TWI582800B - Method of making soft magnetic material - Google Patents

Description

製作軟磁材料之方法

本發明係一種材料之製程方法，特別為一種製作軟磁材料之方法。

隨科技進步及奈米製程的普及，以往各種龐大體積固定式的電子產品亦逐漸縮小為攜帶式的隨身電子產品，其中電子產品裝置內部的元件體積亦隨之縮小。習知電子產品內的芯材、轉子、定子等元件多利用矽鋼片加工所製成，其矽鋼片雖具有加工容易及低成本的優勢，但也因其特性需較多工序之製程，來達至需求，且該矽鋼片係存有於使用中因溫度容易升高而造成鐵損以及電磁轉換率變差等缺點，因此該領域之先驅陸續開發相關之軟磁性複合材料欲取而代之，然而，多數之軟磁性複合材料因受金屬玻璃形成能力(GFA)與鑄造技術之限制，導致其無法大量生產或形成大尺度或複雜之形狀，因此研發一種具有高強度、高彈性、抗磨耗、抗腐蝕並兼具軟磁性、磁導性及磁通性之高效能的軟磁材料，實為多方所努力之目標。

由此可見，上述現有技術仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。

本發明主要目的係提供一種製作軟磁材料之方法，其係能夠一次成形非晶質軟磁材料，以使該軟磁材料具有優異導磁特性並能降低其電磁轉換過程之能量損失者。

本發明提供一種製作軟磁材料之方法，其包含：將磁性成分與成形金屬玻璃之成分進行融煉，以形成均勻熔融的一母合金塊材；再將該母合金塊材熔融成液態，並對其施予一作用力，使液態之該母合金塊材於該作用力下，形成一粗選粉末；之後，再篩分該粗選粉末，從該粗選粉末中分離出一工作粉末；最後，將該工作粉末置於一積層製造裝置中，使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。其中，該軟磁材料之材料結構型態係為非結晶性且非方向性。

其中，該磁性成分為鐵、鈷或鎳，該成形金屬玻璃之成分為磷、硼、矽、碳、鈮、鋯或鉬，且該母合金塊材係由鐵、鈷、鎳之任一或二者以上混合成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或二者以上混合成分共同融煉而成。

本發明製作軟磁材料之方法，該積層製造裝置包含一工作單元及一熱管理單元，該工作單元係提供該工作粉末熔融及冷卻凝結所需的一光束功率及一光束熔融時間，且於該工作粉末熔融並經冷卻凝結時，係以該熱管理單元控制該工作單元所提供之光束功率及光束熔融時間。其中，該熱管理單元包含一異形水路冷卻平台及一即時溫度監控回饋模組，該即時溫度監控回饋模組係用以發送一訊息至該工作單元及該異形水路冷卻平台，以調節該工作單元所提供之光束功率及光束熔融時間，並由該異 形水路冷卻平台調控該工作粉末的冷卻凝結速率。

本發明製作軟磁材料之方法，其中，於熔融該母合金塊材，並對其施予該作用力時，該作用力係為流體衝擊力，使熔融態的該母合金塊材經該流體衝擊力作用而切割出液狀微球，且該液狀微球經冷卻凝結，以形成該粗選粉末。或者，該作用力係為旋轉離心力，使熔融態的該母合金塊材經該旋轉離心力作用而離散並內聚成液狀微球，且該液狀微球經冷卻凝結，以形成該粗選粉末。

本發明製作軟磁材料之方法，其中，於篩分該粗選粉末時，係以一離心力作用，逐步自該粗選粉末中分離出多種粒徑尺寸範圍之精選粉末，並混合至少任二種粒徑尺寸範圍之精選粉末，以作為該工作粉末。

本發明製作軟磁材料之方法，其中，該積層製造裝置為雷射積層製造裝置時，該工作粉末之粒徑係為15微米~45微米。或者，該積層製造裝置為電子束積層製造裝置時，該工作粉末之粒徑係為45微米~105微米。

利用本發明所提供之製作軟磁材料之方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.本發明之軟磁材料可取代習知矽鋼片來做為電子產品的鐵芯，且具有較矽鋼片更簡易之製程。

2.本發明之軟磁材料更具低溫升率(低鐵損)之特色，進一步達到提高磁導率及節能的效果。

3.本發明之軟磁材料較矽鋼片具有更佳的電磁遮蔽特性，用於電子產品內時，可使電子產品運做更穩定，不受電磁效應之影響。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

S101~S104‧‧‧步驟流程

S201~S204‧‧‧步驟流程

S301~S304‧‧‧步驟流程

S401~S404‧‧‧步驟流程

第1圖為本發明之製作軟磁材料之方法之流程圖。

第2圖為本發明之製作軟磁材料之方法之流程圖。

第3圖為本發明之製作軟磁材料之方法之流程圖。

第4圖為本發明之製作軟磁材料之方法之流程圖。

為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

本發明之製作軟磁材料之方法，其係能夠一次成型足以取代傳統鐵芯材料者，該製作軟磁材料之方法包含：將磁性成分與成形金屬玻璃之成分進行融煉，以形成均勻熔融的一母合金塊材；其中，該磁性成分為可以選擇鐵、鈷或鎳，該成形金屬玻璃之成分則可以為磷、硼、矽、碳、鈮、鋯或鉬。詳言之，該母合金塊材可以係由鐵、鈷、鎳之任一或二者以上混合成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或二者以上混合成分共同融煉而成，藉此遂可以高鐵含量來維持該母合金塊材的磁通量，並透過鈷、鎳等其他磁性材料添加來增加亂度，甚至亦可藉由磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬的任一成分添加，以提高金屬玻璃的形成能力。

接著，熔融該母合金塊材，並對其施予一作用力，使熔融態的該母合金塊材於該作用力下，形成一粗選粉末。其中，該作用力可以為一流體衝擊力，該流體衝擊力之來源可選擇為氣霧法或水霧法，藉此使熔融態的該母合金塊材經該流體衝擊力作用而切割出液狀微球，且該液狀微球經冷卻凝結，以形成該粗選粉末；或者，該作用力亦可以為一旋轉離心力，該旋轉離心力之來源可選擇旋轉電極法，以使熔融態的該母合金塊材經該旋轉離心力作用而離散，並於高速作用下內聚成液狀微球，且該液狀微球經冷卻凝結，以形成該粗選粉末。另再篩分該粗選粉末，以自該粗選粉末中分離出一工作粉末；其中，該工作粉末之粒徑係為15微米至105微米，以具有較佳的成型能力。特別的是，於篩分該粗選粉末時，係可選擇以一離心力作用，逐步自該粗選粉末中分離出多種粒徑尺寸範圍之精選粉末，並混合至少任二種粒徑尺寸範圍之精選粉末，以作為該工作粉末。較佳者，係可選擇以一離心篩選器搭配不同網孔之篩網作用之。如此一來，遂可透過不同粒徑之分布來填補該工作粉末成型時可能形成之空缺，以該工作粉末成型後之材料品質能獲得顯著提升。

經由前述步驟後，遂將該工作粉末置於一積層製造裝置中，使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。詳言之，該工作粉末在經由該積層製造裝置製作過程中，遂因該工作粉末熔融後持續維持於一定值之冷卻速率作用，而確保形成的該軟磁材料之材料結構型態維持如金屬玻璃之非結晶性且非方向性，藉此係能取代傳統鐵芯材料，以降低能量耗損提供能源使用率。其中，該積層製造裝置係可依據該工作粉末之不同粒徑選擇之，例如，該工作粉末之粒徑係為15微米~45微米時，係可適 用於雷射積層製造裝置；又該工作粉末之粒徑係為45微米~105微米時，係可適用於電子束積層製造裝置。

詳言之，雷射積層製造(SLM)係使用工作單元中足夠功率之雷射，配合成型掃描之時間，依序將雷射打在該工作粉末中要固化之部位，讓該部位燒結成型；而電子束基層製造(EBM)積層製造，則是使用工作單元中之電子束，配合成型掃描之時間，依序將電子束在該工作粉末中要融化之部位，讓該部位層層疊加成型。惟，因傳統積層製造裝置皆會於製作過程中產生出相對之熱能，而相對影響軟磁材料的成型特性，故本發明之積層製造裝置係包含一工作單元及一熱管理單元，該熱管理單元可控制該工作單元所提供之光束功率及光束熔融時間，以於該工作粉末熔融並經冷卻凝結時，能維持足夠之冷卻速率，藉此形成非晶質軟磁材料。

再者，該熱管理單元係包含一異形水路冷卻平台及一即時溫度監控回饋模組，該即時溫度監控回饋模組係用以發送一訊息至該工作單元及該異形水路冷卻平台，以調節該工作單元所提供之光束功率及光束熔融時間，並由該異形水路冷卻平台調控該工作粉末的冷卻凝結速率。藉此，透過該異形管路冷卻平台及該即時溫度監控回饋模組之作用，遂能有別於傳統積層製造裝置的製程環境高溫，以藉由較高冷卻速率消弭製程產生熱能，進而避免影響該軟磁料料形成之結構或其特性，以能使之所具有金屬玻璃的非結晶及非方向結構特性更臻顯著，藉此增加材料應用性。

舉例而言，基於前述技術範疇下，本發明係可選擇以不同實施方式進行軟磁材料之製作，以下僅配合第1~4圖之流程說明之。

請參閱第1圖，將母合金融煉後透過流體衝擊力及雷射積層 製造，形成軟磁材料，其方法之流程圖，步驟如下：S101：將鐵、鈷、鎳之任一或兩者以上成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或兩者以上成分進行融煉，形成均勻熔融的一母合金塊材；S102：將熔融狀態的母合金塊材，以氣體噴霧法作用，使自一高壓噴嘴處產生之膨脹氣體將熔融狀態的母合金塊材切割並形成出液狀微球，以於冷卻後形成一粗選粉末，該膨脹氣體可為空氣或惰氬氣、氮氣等性氣體；S103：篩分該粗選粉末，以自該粗選粉末中分離出粒徑係為15微米~45微米的工作粉末；以及S104：將該工作粉末置於一雷射積層製造裝置中，利用該雷射積層製造使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。

請參閱第2圖，將母合金融煉後透過流體衝擊力及電子束積層製造，形成軟磁材料，其方法之流程圖，步驟如下：S201：將鐵、鈷、鎳之任一或兩者以上成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或兩者以上成分進行融煉，形成均勻熔融的一母合金塊材；S202：將熔融狀態的母合金塊材，以氣體噴霧法作用，使自一高壓噴嘴處產生之膨脹氣體將熔融狀態的母合金塊材切割並形成出液狀微球，以於冷卻後形成一粗選粉末，該膨脹氣體可為空氣或惰氬氣、氮氣等性氣體；S203：篩分該粗選粉末，以自該粗選粉末中分離出粒徑係為45微米~105微米的工作粉末；以及S204：將該工作粉末置於一電子束積層製造裝置中，利用該電子束積層製造使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。

請參閱第3圖，將母合金融煉後透過旋轉離心力及雷射積層 製造，形成軟磁材料，其方法之流程圖，步驟如下：S301：將鐵、鈷、鎳之任一或兩者以上成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或兩者以上成分進行融煉，形成均勻熔融的一母合金塊材；S302：將熔融狀態的母合金塊材，以旋轉電極法作用，使其在高速離心狀態下離散並內聚成液狀微球，以於冷卻形成一粗選粉末；S303：篩分該粗選粉末，以自該粗選粉末中分離出粒徑係為15微米~45微米的工作粉末；以及S304：將該工作粉末置於一雷射積層製造裝置中，利用該雷射積層製造使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。

請參閱第4圖，將母合金融煉後透過旋轉離心力及電子束基層製造，形成軟磁材料，其方法之流程圖，其步驟如下：S401：將鐵、鈷、鎳之任一或兩者以上成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或兩者以上成分進行融煉，形成均勻熔融的一母合金塊材；S402：將熔融狀態的母合金塊材，以旋轉電極法作用，使其在高速離心狀態下離散並內聚成液狀微球，以於冷卻後形成一粗選粉末；S403：篩分該粗選粉末，以自該粗選粉末中進一步，分離出粒徑係為45微米~105微米的工作粉末；以及S404：將該工作粉末置於一積層製造裝置中，利用電子束積層製造使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。

綜上所述，利用本發明之製作軟磁材料之方法所製備之軟磁材料與一般積層製造結晶材料不同，其係具有如同金屬玻璃之非結晶及非方向結構特性，故具有金屬玻璃特性之軟磁材料的原子呈短程有序排列之 結構，單一磁區內之原子數量遠少於一般結晶軟磁材料，也因此具有低磁場中高導磁效果、較快之磁區反應速率，以及於轉換磁區方向時能量耗損較低等特性。如此一來，當以本發明之軟磁材料適用於不同頻率之磁場中時，其仍能維持優異高導磁率及低鐵損等功效，故其為一優異軟磁材料。

綜上所述，本案不僅於技術思想上確屬創新，並具備習用之傳統方法所不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

S101~S104‧‧‧步驟流程

Claims (9)

1. 一種製作軟磁材料之方法，其包含：將磁性成分與成形金屬玻璃之成分進行融煉，以形成均勻熔融的一母合金塊材；熔融該母合金塊材，並對其施予一作用力，使熔融態的該母合金塊材於該作用力下，形成一粗選粉末，其中，於熔融該母合金塊材，並對其施予該作用力時，該作用力係為流體衝擊力，使熔融態的該母合金塊材經該流體衝擊力作用而切割出液狀微球，且該液狀微球經冷卻凝結，以形成該粗選粉末；篩分該粗選粉末，以自該粗選粉末中分離出一工作粉末；以及將該工作粉末置於一積層製造裝置中，使該工作粉末熔融並經冷卻凝結，以形成一軟磁材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製作軟磁材料之方法，其中，該磁性成分為鐵、鈷或鎳，該成形金屬玻璃之成分為磷、硼、矽、碳、鈮、鋯或鉬，且該母合金塊材係由鐵、鈷、鎳之任一或二者以上混合成分與磷、硼、矽、碳、鈮、鋯、鉬之任一或二者以上混合成分共同融煉而成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製作軟磁材料之方法，其中，該積層製造裝置包含一工作單元及一熱管理單元，該工作單元係提供該工作粉末熔融及冷卻凝結所需的一光束功率及一光束熔融時間，且於該工作粉末熔融並經冷卻凝結時，係以該熱管理單元控制該工作單元所提供之光束功率及光束熔融時間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之製作軟磁材料之方法，其中，該熱管理單元包含一異形水路冷卻平台及一即時溫度監控回饋模組，該即時溫度監控回饋模組係用以發送一訊息至該工作單元及該異形水路冷卻平台，以調節該工作單元所提供之光束功率及光束熔融時間，並由該異形水路冷卻平台調控該工作粉末的冷卻凝結速率。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之製作軟磁材料之方法，其中，於熔融該母合金塊材，並對其施予該作用力時，該作用力係為旋轉離心力，使熔融態的該母合金塊材經該旋轉離心力作用而離散並內聚成液狀微球，且該液狀微球經冷卻凝結，以形成該粗選粉末。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之製作軟磁材料之方法，其中，於篩分該粗選粉末時，係以一離心力作用，逐步自該粗選粉末中分離出多種粒徑尺寸範圍之精選粉末，並混合至少任二種粒徑尺寸範圍之精選粉末，以作為該工作粉末。
7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之製作軟磁材料之方法，其中，該積層製造裝置為雷射積層製造裝置時，該工作粉末之粒徑係為15微米~45微米。
8. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之製作軟磁材料之方法，其中，該積層製造裝置為電子束積層製造裝置時，該工作粉末之粒徑係為45微米~105微米。
9. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之製作軟磁材料之方法，其中，該軟磁材料之材料結構型態係為非結晶性且非方向性。