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一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法及軟磁復合材料制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510602786.9

申請日:

2015.09.21

公開號:

CN105149574A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B22F 1/02申請日:20150921|||公開
IPC分類號: B22F1/02; B22F3/16; H01F1/147; H01F1/20 主分類號: B22F1/02
申請人: 中南大學
發明人: 彭元東; 易健宏; 李麗婭; 夏慶林
地址: 410083湖南省長沙市岳麓區麓山南路932號
優先權:
專利代理機構: 長沙市融智專利事務所43114 代理人: 顏勇
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510602786.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.04.05|||2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法及軟磁復合材料制備方法,鐵基軟磁合金粉末包覆方法是將鐵基的磁性金屬粉末于高溫下加速氧化,在粉末表面形成氧化物層后,酸洗,得到表面包覆有SiO2、Al2O3、Cr2O3氧化物的粉末。軟磁復合材料制備方法是向包覆粉末中添加偶聯劑、硅樹脂、潤滑劑,壓制成形后,退火熱處理,即得軟磁復合材料;本發明充分利用了鐵基合金磁性粉末所含Si、Al、Cr等元素與氧反應時所生成的氧化物具有電阻率高、耐高溫、熱膨脹系數小、化學性能穩定等優點,所采用的包覆技術為在合金磁性粉末表面原位生成包覆層,工藝簡單、易操作、成本低;采用本發明所制備的金屬軟磁復合材料,具有較好的磁性能及頻率穩定性。

權利要求書

權利要求書
1.  一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,包括以下步驟:
第一步:氧化
將鐵基軟磁合金粉末在氧化性環境下,加熱至1000℃以下保溫至少5min,對粉末表面進行氧化,得到表面包覆鐵的氧化物層與合金化元素氧化物層的鐵基軟磁合金粉末;
所述鐵基軟磁合金粉末中,合金化元素包含Si、Al、Cr中的至少一種;
第二步:酸洗
將第一步所得粉末置于酸溶液中浸泡,去除粉末表面的Fe的氧化物層后過濾,濾渣清洗、干燥,得到表面包覆SiO2、Al2O3、Cr2O3中至少一種氧化層的鐵基軟磁合金粉末。

2.  根據權利要求1所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:
將所得到的表面包覆SiO2、Al2O3、Cr2O3中至少一種氧化層的鐵基軟磁合金粉末置于還原性氣氛或保護性中性氣氛中,加熱至1100℃以下保溫至少30min后,隨爐冷卻。

3.  根據權利要求2所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:
所述還原性氣氛選自氫氣、分解氨,保護性中性氣氛選自氬氣、氮氣中的一種,加熱至600-1100℃,保溫30-120min。

4.  根據權利要求1或2所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:所述鐵基軟磁合金粉末選自Fe-Si軟磁合金粉、Fe-Al軟磁合金粉、Fe-Cr軟磁合金粉、Fe-Si-Al軟磁合金粉、Fe-Cr-Al軟磁合金粉中的一種。

5.  根據權利要求1或2所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:所述鐵基軟磁合金粉末粒度為10-150μm。

6.  根據權利要求1或2所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:步驟一中的氧化性氣氛選自空氣或氧氣;對粉末表面進行氧化的溫度為600-1000℃,保溫時間為5-60min。

7.  根據權利要求6所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:步驟一中,鐵基軟磁合金粉末表面得到的氧化層由表及里的排列順序依次為:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Al2O3/SiO2/Cr2O3。

8.  根據權利要求1或2所述的一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,其特征在于:第二步中,所述酸溶液選自摩爾濃度為0.1-20mol/L的磷酸或鹽酸溶液;粉末置于酸溶液中浸泡5-60mim后,過濾,濾渣用去離子水洗滌至洗液pH值為6-7,然后在120-150℃烘干30-240min。

9.  一種軟磁復合材料制備方法,包括以下步驟:
第一步:配料
取表面包覆SiO2、Al2O3、Cr2O3中至少一種氧化層的鐵基軟磁合金粉末,添加占粉末質量0.2-1.2wt%硅烷偶聯劑、0.4-2wt%耐高溫硅樹脂,混合均勻、干燥后,解碎,過40-100目篩;
取篩下物,添加占其質量0.3-1.2%的潤滑劑,混合均勻;
第二步:成型
將步驟一得到的混合物壓制成形后,在200℃以下保溫,進行固化處理,得到固化成型坯;
第三步:高溫退火
將步驟二得到的固化成型坯在保護氣氛下加熱至900℃以下,保溫至少30min,隨爐冷卻,得到軟磁復合材料。

10.  根據權利要求9所述的一種軟磁復合材料制備方法,其特征在于:第一步中,干燥溫度為120-200℃,干燥時間30-360min;
潤滑劑選自硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸中的至少一種;
第二步中,壓制成形選自冷壓、溫壓、熱壓中的一種模壓成形工藝,壓制成形壓力為600-1200MPa,壓制成環形、條形、E型或U型坯體;成型坯體經120-200℃保溫30-360min固化處理;
第三步中,高溫退火溫度為500-900℃,保溫30-120min,保護氣氛選自氫氣、分解氨、氬氣、氮氣中的一種氣體。

說明書

說明書一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法及軟磁復合材料制備方法
技術領域
本發明公開了一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法及軟磁復合材料制備方法,特別涉及一種含Si、Al、Cr的鐵基合金軟磁復合材料用粉末的包覆方法,以及采用這種包覆粉末制備軟磁復合材料的方法;屬于金屬粉末冶金及磁性材料制備技術領域。
技術背景
Fe基軟磁復合材料具有高的磁導率、低的渦流損耗和總損耗,作為電抗器、變壓器、電感器、濾波器、調頻扼流圈及開關電源的鐵芯部分,廣泛地應用于電訊、雷達、電視、電源等技術中,它的工作頻率可以從幾十赫茲到兆赫茲量級。金屬磁性粉末的絕緣包覆是該類磁體制備的一個重要工序。絕緣包覆層分為兩個主要的類型:有機物包覆層和無機物包覆層。有機物包覆層包括熱塑性包覆層和熱固性包覆層。有機包覆層的最大缺點是包覆物耐熱溫度普遍較低,磁體熱處理溫度超過500℃時,則有機包覆層剩下的物質僅為30%左右。而無機包覆層具有耐熱性好、性能穩定等優點,無機包覆層又可細分為金屬氧化物包覆層(如Al2O3、MgO、Fe2O3等)、磷酸鹽包覆層(如磷酸鋅、磷酸鐵和磷酸錳等)、硫化物包覆層、軟磁鐵氧體等磁性包覆層。無機包覆最大的問題是怎么樣把無機物包覆到金屬磁性粉末表面上去。
現有技術中,人們對軟磁復合材料的包覆技術及其磁體的制備做了大量的工作。專利WO1997030810直接采用磷酸溶液浸泡金屬磁性粉末的方法來實現包覆,該法所包覆絕緣層均勻,厚度易于控制,但是該磁體耐熱溫度不高,熱處理超過550℃時,磷化層容易破壞而失去絕緣的作用。而中國專利201310351622.4和201310096126.9采用溶膠-凝膠的方法分別實現了Al2O3和軟磁鐵氧體對Fe粉的包覆,其制備溶膠-凝膠的過程較為復雜,耗時長、生產效率低。此外中國專利201310522883.8采用微波輔助處理的方法獲得軟磁鐵氧體包覆金屬磁性粉末,該方法包覆的絕緣層均勻性不高,且受鐵氧體粒度的限制;由于微波高溫設備的 生產效率的限制,所以每批次處理出來的粉末數量有限,不利于大規模的生產。而中國專利201010621271.0則采用放電等離子方法實現了軟磁鐵氧體與非晶軟磁的復合材料制備,雖然其實現了包覆和致密化一步完成,但是其工藝條件和設備均要求很高,目前僅在實驗室可以實現,昂貴的設備根本沒法實現批量和規模生產。因此,研究并提供一種工藝簡單、操作方便、成本低、工藝流程短的金屬磁性粉末的無機物包覆方法和磁體的制備工藝,無疑成為本領域的亟需。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,該包覆方法是在鐵基軟磁復合材料粉末表面原位生成包覆層,具有工藝簡單、操作方便、成本低、工藝流程短,制得的包覆層薄而均勻、完整而致密,與基體結合力良好。
本發明的另一個目的是提供一種鐵基軟磁復合材料制備方法,采用上述包覆方法獲得的包覆粉末制備的軟磁復合材料,在較高的溫度下熱處理后內應力去除完全,具有較好的磁性能和頻率穩定性。
發明人經研究發現:包括Fe-Si、Fe-Al、Fe-Cr、Fe-Si-Al、Fe-Cr-Al等在內的鐵基軟磁復合材料用粉末,在高溫下(如600-1000℃),空氣或氧氣環境中可加速氧化,所生成的氧化物層由表及里的順序為:Fe2O3→Fe3O4→FeO→Al2O3/SiO2/Cr2O3;而Al2O3/SiO2/Cr2O3氧化膜除具有高的電阻率以外,還具有絕緣和進一步阻礙氧化的作用,且化學性能穩定。
發明人采用弱酸或低濃度強酸對高溫氧化后的鐵基軟磁復合材料粉末進行處理,可以完全去除鐵基軟磁復合材料粉末表面氧化物層中的Fe2O3、Fe3O4、FeO,獲得完全由Al2O3/SiO2/Cr2O3包覆的鐵基軟磁復合材料粉末;然后,將其在還原性或中性氣氛下熱處理,發現:Al2O3/SiO2/Cr2O3氧化膜不僅沒有被被還原破壞,反而進一步提高了氧化物與基體粉末的冶金結合強度,在粉末表面形成一層結合力良好、完整而致密的Al2O3或SiO2或Cr2O3單層或共存的絕緣薄膜。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,包括以下步驟:
第一步:氧化
將鐵基軟磁合金粉末在氧化性環境下,加熱至1000℃以下保溫至少5min,對粉末表面進行氧化,得到表面包覆鐵的氧化物層與合金化元素氧化物層的鐵基軟磁合金粉末;
所述鐵基軟磁合金粉末中,合金化元素包含Si、Al、Cr中的至少一種;
第二步:酸洗
將第一步所得粉末置于酸溶液中浸泡,去除粉末表面的Fe的氧化物層后過濾,濾渣清洗、干燥,得到表面包覆SiO2、Al2O3、Cr2O3中至少一種氧化層的鐵基軟磁合金粉末。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,將所得到的表面包覆SiO2、Al2O3、Cr2O3中至少一種氧化層的鐵基軟磁合金粉末置于還原性氣氛或保護性中性氣氛中,加熱至1100℃以下保溫至少30min后,隨爐冷卻;可以有效提升氧化層的致密性及氧化層與鐵基軟磁合金粉末基體的結合力。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,所述還原性氣氛選自氫氣、分解氨,保護性中性氣氛選自氬氣、氮氣中的一種,加熱至600-1100℃,保溫30-120min。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,所述鐵基軟磁合金粉末選自Fe-Si軟磁合金粉、Fe-Al軟磁合金粉、Fe-Cr軟磁合金粉、Fe-Si-Al軟磁合金粉、Fe-Cr-Al軟磁合金粉中的一種。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,所述鐵基軟磁合金粉末粒度為10-150μm。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,步驟一中的氧化性氣氛選自空氣或氧氣;對粉末表面進行氧化的溫度為600-1000℃,保溫時間為5-60min。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,步驟一中,鐵基軟磁合金粉末表面得到的氧化層由表及里的排列順序依次為:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Al2O3/SiO2/Cr2O3。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,第二步中,所述酸溶液選自摩爾濃度為0.1-20mol/L的磷酸或鹽酸溶液。
本發明一種鐵基軟磁合金粉末包覆方法,第二步中,粉末置于酸溶液中浸泡5-60mim后,過濾,濾渣用去離子水洗滌至洗液pH值為6-7,然后在120-150℃烘干30-240min。
本發明一種軟磁復合材料制備方法,包括以下步驟:
第一步:配料
取表面包覆SiO2、Al2O3、Cr2O3中至少一種氧化層的鐵基軟磁合金粉末,添 加占粉末質量0.2-1.2wt%硅烷偶聯劑、0.4-2wt%耐高溫硅樹脂,混合均勻、干燥后,解碎,過40-100目篩;
取篩下物,添加占其質量0.3-1.2%的潤滑劑,混合均勻;
第二步:成型
將步驟一得到的混合物壓制成形后,在200℃以下保溫,進行固化處理,得到固化成型坯;
第三步:高溫退火
將步驟二得到的固化成型坯在保護氣氛下加熱至900℃以下,保溫至少30min,隨爐冷卻,得到軟磁復合材料。
本發明一種軟磁復合材料制備方法,第一步中,干燥溫度為120-200℃,干燥時間30-360min。
本發明一種軟磁復合材料制備方法,第一步中,硅烷偶聯劑型號為KH550或KH560,生產廠家為南京羅恩硅材料有限公司;
耐高溫硅樹脂型號為RebornChem,生產廠家為廣州雷邦化工有限公司;
潤滑劑選自硬脂酸鋅、硬脂酸鋰、硬脂酸中的至少一種。
本發明一種軟磁復合材料制備方法,第二步中,壓制成形選自冷壓、溫壓、熱壓中的一種模壓成形工藝,壓制成形壓力為600-1200MPa,壓制成環形、條形、E型或U型坯體;成型坯體經120-200℃保溫30-360min固化處理。
本發明一種軟磁復合材料制備方法,第三步中,高溫退火溫度為500-900℃,保溫30-120min,保護氣氛選自氫氣、分解氨、氬氣、氮氣中的一種氣體。
與現有技術相比,本發明的優點在于:采用鐵基合金磁性粉末中的已有元素Si、Al、Cr等直接原位生成氧化物膜,所生成的Al2O3、SiO2、Cr2O3等膜貼近磁粉內層,具有電阻率高、耐熱、致密等特性,通過高溫處理,進一步提高了氧化膜的致密性及與基體金屬粉末的結合強度,從而可起到絕緣和防氧化作用。所采用的包覆技術工藝簡單、易操作、成本低;所制備的軟磁復合材料,具有較好的磁性能和頻率穩定性。
附圖說明
附圖1為本發明粉末表面包覆及軟磁復合材料的制備工藝流程圖;
附圖2為實施例1制備的FeSiAl軟磁復合材料的SEM照片。
從附圖2可以看出:軟磁復合材料中FeSiAl磁性合金顆粒之間被包覆層氧化膜相互隔開,從而起到良好的絕緣作用。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作更詳細地說明。
實施例1:
取平均粒度為41μm的Fe-9Si-6Al合金粉末100克,在馬弗爐中于800℃保溫20min,隨爐冷卻;將冷卻后的粉末放入裝有40ml濃度為1mol/L鹽酸的燒杯中,并用玻璃棒攪拌20mim,進行粉末表面清洗;隨后再用去離子水清洗若干次,直至PH為6-7左右為止;將清洗過后的粉末在120℃保溫120min烘干;隨后將粉末在氫氣爐中于1000℃保溫60min,隨爐冷卻后,得到所需的包覆粉末。向包覆粉末中加入0.4%的硅烷偶聯劑混合均勻,隨后再添加1%硅樹脂混合均勻;將混合好的物料放入烘干箱中120℃干燥120min;將冷卻后的物料解碎過100目篩;向所得篩下粉末加入0.3%含量的硬脂酸鋅潤滑劑混合均勻;隨后經1000MPa壓力壓制成圓環,圓環尺寸:外徑20mmm×內徑12mm×高5mm。將得到的試樣在分解氨氣氛的燒結爐中700℃熱處理,保溫60min。最后在BH測試儀上對樣品進行磁性能測試。所得試樣性能見表1所示(Bmax=50mT)。
表1
頻率/kHz52050100磁導率64.8764.3263.5663.11Pcv(kW/m3)2.6910.7459.38158.82
由表1中結果可見,本發明制備的Fe-9Si-6Al磁體具有較好的磁導率和磁損耗性能,頻率從5kHz升高到100kHz時,磁導率僅降低1.76,頻率特性穩定。
實施例2:
取平均粒度為32μm的Fe-3.5Si合金粉末100克,在馬弗爐中于900℃保溫30min,隨爐冷卻;將冷卻后的粉末放入裝有濃度為50ml濃度為10mol/L的磷酸的燒杯中,并用玻璃棒攪拌30min,進行粉末表面清洗;隨后再用去離子水清洗若干次,直至PH為6-7左右為止;將清洗過后的粉末在150℃保溫100min烘干;隨后將粉末在氫氣爐中于900℃保溫60min處理,冷卻后即得到所需的包覆粉末;將包覆粉末中加入0.5%的硅烷偶聯劑混合均勻,隨后再添加0.8%硅樹脂混合均 勻;將混合好的物料放入烘干箱中150℃干燥90min;將冷卻后的物料解碎過100目篩;所得粉末加入0.4%含量的硬脂酸鋰潤滑劑混合均勻;隨后經900MPa壓力壓制成外徑20×內徑12×高5圓環。將得到的試樣在分解氨氣氛的燒結爐中750℃熱處理,保溫60min。最后在BH測試儀上對樣品進行磁性能測試。所得試樣性能見表2所示(Bmax=50mT)。
表2
頻率/kHz52050100磁導率60.0260.3459.8859.24Pcv(kW/m3)5.1357.06175.28414.84
由表2中結果可見,本發明制備的Fe-3.5Si磁體具有較好的磁導率和磁損耗性能,頻率從5kHz升高到100kHz時,磁導率僅降低0.78,頻率特性穩定。
實施例3:
取平均粒度為36μm的Fe-6.5Si合金粉末200克,在馬弗爐中于900℃保溫30min,隨爐冷卻;將冷卻后的粉末放入裝有100ml濃度為3mol/L鹽酸的燒杯中,并用玻璃棒攪拌40min,進行粉末表面清洗;隨后再用去離子水清洗若干次,直至PH為6-7左右為止;將清洗過后的粉末在140℃保溫90min烘干;隨后將粉末在氬氣保護性熱處理爐中于900℃保溫30min處理,冷卻后即得到所需的包覆粉末。將包覆粉末中加入0.7%的硅烷偶聯劑混合均勻,隨后再添加0.4%硅樹脂混合均勻;將混合好的物料放入烘干箱中130℃干燥90min;將冷卻后的物料解碎過60目篩;所得粉末加入0.3%含量的硬脂酸鋅潤滑劑混合均勻;隨后經1100MPa壓力壓制成外徑20×內徑12×高5圓環;將得到的試樣在氬氣氣氛的燒結爐中650℃熱處理,保溫60min。最后在BH測試儀上對樣品進行磁性能測試。所得試樣性能見表3所示(Bmax=20mT)。
表3
頻率/kHz52060100磁導率51.8852.1649.8748.74Pcv(kW/m3)2.608.9634.8268.24
由表3中結果可見,本發明制備的Fe-6.5Si磁體具有較好的磁導率和磁損耗性能,頻率從5kHz升高到100kHz時,磁導率僅降低3.14,頻率特性穩定。
實施例4:
取平均粒度為46μm的Fe-9Si-6Al合金粉末150克,在馬弗爐中于700℃保溫40min,隨爐冷卻;將冷卻后的粉末放入裝有濃度為80ml濃度為15mol/L的磷酸的燒杯中,并用玻璃棒攪拌45min,進行粉末表面清洗。隨后再用去離子水清洗若干次,直至PH為6-7左右為止;將清洗過后的粉末在150℃保溫80min烘干;隨后將粉末在氫氣爐中于900℃保溫30min處理,冷卻后即得到所需的包覆粉末;將包覆粉末中加入0.2%的硅烷偶聯劑混合均勻,隨后再添加0.4%硅樹脂混合均勻;將混合好的物料放入烘干箱中150℃干燥40min;將冷卻后的物料解碎過100目篩;所得粉末加入0.6%含量的硬脂酸鋅潤滑劑混合均勻;隨后經1100MPa壓力壓制成外徑20×內徑12×高5圓環;將得到的試樣在分解氨氣氛的燒結爐中600℃熱處理,保溫90min。最后在BH測試儀上對樣品進行磁性能測試。所得試樣性能見表4所示(Bmax=50mT)。
表4
頻率/kHz52050100磁導率60.5761.0359.8258.79Pcv(kW/m3)3.1411.2762.54167.26
由表4中結果可見,本發明制備的Fe-9Si-6Al磁體具有較好的磁導率和磁損耗性能,頻率從5kHz升高到100kHz時,磁導率僅降低1.78,頻率特性穩定。

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