专利名称：软磁性材料、压粉铁心、制造软磁性材料的方法以及制造压粉铁心的方法
技术领域：
本发明涉及一种软磁性材料、压粉铁心、制造软磁性材料的方法以及制造压粉铁心的方法。
背景技术：
由粉末冶金技术制造的软磁性材料被应用于具有电磁阀、电机或电路的电器中。这种软磁性材料都含有多个复合磁性颗粒，每个复合磁性颗粒都具有金属磁性颗粒(例如由纯铁构成)以及覆盖在该金属磁性颗粒表面的绝缘涂层(例如由磷酸盐构成)。为了提高软磁性材料的能量转换效率和减小其发热量，需要软磁性材料具有在使用弱磁场时可得到高磁通密度的磁性能，以及在磁通密度波动时能量损耗低的磁性能。
当将由这种软磁性材料制成的压粉铁心用于交流磁场时，会发生所谓“铁耗”的能量损耗。该铁耗可表示为磁滞损耗与涡流损耗之和。磁滞损耗是由改变软磁性材料的磁通密度所需的能量产生的一种能量损耗，涡流损耗是涡流在流过构成软磁性材料的金属磁性颗粒之间时产生的能量损耗。磁滞损耗与工作频率成正比，而涡流损耗与工作频率的平方成正比。由此，磁滞损耗在低频范围内占主要部分，而涡流损耗在高频范围内占主要部分。压粉铁心需要具有降低铁耗产生的磁性能，即高的交流磁性能。
为了减少软磁性材料铁耗中的磁滞损耗，可以除去金属磁性颗粒中的畸变和偏移，以有利于磁畴壁的移动并减小软磁性材料的矫顽磁力Hc。为了充分地除去金属磁性颗粒内的畸变和偏移，必须在高温(例如400℃或更高、优选为600℃或更高、更优选为800℃或更高)下对软磁性材料进行热处理。
然而，对于通常使用的具有绝缘涂层的铁粉，其绝缘涂层的耐热性低到约400℃，因此在高温下对软磁性材料进行热处理会使绝缘涂层的绝缘性丧失。因此，存在的问题是当减小磁滞损耗时，软磁性材料的电阻率ρ降低，从而使涡流损耗增大。特别的是，近来，人们要求电器具有更小的尺寸、更高的效率和更高的输出功率，为了满足这些要求，电器必须在高频范围内使用。在高频范围内涡流损耗的增加会妨碍电器的尺寸的减小、效率的提高和输出功率的增大。
因此，一般通过在金属磁性颗粒的表面上形成这样一种绝缘涂层来提高软磁性材料的耐热性，所述绝缘涂层由组成式为(R2SiO)n的有机硅构成。有机硅具有优异的绝缘性和耐热性，并且有机硅即使在高温下通过热处理而发生分解时也能以氧化硅无定形材料(Si-Ox)n的形式保持绝缘性和耐热性。因此，当形成由有机硅构成的绝缘涂层后，通过在约550℃的高温下对软磁性材料进行热处理可以抑制绝缘涂层的绝缘性变差，从而抑制软磁性材料涡流损耗的增加。由于有机硅具有优异的变形追从性并具有润滑剂的作用，所以，具有由有机硅构成的绝缘涂层的软磁性材料的优点在于其模塑性优异，并且在模制过程中其绝缘涂层不易破坏。
在金属磁性颗粒的表面上形成由有机硅构成的绝缘涂层的技术在(例如)日本未审查专利申请公开No.7-254522(专利文献1)、日本未审查专利申请公开No.2003-303711(专利文献2)和日本未审查专利申请公开No.2004-143554(专利文献3)中有所披露。
专利文献1日本未审查专利申请公开No.7-254522专利文献2日本未审查专利申请公开No.2003-303711专利文献3日本未审查专利申请公开No.2004-143554发明内容本发明要解决的问题然而，由有机硅构成的绝缘涂层的耐热性是不够的。在高温(例如600℃)下对传统的软磁性材料进行热处理会产生这样的问题由有机硅构成的绝缘涂层发生破坏(降低绝缘性)，从而增加了涡流损耗。因此，传统的软磁性材料的问题在于在抑制涡流损耗增加的同时不能有效地减小磁滞损耗。
此外，由于由有机硅构成的绝缘涂层不具有足够的硬度，所以，存在的问题是不能增强通过对软磁性材料压制成型所获得的压粉铁心的强度。
因此，本发明的一个目的是提供软磁性材料、压粉铁心、制造软磁性材料的方法以及制造压粉铁心的方法，从而在抑制涡流损耗增加的同时能够有效地减小磁滞损耗。
本发明的另一个目的是提供软磁性材料、压粉铁心、制造软磁性材料的方法以及制造压粉铁心的方法，从而能够制造强度高和磁滞损耗低的压粉铁心。
解决上述问题的手段本发明的软磁性材料包含多个复合磁性颗粒，每个复合磁性颗粒都具有金属磁性颗粒以及包围该金属磁性颗粒表面的绝缘涂层，该绝缘涂层含有Si(硅)，并且该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。
在本发明的一个方面中，压粉铁心包含多个复合磁性颗粒，每个复合磁性颗粒都具有金属磁性颗粒以及包围该金属磁性颗粒的绝缘涂层，该绝缘涂层含有Si(硅)，并且该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架和氧化硅骨架，该氧化硅骨架由(Si-Ox)n表示，其中x＞1.5。
本发明的软磁性材料的制造方法包括在金属磁性颗粒上形成绝缘涂层的步骤，其中该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。
本发明的发明人发现绝缘性下降的起因是由于在高温下对由有机硅构成的绝缘涂层进行了热处理的缘故。有机硅聚合物基本上具有一维结构(该结构包括作为基础的骨架，其中，Si原子的四个键中的两个键通过氧原子与Si键合)，因此Si-O-Si链的密度低。因此，当在高温下(例如高于550℃的温度)对软磁性材料进行热处理时，金属磁性颗粒的组成原子扩散到绝缘涂层中，从而降低了绝缘涂层的绝缘性。由于有机硅含有多种有机成分，所以，对软磁性材料进行的热处理使有机硅热分解，从而降低了绝缘涂层的厚度和绝缘涂层的绝缘性。此外，绝缘涂层由于碳化而表现出导电性，从而进一步降低了绝缘性。由于这些因素，使金属磁性颗粒之间的绝缘性不能得到保持，从而增加了因热处理引起的涡流损耗。
另一方面，在本发明中，绝缘涂层中含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架(在该骨架中，Si原子四个键中的三个键通过氧原子与Si键合)。由于硅倍半氧烷聚合物具有二维或三维结构，所以，Si-O(氧)-Si链的密度高于有机硅的Si-O-Si链的密度。因此，与有机硅相比，所述硅倍半氧烷结构可以抑制金属磁性颗粒的组成原子向绝缘涂层内扩散。此外，硅倍半氧烷中有机成分的含量比有机硅中的有机成分的含量低。因此，当对软磁性材料进行热处理时，不会明显降低绝缘涂层的厚度，并且几乎不产生碳原子，从而抑制了绝缘涂层绝缘性的降低。此外，热处理前的硅倍半氧烷具有与有机硅相同的变形追从性程度，由此可在不破坏绝缘涂层的条件下形成软磁性材料。
因此，由于绝缘涂层中含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架，所以，提高了绝缘涂层的耐热性。结果，可以在抑制涡流损耗增加的同时减小磁滞损耗。
由于绝缘涂层的耐热性(抑制软磁性颗粒的金属构成元素的扩散的能力)得到改善，因此，即使在绝缘涂层的厚度被降低时也能确保金属磁性颗粒之间的绝缘性。结果，可以尝试增加压粉铁心的密度，并由此减小磁滞损耗并改善磁导率。
此外，热处理(固化/分解)后的硅倍半氧烷的硬度比热处理(固化/分解)后的有机硅的硬度更高，因此可以得到具有足够强度的压粉铁心。这是因为当Si-O-Si链的结构(密度)更接近于结晶二氧化硅(SiO2)时，硅倍半氧烷的硬度增加，从而改善压粉铁心的强度。
在本发明的软磁性材料中，绝缘涂层的平均厚度优选为10nm到1μm。
当绝缘涂层的平均厚度为大于或等于10nm时，可以确保金属磁性颗粒之间的绝缘性。当绝缘涂层的平均厚度为小于或等于1μm时，可以防止绝缘涂层在压制成型过程中发生剪切断裂。由于绝缘涂层与软磁性材料之比并不过大，因此可以防止通过对软磁性材料压制成型而得到的压粉铁心的磁通密度发生明显下降。
在本发明的软磁性材料中，优选的是，多个复合金属磁性颗粒中的每个都还具有在金属磁性颗粒和绝缘涂层之间形成的底涂层。该底涂层由绝缘性无定形化合物构成。
由此，可增强金属磁性颗粒和绝缘涂层之间的粘合作用。此外，由于无定形化合物具有优异的变形追从性，因此，可以提高软磁性材料的模塑性。
在本发明的软磁性材料中，底涂层优选含有选自Al(铝)、Si、Mg(镁)、Y(钇)、Ca(钙)、Zr(锆)和Fe(铁)中的至少一种的磷酸盐无定形化合物、硼酸盐无定形化合物、或氧化物无定形化合物、或这些化合物的混合物。
这些材料具有优异的绝缘性和变形追从性，并且具有优异的偶联金属和有机化合物的作用，因此适用于底涂层。
在本发明的软磁性材料中，底涂层的平均厚度优选为10nm到1μm。
当底涂层的平均厚度为大于或等于10nm时，可以防止在涂敷过程中由于不均匀涂敷或物理损坏而发生的破坏。当底涂层的平均厚度为小于或等于1μm时，可以防止底涂层在压制成型中发生剪切断裂。由于绝缘涂层与软磁性材料之比并不过大，因此可以防止通过对软磁性材料压制成型而得到的压粉铁心的磁通密度发生明显下降。
在本发明的另一个方面中，用所述的软磁性材料制造压粉铁心。
在本发明的又一个方面中，制造压粉铁心的方法包括压制成型步骤，其中对由制造软磁性材料的方法制造的软磁性材料压制成型，和在压制成型步骤后热固化由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层的步骤。
在本发明的又一个方面中，制造压粉铁心的方法包括压制成型步骤，其中在热模具中对由制造软磁性材料的方法制造的软磁性材料压制成型，并在该压制成型的同时热固化由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层的。
根据制造本发明压粉铁心的方法，可以在抑制涡流损耗增加的同时减小磁滞损耗。另外，可以得到高强度的压粉铁心。此外，由于在压制成型步骤的同时或压制成型步骤后对由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层进行热固化，所以，可以在由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层具有优异的变形追从性的条件下压制形成软磁性材料。
本发明的效果通过使用本发明的软磁性材料、压粉铁心、制造该软磁性材料的方法以及制造该压粉铁心的方法，可以在抑制涡流损耗增加的同时有效地减小磁滞损耗。此外，可以得到强度高和磁滞损耗低的压粉铁心。
附图简要说明
图1为示意性示出根据本发明实施方案的软磁性材料的图。
图2为示意性示出根据本发明实施方案的压粉铁心的剖视图。
图3为示出制造根据本发明实施方案的压粉铁心的方法的步骤顺序图。
图4为示意性示出在仅具有底涂层的软磁性材料中的Fe原子的扩散状态的图。
图5为示意性示出在具有由有机硅构成的绝缘涂层的软磁性材料中的Fe原子的扩散状态的图。
图6为示意性示出在根据本发明实施方案的软磁性材料中的Fe原子的扩散状态的图。
附图参考标号10、110金属磁性颗粒；20、120绝缘涂层；30、130底涂层；40复合磁性颗粒；45润滑剂；50畸变。
本发明的最佳实施方式以下将参照附图来说明本发明的实施方案。
图1为示意性示出根据本发明实施方案的软磁性材料的剖视图。参照图1，本实施方案的软磁性材料包括多个复合磁性颗粒40，每个复合磁性颗粒40都具有金属磁性颗粒10、包围该金属磁性颗粒10的表面的绝缘涂层20和在金属磁性颗粒10和绝缘涂层20之间形成的底涂层30。除了复合磁性颗粒40以外，所述的软磁性材料还可以具有润滑剂45。
图2为示意性示出根据本发明实施方案的压粉铁心的剖视图。通过对图1所示的软磁性材料实施压制成型和热处理来制造图2所示的压粉铁心。参照图1和图2，通过复合磁性颗粒40所具有的凹凸部分相啮合将本实施方案压粉铁心中的多个复合磁性颗粒30粘接在一起。
在图1所示的软磁性材料和图2所示的压粉铁心中，绝缘涂层20含有Si。在图1所示的软磁性材料中，绝缘涂层20中含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。在图2所示的压粉铁心中，绝缘涂层20中含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架和氧化硅骨架，该氧化硅骨架由(Si-Ox)n表示，其中x＞1.5。术语“硅倍半氧烷”是具有以下结构式1的聚硅氧烷的通用术语。如该结构式所示，将其中Si原子四个键中的三个键通过氧原子与Si原子键合的骨架称为“硅倍半氧烷骨架”。
在化学式1中，R和R’各自代表由(例如)以下化学式2或3所表示的官能团。
[化学式3] 如化学式1所示，构成硅倍半氧烷的各个Si原子与三个O原子和R或R’键合，从而形成聚合物。因此，硅倍半氧烷具有二维结构或三维结构。
硅倍半氧烷聚合物的结构的实例包括由化学式4表示的梯子状结构、由化学式5表示的无规结构和由化学式6到8表示的笼形结构。
[化学式5] [化学式6]
[化学式7] [化学式8] 在制造压粉铁心的过程中，在压制成型后或压制成型期间进行热处理，从而使硅倍半氧烷在热处理中被热固化。对硅倍半氧烷热固化，从而通过由化学式1中的R或R’所代表的官能团发生的聚合形成了三维结构。
可以通过(例如)裂解气相色谱-质谱法(裂解GCMS)测定Si原子的键态。可供选用的另一种方式是，可以通过测定红外吸收分析中Si-O和Si-C的特征吸收峰间的峰之比和元素分析中的Si/O比来检测键态。在本发明的软磁性材料中，大于或等于80％的预定数量的Si原子构成了硅倍半氧烷骨架。
金属磁性颗粒10的平均颗粒尺寸优选为30μm到500μm。当金属磁性颗粒10的平均颗粒尺寸为大于或等于30μm时，可以降低矫顽磁力。当所述的平均颗粒尺寸为小于或等于500μm时，可以减小涡流耗损。还可以在压制成型过程中抑制混合粉末的压缩性变差。因此，由压制成型得到的模制制品的密度未被降低，从而避免使所得制品更难以处理的情况发生。
金属磁性颗粒10的平均颗粒尺寸是指在颗粒尺寸直方图中，从最小颗粒尺寸开始的累积质量达到颗粒总质量50％时所对应的颗粒尺寸，即50％颗粒尺寸。
金属磁性颗粒10由(例如)Fe、Fe-Si合金、Fe-Al合金、Fe-N(氮)合金、Fe-Ni(镍)合金、Fe-C(碳)合金、Fe-B(硼)合金、Fe-Co(钴)合金、Fe-P合金、Fe-Ni-Co合金、Fe-Cr(铬)或Fe-Al-Si合金构成。金属磁性颗粒10可由单质金属或合金构成。此外，可以使用两种或多种单质金属和合金的混合物。
绝缘涂层20和底涂层30在金属磁性颗粒10之间起到了绝缘层的作用。通过用绝缘涂层20和底涂层30覆盖各个金属磁性颗粒10的表面，就可以增大由对软磁性材料压制成型得到的压粉铁心的电阻率ρ。结果，可以阻止涡流在金属磁性颗粒10之间流动，从而减小压粉铁心的涡流损耗。
绝缘涂层20的平均厚度优选为10nm到1μm。当绝缘涂层20的平均厚度为大于或等于10nm时，可以确保金属磁性颗粒10之间的绝缘性。当绝缘涂层20的平均厚度为小于或等于1μm时，可以防止绝缘涂层20在压制成型过程中发生剪切断裂。此外，由于绝缘涂层20与软磁性材料之比并不过大，所以可以防止由对软磁性材料压制成型而得到的压粉铁心的磁通密度发生显著降低。
底涂层30除了起到金属磁性颗粒10之间的绝缘层作用外，还增强了金属磁性颗粒10和绝缘涂层20之间的粘合作用。此外，底涂层30改善了软磁性材料的模塑性。由于无定形化合物具有优异的变形追从性，所以，无定形化合物可以改善软磁性材料的模塑性。
底涂层30由绝缘的无定形化合物构成，这些化合物包括(例如)选自Al、Si、Mg、Y、Ca、Zr和Fe中的至少一种元素的磷酸盐、硼酸盐、或氧化物的无定形化合物。由于这些材料具有优异的绝缘性、变形追从性和偶联金属和有机化合物的充分效果，所以所述材料适用于底涂层30。底涂层30的平均厚度优选为10nm到1μm。当底涂层30的平均厚度为大于或等于10nm时，可以防止底涂层30在涂敷步骤中由于涂敷不均匀或物理损坏而发生破坏。当底涂层30的平均厚度为小于或等于1μm时，可以防止底涂层30在压制成型过程中发生剪切断裂。此外，由于底涂层30与软磁性材料之比并不过大，所以可以防止通过对软磁性材料压制成型而得到的压粉铁心的磁通密度发生显著降低。
以下将说明制造图1所示的软磁性材料的方法以及制造图2所示压粉铁心的方法。图3为示出制造根据本发明实施方案的压粉铁心的方法的步骤顺序图。
首先，参照图3，制备由(例如)纯铁、Fe-Si合金或Fe-Co合金构成的金属磁性颗粒10(步骤S1)。采用(例如)气雾化法或水雾化法制造金属磁性颗粒10。
接着，在400℃到低于金属磁性颗粒10的熔点100℃的温度下对金属磁性颗粒10进行热处理(步骤S2)。热处理的温度更优选为700℃到低于金属磁性颗粒10的熔点100℃的温度。当金属磁性颗粒10因热处理发生互相粘合而需要粉碎时，由于粉碎而产生的机械畸变使金属磁性颗粒的模塑性降低，因此优选的是在不引起粘合的温度下再次进行热处理。在进行热处理之前，金属磁性颗粒10的内部存在许多畸变(偏移和缺陷)。可通过对金属磁性颗粒10进行热处理来减少这些畸变。该热处理可以被省略。
在每个金属磁性颗粒10的表面上形成底涂层30(步骤S3)。可通过(例如)对金属磁性颗粒10进行磷酸盐化处理来形成底涂层30。磷酸盐化处理形成了无定形的底涂层30，该底涂层由(例如)含磷和铁的磷酸铁、磷酸铝、磷酸硅(硅磷酸盐)、磷酸镁、磷酸钙、磷酸钇或磷酸锆构成。可利用前体并采用溶剂喷雾或溶胶-凝胶处理来形成这种磷酸盐绝缘涂层。
还可以形成含氧化物的底涂层30。可将氧化物绝缘体(例如氧化硅、氧化钛、氧化铝和氧化锆)的无定形涂层用作这种含氧化物的底涂层30。可利用前体并采用溶剂喷雾或溶胶-凝胶处理来形成这种底涂层。形成底涂层的步骤可以被省略。
接着，在底涂层30的表面上形成由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层20(步骤S4)。具体而言，将硅倍半氧烷化合物或硅倍半氧烷前体以相对于金属磁性颗粒10总质量的0.01质量％到0.2质量％的量溶解于二甲苯溶剂中。此时，也可以将热固化加速剂溶解于所述溶剂中。所溶解的热固化加速剂的量为(例如)硅倍半氧烷化合物或硅倍半氧烷前体总质量的约2质量％。通过湿法在底涂层30的表面上形成由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层20。
可以将树脂(例如聚乙烯树脂、硅树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺-酰亚胺树脂、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂和氟碳树脂)与硅倍半氧烷化合物或硅倍半氧烷前体一起溶解于所述溶剂中。在这种情况下，可形成由硅倍半氧烷和所述树脂构成的绝缘涂层。但是，即使在使用由硅倍半氧烷以外的材料构成的绝缘涂层时，也必须控制溶解的硅倍半氧烷化合物或硅倍半氧烷前体的比例，使得绝缘涂层中含有的80％的Si构成硅倍半氧烷骨架。
除了湿法以外，其它形成绝缘涂层20的方法的实例包括使用V型混合仪的干混法、机械合金化方法、振动球磨法、行星式球磨法、机械熔化法、共沉淀法、化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、电镀法、溅射法、蒸发法和溶胶-凝胶法。
通过上述步骤得到图1所示的根据本实施方案的软磁性材料。如果要制造图2所示的压粉铁心时，则要进一步实施以下步骤。
接着，如果需要的话，混入粘结剂，然后将软磁性材料粉末置于模具中并在(例如)800MPa到1500MPa的条件下进行压制成型(步骤S5)。结果，可以得到其中软磁性材料被压紧的模制制品。压制成型所使用的气氛优选为惰性气体气氛或者减压气氛。在这种情况下，可以防止混合粉末被大气中的氧气氧化。
接着，将所述模制制品在(例如)70℃到300℃的温度下于空气中热处理1分钟到1小时(步骤S6)。结果，硅倍半氧烷发生热固化，从而增强了所述模制制品的强度。由于硅倍半氧烷在压制成型后被热固化，所以，可以在硅倍半氧烷的变形追从性因热固化而降低之前进行压制成型，由此可以对具有优异模塑性的软磁性材料进行压制成型。当同时进行热处理和压制成型时，可以达到同样的效果。在这种情况下，优选的是，对压制成型所用的模具和冲床加热，以进行热模制。
接着，将由压制成型得到的模制制品进行热处理(步骤S7)。当金属磁性颗粒10由纯铁构成时，在550℃到低于使绝缘涂层20电阻率减小的温度下进行热处理。由于压制成型后的模制制品中存在多种缺陷，所以可以通过热处理除去这些缺陷。在该热处理中，一部分硅倍半氧烷骨架中的非Si键互相键合而将该骨架转变为其中所有的键都通过氧原子与硅原子键合的二氧化硅骨架，从而有利于增强绝缘膜的耐热性。通过上述步骤得到图2所示的本实施方案的压粉铁心。
在本实施方案的软磁性材料中，所述绝缘涂层中含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。与具有相同的Si-O-Si链的有机硅相比，硅倍半氧烷具有优异的绝缘稳定性。以下将对此进行说明。
硅倍半氧烷具有由上述化学式1所表示的结构式。另一方面，有机硅具有由以下化学式9所表示的结构式，而无机二氧化硅具有由以下化学式10所表示的结构式。
[化学式10] 参照化学式9，构成有机硅的各个Si原子通过两个氧原子与Si原子键合，并与R或R’键合，从而形成聚合物。因此，有机硅具有一维结构，并且具有比硅倍半氧烷低的Si-O-Si链密度。
Si-O-Si链具有抑制金属磁性颗粒的构成原子(例如Fe)扩散进入绝缘涂层的作用。图4为示意性示出在仅具有底涂层的软磁性材料中的Fe原子的扩散状态的图。参照图4(a)，在具有畸变50的金属磁性颗粒110的表面上形成磷酸盐的底涂层130，而没有形成由具有Si-O-Si链的材料构成的绝缘涂层。在这种情况下，金属磁性颗粒110之间只存在底涂层130。如图4(b)所示，在为了除去畸变50而对软磁性材料进行的热处理中，金属磁性颗粒110的Fe原子扩散并进入底涂层130。结果，绝缘涂层因被金属化而降低了绝缘性，从而无法确保金属磁性颗粒之间的绝缘性。
图5为示意性示出在具有由有机硅构成的绝缘涂层的软磁性材料中的Fe原子的扩散状态的图。参照图5(a)，在具有畸变50的金属磁性颗粒110的表面上形成磷酸盐的底涂层130，并且在该底涂层130的表面上形成由有机硅构成的绝缘涂层120。在这种情况下，在金属磁性颗粒110之间存在底涂层130和绝缘涂层120。如图5(b)所示，在为了除去畸变50而对软磁性材料进行的热处理中，金属磁性颗粒110中Fe原子的扩散在某种程度上被绝缘涂层120所抑制。但是，有机硅具有低的Si-O-Si链密度，和多种Fe原子扩散途径。因此，当热处理温度高时，Fe原子扩散并进入绝缘涂层120中，从而降低了绝缘涂层的绝缘性。此外，有机硅中的有机成分含量高，因此有机硅因热处理而发生热分解，从而降低了绝缘涂层的厚度，由此降低了绝缘涂层的绝缘性。另外，因碳化而产生了由碳原子(作为主要成分)构成的残渣，从而进一步降低了绝缘性。结果，不能确保金属磁性颗粒110之间的绝缘性。
图6为示意性示出在根据本发明实施方案的软磁性材料中的Fe原子的扩散状态的图。参照图6(a)，在具有畸变50的金属磁性颗粒10的表面上形成磷酸盐的底涂层30，并且在底涂层30的表面上形成由硅倍半氧烷构成的绝缘涂层20。在这种情况下，金属磁性颗粒10之间存在底涂层30和绝缘涂层20。如图6(b)所示，在为了除去畸变50而对软磁性材料进行的热处理中，金属磁性颗粒10中Fe原子的扩散被绝缘涂层20所抑制。由于硅倍半氧烷具有比有机硅高的Si-O-Si链密度，所以，即使在热处理温度高的情况下也可抑制Fe原子发生扩散及进入绝缘涂层20中。此外，硅倍半氧烷具有比有机硅低的有机成分含量，并且绝缘涂层的厚度在热处理中几乎没有减少且几乎不产生碳残渣。结果，可以在确保金属磁性颗粒10之间的绝缘性的同时除去畸变50。
表I总结了有机硅、硅倍半氧烷和无机硅的性质。在表I中，A表示“非常优异”；B表示“优异”；C表示“稍差”；D表示“差”。
参照表I，由于硅倍半氧烷具有较高密度的Si-O-Si链，所以，固化后，硅倍半氧烷具有比有机硅更优异的绝缘稳定性和密度。就变形追从性而言，热固化前的硅倍半氧烷和有机硅具有相同程度的变形追从性。无机二氧化硅在绝缘稳定性和Si-O-Si链密度方面都比硅倍半氧烷更优异，但是不利的是其变形追从性非常低。因此，当将无机二氧化硅用作绝缘涂层时，绝缘涂层会因对软磁性材料压制成型而破坏，因此，无机二氧化硅不适合作为绝缘涂层的材料。另外，无机二氧化硅妨碍金属磁性材料的塑性变形，由此降低了所得压粉铁心的密度，从而降低了磁导率并增加了铁耗。
在根据本发明实施方案的软磁性材料、压粉铁心、制造该软磁性材料的方法和制造该压粉铁心的方法中，绝缘涂层20中含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架，从而增强了绝缘涂层20的耐热性。结果，可以在抑制涡流损耗增加的同时减小磁滞损耗。
此外，提高了抑制Fe原子扩散进入绝缘涂层20的能力，因此，即使在绝缘涂层20的厚度减小时也能确保金属磁性颗粒10之间的绝缘涂层的耐热性。因此，可以增加压粉铁心的密度，从而减小磁滞损耗并增强磁导率。
另外，由于固化后的硅倍半氧烷具有比固化后的有机硅更高的硬度，因此，可以得到具有足够强度的压粉铁心，并且改善了后续步骤的可操作性。
(例1)在本实施例中，针对由绝缘涂层中含有的大于或等于80％的Si构成的硅倍半氧烷骨架的效果进行检测。具体而言，通过雾化法对纯度为99.8质量％的纯铁制粉，以制备出多个金属磁性颗粒。接着，将该金属磁性颗粒浸渍在磷酸铁水溶液中，从而在各个金属磁性颗粒的表面上形成磷酸铁的底涂层。接着，在硅倍半氧烷与有机硅的质量比在0质量％到100质量％之间变化的条件下，给各个金属磁性颗粒涂敷上绝缘涂层。将作为硅倍半氧烷的氧杂环丁烷硅倍半氧烷(OX-SQ由东亚合成株式会社制造)、阳离子热引发剂(San-Aid SI-100L由三新化学工业株式会社制造)和作为有机硅的无溶剂硅树脂(TSE3051由東芝GEシリコ一ン(Toshiba GE Silicone)公司制造)用于制备二甲苯溶液。涂敷总量为金属磁性颗粒总重量的0.1质量％到0.2质量％。阳离子热引发剂的比例为硅倍半氧烷的2质量％。使用得到的溶液通过湿法在底涂层的表面上形成绝缘涂层。接着，通过干燥使二甲苯蒸发，然后在压机表面压力为800MPa到1500MPa的条件下将得到的软磁性材料压制成型，从而制造出模制制品。然后，将该模制制品在70℃到300℃的温度下于空气中热处理1小时以使绝缘涂层热固化。然后，当温度在400℃到650℃的范围内变化时，将该模制制品在氮气气氛中热处理1小时，从而制得压粉铁心样品1到10。
然后，将金属线缠绕在各个得到的压粉铁心上，从而制备出用于测量磁性能的样品。用AC BH曲线示综器测量铁耗。在测量铁耗时，激励磁通密度为10千吉布斯(＝1T(特斯拉))，测量频率为50赫兹到1000赫兹。此外，由铁耗随频率的变化计算出涡流损耗和磁滞损耗。即，通过最小二乘法，根据以下三个算式拟合铁耗的频率曲线，并计算磁滞损耗系数和涡流损耗系数，从而计算出涡流损耗和磁滞损耗。
(铁耗)＝(磁滞损耗系数)×(频率)+(涡流损耗系数)×(频率)2(磁滞损耗)＝(磁滞损耗系数)×(频率)(涡流损耗)＝(涡流损耗系数)×(频率)2
表II示出了测量出的涡流损耗We(W/kg)，磁滞损耗Wh(W/kg)，和铁耗W(W/kg)。
表II
参照表II，在400℃到500℃的低温下进行热处理时，样品1到样品10的涡流损耗We和磁滞损耗Wh之间没有明显差别。但是，在大于或等于550℃的高温下进行热处理时，作为对比例的样品1到样品8的涡流损耗We增加，而本发明实施例中的样品9到样品11在抑制涡流损耗We增加的同时减小磁滞损耗。具体而言，在600℃的温度下进行热处理时，样品9、10和11的铁耗W分别明显减小为88W/kg、81W/kg和83W/kg。这些结果表明，根据本发明，可以在抑制涡流损耗增加的同时减小磁滞损耗。
应当想到上述实施方案和例子只是示例性的而非限定性的。本发明的范围如权利要求所示，而不是如实施方案和例子所示，并且本发明旨在涵盖与权利要求等价的含意和在权利要求范围内的任何修改和变化。
工业适用性本发明的软磁性材料、压粉铁心、制造该软磁性材料的方法以及制造该压粉铁心的方法可以应用于(例如)电机磁芯、电磁阀、反应器和普通电磁部件。
权利要求
1.一种软磁性材料，其包含多个复合磁性颗粒(40)，每个所述复合磁性颗粒都具有金属磁性颗粒(10)以及包围在该金属磁性颗粒表面的绝缘涂层(20)，其中所述绝缘涂层含有Si，并且该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。
2.根据权利要求1所述的软磁性材料，其中所述的绝缘涂层(20)的平均厚度为10nm到1μm。
3.根据权利要求1所述的软磁性材料，其中所述的多个复合磁性颗粒(40)中的每个还都具有在所述金属磁性颗粒和所述绝缘涂层之间形成的底涂层(30)，其中所述底涂层由绝缘的无定形化合物构成。
4.根据权利要求3所述的软磁性材料，其中所述底涂层(30)含有选自Al、Si、Mg、Y、Ca、Zr和Fe中的至少一种的磷酸盐的无定形化合物、它们的硼酸盐的无定形化合物或它们的氧化物的无定形化合物。
5.根据权利要求3所述的软磁性材料，其中所述底涂层(30)的平均厚度为10nm到1μm。
6.一种压粉铁心，其由根据权利要求1所述的软磁性材料制造。
7.一种压粉铁心，其包含多个复合磁性颗粒(40)，每个所述复合磁性颗粒都具有金属磁性颗粒(10)以及包围在该金属磁性颗粒表面的绝缘涂层(20)，其中所述绝缘涂层含有Si，并且该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架和氧化硅骨架，该氧化硅骨架由(Si-Ox)n表示，其中x＞1.5。
8.一种制造软磁性材料的方法，该方法包括在金属磁性颗粒(10)上形成绝缘涂层(20)的步骤，其中该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。
9.一种制造压粉铁心的方法，该方法包括压制成型步骤，其中对采用根据权利要求8所述的制造软磁性材料的方法制造的所述软磁性材料进行压制成型；以及在所述压制成型步骤之后的使所述的绝缘涂层(20)热固化的步骤。
10.一种制造压粉铁心的方法，该方法包括压制成型步骤，其中在加热的模具中对采用根据权利要求8所述的制造软磁性材料的方法制造的所述软磁性材料进行压制成型，并且在该压制成型的同时使所述的绝缘涂层(20)热固化。
全文摘要
一种软磁性材料，其包括多个复合磁性颗粒(40)，每个所述复合磁性颗粒都具有金属磁性颗粒(10)以及包围在该金属磁性颗粒表面的绝缘涂层(20)，其中所述绝缘涂层(20)含有Si(硅)，并且该绝缘涂层中所含有的大于或等于80％的Si构成了硅倍半氧烷骨架。因此，可以在抑制涡流损耗增加的同时有效地减小磁滞损耗。
文档编号H01F41/02GK101091226SQ200680001569
公开日2007年12月19日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年9月21日
发明者前田彻, 前田和幸, 饼田恭志, 三村浩二 申请人:住友电气工业株式会社