專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合燒結(jié)磁性材料及其制法、及使用該材料的磁性元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于變壓器、扼流線圈、或者磁頭等中的復(fù)合燒結(jié)磁性材料及其制造方法，以及使用復(fù)合燒結(jié)磁性材料的磁性元件。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，伴隨電氣·電子儀器的小型化，對(duì)磁性體也提出了小型同時(shí)高效率的要求。作為過(guò)去的磁性體，例如，在高頻電路中使用的扼流線圈，是使用鐵氧體粉末的鐵氧體磁芯和作為金屬粉末成型體的壓粉磁芯。
其中，鐵氧體磁芯具有飽和磁通密度小、直流疊加特性差的缺點(diǎn)。為此，在過(guò)去的鐵氧體磁芯方面，為了確保直流疊加特性，在相對(duì)于磁路的垂直方向上設(shè)立幾個(gè)100μm的間隙，以防止直流疊加時(shí)電感L值降低。但是，像這么寬的間隙，除了會(huì)成為蜂鳴音的來(lái)源之外，從間隙產(chǎn)生的漏磁，尤其在高頻波段中，在線圈上造成的銅損失顯著增加了。
對(duì)此，將軟磁性金屬粉末成型制造的壓粉磁芯，和鐵氧體磁芯相比，顯著地具有較大飽和磁通密度，可以說(shuō)對(duì)小型化有利。而且，因?yàn)榕c鐵氧體磁芯的不同在于有無(wú)間隙使用，故具有可以使蜂鳴音和漏磁產(chǎn)生的銅損失減小的特征。
然而，磁芯就透磁率和磁芯損失而言，壓粉磁芯沒(méi)有鐵氧體磁芯好。特別是，在扼流線圈和電感器中使用壓粉磁芯時(shí)，磁芯損失大，磁芯溫度上升加大，很難實(shí)現(xiàn)小型化。而且，壓粉磁芯，為了提高其磁性，就必須提高成型密度，制造時(shí)通常成型壓力必須在5ton/cm2以上。對(duì)于產(chǎn)品，制造時(shí)成型壓力必須在10ton/cm2以上。為此，制造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，例如裝載于計(jì)算機(jī)用DC-DC轉(zhuǎn)換器等中的、要求低背的扼流線圈用的小型壓粉磁芯是非常困難的。為此，壓粉磁芯和鐵氧體磁芯相比，核心形狀的限制很大，很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。
通常壓粉磁芯的損失，是由磁滯損失和渦流損失形成的。其中，渦流損失與頻率的平方和流過(guò)的渦電流大小的平方成比例增大。所以，通過(guò)用絕緣材料被覆金屬粉末表面，從磁芯整體產(chǎn)生的通過(guò)金屬粉末粒子間的渦電流大小，只抑制在金屬粉末粒子內(nèi)。這樣的話，能降低渦流損失。
另一方面，關(guān)于磁滯損失，由于壓粉磁芯是在高壓力下成型的，在磁性體中引入大量的加工變形，透磁率降低，磁滯損失增加。為了避免它，成型后，可根據(jù)需要，實(shí)施用于釋放變形的高溫?zé)崽幚?。在高溫?zé)崽幚碇校瑸榱艘贿吺菇饘俜勰╅g絕緣，一邊保持金屬粉末之間的粘合，水玻璃或樹(shù)脂等絕緣性粘合劑是不可缺少的。
作為這種壓粉磁芯，過(guò)去是把金屬粉末的表面用四羥基硅烷(SiOH4)覆蓋后，實(shí)施熱處理，在金屬粉末的表面形成SiO2被膜。然后，加壓成型，把進(jìn)行過(guò)熱處理的壓粉磁芯以及用四羥基硅烷(SiOH4)覆蓋表面的金屬粉末進(jìn)行熱處理，在表面形成SiO2被膜。然后，混合作為粘合材料的合成樹(shù)脂之后進(jìn)行加壓成型、熱處理，確保金屬粉末之間的粘合，得到公知的壓粉磁芯。這些現(xiàn)有技術(shù)在特開(kāi)昭62-247005號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求范圍1、2)已作了公開(kāi)。
圖13是這些過(guò)去例子中的壓粉磁芯100的斷面示意圖。
圖13中，符號(hào)101是金屬粉末，符號(hào)102是作為覆蓋金屬粉末101表面的絕緣材料SiO2，103是作為填充到金屬粉末101之間空隙中的粘合材料的合成樹(shù)脂。
但是，在這樣得到的壓粉磁芯100中，在金屬粉末101的表面覆蓋的SiO2102是非磁性體，在金屬粉末101之間產(chǎn)生的磁性間隙的存在，是使壓粉磁芯100透磁率降低的原因。另外，在金屬粉末101之間填充的合成樹(shù)脂103也成為金屬粉末101之間產(chǎn)生的磁間隙的原因，所以，合成樹(shù)脂103的存在，導(dǎo)致了壓粉磁芯100中磁性體的填充率降低，使透磁率下降。
為了避免這樣的透磁率的降低，此前已知在金屬粉末之間填充作為磁性體的鐵氧體形成的壓粉磁芯。這樣的壓粉磁芯在特開(kāi)昭56-38402號(hào)公報(bào)中已經(jīng)公開(kāi)。
圖14是該過(guò)去例子中的壓粉磁芯104的斷面示意圖。在圖14中，符號(hào)105是金屬粉末，符號(hào)106是在金屬粉末105之間設(shè)置的鐵氧體層。
但是，這樣在金屬粉末105之間填充的作為磁性體的鐵氧體的上述過(guò)去例子中，在壓粉磁芯104中，存在金屬粉末105和鐵氧體層106的結(jié)合較弱、機(jī)械強(qiáng)度弱的缺點(diǎn)，在耐沖擊性方面具有問(wèn)題。例如，在加工壓粉磁芯時(shí)，為了提高尺寸精度進(jìn)行最終的機(jī)械加工，這時(shí)，會(huì)產(chǎn)生加工面上產(chǎn)生裂紋和部分剝離脫落等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
復(fù)合燒結(jié)磁性材料是由選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中至少一種金屬粉末和選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種鐵氧體材料構(gòu)成的，并在兩者間設(shè)置通過(guò)燒結(jié)成型而使兩者一體化的擴(kuò)散層。
復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法是把選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中的至少一種金屬粉末和選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種鐵氧體材料，以規(guī)定量混合分散之后，加壓成型為規(guī)定的形狀，燒結(jié)該成型體，在前述金屬粉末周?chē)纬膳c鐵氧體材料成渾然一體的擴(kuò)散層。
復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法是在選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中的至少一種金屬粉末的表面，形成選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種鐵氧體材料之后，加壓成型為規(guī)定的形狀，燒結(jié)該成型體，使金屬粉末周?chē)纬膳c鐵氧體材料成渾然一體的擴(kuò)散層。
磁性元件使用上述的復(fù)合燒結(jié)磁性材料。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中的復(fù)合燒結(jié)磁性材料制造方法的框圖。
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施例1中的拉伸試驗(yàn)方法構(gòu)成圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的斷面示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的斷面示意圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法的框圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例4中的電源電路圖。
圖7是表示本實(shí)施例1中的復(fù)合燒結(jié)磁性材料特性的表。
圖8是表示加壓成型工序中的成型壓力、透磁率和磁芯損失的關(guān)系表。
圖9是表示熱處理工序中的燒結(jié)氣氛、透磁率和磁芯損失的關(guān)系表。
圖10是表示λ/d、復(fù)合燒結(jié)磁性材料的磁性和機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系表。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的特性表。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的特性表。
圖13是過(guò)去例子中的壓粉磁芯的斷面示意圖。
圖14是過(guò)去例子中的壓粉磁芯的斷面示意圖。
實(shí)施方式本發(fā)明提供一種復(fù)合燒結(jié)磁性材料，其改善了過(guò)去的壓粉磁芯的低透磁率以及金屬粉末和鐵氧體層結(jié)合弱的缺陷，從而克服過(guò)去的壓粉磁芯的機(jī)械強(qiáng)度弱的缺陷。
本發(fā)明為了解決上述課題，提供一種復(fù)合燒結(jié)磁性材料，其由選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中至少一種的金屬粉末和選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種鐵氧體材料構(gòu)成，并在兩者間設(shè)置通過(guò)燒結(jié)而使兩者一體化的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。
據(jù)此，能同時(shí)解決作為鐵氧體材料缺點(diǎn)的因低飽和磁通密度產(chǎn)生的低直流疊加特性、作為成型軟磁性金屬粉末制造的壓粉磁芯缺點(diǎn)的高頻下渦電流損失的增大、以及金屬粉末表面上覆蓋絕緣材料的壓粉磁芯和金屬粉末間的空隙間填充樹(shù)脂等結(jié)合劑的壓粉磁芯磁力間隙所產(chǎn)生的透磁率降低的缺點(diǎn)。而且，還可以提供在實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的軟磁性的同時(shí)，具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合燒結(jié)磁性材料。
實(shí)施例1在本實(shí)施例1中，如圖1的框圖所示，在平均粒徑18μm的金屬粉末中添加15wt％的平均粒徑0.6μm的鐵氧體粉末，將兩者混合分散，此后，進(jìn)行加壓成型和燒結(jié)、熱處理，制成形狀為外形15mm、內(nèi)徑10mm、高3mm左右的復(fù)合燒結(jié)磁性材料。
圖7表示本實(shí)施例1中的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的特性。樣品No.6、7是使用金屬粉末的壓粉磁芯，樣品No.8、9是鐵氧體磁芯。樣品No.6～9是與本實(shí)施例1中復(fù)合燒結(jié)磁性材料的比較例。在本實(shí)施例1中使用的金屬粉末和鐵氧體粉末的組成如圖7中記載。
在圖7中，透磁率是使用LCR儀在100kHz的頻率下測(cè)量，磁芯損失是使用交流B-H彎曲測(cè)定機(jī)，在測(cè)量頻率100kHz、測(cè)定磁通密度0.1T下進(jìn)行測(cè)量。而且，關(guān)于磁芯強(qiáng)度，用圖2所示的試驗(yàn)方法測(cè)量樣品強(qiáng)度，耐重4kg以上的情況評(píng)價(jià)為“○”。在圖2中，樣品1使用15mm方形、厚度0.8mm左右的樣品。符號(hào)2是夾具，在圖2下方設(shè)置的夾具2彼此是以7mm間隔設(shè)立的。位于圖2上方的夾具2是沿圖2箭頭3方向以20mm/min的速度加重，測(cè)定樣品強(qiáng)度。
圖7舉出的樣品中，使用Ni系、Mg系樣品的No.1、3、4、5，作為鐵氧體粉末，在圖7記載的條件下成型后，在氮?dú)夥罩?，用圖7記載的溫度燒結(jié)1～2小時(shí)，然后，在大氣中用表中記載的溫度進(jìn)行1～2小時(shí)熱處理。另一方面，使用Mn系的樣品No.2作為鐵氧體粉末，在圖7記載的條件下成型后，在氮?dú)夥罩校脠D7記載的溫度燒結(jié)1～2小時(shí)，然后，在2％氧氣氛中，用表中記載的溫度進(jìn)行1～2小時(shí)的熱處理。另外，在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行冷卻。
在圖7中作為比較例使用的樣品No.6、7，是在金屬粉末中添加1wt％Si樹(shù)脂，用圖7記載的條件成型后，在氮?dú)庵型嘶鹦纬傻摹悠種o.8、9是鐵氧體磁芯。樣品No.8使用Ni系的鐵氧體粉末，在圖7記載的條件下成型后，在大氣中用圖7記載的溫度進(jìn)行1～2小時(shí)的燒結(jié)形成的。另一方面，使用Mn系鐵氧體粉末的樣品No.9，用圖7記載的條件成型后，在2％氧氣氛中用表中記載的溫度進(jìn)行1～2小時(shí)熱處理。還有，在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行冷卻。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的斷面簡(jiǎn)圖。在圖3中，符號(hào)11是復(fù)合燒結(jié)磁性材料，符號(hào)12是金屬粉末，符號(hào)13是由鐵氧體粉末14在金屬粉末12之間的間隙中形成的鐵氧體層。符號(hào)15是在金屬粉末12周?chē)鸁Y(jié)形成的、使金屬粉末12和鐵氧體層13結(jié)合成一體化的擴(kuò)散層。
還有，鐵氧體層13中，例如根據(jù)混合分散條件、成型壓力條件成型后填充到金屬粉末12之間的鐵氧體粉末14的填充率狀態(tài)以及，根據(jù)燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度、時(shí)間等條件，如圖4所示，在鐵氧體層13和擴(kuò)散層15中產(chǎn)生細(xì)孔16。在圖7中不存在細(xì)孔16的情況下，擴(kuò)散層15記作“全周”。
如圖7所示，根據(jù)本實(shí)施例1制造方法得到的壓粉磁芯樣品No.1～5，任何一個(gè)都既能確保具有與鐵氧體磁芯(樣品No.8、9)相同的低磁芯損失，又能確保具有超過(guò)過(guò)去復(fù)合燒結(jié)磁性材料的(樣品No.6、7)高透磁率。還能確保磁芯強(qiáng)度也高于過(guò)去的復(fù)合燒結(jié)磁性材料(樣品No.6、7)。
在本發(fā)明實(shí)施例1中，記載了使用Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系作為金屬粉末12的例子。此外，也可以使用Fe-Si-Al系的金屬粉末12。而且，金屬粉末12中的Fe、Si、Ni、Mo、Al的疊加比率可以任意。
另外，在本發(fā)明實(shí)施例1中，使用平均粒徑18μm的作為金屬粉末12，然而，平均粒徑的大小并不限于此。但是，金屬粉末12的粒徑優(yōu)選1～100μm。金屬粉末12比1μm小的話，金屬粉末的凝集變強(qiáng)，添加鐵氧體14后的混合分散工序中，部分金屬粉末12之間以相互接觸狀態(tài)殘留。另一方面，金屬粉末12比100μm大的話，渦電流損失變大。作為金屬粉末12更優(yōu)選3～60μm。
還有，在本發(fā)明實(shí)施例1中，使用Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系或在其中添加Cu作為鐵氧體粉末14。此外，Ni-Zn系，Mn-Zn系，Mg-Zn系都可以用，或者也可以在其中添加Li、Na、Mg、Ca、Al、Sc、Ti、V、Mn、Co、Ni、Cu、Mo、Rh、W、Cd、Ga、Ge、Sn、Sb的至少一種后使用。
而且，在本發(fā)明的實(shí)施例1中，使用平均粒徑0.6μm的作為鐵氧體粉末14，然而，平均粒徑大小并不限于此。但是，鐵氧體粉末14的粒徑優(yōu)選為0.02～2μm。比0.02μm小的鐵氧體粉末14在其制作工序中產(chǎn)率差，成本提高。另一方面，鐵氧體粉末14比2μm大的話，難以在金屬粉末12的表面致密覆蓋，部分金屬粉末12以相互接觸的狀態(tài)殘留。
還有，在本發(fā)明實(shí)施例1中，相對(duì)于金屬粉末12，添加15wt％的鐵氧體粉末14后使用，然而，鐵氧體粉末14可以用2wt％以上的任意的混合比率混合。當(dāng)鐵氧體粉末14少于2wt％時(shí)，在加壓成型工序中，金屬粉末12相互接觸，難以確保復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的絕緣性。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的直流疊加特性，必須決定金屬粉末12和鐵氧體粉末14的混合比率，使飽和磁通密度在1T以上，優(yōu)選在1.5T以上。以及必須限定鐵氧體粉末14的混合比率，使飽和磁通密度不在上述值以下的范圍內(nèi)。
還有，本發(fā)明實(shí)施例1中，沒(méi)有特別提到混合分散工序的混合分散方法，對(duì)混合分散方法沒(méi)有特別限制，例如可以采用旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)、行星球磨機(jī)等各種球磨機(jī)等進(jìn)行混合分散。
另外，本發(fā)明的實(shí)施例1中沒(méi)有特別提到加壓成型工序的加壓成型方法，對(duì)加壓成型方法沒(méi)有特別限制。加壓成型的成型壓力也可以使用任意的壓力，優(yōu)選使用0.5ton/cm2～15ton/cm2。在低于0.5ton/cm2壓力的情況下，只能得到低的成型體密度，即使經(jīng)過(guò)其后的燒結(jié)工序，復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的內(nèi)部也殘留大量的氣孔，燒結(jié)體密度也變低，結(jié)果是高磁性化變得困難。而且，在高于15ton/cm2壓力的情況下，因?yàn)榻饘俜勰?2之間的接觸，渦電流損失增大。另外，為了確保加壓成型時(shí)的模具強(qiáng)度，使用大型模具，而且，為了確保成型壓力，使用大型擠壓機(jī)。還有，由于模具、擠壓機(jī)的大型化而使生產(chǎn)率變低，故磁性材料的價(jià)格提高。
圖8表示加壓成型工序中的成型壓力、透磁率和磁芯損失的關(guān)系。
圖8為加入由85.57wt％Fe、9.50wt％Si和4.93wt％Al組成的、平均粒徑15μm的金屬粉末12以及21.0mol％NiO、25.1mol％ZnO、4.9mol％CuO、49.0mol％Fe2O3組成的、平均粒徑0.5μm鐵氧體粉末14，以使鐵氧體粉末14為10wt％，將兩者混合分散，在圖8記載的壓力下加壓成型后，在850℃的氮?dú)夥罩袩Y(jié)1～2小時(shí)，然后，在大氣中熱處理1～2小時(shí)，對(duì)該樣品10～16進(jìn)行的評(píng)價(jià)。
如圖8所示，在成型壓力低于0.5ton/cm2的情況下，制造的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的透磁率低同時(shí)磁芯損失也大。而且，在成型壓力高于15ton/cm2的情況下，磁芯損失非常大。
還有，本發(fā)明的實(shí)施例1中，沒(méi)有特別提到燒結(jié)工序的燒結(jié)方法，燒結(jié)方法沒(méi)有特別限制，可以使用電爐等。而且，燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度也可以使用任意的溫度，優(yōu)選800℃～1300℃范圍。在低于800℃燒結(jié)溫度的情況下，燒結(jié)的致密化不充分，在高于1300℃燒結(jié)溫度的情況下，由于構(gòu)成元素的揮發(fā)引起的組成偏差和結(jié)晶粒粗大化而使高磁性化變得困難。
還有，燒結(jié)時(shí)在必須控制氧氣分壓的情況下，可以使用可能控制氣氛的電爐。此時(shí)，把加壓成型的金屬粉末12和鐵氧體層13構(gòu)成的成型體先在非氧化性氣氛中燒結(jié)，然后，在平衡氧分壓的氣氛中進(jìn)行鐵氧體層13熱處理，使其至少90％以上變成尖晶石相。據(jù)此，由于金屬粉末12的氧化能抑制磁性的降低，而且，在非氧化氣氛中燒結(jié)使其還原，使氧化特性低的鐵氧體層13再氧化，可以恢復(fù)其特性。據(jù)此，可以提供軟磁力特性優(yōu)良、且機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良的復(fù)合燒結(jié)磁性材料。
圖9表示熱處理工序中的燒結(jié)氣氛、透磁率和磁芯損失的關(guān)系。
圖9為加入由95.5wt％Fe和4.5wt％Si組成的、平均粒徑11μm的金屬粉末12，以及23.5mol％NiO、24.3mol％ZnO、4.1mol％CuO、48.1mol％Fe2O3組成的、平均粒徑0.4μm鐵氧體粉末14，以使鐵氧體粉末14為13wt％，將兩者混合分散，在7ton/cm2的成型壓下加壓成型后，在圖9記載的氣氛中于890℃下進(jìn)行熱處理1～2小時(shí)，對(duì)該樣品17～20進(jìn)行的評(píng)價(jià)。
如圖9所示，在非氧化氣氛中進(jìn)行燒結(jié)，然后，在平衡氧氣分壓的氣氛中進(jìn)行熱處理的樣品No.18、19，與作為比較對(duì)象的圖9中的樣品No.17、20相比，透磁率高，且磁芯損失低。
另外，在本發(fā)明實(shí)施例1中通過(guò)燒結(jié)工序形成的擴(kuò)散層15厚度為λ、金屬粉末12粒徑為d的情況下，優(yōu)選λ/d為1×10-4≤λ/d≤1×10-1的關(guān)系。當(dāng)λ/d小于1×10-4時(shí)，擴(kuò)散層15變薄，復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)?。另一方面，?dāng)λ/d大于1×10-1時(shí)，擴(kuò)散層15變厚，復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的磁性降低。
還有，通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)散層15的厚度，來(lái)控制本發(fā)明實(shí)施例1的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的直流疊加特性是可能的。由于擴(kuò)散層15的透磁率與金屬粉末12和鐵氧體層13的透磁率不同，通過(guò)控制擴(kuò)散層15的厚度就可能控制復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的透磁率，結(jié)果就可能控制復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的直流疊加特性。在這種情況下，擴(kuò)散層15的控制可通過(guò)調(diào)整本發(fā)明實(shí)施例1的燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間來(lái)達(dá)到。即，當(dāng)燒結(jié)溫度高或者燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，擴(kuò)散層15就變厚，當(dāng)燒結(jié)溫度低或燒結(jié)時(shí)間短時(shí)，擴(kuò)散層15就變薄。
圖10給出表示擴(kuò)散層15的厚度λ和金屬粉末12粒徑d關(guān)系的λ/d與復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的磁力特性和機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)系。
圖10為加入由52.1wt％Fe和47.9wt％Ni組成的、平均粒徑20μm的金屬粉末12以及23.5mol％NnO(NiO)、25.0mol％ZnO、51.5mol％Fe2O3組成的、平均粒徑1μm鐵氧體粉末14，以使鐵氧體粉末14為20wt％，加以混合分散，在7ton/cm2的成型壓下加壓成型后，在氮?dú)夥罩校詧D10記載的溫度燒結(jié)1～2小時(shí)，然后，在2％氧氣氛中，以圖10記載的溫度進(jìn)行熱處理1～2小時(shí)之后，在氮?dú)夥罩欣鋮s，對(duì)該樣品21～26進(jìn)行的評(píng)價(jià)。樣品形狀為外形15mm、內(nèi)徑10mm、高3mm的環(huán)形磁芯。
在圖10中，L值在20T下測(cè)量，對(duì)L值降低20％時(shí)的電流值進(jìn)行評(píng)價(jià)。在圖10中，電流值(A)越大，直流疊加特性越好。
如圖10所示，燒結(jié)·熱處理溫度在800℃以下時(shí)，擴(kuò)散層15的厚度λ和金屬粉末12厚度d的比率λ/d變得比1×10-4小，復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的機(jī)械強(qiáng)度變?nèi)?。另一方面，燒結(jié)·熱處理溫度超過(guò)1300℃時(shí)，λ/d變得比1×10-1大，磁芯損失變大。
據(jù)此，通過(guò)調(diào)整燒結(jié)溫度可以調(diào)整擴(kuò)散層15的厚度，從而控制復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的直流疊加特性。這樣，可以提供適合作為變壓器和扼流線圈等要求的特性，并且機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11。還有，不僅調(diào)整燒結(jié)溫度，即使是調(diào)整燒結(jié)時(shí)間也可以實(shí)現(xiàn)這樣的控制。
還有，在本發(fā)明實(shí)施例1中，在金屬粉末12和鐵氧體粉末14混合分散后加壓成型，然后進(jìn)行燒結(jié)，也可使用HIP或SPS，同時(shí)進(jìn)行加壓成型工序和燒結(jié)工序。
實(shí)施例2在本發(fā)明實(shí)施例2中，在金屬粉末12的表面，例如通過(guò)非電解電鍍、共沉淀法、機(jī)械熔化、蒸鍍、濺射等覆蓋鐵氧體層13，然后，對(duì)覆蓋鐵氧體層13的金屬粉末12加壓成型，將得到成型體燒結(jié)，在金屬粉末12和鐵氧體層13之間形成擴(kuò)散層15。據(jù)此，可從實(shí)施例1的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的制造方法中省略混合分散工序。另外，通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例2記載的制造方法，可以使鐵氧體層13確實(shí)地插到金屬粉末12之間，從而確保了復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的絕緣性，且使高頻特性良好。
圖5表示本發(fā)明實(shí)施例2的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11制造方法的框圖。
在這種情況下，也可將金屬粉末12與必須混合的規(guī)定量的鐵氧體粉末14的一部分，用上述的覆蓋方法，在金屬粉末12的表面上覆蓋，然后，混合規(guī)定量鐵氧體粉末14的剩余部分。據(jù)此，可以確實(shí)地得到在金屬粉末12之間的間隙中插入鐵氧體層13的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11。在這種情況下，與僅以上述覆蓋方法為目標(biāo)而形成鐵氧體層13的情形相比，生產(chǎn)效率良好，還可以降低成本。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的特性。圖11中記載的樣品No.27如下形成通過(guò)在具有圖11中記載的組成的、粒徑19μm的金屬粉末12的表面，用非電解電鍍覆蓋1.6μm厚的具有圖11記載的組成的鐵氧體層13之后，加壓成型，進(jìn)行燒結(jié)·熱處理。根據(jù)飽和磁化測(cè)定，計(jì)算出樣品No.27的鐵氧體含有率為15wt％左右。另外，圖11中記載的樣品No.28如下形成在有圖11記載的組成的粒徑19μm金屬粉末12的表面上，用濺射法覆蓋0.5μm厚的圖11中記載組成的鐵氧體層13之后，對(duì)100重量份金屬粉末，再添加10.5重量份具有圖11記載組成的鐵氧體粉末14，進(jìn)行混合分散、加壓成型、燒結(jié)·熱處理。通過(guò)飽和磁化測(cè)定，計(jì)算出樣品No.28的鐵氧體含有率為14wt％左右。
混合分散工序、加壓成型工序、燒結(jié)·熱處理工序的各種條件等，和實(shí)施例1相同，在此省略。
如圖11所示，通過(guò)本實(shí)施例2的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的樣品No.27～28，都能確保與鐵氧體磁芯(樣品No.8、9)具有同樣的低磁芯損失，并能確保具有超過(guò)現(xiàn)有的復(fù)合燒結(jié)磁性材料(樣品No.6、7)的高透磁率。此外，也能確保磁芯強(qiáng)度高于上述現(xiàn)有的復(fù)合燒結(jié)磁性材料(樣品No.6、7)。
還有，金屬粉末12和鐵氧體粉末14的組成、金屬粉末12和鐵氧體粉末14的混合比率和實(shí)施例1相同。
另外，本實(shí)施例2中的混合分散工序或加壓成型工序、燒結(jié)工序中使用的方法沒(méi)有特別的限制，和本發(fā)明實(shí)施例1相同。另外，加壓成型工序的壓力和燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等也和本發(fā)明實(shí)施例1相同，能在各種條件下實(shí)施。
還有，擴(kuò)散層15的厚度可以調(diào)整，也和本發(fā)明實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3本發(fā)明的實(shí)施例3中用鐵氧體原料代替鐵氧體粉末14。鐵氧體原料可以使用NiO、Fe2O3、ZnO、CuO、MgO、MnCO3等。在這種情況下，按規(guī)定量稱(chēng)取金屬粉末12和鐵氧體原料后，進(jìn)行混合分散、加壓成型后，通過(guò)燒結(jié)成型體，使鐵氧體原料轉(zhuǎn)變?yōu)殍F氧體，同時(shí)，能在金屬粉末12和鐵氧體層13之間形成擴(kuò)散層15。
另外，按照實(shí)施例2所示的制造方法，在金屬粉末的表面，例如通過(guò)非電解電鍍、共沉淀法、機(jī)械熔化、蒸鍍、濺射等操作，用鐵氧體原料代替鐵氧體粉末14進(jìn)行覆蓋，然后，加壓成型覆蓋了鐵氧體原料的金屬粉末12，通過(guò)把得到的成型體進(jìn)行燒結(jié)，也能在金屬粉末12和鐵氧體層13之間形成擴(kuò)散層15。
還有，通過(guò)上述的非電解電鍍，將可以與金屬粉末12混合的規(guī)定量的鐵氧體原料的一部分，覆蓋到金屬粉末12表面上后，也可以混合規(guī)定量鐵氧體原料的剩余部分。
因此，使用鐵氧體原料代替鐵氧體粉末14作為鐵氧體材料，可以省略鐵氧體粉末14的制備工序，并降低了成本。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的特性。圖12中記載的樣品No.29、31，稱(chēng)入具有圖12記載組成的、粒徑為21μm的金屬粉末12和具有圖12記載組成的、粒徑0.02μm～2μm的鐵氧體粉末14，使鐵氧體粉末14達(dá)到15wt％的量，進(jìn)行混合分散、加壓成型、燒結(jié)·熱處理。圖12記載的樣品No.30、32是在具有圖12記載組成的、粒徑為21μm的金屬粉末12表面，通過(guò)機(jī)械熔化，覆蓋具有圖12記載的組成的鐵氧體層13后，進(jìn)行加壓成型、燒結(jié)·熱處理。復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的制備涉及混合分散工序、加壓成型工序、燒結(jié)·熱處理工序的各種條件等以及金屬粉末和鐵氧體粉末的組成等，和實(shí)施例1相同，故省略。
如圖12所示，本實(shí)施例3的制造方法得到的復(fù)合燒結(jié)磁性材料樣品No.29～32都能確保具有與鐵氧體磁芯(樣品No.8、9)同樣低的磁芯損失，并能確保具有超過(guò)現(xiàn)有的復(fù)合燒結(jié)磁性材料(樣品No.6、7)的高透磁率。還有，也能確保磁芯強(qiáng)度在現(xiàn)有的復(fù)合燒結(jié)磁性材料(樣品No.6、7)之上。
還有，金屬粉末12和鐵氧體粉末14的組成、金屬粉末12和鐵氧體粉末14的混合比率，和實(shí)施例1相同。
而且，本實(shí)施例3中混合分散工序或加壓成型工序、燒結(jié)工序中使用的方法沒(méi)有特別限制，和本發(fā)明實(shí)施例1相同。而且，加壓成型工序的壓力或燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等也和本發(fā)明實(shí)施例1相同，能夠在各種條件下實(shí)施。
還有，擴(kuò)散層15的厚度可以調(diào)整，也和本發(fā)明實(shí)施例1相同。
實(shí)施例4圖6為使用由鐵氧體或復(fù)合燒結(jié)磁性材料構(gòu)成的磁芯，構(gòu)成變壓器17和兩側(cè)平滑的扼流線圈18時(shí)的電源電路圖。這里使用的電源是全橋(フルブリツジ)電路，該電源輸出容量為1kW，變壓器17的頻率為100kHz，扼流線圈18的頻率為200kHz。
在這里，通過(guò)圖6記載的電源電路評(píng)價(jià)電源效率。
還有，作為現(xiàn)有的變壓器能使用E31形狀的磁芯，作為扼流線圈能使用E35形狀的磁芯。另一方面，作為本發(fā)明的變壓器，采用本發(fā)明實(shí)施例1～3的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的E31形狀的磁芯，作為扼流線圈，使用本發(fā)明實(shí)施例1～3的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11的E27形狀的磁芯。
結(jié)果是，使用現(xiàn)有的變壓器17、扼流線圈18的電源電路的電源效率為88％，而使用以本發(fā)明復(fù)合燒結(jié)磁性材料11制造的磁芯制成的變壓器17、扼流線圈18的電源電路，能確保電源效率在目標(biāo)的90％以上。
從上可知，使用由本發(fā)明的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11制得的磁芯的電源裝置能達(dá)到小形、薄形、輕量化、高效率化。據(jù)此，例如，車(chē)載的電源裝置可能輕量化，通訊基站的電源能小形化，從而使節(jié)省空間、高效率化成為可能。
此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1～3記載的制造方法制造的復(fù)合燒結(jié)磁性材料11，可以用于電感器、檢測(cè)線圈、薄膜線圈等磁性元件中。
如上所述，本發(fā)明的復(fù)合燒結(jié)磁性材料為選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中的至少一種金屬粉末和，選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種的鐵氧體材料構(gòu)成，兩者間設(shè)立通過(guò)燒結(jié)形成的使兩者間一體化的擴(kuò)散層。
據(jù)此，同時(shí)解決了作為鐵氧體材料缺陷的由低飽和磁通密度產(chǎn)生的低直流疊加特性；作為成型軟磁性金屬粉末制成的壓粉磁芯的缺陷的、在高頻下的渦電流損失增大；金屬粉末表面覆蓋絕緣材料的壓粉磁芯和金屬粉末之間填充樹(shù)脂等的粘合劑壓粉磁芯，由這些壓粉磁芯的磁氣間隙產(chǎn)生的透磁率降低的缺點(diǎn)。而且，可能提供同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的軟磁力特性和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合燒結(jié)磁性材料。
本發(fā)明涉及復(fù)合燒結(jié)磁性材料、其制造方法和使用該復(fù)合燒結(jié)磁性材料的磁性元件，特別是涉及用于變壓器磁芯、扼流線圈或者磁頭等中的的復(fù)合燒結(jié)磁性材料及其制造方法和使用復(fù)合燒結(jié)磁性材料的磁性元件。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合燒結(jié)磁性材料，其是由選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中至少一種金屬粉末和選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中至少一種鐵氧體材料構(gòu)成的，并在兩者間設(shè)置通過(guò)燒結(jié)形成的、使兩者一體化的擴(kuò)散層。
2.如權(quán)利要求1中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料，其中，擴(kuò)散層設(shè)置在上述金屬粉末的全部外圍。
3.如權(quán)利要求1中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料，其中，擴(kuò)散層設(shè)置在上述金屬粉末的部分外圍。
4.如權(quán)利要求1中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料，其中，當(dāng)上述金屬粉末的直徑為d、上述擴(kuò)散層厚度為λ時(shí)，上述擴(kuò)散層厚度的構(gòu)成滿足1×10-4≤λ/d≤1×10-1的關(guān)系。
5.一種復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中包括稱(chēng)入規(guī)定量的選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中的至少一種金屬粉末和選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種鐵氧體材料，混合分散后，加壓成型為所規(guī)定的形狀成型，燒結(jié)該成型體，在上述金屬粉末周?chē)纬膳c鐵氧體材料渾然一體的擴(kuò)散層。
6.一種復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中包括在選自Fe、Fe-Si系、Fe-Ni系、Fe-Ni-Mo系、Fe-Si-Al系中的至少一種金屬粉末的表面，形成選自Ni-Zn系、Mn-Zn系、Mg-Zn系中的至少一種鐵氧體材料之后，加壓成型為所規(guī)定的形狀，燒結(jié)該成型體，在金屬粉末周?chē)纬膳c鐵氧體材料渾然一體的擴(kuò)散層。
7.如權(quán)利要求5中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，使用鐵氧體粉末作為上述鐵氧體材料。
8.如權(quán)利要求6中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，使用鐵氧體粉末作為上述鐵氧體材料。
9.如權(quán)利要求5中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，使用鐵氧體原料作為上述鐵氧體材料。
10.如權(quán)利要求6中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，使用鐵氧體原料作為上述鐵氧體材料。
11.如權(quán)利要求5中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，在壓力0.5ton/cm2～15ton/cm2下進(jìn)行加壓成型。
12.如權(quán)利要求6中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，在壓力0.5ton/cm2～15ton/cm2下進(jìn)行加壓成型。
13.如權(quán)利要求5中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，在溫度800℃～1300℃下進(jìn)行燒結(jié)。
14.如權(quán)利要求6中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，在溫度800℃～1300℃下進(jìn)行燒結(jié)。
15.如權(quán)利要求5中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，在非氧化性氣氛中進(jìn)行熱處理，然后，在平衡氧分壓的氣氛中進(jìn)行熱處理，進(jìn)行燒結(jié)，使鐵氧體材料的至少90％以上轉(zhuǎn)變成尖晶石相。
16.如權(quán)利要求6中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的制造方法，其中，在非氧化性氣氛中進(jìn)行熱處理，然后，在平衡氧分壓的氣氛中進(jìn)行熱處理，進(jìn)行燒結(jié)，使鐵氧體材料的至少90％以上轉(zhuǎn)變成尖晶石相。
17.一種使用權(quán)利要求1～16中記載的復(fù)合燒結(jié)磁性材料的磁性元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種復(fù)合燒結(jié)磁性材料、其制造方法和使用該復(fù)合燒結(jié)磁性材料的磁性元件。該復(fù)合燒結(jié)磁性材料既改善以往壓粉磁芯的低透磁率，又克服了因?yàn)榻饘俜勰┖丸F氧體層結(jié)合弱而使以往的壓粉磁芯機(jī)械強(qiáng)度差的缺陷，本發(fā)明特別涉及用于變壓器磁芯、扼流線圈、或者磁頭等中的復(fù)合燒結(jié)磁性材料及其制造方法，以及適于作磁性元件的復(fù)合燒結(jié)磁性材料。該復(fù)合燒結(jié)磁性材料是由選自Fe、Fe－Si系、Fe－Ni系、Fe－Ni－Mo系、Fe－Si－Al系中的至少一種金屬粉末和選自Ni－Zn系、Mn－Zn系、Mg－Zn系中的至少一種鐵氧體粉末形成的鐵氧體層構(gòu)成的，并在兩者間設(shè)置通過(guò)燒結(jié)形成的、使兩者成為一體的擴(kuò)散層。
文檔編號(hào)H01F1/34GK1637962SQ20041009030
公開(kāi)日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月3日
發(fā)明者高橋岳史, 松谷伸哉, 大西一彰 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社