CN101678451A - 压粉磁芯用金属粉末及压粉磁芯的制造方法 - Google Patents

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Abstract

通过将直径为10～500μm、纯度为99质量％以上的纯铁粉加热到600℃～1400℃的温度范围内，在该温度范围内通过气相反应使Si浓度在从该纯铁粉的表面直至5μm深度范围浓化，使该深度范围的平均Si浓度为0.05质量％～2质量％，得到不导致压缩性的变差地提高绝缘材料与粒子之间的粘合、提高电绝缘性的压粉磁芯用金属粉末。得到的压粉磁芯维持高的饱和磁通密度且铁损耗低。

Description

压粉磁芯用金属粉末及压粉磁芯的制造方法
技术领域
本发明涉及作为电动机或变压器的磁芯的原材料合适的压粉磁芯(dust core)用金属粉末(metal powder)的制造方法。此外，本发明涉及使用该金属粉末的压粉磁芯的制造方法。
背景技术
作为电动机或变压器的磁芯材料，使用在小的磁场下易磁化的所谓的软磁性材料。对于该软磁性材料，除了要求高的居里温度之外，还要求矫顽力小、磁导率高、饱和磁通密度大、低损耗(low core loss)等很多特性。
满足这些要求的软磁性材料大致分为金属软磁性材料和氧化物软磁性材料，根据频率、电功率分别使用。
以MnZn铁氧体为代表的氧化物软磁性材料由于电阻高，具有即使在超过100kHz的高频区域损耗也小的优点，而另一方面存在饱和磁通密度小的缺点。
另一方面，金属软磁性材料由于电阻低，使用频率限于低频区域。但是，由于饱和磁通密度高，具有可以进行大的能量的转换或传递的优点。例如，作为金属软磁性材料的代表例的电磁钢板被用作商用电源频率(commercial power frequency)的大电功率用变压器或电动机的磁芯。
金属软磁性材料的使用限于低频区域是由于，随着频率升高，在磁性体内部产生涡电流，其成为损耗而导致能量效率降低。为了抑制该涡电流损耗(eddy-current loss)，采用层压几层表面进行了绝缘被覆(insulation coating)的电磁钢板作为磁芯的方法。特别是用于在更高的频率下驱动的变压器或电动机的磁芯时，通过减薄电磁钢板的板厚来抑制涡电流的产生。
然而，通过减薄板厚，虽然层压板间的电阻得到改善，但是由于板面内的高电阻化有限，难以抑制高于10kHz的频率下的涡电流损耗。
作为对上述问题的应对方案，提出了使用压粉磁芯的技术方案。压粉磁芯指的是向含有纯铁或软磁性合金的磁性粉末(magnetic powder)中根据需要适当添加树脂等粘合剂，将得到的粉末填充到模具中进行加压成型(compaction)，由此成型为所需形状的磁芯。其中，通过对磁性粉末粒子的表面实施绝缘处理，与电磁钢板材料不同，可以形成三维的绝缘，电阻得到提高，因此在更高频区域中也可以抑制涡电流损耗。
但是，加压成型后的成型密度(green density)低时，饱和磁通密度低、此外机械强度也低，因此与电磁钢板相比则变得不利。因此，将压粉磁芯作为电动机或变压器的芯时，如何提高压缩性、提高成型体的密度是重要的。但是，若欲提高成型负荷来得到高的成型密度，则因塑性变形所导致的变形增大。若使磁性体塑性变形，则作为涡电流损耗以外的损耗的主要原因的磁滞损耗(hysteresis loss)增大，结果导致损耗的增大。
作为该问题的解决对策，考虑为了消除应力而将成型体加热至600℃以上的温度，通过该热处理可以减小塑性变形。热处理的温度越高则变形越小，可以减小磁滞损耗。但是，相反地若热处理温度高，则被覆在粒子表面上的绝缘材料分解或形成结晶而粒子间的电阻降低，导致涡电流损耗的增大。
而且，若绝缘材料与粒子的粘合性差，则有时成型时绝缘被膜剥离，该阶段下产生电阻的降低。
因此，被覆在粒子表面上的绝缘材料要求与粒子的粘合性良好、且耐热性高的绝缘材料。作为满足这种要求的绝缘材料，提出了硅氧烷树脂、磷酸盐等。
此外，日本特开2003-142310号公报(专利文献1)中报告了，若在软磁性金属粉末的至少表面附近存在某种程度以上的量的Si(具体地说，从表面直至0.2μm的平均Si浓度至少为0.5wt％)，则绝缘处理效果提高，从而得到具有高的电阻的压粉磁芯。而且，专利文献1中，作为制造在表面附近存在高浓度的Si的软磁性金属粉末的方法，提出了对含有Si的合金组成的熔液例如进行水喷雾(water atomizing)。
然而迄今已知通过气相反应法(gas-phase reaction method)对Si含量少的钢板进行渗硅，制造高硅钢板的方法。作为该方法，例如存在使压延容易的Si含量：小于4质量％的钢板在1000～1200℃左右的温度下与SiCl4反应，通过SiCl4+5Fe→Fe3Si+2FeCl2的反应在钢板表面上形成Fe3Si，进而在板厚方向上扩散Si，由此得到磁特性和磁致伸缩特性(magnetostriction properties)优异的高Si浓度的钢板的方法等。
此外，使用这种气相反应，日本特开平11-87123号公报(专利文献2)中提出了制造对于超过10kHz的高频、初磁导率的降低少的电源用变压器磁芯中使用的软磁性粉末。该软磁性粉末为从粉末的表面到其粒径的十分之一的厚度的表层部分的Si浓度比从粉末的中心向着表面的粒径的十分之一范围的中心部分的Si浓度相比，具有高的Si浓度分布的Fe基合金粉末，通过形成这种浓度分布，在表层部分提高电阻和磁导率高，在中心部Si浓度低而饱和磁通密度高，从而可以提高磁导率。其中，上述表层部分的优选的Si浓度为2～25wt％。而且，专利文献2中，作为赋予粉末的表层部分的Si浓度比中心部分的Si浓度高的Si浓度梯度的方法，提出了在600～900℃下对纯铁粉(pure iron powder)在含有SiCl4的混合气体中进行渗硅处理的方案。
而且，作为本发明在日本国内申请时未公开的技术，有发明人提出的
金属粉末表面的Si浓度的控制技术(日本特愿2006-52490号和日本特愿2006-52509号：下述)。
发明内容
如上述专利文献1所述，在合金熔液中含有Si时，经常发现在表面附近存在高浓度的Si的情况，精密控制其分布是极其困难的。
另一方面，认为根据上述专利文献2的方法可以比与专利文献1的方法，更精密地控制表面附近的Si浓度。
已知如Fe-Si合金或铁硅铝磁合金(Fe-Si-Al合金)(sendust alloy)等在合金组成上含有大量的Si时，合金本身变硬。同样地已知Si含量为6.5质量％的电磁钢板(electrical steel sheet)的磁特性(magnetic properties)优异，但是由于钢板硬而难以压延。因此，作为制造高硅的电磁钢板的方法，采用将低Si浓度的钢板压延后通过气相反应实施渗硅处理的方法。
该电磁钢板使用的气相反应法例如适用于含有2质量％的Si的金属粉末时，粉末由于与钢板相比比表面积大、反应性高，因此Si在较短的时间内浸渗、扩散到粉末内部。
但是由于含有高浓度的Si的粉末的压缩性差，使用该粉末难以得到高密度的压粉体。此外，为了提高压粉体的密度，必需高的成型压力，结果变形显著。
但是认为通过提高表面层的Si浓度、降低中心部的Si浓度，可以稍微改善粉末的压缩性。
因此，发明人发现，通过气相反应法在粒子表面上蒸镀(vapordeposition)Si时，选择蒸镀在粒子表面上的Si扩散到铁粉内部的扩散速度慢的温度范围，或选择具有扩散速度慢的组织的铁粉，由此可以在反应时间内控制深度方向的Si浓度，在表面上形成高Si浓度层(Si浓化层)(以上述日本特愿2006-52490号和日本特愿2006-52509号在日本申请)。
但是，通过上述发明实施处理时，根据条件，有时高Si浓度层过厚、得不到高的成型体密度，或为了得到高的成型密度而必须在更高的压力下进行成型。
本发明是为了有利地解决上述问题而提出的。即，其目的在于，同时提供通过使Si仅在粉末的最表层部均匀地浓化，
-不导致粉末的压缩性变差地提高成型密度，
-从而维持高的饱和磁通密度，
-且提高绝缘材料与粒子间的粘合、提高电绝缘性的压粉磁芯用金属粉末的有利制造方法，以该压粉磁芯用金属粉末作为原材料的压粉磁芯的制造方法。
如上所述，若在金属粉末的表层部存在适量的Si，则绝缘处理效果提高，从而得到具有高的电阻的压粉磁芯，但是如专利文献1所述，若粉末整体为Fe-Si合金，则难以得到高的压粉磁芯密度和高的磁通密度。此外，即使是使Si仅在粉末的表层部浓化的情况下，若其厚度过厚，则粉末的压缩性降低，也难以得到高的压粉磁芯密度和高的磁通密度。
因此，发明人进行了进一步研究的结果发现，通过对形成在铁粉粒子的表层部的Si浓化层的厚度进行严格的控制，可以同时满足良好的压缩性和高的电绝缘性两者。
本发明是基于上述发现提出的。
即，本发明的主要结构如下所述。
1.压粉磁芯用金属粉末的制造方法，其特征在于，将直径为10～500μm、纯度为99质量％以上的纯铁粉加热到600℃～1400℃的温度范围，在该温度范围中通过气相反应形成从该纯铁粉的表面起厚度为5μm以下的Si浓化层，并且从表面起到5μm以下的深度范围中的平均Si浓度为0.05质量％～2质量％。
其中，作为起始材料的纯铁粉特别优选平均粒径为100μm以上。
2.压粉磁芯用金属粉末的制造方法，其特征在于，在上述1中，对上述Si浓化层的表面进一步实施绝缘被覆处理。
3.压粉磁芯的制造方法，其特征在于，将通过上述2记载的方法制造的绝缘被覆处理后的压粉磁芯用金属粉末加压成型。
4.压粉磁芯的制造方法，其特征在于，将通过上述2记载的方法制造的绝缘被覆处理后的压粉磁芯用金属粉末加压成型，然后在600℃～1000℃的温度范围中实施热处理。
具体实施方式
以下对本发明进行具体的说明。
本发明中，作为原材料，使用Fe浓度为99质量％以上的纯铁粉。上述纯铁粉由于纯度高、为软质，因此具有高的饱和磁通密度和优异的压缩性。组成的剩余部分为杂质，例如含有小于0.05质量％的Si等。
本发明包括将上述纯铁粉加热到规定的温度范围后，通过气相反应使Si仅在铁粉的表层部合适地浓化，然后对粒子表面实施绝缘被覆处理后，通过加压成型加工成所需的磁芯的形状，进而优选进行用于消除应力的热处理等一系列步骤。
作为本发明中使用的纯铁粉的代表性的制造方法，有雾化法(atomization)、氧化物还原法、机械粉碎法(mechanical crushing)、化学反应法(chemical decomposition)和电解析出法(electrolytic precipitation)。
雾化法为通过将熔融金属粉碎成小滴(droplet)来制造粉末的方法，有使用气体作为粉碎熔融金属流的流体的气体雾化法、和使用高压水的水雾化法。此外，还有通过离心力使熔融金属以飞沫(airborne droplet)状飞散得到粉末的离心雾化法。利用气体雾化法或离心雾化法时，通过熔液的冷却控制得到大致球状的粉末，而利用水雾化法时，粒形状形成稍微不规则形状。
将氧化铁还原得到纯铁粉的方法中，形状或粒径由还原处理前的氧化铁粉末的形状或粒径大致决定。若以工业上批量生产的氧化铁为例，则通过对在钢板的酸洗处理中产生的氯化铁进行喷雾焙烧(sprayroasting)或流化焙烧(fluidized roasting)，得到氧化铁。前者为细的不规则形状，后者得到较大的球状的氧化铁粒子。将这些氧化铁还原得到的粉末也形成同样的形状。
制造压粉磁芯的步骤包括绝缘被膜处理以及加压成型。为了在粉末的粒子表面形成绝缘被膜，优选尽可能使粒子的凹凸少、光滑。此外，若考虑到将粉末填充到模具中进行加压成型，优选为流动性(flowability)高且填充性(diefilling property)良好的粒子形状。
为了应对这些要求，粒子为球状是有利的。但是，对于成型后的成型体的机械强度，由于与球状相比、有时优选稍微变形的形状，因此根据目的适当选择粒子形状。此外，即使为具有凹凸的粒子形状，若对粒子表面实施平滑化(smoothing)处理则也可以提高流动性或填充性。例如，可以利用在气体气流中使粒子之间由对置的位置碰撞、对表面进行机械改性的方法等。
进一步地，如还原铁粉中经常所见，形状不规则且粒子内存在孔隙(pore)的情况下，有可能成为提高成型体的密度方面的主要不利因素，结果压粉磁芯的饱和磁通密度值不能形成期待程度的高的值，此外有可能增加磁滞损耗。这种情况下，用球磨机或喷射磨等进行机械破碎(crushing)，由此粉碎至不含有孔隙的粒子的同时，可以使表面的凹凸平滑化。此外，利用使孔隙多的粉末通过惰性气体气流而浮游在管内，用缠绕在管周围的感应线圈进行加热的漂浮熔解法将各粒子熔融，由此可以形成内部无孔隙的近似球状的粉末粒子。
根据粉末的制造方法不同，粉末的粒径以及粒度分布不同。
形成电动机或变压器等的磁芯时，加压成型步骤是不可欠缺的。因此，若考虑到成型时对模具的填充性以及压缩性，有必要使粒径(直径，以下相同)为10～500μm。即，含有粒径为10μm以下的微粉时，流动性降低，因此对模具的填充性降低。另一方面，利用超过500μm的粉末时，即使提高成型压力也难以得到高的成型密度，此外机械强度也降低。
上述任意一种制造方法都可以将粉末的粒度分布控制在某范围内。例如，水雾化法中，通过改变熔液温度和水喷雾压力，可以得到10～1000μm粒径范围的粉末。还原法中，虽然依赖于原本的氧化铁的粒径，但是这种情况下通过氧化铁的制造方法也可以将粒径控制在1～1000μm范围。因此，可以选择粉末的制造方法且控制制造条件以形成适于所需的压粉磁芯的粒径。
接着，对使Si在粉末粒子的表层部浓化的方法进行说明。
如上所述，已知通过气相反应法对Si含量少的钢板实施渗硅处理，制造高硅钢板的方法。该方法为例如使易压延的Si含量：小于4质量％的钢板与SiCl4在1000～1200℃的温度下进行反应，利用下式的反应，
SiCl4+5Fe→Fe3Si+2FeCl2
在钢板表面上形成Fe3Si，进而使Si在钢板的板厚方向上扩散，由此得到磁特性和磁致伸缩特性优异的高Si浓度的钢板的方法。
但是，例如对含有2质量％的Si的金属粉末适用该渗硅法时，粉末与钢板相比，比表面积大而反应性高，因此在较短的时间内Si浸渗、扩散到粉末内部，不能使Si仅在粉末的表层部浓化。若从粉末表层到某种程度的深度的Si浓度提高，则与高Si浓度的钢板的压延变得困难同样地，粒子变硬，在以下步骤的成型步骤中压缩性降低而成型体密度降低，结果不能得到高的饱和磁通密度。
对此，本发明人发现，即使先通过气相反应法使Si蒸镀在粒子表面上，通过选择蒸镀在粒子表面上的Si扩散到铁粉内部的扩散速度慢的温度范围、或选择具有扩散速度慢的组织的铁粉，可以通过反应时间控制深度方向的Si浓度。但是，即使使用这些方法，也存在Si浓化层变厚而得不到高的成型体密度，或为了得到高的成型密度而有必要在更高的压力下进行成型的情况。
因此，本发明人为了解决该问题而进行了深入研究，结果发现，通过气相反应将Si蒸镀在铁粉表面时，通过恰当地控制反应温度进而反应时间，恰当地控制Si向粉末内部的浸渗、扩散，控制形成在铁粉粒子表层部的Si浓化层的厚度，由此可以同时满足良好地保持粉末的压缩特性且具有高的电绝缘性的两种特性。
以下，以使用SiCl4气体的情况为例，对优选的Si浓化方法进行说明。而且不言而喻地，Si浓化法不限于此。
在石英制的容器内，载积(charge)粒径为10～500μm的纯铁粉使厚度为5mm以下、更优选为3mm以下，在非氧化性氛围气中加热到600℃～1400℃，更优选加热到700℃～1200℃。然后，将SiCl4气体、或非氧化性气体与SiCl4气体的混合气体相对于容器内的粉末重量，导入0.01～200Nl/min/kg(Nl：标准状态下的体积(升)、换算成SiCl4气体量)。更优选为0.1Nl/min/kg以上。此外，优选为80Nl/min/kg以下。进一步优选为50Nl/min/kg以下。对非氧化性气体不特别限定，但是氩气、氮气等易得到以及易管理，所以优选。
其中，若反应温度低于600℃，则反应中或反应后残留的氯化铁或煤等杂质大量附着在粉末表面上，有可能对以下的步骤带来不良影响。优选为700℃以上。
此外，随着反应温度升高、反应速度加快，但是若达到900℃以上，则纯铁由铁氧体相转变为奥氏体相，Si的扩散速度变得特别慢。因此，直至该相存在的温度范围，即，1400℃，扩散速度慢，因此可以更有效地仅在粉末表层部形成Si浓化层。优选为1200℃以下。
若为这些温度范围，则通过选择适当的反应时间，可以使Si浓化层止于从表面到5μm的范围。反应时间在反应温度高时有必要缩短，大概为1～5分钟。但是，在设定低的反应速度(600～800℃左右)的情况等下，可以实施10分钟、或更长的长时间处理(60分钟以下左右)，切实地形成浓化层
如此可以使Si仅在从粉末的表面到5μm的深度范围的表层部稳定地浓化。
要说明的是，若铁粉的载积厚度超过5mm，则在堆积的状态下SiCl4气体不能作用于全部粉末，而不能在全部粉末表面上均匀地蒸镀Si。因此，大量地进行处理时，优选通过将粉末搅拌的同时进行处理的方法等，抑制不均一的气相反应。作为搅拌粉末的方法，可以举出使加入有粉末的容器本身旋转的方法，使用搅拌翼进行搅拌的方法，向容器内导入非氧化性气体与SiCl4气体的混合气体使粉末流动的方法等。
作为SiCl4以外适于通过气相反应形成Si浓化层的Si源，可以举出SiCl4的Cl的一部分或全部被其它的元素或基团置换的物质，具体地说，优选甲基三氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅烷等。从经济性方面以及不易残留杂质(煤)的特性考虑，作为硅介质优选为四氯化硅、或四氯化硅的氯的一部分或全部被氢置换的硅介质。此外不言而喻地，可以适用于电磁钢板的Si浓化处理的各种方法原则上也可以适用于铁粉。
本发明中，形成在粉末的表层部的Si浓化层的厚度优选为0.01μm以上。这是由于若Si浓化层的厚度小于0.01μm，则难以在工业上达成本发明目的的下述程度的Si浓化(直至深度5μm的Si浓度为0.05质量％以上)，即得到绝缘处理效果提高的程度的Si浓化。另一方面，形成在粉末的表层部的Si浓化层的厚度必须为5μm以下。由此，在内部大致形成实施气相反应处理之前的成分。即，为纯铁，由此压缩性优异，从而可以提高成型密度，实现高饱和磁通密度。若Si浓化层的厚度大于5μm，则粉末粒子变硬，压缩性降低而不能得到高的成型体密度，或为了得到高的成型密度而有必要在更高的压力下进行成型。
此外，对于该Si浓化层的Si浓度，从表面直至厚度5μm范围的平均Si浓度必须为0.05质量％～2质量％。这是由于，若小于0.05质量％则不能得到本发明目的的绝缘处理效果的提高，另一方面若超过2质量％则表层部变硬，产生与内部的硬度差，成型时不能同样地被压缩，成型密度降低。而且，在比Si浓化层更内部、即比至少从表面直至5μm深度位置深的范围，为实施气相反应处理之前的纯铁粉成分。
首先从流动性、填充性以及成型性方面考虑，对铁粉的粒径的限定理由进行说明。本发明中，在从粉末表面到5μm的范围存在Si浓化层，在与该Si浓化层相比的内部为纯铁，这是压缩性优异的粉末的主要条件。其中，粉末的粒径为10μm时，由于直至粉末的大致中心Si浓化，粉末变硬。但是，存在更大粒径的粉末时，成型时这些大粒径的粉末的压缩性相对高，因此成型时可以提高作为整体的成型密度。因此，作为供于压缩成型的粉体的平均粒径，特别优选为100μm以上。但是，平均粒径为100μm以上时，由于从表面直至深度5μm区域的平均Si浓度易超过2％而必须加以注意。优选适当实施预备实验、或由已经存在的数据建立预测模型等，对Si浓化层形成条件进行最优化。
作为供于气相反应的铁粉的制造方法，先前对还原氧化铁的方法进行了说明。该方法为将氧化铁在还原氛围气中，例如在氢气、CO气体中或含有它们的混合气体中加热的方法，但是也可以在还原反应结束后先将体系整体置换为惰性氛围气体，然后导入含有SiCl4的气体进行气相反应。该方法由于可以不将加热的炉的温度降低至室温来转移到以下的处理，在操作性方面、经济方面是有利的。
接着，对使Si在表层部浓化的粉末的绝缘被覆处理进行说明。而且，自由适用下述以外的公知的绝缘被膜处理、下述限定范围外的公知的条件。
将本发明的铁粉适用于压粉磁芯等磁性部件时，有必要通过对粉末粒子实施绝缘被覆处理，形成层状地覆盖粒子表面的皮膜结构(layerstructure)的绝缘层，提高压粉体的电阻、降低涡电流损耗来提高磁特性。
其中，作为绝缘被覆用的材料，若为即使在对粉末进行加压成型成型为所需的形状后也可以保持绝缘性的材料即可，不特别限定。作为上述材料，可以举出例如Al、Si、Mg、Ca、Mn、Zn、Ni、Fe、Ti、V、Bi、B、Mo、W、Na、K等的氧化物等。此外，也可以使用尖晶石型铁氧体等磁性氧化物，或以水玻璃为代表的非晶质材料。进一步地，还可以使用磷酸盐化学转化处理皮膜(phosphate layer)或铬酸盐化学转化处理皮膜等。磷酸盐化学转化处理皮膜中也可以含有硼酸、Mg。此外，作为绝缘材料，还可以使用磷酸铝、磷酸锌、磷酸钙和磷酸铁等磷酸化合物。此外，还可以使用环氧树脂、酚醛树脂、硅氧烷树脂、聚酰亚胺树脂等有机树脂。
而且，为了提高绝缘材料对铁粉粒子表面的附着力，或提高绝缘层的均一性，可以向绝缘层或其原料中添加表面活性剂、硅烷偶联剂。表面活性剂或硅烷偶联剂的添加量相对于绝缘层总量优选为0.001～1质量％。
通过绝缘被覆处理形成的绝缘层的适当的厚度依赖于粉末的粒径，但是其下限可以从绝缘效果方面考虑适当选择，上限可以从压粉体的密度(从高的磁通密度方面考虑需要充分的密度)考虑适当选择。通常优选为10nm～10000nm左右。
作为在铁粉粒子表面形成绝缘层的方法，可以优选适用迄今为止公知的皮膜形成方法(涂布方法)中的任意一种。作为可以使用的涂布方法，可以举出流化床法(fluidized bed process)、浸渍法(dipping method)、喷雾法(spraying method)等。而且，在任意一种方法中，有必要在被覆步骤之后或与被覆步骤同时进行对溶解或分散绝缘材料的溶剂进行干燥的步骤。此外，为了使绝缘层与粉末粒子粘合、防止加压成型时剥离，可以在绝缘层与粉末粒子表面之间形成反应层(reaction layer)。反应层的形成优选通过实施化学转化处理来实现。
然后，对加压成型进行说明。而且，自由适用下述以外的公知的粉末冶金技术、下述限定范围外的公知的条件。
对实施如上所述的绝缘被覆处理、在粒子表面上形成有绝缘层的粉末(绝缘被覆粉末)进行加压成型，形成压粉磁芯。而且，在加压成型之前，也可以根据需要向粉末中配合金属皂、酰胺类蜡(amide-based wax)等润滑剂(lubricant)。润滑剂的配合量相对于粉末：100质量份优选为0.5质量份以下。这是由于若润滑剂的配合量多则压粉磁芯的密度降低。
作为加压成型法，以往公知的方法均可以适用。可以举出例如，使用单轴加压在常温下加压成型的模具成型方法(die compaction method)，加热进行加压成型的加热成型方法(warm compaction method)，润滑模具(die)进行加压成型的模具润滑方法(die lubrication method)，在加热下进行的加热模具润滑方法，或用高压进行成型的高压成型方法、流体静压法(静水圧プレス法)等。
然后，对用于消除应力的热处理进行说明。而且，自由实施下述以外的公知的消除应力热处理，自由适用下述限定范围外的公知的条件。
通过上述加压成型得到的压粉磁芯用的压粉体由于成型时施加应力，磁滞损耗增大。因此，为了消除应力而表现出原本的磁特性，有必要进行消除应力热处理。该处理温度优选为600℃～1000℃左右。若该处理温度过高，则虽然消除应力效果增加、但是绝缘被覆结晶或分解，因此丧失绝缘效果，结果电阻显著降低。此外，热处理时间长在消除应力方面是合适的，但是若过长则同样地电阻显著降低。因此，热处理时间从效果和经济性方面考虑，优选为5～300分钟，更优选为10～120分钟左右。不言而喻地，若热处理温度过低或热处理时间过短则应力的除去不充分。
进一步地，也可以对先成型的压粉磁芯再次实施气相反应处理来提高压粉体内部的Si浓度。该处理依赖于压粉磁芯的尺寸、绝缘被覆材料的耐热温度，但是通过在800℃～1000℃的温度下进行加热处理，也可以兼具消除应力热处理的功能。不言而喻地，自由适用已知的Si浓化技术。
[实施例]
(实施例1)
作为原材料粉末，准备表1所示的粒径不同的雾化(atomized)纯铁粉(Fe浓度：99.8质量％、剩余部分杂质(Si：0.01％))。粉末的平均粒径、最小、最大粒径分别为通过激光散射衍射式粒度分布测定装置测定累积粒度分布(accumulated particle size distribution)，累积值为50％、1％、99％的粒度。
实施下述气相反应处理：将这些各粉末以载积厚度：3mm填充到石英容器内，在氩气中600～1420℃下加热5分钟后，以20Nl/min/kg的流量流通氯化硅气体1～10分钟(仅No.14在75Nl/min/kg下流通30分钟)的同时保持规定的温度，进而用氩气置换后加热处理3分钟。
表1示出各粉末的加热温度、在SiCl4气体中的加热时间。此外，表1还示出对气相反应处理后的粉末的Si浓化层厚度以及从表面直至5μm深度范围的平均Si浓度进行调查得到的结果。其中，Si浓化层的厚度用扫描型电子显微镜观察粒子截面(抛光后)，利用通过浓化层与纯铁部分的硬度差产生的差别的位置进行判定，用EPMA进行检验。此外，浓化层的Si浓度沿着从粒子表面向中心的线段用EPMA进行定量分析，在深度方向平均求得从表面直至5μm多的累积Si量。将任意5个粒子的平均值作为代表值。
接着，在得到的粉末粒子表面上通过以下的方法被覆硅氧烷树脂。作为硅氧烷树脂，使用东レダウコ一ニング社(Dow Corning Toray Co.，Ltd.)的“SR2400”(TM)，准备按照树脂成分为5质量％的用二甲苯制备的被覆液。对用转动流化床层被覆装置(tumbling fluidization coatingsystem)在装置容器内流动化的Si浓化粉末，使用喷雾器喷雾该被覆液，使得树脂成分为0.05质量％。喷雾结束后，维持流动状态20分钟，由此进行干燥。然后，在大气中，250℃下进行60分钟的加热处理，使硅氧烷树脂加热固化，形成被覆粉末(surface-insulated powder)。
然后，将得到的被覆粉末加压成型制造环状的压粉磁芯(外径：38mm、内径：25mm、高：6.2mm)(磁特性测定用)。而且，成型前在模具的内侧涂布硬脂酸锌的5质量％醇悬浮液，进行模具润滑，以成型压力：900MPa进行成型。
然后，对得到的压粉体在氮气氛围气体中实施800℃、60分钟的热处理。
对如此得到的压粉磁芯的压粉密度、磁通密度和电阻率进行研究的结果如表1所示。
对于压粉密度，测定压粉磁芯的尺寸和重量，通过计算来求得。
此外，电阻率通过四端子法在通电电流：1A下测定。
进一步地，对于磁通密度，在压粉磁芯上以1次侧(1次側)：100转、2次侧(2次側)：20转的条件缠绕导线，使用直流磁化特性测定装置(DC magnetometer)测定10kA/m磁化下的磁通密度(B10k)。
表1
  No.   平均粒径(μm)   最小粒径(μm)   最大粒径(μm)   加热温度(℃)   加热时间(SiCl4气体中)(℃)   Si浓化层的厚度(μm)   表面层*的平均Si浓度(质量％)   压粉密度(Mg/m3)   磁通密度B10k(T)  电阻率(μΩm) 备注
  1   150   90   300   675   10   1.8   1.0   7.49   1.52   37   发明例1
  2   220   45   450   800   7   4.8   1.9   7.48   1.51   78   发明例2
  3   300   175   485   880   1   2.2   1.8   7.52   1.53   65   发明例3
  4   110   15   380   700   5   1.1   1.2   7.59   1.51   26   发明例4
  5   150   90   300   920   7   0.3   0.6   7.50   1.52   55   发明例5
  6   150   90   300   1000   10   0.2   1.1   7.59   1.51   26   发明例6
  7   150   90   300   1200   8   0.3   1.3   7.50   1.51   67   发明例7
  8   150   90   300   1380   5   0.4   1.9   7.49   1.50   81   发明例8
  9   35   7.5   60   850   5   1.3   1.3   7.22   1.38   123   比较例1
  10   600   450   980   850   5   1.5   1.4   7.18   1.30   108   比较例2
  11   150   90   300   580   10   0.008   0.0   7.53   1.54   0.01   比较例3
  12   150   90   300   1420   5   0.6   2.8   7.39   1.40   145   比较例4
  13   90   12   190   700   10   2.1   1.6   7.42   1.45   230   发明例9
  14   150   90   300   700   30   4.0   1.9   7.54   1.52   80   发明例10
＊从表面直至5μm的深度范围
如表1所示，根据本发明进行气相反应处理得到的粉末都在表层部形成适当厚度且适当浓度的Si浓化层。此外，使用上述粉末制造的压粉磁芯可以得到优异的压粉密度，此外，磁通密度和电阻也优异。
产业实用性
根据本发明，可以得到绝缘处理性优异且饱和磁通密度高的压粉磁芯用金属粉末。
此外，通过将该压粉磁芯用金属粉末作为原材料进行加压成型，可以得到电阻高且成型密度高的压粉磁芯。因此，通过利用上述压粉磁芯，可以得到具有优异的磁特性的电动机和变压器等。
即，根据本发明，通过气相反应在粉末粒子表面上蒸镀Si时，恰当地控制气相反应的处理条件，可以得到使适量的Si浓度仅在表层部浓化的铁粉。进一步地，对该铁粉实施绝缘被覆处理后，进行加压成型、退火处理，由此可以得到具有高的压粉密度、高的磁通密度以及电阻的压粉磁芯。从而可以以低成本得到具有优异的磁特性的电动机和变压器用压粉磁芯。

Claims (5)

1.压粉磁芯用金属粉末的制造方法，其特征在于，将直径为10～500μm、纯度为99质量％以上的纯铁粉加热到600℃～1400℃的温度范围，
在该温度范围中通过气相反应形成从该纯铁粉的表面起厚度为5μm以下的Si浓化层，并且
使从表面起到5μm的深度范围中的平均Si浓度为0.05质量％～2质量％。
2.如权利要求1所述的压粉磁芯用金属粉末的制造方法，其中，所述纯铁粉的平均粒径为100μm以上。
3.如权利要求1或2所述的压粉磁芯用金属粉末的制造方法，其中，对所述Si浓化层的表面进一步实施绝缘被覆处理。
4.压粉磁芯的制造方法，其中，将通过权利要求3所述的方法制造的压粉磁芯用金属粉末加压成型。
5.压粉磁芯的制造方法，其中，将通过权利要求3所述的方法制造的压粉磁芯用金属粉末加压成型，然后在600℃～1000℃的温度范围中实施热处理。
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