CN101213041A - 制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，通过在软磁性金属粉末粒子的表面上形成无机物绝缘膜，将粉末压实并且成型，然后进行热处理，以提供绝缘软磁性金属粉末成形体，该方法包括：将粉末压实并且成型；然后在高于软磁性金属粉末的居里温度且低于破坏绝缘膜的临界温度的高温下，在非氧化性气氛如真空、惰性气体等中，使该粉末磁性退火；然后在400℃至700℃的温度下，在氧化性气氛如空气等中进一步热处理。

Description

制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法
技术领域
本发明涉及一种制造高性能绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，该成形体非常适合用于电机磁心和环形磁心等作为电器/电子部件，并且涉及一种制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，该方法铁损低，并且磁导率高。
背景技术
近年来，随着电器/电子部件性能的提高(效率越高并且尺寸紧凑)，以及绝缘软磁性金属粉末成形体用于电机磁心、环形磁心等的增加，已经要求减少铁损，并且增加磁导率。为了增强磁导率，要求减少绝缘层的厚度，以便使软磁性金属粉末粒子之间的空间变窄。铁损通常由磁滞损耗和涡流损耗组成，并且磁滞损耗随着软磁性材料的种类、杂质浓度、加工应力等而变化。涡流损耗随着软磁性材料的电阻率和绝缘膜的完整程度而变化。从这种观点看，已经提出以下获得绝缘软磁性金属粉末成形体的技术。
专利文献1公开一种通过粉末冶金技术制造软磁性构件的方法。铁粒子用绝缘的磷酸盐层包覆，然后压缩，接着，在氧化性气氛中，在上限为600℃的热处理温度下对其进行热处理。
在专利文献2中，公开一种将铁粉压力成型并且对其进行热处理以便获得具有改进的软磁性的磁心构件的方法。铁粉由低磷含量的薄层绝缘的细粒子组成。根据专利文献2，压力成型的铁粉在氧化性气氛中在350至550℃的温度下进行热处理。根据同一发明，热处理应该在350至550℃，优选在400至530℃，并且最优选在430至520℃的温度下进行，然而专利文献2公开的发明并没有超过专利文献1的发明。
专利文献3的发明详细说明，为了获得压实的具有降低的涡流损耗并且具有机械强度的铁磁性金属粉末芯，将磷酸沉积在铁磁性金属粒子的表面上，并且对铁磁性金属粉末进行加压成形，并且在300至600℃，优选在400至500℃下进行热处理。
专利文献4的发明提供一种制造复合磁性材料的方法，该复合磁性材料通过将由磁性粉末和绝缘材料组成的混合物压力成型，然后进行热处理而获得，其中热处理进行两次或多次，并且如果第一次热处理时气氛中的氧气浓度称为P1，而第二次热处理时气氛中的氧气浓度称为P2，通过满足关系P1＞P2，获得芯损低且磁导率高并且具有优良DC偏置特征的复合磁性材料。如果第一次热处理温度称为T1，而第二次热处理温度称为T2，应该满足关系T1＜T2，并且对于氧气浓度，应该满足关系1％≤P1≤30％和P2≤％。对于热处理温度，应该满足关系150℃≤T1≤500℃，和500℃≤T2≤900℃。在第一次热处理中，形成氧化绝缘膜，而在第二次高温热处理中，释放应力。然而，在第二次高温热处理时，存在如下可能，在磁性粉末和氧化绝缘膜之间的热膨胀系数的差异可破坏绝缘膜。
专利文献5的发明提供一种经涂布的铁基粉末，铁基粉末粒子的表面涂布有涂料，其中经涂布的铁基粉末的涂料用量为0.02至10质量％，并且涂料组成为：20至90质量％的玻璃、10至70质量％的粘合剂，或者另一种组成：除了玻璃和粘合剂以外，70％或以下的绝缘且耐热的物质。粘合剂优选由选自有机硅树脂、金属磷酸盐化合物和硅酸盐化合物中的一种或两种或更多种组成。没有给出针对于热处理的权利要求，但是在实施例中，在最高温度为700℃下使用氮气气氛。
专利文献6的发明提供一种复合磁性材料，它包括许多具有金属磁性粒子和围绕金属磁性粒子表面周围的绝缘膜的复合磁性粒子，其中该许多复合磁性粒子彼此结合在一起，并且金属磁性粒子只由金属磁性材料组成，并且金属磁性粒子中杂质比例为120ppm或以下。它详细说明：通过加压成型获得的复合磁性材料应该在氧化性气氛或惰性气体气氛中在200℃至所添加树脂的热分解温度下进行稳定化热处理。
专利文献1：德国专利No.3439397
专利文献2：日本国家阶段公开No.9-512388/1997
专利文献3：日本专利特许公开No.7-245209/1995
专利文献4：日本专利特许公开No.2000-232014
专利文献5：日本专利特许公开No.2004-143554
专利文献6：日本专利特许公开No.2005-15914
发明内容
本发明要解决的问题
为了获得更高的磁导率，必须降低绝缘膜的厚度，而为了更低的磁滞损耗，必须在压实和成型时释放加工应力，为此，有效的是在700℃以上的温度下进行热处理，然而用以上专利文献1至专利文献6代表的常规方法时，薄的绝缘膜被高温热处理破坏，导致涡流损耗增加。
解决问题的手段
本发明的目的是提供一种用于制造铁损低、磁导率高并且机械强度高的绝缘软磁性金属粉末成形体的方法。
换言之，本发明通过提供一种由以下几个方面组成的用于制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法来解决以上问题：
<1>方面1提供一种制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，通过在软磁性金属粉末的表面上形成无机物绝缘膜，使粉末压实并成型，然后进行热处理，以提供绝缘软磁性金属粉末成形体，该方法包括：
使粉末压实并且成型；然后，
在高于软磁性金属粉末的居里温度且低于破坏绝缘膜的临界温度的高温下，在非氧化性气氛如真空、惰性气体等中，使该粉末磁性退火；然后进一步在400℃至700℃的温度下，在氧化性气氛如空气等中进一步进行热处理。
<2>方面2提供一种方面1所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中软磁性金属粉末基本上包括选自铁；铁基合金如铁镍合金、铁镍钼合金、铁镍硅合金、铁硅合金、铁硅铝合金等；和铁基非晶态合金如铁硅硼等中的一种或多种粉末。
<3>方面3提供一种方面1或方面2所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中绝缘膜在热处理以前基本上包括磷酸铁，并且在热处理之后基本上转变为氧化铁，并且该粉末包括选自金属氧化物如氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化锆等中的至少一种金属氧化物。
<4>方面4提供一种方面1至方面3中任何一项所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中软磁性金属粉末的平均粒径D50为10μm至150μm。
<5>方面5提供一种方面1至方面4中任何一项所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中无机物绝缘膜的厚度为0.01μm至1μm。
<6>方面6提供一种方面1至方面5中任何一项所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中压实和成型是在5至20t/cm2的压力下使用冷、热、冷等静压和热等静压工艺中的任何一种或多种进行。
发明效果
根据本发明，可以稳定地制造铁损低、磁导率高并且机械强度高的绝缘软磁性金属粉末成形体。
具体实施方式
在本发明中，软磁性金属粉末由铁；铁基合金如铁镍合金、铁镍钼合金、铁镍硅合金、铁硅合金、铁硅铝合金等；或铁基非晶态合金如铁硅硼等中的一种或多种组成。因为这些软磁性金属粉末的饱和磁通密度和磁导率高，并且矫顽磁力低，因此它们适合用作高导磁率材料和低铁损材料。另外，它们容易以雾化粉末和粉碎粉末获得。
在本发明中，在软磁性金属粉末之中，从低的矫顽磁力和高的饱和磁通密度的观点看，尤其优选铁、铁镍合金和铁镍硅合金粉末。另外，优选软磁性金属粉末的粒子形状为扁平的或伸长的，并且通过使粒子形状扁平并伸长，可以降低粒子主轴方向的去磁系数，并且增加磁导率。
软磁性金属粉末优选具有10μm至150μm的平均粒径D50。如果软磁性金属粉末的平均粒径D50小于10μm，则难以降低磁滞损耗，而如果D50值超过150μm，则它与感应的高频电流的集肤深度相比相对大，因此增加涡流损耗。
在本发明中，在上述软磁性金属粉末的粒子表面上，形成无机物绝缘膜。无机物优选为在热处理以前主要由磷酸铁组成而在热处理之后主要转变为氧化铁的物质，该物质包含选自金属氧化物如氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化锆等中的至少一种金属氧化物。
作为在热处理以前主要由磷酸铁组成而在热处理之后主要转变为氧化铁的物质成分的实例，可以提到的是磷酸；磷酸与作为软磁性金属粉末的铁粉、铁基合金粉末、铁基非晶态粉末中的铁成分反应，转变成磷酸铁，并且这种磷酸铁在后续热处理工艺中转变成氧化铁。另外，作为磷酸的可替代方案，可以使用磷酸盐如磷酸镁、磷酸锌等。
调节添加到软磁性金属粉末中的磷酸或磷酸盐的用量，使最终制造的无机物绝缘膜的厚度为0.01μm至1μm，优选为0.1μm至0.5μm。如果无机物绝缘膜的厚度小于0.01μm，则绝缘膜在低于居里温度时可能被介电击穿(dielectrical break down)，而如果无机物绝缘膜的厚度超过1μm，则磁导率下降，导致要获得必要磁通密度的磁通势增加，这导致电流增大。
将磷酸等添加至软磁性金属粉末并且干燥形成磷酸铁膜之后，优选向已形成磷酸铁膜的软磁性金属粉末添加金属氧化物。作为金属氧化物，优选选自金属氧化物如氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化锆等中的至少一种金属氧化物。这些金属氧化物中，从高温下的绝缘特性(电阻率)的观点看，尤其优选氧化铝。进一步，为了增加强度，可以添加低熔点的玻璃。
用于已形成磷酸铁膜的软磁性金属粉末的金属氧化物的量相对于软磁性金属粉末的总量优选0.1至4质量％，并且更优选0.5至3质量％。如果用于已形成磷酸铁膜的软磁性金属粉末的金属氧化物的量小于0.1质量％，则在低于居里温度下可能导致介电击穿，而如果它超过4质量％，则磁导率可能下降。
另外，除了金属氧化物以外，还可以向已形成磷酸铁膜的软磁性金属粉末添加润滑剂。通过添加润滑剂，可以防止后述压实和成型工艺中对软磁性金属粉末的可能损害。润滑剂的实例包括金属硬脂酸盐、石蜡和蜡。用于已形成磷酸铁膜的软磁性金属粉末的润滑剂的量可以是0.1至1质量％左右。
接着，将软磁性金属粉末压实并且成型。作为压实和成型的方法，为了使粉末容易成形，可以使用任何常用于粉末冶金领域的方法，如冷、热、冷等静压(CIP)、热等静压(HIP)等。成形压力优选5至20t/cm2，并且更优选7至15t/cm2。这是因为：如果成型压力小于5t/cm2，则成型强度不足，导致难以处理，而当成型压力超过20t/cm2时，密度集中的点强度不会增加，而相反可能导致绝缘膜被破坏。通过压实和成型法，根据用途使软磁性金属粉末形成几何形状，例如环状。
其次，将以上获得的压实成型体首先在高于软磁性金属粉末的居里温度且低于破坏绝缘膜的临界温度的高温下，在非氧化性气氛如真空、惰性气体等中进行磁性退火处理。在该处理中，对于真空气氛，优选将氧气分压调节到10-4Pa至10-2Pa，而对于惰性气体，没有特别限制，但是优选氩气或氮气气氛。在本发明中，通过在高于软磁性金属粉末居里温度和低于破坏绝缘膜的临界温度的高温下进行第一次热处理(磁性退火，即加工应力释放)，降低矫顽磁力，并且减少铁损，同时保持绝缘。在非氧化性气氛中在高于居里温度的热处理对于降低矫顽磁力是有效的，然而，软磁性金属的居里温度随着金属而变化，例如，作为典型的软磁性金属粉末的铁和铁硅合金的居里温度为690至770℃。因此，当铁或铁硅合金用作软磁性金属时，需要在超过690℃至770℃范围的温度下进行热处理。
为了降低矫顽磁力并且减少铁损，同时确保维持绝缘，热处理温度优选为软磁性金属粉末的居里温度+80℃，并且进一步优选为软磁性金属粉末的居里温度+100℃；并且更优选为软磁性金属粉末的居里温度+200℃。热处理时间优选30至300分钟，并且更优选60至180分钟。如果热处理时间小于30分钟，则不能充分释放加工应力。
在本发明中，据推测，当与软磁性金属粉末结合的绝缘膜通过第一次热处理(磁性退火，即加工应力释放)而改变性质时，邻近软磁性金属粒子的表面上的绝缘膜结构性地整合在一起，并且当进行移动并成形时，绝缘膜中具有熔点高于第一次热处理温度的耐热金属氧化物防止软磁性金属粒子彼此接触导电，因此提供结构性整合的绝缘膜。
其次，在第一次热处理工艺之后，热处理的制品进一步在氧化性气氛如空气等中，在400℃至低于700℃的温度下进行热处理工艺(第二次热处理工艺)。在第二次热处理工艺中，从实际应用的观点看，最优选的氧化性气氛是空气，并且除此之外，也可以使用具有氧气含量10％左右的氮气气氛。
第二次热处理工艺是一种将第一次热处理工艺中结构性整合的绝缘膜进行氧化反应以便形成更满意的绝缘电阻和机械强度，从而制造铁损低并且磁导率高的绝缘软磁性金属粉末成形体的热处理。尽管它随着温度条件而变化，为了使所述氧化反应在400℃至低于700℃的温度范围内完全进行，热处理时间优选为至少30至300分钟，并且更优选为60至180分钟。
当用高温热处理炉进行第一次热处理工艺时，第二次热处理工艺可以采用以下方式，在完成第一次热处理工艺之后，将退火工艺的高温热处理炉中的气氛置换为空气，以满足第二次热处理工艺的条件，在这种情况中，具有简化制造工艺的优点。
[实施例]
在下文中，本发明通过给出实施例进一步详细说明，然而，本发明并不局限于这些实施例。
[实施例1]
向具有粒径分布10至150μm的坡莫合金PB基原料粉末添加相对于原料粉末质量0.017质量％的磷酸溶液，然后在室温下将该混合物干燥，形成1pm或以下的磷酸铁膜。将相对于原料粉末质量2.4质量％的氧化铝粉末与其混合。向所获得的绝缘软磁性金属粉末添加0.5质量％的硬脂酸锌作为润滑剂，并且混合。在室温下将该粉末放入模具中，并且在15t/cm2的表面压力下压制，获得环形“压制制品”。
在950℃下，在非氧化性气氛中，将该“压制制品”进行第一次热处理，时间60分钟，然后在500℃下，在氧化性气氛中，进行第二次热处理，时间60分钟。
[比较例1]
用实施例1中相同的方式获得环形“压制制品”。在500℃下，在氧化性气氛中，将“压制制品”热处理60分钟。这代表制造绝缘软磁性金属粉末成形体的常规通用方法。
[比较例2]
用实施例1中相同的方式获得环形“压制制品”。在950℃下，在非氧化性气氛中，将“压制制品”进行第一次热处理，时间60分钟，并且省略第二次热处理。
[比较例3]
用实施例1中相同的方式获得环形“压制制品”。在500℃下，在氧化性气氛中，将“压制制品”进行“第二次”热处理，时间60分钟。接下来，在950℃下，在非氧化性气氛中，将其进行“第一次”热处理，时间60分钟。换言之，将实施例1中热处理的顺序颠倒。
[比较例4]
用实施例1中相同的方式获得环形“压制制品”。在600℃下，在氧化性气氛中，将“压制制品”热处理60分钟。
[比较例5]
用实施例1中相同的方法获得环形“压制制品”。在700℃下，在氧化性气氛中，将“压制制品”热处理60分钟。
(评估方法)
对于实施例1和比较例1至5获得的样品，测量磁导率、铁损和径向压溃强度，表1给出结果。
<磁导率>
它由1kHz处的感应系数值和“压制制品”的尺寸数值计算得到，1kHz处的感应系数值用HIOKI E.E.CORPORATION制造的LCR HiTESTER 3532-50测量。
<铁损>
用IWATSU TEST INSTRUMENTS CORPORATION制造的B-H/μ Analyzer SY-8258测量磁通密度为1T并且频率为1kHz时的值。
<径向压溃强度>
它通过JIS Z 2507“Sintered metal bearing-Determination ofradial crushing strength”中定义的方法进行测量。
表1给出了评估结果
[表1]
    在1kHz时的磁导率     在磁通密度为1T并且频率为1kHz时     径向压溃强度(MPa)
    磁滞损耗(W/kg)     涡流损耗(W/kg)     铁损(W/kg)
实施例1     113     36.0     3.3     39.3     51
比较例1     70     202.1     0.6     202.7     53
比较例2     104     28.4     1.2     29.6     25
比较例3     133     76.4     119.0     195.4     51
比较例4     61     273.4     5.5     278.9     138
比较例5     70     236.7     141.8     378.9     97
从表1可以得出如下结论。
(1)实施例1中的铁损大约低至比较例1中的1/5左右。因此，可以说：通过在非氧化性气氛中在高于居里温度下进行第一次热处理提供的铁损降低效果是显著的。另外，可以理解，不管在高达950℃的温度下的热处理，实际上没有导致涡流损耗增加，并且因此可以很好地维持绝缘。
(2)可以看出，其中省略在氧化性气氛中低于700℃的温度下的第二次热处理的比较例2中的径向压溃强度降低至实施例1中的约1/2，但是铁损和磁导率没有显著差异。
(3)在其中将实施例1的热处理顺序颠倒的比较例3中，绝缘性不足，并且因此涡流损耗增加至实施例1中的约36倍的值，导致铁损增加至约5倍。由此，可以认为，在本发明中第一次热处理工艺和第二次热处理工艺的顺序是重要的。
(4)比较在空气气氛中热处理温度分别为500℃、600℃、700℃的比较例1、比较例4和比较例5中的涡流损耗表明，比较例5中的涡流损耗由于在700℃时的介电击穿而大大增加，因此在氧化性气氛如空气等中，热处理温度必须低于700℃。
工业实用性
本发明非常适合于用于要求铁损低、磁导率高并且机械强度高的作为电器/电子部件的电机磁心、环形磁心等。

Claims (6)

1.一种制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，通过在软磁性金属粉末粒子的表面上形成无机物绝缘膜，将粉末压实并且成型，然后进行热处理，以提供绝缘软磁性金属粉末成形体，
该方法包括：
将粉末压实并且成型；然后
在高于软磁性金属粉末的居里温度且低于破坏绝缘膜的临界温度的高温下，在非氧化性气氛如真空、惰性气体等中，使粉末磁性退火；然后
在400℃至700℃的温度下，在氧化性气氛如空气等中进一步热处理。
2.根据权利要求1所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中软磁性金属粉末基本上包括选自铁；铁基合金如铁镍合金、铁镍钼合金、铁镍硅合金、铁硅合金、铁硅铝合金等；和铁基非晶态合金如铁硅硼等中的一种或多种粉末。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中绝缘膜在热处理以前基本上包括磷酸铁，并且在热处理之后基本上转变为氧化铁，并且该粉末包括选自金属氧化物如氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化锆等中的至少一种金属氧化物。
4.根据权利要求1至权利要求3任何一项所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中软磁性金属粉末的平均粒径D50为10μm至150μm。
5.根据权利要求1至权利要求4任何一项所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中无机物绝缘膜的厚度为0.01μm至1μm。
6.根据权利要求1至权利要求5任何一项所述的制造绝缘软磁性金属粉末成形体的方法，其中压实和成型是在5至20t/cm2的压力下使用冷、热、冷等静压和热等静压工艺中的任何一种或多种来进行。
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