複合磁性材料及其製造方法

2023-07-22 06:36:21

專利名稱：複合磁性材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及電子設備的電感器、扼流線圈、變壓器等所使用的複合磁性體。
背景技術：
伴隨著近年來的電氣·電子設備的小型化，對於磁性體也要求小型且高效率。作為現有的磁性體，例如有高頻電路所使用的扼流線圈中使用了鐵氧體粉末的鐵氧體磁芯和作為金屬磁性粉末的成形體的壓粉磁芯。其中，鐵氧體磁芯存在飽和磁通密度小、直流疊加特性差這樣的缺點。因此，在現有的鐵氧體磁芯中，為了確保直流疊加特性而在相對於磁路垂直的方向上設置數百ym的間隙，以防止直流疊加時的電感L值的降低。但是，這樣的寬間隙會成為拍音(beat sound) 的發生源。此外，從間隙發生的漏磁通特別會在高頻頻帶給線圈造成銅耗的顯著增加。相對於此，成形金屬磁性粉末而製作的壓粉磁芯，與鐵氧體磁芯相比，具有大得多的飽和磁通密度，可以說在小型化上有利。另外，與鐵氧體磁芯不同，其能夠無間隙地使用， 因此由拍音、漏磁通造成的銅耗小。然而，就導磁率和鐵損而言，不能說壓粉磁芯比鐵氧體磁芯更優異。特別是在扼流線圈、電感器所使用的壓粉磁芯中，鐵損大的部分，鐵芯的溫度上升變大，難以實現小型化。 另外，壓粉磁芯為了提高其磁特性，需要提高成形密度，在其製造時通常需要5ton/Cm2以上的成形壓力，根據製品情況或需要lOton/cm2以上的成形壓力。壓粉磁芯的鐵損，通常由磁滯損耗和渦流損耗構成。在金屬材料中，因為其固有電阻值低，所以面對磁場的變化，渦電流以抑制其變化的方式流動，因此渦流損耗成為問題。 渦流損耗與頻率的平方和渦電流流動的範圍的平方成比例增大。因此，通過用絕緣材料被覆金屬磁性粉末的表面，可以將渦電流流動的範圍從遍及金屬磁性粉末粒子間的鐵芯整體，抑制在僅限於金屬磁性粉末粒子內。由此，能夠降低渦流損耗。另一方面，就磁滯損耗而言，因為壓粉磁芯被以高壓力成形，所以大量的加工應變被導入磁性體，導磁率降低，磁滯損耗增大。為了對此加以避免，會在壓粉磁芯的成形後，根據需要實施用於釋放應變的熱處理。一般在金屬材料中，應變的釋放是在熔點的1/2以上的溫度下發生的現象。因此，在富鐵組成的合金中，為了充分釋放應變，至少需要在600°C以上、優選在700°C以上進行熱處理。S卩，在壓粉磁芯中，重要的是在確保金屬磁性粉末間的絕緣性這一狀態下，實現高溫熱處理。但是，作為現有壓粉磁芯的絕緣粘合劑所使用的環氧樹脂、酚醛樹脂、氯乙烯樹脂等大部分有機類樹脂，其耐熱性低。因此，若為了釋放壓粉磁芯的應變而實施高溫熱處理， 則現有的絕緣粘合劑被熱分解，因此不能使用。對此，提出了一種使用例如聚矽氧烷樹脂作為絕緣粘合劑的方法(例如專利文獻 1)。但是，例如在專利文獻1所提出的技術中，耐熱溫度為500°C 600°C左右，實現更高溫度下的熱處理很困難。現有技術文獻專利文獻1 日本特開平649114號公報

發明內容
本發明提供一種複合磁性材料，其可以進行高溫熱處理，實現優異的軟磁特性。本發明是一種複合磁性材料，其中，含有近球狀的金屬磁性粉末、介於金屬磁性粉末之間的扁平狀的無機絕緣物、和粘結材料，金屬磁性粉末的長寬比為3以下，並且無機絕緣物的長寬比為2以上且具有解理性。另外，一種複合磁性材料的製造方法，其中，包括如下工序在近球狀的金屬磁性粉末中添加混合分散扁平狀的無機絕緣物的工序、添加粘結材料並進行混勻分散的工序、 邊粉碎無機絕緣物邊加壓成形為成形體的工序、和對成形體進行熱處理的工序，金屬磁性粉末的長寬比為3以下，並且無機絕緣物的長寬比為4以上且具有解理性。本發明的複合磁性材料，通過使耐熱性優異的無機絕緣物介於金屬磁性粉末之間，從而充分確保高溫熱處理時的金屬磁性粉末間的絕緣性，能夠實現具有優異的磁特性的複合磁性材料。另外，無機絕緣物為扁平狀且具有解理性，滑潤性優異，並且斷裂強度低， 在加壓成形時可以輕易粉碎。因此，可以實現所述金屬磁性粉末的高填充化，並且可以確實地使所述無機絕緣物介於所述金屬磁性粉末之間，可以進行高溫熱處理，能夠實現優異的複合磁性材料。
具體實施例方式以下，對本發明的實施方式的複合磁性材料及其製造方法進行說明。首先，對本實施方式中的複合磁性材料所使用的無機絕緣物進行說明。本實施方式的複合磁性材料所使用的無機絕緣物具有解理性，優選為從氮化硼、 滑石、雲母(mica)中選擇的至少一種。這些無機絕緣物耐熱性優異，因此可以進行高溫熱處理。另外，因為由於具有解理性，所以顯示出良好的滑潤性，並且斷裂強度低。因此，能夠實現加壓成形時的金屬磁性粉末的高填充化。在加壓成形時的固結化過程中，優選在初期階段發生因金屬磁性粉末間的移動導致的金屬磁性粉末再排列帶來的最密填充化，之後發生塑性變形帶來的高填充化。若金屬磁性粉末間的磨擦阻抗大，則金屬磁性粉末難以運動，在金屬磁性粉末取得最密填充構造前便發生塑性變形，因此難以實現高填充化。但是，上述這樣的具有解理性的無機絕緣物顯示出良好的滑潤性。因此，在介於金屬磁性粉末之間時，金屬磁性粉末的再排列變得容易，可實現最密填充化。此外，由於斷裂強度低，所以在塑性變形時容易被粉碎，因此很難阻礙金屬磁性粉末的塑性變形，可以實現高填充化。此外，本實施方式所使用的無機絕緣物優選為扁平形狀。通過使無機絕緣物為扁平形狀，與球狀相比，粉碎性提高，在塑性變形時容易被粉碎。因此，金屬磁性粉末的塑性變形難以受到阻礙，可以實現高填充化。更優選該扁平形狀中的長寬比為4以上。還有，所謂長寬比，是二維地觀察粒子形狀時，長軸的長度和短軸的長度之比(長軸的長度/短軸的長度)。作為長寬比的上限，在前述的效果上沒有特別限定，但從成本的觀點出發，優選為100 以下。此外，作為使長寬比為4以上的再一個理由，如下所示。在本實施方式的作為複合磁性材料的壓粉磁芯中，壓粉磁芯中的介於金屬磁性粉末之間的無機絕緣物優選扁平形狀，更優選長寬比為2以上。在使用了扁平形狀粉末時，與球狀粉末相比，容易確保金屬磁性粉末間的絕緣性，能夠降低添加量。此外，壓粉磁芯中的金屬磁性粉末的填充率提高，能夠實現高的磁特性化。若長寬比比2小，則得不到這樣的效果。研究壓粉磁芯中無機絕緣物的長寬比的控制，其結果，作為原料使用的無機絕緣物的長寬比優選為4以上，若比4小，則難以使壓粉磁芯中的無機絕緣物的長寬比為2以上。作為壓粉磁芯中的無機絕緣物的長寬比的上限，如前述，作為原料使用的長寬比的上限優選為 100以下，因此結果是100以下，由於在加壓成形時被粉碎，因此優選90以下左右。還有，若壓粉磁芯中的無機絕緣物的長軸的平均長度與金屬磁性粉末的平均粒徑相比足夠小，則只能取得與使用球狀粉末時同等程度的絕緣性。因此為了確保充分的絕緣性，需要增加無機絕緣物的添加量，結果是壓粉磁芯中的金屬磁性粉末的填充率降低，軟磁特性降低。另一方面，若壓粉磁芯中的無機絕緣物的長軸的平均長度與金屬磁性粉末的平均粒徑相比過大，則金屬磁性粉末之間的一部分發生接觸，難以充分確保金屬磁性粉末間的絕緣性，渦流損耗增加。壓粉磁芯中的無機絕緣物的優選的長軸的平均長度相對於金屬磁性粉末的平均粒徑為0. 02 1倍的範圍。另外，作為無機絕緣物的添加量，優選相對於金屬磁性粉末100重量份為0. 1 5 重量份的範圍。若比0.1重量份少，則缺乏滑潤性提高效果，並且也難以確保金屬磁性粉末間的絕緣性。若比5重量份多，則壓粉磁芯中的金屬磁性粉末的填充率降低，軟磁特性降低。接著，對本實施方式所使用的金屬磁性粉末進行說明。本實施方式所使用的金屬磁性粉末，至少含有!^e，優選從!^e、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe_Si_Al系中選擇的至少一種。本實施方式所使用的!^e-Si系粉末，Si的含量為Iwt %以上、8wt %以下，餘量由！^ 和不可避免的雜質構成。Si的作用是提高軟磁特性，減小磁各向異性、磁致伸縮常數，另外還有提高電阻，降低渦流損耗的效果。作為Si添加量，優選為以上、8wt%以下。若比少，則軟磁特性的改善效果匱乏，若比8wt%多，則飽和磁化的降低顯著，直流疊加特性降低。本實施方式所使用的!^e-Ni系粉末，Ni的含量為40wt%以上、90wt%以下，餘量由 !^e和不可避免的雜質構成。Ni的作用是提高軟磁特性，作為添加量，優選為40wt%以上、 90wt%以下。若比40wt%少，則缺乏軟磁特性的改善效果，若比90wt%多，則飽和磁化的降低顯著，直流疊加特性降低。此外，為了改善導磁率，也可以添加1 6wt %的Mo。本實施方式所使用的!^e-Si-Al系粉末，Si的含量為8wt%以上、12wt%以下，Al 的含量以上、6wt%以下，餘量由!^e和不可避免的雜質構成。Si、Al的作用是提高軟磁特性，優選上述組成範圍。若Si、Al比上述組成範圍少，則缺乏軟磁特性的改善效果， 若比上述組成範圍多，則飽和磁化的降低顯著，直流疊加特性降低。作為本實施方式所使用的金屬磁性粉末的平均粒徑，優選為Iym以上、ΙΟΟμπι以下。若平均粒徑比Iym小，則成形密度變低，導磁率降低，因此不優選。若平均粒徑比 100 μ m大，則高頻下的渦流損耗增大而不優選。更優選為50 μ m以下。還有，前述所謂金屬磁性粉末的平均粒徑，是根據雷射衍射式粒度分布測量法求得，例如顯示出與直徑10 μ m 的球相同的衍射·散射光的圖案的被測粒子的粒徑，不論其形狀均為10 μ m。本實施方式所使用的金屬磁性粉末優選接近球狀。若使用扁平形狀的金屬磁性粉末，則壓粉磁芯被賦予磁各向異性，因此磁路受到限制而不優選。優選長寬比為3以下，更優選為1.5以下。對本實施方式所使用的金屬磁性粉末的製作方法沒有特別限定，可以使用各種霧化法、各種碾碎粉。對本實施方式的金屬磁性粉末和無機絕緣物的混合、分散方法沒有特別限定，可以採用旋轉球磨機、行星式球磨機等各種球磨機，V型攪拌機，行星式混合機等。本實施方式所使用的粘結材料，優選矽烷系、鈦系、鉻系、鋁系偶合劑、矽酮樹脂等即使在高溫熱處理後仍作為氧化物殘留的物質。這些殘存的氧化物結合金屬磁性粉末和無機絕緣物，在高溫熱處理後也可以確保壓粉磁芯的強度。還有，也可以添加一部分環氧樹脂、丙烯酸樹脂、丁醛樹脂、酚醛樹脂等作為助劑。 另外，對粘結材料的混合分散方法沒有特別限定，例如能夠使用前述金屬磁性粉末和氧化物粉末的混合分散所採用的方法。對本實施方式的加壓成形方法沒有特別限定，使用通常的加壓成形方法。作為成形壓力，優選為5ton/Cm2以上、20ton/Cm2以下的範圍。若比5ton/Cm2低，則金屬磁性粉末的填充率低，得不到高的磁特性。若比20ton/Cm2高，則為了確保加壓成形時的模具強度致使金屬模具大型化，另外為了確保成形壓力致使壓床大型化。此外，由於金屬模具、壓床的大型化導致生產率變低，造成成本升高。本實施方式的加壓成形後的熱處理，其目的在於，防止在加壓成形時被導入金屬磁性粉末的加工應變造成的磁特性的降低，釋放加工應變。作為熱處理溫度以更高溫度為宜，但若過度提高溫度，則粉末粒子間絕緣不充分，渦流損耗增大，因此不優選。優選為 600 1000°C的範圍。若比600°C低，則加工應變的釋放說不上充分，磁特性變低。若比 1000°C高，則磁性粉末間的絕緣不充分，渦流損耗增大，因此不優選。作為熱處理氣氛，為了抑制因金屬磁性粉末的氧化造成的軟磁特性降低，優選非氧化性氣氛，例如氬氣、氮氣、氦氣等惰性氣氛，氫氣等還原氣氛，真空氣氛。 以下，對本發明的複合磁性材料的實施例進行說明。(實施例1)準備平均粒徑為Μμ m、含有Si為8. 9重量％、A1為5. 9質量％的i^e-Si-Al系的金屬磁性粉末。對於所準備的金屬磁性粉末100重量份，添加混合長軸的平均長度為4 μ m 且具有各種長寬比的表1所述的各種無機絕緣物0. 8重量份，製成混合粉末。對於所得到的混合粉末100重量份，添加矽酮樹脂1. 0重量份後，少量添加甲苯進行混勻分散，製成混合物。以lOton/cm2對所得到的混合物進行加壓成形，在氬氣氣氛中以850°C進行了 1. Oh熱處理。還有，製作的試料形狀為外形14mm、內徑10mm、高2mm左右的環芯(toroidal core)。對於所得到的試樣進行直流疊加特性、鐵損和試樣中的無機絕緣物的長寬比的評價。關於直流疊加特性，是通過以LCR測量儀測量外加磁場550e、頻率120kHz下的導磁率來進行評價。鐵損是使用交流B-H曲線測量設備，在測量頻率120kHz、測量磁通密度0. IT 下進行了測量。另外，通過觀察試樣的斷裂面來測量長寬比。所得到的結果顯示在表1中。[表 1]
權利要求
1.一種複合磁性材料，其特徵在於，含有近球狀的金屬磁性粉末、介於所述金屬磁性粉末之間的扁平狀的無機絕緣物、和粘結材料，所述金屬磁性粉末的長寬比為3以下，並且所述無機絕緣物的長寬比為2以上且具有解理性。
2.根據權利要求1所述的複合磁性材料，其特徵在於， 無機絕緣物是從氮化硼、滑石、雲母中選擇的至少一種。
3.根據權利要求1所述的複合磁性材料，其特徵在於，金屬磁性粉末是從Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中選擇的至少一種。
4.一種複合磁性材料的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟在近球狀的金屬磁性粉末中添加扁平狀的無機絕緣物並混合分散的步驟、 添加粘結材料並進行混勻分散的步驟、 邊粉碎所述無機絕緣物邊加壓成形為成形體的步驟、和對成形體進行熱處理的步驟，所述金屬磁性粉末的長寬比為3以下，並且所述無機絕緣物的長寬比為4以上且具有解理性。
全文摘要
本發明的目的在於，提供一種可實現電感器、扼流圈、變壓器等電磁部件的小型化以及可以在高頻範圍內使用的軟磁特性優異的複合磁性材料。本發明是一種複合磁性材料，其中，含有近球狀的金屬磁性粉末、介於金屬磁性粉末之間的扁平狀的無機絕緣物、和粘結材料，金屬磁性粉末的長寬比為3以下，並且無機絕緣物的長寬比為2以上且具有解理性。本發明還是一種複合磁性材料的製造方法，其構成為邊粉碎無機絕緣物邊進行加壓成形工序。
文檔編號H01F1/33GK102171776SQ20098013868
公開日2011年8月31日 申請日期2009年9月30日 優先權日2008年10月1日
發明者若林悠也, 高橋嶽史 申請人:松下電器產業株式會社