專利名稱：一種金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑及其制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬粉末合金領域，特別涉及一種不含有機物的金屬軟磁粉芯用的無機絕緣粘接劑，以及采用無機絕緣粘接劑制備金屬軟磁粉芯的方法。
背景技術：
金屬軟磁粉芯是將軟磁合金粉末與絕緣劑、粘接劑混合均勻后壓制成型，并經過熱處理而獲得的。目前，金屬磁粉芯主要有鐵粉芯、鐵鎳合金粉芯、鐵鎳鉬合金粉芯、鐵硅鋁合金粉芯，以及近年開發的FeCuNbSiB系非晶納米晶粉芯。金屬軟磁粉芯是制作電感器、尤其是高頻、大電流和大功率電路中電感器件的關鍵元件。反映金屬軟磁粉芯性能的主要參數飽和磁感強度、磁導率、品質因數、功率損耗及頻率特性等，除與金屬合金成分、合金粉粒度等有關外，另一個影響粉芯性能的重要環節就是粉芯中使用的絕緣劑和粘接劑。通過添加絕緣劑，可以提高粉芯的電阻率，有利提高粉芯的高頻特性，降低功率損耗，但絕緣劑的增加，提高了粉芯內部氣隙率，會降低粉芯的飽和磁感強度和磁導率，因此會損失磁芯的功率密度。
現有技術，一般采用磁粉顆粒表面氧化鈍化或表面絕緣包敷處理，然后加入有機粘接劑或有機塑化物，進行壓制成型。如加入聚酰亞胺絕緣粘接劑、環氧樹脂絕緣粘接劑、硅酮樹脂絕緣粘接劑等。對于采用有機粘接劑的情形，粘接劑在后續的粉芯熱處理過程中將會被分解，并留下碳鏈結構，未分解的留在粉芯中，但一部分起絕緣粘接作用的有機物被分解后，會降低絕緣和粘接效果。此外采用有機粘接劑的另外一個不利因數是粉芯在工作中因長期的渦流熱使得有機物老化，從而影響粉芯性能的穩定性。
中國發明專利ZN1516204A公開了一種“軟磁鐵硅鋁合金粉芯的制造方法”，其特征是所用的絕緣粘接劑為環氧類粘接劑，如607環氧樹脂、609環氧樹脂、W-6A磁粉粘接劑、W-6C磁粉粘接劑中的一種，粘接劑的稀釋液為有機溶劑無水乙醇、丙酮、醋酸乙酯。成型后在600～800℃下進行熱處理。在上述溫度下，粘接劑基本都分解了。
日本專利特開平9-74011及特開平9-125108公開了一種鐵硅鋁磁粉芯的制造方法，其特征是采用了無機粘接劑——硅酸鈉，也稱水玻璃。但以水玻璃做粘接劑，在粉芯成型后的熱處理過程中，由于硅酸鈉在高溫下分解，會導致粉芯產生裂紋等缺陷。
美國專利6827557公開了一種非晶、納米晶軟磁粉芯的制備方法，其特征是粉芯中的絕緣粘接劑為聚酰亞胺，由于要保持粉芯顆粒的非晶態和納米晶態，因此只能在低于晶化溫度下進行熱處理。在低溫下聚酰亞胺不完全分解，因此對磁粉芯的熱穩定性能將產生不利的影響。
中國專利CN1164709C公開了一種“制備金屬磁粉芯用磁粉絕緣粘接劑”，其特征是該絕緣粘接劑由鉻酐、云母、正硅酸乙脂、硅酮樹脂經有機溶劑稀釋混合而成。該絕緣粘接劑適用磁粉成分范圍寬，磁粉性能穩定，能顯著提高磁芯的品質因數。但該絕緣粘接劑仍然是有機物與無機物的混合體。
其它類似的粉芯制備專利還有美國專利USP6419877采用有機物熱塑樹脂做絕緣粘接劑，日本專利特開平11-189803采用的是有機物聚乙烯醇和聚丁醛樹脂，中國專利CN1373481A、中國專利CN1232375C、中國專利CN1518011A采用的是有機物聚酰亞胺/酚樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂等。
綜合上述已有技術，目前還沒有一種全無機、熱處理過程不分解，能夠形成低溫燒結，并且用量少，絕緣粘接效果好，能夠滿足磁粉芯長期工作抗老化的絕緣粘接劑以及制備和使用方法出現或報道過。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑，該粘接劑具有絕緣、粘接雙重效果，同時，該粘接劑不存在高溫分解過程，有利于提高粉芯的強度、密度和減少粉芯的缺陷。
本發明的另一個目的是提供一種采用無機絕緣粘接劑制備金屬軟磁粉芯的方法，該方法適用于多種軟磁合金粉芯的制備，特別是由于采用了本發明的無機粘接劑，一方面可以不再添加其它的絕緣劑，減少非磁性物的添加，有利提高粉芯的磁性能，另一方面在粉芯的熱處理過程中，可以強化粘接效果，有利提高粉芯的機械強度。
本發明提供了一種全無機體系的軟磁粉芯，解決了粉芯在使用過程中因發熱而導致粉芯老化，性能下降的問題。
本發明通過提供一種金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑和提供一種用無機絕緣粘接劑制備金屬軟磁粉芯的方法兩種技術方案來實現上述目的。本發明所述的無機絕緣粘接劑，具有絕緣和粘接作用，其特點在于所發明的無機絕緣粘接劑的成份組成是由SiO2、Al2O3、ZrO2的水合物及云母粉混合而成，其中SiO220～40％，優選25～35％、Al2O310～20％，優選12～20％、ZrO22～8％，優選3～5％、云母粉1～3％，優選1.5～2.5％、其余為水。水合物溶液中懸浮粒子接近納米尺度，因此有較大的比表面積和表面能，具有較強的吸附性能，能夠與金屬粉緊密結合，并覆蓋在金屬粉末顆粒的表面。無機絕緣粘接劑的PH值為6～10，具有寬的酸堿度適用范圍，能夠適應酸性、堿性和中性體系。在本發明中可以根據金屬粉的預處理特點，如金屬粉的鈍化鹽體系的酸堿度值，調整絕緣粘接劑的酸堿度值，而不影響金屬粉的預處理效果。本發明的絕緣粘接劑溶液中的Na+總量小于0.1％，優選Na+總量小于0.05％，有利于控制粉芯中納離子的殘余總量，對粉芯的耐蝕性有利。絕緣粘接劑水溶液的粘度為0.001～0.1Pa·S，優選粘度范圍0.005～0.03Pa·S，水溶液具有很好的流動性和浸潤性，與金屬粉混合后，能夠很快與金屬顆粒結合，并將金屬顆粒包覆，金屬顆粒被相互隔開，產生絕緣的效果。本發明的絕緣粘接劑溶液的密度范圍為1.0～2.5克/立方厘米，可以通過調整溶液的成分和濃度做適當的調整，根據優選的成份，對應的密度范圍為1.1～1.3克/立方厘米。
采用本發明的無機絕緣粘接劑制備金屬軟磁粉芯的方法包括如下步驟1)將金屬磁粉加入重鉻酸鹽或重鉻酸鹽與磷酸鹽混合溶液中進行表面鈍化處理，然后漂洗烘干，在粉末表面形成氧化膜絕緣層；2)采用去離子水稀釋的無機絕緣粘接劑與經過表面鈍化絕緣處理的粉混合，并加入潤滑劑，潤濕、混合均勻后烘干；3)壓制成型；4)進行燒結和熱處理，提高粘接強度，消除應力；5)表面處理、噴涂絕緣層。
本發明所采用的金屬磁粉包括水霧化、氣霧化、機械研磨、氣流磨、快淬、化學方法中的一種或幾種聯合制備的磁粉，特別是采用Fe粉、Fe-Si-Al粉、Fe-Ni-Mo粉、Fe-Ni粉、Fe-Cu-Nb-Si-B粉中的一種或幾種的混合粉，鐵氧體粉與上述粉末中的一種或幾種的混合粉，各種永磁合金粉末，永磁合金粉末與上述粉末中的一種或幾種的混合粉，但不僅限于上述范圍的粉末。
本發明的制備方法中金屬粉末表面鈍化處理過程特征是，處理液為重鉻酸鹽、或重鉻酸鹽、磷酸鹽兩者的混合液，溶液的濃度為每千克粉用固體重鉻酸鹽或重鉻酸鹽、磷酸鹽兩者混合固體鹽6～16克，優選范圍8～12克，將上述粉末加入溶液中，并加熱至在80～100℃進行反應，然后進行漂洗并烘干，使金屬粉末的表面形成氧化膜，。
本發明所述的制備方法步驟中每千克磁粉無機絕緣粘接劑的量為10～50ml，將粘接劑用去離子水稀釋后與經表面鈍化處理的金屬粉末混勻，并加入二硫化鉬或硬脂酸鹽潤滑劑，每千克金屬粉加入潤滑劑的量為6～10克，充分混勻后在低于120℃的溫度下烘干。由于本發明的無機絕緣粘接劑具有很好的浸潤性，因此在實際實施過程中，不需要將金屬粉浸泡在粘接劑溶液中，可以通過攪拌將粉末浸潤。這樣可以減少干燥過程需要蒸發的水量，縮短蒸發時間。
采用本發明的制備方法在進行磁粉芯壓制成型時，壓制方式為靜態壓制、動態壓制、或熱壓中的一種，壓制中保壓時間大于5秒，可在0.02～60噸/平方厘米壓力下壓制成型。對于霧化粉，靜態壓制的壓力在0.2～0.4噸/平方厘米，而對于快淬方法制得的粉壓力要適當的高，這是由于快淬粉的硬度較大，而對于鐵氧體粉或含鐵氧體粉的金屬粉芯，壓制壓力可以比霧化粉的壓力低。如果采用動態壓制或熱壓，那么壓力可以減小50％以上。
本發明的制備方法中的燒結熱處理是在氮氣保護下進行的燒結熱處理，處理溫度為350～700℃，處理時間0.5～4小時，然后隨爐冷卻。本方法與現有的技術中采用有機樹脂粘接劑的情形不同，現有技術中粉芯壓制成型后進行熱處理，釋放壓制應力，同時粘接劑將發生分解、燒失，并留下碳或碳化物。而本發明的無機絕緣粘接劑及制備方法中，粉芯壓制成型后，進行燒結熱處理，也就是在熱處理釋放壓制應力的同時，能夠產生粘接劑燒結過程，強化粘接強度；同時本發明的無機絕緣粘接劑在燒結熱處理時，不會發生分解反應，因此不會發生因產生分解反應而出現裂紋或疏松缺陷。而且采用本發明的無機絕緣粘接劑和制備磁粉芯的方法能夠制備不含有機物的粉芯，這樣的磁粉芯在使用過程中，不會因為粉芯中含有機物，避免在高頻下工作時因磁芯渦流熱的原因而導致粉芯的老化和絕緣效果減退，使磁芯性能下降。
本發明的金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑具有絕緣、粘接雙重效果。其制備金屬軟磁粉芯的方法適用于多種軟磁合金粉芯的制備。由于粉芯中不含有機物以及熱處理后粉芯中殘留的碳鏈，因此，在熱處理過程中沒有有害氣體產生。本發明的粘接劑不僅用于金屬磁粉芯領域，也可用于其它金屬粉末、鐵氧體粉末、永磁合金粉末領域。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作更詳細地說明。
實施例1將水霧化法制得的Fe-Ni-Mo磁粉，按粒度進行配粉；其中粒度-150+250目粉35％wt、-250+325目粉30％wt、-400目粉35％，將上述粒度配比的金屬磁粉進行混合，然后對金屬磁粉表面進行鈍化處理。鈍化處理溶液為重鉻酸鉀和磷酸鉀混合溶液，溶液的濃度為每千克金屬粉用重鉻酸鹽、磷酸鹽混合固體鹽8克，將混合溶液倒入加熱至80℃的去離子水中，攪拌至全部溶解，再將金屬磁粉加入到全部溶解的混合溶液中，并加熱至在80～100℃，然后漂洗并烘干，使金屬磁粉表面發生反應并形成氧化膜絕緣層。按下面的重量百分比配制金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑35％SiO2、12％Al2O3，3％ZrO2、1.5％云母，PH＝7、密度為1.1克/立方厘米、粘度0.005Pa.S、Na+總量小于0.001％的水溶液，每公斤金屬磁粉加入配制好的絕緣粘接劑20ml，并加入8克二硫化鉬潤滑劑攪拌均勻后烘干，烘干溫度80℃，烘干時需要不斷地翻動。在30MPa壓力下，壓制成型為φ13×φ8×6mm環。在燒結熱處理溫度為420℃，氣氛為氮氣，處理時間為30min的狀態下進行燒結熱處理。最后采用阻抗分析儀對上述樣品進行性能測試，測試結果見表1。
表1
表1中的測試結果與現有的Fe-Ni-Mo磁粉芯相比，本發明制備的磁粉芯具有磁導率頻率特性好，隨著頻率的提高，磁導率衰減小的優點。
實施例2將氣霧化法制得的Fe-Si-Al粉，按粒度配粉；其中粒度-150+250目粉30％wt、-250+325目粉35％wt、-400目粉35％，將上述粒度配比的金屬磁粉進行混合，然后對金屬粉末表面進行鈍化處理。鈍化處理液為重鉻酸鉀和磷酸混合溶液，溶液的濃度為每千克金屬粉用重鉻酸鉀12克，磷酸0.5ml，將混合溶液置入加熱至80℃的去離子水中，攪拌至全部溶解，再將金屬磁粉加入到全部溶解的混合溶液中，并加熱至在80～100℃，然后漂洗并烘干，使金屬磁粉表面發生反應并形成氧化膜絕緣層。按下面的重量百分比配制金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑30％SiO2、15％Al2O3、4％ZrO2、2％云母份，PH＝8、密度為1.25克/立方厘米、粘度0.015Pa.S、Na+總量小于0.0011％的水溶液，每公斤金屬粉加入配制好的絕緣粘接劑20ml，并加入8克硬脂酸鋅潤滑劑攪拌均勻后烘干，烘干溫度80℃，烘干時需要不斷地翻動。在25Mpa壓力下，壓制成φ13×φ8×6mm環。在燒結熱處理溫度500℃，氣氛為氮氣，處理時間為60min的狀態下進行燒結熱處理。最后采用阻抗分析儀對上述樣品進行性能測試，測試結果見表2。
表2
與現有的Fe-Si-Al磁粉芯相比，本發明制備的Fe-Si-Al磁粉芯具有較高的磁導率，并且直到2MHz頻率下頻率衰減小于24％。
實施例3將快淬法獲得的Fe3Cu68Mn2Nb2Si12B13非晶態薄帶，在氮氣保護下進行晶化處理，處理溫度460℃，處理時間30分鐘。晶化后的薄帶在球蘑機中制粉，球磨時間24小時，獲得非晶納米晶磁粉。將非晶納米晶磁粉分級后，按粒度配粉，其中粒度-150+250目粉26％wt、-250+325目粉34％wt、-400目粉40％，將上述粒度配比的非晶納米晶粉混合，然后對金屬粉末進行表面鈍化處理。鈍化處理液為重鉻酸鉀和磷酸混合溶液，溶液的濃度為每千克金屬粉用重鉻酸鉀9克，磷酸0.6ml，將混合溶液置入加熱至80℃的去離子水中，攪拌至全部溶解，再將金屬粉末加入到全部溶解的混合溶液中，并加熱至在80～100℃，然后漂洗并烘干，使金屬磁粉表面發生反應并形成氧化膜絕緣層。按下面的重量百分比配制金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑25％SiO2、18％Al2O3，5％ZrO2、2.5％云母粉，PH＝9、密度為1.3克/立方厘米、粘度0.03Pa.S、Na+總量小于0.0017％的水溶液，每公斤金屬粉加入無機絕緣粘接劑30ml，并加入4克二硫化鉬、4克硬脂酸鋅潤滑劑攪拌均勻后烘干，烘干溫度80℃，烘干時需要不斷地翻動。在20噸/cm2壓力下，壓制成φ13×φ8×6mm環。在燒結熱處理溫度420℃，氣氛為氮氣，處理時間為30min狀態下進行燒結熱處理。最后采用阻抗分析儀對上述樣品進行性能測試，測試結果見表3。
表3
表3的測試結果表明，采用本發明，粉末在常溫下壓制成型，對于硬度較大的快淬非晶態粉仍然可以獲得較高的磁導率，與現有技術相比，本發明在高頻下頻率衰減小于4％，達到恒導磁的效果。
實施例4對本發明的絕緣粘接劑進行溫度老化實驗，實驗溫度為120℃，處理時間分別是20天，40天，60天。實驗樣品為采用實施例1的方法制備的Fe-Ni-Mo磁粉芯樣品。經過上述溫度老化實驗的樣品，進行性能測試，測試結果見表4。
表4
通過表4中的高溫老化實驗結果證明，采用本發明的無機粘接劑及方法制備的磁粉芯具有較好的抗高溫老化性能。
通過以上實施例可以看到，采用本發明的無機絕緣粘接劑制備金屬軟磁粉芯，可以獲得頻率特性好的粉芯器件，在實施例2和3中，從低頻到2MHz高頻下，磁導率變化小。另外，通過溫度老化實驗，粉芯的性能基本上無變化。
本發明不局限于所描述的發明內容和實施例，通過對本發明的無機絕緣粘接劑及采用這種無機絕緣粘接劑制備粉芯的方法和特征的組合和改進，以及專業技術人員對應用領域的改進，都不脫離和違背本發明的權利要求范圍。
權利要求
1.一種金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑，其特征在于該無機絕緣粘接劑是由SiO2、Al2O3、ZrO2、云母粉及水混合而成；其成份組成為(重量％)SiO2 20％～40％，Al2O3 10％～20％，ZrO2 2％～8％，云母粉1％～3％，其余為水。
2.根據權利要求1所述的無機絕緣粘接劑，其特征在于其中成份為(重量％)SiO225％～35％Al2O312％～20％ZrO23％ ～5％云母粉 1.5％～2.5％。
3.根據權利要求1所述的無機絕緣粘接劑，其特征在于無機絕緣粘接劑的PH值為6～10，優選范圍為7～9。
4.根據權利要求1所述的無機絕緣粘接劑，其特征在于無機絕緣粘接劑中Na+的總量小于0.1％，優選Na+的總量小于0.05％。
5.根據權利要求1所述的無機絕緣粘接劑，其特征在于無機絕緣粘接劑的粘度為0.001～0.1Pa·S，優選粘度范圍為0.005～0.03Pa·S。
6.根據權利要求1所述的無機絕緣粘接劑，其特征在于無機絕緣粘接劑的密度為1.0～2.5克/立方厘米，優選密度為1.1～1.3克/立方厘米。
7.采用權利要求1所述的金屬軟磁粉芯無機絕緣粘接劑制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征在于工藝步驟如下1)將金屬磁粉加入到重鉻酸鹽或重鉻酸鹽與磷酸鹽混合后的處理液中進行表面鈍化處理；2)將經過表面鈍化絕緣處理的金屬磁粉與無機絕緣粘接劑混合，并加入潤滑劑混合均勻后烘干；3)將以上混合物壓制成型；4)進行燒結和熱處理，消除應力；5)進行表面處理、噴涂絕緣層。
8.根據權利要求7所述的制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征是所用的金屬磁粉是水霧化、氣霧化、機械研磨、氣流磨、化學方法中的一種或幾種聯合制備的粉。
9.根據權利要求7所述的制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征是所用的金屬磁粉是Fe粉、Fe-Si-Al粉、Fe-Ni-Mo粉、Fe-Ni粉、Fe-Cu-Nb-Si-B粉中的一種或幾種的混合粉，鐵氧體粉與上述粉末中的一種或幾種的混合粉，各種永磁合金粉末，永磁合金粉末與上述粉末中的一種或幾種的混合粉，但不限于上述范圍的粉末。
10.根據權利要求7所述的制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征是在進行金屬磁粉表面鈍化處理時，每千克金屬粉加入重鉻酸鹽或重鉻酸鹽與磷酸鹽兩者混合后的量為6～16克，優選范圍8～12克，將金屬磁粉加入處理液中，并加熱至在80～100℃，然后漂洗并烘干，使金屬磁粉表面形成氧化膜絕緣層。
11.根據權利要求7所述的制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征是每千克金屬磁粉，加入無機絕緣粘接劑10～50ml，每千克金屬磁粉加入潤滑劑6～10克，充分混勻后在低于120℃的溫度下烘干。
12.根據權利要求7所述的制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征是所述的壓制成型是指靜態壓制、動態壓制、或熱壓中的一種，壓制中保壓時間大于5秒。
13.根據權利要求7所述的制備金屬軟磁粉芯的方法，其特征是對壓制成型的磁芯進行燒結熱處理，處理溫度350～700℃，處理時間0.5～4小時，然后隨爐冷卻。
全文摘要
本發明提供了一種金屬軟磁粉芯用無機絕緣粘接劑，該無機絕緣粘接劑是由SiO
文檔編號H01F1/12GK101089108SQ20071009933
公開日2007年12月19日 申請日期2007年5月17日 優先權日2007年5月17日
發明者張洪平, 趙棟梁, 高立春, 王新林, 洪興, 劉鋼, 侯春福 申請人:鋼鐵研究總院