CN1700368A - 一种软磁复合材料及由其制造导磁构件的生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种软磁复合材料，其特征在于：所述软磁复合材料包括含铁原料、绝缘剂和润滑剂，各组分的重量百分比为：含铁原料92－99％；绝缘剂0.5－5％；润滑剂0.5－3％。所述含铁原料为粉末状材料，包括还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉和铁合金粉，含铁量为80－99.8％，颗粒分布为20－500目；所述的绝缘剂采用纳米碳酸钙粉，或陶瓷粉，或磁性氧化物粉末；所述的润滑剂为微粉蜡。由上述软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，包括下述步骤：混合、成形、固化、防锈或精整处理。由本发明材料所制成的导磁构件，材料来源广，含铁量高，涡流损耗小，饱和磁感应强度低，导磁率及电阻率很高，具有较高的磁性能和力学性能，其构件加工工艺成本低廉，成形精度高。

Description

一种软磁复合材料及由其制造导磁构件的生产工艺

技术领域：

本发明涉及一种软磁复合材料，具体涉及一种电机电器中构成导磁构件之软磁复合材料以及由其制造导磁构件的生产工艺。

背景技术：

随着社会的发展，具有导磁构件的电机、电器，已经在日常生活中广泛应用。目前，这些电器中的导磁构件材料多为硅钢片，大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是工频变压器。硅钢的特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度(2.0T以上)，因此作为变压器铁芯使用时可以在很高的工作点工作(如工作磁感值1.5T)。但是，硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz以下。硅钢一般采用薄片状结构，其生产工艺步骤为：

1、先将硅钢片冲片；

2、将硅钢片组装成所需的磁齿状；

3、对硅钢片进行绝缘层护理，将铜线绕在磁齿上，当铜线通电时导磁构件即会产生磁场。

但上述方法有着比较明显的弱点，即生产的直接成本高，原因是：

①、由于各种构件的形状不规则，材料的使用率比较低，所生产的废料较多；

②、硅钢片价格昂贵；

③、废料不易回收。

中国专利局已公开了一发明专利申请《用软磁复合材料制造的电机电器》(申请号：03128171.0，公开号CN 1461089A)，在该公开说明书所披露的技术信息中，导磁构件由纯铁粉、绝缘剂和润滑剂构成，其主要原料仅为纯铁粉，原料选择范围窄，且价格非常昂贵，市场价目前已高达7000元/吨以上，成本较高，由此原料制造的电机、电器相应的生产成本随之也非常高。同时，纯铁粉在软磁材料所含比重为80％-90％，由于铁的含量在软磁材料中具有很重要的作用，当铁原料含量低于90％时，其磁饱和率远远不能满足导磁构件的性能要求，直接影响导磁构件的磁性能，磁导率也较低，难以适应目前不断提高的产品品质需求和市场需求。另外，其导磁构件产品成形时，混合物“需要在1100-1300℃的加热炉中烧结2-3个小时”才能达到设计要求，因此，加工时必须由一设备要求较高之高温加热炉才能实现，且加热到这样的高温需要的能源成本会很大。同时，由于导磁构件中绝缘剂、润滑剂含量比重大，一般成形时尺寸收缩相当厉害，而在这种高温工艺环境条件下，绝缘剂、润滑剂所产生物理变化和化学变化更大，其结果会带来导磁构件的磁性能和力学性能上较大的变化以及成形时结构尺寸的变形，影响加工质量。该申请之润滑剂所采用的硬脂酸锌、皂基脂或复合钠盖基润滑脂，在烧结过程中加热到高温时并不能完全被气化，仍会有部分残留于导磁构件中，影响产品的使用性能和成形精度。另外，上述物质经化学变化后，还会残留有其他不能被气化或溶解之化合物在烧结炉中，经常需要进行清理，既麻烦，又耗费工时。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中所存在的诸多缺陷，提供一种既能保证导磁构件较高的磁性能、力学性能及成形精度，又能达到降低成本、易回收的发明目的之软磁复合材料及由其制造导磁构件的生产工艺。

本发明为解决上述技术问题所提出技术方案是：

一种软磁复合材料，其特征在于：所述软磁复合材料包括含铁原料、绝缘剂和润滑剂，各组分的重量百分比为：含铁原料：92％-99％；绝缘剂：0.5％-5％；润滑剂：0.5％-3％；

所述含铁原料为粉末状材料，其含铁量为80％-99.8％；

所述粉状含铁原料包括还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉和铁合金粉；

所述还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉、铁合金粉颗粒分布为20-500目；

所述的绝缘剂采用纳米碳酸钙粉，或陶瓷粉，或磁性氧化物粉末；

所述的润滑剂为微粉蜡；

由上述软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，其特征在于包括下述步骤：

一、混合：按总重量将配比为92％-99％的粉状含铁原料、0.5％-5％的绝缘剂、0.5-3％的润滑剂干性均匀混合或添加适量溶剂湿性均匀混合；

二、成形：采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形方法将步骤一所得混合物制成所需形状；

三、固化：采用烧结方式固化，其固化工艺为：将成形后的导磁构件脱模，然后置于加热炉内进行加温，其温度为800℃-1100℃，时间为20-60分钟；

四、防锈或精整处理。

本发明软磁复合材料中还可含有粘结剂，其配比为：0.5％-3％，所述的粘结剂为有机粘结剂。

由上述软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，其特征在包括下述步骤：

一、混合：按总重量将配比为92％-99％的粉状含铁原料、0.5％-5％的绝缘剂、0.5％-3％的润滑剂、0.5％-3％的粘结剂干性均匀混合或添加适量溶剂湿性均匀混合；

二、成形：采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形方法将步骤一所得混合物制成所需形状；

三、固化：采用常温或低温方式固化，其中低温固化工艺为：将成形后的导磁构件脱模，然后置于加热炉内加温，其温度为200℃-300℃，时间为1-2小时。

四、防锈或精整处理。

本发明之材料主要成分含铁原料来源广，相对于纯铁粉可选择范围大，成本比纯铁粉低很多，直接生产成本大大降低，且含铁原料在其构件中所占重量比高于90％以上，有效地保证了导磁构件的磁导率和磁饱和率，提高了构件的磁性能及力学性能。本发明含铁原料还可采用铁合金粉，其内所含的铜、铝、硅、磷等元素，可进一步提高构件导磁性能，增加软磁材料品质。

由于绝缘剂、润滑剂的含量比重小，产品成形时的收缩率大大降低，尺寸精度也得到提高。

本发明所提供的产品和工艺制造的导磁构件在较大压力下即可溃散变成碎块，用磁力分离器很容易将软磁复合材料和铜线分离，废料容易回收，不会造成任何的社会公害，可以做到真正的环保。

本发明粉末颗粒呈分级分布，可保证混合物压制后的致密度和均匀性，增加构件的表面光洁度，进一步提高了导磁构件的加工质量。

本发明润滑剂选用微粉蜡，对于软磁复合材料粉末之混合的堆密度、混合物的流动性、均匀堆积密度、填充密度、压制后之脱模力较之现有技术有较大的提高，提高了导磁构件的品质。

本发明产品成形过程中可根据需要选择，即使采用高温烧结，其最高温度亦为1100℃，且烧结时间短，节约了能源，降低了生产成本，既解决了压制过程中的均匀性等方面的工艺问题，避免了长时间的高温固化带来的工艺缺陷而导致构件的性能上的改变，又可以使导磁构件达到所需的磁性能，可使其具有非常高的机械强度，力学性能提高。因此，本发明可以满足各种电机电器对导磁构件的不同要求。

经过试验，本发明制造的导磁构件的导磁性能、磁饱和率、绝缘效果、强度等方面与硅钢片生产的电机指标接近，完全符合不同电机对磁导磁构件的要求，但本发明成本仅为原硅钢片生产的电机成本的50％，市场前景十分广阔。

具体实施方式：

在磁性材料领域里，磁芯材料要求具有高的饱和磁通密度、低的矫顽力、高的导磁率和零磁致伸缩。因此，构成磁性原料的成分、各成分之间的相应配比，制造适合用途的制品、提高导磁构件的磁性能和其力学性能，开发新的磁性材料进行基础性研究、寻找新的应用领域并促使其发展、为目前该领域研究人员的重要课题。本发明提供了一种用于制造导磁构件的软磁复合材料，它包括含铁原料、绝缘剂和润滑剂，各组分的重量百分比为：含铁原料：92％-99％；绝缘剂：0.5％-5％；润滑剂：0.5-3％。上述配比的选用是根据目前市场对导磁构件的性能要求、原料成本、加工工艺成本及加工精度等多方面因素综合考虑及反复试验的结果。绝缘剂、润滑剂含量在整个构件中比例过高会影响整个材料的物理性能和化学成分，过低则不能产生其应有的效果。

含铁原料作为软磁材料之基料，是构成导磁构件之最主要的原料，可采用具有广泛发展前景的粉末冶金材料，其来源广，加工成构件所采用的工艺及设备简单，成本低，性能优良，具有高纯度、低杂质、一致性好、压缩性和成型性好等特点，本发明含铁原料在其总重量中配比高，含铁量为80％-99.8％，通过与相应比例的绝缘剂、润滑剂有机结合，可达到导磁构件所需要的磁性能和机械强度。

所述粉状含铁原料可包括还原铁粉、雾化铁粉或羟基铁粉，还可采用铁合金料，其中还原铁粉可采用一次还原铁粉和二次还原铁粉，价格仅为纯铁粉的五分之二。

还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉为高纯度、高品位的铁基料，含铁量高，饱和磁感应强度很低(0.5T以下)，但导磁率比较高，而且电阻率很高，因此非常有利于降低涡流损耗。

铁合金粉含有硅、硅、铝、磷、镍、铜、钼等元素，可增加材料的强度和硬度，提高其力学性能，同时这些元素可增加导磁构件的磁导率和磁通密度，进一步改善磁性能。

所述粉状含铁材料颗粒呈20-500目分布，可按适当的比例在上述范围内分级混合，可充分填充粉末颗粒之间的间隙，以保证构件具有较好均匀性和较高的致密度。

绝缘剂的添加可使软磁复合材料粉末颗粒之间被绝缘剂隔离开来，避免防止因直流信号的偏磁导致构件被磁化到饱和，降低其导磁性能。

本发明绝缘剂可采用纳米碳酸钙或陶瓷粉或磁性氧化物粉末。

所述纳米碳酸钙是一种新型超细固体材料。粒径在1-100纳米(nm)之间，由于纳米级碳酸钙粒子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应，具有粒径细且均匀，分布窄，比表面积大，表面活性及分散性好，表面能高，在磁性、催化性、光热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出优越的性能，是一种较好的绝缘剂。

所述陶瓷粉是一种高强、高模量、高性能材料，耐高温、耐酸碱、阻燃和具有高韧性，亦为一种较好且可耐高压的绝缘材料。

所述磁性氧化物粉末具有优良的附着力、硬度、耐化学腐蚀性及物理机械性能，并具有良好的绝缘性。

导磁构件中采用润滑剂可减少挤压力，使粉状材料流动性好，压制时构件壁厚均匀，卸料力小，可提高压制构件的表面光洁度。但润滑剂的选用及添加量对于软磁复合材料粉末之混合的堆密度、混合物的流动性、均匀堆积密度、填充密度、压制后之脱模力有很大的影响，本发明润滑剂采用微粉蜡。微粉蜡是一种硬而脆的长链脂肪酸二酰胺，为高熔点的有机硬质合成蜡，不溶于水，微溶于低沸点的有机溶剂内，溶解于高温、高沸点的溶剂中，具有良好的润滑性能以及烧结脱蜡阶段中具有良好的热解重量行为。微粉蜡在烧结中加热到600℃几乎完全气化而不留残渣在烧结炉中，较好地保证了导磁构件原有的品质。

本发明还可在上述重量配比中加入适量的粘接剂，其配比为0.5％-3％，粘接剂可采用有机粘结剂。粘接剂的采用既可加强粉末颗粒之间的连接，又可使粉末颗粒之间相互隔离，避免导磁构件被磁化饱和，降低其导磁性能。

实施例一：

本实施例所提供的一种用于制造导磁构件的软磁复合材料，由95％的还原铁粉、3％的纳米碳酸钙粉末、2％的微粉蜡组成。

由该实施例提供的软磁复合材料制造的导磁构件的生产工艺步骤为：

一、混合：按总重量将配比为95％的粉状一次还原铁粉、3％的纳米碳酸钙粉末、2％的微粉蜡均匀混合。

二、成形：将搅拌均匀的混合粉装于成形模具中，采用温压成形方式成形，然后将压坯从模具中脱出。

温压成形是目前粉末冶金成形新工艺，它将粉末及模具最高加热到150℃左右，故可在普通粉末压机上添加加热系统就可实现，所需投入不大。而且采用温压工艺生产的生坯强度高，又可直接进行附加的机加工，而压制压力和脱模压力均较低，故模具寿命高，可大大降低生产成本。同时，采用温压工艺可提高零部件生坯密度，能使铁粉部件的生坯密度达到7.25～7.45g/cm³，与传统工艺相比提高了0.15～0.3g/cm³，产品具有高强度。与传统模压工艺相比，零件的疲劳强度提高10-40％，极限抗拉强度提高10％，烧结态极限抗拉强度≥1200MPa，压坯的脱模压力低(降低30％以上)，压坯强度高(提高125～200％)，而弹性后效小(0.1～0.16％)，烧结收缩率少(0.025～0.08％)，压制后粉末密度均匀：一般压坯各部分密度差能减少0.1～0.2g/cm³。因此，温压工艺所制成的产品性能远优于现有技术。

三、固化：将压坯置于可控气氛气体炉中，进行高温烧结固化。传统高温烧结温度一般都在1100℃以上，时间至少2小时以上，本发明经过试验，压坯高温烧结温度为800℃～1100℃，时间为25-60分钟，即可达到所需性能要求，节约了能源，亦降低了构件制造成本。

实际应用中，导磁构件还可由多片叠合而成，可避免产生涡流损失。现有技术中导磁构件的多片组合是通过铆接方式实现的，加工时必须在构件上打上定位孔，然后再相互铆接。这种方法会导致片与片之间的连接不紧密，降低加工质量，同时会降低构件的力学性能。本发明在单片导磁构件压制成形后，可将多块叠合一起烧结，利用各片接合界面之间的结晶，可达到与焊接相同的效果，加强了片与片之间的粘接强度，保证其叠合严密，不会降低构件机械强度，同时还可增加结合体外表面的美感。

四、冷却后，将构件从高温炉内取出，再对导磁构件表面进行防锈或精整处理。

上述步骤三采用高温固化工艺，可保证压制成形后的导磁构件相互间粘接力，同时可提高绝缘性能。

实施例二：

本实施例所提供的一种制造导磁构件的软磁复合材料，用于导磁构件对强度要求低的电机电器。它是由羟基铁粉、绝缘剂、润滑剂、粘结剂相互配比而成，各组分的重量百分比为：二次还原铁粉：94％；陶瓷粉3％；微粉蜡1％、有机粘结剂2％。

由本实施例提供的软磁复合材料制造的导磁构件的生产工艺步骤为：

一、混合：将94％的二次还原铁粉、3％的陶瓷粉、1％的微粉蜡混合，然后加入2％的有机粘结剂；

二、成形：然后将粉末放入模具中，且和模具一起加热至80-150℃左右进行刚性模压制，可按尺寸要求压制成5-20mm厚的工件；

三、固化：将成形的导磁构件加温到200℃-300℃，对导磁构件进行固化，可保证压制成形后的导磁构件相互间粘接力，排除其内气体。脱模后，构件表面作精整和防锈处理。

本实施例导磁构件采用低温压制工艺，可达到强度要求稍低之导磁构件所需的磁性能，具有一定的机械强度。这样，该软磁复合材料就可以满足各种电机电器对导磁构件的不同要求。

本发明制造的导磁构件在较大压力下即可溃散变成碎块，用磁力分离器很容易将软磁复合材料和铜线分离，废料很容易回收，符合目前环保要求。

本发明提供的材料以及工艺适用于制造10W以上的感应电机和1000W以下的串击电机、电容电机。

Claims (10)

1、一种软磁复合材料，其特征在于：所述软磁复合材料包括含铁原料、绝缘剂和润滑剂，各组分的重量百分比为：含铁原料：92％-99％；绝缘剂：0.5％-5％；润滑剂：0.5％-3％。

2、根据权利要求1所述的软磁复合材料，其特征在于：所述软磁复合材料中还含有粘结剂，其配比为：0.5％-3％。

3、根据权利要求1所述的软磁复合材料，其特征在于：所述含铁原料为粉末状材料，其含铁量为80％-99.8％。

4、根据权利要求1或2或3所述的一种软磁复合材料，其特征在于：所述粉状含铁原料包括还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉和铁合金粉。

5、根据权利要求1或2或3所述的一种软磁复合材料，其特征在于：所述的绝缘剂采用纳米碳酸钙粉，或陶瓷粉，或磁性氧化物粉末。

6、根据权利要求1或2或3所述的一种软磁复合材料，其特征在于：所述的润滑剂为微粉蜡。

7、根据权利要求2所述的一种软磁复合材料，其特征在于：所述的粘结剂为有机粘结剂。

8、根据权利要求4所述的一种软磁复合材料，其特征在于：所述还原铁粉、雾化铁粉、羟基铁粉、铁合金粉颗粒分布为20-500目。

9、根据权利要求1所述的由软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，其特征在于包括下述步骤：

一、混合：按总重量将配比为92％-99％的粉状含铁原料、0.5％-5％的绝缘剂、0.5-3％的润滑剂干性均匀混合或添加适量溶剂湿性均匀混合；

二、成形：采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形方法将步骤一所得混合物制成所需形状；

三、固化：采用烧结方式固化，其固化工艺为：将成形后的导磁构件脱模，然后置于加热炉内进行加温，其温度为800℃-1100℃，时间为20-60分钟；

四、防锈或精整处理。

10、根据权利要求2所述的一种由软磁复合材料制造导磁构件的生产工艺，其特征在于包括下述步骤：

一、混合：按总重量将配比为92％-99％的粉状含铁原料、0.5％-5％的绝缘剂、0.5％-3％的润滑剂、0.5％-3％的粘结剂干性均匀混合或添加适量溶剂湿性均匀混合；

二、成形：采用单轴向刚性模具压制成形、金属注射成形、粉末锻造成形、温压成形、热等静压成形或冷等静压成形方法将步骤一所得混合物制成所需形状；

三、固化：采用常温或低温方式固化，其中低温固化工艺为：将成形后的导磁构件脱模，然后置于加热炉内加温，其温度为200℃-300℃，时间为1-2小时；

四、防锈或精整处理。