JP4187266B2 - リン酸塩被覆した鉄粉末およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は新しい鉄を基材とした粉末に関する。さらに詳細には、本発明は、高周波数並びに低周波数の両領域において使用されるとき改良された特性を有する軟磁性材料を調製するために有用である新しい鉄を基材とした粉末に関する。本発明はまた前記の新しい鉄を基材とした粉末を製造するための新しい方法にも関する。
鉄を基材とした粒子は、粉末冶金技術による構造成分の製造において基礎材料として永く使用されている。鉄を基材とした粒子は望みの形を造るために高い圧力の下で型の中で先ず成形される。成形工程の後に、前記の構造成分は必要な強度を与えるために通常焼結工程にかけられる。
磁気コア構成品（magnetic core components）もまたその様な粉末冶金的方法により製造されてきたが、しかしこれらの方法において使用される鉄を基材とした粒子は一般に絶縁材料の周辺層により被覆されている。
鉄コア構成品の二つの重要な特徴はその透磁率および鉄損特性である。ある材料の透磁率は磁化されるその能力または磁束を帯びるその能力の指標である。透磁率は誘導された磁束の磁化力または磁界強度に対する比として定義される。ある磁性材料が急速に変化する磁界にさらされるとき、そのコアの全エネルギーはヒステリシス損および／またはうず電流損の発生により減少させられる。ヒステリシス損は、鉄コア構成品内に保持された磁気力を克服するために必要なエネルギーの消費によりもたらされる。うず電流損は、交流（ＡＣ）条件により引き起こされた変化する磁束のために鉄コア構成品内における電流の生成によりもたらされる。
磁気コア構成品はしばしば積層板から製造されるが、しかしこれらの構成品は小さい複雑な部品のための網状形態に製作する事および高周波数における大量の鉄損を経験することが難しい。これらの積層板を基材とするコアの用途はまた過剰のうず電流損を避けるためシートの平面内にのみ磁束を保持する必要性により制限される。焼結金属粉末は磁気コア構成品用の材料として積層鋼板を代替するために従来使用されたが、しかしこれらの焼結構成品もまた高い鉄損を有するので主として直流（ＤＣ）作業に限定されている。
被覆した鉄を基材とする粉末を使用する磁気コア構成品の粉末冶金的製造における研究は従来他の特性に有害な影響を及ぼさずにある種の物理的および磁気的特性を強化する鉄粉末組成物の開発に指向された。望ましい特性の例は広い周波数領域にわたる高い透磁率、高いプレス強度、低い鉄損および圧縮成形技術に対する適性を含む。
ＡＣ電力用途のためのコア構成品を成形するとき、一般に鉄粒子は鉄損を減少させるために電気絶縁被覆を有することが必要とされる。
鉄の粒子のために使用されるいろいろな種類の絶縁塗料が文献に開示されている。
ドイツ国特許第1 291 028号明細書によれば、鉄粉はリン酸の溶液により処理されてから、次に洗浄および乾燥される。この方法は鉄粉が最大で10μｍの粒径を有することおよびその粉末がリン酸に加えてクロム酸で処理されることを特徴とする。その公報は鉄粉を使用することにより調製された材料についての磁気特性を開示していない。
この分野内における他の一つの刊行物はドイツ国特許第2 825 235号明細書であるが、それは酸化物層により被覆されている粒子から成る鉄粉を開示している。その粒径は0.05と0.15ｍｍの間にあり、そしてそれらの粒子は、粒子の重量に基づいて計算されると、0.3〜0.8重量％の酸素を含む酸化物被覆を有する。その酸化物被覆は空気中の加熱によりまたは化学的酸化により得ることができるが、なんらのプロセスパラメーターもまた被覆した粒子の分析値も開示されていない。その実施例から、得られる透磁率は30〜35の範囲内にあると計算することができる。
欧州特許出願第434 669号公報は磁性粉末に関するものであり、そこでは電気絶縁被覆が磁性粉粒子を分離している。それらの粒子は10〜300μｍの平均粒径を有し、また磁性粉末の粒子それぞれを覆う絶縁材料は10μｍより小さい厚さを有する連続する絶縁性フィルムから成り、そしてこのフィルムは金属アルコキシドまたはその分解生成物から成る。
国際特許出願第95/29490号公報は、水中でリン酸に基づく方法を用いることにより得られる絶縁層を開示している。
最後に、ドイツ国特許第3 439 397号明細書はリン酸塩被覆により電気絶縁されている鉄粒子を開示している。この被覆は、例えば、リン酸マグネシウムまたは亜鉛であることができる。その絶縁性リン酸塩被覆は鉄粒子の重量の0.1〜1.5％の間でなければならない。この公報の例１はさらに詳細に、この電気絶縁被覆はアセトン中89％のリン酸溶液の中で鉄粉末を攪拌することにより得られることを開示している。前記の国際特許出願による粉末とこのドイツ国特許による粉末の間の比較研究は、ドイツ国特許による絶縁層が国際特許出願による粉末よりもかなり多くの酸素とリンを含むことを明らかにした。
今や全く意外にも、本発明による新しい低酸素粉末を使用することにより著しく改良された特性が得られることが発見された。これらの特性は強度、密度、誘導および比較的低い損失と結びついた透磁率を含む。
本発明の新しい粉末は、本質的に純粋な鉄から成る原粉を基材とするものであり、そして例えば、丸い、不規則なまたは平たい粒子を有する市販の水−噴霧化鉄粉またはスポンジ鉄粉であることができる。使用されることができる不規則な、水−噴霧化鉄粉の代表的な例はヘガネース社

より入手できるABC 100およびASC 100シリーズの粉末である。前記原粉の粒径はその粉末の意図される最終の用途に依存して、一般には200μｍ以下そして好ましくは150μｍ以下である。比較的高い周波数のためには、45μｍ以下の粒径が好ましい。さらに鉄原粉の粒子の大多数は10μｍ以上の粒径を有することが好ましい。
本発明によれば、この原粉は酸素被覆またはバリヤーを設けられており、そして前記の新しい粉末の酸素量が原粉のそれと比較して僅かに高いだけであることは特有の新規な特徴である。さらに詳細には、新しい粉末中の酸素量は原粉中のそれよりも最大で0.2重量％、好ましくは最大0.15重量％、高くなっている。
本発明の粒子の表面構造および組成は新しい粉末の特性について重要であると信じられ、そしてこの理由のためにこの新しい粉末はＥＳＣＡ法により研究された（”Proceedings of the sixth international conference on X-ray optics and micro-analysis”, University of Tokyo Press, 1972, pp 385-392 & 393-398, または”Solid state chemistry and its applications”, by Anthony R.West, Published by John Wilew and Sons, 1984, p 86 & pp 92-96, 参照）。この方法によれば、Ｏ：Ｐ比は30より小でありかつ1より大でなければならない。好ましくはこの比は15より小かつ2より大であり、そして最も好ましくは10より小かつ3より大になるべきである。
本発明の新しい粉末の粒子の表面バリヤー層の他の一つの重要な特徴はその厚さであり、そしてＡＥＳ法（前記刊行物”Solid state chemistry and its applications”参照）を用いて、絶縁バリヤーまたは被覆層の厚さは100ｎｍより小、好ましくは70ｎｍより小、そして最も好ましくは50ｎｍより小、であるべきことが判った。
本発明による絶縁被覆は原粉を有機溶媒中で指示された量を得るため必要な時間リン酸により処理することにより原粉の上に加工される。有機溶媒中のリン酸の濃度は前記ドイツ特許に開示された濃度よりもかなり低くあるべきであり、そして0.5〜50％の間、好ましくは0.5〜20％の間、より好ましくは0.5〜5重量％の間、そして最も好ましくは1〜5％の間、で変わらなくてはならない。本発明の新しい粉末は前記リン酸溶液を上記に指示された水準を得るために十分な時間原粉上に吹きつけることにより得られることができる。そのリン酸の濃度は好ましくは10重量％以下、そして最も好ましくは5重量％以下である。
本発明による新しい鉄を基材とした粉末は0.1〜1.0重量％の量の潤滑剤と、および場合により有機の熱可塑性または熱硬化性樹脂と共に圧縮（compacting）工程の前に混合される。潤滑剤の代表的例はケノリュウブ（Kenolube^▲Ｒ▼）、Ｈワックス、ＥＢＳおよびステアリン酸塩、例えば、ステアリン酸亜鉛である。有機樹脂はペラシット（Peracit）、ウルテム（Ultem）から成る群より選択されることができる。
圧縮は1000MPaまでの従来慣用の圧力において行われることができ、また圧縮は環境温度および高温の両方で行われることができる。
本発明はさらに次の実施例により説明される。
1ｋｇのABC 100.30粉末、ヘガネース社

より入手できる、を水とエタノールのそれぞれの中のオルトリン酸を使用することによるコーティング工程にかけた。前記の各溶液は、酸素とリンの被覆またはバリヤーを得るために十分な時間、2.5〜120ｍｌ／ｋｇの間のいろいろな量で鉄を基材とした粉末の上に吹きつけられた。それらの試料のすべては次に溶媒を除くために乾燥された。かくして得られた粉末のＥＳＣＡ分析は、水溶液を使用することにより得られた粉末のＯ／Ｐ比（原子％ Ｏ：原子％ Ｐ）は約30であり、そして本発明による方法を使用することにより得られた比は5と10の間でいろいろになった。
それらの試料の化学分析は、水溶液を使用することにより得られた粉末の酸素含有量は原粉におけるそれよりも0.2％以上高くなったが、本発明による方法を使用することにより得られた粉末の酸素含有量は原粉のそれよりも0.2％以上高いものより少ない酸素含有量を有していた。試料のＡＥＳ分析は全ての試料につき100ｎｍ以下の酸化物の厚さを示した。
次の表は、Ａとして表されている、前記の新しい粉末により得られたデータを、本発明の範囲外の粉末と比較して要約している。

Ｏ／Ｐ比は、Ｘ線源として単色Ａｌ、Ｋa＝1486.6ｅＶ；〜395ｎｍ、を有するクラトス・アキシス・ＨＳ（KRATOS AXIS HS）分光計を使用してＥＳＣＡにより測定された。
ＯとＰの量は化学分析により測定された。
参照Bは、国際特許出願第95/29490号公報に記載の方法に従って、水溶液から調製された試料であった。
表２は前記の新しい粉末から調製された材料について得られた未処理強度（green strength）および密度を本発明の範囲外の粉末と比較して開示している。それらの粉末は800MPaで圧縮され、そして0.6％のケノリュウブ（Kenolube）が潤滑剤として添加された。

参照Cはドイツ国特許第3 439 397号に従って調製された試料に関する。
前記の低酸素粉末から調製された試料の磁気特性に関して本発明による低酸素粉末の改良された効果が図１に示されている。それらの粉末はＥＳＣＡ法により測定されたＯ／Ｐ比により定義されている。それらの試料は800MPaで粉末を圧縮してから、その圧縮された試料を500℃において30分間加熱することにより調製された。”参照B”は同じ鉄を基材とする粉末について水性プロセスを用いることにより得られた結果を示している。そこに見ることができるように、本発明による新しい低酸素鉄粉により劇的な改良を得ることができる。
図２は図１に示された試料の全酸素含量の関数として改良効果を明らかにしている。

Claims (9)

1. 絶縁性の酸素およびリンを含むバリヤーを有する純粋の鉄から構成される原粉の粒子から成る低酸素粉末であって、前記の粉末の酸素含量は原粉の酸素含量よりも最大で0.2重量％高いこと、およびＥＳＣＡ法により測定したときＯ／Ｐ比は30〜1の間にあること、および前記のバリヤーはＡＥＳ法により測定したとき最大で100nmの厚さを有することを特徴とする前記の低酸素粉末。
2. ＥＳＣＡ法により測定したときＯ／Ｐ比が15〜2の間にあることを特徴とする請求項１に記載の低酸素粉末。
3. ＥＳＣＡ法により測定したときＯ／Ｐ比が10〜3の間にあることを特徴とする請求項１に記載の低酸素粉末。
4. 原粉が、スポンジ鉄粉（sponge iron）または水−噴霧化（water-atomised）鉄粉であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の低酸素粉末。
5. 該バリヤーの厚さが、70nmより小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の低酸素粉末。
6. 該バリヤーの厚さが、50nmより小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の低酸素粉末。
7. 水−噴霧化鉄粉またはスポンジ鉄粉から成る原粉を、有機溶媒中のリン酸濃度が0.5〜20.0重量％の間である有機溶媒中リン酸溶液による処理を受けさせてから、その得られた混合物を乾燥させる工程を含む鉄を基材とした粉末を製造する方法であって、混合の際にリン酸溶液が原粉上に、ＡＥＳ法により測定して最大で100nmの絶縁被覆を与え、かつ、原粉の酸素含量よりも最大で0.2重量％高い粉末の酸素含量を与えるまで吹きつけられることを特徴とする前記の方法。
8. 有機溶媒中のリン酸濃度が0.5〜5重量％の間である、請求項７に記載の方法。
9. 有機溶媒がエタノールおよびアセトンから成る群より選択される、請求項７または８に記載の方法。

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