JP6480966B2

JP6480966B2 - 新規な組成物及び方法

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Publication number: JP6480966B2
Application number: JP2017018280A
Authority: JP
Inventors: イー、チョウ; スタファンソン、ハンナ
Original assignee: ホガナスアクチボラグ（パブル）
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: CA2832005A1; JP2017143259A; RU2013149408A; PL2695171T3; WO2012136758A3; EP2695171A2; CN110085386A; KR20140034185A; EP2695171B1; US20140049354A1; KR101884214B1; TW201303915A; CA2832005C; EP2509081A1; CN103597556A; JP2019134166A; RU2631246C2; WO2012136758A2; TWI606471B; JP2014515880A

Description

本発明は、軟磁性部品を調製するための軟磁性複合粉末材料並びにこの軟磁性複合粉末を使用することにより得られる軟磁性部品に関する。具体的には、本発明は、高周波数で働く軟磁性部品材料を調製するためのこのような粉末に関し、この部品はパワーエレクトロニクス用のインダクタ又はリアクタとして適している。

軟磁性材料は、電気機械のインダクタ、ステータ及びロータ、アクチュエータ、センサ並びに変圧器鉄心のコア材料などの種々の用途に使用されている。伝統的には、電気機械のロータ及びステータなどの軟磁性コアは、積層鋼ラミネート製である。軟磁性複合体は、各粒子上に電気絶縁コーティングを有する、通常は鉄基の軟磁性粒子をベースとするものであり得る。伝統的な粉末冶金法を使用して任意選択により潤滑剤及び／又はバインダーと共に絶縁粒子を圧縮することにより、軟磁性部品を得ることができる。部品が三次元磁束をもたらすことができ、三次元形状が圧縮工程により得られるので、粉末冶金技術を使用することにより、鋼ラミネートを使用するよりも設計の自由度が高い部品を製造することが可能である。

本発明は、鉄基軟磁性複合粉末であって、そのコア粒子が、材料に粉末の圧縮とその後の加熱処理工程を通したインダクタの製造に適した材料特性を与える慎重に選択されたコーティングでコーティングされている粉末に関するものである。

インダクタ又はリアクタは、そこを通過する電流により作られる磁界の形態でエネルギーを貯蔵することができる受動電気部品（ｐａｓｓｉｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）である。エネルギーを貯蔵するインダクタ能力である、インダクタンス（Ｌ）はヘンリー（Ｈ）で測定される。

典型的には、インダクタはコイルとして巻かれた絶縁線である。コイルの巻を通り流れる電流は、コイルの周りに磁界を作り出し、磁界の強さは電流及びコイルの巻／長さ単位に比例する。変化する電流は変化する磁界を作り出し、この磁界がそれを作り出した電流の変化と反対の電圧を誘導する。

電流の変化と反対の電磁力（ＥＭＦ）は、ボルト（Ｖ）で測定され、式
ｖ（ｔ）＝Ｌｄｉ（ｔ）／ｄｔ
（Ｌはインダクタンスであり、ｔは時間であり、ｖ（ｔ）はインダクタ間の、時間で変動する電圧であり、ｉ（ｔ）は時間で変動する電流である）
によるインダクタンスに関連づけられる。すなわち、１ヘンリーのインダクタンスを有するインダクタは、インダクタを通る電流が１アンペア／秒で変化すると、１ボルトのＥＭＦを生み出す。

強磁性−又は鉄−コアインダクタは、コア材料の透磁率が高いために磁界を増加させることによりコイルのインダクタンスを数千増加させる、鉄又はフェライトなどの強磁性又はフェリ磁性材料製の磁性コアを使用する。

材料の透磁率、μは、磁束をもたらす能力又は磁化する能力の指標である。透磁率は、Ｂと示され、ニュートン／アンペア^＊メーター又はボルト^＊秒／メーター^２で測定される誘導磁束と、Ｈと示され、アンペア／メーター、Ａ／ｍで測定される磁化力又は磁界の強さの比として定義される。したがって、透磁率はボルト^＊秒／アンペア^＊メーターの次元を有する。通常、透磁率は、自由空間の透磁率、μ_０＝４^＊Π^＊１０^−７Ｖｓ／Ａｍに対する相対透磁率μ_ｒ＝μ／μ_０として表される。

透磁率はまた、単位長さ当たりのインダクタンス、ヘンリー／メーターとして表され得る。透磁率は、磁束をもたらす材料だけではなく、印加される電界及びその周波数にも依存する。技術系では、これは通常、変化する電界１サイクル中に測定される最大相対透磁率である最大相対透磁率と呼ばれる。

インダクタコアは、種々の高調波などの不要なシグナルをフィルタリングするためにパワーエレクトロニクスシステムで使用され得る。効率的に機能するために、このような用途用のインダクタコアは、相対透磁率が印加される電界に対してより線形の特性を有することを暗示する低い最大相対透磁率、すなわち、安定増分透磁率、μ_Δ（ΔＢ＝μ_Δ ^＊ΔＨに従って定義される）、及び高い飽和磁束密度を有するべきである。これにより、インダクタがより広範囲の電流でより効率的に働くことが可能になり、これはまたインダクタが「良好なＤＣバイアス」を有すると表すこともできる。ＤＣバイアスは、指定された印加電界、例えば、４０００Ａ／ｍで最大増分透磁率のパーセントの点から表され得る。高い飽和磁束密度と組み合わせたさらなる低い最大相対透磁率及び安定増分透磁率により、インダクタが、サイズが制限要因である場合に特に有利なより高い電流を流すことが可能になる、したがって、より小さいインダクタを使用することができる。

軟磁性部品の性能を改善するための１つの重要なパラメータはそのコア損失特性を減らすことである。磁性材料を変化する磁界に暴露すると、ヒステリシス損失及び渦電流損失の両方によりエネルギー損失が起こる。ヒステリシス損失は交番磁界の周波数に比例する一方で、渦電流損失は周波数の二乗に比例する。したがって、高周波数では、渦電流損失が主に問題となり、渦電流損失を減らしつつ、なお低レベルのヒステリシス損失を維持することが特に必要である。これは、磁性コアの抵抗率を増加させることが望ましいことを暗示する。

抵抗率を改善する方法の探求において、種々の方法が使用され、提案されてきた。１つの方法は、粉末粒子を圧縮に供する前にこれらの粒子上に電気絶縁コーティング又はフィルムを設けることに基づく。例えば、種々の型の電気絶縁コーティングを教示する多数の特許公報が存在する。無機コーティングに関する公開特許の例は、米国特許第６，３０９，７４８号、米国特許第６，３４８，２６５号及び米国特許第６，５６２，４５８号である。有機材料のコーティングは、例えば、米国特許第５，５９５，６０９号から知られている。無機及び有機材料の両方を含むコーティングは、例えば、米国特許第６，３７２，３４８号及び第５，０６３，０１１号並びにドイツ特許公開第３，４３９，３９７号から知られており、これらの公報によると、粒子はリン酸鉄層及び熱可塑性材料に囲まれている。欧州特許ＥＰ１２４６２０９Ｂ１は、金属基粉末の表面がシリコーン樹脂と、ベントナイト又はタルクなどの層状構造を有する粘土鉱物の微粒子とからなるコーティングでコーティングされている強磁性金属基粉末を記載している。

米国特許第６，７５６，１１８号は、粉末状金属粒子をカプセル化する少なくとも２種の酸化物であって、少なくとも１つの共通相を形成する酸化物を含む軟磁性粉末金属複合体を明らかにしている。

特開２００２−１７０７０７号は、リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）含有層でコーティングされた合金鉄粒子を記載しており、合金元素はケイ素、ニッケル又はアルミニウムであり得る。第２ステップでは、コーティングされた粉末をケイ酸ナトリウム水溶液と混合し、引き続いて乾燥させる。粉末を成形し、成形品（ｍｏｕｌｄｅｄｐａｒｔ）を５００〜１０００℃の温度で熱処理することにより、圧粉磁心を製造する。

ケイ酸ナトリウムは、鉄粉末を成形し、引き続いて成形品を熱処理することにより圧粉磁心を製造する場合の鉄粉末粒子のための結合剤としてＪＰ５１−０８９１９８に言及されている。

高性能軟磁性複合部品を得るために、高密度の部品を得るのに通常望ましいので、電気絶縁粉末を高圧での圧縮成形に供することも可能に違いない。高密度は通常、磁気特性を改善する。ヒステリシス損失を低レベルに維持し、高い飽和磁束密度を得るために、特に高密度が必要である。さらに、電気絶縁は、圧縮された部品をダイから抜き出す場合に損傷を受けることなく必要とされる圧縮圧力に耐えなければならない。これは同様に抜き出し力が高すぎてはならないことを意味する。

さらに、ヒステリシス損失を減らすために、圧縮した部品の応力解放熱処理が必要である。有効な応力解放を得るために、熱処理を、好ましくは、例えば、窒素、アルゴン若しくは空気の雰囲気下又は真空中で、３００℃より上の温度且つ絶縁コーティングが損傷する温度未満で行うべきである。

本発明は、より高い抵抗率及びより低いコア損失が必要不可欠なより高い周波数、すなわち、２ｋＨｚより上、特に５〜１００ｋＨｚの周波数で使用することを主に意図した粉末コアが必要なことを考慮してなされた。好ましくは、飽和磁束密度はコア小型化のために十分高くあるべきである。さらに、ダイ壁潤滑及び／又は高温を使用して金属粉末を圧縮する必要なくコアを製造することが可能であるべきである。好ましくは、これらのステップを除去すべきである。

低いコア損失が望まれる多くの使用及び提案された方法と対照的に、後に圧縮ステップで圧縮される粉末組成物に有機結合剤を使用する必要がないことが本発明の特別な利点である。そのため、圧粉体の熱処理を、有機結合剤が分解するという危険性がなくより高温で行うことができ、より高い熱処理温度はまた磁束密度を改善し、コア損失を減らす。最終的な熱処理したコア中に有機材料が存在しないことにより、軟化及び有機結合剤の分解による強度の低下を招くことなく高温の環境中でコアを使用することも可能になり、したがって、温度安定性の改善が達成される。

本発明の目的は、表面が新規な複合電気絶縁コーティングでコーティングされた鉄基粉末のコアを含む新規な鉄基複合粉末を提供することである。新規な鉄基複合粉末は、パワーエレクトロニクス用のインダクタコアの製造に使用するのに特に適している。

本発明の別の目的は、このようなインダクタコアを製造する方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、「良好な」ＤＣバイアス、低いコア損失及び高い飽和磁束密度を有するインダクタコアを提供することである。

本発明は、例えば、高い飽和磁束密度、低いコア損失を有するインダクタを調製するために使用することができる鉄粉末混合物及び前記混合物を処理するプロセス方法を提供し、その製造工程を単純化することができる。

これらの目的の少なくとも１つは、以下によって達成される：
− コーティングされた鉄基粉末組成物であって、コーティングは第１のリン含有層と、ケイ酸アルカリ及び定義されるフィロシリケートを含有する粘土の粒子の組み合わせを含む第２の層とを含み、鉄粉末及びセンダストの混合物を含む鉄基粉末組成物（一実施形態によると、コーティングは上記２つの層のみで構成される）。
− ａ）上記のようなコーティングされた鉄粉末組成物を用意するステップと、
ｂ）任意選択により潤滑剤と混合したコーティングされた鉄及びセンダスト粉末混合物を、４００〜１２００ＭＰａの圧縮圧力で、ダイ中で、一軸プレス運動で圧縮するステップと、
ｃ）ダイから圧縮された部品を抜き出すステップと、
ｄ）８００℃までの温度で抜き出された部品を熱処理するステップと
を含む、インダクタコアを製造する方法。
− 上記に従って製造された、インダクタコアなどの部品。

組成物は、フィロシリケートを含む粘土鉱物と組み合わせたケイ酸アルカリを含む層でコーティングされたコア粒子を含む複合鉄基粉末組成物であってもよく、組み合わせたケイ素−酸素四面体層及びその水酸化物八面体層は好ましくは電気的に中性（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｎｅｕｔｒａｌ）であり、コア粒子は
（ａ）７重量％〜１３重量％のケイ素と、４重量％〜７重量％のアルミニウムと、残部の鉄とから本質的になる鉄合金粒子、及び
（ｂ）アトマイズ鉄粒子
の混合物である。

鉄合金粒子はまた、「センダスト」又は「センダスト粒子」とも呼ばれ得る。

一実施形態では、センダスト粒子を、フィロシリケートを含む粘土鉱物と組み合わせた前記ケイ酸アルカリでコーティングする前に、リン含有層でコーティングする。簡潔さのために、このコーティングを「ケイ酸アルカリコーティング」又は「粘土コーティング」と呼ぶことができる。このコーティングは、例えば、カオリン又はタルクをベースとし得る。

別の実施形態では、鉄合金粒子及びアトマイズ粒子の両方を、前記ケイ酸アルカリコーティングでコーティングする前にリン含有層でコーティングする。

本明細書全体を通して、「層」及び「コーティング」という用語は同義で使用し得る。

鉄粒子は、炭素又は酸素などの混入物の含量が低い純粋な鉄粉末の形態であり得る。鉄含量は、好ましくは９９．０重量％より上であるが、例えばケイ素との合金にされた鉄粉末を利用することも可能となり得る。純粋な鉄粉末又は意図的に添加した合金元素との合金にされた鉄基粉末については、粉末は、鉄及び可能な存在する合金元素の他に、製造法によりもたらされる不可避の不純物から生じる微量元素を含む。微量元素は、材料の特性に影響を及ぼさない（又はわずかにしか及ぼさない）ような少量で存在する。微量元素の例は、最大０．１％の炭素、最大０．３％の酸素、各々最大０．３％の硫黄及びリン並びに最大０．３％のマンガンであり得る。

鉄基粉末の粒径は、意図した用途、すなわち、どの周波数に部品が適しているかにより決定する。コーティングが極めて薄いのでコーティングされた粉末の平均粒径でもある鉄基粉末の平均粒径は、２０〜３００μｍの間であり得る。適当な鉄基粉末についての平均粒径の例は、例えば、２０〜８０μｍ、いわゆる２００メッシュ粉末、７０〜１３０μｍ、１００メッシュ粉末又は１３０〜２５０μｍ、４０メッシュ粉末である。

鉄合金粒子は、７重量％〜１３重量％のケイ素と、４重量％〜７重量％のアルミニウムと、残部の鉄とから本質的になり得る。残りは不純物である。このような粉末は、センダストとして当分野で知られている。典型的には、センダストは、重量基準で８４〜８６％のＦｅと、９〜１０％のＳｉと、５〜６％のＡｌとを本質的に含む。

鉄粒子は、水アトマイズ又はガスアトマイズされ得る。鉄をアトマイズする方法は文献で知られている。

裸の鉄基粉末に通常適用するリン含有コーティングは、米国特許第６，３４８，２６５号に記載されている方法に従って適用することができる。これは、鉄又は鉄基粉末をアセトンなどの溶媒に溶解したリン酸と混合し、引き続いて乾燥させて粉末上に薄いリン及び酸素含有コーティングを得ることを意味する。添加する溶液の量は特に粉末の粒径に依存するが、この量は２０〜３００ｎｍの厚さを有するコーティングを得るのに十分であるべきである。

別法として、鉄基粉末を水に溶解したリン酸アンモニウムの溶液と混合することにより又はリン含有物質及び他の溶媒の他の組み合わせを使用することにより、薄いリン含有コーティングを加えることも可能であるだろう。結果として生じるリン含有コーティングは、０．０１〜０．１５％の鉄基粉末のリン含量の増加をもたらす。

粉末を、定義されるフィロシリケートを含む粘土若しくは粘土の混合物の粒子及び水ガラスとして一般的に知られる水溶性ケイ酸アルカリと混合し、引き続く２０〜２５０℃の温度又は真空中での乾燥ステップにより、ケイ酸アルカリコーティングをリンコーティングした鉄基粉末に適用する。フィロシリケートは、ケイ素四面体が式（Ｓｉ_２Ｏ_５ ^２−）_ｎを有する層の形態で互いに接続している型のシリケートを構成する。これらの層は、少なくとも１つの八面体水酸化物層と組み合わさって、組み合わせ構造を形成する。八面体層は、例えば、水酸化アルミニウム若しくは水酸化マグネシウム又はこれらの組み合わせのいずれかを含むことができる。ケイ素四面体層中のケイ素は、部分的に他の原子により置換されていてもよい。これらの組み合わせ層状構造は、どの原子が存在するかに応じて、電気的中性又は帯電し得る。

本発明の目的を実現するためにはフィロシリケートの型が極めて重要であることが認められた。したがって、フィロシリケートは、組み合わせケイ素四面体−及び水酸化物八面体−層の非帯電又は電気的中性層を有する型であるべきである。このようなフィロシリケートの例は、粘土カオリン中に存在するカオリナイト、千枚岩中に存在する葉ろう石、又はマグネシウム含有鉱物タルクである。定義されるフィロシリケートを含む粘土の平均粒径は、１５μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、好ましくは５μｍ未満、なおさらに好ましくは３μｍ未満であるべきである。コーティングされた鉄基粉末と混合される定義されるフィロシリケートを含む粘土の量は、コーティングされた複合鉄基粉末の０．２〜５重量％、好ましくは０．５〜４重量％であるべきである。

コーティングされた鉄基粉末と混合される固体ケイ酸アルカリとして計算されるケイ酸アルカリの量は、コーティングされた複合鉄基粉末の０．１〜０．９重量％、好ましくはこの鉄基粉末の０．２〜０．８重量％の間であるべきである。種々の型の水溶性ケイ酸アルカリを使用することができ、例えば、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム及びケイ酸リチウムを使用することができることが示されている。一般に、水溶性ケイ酸アルカリは、その比、すなわち、ＳｉＯ_２の量÷場合に応じてＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ又はＬｉ_２Ｏの量（モル比又は重量比のいずれかとして）により特徴付けられる。水溶性ケイ酸アルカリのモル比は１．５〜４（両端を含む）であるべきである。モル比が１．５未満の場合、溶液はアルカリ性になり過ぎ、モル比が４を超える場合、ＳｉＯ_２が沈殿する。

センダスト粒子上の第２のカオリン−ケイ酸ナトリウムコーティングを省略し、なお優れた磁気特性を達成することが可能となり得る。しかしながら、磁気特性をさらに強化するために、第２のコーティング層がセンダスト及び鉄粉末の両方を覆うべきである。

代替実施形態では、ケイ酸アルカリ（又は粘土）コーティングを金属−有機コーティング（第２のコーティング）に置換することができる。

この場合、少なくとも１つの金属−有機層を第１のリンベース層の外側に配置する。金属−有機層は、一般式
Ｒ_１［（Ｒ_１）_ｘ（Ｒ_２）_ｙ（ＭＯ_ｎ−１）］_ｎＲ_１
［式中、
ＭはＳｉ、Ｔｉ、Ａｌ又はＺｒから選択される中心原子であり、
Ｏは酸素であり、
Ｒ_１は加水分解性基であり、
Ｒ_２は有機部分であり、少なくとも１個のＲ_２は少なくとも１個のアミノ基を含み、
ｎは１〜２０の整数である、反復可能な単位の数であり、
ｘは０〜１の整数であり、ｙは１〜２の整数である（したがって、ｘは０又は１であり得、且つｙは１又は２であり得る）］
を有する金属−有機化合物の層である。

金属−有機化合物は、以下の群：表面改質剤、カップリング剤又は架橋剤から選択され得る。

金属−有機化合物中のＲ_１は、４個未満、好ましくは３個未満の炭素原子を有するアルコキシ基であり得る。

Ｒ_２は、有機部分であり、これはＲ_２基が有機部又は部分を含むことを意味する。Ｒ_２は、１〜６個、好ましくは１〜３個の炭素原子を含むことができる。Ｒ_２は、Ｎ、Ｏ、Ｓ及びＰからなる群から選択される１個又は複数のヘテロ原子をさらに含むことができる。Ｒ_２基は、直鎖、分枝鎖、環状又は芳香族であり得る。

Ｒ_２は、以下の官能基：アミン、ジアミン、アミド、イミド、エポキシ、ヒドロキシル、エチレンオキシド、ウレイド、ウレタン、イソシアナト、アクリレート、グリセリルアクリレート、ベンジル−アミノ、ビニル−ベンジル−アミノの１種又は複数を含むことができる。Ｒ_２基は、反復可能な単位に関して、言及したＲ_２−官能基のいずれかと疎水性アルキル基との間で変化し得る。

金属−有機化合物は、シラン、シロキサン及びシルセスキオキサン又は対応するチタネート、アルミネート若しくはジルコネートの誘導体、中間体或いはオリゴマーから選択され得る。

一実施形態によると、１つの金属−有機層中の少なくとも１種の金属−有機化合物はモノマー（ｎ＝１）である。

別の実施形態によると、１つの金属−有機層中の少なくとも１種の金属−有機化合物はオリゴマー（ｎ＝２〜２０）である。

別の実施形態によると、第１の層の外側に配置された金属−有機層は、金属−有機化合物のモノマーの層であり、ここでは最外側の金属−有機層は金属−有機化合物のオリゴマーの層である。モノマー及びオリゴマーの化学官能性は必ずしも同一でない。金属−有機化合物のモノマーの層と金属−有機化合物のオリゴマーの層の重量による比は、１：０〜１：２の間、好ましくは２：１〜１：２の間であり得る。

金属−有機化合物がモノマーである場合、これは、トリアルコキシ及びジアルコキシシラン、チタネート、アルミネート又はジルコネートの群から選択され得る。したがって、金属−有機化合物のモノマーは、３−アミノプロピル−トリメトキシシラン、３−アミノプロピル−トリエトキシシラン、３−アミノプロピル−メチル−ジエトキシシラン、Ｎ−アミノエチル−３−アミノプロピル−トリメトキシシラン、Ｎ−アミノエチル−３−アミノプロピル−メチル−ジメトキシシラン、１，７−ビス（トリエトキシシリル）−４−アザヘプタン、トリアミノ−官能性プロピル−トリメトキシシラン、３−ウレイドプロピル−トリエトキシシラン、３−イソシアナトプロピル−トリエトキシシラン、トリス（３−トリメトキシシリルプロピル）−イソシアヌレート、Ｏ−（プロパルギルオキシ）−Ｎ−（トリエトキシシリルプロピル）−ウレタン、１−アミノメチル−トリエトキシシラン、１−アミノエチル−メチル−ジメトキシシラン又はこれらの混合物から選択され得る。

金属−有機化合物のオリゴマーは、シラン、チタネート、アルミネート又はジルコネートのアルコキシ末端アルキル−アルコキシ−オリゴマーから選択され得る。したがって、金属−有機化合物のオリゴマーは、メトキシ、エトキシ若しくはアセトキシ−末端アミノ−シルセスキオキサン、アミノ−シロキサン、オリゴマー３−アミノプロピル−メトキシ−シラン、３−アミノプロピル／プロピル−アルコキシ−シラン、Ｎ−アミノエチル−３−アミノプロピル−アルコキシ−シラン又はＮ−アミノエチル−３−アミノプロピル／メチル−アルコキシ−シラン或いはこれらの混合物から選択され得る。

金属−有機化合物の総量は、組成物の０．０５〜０．６重量％、好ましくは０．０５〜０．５重量％、より好ましくは０．１〜０．４重量％、最も好ましくは０．２〜０．３重量％であり得る。これらの種類の金属−有機化合物は、ＥｖｏｎｉｋＩｎｄ．、ＷａｃｋｅｒＣｈｅｍｉｅＡＧ、ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ等などの会社から商業的に得ることができる。

金属−有機化合物はアルカリ特性を有し、カップリング特性、すなわち、鉄基粉末の第１の無機層と連結するいわゆるカップリング剤も含むことができる。この物質は、過剰な酸及び第１の層からの酸性副生成物（ｂｉ−ｐｒｏｄｕｃｔ）を中和すべきである。アミノアルキルアルコキシ−シラン、−チタネート、−アルミネート、又は−ジルコネートの群のカップリング剤を使用する場合、この物質は加水分解し、部分的に重合するだろう（したがって、アルコキシ基のいくつかがアルコールの形成により加水分解されるだろう）。金属−有機化合物のカップリング又は架橋特性はまた、金属又は半金属微粒子化合物と連結すると考えられ、これにより圧縮複合部品の機械的安定性が改善され得る。

金属又は半金属微粒子化合物
コーティングされた軟磁性鉄基粉末はまた、少なくとも１種の金属又は半金属微粒子化合物を含んでもよい。金属又は半金属微粒子化合物は、軟質で、３．５未満のモース硬度を有し、微粒子又はコロイドを構成するべきである。化合物は、好ましくは５μｍ未満、好ましくは３μｍ未満、最も好ましくは１μｍ未満の平均粒径を有することができる。金属又は半金属微粒子化合物は、９５重量％超、好ましくは９８重量％超、最も好ましくは９９重量％超の純度を有することができる。金属又は半金属微粒子化合物のモース硬度は、好ましくは３以下、より好ましくは２．５以下である。ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ及びＴｉＯ_２は研磨性であり、３．５よりかなり上のモース硬度を有するので、本発明の範囲内にない。摩耗性化合物は、ナノサイズの粒子でさえも、電気絶縁コーティングに不可逆的損傷をもたらし、熱処理部品の抜き出し不良並びに不十分な磁気及び／又は機械的特性をもたらす。

金属又は半金属微粒子化合物は、以下の群：鉛、インジウム、ビスマス、セレン、ホウ素、モリブデン、マンガン、タングステン、バナジウム、アンチモン、スズ、亜鉛、セリウムから選択される少なくとも１種であり得る。

金属又は半金属微粒子化合物は、酸化物、水酸化物、水和物、炭酸塩、リン酸塩、フッ化物）、硫化物、硫酸塩、亜硫酸塩、酸塩化物又はこれらの混合物であり得る。

好ましい実施形態によると、金属又は半金属微粒子化合物は、ビスマス、より好ましくは酸化ビスマス（ＩＩＩ）である。金属又は半金属微粒子化合物は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属から選択される第２の化合物と混合することができ、この化合物は炭酸塩、好ましくはカルシウム、ストロンチウム、バリウム、リチウム、カリウム又はナトリウムの炭酸塩であり得る。

金属若しくは半金属微粒子化合物又は化合物混合物は、組成物の０．０５〜０．５重量％、好ましくは０．１〜０．４重量％、最も好ましくは０．１５〜０．３重量％の量で存在し得る。

金属又は半金属微粒子化合物を、少なくとも１つの金属−有機層に接着する。本発明の一実施形態では、金属又は半金属微粒子化合物を、最外側金属−有機層に接着する。

金属−有機層は、最初に塩基性アミノアルキル−アルコキシシラン（Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（いずれかの国における登録商標）Ａｍｅｏ、ＥｖｏｎｉｋＩｎｃ製）と、その後にアミノアルキル／アルキル−アルコキシシラン（Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（いずれかの国における登録商標）１１４６、ＥｖｏｎｉｋＩｎｃ製）のオリゴマーと、それぞれ種々の量で、例えば１：１の関係を用いて攪拌することにより粉末を混合して形成され得る。組成物を種々の量の酸化ビスマス（ＩＩＩ）（＞９９重量％；Ｄ_５０約０．３μｍ）の微粉とさらに混合することができる。

本発明による材料により達成されるこの良好な飽和磁束密度により、インダクタ部品を小型化し、なお良好な磁気特性を維持することが可能になる。

圧縮及び熱処理
圧縮前に、コーティングされた鉄基組成物を、ワックス、オリゴマー若しくはポリマー、脂肪酸系誘導体又はこれらの組み合わせなどの適当な有機潤滑剤と混合してもよい。適当な潤滑剤の例は、ＥＢＳ、すなわち、エチレンビスステアロアミド、ＨｏｇａｎａｓＡＢ、スウェーデンから市販されているＫｅｎｏｌｕｂｅ（いずれかの国における登録商標）、ステアリン酸亜鉛などのステアリン酸金属塩若しくは脂肪酸又はこれらの他の誘導体である。潤滑剤は、全混合物の０．０５〜１．５重量％、好ましくは０．１〜１．２重量％の量で添加することができる。

圧縮は、周囲温度又は高温で、４００〜１２００ＭＰａの圧縮圧力で行うことができる。

圧縮後、圧縮部品を８００℃までの温度で、好ましくは６００〜７５０℃の温度で熱処理に供する。熱処理における適当な雰囲気の例は、窒素若しくはアルゴンなどの不活性雰囲気又は空気などの酸化雰囲気である。

本発明の粉末磁性コアは、新規な電気絶縁コーティングで覆われた鉄基磁性粉末を圧力成形することにより得られる。コアは、周波数範囲２〜１００ｋＨｚ、通常は５〜１００ｋＨｚ中、２０ｋＨｚの周波数及び０．０５Ｔの誘導で、約１２Ｗ／ｋｇ未満の低い総損失により特徴付けられ得る。さらに、抵抗率、ρは１０００μΩｍ超、好ましくは２０００μΩｍ超、最も好ましくは３０００μΩｍ超であり、飽和磁束密度Ｂｓは１．１Ｔ超、好ましくは１．２Ｔ超、最も好ましくは１．３Ｔ超である。さらに、保磁力は２１０Ａ／ｍ未満、好ましくは２００Ａ／ｍ未満、最も好ましくは１９０Ａ／ｍ未満であるべきであり、ＤＣバイアスは４０００Ａ／ｍで５０％以上であるべきである。

以下の実施例は、特定の実施形態を説明することを意図したものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

（例１）
２つの型の鉄粉末をコア粒子として使用した；９９．５重量％超の鉄含量を有する水アトマイズ純鉄粉末及び９９．５重量％超の鉄含量を有する純粋なスポンジ鉄。両型の粉末の平均粒径は約４５μｍであった。コア粒子を粉砕センダスト（典型的には、８５％のＦｅ、９．５％のＳｉ及び５．５％のＡｌ）と混合し、次いで、粉末混合物をＷＯ２００８／０６９７４９に従ってリン含有溶液で処理した。手短に言えば、８５重量％のリン酸３０ｍｌをアセトン１０００ｍｌに溶解することにより、コーティング溶液を調製し、粉末１０００ｇ当たりにアセトン溶液４０ｍｌ〜６０ｍｌを使用した。リン酸溶液を金属粉末と混合した後、混合物を乾燥させる。

得られた乾燥リンコーティング鉄−センダスト混合粉末を、以下の表１に従ってカオリン及びケイ酸ナトリウムとさらにブレンドした。１２０℃で乾燥させた後、粉末を０．６％Ｋｅｎｏｌｕｂｅ（いずれかの国における登録商標）と混合し、内径４５ｍｍ、外径５５ｍｍ及び高さ５ｍｍのリングに８００ＭＰａで圧縮した。その後、圧縮部品を窒素雰囲気下、７００℃で０．５時間熱処理工程に供した。

得られた試料の比抵抗率を四点測定法により測定した。最大透磁率、μ_ｍａｘ及び保磁力測定のために、リングを一次回路について１００巻及び二次回路について１００巻「巻いた」。これによりヒステリシスグラフ、ＢｒｏｃｋｈａｕｓＭＰＧ１００を用いて、磁気特性を測定することが可能になった。コア損失のために、ＷａｌｋｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｃ．ＡＭＨ−４０１ＰＯＤ装置を用いて、リングを一次回路について３０回及び二次回路について３０回「巻いた」。

増分透磁率を測定する場合、リングを、４０００Ａ／ｍのＤＣバイアス電流を供給する第３の巻線で巻いた。ＤＣバイアスを最大増分透磁率の百分率として表した。

特に明言しない限り、このようにして以下の実施例の全試験を行った。

圧縮し且つ熱処理した部品の特性に対する、粉砕センダストと合わせてスポンジ又はアトマイズ鉄を使用することの影響、リンコーティング層の影響並びに第２のコーティング中のカオリン及びケイ酸ナトリウムの存在の影響を示すために、、試料Ａ〜Ｈを表１に従って調製した。表１はまた、部品の試験の結果も示している。表１では、本発明を、ＵＳ４１７７０８９による第１のリンコーティング層を有さないスポンジ鉄（試料Ｄ）の使用とも比較した。

表１から分かるように、アトマイズ鉄、センダスト、第１のリンコーティング層並びにカオリン及びケイ酸ナトリウムからなる第２のコーティング層の組み合わせは、抵抗率をかなり改善し、したがってコア損失を低下させる。これはまた、１００％センダストと比べて良好な飽和磁束密度をもたらす。

（例２）
第１のリンコーティング層のみを有し、センダストを有する、純粋なリン及びカオリン−ケイ酸ナトリウムコーティングアトマイズ鉄粉末をドープし、圧縮部品の磁気特性をかなり強化する可能性を示すために、以下の試料を調製した。表２も部品の試験の結果を示している。

表２から分かるように、センダスト粒子上に第１のリンコーティング層があることは有利である。

（例３）
アトマイズ鉄粉末中のセンダスト含量を変化させることにより、圧縮し、熱処理した部品の磁気特性を制御することが可能である。以下の試料は全て同様に処理したリンコーティングの第１の層と２％カオリン粘土及び０．４％ケイ酸ナトリウムからなる第２の層コーティング、８００ＭＰａに圧縮し、窒素雰囲気下、７００℃で０．５時間熱処理した。試料間の違いは、アトマイズ鉄粉末のセンダスト含量を変えたことである。表３も部品の試験の結果を示している。

表３から分かるように、アトマイズ鉄粉末中のセンダストは少量でさえ圧縮し熱処理した部品の磁気特性を強化する。

（例４）
この例は、本発明によるリン−粘土−ケイ酸塩コーティングの概念を種々の粒径の鉄粉末に適用することができることを示している−センダスト粉末は約４５μｍの固定粒径を有する。試料Ｖ）については、〜４５μｍの平均粒径を有する鉄粉末を使用した。試料Ｗ）については、〜１００μｍの平均粒径を有する鉄粉末を使用した。また、試料Ｘ）については、〜２１０μｍの平均粒径を有する鉄粉末を使用した。鉄−センダスト粉末混合物を第１のリン含有層でコーティングした。その後、いくつかの試料を、前記のように１％カオリン及び０．４％ケイ酸ナトリウムでさらに処理した。熱処理を窒素下、７００℃で０．５時間行った。

表４による試料Ｖ〜Ｘ）の試験の結果

表４は、鉄粉末の粒径にかかわらず、本発明による部品について抵抗率及びコア損失の明らかな改善が得られることを示している。

（例５）
例５は、種々の型の水ガラス及び種々の型の定義されるフィロシリケートを含有する粘土を使用することが可能であることを説明する。６０％アトマイズ鉄−４０％センダスト粉末混合物を、電気的中性層を有する種々のケイ酸塩（Ｎａ、Ｋ及びＬｉ）と種々のフィロシリケートを含有する粘土（カオリン及びタルク）を使用したことを除いて上記のようにコーティングした。比較実施例では、帯電層を有するフィロシリケートを含有する粘土、Ｖｅｅｇｕｍ（いずれかの国における登録商標）及び雲母を使用した。Ｖｅｅｇｕｍ（いずれかの国における登録商標）は、スメクタイトグループの粘土の商品名である。使用した雲母は白雲母であった。全試験で第２の層は１％の粘土及び０．４重量％の水ガラスを含んでいた。熱処理を窒素下、７００℃で０．５時間行った。

以下の表５は、部品の試験の結果を示している

表５から明らかなように、フィロシリケートが電気的中性層を有する型のものである限り、種々の型の水ガラス及び定義されるフィロシリケートを含有する粘土を使用することができる。

（例６）
例６は、第２の層中の粘土及びケイ酸アルカリの量を変化させることにより、圧縮し、熱処理した部品の特性を制御及び最適化することができることを説明する。前記のように試料を調製及び試験した。熱処理を窒素下、７００℃で０．５時間行った。

以下の表６は、試験の結果を示している。

表６から分かるように、第２の層中のケイ酸ナトリウムの含量が０．７重量％を超えると抵抗率が低下する。抵抗率はまた、ケイ酸ナトリウムの含量が低下するにつれて低下するので、ケイ酸塩の含量は総６０％アトマイズ鉄−４０％センダスト粉末混合物の０．２〜０．７重量％の間、好ましくは０．３〜０．６重量％の間であるべきである。第２の層中の粘土含量が最大約４％までさらに増加すると、抵抗率が増加するが、保磁力の増加によりコア損失が減少する。したがって、第２の層中の粘土の上限は、鉄基複合粉末の５重量％、好ましくは４重量％である。粘土の含量が低すぎると抵抗率及びコア損失に有害な影響を及ぼすので、粘土の含量の下限は１％、好ましくは３％である。

（例７）
以下の例７は、本発明により製造した粉末を種々の圧縮圧力まで、種々の圧縮ダイ温度で圧縮することができることを説明する。以下の試料を上記のように処理した。６０％アトマイズ鉄及び４０％センダストをリン及び粘土−ケイ酸ナトリウムコーティングし、第２層中のカオリンの含量は複合鉄−センダスト粉末の２重量％であり、ケイ酸ナトリウムの含量は０．４重量％であった。

試料ｏ〜ｖ）を、２０℃又は６０℃のいずれかの圧縮ダイ温度で、４００〜１２００ＭＰａの間に圧縮し、窒素下、７００℃で０．５時間熱処理した。
表７による試験の結果；

表７は、種々の圧縮圧力まで圧縮し、種々の圧縮ダイ温度で圧縮した、本発明による部品で、高い抵抗率及び低いコア損失が得られることを示している。圧縮圧力を４００から８００ＭＰａに上げ、圧縮圧力をさらに上げると、密度の増加及びロスの低下を観察することができるが、ごくわずかな効果である。圧縮ダイ温度は、抵抗率をわずかに増加させるのみで、磁気特性のさらなる改善はもたらさない。

（例８）
以下の例８は、本発明による粉末から製造した部品を種々の雰囲気及び種々の温度で熱処理することができることを説明する。以下の試料を上記のように処理した。６０％アトマイズ鉄及び４０％センダストをリン−及び粘土−ケイ酸ナトリウムコーティングし、第２の層中のカオリンの含量は複合鉄−センダスト粉末の２重量％であり、ケイ酸ナトリウムの含量は０．４重量％であった。

試料ｗ〜Ｄｄ）を、窒素下及び空気下でそれぞれ、５５０〜７５０℃の間で熱処理した。表８による試験の結果；

表８は、窒素雰囲気中又は窒素及び空気を含む混合雰囲気下、６５０℃〜７５０℃の間で熱処理した、本発明による部品で、高い抵抗率及び低いコア損失が得られることを示している。

（例９）
以下の例９は、ガスアトマイズＦｅＳｉを混合物に添加することにより、本発明による粉末から製造した部品の磁気特性を高めることが可能であることを説明する。鉄−センダスト粉末混合物は、第１のリンコーティング層と、２％カオリン及び０．４％ケイ酸ナトリウムからなる第２の層とを有する。粉末混合物を８００ＭＰａに圧縮し、窒素雰囲気下、７００℃で３０分間熱処理した。

表９で分かるように、リン及びカオリン−ケイ酸ナトリウムコーティングした鉄−センダスト混合物に１０％ＦｅＳｉを添加することにより、抵抗率が増加し、保磁力及びコア損失が低下する。

（例１０）
鉄含量が９９．５重量％超の水アトマイズ純鉄粉末をコア粒子として使用した。粉末の平均粒径は約４５μｍであった。コア粒子をセンダスト（典型的には、８５％Ｆｅ、９％Ｓｉ及び６％Ａｌ）と混合し、粉末混合物をＷＯ２００８／０６９７４９に従ってリン含有溶液で処理した。得られた乾燥リンコーティング鉄粉末−センダスト混合物を、ＷＯ２００９／１１６９３８に記載のように、すなわち、最初に塩基性アミノアルキル−アルコキシシラン（Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（いずれかの国における登録商標）Ａｍｅｏ、ＥｖｏｎｉｋＩｎｃ製）と、その後にアミノアルキル／アルキル−アルコキシシラン（Ｄｙｎａｓｙｌａｎ（いずれかの国における登録商標）１１４６、ＥｖｏｎｉｋＩｎｃ製）のオリゴマーと、それぞれ種々の量で、１：１の関係を用いて攪拌することにより粉末を混合して、第２の（金属有機）コーティング層でさらに処理した。組成物を種々の量の酸化ビスマス（ＩＩＩ）（＞９９重量％；Ｄ_５０約０．３μｍ）の微粉とさらに混合した。

コーティング後、粉末を０．４％アミドワックスと混合し、内径４５ｍｍ、外径５５ｍｍ及び高さ５ｍｍのリングに８００ＭＰａに圧縮した。その後、圧縮部品を窒素雰囲気下、７００℃で０．５時間熱処理工程に供した。

試料Ｈｈ〜Ｉｉ）を表１０に従って調製した。表１０も部品の試験の結果を示している。

表１０から分かるように、アトマイズ鉄、センダスト、第１のリンコーティング層及び第２の（金属有機）コーティング層の組み合わせは、１００％アトマイズ鉄粉末を使用する場合に比べて、かなり抵抗率、ＤＣバイアスを改善し、コア損失及び保磁力を低下させる。

（例１１）
アトマイズ鉄粉末のセンダスト含量を変化させることにより、圧縮し、熱処理した部品の磁気特性を制御することが可能である。以下の試料は全て同様に処理した−リンコーティングの第１の層及び第２の（金属有機）コーティング層。試料間の違いは、アトマイズ鉄粉末のセンダスト含量を変えたことである。試料を全て８００ＭＰａに圧縮し、窒素雰囲気下、７００℃で０．５時間熱処理した。表１１も部品の試験の結果を示している。

粘土／ケイ酸ナトリウムコーティングしたアトマイズ鉄−及びセンダスト−粉末−混合物に関しては、センダストの占有率が増加すると、抵抗率及びＤＣバイアスがかなり改善し、したがって、コア損失及び保磁力が低下する。
本発明に包含され得る諸態様は、以下のとおりである。
［態様１］
コア粒子を含む複合鉄基粉末組成物であって、該コア粒子が
（ａ）７重量％〜１３重量％のケイ素と、４重量％〜７重量％のアルミニウムと、残部の鉄とから本質的になる鉄合金粒子、及び
（ｂ）アトマイズ鉄粒子
の混合物であり、該コア粒子が第１のリン含有層でコーティングされている、上記複合鉄基粉末組成物。
［態様２］
前記アトマイズ鉄粒子が
（ａ）フィロシリケートを含む粘土鉱物と組み合わされたケイ酸アルカリであって、組み合わされたケイ素−酸素四面体層及びその水酸化物八面体層が電気的に中性であるケイ酸アルカリ、又は
（ｂ）金属有機層
を含む第２の層を有する、上記態様１に記載の複合鉄基粉末。
［態様３］
前記鉄合金粒子が
（ａ）フィロシリケートを含む粘土鉱物と組み合わされたケイ酸アルカリであって、組み合わせたケイ素−酸素四面体層及びその水酸化物八面体層が電気的に中性であるケイ酸アルカリ、又は
（ｂ）金属有機層
を含む第２の層を有する、上記態様２に記載の複合鉄基粉末。
［態様４］
前記鉄合金粒子及び前記アトマイズ鉄粒子が同一の第２の層を有する、上記態様３に記載の複合鉄基粉末。
［態様５］
前記第２の層がカオリン及びケイ酸ナトリウムを含む、上記態様２から４までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末組成物。
［態様６］
アトマイズＦｅＳｉをさらに含む、上記態様１から５までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末組成物。
［態様７］
前記リン含有層が２０〜３００ｎｍの厚さを有する、上記態様１から６までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末組成物。
［態様８］
前記リンコーティングが、前記コア粒子を溶媒中のリン化合物と接触させ、その後乾燥させることにより該溶媒を除去することにより設けられる、上記態様１から７までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末。
［態様９］
前記リン化合物がリン酸又はリン酸アンモニウムである、上記態様１から８までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末。
［態様１０］
ケイ酸アルカリの含量が該複合鉄基粉末の０．１〜０．９重量％、好ましくは０．２〜０．８重量％である、上記態様２から９までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末。
［態様１１］
粘土の含量が該複合鉄基粉末の０．２〜５重量％、好ましくは０．５〜４重量％である、上記態様２から１０までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末。
［態様１２］
ａ）上記態様１から１１までのいずれか一項に記載の複合鉄基粉末を用意するステップと、
ｂ）所望により潤滑剤と混合された、該複合鉄基粉末を、４００〜１２００ＭＰａの圧縮圧力で、ダイ中で、一軸プレス運動で圧縮するステップと、
ｃ）該ダイから圧縮された部品を抜き出すステップと、
ｄ）該抜き出された部品を非還元雰囲気下、８００℃までの温度で熱処理するステップと
を含む、圧縮及び熱処理された部品を製造する方法。
［態様１３］
上記態様１２に記載の方法により製造された部品。
［態様１４］
インダクタコアである、上記態様１３に記載の部品。
［態様１５］
１０００μΩｍ超、好ましくは２０００μΩｍ超、最も好ましくは３０００μΩｍ超の抵抗率、ρ；１．１（Ｔ）超、好ましくは１．２（Ｔ）超、最も好ましくは１．３（Ｔ）超の飽和磁束密度Ｂｓ；２０ｋＨｚの周波数、０．０５Ｔの誘導における１２Ｗ／ｋｇ未満のコア損失；２１０Ａ／ｍ未満、好ましくは２００Ａ／ｍ未満、最も好ましくは１９０Ａ／ｍ未満の保磁力；及び４０００Ａ／ｍで５０％以上のＤＣバイアスを有する、上記態様１４に記載のインダクタコア。

Claims

コア粒子を含む、２ｋＨｚ超から１００ｋＨｚまでの周波数で使用される軟磁性部品用の複合鉄基粉末組成物であって、
該コア粒子が
（ａ）７重量％〜１３重量％のケイ素と、４重量％〜７重量％のアルミニウムと、残部の鉄とから本質的になる鉄合金粒子、及び
（ｂ）アトマイズ鉄粒子
の混合物であり、該コア粒子が第１のリン含有層でコーティングされており、
前記アトマイズ鉄粒子が、フィロシリケートを含む粘土鉱物と組み合わされたケイ酸アルカリであって、組み合わされたケイ素−酸素四面体層及びその水酸化物八面体層が電気的に中性であるケイ酸アルカリを含む第２の層を有し、
ケイ酸アルカリの含量が該複合鉄基粉末の０．１〜０．９重量％であり、かつ、粘土鉱物の含量が該複合鉄基粉末の０．２〜５重量％である、軟磁性部品用の複合鉄基粉末組成物。
前記鉄合金粒子が、フィロシリケートを含む粘土鉱物と組み合わされたケイ酸アルカリであって、組み合わされたケイ素−酸素四面体層及びその水酸化物八面体層が電気的に中性であるケイ酸アルカリを含む第２の層を有する、請求項１に記載の複合鉄基粉末組成物。
ａ）請求項１又は２に記載の複合鉄基粉末組成物を用意するステップと、
ｂ）所望により潤滑剤と混合された、該複合鉄基粉末組成物を、４００〜１２００ＭＰａの圧縮圧力で、ダイ中で、一軸プレス運動で圧縮するステップと、
ｃ）該ダイから圧縮された部品を抜き出すステップと、
ｄ）該抜き出された部品を非還元雰囲気下、８００℃までの温度で熱処理するステップと
を含む、圧縮及び熱処理された部品を製造する方法。
前記部品がインダクタコアであり、このインダクタコアが、１０００μΩｍ超の抵抗率、ρ；１．１（Ｔ）超の飽和磁束密度Ｂｓ；２０ｋＨｚの周波数、０．０５Ｔの誘導における１２Ｗ／ｋｇ未満のコア損失；２１０Ａ／ｍ未満の保磁力；及び４０００Ａ／ｍで５０％以上のＤＣバイアスを有する、請求項３に記載の方法。