CN1846282A - 软磁材料及其制造方法 - Google Patents

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丰田晴久
水谷良治
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Abstract

公开的是一种具有最佳电阻率的软磁材料和用于制造这样的软磁材料的方法。所述软磁材料包含多个复合磁性粒子(30)。每个复合磁性粒子(30)包含金属磁性粒子(10)和绝缘涂膜(20)，所述绝缘涂膜(20)覆盖所述金属磁性粒子(10)表面，并且含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质。所述软磁材料的电阻率不小于3,000μΩcm且不大于50,000μΩcm，并且磁导率μ不小于2,000且不大于4,000。制造这样的软磁材料的方法包括通过将多个复合磁性粒子(30)压缩而压制压坯的步骤，以及在不低于400℃且不高于900℃的温度对所述的压坯进行第一次热处理的步骤。

Description

磁材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种软磁材料及其制造方法，更具体而言，本发明涉及一种包含具有金属磁性粒子和绝缘涂膜的复合磁性粒子的软磁材料及其制造方法。
背景技术
电学/电子元件最近已经被致密化和小型化，在涉及电机磁芯和变压器铁芯时要求在节省功率的情况下进行更加精确控制的能力。因此，一种用于这些电学/电子元件的软磁材料正在开发中，所述软磁材料在中高频率区域具有优异的磁性。为了在中高频率区域表现出优异的磁性，软磁材料必须具有高的饱和磁通密度、高磁导率和高电阻率。
例如，日本专利公开6-267723(专利文献1)公开了这样一种软磁材料。
专利文献1：日本专利公开6-267723。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在上述文献公开的软磁材料中，存在这样的问题，电阻率过高并且磁通密度小。
因此，本发明是为了解决上述问题而提出的，并且本发明的一个目的是提供一种具有最佳电阻率的软磁材料及其制造方法。
解决问题的手段
根据本发明的软磁材料包含多个复合磁性粒子。所述多个复合磁性粒子的每一个都具有金属磁性粒子和围绕所述金属磁性粒子表面的绝缘涂膜，所述绝缘涂膜含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质。该软磁材料的电阻率ρ为至少3000μΩcm且不大于50000μΩcm。
更优选软磁材料的磁导率μ为至少2000并且不大于4000。根据本发明制造软磁材料的方法是一种制造上述软磁材料的方法，并且包括通过将具有金属磁性粒子和围绕所述金属磁性粒子表面的绝缘涂膜的多个复合磁性粒子压制而制备压坯的步骤，所述绝缘涂膜含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质；和在至少400℃且不大于900℃的温度对所述的压坯进行第一次热处理的步骤。
优选制造软磁材料的方法还包括在进行所述的第一次热处理之后压制所述的压坯，其后在至少400℃且不大于900℃的温度、大气压对所述的压坯进行第二次热处理的步骤。
发明效果
根据本发明，可以提供具有所需磁性的软磁材料和制造这种软磁材料方法。
附图简述
图1是显示根据本发明一个实施方案的软磁材料的剖面的典型图。
附图标记描述
10金属磁性粒子，20绝缘涂膜，30复合磁性粒子
实施本发明的最佳方式
根据本发明的软磁材料包含多个复合磁性粒子，每个复合磁性粒子都具有金属磁性粒子和围绕所述金属磁性粒子表面的绝缘涂膜。
金属磁性粒子通常由铁(Fe)制成。但是，金属磁性粒子不限于铁，而是可以备选地由其它磁性粒子形成。例如，金属磁性粒子可以由以下合金制成：铁(Fe)-硅(Si)合金，铁(Fe)-氮(N)合金，铁(Fe)-镍(Ni)合金，铁(Fe)-碳(C)合金，铁(Fe)-硼(B)合金，铁(Fe)-钴(Co)合金，铁(Fe)-磷(P)合金，铁(Fe)-镍(Ni)-钴(Co)合金或铁(Fe)-铝(Al)-硅(Si)合金。金属磁性粒子可以是金属单质或合金。
金属磁性粒子的平均粒径优选至少5μm并且不大于200μm。如果金属磁性粒子的平均粒径小于5μm，则金属太容易氧化而可能降低软磁材料的磁性。如果金属磁性粒子的平均粒径超过200μm，则在随后的加压成型步骤中混合粉末的压缩性下降。因此，通过加压成型步骤获得的压坯的密度可能被降低，以致于难以处理压坯。
需要注意的是，此处所述的平均粒径是指当通过筛分测量的粒径直方图中以粒径升序加入的粒子的质量总和达到总质量的50％时获得的粒径，即50％粒径D。
绝缘涂膜可以由含有铝和/或锆和/或硅的氧化物绝缘体制成。通过用绝缘涂膜覆盖金属磁性粒子的表面，可以增加软磁材料的电阻率ρ。因此，通过抑制在金属磁性粒子之间流动的涡电流可以减少由涡电流造成的软磁材料的铁耗。
根据本发明，软磁材料的电阻率ρ为至少3000μΩcm并且不大于50000μΩcm。如果电阻率ρ小于3000μΩcm，则电阻率减小，从而减小了抑制涡电流的作用。
与之相反，如果电阻率ρ超过50000μΩcm，则电阻率不适宜地过分增加。更具体而言，电阻率ρ的增加意味着绝缘涂膜量的增加。如果绝缘涂膜量过分增加，诸如磁导率和磁通密度之类的磁性将变差。
为了改善上述效果，优选软磁材料的电阻率ρ为至少6000μΩcm并且不大于15000μΩcm，更优选为至少8000μΩcm并且不大于10000μΩcm。
优选绝缘涂膜的厚度为至少0.005μm并且不超过20μm。通过将绝缘涂膜的厚度设置为至少0.005μm，可以有效抑制由涡电流造成的能量损失。当将绝缘涂膜厚度设置为不大于20μm时，绝缘涂膜所占软磁材料的体积比率不过分增加。因此，可以形成具有规定饱和磁通密度的软磁材料。
更优选软磁材料的磁导率μ为至少2000并且不大于4000。进一步优选软磁材料的磁导率μ为至少2500并且不大于3500。
现在描述制造上述软磁材料的方法。首先，制备多个复合磁性粒子。将这些复合磁性粒子引入粉末压坯机中，并且在例如至少390MPa并且不大于1500MPa的压力条件下将混合粉末加压成型。如此，将混合粉末压缩，从而可获得压坯。优选在惰性气体气氛或者减压气氛下进行加压成型。在这种情况下，可以防止混合粉末被大气中的氧所氧化。在制备压坯的步骤中，采用熟知的温热加压或口模壁润滑以使压坯致密，提高空间因子并且改善磁性。温热加压中的粉末温度优选为100℃至180℃。
为了加强复合磁性粒子之间的粘合，有机物可以介入复合磁性粒子之间。在这种情况下，必须将复合磁性粒子与有机物预先相互混合。对混合方法没有限制，而是可以使用以下方法中的任何一种：机械合金化法，振动球磨法，卫星球磨法，机械融合法(mechanofusion)，共沉淀法，化学气相沉积(CVD)，物理气相沉积(PVD)，电镀，溅射，气相沉积和溶胶-凝胶法。
可以采用以下物质作为有机物：热塑性树脂如热塑性聚酰亚胺、热塑性聚酰胺、热塑性聚酰胺酰亚胺(polyamidimide)，聚苯硫，聚酰胺酰亚胺，聚(醚砜)，聚醚酰亚胺或聚(醚醚酮)。提供这样的有机物，使其在多个复合磁性粒子之间起到润滑剂作用。如此，在加压成型步骤中可以抑制绝缘涂膜的破损。
然后，将通过加压成型获得的压坯在至少400℃且不大于900℃的温度热处理。在通过加压成型步骤获得的压坯中产生大量应变和错位，这样的应变和错位导致磁导率的下降和矫顽力的增加。对压坯进行热处理的目的是消除这些应变和错位。当有机物介入复合磁性粒子之间时也需要这样的热处理。
为了提高软磁材料的密度和从软磁材料中消除错位和应变，将软磁材料再次压缩以提高密度，此后在400℃且不大于900℃的温度、大气压的条件下进行热处理。
如此，可以制造本发明的软磁材料。
通常，如果软磁材料的矫顽力小，则滞后损耗降低，如果滞后损耗大，矫顽力也增加，并且如果矫顽力小，磁导率增加。磁导率的改善导致滞后损耗的减少。根据本发明，构造所述材料，使得磁导率增加，从而导致滞后损耗的减少。
为了减少涡电流损耗，重要的是保持复合磁性粒子之间的绝缘。作为主体的软磁材料的电阻系数的增加导致涡电流损耗的减少。具体而言，涡电流损耗包括各个粒子中的涡电流损耗和粒子之间产生的涡电流损耗。必须减小粒子之间的涡电流损耗，而根据本发明可以减小涡电流损耗，因为软磁材料的电阻系数在不损害磁性的范围内提高。
对本发明中构成绝缘涂膜的氧化铝、氧化锆和氧化硅的组成没有特别限制。更具体而言，氧化铝的组成不限于Al2O3，并且可以适当改变铝和氧之间的原子比率。至于氧化锆的组成比，同样可以适当改变锆和氧之间的比率。此外，在氧化硅的组成比中还可以适当改变硅和氧的比率。
图1是显示根据本发明一个实施方案的软磁材料的剖面的示意图。参考图1，软磁材料包含多个复合磁性粒子30。每个复合磁性粒子30都具有金属磁性粒子10和围绕所述金属磁性粒子10表面的绝缘涂膜20，所述绝缘涂膜20含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质。所述软磁材料的电阻率ρ为至少3000μΩcm且不大于50000μΩcm。有机物40介入复合磁性粒子30之间。
(实施例1)
根据实施例1，制造根据本发明的软磁材料。首先，制备平均粒径为70μm的铁粒子作为金属磁性粒子。用湿法将这些铁粒子涂上充当绝缘涂膜的Al2O3膜。此时，将绝缘涂膜的厚度设置为约100nm。通过这样的涂层，用Al2O3膜围绕铁粒子表面，形成复合磁性粒子。
通过将复合磁性粒子与平均粒径不大于100μm的聚苯硫树脂粒子相互混合而制备混合粉末。将混合粉末引入金属模具中并且进行压缩模塑。此时，在氮气气氛中进行压力模塑，将金属模具设置在常温，并且将压力设置为882MPa。如此，获得压坯样品。然后，热处理压坯。在氮气气氛中800℃的温度进行热处理3小时。然后测量的样品的电阻率、密度和磁导率μ分别为5670μΩcm、7.5g/cm3和2050。
(比较例)
在比较例1中，制备Somalloy 500(商品名)作为复合磁性粒子。Somalloy500是通过将磷酸酯涂膜模塑在铁粒子表面上而制备的复合磁性粒子。将聚苯硫的粒子混合到复合磁性粒子中制备混合粉末。将混合粉末引入压坯机中并且进行加压成型。此时，在氮气气氛中进行加压成型，将金属模具设置在常温，并且将压力设置为882MPa。如此，获得压坯样品。
然后，热处理压坯。在氮气气氛中300℃的温度进行热处理0.5小时。此后测量压坯的电阻率和磁导率。电阻率为350μΩcm，并且磁导率μ为600。
从上述结果证实，本发明的软磁材料可以满足软磁材料所需的磁性。
必须认为此时公开的实施方案和实施例是说明性的而非限制性的。本发明的范围不是由上述描述显示，而是由专利的权利要求的范围显示的，意图在于包括在等价于专利的权利要求范围的含意和范围内的所有修改。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1、一种软磁材料，其包含多个复合磁性粒子(30)，其中
所述多个复合磁性粒子(30)的每一个都具有金属磁性粒子(10)和围绕所述金属磁性粒子(10)表面的绝缘涂膜(20)，所述绝缘涂膜(20)含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质，并且
电阻率ρ为至少3000μΩcm且不大于50000μΩcm，并且磁导率μ为至少2000并且不大于4000。
2、一种制造根据权利要求1的软磁材料的方法，该方法包括以下步骤：
通过将具有金属磁性粒子(10)和围绕所述金属磁性粒子(10)表面的绝缘涂膜(20)的多个复合磁性粒子(30)压制而制备压坯，所述绝缘涂膜(20)含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质；和
在至少400℃且不大于900℃的温度、大气压对所述的压坯进行第一次热处理。
3、根据权利要求2的制造软磁材料的方法，该方法还包括在进行所述的第一次热处理之后压制所述的压坯，并且其后在至少400℃且不大于900℃的温度、大气压进行第二次热处理的步骤。

Claims (4)

1、一种软磁材料，其包含多个复合磁性粒子(30)，其中
所述多个复合磁性粒子(30)的每一个都具有金属磁性粒子(10)和围绕所述金属磁性粒子(10)表面的绝缘涂膜(20)，所述绝缘涂膜(20)含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质，并且
电阻率ρ为至少3000μΩcm且不大于50000μΩcm。
2、根据权利要求1的软磁材料，其中磁导率μ为至少2000并且不大于4000。
3、一种制造根据权利要求1或2的软磁材料的方法，该方法包括以下步骤：
通过将具有金属磁性粒子(10)和围绕所述金属磁性粒子(10)表面的绝缘涂膜(20)的多个复合磁性粒子(30)压制而制备压坯，所述绝缘涂膜(20)含有由氧化铝、氧化锆和氧化硅而成的组中选择的至少一种物质；和
在至少400℃且不大于900℃的温度、大气压对所述的压坯进行第一次热处理。
4、根据权利要求3的制造软磁材料的方法，该方法还包括在进行所述的第一次热处理之后压制所述的压坯，并且其后在至少400℃且不大于900℃的温度、大气压进行第二次热处理的步骤。
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