高强度软磁复合材料的制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于软磁材料技术领域，具体涉及一种高强度软磁复合材料的制备方法及 应用。
【背景技术】
[0002] 现代科学技术的发展要求磁性材料具有高磁导率、高电阻率、低矫顽力、低损耗、 低磁各向异性系数、设计和加工灵活性等特点，因此要求软磁性片状材料的厚度薄而电阻 率高，并尽量减少磁导率随频率提高而迅速下降的效应。传统软磁材料如纯铁、硅钢、坡莫 合金等磁性能虽然优异，但电阻率偏低，导致在交变磁场作用下涡流损耗很大；而软磁铁氧 体材料磁性能尚可，但机械强度很低，已远远不能适应新发展的要求。
[0003] 软磁复合材料（SMCs)是在软磁粉末颗粒外包覆一层绝缘层，经压制、热处理而 成。由于其具有三维各向同性（3D)，低涡流损耗，在中、高频范围内相对低的总损耗，良好 的频率特性及易于机械加工等特殊的优异性能而备受关注。因此可以制备很多常规软磁材 料难以实现的部件，可应用于永磁电机中复杂的爪极结构、变压器、电磁整流器和电抗器等 领域。由于现有的软磁复合材料的包覆层采用有机材料，与软磁粉末热性能差异较大，热 处理过程中将产生大的孔洞（孔洞尺寸为2~5 y m)，故产品机械强度相对较低，仅限用于 在高频作用下具有复杂形状和磁路的电机，而在强度要求较高的电磁轴承领域无法使用。 A. H. Taghvaei 的论文"Analysis of the magnetic losses in iron-based soft magnetic composites with MgO insulation produced by sol - gel method'，，其期干丨J为：Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Volume 332，Issue 23，页码：3748_3754,以二乙醇 镁作为原料，氢氧化铵作为水解催化剂，采用溶胶凝胶法制备MgO涂层，制备工艺复杂，MgO 的颗粒大小无法控制，且压制过程中压力过大MgO涂层易被破坏，从而导致涡流损耗增大， 进而影响材料的磁性能。但现有的无机绝缘层也有缺点，无机绝缘材料颗粒尺寸过大或分 布不均匀，均导致无机绝缘层包覆的软磁复合材料磁性能一般，无法满足机械强度要求。
[0004] 为了提高软磁复合材料的强度，从材料学科的角度分析，上述软磁复合材料的组 织并不理想。对于Fe含量为95wt %以上的软磁复合材料，试样表面孔洞较多，且均分布 在Fe粉颗粒交界处，孔洞尺寸达到20 y m。这种现象造成了磁性能急剧降低，强度和硬度 也不均匀，产生较大的残余应力，易导致局部或整体的破坏。然而，纯铁的应力释放温度在 570~775°C之间，而树脂的热处理温度又较低，与纯铁的应力释放温度差距较大，不能很 好地消除应力；若热处理温度过高（500°C以上），热固性树脂碳化，Fe粉颗粒表面的树脂绝 缘层发生破坏，在树脂层处形成孔洞，增大涡流损耗，降低磁性能，故不适合在高频时工作。 因此现有的软磁复合材料存在的问题是：在保证磁性能及电性能基础之上，现有的技术及 方法无法制备机械性能优良的软磁复合材料。为了保证软磁复合材料的磁性能，首先MgO 颗粒越细越好，其次由于MgO是脆性材料，易产生破坏，因此需要在Fe颗粒表面增加一个保 护层，起到双重保护的作用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种高强度软磁复合材料的制备方法，以克服现有的软磁复 合材料孔洞多、涡流损耗大、磁性能低、机械强度低的问题。
[0006] 本发明的另一个目的是提供上述高强度软磁复合材料的应用。
[0007] 高强度软磁复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：
[0008] 步骤1，处理铁粉
[0009] 先备好纯铁粉末，要求该纯铁粉末的纯度为99. 99wt%，铁颗粒粒径为60~ 120 y m ;再将该纯铁粉末溶于浓度为99. 9wt %的丙酮溶液中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进 行搅拌以达到去油的目的；然后过滤出铁粉，并将铁粉洗净后待丙酮挥发完毕，将铁粉烘 干；
[0010] 步骤2,钝化铁粉
[0011] 将烘干后的铁粉与NaNOd^碱性溶液混合，并在搅拌速度为300r/min下搅拌15~ 30min，然后过滤出铁粉；最后将过滤出的铁粉放在马弗炉中，以1500°C的恒温烧结10~ 20min，取出即得到钝化后的铁粉；
[0012]步骤3，细化MgO粉末
[0013] 将纯度为99. 5wt%的MgO粉末放入球磨机中进行球磨，球磨机转速为800r/min， MgO粉末与球磨钢珠质量比为10: 1，球磨时间5~8小时，整个球磨过程始终在循环水冷却 下进行；球磨后的MgO粒径为80nm~100nm ;
[0014] 步骤4,制备双重复合金属粉末
[0015] 向步骤2制备得到的钝化铁粉中加入细化后的MgO粉末，控制钝化铁粉与细化后 MgO粉末的质量比为100 :0. 8~1. 5 ;然后将混合粉末在球磨机中进行混粉，球磨机转速为 500r/min，混合时间为1~2h，混粉过程始终在氩气保护和循环水冷却下进行，最终得到含 有钝化层及MgO绝缘层的双重复合金属粉末；
[0016] 步骤5,压制
[0017] 将步骤4得到的双重复合金属粉末放入模具中，然后在室温下，机械压力为 600~800MPa下压制成型，保压5~10min，即得到高强度软磁复合材料的还料；
[0018] 步骤6,热处理
[0019] 将高强度软磁复合材料的坯料置于真空烧结炉中，在真空条件下，以10°C /min的 速率从室温升温至400~450°C，在真空度为10 3~10 'a和温度为400~450°C条件下对 步骤5得到的软磁复合材料的坯料进行热处理2~3h，然后随炉冷却，即得到高强度软磁复 合材料。
[0020] 其中，NaN02的碱性溶液，其溶质为NaNO 2和NaOH，溶剂为去离子水；所述步骤1中 未处理的纯铁粉末、NaN02、NaOH和去离子水的质量比为50 :0. 1~0. 2 :0. 25~0. 4 :50。
[0021] 其中，步骤1中，将纯铁粉末溶于丙酮中进行脱脂，并用螺旋搅拌器进行搅拌，每 次搅拌10~20min，搅拌3次，以达到去油的目的。
[0022] 另外，步骤1中，洗净后的铁粉置于真空炉中以50~60°C的温度烘干。
[0023] 其特征还在于，步骤3中，球磨的钢珠直径为5_。
[0024] 上述制备方法制备的高强度软磁复合材料的应用：该高强度软磁复合材料应用于 电磁推力轴承的定子和推力盘。
[0025] 本发明的有益效果是，制备方法简单，原料廉价，来源广泛，且符合现代工业发展 需求；制备出的高强度软磁复合材料电阻率大、涡流损耗小、孔洞数量少，强度高，应用于电 磁推力轴承的定子和推力盘。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明实施例1中MgO粉末的SEM组织图（a为球磨前MgO粉末的SEM组 织图，b球磨后MgO粉末的SEM组织图）；
[0027] 图2是本发明实施例1制备出的高强度软磁复合材料A放大500倍的微观组织 图；
[0028] 图3是本发明实施例2中球磨后MgO粉末放大20, 000倍的SEM组织图；
[0029] 图4是本发明实施例2制备出的高强度软磁复合材料B放大500倍的微观组织 图；
[0030] 图5是本发明实施例3中球磨后MgO粉末放大5, 000倍的SEM组织图；
[0031] 图6是本发明实施例3制备出的高强度软磁复合材料C放大500倍的微观组织 图；
[0032] 图7是本发明实施例4中球磨后MgO粉末放大5, 000倍的SEM组织图；
[0033] 图8是本发明实施例4制备出的高强度软磁复合材料D放大500倍的微观组织 图；
[0034] 图9是现有的树脂基软磁复合材料放大500倍的微观组织图；
[0035] 图10是简化的电磁推力轴