複合磁性材料的製造方法和使用它的壓粉磁芯及其製造方法
2023-06-12 17:42:21 3
專利名稱：複合磁性材料的製造方法和使用它的壓粉磁芯及其製造方法
技術領域：
本發明涉及車載用ECU或筆記本個人電腦用的電子機器的扼流圈等中所用的複合磁性材料及其製造方法和使用它的壓粉磁芯及其製造方法。
背景技術：
隨著近年來的電子機器的小型化、薄型化，在扼流圈中也要求具有能夠應對小型化、大電流化、高頻化的磁特性的磁性材料。以往作為該種磁性材料，提出過在以鐵作為主成分的金屬粉末的表面以含有有機矽樹脂及顏料的被膜覆蓋的材料。同時還提出過其製造方法。而且，作為有關該申請的先行技術文獻信息，例如已知有專利文獻1。在此種以往的磁性材料以及使用了它的壓粉磁芯中，成為問題的是難以在高頻領域中使用。即，在以往的構成中有機矽樹脂中的顏料缺乏均勻性，如果在高溫退火時有機矽樹脂分解，就會產生絕緣性急劇地降低的不佳狀況。由此，無法在高溫下將加壓成形後的壓粉磁芯退火，從而不能充分地進行加壓成形時在金屬磁性粉末中產生的應變的釋放。因此， 由於無法實現壓粉磁芯中的磁滯損耗的減少，所以磁損耗升高。另外，如果在加壓成形後在高溫下將壓粉磁芯退火，則會引起有機矽樹脂的熱分解，在顏料不均勻的部位金屬粒子之間發生燒結，因此不僅渦流損耗變大，而且還會導致高頻區域中的導磁率的降低。根據以上的理由，就以往的磁性材料而言，無法兼顧壓粉磁芯的高頻區域中的高導磁率和低磁損耗。由此，不適於在要求如下特性的材料中所用的作為壓粉磁芯的磁性材料，即，能夠應對在車載用ECU或筆記本個人電腦中所用的扼流圈等的小型、大電流，並且在高頻區域中損耗也很低。專利文獻1 日本特開2003-303711號公報
發明內容
本發明的目的在於，提供具有在應對扼流圈等磁性元件的小型化及大電流方面優異、並且在高頻區域中也可以低損耗地使用的磁特性的複合磁性材料的製造方法和使用它的壓粉磁芯及其製造方法。本發明的壓粉磁芯是含有金屬磁性粉末和絕緣材料的壓粉磁芯，對於金屬磁性粉末，將其維氏硬度(Hv)設為230 ^ Hv ^ 1000的範圍，對於絕緣材料，使其壓縮強度為 10000kg/cm2以下，並且處於機械性損壞狀態，在金屬磁性粉末間夾設處於機械性損壞狀態的絕緣材料。另夕卜，本發明的壓粉磁芯的製造方法包括將包含維氏硬度(Hv)為 230 ^ Hv ^ 1000的範圍的金屬磁性材料和壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下的絕緣材料的複合磁性材料加壓成形而形成成形體的步驟、和進行成形體的熱處理的步驟，在形成成形體的步驟中，使絕緣材料為機械性損壞狀態。
另外，本發明的複合磁性材料的製造方法包括以使金屬磁性粉末的維氏硬度 (Hv)為230 ^ Hv ^ 1000的範圍的方式來提高金屬磁性粉末的硬度的步驟、和在金屬磁性粉末間分散壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下的絕緣材料的步驟。根據上述的構成及製造方法，可以實現複合磁性材料的絕緣性、耐熱性的提高，可以獲得即使在高頻區域中導磁率及磁損耗也良好的壓粉磁芯。
圖1是本發明的第一實施方式的壓粉磁芯的放大圖。圖2是本發明的第一實施方式的壓粉磁芯的整體概略圖。
具體實施例方式(第一實施方式)對本發明的第一實施方式的複合磁性材料的製造方法和使用它的壓粉磁芯及其製造方法進行說明。下面，對本發明的第一實施方式的複合磁性材料進行說明。本發明的第一實施方式的複合磁性材料是包含金屬磁性粉末和絕緣材料的複合磁性材料。金屬磁性粉末的維氏硬度(Hv)是230 ^ Hv ^ 1000的範圍的值。絕緣材料的壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下。本實施方式的複合磁性材料是在金屬磁性粉末間夾設上述絕緣材料的構成。根據該構成，由於在金屬磁性粉末與金屬磁性粉末之間存在絕緣體，因此能夠防止金屬磁性粉末之間的接觸，可以實現複合磁性材料的絕緣性、耐熱性的提高。另外，還可以實現使用了該複合磁性材料的壓粉磁芯的絕緣性、耐熱性的提高，進而還可以實現填充率的提高。其結果是，可以進行壓粉磁芯的高溫退火，可以提供在高頻區域中導磁率及磁損耗也良好的壓粉磁芯。具體來說，本第一實施方式中所用的金屬磁性粉末最好是近似球狀。 這是因為，如果使用扁平形狀的金屬磁性粉末，則會對壓粉磁芯賦予磁各向異性，因此會受到磁路限制。本第一實施方式中所用的金屬磁性粉末優選將其維氏硬度(Hv)設為 230 ^ Hv ^ 1000的範圍。在小於230Hv的情況下，在使用複合磁性材料製成壓粉磁芯時的加壓成形時不會充分地產生絕緣材料的機械性損壞，無法獲得高填充率。由此，無法充分地獲得良好的直流疊加特性及低磁損耗。另一方面，在大於IOOOHv的情況下，金屬磁性粉末的塑性變形能力明顯地降低，從而無法獲得高填充率，所以不夠理想。這裡所說的機械性損壞是指如下的狀態，即，在壓粉磁芯的成形壓縮時，絕緣材料因被金屬磁性粉末壓縮而破碎變小，在金屬磁性粉末間夾設絕緣材料。圖1中表示本實施方式的壓粉磁芯的放大圖。在金屬磁性粉末1之間絕緣材料2 以機械性損壞狀態存在。另外，還存在有將它們的間隙填充的粘結劑3。另外，本第一實施方式中所用的金屬磁性粉末最好包含!^e-Ni系、Fe-Si-Al系、 Fe-Si系、Fe-Si-Cr系、!^e系中的至少一種以上。如上所述的以狗作為主成分的金屬磁性粉末由於飽和磁通密度高，因此在大電流下的使用中十分有用。以下，記載出使用各種金屬磁性粉末製作壓粉磁芯時的條件和壓粉磁芯的特性。在使用!^e-Ni系金屬磁性粉末的情況下，其比率最好為，Ni的含量為40重量％以上90重量％以下，剩餘為！^及不可避免的雜質。對於這裡所說的不可避免的雜質，例如可以舉出Mn、Cr、Ni、P、S、C等。如果Ni的含量小於40重量％，就會缺乏軟磁特性的改善效果，如果大於90重量％，則飽和磁化的降低增大，直流疊加特性降低。此外為了改善直流疊加特性，也可以含有1 6重量％的Mo。在使用!^e-Si-Al系金屬磁性粉末的情況下，其比率最好為，Si為8重量％以上12 重量％以下，Al的含量為4重量％以上6重量％以下，剩餘為!^e及不可避免的雜質。對於這裡所說的不可避免的雜質，例如可以舉出Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通過將各構成元素的含量設為上述的組成範圍，就可以獲得高直流疊加特性和低頑磁力。在使用!^e-Si系金屬磁性粉末的情況下，其比率最好為，Si的含量為1重量％以上8重量％以下，剩餘為！^及不可避免的雜質。對於這裡所說的不可避免的雜質，例如可以舉出胞、&、附、？、5、(等。通過含有Si，就會有減小磁各向異性、磁致伸縮常數、提高電阻、降低渦流損耗的效果。如果Si的含有比率小於1重量％，則缺乏軟磁特性的改善效果， 如果大於8重量％，則飽和磁化的降低大，直流疊加特性降低。在使用狗-Si-Cr系金屬磁性粉末的情況下，其比率最好為，Si為1重量％以上8 重量％以下，Cr的含量為2重量％以上8重量％以下，剩餘為!^e及不可避免的雜質。對於這裡所說的不可避免的雜質，例如可以舉出Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通過含有Si，就會有減小磁各向異性、磁致伸縮常數、提高電阻、降低渦流損耗的效果。如果Si的含有比率小於1重量％，則缺乏軟磁特性的改善效果，如果大於8重量％， 則飽和磁化的降低大，直流疊加特性降低。另外，通過含有Cr，就會有提高耐氣候性的效果。 如果Cr的含有比率小於2重量％，則缺乏耐氣候性改善效果，如果大於8重量％，則會產生軟磁特性的劣化，因而不夠理想。在使用狗系金屬磁性粉末的情況下，最好包含作為主成分的元素的狗和不可避免的雜質。對於這裡所說的不可避免的雜質，例如可以舉出Mn、Cr、Ni、P、S、C等。通過提高狗的純度，可以取得高飽和磁通密度。這些!^e-Ni系、Fe-Si-Al系、Fe-Si系、Fe-Si-Cr系、！^系的金屬磁性粉末在使用了至少2種以上的情況下，也具有相同的效果。例如，通過組合像!^e-Ni系金屬磁性粉末那樣塑性變形能力高的磁性材料、和像!^e-Si-Al系金屬磁性粉末那樣塑性變形能力低的磁性材料，金屬磁性粉末的填充量就會提高，因此可以形成導磁率及磁損耗良好的複合磁性材料。作為本第一實施方式中所用的絕緣材料，最好將其壓縮強度設為lOOOOkg/cm2以下。在壓縮強度大於lOOOOkg/cm2以下的情況下，在壓粉磁芯的成形時，絕緣材料的機械性損壞不夠充分，金屬磁性粉末的填充率降低。由此就無法獲得良好的導磁率及低磁損耗。另外，絕緣材料的熔點最好為1200°C以上。利用此種構成，絕緣材料的熱力學、化學穩定性提高，即使在小於1200°C下進行高溫退火等情況下，也可以抑制絕緣材料的熔化及與金屬磁性粉末的反應。由此就可以提供對壓粉磁芯的絕緣性、耐熱性的提高有利的複合磁性材料。而且，作為壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下並且熔點為1200°C以上的絕緣材料，例如可以舉出h-BN(六方晶系氮化硼)、Mg0、莫來石(3A1A · 2Si02)、滑石(MgO · SiO2)、鎂橄欖石(2Mg0 · SiO2)、堇青石(2Mg0 · 2A1203 · 5Si02)、鋯石(ZrO2 · SiO2)之類的材料。但是，即使是上述所提出的絕緣材料以外的材料，只要是絕緣材料的壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下、 並且熔點為1200°C以上的絕緣材料，就沒有特別的問題。下面，對本發明的第一實施方式的壓粉磁芯進行說明。本發明的第一實施方式的壓粉磁芯由含有金屬磁性粉末和絕緣材料的複合磁性材料構成，是將如下的複合磁性材料加壓成形而得的構成，即，對於金屬磁性粉末，將其維氏硬度(Hv)設為230 ^ Hv ^ 1000的範圍，對於絕緣材料，使其壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下，並且處於機械性損壞狀態，在金屬磁性粉末間夾設處於機械性損壞狀態的絕緣材料。根據上述構成，在壓粉磁芯中，由於也在金屬磁性粉末間夾設有絕緣材料，因此可以防止金屬磁性粉末之間的接觸，從而可以實現壓粉磁芯的填充率、絕緣性乃至耐熱性的提高。其結果是，可以進行壓粉磁芯的高溫退火，從而可以提供即使在高頻區域中也具有良好的導磁率及低磁損耗的壓粉磁芯。而且，本第一實施方式的壓粉磁芯的金屬磁性粉末的填充率以體積換算最好為 80%以上。利用該構成，可以獲得更為良好的導磁率及更低磁損耗的壓粉磁芯。下面，對本發明的第一實施方式的複合磁性材料的製造方法及壓粉磁芯的製造方法進行說明。本發明的第一實施方式的複合磁性材料的製造方法包括提高將維氏硬度(Hv) 設為230 ^ Hv ^ 1000的範圍的金屬磁性粉末的硬度的步驟、和在金屬磁性粉末間分散壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下的絕緣材料的步驟。利用提高金屬磁性粉末的硬度的步驟，在複合磁性材料的加壓成形時可以促進絕緣材料的機械性損壞，可以實現壓粉磁芯的高填充化。另外，利用在提高硬度後的金屬磁性粉末間分散絕緣材料的步驟，就會在金屬磁性粉末與金屬磁性粉末之間存在絕緣體，可以製造出抑制了金屬磁性粉末之間的接觸的複合磁性材料。這樣，就可以實現複合磁性材料的絕緣性、耐熱性的提高。通過使用此種複合磁性材料來製造壓粉磁芯，就可以實現壓粉磁芯的絕緣性、耐熱性的提高。通過使用以此種製造方法製造的複合磁性材料來製造壓粉磁芯，就可以提高壓粉磁芯的填充率，提高絕緣性、耐熱性。其結果是，可以進行壓粉磁芯的高溫退火，可以製造出即使在高頻區域中直流疊加特性及磁損耗也良好的壓粉磁芯。對在本第一實施方式的複合磁性材料的製造方法中提高金屬磁性粉末的硬度的步驟的具體的方法進行說明。為了提高金屬磁性粉末的硬度，例如使用球磨機。而且，除了球磨機以外，例如只要是Hosokawa Micron公司制的機械融合系統等對金屬磁性粉末施加強有力的壓縮剪切力而導入加工應變的機械合金的裝置即可，並不特別限定於上述的裝置。對在本第一實施方式的複合磁性材料的製造方法中在提高硬度後的金屬磁性粉末間分散絕緣材料的步驟進行說明。為了在提高硬度後的金屬磁性粉末間分散絕緣材料， 例如使用滾動型球磨機、行星型球磨機、V型混合機等。作為本實施方式中的絕緣材料的配合量，在將金屬磁性粉末的體積設為100體積％時，最好將絕緣材料的配合量設為1 10體積％。如果絕緣材料的配合量小於1體積％，則金屬磁性粉末間的絕緣性降低，產生壓粉磁芯的磁損耗的增加，因此不夠理想。另外，如果絕緣材料的配合量大於10體積％，則在壓粉磁芯中所佔的非磁性部的比例增加，產生導磁率的降低，因此不夠理想。另外，本發明的第一實施方式的壓粉磁芯的製造方法包括將包含維氏硬度(Hv) 為230 ^ Hv ^ 1000的範圍的金屬磁性材料和壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下的絕緣材料的複合磁性材料加壓成形而形成成形體的步驟、和進行成形體的熱處理的步驟。另外，在形成成形體的步驟中，使絕緣材料為機械性損壞狀態。利用此種製造方法，會促進壓粉磁芯的填充率提高、以及加壓成形時產生的金屬磁性粉末的應變的釋放，減少磁滯損耗，從而可以得到具有良好的磁損耗及直流疊加特性的壓粉磁芯。而且，本實施方式的壓粉磁芯的製造方法中的複合磁性材料的加壓成形方法沒有特別限定，然而可以舉出使用了單軸成形機等的普通的加壓成形方法。此時的成形壓力最好為5 20噸/cm2的範圍。這是因為，如果低於5噸/cm2，則金屬磁性粉末的填充率降低， 無法獲得高的直流疊加特性。另外，在高於20噸/cm2的情況下，為了確保加壓成形中的模具強度，需要將模具大型化，此外為了確保成形壓力，衝壓機也需要大型化。由於將模具及衝壓機大型化會導致成本上升，因此不夠理想。根據以上的情況，最好是5 20噸/cm2的範圍。而且，利用本實施方式的壓粉磁芯的製造方法中的複合磁性材料的加壓成形後的熱處理步驟，將在加壓成形時導入金屬磁性粉末的加工應變釋放。加工應變成為導致磁特性降低的原因，然而利用該熱處理步驟，可以釋放加工應變，因此可以防止磁特性的降低。作為熱處理溫度，雖然越是設為高溫越好，然而必須設定確保金屬磁性粉末間的絕緣性的範圍。本實施方式的熱處理溫度優選為700 1150°C。如果熱處理溫度低於 700°C，則加壓成形時的應變的釋放不夠充分，無法實現足夠的低損耗化，因此不夠理想。另外，如果熱處理溫度高於1150°C，則金屬粒子之間就會燒結，渦流損耗變大，因此不夠理想。而且，作為熱處理步驟中的氣氛，最好是非氧化性氣氛。例如可以舉出Ar氣、N2氣、 He氣等惰性氣氛, 氣等還原氣氛，真空氣氛。如果是氧化性氣氛，則會導致由金屬磁性粉末的氧化造成的金屬磁性粉末的軟磁特性的劣化、由金屬磁性粉末表面的氧化被膜的形成造成的壓粉磁芯的導磁率降低，因此不夠理想。另外，在將複合磁性材料加壓成形而形成壓粉磁芯的步驟中，為了確保成形體強度，最好在加壓成形前向複合磁性材料中適當地添加粘結劑。而且，作為本第一實施方式中的粘結劑，可以使用有機矽樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、丁縮醛樹脂、聚氯乙烯樹脂、聚醯亞胺樹脂、丙烯酸樹脂等。而且，粘結劑的混合分散方法沒有特別限定。下面，具體來說，使用圖2及表1對使用!^e-Ni系金屬複合磁性粉末製作壓粉磁芯的情況進行說明。準備平均粒徑為20 μ m並含有78重量％的Ni的!^e-Ni系金屬磁性粉末 (以下表示為狗-78·)、同樣地含有50重量％的Ni的!^e-Ni系金屬磁性粉末(以下表示為i^e-50Ni)。通過將這些金屬磁性粉末用行星型球磨機處理，來提高金屬磁性粉末的硬度 (以下對於該步驟表示為硬度提高工序)。使用微小表面材料特性評價系統(株式會社三豐公司制)測定金屬磁性粉末的硬度。此外，相對於金屬磁性粉末100體積％，配合5體積％ 的平均粒徑1 μ m的表1所示的各種絕緣材料，利用滾動型球磨機，將金屬磁性粉末和絕緣材料分散而製作複合磁性粉末。而且，表1記載的絕緣材料的壓縮強度是使用微小壓縮試
7驗機測定出的結果。相對於該複合磁性粉末混合作為粘結劑的1重量份的有機矽樹脂，製作混合物。將所得的混合物在室溫下以10. 5噸/cm2的成形壓力加壓成形，製作成形體。其後，將成形體在N2氣氛中以1050 進行30分鐘的熱處理，製作壓粉磁芯。而且，所製作的壓粉磁芯的形狀是外徑15mm、內徑10mm、高3mm左右的圓環形狀。圖2表示本實施方式的壓粉磁芯的整體概略圖。本實施方式的壓粉磁芯4例如是如圖2所示的圓環形狀。而且，本實施方式的壓粉磁芯並不限定於此種圓環形狀。另外，作為比較例還製作了未添加絕緣材料的混合物，以相同的方法製作壓粉磁芯。對所得的壓粉磁芯進行疊加地流過直流時的導磁率(以下稱作直流疊加特性)、 以及作為壓粉磁芯的磁特性之一的磁損耗的評價。對於直流疊加特性，利用LCR測定儀(HP 公司制^94A)測定550e的施加磁場、IOOkHz的頻率、20的圈數時的電感值，根據所得的電感值和壓粉磁芯的試樣形狀，算出導磁率，從而進行評價。對於磁損耗，利用交流B-H曲線測定儀(巖通計測株式會社制SY-8258)，在IOOkHz的測定頻率、0. IT的測定磁通密度下進行測定。直流疊加特性高並且是低磁損耗的情況對應於本第一實施方式。將該所得的評價結果表示於表1中。[表 1]
權利要求
1.一種壓粉磁芯，其是含有金屬磁性粉末和絕緣材料的壓粉磁芯，其特徵在於，所述金屬磁性粉末的維氏硬度Hv為230 ^ Hv ^ 1000的範圍，所述絕緣材料的壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下，並且所述絕緣材料處於機械性損壞狀態，在所述金屬磁性粉末間夾設有所述處於機械性損壞狀態的絕緣材料。
2.根據權利要求1所述的壓粉磁芯，其中，所述金屬磁性粉末包含!^e-Ni系、Fe-Si-Al 系、Fe-Si系、Fe-Si-Cr系、!^e系中的至少一種。
3.根據權利要求1所述的壓粉磁芯，其中，所述金屬磁性粉末的平均粒徑為1 100 μ m0
4.根據權利要求1所述的壓粉磁芯，其中，所述絕緣材料包含h-BN、MgO、莫來石 3A1203 · 2Si02、滑石 MgO · SiO2、鎂橄欖石 2Mg0 · SiO2、堇青石 2Mg0 · 2A1203 · 5Si02、鋯石 ZrO2 · SiO2的無機物中的至少一種。
5.根據權利要求1所述的壓粉磁芯，其中，所述絕緣材料具有1200°C以上的熔點。
6.根據權利要求1所述的壓粉磁芯，其中，所述金屬磁性粉末的填充率以體積換算為 80%以上。
7.一種壓粉磁芯的製造方法，其特徵在於，包括將包含維氏硬度Hv為230 ^ Hv ^ 1000的範圍的金屬磁性材料和壓縮強度為 10000kg/cm2以下的絕緣材料的複合磁性材料，加壓成形而形成成形體的步驟；以及進行所述成形體的熱處理的步驟，在形成所述成形體的步驟中，使所述絕緣材料為機械性損壞狀態。
8.根據權利要求7所述的壓粉磁芯的製造方法，其中，在進行所述成形體的熱處理的步驟中，在非氧化性氣氛下以700 1150°C的溫度將所述成形體退火。
9.根據權利要求7所述的壓粉磁芯的製造方法，其中，所述金屬磁性粉末包含!^e-Ni 系、Fe-Si-Al系、Fe-Si系、Fe-Si-Cr系、Fe系中的至少一種。
10.根據權利要求7所述的壓粉磁芯的製造方法，其中，所述金屬磁性粉末的平均粒徑設為1 100 μ m。
11.根據權利要求7所述的壓粉磁芯的製造方法，其中，所述絕緣材料包含h-BN、MgO、 莫來石 3A1203 · 2Si02、滑石 MgO · SiO2、鎂橄欖石 2Mg0 · SiO2、堇青石 2Mg0 · 2A1203 · 5Si02、 鋯石^O2 · SiO2的無機物中的至少一種。
12.根據權利要求7所述的壓粉磁芯的製造方法，其中，所述絕緣材料具有1200°C以上的熔點。
13.根據權利要求7所述的壓粉磁芯的製造方法，其中，所述金屬磁性粉末的填充率以體積換算為80%以上。
14.一種複合磁性材料的製造方法，其特徵在於，包括以使所述金屬磁性粉末的維氏硬度Hv為230 ^ Hv ^ 1000的範圍的方式來提高金屬磁性粉末的硬度的步驟，以及在所述金屬磁性粉末間分散壓縮強度為lOOOOkg/cm2以下的絕緣材料的步驟。
15.根據權利要求14所述的複合磁性材料的製造方法，其中，在將所述金屬磁性粉末的體積設為100體積％時，將所述絕緣材料的配合量設為1 10體積％。
全文摘要
本發明提供具有在應對扼流圈等磁性元件的小型化及大電流方面優異、並且在高頻區域中也可以使用的磁特性的複合磁性材料的製造方法和使用它的壓粉磁芯及其製造方法。本發明的壓粉磁芯含有金屬磁性粉末和絕緣材料，對於金屬磁性粉末，將其維氏硬度(Hv)設為230≤Hv≤1000的範圍，對於絕緣材料，使其壓縮強度為10000kg/cm2以下，並且處於機械性損壞狀態，在金屬磁性粉末間夾設有處於機械性損壞狀態的絕緣材料。
文檔編號H01F41/02GK102282634SQ201080004490
公開日2011年12月14日 申請日期2010年1月14日 優先權日2009年1月16日
發明者松谷伸哉, 若林悠也, 高橋嶽史 申請人:松下電器產業株式會社