TWI294321B - Method for manufacturing of insulated soft magnetic metal powder formed body - Google Patents

Description

1294321 九、發明說明： t W J^fT Λ ^1 發明領域 • 本發明係關於一種高性能的絕緣軟磁性金屬粉末成形 5體之製造方法，該主體相當適合於使用在馬達核心、環形 核心及其類似物中作為電/電子構件；及關於一種具有低鐵 損耗及高導磁性的絕緣軟磁性金屬粉末成形體之製造方法。 【先前技術3 • 發明背景 10 於最近幾年中，隨著電/電子構件的性能增加(效率較高 及尺寸更緊密）及亦對可使用於馬達核心、環形核心及其類 似物之絶緣軟磁性金屬粉末成形體之需求增加，已經需要 減少鐵損耗及增加導磁性。％ 了提高導磁性，需要減低絕 緣層厚度，以窄化在軟磁性金屬粉末顆粒間之間隔。鐵損 15耗通常因磁滯損耗及渦流損耗而造成，且磁滯損耗會依軟 磁性材料的型式、雜質濃度、操作應力及其類似條件而改 變。渴流彳貝耗會依該軟磁性材料的比電阻及該絕緣薄膜之 完整性程度而改變。從此觀點來看，已建議出有下列獲得 - 絕緣軟磁性金屬粉末成形體的技術。 .20 專利文獻1揭示出一種利用粉末冶金技術來製造一軟 磁性構件的方法。其以一絕緣磷酸鹽層來包裹該些鐵顆粒 ，然後壓緊，接著在氧化環境下，以上限6〇〇艺之熱處理溫 度來施加熱處理。 在專利文獻2中揭示出另一種方法，其壓縮模塑鐵粉且 1294321 向那晨施加熱處理，以獲得-具有經改良的軟磁性之磁性 核心構件。該鐵粉由—經低磷光劑含量㈣層絕緣之細微 顆粒組成。根據專利文獻2，讓該經壓縮模塑的鐵粉在氧化 環境中，於溫度35〇至55代下接受加熱處理。根據相同的 發明’應該在溫度35G至55Gt下進行該加熱處理，且4〇〇至 53(TC較佳及至52代更佳，但是，如揭示在專利文獻2 中之發明不優於如專利文獻丨的發明。

。根據專利文獻3之發明詳述出為了獲得具有減低的渦 流損耗且具有機械強度之鐵磁性金屬粉末的緊密化核心， 10將磷酸沉積在該鐵磁性金屬顆粒的表面上，並 ^ 金屬粉末接受加壓形成及在300至6〇(rc下的熱處理(4〇〇至 500°C 較佳）。 根據專利文獻4之發明提供一種複合磁性材料之製造 方法，該材料可利用下列方法來獲得：壓縮模塑一由磁性 15粉末與絕緣材料所組成的混合物，然後，進行二或更多次 熱處理，且若在第-減理的環境巾之氧濃度標示為^及 在第二熱處理的環境中之氧濃度標示為^時，其滿足^〉^ 之關係，此時可獲得核心損失低、導磁性高及具有優良的 直流電偏壓特徵之複合物磁性材料。若第一熱處理溫度標 20示為T1及第二熱處理溫度標示為T2，應該滿足τΐ<Τ2之關 係’且對氧》辰度來自兄，應该滿足1%< Pl< 30%及Ρ2< 1% 之關係。對熱處理溫度來說，應該滿足5〇〇。〇 及500 〇<一丁2<一900 〇之關係。在第一熱處理時，將形成一 氧化絕緣溥膜，及在第《一南溫熱處理時，可解除應力。但 Ϊ294321 :緣處理那時’有可能因在磁性粉末與氧化 緣相間之熱膨脹係數差異而破壞該絕緣薄膜。 的粉:據:Γ文獻5的發明提供-種經塗佈之以鐵為基礎 5 10 15 粒表面ιΓ—塗佈材料來塗佈制鐵為基礎的粉末顆 =’其中該用來塗佈以鐵為基礎的粉末之塗佈材料量 質量%，且該塗佈材料由20至90質量%之破璃組 =及该黏者劑為Η)至肩量％，或再者，7G%或較少之除了 璃及黏著劑外的絕緣及耐熱物質。該黏著劑由一或二或 f多種選自於聚石夕氧樹脂、金屬磷酸鹽化合物及石夕酸鹽化 口物的型式之化合物組成較佳。並無提供針對熱處理之主 張，但是在實例中，會於最高溫度·。C下使用氮氣環境。 、—根據專利文獻6之發明提供一種複合磁性材料，其包含 複數個具有金屬磁性顆粒與一環繞該金屬磁性顆粒表面的 絕緣薄膜之複合磁性顆粒，其中該複數個複合磁性顆粒已 彼此黏結，及該金屬磁性顆粒僅由金屬磁性材料所組成， 且該金屬磁性顆粒的雜質比例為12〇ppm或較低。已特別指 出讓該利用壓力模塑所獲得的複合磁性材料，在溫度2〇〇。〇 至所加入的樹脂之熱分解溫度下，於氧化環境或惰性氣體 環境中接受安定熱處理。 2〇 專利文獻1 :德國專利案號3439397 ;專利文獻2 ··日本 國家階段公告案號（Japanese National_Phase Publication) 9-512388/1997 ;專利文獻3 :日本專利公開公告案號 7-245209/1995 ;專利文獻4 :日本專利公開公告案號 2000-232014 ;專利文獻5 :曰本專利公開公告案號 1294321 " 2004-143554 ;專利文獻6 :日本專利公開公告案號 * 2005-15914 。 【發明内容】 - 發明概要 . 5 對較高的導磁性來說，需要減低絕緣薄膜之厚度；及 對較低的磁滯損耗來說，需要在緊密化及模塑那時解除操 作應力’此可有效地在溫度700 C或較高下進行熱處理，作 疋，由上述挺及的專利文獻1至專利文獻6所表示之習知方 法’該薄絕緣薄膜會因高溫熱處理而被破壞，而造成渦流 10 損耗增加。 解決問題的方法 本發明之目的為提供一種具有低鐵損耗、高導磁性及 高機械強度的絕緣軟磁性金屬粉末成形體之製造方法。換 句話說，本發明藉由提供一由下列觀點所構成的絕緣軟磁 生金屬粉末成形體之製造方法來解決上述提及的問題： • a觀點1提供-種絕緣軟磁性金屬粉末成形體之製造方法 :其在軟磁性金屬粉末顆粒表面上形成一絕緣無機物質 相，緊託及模㈣粉末，_進行減理，以提供 - —絕緣軟雜金屬粉末成體形，該方法包括：緊密化及 ' 20 模塑該粉末；然後， 在溫度高於軟磁性金屬粉末之居里溫度及低於該絕緣 溥膜被破壞的臨限溫度下，於耗化環境(諸如 ，真空、 域體或其類似環境）中，雖敎雜末；然後，在 衣^(諸如’空氣或其類似環境）中，於溫度400°c至 1294321 7〇〇C下，進行進一步熱處理。 <2>觀點2提供一種觀點1之絕緣軟磁性金屬粉末成形體的 製造方法，其中該軟磁性金屬粉末實質上包含一或多種 選自於下列型式的粉末：鐵、鐵合金(諸如，鐵-鎳合金 载錦翻合金、鐵-錄_碎合金、鐵-碎合金、鐵_砍_銘 口金及其類似物）及鐵非晶相合金(諸如，鐵-矽-硼或其 類似物）。 <3>觀點3提供一種觀點1或觀點2之絕緣軟磁性金屬粉末的 成形體之製造方法，其中該絕緣薄膜在熱處理前實質上 10 包含磷酸鐵，且在熱處理後已實質上改變成氧化鐵，及 該粉末包含至少一種選自於下列金屬氧化物型式之金 屬氧化物，諸如氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧化锆及其 類似物。 <4>嬈點4提供一種觀點1至觀點3之任何一個觀點的絕緣軟 15 磁性金屬粉末成形體之製造方法，其中該軟磁性金屬粉 末之平均顆粒直徑D50為1〇微米至15〇微米。 <5>觀點5提供-種觀點1至觀點4之任何一個觀點的絕緣軟 磁性金屬粉末成形體之製造方法，其中該來自無機物質 的絕緣薄膜厚度為〇·〇1微米至1微米。 加<6>觀點6提供-種觀點i至觀點5之任何_個觀點的絕緣軟 磁性金屬粉末成形體之製造方法，其使用冷、埶、冷等 壓加壓及熱等壓减方法之任何—或多種方法，在壓力 5至20噸/平方公分下進行該緊密化及模塑。 本發明之效應 12,94321 根據本發日月 __ a，可穩定地製造出具有低鐵損耗、高導磁 性及高機械強夜之絕緣軟磁性金屬 粉末成形體。 【實施务式】 較佳實施例之詳細說明 5 在本發明φ ^ ’该軟磁性金屬粉末由下列一或多種型式 斤、、、成鐵4幾合金(諸如，鐵_鎳合金、鐵_鎳_鉬合金、鐵 ” ^矽合金、鐵-矽-鋁合金及其類似物）或鐵非 曰曰相口金(諸如，鐵_矽_硼或其類似物）。因為這些軟磁性金 屬粉末具有高飽和磁通㈣度與導雜及低矯頑磁力，它 10們相s適合於使用作為高導磁性材料及低鐵損耗材料。此 外’它們可容易地以經原子化的粉末及經研磨 的粉末獲得。 在本發明中，從低矯頑磁力及高飽和磁通量密度的觀 點來看，於軟磁性金屬粉末當中，鐵、鐵_鎳合金及鐵-鎳_ 矽合金粉末特別佳。此外，該軟磁性金屬粉末之顆粒形狀 15平坦且細長較佳，及藉由提供此形狀平坦及細長的顆粒， 可減低在顆粒主軸方向上的去磁性係數及增加導磁性。 該軟磁性金屬粉末之平均顆粒直徑D50為1〇微米至15〇 微米較佳。若該軟磁性金屬粉末之平均顆粒直徑d50低於10 微米時，難以減低磁滯損耗；及若D5〇值超過150微米時， 20所誘發的高頻電流相當大(與集膚深度比較），從而會增加渦 流損耗。 在本發明中，於上述提及的軟磁性金屬粉末之顆粒表 面上，形成一絕緣的無機物質薄膜。該無機物質的較佳物 質為在熱處理前主要由磷酸鐵組成，及在熱處理後已改變 1294321 成主要為氧化鐵，其包含至少一種選自於下列金屬氧化物 型式的金屬氧化物，諸如氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧化 锆及其類似物。 至於該在熱處理前主要由磷酸鐵組成及在熱處理後已 5改變成主要為氧化鐵物質之成分實例，可提及的有磷酸； 磷酸會與在鐵粉末、鐵合金粉末或鐵非晶相粉末(其為一軟 磁性金屬粉末）中的鐵成分反應，而改變成磷酸鐵，且此磷 酸鐵會在後繼的熱處理製程中改變成氧化鐵。此外，至於 可選擇的磷酸，可使用磷酸鹽，諸如磷酸鎂、磷酸辞或其 10 類似物。 調整該加入至軟磁性金屬粉末的磷酸或磷酸鹽量，使 得最後製造出的絕緣無機物質薄膜之厚度為0 01微米至i 微米，且0·1微米至0.5微米較佳。若該絕緣無機物質薄膜的 尽度低於0.01微米時，該絕緣薄膜會在低於居里溫度下發 15生介電崩潰；及若該絕緣無機物質薄膜的厚度超過1微米時 ’導磁性會降低而導致獲得所需的磁通量密度之磁化力增 加，此將導致電流增加。 在將磷酸或其類似物加入至該軟磁性金屬粉末及乾燥 以形成一磷酸鐵薄膜後，將一金屬氧化物加入至該已形成 20磷酸鐵薄膜的軟磁性金屬粉末較佳。至於該金屬氧化物， 至少一種選自於下列金屬氧化物型式的金屬氧化物較佳， 諸如氧化鋁、氧化鎂、氧化矽、氧化锆及其類似物。在這 些金屬氧化物當_，從高溫絕緣特徵（比電阻）的觀點來看， 氧化鋁特別佳。再者，為了增加強度，可加入低熔點破璃。 1294321 對已形成璘酸鐵薄膜的軟磁性金屬粉末來說，該金屬 氧化物之量為0·1矣4質量％較佳，且0.5至3質量％更佳(相對 於該軟磁性金屬粉末的總質量）。若該已形成磷酸鐵薄膜之 軟磁性金屬粉末的金屬氧化物之量低於〇.1質量％時，會在 5低於居里溫度下造成介體破壞；及若其超過4質量％時，導 磁性會降低。 此外，除了該金屬氧化物外，可對該已形成磷酸鐵薄 膜的軟磁性金屬粉末加入一潤滑劑。藉由加入該潤滑劑， 可防止在晚後所描述的緊密化及模塑製程中對軟磁性金屬 10粉末之可能的損傷。該潤滑劑之實例包括金屬硬脂酸鹽、 烷烴石蠟及蠟。該已形成磷酸鐵薄膜的軟磁性金屬粉末用 之潤滑劑量可為0·1至1質量％或如此。 其次，緊密化及模塑該軟磁性金屬粉末。至於該緊密 化及模塑方法’可使用任何通常已使用於粉末冶金術領域 15的方法(諸如，冷、熱、冷等壓加壓(CIP)、熱等壓加壓(HIP) 及其類似方法），來容易地形成粉末。該模塑壓力為5至2〇 領/平方公分較佳及7至15嘲/平方公分更佳。此因為若模塑 壓力低於5噸/平方公分時，模塑強度將不足而導致處理困 難；及當模塑壓力超過2〇噸/平方公分時，預計密度會收歛 20至無增加那點，且會提升絕緣薄膜被破壞的可能性。藉由 該緊密化及模塑製程，該軟磁性金屬粉末可根據目的來形 成一幾何形狀，例如，環狀。 其次’讓如上述般所獲得之經緊密化的模塑體，首先 在局溫下（高於軟磁性金屬粉末的居里溫度及低於絕緣薄 12 1294321 膜被破壞的臨限溫度），於非氧化環境(諸如，真空、惰性氣 體或其類似物）中，接受一磁性退火製程。在此製程中，對 真空環境來說，豸氧分壓調整至1〇·4帕至1〇_2帕較佳；及對 惰性氣體來說，其無制限制，但是氬氣錢氣環境較佳。 5 ^本發明巾’藉由在高於該軟磁性金屬粉末的居里溫 度及低於絕緣薄膜被破壞之臨限溫度的高溫下進行第一熱 處理(磁性退火，即，解_作應力），可降⑽頑磁力及減 低鐵損耗並維持絕緣性。在非氧化環境中，高於居里溫度 的加熱處理可有效地減低矯頑磁力，但是，該磁性軟金屬 10的居里溫度會依金屬而改變，且鐵及鐵-矽合金(例如，其典 型為軟磁性金屬粉末）的居里溫度從。因此， 當使用鐵或鐵-矽合金作為該軟磁性金屬時，需要在溫度高 於690 C至770 C之範圍下進行加熱處理。 為了降低矯頑磁力及減低鐵損耗同時必然維持該絕緣 15性，該熱處理溫度為該軟磁性金屬粉末的居里溫度+8〇°c較 佳；該軟磁性金屬粉末的居里溫度+ 1〇(rc進一步較佳；及 該軟磁性金屬粉末之居里溫度+2〇(rc更佳。該熱處理時間 為30至300分鐘較佳及60至18〇分鐘更佳。若該熱處理時間 低於30分鐘時，無法充分解除操作應力。 20 在本發明中，已推測當該與軟磁性金屬粉末結合之絕 緣薄膜的品質由第一熱處理(磁性退火，即，解除操作應力 )改變時，可結構地整合在毗連的軟磁性金屬顆粒之表面上 的絕緣薄膜，及在該絕緣薄膜中的耐熱金屬氧化物（其熔點 咼於第一熱處理溫度）可防止該軟磁性金屬顆粒當它們經 13 1294321 移動及模塑時彼 緣薄膜。 此接觸而導電，從而提供一結構整合的絕 、:人，在該第一熱處理製程後，讓該經熱處理的元件 進:f接受一製程（第二熱處理製程），其在氧化環境(諸如 5二氣或其類似環境）中，於400°C至低於700°c之溫度下進 丢:、处理。在第二熱處理製程中’從實際使用的觀點來 ^的氧化環境為空氣，此外，可使用具有氧含量1〇〇/0 或如此的氮氣環境。 忒第二熱處理製程為一加熱處理，其可讓該已在第一 10 ^處理製程中經結構整合的絕緣薄膜接受—氧化反應，以 lx展出更7人滿意的絕緣阻抗及機械強度，因此製造出一 具有低鐵損耗及高導磁性之絕緣軟磁性金屬粉末成形體。 雖然其會依溫度狀態而改變，為了在々^^至低於了⑼^的 溫度範圍内讓該氧化反應完全發展，該熱處理時間為至少 15 3〇至300分鐘較佳及至180分鐘更佳。 當以一咼溫熱處理爐來進行該第一熱處理製程時，可 採用的第二熱處理製程為在第一熱處理製程完成後，以空 氣來置換在該退火製程之高溫熱處理爐中的大氣氛且滿足 第二熱處理製程之條件，於此實例中，其優點為該製造製 20 程可經簡化。 [實例] 於下文中，將提供實例來更詳細地描述本發明，但是 ，本發明不限於這些實例。 [實例1] 1294321 在以透磁合金PB為基礎之具有顆粒尺寸分佈10至150 微米的原料粉末中，加入0.017質量％(相對於原料粉末質量 )之磷酸溶液，然後在室溫下乾燥該混合物，以形成1微微 米或較薄的填酸鐵薄膜。在此之中，混合2.4質量％(相對於 5 原料粉末質量）的氧化鋁粉末。在所獲得的絕緣軟磁性金屬 粉末中，加入0.5質量％的硬脂酸鋅作為潤滑劑及混合。在 室溫下，將此粉末放在模具中，且以15噸/平方公分的表面 壓力來加壓，以獲得一環形的’’經加壓元件”。 在950°C下，於非氧化環境中，讓此’’經加壓元件’’接受 10 第一熱處理，時間60分鐘；然後，在500°C下，於氧化環境 中接受第二熱處理，時間60分鐘。 [比較例1] 使用與實例1相同的方式來獲得一環形π經加壓元件’’ 。在500°c下，於氧化環境中，讓此’’經加壓元件’’接受一加 15 熱處理，時間60分鐘。此代表習知的絕緣軟磁性金屬粉末 成形體之一般製造方法。 [比較例2] 使用與實例1相同的方式來獲得一環形”經加壓元件” 。在950°C下，於非氧化環境中，讓此'經加壓元件π接受第 20 一熱處理（時間60分鐘），且省略第二熱處理。 [比較例3] 使用與實例1相同的方式來獲得一環形"經加壓元件" 。在500°C下，於氧化環境中，讓此”經加壓元件”接受’’第二 ’’加熱處理，時間60分鐘。其次，在950°C下，於非氧化環 15 1294321 境中，讓其接受"第一，’加熱處理，時間60分鐘。換句話說 • ，其熱處理順序與實例1相反。 [比較例4] . 使用與實例1相同的方式來獲得一環形”經加壓元件” 5 。在600°c下，於氧化環境中，讓此"經加壓元件，，接受熱處 理，時間60分鐘。 [比較例5] 使用與實例1相同的方式來獲得一環形”經加壓元件，， B 。在700°C下，於氧化環境中，讓此，，經加壓元件”接受熱處 10 理，時間60分鐘。 (評估方法） 對在實例1及比較例1至5中所獲得的樣品，測量導磁性 、鐵損耗及徑向壓碎強度。表1提供結果。 <導磁性> 15 以LCR HiTESTER 3532-50(由日置E.E.股份（有限）公司 (Hioki Ε.Ε· Corporation)製造），在1 KHz處進行測量，讓所 _ 測量之電感值來計算該”經加壓元件”的導磁性及其尺寸值。 <鐵損耗> • 以Β-Η/μ分析器SY-8258(由岩崎測試裝置股份(有限）公 ， 20 司（IWATSU TEST INSTRUMENTS CORPORATION)製造) 來測量在磁通量密度IT及頻率1 KHz處之值。 <徑向壓碎強度> 使用如在JIS Z 2507”經燒結的金屬承轴_徑向壓碎強度 之測量’’中所定義的方法來測量。 16 1294321 表1提供評估結果 [表1] 磁通箐 徑向壓碎 強度 (百萬帕）

可從表1中了解到下列原因。 5⑴在實例1中的鐵損耗為比較例丨之大約1/5低或如此。因此 可次成在鬲於居里溫度下，於非氧化環境中進行第一 熱處理日守，可提供明顯的鐵損耗減低效應。此外，可了 解的疋不：其在溫度鬲如95〇它下進行加熱處理，其實 際上不會4成渦流損耗增加，從而良好地維持絕緣性。 1〇 (2)。可看見比較例2(其省略在氧化環境中，於溫度低於70〇 C下進行第二熱處理）之徑向壓碎強度降低至大約實例工 的1/2，但是在鐵損耗及導磁性上無明顯差異。 (3)在比較例3中（其熱處理順序與實例丨相反)提供不足的絕 緣性，從而渦流損耗值增加至為實例丨之大約36倍高，且 15 仏成鐵損耗增加至大約5倍。可從此了解的是，在本發明 中，第一熱處理製程及第二熱處理製程的順序重要。 ⑷比較在比較例1、比較例4及比較例5中的渦流損耗值（其 在空氣環境中進行的熱處理溫度各別為5〇〇〇c、6〇〇它、 700 C) ’此顯不出在比較例5中的渦流損耗會由於在川〇 2〇 °C處之介體破壞而大大增加，及在氧化環境(諸如，空氣 17 1294321 或其類似環境）中的熱處理溫度必需低於700°C。 工業可行性 本發明相當適合於馬達核心、環形核心及其類似物， 而作為需要低鐵損耗、高導磁性及高機械強度的電/電子構 5 件。 【圖式簡單說明3 (無） 【主要元件符號說明】 (無）

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Claims (1)

1294321 十、申請專利範圍： l =種絕緣軟磁性金屬粉末成频之製造方法，其藉由在 一軟磁性金屬粉末的顆粒表面上 曰 取— 上形成一絕緣無機物質 潯膜，緊岔化及模塑該粉末，然後進 订加熱處理，以 徒供一絕緣軟磁性金屬粉末成形體，該方法包括· 緊密化及模塑該粉末；然後 在溫度高於軟磁性金屬粉末之居 ^ ^ 居里〉凰度及低於絕 10 15 :、.一其—，== 在溫度4〇代至70代下，於氧化環境(諸如， 或其類似環境）中進行進一步的熱處理。 如申請專利範圍第i項之絕緣軟磁性金屬粉末成形體的 製造方法，其中該軟磁性金屬粉末實f上包含―或 選自於下㈣式的粉末··鐵、鐵合金(諸如，鐵·錄合全 、鐵-鎳,合金、鐵-錄-梦合金、鐵哿合金、鐵-化銘 合金及其類似物)及鐵非晶相合金(諸如，鐵·石夕_刪或复 類似物）。 〃 3.如申請專鄕㈣⑷項之絕緣軟魏金屬粉末成形 20 體的製造方法，其中該絕緣薄膜在熱處理前實質上包含 磷酸鐵，且在減理後其已實質上改變絲化鐵，及^ 粉末包含至少一種選自於下列金屬氧化物型式的金屬 氧化物，諸如氧⑽、氧化鎂、氧切、氧儒及其類 似物。 貝 19 1294321 4. 如申請專利範圍第2項之絕緣軟磁性金屬粉末成形體的 製造方法，其中該軟磁性金屬粉末之平均顆粒直徑D50 為10微米至150微米。 5. 如申請專利範圍第1項之絕緣軟磁性金屬粉末成形體的 5 製造方法，其中該絕緣無機物質薄膜的厚度為〇.〇1微米 至1微米。 6. 如申請專利範圍第1項之絕緣軟磁性金屬粉末成形體的 製造方法，其中使用冷、熱、冷等壓加壓及熱等壓加壓 方法之任何一或多種方法，在壓力5至204員/平方公分下 10 進行該緊密化及模塑。 20