JP2018165397A - 鉄粉およびその製造方法並びに前駆体の製造方法並びにインダクタ用成形体およびインダクタ - Google Patents
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Abstract
Description
インダクタの1つである電源系インダクタは近年高周波化が進んでおり、100MHz以上の高周波で使用可能なインダクタが求められている。そのような100MHz以上で使用される電源系インダクタには、100MHz以上で複素比透磁率の実数部μ’が高く、かつ複素比透磁率の損失係数tanδ(=μ”/μ’)が小さい材料が必要である。しかし、アトマイズ法により製造される鉄系金属粉は、100MHz以上でtanδが大きく、また、非特許文献1で紹介される平均直径1.1μmのカルボニル鉄粉は、100MHzにおけるtanδが0.03〜0.04であり、高周波用途としては十分な値とは言えないものであった。したがって、現状においては、100MHzにおいて高μ’かつ低tanδの両者を満足させる材料は得られていない。
上記の湿式法による鉄粉の製造方法を改良することにより、平均粒子径の大きな鉄粉を製造することも検討したが、0.2μm以上の金属粉を作製することができなかった。高い温度で熱処理することにより粒子サイズを大きくする手法も考えられるが、そのような方法では粒子の焼結が生じ、tanδも増大するという問題があった。
前記の鉄粉は、マイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積50%粒子径が1.2μm以下であることが好ましく、マイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積90%粒子径が2.0μm以下であっても良い。
前記の鉄粉は、当該鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が4以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下であるものが好ましい。
また、前記のシリコン酸化物被覆鉄粉は、当該鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下であるものが好ましい。
また、前記の鉄粉は、鉄粉の質量に対して0.1質量%以上1.0質量%以下のPを含有することが好ましい。
また、前記のシリコン酸化物被覆鉄粉は、シリコン酸化物の被覆量が、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対してシリコンとして15質量%以下であることが好ましく、また、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して0.1質量%以上2.0質量%以下のPを含有することが好ましい。
すなわち、まず、平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、3価の鉄イオンとリン酸イオン、亜リン酸イオンおよび次亜リン酸イオンから選ばれる1種以上のイオン(以下、リン含有イオンと称する)を含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程、得られたスラリーにシラン化合物を添加して水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程、シラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程、および、回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粒子を得る工程を含む、鉄粉およびシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法が提供される。
当該前駆体の製造方法においては、リン含有イオンは、水和酸化物の沈殿物の生成後、水和酸化物のスラリーに添加し、その後にシラン化合物の加水分解生成物を被覆しても構わない。また、リン含有イオンは、水和酸化物の沈殿物の生成後、シラン化合物の加水分解生成物を被覆する際に、シラン化合物の添加開始から添加終了までの間に添加しても構わない。
前記の製造方法で得られたシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を前駆体とし、還元雰囲気化で加熱することによりシリコン酸化物被覆鉄粉が得られる。また、得られたシリコン酸化物被覆鉄粉は、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形して作製した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下であることが好ましい。
なお、前記の製造方法で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉は、化学的活性が高いので、後述する徐酸化処理により安定化することが好ましい。
前記の製造方法で得られたシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を、アルカリ水溶液中に浸漬してシリコン酸化物被覆を部分的に溶解してその被覆量を調節しても構わない。なお、シリコン酸化物被覆の全部を溶解すると、シリコン酸化物被覆のない鉄粉が得られる。シリコン酸化物被覆を溶解して得られた鉄粉は、用途によっては解砕することが好ましく、解砕にはジェットミル粉砕装置を用いることが好ましい。
また本発明では、上記の鉄粉またはシリコン酸化物被覆鉄粉を使用して形成されたインダクタ用の成形体およびインダクタが提供される。
[1]平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子からなる鉄粉。
[2]前記鉄粉中のP含有量が、前記鉄粉の質量に対して0.1質量%以上1.0質量%以下である、上記[1]に記載の鉄粉。
[3]マイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積50%粒子径が1.2μm以下である、上記[1]または[2]に記載の鉄粉。
[4]マイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積90%粒子径が2.0μm以下である、上記[1]〜[3]のいずれかに記載の鉄粉。
[5]前記の鉄粉は、当該鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が4以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、上記[1]〜[4]のいずれかに記載の鉄粉。
[6]上記[1]に記載の鉄粒子の表面がシリコン酸化物で被覆されたシリコン酸化物被覆鉄粉。
[7]前記のシリコン酸化物被覆鉄粉は、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、上記[6]に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉。
[8]シリコン酸化物の被覆量が、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対してシリコンとして15質量%以下である、上記[6]または[7]に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉。
[9]Pの含有量が、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して0.1質量%以上2.0質量%以下である、上記[6]に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉。
[10]平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、
3価の鉄イオンとリン酸イオン、亜リン酸イオンおよび次亜リン酸イオンから選ばれる1種以上のイオン(以下、リン含有イオンと称する)を含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程と、
前記のスラリーにシラン化合物を添加し、前記水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程と、
前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程と、
前記の回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を得る工程、
を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法。
[11]平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、
3価の鉄イオンを含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程と、
前記のスラリーにリン含有イオンを添加する工程と、
前記のリン含有イオンを添加した水和酸化物の沈殿物を含むスラリーにシラン化合物を添加し、前記水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程と、
前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程と、
前記の回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を得る工程、
を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法。
[12]平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、
3価の鉄イオンを含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程と、
前記の水和酸化物の沈殿物を含むスラリーにシラン化合物を添加するに当たり、前記シラン化合物の添加開始から添加終了までの間にリン含有イオンをさらに添加し、リン含有イオンの存在下で前記水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程と、
前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程と、
前記の回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を得る工程、
を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法。
[13]平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法であって、
上記[10]〜[12]のいずれかに記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法により得られたシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を還元雰囲気下で加熱する工程を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
[14]前記のシリコン酸化物被覆鉄粉が、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下である、上記[13]に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
[15]上記[13]に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法により得られたシリコン酸化物被覆鉄粉をアルカリ水溶液中に浸漬して、シリコン酸化物被覆を溶解してその被覆量を調節する工程を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
[16]前記のシリコン酸化物被覆鉄粉は、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、上記[15]に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
[17]平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子からなる鉄粉の製造法であって、上記[13]〜[16]のいずれかに記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法により得られたシリコン酸化物被覆鉄粉をアルカリ水溶液中に浸漬して、シリコン酸化物被覆を溶解する工程を含む、鉄粉の製造方法。
[18]上記[17]に記載の製造方法で得られた鉄粉を、解砕する工程を含む、鉄粉の製造方法。
[19]前記の解砕をジェットミル粉砕装置により行う、上記[18]に記載の鉄粉の製造方法。
[20]前記の解砕を、鉄粉のマイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積50%粒子径が1.2μm以下となるように行う、上記[18]または[19]に記載の鉄粉の製造方法。
[21]前記の解砕を、鉄粉のマイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積90%粒子径が2.0μm以下となるように行う、上記[18]〜[20]のいずれかに記載の鉄粉の製造方法。
[22]前記の鉄粉は、当該鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が4以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、上記[17]〜[21]のいずれかに記載の鉄粉の製造方法。
[23]上記[1]〜[5]のいずれかに記載の鉄粉を含む、インダクタ用の成形体。
[24]上記[6]〜[9]のいずれかに記載のシリコン酸化物被覆鉄粉を含む、インダクタ用の成形体。
[25]上記[1]〜[5]のいずれかに記載の鉄粉を用いたインダクタ。
[26]上記[6]〜[9]のいずれかに記載のシリコン酸化物被覆鉄粉を用いたインダクタ。
湿式法により得られる酸化鉄粉の粒子径分布は、中和反応により生成する水和酸化物沈殿を含むスラリーにシラン化合物を添加し、シラン化合物の加水分解反応を生起せしめ、加水分解生成物により水和酸化物沈殿を被覆した後に加熱することによりある程度均一化するが、酸化鉄粉の粒子径自体を所望の値に制御する方法は知られていない。
当該シリコン酸化物被覆自体は、酸化鉄粉を還元して鉄粉とした後も鉄粉表面を被覆している。したがって、鉄粉に絶縁被覆を施して用いられる用途、例えば鉄粉を圧粉の成形体として磁心に使用する用途等においては、当該シリコン酸化物被覆を絶縁被覆としてそのまま使用することが可能であり、別途絶縁被覆を形成する必要がないので、その点も本願の発明の利点の一つとして挙げられる。絶縁被覆が不要な用途の場合には、酸化鉄粉を還元して鉄粉とした後、当該シリコン酸化物被覆を除去した後に使用に供する。
なお、水和酸化物沈殿を被覆したシラン化合物の加水分解生成物は、引き続く加熱処理により脱水縮合してシリコン酸化物に変化するが、加熱条件によっては必ずしも化学両論組成の酸化シリコン(SiO2)までは変化せず、シラン化合物の加水分解生成物を形成するOH基の一部が残存したり、シラン化合物起因の有機基が一部残存したりすることもある。本発明においては、それらOH基や有機基が一部残存するものや、反応溶液起因のリン含有イオンを含むもの等を総称して、シリコン酸化物と表現する。
リン含有イオンの共存の形態としては、反応の出発物質である3価のFeイオンを含む酸性水溶液に添加し、その溶液をアルカリで中和して鉄の水和酸化物の沈殿物を形成してもよく、また、3価のFeイオンを含む酸性水溶液をアルカリで中和して鉄の水和酸化物の沈殿物を形成した後、当該沈殿物を含むスラリーにリン含有イオンを添加してもよく、さらに、鉄の水和酸化物の沈殿物にシラン化合物を被覆する間に、シラン化合物とともに添加することにより共存させても、いずれの方法でも構わない。
リン含有イオンの共存下で生成した鉄の水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物の被覆を施した後や、シラン化合物を添加する間にリン含有イオンを添加して鉄の水和酸化物の沈殿物にシラン化合物を被覆した後に加熱処理を施すと、リン含有イオンの共存なしの場合と比較して、平均粒子径の大きな酸化鉄粉を含むシリコン酸化物被覆酸化鉄粉が得られ、当該シリコン酸化物被覆酸化鉄粉を還元することにより最終的に平均粒子径の大きな鉄粉を含むシリコン酸化物被覆鉄粉が得られる。当該シリコン酸化物被覆は、所望の磁気特性を得るためにその一部を除去することが可能である。また、当該シリコン酸化物被覆をすべて除去すると、被覆のない純粋な鉄粉が得られる。
リン含有イオンの共存下で生成した鉄の水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物の被覆を施した後に加熱処理を施すことにより、加熱処理後の鉄酸化物の平均粒子径が増加する理由は現在不明であるが、沈殿物の表面にリン含有イオンが吸着して等電点が変化することにより、沈殿物の凝集状態が変化した、シリコン酸化物とリン含有イオンが反応してシリコン酸化物被覆の物性が変化したことに起因する、等の理由が考えられる。本発明は、リン含有イオン添加に関するこのような知見に基づいて完成したものである。
本発明により得られる鉄粉およびシリコン酸化物被覆鉄粉に含まれる磁性鉄粒子は、その製造プロセスから不可避的に混入する不純物を除いて実質的に純粋な鉄の粒子である。鉄粒子については、その平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ平均軸比が1.5以下であることが好ましい。この平均粒子径ならびに平均軸比の範囲とする事で、初めて大きいμ’と十分に小さなtanδとを両立することが可能となる。平均粒子径が0.25μm未満であると、μ’が小さくなるので好ましくない。また、平均粒子径が0.80μmを超えると、渦電流損失の増大に伴ってtanδが高くなるので好ましくない。より好ましくは、平均粒子径が0.30μm以上0.65μm以下であり、さらに一層好ましくは、平均粒子径が0.40μm以上0.65μm以下である。平均軸比については、1.5を超えると、磁気異方性の増大によりμ’が低下するので好ましくない。平均軸比については特に下限は存在しないが、通常では1.29以上のものが得られる。軸比の変動係数は、例えば0.10以上0.25以下である。
本発明のシリコン酸化物被覆鉄粉におけるシリコン酸化物の被覆量としては、非磁性成分の割合を抑えてμ’を大きくする観点から、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して15質量%以下であることが好ましい。
本発明のシリコン酸化物被覆鉄粉におけるPの含有量としては、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して0.1質量%以上2.0質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上1.5質量%以下であることがより好ましく、0.2質量%以上1.0質量%以下であることがより一層好ましい。Pの含有は磁気特性向上に寄与しないが、前記範囲の含有であれば許容される。
本発明の鉄粉中のPの含有量としては、鉄粉の質量に対して0.1質量%以上1.0質量%以下とすることが好ましく、0.1質量%以上0.7質量%以下であることがより好ましく、0.15質量%以上0.4質量%以下であることがより一層好ましい。Pの含有は磁気特性向上に寄与しないが、前記範囲の含有であれば許容される。また、本発明の鉄粉中の鉄の含有量は、鉄粉の質量に対して、例えば75質量%以上95質量%以下とすることができる。
なお、鉄粒子がシリコン酸化物で被覆されているとは、鉄粒子の表面の少なくとも一部がシリコン酸化物で被覆されていることを意味し、被覆状態としては鉄粒子の表面全体が被覆されている状態のほか、鉄粒子の表面の一部が被覆され、その他の部分について鉄粒子の表面が露出している状態も含める。鉄粒子の表面がシリコン酸化物で被覆されていることは、例えばSEM−EDXによって粒子表面や粒子断面を観察して、元素分析を行うことで確認することができる。
本発明においては、シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、より好ましくは3以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下、より好ましくは0.015以下であることが好ましい。μ’が2未満では、インダクタに代表される電子部品の小型化効果が小さくなるので好ましくない。本発明において、μ’の上限は特に規定するものではない。
また本発明においては、鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が4以上、より好ましくは5以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下、より好ましくは0.015以下であることが好ましい。μ’が4未満では、インダクタに代表される電子部品の小型化効果が不十分となるので好ましくない。
本発明の製造方法により得られる鉄粉は、課題である高いμ’ならびに小さいtanδを達成するために、その平均粒子径(平均一次粒子径)が0.25μm以上0.8μm以下と従来の鉄粉より小さい範囲に制御されている。その結果として粒子の表面エネルギーが大きくなり、二次粒子径が数μm〜数十μmの凝集体になってしまう傾向がある。
鉄粉を電源系インダクタ用途等に使用する際、二次粒子径の大きな鉄粉と、二次粒子径が小さい鉄粉とを混合して使用することで、鉄粉の充填度を高めることが可能になると考えられる。これは、混合の際に二次粒子径が大きい鉄粉同士の隙間に二次粒子径が小さい鉄粉を詰めることで、充填度を向上させるものであり、鉄粉の二次粒子径が重要となる。このうち、二次粒子径がたとえば10μm以上といった大きい鉄粉としては公知の鉄粉が採用できる。しかしながら、二次粒子径がたとえば2μm以下のように小さな鉄粉は従来得ることが困難であり、結果として鉄粉を電源系インダクタ用途等に使用する際の鉄粉の充填度には限界があった。たとえば2μm以下のように二次粒子径が小さな鉄粉が得られれば、鉄粉を電源系インダクタ用途等に使用する際に、鉄粉の充填度を従来より高めることができるため好ましい。二次粒子径が小さな鉄粉として、具体的には、鉄粉のD50が1.2μm以下であることが好ましく、1.0μm以下であることがより好ましい。また、鉄粉のD90としては、2.0μm以下であることが好ましく、1.6μm以下であることがより好ましい。
本発明の製造方法においては、前駆体であるシリコン酸化物被覆酸化鉄粉の出発物質として3価のFeイオンを含む酸性の水溶液(以下、原料溶液と言う。)を用いる。もし、出発物質として3価のFeイオンに替えて2価のFeイオンを用いた場合には、沈殿物として3価の鉄の水和酸化物のほかに2価の鉄の水和酸化物やマグネタイト等をも含む混合物が生成し、最終的に得られる鉄粒子の形状にバラつきが生じてしまうため、本発明のような鉄粉およびシリコン酸化物被覆鉄粉を得ることができない。ここで、酸性とは溶液のpHが7未満であることを指す。これらのFeイオン供給源としては、入手の容易さおよび価格の面から、硝酸塩、硫酸塩、塩化物の様な水溶性の無機酸塩を用いることが好ましい。これらのFe塩を水に溶解すると、Feイオンが加水分解して、水溶液は酸性を呈する。このFeイオンを含む酸性水溶液にアルカリを添加して中和すると、鉄の水和酸化物の沈殿物が得られる。ここで鉄の水和酸化物とは一般式Fe2O3・nH2Oで表される物質で、n=1の時にはFeOOH(オキシ水酸化鉄)、n=3の時にはFe(OH)3(水酸化鉄)である。
原料溶液中のFeイオン濃度は、本発明では特に規定するものではないが、0.01mol/L以上1mol/L以下が好ましい。0.01mol/L未満では1回の反応で得られる沈殿物の量が少なく、経済的に好ましくない。Feイオン濃度が1mol/Lを超えると、急速な水和酸化物の沈澱発生により、反応溶液がゲル化しやすくなるので好ましくない。
本発明の製造方法は、前記の鉄の水和酸化物の沈殿物生成の際にリン含有イオンを共存させるか、加水分解生成物被覆のためにシラン化合物を添加する間にリン含有イオンを添加することが特徴であり、いずれの場合にもシラン化合物被覆の際にはリン含有イオンが系内に共存している。リン含有イオンの供給源として、リン酸やリン酸アンモニウムやリン酸Naおよびそれらの1水素塩、2水素塩等の可溶性リン酸(PO4 3-)塩を用いることができる。ここでリン酸は3塩基酸であり、水溶液中で3段解離するため、水溶液中ではリン酸イオン、リン酸2水素イオン、リン酸1水素イオンの存在形態を取り得るが、その存在形態はリン酸イオンの供給源として用いた薬品の種類ではなく、水溶液のpHにより決まるので、上記のリン酸基を含むイオンをリン酸イオンと総称する。また、本発明の場合リン酸イオンの供給源として、縮合リン酸である二リン酸(ピロリン酸)を用いることも可能である。また、本発明においては、リン酸イオン(PO4 3-)に替えて、Pの酸化数の異なる亜リン酸イオン(PO3 3-)や次亜リン酸イオン(PO2 2-)を用いることも可能である。これらのリン(P)を含む酸化物イオンを総称してリン含有イオンと称する。
原料溶液に添加するリン含有イオンの量は、原料溶液中に含まれる全Feモル量に対するモル比(P/Fe比)で0.003以上0.1以下であることが好ましい。P/Fe比が0.003未満では、シリコン酸化物被覆酸化鉄粉中に含まれる酸化鉄粉の平均粒子径を増大させる効果が不十分であり、P/Fe比が0.1を超えると、理由は不明であるが、粒径を増大させる効果が得られない。より好ましいP/Fe比の値は0.005以上0.05以下である。
なお、前述の様に、原料溶液にリン含有イオンを添加する時期は、後述する中和処理の前、中和処理後シリコン酸化物被覆を行う前、シラン化合物を添加する間のいずれでも構わない。
本発明の製造方法の第一の実施形態においては、公知の機械的手段により撹拌しながらリン含有イオンを含む原料溶液にアルカリを添加し、そのpHが7以上13以下になるまで中和して鉄の水和酸化物の沈殿物を生成する。中和後のpHが7未満では、鉄イオンが鉄の水和酸化物として沈殿しないので好ましくない。中和後のpHが13を超えると、工程のシリコン酸化物被覆工程において添加するシラン化合物の加水分解が速く、シラン化合物の加水分解生成物の被覆が不均一となるので、やはり好ましくない。
なお、本発明の製造方法において、リン含有イオンを含む原料溶液をアルカリで中和するにあたっては、リン含有イオンを含む原料溶液にアルカリを添加する方法以外に、アルカリにリン含有イオンを含む原料溶液を添加する方法を採用してもよい。
なお、本明細書に記載のpHの値は、JIS Z8802に基づき、ガラス電極を用いて測定した。pH標準液として、測定するpH領域に応じた適切な緩衝液を用いて校正したpH計により測定した値をいう。また、本明細書に記載のpHは、温度補償電極により補償されたpH計の示す測定値を、反応温度条件下で直接読み取った値である。
中和に用いるアルカリとしては、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物、アンモニア水、炭酸水素アンモニウムなどのアンモニウム塩のいずれであっても良いが、最終的に熱処理して鉄の水和酸化物の沈殿物を鉄酸化物とした時に不純物が残りにくいアンモニア水や炭酸水素アンモニウムを用いることが好ましい。これらのアルカリは、出発物質の水溶液に固体で添加しても構わないが、反応の均一性を確保する観点からは、水溶液の状態で添加することが好ましい。
中和反応の終了後、沈殿物を含むスラリーを撹拌しながらそのpHで5min〜24h保持し、沈殿物を熟成させる。
本発明の製造方法においては、中和処理時の反応温度は特に規定するものではないが、10℃以上90℃以下とするのが好ましい。応温度が10℃未満、または90℃超えでは温度調整に要するエネルギーコストを考慮すると好ましくない。
なお、第二の実施形態における沈殿物の熟成時間および反応温度は、第一の実施形態のそれ等と同じである。
本発明の製造方法の第三の実施形態においては、公知の機械的手段により撹拌しながら原料溶液にアルカリを添加し、そのpHが7以上13以下になるまで中和して鉄の水和酸化物の沈殿物を生成した後、沈殿物を熟成させる。リン含有イオンの添加時期については後述する。
本発明の製造方法においては、前記までの工程で生成した鉄の水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物の被覆を施す。シラン化合物の加水分解生成物の被覆法としては、いわゆるゾル−ゲル法を適用することが好ましい。
ゾル−ゲル法の場合、鉄の水和酸化物の沈殿物のスラリーに、加水分解基を持つシリコン化合物、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)、テトラメトキシシラン(TMOS)や、各種のシランカップリング剤等のシラン化合物を添加して撹拌下で加水分解反応を生起させ、生成したシラン化合物の加水分解生成物により鉄の水和酸化物の沈殿物の表面を被覆する。また、その際、酸触媒、アルカリ触媒を添加しても構わないが、処理時間を考慮するとそれらの触媒を添加することが好ましい。代表的な例として酸触媒では塩酸、アルカリ触媒ではアンモニアとなる。酸触媒を使用する場合には、鉄の水和酸化物の沈殿物が溶解しない量の添加に留める必要がある。
なお、シラン化合物の加水分解生成物による被覆に替えて、無機のシリコン化合物である珪酸ソーダ(水ガラス)による被覆とすることも可能である。
原料溶液に仕込んだ3価の鉄イオンの全モル数と、スラリーに滴下するシリコン化合物に含まれるSiの全モル数の比(Si/Fe比)は0.05以上0.5以下であることが好ましい。Si/Fe比が0.05未満では、シリコン酸化物被覆が不完全になる恐れがあり、Si/Fe比が0.5を超えると、非磁性成分であるシリコン酸化物が増大するため、μ’が低下する。より好ましいSi/Fe比の値は0.1以上0.4以下であり、さらに一層好ましいSi/Fe比の値は0.15以上0.4以下である。
なお、シラン化合物の加水分解生成物による被覆についての具体的手法は、公知プロセスにおけるゾル−ゲル法と同様とすることができる。例えば、ゾル−ゲル法によるシラン化合物の加水分解生成物被覆の反応温度としては20℃以上60℃以下、反応時間としては1h以上20h以下程度である。
本発明の製造方法の第三の実施形態においては、上記の中和後の熟成により得られた鉄の水和酸化物の沈殿物を含むスラリーに、上記の加水分解基を持つシリコン化合物の添加開始から添加終了までの間に、リン含有イオンを同時に添加する。リン含有イオンの添加時期は、加水分解基を持つシリコン酸化物の添加開始と同時、または添加終了と同時でも構わない。
前記の工程により得られたスラリーから、シラン化合物の加水分解生成物を被覆した鉄の水和酸化物の沈殿物を分離する。固液分離手段としては、濾過、遠心分離、デカンテーション等の公知の固液分離手段を用いることが出来る。固液分離時には、凝集剤を添加し固液分離しても構わない。引き続き、固液分離して得られたシラン化合物の加水分解生成物を被覆した鉄の水和酸化物の沈殿物を洗浄した後、再度固液分離することが好ましい。洗浄方法はリパルプ洗浄等の公知の洗浄手段を用いることができる。最終的に回収されたシラン化合物の加水分解生成物を被覆した鉄の水和酸化物の沈殿物に乾燥処理を施す。なお、当該乾燥処理は、沈殿物に付着した水分を除去することを目的としたものであり、水の沸点以上の110℃程度の温度で行っても構わない。
本発明の製造方法においては、前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した鉄の水和酸化物の沈殿物を加熱処理することによりシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体であるシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を得る。加熱処理の雰囲気中は特に規定するものではないが、大気雰囲気で構わない。加熱は概ね500℃以上1500℃以下の範囲で行うことができる。加熱処理温度が500℃未満では粒子が十分に成長しないため好ましくない。1500℃を超えると必要以上の粒子成長や粒子の焼結が起こるので好ましくない。加熱時間は10min〜24hの範囲で調整すればよい。当該加熱処理により、鉄の水和酸化物は鉄酸化物に変化する。加熱処理温度は、好ましくは800℃以上1250℃以下、より好ましくは900℃以上1150℃以下である。なお、当該熱処理の際、鉄の水和酸化物の沈殿を被覆するシラン化合物の加水分解生成物もシリコン酸化物に変化する。当該シリコン酸化物被覆は、鉄の水和酸化沈殿同士の加熱処理時の焼結を防止する作用も有している。
本発明の製造方法においては、前記の工程で得られた前駆体であるシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を還元雰囲気中で熱処理することにより、最終的な目的物であるシリコン酸化物被覆鉄粉が得られる。還元雰囲気を形成するガスとしては、水素ガスや水素ガスと不活性ガスの混合ガスが挙げられる。還元熱処理の温度は、300℃以上1000℃以下の範囲とすることができる。還元熱処理の温度が300℃未満では酸化鉄の還元が不十分となるので好ましくない。1000℃を超えると還元の効果が飽和する。加熱時間は10〜120minの範囲で調整すればよい。
通常、還元熱処理により得られる鉄粉は、その表面が化学的に極めて活性なため、徐酸化による安定化処理を施すことが多い。本発明の製造方法で得られる鉄粉は、その表面が化学的に不活性なシリコン酸化物で被覆されているが、表面の一部が被覆されていない場合もあるので、好ましくは安定化処理を施し、鉄粉表面の露出部に酸化保護層を形成する。安定化処理の手順として、一例として以下の手段が挙げられる。
還元熱処理後のシリコン酸化物被覆鉄粉が曝される雰囲気を還元雰囲気から不活性ガス雰囲気に置換した後、当該雰囲気中の酸素濃度を徐々に増大させながら20〜200℃、より好ましくは60〜100℃で前記露出部の酸化反応を進行させる。不活性ガスとしては、希ガスおよび窒素ガスから選ばれる1種以上のガス成分が適用できる。酸素含有ガスとしては、純酸素ガスや空気が使用できる。酸素含有ガスとともに、水蒸気を導入してもよい。シリコン酸化物被覆鉄粉を20〜200℃好ましくは60〜100℃に保持するときの酸素濃度は、最終的には0.1〜21体積%とする。酸素含有ガスの導入は、連続的または間欠的に行うことができる。安定化工程の初期の段階で、酸素濃度が1.0体積%以下である時間を5.0min以上キープすることがより好ましい。
上述したシラン化合物の加水分解生成物による被覆処理では、最終的に得られるシリコン酸化物被覆の被覆量のコントロールにやや厳密性を欠くので、安定化処理後のシリコン酸化物被覆鉄粉をアルカリ溶液中に浸漬し、シリコン酸化物被覆の被覆量を調節することが可能である。シリコン酸化物被覆それ自体は非磁性の物質なので、シリコン酸化物被覆を一部溶解することにより、シリコン酸化物被覆鉄粉の磁気特性が向上する。また、当該シリコン酸化物被覆をすべて除去すると、被覆のない純粋な鉄粉が得られる。
シリコン酸化物被覆の被覆量としては、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して15質量%以下であることが好ましい。15質量%を超えると、非磁性のシリコン酸化物被覆の占める割合が大きくなり、透磁率μ’が低下するので好ましくない。
なお、本発明の場合、シリコン酸化物被覆鉄粉中のPの含有量が、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して0.1質量%以上2.0質量%以下である場合に良好な結果が得られる。このことは、Pの共存によりシリコン酸化物被覆の物性が変化し、最終的に得られる鉄粒子の粒径が変化していることを示唆する。
シリコン酸化物被覆鉄粉の組成は、FeおよびPについては鉄粉を溶解した後ICP発光分光分析法により、Siについては重量法により求めた。
溶解処理に用いるアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液、アンモニア水等、工業的に用いられている通常のアルカリ水溶液を用いることができる。処理時間等を考慮すると、処理液のpHは10以上、処理液の温度は60℃以上沸点以下であることが好ましい。
シリコン酸化物被覆の溶解処理により得られた鉄粉を解砕してもよい。解砕を行うことで、鉄粉のマイクロトラック測定装置による体積基準の累積50%粒子径を小さくすることができる。解砕手段としては、ビーズミル等のようなメディアを用いた粉砕装置による方法や、ジェットミルのようにメディアレスの粉砕装置による方法など、公知の方法を採用することができる。メディアを用いた粉砕装置による方法の場合は、得られる鉄粉の粒子形状が変形して軸比が大きくなってしまい、その結果として後工程で成形体を作成する際の鉄粉の充填度が下がる、鉄粉の磁気特性が悪化する等の不具合が生じる恐れがあるため、メディアレスの粉砕装置を採用することが好ましく、ジェットミル粉砕装置を用いて解砕を行うことが特に好ましい。ここでジェットミル粉砕装置とは、粉砕対象物または粉砕対象物と液体とを混合したスラリーを、高圧ガスにより噴射させて衝突板などと衝突させる方式の粉砕装置をいう。液体を使用せずに粉砕対象物を高圧ガスで噴射させるタイプを乾式ジェットミル粉砕装置、粉砕対象物と液体とを混合したスラリーを用いるタイプを湿式ジェットミル粉砕装置と呼ぶ。この粉砕対象物または粉砕対象物と液体とを混合したスラリーを衝突させる対象物としては、衝突板などの静止物でなくともよく、高圧ガスにより噴射された粉砕対象物同士や、粉砕対象物と液体とを混合したスラリー同士を衝突させる方法を採用してもよい。
また、湿式ジェットミル粉砕装置を用いて解砕を行う場合の液体としては、純水やエタノールなど一般的な分散媒を採用することができるが、エタノールを用いることが好ましい。
解砕に湿式ジェットミル粉砕装置を用いた場合には、解砕された鉄粉と分散媒との混合物である解砕処理後のスラリーが得られ、このスラリー中の分散媒を乾燥させることで解砕された鉄粉を得ることができる。乾燥方法としては公知の方法を採用することができ、雰囲気としては大気でもよい。ただし、鉄粉の酸化を防止する観点から、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガス等の非酸化性雰囲気での乾燥や、真空乾燥を行うことが好ましい。また、乾燥速度を速めるために例えば100℃以上に加温して行うことが好ましい。なお、乾燥後に得られた鉄粉を再びエタノールと混合してマイクロトラック粒度分布測定を行った場合、前記解砕処理後のスラリーにおける鉄粉のD50をほぼ再現することができる。すなわち、乾燥の前後で鉄粉のD50は変化しない。
シリコン酸化物被覆鉄粉を構成する鉄粒子の粒子径、および、シリコン酸化物被覆酸化鉄粉を構成する酸化鉄粒子の粒子径は、それぞれ10質量%水酸化ナトリウム水溶液を用いてシリコン酸化物被覆を溶解・除去した後、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により求めた。
シリコン酸化物の溶解除去は、シリコン酸化物被覆鉄粉またはシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を60℃の10質量%水酸化ナトリウム水溶液に入れて、24h撹拌させた後に、ろ過、水洗ならびに乾燥することで行った。なお、前記水酸化ナトリウム水溶液の量は、シリコン酸化物被覆鉄粉またはシリコン酸化物被覆酸化鉄粉5gに対して0.8Lの割合とした。
シリコン酸化物の溶解除去後にSEM観察を行い、ある粒子について、その粒子を取り囲む最小円の直径をその粒子の粒子径(長径)と定める。具体的には、3,000倍〜30,000倍程度の倍率で撮影したSEM写真中において、外縁部全体が観察される粒子をランダムに300個選択してその粒子径を測定し、その平均値を、当該シリコン酸化物被覆鉄粉を構成する鉄粒子およびシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を構成する酸化鉄粒子の平均粒子径とした。なお、この測定により得られる粒子径は、一次粒子径である。
SEM画像上のある粒子について、上記の「長径」に対して直角方向に測った最も長い部分の長さを「短径」と呼び、長径/短径の比をその粒子の「軸比」と呼ぶ。粉末としての平均的な軸比である「平均軸比」は以下のようにして定めることができる。SEM観察により、ランダムに選択した300個の粒子について「長径」と「短径」を測定し、測定対象の全粒子についての長径の平均値および短径の平均値をそれぞれ「平均長径」および「平均短径」とし、平均長径/平均短径の比を「平均軸比」と定める。長径、短径、軸比のそれぞれについて、そのばらつきの大きさを表す指標として変動係数を算出することができる。
VSM(東英工業社製VSM−P7)を用い、印加磁場795.8kA/m(10kOe)でB−H曲線を測定し、保磁力Hc、飽和磁化σs、角形比SQについて評価を行った。
鉄粉またはシリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂(株式会社テスク製;一液性エポキシ樹脂B−1106)を90:10の質量割合で秤量し、真空撹拌・脱泡ミキサー(EME社製;V−mini300)を用いてこれらを混練し、供試粉末がエポキシ樹脂中に分散したペーストとした。このペーストをホットプレート上で60℃、2h乾燥させて金属粉末と樹脂の複合体としたのち、粉末状に解粒して、複合体粉末とした。この複合体粉末0.2gをドーナッツ状の容器内に入れて、ハンドプレス機により9800N(1Ton)の荷重をかけることにより、外径7mm、内径3mmのトロイダル形状の成形体を得た。この成形体について、RFインピーダンス/マテリアル・アナライザ(アジレント・テクノロジー社製;E4991A)とテストフィクスチャ(アジレント・テクノロジー社製;16454Aを用い、100MHzにおける複素比透磁率の実数部μ’および虚数部μ”を測定し、複素比透磁率の損失係数tanδ=μ”/μ’を求めた。
本発明の鉄粉を用いて製造された成形体は、優れた複素透磁率特性を示し、インダクタの磁心などの用途に好適に用いることができる。
BET比表面積は、株式会社マウンテック製のMacsorb model−1210を用いて、BET一点法により求めた。
[マイクロトラック粒度分布測定]
鉄粉のマイクロトラック測定装置による体積基準の累積50%粒子径、ならびに累積90%粒子径の測定には、マイクロトラック・ベル社製のマイクロトラック粒度分布測定装置MT3300EXIIを用いた。なお、測定装置の試料循環器に入れる液体としては、エタノールを用いた。また、鉄粉とエタノールまたは純水とを混合したスラリーの形態として、供給直前にこのスラリーを目視で不均一な箇所が見られない程度に撹拌した後に測定装置に供給した。
5L反応槽にて、純水4113.24gに、純度99.7mass%の硝酸鉄(III)9水和物566.47g、リン含有イオンの供給源として85mass%H3PO41.39gを大気雰囲気中、撹拌羽根により機械的に撹拌しながら溶解した。(手順1)この溶解液のpHは約1であった。なお、この条件ではP/Fe比は0.0086である。
大気雰囲気中、この仕込み溶解液を30℃の条件下で、撹拌羽根により機械的に撹拌しながら、23.47mass%のアンモニア溶液409.66gを10minかけて添加し(約40g/L)、滴下終了後に30min間撹拌を続けて生成した沈殿物の熟成を行った。その際、沈殿物を含むスラリーのpHは約9であった(手順2)。
手順2で得られたスラリーを撹拌しながら、大気中30℃で、純度95.0mass%のテトラエトキシシラン(TEOS)55.18gを10minかけて滴下した。その後20時間そのまま撹拌し続け、加水分解により生成したシラン化合物の加水分解生成物で沈殿物を被覆した(手順3)。なお、この条件ではSi/Fe比は0.18である。
手順3で得られたスラリーを濾過し、得られたシラン化合物の加水分解生成物で被覆した沈殿物の水分をできるだけ切ってから純水中に再度分散させ、リパルプ洗浄した。洗浄後のスラリーを再度濾過し、得られたケーキを大気中110℃で乾燥した(手順4)。
手順4で得られた乾燥品を、箱型焼成炉を用い、大気中1050℃で加熱処理し、シリコン酸化物被覆酸化鉄粉を得た(手順5)。手順5で得られたシリコン酸化物被覆酸化鉄粉から試料を採取し、前述の方法によりシリコン酸化物被覆を除去した後SEM観察を行い酸化鉄粉の平均粒子径および平均軸比を測定した。SEM観察結果を図1に、原料溶液の仕込み条件等の製造条件を表1に、測定結果を表2にそれぞれ示す。なお、SEM写真の右側下部に表示した11本の白い縦線で示す長さが1.00μmである(図2も同じ)。
手順5で得られたシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を通気可能なバケットに入れ、そのバケットを貫通型還元炉内に装入し、炉内に水素ガスを流しながら630℃で40min保持することにより還元熱処理を施した(手順6)。
引き続き、炉内の雰囲気ガスを水素から窒素に変換し、窒素ガスを流した状態で炉内温度を降温速度20℃/minで80℃まで低下させた。その後、安定化処理を行う初期のガスとして、窒素ガス/空気の体積割合が125/1となるように窒素ガスと空気を混合したガス(酸素濃度約0.17体積%)を炉内に導入して金属粉末粒子表層部の酸化反応を開始させ、その後徐々に空気の混合割合を増大させ、最終的に窒素ガス/空気の体積割合が25/1となる混合ガス(酸素濃度約0.80体積%)を炉内に連続的に導入することにより、粒子の表層部に酸化保護層を形成した。安定化処理中、温度は80℃に維持し、ガスの導入流量もほぼ一定に保った(手順7)。
以上の一連の手順により得られた、シリコン酸化物被覆鉄粉について、磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に併せて示す。
実施例1の手順5までで得られた酸化鉄粉の平均粒子径は0.59μm、平均軸比は1.35であり、これを還元すると平均粒子径が0.54μm、平均軸比が1.34の鉄粉が得られた。また、実施例1で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は4.38、tanδは0.014であり、後述する鉄の水和酸化物の沈殿物生成時にリン含有イオンが共存しない比較例1で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉についてのμ’が1.61、tanδが0.413よりも良好な値であり、本発明の製造方法の特徴であるリン含有イオン共存の効果は明瞭である。
また、本発明の鉄粉を用いて製造された成形体は優れた複素透磁率特性を発現するため、インダクタの磁心として好適であることがわかる。
Fe(III)イオンの添加量は変化させず、P/Fe比とSi/Fe比を変化させた以外は実施例1と同じ手順でシリコン酸化物被覆酸化鉄粉とシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。得られた酸化鉄粉の平均粒子径および平均軸比、並びにシリコン酸化物被覆鉄粉の磁気特性、BET比表面積、および複素透磁率を表2に示す。いずれの実施例においてもμ’およびtanδの値は、比較例のそれらよりも優れていた。なお、以下の実施例および比較例においても、Fe(III)イオンの添加量は同一である。
原料溶液にリン含有イオンを添加せず、熟成開始後10minの時点でリン酸を添加し、その後20min間熟成を行った以外は実施例1と同じ手順でシリコン酸化物被覆酸化鉄粉とシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。得られた酸化鉄粉のSEM観察結果を図2に、平均粒子径および平均軸比、並びにシリコン酸化物被覆鉄粉の磁気特性、BET比表面積および複素透磁率を表1に示す。本実施例で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は4.38、tanδは0.016で、比較例のそれらよりも優れており、鉄の水和酸化物の沈殿の熟成の途中でリン含有イオンを添加しても本発明の効果が得られることが判る。
原料溶液にリン含有イオンを添加しなかった以外は実施例1と同じ手順でシリコン酸化物被覆酸化鉄粉とシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。得られた酸化鉄粉のSEM観察結果を図2に、平均粒子径および平均軸比、並びにシリコン酸化物被覆鉄粉の磁気特性、BET比表面積および複素透磁率を表1に示す。本比較例で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は1.61、tanδは0.413であり、各実施例のそれらよりも劣ったものであった。
実施例7として、実施例1と同様の条件で作製したシリコン酸化物被覆鉄粉を、5質量%、60℃の水酸化ナトリウム水溶液に1h浸漬し、シリコン酸化物被覆の一部を溶解した。その結果、シリコン酸化物被覆鉄粉のSi含有量は実施例1の7.72質量%から4.15質量%まで減少し、透磁率μ’は4.38から5.83まで増加したがtanδの値はほとんど変化しなかった。実施例8は、実施例7のアルカリ水溶液を10質量%水酸化ナトリウム水溶液に替えた結果であり、Si含有量がさらに2.73質量%まで減少し、透磁率μ’は6.63まで増加した。実施例9は実施例4と同様の条件で作製したシリコン酸化物被覆鉄粉のシリコン酸化物被覆の一部を溶解した結果であるが、やはり実施例1と比較し、Si含有量の減少に伴い、透磁率μ’が増加した。
実施例10は、実施例9と同様な条件で、アルカリ水溶液への浸漬時間を24時間とした結果である。この場合、シリコン酸化物被覆は全て溶解しており、透磁率μ’は6.55、tanδの値は0.015であった。
なお、実施例10で得られた鉄粉のSEM観察結果を図3に示す。この場合、SEM写真の右側下部に表示した11本の白い縦線で示す長さが10.0μmである。実施例10で得られた鉄粉を構成する鉄粒子の粒子径および軸比の測定には、図3のSEM写真を用いた。
45L反応槽にて、純水35.84kgに、純度99.7mass%の硝酸鉄(III)9水和物4.96kg、85mass%H3PO40.02kgを大気雰囲気中、撹拌羽根により機械的に撹拌しながら溶解した。(手順8)この溶解液のpHは約1であった。なお、この条件ではP/Fe比は0.0173である。
大気雰囲気中、この仕込み溶解液を30℃の条件下で、撹拌羽根により機械的に撹拌しながら、22.50mass%のアンモニア溶液3.74kgを10minかけて添加し(約0.37kg/L)、滴下終了後に30min間撹拌を続けて生成した沈殿物の熟成を行った。その際、沈殿物を含むスラリーのpHは約9であった(手順9)。
手順9で得られたスラリーを撹拌しながら、大気中30℃で、純度95.0mass%のテトラエトキシシラン(TEOS)0.97kgを10minかけて滴下した。その後20時間そのまま撹拌し続け、加水分解により生成したシラン化合物の加水分解生成物で沈殿物を被覆した(手順10)。なお、この条件ではSi/Fe比は0.36である。
手順10で得られたスラリーを濾過し、得られたシラン化合物の加水分解生成物で被覆した沈殿物の水分をできるだけ切ってから純水中に再度分散させ、リパルプ洗浄した。洗浄後のスラリーを再度濾過し、得られたケーキを大気中110℃で乾燥した(手順11)。
手順11で得られた乾燥品を、箱型焼成炉を用い、大気中1045℃で加熱処理し、シリコン酸化物被覆酸化鉄粉を得た(手順12)。 手順12で得られたシリコン酸化物被覆酸化鉄粉を通気可能なバケットに入れ、そのバケットを貫通型還元炉内に装入し、炉内に水素ガスを流しながら630℃で40min保持することにより還元熱処理を施した(手順13)。
引き続き、炉内の雰囲気ガスを水素から窒素に変換し、窒素ガスを流した状態で炉内温度を降温速度20℃/minで80℃まで低下させた。その後、安定化処理を行う初期のガスとして、窒素ガス/空気の体積割合が125/1となるように窒素ガスと空気を混合したガス(酸素濃度約0.17体積%)を炉内に導入して金属粉末粒子表層部の酸化反応を開始させ、その後徐々に空気の混合割合を増大させ、最終的に窒素ガス/空気の体積割合が25/1となる混合ガス(酸素濃度約0.80体積%)を炉内に連続的に導入することにより、粒子の表層部に酸化保護層を形成した。安定化処理中、温度は80℃に維持し、ガスの導入流量もほぼ一定に保った(手順14)。
手順14で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉を60℃の20質量%水酸化ナトリウム水溶液に入れて、24h撹拌させた後に、ろ過、水洗ならびに窒素中110℃で2h乾燥を行った。前記水酸化ナトリウム水溶液の量は、シリコン酸化物被覆鉄粉56gに対して3.2Lの割合とした。
以上の一連の手順により得られた、鉄粉について、磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に併せて示す。
また、得られた鉄粉をエタノールと混合して鉄粉エタノール混合スラリーとし、超音波分散機に5minかけた後に、マイクロトラック粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル社製MT3300EXII)により体積基準の粒子径の測定を行ったところ、D10が0.71μm、D50が1.60μm、D90が4.49μmであった。なお、マイクロトラック粒度分布測定にあたっては、鉄粉エタノール混合スラリーを測定装置に供給する直前に、目視で不均一な箇所が見られない程度に撹拌してから測定装置に供給した。
実施例11と同様の手順で作製した鉄粉をエタノールと混合して、鉄粉の含有割合が10質量%の鉄粉エタノール混合スラリーを作製した。この鉄粉エタノール混合スラリーをジェットミル粉砕装置(リックス株式会社製のナノ微粒化装置G−smasher LM−1000)を用いて解砕し、解砕処理後のスラリーを得た。なお、解砕にあたっては、鉄粉エタノール混合スラリーの供給速度を100ml/min、エア圧力を0.6MPaとし、解砕処理を5回繰り返した。得られた解砕処理後のスラリーについて、マイクロトラック粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル社製MT3300EXII)で体積基準の粒子径を測定したところ、D10が0.51μm、D50が0.83μm、D90が1.42μmであった。なお、マイクロトラック粒度分布測定装置の試料循環器に入れる液体としては、エタノールを用いた。また、マイクロトラック粒度分布測定にあたっては、解砕処理後のスラリーを測定装置に供給する直前に、目視で不均一な箇所が見られない程度に撹拌してから測定装置に供給した。解砕処理後のスラリーを窒素ガス中100℃で2h乾燥させ、実施例12に係る鉄粉を得た。得られた鉄粉について、磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に併せて示す。得られた鉄粉をエタノールと混合してマイクロトラック粒度分布測定を行ったところ、解砕処理後のスラリーにおける鉄粉のD50をほぼ再現した。
実施例11と同様の手順で作製した鉄粉を純水と混合して、鉄粉の含有割合が10質量%の鉄粉純水混合スラリーを作製した。このスラリーをジェットミル粉砕装置(リックス株式会社製のナノ微粒化装置G−smasher LM−1000)を用いて解砕し、解砕処理後のスラリーを得た。なお、解砕にあたっては、鉄粉純水混合スラリーの供給速度を100ml/min、エア圧力を0.6MPaとし、解砕処理を5回繰り返した。得られた解砕処理後のスラリーについて、マイクロトラック粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル社製MT3300EXII)で体積基準の粒子径を測定したところ、D10が0.66μm、D50が1.13μm、D90が1.85μmであった。なお、マイクロトラック粒度分布測定装置の試料循環器に入れる液体としては、エタノールを用いた。また、マイクロトラック粒度分布測定にあたっては、解砕処理後のスラリーを測定装置に供給する直前に、目視で不均一な箇所が見られない程度に撹拌してから測定装置に供給した。解砕処理後のスラリーを窒素ガス中100℃で2h乾燥させ、実施例13に係る鉄粉を得た。得られた鉄粉について、磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に併せて示す。得られた鉄粉をエタノールと混合してマイクロトラック粒度分布測定を行ったところ、解砕処理後のスラリーにおける鉄粉のD50をほぼ再現した。
比較例2として、比較例1同様の条件で作製したシリコン酸化物被覆鉄粉を、10質量%、60℃の水酸化ナトリウム水溶液に24h浸漬し、シリコン酸化物被覆を全て溶解した。本比較例で得られた鉄粉のμ’およびtanδの値は0.413であり、実施例10のそれらよりも劣ったものであった。
リン酸H3PO4に代えて純度98質量%のリン酸三ナトリウムNa3PO4十二水和物4.68gを溶解させた以外は、実施例1と同様の手順によりシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。なお、この条件でのP/Fe比は0.0086である。原料溶液の仕込み条件等の製造条件を表1に示す。得られたシリコン酸化物被覆鉄粉について、実施例1と同様の手順で磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に示す。
実施例14で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉の鉄粒子の平均粒子径は0.39μm、平均軸比は1.32であった。また、実施例14で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は3.53、tanδは0.008であった。
リン酸H3PO4に代えて純度99質量%のピロリン酸四ナトリウムNa4P2O7十水和物2.72gを溶解させた以外は、実施例1と同様の手順によりシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。なお、この条件でのP/Fe比は0.0086である。原料溶液の仕込み条件等の製造条件を表1に示す。得られたシリコン酸化物被覆鉄粉について、実施例1と同様の手順で磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に示す。
実施例15で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉の鉄粒子の平均粒子径は0.31μm、平均軸比は1.29であった。また、実施例15で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は3.35、tanδは0.004であった。
リン含有イオンとしてリン酸H3PO4に代えて純度97質量%の亜リン酸H3PO31.02gを溶解させた以外は、実施例1と同様の手順によりシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。なお、この条件でのP/Fe比は0.0086である。原料溶液の仕込み条件等の製造条件を表1に示す。得られたシリコン酸化物被覆鉄粉について、実施例1と同様の手順で磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に示す。
実施例16で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉の鉄粒子の平均粒子径は0.45μm、平均軸比は1.31であった。また、実施例15で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は4.35、tanδは0.023であった。
原料溶液にリン含有イオンを添加せず、TEOS滴下開始後5minの時点でリン酸を添加した以外は実施例1と同じ手順でシリコン酸化物被覆鉄粉を得た。なお、この条件でのP/Fe比は0.0086である。原料溶液の仕込み条件等の製造条件を表1に示す。得られたシリコン酸化物被覆鉄粉について、実施例1と同様の手順で磁気特性、BET比表面積、鉄粒子の粒子径および複素透磁率の測定を行った。測定結果を表2に示す。
実施例17で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉の鉄粒子の平均粒子径は0.46μm、平均軸比は1.37であった。また、実施例17で得られたシリコン酸化物被覆鉄粉のμ’は4.70、tanδは0.024であった。
Claims (26)
- 平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子からなる鉄粉。
- 前記鉄粉中のP含有量が、前記鉄粉の質量に対して0.1質量%以上1.0質量%以下である、請求項1に記載の鉄粉。
- マイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積50%粒子径が1.2μm以下である、請求項1または2に記載の鉄粉。
- マイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積90%粒子径が2.0μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉄粉。
- 前記の鉄粉は、当該鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が4以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の鉄粉。
- 請求項1に記載の鉄粒子の表面がシリコン酸化物で被覆されたシリコン酸化物被覆鉄粉。
- 前記のシリコン酸化物被覆鉄粉は、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、請求項6に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉。
- シリコン酸化物の被覆量が、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対してシリコンとして15質量%以下である、請求項6または7に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉。
- Pの含有量が、シリコン酸化物被覆鉄粉全体の質量に対して0.1質量%以上2.0質量%以下である、請求項6に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉。
- 平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、
3価の鉄イオンとリン酸イオン、亜リン酸イオンおよび次亜リン酸イオンから選ばれる1種以上のイオン(以下、リン含有イオンと称する)を含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程と、
前記のスラリーにシラン化合物を添加し、前記水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程と、
前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程と、
前記の回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を得る工程、
を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法。 - 平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、
3価の鉄イオンを含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程と、
前記のスラリーにリン含有イオンを添加する工程と、
前記のリン含有イオンを添加した水和酸化物の沈殿物を含むスラリーにシラン化合物を添加し、前記水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程と、
前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程と、
前記の回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を得る工程、
を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法。 - 平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法であって、
3価の鉄イオンを含む酸性の水溶液をアルカリ水溶液で中和して水和酸化物の沈殿物のスラリーを得る工程と、
前記の水和酸化物の沈殿物を含むスラリーにシラン化合物を添加するに当たり、前記シラン化合物の添加開始から添加終了までの間にリン含有イオンをさらに添加し、リン含有イオンの存在下で前記水和酸化物の沈殿物にシラン化合物の加水分解生成物を被覆する工程と、
前記のシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を固液分離して回収する工程と、
前記の回収したシラン化合物の加水分解生成物を被覆した水和酸化物の沈殿物を加熱してシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を得る工程、
を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法。 - 平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子の表面にシリコン酸化物被覆を施したシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法であって、
請求項10〜12のいずれか1項に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の前駆体の製造方法により得られたシリコン酸化物を被覆した酸化鉄粉を還元雰囲気下で加熱する工程を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。 - 前記のシリコン酸化物被覆鉄粉が、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下である、請求項13に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
- 請求項13に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法により得られたシリコン酸化物被覆鉄粉をアルカリ水溶液中に浸漬して、シリコン酸化物被覆を溶解してその被覆量を調節する工程を含む、シリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
- 前記のシリコン酸化物被覆鉄粉は、当該シリコン酸化物被覆鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が2以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、請求項15に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法。
- 平均粒子径が0.25μm以上0.80μm以下であり、かつ、平均軸比が1.5以下の鉄粒子からなる鉄粉の製造法であって、請求項13〜16のいずれか1項に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉の製造方法により得られたシリコン酸化物被覆鉄粉をアルカリ水溶液中に浸漬して、シリコン酸化物被覆を溶解する工程を含む、鉄粉の製造方法。
- 請求項17に記載の製造方法で得られた鉄粉を、解砕する工程を含む、鉄粉の製造方法。
- 前記の解砕をジェットミル粉砕装置により行う、請求項18に記載の鉄粉の製造方法。
- 前記の解砕を、鉄粉のマイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積50%粒子径が1.2μm以下となるように行う、請求項18または19に記載の鉄粉の製造方法。
- 前記の解砕を、鉄粉のマイクロトラック粒度分布測定装置によって測定される体積基準での累積90%粒子径が2.0μm以下となるように行う、請求項18〜20のいずれか1項に記載の鉄粉の製造方法。
- 前記の鉄粉は、当該鉄粉とビスフェノールF型エポキシ樹脂を9:1の質量割合で混合し、加圧成形した成形体について、100MHzにおいて測定した複素比透磁率の実数部μ’が4以上、複素比透磁率の損失係数tanδが0.025以下となるものである、請求項17〜21のいずれか1項に記載の鉄粉の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の鉄粉を含む、インダクタ用の成形体。
- 請求項6〜9のいずれか1項に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉を含む、インダクタ用の成形体。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の鉄粉を用いたインダクタ。
- 請求項6〜9のいずれか1項に記載のシリコン酸化物被覆鉄粉を用いたインダクタ。
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