CN104211385A

CN104211385A - 铁氧体和变压器

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Publication number: CN104211385A
Application number: CN201410230959.4A
Authority: CN
Inventors: 须佐昌司; 青木卓也; 财田笃; 安原克志; 森健太郎
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: CN104211385B

Abstract

本发明提供了一种具有高的饱和磁通密度Bs和低的磁损耗Pcv且具有破损强度高的性能的MnZn系铁氧体。本发明所涉及的MnZn系铁氧体，其特征在于，由包含以Fe₂O₃换算为66～70mol％的氧化铁、以ZnO换算为10～20mol％的氧化锌，以NiO换算为0.4～2mol％的氧化镍且余量实质为MnO的组成的主成分所构成，并相对于主成分的上述氧化物的合计质量，含有以SiO₂换算为0.005～0.03质量％的Si、以CaO换算为0.02～0.15质量％的Ca、以Nb₂O₅换算为0.01～0.1质量％的Nb、以ZrO₂换算为0.005～0.04质量％的Zr、以SnO换算为0.05～0.35质量％的Sn。

Description

铁氧体和变压器

技术领域

本发明涉及包含Fe、Mn、Zn和Ni的铁氧体(ferrite)以及使用该铁氧体的变压器。

背景技术

近年来，伴随着电子设备的小型化、多功能化迅速发展，各种部件的高集成化、高频化也在发展，所供给的电流也在向大电流化发展。也考虑伴随着大电流化，来自各种部件的发热增大且由电子设备驱动时的发热所引起的温度上升，变压器、扼流线圈这样的电路部件所使用的磁芯材料要求确保从室温到120℃左右的高温为止的高的饱和磁通密度Bs，并要求各种部件在高温下的稳定且切实的驱动。

MnZn系铁氧体一般作为变压器和扼流线圈的材料来使用。为了应对这样的要求，变压器或扼流线圈等所使用的MnZn系铁氧体要求在工作温度下具有高的饱和磁通密度Bs和低的磁损耗Pcv。

另一方面，为了改善铁氧体的制造中和输送中的处理性，并进一步提高骨架(bobbin)往铁氧体芯的安装性、或卷线在安装好的骨架上的作业性，要求铁氧体的机械强度高。尤其难以产生由冲击所引起的铁氧体的缺损，即破损强度高很重要。

关于高的饱和磁通密度Bs以及将磁损失Pcv抑制得低的MnZn系铁氧体材料及其制造方法已有若干提案。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-31210号公报

专利文献2：日本特开2011-195415号公报

专利文献3：日本特开2005-272229号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在专利文献1中，得以实现100℃下的低磁损耗化和高饱和磁通密度化的性能改善，但由于Fe₂O₃量少因此饱和磁通密度Bs低，居里点也降低。此外，并没有进行对高温的120℃下的饱和磁通密度的性能改善的研究。另外，由专利文献2的技术所得到的铁氧体，其破损强度未必足够。在专利文献3中，由于含有大量的NiO，因此120℃下没有充分地得到饱和磁通密度Bs。

本发明是基于这样的现状而发明出来的，其目的在于提出高温下(120℃)具有高的饱和磁通密度Bs和低的磁损耗Pcv，且在破损强度上优异的Mn-Zn系铁氧体的方案。

解决技术问题的方法

为了解决上述的技术问题并达到目标，发现了将作为铁氧体原料的造粒粉末的主成分和微量成分分别控制在适当范围内是重要的。

即，第1方法所涉及的Mn-Zn系铁氧体，其特征在于，由以Fe₂O₃换算为66mol％以上且70mol％以下的氧化铁、以ZnO换算为10mol％以上且20mol％以下的氧化锌，以NiO换算为0.4mol％以上～2mol％以下的氧化镍、余量为氧化锰构成的主成分所构成，并相对于主成分的上述氧化物的合计质量，含有以SiO₂换算为0.005质量％以上且0.03质量％以下的Si、以CaO换算为0.02质量％以上且0.15质量％以下的Ca、以Nb₂O₅换算为0.01质量％以上且0.1质量％以下的Nb、以ZrO₂换算为0.005质量％以上且0.04质量％以下的Zr、以SnO换算为0.05质量％以上且0.35质量％以下的Sn。

第2方法所涉及的Mn-Zn系铁氧体，其特征在于，在所述第1方法所涉及的铁氧体中，表现破损试验中的缺损率小于2％的性能。

第3方法所涉及的Mn-Zn系铁氧体，其特征在于，在所述第1或第2方法中任一个所涉及的铁氧体中，相对于主成分的上述氧化物的合计质量，在将该V、Ta、Hf分别换算成V₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂时，含有0.001～0.01质量％的V、Ta、Hf的至少1种以上。

第4方法是由所述第1至所述第3方法中的任一项所涉及的铁氧体所构成的变压器。

发明的效果

根据本发明，通过使用本发明所涉及的铁氧体作为开关电源等的电源变压器等所使用的变压器用磁芯、或者变压器(在磁芯的周围卷绕了线圈的变压器)，能够得到高温下具有高的饱和磁通密度Bs、磁损耗低而且在制造工序中难以产生破损的铁氧体芯。

附图说明

图1表示正式烧成工序中的温度设定的一个例子。

具体实施方式

以下，就本发明的实施方式进行详细说明。

[有关本发明MnZn系铁氧体的说明]

(有关主成分组成的说明)

本发明的Mn-Zn系铁氧体中，作为主成分由以Fe₂O₃换算为66～70mol％(优选66.0～69.0mol％，更优选为66.0～68.0mol％)的氧化铁、以ZnO换算为10～20mol％(优选为14.5～16.0mol％，更优选为15.0～16.0mol％)的氧化锌，以NiO换算为0.4～2mol％的氧化镍、余量为氧化锰MnO的基本组成所构成，并且作为副成分含有以SiO₂换算为0.005～0.03质量％的Si、以CaO换算为0.02～0.15质量％的Ca、以Nb₂O₅换算为0.01～0.1质量％的Nb、以ZrO₂换算为0.005～0.04质量％的Zr、以SnO换算为0.05～0.35质量％的Sn。

在上述的主组成中，若增加Fe₂O₃量则有提高饱和磁通密度Bs的效果，但若Fe₂O₃量超过70.0mol％，则有产生磁损耗Pcv增加这样的不利情形的倾向。另外，若Fe₂O₃量小于66.0mol％，则有产生饱和磁通密度Bs下降这样的不利情形的倾向。

在上述的主组成中，若ZnO量超过20.0mol％，则有产生饱和磁通密度Bs下降且磁损耗Pcv提高这样的不利情形的倾向。若ZnO量小于10.0mol％，则有产生磁损耗Pcv提高这样的不利情形的倾向。

Ni具有降低铁氧体的磁各向异性的作用，并且提高破损强度。通过含有适量的Ni，得到低磁损耗，并进一步能够提高破损强度。Ni在上述主成分组成中，若NiO量超过2.0mol％，则有产生饱和磁通密度Bs下降这样的不利情形的倾向。另外，若NiO量小于0.4mol％，则有产生破损强度下降这样的不利情形的倾向。

(有关副成分的说明)

Ca具有提高铁氧体的烧结性的作用，并且有助于晶界的高阻化，因而通过含有适量的Ca，从而能够减少磁损耗。若相对于主成分氧化物的合计质量，铁氧体的Ca的含量(CaO换算)小于0.02质量％，则有晶界不能很好地形成，电阻率下降，且涡电流损耗大的倾向；若超过0.15质量％，则由于晶粒生长得到促进产生异常晶粒而有涡电流损耗增大的倾向。Ca的含量(CaO换算)优选为0.028～0.084质量％。

Si具有提高铁氧体的烧结性的作用，并且有助于晶界的高阻化，因而通过含有适量的Si，可以减少磁损耗Pcv。若铁氧体的Si的含量(SiO₂换算)相对于主成分的氧化物的合计质量小于0.005质量％，则有晶界的高阻层的形成变得不充分且磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。另一方面，若Si的含量(SiO₂换算)超过0.03质量％，则促进异常的晶粒生长且磁损耗Pcv的减少不充分。Si的含量(SiO₂换算)优选为0.005～0.01质量％。

Nb有助于铁氧体的晶粒的高阻化，因而通过含有适量的Nb，可以减少磁损耗Pcv。若铁氧体烧结体的Nb的含量(Nb₂O₅换算)相对于主成分的氧化物的合计质量小于0.01质量％，则有晶界的高阻化容易变得不充分且磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。另一方面，若Nb的含量(Nb₂O₅换算)超过0.1质量％，则有助长晶体组织的不均匀性的倾向。Nb的含量(Nb₂O₅换算)优选为0.025～0.050质量％。

Zr有助于铁氧体的晶粒的高阻化，因而通过含有适量的Zr，可以减少磁损耗Pcv。若铁氧体烧结体的Zr的含量(ZrO₂换算)相对于主成分的氧化物的合计质量小于0.005质量％，则有晶界的高阻化容易变得不充分且磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。另一方面，若Zr的含量(ZrO₂换算)超过0.04质量％，则有助长晶体组织的不均匀性的倾向。Zr的含量(ZrO₂换算)优选为0.005～0.02质量％。

Sn具有提高铁氧体的晶粒的电阻率的效果，因而通过含有适量的Sn，可以降低涡电流损耗且减少磁损耗Pcv。若铁氧体的Sn的含量(SnO换算)相对于主成分的氧化物的合计小于0.05质量％，则有不表现高阻化的效果且磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。另一方面，若Sn的含量(SnO换算)超过0.35质量％，则有助长晶体组织的不均匀性的倾向。Sn的含量优选为0.1～0.3质量％。

本实施方式所涉及的铁氧体可以进一步含有上述以外的成分。例如，Ta(Ta₂O₅)、Hf(HfO₂)、V(V₂O₅)与上述Nb、Zr同样地有助于铁氧体芯的晶界的高阻化，因而通过适量地含有这些，可以减少磁损耗Pcv。若铁氧体的Ta、Hf和V的含量(Ta₂O₅、HfO₂、V₂O₅换算)相对于主成分的氧化物的合计量小于0.005质量％，则有晶界的高阻化容易变得不充分且磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。另一方面，若Ta、Hf和V的含量(Ta₂O₅、HfO₂、V₂O₅换算)超过0.040质量％，则有助长晶体组织的不均匀性的倾向。Ta、Hf和V的含量(Ta₂O₅、HfO₂、V₂O₅换算)优选为0.005～0.030质量％。

下面就铁氧体的制造方法进行说明。

首先，准备成为主成分的氧化铁α-Fe₂O₃、氧化锰Mn₃O₄、氧化锌ZnO和氧化镍NiO，混合这些氧化物来得到混合物。此时，可以以最终所得到的混合物中的各氧化物成分的构成比达到规定的范围内的方式将其他化合物与上述氧化物一起进行混合。

接着，对上述主成分的混合物进行预烧成来得到烧成物(预烧工序)。预烧通常只要在空气中进行即可。预烧温度依赖于构成混合物的成分，优选为800～1100℃。另外，预烧时间也依赖于构成混合物的成分，优选为1～3小时。其后，将所得到的预烧成物通过球磨机等粉碎来得到粉碎粉末。

在粉碎上述的主成分原料的预烧成物时，作为碳酸钙(CaCO₃)或氧化钙(CaO)添加规定量的Ca并混合两者，由此得到正式烧成用的原料混合粉末(混合工序)。

另一方面，准备规定量的成为副成分的氧化硅(SiO₂)，在粉碎主成分原料的预烧成物时添加，并混合两者。由此，得到原料混合粉末。此外，这里可以适当添加上述成分以外的副成分(Nb₂O₅、ZrO₂、Ta₂O₅、HfO₂、V₂O₅等)。再有，可以以最终所得到的混合物中的各副成分的含量在上述范围内的方式，替代上述化合物而使用其他化合物。

接着，混合由上述得到的原料混合粉末与聚乙烯醇等适当的粘结剂，得到铁氧体芯的成型体。

接下来，在加热炉内烧成成型体(正式烧成工序)。图1是表示正式烧成工序中的温度设定的一个例子的图表。如图1所示，正式烧成工序至少具有将加热炉内的成型体缓慢加热的升温工序S1、将温度保持在1200～1300℃的温度保持工序S2、从保持温度缓慢降温的缓冷工序S3、以及缓冷工序S3结束后进行骤冷的骤冷工序S4。

升温工序S1是将加热炉内的温度升温至后述的保持温度的工序。升温速度优选为10～300℃/小时。

当通过升温工序S1到达规定的温度(1200～1300℃)时，进行维持在该温度的温度保持工序S2。若温度保持工序S2中的保持温度低于1200℃，则铁氧体芯的晶粒生长变得不充分且磁滞损耗增大，因而磁损耗Pcv的减少变得不充分。另一方面，若保持温度超过1300℃，则铁氧体芯的晶粒生长变得过剩且涡电流损耗增大，因而磁损耗Pcv的减少变得不充分。通过使保持温度为1200～1300℃，可以得到磁滞损耗与涡电流损耗的平衡，能够充分地减少高温区域下的磁损耗Pcv。

在上述的保持温度下进行烧成的时间(保持时间)优选为2小时以上。若保持时间小于2小时，则即使在温度1200～1300℃下进行烧成的情况下晶粒生长也容易变得不充分且磁损耗Pcv的减少也容易变得不充分。保持时间依赖于构成粉碎粉末的原料，进一步优选为3～10小时。

温度保持工序S2结束后，进行缓冷工序S3。缓冷工序S3中的缓冷速度优选为200℃/小时以下。若缓冷速度超过200℃/小时，则铁氧体芯的晶粒内的剩余应力容易变大，由此倾向于磁损耗的减少变得不充分。另外，上述缓冷速度是指缓冷范围中的平均值，也可以有温度以超过它的速度下降的部分。

缓冷工序S3中从保持温度降温时，控制加热炉内的氧浓度，进行连续或阶梯式降低的操作(氧浓度调节工序)。优选通过进行这样的操作，使温度1200℃下的氧浓度为0.2～1.0体积％且温度1100℃下的氧浓度为0.02～0.10体积％。

结束了缓冷工序S3，开始骤冷工序S4的温度(缓冷结束温度)优选为900～1150℃。若缓冷结束温度比1150℃高，则有铁氧体芯的晶界的形成容易变得不充分，由此磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。另一方面，若缓冷结束温度比900℃低，则有在铁氧体芯的晶界容易产生异相，由此磁损耗Pcv的减少变得不充分的倾向。

缓冷工序S3结束后，进行骤冷工序S4。对于至少从缓冷结束温度到达700℃的温度范围，优选降温速度为150℃/小时以上。

实施例

以下，进一步基于详细的实施例说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。

实施例1～21和比较例1～17

称量各成分原料使最终为在表1所示的组成，使用球磨机来进行湿式混合。使原材料混合物干燥后，在空气中，在900℃左右的温度下预烧。将所得到的预烧粉末投入球磨机，进行3小时的湿式粉碎直至成为所期望的粒径。

将这样得到的粉碎粉末进行干燥，相对于100质量份的粉碎粉末添加0.8质量份的聚乙烯醇并造粒后，将所得到的混合物在约150MPa的压力下加压成型，得到环型成型体和破损试验用成型体。将成型体在如下所示的烧成条件的范围内进行正式烧成，得到多个环型铁氧体芯和破损试验用铁氧体芯。该正式烧成工序保持温度为1200℃～1300℃，并将缓冷结束温度设定在900℃～1150℃。

按如下方式测定铁氧体芯的磁损耗Pcv。即，通过岩通计测株式会社制造的B-H分析仪(型号SY-8217)，在磁通密度200mT、频率100kHz的条件下测量25～150℃范围的磁损耗，求得120℃下的磁损耗Pcv的值。

按如下方式测定铁氧体芯的饱和磁通密度。即，将外径20mm的环状铁氧体芯使用直流B-H自动记录装置(BH tracer)测量1194A/m下的饱和磁通密度Bs得到120℃的值。

按如下方式测定铁氧体芯的破损强度。即将5个具有直径10mm×高度10mm的圆柱体试样(预先测量了重量)投入到在内周侧面设置有干扰板的内径100mm×内部高度118mm的圆筒型不锈钢锅中，在侧向的状态下使不锈钢锅以转速100rpm旋转20分钟。其后，取出圆柱体试样，测量试验后的重量并求得缺损率。

缺损率由如下所述的算式提供。

缺损率(％)＝(试验前重量-试验后重量)/(试验前重量)×100

在上述式中缺损率的数值越小抗冲击越强。

在本发明中，将缺损率小于2％判断为合格水平。

在表1中示出测量结果。从该表1得知，在适当地控制了铁氧体的主成分的组成与微量成分的添加的试样(实施例1～21)中，得到了120℃下的磁损耗Pcv、饱和磁通密度Bs良好而且缺损率小于2.0％的性能的优异材料。

[表1]

产业上的可利用性

如以上所述，本发明所涉及的MnZn系铁氧体具有高的饱和磁通密度Bs和低的磁损耗Pcv，且具有破损强度高的性能，因而能够适当地使用在变压器、扼流线圈这样的部件中。

Claims

1.一种铁氧体，其特征在于，

由组成为如下的主成分构成：以Fe₂O₃换算为66～70mol％的氧化铁、以ZnO换算为10～20mol％的氧化锌，以NiO换算为0.4～2mol％的氧化镍且余量实质为MnO，

并且相对于主成分的上述氧化物的合计质量，含有以SiO₂换算为0.005～0.03质量％的Si、以CaO换算为0.02～0.15质量％的Ca、以Nb₂O₅换算为0.01～0.1质量％的Nb、以ZrO₂换算为0.005～0.04质量％的Zr、以SnO换算为0.05～0.35质量％的Sn。

2.如权利要求1所述的铁氧体，其特征在于，

所述铁氧体为铁氧体材料，并且表现在破损试验中的缺损率小于2％的性能。

3.如权利要求1或2所述的铁氧体，其特征在于，

所述铁氧体为铁氧体材料，并且相对于主成分的上述氧化物的合计质量，在将V、Ta、Hf分别换算成V₂O₅、Ta₂O₅、HfO₂时，含有0.001～0.01质量％的V、Ta、Hf中的至少1种以上。

4.一种变压器，其中，

所述变压器由权利要求1或2所述的铁氧体所构成。