一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯及其制备方法与流程

文档序号：16820474发布日期：2019-02-10 22:43阅读：313来源：国知局

本发明属于铁硅软磁复合铁芯技术领域，更具体地说，涉及一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯及其制备方法。

背景技术：

FeSi软磁材料具有独特且优异的软磁性能，如高的磁导率、低的磁滞损耗、磁致伸缩系数几乎于零，因而在电子通讯及新能源等众多领域得到越来越广泛的应用，加之铁、硅元素在地壳中含量较高，加工制备相对容易，成本较低，因此一直受到国内外研究者的广泛关注。

众所周知，用作电磁转换装置的软磁复合材料在运行的时候，会因为周围磁场的变化而产生涡流，且随着应用频率的提高会导致软磁复合材料涡流损耗增加。由于早期软磁复合材料主要应用于低频，其涡流损耗相对较低，因此对其研究也就主要着眼于如何提高其磁导率而对铁损耗却要求不高。近年来随着主流电机变频控制模式的普及、高速转动马达的开发、节能型半导体功率器件的进一步应用，电-磁转换装备的使用频率正逐渐向高频化方向发展，以保证电力电子装备更节能和小型化。因此，如何降低软磁复合材料的高频损耗也就成了亟待解决的技术问题，其中铁磁性粒子的绝缘包覆处理是国内外研究者研究最多的一种方法。

传统包覆工艺通常是先对铁磁性粒子表面进行钝化处理，然后采用有机树脂作为绝缘剂对铁磁性粒子进行包覆隔绝。但采用该种包覆工艺时，一方面铁磁性粒子易与钝化剂发生反应，从而降低了绝缘包覆效果；如中国专利CN102360660A公开了一种铁硅磁粉芯及其制备方法，该申请案以磷酸为钝化剂，以酚醛树脂为粘结剂可以制得磁导率为50的铁硅磁粉芯，但由于铁硅合金粉末会与钝化剂磷酸反应生成铁的氧化物，这种铁氧化物为半导体，从而使铁硅合金粉末颗粒与颗粒之间的隔离效果下降，增大了损耗。另一方面，由于有机树脂类绝缘剂不耐高温，软磁复合材料只能在较低温度下进行热处理，从而导致软磁复合材料的相对密度较低、强度差、稳固性难以保证，且其饱和磁感强度和相对磁导率也较低。如，申请号为201310613702.2的申请案公开了一种铁硅材料及μ55铁硅磁粉芯的制造方法，该申请案先采用磷酸溶液对粉料进行钝化处理，然后以硅树脂为绝缘剂对粉料进行绝缘包覆，成型后置于500±30℃条件下进行热处理，但由于热处理温度过高，其有机绝缘剂已基本分解，从而导致难以发挥其绝缘效果。同时粉芯在工作中因长期的涡流热会导致有机绝缘剂老化，从而影响粉芯性能的稳定性。

近年来，无机绝缘包覆由于具有优异的绝缘性和热稳定性逐渐成为人们研究的热点。通常使用的无机绝缘剂包括云母、高岭土、滑石粉、硅溶胶和无机氧化物等，其中以无机氧化物的使用较多。现有技术中采用无机绝缘剂对铁磁性粉末进行绝缘包覆处理时通常是将铁磁性粉末、绝缘剂和粘结剂混合，经模压成型、热处理后获得软磁复合材料。如，中国专利201310212031.9公开了一种金属软磁粉芯的制备方法，该申请案包括原料过筛、绝缘包覆、制待成型磁粉、压制成型、热处理和表面喷涂等工艺，其具体是采用纳米氧化物对金属磁粉进行绝缘包覆处理的，从而可以有效改善所得金属软磁粉芯的热稳定性能。但采用该种方法制备金属软磁粉芯时，无机绝缘包覆层的均匀性和厚度难以进行控制，从而导致所得软磁复合材料仍存在绝缘性相对较差、饱和磁感应强度仍较低的缺陷，且其铁损仍较高。此外由于无法避免粘结剂的使用，从而增加了生产成本。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的主要在于克服现有铁硅软磁复合铁芯的高频损耗相对较高的不足，而提供一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯及其制备方法。采用本发明的方法制备得到的铁硅软磁复合铁芯不仅具有较高的饱和磁感应强度、相对磁导率和致密度，同时还能有效提高其绝缘性能并降低涡流损耗。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯，该复合铁芯为以铁硅合金粉末为核、硅酸盐绝缘层为壳的核壳结构，且铁硅合金粉末颗粒之间通过硅酸盐绝缘层进行隔离。

更进一步的，所述的硅酸盐绝缘层为MgSiO3、CaSiO3或Al2(SiO3)3中的一种或一种以上的组合。

更进一步的，所述核壳结构铁硅软磁复合铁芯的饱和磁感应强度为167～181emu/g，相对磁导率μ(f＝100kHz,0.3V)为110.7～151.3，铁损P10/1k为15.4～26.3W/kg，P1/10k为6.8～11.4W/kg，P0.5/20k为3.8～8.4W/kg。

本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法，先对铁硅合金粉末表面进行渗硅处理，然后经氧化后形成一层SiO2膜，之后将氧化后的铁硅合金粉末与无机氧化物一起进行高温烧结，即得核壳结构的铁硅软磁复合铁芯。

更进一步的，本发明的核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法的具体步骤如下：

步骤一、将铁硅合金粉末和硅粉混合均匀，在惰性气体保护下对铁硅合金粉末进行渗硅热处理，然后将渗硅后的铁硅合金粉末置于氧化气氛下进行氧化处理，得到表面氧化的铁硅合金复合粉末；

步骤二、将表面氧化的铁硅合金复合粉末和无机氧化物粉末混合均匀，然后在惰性气体保护下进行球磨1～10h，制得具有核壳结构的铁硅合金复合粉末；

步骤三、将具有核壳结构的铁硅合金复合粉末在100～1000Mpa的压强下压制成坯，再将压坯置于烧结炉内于950～1300℃下烧结1～15h，并随炉冷却至室温，即得核壳结构的铁硅软磁复合铁芯。

更进一步的，所述步骤一中铁硅合金粉末和硅粉的质量百分比含量分别为90～98％、2～10％，且铁硅合金粉末的粒径小于150μm，该铁硅合金粉末的Si含量为0.5～10wt％，所述硅粉的粒径小于5μm。

更进一步的，所述步骤一中将铁硅合金粉末和硅粉组成的混合粉末置于800～1150℃下保温1～4h，从而对铁硅合金粉末进行渗硅处理，其氧化处理的温度为500～900℃，保温时间为0.5～6h，之后随炉冷却至室温，即得表面氧化的铁硅合金复合粉末。

更进一步的，所述步骤二中的无机氧化物粉末为MgO粉末、CaO粉末和Al2O3粉末中的一种或一种以上的组合，其粒径小于1μm，且表面氧化的铁硅合金复合粉末与无机氧化物粉末的质量百分比含量分别为95～98％、2～5％。

更进一步的，所述步骤一中渗硅处理时的惰性气体采用氮气或氩气，氧化处理时的氧化气氛采用空气或氧气。

更进一步的，所述步骤二中球磨时的球料质量比为(10～30)︰1，球磨机的转速为100～500r/min；所述步骤三中的烧结炉为真空保护或惰性气体保护的烧结炉。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯，该复合铁芯为以铁硅合金粉末为核、硅酸盐绝缘层为壳的核壳结构，且铁硅合金粉末颗粒之间通过硅酸盐绝缘层进行隔离，铁硅合金粉末颗粒之间的绝缘性较好，由于铁硅软磁复合铁芯工作时产生的涡流能被有效限制在硅酸盐绝缘包覆区域内，从而能显著降低铁硅软磁复合铁芯的涡流损耗和总铁损。

(2)本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法，采用渗硅-氧化-化合包覆的方法，先在铁硅合金粉末表面渗硅并氧化后形成一层SiO2薄膜，再利用SiO2和无机氧化物在高温下的化合反应在铁硅合金粉末表面包覆硅酸盐绝缘层(MgSiO3、CaSiO3或Al2(SiO3)3)，从而能够得到具备核壳结构的铁硅软磁复合铁芯，并能有效保证每个铁硅合金粉末颗粒表面包覆绝缘层的均匀性，使所得铁硅软磁复合铁芯在具有优良磁导率的基础上具有较低的铁损耗。

(3)本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法，所得铁硅软磁复合铁芯中铁硅合金粉末颗粒的分散性较好，铁硅合金粉末颗粒之间被硅酸盐绝缘层隔离，从而能够有效保证铁硅合金粉末颗粒之间良好的绝缘性。本发明通过对渗硅及氧化处理中的工艺参数进行控制，从而可以对包覆层的厚度进行有效控制，进而保证所得铁硅软磁复合铁芯的使用性能。

(4)本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法，所得铁硅软磁复合铁芯中铁硅合金粉末的表面包覆有硅酸盐绝缘层，从而保证能够承受较高的热处理温度，铁硅软磁复合铁芯粉末压坯能进行高温热处理，使得铁硅软磁复合铁芯的相对密度明显提高，单位体积的铁磁性物质的含量也明显增大，复合铁芯的饱和磁感较高，热稳定性好，能提高在较高环境温度下的使用寿命。

(5)本发明的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法，由于未采用有机粘结剂和脱模剂，从而减少了生产成本和投资，提高了生产效率，且其工艺操作简单，对环境无污染，适于推广应用。

附图说明

图1是实施例1所制备的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的磁滞回线图谱；

图2是图1所示的核壳结构铁硅软磁复合铁芯在不同频率下的相对磁导率图谱。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。

为避免重复，先将本具体实施方式涉及的原料统一描述如下，各实施例中不再赘述：

所述铁硅合金粉末的粒径小于150μm，硅粉的粒径小于5μm，无机氧化物粉末的粒径小于1μm。

实施例1

本实施例的一种核壳结构铁硅软磁复合铁芯的制备方法，先对铁硅合金粉末表面进行渗硅处理，然后经氧化后形成一层SiO2膜，之后将氧化后的铁硅合金粉末与无机氧化物一起进行高温烧结，即得核壳结构的铁硅软磁复合铁芯，其具体步骤如下：

1)先将90wt％的铁硅合金粉末和10wt％的硅粉混合均匀，置于管式炉内，在氩气保护下于800℃保温1.5h，从而对铁硅合金粉末进行渗硅处理；然后将渗硅后的铁硅合金粉末置于空气气氛下进行热处理，热处理温度为600℃，保温时间为0.5h，随炉冷却至室温，得到表面氧化的铁硅合金复合粉末，即在铁硅合金粉末的表面形成一层致密均匀的SiO2薄膜。本实施例中铁硅合金粉末的Si含量(质量分数)为4wt％。

2)将质量百分比含量为96％的表面氧化的铁硅合金复合粉末和质量百分比含量为4％的MgO粉末混合均匀，然后在氩气保护下球磨1h，球料质量比为10：1，球磨机转速为100rpm，制得具有核壳结构的铁硅合金复合粉末。

3)将具有核壳结构的铁硅合金复合粉末在100Mpa的压强下压制成压坯，再将压坯置于真空保护的烧结炉内，在950℃条件下烧结4h，使铁硅合金粉末表面的SiO2薄膜与无机氧化物发生反应，随炉冷却至室温，即可得核壳结构铁硅软磁复合铁芯。本实施例所得复合铁芯为以铁硅合金粉末为核、MgSiO3绝缘层为壳的核壳结构，且铁硅合金粉末颗粒之间通过MgSiO3绝缘层进行隔离，经检测，本实施例制备所得铁硅软磁复合铁芯的饱和磁感应强度为169emu/g，相对磁导率μ(f＝100kHz,0.3V)为111.3，铁损P10/1k为24.3W/kg，P1/10k为10.5W/kg，P0.5/20k为7.8W/kg。因此，采用本实施例的方法能够有效保证铁硅软磁复合铁芯在具有较高磁导率和优良热稳定性能的同时，具有较低的高频损耗，从而能够满足电磁转换装置向高频化方向发展的使用要求。

针对现有软磁复合材料的高频损耗相对较高，而采用有机绝缘剂对铁磁性物质进行绝缘包覆时所得软磁复合铁芯的绝缘性和热稳定性相对较差的问题，近年来国内外研究者逐渐将研究方向转为铁磁性材料的无机绝缘包覆处理上，通过采用无机绝缘剂对铁磁性材料进行包覆处理在一定程度上可以提高铁磁性材料的热稳定性能。如中国专利CN101089108A公开了一种金属软磁粉芯用无机绝缘粘结剂及其制备方法，该无机绝缘粘结剂由SiO2、Al2O3、ZrO2、云母粉及水混合而成，金属软磁粉芯的制备方法包括将金属磁粉加入到重铬酸盐或重铬酸盐与磷酸盐的混合液中进行表面钝化处理，再与绝缘粘结剂和润滑剂混合均匀后烘干，模压成型和热处理后获得磁粉芯。这种绝缘粘结剂虽不含有机物，但在制备金属软磁粉过程中仍需用含铬的钝化液对磁粉进行钝化处理，从而易造成环境污染，且采用该方法进行包覆处理时包覆层的厚度和均匀性难以控制，从而导致其铁损仍较高。中国专利CN101599334A是采用正硅酸乙酯和氨水等作为原料，运用溶胶凝胶的方法在铁硅铝磁粉表面包覆一层SiO2绝缘层，但其制备过程中由于磁粉较重容易沉淀，从而导致磁粉表面SiO2包覆也不均匀，因此该绝缘包覆方法难度较大，难以保证所得粉末的磁性能。也有研究者尝试采用化学沉积的方法对铁磁性粉末进行无机绝缘包覆处理，该方法在一定程度上可以提高包覆层的均匀性，且包覆层厚度相对易控制，但该方法污染性较大，成本高，不适于推广应用。

因此，研究出一种投资少、绿色环保的铁硅软磁复合铁芯制备方法，并保证所得铁硅软磁复合铁芯在具有加高磁导率的基础上具有较低的铁损是发明人这几年的研究重点。发明人通过大量实验研究最终得出本发明的技术方案，即采用渗硅-氧化-化合包覆的方法，先在铁硅合金粉末表面渗硅并氧化后形成一层SiO2薄膜，然后将氧化后的铁硅合金粉末与无机氧化物粉末一起进行烧结，即可在铁硅合金粉末表面包覆一层硅酸盐绝缘层，得到核壳结构的铁硅软磁复合铁芯。由于铁硅软磁复合铁芯工作时产生的涡流能被有效限制在硅酸盐绝缘包覆区域内，从而能够显著降低铁硅软磁复合铁芯的涡流损耗和总铁损，同时采用该种方法在铁硅合金粉末表面包覆硅酸盐绝缘层，还能够有效保证绝缘层包覆的均匀性，解决了现有技术中铁硅合金粉末表面无机绝缘剂难以包覆均匀的问题，进一步保证了所得复合铁芯具有较低的高频损耗。

同时，采用本实施例的方法制备铁硅软磁复合铁芯时，所得铁硅软磁复合铁芯中铁硅合金粉末颗粒的分散性比较好，不易发生团聚，粉末颗粒之间能够通过硅酸盐绝缘层进行有效隔离，从而保证铁硅合金粉末颗粒之间具有良好的绝缘性。而通过将氧化后的铁硅合金粉末与无机氧化物一起进行球磨处理后再进行高温烧结，可以进一步提高铁硅合金粉末颗粒的分散性及颗粒表面包覆的均匀性。本实施例可以通过控制渗硅及氧化处理中各工艺参数的范围，对硅酸盐包覆层的厚度进行有效控制，该控制操作简单，即采用本实施例的制备方法，实现了铁硅合金粉末表面硅酸盐包覆层厚度的易调易控，克服了现有技术中无法对无机绝缘包覆层的厚度进行有效控制的不足。发明人通过大量实验，对渗硅及氧化处理的温度、保温时间及铁硅合金粉末与硅粉的混合比例进行优化控制，使铁硅合金粉末表面包覆层的厚度处于最优范围，从而进一步保证了所得铁硅软磁复合铁芯的使用性能。发明人还通过大量实验对烧结工艺中各参数的范围及各粉末的粒径进行优化控制，从而可以保证包覆层的致密性及其与粉末颗粒的结合强度。

此外，本实施例通过在铁硅合金粉末的表面包覆有硅酸盐绝缘层，从而保证所得铁硅软磁复合铁芯能够承受较高的热处理温度，铁硅软磁复合铁芯粉末压坯能进行高温热处理，使得铁硅软磁复合铁芯的相对密度明显提高，单位体积的铁磁性物质的含量也明显增大，复合铁芯的饱和磁感较高，热稳定性好，能提高在较高环境温度下的使用寿命。且由于本实施例无需使用有机粘结剂和脱模剂，从而减少了生产成本和投资，提高了生产效率，且其工艺操作简单，对环境无污染，适于推广应用。

实施例2