CN113838623A - 软磁性合金粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种软磁性合金粉末，其中，以铁为主要成分且具有软磁性的合金粉末被具有绝缘性的绝缘被膜被覆。该绝缘被膜包括：与构成软磁性合金粉末的合金粉末的表面相接的第一被膜，与第一被膜相接的第二被膜。其中，第二被膜的厚度相对于第一被膜的厚度的比值为0.02～300。

Description

软磁性合金粉末
技术领域
本发明涉及软磁性合金粉末。
背景技术
近年来，作为在电源电路中使用的功率电感器，从小型化和低高度化的要求考虑，期待能够在大电流和高频下使用的软磁性材料。以往，作为电感器的主要材料，使用作为氧化物的铁氧体系材料，但因为饱和磁化强度低，所以不利于小型化，近年来，使用了饱和磁化强度高、且有利于小型化和低高度化的合金系材料的金属电感器急速增加。作为金属电感器，已知使用以铁为主要材料的软磁性合金粉末(以下也称为软磁性合金粉末)，将软磁性合金粉末和树脂混合并进行压缩成形而得的压粉磁心等。压粉磁心的磁特性(饱和磁化强度、磁导率、磁芯损耗、频率特性等)取决于使用的软磁性合金粉末的磁特性和粒度分布、填充性、电阻。
在对能源问题的关心增长的过程中，促进了汽车的电动化和电子设备的省电化，要求能够进一步小型化、能量损耗更少的压粉磁心。例如，可例举在汽车中用于应对用于实现高环境性能和驾驶性能的控制的强化的“机电一体化”。这里，为了在电动机和螺线管等致动器上安装ECU(电子控制单元，Electronic Control Unit)，在环境温度更高的发动机室等中设置ECU的需求日益增长。因此，要求开发出在环境温度更高时能使用的、适用于ECU的压粉磁心等中所用的磁性粉末。
以往使用的铁氧体系材料因为是氧化物，所以绝缘性和耐热性等的可靠性高，而合金系材料的这些性质的可靠性比铁氧体系材料低。于是，作为提高软磁性合金粉末的绝缘性和耐热性的措施，已知相对于软磁性合金粉末形成被膜的措施(例如专利文献1)。然而，为了得到高绝缘性和高耐热，需要增大绝缘被膜的厚度。因此，难以兼顾绝缘性和耐热性等的可靠性与磁特性。
专利文献1：日本专利特开2003-272911号公报
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高磁特性、且兼具绝缘性和耐热性等的可靠性的软磁性合金粉末。
本发明之一是一种软磁性合金粉末，其中，以铁为主要成分且具有软磁性的合金粉末被具有绝缘性的绝缘被膜被覆。该绝缘被膜包括：与构成软磁性合金粉末的合金粉末的表面相接的第一被膜，与第一被膜相接的第二被膜。其中，第二被膜的厚度(t2)相对于第一被膜的厚度(t1)的比值(t2/t1)为0.02～300。
在本发明的一个实施方式中，合金粉末的粒径(D50)(D)相对于绝缘被膜的厚度(T)的比值(D/T)可以是1.4～10000。
在本发明的一个实施方式中，合金粉末的粒径(D50)可以是0.5～20μm。
在本发明的一个实施方式中，第一被膜可以包含B、Cr、Al中的至少1种以上。
在本发明的一个实施方式中，第一被膜可以是氮化物。
在本发明的一个实施方式中，第二被膜可以以SiO2为主要成分。
在本发明的一个实施方式中，第一被膜和/或第二被膜可以进一步包含Mn或Ti的至少任1种。
在本发明的一个实施方式中，合金粉末可以包含满足Si≥2重量％、Al≥1重量％、以及Si+Al≤12重量％的关系的量的Si和Al，余分可以由Fe和不可避免的杂质构成。其中，可以具有无定形组成。
在本发明的一个实施方式中，软磁性合金粉末可以在25℃至150℃具有负的磁芯损耗温度特性。
在本发明的一个实施方式中，在合金粉末中，Fe的一部分可以与B、Cr、Al中的至少1种以上发生取代。
在本发明的一个实施方式中，在合金粉末中，与Fe发生取代的B、Cr、Al的总量相对于该合金粉末整体可以为1～10重量％。
发明效果
通过本发明，可提供兼具高磁特性与绝缘性和耐热性等的可靠性的铁基的软磁性合金粉末。
具体实施方式
以下，对本发明的一实施方式进行详细说明。本发明并不限定于以下的实施方式，可以在不损害本发明的效果的范围内施加适当变更来实施。
本实施方式的软磁性合金粉末在以铁为主要成分的合金粉末的表面上被覆有绝缘被膜。绝缘被膜由将合金粉末的表面被覆的第一被膜、和将被第一被膜被覆的粉末被覆的第二被膜形成。虽然通过将绝缘被膜加厚可获得高耐热性，但例如由于两者的热膨胀系数的差异等缘故，容易从合金粉末剥离。因此，为了提高第二被膜的密合性，在合金粉末的表面形成第一被膜，在其上形成第二被膜。即，可通过第二被膜确保高耐热性，可通过第一被膜来吸收导致第二被膜剥离的冲击。这里，如果第二被膜的厚度t2相对于第一被膜的厚度t1的比值(t2/t1)过大，则无法充分获得第一被膜所带来的缓冲效果。反之，如果该比值过小，则绝缘性下降。为了兼顾高绝缘性和高耐热性，构成为满足第二被膜的厚度t2相对于第一被膜的厚度t1的比值(t2/t1)为0.02～300、优选为0.1～100、更优选为2～25的条件。
[膜厚]
本实施方式的软磁性合金粉末的绝缘被膜的膜厚是指用透射型电子显微镜等测定的膜厚的实测值。
[绝缘被膜]
本说明书中的“绝缘被膜”是指在具有软磁性的合金粉末的表面上形成的具有绝缘性的被膜。只要被膜具有绝缘性，对材质就没有特别限定。
[软磁性合金粉末]
本说明书中，“软磁性合金粉末”是指在以铁为主要材料的具有软磁性的合金粉末(以下简称为“合金粉末”)的表面上被覆有绝缘被膜的粉末。综合考虑磁特性和生产性等，合金粉末优选为通过雾化法制造的粉末。软磁性合金粉末的粒径无特别限定，可根据所需的磁特性进行调整。
[粒径(D50)/绝缘被膜的厚度]
本实施方式的软磁性合金粉末中，合金粉末的粒径D相对于绝缘被膜的厚度T的比值(D/T)如果过大，则体积中的磁性成分比例减小，所以无法获得足够的磁特性。反之，如果该比值过小，则绝缘性低，所以无法获得足够的磁特性。为了具有优良的磁特性并兼顾高绝缘性和高耐热性，构成为合金粉末的粒径D相对于绝缘被膜的厚度T的比值(D/T)为1.4～10000，优选为30～1500，更优选为40～1000。这里，“软磁性合金粉末的粒径”是指软磁性合金粉末的中值粒径(D50)，可通过以往公知的方法、例如激光衍射散射法来测定。此外，“软磁性合金粉末的粒径相对于绝缘被膜的厚度的比值”是指软磁性粉末的中值粒径：D50的测定值与绝缘被膜的膜厚的测定值的比值，是不具有单位的无量纲量。通过该比值在上述范围内，软磁性合金粉末作为压粉磁心的材料可具有优良的性能。
[粒径]
上述软磁性合金粉末的涉及饱和磁通密度(Bs)、磁导率的效果以及下述的负的磁芯损耗温度特性可由具有宽范围的粒径的软磁性合金粉末获得。通过粒径(D50)为0.5～20μm，可获得特别好的效果。
[第一被膜]
第一被膜如上所述起到抑制第二被膜剥离的作用。只要与合金粉末及第二被膜的亲和性高、或者具有将使得第二被膜产生剥离趋势的冲击吸收掉的效果，对第一被膜的材质就没有特别限定。特别是通过包含B、Cr、Al中的至少1种以上，不仅可抑制第二被膜的剥离，还可改善软磁性合金粉末在高频段的磁特性。此外，通过使第一被膜为氮化物，可进一步改善在高频段的磁特性。这里，高频段是指1MHz以上的区域。
第一被膜还可以包含Mn或Ti的至少任1种。通过以微量添加这些元素，可获得与合金粉末及第二被膜的密合性的进一步提高、使得第二被膜产生剥离趋势的冲击的吸收能力的进一步提高、以及在高频段的磁特性的进一步改善的效果。
[第二被膜]
第二被膜可选择Al2O3、SiO2、MgO等绝缘性高的材料。本实施方式中，第二被膜的主要成分为SiO2。由于绝缘被膜是致密且化学性质非常稳定的SiO2被膜，因此可获得不易剥离、具有高绝缘性和耐热性的软磁性合金粉末。
第二被膜还可以包含Mn或Ti的至少任1种。通过以微量添加这些元素，可获得与第一被膜的密合性的进一步提高、第二被膜的剥离性的改善、第二被膜的绝缘性和耐热性的进一步提高的效果。此外，包含与上述第一被膜中以微量添加的元素相同的元素的情况下，第一被膜和第二被膜的密合性进一步提高。
[合金粉末]
本实施方式的软磁性合金粉末中，合金粉末包含满足Si≥2重量％、Al≥1重量％、以及Si+Al≤12重量％的关系的量的Si和Al，余分由Fe和不可避免的杂质构成。本实施方式的软磁性合金粉末优选包含满足Si≥3.5重量％、Al≥2.5重量％、以及Si+Al≤12重量％的关系的量的Si和Al。由于是包含满足上述关系的量的Si和Al的无定形组成的粉末，因此软磁性合金粉末的饱和磁通密度(Bs)以及磁导率提高。由于该效果，本实施方式的软磁性合金粉末有利于电子部件的小型化。
进一步优选该合金粉末为无定形组成。由于合金粉末是具有上述组成的无定形组织的合金粉末，因此除了优良的软磁特性外，也具有阻燃性。
在本实施方式的软磁性合金粉末的合金粉末中，Fe的一部分可以与B、Cr、Al中的至少1种以上发生取代。通过用这些元素进行取代，软磁特性提高，并且绝缘性和耐热性的可靠性提高。但是，如果这些元素过多，则Fe的含量相对减少，因此软磁性合金粉末的磁特性下降。反之，如果过少，则无法充分获得取代的效果。与Fe发生取代的B、Cr、Al的总量构成为相对于该合金粉末整体为1～10重量％、优选为1.5～5重量％。
本实施方式的软磁性合金粉末的合金粉末中，作为不可避免的杂质，可在不影响目标特性的范围内包含N、S、O等元素。
此外，包含满足上述关系的量的Si和Al、余分是Fe以及不可避免的杂质的软磁性合金粉末在25℃～120℃的范围内具有负的磁芯损耗温度特性。包含满足Si≥3.5重量％、Al≥2.5重量％、以及Si+Al≤12重量％的关系的量的Si和Al的本实施方式的软磁性合金粉末进一步在120℃～150℃的范围内也具有负的磁芯损耗温度特性。
[负的磁芯损耗温度特性]
负的磁芯损耗温度特性是指软磁性合金粉末的磁芯损耗相对于温度具有负的系数，即、软磁性合金粉末的磁芯损耗随着温度的上升而下降的特性。具有负的磁芯损耗温度特性的本实施方式的软磁性合金粉末因为磁芯损耗随着温度的上升而下降，所以能够抑制由使用时的磁芯损耗产生的发热造成的磁芯自身的温度的升高，作为以往难以在高温环境下使用的压粉磁心等的电子部件的材料具有适宜的特性。本实施方式的软磁性合金粉末之所以具有负的磁芯损耗温度特性，可认为是因为由组成确定的磁致伸缩常数具有正的值。
[制造方法]
本发明实施方式的软磁性合金粉末通过在具有软磁性的铁基的合金粉末上形成绝缘被膜的方式来制造。
作为材料的合金粉末可通过以下作为金属粉末的制造方法例示的以往公知的方法来制造，但是只要具有本实施方式的组成，就可以具有上述的磁特性，所以对制造方法无特别限定。
·雾化法：水雾化法、气体雾化法、离心力雾化法等
·机械处理法：粉碎法、机械合金化法等
·熔体纺丝法
·旋转电解法(REP法)：等离子体REP法等
·化学处理法：氧化物还原法、氯化物还原法、湿法冶金技术、羰基反应法等
以上例示的制造方法中，特别是雾化法可以在大气压下大量生产小径且球形的合金粉末。其中，若采用水雾化法，则可以低成本进行制造。此外，通过采用水雾化法进行制造以使合金粉末的粒径变小，可抑制涡流损耗，制造具有优良的磁特性的压粉磁心等。
在使用水雾化法来制造合金粉末的情况下，通过对将调整为所需组成的材料熔化而得的熔液喷射设定参数的高压水，以达到所需的冷却条件及粒径，可使熔液飞散和凝固，得到粉末。然后，对所得的粉末进行干燥、分级，根据需要进行表面处理，可得到目标的合金粉末。
绝缘被膜的形成通过形成第一被膜的工序和形成第二被膜的工序来进行。
第一被膜可通过等离子体处理、热处理、化学处理、溅射等公知的技术来形成。
第二被膜可通过化学蒸镀法(CVD)和物理蒸镀法(PVD)等气相法以及喷镀法等现有公知的方法来进行。特别是从生产性和成本的角度来看，优选通过溶胶－凝胶法来进行。溶胶－凝胶法中，将包含作为被膜成分的氧化物的原料的金属醇盐和/或金属乙酸盐、用于水解的水、作为溶剂的醇、作为催化剂的酸或碱等的溶液，与如上所述得到的软磁性合金粉末混合后，加热除去溶剂，从而形成绝缘被膜。混合可采用例如行星式混合机、混磨机、砂浆机、螺条混合机等来进行，只要是具有将粉末与溶液混合的机构的装置，对混合所用的装置就没有特别限定。溶胶－凝胶法中，绝缘被膜的膜厚可通过调整绝缘材料的掺入量、混合时间、溶液的滴加方法、滴加量、温度等条件来调整至所需膜厚。
绝缘被膜形成后，通过进行分级，可获得具有与所需磁特性相对应的目标粒径的软磁性合金粉末。
实施例
用上述实施方式的软磁性合金粉末制造的压粉磁心在180℃下工作3000小时后的结果是，电阻值和耐受电压没有下降。此外，在1MHz以上的高频下，在作为磁特性的磁导率和磁芯损耗方面也得到了良好的结果。因此，一种实施方式的软磁性合金粉末可制造即使在高温环境下也具有优良特性的电子部件。

Claims (11)

1.一种软磁性合金粉末，其是以铁为主要成分且具有软磁性的合金粉末被绝缘被膜被覆的软磁性合金粉末，其特征在于，
所述绝缘被膜包括与所述合金粉末的表面相接的第一被膜，与所述第一被膜相接的第二被膜，
所述第二被膜的厚度相对于所述第一被膜的厚度的比值为0.02～300。
2.如权利要求1所述的软磁性合金粉末，其中，所述合金粉末的粒径D50相对于所述绝缘被膜的厚度的比值为1.4～10000。
3.如权利要求1或2所述的软磁性合金粉末，其中，所述合金粉末的粒径D50为0.5～20μm。
4.如权利要求1～3中任一项所述的软磁性合金粉末，其中，所述第一被膜包含B、Cr、Al中的至少1种以上。
5.如权利要求4所述的软磁性合金粉末，其中，所述第一被膜是氮化物。
6.如权利要求1～5中任一项所述的软磁性合金粉末，其中，所述第二被膜以SiO2为主要成分。
7.如权利要求4～6中任一项所述的软磁性合金粉末，其中，所述第一被膜和/或所述第二被膜还包含Mn或Ti的至少任1种。
8.如权利要求1～6中任一项所述的软磁性合金粉末，其中，
所述合金粉末
包含满足Si≥2重量％、Al≥1重量％、以及Si+Al≤12重量％的关系的量的Si和Al，余分可以由Fe和不可避免的杂质构成，
并且具有无定形组织。
9.如权利要求8所述的软磁性合金粉末，其特征在于，所述软磁性合金粉末在25℃～150℃具有负的磁芯损耗温度特性。
10.如权利要求8或9所述的软磁性合金粉末，其中，构成所述软磁性合金粉末的合金粉末中，Fe的一部分与B、Cr、Al中的至少1种以上发生取代。
11.如权利要求10所述的软磁性合金粉末，其中，在所述合金粉末中，与Fe发生取代的B、Cr、Al的总量相对于该合金粉末整体为1～10重量％。
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