一种低损耗软磁粉末及其制备方法、软磁粉芯

技术领域

本发明涉及磁性材料领域，具体而言，涉及一种低损耗软磁粉末及其制备方法、软磁粉芯。

背景技术

金属软磁材料具有高饱和磁化强度、良好的频率特性、高直流偏置特性、高居里温度等优点，被广泛用于电抗器、变压器、扼流线圈等电感器中，随着电子元器件向小型化、高频化、低损耗方向发展，高频低损耗金属软磁材料的开发将越来越受到重视，也成为制备具有优异特性磁粉芯重要的关键技术之一。磁粉芯的制备包括：软磁粉末作绝缘包覆处理，加入粘结剂和润滑剂，压制成型，烧结热处理，含浸，喷漆等工艺。其中绝缘包覆可提高磁粉芯电阻，从而降低高频使用下的涡流损耗。

现有技术中绝大部分采用无机物或有机物对软磁粉末进行表面包覆。专利CN103415899A在粉末磷化表面形成硅酮树脂膜，然而，其在成型压力下膜容易破裂，同时经过高温处理后也存在不稳定性，影响性能。专利CN104575911A中提供了一种三层包覆处理的方法，但其步骤较多，工艺复杂，采用的有机绝缘膜经过高温处理后分解，使得电阻降低，无法制备出用于高频的低损耗磁粉芯。专利CN101599334A以正硅酸乙酯为前驱体，运用溶胶凝胶方法制备SiO

总之，现有技术中对软磁粉末进行绝缘包覆的方式或工序复杂、或高频低损耗性能不足。基于以上原因，有必要提供一种新的低损耗软磁粉末的制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种金属软磁粉芯及其制备方法、软磁粉芯，以解决现有技术中对软磁粉末进行绝缘包覆的方式或工序复杂、或高频低损耗性能不足的问题，使其兼顾较高的饱和磁化强度和较低的高频下损耗。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低损耗软磁粉末的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1，将金属软磁粉末进行酸洗，得到酸洗磁粉；步骤S2，采用磁控溅射的方式在酸洗磁粉表面沉积金属氧化层或非金属氧化物层，然后进行真空热处理，得到低损耗软磁粉末。

进一步地，磁控溅射的过程中采用的靶材为硅靶材、铝靶材、钼靶材或锰靶材中的一种或多种；优选地，磁控溅射的过程中采用的靶材为硅靶材。

进一步地，步骤S2中，磁控溅射过程中的溅射气体为氦气、氩气、氖气中的一种或多种；优选地，磁控溅射过程中，溅射气体为氩气。

进一步地，磁控溅射过程中的反应气体为氧气，氧分压0～80％，优选地，氧分压为20～60％。

进一步地，磁控溅射过程中，保持酸洗磁粉处于平面铺陈状态并可实时振动，且通过加热衬底将酸洗磁粉加热至100～300℃。

进一步地，金属软磁粉末包括铁粉、铁镍粉、铁硅粉、铁硅铝粉及铁镍钼粉的一种或多种；优选地，金属软磁粉末的粒径为200～600目，更优选为500目。

进一步地，步骤S1中，采用酸溶液对金属软磁粉末进行酸洗；优选地，酸溶液选自磷酸水溶液、硝酸水溶液、盐酸水溶液、硫酸水溶液中的一种或多种；更优选地，酸溶液的摩尔浓度为3～6mol/L。

进一步地，步骤S2中溅射过程包括：将酸洗磁粉烘干后，置于磁控溅射真空腔内，放入靶材，将真空腔抽真空至1×10

根据本发明的另一方面，还提供了一种低损耗软磁粉末，其由上述制备方法制备得到。

根据本发明的又一方面，还提供了一种软磁粉芯，其由上述低损耗软磁粉末经包覆剂包覆后，再与粘结剂和可选的润滑剂经混合、成型、烧结得到。

本发明提供了低损耗软磁粉末的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1，将金属软磁粉末进行酸洗，得到酸洗磁粉；步骤S2，采用磁控溅射的方式在酸洗磁粉表面沉积金属氧化层或非金属氧化物层，然后进行真空热处理，得到低损耗软磁粉末。

为了克服现有技术中高频下低损耗的软磁粉末制备工序复杂、低损耗性能不足的难题，本发明独创性地采用磁控溅射工艺应用于软磁粉末的包覆制备过程中，用较为简单的工艺有效提高的软磁粉末的表面电阻，制备出可用于高频下的低损耗软磁粉末，其制备的软磁粉芯也具有高频下的低损耗性能，且仍旧保持了较高的饱和磁化强度。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中对软磁粉末进行绝缘包覆的方式或工序复杂、或高频低损耗性能不足。

为了解决这一问题，本发明提供了一种低损耗软磁粉末的制备方法，其包括以下步骤：步骤S1，将金属软磁粉末进行酸洗，得到酸洗磁粉；步骤S2，采用磁控溅射的方式在酸洗磁粉表面沉积金属氧化层或非金属氧化物层，然后进行真空热处理，得到低损耗软磁粉末。

本发明独创性地采用磁控溅射工艺应用于软磁粉末的包覆制备过程中，用较为简单的工艺有效提高的软磁粉末的表面电阻，制备出可用于高频下的低损耗软磁粉末，其制备的软磁粉芯也具有高频下的低损耗性能，且仍能保持较高的饱和磁化强度。

具体地，本发明首先对金属软磁粉末进行了酸洗，从而能够去除其表面的氧化物、油渍等。其次，本发明对酸洗磁粉采用磁控溅射的方式在其表面进行金属或非金属氧化物层沉积。一方面，通过磁控溅射将单种高电阻原子溅射于软磁粉末表面，提高了表面电阻。此外，溅射多种金属原子经过热处理后在表层互扩散形成的金属化合物同样可提高电阻。而高频下软磁材料存在趋肤效应，涡流产生于颗粒表面，因此降低高频下的涡流损耗。另一方面，由于金属或非金属原子未进入粉末颗粒中心，因此软磁粉末能够基本保持原有的饱和磁化强度，有利于实现软磁粉芯及电感小型化方面应用。除此之外，从结合角度而言，通过磁控溅射能够使沉积层与金属软磁粉末间达到原子级接触，其结合力更强，因此提高的表面电阻具有更好的稳定性，不会因成型压力和高温热处理而受到破坏。

在实际应用时，可以直接将上述方法得到的低损耗软磁粉末与粘结剂和可选的润滑剂进行成型、烧结制备软磁粉芯。当然，为了进一步提高性能，也可以先将低损耗软磁粉末进行绝缘层包覆之后，再与粘结剂和可选的润滑剂进行成型制备软磁粉芯。还需说明的是，本发明采用磁控溅射方式得到的低损耗软磁粉末，不影响后续的绝缘包覆。具体的绝缘包覆采用本领域常规方式即可，简单包覆即可，无需复杂包覆，比如与包覆剂混合包覆等，在此不再赘述。

上述磁控溅射过程中，可以先将软磁粉置于磁控溅射设备的真空腔内，然后通过相应靶材将对应的材料沉积在软磁粉表面，为了进一步改善沉积效果及软磁粉末的高频下低损耗性能，在一种优选的实施方式中，磁控溅射的过程中采用的靶材为硅靶材、铝靶材、钼靶材或锰靶材中的一种或多种；优选地，磁控溅射的过程中采用的靶材为硅靶材。

在一种优选的实施方式中，上述步骤S2中，溅射气体为氦气、氩气、氖气中的一种或多种。

在一种优选的实施方式中，上述磁控溅射过程中的反应气体为氧气，氧分压0～80％，优选的，氧分压为20～60％。配合以上靶材，能够在酸洗磁粉表面沉积氧化硅层、氧化铝层、氧化钼层或氧化锰层。优选地，沉积氧化硅层更有利于改善磁粉在高频下的低损耗性能。

在一种优选的实施方式中，磁控溅射过程中，保持酸洗磁粉处于平面铺陈状态并可实时振动，且通过加热衬底将酸洗磁粉加热至100～300℃。由于磁粉为颗粒状，保持实时振动状态和平面铺陈状态，有利于改善沉积层的均匀性。具体实施过程中，可以将酸洗磁粉以单层形式铺陈并实施振动，更有利于沉积层的均匀性。

为使沉积层厚度更适宜，在改善软磁粉末低损耗性的同时使其保持相对较高的饱和磁化强度，在一种优选的实施方式中，步骤S2中溅射过程包括：将酸洗磁粉烘干后，置于磁控溅射真空腔内，放入靶材，将真空腔抽真空至1×10

将磁控溅射的工艺条件控制在上述范围，一方面沉积过程更稳定，另一方面形成的沉积层厚度更适宜。在实际操作过程中，为了进一步改善沉积层在金属软磁粉末表面的完整性和厚度均一性，优选地，磁控溅射过程中，磁粉处于单面振动状态保持氧化硅沉积均匀。

通过真空热处理能够进一步促使沉积层和金属软磁粉末之间的原子级结合，进一步改善沉积层的稳定性，在一种优选的实施方式中，真空热处理过程中的真空度＜10

以上金属软磁粉末可以采用本领域常用的类型，比如，金属软磁粉末包括但不限于铁粉、铁镍粉、铁硅粉、铁硅铝粉及铁镍钼粉的一种或多种。更优选地，金属软磁粉末为铁镍粉，使用铁镍粉进行上述磁控溅射沉积，除了具有更低的损耗外，饱和磁化强度仍旧能够保持在较高的水平。优选地，金属软磁粉末的粒径为200～600目，更优选为500目。

上述酸洗的目的是为了去除金属软磁粉末表面的氧化物、油污等杂质，为了进一步改善除杂功效，在一种优选的实施方式中，步骤S1中，采用酸溶液对金属软磁粉末进行酸洗；优选地，酸溶液选自磷酸水溶液、硝酸水溶液、盐酸水溶液、硫酸水溶液中的一种或多种；更优选地，酸溶液的摩尔浓度为3～6mol/L。采用以上浓度的酸溶液，一方面具有更好的除杂效果，一方面也有利于控制酸洗过程的稳定性，尽量减少对金属软磁粉末本体的伤害。

根据本发明的另一方面，还提供了一种低损耗软磁粉末，其由上述制备方法制备得到。上述方法将磁控溅射工艺应用于软磁粉末的包覆制备过程中，用较为简单的工艺有效提高的软磁粉末的表面电阻，制备出可用于高频下的低损耗软磁粉末，其制备的软磁粉芯也具有高频下的低损耗性能。

根据本发明的又一方面，还提供了一种软磁粉芯，其由上述低损耗软磁粉末经包覆剂包覆后，再与粘结剂和可选的润滑剂经混合、成型、烧结得到。该软磁粉芯兼具了高饱和磁化强度和高频下的低损耗，性能更佳。

上述成型过程采用本领域常用的压制成型即可，优选地，将低损耗软磁粉末和粘结剂混合和可选的润滑剂成型的过程中，粘结剂的用量为低损耗软磁粉末重量的0.5～2wt％。将粘结剂的用量控制在上述范围内，有利于成型，同时又避免了过多粘结剂引入降低性能。优选地，将低损耗软磁粉末和粘结剂混合后，向其中加入润滑剂。加入润滑剂有利于提高粉末流动性，使得成型过程中密度分布更均匀，且不粘模。更优选润滑剂的加入量为低损耗软磁粉末重量的0.1～1.5wt％。以上粘结剂包括但不限于聚乙烯醇、聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酸酯中的一种或多种；润滑剂包括但不限于硬脂酸锌/镁/铝、石墨、滑石粉、氧化钙中的一种或多种。优选地，成型压力为1000～3000MPa，更优选1400～1600MPa。在该压力条件下成型，粉芯结构更稳定，性能更佳。

在实际应用时，可以直接将上述方法得到的低损耗软磁粉末与粘结剂和可选的润滑剂进行成型制备软磁粉芯。当然，为了进一步提高性能，也可以先将低损耗软磁粉末进行绝缘层包覆之后，再与粘结剂和可选的润滑剂进行成型制备软磁粉芯。还需说明的是，本发明采用磁控溅射方式得到的低损耗软磁粉末，不影响后续的绝缘包覆。具体的绝缘包覆采用本领域常规方式即可，在此不再赘述。

以下通过具体实施例进一步说明本发明的有益效果：

原料：铁镍粉末：铁和镍的原子比为50:50；铁粉；铁镍钼粉末：铁、镍、钼中的原子比为17:81:2。

实施例1

(1)采用500目的铁镍粉末，将其与浓度6mol/L的盐酸水溶液混合搅拌进行酸洗，然后固液分离，并在120℃下烘干。

(2)烘干后的粉末放置于磁控溅射真空腔内，单层铺陈，上下轻微振动，抽真空至1×10

(3)采用硅靶材在软磁粉末表面溅射沉积氧化硅层，电流控制为0.5A，靶材与粉末表面距离为15cm，溅射时间2h，溅射过程中利用振动衬底对平铺磁粉表面均匀沉积氧化硅，通过衬底将磁粉加温至250℃。

(4)溅射完成的铁镍粉放在真空炉内热处理，真空度为＜10

实施例2

(1)采用500目的铁粉，将其与浓度3mol/L的硝酸水溶液混合搅拌进行酸洗，然后固液分离，并120℃下烘干。

(2)烘干后的粉末放置于磁控溅射真空腔内，单层铺陈，上下轻微振动，抽真空至1×10

(3)采用硅靶材在软磁粉末表面溅射沉积氧化硅层，电流控制为2A，靶材与粉末表面距离为15cm，溅射时间1h，溅射过程中利用振动衬底对平铺磁粉表面均匀沉积氧化硅，通过衬底将磁粉加温至250℃。

(4)溅射完成的铁粉放在真空炉内热处理，真空度为＜10

实施例3

(1)采用500目的软磁粉末铁镍钼，将其与浓度3mol/L的盐酸、硝酸水溶液(氯化氢和硝酸摩尔比为1:1)混合搅拌进行酸洗，然后固液分离，并120℃下烘干。

(2)烘干后的粉末放置于磁控溅射真空腔内，单层铺陈，上下轻微振动，抽真空至1×10

(3)采用硅靶材在软磁粉末表面溅射沉积氧化硅层，电流控制为5A，靶材与粉末表面距离为15cm，溅射时间30min，溅射过程中利用振动衬底对平铺磁粉表面均匀沉积氧化硅，通过衬底将磁粉加温至300℃。

(4)溅射完成的铁镍钼粉放在真空炉内热处理，真空度为＜10

实施例4

与实施例1的区别仅在于：氧气分压80％、溅射电流5A、溅射时间0.5h。

实施例5

与实施例1的区别仅在于：氧气分压10％、溅射电流5A、溅射时间0.3h。

实施例6

与实施例1的区别仅在于：真空热处理过程中的处理温度为600℃。

实施例7

与实施例1的区别仅在于：真空热处理过程中的处理温度为1000℃。

实施例8

与实施例1的区别仅在于：真空热处理过程中的处理温度为500℃。

对比例1

与实施例1的区别仅在于：未进行步骤(2)、(3)。

对比例2

与实施例2的区别仅在于：未进行步骤(2)、(3)。

对比例3

与实施例3的区别仅在于：未进行步骤(2)、(3)。

将实施例1至3和对比例1至3的软磁粉末制备成软磁粉芯进行测试其损耗，具体地：将磁粉分别与高岭土、硅酸钠溶液混合并在120℃下烘干，再加入1.2wt％粘结剂环氧树脂及1wt％润滑剂石墨，在压力1400MPa下进行压制成型，得到成型体；在氢气气氛下，将成型体升温至400℃并保温1h，然后继续在真空度10

对各软磁粉芯的饱和磁化强度和损耗值进行测试，饱和磁化强度采用振动样品磁强计(VSM)进行测试，损耗采用功率分析仪测试，结果如下：

表1

实施例一由于采用了磁控溅射在软磁粉末表面沉积了氧化硅层，提高了粉末颗粒表面电阻，因此在50kHz，100mT下损耗为131mW/cm

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。