專利名稱：壓粉鐵芯用包覆粉末及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能新材料領(lǐng)域，涉及一種壓粉鐵芯用包覆粉末及其制備工藝，采用本發(fā)明的包覆粉末被用于制作變壓器和感應(yīng)體中的磁芯、電動(dòng)機(jī)及其他電子部件的壓粉鐵
背景技術(shù)：
現(xiàn)在市場(chǎng)上鐵粉芯主要采用將沖壓的硅鋼片疊層為硅鋼板，再機(jī)加工制成疊層鐵芯，用于制作各種變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的鐵芯。硅鋼片又稱電工鋼，是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金，一般含硅量為0. 5 4. 5%，選用硅鋼片制成的鐵芯磁導(dǎo)率大、鐵損低，應(yīng)用廣泛，但是制備工藝繁瑣，需要沖壓而不能一次成形，原材料利用率低，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；硅鋼片具有一定的取向性，需要多步驟工藝方能制造出所需三維形狀的鐵芯產(chǎn)品。將沖壓的硅鋼片疊層為硅鋼板、再機(jī)加工制成的疊層鐵芯存在一個(gè)很大的局限性，就是在疊層鋼的平面上磁性能很好，但在其垂直方向磁性能差，由于磁性能各項(xiàng)異性與沖壓技術(shù)的局限，迫使疊層電機(jī)只能運(yùn)用于二維磁通的部件而無法在三維電機(jī)上使用；同時(shí)由于疊層鋼經(jīng)常有尖銳突出的邊棱，表面較為粗糙，為保護(hù)繞組需要堅(jiān)韌厚實(shí)的絕緣層從而必須繞更多的銅線，這樣既浪費(fèi)材料(銅線)，同時(shí)絕緣層的增多會(huì)導(dǎo)致熱傳導(dǎo)降低。鐵硅鋁粉芯和坡莫合金粉芯、高磁通粉芯的制備可以采用粉末冶金工藝一次性加工成形，材料利用率高，有望替代疊層鐵芯，但是由于相應(yīng)的鐵粉芯用包覆粉末磁導(dǎo)率低， 價(jià)格昂貴，在實(shí)際生產(chǎn)中并不能替代疊層鐵芯而廣泛應(yīng)用。就制備壓粉鐵芯而言，有不同的加工方法將純鐵粉制備成扁平狀粉末顆粒，如通過電解法和水霧化工藝制備的各種形式的鐵粉。但是電解制粉成本偏高，鐵粉純度不高，粉末氧含量超過0.6%，制備成的鐵芯機(jī)械性能不能滿足加工要求；水霧化法制粉粉末形貌不規(guī)則，制備成的鐵芯磁性能不夠穩(wěn)定，因此不適于被用作疊層鐵芯的替代物。因此，生產(chǎn)出適于制備壓粉鐵芯的包覆粉末是替代疊層鐵芯的重要途徑。21世紀(jì)電動(dòng)機(jī)向微型化方向發(fā)展，必然要求磁性器件的高頻化，迫使磁性器件向小型化、智能化、高集成化、高密度和超快傳輸速度等方向發(fā)展。為了順應(yīng)減小電子設(shè)備尺寸的趨勢(shì)，對(duì)壓粉鐵芯提出了更高的要求，要求壓粉鐵芯致密而有效。純鐵磁粉芯粉末的磁導(dǎo)率大O2-100H/m)，制備成壓粉鐵芯可以減少尺寸，這使得電動(dòng)機(jī)小型化、輕量化成為可能，但是由于鐵粉的電阻率低(10_8Ω ·πι數(shù)量級(jí))，在交流外場(chǎng)高頻區(qū)中使用時(shí)渦流損耗大， 因此需要在粉末顆粒表面均勻包覆一層絕緣膜以提高磁粉芯的電阻率，減少渦流損耗。常用的方法是采用化學(xué)包覆法在粉末顆粒表面覆蓋一層絕緣涂層。而在壓粉鐵芯的制備過程中，施以較大的壓制壓力使包覆粉末成形以提高磁粉芯的致密度，壓坯內(nèi)不可避免地存在較大的內(nèi)應(yīng)力，為了釋放壓坯內(nèi)的殘余應(yīng)力以提高磁粉芯的力學(xué)性能、改善磁粉芯的磁性能，需要進(jìn)行退火處理，溫度一般在400-600°C之間，而采用上述化學(xué)包覆法制備的包覆粉末，在后續(xù)的熱處理過程中，包覆在顆粒表面的絕緣涂層一般為有機(jī)絕緣膜，在退火過程中不可避免會(huì)分解碳化，從而惡化磁粉芯的磁性能，進(jìn)而又導(dǎo)致在交流外場(chǎng)高頻區(qū)中使用時(shí)渦流損耗加大，至今沒有很有效的解決辦法。因此，化學(xué)包覆法制備包覆粉末存在一定的缺點(diǎn)而無法推廣應(yīng)用。赫格納斯是世界上最大、最有經(jīng)驗(yàn)的鐵基粉末生產(chǎn)集團(tuán)，該公司生產(chǎn)的Somaloy 系列粉末是一種適于制備壓粉鐵芯的包覆粉末，但在實(shí)際應(yīng)用中，由Somaloy系列粉末一次加工成形制備出的壓粉鐵芯，力學(xué)性能不佳，壓制壓力小于400MPa，容易出現(xiàn)掉邊、掉角現(xiàn)象；壓粉鐵芯在熱處理過程中如果溫度超過500°C，添加在Somaloy系列粉末中的有機(jī)樹脂會(huì)大量分解，嚴(yán)重?fù)p害壓粉鐵芯的力學(xué)性能、磁性能等綜合性能；此外Somaloy系列粉末價(jià)格昂貴，這一系列因素限制了包覆粉末的推廣應(yīng)用，使得壓粉鐵芯并不能替代傳統(tǒng)的疊層鐵芯。綜上所述，尋求一種用于壓粉鐵芯(磁粉芯)制備且成本低、粉末工藝性能優(yōu)異的包覆粉末及其制備工藝具有重要的意義，是壓粉鐵芯替代傳統(tǒng)疊層鐵芯，制備出結(jié)構(gòu)緊湊、 各向同性的三維磁通的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種工藝性能好、利于后續(xù)產(chǎn)品壓粉鐵芯的一次成型并顯著提高壓粉鐵芯致密度、改善其相關(guān)機(jī)械性能、減少其在交流外場(chǎng)高頻區(qū)中使用的渦流損耗、增強(qiáng)其磁性能且成本低廉的壓粉鐵芯用包覆粉末及其制備工藝。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝包括以下步驟先將鐵粉、有機(jī)絕緣劑、潤(rùn)滑劑進(jìn)行混合，其中鐵粉質(zhì)量占總量的93%以上，后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量3% -6%的無機(jī)納米氧化物，混合均勻；將上述混合物倒入球磨罐后抽真空，真空度小于10-2 ；隨后進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速保持400-450r/min，球磨時(shí)間持續(xù)3- ，球料比為 10 1-12 1，球磨介質(zhì)為乙醇溶液；磨球選用直徑分別為4mm、6mm的兩種不銹鋼球；兩種粒徑不銹鋼球的質(zhì)量比為1.5 :1-1:1;將上述包覆粉末冷卻至室溫，最后干燥。進(jìn)一步說明，所述鐵粉為純鐵粉，平均粒徑為80-120 μ m，粉末氧含量不超過 0. 3% .進(jìn)一步說明，所述有機(jī)絕緣劑是耐熱型改性環(huán)氧樹脂，耐熱溫度可達(dá)500°C，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量的-3% ；進(jìn)一步說明，所述潤(rùn)滑劑可以選用硬脂酸、硬脂酸鋅、硬脂酸鋇，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量的0. 5-1.5%。進(jìn)一步說明，所述無機(jī)納米氧化物與耐熱型改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為2. 5 1。所述無機(jī)納米氧化物為經(jīng)由超聲波預(yù)分散處理的納米溶膠。所述納米溶膠為納米&02溶膠，其中納米粒子的粒徑為40-50nm，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量的3% -6%。由上述工藝制備的本發(fā)明壓粉鐵芯用包覆粉末，含有鐵粉、有機(jī)絕緣劑和潤(rùn)滑劑， 還含有無機(jī)納米氧化物，所述包覆粉末粒徑為80-120 μ m,氧含量不超過0. 3 %，顆粒表面包覆一層絕緣膜。本發(fā)明壓粉鐵芯用包覆粉末，粉末被研磨成扁平狀顆粒，粒徑適中(平均粒徑為 80-120 μ m)，粉末純度高(氧含量不超過0. 3%),由此粉末的流動(dòng)性、成形性等工藝性能優(yōu)異，在交流外場(chǎng)中易傾向于主平面方向，磁性能較佳；而且，在球磨過程中，不僅實(shí)現(xiàn)了粉末顆粒的絕緣包覆，同時(shí)由于納米粒子尺寸小、比表面積大、表面非配對(duì)原子多，因而與聚合物結(jié)合能力強(qiáng)，對(duì)樹脂基體有著特殊的作用，一方面納米量級(jí)的微粒和有機(jī)相之間存在強(qiáng)烈的物理吸附和化學(xué)交聯(lián)作用，從而提高了樹脂分子鏈在加熱過程中斷裂需要的能量；另一方面無機(jī)納米粒子不同于樹脂會(huì)在高溫階段發(fā)生熱解揮發(fā)，從而增加樹脂在高溫階段的熱殘留率。使無機(jī)納米粒子的含量與普通樹脂的含量成一定的倍數(shù)關(guān)系，能更有效地提高有機(jī)樹脂的耐熱溫度。因此，無機(jī)納米粉體作為一種無機(jī)絕緣劑，既可以優(yōu)化包覆效果，又可以改性環(huán)氧樹脂，提高有機(jī)樹脂的耐熱溫度，減少壓粉鐵芯在高溫退火過程中的熱分解， 提高退火溫度。包覆在粉末顆粒表面的絕緣膜依舊完整，大大改善了壓粉鐵芯的力學(xué)性能， 提高了壓粉鐵芯的磁性能。因此，只需對(duì)本發(fā)明包覆粉末施加較大的壓力，便可在常溫下通過模壓加工制造出致密度高的壓粉鐵芯，同時(shí)改善壓粉鐵芯的力學(xué)、機(jī)械性能，并提高了壓粉鐵芯的磁導(dǎo)率，從而減少其在交流外場(chǎng)高頻區(qū)中使用時(shí)的渦流損耗；壓粉鐵芯在各方向上取向相同， 使其滿足后續(xù)加工成三維形狀的要求，可以高度靈活地設(shè)計(jì)三維電機(jī)等產(chǎn)品，且表面光滑， 可以減少絕緣層的厚度，既能夠節(jié)省銅線，也可以提高熱傳導(dǎo)。與此同時(shí)，壓粉鐵芯的制造工序簡(jiǎn)單，且避免了溫壓、熱等靜壓、冷等靜壓等特殊壓制方式，原材料利用率高、環(huán)境污染小，降低了壓粉鐵芯的成本，產(chǎn)生了不可低估的有益效果，可以部分替代傳統(tǒng)的疊層鐵芯， 具有重要的市場(chǎng)價(jià)值。


附圖為本發(fā)明包覆粉末的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。(1)先將重量比為1 1%: 1.5%的鐵粉、環(huán)氧樹脂粉末、硬脂酸鋅粉末進(jìn)行混合，其中鐵粉質(zhì)量占總量的97. 6% ；再加入經(jīng)由超聲波預(yù)分散處理的的納米&02溶膠，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量的3%，混合均勻后，加入乙醇研磨介質(zhì)一起倒入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，隨即抽真空，真空度為0. 8X ICT2Pa ；磨球選用直徑分別為4mm、6mm的兩種不銹鋼球，球料比為12 1，；小、大磨球的質(zhì)量比為1.5 1。而后以450r/min高速旋轉(zhuǎn)3h后冷卻至室溫，最后進(jìn)行干燥處理，得到本發(fā)明所述的包覆粉末。其中，鐵粉實(shí)現(xiàn)了顆粒之間的絕緣包覆，同時(shí)鐵粉被研磨成粒徑合適的片狀粉末。原料中的純鐵粉粒徑為100 μ m，氧含量為0. 2%。該包覆粉末制備成壓粉鐵芯，所得壓粉鐵芯磁性能較好，飽和磁通密度達(dá)到了 1.4T，抗壓強(qiáng)度為了 430MPa，能夠滿足加工要求，可以用于新布局的3D磁通路線。(2)將重量比為1 2%: 的純鐵粉、環(huán)氧樹脂粉末、硬脂酸鋇粉末混合后， 加入質(zhì)量為鐵粉質(zhì)量的5%、經(jīng)超聲波預(yù)分散處理的納米&02溶膠，混合均勻后，加入乙醇研磨介質(zhì)一起倒入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，隨即抽真空，真空度為0.9X 10_2Pa;磨球選用兩種粒徑的不銹鋼球，球料比為10 1，尺寸同上例，兩種粒徑不銹鋼球的質(zhì)量比為 1.2 1，以420r/min高速旋轉(zhuǎn)4h后冷卻至室溫，最后進(jìn)行干燥處理，鐵粉實(shí)現(xiàn)了顆粒之間的絕緣包覆，同時(shí)鐵粉被研磨成粒徑合適的片狀粉末。原料中的純鐵粉粒徑為100 μ m，氧含量小于0. 3%。采用上述方式制備的包覆粉末加工成壓粉鐵芯，力學(xué)性能較好，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了 500MPa，飽和磁通密度為1. 2T，可以用于內(nèi)置磁性部件，如歪輪等。(3)將重量比為1 1.5%: 0.5%的純鐵粉、環(huán)氧樹脂粉末、硬脂酸粉末混合后， 加入質(zhì)量為鐵粉質(zhì)量的3. 75%、經(jīng)超聲波預(yù)分散處理的納米&02溶膠，混合均勻后，加入乙醇研磨介質(zhì)一起倒入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，隨即抽真空，真空度為0.9X ICT2Pa ；磨球選用等質(zhì)量的兩種不銹鋼球，球料比為12 1，尺寸同上例，以440r/min高速旋轉(zhuǎn)2. 5h后冷卻至室溫，最后進(jìn)行干燥處理。采用上述方式制備的包覆粉末加工成壓粉鐵芯，力學(xué)性能較好，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了 450MPa，飽和磁通密度為1. 3T，可以用于ABS油泵電動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，包括以下步驟先將鐵粉、有機(jī)絕緣劑、潤(rùn)滑劑進(jìn)行混合，其中鐵粉質(zhì)量占總量的93%以上，后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量3% -6%的無機(jī)納米氧化物，混合均勻；將上述混合物倒入球磨罐后抽真空，真空度小于10-2! ；隨后進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速保持400-450r/min，球磨時(shí)間持續(xù)3_5h， 球料比為10 1-12 1，球磨介質(zhì)為乙醇溶液；磨球選用兩種粒徑不銹鋼球；將上述包覆粉末冷卻至室溫，最后干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，其特征在于所述鐵粉為純鐵粉，平均粒徑為80-120 μ m,粉末氧含量不超過0. 3%，所述潤(rùn)滑劑可以選用硬脂酸、硬脂酸鋅、硬脂酸鋇，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量的0. 5-1. 5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，其特征在于所述無機(jī)納米氧化物為經(jīng)由超聲波預(yù)分散處理的納米溶膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，其特征在于所述納米溶膠為納米^O2溶膠，其中納米粒子的粒徑為40-50nm，其質(zhì)量為鐵粉質(zhì)量的3% _6%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，其特征在于所述有機(jī)絕緣劑是耐熱型改性環(huán)氧樹脂，耐熱溫度可達(dá)500°C，其質(zhì)量為鐵粉質(zhì)量的-3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，其特征在于所述有機(jī)絕緣劑是耐熱型改性環(huán)氧樹脂，耐熱溫度可達(dá)500°C，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鐵粉質(zhì)量的_3%，所述無機(jī)納米氧化物與耐熱型改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為2. 5 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓粉鐵芯用包覆粉末的制備工藝，其特征在于 所述磨球選用直徑分別為4mm、6 mm的兩種不銹鋼球，兩種粒徑不銹鋼球的質(zhì)量比為 1. 5:1-1: 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓粉鐵芯用包覆粉末制備工藝制備的包覆粉末，其特征在于所述包覆粉末為扁平狀，粒徑為80-120 μ m,氧含量不超過0.3%，顆粒表面包覆一層絕緣膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求3、5、7、8中任意一項(xiàng)所述的壓粉鐵芯用包覆粉末制備工藝制備的包覆粉末，其特征在于所述包覆粉末為扁平狀，粒徑為80-120 μ m,氧含量不超過0. 3 %，顆粒表面包覆一層絕緣膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓粉鐵芯用包覆粉末制備工藝制備的包覆粉末，其特征在于所述包覆粉末為扁平狀，粒徑為80-120 μ m,氧含量不超過0. 3 %，顆粒表面包覆一層絕緣膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓粉鐵芯用包覆粉末及制備工藝。本發(fā)明采用球磨法制備壓粉鐵芯用包覆粉末，原料含有鐵粉、有機(jī)絕緣劑、潤(rùn)滑劑，尤其是加入了無機(jī)納米氧化物。在制備過程中既實(shí)現(xiàn)了粉末的絕緣包覆，同時(shí)納米粒子有效地改性了有機(jī)樹脂，提高其耐熱溫度，在后續(xù)產(chǎn)品壓粉鐵芯的高溫退火中保持絕緣膜的完整，減少壓粉鐵芯的熱分解，提高退火溫度。該包覆粉末成形性、流動(dòng)性等工藝性能好，以其為原料能模壓成致密度高、機(jī)械性能、磁導(dǎo)率得到較大改善和提高的壓粉鐵芯，原材料利用率高，壓粉鐵芯在各方向上取向相同，更便于低成本地進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)品的三維形狀加工，且后續(xù)的加工產(chǎn)品在交流外場(chǎng)高頻區(qū)中使用時(shí)能減少渦流損耗，可以部分替代傳統(tǒng)的疊層鐵芯。
文檔編號(hào)B22F1/02GK102319895SQ20111030802
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者張冠杰 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙市杰冠電子科技有限公司