WO2018180416A1 - 圧粉磁心用鉄基粉末 - Google Patents

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WO2018180416A1
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iron
powder
coating
phosphoric acid
core
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Inventor
里美 漆畑
北条　啓文
洋平 高松
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株式会社神戸製鋼所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/102—Metallic powder coated with organic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/16—Metallic particles coated with a non-metal

Definitions

  • the present invention relates to an iron-based powder for a dust core that is used when a soft magnetic iron-based powder such as iron powder or iron-based alloy powder is compacted to produce a dust core for an electromagnetic component.
  • Magnetic cores of electromagnetic parts used in alternating current have conventionally been laminated with electromagnetic steel sheets or electric iron sheets.
  • soft magnetic iron-based powders have been compacted and subjected to strain relief annealing.
  • a dust core manufactured in this way is applied.
  • strain relief annealing after compacting releases the strain introduced during raw powder production and compacting, and energy loss during magnetic conversion expressed as the sum of eddy current loss and hysteresis loss (below) In particular, the hysteresis loss can be reduced.
  • the magnetic cores of electromagnetic parts are required to have high magnetic permeability and low electromagnetic loss.
  • driving frequency the frequency when driving an electromagnetic component
  • the electromagnetic conversion characteristics are shown, there is a problem that the electromagnetic conversion characteristics are deteriorated under driving conditions when a general electromagnetic component is operating, for example, conditions where the driving frequency is less than 1 kHz. That is, in a frequency region where the drive frequency is less than 1 kHz, hysteresis loss becomes more prominent than eddy current loss, which causes a reduction in iron loss.
  • Patent Document 1 states that “when sieving using a sieve having an opening of 425 ⁇ m, the iron-based powder that does not pass through the sieve has a mass of 10% by mass or less and is sieved using a sieve having an opening of 75 ⁇ m. When divided, the iron-base powder that does not pass through the sieve is 80% by mass or more, and at least 50 iron-base powder cross sections are observed, and the crystal grain size of each iron-base powder is measured to determine the maximum crystal grain size.
  • An iron-based powder for a dust core has been proposed in which, when a crystal grain size distribution including at least is obtained, 70% or more of crystal grains having a crystal grain size of 50 ⁇ m or more are measured.
  • Patent Document 2 proposes “a method for producing a product having soft magnetism, in which iron particles have a weight average particle diameter of 10 ⁇ m to 200 ⁇ m”. This technique is disclosed that the use of iron powder with a small particle size widens the frequency range to achieve stable magnetic permeability, and the magnetic permeability becomes 100.
  • the driving frequency in this technique is assumed to be 1 kHz or more.
  • the driving frequency is less than 1 kHz, the magnetic permeability 100 is too low, and thus such a technique cannot be directly applied to a dust core used at a driving frequency of less than 1 kHz.
  • the present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to obtain a dust core exhibiting a high relative permeability and a low iron loss even under a condition where the driving frequency is less than 1 kHz.
  • An object of the present invention is to provide an iron-based powder for a dust core that can be used.
  • the iron-based powder for a dust core is an iron-based powder for a dust core containing a large number of iron-based particles, and the iron-based particles include an iron-based core and And an insulating coating covering the surface of the iron-based core body, the average particle diameter D 50 of the iron-based core body is 150 ⁇ m or more and 250 ⁇ m or less, and the insulating coating is formed from a phosphoric acid-based chemical conversion coating.
  • the thickness of the silicone resin film is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.
  • an iron-based powder for a dust core capable of obtaining a dust core exhibiting high relative permeability and low iron loss can be realized.
  • the present inventors have intensively studied from various angles in order to realize an iron-based powder for a dust core capable of obtaining a dust core exhibiting a high relative permeability and a low iron loss.
  • first particles constituting the iron-based soft magnetic powder core (hereinafter, also referred to as the iron-based particles) (hereinafter, also referred to as Tetsumotoshin body) by an appropriate range an average particle size D 50 of, It has been found that a high relative magnetic permeability can be obtained in relation to the insulating coating coated on the surface of the iron-based core.
  • the insulating coating formed on the surface of the iron-based core body has at least a two-layer structure of a lower layer made of a phosphoric acid-based chemical conversion coating and an upper layer made of a silicone resin coating laminated on this lower layer.
  • the phosphorus content of the iron-based soft magnetic powder particles on which the phosphoric acid-based chemical coating is formed is 0.012 higher than the phosphorus content of the iron-based powder particles before the phosphoric acid-based chemical coating is formed. It has been found that a high relative magnetic permeability can be secured without increasing the iron loss of the dust core even when the film thickness of the insulating coating is relatively thin by making it higher by mass% or more and 0.030 mass% or less.
  • the present invention has been completed.
  • what formed the insulation film in the iron-based core body is called iron-based particle here.
  • the present inventors have studied, by the average particle diameter D 50 of the iron-based core body constituting the iron-based powder with a suitable range, the relationship with the insulating coating to be coated on the surface of the iron-based core It was found that a dust core having a high relative permeability can be obtained.
  • the average particle diameter D 50 of the iron-based core as defined in the present invention will become relatively larger than the average particle size of the iron-based core that is proposed. By this mean particle size D 50 or more 150 [mu] m, it can be kept high relative magnetic permeability.
  • the average particle size D 50 is preferably not less than 170 [mu] m, more preferably not less than 180 [mu] m.
  • the upper limit of the average particle diameter D 50 of the Tetsumotoshin body is required to be 250 [mu] m.
  • the upper limit of the average particle size D 50 is preferably 240 .mu.m, more preferably 230 .mu.m.
  • the “average particle diameter D 50 ” is the average particle diameter when the integrated value (integrated value) of the iron-based powder passing through the openings is 50% by mass using sieves having different openings. In other words, it can be measured in accordance with “Metal powder sieving analysis test method” (JPMA-P02-1992) prescribed by the Japan Powder Metallurgy Industry Association.
  • the surface of the iron-based core body (that is, the lower layer side of the insulating coating) is covered with a phosphoric acid-based chemical conversion coating.
  • the phosphoric acid-based chemical conversion film is a glassy film generated by chemical conversion treatment with a treatment liquid containing orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) and the like, and ensures the insulating properties of the iron-based particles.
  • the thickness of the phosphoric acid-based chemical conversion film is preferably at least 20 nm. More preferably, it is 30 nm or more.
  • the thickness of the phosphoric acid-based chemical conversion coating increases, the phosphorus content of the iron-based particles coated with the phosphoric acid-based chemical conversion coating, and consequently the phosphorus content of the iron-based powder, increases. It becomes impossible to increase the relative permeability of the powder magnetic core. From such a viewpoint, the thickness of the phosphoric acid-based chemical conversion film is preferably 250 nm or less, and more preferably 200 nm or less.
  • a treatment liquid obtained by dissolving orthophosphoric acid or the like in an aqueous solution may be mixed with the iron-based core body powder and dried.
  • Silicone resin coating A silicone resin film is formed on the surface of the phosphoric acid-based chemical conversion film (that is, the upper layer side of the insulating film). This silicone resin coating improves the thermal stability of the insulating coating, prevents the deterioration of the properties of the phosphoric acid-based chemical conversion coating during strain relief annealing. Magnetic susceptibility can be secured.
  • the film thickness of the silicone resin film is preferably an average of 50 nm or more measured at 5 points by observation using a transmission electron microscope (TEM) of particles.
  • TEM transmission electron microscope
  • the film thickness of the silicone resin coating becomes too thick, it becomes impossible to ensure a high relative magnetic permeability of the dust core, so that the average is preferably 200 nm or less. More preferably, it is 150 nm or less.
  • the silicone resin coating is formed on the surface of the phosphoric acid-based chemical coating
  • the silicone resin is dissolved in an alcohol, an organic solvent such as toluene or xylene, and the iron group on which the phosphoric acid-based chemical coating is formed.
  • the organic solvent may be volatilized after mixing with the particles.
  • the resin coating formed on the surface of the particles has at least a two-layer structure of a phosphoric acid-based chemical conversion coating and a silicone resin coating.
  • a layer of oxide for the purpose of improving heat resistance a layer having lubricity for the purpose of suppressing film breakage during compression molding, a layer having adhesiveness for the purpose of improving strength, etc.
  • a multilayer structure may be formed. Therefore, as long as the requirement that the phosphoric acid-based chemical coating is coated with a silicone resin coating is satisfied, other layers may be included on the lower layer side of the phosphoric acid-based chemical coating film or on the upper layer side of the silicone resin coating film. Good.
  • the phosphorus content of the iron-based particles having the phosphoric acid-based chemical coating is less than the phosphorus content of the iron-based particles before being coated with the phosphoric acid-based chemical coating. It must be higher than 012% by mass and lower than 0.030% by mass. By satisfying these requirements, it is possible to increase the relative permeability of the dust core and to prevent the iron loss from increasing.
  • the difference between the phosphorus content of the iron-based particles having the phosphate conversion coating and the phosphorus content of the iron-based particles before coating with the phosphate conversion coating (hereinafter referred to as “ The difference ⁇ P ”may be abbreviated to 0.012% by mass or more.
  • the “phosphorus content of iron-based particles having a phosphate-based chemical conversion coating” means the sum of “the amount of phosphorus originally contained in the iron-based particles” and “the phosphorus content in the phosphate-based chemical conversion coating”, It can be measured as the amount of phosphorus when the iron-based particles after chemical conversion coating are analyzed by inductively coupled plasma (ICP) or the like.
  • the difference ⁇ P needs to be 0.030% by mass or less. Preferably, it is 0.026 mass% or less.
  • the method for adjusting the difference ⁇ P also varies depending on the type of processing solution and the target film thickness.
  • the difference ⁇ P can be adjusted by adjusting the phosphorus content in the phosphoric acid-based chemical conversion film by adjusting the amount of water or alcohol added to the treatment liquid or the dilution rate with water or alcohol.
  • the phosphorous content in the phosphoric acid-based chemical coating to be coated will increase. It is thought that the thickness is increased. Conversely, if the dilution ratio when diluting the treatment liquid is increased, the phosphorus content in the phosphoric acid conversion coating to be coated will decrease, but the thickness of the phosphoric acid conversion coating will be reduced. It is done.
  • Patent Document 1 it is described that the surface of the iron-based particles can be coated with a phosphoric acid-based chemical conversion film.
  • the technique of Patent Document 1 when converted from the conditions described in the examples, It is expected that the value of the difference ⁇ P will increase and at least the relative magnetic permeability will decrease (see Examples below).
  • the iron-based core body (the iron-based particles before forming the insulating coating, which can also be referred to as raw-material iron-based particles) used as a raw material in the present invention is pure iron powder, Fe-Al alloy powder, Fe-Si Any iron-based powder such as an alloy powder may be used. In short, any particles that exhibit soft magnetism can be used.
  • Such an iron-based core can be produced by, for example, reducing particles obtained by an atomizing method in a reducing atmosphere and then crushing the particles.
  • the iron-base powder for dust core of the present invention is made into a dust core by performing strain relief annealing after compacting.
  • the compacting conditions and the strain relief annealing conditions at this time are not particularly limited, and may be performed under normal conditions.
  • a preferable pressure condition at the time of compacting is about 490 MPa to 1960 MPa in terms of surface pressure.
  • the atmosphere is an inert atmosphere such as nitrogen, but the annealing temperature is about 450 ° C. to 600 ° C.
  • Example 1 As unavoidable impurities, C: 0.001%, Si: 0.01%, Mn: 0.19%, P: 0.013%, S: 0.007%, with the balance being iron.
  • Water atomized iron powder was prepared.
  • the iron powder having this composition is a commercially available composition.
  • This iron powder is sieved using a sieve having an aperture of 106 ⁇ m in accordance with the “Metal Powder Sieve Analysis Test Method” (JPMA-P02-1992) prescribed by the Japan Powder Metallurgy Industry Association and remains on the sieve.
  • the collected powder was recovered and annealed at 1170 ° C. for 1 hour in a hydrogen gas atmosphere.
  • the powder crushed after the annealing was passed through a sieve having an opening of 106 ⁇ m.
  • the powder remaining on the sieve was 95% by mass or more.
  • the average particle diameter D 50 of the particles (raw material iron-based particles) constituting the powder on the sieve was 224Myuemu.
  • treatment solution A the mixed base drug (hereinafter referred to as “treatment solution A”) is used as a stock solution, which is diluted 10 times, 15 times, 20 times, 25 times, 30 times, 40 times with distilled water.
  • treatment solution A is used as a stock solution, which is diluted 10 times, 15 times, 20 times, 25 times, 30 times, 40 times with distilled water.
  • the difference ⁇ P between the phosphorus content of the iron-based particles on which the phosphoric acid-based chemical conversion film is formed and the phosphorus content of the raw iron-based particles (iron-based core) is 0.009% by mass or more and 0.040% by mass. % Or less.
  • the silicone resin film formed on the phosphoric acid-based chemical film is prepared by dissolving “SR2400” (trade name) manufactured by Toray Dow Corning in toluene and then forming an iron-based powder on which the phosphoric acid-based chemical film is formed.
  • the resin solid content is added and mixed so that the solid content is 0.03% by mass, 0.05% by mass, 0.07% by mass, 0.10% by mass, and 0.15% by mass, and heat-dried (75 ° C., For 30 minutes).
  • the film thickness of the formed silicone resin film was in the range of 50 nm to 200 nm.
  • the coating conditions of each powder are shown in Test No. 1 in Table 1 below. 1 to 14 are shown.
  • powders (Test Nos. 15 to 19 in Table 1) prepared according to Example 1 of Patent Document 1 (Nos. 12 to 16 in Table 1 in Patent Document 1) are shown as reference examples.
  • the powder after the insulating coating treatment was compacted into a compact.
  • the compacting at this time was performed as follows. After coating the surface of the mold with zinc stearate dispersed in alcohol, the above-mentioned insulation treatment and powder heated to 130 ° C. are put into this mold, the surface pressure is 1176 MPa, the outer diameter is 45 mm, the inner diameter is : Compacted into a ring shape with a thickness of 33 mm and a thickness of about 5 mm. The density of the green compact was 7.67 g / cm 3 or more and 7.72 g / cm 3 or less.
  • the compact was subjected to strain relief annealing for 30 minutes at a temperature of 475 ° C. or higher and 550 ° C. or lower in a nitrogen atmosphere.
  • the heating rate at this time was 10 ° C./min, and the furnace was cooled after strain relief annealing.
  • the relative permeability of the obtained molded body was measured using an automatic magnetization measuring apparatus manufactured by Metron Giken with a maximum excitation field of 10 kA / m. At this time, the primary winding was 400 turns and the secondary winding was 25 turns. Moreover, the iron loss was measured using the same apparatus at an excitation magnetic flux density of 1.0 T and a frequency of 400 Hz. The eddy current loss and hysteresis loss were separated by calculation based on the measured iron loss. The measurement results are also shown in Table 1 below. In addition, the acceptance criteria of a characteristic are relative magnetic permeability: 750 or more, eddy current loss: 8.0 W / kg or less.
  • Test No. In 13 and 14 the relative permeability is not measured.
  • test no. From 4 to 12 (invention example), the film thickness is sufficient to ensure insulation even after strain relief annealing, and the coating itself is thin, so that the relative permeability can be increased while maintaining the iron loss as before. I understand.
  • Example 2 An iron-based core in accordance with “Metal powder sieving analysis test method” (JPMA P02-1992) specified by the Japan Powder Metallurgy Association using the atomized powders “Atomel 300M” and “Atomel 300NH” from Kobe Steel the average particle diameter D 50 of the adjustment.
  • the Atmel 300M was sieved using a sieve having openings of 425 ⁇ m and 106 ⁇ m, and the powder remaining on the sieve was collected, and was annealed at 1170 ° C. for 1 hour in a hydrogen gas atmosphere. After annealing, the crushed material was passed through a sieve having openings of 425 ⁇ m and 106 ⁇ m.
  • the Atmel 300NH was sieved using a sieve having an opening of 106 ⁇ m, and the powder that passed through the sieve was collected and annealed at 1070 ° C. for 1 hour in a hydrogen gas atmosphere. After annealing, the crushed material was passed through a sieve having an opening of 106 ⁇ m.
  • each powder after grinding, the average particle diameter D 50, as described in Table 2 were mixed 82 ⁇ m, 162 ⁇ m, 214 ⁇ m, 236 ⁇ m, so that 262Myuemu.
  • a phosphoric acid-based chemical conversion film was formed on the surfaces of the mixed iron-based powder particles, and then a silicone resin film was formed and insulated.
  • 20 parts by mass of the treatment liquid obtained by diluting the above-mentioned treatment liquid A by 20 times is added to 1000 parts by mass of each iron-based core powder having an average particle diameter D 50 adjusted.
  • the mixture was dried in the atmosphere at 200 ° C. for 30 minutes, and passed through a sieve having an opening of 600 ⁇ m. At this time, the difference ⁇ P was in the range of 0.018% by mass or more and 0.020% by mass or less (see Table 2).
  • the silicone resin coating is prepared by dissolving “SR2400” (trade name) manufactured by Toray Dow Corning in toluene, adding and mixing so that the resin solid content becomes 0.07% by mass with respect to the iron-based powder, and then drying by heating. (75 ° C., 30 minutes).
  • the film thickness after the insulation treatment was such that the film thickness of the phosphoric acid-based chemical film was in the range of 30 nm to 200 nm, and the film thickness of the silicone resin film was in the range of 50 nm to 150 nm.
  • the powder after the insulation treatment was compacted into a compact.
  • the compacting was performed as follows. After applying zinc stearate dispersed in alcohol to the surface of the mold, the above-mentioned insulation-treated powder heated to 130 ° C. is put in, the surface pressure is 1176 MPa, the outer diameter: 45 mm, the inner diameter: 33 mm, the thickness: It was pressure molded into a ring shape of about 5 mm. The density of the compact was in the range of 7.69 g / cm 3 to 7.73 g / cm 3 .
  • the compact was subjected to strain relief annealing for 30 minutes in the range of 400 ° C. to 525 ° C. in a nitrogen atmosphere.
  • the heating rate was 10 ° C./min, and the furnace was cooled after strain relief annealing.
  • the relative permeability of the obtained molded body was measured using an automatic magnetization measuring apparatus manufactured by Metron Giken with a maximum excitation field of 10 kA / m. At this time, the primary winding was 400 turns and the secondary winding was 25 turns. Moreover, the iron loss was measured using the same apparatus at an excitation magnetic flux density of 1.0 T and a frequency of 400 Hz. The measurement results are also shown in Table 2.
  • the average particle diameter D 50 of the iron-based core used to make the dust core of the present invention by setting the range of 150 ⁇ m or 250 ⁇ m or less, to be able to increase the relative magnetic permeability of 750 or more I understand.

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Abstract

駆動周波数が１ｋＨｚ未満となるような条件であっても、高い比透磁率および低い鉄損を示す圧粉磁心を得ることのできる圧粉磁心用鉄基粉末を提供する。この圧粉磁心用鉄基粉末は、多数の鉄基粒子を含んでおり、この鉄基粒子が、鉄基芯体と、この鉄基芯体の表面を覆う絶縁被膜と、を有しており、前記鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０が１５０μｍ以上２５０μｍ以下であり、前記絶縁被膜が、リン酸系化成被膜からなる下層と、この下層に積層されたシリコーン樹脂被膜からなる上層との、少なくとも二層構造であり、前記リン酸系化成被膜を有する鉄基粒子のリン含有量が、リン酸系化成被膜で被覆される前の鉄基粒子のリン含有量よりも０．０１２質量％以上０．０３０質量％以下高い。

Description

圧粉磁心用鉄基粉末
　本発明は、鉄粉や鉄基合金粉末等の軟磁性の鉄基粉末を圧粉成形し、電磁気部品用の圧粉磁心を製造するときに用いられる圧粉磁心用鉄基粉末に関する。
　交流で使用される電磁気部品の磁心には、従来から電磁鋼板や電気鉄板を積層したものが用いられてきたが、近年では、軟磁性の鉄基粉末を圧粉成形し、これを歪取焼鈍して製造される圧粉磁心が適用されるようになっている。
　鉄基粉末を圧粉成形することによって、成形品形状の自由度が高くなり、三次元形状の磁心であっても容易に製造できる。また圧粉成形後に歪取焼鈍することによって、原料粉末の製造時や圧粉成形時に導入される歪みが解放され、渦電流損とヒステリシス損の和で表される磁気変換時のエネルギー損失（以下、「鉄損」と呼ぶ）、特にヒステリシス損を低減できる。
　電磁気部品の磁心には、比透磁率が高いことと、鉄損が低いという電磁変換特性が要求される。しかしながら、鉄基粉末を圧粉成形して製造される圧粉磁心では、電磁気部品を駆動するときの周波数（以下、これを「駆動周波数」と呼ぶ）が１ｋＨｚ以上となるような高周波領域では良好な電磁変換特性を示すが、一般的な電磁気部品が動作しているときの駆動条件、例えば駆動周波数が１ｋＨｚ未満となるような条件では、電磁変換特性が低下するという問題がある。すなわち、駆動周波数が１ｋＨｚ未満となるような周波数領域では、渦電流損よりもヒステリシス損が顕著になり、これが鉄損を低下させる原因となる。
　これまでにも様々な圧粉磁心用鉄基粉末が提案されている。こうした技術として、例えば特許文献１には、「目開き４２５μｍの篩を用いて篩い分けしたときに、該篩を通過しない鉄基粉末が１０質量％以下で、目開き７５μｍの篩を用いて篩い分けしたときに、該篩を通過しない鉄基粉末が８０質量％以上であり、少なくとも５０個の鉄基粉末断面を観察し、各鉄基粉末について結晶粒径を測定して最結晶粒径を少なくとも含む結晶粒径分布を求めたときに、測定した結晶粒のうち結晶粒径が５０μｍ以上である結晶粒が７０％以上である圧粉磁心用の鉄基粉末」が提案されている。
　この技術では、鉄基粉末の粒子の径が大きい方が、粒子内に含まれる結晶粒サイズを大きくすることができるため、ヒステリシス損を低減できることが記載されているが、比透磁率に関しては言及されていない。
　一方、特許文献２には、「鉄粒子が１０μｍ以上２００μｍ以下の重量平均粒径を有することを特徴とする軟磁性を有する製品の製造方法」が提案されている。この技術は、粒径の小さい鉄粉末の使用は、安定な透磁率を達成するための周波数範囲を広げ、透磁率が１００となることが開示されている。
　しかしながら、この技術における駆動周波数は、１ｋＨｚ以上であることが想定されている。駆動周波数が１ｋＨｚ未満においては、透磁率１００では低すぎるため、こうした技術を、駆動周波数が１ｋＨｚ未満で使用される圧粉磁心にそのまま適用することはできない。
特許第４６３０２５１号公報 特許第３８５１６５５号公報
　本発明は、こうした状況の下でなされたものであって、その目的は、駆動周波数が１ｋＨｚ未満となるような条件であっても、高い比透磁率および低い鉄損を示す圧粉磁心を得ることのできる圧粉磁心用鉄基粉末を提供することにある。
　上記目的を達成することのできた本発明の圧粉磁心用鉄基粉末は、多数の鉄基粒子を含んだ圧粉磁心用鉄基粉末であって、前記鉄基粒子が、鉄基芯体と、この鉄基芯体の表面を覆う絶縁被膜と、を有しており、前記鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０が１５０μｍ以上２５０μｍ以下であり、前記絶縁被膜が、リン酸系化成被膜からなる下層と、この下層に積層されたシリコーン樹脂被膜からなる上層との、少なくとも二層構造であり、前記リン酸系化成被膜を有する鉄基粒子のリン含有量が、リン酸系化成被膜で被覆される前の鉄基粒子のリン含有量よりも０．０１２質量％以上０．０３０質量％以下高い。
　本発明の圧粉磁心用鉄基粉末においては、前記シリコーン樹脂被膜の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
　本発明では、高い比透磁率および低い鉄損を示す圧粉磁心を得ることのできる圧粉磁心用鉄基粉末が実現できる。
　本発明者らは、高い比透磁率および低い鉄損を示す圧粉磁心を得ることのできる圧粉磁心用鉄基粉末を実現すべく、様々な角度から鋭意検討を重ねた。
　その結果、まず鉄基軟磁性粉末を構成する粒子（以下、鉄基粒子ともいう）の芯体（以下、鉄基芯体ともいう）の平均粒径Ｄ５０を適切な範囲とすることによって、その鉄基芯体の表面に被覆される絶縁被膜との関係で高い比透磁率が得られることを見出した。また鉄基芯体の表面に形成される絶縁被膜を、リン酸系化成被膜からなる下層と、この下層に積層されたシリコーン樹脂被膜からなる上層との、少なくとも二層構造とする。それとともに、リン酸系化成被膜が形成された鉄基軟磁性粉末の粒子のリン含有量を、リン酸系化成被膜が形成される前の鉄基粉末の粒子のリン含有量よりも０．０１２質量％以上０．０３０質量％以下高いものとすることによって、絶縁被膜の膜厚を比較的薄くしても、圧粉磁心の鉄損を大きくすることなく、高い比透磁率を確保できることを見出し、本発明を完成した。なお、鉄基芯体に絶縁被膜が形成されたものを、ここでは鉄基粒子と呼ぶ。
　まず本発明で規定する各要件について説明する。
［鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０：１５０μｍ以上２５０μｍ以下］
　本発明者らが検討したところ、鉄基粉末を構成する鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０を適切な範囲とすることによって、その鉄基芯体の表面に被覆される絶縁被膜との関係で高い比透磁率の圧粉磁心が得られることが分かった。本発明で規定する鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０は、これまで提案されている鉄基芯体の平均粒径よりも比較的大きなものとなる。この平均粒径Ｄ５０を１５０μｍ以上とすることによって、比透磁率を高く維持できる。この平均粒径Ｄ５０は、好ましくは１７０μｍ以上であり、より好ましくは１８０μｍ以上である。
　しかしながら、鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０があまり大きくなり過ぎると、鉄基芯体の表面に被覆される絶縁被膜の膜厚との関係からして、絶縁被膜の均一性が確保されず、絶縁被膜による絶縁性を確保するためには絶縁被膜の厚みが必然的に厚くなり、圧粉磁心の比透磁率を高くすることができない。こうした観点から、鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０の上限は、２５０μｍとする必要がある。この平均粒径Ｄ５０の上限は、好ましくは２４０μｍであり、より好ましくは２３０μｍである。
　なお、前記「平均粒径Ｄ５０」とは、目開きの異なる篩を用いて、その目開きで通過する鉄基粉末の積算値（積算値）が５０質量％となるときの平均粒径を意味し、日本粉末冶金工業会で規定される「金属粉のふるい分析試験方法」（ＪＰＭＡ－Ｐ０２－１９９２）に準拠して測定できる。
［リン酸系化成被膜］
　上記鉄基芯体の表面（すなわち、絶縁被膜の下層側）は、リン酸系化成被膜によって被覆される。リン酸系化成被膜は、オルトリン酸（Ｈ３ＰＯ４）等を含む処理液による化成処理によって生成するガラス状の被膜であり、鉄基粒子の絶縁性を確保する。鉄基粒子の絶縁性を確保するという観点からすれば、リン酸系化成被膜の膜厚は、少なくとも２０ｎｍ以上であることが好ましい。より好ましくは３０ｎｍ以上である。
　しかしながら、リン酸系化成被膜の膜厚が厚くなると、必然的に、リン酸系化成被膜を被覆した鉄基粒子のリン含有量、ひいては鉄基粉末のリン含有量が増加することになり、圧粉磁心の比透磁率を高くすることができなくなる。こうした観点から、リン酸系化成被膜の膜厚は、２５０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２００ｎｍ以下である。
　リン酸系化成被膜を鉄基芯体の表面に被覆するに際しては、水性溶液にオルトリン酸等を溶解させて得た処理液を、鉄基芯体の粉末と混合し、乾燥すればよい。
［シリコーン樹脂被膜］
　リン酸系化成被膜の表面（すなわち、絶縁被膜の上層側）には、シリコーン樹脂被膜が形成される。このシリコーン樹脂被膜は、絶縁被膜の熱的安定性を高め、歪取焼鈍時における上記リン酸系化成被膜の特性劣化を防止して、絶縁被膜を薄くしても、圧粉磁心の高い比透磁率を確保できる。
　上記の効果を発揮させるためには、シリコーン樹脂被膜の膜厚は、粒子の透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いた観察により５点測定した平均が５０ｎｍ以上であることが好ましい。
　しかしながら、シリコーン樹脂被膜の膜厚は、厚くなりすぎると圧粉磁心の高い比透磁率を確保できなくなるので、上記平均で２００ｎｍ以下であることが好ましい。より好ましくは１５０ｎｍ以下である。
　シリコーン樹脂被膜を、リン酸系化成被膜の表面に形成するに際しては、アルコール類や、トルエン、キシレン等の有機溶剤等にシリコーン樹脂を溶解させ、この溶液とリン酸系化成被膜を形成した鉄基粒子とを混合した後、有機溶媒を揮発させるようにすればよい。
　本発明の圧粉磁心用鉄基粉末では、その粒子の表面に形成される樹脂被膜が、リン酸系化成被膜とシリコーン樹脂被膜との少なくとも二層構造である。しかし、耐熱性の向上を目的とした酸化物等の層や、圧縮成形時の被膜破壊抑制を目的とした潤滑性を有する層、強度改善を目的とした接着性を有する層など、目的に応じて多層構造を形成してもよい。したがって、リン酸系化成被膜がシリコーン樹脂被膜で被覆されているという要件を満足していれば、リン酸系化成被膜の下層側や、シリコーン樹脂被膜の上層側に他の層を含んでいてもよい。
［リン含有量］
　本発明の圧粉磁心用鉄基粉末では、リン酸系化成被膜を有する鉄基粒子のリン含有量が、リン酸系化成被膜で被覆される前の鉄基粒子のリン含有量よりも０．０１２質量％以上０．０３０質量％以下高いことが必要である。こうした要件を満足させることによって、圧粉磁心の比透磁率を高くすることができるとともに、鉄損が大きくなることを防止できる。
　このような効果が発揮できる理由については、その全てを解明し得たわけではないが、おそらく次のように考えることができる。すなわち、リン含有量によって被膜の耐熱性が変化するため、歪取焼鈍温度を最適化することで、高い比透磁率と低い鉄損の両立が可能になると推察される。
　上記の効果を発揮させるためには、リン酸系化成被膜を有する鉄基粒子のリン含有量と、リン酸系化成被膜で被覆する前の鉄基粒子のリン含有量との差（以下、「差ΔＰ」と略称することがある）が、０．０１２質量％以上であることが必要である。なお、「リン酸系化成被膜を有する鉄基粒子のリン含有量とは、「鉄基粒子に元々含まれるリン量」と、「リン酸系化成被膜中のリン量」の和を意味し、化成被膜後の鉄基粒子を誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）等で分析したときのリン量として測定できる。
　一方、差ΔＰが大きくなり過ぎると、リン酸系化成被膜の膜厚が厚くなって、比透磁率が小さくなる。こうした観点から、差ΔＰは０．０３０質量％以下であることが必要である。好ましくは、０．０２６質量％以下である。
　上記差ΔＰを調整する方法は、処理液の種類や目標とする被膜厚さによっても異なる。例えば、処理液に対する水やアルコール等の添加量、又は、水やアルコール等による希釈率を調整することによって、リン酸系化成被膜中のリン含有量を調整して、上記差ΔＰを調整できる。
　添加量を一定とした場合、処理液を希釈するときの希釈率が小さくなれば、被覆されるリン酸系化成被膜中のリン含有量が増大することになるが、リン酸系化成被膜の膜厚が厚くなると考えられる。逆に、処理液を希釈するときの希釈率が大きくなれば、被覆されるリン酸系化成被膜中のリン含有量が減少することになるが、リン酸系化成被膜の膜厚が薄くなると考えられる。
　なお、前記特許文献１においても、鉄基粒子の表面にリン酸系化成被膜を被覆し得ることが記載されているが、この特許文献１の技術では実施例に記載された条件から換算すると、上記差ΔＰの値が大きくなってしまい、少なくとも比透磁率が小さくなることが予想される（後記実施例参照）。
［鉄基粉末］
　本発明で原料として用いる前述した鉄基芯体（絶縁被膜を形成する前の鉄基粒子であり、原料鉄基粒子とも呼べる）は、純鉄粉の他、Ｆｅ－Ａｌ合金粉末、Ｆｅ－Ｓｉ合金粉末等のいずれの鉄基粉末であってもよい。要するに、軟磁性を示す粒子であれば、いずれも採用することができる。このような鉄基芯体は、例えばアトマイズ法によって得られた粒子を、還元性雰囲気で還元した後、破砕することによって製造できる。
　本発明の圧粉磁心用鉄基粉末は、圧粉成形した後、歪取焼鈍を行うことによって、圧粉磁心とされる。このときの圧粉条件や歪取焼鈍条件については、特に限定するものではなく、通常の条件で行えばよい。圧粉成形時の好ましい圧力条件は、面圧で４９０ＭＰａ以上１９６０ＭＰａ以下の程度である。また、歪取焼鈍条件については、その雰囲気は窒素等の不活性雰囲気であるが、焼鈍温度は４５０℃以上６００℃以下の程度となる。
　以下、実施例に基づいて、本発明の作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前記および後記の趣旨に徴して設計変更することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
（実施例１）
　不可避不純物として、質量％で、Ｃ：０．００１％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．１９％、Ｐ：０．０１３％、Ｓ：０．００７％を含み、残部が鉄からなる水アトマイズ鉄粉末を準備した。この組成の鉄粉は、市販で入手できる組成である。この鉄粉を、日本粉末冶金工業会で規定される「金属粉のふるい分析試験方法」（ＪＰＭＡ－Ｐ０２－１９９２）に準拠して目開き１０６μｍの篩を用いて篩い分けし、篩上に残った粉末を回収し、これを水素ガス雰囲気中で、１１７０℃で１時間焼鈍した。
　上記焼鈍後に解砕した粉末を、目開き１０６μｍの篩を通した。篩上に残った粉末は９５質量％以上であった。また、この篩上の粉末を構成する粒子（原料鉄基粒子）の平均粒径Ｄ５０は２２４μｍであった。
　解砕した粉末の粒子の表面に、リン酸系化成被膜を形成した後、シリコーン樹脂被膜を形成して絶縁処理した。このときのリン酸系化成被膜は、水：５０質量部、ＫＨ２ＰＯ４：３５質量部、Ｈ３ＰＯ４：１０質量部、（ＮＨ２ＯＨ）２・Ｈ２ＰＯ４：１０質量部を混合したベース薬剤１００ｍＬ（これを、以下「処理液Ａ」と呼ぶ）を原液とし、これを蒸留水で１０倍、１５倍、２０倍、２５倍、３０倍、４０倍それぞれに希釈した処理液の５０質量部を、上記粉末１０００質量部に添加して混合した後、大気中で２００℃、３０分間乾燥し、目開き６００μｍの篩を通した。
　このとき、リン酸系化成被膜が形成された鉄基粒子のリン含有量と、原料鉄基粒子（鉄基芯体）のリン含有量の差ΔＰは、０．００９質量％以上０．０４０質量％以下であった。
　リン酸系化成被膜の上に形成されるシリコーン樹脂被膜は、東レ・ダウコーニング製の「ＳＲ２４００」（商品名）をトルエンに溶解させたうえで、リン酸系化成被膜を形成した鉄基粉末に対して、樹脂固形分が０．０３質量％、０．０５質量％、０．０７質量％、０．１０質量％、０．１５質量％となるように添加混合し、加熱乾燥（７５℃、３０分間）して形成した。形成したシリコーン樹脂被膜の膜厚は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内にあった。各粉末の被膜条件を、下記表１の試験Ｎｏ．１から１４に示す。
　ここで、特許文献１の実施例１（特許文献１中の表１のＮｏ．１２から１６）に従って作製した粉末（表１の試験Ｎｏ．１５から１９）を参考例として示した。
　次に、絶縁被膜処理後の粉末を、成形体に圧粉成形した。このときの圧粉成形は、以下のように行った。ステアリン酸亜鉛をアルコールに分散させたものを金型表面に塗布した後、上記絶縁処理をして１３０℃に温めた粉末をこの金型に入れ、面圧を１１７６ＭＰａで、外径：４５ｍｍ、内径：３３ｍｍ、厚み：約５ｍｍのリング状に圧粉成形した。圧粉成形した成形体の密度は、７．６７ｇ／ｃｍ３以上７．７２ｇ／ｃｍ３以下であった。
　圧粉成形後、この成形体に対して、窒素雰囲気下、４７５℃以上５５０℃以下の温度で３０分間の歪取焼鈍を行った。このときの昇温速度は１０℃／分とし、歪取焼鈍後は炉冷した。
　得られた成形体の比透磁率を、メトロン技研製の自動磁化測定装置を用いて最大励磁場を１０ｋＡ／ｍとして測定した。このとき、１次巻き線を４００ターン、２次巻き線を２５ターンとした。また、同装置を用いて励磁磁束密度１．０Ｔ、周波数４００Ｈｚとして鉄損を測定した。なお、渦電流損およびヒステリシス損は、測定した鉄損を元に計算により分離した。測定結果を下記表１に併せて示す。なお、特性の合格基準は、比透磁率：７５０以上、渦電流損：８．０Ｗ／ｋｇ以下である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この結果から、次のように考察できる。まず試験Ｎｏ．１から３は、差ΔＰが大きくなっているために、絶縁被膜が厚くなっており、比透磁率は従来並みしか得られていない。また、試験Ｎｏ．１３、１４は、差ΔＰが小さくなっているために、絶縁被膜が薄くなっており、絶縁性が保たれず、また渦電流損が高くなっている。渦電流損が８．０Ｗ／ｋｇよりも高くなると、被膜が歪取焼鈍により劣化し、こうした点からも絶縁性が担保できなくなる。なお、試験Ｎｏ．１３、１４では、比透磁率については測定していない。
　試験Ｎｏ．１５から１９では、原料鉄基粒子（鉄基芯体）の平均粒径Ｄ５０が特許文献１に記載の範囲であっても、差ΔＰが大きくなっており、比透磁率が小さくなっている。
　これに対し、試験Ｎｏ．４から１２（発明例）では、歪取焼鈍後も絶縁性が確保できる膜厚であり、且つ被膜自体も薄くなっているため、鉄損を従来並みに維持しつつ、比透磁率を大きくできることが分かる。
（実施例２）
　神戸製鋼所のアトマイズ粉末「アトメル３００Ｍ」および「アトメル３００ＮＨ」を用い、日本粉末冶金工業会で規定される「金属粉のふるい分析試験方法」（ＪＰＭＡ　Ｐ０２－１９９２）に準拠して鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０を調整した。
　このときアトメル３００Ｍについては、目開き４２５μｍおよび１０６μｍの篩を用いて篩い分けし、篩上に残った粉末を回収し、これを水素ガス雰囲気中で、１１７０℃で１時間焼鈍した。焼鈍後、解砕したものを、目開き４２５μｍおよび１０６μｍの篩を通した。
　一方、アトメル３００ＮＨについては、目開き１０６μｍの篩を用いて篩分けし、篩を通過した粉末を回収し、これを水素ガス雰囲気中で、１０７０℃で１時間焼鈍した。焼鈍後、解砕したものを目開き１０６μｍの篩を通した。
　解砕後の各粉末を、平均粒径Ｄ５０が、表２に記載の通り、８２μｍ、１６２μｍ、２１４μｍ、２３６μｍ、２６２μｍとなるように混合した。
　混合した鉄基粉末の粒子の表面に、リン酸系化成被膜を形成した後、シリコーン樹脂被膜を形成して絶縁処理した。リン酸系化成被膜は、前述の処理液Ａを原液とし、これを２０倍に希釈した処理液２０質量部を、平均粒径Ｄ５０を調整した各鉄基芯体の粉末１０００質量部に添加して混合した後、大気中で２００℃、３０分間乾燥し、目開き６００μｍの篩を通した。このとき、前記差ΔＰは、０．０１８質量％以上０．０２０質量％以下の範囲であった（表２参照）。
　シリコーン樹脂被膜は、東レ・ダウコーニング製の「ＳＲ２４００」（商品名）をトルエンに溶解させて、鉄基粉末に対して樹脂固形分が０．０７％質量となるように添加混合し、加熱乾燥（７５℃、３０分間）した。
　絶縁処理後の膜厚は、リン酸系化成被膜の膜厚が３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、シリコーン樹脂被膜の膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲であった。
　次に、絶縁処理後の粉末を成形体に圧粉成形した。圧粉成形は以下のようになされた。ステアリン酸亜鉛をアルコールに分散させたものを金型表面に塗布した後、上記絶縁処理して１３０℃に温めた粉末を入れ、面圧を１１７６ＭＰａで、外径：４５ｍｍ、内径：３３ｍｍ、厚み：約５ｍｍのリング状に加圧成型した。成形体の密度は７．６９ｇ／ｃｍ３以上７．７３ｇ／ｃｍ３以下の範囲であった。
　圧粉成形後、この成形体に対して、窒素雰囲気下で、４００℃以上５２５℃以下の範囲で３０分間の歪取焼鈍を行った。昇温速度は１０℃／分とし、歪取焼鈍後は炉冷した。
　得られた成形体の比透磁率を、メトロン技研製の自動磁化測定装置を用いて最大励磁場を１０ｋＡ／ｍとして測定した。このとき、１次巻き線を４００ターン、２次巻き線を２５ターンとした。また、同装置を用いて励磁磁束密度１．０Ｔ、周波数４００Ｈｚとして鉄損を測定した。測定結果を表２に併せて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　この結果から、本発明の圧粉磁心の製造に使用する鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０を、１５０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内に設定することによって、比透磁率を７５０以上に大きくできることが分かる。

 

Claims (2)

  1. 　多数の鉄基粒子を含んだ圧粉磁心用鉄基粉末であって、
    　前記鉄基粒子が、
    　鉄基芯体と、
    　この鉄基芯体の表面を覆う絶縁被膜と
    を有しており、
    　前記鉄基芯体の平均粒径Ｄ５０が１５０μｍ以上２５０μｍ以下であり、
    　前記絶縁被膜が、リン酸系化成被膜からなる下層と、この下層に積層されたシリコーン樹脂被膜からなる上層との、少なくとも二層構造であり、
    　前記リン酸系化成被膜を有する鉄基粒子のリン含有量が、リン酸系化成被膜で被覆される前の鉄基粒子のリン含有量よりも０．０１２質量％以上０．０３０質量％以下高い、
    圧粉磁心用鉄基粉末。
  2. 　前記シリコーン樹脂被膜の膜厚が５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１に記載の圧粉磁心用鉄基粉末。
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JP4630251B2 (ja) * 2006-09-11 2011-02-09 株式会社神戸製鋼所 圧粉磁心および圧粉磁心用の鉄基粉末

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