(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属磁性粒子と、前記金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備える軟磁性材料であって、
前記金属磁性粒子は純鉄粉であり、
前記絶縁被膜はＳｉを含み、かつ前記絶縁被膜に含まれるＳｉのうち９０％以上１００％以下のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成する、軟磁性材料。
【請求項２】
前記絶縁被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下である、請求項１に記載の軟磁性材料。
【請求項３】
前記複数の複合磁性粒子の各々は、前記金属磁性粒子と前記絶縁被膜との間に形成された下地被膜をさらに有し、前記下地被膜は絶縁性の非晶質化合物よりなる、請求項１または２に記載の軟磁性材料。
【請求項４】
前記下地被膜が、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｚｒ、およびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の物質のリン酸塩の非晶質化合物、前記物質のホウ酸塩の非晶質化合物、または前記物質の酸化物の非晶質化合物を含む、請求項３に記載の軟磁性材料。
【請求項５】
前記下地被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下である、請求項３または４に記載の軟磁性材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の軟磁性材料を用いて製造された圧粉磁心。
【請求項７】
金属磁性粒子と、前記金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備える圧粉磁心であって、
前記金属磁性粒子は純鉄粉であり、
前記絶縁被膜はＳｉを含み、かつ前記絶縁被膜に含まれるＳｉのうち９０％以上１００％以下のＳｉが（Ｓｉ−Ｏx）n：ｘ＞１．５から構成されるシルセスキオキサン骨格およびシリカ骨格を構成する、圧粉磁心。
【請求項８】
絶縁被膜を金属磁性粒子の表面に形成する工程を備え、
前記金属磁性粒子は純鉄粉であり、
前記絶縁被膜に含まれるＳｉのうち９０％以上１００％以下のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成する、軟磁性材料の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加圧成形する加圧成形工程と、
前記加圧成形工程の後に前記絶縁被膜を熱硬化させる工程とを備える、圧粉磁心の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加熱した金型中で加圧成形し、同時に前記絶縁被膜を熱硬化させる加圧成形工程を備える、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、軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁弁、モータ、または電気回路などを有する電気機器には、粉末冶金法により作製される軟磁性材料が使用されている。この軟磁性材料は、複数の複合磁性粒子よりなっており、複合磁性粒子は、たとえば純鉄からなる金属磁性粒子と、その表面を被覆するたとえばリン酸塩からなる絶縁被膜とを有している。軟磁性材料には、エネルギ変換効率の向上や低発熱などの要求から、小さな磁場の印加で大きな磁束密度を得ることができる磁気特性と、磁束密度変化におけるエネルギ損失が小さいという磁気特性とが求められる。
【０００３】
この軟磁性材料を用いて作製した圧粉磁心を交流磁場で使用した場合、鉄損と呼ばれるエネルギ損失が生じる。この鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損との和で表される。ヒステリシス損は、軟磁性材料の磁束密度を変化させるために必要なエネルギによって生じるエネルギ損失であり、渦電流損は、軟磁性材料を構成する金属磁性粒子間を流れる渦電流によって生じるエネルギ損失である。ヒステリシス損は動作周波数に比例し、渦電流損は動作周波数の２乗に比例する。そのため、ヒステリシス損は主に低周波領域において支配的になり、渦電流損は主に高周波領域において支配的になる。圧粉磁心にはこの鉄損の発生を小さくする磁気的特性、すなわち高い交流磁気特性が求められる。
【０００４】
軟磁性材料の鉄損のうち、ヒステリシス損を低下させるためには、金属磁性粒子内の歪や転位を除去して磁壁の移動を容易にすることで、軟磁性材料の保磁力Ｈｃを小さくすればよい。金属磁性粒子内の歪や転位を十分に除去するためには、軟磁性材料をたとえば４００℃以上、好ましくは６００℃以上、さらに好ましくは８００℃以上の高温で熱処理する必要がある。
【０００５】
ところが、一般に用いられている絶縁被膜付き鉄粉における絶縁被膜の耐熱性は４００℃程度と低いので、軟磁性材料を高温で熱処理しようとすると、絶縁被膜の絶縁性が失われてしまう。このため、ヒステリシス損を低下させようとすると、軟磁性材料の電気抵抗率ρが低下し、渦電流損が大きくなってしまうという問題があった。特に、電気機器の小型化、効率化、および大出力化が近年要求されており、これらの要求を満たすためには、電気機器を高周波領域で使用することが必要である。高周波領域での渦電流損が大きくなれば、電気機器の小型化、効率化、および大出力化の妨げになってしまう。
【０００６】
そこで、従来においては、（Ｒ2ＳｉＯ）nの組成式のシリコーンよりなる絶縁被膜を金属磁性粒子の表面に形成することによって、軟磁性材料の耐熱性を向上させていた。シリコーンは、そのものの絶縁性および耐熱性が優れるとともに、高温熱処理によって分解してもシリカ非晶質（Ｓｉ−Ｏx）nとして絶縁性および耐熱性を維持できる。このため、シリコーンよりなる絶縁被膜を形成することによって軟磁性材料を５５０℃程度の高温で熱処理をしても絶縁被膜の絶縁性劣化を抑止することが可能となり、軟磁性材料の渦電流損の増大を抑制することができる。また、シリコーンは変形追従性に優れ、また潤滑剤としての機能もあることから、シリコーンよりなる絶縁被膜を形成した軟磁性材料は成形性が良好で、かつ成形時に絶縁被膜が破損し難いという利点を有している。
【０００７】
なお、金属磁性粒子の表面にシリコーンよりなる絶縁被膜を形成する技術は、たとえば特開平７−２５４５２２号公報（特許文献１）、特開２００３−３０３７１１号公報（特許文献２）、および特開２００４−１４３５５４号公報（特許文献３）に開示されている。
【特許文献１】特開平７−２５４５２２号公報
【特許文献２】特開２００３−３０３７１１号公報
【特許文献３】特開２００４−１４３５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、シリコーンよりなる絶縁被膜の耐熱性は十分ではなかった。従来の軟磁性材料に対してたとえば６００℃の高温で熱処理を施した場合には、シリコーンよりなる絶縁被膜が破壊され（絶縁性が低下し）、渦電流損が増大するという問題が生じる。このため、従来の軟磁性材料においては、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損をより効果的に低減することができないという問題があった。
【０００９】
また、シリコーンをよりなる絶縁被膜は、十分な硬度を有していなかった。このため、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の強度を向上することができないという問題があった。
【００１０】
したがって、本発明の一の目的は、渦電流損の増大を抑制しつつより効果的にヒステリシス損を低減することのできる軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、高強度かつ低ヒステリシス損の圧粉磁心を得ることのできる軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の軟磁性材料は、金属磁性粒子と、金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備える軟磁性材料であって、絶縁被膜はＳｉ（シリコン）を含んでおり、かつ絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成している。
【００１３】
本発明の一の局面に従う圧粉磁心は、金属磁性粒子と、金属磁性粒子の表面を被覆する絶縁被膜とを有する複数の複合磁性粒子を備える圧粉磁心であって、絶縁被膜はＳｉを含んでおり、かつ絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉが（Ｓｉ−Ｏx）n：ｘ＞１．５から構成されるシルセスキオキサン骨格およびシリカ骨格を構成している。
【００１４】
本発明の軟磁性材料の製造方法は、絶縁被膜を金属磁性粒子の表面に形成する工程を備えている。絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成している。
【００１５】
本願発明者らは、シリコーンよりなる絶縁被膜を高温で熱処理すると絶縁性が低下する原因を見出した。シリコーンの重合体は基本的に１次元の構造（Ｓｉ原子の４つの結合手のうち２つの結合手が酸素原子を介しＳｉと結合している骨格を基本とする構造）を有しているため、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖の密度が低い。このため、軟磁性材料を高温（たとえば５５０℃より大きい温度）で熱処理すると、金属磁性粒子を構成する原子が絶縁被膜中に拡散し、絶縁被膜の絶縁性が低下する。また、シリコーンは有機成分を多く含んでいるため、軟磁性材料を熱処理すると、シリコーンが熱分解し絶縁被膜の膜厚が薄くなり絶縁被膜の絶縁性が低下する。さらには絶縁被膜が炭化により導電性を呈し、より絶縁性が低下する。これらの要因により、金属磁性粒子同士の絶縁を保つことができなくなり、熱処理によって渦電流損が増大する。
【００１６】
一方、本発明においては、絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格（Ｓｉ原子の４つの結合手のうち３つの結合手が酸素原子を介しＳｉと結合している骨格）を構成している。シルセスキオキサンの重合体は２次元または３次元の構造を有しているため、Ｓｉ−Ｏ（酸素）−Ｓｉの鎖の密度がシリコーンよりも高い。このため、金属磁性粒子を構成する原子の絶縁被膜中への拡散を、シリコーンに比べて抑制することができる。また、シルセスキオキサンはシリコーンに比べて有機成分の含有量が少ない。このため、軟磁性材料を熱処理しても絶縁被膜の膜厚の減少が少なく、かつ炭素原子があまり発生せず、絶縁被膜の絶縁性の低下を抑制することができる。さらに、熱処理前のシルセスキオキサンはシリコーンと同程度の変形追従性を有しているので、絶縁被膜を損傷することなく軟磁性材料を成形することができる。
【００１７】
したがって、絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成していることにより、絶縁被膜の耐熱性が向上する。その結果、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減することができる。
【００１８】
また、絶縁被膜の耐熱性（軟磁性粒子の構成金属元素の拡散を抑制する能力）が向上するので、絶縁被膜の膜厚を薄くしても金属磁性粒子同士の絶縁を確保することができる。これにより、圧粉磁心の高密度化を図ることができ、それによってヒステリシス損を低減することができ、透磁率を向上することができる。
【００１９】
さらに、熱処理（硬化／分解）後のシルセスキオキサンは熱処理後（硬化／分解）のシリコーンに比べて高い硬度を有しているので、十分な強度を有する圧粉磁心を得ることができる。これは、含まれているＳｉ−Ｏ−Ｓｉ鎖の構造（密度）が結晶質のシリカ（ＳｉＯ2）により近い方が高い高度になり、圧粉磁心の強度が向上するためである。
【００２０】
本発明の軟磁性材料において好ましくは、絶縁被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００２１】
絶縁被膜の平均膜厚を１０ｎｍ以上とすることにより、金属磁性粒子同士の絶縁性を確保することができる。また、絶縁被膜の平均膜厚を１μｍ以下とすることによって、加圧成形時に絶縁被膜がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜の割合が大きくなりすぎないので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。
【００２２】
本発明の軟磁性材料において好ましくは、複数の複合磁性粒子の各々は、金属磁性粒子と絶縁被膜との間に形成された下地被膜をさらに有している。下地被膜は絶縁性の非晶質化合物よりなっている。
【００２３】
これにより、金属磁性粒子と絶縁被膜との密着性を向上することができる。また、非晶質化合物は変形追従性に優れているので、軟磁性材料の成形性を向上することができる。
【００２４】
本発明の軟磁性材料において好ましくは、下地被膜が、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、およびＦｅ（鉄）からなる群より選ばれる少なくとも１種の物質のリン酸塩の非晶質化合物、上記物質のホウ酸塩の非晶質化合物、または上記物質の酸化物の非晶質化合物およびそれらの混合物を含んでいる。
【００２５】
これらの材料は、絶縁性および変形追従性に優れており、また金属と有機物とのカップリング効果が良好であるため、下地被膜として適している。
【００２６】
本発明の軟磁性材料において好ましくは、下地被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００２７】
下地被膜の平均膜厚が１０ｎｍ以上であることにより、被覆処理工程における被覆ムラや、物理的損傷による破れが発生することを防止することができる。また、下地被膜の平均膜厚を１μｍ以下とすることによって、加圧成形時に下地被膜がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜の割合が大きくなりすぎないので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。
【００２８】
本発明の他の局面に従う圧粉磁心は、上記の軟磁性材料を用いて製造される。
本発明の一の局面に従う圧粉磁心の製造方法は、上記の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加圧成形する加圧成形工程と、加圧成形工程の後にシルセスキオキサンからなる絶縁被膜を熱硬化させる工程とを備えている。
【００２９】
本発明の他の局面に従う圧粉磁心の製造方法は、上記の軟磁性材料の製造方法を用いて製造された軟磁性材料を加熱した金型中で加圧成形し、同時にシルセスキオキサンからなる絶縁被膜を熱硬化させる加圧成形工程を備えている。
【００３０】
本発明の圧粉磁心の製造方法によれば、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減することができる。また、高強度の圧粉磁心を得ることができる。さらに、加圧成形と同時かもしくは加圧成形後にシルセスキオキサンからなる絶縁被膜を熱硬化することにより、シルセスキオキサンからなる絶縁被膜が変形追従性に優れている状態で軟磁性材料を加圧成形することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法によれば、渦電流損の増大を抑制しつつより効果的にヒステリシス損を低減することができる。また、高強度かつ低ヒステリシス損の圧粉磁心を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における軟磁性材料を模式的に示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態における軟磁性材料は、金属磁性粒子１０と、金属磁性粒子１０の表面を被覆する絶縁被膜２０と、金属磁性粒子１０と絶縁被膜２０との間に形成された下地被膜３０とを有する複数の複合磁性粒子４０を備えている。また軟磁性材料は、複合磁性粒子４０の他に潤滑剤４５などを含んでいてもよい。
【００３３】
図２は、本発明の一実施の形態における圧粉磁心を模式的に示す断面図である。なお、図２の圧粉磁心は、図１の軟磁性材料に加圧成形および熱処理を施すことによって製造されたものである。図１および図２を参照して、本実施の形態における圧粉磁心において、複数の複合磁性粒子４０の各々は、複合磁性粒子４０が有する凹凸の噛み合わせなどによって接合されている。
【００３４】
図１に示す軟磁性材料および図２に示す圧粉磁心において、絶縁被膜２０はＳｉを含んでいる。かつ図１に示す軟磁性材料では、絶縁被膜２０に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成している。また図２に示す圧粉磁心では、絶縁被膜２０に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉが（Ｓｉ−Ｏx）n：ｘ＞１．５から構成されるシルセスキオキサン骨格およびシリカ骨格を構成している。ここで、シルセスキオキサンとは、以下の化１の構造式を有するポリシロキサンの総称である。この構造式に示されるように、Ｓｉ原子の４つの結合手のうち３つの結合手が酸素原子を介してＳｉ原子と結合している骨格をシルセスキオキサン骨格と称する。
【００３５】
【化１】
0004706411.tif 000002
【００３６】
ここで、化１においてＲおよびＲ’は、たとえば以下の化２または化３に示される官能基などである。
【００３７】
【化２】
0004706411.tif 000003
【００３８】
【化３】
0004706411.tif 000004
【００３９】
化１に示されるように、シルセスキオキサンを構成するＳｉ原子の各々は、３つのＯ原子と、ＲまたはＲ’と結合して重合している。このため、シルセスキオキサンは２次元または３次元の構造を有している。
【００４０】
シルセスキオキサンの重合体の構造としては、たとえば以下の化４に示されるラダー構造や、以下の化５に示されるランダム構造や、以下の化６〜化８に示されるケージ構造などがある。
【００４１】
【化４】
0004706411.tif 000005
【００４２】
【化５】
0004706411.tif 000006
【００４３】
【化６】
0004706411.tif 000007
【００４４】
【化７】
0004706411.tif 000008
【００４５】
【化８】
0004706411.tif 000009
【００４６】
ここで、圧粉磁心を製造する際には後述するように加圧成形後または加圧成形中に熱処理が施されるため、この熱処理の際にシルセスキオキサンは熱硬化する。シルセスキオキサンが熱硬化すると、化１におけるＲまたはＲ’で示される官能基同士が重合することで３次元構造が形成される。
【００４７】
Ｓｉ原子の結合状態は、たとえば熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析（熱分解ＧＣＭＳ）によって調べることができる。もしくは、赤外線吸光分析でＳｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｃ特有の吸収ピークを確認しそのピーク比と、元素分析によるＳｉ／Ｏ比とで調べることができる。本発明の軟磁性材料では、所定の数のＳｉ原子のうち８０％以上のＳｉ原子がシルセスキオキサン骨格を構成している。
【００４８】
金属磁性粒子１０の平均粒径は、３０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。金属磁性粒子１０の平均粒径を３０μｍ以上とすることにより、保磁力を低減することができる。平均粒径を５００μｍ以下とすることにより、渦電流損を低減することができる。また、加圧成形時において混合粉末の圧縮性が低下することを抑止できる。これにより、加圧成形によって得られた成形体の密度が低下せず、取り扱いが困難になることを防ぐことができる。
【００４９】
なお、金属磁性粒子１０の平均粒径とは、粒径のヒストグラム中、粒径の小さいほうからの質量の和が総質量の５０％に達する粒子の粒径、つまり５０％粒径をいう。
【００５０】
金属磁性粒子１０は、たとえばＦｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎ（窒素）系合金、Ｆｅ−Ｎｉ（ニッケル）系合金、Ｆｅ−Ｃ（炭素）系合金、Ｆｅ−Ｂ（ホウ素）系合金、Ｆｅ−Ｃｏ（コバルト）系合金、Ｆｅ−Ｐ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ（クロム）系合金あるいはＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金などから形成されている。金属磁性粒子１０は金属単体でも合金でもよい。また、上記の金属単体および合金系を２種以上混合したものを用いることもできる。
【００５１】
絶縁被膜２０および下地被膜３０は、金属磁性粒子１０間の絶縁層として機能する。金属磁性粒子１０の表面を絶縁被膜２０および下地被膜３０で覆うことによって、この軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の電気抵抗率ρを大きくすることができる。これにより、金属磁性粒子１０間に渦電流が流れるのを抑制して、圧粉磁心の渦電流損を低減させることができる。
【００５２】
絶縁被膜２０の平均膜厚は１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。絶縁被膜２０の平均膜厚を１０ｎｍ以上とすることにより、金属磁性粒子１０同士の絶縁性を確保することができる。また、絶縁被膜２０の平均膜厚を１μｍ以下とすることによって、加圧成形時に絶縁被膜２０がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める絶縁被膜２０の割合が大きくなりすぎないので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。
【００５３】
下地被膜３０は、金属磁性粒子１０間の絶縁層として機能するのに加えて、金属磁性粒子１０と絶縁被膜２０との密着性を向上する。また、軟磁性材料の成形性を向上する。非晶質化合物は変形追従性に優れているので、軟磁性材料の成形性を向上することができる。
【００５４】
下地被膜３０は絶縁性の非晶質化合物よりなっており、たとえばＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｃａ、Ｚｒ、およびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の物質のリン酸塩の非晶質化合物、ホウ酸塩の非晶質化合物、または酸化物の非晶質化合物を含んでいる。これらの材料は、絶縁性および変形追従性に優れており、また金属と有機物とのカップリング効果が良好であるため、下地被膜３０として適している。また、下地被膜３０の平均膜厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。下地被膜３０の平均膜厚を１０ｎｍ以上とすることにより、下地被膜３０の被覆処理工程における被覆ムラや物理的損傷による破れを防止することができる。また、下地被膜３０の平均膜厚を１μｍ以下とすることによって、加圧成形時に下地被膜３０がせん断破壊することを防止できる。また、軟磁性材料に占める下地被膜３０の割合が大きくなりすぎないので、軟磁性材料を加圧成形して得られる圧粉磁心の磁束密度が著しく低下することを防止できる。
【００５５】
続いて、図１に示す軟磁性材料および図２に示す圧粉磁心を製造する方法について説明する。図３は、本発明の一実施の形態における圧粉磁心の製造方法を工程順に示す図である。
【００５６】
図３を参照して、始めに、たとえば純鉄や、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、またはＦｅ−Ｃｏ系合金などよりなる金属磁性粒子１０を準備する（ステップＳ１）。金属磁性粒子１０はたとえばガスアトマイズ法や水アトマイズ法などを用いて製造される。
【００５７】
次に、金属磁性粒子１０を４００℃以上金属磁性粒子１０の融点よりマイナス１００℃未満の温度で熱処理する（ステップＳ２）。熱処理の温度は、７００℃以上金属磁性粒子１０の融点よりマイナス１００℃未満の温度であることがさらに好ましい。熱処理により金属磁性粒子１０同士が固着し解砕を要する場合には、解砕による機械歪により成形性が悪化するため、固着を起こさない温度で再度熱処理することが好ましい。熱処理前の金属磁性粒子１０の内部には、多数の歪み（転位、欠陥）が存在している。金属磁性粒子１０に熱処理を実施することによって、この歪みを低減させることができる。なお、この熱処理は省略されてもよい。
【００５８】
次に、金属磁性粒子１０の各々の表面に下地被膜３０を形成する（ステップＳ３）。下地被膜３０は、たとえば金属磁性粒子１０をリン酸塩化成処理することによって形成することができる。リン酸塩化成処理によって、たとえばリンと鉄とを含むリン酸鉄の他、リン酸アルミニウム、リン酸シリコン（珪リン酸）、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リン酸イットリウム、リン酸ジルコニウムなどよりなる非晶質の下地被膜３０が形成される。これらのリン酸塩絶縁被膜の形成には、溶剤吹きつけや前駆体を用いたゾルゲル処理を利用することができる。
【００５９】
また、酸化物を含有する下地被膜３０を形成しても良い。この酸化物を含有する下地被膜３０としては、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムまたは酸化ジルコニウムなどの酸化物絶縁体の非晶質被膜を使用することができる。これらの下地被膜の形成には、溶剤吹きつけや前駆体を用いたゾルゲル処理を利用することができる。なお、この下地被膜を形成する工程は省略されてもよい。
【００６０】
次に、下地被膜３０の表面にシルセスキオキサンよりなる絶縁被膜２０を形成する（ステップＳ４）。具体的には、金属磁性粒子１０の全質量に対してたとえば０．０１〜０．２質量％のシルセスキオキサン化合物あるいはシルセスキオキサン前駆体をキシレン溶媒中に溶解する。このとき、さらに熱硬化促進剤が溶媒中に溶解されてもよい。熱硬化促進剤はシルセスキオキサン化合物あるいはシルセスキオキサン前駆体の全質量に対してたとえば２質量％程度溶解される。そして、湿式法によりシルセスキオキサンよりなる絶縁被膜２０が下地被膜３０の表面に形成される。
【００６１】
なお、シルセスキオキサン化合物あるいはシルセスキオキサン前駆体とともに、たとえばポリエチレン樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、およびフッ素樹脂などの樹脂を溶媒中に溶解してもよい。この場合には、シルセスキオキサンとこれらの樹脂とからなる絶縁被膜が形成される。但し、シルセスキオキサン以外の物質よりなる絶縁被膜を使用する場合であっても、絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成するように、溶解するシルセスキオキサン化合物あるいはシルセスキオキサン前駆体の比率を調整する必要がある。
【００６２】
なお、絶縁被膜２０の形成方法としては、上記の湿式法の他、たとえばＶ型混合機などを使用した乾式混合法、メカニカルアロイング法、振動ボールミル、遊星ボールミル、メカノフュージョン、共沈法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ法）、めっき法、スパッタリング法、蒸着法またはゾル−ゲル法などを使用することも可能である。
【００６３】
以上の工程により、図１に示される本実施の形態の軟磁性材料が得られる。なお、図２に示される圧粉磁心を製造する場合には、さらに以下の工程が行なわれる。
【００６４】
次に、必要に応じてバインダを混合した後、軟磁性材料の粉末を金型に入れ、たとえば８００ＭＰａ〜１５００ＭＰａまでの範囲の圧力で加圧成形する（ステップＳ５）。これにより、軟磁性材料が圧粉成形された成形体が得られる。なお、加圧成形する雰囲気は、不活性ガス雰囲気または減圧雰囲気とすることが好ましい。この場合、大気中の酸素によって混合粉末が酸化されるのを抑制することができる。
【００６５】
次に、大気中においてたとえば７０℃以上３００℃以下の温度で１分間〜１時間の間、成形体を熱処理する（ステップＳ６）。これにより、シルセスキオキサンが熱硬化し、成形体の強度が増加する。このように、加圧成形後にシルセスキオキサンを熱硬化することにより、シルセスキオキサンが熱硬化して変形追従性が低下する前に加圧成形することができ、成形性に優れた状態にある軟磁性材料を加圧成形することができる。また、熱処理を加圧成形と同時に行なっても同様の効果が得られる。この場合、加圧成形に用いる金型およびパンチを加熱して温間成形を行なうことが好ましい。
【００６６】
次に、加圧成形によって得られた成形体を熱処理する（ステップＳ７）。金属磁性粒子１０として純鉄を用いる場合には、たとえば５５０℃以上絶縁被膜２０の電気抵抗低下温度以下の温度で熱処理する。加圧成形を経た成形体の内部には欠陥が多数発生しているので、熱処理によりこれらの欠陥を取り除くことができる。この際に、一部のシルセスキオキサン骨格における非Ｓｉ結合手同士が結合し、４つの結合手すべてが酸素原子を介してＳｉと結合した「シリカ骨格」に変化し、絶縁膜の耐熱性向上に寄与する。以上に説明した工程により、図２に示す本実施の形態の圧粉磁心が完成する。
【００６７】
本実施の形態の軟磁性材料では、絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成している。シルセスキオキサンは、同じＳｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖を有するシリコーンに比べて絶縁安定性に優れている。これについて以下に説明する。
【００６８】
シルセスキオキサンは、上述の化１に示される構造式を有している。これに対し、シリコーンは以下の化９に示される構造式を有しており、無機シリカは以下の化１０に示される構造式を有している。
【００６９】
【化９】
0004706411.tif 000010
【００７０】
【化１０】
0004706411.tif 000011
【００７１】
化９を参照して、シリコーンを構成するＳｉ原子の各々は、２つのＯ原子を介してＳｉ原子と結合することで重合しており、ＲまたはＲ’と結合して重合している。このため、シリコーンは１次元の構造を有しており、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖の密度がシルセスキオキサンよりも低い。
【００７２】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖は、金属磁性粒子を構成するＦｅなどの原子が絶縁被膜中に拡散するのを抑制する効果を有している。図４は、下地被膜のみが形成された軟磁性材料におけるＦｅ原子の拡散の様子を模式的に示す図である。図４（ａ）を参照して、歪み５０を含む金属磁性粒子１１０の表面にはリン酸塩よりなる下地被膜１３０が形成されており、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖を持つ材料よりなる絶縁被膜は形成されていない。この場合、金属磁性粒子１１０同士の間には下地被膜１３０のみが存在している。この軟磁性材料に対し歪み５０を除去するための熱処理を施すと、図４（ｂ）に示されるように、金属磁性粒子１１０のＦｅ原子が拡散して下地被膜１３０中に侵入する。その結果、絶縁被膜が金属化することによって絶縁性が低下し、金属磁性粒子同士の絶縁が確保できなくなる。
【００７３】
図５は、シリコーンよりなる絶縁被膜が形成された軟磁性材料におけるＦｅ原子の拡散の様子を模式的に示す図である。図５（ａ）を参照して、歪み５０を含む金属磁性粒子１１０の表面にはリン酸塩よりなる下地被膜１３０が形成されており、その表面にはシリコーンよりなる絶縁被膜１２０が形成されている。この場合、金属磁性粒子１１０同士の間には下地被膜１３０および絶縁被膜１２０が存在している。この軟磁性材料に対し歪み５０を除去するための熱処理を施すと、図５（ｂ）に示されるように、金属磁性粒子１１０のＦｅ原子は絶縁被膜１２０によってある程度拡散が抑制される。しかし、シリコーンのＳｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖の密度は低く、Ｆｅ原子の拡散パスが多く存在するために、熱処理温度が高い場合にはＦｅ原子が拡散して絶縁被膜１２０中に侵入し、絶縁被膜の絶縁が低下する。また、シリコーンは有機成分の含有量が多いので熱処理の際に熱分解し、絶縁被膜の膜厚が薄くなり絶縁被膜の絶縁性が低下する。さらには炭化により炭素原子を主成分とする残渣が発生し、より絶縁性が低下する。その結果、金属磁性粒子１１０同士の絶縁が確保できなくなる。
【００７４】
図６は、本発明の一実施の形態における軟磁性材料におけるＦｅ原子の拡散の様子を模式的に示す図である。図６（ａ）を参照して、歪み５０を含む金属磁性粒子１０の表面にはリン酸塩よりなる下地被膜３０が形成されており、その表面にはシルセスキオキサンよりなる絶縁被膜２０が形成されている。この場合、金属磁性粒子１０同士の間には下地被膜３０および絶縁被膜２０が存在している。この軟磁性材料に対し歪み５０を除去するための熱処理を施すと、図６（ｂ）に示されるように、金属磁性粒子１０のＦｅ原子は絶縁被膜２０によって拡散が抑制される。シルセスキオキサンはシリコーンよりもＳｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖の密度が高いので、熱処理温度が高い場合であってもＦｅ原子が拡散して絶縁被膜２０中に侵入するのを抑制できる。また、シルセスキオキサンはシリコーンに比べて有機成分の含有量が少ないので、熱処理の際に絶縁被膜の膜厚減少が少なく、炭素残渣があまり発生しない。その結果、金属磁性粒子１０同士の絶縁性を確保しつつ歪み５０を除去することができる。
【００７５】
ここで、シリコーンとシルセスキオキサンと無機シリカとの各々の性質をまとめたものを表１に示す。なお、表１において◎は大変優れていることを示し、○は優れていることを示し、△はやや劣っていることを示し、×は劣っていることを示している。
【００７６】
【表１】
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【００７７】
表１を参照して、絶縁安定性、硬化後密度に関しては、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの鎖の密度が高い分だけシルセスキオキサンはシリコーンよりも優れている。また、変形追従性に関しては、熱硬化前のシルセスキオキサンはシリコーンと同程度の変形追従性を有している。無機シリカは、絶縁安定性、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ鎖の密度に関しシルセスキオキサンよりもさらに優れているが、変形追従性が著しく低いという欠点を有している。このため、絶縁被膜として無機シリカを用いた場合には、軟磁性材料の加圧成形時に絶縁被膜が破壊されるため、無機シリカは絶縁被膜の材料として適さない。また、無機シリカは金属磁性粒子の塑性変形を阻害するので、得られる圧粉磁心の密度が低くなり、低透磁率、鉄損大となってしまう。
【００７８】
本実施の形態における軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法によれば、絶縁被膜２０に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成していることにより、絶縁被膜２０の耐熱性が向上する。その結果、渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減することができる。
【００７９】
また、絶縁被膜２０のＦｅ原子の拡散を抑制する能力が向上するので、絶縁被膜２０の膜厚を薄くしても金属磁性粒子１０同士の絶縁被膜の耐熱性を確保することができる。これにより、圧粉磁心の高密度化を図ることができ、それによってヒステリシス損を低減することができ、透磁率を向上することができる。
【００８０】
さらに、硬化後のシルセスキオキサンは硬化後のシリコーンに比べて高い硬度を有しているので、十分な強度を有する圧粉磁心を得ることができ、後工程におけるハンドリング製を向上することができる。
【実施例１】
【００８１】
本実施例では、絶縁被膜に含まれるＳｉのうち８０％以上のＳｉがシルセスキオキサン骨格を構成していることの効果について調べた。具体的には、純度９９．８質量％以上の純鉄をアトマイズ法により粉末化し、複数の金属磁性粒子を準備した。次に、金属磁性粒子をリン酸鉄水溶液中に浸漬し、金属磁性粒子の表面にリン酸鉄よりなる下地被膜を形成した。次に、シルセスキオキサンとシリコーンとの割合を質量比として０質量％〜１００質量％の間で変化させたものを絶縁被膜として被覆した。シルセスキオキサンとして、オキセタンシルセスキオキサン（ＯＸ−ＳＱ：東亞合成製）と熱カチオン開始剤（サンエイドＳＩ−１００Ｌ  三新化学製）とを用い、シリコーンとして無溶剤シリコーン樹脂（ＴＳＥ３０５１  東芝ＧＥシリコーン製）を用いてキシレン溶液を作製した。総被覆量は、金属磁性粒子の全重量に対して０．１質量％〜０．２質量％の割合とした。また熱カチオン開始剤は、シルセスキオキサンに対して２質量％の割合とした。そして、この溶液を用いて湿式法により下地被膜の表面に絶縁被膜を形成した。次に、キシレンを乾燥、揮発した後、８００ＭＰａ〜１５００ＭＰａのプレス面圧で軟磁性材料を加圧成形し、成形体を作製した。その後、大気中において、７０℃〜３００℃の範囲の温度で１時間、成形体を熱処理し、絶縁被膜を熱硬化した。続いて、窒素気流雰囲気において、４００℃〜６５０℃の範囲で温度を変化させて、１時間成形体を熱処理した。これにより試料１〜試料１０の圧粉磁心を得た。
【００８２】
こうして得られた圧粉磁心の各々について、巻き線を施し、磁気特性測定用試料とした。そして、交流ＢＨカーブトレーサを用いて鉄損を測定した。鉄損の測定の際には、励起磁束密度を１０ｋＧ（＝１Ｔ（テスラ））とし、測定周波数を５０〜１０００Ｈｚとした。そして鉄損の周波数変化から渦電流損およびヒステリシス損を算出した。渦電流損およびヒステリシス損の算出は、鉄損の周波数曲線を次の３つの式で最小２乗法によりフィッティングし、ヒステリシス損係数および渦電流損係数を算出することで行なった。
【００８３】
（鉄損）＝（ヒステリシス損係数）×（周波数）＋（渦電流損係数）×（周波数）2
（ヒステリシス損）＝（ヒステリシス損係数）×（周波数）
（渦電流損）＝（渦電流損係数）×（周波数）2
測定された渦電流損Ｗｅ（Ｗ／ｋｇ）、ヒステリシス損Ｗｈ（Ｗ／ｋｇ）、および鉄損Ｗ（Ｗ／ｋｇ）を表２に示す。
【００８４】
【表２】
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【００８５】
表２を参照して、４００℃〜５００℃の低温で熱処理した場合には、試料１〜試料１０の渦電流損Ｗｅおよびヒステリシス損Ｗｈに大きな差は見られない。しかし、５５０℃以上の高温で熱処理した場合には、比較例である試料１〜試料８では渦電流損Ｗｅが増大しているのに対して、本発明例である試料９〜試料１１では渦電流損Ｗｅの増大が抑制されつつヒステリシス損Ｗｈが低減されている。その結果、特に６００℃で熱処理した場合には鉄損Ｗが大きく低減されており、試料９では８８Ｗ／ｋｇ、試料１０では８１Ｗ／ｋｇ、試料１１では８３Ｗ／ｋｇとなっている。以上の結果から、本発明によれば渦電流損の増大を抑制しつつヒステリシス損を低減できることが分かる。
【００８６】
以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の軟磁性材料、圧粉磁心、軟磁性材料の製造方法、および圧粉磁心の製造方法は、たとえば、モーターコア、電磁弁、リアクトルもしくは電磁部品一般に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の一実施の形態における軟磁性材料を模式的に示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における圧粉磁心を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における圧粉磁心の製造方法を工程順に示す図である。
【図４】下地被膜のみが形成された軟磁性材料におけるＦｅ原子の拡散の様子を模式的に示す図である。
【図５】シリコーンよりなる絶縁被膜が形成された軟磁性材料におけるＦｅ原子の拡散の様子を模式的に示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態における軟磁性材料におけるＦｅ原子の拡散の様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０，１１０  金属磁性粒子、２０，１２０  絶縁被膜、３０，１３０  下地被膜、４０  複合磁性粒子、４５  潤滑剤、５０  歪み。
【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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