JP2013172113A - Ｆｅ基圧粉磁心及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆｅ基圧粉磁心の強度を高める。
【解決手段】表面に絶縁層を有するＦｅ粒子を圧粉成形したＦｅ基圧粉磁心において、前記絶縁層はＦｅ酸化物より生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む酸化物を有し、前記Ｆｅ粒子間に前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む金属又は金属間化合物で充填されている。また、表面にＦｅ酸化物を有するＦｅ粒子と前記Ｆｅ酸化物より生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む粒子とを備える出発原料又は／及びＦｅ粒子の表面にＦｅ酸化物を有し、前記Ｆｅ酸化物の表面に前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む金属又は金属間化合物を備える出発原料を混合し圧粉成形して前駆体を形成する工程と、前記前駆体を熱処理する工程とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｆｅ基圧粉磁心及びその製造方法に関する。

Ｆｅ基圧粉磁心は、Ｆｅ基軟磁性粉末の有する高磁束密度特性を維持しつつ、微細な磁粉を用いることで、高周波磁界の作用下でも低損失化が可能な軟磁性材料として各種のモータあるいは変圧器、リアクトル等の電力変換器用磁気デバイスのコア（鉄心）材に用いられている。

一般的なＦｅ基圧粉磁心の製造方法を図１に示す。一般的なＦｅ基圧粉磁心は、まず絶縁層を磁性粉末に被覆する。絶縁層は、交番磁界下での渦電流減衰を早めて渦電流損を低減させるためのものである。この渦電流損は圧粉磁心損失の主原因となる。絶縁層が磁性粉末に被覆された後、圧粉成形後の形状を維持するための結合助剤（バインダー）および圧縮成形性を向上するための潤滑剤を混合する。その混合粉を型内に充填、圧縮成形、熱処理（焼結）工程を経て圧粉磁心が製作される。

圧粉磁心の製造工程では、磁性粉末への絶縁皮膜処理工程が重要な工程の一つであり、圧粉磁心の特性、特に、損失特性に影響する。圧縮成形時に絶縁皮膜層の損傷を低減することや、熱処理時の変質によって絶縁特性が劣化しにくい絶縁層を選択して被覆することも重要である。従って、圧粉磁心の絶縁に関する技術改良が盛んに行われている。

絶縁皮膜材としては、リン酸系化成皮膜が一般的に用いられている。圧粉磁心は熱処理によって、圧粉成形後の磁性粉末の残留歪みを開放し、圧粉成形体の強度を高めている。しかしリン酸系化成皮膜は熱処理で変質し、絶縁特性の劣化が生じやすい。

これに対し、耐熱性の高い金属酸化物を絶縁皮膜として用いる圧粉磁心が開発されている。例えば、特許文献１では、粉末の表面に絶縁層を有し、その絶縁層がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｃａから選ばれる１種または２種以上の酸化物微粒子からなる軟磁性金属粒子粉末が開示されている。

特開２００９−１８８２７０号公報

しかし、特許文献１の圧粉磁心は、絶縁層が形成された軟磁性金属粒子粉末を圧縮成形した後、加熱処理して得られる。潤滑材や結合剤等を軟磁性金属粒子粉末に混合しない場合は成形体に空隙が存在するため、圧粉磁心の強度が低いという課題がある。潤滑材や結合剤等を使用する場合でも、これらは熱変性物質であり磁性粉末を十分に結合できないので、圧粉磁心の強度が低いという課題がある。

本発明の目的は、Ｆｅ基圧粉磁心の強度を高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、表面に絶縁層を有するＦｅ粒子を圧粉成形したＦｅ基圧粉磁心において、前記絶縁層はＦｅ酸化物より生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む酸化物を有し、前記Ｆｅ粒子間に前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む金属又は金属間化合物が充填されていることを特徴とする。

また、本発明は、表面にＦｅ酸化物を有するＦｅ粒子と前記Ｆｅ酸化物より生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む粒子とを備える出発原料又は／及びＦｅ粒子の表面にＦｅ酸化物を有し、前記Ｆｅ酸化物の表面に前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む金属又は金属間化合物を備える出発原料を混合し圧粉成形して前駆体を形成する工程と、前記前駆体を熱処理する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、Ｆｅ基圧粉磁心の強度を高めることができる。

従来のＦｅ基圧粉磁心の製造工程を示す。 本発明のＦｅ基圧粉磁心の製造工程の一例を示す。 Ｆｅ基圧粉磁心の製造工程における模式図を示す。（ａ）（ｂ）は出発原料、（ｃ）は圧粉成形後熱処理前の断面模式図、（ｄ）熱処理中の断面模式図、（ｅ）熱処理後の断面模式図を示す。

従来技術は、圧縮成形前に磁性粉末へ絶縁皮膜を形成するのに対し、本発明は、加熱（焼結）時に磁性粉末へ絶縁皮膜を形成する。本発明では圧縮成形時には絶縁層が完成しているわけではなく、加熱することによって金属酸化物と金属との界面で還元／酸化反応が生じることを利用して、新たな酸化絶縁皮膜を２次生成させる。

図２に、本発明のＦｅ基圧粉磁心の製造工程の一例を示す。図３はその製造工程における模式図である。

出発原料として、表面にＦｅ酸化物（ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄等）２が被覆されたＦｅ粉末１と、焼結熱処理温度においてＦｅ酸化物２より生成自由エネルギー（化合物を単体から生成するときのエネルギー）の低い元素群（Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ等）から選択される元素あるいはそれらの元素を１種以上含む合金である還元剤３を用いる。還元剤３の生成自由エネルギーがＦｅ酸化物２よりも小さければ、後述する還元剤３の酸化物が生成され易いためである。還元剤３は、図のように粉末のもの（図３（ａ））を用いても、Ｆｅ粉末１を被覆しているＦｅ酸化物２を更にメッキ等の方法で被覆するＦｅ−Ｆｅ酸化物−還元剤の三層構造のもの（図３（ｂ））として存在していてもよく、これらが混在していてもよい。即ち出発原料が、Ｆｅ粉末１をＦｅ酸化物２で被覆したＦｅ−Ｆｅ酸化物の二層構造であり、この粒子の外部に還元剤３が存在していればよい。

Ｆｅ粉末１を酸化雰囲気中で加熱することで、Ｆｅ粉末１の表面にＦｅ酸化物２が容易に生成される。このＦｅ−Ｆｅ酸化物の二層構造の粒子と還元剤３の粒子（又は／及びＦｅ−Ｆｅ酸化物−還元剤の三層構造の粒子）を混合して圧粉成形し、前駆体を形成する（図３（ｃ））。前駆体は、Ｆｅ酸化物２に表面が被覆されたＦｅ粉末１の粒子が密集し、これら粒子同士の隙間に還元剤３が入り込んだ形状となる。還元剤３は粒子間の狭い部分にも入り込み、粒子同士を接着するバインダとしての機能も有する。図３（ａ）に示す出発原料の場合では、図３（ｂ）に比べて還元剤３の存在する量を増やしやすいので、バインダとしての機能が高い。図３（ｂ）に示す出発原料の場合では、予め還元剤３が被覆されているので、混合時間を短縮できる。

次にＦｅの歪みを取るために熱処理する（図３（ｄ））。熱処理によって金属酸化物と金属との界面で還元／酸化反応が生じる。熱処理が進むにつれてＦｅ酸化物２は還元されてＦｅになり、還元剤３（例えばＡｌ）は酸化されて酸化物（例えばＡｌ₂Ｏ₃）が生じる。巨視的には酸素が還元剤３側へ移動する。熱処理温度は、還元剤３が溶融する温度以上にすることで、前駆体中に液相が生じ、熱処理後の圧粉磁心に残存するボイドが大幅に低減されるため、高強度化が可能になる。

熱処理が終了すると（図３（ｅ））、Ｆｅ酸化物２が還元されてＦｅになるため、出発原料のＦｅ粉末１よりも粒径は大きくなる。Ｆｅ酸化物２から酸素を得て還元剤３は絶縁層４が形成される。還元／酸化反応は、物質移動を伴う反応であり、反応後のＦｅ粉末１と絶縁層４との界面は強固になる。還元／酸化反応に係わらなかった還元剤３は、そのままＦｅ粉末間を埋める充填層５として存在する。

従来では絶縁層を被覆したＦｅ粉末のみを圧粉成形したり、接着機能のみを目的としたバインダを混ぜて圧粉成形するので、Ｆｅ粉末間に空隙や熱変性物質が存在し、Ｆｅ粉末間の結合強度が低下しやすい。また絶縁層の形成後に機械的エネルギーを加えることによって圧粉成形するため絶縁層が壊れて絶縁特性が低下することがある。しかし本発明によれば、Ｆｅ粉末間に上記のような還元剤の役割を持つ物質が存在し、空隙や熱変性物質と異なり金属や金属間化合物であるため、Ｆｅ粉末間の結合強度を向上することができる。また圧粉成形後に絶縁層を形成するため絶縁層が壊れにくく、絶縁特性を向上することができる。

〔実施例〕
実施例では、Ｆｅ基軟磁性粉末として、平均粒径１５０μｍ、酸素濃度５００重量ppm以下の純鉄系水アトマイズ粉を用い、この粉末を水蒸気、Ｎ₂の混合ガス気流中で加熱し、Ｆｅ酸化物を被覆したものを用いた。

Ｆｅ酸化物が生成する熱処理条件は、水蒸気、Ｎ₂混合気流中で５５０℃×１hrとした。熱処理後の純鉄系水アトマイズ粉を埋込み、断面観察して被覆されたＦｅ酸化物層の厚さを求めたところ、１〜１.５μｍのＦｅ酸化物の層が生成され、生成されたＦｅ酸化物は、Ｆｅ₃Ｏ₄が主体であることを確認した。

前駆体としては、平均粒径２０μｍの純Ａｌ粉末、及びＳｎ−２０wt％Ｍｇ合金ガスアトマイズ粉を用いた。

これらのＦｅ基軟磁性粉末と還元剤を所定重量比で混合後、圧縮成形、前駆体の酸化／還元反応熱処理を施した。鉄損測定用として、リング状および３点曲げによる抗折強度測定の板状サンプルを準備した。リングサンプルおよび板状サンプル寸法は、それぞれ外径５０mm／内径４０mm×厚さ１０mm、幅１０mm×厚さ５mm×長さ３０mmとした。

比較例として、市販されているリン酸塩で絶縁被覆された純鉄系粉末Ｓｏｍａｌｏｙ７００（ヘガネス社製）を用い、それに潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を混合、圧縮成形、焼結熱処理を経た実施例と同一寸法のリングサンプル、板状サンプルを準備した。この時の、ステアリン酸亜鉛の混合比は、０.４重量％とした。

これらの実施例、比較例で得られた結果を表１に示す。Ｎo.１〜３では、前駆体の還元剤として純Ａｌ粉末を用い、その混合比を変えて製作した。Ｎo.４では、Ｓｎ−２０wt％Ｍｇ合金を用いて製作した。いずれの実施例でも低い成形圧力で前駆体を圧粉成形することができ、還元剤がバインダーとしての効果を有していることが明らかとなった。前駆体成形後の還元／酸化熱処理条件は、還元剤の融点以上の温度とし、実施例１〜３では、７５０℃×１０min、Ｎo.４では、４００℃×１hrとした。ここでの還元／酸化熱処理は、Ｎ₂中で実施した。

比較例では、純鉄粉とステアリン酸亜鉛混合粉末を圧力１,０００ＭＰａで成形し、その後５００℃×３０minで熱処理した比較例１、および７５０℃×１０minで熱処理した比較例２を製作した。比較例の熱処理は、いずれも実施例と同じくＮ₂雰囲気中で行った。

その結果は、表１に示したように、実施例においては、鉄損が５０Ｗ／kg以下の低鉄損特性と抗折強度１００ＭＰａ以上の高強度特性を有する圧粉磁心を製作できた。損失、強度の両特性に優れた圧粉磁心は、比較例いずれの場合でも得られなかった。

ここで、実施例１〜３に注目すると、還元粉末の混合比の増大に伴い鉄損が増大傾向にあることがわかる。実施例１〜３では、前駆体成形後に７５０℃×１０minで熱処理していることにより、純鉄粉に導入された歪みが開放されることで、純鉄粉のヒステリシス損失が低減される。一方、還元Ａｌ混合量が増加するに従い、還元／酸化反応しない余剰Ａｌ量が増大し、還元／酸化反応で新たに生成されたアルミ酸化物層の不均質性が生じ、絶縁性が低下することで渦電流損が増大した結果である。

１ Ｆｅ粉末（Ｆｅ基軟磁性粉末）
２ Ｆｅ酸化物
３ 還元剤
４ 絶縁層
５ 充填層

Claims (5)

1. 表面に絶縁層を有するＦｅ粒子を圧粉成形したＦｅ基圧粉磁心において、前記絶縁層はＦｅ酸化物より生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む酸化物を有し、前記Ｆｅ粒子間に前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む金属又は金属間化合物が充填されていることを特徴とするＦｅ基圧粉磁心。
2. 請求項１において、前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素がＡｌであることを特徴とするＦｅ基圧粉磁心。
3. 表面にＦｅ酸化物を有するＦｅ粒子と前記Ｆｅ酸化物より生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む粒子とを備える出発原料又は／及びＦｅ粒子の表面にＦｅ酸化物を有し、前記Ｆｅ酸化物の表面に前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む金属又は金属間化合物を備える出発原料を混合し圧粉成形して前駆体を形成する工程と、
   前記前駆体を熱処理する工程とを備えることを特徴とするＦｅ基圧粉磁心の製造方法。
4. 請求項３において、前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素がＡｌであることを特徴とするＦｅ基圧粉磁心の製造方法。
5. 請求項３又は４において、前記熱処理する温度が、前記生成自由エネルギーの低い元素群から選択される元素を含む粒子、金属、金属間化合物の何れかの溶融する温度より高いことを特徴とするＦｅ基圧粉磁心の製造方法。