(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気焼鈍が不要で、安価な手段で磁性粉を絶縁し、簡単な処理の連続で製造可能なうえ、形状と大きさに制約がなく、磁束密度と機械的強度と絶縁性が増大する圧粉磁心の製造方法を提供する。【解決手段】圧粉磁心の原料である金属ないしは合金からなる磁性粉に、熱分解で絶縁性の金属酸化物を析出する有機金属化合物を吸着させる。次に、磁性粉の集まりを金型に充填し、金型を昇温して有機金属化合物を熱分解させ、磁性粉の表面に金属酸化物の微粒子の集まりを析出させる。さらに、磁性粉の集まりに、金属酸化物の微粒子の破壊が終了するまで、徐々に増大する圧縮応力を連続して加える。これらの処理を連続して実施し、金型内に圧粉磁心を製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧粉磁心の製造方法は、熱分解で絶縁性の金属酸化物からなる微粒子を析出する有機金属化合物を、アルコールに分散してアルコール分散液を作成する、この後、前記金属酸化物の微粒子より硬度が高い第一の性質と、前記金属酸化物の微粒子の大きさより平均粒径が３桁大きい第二の性質とを兼備する金属ないしは合金からなる磁性粉の集まりを、前記アルコール分散液に混合して懸濁液を作成する、さらに、前記懸濁液を金型に充填し、該金型を前記有機金属化合物が熱分解する温度に昇温し、この後、室温に戻す、さらに、前記金型内の磁性粉の集まりに、前記磁性粉の表面に析出した金属酸化物の微粒子の破壊が終了するまで、徐々に増大する圧縮応力を連続して加える、これによって、前記金型内に圧粉磁心が製造される、圧粉磁心の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載した圧粉磁心の製造方法は、前記磁性粉がアトマイズ純鉄粉、還元鉄粉ないしはアトマイズ合金粉である、請求項１に記載した圧粉磁心の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載した圧粉磁心の製造方法は、前記有機金属化合物が、カルボン酸におけるカルボキシル基を構成する酸素イオンが、金属イオンに配位結合したカルボン酸金属化合物である、請求項1に記載し圧粉磁心の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載した圧粉磁心の製造方法は、前記金属酸化物が、酸化銅ＣｕＯないしは酸化亜鉛ＺｎＯからなるいずれかの金属酸化物である、請求項1に記載した圧粉磁心の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼鈍処理を不要とする圧粉磁心の製造方法である。つまり、圧粉磁心の原料である金属ないしは合金からなる磁性粉に、熱分解で絶縁性の金属酸化物を析出する有機金属化合物を吸着させる。次に、磁性粉の集まりを金型に充填し、金型を昇温して有機金属化合物を熱分解させ、磁性粉の表面に金属酸化物の微粒子の集まりを析出させる。さらに、磁性粉の集まりに、金属酸化物の微粒子の破壊が終了するまで、徐々に増大する圧縮応力を加える。これらの処理を連続して実施することで、金型内に圧粉磁心を製造する。
【背景技術】
【０００２】
圧粉磁心は、表面を絶縁化させた磁性粉を圧縮成形し、圧縮成形による磁性粉の加工歪を、還元雰囲気で磁気焼鈍して製造される。この圧粉磁心は、モータにおけるステーターやローターを構成する磁心、電源回路におけるリアクトルやノイズフィルターやチョークコイルなどを構成する磁心として用いられている。このような磁心に、絶縁層を介して電磁鋼板を積層した積層電磁鋼板磁心、断面が四角形からなる角型や断面が円からなるリングからなるフェライト磁心、表面を絶縁化させた磁性粉を圧縮成形した圧粉磁心の３種類の磁心がある。圧粉磁心は積層電磁鋼板磁心に比べて、１．磁性粉の高抵抗化が可能であるため、高周波領域まで磁気特性が安定し、磁心の発熱や渦電流損失が少ない、２．磁気ギャップが不要になるため、磁歪による騒音や漏洩磁束による誤動作がない、３．形状の自由度が高く、電磁鋼板の積層ではできない３次元形状の加工が容易である、４．打抜きの残材がないため材料の歩留まりが高く、廃棄物が少ない、５．粉砕が可能であるため、銅線との分離が容易でリサイクル性に優れる、などの特徴を有する。また、圧粉磁心は飽和磁束密度が低いフェライト磁心に比べ、１．磁束密度が高いため大電流を流しても磁気飽和せず、磁気素子としての機能が発揮できる、２．磁気キュリー点がフェライトより高く、高温においても磁気特性が安定する、３．磁性粉の加圧成形で製造するため、焼結で製造するフェライトより寸法変化が少なく、金型の設計が容易になり、また、成形後の機械加工が不要になる、などの特徴を有する。
【０００３】
圧粉磁心は前記した優れた特徴を持つが、圧粉磁心の用途をさらに拡大するには、製造コストを大幅に下げる、新たな製造方法を実現することが課題になる。つまり、最も多くの製造コストを占める焼鈍処理が不要な製造方法を実現することが、第一の課題である。次に多くの製造コストを占める磁性粉の絶縁化の製造コストを下げることが、第二の課題である。つまり、安価な材料を用い、極めて簡単な処理によって、磁性粉を絶縁化させる新たな製造方法を実現することである。こうした新たな製造方法で製造した圧粉磁心が、従来の製造方法で製造した圧粉磁心と比べ、１．圧縮成形体の高密度化で磁束密度がさらに増大し、２．磁性粉の絶縁性の増大で渦電流損失がさらに低減し、３．磁性粉の加工歪みが存在せず、ヒステリシス損失がさらに低減する、などの作用効果が付加的にもたらされれば、圧粉磁心が汎用的な部品として、新たな用途に使用される。
いっぽう、圧粉磁心の多くの課題は、磁性粉を絶縁化させる手段に関わる。しかしながら、絶縁化の課題を同時に解決するには困難を伴う。例えば、成形時に印加する圧力を増大させると、成形体の磁束密度と機械的強度とが増大するが、磁性粉に加工歪が残り、成形体のヒステリシス損失が増大する。このため、焼鈍によって磁性粉の加工歪を除去することが必須になる。しかし、多くの絶縁物は、焼鈍が６００℃以上の温度を超えると、絶縁物が熱分解あるいは変質して、磁性粉の絶縁性が確保できないという問題をもたらす。
従って、磁性粉の集まりを加圧成形する際に、絶縁層が剥がれず、６００℃以上の高温でも熱分解あるいは変質しない絶縁物を、磁性粉の表面全体に強固に固着させることが必要になる。このような取り組みとして、例えば、特許文献１に、アトマイズ鉄粉ないしはアトマイズ合金粉の表面に酸化物の層を積極的に形成し、その上にアルミナゾル、シリカゾル、チタニアゾルや金属アルコキシド溶液を吸着させ、７５０℃以上の不活性ガスや還元性ガスの雰囲気で熱処理して、アトマイズ粉の表面に形成した酸化物の層と後処理で形成した絶縁物の層とを反応させる技術が開示されている。特許文献２には、鉄粉の表面にフッ化マグネシウムＭｇＦ２になる原料を塗布し、５×１０−５Ｔｏｒｒの減圧下で６００℃の熱処理を行い、鉄粉の表面にＭｇＦ２の絶縁層を形成した事例が記載されている。
しかしながら、特許文献１−２に記載された方法では、特殊な薬品を用い、特殊な環境下で絶縁層を形成するため、絶縁層の形成が圧粉磁心の製造コストを増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９４２７３号公報
【特許文献２】特開２００８−２６２９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
いっぽう、絶縁化された磁性粉の集まりを圧縮成形する際に、絶縁物が次の２つの性質を持てば、３段落に記載した第一の課題が解決され、合わせて、３つの作用効果が付加的にもたらされる。第一に、加圧成形時に絶縁物が優先して破壊する。これによって、破壊された絶縁物が圧縮成形体の空孔を埋め、成形体の密度が高まる。また、磁性粉に加工歪が発生しない。この結果、磁気焼鈍処理が不要になり、圧縮成形体の絶縁性が高まり、磁性粉のヒステリシス損失が発生しない。第二に、絶縁物が微粒子で、微粒子が成形体に占める体積割合を１％以下とし、また、微粒子の硬度が磁性粉の硬度より低い。これによって、圧縮成形時に微粒子の破壊が連続して進み、空孔が微細になった微粒子で埋められ、微粒子が成形体に占める割合が１％以下になり、磁性粉の表面が絶縁物の微粒子の集まりで覆われる。この結果、圧縮成形体の密度が磁性粉の密度に近づき、磁性粉の絶縁性が増大する。これによって、３段落に記載した圧粉磁心の多くの課題が解決される。
いっぽう、圧粉磁心は、モータや電源装置などの汎用機器の部品として用いるため、磁性粉の多くは大量生産による安価な磁性粉である。このため、磁性粉を安価な処理費用で絶縁化することが必須になる。これに対し、特許文献１−２に記載された技術のように、特殊の環境下で高価な材料を用い、分断された複数の処理によって磁性粉を絶縁化する方法では、安価な磁性粉を高価な絶縁化された磁性粉にする。従って、安価な材料を用い、簡単な処理を連続して実施することで、磁性粉が絶縁化される新たな製造方法を見出すこととして、３段落に記載した第二の課題が残る。また、圧粉磁心の製造方法について、圧粉磁心の機械的強度をどのようにして実現させるかが課題として残る。
ここで、本発明が解決しようとする課題を説明する。第一に、磁気焼鈍が不要な圧粉磁心を製造する製造方法を実現する。第二に、磁性粉を安価な手段で絶縁化する。第三に、磁性粉の絶縁化から圧粉磁心の製造に至るまでの製造方法が、簡単な処理を連続して実施する製造方法である。第四に、製造する圧粉磁心の形状と大きさに制約がない。第五に、従来の圧粉磁心に比べ、磁束密度と機械的強度と絶縁性とが増大する。本発明は、このような５つの要件を満たす圧粉磁心を製造する新たな製造方法を実現することにある。なお従来の圧粉磁心の成形時の加圧力は８００−１５００ＭＰａであり、磁気焼鈍は還元性雰囲気の６００−８００℃で熱処理する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
圧粉磁心を製造する製造方法は、熱分解で絶縁性の金属酸化物からなる微粒子を析出する有機金属化合物を、アルコールに分散してアルコール分散液を作成する、この後、前記金属酸化物の微粒子より硬度が高い第一の性質と、前記金属酸化物の微粒子の大きさより平均粒径が３桁大きい第二の性質とを兼備する金属ないしは合金からなる磁性粉の集まりを、前記アルコール分散液に混合して懸濁液を作成する、さらに、前記懸濁液を金型に充填し、該金型を前記有機金属化合物が熱分解する温度に昇温し、この後、室温に戻す、さらに、前記金型内の磁性粉の集まりに、前記磁性粉の表面に析出した金属酸化物の微粒子の破壊が終了するまで、徐々に増大する圧縮応力を連続して加える、これによって、前記金型内に圧粉磁心が製造される、圧粉磁心の製造方法である。
【０００７】
つまり、本製造方法によれば、極めて簡単な５つの処理を連続して実施することで、圧粉磁心が製造される。第一の処理では、有機金属化合物をアルコールに分散し、アルコール分散液を作成する。第二の処理では、アルコール分散液に磁性粉の集まりを混合し、懸濁液を作成する。第三の処理では、懸濁液を圧粉磁心の形状を有する金型に充填する。第四の処理では、金型を有機金属化合物が熱分解する温度に昇温し、熱分解温度に数分程度保持したのちに室温に戻す。第五の処理では、金型内の磁性粉の集まりに、金属酸化物の微粒子の破壊が終了するまで、徐々に増大する圧縮応力を加える。これら５つの処理はいずれも簡単な処理であり、５つの処理を連続して実施すると、金型内に圧粉磁心が製造される。また、金型の昇温温度は最高でも３３０℃程度で、従来の磁気焼鈍に比べると著しく低い。さらに、全ての処理は大気雰囲気で行われる。このため、安価な製造費用で圧粉磁心が製造される。
本製造方法で金型を昇温すると、温度に応じて次の現象が連続して起こる。アルコールの沸点に達すると、懸濁液からアルコールが気化し、磁性粉の表面に有機金属化合物の微細結晶が析出し、磁性粉は微細結晶の集まりで覆われる。なお、微細結晶の大きさは、熱分解で析出する金属酸化物の微粒子の大きさに近い。次に、有機金属化合物を構成する有機物の沸点に達すると、有機金属化合物が有機物と金属酸化物とに分解する。有機物の密度が金属酸化物の密度より小さいため、有機物が上層に金属酸化物が下層になるように析出し、上層の有機物が気化した後に、金属酸化物が１０−１００ｎｍの間に入る粒状の微粒子を析出し、有機金属化合物の熱分解反応を終える。この結果、金属酸化物の微粒子より平均粒径が３桁大きい磁性粉の表面は、金属酸化物の微粒子の集まりで覆われる。有機金属化合物の熱分解が、磁性粉の表面を覆った状態で進むため、磁性粉の表面は外界に触れず、磁性粉は酸化されない。なお、金属酸化物の微粒子が占める体積が１％以下の体積で、磁性粉が９９％以上の体積を占めるように、有機金属化合物を磁性粉に吸着させる。このため、アルコールへの有機金属化合物の分散濃度は極めて低く、全ての磁性粉の表面が、有機金属化合物のアルコール分散液と接触する。従って、アルコール分散液からアルコールを気化させると、すべての磁性粉の表面は有機金属化物の微細結晶で覆われる。このため、全ての磁性粉の表面に金属酸化物の微粒子の集まりが析出する。
いっぽう、多くの磁性粉は、溶湯を急冷させた磁性粉を、ないしは、ミルスケールを加熱還元した磁性粉を、機械的に粉砕して製造する。従って、磁性粉は表面が海綿状で多くの凹凸を有し、様々な異形形状で、分級しても大きさには偏差がある。さらに、磁性粉の中には、磁性粉の異形形状によって、磁性粉自体に空孔を持つ磁性粉がある。このような磁性粉を有機金属化合物の微細結晶で覆い、磁性粉の集まりを金型に充填すると、ランダムに混じり合った磁性粉の集まりには、多くの空孔が形成される。さらに、金型を昇温して有機金属化合物を熱分解すると、前記したように、大きさが磁性粉の平均粒径より３桁小さい金属酸化物の微粒子の集まりが一斉に析出し、磁性粉の表面の凹凸を埋めるとともに、表面全体を覆う。また、磁性粉の空孔内にも微粒子が析出する。この後、加える応力を少しずつ増大して磁性粉の集まりを圧縮する。
磁性粉の集まりに応力を加えると、金属酸化物の微粒子と磁性粉に応力が伝達される。いっぽう、磁性粉の集まりには多くの空孔が存在するため、空孔を埋めるように、磁性粉が微粒子を伴って移動し、磁性粉が再配列する。つまり、磁性粉が微粒子の集まりで覆われているため、磁性粉同士が接触せず、磁性粉に摩擦力が発生せず、磁性粉の移動が容易になり、磁性粉が再配列する。さらに応力が増大すると、磁性粉が移動できる大きさの空孔がなくなり、磁性粉より３桁も小さい金属酸化物の微粒子が移動して空孔を埋める。また、磁性粉自体の空孔も埋める。さらに応力が増大すると、微粒子が移動できる大きさの空孔がなくなり、応力は微粒子同士が接触する局所的な部位と、磁性粉の表面に微粒子が接触する局所的な部位とに直接加わり、金属酸化物の微粒子の硬度が磁性粉の硬度より低いため、微粒子が優先して破壊され、より微細な微粒子となって全ての空孔を埋める。さらに応力が増大すると、空孔が微粒子の破壊で埋められない数ナノ程度の大きさに縮減され、微粒子の破壊が終了する。さらに応力が増大すると、微粒子同士が接触する局所的な部位に過大な摩擦熱が発生し、接触部位が軟化し、圧縮応力によって接触部位で微粒子同士が接合する。同様に、微粒子が磁性粉の表面と接触する局所的な部位にも、過大な摩擦熱が発生し、接触部位が軟化し、磁性粉の全ての表面に微粒子が接合する。この結果、様々な大きさからなる全ての金属酸化物の微粒子同士が接触部位で互いに接合し、磁性粉の表面と接触する全ての微粒子が磁性粉に接合する。これによって、金型内の磁性粉の集まりは一定の機械的強度を持つ。さらに応力が増大すると、磁性粉の塑性変形が始まる。この段階で応力の印加を停止し、金型内に圧粉磁心を製造する。この圧粉磁心は、数ナノから数十ナノの様々な大きさからなる金属酸化物の微粒子の数十個近くが全ての磁性粉を取り囲み、また、磁性粉自体の空孔を埋め、空孔が僅かに数ナノ程度の大きさからなる稠密構造で形成される。また、圧粉磁心は、金属酸化物の微粒子が１％より少ない体積で、磁性粉が９９％より多い体積を占めるため、磁性粉の密度に近い密度を持つ。なお、磁性粉の集まりの金型内における挙動は、応力を加えた際の金型が受ける反発力の大きさから判断でき、磁性粉の塑性変形が開始された際に反発力が最大となり、この時点で応力の印加を停止する。従って、磁性粉には加工歪は発生せず、磁気焼鈍の処理が不要になる。
以上に説明した方法で製造した圧粉磁心は、次の作用効果をもたらす。
第一に、焼鈍処理が不要な圧粉磁心の製造方法である。つまり、磁性粉の塑性変形が始まる段階で、磁性粉に加える圧縮応力を停止させるため、磁性粉の塑性変形に伴う加工歪が発生しない。これによって、磁気焼鈍の処理が不要になる。従来は、絶縁体で覆われた磁性粉の集まりが形成する空孔に対し、過大な圧縮応力を磁性粉に加えて磁性粉を塑性変形させ、磁性粉の塑性変形で空孔を埋めた。これに対し、本発明では、金属酸化物の微粒子の集まりで覆われた磁性粉の集まりに圧縮応力を加え、硬度が相対的に低い金属酸化物の微粒子を優先して破壊させ、破壊された金属酸化物の微粒子の集まりによって空孔が埋められるため、磁性粉に加工歪が発生しない。
第二に、安価な手段で磁性粉が絶縁化される。つまり、磁性粉を絶縁化させる原料が有機金属化合物で、汎用的な有機酸からなる有機金属化合物であるため、有機金属化合物の合成が容易で安価な工業用材料である。また、絶縁化させる材料は金属酸化物の微粒子であり、安価な有機金属化合物を、大気雰囲気の３３０℃程度の温度で熱分解させて微粒子が生成されるため、安価な原料を用い、安価な処理費用で磁性粉が絶縁化される。
第三に、圧粉磁心を製造する製造方法が、簡単な５つの処理を連続して実施する製造方法である。このため、安価な製造コストで圧粉磁心が製造できる。
第四に、安価な圧粉磁心が連続して製造できる。つまり、複数の金型の各々金型が順番に、磁性粉の充填工程、磁性粉の昇温工程、磁性粉の圧縮工程を連続して実施する工法を採用すれば、圧粉磁心が連続して製造され、安価な圧粉磁心が連続して製造できる。
第五に、製造する圧粉磁心の形状と大きさに制約がない。つまり、磁性粉の集まりを充填する金型の形状に制約がないため、製造する圧粉磁心の形状と大きさに制約がない。
第六に、金属酸化物の微粒子と磁性粉との稠密構造で圧粉磁心が構成され、金属酸化物の微粒子が１％より少ない体積で、磁性粉が９９％より多い体積を占めるため、圧粉磁心は従来の圧粉磁心に比べ、磁束密度と絶縁性とが優れる。
第七に、磁性粉の全ての表面に金属酸化物の微粒子が摩擦接合し、全ての金属酸化物の微粒子が互いに摩擦接合するミクロな接合で、圧粉磁心を形成するため、従来の磁性粉の塑性変形によるマクロな接合より、圧粉磁心の機械的強度が高まる。
以上に説明したように、本製造方法は、５段落に記載した５つの課題の全てを解決する圧粉磁心の製造方法である。これによって、本発明が解決すべき課題が解決された。
【０００８】
前記した圧粉磁心の製造方法は、前記磁性粉が、アトマイズ純鉄粉、還元鉄粉ないしはアトマイズ合金粉である、前記した圧粉磁心の製造方法である。
【０００９】
つまり、アトマイズ純鉄粉、還元鉄粉ないしはアトマイズ合金粉は、いずれも強磁性の性質を持ち、金属酸化物の微粒子より硬度が高く、有機金属化合物の熱分解で析出した金属酸化物の微粒子より平均粒径が３桁大きい性質を持つ磁性粉が存在するため、圧粉磁心の原料として用いられる。また、これらの磁性粉は、アトマイズ法ないしは還元法で製造した磁性粉を、粉砕、分級、磁選を行った後に、仕上げ還元を行い、さらに、粉砕、分級によって大量の磁性粉を連続して製造するため、安価な磁性粉である。このため、モータや電源装置などの汎用機器の部品として用いられる圧粉磁心の原料として適切である。
【００１０】
前記した圧粉磁心の製造方法は、前記有機金属化合物が、カルボン酸におけるカルボキシル基を構成する酸素イオンが、金属イオンに配位結合したカルボン酸金属化合物である
、前記した圧粉磁心の製造方法である。
【００１１】
つまり、カルボン酸のカルボキシル基を構成する酸素イオンが、配位子になって金属イオンに近づいて配位結合するカルボン酸金属化合物は、熱分解によって金属酸化物を析出する。このため、７段落に記載した圧粉磁心の製造方法で、有機金属化合物をカルボン酸金属化合物で構成し、磁性粉をカルボン酸金属化合物の微細結晶で覆い、カルボン酸金属化合物を大気雰囲気で熱処理すると、最高でも３３０℃程度の温度で、カルボン酸金属化合物が熱分解し、大きさが４０−６０ｎｍの範囲に入る粒状の金属酸化物の微粒子の集まりが、磁性粉の表面および磁性粉の空孔に析出する。この結果、磁性粉の材質や大きさや形状に拘わらず、微粒子が磁性粉の表面の凹凸に入り込み、表面全体が金属酸化物の微粒子で覆われる。さらに、微粒子の破壊が終了するまで、磁性粉の集まりに圧縮応力を加えると、金型内に圧粉磁心が製造される。なお、カルボン酸金属化合物の大気雰囲気での熱分解は、窒素雰囲気での熱分解より３０−５０℃低いため、大気雰囲気での熱分解が、熱処理費用が安価で済む。
すなわち、カルボキシル基を構成する酸素イオンが配位子になって、金属イオンに近づいて配位結合するカルボン酸金属化合物は、最も大きいイオンである金属イオンに酸素イオンが近づいて配位結合するため、両者の距離は短くなる。これによって、金属イオンに配位結合する酸素イオンが、金属イオンの反対側で共有結合するイオンとの距離が最も長くなる。こうした分子構造上の特徴を持つカルボン酸金属化合物は、カルボン酸金属化合物を構成するカルボン酸の沸点を超えると、カルボキシル基を構成する酸素イオンが金属イオンの反対側で共有結合するイオンとの結合部が最初に分断され、金属イオンと酸素イオンとの化合物である金属酸化物とカルボン酸とに分解する。さらに昇温すると、カルボン酸が気化熱を奪って気化し、カルボン酸の気化が完了した後に金属酸化物が析出する。こうしたカルボン酸金属化合物として、酢酸金属化合物、カプリル酸金属化合物、安息香酸金属化合物、ナフテン酸金属化合物などがある。
また、カルボン酸金属化合物は、いずれも容易に合成できる安価な工業用薬品である。すなわち、汎用的なカルボン酸を強アルカリと反応させるとカルボン酸アルカリ金属化合物が生成される。この後、カルボン酸アルカリ金属化合物を無機金属化合物と反応させることで、カルボン酸金属化合物が合成される。また、原料となるカルボン酸は、有機酸の沸点の中で相対的に低い沸点を有する有機酸であるため、大気雰囲気においては３３０℃程度の低い熱処理で金属酸化物の微粒子が析出する。
以上に説明したように、７段落の圧粉磁心の製造方法において、磁性粉の表面が金属酸化物の微粒子の集まりで覆われるため、７段落の圧粉磁心の製造方法において、カルボン酸金属化合物は有機金属化合物を構成する。
なお、鉄の酸化物であるマグネタイトＦｅ３Ｏ４を除く金属酸化物は、不純物を含まなければ絶縁性であり、酸化錫ＳｎＯ２と酸化チタンＴｉＯ４とは、不純物として金属をドーピングすることで半導体性を持つ。従って、前記したカルボン酸金属化合物の熱分解で析出した多くの金属酸化物は絶縁性である。
【００１２】
前記した圧粉磁心の製造方法は、前記金属酸化物が、酸化銅ＣｕＯないしは酸化亜鉛ＺｎＯからなるいずれかの金属酸化物である、前記した圧粉磁心の製造方法である。
【００１３】
つまり、本製造方法による圧粉磁心の製造に当たっては、磁性粉の表面を覆う金属酸化物は、以下の５つの性質を兼備することが望ましい。
第一に、絶縁性の金属酸化物である。
第二に、前記した酢酸金属化合物、カプリル酸金属化合物、安息香酸金属化合物ないしはナフテン酸金属化合物からなるカルボン酸金属化合物は、熱分解で金属酸化物が析出する。いっぽう、酢酸金属化合物の多くは、アルコールに溶解するため望ましくない。つまり、アルコールに溶解するカルボン酸金属化合物は、アルコールが気化した後にカルボン酸金属化合物の微細結晶が析出しない。また、安息香酸金属化合物は、酸素イオンが金属イオンに近づいて配位結合して複核錯塩を形成するが、熱分解の途上においては不安定な物質を生成する安息香酸金属化合物が存在する。このため、熱分解で金属酸化物を析出するカルボン酸金属化合物は、カプリル酸金属化合物ないしはナフテン酸金属化合物が望ましい。従って、カプリル酸金属化合物ないしはナフテン酸金属化合物の合成が容易で、熱分解で金属酸化物を析出することが望ましい。
第三に、加水分解性を有する、あるいは、水との反応を伴う、アルカリ金属とアルカリ土類金属の金属酸化物は望ましくない。また、アルカリ金属とアルカリ土類金属からなるカプリル酸金属化合物ないしはナフテン酸金属化物の多くは、アルコールに溶解する。
第四に、磁性粉より硬度が低いことが望ましい。つまり、金属酸化物微粒子の硬度が、磁性粉より低ければ、圧縮成形時に金属酸化物微粒子が、より微細な微粒子に破壊され、圧縮成形体における空孔を、破壊された金属酸化物の微粒子が埋め尽くし、稠密構造からなる圧粉磁心が容易に製造できる。また、成形時に過度な圧縮応力が不要になるため、磁性粉のヒステリシス損失を増大させる加工歪が発生しない。なお、磁性粉を圧縮成形する際の圧縮応力が小さければ、磁性粉の加工歪が少なくなるため、磁性粉のビッカース硬度は８５ＨＶより低い。
いっぽう金属酸化物の粒子は、酸化アルミ二ウムＡｌ２Ｏ３、酸化ケイ素ＳｉＯ２、酸化錫ＳｎＯ２、酸化クロムＣｒ２Ｏ３、酸化マグネシウムＭｇＯ、酸化チタンＴｉＯ２、酸化マンガンＭｎＯ２、酸化ニッケルＮｉＯの順で硬度が高く、磁性粉より硬度が高い。
第五に、カプリル酸金属化合物ないしはナフテン酸金属化合物が安価に合成できる。このため、銅を除く貴金属元素、白金族元素及び重金属元素からなるカプリル酸金属化合物ないしはナフテン酸金属化合物は、高価な有機金属化合物であるため望ましくない。なお酸化鉄ＦｅＯは、非磁性でかつ絶縁性で脆い性質を持つが、熱力学的に不安定な物質で、高温で導電性のマグネタイトＦｅ３Ｏ４に徐々に変化する性質を持つため望ましくない。
以上に説明した５つの性質を兼備する金属酸化物として、酸化銅ＣｕＯないしは酸化亜鉛ＺｎＯがある。また、こうした金属酸化物を熱分解で析出するカプリル酸金属化合物とナフテン酸金属化合物とは、合成が容易であるため、金属酸化物の安価な原料になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】酸化亜鉛の粒状微粒子が、磁性粉同士の間隙を満遍なく埋め尽くしている状態を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施形態は、熱分解で金属酸化物を析出する金属化合物に関する実施形態である。
熱分解で金属酸化物を析出する金属化合物は、第一にアルコールに分散する性質と、第二に合金微粒子の表面で、金属酸化物微粒子の集まりを析出する性質とを兼備する。以下の説明では、酸化亜鉛ＺｎＯを析出する原料を例として説明する。
無機亜鉛合物は、熱分解で酸化亜鉛を析出しないため、アルコールに分散する有機亜鉛化合物が望ましい。また、有機亜鉛化合物から酸化亜鉛が生成される化学反応の中で、最も簡単な化学反応に熱分解反応がある。つまり、有機亜鉛化合物を昇温するだけで、熱分解によって酸化亜鉛が析出する。さらに、有機亜鉛化合物の合成が容易でれば、有機亜鉛化合物が安価に製造できる。これら２つの性質を兼備する有機亜鉛化合物に、カルボン酸亜鉛化合物がある。
つまり、カルボン酸亜鉛化合物を構成する物質の中で、最も大きい共有結合半径を持つ物質は亜鉛イオンＺｎ２＋である。いっぽう、亜鉛イオンＺｎ２＋とカルボキシル基を構成する酸素イオンＯ−とが共有結合するカルボン酸亜鉛化合物は、亜鉛イオンと酸素イオンとの距離が最大になる。この理由は、亜鉛の共有結合半径は１１２ｐｍであり、酸素の単結合の共有結合半径は６３ｐｍであり、炭素の二重結合の共有結合半径は６７ｐｍであることによる。このため、亜鉛イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとが共有結合するカルボン酸亜鉛化合物は、カルボン酸の沸点において、結合距離が最も長い亜鉛イオンとカルボキシル基を構成する酸素イオンとの結合部が最初に分断され、亜鉛とカルボン酸とに分離する。さらに昇温すると、カルボン酸が気化熱を奪って気化し、カルボン酸の気化が完了した後に亜鉛が析出する。従って、熱分解で酸化亜鉛ＺｎＯを析出するカルボン酸亜鉛化合物は、亜鉛イオンＺｎ２＋と結合する酸素イオンＯ−との距離が短く、酸素イオンＯ−が亜鉛イオンＺｎ２＋の反対側で結合するイオンと結合する距離が長い分子構造上の特徴を持つ必要がある。これによって、酸素イオンＯ−が亜鉛イオンＮｉ２＋の反対側で結合するイオンと結合する部位が最初に切れ、酸化亜鉛ＺｎＯとカルボン酸とに分解する。このような分子構造上の特徴を持つカルボン酸亜鉛化合物として、カルボキシル基を構成する酸素イオンＯ−が配位子になって亜鉛イオンＺｎ２＋に近づいて配位結合するカルボン酸亜鉛化合物がある。
また、カルボン酸亜鉛化合物は合成が容易で、安価な有機亜鉛化合物である。つまり、カルボン酸を水酸化ナトリウムなどの強アルカリ溶液と反応させると、カルボン酸アルカリ金属化合物が生成される。カルボン酸アルカリ金属化合物を、硫酸亜鉛などの無機亜鉛化合物と反応させると、カルボン酸亜鉛化合物が生成される。さらに、カルボン酸の沸点が低いため熱分解温度が相対的に低い。このため、カルボキシル基を構成する酸素イオンが、配位子となって金属イオンに近づいて配位結合するカルボン酸亜鉛化合物は、安価な化学薬品であり、熱処理費用も安価で済む。こうしたカルボン酸亜鉛化合物として、酢酸亜鉛、カプリル酸亜鉛、安息香酸亜鉛、ナフテン酸亜鉛などが挙げられる。なお、酢酸亜鉛は、アルコールに溶解するため望ましくない。また、安息香酸亜鉛は、熱分解の途上においては不安定な物質を生成する。従って、酸化亜鉛の原料として、カプリル酸亜鉛ないしはナフテン酸亜鉛が望ましい。
【００１６】
実施例
本実施例は、酸化亜鉛ＺｎＯの微粒子で覆われた鉄粉の集まりを圧縮成形して、圧粉磁心を製造する実施例である。鉄粉は、株式会社神戸製鋼所の製品のアトマイズ純鉄粉であるアトメル３００ＮＨを用いた。アトメル３００ＮＨは、マンガン、リン、イオウの含有量が極めて微量のアトマイズ純鉄粉であり、純度が高いため磁気特性に優れ、粉の形状から圧縮性に優れる。また、有機亜鉛化合物として、カプリル酸亜鉛Ｚｎ（Ｃ７Ｈ１５ＣＯＯ）２（例えば、三津和化学薬品株式会社の製品）を用いた。なお、アトマイズ鉄粉は、還元鉄粉のように、鉄粉自体に空孔を持たない形状からなる。
最初に、カプリル酸亜鉛の２．４ｇを、１００ｃｃのｎ−ブタノールが充填された容器に混合し分散液を作成した。この分散液に、アトマイズ純鉄粉の２００ｇを混合し、懸濁液を作成した。この懸濁液を金型に充填した。金型は外径が４０ｍｍ、内径が２５ｍｍ、高さが６ｍｍのリング形状の成形体が成形される形状を持つ。次に、金型を２９０℃まで昇温し、２９０℃に１分間放置し、カプリル酸亜鉛を熱分解した。金型を室温に戻した後に、金型内の鉄粉の集りに、１０ＭＰａ／分の昇圧速度で圧力を加え、圧粉磁心を成形した。プレス機が受ける反発力が最大になった時点で昇圧を停止し、圧粉磁心を製作した。なお、２００ｇの鉄粉の集まりに２．４ｇのカプリル酸亜鉛が熱分解して酸化亜鉛の微粒子が覆うと、酸化亜鉛の微粒子が圧粉磁心に占める体積割合は０．３％と極めて少ない。
次に、製作した圧粉磁心の観察と分析とを行なった。圧粉磁心を厚み方向に２つに切断し、切断面を電子顕微鏡で観察した。電子顕微鏡は、ＪＦＥテクノリサーチ株式会社の極低加速電圧ＳＥＭを用いた。この装置は、１００Vからの極低加速電圧による観察が可能で、試料に導電性の被膜を形成せずに直接試料が観察できる特徴を有する。
最初に、反射電子線の９００−１０００Ｖの間にある２次電子線を取り出して画像処理を行い、切断面を観察した。５−６０ｎｍに及ぶ様々な大きさからなる粒状の微粒子が、磁性粉の間隙を満遍なく埋め尽くし、４ｎｍ以下の大きさからなる空隙が、ランダムに多くの場所で形成されていることが確認できた。また、隣り合う鉄粉が最も近づく箇所で、様々な大きさの３０−４０個の粒状微粒子が存在し、鉄粉で囲まれた箇所では、様々な大きさの５０−１００個の粒状微粒子が存在した。次に、特性X線のエネルギーとその強度を画像処理し、粒状微粒子を構成する元素の種類とその分布状態を分析した。亜鉛原子と酸素原子の双方が均一に分散して存在し、特段に偏在する箇所が見られず、酸化亜鉛の粒状微粒子が、鉄粉の間隙を満遍なく埋め尽くしていることが確認できた。図１に、切断面の一部を拡大した様子を模式的に示す。１は鉄粉で、２は酸化亜鉛の微粒子である。
次に、圧粉磁心について圧粉体密度、比抵抗、磁束密度、鉄損を測定した。圧粉体密度は、試料の寸法と重量を測定し、これらの値から算出した。比抵抗は四端子法にて測定した。磁束密度は、圧粉磁心に直径が０．６ｍｍのホルマル被覆導線を１次側に１００巻、２次側に２０巻したコイルを用い、磁界の大きさが１０ｋＡ／ｍでの磁束密度Ｂで評価した。鉄損は、圧粉磁心に直径０．６ｍｍのホルマル被覆導線を１次側に４０巻、２次側に４０巻したコイルを用いて、周波数が２００−１０ｋＨｚ、磁束密度Ｂが０．２Ｔの条件で、住友金属テクノロジー株式会社の磁気特性測定装置を用いて測定した。なお、鉄損の数値は、励磁周波数が５ｋＨｚ、励磁磁束密度が０．２Ｔの値で代表した。
圧粉磁心の密度は７．５６ｋｇ／ｍ３で、鉄の密度７．８７ｋｇ／ｍ３に近く、従来の圧粉磁心の密度に劣らない値である。比抵抗は７２μΩｍで、鉄粉の比抵抗の７２０倍であり、従来の圧粉磁心より３割近く比抵抗が高い。磁束密度は１．７Ｔで、鉄粉の磁束密度２．２Ｔに近く、従来の圧粉磁心の密度に劣らない値である。鉄損は３６Ｗ／ｋｇで、磁気焼鈍した従来の圧粉磁心の８割程度である。また、２ｍの高さから圧粉磁心を落下させても、圧粉磁心は破壊しなかった。
【００１７】
以上の結果から次のことがわかる。第一に、密度が鉄粉の密度に近く、磁束密度が鉄粉の磁束密度に近いため、鉄粉を覆う金属酸化物の微粒子の存在が、鉄粉の再配列に貢献している。第二に、比抵抗が鉄粉の７２０倍もあり、様々な大きさの金属酸化物の微粒子が稠密構造で鉄粉を覆い、鉄粉の絶縁化に貢献している。第三に、鉄損が焼鈍処理を行った従来の圧粉磁心に比べ低下し、鉄粉に加工歪が存在しないことを裏付けている。これによって、磁気焼鈍の処理が不要になることが裏付けられた。従って、本発明の圧粉磁心の製造方法によれば、従来の圧粉磁心より著しく安価な圧粉磁心が製造できる。
以上に説明したように、鉄粉の平均粒径より３桁も小さく、鉄粉より硬度が低い金属酸化物の微粒子で鉄粉を覆い、この鉄粉の集まりに徐々に増大する圧縮応力を加えると、次の現象が起こることが裏付けられた。圧縮時に鉄粉同士が接触しないため、鉄粉の移動が容易になり、鉄粉が微粒子を伴って移動し、鉄粉が再配列する。また、酸化亜鉛の微粒子が圧粉磁心に占める体積割合は、０．３％と極めて少ない。これによって、圧粉磁心の密度と磁束密度とが高まった。次に、大きさが数ナノ程度になるまで微粒子の破壊が進み、鉄粉が様々な大きさからなる微粒子で隙間なく覆われ、空孔が数ナノの大きさに縮減される。これによって、圧粉磁心の絶縁抵抗が増大した。さらに、圧粉磁心を構成する鉄粉に加工歪が存在しないため、鉄損が低下した。また、全ての微粒子同士が摩擦接合するとともに、鉄粉の表面に微粒子が摩擦接合するため、圧粉磁心は必要な機械的強度を持った。
【符号の説明】
【００１８】
１  鉄粉    ２  酸化亜鉛の微粒子
【図１】
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