JP5306240B2 - 金属粉末ポリマー複合材料 - Google Patents

Description

本発明は、複合部品の新規な製造方法に関する。その方法は、粉末組成物を圧密して圧密体にするステップと、次の熱処理ステップとを含み、それによって開孔系が創出され、次に浸透ステップが行われる。本発明はまた、さらに、複合部品に関する。

軟質磁性材料は、電気機械、アクチュエータ、センサー、及び変圧器用磁心向けの、誘導子、固定子、及びローターの磁心材料などの用途で使用することができる。従来は、電気機械のローター及び固定子などの軟質磁心は、積層鋼シートラミネートから作製される。しかし、最近数年間において、いわゆる軟質磁性複合（ＳＭＣ）材料への関心が非常に高まっている。このＳＭＣ材料は、（通常鉄系の）軟質磁性粒子に基づいており、各粒子に電気絶縁性のコーティングが施用されている。従来の粉末冶金プロセスを使用して、絶縁粒子を、任意選択的に潤滑剤及び／又は結合剤と一緒に圧密することによってＳＭＣ部品が得られる。粉末冶金技法を使用することによって、鋼シートラミネートを使用するのと比較してＳＭＣ部品の設計の自由度がより大きい材料を製造することが可能である。というのはＳＭＣ材料が３次元磁束を帯びることができ、且つ圧密プロセスを用いて３次元形状を得ることができるからである。

ＳＭＣ材料に対する関心が増加した結果、こうした材料の利用度を拡大するため、ＳＭＣ材料の軟質磁性特性を改良することが広範な研究の主題である。かかる改良の実現を目的として、新規の粉末及び方法の開発が続けられている。

鉄心部品の重要な２つの特性は、その透磁率と磁心損失特性である。ある材料の透磁率は、その磁化能又はその帯磁束能の指標である。透磁率は、誘導磁束対磁化力又は磁界強度の比として定義される。磁性材料を例えば、交流電場などの交番場にさらすと、ヒステリシス損失と渦電流損失の双方のためにエネルギー損失が生ずる。ヒステリシス損失は、鉄心部品内の残留磁力に打ち勝つためのエネルギー消費が必要であるために発生し、例えば、交流電場の周波数に比例している。渦電流損失は、交流電流（ＡＣ）条件によって引き起こされる磁束変化のために鉄心部品内に電流が生成することによって発生し、交流電場の周波数の二乗に比例している。従って、高い電気抵抗率は、渦電流を最小化するために望ましく、例えば、約６０Ｈｚ超などのより高い周波数では特に重要である。磁心部品のヒステリシス損失を減少させ、透磁率を増加させるためには、一般に、圧密部品を熱処理することが望ましく、それによって、圧密による誘導応力が減少する。さらには、高透磁率、高誘導、及び低磁心損失などの所望の磁性特性を実現することを目的として、圧密部品の密度の高いことが必要である場合が多い。本明細書で、高密度とは、鉄系圧密部品については、７．０ｇ／ｃｍ^３超、好ましくは、７．３ｇ／ｃｍ^３超、最も好ましくは、約７．５ｇ／ｃｍ^３の密度として規定される。

軟質磁性特性に加えて、機械特性が十分であることが必須である。亀裂の発生、ラミネート化、及び吹出物を防止し、圧密及び熱処理後に機械加工操作に供される圧密体の磁気特性が良好であるためには、高い機械強度は必須条件である場合が多い。また、含浸ポリマーネットワークの潤滑特性により、切断機器の寿命を顕著に増加させることもできる。

ＳＭＣ部品の利用の拡大を可能にするためには、高温での高強度は、例えば、自動車のモーター磁心、点火コイル、及び注入バルブなどの用途で使用される部品用などには重要な特性である。

圧密前にＳＭＣ粉末に結合剤を混合することによって、圧密及び熱処理した部品の機械強度を改良することができる。特許文献には、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂などの数種の有機樹脂、シリケート又はケイ素樹脂などの無機結合剤が報告されている。有機樹脂結合部品の熱処理は、有機材料が約２５０℃超の温度で破壊するので、約２５０℃未満の比較的低温に限定されている。熱処理有機結合部品の周囲条件下の機械強度は良好であるが、１００℃を超えると悪化する。無機樹脂は、より高い温度にさらされても機械特性への影響を免れることができるが、無機結合剤を使用すると、不十分な粉末特性、不十分な圧縮性、不十分な機械加工性が伴う場合が多く、多量に必要な場合が多いので、より高い密度水準とすることができない。

米国特許第６４８５５７９号には、水蒸気の存在下で部品を熱処理することによってＳＭＣ部品の機械強度を増進する方法が記載されている。空気中で熱処理された部品に比較してより高い値の機械強度が報告されているが、磁心損失が増加する。同様の方法が、ＷＯ２００６／１３５３２４に記載されており、金属を含まない潤滑剤を使用するという条件下で、改良された透磁率と合わせて高い機械強度が得られている。部品を水蒸気にさらす前に、非還元雰囲気において潤滑剤を蒸発させる。しかし、部品が水蒸気処理を受けると、鉄粒子の酸化によって、保磁力、従って磁心損失も増加することになる。

例えば、有機ネットワークによる、ダイカスト又は金属粉末（Ｐ／Ｍ）部品の含浸、浸透、及びシーリングは、表面腐食又はシール表面細孔を防止するための公知の方法である。Ｐ／Ｍ部品の密度及び加工条件に強く依存しながら、有機ネットワークの浸入度は変化することになる。低い密度水準（理論密度の＜８９％）、及び穏和な焼結条件又は熱処理によって、浸入が容易になり、含浸が十分になる。高密度及び低空隙率を有する高性能材料では、十分な含浸を実現するための必要条件が限定される。

ＳＭＣ部品を含浸して、プロトタイプ部品を製造するための機械加工性を改良し、又は耐腐食性を改良することが、例えば、特許出願ＪＰ ２００４−１７８６４３に示されており、含浸液体は、一般に油から構成される。この方法では機械加工性がわずかしか改良されないのみならず、表面がグリース状で滑りやすく、取扱い性がより低下している。油は、決して固体になることはないので、切断機具の寿命を顕著に改良することはない。同様に、非硬化性又は軟質シーラントも機械加工性にほとんど寄与しない。複合部品が高い機械強度を有すると同時に、ポリマーの硬化機構が信頼性を有することは、一貫性のある機械加工性能を保証するために最良である。

米国特許第６３３１２７０号及び同第６５４８０１２号の双方には、適切な潤滑剤と一緒に粉末を圧密した後に熱処理することによって非被覆強磁性粉末からＡＣ軟質磁性部品を製造するための方法が記載されている。より高い機械強度を必要とする用途では、部品は例えば、エポキシ樹脂で含浸できることも述べられている。非被覆粉末が使用されているので、部品がより高い周波数、即ち、約６０Ｈｚ超に供される用途のために使用される場合、こうした方法は、渦電流損失が高いゆえに、なお不適切である。米国特許第５９９３７２９号には、非被覆鉄系粉末、及び金型壁を潤滑化することによって製造される低密度圧密体の含浸が、主として取り扱われている。その特許にはまた、粒子が個別に非結合性電気絶縁性層で被覆され、ゾルゲル法によるか又はリン酸処理により施用された酸化物を含む粉末も挙げられている。米国特許第５９９３７２９号に記載の圧密軟質磁性要素は、電気抵抗性が不十分であるので、約６０Ｈｚ未満の低周波数で作動する用途に限定される。加えて、含浸プロセスの前に粉末又は圧密体を酸化性熱処理するので、特に高密度圧密体、約７．０ｇ／ｃｍ^３超、特に約７．３ｇ／ｃｍ^３超の高密度圧密体では、含浸液体の細孔内への浸入が限定され、又は完全に抑制されることになる。

本発明の目的
本発明の目的は、熱処理（ＳＭＣ）部品、特に、理論密度の約８９％超の密度（鉄系粉末から製造される部品では、約７．０ｇ／ｃｍ^３超）を有し、酸化性雰囲気下で通常の熱処理をすることによってより高い機械強度が実現されたＳＭＣ圧密体と比較してより低い保磁力を有する部品の機械強度を増進するための方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、高密度と、例えば、約１５０℃超の高温での高い機械強度との両方を有する含浸部品を製造するための方法を提供することである。

発明の概要
本発明の上記の目的は、潤滑剤を含む粉末組成物を圧密して圧密体にするステップと、圧密体を潤滑剤の蒸発温度より高い温度まで加熱して、圧密体から潤滑剤を実質的に除去するステップと、得られた熱処理圧密体を、ナノメートルサイズ及び／又はマイクロメートルサイズの補強構造体を含む液状ポリマー複合材料にさらすステップと、乾燥及び／又は少なくとも１つの硬化処理によって、液状ポリマー複合材料を含む熱処理圧密体を固化させるステップとを含む、複合部品を製造するための方法によって達成される。

また、圧密体が小さい空洞を含む場合、熱処理圧密体を、ナノメートルサイズ及び／又はマイクロメートルサイズの補強構造体を含む液状ポリマー複合材料にさらすことによって、液状ポリマー複合材料は、熱処理圧密体に含浸及び／又は浸透することが可能になる。液状ポリマー複合材料を含む熱処理圧密体を次いで固化させることによって、ナノメートルサイズ及び／又はマイクロメートルサイズの補強構造体を含む相互貫通するネットワークが提供され、それによって、従来の含浸及び／又は浸透方法に比較して機械強度が増加し、機械加工性が増進した熱処理圧密体がもたらされる。

本発明の相互貫通する有機ネットワークによって、機械強度の改良の他に、従来の含浸又は浸透方法に比較して機械加工特性の増進ももたらされる。有機ポリマーを選択して、含浸圧密体に高温における高い機械強度、即ち、約１５０℃で約１００ＭＰａ超を付与することができる。

本発明によって、理論密度の最高９８％まで圧密体を含浸することが十分可能になる。また、圧密体内に、潤滑特性を有し得る相互貫通するネットワークを導入すると、従来の含浸及び／又は浸透方法に比較して、熱処理圧密体を加工するのに使用される切断機具及び機械類の寿命を顕著に増加させることもできる。

本発明の一実施形態では、粉末組成物は、軟質磁性粉末、好ましくは、鉄系軟質磁性粒子をさらに含み、かかる粒子は、電気絶縁性コーティングをさらに含む。

従って、本方法はまた、軟質磁性部材／部品も製造し、それによって、熱処理圧密体の機械強度を増加させると共に、軟質磁性特性を改良することができる。

さらになお、本方法は、ＳＭＣ部品の機械加工特性を改良することができ、それによって、機械加工作業後も良好な磁性特性を維持することができる。

加えて、本方法によって、高密度と高機械強度との双方を有する含浸軟質磁性部品の製造が可能になる。密度及び機械強度の増加は、高温、例えば、約１５０℃超においてもあり得る。

加えて、本発明は、従って、例えば、磁歪力などの原動力によって引き起こされるノイズに対して、ノイズ低減又は音響減衰特性を有する軟質磁性複合材料部品を製造するための方法も提供する。

本発明の一実施形態では、補強構造体は、カーボンナノチューブ、好ましくは、単層ナノチューブを含む。

カーボンナノチューブは、熱処理圧密体の強度を増加させる。補強構造体は、化学的に官能化されていてもよい。

本発明の一実施形態では、本方法は、圧密体を熱処理した後に熱処理体を焼結するステップをさらに含む。

このようにして、本発明による方法は、例えば、焼結部品に適用することができる。従って、焼結が行われる加熱温度にさらされる部品も、本方法によって製造することができる。焼結の場合には、粉末粒子は、被覆されている必要はない。

本方法のさらなる実施形態は、添付の特許請求の範囲及び図面と一緒に以下の詳細な説明で説明される。

加えて、本発明は、複合部材をさらに記載する。

発明の詳細な説明
公知の含浸又は浸透方法と異なり、本発明は、鉄系粉末から製造された圧密体のような７．７０ｇ／ｃｍ^３もの高密度の物体にポリマー複合液体が十分浸入することを可能とするものである。従って、本発明による含浸ＳＭＣ圧密体は、低温から高温（例えば、約１５０℃超）までの広い範囲において予期し得ないほど高い機械強度、改良された機械加工特性、及び改良された耐腐食性を発揮することができる。

ポリマー含浸ＳＭＣ圧密体のさらなる側面は、高誘導及び高周波数用途での音響特性の明確な減衰（即ち、ノイズの低減）である。例えば、磁歪又はその他の機械負荷のような原動力に由来するノイズは、非含浸圧密体と異なり、含浸を用いて低減することができる。ノイズの低減は、含浸体の体積分率（即ち、より小さい圧密密度）とともに増進する。

本発明により使用される軟質磁性粉末は、純鉄粉末、或いは鉄と、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、又はＡｌなどのその他の元素との合金を含む粉末などの電気絶縁性鉄系粉末とすることができる。例えば、軟質磁性粉末は、純鉄から実質的になってもよく、又は少なくとも鉄系とすることもできる。例えば、かかる粉末は、例えば、市販の水アトマイズ化若しくはガスアトマイズ化鉄粉末、又はスポンジ鉄粉末などの還元鉄粉末とすることができる。

本発明により使用できる電気絶縁層は、米国特許第６３４８２６５号（その記載は参照により本明細書の記載の一部とする）に記載されたタイプのリン含有薄層及び／又は障壁層及び／又はコーティングとすることができる。その他のタイプの絶縁層も使用することができ、例えば、米国特許第６５６２４５８号及び同第６４１９８７７号に開示されている。絶縁化粒子を有し、本発明による出発材料として使用できる粉末は、例えば、Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢ、Ｓｗｅｄｅｎから入手可能であるＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００及びＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００である。

金属粉末組成物で使用される潤滑剤のタイプは、重要である場合があり、例えば、約２００℃超の温度、実施可能であれば電気絶縁コーティング又は層の分解温度未満の温度で蒸発する有機潤滑物質から選択することができる。

細孔を閉鎖し、それによりその後の含浸が行われるのを妨げる恐れのある残渣を残さずに蒸発する潤滑剤を選択することができる。金属石けんは、例えば、鉄又は鉄系粉末の金型圧密で通常使用されるが、部品中に金属酸化物残渣を残す。しかし、７．５ｇ／ｃｍ^３未満の密度の場合は、こうした残渣の負の影響は、顕著ではないので、こうした条件下では金属含有潤滑剤の使用が可能になる。

潤滑剤の他の例は、脂肪族アルコール、脂肪酸、脂肪酸の誘導体、及びワックスである。脂肪族アルコールの例は、ステアリルアルコール、ベヘニルアルコール、及びそれらの組合せである。飽和又は不飽和脂肪酸の第一級及び第二級アミド、例えばステアルアミド、エルシルステアルアミド及びそれらの組合せも使用することができる。ワックスは、例えば、エチレンビスステアルアミドなどのポリアルキレンワックスから選択することができる。

使用する潤滑剤の量は可変であり、例えば、圧密される組成物の０．０５〜１．５重量％、或いは０．０５〜１．０重量％、或いは０．１〜０．６重量％とすることができる。

潤滑剤の量が組成物の０．０５重量％未満であると、潤滑性能を不十分にする恐れがあり、そのために射出成形部品の表面に引っかき傷を生じる恐れがあり、表面の細孔を閉鎖し、その後の蒸発及び含浸プロセスを複雑にする恐れがある。被覆粉末から製造された圧密部品の電気抵抗率は、主として、内側と外側の双方の潤滑が不十分であることによって引き起こされる不良絶縁層のために、悪影響を受ける恐れがある。

潤滑剤の量が組成物の１．５重量％を超えると、射出特性が改良される場合があるが、一般には、圧密部品の圧粉（グリーン）密度が低すぎるので、磁気誘導及び透磁率が低下する。

圧密は周囲温度又は高温で実施することができる。粉末及び／又は金型は圧密前に予熱することができる。例えば、金型温度は使用した潤滑物質の融点より６０℃以下まで低い温度に調整することができる。例えば、ステアルアミドでは、約１００℃で溶融するので、金型温度は、４０〜１００℃とすることができる。

圧密は、４００〜１４００ＭＰａで実施することができる。或いは、圧密は、６００〜１２００ＭＰａの圧力で実施することができる。

次いで、圧密体を熱処理に供することにより、潤滑剤の蒸発温度を超える温度で非酸化性雰囲気において潤滑剤を除去することができる。粉末が絶縁層で被覆されている場合、熱処理温度は無機電気絶縁層の分解温度未満とすることができる。

例えば、多数の潤滑剤及び絶縁層では、このことは、蒸発温度は６５０℃未満、例えば５００℃未満、例えば２００〜４５０℃でなければならないことを意味する。しかし、本発明による方法は、こうした温度に特に限定されるものではない。熱処理は、不活性雰囲気、特に非酸化性雰囲気、例えば窒素又はアルゴンなどの中において実施することができる。

熱処理が酸化性雰囲気で実施される場合、鉄又は鉄系粒子の表面酸化が起こる恐れがあり、含浸剤（即ち、含浸液体）が圧密体の多孔性ネットワーク内に流入することが制限又は阻害される恐れがある。酸化の程度は、雰囲気の温度及び酸化ポテンシャルによる。例えば、空気の温度が約４００℃未満である場合、適当な含浸剤の浸入が行われ得る。これによって、含浸圧密体は許容可能な機械強度を有することができるが、許容不可能な応力緩和がもたらされ、その結果、磁気特性が不十分になる恐れがある。

次いで、脱潤滑剤体は、含浸剤内に、例えば、含浸容器内で浸漬することができる。次いで、含浸容器内を減圧にすることができる。含浸容器の圧力が約０．１ｍｂａｒ未満に達した後、圧力を大気圧まで戻し、これによって、圧力が平衡するまで含浸剤を圧密体の細孔内に強制流入させる。含浸剤の粘度、圧密体の密度、及び圧密体の大きさにより、圧密体に十分含浸するのに必要な時間及び圧力は変わり得る。

含浸は、高温（例えば、最高５０℃）で実施することによって、液体の粘度を低下させ、圧密体への含浸剤の浸入を改良し、並びにプロセスに要する時間を短縮することができる。

さらには、圧密体を、含浸剤に浸漬する前に減圧及び／又は高温にさらすことができる。それによって、圧密体内に存在する捕捉空気及び／又は凝縮ガスは、除去することができ、従って、その後の含浸を、より速やかに進行させることができる。低圧下で含浸処理をした後に、圧力を周囲圧より高めると、浸入を、より速やかに及び／又はより完全に進行させることもできる。

しかし、真空プロセス中に揮発性材料が失われることにより含浸剤の化学量論が変化しないように注意をしなければならない。従って、含浸時間、圧力、及び温度は、部品の密度、部品が熱処理される温度及び／又は雰囲気、並びに、所望の強度、浸入深さ、及び含浸剤のタイプを考慮して当業者において決定することができる。

含浸プロセスは、圧密体の表面で開始され、圧密体の中心に向かって浸入する。部分含浸を完了してもよい場合もあり、従って、本発明の一実施形態によれば、圧密体の粒子すべての表面を含浸液体にさらす前に、含浸プロセスが終了する。この場合には、含浸クラストが、非含浸コアを囲繞する場合がある。従って、その浸入度でも部品に許容可能なレベルの機械強度及び機械加工特性がもたらされるという条件下では、圧密体全体に浸入が完全に行われる前に含浸プロセスを停止することができる。

圧密体の金属ネットワークと含浸剤との間の化学的な適合性が好ましくない場合、圧密体の相互貫通空隙の表面は、本発明による含浸処理をする前に、有機官能性シラン若しくはシラザン、チタネート、アルミネート、又はジルコネートなどの、表面改質剤、架橋剤、カップリング及び／又は湿潤剤を用いて処理することができる。その他の金属アルコキシド、並びに無機シラン、シラザン、シロキサン、及びケイ酸エステルも使用することができる。

液体ポリマー複合剤の圧密体への浸入が特に困難である場合もあり、含浸プロセスは磁歪力により改良することができる。それによって、部材、圧密体及び含浸流体は、含浸プロセスの際に、外部交番磁場にさらすことができる。

余剰の含浸剤は、含浸圧密体が高温及び／又は嫌気性雰囲気で硬化する前に、除去することができる。余剰の含浸剤は、例えば、遠心力及び／又は圧縮空気及び／又は適切な溶媒への浸漬によって除去することができる。例えば、ＳｏｕｎｄＳｅａｌ ＡＢ、スエーデン及びＰ．Ａ．Ｓｙｓｔｅｍ ｓｒｌ、イタリーによって用いられる方法などの含浸手順を適用することができる。余剰の含浸剤を除去する方法は、例えば、真空室及び／又は市販の真空炉でバッチ式で実施することができる。

本発明による含浸用ポリマー系は、例えば、硬化性有機樹脂、熱硬化性樹脂、及び／又はその融点未満で固化して熱可塑性材料になる溶融性ポリマーとすることができる。

ポリマー系は、例えば、ファンデルワールス力、水素結合、及び共有結合などの物理的及び／又は化学的な力により、ナノメートルサイズの構造体との統合が好適に可能である任意の系又は系の組合せとすることができる。

取扱いを簡単にし、連続運転で樹脂を使用するために、ポリマー系は、例えば、高温（例えば、約４０℃超）及び／又は嫌気性環境で硬化する樹脂の群から選択することができる。含浸用のこうしたポリマー系の例は、例えば、室温における粘度が低く、熱安定性が良好であるエポキシ又はアクリル型樹脂とすることができる。

本発明による熱硬化性樹脂は、例えば、ポリアクリレート、シアネートエステル、ポリイミド及びエポキシなどの架橋ポリマー種とすることができる。エポキシに代表される熱硬化性樹脂は、エポキシド基を含むエポキシ樹脂種と、対応する架橋用官能基を構成する硬化剤との間に架橋が生じる樹脂とすることができる。架橋というプロセスは「硬化」という用語で呼ばれる。

ポリマー系は、ファンデルワールス力、水素結合、及び共有結合などの物理的及び／又は化学的な力により、ナノメートルサイズの構造体ととの統合が好適に可能である任意の系又は系の組合せとすることができる。

エポキシの例として、限定されるものではないが、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（ＤＧＢＡ）、Ｆ型ビスフェノール、テトラグリシジルメチレンジアニリン（ＴＧＤＤＭ）、ノボラックエポキシ、脂環式エポキシ、臭素化エポキシが挙げられる。

対応する硬化剤の例として、限定されるものではないが、アミン、酸無水物、及びアミドなどが挙げられる。多様な硬化剤として、アミン、即ち、ビスパラアミノシクロヘキシルメタン（ＰＡＣＭ）などの脂環式アミン、トリエチレンテトラミン（ＴＥＴＡ）及びジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）などの脂肪族アミン、ジエチルトルエンジアミンなどの芳香族アミンその他を更に例示することができる。

嫌気性樹脂は、酸素を除去すると架橋される任意のポリマー又はオリゴマー系から選択することができ、ウレタンアクリレート、メタクリレート、メタクリル酸メチル、メタクリレートエステル、ポリグリコールジ又はモノアクリレート、アリルメタクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレートのようなアクリル樹脂、及びヒドロキシエチルメタクリレート−Ｎ−Ｎ−ジメチル−ｐ−トルイジン−Ｎ−オキシドのようなより複雑な分子、並びにそれらの組合せが例示される。

本発明による熱可塑性樹脂は、含浸のためにやはり加熱できる溶融性材料とすることができる。含浸用の材料の例として、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレンビニルアセテートなどの低温ポリマーからポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、フルオルエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、及びポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）などの高温材料までの範囲のものが挙げられる。ポリマー系は、限定されるものではないが、可塑剤、酸化防止剤などの劣化防止剤、希釈剤、強化剤、合成ゴム、及びそれらの組合せなどの添加剤をさらに含むことができる。

ポリマー系の設計によって、含浸圧密体を、改良された機械強度、温度耐性、音響特性及び／又は機械加工性などの所望の特性まで到達させることが可能になる。

本発明により、例えば、粒子、板状体、ウイスカー、繊維及び／又はチューブなどのナノメートルサイズ及び／又はマイクロメートルサイズの補強構造体を機能性フィラーとしてポリマー系中に組み込むことによって多様な用途に対する多様なポリマー相を設計し、加工することが可能になる。本明細書では、「ナノメートルサイズ」という用語は、３次元構造の少なくとも２方向の寸法が１ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にあることを意味する。また、２００ｎｍ〜５μｍの範囲の繊維、ウイスカー及び粒子などのマイクロメートルサイズの材料は、例えば、圧密体中の相互貫通ネットワークの空隙が大きい場合に使用することができる。

こうした構造体は、改良された特性によって、ポリマー系／含浸剤の相互貫通ネットワークに寄与することができる。ポリマー相内での所望の分散を成就するために、ナノメートルサイズの構造体は化学的に官能化することができる。官能化されたナノメートルサイズ及び／又はマイクロメートルサイズの構造体は、適合性溶媒を添加し、熱処理し、真空処理し、撹拌し、カレンダリングし、又は超音波処理することによってポリマー相中にさらに分散し、本明細書記載の液状ポリマー複合材料を形成することができる。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、即ち、単層又は多層ナノチューブ（ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ）及び／又はその他のナノメートルサイズの材料は、例えば、ポリマー系で補強構造体として使用することができる。

機能性フィラー及び／又は補強構造体のそれぞれ個々の構成成分の少なくとも２方向の寸法は、例えば、２００ｎｍ未満、或いは、例えば、５０ｎｍ未満、或いは、１０ｎｍ未満とすることができる。

例えば、機能性フィラー及び／又は補強構成成分の形状は、例えば、０．２μｍ〜１ｍｍの長さのチューブ及び／又は繊維及び／又はウイスカーのように延伸されたものであってもよい。

機能性フィラー及び／又は補強構成成分の表面は、例えば、化学的に官能化することにより、選択されたポリマー系と適合させることができる。それによって、機能性フィラー及び／又は補強構成成分は、ポリマー系内に実質的に完全に分散することができ、凝集を回避することができる。かかる官能化は、例えば、表面改質剤、架橋剤、カップリング及び／又は湿潤剤を使用して行うことができ、それらは、多様なタイプの有機官能性シラン若しくはシラザン、チタネート、アルミネート、又はジルコネートとすることができる。その他の金属アルコキシド、並びに無機シラン、シラザン、シロキサン、及びケイ酸エステルも使用することができる。

カーボンナノチューブ及びナノ粒子などのナノメートルサイズである構造体は、多数の、しかも増加しつつある供給先から入手可能である。ＣＮＴで補強されたポリマー樹脂は、例えば、Ａｍｒｏｙ Ｅｕｒｏｐｅ，Ｉｎｃ（Ｈｙｂｔｏｎｉｔｅ（登録商標））又はＡｒｋｅｍａ／Ｚｙｖｅｘ Ｌｔｄ（ＮａｎｏＳｏｌｖｅ（登録商標））から市販されている。

一般には、上記及び／又は下記の技術的特徴及び／又は実施形態のいずれをも、一実施形態に統合することができる。或いは又はさらには、上記及び／又は下記の技術的特徴及び／又は実施形態のいずれをも、別個の実施形態とすることができる。或いは又はさらには、上記及び／又は下記の技術的特徴及び／又は実施形態のいずれをも、上記及び／又は下記の任意の数のその他の技術的特徴及び／又は実施形態と統合することによって任意の数の実施形態を得ることができる。

一部の実施形態を説明し、詳細に示したが、本発明は、それらに限定されることはなく、以下の特許請求の範囲に規定された技術的事項の範囲内で異なる仕方で実施することもできる。具体的には、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の実施形態も利用することができ、構造及び機能面での改変も行うことができることは理解されるべきである。

数種の手段が列挙された装置請求項では、これらの数種の手段は、同じ１つの品目の機械設備によって実施することができる。ある種の手段が、相互に異なる従属請求項に記載されており、又は異なる実施形態で記載されているという事実のみによって、これらの手段の組合せを使用することによって有利な効果を得ることができないということはない。

本明細書で使用される「含む／含んでいる」という用語は、記載された複数の特徴、整数、ステップ又は部品が存在することを特定するものであるが、１つ又はそれ以上のその他の特徴、整数、ステップ、部品又はそれらの群が存在すること若しくは追加されることを排除するものではないことは強調されなければならない。

以下の例に見られるとおり、本発明による方法によって新規なタイプの軟質磁性複合材料部品を得ることができる。

以下の非限定的な例によって本発明をさらに説明する。

（例１）
出発材料として、Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢから入手可能なＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００を使用した。１つの組成物（試料Ａ）を０．３重量％の有機潤滑剤であるステアルアミドと混合し、第２の組成物（試料Ｂ）を０．６重量％の有機潤滑結合剤であるポリアミドＯｒｇａｓｏｌ（登録商標）３５０１と混合した。

これらの組成物を８００ＭＰａで圧密して、内径４５ｍｍ、外径５５ｍｍ、高さ５ｍｍのトロイダル試料となし、表１に指定の密度の抗折強度試料（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ、ＴＲＳ試料）となした。金型温度を８０℃の温度に制御した。

圧密した後に、試料を金型から射出し、熱処理に供した。試料Ａの３つの圧密体を、それぞれ、空気（Ａ１）及び窒素（Ａ２、Ａ３）雰囲気で１５分間５３０℃で処理した。試料Ａ２は、ＣＮＴで補強されたエポキシ樹脂を使用して本発明による含浸に更に供した。窒素中で処理された試料Ａの第３の圧密体（Ａ３）は、ＷＯ２００６／１３５３２４に記載の方法により５２０℃での水蒸気処理に更に供した。試料Ｂの圧密体は空気中で６０分間２２５℃で処理した。

ＩＳＯ３９９５に従ってＴＲＳ試料について抗折強度を測定した。Ｂｒｏｃｋｈａｕｓ製のヒステリシスグラフを使用して１００ドライブ及び１００センスターンでトロイダル試料について磁気特性を測定した。保磁力は１０ｋＡ／ｍで測定し、磁心損失は１Ｔ及び４００Ｈｚで測定する。
表１

表１から分かるように、試料の高い機械強度は、本発明による方法によって（Ａ２）、内部酸化によって（Ａ３）、又は有機結合剤を粉末組成物に添加することによって（Ｂ）達成することができる。しかし、有機結合剤を使用すると、熱処理温度が２２５℃までに制限されるので、磁気特性は不十分になる。水蒸気処理試料（Ａ３）は、強度は高いが、含浸試料（Ａ２）に比較して保磁力（Ｈ_ｃ）が高い。本発明により製造された試料（Ａ２）は、高機械強度で、しかも低保磁力を示す。

（例２）
Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢから入手可能な電気絶縁性軟質磁性粉末であるＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００を、それぞれ、０．５重量％のステアルアミド（Ｃ）、エチレンビスステアルアミドワックス（ＥＢＳ ワックス）（Ｄ）、及びＺｎステアレート（Ｅ）と混合し、７．３５ｇ／ｃｍ^３まで圧密した。これらの試料を空気中において３５０℃にて、又は窒素雰囲気において５３０℃にて、４５分間の更なる熱処理に供した。ステアルアミドを用いた１つの試料（Ｃ２）は空気中において５３０℃にて潤滑剤除去した。その後、潤滑剤を除去した部品はすべて、ＣＮＴで補強したエポキシ樹脂を使用して本発明による含浸に供した。例１に従って磁気及び機械特性を測定し、以下の表２にまとめた。
表２

^＊エチレンビスステアルアミド（Ａｃｒａｗａｘ（登録商標））

表３から分かるように、蒸発を実施する雰囲気及び温度は非常に重要である。

ステアルアミド（試料Ｃ）は、不活性ガスの雰囲気及び空気の双方において３００℃超で完全に蒸発する。高すぎる温度にて空気中において蒸発を行うと、表面の細孔が閉鎖され、その後の含浸が妨害されＴＲＳが低くなる（Ｃ２）。熱処理をより低い温度にて酸化性雰囲気において行うと、含浸は滞りなく行われるが、許容可能な磁気特性は得られない（Ｃ１）。

ＥＢＳワックス（試料Ｄ）は、３５０℃で蒸発させることができないが、４００℃超で圧密体から除去される。蒸発温度が低すぎると、残存有機潤滑剤が細孔を閉鎖することになる。Ｚｎステアレートは、４８０℃超で蒸発するが、ＺｎＯが残るので、これが低強度を有する含浸不十分な圧密体の原因となる。所望の歪緩和がもたらされ、従って保磁力及び磁心損失が低くなるので、可能な限り最高の蒸発温度が好ましい。

（例３）
この例では、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００の平均粒径より小さい平均粒径を有するＨｏｇａｎａｓから入手可能なＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００粉末を使用した。Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００を０．５重量％のステアルアミドと混合し、８０℃のツール金型温度を使用して８００ＭＰａで圧密した。２つの圧密試料は５００℃において不活性ガス中で１５分間さらに熱処理した（試料Ｆ及びＧ）。試料Ｇは、ＣＮＴで補強した嫌気性アクリル樹脂を使用して本発明による含浸に更に供した。

例１に従って、磁気及び機械特性を測定した。
表３

表３は、より細かい粒径を有する電気絶縁性粉末に基づく部品を製造するために本発明が使用できることを明確に示す。

（例４）
出発材料として、Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢから入手可能なＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００を使用した。粉末試料はすべて、０．３重量％の有機潤滑剤であるステアルアミドと混合した。組成物を１１００ＭＰａで圧密し、密度７．５８ｇ／ｃｍ^３のＴＲＳバー（３０×１２×６ｍｍ）とした。金型温度を温度８０℃に制御した。機械特性を例１に従って測定し、以下の表４にまとめた。

圧密した後、試料を５５０℃にて不活性雰囲気下において１５分間熱処理した。次いで、圧密体の多孔性ネットワークを、多様なタイプの含浸剤、即ち、補強硬化性ポリマー系を使用して本発明により含浸した。液状ポリマー複合材料はすべて、周囲温度で粘度が低い。補強としてＳＷＮＴを、ポリマー１．０重量％と使用した。
表４

表４から分かるように、ＴＲＳは、すべてのタイプで顕著に改良されているが、補強した場合は機械強度（例えば、ＴＲＳ）の改良は著しい。ポリマー系（即ち、含浸剤）を注意深く選択することにより、機械強度は、１５０℃またはそれ以上の温度で保持することができる。

（例５）
出発材料として、Ｈｏｇａｎａｓ ＡＢから入手可能なＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００を使用した。粉末試料すべてを０．３重量％の有機潤滑剤であるステアリルエルカミド（ＳＥ）と混合した。試料３を、０．２重量％のＳＥを使用して７．６３ｇ／ｃｍ^３まで圧密した以外は、組成物を金型温度６０℃を使用して、８００ＭＰａ又は１１００ＭＰａで圧密し、密度７．５４ｇ／ｃｍ^３まで圧密した。

圧密した後、試料を５５０℃にて不活性雰囲気において１５分間熱処理した。次いで、圧密体の多孔性ネットワークを、補強又は非補強の硬化性ポリマー又は非硬化性油などの多様なタイプの含浸剤を使用して含浸した。含浸剤はすべて、周囲温度で粘度が低く、表５に列挙する。

磁気特性は、ＯＤ６４×Ｈ２０ｍｍシリンダで、ＯＤ６４／ＩＤ３５×Ｈ１４．５ｍｍトロイド（１００ドライブ及び５０センス）にすることにより機械加工した後に測定した。
表５

^＊圧縮後密度７．６３ｇ／ｃｍ^３
＊＊水蒸気処理後機械加工
^＊＊＊圧粉機械加工後、空気中において５３０℃にて熱処理

低透磁率によって亀裂及びラミネーションの存在が示される場合があり、これらは、機械加工作業中の摩擦力及び振動に由来する。また、機械加工特性が低下すると、保磁力が増加する場合がある。機械加工特性が不良である徴候は、仕上げ表面の汚れ、吹出物、亀裂、及び道具の磨耗である。試料Ｐ乃至Ｓは、比較のために含まれている。

圧粉機械加工した部材（Ｓ）及び強度を改良するために酸化した部材（Ｒ）は、保磁力が高いのみでなく、機械加工特性も不良であり、従って、磁気特性も不良である。機械加工後の優秀な磁気特性は、被含浸体が、高い機械強度とともに良好な機械加工特性を示す場合に得られ、特に、試料Ｍ−２、Ｎ−２、及びＯ−２である。

Claims (31)

1. 潤滑剤を含む粉末組成物を圧密して圧密体にするステップと、
   圧密体を潤滑剤の蒸発温度より高い温度まで加熱して、圧密体から潤滑剤を実質的に除去するステップと、
   得られた熱処理圧密体を、ナノメートルサイズの補強構造体を含む液状ポリマー複合材料にさらすステップと、
   乾燥及び／又は少なくとも１つの硬化処理によって、液状ポリマー複合材料を含む熱処理圧密体を固化させるステップと
   を含む、複合部品を製造するための方法。
2. 粉末組成物が、軟質磁性粉末をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 粉末組成物が、鉄系粉末をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 粉末組成物中の粒子が、電気絶縁性無機コーティングを含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 前記潤滑剤が、前記電気絶縁性無機コーティングの分解温度未満の蒸発温度を有する、請求項４に記載の方法。
6. 潤滑剤の蒸発温度より高い温度まで圧密体を加熱するステップが、非酸化性雰囲気において実施される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 液状ポリマー複合材料にさらされた熱処理圧密体を一定期間減圧するステップをさらに含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 液状ポリマー複合材料にさらされた熱処理圧密体の温度を高めるステップをさらに含む、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 減圧した後に、大気圧又はそれ以上に昇圧するステップをさらに含む、請求項７又は８に記載の方法。
10. 熱処理圧密体から余剰の液状ポリマー複合材料をすすぐ及び／又は洗浄するステップをさらに含む、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
11. 補強構造体が、
    粒子、
    板状体、
    繊維、
    ウイスカー及び
    チューブ
    の１つ又はそれ以上を含む、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
12. 補強構造体の少なくとも２方向の寸法が、５μｍ未満である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 補強構造体の少なくとも２方向の寸法が、１μｍ未満である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
14. 補強構造体の少なくとも２方向の寸法が、２００ｎｍ未満である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
15. 補強構造体が、カーボンナノチューブを含む、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
16. 補強構造体が、単層ナノチューブを含む、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
17. 液状ポリマー複合材料が、
    熱硬化性樹脂、
    熱可塑性樹脂及び
    嫌気性アクリル樹脂
    の群から選択される硬化性有機樹脂を含む、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の方法。
18. 潤滑剤が、
    第一級アミド、
    飽和又は不飽和脂肪酸の第二級アミド、
    飽和又は不飽和脂肪族アルコール、
    アミドワックス、例えばエチレンビスステアルアミド、及び
    それらの組合せ
    の群から選択される、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の方法。
19. 前記粉末組成物を圧密するステップが高温で実施される、請求項１から１８までのいずれか一項に記載の方法。
20. 圧密体を加熱するステップが、圧密体を焼結するステップをさらに含む、請求項１から１９までのいずれか一項に記載の方法。
21. 粉末組成物と、ナノメートルサイズの補強構造体を含むポリマー複合材料とを含む複合部品であって、当該複合部品が、粉末組成物及びポリマー複合材料間に相互貫通するネットワークを形成しているものであり、上記補強構造体が、
    粒子、
    板状体、
    繊維、
    ウイスカー及び
    チューブ
    の１つ又はそれ以上を含む、複合部品。
22. 補強構造体の少なくとも２方向の寸法が、５μｍ未満である、請求項２１に記載の複合部品。
23. 補強構造体の少なくとも２方向の寸法が、１μｍ未満である、請求項２１に記載の複合部品。
24. 補強構造体の少なくとも２方向の寸法が、２００ｎｍ未満である、請求項２１に記載の複合部品。
25. 補強構造体が、カーボンナノチューブを含む、請求項２１から２４までのいずれか一項に記載の複合部品。
26. 補強構造体が、単層ナノチューブを含む、請求項２１から２４までのいずれか一項に記載の複合部品。
27. 粉末組成物が、軟質磁性粉末をさらに含む、請求項２１から２６までのいずれか一項に記載の複合部品。
28. 粉末組成物が、鉄系粉末をさらに含む、請求項２１から２７までのいずれか一項に記載の複合部品。
29. １５０℃超で１００ＭＰａ超の機械強度を示す、請求項２１から２８までのいずれか一項に記載の複合部品。
30. １５０℃において、７．０ｇ／ｃｍ ^３ 超の密度、及び１００ＭＰａ超のＴＲＳを有する、請求項２１から２９までのいずれか一項に記載の複合部品。
31. 請求項１から２０までのいずれか一項に記載の方法によって製造される複合部品。