[发明专利]一种用于制备金属粉芯的具有复合结构的磁性金属粉末

说明书

技术领域

本发明属于磁性功能材料领域，涉及一种用于制备金属粉芯的具有复合结构的磁性金属粉末。

背景技术

磁粉芯是具有分布气隙特征的一类软磁材料，其材料由金属粉末、粉末表面绝缘剂及粘结剂组成；颗粒之间依靠表面的绝缘剂彼此保持绝缘，粉末之间依靠粘结剂而彼此保持一定的强度，颗粒之间的气隙成为主要的储能位置。

通常磁粉芯包括铁粉芯、铁硅粉芯、铁硅铝粉芯、坡莫合金粉芯。近年来随着电力电子行业的发展，器件小型化、高频化及高功率密度的要求导致现有磁粉芯难以很好地满足发展要求，因此综合性能优异的非晶磁粉芯成为研发的重要目标之一。目前，已经有FeSiB系的非晶磁粉芯(破碎法)产品，并表现出低损耗、高直流偏置特性的特征。但是非晶软磁优异的软磁特性(尤其是低损耗特征)未得到完全发挥，例如以上FeSiB非晶磁粉芯的单位体积损耗是FeSiB非晶带材绕制的铁芯损耗的5倍左右。

分析其原因后发现其核心在于非晶粉末的高硬度、难变形特性导致在压制成型过程非晶粉末不会发生塑性变形，因此粉末之间的空隙无法填充、粉芯密度小；同时非晶粉末之间的接触面积是局部点，造成结合强度小，并导致其磁路在这些点集中，从而引起局部点的磁感应强度增加、磁导率下降；再有，这些高硬度、难变形合金粉末在压力成型过程产生的局部点接触问题还将引起应力在这些局部区域集中，从而使得矫顽力增加、磁导率下降，导致其磁粉芯损耗增加、电感下降。以上原因导致非晶合金等难变形、高硬度材料的性能未得到充分发挥。因此，对于高硬度、难变形的材料磁粉芯的研制一直都是业界的难题，例如高性能铁硅铝磁粉芯、纳米晶磁粉芯和非晶磁粉芯。

本发明旨在提供一种用于制备金属粉芯的具有复合结构的磁性金属粉末，以解决高硬度、难变形材料的磁粉芯性能未得到完全发挥的问题。其原理在于：

(1)最内层材料为磁性金属，通常具有难变形、高硬度特征，例如铁硅铝合金、非晶软磁合金、纳米晶合金等；

(2)第二层为金属材料，通常具有易变性、硬度低的特征，与(1)中所述材料形成互补，例如铝、铜、镍、铁等金属。在压力成型过程中，压力首先达到第二层金属的压缩强度并使之发生塑性变形，从而减小作用于最内层金属粉末的应力；同时，通过软金属的塑性变形将继续加载的压力传导至还未发生变性的软金属表面，从而将力均匀地分散，并增加了粉末之间的接触面积，最终大大减少应力集中点并使难变形、高硬度粉末实现最佳的密堆拓扑；

(3)虽然以上结构已经缓解了应力集中和密度小的问题，但是作为磁粉芯的磁性金属粉末其表面必须保证绝缘，这样才能保证高频下电流不会在粉末之间流通，从而减小涡流损耗。因此，最外层结构的材料必须具有绝缘特征，例如金属氧化物等。

通过以上原理，本发明旨在解决难变形、高硬度材料在制备磁粉芯时遇到的困难，从而使得磁性材料尽可能发挥出优异的特性。

发明内容

本发明提供了一种用于制备金属粉芯的具有复合结构的磁性金属粉末。该复合结构的磁性金属粉末由内向外具有三层结构，最内层材料为磁性金属，是金属粉芯磁性能的来源，通常属于高硬度、难变形合金，可以是铁硅铝、铁硅、铁基非晶合金、钴基非晶粉末、纳米晶等金属的其中一种；第二层材料为相对第一层金属硬度较软的金属，其在粉芯成型过程中起到减小应力集中和提高粉芯密度的作用，可以是铝、铬、铜、锡、镍、铁、镁等金属单质或其合金的其中一种；最外层材料为金属氧化物或氮化物等具有绝缘特征的离子型化合物或其混合物，通常是具有离子键的一些非金属离子化合物，具有优秀的绝缘特征，保证金属粉末彼此之间绝缘，可以是氧化铝、氮化铝、氧化铬、氮化铬、氧化镁、氮化镁、氧化铁、氮化铁、氧化镍、氧化铜、软化点低于800℃的玻璃、氮化铜磷酸二氢盐、磷酸氢盐、磷酸盐、水玻璃等的一种或一种以上的混合物。最外层材料除具有绝缘作用外，同时也可以具有粘结作用，尤其是在一定温度下通过材料软化使得粉末之间得以产生粘结力，这是因为有些无机绝缘物在一定温度下同时也有粘结剂的作用，例如低熔点玻璃、磷酸二氢盐、磷酸盐、水玻璃等。