(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解析出した鉄の結晶成長方向に垂直な断面で短径が７０μｍ以上である電解鉄を、粗砕後回転式衝撃粉砕機で粉砕し、これを分級した球状の電解鉄粉を水素気流中で温度７５０°Ｃ以上、１１００°Ｃ以下で加熱して再結晶化処理することにより、電解鉄粉内の結晶粒界をなくしたことを特徴とする鉄粉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解鉄の磁気特性を保持し、かつ加圧成形あるいは射出成形に適した鉄粉を製造する鉄粉の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粉末冶金や成形体用の鉄粉の製造方法としては、以下の方法が知られている。
（１）ヘマタイトやマグネタイトといった鉄酸化物粒子を水素、一酸化炭素あるいは炭素で還元する。
【０００３】
（２）鉄の溶融体を不活性雰囲気あるいは空気中で遠心噴霧あるいは水やガスの高速流体エネルギーで噴霧する。
（３）電解鉄などの脆性材料をレイモンドミルを始めとする転動粉砕機あるいはボールミル、振動ミル、ビーズミルで、乾式または湿式のいずれかの方法で粉砕する。
【０００４】
これら以外では、カーボニル鉄の熱分解による方法があるが、工業的にはほとんど利用されていない。また、プラズマ、レーザーあるいは高温で鉄化合物を気相還元する方法は、ミクロンないしサブミクロンサイズの鉄微粒子しか得られない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
（１）の還元法には、原料に含まれる不純物が多かったり、還元が不十分で酸化物の残留量が多かったり、逆に未反応の還元剤が残留したり、あるいは還元反応を惹起するのに必要な温度により粒子間で強力なシンタリングが起こり、その結果磁気特性が低下し、あるいは成形時の鉄粉の流れ性を悪化させるという欠点がある。
【０００６】
（２）の噴霧法には、噴霧することにより粒度分布が非常に広範囲になる、噴霧された粒子内に比較的おおきな空孔が存在する、酸素含有量が予想以上に多い、急冷されることから大きい熱歪が存在する、コストが高い、成形体の密度が上がらない、期待された磁気特性が得られないなどの欠点がある。
【０００７】
（３）の粉砕法には、形状が偏平になりやすく表面積が大きくなり成形体の密度があがり難く、酸化量も多くなるという欠点に加え、湿式粉砕をした場合にはコストが大幅に上昇するという不利もある。偏平な鉄粉だとアスペクト比が大きいほど機械的な歪みが大きく、その除去には多大なエネルギーを必要とするばかりでなく粒子内の厚さ方向の結晶粒が小さいことに起因する磁気特性の欠陥が生じる。
【０００８】
本発明は、鉄粉の製造における上記問題を解決するものであって、電解鉄の磁気特性を保持し、かつ加圧成形あるいは射出成形に適した鉄粉を低コストで製造できる鉄粉の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の鉄粉の製造方法では、電解析出した鉄の結晶成長方向に垂直な断面で短径が７０μｍ以上である電解鉄を、粗砕後回転式衝撃粉砕機で粉砕し、これを分級した球状の電解鉄粉を水素気流中で温度７５０°Ｃ以上、１１００°Ｃ以下で加熱して再結晶化処理することにより、電解鉄粉内の結晶粒界をなくした鉄粉を製造する。
【００１０】
電解析出した鉄の結晶成長方向に垂直な断面で短径が７０μｍ以上である電解鉄は高純度であるので、これを使用することで、本質的に優れた磁気特性を持った鉄粉を製造できる。また、電解鉄は霜柱状の結晶が発達して電析していることから脆性で粉砕性に優れている。優れた粉砕性の電解鉄といえども直に回転式衝撃粉砕機で目的粒度まで粉砕できないので、まずジョークラッシャーやロールクラッシャーで１から２ｍｍ以下まで粗砕する。つぎに、ランナーの周速２５ｍ／ｓｅｃ以上の回転式衝撃粉砕機で粉砕し、振動篩などで適当な粒度範囲の電解鉄粉を分級、採取する。この範囲の粒度を目的として粉砕する場合は、粉塵爆発を防止するために雰囲気を不活性にする必要はない。電解鉄は短時間で粉砕できることから粉砕粒子の形状は球形に近く、それ故に表面積も偏平粉に比べて格段に小さいので酸化量が少ない。
【００１１】
少ないとはいえ粉砕時に機械的な歪みと酸化物が発生するので、これを除去するために、球状の電解鉄粉は、水素気流中で温度７５０°Ｃ以上、１１００°Ｃ以下で加熱して再結晶化処理を行い、電解鉄粉の粒子内の結晶粒界を消滅させることにより１粒子内１結晶粒の鉄粉とする。この処理により鉄粉の粒子の磁気特性が電解鉄の磁気特性とほぼ同等あるいは同等となる。
【００１２】
電解鉄粉は、温度７５０°Ｃ以上、１１００°Ｃ以下で再結晶化処理を行うことで、電解鉄粉の粒子間の焼結も生ずることなく好適な結果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
電解鉄を粗砕後回転式衝撃粉砕機で球状に粉砕し、分級して、採取した球状の電解鉄粉を水素気流中で加熱して再結晶化処理することにより電解鉄粉内の結晶粒界をなくした鉄粉を製造する。この時電解析出した鉄の結晶成長方向に垂直な断面で短径が７０μｍ以上の電解鉄を利用することは、電解鉄の良好な粉砕性を確保するうえでも、粉砕粒子の形状を球形に近似させるうえでも、粉砕後の電解鉄粉を再結晶化処理により１粒子内１結晶粒とするうえでも、さらには粉砕粒子内にクラックが入らないようにするうえでもまず第一に考慮すべき要因である。粉砕粒子内にクラックが入ると、１粒子内１結晶粒は実現できない。
【００１４】
結晶の短径が７０μｍ未満であると、硫酸法の場合には硫黄、炭素等の不純物が増加して電解鉄の純度が低下する。これは磁気特性を悪化させる。また７０μｍ未満であると、粉砕粒子が”うどん状”に細長くなったり、あるいは”クロワッサン”状にまるまった粒子が多く出現し、磁気特性の劣化ばかりでなく、成形体の密度が上がらないという重大な欠陥を招来する。
【００１５】
電解鉄を球状に破砕するには表面粉砕機構の粉砕機は不適で、体積粉砕機構の粉砕機が適している。表面粉砕は磨砕であることから粉砕粒子の形状は球形になりにくいが、体積粉砕は衝撃、衝突粉砕であることから粉砕粒子の形状は球形、立方体、直方体に近いもの多くなる。しかし、衝撃力限界値以下であると被粉砕物がアスペクト比の大きい粒子すなわち偏平粒子になりやすい。衝撃粉砕機としては、流体エネルギーミル、回転式粉砕機、スタンプミルが挙げられる。流体エネルギーミルは微粉砕向きで、スタンプミルは偏平粒子となりやすいことから、本発明に適してしない。回転式衝撃粉砕機が粉砕能力、粗粉砕から微粉砕まで機種が揃っていることから好ましく、その衝撃力はランナーの径と回転数で与えられる周速度を調節することにより可変である。
【００１６】
回転式衝撃粉砕機で衝撃粉砕後、粉砕粒子から適当な粒度範囲の粒子を分級、採取する。好ましくは、７０μｍ以上２５０μｍ以下である。７０μｍ未満の粒子は、保磁力など磁気特性が低下するばかりでなく成形体の密度が上がらず、鉄粉の取扱い時に発塵し易いという問題が発生する。反対に３００μｍ以上では粉体の流れ性が悪くなりハンドリングが困難になる。
【００１７】
採取された電解鉄粉は、機械的な歪みと酸化物を除去するために、水素気流中で温度７５０°Ｃ以上、１１００°Ｃ以下で再結晶化処理を行う。粉砕時の雰囲気をアルゴン、窒素とすることにより粒子表面の酸化を回避することは可能である。しかし、粉塵爆発の危険が皆無である粒子範囲の粉砕では、酸化防止と酸化物の還元除去のコスト比較で雰囲気調整の可否が決定される。明らかに粉砕中に生成する酸化物を還元除去するコストの方が安価である。再結晶化処理時の温度は機械的な歪みの大きさに依存し、それに必要な温度であれば水素による酸化物の還元除去には十分な温度である。
【００１８】
再結晶化処理時の温度は、７５０°Ｃ以上、１１００°Ｃ以下とする。さらには、９００°Ｃ以上、１０３０°Ｃ以下がより好ましい。７５０°Ｃ未満では粒子内の結晶粒界の消滅、即ち再結晶化が起こらず、粉砕により発生した磁気特性の低下の回復が起こらない。再結晶化処理炉の耐熱性があれば９００°Ｃ以上の温度で熱処理を行って処理時間の短縮を図ることがコスト、生産性の点から肝要である。一方１１００°Ｃ以上の温度では、電解鉄粉の粒子間でのシンタリングが強く、電解鉄粉を一次粒子まで分離する”ほぐし”が困難になる。
【００１９】
【実施例】
〔実施例１〕
第一硫酸鉄（ＦｅＳＯ４  ／７Ｈ２  Ｏ）１５０ｇ／ｌ、硫酸アンモニウム（ＮＨ４  ）２  ＳＯ４  １２０ｇ／ｌを含む硫酸浴で、浴温度５０°Ｃ、極間電圧１Ｖ、電流密度０．９Ａ／ｄｍ２  、陽極として乾式純鉄、陰極として特殊ステンレス板を使用して電解を２週間行い２トンの電解鉄を得た。電力消費は１ｋＷｈ／ｋｇＦｅ、鉄純度は９９．９％であった。陰極板から電解鉄を剥離させるとき、極板の周辺部に電析した大きく結晶成長した部分から２００ｋｇのサンプルを採取した。そのサンプルの結晶成長方向に垂直な面の短径を走査型電子顕微鏡で観察し、８０から１００μｍであることを確認した。
【００２０】
２００ｋｇのサンプル全量をロールクラッシャーにかけて１０ｍｍ以下に粗砕し、ついでロッドミルで０．７ｍｍ以下に粉砕し、さらに回転式衝撃粉砕機（サンプルミル：ホソカワミクロン製、ＡＰＳ型、ランナー径１２７ｍｍ、回転数１２００ｒｐｍ）で２回粉砕した。粉砕物を振動篩で分級し、７５μｍ（２００メッシュ）から２５０μｍ（６０メッシュ）の電解鉄粉を採取した。収率は４８％であった。
【００２１】
この電解鉄粉を走査型電子顕微鏡で観察した結果、その粒子はほとんどが球形、立方体、直方体状で細長いものや偏平のものは見当たらなかった。粒子構造を観察した走査型電子顕微鏡写真（倍率１００倍）を図１に示す。
【００２２】
分級した電解鉄粉３ｋｇを水素雰囲気熱処理炉に入れ、水素を２．４ｌ／分で流しながら、９００°Ｃまで２時間で昇温し、その温度に２時間保持したのち、その温度から６００°Ｃまで２°Ｃ／分で冷却する熱処理を行い、水素量を１ｌ／分にしてから炉を開放して室温まで冷却した。熱処理をした鉄粉を乳鉢で軽くほぐした後、エポキシ樹脂に埋め込み、エメリーペーパーで研磨後、アランダムでバフ研磨してから硝酸・イソプロピルアルコール混液（１＋９）で９０秒エッチングして光学顕微鏡で粒子内の結晶粒を観察した結果、結晶粒界は見られなかった。結晶構造の光学顕微鏡写真（倍率３００倍）を図２に示す。
【００２３】
〔比較例１〕
実施例１と同様の装置、原料を使用し、熱処理温度を７００°Ｃとした以外は全て実施例１と同様の操作を行った。
【００２４】
同様にエッチング後、光学顕微鏡で粒子内の結晶粒を観察した結果、結晶粒界が見られた。結晶構造の光学顕微鏡写真（倍率３００倍）を図３に示す。
〔比較例２〕
実施例１と同様の装置、原料を使用し、熱処理温度を１２００°Ｃとした以外は全て実施例１と同様の操作を行った。冷却後取り出したものは、焼結が著しくほぐすことができなかった。
【００２５】
〔比較例３〕
実施例１で電解した陰極板の中心部から電解鉄２００ｋｇを採取し、粉砕、分級、熱処理を実施例１と同様に操作した。
【００２６】
熱処理に先立って粉砕した電解鉄粉の結晶成長方向に垂直な面の短径を走査型電子顕微鏡で観察した結果は、５０から８０μｍであった。
熱処理冷却後のサンプルをエッチングしてから光学顕微鏡で粒子内の結晶粒を観察した結果、結晶粒界が見られた。結晶構造の光学顕微鏡写真（倍率３００倍）を図４に示す。
【００２７】
このように、結晶の短径が結晶成長方向に垂直な断面で７０μｍ以上である電解鉄を粗砕後回転式衝撃粉砕機で粉砕し、分級して採取した球状の電解鉄粉を水素気流中で加熱して再結晶化処理することにより、電解鉄粉内の結晶粒界をなくして、磁気特性が優れ、加圧成形あるいは射出成形に適した鉄粉を低コストで製造できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉄粉の製造方法では、結晶の短径が結晶成長方向に垂直な断面で７０μｍ以上である電解鉄を粗砕後回転式衝撃粉砕機で球状に粉砕し、分級して球状の電解鉄粉を水素気流中で熱処理することにより、粒子内に結晶粒界が存在せず磁気特性が優れ、加圧成形あるいは射出成形に適した鉄粉が低コストで製造できる。その結果磁気特性に優れた電気部品や、より小型化された電気部品の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の粉砕、分級後の電解鉄粉の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例１の熱処理後の鉄粉の結晶構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図３】比較例１の熱処理後の鉄粉の結晶構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図４】比較例３の熱処理後の鉄粉の結晶構造を示す光学顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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