軟磁芯及其制造方法
【專利摘要】提供了一種軟磁芯，該軟磁芯包括：軟磁金屬粉末；四氧化三鐵（Fe3O4）層，該四氧化三鐵（Fe3O4）層形成在所述軟磁金屬粉末的表面上；以及絕緣層，該絕緣層形成在所述四氧化三鐵（Fe3O4）層上。
【專利說(shuō)明】軟磁芯及其制造方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年4月29日在韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)的韓國(guó)專利申請(qǐng) No. 10-2013-0047630的優(yōu)先權(quán)，在此通過(guò)引用將該申請(qǐng)公開(kāi)的內(nèi)容并入本申請(qǐng)中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及一種軟磁芯以及制造該軟磁芯的方法。

【背景技術(shù)】
[0004] 通常，軟磁材料用于各種目的，例如用于感應(yīng)器中的磁芯、電器設(shè)備(例如電機(jī)）的 定子和轉(zhuǎn)子中的磁芯、促動(dòng)器（actuator)、傳感器和變壓器鐵芯。通常，這種軟磁芯作為電 器設(shè)備中的部件通過(guò)堆疊、固定以及整合多個(gè)經(jīng)過(guò)加工的鋼片來(lái)制造。然而，在堆疊鋼片 時(shí)，很難生產(chǎn)具有相對(duì)復(fù)雜的三維形狀的產(chǎn)品，在其加工過(guò)程中可能損失大量的材料。
[0005] 近來(lái)，已經(jīng)引進(jìn)了一種方法，在該方法中，在高壓下模制軟磁粉末以使得可以生產(chǎn) 具有更高的形狀自由度的磁芯。這里，軟磁粉末指的是當(dāng)被施加電流時(shí)具有磁性的粉末。
[0006] 在通過(guò)噴射或研磨的方法將軟磁材料形成粉末后，通過(guò)對(duì)所述粉末進(jìn)行機(jī)械加 工、熱處理等，可以獲得適合用于形成磁芯的材料的軟磁粉末。這樣制備成的粉末的軟磁粉 末顆粒被壓模（compression molded)以制造具有所需形狀的軟磁芯。
[0007] [相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)]
[0008] (專利文獻(xiàn)1)日本專利公開(kāi)No. 2011-233860


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種具有低渦流損耗和增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度的高效、高強(qiáng)度 的軟磁芯以及該軟磁芯的制造方法。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種軟磁芯，該軟磁芯包括：軟磁金屬粉末；四氧 化三鐵層，該四氧化三鐵層形成在所述軟磁金屬粉末的表面上；以及絕緣層，該絕緣層形成 在所述四氧化三鐵層上。
[0011] 所述四氧化三鐵層的厚度可以為50nm至700nm。
[0012] 所述軟磁金屬粉末的平均粒徑可以為50 μ m至200 μ m。
[0013] 所述軟磁金屬粉末可以為鐵基粉末。
[0014] 所述鐵基粉末可以包括硅、鋁、鉻、鑰和硼中的至少一種合金元素。
[0015] 所述絕緣層的厚度可以為30nm至300nm。
[0016] 所述絕緣層可以包括磷酸化合物。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種軟磁芯的制造方法，包括：制備軟磁金屬粉 末；在所述軟磁金屬粉末上形成絕緣層；制備漿料，該漿料包含其上形成有所述絕緣層的 所述軟磁金屬粉末；壓模所述漿料以形成模芯；以及氧化包含在所述模芯內(nèi)的所述軟磁金 屬粉末的表面以形成四氧化三鐵層。
[0018] 所述四氧化三鐵層的形成可以通過(guò)熱處理所述模芯來(lái)完成。
[0019] 所述四氧化三鐵層的厚度可以為50nm至700nm。
[0020] 所述軟磁金屬粉末的平均粒徑可以為50 μ m至200 μ m。
[0021] 所述軟磁金屬粉末可以為鐵基粉末。
[0022] 所述鐵基粉末可以包括硅、鋁、鉻、鑰和硼中的至少一種合金元素。
[0023] 所述絕緣層的厚度可以為30nm至300nm。
[0024] 所述絕緣層可以包括磷酸化合物。
[0025] 所述制造方法還可以包括在形成所述絕緣層的步驟和制備所述漿料的步驟之間 在所述絕緣層上形成潤(rùn)滑蠟涂層的步驟。
[0026] 所述潤(rùn)滑錯(cuò)涂層的厚度可以為300nm至700nm。
[0027] 包括在所述潤(rùn)滑蠟涂層中的潤(rùn)滑蠟的熔點(diǎn)可以為100°C至150°C。
[0028] 所述潤(rùn)滑蠟可以包括乙烯基雙硬脂酰胺、硬脂酸鋅和聚乙烯中的至少一者。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029] 通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的上述和其它方面、特征以及其它優(yōu)點(diǎn)將 會(huì)更加清楚地得到理解，其中：
[0030] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的立體圖；
[0031] 圖2是沿圖1中的A-A'線剖切的剖視圖；
[0032] 圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的制造方法的流程圖；以及
[0033] 圖4是順序顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的制造過(guò)程的視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式。但是，本發(fā)明可以通過(guò)多種不同的 形式實(shí)現(xiàn)，而不應(yīng)被理解為局限于此處所給出的實(shí)施方式。相反，提供這些實(shí)施方式旨在使 得本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容全面完整，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地傳達(dá)本發(fā)明的保護(hù)范圍。在附 圖中，為了清楚的目的可以放大元件的形狀和尺寸，并且在全部附圖中使用相同的附圖標(biāo) 記標(biāo)示相同或相似的元件。
[0035] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的立體圖。
[0036] 圖2是沿圖1中的A-A'線剖切的剖視圖。
[0037] 圖3是說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的制造方法的流程圖。
[0038] 圖4是順序顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的制造過(guò)程的視圖。
[0039] 軟磁芯200
[0040] 將參考圖1和圖2描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯200。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯200可以包括軟磁金屬粉末顆粒1、四氧化三鐵 (ferriferous oxide) (Fe304)層 2 和絕緣層 3。
[0042] 也就是說(shuō)，軟磁芯可以包括多個(gè)軟磁合成粉末顆粒10,該多個(gè)軟磁合成粉末顆粒 10的表面形成有四氧化三鐵（Fe 304)層2和絕緣層3。
[0043] 盡管在附圖中為了方便起見(jiàn)將軟磁金屬粉末顆粒1表示成球形，但是軟磁金屬粉 末顆粒1的形狀不限于此，還可以為典型的粉末顆粒形狀，例如卵形或多邊形。
[0044] (a)軟磁金屬粉末顆粒1
[0045] 包括在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯200內(nèi)的軟磁金屬粉末顆粒1不受特別限 制，只要它具有軟磁性能即可。
[0046] 軟磁金屬粉末顆粒1的平均粒徑（grain size)可以為50 μ m到200 μ m。如果軟 磁金屬粉末顆粒1的平均粒徑小于50 μ m，則可以降低軟磁芯的磁通量密度。如果軟磁金屬 粉末顆粒1的平均粒徑大于200 μ m，盡管磁通量密度增大，但是磁芯損耗增加，尤其是渦流 損耗極大地增加，這在高頻時(shí)產(chǎn)生問(wèn)題。因此，軟磁金屬粉末顆粒1的平均粒徑為50 μ m到 200 μ m是比較理想的。
[0047] 軟磁金屬粉末顆粒1可以由純鐵或鐵（Fe)基合金形成。
[0048] 從技術(shù)上說(shuō)，純鐵指的是不含雜質(zhì)的純度為100%的鐵。然而，因?yàn)楹茈y從生鐵中 完全移除例如碳、氮、硅、磷和硫的雜質(zhì)，所以純鐵通常指的是比其他的鐵純度更高的鐵，且 該術(shù)語(yǔ)在本文中以同樣的意思使用。
[0049] 鐵（Fe)基合金由鐵（Fe)和至少一種其他合金元素制成，且具有金屬性能。合金 元素不受特別的限制，只要它增加了電阻即可，且合金元素可以包括硅（Si)、鋁（A1)、鉻 (Cr)、鑰（Mo)和硼（B)中的至少一者。
[0050] 尤其地，硅（Si)、鋁（A1)、鉻（Cr)、鑰（Mo)和硼（B)在增加電阻方面具有優(yōu)良的效 果。
[0051] (b )四氧化三鐵（Fe304)層2
[0052] 在軟磁金屬粉末顆粒1的表面可以形成四氧化三鐵（Fe304)層2。憑借四氧化三 鐵（Fe 304)層2可以增強(qiáng)絕緣層3與軟磁金屬粉末顆粒1之間的粘結(jié)力，且可以增加耐腐蝕 性、耐磨性和屈服應(yīng)力。
[0053] 與Fe203不同，F(xiàn)e30 4具有比例為1:1的Fe2+和Fe3+，因此與只具有Fe3+的a -Fe203 相比，F(xiàn)e304的磁性提高。因此，與使用傳統(tǒng)的Fe203相比，在模制磁芯時(shí)使用Fe 304有利于導(dǎo) 磁性。
[0054] 四氧化三鐵（Fe304)層2的厚度可以為50nm至700nm。如果四氧化三鐵（Fe 304)層 2的厚度小于50nm，則不足以增強(qiáng)絕緣層與粉末之間的粘結(jié)力，且四氧化三鐵（Fe304)層2 可能開(kāi)裂，從而可能發(fā)生隧穿（tunneling)。
[0055] 如果四氧化三鐵（Fe304)層2的厚度大于700nm，則由于四氧化三鐵（Fe 304)層2的 部分相對(duì)于軟磁金屬粉末可能太大，所以磁芯的總磁通量密度減小，然而增強(qiáng)軟磁芯的屈 服應(yīng)力的效果飽和，因而不會(huì)再增加。
[0056] (c)絕緣層 3
[0057] 在形成在軟磁金屬粉末顆粒1的表面上的四氧化三鐵（Fe304)層2上可以形成絕 緣層3。
[0058] 絕緣層3用于將軟磁金屬粉末顆粒1電絕緣以減小渦流損耗，且絕緣層3可以包 括磷酸化合物（phosphate compound)、環(huán)氧樹(shù)脂和陶瓷，但不限于此。
[0059] 此外，絕緣層3的厚度可以為30nm至300nm。如果絕緣層3的厚度大于300nm，則 可以減小磁芯的磁通量密度。如果絕緣層3的厚度小于30nm，則絕緣性可能不夠，使得磁 芯損失增加。此外，在壓模（compression molding)過(guò)程中可能發(fā)生開(kāi)裂，使得可能產(chǎn)生隧 穿，從而進(jìn)一步降低絕緣性能。
[0060] 軟磁芯200的制誥方法
[0061] 下面，將參考圖3和圖4描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯200的制造方法。
[0062] 在描述軟磁芯的制造方法時(shí)，將省略關(guān)于上述軟磁芯200的多余的描述。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的軟磁芯的制造方法包括：制備軟磁金屬粉末顆粒1 ;形 成絕緣層3 ;制備漿料20 ;制造模芯100 ;以及形成四氧化三鐵（Fe304)層2。
[0064] 此外，所述方法還可以包括在形成絕緣層3之后并且在制備漿料20之前，在絕緣 層3上形成潤(rùn)滑蠟涂層(未圖示)。
[0065] (1)制備其上形成有絕緣層3的軟磁金屬粉末顆粒1
[0066] 首先，制備軟磁金屬粉末顆粒1，然后在軟磁金屬粉末上形成絕緣層3。如上所述， 絕緣層可以包括磷酸化合物、環(huán)氧樹(shù)脂和陶瓷，但不限于此。
[0067] (2)制備漿料20
[0068] 隨后，制造包括其上具有絕緣層3的軟磁金屬粉末顆粒1的漿料20。漿料可以包 括添加劑11和其上具有絕緣層3的軟磁金屬粉末顆粒1。添加劑可以包括粘結(jié)劑、溶劑等， 但不限于此。
[0069] 粘結(jié)劑可以為從由水玻璃、聚酰亞胺、聚酰胺、硅、酚醛樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂構(gòu)成的 群中選取的至少一者，但不限于此。
[0070] 此外，可以添加揮發(fā)性溶劑以調(diào)整漿料20的粘性。揮發(fā)性溶劑可以包括甲苯、乙 醇和甲基乙基酮（MEK)中的至少一者，但不限于此。
[0071] (3)制造模芯100
[0072] 使用漿料20制造具有所需芯形（core shape)的軟磁模芯100。這可以包括將漿 料20注入到具有芯形的模具21中，然后使用壓塊（presser)22壓模漿料20,但不限于此。
[0073] (4)熱處理
[0074] 隨后，軟磁模芯100經(jīng)歷熱處理，使得四氧化三鐵（Fe304)層2形成在軟磁金屬粉 末顆粒1和絕緣層3之間。進(jìn)一步地，四氧化三鐵（Fe 304)層2可以形成在通過(guò)熱處理制造 的軟磁模芯100的表面上。
[0075] 形成在軟磁金屬粉末的表面上的四氧化三鐵（Fe304)層2可以增強(qiáng)軟磁金屬粉末 與絕緣層之間的粘結(jié)力，且形成在軟磁芯模制體的表面上的四氧化三鐵（Fe 304)層2可以增 加軟磁芯本身的耐腐蝕性、耐磨性和屈服應(yīng)力。
[0076] (5)形成用于潤(rùn)滑的潤(rùn)滑蠟涂層3
[0077] 所述方法還可以包括在形成絕緣層之后并且在制備漿料之前在絕緣層3上形成 潤(rùn)滑蠟涂層(未圖示)。通過(guò)在粉末上形成潤(rùn)滑蠟涂層，可以減小軟磁合成粉末顆粒之間的 摩擦力或者軟磁合成粉末與模壁之間的摩擦力。也就是說(shuō)，在使用具有形成在絕緣層3上 的潤(rùn)滑蠟涂層的軟磁金屬粉末模制磁芯時(shí)，在粉末顆粒彼此接觸且被外部壓力壓碎的熱壓 過(guò)程中，潤(rùn)滑蠟從固態(tài)變?yōu)橐后w，從而減小了摩擦力，使得由于壓模而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力減小 并且磁滯損耗減小。最后，可以獲得具有低磁芯損失的磁芯。
[0078] 通常，通過(guò)將幾個(gè)微米的潤(rùn)滑粉末顆粒與軟磁金屬粉末顆?；旌蟻?lái)進(jìn)行模制。然 而，在潤(rùn)滑粉末顆粒未被均勻地混合的情況下，在潤(rùn)滑粉末顆粒未大量出現(xiàn)的區(qū)域，磁滯損 耗增加，使得摩擦力更大，而在太多潤(rùn)滑粉末顆粒出現(xiàn)的區(qū)域，磁性能降低，使得實(shí)際的碳 增加。因此，如本發(fā)明所啟發(fā)的，上述缺陷可以通過(guò)在軟磁金屬粉末顆粒1的絕緣層3上涂 覆潤(rùn)滑蠟來(lái)克服。
[0079] 形成潤(rùn)滑蠟涂層的步驟可以包括：將用于潤(rùn)滑的蠟熔化成液態(tài)，然后使其上具有 絕緣層3的軟磁金屬粉末顆粒1浸入到用于潤(rùn)滑的蠟中或者將液態(tài)潤(rùn)滑蠟噴射到形成在軟 磁金屬粉末顆粒1的表面上的絕緣層3上，然后干燥絕緣層3上的蠟，但不限于此。
[0080] 用于潤(rùn)滑蠟涂層的潤(rùn)滑蠟的熔點(diǎn)為l〇〇°C至150°C。這是因?yàn)椋谑褂密洿沤饘俜?末模制磁芯時(shí)，模制溫度通常在80°C以上。此外，如果潤(rùn)滑蠟的熔點(diǎn)超過(guò)150°C，則潤(rùn)滑蠟 不會(huì)在模制溫度下改變成液態(tài)，使得減小粉末顆粒之間的摩擦力的效果或者減小粉末與模 具之間的摩擦力的效果顯著地降低。
[0081] 潤(rùn)滑蠟可以包括乙烯基雙硬脂酰胺（EBS)、硬脂酸鋅和聚乙烯中的至少一者。
[0082] 乙烯基雙硬脂酰胺（EBS)的熔點(diǎn)在大約141 °C和146°C之間，硬脂酸鋅的熔點(diǎn)在大 約121°C和124°C之間，聚乙烯的熔點(diǎn)在大約100°C和110°C之間。
[0083] 潤(rùn)滑蠟涂層的厚度可以在300nm和700nm之間。如果潤(rùn)滑蠟涂層的厚度小于 300nm，則在壓模過(guò)程中，熔化的潤(rùn)滑蠟可能不足以涂覆粉末顆粒以減小粉末顆粒之間的摩 擦或者粉末與模具之間的摩擦，使得可能損壞絕緣膜并且從而增加了磁芯損失。此外，如果 潤(rùn)滑蠟的厚度大于700nm，則磁芯內(nèi)的磁材料的部分減少并且從而降低了模具（molding) 密度和磁通量密度，使得磁芯損失再一次增加。因此，潤(rùn)滑蠟涂層的理想厚度可以為300nm 至 700nm。
[0084] 實(shí)施例
[0085] 下表1表不根據(jù)軟磁芯內(nèi)的軟磁合成粉末的四氧化三鐵（Fe304)層的厚度的物理 性質(zhì)。
[0086] 在制造本實(shí)施例的軟磁芯的過(guò)程中所使用的軟磁合成金屬粉末包括D50=170 μ m 的鐵基粉末、包括磷酸化合物并且厚度為150nm的絕緣層以及厚度為400nm的潤(rùn)滑蠟涂層。 [0087]【表1】
[0088]

【權(quán)利要求】
1. 一種軟磁芯，該軟磁芯包括： 軟磁金屬粉末； 四氧化三鐵層，該四氧化三鐵層形成在所述軟磁金屬粉末的表面上；以及 絕緣層，該絕緣層形成在所述四氧化三鐵層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟磁芯，其中，所述四氧化三鐵層的厚度為50nm至700nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟磁芯，其中，所述軟磁金屬粉末的平均粒徑為50μπι至 200 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟磁芯，其中，所述軟磁金屬粉末為鐵基粉末。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的軟磁芯，其中，所述鐵基粉末包括硅、鋁、鉻、鑰和硼中的至少 一種合金兀素。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟磁芯，其中，所述絕緣層的厚度為30nm至300nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟磁芯，其中，所述絕緣層包括磷酸化合物。
8. -種軟磁芯的制造方法，該方法包括： 制備軟磁金屬粉末； 在所述軟磁金屬粉末上形成絕緣層； 制備漿料，該漿料包含其上形成有所述絕緣層的所述軟磁金屬粉末； 壓模所述漿料以形成模芯；以及 氧化包含在所述模芯內(nèi)的所述軟磁金屬粉末的表面以形成四氧化三鐵層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述四氧化三鐵層的形成通過(guò)熱處理所述模芯 來(lái)完成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述四氧化三鐵層的厚度為50nm至700nm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述軟磁金屬粉末的平均粒徑為50μπι至 200 μ m。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述軟磁金屬粉末為鐵基粉末。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述鐵基粉末包括硅、鋁、鉻、鑰和硼中的至少 一種合金兀素。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述絕緣層的厚度為30nm至300nm。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述絕緣層包括磷酸化合物。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，該方法還包括在形成所述絕緣層的步驟和制備 所述漿料的步驟之間在所述絕緣層上形成潤(rùn)滑蠟涂層的步驟。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述潤(rùn)滑蠟涂層的厚度為300nm至700nm。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，包括在所述潤(rùn)滑蠟涂層中的潤(rùn)滑蠟的熔點(diǎn)為 100°C 至 150°C。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述潤(rùn)滑蠟包括乙烯基雙硬脂酰胺、硬脂酸鋅 和聚乙烯中的至少一者。
【文檔編號(hào)】H01F1/36GK104124032SQ201310302555
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月29日
【發(fā)明者】金學(xué)寬, 安成庸, 樸魯逸, 崔東赫 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社