CN117594347A

CN117594347A - 压粉磁芯用粉末的制造方法

Info

Publication number: CN117594347A
Application number: CN202310850890.4A
Authority: CN
Inventors: 大岛泰雄; 赤岩功太
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2023-07-12
Publication date: 2024-02-23
Also published as: JP2024024826A

Abstract

本发明提供一种可兼顾高导磁率与低铁损的压粉磁芯用粉末的制造方法。在将润滑剂的热重差热分析中的分解开始的绝对温度设为Td(K)、将绝缘层形成工序中的所述润滑剂的干燥温度上限的绝对温度设为Th(K)、将绝缘层形成工序中的所述润滑剂的干燥温度下限的绝对温度设为Tl(K)时，润滑剂满足下述式(1)及式(2)，绝缘层形成工序中的干燥温度为根据下述式(1)及式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下。Td‑0.84Td+322.96＜Th＜Td‑0.84Td+362.96···(1)Td‑0.70Td+168.81＜Tl＜Td‑0.70Td+208.81···(2)。

Description

压粉磁芯用粉末的制造方法

技术领域

本发明涉及一种压粉磁芯用粉末的制造方法。

背景技术

在办公自动化(office automation，OA)设备、太阳能发电系统、汽车等各种用途中使用电抗器等线圈零件。线圈零件在芯装设有线圈。而且，作为所述芯，使用压粉磁芯。

压粉磁芯以数吨(ton)～数十吨这样的高压力将包含软磁性粉末的压粉磁芯用粉末压实，制作压粉成形体。然后，通过对所述压粉成形体进行被称为退火的热处理而制作压粉磁芯。作为软磁性粉末，可列举向Fe中添加了Si与Al的FeSiAl系合金等，软磁性粉末的周围形成有包含绝缘树脂的绝缘层。

出于提高能量交换效率或低发热等要求，对于压粉磁芯，要求能够以小的施加磁场获得大的磁通密度的磁特性与磁通密度变化中的能量损失小的磁特性。作为与磁通密度相关的磁特性，例如可列举导磁率。作为与能量损失相关的磁特性，可列举也被称为芯损耗(core loss)的铁损(Pcv)。铁损(Pcv)是以磁滞损失(Ph)与涡电流损失(Pe)之和表示。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2000-030925号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

近年来，电子设备小型化、高性能化的要求提高，另外，对地球环境问题的对策成为当务之急。因此，在构成线圈零件的压粉磁芯或压粉磁芯用粉末中，高导磁率且低铁损的要求也提高。

本发明是为了解决所述课题而成，其目的在于提供一种可兼顾高导磁率与低铁损的压粉磁芯用粉末的制造方法。

[解决问题的技术手段]

为了实现所述目的，本发明的压粉磁芯用粉末的制造方法的特征在于，包含绝缘层形成工序，所述绝缘层形成工序中，向软磁性粉末中添加润滑剂及绝缘树脂，在所述软磁性粉末的周围形成绝缘层，在将所述润滑剂的热重差热分析中的分解开始的绝对温度设为Td(K)、将所述绝缘层形成工序中的所述绝缘树脂的干燥温度的上限的绝对温度设为Th(K)、将所述绝缘层形成工序中的所述绝缘树脂的干燥温度的下限的绝对温度设为Tl(K)时，所述润滑剂满足下述式(1)及式(2)，所述绝缘层形成工序中的干燥温度为根据下述式(1)及式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下。

(式1)

Td-0.84Td+322.96＜Th＜Td-0.84Td+362.96···(1)

(式2)

Td-0.70Td+168.81＜Tl＜Td-0.70Td+208.81···(2)

所述绝缘层形成工序可包含：润滑剂添加工序，向所述软磁性粉末中添加所述润滑剂；以及被膜工序，向经过了所述润滑剂添加工序的所述软磁性粉末中添加绝缘树脂，使其干燥，在所述软磁性粉末的周围形成绝缘层。

[发明的效果]

通过本发明，可兼顾高导磁率与低铁损。

附图说明

图1是表示关系式(1)及关系式(2)的范围的图表。

具体实施方式

(实施方式)

以下，对本实施方式的压粉磁芯用粉末及压粉磁芯进行详细说明。此外，本发明并不限定于以下说明的实施方式。

压粉磁芯是用于OA设备、太阳能发电系统、汽车等中所搭载的线圈零件的芯的磁性体。压粉磁芯是通过将压粉磁芯用粉末压实、退火而成。压粉磁芯用粉末包含软磁性粉末。在软磁性粉末中，在添加了润滑剂后，形成包含绝缘材料的绝缘层。对由所述绝缘层被覆的软磁性粉末进行加压成形而制作压粉成形体，并对压粉成形体进行退火，由此制作压粉磁芯。

软磁性粉末将铁作为主成分。作为软磁性粉末，可列举：将铁作为主成分的坡莫合金(Fe-Ni合金)、含Si的铁合金(Fe-Si合金)、铝硅铁合金(Fe-Si-Al合金)、或这些两种以上的粉末的混合粉等。软磁性粉末可为非晶合金，也可为纳米结晶合金粉末。

在使用坡莫合金(Fe-Ni合金)的情况下，Ni相对于Fe的比率优选为50：50或25：75，但也可为其他比率。例如，也可为Fe-80Ni、Fe-36Ni。除了包含Fe与Ni以外，也可包含Si、Cr、Mo、Cu、Nb、Ta等。在含Si的铁合金中也可包含Co、Al、Cr或Mn。

Fe-Si合金粉末例如可列举Fe-3.5％Si合金粉末、Fe-5.5％Si合金粉末，但Si相对于Fe的比率也可不为3.5％或5.5％。Fe-Si-Al合金是包含铁、硅与铝的三元合金，例如，相对于Fe而含有6wt％至10wt％左右的Si及4wt％至5wt％左右的Al，但也可相对于Fe而包含1wt％至3wt％左右的Ni，进而可包含Co、Cr或Mn。

所述软磁性粉末可通过粉碎法制作，也可通过雾化法制作。粉碎法是将软磁性粉末的块机械性粉碎。在软磁性粉末的块大的情况下，利用颚式破碎机(jaw crusher)、锤磨机(hammermill)、捣磨机(stamp mill)等进行粉碎，在软磁性粉末的块小的情况下，利用球磨机、振动磨机等进行微粉化。另外，雾化法可为水雾化法、气体雾化法、水气体雾化法中的任一者。例如，在气体雾化法中，向高温下熔融的软磁性粉末吹附气体进行粉末化，其后进行冷却使其凝固。

软磁性粉末也可经过粉末热处理工序。粉末热处理工序是对软磁性粉末进行热处理的工序。在粉末热处理工序中，在非氧化气氛中加热1小时～6小时。在非氧化气氛中包含气氛中的0.01％等的低氧气氛或惰性气体气氛。作为惰性气体，可列举H₂或N₂。作为热处理温度，为400℃以上且800℃以下。

接着，经过第一润滑剂添加工序。第一润滑剂添加工序是向软磁性粉末中添加第一润滑剂的工序。所述第一润滑剂添加工序相当于技术方案1所述的润滑剂添加工序。

作为第一润滑剂，可使用满足下述关系式(1)及关系式(2)的润滑剂。

(关系式(1))

Td-0.84Td+322.96＜Th＜Td-0.84Td+362.96···(1)

(关系式(2))

Td-0.70Td+168.81＜Tl＜Td-0.70Td+208.81···(2)

所述关系式(1)及关系式(2)中的Td(K)是润滑剂的热重差热分析中的分解开始的绝对温度(以下也称为“分解开始温度”)，Th(K)是后述的被膜工序中的所述绝缘树脂的干燥温度的上限的绝对温度(以下也称为“干燥上限温度”)，Tl(K)是被膜工序中的所述绝缘树脂的干燥温度下限的绝对温度(以下也称为“干燥下限温度”)。

润滑剂的分解开始温度例如是在热重差热分析装置中所述润滑剂开始热分解的温度。此外，干燥上限温度是指绝缘树脂的干燥温度的上限温度的临界点，干燥下限温度是指绝缘树脂的干燥温度的下限温度的临界点。此外，关于各临界点，获取后述的实施例的表2的特性，从所述获得的结果中导出临界点。

在经过了第一润滑剂添加工序后，经过被膜工序。被膜工序是对经过了第一润滑剂添加工序的软磁性粉末添加绝缘树脂，在软磁性粉末的周围形成绝缘层的工序。即，在软磁性粉末的周围，形成有包含绝缘树脂的绝缘层。绝缘层只要形成于软磁性粉末的周围，则绝缘树脂的附着形态不限。即，绝缘树脂可以完全覆盖软磁性粉末的周围的方式附着，也可以覆盖一部分的方式附着，而软磁性粉末的表面的一部分露出。另外，绝缘树脂可附着于软磁性粉末的各粒子的表面，也可附着于软磁性粉末的凝聚体的表面，也可以这些附着的形态混合存在的方式附着。

作为绝缘树脂，可使用硅烷化合物、硅酮树脂、硅酮寡聚物或这些的混合物。绝缘层可为单层，也可为多层。例如，绝缘层可包括按照种类分成各层的多层，也可为一种或混合了两种以上的绝缘材料的单层。

在硅烷化合物中包含无官能基的硅烷化合物及硅烷偶联剂。作为无官能基的硅烷化合物，例如可使用乙氧基系及甲氧基系等烷氧基硅烷，特别优选为四乙氧基硅烷。作为硅烷偶联剂，可使用氨基硅烷系、环氧硅烷系、异氰脲酸酯系硅烷偶联剂，特别优选为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、三-(3-三甲氧基硅烷基丙基)异氰脲酸酯。

作为硅烷化合物的添加量，相对于软磁性粉末，优选为0.05wt％以上且1.0wt％以下。通过将硅烷化合物的添加量设为所述范围，可提高软磁性粉末的流动性，并且可提高所成形的压粉磁芯的密度、磁特性、强度特性。

硅酮树脂是在主骨架具有硅氧烷键(Si-O-Si)的树脂。通过使用硅酮树脂，可形成挠性优异的被膜。硅酮树脂可使用甲基系、甲基苯基系、丙基苯基系、环氧树脂改性系、醇酸树脂改性系、聚酯树脂改性系、橡胶系等。其中，特别是在使用甲基苯基系的硅酮树脂的情况下，可形成加热减量少、耐热性优异的绝缘层。

相对于软磁性粉末，硅酮树脂的添加量优选为0.6wt％以上且2.5wt％以下。若添加量少于0.6wt％，则无法作为绝缘层发挥功能，涡电流损失增加，由此导致磁特性下降。若添加量多于2.5wt％，则导致压粉磁芯的密度下降。

作为硅酮寡聚物，可使用：具有烷氧基硅烷基、不具有反应性官能基的甲基系、甲基苯基系的硅酮寡聚物；或具有烷氧基硅烷基及反应性官能基的环氧系、环氧甲基系、巯基系、巯基甲基系、丙烯酸甲基系、甲基丙烯酸甲基系、乙烯基苯基系的硅酮寡聚物；或者并非烷氧基硅烷基而具有反应性官能基的脂环式环氧系的硅酮寡聚物等。特别是，通过使用甲基系或甲基苯基系的硅酮寡聚物，可形成厚且硬的绝缘层。另外，考虑到绝缘层的形成容易度，也可使用粘度比较低的甲基系、甲基苯基系。

相对于软磁性粉末，硅酮寡聚物的添加量优选为0.1wt％以上且2.0wt％以下。若添加量少于0.1wt％，则无法作为绝缘层发挥功能，涡电流损失增加，由此导致磁特性下降。若添加量多于2.0wt％，则会导致压粉磁芯的密度下降。

在所述被膜工序中，向软磁性粉末中添加绝缘树脂并加以混合后，进行加热干燥。通过对绝缘树脂进行加热干燥，在软磁性粉末的表面形成绝缘层。加热干燥的温度为根据关系式(1)及关系式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下。通过加热温度满足所述范围，可提高导磁率，且降低磁滞损失。

这是推测，并不限定于所述机理，但推断为通过使用满足所述关系式(1)及关系式(2)的润滑剂，且以Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下的干燥温度使绝缘树脂干燥，由润滑剂带来的润滑作用进一步发挥效果，软磁性粉末的移动变得顺畅，软磁性粉末间接近，密度提高，结果可兼顾高导磁率与低磁滞损失。

此外，在本实施方式中，在经过了添加第一润滑剂的润滑剂添加工序后，经过了添加绝缘树脂的被膜工序，但第一润滑剂及绝缘树脂的添加时机并不限定于此。即，也可将第一润滑剂添加工序及被膜工序作为绝缘层形成工序汇总为一个，同时添加第一润滑剂及绝缘树脂。另外，也可先添加绝缘树脂，其后添加第一润滑剂，然后进行加热干燥。

经过了被膜工序后，经过第二润滑剂添加工序。第二润滑剂添加工序是向形成有绝缘层的软磁性粉末中添加第二润滑剂的工序。作为第二润滑剂，可使用与第一润滑剂相同种类的润滑剂，但无需使用相同的润滑剂。即，第二润滑剂可使用与第一润滑剂不同种类的润滑剂。另外，第二润滑剂也可使用不满足关系式(1)及关系式(2)的种类的润滑剂。相对于软磁性粉末，第二润滑剂的添加量优选为0.2wt％以上且0.7wt％以下。

在经过了第二润滑剂添加工序后，经过加压成形工序。加压成形工序是通过对形成有绝缘层的软磁性粉末进行加压成形而制作压粉成形体的工序。首先，将软磁性粉末填充至模具中，其后以10ton/cm²～20ton/cm²进行加压。以此方式制作压粉成形体。

在加压成形工序之后，经过退火工序。退火工序是对经过加压成形工序而制作的压粉成形体进行退火，将软磁性粉末内的应变去除的工序。在退火工序中，在氮气中、氢气中、氮与氢的混合气体、0.01％左右的低氧气氛等非氧化性气氛中，以650℃以上且为比在软磁性粉末的周围形成的绝缘层被破坏的温度(例如设为900℃)低的温度进行压粉成形体的热处理。通过经过所述退火工序而制作压粉磁芯。

(实施例)

基于实施例对本发明进行更详细的说明。此外，本发明并不限定于下述实施例。

如下所述，制作实施例1～实施例12及比较例1～比较例19的压粉磁芯用粉末，使用所述压粉磁芯用粉末制作压粉磁芯。实施例1～实施例12及比较例1～比较例19中，仅第一润滑剂的种类与被膜工序中的干燥温度不同，其他制造工序、制造条件相同。

首先，使用Fe-Si-Al合金粉末作为软磁性粉末。对Fe-Si-Al合金粉末进行热处理。热处理的条件是在氮气氛中，以650℃的温度加热2小时。对于热处理后的Fe-Si-Al合金粉末，相对于Fe-Si-Al合金粉末添加0.3wt％的下述表的种类的第一润滑剂并加以混合。

作为第一润滑剂，如表1所示，准备了月桂酸、硬脂酸、脂肪酸衍生物、硬脂酸锌及亚乙基双硬脂酰胺此五种。各润滑剂的分解开始温度、干燥上限温度及干燥下限温度如表1所示。关于分解开始温度，使用热重差热分析装置STA7200RV(日立高科技(Hitachi High-Tech Science)股份有限公司)，将作为测定对象的润滑剂3mg～7mg放入至直径5.2mm、高度2.5mm的圆筒状的容器中，在氮气氛中，对气氛温度的升温速度10℃/min下的分解开始温度进行测定。

另外，算出绝缘树脂的干燥上限温度及干燥下限温度。干燥上限温度是在各润滑剂中，从改变了绝缘树脂的干燥温度的结果导出的干燥温度的上限侧的临界点。干燥下限温度是在各润滑剂中，从改变了绝缘树脂的干燥温度的结果导出的干燥温度的下限侧的临界点。具体而言，根据后述的表2的结果，将导磁率为142以上且降低了磁滞损失的范围内的下限侧的临界点设为干燥温度的下限，将上限侧的临界点设为干燥温度的上限。而且，将作为摄氏温度的干燥温度的上限及干燥温度的下限换算成绝对温度的是表1的干燥上限温度Th(K)及干燥下限温度Tl(K)。

例如，以月桂酸为例来看，在干燥温度50℃至150℃的范围内，导磁率为142以上而高，且磁滞损失降低至190(kW/m³)以下，将干燥温度的下限侧的临界点的温度设为50℃，将上限侧的临界点的温度设为150℃。而且，若将所述50℃、150℃这样的摄氏温度换算成绝对温度，则下述表1所示的干燥上限温度Th为423.15(K)，干燥下限温度可导出为323.15(K)。对于其他润滑剂，也以同样的方式根据导磁率及磁滞损失算出作为上限侧的临界点的干燥上限温度Th及作为下限侧的临界点的干燥下限温度Tl。

[表1]

添加了第一润滑剂后，对于Fe-Si-Al合金粉末，添加作为绝缘树脂的硅烷偶联剂0.3wt％、硅酮树脂1.2wt％，加以混合并干燥2小时。各试样的干燥温度如表2所示。由此，混合有硅烷偶联剂及硅酮树脂的绝缘层形成于Fe-Si-Al合金粉末的周围。

干燥后，为了消除凝聚，通过网眼850μm的筛子，添加并混合第二润滑剂。第二润滑剂使用与各试料中的第一润滑剂相同种类的润滑剂。第二润滑剂相对于Fe-Si-Al合金粉末添加0.2wt％。

将添加了第二润滑剂的Fe-Si-Al合金粉末填充至模具中，以15ton/cm²进行加压成形，制作外径16.5mm、内径11.0mm及高度5.0mm的环状的压粉成形体。然后，将所述压粉成形体以700℃的温度，在氮气氛中退火2小时，制作各压粉磁芯。

然后，对所制作的各压粉磁芯在0A/m下的初始导磁率、磁滞损失(kW/m³)、涡电流损失(kW/m³)及铁损(kW/m³)进行测定。

在测定各导磁率时，在压粉磁芯上将φ0.5mm的铜线卷绕30匝作为一次绕组。然后，通过使用电感、电容、电阻(inductance capacitance resistance，LCR)仪(安捷伦技术(Agilent Technologies)：4284A)，根据100kHz、1.0V下的磁场的强度的电感算出初始导磁率。

另外，测定铁损时，在压粉磁芯上将φ0.5mm的铜线卷绕15匝作为一次绕组，另外，卷绕15匝作为二次绕组。然后，使用作为磁测量设备的BH分析器(岩通测量股份有限公司：SY-8219)，在频率为100kHz及最大磁通密度Bm为100mT的测定条件下进行铁损Pcv(kW/m³)的测定。根据铁损Pcv的测定结果算出磁滞损失Ph(kW/m³)及涡电流损失Pe(kW/m³)。磁滞损失Ph(kW/m³)与涡电流损失Pe(kW/m³)通过如下方式来进行：对铁损PcV的频率曲线利用下式(3)～式(5)并根据最小二乘法算出磁滞损失系数(Kh)、涡电流损失系数(Ke)。

Pcv＝Kh×f+Ke×f²··(3)

Ph＝Kh×f··(4)

Pe＝Ke×f²··(5)

Pcv：铁损

Kh：磁滞损失系数

Ke：涡电流损失系数

f：频率

Ph：磁滞损失

Pe：涡电流损失

将所测定的结果示于表2。另外，与从分解开始温度减去干燥上限温度而得的值相关的近似直线的斜率及截距、与从分解开始温度减去干燥下限温度而得的值相关的近似直线的斜率及截距示于表3。

[表2]

[表3]

发明者等人进行努力研究的结果为，着眼于在被膜工序之前添加的润滑剂的分解开始温度与被膜工序中的绝缘树脂的干燥温度的关系。特别是着眼于润滑剂的分解开始温度、绝缘树脂的干燥上限温度与干燥下限温度的关系。具体而言，在除了初始导磁率的值低的亚乙基双硬脂酰胺以外的四种润滑剂中，算出“分解开始温度-干燥上限温度”、“分解开始温度-干燥下限温度”的近似式(图1的实线)。进而，进行了努力研究，结果发现，若使用将各个近似式的截距设为±20K的满足下述关系式(1)及关系式(2)的润滑剂，则初始导磁率提高，且磁滞损失降低(图1的两点划线表示关系式(1)的范围，图1的一点划线表示关系式(2)的范围)。

(关系式(1))

Td-0.84Td+322.96＜Th＜Td-0.84Td+362.96···(1)

(关系式(2))

Td-0.70Td+168.81＜Tl＜Td-0.70Td+208.81···(2)

若基于所述关系式(1)及关系式(2)具体来看，则月桂酸、硬脂酸、脂肪酸衍生物、硬脂酸锌及亚乙基双硬脂酰胺此五种中，仅亚乙基双硬脂酰胺不满足所述关系式。具体而言，基于式(1)及式(2)算出的亚乙基双硬脂酰胺的值如下。

417.864＜Th＜457.864

346.755＜Tl＜386.755

表1所示的亚乙基双硬脂酰胺的干燥上限温度为473.15(K)，干燥下限温度为453.15(K)，因此不满足所述关系式。

而且，从亚乙基双硬脂酰胺(比较例13～比较例19)来看，也有与其他润滑剂相同程度的磁滞损失或铁损，但初始导磁率最大也为125左右而低。因此，确认到若使用不满足关系式(1)及关系式(2)的润滑剂，则无法兼顾导磁率与低磁滞损失、甚至低铁损。

另外，确认到即使是满足所述关系式(1)及关系式(2)的关系式的润滑剂，由于与被膜工序的干燥温度的关系，也无法兼顾导磁率与低磁滞损失、甚至低铁损。具体而言，确认到被膜工序中的干燥温度需要设为根据关系式(1)及关系式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下。

被膜工序的干燥温度为根据关系式(1)及关系式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下的实施例1～实施例12与使用相同种类的润滑剂的各比较例相比，磁滞损失减少，保持低铁损。应特别注意的是实施例的导磁率，超过140。即，确认到若将被膜工序中的干燥温度设为根据关系式(1)及关系式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下，则可兼顾高导磁率与低铁损。

(其他实施方式)

在本说明书中，对本发明的实施方式进行了说明，但所述实施方式是作为例子来提示，并不意图限定发明的范围。如上所述的实施方式能够以其他各种形态来实施，且可在不脱离发明的范围的范围内进行各种省略或置换、变更。实施方式或其变形包含于发明的范围或主旨中，同样地包含于权利要求中所记载的发明及其均等的范围内。

Claims

1.一种压粉磁芯用粉末的制造方法，其特征在于，包含绝缘层形成工序，所述绝缘层形成工序中，向软磁性粉末中添加润滑剂及绝缘树脂，在所述软磁性粉末的周围形成绝缘层，

在将所述润滑剂的热重差热分析中的分解开始的绝对温度设为Td(K)、将所述绝缘层形成工序中的所述绝缘树脂的干燥温度的上限的绝对温度设为Th(K)、将所述绝缘层形成工序中的所述绝缘树脂的干燥温度的下限的绝对温度设为Tl(K)时，

所述润滑剂满足下述式(1)及式(2)，

所述绝缘层形成工序中的干燥温度为根据下述式(1)及式(2)算出的Tl(K)的下限值以上且Th(K)的上限值以下，

(式1)

Td-0.84Td+322.96＜Th＜Td-0.84Td+362.96···(1)

(式2)

Td-0.70Td+168.81＜Tl＜Td-0.70Td+208.81···(2)。

2.根据权利要求1所述的压粉磁芯用粉末的制造方法，其特征在于，

所述绝缘层形成工序包含：

润滑剂添加工序，向所述软磁性粉末中添加所述润滑剂；以及

被膜工序，向经过了所述润滑剂添加工序的所述软磁性粉末中添加绝缘树脂，并使其干燥，在所述软磁性粉末的周围形成绝缘层。