JP2004342937A

JP2004342937A - 圧粉磁心の成形方法

Info

Publication number: JP2004342937A
Application number: JP2003139427A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kagaya; 剛加賀谷; Shigeyuki Saito; 滋之齋藤; Makoto Iwakiri; 誠岩切; Koichi Fukagawa; 浩一深川
Original assignee: Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】圧粉体の密度が高く、磁束密度が高い圧粉磁心を常に安定した得られるようにする。
【解決手段】従来の圧粉磁心の成形方法に対し、室温又は室温〜２００℃の範囲内に加熱された粉末成形用金型のキャビティ壁面に、成形潤滑剤粉末を単位面積当たりの質量として０．２〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内で塗布しておき、鉄粉又はリン酸化合物被膜を形成した鉄粉に１質量％以下の樹脂粉を混合した混合粉末を該キャビティに充填し、圧縮成形する。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金型成形性を良好にする圧粉磁心の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの鉄心やトランスコア等に用いられる圧粉磁心は、磁性粒子として鉄粉を用い、該鉄粉に絶縁性の樹脂を混合した混合粉末を圧縮成形し、加熱処理して作られて、比較的高い磁束密度で鉄損が低いことが知られている（特許文献１や２）。ところで、使用される鉄粉は、磁束密度が圧粉磁心の密度に依存する関係で、圧縮性のよい鉄粉が選択され、又、鉄損を少なくするため燐酸化合物被膜を形成した絶縁性の向上した鉄粉もある。その例としては、ヘガネス社製の商品名Ｓｏｍａｌｏｙ５００が挙げられる。また、鉄粉粒子間を絶縁するために添加される樹脂は、フェノール、ポリアミド、ポリイミド、エポキシ、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が提案されている。樹脂添加量は多いほど絶縁性がよくなるが、成形密度が低くなり、磁束密度が低いものとなるため、通常は０．０５〜１質量％程度とされる。
【０００３】
以上の混合粉末は金型を用いて圧縮成形される。この成形では、粉末圧縮および成形体の離型の際の摩擦を低減するため、粉末にステアリン酸亜鉛やステアリンリチウム等の潤滑剤を混合したり、前記潤滑剤を金型に静電塗布或いはアルコール分散液にして塗布される。また、粉末成形は、常温でも行われるが、１００〜１５０℃程度に加熱された状態で圧縮すると、高い密度が得られることが知られている。得られた圧粉体は、添加された樹脂の特性を安定化させるため加熱処理される。この処理では、用いられる樹脂によって異なるが、例えば、樹脂がＰＰＳの場合だと２５０〜４００℃、ポリイミドの場合だと３００〜４５０℃とされる。また、更に１５０〜３００℃程度で安定化加熱処理を施すことがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２６０３１９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４６２１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、圧粉磁心の製造方法にあっては、混合粉末を金型で圧縮成形する際、圧縮性および金型からの抜出しをよくするため、金型に成形潤滑剤を塗布する方法だと、粉末に成形潤滑剤を混合することなしに、金型との摩擦を低減することができる。しかし、その場合には、塗布の状況によって、圧粉体にかじり傷が付いたり、抜出し圧力が高かったり、成形圧力の割に圧粉体の密度が低くなり、期待する磁束密度が得られないことがある。この発明は、以上のような課題を解決し、圧粉体の密度が高く、磁束密度が高い圧粉磁心を常に安定して得られるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解消すべく検討を重ねて来た結果、圧粉成形の際の金型潤滑剤を適量に塗布制御することにより、上記の課題を一掃できるとの確証に至り、本発明を完成した。すなわち、請求項１の発明は、従来の圧粉磁心の成形方法に対し、室温又は室温〜２００℃の範囲内に加熱された粉末成形用金型のキャビティ壁面に、成形潤滑剤粉末を単位面積当たりの質量として０．２〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内で塗布しておき、鉄粉又はリン酸化合物被膜を形成した鉄粉に１質量％以下の樹脂粉を混合した混合粉末を該キャビティに充填し、圧縮成形することを特徴としている。
【０００７】
以上の成形方法において、請求項２に記載のように、金型のキャビティに充填する混合粉末の温度を室温又は室温〜２００℃の範囲内とすること、請求項３に記載のように、粉末成形用金型のダイ内面又はコアロッド外面が、１／１０〜１／５０００のテーパを付与したものを用いること、及び請求項４に記載のように、粉末成形用金型は、ダイ内面又はコアロッド外面にＣｒＮ，ＴｉＮ，ＴｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＣＮ，ＨｆＮ，Ｗ_２Ｃ，ＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）のいずれか又は複合のコーティング層を施しているもの、又は、浸硫窒化等により硬質表面処理を施しているものを用いることがより好ましい。
【０００８】
【発明の実施の態様】
以下、以上の発明を実施の形態及び実施例により詳しく説明する。
（１）混合粉
鉄粉は、絶縁処理された鉄粉が好ましい。市販品としては、例えば、ヘガネス社製の商品名Ｓｏｍａｌｏｙ５００、Ｐｅｒｍｉｔｅ７５が挙げられる。添加される樹脂は、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びこれらの混合物が磁束密度と鉄損とを両立するので好ましい。添加量は、許容される鉄損に応じて適宜決定されるが、好ましくは０．０５〜１質量％の範囲内であり、より好ましくは０．１〜０．５質量％である。成形潤滑剤は、添加しない方が磁性特性に悪影響を与えるおそれがなく好ましいが、０．１質量％以下で添加してもさほど影響を与えないため差し支えない。
【０００９】
（２）粉末成形
成形方法は、成形金型のキャビティに混合粉末（前記鉄粉と樹脂粉）を充填し、上下のパンチで圧縮成形し、離型される。この場合、混合粉末を充填する前にダイキャビティを形成し、ダイキャビティ壁面（ダイ内面やコア外面）に成形潤滑剤を後述する量だけ塗布したのち、前記混合粉末を充填して圧縮する。成形潤滑剤は、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム、エチレンビスステアロアマイド等である。能率良く安定して塗布するためには、成形潤滑剤粉末を静電塗布することが望ましい。一方、粉末成形は、常温下で行ってもよいが、高い密度を得るためには成形圧力をより高くする必要があるので、温間成形することが望ましい。この温間成形においては、成形金型を温度７０〜２００℃に加熱保温しておき、そのダイキャビティ壁面に成形潤滑剤の所要量を塗布する。塗布された成形潤滑剤は軟化又は溶融して金型のキャビティ内壁面に付着する。充填する混合粉末も予め７０〜２００℃に加熱しておくと、混合粉に含有している樹脂が軟化して変形して鉄粉を被覆し易くなり、鉄粉の圧縮性も良くなる。また、金型温度を安定にすることができる。前記した成形潤滑剤をステアリン酸亜鉛、添加樹脂をＰＰＳとした場合では１２０〜１５０℃が好ましい温度である。
【００１０】
（３）金型潤滑剤の塗布量
前記金型のキャビティ壁面に塗布する潤滑剤の量は、混合粉末の圧縮性および圧粉磁心の磁束密度に影響を及ぼす。具体的には、潤滑剤の塗布量が少ないと、圧縮性および離型性が悪くなり、圧粉体の表面にかじり傷を生じ易くなる。一方、多すぎると圧粉体の表面部に成形潤滑剤を巻き込み、圧粉体密度が低くなり、その結果、圧粉磁心は磁束密度が低いものとなる。そのような問題を解消するためには、成形潤滑粉末を、金型キャビティの単位面積当たりの質量として０．２〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内となるよう塗布する必要がある。
【００１１】
（４）粉末成形金型
粉末成形金型は、ダイ内面又はコアロッド外面にテーパを付与したものを用いると、金型から成形体を抜出すときの圧力を少なくすることができるので、より好ましく実施できる。これは、圧粉磁心は高密度が望ましいので、より高い圧力で成形されるため成形体の抜出し圧力が比較的高いものになるからである。テーパの形状は、勾配が１／１０〜１／５０００の範囲内で、ダイ内径が入り口に向かって拡がるように、コア外径が入り口に向かって細くなるように形成される。テーパが１／５０００より小さいと抜出し圧力低減効果が得られない。テーパが１／１０より大きいと成形体にテーパが形成されるだけではなく、加圧時にダイ及びコアロッドが受ける加圧方向に平行な圧力が大きくなり好ましくない、このため、適切なテーパは１／１０〜１／５０００の範囲内であり、より好ましくは１／１２５０〜１／２５００である。
【００１２】
また、粉末成形用金型の表面に硬質なコーティング層や改質層を形成したものを用いれば、金型の耐摩耗性が向上し、圧縮性及び離型性が安定するので高密度成形を実現しやすくなる。この場合、金型材料は金型工具鋼ＳＫＤ系、高速度鋼ＳＫＨ系、粉末ハイス、超硬合金などが用いられ、その表面にＣｒＮ，ＴｉＮ，ＴｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＣＮ，ＨｆＮ，Ｗ_２Ｃ，ＤＬＣのいずれか又は複合のコーティング層を付与し、又は、浸硫窒化等により表面改質処理が行われる。
【００１３】
（５）成形体の後処理
粉末成形用金型で成形された圧粉体は、従来と同様に添加された樹脂の種類に応じて加熱処理される。また、複雑な形状をした圧粉磁心では、後処理として切削加工や金型を用いてサイジングすることができる。
【００１４】
（６）実施例
次に、実施例により本発明の有用性を明らかにする。
（混合粉末）使用鉄粉は、リン酸被膜絶縁処理アトマイズ鉄粉（ヘガネス社製Ｓｏｍａｌｏｙ５００）である。使用樹脂は、粒度が１００μｍ以下のＰＰＳ粉末であり、前記鉄粉に対し０．１質量％となるよう混合調整した。
（成形条件）試料作製では、直径寸法２３ｍｍの金型のキャビティ内にステアリン酸亜鉛粉末を静電塗布法により付着させ、前記調整された混合粉末３８ｇを充填した。成形圧力は下記の表１のように５８８〜１９６０ＭＰａの範囲で圧縮した。圧縮後は同じ条件でそれぞれ金型から抜き出した。ここで、混合粉末の圧縮成形は、室温の場合と、混合粉末および金型ともに１２０℃に加熱した場合との２種類で行った。また、これらの場合に、成形潤滑剤粉末の塗布量を下記の表２のように種々変更した。塗布操作は、静電塗布する際の噴射時間と単位面積当たりの塗布量の関係を予め測定しておき、該噴射時間に対応させて塗布質量を制御した。
【００１５】
（評価）表１は、成形潤滑剤の塗布量を１．３ｍｇ／ｃｍ^２とし、室温で圧縮成形した場合と、温間成形した場合の成形圧力と成形体密度を示す。表１から、室温での圧縮成形では、成形圧力を増大しても密度７．５７Ｍｇ／ｍ^３程度が最大密度となる。一方、温間成形によれば、成形圧力１５６８ＭＰａのとき、室温で成形した場合の密度より約０．１Ｍｇ／ｍ^３高く、また、成形圧力１９６９ＭＰａにおいても密度の上昇傾向が認められており、より高い密度が得られやすく、圧粉磁心の成形法に適していることが分かる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
表２は、高い密度を得ることができる温間成形法について、成形圧力を１４７０ＭＰａで、金型に塗布した成形潤滑剤の量を変えて圧縮成形したのち、温度３２０℃で熱処理した圧粉磁心試料それぞれの密度および磁束密度を測定し、金型キャビティへの成形潤滑剤の塗布量との関係を示したものである。なお、粉末成形金型及び充填する混合粉末は１３０℃に加熱した。成形潤滑剤はステアリン酸亜鉛粉末である。また、磁束密度は、磁場８０００Ａ／ｍにおける測定値である。
【００１８】
【表２】

【００１９】
表２から、塗布量が０．１８ｍｇ／ｃｍ^２から２．０２ｍｇ／ｃｍ^２の範囲では、密度および磁束密度がほぼ同じ値を示し安定している。金型潤滑の程度が最適で成形密度に悪影響がないことを示している。また、成形潤滑剤の塗布量が２．０２ｍｇ／ｃｍ^２を超えると、密度、磁束密度ともに低下する。金型と圧粉体との潤滑は良好であるが、潤滑剤が成形体に悪影響している。これは、混合粉末を圧縮成形する過程で成形体の表層部に潤滑剤を巻き込んで成形され、成形体表層部の密度が低くなったものと考えられる。一方、成形潤滑剤の塗布量が０．１８ｍｇ／ｃｍ^２より少ない場合では、成形体（圧粉体）抜出しの圧力が高く、成形体にかじり傷が発生し易くなる。成形潤滑剤の塗布量が少なすぎると金型と圧粉体との潤滑が不足している。このように、金型と成形体との摩擦を低減のためには、塗布量０．２ｍｇ／ｃｍ^２以上が必要であり、又、２．０ｍｇ／ｃｍ^２を超える塗布量では期待する磁束密度が得られないことが分かる。
【００２０】
（ダイ側テーパによる影響）次に、粉末成形金型のダイ内面に１／１２５０のテーパを付与し、ステアリン酸亜鉛粉を静電塗布により塗布量１．１２ｍｇ／ｃｍ^２とし、上記の場合と同様に樹脂粉混合鉄粉を成形圧力１４７０ＭＰａで圧縮成形した。この成形体の抜出し圧力は、テーパを付けないダイの場合に比べて約１０％程度低く、成形体の外周にかじり傷が一切認められなかった。また、成形体の密度についてはテーパを付けないダイの場合と同じであった。
【００２１】
（ダイ内面側への表面処理による影響）また、粉末成形金型のダイ内面に窒化クロム（ＣｒＮ）処理を施し、前記と同様に樹脂粉混合鉄粉を成形圧力を１４７０ＭＰａで圧縮成形した。この成形体の抜出し圧力は、窒化クロム等の処理しない場合に比べて約５％程度低く、成形体外周により光沢があった。また、成形体の密度については窒化クロム等の処理を施さないダイの場合と同じであった。
【００２２】
以上のことから、金型キャビティの壁面（ダイ内面やコアロッド外面）にテーパを設けたり、窒化クロム等の硬質表面処理を施すと抜出し圧力が低下し、成形体の外周にかじり傷などがなく、光沢面になっていることから、より高い成形圧力を適用して高密度成形する際に好適な手段であることが分かる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の成形方法によれば、鉄粉又は絶縁皮膜を形成した鉄粉に１質量％以下の樹脂粉を混合した混合粉末を粉末成形用金型キャビティに充填し、圧縮成形する上で、成形潤滑剤粉末を単位面積当たりの塗布量として０．２〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内で塗布することにより、磁束密度の高い圧粉磁心を精度良く量産できる。

Claims

室温又は室温〜２００℃の範囲内に加熱された粉末成形用金型のキャビティ壁面に、成形潤滑剤粉末を単位面積当たりの質量として０．２〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲内で塗布しておき、鉄粉又は絶縁皮膜を形成した鉄粉に１質量％以下の樹脂粉を混合した混合粉末を該キャビティに充填し、圧縮成形することを特徴とする圧粉磁心の成形方法。
前記金型のキャビティに充填する混合粉末の温度が室温又は室温〜２００℃の範囲内である請求項１に記載の圧粉磁心の成形方法。
前記金型のダイ内面又はコアロッド外面が、１／１０〜１／５０００のテーパを付与したものである請求項１に記載の圧粉磁心の成形方法。
前記金型のダイ内面又はコアロッド外面が、ＣｒＮ，ＴｉＮ，ＴｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＣＮ，ＨｆＮ，Ｗ_２Ｃ，ＤＬＣのいずれか又は複合のコーティング層を施している、又は、浸硫窒化等により硬質表面処理を施している請求項１に記載の圧粉磁心の成形方法。