CN104028750B - 一种金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法。它包括如下步骤：1）将金属磁粉过筛进行粒度配比；2）利用溶胶凝胶法对配好的金属磁粉进行绝缘包覆后干燥；3）将干燥后的磁粉与粘结剂混合均匀，加入脱模剂干压成型，将其压制成磁环；4）将磁环于保护气氛中保温，空冷，喷涂，得到目标产物。本发明采用溶胶凝胶法制备的复合粉末与磁粉颗粒结合强度高，包覆均匀、致密，包覆层厚度可控，具有良好的抗氧化性、高的饱和磁化强度，具有优良的磁性能和力学性能；结合强度高，不易脱落，包覆效果优于现有方法，且可操作性强，便于批量生产；有效提高软磁金属颗粒的电阻率，大幅降低软磁复合材料的磁芯损耗。

Description

一种金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法

技术领域

本发明涉及磁性材料的制备技术领域，尤其涉及一种金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法。

背景技术

金属软磁复合材料是由具有铁磁性的粉末颗粒与绝缘物质混合压制而成的一种软磁材料。金属软磁复合材料既保留了金属软磁和铁氧体软磁的一部分优良特性，同时又克服了两者的一些缺陷，综合性能极佳。软磁复合材料常用制备过程包括：粉末钝化、绝缘包覆、压制成型以及热处理等。其中绝缘包覆是软磁复合材料制备过程中一个重要的环节，包覆的好坏直接影响到软磁复合材料的频率特性等磁性能，高频下，良好的绝缘包覆可以显著降低材料的涡流损耗。而在压制成型过程中，结合性差的绝缘层容易破碎，同时由于压制过程会产生大量内应力与缺陷，造成磁滞损耗的增加，需要通过高温热处理来消除残余内应力，因而要求绝缘包覆剂的热稳定性良好，不会在退火过程中发生分解。因此迫切需要制备致密、结合性好且具有良好热稳定性的绝缘包覆层。

专利CN100500783C采用由SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、云母粉的纳米颗粒混合物作为绝缘剂制备FeSiAl软磁复合材料，但是磁粉与绝缘剂的均匀混合较难控制，难以对磁粉进行均匀包覆，并且氧化物绝缘包覆层与磁粉结合强度不高，压制过程中容易脱落，从而影响包覆效果造成磁芯损耗增加。日本专利特开平9-74011及特开平9-125108公开了采用无机绝缘粘结剂硅酸钠来制备FeSiAl软磁复合材料，但是该软磁复合材料在热处理过程中，由于硅酸钠的分解导致产生裂纹甚至脱落，从而降低了磁粉的绝缘性。

专利号为200910082072.4的中国发明专利公开了采用正硅酸乙酯和氨水等作为原料，运用溶胶凝胶法对FeSiAl磁粉表面包覆一层SiO₂绝缘层，且其包覆厚度可以根据正硅酸乙酯的浓度来进行调节，这也是溶胶凝胶法可以制备出尺寸大小均匀且可控的纳米颗粒的例证。但专利中没有给出所制备的金属软磁复合材料的磁性能。专利号为201310411806.5的中国发明专利公开了铁氧体复合磁粉芯的制备方法，该工艺通过水热法制备出铁氧体颗粒，然后采用机械混合的方式对磁粉进行包覆，虽然一定程度上克服了非磁性物质作为包覆剂时基体磁性能降低的缺点，但铁氧体颗粒与磁粉基体结合强度差，容易脱落，难以对磁粉进行良好的包覆。

专利号为201310212031.9的中国发明专利公开了一种金属软磁复合材料的制备方法，选用纳米氧化物分散液对金属磁粉进行绝缘包覆。由于这种分散液稳定性差，且纳米颗粒对磁粉的粘附性欠佳，难以实现均匀包覆，同时在磁粉加工成软磁复合材料的过程中，磁粉表面粘附的绝缘物质容易脱落，导致磁粉绝缘性能差，磁芯涡流损耗偏大。本发明与之区别的地方在于：本发明是通过溶胶凝胶法对金属粉末进行绝缘包覆，包覆层与磁粉结合强度高，均匀性好，且具有良好的热稳定性和较好的磁性能。

发明内容

针对目前软磁复合材料的绝缘包覆层结合强度低、包覆不均匀以及热稳定性差的缺陷，本发明提供了一种金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法，采用溶胶凝胶法对金属软磁复合材料包覆具有高结合强度的TiO₂绝缘层，本发明的技术方案如下：

金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法包括如下步骤：

1）粒度配比：对金属磁粉过筛后进行粒度配比，所述金属磁粉是铁基磁粉、铁硅基磁粉或铁镍基磁粉；

2）溶胶凝胶法绝缘包覆：在乙醇中溶解乙醇体积5~10%的钛酸四丁酯，在室温下搅拌30~120min，得到前驱体溶液；去离子水、冰醋酸和乙醇按体积比1:2：4~1:2:7相互混合，在搅拌的同时逐滴加入到前驱体溶液中；然后持续搅拌60~180min后得到黄色透明的TiO₂溶胶；TiO₂溶胶在回流条件下置于50~100oC的环境中直至形成凝胶；将金属磁粉与金属磁粉重量1.0~5.0%的凝胶混合搅拌，直至溶剂蒸发完全，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于50~100oC环境中干燥10~20h；再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在500~700oC下加热5~10h；向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量0.5~2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀；最后向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉总重0.5~2.0%的脱模剂并混合均匀，得到待成型磁粉；

3）压制成型：将待成型磁粉在600~2000MPa的压强下压制成型；

4）热处理：采用氮气或氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于400~650oC环境中保温30~120min；

5）表面喷涂：在步骤4）处理后的软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到金属软磁复合材料。

所述的金属磁粉的重量为10~20g，所述的前驱体溶液中乙醇的体积为100~150mL，所述的去离子水的体积为5~20mL。

所述的粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂、低熔点玻璃粉、SiO₂中的一种或多种。

所述的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙或二硫化钼中的一种或几种。

与现有的软磁复合材料制备方法相比，本发明主要具有如下优点：

（1）采用溶胶凝胶法制备的复合粉末与磁粉颗粒结合强度高，包覆均匀、致密，包覆层厚度可控，具有良好的抗氧化性、高的电阻率、高的饱和磁化强度，具有优良的磁性能和力学性能；

（2）采用溶胶凝胶法在金属磁粉表面均匀包覆一层TiO₂绝缘层，结合强度高，不易脱落，包覆效果优于现有方法，包覆处理温度低，可操作性强，便于批量生产；

（3）绝缘包覆层具有良好的耐热性能，可以在600oC以上的温度进行退火处理而不发生分解和破坏；

（4）绝缘包覆层电阻率较高，可以有效提高软磁复合材料的电阻率，大幅降低软磁复合材料的磁芯损耗。

具体实施方式

本发明采用具有高化学活性组分的钛酸四丁酯作前驱体，冰醋酸作催化剂，乙醇作溶剂，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

取5mL钛酸四丁酯（TBT）加入到100mL乙醇中，在室温下搅拌30min得到前驱体溶液；取5mL蒸馏水、10mL冰醋酸以及20mL乙醇相互混合，在搅拌的同时逐滴加入到前驱体溶液中；然后持续搅拌1h后得到黄色透明的TiO₂溶胶；溶液在回流条件下置于80oC的环境中直至形成凝胶；将20g纯铁粉过筛进行粒度配比后，将铁粉与占铁粉重量2.5%的凝胶混合，搅拌直至溶剂蒸发完全，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于70oC环境中干燥15h；再将磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在550oC下加热5h；向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量0.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为环氧树脂；向包覆磁粉中加入占包覆磁粉总重0.5%的脱模剂并混合均匀，所述的脱模剂为硬脂酸锌,得到待成型磁粉；将待成型磁粉在600MPa的压强下压制成外径23.6mm，内径14.4mm，高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氮气作保护气氛，将软磁复合材料置于400oC环境中保温120min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁基金属软磁复合材料。

在铁基软磁复合材料上采用线径Ф0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料电磁性能具体如下：

（1）软磁复合材料磁导率：65；

（2）10kHz/1V条件下，电感L=38.5μH；

（3）直流叠加性能：10kHz，H=100Oe时，L_H/L_O=44.2%；

（4）100kHz/1V条件下，品质因数Q=46；

（5）软磁复合材料损耗：50kHz/100mT时，P_CV=963.6mW/cm³。

实施例2

取10mL钛酸四丁酯（TBT）加入到120mL乙醇中，在室温下搅拌90min得到前驱体溶液；取5mL蒸馏水、10mL冰醋酸以及35mL乙醇相互混合，在搅拌的同时逐滴加入到前驱体溶液中；然后持续搅拌90min后得到黄色透明的TiO₂溶胶；溶液在回流条件下置于50oC的环境中直至形成凝胶；将15g铁硅铝磁粉过筛进行粒度配比后，将磁粉与占磁粉重量1.0%的凝胶混合，搅拌直至溶剂蒸发完全，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于50oC环境中干燥20h；再将磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在500oC下加热7h；向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量1.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为酚醛树脂；向包覆磁粉中加入占包覆磁粉总重1.0%的脱模剂并混合均匀，所述的脱模剂为硬脂酸钡和硬脂酸钙按质量比1:1混合的混合物,得到待成型磁粉；将待成型磁粉在2000MPa的压强下压制成外径23.6mm，内径14.4mm，高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于600oC环境中保温60min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁硅铝金属软磁复合材料。

在铁硅铝软磁复合材料上采用线径Ф0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料电磁性能具体如下：

（1）软磁复合材料磁导率：96；

（2）10kHz/1V条件下，电感L=48.2μH；

（3）直流叠加性能：10kHz，H=100Oe时，L_H/L_O=41.1%；

（4）100kHz/1V条件下，品质因数Q=67；

（5）软磁复合材料损耗：50kHz/100mT时，P_CV=231.5mW/cm³。

实施例3

取15mL钛酸四丁酯（TBT）加入到150mL乙醇中，在室温下搅拌120min得到前驱体溶液；取5mL蒸馏水、10mL冰醋酸以及30mL乙醇相互混合，在搅拌的同时逐滴加入到前驱体溶液中；然后持续搅拌180min后得到黄色透明的TiO₂溶胶；溶液在回流条件下置于100oC的环境中直至形成凝胶；将10g铁镍磁粉（铁、镍的质量百分比各为50%）过筛进行粒度配比后，将磁粉与占磁粉重量5.0%的凝胶混合，搅拌直至溶剂蒸发完全，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于100oC环境中干燥10h；再将磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在700oC下加热10h；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量分数2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为硅树脂；向包覆磁粉中加入占包覆磁粉总重2.0%的脱模剂并混合均匀，所述的脱模剂为硬脂酸锌和二硫化钼按质量比1：1混合的混合物，得到待成型磁粉；将待成型磁粉在1600MPa的压强下压制成外径23.6mm，内径14.4mm，高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氮气作保护气氛，将软磁复合材料置于650oC环境中保温30min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁镍基金属软磁复合材料。

在铁镍基软磁复合材料上采用线径Ф0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料电磁性能具体如下：

（1）软磁复合材料磁导率：156；

（2）10kHz/1V条件下，电感L=53.5μH；

（3）直流叠加性能：10kHz，H=100Oe时，L_H/L_O=74.1%；

（4）100kHz/1V条件下，品质因数Q=83；

（5）软磁复合材料损耗：50kHz/100mT时，P_CV=202.4mW/cm³。

Claims (3)

1.一种金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法，包括：

1）粒度配比：对金属磁粉过筛后进行粒度配比，所述金属磁粉是铁基磁粉、铁硅基磁粉或铁镍基磁粉，所述的金属磁粉的重量为10~20g；

其特征在于，还包括如下步骤：

2）溶胶凝胶法绝缘包覆：在乙醇中溶解乙醇体积5~10%的钛酸四丁酯，在室温下搅拌30~120min，得到前驱体溶液；去离子水、冰醋酸和乙醇按体积比1:2：4~1:2:7相互混合，在搅拌的同时逐滴加入到前驱体溶液中；所述的前驱体溶液中乙醇的体积为100~150mL，所述的去离子水的体积为5~20mL，然后持续搅拌60~180min后得到黄色透明的TiO₂溶胶；TiO₂溶胶在回流条件下置于50~100oC的环境中直至形成凝胶；将金属磁粉与金属磁粉重量1.0~5.0%的凝胶混合搅拌，直至溶剂蒸发完全，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于50~100oC环境中干燥10~20h；再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在500~700oC下加热5~10h；向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量0.5~2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀；最后向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉总重0.5~2.0%的脱模剂并混合均匀，得到待成型磁粉；

3）压制成型：将待成型磁粉在600~2000MPa的压强下压制成型，得到软磁复合材料；

4）热处理：采用氮气或氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于400~650oC环境中保温30~120min；

5）表面喷涂：在步骤4）处理后的软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到金属软磁复合材料。

2.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法，其特征在于：所述的粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂、低熔点玻璃粉、SiO₂中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的高结合强度绝缘包覆处理方法，其特征在于：所述的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙或二硫化钼中的一种或几种。