JP4134111B2 - 絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気・電子部品としてのモータコアやトロイダルコアなどに用いるのに好適な高性能の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法に関し、鉄損が小さく透磁率が大きい絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法に関する。

近年、電気・電子部品の高性能化（高効率化、小型化）が進み、モータコアやトロイダルコアなどに用いられる絶縁軟磁性金属粉末成形体においても、鉄損を小さく、透磁率を大きくすることが要求されている。透磁率を大きくするためには、絶縁層を薄くして、軟磁性金属粉末同士の間隔を狭めることが重要である。鉄損は通常ヒステリシス損と渦電流損からなり、ヒステリシス損は軟磁性材料の種類、不純物の濃度、加工歪み等に支配される。渦電流損は軟磁性材料の比抵抗、絶縁皮膜の完全さに支配される。このような観点から絶縁軟磁性金属粉末成形体を得るために、次のような技術が提案されている。

特許文献１には、粉末冶金法による軟磁性部材の製造法を開示している。鉄粒子は絶縁性のリン酸塩層で包まれたのち圧縮され、続いて酸化雰囲気中で６００℃を上限とする熱処理温度で熱処理される。

特許文献２においては、改良された軟磁性を有する磁心部材を得るために、鉄粉末を圧縮成形及び熱処理する方法を開示している。鉄粉末は、リン含有量が少ない薄層で絶縁されている微粒子より成る。特許文献２に記載の発明によれば、圧縮成形された鉄粉末は３５０〜５５０℃の温度での酸化雰囲気中で熱処理に付される。同発明によれば、熱処理を３５０〜５５０℃、好ましくは４００〜５３０℃、最も好ましくは４３０〜５２０℃の温度で行うことが決定的に重要なことであるとしているが、本質的に特許文献１を超えるものではない。

特許文献３に記載の発明は、渦電流損を小さくし、機械強度を有する強磁性金属粉末の圧粉コアを得るために、強磁性金属粒子の表面にリン酸を付着させ、加圧成形し、熱処理を３００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃で行うとしている。

特許文献４に記載の発明によれば、磁性粉末と絶縁材からなる混合物を圧縮成形した後に熱処理を施して得られる複合磁性材料であって、熱処理を２回以上施すことを特徴とし、１回目の熱処理酸素雰囲気Ｐ１、２回目の熱処理酸素雰囲気Ｐ２とすると、Ｐ１＞Ｐ２の関係を満足することで、コア損失が低く透磁率が高くかつ優れた直流重畳特性を有する複合磁性材料の製造方法を提供するものである。１回目の熱処理温度Ｔ１、２回目の熱処理温度Ｔ２とすると、Ｔ１＜Ｔ２の関係を満足する事を特徴とし、酸素濃度は１％≦Ｐ１≦３０％、Ｐ２≦１％である。熱処理温度は１５０℃≦Ｔ１≦５００℃、５００℃≦Ｔ２≦９００℃である。１回目の熱処理で酸化絶縁皮膜を形成し、２回目の高温熱処理で歪み取りを行うとしている。しかし、２回目の高温熱処理時に磁性粉末と酸化絶縁皮膜の熱膨張率の違いから絶縁皮膜が破壊される可能性がある。

特許文献５に記載の発明は、鉄基粉末表面を被覆材で被覆してなる被覆鉄基粉末であって、該被覆鉄基粉末に対する前記被覆材の分量が質量％で０．０２〜１０％であり、前記被覆材が、質量％で、ガラス：２０〜９０％と、バインダー：１０〜７０％と、あるいはさらに前記ガラス及び前記バインダー以外の絶縁性及び耐熱性物質：７０％以下とからなる被覆鉄基粉末である。前記バインダーは、シリコーン樹脂、金属リン酸塩化合物、シリケート化合物のうちから選ばれた１種又は２種以上からなるものが好ましい。熱処理についての請求項はないが、実施例において、最高温度７００℃窒素ガス雰囲気を用いている。

特許文献６に記載の発明の複合磁性材料によれば、金属磁性粒子と、該金属磁性粒子の表面を取り囲む絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備え、前記複数の複合磁性粒子は互いに接合されており、前記金属磁性粒子は、金属磁性材料と、前記金属磁性粒子に対する質量割合が１２０ｐｐｍ以下の不純物とのみからなる。加圧成形して得られた複合磁性材料を、２００℃以上、添加した樹脂の熱分解温度以下の温度で酸化雰囲気または不活性ガス雰囲気中で安定化熱処理するとしている。

ドイツ特許3439397号 特表平9-512388号公報 特開平7-245209号公報 特開2000-232014号公報 特開2004-143554号公報 特開2005-15914号公報

高透磁率のためには絶縁皮膜を薄くすることが必要であり、ヒステリシス損を小さくするためには、圧粉成形時の加工歪みを取るため、７００℃以上の温度での熱処理が有効であるが、上記した特許文献１〜特許文献６に代表される従来の方法では、高温の熱処理によって薄い絶縁皮膜が破壊され、渦電流損が大きくなる。

本発明の目的は、鉄損が小さく、透磁率が大きく、機械的強度が高い絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法を提供することにある。
すなわち、本発明は上記した課題を解決するため、以下の構成からなる絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法である。
＜１＞ 鉄系アモルファス合金を除く鉄系合金からなる軟磁性金属粉末の表面に無機物による絶縁皮膜を形成し、圧紛して成形した後、熱処理して絶縁軟磁性金属粉末成形体を得る方法において、前記絶緑皮膜が、熱処理前は主としてリン酸鉄からなり、熱処理後は主として酸化鉄に変質し、かつ酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、及び酸化ジルコニウム等の金属酸化物微粒子から選ばれる少なくとも１種の金属酸化物微粒子と、を含み、圧紛して成形したのち、真空または不活性ガス等の非酸化雰囲気中、軟磁性金属のキュリー温度以上、かつ絶縁皮膜が破壊されない温度以下の高温で磁気焼鈍する工程と、該工程後にさらに大気等の酸化雰囲気中、400℃以上700℃以下の温度で熱処理する工程とを含み、先の磁気焼鈍する工程の温度が後の熱処理の温度より高いことを特徴とする絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法である。
＜２＞ 前記鉄系合金からなる軟磁性金属粉末が、鉄、鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・モリブデン合金、鉄・ニッケル・珪素合金、鉄・珪素合金、鉄・珪素・アルミニウム合金の鉄系合金のうち一種類又は数種類からなることを特徴とする前記＜１＞に記載の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法である。
＜３＞ 前記鉄系合金からなる軟磁性金属粉末が、平均粒子径Ｄ50＝１０μｍから１５０μｍであることを特徴とする前記＜１＞又は＜２＞に記載の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法である。
＜４＞ 圧粉成形する方法が、冷間、温間、CIP、又はHIPのいずれかの方法を用い、５〜２０ｔ／ｃｍ²の圧力で圧粉成形することを特徴とする前記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法である。

本発明によれば、鉄損が小さく透磁率が大きく機械的強度が高い絶縁軟磁性金属粉末成形体を安定に製造することができる。

本発明において、鉄系アモルファス合金を除く軟磁性金属粉末は、鉄、鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・モリブデン合金、鉄・ニッケル・珪素合金、鉄・珪素合金、鉄・珪素・アルミニウム合金などの鉄系合金のうち一種類又は数種類からなり、これらの軟磁性金属粉末は飽和磁束密度や透磁率が大きく、保磁力が小さいため、高透磁率材料、低鉄損の材料と好適である。また、アトマイズ粉、粉砕粉として容易に入手することができる。

本発明において、軟磁性金属粉末の中で低保磁力、高飽和磁束密度の点から特に鉄、鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・珪素合金が好ましい。また、軟磁性金属粉末は扁平形状であることが好ましく、扁平形状にすることで長軸方向の反磁界係数が低減し、透磁率を大きくすることができる。

軟磁性金属粉末は、平均粒子径Ｄ50＝１０μｍから１５０μｍであることが好ましい。軟磁性金属粉末の平均粒子径Ｄ50が１０μｍ未満の場合、ヒステリシス損が低減しがたくなる場合があり、１５０μｍを越えると誘導される高周波電流の表皮深さに対して充分大きいことから、渦電流損が増加する場合がある。

本発明は上記した鉄系アモルファス合金を除く鉄系合金からなる軟磁性金属粉末の表面に無機物による絶縁皮膜が形成される。無機物としては、熱処理前は主としてリン酸鉄からなり、熱処理後は主として酸化鉄に変質し、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、および酸化ジルコニウム等の金属酸化物微粒子から選ばれる少なくとも１種の金属酸化物微粒子を含む。

熱処理前は主としてリン酸鉄からなり、熱処理後は主として酸化鉄に変質する成分は、例えば、リン酸が加熱処理によって軟磁性金属粉末である鉄粉、鉄系合金中の鉄成分と反応してリン酸鉄となり、このリン酸鉄が後工程である熱処理工程で酸化鉄となる。また、リン酸の他にリン酸塩、例えば、リン酸マグネシウム、リン酸亜鉛等を用いることができる。

軟磁性金属粉末に対するリン酸、リン酸塩の添加量は、最終的に製造される無機物による絶縁皮膜の厚みが０．０１μｍ以上１μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有するように調整される。無機物による絶縁皮膜の厚みが０．０１μｍ未満ではキュリー温度以下で絶縁破壊される場合があり、無機物による絶縁皮膜の厚みが１μｍを超えると、透磁率が低下し、必要な磁束密度を得るための起磁力が増加し、電流が増加する場合がある。

軟磁性金属粉末に対してリン酸等を添加し、乾燥させてリン酸鉄皮膜を形成した後、リン酸鉄皮膜を形成した軟磁性金属粉末に金属酸化物を添加することが好ましい。金属酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、および酸化ジルコニウム等の金属酸化物から選ばれる少なくとも１種が好ましい。これらの金属酸化物の中で高温時の絶縁特性（比抵抗）の点から特に酸化アルミニウムが好ましい。さらに強度を増加させる目的で低融点ガラスを添加することができる。

リン酸鉄皮膜を形成した軟磁性金属粉末に対する金属酸化物の量は０．１〜４質量％が好ましく０．５〜３質量％がより好ましい。リン酸鉄皮膜を形成した磁性金属粉末に対する金属酸化物の量が０．１質量％未満の場合、キュリー温度以下で絶縁破壊を生じる場合があり、４質量％を超えると、透磁率が低下する場合がある。

また、リン酸鉄皮膜を形成した軟磁性金属粉末に対して、金属酸化物の他に潤滑剤を添加してもよい。潤滑剤を添加することによって、後記する圧粉成形工程における軟磁性金属粉末の損傷を防止することができる。潤滑剤としては、金属ステアレート、パラフィン又はワックスが挙げられる。リン酸鉄皮膜を形成した軟磁性金属粉末に対する潤滑剤の量は０．１〜１質量％程度でよい。

次に軟磁性金属粉末は、圧粉成形される。圧粉成形方法としては、粉末冶金分野で通常用いられている、冷間、温間、CIP、HIPなどの方法を用いることができ、容易に成形できる。成形圧力は５〜２０ｔ／ｃｍ²が好ましく、より好ましくは７〜１５ｔ／ｃｍ² である。成形圧力が５ｔ／ｃｍ²未満では成形強度が不足してハンドリングが困難となり、２０ｔ／ｃｍ²以を越えると、密度は収斂して増加は望めず、かえって絶縁皮膜が破壊されるおそれがあるためである。圧粉成形方法によって目的に応じた形状、例えば、リング状に成形される。

次に上記で得られた圧粉成形体は、まず、真空または不活性ガス等の非酸化雰囲気中、軟磁性金属のキュリー温度以上かつ絶縁皮膜が破壊されない温度以下の高温で磁気焼鈍する工程に供される。この工程で真空雰囲気とは酸素分圧を調整し、好ましくは１０^-4 Paから１０^-2 Paの雰囲気が好ましく、不活性ガスとしては特に制約はないがアルゴンガス、窒素ガス雰囲気が好ましい。

本発明において、軟磁性金属のキュリー温度以上の温度で、かつ絶縁皮膜が破壊されない温度以下の高温で第一の熱処理（磁気焼鈍：加工歪み取り）をすることで、絶縁を保ったまま保磁力が低減し、鉄損が低減する。キュリー温度を越えた非酸化雰囲気中での熱処理が保磁力低減に有効であるが、軟磁性金属のキュリー温度は、金属によって異なり、例えば、軟磁性金属として代表的な鉄や鉄・珪素合金のキュリー温度は６９０℃〜７７０℃である。したがって、軟磁性金属として鉄や鉄・珪素合金を用いる場合、少なくとも６９０℃〜７７０℃以上の温度で熱処理することが必要である。

熱処理温度は、より安定にかつ確実に絶縁を保ったまま保磁力を低減させ、鉄損が低減させるためには軟磁性金属のキュリー温度＋８０℃が好ましく、さらに好ましくは軟磁性金属のキュリー温度＋１００℃、より好ましくは軟磁性金属のキュリー温度＋２００℃である。熱処理時間は３０〜３００ｍｉｎが好ましく、６０〜１８０ｍｉｎがより好ましい。熱処理時間が３０ｍｉｎ未満では加工歪みが充分に開放されない場合がある。

本発明において、軟磁性金属粉末と結合した絶縁皮膜が第一の熱処理（磁気焼鈍：加工歪み取り）で変質する過程で、隣接した軟磁性金属粒子表面の絶縁皮膜同士を構造的に一体化させ、その際、絶縁皮膜中の（第一熱処理温度以上の融点をもった）耐熱の金属酸化物で、軟磁性金属粒子が移動、変形する際に互いに接触して導通することを防止し、構造的に一体化した絶縁皮膜が得られるものと推察される。

次に第一の熱処理工程後、該被熱処理品はさらに大気等の酸化雰囲気中、４００℃以上７００℃以下の温度で熱処理する工程（第二の熱処理工程）に供される。第二の熱処理工程において、酸化雰囲気は実用上大気中が最も好ましいが、その他に酸素含有量が１０％程度の窒素ガス雰囲気であってもよい。

第二の熱処理工程は、第一の熱処理工程で構造的に一体化した絶縁皮膜を酸化反応させ、より完全な絶縁抵抗と機械的強度を発現させることで、鉄損が小さく、透磁率が大きな絶縁軟磁性金属粉末成形体が製造するための熱処理であり、４００℃以上７００℃以下の温度範囲で前記酸化反応が完全に進行するようにするためには温度条件によって異なるが、少なくとも３０〜３００ｍｉｎの熱処理時間が好ましく、より好ましくは６０〜１８０ｍｉｎ熱処理することが好ましい。

第二の熱処理工程は、第一の熱処理工程を高温熱処理炉で行う場合、第一の熱処理工程が終了後、高温熱処理炉内を大気雰囲気とし、徐冷する過程で第二の熱処理工程の条件を満たすように調整することもでき、この場合、製造工程が簡略化される利点がある。

以下に、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
10〜150μmの粒度分布を持つパーマロイPB系（50%Ni2%Si）の原料粉末に、原料粉末質量に対して0.017質量％のリン酸溶液を加えた後に室温で乾燥させて1μm以下のリン酸鉄皮膜を形成させた。これに原料粉末質量に対して2.4質量％の酸化アルミニウム粉末（０．０６μｍ）を混合した。得られた絶縁軟磁性金属粉末に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を0.5質量％加えて混合した。この粉末を室温において金型に入れ、15t/cm²の面圧でプレスし、リング形状の「プレス品」を得た。この「プレス品」を非酸化（アルゴンガス）雰囲気で９５０℃、時間は６０ｍｉｎの第一の熱処理を施した後に酸化（大気）雰囲気で５００℃、時間は６０ｍｉｎの第二の熱処理を施した。
〔比較例１〕

実施例１と同様にしてリング形状の「プレス品」を得た。この「プレス品」を酸化（大気）雰囲気で５００℃、時間は６０ｍｉｎの熱処理を施した。これが従来の一般的な絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法を代表している。
〔比較例２〕

実施例１と同様にしてリング形状の「プレス品」を得た。この「プレス品」を非酸化（アルゴンガス）雰囲気で９５０℃、時間は６０ｍｉｎの第一の熱処理を施し、第二の熱処理は省略した。

実施例１と同様にしてリング形状の「プレス品」を得た。この「プレス品」を酸化（大気）雰囲気で５００℃、時間は６０ｍｉｎの第二の熱処理を施した。次に、非酸化（アルゴンガス）雰囲気で９５０℃、時間は６０ｍｉｎの第一の熱処理を施した。すなわち、実施例１の熱処理の順序を逆にした。
〔比較例４〕

実施例１と同様にしてリング形状の「プレス品」を得た。この「プレス品」を酸化（大気）雰囲気で６００℃、時間は６０ｍｉｎの熱処理を施した。
〔比較例５〕

実施例１と同様にしてリング形状の「プレス品」を得た。この「プレス品」を酸化（大気）雰囲気で７００℃、時間は６０ｍｉｎの熱処理を施した。
(評価方法)
実施例１、比較例１〜５における試料について透磁率、鉄損、圧環強度を測定した結果を表１に示す。
＜透磁率＞
日置電機（株）製LCRハイテスタ 3532-50で測定した1kHzのときのインダクタンス値と「プレス品」の寸法値から算出した。
＜鉄損＞
磁束密度1T、周波数1kHzにおける値を岩通計測（株）製BHアナライザ SY-8258で測定した。
＜圧環強度＞
JIS Z 2507「焼結軸受-圧環強さ試験方法」にして規定されている方法により測定した。

評価結果を表１に示す。

表１より、次のことが明らかである。
（１）実施例１の鉄損は比較例１に比べて約１／５程度の低い値となっている。これによりキュリー温度以上、非酸化雰囲気中での第一の熱処理を行うことによる顕著な鉄損低減効果が認められる。また、９５０℃の高温熱処理にもかかわらず、渦電流損の増加はなく、絶縁が充分に維持できていることも認められる。
（２）７００℃以下、酸化雰囲気中での第二の熱処理を省略した比較例２は、実施例１に比べて圧環強度が約１／２に低下しているが鉄損や透磁率に大差は無いことが認められる。
（３）実施例１と熱処理の順序を逆にした比較例３においては、絶縁が不十分となり、実施例１に比べて渦電流損が約３６倍と大幅に増加し、そのため鉄損が約５倍になっている。このことから、本発明における第一の熱処理工程と第二の熱処理工程の順序の重要性が認められる。
（４）大気中での熱処理温度を５００℃、６００℃、７００℃とした比較例１、比較例４、比較例５の渦電流損は、比較例５の７００℃で絶縁破壊のため急増し、大気等の酸化雰囲気中では７００℃が上限であることが認められる。

Claims (4)

1. 鉄系アモルファス合金を除く鉄系合金からなる軟磁性金属粉末の表面に無機物による絶縁皮膜を形成し、圧紛して成形した後、熱処理して絶縁軟磁性金属粉末成形体を得る方法において、前記絶緑皮膜が、熱処理前は主としてリン酸鉄からなり、熱処理後は主として酸化鉄に変質し、かつ酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、及び酸化ジルコニウム等の金属酸化物微粒子から選ばれる少なくとも１種の金属酸化物微粒子と、を含み、圧紛して成形したのち、真空または不活性ガス等の非酸化雰囲気中、軟磁性金属のキュリー温度以上、かつ絶縁皮膜が破壊されない温度以下の高温で磁気焼鈍する工程と、該工程後にさらに大気等の酸化雰囲気中、400℃以上700℃以下の温度で熱処理する工程とを含み、先の磁気焼鈍する工程の温度が後の熱処理の温度より高いことを特徴とする絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法。
2. 前記鉄系合金からなる軟磁性金属粉末が、鉄、鉄・ニッケル合金、鉄・ニッケル・モリブデン合金、鉄・ニッケル・珪素合金、鉄・珪素合金、鉄・珪素・アルミニウム合金の鉄系合金のうち一種類又は数種類からなることを特徴とする請求項１に記載の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法。
3. 前記鉄系合金からなる軟磁性金属粉末が、平均粒子径Ｄ50＝１０μｍから１５０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法。
4. 圧粉成形する方法が、冷間、温間、CIP、又はHIPのいずれかの方法を用い、５〜２０ｔ／ｃｍ²の圧力で圧粉成形することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の絶縁軟磁性金属粉末成形体の製造方法。