專利名稱：軟磁材料和壓粉磁芯及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及軟磁材料和壓粉磁芯及其制備方法，更具體地說，涉及含有金屬磁性顆粒的軟磁材料和壓粉磁芯，以及制備它們的方法，所述金屬磁性顆粒包覆有絕緣膜。
背景技術(shù)：
通常地，人們已經(jīng)嘗試提供具有較高密度和較小尺寸的電氣和電子元件，例如電機(jī)磁芯和變壓器磁芯，以滿足對使用低電能的更精密控制的需求，這導(dǎo)致開發(fā)用來制備例如電氣和電子元件的軟磁材料，所述電氣和電子元件特別是在中頻率至高頻率范圍中具有被改善的磁性性能。
關(guān)于這樣的軟磁材料，例如日本專利公開2002-246219公開了一種壓粉磁芯及其制備方法，該壓粉磁芯甚至當(dāng)在高溫環(huán)境下使用時它也能維持磁性性能(專利文獻(xiàn)1)。根據(jù)專利文獻(xiàn)1公開的方法，用磷酸鹽膜包覆的粉化的鐵粉首先與預(yù)定量的聚苯硫醚(PPS樹脂)混合，然后進(jìn)行壓縮模塑。所得壓模在320℃溫度的空氣下加熱1小時，然后在240℃溫度下再加熱1小時。然后冷卻制備壓粉磁芯。
專利文獻(xiàn)1日本專利公開2002-246219發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題由此制備的壓粉磁芯在其內(nèi)部可以包括很多變形(位錯、缺陷)，這種情況將妨礙磁疇壁的運(yùn)動(磁通量改變)，使壓粉磁芯的磁導(dǎo)率降低。專利文獻(xiàn)1所公開的壓粉磁芯在成型時經(jīng)歷了兩次的熱處理，但仍然沒有適當(dāng)?shù)叵齼?nèi)部變形。結(jié)果，所得壓粉磁芯的有效磁導(dǎo)率總是保持在400或以下的低值上，所述磁導(dǎo)率可以根據(jù)頻率和PPS樹脂含量而變化。
為了使壓粉磁芯內(nèi)的變形降低到可接受的程度，也可以嘗試在更高溫度下對壓模進(jìn)行熱處理。然而，包覆粉化鐵粉的磷酸鹽化合物具有較低的耐熱性，因此在高溫?zé)崽幚磉^程中變質(zhì)。這種情況就導(dǎo)致了包覆粉化鐵粉的磷酸鹽隨著渦電流增加而在顆粒之間消失(loss)，因而降低了所述壓粉磁芯的磁導(dǎo)率。
因此，本發(fā)明的一個目的是通過提供具有所需要磁性能的軟磁材料和壓粉磁芯及其制備方法，來解決上述問題。
解決問題的方法根據(jù)本發(fā)明一個方面的軟磁材料包括多個復(fù)合磁性顆粒。所述多個復(fù)合磁性顆粒中的每一個都具有含有鐵的金屬磁性顆粒；包覆所述金屬磁性顆粒表面并且含有非鐵金屬的下層膜；以及包覆下層膜表面并且含有氧和碳中至少一種的絕緣上層膜。非鐵金屬與包含在上層膜中的氧和碳中的至少一種具有親和力，該親和力比鐵的這種親和力大。
在具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料中，金屬磁性顆粒和絕緣上層膜之間提供的下層膜能夠防止上層膜內(nèi)的氧或碳在軟磁材料熱處理過程中擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒中，因為下層膜包括具有對氧或碳的親和力比金屬磁性顆粒中鐵的親和力更大的非鐵金屬，這就促進(jìn)了氧和碳與非鐵金屬的反應(yīng)并且將它們捕獲在下層膜內(nèi)，由此防止了氧和碳滲透進(jìn)入金屬磁性顆粒中(吸氣效應(yīng))。這使得金屬磁性顆粒內(nèi)的雜質(zhì)濃度增加最小化，由此防止了金屬磁性顆粒的磁性性質(zhì)的退化。防止氧和碳擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒中也使在上層膜內(nèi)的氧和碳含量的降低最小化，由此防止了上層膜的分解或降解，而上層膜的分解或降解將會導(dǎo)致上層膜的絕緣變差。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的軟磁材料包括多個復(fù)合磁性顆粒。所述多個復(fù)合磁性顆粒中的每一個都具有含鐵的金屬磁性顆粒；包覆所述金屬磁性顆粒表面并且含有非鐵金屬的下層膜；以及包覆下層膜表面并且含有氧和碳中的至少一種的絕緣上層膜。所述非鐵金屬相對于包含在上層膜內(nèi)的氧和碳中的至少一種的擴(kuò)散系數(shù)比鐵的這種擴(kuò)散系數(shù)小。
在具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料中，絕緣上層膜和金屬磁性顆粒之間提供有下層膜，該下層膜能夠降低上層膜內(nèi)的氧或碳在軟磁材料熱處理過程中擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒中，因為下層膜包括具有相對于氧或碳的擴(kuò)散系數(shù)比金屬磁性顆粒中包含的鐵的擴(kuò)散系數(shù)更小的非鐵金屬，因此氧和碳從上層膜向金屬磁性顆粒的擴(kuò)散速率在下層膜處被降低，這樣就防止了氧和碳滲透進(jìn)入金屬磁性顆粒內(nèi)(勢壘效應(yīng))，這樣就使金屬磁性顆粒內(nèi)的雜質(zhì)濃度的增加最小化，因而防止了金屬磁性顆粒的磁性性質(zhì)的退化。防止氧和碳擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒中也使在上層膜內(nèi)的氧和碳含量的降低最小化，因而防止了上層膜的分解或降解，所述上層膜的分解或降解將會導(dǎo)致上層膜的絕緣變差。
因此，這些發(fā)明都可以使軟磁材料在高溫下進(jìn)行熱處理，而不會導(dǎo)致金屬磁性顆粒和絕緣上層膜的降解。
優(yōu)選地，非鐵金屬包括選自由鋁(Al)，鉻(Cr)，硅(Si)，鈦(Ti)，釩(V)和鎳(Ni)組成的組中的至少一種。在具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料中，這些材料中任一種與鐵相比都對氧或碳具有大的親和力，或都相對于氧或碳具有小的擴(kuò)散系數(shù)。因此，上述優(yōu)點(diǎn)可以通過下層膜的吸氣效應(yīng)和勢壘效應(yīng)中的至少一種產(chǎn)生。
此外，這些材料和氧或碳之間的反應(yīng)可以導(dǎo)致下層膜電阻的增加，而下層膜可以與上層膜協(xié)作起到絕緣體的作用。此外，當(dāng)這些材料與包含在金屬磁性顆粒中的鐵形成固溶體時，他們不會損害金屬磁性顆粒的軟磁性質(zhì)，因而防止了軟磁材料的磁性性質(zhì)變差。
優(yōu)選地，下層膜的平均厚度為不小于50nm且不大于1μm。在具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料中，下層膜具有不小于50nm的平均厚度，保證了下層膜的吸氣或勢壘效應(yīng)。而且，由于下層膜的平均厚度不大于1μm，因此使用本發(fā)明的軟磁材料形成的壓模不存在彼此間分開太大距離的金屬磁性顆粒。這樣就防止了金屬磁性顆粒之間的反磁性(由于金屬磁性顆粒內(nèi)的磁極導(dǎo)致能量損耗)，因而使由于反磁性所導(dǎo)致的滯后損失增加最小化。此外，軟磁材料內(nèi)的無磁性層的體積比可以最小化，使得飽和磁通密度的降低最小化。
優(yōu)選地，上層膜包括選自由磷化合物、硅化合物、鋁化合物、鋯化合物和鈦化合物組成組中的至少一種。在具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料中，這些材料具有良好的絕緣，其更有效地降低了金屬磁性顆粒間的渦電流。
優(yōu)選地，上層膜具有不小于10nm且不大于1μm的平均厚度。在具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料中，上層膜不小于10nm的平均厚度使膜內(nèi)的隧道電流最小化，由此使隧道電流所導(dǎo)致的渦電流損耗增加最小化。此外，由于上層的平均厚度為不大于1μm，因此使用本發(fā)明的軟磁材料制備的壓模不存在彼此間分開太大距離的金屬磁性顆粒。這樣就防止了金屬磁性顆粒之間的反磁性，因而使由于反磁性所導(dǎo)致的滯后損失增加最小化。此外，軟磁材料內(nèi)的無磁性層的體積比可以最小化，使得飽和磁通密度的降低最小。
根據(jù)本發(fā)明的壓粉磁芯使用上述的任一種軟磁材料制備。在具有這種結(jié)構(gòu)的壓粉磁芯中，高溫?zé)崽幚硎箟悍鄞判緝?nèi)的變形獲得了滿意的減少，由此因為滯后損失被降低而實現(xiàn)了改善的磁性性質(zhì)。同時，除高溫?zé)崽幚碇?，依靠下層膜保護(hù)的絕緣上層膜由于渦電流損耗降低而提供了改善的磁性性質(zhì)。
優(yōu)選地，壓粉磁芯還包括位于多個復(fù)合磁性顆粒之間以將所述多個復(fù)合磁性顆粒連接在一起的有機(jī)物質(zhì)，并且該有機(jī)物質(zhì)包括選自由聚乙烯樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺—酰亞胺樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸類樹脂和聚四氟乙烯組成組中的至少一種。在具有這種結(jié)構(gòu)的壓粉磁芯中，這些有機(jī)物質(zhì)將多個復(fù)合磁性顆粒牢固地結(jié)合在一起，并且在軟磁材料的壓力成形過程中起著潤滑劑的作用，由此防止了復(fù)合磁性顆粒彼此間的摩擦，否則，這種摩擦?xí)p害上層膜。因此，可以提高壓粉磁芯的強(qiáng)度，并且可以降低渦電流損耗。此外，由于金屬磁性顆粒包覆有下層膜，因此可以防止包含在這些有機(jī)物種中的氧或碳擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒中。
根據(jù)本發(fā)明制備壓粉磁芯的方法包括如下的步驟多個復(fù)合磁性顆粒經(jīng)過加壓成形，形成壓模；以及在不低于500℃的溫度下熱處理所述壓模。在制備具有這種結(jié)構(gòu)的壓粉磁芯的方法中，壓模進(jìn)行熱處理的溫度為不低于500℃，可以將壓粉磁芯內(nèi)的變形降低到滿意的程度。此外，盡管壓模可以暴露于這樣高的溫度下，但是下層膜可以用于防止金屬磁性顆粒和絕緣上層膜的降解。
發(fā)明效果如上所述，本發(fā)明可以提供具有所希望磁性性質(zhì)的軟磁材料和壓粉磁芯以及它們的制備方法。
附圖簡述

圖1所示為在本發(fā)明一個實施方案中使用軟磁材料所制備的壓粉磁芯的示意性橫截面。
圖2所示為圖1中虛線(phantom line)II限定區(qū)域的放大示意圖，其中下層膜由非鐵金屬形成，而所述非鐵金屬對氧或碳的親和力比鐵的親和力更大。
圖3所示為圖1中虛線II限定區(qū)域的放大示意圖，其中下層膜由非鐵金屬形成，而所述非鐵金屬相對于氧或碳的擴(kuò)散系數(shù)比鐵的擴(kuò)散系數(shù)小。
圖4所示為與不同金屬形成固溶體的鐵的結(jié)晶磁各向異性與所述固溶體中金屬含量的關(guān)系。
標(biāo)記符號的說明10金屬磁性顆粒，20下層膜，30上層膜，40復(fù)合磁性顆粒，50有機(jī)物質(zhì)實施本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的實施方案。
參考圖1，軟磁材料包括多個復(fù)合磁性顆粒40，而每個復(fù)合磁性顆粒40都包含金屬磁性顆粒10、包覆金屬磁性顆粒10的下層膜20以及包覆下層膜20的上層膜30。有機(jī)物質(zhì)50位于復(fù)合磁性顆粒40之間，它由例如聚乙烯樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺—酰亞胺樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸類樹脂和聚四氟乙烯(Teflon)形成。壓粉磁芯由復(fù)合磁性顆粒40形成，所述復(fù)合磁性顆粒40通過在所述復(fù)合磁性顆粒40上的突起與凹處接合而連接在一起或者通過有機(jī)物質(zhì)50連接在一起。
應(yīng)當(dāng)注意，有機(jī)物質(zhì)50在本發(fā)明中并不是必需提供的，復(fù)合磁性顆粒40可以通過在復(fù)合磁性顆粒40上的突起與凹處接合而連接在一起。
金屬磁性顆粒10包括鐵(Fe)并且由下列材料制成，例如鐵(Fe)、鐵(Fe)-硅(Si)基合金、鐵(Fe)-氮(N)基合金、鐵(Fe)-鎳(Ni)基合金、鐵(Fe)-碳(C)基合金、鐵(Fe)-硼(B)基合金、鐵(Fe)-鈷(Co)基合金、鐵(Fe)-磷(P)基合金、鐵(Fe)-鉻(Cr)基合金、鐵(Fe)-鎳(Ni)-鈷(Co)基合金和鐵(Fe)-鋁(Al)-硅(Si)基合金。金屬磁性顆粒10可以由單純鐵或鐵基合金制成。
金屬磁性顆粒10優(yōu)選具有不低于5μm和不大于300μm的平均粒徑。當(dāng)金屬磁性顆粒10具有不低于5μm的平均粒徑時，減少了金屬磁性顆粒10被氧化的可能性，這樣可以改進(jìn)壓粉磁芯的磁性性能。當(dāng)金屬磁性顆粒10具有不大于300μm的平均粒徑時，避免了在加壓成形過程中粉末的可壓縮性降低。從而，可以增加通過加壓成形得到的模制品的密度。
此處使用的平均粒徑表示在篩選法測定的粒徑直方圖中較小尺寸的粒子質(zhì)量之和達(dá)到總質(zhì)量的50％時的平均粒徑，即50％粒徑D。
下層膜20包括非鐵金屬，比如鋁，鉻，硅，鈦，釩或鎳。表1示出了形成下層膜20的非鐵金屬對碳和氧的親和力，以及鐵對碳和氧的親和力。表1示出了這些金屬和碳與氧之間的反應(yīng)所產(chǎn)生的初級化合物(primary compound)以及反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱，其中所產(chǎn)生的熱的絕對值越大，表示與碳或氧的親和力越大。


參照表1，可以看出鋁，鉻，硅，鈦和釩與碳和氧的親和力比鐵與碳和氧的親和力大。盡管沒有鎳的碳化物，但是鎳與氧的親和力與鐵和氧的親和力處于相同水平。
表2示出了形成下層膜20的非鐵金屬相對于碳和氧的擴(kuò)散系數(shù)以及鐵相對于碳和氧的擴(kuò)散系數(shù)。在表2中，擴(kuò)散頻率系數(shù)Do和擴(kuò)散活化能Q都是在約500℃到900℃的溫度下測定的，而擴(kuò)散系數(shù)D和擴(kuò)散距離L都是在600℃溫度下測定。


Do擴(kuò)散頻率術(shù)語Q擴(kuò)散活化能D(擴(kuò)散系數(shù))Do×exp(-Q/RT)R 氣體常數(shù)＝8.315[J/mol/K]，T溫度[K]L擴(kuò)散距離(擴(kuò)散時間為1小時，擴(kuò)散源和擴(kuò)散進(jìn)入部分之間的界面假定為球形)
參照圖2，可以看出鉻，鎳，鈦和釩相對于碳的擴(kuò)散系數(shù)比鐵相對于碳的擴(kuò)散系數(shù)小。也可以看出鎳，硅，鈦和釩相對于氧的擴(kuò)散系數(shù)比鐵相對于氧的擴(kuò)散系數(shù)小。因此，下層膜20由這樣的非鐵金屬形成與鐵相比，對碳或氧的親和力大的非鐵金屬；相對于碳或氧的擴(kuò)散系數(shù)小的非鐵金屬；或者對碳或氧的親和力大并且相對于碳和氧的擴(kuò)散系數(shù)小的非鐵金屬。
下層膜20優(yōu)選具有不小于50nm且不大于1μm的平均厚度。此處使用的平均厚度表示由組成分析(透射電子顯微鏡能量分散X-射線能譜(TEM-EDX))得到的膜組成和感應(yīng)偶合等離子體-質(zhì)譜(ICP-MS)得到的元素重量導(dǎo)出的估計厚度，然后該膜在TEM下直接觀察圖像，確定所導(dǎo)出的估計厚度的數(shù)量級。
上層膜30包括氧或碳，并且由至少電絕緣的材料形成，比如磷化合物、硅化合物、鋁化合物、鋯化合物和鈦化合物。這些材料包括含磷和鐵的磷酸鐵，以及磷酸錳、磷酸鋅、磷酸鈣、磷酸鋁、氧化硅、二氧化鈦、氧化鋁或氧化鋯。也可以使用有機(jī)金屬化合物比如有機(jī)硅樹脂。上層膜30優(yōu)選具有不小于10nm且不大于1μm的平均厚度。此處使用的平均厚度以與上述相同的方式測定。
上層膜30在金屬磁性顆粒10之間起著絕緣體的作用。使用上層膜30包覆金屬磁性顆粒10，可以提高壓粉磁芯的電阻率ρ。這可以使金屬磁性顆粒10之間的渦電流最小化，由此降低壓粉磁芯因渦電流損耗所導(dǎo)致的鐵耗。
在本發(fā)明實施方案中的軟磁材料包括多個復(fù)合磁性顆粒40。每個復(fù)合磁性顆粒40包括含鐵的金屬磁性顆粒10；包覆金屬磁性顆粒10并且含有非鐵金屬的下層膜20；以及包覆下層膜20并且含有氧和碳中至少一種的絕緣上層膜30。所述非鐵金屬對包含在上層膜30內(nèi)的氧和碳中的至少一種的親和力比鐵對它們的親和力大。非鐵金屬相對于包含在上層膜30內(nèi)的氧和碳中的至少一種的擴(kuò)散系數(shù)比鐵相對于它們的擴(kuò)散系數(shù)小。
現(xiàn)在描述圖1所示的制備壓粉磁芯的方法。首先在金屬磁性顆粒10的表面上形成下層膜20，然后在下層膜20的表面上形成上層膜30，從而制備出復(fù)合磁性顆粒40。復(fù)合磁性顆粒40與有機(jī)物質(zhì)50一起放入模子中，并且在例如700MPa到1500MPa的壓力范圍下進(jìn)行加壓成形。以這種方式，復(fù)合磁性顆粒40被壓縮形成壓模。加壓成形可以在空氣中進(jìn)行，但是優(yōu)選在惰性氣氛或在減壓氣氛中進(jìn)行，以使空氣中的氧對復(fù)合磁性顆粒40的氧化最小化。
此處，有機(jī)物質(zhì)50位于相鄰的復(fù)合磁性顆粒40之間，可防止在各自復(fù)合磁性顆粒40上的上層膜30彼此間摩擦。這樣，上層膜30在加壓成形過程中就不會受到損害。
加壓成形得到的壓模隨后在不低于500℃且不高于900℃的溫度下熱處理，以除去壓模內(nèi)的變形或位錯。在熱處理過程中，金屬磁性顆粒10和上層膜30之間形成的下層膜20可以防止上層膜或有機(jī)物質(zhì)50內(nèi)的氧和碳擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒10中。在這一點(diǎn)上，將分別描述由含有與氧或碳的親和力比鐵對其的親和力大的非鐵金屬的材料所形成的下層膜20以及由含有相對于氧或碳的擴(kuò)散系數(shù)比鐵相對于其的擴(kuò)散系數(shù)小的非鐵金屬的材料所形成的下層膜20。
參考圖2，該圖表現(xiàn)為下層膜20由鋁形成，而上層膜30由磷酸鹽化合物形成。此處，在上層膜30和有機(jī)物質(zhì)50內(nèi)包含的氧以及在有機(jī)物質(zhì)50內(nèi)包含的碳在壓模熱處理過程中擴(kuò)散進(jìn)入下層膜20，并且進(jìn)入金屬磁性顆粒10內(nèi)。然而，由于下層膜20由鋁制成，而鋁對氧和碳的親和力比鐵對它們的親和力大，因此下層膜20促進(jìn)了鋁與氧和碳的反應(yīng)，不停地產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物即Al2O3和Al4C3，這樣就防止了氧和碳滲透進(jìn)入金屬磁性顆粒10。
此外，鋁、鉻和硅的氧化物相對于金屬本身具有提高的電阻，因此，熱處理之后，除上層膜30外，下層膜20也可以在金屬磁性顆粒10之間起著絕緣體的作用。即使當(dāng)一些非鐵金屬以氧化物的形式存在，但是當(dāng)氧的含量不大于化學(xué)計量組成的含量時，也可以實現(xiàn)吸氣效應(yīng)。因此，通過制備氧化物，即，使下層膜是滿足組成范圍的非鐵金屬的氧化物，這樣可以提高電阻，在所述組成范圍內(nèi)氧少于化學(xué)計量組成的氧。其實例包括無定形材料如無定形非鐵金屬(Al，Cr，Si)-氧(O)、無定形非鐵金屬(Al，Cr，Si)-磷(P)-氧(O)，以及無定形非鐵金屬(Al，Cr，Si)-硼(B)-氧(O)。
參考圖3，該圖表現(xiàn)為下層膜20和上層膜30分別由鎳和磷酸鹽化合物形成。此處，下層膜20由其相對于氧或碳的擴(kuò)散系數(shù)比鐵相對于氧或碳的擴(kuò)散系數(shù)小的鎳形成，降低了氧和碳在下層膜20內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，因而防止了氧和碳滲透進(jìn)入金屬磁性顆粒10。
雖然下層膜20的作用已經(jīng)為方便起見參考圖2和3分別進(jìn)行了描述，但是下層膜20可以由與鐵相比對碳或氧的親和力大并且相對于碳或氧的擴(kuò)散系數(shù)小的非鐵金屬形成，這樣下層膜20就表現(xiàn)出參考圖2和3所描述的兩種功能，進(jìn)一步確保防止氧和碳滲透進(jìn)入金屬磁性顆粒10內(nèi)。
形成下層膜20的非鐵金屬比如鋁，鉻，硅，鈦，釩和鎳可以與金屬磁性顆粒10內(nèi)的鐵反應(yīng)，而不會損害金屬磁性顆粒10的軟磁性性質(zhì)。參考圖4，其示出了與各種金屬形成固溶體的鐵的結(jié)晶磁各向異性與固溶體內(nèi)金屬含量的關(guān)系，所述結(jié)晶磁各向異性隨著鋁或其它金屬含量的增加而降低。這表明形成下層膜20的非鐵金屬可以與鐵反應(yīng)，產(chǎn)生合金化金屬磁性顆粒10，而不損害金屬磁性顆粒10的軟磁性性質(zhì)。
熱處理之后，壓模進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，比如擠出或切割，以得到如圖1所示的最終壓粉磁芯。
具有這種結(jié)構(gòu)的軟磁材料以及使用這種軟磁材料制備的壓粉磁芯盡管在不低于500℃的溫度下熱處理，但是也可以減少氧和碳擴(kuò)撒進(jìn)入金屬磁性顆粒10內(nèi)。因此，包含在上層膜30內(nèi)的氧和碳的濃度不會顯著降低，因而保持了上層膜30內(nèi)的絕緣性。這樣，上層膜30保證了金屬磁性顆粒10之間的絕緣性，由此降低了壓粉磁芯的渦電流損耗。
同時，高溫?zé)崽幚硎箟悍鄞判緝?nèi)的變形獲得了滿意的降低。而且，由于氧和碳擴(kuò)散進(jìn)入金屬磁性顆粒10被最小化，因此金屬磁性顆粒10內(nèi)的雜質(zhì)濃度不會增加。這樣，壓粉磁芯的滯后損失可以降低到滿意的程度。因此，壓粉磁芯可以在廣泛頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)低鐵損。
實施例本發(fā)明的軟磁材料在下面的實施例中進(jìn)行評價。
首先，從Hoeganaes公司商購用于金屬磁性顆粒10的粉化純鐵粉末(產(chǎn)品名，″ABC100.30″，純度，99.8％或更高)。然后，使用真空沉積、電鍍、溶膠-凝膠方法或Bonde工藝在金屬磁性顆粒10的表面上形成平均厚度為10nm的下層膜20，然后，使用溶膠-凝膠方法或Bonde工藝形成平均厚度為100nm的上層膜30，從而得到粉末，即復(fù)合磁性顆粒40。下層膜20使用鋁，鉻，鎳，硅以及無定形鋁-磷-氧，而上層膜30使用Si玻璃(Si-O化合物)。為了比較，也制備了只有上層膜而沒有下層膜20的粉末。
有機(jī)物質(zhì)50，即，聚苯硫醚(PS)樹脂然后以0.1質(zhì)量％的比例加入到該粉末中，所得混合粉末在1275MPa(＝13噸/cm2)的表面壓力下進(jìn)行加壓成形，形成壓模。該壓模然后在300℃到900℃不同溫度范圍的氮?dú)夥罩袩崽幚?小時。經(jīng)過這些步驟，制備出幾種具有不同類型下層膜的壓粉磁芯。
然后，線圈均勻地纏繞在所得壓粉磁芯材料上(初級線圈300匝，次級線圈20匝)，并評價該壓粉磁芯材料的磁性性能。評價使用了來自RikenDenshi Co.，Ltd.(ACBH-100K)的BH示蹤劑，并且使用了10kG(千高斯)的勵磁通量密度和1000Hz的測量頻率。表3示出了每一個壓粉磁芯材料經(jīng)過測量后的滯后損耗系數(shù)Kh，渦電流損耗系數(shù)Ke和鐵損W10/1000。
鐵損W由滯后損耗和渦電流損耗之和給出，并且由下列基于滯后損耗系數(shù)Kh、渦電流損耗系數(shù)Ke和頻率f的方程確定W＝Kh×f+Ke×f2矯頑磁力Hc越小，即軟磁性性質(zhì)越好，滯后損耗系數(shù)Kh變得越小。顆粒之間的絕緣越好以及壓粉磁芯內(nèi)的總電阻越大，渦電流損耗系數(shù)Ke變得越小。即，矯頑磁力越小以及電阻越高，滯后損耗系數(shù)Kh和渦電流損耗系數(shù)Ke變得越小，這意味著滯后損耗和渦電流損耗越小，結(jié)果是鐵損越小。一般地，壓粉磁芯熱處理的溫度越高，變形減少量變得越大，這導(dǎo)致矯頑磁力Hc和滯后損耗系數(shù)Kh降低。然而，高溫?zé)崽幚頃菇^緣膜退化，導(dǎo)致顆粒之間的絕緣不理想，其中一些磁性顆粒作為相對于表層厚度(skin thickness)具有大尺寸的一類顆粒。在這種情況下，因表層效應(yīng)(skin effect)的表面電流很顯著，并且滯后損耗和渦電流損耗都顯著增加。當(dāng)滯后損耗系數(shù)Kh和渦電流損耗系數(shù)Ke利用上述方程由在這些條件下的鐵損得出時，它們都將顯著增加，在本實施方案中這種情況相當(dāng)于熱處理是在高于下表中上限溫度的溫度下進(jìn)行的情況。


單位Kh[mWs/kg]，Ke[mWs2/kg]，W10/1000[W/kg]
如表3所看到的那樣，沒有下層膜20的壓粉磁芯材料在400℃及以上的溫度下熱處理，渦電流損耗系數(shù)增加，含有鋁，鉻和鎳作為下層膜20的壓粉磁芯材料具有600℃的上限溫度，在該上限溫度下渦電流損耗系數(shù)才開始增加，而含有硅作為下層膜20的壓粉磁芯材料具有500℃的上限溫度。含有無定形鋁-磷-氧作為下層膜20的壓粉磁芯材料具有500℃的上限溫度。這樣，就可以在500℃或更高溫度下進(jìn)行熱處理，因此，每一個下層膜20在其上限溫度下產(chǎn)生最低值的鐵損。對于每一個膜，這樣的鐵損值都比材料不含下層膜20時的最低鐵損即175W/kg低。
此外，在上述的類似條件下，制備下層膜20的平均厚度為500nm和1000nm的壓粉磁芯材料。然而，對于無定形鋁-磷-氧，由于難于形成200nm或以上的膜，因此不能進(jìn)行制備。對壓粉磁芯材料的磁性性質(zhì)也進(jìn)行了評價。表4和5示出了每一個壓粉磁芯材料的滯后損耗系數(shù)Kh，渦電流損耗系數(shù)Ke和鐵損W10/1000。表4示出了平均厚度為500nm的下層膜20的這些值，表5示出了平均厚度為1000nm的下層膜20的這些值。


單位Kh[mWs/kg]，Ke[mWs2/kg]，W10/1000[W/kg]

單位Kh[mWs/kg]，Ke[mWs2/kg]，W10/1000[W/kg]
參考表4，對于每一個具有下層膜20的壓粉磁芯，其渦電流損耗系數(shù)開始增加的上限溫度為600℃。參考表5，作為下層膜20的合有鋁和鉻的壓粉磁芯材料的上限溫度為700℃，作為下層膜20的含有鎳的壓粉磁芯材料的上限溫度為800℃，作為下層膜20的合有硅的壓粉磁芯材料的上限溫度為600℃。增加下層膜20的平均厚度，可以使鐵損W10/1000降低到110W/kg到120W/kg的范圍。
應(yīng)該理解，這里公開的方案和實施例從各個方面來看都僅僅是解釋說明，而不是限定。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書限定，而不是上述說明書，將把所有的修改都包括在相當(dāng)于權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)。
工業(yè)適用性本發(fā)明可應(yīng)用于制備由軟磁性粉末經(jīng)過加壓成形得到的元件，例如電機(jī)磁芯、電磁閥、反應(yīng)器或其它電磁元件。
權(quán)利要求
1.一種軟磁材料，其包括多個復(fù)合磁性顆粒(40)，所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)中的每一個都具有含有鐵的金屬磁性顆粒(10)；包覆所述金屬磁性顆粒(10)表面并且含有非鐵金屬的下層膜(20)；以及包覆所述下層膜(20)表面并且含有氧和碳中的至少一種的絕緣上層膜(30)，其中所述非鐵金屬對包含在所述上層膜(30)內(nèi)的氧和碳中的至少一種的親和力比鐵的這種親和力大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的軟磁材料，其中所述非鐵金屬包括選自由鋁、鉻、硅、鈦、釩和鎳組成的組中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的軟磁材料，其中所述下層膜(20)的平均厚度為不小于50nm并且不大于1μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的軟磁材料，其中所述上層膜(30)包括選自由磷化合物、硅化合物、鋁化合物、鋯化合物和鈦化合物組成的組中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的軟磁材料，其中所述上層膜(30)的平均厚度為不小于10nm并且不大于1μm。
6.一種壓粉磁芯，其是使用根據(jù)權(quán)利要求1的軟磁材料制備的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的壓粉磁芯，還包括有機(jī)物質(zhì)(50)，所述有機(jī)物質(zhì)(50)位于所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)之間，從而將所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)連接在一起，而且包括選自由聚乙烯樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺一酰亞胺樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸類樹脂和聚四氟乙烯組成的組中的至少一種。
8.一種制備根據(jù)權(quán)利要求6的壓粉磁芯的方法，該方法包括如下步驟通過將所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)加壓成形，形成壓模；以及在不低于500℃的溫度下熱處理所述壓模。
9.一種軟磁材料，其包括多個復(fù)合磁性顆粒(40)，所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)中的每一個都具有含有鐵的金屬磁性顆粒(10)；包覆所述金屬磁性顆粒(10)表面并且含有非鐵金屬的下層膜(20)；以及包覆所述下層膜(20)表面并且含有氧和碳中的至少一種的絕緣上層膜(30)，其中所述非鐵金屬相對于包含在所述上層膜(30)內(nèi)的氧和碳中的至少一種的擴(kuò)散系數(shù)比鐵的這種擴(kuò)散系數(shù)小。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的軟磁材料，其中所述非鐵金屬包括選自由鋁、鉻、硅、鈦、釩和鎳組成的組中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的軟磁材料，其中所述下層膜(20)的平均厚度為不小于50nm并且不大于1μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的軟磁材料，其中所述上層膜(30)包括選自由磷化合物、硅化合物、鋁化合物、鋯化合物和鈦化合物組成的組中的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的軟磁材料，其中所述上層膜(30)的平均厚度為不小于10nm并且不大于1μm。
14.一種壓粉磁芯，其是使用根據(jù)權(quán)利要求9的軟磁材料制備的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的壓粉磁芯，還包括有機(jī)物質(zhì)(50)，所述有機(jī)物質(zhì)(50)位于所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)之間，從而將所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)連接在一起，而且包括選自由聚乙烯樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰胺一酰亞胺樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸類樹脂和聚四氟乙烯組成的組中的至少一種。
16.一種制備根據(jù)權(quán)利要求14的壓粉磁芯的方法，該方法包括如下步驟通過將所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)加壓成形，形成壓模；以及在不低于500℃的溫度下熱處理所述壓模。
全文摘要
一種軟磁材料，其包括多個復(fù)合磁性顆粒(40)。所述多個復(fù)合磁性顆粒(40)的每一個都具有含有鐵的金屬磁性顆粒(10)；包覆所述金屬磁性顆粒(10)表面并且含有非鐵金屬的下層膜(20)；以及包覆所述下層膜(20)表面并且含有氧和碳中的至少一種的絕緣上層膜(30)。所述非鐵金屬對包含在所述上層膜(30)內(nèi)的氧和碳中的至少一種的親和力比鐵的這種親和力大；或所述非鐵金屬相對于包含在所述上層膜(30)內(nèi)的氧和碳中的至少一種的擴(kuò)散系數(shù)比鐵的這種擴(kuò)散系數(shù)小。這種結(jié)構(gòu)可提供令人滿意的磁性性質(zhì)。
文檔編號H01F3/00GK1910706SQ20058000307
公開日2007年2月7日 申請日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者前田徹, 五十嵐直人, 豐田晴久, 廣瀨和弘 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社