複合磁性體的製作方法
2023-07-09 16:48:41
專利名稱：複合磁性體的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於扼流圈等的高性能金屬複合磁性體，特別涉及作為磁芯用軟磁性體的複合磁性體。
背景技術：
近年，隨著電氣·電子產品的小型化，人們需要可達到小型化的高效磁性體。例如，高頻電路用扼流圈的使用了軟磁性鐵氧體的鐵氧體磁芯和軟磁性金屬粉的成型體，即壓粉磁芯。
其中，鐵氧體磁芯具有飽和磁通密度較小的缺陷。因此，為了確保直流疊加特性，以往的鐵氧體磁芯中，在磁路的垂直方向上設置了數百μm的間隙，這樣可減少直流疊加時電感量L值的下降。但是，這種較寬的間隙不僅成為哼聲的發生源，而且，由間隙產生的漏磁通在高頻區域使線圈的銅耗顯著增加。
與上述情況相反，金屬磁粉成型製得的壓粉磁芯與鐵氧體磁芯相比，具有較大的飽和磁通密度，所以有利於小型化。另外，由於使用時能夠沒有間隙，所以它的特點是哼聲和漏磁通造成的銅耗較小。
但是，壓粉磁芯的導磁率和磁芯損耗並不優於鐵氧體磁芯，所以，作為扼流圈和電感線圈使用的磁芯的磁芯損耗較大，磁芯溫度上升較多，很難達到小型化。此外，為了增加壓粉磁芯的磁性，必須提高成型密度，在製造時通常需要5噸／cm2以上的成型壓力，根據不同產品有時需要10噸／cm2以上的成型壓力。因此，很難製得形狀複雜的產品，如計算機用DC-DC變換器等所安裝的要求高度低的扼流圈用小型磁芯。所以，壓粉磁芯與鐵氧體磁芯相比，受磁芯形狀的限制較大，很難使產品小型化。
壓粉磁芯的磁芯損耗一般由磁滯損耗和渦流損耗組成。其中，由於渦流損耗與頻率的平方和渦流大小的平方成正比增加，所以，用電絕緣性樹脂覆蓋磁性粉末表面可抑制渦流產生。
另一方面，關於磁滯損耗，由於壓粉磁芯是在較高壓力下形成的，所以，在磁性體變形增加的同時導磁率也下降，並使磁滯損耗增大。為了避免這種情況，成型後根據需要可進行緩解變形的高溫熱處理。但是，在必須進行高溫熱處理的情況下，為確保磁性粉末間的絕緣，並使粉末互相粘合，必須使用絕緣性粘合劑。
作為傳統的壓粉磁芯，例如日本專利公開公報平1-215902號揭示了一種壓粉磁芯，它是由Fe-Al-Si合金(鐵矽鋁磁性合金)或Fe-Ni合金(高導磁鐵鎳合金)組成的磁性合金粉末和礬土水泥粉末的混合物在700～1200℃的溫度下退火，然後對退火後的粉末進行加壓成型而獲得的。此外，日本專利公開公報平6-342714號還揭示了另一種壓粉磁芯，它是將Fe-Al-Si合金磁性粉末和聚矽氧烷樹脂的混合物壓縮成型後，在700～1200℃的非氧化氛圍氣中進行熱處理而獲得的。另外，日本專利公開公報平8-45724號揭示了一種壓粉磁芯，它是將Fe-P合金磁性粉末、聚矽氧烷樹脂和有機鈦的混合物成型後，在450～800℃的溫度下進行退火處理而獲得的。
磁芯為具有間隙的鐵氧體磁芯時，對應於直流疊加電流其電感量L值急劇下降。磁芯為壓粉磁芯時，對應於直流疊加電流，其L值雖然平緩下降，但飽和磁通密度增加，所以其特點是適用於大電流。為實現壓粉磁芯有較高導磁率，可提高磁芯中的合金粉末填充率，並減小粉末粒子間的距離。
但是，要同時滿足提高填充率和提高粒子間絕緣性的要求是相當困難的，所以，要同時實現高導磁率和低磁芯損耗也是很困難的。此外，對於壓粉磁芯來說，很難形成形狀複雜的壓粉磁芯，壓粉磁芯受磁芯形狀的限制也較大。
發明的揭示本發明解決了以往的問題，其目的是提供具有高導磁率和低磁芯損耗、且能夠形成複雜形狀磁芯的複合磁性體。
本發明的複合磁性體之一是將以鐵(Fe)和鎳(Ni)為主成分的合金磁性粉末和為了使上述組分粘合而添加的聚矽氧烷樹脂形成的粘合劑加以混合，然後壓縮成型獲得的複合磁性體。由於鐵和鎳為主成分的合金粉末的磁通密度較大，且壓縮成型時的塑性變形量較大，可提高成型物中合金粉末的填充率，所以，獲得了高導磁率。此外，由於磁性粉末中混合了作為粘合劑的聚矽氧烷樹脂，所以，能夠確保壓縮成型後的合金粉末的絕緣，減少渦流損耗，從而實現低磁芯損耗。
本發明的複合磁性體的另一例子是將以鐵和鎳為主成分的合金磁性粉末、絕緣材料和為了使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂形成的粘合劑加以混合，然後壓縮成型獲得的複合磁性體。該例子中，能夠獲得與上述同樣的高導磁率，且絕緣材料可確保壓縮成型後的合金粉末的絕緣，減少渦流損耗，從而實現低磁芯損耗。同時，由於使用了作為粘合劑的丙烯酸樹脂，所以，能夠提高壓縮成型性能，獲得形狀複雜的磁芯。
本發明的複合磁性體還有一個例子是將鐵粉末或7．5重量％以下(但不包含0％)的矽和其餘為鐵的合金磁性粉末、絕緣材料和為了使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂形成的粘合劑加以混合，然後壓縮成型而獲得的複合磁性體。該例子中，在獲得高導磁率和低磁芯損耗的同時，由於使用了作為粘合劑的丙烯酸樹脂，可提高壓縮成型性能，獲得形狀複雜的磁芯。
實施發明的最佳狀態實施例1首先，準備作為磁性合金粉末的45重量％的Ni和其餘組分為Fe的Fe-Ni合金霧化粉末，該粉末的平均粒徑為50μm。然後，準備作為粘合劑的聚矽氧烷樹脂(加熱後剩餘量約為70～80％的甲基系聚矽氧烷樹脂)、PVB(聚乙烯醇縮丁醛樹脂)和水玻璃，還分別準備作為防熱擴散材料的矽烷單體和作為脂肪酸的硬脂酸。用上述材料製得表1所示的試樣編號1～13的試樣。
在使用了防熱擴散材料的試樣中，在100重量份磁性粉末中混合入0．5重量份的防熱擴散材料後，加入作為溶劑的3重量份乙醇，用混合攪拌機混合。然後，於150℃乾燥上述混合物，歷時1小時。接著，混入1重量份表1所示的任一種粘合劑，再加入3重量份作為溶劑的二甲苯，用混合攪拌機再次攪拌。混合結束後，進行脫氣乾燥除去混合物中的溶劑，再粉碎乾燥後的混合物。然後，為確保進入成型機時的流動性，進行粒化，製得粒化粉末。此外，對於混合脂肪酸的試樣，是在該粒化粉末中加入0．1重量份的脂肪酸，用十字旋轉混合機進行混合，製得粒化粉末。
另一方面，未使用防熱擴散材料的試樣中，對應於100重量份磁性粉末混合1重量份任一種上述粘合劑，再加入作為溶劑的3重量份二甲苯後，用混合攪拌機混合。混合結束後，進行脫氣乾燥除去混合物中的溶劑，再粉碎乾燥後的混合物。然後為確保進入成型機時的流動性，進行粒化，製得粒化粉末。此外，對於混合脂肪酸的試樣，是在該粒化粉末中加入0．1重量份的脂肪酸，用十字旋轉混合機進行混合，製得粒化粉末。
然後，在10噸／cm2的壓力下，用單軸擠壓機對粒化粉末進行3秒鐘的加壓成型，獲得外徑為25mm、內徑為15mm、厚度約為10mm的圓環狀成型體。
接著，在氮氛圍氣中對成型體進行熱處理。對各試樣進行熱處理的條件，如熱處理溫度如表1所示，該溫度的保持時間為0．5小時。
對以上獲得的試樣的導磁率、磁芯損耗、磁芯中合金粉末的填充率進行測定。其測定結果如表1所示。這裡導磁率在頻率為10kHz的條件下用LCR測量儀測得，磁芯損耗在測定頻率為50kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下用交流B-H曲線測試儀測得。填充率是用(磁芯密度／合金粉末的真密度)×100的值表示。試樣編號為1～8的試樣是本發明的實施例，編號為9～13的試樣為比較例。
為解決高次諧波失真而使用的扼流圈的選擇標準是在電流測定頻率為50kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下磁芯損耗在1000kW／m3以下。而且，其導磁率在60以上。
表1
從表1所示結果可明顯看出，試樣編號1～8的試樣都滿足上述選擇標準。特別是在Fe-Ni合金粉末中混合了作為粘合劑的聚矽氧烷樹脂的試樣(編號1～6)，其導磁率較大，且磁芯損耗較少，獲得了很好的效果。此外，防熱擴散材料的添加也顯現了效果。例如，比較編號7和編號10的試樣可明顯看出，由於未添加防熱擴散材料而無法滿足磁芯損耗特性選擇標準的粘合劑，在加入了防熱擴散材料後仍能夠使用。添加脂肪酸可提高磁芯中合金粉末的填充率，並使導磁率有所提高。此外，通過在500～900℃的溫度下對成型物進行熱處理，可改善導磁率和磁芯損耗。熱處理較好是在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行，更好是在700～900℃的溫度範圍內進行。熱處理溫度在合金粉末未開始燒結的範圍內，該溫度越高磁滯損耗越少。
填充率超過88％的高填充率成型物中的空孔較少，特別是成型物內部到外部相連的開口空孔幾乎沒有。在對這種成型物進行熱處理時，如果粘合劑的揮發組分較多，則由於空孔較少，所以，揮發組分不能夠充分揮發而殘留在磁芯內部，這樣就造成特性下降。因此，填充率特別高的成型物中最好採用高溫下仍可保持絕緣性、且揮發組分較少的聚矽氧烷樹脂。
此外，為了提高磁性合金粉末的絕緣性，有效的辦法是在合金粉末表面設置防熱擴散材料。這種防熱擴散材料最好為具有高溫絕緣性的低分子量材料。具體是指可在合金表面形成矽氧烷層的矽烷單體等。這種形成的層在成型物的熱處理過程中有一部分轉變為二氧化矽，形成牢固的絕緣層。如果使用了防熱擴散材料，其用量較少，則一般的有機粘合劑，如環氧系粘合劑和聚乙烯醇縮丁醛等均可使用，樹脂選擇範圍增大。因此，能夠通過壓粉成型獲得以往很難製得的形狀複雜的成型物。
由於所含脂肪酸具有潤滑劑的效果，所以，在提高模具的脫模性的同時，還可提高混合物的塑性，並使成型物中合金粉末的填充率上升。脂肪酸中的脂肪酸金屬鹽，例如，硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣可提高磁性合金粉末的填充率，特別是能夠提高粒化粉末的流動性和成型壓力的傳遞性。由於含有脂肪酸金屬鹽，所以，可實現成型物中的均勻填充，能夠製得小型的形狀複雜的成型物。此外，由於在較低溫度下就可揮發的硬脂酸和肉豆蔻酸等脂肪酸很難殘留在熱處理後的成型物中，所以，適用於合金粉末填充率較高的成型物。
本實施例中使用的是由45重量％的Ni組成的Fe-Ni合金，但根據不同用途，在Ni含量約90重量％以下的範圍內，可使用各種組成的Fe-Ni合金。也可使用添加了Cr和Mo等元素的Fe-Ni合金。
實施例2在100重量份實施例1所用的磁性合金粉末中混合入0．5重量份聚矽氧烷樹脂，加入作為溶劑的3重量份二甲苯後，用混合攪拌機混合。混合結束後，進行脫氣乾燥除去混合物中的溶劑，再粉碎乾燥後的混合物。然後，為確保進入成型機時的流動性，進行粒化，獲得粒化粉末。接著，除了通過改變單軸擠壓機的成型壓力，改變成型物中合金粉末的填充率之外，採用與實施例1同樣的方法，製得編號14～18的試樣。其中，編號14～16的試樣為本發明的實施例，編號17的試樣和聚矽氧烷樹脂用量改為0．3重量份的編號18的試樣為比較例。
上述試樣的填充率、導磁率和磁芯損耗如表2所示。由於上述指標的測定方法與實施例1相同，所以，這裡省略了對它們的說明。
表2
從表2所示結果可明顯看出，在填充率為88～95體積％的範圍內，可充分滿足前述選擇標準，填充率越高，導磁率和磁芯損耗這兩個特性越好。但是，如果填充率在87體積％以下，則不能夠滿足選擇標準。此外，由於混合了0．5重量份聚矽氧烷樹脂的試樣即使在高壓下成型，也不能夠獲得96％以上的填充率，所以製備了減少聚矽氧烷樹脂用量的試樣18。但是，該試樣的填充率雖然有所提高，但不能夠確保合金粉末間的絕緣性，所以磁芯損耗增加。
因此，為使複合磁性材料成型體具備良好的特性，成型物中的合金粉末的填充率以體積換算最好在88～95％的範圍內，在此範圍內填充率越高越好。
實施例3除了改變磁性合金粉末的平均粒徑之外，其他都與實施例1中的試樣4相同，製得編號為19～24的試樣，並測定它們的特性。其中，編號19～22的試樣為本發明的實施例，編號23和24的試樣為比較例。所有試樣的成型物中的合金粉末填充率在88～95％的範圍內。
上述試樣的測定結果如表3所示。
表3
從表3所示結果可看出，磁性合金粉末的平均粒徑在1μm以上100μm以下的範圍內時，可滿足前述選擇標準。
由於渦流損耗與頻率的平方和渦流大小的平方成正比增加，所以，用絕緣體覆蓋磁性粉末表面可減少渦流損耗。此外，由於渦流取決於磁性粉末的粒徑，所以，粒徑越小渦流損耗越少。但是，如果磁性粉末的粒徑變小，則粉末的比表面積通常會變大，所以，如果磁性粉末表面不用足夠的絕緣體覆蓋，則渦流會增大，渦流損耗也會變大。
例如，為解決高次諧波失真而採用的扼流圈在電流測定頻率為50kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下，磁芯損耗一般在1000kW／m3以下，較好在500kW／m3以下。為了滿足上述條件，減少50kHz以上的頻率範圍內的渦流損耗，合金粉末的平均粒徑較好在1μm以上100μm以下，最好在10μm以上50μm以下。
實施例4準備45重量％Ni和其餘組分的Fe組成的Fe-Ni合金的平均粒徑為20μm的霧化粉末作為磁性合金粉末。並準備作為絕緣材料的無機粉末氧化鋁(粒徑為0．3μm)、作為有機矽化合物的聚矽氧烷樹脂(加熱後的殘留量約為70～80％的甲基系聚矽氧烷樹脂)、矽烷單體和矽油。還要準備作為粘合劑的丙烯酸樹脂(聚甲基丙烯酸酯)、聚矽氧烷樹脂(加熱後的殘留量約為70～80％的甲基系聚矽氧烷樹脂)、環氧樹脂和水玻璃，以及作為脂肪酸的硬脂酸。用上述材料製得表4所示的試樣編號為25～43的試樣。
首先，在100重量份磁性合金粉末中混合入0．5重量份絕緣材料，再加入作為溶劑的3重量份二甲苯後，用混合攪拌機混合。然後，使混合物乾燥，在其中加入表4所示的任一種粘合劑1重量份，再加入作為溶劑的3重量份二甲苯，用混合攪拌機再次進行混合。混合結束後，進行脫氣乾燥從混合物中除去溶劑，並粉碎乾燥後的混合物。接著，為確保進入成型機時的流動性，進行粒化，製得粒化粉末。此外，對於混合脂肪酸的試樣，是在粒化粉末中加入0．1重量份的脂肪酸，用十字旋轉混合機混合製得粒化粉末。
然後，在10噸／cm2的壓力下，用單軸擠壓機對粒化粉末進行3秒鐘的加壓成型，製得外徑為25mm、內徑為15mm、厚度約為10mm的圓環狀成型體。
接著，在表4所示條件下對成型體進行熱處理。這裡，氧化性氛圍氣中的熱處理在升溫速度為1℃／分鐘、熱處理溫度的保持時間為0．5小時的條件下進行。非氧化性氛圍氣中的熱處理在升溫速度為5℃／分鐘、熱處理溫度的保持時間為0．5小時的條件下進行。製得圓環狀試樣。
表4 為了評估是否可形成形狀複雜的成型品，即為了對成型性進行評估，在10噸／cm2的壓力下，用單軸擠壓機對表4所示試樣加壓3秒鐘，製得E型磁芯。該E型磁芯具有厚度為5mm、邊長為12mm的正方形，其中間芯柱具有直徑為4mm的圓形截面，外側芯柱的寬度為1mm，高低的厚度為1mm。
對圓環狀試樣的導磁率、磁芯損耗和磁芯中的磁性合金粉末填充率進行測定，並評估E型試樣的成型狀態，其結果如表4所示。導磁率是在頻率為100kHz、直流磁場為5000A／m的條件下用LCR測量儀測得，磁芯損耗是在測定頻率為300kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下用交流B-H曲線測試儀測得。此外，填充率由(磁芯密度／合金粉末的真密度)×100的值表示。成型性分別用以下符號表示，即○表示外觀完全沒有問題，×表示有裂縫。試樣編號25～33的試樣為本發明的實施例，編號34～43的試樣為比較例。
為解決高次諧波失真而使用的扼流圈的選擇標準是磁芯損耗在電流測定頻率為300kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下在4500kW／m3以下。而且，其導磁率在測定頻率為100kHz、直流磁場為5000A／m的條件下在50以上。
從表4的結果可明顯看出，試樣編號25～33的試樣的導磁率和磁芯損耗都滿足上述選擇標準。使用了丙烯酸樹脂作為粘合劑的試樣可形成形狀複雜的磁芯，效果很好。絕緣材料的使用可改善磁芯損耗，特別是使用有機矽化合物時可明顯改善磁芯損耗。添加脂肪酸可提高磁芯中的合金粉末填充率，並使導磁率得到提高。
由於丙烯酸樹脂的增塑性較好，所以，壓縮成型體的保型能力較高，適用於複雜形狀的成型。而且它的特點是，氧化性、非氧化性氛圍氣中的熱分解特性較好，幾乎無灰分。
在氧化性氛圍氣中，以250～350℃的溫度對成型物進行熱處理，不會使磁芯特性下降。在非氧化性氛圍氣中，以500～900℃的溫度對成型物進行熱處理，可提高導磁率和磁芯損耗，上述熱處理溫度更好是在700～900℃的範圍內，熱處理溫度在合金粉末未開始燒結的範圍內時，溫度越高，磁滯損耗越少。
若在熱處理後粘合劑樹脂作為殘留碳存在於磁芯內，則導致磁特性下降，所以不希望這樣。由於丙烯酸樹脂具備良好的熱分解性，所以，在非氧化性氛圍氣中進行熱處理後幾乎未殘留碳，因此能夠獲得良好的特性。此外，在氧化性氛圍氣中，由於丙烯酸樹脂在最高為350℃的溫度範圍內分解，所以，合金粉末幾乎不發生氧化，而粘合劑樹脂能夠發生脫脂反應。因此，即使是形狀複雜的成型物，在進行非氧化性氛圍氣的熱處理前，通過在250～350℃的氧化性氛圍氣中進行脫脂處理，製得的磁芯可避免熱處理時產生變形和裂縫等。
為提高合金粉末的絕緣性而採用的絕緣材料必須是前述在減少磁滯損耗而進行的熱處理的溫度下，能夠確保絕緣性的具有耐熱性的材料。其中，無機絕緣材料包括氧化物微粒(氧化鋁、氧化鎂、二氧化矽和氧化鈦等)和無機高分子。作為有機高分子，只要是熱處理時與合金粉末的反應性較小、在熱處理溫度下具有絕緣性的絕緣材料即可，特別好的是用有機矽化合物覆蓋合金粒子表面，使粒子表面形成矽氧烷層。有機矽化合物最好是聚矽氧烷樹脂、矽烷單體和矽油。此外，有機矽化合物最好是具有容易覆蓋合金粒子表面的物性、熱處理時的加熱減少量較少的化合物。這樣形成的層在成型物的熱處理過程中有一部分轉變為二氧化矽，形成牢固的絕緣層。
通過使成型物中含有脂肪酸，具有潤滑劑的效果，所以在提高模具的脫模性的同時，可提高混合物的增塑性，並提高成型物中合金粉末的填充率。脂肪酸中的脂肪酸金屬鹽，例如，硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣對於提高粒化粉末的流動性和成型壓力的傳遞性特別有效。由於含有脂肪酸金屬鹽，所以，可實現成型物中的均勻填充，適合於製得小型的形狀複雜的成型物。此外，由於在較低溫度下就可揮發的硬脂酸和肉豆蔻酸等脂肪酸很難殘留在熱處理後的成型物中，所以，特別適用於合金粉末的填充率較高的成型物。
實施例5除了改變單軸擠壓機的成型壓力和成型物中磁性合金粉末的填充率之外，其他操作與實施例4的試樣25相同，製得編號為44～48的試樣。其中，編號44～46的試樣為本發明的實施例，編號47的試樣和聚矽氧烷樹脂的用量改為0．3重量份的編號48的試樣為比較例。
表5
上述試樣的填充率、導磁率和磁芯損耗如表5所示。由於它們的測定方法與實施例4相同，所以，省略了對它們的說明。
從表5所示結果可明顯看出，試樣編號44～46的試樣的導磁率和磁芯損耗都滿足了實施例4所述的扼流圈的選擇標準。導磁率隨著合金粉末填充率的提高而增加。如果填充率在84％以下，則不能夠滿足導磁率的選擇標準。由於對於填充率96％編號48的試樣，若混合了1重量份丙烯酸樹脂，則即使在高壓下成型，也不能夠獲得96％以上的填充率，所以減少聚矽氧烷樹脂的用量得到該編號18的試樣。但是，由於不能夠確保該試樣的合金粉末間的絕緣性，所以磁芯損耗增加，不能夠滿足磁芯損耗的選擇標準。
因此，為使複合磁性材料成型體具備良好的特性，成型物中的合金粉末填充率以體積換算最好在85～95％的範圍內，在此範圍內填充率越高越好。
實施例6除了改變磁性合金粉末的平均粒徑之外，其他與實施例4的編號25的試樣相同，製得編號49～54的試樣，並對其特性進行測定。其中，編號49～52的試樣為本發明的實施例，編號53和54的試樣為比較例。所有試樣的成型物中合金粉末的填充率在85～95％的範圍內。
上述試樣的測定結果如表6所示。
表6
從表6的結果可明顯看出，磁性合金粉末的平均粒徑在1μm以上50μm以下的範圍內時，可滿足實施例4所述的扼流圈的選擇標準。
由於渦流損耗與頻率的平方和渦流大小的平方成正比而增加，所以，用絕緣體覆蓋磁性粉末表面可減少渦流損耗。此外，由於渦流取決於磁性粉末的粒徑，所以，粒徑越小，渦流損耗越少。
另一方面，如果磁性合金粉末的粒徑變小，則粉末的比表面積通常會變大，所以，如果磁性粉末表面不用足夠的絕緣體覆蓋，則渦流會增大，渦流損耗也會變大。例如，為解決高次諧波失真而採用的扼流圈在電流測定頻率為300kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下，磁芯損耗一般在4500kW／m3以下，最好在3500kW／m3以下。因此，為了減少300kHz以上的頻率範圍內的渦流損耗，磁性合金粉末的平均粒徑較好在1μm以上50μm以下，最好在10μm以上20μm以下。
實施例7準備作為磁性合金粉末的純鐵粉末，以及矽(Si)含量分別為3．5重量％、6．8重量％、7．5重量％、7．7重量％，其餘為Fe的Fe-Si合金霧化粉末，該粉末的平均粒徑為30μm。並準備作為絕緣材料的聚矽氧烷樹脂(加熱後的殘留量約為70～80％的甲基系聚矽氧烷樹脂)，還有作為粘合劑的丙烯酸樹脂(聚甲基丙烯酸酯)、聚矽氧烷樹脂(加熱後的殘留量約為70～80％的甲基系聚矽氧烷樹脂)、環氧樹脂和水玻璃，以及作為脂肪酸的硬脂酸。然後用上述材料製得表7所示的試樣編號為55～86的試樣。
首先，在100重量份磁性合金粉末中混合入0．45重量份絕緣材料，再加入作為溶劑的4重量份二甲苯後，用混合攪拌機混合。然後，使混合物乾燥，在其中加入表7所示的任一種粘合劑0．9重量份，再加入作為溶劑的4重量份二甲苯，用混合攪拌機再次進行混合。混合結束後，進行脫氣乾燥從混合物中除去溶劑，並粉碎乾燥後的混合物。接著，為確保進入成型機時的流動性，進行粒化，製得粒化粉末。此外，對於混合脂肪酸的試樣，是在粒化粉末中加入0．15重量份的脂肪酸，用十字旋轉混合機混合，製得粒化粉末。
然後，在12噸／cm2的壓力下，用單軸擠壓機對粒化粉末進行3秒鐘的加壓成型，製得外徑為25mm、內徑為15mm、厚度約為10mm的圓環狀成型體。
接著，在表7所示條件下對成型體進行熱處理。這裡，氧化性氛圍氣中的熱處理在升溫速度為1℃／分鐘、熱處理溫度的保持時間為0．5小時的條件下進行。非氧化性氛圍氣中的熱處理在升溫速度為5℃／分鐘、熱處理溫度的保持時間為0．5小時的條件下進行。製得圓環狀試樣。
為了評估是否可形成形狀複雜的成型品，即為了對成型性進行評估，在12噸／cm2的壓力下，用單軸擠壓機對表7所示試樣加壓3秒鐘，製得E型磁芯。該E型磁芯具有厚度為5mm、邊長為12mm的正方形，其中間芯柱具有直徑為4mm的圓形截面，外側芯柱的寬度為1mm，高低的厚度為1mm。
對圓環狀試樣的導磁率、磁芯損耗和磁芯中的磁性合金粉末填充率進行測定，並評估E型試樣的成型狀態，其結果如表7所示。導磁率是在頻率為10kHz、直流磁場為5000A／m的條件下用LCR測量儀測得，磁芯損耗是在測定頻率為50kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下用交流B-H曲線測試儀測得。此外，填充率由(磁芯密度／合金粉末的真密度)×100的值表示。成型性分別用以下符號表示，即○表示外觀完全沒有問題，×表示有裂縫。試樣編號55～68的試樣為本發明的實施例，編號69～86的試樣為比較例。
為解決高次諧波失真而採用的扼流圈的選擇標準是磁芯損耗在電流測定頻率為50kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下在1000kW／m3以下，其導磁率在60以上。
表7
表7(續)
從表7的結果可明顯看出，編號55～68的試樣的導磁率和磁芯損耗兩項特性都滿足上述選擇標準。使用丙烯酸樹脂作為粘合劑的試樣可形成形狀複雜的磁芯，效果很好。作為絕緣材料使用有機矽化合物可改善磁芯損耗，添加脂肪酸可提高磁芯中的合金粉末填充率，並使導磁率得到提高。
在氧化性氛圍氣中，以250～350℃的溫度對成型物進行熱處理，不會使磁芯特性下降。在非氧化性氛圍氣中，以500～900℃的溫度對成型物進行熱處理可提高導磁率和磁芯損耗兩項特性。
作為磁性合金粉末使用純鐵或以重量％計Si≤7．5％(但用量超過0％)和其餘組分為Fe為主成分的Fe-Si系合金粉末時，具有導磁率高、磁芯損耗極少的優異特性。
由於丙烯酸樹脂的增塑性較好，所以，壓縮成型體的保型能力較高，適用於複雜形狀的成型。而且它的特點是，氧化性、非氧化性氛圍氣中的熱分解特性較好，幾乎無灰分。
熱處理較好是在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行，最好是在700～900℃的氛圍氣中進行。熱處理溫度在磁性合金粉末未開始燒結的範圍內時，溫度越高，磁滯損耗越少。若在熱處理後粘合劑樹脂作為殘留碳存在於磁芯內，則導致磁特性下降，所以不希望這樣。由於丙烯酸樹脂具備良好的熱分解性，所以，在非氧化性氛圍氣中進行熱處理後幾乎未殘留碳，因此能夠獲得良好的特性。此外，在氧化性氛圍氣中，由於丙烯酸樹脂在最高為350℃的溫度範圍內分解，所以，合金粉末幾乎不發生氧化，而粘合劑樹脂能夠發生脫脂反應。因此，即使是形狀複雜的成型物，在進行非氧化性氛圍氣的熱處理前，最好在250～350℃的氧化性氛圍氣中進行脫脂處理，這樣製得的磁芯可避免熱處理時產生變形和裂縫等。
為提高合金粉末的絕緣性而採用的絕緣材料必須是前述在減少磁滯損耗而進行的熱處理的溫度下，能夠確保絕緣性的具有耐熱性的材料。其中，無機絕緣材料包括氧化物微粒(氧化鋁、氧化鎂、二氧化矽和氧化鈦等)和無機高分子。有機高分子可使用有機矽化合物。另外，只要是熱處理時與合金粉末的反應性較小、在熱處理溫度下具有絕緣性的絕緣材料都可使用。其中，最好是用有機矽化合物覆蓋合金粒子表面，使粒子表面形成矽氧烷層。有機矽化合物最好是聚矽氧烷樹脂、矽烷單體和矽油。此外，有機矽化合物最好是具有容易覆蓋合金粒子表面的物性、熱處理時的加熱減量較少的化合物。形成的層在成型物的熱處理過程中有一部分轉變為二氧化矽，形成牢固的絕緣層。
通過使成型物中含有脂肪酸，具有潤滑劑的效果，所以在提高模具的脫模性的同時，可提高混合物的增塑性，並提高成型物中合金粉末的填充率。脂肪酸中的脂肪酸金屬鹽，例如，硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣對於提高粒化粉末的流動性和成型壓力的傳遞性特別有效。由於含有脂肪酸金屬鹽，所以，可實現成型物中的均勻填充，適合於製得小型的形狀複雜的成型物。此外，由於在較低溫度下就可揮發的硬脂酸和肉豆蔻酸等脂肪酸很難殘留在熱處理後的成型物中，所以，特別適用於合金粉末填充率較高的成型物。
實施例8除了改變單軸擠壓機的成型壓力而改變成型物中磁性合金粉末的填充率之外，其他操作與實施例7所示的試樣55相同，製得編號87～91的試樣。其中，編號87～89的試樣為本發明的實施例，編號90的試樣和聚矽氧烷用量改為0．3重量份的編號91的試樣為比較例。
上述試樣的填充率、導磁率和磁芯損耗如表8所示。由於它們的測定方法與實施例7相同，所以，省略了對它們的說明。
表8
從表8的結果可明顯看出，編號87～89的試樣的導磁率和磁芯損耗滿足實施例7所述的扼流圈的選擇標準。導磁率隨著合金粉末填充率的提高而增加。如果填充率在84％以下，則不能夠滿足導磁率的選擇標準。另一方面，填充率達到96％的編號91的試樣中，若混合0．9重量份的丙烯酸樹脂，則即使在高壓下成型，也不能夠獲得96％以上的填充率，所以，減少了聚矽氧烷樹脂的用量而製得。但是，由於不能夠確保該試樣的合金粉末間的絕緣性，所以磁芯損耗增加，不能夠滿足磁芯損耗的選擇標準。
因此，為使複合磁性材料成型體具備良好的特性，成型物中的合金粉末填充率以體積換算最好在85～95％的範圍內，在此範圍內填充率越高越好。
此外，Fe-Si合金組成中，即使使用以重量％計Si≤7．5％、其餘是Fe為主成分的Fe-Si系合金粉末，只要成型物中合金粉末的填充率以體積換算在85～95％的範圍內，就能夠獲得導磁率較高、磁芯損耗較少的良好特性。
實施例9除了改變磁性合金粉末Fe粉末及Fe-Si合金粉末的平均粒徑之外，其他操作與實施例7的編號55的試樣相同，製得編號92～97的試樣，或與編號61的試樣相同，製得編號98～103的試樣。並對上述試樣的特性進行測定。其中，編號92～95及98～101的試樣為本發明的實施例，編號96、97、102、103的試樣為比較例。所有試樣的成型物中磁性合金粉末的填充率在85～95％的範圍內。
上述試樣的測定結果如表9所示。
從表9的結果可明顯看出，磁性合金粉末的平均粒徑在1μm以上50μm以下的範圍內時，可滿足實施例7所述的扼流圈的選擇標準。
由於渦流損耗與頻率的平方和渦流大小的平方成正比增加，所以，用絕緣體覆蓋磁性粉末表面可減少渦流損耗。此外，由於渦流取決於磁性粉末的粒徑，所以，粒徑越小，渦流損耗越少。例如，為解決高次諧波失真而採用的扼流圈在電流測定頻率為50kHz、測定磁通密度為0．1T的條件下，磁芯損耗最好在1000kW／m3以下。為了減少50kHz以上的頻率範圍內的渦流損耗，磁性合金粉末的平均粒徑最好在1μm以上50μm以下的範圍內。
表9 此外，Fe-Si合金組成中，即使使用以重量％計Si≤7．5％、其餘是Fe為主成分的Fe-Si系合金粉末，只要成型物中合金粉末的填充率以體積換算在85～95％的範圍內，就能夠獲得導磁率較高、磁芯損耗較少的良好特性。
產業上利用的可能性如上所述，本發明能夠提供一種複合磁性體，所述複合磁性體即使在較高頻率區域內使用，磁芯損耗也較少，且導磁率較高，並具有複雜形狀。
權利要求書按照條約第19條的修改根據PCT條約第19條所作修改如下1．刪除權利要求2、6、12和19條。
2．將權利要求1改為「複合磁性體，所述磁性體是將以鐵和鎳為主成分的磁性合金粉末、為使合金粉末粘合而添加的聚矽氧烷樹脂組成的粘合劑和防熱擴散材料加以混合，並壓縮成型的同時，在500～900℃的非氧化性氛圍氣中對成型物進行熱處理而製得。」3．將權利要求7改為「複合磁性體，所述磁性體是將以鐵和鎳為主成分的磁性合金粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合，並壓縮成型的同時，在500～900℃的非氧化性氛圍氣中對成型物進行熱處理而製得。」4．將權利要求14改為「複合磁性體，所述磁性體是將鐵組成的磁性粉末或0重量％以上7．5重量％以下的矽與其餘組分為鐵的合金磁性粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合，並壓縮成型的同時，在500～900℃的非氧化性氛圍氣中對成型物進行熱處理而製得。」
權利要求書按照條約第19條的修改1．複合磁性體，所述磁性體是將以鐵和鎳為主成分的磁性合金粉末、為使合金粉末粘合而添加的聚矽氧烷樹脂組成的粘合劑和防熱擴散材料加以混合，並壓縮成型的同時，在500～900℃的非氧化性氛圍氣中對成型物進行熱處理而製得。
2．刪除。
3．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，成型物中含有脂肪酸。
4．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，成型物中磁性合金粉末的填充率以體積換算在88～95％的範圍內。
5．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，磁性合金粉末的平均粒徑在1～100μm的範圍內。
6．刪除。
7．複合磁性體，所述磁性體是將以鐵和鎳為主成分的磁性合金粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合，並壓縮成型的同時，在500～900℃的非氧化性氛圍氣中對成型物進行熱處理而製得。
8．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，絕緣材料由有機矽化合物組成。
9．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物中含有脂肪酸。
10．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物中磁性合金粉末的填充率以體積換算在85～95％的範圍內。
11．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，磁性合金粉末的平均粒徑在1～50μm的範圍內。
12．刪除。
13．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物是在250～350℃的氧化性氛圍氣中進行熱處理後，又在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行了熱處理的物質。
14．複合磁性體，所述磁性體是將鐵組成的磁性粉末或0重量％以上7．5重量％以下的矽與其餘組分為鐵的合金磁性粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合，並壓縮成型的同時，在500～900℃的非氧化性氛圍氣中對成型物進行熱處理而製得。
15．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，絕緣材料由有機矽化合物組成。
16．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物中含有脂肪酸。
17．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物中磁性粉末的填充率以體積換算在85～95％的範圍內。
18．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，磁性粉末的平均粒徑在1～50μm的範圍內。
19．刪除。
20．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物是在250～350℃的氧化性氛圍氣中進行熱處理後，又在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行了熱處理的物質。
權利要求
1．複合磁性體，所述磁性體是將以鐵和鎳為主成分的磁性合金粉末和為使合金粉末粘合而添加的聚矽氧烷樹脂組成的粘合劑加以混合，然後壓縮成型而製得。
2．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，混合物中還混入了防熱擴散材料。
3．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，成型物中含有脂肪酸。
4．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，成型物中磁性合金粉末的填充率以體積換算在88～95％的範圍內。
5．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，磁性合金粉末的平均粒徑在1～100μm的範圍內。
6．如權利要求1所述的複合磁性體，其中，成型物是在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行過熱處理的物質。
7．複合磁性體，所述磁性體是將以鐵和鎳為主成分的磁性合金粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合，然後壓縮成型而製得。
8．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，絕緣材料由有機矽化合物組成。
9．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物中含有脂肪酸。
10．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物中磁性合金粉末的填充率以體積換算在85～95％的範圍內。
11．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，磁性合金粉末的平均粒徑在1～50μm的範圍內。
12．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物是在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行過熱處理的物質。
13．如權利要求7所述的複合磁性體，其中，成型物是在250～350℃的氧化性氛圍氣中進行熱處理後，又在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行了熱處理的物質。
14．複合磁性體，所述磁性體是將鐵組成的磁性粉末或0重量％以上7．5重量％以下的矽和其餘組分為鐵的合金磁性粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合，然後壓縮成型而製得。
15．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，絕緣材料由有機矽化合物組成。
16．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物中含有脂肪酸。
17．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物中磁性粉末的填充率以體積換算在85～95％的範圍內。
18．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，磁性粉末的平均粒徑在1～50μm的範圍內。
19．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物是在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行過熱處理的物質。
20．如權利要求14所述的複合磁性體，其中，成型物是在250～350℃的氧化性氛圍氣中進行熱處理後，又在500～900℃的非氧化性氛圍氣中進行了熱處理的物質。
全文摘要
用於扼流圈等的複合磁性體,是將以鐵(Fe)和鎳(Ni)為主成分的磁性合金粉末、絕緣材料和為使上述組分粘合而添加的丙烯酸樹脂組成的粘合劑加以混合,然後壓縮成型而製得。這種複合磁性體具有較高的磁性合金粉末填充率和絕緣性,實現了低磁芯損耗和高導磁率,且能夠形成形狀複雜的磁芯。
文檔編號H01F1/26GK1294746SQ00800135
公開日2001年5月9日 申請日期2000年1月31日 優先權日1999年2月10日
發明者松谷伸哉, 御堂勇治, 藤井浩 申請人:松下電器產業株式會社