CN1686927A - 较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体及其制备方法，其包括主成分氧化铁、氧化锌和氧化锰和辅助成分，主成分和辅助成分烧结形成面心立方尖晶石晶形，而主成分以各自标准物计的含量为，Fe₂O₃：49mol％～54mol％，MnO：28mol％～34mol％，ZnO：15mol％～20mol％，辅助成分包括钙氧化物、钒氧化物、铋氧化物和氧化钛，相对所述主成分总量，以其各自标准物CaO、V₂O₅、Bi₂O₃和TiO₂计的总含量为0.007～0.45wt％。本发明的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体在常温下具有较高的起始磁导率、在中高频下具有较低的功率损耗、且最低功耗点在80℃左右。

Description

较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Mn-Zn系铁氧体及其制备方法，尤其涉及一种功率损耗较低且在特殊温度点处具有最低功耗值的锰锌系铁氧体及其制备方法。

背景技术

软磁铁氧体因其高磁导率而被用作为变压器、电感器、滤波器、高性能电源开关等感性元件的磁芯，其需求量将越来越大。随着信息产业技术的迅猛发展，电子设备的制造技术正在不断改进和更新，要求电子设备的开关及计算、处理速度越来越快，但是软磁铁氧体在交变电磁场下存在磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗等，而且在高频下，上述的损耗也越发加剧，导致磁芯温度迅速升高，工作性能急剧下降。随着开关电源工作频率越来越高，相应的材料一代接一代的开发出来。自七十年代初以来，为适应开关电源市场的需要，业界已经开发出几代功率铁氧体材料，其功耗越来越低，应用频率越来越高。

但是，通常电子设备中的温升不允许超过70～80℃，磁芯的允许温升也不会超过70～80℃，因此将磁芯的设计温升定为80℃以及最低功率损耗定在80℃左右是具有很明显的技术经济意义的。

在类似上述问题领域，有专利号为03115906.0的中国专利申请文件公开了一种锰—锌功率软磁铁氧体料粉及其制备方法，软磁铁氧体料粉中Fe₂O₃为58-79wt％，Mn₃O₄：15-30wt％，ZnO：5-15wt％，辅料(包括SiO₂、CaCO₃、V₂O₅、Nb₂O₅)：0-7wt％，总量满足100％。主料和辅料通过混合、预烧、粗粉碎、砂磨、喷雾造粒五个工序制成锰—锌功率软磁铁氧体料粉，称其制成的料粉功耗较低，饱和磁感应强度Bs高。

与此类似的还有专利号为02150733.3的中国专利申请文件也公开了一种高频细晶粒软磁铁氧体磁体材料及其生产工艺，它是由氧化铁、氧化锌和氧化锰为主要原料制成的，其特征在于所述软磁铁氧体材料的平均晶粒尺寸是3-5μm，各组分以氧化物计的重量百分比范围是：Fe₂O₃：50-57％；ZnO：0-13％；MnO：30-50％；其余为掺杂成分M；其采用的工艺步骤是：配料、球磨、振磨、预烧、砂磨、造粒、成型、烧结、磨加工和包装，据称：其工艺适合工业化批量生产，生产成本低、工艺稳定、产品具有磁导率高、功率损耗小的特点，达到高频低功耗功率铁氧体材料PC50的技术指标，从而为实现电子器件的小型化、片式化提供了有利的条件。

类似地，还有公开号为JP2001233667的日本专利申请文件也公开了一种低损耗、高强度而适用于电源开关的Mn-Zn铁氧体，其采取包括钽氧化物、铪氧化物的辅料，且主料的含量有所不同，不予赘述。

发明内容

本发明要达到的技术目的是要提供一种在常温下具有较高的起始磁导率、在中高频(200KHz)下具有较低的功率损耗、最低功耗点在80℃左右的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体及其制造方法。

为此，本发明的技术解决方案是一种较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体，该铁氧体包括主成分氧化铁、氧化锌和氧化锰和辅助成分，所述主成分和辅助成分烧结形成面心立方尖晶石晶形，而所述主成分以各自标准物计的含量如下，Fe₂O₃：49mol％～54mol％，MnO：28mol％～34mol％，ZnO：15mol％～20mol％，所述辅助成分包括钙氧化物、钒氧化物、铋氧化物和氧化钛，相对所述主成分总量，所述钙氧化物、钒氧化物、铋氧化物和氧化钛以其标准物CaO、V₂O₅、Bi₂O₃和TiO₂计的总含量为0.007～0.45wt％。经过实验证明：本发明的锰-锌功率铁氧体料粉具有良好的成型性能且烧结产品能达到预期的技术指标。料粉物理性能如下：

颗粒的含水量为0.2～0.6wt％，

松装比为：1.25～1.45g/cm³，

安息角为≤30°。

根据大量实验，确定本发明的铁氧体实施例中，所述辅助成分以各自标准物计的含量分别为，CaO：0.001～0.1wt％，V₂O₅：0.002～0.15wt％，TiO₂：0.002～0.10wt％，Bi₂O₃：0.002～0.1wt％。

所述辅助成分进一步包括硅氧化物、铌氧化物、钴氧化物其中一种或一种以上，相对所述主成分总量，这些辅助成分以其标准物SiO₂、Nb₂O₅、Co₂O₃计的总含量为0～0.21wt％。

相对所述主成分总量，所述辅助成分中硅氧化物、钒氧化物、铌氧化物、钴氧化物各自以其标准物SiO₂、Nb₂O₅、Co₂O₃计的含量分别为，SiO₂：0～0.01wt％，Nb₂O₅：0～0.1wt％，Co₂O₃：0～0.1wt％。

所述铁氧体具有高于3500的起始磁导率且在80℃±5℃具有最低功耗值。

与本发明技术目的相关的另一技术解决方案是上述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体的制备方法，其包括如下步骤：A)将三种主成分Fe₂O₃、Mn₃O₄、ZnO粒料混合经过一次砂磨，制得平均粒径为1.0±0.3μm的主成分粉料；B)将所述主成分粉料经干燥、预烧，再加入纯水、分散剂和辅助成分，一起进行二次砂磨，二次砂磨过程中加入粘合剂和消泡剂制得平均粒径为1.0±0.2μm的混合粉料；C)将混合粉料经干燥、压制成型、在1300～1400℃下充氮气氛下保温4～6小时烧结、在平衡气氛下冷却制得所述铁氧体成品。实验证明，本发明的上述方法制作成本较低，适用于普通的大工业生产，利用本发明制得的磁芯在常温下具有较高的起始磁导率，在中高频下具有低的功率损耗，且最低功耗点在80℃左右。

作为本发明的方法实施例，所述步骤B中，所述消泡剂包括正辛醇，所述粘合剂包括聚乙烯醇。

所述步骤B中，相对所述主成分总量，所述纯水的添加比例为35～38wt％，所述分散剂的添加比例为0～0.5wt％，所述粘合剂的添加比例为0.4～1.0wt％，所述消泡剂的添加比例为0～0.5wt％。

所述步骤B中，所述预烧温度控制在900℃±30℃范围，预烧过程中，所述主成分粉料的磁化度控制在0～25范围内。

所述步骤B、C中，所述干燥过程是采用喷雾方法；所述步骤C中，所述压制成型后的生坯的密度为3.0±0.2g/cm³。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

称取52.1mol％的Fe₂O₃、30.8mol％的MnO(原料形态为Mn₃O₄)17.1mol％的ZnO，其中铁红采用国产宝钢铁红(Fe₂O₃％≥99.2％)，Mn₃O₄采用金瑞普通(Mn％≥71％)，ZnO厂家为上海京华(ZnO％≥99.7％)。投入砂磨机中搅拌，控制平均粒径为1.0±0.3μm，一次喷雾后在900±30℃温度下用电热式回转窑进行预烧，控制磁化度在0～25。随后预烧料投入砂磨机进行二次砂磨，砂磨过程中相对所述主成分总量，加入纯水37％、分散剂0.01％和消泡剂0.008％，并加入添加剂CaCO₃0.05wt％、V₂O₅0.05wt％、Nb₂O₅0.05wt％、Bi₂O₃0.03wt％、TiO₂0.02wt％，控制砂磨的平均粒径为1.0±0.2μm。最后进行二次喷雾得到Mn-Zn铁氧体颗粒料粉。

取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm的环形磁芯，成型密度为3.0±0.2g/cm³，在1300～1400℃下N₂保护下进行烧结，保温4～6小时，在平衡气氛下冷却。

用美国2330功耗仪、CH100测试仪、日本理研BHS-4测试仪测得烧结体的相关性能如表1所示。

实施例2

称取52.4mol％Fe₂O₃、30.2mol％MnO(原料形态为Mn₃O₄)、16.4mol％ZnO，投入砂磨机中搅拌，控制平均粒径为1.0±0.3μm，一次喷雾后在900℃±30℃温度下用电热式回转窑进行预烧，控制磁化度在0～25。随后预烧料投入砂磨机进行二次砂磨，砂磨过程中相对所述主成分总量，加入纯水37wt％、分散剂0.01wt％和消泡剂0.008wt％，并加入添加剂SiO₂0.002wt％、CaCO₃0.03wt％、V₂O₅0.06wt％、Nb₂O₅0.05wt％、TiO₂0.05wt％，控制二次砂磨的平均粒径为1.0±0.2μm。最后进行二次喷雾得到Mn-Zn铁氧体颗粒料粉。

取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm的环形磁芯，成型密度为3.0±0.2g/cm³，在1300～1400℃下N₂保护下进行烧结，保温4～6小时，在平衡气氛下冷却。

用美国2330功耗仪、CH100测试仪、日本理研BHS-4测试仪测得烧结体的相关性能如表1所示。

                                   表1

批号	起始磁导率	居里温度	饱和磁感应强度(H＝1194A/m)	Pcv(mw/cm3)(100KHz，200mT)
							25℃	80℃	100℃
				TDK PC40	2300	215				510	600	/	410
实施例1	3512	185	513				516	365	403
				实施例2	3542	180				508	505	371	398

由上表可见，本发明的锰锌系铁氧体在常温下具有较高的起始磁导率，在中高频下的功率损耗较低，且最低功耗点在80℃±5℃。

Claims (10)

1、一种较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体，该铁氧体包括主成分氧化铁、氧化锌和氧化锰和辅助成分，其特征在于：所述主成分以各自标准物计的含量如下，Fe₂O₃：49mol％～54mol％，MnO：28mol％～34mol％，ZnO：15mol％～20mol％，所述辅助成分包括钙氧化物、钒氧化物、铋氧化物和氧化钛，相对所述主成分总量，所述钙氧化物、钒氧化物、铋氧化物和氧化钛以其标准物CaO、V₂O₅、Bi₂O₃和TiO₂计的总含量为0.007～0.45wt％。

2、如权利要求1所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体，其特征在于：相对所述主成分总量，所述辅助成分以各自标准物计的含量分别为，CaO：0.001～0.1wt％，V₂O₅：0.002～0.15wt％，Bi₂O₃：0.002～0.1wt％，TiO₂：0.002～0.1wt％。

3、如权利要求1或2所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体，其特征在于：所述辅助成分进一步包括硅氧化物、铌氧化物、钴氧化物其中一种或一种以上，相对所述主成分总量，这些辅助成分以其标准物SiO₂、Nb₂O₅、Co₂O₃计的总含量为0～0.21wt％。

4、如权利要求3所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体，其特征在于：相对所述主成分总量，所述辅助成分中硅氧化物、钒氧化物、铌氧化物、钴氧化物各自以其标准物SiO₂、Nb₂O₅、Co₂O₃计的含量分别为，SiO₂：0～0.01wt％，Nb₂O₅：0～0.1wt％，Co₂O₃：0～0.1wt％。

5、如权利要求1所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体，其特征在于：所述铁氧体具有高于3500的起始磁导率且在80℃±5℃具有最低功耗值。

6、如权利要求1～5之一所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体的制备方法，所述方法包括如下步骤：A)将主成分Fe₂O₃、Mn₃O₄、ZnO粒料混合经过一次砂磨，制得平均粒径为1.0±0.3μm的主成分粉料；B)将所述主成分粉料经干燥、预烧，再加入纯水、分散剂和辅助成分，一起进行二次砂磨，二次砂磨过程中加入粘合剂和消泡剂制得平均粒径为1.0±0.2μm的混合粉料；C)将混合粉料经干燥、压制成型、在1300～1400℃下充氮气氛下保温4～6小时烧结、在平衡气氛下冷却制得所述铁氧体成品。

7、如权利要求6所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体的制备方法，其特征在于：所述步骤B中，所述消泡剂包括正辛醇，所述粘合剂包括聚乙烯醇。

8、如权利要求6所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体的制造方法，其特征在于：所述步骤B中，相对所述主成分总量，所述纯水的添加比例为35～38wt％，所述分散剂的添加比例为0～0.5wt％，所述粘合剂的添加比例为0.4～1.0wt％，所述消泡剂的添加比例为0～0.5wt％。

9、如权利要求6所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体的制造方法，其特征在于：所述步骤B中，所述预烧温度控制在900℃±30℃范围，预烧过程中，所述主成分粉料的磁化度控制在0～25范围内。

10、如权利要求6所述的较高磁导率低损耗锰锌系铁氧体的制造方法，其特征在于：所述步骤B、C中，所述干燥过程是采用喷雾造粒方法；所述步骤C中，所述压制成型后的生坯的密度为3.0±0.2g/cm³。