JP2010511791A - 軟質磁性粉末 - Google Patents

Abstract

本発明は、高周波数で動作するための粉末磁心であって、絶縁膜で被覆された鉄ベースの磁性粉末を加圧形成することによって得られ、１０００μｍ未満、好ましくは２０００μｍ未満、最も好ましくは３０００μｍ未満の比抵抗率、及び１．５（Ｔ）を超える、好ましくは１．７（Ｔ）を超える、最も好ましくは１．９（Ｔ）を超える飽和磁束密度Ｂを有する粉末磁心に関する。本発明は、また、当該磁心の製造、並びにその製造に好適な粉末に関する。

Description

本発明は、軟質磁性材料を製造するための粉末、並びにこの粉末を使用して得られる軟質磁性材料に関する。具体的には、本発明は、高周波数で作用する軟質磁性複合体材料を製造するための粉末に関する。

軟質磁性材料は、電気機械、アクチュエータ、センサー及び変圧器磁心のためのインダクタ、固定子及び回転子における磁心材料などの用途に使用される。従来、電気機械における回転子及び固定子のような軟質磁心は、積層型鋼積層体で製造されている。軟質磁性複合体ＳＭＣ材料は、電気絶縁コーティングが各粒子上に塗布された、通常は鉄ベースの軟質磁性粒子に基づく。従来的に粉末冶金法を用いて、絶縁粒子を任意選択に潤滑剤及び／又はバインダとともに圧縮することによって、ＳＭＣ部品が得られる。ＳＭＣ材料は、三次元磁束を担持することができ、三次元の形状を圧縮法によって得ることができるため、この粉末冶金技術を用いることによって、鋼積層体を使用することによるものより設計の自由度の高いＳＭＣ部品を製造することが可能である。ＳＭＣ部品を高性能にし、それらを小型化するために、軟質磁性粉末の性能を向上させることが不可欠である。

ＳＭＣ部品の性能を向上させるための１つの重要なパラメータは、その磁心損失特性を軽減することである。磁性材料を変動磁場に曝すと、ヒステリシス損失及び渦電流損失によりエネルギー損失が生じる。ヒステリシス損失は、交流磁場の周波数に比例するのに対して、渦電流損失は、周波数の二乗に比例する。したがって、高周波数において、たいていは渦電流損失が重要であり、渦電流損失を軽減しながら、低レベルのヒステリシス損失を維持することが特に必要とされる。これは、磁心の抵抗率を高めることが望まれることを暗示する。

その抵抗率を向上させる方法を求めて、異なる方法が使用及び提案されてきた。１つの方法は、粉末粒子を圧縮する前に、電気絶縁コーティング又は膜をこれら粉末粒子に設けることに基づく。したがって、異なる種類の電気絶縁コーティングを教示する多くの特許文献が存在する。無機コーティングに関する最近公開された特許の例は、米国特許第６，３０９，７４８号、米国特許第６，３４８，２６５号及び米国特許第６，５６２，４５８号である。有機材料のコーティングは、例えば、米国特許第５，５９５，６０９号から知られる。無機材料及び有機材料の両方を含むコーティングは、例えば、米国特許第６，３７２，３４８号及び同第５，０６３，０１１号並びにＤＥ特許公開第３，４３９，３９７号から知られ、それらの文献によれば、粒子がリン酸鉄層及び熱可塑性材料に囲まれる。

高密度を有する部品を得ることがしばしば望まれるため、高性能のＳＭＣ部品を得るためには、電気絶縁粉末を高圧で圧縮成形することも可能でなければならない。高密度は、磁気特性を通常向上させる。具体的には、ヒステリシス損失を低レベルに維持するとともに、高い飽和磁束密度を得るために、高密度が必要である。更に、電気絶縁は、圧縮部品がダイから排出されるときに損傷を受けずに、必要な高圧縮圧力に耐えなければならない。これは、次には、排出力（ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）が強すぎてはならないことを意味する。

また、ヒステリシス損失をさらに軽減するために、圧縮部品の応力放出熱処理が必要とされる。効果的な応力放出を確保するために、好ましくは、非還元雰囲気において、３００℃より高く、絶縁コーティングが損傷を受けることになる、約６００℃未満の温度で熱処理を実施すべきである。

本発明は、より高い抵抗率及びより低い磁心損失が不可欠である、より高い周波数、即ち２ｋＨｚを超える周波数、特に５から１００ｋＨｚの周波数での使用を主に意図する粉末磁心の必要性に鑑みてなされたものである。磁心材料は、また、磁心の小型化のために高い飽和磁束密度を有するべきである。更に、ダイ壁潤滑及び／又は高温を用いて金属粉末を圧縮することを必要とせずに、磁心を製造することが可能でなければならない。好ましくは、これらの工程を除くべきである。

低い磁心損失が望まれる多くの使用及び提案された方法と対照的に、圧縮工程で使用される粉末組成物において、有機結着剤を使用する必要がないことが本発明の特別の利点である。したがって、有機結着剤が分解する危険性を伴わずに、生の成形体の熱処理を高温で実施することができる。より高い熱処理温度は、磁束密度を向上させ、磁心損失を低下させることにもなる。また、最終的な熱処理磁心に有機材料が存在しないため、有機バインダの軟化及び分解による強度低下の危険性を伴わずに高温を有する環境で磁心を使用することが可能になるとともに、温度安定性の向上が達成されることになる。

粉末磁心
本発明の粉末磁心は、新しい電気絶縁コーティングで被覆された鉄ベースの磁性粉末を加圧形成することによって得られる。該磁心は、２〜１００ｋＨｚ、好ましくは５〜１００ｋＨｚの周波数範囲、及び１０００μΩを超える、好ましくは２０００μΩを超える、最も好ましくは３０００μΩを超える抵抗率ρ、及び１．５（Ｔ）を超える、好ましくは１．７（Ｔ）を超える、最も好ましくは１．９（Ｔ）を超える飽和磁束密度Ｂｓでの低い全損失を特徴とすることができる。

鉄ベースの粉末
本発明によれば、「鉄ベースの粉末」という用語は、純粋の鉄で構成され、９９．０％以上の鉄含有量を有する鉄粉を含むことを意図する。当該鉄含有量を有する粉末の例は、

スウェーデンから入手可能なＡＢＣ１００．３０又はＡＳＣ３００である。不規則な形状の粒子を有する水噴霧粉末が特に好ましい。

また、鉄ベースの粉末粒子は、１００μｍ未満の粒径を有するべきである。好ましくは、粒径は、７５μｍ（２００メッシュ）未満であるべきである。より好ましくは、本発明による磁心の製造に使用される粉末は、Ｄ_９０が７５μｍ以下であり、Ｄ_５０が５０μｍと１０μｍの間になるような粒径を有すべきである（Ｄ_９０及びＤ_５０は、それぞれ９０重量パーセント及び５０重量パーセントが、それぞれＤ_９０及びＤ_５０の値未満の粒径を有することを意味する）。

絶縁コーティング
鉄ベースの磁性粉末のそれぞれの粒子の表面上の絶縁コーティングは、より大きい比抵抗率及び低磁心損失を示す粉末磁心を得るために不可欠である。

既に言及したように、粉末粒子上の異なる種類の絶縁コーティング又は膜を開示したいくつかの文献が存在する。実際に、リン酸の使用に基づく膜又はコーティングは、好結果であることが証明された。これらのコーティングを製造する方法は、例えば、リン酸を鉄ベースの磁性粉末とともに水又は有機溶媒に混入することを含む。したがって、磁性粉末を、例えば、リン酸溶液に浸すことができる。或いは、溶液を粉末上にスプレーする。有機溶媒の例は、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、グリセロール等である。鉄粉上の膜又はコーティングの製造のための好適な方法は、米国特許第６３７２３４８号及び同第６３４８２６５号に開示されている。鉄ベースの粒子の各々を囲む実質的に均一且つ連続的な絶縁層を形成させる任意の方法によって、絶縁材料を塗布することができる。したがって、好ましくは、絶縁材料を鉄ベースの粒子上にスプレーするためのノズルを装備したミキサーを使用することができる。使用できるミキサーとしては、例えば、螺旋状ブレード型ミキサー、プラウブレード型ミキサー、連続式スクリューミキサー、コーンスクリューミキサー又はリボンブレンダーミキサーが挙げられる。

例えば、高濃度のリン酸を使用することによって、より厚いコーティングを設けるためにこの方法を適用するときは、絶縁特性を向上させることができ、即ち抵抗率をある程度まで高めることができる。

より高い抵抗率を得るために、リン酸溶液による鉄ベースの粉末の処理を繰り返すことによってこれを達成できることが見出された。この処理を、水、又は以上に言及した種類の有機溶媒における同じ又は異なる濃度のリン酸を用いて行ってもよい。

溶媒に溶解させたリン酸の量は、以下に定義される被覆粉末粒子上の所望のコーティング厚に対応すべきである。アセトンにおけるリン酸の好適な濃度は、アセトン１リットル当たりリン酸５ｍｌから１００ｍｌであり、１０００グラムの粉末に対するアセトン溶液の全添加量は、好適な５から３００ｍｌであることが見出された。軟質磁性粒子の電気絶縁を目的としたコーティング液において提案されてきたＣｒ、Ｍｇ、Ｂ等の元素或いは他の物質又は元素を含めることは必要なく、又は好ましくない。よって、粒径と、酸素含有量と、リン含有量との指定の関係を得るような濃度及び処理時間でリン酸のみを溶媒に使用することが現行では好ましい。処理の間に粉末を完全又は部分的に乾燥させてもよい。

更に、本出願の脈絡において、絶縁コーティングは、非常に薄く、実際には、鉄ベースの粉末の粒径に対して無視できることに留意されたい。したがって、絶縁粉末粒子の粒径は、ベース粉末のそれと実質的に同じである。

電気絶縁鉄粉
本発明によるリン酸塩で被覆された鉄ベースの粉末粒子をさらに以下のように特徴づけることができる。被覆粒子は、０．１重量％未満の酸素含有量を有する鉄ベースの粉末粒子を含む。また、電気絶縁粒子の粉末は、多くとも０．８重量％の酸素含有量、及びベース粉末のそれより高い少なくとも０．０４重量％のリン含有量を有する。また、絶縁粉末の全酸素含有量と、絶縁粒子を有する粉末のリン含有量とベース粉末のそれとの差との比、即ちＯ_ｔｏｔ／ΔＰは、２から６である。

具体的には、ΔＰ／（Ｏ_ｔｏｔ×Ｄ_５０）で表される酸素含有量と、ベース粉末のリン含有量と絶縁粉末のリン含有量との差ΔＰと、平均粒径Ｄ_５０との関係は、４．５から５０ １／ｍｍである。

上記関係における４．５未満の値は、個々の鉄ベースの粒子内又は全部品内により強い渦電流が生成されるため、より大きな磁心損失を与えることになる。５０を超える値は、許容不可能な程低い飽和磁束密度を与えることになる。

混合工程
続いて、そのようにして絶縁された粒子を有する粉末を、金属石鹸、例えばステアリン酸亜鉛、ＥＢＳ又はポリエチレン蝋などの蝋、脂肪酸の一級又は二級アミド、或いは脂肪酸の他の誘導体、アミドポリマー又はアミドオリゴマー、Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）等の潤滑剤と混合する。通常、潤滑剤の量は、粉末の１．０重量％未満である。潤滑剤の範囲の例は、０．１〜０．６、より好ましくは０．２〜０．５重量％である。

本発明は、内部潤滑による圧縮、即ち圧縮工程の前に潤滑剤を粉末と混合する圧縮に特に興味深いが、高密度が特に重要である特定の用途では、絶縁粉末を外部潤滑のみ、又は内部潤滑と外部潤滑の組合せ（ダイ壁潤滑）で圧縮できることを見出した。

既に言及したように、高い抵抗率及び低い全磁心損失を得るために、バインダを使用する必要がないことが特別の利点である。しかし、圧縮される組成物においてバインダを使用することを排除するのでなく、存在する場合、ＰＰＳ、アミドオリゴマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどのバインダを０．０５％〜０．６％の量で使用することが可能である。水ガラスなどの他の無機バインダも対象となり得る。

圧縮工程
続いて、本発明による粉末を、４００から１５００ＭＰａ、より具体的には６００から１２００ＭＰａの範囲であってもよい圧力にてダイで一軸圧縮する。圧縮を雰囲気温度で実施することが好ましいが、圧縮を加熱したダイ及び／又は粉末で実施することもできる。

熱処理
絶縁コーティングに悪影響を与えないために、空気などの非還元雰囲気で熱処理を実施する。３００℃未満の熱処理温度は、小さな応力放出効果を有することになり、６００℃を超える温度は、リン含有コーティングを劣化させることになる。熱処理の時間は、通常は、５から５００分間、より具体的には１０から１８０分間の範囲である。

本発明の粉末を使用することによって得られる粉末磁心をモータ、アクチュエータ、変圧器、誘導加熱器（ＩＨ）及びスピーカーなどの様々な電磁装置に使用することができる。しかし、粉末磁心は、２から１００ｋＨｚの周波数で作用するインバータ又はコンバータに使用される誘導素子に特に適する。低い全磁心損失を与える高い磁束飽和と低いヒステリシス及び渦電流損失との得られた組合せは、部品の小型化、より高いエネルギー効率及びより高い使用温度を可能にする。

以下の実施例は、特定の実施形態を例示することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

レーザ回折装置Ｓｙｍｐａｔｈｅｃを利用して、異なる水噴霧された純粋の鉄ベースの粉末の粒径分布を測定した。

（実施例１）
３０ｍｌの８５重量％のリン酸を１０００ｍｌのアセトンに溶解させることによってコーティング溶液を調製した。

比較例であるサンプルａ）〜ｄ）を、米国特許第６３４８２６５号に記載されているように、リン酸をアセトンに溶解させた溶液で処理したのに対して、本発明によるサンプルｅ）〜ｇ）を以下のように処理した。

サンプルｅ）を粉末１０００グラム当たり全部で５０ｍｌのアセトン溶液で処理した。

サンプルｆ）を粉末１０００グラム当たり全部で４０ｍｌのアセトン溶液で処理した。

サンプルｇ）を粉末１０００グラム当たり全部で６０ｍｌのアセトン溶液で処理した。

（実施例２）
さらなる処理
粉末を０．５％の潤滑剤ＫＥＮＯＬＵＢＥ（登録商標）とさらに混合し、雰囲気温度にて、４５ｍｍの内径、５５ｍｍの外径及び５ｍｍの高さを有する環に８００ＭＰａの圧力で成形した。空気雰囲気中５００℃で０．５時間にわたる熱処理プロセスを実施した。

得られたサンプルの比抵抗率を、参考文献（Ｋｏｅｆｏｅｄ Ｏ．、１９７９、「ジオサウンディング原理１：抵抗率サウンディング測定（Ｇｅｏｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ １：Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ａｍｓｔｅｒｄａｍ）による４点測定によって測定した。

磁心損失及び磁気飽和磁束密度測定では、環を一次回路に対しては１１２巻のワイヤで、二次回路に対しては２５巻のワイヤで「巻いて」、ヒステリシスグラフ、Ｂｒｏｃｋｈａｕｓ ＭＰＧ１００を利用して、それぞれ０．１Ｔ、１０ｋＨｚ及び０．２Ｔ、１０ｋＨｚで測定される磁気特性の測定を可能にした。

表１は、粒径分布、ベース粉末並びに被覆粉末における酸素及びリンの含有量、Ｏ_ｔｏｔとΔＰとＤ_５０の関係を示す。

表２は、得られた熱処理部品の比抵抗率、磁心損失及び飽和磁束密度を示す。また、表２は、本発明による粉末を用いて製造された部品では高比抵抗率と、低磁心損失と、高磁束密度低磁心との組合せが得られることを示す。

Claims (10)

1. １００μｍ未満の粒径を有する電気絶縁された鉄ベースの粉末粒子からなる鉄粉であって、該鉄ベースの粉末は、０．１重量％未満の酸素含有量を有し、該電気絶縁された鉄ベースの粉末粒子は、電気絶縁された鉄ベースの粉末粒子の全酸素含有量と、電気絶縁された鉄ベースの粉末粒子と鉄ベースの粉末粒子との全リン含有量の差ΔＰとの比が２から６になるように、多くとも０．８％の全酸素含有量Ｏ_ｔｏｔ、及び鉄ベースの粉末粒子のそれより多い少なくとも０．０４重量％の全リン含有量を有し、ΔＰ／（Ｏ_ｔｏｔ×Ｄ_５０）で表される電気絶縁された鉄ベースの粉末粒子の全酸素含有量と、電気絶縁された鉄ベースの粉末粒子の全リン含有量と鉄ベースの粉末粒子のリン含有量との差ΔＰと、平均粒径Ｄ_５０との関係が、４．５から５０ １／ｍｍである鉄粉。
2. Ｄ_９０が７５μｍ未満であり、Ｄ_５０が１０μｍから５０μｍである、請求項１に記載の鉄粉。
3. Ｐ_ｔｏｔが０．０５％以上である、請求項１又は２に記載の鉄粉。
4. 鉄粉の圧縮成形によって得られる、２から１００ｋＨｚ、好ましくは５から１００ｋＨｚの周波数で動作するための粉末磁心であって、その粒子は、１００μｍ未満であり、その粒子は、電気絶縁無機コーティングが設けられ、
   １０００μΩを超える、好ましくは２０００μΩを超える、最も好ましくは３０００μΩを超える比抵抗率ρ、及び
   １．５（Ｔ）を超える、好ましくは１．７（Ｔ）を超える、最も好ましくは１．９（Ｔ）を超える飽和磁束密度Ｂ
   を有する粉末磁心。
5. 電気絶縁粒子が７５μｍ以下のＤ_９０及び１０μｍから５０μｍのＤ_５０を有する、請求項４に記載の粉末磁心。
6. 電気絶縁コーティングがリンを含む、請求項４又は５に記載の粉末磁心。
7. ０．１Ｔ及び１０ｋＨｚにおいて多くとも３０Ｗ／ｋｇの全損失を有する、請求項４から６までのいずれか一項に記載の粉末磁心。
8. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の絶縁粉末と、１重量％未満の量の潤滑剤とを混合する工程と、
   得られた混合物をダイに充填する工程と、
   前記混合物を圧縮し、得られた成形体をダイから排出し、生の成形体を加熱する工程と
   を含む鉄心製造方法。
9. 圧縮を雰囲気温度で実施する、請求項８に記載の方法。
10. 請求項１に記載の鉄粉を製造する方法であって、
    ａ）溶媒に溶解されたリン酸で鉄ベースの粉末を少なくとも１回処理する工程と、
    ｂ）得られた被覆粉末を乾燥させる工程と
    を含む方法。