JP2015088529A - 圧粉磁心、磁心用粉末およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比抵抗および強度に優れる圧粉磁心を提供する。
【解決手段】本発明は、圧粉磁心の製造に用いられる磁心用粉末の製造方法であって、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金の軟磁性粒子からなり、この軟磁性粒子の表面近傍に酸化鉄を有する酸化粒子を、非酸化雰囲気で加熱することにより酸化アルミニウムからなる絶縁層により少なくとも一部表面が被覆された絶縁被覆粒子を得る非酸化処理工程を備える。こうして得られた絶縁被覆粒子からなる磁心用粉末を用いると、高比抵抗で高強度な圧粉磁心を得ることができる。なお、酸化粒子は、軟磁性粒子を酸化雰囲気中で加熱する酸化処理工程により得られる。また、その酸化粒子からなる成形体を非酸化雰囲気で加熱する成形体加熱工程を行っても、高比抵抗で高強度な圧粉磁心を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、体積比抵抗値（以下単に「比抵抗」という。）および強度に優れる圧粉磁心、その製造に用いられる磁心用粉末およびそれらの製造方法に関する。

変圧器（トランス）、電動機（モータ）、発電機、スピーカ、誘導加熱器、各種アクチュエータ等、我々の周囲には電磁気を利用した製品が多々ある。これらの製品は交番磁界を利用したものが多く、局所的に大きな交番磁界を効率的に得るために、通常、磁心（軟磁石）をその交番磁界中に設けている。

磁心は、交番磁界中において高磁気特性を発揮するのみならず、交番磁界中で使用する際に高周波損失（以下、磁心の材質に拘らず単に「鉄損」という。）が少ないことが求められる。鉄損には、渦電流損失、ヒステリシス損失および残留損失があるが、特に交番磁界の周波数と共に高くなる渦電流損失の低減が強く求められている。

そこで絶縁被覆された軟磁性粒子（絶縁被覆粒子）を加圧成形した圧粉磁心の開発、研究が盛んに行われてきた。このような圧粉磁心は、形状自由度が高く、種々の電磁機器に適用し易いと共に、絶縁層の存在により高比抵抗で低鉄損を図り得る。このような圧粉磁心に関する記載は、例えば下記の特許文献にある。

特開平４−１９９８０３号公報

特許文献１では、粒子表面に酸化アルミニウム皮膜を形成したセンダスト合金（Ｆｅ−１０ｗｔ％Ｓｉ−６ｗｔ％Ａｌ）からなる球状粉末と金属酸化物（Ｂ_２Ｏ_３等）の粉末とを混合した粉末をホットプレス（加圧しつつ焼結）することにより、その金属酸化物が無添加な試料よりも高比抵抗な高密度複合体（複合軟磁性材）を得ている（特許文献１の実施例１欄）。

この特許文献１では、球状粉末の粒子表面に形成された酸化アルミニウム皮膜に関して詳細な記載は全くなされていない。ただ、基粒子中のＡｌ量が相対的に多く、上述した金属酸化物の添加量が、その粒子表面に形成されるＡｌ_２Ｏ_３皮膜に対する比率として規定されていることから考えて（同文献の表１の注釈）、その酸化アルミニウム皮膜は一般的なアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなると考えられる。

特許文献１のように、絶縁被覆された粒子からなる粉末をホットプレスすると、粒子表面の絶縁被膜が破損し易く、必ずしも比抵抗や強度に優れた圧粉磁心が得られるとは限らない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、比抵抗および強度に優れる圧粉磁心またはそれを得ることができる新たな製造方法を提供することを目的とする。また、その圧粉磁心の製造に適した磁心用粉末およびその製造方法を提供することも目的とする

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金からなり、表面に酸化鉄を有する軟磁性粒子（酸化粒子）を非酸化雰囲気で加熱処理すると、その粒子表面に酸化アルミニウムからなる絶縁層が形成されることを新たに見出した。そして、この絶縁層の形成により、圧粉磁心の比抵抗および強度が向上することを確認した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《磁心用粉末の製造方法》
（１）本発明の磁心用粉末の製造方法は、圧粉磁心の製造に用いられる磁心用粉末の製造方法であって、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金の軟磁性粒子からなり該軟磁性粒子の表面近傍に酸化鉄を有する酸化粒子を、非酸化雰囲気で加熱することにより酸化アルミニウムからなる絶縁層により少なくとも一部表面が被覆された絶縁被覆粒子を得る非酸化処理工程を備え、前記磁心用粉末は該絶縁被覆粒子からなることを特徴とする。

（２）本発明の製造方法によれば、Ａｌ含有量が少ない軟磁性粒子であっても、その粒子表面に酸化アルミニウムからなる絶縁層が安定的に形成された絶縁被覆粒子を得ることができる。この絶縁被覆粒子からなる磁心用粉末を用いると、酸化アルミニウムからなる絶縁層が隣接する軟磁性粒子間（適宜、「隣接粒子間」または単に「粒界」という。）に介在した圧粉磁心を容易に得ることができる。こうして得られた圧粉磁心は、優れた高比抵抗または高強度を発揮し得る。さらに、本発明に係る絶縁層は、非酸化雰囲気で高温加熱して安定しており、シリコン樹脂等とは異なる優れた耐熱性も発揮する。このため本発明に係る圧粉磁心は、高温焼鈍等されることにより、保磁力またはヒステリシス損失の低減も容易になされる。

（３）ちなみに、詳細は必ずしも定かではないが、本発明に係る非酸化処理工程により、酸化粒子の表面に存在していた酸化鉄が酸化アルミニウムに変化することがわかっている。さらに、このような変化は、基粒子である軟磁性粒子がＳｉを含有する鉄合金（適宜、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金という。）からなる場合に生じ、その軟磁性粒子がＳｉを含有していない鉄合金（適宜、Ｆｅ−Ａｌ系合金という。）からなる場合には生じないこともわかっている。

《圧粉磁心の製造方法》
本発明は、磁心用粉末の製造方法としてのみならず、その磁心用粉末を用いた圧粉磁心の製造方法としても把握できる。また本発明は、上述した酸化アルミニウムからなる絶縁層の形成過程に基づき、次のような圧粉磁心の製造方法としても把握できる。

（１）すなわち本発明は、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金の軟磁性粒子からなり該軟磁性粒子の表面近傍に酸化鉄を有する酸化粒子の粉末である酸化粉末を加圧成形した成形体を得る成形工程と、該成形体を非酸化雰囲気で加熱することにより、該軟磁性粒子の隣接間の少なくとも一部に酸化アルミニウムからなる絶縁層が形成された圧粉磁心を得る成形体加熱工程と、を備えることを特徴とする圧粉磁心の製造方法でもよい。

（２）本発明の製造方法により得られる圧粉磁心は、高比抵抗のみならず高強度であり、両者が高次元で両立した優れた特性を発揮する。このように優れた圧粉磁心が得られる理由は必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。本発明の製造方法の場合、成形体加熱工程により、成形体を構成する酸化粒子の粒界等に存在していた酸化鉄が酸化アルミニウムに変化し、その酸化アルミニウムにより隣接粒子間に絶縁層が形成される。この絶縁層は、上述した磁心用粉末のように、孤立した（分離独立した）軟磁性粒子の各表面に形成されているのではなく、隣接する成形体の構成粒子間に介在した状態となっている。このため本発明に係る絶縁層は、圧粉磁心の構成粒子間の絶縁性を確保するのみならず、酸化アルミニウムの生成を介して構成粒子同士を強く結合し得る。換言するなら、成形体加熱工程により、隣接する軟磁性粒子同士は、酸化アルミニウムからなる絶縁層の生成によって、単なる物理的な密接状態から化学的な結合状態へ変化し、強固に結合され得る。このようにして、上述した高比抵抗で高強度な圧粉磁心が得られるようになったと考えられる。

（３）本発明の圧粉磁心の製造方法は、上述した成形工程や成形体加熱工程以外に、適宜、成形工程前に粉末を金型に充填する充填工程、成形工程後または成形体加熱工程後の成形体を加熱して軟磁性粒子内に導入された残留歪み等を除去する焼鈍工程等を適宜備えてもよい。但し、本発明に係る成形体加熱工程は、その焼鈍工程を兼ね得る。従って本発明の製造方法によれば、磁気特性（保磁力またはヒステリシス損失）にも優れる圧粉磁心も効率的に得ることが可能となる。

《磁心用粉末および圧粉磁心》
本発明は、上述したような製造方法に留まらず、それらの製造方法により得られる磁心用粉末または圧粉磁心としても把握される。

（１）例えば、本発明は、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金からなる軟磁性粒子と該軟磁性粒子の少なくとも一部表面を被覆する絶縁層とを有する絶縁被覆粒子からなり、圧粉磁心の製造に用いられる磁心用粉末であって、前記絶縁層が上述した酸化アルミニウムからなることを特徴とする磁心用粉末としても把握できる。

（２）また、本発明は、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金からなる軟磁性粒子と、該軟磁性粒子の隣接間に介在する絶縁層と、からなる圧粉磁心であって、前記絶縁層は、上述した酸化アルミニウムからなることを特徴とする圧粉磁心としても把握できる。この圧粉磁心は、上述した磁心用粉末を加圧成形したものでもよいし、酸化粉末を加圧成形した成形体に上述した成形体加熱工程を施したものでもよい。

《その他》
（１）本発明でいう酸化鉄および酸化アルミニウムは、その具体的な組成を問わず、また、単種からなる酸化物でも複数種の酸化物が混在したものでもよい。例えば、本発明に係る酸化鉄には、ＦｅＯで表される酸化鉄（II）、Ｆｅ_３Ｏ_４で表される酸化鉄（II、III）、Ｆｅ_２Ｏ_３（α型、β型等を含む）で表される酸化鉄（III）などの他、ＦｅＯＯＨ（α型、β型等を含む）などのオキシ水酸化物、Ｆｅ（ＯＨ）_２、Ｆｅ（ＯＨ）_３などの水酸化鉄も含まれる。本発明に係る酸化鉄は、それらの一種以上であればよいが、通常はＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４またはＦｅ_２Ｏ_３のいずれか一種以上である。

また本発明に係る酸化アルミニウムには、Ａｌ_２Ｏ_３で表される酸化アルミニウム（III）の他、Ａｌ_２Ｏで表される酸化アルミニウム（I）、ＡｌＯで表される酸化アルミニウム（II）も含まれる。また酸化アルミニウム（III）は、結晶構造の異なるスピネル型酸化アルミニウム（γ−Ａｌ_２Ｏ_３）またはコランダム型酸化アルミニウム（α−Ａｌ_２Ｏ_３）のいずれでもよい。本発明に係る酸化アルミニウムは、それらの一種以上であればよい。なお、本発明に係る絶縁層は、酸化アルミニウムを含めば足り、軟磁性粒子を構成する鉄合金組成に応じて、それ以外の酸化物（酸化ケイ素、残存する酸化鉄等）が混在していてもよい。また、本発明に係る酸化アルミニウムは、完全な結晶構造からなる場合の他、結晶構造の一部に酸素欠損が生じた不完全な結晶構造からなる場合でも、さらには、それらが混在している場合でもよい。本発明に係る酸化アルミニウムは、絶縁性が確保される限り、その具体的な結晶構造を問わない。

（２）本発明でいう「絶縁層」は、軟磁性粒子自体よりも抵抗値が大きければよく、その具体的な抵抗値は問わない。絶縁層は、軟磁性粒子の全外表面を均一的または均質的に被覆している必要はない。絶縁層は、軟磁性粒子の表面の少なくとも一部、または圧粉磁心の隣接粒子間の少なくとも一部に存在すればよい。

（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。また本明細書に記載した種々の数値や数値範囲内に含まれる数値を任意に組み合わせて「ａ〜ｂ」のような新たな数値範囲を構成し得る。

Ｓｉ含有軟磁性粒子の表面近傍における組成分布の一例を示すＡＥＳ図である。 それを酸化処理した粒子（酸化粒子）の表面近傍に係るＡＥＳ図である。 その酸化粒子をＮ_２中で非酸化処理した粒子の表面近傍に係るＡＥＳ図である。 その酸化粒子をＡｒ中で非酸化処理した粒子の表面近傍に係るＡＥＳ図である。 その酸化粒子を真空中で非酸化処理した粒子の表面近傍に係るＡＥＳ図である。 Ｓｉ非含有軟磁性粒子の表面近傍における組成分布の一例を示すＡＥＳ図である。 それを酸化処理した粒子（酸化粒子）の表面近傍に係るＡＥＳ図である。 その酸化粒子をＮ_２中で非酸化処理した粒子の表面近傍に係るＡＥＳ図である。 各試料（圧粉磁心）の比抵抗と曲げ強度の関係を示す分散図である。 酸化雰囲気中にある軟磁性粒子の表面近傍を示す模式図である。 その軟磁性粒子の表面に酸化物が生成された酸化粒子の表面近傍を示す模式図である。 その酸化粒子を非酸化処理することにより、その粒子の表面近傍に酸化アルミニウムを含む絶縁層が生成される様子を示す模式図である。

発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。上述した本発明の構成に本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明に係る磁心用粉末、圧粉磁心およびそれらの製造方法にも適用され得る。製造方法に関する構成は、プロダクトバイプロセスとして理解すれば物に関する構成ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《軟磁性粒子（軟磁性粉末）》
本発明に係る軟磁性粒子は、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金からなる。その主成分であるＦｅの一部は、強磁性元素であるＣｏ、Ｎｉ等と置換し得る。Ａｌは、軟磁性粒子の表面近傍に酸化アルミニウムを形成するために必要である。同様にＳｉも、その酸化アルミニウムの形成に必要である。さらにＳｉは、軟磁性粒子の電気抵抗率の向上、圧粉磁心の比抵抗の向上（渦電流損失の低減）または強度向上等にも寄与し得る。

本発明に係る鉄合金は、その組成を問わない。もっとも、圧粉磁心の磁気特性、磁心用粉末の成形性、酸化アルミニウムを含む絶縁層の形成性等を考慮して、本発明に係る鉄合金は全体を１００質量％（単に「％」で表す。）としたときに、Ａｌが０．５〜５％、１〜４．５％さらには１．５〜４％であり、Ｓｉが０．５〜９％、１〜７％さらには１．５〜６．５％であり、主たる残部がＦｅからなると好ましい。

ＡｌおよびＳｉは、過少なら酸化アルミニウムからなる絶縁層の形成が困難となり、過多なら圧粉磁心の磁気特性や成形性の低下、コストの増大等となり好ましくない。特にＡｌが過多になると、酸化アルミニウムが当初から軟磁性粒子の表面に生成され易くなる。その結果、非酸化処理工程または成形体加熱工程における酸化鉄から酸化アルミニウムへ変化が難くなり、酸化アルミニウムからなる均一な絶縁層の形成が阻害される。

なお、この鉄合金には、Ｆｅ以外の残部として、不可避不純物が当然含まれ得る、また鉄合金は、圧粉磁心の磁気特性や比抵抗、磁心用粉末の成形性、酸化アルミニウムの生成性等を改善し得る改質元素を一種以上含有し得る。このような改質元素として、例えばＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ等が考えられる。通常、改質元素量は微量であり、その合計量は３％以下さらには１％以下であると好ましい。

軟磁性粉末は、その製法を問わず、アトマイズ粉でも粉砕粉でもよい。アトマイズ粉は、水アトマイズ粉、ガスアトマイズ粉、ガス水アトマイズ粉のいずれでもよい。擬球状をした粒子からなるアトマイズ粉を用いると、粒子相互間の攻撃性が低くなり、絶縁層の破壊等による比抵抗値の低下等を抑制し得る。

軟磁性粒子の粒径は問わないが、通常、１０〜３００μｍさらには５０〜２５０μｍであると好ましい。粒径が過大になると圧粉磁心の渦電流損失が増加し、粒径が過小になると圧粉磁心のヒステリシス損失が増加等して好ましくない。なお、本明細書でいう粉末の粒径は、所定のメッシュサイズの篩いを用いて分級する篩い分法で定まる粒度により規定することとする。

《磁心用粉末の製造方法》
（１）非酸化処理工程
非酸化処理工程は、表面近傍に酸化鉄を有する軟磁性粒子である酸化粒子またはその酸化粒子の集合体である酸化粉末を、非酸化雰囲気中で加熱することにより、粒子表面に酸化アルミニウムを含む絶縁層（膜）を生成する工程である。非酸化雰囲気は、酸素が実質的に存在しない雰囲気であれば、不活性ガス雰囲気でも真空雰囲気でもよい。不活性ガスはＮ_２、Ｈｅ、Ａｒ等のいずれでもよい。

非酸化雰囲気を不活性ガス雰囲気とする場合、不活性ガスの気流中に酸化粒子（酸化粉末）をおくことにより、粒子表面近傍を安定的に非酸化雰囲気とすることができる。この際、非酸化雰囲気の露点は−４０℃以下さらには−５０℃以下であると好ましい。軟磁性粉末の加熱温度は、６５０〜１０００℃さらには７００〜９５０℃とするとよい。加熱時間は０．３〜２時間さらには０．５〜１．５時間とすると効率的である。

ところで、本発明に係る非酸化処理工程（特に断らない限り、成形体加熱工程についても同様）により酸化アルミニウムを含む絶縁層が形成される理由は必ずしも定かではないが、次のように考えられる。先ず、相応に酸素（Ｏ_２）が存在する酸化雰囲気中におかれた軟磁性粒子の表面には、Ｏ_２が付着または吸着し（図４Ａ参照）、自然にまたは加熱されることにより、その粒子表面には軟磁性粒子の主成分であるＦｅと反応した酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＦｅＯ等）が多く生成され得る（図４Ｂ参照）。この際、酸化鉄以外にＡｌやＳｉの酸化物も軟磁性粒子の表面近傍に一部生成されてもよい。

次に、このような酸化鉄を表面に有する軟磁性粒子が、実質的にＯ_２が存在しない非酸化雰囲気中におかれて、Ｏ欠乏状態で加熱されると、Ｆｅよりも酸化物生成エネルギーが低いＡｌが、軟磁性粒子の表面近傍に存在していた酸化鉄からＯを奪い、酸化鉄よりも安定な酸化アルミニウムを生成し得る（図４Ｃ）。但し、軟磁性粒子中にＳｉが含まれない場合、酸化鉄から酸化アルミニウムが生成されないことから、軟磁性粒子中のＳｉが触媒のように作用して上記の反応が進行すると考えられる。

いずれにしても、本発明に係る非酸化処理工程により、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金からなる軟磁性粒子の表面に存在する酸化鉄が、酸化アルミニウムに変化して、高比抵抗および高耐熱性の絶縁層が形成されることは確かである。

（２）酸化処理工程
非酸化処理工程の前提として、軟磁性粒子の表面に酸化鉄を有する酸化粒子の存在が必要となる。このような酸化粒子（酸化粉末）は、その生成過程または生成方法をとわないが、例えば、軟磁性粒子を酸化雰囲気中で加熱する酸化処理工程により得られると好ましい。これにより軟磁性粒子の表面に酸化アルミニウムに変化する十分な酸化鉄が安定的に生成される。

酸化雰囲気は、適度な酸素（特にＯ_２）を含む環境であれば、混合ガス雰囲気でも真空雰囲気でもよい。例えば、Ｏ_２と不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ等）の混合ガス（気流）を用いる場合なら、Ｏ_２量は０．１〜３０体積％さらには０．５〜２５体積％とするとよい。

さらに酸化処理工程は大気中で行うことも可能であるが、そのときの酸化雰囲気の露点は−４０℃以下さらには−５０℃以下とすると好ましい。軟磁性粉末の加熱温度は、酸化雰囲気中のガス組成（特に酸素濃度）にも依るが、８００〜１１００℃さらには８５０〜１０５０℃とするとよい。加熱時間は、酸化雰囲気中の酸素濃度や加熱温度にも依るが、０．５〜１０時間さらには１〜３時間とすると効率的である。

《圧粉磁心の製造》
本発明の圧粉磁心は、所望形状のキャビティを有する金型へ粉末（軟磁性粉末、酸化粉末または磁心用粉末）を充填する充填工程と、その粉末を加圧成形して成形体とする成形工程と、その成形体を焼鈍する焼鈍工程または本発明に係る成形体加熱工程を適宜行うことにより得られる。ここでは成形工程と、焼鈍工程または成形体加熱工程について説明する。

（１）成形工程
成形工程の成形圧力は問わないが、高圧成形するほど高密度で高磁束密度の圧粉磁心が得られる。このような高圧成形方法として、金型潤滑温間高圧成形法がある。金型潤滑温間高圧成形法は、高級脂肪酸系潤滑剤を内面に塗布した金型へ粉末を充填する充填工程と、粉末と金型の内面との間に、高級脂肪酸系潤滑剤とは別の金属石鹸被膜が生成される成形温度と成形圧力で加圧成形する温間高圧成形工程とからなる。

ここで「温間」とは、表面被膜（または絶縁層）への影響や高級脂肪酸系潤滑剤の変質などを考慮して、例えば、成形温度を７０℃〜２００℃さらには１００〜１８０℃とすることをいう。この金型潤滑温間高圧成形法の詳細については、日本特許公報特許３３０９９７０号公報、日本特許４０２４７０５号公報など多くの公報に詳細が記載されている。この金型潤滑温間高圧成形法によれば、金型寿命を延しつつも超高圧成形が可能となり、高密度な圧粉磁心を容易に得ることが可能となる。

（２）焼鈍工程
酸化アルミニウムからなる絶縁層が既に形成されている絶縁被覆粒子からなる本発明の磁心用粉末を用いた圧粉磁心の場合、その成形体中の残留歪みや残留応力の除去を目的として、焼鈍工程を行うと好ましい。これにより圧粉磁心の保磁力やヒステリシス損失の低減が図られる。焼鈍温度は、軟磁性粉末の組成等に応じて適宜選択し得るが、例えば、５００〜９００℃さらには６００〜８００℃とすると好ましい。加熱時間は、例えば０．１〜５時間さらには０．５〜２時間として、加熱雰囲気は不活性雰囲気とすると好ましい。なお、本発明に係る絶縁層は耐熱性に優れるため、高温焼鈍が可能であり、圧粉磁心の比抵抗や強度を劣化させることなく、その磁気特性の向上やヒステリシス損失の低減等が図られる。

（３）上述した非酸化処理工程前の酸化粉末を用いた圧粉磁心の場合、成形体に対して成形体加熱工程を行うことにより、隣接粒子間に酸化アルミニウムを含む絶縁層が形成された圧粉磁心が得られる。この成形体加熱工程は、基本的に上述した非酸化処理工程と同様な条件で行うことができる。なお、圧粉磁心の密度（気孔率）にも依るが、圧粉磁心の内部は通常、微細な気孔が存在するとしても密閉された状態となっている。このため表面に酸化物が形成された軟磁性粒子は、ほぼ非酸化処理工程と同様な条件下におかれることになり、軟磁性粒子の表面には酸化アルミニウムを含む絶縁層が形成されると考えられる。

ところで、適切な加熱温度の成形体加熱工程は焼鈍工程を兼ねるため、上述した焼鈍工程を省略できる。従って本発明に係る成形体加熱工程は、成形体を７００〜９５０℃に加熱する焼鈍工程であると好適である。また、前述したように、この成形体加熱工程も窒素を含む不活性ガス中で行うとより好ましい。

《圧粉磁心》
（１）本発明の圧粉磁心は、その詳細な特性を問わないが、例えば、軟磁性粒子の真密度（ρ_０）に対する圧粉磁心の嵩密度（ρ）の比である密度比（ρ／ρ_０）が９０％以上、９５％以上さらには９７％以上であると、高磁気特性が得られて好ましい。

圧粉磁心の比抵抗は、形状に依存しない圧粉磁心ごとの固有値であり、例えば、１０μΩ・ｍ以上、５０μΩ・ｍ以上さらには１０^２μΩ・ｍ以上であると好ましい。また圧粉磁心の強度は、高いほどその用途が拡大して好ましい。例えば、圧粉磁心の曲げ強度は４０ＭＰａ以上、５０ＭＰａ以上さらには６０ＭＰａ以上であると好ましい。

本発明の圧粉磁心は、軟磁性粒子の表面に酸化アルミニウムを含む絶縁層が形成されているため、軟磁性粒子を絶縁被覆するためのシリコン樹脂や低融点ガラス等の絶縁材を用いるまでもなく、高比抵抗、高強度を発揮し得る。また本発明の圧粉磁心は、そのような絶縁材を使用する必要がないため高密度化による磁気特性の向上を図り易い。但し本発明は、そのような絶縁材やバインダー等を用いた圧粉磁心を排除するものではない。

（２）用途
本発明の圧粉磁心は、その形態を問わず、各種の電磁機器、例えば、モータ、アクチュエータ、トランス、誘導加熱器（ＩＨ）、スピーカ、リアクトル等に利用され得る。具体的には、電動機または発電機の界磁または電機子を構成する鉄心に用いられると好ましい。中でも、低損失で高出力（高磁束密度）が要求される駆動用モータ用の鉄心に本発明の圧粉磁心は好適である。ちなみに駆動用モータは自動車等に用いられる。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《磁心用粉末》
［製造］
（１）軟磁性粉末
Ｓｉ含有鉄合金（Ｆｅ−６％Ａｌ−２％Ｓｉ／合金組成は特に断らない限り質量％とする。）からなるガス水アトマイズ粉と、Ｓｉ非含有鉄合金（Ｆｅ−６％Ａｌ）からなるガス水アトマイズ粉とをそれぞれ用意した。これらの粉末を所定のメッシュサイズの篩いにより分級し、粒度が１０６〜２１２μｍとなる２種の軟磁性粉末（原料粉末）を得た。なお、本明細書でいう粉末粒度「ｘ−ｙ」は、篩目開きがｘ（μｍ）の篩いを通過せず、篩目開きがｙ（μｍ）の篩いを通過する大きさの軟磁性粒子により原料粉末が構成されていることを意味する。同様に、粉末粒度「−ｙ」は、篩目開きがｙ（μｍ）の篩いを通過する大きさの軟磁性粒子により原料粉末が構成されていることを意味する。

（２）酸化処理工程（第１粉末加熱工程）
各原料粉末を回転炉に入れて９００℃×２時間加熱した。この加熱処理は、大気（露点：−６０℃）を０．５Ｌ／ｍｉｎの割合で回転炉へ流入させる酸化雰囲気中で行った。こうして原料粉末を酸化処理した２種の酸化粉末を得た。

（３）非酸化処理工程（第２粉末加熱工程）
同じ回転炉を用いて、各酸化粉末をさらに９００℃×１時間加熱した。この加熱処理は、窒素ガス（露点：−６０℃）を０．５Ｌ／ｍｉｎの割合で回転炉へ流入させる非酸化雰囲気中で行った。こうして酸化粉末に非酸化処理を施した２種類の磁心用粉末を得た。

また、Ｓｉ含有鉄合金からなる酸化粉末については、その窒素ガス雰囲気をアルゴンガス雰囲気と真空雰囲気にそれぞれ替えて、同様な非酸化処理を行った。なお、適宜、原料粉末がＳｉ含有鉄合金からなる一連の粉末をＳｉ含有粉末、原料粉末がＳｉ非含有鉄合金からなる一連の粉末をＳｉ非含有粉末という。

［分析］
上述したそれぞれの原料粉末（処理前）、酸化粉末（酸化処理後）および磁心用粉末（非酸化処理後）のそれぞれから任意に抽出した粉末粒子について、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）を行い、各粒子の表面近傍（最表面から２０００ｎｍの深さまでの範囲）の成分組成を調べた。それらの結果を図１Ａ〜図１Ｅ（Ｓｉ含有粉末）と図２Ａ〜図２Ｃ（Ｓｉ非含有粉末）に示した。

また、Ｓｉ含有粉末については、ＡＥＳから得られた結果に基づいて、各粉末粒子の表面近傍（最表面から１０００ｎｍの深さまでの範囲）に存在する元素の濃度（原子％）を積分平均により算出した。その結果を表１に示した。

［評価］
（１）酸化処理の影響
Ｓｉ含有粉末の場合、図１Ａ、図１Ｂおよび表１に示す結果からわかるように、原料粉末に酸化処理を行うことにより、その粒子表面の近傍で、Ａｌ量が増加する一方、Ｆｅ量およびＳｉ量は減少している。これは、粉末粒子の表面でＡｌの一部が酸化されて濃化した結果、ＦｅおよびＳｉがその分希釈されたためと考えられる。但し、この段階では、いずれの元素量もさほど大きく変動はしていないことから、酸化粉末の粒子表面近傍は、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等の複数種の酸化物が混在した状態になっていると考えられる。

Ｓｉ非含有粉末の場合、図２Ａと図２Ｂの比較からわかるように、酸化処理により、粒子表面の近傍でＯ量が増加し、Ｆｅ量はそのＯ量に対して略一定割合となると共に、Ａｌ量は減少している。このことから、Ｓｉ非含有粉末は酸化処理によって粒子表面が酸化鉄からなる酸化物層で被覆された状態になったと考えられる。

（２）非酸化処理の影響
Ｓｉ含有粉末の場合、図１Ｃ〜図１Ｅおよび表１からわかるように、酸化粉末に非酸化処理を行うことにより、粒子表面近傍において、Ｏ量はあまり変動していないが、Ｆｅ量が急減し、逆にＡｌ量が急増している。しかも、Ｏ量とＡｌ量は表面から奥深くまでほぼ同組成となっている。これらのことから、非酸化処理によって、粒子表面近傍に存在していた酸化物（Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等）の大部分が、酸化アルミニウムに収束されたと考えられる。つまり、非酸化処理により、粒子表面に存在していた酸化鉄中のＯが、Ｆｅから離れてＡｌと新たに結合し、酸化アルミニウムを生成するに至ったと考えられる。従って、非酸化処理されたＳｉ含有粉末は、非酸化処理により、酸化アルミニウムから主になる絶縁層で表面が被覆された軟磁性粒子（絶縁被覆粒子）になることがわかった。

なお、このようなＳｉ含有粉末の特徴は、非酸化処理がＮ_２雰囲気に限らず、Ａｒ雰囲気または真空雰囲気でなされても同様であることが、図１Ｃ〜図１Ｅおよび表１からわかる。

Ｓｉ非含有粉末の場合、図２Ａ〜図２Ｃを対比するとわかるように、酸化粉末に非酸化処理を行うことにより、粒子表面近傍においてＯ量が急減し、Ｆｅ量が急増する一方、Ａｌ量はあまり変化しないことがわかった。つまり、Ｓｉ非含有粉末の場合、原料粉末（図２Ａ）に対して酸化処理がなされることにより粒子表面のＯ量およびＦｅ量（ひいては酸化鉄）が増加するが（図２Ｂ）、その酸化粉末に非酸化処理がなされると、粒子表面のＯ量およびＦｅ量（ひいては酸化鉄）が減少して、原料粉末に近い状態に戻る（つまり還元される）ことがわかった（図２Ｃ）。

このように非酸化処理後のＳｉ含有粉末とＳｉ非含有粉末の比較から、Ｓｉが存在する場合に粒子表面に酸化アルミニウムからなる絶縁層が安定的に形成されることが明らかとなった。

《圧粉磁心》
［製造］
（１）軟磁性粉末および酸化粉末
表２に示す各種の軟磁性粉末（試料Ｃ１、Ｃ３およびＣ４を除く）に、表２に示す酸化処理工程を施した各種の酸化粉末を用意した。表２に示した各軟磁性粉末は、その組成を除き、前述した軟磁性粉末と同様に製造したものである。また、酸化処理工程も、表２に示した条件を除き、前述した酸化処理工程と同様に行った。なお、試料８〜９に係る酸化処理工程は、酸化雰囲気を大気フローから表２に示す酸素ガス（体積％）と残部が窒素ガスからなる混合ガスフローに替えて行った。さらに試料Ｃ１、Ｃ３およびＣ４では、そのような酸化処理を施さない軟磁性粉末（原料粉末）を用いた。

（２）成形工程
各粉末を用いて、金型潤滑温間高圧成形法により、円板状（外径：φ２３ｍｍ×厚さ２〜３ｍｍ）の成形体を得た。この際、内部潤滑剤や樹脂バインダー等は一切使用しなかった。具体的には次のようにして各粉末を成形した。

所望形状に応じたキャビティを有する超硬製の金型を用意した。この金型をバンドヒータで予め１３０℃に加熱しておいた。また、この金型の内周面には、予めＴｉＮコート処理を施し、その表面粗さを０．４Ｚとした。

加熱した金型の内周面に、ステアリン酸リチウム（１％）の水分散液をスプレーガンにて１０ｃｍ^３／分程度の割合で均一に塗布した。なお、この水分散液は、水に界面活性剤と消泡剤とを添加したものである。その他の詳細は、日本特許公報特許３３０９９７０号公報、日本特許４０２４７０５号公報等に記載に沿って行った。

各粉末をステアリン酸リチウムが内面に塗布された金型へ充填し（充填工程）、金型を１３０℃に保持したまま１５６８ＭＰａで温間成形した（成形工程）。なお、この温間成形時、いずれの成形体も金型とかじり等を生じることはなく、低い抜圧で金型からの取り出しが可能であった。

（３）成形体加熱工程（焼鈍工程）
試料Ｃ２を除き、得られた各成形体を加熱炉に入れ、表２に示す温度で１時間の加熱処理を行った。この加熱処理は、窒素ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎの割合で加熱炉へ流入させる非酸化雰囲気中で行った。なお、この非酸化処理は、成形体の焼鈍を兼ねている。こうして表２に示す各種の圧粉磁心（試料）を得た。

［測定］
各試料に係る圧粉磁心の比抵抗および曲げ強度を求めた。比抵抗は、デジタルマルチメータ（メーカ：（株）エーディーシー、型番：Ｒ６５８１）を用いて４端子法により測定した電気抵抗と、各試料を実際に採寸して求めた体積とから算出した。曲げ強度は、円板状の試料に対して３点曲げ強度試験より算出した。これらの結果を表２に併せて示した。また、各試料の比抵抗と曲げ強度の関係を図３に示した。

［観察］
試料４に係る圧粉磁心の構成粒子の表面近傍（隣接する軟磁性粒子の粒界部分）を、前述したＡＥＳで観察した。その結果、前述した磁心用粉末の絶縁層と同様に、その粒界部分にも酸化アルミニウムからなる絶縁層が生成されることが確認された。

［評価］
（１）表２および図３から明らかなように、試料１〜１０（特に試料１〜７）は十分な比抵抗および曲げ強度を発揮していることがわかる。そして、軟磁性粉末中のＳｉ量またはＡｌ量が多くなると、圧粉磁心の比抵抗または強度が向上する傾向にあることもわかる。また酸化処理工程が高温、長時間、高酸素濃度であるほど、比抵抗または強度が向上する傾向にあることもわかる。さらには、粉末粒度が小さくなり粉末全体としての表面積が増加する圧粉磁心（試料７、９および１０）ほど、比抵抗または強度が向上する傾向にあることもわかる。そして粒径が小さい低粒度のＳｉ含有粉末の場合、酸化処理中の酸素濃度が低くても、十分な比抵抗または強度が得られることもわかった。

（２）酸化処理を施さない原料粉末をそのまま成形した成形体を、非酸化雰囲気で加熱して得られた圧粉磁心（試料Ｃ１）は、比抵抗および強度が共に低くなった。このことから、酸化アルミニウムを含む高絶縁性の絶縁層を形成するには、成形体加熱工程（非酸化処理工程）前に、粒子表面に酸化物（主に酸化鉄）が十分に生成された酸化粉末を用いることが好ましいといえる。

また、十分な酸化処理がなされた酸化粉末を用いた場合でも、成形体加熱工程（非酸化処理工程）がなされなかった圧粉磁心（試料Ｃ２）では、やはり比抵抗および強度が共に低くなった。これは隣接粒子間にある酸化鉄等の酸化物層が、酸化アルミニウムからなる絶縁層に変化しなかったためと考えられる。このことから、酸化アルミニウムを含む高絶縁性の絶縁層を形成するには、酸化粉末を用いると共に、成形体加熱工程（非酸化処理工程）を行うことが必要であるといえる。

さらに、試料Ｃ３、Ｃ４の圧粉磁心のように、軟磁性粉末中にＡｌが含まれず、酸化処理工程もなされない粉末からなる圧粉磁心では、比抵抗および強度がかなり低くなった。このことから、軟磁性粉末として一般的なＦｅ−Ｓｉ系粉末からなる圧粉磁心を単に非酸化雰囲気中で加熱（つまり焼鈍）しても、本発明のようなに高比抵抗で高強度な圧粉磁心は得られないことがわかる。

また、試料１等と同様な酸化処理工程および成形体加熱工程を行っても、Ｓｉ非含有粉末からなる圧粉磁心（試料Ｃ５）では、比抵抗および強度が共に低くなることもわかった。これは、磁心用粉末の場合と同様に、酸化アルミニウムからなる絶縁層が隣接粒子間に形成されないためと考えられる。

以上から、ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金からなる軟磁性粒子の表面に十分な酸化物（主に酸化鉄）を形成した後に、その粉末またはその粉末からなる成形体を非酸化雰囲気で加熱することにより、酸化アルミニウムからなる絶縁層が生成されて、比抵抗と強度を高次元で両立させ得る圧粉磁心が得られることが明らかとなった。

実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
《磁心用粉末》
［製造］
（１）軟磁性粉末
Ｓｉ含有鉄合金（Ｆｅ−６％Ｓｉ−２％Ａｌ／合金組成は特に断らない限り質量％とする。）からなるガス水アトマイズ粉と、Ｓｉ非含有鉄合金（Ｆｅ−６％Ａｌ）からなるガス水アトマイズ粉とをそれぞれ用意した。これらの粉末を所定のメッシュサイズの篩いにより分級し、粒度が１０６〜２１２μｍとなる２種の軟磁性粉末（原料粉末）を得た。なお、本明細書でいう粉末粒度「ｘ−ｙ」は、篩目開きがｘ（μｍ）の篩いを通過せず、篩目開きがｙ（μｍ）の篩いを通過する大きさの軟磁性粒子により原料粉末が構成されていることを意味する。同様に、粉末粒度「−ｙ」は、篩目開きがｙ（μｍ）の篩いを通過する大きさの軟磁性粒子により原料粉末が構成されていることを意味する。

Claims (8)

1. 圧粉磁心の製造に用いられる磁心用粉末の製造方法であって、
   ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金の軟磁性粒子からなり該軟磁性粒子の表面近傍に酸化鉄を有する酸化粒子を、非酸化雰囲気で加熱することにより酸化アルミニウムからなる絶縁層により少なくとも一部表面が被覆された絶縁被覆粒子を得る非酸化処理工程を備え、
   前記磁心用粉末は該絶縁被覆粒子からなることを特徴とする磁心用粉末の製造方法。
2. 前記酸化粒子は、前記軟磁性粒子を酸化雰囲気中で加熱する酸化処理工程により得られる請求項１に記載の磁心用粉末の製造方法。
3. 前記鉄合金は、全体を１００質量％（単に「％」で表す。）としたときに、
   Ａｌ：０．５〜５％、
   Ｓｉ：０．５〜９％、
   残部：Ｆｅと不可避不純物または改質元素、
   からなる請求項１または２に記載の磁心用粉末の製造方法。
4. ＡｌおよびＳｉを含む鉄合金の軟磁性粒子からなり該軟磁性粒子の表面近傍に酸化鉄を有する酸化粒子の粉末である酸化粉末を加圧成形した成形体を得る成形工程と、
   該成形体を非酸化雰囲気で加熱することにより、該軟磁性粒子の隣接間の少なくとも一部に酸化アルミニウムからなる絶縁層が形成された圧粉磁心を得る成形体加熱工程と、
   を備えることを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
5. 前記成形体加熱工程は、前記成形体を７００〜９５０℃に加熱する焼鈍工程である請求項４に記載の圧粉磁心の製造方法。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法により得られることを特徴とする磁心用粉末。
7. 請求項４または５に記載の製造方法により得られることを特徴とする圧粉磁心。
8. 請求項６に記載の磁心用粉末を加圧成形して得られることを特徴とする圧粉磁心。

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