WO2007034615A1

WO2007034615A1 - 軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法

Info

Publication number: WO2007034615A1
Application number: PCT/JP2006/314263
Authority: WO
Inventors: Toru Maeda; Kazuyuki Maeda; Yasushi Mochida; Koji Mimura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2007-03-29
Also published as: US20100028195A1; CN100573749C; US20080044679A1; EP1928002A4; US8303884B2; US7622202B2; EP1928002A1; JP2007088156A; CN101091226A; JP4706411B2; EP1928002B1

Abstract

　軟磁性材料は、金属磁性粒子（１０）と、金属磁性粒子（１０）の表面を被覆する絶縁被膜（２０）とを有する複数の複合磁性粒子（４０）を備える軟磁性材料であって、絶縁被膜（２０）はＳｉ（シリコン）を含んでおり、かつ絶縁被膜（２０）に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉはシルセスキオキサン骨格を構成している。これにより、渦電流損の増大を抑制しつつより効果的にヒステリシス損を低減することができる。

Description

軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法に関する。

背景技術

[0002] 電磁弁、モータ、または電気回路などを有する電気機器には、粉末冶金法により作製される軟磁性材料が使用されている。この軟磁性材料は、複数の複合磁性粒子よりなっており、複合磁性粒子は、たとえば純鉄カゝらなる金属磁性粒子と、その表面を被覆するたとえばリン酸塩カゝらなる絶縁被膜とを有している。軟磁性材料には、エネルギ変換効率の向上や低発熱などの要求から、小さな磁場の印加で大きな磁束密度を得ることができる磁気特性と、磁束密度変化におけるエネルギ損失が小さいという磁気特性とが求められる。

[0003] この軟磁性材料を用いて作製した圧粉磁心を交流磁場で使用した場合、鉄損と呼ばれるエネルギ損失が生じる。この鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損との和で表される。ヒステリシス損は、軟磁性材料の磁束密度を変化させるために必要なエネルギによって生じるエネルギ損失であり、渦電流損は、軟磁性材料を構成する金属磁性粒子間を流れる渦電流によって生じるエネルギ損失である。ヒステリシス損は動作周波数に比例し、渦電流損は動作周波数の 2乗に比例する。そのため、ヒステリシス損は主に低周波領域において支配的になり、渦電流損は主に高周波領域において支配的になる。圧粉磁心にはこの鉄損の発生を小さくする磁気的特性、すなわち高い交流磁気特性が求められる。

[0004] 軟磁性材料の鉄損のうち、ヒステリシス損を低下させるためには、金属磁性粒子内の歪や転位を除去して磁壁の移動を容易にすることで、軟磁性材料の保磁力 Heを小さくすればよい。金属磁性粒子内の歪や転位を十分に除去するためには、軟磁性材料をたとえば 400°C以上、好ましくは 600°C以上、さらに好ましくは 800°C以上の高温で熱処理する必要がある。

[0005] ところが、一般に用いられて、る絶縁被膜付き鉄粉における絶縁被膜の耐熱性は 4 00°C程度と低いので、軟磁性材料を高温で熱処理しょうとすると、絶縁被膜の絶縁性が失われてしまう。このため、ヒステリシス損を低下させようとすると、軟磁性材料の電気抵抗率 Pが低下し、渦電流損が大きくなつてしまうという問題があった。特に、電気機器の小型化、効率化、および大出力化が近年要求されており、これらの要求を満たすためには、電気機器を高周波領域で使用することが必要である。高周波領域での渦電流損が大きくなれば、電気機器の小型化、効率化、および大出力化の妨げになってしまう。

[0006] そこで、従来においては、（R SiO)の組成式のシリコーンよりなる絶縁被膜を金属

2 n

磁性粒子の表面に形成することによって、軟磁性材料の耐熱性を向上させて!/ヽた。シリコーンは、そのものの絶縁性および耐熱性が優れるとともに、高温熱処理によつて分解してもシリカ非晶質 (Si— O )として絶縁性および耐熱性を維持できる。このため、シリコーンよりなる絶縁被膜を形成することによって軟磁性材料を 550°C程度の高温で熱処理をしても絶縁被膜の絶縁性劣化を抑止することが可能となり、軟磁性材料の渦電流損の増大を抑制することができる。また、シリコーンは変形追従性に優れ、また潤滑剤としての機能もあることから、シリコーンよりなる絶縁被膜を形成した軟磁性材料は成形性が良好で、かつ成形時に絶縁被膜が破損し難ヽとヽぅ利点を有している。

[0007] なお、金属磁性粒子の表面にシリコーンよりなる絶縁被膜を形成する技術は、たとえば特開平 7— 254522号公報 (特許文献 1)、特開 2003 - 303711号公報 (特許文献 2)、および特開 2004— 143554号公報 (特許文献 3)に開示されている。

特許文献 1：特開平 7— 254522号公報

特許文献 2 :特開 2003— 303711号公報

特許文献 3 :特開 2004— 143554号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら、シリコーンよりなる絶縁被膜の耐熱性は十分ではな力つた。従来の軟磁性材料に対してたとえば 600°Cの高温で熱処理を施した場合には、シリコーンよりなる絶縁被膜が破壊され (絶縁性が低下し)、渦電流損が増大するという問題が生じる。このため、従来の軟磁性材料においては、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損をより効果的に低減することができないという問題があった。

[0009] また、シリコーンをよりなる絶縁被膜は、十分な硬度を有して、な力つた。このため、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の強度を向上することができな、と、う問題があった。

[0010] したがって、本発明の一の目的は、渦電流損の増大を抑制しつつより効果的にヒステリシス損を低減することのできる軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法を提供することである。

[0011] また、本発明の他の目的は、高強度かつ低ヒステリシス損の圧粉磁心を得ることのできる軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明の軟磁性材料は、金属磁性粒子と、金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備える軟磁性材料であって、絶縁被膜は Si ( シリコン）を含んでおり、かつ絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成して、る。

[0013] 本発明の一の局面に従う圧粉磁心は、金属磁性粒子と、金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備える圧粉磁心であって、絶縁被膜は Siを含んでおり、かつ絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siが（Si— O ) ： X > 1. 5から構成されるシルセスキォキサン骨格およびシリカ骨格を構成してヽる。

[0014] 本発明の軟磁性材料の製造方法は、絶縁被膜を金属磁性粒子の表面に形成する工程を備えている。絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成している。

[0015] 本願発明者らは、シリコーンよりなる絶縁被膜を高温で熱処理すると絶縁性が低下する原因を見出した。シリコーンの重合体は基本的に 1次元の構造 (Si原子の 4つの結合手のうち 2つの結合手が酸素原子を介し Siと結合している骨格を基本とする構造)を有しているため、 Si— O— Siの鎖の密度が低い。このため、軟磁性材料を高温 (たとえば 550°Cより大きい温度)で熱処理すると、金属磁性粒子を構成する原子が絶縁被膜中に拡散し、絶縁被膜の絶縁性が低下する。また、シリコーンは有機成分を多く含んでいるため、軟磁性材料を熱処理すると、シリコーンが熱分解し絶縁被膜の膜厚が薄くなり絶縁被膜の絶縁性が低下する。さらには絶縁被膜が炭化により導電性を呈し、より絶縁性が低下する。これらの要因により、金属磁性粒子同士の絶縁を保つことができなくなり、熱処理によって渦電流損が増大する。

[0016] 一方、本発明においては、絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格（Si原子の 4つの結合手のうち 3つの結合手が酸素原子を介し Siと結合してヽる骨格)を構成してヽる。シルセスキォキサンの重合体は 2次元または 3次元の構造を有しているため、 Si— 0 (酸素） Siの鎖の密度がシリコーンよりも高い。このため、金属磁性粒子を構成する原子の絶縁被膜中への拡散を、シリコーンに比べて抑制することができる。また、シルセスキォキサンはシリコーンに比べて有機成分の含有量が少ない。このため、軟磁性材料を熱処理しても絶縁被膜の膜厚の減少が少なぐかつ炭素原子があまり発生せず、絶縁被膜の絶縁性の低下を抑制することができる。さらに、熱処理前のシルセスキォキサンはシリコーンと同程度の変形追従性を有して!/ヽるので、絶縁被膜を損傷することなく軟磁性材料を成形することができる。

[0017] したがって、絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成していることにより、絶縁被膜の耐熱性が向上する。その結果、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減することができる。

[0018] また、絶縁被膜の耐熱性 (軟磁性粒子の構成金属元素の拡散を抑制する能力）が向上するので、絶縁被膜の膜厚を薄くしても金属磁性粒子同士の絶縁を確保することができる。これにより、圧粉磁心の高密度化を図ることができ、それによつてヒステリシス損を低減することができ、透磁率を向上することができる。

[0019] さらに、熱処理 (硬化 Z分解)後のシルセスキォキサンは熱処理後（硬化 Z分解)のシリコーンに比べて高 1ヽ硬度を有してヽるので、十分な強度を有する圧粉磁心を得ることができる。これは、含まれている Si— O— Si鎖の構造 (密度）が結晶質のシリカ（ SiO )により近い方が高い高度になり、圧粉磁心の強度が向上するためである。 [0020] 本発明の軟磁性材料にお!ヽて好ましくは、絶縁被膜の平均膜厚が lOnm以上 1 μ m以下である。

[0021] 絶縁被膜の平均膜厚を lOnm以上とすることにより、金属磁性粒子同士の絶縁性を確保することができる。また、絶縁被膜の平均膜厚を 1 μ m以下とすることによって、加圧成形時に絶縁被膜がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜の割合が大きくなりすぎなヽので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

[0022] 本発明の軟磁性材料にお!、て好ましくは、複数の複合磁性粒子の各々は、金属磁性粒子と絶縁被膜との間に形成された下地被膜をさらに有している。下地被膜は絶縁性の非晶質ィ匕合物よりなっている。

[0023] これにより、金属磁性粒子と絶縁被膜との密着性を向上することができる。また、非晶質化合物は変形追従性に優れてヽるので、軟磁性材料の成形性を向上することができる。

[0024] 本発明の軟磁性材料にお!、て好ましくは、下地被膜が、 A1 (アルミニウム）、 Si、 Mg

(マグネシウム）、 Y (イットリウム）、 Ca (カルシウム）、 Zr (ジルコニウム）、および Fe (鉄 )からなる群より選ばれる少なくとも 1種の物質のリン酸塩の非晶質ィ匕合物、上記物質のホウ酸塩の非晶質ィ匕合物、または上記物質の酸ィ匕物の非晶質ィ匕合物およびそれらの混合物を含んでいる。

[0025] これらの材料は、絶縁性および変形追従性に優れており、また金属と有機物との力ップリング効果が良好であるため、下地被膜として適して、る。

[0026] 本発明の軟磁性材料にお!ヽて好ましくは、下地被膜の平均膜厚が lOnm以上 1 μ m以下である。

[0027] 下地被膜の平均膜厚が lOnm以上であることにより、被覆処理工程における被覆ムラゃ、物理的損傷による破れが発生することを防止することができる。また、下地被膜の平均膜厚を 1 μ m以下とすることによって、加圧成形時に下地被膜がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜の割合が大きくなりすぎな!ヽので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。 [0028] 本発明の他の局面に従う圧粉磁心は、上記の軟磁性材料を用いて製造される。本発明の一の局面に従う圧粉磁心の製造方法は、上記の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加圧成形する加圧成形工程と、加圧成形工程の後にシルセスキォキサンカゝらなる絶縁被膜を熱硬化させる工程とを備えている。

[0029] 本発明の他の局面に従う圧粉磁心の製造方法は、上記の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加熱した金型中で加圧成形し、同時にシルセスキォキサンカゝらなる絶縁被膜を熱硬化させる加圧成形工程を備えている。

[0030] 本発明の圧粉磁心の製造方法によれば、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減することができる。また、高強度の圧粉磁心を得ることができる。さらに、加圧成形と同時カゝもしくは加圧成形後にシルセスキォキサンカゝらなる絶縁被膜を熱硬化することにより、シルセスキォキサン力なる絶縁被膜が変形追従性に優れている状態で軟磁性材料を加圧成形することができる。

発明の効果

[0031] 本発明の軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法によれば、渦電流損の増大を抑制しつつより効果的にヒステリシス損を低減することができる。また、高強度かつ低ヒステリシス損の圧粉磁心を得ることができる。図面の簡単な説明

[0032] [図 1]本発明の一実施の形態における軟磁性材料を模式的に示す図である。

[図 2]本発明の一実施の形態における圧粉磁心を模式的に示す断面図である。

[図 3]本発明の一実施の形態における圧粉磁心の製造方法を工程順に示す図である。

[図 4]下地被膜のみが形成された軟磁性材料における Fe原子の拡散の様子を模式的に示す図である。

[図 5]シリコーンよりなる絶縁被膜が形成された軟磁性材料における Fe原子の拡散の様子を模式的に示す図である。

[図 6]本発明の一実施の形態における軟磁性材料における Fe原子の拡散の様子を模式的に示す図である。

符号の説明 [0033] 10, 110 金属磁性粒子、 20, 120 絶縁被膜、 30, 130 下地被膜、 40 複合磁性粒子、 45 潤滑剤、 50 歪み。

発明を実施するための最良の形態

[0034] 以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。

図 1は、本発明の一実施の形態における軟磁性材料を模式的に示す断面図である。図 1を参照して、本実施の形態における軟磁性材料は、金属磁性粒子 10と、金属磁性粒子 10の表面を被覆する絶縁被膜 20と、金属磁性粒子 10と絶縁被膜 20との間に形成された下地被膜 30とを有する複数の複合磁性粒子 40を備えてヽる。また軟磁性材料は、複合磁性粒子 40の他に潤滑剤 45などを含んで、てもよ、。

[0035] 図 2は、本発明の一実施の形態における圧粉磁心を模式的に示す断面図である。

なお、図 2の圧粉磁心は、図 1の軟磁性材料に加圧成形および熱処理を施すこと〖こよって製造されたものである。図 1および図 2を参照して、本実施の形態における圧粉磁心において、複数の複合磁性粒子 40の各々は、複合磁性粒子 40が有する凹凸の嚙み合わせなどによって接合されている。

[0036] 図 1に示す軟磁性材料および図 2に示す圧粉磁心において、絶縁被膜 20は Siを含んでいる。かつ図 1に示す軟磁性材料では、絶縁被膜 20に含まれる Siのうち 80% 以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成してヽる。また図 2に示す圧粉磁心では、絶縁被膜 20に含まれる Siのうち 80%以上の Siが（Si— O ) :χ> 1. 5から構成されるシルセスキォキサン骨格およびシリカ骨格を構成している。ここで、シルセスキォキサンとは、以下の化 1の構造式を有するポリシロキサンの総称である。この構造式に示されるように、 Si原子の 4つの結合手のうち 3つの結合手が酸素原子を介して Si原子と結合してヽる骨格をシルセスキォキサン骨格と称する。

[0037] [化 1] ヽ

+ ン π

[0038] ここで、ィ匕 1において Rおよび R，は、たとえば以下の化 2または化 3に示される官能基などである。

[0039] [化 2]

[0040] [化 3]

[0041] 化 1に示されるように、シルセスキォキサンを構成する Si原子の各々は、 3つの O原子と、 Rまたは R'と結合して重合している。このため、シルセスキォキサンは 2次元または 3次元の構造を有してレ、る。

[0042] シルセスキォキサンの重合体の構造としては、たとえば以下の化 4に示されるラダ一構造や、以下の化 5に示されるランダム構造や、以下の化 6〜化 8に示されるケージ構造などがある。

[0043] [化 4]

[9濯]

[9' [S濯]

[e >] 濯] [0047] [化 8]

[0048] ここで、圧粉磁心を製造する際には後述するように加圧成形後または加圧成形中に熱処理が施されるため、この熱処理の際にシルセスキォキサンは熱硬化する。シルセスキォキサンが熱硬化すると、化 1における Rまたは R'で示される官能基同士が重合することで 3次元構造が形成される。

[0049] Si原子の結合状態は、たとえば熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析 (熱分解 GC MS)によって調べることができる。もしくは、赤外線吸光分析で Si— 0、 Si— C特有の吸収ピークを確認しそのピーク比と、元素分析による SiZO比とで調べることができる。本発明の軟磁性材料では、所定の数の Si原子のうち 80%以上の Si原子がシルセスキォキサン骨格を構成して、る。

[0050] 金属磁性粒子 10の平均粒径は、 30 μ m以上 500 μ m以下であることが好ましい。

金属磁性粒子 10の平均粒径を 30 m以上とすることにより、保磁力を低減することができる。平均粒径を 500 m以下とすることにより、渦電流損を低減することができる。また、加圧成形時において混合粉末の圧縮性が低下することを抑止できる。これにより、加圧成形によって得られた成形体の密度が低下せず、取り扱いが困難になることを防ぐことができる。

[0051] なお、金属磁性粒子 10の平均粒径とは、粒径のヒストグラム中、粒径の小さいほう力の質量の和が総質量の 50%に達する粒子の粒径、つまり 50%粒径をいう。 [0052] 金属磁性粒子 10は、たとえば Fe、 Fe— Si系合金、 Fe—Al系合金、 Fe— N (窒素）系合金、 Fe— Ni (ニッケル)系合金、 Fe— C (炭素）系合金、 Fe— B (ホウ素）系合金、 Fe— Co (コバルト）系合金、 Fe— P系合金、 Fe— Ni— Co系合金、 Fe— Cr (クロム）系合金あるいは Fe—Al— Si系合金など力も形成されている。金属磁性粒子 10は金属単体でも合金でもよい。また、上記の金属単体および合金系を 2種以上混合したものを用いることちできる。

[0053] 絶縁被膜 20および下地被膜 30は、金属磁性粒子 10間の絶縁層として機能する。

金属磁性粒子 10の表面を絶縁被膜 20および下地被膜 30で覆うことによって、この軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の電気抵抗率 pを大きくすることができる。これにより、金属磁性粒子 10間に渦電流が流れるのを抑制して、圧粉磁心の渦電流損を低減させることができる。

[0054] 絶縁被膜 20の平均膜厚は 10nm以上 1 μ m以下であることが好ま、。絶縁被膜 2 0の平均膜厚を 10nm以上とすることにより、金属磁性粒子 10同士の絶縁性を確保することができる。また、絶縁被膜 20の平均膜厚を 1 μ m以下とすることによって、加圧成形時に絶縁被膜 20がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜 20の割合が大きくなりすぎなヽので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

[0055] 下地被膜 30は、金属磁性粒子 10間の絶縁層として機能するのに加えて、金属磁性粒子 10と絶縁被膜 20との密着性を向上する。また、軟磁性材料の成形性を向上する。非晶質化合物は変形追従性に優れているので、軟磁性材料の成形性を向上することができる。

[0056] 下地被膜 30は絶縁性の非晶質ィ匕合物よりなっており、たとえば Al、 Si、 Mg、 Y、 C a、 Zr、および Feからなる群より選ばれる少なくとも 1種の物質のリン酸塩の非晶質ィ匕合物、ホウ酸塩の非晶質化合物、または酸ィ匕物の非晶質ィ匕合物を含んでいる。これらの材料は、絶縁性および変形追従性に優れており、また金属と有機物とのカツプリング効果が良好であるため、下地被膜 30として適している。また、下地被膜 30の平均膜厚は、 10nm以上 l /z m以下であることが好ましい。下地被膜 30の平均膜厚を 1 Onm以上とすることにより、下地被膜 30の被覆処理工程における被覆ムラや物理的損傷による破れを防止することができる。また、下地被膜 30の平均膜厚を 1 m以下とすることによって、加圧成形時に下地被膜 30がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める下地被膜 30の割合が大きくなりすぎないので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。

[0057] 続ヽて、図 1に示す軟磁性材料および図 2に示す圧粉磁心を製造する方法にっヽて説明する。図 3は、本発明の一実施の形態における圧粉磁心の製造方法を工程順に示す図である。

[0058] 図 3を参照して、始めに、たとえば純鉄や、 Fe— Si系合金、または Fe— Co系合金などよりなる金属磁性粒子 10を準備する (ステップ Sl)。金属磁性粒子 10はたとえばガスアトマイズ法や水アトマイズ法などを用いて製造される。

[0059] 次に、金属磁性粒子 10を 400°C以上金属磁性粒子 10の融点よりマイナス 100°C 未満の温度で熱処理する（ステップ S2)。熱処理の温度は、 700°C以上金属磁性粒子 10の融点よりマイナス 100°C未満の温度であることがさらに好ましい。熱処理により金属磁性粒子 10同士が固着し解砕を要する場合には、解砕による機械歪により成形性が悪化するため、固着を起こさない温度で再度熱処理することが好ましい。熱処理前の金属磁性粒子 10の内部には、多数の歪み (転位、欠陥）が存在している。金属磁性粒子 10に熱処理を実施することによって、この歪みを低減させることができる。なお、この熱処理は省略されてもよい。

[0060] 次に、金属磁性粒子 10の各々の表面に下地被膜 30を形成する (ステップ S3)。下地被膜 30は、たとえば金属磁性粒子 10をリン酸塩ィ匕成処理することによって形成することができる。リン酸塩ィ匕成処理によって、たとえばリンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸アルミニウム、リン酸シリコン（珪リン酸）、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸イットリウム、リン酸ジルコニウムなどよりなる非晶質の下地被膜 30が形成される。これらのリン酸塩絶縁被膜の形成には、溶剤吹きつけや前駆体を用いたゾルゲル処理を利用することができる。

[0061] また、酸化物を含有する下地被膜 30を形成しても良い。この酸化物を含有する下地被膜 30としては、酸ィ匕シリコン、酸化チタン、酸ィ匕アルミニウムまたは酸ィ匕ジルコ- ゥムなどの酸ィ匕物絶縁体の非晶質被膜を使用することができる。これらの下地被膜の形成には、溶剤吹きつけや前駆体を用いたゾルゲル処理を利用することができる。なお、この下地被膜を形成する工程は省略されてもよい。

[0062] 次に、下地被膜 30の表面にシルセスキォキサンよりなる絶縁被膜 20を形成する (ステツプ S4)。具体的には、金属磁性粒子 10の全質量に対してたとえば 0. 01〜0. 2 質量⁰ /₀のシルセスキォキサン化合物あるいはシルセスキォキサン前駆体をキシレン溶媒中に溶解する。このとき、さらに熱硬化促進剤が溶媒中に溶解されてもよい。熱硬化促進剤はシルセスキォキサンィ匕合物あるいはシルセスキォキサン前駆体の全質量に対してたとえば 2質量％程度溶解される。そして、湿式法によりシルセスキォキサンよりなる絶縁被膜 20が下地被膜 30の表面に形成される。

[0063] なお、シルセスキォキサンィ匕合物あるいはシルセスキォキサン前駆体とともに、たとえばポリエチレン榭脂、シリコーン榭脂、ポリアミド榭脂、ポリイミド榭脂、ポリアミドイミド榭脂、エポキシ榭脂、フエノール榭脂、アクリル榭脂、およびフッ素榭脂などの榭脂を溶媒中に溶解してもよい。この場合には、シルセスキォキサンとこれらの榭脂とからなる絶縁被膜が形成される。但し、シルセスキォキサン以外の物質よりなる絶縁被膜を使用する場合であっても、絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成するように、溶解するシルセスキォキサンィ匕合物あるいはシルセスキォキサン前駆体の比率を調整する必要がある。

[0064] なお、絶縁被膜 20の形成方法としては、上記の湿式法の他、たとえば V型混合機などを使用した乾式混合法、メカニカルァロイング法、振動ボールミル、遊星ボールミル、メカノフュージョン、共沈法、化学気相蒸着法 (CVD法)、物理気相蒸着法 (PV D法）、めっき法、スパッタリング法、蒸着法またはゾルーゲル法などを使用することも可能である。

[0065] 以上の工程により、図 1に示される本実施の形態の軟磁性材料が得られる。なお、図 2に示される圧粉磁心を製造する場合には、さらに以下の工程が行なわれる。

[0066] 次に、必要に応じてバインダを混合した後、軟磁性材料の粉末を金型に入れ、たとえば 800MPa〜1500MPaまでの範囲の圧力でカ卩圧成形する（ステップ S5)。これにより、軟磁性材料が圧粉成形された成形体が得られる。なお、加圧成形する雰囲気は、不活性ガス雰囲気または減圧雰囲気とすることが好ましい。この場合、大気中の酸素によって混合粉末が酸化されるのを抑制することができる。

[0067] 次に、大気中においてたとえば 70°C以上 300°C以下の温度で 1分間〜 1時間の間、成形体を熱処理する (ステップ S6)。これにより、シルセスキォキサンが熱硬化し、成形体の強度が増加する。このように、加圧成形後にシルセスキォキサンを熱硬化することにより、シルセスキォキサンが熱硬化して変形追従性が低下する前に加圧成形することができ、成形性に優れた状態にある軟磁性材料を加圧成形することができる。また、熱処理を加圧成形と同時に行なっても同様の効果が得られる。この場合、加圧成形に用いる金型およびパンチを加熱して温間成形を行なうことが好まヽ。

[0068] 次に、加圧成形によって得られた成形体を熱処理する (ステップ S 7)。金属磁性粒子 10として純鉄を用いる場合には、たとえば 550°C以上絶縁被膜 20の電気抵抗低下温度以下の温度で熱処理する。加圧成形を経た成形体の内部には欠陥が多数発生しているので、熱処理によりこれらの欠陥を取り除くことができる。この際に、一部のシルセスキォキサン骨格における非 Si結合手同士が結合し、 4つの結合手すべてが酸素原子を介して Siと結合した「シリカ骨格」に変化し、絶縁膜の耐熱性向上に寄与する。以上に説明した工程により、図 2に示す本実施の形態の圧粉磁心が完成する

[0069] 本実施の形態の軟磁性材料では、絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成している。シルセスキォキサンは、同じ Si— O— Siの鎖を有するシリコーンに比べて絶縁安定性に優れている。これについて以下に説明する。

[0070] シルセスキォキサンは、上述の化 1に示される構造式を有して!/、る。これに対し、シリコーンは以下の化 9に示される構造式を有しており、無機シリカは以下の化 10に示される構造式を有している。

[0071] [化 9] r ヽ

R'

、o

+ SioC—ό— / ί O

R ノ π

[0072] [化 10] \

ヽひ

[0073] ィ匕 9を参照して、シリコーンを構成する Si原子の各々は、 2つの O原子を介して Si原子と結合することで重合しており、 Rまたは R'と結合して重合している。このため、シリコーンは 1次元の構造を有しており、 Si— O— Siの鎖の密度がシルセスキォキサンよりも低い。

[0074] Si-O— Siの鎖は、金属磁性粒子を構成する Feなどの原子が絶縁被膜中に拡散するのを抑制する効果を有している。図 4は、下地被膜のみが形成された軟磁性材料における Fe原子の拡散の様子を模式的に示す図である。図 4 (a)を参照して、歪み 50を含む金属磁性粒子 110の表面にはリン酸塩よりなる下地被膜 130が形成されており、 Si— O— Siの鎖を持つ材料よりなる絶縁被膜は形成されていない。この場合、金属磁性粒子 110同士の間には下地被膜 130のみが存在している。この軟磁性材料に対し歪み 50を除去するための熱処理を施すと、図 4 (b)に示されるように、金属磁性粒子 110の Fe原子が拡散して下地被膜 130中に侵入する。その結果、絶縁被膜が金属化することによって絶縁性が低下し、金属磁性粒子同士の絶縁が確保できなくなる。

[0075] 図 5は、シリコーンよりなる絶縁被膜が形成された軟磁性材料における Fe原子の拡散の様子を模式的に示す図である。図 5 (a)を参照して、歪み 50を含む金属磁性粒子 110の表面にはリン酸塩よりなる下地被膜 130が形成されており、その表面にはシリコーンよりなる絶縁被膜 120が形成されている。この場合、金属磁性粒子 110同士の間には下地被膜 130および絶縁被膜 120が存在している。この軟磁性材料に対し歪み 50を除去するための熱処理を施すと、図 5 (b)に示されるように、金属磁性粒子 110の Fe原子は絶縁被膜 120によってある程度拡散が抑制される。しかし、シリコーンの Si— 0— Siの鎖の密度は低ぐ Fe原子の拡散パスが多く存在するために、熱処理温度が高い場合には Fe原子が拡散して絶縁被膜 120中に侵入し、絶縁被膜の絶縁が低下する。また、シリコーンは有機成分の含有量が多いので熱処理の際に熱分解し、絶縁被膜の膜厚が薄くなり絶縁被膜の絶縁性が低下する。さらには炭化により炭素原子を主成分とする残渣が発生し、より絶縁性が低下する。その結果、金属磁性粒子 110同士の絶縁が確保できなくなる。

[0076] 図 6は、本発明の一実施の形態における軟磁性材料における Fe原子の拡散の様子を模式的に示す図である。図 6 (a)を参照して、歪み 50を含む金属磁性粒子 10の表面にはリン酸塩よりなる下地被膜 30が形成されており、その表面にはシルセスキォキサンよりなる絶縁被膜 20が形成されている。この場合、金属磁性粒子 10同士の間には下地被膜 30および絶縁被膜 20が存在してヽる。この軟磁性材料に対し歪み 50 を除去するための熱処理を施すと、図 6 (b)に示されるように、金属磁性粒子 10の Fe 原子は絶縁被膜 20によって拡散が抑制される。シルセスキォキサンはシリコーンよりも Si— O— Siの鎖の密度が高、ので、熱処理温度が高!、場合であっても Fe原子が拡散して絶縁被膜 20中に侵入するのを抑制できる。また、シルセスキォキサンはシリコーンに比べて有機成分の含有量が少ないので、熱処理の際に絶縁被膜の膜厚減少が少なく、炭素残渣があまり発生しない。その結果、金属磁性粒子 10同士の絶縁性を確保しつつ歪み 50を除去することができる。

[0077] ここで、シリコーンとシルセスキォキサンと無機シリカとの各々の性質をまとめたものを表 1に示す。なお、表 1において Aは大変優れていることを示し、 Bは優れていることを示し、 Cはやや劣っていることを示し、 Dは劣っていることを示している。

[0078] [表 1]

[0079] 表 1を参照して、絶縁安定性、硬化後密度に関しては、 Si— O— Siの鎖の密度が高い分だけシルセスキォキサンはシリコーンよりも優れている。また、変形追従性に関しては、熱硬化前のシルセスキォキサンはシリコーンと同程度の変形追従性を有している。無機シリカは、絶縁安定性、 Si— O— Si鎖の密度に関しシルセスキォキサンよりもさらに優れている力変形追従性が著しく低いという欠点を有している。このため、絶縁被膜として無機シリカを用いた場合には、軟磁性材料の加圧成形時に絶縁被膜が破壊されるため、無機シリカは絶縁被膜の材料として適さない。また、無機シリカは金属磁性粒子の塑性変形を阻害するので、得られる圧粉磁心の密度が低くなり、低透磁率、鉄損大となってしまう。

[0080] 本実施の形態における軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法によれば、絶縁被膜 20に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成していることにより、絶縁被膜 20の耐熱性が向上する。その結果、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減することができる。

[0081] また、絶縁被膜 20の Fe原子の拡散を抑制する能力が向上するので、絶縁被膜 20 の膜厚を薄くしても金属磁性粒子 10同士の絶縁被膜の耐熱性を確保することができる。これにより、圧粉磁心の高密度化を図ることができ、それによつてヒステリシス損を低減することができ、透磁率を向上することができる。

[0082] さらに、硬化後のシルセスキォキサンは硬化後のシリコーンに比べて高い硬度を有しているので、十分な強度を有する圧粉磁心を得ることができ、後工程におけるハンドリング製を向上することができる。

[0083] (実施例 1)

本実施例では、絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成していることの効果について調べた。具体的には、純度 99. 8質量％以上の純鉄をアトマイズ法により粉末ィ匕し、複数の金属磁性粒子を準備した。次に、金属磁性粒子をリン酸鉄水溶液中に浸漬し、金属磁性粒子の表面にリン酸鉄よりなる下地被膜を形成した。次に、シルセスキォキサンとシリコーンとの割合を質量比として 0質量％〜100質量％の間で変化させたものを絶縁被膜として被覆した。シルセスキォキサンとして、ォキセタンシルセスキォキサン (OX— SQ：東亞合成製）と熱カチォン開始剤（サンエイド SI— 100L 三新ィ匕学製）とを用い、シリコーンとして無溶剤シリコーン榭脂 (TSE3051 東芝 GEシリコーン製)を用いてキシレン溶液を作製した。総被覆量は、金属磁性粒子の全重量に対して 0. 1質量％〜0. 2質量％の割合とした。また熱カチオン開始剤は、シルセスキォキサンに対して 2質量％の割合とした。そして、この溶液を用いて湿式法により下地被膜の表面に絶縁被膜を形成した。次に、キシレンを乾燥、揮発した後、 800MPa〜1500MPaのプレス面圧で軟磁性材料を加圧成形し、成形体を作製した。その後、大気中において、 70°C〜300°Cの範囲の温度で 1時間、成形体を熱処理し、絶縁被膜を熱硬化した。続いて、窒素気流雰囲気において、 400°C〜650°Cの範囲で温度を変化させて、 1時間成形体を熱処理した。これにより試料 1〜試料 10の圧粉磁心を得た。

[0084] こうして得られた圧粉磁心の各々につヽて、巻き線を施し、磁気特性測定用試料とした。そして、交流 BHカーブトレーサを用いて鉄損を測定した。鉄損の測定の際には、励起磁束密度を 10kG ( = lT (テスラ)）とし、測定周波数を 50〜： LOOOHzとした。そして鉄損の周波数変化力渦電流損およびヒステリシス損を算出した。渦電流損およびヒステリシス損の算出は、鉄損の周波数曲線を次の 3つの式で最小 2乗法によりフィッティングし、ヒステリシス損係数および渦電流損係数を算出することで行なった [0085] (鉄損） = (ヒステリシス損係数） X (周波数） + (渦電流損係数） X (周波数) (ヒステリシス損） = (ヒステリシス損係数） X (周波数）

(渦電流損） = (渦電流損係数） X (周波数)²

測定された渦電流損 We (WZkg)、ヒステリシス損 Wh(WZkg)、および鉄損 W(W Zkg)を表 2に示す。

[0086] [表 2]

[0087] 表 2を参照して、 400°C〜500°Cの低温で熱処理した場合には、試料 1〜試料 10 の渦電流損 Weおよびヒステリシス損 Whに大きな差は見られない。し力し、 550°C以上の高温で熱処理した場合には、比較例である試料 1〜試料 8では渦電流損 Weが増大しているのに対して、本発明例である試料 9〜試料 11では渦電流損 Weの増大が抑制されつつヒステリシス損 Whが低減されている。その結果、特に 600°Cで熱処理した場合には鉄損 Wが大きく低減されており、試料 9では 88WZkg、試料 10では 81WZkg、試料 11では 83WZkgとなっている。以上の結果から、本発明によれば渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減できることが分かる。

[0088] 以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなぐ請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

産業上の利用可能性

[0089] 本発明の軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法は、たとえば、モーターコア、電磁弁、リアタトルもしくは電磁部品一般に利用される。

Claims

請求の範囲

[1] 金属磁性粒子（10)と、前記金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜 (20)とを有する複数の複合磁性粒子 (40)を備える軟磁性材料であって、

前記絶縁被膜は Siを含み、かつ前記絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Si がシルセスキォキサン骨格を構成する、軟磁性材料。

[2] 前記絶縁被膜 (20)の平均膜厚が 10nm以上 1 μ m以下である、請求の範囲第 1項に記載の軟磁性材料。

[3] 前記複数の複合磁性粒子 (40)の各々は、前記金属磁性粒子と前記絶縁被膜との間に形成された下地被膜 (30)をさらに有し、前記下地被膜は絶縁性の非晶質ィ匕合物よりなる、請求の範囲第 1項に記載の軟磁性材料。

[4] 前記下地被膜（30) 1S Al、 Si、 Mg、 Y、 Ca、 Zr、および Feからなる群より選ばれる少なくとも 1種の物質のリン酸塩の非晶質ィ匕合物、前記物質のホウ酸塩の非晶質ィ匕合物、または前記物質の酸化物の非晶質化合物を含む、請求の範囲第 3項に記載の軟磁性材料。

[5] 前記下地被膜 (30)の平均膜厚が lOnm以上 1 m以下である、請求の範囲第 3項に記載の軟磁性材料。

[6] 請求の範囲第 1項に記載の軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心。

[7] 金属磁性粒子（10)と、前記金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜 (20)とを有する複数の複合磁性粒子 (40)を備える圧粉磁心であって、

前記絶縁被膜は Siを含み、かつ前記絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Si 力 S (Si— O ) :χ> 1. 5から構成されるシルセスキォキサン骨格およびシリカ骨格を構成する、圧粉磁心。

[8] 絶縁被膜 (20)を金属磁性粒子（10)の表面に形成する工程を備え、

前記絶縁被膜に含まれる Siのうち 80%以上の Siがシルセスキォキサン骨格を構成する、軟磁性材料の製造方法。

[9] 請求の範囲第 8項に記載の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加圧成形する加圧成形工程と、

前記加圧成形工程の後に前記絶縁被膜 (20)を熱硬化させる工程とを備える、圧粉磁心の製造方法。

請求の範囲第 8項に記載の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加熱した金型中で加圧成形し、同時に前記絶縁被膜 (20)を熱硬化させる加圧成形工程を備える、圧粉磁心の製造方法。