专利名称：复合软磁性材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及将绝缘处理过的铁粉末和铁硅铝合金粉末与粘结剂一起混合压密并焙烧而成的复合软磁性材料及其制造方法。本申请基于2008年12月25日在日本提交的特愿2008-330597号，主张优先权， 并将其内容援引在本说明书中。
背景技术：
伴随着电子仪器的小型化、高性能化，对变频器或变压器(卜，> 7 )的芯(-7 )、扼流圈等电子仪器用电磁部件要求更为严格的材料特性。作为上述部件中使用的软磁性材料，以往是使用铁硅铝合金或硅钢等金属磁性材料、铁氧体等氧化物磁性材料。但是， 铁硅铝合金等金属磁性材料存在在制成粉末时硬度高、难以通过粉末成型来实现高密度化的问题。例如，在通过粉末成型制造高密度复合软磁性材料时，首先是将含有具绝缘包覆膜的金属软磁粉末、根据需要添加的润滑剂粉末和粘结剂的原料粉末填充在模具的模腔内，然后通过加压成型制造目标形状的压粉体，其后，通过焙烧压粉体来制造复合软磁性材料。因此，成型所使用的粉末本身的硬度高时，存在压粉体难以获得高的压密度的问题。例如，铁硅铝合金在室温下加工时，塑性变形极小，可通过粉碎实现微粉末化，但无法成型为板状。因此，为了制造磁芯等的磁部件，即使将铁硅铝合金粉末成型也几乎不发生塑性变形，因此铁硅铝合金粉末只是通过添加的粘结剂形成单纯地粘结的状态，即使铁硅铝合金粉末本身的导磁率高，也存在制成压粉磁芯时无法获得高导磁率的问题。因此，以往是将氧化物磁性材料与金属磁性材料混合、复合化，来进行高性能化的尝试ο例如，已知有将坡莫合金等的金属磁性粉末用铁氧体等的氧化物磁性材料包覆， 其后进行成型，再进行热处理的方法(参照专利文献1)。还已知有将具有氧化包覆膜的铁硅铝合金粉末、高压缩性的软磁金属粉末、软磁铁氧体粉末和粘结剂混合、压密后进行焙烧处理而成的复合磁性材料(参照专利文献2)。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开昭56-38402号公报专利文献2 日本特开平6-236808号公报
发明内容
发明所要解决的课题如果对将上述坡莫合金等的金属磁性粉末用铁氧体等的氧化物磁性材料包覆而制造的软磁性复合材料进行热处理，则在它们的界面，金属与铁氧体容易反应，因此存在磁特性劣化的问题。另外，在将铁硅铝合金粉末与其它软磁性金属粉末混合的方法中，铁硅铝合金粉末非常硬，因此即使混合压缩性良好的软磁性金属粉末，也具有以下问题需要20吨/cm2 左右的高压成型技术，只能得到如压粉磁芯(夕‘7卜二 τ·)等、圆筒型的单纯形状的产品。本发明针对上述以往的情况而提出，其目的在于通过选定与铁硅铝合金粉末混合的铁粉末、适当选择它们的添加量范围、各自的粒径范围，并考虑粘结剂的条件等，采取最佳的配合，提供可以保持铁粉末本身所具有的高饱和磁通密度，同时可以兼具铁硅铝合金粉末本身所具有的高导磁率、低矫顽力、低铁损耗的特性的复合软磁性材料及其制造方法。解决课题的方法为了实现上述目的，本发明涉及的复合软磁性材料，其特征在于该复合软磁性材料是绝缘处理过的铁粉末与铁硅铝合金粉末和粘结剂混合压密并焙烧而成的材料；该复合软磁性材料具备主相和晶界相，所述主相是上述铁粉末和铁硅铝合金粉末压密并焙烧而成的相，所述晶界相是在上述主相的周围生成的以粘结剂为主体的相；其中，铁硅铝合金在上述主相中所占的比例为5% (质量)以上、低于20% (质量)，磁场10kA/m时的饱和磁通密度为IT以上，矫顽力为^OA/m以下，铁损(0. ITUOkHz时)为20W/kg以下。本发明涉及的复合软磁性材料中，将上述铁粉末压密并焙烧而成的铁主相的平均粒径可以是20 50 μ m，将铁硅铝合金粉末压密并焙烧而成的合金主相的平均粒径可以是 50 120 μ m。本发明涉及的复合软磁性材料中，绝缘处理过的铁粉末可以使用具备含Mg氧化物包覆膜的纯铁粉末。本发明涉及的复合软磁性材料的制造方法，其特征在于通过至少将绝缘处理过的铁粉末与铁硅铝合金粉末和粘结剂混合压密并焙烧，来制造具备主相和晶界相的复合软磁性材料，所述主相是将上述铁粉末和铁硅铝合金粉末压密并焙烧而成的相，所述晶界相是在上述主相的周围形成的以粘结剂为主体的相；其中，铁硅铝合金粉末在绝缘处理过的铁粉末和铁硅铝合金粉末的质量总和中所占的添加比例为5% (质量)以上、低于20% (质量)，通过将绝缘处理过的铁粉末和铁硅铝合金粉末混合压密并焙烧，得到磁场10kA/m时的饱和磁通密度为IT以上、矫顽力为^OA/m以下、铁损(0. ITUOkHz时)为20W/kg以下的复合软磁性材料。本说明书中，如没有特别限定，铁硅铝合金粉末的添加比例或配合比是指铁硅铝合金粉末在通过含Mg氧化物包覆膜等进行绝缘处理过的铁粉末和铁硅铝合金粉末的质量总和中所占的配合比(％ (质量))。本发明涉及的复合软磁性材料的制造方法，其特征在于使用平均粒径为20 50 μ m的绝缘处理过的铁粉末，使用平均粒径为50 120 μ m的铁硅铝合金粉末。本发明涉及的复合软磁性材料的制造方法，其特征在于使用通过含Mg氧化物包覆膜进行绝缘处理过的纯铁粉末作为绝缘处理过的铁粉末。发明效果根据本发明，可以提供复合软磁性材料，该复合软磁性材料可以保持绝缘处理过的铁粉末所具有的高饱和磁通密度，同时可以有效获得适量混合的铁硅铝合金粉末所具有的低铁损、低矫顽力和较少的涡电流损耗这样的软磁特性。并且，根据本发明，可以提供无需以往的铁硅铝合金粉末的成型中所需的高成型力、以常规粉末成型中所需程度的压力即可以压密成型、且可以发挥上述特性的复合软磁性材料。另外，本发明中，使用通过含Mg氧化物包覆膜进行绝缘处理过的纯铁粉末作为绝缘处理过的铁粉末，由此可以确实获得高饱和磁通密度、低铁损、低矫顽力和较少的涡电流损耗。
图1是在本发明涉及的复合软磁性材料的实施例中，表示铁硅铝合金粉末的配合比与电阻率的关系的图。图2是在本发明涉及的复合软磁性材料的实施例中，表示铁硅铝合金粉末的配合比与饱和磁通密度的关系的图。图3是在本发明涉及的复合软磁性材料的实施例中，表示饱和磁通密度与损耗的关系的图。图4是在本发明涉及的复合软磁性材料的实施例中，表示铁硅铝合金粉末的配合比与损耗的关系的图。图5是在本发明涉及的复合软磁性材料的实施例中，表示铁硅铝合金粉末的配合比与机械强度的关系的图。
具体实施例方式以下，对于适用本发明的复合软磁性材料及其制造方法进行详细说明。利用本发明制造复合软磁性材料时，例如可以使用加压成型机等的压密装置，例如在带有MgO系绝缘包覆膜的纯铁粉末和铁硅铝合金粉末中添加粘结剂和根据需要添加润滑剂，进行混合，将所得混合粉末作为复合软磁性材料的原料粉末，填充在压密装置的模具的模腔内，然后通过加压成型，可以获得规定形状的压粉体。其后，将所得压粉体在规定的温度范围内进行焙烧，由此可以得到目标形状的复合软磁性材料。本发明中使用的绝缘处理过的纯铁粉末例如可使用包含(Mg，Fe) 0的Mg-Fe-O三元系氧化物堆积膜在纯铁颗粒的表面包覆形成的含Mg氧化物包覆纯铁粉末；或者磷酸盐包覆纯铁粉末；或者添加二氧化硅的溶胶凝胶溶液(硅酸盐)或氧化铝的溶胶凝胶溶液等的湿式溶液，进行混合，包覆在纯铁粉末表面，然后干燥并焙烧的氧化硅或氧化铝包覆纯铁粉末等，但并不限于这些，可以广泛适用利用绝缘包覆层包覆纯铁粉末的结构的、绝缘处理过的纯铁粉末。上述包覆有Mg-Fe-O三元系氧化物堆积膜的含Mg氧化物包覆纯铁粉末例如可通过以下的(A)、⑶、(C)或(D)的制造方法获得。(A)在氧化气氛中，对纯铁粉末实施保持室温 500°C的氧化处理，然后向该粉末中添加Mg粉末进行混合，在温度150 1100°C、压力1X 10_12 IX KT1MPa的惰性气体气氛或真空气氛中将所得混合粉末进行加热，进一步根据需要在氧化气氛中、在温度50 400°C下进行加热，则可以得到在纯铁粉末的表面具有包含Mg的氧化绝缘包覆膜的含Mg氧化物包覆纯铁颗粒。
(B)对纯铁粉末实施上述的氧化处理，然后添加一氧化硅粉末进行混合后，或者边混合边在真空气氛中、在保持温度600 1200°C的条件下进行加热；进一步添加Mg粉末进行混合后，或者边混合边在真空气氛中、在保持温度400 800°C的条件下进行加热，则可以得到在纯铁粉末的表面形成了含Mg-Si氧化膜的含Mg-Si氧化物包覆膜纯铁粉末。(C)对纯铁粉末实施上述的氧化处理后，同时添加一氧化硅粉末和Mg粉末进行混合后，或者边混合边在真空气氛中、在保持温度400 1200°C的条件下进行加热，则可以得到在纯铁粉末的表面形成了含Mg-Si氧化物膜的含Mg-Si氧化物包覆膜的软磁性粉末。(D)对纯铁粉末实施上述的氧化处理后，添加Mg粉末进行混合后，或者边混合边在真空气氛中、在保持温度400 800°C的条件下进行加热，则可以得到在纯铁粉末的表面形成了含Mg氧化膜的含Mg氧化物包覆纯铁粉末。向该粉末中进一步添加一氧化硅粉末进行混合后，或者边混合边在真空气氛中、 在保持温度600 1200°C的条件下进行加热，则可以得到在纯铁粉末的表面形成了含 Mg-Si氧化物膜的含Mg-Si氧化物包覆软磁性粉末。上述一氧化硅粉末的添加量可以是0.01 (质量)的范围内，上述Mg粉末的添加量可以是0.05 (质量)的范围内。上述真空气氛可以是压力1X10_12 IX KT1MPa的真空气氛。通过这些制备方法得到的含Mg氧化物包覆纯铁颗粒中，包含(MgJe)OWMg-Fe-O 三元系氧化物堆积膜的包覆粘合性格外优异，即使将该颗粒加压成型制成压粉体，也很少发生绝缘包覆膜破坏、剥离。上述的氧化物包覆纯铁粉末优选使用平均粒径20 50 μ m范围内的粉末。其理由是如果平均粒径过小，则粉末的压缩性降低，饱和磁通密度的值降低，因此不优选，而平均粒径过大，则软磁性粉末内部的涡电流增大，可能容易发生高频下的导磁率降低。除上述氧化物包覆纯铁粉末之外，还准备铁硅铝合金(例如，组成比10% (质量)Si-6% (质量)A1-余量为Fe)粉末。可以使用50 120μπι粒径范围的粉末作为该铁硅铝合金粉末。如果准备了这些粉末，在氧化物包覆纯铁粉末和铁硅铝合金粉末中分别混合作为粘结材料的有机硅树脂等的包含Si的粘结材料，将各粉末制成有机硅树脂包覆粉末。在氧化物包覆纯铁粉末上包覆粘结材料时，可以添加0. 01 1 % (质量)左右的粘结材料，搅拌混合包覆后，加热至150 250°C的范围、更优选200 250°C的范围，烧结， 来进行包覆。在铁硅铝合金粉末上包覆粘结材料时，可以添加0.05 3% (质量)左右的粘结材料，搅拌混合包覆后，加热至80 250°C的范围、更优选100 200°C的范围，烧结， 来进行包覆。在氧化物包覆纯铁粉末上包覆粘结材料并烧结时，烧结温度可选择150 250°C 的范围，如果脱离该范围，当为150°C以下时，成型时粘结材料剥离，可见电阻率降低，电阻率降低被认为是损害氧化物绝缘包覆的原因，另外，若超过250°C，则粘结材料变硬，可见成型时的填充密度降低，因此不优选。另外，即使是在该范围内，为了获得更高的密度和电阻率，更优选200 250°C范围的烧结温度。在铁硅铝合金粉末上包覆粘结材料并烧结时，烧结温度可选择80 250°C的范围，如果偏离该范围，当为80°C以下时，则可见成型时密度降低或不均勻，当为超过250°C的温度时，则可见电阻率的降低，因此不优选。另外，即使是在该范围内，为了获得更高的密度和电阻率，更优选100 200°C范围的烧结温度。将这些粉末混合，收纳在压密装置的模具中，在模具温度80 150°C下、以8 10 吨/cm2左右的成型压力温热成型为目标形状，制成压密体，使包覆有粘结材料的铁硅铝合金粉末的质量在这些包覆有粘结材料的氧化物包覆纯铁粉末和包覆有粘结材料的铁硅铝合金粉末的质量总和中所占的比例为5% (质量)以上、低于20% (质量)。这里所使用的8 10吨/cm2左右的成型压力明显低于在铁硅铝合金粉末的压密中使用的以往的20吨/cm2左右的成型压力，与常规粉末成型法中所用的压密力为同等水平，因此在常规成型压力下即可以利用铁硅铝合金粉末，用于制造本发明涉及的优异的复合软磁性材料。其后，将该压密体在50(TC 80(TC的温度下、在真空气氛或惰性气体气氛(Ar為) 中、或者在非氧化气氛(H2气氛)中进行1小时左右的焙烧，可以获得目标复合软磁性材料。通过上述的压密处理和焙烧处理可以获得目标复合软磁性材料，该复合软磁性材料呈现下述的组织结构实施了绝缘处理的纯铁粉末被压密形成铁主相，铁硅铝合金粉末被压密形成铁硅铝合金主相，相对于那些铁主相和铁硅铝合金主相所构成的主相存在作为粘结材料被焙烧的结果而生成的晶界相，使存在于那些晶界中。如以上说明制造的复合软磁性材料具有在高频区(10 20kHz)中为低损耗，铁损、磁滞损耗、矫顽力低，涡电流损耗少，电阻率高这样的优异的软磁特性。这是由于，本发明的复合软磁性材料是在将纯铁粉末利用绝缘性、粘合性均优异的上述的包含(Mg，Fe)0 的Mg-Fe-O三元系氧化物堆积膜的包覆膜进行包覆、制成适合的粒径范围的纯铁粉末中混合适合粒径范围的适量的铁硅铝合金粉末，压密并焙烧，制成复合软磁性材料，因此即使是以压密体进行焙烧的状态，仍可保持纯铁粉末所具有的高饱和磁通密度，同时可以发挥铁硅铝合金所具有的高导磁率、低矫顽力、低铁损的特性。需要说明的是，纯铁粉末的绝缘处理并不限于上述的包含(Mg，Fe) 0的Mg-Fe-O三元系氧化物堆积膜的包覆膜，通过磷酸盐包覆纯铁粉末等、实施了其它绝缘处理的包覆膜， 也可以得到同样的复合软磁性材料。如上所述，与铁硅铝合金相比，将纯铁粉末与铁硅铝合金粉末混合并压密焙烧而成的复合软磁性材料是以适当的配合比混合软质的纯铁粉末并压密、焙烧而成，因此以 8 10吨/cm2左右的成型压力即可发挥充分的磁特性。本发明的复合软磁性材料通过使铁硅铝合金粉末的添加比例为5% (质量)以上、 低于20% (质量)的范围，可以获得铁硅铝合金粉末原本所具有的、在高频区(10 20kHz) 中为低损耗，铁损、磁滞损耗、矫顽力低，涡电流损耗少，电阻率高这样的优异的软磁特性。 若铁硅铝合金粉末的添加比例低于上述范围，则无法有效发挥这些特性。另外，若铁硅铝合金粉末的添加比例过多，则纯铁粉末的量减少，因此难以获得高饱和磁通密度，同时成型时所需的压力提高，以上述范围的成型压力难以获得良好的密度。使用本发明的复合软磁性材料构成的电磁回路部件例如可举出磁芯、电动机芯、 发电机芯、螺线管芯、点火芯、电抗器芯、变压器芯、扼流圈芯以及磁传感器芯等，它们均是可发挥优异特性的电磁回路部件。组装了这些电磁回路部件的电气仪器有电动机、发电机、螺线管、喷射器、电磁驱动阀、变频器、转换器、变压器、继电器以及磁传感系统等。本发明的复合软磁性材料具有有助于这些电气仪器的高效率高性能化以及小型轻量化的效果。实施例以下，通过实施例更进一步明确本发明的效果。需要说明的是，本发明并不限于以下的实施例，可以在不改变其宗旨的范围内适当变更进行实施。准备粒径D50 ( = 20 μ m 50 μ m)的粉末作为Mg氧化物包覆纯铁粉末，准备粒径 D50( = 50μπι 120μπι)的粉末作为铁硅铝合金(组成比10% (质量)Si_6% (质量) Al-余量为Fe)粉末。粒径的测定中使用了 LEED&N0RTHRUP公司制造的MICROTRAC FRA。作为Mg氧化物包覆纯铁粉末，使用了绝缘处理过的纯铁粉末，所述绝缘处理过的纯铁粉末是指在大气中、在220°C下对纯铁粉末进行加热处理，在表面形成氧化膜，在该软性磁粉末中配合0.3% (质量)的Mg粉末，将该配合粉末利用制粒转动搅拌混合装置、在真空中、在650°C下转动1小时，由此形成了膜厚为30nm的、由(Mg，狗)0所示的含Mg氧化物包覆膜。准备Hoganas Japan公司制造的磷酸铁包覆铁粉SllOi作为其它绝缘包覆纯铁粉末，准备具有与上述同等粒径、未实施包覆的纯铁粉末作为比较例试样。在这些粉末中添加混合0. 5% (质量)作为粘结材料的有机硅树脂，在250°C下烧结，另外，在铁硅铝合金粉末中添加混合(质量)有机硅树脂，加热至150°C进行烧结。 接着，在这些各粉末中，使铁硅铝合金粉末的比例分别为0% (质量)、5% (质量)、7% (质量)、10% (质量)、20% (质量)和50% (质量)的比例混合Mg氧化物包覆纯铁粉末和铁硅铝合金粉末，准备不同的试样，将这些各试样在成型温度150°C、8吨/cm2的成型压力下压密为外形35mm、内径25mm、高度5mm的环形状，制成了各试样。对于所得的试样，使铁硅铝合金粉末的配合比(铁硅铝合金粉末在氧化物包覆纯铁粉末与铁硅铝合金粉末的质量总和中所占的配合比，％ (质量))如表1所示，同时将测定各试样的水中密度(g/cm3)、电阻率(μ Ωπι)、11111￡ 、磁场101^/111时的饱和磁通密度 (B10kA/m :Τ)、矫顽力(He :A/m)、铁损(总损耗、磁滞损耗、涡电流损耗)、机械强度(环压强度N/mm2)的结果一并表示在表1中。
权利要求
1.复合软磁性材料，其特征在于该复合软磁性材料是绝缘处理过的铁粉末与铁硅铝合金粉末和粘结剂混合压密并焙烧而成的材料；该复合软磁性材料具备主相和晶界相，所述主相是上述铁粉末与铁硅铝合金粉末压密并焙烧而成的相，所述晶界相是在上述主相的周围生成的以粘结剂为主体的相；其中，铁硅铝合金在上述主相中所占的比例为5% (质量)以上、低于20% (质量)，磁场10kA/m时的饱和磁通密度为IT以上，矫顽力为^OA/m 以下，0. ITUOkHz时的铁损为20ff/kg以下。
2.权利要求1所述的复合软磁性材料，其特征在于在绝缘处理过的铁粉末与铁硅铝合金粉末压密并焙烧而成的主相中，铁主相的平均粒径为20 50μπι，铁硅铝合金主相的平均粒径为50 120 μ m。
3.权利要求1或2所述的复合软磁性材料，其特征在于绝缘处理过的铁粉末是具备含Mg氧化物包覆膜的纯铁粉末。
4.复合软磁性材料的制造方法，其特征在于通过至少将绝缘处理过的铁粉末与铁硅铝合金粉末和粘结剂混合压密并焙烧，来制造具备主相和晶界相的复合软磁性材料，所述主相是将上述铁粉末与铁硅铝合金粉末压密并焙烧而成的相，所述晶界相是在上述主相的周围生成的以粘结剂为主体的相；其中，铁硅铝合金粉末在绝缘处理过的铁粉末和铁硅铝合金粉末的质量总和中所占的添加比例为5% (质量)以上、低于20% (质量)，通过将绝缘处理过的铁粉末和铁硅铝合金粉末混合压密并焙烧，得到磁场10kA/m时的饱和磁通密度为IT以上，矫顽力为^OA/m以下，0. ITUOkHz时的铁损为20W/kg以下的复合软磁性材料。
5.权利要求4所述的复合软磁性材料的制造方法，其特征在于使用平均粒径为20 50 μ m的绝缘处理过的铁粉末，使用平均粒径为50 120 μ m的铁硅铝合金粉末。
6.权利要求4或5所述的复合软磁性材料的制造方法，其特征在于使用通过含Mg氧化物包覆膜进行绝缘处理过的纯铁粉末作为绝缘处理过的铁粉末。
全文摘要
本发明涉及复合软磁性材料，其特征在于该复合软磁性材料是绝缘处理过的铁粉末与铁硅铝合金粉末和粘结剂混合压密并焙烧而成的材料；该复合软磁性材料具备主相和晶界相，所述主相是上述铁粉末与铁硅铝合金粉末压密而成的相，所述晶界相是在上述主相的周围形成的以粘结剂为主体的相；其中，铁硅铝合金在上述主相中所占的比例为5％(质量)以上、低于20％(质量)，磁场10kA/m时的饱和磁通密度为1T以上，矫顽力为260A/m以下，铁损(0.1T、10kHz时)为20W/kg以下。根据本发明，可以提供保持铁粉末原本所具有的高饱和磁通密度，同时兼具铁硅铝合金所具有的高导磁率、低矫顽力、低铁损耗的特性的复合软磁性材料及其制造方法。
文档编号H01F1/22GK102264492SQ20098015288
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月21日 优先权日2008年12月25日
发明者五十岚和则, 渡边宗明 申请人:三菱综合材料株式会社, 大冶美有限公司