专利名称：：一种纳米晶软磁合金元件的制备方法
技术领域：
：本发明涉及金属功能材料中的软磁材料
技术领域：
，具体涉及一种纳米晶软磁合金元件的制备方法。
背景技术：
：纳米晶软磁合金是一种全新的高性能材料，它通过纳米级超微晶粒及非晶相的铁磁藕合作用，成功地获得了高磁导率，高饱和磁感应强度，低矫顽力，低损耗及高稳定性，被誉为是全新的新一代软磁合金。在软磁性能上，纳米晶合金既保持了铁基非晶合金的高饱和磁感应强度值，同时在起始磁导率及中高频特性上达到或超过了坡莫合金和Co基非晶合金的水平。该种材料在电子、电力电子及中高频领域的应用表明，节能效果明显，适合于小型化和高频化设备，具有重要的应用前景。而且，其化学成分以Fe为主，成本相对较低。在同等功率情况下，其体积仅为铁氧体的1/4。目前，纳米晶软磁材料已成为软磁铁氧体的有力竟争者，其应用领域遍及软磁材料应用的各个方面，如抗电磁干扰(EMI)滤波器、功率变压器、高频变压器、互感器、磁头、传感器、高频开关电源以及程控交换电源等。特别是现代国防工业所需要的高精度传感器、高频开关电源用磁芯、相控阵雷达双模移项器尤其需要纳米晶软磁材料。块体纳米晶软磁合金的制备工艺主要有熔体快淬非晶晶化法、机械合金化加后续成形烧结法等。CN1613584A中提供了一种采用六面顶液压机高压制备的块体纳米软磁合金，但是产品形状简单，而且由于叶腊石容易污染块体导致产品性能下降，所以并不适合工业生产。CN101020987A中提供了一种微波快速晶化制备纳米晶软磁合金的方法，此种方法只适用于快淬非晶带材的晶化处理，工艺要求高，产品形状单一，其产业实施和应用范围都有一定的局限性。
发明内容本发明提供了一种适合大规模工业化生产的纳米晶软磁合金的制备方法，而且制备的产品形状复杂多样，具有高磁导率、高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗及高稳定性。为实现上述发明目的，本发明的发明人经过大量的研究及创造性的劳动设计出了一种纳米晶软磁合金元件的制备方法，包括下述步骤①将纳米晶合金元素的各组分粉末在惰性气体保护气氛下球磨得纳米晶合金粉末；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末添力口粘结剂后注射成型，得软磁合金生坯；③将步骤②制备的软磁合金生坯干燥，再经萃取脱脂后，置于微波冶炼设备中烧结，即得纳米晶软磁合金元件。所述步骤①中的软》兹合金的元素包括Fe、Co、Nb、Si、B、Cu，元素的粉末粒径为50-85pm;其中各元素的重量百分比为Fe70-75%,Co0-1%,Nb2-4%，SilO-15%,B7-10%,Cu0-1%。所述步骤①中的球磨是在球磨罐中球磨15-50h,其球磨罐转速为200-350rpm,球料比为6-9:1。研磨介质釆用耐磨钢球，所述球料比指的是研磨介质与研磨物料的重量比。所述步骤②中的注射成型是将纳米晶合金粉末与粘结剂在混炼机上混炼l-1.5h,再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为110-130°C，注射压力为50-70MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。所述纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为65-75:25-35。所述粘结剂为聚乙烯、石蜡和硬脂酸中的一种或其中几种的混合物。所述步骤③萃取脱脂是在温度为40-50。C的脱脂溶剂中浸放7-9h，再在550-650。C进行真空热脱脂4-6h。所述脱脂溶剂为三氯乙烯和/或丙酮。所述步骤③中的微波烧结是将软磁合金生坯先置入多孔陶瓷隔热腔内，再将其放入微波烧结炉中真空烧结。所述微波烧结是在温度为500-650°C,真空度为(1-2)xl(T2Pa条件下真空烧结20-35min。本发明提供的纳米晶软磁合金元件的制备方法包括三个步骤，其中步骤①是机械合金化过程，其可以将颗粒内部的粗大晶粒经球磨后粉碎，粉末颗粒经压延、压合，又碾碎、压合的反复过程，结果形成层状组织。这种层状组织的厚度在进一步的球磨过程中变薄，逐渐接近原子的扩散长度，层状组织结构细化并发生原子扩散和反应形成纳米晶，甚至非晶的合金粉。本发明中机械合金化化后所得的粉末为非晶和纳米晶的混合物。步骤②采用注射成型技术可以直接将纳米晶合金粉末与粘结剂的混合物制备成形状复杂的各种小型零件，原材料利用率高，因此能够满足软磁合金对形状复杂以及精度的要求。步骤③采用的萃取脱脂技术不仅可以先期脱除掉一定量的粘结剂，并为后续的真空热脱脂提供了粘结剂快速脱除的通道。微波烧结技术原本只能应用于导热性能差的陶瓷材料的快速、均匀加热。而金属是一种高损耗物质，实现微波能整体均匀地向热能转化是不可能的。但是金属处于粉末状态时对微波辐射会有很强的吸收性，这一特点正好适应纳米及微米级别金属材料粉末的烧结处理，烧结时间同样远低于普通烧结。同时，在升温烧结过程中，本发明机械合金化步骤得到的部分非晶成份会发生晶化，可以促进纳米晶相成份的扩大，而且快速烧结能够从时间上防止晶粒持续长大而避免软磁合金的晶粒尺度超过纳米晶的尺度影响产品性能。另外，微波烧结条件下材料坯体的内应力小，快速烧结不会导致注射成形生坯的开裂。实验结果表明(见表l):本发明制备的纳米晶软磁合金元件不仅可以制备形状复杂的零件，而且磁饱和强度远远高于对比例。具体实施例方式本发明所用到的设备名称、厂家及型号如下行星式球磨机南京大学仪器厂，QM-1SP2;混炼机张家港市轻工机械厂有限公司，SHR-25A;挤出机科倍隆科亚(南京)机械有限公司，CTE35;微波烧结炉长沙隆泰微波热工有限公司，MW-L0316HV。实施例1制备纳米晶软磁合金Fe^Sin.sBgNbsCiM:①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在氩气气氛下球磨30h,得纳米晶合金粉末；其中球磨罐的转速为300rpm,球料比为7:1，研磨介质采用耐磨钢球；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末与粘结剂聚乙烯在混炼机上混炼1.2h，再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为120°C,注射压力为55MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。其中纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为70:30;③将步骤②制备的软磁合金生坯在温度为50。C的脱脂溶剂三氯乙烯中浸放9h，取出干燥后再在600。C进行真空热脱脂4h后，再置于多孔陶瓷隔热腔内并放入微波烧结炉中在50(TC条件下，在真空度为lxl(^Pa条件下烧结20min,即得。实施例2制备纳米晶软磁合金Fe^sSbsBgNbsCuf①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在氩气气氛下球磨40h，得纳米晶合金粉末；其中球磨罐的转速为300rpm,球料比为7:1,研磨介质采用耐磨钢球；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末与粘结剂石蜡在混炼机上混炼1.5h，再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为120°C，注射压力为60MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。其中纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为70:30;③将步骤②制备的软磁合金生坯在温度为40。C的脱脂溶剂丙酮中浸放9h，取出干燥后再在600。C进行真空热脱脂5h后，再置于多孔陶瓷隔热腔内7并放入微波烧结炉中在60(TC条件下，在真空度为2xlO—2Pa条件下烧结20min,即得。实施例3制备纳米晶软磁合金Fe^Sb.sBgNbsCui:①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在惰性保护气氛下球磨50h,得纳米晶合金粉末；其中球磨罐的转速为300rpm，球料比为7:1,研磨介质釆用耐磨钢球；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末与粘结剂硬脂酸在混炼机上混炼1.5h,再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为130°C,注射压力为60MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。其中纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为75:25;③将步骤②制备的软磁合金生坯在温度为50。C的脱脂溶剂三氯乙烯中浸放8h,取出干燥后再在600。C进行真空热脱脂5h后，再置于多孔陶瓷隔热腔内并放入微波烧结炉中在650。C条件下，在真空度为lxlO^Pa条件下烧结30min,即得。实施例4制备纳米晶软磁合金FewCoo.sSin.sBgN^Cur①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在氮气气氛下球磨20h,得纳米晶合金粉末；其中球磨罐的转速为350rpm，球料比为6:1,研磨介质采用耐磨钢球；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末与粘结剂聚乙烯在混炼机上混炼lh,再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为130°C,注射压力为70MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。其中纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为65:35;③将步骤②制备的软磁合金生坯在温度为45。C的脱脂溶剂三氯乙烯中浸放9h,取出干燥后再在650。C进行真空热脱脂4h后，再置于多孔陶瓷隔热腔内并放入微波烧结炉中在500。C条件下，在真空度为lxl(T2Pa条件下烧结35min，即得。实施例5制备纳米晶软磁合金Fe735Si135B10Nb3:①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在氮气气氛下球磨20h，得纳米晶合金粉末；其中球磨罐的转速为350rpm，球料比为8:1，研磨介质采用耐磨钢球；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末与粘结剂石蜡在混炼机上混炼l.lh,再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为ll(TC,注射压力为70MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。其中纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为75:25;③将步骤②制备的软磁合金生坯在温度为50。C的脱脂溶剂三氯乙烯中浸放7h,取出干燥后再在550。C进行真空热脱脂6h后，再置于多孔陶瓷隔热腔内并放入微波烧结炉中在600。C条件下，在真空度为2xl(^Pa条件下烧结30min,即得。实施例6制备纳米晶软磁合金Fe725Co!Si,25B9Nb4Cuj:①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在氦气气氛下球磨15h，得纳米晶合金粉末；其中球磨罐的转速为200rpm，球料比为9:1,研磨介质采用耐磨钢球；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末与粘结剂硬脂酸在混炼机上混炼1.2h，再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为120°C，注射压力为50MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。其中纳米晶合金粉末与粘结剂的体积比为70:30;③将步骤②制备的软磁合金生坯在温度为40。C的脱脂溶剂三氯乙烯中浸放8h,取出干燥后再在600。C进行真空热脱脂5h后，再置于多孔陶瓷隔热腔内并^tX微波烧结炉中在650。C条件下，在真空度为lxl(^Pa条件下烧结30min，即得。实施例7制备纳米晶软磁合金Fe7sSh5B7Nb2Cuj:其制备方法同实施例1。实施例8制备纳米晶软磁合金Fe7。Co!SiwBK)Nb4Cin:其制备方法同实施例2。实施例9制备纳米晶软磁合金Fe75CoQ.5ShBK)Nb4Cuo.5:其制备方法同实施例3。对比例其采用CN1613584A中提供的块体纳米软磁合金的制备方法，具体为①将纳米晶软磁合金的组分元素粉末按预制合金成份Fe73.5Sb.5B9Nb3Q^质量配比混料，放入球磨罐中，在氩气气氛保护下进行高能球磨，实验机械合金化制备纳米晶软磁合金粉末，球料比为7:1，球磨罐转速为300rpm，机械合金化时间为50h。②将所得到的纳米晶预压成型后置入叶腊石模腔中，然后放入六面顶液压机中进行通电高压烧结，压力为6GPa，于600。C烧结5min。按本发明所提供的方法制备的纳米晶软磁合金性能与超高压工艺得到的相应材料性能的比较如表1所示。表1本发明制备的纳米晶软磁合金性能与超高压工艺产品性能比较<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从上述实施例和对比例的比较结果可以看出，本发明提供的制备方法能够获得比超高压方法磁性能更高的纳米晶软磁合金，而且能够获得复杂形状，因而能够满足实际应用中对软磁合金元件小型化、形状复杂和磁性能高的要求。权利要求1、一种纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于包括下述步骤①将纳米晶合金元素的各组分粉末在惰性气体保护气氛下球磨得纳米晶合金粉末；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末添加粘结剂后注射成型，得软磁合金生坯；③将步骤②制备的软磁合金生坯干燥，再经萃取脱脂后，置于微波冶炼设备中烧结，即得纳米晶软磁合金元件。2、按照权利要求1所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述步骤①中的软磁合金的元素包括Fe、Co、Nb、Si、B、Cu，元素的粉末粒径为50-85pm;其中各元素的重量百分比为Fe70-75%,Co0-1%，Nb2-4%,Si10-15%，B7-10%,Cu0-1%。3、按照权利要求1所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述步骤①中的5求磨是在球磨罐中球磨15-50h,其球磨罐转速为200-350rpm，球料比为6—9:1。4、按照权利要求1所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述步骤②中的注射成型是将纳米晶合金粉末与粘结剂在混炼机上混炼1-1.5h，再在挤出机上制粒；制粒后在注射温度为110-130°C,注射压力为50-70MPa条件下注射成型，得到所需形状的软磁合金生坯。5、按照权利要求1或4所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述纳米晶合金^^分末与粘结剂的体积比为65-75:25-35。6、按照权利要求5所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述粘结剂为聚乙烯、石蜡和硬脂酸中的一种或其中几种的混合物。7、按照权利要求1所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述步骤③萃取脱脂是在温度为40-50。C的脱脂溶剂中浸放7-9h，再在550-650。C进行真空热脱脂4-6h。8、按照权利要求7所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述脱脂溶剂为三氯乙烯和/或丙酮。9、按照权利要求1所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述步骤③中的微波烧结是将软磁合金生坯先置入多孔陶瓷隔热腔内，再将其放入微波烧结炉中真空烧结。10、按照权利要求9所述纳米晶软磁合金元件的制备方法，其特征在于所述微波烧结是在温度为500-650°C，真空度为(1-2)xi(T2Pa条件下真空烧结20-35min。全文摘要本发明公开了纳米晶软磁合金元件的制备方法，包括下述步骤①将纳米晶合金元素的各组分粉末置于球磨罐中，在惰性气体保护气氛下球磨15-50h，得纳米晶合金粉末；②将步骤①制备的纳米晶合金粉末添加粘结剂后注射成型，得软磁合金生坯；③将步骤②制备的软磁合金生坯经萃取脱脂后，置于微波冶炼设备中烧结，即得纳米晶软磁合金元件。本发明提供的纳米晶软磁合金的制备方法不仅适合大规模工业化生产，而且制备的产品形状复杂多样，具有高磁导率、高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗及高稳定性。文档编号B22F3/16GK101456075SQ20071012502公开日2009年6月17日申请日期2007年12月14日优先权日2007年12月14日发明者向其军,郭忠臣,马国超申请人:比亚迪股份有限公司