一种高强度低损耗的软磁合金复合材料及其制备方法

1.本发明涉及软磁合金材料制备的技术领域，尤其涉及一种高强度低损耗的复合材料其制备方法。


背景技术：

2.随着汽车电子化的普及和客户对汽车功能需求的不断提高，其中的dc-dc电源功率越来越大，该类dc-dc功率电源具有高频、低电压、大电流的特点。普通的软磁材料虽然适合高频，但因其bs低，易饱和，很难能满足大电流的使用要求，软磁合金材料因具有高bs、高磁导率、优异电流叠加和高居里温度等特点在该类大功率场景中应用得越来越多，但常规的软磁合金材料电阻率低、高频下涡流损耗大，导致发热严重损耗高而限制了其在高频下使用的比例。面对电子器件对高频化、低功耗及高可靠性的要求，一方面要提高软磁合金材料的电阻率，以降低材料的高频损耗，提高电阻率常规的包覆很难做到，需对合金粉料表面进行创新的绝缘包覆，另一方面，为提高元器件的强度从而提高其在汽车中使用的可靠性，目前的软磁合金普遍采用烧结后含浸树脂的工艺来提升磁体强度，但含浸树脂的工艺对磁体强度提升的幅度小且树脂存在老化的问题导致可靠性差。现有低损耗材料颗粒间结合力差，通过树脂含浸增加强度，存在老化风险。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术的问题，本发明的第一个目的在于提供一种高强度低损耗的的软磁合金复合材料的制备方法。本发明的制备方法，一是通过快速冷却保证金属颗粒内部的晶粒小以减小材料的涡流损耗，二是通过表面改性使玻璃更好的分散吸附在金属粉末表面，三是通过压力烧结工艺进行烧结进一步的使玻璃均匀分布在颗粒间，提高颗粒间的电阻率从而达到降低涡流损耗和提高颗粒间的结合力，通过使用该方法能够制备高强度、低损耗的软磁合金材料。
4.本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制得的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料，本发明所提供的软磁合金复合材料颗粒内部晶粒小，且颗粒间有密实、均匀的玻璃微层，能够满足目前器件对高频低损耗和高强度高可靠性的需求。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，将软磁合金材料熔炼获得合金液，合金液由喷盘喷出后，并于氮气气氛中冷却获得软磁合金粉末，采用偶联剂对软磁合金粉末进行表面改性获得改性粉末，将改性粉末与玻璃粉末混合获得混合粉，将混合粉与树脂混合后造粒获得粒料，粒料压制成型获得磁环，磁环进行烧结即得软磁合金复合材料；
7.所述软磁合金材料，按质量百分比计，成分组成如下：fe 90.75wt％～94.97wt％、si 2.9wt％～4.5wt％、al 2.0wt％～4.0wt％、b 0.1wt％～0.5wt％、mn 0.01wt％～0.05wt％、ca 0.01wt％～0.15wt％、ni 0.01wt％～0.05wt％。
8.本发明的软磁合金材料通过控制fe/si/al在本发明的范围内，可使材料的磁各项异性常数和磁滞伸缩系数趋零从而降低磁损耗，同时通过b，mn等元素的加入抑制晶粒尺寸长大，降低内部的涡流损耗。
9.进一步的优选，所述软磁合金材料，按质量百分比计，成分组成如下：
10.fe90.75wt％～94.88wt％、si2.9wt％～4.5wt％、al2.0wt％～4.0wt％、b0.1wt％～0.5wt％、mn0.01wt％～0.05wt％、ca0.01wt％～0.15wt％、ni0.01wt％～0.05wt％。
11.优选的方案，所述熔炼的温度为1300～1500℃。
12.优选的方案，所述氮气气氛的气压≥5mpa。在本发明中采用较大的氮气气压，使冷却速度加大，再结合本发明的合金成份，可达到细化晶粒的效果。
13.优选的方案，所述软磁合金粉末的粒径为3～25μm。发明人发现，将软磁合金粉末的粒径控制在上述范围内，最终软磁合金复合材料的性能最优，若是粒度过小磁导率偏低，粒度过大损耗过高。
14.在实际操作过程中，将所得软磁合金粉末再加入偶联剂进行表面改性，其中溶剂优选丙酮、丁酮非极性低沸点溶剂。
15.优选的方案，所述偶联剂选自硅烷类偶联剂。
16.在实际操作过程中，将软磁合金粉末偶联剂与软磁合金粉末在溶剂中混合，使偶联剂嫁接于软磁合金粉末的表面，即可获得改性粉末。
17.优选的方案，所述偶联剂的加入量为软磁合金粉末质量的0.01％～0.1％。
18.优选的方案，所述玻璃粉末粒度为0.1μm～0.5μm。
19.优选的方案，所述玻璃粉末选自sio
2-b2o
3-al2o
3-类玻璃，优选为sio
2-b2o
3-al2o
3-zno玻璃，所述玻璃粉末中，sio2的含量≤65wt％，b2o3含量的≤15wt％。
20.发明人发现，采用sio
2-b2o
3-al2o
3-类玻璃与本发明中软磁合金粉末的浸润性好，界面结合好，在实际探索过程中，发明人尝试了大量的玻璃粉末，如sio
2-cao-na2o-p2o
5-f玻璃就与本发明的软磁合金粉末的表面浸润性不足，界面结合力差，强度提升的效果不佳。
21.优选的方案，所述树脂由pvb树脂与硅树脂组成的混合树脂，所述树脂中，按质量比计，pvb树脂：硅树脂＝1～3：7～9。
22.发明人发现，将pvb树脂与硅树脂的性能控制在上述范围内，最终软磁合金复合材料的性能最优，若pvb树脂，会导致软磁合金复合材料的绝缘变差，过少则影响成型效果。
23.优选的方案，所述树脂的加入量为混合粉质量的1.0wt％～3.0wt％。
24.优选的方案，所述压制成型的压力为1500～2500mpa。
25.优选的方案，所述烧结的过程为，先于空气气氛中常压烧结，再于保护性气氛下加压烧结；所述常压烧结的过程为：先于120℃～150℃保温1～3h，再于320℃～360℃保温1～4h，所述加压烧结时，在700℃前保持炉内气压在20mpa～100mpa，然后升温至700℃～750℃，保温0.5h～1h，控制保温过程中的压力为10～30mpa。
26.本发明的烧结过程，先采用常压烧结，使pvb和硅酮树脂分解后挥发物质能脱离磁体，而后在保护气氛下采用加压烧结，因为加压烧结温度段玻璃开始结晶，通过加压促进玻璃部分和颗粒表面发生交换渗透使颗粒和玻璃层结合紧密，进而提升磁体强度。
27.进一步的优选，所述保护性气氛为氮气气氛。
28.发明人发现，本发明需要在保护气氛下烧结，若是在在空气中烧结，会导致磁导率
过低。
29.本发明还提供上述制备方法所制备的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料。
30.原理与优势
31.本发明一是通过材料成分优化和匹配的工艺使细晶粒化降低软磁合金粉末内部涡流，二是通过玻璃包覆和匹配的烧结工艺共同作用下使玻璃密实、均匀的填充粘结在软磁合金粉末之间，大大提高软磁合金颗粒间的电阻率降低高频涡流损耗，同时能提升颗粒间的结合强度。通过以上方案既可降低损耗，又能保证器件的强度和防老化提高可靠性，可从根本上解决软磁合金在汽车电子中的应用问题。
32.总体来讲，本发明中对合金粉料进行科学的成分设计和合理匹配的工艺设计对于降低材料的功耗和提升磁元件强度具有重要作用，用本方法新开发制备的高可靠性、低损耗软磁合金材料，实质性地解决了软磁合金材料在汽车电子中高频、大电流条件下应用的难题。
附图说明
33.图1:实施例1粉末sem图片，从图中可以看到，颗粒表面包覆一层均匀的玻璃粉末。
34.图2:对比例6粉末sem图片，从图中可以看到，颗粒表面无包覆粉末。
具体实施方式:
35.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
36.实施例1:
37.将选取合金材料，其材料成分为90.75wt％fe、4.5wt％si、4.0wt％al、0.5wt％b、0.05wt％mn、0.15wt％ca、0.05wt％ni。将合金材料放入1500℃的熔炼炉中熔炼，再通过喷盘喷出成合金粉末，并在氮气气氛中冷却，其中氮气气压6mpa，其中合金粉末在氮气中冷却的时间1.8秒。其中制备的合金材料粉末粒度分布在3μm～25μm范围内。将合金粉末通过溶剂清洗表面后，加入0.01wt％的偶联剂对材料表面改性；其中溶剂丙酮，其中偶联剂优选三乙氧基硅氧烷。完成后将粉末干燥，加入1.0wt％玻璃粉末混合形成混合粉末，其中玻璃粉末粒度为0.1μm，其中玻璃粉末成分优选sio
2-b2o
3-al2o
3-zno玻璃，其中sio2含量70wt％，b2o3含量12wt％。将混合粉末加入pvb和硅树脂造粒形成造粒粉末，并在1500mpa压强下压制形成磁环；将磁环放入氮气炉内在氮气气氛中烧结，形成最终成品。其中pvb和硅树脂的混合树脂中，pvb:硅树脂的质量比为1:9，其中混合树脂占混合粉末的质量比为1.0wt％，其中烧结前优选320℃前通入空气，在120℃保温1小时，在320℃保温4小时，后将磁环再放入氮气炉内，在700℃前保持炉内气压在100mpa，最高烧结温度700℃，保温1小时。烧结压力保持在30mpa。
38.实施例2:
39.将选取合金材料，其材料成分为94.88wt％fe、2.9wt％si、2.0wt％al、0.1wt％b、0.01wt％mn、0.01wt％ca、0.01wt％ni。将合金材料放入1300℃的熔炼炉中熔炼，再通过喷盘喷出成合金粉末，并在氮气气氛中冷却，其中氮气气压8mpa，其中合金粉末在氮气中冷却的时间1.5秒。其中制备的合金材料粉末粒度分布在3μm～25μm范围内。将合金粉末通过溶
剂清洗表面后，加入0.1wt％的偶联剂对材料表面改性；其中溶剂优选丁酮，其中偶联剂优选三甲氧基硅烷。完成后将粉末干燥，加入0.1wt％玻璃粉末混合形成混合粉末，其中玻璃粉末粒度优选0.5μm，其中玻璃粉末成分优选sio
2-b2o
3-al2o
3-zno玻璃，其中sio2含量65wt％，b2o3含量10wt％。将混合粉末加入pvb和硅树脂造粒形成造粒粉末，并在2500mpa压强下压制形成磁环；将磁环放入氮气炉内在氮气气氛中烧结，形成最终成品。其中pvb和硅树脂的混合树脂中，pvb:硅树脂的质量比为3:7，其中混合树脂占混合粉末的质量比为3.0wt％，其中烧结前优选360℃前通入空气，在150℃保温1小时，在360℃保温1小时，后将磁环再放入氮气炉内，在700℃前保持炉内气压在20mpa，最高烧结温度750℃，恒温0.5h，气压保持10mpa。
40.实施例3:
41.将选取合金材料，其材料成分为93.35wt％fe、3.5wt％si、2.8wt％al、0.2wt％b、0.02wt％mn、0.10wt％ca、0.03wt％ni。将合金材料放入1400℃的熔炼炉中熔炼，再通过喷盘喷出成合金粉末，并在氮气气氛中冷却，其中氮气气压6mpa，其中合金粉末在氮气中冷却的时间1秒。其中制备的合金材料粉末粒度分布在3μm～25μm范围内。将合金粉末通过溶剂清洗表面后，加入0.05wt％～的偶联剂对材料表面改性；其中溶剂优选丙酮，其中偶联剂优选硅烷类偶联剂三甲氧基硅烷。完成后将粉末干燥，加入0.05wt％玻璃粉末混合形成混合粉末，其中玻璃粉末粒度优选0.2μm，其中玻璃粉末成分优选sio
2-b2o
3-al2o
3-zno玻璃，其中sio2含量70wt％，b2o3含量9wt％。将混合粉末加入pvb和硅树脂造粒形成造粒粉末，并在2000mpa压强下压制形成磁环；将磁环放入氮气炉内在氮气气氛中烧结，形成最终成品。其中pvb和硅树脂的混合树脂中，pvb:硅树脂的质量比为2:8，其中混合树脂占混合粉末的质量比为2.0wt％，其中烧结前优选340℃前通入空气，在130℃保温1小时，在350℃保温2小时，后将磁环再放入氮气炉内，在700℃前保持炉内气压在50mpa，最高烧结温度730℃，恒温0.8h，气压保持20mpa。
42.对比例1:
43.其他条件与实施例1相同，仅是熔炼温度1250℃，由于钢液粘稠，粒度过大无法得到预定颗粒的材料。
44.对比例2:
45.其他条件与实施例1相同，仅是氮气气压3mpa。
46.对比例3:
47.其他条件与实施例1相同，仅是制备的合金材料粉末粒度分布在26μm～75μm范围内。
48.对比例4:
49.其他条件与实施例1相同，仅是材料调整其al成分至6.0wt％，具体成分为88.75wt％fe、4.5wt％si、6.0wt％al、0.5wt％b、0.05wt％mn、0.15wt％ca、0.05wt％ni。
50.对比例5:
51.其他条件与实施例1相同，仅是材料去除mn，ca等元素，具体成分为91wt％fe、4.5wt％si、4.0wt％al、0.5wt％b。
52.对比例6:
53.其他条件与实施例1相同，仅是材料去除玻璃包覆层。
54.对实施例与对比例烧结完成的磁环进行性能评估，绕线匝数n＝13ts圈，使用3260b型lcr测试仪测试磁环样品的磁导率μ(1v/1mhz)和使用电子万能实验机sh-100测试磁环崩溃强度；用iwatsu-sy-8218型磁滞回线仪测试磁环的功耗,50mt&1mhz)，所得性能数据分别如表1、表2所示：
55.表1实施例的性能数据
[0056][0057][0058]
表2对比例的性能数据
[0059][0060]
通过表1、表2中实施例和对比例性能对比可知，实施例的成分和工艺在专利范围内，所得到的材料功耗明显低于对比例的，且强度有明显提升，这表明本发明可行且性能有很大优势。
[0061]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

技术特征：
1.一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：将软磁合金材料熔炼获得合金液，合金液由喷盘喷出后，并于氮气气氛中冷却获得软磁合金粉末，采用偶联剂对软磁合金粉末进行表面改性获得改性粉末，将改性粉末与玻璃粉末混合获得混合粉，将混合粉与树脂混合后造粒获得粒料，粒料压制成型获得磁环，磁环进行烧结即得软磁合金复合材料；所述软磁合金材料，按质量百分比计，成分组成如下：fe 90.75wt％～94.97wt％、si 2.9wt％～4.5wt％、al 2.0wt％～4.0wt％、b 0.1wt％～0.5wt％、mn0.01wt％～0.05wt％、ca 0.01wt％～0.15wt％、ni 0.01wt％～0.05wt％。2.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述熔炼的温度为1300～1500℃。3.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮气气氛的气压≥5mpa。4.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述软磁合金粉末的粒径为3～25μm。5.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述偶联剂选自硅烷类偶联剂；所述偶联剂的加入量为软磁合金粉末质量的0.01％～0.1％。6.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述玻璃粉末的粒度为0.1μm～0.5μm；所述玻璃粉末选自sio
2-b2o
3-al2o
3-类玻璃，所述玻璃粉末中，sio2的含量≤65wt％，b2o3含量的≤15wt％。7.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述树脂为由pvb树脂与硅树脂组成的混合树脂，所述树脂中，按质量比计，pvb树脂：硅树脂＝1～3：7～9；所述树脂的加入量为混合粉质量的1.0wt％～3.0wt％。8.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述压制成型的压力为1500～2500mpa。9.根据权利要求1所述的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结的过程为，先于空气气氛中常压烧结，再于保护性气氛下加压烧结；所述常压烧结的过程为：先于120℃～150℃保温1～3h，再于320℃～360℃保温1～4h，所述加压烧结时，在700℃前保持炉内气压在20mpa～100mpa，然后升温至700℃～750℃，保温0.5h～1h，控制保温过程中的压力为10～30mpa。10.权利要求1-9任意一项所述的制备方法所制备的一种高强度低损耗的软磁合金复合材料。

技术总结
本发明公开了一种高强度低损耗的复合材料及其制备方法，将软磁合金材料熔炼获得合金液，合金液由喷盘喷出后，并于氮气气氛中冷却获得软磁合金粉末，采用偶联剂对软磁合金粉末进行表面改性获得改性粉末，将改性粉末与玻璃粉末混合获得混合粉，将混合粉与树脂混合后造粒获得粒料，粒料压制成型获得磁环，磁环进行烧结即得软磁合金复合材料；本发明中对合金粉料进行科学的成分设计和合理匹配的工艺设计对于降低材料的功耗和提升磁元件强度具有重要作用，用本方法新开发制备的高可靠性、低损耗软磁合金材料，实质性地解决了软磁合金材料在汽车电子中高频、大电流条件下应用的难题。大电流条件下应用的难题。大电流条件下应用的难题。


技术研发人员：聂敏
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/28