[发明专利]压粉磁芯用金属粉末及压粉磁芯的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及作为电动机或变压器的磁芯的原材料合适的压粉磁芯(dust core)用金属粉末(metal powder)的制造方法。此外，本发明涉及使用该金属粉末的压粉磁芯的制造方法。

背景技术

作为电动机或变压器的磁芯材料，使用在小的磁场下易磁化的所谓的软磁性材料。对于该软磁性材料，除了要求高的居里温度之外，还要求矫顽力小、磁导率高、饱和磁通密度大、低损耗(low core loss)等很多特性。

满足这些要求的软磁性材料大致分为金属软磁性材料和氧化物软磁性材料，根据频率、电功率分别使用。

以MnZn铁氧体为代表的氧化物软磁性材料由于电阻高，具有即使在超过100kHz的高频区域损耗也小的优点，而另一方面存在饱和磁通密度小的缺点。

另一方面，金属软磁性材料由于电阻低，使用频率限于低频区域。但是，由于饱和磁通密度高，具有可以进行大的能量的转换或传递的优点。例如，作为金属软磁性材料的代表例的电磁钢板被用作商用电源频率(commercial power frequency)的大电功率用变压器或电动机的磁芯。

金属软磁性材料的使用限于低频区域是由于，随着频率升高，在磁性体内部产生涡电流，其成为损耗而导致能量效率降低。为了抑制该涡电流损耗(eddy-current loss)，采用层压几层表面进行了绝缘被覆(insulation coating)的电磁钢板作为磁芯的方法。特别是用于在更高的频率下驱动的变压器或电动机的磁芯时，通过减薄电磁钢板的板厚来抑制涡电流的产生。

然而，通过减薄板厚，虽然层压板间的电阻得到改善，但是由于板面内的高电阻化有限，难以抑制高于10kHz的频率下的涡电流损耗。

作为对上述问题的应对方案，提出了使用压粉磁芯的技术方案。压粉磁芯指的是向含有纯铁或软磁性合金的磁性粉末(magnetic powder)中根据需要适当添加树脂等粘合剂，将得到的粉末填充到模具中进行加压成型(compaction)，由此成型为所需形状的磁芯。其中，通过对磁性粉末粒子的表面实施绝缘处理，与电磁钢板材料不同，可以形成三维的绝缘，电阻得到提高，因此在更高频区域中也可以抑制涡电流损耗。

但是，加压成型后的成型密度(green density)低时，饱和磁通密度低、此外机械强度也低，因此与电磁钢板相比则变得不利。因此，将压粉磁芯作为电动机或变压器的芯时，如何提高压缩性、提高成型体的密度是重要的。但是，若欲提高成型负荷来得到高的成型密度，则因塑性变形所导致的变形增大。若使磁性体塑性变形，则作为涡电流损耗以外的损耗的主要原因的磁滞损耗(hysteresis loss)增大，结果导致损耗的增大。

作为该问题的解决对策，考虑为了消除应力而将成型体加热至600℃以上的温度，通过该热处理可以减小塑性变形。热处理的温度越高则变形越小，可以减小磁滞损耗。但是，相反地若热处理温度高，则被覆在粒子表面上的绝缘材料分解或形成结晶而粒子间的电阻降低，导致涡电流损耗的增大。

而且，若绝缘材料与粒子的粘合性差，则有时成型时绝缘被膜剥离，该阶段下产生电阻的降低。

因此，被覆在粒子表面上的绝缘材料要求与粒子的粘合性良好、且耐热性高的绝缘材料。作为满足这种要求的绝缘材料，提出了硅氧烷树脂、磷酸盐等。

此外，日本特开2003-142310号公报(专利文献1)中报告了，若在软磁性金属粉末的至少表面附近存在某种程度以上的量的Si(具体地说，从表面直至0.2μm的平均Si浓度至少为0.5wt％)，则绝缘处理效果提高，从而得到具有高的电阻的压粉磁芯。而且，专利文献1中，作为制造在表面附近存在高浓度的Si的软磁性金属粉末的方法，提出了对含有Si的合金组成的熔液例如进行水喷雾(water atomizing)。

然而迄今已知通过气相反应法(gas-phase reaction method)对Si含量少的钢板进行渗硅，制造高硅钢板的方法。作为该方法，例如存在使压延容易的Si含量：小于4质量％的钢板在1000～1200℃左右的温度下与SiCl₄反应，通过SiCl₄+5Fe→Fe₃Si+2FeCl₂的反应在钢板表面上形成Fe₃Si，进而在板厚方向上扩散Si，由此得到磁特性和磁致伸缩特性(magnetostriction properties)优异的高Si浓度的钢板的方法等。