一种铁钴磁粉芯及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于磁性材料技术领域，涉及一种铁钴磁粉芯及其制备方法与应用。


背景技术：

2.软磁磁粉芯材料由于比传统软磁铁氧体材料具有更高饱和磁感应强度，有利于实现器件的小型化，在变压器、电感等器件领域应用的越来越广泛。常用的软磁磁粉芯材料体系主要包括铁粉芯、铁硅磁粉芯、铁硅铝磁粉芯和铁镍系磁粉芯，其中铁粉芯拥有较高饱和磁感应强度，但电阻率较低，通常用于低频段，在高频下涡流损耗大；而其他三类磁粉芯更加适用于较高的频段，但饱和磁感应强度通常小于1.5t。随着器件的小型化、高密度化、集成化的趋势，如何获得更高饱和磁感应强度，并且适用于高频段的磁粉芯材料成为一个亟待解决的问题。
3.cn 106710771a公开了一种软磁合金材料及其制备方法、功率电感。软磁合金材料的制备方法包括以下步骤：将粗颗粒粉末和细颗粒粉末进行混合；将混合粉末与质量百分比为1～1.5％的磷酸盐或者硝酸盐溶液进行反应，待反应完成后进行干燥处理，得到干燥粉末；将干燥粉末与水、水溶性树脂、含硅的水溶液、分散剂、消泡剂混合制浆，制得浆料通过喷雾干燥形成二次颗粒粉末；其中，相对于fe系合金材料的质量，水溶性树脂的添加量为0.1～1wt％，含硅的水溶液的添加量为0.05～0.2wt％；在1200～2000mpa的压强下将二次颗粒粉末压制成型；将压制后的产品在保护气体气氛下在700～800℃的温度下进行回火处理60～120分钟。
4.cn 107240471a涉及一种高饱和磁感应强度的复合磁粉，由粉末a和粉末b制成，其配比为：粉末a5-95wt％，粉末b 5-95wt％；粉末a为铁硅粉、纯铁粉、铁硅铝粉、铁镍粉、铁镍钼粉中的至少一种；所述粉末b为铁基非晶合金粉、铁基纳米晶合金粉、铁镍基非晶合金粉中的至少一种；粉末a和粉末b的粒径为8-200μm。用该复合磁粉制备的磁芯bs高、损耗低、成本低廉、适合批量制备等特征，其bs值均在1.71t及以上，在1.5t、1000hz下损耗不高于50w/kg，尤其适合在中低频(50hz-10khz)范围工作。
5.铁钴合金(钴含量约为50％时)的饱和磁感应强度可高达2.4t以上，是目前已发现可商用的饱和磁感应强度最高的材料，其带材、板材、棒材在航空航天、精密电子、传感器等领域有一定的应用。作为磁粉芯材料铁钴合金体系研究的很少，主要是由于铁钴材料的电阻率较低，在高频下涡流损耗大，这限制了其在高频下的使用。同时铁钴合金材料的磁致伸缩系数较大，使得磁粉芯材料难以获得高的磁导率。
6.因此，铁钴合金材料虽然具有超高的饱和磁感应强度，但是电阻率偏低，高频下涡流损耗大，不适于在高频交流下应用。同时，磁致伸缩系数和磁晶各向异性系数较大，制备的磁体很难获得高的磁导率，对于器件设计提出更多的挑战。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明中采用对钝化后的磁粉进行液氮冷却的二次钝化工
艺，提高了磁粉之间的绝缘性能，改善了磁粉芯的在高频下涡流损耗大的问题，从而有助于铁钴磁粉芯在高频下的使用。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
10.(1)对铁钴合金磁粉进行钝化后，采用液氮冷却，得到钝化磁粉；
11.(2)将钝化磁粉进行绝缘包覆和压型，得到磁体；
12.(3)对磁体进行退火处理，得到所述铁钴磁粉芯。
13.本发明中采用对钝化后的磁粉进行液氮冷却的二次钝化工艺，提高了磁粉之间的绝缘性能，改善了磁粉芯的在高频下涡流损耗大的问题，从而有助于铁钴磁粉芯在高频下的使用。
14.优选地，步骤(1)所述铁钴合金磁粉中钴元素的质量百分含量为49～51wt％，例如可以是49wt％、49.5wt％、50wt％、50.5wt％或51wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
15.优选地，所述铁钴合金磁粉中还包括钒。
16.优选地，所述铁钴合金磁粉为气雾化铁钴合金磁粉。
17.优选地，步骤(1)所述铁钴合金磁粉中，钒的质量百分含量为0.8～1.2wt％，例如可以是0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.1wt％或1.2wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
18.优选地，步骤(1)所述铁钴合金磁粉中，d50粒度为19～38μm的占比为20～50wt％，例如可以是20wt％、25wt％、30wt％、40wt％或50wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
19.优选地，步骤(1)所述铁钴合金磁粉中，d50粒度为5～19μm且不为19μm的占比为50～80wt％，例如可以是50wt％、55wt％、60wt％、70wt％或80wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
20.本发明中通过大小粒度的搭配，并且使用更多的细粉，大大降低了高频下的磁粉芯涡流损耗。
21.优选地，步骤(1)所述钝化之前还包括进行热处理。
22.优选地，所述热处理的保温温度为840～860℃，例如可以是840℃、845℃、850℃、855℃或860℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
23.优选地，所述热处理的保温时间为2～3h，例如可以是2h、2.2h、2.5h、2.8h或3h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
24.优选地，所述热处理的降温速度＜30℃/h，例如可以是29℃/h、28℃/h、25℃/h、22℃/h或20℃/h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
25.优选地，所述热处理的气氛为真空氛围和/或保护性气氛。
26.优选地，所述保护性气氛为氢气、氮气或氩气中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括氢气和氮气的组合，氮气和氩气的组合，氢气和氩气的组合，氢气、氮气和氩气的组合。
27.本发明中通过在钝化前对铁钴合金磁粉进行热处理，作为一步预处理过程，消除
了磁粉中的应力，改善了磁粉的塑性变形能力，降低了磁粉的硬度，提升了磁芯的密度，进而提升了磁芯的综合磁性能。
28.优选地，步骤(1)所述钝化的方式为：混合钝化剂、溶剂和热处理后的铁钴合金磁粉，并进行干燥。
29.优选地，所述钝化剂包括水溶性无机材料，优选为磷酸和/或磷酸二氢铝。
30.优选地，所述钝化剂的质量为铁钴合金磁粉质量的0.1～1wt％，例如可以是0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.8wt％或1wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
31.优选地，所述溶剂去离子水、丙酮或无水乙醇中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括去离子水和丙酮的组合，丙酮和无水乙醇的组合，去离子水和无水乙醇的组合，去离子水、丙酮和无水乙醇的组合。
32.优选地，所述干燥的方式包括自然烘干、加热烘干或抽真空干燥中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括自然烘干和加热烘干的组合，加热烘干和抽真空干燥的组合，自然烘干和抽真空干燥的组合。
33.优选地，步骤(1)所述冷却的时间不少于20min，例如可以是20min、18min、15min、12min或10min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
34.优选地，步骤(2)所述绝缘包覆的方式为：混合钝化磁粉、溶剂和绝缘树脂，再进行干燥和粉碎过筛。
35.优选地，所述溶剂包括丙酮和/或无水乙醇。
36.优选地，所述绝缘树脂包括有机硅树脂。
37.优选地，所述绝缘树脂的质量为铁钴合金磁粉质量的1～2wt％，例如可以是1wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％或2wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
38.优选地，所述过筛的目数为80～140目，例如可以是80目、100目、120目、130目或140目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
39.优选地，步骤(2)所述压型的方式为：混合脱膜剂与绝缘包覆后的磁粉，再施加压力成型。
40.优选地，所述脱膜剂包括硬脂酸锌。
41.优选地，所述脱膜剂的质量为铁钴合金磁粉质量的0.2～0.6wt％，例如可以是0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％或0.6wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
42.优选地，所述压力为1500～2000mpa，例如可以是1500mpa、1700mpa、1800mpa、1900mpa或2000mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
43.优选地，步骤(3)所述退火处理包括第一段退火保温和第二段退火保温。
44.优选地，所述第一段退火保温的温度为760～780℃，例如可以是760℃、765℃、770℃、775℃或780℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
45.优选地，所述第一段退火保温的时间为2～4h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h或4h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
46.优选地，所述第一段退火保温至第二段退火保温之间，进行冷却降温。
47.优选地，所述冷却降温的速度为140～180℃/h，例如可以是140℃/h、150℃/h、160℃/h、170℃/h或180℃/h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
48.本发明中在退火处理中采用冷却降温的方式，优化了铁钴合金内部有序相和无序相的比例，大大提高了磁芯的磁导率。
49.优选地，所述第二段退火保温的温度为440～480℃，例如可以是440℃、450℃、460℃、470℃或480℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
50.优选地，所述第二段退火保温的时间为20～40min，例如可以是20min、25min、30min、35min或40min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
51.优选地，步骤(3)所述退火处理的气氛为氮气和/或惰性气体气氛。
52.作为本发明第一方面的一种优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
53.(1)在真空氛围和/或保护性气氛下，对铁钴合金磁粉进行840～860℃热处理2～3h后，以＜30℃/h的降温速度降至室温，混合水溶性无机材料为钝化剂、溶剂和热处理后的铁钴合金磁粉，并进行干燥，钝化剂的质量为铁钴合金磁粉质量的0.1～1wt％，钝化后采用液氮冷却不少于20min，得到钝化磁粉；
54.(2)混合钝化磁粉、溶剂和有机硅树脂，再进行干燥和粉碎过80～140目筛，有机硅树脂的质量为铁钴合金磁粉质量的1～2wt％，混合质量为铁钴合金磁粉质量的0.2～0.6wt％的硬脂酸锌与绝缘包覆后的磁粉，再施加1500～2000mpa的压力压型，得到磁体；
55.(3)在氮气和/或惰性气体气氛下，对磁体进行包括760～780℃第一段退火保温2～4h和440～480℃第二段退火保温20～40min的退火处理，第一段退火保温至第二段退火保温之间，进行速度为140～180℃/h的冷却降温，得到所述铁钴磁粉芯；
56.所述铁钴合金磁粉为气雾化铁钴合金磁粉，钴元素的质量百分含量为49～51wt％，钒的质量百分含量为0.8～1.2wt％，剩余量为铁，d50粒度为5～19μm且不为19μm的占比为50～80wt％，d50粒度为19～38μm的占比为20～50wt％。
57.第二方面，本发明提供了一种铁钴磁粉芯，所述铁钴磁粉芯采用如第一方面所述制备方法得到的。
58.第三方面，本发明提供了一种根据第二方面所述铁钴磁粉芯的应用，所述铁钴磁粉芯用于高频软磁器件。
59.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
60.本发明中采用对钝化后的磁粉进行液氮冷却的二次钝化工艺，提高了磁粉之间的绝缘性能，改善了磁粉芯的在高频下涡流损耗大的问题，从而有助于铁钴磁粉芯在高频下的使用。
具体实施方式
61.为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
62.实施例1
63.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
64.(1)在真空氛围下，对铁钴合金磁粉进行860℃热处理2h后，以28℃/h的降温速度
降至室温，混合磷酸、丙酮和热处理后的铁钴合金磁粉，并进行80℃烘干干燥，磷酸的质量为铁钴合金磁粉质量的0.18wt％，钝化后采用液氮冷却25min，得到钝化磁粉；
65.(2)混合钝化磁粉、丙酮和有机硅树脂，再进行干燥和粉碎过100目筛，有机硅树脂的质量为铁钴合金磁粉质量的2wt％，混合质量为铁钴合金磁粉质量的0.4wt％的硬脂酸锌与绝缘包覆后的磁粉，再施加1900mpa的压力压型，得到磁体；
66.(3)在氮气气氛下，对磁体进行包括780℃第一段退火保温2h和450℃第二段退火保温20min的退火处理，第一段退火保温至第二段退火保温之间，进行速度为140℃/h的冷却降温，得到所述铁钴磁粉芯；
67.所述铁钴合金磁粉为气雾化铁钴合金磁粉，钴元素的质量百分含量为49.5wt％，钒的质量百分含量为1.1wt％，剩余量为铁，d50粒度为5～19μm且不为19μm的占比为80wt％，d50粒度为19～38μm的占比为20wt％。
68.实施例2
69.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
70.(1)在真空氛围下，对铁钴合金磁粉进行840℃热处理3h后，以25℃/h的降温速度降至室温，混合磷酸、丙酮和热处理后的铁钴合金磁粉，并进行干燥，钝化剂的质量为铁钴合金磁粉质量的0.2wt％，钝化后采用液氮冷却30min，得到钝化磁粉；
71.(2)混合钝化磁粉、丙酮和有机硅树脂，再进行干燥和粉碎过100目筛，有机硅树脂的质量为铁钴合金磁粉质量的1.5wt％，混合质量为铁钴合金磁粉质量的0.5wt％的硬脂酸锌与绝缘包覆后的磁粉，再施加1800mpa的压力压型，得到磁体；
72.(3)在氮气气氛下，对磁体进行包括760℃第一段退火保温4h和450℃第二段退火保温40min的退火处理，第一段退火保温至第二段退火保温之间，进行速度为180℃/h的冷却降温，得到所述铁钴磁粉芯；
73.所述铁钴合金磁粉为气雾化铁钴合金磁粉，钴元素的质量百分含量为49.5wt％，钒的质量百分含量为1.1wt％，剩余量为铁，d50粒度为5～19μm且不为19μm的占比为70wt％，d50粒度为19～38μm的占比为30wt％。
74.实施例3
75.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
76.(1)在氩气氛围下，对铁钴合金磁粉进行860℃热处理2h后，以25℃/h的降温速度降至室温，混合磷酸、丙酮和热处理后的铁钴合金磁粉，并进行干燥，钝化剂的质量为铁钴合金磁粉质量的0.9wt％，钝化后采用液氮冷却40min，得到钝化磁粉；
77.(2)混合钝化磁粉、丙酮和有机硅树脂，再进行干燥和粉碎过100目筛，有机硅树脂的质量为铁钴合金磁粉质量的1wt％，混合质量为铁钴合金磁粉质量的0.6wt％的硬脂酸锌与绝缘包覆后的磁粉，再施加1700mpa的压力压型，得到磁体；
78.(3)在氩气气氛下，对磁体进行包括780℃第一段退火保温2h和450℃第二段退火保温20min的退火处理，第一段退火保温至第二段退火保温之间，进行速度为140℃/h的冷却降温，得到所述铁钴磁粉芯；
79.所述铁钴合金磁粉为气雾化铁钴合金磁粉，钴元素的质量百分含量为49.5wt％，钒的质量百分含量为1.1wt％，剩余量为铁，d50粒度为5～19μm且不为19μm的占比为50wt％，d50粒度为19～38μm的占比为50wt％。
80.实施例4
81.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
82.(1)在氢气氛围下，对铁钴合金磁粉进行850℃热处理2.5h后，以25℃/h的降温速度降至室温，混合磷酸、无水乙醇和热处理后的铁钴合金磁粉，并进行干燥，磷酸的质量为铁钴合金磁粉质量的0.5wt％，钝化后采用液氮冷却50min，得到钝化磁粉；
83.(2)混合钝化磁粉、丙酮和有机硅树脂，再进行干燥和粉碎过80目筛，有机硅树脂的质量为铁钴合金磁粉质量的2wt％，混合质量为铁钴合金磁粉质量的0.2wt％的硬脂酸锌与绝缘包覆后的磁粉，再施加1750mpa的压力压型，得到磁体；
84.(3)在氮气气氛下，对磁体进行包括770℃第一段退火保温2.5h和450℃第二段退火保温30min的退火处理，第一段退火保温至第二段退火保温之间，进行速度为160℃/h的冷却降温，得到所述铁钴磁粉芯；
85.所述铁钴合金磁粉为气雾化铁钴合金磁粉，钴元素的质量百分含量为49.5wt％，钒的质量百分含量为1.1wt％，剩余量为铁，d50粒度为5～19μm且不为19μm的占比为65wt％，d50粒度为19～38μm的占比为35wt％。
86.实施例5
87.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例1的区别为铁钴合金磁粉未进行粒度筛分级配，均为＜76μm的铁钴合金磁粉。
88.实施例6
89.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例1的区别为：铁钴合金磁粉中d50粒度为19～38μm的磁粉占比18％，d50粒度为5～19μm且不为19μm的磁粉占比为82％。
90.实施例7
91.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例1的区别为：铁钴合金磁粉中d50粒度为19～38μm的磁粉占比53％，d50粒度为5～19μm且不为19μm的磁粉占比为47％。
92.实施例8
93.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例2的区别为：不进行步骤(1)所述的热处理。
94.实施例9
95.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例2的区别为：步骤(1)所述热处理的温度为820℃。
96.实施例10
97.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例2的区别为：步骤(1)所述热处理的温度为870℃。
98.实施例11
99.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例2的区别为：步骤(1)所述热处理的降温速度为40℃/h。
100.实施例12
101.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述第一段退火保温的温度为750℃。
102.实施例13
103.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述第一段退火保温的温度为790℃。
104.实施例14
105.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述冷却降温的速度为120℃/h。
106.实施例15
107.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述冷却降温的速度为200℃/h。
108.实施例16
109.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述冷却降温直接降至室温，不进行第二段退火保温过程。
110.实施例17
111.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述第二段退火保温的时间为15min。
112.实施例18
113.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例4的区别为：步骤(3)所述第二段退火保温的时间为45min。
114.实施例19
115.本实施例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例3的区别为：步骤(1)所述液氮冷却的时间为15min。
116.对比例1
117.本对比例提供了一种铁钴磁粉芯的制备方法，与实施例3的区别为：不进行步骤(1)所述液氮冷却过程。
118.将上述所得铁钴磁粉芯压制外径为12.7mm、内径为7.6mm、高度为3mm的磁环，利用排水法测试磁芯的密度ρ，后续对磁芯进行绕线，采用lcr表测试电感l，计算环形磁芯的有效磁导率μ，测试频率为100khz，采用软磁直流测试装置测试磁芯的饱和磁感应强度bs，采用日本岩崎sy-8218软磁b-h分析仪测试磁芯的交流损耗，测试条件为：100khz，100mt，温度为25℃。
119.测试结果如表1所示。
120.表1
[0121][0122][0123]
从表1中可以得到如下结论：
[0124]
(1)由实施例1-4可知，本发明中采用对钝化后的磁粉进行液氮冷却的二次钝化工艺，提高了磁粉之间的绝缘性能，改善了磁粉芯的在高频下涡流损耗大的问题，从而有助于铁钴磁粉芯在高频下的使用。
[0125]
(2)由实施例5-7与实施例1的比较可知，当粒度级配不满足本发明的优选范围，导致磁芯的密度变小，不利于综合磁性能的优化。
[0126]
(3)由实施例8-11与实施例2的比较可知，在钝化前不进行热处理磁芯的综合性能均下降，尤其是在损耗方面，主要是由于进行热处理，可以改善磁粉内部的微观结构，降低磁粉的表面硬度，在后续的压型过程中更加有利于密度的提升，进而改善磁芯的磁性能。热处理的温度和降温速度需要控制在一定的范围之内，是由于温度过低，无法实现改善微观结构的目的，而温度过高会导致新相的产生，过快的降温速度会使得磁粉内部再次产生应力，不利于磁粉塑磁变形能力的改善。
[0127]
(4)由实施例12-18与实施例4的比较可知，热处理第一段退火保温的温度和冷却降温的速度和第二段退火保温的时间对于磁导率和损耗有较大的影响。
[0128]
(5)由实施例19与实施例3的比较可知，在液氮中冷却的时间较短，会导致损耗大幅度增加。
[0129]
(6)由对比例1与实施例3的比较可知，采用在液氮中冷却的二次钝化工艺大幅度的降低了磁芯的损耗特性，不经过二次钝化处理，会导致损耗大幅度增加。
[0130]
综上所述，本发明中采用对钝化后的磁粉进行液氮冷却的二次钝化工艺，提高了磁粉之间的绝缘性能，改善了磁粉芯的在高频下涡流损耗大的问题，从而有助于铁钴磁粉芯在高频下的使用。
[0131]
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。