JP4752641B2

JP4752641B2 - 非晶質軟磁性材料の焼結方法

Info

Publication number: JP4752641B2
Application number: JP2006176098A
Authority: JP
Inventors: 優大和田; 宏規坂元; 宜郎川下
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP2008010442A

Description

本発明は、透磁率が大きく、保磁力の小さい非晶質軟磁性材料の製造方法に係り、特に表面に絶縁皮膜を形成した金属ガラス粉末を用いて、金属ガラス粒子間に絶縁層を備えた磁性材料を焼結するに際して、絶縁皮膜の破損を防止し、比抵抗の低下を抑制することができる非晶質軟磁性材料の焼結方法と、このような方法によって製造された軟磁性材料から成る部品を備えた各種の電磁機器に関するものである。

例えば放電プラズマ焼結法を用いて、Ｆｅ基軟磁性金属ガラス合金の粉末を焼結することにより、磁気特性に優れた焼結体が得られることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−９２６１９号公報

しかしながら、比抵抗を高めてコアロスを低減するために、表面に絶縁物を成膜して成る金属ガラス粉末を焼結する場合には、上記特許文献１の開示された条件を用いて焼結したとしても、加圧力によって金属ガラス表面の絶縁皮膜が破損し易いために、比抵抗を十分に向上させることができないという問題があった。

本発明は、上記従来技術における上記のような課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、金属ガラス粉末の表面に形成された絶縁皮膜の焼結中における破損を防止することができ、高密度で、比抵抗が高く、コアロス（鉄損）の大幅な低減が可能な非晶質軟磁性材料の製造方法と、このような方法によって製造された軟磁性材料から成るコアやヨークを備え、鉄損の少ない電磁機器を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、絶縁材料や焼結条件などについて種々検討を重ねた結果、加圧開始のタイミングを調整することによって、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の非晶質軟磁性材料の焼結方法においては、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏから成る群から選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とし、ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔｇ（式中のＴｘは結晶化開始温度、Ｔｇはガラス転移温度を示す）で表わされる過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘが２０Ｋ以上である金属ガラス粉末の表面に絶縁層を形成して成る軟磁性材料粉末を加圧しながらパルス電流を通電して焼結するに際して、所定成形圧力の５０％以下の圧力、望ましくは１０％以下の圧力を加えながら通電加熱を開始し、焼結型の温度が所定の焼結温度よりも５０Ｋだけ低い温度に達した時点で所定の成形圧力に加圧するようになすことを特徴とする。

あるいは、同様の軟磁性材料粉末を真空チャンバ内で加圧しながら加熱して焼結するに際して、同様の低加圧力のもとに加熱を開始した後、真空チャンバ内の真空度が所定の真空度に達した時点で加圧を開始するようになすことを特徴としている。

そして、本発明の電動モータにおいては、そのロータコア若しくはステータコア、又はその両方が上記の方法によって製造されていることを特徴とし、本発明のノイズフィルタにおいてはそのトロイダルコアが、本発明の変圧用トランスにおいてはそのカットコアが、それぞれ上記方法によって製造されていることを特徴としている。

本発明によれば、所定の金属を主成分とし、過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘが所定値以上の金属ガラス粉末の表面に絶縁層を形成して成る軟磁性材料粉末を加圧焼結するに際して、所定成形圧力の５０％以下の低い圧力で加熱を開始し、焼結型の温度が所定の焼結温度よりも５０Ｋだけ低い温度に達した時点で、あるいは真空チャンバ内で加熱を開始し、真空チャンバ内が所定の真空度に達した時点で正規の成形圧力に加圧するようにしているので、焼結中における絶縁皮膜の破損を抑えて、高密度で、高比抵抗の非晶質軟磁性材料を得ることができ、このような材料から成るコアやヨークのコアロス低減が可能となり、これらを用いた機器の効率化やコンパクト化ができるようになる。

以下、本発明の非晶質軟磁性材料の焼結方法について、さらに詳細かつ具体的に説明する。

本発明の非晶質軟磁性材料の焼結方法においては、上記したように、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＣｏ、又はこれらを任意に組み合わせた金属を主成分とし、ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔｇ（式中のＴｘは結晶化開始温度、Ｔｇはガラス転移温度を示す）によって表される過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘが２０Ｋ以上である金属ガラス粉末の表面に絶縁層を形成して成る軟磁性材料粉末を加圧下で、パルス電流の通電によって加熱して焼結するに際して、加熱開始当初は、本来の成形圧力よりも低い圧力、具体的には所定成形圧力の５０％以下の圧力を加え、焼結型の温度Ｔｄが所定の焼結温度Ｔｓよりも５０Ｋだけ低い温度（Ｔｓ−５０Ｋ）に達した時点で本来の成形圧力に加圧するようにしたことから、金属ガラス粉末がある程度柔らかくなってきたときに加圧力が作用するために、金属ガラス粉末の表面に形成された絶縁層皮膜が成形圧力によって薄くなったり、破れたりするようなことを回避することができ、絶縁層の皮膜が所定の厚さに確保され、比抵抗を高く保つことができるようになる。

また、絶縁層を形成する皮膜材料が昇温に伴ってガスを発生することがあるが、ガスの発生する温度域における加圧力を低くしていることにより、ガスの排出がスムースにできるようになり、ガスによる気泡が生成することによる成型密度の低下を防止することが可能となり、高密度な焼結体を得ることができるようになる。

本発明の非晶質軟磁性材料の他の焼結方法においては、同様の軟磁性材料粉末を真空チャンバ内で加圧しながら加熱して焼結するに際して、加熱開始当初は、同様に本来の成形圧力よりも低い圧力のもとで加熱を開始した後、真空チャンバ内の真空度が所定の真空度に達した時点で加圧を開始するようにしている。
すなわち、焼結装置の真空チャンバの真空度をモニタリングし、真空度が設定した真空度以上となったときに、軟磁性材料粉末に加圧力を正規の圧力に上昇させることによって、絶縁層を形成する皮膜材料の化学反応によるガス発生が終了してから、本来の圧力下で焼結が行われることになるため、比抵抗の高い焼結体を得ることができ、ガスなどの発生による密度低下のない高密度な成型が可能となる。

このとき、過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘが２０Ｋに満たない場合には、成形時のワーク内温度分布により部分的に結晶化して本来の特性が得られないという不都合が生じる。
また、上記金属ガラス粉末は、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏのいずれか又は、これらを任意に組み合わせた金属を主成分とするものであるが、本発明において「主成分」とは、これら金属が単独又は合計で７０％以上を占めていることを意味する。

なお、加熱開始当初における加圧力としては、本来の成形圧力の１０％以下とすることが望ましく、このような加圧力のもとで加熱を開始するようになすことによって、低温かつ硬い状態の金属ガラス粉末に大きな加圧力が印加されなくなるため、絶縁層皮膜へのダメージを最低限に抑制することができるようになり、製品としての焼結体の比抵抗を高い状態に維持することが可能となり、電気部品として使用したときの交番磁界による渦電流損失を最低限に抑制することが可能となる。
この手法は、特に、金属ガラス粉末の表面に塗布した絶縁皮膜材料中の溶媒などが十分に除去されず、塗膜が未乾燥で、柔らかい状態のまま焼結を行うような場合にも、絶縁層へのダメージを抑制することができ、非常に有効な手法となる。

上記絶縁層としては、例えば、アルミナやシリカ、チタニア、ジルコニア、酸化モリブデンなどの酸化物を用いることができ、このような成分から成る絶縁層皮膜を金属ガラス粉末表面に形成するには、ハイブリダゼーション法などの方法を適用することができる。

上記方法によって得られた非晶質軟磁性材料は、例えば電動モータ用のロータやステータに適用することができ、これによって高強度で鉄損の少ないコアを実現することができるようになり、これら部品を搭載した電動モータの高効率・高強度化に貢献することができる。

また、上記非晶質軟磁性材料は、ノイズフィルタ用のヨークに適用することができ、このようなヨークを用いることによってノイズ除去時に発生する熱量を抑制することができるようになって、コンパクトなノイズフィルタを実現することが可能になる。

さらに、本発明方法によって製造された非晶質軟磁性材料は、変圧器用のトランスのヨークに適用することができ、これによってトランスの効率を大幅に向上させることが可能になる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、Ｆｅ、Ｇａ、Ｂ、Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃ合金、Ｆｅ−Ｐ合金を所定量秤量して配合した後、高周波溶解炉を用いてＡｒガス雰囲気中で溶解し、Ｆｅ_７７Ｇａ_４Ｐ_９．５Ｃ_４Ｂ_４Ｓｉ_２．５と表わされる成分組成のインゴットを製作した。
次に、このインゴットを減圧Ａｒ雰囲気中で再度溶解し、Ａｒガスを用いて噴霧し、ガスアトマイズ粉末とし、これを目開き５３μｍのふるいを用いて分級した。このようにして急冷された粉末は、金属ガラスとなっていることが確認された。

得られた金属ガラス粉末の結晶化開始温度Ｔｘ及びガラス転移温度Ｔｇを熱示差分析計を用いて測定したところ、Ｔｘ及びＴｇは、それぞれ約５０５℃及び約４６０℃であり、過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘは、４５Ｋと算出された。

このようにして得られた金属ガラス粉末の表面に、図１に示すような流動層形成膜装置（パウレック社製）を用いて、絶縁皮膜をコーティングし、絶縁層を形成して軟磁性材料粉末を得た。
上記流動層形成膜装置は、ブレード１ａにより金属ガラス粉末を層内で流動させ、層下部のノズル１ｂから絶縁皮膜溶液１ｃを噴射して成膜するものである。ブレード１ａは粉末を流動させると共に、噴霧された絶縁皮膜溶液１ｃが多めに付着された場合に、溶液を吹き払う役目も担っており、粉末表面への均一成膜が可能となる。

上記絶縁皮膜溶液は、ＳｉＯ_２皮膜を成膜するためのものであって、ここではＡＺエレクトロマテリアルズ社製のＮＬ１１０Ａを使用した。この材料は、ＳｉをＮ及びＨで結合したポリシラザンを含有しており、このポリシラザンをキシレン溶媒に溶解したものである。
塗布された絶縁皮膜溶液１ｃは、上記溶媒（キシレン）が揮発することによって成膜され、塗布された溶液からポリシラザンのＮ及びＨが離脱し、残留したＳｉが酸化することによって、ＳｉＯ_２が形成されることになる。

図２は、コーティングした状態の金属ガラス粉末の表面を示す電子顕微鏡写真であって、表面に絶縁皮膜１ｄ（溶液１ｃ）が塗布されていることが判る。
本発明方法においては、上記のような粉末を用いてＳＰＳ（放電プラズマ焼結）を行うようにしているが、この段階では、上記絶縁層皮膜に含まれるポリシラザンは、ＳｉＯ_２に転化されておらず、ポリシラザンに結合されているＮ及びＨがアンモニアもしくは水素ガスとして放出されながら、残ったＳｉが酸素と結合してＳｉＯ_２になる。このことは、成膜する段階でアンモニアや水素ガスを発生することを意味している。

図３は、上記軟磁性材料粉末を焼結するのに用いるＳＰＳ装置の構造を示すものであって、図に示すＳＰＳ装置１０は、装置本体１１の上下位置に設置された上部電極１２と下部電極１３を備え、加圧ポンプ１４の作動によって装置本体１１の上部に設けたシリンダ１５を駆動させ、上下電極１２及び１３の間に支持された焼結型１６を加圧すると共に、パルス電源１７から上下電極１２及び１３を介して供給される直流パルス電流を上記焼結型１６に通電することによって、焼結型１６内の材料粉末を加熱し、焼結することができるようになっている。
焼結条件は、主にシリンダ１５によるプレス圧力と、供給する電力で制御され、焼結温度は、焼結型１６に設けられた熱電対１６ａによって温度計測を行い、図外の制御装置によって温度制御及び加圧制御を行うようにしている。

上記軟磁性材料粉末の焼結に際しては、通常、６００ＭＰａの加圧条件を採用すると共に、Ｔｇ−４０Ｋの温度で焼結するようにしている。試作した上記金属ガラス粉末のＴｇは約４６０℃であり、その焼結温度は４２０℃ということになる。
この実施例においては、加熱開始時の圧力を上記した正規成形圧力６００ＰＭａの５０％以下である２００ＭＰａの圧力とし、この圧力下で加熱を開始した。ＳＰＳ焼結装置の条件としては、電流が約３００Ａ、電圧は１００Ｖの条件である。

熱電対１６ａによって計測される焼結型１６の温度が本来の焼結温度である４２０℃から５０℃下がった３７０℃になったところで、シリンダによる加圧力を正規の成形圧力である６００ＭＰａまで上昇させ、さらに焼結を継続した。
そして、４２０℃の焼結温度に到達した時点で、３分程度の温度保持を行った後、パルス電源１７からの電流供給を停止し、焼結作業を終えた。このときの加圧力と温度のタイムチャートを図４に示す。

このように、低温時には、焼結圧力を低圧力としたことにより、球状の軟磁性材料粉末が点接触した状態において多大な加圧力が印加されることがなくなり、絶縁層皮膜の損傷を低減することが可能となる。
そして、その後、軟磁性材料粉末の温度が上昇したときに加圧力を大きくすることによって、金属ガラスが過冷却温度領域に入る温度域で加圧されることになるため、大きな圧力を必要とすることなく、密度を上げることが可能となり、絶縁皮膜へのダメージを最小限のものにすることができる。また、加圧力をはじめから大きくしないことにより、粒子間の空間が保持されることから、絶縁層材料から発生するアンモニアや水素ガスが外に逃げやすくなり、焼結後の材料に空孔が生じることを防止することができる。

具体的には、はじめから加圧した試料の比抵抗と、型温度が３００℃になってから加圧したものでは比抵抗が２０％向上し、焼結温度に近くなる４００℃から加圧したものに関しては比抵抗が４０％向上していた。。
この比抵抗の向上が相対密度が低下したことによるものかを判断するために比抵抗を測定した結果、いずれの材料も相対密度は０．２％程度の誤差に収まっており、同等な相対密度の材料が得られていることがわかった。

（実施例２）
上記実施例１と同様の軟磁性材料粉末を用いて、同様の焼結を実施するに際して、図５のタイムチャートに示すように、加熱開始時の圧力を上記した正規成形圧力６００ＰＭａの１０％以下である５０ＭＰａの圧力とし、この圧力条件下で加熱を開始した。
すなわち、発生するガスが多いことが予測される軟磁性材料を用いて焼結する場合などには、この程度の低圧力下で加熱を開始することによって、発生したガスの抜けがよくなることから、ガス量の多い材料粉末を用いた場合でも高密度な非晶質軟磁性材料を焼結することが可能となる。

（実施例３）
図６は、当該実施例に使用したＳＰＳ装置の構造を示すものであって、図に示すＳＰＳ装置１０は、焼結雰囲気を真空とすべく、焼結型１６を真空チャンバ１８内に収容し、この中の真空度を測定する真空計１８ａを取り付けたことと、焼結型１６内に配置したコイルに通電して加熱するための電源１９を設けたことを除いて、図３に示した装置と基本的に相違はない。

このような装置を用いて、上記実施例と同様の軟磁性材料粉末を同様に焼結するに際しては、上記したように６００ＭＰａの加圧力の下で４２０℃の温度に加熱するのが本来の焼結条件であるが、この実施例では、図外の真空ポンプを作動させ、真空度を測定しながら、５０ＭＰａの圧力条件下で加熱を開始した。このときの加圧力と真空度の時間的変化を図７に示す。

加熱を開始すると、図に示すように、焼結型１６の温度が上昇するにつれて、軟磁性材料粉末表面の絶縁層からガスが発生し、これによって真空チャンバ１８内の真空度が低下するが、やがてガスの発生がなくなると、真空度が徐々に高まり、本来の焼結条件である真空度１０^−５Ｔｏｒｒの閾値に達し、真空度が安定した後に加圧力を正規の加圧力である６００ＭＰａに高め、焼結型１６の温度が４２０℃に到達してから、３分程度この温度に保持したのち、焼結を終了した。
具体的な制御方法としては、真空度の微分値を求めて変化量が一定の値を下回ることと、一定の温度を超えたことの両方が満たされた時に加圧力を印加する制御方法が有効である。

この方法により焼結体の相対密度は９６％だったものが、９７．５％に向上した。
なお、このとき真空度と温度の両者を考慮して焼結を行うことも可能である。

（実施例４）
このようにして製作された焼結体（非晶質軟磁性材料）をモータのステータコアやロータコアに適用してモータを製作することができる。このようなロータコアの形状を図８に示す。
このようなロータコア２１は、比抵抗が高いものとなり、モータの鉄損を抑制することができ、高効率、高性能な電動モータを提供することが可能となる。

（実施例５）
図９は、このようにして製作された非晶質軟磁性材料をノイズフィルタ用のトロイダルコア２２に適用した例を示すものであって、比抵抗が高いため低損失なフィルタを提供することが可能となる。

（実施例６）
図１０は、本発明方法によって製作された非晶質軟磁性材料を変圧用トランスのカットコア２３に適用した例を示すものであって、同様に低損失なトランスを提供することができるようになる。

金属ガラス粉末の表面に絶縁層を形成するのに用いる装置の一例として、流動層形成膜装置の構造を示す概略図である。本発明の実施例に用いた軟磁性材料粉末の表面形状を示す電子顕微鏡写真である。本発明の実施例１及び２に用いたＳＰＳ装置の構造を示す概略ブロック図である。実施例１の焼結時における温度及び加圧力の時間的変化を示すタイムチャートである。実施例２の焼結時における温度及び加圧力の時間的変化を示すタイムチャートである。本発明の実施例３に用いたＳＰＳ装置の構造を示す概略ブロック図である。実施例３の焼結時における真空度及び加圧力の時間的変化を示すタイムチャートである。実施例４において作製した電動モータ用ロータコアの形状を示す斜視図である。実施例５において作製したノイズフィルタ用トロイダルコアの形状を示す斜視図である。実施例６において作製した変圧用トランスのカットコアの形状を示す斜視図である。

符号の説明

１６焼結型
２１電動モータ用ロータコア
２２ノイズフィルタ用トロイダルコア
２３トランス用カットコア

Claims

Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏから成る群から選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とし、ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔｇ（式中のＴｘは結晶化開始温度、Ｔｇはガラス転移温度を示す）で表わされる過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘが２０Ｋ以上である金属ガラス粉末の表面に絶縁層を形成して成る軟磁性材料粉末を加圧しながらパルス電流を通電して焼結するに際し、
所定成形圧力の５０％以下の圧力を加えながら通電加熱を開始し、燒結型の温度が所定の燒結温度よりも５０Ｋだけ低い温度に達した時点で所定の成形圧力に加圧することを特徴とする非晶質軟磁性材料の焼結方法。
Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏから成る群から選ばれた少なくとも１種の金属を主成分とし、ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔｇ（式中のＴｘは結晶化開始温度、Ｔｇはガラス転移温度を示す）で表わされる過冷却液体領域の温度間隔ΔＴｘが２０Ｋ以上である金属ガラス粉末の表面に絶縁層を形成して成る軟磁性材料粉末を真空チャンバ内で加圧しながら加熱して焼結するに際し、
所定成形圧力の５０％以下の圧力を加えながら通電加熱を開始し、真空チャンバ内の真空度が所定の真空度に達した時点で所定の成形圧力に加圧することを特徴とする非晶質軟磁性材料の焼結方法。
加熱開始時の圧力が所定成形圧力の１０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非晶質軟磁性材料の焼結方法。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の方法で製造されたロータコア及び／又はステータコアを備えていることを特徴とする電動モータ。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の方法で製造されたトロイダルコアを備えていることを特徴とするノイズフィルタ。
請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の方法で製造されたカットコアを備えていることを特徴とする変圧用トランス。