KR20120125966A

KR20120125966A - 압분자심의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 압분자심

Info

Publication number: KR20120125966A
Application number: KR1020120048539A
Authority: KR
Inventors: 다께시 오오와끼; 히로유끼 미따니; 히로후미 호오조오; 도모쯔나 가미조; 아끼히꼬 다쯔미; 와따루 우루시하라; 미까꼬 다께다; 마모루 호소까와
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-11-19
Also published as: JP2012253317A; US20120286909A1; CN102779604A; EP2523195A1; KR101369109B1

Abstract

본 발명의 과제는, 기계적 강도뿐만 아니라 비저항(절연성)도 우수한 압분자심을 제공하는 것이다.
본 발명의 압분자심의 제조 방법은, 철기 연자성 분말 표면에 절연 피막을 갖는 압분 성형체용 철기 연자성 분말과 산소원 방출 화합물을 혼합한 혼합물을 압축 성형하여 압분 성형체를 얻는 성형 공정과, 상기 압분 성형체를 가열함으로써 상기 산소원 방출 화합물에 의해 상기 철기 연자성 분말의 적어도 표면을 산화시키는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압분자심의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 얻어진 압분자심 {METHOD FOR PRODUCING DUST CORE, AND DUST CORE OBTAINED BY THE METHOD}

본 발명은, 압분자심(壓粉磁心)의 제조 방법 및 그 제조 방법을 사용하여 얻어지는 압분자심에 관한 것이다.

전자기 부품용 압분자심은, 제조 공정에 있어서 핸들링성이 양호한 것이나, 코일로 하기 위한 권선시에 파손되지 않는 충분한 기계적 강도를 갖는 것이 중요하다. 이들의 점을 고려하여, 압분자심 분야에서는, 철분 입자를 전기 절연물로 피복하는 기술이 알려져 있다. 전기 절연물로 철분 입자를 피복함으로써 철분 입자 사이가 전기 절연물을 통해 접착되므로, 이것을 사용하여 얻어지는 압분자심은 기계적 강도가 향상된다.

지금까지 이러한 전기 절연물의 형성 재료로서, 내열성이 높은 실리콘 수지나, 인산 등으로부터 얻어지는 글래스상 화합물을 이용하는 기술이 개시되어 있다(특허 문헌 1).

또한, 본 출원인은, 철기 연자성 분말 표면에, 특정 원소를 포함하는 인산계 화성 피막과, 실리콘 수지 피막을 이 순서로 형성함으로써, 고자속 밀도, 저철손, 고기계적 강도의 압분자심을 제공하는 것에 성공하여, 이미 특허를 받고 있다(특허 문헌 2).

그러나 압분자심의 고성능화의 요구는 특허 문헌 2의 출원시에 비해 더욱 높아지고 있어, 더욱 고기계적 강도의 압분자심이 요구되고 있다.

일본 특허 제2710152호 공보 일본 특허 제4044591호 공보

본 발명자들은, 더욱 기계적 강도가 우수한 압분자심을 제공하는 것을 과제로 하였다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 압분자심의 제조 방법은, 철기 연자성 분말 표면에 절연 피막을 갖는 압분 성형체용 철기 연자성 분말과 산소원 방출 화합물을 포함하는 혼합물을 압축 성형하여, 압분 성형체를 얻는 성형 공정과, 상기 압분 성형체를 가열하여, 상기 산소원 방출 화합물에 의해 철기 연자성 분말의 적어도 표면을 산화시키는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 산소원 방출 화합물이 당알코올, 금속 수산화물, 금속 과산화물, 과탄산염 및 산화제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이나, 상기 열처리 공정은, 상기 압분 성형체를 200℃ 내지 700℃에서 가열하는 것인 것, 상기 200℃ 내지 700℃에서의 열처리 공정보다 전에, 상기 압분 성형체를 200℃ 내지 500℃에서 가열하는 열처리 공정을 갖는 동시에, 상기 200℃ 내지 700℃에서의 열처리 공정은, 상기 200℃ 내지 500℃에서의 열처리 공정보다도 고온에서 행하는 것인 것, 상기 혼합물이 윤활제를 더 포함하는 것, 상기 윤활제가 폴리히드록시카르본산 아미드인 것, 상기 절연 피막이 무기 화성 피막 및/또는 수지 피막인 것은, 모두 바람직한 실시 형태이다.

본 발명에는, 상기한 제조 방법에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 압분자심도 포함된다.

본 발명의 제조 방법에 따르면, 더욱 기계적 강도가 우수한 압분자심을 제공할 수 있었다.

도 1은 실시예에 있어서 질소 분위기하, 600℃에서 30분간 열처리한 경우의 항절 강도를 나타내는 그래프.
도 2는 실시예에 있어서 질소 분위기하, 600℃에서 30분간 열처리한 경우의 비저항을 나타내는 그래프.
도 3은 실시예에 있어서 대기 분위기하, 550℃에서 30분간 열처리한 경우의 항절 강도를 나타내는 그래프.
도 4는 실시예에 있어서 대기 분위기하, 550℃에서 30분간 열처리한 경우의 비저항을 나타내는 그래프.
도 5는 실시예에 있어서 2단계에 의해 열처리한 경우의 항절 강도를 나타내는 그래프.
도 6은 실시예에 있어서 2단계에 의해 열처리한 경우의 비저항을 나타내는 그래프.

본 발명의 제조 방법은, 철기 연자성 분말 표면에 절연 피막을 갖는 압분 성형체용 철기 연자성 분말(이하, 단순히 「압분 성형체용 철분」이라 칭하는 경우가 있음)과 산소원 방출 화합물을 포함하는 혼합물을 압축 성형하여, 압분 성형체를 얻는 성형 공정과, 상기 압분 성형체를 가열하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는, 열처리 공정에 있어서, 산소원 방출 화합물에 기인하여 철기 연자성 분말의 적어도 표면이 산화되어, 절연 피막이 철기 연자성 분말 표면과 강고한 결합을 형성하게 되고, 나아가서는 철기 연자성 분말끼리의 결합력이 향상된다. 그 결과, 밀도를 크게 저하시키는 일 없이, 기계적 강도가 향상된 압분자심이 얻어진 것이라 추측된다. 또한, 기계적 강도를 향상시키면 비저항이 저하되는 경우가 많지만, 본 발명의 방법에 따르면, 비저항을 유지하면서, 혹은 비저항을 증가시키면서 기계적 강도의 향상이 가능해진다. 이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

[철기 연자성 분말]

본 발명에서 사용하는 철기 연자성 분말은, 강자성체의 철기 분말이며, 구체적으로는 순(純) 철분, 철기 합금 분말(Fe-Al 합금, Fe-Si 합금, 센더스트, 퍼멀로이 등) 및 철기 비정질 분말 등을 들 수 있다. 이들 철기 연자성 분말은, 예를 들어 아토마이즈법에 의해 용융철(또는 용융철 합금)을 미립자로 한 후에 환원하고, 이어서 분쇄하는 등에 의해 제조할 수 있다. 이러한 제법에서는, 체 선별법에 의해 평가되는 입도 분포로 누적 입도 분포가 50％로 되는 입경(메디안 직경)이 20㎛ 내지 250㎛ 정도인 철기 연자성 분말이 얻어지지만, 본 발명에서 사용하는 철기 연자성 분말은, 입경(메디안 직경)이 50㎛ 내지 150㎛ 정도인 것이 바람직하다.

[절연 피막]

본 발명에서 사용하는 압분 성형체용 철분은 철기 연자성 분말 표면에 절연 피막을 갖고 있다. 절연 피막으로서는, 인산계 화성 피막, 크롬계 화성 피막 등의 무기 화성 피막 ; 실리콘 수지 피막, 페놀 수지 피막, 에폭시 수지 피막, 폴리아미드 수지 피막, 폴리이미드 수지 피막 등의 수지 피막을 들 수 있다. 무기 화성 피막으로서는 인산계 화성 피막이 바람직하고, 수지 피막으로서는 실리콘 수지 피막이 바람직하다. 절연 피막은 상기 열거한 피막 단독으로 구성되어 있어도 되고, 2종류 이상의 피막을 적층시켜 구성되어 있어도 된다. 이하, 인산계 화성 피막 및 실리콘 수지 피막에 대해 상세하게 설명한다.

<인산계 화성 피막>

인산계 화성 피막은, P를 포함하는 화합물을 사용하여 형성되는 글래스상의 피막이면 그 조성은 특별히 한정되는 것은 아니지만, P 이외에, 또한 Co, Na, S를 포함하는 화합물이나, Cs 및/또는 Al을 포함하는 화합물을 사용하여 형성되는 글래스상의 피막인 것이 바람직하다. 이들 원소는, 열처리 공정시에, 산소가 Fe와 반도체를 형성하여 비저항을 저하시키는 것을 억제하기 때문이다.

인산계 화성 피막이, P 이외에, 상기 Co 등을 포함하는 화합물을 사용하여 형성되는 글래스상의 피막인 경우에는, 이들 원소의 함유율은, 압분 성형체용 철분(철기 연자성 분말과 인산계 화성 피막의 합계) 100질량％ 중, P는 0.005질량％ 내지 1질량％, Co는 0.005질량％ 내지 0.1질량％, Na는 0.002질량％ 내지 0.6질량％, S는 0.001질량％ 내지 0.2질량％인 것이 바람직하다. 또한, Cs는 0.002질량％ 내지 0.6질량％, Al은 0.001질량％ 내지 0.1질량％인 것이 바람직하다. Cs와 Al을 병용하는 경우도, 각각을 이 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

상기 원소 중, P는 산소를 통해 철기 연자성 분말 표면과 화학 결합을 형성한다. 따라서, P량이 0.005질량％ 미만인 경우에는, 철기 연자성 분말 표면과 인산계 화성 피막의 화학 결합량이 불충분해져, 강고한 피막을 형성하지 않을 우려가 있다. 한편, P량이 1질량％를 초과하는 경우에는, 화학 결합에 관여하지 않는 P가 미반응 상태로 잔류하여, 오히려 결합 강도를 저하시킬 우려가 있다.

Co, Na, S, Cs, Al은, 열처리 공정을 행할 때에 Fe와 산소가 반도체를 형성하는 것을 저해하여, 비저항이 저하되는 것을 억제하는 작용을 갖는다. Co, Na 및 S는, 복합 첨가됨으로써 그 효과를 최대화시킨다. 또한, Cs와 Al은 어느 한쪽이라도 상관없지만, 각 원소의 하한값은 Co, Na 및 S의 복합 첨가의 효과를 발휘시키기 위한 최저량이다. 또한, Co, Na, S, Cs, Al은, 필요 이상으로 첨가량을 높이면 복합 첨가시에 상대적인 밸런스를 유지할 수 없게 될 뿐만 아니라, 산소를 통한 P와 철기 연자성 분말 표면의 화학 결합의 생성을 저해하는 것이라 생각된다.

인산계 화성 피막에는, Mg나 B가 포함되어 있어도 된다. 이들 원소의 함유율은, 압분 성형체용 철분 100질량％ 중, Mg, B 모두 0.001질량％ 내지 0.5질량％인 것이 적합하다.

인산계 화성 피막의 막 두께는, 1㎚ 내지 250㎚ 정도가 바람직하다. 막 두께가 1㎚보다 얇으면 절연 효과가 발현되지 않는 경우가 있다. 또한, 250㎚를 초과하면, 절연 효과가 포화되는 데 더하여, 압분 성형체의 고밀도화의 점에서도 바람직하지 않다. 보다 바람직한 막 두께는, 10㎚ 내지 50㎚이다.

<인산계 화성 피막의 형성 방법>

본 발명에서 사용하는 압분 성형체용 철분은, 어느 형태로 제조되어도 된다. 예를 들어, 물 및/또는 유기 용제로 이루어지는 용매에, P를 포함하는 화합물을 용해시킨 용액과, 철기 연자성 분말을 혼합한 후, 필요에 따라서 상기 용매를 증발시켜 얻을 수 있다.

본 공정에서 사용하는 용매로서는, 물이나, 알코올이나 케톤 등의 친수성 유기 용제 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 용매 중에는 공지의 계면 활성제를 첨가해도 된다.

P를 포함하는 화합물로서는, 예를 들어 오르토인산(H₃PO₄)을 들 수 있다. 또한, 인산계 화성 피막이 상기한 조성으로 되도록 하기 위한 화합물로서는, 예를 들어 Co₃(PO₄)₂(Co 및 P원), Co₃(PO₄)₂ㆍ8H₂O(Co 및 P원), Na₂HPO₄(P 및 Na원), NaH₂PO₄(P 및 Na원), NaH₂PO₄ㆍnH₂O(P 및 Na원), Al(H₂PO₄)₃(P 및 Al원), Cs₂SO₄(Cs 및 S원), H₂SO₄(S원), MgO(Mg원), H₃BO₃(B원) 등이 사용 가능하다. 그 중에서도, 인산2수소나트륨염(NaH₂PO₄)을 P원이나 Na원으로서 사용하면, 밀도, 강도, 비저항에 대해 균형이 잡힌 압분자심을 얻을 수 있다.

철기 연자성 분말에 대한 P를 포함하는 화합물의 첨가량은, 형성되는 인산계 화성 피막의 조성이 상기한 범위로 되는 것이면 된다. 예를 들어, 고형분이 0.01질량％ 내지 10질량％ 정도로 되도록 조제한 P를 포함하는 화합물이나, 필요에 따라서 피막에 포함시키고자 하는 원소를 포함하는 화합물의 용액을, 철기 연자성 분말 100질량부에 대해 1 내지 10질량부 정도 첨가하여, 공지의 믹서, 볼밀, 니더, V형 혼합기, 조립기(造粒機) 등의 혼합기에 의해 혼합함으로써, 형성되는 인산계 화성 피막의 조성을 상기한 범위 내로 할 수 있다.

또한 필요에 따라서, 상기 혼합 공정 후, 대기중, 감압하, 또는 진공하에서, 150℃ 내지 250℃에서 건조시켜도 된다. 건조 후에는, 눈금 200㎛ 내지 500㎛ 정도의 체를 통과시켜도 된다. 상기 공정을 거침으로써, 인산계 화성 피막이 형성된 압분 성형체용 철분이 얻어진다.

<실리콘 수지 피막>

본 발명의 압분 성형체용 철분은, 상기 인산계 화성 피막 상에 실리콘 수지 피막을 더 갖고 있어도 된다. 이에 의해, 실리콘 수지의 가교ㆍ경화 반응 종료시(압축시)에는 분말끼리가 강고하게 결합된다. 또한, 내열성이 우수한 Si-0 결합을 형성하여, 절연 피막의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.

실리콘 수지로서는, 경화가 느린 것에서는 분말이 끈적거려 피막 형성 후의 핸들링성이 나쁘기 때문에, 2관능성의 D 단위(R₂SiX₂:X는 가수 분해 성능)보다는, 3관능성의 T 단위(RSiX₃:X는 상기와 동일)를 많이 갖는 것이 바람직하다. 또한, 4관능성의 Q 단위(SiX₄:X는 상기와 동일)가 많이 포함되어 있으면, 예비 경화시에 분말끼리가 강고하게 결착되어 버려, 이후의 성형 공정을 행할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 실리콘 수지의 T 단위는 60몰％ 이상(보다 바람직하게는 80몰％ 이상, 가장 바람직하게는 100몰％)인 것이 바람직하다.

또한, 실리콘 수지로서는, 상기 R이 메틸기 또는 페닐기로 되어 있는 메틸페닐실리콘 수지가 일반적이고, 페닐기를 많이 갖는 쪽이 내열성은 높다고 되어 있다. 그러나 본 발명에서 채용하는 고온의 열처리 조건에서는, 페닐기의 존재는 그다지 유효하다고는 할 수 없었다. 페닐기의 부피 크기가, 치밀한 글래스상 그물망 구조를 흐트러뜨려, 열적 안정성이나 철과의 화합물 형성 저해 효과를 반대로 저감시키는 것은 아닌지 생각된다. 따라서, 본 발명에서는, 메틸기가 50몰％ 이상인 메틸페닐실리콘 수지[예를 들어, 신에쯔가가꾸고오교오(新越化學工業)사제의 KR255, KR311 등]를 사용하는 것이 바람직하고, 70몰％ 이상[예를 들어, 신에쯔가가꾸고오교오사제의 KR300 등]이 보다 바람직하고, 페닐기를 전혀 갖지 않는 메틸 실리콘 수지[예를 들어, 신에쯔가가꾸고오교오사제의 KR251, KR400, KR220L, KR242A, KR240, KR500, KC89 등이나, 도레이ㆍ다우코닝사제의 SR2400 등]가 가장 바람직하다. 또한, 실리콘 수지(피막)의 메틸기와 페닐기의 비율이나 관능성에 대해서는, FT-IR 등으로 분석 가능하다.

실리콘 수지 피막의 부착량은, 인산계 화성 피막과 실리콘 수지 피막이 이 순서로 형성된 압분 성형체용 철분을 100질량％로 하였을 때, 0.05질량％ 내지 0.3질량％로 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 실리콘 수지 피막의 부착량이 0.05질량％보다 적으면, 압분 성형체용 철분은 절연성이 떨어져 전기 저항이 낮아진다. 또한, 실리콘 수지 피막의 부착량이 0.3질량％보다 많은 경우에는, 얻어지는 압분 성형체의 고밀도화를 달성하기 어렵다.

실리콘 수지 피막의 두께로서는, 1㎚ 내지 200㎚가 바람직하다. 보다 바람직한 두께는 20㎚ 내지 150㎚이다. 또한, 인산계 화성 피막과 실리콘 수지 피막의 합계 두께는 250㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께가 250㎚를 초과하면, 자속 밀도의 저하가 커지는 경우가 있다.

<실리콘 수지 피막의 형성 방법>

실리콘 수지 피막의 형성은, 예를 들어 실리콘 수지를 알코올류나, 톨루엔, 크실렌 등의 석유계 유기 용제 등에 용해시킨 실리콘 수지 용액과, 인산계 화성 피막을 갖는 철기 연자성 분말(이하, 편의상 단순히 「인산계 피막 형성 철분」이라고 칭하는 경우가 있음)을 혼합하고, 이어서 필요에 따라서 상기 유기 용제를 증발시킴으로써 행할 수 있다.

인산계 피막 형성 철분에 대한 실리콘 수지의 첨가량은, 형성되는 실리콘 수지 피막의 부착량이 상기한 범위로 되는 것이면 된다. 예를 들어, 고형분이 대체로 2질량％ 내지 10질량％로 되도록 조제한 수지 용액을, 상기한 인산계 화성 피막 형성 철분 100질량부에 대해, 0.5질량부 내지 10질량부 정도 첨가하여 혼합하고, 건조시키면 된다. 수지 용액의 첨가량이 0.5질량부보다 적으면 혼합에 시간이 걸리거나, 피막이 불균일해질 우려가 있다. 한편, 수지 용액의 첨가량이 10질량부를 초과하면 건조에 시간이 걸리거나, 건조가 불충분해질 우려가 있다. 수지 용액은 적절하게 가열해 두어도 상관없다. 혼합기는 상기한 것과 마찬가지인 것이 사용 가능하다.

건조 공정에서는, 사용한 유기 용제가 휘발되는 온도이며, 또한 실리콘 수지의 경화 온도 미만으로 가열하여, 유기 용제를 충분히 증발 휘산시키는 것이 바람직하다. 구체적인 건조 온도로서는, 상기한 알코올류나 석유계 유기 용제의 경우는 60℃ 내지 80℃ 정도가 적합하다. 건조 후에는, 응집 덩어리를 제거하기 위해, 눈금 300㎛ 내지 500㎛ 정도의 체를 통과시켜 두는 것이 바람직하다.

건조 후에는, 실리콘 수지 피막이 형성된 압분 성형체용 철분(이하, 편의상 단순히 「실리콘 수지 피막 형성 철분」이라고 칭하는 경우가 있음)을 가열하여, 실리콘 수지 피막을 예비 경화시키는 것이 권장된다. 예비 경화라 함은, 실리콘 수지 피막의 경화시에 있어서의 연화 과정을 분말 상태에서 종료시키는 처리이다. 이 예비 경화 처리에 의해, 온간(溫間) 성형시(100 내지 250℃ 정도)에 실리콘 수지 피막 형성 철분의 유동성을 확보할 수 있다. 구체적인 방법으로서는, 실리콘 수지 피막 형성 철분을, 이 실리콘 수지의 경화 온도 근방에서 단시간 가열하는 방법이 간편하지만, 약제(경화제)를 사용하는 방법도 이용 가능하다. 예비 경화와 경화(예비가 아닌 완전 경화) 처리의 차이는, 예비 경화 처리에서는 분말끼리가 완전히 접착 고화되는 일 없이, 용이하게 해쇄(解碎)가 가능한 것에 반해, 분말의 성형 후에 행하는 고온 가열 경화 처리에서는, 수지가 경화되어 분말끼리가 접착 고화되는 점이다. 완전 경화 처리에 의해 성형체 강도가 향상된다.

상기한 바와 같이, 실리콘 수지를 예비 경화시킨 후, 해쇄함으로써, 유동성이 우수한 분말이 얻어져, 압축 성형시에 성형형(成形型)에 모래와 같이 투입할 수 있게 된다. 예비 경화시키지 않으면, 예를 들어 온간 성형시에 분말끼리가 부착되어, 성형형에의 단시간의 투입이 곤란해지는 경우가 있다. 실제 조업상, 핸들링성의 향상은 매우 의미가 있다. 또한, 예비 경화시킴으로써 얻어지는 압분자심의 비저항이 매우 향상되는 것이 발견되어 있다. 그 이유는 명확하지는 않지만, 경화시에 압분 성형체용 철분끼리의 밀착성이 높아지기 때문이 아닌지 생각된다.

단시간 가열법에 의해 예비 경화를 행하는 경우, 100℃ 내지 200℃에서 5분 내지 100분의 가열 처리를 행하면 된다. 130℃ 내지 170℃에서 10분 내지 30분이 보다 바람직하다. 예비 경화 후에도, 상기한 바와 같이 체를 통과시켜 두는 것이 바람직하다.

[산소원 방출 화합물]

본 발명에 있어서 압분 성형체용 철분에는, 산소원 방출 화합물이 혼합되어 있다. 이에 의해, 열처리 공정에 있어서 압분 성형체를 가열하였을 때에, 산소원 방출 화합물로부터 산소, 물, 과산화수소 등의 산소원이 방출되어, 압분 성형체용 철분 표면이 산화된다. 특히, 당해 산소원 방출 화합물은 압분 성형체의 내부에도 배치되게 되므로, 열처리 공정시, 압분 성형체 내부에 있어서도 압분 성형체용 철분 표면의 산화가 진행된다. 구체적으로는, 압분자심의 표면으로부터 2㎜ 이상의 깊이의, 임의의 3지점에 있어서의 마그네타이트(Fe₃O₄)의 체적 비율(평균)이 0.1％ 이상(보다 바람직하게는, 0.5％ 이상)인 압분자심을 얻을 수 있다. 또한, 마그네타이트의 체적 비율은 후술하는 X선 회절에 의해 측정할 수 있다.

그 결과, 본 발명의 압분자심은, 압분 성형체용 철분 표면과 절연 피막(예를 들어, 인산계 화성 피막)의 결합이 강고해지는 동시에, 절연 피막끼리의 결합도 강고해지므로 기계적 강도가 향상된다. 또한, 압분자심의 비저항(절연성)도 향상된다.

이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 압분 성형체용 철분, 윤활제 및 산소원 방출 화합물의 혼합물 전량 중, 산소원 방출 화합물이 0.01질량％ 이상 함유되어 있는 것이 바람직하다. 그러나 산소원 방출 화합물이 많아지면, 압분 성형체의 고밀도화에 반하므로, 0.8질량％ 이하에 그치게 하는 것이 바람직하다.

산소원 방출 화합물로서는, 가열에 의해 산소, 물 및/또는 과산화수소 등의 산소원을 방출하는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 에리트리톨, 글리세린, 이소말트, 락티톨, 말티톨, 만니톨, 소르비톨, 자일리톨 등의 가열에 의해 물을 방출하는 당알코올 ; 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 수산화칼슘, 수산화망간, 수산화철, 수산화코발트, 수산화니켈, 수산화구리 등의 가열에 의해 물을 방출하는 금속 수산화물 ; 과산화리튬, 과산화나트륨, 과산화아연 등의 가열에 의해 산소를 방출하는 금속 과산화물 ; 과탄산나트륨 등의 가열에 의해 물과 산소로 분해되는 과산화수소를 방출하는 과탄산염 ; 질산 음이온, 아질산 음이온, 염소산 음이온 등의 산화제를 들 수 있다. 산화제의 음이온의 대(對)이온(양이온)으로서는, 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 암모늄 이온, 칼슘 이온, 스트론튬 이온, 바륨 이온 등을 예시할 수 있다. 이들 산소원 방출 화합물은 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.

[윤활제]

본 발명의 압분 성형체용 철분에는, 윤활제가 더 혼합되어 있는 것이 바람직하다. 이 윤활제의 작용에 의해, 압분 성형체용 철분을 압축 성형할 때의 철분간, 혹은 철분과 성형형 내벽간의 마찰 저항을 저감할 수 있어, 성형체의 형 마모나 성형시의 발열을 방지할 수 있다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 압분 성형체용 철분, 윤활제 및 산소원 방출 화합물의 혼합물 전량 중, 윤활제가 0.2질량％ 이상 함유되어 있는 것이 바람직하다. 그러나 윤활제량이 많아지면, 압분 성형체의 고밀도화에 반하므로, 0.8질량％ 이하로 그치게 하는 것이 바람직하다. 또한, 압축 성형할 때에, 성형형 내벽면에 윤활제를 도포한 후, 성형하는 경우(형 윤활 성형)에는, 0.2질량％보다 적은 윤활제량이라도 상관없다.

윤활제로서는, 종래부터 공지의 것을 사용하면 되고, 구체적으로는 스테아린산 아연, 스테아린산 리튬, 스테아린산 칼슘 등의 스테아린산의 금속염 분말, 폴리히드록시카르본산 아미드, 에틸렌비스스테아릴 아미드나 (N-옥타데세닐)헥사데칸산 아미드 등의 지방산 아미드, 파라핀, 왁스, 천연 또는 합성 수지 유도체 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 폴리히드록시카르본산 아미드나 지방산 아미드가 바람직하다. 이들 윤활제는 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.

폴리히드록시카르본산 아미드로서는, WO2005/068588호 공보에 기재된 C_mH_m+1(OH)_m-CONH_-C_nH_2n+1(m은 2 또는 5, n은 6 내지 24의 정수)을 들 수 있다.

보다 구체적으로는, 하기하는 폴리히드록시카르본산 아미드를 들 수 있다.

(1) n-C₂H₃(OH)₂-CONH-n-C₆H₁₃

(N-헥실)글리세린산 아미드

(2) n-C₂H₃(OH)₂-CONH-n-C₈H₁₇

(N-옥틸)글리세린산 아미드

(3) n-C₂H₃(OH)₂-CONH-n-C₁₈H₃₇

(N-옥타데실)글리세린산 아미드

(4) n-C₂H₃(OH)₂-CONH-n-C₁₈H₃₅

(N-옥타데세닐)글리세린산 아미드

(5) n-C₂H₃(OH)₂-CONH-n-C₂₂H₄₅

(N-도코실)글리세린산 아미드

(6) n-C₂H₃(OH)₂-CONH-n-C₂₄H₄₉

(N-테트라코실)글리세린산 아미드

(7) n-C₅H₆(OH)₅-CONH-n-C₆H₁₃

(N-헥실)글루콘산 아미드

(8) n-C₅H₆(OH)₅-CONH-n-C₈H₁₇

(N-옥틸)글루콘산 아미드

(9) n-C₅H₆(OH)₅-CONH-n-C₁₈H₃₇

(N-옥타데실)글루콘산 아미드

(10) n-C₅H₆(OH)₅-CONH-n-C₁₈H₃₅

(N-옥타데세닐)글루콘산 아미드

(11) n-C₅H₆(OH)₅-CONH-n-C₂₂H₄₅

(N-도코실)글루콘산 아미드

(12) n-C₅H₆(OH)₅-CONH-n-C₂₄H₄₉

(N-테트라코실)글루콘산 아미드

[압축 성형]

압분 성형체는, 상기 압분 성형체용 철분(실리콘 수지 피막을 포함하는 경우가 있음), 산소원 방출 화합물 및 필요에 따라서 윤활제를 포함하는 혼합물을 압축 성형함으로써 얻어진다. 압축 성형법은 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 방법이 채용 가능하다.

압축 성형의 적합 조건은, 면압으로, 490㎫ 내지 1960㎫이다. 성형 온도는, 실온 성형, 온간 성형(100 내지 250℃) 모두 가능하다. 형 윤활 성형에서 온간 성형을 행하는 쪽이, 보다 고강도의 압분자심이 얻어지므로 바람직하다.

[열처리 공정]

본 발명에서는, 압축 성형 후의 압분 성형체를 고온(바람직하게는, 200℃ 내지 700℃)에서 어닐링한다(이하, 「열처리 공정 2」라고 하는 경우가 있음). 이에 의해, 압분자심의 히스테리시스 손실을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 산소원 방출 화합물로부터 산소원을 방출시킴으로써 상기 철기 연자성 분말의 적어도 표면을 산화시킬 수 있다. 이때의 어닐링 온도는 200℃ 이상이 바람직하고, 300℃ 이상이 보다 바람직하고, 500℃ 이상이 더욱 바람직하다. 당해 공정은, 비저항의 열화가 없으면, 보다 고온에서 행하는 것이 바람직하다. 어닐링 온도의 상한은 700℃가 바람직하고, 650℃가 보다 바람직하다. 어닐링 온도가 700℃를 초과하면, 절연 피막이 파괴되는 경우가 있다.

또한 본 발명에서는, 산소원 방출 화합물에 의한 산화 효과를 한층 높이기 위해, 상기 열처리 공정 2에 앞서, 압분 성형체를 200℃ 내지 500℃에서 가열 처리하는 열처리 공정 1을 행하는 것이 바람직하다. 200℃ 내지 500℃의 비교적 저온 영역에서 압분 성형체를 가열하면, 산소원 방출 화합물로부터 산소, 물, 과산화수소 등의 산소원을 느리게 방출시킬 수 있다. 산소원의 느린 방출에 의해 장시간에 걸쳐 압분 성형체 내부의 철분간의 산소원의 공급 경로의 폐색을 억제할 수 있으므로, 보다 많은 철분을 산화시키는 것이 가능해지고, 또한 상기 열처리 공정 2에서의 처리시에, 압분 성형체 내부의 산소원에 더하여, 산소원 방출 화합물로부터 방출되어 분위기 중에 존재하는 산소원(나아가서는, 분위기 중에 미리 포함되어 있는 산소)도 철분의 산화에 기여하므로, 압분 성형체 내부의 산화가 효율적으로 촉진되어 압분자심의 기계적 강도(특히, 항절 강도)를 높일 수 있다.

또한, 압분 성형체가 윤활제를 포함하는 경우라도, 열처리 공정 1의 상기 온도 영역에서 가열 처리를 행하면, 산소원의 느린 방출에 의해, 철분간의 산소원의 공급 경로가 윤활제에 의해 폐색되는 것을 억제하면서, 윤활제의 증발ㆍ비산을 효율적으로 행할 수 있어, 계속해서 행해지는 열처리 공정 2에 있어서, 상기 산화 촉진 효과가 얻어진다.

열처리 공정 1의 온도가 지나치게 높으면, 단시간에 산소 공급원으로부터 산소원이 방출되어 버려, 열처리 공정 1에 있어서의 상기 폐색 억제 효과나 윤활제의 증발ㆍ비산 효과를 충분히 얻을 수 없고, 또한 열처리 공정 2에 있어서 내부의 산소원이 결핍되므로, 압분 성형체 내부의 산화가 불충분해지는 경우가 있다. 따라서, 열처리 공정 1의 가열 온도는, 바람직하게는 500℃ 이하, 보다 바람직하게는 450℃ 이하로 한다. 한편, 가열 온도가 지나치게 낮으면 산소원의 방출량이 부족하거나, 윤활제의 증발ㆍ비산을 효율적으로 행할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 열처리 공정 1의 가열 온도는, 바람직하게는 200℃ 이상, 보다 바람직하게는 250℃ 이상이다.

상기 열처리 공정 1 및 열처리 공정 2의 분위기는 특별히 한정되지 않고, 대기 분위기하라도 좋고, 불활성 가스 분위기하라도 좋다. 불활성 가스로서는, 질소, 헬륨이나 아르곤 등의 희가스, 진공 등을 들 수 있다. 이들 분위기 중, 대기 분위기가 바람직하다. 대기 분위기 중에서 열처리를 행함으로써, 비저항이 현저하게 증가한다. 각 열처리 공정에서의 어닐링 시간은 비저항의 열화가 없으면 특별히 한정되지 않지만, 가열 시간이 지나치게 짧으면 상기 효과를 충분히 얻을 수 없으므로, 바람직하게는 10분 이상, 보다 바람직하게는 20분 이상으로 한다. 한편, 가열 시간이 지나치게 길면, 절연 피막이 박육화되어 절연성이 저하되는 등의 문제가 발생하므로, 바람직하게는 360분 이하, 보다 바람직하게는 300분 이하로 한다.

또한, 열처리 공정 1과 열처리 공정 2를 행하는 경우, 열처리 공정 2는 열처리 공정 1보다도 높은 온도에서 행하는 것이 바람직하고, 열처리 공정 2의 온도를 500℃ 초과 700℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 열처리를 2단계로 나눔으로써, 압분자심의 히스테리시스 손실의 저감과, 현저한 산화 촉진 효과가 얻어진다.

또한 열처리 공정 1을 행한 후에는 냉각하지 않고, 혹은 일단 냉각하고 나서 열처리 공정 2를 행해도 된다. 예를 들어, 열처리 공정 1과 열처리 공정 2에서 용기 내의 분위기를 변경할 경우는, 열처리 공정 1을 행한 후, 일단 냉각하여 분위기를 조정하고 나서 소정의 온도까지 승온하여 열처리 공정 2를 행하면 된다. 또한 예를 들어 분위기를 변경하지 않는 경우는, 열처리 공정 1을 행한 후, 계속해서 소정의 온도로 승온하여 열처리 공정 2를 행하면 된다.

열처리 공정에 있어서의 평균 승온 속도(평균 냉각 속도)는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 0.5℃/분 내지 50℃/분 정도로 행하면 된다.

상기한 조건으로 열처리 공정을 행하면, 와전류손[보자력(保磁力)에 상당함]을 증대시키는 일 없이, 높은 전기 절연성, 즉, 높은 비저항을 갖는 압분자심을 제조할 수 있다.

[압분자심]

본 발명의 압분자심은, 상기 열처리 공정 후, 냉각하여 상온으로 복귀시킴으로써 얻을 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 상세하게 서술한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 상기ㆍ후기하는 취지를 일탈하지 않는 범위에서 변경을 실시하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한, 「부」는 「질량부」를, 「％」는 「질량％」를 각각 의미한다.

실험예 1 내지 13

(성형 공정)

연자성 분말로서 순 철분[고베세이꼬오쇼(神戶製鋼所)제;아토멜(등록 상표) 300NH ; 평균 입경 80 내지 100㎛]을, 또한 인산철 화성 피막용 처리액으로서, 물:50부, NaH₂PO₄:30부, H₃PO₄:10부, (NH₂OH)₂ㆍH₂SO₄:10부, Co₃(PO₄)₂:10부를 혼합하여, 다시 물로 10배에 희석한 처리액(인산 농도 1.5％)을 사용하였다.

눈금 300㎛의 체를 통과시킨 상기 순 철분 1㎏에, 상기 처리액 50㎖를 첨가하고, V형 혼합기를 사용하여 30분 이상 혼합한 후, 대기중, 200℃에서 30분 건조시켜, 눈금 300㎛의 체를 통과시켰다(인산계 화성 피막 형성 철분 : 막 두께 20㎚).

다음에, 메틸기가 100몰％, T 단위가 100몰％인 실리콘 수지「KR220L」(신에쯔가가꾸고오교오사제)을 톨루엔에 용해시켜, 4.8％의 고형분 농도의 수지 용액을 제작하였다. 이 수지 용액을, 상기 실리콘 수지 피막의 부착량이, 인산계 화성 피막과 실리콘 수지 피막이 형성된 압분 성형체용 철분(100질량％)에 대해 0.05질량％로 되도록 첨가 혼합하고, 오븐로에서 대기중, 75℃, 30분간 가열하여 건조시킨 후, 눈금 300㎛의 체를 통과시켰다. 그 후, 150℃에서 30분간, 예비 경화를 행하였다(압분 성형체용 철분 : 실리콘 수지 막 두께 100㎚).

계속해서, 윤활제로서, 폴리히드록시카르본산 아미드를, 압분 성형체용 철분, 윤활제 및 산소원 방출 화합물과의 혼합물 전량에 대해 0.2질량％로 되도록 첨가하여 혼합하고, 또한 일부 실험예에서는 하기 표에 기재되어 있는 바와 같이 산소원 방출 화합물인 당알코올로서 만니톨, 금속 수산화물로서 수산화알루미늄, 금속 과산화물로서 과산화리튬, 과탄산염으로서 과탄산나트륨, 또는 산화제로서 질산칼륨을, 압분 성형체용 철분, 윤활제 및 산소원 방출 화합물의 혼합물 전량에 대해 0.1질량％ 첨가하여 혼합한 후, 금형에 넣고, 면압 784㎫로 실온(25℃)에서의 압축 성형을 행하여, 세로 31.75㎜×가로 12.7㎜, 높이 약 5㎜의 압분 성형체를 얻었다.

(열처리 공정)

그 후, (A) 질소 분위기하, 600℃에서 30분간의 열처리(표 1, 도 1, 도 2), 혹은 (B) 대기 분위기하, 550℃에서 30분간의 열처리(표 2, 도 3, 도 4), 혹은 (C) 대기 분위기하, 300℃(또는 400℃)에서 120분간의 열처리 공정 1을 실시한 후, 계속해서 550℃에서 30분간의 열처리 공정 2를 실시하여(표 3, 도 5, 도 6), 압분자심을 제작하였다. 승온 속도는 약 10℃/분으로 하였다.

열처리 후에 얻어진 압분자심의 밀도, 비저항, 항절 강도 및 마그네타이트(Fe₃O₄)의 체적 비율을 측정하였다. 측정 방법은 이하와 같다.

[밀도]

압분자심의 질량 및 크기를 실측하여, 계산에 의해 구하였다.

[비저항]

비저항의 측정은, 프로브로 리까덴시(理化電子)사제 「RM-14L」을, 측정기로 이와사끼쯔신(岩崎通信)사제 디지털 멀티미터「VOAC-7510」을 사용하여, 4단자 저항 측정 모드(4단자법)에 의해 행하였다. 측정은, 단자간 거리를 7㎜, 프로브의 스트로크 길이를 5.9㎜, 스프링 하중을 10-S 타입으로 하고, 프로브를 측정 시료에 압박 접촉하여 실시하였다.

[항절 강도]

압분자심의 기계적 강도는 항절 강도를 측정하여 평가하였다. 항절 강도는, 판 형상 압분자심을 사용하여 항절 강도 시험을 행하여 측정하였다. 시험은, JPMA M 09-1992(일본 분말 야금 공업회 ; 소결 금속 재료의 항절력 시험 방법)에 준거한 3점 굽힘 시험을 행하였다. 항절 강도의 측정에는 인장 시험기[시마쯔세이사꾸쇼(島津製作所)제 「AUTOGRAPH AG-5000E」]를 사용하여, 지지점간 거리를 25㎜로 하여 측정을 행하였다.

[마그네타이트(Fe₃O₄)의 체적 비율]

압분자심에 포함되는 마그네타이트의 체적 비율은, 상기 항절 강도 시험 후의 시험편을 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 항절 강도 시험에 의해 파단하여 노출된 면에 X선을 조사하여 X선 회절 측정을 실시하고, 마그네타이트의 체적 비율을 측정하였다. 측정 장치로서는, 리가꾸사제의 2차원 미소부 X선 회절 장치「RINT-RAPID II」를 사용하였다. Co 타깃 및 모노크로미터에 의해 Kα선을 사용하여, 측정 각도(2θ) 30°내지 110°로 측정하였다. 측정면에 있어서의 X선 조사 영역은, 약 0.6㎜Φ이다. 파단면의 형상은 횡폭 12.7㎜, 상하의 높이 약 5㎜의 직사각형이다. 이 파단면의 중앙부, 구체적으로는 상부로부터 2㎜ 이상 내부(하방)이고, 하부로부터 2㎜ 이상 내부(상방)의 임의의 3개소(부위 1 내지 3)에 X선을 조사하였다. Fe₃O₄ 유래의 피크 면적과 Fe 유래의 피크 면적에 대해 피크 피팅을 실시하여, 마그네타이트(Fe₃O₄)의 체적 비율 및 평균값을 구하였다.

표 1 및 도 1, 도 2로부터, 당알코올(만니톨)이나 산화제(질산칼륨) 등의 산소원 방출 화합물을 사용하여 압분자심을 제작함으로써(No.2, 3), 산소원 방출 화합물을 첨가하지 않은 예(No.1)에 비해 밀도를 유지하면서, 비저항과 기계적 강도(항절 강도)가 우수한 압분자심이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

표 2 및 도 3, 도 4로부터, 산소원 방출 화합물을 사용하여 압분자심을 제작함으로써(No.5 내지 9), 산소원 방출 화합물을 첨가하지 않은 예(No.4)에 비해 밀도를 유지하면서, 혹은 밀도를 크게 저하시키는 일 없이, 비저항과 기계적 강도(항절 강도)가 우수한 압분자심이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

표 3 및 도 5, 도 6으로부터, 산소원 방출 화합물을 사용하여 압분자심을 제작함으로써(No.11 내지 13), 산소원 방출 화합물을 첨가하지 않은 예(No.10)에 비해 밀도를 유지하면서, 비저항과 기계적 강도(항절 강도)가 우수한 압분자심이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

또한, 열처리를 대기 분위기에서 행한 경우(열처리 조건 B, C), 질소 분위기에서 행한 경우(열처리 조건 A)보다도, 비저항이 우수한 압분자심이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

또한, 열처리를 2단계에 의해 행한 경우(열처리 조건 C), 열처리를 1단계에 의해 행한 경우(열처리 조건 A, B)보다도 기계적 강도(항절 강도)가 우수한 압분자심이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 제조 방법은, 4㎜ 이상의 두께를 갖는 압분자심이나, 내부에 있어서의 임의의 개소로부터 최표면까지의 거리가 2㎜ 이상으로 되는 부분이 존재하는 형상을 갖는 압분자심의 제조에 적합하다.

본 발명의 압분자심의 제조 방법에 따르면, 기계적 강도가 우수한 압분자심을 제조할 수 있다. 이 압분자심은, 모터의 로터나 스테이터의 코어로서 유용하다.

Claims

철기 연자성 분말 표면에 절연 피막을 갖는 압분 성형체용 철기 연자성 분말과 산소원 방출 화합물을 포함하는 혼합물을 압축 성형하여 압분 성형체를 얻는 성형 공정과,
상기 압분 성형체를 가열하여, 상기 산소원 방출 화합물에 의해 상기 철기 연자성 분말의 적어도 표면을 산화시키는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 압분자심의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 산소원 방출 화합물이, 당알코올, 금속 수산화물, 금속 과산화물, 과탄산염 및 산화제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종인, 압분자심의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 열처리 공정은, 상기 압분 성형체를 200℃ 내지 700℃에서 가열하는 것인, 압분자심의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 200℃ 내지 700℃에서의 열처리 공정보다 전에, 상기 압분 성형체를 200℃ 내지 500℃에서 가열하는 열처리 공정을 갖는 동시에, 상기 200℃ 내지 700℃에서의 열처리 공정은, 상기 200℃ 내지 500℃에서의 열처리 공정보다도 고온에서 행하는 것인, 압분자심의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 혼합물이 윤활제를 더 포함하는 것인, 압분자심의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 윤활제가 폴리히드록시카르본산 아미드인, 압분자심의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 절연 피막이 무기 화성 피막과 수지 피막 중 하나 이상인, 압분자심의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 압분자심.