一種高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料及其制備方法與流程

本申請(qǐng)涉及軟磁鐵氧體材料領(lǐng)域，尤其是一種高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著整機(jī)產(chǎn)品向小型化方向發(fā)展的加劇以及表面貼裝技術(shù)的進(jìn)步，磁性元件：如磁性變壓器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、逆變器、濾波器、傳感器等出現(xiàn)了相應(yīng)的片式化產(chǎn)品，在未來(lái)幾年將逐漸成為市場(chǎng)主流。繞線(xiàn)功率電感作為DC-DC轉(zhuǎn)換器中的重要元器件，目前在朝著小型化和大電流化的方向發(fā)展。繞線(xiàn)功率電感的小型化，意味著對(duì)對(duì)材料的機(jī)械強(qiáng)度的要求提高；繞線(xiàn)功率電感的大電流化，意味著對(duì)材料的Bs的要求提高。為對(duì)應(yīng)繞線(xiàn)功率電感的要求，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料非常必要。

在國(guó)內(nèi)已有一些相關(guān)高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料及其制備方法的專(zhuān)利，具體如下：

（1）公開(kāi)號(hào)為CN102603279A，公開(kāi)日為2012.07.25，發(fā)明名稱(chēng)為“一種高強(qiáng)度高Bs鎳鋅鐵氧體及其制備方法”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種功率電感適用的高強(qiáng)度高Bs鎳鋅鐵氧體及其制備方法。該鎳鋅鐵氧體主成分為氧化鐵、氧化鎳、氧化鋅和氧化銅，以各自標(biāo)準(zhǔn)物計(jì)的含量為：Fe₂O₃ 49~52.5mol%、NiO 20~29.5mol%、ZnO 18~28mol%、CuO 2.5~5mol%；副成分包括碳酸鈣、氧化鈷、氧化鋯、碳酸鋰、五氧化二釩和二氧化硅，副成分相對(duì)主成分總量，以各自標(biāo)準(zhǔn)物計(jì)的含量為：CaCO₃ 0.03~0.15wt%，Co₂O₃ 0.01~0.05wt%，ZrO₂ 0.03~0.13wt%，Li₂CO₃0.03~0.10wt%，V₂O₅ 0.03~0.15wt%，SiO₂ 0.01~0.10wt%。采用氧化物法制備，在一定條件下燒結(jié)。燒結(jié)后制品的結(jié)晶晶粒尺寸為3~5μm，晶界鮮明，制品具有高強(qiáng)度和高直流偏置的特點(diǎn)，適應(yīng)功率電感的小型化對(duì)材料的高強(qiáng)度和高直流偏置的雙重要求。

（2）公開(kāi)號(hào)為CN103214233A，公開(kāi)日為 2013.07.24，發(fā)明名稱(chēng)為“高T c、寬溫超高B s MnZn鐵氧體材料及制備方法”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種高Tc、寬溫超高Bs MnZn鐵氧體材料及制備方法，屬于鐵氧體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明的鐵氧體材料由主料和摻雜劑組成，其主料包括：58.0-62.0mol% Fe₂O₃，10.0-15.0mol% ZnO，4.0-6.0mol% NiO，余量為MnO；按重量百分比，并以預(yù)燒后的主料為參考基準(zhǔn)，以氧化物計(jì)算，摻雜劑包括：0.001-0.30wt% MoO₃、0.01-0.40wt% Bi₂O₃、0.001-0.05wt% SnO₂、0.001-0.05wt% Nb₂O₅、0.001-0.20wt% Ta₂O₅。該發(fā)明具有高居里溫度(Tc≥320℃)、寬溫高Bs(25℃， Bs≥600mT；100℃， Bs≥490mT)及較低損耗(100℃、100kHz 200mT，PL≤800kW/m3)等特性。

（3）公開(kāi)號(hào)為CN103382105A，公開(kāi)日為2013.11.06，發(fā)明名稱(chēng)為“ 一種鎳鋅軟磁鐵氧體材料及其制備方法”的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種鎳鋅軟磁鐵氧體材料及其制備方法，其主成分按摩爾份計(jì)包括：11.5-12mol NiO、32-32.5mol Fe₃O₄、12-12.5mol ZnO、5.2-5.5mol V₂O₅、0.2-0.3mol WO₃，主成分中添加的改性雜質(zhì)按照占所述鎳鋅軟磁鐵氧體材料的重量計(jì)包括：460-480ppm HfO₂、310-330ppm硼化鉻、250-280ppm二硫化鉬、80-120ppmTi₂O、480-520ppmPtO₂。

可見(jiàn)，現(xiàn)有的磁鐵氧體材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有待進(jìn)一步提升，且并未兼顧較佳的磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料及其制備方法，進(jìn)一步提升軟磁鐵氧體材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)本申請(qǐng)的第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料，其特征在于，其組成成分及各成分的含量如下：

Fe₂O₃ 59.15~72.35wt%、NiO 11.6~15.3wt%、ZnO 10.93~14.05wt%、CuO 2.26~3.95wt%、FeSiAl合金粉 2.5~6.5wt%、、Mn₃O₄ 0.25~0.75wt%、Co₂O₃ 0.1~0.2wt%、Bi₂O₃ 0.01~0.1wt%。

優(yōu)選的，F(xiàn)e₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Mn₃O₄、Co₂O₃和Bi₂O₃的平均粒徑為1.0 ~2.0μm，F(xiàn)eSiAl合金粉的平均粒徑為2~5μm。

優(yōu)選的，所述高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料的組成成分及各成分的含量?jī)?yōu)選如下：Fe₂O₃ 65.30wt%、NiO 13.09wt%、ZnO 13.13wt%、CuO 3.28wt%、FeSiAl合金粉 4.50wt%、、Mn₃O₄ 0.50wt%、Co₂O₃ 0.15wt%、Bi₂O₃ 0.05wt%。

根據(jù)本申請(qǐng)的第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N制備上述的高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料的方法，包括如下步驟：

（1）混合：將所述高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料的各組成成分依其配比配料后進(jìn)行濕法混合，使用去離子水作為溶劑，混合時(shí)間為60~70分鐘；

（2）噴霧干燥：將混合好的漿料在噴霧塔中進(jìn)行干燥，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在220±10℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在100±10℃；

（3）預(yù)燒：將噴霧干燥后的材料在保護(hù)氣氛電阻爐中進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒溫度控制在830±20℃，預(yù)燒時(shí)間為120~180分鐘，預(yù)燒氣氛為氮?dú)獗Ｗo(hù)，氧含量控制為1%~2%；

（4）粉碎：在上步預(yù)燒得到的預(yù)燒料進(jìn)行濕法粉碎，使用去離子水作為溶劑，粉碎時(shí)間為60~80分鐘，粉碎后料漿粒徑控制在1.0~1.3μm；

（5）噴霧造粒：在上步的漿料中加入相當(dāng)于材料重量的10~13%的PVA，在噴霧塔中進(jìn)行干燥得到顆粒料，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在220±10℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在100±10℃；

（6）壓制：將上步的顆粒料采用粉末成型機(jī)壓制得到坯件，坯件的壓制密度控制在(3.3±0.15)g/cm³；

（7）燒結(jié)：在保護(hù)氣氛箱式電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1100℃~1150℃，保溫120~180分鐘，燒結(jié)氣氛為氮?dú)獗Ｗo(hù)，氧含量控制為1%~1.5%。

優(yōu)選的，還包括步驟（8）冷卻，在坯件燒結(jié)結(jié)束后隨爐冷卻至室溫。

優(yōu)選的，所述混合時(shí)間為65分鐘，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在220℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在100℃，預(yù)燒溫度控制在830℃，預(yù)燒時(shí)間為150分鐘，預(yù)燒氣氛氧含量控制為1.5%，粉碎時(shí)間為70分鐘，粉碎后料漿粒徑控制在1.15μm，加入的PVA位材料重量的11.5%，坯件的壓制密度控制在3.3g/cm³，燒結(jié)溫度控制在1125℃，保溫150分鐘。

本申請(qǐng)的有益效果是，本發(fā)明采用合理的主配方，通過(guò)調(diào)整NiO、ZnO、Co₂O₃的含量來(lái)調(diào)整材料的磁導(dǎo)率；通過(guò)調(diào)整FeSiAl合金粉和Mn₃O₄的添加量來(lái)調(diào)整材料的Bs；加入一定量的Bi₂O₃促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，獲得致密的結(jié)晶狀態(tài)。本發(fā)明的材料具有較好的電磁性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)，適應(yīng)繞線(xiàn)功率電感的要求。材料的性能指標(biāo)如下：1.起始磁導(dǎo)率 μ_i：200(1±20%)；2.飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs：500(1±5%)mT；3.強(qiáng)度 S：≥3N，方中柱工字型樣品擺折強(qiáng)度。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1的軟磁鐵氧體材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為對(duì)比例1的材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

一種高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料，其組成成分及各成分的含量如下：

Fe₂O₃ 59.15~72.35wt%、NiO 11.6~15.3wt%、ZnO 10.93~14.05wt%、CuO 2.26~3.95wt%、FeSiAl合金粉 2.5~6.5wt%、、Mn₃O₄ 0.25~0.75wt%、Co₂O₃ 0.1~0.2wt%、Bi₂O₃ 0.01~0.1wt%。

在此基礎(chǔ)上，將提出如下五個(gè)實(shí)施例，該五個(gè)實(shí)施例的成分含量如下：

其中，F(xiàn)e₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Mn₃O₄、Co₂O₃和Bi₂O₃的平均粒徑為1.0 、1.2、1.4、1.6、1.8或2.0μm，F(xiàn)e₂O₃、NiO、ZnO、CuO、Mn₃O₄、Co₂O₃和Bi₂O₃的平均粒徑可以部分相同、全部相同或者全部不同。FeSiAl合金粉的平均粒徑為2、2.5、3.5、4、4.5或5μm。進(jìn)一步限定組成成分的粒徑，可以進(jìn)一步提升材料的機(jī)械強(qiáng)度和Bs。

在一種優(yōu)選的實(shí)施例中，如實(shí)施例1所列舉，所述高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料的組成成分及各成分的含量?jī)?yōu)選如下：Fe₂O₃ 65.30wt%、NiO 13.09wt%、ZnO 13.13wt%、CuO 3.28wt%、FeSiAl合金粉 4.50wt%、、Mn₃O₄ 0.50wt%、Co₂O₃ 0.15wt%、Bi₂O₃ 0.05wt%。在此實(shí)施例下，材料具有最佳的起始磁導(dǎo)率 、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度。

為了體現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果，本發(fā)明將上述實(shí)施例與相應(yīng)的對(duì)比例進(jìn)行對(duì)比，下表為各實(shí)施例和對(duì)比例的成分配比對(duì)比：

相應(yīng)的，對(duì)各實(shí)施例和對(duì)比例進(jìn)行磁性能分析，得出下表：

其中，超過(guò)規(guī)格下限的附加“*”，超過(guò)規(guī)格上限的附加“※”。從上表可知，本發(fā)明的實(shí)施例和對(duì)比例相比較，本發(fā)明有效地提高了材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和機(jī)械強(qiáng)度，且具有更佳的起始磁導(dǎo)率。

依據(jù)實(shí)施例1，得到其微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，實(shí)施例1的晶粒尺寸為10~20μm，氣孔較少；對(duì)比例1的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其晶粒尺寸為30~50μm，氣孔較多。晶粒尺寸細(xì)化和氣孔的減少是材料的機(jī)械強(qiáng)度和Bs提高的重要原因之一?？梢?jiàn)，本發(fā)明有效地提高了材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和機(jī)械強(qiáng)度，且具有更佳的起始磁導(dǎo)率。

依據(jù)上述實(shí)施例1-5，本發(fā)明還提供一種制備上述的高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料的方法，其包括如下步驟：

（1）混合：將所述高Bs高強(qiáng)度軟磁鐵氧體材料的各組成成分依其配比配料后進(jìn)行濕法混合，使用去離子水作為溶劑，混合時(shí)間為60~70分鐘；

（2）噴霧干燥：將混合好的漿料在噴霧塔中進(jìn)行干燥，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在220±10℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在100±10℃；

（3）預(yù)燒：將噴霧干燥后的材料在保護(hù)氣氛電阻爐中進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒溫度控制在830±20℃，預(yù)燒時(shí)間為120~180分鐘，預(yù)燒氣氛為氮?dú)獗Ｗo(hù)，氧含量控制為1%~2%；

（4）粉碎：在上步預(yù)燒得到的預(yù)燒料進(jìn)行濕法粉碎，使用去離子水作為溶劑，粉碎時(shí)間為60~80分鐘，粉碎后料漿粒徑控制在1.0~1.3μm；

（5）噴霧造粒：在上步的漿料中加入相當(dāng)于材料重量的10~13%的PVA，在噴霧塔中進(jìn)行干燥得到顆粒料，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在220±10℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在100±10℃；

（6）壓制：將上步的顆粒料采用粉末成型機(jī)壓制得到坯件，坯件的壓制密度控制在(3.3±0.15)g/cm³；

（7）燒結(jié)：在保護(hù)氣氛箱式電阻爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1100℃~1150℃，保溫120~180分鐘，燒結(jié)氣氛為氮?dú)獗Ｗo(hù)，氧含量控制為1%~1.5%。

當(dāng)然，在步驟（7）之后，還可包括步驟（8）冷卻，在坯件燒結(jié)結(jié)束后隨爐冷卻至室溫。

上述步驟中，各相關(guān)參數(shù)可以選取為混合時(shí)間為60、62、64、66、68或70分鐘，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在210、212、214、216、218、220、222、224、226、228或230℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在90、92、94、96、98、100、102、104、106、108或110℃，預(yù)燒溫度控制在810、814、818、822、826、830、834、838、842、846或850℃，預(yù)燒時(shí)間為120、130、140、150、160、170或180分鐘，預(yù)燒氣氛氧含量控制為1%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%或2.0%，粉碎時(shí)間為60、64、68、72、76或80分鐘，粉碎后料漿粒徑控制在1.0、1.05、1.1、1.15、1.20、1.25或1.3μm，加入的PVA位材料重量的10%、10.5%、11%、11.5%、12%、12.5%或13%，坯件的壓制密度控制在3.15、3.2、3.25、3.3、3.35、3.4或3.45g/cm³，燒結(jié)溫度控制在1100、1110、1120、1130、1140或1150℃，保溫120、130、140、150、160、170或180分鐘。

在一種優(yōu)選方案中，所述混合時(shí)間為65分鐘，噴霧塔進(jìn)風(fēng)溫度控制在220℃，噴霧塔出風(fēng)溫度控制在100℃，預(yù)燒溫度控制在830℃，預(yù)燒時(shí)間為150分鐘，預(yù)燒氣氛氧含量控制為1.5%，粉碎時(shí)間為70分鐘，粉碎后料漿粒徑控制在1.15μm，加入的PVA位材料重量的11.5%，坯件的壓制密度控制在3.3g/cm³，燒結(jié)溫度控制在1125℃，保溫150分鐘。

通過(guò)以上工序制得所述磁環(huán)樣品(T25×15×7.5)和方中柱工字型樣品 (DR2.5×1.2)。

將燒結(jié)后的磁環(huán)和工字型樣品分別進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。在匝數(shù)N=20Ts條件下，用HP-4285型 LCR測(cè)試儀測(cè)試磁環(huán)樣品的起始磁導(dǎo)率μi，使用SY-8258型B-H測(cè)試儀測(cè)試磁環(huán)樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs；使用強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)試工字型樣品的擺折強(qiáng)度。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換。