復合磁性材料及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種復合磁性材料，其包含由多種金屬磁性粒子構成的金屬磁性粉末和介于該金屬磁性粒子間的作為無機絕緣物的云母。云母中含有的Fe的含量在設云母的整體為100wt%時，以Fe203換算計為15wt%以下。為了制作該復合磁性材料，首先將上述金屬磁性粉末與云母混合，使其分散在彼此之間來制備混合粉末。之后，對該混合粉末進行加壓成形而形成成形體。然后對成形體進行熱處理。
【專利說明】復合磁性材料及其制造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及在電子設備的感應器、扼流圈（Choke coil)、變壓器等中使用的復合 磁性材料及其制造方法。

【背景技術】
[0002] 隨著近年來的電氣設備、電子設備的小型化，對使用磁性材料的感應器部件也要 求小型化且高效率化。作為感應器部件，例如在高頻電路中使用的扼流圈中，可以利用使用 了鐵素體粉末的鐵素體磁芯及作為金屬磁性粉末的成形體的復合磁性材料（壓粉磁芯）。
[0003] 其中，鐵素體磁芯具有飽和磁通密度小、直流疊加特性低這樣的缺點。因此，在以 往的鐵素體磁芯中，為了確保直流疊加特性，在相對于磁路垂直的方向上設置數(shù)100 U m左 右的間隙，以防止直流疊加時的電感L值的降低。然而，這樣的寬間隙成為蜂鳴音的產(chǎn)生 源。此外，特別是在高頻帶域中從間隙產(chǎn)生的漏磁通會使銅線圈中產(chǎn)生顯著的銅損。
[0004] 與此相對，將金屬磁性粉末進行成形而制作的復合磁性材料與鐵素體磁芯相比， 具有顯著大的飽和磁通密度，對小型化是有利的。此外，與鐵素體磁芯不同，可以無間隙地 使用，因此，由蜂鳴音、漏磁通引起的銅損小。
[0005] 然而，關于導磁率及鐵芯損耗，復合磁性材料并不能說比鐵素體磁芯更優(yōu)異。特別 是在扼流圈或感應器中使用的復合磁性材料中，鐵芯損耗大的部分，鐵芯的溫度上升變大。 因此，使用了復合磁性材料的感應器部件難以小型化。此外，為了提高其磁特性，需要提高 復合磁性材料的成形密度。通常需要6ton/cm 2以上的成形壓力，根據(jù)產(chǎn)品需要lOton/cm2 以上的成形壓力。
[0006] 復合磁性材料的鐵芯損耗通常由渦流損耗和磁滯損耗構成。通常金屬磁性粉末的 固有電阻值低。因此，若磁場發(fā)生變化，則以抑制該變化的方式流過渦電流。因此，渦流損耗 成為問題。渦流損耗與頻率的平方及渦電流流過的尺寸的平方成比例地增大。因此，若將 構成金屬磁性粉末的金屬磁性粒子的表面用絕緣材料被覆，則能夠?qū)u電流流過的尺寸從 遍及金屬磁性粒子間的鐵芯整體抑制在僅金屬磁性粒子內(nèi)。其結果是能夠降低渦流損耗。
[0007] 另一方面，由于復合磁性材料以高的壓力成形，所以大量的加工應變被導入成形 體中，導磁率降低，磁滯損耗增大。為了避免該現(xiàn)象，在成形加工后，根據(jù)需要對成形體實施 用于釋放應變的熱處理。通常被導入金屬磁性粉末中的應變的釋放是在熔點的1/2以上的 熱處理溫度下發(fā)生的現(xiàn)象，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(yōu)選在700°C以上對成形體進行熱處理。即，在使用復合磁性材料的情況下，在確保金屬 磁性粒子間的絕緣性的狀態(tài)下，將成形體在高溫下進行熱處理是重要的。
[0008] 作為復合磁性材料用的絕緣性粘合劑，可以使用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氯乙烯樹脂 等。由于這樣的有機系樹脂的耐熱性低，所以若為了釋放應變而將成形體在高溫下進行熱 處理，則被熱分解。因此不能使用這樣的絕緣性粘合劑。
[0009] 針對這樣的課題，提出了例如使用聚硅氧烷樹脂的方法（例如、專利文獻1)。
[0010] 現(xiàn)有技術文獻
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻1 :日本特開平6-29114號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明為能夠進行高溫熱處理且實現(xiàn)優(yōu)異的磁特性的復合磁性材料及其制造方 法。本發(fā)明的復合磁性材料包含由多種金屬磁性粒子構成的金屬磁性粉末和介于該金屬磁 性粒子間的作為無機絕緣物的云母。云母中含有的Fe的含量在設云母的整體為100wt% 時，以Fe 2O3換算計為15wt%以下。此外，在本發(fā)明的復合磁性材料的制造方法中，首先將 上述金屬磁性粉末與云母混合，使其分散在彼此之間來制備混合粉末。之后，對該混合粉末 進行加壓成形而形成成形體。然后對成形體進行熱處理。云母中含有的Fe的含量在設云 母的整體為l〇〇wt%時，以Fe 2O3換算計為15wt%以下。
[0014] 在本發(fā)明的復合磁性材料中，在金屬磁性粒子間夾著耐熱性優(yōu)異的無機絕緣物即 云母。因此，能夠抑制高溫熱處理時的金屬磁性粒子間的反應。此外，通過將云母的Fe的 含量設為以Fe 2O3換算計為15wt%以下，能夠制作充分確保金屬磁性粒子間的絕緣性且具 有優(yōu)異的磁特性的復合磁性材料。

【具體實施方式】
[0015] 通過使用聚硅氧烷樹脂，與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等有機系樹脂相比，將金屬磁性粒 子間絕緣的絕緣材料的耐熱性有一定程度提高。然而，即使使用聚硅氧烷樹脂，耐熱溫度也 為500?600°C左右，其以上的溫度下的熱處理也是困難的。
[0016] 以下，對利用本發(fā)明的實施方式的復合磁性材料進行說明。利用本實施方式的復 合磁性材料包含由多種金屬磁性粒子構成的金屬磁性粉末和介于該金屬磁性粒子間的作 為無機絕緣物的云母。
[0017] 云母大致分為作為天然資源的礦物云母和通過固相反應合成或熔融合成而制造 的人工云母。作為礦物云母，可列舉出白云母、金云母、黑云母等，作為人工云母，可列舉出 氟四硅云母、氟金云母等。在本實施方式中，任一種云母均可以使用。
[0018] 由于云母耐熱性優(yōu)異，所以通過介于金屬磁性粒子間，即使在高溫熱處理時也能 夠抑制金屬磁性粒子間的反應。
[0019] 在云母中，F(xiàn)e的含量以Fe2O3換算計為15wt%以下。Fe由于作為價數(shù)可采取2價 及3價，所以有可能產(chǎn)生電子跳動傳導。通過將云母中的Fe的含量限制在以Fe 2O3換算計 為15wt%以下，能夠降低由上述主要原因引起的電子傳導性，提高云母自身的絕緣性。
[0020] 另外，雖然理由不明確，但通過使云母中含有Fe,云母自身的硬度降低而變形性提 高。因此，能夠在加壓成形后使復合磁性材料高密度化。因此，更優(yōu)選云母含有少量Fe。具 體而言，優(yōu)選將云母的Fe的含量設為以Fe 2O3換算計為0. 5wt %以上且15wt %以下的范圍。 其結果是能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的磁特性。
[0021] 此外，云母優(yōu)選具有扁平形狀。在使用扁平形狀粉末的情況下，與球狀粉末相比， 容易確保金屬磁性粒子間的絕緣性。因此，能夠降低云母的添加量，能夠提高復合磁性材 料中的金屬磁性粉末的填充率。其結果是能夠提高磁特性。更優(yōu)選云母的粒子的長徑比 (aspect ratio)為 4 以上。
[0022] 另外，若扁平形狀的云母中的長軸的平均長度與金屬磁性粒子的平均粒徑相比過 小，則導致金屬磁性粒子間的絕緣性降低，難以得到之前說明的由扁平形狀帶來的絕緣效 果。在該情況下，需要增加云母的添加量，復合磁性材料中的金屬磁性粉末的填充率降低， 磁特性降低。另一方面，若云母的長軸的平均長度與金屬磁性粒子的平均粒徑相比過大，則 金屬磁性粒子彼此部分接觸，無法充分確保金屬磁性粒子間的電絕緣性，渦流損耗增加。因 此，云母中的優(yōu)選的長軸的平均長度相對于金屬磁性粒子的平均粒徑為0. 02倍?1. 5倍左 右。
[0023] 此外，云母的添加量優(yōu)選相對于100重量份金屬磁性粉末為0. 1重量份以上且5 重量份以下。通過使添加量在該范圍內(nèi)，能夠充分確保金屬磁性粒子間的電絕緣性，并且復 合磁性材料的成形體（例如、壓粉磁芯）中的金屬磁性粉末的填充率提高而磁特性提高。
[0024] 在本實施方式中，金屬磁性粉末至少含有Fe,優(yōu)選由選自由Fe、Fe-Si系合金、 Fe-Ni系合金、Fe-Si-Al系合金組成的組中的至少1種構成。
[0025] Fe-Si系合金中的Si的含量優(yōu)選為Iwt %以上且8wt %以下，剩余部分為Fe及不 可避免的雜質(zhì)。若Si的含量為lwt%以上，則磁特性變高，若為8wt%以下，則飽和磁通密 度變大，并且能夠抑制直流疊加特性的降低。
[0026] 通過像上述那樣限制Si的含量，磁特性提高，并且能夠減小磁各向異性及磁致伸 縮常數(shù)。此外，Si與氧反應，在金屬磁性粒子的表面形成微小的薄的Si氧化物。因此，能 夠提高金屬磁性粒子間的電絕緣性，降低渦流損耗。
[0027] Fe-Ni系合金中的Ni的含量優(yōu)選為40wt %以上且90wt %以下，剩余部分為Fe及 不可避免的雜質(zhì)。若Ni的含量為40wt%以上，則磁特性變高，若為90wt%以下，則飽和磁 通密度變大，并且能夠抑制直流疊加特性的降低。進而，還可以添加 lwt%?6wt%左右的 Mo。在該情況下，能夠提商導磁率。
[0028] Fe-Si-Al系合金中的Si的含量優(yōu)選為6wt %以上且IOwt %以下，Al的含量優(yōu)選 為5wt%以上且9wt%以下，剩余部分為Fe及不可避免的雜質(zhì)。通過使Si、Al的添加量在 上述組成范圍內(nèi)，能夠提高軟磁特性，并且能夠增大飽和磁通密度，抑制直流疊加特性的降 低。
[0029] 另外，在上述的各種金屬磁性粉末中，由Fe-Si-Al系合金構成的磁性粉末為最低 損耗且總的軟磁特性提高，優(yōu)選。
[0030] 金屬磁性粒子的平均粒徑優(yōu)選為I U m以上且100 m以下。通過將平均粒徑設為 I U m以上，能夠提高成形密度，并且磁特性提高。此外，通過將平均粒徑設為100 y m以下， 能夠降低高頻下的渦流損耗。進一步優(yōu)選設為50 以下較佳。另外，金屬磁性粒子的平 均粒徑可以通過激光衍射式粒度分布測定法來測定。在該測定法中，顯示與直徑為IOum 的球相同的衍射?散射光的圖案的被測定粒子的粒徑，不論其形狀均設為IOu m。
[0031] 另外，在金屬磁性粒子的形狀像扁平形狀或鱗片形狀等那樣表面積大的情況下， 金屬磁性粒子彼此接觸，渦流損耗變大。因此，金屬磁性粒子優(yōu)選球形狀，長徑比為1?3 的范圍，進一步優(yōu)選為1?2的范圍。此外，通過使金屬磁性粒子為球狀，在對金屬磁性粉 末進行加壓成形而形成的成形體中，能夠提高成形密度，有助于導磁率提高。
[0032] 金屬磁性粉末的制造方法沒有特別限定?？梢允褂酶鞣N霧化法或各種粉碎粉。
[0033] 接著，對本實施方式中的復合磁性材料的制造方法進行說明。首先將金屬磁性粉 末與無機絕緣物混合，使其彼此分散來制備混合粉末。該混合、分散工序中使用的裝置、施 工方法沒有特別限定?？梢圆捎眯D球磨機、行星式球磨機等各種球磨機、或V型攪拌機、 行星式混合機等。
[0034] 接著，在上述混合粉末中混合粘結材料來制備造粒粉。該造粒工序中使用的裝置、 施工方法也沒有特別限定?？梢圆捎蒙鲜龅慕饘俅判苑勰┡c無機絕緣物的混合、分散中使 用的方法。此外，也可以在將金屬磁性粉末與無機絕緣物進行混合、分散時同時添加粘結材 料。其中，造粒工序不是必須的。
[0035] 作為粘結材料，可以使用硅烷系、鈦系、鉻系、鋁系的各種偶聯(lián)劑、硅酮樹脂、環(huán)氧 樹脂、丙烯酸樹脂、縮丁醛樹脂、酚醛樹脂等。優(yōu)選可列舉出硅烷系、鈦系、鉻、鋁系的各種偶 聯(lián)劑或硅酮樹脂等。若使用它們，則在高溫熱處理后，其氧化物殘留在復合磁性材料中。 [0036] 殘留的氧化物發(fā)揮將金屬磁性粒子與無機絕緣物粘結的作用，提高高溫熱處理后 的復合磁性材料的機械強度。另外，只要能充分確保復合磁性材料的機械強度，則也可以同 時添加環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、縮丁醛樹脂、酚醛樹脂等。
[0037] 接著，對上述造粒粉進行加壓成形而形成成形體。該加壓成形工序的成形方法沒 有特別限定，可以適用通常的加壓成形法。成形壓力優(yōu)選為6ton/cm 2以上且20ton/cm2以 下的范圍。若成形壓力低于6ton/cm2，則金屬磁性粉末的填充率變低，得不到高的磁特性。 此外，若高于20ton/cm 2，則為了確保加壓成形時的模具的機械強度，模具大型化而生產(chǎn)率 變低，導致產(chǎn)品的成本上升。
[0038] 接著，對上述成形體進行熱處理。在熱處理工序中，通過釋放在加壓成形時被導入 金屬磁性粉末中的加工應變，降低的磁特性恢復。熱處理溫度更高，則能夠釋放更多的加工 應變，所以優(yōu)選。然而，若溫度過高，則由于金屬磁性粒子彼此燒結，所以金屬磁性粒子間的 絕緣變得不充分而渦流損耗增大。因而熱處理溫度優(yōu)選設為700°C以上且KKKTC以下的范 圍。通過在該溫度范圍內(nèi)進行熱處理，能夠充分釋放加工應變。因此，能夠提高成形體的磁 特性，抑制渦流損耗。
[0039] 為了抑制因金屬磁性粉末的氧化而引起的軟磁特性降低，熱處理工序的氣氛優(yōu)選 非氧化性氣氛。在例如氬氣、氮氣、氦氣等不活性氣氛、氫氣等還原氣氛、真空氣氛中對成形 體進行熱處理較佳。
[0040] 以下，對利用本實施方式的復合磁性材料使用實施例進行詳細說明。
[0041] 首先，邊參照（表1)，邊對制備使用Fe-Si-Al系磁性粉末作為金屬磁性粉末、使用 云母作為無機絕緣物的復合磁性材料的樣品并測定磁特性的結果進行說明。
[0042] (表1)中記載的試樣No. 1?試樣No. 11中的金屬磁性粉末的材料組成為Si : 8. 9wt%、Al :5. 4wt%，剩余部分為Fe及不可避免的雜質(zhì)。平均粒徑為22 iim。此外，作為 無機絕緣物的云母的長徑比為30,長軸的平均長度為15 iim。其以外的規(guī)格如（表1)中記 載的那樣。即，在試樣No. 1?試樣No. 11中，云母的Fe含量不同。另外，云母的添加量相 對于100重量份金屬磁性粉末為1. 2重量份。首先，將上述金屬磁性粉末與各云母混合來 制備混合粉末。
[0043] 在100重量份所得到的混合粉末中，添加1. 0重量份作為粘結材料的硅酮樹脂后， 加入少量甲苯進行混煉分散來制備造粒粉。將該造粒粉以llton/cm2的成形壓力加壓成 形后，在氬氣氣氛中850°C下熱處理1小時。另外，所制作的試樣的形狀為環(huán)芯（toroidal core)，外形為14mm，內(nèi)徑為10mm，高度為約2mm。
[0044] 對所得到的試樣評價直流疊加特性及鐵芯損耗。關于直流疊加特性，通過LCR測 量儀測定外加磁場540e、頻率IlOkHz下的導磁率。關于鐵芯損耗，使用交流B-H曲線測定 機在測定頻率120kHz、測定磁通密度0. IT下進行測定。此外，云母中的Fe的含量通過ICP 發(fā)光分析法求出。將它們的測定結果示于（表1)中。

【權利要求】
1. 一種復合磁性材料，其包含由多種金屬磁性粒子構成的金屬磁性粉末和介于所述金 屬磁性粒子間的云母， 所述云母中含有的Fe的含量在將所述云母的整體設為lOOwt%時，以Fe2O3換算計為 15wt%以下。
2. 根據(jù)權利要求1所述的復合磁性材料，其中， 所述云母中含有的Fe的含量在將所述云母的整體設為lOOwt%時，以Fe2O3換算計為 0. 5wt%以上且15wt%以下。
3. 根據(jù)權利要求1所述的復合磁性材料，其中， 所述金屬磁性粉末由選自由Fe、Fe-Si系合金、Fe-Ni系合金、Fe-Ni-Mo系合金、及 Fe-Si-Al系合金組成的組中的至少1種構成。
4. 根據(jù)權利要求3所述的復合磁性材料，其中， 所述金屬磁性粉末由Fe-Si-Al系合金構成。
5. -種復合磁性材料的制造方法，其具有以下步驟： 將由多種金屬磁性粒子構成的金屬磁性粉末與云母混合，使其分散在彼此之間來制備 混合粉末的步驟， 對所述混合粉末進行加壓成形而形成成形體的步驟，和 對所述成形體進行熱處理的步驟， 所述云母中含有的Fe的含量在將所述云母的整體設為lOOwt%時，以Fe2O3換算計為 15wt%以下。
6. 根據(jù)權利要求5所述的復合磁性材料的制造方法，其中， 在形成所述成形體時，以6ton/cm2以上且20ton/cm2以下的成形壓力進行加壓。
7. 根據(jù)權利要求5所述的復合磁性材料的制造方法，其中， 對所述成形體進行熱處理時的氣氛為非氧化性氣氛，熱處理溫度為700°C以上且 1000°C 以下。
【文檔編號】C22C19/03GK104221102SQ201380015615
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權日:2012年3月22日
【發(fā)明者】高橋岳史, 西尾翔太 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社