(57)【要約】【課題】  本発明は、磁束密度が高く、鉄損の少ない圧粉磁心の圧粉成形体を安価に提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の圧粉磁心は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末の表面に、フッ化物を含有する絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、絶縁層に、粒状のフッ化物と、鉄酸化物からなる剥離体と、が混在しており、フッ化物がフッ化マグネシウムであり、鉄酸化物がマグネタイト又はフェライト或いはそれらの混合物であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末の表面に、フッ化物を含有する絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、
前記絶縁層に、粒状のフッ化物と、鉄酸化物からなる剥離体と、が混在していることを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
前記鉄酸化物は、マグネタイト又はフェライト或いはそれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項３】
前記鉄酸化物の一部に金属鉄を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項４】
前記フッ化物が、フッ化マグネシウムであることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項５】
前記剥離体が、繊維状であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項６】
前記鉄酸化物の長辺長さが、前記フッ化物の平均粒径長さの２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧粉磁心。
【請求項７】
鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末の表面に、フッ化物を含有する絶縁層を形成したものを圧縮して成形する圧粉磁心製造方法において、
前記絶縁層を形成する際に、前記鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末に、一定の圧力を与えながら処理液を塗布及び乾燥させることを特徴とする圧粉磁心製造方法。
【請求項８】
前記圧力が、前記鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末表面の自然酸化膜を剥離させる以上の強さであることを特徴とする請求項７に記載の圧粉磁心製造方法。
【請求項９】
前記フッ化物塗布液に、鱗片状の鉄酸化物粉または鉄薄片を混合させ、鉄表面に塗布及び乾燥させて定着させることを特徴とする請求項７に記載の圧粉磁心の製造方法。
【請求項１０】
鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末の表面に、フッ化物を含有する絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、
前記絶縁層が、フッ化物と、鱗片状の鉄酸化物と、を有することを特徴とする圧粉磁心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄元素を含んだ磁性粉を圧縮成形することにより製造される圧分磁心に係り、特に回転電機，リアクトルなどの電機部品に用いるに好適な圧粉磁心に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題の観点から、電気自動車が注目されている。電気自動車は、動力源として回転電機を、またインバータ回路出力には平滑トランスを備えており、これら部品の効率向上が求められている。これに用いる磁心は低鉄損で、かつ、高磁束密度であることは勿論のこと、それらの磁気特性が低周波から高周波の領域においても低下しないことが求められている。
【０００３】
鉄損には、磁心の比抵抗と関係の大きい渦電流損と、鉄粉の製造の過程およびその後のプロセス履歴から生じる鉄粉内の歪に影響を受けるヒステリシス損とがある。そして、鉄損（Ｗ）は下記（式１）のように渦電流損（Ｗｅ）とヒステリシス損（Ｗｈ）の和で示すことができる。（式１）中、ｆは周波数、Ｂｍは励磁磁束密度、ρは比抵抗、ｔは材料の厚さ、ｋ1とｋ2は係数である。
【０００４】
Ｗ＝Ｗｅ＋Ｗｈ＝（ｋ1Ｂｍ2ｔ2／ρ）ｆ2＋ｋ2Ｂｍ1.6ｆ      ・・・（式１）
【０００５】
（式１）から、渦電流損（Ｗｅ）は周波数ｆの二乗に比例して大きくなるので、特に、高周波での磁気特性を低下させないためには、その渦電流損（Ｗｅ）の抑制が不可欠である。圧粉磁心の渦電流の発生を抑えるためには、用いる磁粉のサイズを最適化し、かつ、磁粉一つ一つの表面に絶縁膜を形成させ、その磁粉を用い圧縮成形した圧粉磁心を用いる必要がある。
【０００６】
このような圧粉磁心において、絶縁が不十分であると比抵抗ρが低下して、渦電流損（Ｗｅ）が大きくなる。一方、絶縁性を高めるために絶縁被膜を厚くすると、磁心中の軟磁性粉の占める容積の割合が低下し、磁束密度が低下する。また、磁束密度を向上させるために、軟磁性粉の圧縮成形を高圧で行って、軟磁性粉の密度を増加させると、成形時の軟磁性粉の歪が避けられず、ヒステリシス損（Ｗｈ）が大きくなるため、結果として鉄損（Ｗ）の抑制は難しい。特に、低周波領域においては渦電流損（Ｗｅ）が小さいため、鉄損（Ｗ）中のヒステリシス損（Ｗｈ）の影響が大きくなる。
【０００７】
このような課題に対しこれまで鉄又は鉄を主成分とする合金粉末（以降鉄粉とする）の表面にフッ化物絶縁コートを施すことで、粒子間の絶縁を確保し、磁心全体の比抵抗を増加させることでマクロな渦電流損失を低下させる手法が提示されてきた。特許文献１には、フッ化物絶縁コートが、高温での成形体熱処理を行っても比抵抗低下が少ないことが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１６６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
絶縁コート膜としてのフッ化物自体は融点が１０００℃以上であり、５００〜６００℃で分解するリン酸塩と異なり、高温において高抵抗である。しかし、温度上昇に伴い比抵抗は、低下割合は小さいものの減少する。また圧縮に伴い同様に比抵抗低下することから、絶縁膜破壊など、欠陥部を通じた伝導現象が懸念されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧粉磁心は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末の表面に、フッ化物を含有する絶縁層を形成したものを圧縮して成形した圧粉磁心において、絶縁層が、フッ化物と鱗片状の鉄酸化物とを有することを特徴とする。より具体的には、絶縁層に主に粒状のフッ化物と鉄酸化物からなる剥離体とが混在していることを特徴とする。
【００１１】
また、鉄酸化物は主にマグネタイト又はフェライト或いはそれらの混合物であり、鉄酸化物の一部に金属鉄を含むことを特徴とする。
【００１２】
さらに、フッ化物がフッ化マグネシウムであることを特徴とする。
【００１３】
また、剥離体が、鱗片状又は繊維状であることを特徴とし、鉄酸化物の長辺長さがフッ化物の平均粒径長さの２倍以上あることを特徴とする。
【００１４】
次に、本発明の圧粉磁心製造方法は、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末の表面に、フッ化物を含有する絶縁層を形成したものを圧縮して成形する圧粉磁心製造方法であって、絶縁層を形成する際に、鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末に一定の圧力を与えながら処理液を塗布及び乾燥させることを特徴とする。
【００１５】
また、圧力が前記鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末表面の自然酸化膜を剥離させる以上の強さであることを特徴とする。
【００１６】
さらに、塗布液に、鱗片状の鉄酸化物粉または鉄薄片を混合させ、鉄表面に塗布及び乾燥させて定着させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、高密度かつ高抵抗で、磁気特性に優れた圧粉磁心を提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者らの継続検討の結果、フッ化物絶縁圧粉磁心比抵抗には成形圧依存があり、たとえば高磁束密度の実現のため、成形圧を増加させると比抵抗が低下し、結果として渦電流損失増大を招くことがわかった。具体的には、平均圧力１ＧＰａでは０.１ｍΩ・ｍ以上あった比抵抗が、成形圧１.５ＧＰａでは０.０４ｍΩ・ｍと低下してしまうのである。このため、１.５ＧＰａで成形した試料は渦電流損失が２倍に増大した。
【００１９】
以下、本発明の実施例に基づき詳細に説明する。
【００２０】
（実施例１）
本発明において、フッ化物は、アルコールをベースとしフッ化マグネシウムゲルを分散させた処理液を当初ビーカ中で、薬さじを用い解砕しながら添加及び乾燥させて塗布していた。ＭｇＦ2塗布の場合、Ｍｇ原料はＭｇ（ＣＨ3ＣＯＯ）2・４Ｈ2Ｏを用いて処理液を作製した。これらの処理を、以下に示す。
【００２１】
［試料形成］
（１）原料鉄粉１００ｇに対して２０mLのＭｇＦ2処理液を用意した。
（２）ロータリエバポレータを用いて、容量１Ｌのフラスコに、膜厚１５０nm相当となるＭｇＦ2処理液と、ガスアトマイズ鉄粉１００ｇと直径５mmのガラスビーズ１００ｇを投入し、１００Ｐａまで減圧して毎分１４０回転で回転させて１.５ｈ乾燥処理を行った。
（３）（２）の溶媒の除去を行った鉄粉を石英製ボートに移し、５×１０-5torrの減圧下で２００℃、３０分と３５０℃、３０分の熱処理を行って原料鉄粉を作製した。
（４）さらにこの処理鉄粉に減圧下で６００℃、６０分の予備熱処理を行った。
（５）（４）で熱処理した鉄粉を、超硬型を用い外径２５mm内径１５mmのリング試料を圧縮により形成した。厚さは４mmで本試料は磁束密度と保磁力の磁気測定用である。
（６）（５）で形成した鉄粉を直径１１.３mmの円柱型を用い、圧縮により厚さ２mmの円柱試料を作製した。成形圧力は１.０〜１.５ＧＰａとした。本試料は比抵抗値測定用である。
（７）（６）で形成した試料を６００℃で５×１０-5torrの減圧下で熱処理を施した。
【００２２】
（比較例１）
［試料形成］
（１）原料鉄粉４０ｇに対して８mLのＭｇＦ2処理液を用意した。これは粒径１００μｍでコート厚１４０nmに相当する。膜厚は鉄粉量増加で薄膜側，処理液複数回塗布で厚い側を作製した。処理液添加し、鉄粉全体が濡れるのが確認できるまで混合した。
（２）（１）の処理鉄粉を２〜５torrの減圧下で溶媒のメタノール除去を行った。
（３）（２）の溶媒の除去を行った鉄粉を石英製ボートに移し、５×１０-5torrの減圧下で２００℃、３０分と３５０℃、３０分の熱処理を行って原料鉄粉を作製した。
【００２３】
その後は、実施例１と同様の条件で予備熱処理や熱処理，磁気測定用のリング試料作製及び比抵抗値測定用の円柱試料を作成した。
【００２４】
［比抵抗測定］
比抵抗測定は４端子法を用いた。
【００２５】
リング試料は１次巻線１５０ターン，２次巻線２０ターンを行い、ＤＣで１００００Ａ／ｍ励磁時の飽和磁束密度Ｂと４００HzでＢを１Ｔまで励磁したときのヒステリシスループから損失Ｗを求めた。その結果を表１に示す。成形圧１.５ＧＰａで作製した実施例１の損失Ｗは、４５Ｗ／kgであり、成形圧１.５ＧＰａで作製した比較例１の損失Ｗは、６０Ｗ／kgと比較して良好であった。
【００２６】
ここで、図１に、実施例１の条件で作製した試料と、従来法である比較例１に相当する標準処理（手塗り）で作製した試料とにおける成形圧と比抵抗の関係を示す。比較例１では成形圧の上昇に伴い比抵抗値が低下する。これに対し、ロータリエバポレータを用いた実施例１の試料は、１.０ＧＰａでは０.０６ｍΩ・ｍと従来法より低いものの、成形圧が変化しても比抵抗値の変動は無く、１.５ＧＰａでは従来法である比較例１の比抵抗値より高い結果となった。これより、本実施例の試料では、密度が成形圧の上昇に伴って、比抵抗が低下しないことがわかる。
【００２７】
また、図２には、実施例１の条件で作製した試料と、従来法である比較例１に相当する標準処理（手塗り）で作製した試料とにおける密度の成形圧依存性を示す。いずれの試料も成形圧増加により密度増加しており、図１の成形圧１.５ＧＰａにおける比抵抗の逆転現象は、塗布方法の変更による性能向上であることがわかる。
【００２８】
図３は、従来法により形成したフッ化マグネシウムコート層の断面ＴＥＭ観察結果である。図３の左図の明視野像から、フッ化物層は粒状のフッ化物よりなっていることがわかる。ＥＤＸ組成分析より、鉄はフッ化物層内には存在しないことがわかる。また、酸素は鉄表面にのみ存在し、これは鉄粉の自然酸化物Ｆｅ2Ｏ3であることが電子線回折よりわかっている。粒径はおおむね１０〜１００nmで分布しており、電子線回折結果よりＭｇＦ2単層であることがわかった。
【００２９】
図４は、ロータリエバポレータにより、ガスアトマイズ粉への塗布，乾燥した直後のＭｇＦ2の形態をＳＥＭ観察したものである。球形の鉄粉上に鱗片状のコート層が形成されていることがわかる。
【００３０】
図５は本発明に係る実施例のフッ化マグネシウムコート層の断面ＴＥＭ観察結果である。明視野像はあきらかに従来法と異なり、繊維状の形状が観察される。また、粒状の結晶も観察される。ＥＤＸ組成分析結果から、今回は鉄，酸素ともフッ化マグネシウム層内に分布していることがわかった。また、マグネシウムの分布も層内全体に均一化している。電子線回折結果から、この繊維状のものはＦｅ3Ｏ4であることがわかった。繊維状ではあるが、濃淡をもって広がっていることから、これは薄片の断面をみていると考えられる。その他に粒状のＭｇＦ2も存在する。この構造の由来は以下と推定できる。
【００３１】
ロータリエバポレータ内では、ガラスビーズにより鉄粉は管壁にすりつけられる。このとき自然酸化膜と、おそらく金属鉄もはがされ、鱗片状に部分的に剥離し、鉄粉本体との間に隙間ができる。ここへ処理液が入り込み、そのまま乾燥すると鱗片状の鉄粉と金属鉄，Ｆｅ2Ｏ3の混じった表面層ができる。エバポレータ内部は減圧下で、アルコールが還元性であるので酸化はない。ここで、試料を取り出し、成形するとこの構造のまま圧縮される。歪取り熱処理の際、Ｆｅ2Ｏ3は還元されてＦｅ3Ｏ4となるか、あるいは金属鉄がアルコールから揮発する水から酸素をとって酸化される。この断面を観察するので、上記繊維状の酸化物が残留する。なお、工程の選択により、Ｆｅ3Ｏ4のほか剥離したＦｅ2Ｏ3およびＦｅがそのまま残留する場合もあった。
【００３２】
本方法によれば、フッ化マグネシウムを層内に均一に分布させることができ、圧縮による絶縁層の形状変化が小さいので、耐圧縮性に優れていると考えられる。
【００３３】
なお、上記構造の成立にはロータリエバポレータの使用が必須ではなく、圧力を与えながら処理できる装置、例えば減圧可能なコンクリートミキサーのようなものでも使用は可能である。
【００３４】
また、フッ化物絶縁物としてはＭｇＦ2のほか、ＣａＦ2，ＮｄＦ3などアルカリ土類金属，希土類金属フッ化物でも利用できる。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
（実施例２）
実施例２では、以下に記載する点を除き、実施例１と同様の手法で鉄粉を作製した。平均粒径１５０nmのガスアトマイズ鉄粉１００ｇに直径５mmのガラスビーズ１００ｇを混ぜ、フラスコに入れた。これにＭｇＦ2処理液を３００nm相当の量を添加し、１００Ｐａ、毎分１４０回転で回しながら１.５時間乾燥させた。乾燥後６００℃、１ｈの真空熱処理を行って原料鉄粉を製作した。これを平均圧力１.５ＧＰａで円柱試料を形成し、比抵抗測定した。図１の例と比較すると、比抵抗は０.１１ｍΩ・ｍと大きくなった。密度は７.５５Ｍｇ／ｍ3であり、比較例１の値よりおおきい。１.５ＧＰａで、リング試料製作し、比較したところ、１０kA／ｍ励磁でのＢは比較例１の１.４Ｔに対し１.５Ｔと大きくなった。損失値は手塗りが６０Ｗ／kgであるのに対し、３５Ｗ／kgと小さくなった。比較例１と実施例２での円柱試料の分析により膜厚は、従来例の１５０nmに対し、実施例では１２５nmと薄くできている。投入量３００nmが仕上がりで１／３になったのは、ガラスビーズへのＭｇＦ2付着による膜厚減少による。また、鱗片状の鉄酸化物が同様に観察された。飽和磁束密度Ｂが高いのは薄い膜厚によると考えられる。また、薄い膜厚でも比抵抗が高い理由は、先に示したＭｇＦ2均一化と鉄酸化物による鉄粉の接触遮断によると考えられる。
【００３７】
（実施例３）
実施例３では、以下に記載する点を除き、実施例１と同様の手法で鉄粉を作製した。
【００３８】
平均粒径１５０nmのガスアトマイズ鉄粉１００ｇをフラスコに入れた。これにＭｇＦ2処理液を１５０nm相当の量を用意した。別途大気中で粒径１００nmの水アトマイズ鉄粉を６時間ボールミルを行い、開口５μｍのふるいを通過した厚さ０.５μｍの鉄酸化物のフレーク０.１ｇを準備した。これを処理液に添加しよく攪拌したのちフラスコに添加、１００Ｐａ、毎分１４０回転で回しながら１.５時間乾燥させた。乾燥後６００℃、１ｈの真空熱処理を行って原料鉄粉を製作した。これを平均圧力１.５ＧＰａで円柱試料を形成し、比抵抗測定した。比抵抗は０.０８ｍΩ・cmと大きくなった。密度は７.５０Mg／ｍ3であり、１.５ＧＰａで、リング試料製作し、比較したところ、１０kA／ｍ励磁でのＢは比較例１の１.４Ｔに対し１.４５Ｔと大きくなった。ここで、損失Ｗは比較例１の手塗りが６０Ｗ／kgであるのに対し、実施例３における試料の損失Ｗは４４Ｗ／kgと小さい。今回ガラスビーズを投入していないが比抵抗増加したのは、鉄酸化物の効果と考えられる。
【００３９】
（実施例４）
実施例４では、以下に記載する点を除き、実施例１と同様の手法で鉄粉を作製した。具体的には、平均粒径１５０nmのガスアトマイズ鉄粉１００ｇに直径５mmのガラスビーズ１００ｇを混ぜ、フラスコに入れた。これにＭｇＦ2処理液を３００nm相当の量を添加し、１００Ｐａで回転数を毎分１０から２００回転と変えて１.５時間乾燥させる実験を行った。乾燥後６００℃、１ｈの真空熱処理を行って原料鉄粉を製作した。これを平均圧力１.５ＧＰａで円柱試料を形成し、比抵抗測定した。
【００４０】
図６に回転数と成形体比抵抗の関係を示す。比抵抗の小さい回転数１０および５０回転では比抵抗は０.０１ｍΩ・ｍで小さく、また、構造観察からは鱗片状の酸化物は観察されなかった。それ以上では比抵抗は増加し、構造から鱗片状酸化物が観察できた。２００回転では比抵抗は高いものの、１００回転の試料より低下した。構造からは鱗片状酸化物は形成はされたものの量は少なく、また絶縁層全体の膜厚分布が大きかった。これは、ビーズと鉄粉が同時に回転したため、衝撃が低下し、塗布も不均一になったことによる。
【００４１】
（実施例５）
実施例５では、以下に記載する点を除き、実施例１と同様の手法で鉄粉を作製した。平均粒径７０nmのガスアトマイズ鉄粉１００ｇに直径５mmのガラスビーズ１００ｇを混ぜ、フラスコに入れた。これにＭｇＦ2処理液を標準処理で３００nm相当の量を添加し、１００Ｐａ、毎分１４０回転で回しながら１.５時間乾燥させた。乾燥後６００℃、１ｈの真空熱処理を行って原料鉄粉を製作した。これを平均圧力１.５ＧＰａで円柱試料を形成し、比抵抗測定した。比抵抗は０.０８ｍΩ・ｍと大きくなったが粒径１５０nmの場合より低下している。
【００４２】
構造観察からは、鱗片状酸化物は粒子に近くなっている。これは粒径低下に伴い、鉄粉の曲率半径が小さくなって粉砕されやすくなったことによる。ここで、実施例５の飽和磁束密度Ｂは１.５０Ｔであり、損失Ｗは４０Ｗ／kgであり、いずれも比較例１の場合と比較して良好であった。
【００４３】
（実施例６）
実施例６では、以下に記載する点を除き、実施例１と同様の手法で鉄粉を作製した。平均粒径４０nmのガスアトマイズ鉄粉１００ｇに直径５mmのガラスビーズ１００ｇを混ぜ、フラスコに入れた。これにＭｇＦ2処理液を標準処理で３００nm相当の量を添加し、１００Ｐａ、毎分１４０回転で回しながら１.５時間乾燥させた。乾燥後６００℃、１ｈの真空熱処理を行って原料鉄粉を製作した。これを平均圧力１.５ＧＰａで円柱試料を形成し、比抵抗測定した。比抵抗は０.０２ｍΩ・ｍと比較例１より低下した。
【００４４】
構造観察からは、鱗片状酸化物は存在するが、ＭｇＦ2粒子より細かい粒子に近くなっている。これは粒径低下に伴い、鉄粉の曲率半径が小さくなって粉砕されやすくなったことによる。
【００４５】
図７に鱗片の長さと比抵抗で整理した関係を示す。酸化物混合が十分効果を発揮するのは、平均鱗片長は１００nm以上であり、これはＭｇＦ2の平均粒径５０nmの２倍にあたる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ロータリエバポレータと手塗りによるフッ化マグネシウムコート圧粉磁心の比抵抗と成形圧の関係。
【図２】ロータリエバポレータと手塗りによるフッ化マグネシウムコート圧粉磁心の密度と成形圧の関係。
【図３】比較例１の断面ＴＥＭ解析。
【図４】ロータリエバポレータ塗布鉄粉のＳＥＭ像。
【図５】ロータリエバポレータ塗布鉄粉成形体の断面ＴＥＭ解析。
【図６】ロータリエバポレータ回転数と成形体比抵抗の関係。
【図７】鉄酸化物長さと成形体比抵抗の関係。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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