使用的高频变压器用磁芯提供损耗非常小和更高饱和磁通密度Bms的锰锌(Mn-Zn)铁氧体。

要制造该发明的锰锌系铁氧体，首先，作为主要成份通常采用氧化铁成份、氧化锰成份和氧化锌成份的混合物。根据需要，作为纳米级材料添加剂成份原料，可加入碳酸钙等通过烧结变成氧化钙的化合物或氧化钙，以及通过烧结变成氧化硅的化合物或氧化硅等。但是，这些纳米级材料添加剂成份可以磁性材料最终组成的上述量比加入。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明组合的配方材料来源方便；制作工艺简单；可以制造一种在至1.2兆赫兹的频率范围内具有起始磁导率为2600，电阻率达到15-20Ωm，具有高频，高饱和磁通密度Bms和低磁损耗Pcv的优异锰锌系铁氧体磁芯。

附图说明：

附图1为本发明的制作工艺(工艺流程图)。

本发明烧结所用的炉子可以是隧道式连续炉，也可以是批次炉。烧结时的气氛可根据平衡氧气分压的理论来调整，但特别优选在控制氧气分压的氮气中进行烧结。

具体实施方式：

下面本发明将结合具体的实施例作进一步详细说明。

实施例1

将Fe₂O₃(53.5摩尔％)、ZnO(9.5摩尔％)和MnO(37摩尔％)作为主要成分进行配料，同时加入分散剂：聚丙酸0.5重量％，消泡剂：正辛醇0.2重量％，去离子水95重量％，将它们混合后，加入粘合剂：聚乙烯醇0.8重量％溶液，在高速混合器中混合70-80分钟，通过喷雾式干燥机制成为平均粒径约为100微米，水份在0.1重量％以下，且流动角小于40度的颗粒；放在回转窑进行预烧，预烧温度925℃，预烧1.5-2.0小时；进行干式或湿式粉碎25-35分钟，制成平均粒径为1.5-2.0微米的粉料；加入纳米级材料添加剂：氧化钙(CaO)：0.06重量％、二氧化硅(SiO₂)：0.015重量％。上述CaO及SiO₂为磁性材料的最终组成。纳米级材料添加剂粒度范围在10-500mm之间。在加入纳米级材料添加剂成份的同时再加入去离子水50重量％、分散剂：聚丙酸0.5重量％，消泡剂：正辛醇0.2重量％，粘合剂：聚乙烯醇0.8重量％溶液，放在砂磨机中进行混合、细磨50-70分钟，磨成平均粒度为0.8-1.0微米；固含量为60％以上，粘度为250-350CPS的浆料；采用喷雾式干燥机制成约80-200微米的颗粒，且流动角小于30度的颗粒；进行混和、加湿，至含水率为0.5-0.8重量％；采用自动成型机进行成形，压制成样品100个。将这些成型坯体放置在温度1240℃和控制氧分压的气氛中烧结3小时，然后在控制氧气分压的气氛中冷却，得到外径25毫米，内径15毫米，高度为5毫米的环形磁芯。

下面详细描述上述所说的温度曲线。

实施例的温度曲线

升温工序

实温至400℃的升温速度：60℃/小时

从400℃到900℃的升温速度：300℃/小时

从900℃到1240℃的升温速度：150℃/小时

保温工序

在1240℃保持3小时

降温工序

从1240℃到1100℃的降温速度：100℃/小时

1100℃到常温的降温速度：250℃/小时

在通过荧光X射线测定实施例的产品最后组成时，作为成分CaO、SiO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、V₂O₅和ZrO₂与原料组成基本对应。

测定所得到的各环形磁芯在25℃下100kHz、1.2MHz的起始磁导率、电阻率、磁芯损耗Pcv、和饱和磁通密度Bms。磁导率的测定采用阻抗分析仪；每个试样被施加100kHz和200mT(最大值)的正弦电流磁场，在100℃下，用B-H磁滞回线测试仪测定磁芯损耗和饱和磁通密度，结果列于表1

                            表1

由表1所示的结果可见本发明的效果。即本发明的电阻率调整到15.5-20.5Ωm的样品(表1中的样品1-7)，在1.2MHz下的起始磁导率比现有技术的起始磁导率1800左右大得多。在该实施例中，电阻率大于15Ωm在80％以上。

【实施例2】

在实施例1的锰锌系铁氧体磁芯的组成中，相对主要成分作为纳米级材料添加剂成分除含有CaCO₃和SiO₂、还含Nb₂O₅、Ta₂O₅、V₂O₅和ZrO₂采用实施例1的制作方法，得到样品8-20。与实施例1同样评价所得的各样品。结果列于表2

                            表2

样品19	0	0	0	0.02	2550	2600	254	425
									样品20	0	0	0	0.03	2600	2700	248	427

【实施例3】

在实施例1的锰锌系铁氧体磁芯的组成中，相对主要成分作为添加剂成分除含有CaCO₃和SiO₂、还含有纳米材料：SnO₂或TiO₂，采用实施例1的制作方法，得到样品21-26；P或B，得到样品27和32。与实施例1同样评价所得的各样品。结果列于表3

                            表3

【实施例4】

在本发明的锰锌系铁氧体磁芯组成中，含Fe₂O₃(52摩尔％)、ZnO(12摩尔％)和MnO(36摩尔％)作为主要成分进行配料，相对主要成分作为纳米级材料添加剂成分除含有CaO和SiO₂、还含Nb₂O₅、Ta₂O₅、V₂O₅和ZrO₂，采用实施例1的制作方法，得到样品33-45。与实施例1同样评价所得的各样品。与实施例1同样评价所得的各样品。结果列于表4

                            表4

样品34	0.025	0	0	0	2650	2600	260	421
									样品35	0.03	0	0	0	2600	2600	249	423
样品36	0.04	0	0	0	2650	2600	254	416
									样品37	0	0.01	0	0	2650	2650	247	420
样品38	0	0.035	0	0	2500	2600	246	423
									样品39	0	0.05	0	0	2650	2600	248	420
样品40	0	0	0.01	0	2600	2600	254	417
									样品41	0	0	0.035	0	2650	2600	261	422
样品42	0	0	0.06	0	2600	2650	245	422
									样品43	0	0	0	0.01	2600	2600	254	418
样品44	0	0	0	0.02	2500	2600	253	420
									样品45	0	0	0	0.03	2600	2600	249	422

【实施例5】

在本发明的锰锌系铁氧体磁芯组成中，含Fe₂O₃(55摩尔％)、ZnO(7摩尔％)和MnO(38摩尔％)作为主要成分进行配料，相对主要成分作为纳米级材料添加剂成分，除含有CaO和SiO₂、还含SnO₂或TiO₂，采用实施例1的制作方法，得到样品46-51；含有P或B得到样品52和57。与实施例1同样评价所得的各样品。结果列于表5

                        表5

Claims (9)

1、一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征是：①主要成份含有：氧化铁：52-55摩尔％、氧化锌：7-12摩尔％、氧化锰36-38摩尔％，将它们称重，同时加入分散剂、去离子水：40-150重量％、粘合剂、消泡剂，在高速混合器中混和60-90分钟，通过喷雾干燥机制成平均粒度为80-100微米，水份在0.1重量％以下，且流动角小于40度的颗粒；②采用回转窑或隧道窑进行预烧，预烧温度为800-1050℃，预烧时间为5分钟-3小时；③进行干式或湿式粉碎10-40分钟，制成平均粒度为1.5-2.0微米的粉料；④在上述预烧粉料中加入纳米级材料添加剂成份：分散剂、去离子水、粘合剂、消泡剂、在砂磨机中粉碎40-90分钟，磨成平均粒度为0.6-1.2微米；⑤通过喷雾干燥机制成80-200微米，且流动角小于30度的颗粒；⑥用加湿器进行加湿，成含水量为0.5-1.0重量％的颗粒；⑦采用自动成型机进行成型具有一定形状的坯件；⑧进行烧结，在保持温度为1150-1300℃和引入氮气或真空控制氧浓度的气氛中烧结0.5-5小时，制得外径为25毫米，内径为15毫米，厚度为5毫米形状的环形磁芯。

2、根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的分散剂是聚丙酸，加入时，相对于主要成份为：0.4-0.6重量％。

3.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的粘合剂是聚乙烯醇，加入时，相对于主要成份为：0.1-1.2重量％。

4.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的消泡剂是正辛醇，加入时，相对于主要成份为：0.1-0.3重量％。

5.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的纳米级材料添加剂粒度范围在10-500nm之间。

6.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的含有纳米级材料添加剂成份，相对于上述主要成份，其包括：是氧化硅为0.004-0.03重量％；氧化钙为0.01-0.5重量％。

7.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的含有纳米级材料添加剂成份，相对于上述主要成份，含有以下一种或二种以上纳米级材料作为添加剂成份：氧化铌为0.004-0.06重量％；氧化钽为0.006-0.10重量％；氧化钒为0.006-0.12重量％；氧化锆为0.004-0.04重量％；

8.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的含有纳米级材料添加剂成份，相对于上述主要成份，进一步含有纳米级材料作为添加剂成份：氧化锡为0.04-0.4重量％，氧化钛为0.04-0.4重量％。

9.根据权利要求1所述的一种锰锌系铁氧体磁芯，其特征在于所述的含有纳米级材料添加剂成份，相对于上述主要成份，进一步含有纳米级材料作为添加剂成份：按磷P或硼B的含量为0.01重量％以下。