CN103666364A

CN103666364A - 金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂及制备金属软磁复合材料方法

Info

Publication number: CN103666364A
Application number: CN201210337290.XA
Authority: CN
Inventors: 彭元东; 孙志月; 郑财明; 包崇玺
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN103666364B

Abstract

一种金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂及其磁体制备方法，有机绝缘粘结剂是由A液和B液组成，其中A液为0.2~0.6%硅烷偶联剂，B液是由质量比为10~30%脂环族环氧树脂、5~15%甲基六氢苯酐、20~60%硅树脂和10~40%二甲苯混合而成的绝缘包覆液，B液的总用量在0.5~1.5%，制备时先在金属粉末表面均匀包覆一层A液硅烷偶联剂，然后再包覆B液包覆液，经过烘干、压型、脱脂、热处理等步骤制得。本发明的有机物绝缘粘结剂与其他成分的有机粘结剂相比耐热温度高，粘结效果好，可减少使用量，从而减少非磁性物质的含量，有利于提高磁体的磁导率和降低损耗。采用本发明所制备的金属软磁复合材料，具有较好的磁性能及频率稳定性。

Description

金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂及制备金属软磁复合材料方法

技术领域

本发明属于金属粉末冶金及磁性材料领域，特别涉及金属软磁复合材料用的一种耐高温的有机绝缘粘结剂，以及采用这种绝缘粘结剂制备金属软磁复合材料的方法。

背景技术

利用粉末冶金技术生产的金属软磁复合材料（Soft Magnetic Composites,SMCs）已成为磁芯材料研究和开发的热点，其兼具硅钢片磁芯高磁导率和铁氧体磁芯低涡流损耗的优点，是一种以高纯度铁粉或铁基合金粉为原料，在铁粉颗粒表面包覆绝缘介质层后，将粉末压制成所需形状，并通过热处理而得到的块体材料，有时也称“绝缘包覆铁粉芯”。其所制成的部件大量应用于变压器、电机、电磁铁、扼流圈、镇流器等电磁器件中。

早在一百年以前美国专利US Patent 874908就报道了采用铁-树脂复合做成软磁材料，但是该复合材料却很少应用，这是因为它的性能、制备工艺以及市场需求等条件均未成熟。然而，随着原材料的改进和新成形技术出现以及现代产业对产品需求的发展，这种局面逐渐被改变。从20世纪90年代后期开始该复合材料在电机上有了应用，并逐渐部分取代叠层硅钢材料。由于叠层硅钢在高频时的涡流损耗和噪声明显增大，故SMCs材料在AC高频下得到广泛应用。并且由于SMCs材料是由粉末冶金工艺制备，其具有近净成形的特点，材料利用率高、消耗少，并可成形各种异型件，所以其应用范围进一步扩大。

目前，金属软磁复合材料主要包括纯铁、铁硅、铁硅铝、铁镍、铁镍钼，以及近年来新开发出来的FeCuNbSiB等非晶纳米晶材料。金属软磁复合材料性能的主要参数是饱和磁感应强度、磁导率、品质因数、功率损耗和频率特性，在一些特定应用时（如电机定子、转子）还需考虑力学性能。

除了所采用的粉末原料特性影响软磁复合材料的性能外，所采用的绝缘剂和粘结剂非常关键。通过添加绝缘剂，可以提高磁体的电阻率，以降低功率损耗，从而提高磁体的高频特性，但是绝缘剂过量，则会提高磁体的内部气隙率，导致饱和磁感应强度和磁导率下降，损失磁芯的功率密度。绝缘层可以有效地降低涡流损耗，但绝缘层的作用像气隙一样，因而也降低了磁导率。通常用降低绝缘层厚度、提高密度和进行热处理来消除或减少应力来部分地恢复磁导率。

在现有技术中，人们对磁粉的绝缘粘结剂进行了大量的研究工作。绝缘粘结剂主要分为三种：一种是有机物，另一种是无机物，再一种就是有机物和无机物的混合物。如中国发明专利CN1516204公开了一种有机绝缘包覆剂，其特征是所用的绝缘剂为环氧类粘结剂，如607环氧树脂、609环氧树脂、W-6A磁粉粘结剂、W-6C磁粉粘结剂中的一种，粘结剂的稀释液为有机溶剂无水乙醇、丙酮、醋酸乙酯。上述的有机绝缘粘结剂的耐热温度较低，所以在高温热处理时绝大部分粘结剂均已分解。

同时，美国专利USP6419877采用有机物热塑树脂做绝缘粘结剂，日本专利特开平11-189803采用的是有机物聚乙烯醇和聚丁醛树脂，中国专利CN1373481A、中国专利CN1232375C、中国专利CN1518011A采用的是有机物聚酰亚胺/酚醛树脂、有机硅树脂等。

有机物作为绝缘粘结剂的优点是简便易行、粉末的成形性好、粘结效果好，缺点是耐热性差。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂，该绝缘粘结剂具有较好的绝缘性、粘结性双重效果，同时具有较好的耐高温性，有利于提高成形压力和热处理温度或者减少粘结剂的含量，从而提高磁体的密度、强度和改善高频下磁体的磁导率和功率损耗。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种采用有机绝缘粘结剂制备金属软磁复合材料的方法，该方法工艺简单、易操作，适用于多种软磁合金磁粉芯的制备。

本发明为解决上述第一个技术问题所采取的技术方案为：一种金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂，其特征在于：组分是由A液和B液组成，其中A液为0.2~0.6%硅烷偶联剂，B液是由质量比为10~30%脂环族环氧树脂、5~15%甲基六氢苯酐、20~60%硅树脂和10~40%二甲苯混合而成的绝缘包覆液，B液的总用量在0.5~1.5%，以上A液、B液用量百分比为占金属粉末质量的质量百分比。

作为优选，所述脂环族环氧树脂和甲基六氢苯酐的质量配比范围为1~4:1。

本发明为解决上述第二个技术问题所采取的技术方案为：一种采用金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂制备金属软磁复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）配制金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂：A液为0.2~0.6%硅烷偶联剂，B液是由质量比为10~30%脂环族环氧树脂、5~15%甲基六氢苯酐、20~60%硅树脂和10~40%二甲苯混合而成的绝缘包覆液，B液的总用量在0.5~1.5%，以上A液、B液用量百分比为占金属粉末质量的质量百分比；

2）将称量好的A液加入金属粉末中混合，均匀后再加入配置好的B液混合均匀进行包覆，随后将混合料烘干；

3）将烘干后的物料进行解碎并过筛，加入润滑剂后混合均匀；

4）将混合料压制成形，随后进行干燥脱脂和高温固化；

5）最后进行热处理，去除应力。

作为优选，所述脂环族环氧树脂和甲基六氢苯酐的质量配比范围为1~4：1。

作为优选，所述金属粉末为具有一定粒度分布且平均粒度在20～60μm的金属磁性粉末与一定量的纳米氧化物混合均匀得到的。

再优选，所述金属磁性粉末为纯Fe粉、Fe-Si粉、Fe-Si-Al粉、Fe-Ni粉或Fe-Ni-Mo粉中的一种或几种混合粉，金属粉末是采用雾化、还原、气流磨或化学方法中的一种或几种联合制备的，所述纳米氧化物为占质量百分比0.1-3%的纳米Al₂O₃、SiO₂、TiO₂或B₂O₃中的一种或几种填料。

作为改进，所述步骤2）的烘干过程是在100-200℃下进行干燥固化处理，保温30-180min。

再改进，所述步骤3）的过筛是采用100-200目筛，所述润滑剂为KP-11、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸锂中的一种或几种润滑剂混合，润滑剂含量为混合料的0.1-0.8%。

进一步改进，所述步骤4）的压制成形采用模压成形中的冷压、温压或热压中的一种，压制压力为800～1500MPa，所述干燥脱脂是将压坯进行150-200℃，保温60-180min的脱润滑剂处理。

最后，所述步骤5）的热处理中气氛为氢气或分解氨还原性气氛，处理温度为500～900℃，保温时间为30～240min，随炉冷却。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的有机绝缘粘结剂具有绝缘、粘结的双重效果，同时具有较好的耐高温性，有利于提高成形压力和热处理温度或者减少粘结剂的含量，从而提高磁体的密度、强度和改善高频下磁体的磁导率和功率损耗。采用本发明所制备的金属软磁复合材料，具有很好的磁性能和频率稳定性，随着频率的提高，磁导率衰减很小，在高频下磁损耗小，并且制备工艺简单、易操作。

附图说明

图1是铁粉的SEM照片；

图2是硅树脂热失重图；

图3是脂环族环氧树脂和甲基六氢苯酐混合后的热失重图；

图4是有机物包覆后的粉末SEM照片；

图5是Fe元素分布图；

图6是Al元素分布图；

图7是O元素分布图；

图8是Si元素分布图；

图9是SMC热处理后的SME照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

将用作软磁复合材料用的平均粒径为38μm的水雾化纯Fe粉与1%纳米Al₂O₃混合均匀；将0.5%的硅烷偶联剂加入到混合后的粉末中混合均匀，随后将按比例配置好的脂环族环氧树脂（20%）、甲基六氢苯酐（10%）、硅树脂（40%）、二甲苯（30%）混合液加入0.5%混合均匀；将混合好的物料放入烘干箱中120℃干燥2h；将冷却后的物料解碎过100目筛；所得粉末加入0.1%含量的KP-11润滑剂混合均匀。随后经1300MPa压力压制成ф16×ф8×5环，再经150℃，保温120min干燥，将得到的试样在分解氨气氛的烧结炉中650℃热处理，保温60min，最后在BH测试仪上对样品进行磁性能测试。所得试样性能见表1所示（B_max=20mT）。

表1

频率/kHz	5	20	50	100
					磁导率	106.48	106.39	106.39	104.46
Pcv(kW/m³)	1.77	11.30	49.85	174.36

表1中结果与现有的纯Fe软磁复合材料相比，本发明制备的磁体具有较好的磁导率频率特性，随着频率的提高，磁导率衰减很小；在高频下磁损耗小。

实施例2：

将用作软磁复合材料用的平均粒径为24μm的水雾化纯Fe粉与2%纳米Al₂O₃混合均匀；将0.6%的硅烷偶联剂加入到混合后的粉末中混合均匀，随后将按比例配置好的脂环族环氧树脂（30%）、甲基六氢苯酐（10%）、硅树脂（30%）、二甲苯（30%）混合液加入1.0%混合均匀；将混合好的物料放入烘干箱中150℃干燥2h；将冷却后的物料解碎过200目筛；所得粉末加入0.7%含量的硬脂酸锌润滑剂混合均匀。随后经1500MPa压力压制成ф16×ф8×5环，再经150℃，保温120min干燥，将得到的试样在分解氨气氛的烧结炉中700℃热处理，保温30min，最后在BH测试仪上对样品进行磁性能测试。

所得试样性能见表2所示（B_max=20mT）。

表2

频率/kHz	5	20	50	100
					磁导率	103.68	103.24	102.96	101.57
Pcv (kW/m³)	1.42	10.17	41.69	154.78

表2中结果与现有的纯Fe软磁复合材料相比，本发明制备的磁体具有较好的磁导率频率特性，随着频率的提高，磁导率衰减很小；在高频下磁损耗小。

实施例3：

将用作软磁复合材料用的平均粒径为45μm的水雾化纯Fe粉与0.8%纳米SiO₂混合均匀；将0.3%的硅烷偶联剂加入到混合后的粉末中混合均匀，随后将按比例配置好的脂环族环氧树脂（30%）、甲基六氢苯酐（15%）、硅树脂（35%）、二甲苯（20%）混合液加入1.5%混合均匀；将混合好的物料放入烘干箱中120℃干燥2h；将冷却后的物料解碎过100目筛；所得粉末加入0.5%含量的硬脂酸锌润滑剂混合均匀。随后经1000MPa压力压制成ф16×ф8×5环，再经180℃，保温120min干燥，将得到的试样在分解氨气氛的烧结炉中650℃热处理，保温120min，最后在BH测试仪上对样品进行磁性能测试。所得试样性能见表3所示（B_max=20mT）。

表3

频率/kHz	5	20	50	100
					磁导率	112.93	112.62	112.04	109.49
Pcv (kW/m³)	1.95	12.58	56.73	180.54

表3中结果与现有的纯Fe软磁复合材料相比，本发明制备的磁体具有较好的磁导率频率特性，随着频率的提高，磁导率衰减很小；在高频下磁损耗小。

实施例4：

将用作软磁复合材料用的平均粒径为34μm的水雾化Fe-3.5Si粉与0.5%的纳米Al₂O₃混合均匀，将0.2%的硅烷偶联剂加入到粉末中混合均匀，随后将按比例配置好的脂环族环氧树脂（20%）、甲基六氢苯酐（10%）、硅树脂（50%）、二甲苯（20%）混合液加入0.8%混合均匀；将混合好的物料放入烘干箱中120℃干燥2h，将冷却后的物料解碎过100目筛，所得粉末加入0.3%的KP-11润滑剂混合均匀，随后经1200MPa压力压制成ф16×ф8×5环。再经150℃，保温120min干燥。将得到的试样在分解氨气氛的烧结炉中750℃热处理，保温60min，最后在BH测试仪上对样品进行磁性能测试。所得试样性能见表4所示（B_max=50mT）。

表4

频率/kHz	5	20	50	100
					磁导率	61.0	61.3	60.95	60.80
Pcv(kW/m³)	10.38	49.08	171.90	418.58

表4中结果与现有的Fe-3.5Si软磁复合材料相比，本发明制备的磁体具有较好的磁导率频率特性，随着频率的提高，磁导率衰减小；在高频下磁损耗小。

实施例5：

将用作软磁复合材料用的平均粒径为35μm的水雾化Fe-6.5Si粉与0.2%的纳米TiO₂混合均匀；将0.5%的硅烷偶联剂加入到粉末中混合均匀，随后将按比例配置好的脂环族环氧树脂（30%）、甲基六氢苯酐（20%）、硅树脂(30%)、二甲苯(20%)混合液加入1.0%混合均匀；将混合好的物料放入烘干箱中120℃干燥2h；将冷却后的物料解碎过100目筛，所得粉末加入0.3%的KP-11润滑剂混合均匀，随后经1100MPa压力压制成ф16×ф8×5环。再经150℃，保温120min干燥。将得到的试样在分解氨气氛的烧结炉中800℃热处理，保温60min，最后在BH测试仪上对样品进行磁性能测试。所得试样性能见表5所示（B_max=20mT）。

表5

频率/kHz	5	20	60	100
					磁导率	60.99	60.98	60.65	60.55
Pcv(kW/m³)	1.70	7.57	31.50	59.35

表5中结果与现有的Fe-6.5Si软磁复合材料相比，本发明制备的磁体具有较好的磁导率频率特性，随着频率的提高，磁导率衰减小；在高频下损耗小。

实施例6：

将用作软磁复合材料用的平均粒径为53μm的水雾化Fe-9Si-6Al粉与0.6%纳米TiO₂混合均匀，将0.6%的硅烷偶联剂加入到粉末中混合均匀，随后将按比例配置好的脂环族环氧树脂（20%）、甲基六氢苯酐（15%）、硅树脂（40%）、二甲苯（25%）混合液加入1.2%混合均匀；将混合好的物料放入烘干箱中150℃干燥2h。将冷却后的物料解碎过100目筛；所得粉末加入0.5%KP-11的润滑剂混合均匀。随后经1300MPa压力压制成ф16×ф8×5环，再经180℃，保温120min干燥，将得到的试样在分解氨气氛的烧结炉中850℃热处理，保温60min，最后在BH测试仪上对样品进行磁性能测试。所得试样性能见表6所示（B_max=50mT）。

表6

频率/kHz	5	20	50	100
					磁导率	67.41	67.12	66.24	65.06
Pcv(kW/m³)	1.88	9.96	54.36	149.24

表6中结果与现有的Fe-9Si-6Al软磁复合材料相比，本发明制备的磁体具有较好的磁导率频率特性，随着频率的提高，磁导率衰减率减小；在高频下磁损耗小。

Claims

1.一种金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂，其特征在于：组分是由A液和B液组成，其中A液为0.2~0.6%硅烷偶联剂，B液是由质量比为10~30%脂环族环氧树脂、5~15%甲基六氢苯酐、20~60%硅树脂和10~40%二甲苯混合而成的绝缘包覆液，B液的总用量在0.5~1.5%，以上A液、B液用量百分比为占金属粉末质量的质量百分比。

2.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂，其特征在于所述脂环族环氧树脂和甲基六氢苯酐的质量配比范围为1~4:1。

3.一种采用金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂制备金属软磁复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）配制金属软磁复合材料用有机绝缘粘结剂：A液为0.2~0.6%硅烷偶联剂，B液是由质量比为10~30%脂环族环氧树脂、5~15%甲基六氢苯酐、20~60%硅树脂和10~40%二甲苯稀释剂混合而成的绝缘包覆液，B液的总用量在0.5~1.5%，以上A液、B液用量百分比为占金属粉末质量的质量百分比；

2）将称量好的A液加入金属粉末中混合，均匀后再加入配置好的B液加入混合均匀进行包覆，随后将混合料烘干；

4）将混合料压制成形，随后进行干燥脱脂和高温固化；

5）最后进行热处理，去除应力。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述脂环族环氧树脂和甲基六氢苯酐的质量配比范围为1~4：1。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述金属粉末为平均粒度在20～60μm的金属磁性粉末与一定量的纳米氧化物混合均匀得到的。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述金属磁性粉末为纯Fe粉、Fe-Si粉、Fe-Si-Al粉、Fe-Ni粉或Fe-Ni-Mo粉中的一种或几种混合粉，金属粉末是采用雾化、还原、气流磨或化学方法中的一种或几种联合制备的，所述纳米氧化物为占质量百分比0.1-3%的纳米Al₂O₃、SiO₂、TiO₂或B₂O₃中的一种或几种填料。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在所述步骤2）的烘干过程是在100-200℃下干燥固化处理，保温30-180min。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤3）的过筛是采用100-200目筛，所述润滑剂为KP-11、硬脂酸、硬脂酸锌、硬脂酸锂中的一种或几种润滑剂混合，润滑剂含量为混合料的0.1-0.8%。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤4）的压制成形采用模压成形中的冷压、温压或热压中的一种，压制压力为800~1500MPa，所述干燥脱脂是将压坯进行150~200℃，保温60~180min的脱润滑剂处理。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤5）的热处理的气氛为氢气或分解氨还原性气氛，处理温度为500~900℃，保温时间为30~240min，随炉冷却。