TWI606471B - 複合鐵基粉末組合物、壓密及熱處理之組件，及製造彼等之方法 - Google Patents

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Description

複合鐵基粉末組合物、壓密及熱處理之組件，及製造彼等之方法
本發明係關於用於製備軟磁組件的軟磁複合粉末材料及藉由使用此軟磁複合粉末獲得的軟磁組件。特別是本發明係關於此等用於在高頻作業下製備軟磁組件材料之粉末，該等組件適用作電力電子之電感器或反應器。
軟磁材料係用於多種應用，諸如用於電子機械、致動器、感應器及變壓器磁芯之電感器、定子及轉子中的磁芯材料。傳統上，軟磁芯(諸如電子機械中的轉子及定子)係由堆疊的鋼鐵層壓板構成。軟磁複合物可基於每一粒子上具有電子絕緣塗層的軟磁粒子，通常基於鐵。藉由使用該傳統粉末冶金法視情況地與潤滑劑及/或黏合劑一起壓密該等絕緣粒子，可獲得軟磁組件。相比藉由使用該等鋼鐵層壓板，藉由使用該粉末冶金技術可產製此等在設計上具有更高自由度的組件，原因在於該等組件可承載三維磁通量且三維形狀可藉由該壓密法獲得。
本發明係關於鐵基軟磁複合粉末，其磁芯粒子係用精選的塗層塗覆，賦予該材料適用於經由壓密該粉末，接著熱處理法製造電感器的性質。
電感器或反應器係被動電性元件，其可以藉由該電流通過該組件形成的磁場之形式儲藏能量。電感器儲藏能量的能力，電感(L)係以亨利(H)測量。典型上，電感器係如線圈纏繞的絕緣線。電流流過該等匝的線圈會形成圍繞該線 圈的磁場，該場強度與該電流及該線圈之匝數/長度成比例。變化的電流會形成變化的磁場，其感應與形成電壓的電流變化相反的電壓。
該與該電流變化相反的電磁力(EMF)係以伏特(V)測量且係相關於根據下式之電感；v(t)=L di(t)/dt(L為電感，t為時間，v(t)為跨該電感器的隨時間變化的電壓及i(t)係該隨時間變化的電流。)
亦即；當通過該電感器的電流以1安培/秒變化時，具有1亨利之電感的電感器產生1伏特之EMF。
鐵磁性芯或鐵芯電感器使用由鐵磁性或亞鐵磁性材料(諸如鐵或亞鐵)構成的磁芯以藉由增加該磁場而使線圈之電感增加數千倍，原因在於該磁芯材料之更高的磁導率。
該材料之磁導率，μ，表示其承載磁通量之能力或其變得磁化之能力。磁導率係定義為該感應磁通量(表示為B且以牛頓/安培＊米或以伏特＊秒/米2測量)與該磁力或場強度(表示為H且以安培/米，A/m，測量)之比。因此，磁導率具有該量度伏特＊秒/安培＊米。通常磁導率表示為該相對磁導率μr=μ/μ0，相對於該自由空間的磁導率，μ0=4＊Π＊10-7 Vs/Am。
磁導率亦可表示為每單位長度的電感，亨利/米。磁導率並不僅根據承載該磁通量的材料而且根據該施加的電場及其頻率。在技術系統中，其通常稱為該最大相對磁導率，其係在該變化電場之一個週期期間測量的最大相對磁 導率。
在電力電子系統中可使用電感器磁芯用於過濾不良訊號，諸如各種諧波。為高效地起作用，此應用之電感器磁芯應具有低最大相對磁導率，其說明該相對磁導率相對於該施加的電場將具有更多線性特徵，即穩定增量的磁導率、μ△(根據△B=μ△ ＊△H定義)及高飽和通量密度。此使得該電感器在更寬範圍的電流中更高效地工作，此亦可表示為該電感器具有「良好的直流偏磁」。直流偏磁亦可以在特定施加電場(例如在4 000 A/m)處最大增量磁導率之百分數表示。此外低最大相對磁導率及穩定增量磁導率結合高飽和通量密度使得該電感器承載較高電流，當尺寸係一限制因素時，其係尤其有益的，因此可使用較小的電感器。
為改善該軟磁組件之性能，一重要參數係降低其磁芯損耗特性。當磁性材料暴露於變化場時，由於磁滯損耗及渦流損耗，因而發生能量損耗。該磁滯損耗係與該交變磁場之頻率成比例，而該渦流損耗係與該頻率的平方成比例。因此，在高頻下該渦流損耗至關重要且尤其需要降低該渦流損耗並仍保持低程度之磁滯損耗。此說明需要增加該磁芯之電阻率。
在尋求改善該電阻率的方法中，已使用並提出不同的方法。一種方法係基於先在該等粉末粒子上提供電子絕緣塗層或膜，然後再使此等粒子受到壓密。因此存在大量教示不同類型之電子絕緣塗層的專利公開案。涉及無機塗層的公開專利之實例係美國專利第6,309,748號、美國專利第 6,348,265號及美國第6,562,458號。有機材料之塗層係自例如美國專利第5,595,609號已知。包含無機及有機材料之塗層係自例如美國專利案號6,372,348及5,063,011及DE專利公開案3,439,397已知，根據該公開案，該等粒子係由磷酸鐵層及熱塑材料圍繞。歐洲專利EP1246209B1描述了基於鐵磁性金屬的粉末，其中該基於金屬之粉末的表面係用由聚矽氧樹脂及具有層結構的黏土礦物質(諸如，膨潤土或滑石)之細粒子組成的塗層塗覆。
US 6,756,118B2揭示了包括至少兩種氧化物封裝粉末狀金屬粒子之軟磁粉末金屬複合物，該至少兩種氧化物在至少一個共同相位形成。
該專利公開案JP 2002170707A描述了用含磷層塗覆的合金鐵粒子，該等合金元素可為矽、鎳或鋁。在第二步驟中，該塗覆的粉末係與矽酸鈉之水溶液混合接著乾燥。粉芯係藉由模製該粉末並在500至1000℃之溫度下熱處理該模製的部份產製。
當藉由模製鐵粉，接著熱處理該模製的部份產製粉芯時，矽酸鈉係在JP 51-089198中作為鐵粉粒子之黏合劑述及。
為獲得高性能的軟磁複合組件，由於通常需要獲得具有高密度之部份，因而必須亦可使該電絕緣粉末在高壓下受到壓縮模製。高密度通常改善該等磁性。為將該磁滯損耗保持於低程度並獲得高飽和通量密度，特別地需要高密度。另外，當將該壓密的部份自該模具退出時，該電絕緣 性必須耐受該等需要的壓密壓力而不被破壞。因此，此意指該等退出力一定不能太高。
此外，為降低該磁滯損耗，需要對該壓密部份進行應力釋放熱處理。為獲得有效的應力釋放，較佳地應在高於300℃之溫度及低於會損壞該絕緣塗層的溫度下，在例如氮氣、氬氣或空氣之氣氛中或在真空中進行該熱處理。
鑒於需要主要意欲用在較高頻率下(即，大於2 kHz及特別是在5及100 kHz之間的頻率)的粉芯，其中較高的電阻率及較低的磁芯損耗係必要的，因而完成本發明。較佳地該飽和通量密度應足夠高用於縮小磁芯。另外應不必要使用模壁潤滑及/或高溫壓密該金屬粉末即可製造該等磁芯。較佳地應消除此等步驟。
對照許多使用及提出的期望低磁芯損耗的方法，本發明之特殊優勢係其在該粉末組合物中不必要使用任何有機黏合劑，該粉末組合物稍後在該壓密步驟中壓密。因此該壓坯之熱處理可在較高溫度下進行，而無任何有機黏合劑分解之風險；較高的熱處理溫度亦會改善該通量密度並降低磁芯損耗。最終不存在有機材料，由於有機黏合劑之軟化及分解，因而熱處理的磁芯亦使得該磁芯可用於高溫環境，而無強度降低之風險，並因此獲得經改善的溫度穩定性。
本發明之目標
本發明之一目標是提供新穎的鐵基複合粉末，其包括鐵基粉末之磁芯，其表面用新穎的複合電絕緣塗層塗覆。該 新穎的鐵基複合粉末尤其適用於製造電力電子之電感器磁芯。
本發明之另一目標是提供製造此等電感器磁芯之方法。
本發明之又另一目標是提供具有「良好」直流偏磁、低磁芯損耗及高飽和通量密度的電感器磁芯。
本發明提供鐵粉混合物及處理該混合物的處理方法，該方法用以製備例如具有高飽和通量密度、低磁芯損耗之電感器，且可簡化其製造方法。
此等目標之至少一者係藉由以下完成：-一經塗覆的鐵基粉末組合物，該塗層包括第一含磷層及含有鹼性矽酸鹽與含指定頁矽酸鹽之黏土粒子之組合的第二層，其中該鐵基粉末組合物包括鐵粉及鋁矽鐵粉之混合物。根據一實施例，該塗層係僅由以上兩層構成。
-一種製造電感器磁芯之方法，其包括以下步驟：a)如上提供經塗覆的鐵粉組合物，b)在模具的單軸壓製運轉中，在400及1200 MPa之間的壓密壓力下，壓密該經塗覆的鐵及鋁矽鐵粉混合物，視情況與潤滑劑混合，c)自該模具退出該壓密組件。
d)在高達800℃之溫度下熱處理該退出的組件。
-一組件，諸如電感器磁芯，根據上述產製。
該組合物可為複合鐵基粉末組合物，其包括用含有鹼性 矽酸鹽結合含頁矽酸鹽的黏土礦物質之層塗覆的磁芯粒子，其中該結合矽-氧四面體層及其氫氧化物八面體層較佳地係電中性的，其中該等磁芯粒子係以下之混合物(a)實質上由7重量%至13重量%矽、4重量%至7重量%鋁及剩餘部份為鐵組成的鐵合金粒子，及(b)霧化鐵粒子。
該等鐵合金粒子亦可稱為「鋁矽鐵粉」或「鋁矽鐵粉粒子」。
在一實施例中，該等鋁矽鐵粉粒子係先用含磷層塗覆，後再用該鹼性矽酸鹽結合含頁矽酸鹽的黏土礦物質塗覆。簡言之，此塗層可稱為「鹼性矽酸鹽塗層」或「黏土塗層」。此塗層可基於例如高嶺土或滑石。
在另一實施例中，該等鐵合金粒子及該等霧化粒子皆先用含磷層塗覆，後再用該鹼性矽酸鹽塗層塗覆。
貫穿本文，術語「層」及「塗層」可交換使用。
該等鐵粒子可呈具有低污染物(諸如碳或氧)含量的純鐵粉之形式。該鐵含量係較佳地大於99.0重量%，然而亦可利用與例如矽合金的鐵粉。對於純鐵粉，或對於與意欲添加的合金元素合金的鐵基粉末，除鐵及可能存在的合金元素之外，該等粉末含有因製造方法造成的不可避免之雜質所致的微量元素。微量元素係如此少量存在使得其等並不(或僅輕微地)影響該材料之性質。微量元素之實例可為高達0.1%的碳，高達0.3%的氧，分別高達0.3%的硫及磷與高達0.3%的錳。
該鐵基粉末之粒度係由該意欲用途(即，該組件適用於何種頻率)決定。該鐵基粉末之平均粒度(當塗層極薄時，其亦為該塗覆粉末之平均尺寸)可在20至300 μm之間。適宜之鐵基粉末的平均粒度之實例係例如20-80 μm，稱為200目粉，70-130 μm，100目粉或130-250 μm，40目粉。
該等鐵合金粒子可實質上由7重量%至13重量%矽、4重量%至7重量%鋁，剩餘部份為鐵，殘餘的為雜質組成。
此粉末在該領域中稱為鋁矽鐵粉。典型上，鋁矽鐵粉基本上含有基於重量計84-86% Fe、9-10% Si及5-6% Al。
該等鐵粒子可為水霧化或氣體霧化的。霧化鐵之方法係在文獻中已知。
通常施覆於該裸露鐵基粉末的該含磷塗層可根據美國專利6,348,265中描述的方法塗覆。此意指將該鐵或鐵基粉末與溶解於溶劑(諸如丙酮)中的磷酸混合，接著乾燥以在該粉末上獲得薄的含磷及氧的塗層。該添加溶液的量尤其視該粉末之粒度而定；然而該量應足以獲得具有20及300 nm之間之厚度的塗層。
或者，可藉由混合鐵基粉末與溶解於水中的磷酸銨溶液或使用其他含磷物質與其他溶劑之組合來添加薄的含磷塗層。該所得含磷塗層導致該鐵基粉末之磷含量增加在0.01至0.15%之間。
藉由混合該磷塗覆的鐵基粉末與黏土粒子或含有指定頁矽酸鹽及水溶性鹼性矽酸鹽(常稱為水玻璃)的黏土之混合物，接著在20-250℃之溫度下或在真空中的乾燥步驟而使 該鹼性矽酸鹽塗層塗覆於該磷塗覆的鐵基粉末。
頁矽酸鹽構成該矽酸鹽的類型，其中該等矽四面體係以具有化學式(Si2O5 2-)n之層之形式彼此連接。此等層係與至少一個八面體氫氧化物層結合形成結合結構。該等八面體層可例如含有氫氧化鋁或氫氧化鎂或其之組合。在該矽四面體層中的矽可部份由其他原子取代。此等結合層結構可為電中性或帶電的，取決於存在的是何種原子。
業已注意為實現本發明之目標，該頁矽酸鹽之類型是至關重要的。因此，該頁矽酸鹽應是具有該結合矽四面體及氫氧化物八面體層之不帶電或電中性層之類型。此等頁矽酸鹽之實例係存在於該高嶺黏土中的高嶺石、存在於千頁岩中的葉蠟石或該含鎂的礦物質滑石。該等含指定頁矽酸鹽的黏土之平均粒度應小於15，較佳地小於10，較佳地小於5 μm，甚至更佳地小於3 μm。待與該經塗覆之鐵基粉末混合之含有指定頁矽酸鹽的黏土的量應為該經塗覆之複合鐵基粉末之重量的0.2至5%之間，較佳地在0.5至4%之間。
待與該經塗覆之鐵基粉末混合，作為固體鹼性矽酸鹽計算的鹼性矽酸鹽的量應為該經塗覆之複合鐵基粉末之重量的0.1至0.9%之間，較佳地在該鐵基粉末之重量的0.2至0.8%之間。業已顯示可使用多種類型的水溶性鹼性矽酸鹽，因此可使用矽酸鈉、矽酸鉀及矽酸鋰。通常鹼性水溶性矽酸鹽係以其比例為特徵，即由應用的SiO2之量除以Na2O、K2O或Li2O之量，其可為莫耳或重量比。該水溶性鹼性矽酸鹽之莫耳比應為1.5-4，包括兩端點值。若該莫耳 比係小於1.5，則該溶液變得過鹼，若該莫耳比係大於4，則SiO2會沉澱。
可省略在該鋁矽鐵粉粒子上的該第二高嶺土-矽酸鈉塗層並仍獲得優良的磁性。然而，為進一步增強該等磁性，該第二塗層應覆蓋該鋁矽鐵粉及該鐵粉。
在另一實施例中，該鹼性矽酸鹽(或黏土)塗層可由金屬-有機塗層(第二塗層)取代。
在此例中，至少一種金屬-有機層係位於該第一磷基層的外部。該金屬-有機層是具有以下通式的金屬-有機化合物：R1[(R1)x(R2)y(MOn-1)]nR1其中：M係選自於Si、Ti、Al或Zr的中心原子；O係氧；R1係可水解基團；R2係有機基團及其中至少一個R2含有至少一個胺基；其中n係重複單元的數量，係1及20之間的整數；其中x係0及1之間的整數；其中y係1及2之間的整數(因此x可為0或1及y可為1或2)。
該金屬-有機化合物可選自於以下之群：表面改質劑、耦合劑或交聯劑。
在該金屬-有機化合物中R1可為具有小於4，較佳地小於3個碳原子的烷氧基。
R2係有機基團，其意指該R2基團含有有機部份或部位。 R2可包括1-6，較佳地1-3個碳原子。R2可進一步包括一個或更多個選自於由N、O、S及P組成之群的雜原子。該R2基團可為直鏈、支鏈、環狀或芳香族的。
R2可包括一個或更多個以下官能基：胺基、二胺基、醯胺基、醯亞胺基、環氧基、羥基、環氧乙烷、脲基、胺基甲酸酯、異氰酸基、丙烯酸酯、丙烯酸甘油酯、苄基-胺基、乙烯基-苄基-胺基。該R2基團可在任何述及的官能性R2基團及具有重複單元的疏水烷基之間變化。
該金屬-有機化合物可選自於矽烷、矽氧烷及矽倍半氧烷之衍生物、中間體或寡聚物或對應的鈦酸鹽、鋁酸鹽或鋯酸鹽。
根據一實施例，在一金屬-有機層中的至少一種金屬-有機化合物係單體(n=1)。
根據另一實施例，在一金屬-有機層中的至少一種金屬-有機化合物係寡聚物(n=2-20)。
根據另一實施例，位於該第一層外部的金屬-有機層含有該金屬-有機化合物之單體且其中該最外部的金屬-有機層含有該金屬-有機化合物之寡聚物。該單體及該寡聚物之化學官能性係不必要相同的。該金屬-有機化合物之單體層與該金屬-有機化合物之寡聚物層的重量比可在1：0及1：2之間，較佳地在2：1-1：2之間。
若該金屬-有機化合物係單體，其可選自於三烷氧基及二烷氧基矽烷、鈦酸鹽、鋁酸鹽或鋯酸鹽之群。因此該金屬-有機化合物之單體可選自於3-胺基丙基-三甲氧基矽 烷、3-胺基丙基-三乙氧基矽烷、3-胺基丙基-甲基-二乙氧基矽烷、N-胺基乙基-3-胺基丙基-三甲氧基矽烷、N-胺基乙基-3-胺基丙基-甲基-二甲氧基矽烷、1,7-雙(三乙氧基矽基)-4-氮雜庚、三胺基-官能丙基-三甲氧基矽烷、3-脲基丙基-三乙氧基矽烷、3-異氰基丙基-三乙氧基矽烷、叁(3-三甲氧基矽基丙基)-異氰尿酸酯、0-(炔丙基氧)-N-(三乙氧基矽基丙基)-胺基甲酸酯、1-胺基甲基-三乙氧基矽烷、1-胺基乙基-甲基-二甲氧基矽烷或其等混合物之群。
該金屬-有機化合物之寡聚物可選自於矽烷、鈦酸鹽、鋁酸鹽或鋯酸鹽之烷氧基末端的烷基-烷氧基-寡聚物。因此，該金屬-有機化合物之寡聚物可選自於甲氧基、乙氧基或乙醯氧基-末端的胺基-矽倍半氧烷、胺基-矽氧烷、寡聚物3-胺基丙基-甲氧基-矽烷、3-胺基丙基/丙基-烷氧基-矽烷、N-胺基乙基-3-胺基丙基-烷氧基-矽烷或N-胺基乙基-3-胺基丙基/甲基-烷氧基-矽烷或其等混合物。
該金屬-有機化合物之總量可為該組合物重量之0.05至0.6%，較佳地0.05至0.5%，更佳地0.1至0.4%，及最佳地0.2至0.3%。此類的金屬-有機化合物可商業上獲自公司，諸如Evonik Ind.、Wacker Chemie AG、Dow Corning等。
該金屬-有機化合物具有鹼性並亦可包含耦合性質，即所謂的將耦合該鐵基粉末之第一無機層的耦合劑。該物質應中和該等過量的酸及該第一層的酸性副產物。若使用胺烷基烷氧基-矽烷、-鈦酸鹽、-鋁酸鹽或-鋯酸鹽之群的耦合劑，該物質將水解及部份聚合(一些烷氧基將水解，相 應地形成醇)。該金屬-有機化合物之耦合或交聯性亦據信耦合該金屬或半金屬微粒化合物，其可改善該壓密複合組件之機械穩定性。
金屬或半金屬微粒化合物
該經塗覆軟磁鐵基粉末亦可含有至少一種金屬或半金屬微粒化合物。該金屬或半金屬微粒化合物應係軟的，具有小於3.5之莫氏硬度，並構成細粒子或膠體。該化合物可較佳地具有小於5 μm，較佳地小於3 μm，及最佳地小於1 μm之平均粒度。該金屬或半金屬微粒化合物可具有大於95重量%，較佳地大於98重量%，及最佳地大於99重量%之純度。該金屬或半金屬微粒化合物之莫氏硬度較佳地為3或更小，更佳地為2.5或更小。SiO2、Al2O3、MgO及TiO2係研磨劑並具有遠大於3.5之莫氏硬度且不在本發明之範圍內。研磨劑化合物，甚至如納米粒子，引起該電絕緣塗層不可逆損壞，得到不良退出及該熱處理組件之較差磁性及/或機械性質。
該金屬或半金屬微粒化合物可為選自於以下之群的至少一者：鉛、銦、鉍、硒、硼、鉬、錳、鎢、釩、銻、錫、鋅、鈰。
該金屬或半金屬微粒化合物可為氧化物、氫氧化物、水合物、碳酸鹽、磷酸鹽、氟化物、硫化物、硫酸鹽、亞硫酸鹽、氧氯化物或其混合物。
根據較佳實施例，該金屬或半金屬微粒化合物係鉍，或更佳地氧化鉍(III)。該金屬或半金屬微粒化合物可與選自 於鹼性或鹼土金屬的第二化合物混合，其中該化合物可為碳酸鹽，較佳地碳酸鈣、碳酸鍶、碳酸鋇、碳酸鋰、碳酸鉀或碳酸鈉。
該金屬或半金屬微粒化合物或化合物混合物可以該組合物之重量的0.05-0.5%，較佳地0.1-0.4%，及最佳地0.15-0.3%之量存在。
該金屬或半金屬微粒化合物係黏附於至少一金屬-有機層。在本發明之一實施例中，該金屬或半金屬微粒化合物係黏附於該最外部的金屬-有機層。
可藉由與不同量的第一基礎胺烷基-烷氧基矽烷(Dynasylan®Ameo)及其後與胺烷基/烷基-烷氧基矽烷之寡聚物(Dynasylan®1146)一起攪拌(例如藉由使用1：1比例關係，二者皆由Evonik Inc生產)混合該粉末而形成該金屬-有機層。該組合物可進一步與不同量的氧化鉍(III)之細粉末(>99重量%；D50~0.3 μm)混合。
藉由本發明之材料達成的此良好的飽和通量密度使得其可縮小電感器組件並仍獲得良好磁性。
壓密及熱處理
在壓密之前，該經塗覆之鐵基組合物可與適宜之有機潤滑劑(諸如蠟、寡聚物或聚合物，基於脂肪酸的衍生物或其等組合物)混合。適宜之潤滑劑的實例係EBS，即，伸乙基雙硬脂醯胺(Kenolube®，購自Höganäs AB，Sweden)、金屬硬脂酸鹽，諸如硬脂酸鋅或其脂肪酸或其他衍生物。該潤滑劑可以該總混合物之0.05-1.5%，較佳地在0.1-1.2重 量%之間的量添加。
可在周溫或高溫下，在400-1200 MPa之壓密壓力下進行壓密。
在壓密後，該等經壓密的組件在高達800℃，較佳地在600-750℃之間之溫度下接受熱處理。在熱處理時適宜之氣氛的實例係惰性氣氛，諸如氮氣或氬氣或氧化氣氛，諸如空氣。
本發明之磁粉芯係藉由壓力形成覆蓋有新穎電絕緣塗層的鐵基磁粉而獲得。該磁芯之特徵在於在2-100 kHz(通常5-100 kHz)之頻率範圍中的低總損耗，在20 kHz之頻率及0.05T之電感下約小於12 W/kg。另外，電阻率，ρ，大於1000，較佳地大於2000及最佳地大於3000 μΩm，及飽和磁通量密度Bs大於1.1，較佳地大於1.2及最佳地大於1.3T。另外，該矯頑性應小於210 A/m，較佳地小於200 A/m，最佳地小於190 A/m及直流偏磁在4000 A/m不小於50%。
實例
以下實例意欲闡釋特定實施例且不應視作本發明之範圍的限制。
實例1
兩種類型的鐵粉已用作磁芯粒子；純水霧化的鐵粉具有大於99.5重量%之鐵含量及純海綿鐵具有大於99.5重量%之鐵含量。兩種類型之粉末的平均粒度係約45 μm。該等磁芯粒子已與研磨的鋁矽鐵粉混合(典型地85% Fe、9.5% Si 及5.5% Al)，然後根據WO2008/069749用含磷溶液處理該粉末混合物。簡言之，藉由使30 mL之85重量%的磷酸溶解於1000 mL丙酮中而製備該塗層溶液，且每1000克粉末使用40 mL-60 mL丙酮溶液。在混合該磷酸溶液及該金屬粉末之後，使該混合物乾燥。
根據下表1將獲得的乾燥磷塗覆鐵-鋁矽鐵粉混合粉末進一步與高嶺土及矽酸鈉混合。在120℃下乾燥之後，使該粉末與0.6% Kenolube®混合並在800 MPa下壓密成具有45 mm之內徑、55 mm之外徑及5 mm之高度的環。其後使該等壓密組件在700℃下於氮氣氣氛中接受熱處理製程0.5小時。
該等獲得樣品之比電阻率係藉由四點測量法測得。對於最大磁導率μmax及矯頑性測量，對該等環進行「佈線」，使主要電路具有100匝及次要電路具有100匝，使得可藉助磁滯量測儀Brockhaus MPG 100測量磁性質。對於磁芯損耗，藉助Walker Scientific Inc.AMH-401POD儀器對該等環進行「佈線」，使得該主要電路具有30匝及該次要電路具有30匝。
當測量增量磁導率時，用第三繞線對該等環進行捲繞，供應4000 A/m之直流偏磁電流。直流偏磁係以最大增量磁導率之百分數表示。
除非另外說明，否則在以下實例中的所有檢測皆係相應地進行。
為顯示與研磨的鋁矽鐵粉一起使用海綿或霧化鐵對該壓 密及熱處理之組件之性質的影響，磷塗層對該壓密及熱處理之組件之性質的影響及在該第二塗層中存在高嶺土及矽酸鈉對該壓密及熱處理之組件的性質的影響，根據表1製備樣品A-H，其亦顯示該等組件之檢測結果。在表1中，本發明亦與根據US4177089不具有第一磷塗層的海綿鐵之應用(樣品D)作比較。
如自表1可見，該霧化鐵、鋁矽鐵粉、第一磷塗層及由高嶺土及矽酸鈉組成的第二塗層之組合顯著改善了電阻率並因此降低了磁芯損耗。相較100%鋁矽鐵粉，其亦得到良好的飽和通量密度。
實例2
為闡釋摻雜僅具有第一磷塗層的純磷及高嶺土-矽酸鈉塗覆霧化鐵粉及鋁矽鐵粉並明顯增強該壓密組件之磁性的可能性，製備了以下樣品。表2亦顯示該等組件之檢測結果。
如由表2可見，在該等鋁矽鐵粉粒子上具有第一磷塗層係有益的。
實例3
可藉由在該霧化鐵粉中改變該鋁矽鐵粉之含量控制該壓密及熱處理的組件之磁性。以下實例全部已以該相同方式處理-磷塗層的第一層及由2%高嶺土及0.4%矽酸鈉組成的第二層塗層，壓密至800 MPa並在700℃於氮氣氣氛中熱處理0.5小時。該等樣品之間的差異係該霧化鐵粉中的鋁矽鐵粉含量已變化。表3亦顯示該等組件之檢測結果。
如由表3可見，在該霧化鐵粉中甚至少量的鋁矽鐵粉增 強該壓密及熱處理之組件的磁性。
實例4
此實例顯示根據本發明之概念的該磷-黏土-矽酸鹽塗層可塗覆於不同粒度的該鐵粉-該鋁矽鐵粉具有約45 μm之固定粒度。對於樣品V)已使用具有~45 μm之平均粒度的鐵粉，對於樣品W)已使用具有~100 μm之平均粒度的鐵粉及對於樣品X)已使用具有~210 μm之平均粒度的鐵粉。該鐵-鋁矽鐵粉混合物係用第一含磷層塗覆。其後如先前描述的用1%高嶺土及0.4%矽酸鈉進一步處理一些樣品。在700℃於氮氣中進行熱處理0.5小時。
樣品V-X)之檢測結果如表4。
表4顯示不管該鐵粉之粒度而何，根據本發明之組件獲得電阻率及磁芯損耗之明顯改善。
實例5
實例5闡釋可使用不同類型的水玻璃及不同類型含有指定頁矽酸鹽的黏土。除使用多種矽酸鹽(Na、K及Li)及多種含有具有電中性層之頁矽酸鹽的黏土(高嶺土及滑石)之 外，如上述塗覆該60%霧化鐵-40%鋁矽鐵粉混合物。在比較實例中，使用含有具有帶電層之頁矽酸鹽的黏土，Veegum®及雲母。Veegum®係蒙脫石類之黏土的商標名。該使用的雲母係白雲母。在所有該檢測中的第二層均含有1%之黏土及0.4重量%之水玻璃。在700℃於氮氣中進行熱處理0.5小時。
下表5顯示該等組件之檢測結果。
如表5可見，假設該頁矽酸鹽是具有電中性層的類型，則可使用多種類型的含有指定頁矽酸鹽的水玻璃及黏土。
實例6
實例6闡釋藉由改變該第二層中該黏土及鹼性矽酸鹽的量，可控制及優化該壓密及熱處理組件之性質。如先前描述的製備該等樣品並檢測。在700℃於氮氣中進行熱處理0.5小時。
下表6顯示檢測結果。
如表6可見，若該第二層中該矽酸鈉的含量超過0.7重量%，則電阻率會降低。當該矽酸鈉含量降低時，電阻率亦會降低，因此該矽酸鹽之含量應在該總60%霧化鐵-40%鋁矽鐵粉混合物之0.2至0.7重量%之間，較佳地0.3至0.6重量%之間。在該第二層中進一步增加黏土含量高達約4%會增加電阻率，但由於矯頑性增強，因而磁芯損耗降低。因此，在該第二層中該黏土之上限係該鐵基複合粉末重量的5%，較佳地4%。由於黏土含量太低對電阻率及磁芯損耗具有有害影響，因而該黏土含量之下限係1%，較佳地3%。
實例7
以下實例7闡釋根據本發明產製的粉末可在不同壓密壓力及不同壓模溫度下壓密。以下樣品已如上述處理，60%霧化鐵及40%鋁矽鐵粉已經由磷及黏土-矽酸鈉塗覆，以該複合鐵-鋁矽鐵粉粉末之重量計，在該第二層中該高嶺土之含量係2%及該矽酸鈉之含量係0.4%。
將該等樣品o-v)在20℃或60℃壓模溫度下壓密至400至1200 MPa之間，並在700℃於氮氣中熱處理0.5小時。檢測結果如表7。
圖7顯示根據本發明，壓密至不同的壓密壓力及在不同的壓模溫度下壓密，獲得的組件之高電阻率及低磁芯損耗。當該壓密壓力自400升高至800 MPa時可觀察到該密度升高及該損耗降低，然而進一步增加該壓密壓力僅得到很小效果。該壓模溫度僅稍微增加了該電阻率且並不對該磁性產生任何進一步改善。
實例8
以下實例8闡釋根據本發明可在不同氣氛及不同溫度下對由粉末製得的組件進行熱處理。以下樣品已如上述處理，60%霧化鐵及40%鋁矽鐵粉已經由磷-及黏土-矽酸鈉塗覆，以該複合鐵-鋁矽鐵粉之重量計，在該第二層中該高嶺土之含量係2%及該矽酸鈉之含量係0.4%。
使該等樣品w-Dd)在550-750℃之間分別於氮氣及空氣中 熱處理。檢測結果如表8；
表8顯示根據本發明於氮氣氣氛或具有氮氣及空氣的混合氣氛中，在650℃至750℃之間熱處理，獲得組件之高電阻率及低磁芯損耗。
實例9
以下實例9闡釋根據本發明藉由添加氣體霧化FeSi至該混合物可增強由粉末製得的組件之磁性。該鐵-鋁矽鐵粉混合物具有第一磷塗層及由2%高嶺土及0.4%矽酸鈉組成的第二層。該粉末混合物已壓密至800 MPa及在700℃於氮氣氣氛中熱處理30分鐘。
如表9中可見，在該磷及高嶺土-矽酸鈉塗覆的鐵-鋁矽鐵粉混合物中添加10% FaSi改善了該電阻率並降低了該矯 頑性及該磁芯損耗。
實例10
具有大於99.5重量%之鐵含量的純水霧化的鐵粉已用作磁芯粒子。該粉末之平均粒度係約45 μm。該等磁芯粒子已與鋁矽鐵粉(典型上85% Fe、9% Si及6% Al)混合並根據WO2008/069749用含磷溶液處理該粉末混合物。如WO2009/116938中描述的用第二(金屬有機)塗層進一步處理該獲得的乾燥磷塗覆的鐵粉-鋁矽鐵粉混合物，即藉由與不同量的第一基礎胺烷基-烷氧基矽烷(Dynasylan®Ameo)及其後與胺烷基/烷基-烷氧基矽烷之寡聚物(Dynasylan®1146)一起攪拌(使用1：1比例關係，二者皆由Evonik Inc生產)而混合該粉末。將該組合物進一步與不同量的氧化鉍(III)之細粉末混合(>99重量%；D50~0.3 μm)。
在塗覆之後，使該粉末與0.4%醯胺蠟混合並壓密至800 MPa成具有45 mm之內徑，55 mm之外徑及5 mm之高度的環。其後使該等壓密的組件在700℃於氮氣氣氛中接受熱處理方法0.5小時。
除非另外說明，否則所有在以下實例中的檢測皆相應地進行。
根據表10製備樣品Hh-Ii)，表10亦顯示了該等組件之檢測結果。
如表10中可見，相較使用100%霧化的鐵粉，該霧化鐵、鋁矽鐵粉、第一磷塗層及第二(金屬有機)塗層之組合明顯改善了電阻率、直流偏磁並降低了磁芯損耗及矯頑性。
實例11
藉由改變該霧化鐵粉中該鋁矽鐵粉的含量可控制該壓密及熱處理的組件之磁性。以下樣品均已經由相同方式處理-磷塗層的第一層及第二(金屬有機)塗層。該等樣品之間的差異係該霧化鐵粉中的鋁矽鐵粉含量已變化。使該等樣品均壓密至800 MPa並在700℃於氮氣氣氛中熱處理0.5小時。表11亦顯示了該等組件之檢測結果。
至於該黏土/矽酸鈉塗覆的霧化鐵-及鋁矽鐵粉-粉末-混 合物，鋁矽鐵粉之份額增加明顯改善了電阻率及直流偏磁並因此降低了磁芯損耗及矯頑性。

Claims (15)

  1. 一種包括磁芯粒子的複合鐵基粉末組合物，其中該等磁芯粒子係以下之混合物(a)基本上由7重量%至13重量%矽、4重量%至7重量%鋁、剩餘部份為鐵組成的鐵合金粒子，及(b)霧化的鐵粒子，及其中該等磁芯粒子係經第一含磷層塗覆。
  2. 如請求項1之複合鐵基粉末組合物，其中該等霧化鐵粒子具有第二層，其包括：(a)結合含有頁矽酸鹽之黏土礦物質的鹼性矽酸鹽，該結合的矽-氧四面體層及其氫氧化物八面體層係電中性的，或(b)金屬有機層。
  3. 如請求項2之複合鐵基粉末組合物，其中該等鐵合金粒子具有第二層，其包括；a)結合含有頁矽酸鹽之黏土礦物質的鹼性矽酸鹽，該結合的矽-氧四面體層及其氫氧化物八面體層係電中性的，或b)金屬有機層。
  4. 如請求項3之複合鐵基粉末組合物，其中該等鐵合金粒子及該等霧化鐵粒子具有相同的第二層。
  5. 如請求項2至4中任一項之複合鐵基粉末組合物，其中該第二層包括高嶺土及矽酸鈉。
  6. 如請求項1至4中任一項之複合鐵基粉末組合物，其另外 包括霧化的FeSi。
  7. 如請求項1至4中任一項之複合鐵基粉末組合物，其中該含磷層具有在20及300nm之間之厚度。
  8. 如請求項1至4中任一項之複合鐵基粉末組合物，其中該含磷層係藉由使該等磁芯粒子與溶劑中的磷化合物接觸並隨後藉由乾燥移除該溶劑而提供。
  9. 如請求項8之複合鐵基粉末組合物，其中該磷化合物係磷酸或磷酸銨。
  10. 如請求項2至4中任一項之複合鐵基粉末組合物，其中該鹼性矽酸鹽之含量係在該複合鐵基粉末的0.1至0.9重量%之間。
  11. 如請求項2至4中任一項之複合鐵基粉末組合物，其中該黏土之含量係在該複合鐵基粉末的0.2至5重量%之間。
  12. 一種製造壓密及熱處理之組件的方法，其包括以下步驟：a)提供如請求項1至11中任一項之複合鐵基粉末組合物，b)在模具中的單軸壓製運轉中，在400及1200MPa之間的壓密壓力下壓密該複合鐵基粉末，並視情況與潤滑劑混合，c)自該模具退出該壓密的組件，d)在高達800℃之溫度下在非還原性氣氛中熱處理該退出的組件。
  13. 一種壓密及熱處理之組件，其係根據如請求項12中描述 的方法製造。
  14. 如請求項13之壓密及熱處理之組件，其為電感器磁芯。
  15. 如請求項14之壓密及熱處理之組件，其中該電感器磁芯具有大於1000μΩm之電阻率ρ；大於1.1(T)之飽和磁通密度Bs；在20kHz之頻率，磁芯損耗小於12W/kg；0.05T之電感；小於210A/m之矯頑性；及在4000A/m下不小於50%之直流偏磁。
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