JP4802182B2 - 圧粉磁心用鉄粉 - Google Patents

Description

本発明は、比抵抗が高く、従って鉄損が低い圧粉磁心用の鉄粉に関する。

モーターや変圧器の磁心向け軟磁性材料としては、駆動周波数が数kHzまでの低周波で は電磁鋼板が、数十kHz以上の高周波ではMn−Zn系フェライトをはじめとする酸化物磁性 材料が多用される。
一方、鉄粉を圧縮成形した圧粉磁心は、数十kHz以下で使用されることが多いが、金型成形が可能なため製品形状の自由度が非常に高く、また複雑なコア形状でも高精度かつ簡便な工程で製造可能なことから、その有用性が着目されている。

かような圧粉磁心の性能を決定づける大きな要因の一つが鉄損であり、従来より圧粉磁心の高性能化を実現するための鉄粉についての種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、鉄粉中にSiを含有させることによって鉄損を低減する技術が提案されている。また、特許文献２には、Siの含有量と分布を制限することによって高周波域での鉄損を低下させる技術が提案されている。
特開2003−217919号公報 特開平11−87123号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような、予めSiを合金化した鉄粉では、Siの含有により鉄粉の硬さが上昇し、圧縮成形時の塑性変形が阻害されるために、磁気特性の改善が進まなかったり、圧粉磁心の機械的強度が低下して信頼性が損なわれるという欠点があった。
また、特許文献２に記載されたように、鉄粉中のSiの含有量と鉄粉全体にわたるSiの分布を限定しても、鉄粉表面の酸化膜が磁気特性を阻害するなどの問題があった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、磁気特性や機械的強度の低下を招くことのない、信頼性の極めて高い圧粉磁心用鉄粉を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決するために、鉄粉表面の酸化膜の特性に着目して鋭意研究を重ねた結果、表面酸化膜の組成を最適化することによって、上記の目的が有利に達成されることの知見を得た。
本発明は上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．非酸化性雰囲気下、700〜900℃の温度範囲で熱ＣＶＤ法によって鉄粉の表面にSiを堆積し、このSi堆積中またはSi堆積後に、酸素分圧が10^-24〜10^-4Paの条件で酸化処理を施して得た酸化膜を表面にそなえる鉄粉であって、該酸化膜が、SiとFeの割合が原子数比でSi／Fe≧1.05を満足し、かつFe ₂ SiO ₄ に対するSiO ₂ の存在割合が4.5倍以上であるSi系酸化物からなることを特徴とする圧粉磁心用鉄粉。

２．前記Si系酸化物が、60質量％以上の割合でSiO₂を含有することを特徴とする上記１記載の圧粉磁心用鉄粉。

３．前記Si系酸化物において、Fe₂SiO₄に対するSiO₂の存在割合が７倍以上であることを特徴とする上記１または２記載の圧粉磁心用鉄粉。

本発明では、鉄粉表面に、原子数比でSi／Fe≧1.05を満足する組成のSi系酸化膜を形成することにより、比抵抗が高く従って低鉄損の圧粉磁心を得ることができる。
また、本発明に従い、Si系酸化膜中のSiO₂の割合を60質量％以上にすること、さらにはSi系酸化膜中におけるFe₂SiO₄に対するSiO₂の存在割合を７倍以上に制御することによって、一層良好な特性の低鉄損圧粉磁心を得ることができる。
さらに、本発明では、鉄粉の内部までSiを多量に含有させる必要がないので、圧縮特性に優れ、その結果、圧粉磁心の機械的特性が損なわれることもない。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明に従い、鉄粉表面をSi系酸化物で被覆し、かつその組成がSi／Fe≧1.05、好ましくはSi／Fe≧1.1となるようにすれば、磁気特性に優れた圧粉磁心が得られる。
このメカニズムについてはまだ明確に解明されたわけではないが、酸化膜の組成をSi／Fe≧1.05となるように制御することにより、圧縮成形時にも高い絶縁性が維持され、交流磁界中で圧粉体中に誘起される渦電流と、その結果生じる渦電流損を抑制することができるためと考えられる。
圧縮成形時に高い絶縁性が維持される理由の一つとして考えられるのは、樹脂の濡れ性が改善されることである。鉄粉の最外層に絶縁層として樹脂を被覆した場合、鉄粉の表面がSi系酸化物で均一に覆われていると、樹脂との親和性が向上し、濡れ性が改善されるものと考えられる。特にかような被覆材としてSi系樹脂を使用する場合に、その効果は顕著である。そして、樹脂の付き回りが向上することにより、圧縮成形された粒界（鉄粉粒子の境界）には高抵抗の層が極めて均一に形成され、その結果、成形体として高い絶縁性を示すものと考えられる。

鉄粉表面にSi系酸化物を形成する手段としては、Siを熱ＣＶＤ法で付着させた後に酸化性雰囲気で処理するような、二段階の処理とすることが好ましいが、これらの処理を一度で完了させるような手法でも良く、特に限定されるものではない。
なお、本発明で使用する鉄粉は、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉および電解鉄粉などいずれにも適用でき、とくに限定されるものではない。

次に、気相反応法により鉄粉表面にSiを濃化させる方法について述べる。
以下、SiCl₄ガスを用いる場合を例に好ましい被覆方法を例示するが、本方法に限定されるものではない。

石英製の容器内に、鉄粉を厚さ：５mm以下、より好ましくは３mm以下に広げ、非酸化性雰囲気下で700℃以上、1400℃以下に加熱する。ついで、SiCl₄ガスを容器内の鉄粉に対し、0.01〜10 NL/min/kgの割合で導入する。その結果、鉄粉表面では、
SiCl₄＋５Fe → Fe₃Si＋２FeCl₂
の反応によりFe₃Siが形成され、鉄粉表面にSiの高濃度層が形成される。

なお、上記の方法において、鉄粉層の厚みが５mmを超えるとSiCl₄ガスが鉄粉全体にいきわたらず、全ての鉄粉表面に均一にFe₃Siを形成することは難しい。従って、大量に処理する場合には、不均一な気相反応を抑制するために鉄粉を攪拌しながら処理することが好ましい。鉄粉を攪拌する方法としては、鉄粉を入れた容器自体を回転させる、攪拌羽根を用いて鉄粉を攪拌する、容器内に非酸化性ガスあるいはSiCl₄等の反応ガスあるいはこれらの混合ガスを導入することで鉄粉を流動させる方法等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

SiCl₄ガスの流量は、効果ならびに経済性の観点から、容器内の鉄粉重量に対し、0.01 〜10 NL/min/kg程度とするのが好ましい。鉄粉表面の酸化は、上記Siの堆積反応時に、酸化性ガスを添加して酸化処理を施しても良いし、Si堆積反応が終了した後に、別途酸化性ガスによる酸化処理を施してもよい。工業的に利用可能な酸化性ガスとしては、O₂、H₂O、CO等があるが、特にその種類は問わない。
以上のような製造工程において、Si／Feの比率は、ＣＶＤ条件や酸化条件によって制御することが可能である。

なお、表層酸化物の組成は、光電子分光法（ＸＰＳ）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて分析することができる。ＸＰＳは、Ｘ線を照射して発生してくる光電子のスペクトルを測定する方法であり、ＡＥＳは、電子線を照射して発生してくるオージェ電子のスペクトルを測定する方法である。両者ともにSiやFeのピーク位置（エネルギー）は決まっているため、その強度を測定し、予め求められている感度係数を利用して定量することが可能である。

一例としてＸＰＳを用いて表面のSi，Feを定量する方法を示す。
導電性テープの上に密に接着させた鉄粉試料を、ＸＰＳ装置内に挿入し、Ｘ線源としてのAlKαを試料の0.5mm四方に照射する。照射領域から発生する光電子を分光器で分光し、Si2pおよびFe2pの強度を積算する。得られた強度から相対感度係数を用いて定量値に変換する。
また、Si系酸化膜中のSiO₂の割合を求める方法としても、ＸＰＳを用いることができる。ここで、対象としている鉄粉表面のSiの形態としては、Fe中固溶SiおよびSiO₂の他に、Fe₂SiO₄やFeSiO₃が考えられる。ＸＰＳを用いてSi2pのスペクトルを測定すると、図１(a)に示すように、金属SiとSiO₂のピークはそれぞれ、99.6 eV、103.5 eV近傍に現れる。また、Fe₂SiO₄のピークはほぼその中間に、さらにFeSiO₃のピークはSiO₂とFe₂SiO₄のピークのほぼ中間に現れる。従って、実際のSi2pスペクトルをピーク分離することにより、SiO₂の割合を求めることができる。

ここに、鉄粉の表面に形成するSi系酸化物からなる酸化膜の厚みは、0.1〜1.0μm程度することが好ましい。というのは、酸化膜の厚みが0.1μmに満たないと磁気特性の改善効果に乏しく、一方1.0μmを超えると圧縮性が低下し、磁束密度の低下を招くからである。

また、上記した本発明の鉄粉を、圧粉磁心のような磁性部品に適用する際には、鉄粉の表面酸化膜に重ねて、さらに絶縁被覆処理を施し、鉄粉粒子表面を層状に覆う皮膜構造の絶縁層を形成することが好ましい。絶縁被覆用の材料としては、鉄粉を加圧成形して所望の形状に成形した後でも要求される絶縁性を保持できるものであればよく、特に限定されることはない。かような材料としては、Al，Si，Mg，Ca，Mn，Zn，Ni，Fe，Ti，Ｖ，Bi，Ｂ，Mo，Ｗ，NaおよびＫ等の酸化物が例示できる。また、スピネル型フェライトのような磁性酸化物、水ガラスに代表される非晶質材を使用することもできる。さらに、絶縁被覆用材料として、リン酸塩化成処理皮膜やクロム酸塩化成処理皮膜なども挙げられる。リン酸塩化成処理皮膜にはホウ酸やMgを含むこともできる。

また、絶縁材料としては、リン酸アルミニウム、リン酸亜鉛、リン酸カルシウムおよびリン酸鉄等のリン酸化合物を用いることもできる。さらに、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂およびポリイミド樹脂等の有機樹脂を用いてもよい。その他、特開2003−303711号公報に開示された材料を絶縁被覆用材料に用いても何ら問題はない。

なお、絶縁材料の鉄粉粒子表面への付着力を高めるため、あるいは絶縁層の均一性を高める目的で、界面活性剤やシランカップリング剤を添加してもよい。界面活性剤やシランカップリング剤を添加する場合、その添加量は、絶縁層全量に対し0.001〜１質量％の範囲とすることが好ましい。

鉄粉表面酸化膜に重ねて形成する絶縁層の厚さは、10〜10000nm程度とすることが好ま しい。10nm未満では、絶縁効果が十分でなく、一方10000nmを超えると磁性部品の密度が低下し、高い磁束密度が得られなくなる。
かような絶縁層の形成方法としては、従来から公知の皮膜形成方法（コーティング方法）がいずれも好適に適用できる。使用できるコーティング方法としては、流動層法、浸漬法、噴霧法などが挙げられる。なお、いずれの方法においても、被覆工程の後あるいは被覆工程と同時に、絶縁材料を溶解または分散させる溶媒を乾燥する工程が必要となる。また、絶縁層の鉄粉粒子に対する密着性を高めて、加圧成形時における剥離を防止するために、絶縁層と鉄粉粒子表面との間に反応層を形成してもよい。かような反応層の形成は、化成処理を施すことによるのが好ましい。

上記したような絶縁被覆処理を施し、鉄粉粒子表面に絶縁層を形成した鉄粉（絶縁被覆鉄粉）を加圧成形して、圧粉磁心とする。
なお、加圧成形に先立ち、鉄粉には必要に応じ金属石鹸、アミド系ワックス等の潤滑剤を配合することもできる。潤滑剤の配合量は、鉄粉：100質量％に対し0.5質量％以下とすることが好ましい。というのは、潤滑剤の配合量が多くなると、圧粉磁心の密度が低下するためである。

加圧成形方法としては、従来公知の方法がいずれも適用できる。例えば、一軸プレスを用いて常温で加圧成形する金型成形工法、温間で加圧成形する温間成形工法、金型を潤滑して加圧成形する金型潤滑工法、それを温間で行う温間金型潤滑工法、あるいは高圧で成形する高圧成形工法、静水圧プレス法などである。
なお、上記のようにして得られた圧粉磁心は、磁気特性を向上させるために歪取りの目的で400℃以上、より好ましくは600〜1000℃の温度域で焼鈍を施すことが好ましい。焼鈍時間は、効果ならびに経済性の観点から５〜300分、より好ましくは10〜120分程度とするのが好適である。

実施例１
鉄粉として、市販の球状鉄粉を使用した。球状鉄粉中のSi含有量は0.01質量％未満であった。この鉄粉を石英容器内に層厚：３〜10mmに広げ、熱ＣＶＤ法により、鉄粉の表面にSiを堆積した。具体的には、アルゴンガス中にて700〜1000℃で５分間予熱後、１〜30分間、SiCl₄ガスを１NL/min/kgの流量で流し、鉄粉の表面にSiを堆積した。酸化処理は、Si堆積中またはSi堆積後に実施した。処理温度と時間および酸素分圧は表１のように設定した。

かくして得られた鉄粉表面の酸化膜をＸＰＳ分析し、皮膜中のSi／Fe比、SiO₂量およびSiO₂／Fe₂SiO₄比について調べた結果を、表１に併記する。
なお、ＸＰＳの測定には、KRATOS社製のAVIS-HSを用い、AlKαモノクロメーターを使用してSi2pとFe2pのスペクトルを測定したのち、KRATOS社製のソフトVision２の相対感度係数法により、原子濃度を算出した。

ついで、酸化膜付き鉄粉に対し、以下の方法によりシリコーン樹脂を被覆した。シリコーン樹脂としては東レダウコーニング社の「SR2400」を用いた。樹脂分で５質量％となるようにキシレンで調整した被覆液を、転動流動層型被覆装置にて装置容器内で流動化させた鉄粉に、スプレーを用いて樹脂分が0.5質量％となるように噴霧した。噴霧終了後、乾燥を確実にするために流動状態を20分間維持した。さらに、大気中にて250℃で60分間の加熱処理を行い、シリコーン樹脂を加熱硬化させて絶縁被覆鉄粉とした。

このようにして得られた絶縁被覆鉄粉を、加圧成形して測定用のリング状の圧粉磁心（外径：38mm、内径：25mm、高さ：6.2mm）を作製した。なお、成形の際には、金型内にステアリン酸亜鉛の５質量％アルコール溶液を塗布して金型潤滑を行い、成形圧力：980MPaで成形した。得られた圧粉体を窒素雰囲気中で800℃、60分間、歪み取りのために焼鈍した。

かくして得られた圧粉磁心の比抵抗について調べた結果を、表１に併せて示す。
なお、比抵抗は、四端子法により通電電流：１Ａで測定した。

表１から明らかなように、表面に本発明に従う酸化膜を被覆した鉄粉はいずれも、高い比抵抗が得られた。
これに対し、表面酸化膜のSi／Fe比が1.05未満であったり、Fe ₂ SiO ₄ に対するSiO ₂ の存在割合が4.5倍未満である比較例は、小さな比抵抗しか得られなかった。

なお、参考のために、図１(b)に、表１のNo.２の発明例２の酸化膜のＸＰＳによるSi2pのピーク分離を示したが、この例はSiO₂の存在割合が高いことを示す理想的なピーク分離を呈しており、それ故、表１に示すように高い比抵抗値が得られたものと考えられる。

(a)は、ＸＰＳによるSi2pのピーク分離例、(b)は、理由的なSi2pのピーク分離例である。

Claims (3)

1. 非酸化性雰囲気下、700〜900℃の温度範囲で熱ＣＶＤ法によって鉄粉の表面にSiを堆積し、このSi堆積中またはSi堆積後に、酸素分圧が10^-24〜10^-4Paの条件で酸化処理を施して得た酸化膜を表面にそなえる鉄粉であって、該酸化膜が、SiとFeの割合が原子数比でSi／Fe≧1.05を満足し、かつFe ₂ SiO ₄ に対するSiO ₂ の存在割合が4.5倍以上であるSi系酸化物からなることを特徴とする圧粉磁心用鉄粉。
2. 前記Si系酸化物が、60質量％以上の割合でSiO₂を含有することを特徴とする請求項１記載の圧粉磁心用鉄粉。
3. 前記Si系酸化物において、Fe₂SiO₄に対するSiO₂の存在割合が７倍以上であることを特徴とする請求項１または２記載の圧粉磁心用鉄粉。

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