MnZn铁氧体及其制备方法技术

一种用于制备MnZn铁氧体的方法，所述MnZn铁氧体包含作为主成分的Fe、Mn和Zn，和作为副成分的Ca、Si和Co以及选自由Ta、Nb和Zr组成的组中的至少一种，所述方法包括：使用于所述MnZn铁氧体的原料粉末成型以获得坯体的步骤，和烧结所述坯体的步骤；所述烧结步骤包括升温步骤、高温保持步骤和冷却步骤；所述冷却步骤包括在1100℃至1250℃的温度范围内以0℃/小时至20℃/小时的冷却速度冷却1小时至20小时的缓慢冷却步骤，并且在所述缓慢冷却步骤之前和之后的冷却速度高于20℃/小时；所述MnZn铁氧体在室温的体积电阻率为8.5Ω·m以上，平均晶粒尺寸为7μm至15μm，并且在23℃至140℃在100kHz的频率和200mT的励磁磁通密度下的磁芯损耗为420kW/m

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MnZn铁氧体及其制备方法专利
本专利技术涉及在用于各种电源装置的电子装置如变压器、电感器、电抗器、扼流线圈等中使用的MnZn铁氧体的制备方法。专利技术背景作为近年来快速普及的电动交通设备如电动汽车(EV)和插电式混合动力汽车(PHEV)之一的电动汽车配备有诸如高功率电动机和充电器的装置。对于它们使用可以耐受高电压和大电流的电子部件。电子部件由作为基本结构的线圈和磁芯组成，并且磁芯由磁性材料如MnZn铁氧体制成。在这样的应用中，在运行期间在电子部件上产生多种机械和电学负荷状态，并且使用的环境温度也变化。正常地，预期由于磁芯损耗引起的生热，通过晶体磁各向异性常数K1将使磁芯损耗最小化的温度调整到稍高于电子部件所暴露于的最大环境温度的温度，从而防止铁氧体由于热失控而失去磁性。其组成设计为使得磁芯损耗(也称为功率损耗)的最低温度为100℃以下的MnZn铁氧体用于家用电器所使用的电子部件。然而，对于汽车应用，在高温环境下使用的前提下，通常使用在超过100℃的高温具有磁芯损耗Pcv的最低温度的那些。还要求在宽温度范围内具有低的磁芯损耗。MnZn铁氧体的磁芯损耗具有温度依赖性，并且在磁滞损耗小的晶体磁各向异性常数K1为0的温度具有最小值。可以通过适当调整在MnZn铁氧体中构成尖晶石的金属离子中具有正晶体磁各向异性常数K1的金属离子的量和具有负晶体磁各向异性常数K1的金属离子的量来改变晶体磁各向异性常数K1为0的温度。构成尖晶石的金属离子包括作为具有正K1的金属离子的Fe2+和Co2+和作为具有负K1的金属离子的Fe3+、Mn2+、Ni2+等。可以通过调整金属离子如Fe2+、Fe3+、Zn2+和Mn2+的量来相对容易地改变使磁芯损耗最小化的温度，然而，仅通过调整这些金属离子的量难以改善磁芯损耗的温度依赖性。因此，引入与Fe2+相比具有足够大的晶体磁各向异性常数的Co2+以改善磁芯损耗的温度依赖性。说明了这样的铁氧体的磁芯损耗Pcv一般由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr组成。磁滞损耗Ph与直流磁滞的频率成比例地增加，并且涡流损耗Pe与由电磁感应作用产生的电动势所产生的涡流的频率的平方成比例地增加。作为由磁畴壁共振等造成的剩下的损耗的剩余损耗Pr在500kHz以上的频率变得明显。也就是说，磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr随着频率而变化，并且它们在总磁芯损耗中的比率取决于频带。因此，MnZn铁氧体需要适合于所使用的频率和温度。还通过制造方法解决了减少铁氧体的磁芯损耗。例如，专利文献1(JPH03-268404A)公开了一种用于制备MnZn铁氧体的方法，所述方法包括以下步骤：将要成为MnZn铁氧体的原料煅烧，粉碎，与添加的粘合剂混合，制粒，成型，在1250-1400℃进一步烧结，然后在1100℃以上且低于1250℃的温度范围在氧浓度为0.001-20％的气氛中保持20-360分钟，然后在氮气氛中冷却。此方法通过使MnZn铁氧体的Fe2+更接近于由铁氧体组成单一地确定的尖晶石中的Fe2+浓度而使阳离子缺陷的量接近0，从而减少磁芯损耗。专利文献2(JPH05-217734A)公开了一种用于制备具有减少的磁芯损耗的MnZn铁氧体的方法，所述方法通过以下方式进行：在1200-1280℃的温度烧结含有Ca和Si的MnZn铁氧体的坯体，其中当在升温步骤中温度超过600℃时并且在烧结过程的最初10-30分钟内，将气氛中的氧浓度设定为1％以下，和在烧结后在预定的氧气氛中以50-250℃/h冷却。专利文献3(JPH07-297017A)公开了一种用于制备在500kHz-2MHz的高频带中具有减少的磁芯损耗的MnZn铁氧体的方法，所述方法包括以下步骤：使含有Ca、Si并且还含有Ti、Zr、Hf、Nb和Ta中的至少一种的原料成型，烧结，然后缓慢冷却并且进一步冷却，其中在预定的氧气氛中进行烧结步骤和缓慢冷却步骤，并且缓慢冷却中的冷却速度为50-150℃/h。根据专利文献1-3中提到的制备方法，能够将磁芯损耗减少到一定程度，然而，需要进一步减少磁芯损耗和在宽温度范围内减少磁芯损耗。专利文献1-3中提到的方法对于这些需求是不够的。此外，当体积电阻率小并且涡流损耗Pe大时，存在难以减少磁芯损耗(特别是在高温范围内)的问题。在专利文献1-3中，作为副成分引入的Ca和Si以及另外的Ta、Nb等在晶界处偏析，由此增大体积电阻率并且减少在100℃的磁芯损耗。然而，利用专利文献1-3中提到的方法，例如，不能实现在约140℃的高温环境中足够低的磁芯损耗，因此，需要进一步的改进。专利技术目的因此，本专利技术的一个目的是提供用于制备MnZn铁氧体的方法和可以在宽温度范围实现低磁芯损耗的MnZn铁氧体。专利技术概述本专利技术人鉴于上述目的进行细致研究，结果已经发现，在用于通过使原料粉末成型并且烧结来制备MnZn铁氧体的方法中，通过在烧结体的冷却步骤中在1100℃至1250℃的温度范围内以0℃/小时至20℃/小时的冷却速度冷却1小时至20小时，可以获得在室温的体积电阻率为8.5Ω·m以上并且在宽温度范围具有低磁芯损耗的MnZn铁氧体。已经基于这样的发现完成本专利技术。因此，本专利技术的用于制备MnZn铁氧体的方法，所述MnZn铁氧体包含作为主成分的Fe、Mn和Zn，和作为副成分的Ca、Si和Co以及选自由Ta、Nb和Zr组成的组中的至少一种，所述方法包括：使用于所述MnZn铁氧体的原料粉末成型以获得坯体的步骤，和烧结所述坯体的步骤；所述烧结步骤包括升温步骤、高温保持步骤和冷却步骤；所述冷却步骤包括在1100℃至1250℃的温度范围内以0℃/小时至20℃/小时的冷却速度冷却1小时至20小时的缓慢冷却步骤，并且在所述缓慢冷却步骤之前和之后的冷却速度高于20℃/小时；所述MnZn铁氧体在室温的体积电阻率为8.5Ω·m以上，平均晶粒尺寸为7μm至15μm，并且在23℃至140℃在100kHz的频率和200mT的励磁磁通密度下的磁芯损耗为420kW/m3以下。优选地在高于1250℃且1350℃以下的保持温度在氧浓度大于0.2体积％且10体积％以下的气氛中进行所述高温保持步骤。优选地控制所述冷却步骤中的氧浓度以使得氧浓度P[O2](体积分数)和温度T(℃)之间的关系满足下式：log(P[O2])＝a-b/(T+273)，其中a和b是常数，a为6.4至11.5，并且b为10000至18000。通过上述方法获得的MnZn铁氧体包含作为主成分的Fe、Mn和Zn，和作为副成分的Si、Ca和Co以及选自由Ta、Nb和Zr组成的组中的至少一种，所述主成分包含53-54摩尔％的Fe(以Fe2O3计)，和8.2-10.2摩尔％的Zn(以ZnO计)，余量为以MnO计的Mn，并且相对于总计100质量份的所述主成分(以所述氧化物计)，所述副成分包含超过0.001质量份且0.015质量份以下的Si(以SiO2计)，超过0.1质量份且0.35质量份以下的Ca(以CaCO3计)，0.4质量份以下(不包括0)的Co(以Co3O4计)，0.1质量份以下(包括0)的Ta(以Ta2O5计)，0.1质量份以下(包括0)的Zr(以ZrO2计)，和0.05质量份以下(包括0)的Nb(以Nb2O5计)，Ta2O5、ZrO2和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备MnZn铁氧体的方法，所述MnZn铁氧体包含作为主成分的Fe、Mn和Zn，和作为副成分的Ca、Si和Co以及选自由Ta、Nb和Zr组成的组中的至少一种，所述方法包括：使用于所述MnZn铁氧体的原料粉末成型以获得坯体的步骤，和烧结所述坯体的步骤；所述烧结步骤包括升温步骤、高温保持步骤和冷却步骤；所述冷却步骤包括在1100℃至1250℃的温度范围内以0℃/小时至20℃/小时的冷却速度冷却1小时至20小时的缓慢冷却步骤，并且在所述缓慢冷却步骤之前和之后的冷却速度高于20℃/小时；所述MnZn铁氧体在室温的体积电阻率为8.5Ω·m以上，平均晶粒尺寸为7μm至15μm，并且在23℃至140℃在100kHz的频率和200mT的励磁磁通密度下的磁芯损耗为420kW/m3以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.25 JP 2016-0619251.一种用于制备MnZn铁氧体的方法，所述MnZn铁氧体包含作为主成分的Fe、Mn和Zn，和作为副成分的Ca、Si和Co以及选自由Ta、Nb和Zr组成的组中的至少一种，所述方法包括：使用于所述MnZn铁氧体的原料粉末成型以获得坯体的步骤，和烧结所述坯体的步骤；所述烧结步骤包括升温步骤、高温保持步骤和冷却步骤；所述冷却步骤包括在1100℃至1250℃的温度范围内以0℃/小时至20℃/小时的冷却速度冷却1小时至20小时的缓慢冷却步骤，并且在所述缓慢冷却步骤之前和之后的冷却速度高于20℃/小时；所述MnZn铁氧体在室温的体积电阻率为8.5Ω·m以上，平均晶粒尺寸为7μm至15μm，并且在23℃至140℃在100kHz的频率和200mT的励磁磁通密度下的磁芯损耗为420kW/m3以下。2.根据权利要求1所述的用于制备MnZn铁氧体的方法，其中在高于1250℃且1350℃以下的保持温度在氧浓度大于0.2体积％且10体积％以下的气氛中进行所述高温保持步骤。3.根据权利要求2所述的用于制备MnZn铁氧体的方法，其中控制所述冷却步骤中的氧浓度以使得氧浓度P[O2](体积分数)和温度T(℃)之间的关系满足下式：log(P[O2])＝a-b/(T+273)，其中a是6.4至11.5的常数，并且b是10000至18000的常数。4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于制备MnZn铁氧体的方法，其中所述MnZn铁氧体包含作为主成分的Fe、Mn和Zn，和作为副成分的Si、Ca和Co以及选自由Ta、Nb和Zr组成的组中的至少一种，所述主成分包含53-54摩尔％的Fe(以Fe2O3计)，和8.2-10.2摩尔％的Zn(以ZnO计)，余量为以MnO计的Mn，并且相对于总计100质量份的所述主成分(以所述氧化物计)，所述副成分包含超过0.001质量份且0.015质量份以下的Si(以SiO2计)，超过0.1质量份且0.35质量份以下的Ca(以CaCO3计)，0.4质量份以下(不包括0)的Co(以Co3O4计)，0.1质量份以下(包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：三吉康晴，小汤原德和，多田智之，
申请(专利权)人：日立金属株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP