JP4740417B2 - 圧粉磁心用鉄粉及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐熱性に優れる絶縁被膜で被覆された圧粉磁心用鉄粉及びその製造方法に関する。

変圧器（トランス）、電動機（モータ）、発電機、スピーカ等に用いられている磁心は、使用時の周波数に応じて生じる高周波損失（以下、「鉄損」という）が少ないことが求められる。この鉄損には、渦電流損失、ヒステリシス損失及び残留損失があるが、主に問題となるのは、渦電流損失とヒステリシス損失である。
それらを同時に満たすのは容易ではなく、薄いケイ素鋼板を積層したものであっても十分な性能の磁心は得られない。そこで、最近では、絶縁被膜で被覆した磁性粉末を加圧成形した圧粉磁心が使用されつつある。高密度成形された圧粉磁心は高い磁束密度を有し、また磁性粉末の個々の粒子は絶縁被覆されているため、体積比抵抗値（以下、単に「比抵抗値」という）が大きく、渦電流損失の低減が図られる。

しかし、高密度化された圧粉磁心の内部（磁性粉末の粒子内部）には、加圧成形の際に多くの歪み（残留歪み）が導入される。この歪みは圧粉磁心の保持力を高め、ヒステリシス損失を増加させると共に、圧粉磁心の応答性を低下させる。圧粉磁心に焼鈍を施すことでその歪みは除去されるが、Ｆｅを主成分とする磁性粉末からなる圧粉磁心の残留歪みを十分に除去するには、４００℃以上さらには６００℃以上の高い焼鈍温度が必要となる。ところが、そのような高温で圧粉磁心を加熱すると、従来のリン酸塩系の絶縁被膜は破壊、消失等してしまい、比抵抗値が急減して鉄損（特に渦電流損失）が増大する結果となってしまう。そのため、下記特許文献１では、焼鈍温度の上限は５００℃に制限されている。
一方、下記特許文献２には、少なくともＰ及びＯを含む第１元素群と、Ｃａ，Ｓｒ，Ｙ等から選ばれる第２元素とからなる第１絶縁層と、この第１絶縁層を被覆するシリコーン樹脂からなる第２絶縁層とを有する絶縁被膜が開示されている。この絶縁被膜は、第１絶縁層と第２絶縁層の相乗効果によって高い耐熱性を有し、通常加熱条件で６００℃での焼鈍が可能とされている。

特開２００５−２２３２５９号公報 特開２００６−５１７３号公報

圧粉磁心の性能向上のため、高密度成形された圧粉磁心をより高い温度で焼鈍し、内部歪みを十分に除去してヒステリシス損失を一層低減することが求められている。同時に、渦電流損失を増加させないために、高い温度での焼鈍後も高い比抵抗値を維持できる耐熱性に優れた絶縁被膜が求められている。
磁性粉末からなる圧粉磁心の残留歪みを十分に除去するには、６００℃以上の高い焼鈍温度が必要となるが、特許文献２に記載された絶縁被膜でも、通常加熱条件で６００℃が上限であり、十分ではない。また、特許文献２に記載された絶縁被膜は２相であることが必須であるため、必ず２度にわたる表面処理が必要であり、製造工程が煩雑である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、十分な耐熱性を発現する絶縁被膜をもつ圧粉磁心用鉄粉及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、リン酸水素塩水溶液を被膜形成剤とし、これを鉄粉と混合して加熱乾燥して溶融及び縮合反応を起こさせることにより、高い耐熱性を有する絶縁被膜を鉄粉の表面に形成できることを見いだし、本発明を完成した。
本発明において鉄粉表面に形成される絶縁被膜は、実質的に縮合リン酸塩か、縮合リン酸塩と未反応のリン酸水素塩からなり、ほかに鉄粉との界面に生成した少量のリン酸鉄を含む。絶縁被膜の付着量は、鉄粉１ｋｇ当たり１〜１０ｇであることが望ましい。

鉄粉とリン酸水素塩水溶液を混合し、融点以上の所定温度で加熱乾燥処理すると、鉄粉表面に付着したリン酸水素塩は溶融し、さらに縮合反応を起こして縮合リン酸塩の絶縁被膜に変化する。このとき、乾燥処理の加熱条件により、未反応のリン酸水素塩が絶縁被膜内に残留する。この加熱乾燥処理において、鉄粉と混合されたリン酸水素塩はＦｅ素地に触れ、一部が表面のＦｅと反応して界面にリン酸鉄が生成し、これにより鉄粉表面に対する溶融リン酸水素塩の濡れ性が高まり、溶融したリン酸水素塩が鉄粉の周囲全体を均一に覆う。その結果、縮合リン酸塩のガラス状の絶縁被膜が鉄粉表面全体に均一に形成される。

上記リン酸水素塩は望ましくはリン酸水素アンモニウム（リン酸一水素アンモニウムとリン酸二水素アンモニウム）である。リン酸水素アンモニウムが縮合反応を起こすと、ガラス状の縮合リン酸アンモニウム（メタリン酸アンモニウム）が形成される。ただし、加熱条件により、未反応のリン酸水素アンモニウム（未反応のリン酸一水素アンモニウム又は／及びリン酸二水素アンモニウム、あるいはリン酸一水素アンモニウムから生成したリン酸二水素アンモニウム）が絶縁被膜内に残留する。

前記リン酸水素塩水溶液にタルク粉末を分散混合して、これを鉄粉と混合し、前記のように加熱乾燥処理することもできる。タルク粉末を分散混合することにより、圧粉体の抗折強度が向上する。タルク粉末の添加量はリン酸水素塩の質量に対し１〜１０質量％が望ましく、縮合リン酸塩とリン酸水素塩とタルク粉末の合計質量（絶縁被膜の付着量）は、同じく鉄粉１ｋｇ当たり１〜１０ｇが望ましい。

本発明によれば、耐熱性に優れた絶縁被膜を有する圧粉磁心用鉄粉を得ることができ、この鉄粉を圧粉成形後に４００〜６００℃あるいは６００℃以上で加熱焼鈍処理した後も、圧粉体は高い比抵抗値を維持することができる。従って、この圧粉磁心用鉄粉を用いて、渦電流損が極めて発生しにくく電気絶縁性に優れた圧粉磁心を製造することができる。

絶縁被膜に必要とされる条件としては、被膜を形成する物質が絶縁体であることは当然であるが、室温〜７００℃加熱後も被膜が破壊されないことが重要である。従来の被膜で十分な絶縁性、耐熱性が得られなかったのは、鉄素地との密着性が不十分であったり、被膜に隙間が多いなどの原因があったものと思われる。

本発明では、鉄素地との密着性を確保すると同時に緻密で隙間の少ない絶縁被膜を形成するため、リン酸水素塩（リン酸一水素塩とリン酸二水素塩）を用いている。リン酸水素塩は鉄素地と反応（リン酸水素塩中の水素とＦｅが置き換わる）して、リン酸鉄が界面に生成され、被膜の密着性を向上させる。また、リン酸水素塩が鉄素地と反応することにより、鉄粉表面に対する溶融リン酸水素塩の濡れ性が高まり、鉄粉表面は溶融リン酸水素塩により均一に被覆される。なお、溶融塩であっても、鉄素地との反応性のないもの、例えば、リン酸塩、ケイ酸塩などでは鉄粉表面に対する濡れ性が不良で均一に表面を被覆することは難しい。
次いでリン酸水素塩は縮合リン酸塩被膜に変化し、緻密で隙間の少ない、かつ密着性の高い絶縁被膜が形成される。リン酸水素塩から生成した縮合リン酸塩被膜の融点は高く、圧粉成形後に行われる加熱焼鈍時に溶融することはない。

絶縁被膜の付着量は鉄粉１ｋｇ当たり１〜１０ｇが好ましい。１ｇ未満では絶縁、耐熱効果が不十分であり、１０ｇを越えると圧粉密度が低下し磁束密度の低下を招く。好ましくは、鉄粉１ｋｇ当たり１〜５ｇである。
リン酸水素塩水溶液にタルクを分散混合する場合、タルク粉末の添加量はリン酸水素塩の質量の１〜１０％が望ましい。１％未満では圧粉体の抗折強度の向上作用が小さく、１０％を越えて添加しても効果の改善がみられない。

リン酸水素塩としては、リン酸一水素アンモニウムやリン酸二水素アンモニウムが望ましい。リン酸水素アンモニウムは融点が１９０℃であり、縮合温度が融点に近く、１９０℃以上で乾燥処理することにより溶融し、溶融塩が鉄粉表面を均一に覆った後すぐに縮合反応が始まる利点がある。また、これらを主体として、さらにリン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸二水素カルシウム、リン酸二水素コバルト、リン酸二水素亜鉛、リン酸一水素ナトリウム、リン酸一水素カリウム、リン酸一水素カルシウム、リン酸一水素コバルト、リン酸一水素亜鉛等の他のリン酸水素塩を添加して用いることができる。リン酸水素アンモニウム以外のリン酸水素塩の融点は２００℃より高く、縮合温度はいずれも２００℃程度である。これらの添加量はリン酸水素塩全体の２０質量％以下が望ましい。
鉄粉と混合するリン酸水素塩水溶液の濃度は２０〜２００ｇ／Ｌ（リットル）が好ましい。２０ｇ／Ｌ未満の濃度では、鉄粉１ｋｇ当たり１〜１０ｇに相当する絶縁被膜を形成するには処理液量が多くなって乾燥時間が長くなる。一方、２００ｇ／Ｌを越える濃度では、前記絶縁被膜を形成するには処理液量が少なくなって鉄粉表面に均一に絶縁被膜を形成するのが難しくなる。

混合処理温度は０〜８０℃が好ましく、より好ましくは１０〜７０℃である。０℃未満では処理液の凍結が起こり、８０℃を越えるとリン酸水素塩と鉄素地との反応が激しくなり、リン酸水素塩が消耗する。混合処理時間は、生産性の観点から３０ｍｉｎ以下が好ましい。
乾燥処理温度は１９０〜２５０℃の範囲内が好ましい。この範囲内であれば、鉄粉表面をリン酸水素塩の溶融塩で覆い、さらに縮合反応を起こさせ、かつ未反応のリン酸水素塩を残留させることができる。この未反応のリン酸水素塩は圧粉体成形時の結合剤として機能し、圧粉体成形後の抗折強度を向上させる。一方、乾燥温度が１９０℃未満では、鉄粉表面をリン酸水素塩の溶融塩で覆うことができず、２５０℃を越えるとリン酸水素塩の縮合反応が完了して、圧粉体成形後の抗折強度が低下する。
乾燥時間は５〜３０ｍｉｎの範囲内で選択することが好ましい。５ｍｉｎ未満では乾燥が不十分であり、３０ｍｉｎを越えるとリン酸水素塩の縮合反応が完了し、圧粉体成形後の抗折強度が低下する。

乾燥処理後の鉄粉に対し、さらに第２層としてシリコーン樹脂層を設けてもよい。これにより、圧粉磁心用鉄粉の耐熱性が向上する。シリコーン樹脂層は、シリコーン樹脂溶液を鉄粉に混合し、加熱乾燥させることにより形成できる。溶剤としてはエタノール、メタノール、アセトン、メチルエチルケトン、トルエン、キシレン、フェノール、安息香酸、リグロイン、ケロシンを用いることができる。
シリコーン樹脂層の付着量は、前記特許文献２と同程度、鉄粉１ｋｇ当たり０．５〜８ｇが好ましい。０．５ｇ未満では耐熱性の向上効果が小さく、８ｇを越えると圧粉密度が低下し磁束密度の低下を招く。さらに好ましくは鉄粉１ｋｇ当たり１〜３ｇである。

軟磁性粉末として純鉄粉（株式会社神戸製鋼所製「アトメル３００ＮＨ」）を用いた。鉄粉への表面処理を以下のようにして行った。
表１のＮｏ．１〜２２に示すリン酸水素塩水溶液、及びタルクを分散混合したリン酸水素塩水溶液を調整し、Ｎｏ．２３についてはリン酸の水溶液を調整し、これらの溶液５０ｍｌと鉄粉１ｋｇを、表１に示す時間混合処理した。次に、大気雰囲気中で表１に示す温度及び時間で乾燥処理し、圧粉磁心用鉄粉を得た。
上記の乾燥処理後、Ｎｏ．４についてのみ、さらに第２層としてシリコーン樹脂層を設けた。シリコーン樹脂層は、ジーイー東芝シリコーン製のＴＳＲ１２７Ｂ（樹脂濃度２０質量％）をトルエンで１０倍に希釈したもの５０ｍｌを鉄粉に混合し、８０℃、１０ｍｉｎ乾燥させて形成した。

ここで乾燥処理後（Ｎｏ．４についてはシリコーン樹脂層の形成前）の鉄粉の被膜組成を確認した。具体的には、鉄粉の一部を８０℃以上の純水に浸漬、攪拌して被膜を溶解させ、ＩＣＰ発光分析によって液中のＰ，Ｎ，Ｆｅ及び濃度を測定して、これらの含有元素の付着量を求め、また、鉄粉を８０℃以上の純水に浸漬、攪拌して被膜を溶解させ、イオンクロマトによって液中のリン酸イオン、縮合リン酸イオンとアンモニウムイオン等カチオン濃度を測定し、化学種を確認し、分子量から重量に換算して、被膜組成を確認した。
さらに、鉄粉を８０℃以上の純水に浸漬、攪拌して被膜を溶解させ、濾過した固形物のＸ線回折パターンから、固形物がタルクであることを確認した。
その結果を表２に示す。

続いて、得られた圧粉磁心用鉄粉を金型に充填し、温度２０℃、圧力６００ＭＰａ、最大荷重での加圧時間２秒で圧縮成形し、長さ３１．８ｍｍ×幅１２．７ｍｍ×厚さ５ｍｍの直方体形状の圧粉体を得た。これを窒素中で表２に示す温度（５００〜７００℃）で３０分間加熱し、評価用圧粉体とした。なお、圧縮成形に当たっては、エタノールに潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）を分散させた型潤滑剤を成形型の内壁面に刷毛で塗布することにより型潤滑を行った。

得られた圧粉体について、比抵抗値、密度、抗折強度を測定した。測定結果を表２に示す。
なお、比抵抗値は、前記形状の圧粉体の表面をエメリー紙（＃８００）で研磨した後、３１．８ｍｍ×１２．７ｍｍの面を四端子法（電圧電極間距離１９．８ｍｍ、株式会社真空理工社製ＴＥＲ−２０００）で電極に４００ｇｆの荷重を加えて測定した。抗折強度は、ＩＳＯ３３２５（燒結金属材料抗折力）に規定される方法に準じて、常温（２５℃）での抗折強度を測定した。試験装置としては、株式会社島津製作所製「ＡＵＴＯＧＲＡＰＨ ＡＧ−５０００Ｅ」を使用し、支点間距離を２５ｍｍとした。

表２に示すように、Ｎｏ．１〜１３，１９〜２１の被膜組成は縮合リン酸塩と残留するリン酸水素塩からなり、Ｎｏ．１４〜１７の被膜はさらにタルクを含み、Ｎｏ．１８の被膜組成は縮合反応が完了して縮合リン酸塩からなり、それぞれリン酸鉄を含む。Ｎｏ．２３の被膜組成はリン酸鉄からなっていた。
本発明例Ｎｏ．１〜１９は、５００〜７００℃加熱後の圧粉体の密度が７．５０ｇ／ｃｍ^３以上と高く、比抵抗値が２５μΩ・ｍ以上で優れた耐熱性を示している。このうちＮｏ．１〜１７は、抗折強度１００Ｎ／ｍｍ^２以上が得られ、特にタルクを含むＮｏ．１３〜１７は抗折強度が高い。これに対し、Ｎｏ．１８，１９は抗折強度がやや低い。Ｎｏ．１８では乾燥温度が３００℃と高く被膜組成が縮合リン酸塩のみからなり、Ｎｏ．１９では乾燥の処理時間が長く縮合反応が完了間近くなり、残留するリン酸水素塩が過少となったためと考えられる。

一方、Ｎｏ．２０は、被膜付着量が０．５ｇ／ｋｇと少ないため比抵抗値が低く、Ｎｏ．２１は被膜付着量が１１ｇ／ｋｇと多いため、圧粉体密度が小さい。
Ｎｏ．２２は乾燥温度が１５０℃と低いため、鉄粉表面をリン酸水素塩の溶融塩が覆うことがなく、かつ縮合反応が生じず縮合リン酸被膜が形成されない。そのため、比抵抗値が低い。
Ｎｏ．２３はリン酸塩の被膜であるため、緻密な被膜が形成されず比抵抗値が低い。

Claims (12)

1. 鉄粉表面に付着したリン酸水素塩が溶融及び縮合反応を起こして形成された絶縁被膜を表面に有することを特徴とする圧粉磁心用鉄粉。
2. 前記絶縁被膜が縮合リン酸塩からなることを特徴とする請求項１に記載された圧粉磁心用鉄粉。
3. 前記絶縁被膜が縮合リン酸塩及びリン酸水素塩からなることを特徴とする請求項１に記載された圧粉磁心用鉄粉。
4. 鉄粉表面に付着したタルク粉末を分散含有するリン酸水素塩が溶融及び縮合反応を起こして形成された絶縁被膜を表面に有することを特徴とする圧粉磁心用鉄粉。
5. 前記絶縁被膜が縮合リン酸塩及びタルクからなることを特徴とする請求項４に記載された圧粉磁心用鉄粉。
6. 前記絶縁被膜が縮合リン酸塩、リン酸水素塩及びタルクからなることを特徴とする請求項４に記載された圧粉磁心用鉄粉。
7. 前記リン酸水素塩がリン酸水素アンモニウムであることを特徴とする請求項１又は４に記載された圧粉磁心用鉄粉。
8. 前記リン酸水素塩がリン酸水素アンモニウムであり、前記縮合リン酸塩が縮合リン酸アンモニウムであることを特徴とする請求項２，３，５，６のいずれかに記載された圧粉磁心用鉄粉。
9. 前記絶縁被膜の付着量が鉄粉１ｋｇ当たり１〜１０ｇであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載された圧粉磁心用鉄粉。
10. 前記絶縁被膜の上にさらにシリコーン樹脂層を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載された圧粉磁心用鉄粉。
11. 鉄粉とリン酸水素塩水溶液を混合し、加熱乾燥処理して溶融及び縮合反応を起こさせ、絶縁被膜を鉄粉表面に形成することを特徴とする圧粉磁心用鉄粉の製造方法。
12. 鉄粉とタルク粉末を分散含有させたリン酸水素塩水溶液を混合し、加熱乾燥処理して溶融及び縮合反応を起こさせ、絶縁被膜を鉄粉表面に形成することを特徴とする圧粉磁心用鉄粉の製造方法。