JP2016507887A - 高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コア及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法によると、粉末間の絶縁剤としてリン酸コーティング及びポリイミド系による２回コーティングを実施し、高温で粉末の潤滑が可能な二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）又は黒鉛粉末を使用して、約２００〜５５０℃の温度で自動圧縮成形を介して高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少なく、実効投資率が７５以上であって、５０ＫＨｚの周波数と誘導磁束密度１０００Ｇａｕｓｓの条件下で鉄損が３００ｍＷ／ｃｃ以下で非常に低い非晶質圧粉磁心コアを製造することができる。また、本発明による高温で自動成形した高透電率の非晶質圧粉磁心コアは、成形密度が高く、表面クラックが全くなく、粒子間の絶縁が良好で周波数依存性が少なく、高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ないため数ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域の電気及び電子ディバイスの磁性材料として利用可能な経済的な高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアである。【選択図】なし

Description

本発明は、従来技術では不可能であった２００〜５５０℃の高温で自動成形によって数ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域まで適用することができ、実効投資率が７５以上である高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コア及びその製造方法に関するものである。

一般に、軟磁性非晶質合金は結晶質材料に比べ投資率、鉄損などのが優秀で電気及び電子機器の各種ディバイスの磁性材料として使用されており、産業用用途としてはトランスフォーマ、インダクタ、モータ、ジェネレータ、リレーなどに適用されている。

また、一般に軟磁性非晶質合金粉末は機械的合金化法、急冷凝固法、水噴射法などによって製造されるが、本発明では高圧の水噴射法を使用した。一方、高圧の水噴射法は、落下する溶湯を３０ＮＰａ以上の高圧の水を噴射して微粒に粉砕し急冷して平均粒径が３０μｍ以下の微粒の軟磁性非晶質合金粉末を製造する方法が出願され登録されたが、これは本発明の発明者が開発した発明であって特許文献１に開示されている。特に、軟磁性非晶質合金を結晶化付近の温度で熱処理してナノ結晶された非晶質合金は、結晶化温度以下で熱処理した非晶質合金に比べ軟磁気特性が非常に良好である。
また、適正な熱処理によってナノ結晶化が有望な非晶質状態の合金粉末系としてはＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ｂなどがある。これらの合金の結晶化温度は約４００〜５００℃前後である。

このような優れた軟磁気特性を有するにもかかわらず商業化が遅延された理由は非晶質合金自体が有する高強度及び高延性に起因しており、一般に常温での成形によっては実効投資率が最大６０程度が限界である。よって、常温で非晶質圧粉磁心コアを製造する方法が出願され登録されたが、これは本発明の発明者が開発した発明であって特許文献２に開示されている。
このように投資率が高くない理由は成形密度が真密度の約７０%に過ぎないことに起因しており、それを解決する一つの方法として成形温度を上げることがある。しかし、そのためには前提条件として従来の潤滑剤を使用できないこと、高温に耐える潤滑剤が必要であること、成形による圧縮密度が上がるにことによる絶縁性を改善することが要求されている。
また、軟磁性非晶質合金粉末を利用したコアの製造に使用されるバインダはその軟化点が非晶質合金の結晶化温度より低いべきであり、常温でも適切な結合強度を示すため常温での成形圧力によってコアの自体形状を維持しながらクラックの発生を抑制することができるべきである。そのための適正なバインダとしてはポリイミド系とフェノール系の熱硬化性樹脂を使用することが好ましい。

一方、軟磁性非晶質合金粉末の成形工程は合金の非晶質状態を維持するために合金の結晶化温度より低い温度で行われるべきである。しかし、このような温度で合金粉末を成形することは不可能であるため、軟磁性非晶質合金粉末に軟化点が低いガラス粉末を機械的にボールミール（Ｂａｌｌ ｍｉｌｌ ｍｅｔｈｏｄ）などを利用して混合した後、約５００℃付近の高温でガラス粉末を軟化し加圧することで軟磁性非晶質合金粉末を接合する方法が採択されている。この際に適用される実験的な成形方法としては熱間等方加圧（Ｈｏｔ Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）があり、その他にも爆薬法、衝撃銃法などがあるが、この方法は全て非常に高いエネルギーを得るための特殊装置を必要とし、特に成形時間が過度に所要され、連続生産が不可能で大量生産も不可能な問題点がある。

このような問題点を解決するために、本発明では２００〜５５０℃の温度範囲で高温自動成形する製造技術を開発することで非晶質圧粉磁心コアの真密度が８５％まで到達可能で、また本発明は自動成形技術によって従来は不可能であった数ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域まで利用可能な高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コア及びその製造方法に関する発明である。

大韓民国特許登録番号１０−０３７２２６ 大韓民国特許登録番号１０−０３４４０１０

本発明は上記のような問題点を解決するための発明であって、軟磁性非晶質合金粉末の絶縁性及び成形の際に結合力を向上するために２回コーティングを実施して複合粉末を製造した後、高温でも潤滑性を維持する金属酸化物系潤滑剤を適用して２００〜５５０℃の温度範囲で自動圧縮成形が可能であるため、従来の常温成形の際に使用される成形プレスで生産可能で、高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアを製造する方法を提供するのにその目的がある。
本発明の他の目的は、前記製造方法によると成形密度が高く表面にクラックが全くなく、粒子間の絶縁が良好で周波数依存性が少なく、高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアを提供することである。

前記のような目的を達成するために、本発明による高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法は、（ａ）軟磁性非晶質合金粉末にリン酸とポリイミド系樹脂０．５〜３．０ｗｔ％を活用して順次に２回液状コーティング処理を行って均一で緻密にコーティングされた複合粒子粉末を製造するステップと、（ｂ）前記複合粒子を二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）又は黒鉛の微粒粉末を潤滑剤にして０．５〜３．０ｗｔ％で均一に混合するステップと、（ｃ）混合粉末を高温成形するステップと、（ｄ）熱処理するステップと、を含む。

そして、前記成形は２００〜５５０℃の温度区間で１０〜２５ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で行い、コアの熱処理は４００〜６００℃の温度で熱処理することを特徴とする。
前記軟磁性非晶質合金粉末はＦｅ系、Ｎｉ系及びＣｏ系などであり、前記各コーティングの量は総質量の０．５〜３．０ｗｔ％が好ましい。
他の目的を達成するために、本発明による高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法による高投資率の非晶質圧粉磁心コアは、実効投資率が７５以上で、１ＭＨｚ及び０．１ＭＨｚの周波数帯域で測定された投資率比が０．９０以上で、周波数５０ＫＨｚと誘導磁束密度１０００Ｇａｕｓｓの条件下で鉄損が３００ｍｗ／ｃｃ以下に製造されることを特徴とする。

以下、本発明を詳細に説明する。
一般に、軟磁性非晶質合金粉末は機械的合金化法、急冷凝固法、水噴射法などによって製造されるが、本発明では高圧の水噴射法によって製造された粉末を使用した。特に、非晶質状態で使用が有望な合金粉末系としてはＦｅ系（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｎｂ−Ｂ系など）、Ｃｏ系（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系）などがある。これらの合金の結晶化温度は約４００〜５００℃前後である。
本発明では軟磁性非晶質合金粉末の絶縁性及び成形の際の結合力を向上するために２回コーティングすることが好ましく、本発明での１次コーティング剤としてはリン酸を適用した。リン酸のコーティング量は総質量の０．５〜３．０ｗｔ％が好ましい。０．５ｗｔ％以下では絶縁性が落ち、３．０ｗｔ％以上では軟磁気特性が大きく落ちる。本発明での２次コーティング剤は絶縁性及び成形の際の結合力を向上するためにコーティング剤の軟化点が非晶質合金の熱処理温度より低いべきであり、２００〜５５０℃の温度でも適正な結合強度を示すべきであるため成形圧力に応じてコアの自体形状を維持しながらクラックを発生を抑制することができるべきである。適正なバインダとしてはポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）系とフェノール（ｐｈｅｎｏｌ）系の熱硬化性樹脂が好ましい。一般に圧粉磁心コアの製造の際に使用される水ガラス系（ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ）は総質量の３．０ｗｔ％（重量百分率）まで添加しても粉末粒子間の接合強度が弱いため好ましくない。本発明でのバインダの量は総質量の０．５〜３．０ｗｔ％に制限することが好ましい。バインダの量が総質量の０．５ｗｔ％以下であれば接合強度が弱くて非晶質合金粉末の成形化が困難であり、一方バインダの量が多すぎれば合金粉末粒子間の接合強度は強くなるが成形された圧粉磁心コアで非晶質合金粉末の量が少なくなって軟磁気特性が低下するためである。ここで、「総質量」とは製造されるコアを構成するコーティング剤と非晶質合金の質量の合計を意味し、有機溶媒の質量は含まない。

本発明でのバインダをコーティングして製造した非晶質合金粉末の高温潤滑性を付与するためには二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）又は黒鉛粉末が好ましく、粉末の平均粒径は１〜１０μｍ程度が好ましい。
また、添加量は総質量の０．５〜３．０ｗｔ％に制限することが好ましい。０．５ｗｔ％以下であれば粉末間の潤滑性が欠如されるため成形用パンチを損傷し、０．３ｗｔ％以上であれば軟磁気特性が低下し経済性が落ちる。
本発明での圧粉磁心コアの成形の際には１０〜３０ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力が好ましい。成形圧力が１０ｔｏｎ／ｃｍ^２以下であれば圧粉磁心コアの成形密度が低くなって軟磁気特性が悪くなり、一方高すぎれば成形ダイスの磨耗及び破損などの問題が頻繁に発生して生産原価単位が高くなるためである。
本発明での成形時の温度は２００〜５５０℃の温度領域であることが好ましい。成形温度が２００℃以下であれば適正な成形密度が具現されず、成形温度が高くなるほどコアの成形密度が高くなって粉末粒子間の緻密度が上がるが、非晶質合金粉末の特性上、結晶化以下の温度で成形することが好ましい。
一般に大部分の非晶質合金粉末の結晶化温度は４００〜５５０℃付近であるため、最大成形温度は５５０℃以下にすることが好ましい。
本発明での圧粉磁心コアの熱処理温度は非晶質合金成分及び前処理温度によって異なるが、一般的なナノ結晶化されない非晶質合金粉末系の場合は非晶質合金の結晶化温度より５０〜１００℃程度低い３５０〜５００℃が好ましい。圧粉磁心コアの熱処理温度が低すぎれば成形の際に発生した内部応力が十分に除去されず、高すぎれば非晶質相から結晶相に相変態が起こるためである。

一方、ナノ結晶化が可能な非晶質合金粉末の熱処理である場合には結晶化温度領域で熱処理を行うべきである。よって、本発明では非晶質合金を結晶化付近の温度で熱処理してナノ結晶が形成されるようにしており、このようなナノ結晶化が可能な非晶質合金は結晶化温度以下で熱処理した非晶質合金に比べ軟磁気特性が非常に良好である。
本発明での熱処理雰囲気は非活性ガス又は還元性ガス雰囲気にし、時間は３０〜６０分程度にすることが好ましい。熱処理時間が短すぎれば十分な応力除去及び結晶化が行われず、一方高すぎれば生産性が低下するためである。

本発明の高温成形による高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法によると、粉末間の絶縁剤としてリン酸コーティング及びポリイミド系による２回コーティングを実施し、高温で粉末の潤滑が可能な二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）又は黒鉛粉末を使用して、２００〜５５０℃の高温で圧縮成形を介して高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ないながらも実効投資率が７０以上で鉄損が非常に低い高温成形による高誘電率の非晶質圧粉磁心コアを製造することができる。
また、本発明によると、非晶質圧粉磁心コアを成形した後、成形密度が高くて表面クラックが全くなく、粒子間の絶縁が良好で周波数依存性が少なく、高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ないため数ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域の電気及び電子ディバイスの磁性材料として利用可能な高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアが提供される。

（実施例１）
本発明を実施するための最善の形態である実施例１は、高圧の水噴射法によって製造された適正な熱処理によってナノ結晶化が有望な非晶質状態の合金粉末であるＦｅ_７３．５Ｓｉ_１３．５Ｂ_９Ｎｂ_３Ｃｕ_１（平均粒径約１５μｍ）１０００ｇにリン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）１０ｇをアセトンに入れて希釈して１次リン酸コーティング処理を行ってから乾燥した後、ポリイミド１０ｇをメチレンクロライド（Ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）溶液に溶かして製造された溶液で２次コーティング処理を行った後、乾燥処理を行ってポリイミドが平均粒径が約１５μｍの非晶質合金粉末の表面に約１μｍ以下の厚さで均一にコーティングされた複合粒子の粉末を製造して乾燥した後、平均粒径が３μｍである二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）粉末１０ｇを均一に混合した。
このように混合された複合粒子粉末を約４５０℃の温度に維持された外形が１２．７ｍｍ、内径が７．６５ｍｍの大きさの形成ダイスの内部に２．５０ｇ程度で自動装入した後、２０ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で分当たり１０打の速度で成形して、平均高さが４．７５ｍｍの圧粉磁心コアを製造した。

このように成形された圧粉磁心コアはアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気の５５０℃の温度で６０分間熱処理し、コアの内部組織がナノ結晶化された圧粉磁心コアを製造した。このように製造された状態のナノ結晶化された圧粉磁心コアに対して測定された密度、クラックの発生可否及び多様な周波数帯域の実効投資率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）、鉄損（ｃｏｒｅ ｌｏｓｓ）などの磁気特性を実施例と比較例から出された結果をまとめて表１に示した。
ここで、非晶質圧粉磁心コアの密度は実質量をコアの体積で割って計算された値であり、クラックの発生可否は１０個の非晶質圧粉磁心コアの製造の際に一つ以上のコアが発生したらクラック発生として判断し、実効投資率はＬＣＲ ｍｅｔｅｒを利用してそれぞれの周波数帯域で１０ｍＯｅの外部磁場下で測定された値である。鉄損値は周波数５０ｋＨｚと誘導磁束密度１０００Ｇａｕｓｓの条件下でＢＨ Ａｎａｌｙｚｅｒで測定した値である。

（実施例２）
本発明を実施するための実施例２は、リン酸２５ｇでリン酸コーティング処理をすること以外は実施例１と同じく実施した。このように製造された軟結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（実施例３）
本発明を実施するための実施例３は、ポリイミド２０ｇをメチレンクロライドに溶かして溶液を製造する以外は実施例１と同じく実施した。このように製造された軟結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（実施例４）
本発明を実施するための実施例４は、成形温度を２００℃、３００℃、４００℃の温度にすること以外は実施例１と同じく実施した。このように製造された軟結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（実施例５）
本発明を実施するための実施例５は、平均粒径が５μｍの黒鉛粉末を潤滑剤として使用すること以外は実施例１と同じく実施した。このように製造された軟結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（実施例６）
本発明を実施するための実施例６は、高圧の水噴射法によって製造されたＦｅ_８３Ｎｂ_７Ｂ_９Ｃｕ_１非晶質合金粉末（平均粒径約１６μｍ）を使用してコアを成形し、結晶化以上の温度である５６０℃の温度で熱処理すること以外は実施例１と同じく実施した。このように製造された軟結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（実施例７）
本発明を実施するための実施例７は、高圧の水噴射法によって製造されたＦｅ_７８Ｓｉ_１３Ｂ_９非晶質合金粉末（平均粒径約１２μｍ）を使用して圧粉磁心コアを成形し、結晶化以下の温度である４１０℃の温度で熱処理すること以外は実施例１と同じく実施した。本発明の実施例７は非晶質合金を結晶か付近の温度以下で熱処理したため、上述した実施例１乃至実施例６のナノ結晶が形成された非晶質圧粉磁心とは異なって一般的な圧粉磁心コアの製造に関する実施例である。このように製造された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。
ここで、表１を参照すると、成形温度が増加すると成形密度が直線的に増加してから４００℃以上で急激に増加し、更に実効投資率も急激に増加し、従来は連続生産で不可能であった実効投資率が７５以上可能で、特に４００℃以上では実効投資率が１５６以上可能である。鉄損も３００ｍＷ／ｃｃ以下で非常に優秀であるが、これは一般的な圧粉磁心コアであるＳｅｎｄｕｓｔ，ＨＦ，ＭＰＰに比べ優秀である。１ＭＨｚ及び０．１ＭＨｚ周波数帯域での投資率比は０．９０以上で周波数依存性が殆どないことが分かる。これは、結局数十ＭＨｚの周波数帯域まで使用可能であることを意味する。

以下、本発明の比較例を詳細に説明する。
（比較例１）
比較例１は、ポリイミド３ｇをメチレンクロライドに溶かして溶液を製造すること以外は実施例１と同じく実施した。このように製造されたナノ結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（比較例２）
比較例２は、リン酸コーティングを実施しないこと以外は実施例１と同じく実施した。このように製造されたナノ結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。

（比較例３）
比較例３は、成形温度を２５℃及び１００℃の温度で成形すること以外は実施例１と同じく実施した。このように製造されたナノ結晶化された非晶質圧粉磁心コアに関する諸特性を表１に示した。
ここで、表１を参照すると成形温度が２００℃以下では成形密度が５．５ｇ／ｃｍ^３を超えることができず、それによって実効投資率が７５以上になることは不可能であり、コーティングを単独にするかコーティングの量が少なければ圧粉磁心コア内のクラックが一部発生しており、またコア内部の粉末間の絶縁性が落ちて周波数特性が非常に悪くなり、鉄損が非常に高くなることが分かる。

本発明の高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法及びそれによる高透電率の非晶質圧粉磁心コアは、成形密度が高くて表面クラックが全くなく、粒子間の絶縁が良好で周波数依存性が少なく、高周波数帯域でも実効投資率の変化の幅が少ない軟磁性材料であって、結晶質材料に比べ実効投資率、鉄損などが非常に優秀なため、数ＫＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域の各種電気及び電子ディバイスの磁性材料として使用されており、産業的用途としてはトランスフォーマ、インダクタ、モータ、ジェネレータ、リレーなどに利用することができる。

Claims (7)

1. （ａ）軟磁性非晶質合金粉末に２回コーティングを行って粉末間に絶縁性、結合性及び成形性が優秀な複合粒子粉末を製造するステップと、
   （ｂ）前記複合粒子を高温潤滑剤である微粒の二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）又は黒鉛粉末を混合するステップと、
   （ｃ）前記混合された粉末を高温で自動成形するステップと、
   （ｄ）前記成形された複合粒子粉末を熱処理するステップと、を含む
   ことを特徴とする高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法。
2. 前記軟磁性非晶質合金粉末は、Ｆｅ系、Ｎｉ系及びＣｏ系である
   請求項１に記載の高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法。
3. 前記軟磁性非晶質合金粉末の２回コーティングの実施は、１次コーティングはリン酸コーティングであってコーティング量は総質量の０．５〜３．０ｗｔ％であり、２次コーティングはポリイミドコーティングであってコーティング量は総質量の０．５〜３．０ｗｔ％である
   請求項１に記載の高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法。
4. 前記成形の際の成形温度は２００〜５５０℃範囲の高温で１０〜３０ｔｏｍ／ｃｍ^２の圧力で行う
   請求項１に記載の高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法。
5. 前記熱処理は４００〜５５０℃の温度で熱処理する
   請求項１に記載の高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法。
6. 非晶質圧粉磁心コアは、実効投資率が８５以上で、１ＭＨｚ及び０．１ＭＨｚの周波数帯域で測定された投資率比が０．９０以上で、５０ＫＨｚの周波数と誘導磁束密度１０００Ｇａｕｓｓの条件下で鉄損値が３００ｍＷ／ｃｃ以下である
   請求項１に記載の高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の高温成形による高投資率の非晶質圧粉磁心コアの製造方法によって製造される
   ことを特徴とする非晶質圧粉磁心コア。