JP2019532175A - 軟磁性複合体（ｓｍｃ）を得るための強磁性粒子表面のコーティング - Google Patents

Abstract

本発明は、強磁性粒子の表面を富化し、強磁性粒子をコーティングするプロセスを記載している。より詳細には、本発明は、タンブリングによる乾燥粉末混合を介する、ホウ素化合物との反応を介する、液体ガラス状懸濁液及び非金属化合物を介する、表面富化、表面酸化、粒子コーティングのプロセスによって開発された材料を得ること、並びに記載されている技法の１つ以上を同時に使用する可能性を記載している。本発明は、機械工学、電気工学、化学工学及び材料工学の分野である。

Description

本発明は、粒子の表面層を富化し、粒子をコーティングするためのプロセスを記載する。本発明は、機械工学、電気工学、化学工学及び材料工学の分野である。

ＳＭＣ（軟磁性複合体）と呼ばれる材料を生成する異なる方法が現在研究されており、工業的に実現可能な及び経済的に持続可能な方法を目指している。

ＳＭＣは、絶縁性材料でコーティングされた強磁性粉末複合体からなり、粉末冶金技法を用いて組み合わされた場合に、回転式機械、高速スイッチングのセンサー及びソレノイド、モーターのような非常に技術的に興味深い電磁目的での鋼の代替である。

各鉄粉粒子は絶縁性材料でコーティングされているので、コーティング粒子を用いて生成された構成要素（部品）の電気抵抗は増加し、寄生電流による構成要素の磁性損失は減少する。積層電気用鋼に関連してＳＭＣにおいて製造された構成要素の効率は、中周波数及び高周波数の用途に関して増加し、ここで、それらの総磁性損失は、ヒステリシスによる損失（静的損失）よりも磁性材料（動的損失部分）の粒子間の寄生電流による損失に依存する。

このタイプの材料の興味深い他の特性は、熱的特性における改善の可能性、加工及び組立の設計における可撓性とともに、三次元等方性の強磁性挙動を含み、スケール生成におけるコスト低減に寄与する。

ＳＭＣ代替物の開発についての広範な学術文献に加えて、多数の特許が、樹脂のような有機材料（ＵＳ ２０１２／０２２９２４５ Ａ１）、又はホスフェート（ＵＳ８１８７３９４Ｂ２）、ホウ素化合物（ＵＳ ２０１０／０２２４８２２ Ａ１）及びシリケート（ＵＳ ２０１３／０１８１８０２ Ａ１）のような無機材料でコーティングされた鉄粉及びこれらの合金のような、これらの材料の生成及び加工のための異なるプロセスで出願されている。特許ＪＰ ２００８０６３６４２は、蒸発を介する膜の形成に言及している。

強磁性粒子上に有機コーティングを有するＳＭＣは、仕上げられた構成要素の形態での材料の生成において低コスト及び単純性を提示する。しかしながら、このクラスの複合体は大きな欠点を示し、それはその静的損失成分をかなり増加させる、低い加工温度の可能性である。加えて、有機コーティングの劣化は一般的であり、また、その動的損失成分を経時的に弱くする。無機コーティングについて、通常、より高価であるが、それらは主に温度に関連して加工の可能性を拡大し、残留応力及び圧縮において導入される欠陥の低減を可能にし、そのため、静的損失成分を低減する。それでもなお、科学文献及び特許文献における最先端技術に見出される無機材料でコーティングされたＳＭＣの中でさえ、コーティングの耐熱性を増加させる戦略を開発して、より大きい周波数帯域に関するＳＭＣの損失特性を最適化するずっと高い加工温度を可能にする必要が認められる。

最先端技術の探索において、科学文献及び特許文献中で、本発明の教示を予測又は示唆する文書が見出されなかったことで、本明細書において提案されている解決法は、最先端技術を考慮して新規性及び進歩性を有する。

米国特許出願公開第２０１２／０２２９２４５号明細書 米国特許第８１８７３９４号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２２４８２２号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０１８１８０２号明細書 特開２００８−０６３６４２号公報

（発明の簡単な記載）
本発明は、絶縁相によってコーティングされた強磁性粒子の軟磁性複合体（ＳＭＣ）の生成を含み、寄生電流によるそれらの損失を低減すること及びその結果として電気機械構成要素の効率を増加させることを目指している。

第１の目的において、本発明は、後続のコーティングステップの最適化を目的とした、元素の合金化を用いた強磁性粒子の表面層を富化するためのプロセスを提示する。このプロセスは、マンガン、ケイ素、アルミニウム、クロム、チタン、タンタル、バナジウムのような安定な化合物（酸化物、窒化物、炭窒化物、水素化物及びホウ化物）を形成する化学元素での鉄粒子（又は磁性材料の他の金属粒子）の表面層の富化によって特徴付けられる。該富化は、昇華／再昇華、蒸発／縮合によって、又は機械的接触による相互拡散を介しても、達成することができる。

第２の目的において、本発明は、第１の目的によって得られた強磁性粒子、好ましくは富化強磁性粒子をコーティングするためのプロセスを含み、これらは、以下の後続ステップの少なくとも１つによって特徴付けられる：
（ａ）タンブリングすることにより粉末を混合することによって強磁性粒子（好ましくは、第１の目的を特徴とするプロセスによって得られたもの）をコーティングすること、こうしたプロセスは、鋼球体を含有するドラムへの酸化物材料及び強磁性粒子の添加によって実施される。タンブリングプロセスは、５０μｍよりも大きい強磁性粒子の表面上に非常に小さい粒子サイズ酸化物材料を堆積することによって、粒子がコーティングされるまで制御された回転及び時間を有する。コーティング後、すでにコーティングされた粉末の圧縮、及び該圧縮において得られた構成要素の焼結熱処理が実施される。

ｂ）ホウ酸及びイソプロピルアルコールの溶液の調製し、この溶液を富化強磁性粒子と混合することで、この溶液での粒子の総湿潤を促進する方法に従ってホウ素化合物で強磁性粒子（好ましくは、第１の目的を特徴とするプロセスによって得られたもの）をコーティングすること。アルコールの蒸発後、ホウ酸でコーティングされた強磁性粒子が得られる。この型のコーティングを得る別のやり方は、強磁性粒子をホウ化用混合物と組み合わせること、及び次いで、ホウ化用熱化学的処理を適用することである。ホウ化用熱化学的処理の後、（ここでコーティングされた）強磁性粒子は、処理の前に添加されたホウ化用混合物の残留物から分離される。両方のプロセスを介して得られたコーティング強磁性粒子は、圧縮及び焼結技法を介して所望の形状及びサイズを有する部品構成要素に変換される。

ｃ）シリケート及び非金属のサブマイクロメーター粒子（例えば、酸化物、炭化物、窒化物、フッ化物など）を用いて強磁性粒子（好ましくは、第１の目的を特徴とするプロセスによって得られたもの）をコーティングすること。この型のコーティングは、非金属粒子のガラス状懸濁液を形成するアルカリ金属ケイ酸塩溶液（とりわけナトリウム、カリウム、又はこれらの混合物）中の非金属粒子の分散；続いて、非金属粒子の前記懸濁液によって強磁性粒子を湿潤すること；続いて、非金属粒子の懸濁液によって湿潤された強磁性粒子の乾燥、圧縮及び熱処理という方法に従って得られる。

本発明のこれらの及び他の目的は、当業者によって及び当技術分野に興味対象を有する企業によって容易に理解され、それらは、以下の記載においてそれらの再現について十分詳細に記載されている。

本特許出願の内容をより良く規定及び明確化するために、以下の図が提示されている。

鉄粒子についてのＭｎ濃度プロファイルのスキームを示す図である。 鋼球体を含有する混合ドラム及び混合器のベースを示す図である。 鋼球体を有する円筒状ドラムにおける機械加工の前後の鉄粒子を示す図である。ＳＥＭで５０ｘの倍率。 ４％のＭｎフェライト（体積％）を含有する組成物のミクロ構造を示す図である。走査電子顕微鏡１０００ｘ倍率。 熱化学的処理及び分離ステップ後の粉末のＸ線回折スペクトルを示す図である。 ９００℃での熱処理後のホウ化鉄コーティングを有する試料のミクロ構造を示す図である。 アルカリ金属ケイ酸塩中に非金属粒子を分散させることによってコーティングされた強磁性粒子のスキームを示す図である。 非コーティングされた（ａ）、ケイ酸ナトリウムだけでコーティングされた（ｂ）、並びに１．３６μｍ（ｃ）、０．０２μｍ（ｄ）、０．１６μｍ（ｅ）及び０．１μｍ（ｆ）のセラミック粒子のガラス状懸濁液でコーティングされた鉄粉上で行われた酸化性雰囲気下での熱重量分析を示す図である。 実施例１の金属組織学のために調製された切片の電子顕微鏡法画像を示す図である。 ６０Ｈｚの誘導周波数について、実施例１で得られた磁性損失の測定の結果を示す図である。 （１）磁極片、（２）固定子歯及び（３）固定子クラウンセグメントを含むモジュール式モーターの第１の実施形態を示す図である。 （１）磁極片、（２）固定子歯及び（３）固定子クラウンセグメントを含むモジュール式モーターの第１の実施形態の詳細を示す図である。 最適化されたクラウン及び歯で構成されたセグメントを示す図である。 磁極片が固定子歯よりも高い高さを有する最適化固定子形状を示す図である。 磁極片及びクラウンが固定子歯よりも高い高さを有する別の最適化固定子形状を示す図である。

以下の記載は例として示されており、本発明の範囲を限定せず、これらは、本特許出願の目的を、より明確に理解させる。

マンガンを用いる強磁性粒子の富化の場合において、これは、強磁性粉末（約８０〜４００μｍの粒子サイズを有する）を、純粋なＭｎ又は高いＭｎ含有量のフェロマンガンの微粉末と、１：０．１〜２の比で混合することによって行うことができる。

強磁性粉末及びマンガン粉末の混合物は、耐火るつぼの中に置かれ（緩い粉末、すなわち、非圧縮粉末）、前記るつぼはオーブンに運ばれる。熱処理のための雰囲気は、鉄粒子上のＭｎの昇華／堆積に有利に働くために約０．２〜０．４ａｔｍのチューブ内の内部圧力で密閉されなければならない。原子は、Ｍｎの粒子を有する鉄粒子間の機械的接触によって、又はＭｎが固体状態（これは高い昇華蒸気圧を有する）から簡便に昇華するため、気相を介してのいずれかで、化学ポテンシャル勾配により鉄粒子の表面に組み込まれる。差異は、富化が、処理環境と鉄の粒子との間のＭｎの化学ポテンシャル勾配により起こるという事実である。所望の富化は、図１においてスキーム化されている通りの濃度プロファイルを提示するはずである。

本例において、Ｍｎ混合酸化物の絶縁膜を形成することが所望される場合、富化処理後、粉末は冷却され、富化粉末の混合物は、最大０．８％までの固体潤滑剤、及び酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト又はさらには酸化銅から選択される微粉末の形態における０．１〜３％の還元可能な酸化物を含めて調製される。濃度プロファイルは、所望の磁性部分の圧縮によって影響されず、すなわち、圧縮において適用される圧力は、濃度プロファイルを変化させない。したがって、７００ＭＰａよりも大きい圧力で起こるべき圧縮後、Ｍｎ富化層の存在は、粒子の表面の全体にわたって均一のままである。

該層の酸化は、この駆動力として、マンガンの濃度勾配を有するので、これは、この厚さがいっそう均一であり、同様に、この厚さの制御は、マンガンの濃度、及び酸素担体として使用される酸素リッチ相の量に依存する、該部分の内部において利用可能な酸素の量にだけ依存する。

圧縮成形後、部品は、約５００℃の温度で中性又は反応性雰囲気中にて加熱処理される。

別の例において、ケイ素を用いる粒子の富化から生成されたＳＭＣ材料について、これは、一緒に混合されたＳｉ（又はＳｉリッチ）粒子を有する鉄粒子間の機械的接触を介して主に起こる。しかしながら、富化のための駆動力は、前に記載されているのと同じであり、すなわち、化学ポテンシャル勾配である。

これらの材料を得るため、強磁性粉末（約８０〜４００μｍの粒子サイズを有する）は、微細なＳｉ又はフェロシリコン粉末と、Ｓｉ（又は他のＳｉ担持相）の２０重量％よりも大きい含有量にて、１：０．１〜１：２の比で混合される。

強磁性粉末及びＳｉ粉末の混合物は、耐火るつぼの中に置かれ（緩い粉末、すなわち、非圧縮粉末）、前記るつぼはオーブンに運ばれる。熱処理のための雰囲気は、不活性ガス流に対して不活性でなければならず、このステップで、富化層の拡散及び形成を妨げるＳｉ酸化を回避する。

本例において、Ｓｉ混合酸化物の絶縁膜を形成することが所望される場合、富化処理後に粉末は冷却され、富化粉末の混合物は、最大０．８％までの固体潤滑剤、及び酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト又は酸化銅から選択される０．５〜３％の還元可能な酸化物粉末を含有して調製される。この酸素担持酸化物の粒子サイズは、好ましくは、使用された強磁性粉末の粒子サイズよりも約１０〜１００倍小さくあるべきである。

引き続いて、部品の圧縮が、例えば７００ＭＰａを超える圧縮圧力を使用して実施されることで、最大多孔性が排除される。

圧縮後、部品は、約５００℃の温度で中性又は反応性雰囲気にて加熱処理される。

本発明は、円筒状ドラム及び鋼球体を使用する乾燥粉末混合を介して強磁性粒子をコーティングするためのプロセスを提供する。

図２は、混合物を調製するためのドラムを示しており、これは、富化又は非富化表面を有する強磁性粒子を球状化するためにも使用される。

対象となる強磁性粒子は、用途に依存して５０〜４００マイクロメーターを範囲とする平均サイズを有する。最初に、これらの粒子は円筒状ドラムにおいて球状化ステップを経て、ここで、直径が５ｍｍよりも大きい鋼球体は、ドラムの回転の機能として、鉄粒子の表面上に機械的コンフォメーションを引き起こす。このプロセスは、粒子のモルフォロジーの変化を促進し、すなわち、粒子の初期の不規則な表面がより丸くなる又は球状度の傾向がある。

図３は、この形成プロセス前後の粒子のモルフォロジーを示す。強磁性粒子の球状化のこのプロセスは、より均質の及びより良好なアンカーコーティングを得るのを可能にし、前記材料の加工の難しさを低減し、その結果として、これによって構築された電磁装置における磁性損失を低減する。

球状化された強磁性粒子を得た後、酸化物材料はこの同じドラムに組み込まれ、コーティングプロセスが行われる。

絶縁性酸化物材料は、軟鉄、マンガン、ニッケル、マグネシウム、ケイ素、アルミニウム、チタン、ホウ素及びフェライトの酸化物によって実体化され、各々、強磁性粒子のコーティングにおいて異なる特色を付与する。

鉄粒子及び絶縁性酸化物の混合物に由来する複合体の形成のため、０．１〜１０体積％の、好ましくは約０．５〜１体積％の百分率による酸化物濃度を使用しており、ここで、用いられた酸化物は、０．０２〜２０マイクロメーターのサイズ変動を有する。こうしたプロセスは、鋼球体を含有するドラムへの酸化物材料及び強磁性粒子の添加によって達成される。タンブリングプロセスは、ずっと大きい強磁性粒子の表面上への非常に小さい粒子サイズの酸化物材料の堆積によって粒子がコーティングされるまで起こらなければならない。

図４は、上に記載されている方法によって生成されたマンガンフェライトでコーティングされた純粋な鉄で構成されたＳＭＣ試料のミクロ構造を示している。

引き続いて、部品の圧縮が実施され、この後続の熱処理が、約５００℃の温度で中性又は反応性雰囲気中にて実施される。

好ましくは富化及び球状化された強磁性粒子（段落３２及び４４に記載されている通り）を使用することによって、ホウ素化合物からの絶縁性酸化物を伴うコーティングを行い、ここで、低温で酸化ホウ素及び水へ転化するその特性によりホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）を使用した。ホウ酸を添加する方式は、ホウ酸及びイソプロピルアルコールを含有する溶液を介する液体を介した。前記溶液を磁気撹拌しながら加熱ベースの助けを借りて調製し、溶液中のホウ酸の濃度は１ｇ／Ｌ〜２０ｇ／Ｌであってよく、２ｇ／Ｌ〜２０ｇ／Ｌの溶液の１体積当たりの粉末質量の比が使用され得る。溶液で湿潤された粉末は、室温及び強制対流で乾燥させることで、プロセスの速度を増加させる。

鉄粒子の表面上にホウ酸で形成された層は、他の因子の中でも、溶液中の酸含有量及びまた鉄粒子質量と溶液の体積との比に依存する。異なる百分率のホウ酸を有する鉄粒子は、層における差異を示す。０．０５％〜１．０％、好ましくは０．１％〜０．５％のホウ酸の質量百分率が使用され得る。

ホウ酸含有粉末を得た後、任意の圧縮潤滑剤である固体潤滑剤との混合が実施される。潤滑剤含有量は、０．１％〜１％、好ましくは０．３％〜０．５％であってよい。潤滑剤の機能は、粉末粒子間の摩擦を低減し、したがって、ホウ酸層の破損を回避することであり、潤滑剤の非常に高い含有量は、熱処理後の残留の多孔性を残す傾向があり、透磁率を低減する。

本発明において、圧縮圧力は、７００ＭＰａ〜１０００ＭＰａ、好ましくは８００ＭＰａ〜９００ＭＰａであってよい。複合体の最終密度を増加させるために、圧縮は加温で行うことができる。

最終的に、圧縮された部品は、５００℃〜７００℃の温度で不活性又は反応性雰囲気中にて熱処理を受ける。この熱処理中、強磁性粒子の表面に液体を介して添加されたホウ酸が、１５０℃〜２００℃の温度で化学反応を経る。これらの反応の最終生成物は、酸化ホウ素及び水蒸気である。この発生蒸気の一部は強磁性粒子の表面と反応し、最終的に、酸化鉄化合物及びホウ素で形成された絶縁体を得る。

ホウ化鉄を伴うコーティングは、２つのステップで生成され、第１はホウ化用熱化学的処理であり、第２はホウ化用混合物及び鉄粒子の分離である。質量により８０％のＦｅ及び２０％のホウ化用混合物を混合し；ホウ化用混合物は、後続の分離の簡便さを考慮すると、市販の混合物であってよい。熱処理は、９００℃〜１１００℃の温度、６０分〜２４０分の保持時間で行うことができる。

ホウ化用熱化学的処理後、ホウ化物層を有する強磁性粉末及びホウ化用混合物の化合物の分離が必要である。得られたホウ化鉄の層を有する強磁性粉末は、好ましくは、図５ｅに示されている通りＦｅ_２Ｂ相を含有するはずであり、層厚は０．１〜２μｍであり得る。

得られたホウ化粉末は、次いで、潤滑剤と混合される。圧縮圧力は、７００ＭＰａ〜１０００ＭＰａ、好ましくは８００ＭＰａ〜９００ＭＰａであってよい。ホウ化強磁性粉末を用いて生成されたＳＭＣの熱処理は、５００℃〜１１００℃、好ましくは７００℃〜９００℃の温度で実施することができる。

表１は、ホウ素化合物の電気絶縁体を用いて開発されたＳＭＣの密度、電気抵抗及び磁気特性の結果を示している。

サブマイクロメーター粒子（図７）のガラス状懸濁液を用いて、好ましくは球状化及び富化された（段落３２及び４４に記載されている通り）強磁性粒子をコーティングするためのプロセスの実行は、より高い電気抵抗をコーティングに付与しており、したがって、コーティング厚さを低減することで、磁性材料を最大化するとともにこの効率を増加させることが可能であった。材料のより高い加工温度を可能にする、コーティングの熱抵抗の増加も観察された。ガラス状懸濁液でコーティングされた鉄粒子は、以下のステップに従う。

１−非金属粒子（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＷＣ、Ｂ_２Ｏ_３）は、アルカリ金属ケイ酸塩（例えば、Ｎａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２、Ｋ_２Ｏ・ｍＳｉＯ_２又はこれらの混合物）の水溶液中に分散される；
２−強磁性ベース粉末は、このシリケート分散体に浸漬され；予備の液体が除去され、シリケート分散体によって浸漬された強磁性粉末が残る；
３−生成物を乾燥させ、ガラス状相中に分散された粒子を有するアルカリ金属ケイ酸塩の固体層によってコーティングされた強磁性粉末を残す。

ステップ１で作製されたコーティング溶液の粘度は、シリケート及び分散粒子の増加する濃度とともに増加する。粘度はまた、減少する平均粒子サイズとともに増加する。前記溶液の粘度及び強磁性相中のこの湿潤性が高いほど、ベース粉末上に堆積された層の厚さが大きい。

シリケートのアルカリ金属（Ｆｒ＞Ｃｓ＞Ｒｂ＞Ｋ＞Ｎａ＞Ｌｉ）のイオン半径が高いほど、シリケートの電気抵抗が大きく、粒子上に堆積されるべき絶縁層のより低い厚さを可能にすることで、寄生電流を減少させる。加えて、異なるシリケートの混合物（例えば、（１−Ｘ）Ｋ_２Ｏ・ＸＮａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２）のアルカリイオン運動に関連する様々な特性は、単離前駆体と比較して数桁もの差異を有する大きな変動を有する。例えば、Ｘが約０．５である形態（１−Ｘ）Ｎａ_２Ｏ・ＸＫ_２Ｏ・４ＳｉＯ_２の混合物は、純粋なナトリウム又はケイ酸カリウムよりもほぼ１０倍大きい抵抗率を示す。

ステップ１において分散されたサブマイクロメーター粒子が小さいほど、これらの特定の領域が大きくなり、熱処理中のこれらの熱吸収を大きくする。これは、ガラス状相の粘度を、それがガラス転移に達した後にも増加させる。これらの効果は、コーティングの保全性の損失なく熱処理温度の増加を可能にする。

熱処理中のコーティングに対する懸濁粒子の効果を例示するため、図８は、非コーティングされた（ａ）、ケイ酸ナトリウムだけでコーティングされた（ｂ）、並びに１．３６μｍ（ｃ）、０．０２μｍ（ｄ）、０．１６μｍ（ｅ）及び０．１μｍ（ｆ）のセラミック粒子のガラス状懸濁液でコーティングされた鉄粉上で行われた酸化性雰囲気下での熱重量分析を示している。非コーティング鉄粉が（その質量を増加させるため）５００℃から著しく酸化し始める一方で、ケイ酸ナトリウムだけでコーティングされた材料は、この耐酸化性を最大およそ６００℃まで維持する。ガラス状相中に分散されたセラミック粒子を含有する試料は、平均粒子サイズに依存して６５０℃を超えてのみ酸化速度の認識可能な増加を示す。曲線は、試料の酸化温度の増加を示し、ガラス状コーティングが粒子の全表面をコーティングすることを示し、酸素が鉄と相互作用するのを妨げる。粒子の酸化は、ガラス状コーティングが鉄の表面から流れ出すのに十分にその粘度を減少する時だけ認識可能になる。セラミック粒子がケイ酸ナトリウム中に分散される場合、これらは一部の熱エネルギーを吸収し、コーティングのガラス転移を達成するのにより長くかかる原因となる。このガラス転移後、粒子はシリケートの粘度をさらに増加させ、細孔に流れるのを困難にするとともに強磁性粒子間に材料をより長く保持する。

熱処理中も、シリケート中に分散された粒子は、ガラス状相の結晶化の活性因子として作用し、この効果は、より小さい粒子に関して増強される。シリケートの結晶相は、これらの非晶質形態が流体化される温度よりも高い溶融温度を有する。加熱速度を調整することによって、温度及び保持時間が、又は冷却及び加熱サイクルを行うことによって、この発明によって生成された生成物の使用が、純粋なガラス状コーティングの単純な使用よりもずっと高い温度でプロセス化され得る。

さらにより高い温度に関し、使用される分散粒子及びシリケートの組成に依存して、これらはガラス状相中で溶解し始め、より粘稠な及び抵抗性の化合物を熱処理中に形成する。例えば、８００℃を超える温度で処理されると、ケイ酸ナトリウム中に分散されたアルミナ粒子が溶解し、アルミノケイ酸ナトリウムを形成する。したがって、加熱速度、温度及び保持時間のような熱処理サイクルのパラメータを調整することによって、この発明に記載されているプロセスによって生成される各物体についての特性を最適化することが可能である。

方法及び用途の例証
［実施例１］
分散させた２０ｎｍの平均直径を有するＡｌ_２Ｏ_３の粒子１１ｍｇ／ｍｌを有するケイ酸ナトリウム（１１ｍｇ／ｍｌ）の水溶液中に、２２２μｍの平均直径を有する鉄粒子を分散した。予備の溶液を捨て、粒子状材料を真空オーブン内にて２時間の間８５℃で乾燥させる。

生成物を０．５重量％の潤滑剤と混合し、一軸圧縮を介して８００ＭＰａで圧縮した。圧縮されたグリーン体を潤滑剤の抽出のために３０分間４００℃でのレベルで、及び次いで３０分間６００℃でのレベルで、不活性雰囲気下にて加熱処理する。

図９は、この実施例に記載されているそれぞれの生成物を用いて生成された構成要素の金属組織学のために調製された切片の電子顕微鏡法画像を示している。鉄粒子に完全に浸透する絶縁相を同定することが可能である。この生成物は、１２．３９μΩ．ｍの抵抗率を有していた。

比較の目的で、２２２μｍの平均サイズを有する同ベース鉄粉を、ナノ粒子分散を有さないケイ酸ナトリウムだけによってコーティングし、圧縮し、この実施例において挙げられた同パラメータの下で加熱処理した。この材料の電気抵抗値は１．２８μΩ．ｍであり、ガラス状相におけるナノ粒子の分散が、材料の保全性及び電気抵抗を増加させたことを示した。

図１０は、６０Ｈｚの誘導周波数について測定された、これらの２種の材料の磁性損失の測定を示している。４５０ｍＴの最大誘導下、例えば、ケイ酸ナトリウム中に分散されたアルミナナノ粒子を含有する生成物は、ケイ酸ナトリウムだけでコーティングされた生成物の総損失の８４％を提示する。

表２は、Ｔ＝５００℃及び６００℃での熱処理の最終レベルで、アルミナナノ粒子の有無において、この実施例に記載されている通りに生成された材料に関して６０Ｈｚの誘導周波数及び４５０ｍＴの最大誘導について測定された総損失値を示している。

５００℃〜６００℃の熱処理温度の増加は、細孔への、ナノ粒子を有さないケイ酸ナトリウムの流れを引き起こし、上記で考察されている通り、鉄粒子間の接触を可能にするとともに寄生電流による総損失を増加させる。これは、この発明に記載されているプロセスを使用する場合に６００℃で起こらないだけでなく、より高い温度で、圧縮中に発生された残留応力のより大きな緩和があるので、ナノ粒子をシリケート中に分散させるとともに、５００℃で処理された試料に関連する総損失の１２％の減少を示す。

［実施例２］
この発明において提示されたＳＭＣ材料の用途の例として、固定子歯、磁極片及び固定子クラウンを含む電動機の構築が提案される。

鉄粒子を構成するとともに絶縁する材料の使用で製造された電動機は、モジュール性及び三次元設計のようなその構築形態において一部の利点を提示する。図１１、１２及び１３は、モーター設計及びモジュール化の基本概念を提示している。前記モジュール性は、溝の開口を介してコイルを挿入する必要なく、型巻コイルの使用を可能にする。こうした組立は、モーターのモジュール化を可能にし、すなわち、モーターが埋め込み部品で構成され、単一の全体部品で構成されない。このやり方において、モーターを生成するコストは、コイルを作製するより低いコスト、並びに追加のロールコストにより、低減することができる。

モーター固定子上に配置された磁極片は、図１４に示されている通り、磁流線のための最適化二次元又は三次元形状を含むものとして実体化され、鉄損失及び材料体積を低減しながらモーター能力を増加させる。該流線の最適化形状は、磁極片の側面に又は磁極片の高さに向けて採用されることを含み、ここで、磁極片は、図１５にも示されている通り、固定子歯よりも高い高さを有する。

電動機の組立プロセスは、固定子クラウンセグメント間の接続、固定子歯と固定子クラウンセグメントとの間の接続、及び磁極片と固定子歯との間の接続を含み、ここで、固定子クラウンセグメントは、固定子歯の上部表面との接続のためのハウジング、例えば、ダブテール型を含むとともに、磁極片は、固定子歯の低い方の部分との接続のためのハウジングを有する。こうした組立は、モーターのモジュール化を可能にし、すなわち、モーターが埋め込み部品で構成され、単一の全体部品で構成されない。

［実施例３］
純粋な鉄及びＦｅＭｎ（高いＭｎ含有量を有する）球状化粒子の混合物（１：１比）を耐火るつぼ中で条件付けし、抵抗性オーブン中で加熱処理した。処理温度は７００℃であり、オーブン雰囲気は不活性で、密封されていた。この処理中、鉄粒子上へのＭｎの昇華／堆積が起こり、ここで、約１２％のマンガンの百分率を鉄粒子の表面中で定量化することができた。

熱処理ステップ後、富化粉末及びＦｅＭｎ粉末の分離を実施することが必要であった。２種の粉末の平均粒子径は異なっており、鉄粉で２２０マイクロメーター及びＦｅＭｎ粉末で１００マイクロメーターなので、篩い分けを行うことで富化鉄粉を得ることができる。

引き続いて、富化鉄粉をホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）でコーティングすることで、熱処理中の富化表面の酸化を促進した。この酸化は、低温でホウ酸の転化中に起こる水の放出によって引き起こされる。

富化鉄粉にホウ酸を添加する方式は、ホウ酸及びイソプロピルアルコールを含有する溶液を介する液体を介した。前記溶液を磁気撹拌しながら加熱ベースの助けを借りて調製し、ここで、溶液中のホウ酸の濃度は０．８ｇ／Ｌであり、富化鉄粉におけるホウ酸の質量百分率は０．１％であった。粉末をこの溶液で湿潤させ、次いで、強制対流を用いて室温で乾燥させることで、プロセスの速度を増加させた。

ホウ酸含有粉末を得た後、これを０．３％の固体潤滑剤と混合した。標本の圧縮を８００ＭＰａの圧力で行い、最終的に、圧縮部分を３０分間５００℃の温度で不活性雰囲気中にて熱処理にかけた。この熱処理中、液体を介して強磁性粒子の表面に添加されたホウ酸は、１５０℃〜２００℃の温度で化学反応を経る。これらの反応物の最終生成物は、酸化ホウ素及び水蒸気であり、ここで、この蒸気の一部は富化鉄粒子の表面と反応し、したがって、鉄及びマンガンの混合酸化物を形成する。

表３は、鉄及びマンガン及び酸化ホウ素の混合酸化物の電気絶縁体を用いて開発されたＳＭＣの密度、電気抵抗及び磁気特性の結果を示している。

［実施例４］
純粋な鉄及びＦｅＭｎ（高いＭｎ含有量を有する）の球状化粒子の混合物（１：１比）を耐火るつぼ中で条件付けし、抵抗性オーブン中で加熱処理した。処理温度は７００℃であり、オーブン雰囲気は不活性で、密封されていた。この処理中、鉄粒子上へのＭｎの昇華／堆積が起こり、ここで、約１５％のマンガンの百分率を鉄粒子の表面中で定量化できた。

熱処理ステップ後、富化粉末及びＦｅＭｎ粉末の分離を実施することが必要であった。２種の粉末の平均粒子径は異なっており、鉄粉で２２０マイクロメーター及びＦｅＭｎ粉末で１００マイクロメーターなので、篩い分けを行うことで富化鉄粉を得ることができる。

引き続いて、コーティング懸濁液のためにケイ酸ナトリウム及びアルミナナノ粒子（２０ｎｍ）をともに１ｍｇ／ｍｌの濃度で使用して、本発明の第２の目的の項目ｂ）に及びより詳細には段落５９に記載されている通りに、アルカリ金属ケイ酸塩中に分散された非金属粒子を用いるコーティングプロセスに、該粉末をかけた。粉末を７５℃の温度で真空下にて乾燥させることで、分散アルミナナノ粒子を有するケイ酸ナトリウム０．０２質量％によってコーティングされたマンガン富化鉄複合体を形成した。

形成された複合体を潤滑剤０．３質量％で混合し、８００ＭＰａの圧力で圧縮し、最終的に、３０分間５００℃で酸化性雰囲気下にて処理した。この熱処理中、該コーティングのガラス状複合体は、電気絶縁を提供することに加えて、シリケートの結晶化の水を放出し、富化鉄粒子の表面を酸化させるとともに、ずっと大きい電気抵抗を材料に提供する鉄及びマンガンの混合酸化物を形成する。

表４は、アルミナナノ粒子の分散を有する鉄及びマンガン及びケイ酸ナトリウムの混合酸化物の電気絶縁体を用いて開発されたＳＭＣの密度、電気抵抗及び磁気特性の結果を示している。

本明細書に示されている実施例は、本発明を実施する無数のやり方の１つを例証することを単に目的とするものであるが、その範囲を限定するものではない。

Claims (17)

1. 電気用途における寄生電流の効果を最小化する、強磁性粒子間の電気絶縁を発生できる無機材料でコーティングされた強磁性粒子で構成された軟磁性複合体であって、これが以下のサブステップ：
   Ｉ．無機材料を用いる前記強磁性粒子のコーティング；
   ＩＩ．無機材料でコーティングされた前記強磁性粒子で構成された粒子状材料の機械的コンフォメーション；及び
   ＩＩＩ．無機材料でコーティングされた前記強磁性粒子によって形成された前記複合体の熱処理
   を含むプロセスによって得られるという事実によって特徴付けられる、軟磁性複合体。
2. 前記強磁性粒子が、鉄、ニッケル、コバルト及びこれらの合金のような高い比透磁率を有する材料によって形成され；前記強磁性粒子には、５０μｍ〜５００μｍ、より好ましくは１５０μｍ〜３００μｍの平均サイズが与えられるという事実によって特徴付けられる、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記強磁性粒子が、タンブリングによる球状化の先行ステップにかけられ、このステップにおいて、これらの強磁性粒子が、金属球体を備えたタンブリングドラムにかけられるという事実によって特徴付けられる、請求項１及び２に記載のプロセス。
4. 前記強磁性粒子が、高い電気抵抗率の安定な化合物（酸化物、窒化物、炭窒化物及びホウ化物）を形成するマンガン、ケイ素、アルミニウム、クロム、チタン、タンタル及びバナジウムなどのような化学元素での表面富化を受けるプロセス；続いて、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト及び酸化銅から選択される還元可能な酸化物である酸化剤、又はホウ酸若しくはアルカリ金属ケイ酸塩のような水蒸気を放出する化合物による、前記熱処理中の、富化された層の後続の酸化プロセスによって、無機材料の前記コーティングが得られるという事実によって特徴付けられる、請求項１及び２に記載のプロセス。
5. 前記強磁性粒子をマンガンで富化するステップという事実によって特徴付けられる、請求項４に記載のプロセス。この富化プロセスは、
   Ｉ．前記強磁性粒子を、純粋なＭｎ又は高いＭｎ含有量のフェロマンガンの微粉末と、１：０．１〜２の比で混合するサブステップ；
   ＩＩ．５００℃〜１０００℃の範囲であってよい温度で密封雰囲気中にて粉末の前記混合物を熱処理することで、機械的接触によって及びマンガンの昇華から気相を介しての両方で、化学ポテンシャル勾配による前記強磁性粒子の表面上への前記マンガン原子の組み込み（富化）を促進するサブステップ；
   ＩＩＩ．ＦｅＭｎ粉末又は高濃度のマンガンを含む鉄粉から富化強磁性粒子を分離するサブステップ
   を含む。
6. 前記強磁性粒子をケイ素で富化するステップという事実によって特徴付けられる、請求項４に記載のプロセス。この富化プロセスは、
   Ｉ．前記強磁性粒子を、Ｓｉ微細粉末又は２０重量％よりも高いＳｉの含有量を有するフェロシリコン微細粉末（又は別のＳｉ担持相）と、１：０．１〜１：２の比で混合するサブステップ；
   ＩＩ．還元ガス流を用いて還元性雰囲気中にて前記粉末混合物を熱処理するサブステップ；
   ＩＩＩ．前記Ｓｉ又はフェロシリコン微細粉末から富化強磁性粒子を分離するサブステップ
   を含む。
7. 混合された前記富化層の前記酸化剤が、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト又は酸化銅などのような前記富化層中に組み込まれた前記元素によって形成された前記酸化物よりも安定でない還元可能な酸化物粉末であり；これらは、０．０１体積％〜１０体積％、より好ましくは０．１％〜１％の酸化物の濃度を使用して乾燥タンブリングによって混合されるという事実によって特徴付けられる、請求項１及び４に記載のプロセス。
8. 前記富化層の前記酸化剤が、液体経路によって堆積されたホウ素化合物（例えば、ホウ酸、メタホウ酸、四ホウ酸、アンモニウムテトラボレート、ペンタボレート又はペルオキシボレートなど）であり、前記強磁性粒子が、２ｇ／Ｌ〜２０ｇ／Ｌの溶液体積当たりの強磁性粒子質量の比で、前記ホウ素化合物を含む溶液で湿潤されるという事実によって特徴付けられる、請求項４に記載のプロセス。
9. 前記ホウ素化合物を含む前記溶液が、ホウ酸及びイソプロピルアルコールの混合物から調製され、前記溶液中のホウ酸の質量百分率が、０．０５％〜１．０％、好ましくは０．１％〜０．５％であるという事実によって特徴付けられる、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記ホウ素化合物を含む前記溶液が、アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液中のホウ酸の混合物から調製され、前記溶液中のホウ酸の質量百分率は０．０５％〜１．０％であり、アルカリ金属ケイ酸塩の濃度は０．００１ｍｇ／ｍｌ〜１５ｍｇ／ｍｌであるという事実によって特徴付けられる、請求項８に記載のプロセス。
11. 絶縁性無機材料を用いた前記強磁性粒子の前記コーティングが、
    Ｉ．前記強磁性粒子をホウ化用混合物と、８０％の強磁性粒子と２０％のホウ化用混合物の質量比で混合するサブステップ；
    ＩＩ．サブステップ（Ｉ）において得られた混合物を、９００℃〜１１００℃の温度で加熱処理するサブステップ；並びに
    ＩＩＩ．サブステップ（ＩＩ）において得られたホウ化物層を有する前記強磁性粒子と前記ホウ化用混合物の前記化合物を分離させるサブステップ；
    を含むホウ化を介して起こり、
    前記ホウ化物層が、前記強磁性粒子の前記絶縁性無機材料コーティングである
    という事実によって特徴付けられる、請求項１及び２に記載のプロセス。
12. 絶縁性無機材料を用いた前記強磁性粒子の前記コーティングが、アルカリ金属ケイ酸塩中に分散された非金属粒子によって形成されたガラス状懸濁液を介して起こり、
    Ｉ．アルカリ金属ケイ酸塩の水溶液中に前記非金属粒子を分散させるサブステップ；
    ＩＩ．（Ｉ）において得られた分散非金属粒子を有する前記アルカリ金属ケイ酸塩溶液によって前記強磁性粒子を湿潤させるサブステップ；及び
    ＩＩＩ．（ＩＩ）において得られた分散非金属粒子を有する前記アルカリ金属ケイ酸塩溶液によって湿潤された前記強磁性粒子を乾燥させるサブステップ；
    を含み、ここで：
    前記非金属粒子が、酸化物、炭化物又はフッ化物などから選択される高い電気抵抗性のセラミック材料によって形成され、前記非金属粒子の平均サイズが、０．００５μｍ〜１μｍ、より好ましくは０．０１μｍ〜０．４μｍであるという事実によって特徴付けられる、請求項１及び２に記載のプロセス。
13. 前記アルカリ金属ケイ酸塩溶液が、１種以上のシリケートの水希釈物で構成され、前記アルカリ金属ケイ酸塩の前記アルカリ金属酸化物に対する前記シリカ分子のモル比が、０．５〜８、より好ましくは１．５〜４であるという事実によって特徴付けられる、請求項１２に記載のプロセス。
14. 前記アルカリ金属ケイ酸塩溶液が、０．００１ｍｇ／ｍｌ〜１５ｍｇ／ｍｌ、より好ましくは０．０１ｍｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌの濃度のシリケート又はシリケートの混合物を含有するという事実によって特徴付けられる、請求項１２及び１３に記載のプロセス。
15. 前記アルカリ金属ケイ酸塩溶液中に分散された非金属粒子の濃度が、０．００１ｍｇ／ｍｌ〜１５ｍｇ／ｍｌ、より好ましくは０．０１ｍｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌであるという事実によって特徴付けられる、請求項１２、１３及び１４に記載のプロセス。
16. 前記富化層の前記酸化剤が、０ｍｇ／ｍｌ〜１５ｍｇ／ｍｌ、より好ましくは０ｍｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌの、前記コーティングアルカリ金属ケイ酸塩溶液中に分散された非金属粒子の濃度を有する前記アルカリ金属ケイ酸塩であるという事実によって特徴付けられる、請求項４、１２、１３及び１４に記載のプロセス。
17. 圧縮複合体の前記熱処理が、１００℃〜１１００℃、より好ましくは５００℃〜８００℃の温度で実施され、前記複合体に機械的強度を付与し、前記富化層の酸化を確実にし、前記強磁性粒子間に前記電気絶縁を発生させるという事実によって特徴付けられる、請求項１、４〜１０及び１６に記載の、富化及び酸化剤と混合された前記強磁性粒子によって形成された前記軟磁性複合体の加工。

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