铁硅铝软磁粉芯及其制备方法
阅读说明：本技术 铁硅铝软磁粉芯及其制备方法 (Fe-Si-Al soft magnetic powder core and preparation method thereof ) 是由 董亚强 陆浩 贺爱娜 黎嘉威 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种铁硅铝软磁粉芯的制备方法,其通过选用铁硅铝磁粉,创造性的设计了磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂三层包覆结构,将有机包覆与无机包覆相结合,实现了磁粉的均匀包覆,能够使材料的耐温性能大幅提升,相对于现有的包覆材料进一步提升了磁粉的退火温度,制备出了有效磁导率可达66的铁硅铝软磁粉芯,具备优异的软磁性能,尤其是软磁粉芯的直流性能得到大幅度提升,在100Oe条件下的粉芯直流偏置性能高于55％,在50kHz、100mT条件下体积损耗低于170mW/cm～(3)。(The invention provides a preparation method of a Fe-Si-Al soft magnetic powder core, which is characterized in that Fe-Si-Al magnetic powder is selected, a phosphate-silane-Si-containing aryne resin three-layer coating structure is creatively designed, organic coating and inorganic coating are combined, uniform coating of the magnetic powder is realized, the temperature resistance of the material can be greatly improved, the annealing temperature of the magnetic powder is further improved compared with the existing coating material, the Fe-Si-Al soft magnetic powder core with the effective magnetic conductivity of 66 is prepared, the Fe-Si-Al soft magnetic powder core has excellent soft magnetic performance, particularly the direct current performance of the soft magnetic powder core is greatly improved, the direct current bias performance of the powder core under the condition of 100Oe is higher than 55%, and the volume loss is lower than 170mW/cm under the conditions of 50kHz and 100mT 3 。)
技术领域
本发明涉及软磁材料
技术领域
，尤其涉及一种铁硅铝软磁粉芯的制备方法。背景技术
我国电感器行业市场规模到2024年将达到220.2亿元。其中，铁硅铝磁粉芯以其优异的软磁性能，在民用领域占有80％以上的市场；但是，由于其饱和磁感应强度较低，直流偏置特性较差，使其在高端产品上的应用受到限制。因此，如何以现有铁硅铝合金体系为基础，通过合金成分优化、第二相复合等方法，提高其饱和磁感应强度，并通过制备工艺优化，降低损耗，提高性能稳定性，是铁硅铝磁粉芯的发展方向。
公开号为CN104795195A的中国专利中公布了一种铁硅铝磁芯的制备方法，在1000℃、H2条件下对金属磁粉进行预处理1～1.5h，再经过147μm、104μm、61μm、45μm过筛得到过磁粉，将过筛粉通过铬酐进行表面绝缘钝化、压制成型、热处理，制备出磁导率为138的磁粉芯，其在50kHz、50mT条件的体积损耗为68mW/cm3，该专利公布的方法需要对磁粉进行高温预处理，工艺流程复杂；公开号为CN108777205A的中国专利中制备出了由铁硅铝磁粉和铁基非晶磁粉组成的复合粉芯，磁导率为140，其在50kHz、50mT条件的体积损耗为68mW/cm3；该专利公布的方法采用了铁基非晶材料，提升了材料成本，并且损耗性能没有得到明显提升；公开号CN107675074B的中国专利通过合金熔炼、球磨破损与热处理工艺，制备出了180目的破碎法铁硅铝金属磁粉；采用该专利公布的金属磁粉制备出的60μ铁硅铝粉芯在直流场强50Oe条件下抗直流性能约70％。
针对电子电力器件领域对软磁粉芯性能提升需求，尤其是软磁粉芯的直流偏置性能未能得到满足市场需求。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种铁硅铝软磁粉芯的制备方法，本申请制备的铁硅铝软磁粉芯大幅度提高了铁硅铝软磁粉芯的磁电性能，尤其是直流偏置性能。
有鉴于此，本申请提供了一种铁硅铝软磁粉芯，由铁硅铝磁粉和磁粉表面依次为磷酸盐、硅烷和含硅芳炔树脂的包覆层组成。
本申请还提供了所述的铁硅铝软磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
A)将铁硅铝磁粉和磷酸溶液混合，加热反应，干燥后得到磷酸盐包覆铁铝硅的粉末；所述铁硅铝磁粉中包括5.0～15.0wt％的Si、3.0～10.0wt％的Al和余量的Fe；
B)将所述磷酸盐包覆铁硅铝的粉末与硅烷水解液混合，反应后得到具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉，将所述具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉与含硅芳炔树脂溶液混合，反应，得到具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉；
C)将步骤B)得到的磁粉与粘结剂、脱模剂混合，压制得到成型磁芯；
将所述成型磁芯热处理，得到半成品磁芯；
D)在所述半成品磁芯表面喷涂涂层，得到金属软磁粉芯。
优选的，所述磷酸溶液中磷酸为所述铁硅铝磁粉的0.05～2wt％，乙醇为所述铁硅铝磁粉的2～5wt％。
优选的，所述硅烷水解液选自硅烷的醇溶液和硅烷的水溶液中的一种或两种，所述硅烷水解液中的硅烷选自γ-(2，3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
优选的，所述粘结剂选自硅氧烷树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂硅酸钠、硅酸锂、硅酸铝、环氧树脂和硅树脂的一种或多种；所述脱模剂选自硬脂酸锌、硬脂酸钙、滑石粉和云母粉中的一种或多种。
优选的，所述含硅芳炔树脂溶液为含硅芳炔树脂的丙酮溶液，所述含硅芳炔树脂的用量为所述具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉的1～5wt％。
优选的，所述压制的压力为1500～2500MPa，所述热处理的温度为550～850℃，保温时间为30～150min。
优选的，步骤C)中，所述粘结剂为所述磁粉的0.1～0.9wt％，所述脱模剂为所述磁粉的0.3～1.0wt％。
优选的，步骤A)中，所述加热的温度为50～100℃。
优选的，步骤A)中，所述铁硅铝磁粉为平均粒度200目的气雾化铁硅铝磁粉。
本申请提供了一种铁硅铝软磁粉芯的制备方法，其制备的磁粉是具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂三层保护结构的，将有机包覆和无机包覆相结合，实现了铁硅铝磁粉的均匀包覆，大幅度提高了铁硅铝软磁粉芯的磁电性能，尤其是粉芯的直流偏置性能大幅度提升，在100Oe条件下的粉芯直流偏置性能最高可达56％，远高于市场主流产品36％的性能。此外，本专利公布的方法无需对原粉料进行后续粒度配比、还原性气体保护热处理工序，操作简便，具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的软磁复合材料表面形貌SEM图；
图2为本发明制备的具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉的流程示意图；
图3为本发明制备的具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉的反应原理图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有技术中软磁粉芯的性能需求，本申请公开了一种高直流偏置性能低损耗铁硅铝软磁粉芯及其制备方法，能够有效提升铁硅铝的直流偏置性能以满足未来市场的应用需求。具体的，本发明实施例公开了一种铁硅铝软磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
A)将铁硅铝磁粉和磷酸溶液混合，加热反应，干燥后得到磷酸盐包覆铁铝硅的粉末；所述铁硅铝磁粉中包括9.0～9.6wt％的Si、4.9～5.5wt％的Al和余量的Fe；
B)将所述磷酸盐包覆铁硅铝的粉末与硅烷水解液混合，反应后得到具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉，将所述具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉与含硅芳炔树脂溶液混合，反应，得到具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉；
C)将步骤B)得到的磁粉与粘结剂、脱模剂混合，压制得到成型磁芯；
将所述成型磁芯热处理，得到半成品磁芯；
D)在所述半成品磁芯表面喷涂涂层，得到金属软磁粉芯。
在上述铁硅铝软磁粉芯的制备过程中，本申请首先将铁硅铝磁粉和磷酸溶液混合，加热反应，干燥后得到磷酸盐包覆铁铝硅的粉末；在此过程中，所述铁硅铝磁粉优选粒度为-200目的气雾化铁硅铝磁粉，所述铁硅铝磁粉中Si的含量可以为7.0wt％、8.0wt％、9.0wt％、10.0wt％、11.0wt％、12.0wt％、13.0wt％、14.0wt％或15.0wt％，Al的含量可以为3.0wt％、4.0wt％、5.0wt％、6.0wt％、7.0wt％、8.0wt％、9.0wt％或10.0wt％。为了使得上述反应充分进行，上述反应具体为：将铁硅铝软磁粉体加入磷酸溶液中，常温下均匀搅拌，形成均匀的混合浆料，随后将混合浆料转移到水浴锅中，加热至50～100℃，持续保温搅拌，使磷酸和粉体充分反应，保温结束后，进行磁性分离干燥后，得到磷酸盐包覆的粉末。上述磷酸溶液中磷酸为所述铁硅铝磁粉的0.05～2wt％，乙醇为所述铁硅铝磁粉的2～5wt％；更具体地，所述磷酸为所述铁硅铝磁粉的0.1～1.2wt％，所述乙醇为所述铁硅铝磁粉的3～4wt％。所述常温下搅拌的时间为15～25min，所述加热的温度为60～80℃，继续保温搅拌的时间为20～40min。
按照本发明，再将上述磷酸盐包覆铁硅铝的粉末与硅烷水解液混合，反应后得到具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉；在此过程中，所述硅烷水解液选自硅烷的醇溶液和硅烷的水溶液中的一种或两种，所述硅烷水解液中的硅烷选自γ-(2，3环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷和3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。然后将所述具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉与含硅芳炔树脂溶液混合，反应，得到具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉；上述具体过程如图2、图3所示。在上述过程中，所述含硅芳炔树脂溶液为含硅芳炔树脂的丙酮溶液。所述含硅芳炔树脂的用量为所述具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉的1～5wt％；更具体地，所述含硅芳炔树脂的用量为所述具有磷酸盐-硅烷包覆层的铁硅铝磁粉的2～4wt％。在上述形成磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉的过程中，若先加入含硅芳炔树脂，则树脂会包覆于磁粉基体表面，会阻止磷酸与磁粉基体的反应，而硅烷增强了树脂与磷酸盐层之间的结合力。
本申请然后将上述得到的铁硅铝磁粉与粘结剂、脱模剂混合，压制得到成型磁芯；所述粘结剂具体选自硅氧烷树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂硅酸钠、硅酸锂、硅酸铝、环氧树脂和硅树脂的一种或多种；所述脱模剂选自硬脂酸锌、硬脂酸钙、滑石粉和云母粉中的一种或多种。所述粘结剂为所述磁粉的0.1～0.9wt％，所述脱模剂为所述磁粉的0.3～1.0wt％。所述压制的压力为1500～2500MPa，更具体地，所述压制的压力为1600～2200MPa。在压制之后，则将得到的成型磁芯进行热处理；所述热处理的温度为550～850℃，保温时间为30～150min，更具体地，所述热处理的温度为600～700℃，保温时间为60～80min。
本申请最后将上述得到的半成品磁芯表面喷涂涂层，以得到金属软磁粉芯，所述涂层为环氧树脂涂层。
按照本发明，上述方法制备的铁硅铝软磁粉芯中的铁硅铝磁粉表面依次包覆有磷酸盐、硅烷和含硅芳炔树脂。
本申请提供了一种铁硅铝软磁粉芯，其通过优选采用气雾化铁硅铝磁粉，创造性的设计了磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂三层包覆结构，将有机包覆与无机包覆相结合，实现了磁粉的均匀包覆，能够使材料的耐温性能大幅提升，实验结果表明，本申请可以制备出的有效磁导率可达88的铁硅铝磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置为41％，50kHz、100mT下的体积损耗为196.5mW/cm3，软磁性能优越。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铁硅铝软磁粉芯及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
选用原粉粒度为-200目的合金成分质量比分别为Si9.0％、Al6.0％，剩余为Fe的铁硅铝磁粉，加入所占磁粉质量比0.1％的磷酸以及50g的乙醇，在70℃下水浴加热50min，磁性分离后得到磷酸盐包覆的磁粉，将磁粉加入硅烷水解液中，干燥后得到磷酸盐-硅烷共包覆的磁粉，随后将粉末加入含硅芳炔树脂-丙酮溶液中，含硅芳炔树脂质量占比为磁粉的2％，干燥后得到磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂共包覆磁粉；向磁粉加入适量粘结剂与脱模剂，并混合均匀，得到待成型磁粉；采用压制压强为1800MPa将混合均匀的待成型磁粉压制成粉芯毛坯件，其中粉芯毛坯件为外径20.3mm内径12.7mm高5mm的环形粉芯，在高真空条件下，将压制成型的粉芯毛坯件在700℃保温60min得到半成品磁粉芯；最后向半成品磁粉芯表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，干燥得到金属软磁粉芯成品。图1为本实施例制备的具有磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂包覆层的磁粉的SEM照片，由图可知，树脂作为最外层包裹了磁粉基体，磷酸盐在微观下为疏松多孔结构，很好的保护了内层，且硅烷层增加了两者的结合力。
通过本专利公布的方法制备出的有效磁导率88的铁硅铝磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置为41％，50kHz、100mT下的体积损耗为196.5mW/cm3，软磁性能优越。
实施例2
选用原粉粒度为-200目的合金成分质量比分别为Si9.0％、Al6.0％，剩余为Fe的铁硅铝磁粉，加入所占磁粉质量比0.3％的磷酸以及50g的乙醇，在70℃下水浴加热50min，磁性分离后得到磷酸盐包覆的磁粉，将磁粉加入硅烷水解液中，干燥后得到磷酸盐-硅烷共包覆的磁粉，随后将粉末加入含硅芳炔树脂-丙酮溶液中，含硅芳炔树脂质量占比为磁粉的2％，干燥后得到磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂共包覆磁粉；向磁粉加入适量粘结剂与脱模剂，并混合均匀，得到待成型磁粉；采用压制压强为1800MPa将混合均匀的待成型磁粉压制成粉芯毛坯件，其中粉芯毛坯件为外径20.3mm内径12.7mm高度5mm的环形粉芯，在高真空条件下，将压制成型的粉芯毛坯件在700℃保温60min得到半成品磁粉芯；最后向半成品磁粉芯表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，干燥得到金属软磁粉芯成品。
通过本专利公布的方法制备出的有效磁导率74的铁硅铝磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置为49％，50kHz、100mT下的体积损耗为185.6mW/cm3，软磁性能优越。
实施例3
选用原粉粒度为-200目的合金成分质量比分别为Si9.0％、Al6.0％，剩余为Fe的铁硅铝磁粉，加入所占磁粉质量比0.6％的磷酸以及50g的乙醇，在70℃下水浴加热50min，磁性分离后得到磷酸盐包覆的磁粉，将磁粉加入硅烷水解液中，干燥后得到磷酸盐-硅烷共包覆的磁粉，随后将粉末加入含硅芳炔树脂-丙酮溶液中，含硅芳炔树脂质量占比为磁粉的2％，干燥后得到磷酸盐-硅烷-含硅芳炔树脂共包覆磁粉；向磁粉加入适量粘结剂与脱模剂，并混合均匀，得到待成型磁粉；采用压制压强为1800MPa将混合均匀的待成型磁粉压制成粉芯毛坯件，其中粉芯毛坯件为外径20.3mm内径12.7mm高度5mm的环形粉芯，在高真空条件下，将压制成型的粉芯毛坯件在700℃保温60min得到半成品磁粉芯；最后向半成品磁粉芯表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，干燥得到金属软磁粉芯成品。
通过本专利公布的方法制备出的有效磁导率66的铁硅铝磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置为56％，50kHz、100mT下的体积损耗为169.7mW/cm3，软磁性能优越。
对比例1
选用原粉粒度为-200目的合金成分质量比分别为Si9.0％、Al6.0％，剩余为Fe的铁硅铝磁粉，将磁粉加入含硅芳炔树脂-丙酮溶液中，含硅芳炔树脂质量为磁粉的2％，干燥后加入硅烷水解液中，加入所占磁粉质量比0.6％的磷酸以及50g的乙醇，在70℃下水浴加热50min，磁性分离后得到磁粉，向磁粉加入适量粘结剂与脱模剂，并混合均匀，得到待成型磁粉；采用压制压强为1800MPa将混合均匀的待成型磁粉压制成粉芯毛坯件，其中粉芯毛坯件为外径20.3mm内径12.7mm高度5mm的环形粉芯，在高真空条件下，将压制成型的粉芯毛坯件在700℃保温60min得到半成品磁粉芯；最后向半成品磁粉芯表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，干燥得到金属软磁粉芯成品。
通过本专利公布的方法制备出的有效磁导率73的铁硅铝磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置为31％，50kHz、100mT下的体积损耗为298.8mW/cm3。
对比例2
选用原粉粒度为-200目的合金成分质量比分别为Si9.0％、Al6.0％，剩余为Fe的铁硅铝磁粉，加入所占磁粉质量比2％的将粉末加入含硅芳炔树脂-丙酮溶液中，含硅芳炔树脂质量占比为磁粉的2％，干燥后得到含硅芳炔树脂共包覆磁粉；向磁粉加入适量粘结剂与脱模剂，并混合均匀，得到待成型磁粉；采用压制压强为1800MPa将混合均匀的待成型磁粉压制成粉芯毛坯件，其中粉芯毛坯件为外径20.3mm内径12.7mm高度5mm的环形粉芯，在高真空条件下，将压制成型的粉芯毛坯件在700℃保温60min得到半成品磁粉芯；最后向半成品磁粉芯表面喷涂一层绝缘、耐高温的环氧树脂涂层，干燥得到金属软磁粉芯成品。磁导率为92的铁硅铝磁粉芯在100Oe条件下的直流偏置为28％，50kHz、100mT下的体积损耗为250.6mW/cm3。
表1对比例1以及实施例1～4的性能测试结果数据表
综上，本发明提供的软磁复合材料的制备方法，工艺简单，条件温和，易于产业化，具有广泛的应用前景。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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