JP2009117471A - 磁心用粉末及び圧粉磁心並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁心用粉末の製造方法は、N、P、S、O原子を1又は複数含む極性基を有する有機基を有するSiアルコキシドとAlアルコキシドとを脱水有機溶媒に混合してなるアルコキシド含有溶液に純鉄粉を浸漬させた後、乾燥させて脱水有機溶媒を除去し、純鉄粉の表面にAl−Si−O系複合酸化物よりなるアルコキシド皮膜を形成するアルコキシド皮膜形成工程と、シリコーン樹脂を有機溶媒に混合してなるシリコーン樹脂含有溶液にアルコキシド皮膜を施した純鉄粉を浸漬させた後、乾燥させて有機溶媒を除去し、アルコキシド皮膜上にシリコーン樹脂皮膜を形成するシリコーン樹脂皮膜形成工程とを行い、純鉄粉の表面に、アルコキシド皮膜とシリコーン樹脂皮膜とにより構成された絶縁皮膜を形成する。
【選択図】図1
Description
しかしながら、従来、Fe−Si粉等に比べて、純鉄粉に被覆する高性能な絶縁皮膜はほとんど報告されていない。例えば、Fe−Si粉と同様に、純鉄粉にシリコーン樹脂よりなる絶縁皮膜を形成しても、その磁心用粉末を用いて得られる圧粉磁心は、高耐熱性・高比抵抗の特性を充分に得ることができなかった。
N、P、S、O原子を1又は複数含む極性基を有する有機基を少なくとも1つ有するSiアルコキシドとAlアルコキシドとを脱水有機溶媒に混合してなるアルコキシド含有溶液に上記純鉄粉を浸漬させた後、乾燥させて上記脱水有機溶媒を除去し、上記純鉄粉の表面にAl−Si−O系複合酸化物よりなるアルコキシド皮膜を形成するアルコキシド皮膜形成工程と、
シリコーン樹脂を有機溶媒に混合してなるシリコーン樹脂含有溶液に上記アルコキシド皮膜を施した上記純鉄粉を浸漬させた後、乾燥させて上記有機溶媒を除去し、上記アルコキシド皮膜上にシリコーン樹脂皮膜を形成するシリコーン樹脂皮膜形成工程とを行い、
上記純鉄粉の表面に、第1層としての上記アルコキシド皮膜と第2層としての上記シリコーン樹脂皮膜とにより構成された上記絶縁皮膜を形成することを特徴とする磁心用粉末の製造方法にある(請求項1)。
この詳細なメカニズムについては未だ明らかとなっていないが、以下のように考えられる。
一般的に、Alアルコキシドは、TEOS(テトラエトキシシラン)、TMOS(テトラメトキシシラン)等のSiアルコキシドと比べて反応性が高く、水による加水分解・脱水縮合といった過程を経ずとも、水酸基(−OH)に対して脱アルコール反応により結合(−O−Al−)を生じることが知られている。そのため、いわゆるゾルゲル反応が、純鉄粉表面においてその表面に存在する吸着水や水酸基によって引き起こされる。
これにより、純鉄粉の表面において、Si及びAlの両金属アルコキシドが反応し、Al−Si−O系複合酸化物よりなるアルコキシド皮膜を均一かつ薄膜に形成することができる。
また、純鉄粉は、Fe−Si粉等に比べて軟らかい性質を有するため、高密度で成形することが可能であり、高成形密度・高磁束密度の特性を充分に保持することができる。
本発明の磁心用粉末は、上記第1の発明の磁心用粉末の製造方法により製造されたものである。よって、上記磁心用粉末は、該磁心用粉末を加圧成形して得られる成形体(圧粉磁心)の高成形密度、高磁束密度を保持しながら、高耐熱性、高比抵抗、低鉄損を実現することができるものとなる。
上記成形用金型内の上記磁心用粉末を加圧成形することにより圧粉磁心を得る成形工程とを有することを特徴とする圧粉磁心の製造方法にある(請求項10)。
本発明の圧粉磁心は、上記第3の発明の圧粉磁心の製造方法により製造されたものである。よって、上記圧粉磁心は、高成形密度、高磁束密度であり、かつ高耐熱性、高比抵抗、低鉄損のものとなる。
この場合には、上記アルコキシド含有溶液中のSi及びAlの両金属アルコキシドをより均一に分散させることができる。
ここで、上記R1は、N、P、S、O原子を1又は複数含む極性基を有する有機基である。また、上記R2及びR3としては、上記R1と同様のN、P、S、O原子を1又は複数含む極性基を有する有機基又はその他の種々の有機基を用いることができる。
また、上記OR’は、アルコキシ基である。上記OR’としては、例えばメトキシ基(−OCH3)、エトキシ基(−OC2H5−)、イソプロポキシ基(−OC3H7)等が挙げられる。
アミノ基(−NH2)、アミン(−NHCH3、−N(CH3)2)を有するものとしては、3−アミノプロピルトリエトキシシラン(3-Aminopropyltriethoxysilane)、3−アミノプロピルトリメトキシシラン(3-Aminopropyltrimethoxysilane)、3−アミノプロピルジメチルエトキシシラン(3-Aminopropyldimethylethoxysilane)、3−アミノプロピルメチルジエトキシシラン(3-Aminopropylmethyldiethoxysilane)、4−アミノブチルトリエトキシシラン(4-Aminobutyltriethoxysilane)、3−アミノプロピルジイソプロピルエトキシシラン(3-Aminopropyldiisopropylethoxysilane)、1−アミノ−2−(ジメチルエトキシシリル)プロパン(1-Amino-2-(dimethylethoxysilyl)propane)、(アミノエチルアミノ)−3−イソブチルジメチルメトキシシラン、((Aminoethylamino)-3-isobutyldimethylmethoxysilane)、N−(2−アミノエチル)−3−アミノイソブチルメチルジメトキシシラン(N-(2-Aminoethyl)-3-aminoisobutylmethyldimethoxysilane)、(アミノエチルアミノメチル)フェネチルトリメトキシシラン((Aminoethylaminomethyl)phenethyltrimethoxysilane)、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン(N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane)、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン(N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン(N-(2-Aminoehyl)-3-aminopropyltriethoxysilane)、N−(6−アミノヘキシル)アミノメチルトリメトキシシラン(N-(6-Aminohexyl)aminomethyltrimethoxysilane)、N−(6−アミノヘキシル)アミノメチルトリエトキシシラン(N-(6-Aminohexyl)aminomethyltriethoxysilane)、N−(6−アミノヘキシル)アミノプロピルトリメトキシシラン(N-(6-Aminohexyl)aminopropyltrimethoxysilane)、N−(2−アミノエチル)−11−アミノウンデシルトリメトキシシラン(N-(2-Aminoethyl)-11-aminoundecyltrimethoxysilane)、11−アミノウンデシルトリエトキシシラン(11-Aminoundecyltriethoxysilane)、3−(m−アミノフェノキシ)プロピルトリメトキシシラン(3-(m-Aminophenoxy)propyltrimethoxysilane)、m−アミノフェニルトリメトキシシラン(m-Aminophenyltrimethoxysilane)、p−アミノフェニルトリメトキシシラン(p-Aminophenyltrimethoxysilane)、(3−トリメトキシシリルプロピル)ジエチレントリアミン((3-Trimethoxysilylpropyl)diethylenetriamine)、N−メチルアミノプロピルメチルジメトキシシラン(N-Methylaminopropylmethyldimethoxysilane)、N−メチルアミノプロピルトリメトキシシラン(N-Methylaminopropyltrimethoxysilane)、ジメチルアミノメチルエトキシシラン(Dimethylaminomethylethoxysilane)、(N,N−ジメチルアミノプロピル)トリメトキシシラン((N,N-Dimethylaminopropyl)trimethoxysilane)、(N−アセチルグリシジル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン((N-Acetylglycyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)等を用いることができる。
この場合には、上記純鉄粉の表面に、上記アルコキシド皮膜をより均一かつ薄膜に形成することができる。
この場合には、上記アルコキシド皮膜形成工程において、Si及びAlの両アルコキシドがより一層均一に分散した上記アルコキシド含有溶液を用いることができる。これにより、上記アルコキシド皮膜をさらに均一に形成することができる。
水の含有量が0.1重量%を超える場合には、上記純鉄粉の表面以外でゾルゲル反応が起き、沈殿物等が生じるおそれがある。そのため、この沈殿物等を分離する工程が必要となってしまう。
また、上記脱水有機溶媒としては、親水性の極性溶媒を用いることがより好ましい。これは、吸着水を持った上記純鉄粉表面へのなじみが良く、より表面反応に適しているからである。
上記純鉄粉の粒径が10μm未満の場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心のヒステリシス損が増加するおそれがある。また、300μmを超える場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の渦電流損が増加するおそれがある。
水アトマイズ粉は、現状、最も入手性が良く低コストである。また、水アトマイズ粉は、その粒子形状がいびつである。よって、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の機械的強度を向上させることができる。
ガスアトマイズ粉は、略球状粒子からなる。そのため、上記磁心用粉末を加圧成形する際に、上記絶縁被膜の損傷等を抑制することができ、比抵抗の高い圧粉磁心を得ることができる。
なお、リン酸塩系皮膜としては、すでに公知のリン酸塩系皮膜(例えば、田島伸ら、「新規リン酸塩系絶縁皮膜で被覆された鉄粉から作製した高密度圧粉磁心(HDMC)の特性」、粉体および粉末冶金、粉体粉末冶金協会、52−3(2005)、p.164−170等参照)を用いることができる。
この場合には、Al−Si−O系複合酸化物よりなる上記アルコキシド皮膜をより均一に密着性良く形成することができる。その結果、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の比抵抗を向上させることができる。
上記絶縁皮膜の厚みが20nm未満の場合には、該絶縁皮膜によって絶縁性を充分に確保することができないおそれがある。さらには、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の比抵抗が低下するおそれがある。また、3000nmを超える場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の成形体密度が低下し、その結果、磁束密度が低下するおそれがある。
上記アルコキシド皮膜の厚みが10nm未満である場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心において充分に高い比抵抗が得られないおそれがある。一方、500nmを超える場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の成形体密度が低下し、その結果、磁束密度が低下するおそれがある。
上記シリコーン樹脂皮膜の厚みが10nm未満である場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心において充分に高い比抵抗が得られないおそれがある。一方、2500nmを超える場合には、上記磁心用粉末を加圧成形して得られる圧粉磁心の成形体密度が低下し、その結果、磁束密度が低下するおそれがある。
上記焼鈍工程は、上記圧粉磁心の残留応力や残留歪みを除去するために行う。これにより、上記圧粉磁心の保磁力・ヒステリシス損失が低減され、磁気的特性が向上する。
上記焼鈍温度が400℃未満の場合には、焼鈍を行ったことによる残留応力や残留歪みの除去効果が充分に得られないおそれがある。また、900℃を超える場合には、上記絶縁皮膜の損傷等が進行し易くなるおそれがある。
上記加熱時間が1分未満の場合には、焼鈍を行ったことによる残留応力や残留歪みの除去効果が充分に得られないおそれがある。また、180分を超える場合には、加熱してもそれ以上の効果を期待することができず、逆に生産性の低下を招くおそれがある。
本例では、後述の表1に示すごとく、本発明の実施例としての複数種類の磁心用粉末を用いた圧粉磁心(試料E1〜E4)と、比較例としての複数種類の磁心用粉末を用いた圧粉磁心(試料C1、C2)を作製した。そして、これらの圧粉磁心の特性を調べることにより、その圧粉磁心を構成している磁心用粉末について評価した。
まず、2種類の磁性粉末を用意した。1つは、山陽特殊鋼製のガスアトマイズ鉄粉を150〜212μmに分級したものであり(試料E1、E4)、もう1つは、このガスアトマイズ鉄粉に予めリン酸塩皮膜を施したものである(試料E2、E3)。
なお、本例で用いた鉄粉は、主成分となるFeと不可避不純物とからなる純鉄粉である。
次いで、水分を除去した窒素雰囲気グローブボックス内において、300mlのフラスコに鉄粉を100g、有機溶媒としての脱水テトラヒドロフラン(以下、THFと略す)を100ml、Siアルコキシドとしてのアミノプロピルトリエトキシシランを0.6g、Alアルコキシドとしてのアルミニウムイソブトキシドを0.6g投入し、アルコキシド含有溶液を作製した。
こうして、鉄粉の表面に、Al−Si−O系複合酸化物からなる厚さ30〜100nmのアルコキシド皮膜を形成した。
次いで、さきほどのフラスコに有機溶媒としてのエタノールを50ml、シリコーン樹脂を0.4g投入し、シリコーン樹脂をエタノールに溶解させた後、アルコキシド皮膜を形成した鉄粉を投入し、シリコーン樹脂含有溶液を作製した。
なお、本例では、シリコーン樹脂として、モメンティブパフォーマンスマテリアル社製のYR3370を用いた。
こうして、鉄粉に形成されたアルコキシド皮膜上に、シリコーン樹脂からなる厚さ100〜1000nmのシリコーン樹脂皮膜を形成した。そして、鉄粉に第1層としてのアルコキシド皮膜と第2層としてのシリコーン樹脂皮膜とからなる絶縁皮膜を被覆した磁心用粉末を得た。
得られた各種の磁心用粉末に対して、金型潤滑温間高圧成形法を用いて圧粉磁心を作製した。この金型潤滑温間高圧成形法を用いた圧粉磁心の製造は、具体的には次のようにして行った。
まず、所望の形状のキャビティを有する超硬製の成形用金型を用意した。この成形用金型をヒータで予め150℃に加熱しておいた。加熱した成形用金型の内周面に、水溶液に分散させたステアリン酸リチウムをスプレーガンにて、1cm3/秒程度の割合で均一に塗布した。ここで用いた水溶液は、水に界面活性剤と消泡剤とを添加したものである。
そして、ステアリン酸リチウムが内面に塗布されたその成形用金型へ各種磁心用粉末を充填した。
また、界面活性剤としては、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル(EO)6、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル(EO)10、及びホウ酸エステルエマルボンT−80を用い、消泡剤としては、FSアンチフォーム80を用いた。
次いで、成形用金型を150℃に保持したまま、1600MPaの成形圧力で、充填された各種磁心用粉末を温間加圧成形した。こうして、圧粉磁心を得た。
なお、この金型潤滑温間高圧成形法を用いた成形に当たって、いずれの磁心用粉末も成形用金型とかじり等を生じることがなく、5MPa程度の低い抜圧で圧粉磁心を成形用金型から取出すことができた。
さらに、得られた各種圧粉磁心に対して成形歪みを除去するために、窒素雰囲気中、600℃、1時間の条件で熱処理(焼鈍)を行った。
こうして、磁心用粉末を成形してなる圧粉磁心を得た。
得られた圧粉磁心を用いて、成形体密度及び比抵抗を評価した。成形体密度は、形状からのかさ密度を測定した。また、比抵抗は、マイクロオームメータ(ヒューレットパカード(HP)社製、34420A)を用いて4端子法により測定した。
さらに、本例では、リング形状の圧粉磁心にコイルを巻き、B−Hアナライザーを用いて磁束密度1T、周波数800Hzの条件下での鉄損Pc、ヒステリシス損Ph、渦電流損Peを測定し、直流磁気磁束計を用いて10kA/mの条件下での磁束密度B10kを測定した。
この測定結果を表1に示す。同表には、測定結果の中で代表的な値を示してある。
同図から、実施例にかかる試料E2は、アルコキシド皮膜を形成したことにより、比較例にかかる試料C1に比べて比抵抗が10倍以上高くなっていることがわかる。
同図から、実施例にかかる試料E1は、リン酸塩皮膜を形成したことにより、形成していないものに比べて比抵抗が約4倍になっていることがわかる。
Claims (14)
- 純鉄粉の表面に絶縁皮膜を被覆してなる磁心用粉末を製造する方法において、
N、P、S、O原子を1又は複数含む極性基を有する有機基を少なくとも1つ有するSiアルコキシドとAlアルコキシドとを脱水有機溶媒に混合してなるアルコキシド含有溶液に上記純鉄粉を浸漬させた後、乾燥させて上記脱水有機溶媒を除去し、上記純鉄粉の表面にAl−Si−O系複合酸化物よりなるアルコキシド皮膜を形成するアルコキシド皮膜形成工程と、
シリコーン樹脂を有機溶媒に混合してなるシリコーン樹脂含有溶液に上記アルコキシド皮膜を施した上記純鉄粉を浸漬させた後、乾燥させて上記有機溶媒を除去し、上記アルコキシド皮膜上にシリコーン樹脂皮膜を形成するシリコーン樹脂皮膜形成工程とを行い、
上記純鉄粉の表面に、第1層としての上記アルコキシド皮膜と第2層としての上記シリコーン樹脂皮膜とにより構成された上記絶縁皮膜を形成することを特徴とする磁心用粉末の製造方法。 - 請求項1において、上記Siアルコキシドにおける上記N、P、S、O原子を1又は複数含む極性基を有する有機基は、アミノ基、アミン、アミド、カルバミン酸基、ニトロ基、含窒素複素環、アンモニウム塩、シアノ基、イソシアネート基、カルボキシル基、エステル基、アルデヒド類、ケトン類、水酸基、イソチオウロニウム塩、酸無水物、スルフォニル基、及び含硫黄複素環のうちのいずれかであることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
- 請求項1又は2において、上記Siアルコキシドは、3−(2−イミダゾリン−1−イル)プロピルトリエトキシシラン又は3−アミノプロピルトリエトキシシランであり、上記Alアルコキシドは、アルミニウムトリ−sec−ブトキシドであることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、上記アルコキシド含有溶液は、上記Siアルコキシドと上記Alアルコキシドとの混合割合がモル比で0.3:1〜1:0.3の範囲内であることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記脱水有機溶媒は、水の含有量が0.1重量%以下であることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項において、上記純鉄粉の粒径は、10〜300μmであることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、上記純鉄粉は、水アトマイズ粉又はガスアトマイズ粉であることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の磁心用粉末の製造方法により製造されてなることを特徴とする磁心用粉末。
- 請求項8において、上記絶縁皮膜の厚みは、10〜3000nmであることを特徴とする磁心用粉末。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の磁心用粉末の製造方法により製造されてなる上記磁心用粉末を成形用金型に充填する充填工程と、
上記成形用金型内の上記磁心用粉末を加圧成形することにより圧粉磁心を得る成形工程とを有することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。 - 請求項10において、上記充填工程では、上記成形用金型の内面に高級脂肪酸系潤滑剤を塗布した後、上記磁心用粉末を上記成形用金型に充填し、上記成形工程では、上記磁心用粉末及び上記成形用金型を加熱した状態で上記磁心用粉末を加圧成形することにより上記圧粉磁心を得るという金型潤滑温間成形法を用いることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
- 請求項10又は11において、上記成形工程の後、上記圧粉磁心を焼鈍する焼鈍工程を行うことを特徴する圧粉磁心の製造方法。
- 請求項10〜12のいずれか1項において、上記焼鈍工程では、焼鈍温度が400℃以上であることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
- 請求項10〜13のいずれか1項に記載の圧粉磁心の製造方法により製造されてなることを特徴とする圧粉磁心。
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