KR20170106415A

KR20170106415A - 연자성 분말용 원료 분말 및 압분 자심용 연자성 분말

Info

Publication number: KR20170106415A
Application number: KR1020177022899A
Authority: KR
Inventors: 다쿠야 다카시타; 아키오 고바야시; 나오미치 나카무라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2017-09-20
Also published as: CN107206486B; WO2016129263A1; CA2974067C; SE542793C2; US20180236537A1; CN107206486A; CA2974067A1; WO2016129263A8; JPWO2016129263A1; JP6191774B2; SE1750988A1; KR101963069B1

Abstract

와전류손이 낮은 압분 자심이 얻어지는 압분 자심용 연자성 분말을 제공한다. Fe : 60 mass％ 이상, γ 상 안정화 원소, 및 전기 저항을 높이는 원소 : 1.0 mass％ 이상을 함유하는 연자성 분말용 원료 분말.

Description

연자성 분말용 원료 분말 및 압분 자심용 연자성 분말{RAW MATERIAL POWDER FOR SOFT MAGNETIC POWDER, AND SOFT MAGNETIC POWDER FOR DUST CORE}

본 발명은, 와전류손이 낮고, 고주파 용도에서 우수한 자기 특성을 갖는 압분 자심용 연자성 분말과, 그 연자성 분말을 얻기 위한 원료 분말에 관한 것이다.

압분 자심용 분말을 가압 성형하여 만든 압분 자심은, 예를 들어, 차량의 구동용 모터의 스테이터 코어나 로터 코어, 전력 변환 회로를 구성하는 리액터 코어 등에 적용되고 있다. 전기 강판을 적층하여 이루어지는 코어재에 비해 압분 자심은, 고주파 철손이 적은 자기 특성을 갖고 있는 것, 형상 배리에이션에 대해 유연하게 또한 저가로 대응할 수 있는 것, 재료비가 저가인 것 등, 많은 이점을 가지고 있다.

최근, 상기 서술한 모터나 리액터 등의 용도에 있어서는 고주파화가 가속되고 있고, 압분 자심에 대한 고주파 철손의 요구도 날마다 엄격해지고 있다. 철심의 철손은, 히스테리시스손과 와전류손으로 분리되지만, 고주파에서는 특히 철손에 차지하는 와전류손의 비율이 높다. 그 때문에, 고주파 철손 저감을 위해서는 와전류손의 저감이 특히 중요해진다. 이와 같은 배경으로부터, 압분 자심의 와전류손을 저감시키는 다양한 대처가 실시되고 있다.

압분 자심의 와전류손은, 나아가 입자 내를 흐르는 입내 와전류손과, 입자 사이를 흐르는 입자간 와전류손으로 분리된다.

여기서, 입자 사이를 흐르는 입자간 와전류손의 저감 방법으로는, 입자 표면에 절연 피복을 실시하는 수법이 알려져 있다. 상기 절연 피복으로는, 예를 들어, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 인산을 사용한 피복, 특허문헌 2 에 기재되어 있는 실리콘 수지를 사용한 피복, 및 특허문헌 3 에 기재되어 있는 인산과 실리콘 수지를 조합한 피복이 제안되어 있다. 이와 같이, 입자간 와전류손을 저감시키기 위한 여러 가지 기술이 제안되어 있고, 입자간 와전류손에 대해서는 충분한 저감이 가능하다.

이에 대하여, 입내 와전류손에 대해서는, 와전류손 저감을 위한 충분한 기술이 제안되어 있다고는 하기 어렵다.

예를 들어, 비특허문헌 1 에서는, 철 입자에 Si 를 첨가하고, 고합금화함으로써 입자 내의 전기 저항이 상승하여, 와전류손이 저감된다고 되어 있다.

또, 특허문헌 4 및 특허문헌 5 에서는, SiCl₄ 를 사용한 CVD 법에 의해 순철분의 표층에 Si 를 농화함으로써, 와전류손을 저감시키는 기술이 개시되어 있다. 이들 기술에 있어서는, 표층에 있어서의 Si 의 농화에 의한 자속의 분말 표층에 대한 집중을 이용하여, 입내 와전류손의 저감을 시도하고 있다.

또한, 특허문헌 6 에서는, 연자성 분말의 표층에 Si 를 농화시키는 과정에서 잔류한 SiO₂ 의 미립자를, 그 연자성 분말의 표면에 확산 부착시킴으로써, 전기 저항이 높고, 와전류손이 낮은 압분 자심을 얻는 기술이 개시되어 있다.

상기 기술은, 표층에 있어서의 Si 의 농화에 의한 자속의 분말 표층에 대한 집중을 이용한 입자 내의 와전류손 저감과, 잔류 SiO₂ 에 의한 입자간 와전류손 저감의 2 개를 조합한 것이다.

일본 공표특허공보 2010-511791호 일본 공개특허공보 2013-187480호 일본 공개특허공보 2008-63651호 일본 공개특허공보 2008-297606호 일본 공개특허공보 평11-87123호 일본 공개특허공보 2011-146604호

다이도 특수강 기보 전기 제강, 다이도 특수강 주식회사, 2011년, 제82권, 제1호, p.57-65

그러나, 비특허문헌 1 에 기재된 Si 의 다량 첨가는, 소재의 포화 자화의 저하나, 분말이 경화되는 것에 의한 성형시의 압축성 저하를 야기하고, 압축성의 저하는, 추가로 성형체 밀도의 저하에 의한 자심의 포화 자화의 저하를 야기한다.

또한, 분말을 실용재에 사용하기 위해서는, 자심으로 했을 때의 포화 자화가 1.8 T 이상 필요하고, 그를 위해서는 소재가 되는 연자성 분말의 포화 자기 모멘트가 180 emu/g 이상 필요하다. 이와 같은 제약으로부터, 현 상황, Fe 에 대한 Si 첨가에 의한 와전류손 저감은, 3 mass％ 정도의 Si 첨가에 의한 효과를 얻는 데에 그치고 있다.

또, 특허문헌 4 및 특허문헌 5 에 기재된 기술은, 순철분에 대한 Si 농화 기술이지만, 모재인 순철분의 전기 저항은 Fe-Si 합금만큼 높지 않기 때문에, Si 를 표층에 농화시켰다고 해도, 와전류손을 충분히 저감시킬 수는 없다. 또한, 특허문헌 4 및 특허문헌 5 에 기재된 기술을 사용하여 Fe-Si 합금 분말에 대한 Si 표층 농화를 실시하고자 한 경우에는, 분말 중에 포함되는 Si 에 의해 침규 온도역에서 α 상이 안정화되어 있기 때문에, Si 의 확산이 매우 빨라지고 있어, 표층에 대한 적확한 Si 농화는 매우 곤란하다.

특허문헌 6 에 기재된 기술도 또한, 특허문헌 4 등과 동일하게, 베이스 분말에 Si 를 첨가하면 침규 온도역에서 α 상이 안정화되므로, Si 의 확산이 매우 빨라져, 표층에 대한 Si 농화는 매우 곤란하다.

따라서, 종래 기술에서는 모두, 높아지는 와전류손 저감에 대한 요구에 응하는 것은 곤란하다.

본 발명은, 상기 종래 기술의 과제를 해소하여, 와전류손이 낮은 압분 자심이 얻어지는 압분 자심용 연자성 분말과 그 원료 분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 압분 자심의 와전류손에 대해 예의 검토를 거듭한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(ⅰ) 연자성 분말 중의 Si 확산은, 모상의 철이 α 상인 경우와 γ 상인 경우에서 크게 상이하고, γ 상 중을 Si 가 확산하는 스피드는, α 상 중을 확산하는 스피드에 비해 매우 느리다.

(ⅱ) Si 를 입자 표층에 농화시키기 위한 열처리를 실시할 때에 γ 상이 안정이 되도록, 베이스 분말의 조성을 조정함으로써, 베이스 분말이 Si 를 함유하고 있었다고 해도, 입자 표층에 입자 중심부보다 고농도의 Si 를 농화시키는 것이 가능하다.

(ⅲ) 입자 중심 부분의 Si 량을 증가시킴으로써, Si 를 입자 표층에 농화시켰을 때의 와전류손을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

본 발명은 상기 지견을 기초로 얻어진 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. Fe : 60 mass％ 이상,

γ 상 안정화 원소, 및

전기 저항을 높이는 원소 : 1.0 mass％ 이상을 함유하는 연자성 분말용 원료 분말.

2. 상기 γ 상 안정화 원소가, Ni, Mn, Cu, C, 및 N 으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 상기 1 에 기재된 연자성 분말용 원료 분말.

3. 상기 전기 저항을 높이는 원소가, Si, Al, 및 Cr 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 상기 1 또는 2 에 기재된 연자성 분말용 원료 분말.

4. 상기 연자성 분말용 원료 분말에 대해 1.5 ∼ 20 mass％ 의 Ni 를 상기 γ 상 안정화 원소로서 함유하고,

상기 연자성 분말용 원료 분말에 대해 1.0 ∼ 6.5 mass％ 의 Si 를 상기 전기 저항을 높이는 원소로서 함유하는, 상기에 기재된 연자성 분말용 원료 분말.

5. 압분 자심용 연자성 분말로서,

60 mass％ 이상의 Fe,

γ 상 안정화 원소, 및

1.0 mass％ 이상의, 전기 저항을 높이는 원소를 함유하고,

상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도가 1.0 mass％ 이상이고,

상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 표층에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도가, 상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도보다 높은, 압분 자심용 연자성 분말.

본 발명에 의하면, 와전류손이 낮은 압분 자심용 연자성 분말이 얻어지는 원료 분말 및 압분 자심용 연자성 분말을 얻을 수 있다.

[연자성 분말용 원료 분말]

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연자성 분말용 원료 분말은, Fe, γ 상 안정화 원소, 및 전기 저항을 높이는 원소를 필수 성분으로서 함유한다. 상기 각 성분에 대해, 이하 설명한다.

[Fe]

본 발명의 연자성 분말용 원료 분말은, 주성분으로서 Fe 를 함유한다. 연자성 분말용 원료 분말에 있어서의 Fe 함유량은, 60 mass％ 이상으로 한다. 한편, Fe 함유량의 상한에 대해서는 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 γ 상 안정화 원소나 전기 저항을 높이는 원소의 효과를 충분히 얻기 위해서는, Fe 함유량을 98.5 mass％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

[γ 상 안정화 원소]

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 압분 자심용 연자성 분말은, 후술하는 바와 같이 원료 분말을 열처리함으로써, 그 분말을 구성하는 입자의 표층에, 전기 저항을 높이는 원소를 침투 확산시킴으로써 제조할 수 있다. 그 때, 분말의 결정 구조가 α (페라이트) 상이면, 상기 전기 저항을 높이는 원소는 α 상 중을 용이하게 확산되기 때문에, 열처리 중에 상기 전기 저항을 높이는 원소가 입자의 중심 부분까지 확산되고, 표층과 중심 부분에 있어서의 전기 저항을 높이는 원소의 농도가 균일화된다.

그래서, 본 발명에서는, γ 상 안정화 원소를 첨가함으로써, 열처리시에 있어서의 γ (오스테나이트) 상을 안정화시킨다. 상기 서술한 바와 같이, γ 상 중에 있어서의 Si 의 확산 속도는 α 상 중에 있어서의 확산 속도에 비해 매우 느리다. 그 때문에, γ 상 안정화 원소를 첨가함으로써, 입자 표층으로부터 중심에 대한 Si 의 확산을 억제하고, 입자 표층에 Si 를 효과적으로 농화시킬 수 있다.

또한, 여기서, γ 상 안정화 원소란, Fe 와의 2 원계 상태도에 있어서, 그 원소의 첨가에 의해 α/γ 의 변태 온도를 저하시키는 것을 가리킨다. 상기 γ 상 안정화 원소로는, 예를 들어, Ni, Mn, Cu, C, 및 N 등이 예시된다. 상기 γ 상 안정화 원소로는, 1 개의 원소를 사용할 수도 있는데, 2 이상의 원소를 조합하여 사용할 수도 있다.

상기 연자성 분말용 원료 분말에 있어서의 γ 상 안정화 원소의 함유량은, 특별히 한정되지 않고 임의의 값으로 할 수 있다. 그러나, γ 상 안정화 효과를 높인다는 관점에서는, 연자성 분말용 원료 분말에 있어서의 γ 상 안정화 원소의 합계 함유량을 0.5 mass％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.0 mass％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, γ 상 안정화 원소를 과도하게 첨가하면, 그 분말을 사용하여 얻어지는 압분 자심의 포화 자속 밀도가 낮아지는 경우가 있기 때문에, 연자성 분말용 원료 분말에 있어서의 γ 상 안정화 원소의 합계 함유량을 39 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 30 mass％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

상기 γ 상 안정화 원소로서 Ni 를 사용하는 경우, Ni 함유량은 1.5 mass％ 이상 20 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Ni 량을 1.5 mass％ 이상으로 함으로써, γ 상을 더욱 안정화시킬 수 있다. 또, Ni 량을 20 mass％ 이하로 함으로써, 포화 자속 밀도의 저하를 더욱 억제할 수 있다.

상기 γ 상 안정화 원소로서 Mn, Cu, C, 및 N 을 사용하는 경우, 각 원소의 바람직한 함유량은 이하와 같다.

Mn : 8.0 mass％ 이하 (0 을 포함하지 않는다)

Cu : 4.0 mass％ 이하 (0 을 포함하지 않는다)

C : 1.0 mass％ 이하 (0 을 포함하지 않는다)

N : 2.4 mass％ 이하 (0 을 포함하지 않는다)

상기 Ni, Mn, Cu, C, 및 N 을 비롯한 γ 상 안정화 원소는, 단독으로 사용할 수도 있지만, 2 이상의 원소를 조합하여 사용할 수도 있다.

[전기 저항을 높이는 원소]

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 연자성 분말용 원료 분말은, 전기 저항을 높이는 원소를 합계량으로 1.0 mass％ 이상 함유한다. 전기 저항을 높이는 원소를 1.0 mass％ 이상 첨가함으로써, 분말의 중심 부분에 있어서의 전기 저항을 상승시키고, 그것에 의해 와전류손을 저감시킬 수 있다. 와전류손을 더욱 저감시킨다는 관점에서는, 전기 저항을 높이는 원소의 함유량을 1.4 mass％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 전기 저항을 높이는 원소의 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 전기 저항을 높이는 원소를 과도하게 첨가하면, 히스테리시스손의 증가나, 압축성의 저하가 발생하는 경우가 있기 때문에, 전기 저항을 높이는 원소의 함유량을 20.0 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

여기서, 「전기 저항을 높이는 원소」란, Fe 와의 2 원계 합금을 형성할 수 있는 원소로서, 또한 그 원소의 첨가에 의해 그 2 원계 합금의 전기 저항을 Fe 보다 향상시키는 효과가 있는 원소를 가리킨다. 전기 저항은 비저항에 의해 평가한다. 비저항의 평가법으로는 사단자법 등이 있다.

상기 전기 저항을 높이는 원소로는, 상기 정의에 해당하는 원소이면 임의의 원소를 사용할 수 있다. 전기 저항을 높이는 원소의 구체예로는, 예를 들어, Si, Al, 및 Cr 이 예시된다.

상기 전기 저항을 높이는 원소로서 Si, Al, 및 Cr 을 사용하는 경우, 각 원소의 바람직한 함유량은 이하와 같다.

Si : 1.5 ∼ 6.5 mass％

Al : 1.0 ∼ 6.0 mass％

Cr : 1.0 ∼ 10.0 mass％

상기 Si, Al, 및 Cr 을 비롯한 전기 저항을 높이는 원소는, 단독으로 사용할 수도 있지만, 2 이상의 원소를 조합하여 사용할 수도 있다.

본 발명의 분말은, Fe, γ 상 안정화 원소, 및 전기 저항을 높이는 원소 이외에, 임의로 다른 성분을 함유할 수 있는데, 연자성 분말의 특성을 향상시킨다는 관점에서는, Fe, γ 상 안정화 원소, 전기 저항을 높이는 원소, 및 잔부의 불가피 불순물로 이루어지는 분말로 하는 것이 바람직하다. 그 경우, 상기 불가피 불순물의 합계 함유량은 1.0 mass％ 이하인 것이 바람직하다. 불가피 불순물은 적은 것이 좋은데, 공업적으로는, 불가피 불순물의 함유량은 0 mass％ 초과이어도 된다. 불가피 불순물로서 원료 분말에 함유되는 원소로는, 예를 들어, 산소 (O) 등을 들 수 있다. 히스테리시스손을 저감시키기 위해서는, 분말 중에 있어서의 O 함유량을 0.3 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기 연자성 분말용 원료 분말의 겉보기 밀도는, 특별히 한정되지 않고 임의의 값으로 할 수 있는데, 3.0 Mg/㎥ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 3.5 Mg/㎥ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또, 공업적으로 얻어지는 연자성 분말용 원료 분말의 겉보기 밀도는, 일반적으로는 5.0 Mg/㎥ 이하이다. 또한, 여기서 겉보기 밀도란, JIS Z 2504 에 준거하여 측정되는 겉보기 밀도로 한다.

상기 연자성 분말용 원료 분말의 비표면적은, 특별히 한정되지 않고 임의의 값으로 할 수 있는데, BET 값으로, 70 ㎡/㎏ 이하로 하는 것이 바람직하다. 비표면적이 과도하게 크면, 그 부정형의 형상에서 기인되는 성형시의 입자끼리의 접촉에 의해, 입자간 와전류손의 증가를 야기하기 쉽기 때문이다. 또한, 원료 분말의 비표면적의 하한값에 특별히 제한은 없지만, BET 값으로 10 ㎡/㎏ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

[압분 자심용 연자성 분말]

본 발명의 일 실시형태에 있어서의 압분 자심용 연자성 분말은, 60 mass％ 이상의 Fe, γ 상 안정화 원소, 및 1.0 mass％ 이상의 전기 저항을 높이는 원소를 함유한다. 상기 압분 자심용 연자성 분말에 대해서는, 특별히 언급하지 않는 한, 상기 압분 자심용 연자성 분말과 동일하게 할 수 있다.

상기 압분 자심용 연자성 분말에 있어서는, 그 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도를 1.0 mass％ 이상으로 한다. 이로써, 분말의 중심 부분에 있어서의 전기 저항을 상승시키고, 와전류손을 저감시킬 수 있다. 와전류손을 더욱 저감시킨다는 관점에서는, 전기 저항을 높이는 원소의 중심 부분에 있어서의 함유량을 1.4 mass％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 전기 저항을 높이는 원소의 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 전기 저항을 높이는 원소를 과도하게 첨가하면, 히스테리시스손의 증가나, 압축성의 저하가 발생하는 경우가 있기 때문에, 전기 저항을 높이는 원소의 중심 부분에 있어서의 함유량을 20.0 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 표층에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도를, 상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도보다 높게 한다.

입내 와전류손은, 분말 내부를 와전류가 흐르는 것에 의해 발생하는 손실이며, 분말 전체의 전기 저항이 균일한 경우, 와전류가 흐르는 경로가 길어지는 분말 표층이, 와전류손은 커진다.

상기 서술한 바와 같이 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 표층에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도를, 상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도보다 높게 함으로써, 와전류가 흐르는 경로가 긴 분말 표층의 전기 저항을 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 중심 부분에 비해 손실이 큰 분말 표층에서의 전류를 대폭 저감시킴으로써, 결과적으로 입내 와전류손을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

상기 효과를 더욱 높인다는 관점에서는, 표층과 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도차를 0.5 mass％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.0 mass％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또, 표층과 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도차는, 공업적 견지로부터는, 6.0 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 여기서 「표층」이란, 분말 입자의 단면의 직경 (분말의 입경과 동등한) 을 D 로 했을 때, 입자 표면으로부터, 깊이 0.2 D 까지의 사이의 영역을 가리킨다. 또, 「중심 부분」이란, 상기 「표층」을 제외한 입자의 잔부를 가리킨다.

[제조 방법]

본 발명에 사용하는 연자성 분말의 원료 분말은 임의의 방법으로 제조할 수 있다. 제조 방법의 구체예로는, 예를 들어, 아토마이즈법, 산화물 환원법, 전해 석출법 등을 들 수 있는데, 그 중에서도 아토마이즈법을 사용하는 것이 바람직하다. 아토마이즈법으로 제조되는 분말은 입자 형상이 구형에 가깝기 때문에, 아토마이즈법으로 제조된 분말 (아토마이즈 분말) 을 사용함으로써, 압분 자심에 있어서의 입자간의 접촉에서 기인되는 입자간 와전류손의 증가를 더욱 억제할 수 있다.

아토마이즈법이면, 가스나, 물, 가스 ＋ 물, 원심법 등, 그 종류는 상관 없지만, 실용면을 생각하면 저가의 물 아토마이즈법, 혹은 물 아토마이즈법보다는 고가이지만, 비교적 대량 생산에 적합한 가스 아토마이즈법을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 일 실시형태인 연자성 분말용 원료 분말과 압분 자심용 연자성 분말을, 물 아토마이즈법을 사용하여 제조하는 방법의 일례에 대해 설명한다.

먼저, 상기 서술한 성분을 함유하는 용강을 물 아토마이즈함으로써, 연자성 분말용 원료 분말을 얻는다.

이어서, 얻어진 연자성 분말용 원료 분말의 표층에, 전기 저항을 높이는 원소를 농화시킴으로써, 압분 자심용 연자성 분말을 제조한다. 전기 저항을 높이는 원소를 표층에 농화시키는 방법으로는, 특별히 한정되지 않고 임의의 방법을 사용할 수 있다. 상기 농화에 이용할 수 있는 방법으로는, 예를 들어, 이하의 방법을 들 수 있다.

(a) 분말의 표면에 CVD 법이나 PVD 법에 의해 상기 원소를 증착하고, 침투 확산시키는 방법.

(b) 분말 표면에 상기 원소를 도금하고, 이어서 열처리에 의해 침투 확산시키는 방법.

(c) 분말의 표층에 존재하거나 분말에 접하고 있는 상기 원소의 산화물을, 분말 중에 포함되는 C 에 의해 환원시키고, 고상 확산에 의해 침투 확산시키는 방법.

(d) 용융액 중에 분말을 침지시켜 액상 확산에 의해 침투 확산시키는 방법.

상기 농화 방법의 하나인, SiCl₄ 가스를 사용한 CVD 법에 대해 설명한다.

SiCl₄ 가스를 사용한 CVD 법은, 고온의 SiCl₄ 가스 분위기 중에 분말을 노출시킴으로써 SiCl₄중의 Si 를 분말 중에 침투 확산시키는 방법이다. 또한, 나머지 4Cl 은, 철과 반응하여 FeCl₄가 되고, 계 외로 배출된다.

이와 같은 반응을 일으키기 위해서는, 적어도 800 ℃ 이상에서 0.01 ∼ 50 NL/min/㎏ 의 양의 SiCl₄ 가스를 공급하면서 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 800 ℃ 에 미치지 못하면, 열처리 중에 발생한 Cl 이 연자성 분말 중에 잔류하여, 히스테리시스손을 증가시키는 경우가 있다. 또, 열처리 온도가 800 ℃ 이상이어도, 열처리 중의 연자성 분말의 결정 구조가 α 상이 되면, Si 의 확산이 중심까지 진행되기 때문에 바람직하지 않다. 그 때문에, 상기 열처리는, 연자성 분말이 γ 상이 되는 온도역에서 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, Si : 1.5 mass％, Ni : 1.5 mass％, 및 Fe 로 이루어지는 분말을 사용하는 경우, 1050 ℃ 이상에서 상기 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 열처리 온도가 1400 ℃ 를 상회하면, 열처리 중에 분말의 소결이 진행되고, 분쇄가 곤란해지는 경우가 있다. 그 때문에, 열처리 온도는 1400 ℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 열처리 시간은 온도에 따라 상이한데, 일반적으로는 10 min ∼ 5 hr 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 서술한 바와 같이 하여 얻어지는 압분 자심용 연자성 분말의 성분은, Si 이외의 원소에 대해서는 농화를 실시하기 전의 원료 분말로부터 변동이 없다. Si 에 대해서도, 최대로 0.2 mass％ 정도 증가할 뿐이다. 따라서, 압분 자심용 연자성 분말의 Si 함유량은, 1.0 ∼ 6.7 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 동일하게, 전기 저항을 높이는 원소로서 Al 을 사용하는 경우에는, 압분 자심용 연자성 분말에 있어서의 Al 함유량을 1.0 ∼ 6.2 mass％ 로 하는 것이 바람직하고, Cr 을 사용하는 경우에는, Cr 함유량을 1.0 ∼ 10.2 mass％ 로 하는 것이 바람직하다.

또, 압분 자심용 연자성 분말의 겉보기 밀도 및 비표면적 (BET 값) 에 대해서는, 열처리 조건에 따라서도 상이하지만, 원료 분말보다 약간 겉보기 밀도가 낮고, 비표면적이 커지는 경향이 있다.

또, 전술한 바와 같이 와전류손은 입자 내부를 흐르는 전류에 의해 발생하므로, 압분 자심용 연자성 분말의 입자경을 작게 함으로써, 와전류손을 저감시킬 수도 있다. 따라서, 압분 자심용 연자성 분말의 질량 평균 입자경 (D₅₀) 을 80 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 70 ㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 단 과도한 입자경의 감소는, 히스테리시스손의 증가나 수율의 저하를 초래하므로, 일반적으로는 D₅₀ 을 20 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압분 자심용 연자성 분말에 절연 피복을 실시하고, 이어서 성형함으로써 압분 자심을 제조할 수 있다. 상기 절연 피복의 재질로는, 입자간의 절연성을 유지할 수 있는 것이면 임의의 것을 사용할 수 있다. 절연 피복의 재질의 구체예로는, 실리콘 수지, 인산 금속염이나 붕산 금속염을 베이스로 한 유리질의 절연성 아모르퍼스층이나, MgO, 포스테라이트, 탤크 및 Al₂O₃등의 금속 산화물, 혹은 SiO₂를 베이스로 한 결정질의 절연층 등을 들 수 있다.

분말을 가압 성형할 때에는, 임의로, 윤활제를 금형 벽면에 도포하거나 혹은 분말에 첨가할 수 있다. 윤활제를 사용함으로써, 가압 성형시에 있어서의 금형과 분말 사이의 마찰을 저감시킬 수 있기 때문에, 성형체 밀도의 저하를 억제함과 함께, 금형으로부터 발출할 때의 마찰도 함께 저감시킬 수 있고, 또한 금형으로부터 발출할 때의 성형체 (압분 자심) 의 균열을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 바람직한 윤활제로는, 스테아르산리튬, 스테아르산아연, 스테아르산칼슘 등의 금속 비누, 지방산 아미드 등의 왁스를 들 수 있다.

상기와 같이 가압 성형을 실시하여 압분 자심을 얻은 후, 그 압분 자심에 대해 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 열처리를 실시함으로써 변형을 제거하고, 그 결과, 히스테리시스손을 저감시킴과 함께, 성형체 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 열처리의 균열 온도는 500 ∼ 800 ℃ 로 하는 것이 바람직하다. 또, 열처리 시간은 5 ∼ 120 분으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열처리는, 예를 들어, 대기 중, 불활성 분위기 중, 환원 분위기 중, 진공 중 등, 임의의 분위기에서 실시할 수 있다. 또, 분위기 노점은, 용도에 따라 적절히 결정하면 된다. 또한, 열처리 중의 승온, 혹은 강온시에 일정한 온도로 유지하는 단계를 형성해도 된다. 상기한 것 이외의 압분 자심을 얻기 위한 방법 및 조건으로는, 공지된 것을 비롯하여, 임의의 것을 적용할 수 있다.

실시예

원료 기호 : 1, 2-1 ∼ 2-4 및 3 ∼ 11 의 14 종류의 조성의 원료 분말을 사용하였다. 원료 분말에 첨가한 원소 및 원료 분말의 겉보기 밀도 등을 표 1 에 나타낸다. 또한, 모든 원료 분말은, 표 1 에 나타낸 원소와, 잔부의 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는다.

상기 원료 분말 중, 원료 기호 : 1, 2-1 ∼ 2-4 및 3 ∼ 9 의 분말에 대해, SiCl₄를 사용한 CVD 법에 의한 Si 의 침투 확산 처리를 실시하였다. 침투 확산 처리의 조건은 표 2 에 나타낸다. 원료 기호 : 1 및 2-1 에 대해서는 A, B, C 의 3 조건, 그것 이외의 분말에 대해서는 B 의 1 조건에서 열처리를 실시하였다.

침투 확산 처리를 실시한 분말을 열가소성 수지에 매립하고, 이어서 단면 연마를 실시하였다. 상기 단면에 있어서의 직경이 100 ㎛ 정도인 분말을 선택하고, 그 분말의 단면의 중심을 횡단하도록 EPMA (Electron Probe Micro-Analyser) 에 의한 라인 맵핑을 실시하였다.

그 후, 분말의 입자 표면으로부터 0.2 D 까지의 깊이의 평균 Si 농도와, 중심 부분의 평균 Si 농도를 산출하였다. 산출한 결과를 열처리 조건 등과 함께 표 3 에 나타낸다.

열처리 조건 C 에서 열처리를 실시한 시료 (시험 No.15 ∼ 26) 는 모두 소결이 진행되고, 해쇄가 곤란하게 되어 있었기 때문에, Si 농도의 측정은 실시하지 않았다. 또, 열처리 조건 A 및 B 에서 열처리를 실시한 시료 중, 시험 No.1 및 3 은 γ 상 안정화 원소가 포함되어 있지 않기 때문에, 표층 Si 농도와 중심 부분 Si 농도의 차이 (Si 농도차) 가 0 mass％ 였다. 그것 이외의 것은, Si 농도차가 0.5 mass％ 이상이었다.

이렇게 하여 얻어진 분말에 대해, 체질 (JIS Z 2510 에 준거) 을 실시하고, 표 3 중의 시험 No.2 에 대해서는 평균 입자경 (D₅₀)을 80 ㎛, 70 ㎛, 60 ㎛ 및 20 ㎛, 그 밖의 철분에 대해서는 평균 입자경 (D₅₀) 을 80 ㎛ 로 하였다. 이들 분말에 대해, 각각 실리콘 수지에 의한 절연 피복을 실시하였다. 상기 실리콘 수지의 피복은, 이하의 순서로 실시하였다. 먼저, 상기 실리콘 수지를 톨루엔에 용해시켜 실리콘 수지 농도가 1.0 mass％ 인 수지 희석 용액을 제조하였다. 이어서, 분말에 대한 수지 첨가율이 0.5 mass％ 가 되도록 분말과 수지 희석 용액을 혼합하였다. 그 후, 대기 중에서의 건조와, 대기 중, 200 ℃, 120 분의 수지 베이킹 처리를 순차 실시함으로써 피복 철분을 얻었다.

얻어진 피복 철분을, 성형압 : 15 t/㎠ (1.47 GN/㎡) 으로, 금형 윤활 성형법을 사용하여 성형하고, 외형 : 38 ㎜, 내경 : 25 ㎜, 높이 : 6 ㎜ 의 링상 시험편을 제조하였다.

이러한 순서로 제조한 시험편에, 질소 중에서 750 ℃, 30 분의 열처리를 실시하고, 압분 자심으로 하였다. 그 후, 코일을 실시하고 (1 차 와인딩 : 100 턴, 2 차 와인딩 : 40 턴), 직류 자화 장치 (메트론 기연 제조 직류 자화 측정 장치) 에 의한 히스테리시스손 측정 (0.2 T) 과 철손 측정 장치 (메트론 기연 제조 고주파 철손 측정 장치) 에 의한 철손 측정 (0.2 T, 20 kHz) 을 실시하였다. 얻어진 철손과 히스테리시스손의 차분으로부터 와전류손을 구하였다. 와전류손의 측정 결과를 표 4 에 나타낸다.

표 4 에 나타낸 바와 같이, 표층 Si 농도와 중심 부분 Si 농도의 차이 (Si 농도차) 가 0 mass％ 인 시험 No.1 및 3 의 압분 자심은 모두 와전류손이 700 kW/㎥ 초과이고, 시험 No.27 의 Fe - 3 mass％ Si 압분 자심보다 높은 와전류손이 되어 있었다.

또, 순철분에 Si 의 침투 확산 처리를 실시한 시험 No.14 의 압분 자심은, Si 농도차가 0.5 mass％ 이상이었지만, 중심 부분 Si 농도가 1.0 mass％ 에 미치지 못하기 때문에, 와전류손은 650 kW/㎥ 에 그치고 있다.

중심 부분 Si 농도가 1.0 mass％ 이상으로서, Si 농도차가 0.5 mass％ 이상인 압분 자심 (시험 No.2-1 ∼ 2-4, 4 ∼ 13) 은, 와전류손이 500 kW/㎥ 이하이고, Fe - 3 mass％ Si 인 시험 No.27 의 압분 자심보다 200 kW/㎥ 이상 와전류손이 저감되어 있었다. 또한, Si 농도차 1.0 mass％ 이상의 압분 자심 (시험 No.2-1 ∼ 2-4, 4 ∼ 6, 8 ∼ 11) 은, 와전류손이 400 kW/㎥ 이하로 되어 있고, 매우 낮은 와전류손인 것을 알았다. 또, D₅₀ 이 상이한 분말로 이루어지는 압분 자심 (시험 No.2-1 ∼ 2-4) 에 대해서는, 입자경이 보다 미세해질수록 저철손이 되어 있었다.

Claims

Fe : 60 mass％ 이상,
γ 상 안정화 원소, 및
전기 저항을 높이는 원소 : 1.0 mass％ 이상을 함유하는 연자성 분말용 원료 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 γ 상 안정화 원소가, Ni, Mn, Cu, C, 및 N 으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 연자성 분말용 원료 분말.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기 저항을 높이는 원소가, Si, Al, 및 Cr 로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상인, 연자성 분말용 원료 분말.
제 1 항에 있어서,
상기 연자성 분말용 원료 분말에 대해 1.5 ∼ 20 mass％ 의 Ni 를 상기 γ 상 안정화 원소로서 함유하고,
상기 연자성 분말용 원료 분말에 대해 1.0 ∼ 6.5 mass％ 의 Si 를 상기 전기 저항을 높이는 원소로서 함유하는, 연자성 분말용 원료 분말.
압분 자심용 연자성 분말로서,
60 mass％ 이상의 Fe,
γ 상 안정화 원소, 및
1.0 mass％ 이상의, 전기 저항을 높이는 원소를 함유하고,
상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도가 1.0 mass％ 이상이고,
상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 표층에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도가, 상기 압분 자심용 연자성 분말을 구성하는 입자의 중심 부분에 있어서의 상기 전기 저항을 높이는 원소의 농도보다 높은, 압분 자심용 연자성 분말.