JP2008117839A

JP2008117839A - 磁芯部材およびその製造方法

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Publication number: JP2008117839A
Application number: JP2006297577A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Oya; 一雄大矢
Original assignee: OYA GIKEN KK
Current assignee: OYA GIKEN KK
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】飽和磁束密度および低磁界の透磁率が大きく、且つ機械的強度に優れた磁芯部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】鉄基磁性粉末を所定の形状に加圧成形して成形体を作製し、成形体に焼結処理を施して焼結体を作製し、焼結体を閉塞冷間鍛造して磁芯用部材を作製する。鉄基磁性粉末は、ＳｉおよびＡｌのうち１種以上を含み、ＳｉおよびＡｌのうち１種以上の含有量は、０．２〜１．５ｗｔ％である。ＳｉおよびＡｌのうち１種以上の含有量を０．２〜１．５ｗｔ％にすることで、磁歪を負にすることができる。
【選択図】なし

Description

この発明は、磁芯部材およびその製造方法に関する。詳しくは、高磁束密度で、且つ、優れた機械的強度を有する磁芯部材に関する。

近年、粉末冶金は、形状が複雑であっても高い歩留まりで磁心部材を製造できるので、従来の磁心部材の主流であった電磁鋼板に代えて広く用いられている。粉末冶金は、金属粉末を金型に入れ圧紛成形して成形体を作製した後、この成形体を焼結するものである（例えば非特許文献１参照）。しかしながら、粉末冶金により作製した磁芯部材は、飽和磁束密度が小さく、また、低磁界での透磁率が小さいという問題がある（例えば非特許文献２参照）。機械的強度を大きくすると飽和磁束密度が小さくなるなど磁芯部材として電磁鋼板と比較すると問題となっている。

また、非特許文献３には、磁心部材を高密度化する方法として、焼結鍛造が記載されている。また、特許文献１には、焼結−冷間鍛造による磁芯部材の製造方法が記載されている。この特許文献１に記載された方法では、焼結温度が８００℃以上であり、焼結体の電気抵抗が小さくなる温度範囲で焼結が行われている。また、非特許文献４では、焼結温度と電気抵抗値の関係が検討されており、また、焼鈍処理により残留応力を低減することも記載されている。

特開２００３−２５３３０４号公報前田徹、他６名、「極低鉄損焼結軟磁性体材料の開発」、ＳＥＩテクニカルレビュー、P.1、第166号(2005年3月) 天野富雄、中川威雄、「第４０回塑性加工シンポジウム論文集」、1972年、P.49-59 榎本裕治、他６名、「圧紛磁芯の磁気特性比較及びモータ特性の評価」、IEEJ Trans.IA、2005年、Vol.125、No.1、P.106 遠藤一哉、他３名、「鉄粉圧粉体の焼結過程における電気抵抗変化」、粉体および粉末冶金、1979年8月、第26巻、第6号

上述したように、飽和磁束密度および低磁界の透磁率が大きく、且つ機械的強度に優れた磁芯部材の実現が望まれていた。

したがって、この発明の目的は、飽和磁束密度および低磁界の透磁率が大きく、且つ機械的強度に優れた磁芯部材およびその製造方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、この発明の第１の発明は、鉄基磁性粉末を所定の形状に加圧成形して成形体を作製する成形工程と、
成形体に焼結処理を施して焼結体を作製する焼結工程と、
焼結体を閉塞冷間鍛造して磁芯部材を作製する鍛造工程と
を備え、
鉄基磁性粉末は、ＳｉおよびＡｌのうち１種以上を含み、
ＳｉおよびＡｌのうち１種以上の含有量は、０．２〜１．５ｗｔ％であることを特徴とする磁芯部材の製造方法である。

この発明の第２の発明は、結晶粒径の平均が６３μｍ以下を８０％以上であり、密度が７．７ｇ／ｃｃ以上であり、周波数１Ｈｚ、磁界１００００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．７Ｔ以上であり、機械的強度が９０Ｍｐａ以上であることを特徴とする磁芯部材である。

以上説明したように、この発明によれば、飽和磁束密度および低磁界の透磁率が大きく、且つ機械的強度に優れた磁芯部材を実現できる。

まず、この発明の理解を容易にするために、この発明の概要について説明する。磁芯部材の電気的使用周波数は０．０１〜３００Ｈｚであるので、磁気特性の周波数特性が要求される。その周波数特性を満足するためには、焼結体の電気抵抗値を大きくする必要がある。そこで、電気抵抗値を大きくするために、焼結温度を低くすることが考えられる。しかしながら、焼結温度を低くすると、その機械的強度は３０ＭＰａ以下と小さくなる。そこで、機械的強度を改善するために閉塞冷間鍛造を行う。閉塞冷間鍛造で機械的強度が大きくなるのは、閉塞冷間鍛造によって焼結体のボイドが無くなる、冶金的結合が発生する、等によるものと推測される。

また、磁気特性を改善するために鉄の多結晶磁歪が負であることを利用して圧縮応力を残留させる。磁歪が負である場合、圧縮応力下では、誘導磁気異方性が発生して磁化が容易になる。

この発明の一実施形態による磁芯部材は、結晶粒径の平均が２０μｍ以上６３μｍ以下を８０％以上であり、密度が７．７ｇ／ｃｃ以上であり、周波数１Ｈｚ、磁界１００００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．７Ｔ以上であり、機械的強度が９０Ｍｐａ以上であることを特徴とする。２０μｍ以上であると、良好な成形密度と成形強度を得ることができる。６３μｍ以下であると、結晶粒径が小さく、磁壁移動が容易になる。すなわち、結晶粒径が小さいと、粉体周辺の酸化膜のために、近似的な単磁区構造になり、磁壁が短くなる。低磁界での磁化は磁壁移動が中心になるので、磁壁が短いとその移動も容易になる。密度が７．７ｇ／ｃｃ未満であると、磁束密度が１．７Ｔ以下になってしまう。機械的強度が９０Ｍｐａ未満であると、磁芯部材として組立時に使用が困難となってしまう。

以下、この発明の一実施形態による磁芯部材の製造方法について説明する。

（混合）
まず、例えばＶミキサーなどの混合機により、例えば磁性粉と潤滑剤と合金成分とを混合する。磁性紛と潤滑剤と合金成分との配合量は、磁性粉９７．３ｗｔ％以上９８．９ｗｔ％以下、潤滑剤０．９ｗｔ％以上１．２ｗｔ％以下、合金成分０．２ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下の範囲内であることが好ましい。潤滑剤が０．９ｗｔ％未満であると、後工程における成形体の機械的強度が劣化して成形体の取り扱いが困難となる。また、後工程において、成形後の抜圧、すなわち、成形体を金型から抜き取るときの圧力が大きくなり成形体が壊れてしまう。潤滑剤が１．２ｗｔ％を越えると、成形密度が６．５ｇ／ｃｃ以下となるため、鍛造後も密度は７．６ｇ／ｃｃ以下になり、その結果、飽和磁束密度も１．７Ｔ以下となってしまう。また、合金成分が０．２ｗｔ％未満であると、多結晶磁歪の負が大きくなり、圧縮応力を残留させると誘導磁気異方性が生じて、圧縮方向に容易磁化方向が発生する、その結果低磁界の透磁率が２００以下となってしまい、合金成分が１．５ｗｔ％を越えると、磁歪が正になってしまう。

磁性粉としては、例えばＦｅを主成分として含む鉄粉が挙げられる。磁性紛の結晶粒径は、２０μｍ以上６３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。２０μｍ未満であると、成形性が劣化して成形密度が６．８ｇ／ｃｃ以下になり、成形強度が２ｋｇｆ／ｃｍ²以下となってしまい、６３μｍを越えると、磁気特性の保磁力が４００Ａ／ｍ以上(ａｔ０．１Ｈｚ)となり、磁気特性が劣化するからである。なお、従来の粉末冶金における粉体の粒径は１００μｍ程度であるのに対して、本願の粉末冶金における粉体の粒径は２０μｍ以上７０μｍ以下の範囲内であり、本願の粉末冶金における磁性紛の粒径は、従来の粉末冶金におけるものとは異なっている。

潤滑剤としては、例えば、ワックスなどの脂肪酸系潤滑剤を挙げることができる。合金成分としては、例えばＳｉ、Ａｌの単体またはこれらの混合物からなる粉末を挙げることができる。この粉末の粒径は２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、合金成分としては金属石鹸を用いるようにしてもよい。金属石鹸としては、例えば、ＳｉまたはＡｌを含む金属石鹸が挙げられる。

（成形）
次に、混合した磁性紛を金型に入れて成形する。成形圧は、４．５ｔｏｎ／ｃｍ²以上７ｔｏｎ／ｃｍ²以下の範囲内とすることが好ましい。４．５ｔｏｎ／ｃｍ²未満であると成形体の機械的強度が得られず、取り扱いが困難となり、７ｔｏｎ／ｃｍ²を越えると金型の寿命が短くなってしまうからである。また、成形後の成形体の密度は、６．８ｇ／ｃｃ以上７．２ｇ／ｃｃ以下の範囲内とすることが好ましい。６．８ｇ／ｃｃ未満であると、閉塞冷間鍛造後に磁芯部材の密度が７．６ｇ／ｃｃとなり飽和磁束密度が１．７Ｔ以下となってしまい、７．２ｇ／ｃｃを越えると成型時に金型破壊を生じて成形が困難になってしまうからである。

（焼結）
次に、成形体を焼結する。焼結温度は、４００℃以上７００℃以下の範囲内とすることが好ましい。４００℃未満であると、焼結が開始せず焼結体の機械的強度は１８Ｍｐａ以下となってしまい、７００℃を越えると、結晶粒径が粗大化して磁気特性の保磁力は４００Ａ／ｍ以上（ａｔ０．１Ｈｚ）となってしまうからである。また、焼結処理は、加湿、および不活性ガスまたは分解アンモニウムガスの雰囲気中で行うことが好ましい。加湿雰囲気における露点温度は、＋１０℃以上２０℃以下の範囲内であることが好ましく、例えば２０℃である。＋１０℃未満であると、結晶後の結晶粒径が粗大化して磁気特性が劣化してしまい、２０℃を越えると、水滴が製品表面に吸着してサビが発生して磁芯部材の外観不良が発生してしまうからである。不活性ガスとしては、例えばＮ₂およびＡｒの混合ガスが挙げられ、分解アンモニウムガスとしては、例えば、Ｎ₂およびＨ₂からなる混合ガスが挙げられる。加湿がないと、潤滑剤が昇華するときに炭素になり、焼結体の表面が黒色になり、また、炭素が残留して磁気特性が劣化してしまう。また、焼結時間は、３０分以上１２０分以下の範囲内であることが好ましい。３０分未満であると、焼結効果がなく磁芯部材の機械的強度が得られなくなってしまい、１２０分を越えると、生産性と経済性に劣ってしまうからである。

（閉塞冷間鍛造）
次に、鍛造成形機の金型に焼結体を挿入して鍛造、圧縮する。据込み率は、５％以上１５％以下の範囲内であることが好ましい。５％未満であると所定の密度が得られず、１５％を越えると磁芯部材にクラックが発生する。
以上により、目的とする磁芯部材が得られる。

以下、実施例によりこの発明を具体的に説明するが、この発明は実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
まず、磁性紛（ヘガネス（株）、商品名：ASC-200）とワックス（日本化成（株）、商品名：スリバックスE-200）とＳｉ金属粉末とを、磁性紛：ワックス：Ｓｉ金属粉末＝９８．９ｗｔ％：０．９ｗｔ％：０．２ｗｔ％の重量比率でＶミキサーにより混合した。なお、磁性紛としては、Ｆｅ９９．９８５ｗｔ％とＳｉ０．０１５ｗｔ％とからなり、結晶粒径２０μｍ〜６３μｍが８７％以上のものを用いた。また、Ｓｉ金属粉末としては、粒径３０μｍのものを用いた。次に、磁性紛を金型に入れ、成形圧６ｔｏｎ／ｃｍ²で成形して、成形密度６．８ｇ／ｃｃ、φ２５ｍｍ（外径）〜φ１５ｍｍ（内径）、厚さｔ=５ｍｍのＯ−リング状の成形体を得た。なお、磁性粉の粒度の測定はJIS Z2510-2004に準じて行った。

次に、分解アンモニウムガスおよび加湿（露点温度２０℃）の雰囲気下、焼結温度６００℃、焼結時間３０分の焼結条件で、上述のようにして得られた成形体を焼結処理して焼結体を得た。

次に、焼結体を鍛造成形機の金型に挿入して鍛造、圧縮した。ここで、据込み率は、１３％とした。なお、据込み試験は、日本塑性加工学会の冷間据込み試験方法に準じて行った。以上により、目的とする磁芯部材を得た。

（実施例２）
まず、潤滑剤としてワックスを用いず、合金成分としてＡｌ金属石鹸（ＡＤＥＫＡケミカルサプライ（株）、商品名：Al-3）を用い、磁性紛と合金成分との混合比率を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして、磁性紛と合金成分とを混合した。次に、成形条件、焼結条件および閉塞冷間鍛造条件を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして磁芯部材を得た。

（実施例３）
混合条件、成形条件、焼結条件および閉塞冷間鍛造条件を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして磁芯部材を得た。

（実施例４）
混合条件、成形条件、焼結条件および閉塞冷間鍛造条件を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして磁芯部材を得た。

（実施例５）
まず、合金成分としてＡｌ金属石鹸（ＡＤＥＫＡケミカルサプライ（株）、商品名：Al-3）を用い、磁性紛と潤滑剤と合金成分との混合比率を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして、磁性紛と潤滑剤と合金成分とを混合した。次に、成形条件、焼結条件および閉塞冷間鍛造条件を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして磁芯部材を得た。

（実施例６）
まず、合金成分としてＳｉ金属粉末およびＡｌ金属石鹸（ＡＤＥＫＡケミカルサプライ（株）、商品名：Al-3）を用い、磁性紛と潤滑剤と合金成分との混合比率を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして、磁性紛と潤滑剤と合金成分とを混合した。次に、成形条件、焼結条件および閉塞冷間鍛造条件を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして磁芯部材を得た。

（比較例１）
まず、合金成分を添加せず、磁性紛と潤滑剤との混合比率を表１に示すように変える以外は実施例１と同様に成形して、磁性紛と潤滑剤とを混合した。次に、得られた混合物を実施例１と同様にしてリング状の成形体を得た。次に、雰囲気を分解アンモニウムガスの雰囲気とし、焼結温度と焼結時間とを表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして焼結体を得た。以上により、目的とする磁芯部材を得た。

（比較例２）
まず、混合条件、成形条件および焼結条件を表１に示すように変える以外は比較例１と同様にして焼結体を得た。次に、表１に示すように据込み率２％とする以外は実施例１と同様にして焼結体を閉塞冷間鍛造し、磁芯部材を得た。

（比較例３）
まず、合金成分として粒径８０μｍのＳｉ金属粉末を用い、磁性紛と潤滑剤と合金成分との混合比率を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして、磁性紛と潤滑剤と合金成分とを混合した。次に、成形条件、焼結条件および閉塞冷間鍛造条件を表１に示すように変える以外は実施例１と同様にして磁芯部材を得た。

（比較例４）
一般的な電磁鋼板により磁芯部材を作製した。

上述のようにして得られた実施例１〜６および比較例１〜４の磁芯部材の機械的強度、密度、磁束密度、ヒステリシス損失および透磁率を評価した。その結果を表１に示す。
なお、磁気特性の評価はＪＩＳＣ２５６１の測定方法に準じて行い、機械的特性の評価はＪＩＳＺ２５０７の測定方法に準じて行った。
また、磁束密度、ヒステリシス損失および透磁率の測定における周波数および磁気条件を以下のようにした。
磁束密度：測定周波数１Ｈｚ、測定磁界１０，０００Ａ／ｍ
ヒステリシス損失：測定周波数１０Ｈｚ、測定磁束密度０．８Ｔ
透磁率：測定周波数１０Ｈｚ、測定磁界３００Ａ／ｍ

表１から、実施例１〜６の磁芯部材では、飽和磁束密度および低磁界の透磁率が大きく、且つ機械的強度が優れていることが分かる。

（参考例１）
Ｓｉ金属粉末の含有量を変化させる以外は実施例１と同様にして得られる磁芯部材について、Ｓｉ金属粉末の含有量と磁歪との関係をシミュレーションにより求めた。その結果を図１に示す。図１から、Ｓｉ金属粉末の含有量をおよそ１．５ｗｔ％以下にすると、磁歪を負にできることが分かる。

以上、この発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

例えば、上述の一実施形態および実施例において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

Ｆｅ−Ｓｉの二元系合金での多結晶の磁歪を示すグラフである。

Claims

鉄基磁性粉末を所定の形状に加圧成形して成形体を作製する成形工程と、
上記成形体に焼結処理を施して焼結体を作製する焼結工程と、
上記焼結体を閉塞冷間鍛造して磁芯部材を作製する鍛造工程と
を備え、
上記鉄基磁性粉末は、ＳｉおよびＡｌのうち１種以上を含み、
上記ＳｉおよびＡｌのうち１種以上の含有量は、０．２〜１．５ｗｔ％であることを特徴とする磁芯部材の製造方法。
鉄基磁性粉末に対して脂肪酸系潤滑剤を０．９〜１．２ｗｔ％添加し、金属珪素粉末の粒径が２０〜４０μｍおよびＡｌ金属石鹸の１種以上を０．２〜１．５ｗｔ％添加し混合する混合工程をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の磁芯部材の製造方法。
上記成形工程は、成形圧４．５〜７ｔｏｎ／ｃｍ²で上記鉄基磁性粉末を加圧して、成形密度６．８〜７．２ｇ／ｃｃの上記成形体を成形する工程であることを特徴とする請求項１記載の磁芯部材の製造方法。
上記焼結工程は、窒素−水素の混合ガスおよび加湿の雰囲気において、焼結温度４００〜７００℃、露点＋１０〜２０℃、焼結時間３０〜１２０分の条件で焼結処理を施す工程であることを特徴とする請求項１記載の磁芯部材の製造方法。
上記鍛造工程は、据込み率５〜１５％で上記焼結体を閉塞冷間鍛造する工程であることを特徴とする請求項１記載の磁芯部材の製造方法。
結晶粒径の平均が６３μｍ以下を８０％以上であり、密度が７．７ｇ／ｃｃ以上であり、周波数１Ｈｚ、磁界１００００Ａ／ｍにおける磁束密度が１．７Ｔ以上であり、機械的強度が９０Ｍｐａ以上であることを特徴とする磁芯部材。