一种铁基氮化物软磁材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁基氮化物软磁材料及其制备方法，该方法是以氧化铁为原材料，先经还原和氮化两个阶段的热处理后制得反钙钛矿结构的铁基氮化物粉末，其主要成分为γ'

【技术实现步骤摘要】
一种铁基氮化物软磁材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及软磁材料领域，具体涉及一种铁基氮化物软磁材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化铁始于20世纪50年代初期，主要通过渗氮的方法研究金属材料表面的氮化现象。分析其耐磨性、机械强度、表面硬度和抗疲劳强度等问题，来提高其机械性能和化学性能。1946年，Guillaud发现了铁氮化合物的饱和磁化强度比较高，使得人们的注意力开始转移到了氮化铁材料的研究。铁氮化合物主要有Fe
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N2、Fe8N、Fe4N、Fe3N和Fe2N等种类。其中，Kim和Takahashi曾报道Fe
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N2具有“巨磁矩”现象，其M
s
高达2.58T远远地高于纯铁的M
s 2.14T。虽然人们发现了Fe
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N2是“巨磁相”，但是由于Fe
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N2在常温下处于亚稳相，极不稳定，因此制备也比较困难。即使制备成功，Fe
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N2又非常容易分解，在一定温度下会分解为Fe和Fe4N，因此实际应用也比较困难。尽管Fe4N的饱和磁化强度小于有关报道里的Fe和Fe
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N2，但是它具有较强的稳定性，不易发生分解，而且它们的机械性能和化学性能也较佳，另外其粉体电阻率较高，具有比铁粉芯更加优异的性能。
[0003]目前在高频半导体开关电子器件中，软磁材料主要是铁氧体和金属软磁复合材料，而并没有应用Fe4N化合物。但是铁氧体受制于低饱和磁化强度，而金属软磁复合材料受制于较高的涡流损耗。为此γ'
‑
Fe4N及其块体材料成为了软磁材料前沿领域迫切需求的材料。但是目前为止1)大规模制备γ'
‑
Fe4N的粉体还没有得到实现，2)γ'
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Fe4N块体材料的制备是难点。这严重阻碍了小型化高频高功率低损耗电力电子器件的发展。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供一种铁基氮化物软磁材料及其制备方法，采用商业化氧化铁红为原材料，通过还原氮化制得铁基氮化物粉末，然后对上述粉末进行SPS烧结制备得到块体，本专利技术的方法不仅可实现反钙钛矿结构的铁基氮化物粉末的制备，而且可制得其相应块体，可促进γ'
‑
Fe4N在电力电子器件中的应用，此外整个方法简单可操作性强，有利于大规模应用。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术采用商业化氧化铁红为原材料，在适当温度下还原氮化制得大量铁基氮化物粉末，其主要成分为γ'
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Fe4N及其与Fe或者Fe3N的混合物；然后在不同温度和压力下对上述粉末进行SPS烧结制备块体。具体按如下方法制备：首先将一定量的氧化铁红放置在瓷舟之中铺平，然后在炉子中在一定温度下进行两个阶段的还原氮化。第一个阶段主要是还原为主，第二个以氮化为主。还原氮化气氛是氢气和/或氨气。反应完成后随炉冷却，得到铁基氮化物粉末。然后将粉体在一定压力和温度下进行SPS烧结，制得铁基氮化物块体。
[0007]进一步，这种铁基氮化物软磁材料是反钙钛矿结构的软磁材料，经氧氮分析仪测试，其氮含量为2％～7.5wt.％。
[0008]进一步，这种软磁材料以氧化铁为原材料，经还原和氮化两个阶段热处理后制得
铁基氮化物粉末，然后将粉末进行SPS烧结制得反钙钛矿结构软磁铁基氮化物块体。
[0009]进一步，这种铁基氮化物软磁材料的主要成分为γ'
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Fe4N。
[0010]进一步，所述的氧化铁的粒径为30nm～2000nm，在这个粒径范围内，烧结的块体密度较高，太大或很小的颗粒很难烧结成块体。
[0011]进一步，所述第一个阶段的处理温度为300℃～800℃，处理气氛体积比为NH3:H2＝0:1～1:1，处理时间为1～8h，其中NH3为0表示纯氢气还原。
[0012]进一步，所述第二个阶段的处理温度为200℃～550℃，处理气氛体积比为NH3:H2＝1:1～1:0，氮化时间为1～10h，其中H2为0表示纯氨气氮化。
[0013]进一步，所述的处理气氛中可以含有一定量的氮气、氩气等保护气体，其体积含量不超过总气体体积含量的80％。
[0014]进一步，所述SPS烧结压力为30MPa～300MPa，温度为450℃～600℃，升温速率为5℃/min～50℃/min，保温时间为1～10min。
[0015]与现有技术相比，本专利技术有益效果主要体现在：
[0016](1)本专利技术原材料采用的是商用氧化铁红，其价格便宜，而且更为重要的是采用氧化铁可以在氢气还原过程中脱除氧，从而形成氨气渗入的通道有助于氮化的进行。(2)本专利技术所用的是常规还原氮化法，工艺简单便于操作，并且氢气浓度可调。(3)目前国内大部分学者仍停留在对铁基氮化物粉体制备的研究，而本专利技术采用SPS制备块体铁基氮化物研究，铁基氮化物在高温下不稳定，其中的氮原子会以氮气的形式溢出，而SPS具有快速烧结的特征，避免了氮化物的分解，克服了铁基氮化物块体制备的难点，这是采用常规烧结工艺无法实现的。因此，本专利技术可进一步推动其在小型化、高饱和磁化强度和低损耗电力电子器件中的应用，其产品足可代替铁氧体在电子器件中的应用。
附图说明
[0017]图1为实施例1SPS制备的块体材料的XRD图。
[0018]图2为实施例2制备块体的VSM图。
[0019]图3为实施例2制备的块体的SEM图。
具体实施方式
[0020]下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此：
[0021]首先，取50g氧化铁红置于一个瓷舟之中铺平，放置于管式炉中央。然后于510℃下氨氢比为1:5条件下还原1.5h，改变氨氢比为3:2条件下氮化3.5h得到氮化后的软磁粉末备用。然后取5g上述粉体在模具中100MPa预压成圆柱块体，最后在SPS下50MPa，550℃下进行烧结成最终块体，获得铁基氮化物块体。
[0022]表1为510℃下还原氮化粉体在不同温度和压力SPS下的块体的电阻率、密度、饱和磁化强度和矫顽力。
[0023]表1
[0024][0025][0026]实施例1
[0027]首先，取50g氧化铁红置于一个瓷舟之中铺平，放置于管式炉中央。然后于300℃下纯氢气条件下还原8h，然后提高温度到550℃，改变氨氢比为1:1条件下氮化1h得到氮化后的软磁粉末备用。然后取5g上述粉体在模具中100MPa预压成圆柱块体，最后在SPS下30MPa，550℃下进行烧结成最终块体，获得铁基氮化物块体。
[0028]后续通过排水法测得块体密度为6.216g/cm3。通过四探针法测得表面电阻率为133μΩ
·
cm。通过VSM测得粉体的M
s
为196emu/g，测得块体的M
s
为142emu/g，氧氮分析测得氮含量为5.6wt.％。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁基氮化物软磁材料的制备方法，其特征在于，所述方法是以氧化铁为原材料，经还原和氮化两个阶段热处理后制得铁基氮化物粉末，然后将粉末进行SPS烧结制得，所述铁基氮化物软磁材料是反钙钛矿结构的软磁材料，其氮含量为2％～7.5wt.％。2.根据权利要求1所述的铁基氮化物软磁材料的制备方法，其特征在于，所述铁基氮化物软磁材料的主要成分为γ'
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Fe4N。3.根据权利要求1所述的铁基氮化物软磁材料的制备方法，其特征在于，所述的氧化铁的粒径为30nm～2000nm。4.根据权利要求1所述的铁基氮化物软磁材料的制备方法，其特征在于，将原材料分别用丙酮和无水乙醇清洗干净，干燥后在炉子中进行还原和氮化两个阶段热处理，处理气氛为氢气和/或氨气，其中第一个阶段以氢气还原为主，第二个阶段以氨气氮化为主。5.根据权利要求4所述的铁基氮化物软磁材料的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旺昌，李万甲，陈家林，车声雷，应耀，乔梁，郑精武，余靓，李涓，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：