JPH0257664A

JPH0257664A - Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料の製造方法

Info

Publication number: JPH0257664A
Application number: JP63206705A
Authority: JP
Inventors: Sadakimi Kiyota; 禎公清田; Shigeaki Takagi; 高城　重彰
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1988-08-20
Filing date: 1988-08-20
Publication date: 1990-02-27
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JP2703939B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、交流特性に優れるＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材
料およびその製造方法に関する。

〈従来の技術〉Ｆｅ−ＳＬ系合金は、軟質磁性材料の中でも電気抵抗率
が高いことを特徴とし、鉄損が低いために交流用用途に
高範囲で使用されている。

しかし、その焼結材については、本合金の硬くて脆い性
質に起因する成形の困難性のために応用が限られている
。　特に、３ｗｔ％程度以上のＳｉの場合は、この傾向
が強い。

〈発明が解決しようとする課題〉この成形性の改良法として、有機バインダを利用した射
出成形は、粉末の硬さが殆ど問題とならないために、有
望視されている。　ところが、金属粉末を射出成形によ
って成形し、焼結する場合は、ＳＬ等のように酸化性の
高い元素を極端に酸化させずに、有機バインダに起因す
るＣを除去する方法がなく、交流磁気特性に優れた焼結
材料が得られなかった。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたもので、交流磁
気特性に優れたＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料、および射
出成形法を利用し、極端な酸化を伴わないように有機バ
インダに起因するＣを除去することにより前記焼結材料
を製造する方法を提供することを目的としている。

く課題を解決するための手段〉本発明者らは、Ｆｅ−３ｔ、％焼結材料の射出成形を利
用した製造に関して、種々の焼結条件で原料粉末の焼結
および反応性および得られる焼結材料の磁気特性につい
て、詳細な実験を行うことによって本発明をなすに至っ
た。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明によれば
、Ｓｉ：１．５〜６　、５ｗｔ％、０　　：０．０３〜０．５ｗｔ％、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
焼結密度比が９５．０％以上であることを特徴とするＦ
ｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料が提供される。

また、本発明によれば最終組成でＳｉ：１．５〜６．５
ｗｔ％、残部実質的にＦｅとなるように、平均粒径が３
〜２５μｍの合金粉末もしくは混合粉末より構成される
原料粉末を調整して、次にこれを有機バインダと混練し
、射出成形処理、脱脂処理を行った後、還元性雰囲気中
もしくは０．１Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気中にて１０５
０〜１２５０℃で第１段目の加熱処理を行い、さらに、
これより５０℃以上昇温して第２段目の加熱処理を行う
ことを特徴とするＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料の製造方
法が提供される。

′ｓ２段目の加熱処理は、３０気圧以上の不活性ガス雰
囲気中で行うのが好ましい。

また、原料粉末の平均粒径は１０〜２５μｍが好ましい
。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。

まず、本発明の焼結材料における組成を限定した理由に
ついて説明する。

Ｓ　ｉ　：　１　、　５〜６．　５ｗｔ％Ｓｉは、Ｆｅ
に添加することによって電気抵抗率を向上させるが、１
．５ｗｔ％に満たない場合は、電気抵抗率向上の効果が
小さい。　また、Ｓｔは、透磁率を向上させるが、６．
５ｗｔ％を超えると急激に低下をきたすため、ＳＬ量を
１．５〜６．５ｗｔ％に限定した。

０　：　Ｑ、０３〜０　、　５　ｗｔ％、Ｃ：　０．０
３ｗｔ％以下Ｃ，Ｏは磁気特性、特に保持力（Ｈｃ）お
よび最大透磁率（μｍａｘ）に悪影響を及ぼす。

しかしながら、Ｓ−ｉのように非常に酸化性の高い元素
を含む場合、焼結雰囲気下で、原料粉末に起因する０量
および射出成形材料とするために添加した有機バインダ
に起因するＣ量を同時に低減することは実質不可能であ
る。　そこで、磁気特性に特に悪影響を与えるＣ量の低
減に主眼をおいた。　磁気特性に対して悪影響の小さい
Ｏ量を、本発明では、むしろ高くすることによって、Ｃ
量を低減したものである。　すなわち、Ｃ量が０．０３
ｗｔ％を超えると磁気特性劣化が著しいため、Ｃ量の上
限値を０．０３ｗｔ％とした。　また、Ｃ量を０．０３
ｗｔ％以下に低減するために、０量を０．０３ｗｔ％以
上とした。　０量が０．０３ｗｔ％啼下回ると決してＣ
量を０．０３ｗｔ％以下とすることができないため、Ｏ
量の下限値を０．０３ｗｔ％とじた。

さらに、０量が０．５ｗｔ％を超えると、磁気特性が著
しく劣化するため、０量の上限値を０．５ｗｔ％とした
。

焼結密度比：９５．０％以上磁束密度は焼結密度比に比例し、焼結密度比が９５．０
％を下回る場合、磁束密度が著しく低下し、競合成形法
である金型圧縮成形でえられる材料に対°する優位性が
見出せない。

したがって、焼結密度比の下限を９５．０％に限定した
。

以上のように限定することによフてはじめて本発明の磁
気特性に優れたＦｅ−Ｓｉ系焼結材料が得られる。

次に本発明の製造方法について説明する。

本発明の製造方法は、金属粉末を有機バインダと混練し
たのち、射出成形処理、脱脂処理し、さらに焼結処理を
行うものである。　特に本発明においては、従来、一般
に採用されている圧縮成形法の替わりに、射出成形法を
採用する点に大台な特徴がある。　圧縮成形法では、原
料粉末が焼結性の低い粗粉末に限定されるのに対して、
射出成形法では、焼結性の高い微粉末を使用できる利点
があるゆ　これにより従来の低い磁気特性の改良が可能
になりた。

焼結体の磁気特性は、原料粉末の粒度と密接な関係があ
ることを本発明者は知見した。　原料粉末の平均粒径は
、焼結密度を左右し、ある上限粒度を超えると本発明の
焼結材料が得られない。

また、焼結方法によって使用しつる原料粉末の粒度は異
なるが、平均粒径は３〜２５μｍであることが必要であ
る。　　まず、通常の加熱のみによる焼結の場合は、３
〜９μｍの平均粒径が好ましく、加熱と同時にガス圧に
よる加圧を併用する加圧焼結を適用する場合は、１０〜
２５μｍが好ましい。　加熱のみによる焼結をおこなっ
た場合、平均粒径が増加するにつれて焼結密度比は低下
し、９μｍを超えると焼結密度比は９５．０％を達成で
きず、さらに２５μｍを超えると焼結密度比は９０％を
達成できない。　しかし、焼結密度比が９０％を上回る
場合は、焼結体の気孔は閉気孔となっているため、加圧
焼結によって、焼結密度比を９５．０％以上にすること
ができる。

また、１０μｍ以上の平均粒径では加圧焼結による密度
比の向上が著しく、１０μｍ未満の粉末よりもむしろ高
い密度比かえられる。

一方、平均粒径が２５μｍを超えると決して９５．０％
以上の密度比が達成できず、本発明の焼結材料が得られ
ないため、平均粒径の上限値を２５μｍに限定した。　
また、平均粒径が３μｍ未満の粉末は高価格であるため
、経済的でないため除外する。

つぎに、焼結条件について説明する。

焼結は２段階で行う必要がある。

この第１段目は、還元性雰囲気である水素含有ガスもし
くは０．１Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気で行う必要がある
。　さもなければ、原料粉末表面の酸素や成形助剤の残
留に起因する炭素を除去できず、高純度の焼結体が得ら
れない。　また、焼結温度は、１０５０〜１２５０℃で
行う必要がある。　この下限値を下回ると、雰囲気と原
料粉末との間で起こる不純物除去反応が効果的に進行し
ない。　また、この上限値を超えると、不純物除去反応
よりも粉末同士の焼結の方が早く進行するために、不純
物が除去できない。　これらの不純物は、水蒸気もしく
は炭酸ガスとして除去されるため、ガス流通孔を失うこ
とは大きな弊害となる。　特に、成形体は微粉末で構成
されるため、もともと流通孔は小さいので、注意が必要
である。　　また、これらの温度は、焼結の進行が速や
かになりはじめる温度でもあり、原料粉末の粒度によっ
ても異なるため、平均粒径が小さい場合は、より低温側
に平均粒径が大きい場合は、より高温側に、本発明の範
囲より選択するのが好ましい。

焼結時間は、使用した焼結温度で、Ｃ１０量が平衡値に
達するに要する時間であり、通常、２０分〜４時間の範
囲であり、数回の試行実験で容易に決定できる。

続いて、本発明の焼結の第２段目について説明する。

第２段目は、第１段目で高純度化、閉空孔化した焼結体
を高密度化する工程であるため、もはや反応性のガスを
使用する必要はない。

したがって、雰囲気ガスは不活性ガスに限定する。　　
また、温度は、第１段目の焼結温度よりも５０℃以上高
い温度である必要がある。

温度の下限値を、第１段目の焼結温度よりも５０℃以上
高い温度としたのは、第１段目の焼結温度が、焼結速度
が加速しはじめる温度に設定してあるために、高密度化
が不充分であるためである。　さらに、第１段目で減圧
雰囲気を使用した場合、構成元素の蒸気圧の差によって
焼結体表面に組成分布が生じる。　また、還元性のガス
雰囲気でも、ガスに触れている焼結体もしくは粉末表面
とそれらの内部との間に組成分布が生じることがある。

　この組成分布は焼結体中の原子拡散律速で成立するも
のであり、大気圧以上の構成元素の蒸発しない雰囲気で
、あるいは化学反応の全く起こることのない雰囲気で、
第１段目よりも５０℃以上高い温度、すなわち、より拡
散速度の高い温度領域で、均一化処理を速やかに進行さ
せる必要があるからである。

上限温度は、必要以上に結晶粒径が粗大化したり、溶融
を開始する温度である。　より好ましい温度範囲は、１
２００〜１３５０℃である。

また、この第２段目の工程で、加圧焼結を行う場合につ
いても、温度の下限値は、第１段目の焼結温度よりも５
０℃以上高い温度であることが必要である。　この下限
温度は、焼結速度が加速しはじめる温度である第１段目
で設定した温度と相関があり、この温度を境に加圧焼結
が効果的となる。　さらに、前述の通り、第１段目の焼
結において形成された組成分布を解消するために、本工
程で均一化処理を速やかに進行させる必要があるからで
ある。　上限温度についても、加圧焼結の場合も加圧し
ない場合と同様である。　また、加圧に必要な圧力は３
０〜１５０気圧である。　３０気圧未満の場合は、圧力
を加えない場合と有意差がでず、１５０気圧を超えるガ
ス媒体を用いると設備コストが急騰するからである。

第２段目における焼結時間は、使用した焼結温度で、焼
結密度および化学組成分布が平衡に達するに要する時間
であり、通常、２０分〜２時間の範囲であり、数回の試
行実験で容易に選択できる。

以上のように、焼結方法を限定することによって初めて
、射出成形法を利用して、高磁気特性のＦｅ−Ｓｉ系焼
結材料を経済的に製造することができる。

本発明の原料粉末を構成する出発原料粉末は、高圧水ア
トマイズ法、還元法、カルボニル法等により得られた粉
末を分級あるいは粉砕することによって所望の粒度に調
整して使用する。　本発明の原料粉末は、上記出発原料
単独またはそれらの混合粉末として使用できる。

原料粉末の純度については、焼結過程で除去できるＣ、
Ｏを除く他の不純物が実質的に無視できる程度でよく、
通常、Ｆｅ、Ｓｔの合計量が９７〜９９ｗｔ％の粉末が
使用できる。

前記原料粉末は、有機バインダと混練してコンパウンド
とし、公知の射出成形法により成形される。　特に、複
雑形状部品の場合は射出成形法が効果的である。

本発明に用いられるバインダは、熱可塑性樹脂類または
ワックス類あるいはその混合物を主体とする公知バイン
ダが使用でき、必要に応じて可望剤、潤滑剤および脱脂
促進剤等を添加する。　熱可塑性樹脂としては、アクリ
ル系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系、およびポリ
スチレン系等の１種あるいは２種以上の混合物が選択で
きる。　ワックス類としては、密ろう、木ろう、モンタ
ンワックス等に代表さ°れるような天然ろうおよび低分
子ポリエチレン、ミクロクリスタリンワックス、パラフ
ィンワックス等に代表されるような合成ろうより１種あ
るいは２種以上を選択して使用できる。　可塑剤は、主
体となる樹脂類あるいはワックス類との組合せによりて
選択しＤＯＰ、ＤＥＰ％ＤＨＰ等を使用できる。　潤滑
剤としては、高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸エステ
ル等を使用でき、場合によってはワックス類を潤滑剤と
して兼用する。　また、脱脂を促進することを目的に、
樟脳等のような昇華性物質を添加することもできる。

添加すべきバインダ量は、全体積の４５〜６０　ｖｏｉ
％であり（死体積は原料金属粉）、成形すべき形状の成
形容易性と脱脂性を考慮して調整できる。

鉄粉とバインダとの混合、混練には、バッチ式あるいは
連続式のニーダを使用できる。　混練後、ペレタイザー
あるいは粉砕環等を使用して造粒を行い成形用原料を得
る。

成形用原料は、通常のプラスチック用射出成形機を用い
て、成形をすることができる。

得られた成形体は、大気中あるいは雰囲気ガス中で、脱
脂処理を施す。

脱脂処理の後、高密度化およびＣ，Ｏ量の低減のために
前述のように焼結を行う。

また、必要に応じて、最終焼結体のＣ，０量を調整する
。　　Ｃ１０量の増減の方法としては、脱脂体のＣ１０
量比の増減によってなされ、Ｃ１０量比を小さくするこ
とでＣ量を低減でき、Ｃ１０量比を大きくすることで０
量を低減できる。　Ｃ１０量比の増減には、原料粉末の
０％０量の調整、バインダの除去程度の加減、あるいは
除去後の酸化処理などによって行うことがで籾る。　さ
らに、Ｃ１０量の全体レベル（Ｃ量と０量の積に相当）
の低減には、第１段目の焼結雰囲気の変更によって行い
、減圧雰囲気を利用する場合は圧力の低減により、還元
性雰囲気を利用する場合は雰囲気ガスの純度の向上によ
って達成できる。

〈実施例〉以下に本発明を実施例に基づぎ具体的に説明する。

第１表に示す各原料粉末にそれぞれ第１表に示すバイン
ダを添加し、加圧ニーダによって混練したのち、粉砕し
て射出成形用コンパウンドを作成した。　続いて、射出
成形機によって、外径５３×内径４１×高さ５ｍｍのリ
ング試験片を作成した。　これを窒素中、＋５℃／ｈの
速度で６００℃まで昇温の後、６００℃で３０分保持し
て、脱脂処理を施した。　次にそれぞれ第１表に示す条
件で、第１段目の加熱処理および第２段目の加熱処理を
施した。　得られた焼結体の化学成分、密度比、磁気特
性および電気抵抗率を第１表に示す。

なお、第１表中Ｎｏ、１−１〜！−５については、脱脂
後に露点Ｏ℃の水素雰囲気中、３５０〜６５０℃の温度
範囲で加熱温度の水準を調節することによりＣ，ｏ量を
調整したのち第１段目および第２段目の熱処理を施した
。

第１表から、Ｎｏ、１−１〜１−５についてＣ量および
Ｏ量が各々０．０３ｗｔ％、０．５ｗｔ％を超える場合
は、磁気特性が劣化した（比較例１．２）。　また、０
量が低過ぎる場合（比較例１）は、Ｃ量を低減できず、
磁気特性が極端に劣化した。　　しかし、Ｃ１０量が本
発明の範囲内の場合は優れた磁気特性が得られた（本発
明例１〜５）。

第１段目の加熱処理温度が本発明範囲より高すぎる場合
（比較例４）や低すぎる場合（比較例５）にはいずれも
、Ｃが本発明範囲より高いため、磁気特性が劣化した。

第２段目の加熱処理温度が、第１段目の加熱温度よりも
５０℃以上高くない場合（比較例３）は、低い密度しか
得られないため、優れた磁気特性が得られなかった。

さらに、第２段目の加熱処理で加圧焼結を利用する場合
は、圧力３０気圧未満（比較例６）では効果がない。　
また、原料の平均粒径が２５μｍを超えると（比較例７
）効果が無い、　また、１０μｍ未満（本発明例１１）
では、効果が小さいのであまり推奨できない。

３０気圧以上で加圧焼結のもの（本発明例１１〜１６）
の焼結密度比はいずれも常圧焼結のもの（本発明例１〜
１０）より高い結果が得られた。

〈発明の効果〉本発明は、以上説明したように構成されているので、射
出成形法を利用し、極端な酸化を伴わないように有機バ
インダに起因するＣを除去することにより交流磁気特性
に優れたＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料を得ることができ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｓｉ：１．５〜６．５ｗｔ％、Ｏ：０．０３〜０．５ｗｔ％、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
焼結密度比が９５．０％以上であることを特徴とするＦ
ｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料。
（２）最終組成でＳｉ：１．５〜６．５ｗｔ％、残部実
質的にＦｅとなるように、平均粒径が３〜２５μｍの合
金粉末もしくは混合粉末より構成される原料粉末を調整
して、次にこれを有機バインダと混練し、射出成形処理
、脱脂処理を行った後、還元性雰囲気中もしくは０．１
Ｔｏｒｒ以下の減圧雰囲気中にて１０５０〜１２５０℃
で第１段目の加熱処理を行い、さらに、これより５０℃
以上昇温して第２段目の加熱処理を行うことを特徴とす
るＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料の製造方法。
（３）第２段目の加熱処理を３０気圧以上の不活性ガス
雰囲気中で行う請求項２記載のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結
材料の製造方法。
（４）原料粉末の平均粒径が１０〜２５μｍである請求
項３記載のＦｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料の製造方法。