JP2004123432A

JP2004123432A - 高抵抗低損失フェライト

Info

Publication number: JP2004123432A
Application number: JP2002288703A
Authority: JP
Inventors: Shiro Murakami; 村上　志郎
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】高抵抗で、かつ、３００ｋＨｚ以上の高周波領域で低損失であるＭｎ−Ｚｎ系のフェライトを得ることを目的とする。
【解決手段】Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯを主成分とし、副成分としてＣａＯを１５０〜６００ｐｐｍ、ＳｉＯ_２を６０〜４００ｐｐｍ、Ｔａ_２Ｏ_５を２０〜１００ｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５を１００〜５００ｐｐｍ、及びＶ_２Ｏ_５を２００〜１０００ｐｐｍ含有することを特徴とした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブ溶接の溶接用フェライトロッド（インピーダコア）に用いるのに適したＭｎ−Ｚｎ系の高抵抗低損失フェライトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接用フェライトロッド材は、インピーダコアとも称され、パイプ（チューブ）を溶接で形成する際に用いられる。図２に示すように、図の左側から右側へ連続して供給される鋼板は、誘導コイル２の手前に設置される数段のロール（図示せず）により、鋼板の両端部にわずかに隙間がある状態にまでパイプの近似形状に丸められる。その鋼板４が誘導コイル２内を通る際に、鋼板の両端部に生じる渦電流による発熱のために高温となり、その直後の前記誘導コイル２の後段に設置されたロール６によって両端部同士が溶接されてパイプ４となる。
ここで、インピーダコア１は、磁気回路の効率を良くするためのヨークのように機能する。インピーダコア１はインピーダケース３内を流れる冷却水５によって冷却されるが、前記インピーダコア１は４００ｋＨｚもの高周波で励磁され、インピーダコア１を構成する磁性材料がパワーロスの大きなものでは発熱が大きく問題となる。
【０００３】
従来の低損失フェライトとしては、電源トランス用のＭｎ−Ｚｎ系フェライトが良く知られており、ＣａＯ、及びＳｉＯ_２を添加して結晶粒界に高抵抗層を形成し、高周波での損失を減少させている。例えば、特許文献１には、ＭｎＯ，ＺｎＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３を主成分とし、副成分としてＣａＯを０．０３〜０．１重量％、ＳｉＯ_２を０．００５〜０．０５重量％、更にＴｉＯ_２を０．１〜０．４重量％、Ｎｂ_２Ｏ_５を０．００５〜０．０６重量％複合添加含有したことを特徴とする電源トランス用低損失フェライトが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ＭｎＯ，ＺｎＯ，及びＦｅ_２Ｏ_３を主成分とするＭｎ−Ｚｎ系フェライト焼成体を酸化性雰囲気で熱処理することにより、表面が高抵抗で絶縁性に優れたフェライトを製造する方法が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、ＭｎＯ，ＺｎＯ，及びＦｅ_２Ｏ_３を主成分とするＭｎ−Ｚｎフェライトの焼成において、昇温過程および焼成温度保持過程の初期の雰囲気中の酸素濃度ＰＯ_２を１％以下とし、かつ、焼成後下記の式で規定される範囲内の酸素雰囲気で冷却することを特徴とする低損失Ｍｎ−Ｚｎフェライトの製造方法が開示されている。
ｌｏｇＰＯ_２＝ａ−２０００／（Ｔ＋２７３）
１３．６≦ａ≦１４．３、ＰＯ_２≦１０
ＰＯ_２：酸素濃度（％）、Ｔ：温度（℃）、ａ：定数
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２９７０１８号公報
【特許文献２】
特開平４−３５４３０４号公報
【特許文献３】
特開平５−２１７７３４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
チューブ溶接の溶接用フェライトロッド（インピーダコア）等の高周波で用いられる用途では電気抵抗率が２Ω・ｍ以上の高抵抗で、かつ電力揖失の小さい低損失フェライトが必要であるが、従来この様な高抵抗低損失なフェライトは無かった。
そこで、本発明は、上記の事を鑑みて、副成分としてのＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、及びＶ_２Ｏ_５の含有量に着目し、最適な含有量により、高抵抗で、かつ、３００ｋＨｚ以上の高周波領域で低損失であるＭｎ−Ｚｎ系のフェライトを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯを主成分とし、副成分としてＣａＯを１５０〜６００ｐｐｍ、ＳｉＯ_２を６０〜４００ｐｐｍ、Ｔａ_２Ｏ_５を２０〜１００ｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５を１００〜５００ｐｐｍ、及びＶ_２Ｏ_５を２００〜１０００ｐｐｍ含有する高抵抗低損失フェライトである。
本発明において、Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．５〜５４．５ｍｏｌ％、ＭｎＯ：３６〜４０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：７〜１１ｍｏｌ％　とするのが好ましい。そして、電気抵抗率が２．０Ω・ｍ以上であり、１００℃で４００ｋＨｚにおける電力損失が２０００Ｗ／ｋｇ以下の高抵抗低損失フェライトである。本発明の高抵抗低損失フェライトは、溶接用ロッド材として最適である。
【０００９】
第２の発明は、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯを主成分とし、副成分としてＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｖ_２Ｏ_５を含有する高抵抗低損失フェライトの製造方法であって、焼成昇温工程、焼成温度保持工程において焼成雰囲気中の酸素濃度ＰＯ_２を１０〜２１％とし、焼成冷却工程における酸素濃度を下記式に示す範囲で制御する高抵抗低損失フェライトの製造方法である。
酸素濃度ＰＯ_２（％）の上限が、
ｌｏｇＰＯ_２＝４．２３−４５００／（Ｔ＋２７３）
酸素濃度ＰＯ_２（％）の下限が、
ｌｏｇＰＯ_２＝７．１−９４００／（Ｔ＋２７３）
第２の発明において、前記焼成温度保持工程にける焼成保持温度は１２４０〜１２９０℃であり、焼成冷却工程の焼成保持温度〜９００℃の温度範囲において、焼成雰囲気中の酸素濃度ＰＯ_２を前記のように制御することにより、高抵抗低損失フェライトを得ることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の高抵抗低損失フェライトは、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯを主成分とし、副成分としてＣａＯを１５０〜６００ｐｐｍ、ＳｉＯ_２を６０〜４００ｐｐｍ、Ｔａ_２Ｏ_５を２０〜１００ｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５を１００〜５００ｐｐｍ、及びＶ_２Ｏ_５を２００〜１０００ｐｐｍ含有する。
前記高抵抗低損失フェライトは、焼成後に前記組成となるように調整された出発原料を乾燥後、バインダを１．０ｗｔ％添加し、造粒、成形して成形体とし、これを焼成保持温度１２４０〜１２９０℃、酸素濃度（ＰＯ_２）１０〜２１％の雰囲気中にて焼成し、その後、雰囲気中の酸素濃度を下記の式に示す範囲で制御しながら冷却を行ない作製される。
酸素濃度ＰＯ_２（％）の上限が、
ｌｏｇＰＯ_２＝４．２３−４５００／（Ｔ＋２７３）
酸素濃度ＰＯ_２（％）の下限が、
ｌｏｇＰＯ_２＝７．１−９４００／（Ｔ＋２７３）
【００１１】
本発明において、添加物の各成分範囲を限定した理由は以下のとおりである。ＣａＯが１５０ｐｐｍより少ないと電気抵抗が低下するため、高周波領域における渦電流損失が増大し電力損失が大きくなり、６００ｐｐｍより多いと軟磁気特性が劣化するため電力損失が大きくなる。ＳｉＯ_２が６０ｐｐｍより少ないと電気抵抗が低下し、４００ｐｐｍより多いと異常焼結が起こり電力損失が増大する。Ｎｂ_２Ｏ_３及びＴａ_２Ｏ_５が本発明の範囲より少ないと、電気抵抗が低下し、高周波領域における損失が増大し、本発明の範囲より多いと、異常焼結し、損失が増大する。また、Ｖ_２Ｏ_５は結晶粒成長を促進し、低損失を達成するために添加したが、２００ｐｐｍ未満ではその添加効果が得られず、１０００ｐｐｍより多いと損失が増大する。また、上記添加物の内で主にＣａＯ、およびＳｉＯ_２が結晶粒界に高抵抗層を形成し、高周波での損失を減少させることに有効であるが、チューブ溶接のヨーク材等に用いるＭｎ−Ｚｎ系フェライトにおいては、一般に３００ｋＨｚ以上の高周波で、かつ、大きな励磁電流が印加された状態で使用されるため、結晶粒界の高抵抗層のみでは材料全体の抵抗値が十分な大きさにはならず、渦電流損失による発熱が多くなり長時間の使用に耐えることができない。従って、本発明では結晶粒界ばかりではなく結晶粒自体も高抵抗とするため、焼成保持温度、焼成雰囲気中の酸素濃度、およびその後の冷却雰囲気中の酸素濃度を制御することによって、高抵抗材料を得た。
また主成分組成をＦｅ_２Ｏ_３：５２．５〜５４．５ｍｏｌ％、ＭｎＯ：３６〜４０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：７〜１１ｍｏｌ％　として各成分範囲を限定した理由は、下記のとおりである。Ｆｅ_２Ｏ_３が５２．５ｍｏｌ％より少ないと実際にチューブ溶接のヨーク材等として使用される際に、その動作温度付近での損失が大きくなり、Ｆｅ_２Ｏ_３が５４．５ｍｏｌ％より多いと高周波領域における渦電流損失が増大し電力損失が大きくなる。ＭｎＯが３６ｍｏｌ％より少ないとヨーク材等に必要な動作温度付近での高磁束密度が得られず、ＭｎＯが４０ｍｏｌ％より多いと必要な材料強度を満たすだけの焼結密度を得ることが難しくなる。
ＺｎＯが７ｍｏｌ％より少ないと材料の焼結が進みにくく、１１ｍｏｌ％より多いと動作温度付近での高磁束密度を得にくくなる。
【００１２】
Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトにおいては、焼成雰囲気ばかりではなく、冷却雰囲気における酸素濃度の制御も重要であることは従来から知られていたが、本発明の高抵抗低損失フェライトでは、焼成時および冷却時に使用されていた従来の酸素濃度の範囲よりも高濃度側の領域で、所定の酸素濃度範囲となるように焼成、および冷却の雰囲気を精密に制御することにより、高抵抗低損失フェライトの外表面のみならず内側まで高抵抗化し、さらに３００ｋＨｚ以上の高周波で低損失な材料を実現した。
本発明の高抵抗低損失フェライトの作製において、焼成温度、焼成雰囲気中の酸素濃度、および冷却雰囲気中の酸素濃度の範囲を限定した理由は以下のとおりである。
焼成温度が１２４０℃未満では、焼結密度が低いために十分な軟磁気特性が得られず損失が大で、１２９０℃を超えると電気抵抗率が低くなる。焼成雰囲気中の酸素濃度が１０％未満では電気抵抗率が低く、２１％を超えると損失が大となる。また、冷却雰囲気中の酸素濃度が前記した範囲の上限より高い場合は損失が大となり、その範囲の下限より低い場合は電気抵抗率が低くなる。
【００１３】
【実施例】
（実施例１）
Ｆｅ_２Ｏ_３（５３ｍｏｌ％），ＭｎＯ（３８ｍｏｌ％），ＺｎＯ（９ｍｏｌ％）を主成分とする原料をボールミルにて混合後、９００℃にて仮焼成し、副成分として、ＣａＯに換算して２５０ｐｐｍとなる適量のＣａＣＯ_３，ＳｉＯ_２を１００ｐｐｍ，Ｔａ_２Ｏ_５を５０ｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５を１５０ｐｐｍ、Ｖ_２Ｏ_５を５００ｐｐｍ複合添加し、ボールミルにて１２時間粉砕した．但し、ＣａＯ，ＳｉＯ_２のように、予め原料に含有されている副成分については、仮焼成後に添加する量をその分だけ減じ、全体として上記成分の割合に一致する様にした。この粉砕原料を乾燥後、バインダを１．０ｗｔ％添加し、造粒、成形した。この成形体を焼成保持温度１２４０〜１２９０℃、酸素濃度１０〜２１％の雰囲気中にて４時間焼成し、その後雰囲気中の酸素濃度を下記の式に示す範囲で制御しながら冷却を行なった。
酸素濃度ＰＯ_２（％）の上限が
ｌｏｇＰＯ_２＝４．２３−４５００／（Ｔ＋２７３）
酸素濃度ＰＯ_２（％）の下限が
ｌｏｇＰＯ_２＝７．１−９４００／（Ｔ＋２７３）
なお、焼成体の形状は、外径２９ｍｍ、内径１９ｍｍ、高さ１０ｍｍのリング状とした。
また同様の試料作製工程において、添加量を変えて各試料を作製した。その特性評価の結果を表１に、冷却過程における雰囲気中の酸素濃度の制御範囲を図１に示す。上記５種類の添加物の量、昇温過程における雰囲気中の酸素濃度、焼成における保持温度と雰囲気中の酸素濃度、および冷却過程における雰囲気中の酸素濃度を適切な範囲に制御することによって、高抵抗で、かつ、高周波で低損失な材料を得ることができた。
【００１４】
【表１】

【００１５】
実施例１と同様の試料作製工程によって、焼成体の形状が外径１０ｍｍ、長さ２００ｍｍの棒状としチューブ溶接のヨークを作製した。得られた試料を、チューブ溶接のヨーク材として用いた場合の温度上昇について表２に示す。表１における実施例の試料に対応するヨーク材は温度上昇が小さく、高抵抗で、かつ、高周波で低損失な材料の特長が生かされていることが分かった。
【００１６】
【表２】

【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣａＯ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｖ_２Ｏ_５の添加量を各々適切な値に設定し、焼成保持温度、焼成雰囲気中の酸素濃度、および冷却雰囲気中の酸素濃度を制御することにより、高抵抗で、かつ、３００ｋＨｚ以上の高周波領域であっても電力損失の小さい低損失Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトを得ることができ、チューブ溶接の溶接用フェライトロッド（インピーダコア）等の高周波で用いられる用途に適した高抵抗で電力揖失の小さい材料を実用に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る高抵抗低損失フェライト製造での冷却過程における雰囲気中の酸素濃度の制御範囲を示す図。
【図２】フェライトロッドによるチューブ溶接を説明するための模式図。
【符号の説明】
１　インピーダコア
２　誘導コイル
３　インピーダケース
４　鋼板（パイプ）
５　冷却水
６　ロール

Claims

Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯを主成分とし、副成分としてＣａＯを１５０〜６００ｐｐｍ、ＳｉＯ_２を６０〜４００ｐｐｍ、Ｔａ_２Ｏ_５を２０〜１００ｐｐｍ、Ｎｂ_２Ｏ_５を１００〜５００ｐｐｍ、及びＶ_２Ｏ_５を２００〜１０００ｐｐｍ含有することを特徴とする高抵抗低損失フェライト。
請求項１に記載の高抵抗低損失フェライトであって、Ｆｅ_２Ｏ_３：５２．５〜５４．５ｍｏｌ％、ＭｎＯ：３６〜４０ｍｏｌ％、ＺｎＯ：７〜１１ｍｏｌ％　であることを特徴とする高抵抗低損失フェライト。
請求項１又は２に記載の高抵抗低損失フェライトであって、電気抵抗率が２．０Ω・ｍ以上であり、１００℃で４００ｋＨｚにおける電力損失が２０００Ｗ／ｋｇ以下であることを特徴とする高抵抗低損失フェライト。
請求項１乃至３のいずれかに記載の高抵抗低損失フェライトを用いることを特徴とするチューブ溶接用フェライトロッド。
Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ、ＺｎＯを主成分とし、副成分としてＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｖ_２Ｏ_５を含有する高抵抗低損失フェライトの製造方法であって、焼成昇温工程、焼成温度保持工程において焼成雰囲気中の酸素濃度ＰＯ_２を１０〜２１％とし、焼成冷却工程における酸素濃度を下記式に示す範囲で制御することを特徴とする高抵抗低損失フェライトの製造方法。
酸素濃度ＰＯ_２（％）の上限が、
ｌｏｇＰＯ_２＝４．２３−４５００／（Ｔ＋２７３）
酸素濃度ＰＯ_２（％）の下限が、
ｌｏｇＰＯ_２＝７．１−９４００／（Ｔ＋２７３）
前記焼成温度保持工程にける焼成保持温度が１２４０〜１２９０℃であり、焼成冷却工程の焼成保持温度〜９００℃の温度範囲において、焼成冷却工程の雰囲気中の酸素濃度ＰＯ_２を制御することを特徴とする高抵抗低損失フェライトの製造方法。