本发明涉及软磁复合材料领域,具体涉及一种软磁复合材料粉体的制备方法。
背景技术:
1、铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本单元。金属软磁材料就是以这三种元素为主要部分,或是它们中的单一金属,或是两种乃至三种的适当组分配合,或是在此基础上再添加一种或多种别的元素组合而成的。
2、软磁复合材料是将上述金属软磁材料制备的粉体与绝缘介质混合压制而成。其相邻磁粉颗粒之间的物质是绝缘层,具有3d各向同性磁性能,饱和磁通密度高,工作频率范围较宽以及较低的损耗等特点,并且由于其采用了粉末冶金工艺来压制成型,可以制备出各种复杂的形状如c型、e型、i型、u型、环型等。随着电子器件逐渐向小型化、高频化发展,具有饱和磁感应强度高,电阻率大,功率损耗低的软磁复合材料的应用将更加广泛。
3、传统的电机定子采用叠片硅钢冲压而成。叠片硅钢材料具有二维特性,且囿于冲压的工艺特性,仅在轴向叠加,形状较为简单。随着机器人、新能源汽车、无人机等行业的发展,硅钢的损耗较大,质量和体积功率密度较低,满足不了移动化对功率密度的要求。使用非晶带材也可以制备电机定子,能满足高频的使用要求。但非晶带材价格昂贵,满足不了大批量的要求。对于高质量和体积功率密度的电机,往往采用轴向磁通电机。轴向磁通电机的定子结构复杂,在轴向结构逐渐变化,冲压难以实现这个零件的制备。但是软磁复合粉体经成形、热处理就可以很好地满足轴向磁通电机定子以及粉芯的要求。
4、软磁复合材料粉体主要是将绝缘物质包覆在导磁的粉末颗粒表面。要获得高性能的软磁复合材料,必须要尽可能地降低其在交变磁场中的损耗,软磁复合材料的高频损耗主要以涡流损耗为主,而涡流损耗又可以分为磁粉颗粒之间的涡流损耗以及颗粒内部的涡流损耗。其中颗粒内部的涡流损粍可以通过降低内应力、杂质缺陷等来消除,而占主导作用的颗粒之间的涡流损耗则需要通过绝缘包覆来降低。
5、对于软磁复合材料粉末,绝缘包覆主要分为有机物包覆和无机物包覆。有机包覆包括热固性树脂(硅树脂、酚醛树脂、环氧树脂等)以及热塑性树脂(如聚丙烯、尼龙等)。关于有机物绝缘包覆软磁复合材料的方法有很多,包括:(1)将有机物溶解到有机溶剂中,再把磁粉分散搅拌混合,最终将溶剂蒸干;(2)在磁粉表面原位聚合生长有机包覆膜。由于非磁性绝缘物存在磁稀释效果,在均匀包覆的前提下绝缘包覆介质的含量应该尽可能地低。研究表明,与其他包覆样品相比,环氧树脂含量在3wt%时,软磁复合材料具有比较优良的磁导率。因此,有机物绝缘包覆既要保证能够均匀包覆,同时也要尽可能地降低有机树脂的含量。有机树脂绝缘包覆的软磁复合材料热稳定性差,高温退火过程中容易发生分解,并且其机械性能以及磁性能也相对较差,不能满足工业应用的需求。
6、无机包覆包含磷酸盐包覆和金属氧化物包覆。磷酸盐包覆是将金属磁粉置于一定浓度的磷酸钝化液中,充分搅拌混合反应一定时间后,经过滤、洗涤以及干燥后得到待成型的磁粉。磁性金属粉体的铁与磷酸之间发生如下反应:
7、fe+2h3po4→fe(h2po4)2+h2↑
8、其中,产生的氢以气体状态排出,氢是易燃易爆物质,聚集到一定程度会成为生产过程中的安全隐患。
9、磷酸盐包覆膜与磁粉基体结合性良好,工艺简单适宜工业化生产,是目前应用最广泛的一种包覆方法。包覆层在500℃时依然可以稳定存在,但是由于退火过程中磷酸盐会发生晶化,使得软磁复合材料电阻率明显降低。此外,由于磷酸添加量较少,很难保证每个软磁粉体颗粒外表面都有磷酸盐覆盖,粉芯性能不稳定。
10、金属氧化物包覆的氧化物包括mgo、a12o3、fe2o3等,采用溶胶凝胶法,制备得到的绝缘包覆层较为均匀。mgo均匀包覆的金属磁粉,mgo与磷酸盐包覆的样品损耗随频率的变化,可以看到600℃退火后,mgo包覆的样品损耗明显比磷酸盐包覆的样品要低。与磷酸盐包覆样品相比较,mgo绝缘包覆的样品具有更好的热稳定性,软磁复合材料的内应力得到了很好的释放,相同频率下的涡流损耗更低。但是由于金属氧化物本身的脆性,利用湿化学法制备包覆膜再包覆在金属磁粉表面后,在后续的压制成型中,包覆膜容易开裂甚至脱落,造成电阻率降低,绝缘效果并不理想。利用铁氧体对软磁复合材料进行绝缘包覆,可以将绝缘介质的磁稀释作用降到最低。使用mn-zn铁氧体纳米颗粒对铁粉进行了绝缘包覆,与非磁性绝缘介质相比,铁氧体包覆的样品磁导率更高,在10khz的测试频率下,铁氧体包覆的样品磁导率提高了33.5%。对于金属氧化物这种绝缘介质,氧化物的脆性导致膜层容易开裂,限制了压制成型获得高密度样品的要求,同时氧化物与磁粉基体的结合性较差,磁导率不高。
11、有机-无机复合包覆主要的结构为磷酸盐-硅烷的无机-有机复合绝缘包覆层,磷酸盐包覆样品在500℃以上温度退火时,电阻率急剧下降造成损耗迅速增加,而高温退火对磷酸盐-硅烷复合包覆样品的损耗影响不大。此外,在热处理时会有挥发性有机化合物排放,对环保有负面的影响。
12、因此,需要对现有的用于软磁复合材料的金属磁性材料粉体包覆工艺进行优化,以满足安全以及高频的使用要求。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状提供一种安全且能高频使用的软磁复合材料粉体的制备方法。
2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种软磁复合材料粉体的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
3、①配制一次包覆液:所述一次包覆液包括以下组分:硅酸盐、氮化物、氧化钇、三氧化二铋、二氧化钛和水;
4、②一次包覆:将金属磁性材料粉体和一次包覆液混合均匀,金属磁性材料粉体与一次包覆液的体积比例为1~80000:10000;
5、③分离一次包覆液与金属磁性材料粉体;
6、④配制二次包覆液:将硅烷偶联剂与水按照5~1000:10000的质量比例配制二次包覆液;
7、⑤二次包覆:将步骤③分离后的金属磁性材料粉体放入二次包覆液中混合均匀,金属磁性材料粉体与二次包覆液的体积比为1~80000:10000;
8、⑥分离二次包覆液与金属磁性材料粉体;
9、⑦煅烧:将步骤⑥分离后的金属磁性材料粉体煅烧制得软磁复合材料粉体。
10、优选地,所述步骤②的一次包覆的混合时间为1~500分钟,混合温度为-5~100℃。
11、优选地,所述步骤⑤的二次包覆的混合时间为1~500分钟,混合温度为-5~100℃。在生产中,可以将硅烷偶联剂在步骤①中加入到一次包覆液中,即将一次包覆液和二次包覆液同时使用,此方法减少了生产工序,能一定程度上提高效率,但是分开进行两次包覆的包覆效果更好,得到的产品的磁性能、使用效率和使用寿命均更好。
12、优选地,所述步骤③和⑥的分离采用磁选分离法、离心分离法、过滤分离法、真空干燥分离法、加热干燥分离法、膜过滤分离法和重力沉降分离法中的一种或多种。
13、优选地,所述步骤②使用的金属磁性材料粉体的制备方法为水雾化、气雾化、机械破碎法、还原法和羰化法的一种或多种;制备金属磁性材料粉体采用的原料为纯铁粉、铁硅粉、铁硅铝粉、铁铝合金粉或铁铬合金粉、金属非晶软磁粉体的一种或多种。
14、优选地,所述制备金属磁性材料粉体采用的原料粒度为:d50<40μm,d99<80μm。
15、优选地,所述步骤①中:所述硅酸盐与水的质量比为2-200:1000;所述氮化物与水的质量比为0.05-50:1000;所述氧化钇与水的质量比为0-50:1000;所述三氧化二铋与水的质量比为0-50:1000;二氧化钛与水的质量比为0-50:1000。
16、优选地,所述氮化物的粒度d99<500nm;所述氧化钇、三氧化二铋和二氧化钛的d99均小于100nm。
17、优选地,所述步骤⑦为将步骤⑥分离后的金属磁性材料粉体煅烧制得软磁复合材料粉体;煅烧温度为150~800℃,煅烧时间为5~300min;所述非氧化性气氛为氮气、氩气和氢气的一种或多种。
18、优选地,所述步骤①的氮化物为氮化铝、六方氮化硼或立方氮化硼、氮化钛、氮化钽、氮化钒、氮化磷、氮化硅、氮化锂、氮化镁的一种或多种;所述氮化物的粒度d10<10μm,d50<30μm,d99<60μm。
19、与现有技术相比,本发明的优点在于:
20、1、简化制备过程:本发明的制备方法简单,仅需两次包覆后煅烧,降低了制备成本,提高了在大规模连续生产中的应用可能性;
21、2、提高磁性能:包覆得到的涂层较薄,不会明显降低磁性材料的磁性能,也不会增加其重量,更适合于各种应用;
22、3、降低热导率和损耗:硅酸盐、氮化物、氧化钇、三氧化二铋、二氧化钛具有良好的绝缘性能;可以降低涡流损耗,同时热导率高,同时降低器件温升,从而提高制得的软磁复合材料粉体的使用效率和使用寿命;
23、4、提高耐腐蚀性和稳定性:本发明的改善材料的表面性能,涂层完整均匀,可以有效保护铁磁粉末核心颗粒,提高其耐腐蚀性和稳定性,从而提高磁性材料的使用寿命。
24、5、不使用酒精、乙酸甲酯等低闪点有机溶剂以及磷酸等化学试剂,减少包覆过程中的挥发性有机化合物排放,过程无氢气产生,保证生产的安全。