CN107256792A - 铁基纳米晶电感磁芯的制造方法 - Google Patents

铁基纳米晶电感磁芯的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，依次包括：卷绕步骤、热处理步骤、固化步骤、切割步骤、表面预处理步骤、防护处理步骤、腐蚀处理步骤以及清洗步骤，其中，在所述腐蚀处理步骤中，采用腐蚀溶液对所述防护处理后得到的磁芯坯体的切割面进行腐蚀处理，所述腐蚀溶液的溶质为三氯化铁、硝酸铁、硝酸铜、氯化铜中的一种或多种。本发明所述的改善磁芯电感的方法，工艺流程简单，操作方便，能实现批量化生产，可有效降低工人劳动强度，提高生产效率。

Description

铁基纳米晶电感磁芯的制造方法
技术领域
本发明属于非晶纳米晶软磁合金磁性元器件制造领域，特别涉及一种铁基纳米晶电感磁芯的制造方法。
背景技术
近年来，由于铁基纳米晶磁芯其优异的软磁性能，被广泛应用于变压器、电抗器、磁放大器、EMC滤波器共模电感和差模电感磁芯，尤其是高频大功率输出变压器。由于环形类磁芯存在绕线困难等问题，特别是在匝数较多情况下，因此，铁基纳米晶电感磁芯得到广泛关注。电感是表征磁芯元件自感应能力大小的一种物理量，同时磁芯电感的大小决定了其工作磁感应强度的取值，是决定元器件结构大小的关键因素，因此，电感常被用于衡量电感磁芯性能的主要指标。电感磁芯的生产工艺决定其在切割过程中会造成切割面出现毛刺、局部切面不平、切割面层间碎屑残留，使磁芯对接后接触面积减小，有效截面积降低，导致电感下降，无法满足设计要求。
针对磁芯切割后切割面出现毛刺、局部切面不平、切割面层间碎屑残留等，现有方法主要为机械打磨法，如采用平面磨床、砂带机等设备打磨，这样可以改善铁基纳米晶电感磁芯电感，此方法只能单件处理且操作耗时长，生产效率低，设备及工装模具投入量巨大，不易实现批量生产；同时打磨过程中由于磁芯持续受外力作用易产生磁芯切面损伤、开裂，从而造成磁芯外观废品、残次品比例升高，总体效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种铁基纳米晶电感磁芯的制造方法。该方法能够实现批量生产、提升磁芯外观合格率并提高铁基纳米晶磁芯电感。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，依次包括：卷绕步骤、热处理步骤、固化步骤、切割步骤、表面预处理步骤、防护处理步骤、腐蚀处理步骤以及清洗步骤，其中，在所述腐蚀处理步骤中，采用腐蚀溶液对所述防护处理后得到的磁芯坯体的切割面进行腐蚀处理，所述腐蚀溶液的溶质为三氯化铁、氯化铜、硝酸铁、硝酸铜中的一种或多种。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述腐蚀溶液的溶剂为酒精。更优选地，所述酒精为无水乙醇(分析纯：乙醇含量99.7％)，酒精含水量越大，磁芯越容易生锈。
当本发明所述腐蚀溶液为三氯化铁酒精溶液时，其为棕黄色液体，由于三价Fe具有氧化性，会与Fe原子发生氧化还原反应而使切割面附近多余的Fe溶解掉，化学反应方程式为2FeCl3+Fe＝3FeCl2。当腐蚀溶液的溶质为上述其他成分(比如硝酸铁、硝酸铜、氯化铜)时，其对切割面的腐蚀原理同三氯化铁。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，所述腐蚀溶液中，所述溶质的质量百分比浓度为5％～50％(比如6％、8％、12％、15％、18％、21％、23％、28％、33％、36％、40％、43％、45％、48％、49％)，浓度过高会导致切割面过度腐蚀，磁芯性能恶化且外观不合格，浓度过低对电感的改善效果不明显。进一步地，所述腐蚀溶液中，所述溶质的质量百分比浓度优选为20～50％。
所述腐蚀溶液中，所述溶质的质量百分比浓度为5％～50％，比如质量百分比浓度5％的三氯化铁酒精溶液的配制方法为：将5g三氯化铁缓慢加入95g酒精中，并用玻璃棒不断搅拌直至三氯化铁完全溶解，从而配得5wt％的三氯化铁酒精溶液(即腐蚀溶液)。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，可根据磁芯特点，保持适度的腐蚀处理时间，作为一种优选实施方式，在所述腐蚀处理步骤中，所述腐蚀处理的时间为10～120min(比如12min、16min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、65min、70min、80min、90min、100min、110min、119min)，腐蚀时间过长，切割面过度腐蚀导致外观、性能不合。更优选地，所述腐蚀处理的时间为60～120min。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述腐蚀处理步骤中，采用将所述防护处理后得到的磁芯坯体的切割面浸入所述腐蚀溶液的方式对所述磁芯坯体的切割面进行腐蚀处理。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述表面预处理步骤中，采用乙酸乙酯对所述切割后得到的磁芯坯体表面进行预处理。优选地，所述表面预处理是将所述切割后得到的磁芯坯体完全浸入乙酸乙酯中浸泡10min～60min(比如12min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、58min)，然后取出磁芯坯体将表面清理干净。表面预处理的目的是去除切割后磁芯坯体的表面碎屑，由于切割面以外的区域也会存在切割碎屑，因此必须全部浸入。浸泡时间太长会导致磁芯坯体层间的胶被溶解，影响粘接强度。更进一步优选地，所述乙酸乙酯部分或全部由乙醇替代。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述防护处理步骤中，对所述磁芯坯体的外表面进行防护处理。优选地，所述防护处理是指在所述磁芯坯体的外表面覆上一层防护层，然后入炉烘干。更优选地，所述防护层的厚度为35～60μm(比如36μm、40μm、45μm、50μm、55μm、58μm)；所述烘干温度为40℃～60℃(比如42℃、45℃、50℃、52℃、55℃、58℃)，烘干时间为30～60min(比如32min、35min、40min、45min、50min、55min、58min)，以所述防护层固化为准。防护层过薄，在产品后续搬运装配过程中会因摩擦或者磕碰导致防护层局部缺失影响防护效果，防护层过厚会导致产品总体尺寸超过公差范围而不合格。该步骤的防护处理，主要是为下一步的腐蚀处理做准备，以防止腐蚀溶液将磁芯坯体切割面以外的外表面腐蚀，从而影响磁芯的质量，也就是说，防护处理是对磁芯坯体的外表面进行防护，防止液体渗入磁芯层间，腐蚀切割面以外的区域。防护层的材质可以是任何具有极快速的硬化性、优良的电器绝缘性以及防腐蚀溶液腐蚀的树脂材质，优选地，防护层的材质为绝缘凡立水V821A、绝缘凡立水1032EHG或纳米聚合漆V852-19A/B。所述防护处理具体如下：先将合成树脂及稀释剂以100:15～30(比如100:16、100:20、100:22、100:25、100:27、100:29)的重量比混合，得到的胶液的粘度控制在25s～50s(比如26s、30s、35s、40s、45s、48s)范围内(采用涂4粘度计测量)，然后将所述表面预处理后的所述磁芯坯体直接置于所述胶液中或者将切割面粘附有胶带的所述磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡5～10min(比如6min、7min、8min、9min)使所述磁芯坯体的外表面覆上胶液，之后于40℃烘干30～60min。所述稀释剂为醇酸稀释剂X-7；所述合成树脂为绝缘凡立水V821A、绝缘凡立水1032EHG或纳米聚合漆V852-19A/B。在防护处理步骤中，磁芯坯体在浸入胶液之前，对切割面可以不做处理，也可以对切割面进行简单处理即在切割面上粘附胶带，在切割面不做任何处理的情况下，覆在切割面上的胶液在后续腐蚀处理过程中可以被酒精溶解掉，通常为了方便起见，选择直接将表面预处理后的所述磁芯坯体置于胶液中。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述清洗步骤中，采用清洗剂对所述腐蚀处理后的磁芯坯体的切割面进行清洗，得到所述铁基纳米晶电感磁芯，所述清洗剂优选为工业酒精(即乙醇含量在95％以上)，该清洗步骤主要用于去除切割面腐蚀后所残留的化学试剂。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述卷绕步骤中，将铁基纳米晶带材卷绕成相应的形状的磁芯坯体。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述热处理步骤中，对卷绕成型的磁性坯体进行热处理。具体的热处理工艺可以根据铁基纳米晶磁芯的材质及性能要求采用相应的热处理工艺。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，作为一种优选实施方式，在所述固化步骤中，对热处理后的磁芯坯体进行浸胶固化处理，浸胶固化处理可以采用本领域常规固化方法，比如胶液可以是常用的环氧树脂胶。
本发明的方法适合所有切割类铁基纳米晶电感磁芯的制备，比如所述磁芯的形状为C型、E型、块体、环形切口等。
在上述铁基纳米晶电感磁芯的制造方法中，所述铁基纳米晶磁芯的材质可以是任何铁基纳米晶(带材)。
另外，本发明方法得到的磁芯的电感是通过TH2828S自动元件分析仪测得的。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、在本发明中，将磁芯坯体切割面朝下倒扣于盛有适量特定浓度的腐蚀溶液即化学试剂的反应器皿中进行腐蚀处理，去除了切割面毛刺及层间碎屑，使切割面光滑平整，增加磁芯对接后的有效接触面积和增强磁芯层间绝缘性，见图2，从而达到提高磁芯电感量的目的，并通过设定化学试剂浓度、腐蚀处理时间，控制电感提升效果，现有技术中还没有通过化学方法改善铁基纳米晶磁芯电感的报道。
2、本发明所述的改善磁芯电感的方法，工艺流程简单，操作方便，能实现批量化生产，可有效降低工人劳动强度，提高生产效率。
3、本发明所述的改善磁芯电感的方法效果明显，在频率为20kHz，电压为0.5V的条件下，电感值≥8.50μH，明显优于采用现有机械方法(比如砂带机打磨)对磁芯电感值的改善，现有方法在相同条件下获得磁芯的电感值≥6.93μH。与采用现有机械方法打磨后获得的磁芯相比，采用本发明方法制备的磁芯电感可提升达到35％。
4、由于本发明所使用的方法为非机械方法，处理过程中有效避免了现有方法中存在的磁芯持续受外力作用而造成的切面损伤、开裂等不良现象，磁芯出现废品、残次品几率明显低于现有技术中所采用的方法。
附图说明
图1是根据本发明实施例的磁芯腐蚀处理前表面预处理后得到的磁芯的切割面的显微照片；
图2是根据本发明实施例的磁芯采用浓度为20wt％的三氯化铁酒精溶液处理60min并清洗后得到的磁芯的切割面的显微照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
采用本发明的方法生产铁基纳米晶电感磁芯，其中磁芯规格为CNC(产品规格型号的代码)-75(内窗口长度)*28(内窗口宽度)*25(叠片厚度)*35(带材宽度)。
实施例1-12
分别采用了实施例1-12的方法制造了1-12#磁芯，具体方法如下：
(1)将铁基纳米晶带材1K107B进行卷绕，然后进行热处理和浸胶处理并烘干，得到磁芯坯体，尺寸为CNC-75*28*25*35；
(2)按照需要，采用常规切割工艺对步骤(1)得到的磁芯坯体进行切割处理，切割处理后产生切割面；
(3)将切割处理后的磁芯坯体完全浸入乙酸乙酯中进行表面预处理，以去除磁芯坯体表面的切割碎屑，浸泡时间为10min，然后取出磁芯坯体将表面清理干净，切割面的显微照片参见图1；
(4)先按照100:20的质量比将合成树脂绝缘凡立水V821A及稀释剂醇酸稀释剂X-7搅拌混合形成粘度为30s的胶液(采用涂4粘度计测量)，然后将磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡7min后于40℃烘干40min，在磁芯坯体的外表面上得到一层厚度为40μm的防锈涂层；
(5)将涂有防护层的磁芯坯体切割面朝下倒扣于盛有特定浓度的三氯化铁酒精溶液的反应器皿中进行腐蚀处理，腐蚀处理时间保持在10～120min，各个实施例中三氯化铁酒精溶液的浓度和腐蚀时间参见下表1。
(6)用工业酒精清洗腐蚀处理后的磁芯，自然晾干得到磁芯成品1-12#，其中，7#磁芯成品的切割面的显微照片参见图2。
表1中的比较例的工艺是将本发明步骤(2)切割后的磁芯坯体的切割面经机械方法打磨得到的磁芯。
采用TH2828S自动元件分析仪测试磁芯成品1-12#的电感值，并与现有技术处理后的比较例进行对比，结果参见表1。
结果证实根据本发明加工过的铁基纳米晶电感磁芯，电感值提升效果明显，本发明方法得到的磁芯电感值较现有机械方法打磨得到的磁芯的电感值提升可达34.1％，并且在频率为20kHz、电压为0.5V的条件下，电感值可达9.08μH，明显优于现有技术中采用的方法得到的磁芯的电感值(在频率为20kHz、电压为0.5V的条件下，现有方法电感值最高达7.67μH)，三氯化铁酒精溶液的浓度20wt％为优选方案。
表1采用实施例1-12与机械方法打磨方案处理效果对比
实施例13-20
除步骤(5)中使用的三氯化铁酒精溶液的浓度和腐蚀时间不同于实施例10以外，其他制备工艺步骤及参数与实施例10相同，实施例13-20制备得到磁芯成品13-20#。各个实施例中三氯化铁酒精溶液的浓度和腐蚀时间参见下表2，磁芯电感见表2，比较例仍然为将本发明步骤(2)切割后的磁芯坯体的切割面经机械方法打磨得到的磁芯。
表2实施例13-20与比较例的工艺参数和效果对比
对比例L1-8
采用机械方法打磨切割后的磁芯坯体切割面(即实施例10步骤(2)得到的切割后磁芯坯体)，共制备了8个磁芯，参见下表3中的比较例L1-8；同时采用实施例7的方法共制造8个磁芯，即下表3中的实施例L1-8，即结果证实采用本发明方案(实施例L1-8)处理后的磁芯，断面尺寸及外观均未出现任何不良现象。而采用机械方法处理的磁芯(对比例L1-8)断面尺寸会发生变化，尺寸超差比例达12.5％；磁芯产生切面损伤及开裂的比例分别为50％和12.5％，结果参见表3。
表3不同方式处理前后的磁芯断面尺寸及外观变化
实施例21-23
分别采用了实施例21-23的方法制造了21-23#磁芯，具体方法如下：
(1)将铁基纳米晶带材1K107B进行卷绕，然后进行热处理和浸胶处理并烘干，得到磁芯坯体，尺寸为CNC-75*28*25*35；
(2)按照需要，采用常规切割工艺对步骤(1)得到的磁芯坯体进行切割处理，切割处理后产生切割面；
(3)将切割处理后的磁芯坯体完全浸入乙酸乙酯中进行表面预处理，以去除磁芯坯体表面的切割碎屑，浸泡时间为10min，然后取出磁芯坯体将表面清理干净；
(4)先按照100:20的质量比将合成树脂绝缘凡立水V821A及稀释剂醇酸稀释剂X-7搅拌混合形成粘度为30s的胶液(采用涂4粘度计测量)，然后将磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡7min后于50℃烘干40min，在磁芯坯体的外表面上得到一层厚度为40μm的防锈涂层；
(5)将涂有防护层的磁芯坯体切割面朝下倒扣于盛有20wt％的腐蚀溶液的反应器皿中进行腐蚀处理，腐蚀处理时间保持在60min，各个实施例中腐蚀溶液溶质参见表4，溶剂为无水乙醇。
(6)用工业酒精清洗腐蚀处理后的磁芯，自然晾干得到磁芯成品21-23#。
表4中的比较例的工艺是将本发明步骤(2)切割后的磁芯坯体的切割面经机械方法打磨得到的磁芯。
采用TH2828S自动元件分析仪测试磁芯成品21-23#的电感值，并与现有技术处理后的比较例进行对比，结果参见表4。
表4采用实施例21-23与机械方法打磨方案处理效果对比
以上所述仅为本发明的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，并不用于限定本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何修改、等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，依次包括：卷绕步骤、热处理步骤、固化步骤、切割步骤、表面预处理步骤、防护处理步骤、腐蚀处理步骤以及清洗步骤，其中，
在所述腐蚀处理步骤中，采用腐蚀溶液对所述防护处理后得到的磁芯坯体的切割面进行腐蚀处理，所述腐蚀溶液的溶质为三氯化铁、氯化铜、硝酸铁、硝酸铜中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，所述腐蚀溶液的溶剂为酒精；优选地，所述酒精为无水乙醇。
3.根据权利要求1或2所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，所述腐蚀溶液中，所述溶质的质量百分比浓度为5％～50％，所述溶质的质量百分比浓度优选为20～50％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，在所述腐蚀处理步骤中，所述腐蚀处理的时间为10-120min；优选地，所述腐蚀处理的时间为60-120min。
5.根据权利要求1-4任一项所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，在所述腐蚀处理步骤中，采用将所述防护处理后得到的磁芯坯体的切割面浸入所述腐蚀溶液的方式对所述磁芯坯体的切割面进行腐蚀处理。
6.根据权利要求1-5任一项所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，在所述表面预处理步骤中，采用乙酸乙酯对所述切割后得到的磁芯坯体表面进行预处理；优选地，所述表面预处理是将所述切割后得到的磁芯坯体完全浸入乙酸乙酯中浸泡10min～60min，然后取出磁芯坯体将表面清理干净；进一步优选地，所述乙酸乙酯部分或全部由乙醇替代。
7.根据权利要求1-6任一项所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，在所述防护处理步骤中，对所述磁芯坯体的外表面进行防护处理；优选地，所述防护处理是指在所述磁芯坯体的外表面覆上一层防护层，然后入炉烘干；更优选地，所述防护层的厚度为35～60μm；所述烘干温度为40℃～60℃，烘干时间为30～60min，以所述防护层固化为准。
8.根据权利要求7所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，所述防护处理具体如下：先将合成树脂及稀释剂以100:15～30的重量比混合，得到的胶液的粘度控制在25s～50s范围内，然后将所述表面预处理后的所述磁芯坯体直接置于所述胶液中或者将切割面粘附有胶带的所述磁芯坯体置于所述胶液中，浸泡5～10min使所述磁芯坯体的外表面覆上胶液，之后于40℃烘干30～60min。
9.根据权利要求1-8任一项所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，在所述清洗步骤中，采用清洗剂对所述腐蚀处理后的磁芯坯体的切割面进行清洗，得到所述铁基纳米晶电感磁芯，所述清洗剂优选为工业酒精。
10.根据权利要求1-9任一项所述的铁基纳米晶电感磁芯的制造方法，其特征在于，
在所述卷绕步骤中，将铁基纳米晶带材卷绕成相应的形状的磁芯坯体；
在所述热处理步骤中，对卷绕成型的磁芯坯体进行热处理；
在所述固化步骤中，对热处理后的磁芯坯体进行浸胶固化处理。
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