CN103871717A - 一种软磁芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软磁芯及其制备方法，该软磁芯包括：复合金属粉末，该复合金属粉末中的铁微粒的表面覆盖有绝缘层；主体部件，该主体部件由压缩所述复合金属粉末形成；以及合金元素，该合金元素从所述主体部件的表面被分散到所述主体部件的内部。本发明提供的软磁芯具有极好的密度特点和高效率。

Description

一种软磁芯及其制备方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年12月12日提交至韩国知识产权局的韩国专利申请号为10-2012-0144649的优先权，该专利申请的内容引入本申请中作为参考。

技术领域

本发明涉及一种具有极好密度特点和高效率的软磁芯（soft magneticcore），以及该软磁芯的制备方法。

背景技术

通常，软磁材料可以有各种用途，如感应器的芯或者电器设备的部件如电机，即定子、转子、促动器（actuator）、传感器和变压器铁心。根据相关技术，作为制备用作电器设备部件的软磁芯的方法，已使用了堆叠若干处理过的钢板然后固定该堆叠钢板相互结合在一起的方法。然而，就由堆叠钢板制备软磁芯而言，难以制备具有复杂三维形状的产品，并且会从该钢板产生大量的下脚废料。

因此，近来，已经引进了软磁粉高压成型的方法。在该方法中，鉴于磁芯的形状可以制成具有高度自由度的磁芯。这样的话，使用的该软磁粉由铁基软磁微粒形成，当通电时粉末具有磁性。当使用该软磁粉制备软磁芯时，使用一般的粉末冶金工艺。

在通过由喷射法、研磨法等方法以粉末制备铁基软磁材料后，在粉末上实施机械处理、热处理等后，这样就可以生产能够适合用作磁芯材料的软磁粉。压模按照上述制成的软磁粉，这样就形成具有所需形状的软磁芯。

根据相关技术，为了实现低磁芯损耗（core loss）特点，已使用合金粉末用于软磁粉，但是它的可成型性已恶化，而且形成的软磁芯的密度相对较低。因此，需要一种具有高密度和高效率同时具有极好可成型性的软磁芯，并且需要该软磁芯的制备方法。

与本发明不同，下面专利文献1未公开用粉末制备软磁芯的方法。

[相关技术文献]

（专利文献1）韩国专利申请公开号10-2011-0124392

发明内容

本发明的一个目的提供了一种具有极好密度特点和高效率的软磁芯，以及该软磁芯的制备方法。

根据本发明的一个目的提供了一种软磁芯，该软磁芯包括：复合金属粉末，该复合金属粉末中的铁（Fe）微粒的表面覆盖有绝缘层；主体部件，该主体部件由压缩所述复合金属粉末形成；以及合金元素，该合金元素从所述主体部件的表面被分散到所述主体部件的内部。

所述合金元素可以含有硅（Si）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）和硼（B）中的至少一种。

所述复合金属粉末的平均粒径可以为100-200μm。

所述绝缘层的厚度可以为50-1000nm。

包含在由所述合金元素分散形成的铁（Fe）基合金中的所述合金元素的含量可以为3.5-10重量%。

所述绝缘层可以含有陶瓷或者绝缘树脂。所述陶瓷可以选自由铁氧体（ferrite）、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种，而且所述绝缘树脂可以含有环氧树脂。

根据本发明的另一个目的提供了一种软磁芯的制备方法，该方法包括：制备复合金属粉末，该复合金属粉末中的铁（Fe）微粒的表面覆盖有绝缘层；制备含有复合金属粉末的浆液；使用所述浆液制备具有芯形（core shape）的主体部件；将合金元素或者含有所述合金元素的混合物涂覆在所述主体部件的表面以形成涂层；以及通过热处理将所述合金元素从所述涂层分散到所述主体部件的内部，形成铁（Fe）基合金。

所述合金元素可以含有硅（Si）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）和硼（B）中的至少一种。

所述涂层的厚度可以为5-10μm。

所述复合金属粉末的平均粒径可以为100-200μm。

所述绝缘层的厚度可以为50-1000nm。

包含在所述铁（Fe）基合金中的所述合金元素的含量可以为3.5-10重量%。

所述绝缘层可以含有陶瓷或者绝缘树脂。所述陶瓷可以选自由铁氧体、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种，并且所述绝缘树脂可以含有环氧树脂。

所述主体部件的制备可以通过压模所述浆液来进行。

所述热处理可以在600-800℃下进行。

所述浆液还可以含有粘合剂和润滑剂中的至少一种。

附图说明

通过以下结合附图的详细说明，将会更加清楚地理解本发明的上述和其他方面、特征以及其他优点，其中：

图1是说明根据本发明的实施方式的软磁芯的制备方法的流程图；

图2是说明根据本发明的实施方式的软磁芯的制备过程的工艺流程图；以及

图3是通过沿各步操作中制成的产品的A-A′线的剖面图说明图2的S4到S6操作的工艺流程图。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施方式。

然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应当被解释为限于这里阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式以便本公开是彻底和完整的，并将本发明的观念充分传达给本领域的技术人员。

在图中，为了清楚可以夸大部件的形状和尺寸，并且始终使用相同的附图标记来指定相同或相似的部件。

图1是说明根据本发明的实施方式的磁芯的制备方法的流程图；图2是说明根据本发明的实施方式的软磁芯的制备过程的工艺流程图；以及图3是通过沿各步操作中制成的产品的A-A′线的剖面图说明图2的S4到S6操作的工艺流程图。

根据本发明的实施方式的软磁芯300的制备方法，该方法可以包括：制备复合金属粉末10；制备含有所述复合金属粉末10的浆液20；采用所述浆液20制备具有芯形的主体部件100；在所述主体部件100的表面上形成含有合金元素的涂层200；以及将所述合金元素分散到所述主体部件100中。

下面，将详细描述各步操作。

（A）制备复合金属粉末

所述复合金属粉末10，可以通过在铁（Fe）微粒1的表面上覆盖绝缘层2制备，所述复合金属粉末10是根据本发明的实施方式的所述软磁芯300的基础材料。为了实现所述主体部件100的可成型性，可以优选所述铁（Fe）微粒1为纯铁。尽管术语“纯铁”涉及严格意义上不含杂质而且纯度为100%的铁，但因为难以彻底去除包含在生铁中的杂质，如碳、氮、硅、磷、硫等，通常，使用的术语“纯铁”涉及具有比其他的铁纯度相对较高的铁。在本发明中，使用的术语“纯铁”是一般意义上的。

形成在所述铁（Fe）微粒1的表面上形成的所述绝缘层2可以由陶瓷或者绝缘树脂形成。所述绝缘层2允许单个的铁（Fe）微粒1被电隔离（electrically isolated）从而减少涡流损耗。所述绝缘层2可以含有所述陶瓷或者所述绝缘树脂，但是不特别限于此。

所述陶瓷没有特别的限制，但是可以选自由铁氧体、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种。另外，可以使用具有高电阻的氧化物。

而且，所述绝缘层2为了极好的磁性特性可以由铁氧体形成。在本说明书中，术语“铁氧体”全都涉及含有氧化铁的磁性陶瓷。因为所述铁氧体具有磁性和绝缘性，与使用作为绝缘层没有磁性的陶瓷相比，可以提高制成的磁芯的磁通量密度。

另外，所述绝缘树脂可以含有环氧树脂。所述环氧树脂可以为，例如，苯酚缩水甘油醚（phenol glycidyl ether）型环氧树脂如苯酚酚醛（phenolnovolac）型环氧树脂、甲酚醛（cresol novolac）型环氧树脂、萘酚改性酚醛（naphthol modified novolac）型环氧树脂、双酚A（bisphenol A）型环氧树脂、双酚F（bisphenol F）型环氧树脂、联苯（biphenyl）型环氧树脂、三苯基（triphenyl）型环氧树脂等；具有二聚环戊二烯骨架的二聚环戊二烯型环氧树脂；具有萘骨架的萘型（naphthalene）环氧树脂；二羟基苯并吡喃（dihydroxy benzopyran）型环氧树脂；含有多胺（polyamine）如二氨基二苯甲烷（diaminodiphenylmethane）的缩水甘油胺（glycidylamine）型环氧树脂；三苯甲烷（triphenylmethane）型环氧树脂；四苯基乙烷（tetraphenylethane）型环氧树脂；及其混合物，但是，不特别限于此。

所述复合金属粉末10的平均粒径可以为100-200μm。当所述复合金属粉末10的平均粒径小于100μm时，会减少制成的磁芯的磁通量密度。当所述复合金属粉末10的平均粒径大于200μm时，可以增加制成的磁芯的磁通量密度，但是会增加磁芯损耗，尤其是，在高频时造成问题的涡流损耗会迅速增加。因此，所述复合金属粉末10可以具有的平均粒径为100-200μm。

另外，所述绝缘层可以具有的厚度为50-1000nm。当所述绝缘层的厚度大于1000nm时，可以减少磁通量密度，以及当所述绝缘层的厚度小于50nm时，会在压模时在所述绝缘层产生裂纹以引起隧道效应，从而会降低绝缘效果。

（B）制备浆液

在该步操作中，可以制备含有制成的复合金属粉末10的所述浆液20。除了所述复合金属粉末10外还可以含有添加剂11，其中，所述添加剂可以含有粘合剂、溶剂、润滑剂等，但是不限于此。

所述粘合剂可以选自由水玻璃、聚酰亚胺、聚酰胺、聚硅氧烷、苯酚和丙烯酰基材料组成的组中的至少一种，但是不限于此。

另外，为了调节所述浆液20的粘度可以加入挥发性溶剂。所述挥发性溶剂可以含有甲苯、乙醇、甲乙酮中的至少一种，但是不限于此。

而且，所述浆液20还可以含有润滑剂。所述润滑剂可以含有液体润滑油、半固体油脂、固体润滑油等，但是不限于此。

（C）制备主体部件

使用所述浆液20制备所述主体部件100。由此，可以使用将所述浆液20注入到芯形的模子然后压模注入的浆液的方法，但是本发明不限于此。也就是说，可以使用任何方法只要以整体形式聚结所述复合金属粉末10制备磁芯即可。

（D）在主体部件的表面上形成涂层

在制成的主体部件100的表面上可以形成含有合金元素的所述涂层200。所述合金元素没有特别的限制只要所述合金元素可以增加所述软磁芯300的电阻力即可，以及可以含有硅（Si）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）和硼（B）中的至少一种。

与其他合金元素相比，硅（Si）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）和硼（B）具有极好的增加电阻的效果。

所述涂层200可以含有所述合金元素，并且在可以分散所述合金元素的范围内以各种形状形成。

尽管没有限制，例如，所述涂层200可以由仅含有所述合金元素的纯物质构成或者由含有所述合金元素的混合物构成。

形成所述涂层200的方法没有特别的限制只要所述合金元素可以均匀地涂覆即可。例如，可以使用沉积方法如物理气相沉积（PVD）法、化学气相沉积（CVD）法，以及当所述主体部件100的形状不是过于复杂时可以使用浸涂法。

所述涂层200可以具有厚度为5-10μm。包含在所述涂层200中的所述合金元素可以分散到所述主体部件100中，而且所述涂层200的厚度和所述合金元素的分散量可以互成正比。当不控制所述合金元素的分散量时，会造成问题。

更特别地，当所述涂层的厚度大于10μm时，可以显著增加主要具有无磁性的所述合金元素的分散量，因此，减少了磁通量密度或者磁导率，以及制成的软磁芯300具有7.6g/cm³以下的密度，这样所述软磁芯300难以用于电机。而且，当所述涂层200的厚度小于5μm时，所述合金元素的分散量被减少，以及磁通量密度或者磁导率较高，但是决定电机效率的磁芯损耗会超过40W/kg，使得区别于现有的粉末芯的特性会消失。因此，考虑到所有的磁芯损耗特性、磁通量密度、磁导率和密度，所述涂层200的厚度可以为5-10μm。

（E）分散合金元素

在这步操作中，铁（Fe）基合金是经热处理通过将所述合金元素从在所述主体部件100的表面上形成的所述涂层200分散到所述主体部件100的内部来形成的。通过这步操作，包含在所述主体部件100中的纯铁（Fe）可以转变成具有设定含量的所述合金元素的合金，由此最后可以得到所需的所述软磁芯300。

所述热处理可以在600-800℃下进行。

在制备一般粉末芯时，热处理的目的是去除由于压模产生的剩余应力，当所述热处理在400-500℃下进行时就可以实现此目的。原因是当剩余应力保留时，可以增加滞后损耗，以及可以增加最后的磁芯损耗。

然而，为了所述合金元素的分散，热处理温度可以为600-800℃，以及为了显著地减小对所述复合金属粉末10的所述绝缘层2的损害，热处理时间可以为15min以下。

同时，在所述铁（Fe）基合金中可以含有3.5-10重量%的所述合金元素。所述合金元素的含量越高电阻力越大，因此，可以减少所述软磁芯300的磁芯损耗。40W/kg为现有粉末芯的磁芯损耗值，为了得到40W/kg以下的磁芯损耗值，所述合金元素的含量应该为3.5重量%以上。而且，当所述合金元素的含量高于10重量%时，在所述软磁芯300中的所述合金元素的含量变高，因此，所述软磁芯300的磁通量密度变为1.5T以下，1.5T是为了用于电机的临界值，以及所述软磁芯300的密度变为7.6g/cm³以下，由此难以将所述软磁芯300用于电机。

因此，包含在由铁（Fe）合金元素制成的合金中的所述合金元素的含量可以为3.5-10重量%。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种软磁芯300，该软磁芯含有复合金属粉末10，该复合金属粉末中铁（Fe）微粒1的表面覆盖有绝缘层2；主体部件100，该主体部件由压缩所述复合金属粉末10形成；以及合金元素，该合金元素被从所述主体部件100的表面分散到所述主体部件100的内部。

所述合金元素可以为硅（Si）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）和硼（B）中的至少一种。

所述复合金属粉末10的平均粒径可以为100-200μm。

以铁（Fe）粉为基础，所述合金元素可以含有3.5-10重量%的含量。

所述绝缘层2可以含有陶瓷或者绝缘树脂，其中，所述陶瓷可以选自由铁氧体、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种，以及所述绝缘树脂可以含有环氧树脂。

实施例

下表1显示对应在所述主体部件100的表面形成的所述涂层200的厚度，最后制成的软磁芯300的密度、磁通量密度、磁芯损耗值。

通过向所述主体部件100的表面涂覆硅（Si）形成所述涂层200，以及制备所述主体部件100具有3.5inch硬盘（HDD）的磁芯尺寸。

表1

（*表示对比例）

如表1所示，当硅层厚度为3μm以下时，磁芯损耗值为55W/kg，因此和现有粉末芯没有不同，而且降低了电机效率。进一步，当硅层厚度为5μm时，磁芯损耗值为41W/kg，与现有粉末芯相似，但是密度和磁通量密度极好，由此，所述软磁芯300相对于可以得到的现有技术进一步改善了。

另外，当硅层厚度高于10μm时，密度为7.6g/cm³以下，而且磁通量密度也为1.5T以下，这样难以将所述涂层应用到电机。

因此，根据发明实施例，所述涂层200的厚度可以为5-10μm。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种软磁芯300，该软磁芯含有复合金属粉末10，该复合金属粉末中铁（Fe）微粒1的表面覆盖有绝缘层2；主体部件100，该主体部件通过压缩所述复合金属粉末10形成；以及合金元素，该合金元素从所述主体部件100的表面分散到所述主体部件100的内部，由此溶解在所述铁（Fe）微粒1中作为固体溶液。

所述合金元素可以含有硅（Si）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）和硼（B）中的至少一种，以及所述复合金属粉末10的平均粒径可以为100-200μm。

包含在由所述合金元素分散形成的合金中的所述合金元素的含量可以为3.5-10重量%。

所述绝缘层2可以含有陶瓷或者绝缘树脂，其中，所述陶瓷选自由铁氧体、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种，以及所述绝缘树脂含有环氧树脂。

将省略所述软磁芯300的特征的重复描述。

根据本发明的实施方式的软磁芯的制备方法，因为形成所述复合金属粉末10的铁（Fe）是纯铁，所以与根据现有技术用由铁基合金如硅钢形成的粉末微粒制成的磁芯的情况相比，可以进一步提高可成型性。原因是在含有硅、碳等的铁基合金情况下，脆性会比纯铁的更高。而且，在用铁基合金制备软磁粉末芯时，成型时会损害粉末微粒，而且强度和饱和磁通量密度不会足够地高，因此，难以将这样的磁芯用于小型电机如硬盘（HDD）。然而，根据本发明的实施方式，由于纯铁的相对高的弹性和优秀的可成型性，制成的软磁芯300可以具有极好的强度、密度和饱和磁通量密度。

而且，所述主体部件100形成之后，通过所述合金元素的分散可以实现高电阻和低磁芯损耗特点，如此可以提供具有高效率的所述软磁芯300。

因此，在根据本发明的实施方式的软磁芯的制备方法以及由此制成的所述软磁芯300中，可以同时实现使用由纯铁形成的铁基粉末提高可成型性和使用铁基合金降低磁芯损耗。

如前所述，根据本发明的实施方式，可以提供具有极好的密度特点和高效率的软磁芯，以及该软磁芯的制备方法。

虽然结合实施方式已经显示和描述了本发明，但是在没有背离附随的权利要求定义的本发明的精神和范围做出的修改和各种变形对于本领域技术人员来说都是显而易见的。

Claims (20)

1.一种软磁芯，该软磁芯包括：

复合金属粉末，该复合金属粉末中的铁微粒的表面覆盖有绝缘层；

主体部件，该主体部件由压缩所述复合金属粉末形成；以及

合金元素，该合金元素从所述主体部件的表面被分散到所述主体部件的内部。

2.根据权利要求1所述的软磁芯，其中，所述合金元素含有硅、铝、铬、钼和硼中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的软磁芯，其中，所述复合金属粉末的平均粒径为100-200μm。

4.根据权利要求1所述的软磁芯，其中，所述绝缘层的厚度为50-1000nm。

5.根据权利要求1所述的软磁芯，其中，包含在由所述合金元素分散形成的铁基合金中的所述合金元素的含量为3.5-10重量%。

6.根据权利要求1所述的软磁芯，其中，所述绝缘层含有陶瓷或者绝缘树脂。

7.根据权利要求6所述的软磁芯，其中，所述陶瓷选自由铁氧体、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种。

8.根据权利要求6所述的软磁芯，其中，所述绝缘树脂含有环氧树脂。

9.一种软磁芯的制备方法，该方法包括：

制备复合金属粉末，该复合金属粉末中的铁微粒的表面覆盖有绝缘层；

制备含有复合金属粉末的浆液；

使用所述浆液制备具有芯形的主体部件；

将合金元素或者含有所述合金元素的混合物涂覆在所述主体部件的表面以形成涂层；以及

通过热处理将所述合金元素从所述涂层分散到所述主体部件的内部，形成铁基合金。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述合金元素含有硅、铝、铬、钼和硼中的至少一种。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述涂层的厚度为5-10μm。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述复合金属粉末的平均粒径为100-200μm。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述绝缘层的厚度为50-1000nm。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，包含在所述铁基合金中的所述合金元素的含量为3.5-10重量%。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述主体部件的制备是通过压模所述浆液来进行。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热处理在600-800℃下进行。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，所述浆液还含有粘合剂和润滑剂中的至少一种。

18.根据权利要求9所述的方法，其中，所述绝缘层含有陶瓷或者绝缘树脂。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述陶瓷选自由铁氧体、氧化硅、硅酸钠和氧化镁组成的组中的至少一种。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述绝缘树脂含有环氧树脂。

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