一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法

本发明属于软磁复合材料制备技术领域，尤其涉及一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法。

背景技术：

金属软磁复合材料(softmagneticcomposite，smc)性能介于金属和铁氧体软磁材料之间，是一种在磁性粉末表面包覆一层绝缘介质的磁性材料。具有较高的电阻率和饱和磁感应强度，兼具磁各向同性、低矫顽力、高居里温度以及低损耗等优点，在高速电机、开关电源和电力电子元器件等方面有广泛的应用，尤其是作为高速电机磁芯材料潜力巨大。

随着对磁性能、力学性能、耐蚀性及应用频率要求的日益提升，亟需开发具有优异综合性能的新型软磁复合材料。由于存在涡流损耗，硅钢片的使用频率限制于几百赫兹以下的低频，铁氧体磁芯局限于几兆赫以上的高频。而金属软磁复合材料具有独特的损耗特性，能弥补硅钢片和铁氧体磁芯的缺陷，并且可以在400-400×10³hz的频率范围内广泛使用。

故而为满足以上使用要求，需要研究设计一种具有高饱和磁化强度、低矫顽力、高电阻率、高耐蚀性的软磁合金，其是采用兼具高电阻率、高强度和软磁特性的绝缘物作为包覆层，满足在确保软磁材料磁性能的基础上同时能够降低软磁材料的涡流损耗的技术目的。

研究发现，目前的金属粉末包覆技术主要是采用机械球磨、表面氧化、溶胶－凝胶法、水热法以及微乳液法等。而这些包覆技术存在包覆后软磁材料的包覆层添加量、包覆厚度、均匀程度难以控制的技术问题。而一旦控制不好，则会出现以下两种情况：

一方面，包覆层如果过厚势必要降低整体饱和磁感强度；另一方面，如果过薄不能有效降低涡流损耗。

且本领域的技术人员为获得mhz高频率条件下的磁性能，需要采用超细的合金粉末(尺寸≦10微米)，而这也会造成粉末成形性差的问题，使得最终产品的致密度和强度得不到保证。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是现有铁硅铬软磁复合材料的包覆层厚度及均匀性调控、包覆工艺、超细合金粉末难以控制。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，所述的制备方法如下所示：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并搅拌溶解得到混合溶液；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中搅拌，依次进行陈化、干燥和煅烧处理，从而得到包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过筛，与聚酰胺酸和n,n二甲基乙酰胺混合均匀并干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过温模压制成形得到生坯，对所述生坯进行热处理脱除聚酰亚胺，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率≥23h/m、50mt的200khz时磁损耗<2490mw/cm³、100oe时直流偏置特性>81％、在频率-1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料。

优选地，步骤一所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为5-10μm，球磨机转速为250-350rpm，球磨时间为0.5-2h，混料筒内粉料装填系数为0.45。

优选地，步骤二所述表面活性剂为火棉胶、十六烷基三甲氧基硅烷和三嵌段聚合物f127中的任一种。

优选地，步骤二和步骤三所述搅拌溶解为超声搅拌、机械搅拌中的至少一种。

优选地，步骤二所述mg(no3)2·6h2o与表面活性剂的质量比为1:2-1:4。

优选地，步骤三所述陈化时间为22-26h，干燥温度为110-130℃，煅烧所需的气氛为氧气，煅烧温度为540-560℃，煅烧时间为3-5h；包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末的mgo包覆层厚度为10-200nm。

优选地，步骤四所述破碎过筛的目数为100目。

优选地，步骤四所述聚酰胺酸的添加含量为0.6-2.0wt％，干燥温度为160-180℃。

优选地，步骤五所述温模压制成型的模具温度为120-150℃，保温时间为0.5-1h，压力为300-2000mpa。

优选地，步骤五所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至550-570℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在5-10℃/min时升温至700-1100℃烧结0.5-2.0h，最终获得高强度的铁硅铬软磁复合材料。

本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：

(1)、本发明的片状铁硅铬合金粉末使得粉末成形性优于采用超细的合金粉末(尺寸≦10微米)；

(2)、本发明的制备方法获得的mgo包覆层厚度、包覆层均匀性可控，能够在保证软磁材料的mhz高频率条件下的磁性能基础上有效降低涡流损耗；

(3)、本发明用粘结剂聚酰胺酸在后续通过脱水转变为聚酰亚胺，制得现有技术所不存在的聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

(4)、本发明的聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末外的聚酰亚胺，能够实现超细粉末造粒功能，并且可以作为温压压制的润滑剂，防止在步骤三所述磁环生坯在脱除聚酰亚胺时，由于脱水速率过快造成生胚变形、开裂等技术缺陷；

(5)、本发明的温压压制能够使得表面形成均匀包覆的mgo绝缘包覆层的片状铁硅铬合金粉末形成的软磁材料致密度高和强度高，同时在高频条件下涡流损耗低，性能稳定，利于工业大规模生产和使用。

综上所述，本发明球磨的方式、原料粒度、制备mgo包覆层的工艺选择、以及植被最终材料的热处理脱除和烧结能够在在保证产品尺寸稳定的同时，因所用合金粉末粒度细小，活度高，能够降低烧结温度，在片状铁硅铬合金粉末表面形成一层坚硬的绝缘包覆层，提高产品电阻率，降低高频下的磁损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备的片状铁硅铬软磁复合材料的结构形貌图；其中a为mgo包覆层，b为片状铁硅铬组织。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，所述的制备方法如下所示：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并搅拌溶解得到混合溶液；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中搅拌，依次进行陈化、干燥和煅烧处理，从而得到包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过筛，与聚酰胺酸和n,n二甲基乙酰胺混合均匀并干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过温模压制成形得到生坯，对所述生坯进行热处理脱除聚酰亚胺，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率≥23h/m、50mt的200khz时磁损耗<2490mw/cm³、100oe时直流偏置特性>81％、在频率-1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料。

特别地，步骤一所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为5-10μm，球磨机转速为250-350rpm，球磨时间为0.5-2h，混料筒内粉料装填系数为0.45。

特别地，步骤二所述表面活性剂为火棉胶、十六烷基三甲氧基硅烷和三嵌段聚合物f127中的任一种。

特别地，步骤二和步骤三所述搅拌溶解为超声搅拌、机械搅拌中的至少一种。

特别地，步骤二所述mg(no3)2·6h2o与表面活性剂的质量比为1：2-1：4。

特别地，步骤三所述陈化时间为22-26h，干燥温度为110-130℃，煅烧所需的气氛为氧气，煅烧温度为540-560℃，煅烧时间为3-5h；包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末的mgo包覆层厚度为10-200nm。

特别地，步骤四所述破碎过筛的目数为100目。

特别地，步骤四所述聚酰胺酸的添加含量为0.6-2.0wt％，干燥温度为160-180℃。

特别地，步骤五所述温模压制成型的模具温度为120-150℃，保温时间为0.5-1h，压力为300-2000mpa。

特别地，步骤五所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至550-570℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在5-10℃/min时升温至700-1100℃烧结0.5-2.0h，最终获得高强度的铁硅铬软磁复合材料。

具体制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法结合以下实施例和附图进行说明：

实施例1

一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，按下述步骤完成：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为5μm，球磨机转速为350rpm，球磨时间为1h，混料筒内粉料装填系数为0.45；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并磁子搅拌0.5h至完全溶解得到混合溶液；所述表面活性剂为火棉胶，mg(no3)2·6h2o与火棉胶质量比为0.15：0.5；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中超声机械搅拌2h，在烧杯中放置陈化22h，在鼓风干燥箱中130℃干燥，所得前驱体在氧气气氛下，经540℃煅烧4h，随炉冷却至室温，从而得到包覆层厚度为10nm的包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过100目筛，与1.0wt％的聚酰胺酸粘结剂和n,n二甲基乙酰胺溶剂混合均匀并在160℃干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过模具温度120℃保温时间0.5h、压力300mpampa的温模压制成形得到8mm*4mm*3.5mm的磁环生坯，所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至550℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在7℃/min时升温至1100℃烧结0.5h，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率31h/m、50mt的200khz时磁损耗2400mw/cm³、100oe时直流偏置特性84％、在频率～1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料，其组织结构如图1所示，是由mgo包覆层和片状铁硅铬组织组成。

实施例2

一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，按下述步骤完成：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为10μm，球磨机转速为250rpm，球磨时间为0.5h，混料筒内粉料装填系数为0.45；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并磁子搅拌0.5h至完全溶解得到混合溶液；所述表面活性剂为火棉胶，mg(no3)2·6h2o与火棉胶质量比为1：4；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中超声机械搅拌2h，在烧杯中放置陈化26h，在鼓风干燥箱中110℃干燥，所得前驱体在氧气气氛下，经550℃煅烧3h，随炉冷却至室温，从而得到包覆层厚度为200nm的包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过100目筛，与0.6wt％的聚酰胺酸粘结剂和n,n二甲基乙酰胺溶剂混合均匀并在180℃干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过模具温度150℃、保温时间1h、压力2000mpa的温模压制成形得到8mm*4mm*3.5mm的磁环生坯，所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至570℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在10℃/min时升温至900℃烧结2.0h，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率29h/m、50mt的200khz时磁损耗2150mw/cm³、100oe时直流偏置特性86％、在频率～1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料。

实施例3

一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，按下述步骤完成：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为7μm，球磨机转速为300rpm，球磨时间为2h，混料筒内粉料装填系数为0.45；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并磁子搅拌0.5h至完全溶解得到混合溶液；所述表面活性剂为火棉胶，mg(no3)2·6h2o与火棉胶质量比为1：2；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中超声机械搅拌2h，在烧杯中放置陈化24h，在鼓风干燥箱中120℃干燥，所得前驱体在氧气气氛下，经560℃煅烧3h，随炉冷却至室温，从而得到包覆层厚度为50nm的包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过100目筛，与1.2wt％的聚酰胺酸粘结剂和n,n二甲基乙酰胺溶剂混合均匀并在170℃干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过模具温度130℃、保温时间1h、压力800mpa的温模压制成形得到8mm*4mm*3.5mm的磁环生坯，所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至560℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在8℃/min时升温至1100℃烧结0.5h，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率23h/m、50mt的200khz时磁损耗2200mw/cm³、100oe时直流偏置特性83％、在频率～1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料。

实施例4

一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，按下述步骤完成：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为6μm，球磨机转速为280rpm，球磨时间为0.9h，混料筒内粉料装填系数为0.45；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并磁子搅拌0.5h至完全溶解得到混合溶液；所述表面活性剂为十六烷基三甲氧基硅烷，mg(no3)2·6h2o与十六烷基三甲氧基硅烷质量比为1：3；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中超声机械搅拌2h，在烧杯中放置陈化25h，在鼓风干燥箱中112℃干燥，所得前驱体在氧气气氛下，经545℃煅烧3h，随炉冷却至室温，从而得到包覆层厚度为120nm的包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过100目筛，与1.6wt％的聚酰胺酸粘结剂和n,n二甲基乙酰胺溶剂混合均匀并在180℃干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过模具温度140℃、保温时间0.5h、压力1000mpa的温模压制成形得到8mm*4mm*3.5mm的磁环生坯，所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至555℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在6℃/min时升温至800℃烧结1.0h，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率大于28h/m、50mt的200khz时磁损耗2100mw/cm³、100oe时直流偏置特性84％、在频率～1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料。

实施例5

一种制备片状铁硅铬软磁复合材料的制备方法，按下述步骤完成：

步骤一：首先将市售铁硅铬合金粉末球磨混合得到片状铁硅铬合金粉末；所述球磨是在带有不锈钢球的混料筒内进行的高能球磨，所述市售铁硅铬合金粉末的粒度为9μm，球磨机转速为320rpm，球磨时间为1.8h，混料筒内粉料装填系数为0.45；

步骤二：再配制mg(no3)2·6h2o溶液，向所述的mg(no3)2·6h2o溶液中添加表面活性剂并磁子搅拌0.5h至完全溶解得到混合溶液；所述表面活性剂为三嵌段聚合物f127，mg(no3)2·6h2o与三嵌段聚合物f127质量比为1：4；

步骤三：将所述片状铁硅铬合金粉末添加到所述混合溶液中超声机械搅拌2h，在烧杯中放置陈化25h，在鼓风干燥箱中115℃干燥，所得前驱体在氧气气氛下，经560℃煅烧4h，随炉冷却至室温，从而得到包覆层厚度为100nm的包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末；

步骤四：将所述包覆有mgo的铁硅铬片状包覆合金粉末破碎过100目筛，与1.5wt％的聚酰胺酸粘结剂和n,n二甲基乙酰胺溶剂混合均匀并在170℃干燥，得到从外到内结构为聚酰亚胺-mgo-铁硅铬的片状多层包覆合金粉末；

步骤五：将所述片状多层包覆合金粉末通过模具温度130℃、保温时间0.5h、压力1200mpa的温模压制成形得到8mm*4mm*3.5mm的磁环生坯，所述生坯当升温速率控制在5℃/min以下时升温至550℃脱除聚酰亚胺，当升温速率控制在10℃/min时升温至1000℃烧结2.0h，最后保护气氛烧结制得密度大于5.50g/cm³、抗压强度大于40mpa、有效磁导率30h/m、50mt的200khz时磁损耗2300mw/cm³、100oe时直流偏置特性85％、在频率～1mhz保持较低的磁损耗和频率稳定性的片状铁硅铬软磁复合材料。

综上可见，发明球磨的方式、原料粒度、制备mgo包覆层的工艺选择、以及植被最终材料的热处理脱除和烧结能够在在保证产品尺寸稳定的同时，因所用合金粉末粒度细小，活度高，能够降低烧结温度，在片状铁硅铬合金粉末表面形成一层坚硬的绝缘包覆层，提高产品电阻率，降低高频下的磁损耗。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。