壓粉磁芯用鐵粉以及壓粉磁芯用絕緣包覆鐵粉的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可以得到磁特性優(yōu)良的壓粉磁芯的壓粉磁芯用鐵粉和壓粉磁芯用絕 緣包覆鐵粉。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于電動機、變壓器等中使用的磁芯，要求磁通密度高、鐵損低等特性。以往，對于 這樣的磁芯，一直使用將電磁鋼板層疊而成的磁芯，但近年來，作為電動機用磁芯材料，壓 粉磁芯受到關(guān)注。
[0003] 壓粉磁芯的最大特征是能夠形成三維的磁路。對于電磁鋼板而言，由于通過層疊 而成型為磁芯，因此形狀的自由度有限。然而，如果是壓粉磁芯，由于通過對絕緣包覆的軟 磁性粒子進行加壓而成型，因此只要有模具，就可以得到超過電磁鋼板的形狀自由度。
[0004] 此外，與鋼板的層疊相比，加壓成型的工序短并且成本低廉，因此，再加上作為基 質(zhì)的粉末低廉，發(fā)揮出優(yōu)良的性能價格比。此外，對于電磁鋼板而言，使鋼板表面絕緣后進 行層疊，因此在鋼板表面方向和表面垂直方向上的磁特性不同，具有表面垂直方向的磁特 性差這樣的缺點，但是對于壓粉磁芯而言，粒子一個一個被絕緣包覆層包覆，因此磁特性在 所有方向上都是均勻的，適合用于三維的磁路。
[0005] 由此，壓粉磁芯在設(shè)計三維磁路方面是不可或缺的原材料，并且性能價格比優(yōu)良， 因此近年來從電動機的小型化、無稀土化、低成本化等觀點出發(fā)，正積極地利用壓粉磁芯進 行具有三維磁路的電動機的研究開發(fā)。
[0006] 在通過這種粉末冶金技術(shù)來制造高性能的磁性部件時，要求成型后優(yōu)良的鐵損特 性（低磁滯損耗和低渦流損耗），而該鐵損特性受到殘留在磁芯材料中的應(yīng)變、雜質(zhì)、結(jié)晶 粒徑等影響。特別而言，已知雜質(zhì)中氧是對鐵損產(chǎn)生較大影響的元素之一，而由于鐵粉與鋼 板相比氧量更高，因此優(yōu)選盡可能地減少氧量。
[0007] 基于上述背景，專利文獻1、專利文獻2和專利文獻3中公開了通過將鐵粉中的氧 量減少至小于0. 05重量％來降低成型后的磁芯材料的鐵損的技術(shù)。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0009] 專利文獻
[0010] 專利文獻1 :日本特開2010 - 209469號公報
[0011] 專利文獻2 :日本專利第4880462號公報
[0012] 專利文獻3 :日本特開2005 - 213621號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0013] 發(fā)明所要解決的問題
[0014] 然而，即使如專利文獻1、專利文獻2和專利文獻3中所述進行鐵粉中氧的降低，作 為電動機用磁芯使用的鐵損的減少幅度還是不充分。
[0015] 本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)狀而開發(fā)的，其目的在于提供一種用于制造鐵損低的壓粉磁 芯的壓粉磁芯用鐵粉以及壓粉磁芯用絕緣包覆鐵粉。
[0016] 用于解決問題的方法
[0017] 發(fā)明人們對于降低壓粉磁芯的鐵損反復(fù)進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了以下事實。
[0018] 艮P，
[0019] (I)氧量的增加而導(dǎo)致鐵損增加的原因在于氧以夾雜物的形式存在于晶粒內(nèi)，如 果晶粒內(nèi)的夾雜物被充分減少，則即使含有較多氧，也可以得到鐵損低的壓粉磁芯；
[0020] (II)在夾雜物被充分減少的鐵粉的情況下，與氧量低的情況相比，含有一定量氧 的鐵粉反而為低鐵損。
[0021] 本發(fā)明是基于上述見解而得到的。
[0022] SP，本發(fā)明的主旨構(gòu)成如下所述。
[0023] 1. -種壓粉磁芯用鐵粉，其是以通過霧化法得到的鐵為主成分的粉末，該粉末中 的氧量為0. 05質(zhì)量％以上且0. 20質(zhì)量％以下，并且在該粉末的斷面中，夾雜物在母相面積 中所占的面積百分率為0. 4%以下。
[0024] 2. -種壓粉磁芯用絕緣包覆鐵粉，其為進一步對上述1所述的壓粉磁芯用鐵粉施 加絕緣包覆層而形成。
[0025] 3.根據(jù)上述2所述的壓粉磁芯用絕緣包覆鐵粉，其中，以相對于所述壓粉磁芯用 鐵粉的添加率計，所述絕緣包覆層至少為〇. 1質(zhì)量％以上。
[0026] 4.根據(jù)上述2或3所述的壓粉磁芯用絕緣包覆鐵粉，其中，所述絕緣包覆層為硅樹 脂。
[0027] 發(fā)明效果
[0028] 根據(jù)本發(fā)明，通過調(diào)整鐵粉粒內(nèi)的夾雜物和鐵粉的氧含量，可以得到用于制造鐵 損低的壓粉磁芯的壓粉磁芯用鐵粉以及壓粉磁芯用絕緣包覆鐵粉。
【具體實施方式】
[0029] 以下，具體地說明本發(fā)明。需要說明的是，在本發(fā)明中，使用以鐵為主成分的粉末， 本發(fā)明中所謂的以鐵為主成分的粉末是指在粉體中含有50質(zhì)量％以上的鐵。此外，其他成 分可以為在以往公知的壓粉磁芯用鐵粉中使用的成分組成和比率。
[0030] 在此，鐵損大致分為磁滯損耗和渦流損耗這兩種。
[0031] 其中，磁滯損耗是在對磁芯進行磁化時，因磁芯中存在阻礙磁化的因素而產(chǎn)生的 損耗。磁化是由磁疇壁在磁芯組織內(nèi)移動而產(chǎn)生的，這時，如果在組織內(nèi)存在微細的非磁性 粒子，則磁疇壁被非磁性粒子捕捉，為了從其中脫離需要額外的能量。結(jié)果，磁滯損耗變大。 例如，由于氧化物粒子基本上為非磁性，因此基于上述原因而成為了磁滯損耗增加的主要 因素。
[0032] 此外，如果在粉末內(nèi)存在氧化物粒子這樣的夾雜物，則再結(jié)晶時成為釘扎位點，抑 制了晶粒生長，因此不優(yōu)選，而且夾雜物本身成為再結(jié)晶晶粒的成核位點，使得成型、去應(yīng) 力退火后的晶粒微細化。因此，如上所述，夾雜物本身也成為磁滯損耗增加的主要因素。
[0033] 因此，發(fā)明人們對夾雜物和磁滯損耗的關(guān)系進行了深入研究，結(jié)果明確了當(dāng)夾雜 物的面積百分率為粉末母相面積的0. 4%以下、優(yōu)選0. 2%以下時，能夠充分降低壓粉磁芯 的磁滯損耗。
[0034] 需要說明的是，下限沒有特別限定，也可以為0%。此外，粉末母相面積是指在觀察 某粉末的斷面時，從該粉末的晶界所包圍的面積中減去該粉末的晶界內(nèi)空孔部的面積所得 的值。
[0035] -般而言，作為鐵粉中含有的夾雜物，可以認為是含有Mg、Al、Si、Ca、Mn、Cr、Ti和 Fe等中的1種或2種以上的氧化物。另外，在本發(fā)明中，可以通過以下方法求出夾雜物的面 積百分率。
[0036] 首先，將作為被測定物的鐵粉混合到熱塑性樹脂粉末中而制成混合粉末。接著，將 該混合粉末填充到適當(dāng)?shù)哪＞咧?，進行加熱使樹脂熔融，然后冷卻固化，制成含鐵粉的樹脂 固態(tài)物。以適當(dāng)?shù)臄嗝媲袛嘣摵F粉的樹脂固態(tài)物，研磨切斷的面并進行腐蝕，然后使用掃 描電子顯微鏡（倍率：1k~5k倍），以背散射電子像對鐵粉粒子的斷面組織進行觀察和拍 照。由于在得到的圖像中，夾雜物呈現(xiàn)出較黑的襯度，因此通過對圖像實施圖像處理，可以 求出夾雜物的面積百分率。另外，本發(fā)明中，在至少5個視野以上進行測定，求出這些觀察 視野的夾雜物的面積百分率，使用其平均值。
[0037] 作為鐵損的另一個因素的渦流損耗，是受到粒子間的絕緣性的影響的損耗。因此， 如果粒子間的絕緣不充分，則渦流損耗大幅增加。
[0038] 發(fā)明人們對粒子間的絕緣性進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果鐵粉中的氧量小于0. 05 質(zhì)量％，則在施加絕緣包覆層、成型、并進一步進行去應(yīng)力退火后，無法保持粒子間的絕緣 性，渦流損耗反而增加。
[0039] 該現(xiàn)象的詳細機理尚不明確，其原因可以認為是由于鐵粉中的氧以包覆鐵粉表面 的薄氧化鐵的狀態(tài)存在，因此如果鐵粉中的氧量未以一定程度存在，則無法由氧化鐵和絕 緣包覆層構(gòu)成的雙重絕緣層提高粒子間的絕緣性。因此，必須含有〇. 05質(zhì)量％以上的氧。 氧優(yōu)選為〇. 08質(zhì)量％以上。
[0040] 另一方面，如果鐵粉含有過量的氧，則鐵粉表面的氧化鐵變得過厚，會因為成型時 連同絕緣包覆層一起剝離而導(dǎo)致渦流損耗增加，并且由于還會在鐵粉粒內(nèi)生成非磁性的氧 化鐵粒子，因此磁滯損耗有可能會增加。因此，優(yōu)選氧含量最大為0.20質(zhì)量％左右。氧含 量更優(yōu)選為小于0.15質(zhì)量％。
[0041] 接著，記載用于得到本發(fā)明產(chǎn)品的代表性的制造方法。當(dāng)然，也可以通過后述方法 以外的方法得到本發(fā)明產(chǎn)品。
[0042] 本發(fā)明中使用的以鐵為主成分的粉末，使用霧化法制造。其原因在于，通過氧化物 還原法、電解析出法得到的粉末，表觀密度低，即使夾雜物的面積百分率、氧量滿足本發(fā)明 的條件，由于在成型時會產(chǎn)生較大的塑性變形，因此絕緣包覆層剝離，渦流損耗大幅增加。
[0043] 另一方面，如果采用霧化法，則氣體、水、氣體+水、離心法等種類均可，考慮到實 用方面，則優(yōu)選使用低廉的水霧化法，或雖然比水霧化法昂貴但能夠進行比較大量生產(chǎn)的 氣體霧化法。以下，對于使用水霧化法作為代表例的制造方法進行說明。
[0044] 進行霧化的鋼水的組成，只要以鐵為主成分即可。然而，由于霧化時存在有生成大 量氧化物系夾雜物的可能性，因此較好的是易氧化性金屬元素（Al、Si、Mn和Cr等）的量較 少，并且分別優(yōu)選為Al彡0. 01質(zhì)量％、Si彡0. 07質(zhì)量％、Mn彡0. 1質(zhì)量％以及Cr彡0. 05 質(zhì)量％。當(dāng)然，除此以外的易氧化性金屬元素也優(yōu)選盡可能地減少。其原因在于，如果添加 多于上述范圍的易氧化性元素，則夾雜物面積率增加，容易超過0. 4%，并且在之后工序中 極難使夾雜物面積率達到0. 4%以下。
[0045] 接著，對霧化后的粉末實施脫碳、還原退火。還原退火優(yōu)選為在含有氫的還原性氣 氛中的高負荷處理，例如，優(yōu)選的是在含有氫的還原性氣氛中實施1階段或多階段以下條 件的熱處理：在900°C以上且低于1200°C、優(yōu)選1000°C以上且低于1100°C的溫度下，使保持 時間為1~7h、優(yōu)選為2~5h，使含有氫的還原性氣氛氣體的導(dǎo)入量相對于鐵粉Ikg為3L/ 分鐘以上、優(yōu)選為4L/分鐘以上。由此，氫浸透至粉末內(nèi)部，粉末內(nèi)部的夾雜物被還原，因此 可以降低夾雜物面積百分率。此外，不僅是粉