(57)【要約】【課題】珪素含有量の少ない磁性粉末において、その粒子の表面全体を覆う薄くて均一な二酸化珪素被膜を短時間で形成させる方法を提供すること。【解決手段】鉄（Ｆｅ）を主成分として０．３重量％〜１．０重量％の珪素（Ｓｉ）を含む磁性粉末を、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が、−４〜−１となる酸化雰囲気中に保持する雰囲気保持工程と、磁性粉末を酸化雰囲気中で９００℃〜１２００℃で加熱処理する加熱処理工程とを包含する磁心用粉末の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄（Ｆｅ）を主成分として０．３重量％〜１．０重量％の珪素（Ｓｉ）を含む磁性粉末を、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が、−４〜−１となる酸化雰囲気中に保持する雰囲気保持工程と、
前記磁性粉末を前記酸化雰囲気中で９００℃〜１２００℃で加熱処理する加熱処理工程とを包含する磁心用粉末の製造方法。
【請求項２】
前記分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が、−２．５〜−１．５である請求項１に記載の磁心用粉末の製造方法。
【請求項３】
前記雰囲気保持工程において、水素及び二酸化炭素の混合ガスを使用する請求項１又は２に記載の磁心用粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧粉磁心に適した磁心用粉末と、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁心用粉末は、例えば、鉄（Ｆｅ）等を主成分とする磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜が形成されたものである。
圧粉磁心は、このような磁心用粉末を金型で加圧成形したものであり、モータ等の電磁機器の磁心として広く利用されている。
圧粉磁心に関する性能（磁束密度、鉄損等）の良否は、材料となる磁心用粉末に大きく依存する。即ち、磁束密度が高く、鉄損も少ない圧粉磁心を製造するためには、より薄くて均一な絶縁被膜を有する磁心用粉末を用いることが重要である。
従来の磁心用粉末の製造方法としては、鉄（Ｆｅ）及び珪素（Ｓｉ）を主成分とする磁性粉末を、所定の酸素分圧の酸化雰囲気中で加熱処理することによって、当該磁性粉末の粒子表面に絶縁被膜として二酸化珪素（ＳｉＯ2）被膜を形成させる方法が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４６３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の磁心用粉末の製造方法は、鉄（Ｆｅ）及び０．５重量％〜１０重量％の珪素（Ｓｉ）を含む磁性粉末を、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が、およそ−５〜−３．５となる酸化雰囲気中に保持して、６００℃〜９００℃で加熱処理するものである。
【０００５】
上記従来の製造方法では、二酸化珪素被膜の生成速度が遅く、磁性粉末の粒子表面全体を二酸化珪素被膜で均一に覆うためには処理時間が非常に長くなるという問題がある。処理時間が不足すると、磁性粉末の粒子表面を覆う二酸化珪素被膜は不均一なものとなり、鉄が部分的に露出して十分な比抵抗が得られなくなるため、渦電流損失が増加する原因となる。
【０００６】
また、従来の製造方法で使用する磁性粉末は、０．５重量％〜１０重量％、好ましくは１．０重量％〜３．０重量％という比較的多量の珪素を含むものでなければならない（特許文献１の段落番号〔００４２〕参照）。
しかし、磁心用粉末の材料硬度は珪素含有量に比例した分だけ高くなる。そのため、当該磁心用粉末を加圧成形して圧粉磁心を製造する際、特殊な高圧成形装置を使用しなければ所望する高い成形密度が得られ難く、設備コストが嵩むという問題も生じている。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、珪素含有量の少ない磁性粉末において、その粒子の表面全体を覆う薄くて均一な二酸化珪素被膜を短時間で形成させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る第１特徴構成は、
鉄（Ｆｅ）を主成分として０．３重量％〜１．０重量％の珪素（Ｓｉ）を含む磁性粉末を、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が、−４〜−１となる酸化雰囲気中に保持する雰囲気保持工程と、
前記磁性粉末を前記酸化雰囲気中で９００℃〜１２００℃で加熱処理する加熱処理工程とを包含する点にある。
【０００９】
〔作用及び効果〕
本発明では、磁性粉末を９００℃〜１２００℃の高温で加熱処理することによって、磁性粉末の粒子中の珪素の拡散速度を高めている。
粒子の表面に存在する珪素は、粒子周囲の酸素により酸化されて二酸化珪素となる。その結果、粒子表面近くの珪素濃度は、粒子内部の珪素濃度と比べて低くなり、珪素の濃度勾配が生じて、粒子内の珪素が、粒子表面に向かって移動する。ただし、珪素は高温になるほど酸素と結合し難くなる。
【００１０】
本発明においては、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）を−４〜−１に設定する。これにより、酸素分圧は従来の製造方法と比べて高く設定される。粒子周囲にはより多くの酸素が存在するため、粒子の表面に到達した珪素は、酸素と速やかに結合する。尚、分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）をこれより高く設定して酸素分圧を上げ過ぎると、粒子内部で珪素が酸化されるため好ましくない。
【００１１】
以上より、本発明によれば、高温で酸化処理することによって粒子中の珪素の拡散速度を高めると共に、粒子周囲の酸素分圧を高めることによって、粒子表面における二酸化珪素被膜の形成速度を、従来の製造方法よりも向上させることができる。その結果、珪素含有量の少ない磁性粉末においても、その粒子の表面全体を覆う薄くて均一な二酸化珪素被膜を短時間で形成させることができる。
【００１２】
その上、磁性粉末中の珪素含有量が０．３重量％〜１．０重量％と少ないので、磁心用粉末の材料硬度が高くなることもない。その結果、当該磁心用粉末を加圧成形して圧粉磁心を製造する際、特殊な高圧成形装置ではなく、通常のプレス成形装置を用いて高密度の圧粉磁心を製造することがきる。即ち、本発明によれば、成形性の良い磁心用粉末を得ることができる。
【００１３】
本発明に係る第２特徴構成は、
前記分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）を、−２．５〜−１．５に設定する点にある。
【００１４】
〔作用及び効果〕
本発明によれば、磁性粉末の粒子内部における珪素酸化を確実に抑えると共に、粒子表面における二酸化珪素被膜の形成をより一層促進させることができる。
【００１５】
本発明に係る第３特徴構成は、
前記雰囲気保持工程において、水素及び二酸化炭素の混合ガスを使用する点にある。
【００１６】
〔作用及び効果〕
本発明は、基本的に、２Ｈ2Ｏ⇔２Ｈ2＋Ｏ2からなる平衡反応（ａ）において、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）を管理することで、酸化雰囲気中の酸素分圧を所望の範囲内に調整するものである。
本構成のように、二酸化炭素を使用し、二酸化炭素の流量比を調整することによって上記平衡反応（ａ）を調整することができる。二酸化炭素は、常温で気体であるため取り扱いが容易である。このため、分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）の制御が容易になる。
【００１７】
また、炭素含有量の多い磁性粉末を原料として磁心用粉末を製造し、当該磁心用粉末を材料として製造した圧粉磁心は、その保磁力が大きく、ヒステリシス損失が大きくなるので、磁性粉末中の炭素含有量は少ないほど良い。
二酸化炭素は、ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯのように炭素と反応して一酸化炭素を生じさせるため、磁性粉末中の炭素を脱炭することができる。
従って、炭素含有量の多い安価な磁性粉末を原料として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例に係る加熱処理温度の範囲及び分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）の範囲を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（１）磁性粉末
本発明に適用可能な磁性粉末は、鉄（Ｆｅ）を主成分として０．３重量％〜１．０重量％の珪素（Ｓｉ）を含むＦｅ―Ｓｉ系磁性粉末である。当該磁性粉末の平均粒径は約１００μｍ、粒度分布は５０μｍ〜３００μｍであることが好ましい。また、本発明に適用可能なＦｅ−Ｓｉ系磁性粉末には、０．０２重量％以上の炭素を含む比較的安価なＦｅ−Ｓｉ系磁性粉末も含まれる。
【００２０】
（２）磁心用粉末の製造方法
本発明は、上記磁性粉末を、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が−４〜−１、特に好ましくは、−２．５〜−１．５となる酸化雰囲気中に保持する雰囲気保持工程と、当該磁性粉末を酸化雰囲気中で９００℃〜１２００℃で加熱処理する加熱処理工程とを包含するものである。本発明は、例えば、公知の回転加熱炉（ロータリーキルン）を用いて実施することができる。
【００２１】
加熱処理工程では、磁性粉末を９００℃〜１２００℃の高温で加熱処理することによって、磁性粉末の粒子中の珪素の拡散速度を高めている。
粒子中の珪素が移動して粒子の表面に到達すると、当該珪素は、粒子周囲の酸素により酸化されて二酸化珪素となる。その結果、粒子表面近くの珪素濃度は、粒子内部の珪素濃度と比べて低くなり珪素の濃度勾配が生じる。これにより、粒子内の珪素の、粒子表面に向かう移動が促進される。
【００２２】
一方、高温になるほど、珪素は酸素と結合し難くなる。しかし、雰囲気保持工程において、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）を−４〜−１に設定することによって、酸素分圧は従来の製造方法と比べて高く設定される。そのため、粒子周囲により多くの酸素が存在することとなり、粒子の表面に到達した珪素は、酸素と速やかに結合する。尚、分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）をこれより高く設定して酸素分圧を上げ過ぎると、粒子内部で珪素が酸化されるため好ましくない。
【００２３】
雰囲気保持工程においては、水素及び二酸化炭素の混合ガスを使用することが望ましい。雰囲気保持工程は、例えば、２Ｈ2Ｏ⇔２Ｈ2＋Ｏ2からなる平衡反応（ａ）を利用する。即ち、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）を管理することで、酸化雰囲気中の酸素分圧を所望の範囲内に調整する。
この雰囲気保持工程においては、さらに二酸化炭素を使用することができる。その場合、二酸化炭素の流量比を調整することによって上記平衡反応（ａ）を調整することができる。二酸化炭素は、常温で気体であるため取り扱いが容易である。このため、分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）の制御が容易になる。
【００２４】
尚、炭素含有量の多い磁性粉末を原料として製造された圧粉磁心は、ヒステリシス損失が大きくなる。よって、磁性粉末中の炭素含有量は少ないほど良い。
二酸化炭素は、ＣＯ2＋Ｃ→２ＣＯのように炭素と反応して一酸化炭素を生じさせるため、磁性粉末中の炭素を脱炭することができる。
従って、雰囲気保持工程においてさらに二酸化炭素を使用した場合、二酸化炭素の脱炭作用によって、炭素含有量の多い安価な磁性粉末を原料として使用することができる。
【００２５】
以上より、本発明によれば、高温で酸化処理することによって粒子中の珪素の拡散速度を高めると共に、粒子周囲の酸素分圧を高めることによって、粒子表面における二酸化珪素被膜の形成速度を、従来の製造方法よりも向上させることができる。その結果、珪素含有量の少ない磁性粉末においても、その粒子の表面全体に、膜厚約１００ｎｍ以下の薄くて均一な二酸化珪素被膜を１時間程度の短時間で形成させることができる。
【００２６】
（３）圧粉磁心の製造方法
圧粉磁心は、上述のようにして製造された磁心用粉末を、成形用金型に充填する充填工程と、当該磁心用粉末を加圧成形する成形工程と、加圧成形後、非酸化雰囲気炉内において５００℃〜１０００℃で焼鈍して歪を除去する歪除去熱処理工程とを経て得られる。尚、充填工程においては、磁心用粉末に、必要に応じて適当な結合剤や潤滑剤等を添加混合したものを充填するようにしても良い。
【００２７】
本発明によって製造された磁心用粉末は、磁性粉末中の珪素含有量が０．３重量％〜１．０重量％と少ないので、材料硬度が高くなることはない。そのため、成形工程の際、特殊な高圧成形装置を使用しなくとも、通常のプレス成形装置を用いて高い成形密度を確保することができ、成形性が良く設備コストが嵩む虞もない。
【００２８】
さらに、本発明によって製造された磁心用粉末には、その粒子表面全体を覆う薄くて均一な二酸化珪素被膜が形成されており、鉄が露出した部分がない。このため、露出した鉄同士の接触による粒子間の焼結を防ぐことができる。その結果、歪除去熱処理工程では５００℃〜１０００℃という高温で処理することが可能となり、圧粉磁心の歪が十分に除去されるため、保磁力が低下し、ヒステリシス損失が低減される。
【実施例１】
【００２９】
（磁心用粉末の製造）
原料となる磁性粉末として、Ｆｅ―１重量％Ｓｉ粉末（大同特殊鋼社製水アトマイズ粉）、Ｆｅ―０．６重量％Ｓｉ粉末（エプソンアトミックス社製水アトマイズ粉）、及びＦｅ―０．３重量％Ｓｉ粉末（エプソンアトミックス社製水アトマイズ粉）を用意した。粒径は１５０μｍ以下とした。
【００３０】
室温にて、回転加熱炉内の真空排気と窒素置換とを計３回交互に行い、回転加熱炉内の空気を除いた後、水素と二酸化炭素とを所定のガス比率になるように調整し、水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）の水素分圧（ＰＨ2）に対する分圧比Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ/ＰＨ2）が−０．６２〜−４．３の範囲で磁心用粉末の製造を行った。ガスの比率は絶縁被膜（二酸化珪素被膜）形成に大きく影響するため、ガスの充填（置換）は、３０分間以上行うことが必要である。
【００３１】
回転加熱炉内の温度を５℃/分で８５０℃〜１２００℃まで昇温し、所定温度になった回転加熱炉内に上記磁性粉末を投入した。磁性粉末同士が焼結せず、均一にガスと接触するよう回転加熱炉を８ｒｐｍ〜１２ｒｐｍで回転させて１５分間〜６０分間加熱処理を行った。
【００３２】
上述のようにして、組成及び処理条件の異なる複数種の磁心用粉末を製造し、各磁心用粉末について、イオンミリングで断面を切り出し、組織観察と組成分析を行い、結晶粒径、内部酸化の有無、膜厚とその均一性、及び成分を調べた。その結果、外部酸化による膜厚１００ｎｍ程度の二酸化珪素（ＳｉＯ2）被膜の形成が確認された。
【００３３】
（圧粉磁心の製造）
上述の各磁心用粉末に０．３重量％の潤滑剤（エチレンビスアマイド、大日化学工業社製ＢＡ−５００）を添加して混合した。
金型形状は、リング状（外径φ３５ｍｍ、内径φ２７ｍｍ、厚み約５ｍｍ）とし、金型を８０℃に加熱した後、前記混合粉末を金型内に充填し、７８４ＭＰａ〜１１７６ＭＰａ（８ｔ/ｃｍ2〜１２ｔ/ｃｍ2）で加圧成形を行い、成形体を得た。
得られた成形体を真空中にて５００℃〜１０００℃で焼鈍して、上記磁心用粉末に対応する複数の試験片を得た。各試験片について、密度、圧環強度、磁束密度、交流磁束鉄損を測定した。測定値を以下の表１に示す。尚、表１中の被膜の状態の欄における○印は、均一で良好な二酸化珪素（ＳｉＯ2）被膜が形成されたことを示し、×印は、形成された二酸化珪素（ＳｉＯ2）被膜が不均一（不良）であることを示す。また、試験片Ｎｏ．１８及びＮｏ.１９は、従来の製造方法で製造されたものである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
図１には、上記表１の、試験片Ｎｏ.１〜１９に係る処理温度（℃）と分圧比（Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2））をプロットしたものが示されている。図１中の各符号１〜１９のそれぞれは、上記表１中の各試験片の番号を示す。
図１中の破線で囲まれた範囲Ａが、磁性粉末の粒子表面全体を覆う薄くて均一な二酸化珪素（ＳｉＯ2）被膜が形成される処理温度（℃）と分圧比（Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2））との範囲である。また、図１中の別の破線で囲まれた範囲Ｂは、磁性粉末の粒子内部における珪素酸化をより確実に抑えると共に、粒子表面における二酸化珪素被膜の形成をより一層促進させることができる処理温度（℃）と分圧比（Ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2））との範囲である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明したように、本発明は、圧粉磁心の材料となる磁心用粉末を製造する際に有用であり、珪素含有量の少ない磁性粉末において、その粒子の表面全体を覆う薄くて均一な二酸化珪素被膜を短時間で形成させる場合に適している。
【図１】
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