CN102006953B - 压粉磁芯用粉末及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供在粒径为D的软磁性金属粉末的表层小于0.15D的范围具有含硅层的压粉磁芯用粉末及其制造方法。所述制造方法通过对含有碳元素的软磁性金属粉末(1)的表面进行渗硅处理来制造具有含硅层(2)的压粉磁芯用粉末(10)，其中，在该渗硅处理中，使至少含有硅化合物的渗硅用粉末与软磁性金属粉末(1)的表面接触，对该渗硅用粉末进行加热处理，从而使硅元素从硅化合物脱离，并使该脱离的硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层；在硅元素脱离的反应生成速度比硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层的扩散速度快的脱离扩散氛围下进行渗硅处理。

Description

压粉磁芯用粉末及其制造方法

技术领域

本发明涉及包含软磁性金属粉末的压粉磁芯用粉末及其制造方法。

背景技术

通过将包含软磁性金属粉末的压粉磁芯用粉末加压成型而得到的压粉磁芯，例如应用于车辆的驱动用发动机的定子铁芯、转子铁芯、构成电力转换电路的电抗器铁芯等，与将电磁钢板层叠而成的芯材相比，具有下述诸多优点：具有高频铁损少的磁特性、能够随机且廉价地应对形状变化、材料费便宜等。

关于上述的压粉磁芯，为了提高其电阻率以减少铁损耗、特别是涡流损耗，有采用包含硅、铝等与铁的铁合金作为软磁性金属粉末，在其表层形成二氧化硅(SiO₂)等的绝缘被膜而生成磁性粉末，将该磁性粉末加压成型从而制造压粉磁芯的方法。但是，使用硅、铝等均匀分散在铁粉中的铁合金生成磁性粉末时，其硬度变高，存在将其加压成型而得到的压粉磁芯的高密度化反而受到阻碍的问题。压粉磁芯的密度不能升高会导致压粉磁芯的高磁通密度化无法实现。因此，以往难以以高密度及高电阻率制造高磁通密度的压粉磁芯。由此，迫切要求在软磁性金属粉末的表层的尽可能薄的范围内渗透用于提高电阻率的硅元素等、在粉末内部不存在硅元素等或者硅元素等极少的压粉磁芯用粉末的生成方法。

例如，专利文献1中，公开了通过将预先进行高温处理并粉碎的铁粉与硅粉末及硅铁混合、并在氢氛围中再次进行高温处理来制造表层硅浓度高的硅层被膜铁粉的方法。

专利文献1：日本特开2007-126696号公报

发明内容

根据专利文献1所公开的制造方法，可以制造表层中硅浓度高的硅层被膜铁粉，但是根据本发明人等的验证，如图7a所示，设包含铁粉b的压粉磁芯用粉末a的粒径为D时，确定所形成的硅层c超过0.2D。另外，该硅层中的硅浓度分布如图7b所示，呈现自粉末表层缓慢减少的梯度曲线，朝向内部硅浓度降低。根据本发明人等的见解，可以确定在该硅层超过0.2D的更严酷的条件下、在0.15D以上时，铁粉变得十分硬，因此难以充分实现压粉磁芯的高密度化。

本发明是鉴于上述问题而完成的，涉及在软磁性金属粉末的表层含有含硅层的压粉磁芯用粉末，其目的在于提供将软磁性金属粉末的粒径设为D时其含硅层可以调整为小于0.15D的压粉磁芯用粉末的制造方法以及通过该制造方法制造的压粉磁芯用粉末。

为了实现上述目的，本发明的压粉磁芯用粉末的制造方法通过对含有碳元素的软磁性金属粉末的表面进行渗硅处理来制造压粉磁芯用粉末，其特征在于，在所述渗硅处理中，使至少含有硅化合物的渗硅用粉末与软磁性金属粉末的表面接触，对该渗硅用粉末进行加热处理，从而使硅元素从所述硅化合物脱离，并使该脱离的硅元素渗透扩散到所述软磁性金属粉末的表层，在硅元素脱离的反应生成速度比硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层的扩散速度快的脱离扩散氛围下进行渗硅处理。

压粉磁芯用粉末例如由含有微量碳元素的铁系粉末等软磁性金属粉末生成，作为本发明的制造方法中使用的软磁性金属粉末，除了铁-碳系合金以外，含有微量碳元素的纯铁也可以作为其对象。

通过使至少含有硅化合物的渗硅用粉末与该软磁性金属粉末接触并进行加热处理，生成在软磁性金属粉末表面形成浓度较高的含硅层，另一方面在软磁性金属粉末内部没有硅浸渗、或者即使有浸渗其量也极微量的压粉磁芯用粉末。在此，所谓至少含有硅化合物的渗硅用粉末，除二氧化硅(氧化硅)以外，可以列举二氧化硅粉末与碳化硅粉末的混合粉末等。

本发明人等发现，通过并非如前述现有技术中所述那样仅对硅粉末进行加热处理、而是将硅化合物的粉末在软磁性金属粉末表面上进行加热处理的方法，使硅从硅化合物中脱离，脱离的硅渗透扩散到软磁性金属粉末的表层，由此在软磁性金属粉末表层的狭窄(薄)的范围形成浓度较高的含硅层。更具体而言，通过将渗硅用粉末加热，使作为软磁性金属粉末中所含成分的碳元素与渗硅用粉末进行氧化还原反应，从而使生成的硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末表面中，换言之，是使硅元素与软磁性金属粉末表面的碳元素进行置换。

本发明人等还发现，在软磁性金属粉末表层的预定厚度形成上述含硅层、例如设软磁性金属粉末的粒径为D的情况下，在表层的小于0.15D的范围形成含硅层时，可以在硅元素脱离的反应生成速度比硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层的扩散速度快的脱离扩散氛围下进行渗硅处理。另外，反应生成速度比扩散速度快的结果意味着反应生成量比扩散量多。因此，该脱离扩散氛围也可以说是硅元素脱离的反应生成量比硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层的扩散量多的氛围。

作为形成上述条件的脱离扩散氛围的要素，可以列举：软磁性金属粉末中的碳含量的调整(使碳含量增多)、渗硅用粉末中的硅含量(或硅化合物量)的调整(使硅含量等增多)、加热处理温度的调整、硅化合物粉末的微细化(例如，1μm以下的粉末粒径)、伴随该粉末的微细化的碳元素与硅化合物的接触数的增加、以及加热处理容器内的真空度的调整(提高真空度)、通过渗硅处理所生成的二氧化碳等的排气调整(快速进行排气)等。

在此，作为所述脱离扩散氛围的形成方法的一个实施方式，可以列举如下氛围：软磁性金属粉末包含铁系粉末，该软磁性金属粉末中的所述碳元素含量被调整为0.1～1.0重量％的范围，且硅化合物中的所述硅元素含量被调整为至少碳元素含量以上的重量％，所述加热处理温度被调整为900～1050℃的范围。

首先，就加热处理温度而言，如果低于900℃，则不能充分实施渗硅处理并且压粉磁芯用粉末的制造效率下降；如果超过1050℃，则不能形成反应生成速度比扩散速度快的环境，因此规定为该加热处理温度范围。

另外，就软磁性金属粉末中的碳元素含量而言，如果低于0.1重量％，则由硅元素置换的碳量不充分，难以在软磁性金属粉末表层形成高电阻率的区域；如果超过1.0重量％，则软磁性金属粉末自身的磁通密度降低，因此规定为该碳元素含量范围。

另外，通过将硅化合物中的所述硅元素含量调整为至少碳元素含量以上的重量％，可以确保置换为碳的硅量。

另外，本发明的压粉磁芯用粉末通过上述制造方法制造，其中，所述压粉磁芯用粉末包含在其表面具有至少含有硅元素的含硅层的软磁性金属粉末，设软磁性金属粉末的平均粒径为D时，在距离软磁性金属粉末的表面小于0.15D的范围形成有所述含硅层，并且含有1～12重量％范围的硅元素，该含硅层中，具有所述表面的硅浓度最高、朝向软磁性金属粉末内部硅浓度降低的浓度变化趋势。

根据本发明人等的验证，证实了通过前述的本发明的制造方法生成的压粉磁芯用粉末可以在粒径为D的软磁性金属粉末距表层小于0.15D的极薄的范围形成含硅层；该含硅层内含有1～12重量％的硅元素；以及该含硅层是具有从软磁性金属粉末的表层向其内部硅浓度逐渐降低的浓度变化趋势的层。在此，对于上述数值范围，更优选在距离软磁性金属粉末的表层小于0.1D的范围形成含硅层、且该含硅层内含有1～10重量％的硅元素。另外，就该浓度变化趋势而言，其变化曲线与图7b所示的现有例不同，呈现自表层浓度急剧下降的陡梯度曲线，由于该浓度变化趋势，可以在表层的小于0.15D的窄范围形成含硅层。

在此，表层的硅浓度小于1重量％时不能充分期待减小涡流损耗的效果，而超过10重量％的硅浓度、更具体而言12重量％以上的硅浓度是难以形成的，由此，含硅层中的上述硅浓度范围是较理想的，另外，通过上述的本发明的制造方法可以形成该硅浓度范围的含硅层。

根据上述本发明的压粉磁芯用粉末，在其表层的小于0.15D的薄范围形成含有1～12重量％的硅元素的含硅层，粉末内部呈不存在硅元素、或者硅元素极少的状态，由此，可以生成表面电阻率高、粉末整体具有不影响高密度加压成型程度的硬度的粉末。因此，用该压粉磁芯用粉末制造的压粉磁芯成为高密度因而磁通密度高、且通过表层的含硅层使涡流损耗减小的压粉磁芯。

上述的高性能的压粉磁芯适于构成近期生产快速增长、对其高性能化进行研究/开发的混合动力车或电动车的驱动用电动机的定子铁芯或转子铁芯、构成电力转换装置的电抗器用的铁芯(电抗器铁芯)等。

由以上的说明可以了解到，根据本发明的压粉磁芯用粉末的制造方法，可以生成表面电阻率高、且粉末整体具有不影响加压成型时的高密度成型程度的硬度的压粉磁芯用粉末。

附图说明

图1(a)是表示通过本发明的制造方法制造的压粉磁芯用粉末的示意图，(b)是表示该压粉磁芯用粉末的从表层开始的硅浓度分布的图表。

图2是用与处理温度的关系表示与硅元素的反应生成速度(反应生成量)和硅元素的扩散速度(扩散量)有关的各曲线的图。

图3是表示用本发明的压粉磁芯用粉末成型的压粉磁芯(实施例1、2)的磁通密度、和用现有的压粉磁芯用粉末成型的压粉磁芯(比较例3、4、5，6)的磁通密度的相关实验结果的图。

图4是表示用本发明的压粉磁芯用粉末成型的压粉磁芯(实施例1、2)的铁损耗、和用现有的压粉磁芯用粉末成型的压粉磁芯(比较例3～6)的铁损耗的相关实验结果的图。

图5是将实施例1、2的压粉磁芯和比较例3～6的压粉磁芯的磁通密度、铁损耗的相关实验结果进行归纳的图表。

图6(a)是上述实施例1的SEM-EDX图像图，(b)是上述比较例4的SEM-EDX图像图。

图7(a)是表示现有的压粉磁芯用粉末的示意图，(b)是表示从该压粉磁芯用粉末的表层开始的硅浓度分布的图表。

附图标记的说明

1…软磁性金属粉末(铁-碳系合金)、2…含硅层、10…压粉磁芯用粉末

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1a是表示通过本发明的制造方法制造的压粉磁芯用粉末的示意图，图1b是表示该压粉磁芯用粉末的从表层开始的硅浓度分布的图表。图2是用与处理温度的关系表示与硅元素的反应生成速度(反应生成量)和硅元素的扩散速度(扩散量)有关的各曲线的图。

本发明的压粉磁芯用粉末10由软磁性金属粉末1形成，所述软磁性金属粉末1包含具备在其表层形成的含硅层2的铁-碳系合金(其中，包括含有微量碳的纯铁)。设软磁性金属粉末1的粒径为D时，该含硅层2在距软磁性金属粉末的表层小于0.15D的范围形成，通过应用后述的本发明的制造方法，可以形成更薄的、0.05D或其以下的含硅层。

另外，含硅层2中的硅浓度分布如图1b所示，具有在粉末10(软磁性金属粉末1)的表面为最高浓度、朝向粉末内部硅浓度降低的浓度变化趋势，更具体而言，该浓度变化趋势呈图示的陡梯度曲线，并且具有在约0.1D左右的深度处浓度为极低的趋势。

另外，含硅层2中含有1～12重量％范围的硅元素，根据所需的电阻率的值，在该范围内调整硅浓度。

下面，简要说明压粉磁芯用粉末10的制造方法。

首先，准备规定量的包含铁-碳系合金的软磁性金属粉末和作为硅化合物的二氧化硅，将其进行搅拌。

然后，为了对二氧化硅进行高温处理，将搅拌后的混合粉末进行过热处理，由此，通过与软磁性金属粉末中的碳元素的氧化还原反应使硅元素从二氧化硅中脱离，从而使硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层(渗硅处理)。

该渗硅处理中，形成硅元素脱离的反应生成速度比硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层的扩散速度快的脱离扩散氛围，在该氛围下进行渗硅处理。

图2是用与处理温度的关系表示与硅元素的反应生成速度和硅元素的扩散速度有关的各曲线的图，图中，曲线X表示硅元素的反应生成速度，曲线Y表示硅元素的扩散速度。

图示的各曲线是本发明人等根据大量实验制成的，纵轴的速度的值随各种条件而变动。

图中，曲线X以下且曲线Y以上的区域A为上述的脱离扩散氛围，通过设定处于该范围的条件，可以制造例如图1所示的压粉磁芯用粉末10。

根据本发明人等的实验，曲线X与曲线Y交叉的处理温度条件为1050℃左右，在该温度以下实施加热处理。

另外，作为形成上述脱离扩散氛围的其它条件，需要规定软磁性金属粉末中的碳元素量和二氧化硅中的硅元素量。根据本发明人等的实验，软磁性金属粉末中的碳元素含量为0.1～1.0重量％的范围，硅化合物中的硅元素含量被调整为至少碳元素含量以上的重量％，由此与上述的处理温度条件相符，可以形成落入区域A的脱离扩散氛围。

另外，从形成上述脱离扩散氛围方面考虑，优选：将二氧化硅粉的粒径调整为1μm以下、在真空度高的真空容器内实施渗硅处理、使上述氧化还原反应中生成的CO气体迅速排放到容器外等。

通过上述制造方法制造压粉磁芯用粉末后，将其填充到由冲头和冲模分划成的型腔内，进行冲压成型，由此可以制造所需形状的压粉磁芯。

[用本发明的压粉磁芯用粉末成型的压粉磁芯、以及用现有的压粉磁芯用粉末成型的压粉磁芯的磁通密度和铁损耗的相关实验及其结果]

本发明人等准备了含有微量碳的纯铁粉、Fe-3％Si合金粉、Fe-6.5％Si合金粉(均为雾化粉，粉末的平均粒径为150～250μm)及二氧化硅的粉末，将渗硅处理时的加热处理温度设定为1000℃或1100℃两种模式，进行渗硅处理，制成多种压粉磁芯用粉末。然后，在各粉末中分别添加有机硅树脂0.5重量％，在1600MPa的冲压压力下成型为外径40mm、内径30mm、厚度5mm的环状材料。为消除加压成型时的应变，将成型后的环状材料在600℃下进行30分钟的热处理，制成实施例1、2和比较例1～4的总计6个试验片。

各试验片的制造条件一览如表1所示，制造的压粉磁芯用粉末的含硅层的厚度与硅浓度的相关结果一览如表2所示，各试验片的磁通密度的相关实验结果如图3所示，铁损耗的相关实验结果如图4所示，将实施例、比较例的磁通密度和铁损耗的相关实验结果显示在一个图中的图表如图5所示。另外，磁通密度的测定使用B-H分析仪(电子磁气工业公司制)，铁损耗的测定使用B-H分析仪(岩崎通信机公司制，SY-8232)，在1T、1kHz的条件下进行计测。

[表1]

[表2]

表1中，比较例5、6在合金粉内均匀地含有硅，与仅在表层中具有含硅层的实施例1、2及比较例3、4不同。另外，图2所示的曲线中的1、2、3、4分别与实施例1、2、比较例3、4对应。

另外，处理时间设定为60分钟、120分钟，这是根据使二氧化硅粉与含有微量碳元素的纯铁粉反应时，二氧化硅的反应速度在至少直至120分钟为止呈上升趋势这样的本发明人等的见解而设定的。即使将处理时间延长到反应速度呈下降趋势时，也只是不必要地延长处理时间，从制造效率的方面考虑也不优选。当然，该反应速度呈上升趋势的时间范围根据使用的软磁性金属粉末和硅化合物的组合而变化，因此优选设定适合组合的反应时间。

实验的结果是，实施例1、2中，通过将碳量设定为在0.1～1.0重量％范围的0.3、0.4重量％、将二氧化硅量(其中的硅元素量)设定为碳量以上、将处理温度设定为在900～1050℃范围的1000℃，如表2所示，可以制造渗透深度(含硅层厚度)为小于0.15D的0.03D、含硅层中的硅含量为在1～12重量％范围的10.3重量％的压粉磁芯用粉末。与此相对，比较例3、4不满足含硅层中的硅浓度和渗透深度中的任何一个的范围。

另外，由图3所示的磁特性(磁通密度)的相关计测结果证实，含硅层的厚度相对较薄、因而生成的压粉磁芯用粉末的硬度相对较低的实施例1、2和比较例3的压粉磁芯密度相对增高，结果磁通密度增高。另外，实施例1、2、比较例3的磁通密度与比较例4、5、6的磁通密度相比增高三成左右。

另一方面，由图4所示的铁损耗的相关计测结果可知，含硅层中的硅浓度相对较高的实施例1、2和比较例4的铁损耗降低，其中，实施例1、2的铁损耗减小效果显著。

将上述实施例1、2的压粉磁芯和比较例3～6的压粉磁芯的磁通密度、铁损耗的相关实验结果显示在一个图中的图表如图5所示。图中，曲线P表示磁通密度，曲线Q表示铁损耗。

由图中可以了解到，实施例1、2的压粉磁芯与比较例3～6的压粉磁芯相比，磁通密度高，且铁损耗低。特别是与比较例5、6相比可知，实施例1、2的磁通密度上升30％左右，铁损耗减少15％左右。

另外，图6a表示形成实施例1的压粉磁芯的压粉磁芯用粉末的SEM-EDX图像图，图6b表示形成比较例4的压粉磁芯的压粉磁芯用粉末的SEM-EDX图像图。

图中，显示出形成有粉末表面的层的含硅层。由图中可知，实施例1中形成了0.03D的薄层的含硅层，比较例4中形成了0.15D的较厚层的含硅层。

以上，使用附图详细说明了本发明的实施方式，但具体的构成不限于该实施方式，在不偏离本发明主旨的范围内进行的设计变更等均包含在本发明内。

Claims (3)

1.一种压粉磁芯用粉末的制造方法，通过对含有碳元素的软磁性金属粉末的表面进行渗硅处理来制造压粉磁芯用粉末，其中，

在所述渗硅处理中，使至少含有硅化合物的渗硅用粉末与包含铁系粉末的软磁性金属粉末的表面接触，对该渗硅用粉末进行加热处理，从而使硅元素从所述硅化合物脱离，并使该脱离的硅元素渗透扩散到所述软磁性金属粉末的表层，

在硅元素脱离的反应生成速度比硅元素渗透扩散到软磁性金属粉末的表层的扩散速度快的脱离扩散氛围下进行渗硅处理，

所述软磁性金属粉末中的所述碳元素含量被调整为0.1～1.0重量％的范围，且硅化合物中的所述硅元素含量被调整为至少碳元素含量以上的重量％，所述加热处理温度被调整为900～1050℃的范围，从而形成所述脱离扩散氛围。

2.如权利要求1所述的压粉磁芯用粉末的制造方法，其中，所述渗硅用粉末包含至少含有二氧化硅的粉末。

3.一种压粉磁芯用粉末，通过权利要求1或2所述的制造方法制造，其中，

所述压粉磁芯用粉末包含在其表面具有至少含有硅元素的含硅层的软磁性金属粉末，

设软磁性金属粉末的平均粒径为D时，在距离软磁性金属粉末的表面小于0.15D的范围形成有所述含硅层并且含有1～12重量％范围的硅元素，该含硅层中，具有所述表面的硅浓度最高、朝向软磁性金属粉末内部硅浓度降低的浓度变化趋势。

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