软磁性合金粉末、压粉体、压粉磁芯以及磁性元件的制作方法

专利名称：软磁性合金粉末、压粉体、压粉磁芯以及磁性元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种软磁性合金粉末、压粉体、用于扼流圈或感应器等的高性能压粉磁芯以及利用该压粉磁芯的磁性元件。
背景技术：
目前，作为设置在电感元件等中的磁芯的一种，一般采用压粉磁芯。作为该压粉磁芯的材料大多采用软磁性材料即Fe系软磁性金属粉。Fe系软磁性金属粉末由于材料本身的电阻较低，因而即使提高颗粒之间的绝缘性，磁芯损耗(core loss)也比较高。近年来，随着人们对电感元件等的小型化的要求，对于压粉磁芯，希望提高电阻以减小磁芯损耗。因此，对如上所述的现有的软磁性材料需要进行进一步的改良。于是，为了提高Fe系软磁性金属粉的电阻，有人提出向金属粉末中添加Si的方法。然而，由于Si的添加使Fe系软磁性金属粉的硬度提高，使作为压粉磁芯的成形性变差，无法实用。除了 Fe系软磁性金属粉以外的压粉磁芯的材料，大多采用Fe-Ni系列软磁性合金(所谓的坡莫合金)粉。然而，Fe-Ni系软磁性合金粉不能充分地抑制高频中的磁芯损耗。于是，为了减小Fe-Ni系软磁性合金粉的磁芯损耗，日本公开专利特开2001-23811号公报(以下简称专利文献I)提出添加14族元素即S1、Ge或Sn的方法。根据专利文献1，通过向Fe-Ni系软磁性合金粉添加规定量的Si等的14族元素，可增大材料本身的电阻。另外，在日本公开专利特开2002-173745号公报(以下简称专利文献2)中同样地公开了添加Si的坡莫合金。根据专利文献2，通过添加Si作为脱氧剂，能够减小氧对磁性能所带来的影响。然而，在专利文献2中说明了过多添加Si对软磁性能有害，因而Si被限定在小于或等于lwt%。并且，在该专利文献2中记载了为了提高磁通量密度，可以向坡莫合金添加Co。另外，在日本公开专利特开昭63-114108号公报(以下简称专利文献3)中，虽然公开了使用Cr、S1、Cu、Co作为向PC坡莫合金添加的元素的内容，但是没有任何关于其添加量的记载。在日本公开专利特开2008-135674号公报(以下简称专利文献4)中记载了一种改善了专利文献I和2中所述的有关Fe-Ni系软磁性合金粉的缺点的Fe-Ni类合金粉末，该Fe-Ni系软磁性合金粉末相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有I 6质量％的Co和1.2 4.5质量％的Si。如专利文献I所提出的方法，若向Fe-Ni系软磁性合金粉仅添加规定量的Si，则居里温度(Tc)以及饱和磁通量密度(Bs)会明显降低，这种软磁性材料即使作为压粉磁芯被用于电感元件等中，在实际的工作温度下的元件的磁性能也会下降，因此仍没有足够的实用性。在专利文献2中公开的坡莫合金由于对磁芯损耗的抑制不充分，因而还有进一步改善的余地。在专利文献4中记载了利用相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有I 12质量％的Co和1.2 6.5质量％的Si的Fe-Ni系合金粉末来改善有关专利文献I和2所记载的Fe-Ni系软磁性合金的缺点。然而，近几年，随着电子仪器的小型化以及电源的高频化，要求在几MHz左右的高频区域中具有良好性能的电感元件。本发明者们对上述专利文献中所记载的现有的Fe-Ni系合金粉进行了详细研究，结果发现，在几MHz左右的高频区域中Fe-Ni系合金粉在用途上得不到足够的性能。并且，压粉磁芯因腐蚀造成磁性能下降，因此需要具有较高的耐蚀性。

发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种Fe-Ni合金粉末以及使用该Fe-Ni合金粉末的压粉磁芯，该Fe-Ni合金粉末即使在几MHz左右的高频区域中也具有低损耗、高导磁率，且耐蚀性强，生产性以及经济性优良，并适合于制造压粉磁芯。本发明者们通过反复进行锐意研究的结果发现，当采用含有Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末，所述Fe-Ni系粒子相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有38 48质量％的所述N1、1.0 15质量％的Co以及1.2 10质量％的Si，剩余部分为所述Fe，平均粒径大于I μ m小于10 μ m时，由所述软磁性合金粉末组成的压粉体在几MHz区域的高频性能特别良好并且可以得到很强的耐蚀性，由此完成了本发明。根据本发明，通过使用含有合金组成以及平均粒径控制在如上所述的FeNi系粒子的软磁性合金粉末，可以得到具备在几MHz左右的高频区域中滞后损失以及涡流损失较低、导磁率较高的压粉体的压粉磁芯。上述Fe-Ni系粒子中的Si的含有量，相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量为
1.2 10质量％。如果Si的含有量小于上述范围，则压粉磁芯的损耗变大，耐蚀性降低。如果Si的含有量大于上述范围，则压粉磁芯的导磁率变低。上述Fe-Ni系粒子中的Co的含有量，相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量为
1.0 15质量％。如果Co的含有量小于上述范围,则压粉磁芯的导磁率变低,如果Co的含有量大于上述范围，则压粉磁芯的损耗变大。上述Fe-Ni系粒子中的Ni的含有量，相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量为38 48质量％。如果Ni的含有量小于上述范围，则压粉磁芯的损耗变大,如果Ni的含有量大于上述范围，则压粉磁芯的导磁率变低。本发明所涉及的Fe-Ni系粒子，其平均粒径大于I μ m小于10 μ m。如果平均粒径小于上述范围，则压粉磁芯的损耗变大，导磁率变低，耐蚀性下降。如果平均粒径大于上述范围，则压粉磁芯的损耗变大。本发明提供一种压粉体，其含有上述Fe-Ni系粒子，所述Fe-Ni系粒子其表面的一部分或全部被绝缘材料所覆盖，并且相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有38 48质量％的上述N1、1.0 15质量％的上述Co以及1.2 10质量％的上述Si，剩余部分为上述Fe，平均粒径大于I μ m小于10 μ m。由于该压粉体含有上述发明所涉及的Fe-Ni系粒子，所以即使在几MHz左右的高频工作也能充分降低磁芯损耗，而且，显示出足够的导磁率，并具有较高的耐蚀性。本发明提供一种压粉磁芯，其具有向上述Fe-Ni系粒子中混合树脂及润滑剂并加压成形而得到的压粉体。本发明还提供包括压粉磁芯的磁性元件。由于本发明的压粉磁芯及磁性元件含有上述的本发明所涉及的Fe-Ni系粒子，因此即使在几MHz左右的高频工作也能充分降低磁芯损耗。而且，能够尽量地减小元件内的空间，所以能够满足进一步小型化的要求。根据本发明能够提供一种软磁性合金粉末以及含有该粉末的压粉体，还有使用该压粉体的磁性元件，该软磁性合金粉末含有即使在几MHz左右的高频区域也具有低损耗且高导磁率的特性，而且具有良好的耐蚀性和生产性以及经济性等的FeNi系粒子。


图1是表示涉及本发明的电感元件的立体示意图。图2是表示涉及本发明的实施例1以及比较例8的压粉磁芯的磁芯损耗的频率相关性的图。符号说明:100-电感元件；110-磁芯；120-线圈
具体实施例方式下面，根据需要参照附图对本发明的优选实施方式作详细说明。而且，附图中，相同的要素赋予相同符号，省略重复的说明。另外，上下左右等的位置关系，只要没有特别说明，就基于附图所示的位置关系。而且，附图的尺寸比率并不限于图示的比率。图1是表示涉及本发明的优选实施方式的电感元件100的立体示意图。如图1所示，电感元件100包括:磁芯110，其呈各面互相以直角相连的六面体状且成形为一体；线圈120，其被埋设在磁芯110内且仅露出两端部。线圈120由截面为长方形的扁平状的平角金属线以其长方形的一条短边朝向中心侧的方式缠绕成螺旋状而成。线圈120的两端部从缠绕的部分引出。另外，线圈120的外周被绝缘层所覆盖。线圈120的两端部从磁芯110的互相平行的两个侧面的高度方向中间部向外突出。该两端部从缠绕的部分开始，先沿着磁芯110的上述侧面弯曲，然后前端部沿着磁芯110的背面弯曲。线圈120的两端部起端子作用，因此没有被上述绝缘层所覆盖。线圈120以及覆盖该线圈120的绝缘层的材料，只要是与目前的电感元件相对应的线圈以及作为绝缘层的材料而使用的材料，就没有特别的限定。该电感元件100的磁芯110由本发明所涉及的压粉体构成。磁芯110是使用未图示的加压成形装置即加压机的金属模(成形模)而加压成形的压粉体(加压成形体)。在磁芯Iio成形之前，线圈120定位配置在金属模内，随着磁芯110的加压成形被一体地埋设在磁芯110内。磁芯110是通过向本发明的Fe-Ni系粒子中添加绝缘材料并进行混合，之后在规定的条件下进行加压而制成的。因此，磁芯Iio中，Fe-Ni系粒子被绝缘材料所覆盖。而且，对添加了绝缘材料的含有Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末实施干燥后，优选再向干燥后的含有Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末中添加润滑剂并进行混合。本发明所涉及的软磁性合金粉末中所含有的Fe-Ni系粒子中的Ni的含有量，相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，所述Ni为38 48质量％。如果Ni的含有量低于38质量％，则与在38 48质量％的范围内的情况相比，由于软磁性合金粉末的电阻的减小和矫顽力的增加，压粉磁芯的磁芯损耗变大。另外，如果Ni的含有量超过48质量％，则与在38 48质量％的范围内的情况相比,合金粉末的饱和磁化降低,压粉磁芯的导磁率变小。相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，Ni的含有量优选为40 46质量％，更优选42 44质量％。由此，可进一步改善高频中的压粉磁芯的损耗以及导磁率。相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，Co的含有量为1.0 15质量％。如果Co的含有量小于1.0质量％，则与在1.0 15质量％的范围内的情况相比,压粉磁芯的导磁率变小。另一方面，如果Co的含有量超过15质量％，则软磁性合金粉末的矫顽力增加，压粉磁芯的滞后损失变大。而且，成本增加，不适合作为实用的压粉磁芯。根据同样的观点，相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，Co的含有量优选为6.0 10质量％。相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，Si的含有量为1.2 10质量％。如果Si的含有量小于1.2质量％,则与在1.2 10质量％的范围内的情况相比,磁芯损耗变大,耐蚀性降低。另一方面，如果Si的含有量超过10质量％，则与在1.2 10质量％的范围内的情况相比，很难使压粉磁芯高密度化，且导磁率下降。根据同样的观点，Si的含有量优选为
1.2 9.6质量％。本发明所涉及的Fe-Ni系粒子也可以含有不可避免的杂质。虽然对本发明所涉及的Fe-Ni系粒子的形状没有特别的限制，但是从将导磁率维持至高磁场区域的观点，优选为球状或椭圆状。其中，从进一步增大压粉磁芯的强度的观点，最好是捕圆状。含有本发明所涉及的Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末可以是，由单一的粒子构成软磁性合金粉末 、多个粒子凝集或结合的软磁性合金粉末、以及这些的混合物中的任何一种。本发明所涉及的Fe-Ni系粒子可通过与目前已知的软磁性合金粉末的调制方法相同的方法而得到。此时，可以使用气体雾化法、水雾化法、旋转圆盘法等进行调制。在这些方法中，为了容易地制作具有期望的磁性能以及粉体特性的软磁性合金粉末，优选水雾化法。本发明所涉及的Fe-Ni系粒子被绝缘材料覆盖其表面的一部分或全部。作为绝缘材料，例如可以列举出各种有机高分子树脂、硅树脂、酚醛树脂、环氧树脂以及水玻璃等。可以单独使用其中I种或者将2种以上组合起来使用。另外，也可以将这些材料与成形助剂等无机材料组合使用。所述绝缘材料优选为含有环氧树脂或酚醛树脂中的任一种树脂。通过使用这些绝缘材料能够得到更加低损耗且高导磁率的压粉磁芯。本发明所涉及的Fe-Ni系粒子，其平均粒径大于I μ m小于10 μ m。如果平均粒径小于或等于I μ m,就很难将粘合剂树脂均匀地分散在各粒子表面上，并涡电损失有增大的倾向。同时，压粉磁芯的成形体密度变低，很难得到具有高导磁率的压粉磁芯。如果平均粒径大于或等于 ομπι，压粉磁芯的涡电损失就变大。合金粉末的平均粒径优选大于2μπι小于8 μ m，更优选大于3 μ m小于6 μ m。另外，在没有做特别的规定时，这里所指的平均粒径为利用激光衍射式粒度分布测试仪而得到的值。

本发明的磁性元件，除了使用本发明的压粉磁芯之外，可以通过目前已知的调制方法进行调制。含有构成磁芯110的Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末被绝缘材料覆盖其表面的一部分或全部。绝缘材料根据所需的磁芯的特性可适当地选择。绝缘材料的添加量根据所需的压粉磁芯的特性有所不同,例如,相对于磁芯110的质量可以添加I 10质量％左右。如果绝缘材料的添加量超过10质量％，则导磁率下降，损耗有增大的倾向。另一方面，如果绝缘材料的添加量小于I质量％，则存在难以确保绝缘的倾向。相对于磁芯Iio的质量,绝缘材料的更优选的添加量为2.5 5质量％。润滑剂的添加量相对于磁芯110的质量可以达到0.1 I质量％左右，优选的润滑剂的添加量相对于磁芯110的质量为0.2 0.8质量％，更优选的润滑剂的添加量为0.3 0.8质量％。如果润滑剂的添加量小于0.1质量％，则成形后的脱模变难，存在易生成成形裂缝的倾向。另一方面，如果润滑剂的添加量超过I质量％，则将导致成形密度下降，导磁率减少。作为润滑剂，例如可以列举出硬脂酸铝、硬脂酸钡、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌以及硬脂酸锶等。可以单独使用其中的I种或者将2种以上组合起来使用。其中，从所谓的弹性回复(spring back)小的观点,优选使用硬脂酸铝作为润滑剂。另外，也可以向含有Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末中再添加交联剂。通过添加交联剂，能够在不恶化磁芯110的磁性能的情况下增大机械强度。相对于100份质量的绝缘材料，交联剂的优选添加量为10 40份质量。作为交联剂可以使用有机钛系。电感元件100，除了使用含有本发明的Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末作为磁芯110的材料之外，可以通过目前已知的调制方法来调制。例如，电感元件100可以经由软磁性合金粉末准备工序、绝缘材料覆盖工序、成形工序、以及热处理工序而被调制出来。首先，在软磁性合金粉末准备工序中，准备含有上述的Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末。 其次，在绝缘材料覆盖工序中，首先混合规定量的软磁性合金粉末和绝缘材料。如果添加交联剂，则混合软磁性合金粉末和绝缘材料以及交联剂。使用加压捏合机(kneader)等进行混合，优选在室温下混合20 60分钟。对所得到的混合物优选在100 300度左右的温度下干燥20 60分钟。接着，粉碎已干燥的混合物，得到含有被绝缘材料覆盖的Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末。然后，根据需要向该软磁性合金粉末中添加润滑剂。添加润滑剂后优选混合10 40分钟。其次，在成形工序中，将线圈120配置在加压机械的金属模内的规定位置，并向金属模内填充含有被绝缘材料覆盖的Fe-Ni系粒子的软磁性合金粉末，以掩埋该线圈120。接着，通过对磁性粉末进行加压，实施压缩成形而得到成形体。对压缩成形的成形条件并没有特别限定，根据Fe-Ni系粒子的形状以及尺寸、压粉磁芯的形状、尺寸以及密度等而适当决定即可。例如，最大压力通常为100 IOOOMPa左右，优选为100 600MPa左右，保持最大压力的时间为0.1秒 I分钟左右。如果成形压力过低，就很难得到足够的特性以及机械强度。另一方面，如果成形压力过高，线圈120就容易短路。然后，在热处理工序中，将如上所述得到的成形体，例如在150 300度的温度下保持15 45分钟。由此，成形体中含有的作为绝缘体的树脂发生固化，得到由压粉磁芯(压粉体)即磁芯110以及线圈120构成的电感元件100。另外，根据需要可以在热处理工序之后进行防锈处理工序，对电感元件100实施防锈处理。防锈处理是通过向如上所述得到的电感元件100上喷涂例如环氧树脂等而进行的。喷涂的膜厚为15μπι左右。在实施防锈处理之后，优选在120 200度的温度下进行15 45分钟的热处理。根据上述说明的本实施方式，磁芯110以含有上述规定量的Si以及Co的Fe-Ni系粒子为主成分。因此，能够足够降低尤其在几MHz左右的高频区域的磁芯110的磁芯损耗。而且，Fe-Ni系粒子含有规定量的Si也有利于促进和维持磁芯110的软磁性能并提高耐蚀性。还有，磁芯110，尽管Fe-Ni系粒子里含有Si，但是其硬度被维持得较低，这是磁芯的成形性良好的主因。还有，Fe-Ni系粒子含有规定量的Si以及Co，这是磁芯110能够提高导磁率的主因。因此，磁芯110具备良好的软磁性能。而且，具备具有上述特性的磁芯110的电感元件100，在几MHz左右的高频工作条件下，能够具有充分的低损耗以及高电感密度。这种电感元件100与现有的技术相比能够实现进一步的小型化。例如，如果安装到移动电话等的在几MHz左右的高频条件下工作的电子仪器以及电源部、电路、基板、芯片组等各种部件上，则可有效地发挥其优点。以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是本发明不限定于上述实施方式。本发明能够在不脱离其要旨的范围内进行多种变形。例如，本发明的其他实施方式中，具备本发明所涉及的压粉磁芯的元件并不限定于电感元件，也可以是各种变压器、磁屏蔽件。如果是这些元件，则除了作为压粉磁芯的磁性材料使用本发明的软磁性合金粉末之外，其他可以是已知的样态。另外，在本发明的电感元件中，线圈也可以不用埋设在压粉磁芯内。这种电感元件也可以构成为，例如，压粉磁芯具有例如圆柱状的磁芯部(中脚)，在其磁芯部的外周侧隔开空间设置的筒部(外脚)，以及连接磁芯部和筒部的连接部，线圈缠绕在磁芯部的外周。而且，本发明的电感元件只要是使用了本发明的压粉磁芯的电感元件，就不限定于如上述的线圈缠绕而成的所谓的绕线型的电感元件。例如，本发明的电感元件也可以是，替代绕线型的线圈而使用以通道孔连接的印刷的导体图案的、所谓的叠层型的电感元件。或者，本发明的电感元件也可以是，替代绕线型的线圈而使用具备平面螺旋状的导体而构成的、所谓的薄膜型的电感元件。[实施例]下面，通过实施例更加详细地说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。而且，下面的实施例中，Fe、N1、Co以及Si的含有量以Fe、N1、Co以及Si的合计质量为基准。(软磁性合金粉末的调制)首先，准备Fe-Ni合金、Fe单质、Ni单质、Co单质以及Si单质的铸锭、块体、或颗粒。接着，按照表I所示的组成将这些进行混合，并收容于配置在水雾化装置内的坩埚内。然后，在惰性氛围中，使用设置在坩埚外部的工作线圈，利用高频感应将坩埚加热到1500度以上，使坩埚中的铸锭、块体、或颗粒熔融、混合，得到溶融液。其次，从设置在坩埚上的喷嘴喷出坩埚内的溶融液的同时，通过使高压(50MPa)水流冲击喷出的溶融液进行骤冷，从而调制出由Fe-Ni系粒子构成的软磁性合金粉末。(压粉磁芯的制作)向软磁性合金粉末添加环氧树脂(N-695,大日本油墨公司生产)和固化剂作为绝缘材料，其添加量相对于合金粉末质量为3.0质量％，并利用加压捏合机在室温下混合30分钟。接着，在空气中对混合物进行自然干燥，并向干燥后的混合物添加相对于其全体量的0.1质量％的硬脂酸锌作为润滑剂，然后利用V混合机混合10分钟。接着，对得到的混合物进行成形，制作了外径为Ilmm,内径为6.5mm,厚度为2.5mm的成形体。而且，成形压设定为600MPa。通过对加压后的成形体在180度的温度下实施60分钟热处理，使环氧树脂固化，从而得到压粉磁芯。
(评价方法)(I)合金粉末中的Fe、N1、S1、以及Co量的测量利用XRF(RIGAKU社生产，装置名称「ZXS-100E」)进行了测量。结果如表I所示。(2)合金粉末的平均粒径利用激光衍射式粒度测量装置HELOS系统(JE0L公司生产)测量了平均粒径。结果如表I所示。(3)磁芯损耗测量利用BH分析仪(SY-8218、岩通社生产)，在最大磁通量密度Bm=IOmT的条件下，测定了所得到的压粉磁芯的磁芯损耗(Pcv)。IOMHz时的磁芯损耗如表I所示。(4)磁芯导磁率测定利用LCR仪表(4285A，HEWLETT PACKARD社生产)，测定了所得到的压粉磁芯的起始磁导率(μ )。在8kA/m的直流磁场的条件下，IOMHz时的结果如表I所示。(5)耐蚀性试验在常温常压的条件下，将所得到的压粉磁芯浸泡在5质量％的氯化钠水溶液中，对生锈时间进行了评估。实施例和比较例的耐蚀性试验结果如表2所示。各实施例以及各比较例的结果如表I及表2所示。表I
权利要求
1.一种软磁性合金粉末，其含有Fe-Ni系粒子，所述Fe-Ni系粒子相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有38 48质量％的所述N1、1.0 15质量％的所述Co以及1.2 10质量％的所述Si,剩余部分为所述Fe,所述Fe-Ni系粒子的平均粒径大于I μ m小于10 μ m。
2.一种压粉体，其含有Fe-Ni系粒子，所述Fe-Ni系粒子其表面的一部分或全部被绝缘材料所覆盖，并且所述Fe-Ni系粒子相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有38 48质量％的所述N1、1.0 15质量％的所述Co以及1.2 10质量％的所述Si，剩余部分为所述Fe,所述Fe-Ni系粒子的平均粒径大于I μ m小于10 μ m。
3.一种压粉磁芯，其具有向Fe-Ni系粒子中混合树脂以及润滑剂并加压成形而得到的压粉体， 所述Fe-Ni系粒子相对于Fe、N1、Co以及Si的合计质量，含有38 48质量％的所述N1、l.0 15质量％的所述Co以及1.2 10质量％的所述Si,剩余部分为所述Fe,所述Fe-Ni系粒子的平均粒径大于I μ m小于10 μ m。
4.一种磁性元件，其包括权利要求3所述的压粉磁芯。
全文摘要
本发明提供一种软磁性合金粉末、由该软磁性合金粉末制成的压粉体、包括该压粉体的压粉磁芯、以及包括该压粉磁芯的磁性元件。所述软磁性合金粉末含有Fe-Ni系粒子，该Fe-Ni系粒子相对于Fe、Ni、Co以及Si的合计质量，含有38～48质量%的所述Ni、1.0～15质量%的所述Co以及1.2～10质量%的所述Si，剩余部分为所述Fe，平均粒径大于1μm小于10μm。
文档编号H01F3/08GK103165256SQ201210544009
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月14日 优先权日2011年12月16日
发明者小枝真仁, 新海芳浩, 黑田朋史 申请人:Tdk株式会社