JP2015026661A - 圧粉磁心用粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】コアロス特性に優れる圧粉磁心の作製のための粉末を提供する。【解決手段】圧粉磁心用粉末２は、鉄を主成分とした金属粉末４と、この金属粉末４の表面に付着した絶縁性の皮膜６とからなる。この皮膜６は、チタンアルコキシド類とケイ素アルコキシド類との混合物の重合物からなる。好ましくは、この圧粉磁心用粉末２では、チタンアルコキシド類はチタンアルコキシドのオリゴマーである。好ましくは、この圧粉磁心用粉末２では、皮膜に含まれるケイ素の質量に対するチタンの質量の比は２以上６以下である。好ましくは、この圧粉磁心用粉末２では、皮膜６よる金属粉末４の被覆率は８０％以上１００％以下である。好ましくは、この圧粉磁心用粉末２では、皮膜６の厚さは１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。この皮膜６は、チタン及びケイ素の酸化物からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧粉磁心用粉末に関する。詳細には、本発明は、モーター、インバーター、コンバーター等のリアクトル、スイッチング電源等の電圧制御装置等で使用される圧粉磁心のための粉末に関する。

モーター、インバーター、コンバーター等のリアクトル、スイッチング電源等の電圧制御装置等には、圧粉磁心が使用される。圧粉磁心は、金属粉末とこれを覆う絶縁性の皮膜とから構成された粉末を加圧成形することにより形成される。圧粉磁心には、外部からの磁界変化に対して敏感に反応できる磁気的特性が求められている。

圧粉磁心を交流磁場内で使用した場合、コアロス（鉄損とも称される）と呼ばれるエネルギー損失が発生する。コアロスは、ヒステリシス損失と渦電流損失との和で示される。低周波域では、ヒステリシス損失が支配的となる。高周波域では、渦電流損失が支配的となる。

圧粉磁心のコアロス特性を向上すべく、様々な検討がなされている。圧粉磁心のための粉末に関する検討例が、特開２００５−２９４４２８公報及び特開２００８−３０５８２３公報に開示されている。

特開２００５−２９４４２８公報には、オルガノアルコキシシランから形成された第一皮膜と、アルカリ−ケイ酸系ガラスからなる第二皮膜とを有する、圧粉磁心のための粉末が開示されている。

特開２００８−３０５８２３公報には、シリコーン樹脂及びシランカップリング剤からなる皮膜を有する、圧粉磁心のための粉末が開示されている。

特開２００５−２９４４２８公報 特開２００８−３０５８２３公報

上記特開２００５−２９４４２８公報に記載の粉末から形成された圧粉磁心では、そのコアロスは１０ｋＷ／ｍ^３から３０ｋＷ／ｍ^３にある。このコアロスの計測周波数は、１ｋＨｚである。このコアロスは、渦電流損失が支配的となる高周波域における磁気的特性を反映するものではない。この圧粉磁心では、高周波域において、絶縁性が不十分となりコアロスが増大する恐れがある。

上記特開２００８−３０５８２３公報に記載の粉末では、皮膜が十分に形成されない恐れがある。絶縁性の皮膜の形成が不十分な粉末から形成された圧粉磁心では、耐熱性が不足し、コアロスが増大することがある。

本発明の目的は、コアロス特性に優れる圧粉磁心の作製のための粉末の提供にある。

本発明に係る圧粉磁心用粉末は、鉄を主成分とした金属粉末と、この金属粉末の表面に付着した絶縁性の皮膜とからなる。上記皮膜は、チタンアルコキシド類とケイ素アルコキシド類との混合物の重合物からなる。

好ましくは、この圧粉磁心用粉末では、上記チタンアルコキシド類はチタンアルコキシドのオリゴマーである。

好ましくは、この圧粉磁心用粉末では、上記皮膜に含まれるケイ素の質量に対するチタンの質量の比は２以上６以下である。

好ましくは、この圧粉磁心用粉末では、上記皮膜による上記金属粉末の被覆率は８０％以上１００％以下である。

好ましくは、この圧粉磁心用粉末では、上記皮膜の厚さは１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。この皮膜は、チタン及びケイ素の酸化物からなる。

本発明に係る圧粉磁心は、上記圧粉磁心用粉末から形成されている。

本発明に係る圧粉磁心用粉末では、金属粉末が絶縁性の皮膜で覆われている。この皮膜は、チタンアルコキシド類とケイ素アルコキシド類との混合物の重合物からなる。チタンアルコキシド類とケイ素アルコキシド類との混合物は適切な反応速度で重合するので、クラックが少ない上に厚さが薄い絶縁性の皮膜が形成される。この絶縁性の皮膜を有する粉末は、コアロス特性に寄与しうる。本発明の粉末によれば、コアロス特性に優れる圧粉磁心が得られる。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧粉磁心用粉末の断面図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１に示されているのは、本発明の粉末２の断面図である。圧粉磁心は、この粉末２から形成される。圧粉磁心の製造では、無数の粉末２からなる基材粉体が準備される。この基材粉体が、金型に投入される。金型内で、基材粉体が加圧される。これにより、成形体が得られる。加圧の際、潤滑剤やバインダー等を使用してもよい。その後、成形体が熱処理され、圧粉磁心が得られる。

粉末２は、金属粉末４と、皮膜６とを備えている。この粉末２は、金属粉末４と皮膜６とからなる。皮膜６は、金属粉末４の表面に付着している。

金属粉末４は、例えば、ガスアトマイズ法又は水アトマイズ法により得られる金属の粒子である。粉砕等の機械的プロセスにより得られた金属の粒子が、金属粉末４として用いられてもよい。酸化物の還元等の化学的プロセスにより得られた金属の粒子が、金属粉末４として用いられてもよい。

この粉末２では、金属粉末４は鉄を主成分とする軟磁性材料である。この金属粉末４としては、あらかじめ合金成分を添加した合金鋼からなる合金粉末、この合金粉末を純鉄粉又は合金粉末の表面に部分的に拡散付着させたもの等を用いることができる。この合金成分としては、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）及びクロム（Ｃｒ）が例示される。金属粉末４に含まれる合金成分の量は、鉄の量に対して１ｍａｓｓ％以上３０ｍａｓｓ％以下とされるのが好ましい。なお、「ｍａｓｓ％」は質量％と同義である。

高周波用途でのコアロス特性低減が望まれる場合、金属粉末４は、鉄以外に、ケイ素及び／又はアルミニウムを含むのが好ましい。このような金属粉末４として、Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−６．５ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末、Ｆｅ−５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末及びＦｅ−９．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−５．５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末が挙げられる。

皮膜６は、絶縁性である。図示されているように、皮膜６は金属粉末４に積層している。言い換えれば、皮膜６は金属粉末４を覆っている。この粉末２では、皮膜６は金属粉末４の全体又はこの金属粉末４の一部を覆っている。コアロス特性の観点から、金属粉末４の全体がこの皮膜６で覆われているのが好ましい。

この粉末２では、皮膜６はチタンアルコキシド類とケイ素アルコキシド類との混合物の重合物からなる。本発明では、チタンアルコキシド類とは１分子中にあるチタン原子に少なくとも１つのアルコキシド基が結合している化合物のことである。ケイ素アルコキシド類とは、１分子中にあるケイ素原子に少なくとも１つのアルコキシド基が結合している化合物のことである。また本発明では、アルコキシド基とは有機基が負の電荷を持つ酸素と結合した化合物のことである。有機基とは、有機化合物からなる基のことである。チタンアルコキシド類という概念には、チタンアルコキシドのモノマー、このモノマーが複数重合されて形成されたオリゴマー、及び、チタンアルコキシドが生成する前の段階の化合物（以下、前駆体とも称される。）が含まれる。ケイ素アルコキシド類という概念には、ケイ素アルコキシドのモノマー、このモノマーが複数重合されて形成されたオリゴマー、及び、ケイ素アルコキシドが生成する前の段階の化合物（以下、前駆体とも称される。）が含まれる。なお、この粉末２では、皮膜６がチタンアルコキシド類及びケイ素アルコキシド類に加えてさらに別の成分を含む混合物の重合物から構成されてもよい。

チタンアルコキシドの具体例として、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラブトキシド、チタンテトラ−２−エチルヘキソキシド及びイソプロピルトリドデシルベンゼンスフォニルチタネートが挙げられる。

ケイ素アルコキシドの具体例として、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシランが挙げられる

以上説明された粉末２については、種々のコーティング方法で作製が可能である。コーティング方法としては、混合法、ゾル・ゲル法、スプレードライヤー法及び転動流動層法が挙げられる。

本発明で用いるチタンアルコキシド類及びケイ素アルコキシド類は溶剤で希釈して用いることができる。この溶剤としては、チタンアルコキシド類又はケイ素アルコキシド類を溶解又は分散させうるものであればよく、この溶剤に特に制限はない。溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、アセトニトリル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、クロロホルム、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、酢酸エチル、プロピオン酸エチル及びテトラヒドロフランが挙げられる。

この粉末２では、皮膜６の形成にはチタンアルコキシド類及びケイ素アルコキシド類の混合物が用いられる。この混合物は、チタンアルコキシド類、ケイ素アルコキシド類、アルミニウムアルコキシド類、ジルコニウムアルコキシド類等のアルコキシド類単体と比較して、適切な反応速度で金属粉末４の表面で重合していく。チタンアルコキシド類及びケイ素アルコキシド類を含む混合物から形成された皮膜６では、クラックが少ない。しかもこの皮膜６は薄い。この皮膜６は、この粉末２から形成された圧粉磁心の磁気特性の向上に寄与しうる。本発明によれば、磁気特性に優れる圧粉磁心が得られる。

チタンアルコキシド類としてチタンアルコキシドのオリゴマーを皮膜６の形成に用いた場合、このチタンアルコキシド類としてチタンアルコキシドのモノマーをこの皮膜６の形成に用いた場合に比して、このチタンアルコキシド類がより適切な反応速度で重合する。このため、この皮膜６ではクラックの発生がより効果的に抑えられる上に、より薄い皮膜６が得られる。この皮膜６は、コアロス特性の低減及び磁気特性の向上に寄与しうる。したがって、本発明では、適切な反応速度及び磁気特性の向上の観点から、チタンアルコキシド類としてはチタンアルコキシドのオリゴマーが好ましい。

チタンアルコキシドのオリゴマーは、チタンアルコキシドのモノマーを複数重合することにより得られる。換言すれば、チタンアルコキシドのオリゴマーはチタンアルコキシドのモノマーから形成されたものである。オリゴマーをなすモノマーの数は、皮膜６の形成時におけるチタンアルコキシド類の反応速度に影響する。適切な反応速度の観点から、チタンアルコキシドのオリゴマーをなすモノマーの数は、４以上が好ましく、５０以下が好ましい。

前述の通り、この粉末２では、皮膜６はチタンアルコキシド類とケイ素アルコキシドとの混合物の重合物からなる。この場合、皮膜６はチタン及びケイ素の酸化物からなる。チタンアルコキシド類だけでなくケイ素アルコキシド類を含んでいるので、より適切な反応速度で重合が可能となる。ケイ素は、高周波用途でのコアロス低減に寄与しうる。このケイ素の添加により、金属粉末４と皮膜６との密着性が向上する。皮膜６自体の脆性も改善される。これにより、圧縮成形時における皮膜６の金属粉末４からの剥離が低減されるので、コアロス特性に優れる圧粉磁心が得られる。

コアロス特性に優れる圧粉磁心が得られるとの観点から、皮膜６に含まれるケイ素の質量に対するチタンの質量の比Ａは２以上６以下が好ましい。この比Ａが６よりも大きくなると皮膜６に含まれるＴｉ成分が過剰となり、皮膜６の密着性が劣化する。皮膜６の密着性が劣化すると圧縮成形時に皮膜６が剥離するため、圧粉磁心の渦電流損失が増大し、コアロスが増加してしまう。安定した皮膜６の形成の観点から、この比Ａは５．５以下がより好ましい。この比Ａが２よりも小さくなると皮膜６に含まれるＳｉ成分が過剰となり、皮膜６の耐熱性が劣化する。皮膜６の耐熱性が劣化すると熱処理により皮膜６が破壊されるため、圧粉磁心の渦電流損失が増大し、コアロスが増加してしまう。安定した皮膜６の形成の観点から、この比Ａは３．５以上がより好ましい。

この粉末２では、皮膜６による金属粉末４の被覆率Ｃは８０％以上１００％以下が好ましい。前述したように、皮膜６は粉末２から形成された圧粉磁心のコアロス特性に寄与しうる。コアロス特性の観点から、皮膜６による金属粉末４の被覆率Ｃは９０％以上がより好ましい。特に好ましくは、この被覆率Ｃは１００％である。図１に示された粉末２において、皮膜６による金属粉末４の被覆率Ｃは１００％である。この皮膜６は、金属粉末４の全体を覆っている。

本願では、皮膜６による金属粉末４の被覆率Ｃの算出には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて撮影された粉末２の断面画像が用いられる。詳細には、ＴＥＭにて観察される無数の粉末２の中から、金属粉末４と皮膜６との境界の確認が可能な状態で１０視野撮影される。撮影により得た写真において、金属粉末４が皮膜６で被覆されている長さ（以下、被覆長さとも称される。）及び金属粉末４の表面の長さが計測される。本願では、被覆長さを金属粉末４の表面の長さで除したものを百分率で表した数値が、被覆率Ｃとして表されている。

図１において、両矢印Ｔは皮膜６の厚さを表している。本願では、厚さＴは、粉末２の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて１０視野撮影し、この撮影された断面の画像から得た計測値の平均値で表される。なお、撮影に際し、試料としての粉末２には、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により粉末２の断面が観察可能となるような調整がなされている。

皮膜６の厚さＴは、粉末２から形成された圧粉磁心の磁気特性に影響する。この厚さＴが１ｎｍよりも小さくなると、成形された圧粉磁心にトンネル電流が発生する。これにより、渦電流損失が増加し磁気特性が劣化してしまう。この観点から、この厚さＴは１ｎｍ以上が好ましい。この厚さＴ１が２００ｎｍよりも大きくなると、圧粉磁心の密度が低下してしまう。この場合、飽和磁束密度等の磁気特性が悪化する恐れがある。この観点から、この厚さＴは２００ｎｍ以下が好ましい。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

［圧粉磁心の製作］
圧粉磁心の製作に先だって、下記の表１及び表２に示された各例の粉末を製作した。この粉末の製作では、無数の金属粉末からなる粉体（１０ｋｇ）が準備された。この金属粉末として、Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末及びＦｅ−９．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−５．５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末が用いられた。

チタンアルコキシド類及びケイ素アルコキシド類を含む処理液を用いて、金属粉末に皮膜を形成させ、図１に示された粉末を作製した。この作製に使用したチタンアルコキシド類及びケイ素アルコキシ類のタイプが、下記の表１及び表２に示されている。皮膜の形成に用いられたチタンアルコキシドのオリゴマーは、このチタンアルコキシドのモノマーに溶剤を適量添加して作製された。なお、表１が金属粉末にＦｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末を用いた場合を、表２が金属粉末にＦｅ−９．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−５．５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末を用いた場合をそれぞれ示している。

作製した無数の粉末からなる基材粉体を圧力１４７０ＭＰａで加圧成形し、外径３０ｍｍ、内径１８ｍｍ、高さ５ｍｍのトロイダル形状の成形体（圧粉体）を作製した。この成形体について、アルゴン雰囲気下で７５０℃で熱処理を施すことにより、圧粉磁心を得た。

［圧粉磁心の評価］
作製した圧粉磁心について、密度及びコアロスを測定した。なお、金属粉末にＦｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末を用いた圧粉磁心については、励磁磁束密度０．１Ｔ、周波数１０ｋＨｚの条件でコアロスを測定した。金属粉末にＦｅ−９．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−５．５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末を用いた圧粉磁心については、励磁磁束密度０．１Ｔ、周波数１００ｋＨｚの条件でコアロスを測定した。この結果が、下記の表１及び２に示されている。

以下に、各例における粉末について詳細に説明する。

［実施例１−４、９−１０、１３−１４、１７、１９、２１−２４，２９−３０、３３−３４、３７及び３９］
実施例１−４、９−１０、１３−１４、１７、１９、２１−２４，２９−３０、３３−３４、３７及び３９では、皮膜はチタンアルコキシドのモノマー及びケイ素アルコキシドから形成された。各例の皮膜の厚さＴ及び皮膜による金属粉末の被覆率Ｃは、表１及び表２に示されている通りである。

［実施例５−８、１１−１２、１５−１６、１８、２０、２５−２８、３１−３２、３５−３６、３８及び４０］
実施例５−８、１１−１２、１５−１６、１８、２０、２５−２８、３１−３２、３５−３６、３８及び４０では、皮膜はチタンアルコキシドのオリゴマー及びケイ素アルコキシドから形成された。各例の皮膜の厚さＴ及び皮膜による金属粉末の被覆率Ｃは、表１及び表２に示されている通りである。

［比較例１−２及び７−８］
比較例１−２及び７−８では、皮膜はチタンアルコキシドのモノマー又はオリゴマーから形成された。各例の皮膜の厚さＴ及び皮膜による金属粉末の被覆率Ｃは、表１及び表２に示されている通りである。

［比較例３−４及び９−１０］
比較例３−５及び９−１０では、皮膜はケイ素アルコキシドから形成された。各例の皮膜の厚さＴ及び皮膜による金属粉末の被覆率Ｃは、表１及び表２に示されている通りである。

［比較例５−６及び１１−１２］
比較例５−６及び１１−１２では、皮膜はチタンアルコキシドのモノマーとケイ素アルコキシド以外の金属アルコキシドとから形成された。各例の皮膜の厚さＴ及び皮膜による金属粉末の被覆率Ｃは、表１及び表２に示されている通りである。

［総合評価１（Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末を用いた圧粉磁心）］
コアロス及び密度の値に基づき、下記の格付けを行った。
Ｓ：コアロスが８０ｋＷ／ｍ^３以下、かつ、密度が７０００ｋｇ／ｍ^３以上
Ａ：コアロスが８０ｋＷ／ｍ^３より大９０ｋＷ／ｍ^３以下、かつ、密度が７０００ｋｇ／ｍ^３以上
Ｂ：コアロスが９０ｋＷ／ｍ^３より大１００ｋＷ／ｍ^３以下、かつ、密度が７０００ｋｇ／ｍ^３以上
Ｃ：コアロスが１００ｋＷ／ｍ^３より大、又は、密度が７０００ｋｇ／ｍ^３未満
Ｄ：測定不能（圧粉磁心が成形できなかった。）
この結果が、下記の表１に示されている。Ｓ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順に良好である。

［総合評価２（Ｆｅ−９．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−５．５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末を用いた圧粉磁心）］
コアロス及び密度の値に基づき、下記の格付けを行った。
Ｓ：コアロスが２５０ｋＷ／ｍ^３以下、かつ、密度が５７００ｋｇ／ｍ^３以上
Ａ：コアロスが２５０ｋＷ／ｍ^３より大３００ｋＷ／ｍ^３以下、かつ、密度が５７００ｋｇ／ｍ^３以上
Ｂ：コアロスが３００ｋＷ／ｍ^３より大４００ｋＷ／ｍ^３以下、かつ、密度が５７００ｋｇ／ｍ^３以上
Ｃ：コアロスが４００ｋＷ／ｍ^３より大、又は、密度が５７００ｋｇ／ｍ^３未満
Ｄ：測定不能（圧粉磁心が成形できなかった。）
この結果が、下記の表２に示されている。Ｓ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順に良好である。

表１に示されているように、Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｓｉ粉末を金属粉末として用いた場合、実施例の粉末を使用した圧粉磁心では、励磁磁束密度０．１Ｔ、周波数１０ｋＨｚの条件において、２００ｋＷ／ｍ^３以下のコアロスが実現された。さらに皮膜の形成にチタンアルコキシドのオリゴマーを使用することで、９０ｋＷ／ｍ^３以下のコアロスが実現された。表２に示されているように、Ｆｅ−９．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−５．５ｍａｓｓ％Ａｌ粉末を金属粉末として用いた場合、実施例の粉末を使用した圧粉磁心では、励磁磁束密度０．１Ｔ、周波数１００ｋＨｚの条件において、４００ｋＷ／ｍ^３以下のコアロスが実現された。さらに皮膜の形成にチタンアルコキシドのオリゴマーを使用することで、２５０ｋＷ／ｍ^３以下のコアロスが実現された。これらの評価結果から、本発明の優位性は明らかである。

以上説明された方法は、種々の圧粉磁心のための粉末の製造にも適用されうる。

２・・・粉末
４・・・金属粉末
６・・・皮膜

Claims (6)

1. 鉄を主成分とした金属粉末と、この金属粉末の表面に付着した絶縁性の皮膜とからなり、
   上記皮膜が、チタンアルコキシド類とケイ素アルコキシド類との混合物の重合物からなる圧粉磁心用粉末。
2. 上記チタンアルコキシド類がチタンアルコキシドのオリゴマーである請求項１に記載の圧粉磁心用粉末。
3. 上記皮膜に含まれるケイ素の質量に対するチタンの質量の比が２以上６以下である請求項１又は２に記載の圧粉磁心用粉末。
4. 上記皮膜による上記金属粉末の被覆率が８０％以上１００％以下である請求項１から３のいずれかに記載の圧粉磁心用粉末。
5. 上記皮膜の厚さが１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
   この皮膜がチタン及びケイ素の酸化物からなる請求項１から４のいずれかに記載の圧粉磁心用粉末。
6. 請求項１に記載の圧粉磁心用粉末から形成された圧粉磁心。

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