專利名稱：壓粉磁芯用金屬粉末及壓粉磁芯的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為電動機或變壓器的磁芯的原材料合適的壓粉磁芯
(dust core)用金屬粉末(metal powder)的制造方法。此外，本發(fā)明涉及使 用該金屬粉末的壓粉磁芯的制造方法。
背景技術(shù)：
作為電動機或變壓器的磁芯材料，使用在小的磁場下易磁化的所謂 的軟磁性材料。對于該軟磁性材料，除了要求高的居里溫度之外，還要 求矯頑力小、磁導(dǎo)率高、飽和磁通密度大、低損耗(lowcoreloss)等很多特性。
滿足這些要求的軟磁性材料大致分為金屬軟磁性材料和氧化物軟 磁性材料，根據(jù)頻率、電功率分別使用。
以MnZn鐵氧體為代表的氧化物軟磁性材料由于電阻高，具有即使 在超過100kHz的高頻區(qū)域損耗也小的優(yōu)點，而另一方面存在飽和磁通 密度小的缺點。
另一方面，金屬軟磁性材料由于電阻低，使用頻率限于低頻區(qū)域。 但是，由于飽和磁通密度高，具有可以進行大的能量的轉(zhuǎn)換或傳遞的優(yōu) 點。例如，作為金屬軟磁性材料的代表例的電磁鋼板被用作商用電源頻 率(commercial power frequency)的大電功率用變壓器或電動機的》茲芯。
金屬軟磁性材料的使用限于低頻區(qū)域是由于，隨著頻率升高，在磁 性體內(nèi)部產(chǎn)生渦電流，其成為損耗而導(dǎo)致能量效率降低。為了抑制該渦 電流損耗(eddy-current loss),采用層壓幾層表面進行了絕緣^皮覆 (insulation coating)的電；茲鋼^L作為》茲芯的方法。特別是用于在更高的頻 率下驅(qū)動的變壓器或電動機的磁芯時，通過減薄電磁鋼板的板厚來抑制 渦電流的產(chǎn)生。
然而，通過減薄板厚，雖然層壓板間的電阻得到改善，但是由于板 面內(nèi)的高電阻化有限，難以抑制高于10kHz的頻率下的渦電流損耗。
作為對上述問題的應(yīng)對方案，提出了使用壓粉磁芯的技術(shù)方案。壓 粉磁芯指的是向含有純鐵或軟磁性合金的磁性粉末(magnetic powder)中根據(jù)需要適當(dāng)添加樹脂等粘合劑，將得到的粉末填充到模具中進行加壓
成型(compaction),由此成型為所需形狀的磁芯。其中，通過對磁性4分 末粒子的表面實施絕緣處理，與電磁鋼板材料不同，可以形成三維的絕 緣，電阻得到提高，因此在更高頻區(qū)域中也可以抑制渦電流損耗。
但是，加壓成型后的成型密度(green density)低時，飽和磁通密度低、 此外機械強度也低，因此與電磁鋼板相比則變得不利。因此，將壓粉f茲 芯作為電動機或變壓器的芯時，如何提高壓縮性、提高成型體的密度是 重要的。但是，若欲提高成型負荷來得到高的成型密度，則因塑性變形 所導(dǎo)致的變形增大。若使磁性體塑性變形，則作為渦電流損耗以外的損 耗的主要原因的磁滯損耗(hysteresis loss)增大，結(jié)果導(dǎo)致?lián)p耗的增大。
作為該問題的解決對策，考慮為了消除應(yīng)力而將成型體加熱至600 。C以上的溫度，通過該熱處理可以減小塑性變形。熱處理的溫度越高則 變形越小，可以減小磁滯損耗。但是，相反地若熱處理溫度高，則被覆 在粒子表面上的絕緣材料分解或形成結(jié)晶而粒子間的電阻降低，導(dǎo)致渦 電流損耗的增大。
而且，若絕緣材料與粒子的粘合性差，則有時成型時絕緣被膜剝離， 該階段下產(chǎn)生電阻的降低。
因此，被覆在粒子表面上的絕緣材料要求與粒子的粘合性良好、且 耐熱性高的絕緣材料。作為滿足這種要求的絕緣材料，提出了硅氧烷樹 脂、磷酸鹽等。
此外，日本特開2003-142310號公報(專利文獻l)中報告了，若在軟 磁性金屬粉末的至少表面附近存在某種程度以上的量的Si(具體地說， 從表面直至0.2|Lim的平均Si濃度至少為0.5wt%)，則絕緣處理效果提 高，從而得到具有高的電阻的壓粉磁芯。而且，專利文獻1中，作為制 造在表面附近存在高濃度的Si的軟磁性金屬粉末的方法，提出了對含有 Si的合金組成的熔液例如進行水噴霧(water atomizing)。
然而迄今已知通過氣相反應(yīng)法(gas-phase reaction method)對Si含量 少的鋼板進行滲硅，制造高硅鋼板的方法。作為該方法，例如存在使壓 延容易的Si含量小于4質(zhì)量％的鋼板在1000- 1200。C左右的溫度下與 SiCU反應(yīng)，通過SiCl4+5Fe —Fe3Si+2FeCl2的反應(yīng)在鋼板表面上形成 Fe3Si，進而在板厚方向上擴散Si，由此得到^F茲特性和^茲致伸縮特性 (magnetostriction properties)優(yōu)異的高Si濃度的鋼板的方法等。此外，使用這種氣相反應(yīng)，日本特開平11-87123號公報(專利文獻 2)中提出了制造對于超過10kHz的高頻、初磁導(dǎo)率的降低少的電源用變 壓器磁芯中使用的軟磁性粉末。該軟磁性粉末為從粉末的表面到其粒徑 的十分之一的厚度的表層部分的Si濃度比從粉末的中心向著表面的粒 徑的十分之一范圍的中心部分的Si濃度相比，具有高的Si濃度分布的 Fe基合金粉末，通過形成這種濃度分布，在表層部分提高電阻和磁導(dǎo)率 高，在中心部Si濃度低而飽和磁通密度高，從而可以提高磁導(dǎo)率。其中， 上述表層部分的優(yōu)選的Si濃度為2 ~ 25wt%。而且，專利文獻2中，作 為賦予粉末的表層部分的Si濃度比中心部分的Si濃度高的Si濃度梯度 的方法，提出了在600 ~ 900°C下對純鐵粉(pure iron powder)在含有SiCl4 的混合氣體中進行滲硅處理的方案。
而且，作為本發(fā)明在日本國內(nèi)申請時未公開的技術(shù)，有發(fā)明人提出
的
金屬粉末表面的Si濃度的控制技術(shù)(日本特愿2006-52490號和曰本 特愿2006-52509號下述)。

發(fā)明內(nèi)容
如上述專利文獻1所述，在合金熔液中含有Si時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在表面 附近存在高濃度的Si的情況，精密控制其分布是極其困難的。
方法，更精密地控制表面附近的Si濃度。
已知如Fe-Si合金或鐵硅鋁磁合金(Fe-Si-Al合金)(sendust alloy)等在 合金組成上含有大量的Si時，合金本身變硬。同樣地已知Si含量為6.5 質(zhì)量％的電磁鋼板(electrical steel sheet)的》茲特性(magnetic properties)優(yōu) 異，但是由于鋼板硬而難以壓延。因此，作為制造高硅的電磁鋼板的方 法，采用將低Si濃度的鋼板壓延后通過氣相反應(yīng)實施滲硅處理的方法。
該電磁鋼板使用的氣相反應(yīng)法例如適用于含有2質(zhì)量％的Si的金屬 粉末時，粉末由于與鋼板相比比表面積大、反應(yīng)性高，因此Si在較短的 時間內(nèi)浸滲、擴散到粉末內(nèi)部。
但是由于含有高濃度的Si的粉末的壓縮性差，使用該粉末難以得到 高密度的壓粉體。此外，為了提高壓粉體的密度，必需高的成型壓力， 結(jié)果變形顯著。但是認為通過提高表面層的Si濃度、降低中心部的Si濃度，可以 稍微改善粉末的壓縮性。
因此，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過氣相反應(yīng)法在粒子表面上蒸鍍(vapor deposition)Si時，選擇蒸鍍在粒子表面上的Si擴散到鐵粉內(nèi)部的擴散速 度慢的溫度范圍，或選擇具有擴散速度慢的組織的鐵粉，由此可以在反 應(yīng)時間內(nèi)控制深度方向的Si濃度，在表面上形成高Si濃度層(Si濃化 層)(以上述日本特愿2006-524卯號和日本特愿2006-52509號在日本申 請)。
但是，通過上述發(fā)明實施處理時，根據(jù)條件，有時高Si濃度層過厚、 得不到高的成型體密度，或為了得到高的成型密度而必須在更高的壓力 下進行成型。
本發(fā)明是為了有利地解決上述問題而提出的。即，其目的在于，同 時提供通過使Si僅在粉末的最表層部均勻地濃化，
-不導(dǎo)致粉末的壓縮性變差地提高成型密度，
-從而維持高的飽和磁通密度，
-且提高絕緣材料與粒子間的粘合、提高電絕緣性 的壓粉磁芯用金屬粉末的有利制造方法，以該壓粉磁芯用金屬粉末作為 原材料的壓粉磁芯的制造方法。
如上所述，若在金屬粉末的表層部存在適量的Si,則絕緣處理效果 提高，從而得到具有高的電阻的壓粉磁芯，但是如專利文獻l所述，若 粉末整體為Fe-Si合金，則難以得到高的壓粉磁芯密度和高的磁通密度。 此外，即使是使Si僅在粉末的表層部濃化的情況下，若其厚度過厚，則 粉末的壓縮性降低，也難以得到高的壓粉磁芯密度和高的磁通密度。
因此，發(fā)明人進行了進一步研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過對形成在鐵粉粒 子的表層部的Si濃化層的厚度進行嚴格的控制，可以同時滿足良好的壓 縮性和高的電絕緣性兩者。
本發(fā)明是基于上述發(fā)現(xiàn)提出的。 即，本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)如下所述。
1.壓粉磁芯用金屬粉末的制造方法，其特征在于，將直徑為10 ~ 500jLim、純度為99質(zhì)量％以上的純鐵粉加熱到600°C ~ 140(TC的溫度范 圍，在該溫度范圍中通過氣相反應(yīng)形成從該純鐵粉的表面起厚度為5|u m以下的Si濃化層，并且從表面起到5jum以下的深度范圍中的平均Si濃度為0.05質(zhì)量％ ~ 2質(zhì)量％。
其中，作為起始材料的純鐵粉特別優(yōu)選平均粒徑為100jum以上。
2. 壓粉磁芯用金屬粉末的制造方法，其特征在于，在上述l中，對 上述Si濃化層的表面進一步實施絕緣被覆處理。
3. 壓粉磁芯的制造方法，其特征在于，將通過上述2記載的方法制 造的絕緣被覆處理后的壓粉磁芯用金屬粉末加壓成型。
4. 壓粉磁芯的制造方法，其特征在于，將通過上述2記載的方法制 造的絕緣被覆處理后的壓粉磁芯用金屬粉末加壓成型，然后在600°C ~ 1000 °C的溫度范圍中實施熱處理。
具體實施例方式
以下對本發(fā)明進行具體的說明。
本發(fā)明中，作為原材料，使用Fe濃度為99質(zhì)量％以上的純鐵粉。 上述純鐵粉由于純度高、為軟質(zhì)，因此具有高的飽和磁通密度和優(yōu)異的 壓縮性。組成的剩余部分為雜質(zhì)，例如含有小于0.05質(zhì)量％的Si等。
本發(fā)明包括將上述純鐵粉加熱到規(guī)定的溫度范圍后，通過氣相反應(yīng) 使Si僅在鐵粉的表層部合適地濃化，然后對粒子表面實施絕緣被覆處理 后，通過加壓成型加工成所需的磁芯的形狀，進而優(yōu)選進行用于消除應(yīng) 力的熱處理等一 系列步驟。
(atomization)、 氧4b物還原、';去、才幾才成并分石爭;^(mechanical crushing)、 4t學(xué) 反應(yīng)法(chemical decomposition)和電解沖斤出法(electrolytic precipitation)。
霧化法為通過將熔融金屬粉碎成小滴(droplet)來制造粉末的方法， 有使用氣體作為粉碎熔融金屬流的流體的氣體霧化法、和使用高壓水的 水霧化法。此外，還有通過離心力使熔融金屬以飛沫(airborne dr叩let) 狀飛散得到粉末的離心霧化法。利用氣體霧化法或離心霧化法時，通過 熔液的冷卻控制得到大致球狀的粉末，而利用水霧化法時，粒形狀形成 稍微不規(guī)則形狀。
將氧化鐵還原得到純鐵粉的方法中，形狀或粒徑由還原處理前的氧 化鐵粉末的形狀或粒徑大致決定。若以工業(yè)上批量生產(chǎn)的氧化鐵為例， 則通過對在鋼板的酸洗處理中產(chǎn)生的氯化鐵進行噴霧焙燒(spray roasting)或流化焙燒(fluidized roasting),得到氧化鐵。前者為細的不規(guī)則形狀，后者得到較大的球狀的氧化鐵粒子。將這些氧化鐵還原得到的粉 末也形成同樣的形狀。
制造壓粉磁芯的步驟包括絕緣被膜處理以及加壓成型。為了在粉末 的粒子表面形成絕緣;故膜，優(yōu)選盡可能使粒子的凹凸少、光滑。此外，
若考慮到將粉末填充到模具中進行加壓成型，優(yōu)選為流動性(flowability) 高且填充性(diefilling property)良好的粒子形狀。
為了應(yīng)對這些要求，粒子為球狀是有利的。但是，對于成型后的成 型體的機械強度，由于與球狀相比、有時優(yōu)選稍微變形的形狀，因此根 據(jù)目的適當(dāng)選擇粒子形狀。此外，即使為具有凹凸的粒子形狀，若對粒 子表面實施平滑化(smoothing)處理則也可以提高流動性或填充性。例 如，可以利用在氣體氣流中使粒子之間由對置的位置碰撞、對表面進行 機械改性的方法等。
進一步地，如還原鐵粉中經(jīng)常所見，形狀不規(guī)則且粒子內(nèi)存在孔隙 (pore)的情況下，有可能成為提高成型體的密度方面的主要不利因素， 結(jié)果壓粉磁芯的飽和磁通密度值不能形成期待程度的高的值，此外有可 能增加磁滯損耗。這種情況下，用球磨機或噴射磨等進行機械破碎 (crushing),由此粉碎至不含有孔隙的粒子的同時，可以使表面的凹凸平 滑化。此外，利用使孔隙多的粉末通過惰性氣體氣流而浮游在管內(nèi)，用 纏繞在管周圍的感應(yīng)線圈進行加熱的漂浮熔解法將各粒子熔融，由此可 以形成內(nèi)部無孔隙的近似球狀的粉末粒子。
根據(jù)粉末的制造方法不同，粉末的粒徑以及粒度分布不同。
形成電動機或變壓器等的磁芯時，加壓成型步驟是不可欠缺的。因 此，若考慮到成型時對模具的填充性以及壓縮性，有必要使粒徑(直徑， 以下相同)為10~ 500pm。即，含有粒徑為10jum以下的獨W分時，流動 性降低，因此對才莫具的填充性降低。另一方面，利用超過500jum的粉 末時，即使提高成型壓力也難以得到高的成型密度，此外機械強度也降 低。
上述任意一種制造方法都可以將粉末的粒度分布控制在某范圍內(nèi)。 例如，水霧化法中，通過改變?nèi)垡簻囟群退畤婌F壓力，可以得到10 ~ 1000
nm粒徑范圍的粉末。還原法中，雖然依賴于原本的氧化鐵的粒徑，但 是這種情況下通過氧化鐵的制造方法也可以將粒徑控制在1 ~ 1000 ium 范圍。因此，可以選擇粉末的制造方法且控制制造條件以形成適于所需的壓粉磁芯的粒徑。
接著，對使Si在粉末粒子的表層部濃化的方法進行說明。 如上所述，已知通過氣相反應(yīng)法對Si含量少的鋼板實施滲硅處理， 制造高硅鋼板的方法。該方法為例如使易壓延的Si含量小于4質(zhì)量％ 的鋼板與SiCU在1000- 1200。C的溫度下進行反應(yīng)，利用下式的反應(yīng)，
SiCl4+5Fe — Fe3Si+2FeCl2
在鋼板表面上形成Fe3Si,進而使Si在鋼板的板厚方向上擴散，由此得 到磁特性和磁致伸縮特性優(yōu)異的高Si濃度的鋼板的方法。
但是，例如對含有2質(zhì)量％的Si的金屬粉末適用該滲硅法時，粉末 與鋼板相比，比表面積大而反應(yīng)性高，因此在4支短的時間內(nèi)Si浸滲、擴 散到粉末內(nèi)部，不能使Si僅在粉末的表層部濃化。若從粉末表層到某種 程度的深度的Si濃度提高，則與高Si濃度的鋼板的壓延變得困難同樣 地，粒子變硬，在以下步驟的成型步驟中壓縮性降低而成型體密度降低， 結(jié)果不能得到高的飽和磁通密度。
對此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，即使先通過氣相反應(yīng)法使Si蒸鍍在粒子表面 上，通過選擇蒸鍍在粒子表面上的Si擴散到鐵粉內(nèi)部的擴散速度慢的溫 度范圍、或選擇具有擴散速度慢的組織的鐵粉，可以通過反應(yīng)時間控制 深度方向的Si濃度。但是，即使使用這些方法，也存在Si濃化層變厚 而得不到高的成型體密度，或為了得到高的成型密度而有必要在更高的 壓力下進行成型的情況。
因此，本發(fā)明人為了解決該問題而進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通 過氣相反應(yīng)將Si蒸鍍在鐵粉表面時，通過恰當(dāng)?shù)乜刂品磻?yīng)溫度進而反應(yīng) 時間，恰當(dāng)?shù)乜刂芐i向粉末內(nèi)部的浸滲、擴散，控制形成在鐵粉粒子表 層部的Si濃化層的厚度，由此可以同時滿足良好地保持粉末的壓縮特性 且具有高的電絕緣性的兩種特性。
以下，以使用SiCU氣體的情況為例，對優(yōu)選的Si濃化方法進行說 明。而且不言而喻地，Si濃化法不限于此。
在石英制的容器內(nèi)，載積(charge)粒徑為10 ~ 500 n m的純鐵粉使厚 度為5mm以下、更優(yōu)選為3mm以下，在非氧化性氛圍氣中加熱到600 °C~ 1400°C,更優(yōu)選加熱到700°C ~ 1200°C。然后，將SiCU氣體、或非氧化性氣體與SiCl4氣體的混合氣體相對于容器內(nèi)的粉末重量，導(dǎo)入 0.01 ~ 200Nl/min/kg( Nl:標準狀態(tài)下的體積(升)、換算成SiCl4氣體量)。 更優(yōu)選為0.1Nl/min/kg以上。此外，優(yōu)選為80Nl/min/kg以下。進一步 優(yōu)選為50Nl/min/kg以下。對非氧化性氣體不特別限定，但是氬氣、氮
氣等易得到以及易管理，所以優(yōu)選。
其中，若反應(yīng)溫度低于600°C,則反應(yīng)中或反應(yīng)后殘留的氯化鐵或
煤等雜質(zhì)大量附著在粉末表面上，有可能對以下的步驟帶來不良影響。 優(yōu)選為70(TC以上。
此外，隨著反應(yīng)溫度升高、反應(yīng)速度加快，但是若達到卯(TC以上， 則純鐵由鐵氧體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，Si的擴散速度變得特別慢。因此， 直至該相存在的溫度范圍，即，1400°C,擴散速度慢，因此可以更有效 地僅在粉末表層部形成Si濃化層。優(yōu)選為1200。C以下。
若為這些溫度范圍，則通過選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時間，可以使Si濃化層 止于從表面到5ium的范圍。反應(yīng)時間在反應(yīng)溫度高時有必要縮短，大 概為1~5分鐘。但是，在設(shè)定低的反應(yīng)速度(600- 80(TC左右)的情況等 下，可以實施10分鐘、或更長的長時間處理(60分鐘以下左右)，切實 地形成濃化層
如此可以使Si僅在從粉末的表面到5 ju m的深度范圍的表層部穩(wěn)定 地濃化。
要說明的是，若鐵粉的載積厚度超過5mm,則在堆積的狀態(tài)下SiCl4 氣體不能作用于全部粉末，而不能在全部粉末表面上均勻地蒸鍍Si。因 此，大量地進行處理時，優(yōu)選通過將粉末攪拌的同時進行處理的方法等， 抑制不均一的氣相反應(yīng)。作為攪拌粉末的方法，可以舉出使加入有粉末 的容器本身旋轉(zhuǎn)的方法，使用攪拌翼進行攪拌的方法，向容器內(nèi)導(dǎo)入非 氧化性氣體與SiCl4氣體的混合氣體使粉末流動的方法等。
作為SiCU以外適于通過氣相反應(yīng)形成Si濃化層的Si源，可以舉出 SiCU的Cl的一部分或全部被其它的元素或基團置換的物質(zhì)，具體地說， 優(yōu)選甲基三氯硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、硅烷等。從經(jīng)濟性方面以及 不易殘留雜質(zhì)(煤)的特性考慮，作為硅介質(zhì)優(yōu)選為四氯化硅、或四氯化 硅的氯的一部分或全部^皮氫置換的硅介質(zhì)。此外不言而喻地，可以適用 于電磁鋼板的Si濃化處理的各種方法原則上也可以適用于鐵粉。
本發(fā)明中，形成在粉末的表層部的Si濃化層的厚度優(yōu)選為0.01 y m以上。這是由于若Si濃化層的厚度小于0.01 ium,則難以在工業(yè)上達成 本發(fā)明目的的下述程度的Si濃化(直至深度5 p m的Si濃度為0.05質(zhì)量 %以上)，即得到絕緣處理效果提高的程度的Si濃化。另一方面，形成 在粉末的表層部的Si濃化層的厚度必須為5ym以下。由此，在內(nèi)部大 致形成實施氣相反應(yīng)處理之前的成分。即，為純鐵，由此壓縮性優(yōu)異， 從而可以提高成型密度，實現(xiàn)高飽和磁通密度。若Si濃化層的厚度大于 5jum,則粉末粒子變硬，壓縮性降低而不能得到高的成型體密度，或為 了得到高的成型密度而有必要在更高的壓力下進行成型。
此外，對于該Si濃化層的Si濃度，從表面直至厚度5jum范圍的 平均Si濃度必須為0.05質(zhì)量％~2質(zhì)量％。這是由于，若小于0.05質(zhì)量 %則不能得到本發(fā)明目的的絕緣處理效果的提高，另一方面若超過2質(zhì) 量％則表層部變硬，產(chǎn)生與內(nèi)部的硬度差，成型時不能同樣地被壓縮， 成型密度降低。而且，在比Si濃化層更內(nèi)部、即比至少從表面直至5y m深度位置深的范圍，為實施氣相反應(yīng)處理之前的純鐵粉成分。
首先從流動性、填充性以及成型性方面考慮，對鐵粉的粒徑的限定 理由進行說明。本發(fā)明中，在從粉末表面到5ym的范圍存在Si濃化層， 在與該Si濃化層相比的內(nèi)部為純鐵，這是壓縮性優(yōu)異的粉末的主要條 件。其中，粉末的粒徑為10jum時，由于直至粉末的大致中心Si濃化， 粉末變硬。但是，存在更大粒徑的粉末時，成型時這些大粒徑的粉末的 壓縮性相對高，因此成型時可以提高作為整體的成型密度。因此，作為 供于壓縮成型的粉體的平均粒徑，特別優(yōu)選為100pm以上。但是，平 均粒徑為100jum以上時，由于從表面直至深度5ium區(qū)域的平均Si濃 度易超過2%而必須加以注意。優(yōu)選適當(dāng)實施預(yù)備實驗、或由已經(jīng)存在 的數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型等，對Si濃化層形成條件進行最優(yōu)化。
作為供于氣相反應(yīng)的鐵粉的制造方法，先前對還原氧化鐵的方法進 行了說明。該方法為將氧化鐵在還原氛圍氣中，例如在氫氣、CO氣體 中或含有它們的混合氣體中加熱的方法，但是也可以在還原反應(yīng)結(jié)束后 先將體系整體置換為惰性氛圍氣體，然后導(dǎo)入含有SiCU的氣體進行氣 相反應(yīng)。該方法由于可以不將加熱的爐的溫度降低至室溫來轉(zhuǎn)移到以下 的處理，在操作性方面、經(jīng)濟方面是有利的。
接著，對使Si在表層部濃化的粉末的絕緣被覆處理進行說明。而且， 自由適用下述以外的公知的絕緣被膜處理、下述限定范圍外的公知的條件。
將本發(fā)明的鐵粉適用于壓粉磁芯等磁性部件時，有必要通過對粉末
粒子實施絕緣被覆處理，形成層狀地覆蓋粒子表面的皮膜結(jié)構(gòu)(layer stmcture)的絕緣層，提高壓粉體的電阻、降低渦電流損耗來提高磁特性。 其中，作為絕緣被覆用的材料，若為即使在對粉末進行加壓成型成 型為所需的形狀后也可以保持絕緣性的材料即可，不特別限定。作為上 述材料，可以舉出例如Al、 Si、 Mg、 Ca、 Mn、 Zn、 Ni、 Fe、 Ti、 V、 Bi、 B、 Mo、 W、 Na、 K等的氧化物等。此外，也可以使用尖晶石型纟失 氧體等磁性氧化物，或以水玻璃為代表的非晶質(zhì)材料。進一步地，還可 以使用磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理皮膜(phosphate layer)或鉻酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處 理皮膜等。磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理皮膜中也可以含有硼酸、Mg。此外，作 為絕緣材料，還可以使用磷酸鋁、磷酸鋅、磷酸鉀和磷酸鐵等磷酸化合 物。此外，還可以使用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、硅氧烷樹脂、聚酰亞胺樹 脂等有機樹脂。
而且，為了提高絕緣材料對鐵粉粒子表面的附著力，或提高絕緣層 的均一性，可以向絕緣層或其原料中添加表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑。表 面活性劑或硅烷偶聯(lián)劑的添加量相對于絕緣層總量優(yōu)選為0.001 ~1質(zhì) 量％。
通過絕緣被覆處理形成的絕緣層的適當(dāng)?shù)暮穸纫蕾囉诜勰┑牧剑?但是其下限可以從絕緣效果方面考慮適當(dāng)選擇，上限可以從壓粉體的密 度(從高的磁通密度方面考慮需要充分的密度)考慮適當(dāng)選擇。通常優(yōu)選 為10nm~ 10000nm左右。
作為在鐵粉粒子表面形成絕緣層的方法，可以優(yōu)選適用迄今為止公 知的皮膜形成方法(涂布方法)中的任意一種。作為可以使用的涂布方法， 可以舉出流化床法(fluidized bed process)、浸漬法(dipping method)、噴霧 法(sprayingmethod)等。而且，在任意一種方法中，有必要在被覆步驟之 后或與被覆步驟同時進行對溶解或分散絕緣材料的溶劑進行干燥的步 驟。此外，為了使絕緣層與粉末粒子粘合、防止加壓成型時剝離，可以 在絕緣層與粉末粒子表面之間形成反應(yīng)層(reaction layer)。反應(yīng)層的形成 優(yōu)選通過實施化學(xué)轉(zhuǎn)化處理來實現(xiàn)。
然后，對加壓成型進行說明。而且，自由適用下述以外的公知的粉 末冶金技術(shù)、下述限定范圍外的公知的條件。說明書第11/14頁
對實施如上所述的絕緣纟皮覆處理、在粒子表面上形成有絕緣層的粉 末(絕緣被覆粉末)進行加壓成型，形成壓粉磁芯。而且，在加壓成型之
前，也可以根據(jù)需要向粉末中配合金屬皂、酰胺類蠟(amide-based wax) 等潤滑劑(lubricant)。潤滑劑的配合量相對于粉末100質(zhì)量份優(yōu)選為0.5 質(zhì)量份以下。這是由于若潤滑劑的配合量多則壓粉磁芯的密度降低。
作為加壓成型法，以往公知的方法均可以適用。可以舉出例如，使 用單軸加壓在常溫下加壓成型的才莫具成型方法(die compaction method), 加熱進4亍加壓成型的加熱成型方法(warm compaction method)，潤滑沖莫具 (die)進行加壓成型的模具潤滑方法(die lubrication method),在加熱下進 行的加熱模具潤滑方法，或用高壓進行成型的高壓成型方法、流體靜壓
法(靜水圧7"l/7法)等。
然后，對用于消除應(yīng)力的熱處理進4亍i兌明。而且，自由實施下述以 外的公知的消除應(yīng)力熱處理，自由適用下述限定范圍外的公知的條件。
通過上述加壓成型得到的壓粉磁芯用的壓粉體由于成型時施加應(yīng) 力，磁滯損耗增大。因此，為了消除應(yīng)力而表現(xiàn)出原本的磁特性，有必
要進行消除應(yīng)力熱處理。該處理溫度優(yōu)選為600°C ~ IOOO'C左右。若該 處理溫度過高，則雖然消除應(yīng)力效果增加、但是絕緣被覆結(jié)晶或分解， 因此喪失絕緣效果，結(jié)果電阻顯著降低。此外，熱處理時間長在消除應(yīng) 力方面是合適的，但是若過長則同樣地電阻顯著降低。因此，熱處理時 間從效果和經(jīng)濟性方面考慮，優(yōu)選為5 -300分鐘，更優(yōu)選為10~120 分鐘左右。不言而喻地，若熱處理溫度過低或熱處理時間過短則應(yīng)力的 除去不充分。
進一步地，也可以對先成型的壓粕、磁芯再次實施氣相反應(yīng)處理來提 高壓粉體內(nèi)部的Si濃度。該處理依賴于壓粉磁芯的尺寸、絕緣被覆材料 的耐熱溫度，但是通過在800°C ~ 100(TC的溫度下進行加熱處理，也可 以兼具消除應(yīng)力熱處理的功能。不言而喻地，自由適用已知的Si濃化技術(shù)。 (實施例1)
作為原材料粉末，準備表1所示的粒徑不同的霧化(atomized)純鐵粉 (Fe濃度99.8質(zhì)量％、剩余部分雜質(zhì)(Si: 0.01%))。粉末的平均粒徑、最小、最大粒徑分別為通過激光散射衍射式粒度分布測定裝置測定累積
粒度分布(accumulated particle size distribution),累積值為50%、 1%、 99% 的粒度。
實施下述氣相反應(yīng)處理將這些各粉末以載積厚度3mm填充到石 英容器內(nèi)，在氬氣中600 ~ 1420。C下加熱5分鐘后，以20Nl/min/kg的流 量流通氯化硅氣體1 ~ 10分鐘(僅No.14在75Nl/min/kg下流通30分鐘) 的同時保持規(guī)定的溫度，進而用氬氣置換后加熱處理3分鐘。
表1示出各粉末的加熱溫度、在SiCU氣體中的加熱時間。此外， 表1還示出對氣相反應(yīng)處理后的粉末的Si濃化層厚度以及從表面直至5 jum深度范圍的平均Si濃度進行調(diào)查得到的結(jié)果。其中，Si濃化層的 厚度用掃描型電子顯微鏡觀察粒子截面(拋光后)，利用通過濃化層與純 鐵部分的硬度差產(chǎn)生的差別的位置進行判定，用EPMA進行檢驗。此外， 濃化層的Si濃度沿著從粒子表面向中心的線段用EPMA進行定量分析， 在深度方向平均求得從表面直至5 ju m多的累積Si量。將任意5個粒子 的平均值作為代表值。
接著，在得到的粉末粒子表面上通過以下的方法^皮覆硅氧烷樹脂。 作為硅氧烷樹脂，使用東k夕、、々- — - >夕'、社(Dow Corning Toray Co., Ltd.)的"SR2400" (TM),準備按照樹脂成分為5質(zhì)量％的用二甲苯制備 的凈皮覆'液。3十用動《u床層#皮覆裝置(tumbling fluidization coating system)在裝置容器內(nèi)流動化的Si濃化粉末，使用噴霧器噴霧該^皮覆液， 使得樹脂成分為0.05質(zhì)量％。噴霧結(jié)束后，維持流動狀態(tài)20分鐘，由 此進行干燥。然后，在大氣中，25(TC下進行60分鐘的加熱處理，使硅 氧烷樹脂力。熱固化，形成4皮覆粉末(surface國insulated powder)。
然后，將得到的被覆粉末加壓成型制造環(huán)狀的壓粉磁芯(外徑 38mm、內(nèi)徑25mm、高6.2mm)(磁特性測定用)。而且，成型前在才莫 具的內(nèi)側(cè)涂布硬脂酸鋅的5質(zhì)量％醇懸浮液，進行沖莫具潤滑，以成型壓 力900MPa進4亍成型。
然后，對得到的壓粉體在氮氣氛圍氣體中實施80(TC、 60分鐘的熱 處理。
對如此得到的壓粉磁芯的壓粉密度、磁通密度和電阻率進行研究的 結(jié)果如表1所示。
對于壓粉密度，測定壓粉磁芯的尺寸和重量，通過計算來求得。此外，電阻率通過四端子法在通電電流1A下測定。 進一步地，對于^茲通密度，在壓粉^茲芯上以1次側(cè)(l次側(cè))100 轉(zhuǎn)、2次側(cè)(2次側(cè))20轉(zhuǎn)的條件纏繞導(dǎo)線，使用直流磁化特性測定裝 置(DC magnetometer)測定10kA/m磁化下的磁通密度(B艦)。
表1No.平均粒徑 (Mm)最小粒徑 (um)最大粒徑加熱溫度 CC)加熱時間 (SiCU 氣體中)Si濃化層的 厚度表面層*的 平均Si濃度 (質(zhì)量％)壓粉密度 (Mg/m3)磁通密度 B他(T)電阻率備注
115090300675101.81.07.491.5237發(fā)明例i
2220454508004.81.97.481.5178發(fā)明例2
330017548588012.21.87.521.5365發(fā)明例3
41101538070051.11.27.591.5126發(fā)明例4
51509030092070.30.67.501.5255發(fā)明例5
615090300■100.21.17.591.5126發(fā)明例6
715090300120080.31.37.501.5167發(fā)明例7
815090300138050.41.97.491,5081發(fā)明例8
9356085051.31.37.221.38123比較例l
10600450鵬85051.51,47.181.30108比較例2
1115090300鵬100.0080￡7.531.540'01比較例3
1215090300142050.67.391.40145比較例4
139012190700102.11.67.421.45230發(fā)明例9
1415090300700304.01.97.541.5280發(fā)明例io
從表面直至5 y m的深庋范圍
如表1所示，根據(jù)本發(fā)明進行氣相反應(yīng)處理得到的粉末都在表層部 形成適當(dāng)厚度且適當(dāng)濃度的Si濃化層。此外，使用上述粉末制造的壓粉 磁芯可以得到優(yōu)異的壓粉密度，此外，磁通密度和電阻也優(yōu)異。
產(chǎn)業(yè)實用性
根據(jù)本發(fā)明，可以得到絕緣處理性優(yōu)異且飽和磁通密度高的壓粉磁 芯用金屬粉末。
此外，通過將該壓粉磁芯用金屬粉末作為原材料進行加壓成型，可 以得到電阻高且成型密度高的壓粉磁芯。因此，通過利用上述壓粉磁芯， 可以得到具有優(yōu)異的磁特性的電動機和變壓器等。即，根據(jù)本發(fā)明，通過氣相反應(yīng)在粉末粒子表面上蒸鍍Si時，恰當(dāng) 地控制氣相反應(yīng)的處理條件，可以得到使適量的Si濃度僅在表層部濃化 的鐵粉。進一步地，對該鐵粉實施絕緣被覆處理后，進行加壓成型、退 火處理，由此可以得到具有高的壓粉密度、高的i茲通密度以及電阻的壓 粉磁芯。從而可以以低成本得到具有優(yōu)異的磁特性的電動機和變壓器用 壓粉磁芯。
權(quán)利要求
1.壓粉磁芯用金屬粉末的制造方法，其特征在于，將直徑為10～500μm、純度為99質(zhì)量％以上的純鐵粉加熱到600℃～1400℃的溫度范圍，在該溫度范圍中通過氣相反應(yīng)形成從該純鐵粉的表面起厚度為5μm以下的Si濃化層，并且使從表面起到5μm的深度范圍中的平均Si濃度為0.05質(zhì)量％～2質(zhì)量％。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓粉磁芯用金屬粉末的制造方法，其中，所 述純4失粉的平均粒徑為100jum以上。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的壓粉磁芯用金屬粉末的制造方法，其中， 對所述Si濃化層的表面進一步實施絕緣被覆處理。
4. 壓粉磁芯的制造方法，其中，將通過權(quán)利要求3所述的方法制造 的壓粉磁芯用金屬粉末加壓成型。
5. 壓粉磁芯的制造方法，其中，將通過權(quán)利要求3所述的方法制造 的壓粉磁芯用金屬粉末加壓成型，然后在600°C ~ 1000。C的溫度范圍中 實施熱處理。
全文摘要
通過將直徑為10～500μm、純度為99質(zhì)量％以上的純鐵粉加熱到600℃～1400℃的溫度范圍內(nèi)，在該溫度范圍內(nèi)通過氣相反應(yīng)使Si濃度在從該純鐵粉的表面直至5μm深度范圍濃化，使該深度范圍的平均Si濃度為0.05質(zhì)量％～2質(zhì)量％，得到不導(dǎo)致壓縮性的變差地提高絕緣材料與粒子之間的粘合、提高電絕緣性的壓粉磁芯用金屬粉末。得到的壓粉磁芯維持高的飽和磁通密度且鐵損耗低。
文檔編號B22F1/00GK101678451SQ20088001800
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者前谷敏夫, 平谷多津彥, 藤田明 申請人:杰富意鋼鐵株式會社