一种复合磁粉及复合磁粉芯的制备方法与流程

本发明属于磁性材料制备领域，尤其涉及一种复合磁粉及复合磁粉芯的制备方法。

背景技术：

铁硅铝软磁合金，又称为Sendust合金，其化学组成为5.4wt.％Al，9.6

wt.％Si，其余为Fe(85wt.％)。铁硅铝合金非常脆，很容易破碎成粉，一般制备成磁粉芯使用。

与铁硅芯及铁粉芯相比，铁硅铝磁粉芯高频损耗更低，而且具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，价格低廉，有利于实现小型化。此外，铁硅铝合金的磁致伸缩系数λ_s接近于零，有利于消除滤波电感器工作时产生的听觉频率噪声。由于具有低损耗、低成本等特点，以及其他磁粉芯无可比拟的综合性能，铁硅铝磁粉芯已快速发展起来，在输出电感、线路滤波器、功率因素校正器等器件中得到了广泛的应用。

早期的铁硅铝磁粉芯工作频率比较低，只要求高的磁导率而对损耗要求并不高。随着铁硅铝磁粉芯的使用工作频率越来越高，高频损耗大，如何在保证磁粉芯高磁导率的情况下，降低磁芯高频损耗成为突出问题。因此研究磁粉芯磁导率和磁芯损耗的影响因素就显得尤为重要。国内外关于金属磁粉芯的研究主要是通过提高磁粉性能、选择合适的绝缘剂及磁粉粒度、调整压制参数等方法来改善磁粉芯的磁性能。随着研究的深入，考虑从工艺方面进行改进，如成型压力、绝缘包覆工艺和热处理对磁粉芯的磁导率和损耗的影响越来越受到关注。铁硅铝磁粉芯生产过程中最关键工序之一就是粉末的绝缘包覆工艺。通过绝缘包覆，可阻隔磁粉之间的电接触，从而可以增大磁粉的电阻率，降低高频损耗。

目前国内外常用的铁硅铝磁粉芯制备方法采用的绝缘包覆工艺，使用的非磁性绝缘层稀释了磁性，导致磁导率低；绝缘层不稳定(高温分解)且强度低(磁粉芯压制成型过程中包覆层容易被压破)导致高频损耗高。此外，目前常用的铁硅铝磁粉扁平度不够好，不利于进一步提高磁导率及降低高频损耗。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合磁粉及复合磁粉芯的制备方法，由本发明提供的方法制得的磁粉芯具有较高的磁导率和较低的高频损耗。

本发明提供了一种复合磁粉的制备方法，包括以下步骤：

a)、采用熔体快淬法制备铁硅铝合金薄带；制备过程中，甩带时施加定向磁场；将制得的铁硅铝合金薄带进行破碎，得到铁硅铝合金碎片；

b)、将所述铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末混合球磨，得到复合磁粉。

优选的，所述定向磁场的磁场强度为500～2000Oe。

优选的，甩带过程中一直施加定向磁场。

优选的，所述铁硅铝合金薄带的厚度为5～50μm。

优选的，所述铁氧体粉末的粒径为10nm～2μm。

优选的，所述铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末的质量比为100：(2～20)。

优选的，所述球磨过程中的球料质量比为(10～15):1。

优选的，所述球磨采用的磨球直径为3～15mm。

本发明提供了一种复合磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：

粘结剂、润滑剂和按照上述技术方案所述方法制备得到的复合磁粉依次进行混合和压制，得到复合磁粉芯。

优选的，所述压制的压力为1500～2000MPa；所述压制的时间为3～8min。

与现有技术相比，本发明提供了一种复合磁粉及复合磁粉芯的制备方法，本发明提供的复合磁粉芯的制备方法包括以下步骤：a)、采用熔体快淬法制备铁硅铝合金薄带；制备过程中，甩带时施加定向磁场；将制得的铁硅铝合金薄带进行破碎，得到铁硅铝合金碎片；b)、将所述铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末混合球磨，得到复合磁粉；c)、将粘结剂、润滑剂和所述复合磁粉依次进行混合和压制，得到复合磁粉芯。本发明首先在制备铁硅铝合金薄带时的甩带过程中施加定向磁场，通过这种方式提高了铁硅铝合金薄带的饱和磁化强度和磁导率。之后将破碎得到铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末球磨，借助于球磨时碾压作用，使铁氧体粉末均匀嵌入在铁硅铝合金碎片表面，形成铁氧体绝缘包覆层。本发明通过球磨的方式混合铁氧体粉末和铁硅铝合金碎片，不但能够使铁氧体均匀、牢固的包覆在铁硅铝合金碎片表面，而且在铁氧体粉末的用量较低的情况下就能够实现铁氧体粉末对铁硅铝合金表面的完全包覆，降低了铁氧体的引入对于磁粉磁导率的影响，使磁粉的磁导率维持在较高水平，同时球磨还可以进一步实现磁粉的扁平化，从而进一步提高磁粉的磁导率和降低由其制成的磁粉芯的高频损耗。由本发明提供的复合磁粉制成的磁粉芯具有高的磁导率和低的高频损耗，应用前景广阔，不仅可用于电讯、雷达，还可应用于吸波及电磁屏蔽领域。实验结果表明，由本发明提供的方法制成的磁粉芯在100kHz的测试频率下的有效磁导率高于40，在100kHz，Bm＝300mT测试条件下的损耗低于83W/kg。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例6提供的不同配比的复合磁粉芯的有效磁导率；

图2是本发明实施例6提供的不同配比的复合磁粉芯的损耗；

图3是本发明实施例12提供的不同退火温度的复合磁粉芯的有效磁导率；

图4是本发明实施例12提供的不同退火温度的复合磁粉芯的损耗。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种复合磁粉的制备方法，包括以下步骤：

a)、采用熔体快淬法制备铁硅铝合金薄带；制备过程中，甩带时施加定向磁场；将制得的铁硅铝合金薄带进行破碎，得到铁硅铝合金碎片；

b)、将所述铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末混合球磨，得到复合磁粉。

在本发明提供的制备方法中，首先制备铁硅铝合金薄带。本发明采用熔体快淬法制备铁硅铝合金薄带，在甩带过程中一直施加定向磁场。在本发明中，所述定向磁场的磁场强度优选为500～2000Oe，更优选为1000～1200Oe。在本发明中，甩带过程中，可通过调整铜辊转速来控制薄带的厚度，铜辊转速越快，厚度越薄，铜辊转速优选为30～80m/s。本发明对制备铁硅铝合金薄带的设备没有特别限定，优选为本领域技术人员熟知的感应式熔体快淬设备。制备完毕后，得到铁硅铝合金薄带。在本发明中，所述铁硅铝合金薄带由Si、Al和Fe组成，其中，Si在合金薄带中的含量优选为9.3～9.7wt％，更优选为9.6wt％；Al的在合金薄带中的含量优选为5.2～5.6wt％，更优选为5.4wt％；余量为Fe。在本发明中，所述铁硅铝合金薄带的厚度优选为5～50μm，更优选为5～30μm，最优选为5～15μm。得到铁硅铝合金薄带后，将制得的铁硅铝合金薄带进行破碎，得到铁硅铝合金碎片。

得到铁硅铝合金碎片后，将所述铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末混合球磨。其中，铁氧体粉末优选为锰锌铁氧体粉末，其化学通式为Mn_xZn_1-xFe₂O₄，0＜x＜1。在本发明提供的一个实施例中，所述锰锌铁氧体粉末的化学通式为Mn_0.4Zn_0.6Fe₂O₄。在本发明中，所述铁氧体粉末的粒径优选为10nm～2μm。本发明对所述铁氧体粉末的来源没有特别限定，可采用化学共沉法制备得到，以锰锌铁氧体粉末为例，可以按照以下方法制备得到：

(1)、铁盐、锌盐、锰盐和水混合，得到混合盐溶液；

(2)、用可溶性碱调节所述混合盐溶液的pH值，进行反应，得到锰锌铁氧体前驱体；

(3)、所述锰锌铁氧体前驱体进行焙烧，得到锰锌铁氧体粉末。

在本发明提供的上述制备锰锌铁氧体粉末的方法中，首先将铁盐、锌盐、锰盐和水混合，其中，所述铁盐为铁的可溶盐或其水合物，包括但不限于FeCl₃、Fe(NO₃)₃和Fe₂(SO₄)₃中的一种或多种；所述锌盐为锌的可溶盐或其水合物，包括但不限于ZnCl₂、Zn(NO₃)₂和ZnSO₄中的一种或多种；所述锰盐为锰的可溶盐或其水合物，包括但不限于MnCl₂、MnCl₂·4H₂O、Mn(NO₃)₂和MnSO₄中的一种或多种。铁盐、锌盐和锰盐在水中完全溶解后，得到混合盐溶液。

得到混合盐溶液后，用可溶性碱调节所述混合盐溶液的pH值至碱性。其中，所述可溶性碱优选为NaOH或其水溶液，所述NaOH水溶液的浓度优选为1～2mol/L。在本发明中，优选调节所述混合盐溶液的pH值至9～13，更优选为10～11。在本发明中，优选现将所述混合液溶液的温度加热至50～90℃，更优选为70～80℃后再调节其pH值。pH调节完毕后，混合盐溶液中的各离子之间发生反应，得到固体沉淀物，所述固体沉淀物即为锰锌铁氧体前驱体。在本发明中，所述反应的时间优选为10～60min，更优选为30～40min。

得到锰锌铁氧体前驱体后，对所述锰锌铁氧体前驱体进行焙烧。其中，所述焙烧的温度优选为800～900℃，更优选为850～870℃；所述焙烧的时间优选为1～5h，更优选为2～3h。焙烧结束后，得到锰锌铁氧体粉末。在本发明中，所述锰锌铁氧体前驱体优选在进行焙烧之前，先进行洗涤和干燥。所述干燥的温度优选为90～100℃；所述干燥的时间优选为1～2h。

在本发明中，铁氧体粉末与铁硅铝合金碎片进行球磨的过程中，所述铁硅铝合金碎片与铁氧体粉末的质量比优选为10：(2～20)，更优选为100:2、100:4、100:6、100:10或100:20。在本发明中，所述球磨过程中的球料质量比优选为(10～15):1，更优选为(12～13)：1。在本发明中，所述球磨采用的磨球优选为钢球；所述钢球直径优选为3～15mm，更优选为5～10mm；在本发明提供的一个实施例中，所述磨球包括直径为5mm的钢球和直径为10mm的钢球，直径为5mm的钢球和直径为10mm的钢球的个数比优选为(3～10)：1，更优选为5:1。在本发明中，所述球磨的转速优选为30～80rpm，更优选为50～60rpm；所述球磨的时间优选为20～60h，更优选为30～40h。球磨结束后，得到复合磁粉。

本发明首先在制备铁硅铝合金薄带时的甩带过程中施加定向磁场，通过这种方式能够提高铁硅铝合金薄带的饱和磁化强度和磁导率。之后将破碎的铁硅铝合金薄带与铁氧体粉末球磨，借助于球磨时碾压作用，使铁氧体粉末均匀嵌入在铁硅铝合金碎片表面，形成铁氧体绝缘包覆层。本发明通过球磨的方式混合铁氧体粉末和铁硅铝合金碎片不但能够使铁氧体均匀、牢固的包覆在铁硅铝合金碎片表面，而且在铁氧体粉末的用量较低的情况下就能够实现铁氧体粉末对铁硅铝合金表面的完全包覆，降低了铁氧体的引入对于磁粉磁导率的影响，使磁粉的磁导率维持在较高水平，同时球磨还可以实现磁粉的扁平化，从而进一步提高磁粉的磁导率和降低由其制成的磁粉芯的高频损耗。以本发明提供的方法制备的复合磁粉为原料制成的磁粉芯具有高的磁导率和低的高频损耗，应用前景广阔，不仅可用于电讯、雷达，还可应用于吸波及电磁屏蔽领域。实验结果表明，以本发明提供的方法制得的复合磁粉为原料制成的复合磁粉芯在100kHz的测试频率下的有效磁导率高于40，在100kHz，Bm＝300mT测试条件下的损耗低于83W/kg。

本发明还提供了一种按照上述方法制备得到的复合磁粉，该复合磁粉包括铁硅铝合金磁粉和包覆在所述铁硅铝磁粉表面的铁氧体粉末，该复合磁粉呈扁平状，具有较高的磁导率、较高的饱和磁化强度和较低的高频损耗，应用前景广阔。

本发明还提供了一种复合磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：

粘结剂、润滑剂和按照上述技术方案所述方法制备得到的复合磁粉依次进行混合和压制，得到复合磁粉芯。

在本发明提供的复合磁粉芯的制备方法中，首先将粘结剂、润滑剂和所述复合磁粉进行混合。其中，所述粘结剂优选为环氧树脂；所述粘结剂和复合磁粉的质量比优选为(1～2)：100，更优选为1.5:100。所述润滑剂优选为硬脂酸镁；所述润滑剂和复合磁粉的质量比优选为(0.5～2)：100，更优选为(1～1.5):100。混合完毕后，进行压制。其中，所述压制的压力优选为1500～2000MPa，更优选为1700～1800MPa；所述压制的时间优选为3～8min。压制完毕后，得到复合磁粉芯。在本发明中，优选对得到的复合磁粉芯进行退火处理，以消除其内部应力，提高磁导率。其中，所述退火处理的温度优选为600～700℃，更优选为650～690℃；所述退火处理的保温时间优选为1～2h。

采用本发明提供的方法制得的复合磁粉芯具有高的磁导率和低的高频损耗，应用前景广阔，不仅可用于电讯、雷达，还可应用于吸波及电磁屏蔽领域。实验结果表明，本发明提供的的复合磁粉芯在100kHz的测试频率下的有效磁导率高于40，在100kHz，Bm＝300mT测试条件下的损耗低于83W/kg。

综合评价本发明提供的技术方案，其具有以下优点：

1)采用感应式熔体快淬设备制取铁硅铝合金薄带，甩带过程中施加定向磁场，使易轴沿外磁场取向，提高了制得的铁硅铝合金薄带的饱和磁化强度和磁导率；

2)、采用球磨的方式混合铁氧体粉末和铁硅铝合金碎片，借助于球磨时碾压作用，使铁氧体粉末均匀嵌入在铁硅铝合金碎片表面，形成均匀、牢固的铁氧体绝缘包覆层；避免了铁硅铝磁粉在绝缘包覆过程中易出现的绝缘层不稳定(高温分解)、强度低(压制成型过程中包覆层容易被压破)、不连续及厚度难以控制等问题；

3)、采用球磨的方式混合铁氧体粉末和铁硅铝合金碎片，可在铁氧体粉末的用量较低的情况下就能够实现铁氧体粉末对铁硅铝合金表面的完全包覆，降低了铁氧体的引入对于磁粉磁导率的影响，使磁粉的磁导率维持在较高水平，为获得高磁导率的磁粉芯提供了技术保障；

4)、通过对铁硅铝合金碎片进行球磨，可得到扁平化磁粉，从而进一步提高磁粉的磁导率和降低由其制成的磁粉芯的高频损耗；

5)、优选采用化学共沉淀法制备铁氧体粉末，反应速度快，产率高；

6)、优选对压制得到的复合磁粉芯进行退火处理，以消除磁粉芯的内应力，进一步提高磁粉芯的磁导率。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

(1)在感应式熔体快淬设备中制备厚度为5～15μm的标准成分铁硅铝合金带(5.4wt％Al，9.6wt％Si，其余Fe)，制备合金带的过程中，甩带时的铜辊转速为60m/s，甩带过程中一直施加1000Oe的定向磁场。得到铁硅铝合金带后，在不锈钢罐中进行破碎，得到铁硅铝合金碎片。

(2)以FeCl₃、ZnCl₂及MnCl₂·4H₂O为原料，按Mn_0.4Zn_0.6Fe₂O₄中Fe³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺的摩尔比n[Fe³⁺]:n[Zn²⁺]:n[Mn²⁺]＝10:3:2分别称量需要的原料，加入适量去离子水，不断搅拌使原料颗粒溶解完全，得到Fe-Zn-Mn混合盐溶液，加热到80℃，同时滴入浓度为2mol/L的NaOH溶液，不断搅拌，调节溶液的pH值为10，反应30min，合成锰锌铁氧体前驱体；反应结束后用去离子水洗涤铁氧体前驱体数次，置于干燥箱中在100℃下干燥1h。将干燥后的铁养体前驱体置于马弗炉中在850℃焙烧2h，得到粒径为10nm～2μm的锰锌铁氧体粉末。

(3)将铁硅铝合金碎片置于球磨机的不锈钢球磨罐中，按锰锌铁氧体粉末与铁硅铝合金碎片的质量比为2％，将相应质量的锰锌铁氧体粉末放入不锈钢球磨罐中与铁硅铝合金碎片进行球磨；球磨采用的磨球为直径10mm和5mm的钢球，大球与小球的个数比为1:5；球磨时的球料质量比为12:1，球磨机转速为50rpm，球磨30h后，得到铁硅铝/铁氧体复合磁粉。

(4)在得到的复合磁粉中添加复合磁粉质量1.5wt％的环氧树脂和复合磁粉质量1wt.％的硬脂酸镁，之后在1800Mpa下冷压5min，得到复合磁粉芯坯料。

(5)将复合磁粉芯坯料在600℃于氮气中退火2h，得到复合磁粉芯制品。

实施例2～5

参见实施例1的制备方法，依次调整锰锌铁氧体粉末与铁硅铝合金碎片的质量比为4％、6％、10％、20％，制备得到复合磁粉芯制品。

对比例1

参见实施例1的制备方法，调整锰锌铁氧体粉末与铁硅铝合金碎片的质量比为0，制备得到复合磁粉芯制品。

实施例6

在100kHz的测试频率下分别测试实施例1～5和对比例1制得的复合磁粉芯制品的有效磁导率，结果如图1所示，图1是本发明实施例6提供的不同配比的复合磁粉芯的有效磁导率，通过图1可以看出，采用实施例1～5提供的方法制得的磁粉芯的有效磁导率高于40。

在100kHz，Bm＝300mT测试条件下分别测试实施例1～5和对比例1制得的复合磁粉芯制品的的损耗(Core loss)，结果如图2所示，图2是本发明实施例6提供的不同配比的复合磁粉芯的损耗，通过图2可以看出，采用实施例1～5提供的方法制得的磁粉芯的损耗低于83W/kg。

实施例7

(1)在感应式熔体快淬设备中制备厚度为5～15μm的标准成分铁硅铝合金带(5.4wt％Al，9.6wt％Si，其余Fe)，制备合金带的过程中，甩带时的铜辊转速为60m/s，甩带过程中一直施加1000Oe的定向磁场。得到铁硅铝合金带后，在不锈钢罐中进行破碎，得到铁硅铝合金碎片。

(2)以FeCl₃、ZnCl₂及MnCl₂·4H₂O为原料，按Mn_0.4Zn_0.6Fe₂O₄中Fe³⁺、Zn²⁺、Mn²⁺的摩尔比n[Fe³⁺]:n[Zn²⁺]:n[Mn²⁺]＝10:3:2分别称量需要的原料，加入适量去离子水，不断搅拌使原料颗粒溶解完全，得到Fe-Zn-Mn混合盐溶液，加热到80℃，同时滴入浓度为2mol/L的NaOH溶液，不断搅拌，调节溶液的pH值为10，反应30min，合成锰锌铁氧体前驱体；反应结束后用去离子水洗涤铁氧体前驱体数次，置于干燥箱中在100℃下干燥1h。将干燥后的铁养体前驱体置于马弗炉中在850℃焙烧2h，得到粒径为10nm～2μm的锰锌铁氧体粉末。

(3)将铁硅铝合金碎片置于球磨机的不锈钢球磨罐中，按锰锌铁氧体粉末与铁硅铝合金碎片的质量比为6％，将相应质量的锰锌铁氧体粉末放入不锈钢球磨罐中与铁硅铝合金碎片进行球磨；球磨采用的磨球为直径10mm和5mm的钢球，大球与小球的个数比为1:5；球磨时的球料质量比为12:1，球磨机转速为50rpm，球磨30h，球磨结束后，得到铁硅铝/铁氧体复合磁粉。

(4)在得到的复合磁粉中添加复合磁粉质量1.5wt％的环氧树脂和复合磁粉质量1wt.％的硬脂酸镁，之后在1800Mpa下冷压5min，得到复合磁粉芯坯料。

(5)将复合磁粉芯坯料在600℃于氮气中退火1h，得到复合磁粉芯制品。

实施例8～11

参见实施例7的制备方法，依次调整复合磁粉芯坯料退火的温度为630℃、660℃、690℃、720℃，制备得到复合磁粉芯制品。

实施例12

在100kHz的测试频率下分别测试实施例7～11制得的复合磁粉芯制品的有效磁导率，结果如图3所示，图3是本发明实施例12提供的不同退火温度的复合磁粉芯的有效磁导率，通过图3可以看出，采用实施例7～11提供的方法制得的磁粉芯的有效磁导率高于60。

在100kHz，Bm＝300mT测试条件下分别测试实施例7～11制得的复合磁粉芯制品的的损耗(Core loss)，结果如图4所示，图4是本发明实施例12提供的不同退火温度的复合磁粉芯的损耗，通过图4可以看出，采用实施例7～11提供的方法制得的磁粉芯的损耗低于68W/kg。

对比例2

参见实施例1的制备方法，只是在甩带过程中没有施加定向磁场，锰锌铁氧体粉末与铁硅铝合金碎片的质量比为6％，制备得到复合磁粉芯制品，在690℃于氮气中退火1h后，检测有效磁导率及损耗。在100kHz的测试频率下有效磁导率仅为51.2。在100kHz，Bm＝300mT测试条件下损耗为71W/kg。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。