一种高Bs高强度软磁铁氧体材料及其制备方法与流程

本身请涉及软磁铁氧体材料领域，尤其是一种高Bs高强度软磁铁氧体材料及其制备方法。

背景技术：

随着整机产品向小型化方向发展的加剧以及表面贴装技术的进步，磁性元件：如磁性变压器、DC-DC转换器、逆变器、滤波器、传感器等出现了相应的片式化产品，在未来几年将逐渐成为市场主流。绕线功率电感作为DC-DC转换器中的重要元器件，目前在朝着小型化和大电流化的方向发展。绕线功率电感的小型化，意味着对对材料的机械强度的要求提高；绕线功率电感的大电流化，意味着对材料的Bs的要求提高。为对应绕线功率电感的要求，开发对应的高Bs高强度软磁铁氧体材料非常必要。

在国内已有一些相关高Bs高强度软磁铁氧体材料及其制备方法的专利，具体如下：

（1）公开号为CN102603279A，公开日为2012.07.25，发明名称为“一种高强度高Bs镍锌铁氧体及其制备方法”的中国专利公开了一种功率电感适用的高强度高Bs镍锌铁氧体及其制备方法。该镍锌铁氧体主成分为氧化铁、氧化镍、氧化锌和氧化铜，以各自标准物计的含量为：Fe₂O₃ 49~52.5mol%、NiO 20~29.5mol%、ZnO 18~28mol%、CuO 2.5~5mol%；副成分包括碳酸钙、氧化钴、氧化锆、碳酸锂、五氧化二钒和二氧化硅，副成分相对主成分总量，以各自标准物计的含量为：CaCO₃ 0.03~0.15wt%，Co₂O₃ 0.01~0.05wt%，ZrO₂ 0.03~0.13wt%，Li₂CO₃0.03~0.10wt%，V₂O₅ 0.03~0.15wt%，SiO₂ 0.01~0.10wt%。采用氧化物法制备，在一定条件下烧结。烧结后制品的结晶晶粒尺寸为3~5μm，晶界鲜明，制品具有高强度和高直流偏置的特点，适应功率电感的小型化对材料的高强度和高直流偏置的双重要求。

（2）公开号为CN103214233A，公开日为 2013.07.24，发明名称为“高T c、宽温超高B s MnZn铁氧体材料及制备方法”的中国专利公开了一种高Tc、宽温超高Bs MnZn铁氧体材料及制备方法，属于铁氧体材料制备技术领域。该发明的铁氧体材料由主料和掺杂剂组成，其主料包括：58.0-62.0mol% Fe₂O₃，10.0-15.0mol% ZnO，4.0-6.0mol% NiO，余量为MnO；按重量百分比，并以预烧后的主料为参考基准，以氧化物计算，掺杂剂包括：0.001-0.30wt% MoO₃、0.01-0.40wt% Bi₂O₃、0.001-0.05wt% SnO₂、0.001-0.05wt% Nb₂O₅、0.001-0.20wt% Ta₂O₅。该发明具有高居里温度(Tc≥320℃)、宽温高Bs(25℃， Bs≥600mT；100℃， Bs≥490mT)及较低损耗(100℃、100kHz 200mT，PL≤800kW/m3)等特性。

（3）公开号为CN103382105A，公开日为2013.11.06，发明名称为“ 一种镍锌软磁铁氧体材料及其制备方法”的中国专利公开了一种镍锌软磁铁氧体材料及其制备方法，其主成分按摩尔份计包括：11.5-12mol NiO、32-32.5mol Fe₃O₄、12-12.5mol ZnO、5.2-5.5mol V₂O₅、0.2-0.3mol WO₃，主成分中添加的改性杂质按照占所述镍锌软磁铁氧体材料的重量计包括：460-480ppm HfO₂、310-330ppm硼化铬、250-280ppm二硫化钼、80-120ppmTi₂O、480-520ppmPtO₂。

可见，现有的磁铁氧体材料的结构强度有待进一步提升，且并未兼顾较佳的磁导率和饱和磁感应强度。

技术实现要素：

本申请提供一种高Bs高强度软磁铁氧体材料及其制备方法，进一步提升软磁铁氧体材料的结构强度、磁导率和饱和磁感应强度。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种高Bs高强度软磁铁氧体材料，其特征在于，其组成成分及各成分的含量如下：

Fe₂O₃ 59.15~72.35wt%、NiO 13.09~15.3wt%、ZnO 10.93~14.05wt%、CuO 2.26~3.95wt%、FeSiAl合金粉 2.5~6.5wt%、、Mn₃O₄ 0.25~0.75wt%、Co₂O₃ 0.1~0.2wt%、Bi₂O₃ 0.01~0.1wt%。

优选的，Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Mn₃O₄、Co₂O₃和Bi₂O₃的平均粒径为1.0 ~2.0μm，FeSiAl合金粉的平均粒径为2~5μm。

优选的，所述高Bs高强度软磁铁氧体材料的组成成分及各成分的含量优选如下：Fe₂O₃ 65.30wt%、NiO 13.09wt%、ZnO 13.13wt%、CuO 3.28wt%、FeSiAl合金粉 4.50wt%、、Mn₃O₄ 0.50wt%、Co₂O₃ 0.15wt%、Bi₂O₃ 0.05wt%。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种制备上述的高Bs高强度软磁铁氧体材料的方法，包括如下步骤：

（1）混合：将所述高Bs高强度软磁铁氧体材料的各组成成分依其配比配料后进行湿法混合，使用去离子水作为溶剂，混合时间为60~70分钟；

（2）喷雾干燥：将混合好的浆料在喷雾塔中进行干燥，喷雾塔进风温度控制在220±10℃，喷雾塔出风温度控制在100±10℃；

（3）预烧：将喷雾干燥后的材料在保护气氛电阻炉中进行预烧，预烧温度控制在830±20℃，预烧时间为120~180分钟，预烧气氛为氮气保护，氧含量控制为1%~2%；

（4）粉碎：在上步预烧得到的预烧料进行湿法粉碎，使用去离子水作为溶剂，粉碎时间为60~80分钟，粉碎后料浆粒径控制在1.0~1.3μm；

（5）喷雾造粒：在上步的浆料中加入相当于材料重量的10~13%的PVA，在喷雾塔中进行干燥得到颗粒料，喷雾塔进风温度控制在220±10℃，喷雾塔出风温度控制在100±10℃；

（6）压制：将上步的颗粒料采用粉末成型机压制得到坯件，坯件的压制密度控制在(3.3±0.15)g/cm³；

（7）烧结：在保护气氛箱式电阻炉中进行烧结，烧结温度控制在1100℃~1150℃，保温120~180分钟，烧结气氛为氮气保护，氧含量控制为1%~1.5%。

优选的，还包括步骤（8）冷却，在坯件烧结结束后随炉冷却至室温。

优选的，所述混合时间为65分钟，喷雾塔进风温度控制在220℃，喷雾塔出风温度控制在100℃，预烧温度控制在830℃，预烧时间为150分钟，预烧气氛氧含量控制为1.5%，粉碎时间为70分钟，粉碎后料浆粒径控制在1.15μm，加入的PVA位材料重量的11.5%，坯件的压制密度控制在3.3g/cm³，烧结温度控制在1125℃，保温150分钟。

本申请的有益效果是，本发明采用合理的主配方，通过调整NiO、ZnO、Co₂O₃的含量来调整材料的磁导率；通过调整FeSiAl合金粉和Mn₃O₄的添加量来调整材料的Bs；加入一定量的Bi₂O₃促进晶粒生长，获得致密的结晶状态。本发明的材料具有较好的电磁性能和较高的机械强度的特点，适应绕线功率电感的要求。材料的性能指标如下：1.起始磁导率 μ_i：200(1±20%)；2.饱和磁感应强度 Bs：500(1±5%)mT；3.强度 S：≥3N，方中柱工字型样品摆折强度。

附图说明

图1为实施例1的软磁铁氧体材料的微观结构图；

图2为对比例1的材料的微观结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种高Bs高强度软磁铁氧体材料，其组成成分及各成分的含量如下：

Fe₂O₃ 59.15~72.35wt%、NiO 13.09~15.3wt%、ZnO 10.93~14.05wt%、CuO 2.26~3.95wt%、FeSiAl合金粉 2.5~6.5wt%、、Mn₃O₄ 0.25~0.75wt%、Co₂O₃ 0.1~0.2wt%、Bi₂O₃ 0.01~0.1wt%。

在此基础上，将提出如下五个实施例，该五个实施例的成分含量如下：

其中，Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Mn₃O₄、Co₂O₃和Bi₂O₃的平均粒径为1.0 、1.2、1.4、1.6、1.8或2.0μm，Fe₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Mn₃O₄、Co₂O₃和Bi₂O₃的平均粒径可以部分相同、全部相同或者全部不同。FeSiAl合金粉的平均粒径为2、2.5、3.5、4、4.5或5μm。进一步限定组成成分的粒径，可以进一步提升材料的机械强度和Bs。

在一种优选的实施例中，如实施例1所列举，所述高Bs高强度软磁铁氧体材料的组成成分及各成分的含量优选如下：Fe₂O₃ 65.30wt%、NiO 13.09wt%、ZnO 13.13wt%、CuO 3.28wt%、FeSiAl合金粉 4.50wt%、、Mn₃O₄ 0.50wt%、Co₂O₃ 0.15wt%、Bi₂O₃ 0.05wt%。在此实施例下，材料具有最佳的起始磁导率 、饱和磁感应强度和机械强度。

为了体现本发明的技术效果，本发明将上述实施例与相应的对比例进行对比，下表为各实施例和对比例的成分配比对比：

相应的，对各实施例和对比例进行磁性能分析，得出下表：

其中，超过规格下限的附加“*”，超过规格上限的附加“※”。从上表可知，本发明的实施例和对比例相比较，本发明有效地提高了材料的饱和磁感应强度Bs和机械强度，且具有更佳的起始磁导率。

依据实施例1，得到其微观结构图，如图1所示，实施例1的晶粒尺寸为10~20μm，气孔较少；对比例1的微观结构图如图2所示，其晶粒尺寸为30~50μm，气孔较多。晶粒尺寸细化和气孔的减少是材料的机械强度和Bs提高的重要原因之一。可见，本发明有效地提高了材料的饱和磁感应强度Bs和机械强度，且具有更佳的起始磁导率。

依据上述实施例1-5，本发明还提供一种制备上述的高Bs高强度软磁铁氧体材料的方法，其包括如下步骤：

（1）混合：将所述高Bs高强度软磁铁氧体材料的各组成成分依其配比配料后进行湿法混合，使用去离子水作为溶剂，混合时间为60~70分钟；

（2）喷雾干燥：将混合好的浆料在喷雾塔中进行干燥，喷雾塔进风温度控制在220±10℃，喷雾塔出风温度控制在100±10℃；

（3）预烧：将喷雾干燥后的材料在保护气氛电阻炉中进行预烧，预烧温度控制在830±20℃，预烧时间为120~180分钟，预烧气氛为氮气保护，氧含量控制为1%~2%；

（4）粉碎：在上步预烧得到的预烧料进行湿法粉碎，使用去离子水作为溶剂，粉碎时间为60~80分钟，粉碎后料浆粒径控制在1.0~1.3μm；

（5）喷雾造粒：在上步的浆料中加入相当于材料重量的10~13%的PVA，在喷雾塔中进行干燥得到颗粒料，喷雾塔进风温度控制在220±10℃，喷雾塔出风温度控制在100±10℃；

（6）压制：将上步的颗粒料采用粉末成型机压制得到坯件，坯件的压制密度控制在(3.3±0.15)g/cm³；

（7）烧结：在保护气氛箱式电阻炉中进行烧结，烧结温度控制在1100℃~1150℃，保温120~180分钟，烧结气氛为氮气保护，氧含量控制为1%~1.5%。

当然，在步骤（7）之后，还可包括步骤（8）冷却，在坯件烧结结束后随炉冷却至室温。

上述步骤中，各相关参数可以选取为混合时间为60、62、64、66、68或70分钟，喷雾塔进风温度控制在210、212、214、216、218、220、222、224、226、228或230℃，喷雾塔出风温度控制在90、92、94、96、98、100、102、104、106、108或110℃，预烧温度控制在810、814、818、822、826、830、834、838、842、846或850℃，预烧时间为120、130、140、150、160、170或180分钟，预烧气氛氧含量控制为1%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%或2.0%，粉碎时间为60、64、68、72、76或80分钟，粉碎后料浆粒径控制在1.0、1.05、1.1、1.15、1.20、1.25或1.3μm，加入的PVA位材料重量的10%、10.5%、11%、11.5%、12%、12.5%或13%，坯件的压制密度控制在3.15、3.2、3.25、3.3、3.35、3.4或3.45g/cm³，烧结温度控制在1100、1110、1120、1130、1140或1150℃，保温120、130、140、150、160、170或180分钟。

在一种优选方案中，所述混合时间为65分钟，喷雾塔进风温度控制在220℃，喷雾塔出风温度控制在100℃，预烧温度控制在830℃，预烧时间为150分钟，预烧气氛氧含量控制为1.5%，粉碎时间为70分钟，粉碎后料浆粒径控制在1.15μm，加入的PVA位材料重量的11.5%，坯件的压制密度控制在3.3g/cm³，烧结温度控制在1125℃，保温150分钟。

通过以上工序制得所述磁环样品(T25×15×7.5)和方中柱工字型样品 (DR2.5×1.2)。

将烧结后的磁环和工字型样品分别进行测试和评价。在匝数N=20Ts条件下，用HP-4285型 LCR测试仪测试磁环样品的起始磁导率μi，使用SY-8258型B-H测试仪测试磁环样品的饱和磁感应强度Bs；使用强度测试仪测试工字型样品的摆折强度。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。