錳鋅(Mn－Zn)基鐵氧體的製作方法

2023-04-26 10:46:51

專利名稱：錳鋅(Mn－Zn)基鐵氧體的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有鐵損小和磁通密度高的高性能錳鋅鐵氧體(Mn-Zn鐵氧體)，特別是適合於供電的變壓器的鐵氧體磁心的鐵氧體。
用於電源變壓器的鐵氧體磁心已經要求具有低鐵損和高飽和磁通密度，以滿足現在電裝置的微型化和高效率的要求。
所以，如下面提及的鐵氧體已經被常規地建議採用。
JP-A-60-132301提出一種Fe2O3、MnO和ZnO的基本組成中含CaO和Nb2O5的鐵氧體包括，該鐵氧體還含有SiO2、V2O5、Al2O3、CoO、CuO和ZrO2中的一種，以降低鐵損。但是，為了實現變壓器的微型化和高效率，還要求進一步降低鐵損，並且尚根本沒有將飽和磁通密度與鐵損一起作為一種重點要求的性能來考慮。
JP-A-7-297020通過鐵氧體中的Sn和Ti改進了在100℃的鐵損。通常知道，當Mn-Zn鐵氧體加入Sn或Ti後，顯示最低鐵損的溫度(本文稱為「最低溫度」)向低溫移動。所以，除非Fe或Zn隨著Sn或Ti的含量而減少，否則鐵損的溫度特性將發生偏離。在這時，高溫鐵損增加，而飽和磁通密度減少。此外，因為Sn和Ti是非磁性的，所以飽和磁通密度要減少。
JP-A-10-64715的Mn-Zn鐵氧體的基本組成含有Fe2O3、MnO、ZnO和NiO，還含有Ta2O5、ZrO2、Nb2O5、V2O5、TiO2和HfO2中的一種或兩種或多種，以改進鐵損和飽和磁通密度。雖然因為含有NiO，在高溫範圍內提供了高飽和磁通密度，但是由於NiO含量高達0.5-4％(摩爾)(0.3-2.5％(重量))，磁各向異性大，並且鐵損幾乎沒有改進。
所以，本發明一個目的是提供具有更高飽和磁通密度，和在變壓器用芯安裝溫度下鐵損低的高性能錳鋅(Mn-Zn)鐵氧體，以滿足上述的這種要求。
本發明的目的可以通過以下的方法達到。
根據本發明，Mn-Zn鐵氧體包括主成分和副成分，主成分包含換算為Fe2O3為52.5-54.0％(摩爾)的氧化鐵、換算為ZnO為7.7-10.8％(摩爾)氧化鋅，其餘的是MnO，副成分為換算為SiO2為60-140ppm的氧化矽、換算為CaO為350-700ppm的氧化鈣和換算為NiO為4500ppm或更低(不包括0)的氧化鎳(NiO)。
優選地，如上所列的Mn-Zn鐵氧體可含有換算為ZnO為9.1-10.8％(摩爾)的氧化鋅。
優選地，如上所列的Mn-Zn鐵氧體可含有換算為NiO為低於3000ppm(不包括0)的氧化鎳。
優選地，如上所列的Mn-Zn鐵氧體可含有副成分換算為Nb2O5為100-350ppm的氧化鈮和換算為ZrO2為350ppm或更低(包括0)的氧化鋯，其關係包含在下式的範圍內400(ppm)≤ZrO2(ppm)+2×Nb2O5(ppm)≤800(ppm)。
優選地，包含50-350ppm的氧化鋯(ZrO2)。
優選地，如上所列的Mn-Zn鐵氧體相對於主成分可含有30ppm以下的磷P。
優選地，如上所列的Mn-Zn鐵氧體相對於主成分可含有30ppm以下的硼B。
由此，可以呈現下述的實際效果。
可為在近似100℃使用的變壓器用的芯提供鐵損非常小和飽和磁通密度高的Mn-Zn鐵氧體。此外，可以選擇鐵損低和飽和磁通密度高的組成。
通過含有9.1-10.8％(摩爾)的ZnO，在高於100℃下鐵損的溫度依屬性降低，並可以比現有技術更容易生產鐵損更小的Mn-Zn鐵氧體。
因為氧化鎳(NiO)的含量低於3000ppm，所以可以得到鐵損更小的Mn-Zn鐵氧體。
因為100-350ppm的氧化鈮(Nb2O5)和350ppm的氧化鋯(ZrO2)包含在400(ppm)≤ZrO2(ppm)+2×Nb2O5(ppm)≤800(ppm)的範圍內，所以可以得到鐵損小的Mn-Zn鐵氧體。
還有，在上述Mn-Zn鐵氧體中，因為含有50-350ppm的氧化鋯(ZrO2)，所以仍然可以得到鐵損更小的Mn-Zn鐵氧體。
因為相對於主成分含有30ppm或更低的磷P，所以可以得到鐵損小的Mn-Zn鐵氧體。
因為相對於主成分含有30ppm或更低的硼B，所以也可以得到鐵損小的Mn-Zn鐵氧體。


圖1所示是鐵損在100℃隨主成分的變化；圖2所示是鐵損在120℃隨主成分的變化；圖3所示是飽和磁通密度在高溫下隨主成分的變化；圖4所示是鐵損在100℃隨Ni含量的變化；圖5所示是飽和磁通密度在高溫下隨Ni含量的變化；和圖6所示是試樣No.23-39的Nb和Zr之間的關係。
本發明的實施模式將通過參考表1-7和圖1-6進行解釋。表1、3、5所示是本發明實施例和比較例的試樣的組成，而表2、4、6所示是示於表1、3、5的試樣的特徵值。表7所示是圖1-3的組成。
圖1示出了鐵損在100℃隨主成分的變化，其中鐵損的最低溫度是100℃。圖2示出了鐵損在120℃隨主成分的變化，其試樣與圖1的相同，鐵損的最低溫度同圖1也是100℃。圖3示出了飽和磁通密度在高溫下隨主成分的變化。圖4示出了鐵損在100℃隨Ni含量的變化，顯示試樣No.7(NiO=Oppm的點)至試樣17(NiO=4800ppm的點)和試樣No.4(NiO=1200ppm的點)的特性。圖5示出了飽和磁通密度在高溫下隨Ni含量的變化，顯示試樣No.7、4、13(NiO=2400ppm的點)、15(NiO=3600ppm的點)和17的特性。圖6示出了Nb和Zr含量之間的關係，並且兩斜線之間的試樣23、24，27-29，31-33和36、37包含在權利要求4，和試樣23及24包含在權利要求4而不是權利要求5。製備組成如表1、3和5所示的鐵氧體磁心。在此時，將煅燒的主成分和副成分的原料混合，且P和B將被歸類於後者。
主成分的起始原料採用Fe2O3、Mn3O4和ZnO。將它們稱重，使得煅燒後的成分如表1、3和5所示，溼混，隨後通過噴霧乾燥器乾燥，在900℃的空氣中煅燒2小時。
副成分的原料採用NiO、SiO2、CaCo3、Nb2O5和ZrO2。將它們稱重，使得煅燒後的組成如表1、3和5所示，這些副成分的原料加到煅燒的主成分原料中，並在溼粉碎的同時被混合。粉碎作用持續到煅燒的材料的平均粒度變成2μm。
不僅上述主成分的原料，而且含兩種或多種金屬的複合氧化物的粉末也可以作為主成分的原料。這種複合氧化物粉末通常是通過氯化物的氧化焙燒製備的。例如，如果將含氯化鐵、氯化錳、和氯化鋅的溶液氧化焙燒，可得到含Fe、Mn和Zn的複合氧化物粉末。這種複合氧化物通常含有尖晶石相。只有氯化鋅具有高的蒸氣壓，和容易在組合物中引起發散。所以，可以採用含氯化鐵和氯化錳的溶液製備含Fe和Mn的複合物粉末，然後將該粉末與氧化鋅粉末或鋅鐵氧體粉末混合製備主成分的原料。在採用通過氧化焙燒製備的複合氧化物粉末作為主成分原料的情況下，就不需要煅燒。
如此得到的混合物加入PVA作為粘結劑，通過噴霧乾燥器製成約80-200μm的顆粒。其後，顆粒在壓力下於1300℃和控制氧分壓的氣氛中燒結5小時，成型成圓環形的試樣，外徑31mm，內徑19mm，厚8mm。
副成分P和B來自原料如Fe2O3。P的含量通過吸光法測定，B的含量通過ICP(高頻等離子發射分析法)測定。
主成分和副成分的原料也可使用不是實施例中採用的那些原料。
(表1續)
Ex．實施例Com．比較例[表2]
(表2續)
Com.比較例Ex.實施例Train.鐵損的最低溫度Pcv鐵損Bms飽和磁通量密度[表3]
(表3續)
Ex.實施例Com.比較例[表4]
Train.鐵損的最低溫度Pcv鐵損Bms飽和磁通量密度[表5]
Ex.實施例Com.Ex.比較例[表6]
Tmin.鐵損的最低溫度
Pcv鐵損Bms飽和磁通量密度[表7]
A*鐵損最低溫度(℃)每個試樣被施加100kHz和200mT(最大值)的正弦電流磁場，在100℃測定鐵損和飽和磁通密度，得到的值示於表2、4、6中。同樣，製備表7所示的試樣，測定示於圖1-3的特性。
限制本發明數值的理由將主要用表1-6解釋。
在氧化鐵低於52.5％(摩爾)的情況下，鐵損的最低溫度向高溫側移動。
在氧化鐵高於54.0％(摩爾)的情況下，鐵損的最低溫度向低溫側移動。
在氧化鐵超出52.5-54.0％(摩爾)範圍的情況下，造成在100℃的鐵損大。
在氧化鐵為7.7％(摩爾)或更低的情況下，鐵損變大至320kw/m3或更高(參見No.1和2)。
在氧化鐵為10.8％(摩爾)或更高的情況下，鐵損變大至335kW/m3或更高(參見No.6)。
在氧化矽為60ppm或更低的情況下，鐵損變大至427kw/m3或更高(參見No.18)。
在氧化矽為140ppm或更高的情況下，鐵損變大至374kW/m3或更高(參見No.19)。
在氧化鈣為350ppm或更低的情況下，鐵損變大至485kW/m3或更高(參見No.20)。
在氧化鈣為700ppm或更高的情況下，鐵損變大至376kW/m3或更高(參見No.21)。
在氧化鎳為4500ppm或更高的情況下，鐵損變大至319kW/m3或更高(參見No.17)。
在氧化鎳為0的情況下，鐵損變大至319kW/m3(參見No.7)。
在Mn-Zn鐵氧體中，通過含有9.1-10.8％(摩爾)氧化鋅，所獲得的如此的MnZn鐵氧體在高溫下使用時，其鐵損的溫度特性是平穩的，如圖2所示。一般地，電裝置變壓器經常使用在約100℃的環境溫度下，並根據使用情況的不同，溫度可升高直至120-140℃。所以，非常自然地，在高溫要求低的鐵損。例如，在最大負荷下，環境溫度增加到140℃，但是在通常的情況下(50-60％的負荷率)，有利的是在約100℃使用的變壓器是低鐵損的，並且鐵損的溫度特性是平穩的。這樣得到的MnZn鐵氧體可應用到高密度裝配、汽車或高環境溫度下。
在MnZn鐵氧體中，通過含低於3000ppm的氧化鎳，鐵損仍然可以更多地降低(比較No.13和No.15)。
在氧化鈮為100ppm或更高的情況下，從No.30和No.31的比較顯然可見，得到小鐵損的MnZn鐵氧體，在氧化鈮超過350ppm的情況下，從No.25和No.24的比較顯然可見，鐵損大。在氧化鋯超過350ppm的情況下，從No.37和No.38的比較顯然可見，鐵損大。
在氧化鋯低於50ppm的情況下，從No.23和No.28的比較顯然可見，鐵損大。在氧化鋯超過350ppm的情況下，從No.36和No.39的比較顯然可見，鐵損變大。
如果相對於主成分P含量超過30ppm，從No.42和No.43的比較顯然可見，鐵損變大。
如果相對於主成分B含量超過30ppm，從No.46和No.47的比較顯然可見，鐵損變大。
限制本發明組成數值理由的另一種解釋如下。
主成分在要求的範圍之外的情況下，不能得到高飽和磁通密度和低鐵損的MnZn鐵氧體。
在SiO2和CaO低於預定範圍的情況下，電阻降低，並且鐵損大。
在SiO2超過預定範圍的情況下，當燒結時因為非正常晶粒成長，所以鐵損大。
在CaO超過預定範圍的情況下，鐵損大。
在NiO超過預定範圍的情況下，鐵損增加。
在Nb2O5和ZrO2在預定範圍之外的情況下，鐵損大。
在P和B超過要求的範圍的情況下，當燒結時因為非正常晶粒成長，所以鐵損大。
如JP-A-7-297020所述，鐵氧體在100℃的鐵損改進了。通常知道，當Mn-Zn鐵氧體加入Sn或Ti後，鐵損的最低溫度向低溫移動。所以，除非Fe或Zn隨著Sn或Ti的含量而減少，否則鐵損的溫度特性將發生偏離，高溫鐵損增加(圖2)，而飽和磁通密度減少(圖3)。此外，因為Sn和Ti是非磁性的，所以飽和磁通密度要減少。
本發明與上述的方法不同，通過加入Ni改進鐵損。圖4顯示的測定點NiO=0、100、300、600、900、1200、1800、2400、3000、3600、4200、4800(ppm)即表1和2中的試樣No.7、8、9、10、11、4、12、13、14、15、16、17。
本發明中，通過加入Ni，與加入Sn或Ti相反，最低溫度向高溫側移動。所以，通過增加Fe或Zn，鐵損的溫度特性是滿意的，因而低鐵損(圖2)或高飽和磁通密度(圖3)的組合物可以選擇。此外，因為居裡溫度通過Ni的加入而升高，所以高溫飽和磁通密度可以增加(圖5)。圖5顯示的測定點NiO=0、1200、2400、3600、4800(ppm)即試樣No.7、4、13、15、17。
可以提供在變壓器用芯的安裝溫度下具有非常小鐵損和大飽和磁通密度的MnZn鐵氧體。此外，可以選擇低鐵損和高飽和磁通密度的組成。
通過含9.1-10.8％(摩爾)ZnO，在部分最低值的情況下，高溫鐵損的溫度特性可以保持平穩，所以，加寬了鐵損的溫度特性的最低值的範圍，並易於生產鐵損更小的MnZn鐵氧體。
因為氧化鎳(NiO)的含量低於3000ppm，所以可得到鐵損更小的MnZn鐵氧體。
因為100-350ppm的氧化鈮(Nb2O5)和350ppm的氧化鋯(ZrO2)是包含在400(ppm)≤ZrO2(ppm)+2×Nb2O5(ppm)≤800(ppm)的範圍內，所以可得到鐵損小的MnZn鐵氧體。
此外，在上述MnZn鐵氧體中，因為氧化鋯(ZrO2)的含量為50-350ppm，所以仍然可得到鐵損更小的MnZn鐵氧體。
因為相對於主成分含有30ppm或更低的的P，所以可以得到鐵損小的Mn-Zn鐵氧體。
因為相對於主成分含有30ppm或更低的的B，所以也可以得到鐵損小的Mn-Zn鐵氧體。
權利要求
1．Mn-Zn鐵氧體，其含有主成分，其包括換算為Fe2O3為52.5-54.0％(摩爾)的氧化鐵，換算為ZnO為7.7-10.8％(摩爾)的氧化鋅，其餘的是氧化錳；和副成分，其包括換算為SiO2為60-140ppm的氧化矽，換算為CaO為350-700ppm的氧化鈣和換算為NiO為4500ppm或更低(不包括0)的氧化鎳。
2．權利要求1的Mn-Zn鐵氧體，其中所述氧化鋅的含量是換算為ZnO為9.1-10.8％(摩爾)。
3．權利要求1或2的Mn-Zn鐵氧體，其中所述氧化鎳含量換算為NiO為低於3000ppm(不包括0)。
4．權利要求1的Mn-Zn鐵氧體，其中所述副成分還含有換算為Nb2O5為100-350ppm的氧化鈮和換算為ZrO2為350ppm或更低(包括0)的氧化鋯，其關係在下式的範圍內400(ppm)≤ZrO2(ppm)+2×Nb2O5(ppm)≤800(ppm)。
5．權利要求4的Mn-Zn鐵氧體，其中所述氧化鋯的含量換算為ZrO2為50-350ppm。
6．權利要求1、2、4或5的Mn-Zn鐵氧體，其中相對於主成分磷P的含量為30ppm以下。
7．權利要求1、2、4或5的Mn-Zn鐵氧體，其中相對於主成分硼B的含量為30ppm以下。
8．權利要求3的Mn-Zn鐵氧體，其中相對於主成分磷P的含量為30ppm以下。
9．權利要求3的Mn-Zn鐵氧體，其中相對於主成分硼B的含量為30ppm以下。
10．權利要求1、2、4或5的Mn-Zn鐵氧體，其中相對於主成分磷P的含量為30ppm以下和相對於主成分硼B的含量為30ppm以下。
11．權利要求3的Mn-Zn鐵氧體，其中相對於主成分磷P的含量為30ppm以下和相對於主成分硼B的含量為30ppm以下。
全文摘要
Mn－Zn鐵氧體含有:主成分,包括:換算為Fe
文檔編號C01G49/00GK1286238SQ0012631
公開日2001年3月7日 申請日期2000年8月30日 優先權日1999年8月30日
發明者高川建彌, 安原克志 申請人:Tdk株式會社