專利名稱：一種軟磁合金磁芯的涂層及其噴涂方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬軟磁材料及制備領域，特別涉及一種軟磁合金磁芯的涂層及其噴涂方法。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中金屬軟磁合金，如非晶、納米晶軟磁合金的的制備方法是，首先利用熔體急冷技術將合金熔體制備成厚度20-40μm非晶態(tài)薄帶，將薄帶卷繞成磁芯，再通過適當?shù)臒崽幚砉に囀怪哂辛己玫能洿判阅?。由于非晶、納米晶磁芯熱處理后變脆，在后續(xù)的繞線、運輸和使用過程中容易產(chǎn)生破碎和掉渣現(xiàn)象，在一定程度上降低了它的軟磁性能，并影響其使用效果。為解決上述問題，通常是把軟磁合金磁芯裝入相應尺寸的塑料、膠木或金屬護盒，減少磁芯在后續(xù)的繞線、運輸和使用過程中的破碎和掉渣現(xiàn)象，以保持磁芯良好的軟磁性能。
這種利用護盒保護磁芯方法的缺點在于軟磁磁芯和護盒之間存在一定空隙，當制作電流互感器時，需要對帶護盒的磁芯多匝繞線(匝數(shù)n＞1000)，由于每匝線圈所包圍磁芯的有效截面積AS較低，根據(jù)法拉第電磁感應定律，n匝線圈產(chǎn)生的感應電壓U＝4.44nBfAS也較低，實際上間接降低了多匝繞線軟磁磁芯最終的軟磁性能，導致后續(xù)制作的電流互感器的性能較低。此外，在電子器件的制作中，器件尺寸的小型化始終是追求的目標之一，利用塑料護盒封裝軟磁磁芯造成磁芯的封裝尺寸較大，不利于磁芯和后續(xù)制作的電子器件的尺寸小型化。
非晶納米晶磁芯的另一種制作方法是在磁芯表面涂敷一層硬化的保護層，使后續(xù)的繞線可以直接在保護層上進行。與采用保護盒的方式相比，表面涂層可以顯著減小保護層所占空間，縮小元器件的體積，此外樹脂涂層與磁芯緊密地結(jié)合在一起，避免磁芯因震動而剝落、掉渣。
在現(xiàn)有磁芯表面涂層技術中，一般采用有機硅聚合物、聚酰亞胺類樹脂、環(huán)氧樹脂等材料涂覆。
中國專利申請02803133.4、200510085586.7和200510085587.1提出了一種利用有機硅聚合物涂膜保護磁芯端面的方法，但有機硅樹脂的價格一般比較昂貴。
中國專利申請02809710.6提出了一種利用聚酰亞胺類樹脂涂膜保護鐵基非晶合金磁芯端面的方法，該方法是對熱處理前的磁芯進行涂覆處理。由于涂覆后的磁芯需要經(jīng)過熱處理，要求涂覆材料能夠耐受高達400℃以上的高溫，增加了成本。
中國專利申請200510045671.0提出了一種以熱蘸法為非晶磁芯涂覆樹脂粉末的磁芯封裝方法，但該方法在對鐵芯進行熱蘸時，只是把鐵芯趁熱翻滾進行最終的尺寸定型，這樣不易保證批量生產(chǎn)涂層磁芯最終尺寸的一致性。
中國專利申請200520058193.2提出了以環(huán)氧樹脂添加固化劑涂覆在鐵基納米晶合金磁芯本體的內(nèi)外圈兩個表面及磁芯本體兩側(cè)端面的技術路線，該方法可以為確保磁芯具有穩(wěn)定磁性能提供一種防振結(jié)構，該方法不涉及具體的涂層磁芯生產(chǎn)工藝，因此不易保證批量生產(chǎn)涂層磁芯的最終尺寸。
發(fā)明目的及內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種成本低，涂層后磁芯磁性能優(yōu)良、尺寸一致性好，適合大批量生產(chǎn)的軟磁合金磁芯的涂層及其噴涂方法。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明所提出技術方案的工作原理為所述表面具有樹脂涂層的軟磁合金磁芯，該表面樹脂涂層主成分由具有長鏈的熱塑性或熱固性樹脂中的至少一種構成，并添加至少一種助劑構成軟磁合金磁芯最終的表面樹脂涂層。其中，主成分是構成涂層的最主要物質(zhì)，經(jīng)硬化或固化后在磁芯表面形成一層厚度適當?shù)摹⒕哂羞m當硬度的涂層，這樣磁芯不用裝入保護盒即可直接繞線。助劑的作用是適當調(diào)節(jié)主成分硬化或固化后的特性，例如改善涂層的強度、韌性、彈性及耐磨性以使得磁芯更好地防止外力作用下的變形，改變涂層的軟化溫度以適應使用環(huán)境的變化。改變樹脂涂層厚度，以及助劑配比，還可以調(diào)節(jié)磁芯的線性膨脹系數(shù)，以減小外界環(huán)境對磁芯性能的各種影響。
所述表面具有樹脂涂層的軟磁合金磁芯的制造方法，1、選擇具有長鏈的熱塑性或熱固性樹脂，獲得對軟磁磁芯殘余應力較小的樹脂涂層；2、針對該熱塑性或熱固性樹脂成分，選擇相應的助劑，減小樹脂涂層成形后對磁芯產(chǎn)生的殘余應力，或有意產(chǎn)生某種特殊應力以改進磁芯的磁性能；3、針對具有短鏈的熱塑性或熱固性樹脂，采用合適的磁芯表面涂層工藝，如逐層多次噴涂，以及相應調(diào)節(jié)軟磁合金成分，降低樹脂涂層成形時對軟磁磁芯產(chǎn)生的應力。
根據(jù)上述目的和工作原理，本發(fā)明具體的技術方案為該涂層主成分為熱塑性樹脂中的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醋丁纖維素、尼龍、聚酯中的任意一種或兩種或為熱固性樹脂中的環(huán)氧聚酯、聚氨酯、不飽和聚酯、聚丙烯酸酯中的任意一種或兩種，并添加至少一種相應助劑形成，采用相應的涂裝工藝在軟磁磁芯表面形成樹脂涂層，涂層厚度在50～2000μm之間。
上述磁芯材料是鐵基非晶合金、鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金、鐵鎳基非晶合金、坡莫合金中的任意一種或兩種。
上述助劑為固化劑、增塑劑、改性劑、穩(wěn)定劑、防氧化劑、流平劑、光亮劑、消光劑、耐磨劑、防結(jié)塊劑、防老化劑、阻燃劑、顏料、填料中的任意一種或兩種。
上述軟磁磁芯涂層的噴涂方法是空氣噴涂、流化床浸涂、靜電流化床浸涂、靜電粉末噴涂、靜電振蕩粉末涂裝、靜電隧道粉末涂裝中的任意一種或兩種。
空氣噴涂將上述軟磁磁芯預熱到160℃～350℃，送入噴粉室，將粉末噴槍壓力控制在0.2M～1.0MPa，將樹脂粉末噴射在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；流化床浸涂將上述軟磁磁芯預熱到160℃～350℃，送入流化床內(nèi)，利用壓縮空氣使樹脂粉末涂料呈沸騰狀態(tài)，將樹脂粉末均勻粘附在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～10min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；靜電流化床浸涂將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯磁芯送入流化床內(nèi)，將電極電壓控制在20k～120kV，利用壓縮空氣使樹脂粉末涂料呈沸騰狀態(tài)，將樹脂粉末均勻吸附在磁芯表面，然后在160℃～450℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；靜電粉末噴涂將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯送入噴粉室，噴粉槍施加30k～90kV直流電壓，利用噴槍將樹脂粉末噴涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；
靜電振蕩粉末涂裝將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯送入涂裝室，在磁芯與電極之間施加3×104～7×104V電壓，在磁芯表面均勻吸附樹脂粉末，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；靜電隧道粉末涂裝將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯送入噴粉室，噴粉槍施加電壓在10～100V，利用壓縮空氣將帶電樹脂粉末噴涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有成本低，涂層后磁芯磁性能優(yōu)良、尺寸一致性好，適合批量生產(chǎn)的優(yōu)點。上述優(yōu)點具體如下當該磁芯是鐵基非晶合金時，其工頻50Hz下的飽和磁感應強度在1.40T以上，初始導磁率(磁化場強度0.08A/m)在5000以上，從50Hz到500kHz磁芯電感量下降小于20％，在磁芯表面施加樹脂涂層后，磁芯磁性能下降小于15％。
當該磁芯是鈷基非晶合金時，其工頻50Hz下的飽和磁感應強度在0.60T以上，50kHz下的導磁率在40000以上，在磁芯表面施加樹脂涂層后，磁芯磁性能下降小于10％。
當該磁芯是鐵鎳基非晶合金時，其工頻50Hz下的飽和磁感應強度在0.70T以上，最大導磁率在20萬以上，在磁芯表面施加樹脂涂層后，磁芯磁性能下降小于10％。
當該磁芯是鐵基納米晶合金時，其工頻50Hz下的飽和磁感應強度在1.20T以上，初始導磁率(磁化場強度0.08A/m)在60000以上，在磁芯表面施加樹脂涂層后，磁芯磁性能下降小于30％。
當該磁芯是坡莫合金時，其工頻50Hz下的飽和磁感應強度在0.60T以上，初始導磁率(磁化場強度0.08A/m)在60000以上，在磁芯表面涂覆樹脂涂層后，磁芯磁性能下降小于30％。
采用這種具有樹脂涂層的軟磁磁芯制造的40A電流互感器，互感器比差小于0.1％，角差小于7分。
采用這種具有樹脂涂層的軟磁磁芯制造的共模電感，10kHz下初始導磁率大于5萬。
具體實施例方式
采用純鐵、結(jié)晶硅、硼鐵、純鉬、鈮鐵、電解銅、純鎳、純鋁、海綿鈦等原材料配制鈷基非晶合金、鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金、坡莫合金、鐵基納米晶合金。
當制備坡莫合金時，采用如下的合金成分(重量百分比)Ni76～89，F(xiàn)e2～15，M0～10，其中M為Cu，Nb，V，Mo中的一種或幾種。
磁芯制備在真空感應爐中煉制坡莫合金，將坡莫合金軋制成厚度＜0.30mm的帶材，將合金帶材卷繞成磁芯，在保護氣氛下做熱處理。
當制備鐵基非晶合金時，采用如下的合金成分(重量百分比)Fe82.8％～93.6％，Si2.5％～6.5％，B1.1％～4.5％，M2.5％～7.5％，其中M為V，Cr，Ni，Co，Mo中的任意一種或一種以上。
當制備鈷基非晶合金時，采用如下的合金成分(重量百分比)Co75.2％～84.4％，F(xiàn)e2.3％～7.6％，Si4.6％～1 5.5％，B1.5％～3.5％，M0.9％～5.3％，其中M為Ni，Mn，Cr，V中的任意一種或一種以上。
當制備鐵鎳基非晶合金時，采用如下的合金成分(重量百分比)Fe37.8％～50.6％，Ni36.3％～53.2％，B0.5％～3.5％，Si1.6％～9.5％，M0.3％～2.5％，其中M為Ni，Mn，Cr，V中的任意一種或一種以上。
當制備鐵基納米晶合金時，采用如下的合金成分(重量百分比)Cu0.8％～1.6％，Si7.0％～9.5％，B1.1％～2.0％，M4.5％～7.5％，M′0.001％～0.05％，F(xiàn)e余量，其中M為Mo和/或Nb，M′為改進加工性能的Al和/或Ti。
非晶帶材制備采用真空感應爐熔煉上述鈷基非晶合金、鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金、鐵基納米晶合金成分的母合金，并將熔融母合金澆鑄到快速運動的冷卻介質(zhì)上，形成厚度0.015～0.040mm的連續(xù)非晶質(zhì)合金條帶。
磁芯制備將鐵基非晶合金、鈷基非晶合金和鐵鎳基非晶合金條帶卷繞成為相應尺寸的磁芯，在保護氣氛下做300℃～450℃的退火，以消除合金中的應力。將鐵基納米晶合金條帶卷繞成為相應尺寸的磁芯，在保護氣氛下做500℃～600℃的退火處理，使合金析出α-Fe晶粒，形成非晶和納米晶的混合結(jié)構。可以將熱處理后的不同材料的磁芯組合成復合磁芯。
采用本發(fā)明軟磁合金磁芯成分、樹脂涂層成分和噴涂方法，制備了表面具有樹脂涂層的軟磁合金磁芯。在軟磁合金磁芯表面形成均勻致密的樹脂涂層，成為具有優(yōu)良性能的軟磁磁芯，并可以進一步制備其它磁性器件。
表1是軟磁合金磁芯成分、樹脂涂層成分與所采用的涂層工藝對照。
表2是3只φ19-11-10mm鐵基非晶合金磁芯(40匝，1V)在靜電隧道粉末噴涂前后不同頻率下電感量測試值(mH)，采用尼龍(添加0.5-1.5％流平劑)樹脂粉末噴涂磁芯，噴粉槍施加電壓在35V，利用噴粉槍將樹脂粉末噴涂在磁芯表面，在230℃烘烤10min。
表3是4只φ65-40-20mm鐵基非晶合金磁芯(10匝，1V)在靜電流化床浸涂前后不同頻率下電感量測試值(mH)，采用不飽和聚酯樹脂(添加0.2-2.0％覆蓋力改性劑)粉末浸涂磁芯，將電極電壓控制在60kV，將樹脂粉末均勻浸涂在磁芯表面，在200℃烘烤7min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型。
表4是3只35-26-10mm鈷基非晶合金磁芯在靜電振蕩粉末涂裝前后軟磁性能測試數(shù)據(jù)，采用聚乙烯樹脂(添加0.1-2.5％增塑劑)粉末涂裝磁芯，在磁芯與電極之間施加4×104V電壓，在磁芯表面均勻涂覆聚乙烯樹脂粉末，在190℃烘烤10min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型。
表5是3只φ12.5-6-5mm鈷基非晶合金和鐵基非晶合金復合磁芯(40匝，1V)在靜電振蕩粉末涂裝前后的電感量測量值(mH)，采用環(huán)氧聚酯(添加0.5-1.5％流平劑)和丙烯酸聚酯樹脂(添加1.0-4.0％附著力改性劑)粉末浸涂磁芯，在磁芯與電極之間施加5×104V電壓，首先在磁芯表面均勻涂覆環(huán)氧聚酯樹脂粉末，在190℃烘烤10min，再在磁芯表面均勻涂覆丙烯酸聚酯樹脂粉末，在200℃烘烤10min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型。
表6是3只φ23-20-9mm鐵鎳基非晶合金磁芯(初級線圈匝數(shù)N1∶次級線圈匝數(shù)N2＝2∶400)在靜電流化床浸涂前后的電流-電壓輸出特性測試結(jié)果，采用丁酸-醋酸纖維素樹脂(添加0.5-3.0％附著力改性劑)粉末浸涂磁芯，將上述磁芯送入流化床內(nèi)，將電極電壓控制在75kV，將樹脂粉末均勻浸涂磁芯，在240℃烘烤5min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型。
表7是3只φ22-17-6mm坡莫合金磁芯在空氣噴涂前后電感量測量值(μH)，采用聚氯乙烯樹脂(添加0.3-2.5％增塑劑，0.5-3.5％流平劑)粉末噴涂磁芯，將上述軟磁磁芯在烤箱中預熱到160℃，將預熱磁芯取出放入噴粉室，將粉末噴槍壓力控制在0.60MPa，將樹脂粉末噴涂在磁芯表面，在160℃烘烤15min。
表8是2只φ160-120-25mm坡莫合金磁芯在流化床浸涂后，1kHz～100kHz頻率下的電感量測試值(μH)，采用聚丙烯樹脂(添加0.5-3.0％穩(wěn)定劑)粉末對磁芯表面進行涂覆，熱浸涂前將磁芯預熱到300℃，磁芯噴涂后在220℃烘烤5min。
表9是3只φ190-160-20mm鐵基納米晶合金磁芯在靜電噴涂后，1kHz～100kHz頻率下的電感量測試值(μH)，噴粉槍施加電壓在35kV，采用聚氨酯樹脂(添加0.2-2.0％填料)粉末均勻噴涂磁芯，在220℃烘烤12min。
表10是5只φ25-21-12mm鐵基納米晶合金磁芯在空氣噴涂過程中的電流-電壓測試數(shù)據(jù)，采用聚酯(添加0.5-3.0％熱穩(wěn)定劑)和尼龍(添加0.5-4.0％覆蓋力改性劑)樹脂粉末噴涂磁芯，噴涂聚酯粉末前，磁芯預熱溫度為200℃，噴后在190度烘烤10min，噴涂尼龍粉末前，磁芯預熱溫度為220℃，噴后在200度烘烤10min，。
磁性測量可以對涂層后的磁芯進行磁性能測量。例如，可以測量磁芯的伏安特性(電流-電壓特性)和電感量。
測量涂層磁芯的電流-電壓特性時，利用伏特表測量與B相對應的電壓U，用安培表測量與H相對應的電流I，用整流式伏特表測出測量線圈匝數(shù)為N2時的感應電動勢的平均值Uav。進一步地，可以從伏安特性確定Bm-Hm磁化曲線。磁化場為Hm＝1.414I N1/1；在式中，N1為樹脂涂層磁芯磁化線圈總匝數(shù)，I為安培表測量到的樹脂涂層磁芯磁化電流有效值，1為樹脂涂層磁芯樣品平均磁路長度。磁感應強度為Bm＝Uav/(4.44fN2As)；在式中，f為磁化電流的頻率，As為每匝線圈所包圍噴涂磁芯樣品的有效截面積。
測量樹脂涂層磁芯在不同頻率下的電感量時，在磁芯上纏繞相應匝數(shù)的漆包線線圈，采用電感測試儀從高頻到低頻依次測量。
表1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

權利要求
1.一種軟磁合金磁芯的涂層，其特征在于該涂層主成分為熱塑性樹脂中的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醋丁纖維素、尼龍、聚酯中的任意一種或兩種或為熱固性樹脂中的環(huán)氧聚酯、聚氨酯、不飽和聚酯、聚丙烯酸酯中的任意一種或兩種，并添加至少一種相應助劑形成，采用相應的涂裝工藝在軟磁磁芯表面形成樹脂涂層，涂層厚度在50～2000μm之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種軟磁合金磁芯的涂層，其特征在于磁芯材料是鐵基非晶合金、鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金、鐵鎳基非晶合金、坡莫合金中的任意一種或兩種。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于該噴涂方法是空氣噴涂、流化床浸涂、靜電流化床浸涂、靜電粉末噴涂、靜電振蕩粉末涂裝、靜電隧道粉末涂裝中的任意一種或兩種。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于空氣噴涂是將上述軟磁磁芯預熱到160℃～350℃，送入噴粉室，將粉末噴槍壓力控制在0.2M～1.0MPa，將樹脂粉末噴射在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；
5.根據(jù)權利要求3所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于流化床浸涂是將上述軟磁磁芯預熱到160℃～350℃，送入流化床內(nèi)，利用壓縮空氣使樹脂粉末涂料呈沸騰狀態(tài)，將樹脂粉末均勻粘附在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～10min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；
6.根據(jù)權利要求3所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于靜電流化床浸涂是將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯磁芯送入流化床內(nèi)，將電極電壓控制在20k～120kV，利用壓縮空氣使樹脂粉末涂料呈沸騰狀態(tài)，將樹脂粉末均勻吸附在磁芯表面，然后在160℃～450℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；
7.根據(jù)權利要求3所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于靜電粉末噴涂是將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯送入噴粉室，噴粉槍施加30k～90kV直流電壓，利用噴槍將樹脂粉末噴涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；
8.根據(jù)權利要求3所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于靜電振蕩粉末涂裝是將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯送入涂裝室，在磁芯與電極之間施加3×104～7×104V電壓，在磁芯表面均勻吸附樹脂粉末，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型；
9.根據(jù)權利要求3所述的一種軟磁合金磁芯的涂層的噴涂方法，其特征在于靜電隧道粉末涂裝是將在160℃～350℃預熱的軟磁磁芯送入噴粉室，噴粉槍施加電壓在10～100V，利用壓縮空氣將帶電樹脂粉末噴涂在磁芯表面，然后在160℃～350℃烘烤3～30min，使磁芯表面樹脂涂層最終定型。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬軟磁材料及制備領域，特別涉及一種軟磁合金磁芯的涂層及其噴涂方法。該涂層主成分為熱塑性樹脂中的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醋丁纖維素、尼龍、聚酯中的任意一種或兩種或為熱固性樹脂中的環(huán)氧聚酯、聚氨酯、不飽和聚酯、聚丙烯酸酯中的任意一種或兩種，并添加至少一種相應助劑形成，采用相應的涂裝工藝在軟磁磁芯表面形成樹脂涂層，涂層厚度在50～2000μm之間。上述軟磁合金磁芯涂層的噴涂方法是空氣噴涂、流化床浸涂、靜電流化床浸涂、靜電粉末噴涂、靜電振蕩粉末涂裝、靜電隧道粉末涂裝中的任意一種或兩種。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有成本低，涂層后磁芯磁性能優(yōu)良、尺寸一致性好，適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點。
文檔編號H01F1/12GK1986488SQ20061016494
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權日2006年12月8日
發(fā)明者陳非非, 劉宗濱, 馬越, 羅福林 申請人:安泰科技股份有限公司, 鋼鐵研究總院