本發明涉及一種復合磁粉芯材料，尤其是涉及一種高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯及其制備方法。

背景技術：

金屬軟磁粉芯是用金屬或合金粉末壓制而成的一種新型軟磁材料。它具有良好的綜合性能，既保留了金屬軟磁飽和磁通密度髙的優點和鐵氧體軟磁高電阻率的優良特性，同時又最大限度地克服了金屬軟磁渦流損耗大和鐵氧體軟磁飽和磁通密度低等缺點，具有恒磁導率、飽和磁通密度較高、直流偏置能力強、工作頻率較寬等優點，從而對于電力電子器件向小型化、高頻化、節能化、高效化的方向發展，具有重要意義。目前，國內外有關軟磁粉巧的研究內容主要包括：粉末的形貌和粒度分布、絕緣包覆、壓制成型、熱處理工藝等，但研究均不成體系，且缺乏制備參數對磁電性能影響的系統研究。

利用有機絕緣包覆劑具有絕緣性能好的特點來包覆金屬粉末從而制備得到金屬磁粉芯，使得金屬磁粉芯在交流場中具有低功率損耗的優點。然而有機包覆的磁粉的抗壓性能和耐熱性能均較差，而磁粉芯胚體致密度的降低和退火溫度熱處理的下降都會對磁粉芯磁性能產生不利影響，因此人們對無機絕緣包覆劑開展了研究。陶瓷(金屬氧化物)絕緣包覆層(氧化鎂、氧化鍋、三氧化二鐵、四氧化三鐵、鎳鋅鐵氧體、鋅鐵氧體等)具有較高的耐熱度，因而能夠滿足退火熱處理對絕緣包覆層熱穩定性的要求，但由于陶瓷(金屬氧化物)具有硬脆性，采用該方法包覆的金屬粉末其表面的絕緣包覆層，在壓制成型過程中容易發生破裂，使得包覆絕緣不均勾，增加磁芯的渦流損耗。近年來發展起來的放電等離子燒結(SPS)利用直流脈沖電流直接通電燒結的加壓燒結方法，通過調節脈沖直流電的大小控制升溫速率和燒結溫度，是集等離子活化、熱壓和電阻加熱為一體，具有升溫速率快、燒結時間短、冷卻迅速、晶粒均勻，并能保持原始材料的自然狀態，材料致密度高、密度均勻性好、外加壓力和燒結氣氛可控等特點的一種新型的快速燒結技術。

哈爾濱工業大學的劉菲菲等人采用化學處理法，通過磷酸在鐵粉表面產生化學反應直接生成無機玻璃包覆層，并利用粉末冶金工藝通過壓制成型退火熱處理得到鐵粉基軟磁復合材料(SMCs)。結果表明，通過化學反應處理能夠實現鐵粉表面的絕緣包覆，但在600℃左右玻璃態磷酸鐵會發生晶化反應，從而可能轉變成為導體使得絕緣包覆層的絕緣性被破壞。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯及其制備方法。

本發明利用放電等離子燒結(SPS)制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯。并且使得Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末包覆均勻，燒結出的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯具有高致密度、高飽和磁化強度、低矯頑力、性能穩定、高電阻率，從而實現高頻低鐵損。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯，其由成分組成為Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂的核殼結構粉末燒結制得，成分組成為Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂的核殼結構粉末中，Fe-6.5wt.％Si粉末為核，材料組成為MnZn(Fe₂O₄)₂的粉末包覆在Fe-6.5wt.％Si粉末的外側形成殼。

成分組成為Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂的核殼結構粉末中，成分為MnZn(Fe₂O₄)₂的粉末形成的殼的厚度為0.5-1.5μm。

一種高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯的制備方法，包括以下步驟：

(1)干式攪拌磨法制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末：將Fe-6.5wt.％Si粉末與納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末按一定質量配比后進行干式攪拌球磨，獲得Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末；

(2)放電等離子(SPS)燒結制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體材料：將Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末進行SPS燒結，獲得塊體復合材料；

(3)真空熱處理：對塊體復合材料進行真空熱處理。

進一步地，步驟(1)制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末時，采用干式攪拌球磨法，通入0.3-0.5MPa的氬氣保護，并通入循環水冷卻。

進一步地，球磨工藝參數為：球料比20:1-35:1，轉速200r/min-250r/min，球磨時間0.5h-2h。

進一步地，步驟(1)中所述的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂粉末具有核殼結構，即Fe-6.5wt.％Si粉末表面均勻包覆一層0.5-1.5μm厚的MnZn(Fe₂O₄)₂粉末。

進一步地，步驟(1)中制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末時，納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末添加量為Fe-6.5wt.％Si粉末的4wt.％-12wt.％，優選為6wt.％。

進一步地，步驟(2)中所述的放電等離子燒結工藝為：燒結溫度650℃-850℃，保溫時間4min-8min，升溫速率60℃/min-100℃/min，燒結壓力50Mpa-60MPa，真空度≤10^-3Pa-2*10^-3Pa。

進一步地，步驟(3)所述的真空退火處理工藝為：先控制加熱速度為5-20℃/min升溫到500℃-650℃，再控制加熱速度為10℃/min-20℃/min升溫到700℃-850℃，然后再700℃-850℃保溫1h-2h，真空度≤10^-3Pa-2*10^-3Pa。

真空熱處理后還可以進行試樣切割：將塊體復合材料采用金剛石線切割機切割得到環形Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯。

與現有技術相比，本發明具有以下優點及有益效果：

(1)本發明制備的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末利用干式攪拌磨的方式。充分利用了攪拌磨能量利用率高并具有攪拌和分散作用的特點，綜合動量及沖量的作用，有效地進行包覆，制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末包覆均勻，MnZn(Fe₂O₄)₂粉末較好地包覆在Fe-6.5wt.％Si粉末表面，厚度為0.5-1.5μm。

(2)本發明制備的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯，由于采用高電阻率的MnZn(Fe₂O₄)₂進行絕緣包覆，使得燒結后的復合磁粉芯顆粒間絕緣，顯著提高了電阻率，降低了高頻渦流損耗。

(3)本發明中利用SPS制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體復合材料，在較短時間內快速燒結致密化，所得產品成分均勻，晶粒尺寸小，保留了原有粉末優異的磁性能(高飽和磁化強度及低矯頑力)。相較于傳統的粉末冶金方法，避免軋制，同時可以有效地降低燒結溫度和壓強。工藝簡單，性能穩定，重復性高。

(4)本發明采用圓柱形石墨模具，先利用SPS制備出Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體復合材料，熱處理后利用金剛石線切割機切割得到環形磁粉芯。常規方法中，大多利用圓環形模具直接制備環形磁粉芯，但是存在容易產生裂紋，厚度不均勻等問題，并且成品率很低。本發明中采用先燒結成塊體再切環的方法有效避免了以上問題，磁粉芯形狀精度高，性能均勻穩定。

附圖說明

圖1是本發明的工藝流程圖。

圖2是利用干式攪拌球磨下Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末的SEM圖像。

具體實施方式

高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯的制備方法，包括以下步驟：

(1)干式攪拌磨法制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末：將Fe-6.5wt.％Si粉末與納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末按一定質量配比后進行干式攪拌球磨，獲得Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末；

(2)放電等離子(SPS)燒結制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體材料：將Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末進行SPS燒結，獲得塊體復合材料；

(3)真空熱處理：對塊體復合材料進行真空熱處理。

進一步地，步驟(1)制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末時，所述MnZn(Fe₂O₄)₂粉末平均粒徑為50nm，所述的Fe-6.5wt.％Si粉末平均粒徑為45μm。采用干式攪拌球磨法，通入0.3MPa-0.5MPa的氬氣保護，球磨過程中通過研磨泵外套的循環水冷卻進行溫度控制，以避免過度發熱影響粉末性能。

進一步地，球磨工藝參數為：球料比20:1-35:1，轉速200r/min-250r/min，球磨時間0.5h-2h。

進一步地，步驟(1)中所述的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂粉末具有核殼結構，即Fe-6.5wt.％Si粉末表面均勻包覆一層0.5-1.5μm厚的MnZn(Fe₂O₄)₂粉末。

進一步地，步驟(1)中制備Fe-6.5wt％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末時，納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末添加量為Fe-6.5wt.％Si粉末的4wt.％-12wt.％。

進一步地，步驟(2)中所述的放電等離子燒結工藝為：：燒結溫度650℃-850℃，保溫時間4min-8min，升溫速率60℃/min-100℃/min，燒結壓力50MPa-60MPa，真空度≤10^-3Pa-2*10^-3Pa。

進一步地，步驟(3)所述的真空退火處理工藝為：先控制加熱速度為5℃/min-10℃/min升溫到500℃-600℃，再控制加熱速度為10℃/min-20℃/min升溫到700℃-850℃，然后再700℃-850℃保溫1-2h，真空度≤10^-3Pa-2*10^-3Pa。

真空熱處理后還可以進行試樣切割：將塊體復合材料采用金剛石線切割機切割得到環形Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯。

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

參考圖1的工藝流程，將94wt.％的平均粒徑為45μm的Fe-6.5wt.％Si氣霧化粉末與6wt.％的50nm的MnZn(Fe₂O₄)₂粉末稱重后混合。利用攪拌球磨機進行干式攪拌球磨，所用不銹鋼球球徑為3mm，球料比為35:1，轉速為250r/min，球磨時間為2h，保護氣氛為0.5MPa的氬氣，球磨過程中通過研磨泵外套的循環水冷卻進行溫度控制，溫度保持在12-15℃。將攪拌球磨制備的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構包覆粉末稱重12g，放入圓柱形石墨模具中進行SPS燒結得到22×5mm的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體復合材料。燒結工藝參數如下：燒結溫度850℃，保溫時間8min，燒結壓力60MPa，升溫速率50K/min。將燒結塊體進行700℃，2h的真空熱處理，真空度≤10^-3Pa。隨后，利用金剛石線切割機將燒結塊體切成22×18×5mm的環形Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯。

實施例2

本實施例中，SPS燒結工藝參數如下：燒結溫度750℃，保溫時間8min，燒結壓力60MPa，升溫速率60℃/min。Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構包覆粉末的制備方法、Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體復合材料的真空熱處理參數及金剛石線切割方式與實施例1相同。

對比例

稱取15g的Fe-6.5wt.％Si氣霧化粉末放入圓柱形石墨模具中進行SPS燒結得到22×5mm的Fe-6.5wt.％Si塊體材料。燒結工藝參數如下：燒結溫度750℃，保溫時間8min，燒結壓力60MPa，升溫速率60℃/min。將燒結塊體進行800℃，2h的真空熱處理，真空度≤10^-3Pa。隨后，利用電火花線切割機將燒結塊體切成22×18×5mm的環形Fe-6.5wt.％Si磁粉芯。Fe-6.5wt.％Si磁粉芯飽和磁化強度降低約206.22emu/g，矯頑力為8.44Oe，電阻率為8.5×10^-7Ω·m，高頻渦流損耗較大。

實施例1、2制備的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末的SEM圖如圖2所示。

實施例1、2通過SPS制備的Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯以及對比例中通過SPS制備Fe-6.5wt.％Si磁粉芯的磁性能比較如表1所示。

表1磁性能對比

從圖2和表1中可以看出：實施例1中，MnZn(Fe₂O₄)₂粉末均勻包覆在Fe-6.5wt.％Si表面，電阻率相較于對比例提高了近18倍，同時，絕緣層有效地將渦流限制在顆粒內部，使得高頻渦流損耗相較于對比例降低了近4倍。實施例1中，Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯比Fe-6.5wt.％Si磁粉芯飽和磁化強度降低約12emu/g，具有優異的軟磁性能。

從圖2和表1中可以看出：實施例2中，MnZn(Fe₂O₄)₂粉末均勻包覆在Fe-6.5wt.％Si表面，電阻率相較于對比例提高了近34倍，同時，絕緣層有效地將渦流限制在顆粒內部，使得高頻渦流損耗相較于對比例降低了近5倍。實施例2中，Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯比Fe-6.5wt.％Si磁粉芯飽和磁化強度降低約6emu/g，矯頑力基本相近，具有優異的軟磁性能。

實施例3

高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯的制備方法，包括以下步驟：

(1)干式攪拌磨法制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末：將Fe-6.5wt.％Si粉末與納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末按一定質量配比后進行干式攪拌球磨，獲得Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末，即Fe-6.5wt.％Si粉末表面均勻包覆一層0.5-1.5μm厚的MnZn(Fe₂O₄)₂粉末；

其中，所述MnZn(Fe₂O₄)₂粉末平均粒徑為50nm，所述的Fe-6.5wt.％Si粉末平均粒徑為45μm，納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末添加量為Fe-6.5wt.％Si粉末的4wt.％。采用干式攪拌球磨法，球磨工藝參數為：球料比20:1，轉速200r/min，球磨時間1h。通入0.4MPa的氬氣保護，球磨過程中通過研磨泵外套的循環水冷卻進行溫度控制，以避免過度發熱影響粉末性能。

(2)放電等離子(SPS)燒結制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體材料：將Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末進行SPS燒結，獲得塊體復合材料；

其中，放電等離子燒結工藝為：燒結溫度650℃，保溫時間8min，升溫速率60℃/min，燒結壓力60MPa，真空度≤2*10^-3Pa。

(3)真空熱處理：對塊體復合材料進行真空熱處理，真空退火處理工藝為：先控制加熱速度為5℃/min升溫到500℃，再控制加熱速度為10℃/min升溫到700℃，然后再700℃保溫2h，真空度≤10^-3Pa。

真空熱處理后還可以進行試樣切割：將塊體復合材料采用金剛石線切割機切割得到環形Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯。

實施例4

高硅鋼鐵氧體軟磁復合磁粉芯的制備方法，包括以下步驟：

(1)干式攪拌磨法制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末：將Fe-6.5wt.％Si粉末與納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末按一定質量配比后進行干式攪拌球磨，獲得Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末，即Fe-6.5wt.％Si粉末表面均勻包覆一層0.5-1.5μm厚的MnZn(Fe₂O₄)₂粉末；

其中，所述MnZn(Fe₂O₄)₂粉末平均粒徑為50nm，所述的Fe-6.5wt.％Si粉末平均粒徑為45μm，納米MnZn(Fe₂O₄)₂粉末添加量為Fe-6.5wt.％Si粉末的12wt.％。采用干式攪拌球磨法，球磨工藝參數為：球料比30:1，轉速220r/min，球磨時間0.5h。通入0.3MPa的氬氣保護，球磨過程中通過研磨泵外套的循環水冷卻進行溫度控制，以避免過度發熱影響粉末性能。

(2)放電等離子(SPS)燒結制備Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂塊體材料：將Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂核殼結構粉末進行SPS燒結，獲得塊體復合材料；

其中，放電等離子燒結工藝為：燒結溫度750℃，保溫時間6min，升溫速率100℃/min，燒結壓力50MPa，真空度≤10^-3Pa。

(3)真空熱處理：對塊體復合材料進行真空熱處理，真空退火處理工藝為：先控制加熱速度為10℃/min升溫到600℃，再控制加熱速度為20℃/min升溫到850℃，然后再850℃保溫1h，真空度≤2*10^-3Pa。

真空熱處理后還可以進行試樣切割：將塊體復合材料采用金剛石線切割機切割得到環形Fe-6.5wt.％Si/MnZn(Fe₂O₄)₂復合磁粉芯。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。