TW202200291A - 軟磁性合金粉末 - Google Patents

Abstract

本發明係一種軟磁性合金粉末，其係以鐵作為主要成分，且具有軟磁性的合金粉末被具有絕緣性的絕緣被膜被覆。該絕緣被膜係包含：與構成軟磁性合金粉末的合金粉末之表面相接的第一被膜，以及與第一被膜相接的第二被膜。並且，第二被膜之厚度相對於第一被膜之厚度的比值為0.02～300。

Description

軟磁性合金粉末

本發明係關於軟磁性合金粉末。

近年來，在電源電路中所使用的功率電感器，由於小型化、低高度化的要求，期待能夠在大電流、高頻下使用的軟磁性材料。習知，作為電感器的主要材料，使用屬於氧化物的肥粒鐵系材料，但因為飽和磁化強度低，所以不利於小型化，近年來，使用了飽和磁化強度高且有利於小型化、低高度化之合金系材料的金屬電感器急速增加。作為金屬電感器，已知有使用以鐵作為主要材料的軟磁性合金粉末(以下亦稱為軟磁性合金粉末)，將軟磁性合金粉末與樹脂混合，並進行壓縮成形而得的壓粉磁心等。壓粉磁心的磁特性(飽和磁化強度、磁導率、磁芯損耗、頻率特性等)係取決於使用的軟磁性合金粉末的磁特性及粒度分佈、填充性、電阻。

隨著對能源問題的關心日益增長，促進了汽車的電動化及電子設備的省電化，並要求能夠更小型化、能量損耗更少的壓粉磁心。例如，可列舉「機電一體化」，其係用於應對在汽車中用於實現高環境性能及駕駛性能的控制之強化。於此，為了在電動機及螺線管等致動器上安裝ECU(電子控制單元，Electronic Control Unit)，在屬於更高溫環境的發動機室等中設置ECU的需求日益增長。因此，要求在更高溫環境下能使用的適用於ECU之壓粉磁心等的磁性粉末。

由於習知所使用的肥粒鐵系材料係屬於氧化物，所以絕緣性及耐熱性等之可靠性高，而合金系材料的該等性質之可靠性比肥粒鐵系材料低。於是，作為提高軟磁性合金粉末之絕緣性和耐熱性的方法，已知有對軟磁性合金粉末形成被膜的方法(例如專利文獻1)。然而，為了得到高絕緣性及高耐熱性，需要增大絕緣被膜的厚度。因此，難以兼顧絕緣性及耐熱性等之可靠性與磁特性。

[專利文獻1] 日本專利特開2003-272911號公報

本發明的目的係提供一種具有高磁特性、且兼具絕緣性及耐熱性等之可靠性的軟磁性合金粉末。

本發明之一方面係一種軟磁性合金粉末，其係以鐵作為主要成分，且具有軟磁性的合金粉末被具有絕緣性的絕緣被膜被覆。該絕緣被膜係包含：與構成軟磁性合金粉末的合金粉末之表面相接的第一被膜，以及與第一被膜相接的第二被膜。並且，第二被膜之厚度(t₂ )相對於第一被膜之厚度(t₁ )的比值(t₂ /t₁ )為0.02～300。

在本發明的一個實施形態中，合金粉末之粒徑(D50)(D)相對於絕緣被膜之厚度(T)的比值(D/T)可為1.4～10000。

在本發明的一個實施形態中，合金粉末之粒徑(D50)可為0.5～20μm。

在本發明的一個實施形態中，第一被膜可含有B、Cr、Al中之至少1種以上。

在本發明的一個實施形態中，第一被膜可為氮化物。

在本發明的一個實施形態中，第二被膜可以SiO₂ 作為主要成分。

在本發明的一個實施形態中，第一被膜和/或第二被膜可進一步含有Mn或Ti之至少任1種。

在本發明的一個實施形態中，合金粉末係含有滿足Si≥2重量%、Al≥1重量%、以及Si+Al≤12重量%之關係的Si及Al，剩餘部分可由Fe及不可避免之雜質構成。並且，亦可具有非晶質組成。

在本發明的一個實施形態中，軟磁性合金粉末可在25℃至150℃時具有負的磁芯損耗溫度特性。

在本發明的一個實施形態中，在合金粉末中，Fe的一部分可與B、Cr、Al中之至少1種以上進行取代。

在本發明的一個實施形態中，在合金粉末中，與Fe進行取代之B、Cr、Al的合計係相對於該合金粉末整體可為1～10重量%。 (對照先前技術之功效)

根據本發明，可提供兼具高磁特性與絕緣性及耐熱性等之可靠性的鐵基軟磁性合金粉末。

以下，針對本發明的一實施形態進行詳細說明。本發明並不限定於以下的實施形態，可在不損害本發明之效果的範圍內施加適當變更而實施。

本實施形態的軟磁性合金粉末係在以鐵作為主要成分的合金粉末之表面上被覆有絕緣被膜。絕緣被膜係由被覆合金粉末之表面的第一被膜、以及被覆第一被膜所被覆之粉末的第二被膜形成。雖然藉由將絕緣被膜加厚可獲得高耐熱性，但例如由於兩者之熱膨脹係數的差異等緣故，容易從合金粉末剝離。因此，為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。亦即，可藉由第二被膜確保高耐熱性，可藉由第一被膜吸收導致第二被膜剝離的衝擊。於此，若第二被膜之厚度t₂ 相對於第一被膜之厚度t₁ 的比值(t₂ /t₁ )過大，則無法充分獲得第一被膜所帶來的緩衝效果。反之，若該比值過小，則絕緣性下降。為了兼顧高絕緣性與高耐熱性，構成為滿足第二被膜之厚度t₂ 相對於第一被膜之厚度t₁ 的比值(t₂ /t₁ )為0.02～300、較佳為0.1～100、更佳為2～25的條件。

[膜厚] 本實施形態之軟磁性合金粉末的絕緣被膜之膜厚係指用穿透式電子顯微鏡等所測定的膜厚之實測值。

[絕緣被膜] 本說明書中的「絕緣被膜」係指在具有軟磁性的合金粉末之表面上所形成的具有絕緣性之被膜。只要被膜具有絕緣性，對材質就沒有特別限定。

[軟磁性合金粉末] 本說明書中，「軟磁性合金粉末」係指在以鐵作為主要材料之具有軟磁性的合金粉末(以下簡稱為「合金粉末」)之表面上被覆有絕緣被膜的粉末。綜合地考慮磁特性及生產性等，合金粉末較佳為藉由霧化法所製造的粉末。軟磁性合金粉末之粒徑無特別限定，可根據所需的磁特性進行調整。

[粒徑(D50)/絕緣被膜之厚度] 本實施形態的軟磁性合金粉末中，若合金粉末之粒徑D相對於絕緣被膜之厚度T的比值(D/T)過大，則體積中的磁性成分比例減小，所以無法獲得充分的磁特性。反之，若該比值過小，則絕緣性低，所以無法獲得充分的磁特性。為了具有優良的磁特性，並兼顧高絕緣性與高耐熱性，構成為合金粉末之粒徑D相對於絕緣被膜之厚度T的比值(D/T)為1.4～10000，較佳為30～1500，更佳為40～1000。於此，「軟磁性合金粉末之粒徑」係指軟磁性合金粉末之中值粒徑(D50)，且係藉由習知公知之方法、例如雷射繞射/散射法所測定者。又，「軟磁性合金粉末之粒徑相對於絕緣被膜之厚度的比值」係軟磁性粉末之中值粒徑：D50之測定值與絕緣被膜之膜厚之測定值的比值，且係不具有單位的無量綱量。藉由該比值在上述範圍內，軟磁性合金粉末作為壓粉磁心的材料可具有優良的性能。

[粒徑] 上述軟磁性合金粉末之關於飽和磁通密度(Bs)、磁導率的效果，以及下述負的磁芯損耗溫度特性，係可由具有廣範圍之粒徑的軟磁性合金粉末獲得。藉由粒徑(D50)為0.5～20μm，可獲得特別好的效果。

[第一被膜] 第一被膜係如上所述擔負抑制第二被膜剝離的角色。只要與合金粉末及第二被膜的親和性高、或者具有吸收第二被膜即將剝離之衝擊的效果，對第一被膜的材質就沒有特別限定。尤其，藉由含有B、Cr、Al中之至少1種以上，不僅可抑制第二被膜的剝離，還可改善軟磁性合金粉末在高頻段的磁特性。此外，藉由將第一被膜設為氮化物，可進一步改善在高頻段的磁特性。於此，高頻段係指1MHz以上的區域。

第一被膜亦可含有Mn或Ti之至少任1種。藉由微量添加此等元素，可獲得進一步提高與合金粉末及第二被膜的密合性、進一步提高第二被膜即將剝離之衝擊的吸收能力、以及進一步改善在高頻段的磁特性之效果。

[第二被膜] 第二被膜可選擇Al₂ O₃ 、SiO₂ 、MgO等絕緣性高的材料。本實施形態中，將第二被膜的主要成分設為SiO₂ 。由於絕緣被膜係屬於緻密且化學性非常穩定的SiO₂ 被膜，因此可獲得不易剝離、具有高絕緣性及耐熱性的軟磁性合金粉末。

第二被膜亦可以含有Mn或Ti之至少任1種。藉由微量添加此等元素，可獲得進一步提高與第一被膜的密合性、改善第二被膜的剝離性、進一步提高第二被膜的絕緣性及耐熱性之效果。此外，在含有與上述第一被膜中微量添加的元素相同的元素之情況下，進一步提高第一被膜和第二被膜的密合性。

[合金粉末] 本實施形態的軟磁性合金粉末中，合金粉末係含有滿足Si≥2重量%、Al≥1重量%、以及Si+Al≤12重量%之關係的Si和Al，剩餘部分係由Fe及不可避免之雜質構成。本實施形態的軟磁性合金粉末較佳係含有滿足Si≥3.5重量%、Al≥2.5重量%、以及Si+Al≤12重量%之關係之量的Si和Al。藉由含有滿足上述關係之量的Si和Al的非晶質組成之粉末，提高軟磁性合金粉末的飽和磁通密度(Bs)及磁導率。根據該效果，本實施形態的軟磁性合金粉末有利於電子零件的小型化。

進而，較佳係該合金粉末為非晶質組成。藉由合金粉末係屬於具有上述組成之非晶質組織的合金粉末，除了具有優良的軟磁特性以外，亦具有阻燃性。

在本實施形態的軟磁性合金粉末之合金粉末中，Fe的一部分可與B、Cr、Al中之至少1種以上進行取代。藉由利用此等元素進行取代，提高軟磁特性，並且提高絕緣性及耐熱性的可靠性。但是，若此等元素過多，則Fe的含量相對減少，因此軟磁性合金粉末的磁特性下降。反之，若過少，則無法充分獲得取代的效果。與Fe進行取代之B、Cr、Al的合計係構成為相對於該合金粉末整體為1～10重量%、較佳為1.5～5重量%。

本實施形態的軟磁性合金粉末之合金粉末中，作為不可避免之雜質，可在不影響目標特性的範圍內含有N、S、O等元素。

此外，含有滿足上述關係之量的Si和Al、剩餘部分為Fe及不可避免之雜質的軟磁性合金粉末，在25℃～120℃時具有負的磁芯損耗溫度特性。含有滿足Si≥3.5重量%、Al≥2.5重量%、以及Si+Al≤12重量%之關係之量的Si和Al之本實施形態的軟磁性合金粉末，進而在120℃～150℃時亦具有負的磁芯損耗溫度特性。

[負的磁芯損耗溫度特性] 負的磁芯損耗溫度特性係指軟磁性合金粉末的磁芯損耗對溫度具有負的係數，亦即，軟磁性合金粉末的磁芯損耗隨著溫度的上升而下降的特性。具有負的磁芯損耗溫度特性之本實施形態的軟磁性合金粉末因為磁芯損耗隨著溫度的上升而下降，所以能夠抑制由使用時之磁芯損耗產生的發熱所造成的磁芯自身之溫度的上升，作為習知難以在高溫環境下使用的壓粉磁心等電子零件的材料具有適宜的特性。本實施形態的軟磁性合金粉末之所以具有負的磁芯損耗溫度特性，可認為係因為由組成所決定的磁致伸縮常數具有正的值。

[製造方法] 本實施形態的軟磁性合金粉末係藉由在具有軟磁性的鐵基合金粉末上形成絕緣被膜而製造。

作為材料的合金粉末可藉由以下例示作為金屬粉末之製造方法的習知公知之方法而製造，但是只要具有本實施形態的組成就具有上述的磁特性，所以對製造方法無特別限定。 •霧化法：水霧化法、氣體霧化法、離心力霧化法等 •機械處理法：粉碎法、機械合金化法等 •熔體紡絲法 •旋轉電解法(REP法)：電漿REP法等 •化學處理法：氧化物還原法、氯化物還原法、濕式冶金技術、羰基反應法等

以上例示的製造方法中，尤其是霧化法可在大氣壓下大量生產小徑且球形的合金粉末。其中，若採用水霧化法，則可廉價地進行製造。此外，藉由利用水霧化法進行製造使合金粉末的粒徑變小，可抑制渦流損耗，製造具有優良之磁特性的壓粉磁心等。 在使用水霧化法製造合金粉末的情況下，對調整為所需組成的材料熔解而得的熔液噴上設定了參數的高壓水以達到所需的冷卻條件及粒徑，藉此可使熔液飛散及凝固而得到粉末。然後，對所得的粉末進行乾燥、分級，根據需要進行表面處理，可得到目標的合金粉末。

絕緣被膜的形成係藉由形成第一被膜的步驟、及形成第二被膜的步驟而進行。

第一被膜可藉由電漿處理、熱處理、化學處理、濺鍍等公知之技術而形成。

第二被膜可藉由化學蒸鍍法(CVD)及物理蒸鍍法(PVD)等氣相法以及熔噴法等習知公知之方法而進行。尤其，從生產性及成本的觀點而言，較佳係藉由溶膠-凝膠法而進行。溶膠-凝膠法中，將含有屬於被膜成分之氧化物之原料的金屬醇鹽或金屬醋酸鹽、用於水解的水、作為溶媒的醇、屬於催化劑之酸或鹼等的溶液，與如上所述得到的軟磁性合金粉末混合後，加熱除去溶媒，從而形成絕緣被膜。混合可使用例如行星式混合機、混磨機、研磨機、螺條混合機等而進行，只要為具有將粉末與溶液混合之機構的裝置，對混合所用的裝置就沒有特別限定。溶膠-凝膠法中，絕緣被膜之膜厚可藉由調整絕緣材料的調配量、混合時間、溶液的滴加方法、滴加量、溫度等條件而調整至所需膜厚。

絕緣被膜形成後，藉由進行分級，可獲得具有與所需磁特性相對應之目標粒徑的軟磁性合金粉末。

[實施例] 利用上述實施形態的軟磁性合金粉末製造的壓粉磁心，在180℃下運作3000小時後的結果，電阻值及耐受電壓沒有下降。此外，在1MHz以上的高頻下，在磁導率及磁芯損耗等磁特性方面亦得到了良好的結果。因此，一種實施形態的軟磁性合金粉末可製造即使在高溫環境下仍具有優良特性的電子零件。

Claims (11)

1. 一種軟磁性合金粉末，其係以鐵作為主要成分，且具有軟磁性的合金粉末被絕緣被膜被覆，其特徵在於， 上述絕緣被膜係包含與上述合金粉末之表面相接的第一被膜，以及與上述第一被膜相接的第二被膜， 上述第二被膜之厚度相對於上述第一被膜之厚度的比值為0.02～300。
2. 如請求項1之軟磁性合金粉末，其中，上述合金粉末之粒徑(D50)相對於上述絕緣被膜之厚度的比值為1.4～10000。
3. 如請求項1或2之軟磁性合金粉末，其中，上述合金粉末之粒徑(D50)為0.5～20μm。
4. 如請求項1至3中任一項之軟磁性合金粉末，其中，上述第一被膜係含有B、Cr、Al中之至少1種以上。
5. 如請求項4之軟磁性合金粉末，其中，上述第一被膜係氮化物。
6. 如請求項1至5中任一項之軟磁性合金粉末，其中，上述第二被膜係以SiO₂ 作為主要成分。
7. 如請求項4至6中任一項之軟磁性合金粉末，其中，上述第一被膜及/或上述第二被膜係進一步含有Mn或Ti之至少任1種。
8. 如請求項1至6中任一項之軟磁性合金粉末，其中， 上述合金粉末係 含有滿足Si≥2重量%、Al≥1重量%、以及Si+Al≤12重量%之關係的Si和Al，剩餘部分係由Fe及不可避免之雜質構成， 並且具有非晶質組織。
9. 如請求項8之軟磁性合金粉末，其中，上述軟磁性合金粉末係在25℃～150℃時具有負的磁芯損耗溫度特性。
10. 如請求項8或9之軟磁性合金粉末，其中，構成上述軟磁性合金粉末的合金粉末係Fe的一部分與B、Cr、Al中之至少1種以上進行取代。
11. 如請求項10之軟磁性合金粉末，其中，在上述合金粉末中，與Fe進行取代之B、Cr、Al的合計係相對於該合金粉末整體為1～10重量%。