專利名稱：壓粉磁芯用鐵粉的制作方法
技術領域：
本發明涉及壓粉磁芯(dust core)用的鐵粉(iron powder)。
背景技術：
作為用作電動機、變壓器的磁芯的軟磁材料(soft magneticmaterial)，在驅動頻 率為數kHz以下的低頻中多使用電磁鋼板(magneticsteel sheet)。而且在數十kHz以上 的高頻中多使用以Mn-Zn類鐵素體為代表的氧化物磁性材料。另一方面，將鐵粉加壓成形(compaction)而得到的壓粉磁芯多使用于數十kHz以 下。壓粉磁芯，由于能夠模具成形因此產品形狀的自由度非常高，而且即使是復雜的磁芯形 狀也能夠通過高精度且簡便的工序進行制造，因而其有效性受到關注。決定這種壓粉磁芯性能的一個重要因素為鐵損(iron loss)，因而對用于實現壓 粉磁芯的高性能化(即低鐵損化)的鐵粉提出了各種方案。例如，日本特開2003-217919號公報(專利文獻1)中提出了通過使鐵粉中含 有Si,并且使以Si02和MgO為主成分的絕緣體存在于該鐵粉間來降低鐵損的技術。而 且，日本特開平11-87123號公報(專利文獻2)中提出了以使表面部的Si濃度高于中心 部的Si濃度的方式來限制Si的含量和分布，由此改善高頻領域的起始磁導率(initial permeability)(影響鐵損)的技術。并且，制造壓粉磁芯時，優選使鐵粉粒子相互絕緣，作為絕緣方法，有混合絕緣性 物質并加壓成形的方法(例如上述專利文獻1)。另外作為其它的絕緣方法，還提出了實施 過絕緣包覆(insulation coating)的壓粉鐵粉用鐵粉。例如，日本特開2003-303711號公 報(專利文獻3)中提出了被含有有機硅樹脂及顏料的被膜包覆而成的鐵基粉末。而且，日本特開2007_231330(專利文獻4)中，作為壓粉磁芯用金屬粉末的制造方 法公開了通過氣相反應使Si在該粉末的表面富集，或進一步實施絕緣包覆處理的技術。并 且，專利文獻4中，能夠通過將氣相反應后的粉末粒子的表面氧化并形成Si02，來避免微細 粒子的發熱，或提高與絕緣包覆材料的密合性。但是沒有公開驗證上述效果的實施例。
發明內容
但是，對于專利文獻1所記載的這種預先將Si合金化(prealloying)的鐵粉， 由于含有Si因此鐵粉的硬度上升，加壓成形時的塑性變形受到阻礙。因此，存在磁特性 (magnetic properties)的改善不足、或壓粉磁芯的機械強度(mechanical strength)降低 可靠性受損的缺點。而且，即使如專利文獻2所記載，限定鐵粉中的Si含量和遍布鐵粉整體的Si的分 布，但仍存在在鐵粉表面形成氧化膜，該氧化膜損害(harm)磁特性等問題。通過專利文獻 4的方法形成了絕緣包覆的鐵粉，作為壓粉磁芯時的電阻率在實用中處于不充分的水平。本發明由于順利地解決了上述問題，因此其目的在于，提出不會導致磁特性、機械 強度的降低的、可靠性極高的壓粉磁芯用鐵粉。
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本發明人等為解決上述問題，著眼于鐵粉表面的氧化膜的特性而重復專心研究的 結果是得到通過將表面氧化膜的組成最優化，從而順利實現上述目的的見解。本發明立足于上述見解。即，本發明的主旨構成如下。(1) 一種壓粉磁芯用鐵粉，是表面具有氧化膜的鐵粉，該氧化膜由Si與Fe的比例 以原子數比計滿足Si/Fe彡0. 8的Si類氧化物形成(consistingsubstantially of)。(2)如上述(1)所述的壓粉磁芯用鐵粉，其中，所述Si類氧化物含有60質量％以 上的Si02。(3)如上述(1)或⑵所述的壓粉磁芯用鐵粉，其中，所述Si類氧化物中Si02相 對于Fe2Si04的存在比例為7倍以上。
圖1是表示本發明的壓粉磁芯用鐵粉的、將利用XPS得到的Si2p的峰分離例子 (上面)與更理想的本發明的其它的壓粉磁芯用鐵粉的Si2p的峰分離例子(下面)相比較 的圖。
具體實施例方式以下，對本發明進行具體說明。根據本發明，使用Si類氧化物包覆鐵粉表面，并且若其組成為Si/Fe ^ 0. 8，優選 達到Si/Fe ^ 1. 1，則能夠得到磁特性優良的壓粉磁芯。雖然不能明確地闡明該機制，但能 夠通過控制氧化膜的組成達到Si/Fe ^ 0. 8的方式，在加壓成形時維持鐵粉間的高的絕緣 性，從而抑制交流磁場中壓粉體中感應出的渦電流(eddy current)和其結果產生的渦流損 耗(eddy-currentloss)0作為加壓成形時維持高的絕緣性的一個原因來考慮的是，改善為了鐵粉間絕緣性 的樹脂的潤濕性。在鐵粉的最外層包覆樹脂作為絕緣層時，若鐵粉的表面被Si類氧化物均 勻地覆蓋，則與樹脂的親和力(affinity)提高，潤濕性(wettability)得到改善。特別是 使用Si類樹脂作為這種包覆材料時，其效果顯著。而且，認為由于在上述機構中樹脂的潤 濕性(wettability)提高，因此在利用加壓成形形成的晶界(grain boundary)(鐵粉粒子 的邊界)中非常均勻地形成高電阻的層，其結果是在成形體內部顯示出高的絕緣性。 作為在鐵粉表面形成Si類氧化物的方法，優選在通過PVD (PhysicalVapor Deposition)法或 CVD (Chemical Vapor Deposition)法等氣相反應法(gas-phase reaction method)使Si附著于鐵粉后在氧化性氣氛氣中進行處理這樣的二階段處理。但 是，也可以是使這些處理(Si附著 表面富集處理及氧化處理)一次完成的技術，而沒有特 別限制。并且，本發明中使用的鐵粉可以使用霧化鐵粉(atomized iron powder)、還原鐵 (reduced ironpowder) R(electrolytic iron powder) 巾白勺ft—禾中，胃夕殳
有特別限制。并且，雖然對鐵粉的組成及尺寸沒有特別限制，但優選Fe ^ 99質量％的純鐵 粉(pure iron powder)，而且優選平均粒徑為10 500 y m左右。
接著，以使用SiCl4氣體的CVD法為例，對使Si在鐵粉表面富集的優選的包覆方 法進行更具體地敘述。但是，本發明并不限于以下的方法。
在石英制的容器內攤開鐵粉至厚度為5mm以下，更優選為3mm以下，在非氧化性氣 氛氣下加熱至700°C以上、1400°C以下。接著，以0. 01 10NL/min/kg(即每1kg的鐵粉， 0.01 lONL/min)的比例對容器內的鐵粉導入SiCl4氣體。其結果是在鐵粉表面利用SiCl4+5Fe — Fe3Si+2FeCl2的反應形成Fe3Si，進而在鐵粉表面形成Si的高濃度層 (以下，稱為沉積反應(deposition reaction))。并且，在上述方法中，若鐵粉層的厚度超過5mm則不僅SiCl4不能遍布鐵粉整體， 而且難以在整個鐵粉表面均勻地形成Fe3Si。因此，大量處理時，為了抑制不均勻的氣相反 應而優選在攪拌(agitate)鐵粉的同時進行處理。作為攪拌鐵粉的方法，可以列舉通過使 裝入鐵粉的容器自身旋轉、使用攪拌翼(agitation blade)攪拌鐵粉及向容器內導入非氧 化性氣體、SiCl4等反應氣體(reaction gas)或他們的混合氣體使鐵粉流動(fluidize)的 方法等，但并不限于上述方法。SiCl4氣體的流量從效果以及經濟性的觀點出發，相對于容器內的鐵粉重量優選 設為 0. 01 10NL/min/kg 左右。鐵粉表面的氧化，也可以在上述Si的沉積反應時添加氧化性氣體來實施氧化處 理。另外作為其它的方法，也可以在Si沉積反應結束后，另行實施利用氧化性氣體進行的 氧化處理。作為工業上可利用的氧化性氣體有02、H20及C0等，并不特別限制其種類。在如上制造工序中，上述Si/Fe的比例能夠通過CVD條件、氧化條件來進行控制。 概略地說，若增加CVD時間、溫度則Si/Fe的比例增大，而且提高之后的氧化處理時的氧分 壓也能夠增大Si/Fe的比例。而且，由于提高氧化處理的溫度、氧分壓，因此Si02量及Si02/ Fe2Si04比存在增加的傾向。并且，表層氧化物的組成能夠使用X射線光電子能譜(XPS :X-rayPhotoelectron Spectroscopy)或俄歇電子能譜(AES :Auger ElectronSpectroscopy)進行分析。XPS 是測 定照射X射線而產生的光電子的能譜的方法，AES是測定照射電子束而產生的俄歇電子的 能譜的方法。由于兩種方法中Si和Fe的峰位置(能量)均固定，因此測定其強度，就能夠 利用預先求出的靈敏度系數進行定量。示出使用XPS對表面的Si、Fe進行定量的方法作為一例。將厚厚地粘著在導電膠帶上的鐵粉樣品插入XPS裝置內，以AlKa射線作為X 射線照射樣品的0. 5mm的周圍。通過分光器將照射范圍產生的光電子分光，累計Si2p和 Fe2p的強度。使用相對靈敏度系數將所得的強度變換為定量值。為了得到磁特性優良的 壓粉磁芯，需要通過上述這種測定方法得到的鐵粉表面的原子比為Si/Fe ^ 0.8。優選為 Si/Fe彡1. 1。雖然不需要特別規定Si/Fe的上限，但最優選Si類氧化物的組成約為Si/ Fe ( 3. 0。另外，作為求出Si類氧化膜中的Si02的比例的方法，還可以使用XPS。這里，作為 對象的鐵粉表面的Si的形態，除固溶在Fe中的金屬Si和Si02之外，還可以考慮Fe2Si04、 FeSi03。若使用XPS測定Si2p的能譜，則如圖1上面的圖所示，金屬Si (Fe中)和Si02的 峰分別在99. 6eV、103. 5eV附近出現。另外，Fe2Si04的峰大致出現在其中間，而且FeSi03的 峰大致出現在Si02和Fe2Si04的峰的中間。因此，通過將實際的Si2p能譜進行峰分離，能 夠求出Si02的比例。并且，圖1的下面的圖為其他的鐵粉樣品的分析結果，在下述的實施 例中示出。
若通過上述這種測定方法得到的、Si02占氧化膜中的Si類氧化物整體(大約為 Si02、Fe2Si04及FeSi03的合計)的比例為60質量％以上，則磁特性的改善效果更大。而 且，在上述Si類氧化物中，若Si02相對于Fe2Si04的存在比例(重量比)為7倍以上，則磁 特性的改善效果更大。更優選為7.0倍以上。雖然上限不需要特別規定，但通常設為20倍 以下。經由Si附著 表面富集處理及氧化處理得到的鐵粉表面的氧化膜以Si類氧化物 (特別是Si02、Fe2Si04&FeSi03)為主體。并且，是否形成了由Si氧化物類構成的氧化膜， 能夠通過利用上述XPS等的表面分析、在從粒子表層向深度方向濺射的過程中保持Si類氧 化物的峰至預定的深度來進行判定。這里，由在鐵粉的表面形成的Si類氧化物構成的氧化膜的厚度沒有特別限制， 即使約為0.01 ym仍能產生效果。但是，為了穩定地得到磁特性的改善效果，優選具有約 0. 1 y m以上的厚度。另一方面，若氧化膜變得過厚則壓縮性不必要地降低，從而導致磁通密 度的降低。因此，可以根據作為目標的磁通密度給氧化膜的厚度設置適當的上限。例如優 選將約1. 0 y m設為上限來作為標準。氧化膜的厚度定義為，在利用上述XPS等的表面分析中，從粒子表層向深度方向 濺射，Si類氧化物的峰高達到表層的1/2時的深度。并且，Si類氧化物以外的化合物(主要是氧化物)也可以含于氧化膜中。即，在 上述XPS等的表面分析中，即使檢查出其它的化合物的峰也沒有問題。以下，例示上述的本發明的鐵粉的優選利用形態。優選在將上述的本發明的鐵粉應用于壓粉磁芯這樣的磁性部件時，使其在鐵粉 的表面氧化膜上重疊，進而實施絕緣包覆處理，形成以層狀的方式覆蓋鐵粉粒子表面的被 膜構造的絕緣層。作為絕緣包覆用的材料，只要是即使將鐵粉加壓成形并成形為所要求 的形狀后仍能夠保持所要求的絕緣性的材料即可，沒有特別限定。作為這種材料，能夠例 示 Al、Si、Mg、Ca、Mn、Zn、Ni、Fe、Ti、V、Bi、B、Mo、W、Na 及 K 等的氧化物。而且可以使用 以尖晶石型鐵氧體這樣的磁性氧化物(magnetic oxide)和水玻璃(liquid glass)為 代表的非結晶材料。而且，作為絕緣包覆用材料，可以列舉磷酸鹽化學轉化膜(chemical conversioncoating)、鉻酸鹽化學轉化膜等。磷酸鹽化學轉化膜中還可以含有硼酸、Mg。另外，作為絕緣材料，還可以使用磷酸鋁、磷酸鋅、磷酸鈣及磷酸鐵等磷酸化合物。 而且，也可以使用環氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂及聚酰亞胺樹脂等有機樹脂。此外，即使 將上述專利文獻3(日本特開2003-303711號公報)中公開的材料用于絕緣包覆用材料也 沒有任何問題。特別是有機硅樹脂等Si類樹脂，如上所示，優選應用于本發明的鐵粉中。并且，為了提高絕緣材料對鐵粉粒子表面的附著力，或者以提高絕緣層的均勻性 為目的，還可以添加表面活性劑、硅烷偶聯劑。添加表面活性劑、硅烷偶聯劑時，其添加量優 選相對于絕緣層總量在0. 001 1質量％的范圍內。鐵粉表面氧化膜上重疊形成的絕緣層的厚度雖然可以根據所要求的絕緣水平進 行適當設定，但一般優選為10 lOOOOnm左右。即，通過將厚度設為約lOnm以上，可以容 易得到優良的絕緣效果。另一方面，若絕緣層過厚，則磁性部件的密度不必要地降低，變得 難以得到高的磁通密度。因此絕緣層的厚度優選設為約lOOOOnm以下。絕緣層的厚度，能 夠通過直接觀察鐵粉，或者由提供的被膜材料的量換算等方法來獲知。
作為這種絕緣層的形成方法，能夠優選使用現有公知的被膜形成方法(涂敷方 法)的任一種。作為能夠使用的涂敷方法，可以列舉流化床(fluidized bed)法、浸漬法、 噴霧法等。并且，在任一種方法中，在包覆工序之后或在包覆工序同時，具有將使絕緣材料 溶解或分散的溶劑干燥的工序。而且，為了提高絕緣層對鐵粉粒子的密合性，防止加壓成形 時的剝離，也可以在絕緣層和鐵粉粒子表面間形成反應層。這種反應層的形成優選利用實 施化學轉化處理(chemical conversion treatment)來實現。實施上述這種絕緣包覆處理，將在鐵粉粒子表面形成了絕緣層的鐵粉(絕緣包覆 鐵粉)加壓成形，制成壓粉磁芯。并且，在加壓成形之前，可以根據需要向鐵粉中混合金屬皂、酰胺類蠟等潤滑劑。 潤滑劑的混合量相對于鐵粉100質量％優選為0. 5質量％以下。這是因為若潤滑劑的混 合量多，則壓粉磁芯的密度降低。作為加壓成形的方法，可以任意應用現有公知的方法。例如有使用單軸加壓在 常溫下加壓成形的模具成形方法、加熱進行加壓成形的加熱成形方法(warm compaction method)、潤滑模具并進行加壓成形的模具潤滑方法、在加熱下進行的加熱模具潤滑方法 (warm compaction usingdie wall lubrication),或通過高壓進行成形的高壓成形方法、 流體靜壓法等。并且，如上操作得到的壓粉磁芯，為了消除應力使磁特性提高，優選在400°C以上， 更優選為600 1000°C的溫度范圍內實施退火。退火時間從效果以及經濟性的觀點出發， 優選5 300分鐘，更優選為10 120分鐘左右。[實施例](實施例1)使用市售的球狀鐵粉(平均粒徑lOOym)作為鐵粉。球狀鐵粉中的Si含量小于 0. 01質量％。在石英制的容器內攤開該鐵粉至層厚3 10mm，利用熱CVD法，將Si沉積 在鐵粉的表面。具體而言，在氬氣中700 1000°C下預熱5分鐘后，以INL/min/kg的流量 流通SiCl4氣體1 30分鐘，將Si沉積在鐵粉的表面。氧化處理在Si沉積中或Si沉積 后實施。處理溫度和時間及氧分壓如表1設定。對如此得到的鐵粉表面的氧化膜進行XPS分析，將對被膜中的Si/Fe比、Si02/ Fe2Si04比進行研究的結果一并記載于表1。并且，氧化膜的厚度在0. 3 1. 0 y m的范圍 內。并且，在XPS的測定中，使用KRAT0S社制的AVIS-HS ，使用A1K a單色儀 (monocrometer)測定Si2p和Fe2p的能譜之后，利用KRAT0S社制的軟件Vision2 的相對 響應因子法(relative response factor method)，算出原子濃度。接著，利用以下的方法對附著于氧化膜的鐵粉包覆有機硅樹脂。使用東麗道康寧 公司(Dow Corning Toray Co.，Ltd)的“SR2400” 作為有機硅樹脂。使用噴霧器向使用轉 動流化床(tumbling fluidized bed)型包覆裝置在裝置容器內流動化的鐵粉噴霧包覆液， 使樹脂成分達到0. 5質量％，上述包覆液以使樹脂成分達到5質量％的方式通過二甲苯進 行調整。噴霧結束后，為了確實地進行干燥而維持流動狀態20分鐘。然后，在大氣中250°C 下進行60分鐘的加熱處理，對有機硅樹脂進行加熱使其固化，制成絕緣包覆鐵粉。所得的 絕緣層的厚度約為0.5 iim。
將如上得到的絕緣包覆鐵粉加壓成形，制成測定用的環狀壓粉磁芯(外徑38mm、 內徑25mm、高6. 2mm)。并且，在成形時，在模具內涂布硬脂酸鋅的5質量％醇溶液進行模 具潤滑，在成形壓力980MPa下成形。在氮氣氣氛氣中800°C下對所得的壓粉體進行60分 鐘退火，以消除應力。將對如此得到的壓粉磁芯的電阻率進行研究的結果一并示于表1。并且，電阻率利 用四端子法在通電電流1A下測定。電阻率越大，在壓粉磁芯內部晶界(原鐵粉表面)的 絕緣越好，因此實現低鐵損。表 1 *l)XPs定量結果表面原子比 *2)XPS Si2P峰分離結果*3)XPS Si2P峰分離結果*4)使用聚酰亞胺作為絕緣包覆由表1可知，表面包覆有根據本發明的氧化膜的鐵粉均可得到高的電阻率。與此 相對，在表面氧化膜的Si/Fe比小于0. 8的比較例中，只能得到小的電阻率。并且，作為參考，在圖1的下面示出了表1的No. 2的發明例2的氧化膜的利用XPS 的Si2p的峰分離，該例子呈現出表示Si02的存在比例高的理想的峰分離，因此如表1所示 可以得到高的電阻率值。產業上的利用可能性在本發明的壓粉磁芯用鐵粉中，由于在鐵粉表面形成以原子數比計滿足Si/ Fe ^ 0. 8的組成的Si類氧化膜，因此電阻率高，因而能夠得到低鐵損的壓粉磁芯。而且，根據本發明，通過使Si類氧化膜中的Si02的比例為60質量％以上，而且將 Si類氧化膜中的Si02相對于Fe2Si04的存在比例控制在7倍以上，能夠得到特性更為良好 的低鐵損壓粉磁芯。
而且，在本發明中，由于鐵粉的內部不需要含有大量的Si，因此鐵粉的壓縮特性優 良，其結果是壓粉磁芯的機械特性不受損害。
權利要求
一種壓粉磁芯用鐵粉，是表面具有氧化膜的鐵粉，該氧化膜由Si類氧化物形成，所述Si類氧化物中Si與Fe的比例以原子數比計滿足Si/Fe≥0.8。
2.根據權利要求1所述的壓粉磁芯用鐵粉，其中，所述Si類氧化物含有60質量％以上 的 Si02。
3.根據權利要求1或2所述的壓粉磁芯用鐵粉，其中，所述Si類氧化物中Si02相對于 Fe2Si04的存在比例為7倍以上。
全文摘要
本發明提供一種壓粉磁芯用鐵粉，通過在鐵粉表面包覆由Si和Fe的比例以原子數比計滿足Si/Fe≥0.8的Si類氧化物形成的氧化膜，得到不會導致機械強度降低，電阻率高且鐵損特性優良的壓粉磁芯。
文檔編號H01F1/33GK101855681SQ20088011555
公開日2010年10月6日 申請日期2008年12月11日 優先權日2007年12月14日
發明者中村尚道, 保科榮介, 岡本大祐, 大石雄介, 山口登士也, 平谷多津彥, 服部毅, 槙石規子, 河野貴史 申請人:杰富意鋼鐵株式會社;豐田自動車株式會社