JP4683178B2 - 軟質磁性材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ、リアクトル、トランス、磁気ヘッド用ヨークなどの電気機器に適用する材料に関し、とくに、低渦電流損失、高飽和磁束密度および高周波において高透磁率を有する軟質磁性材料とその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータをはじめとする電気機器は近年高周波領域で使用される事が多くなった。このような機器に使用される磁性材料は優れた磁気特性を有する軟質磁性材料が選定され使用される。ところが、交流使用では鉄損( ヒステリシス損失と渦電流損失の和) が大きくてエネルギーロスとなる。渦電流損失は周波数の2 乗に比例して増加するために、交流損失を少なくする目的で、例えば珪素鋼板を積層して使用する。それでも商用周波数領域で鉄損の20% を渦電流損失が占める。また、1 kHz 以上に成るとヒステリシス損失より渦電流損失が大きくなると共にヒステリシス損失も大きくなる。従って、高周波領域で使用される磁性材料は透磁率の低下で本来の材料自身が持っている飽和磁束密度よりはるかに低い磁束密度でしか使用する事ができなくなる。
また、地球環境問題からもエネルギーの節約が叫ばれており、モータでは効率の向上が不可欠となっている。
このような問題に対して、軟質磁性材料にアモルファスを適用する事が検討されたが、渦電流損失の低減効果は有るものの製品成形時の少しの応力で磁気特性が低下するために用途がきわめて限定される。
また、特公平6-82577 で見られるように酸化皮膜で覆われた鉄を圧縮成形して作製した圧粉磁心、また、特開平9-102409に開示されている樹脂を鉄粉表面に被覆した樹脂成形体などが検討された。圧粉磁心は、粉体同志の結合剤が弱いために、製品成形体が取り扱い時に欠けたり割れたりするために用途が限定される事や、電気抵抗が低くならない範囲で磁気特性を向上させる高温熱処理を長時間できないために磁気特性も不十分であった。樹脂成形体は、樹脂を結合材として使用している関係で、成形時に応力で劣化した鉄の磁気特性を改善させるための熱処理を700 ℃以上でできないために、電気抵抗だけは大きいが、磁気特性は非常に低かった。700 ℃以上で熱処理すれば樹脂皮膜が消失し電気抵抗値が低下する。
以上の問題点を解決するため、材料と製造方法についての提案がされた（特開平11-238614 ）。
図５は、この方法により形成された軟質磁性材料の断面の模式図である。図において、１は成形体、２は磁性粒子、３は結合金属である。成形体１は、磁性粒子２とこれらを結合する結合金属３からなる。磁性粒子２は、平均粒径10〜400 μｍの鉄合金からなる金属粒子２１と、その周囲を覆う鉄より酸化しやすい金属の酸化膜、すなわち、絶縁酸化膜２２( アルミナ等) からなる。結合金属３は、絶縁酸化膜２２を構成する元素と同じ金属又はその合金であり、ここではアルミニウムである。
成形体１の製造工程の一例を図６に示す。すなわち、つぎのとおりである。
(1) 金属粒子２１（鉄合金粒子）の表面を酸化させる。
(2) 表面が酸化した金属粒子２１を型に入れ成形する。
(3) 結合金属３であるアルミニウムを含浸する。
成形体を加熱した状態で鉄より酸化しやすい溶融アルミニウムを成形体の空隙部に含浸する。
(4) 成形体を加熱処理する。
金属粒子２１の表面に生成している鉄酸化物が、溶融アルミニウムとの接触反応によりアルミナに変わる。これにより、軟質磁性材料の成形体が完成する。
この絶縁酸化膜２２( アルミナ)は、薄くて電気絶縁性に優れており、700 ℃以上に加熱されてもその特性が低下しないために、高抵抗軟質磁性材としては優れた材料となる。
なお、結合金属３はアルミニウムの他、マグネシウムでもよい。形成されたアルミナまたはマグネシアで電気絶縁をとる事に特徴を持たしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の特開平11-238614 では、鉄酸化物と溶融アルミニウムまたは溶融マグネシウムとの接触反応は極めて速く起こるために、その制御が難しい。鉄酸化物と溶融アルミニウムとの反応はテルミット反応としても知られ、爆発的に反応することでも知られている。反応の制御が難しいために、溶融金属の充填状態によって製造時の再現性に難が有り、特性の優れた材料が安定して得られないという問題が有った。
また、鉄合金粒子は、粒子形状による反磁界が大きくて初透磁率が小さいため、このような材料を機器に使用した場合、小型化を達成するには不十分であった。
そこで、本発明は製造再現性に優れ、初透磁率の高い高抵抗軟質磁性材料とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子と、前記金属粒子の周囲を覆うように形成され、珪素、アルミニウムのいずれかを主成分とした絶縁酸化膜とを有する磁性粒子と、複数の磁性粒子間に介在し、前記磁性粒子同士を結合する結合金属とからなり、前記金属粒子が全体の８０％以上の体積からなる軟質磁性材料であって、前記結合金属は、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、またはマグネシウムの少なくともいずれか１つを１〜５ｗｔ％含有する、銅を主成分とする合金とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記金属粒子は、厚さをｔ、幅をｗとした場合、アスペクト比（ｗ／ｔ）が１０〜１００、幅（ｗ）が１０〜４０００μｍの板状であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子を加熱してその表面を酸化させ、鉄酸化膜を形成して磁性粒子を作製する工程と、前記磁性粒子を成型する工程と、成型された前記磁性粒子を加熱した状態で、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、マグネシウムのうち少なくとも１つを１〜５ｗｔ％含有する銅を主成分とする合金の溶融物を前記磁性粒子間の空隙部に含浸する工程と、その後、加熱処理して前記鉄酸化膜を絶縁酸化膜に変換する工程と、を有するものである。
請求項４に記載の発明は、珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子を成型して成型体を作製する工程と、前記成型体を加熱して前記金属粒子の表面を酸化させ、鉄酸化膜を形成して磁性粒子を作製する工程と、前記成型体を加熱した状態で、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、マグネシウムのうち少なくともいずれか１つを１〜５ｗｔ％含有する銅を主成分とする合金の溶融物を前記磁性粒子間の空隙部に含浸する工程と、その後、加熱処理して前記鉄酸化膜を絶縁酸化膜に変換する工程と、を有するものである。
請求項５に記載の発明は、珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子を加熱してその表面を酸化させ、鉄酸化膜を形成して磁性粒子を作製する工程と、前記磁性粒子と、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、マグネシウムのうち少なくともいずれか１つを１〜５ｗｔ％含有する銅を主成分とする合金とを混合する工程と、前記混合された前記磁性粒子と前記銅を主成分とする合金とをプレスして成型する工程と、その後、加熱処理して前記鉄酸化膜を絶縁酸化膜に変換する工程と、を有するものである。
請求項６に記載の発明は、前記金属粒子は、厚さをｔ、幅をｗとした場合、アスペクト比（ｗ／ｔ）を１０〜１００、幅（ｗ）を１０〜４０００μｍの板状としたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、製造時の反応速度をいかに安定に制御性するかについて材料とその製造法を検討した。その結果、反応速度の制御は、アルミニウムなど反応の速い結合金属を用いるのではなく、鉄合金の金属粒子の中に鉄より酸化しやすい金属元素、アルミニウムあるいは珪素などを予め添加してしておき、加熱処理により徐々に鉄粒子の表面に拡散させて鉄酸化物と反応させアルミニウムや珪素などの絶縁酸化膜に変える方法を見出した。また、結合金属として、鉄酸化物と反応し密着性のよい元素を添加した銅合金を用いている。
本発明の具体的特徴は、つぎのとおりである。
（１）結合金属
表面が酸化された鉄―アルミニウム合金粒子の成型体に融けた銅合金を圧入し加熱保持すると、鉄の酸化物の酸素が還元されてアルミニウム主体の酸化物に変わる。すなわち、主にアルミナで覆われた鉄合金の磁性粒子と磁性粒子間に結合金属としての銅合金が存在する磁性材料が作製される。結合金属としての銅合金とアルミナの境界も部分的に反応しているので結合力を強くしている。銅に添加する合金成分は鉄の酸化物と濡れ性の良い元素が望ましい。対象として酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、シリコン、マグネシウムがあげられる。しかし、含有量が1%に満たないと反応し難いし、また、5%を超えると反応が速すぎて製造安定性が無くなる。
（２）絶縁酸化膜の膜厚
絶縁酸化膜の厚さは、固有抵抗値と飽和磁束密度から限定される。絶縁酸化膜が薄すぎると絶縁性が保たれない。酸化膜の固有抵抗値として１００μΩc ｍ以上が望ましい。固有抵抗値が１００μΩcｍということは、珪素鋼板（20μΩcｍ）の5 倍の値であり、これにより損失を5 分の1 にすることができる。絶縁酸化膜が厚すぎると、材料全体として非磁性相の存在が多くなり飽和磁束密度の低下につながる。磁性粒子の粒径が10μｍの時で膜厚が0.2 μｍ以下、粒径が４００μｍの時で膜厚が１０μｍ以下の場合には、飽和磁束密度が15，000G以下と悪くなる。
（３）磁性粒子の平均粒径、材質、製法
磁性粒子の平均粒径は、10μｍ未満では透磁率が低下する。また、４００μｍより大きいと粒子内で発生する渦電流で損失が大きくなる。
鉄の酸化物では電気絶縁性が不十分であるため、鉄より酸化しやすい金属でしかも電気絶縁性に優れた絶縁酸化膜としては、鉄より酸化物生成エネルギーの大きな金属元素がよく、この対象として、アルミニウム、珪素などがある。従って、金属粒子としての鉄合金の酸化物形成用の合金成分がアルミニウム、珪素となる。一方、鉄合金粒子の体積を80％以上としたのは、磁性材料の部分が少なくなると飽和磁束密度が15，000G未満に成るためである。現在使用されている磁性鋼、Fe-Si 、Fe-Al 、センダスト、Fe-25Co 、Fe-50Co 等の合金は、15，000Gである。Fe-25Co 、Fe-50Co を鉄合金の金属粒子とした場合は、これらの合金に絶縁酸化膜形成用の合金成分を更に添加した。
金属粒子の製造法は、種々の方法を適用できるが、 プラズマ法の中で水プラズマ法がコスト的に有利である。 理由は粒子製造と同時に表面が酸化されているので、酸化処理の工程が省略できるからである。
（４）結合金属の含浸と加熱処理
結合金属を含浸する際は、溶けた金属を圧入した方が金属が粒子間に入りやすいし、減圧した方がより好ましい。また、粉末同士を圧縮して成形体を作製する場合、強度を高めるうえで焼結が望ましい。
加熱処理の目的は、二つある。一つは、鉄酸化膜の還元と同時に新しい絶縁酸化膜を形成することである。例えば、300 ℃以上で鉄―アルミニウム合金中のアルミニウムと鉄酸化物とを接触させると鉄酸化物が還元されアルミニウム酸化物ができる。他の一つは、結合金属である銅合金中の合金成分と鉄酸化物との反応である。いずれの反応も300 ℃未満の低い温度でも良いが時間がかかるのでコスト的に不利になる。真空雰囲気で実施した方が絶縁酸化膜は生じ易い。鉄酸化物は、Fe2O3 、Fe3O4 、FeO 、およびこれらの複合物質であり、これらの鉄酸化物を還元するために、還元条件によっては鉄酸化物が残る事もあるが、特性的に影響無い程度なら問題ない。
（５）アスペクト比
初透磁率向上を検討した結果、磁性粒子（鉄合金）の形状を選定すること、すなわち粒子の厚さに対する幅の比を大きくとることにより、反磁界を小さくでき初透磁率を向上させることがわかった。
本発明の鉄合金粒子は、アトマイズ法、カーボニル法、電解法、急冷法、打ち抜き法などにより製造される。このうち、遠心アトマイズ法による鉄合金粒子の製造方法を、図４に示す。添加元素による鉄合金溶湯の粘性、雰囲気ガス、供給する鉄または鉄合金の量を調整することにより溶湯の粒子形状の変化させることができる。溶湯の粒子形状により板状の金属粒子（鉄合金）が作製される。また、粒状の粒子を圧延でつぶすことでも目的の形状を得ることができる。最も簡単な方法は、急冷法などで得られた板を打ち抜くことにより目的の形状を得る。
作製される板状の鉄合金粒子の長さ、厚さは発生する初透磁率、渦電流損失、飽和磁化により限定される。板状の粒子のアスペクト比（ｗ／ｔ）が１０より小さいと、初透磁率が小さくなる。一方、幅が４０００μｍより大きいと粒子内で発生する渦電流で損失が大きくなる。幅１０μｍ未満でも透磁率が低下する。
【０００６】
【実施例】
（第１実施例）
本発明の第１実施例である軟質磁性材料の断面の模式図を図１に示す。外観は従来例と同じであり、成形体１は、磁性粒子２とこれらの粒子を結合する結合金属３とからなっており、磁性粒子２は、平均粒径10〜400 μｍの金属粒子２１（鉄合金）と、その周囲を覆う鉄より酸化しやすい金属の酸化膜、すなわち、絶縁酸化膜２２からなる。金属粒子２１は、Fe-3%Si、Fe-7%Si、Fe-5%Al、Fe-25Co-3Al、Fe-50Co-5Si、Fe-5Si-1Alを用いた。絶縁酸化膜２２は、ＳｉＯ2 およびＡｌ2Ｏ3 で、膜厚は概ね１μｍとした。結合金属３は、Cu-3.5P、Cu-1.5Cu2O、Cu-5Al、Cu-3Si、Cu-3PおよびCu-3Znの銅合金である。金属粒子２１と結合金属３の配合は、金属粒子２１の体積が80 % 以上含有するように、金属粒子２１の量と結合金属３の量とを調整して行った。金属粒子２１の酸化処理は、空気中で350 ℃で8 時間加熱とした。成形体１は図２に示す三種類の方法を用いて、縦5mm 横10mm長さ60mmの直方体に成形圧力7ton/cm2でプレス成形した。結合金属３の含浸は、加熱後、図示しない圧入装置により溶融金属を圧入した。含浸後の加熱処理は、含浸時の溶融温度および溶融温度より低い温度の二つで行った。試料の種類と製造条件を表１に示す。
【０００７】
【表１】

【０００８】
図２(a)の方法は、金属粒子２１（鉄合金）を表面酸化した後、成形、結合金属の含浸、加熱処理の工程とするもので、表１の試料No は、１、７、８である。図２(b) は、成形後、表面酸化、結合金属の含浸、加熱処理の工程とするもので、表１の試料Noは、２〜６である。 図２(c)は、鉄合金粒子２１の表面にＦｅ2 Ｏ3 皮膜を形成した磁性粒子２と結合金属３の銅合金粒子とを混合してプレスにより成形後、加熱処理して絶縁酸化膜２２へ変える処理をしたものである。加熱処理は、温度750 ℃で真空中加熱した（試料No９）。
なお、比較例として、磁性粒子２にFe-5Alを用い、成形後酸化処理を行い、結合金属３としてAlを含浸したものを加えた。
作製した成形体の絶縁皮膜の厚さと材質は、電子顕微鏡とX 線マイクロアナライザで測定した。絶縁皮膜の中には鉄酸化物が残っているものも有った。
つぎに、作製した試料の固有抵抗値と飽和磁束密度を測定し特性を評価した。抵抗値の測定結果および評価を同じく表１の右端欄に示す。
本発明の試料（No1〜９）の抵抗値のばらつきは、±７０以下で極めて安定した特性が得られている。これに対して比較例として用いた従来の試料は、特性のばらつきが±２００と大きく極めて不安定であった。
また、飽和磁束密度をBHトレーサで測定した結果では、本発明の試料は、全て15，000Gaussを超えており、良好な特性が得られた。これに対して比較例では15，000Gauss以下と低い値であった。さらに、成形体に曲げを加えて絶縁酸化膜と結合金属との密着性を調べたところ、本発明の試料は比較例に比べ極めて優れていることが分かった。
このように、安定した特性が得られるために、損失の少ない電気機器を量産できる。
【０００９】
（第２実施例）
本発明の第２実施例である軟質磁性材料の断面の模式図を図３に示す。本実施例は、初透磁率を向上させるため、板状の金属粒子（鉄合金粒子）２１を用いたものである。鉄合金粒子のアスペクト比（幅ｗ／厚さｔ）を１０〜１００とし、且つ幅ｗが１０〜４０００μｍとしたものである。鉄合金粒子の表面には、第１実施例と同様に絶縁酸化膜２２が生成され、結合金属３の銅合金で結合されている。鉄合金粒子は、Fe-3Si、Fe-7Si、Fe-5Alを用い、板厚ｔを０．５〜１００μｍの範囲、幅ｗを１０〜４５００μｍの範囲とした。絶縁酸化膜２２は、ＳｉＯ2 およびＡｌ2Ｏ3 を用い、膜厚は概ね１μｍとした。結合金属３は、Cu-3.5P、Cu-1.5Cu2O、Cu-3Al、Cu-3MgおよびCu- Al-11Siの銅合金とした。製造方法は、第１実施例と同様に図２の３種類の方法でおこなった。なお、比較例として、鉄合金粒子のアスペクト比の小さいものおよび幅の大きいものも加えた。
本発明に用いた試料を表２に示す。
【００１０】
【表２】

【００１１】
板状の金属粒子（鉄合金粒子）２１は、図４に示す遠心アトマイズ装置により作製した。ルツボ４に鉄合金５を入れ、ヒータ６により１５００℃付近まで加熱し、鉄合金５を溶解する。溶解した鉄合金５をノズル７から噴出させ、回転させたデイスク８に衝突させる。
鉄合金粒子のアスペクト比は、デイスク８の回転速度と鉄合金溶湯の粘度を調整して行った。この溶湯の粘度は、溶融金属の温度、組成および雰囲気の酸素濃度により変化するが、本実施例では、容器９中の酸度濃度をアルゴンおよび窒素で雰囲気調整して行った。軟磁性材料の製造工程は第１実施例と同じく図２に示す三種類である。図２(a)の方法は、表２の試料No１、図２(b) は試料No２〜１２である。 図２(c) の方法は、No１３である。
絶縁酸化膜の厚さは電子顕微鏡とX線マイクロアナライザで測定した。
つぎに、作製した試料の初透磁率を測定した結果を、同じく表２の右端欄に示す。
本発明の実施例として用いた試料１〜１３は、初透磁率が500以上で良好な特性を示している。なお、飽和磁束密度も15，000Ｇ以上と良好である。これに対して比較例として用いた試料のうち、アスペクト比が小さいものは、初透磁率が500以下と小さく、アスペクト比が大きいが、幅が大きいものは、初透磁率は500以上であるが、粉末の製造性が困難であった。
【００１２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、周囲が鉄より酸化しやすい厚さ0.2 〜10μｍの絶縁酸化膜２で覆われた平均粒径10〜400 μｍの鉄合金粒子１であって、絶縁酸化膜を構成する金属元素は鉄合金を構成する合金元素の中の少なくとも一つからなり、絶縁酸化膜で被覆された粒子同士が銅を主成分とする合金で結合されている成形体で、かつ、鉄合金が成形体の80体積％以上を占めた構成にしたので、抵抗値や飽和磁束密度の特性のばらつきが少ない軟質磁性材料を得る効果がある。
また、鉄合金粒子を板状に、アスペクト比を特定したので、初透磁率高い軟質磁性材料が得られ、損失の少ない電気機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である軟質磁性材料成形体の断面を示す模式図である。
【図２】本発明の軟質磁性材料の製造工程を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２実施例である軟質磁性材料成形体の断面を示す模式図である。
【図４】本発明の第２実施例に用いた鉄合金粒子を作製する装置を示す模式図である。
【図５】従来の軟質磁性材料成形体の断面を示す模式図である。
【図６】従来の軟質磁性材料の製造工程を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 成形体
２ 磁性粒子
２１ 金属粒子（鉄合金粒子）
２２ 絶縁酸化膜
３ 結合金属
４ ルツボ
５ 鉄合金
６ ヒータ
７ ノズル
８ デイスク
９ 容器

Claims (6)

1. 珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子と、前記金属粒子の周囲を覆うように形成され、珪素、アルミニウムのいずれかを主成分とした絶縁酸化膜とを有する磁性粒子と、
   複数の磁性粒子間に介在し、前記磁性粒子同士を結合する結合金属とからなり、
   前記金属粒子が全体の８０％以上の体積からなる軟質磁性材料であって、
   前記結合金属は、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、またはマグネシウムの少なくともいずれか１つを１〜５ｗｔ％含有する、銅を主成分とする合金であることを特徴とする軟質磁性材料。
2. 前記金属粒子は、厚さをｔ、幅をｗとした場合、アスペクト比（ｗ／ｔ）が１０〜１００、幅（ｗ）が１０〜４０００μｍの板状であることを特徴とする請求項１記載の軟質磁性材料。
3. 珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子を加熱してその表面を酸化させ、鉄酸化膜を形成して磁性粒子を作製する工程と、
   前記磁性粒子を成型する工程と、
   成型された前記磁性粒子を加熱した状態で、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、マグネシウムのうち少なくとも１つを１〜５ｗｔ％含有する銅を主成分とする合金の溶融物を前記磁性粒子間の空隙部に含浸する工程と、
   その後、加熱処理して前記鉄酸化膜を絶縁酸化膜に変換する工程と、
   を有することを特徴とする軟質磁性材料の製造方法。
4. 珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子を成型して成型体を作製する工程と、
   前記成型体を加熱して前記金属粒子の表面を酸化させ、鉄酸化膜を形成して磁性粒子を作製する工程と、
   前記成型体を加熱した状態で、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、マグネシウムのうち少なくともいずれか１つを１〜５ｗｔ％含有する銅を主成分とする合金の溶融物を前記磁性粒子間の空隙部に含浸する工程と、
   その後、加熱処理して前記鉄酸化膜を絶縁酸化膜に変換する工程と、
   を有することを特徴とする軟質磁性材料の製造方法。
5. 珪素、アルミニウムの少なくともいずれか１つの元素を含む鉄を主成分とする合金からなる金属粒子を加熱してその表面を酸化させ、鉄酸化膜を形成して磁性粒子を作製する工程と、
   前記磁性粒子と、酸化銅、りん、アルミニウム、亜鉛、珪素、マグネシウムのうち少なくともいずれか１つを１〜５ｗｔ％含有する銅を主成分とする合金とを混合する工程と、
   前記混合された前記磁性粒子と前記銅を主成分とする合金とをプレスして成型する工程と、
   その後、加熱処理して前記鉄酸化膜を絶縁酸化膜に変換する工程と、
   を有することを特徴とする軟質磁性材料の製造方法。
6. 前記金属粒子は、厚さをｔ、幅をｗとした場合、アスペクト比（ｗ／ｔ）を１０〜１００、幅（ｗ）を１０〜４０００μｍの板状としたことを特徴とする請求項３から５に記載の軟質磁性材料の製造方法。

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