(57)【要約】【課題】  絶縁性を良好にして固有抵抗を高めて渦電流損を低減し、かつ、磁束密度を高めるとともに、強度の高い圧粉磁心およびそれを製造する方法を提供する。【解決手段】本発明の圧粉磁心は、鉄粉末粒子およびリン酸塩だけで構成されるとともに、前記鉄粉末粒子どうしが、リンを０．０４８〜０．１２質量％含むリン酸塩相を介して２００〜６００ｎｍの距離を置いて隔てられていることを特徴とする。また、圧粉磁心の製造方法としては、リンを０．０４８〜０．１２質量％含有するとともに、厚さが１６０〜４００ｎｍであるリン酸塩層で表面が被覆された鉄粉末粒子を原料粉末として用い、所望の形状に８００〜１５００ＭＰａの成形圧力で圧縮成形す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】
鉄粉末粒子およびリン酸塩だけで構成されるとともに、前記鉄粉末粒子どうしが、リンを０．０４８〜０．１２質量％含むリン酸塩相を介して２００〜６００ｎｍの距離を置いて隔てられていることを特徴とする圧粉磁心。
【請求項２】
リンを０．０４８〜０．１２質量％含有するとともに、厚さが１６０〜４００ｎｍであるリン酸塩層で表面が被覆された鉄粉末粒子を原料粉末として用い、所望の形状に８００〜１５００ＭＰａの成形圧力で圧縮成形することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
【請求項３】
上記圧縮成形により得られた成形体を、３００〜５００℃の温度で加熱することを特徴とする請求項２に記載の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、変圧器、リアクトル、サイリスタバルブ、ノイズフィルタ、チョークコイル等の高周波用として好適な、鉄損が低く軟磁気特性に優れるとともに、機械的強度の高い圧粉磁心およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電気、電子機器の小型化や高密度化に伴い、これらに使用される磁心材料に対しても小型で高い磁束密度と透磁率および低鉄損を具備する高周波鉄心の要求が高まっている。これらの要件のうち、鉄損は、磁心の固有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みに影響を受けるヒステリシス損との和で表され、特に渦電流損は周波数の二乗に比例して増大するため、高周波数領域での鉄損を低減するためには、固有抵抗を高めて渦電流損を低減させることが必要となる。
【０００３】
このような見地より、従来から、見掛けの固有抵抗が大きいため高周波領域においても渦電流損失が小さいフェライトコアや、センダスト・パーマロイ等の合金粉末をフェノール樹脂やエポキシ樹脂等の絶縁性バインダで結合させた圧粉磁心などが使用されてきた。しかし、これらの材料はいずれも磁束密度および透磁率が低く、圧粉磁心の小型化は難しい。
【０００４】
一方、磁性粒子として、高磁束密度を有するとともに圧縮成形性にも優れ、コストパフォーマンスが高い素材である鉄粉末を用いた圧粉磁心は、高周波領域においても、前述のフェライトコアなどと比較して高い磁束密度を有しており、また、価格的にも安価であるという利点を有している。しかし、固有抵抗の小さい鉄粉を使用した圧粉磁心では、交流磁場において鉄粉間の渦電流発生による損失が大きくなるために、鉄粉表面を電気的に絶縁する被膜および絶縁性樹脂バインダで被覆する必要がある。
【０００５】
このような状況の下、特許文献１は、微粒化鉄粉末または海綿鉄粉末の粒子を、リン酸で、絶縁性のリンを含有する層で被覆した粉末を用い、所望により熱硬化性樹脂と混合し、圧縮成形した後、３５０〜５５０℃で加熱した圧粉磁心が提案されている。このリン含有量は、微粒化鉄粉末に対しては０．００５〜０．０３重量％、海綿鉄粉末に対しては０．０２〜０．０６重量％であることが記載されている。この特許文献１は、鉄粒子表面に非常に薄いリン酸塩絶縁層を形成し、Ｐ含有量が非常に低いことを特徴として記載している。
【０００６】
また、特許文献２は、燐酸塩化成処理液により表面に膜厚が１０〜１００ｎｍの絶縁被膜を形成した金属磁性粉末を容積比で８４％以上とし、１重量％以上の熱硬化性樹脂粉末とを用いた固有抵抗が２Ωｃｍ以上の圧粉磁心が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５１２３８８号公報
【特許文献２】特開平１１−２５１１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したような薄いリン酸塩絶縁層は、鉄粉粒子の表面上にアンカー効果、或いはファンデンワールス力などの結合力で付着しているため、バインダ用樹脂との混合工程において、あるいは圧縮成形工程における鉄粉末粒子どうしや、鉄粉末粒子と金型との摺動によりリン酸塩層の剥離、脱落が生じ易い。ところで、これまでの我々の実験によれば、鉄粉粒子上のリン酸塩層の厚さが薄いほど、その剥離、脱落が著しい傾向が見られ、個々の鉄粉末粒子の電気的絶縁が破壊されて、交流磁場における鉄粉粒子間の渦電流発生が著しくなる結果、交流特性が低下する現象が見られる。そのためリン酸塩により絶縁した従来の圧粉磁心においては、樹脂の添加が必須となっている。特許文献２は１重量％以上の樹脂の添加を必須とし、特許文献１においても、実施例においては全て絶縁性を有する樹脂を添加しており、これにより絶縁性を補っていると考えられる。
【０００９】
本発明者らが検討したところ、樹脂の添加は絶縁性を高めるが、材料の強度には寄与せず、むしろ強度の低下要因となることを知見した。このため特許文献１および２において、鉄損は低減されているが、樹脂添加により密度の低下およびそれに伴う磁束密度の低下、さらには機械的強さの低下が発生していることを見出した。
【００１０】
本発明は、絶縁性を良好にして固有抵抗を高めて渦電流損を低減し、かつ、磁束密度を高めるとともに、強度の高い圧粉磁心およびそれを製造する方法を提供することにある。この課題に対し、市場の要求特性を考慮して、目標値を固有抵抗（ρ）を１００μΩｍ以上、印加磁場１０，０００Ａ／ｍにおける磁束密度（Ｂ10k）を１．６Ｔ以上、および機械的強さの指針として圧環強さを１５０ＭＰａ以上とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決し、目標値を達成するため、本発明の圧粉磁心は、鉄粉末粒子およびリン酸塩だけで構成されるとともに、前記鉄粉末粒子どうしが、リンを０．０４８〜０．１２質量％含むリン酸塩相を介して２００〜６００ｎｍの距離を置いて隔てられていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の圧粉磁心の製造方法は、リンを０．０４８〜０．１２質量％含有するとともに、厚さが１６０〜４００ｎｍであるリン酸塩層で表面が被覆された鉄粉末粒子を原料粉末として用い、所望の形状に８００〜１５００ＭＰａの成形圧力で圧縮成形するとともに、所望により得られた成形体を、３００〜５００℃の温度で加熱したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧粉磁心は、鉄粉末粒子およびリン酸塩だけで構成されるとともに、前記鉄粉末粒子どうしが、リンを０．０４８〜０．１２質量％含むリン酸塩相を介して２００〜６００ｎｍの距離を置いて隔てられており、リン酸塩相が強固な化学結合を有するため、従来の圧粉磁心に比較して、鉄損が低く、磁束密度が高い圧粉磁心が得られ、各種磁心用軟磁性材料の高性能化に寄与できるとともに、特に強度の向上により従来の圧粉磁心の適用範囲を大きく拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の圧粉磁心は、個々の鉄粉末粒子は２００〜６００ｎｍの距離を置いてリン酸塩相を介して隔てられ、電気的絶縁を確保して交流磁場における鉄粉粒子間に発生する渦電流発生を抑制したものである。また、機械的強さを低下させる原因となる樹脂の添加を廃止し、上記リン酸塩相の化学的結合力により材料の機械的強さを高めたものである。さらに、樹脂添加の廃止により、鉄粉末粒子の密度が向上される結果、磁束密度も向上している。
【００１５】
圧粉磁心においてリン酸塩相により隔てられる鉄粉末粒子間の距離が小さい場合、すなわち、原料となる鉄粉末粒子の表面に被覆されたリン酸塩層の厚さが薄い場合には、鉄粉末どうしの機械的な絡みが支配的である。しかし、原料となる鉄粉末粒子の表面に被覆されたリン酸塩層の厚さを厚くして、圧粉磁心のリン酸塩相により隔てられる鉄粉末粒子間の距離を大きくしていくと、鉄粉末どうしの機械的結合とともに、加熱・焼成によるリン酸塩相間の化学的結合も加わり強度がより向上する。この機械的強さの向上は、鉄粉末粒子表面に厚さが１６０〜４００ｎｍのリン酸塩層を被覆し、鉄粉末粒子どうしが、リン酸塩相を介して２００〜６００ｎｍの距離を置いて隔てられたときにピークを示す。ただし、圧粉磁心のリン酸塩相により隔てられる鉄粉末粒子間の距離が大きすぎる場合、すなわち、原料となる鉄粉末粒子の表面に被覆されたリン酸塩層の厚さが厚すぎる場合には、鉄粉末どうしの機械的な結合が得られず、リン酸塩相のみの強度となるために、膜厚の増大に伴い強度も著しく低下することとなる。
【００１６】
また、本発明の圧粉磁心においては、鉄粉末粒子間のリン酸塩相が２００〜６００ｎｍと厚いことから鉄粉粒子間の電気的絶縁は充分に確保され、固有抵抗が高く、これに伴い鉄損の増加が抑制され交流特性の低下が小さい。さらに、鉄粉末粒子表面に形成するリン酸塩層が１６０〜４００ｎｍと厚いため、圧縮成形時のリン酸塩層の脱落・破壊、さらには、加熱時のリン酸塩相の劣化などによる材料の固有抵抗の低下を生じず圧粉磁心を製造することができる。
【００１７】
この鉄粉表面のリン酸塩相の剥離・破壊を抑制する理由についてはまだ充分な解析がなされていないが、リン酸塩被膜特有の斜晶系結晶構造に由来するへき壊性およびそれに伴う滑り性が、被膜が薄い場合には顕著に作用し、本発明による厚いリン酸被膜の場合は、へき開方向が異なる結晶がランダムに複数積層されてへき開および滑りの伝播を抑制することにより剥離・破壊が抑制されるものと考える。この厚いリン酸被膜の厚さとあいまって、リン酸塩相の剥離に伴う鉄粉どうしの接触が防止され、固有抵抗の低下を抑制しているものと推測する。
【００１８】
このため、本発明においては、絶縁のための樹脂を添加する必要がなく、機械的強さの低下要因となる樹脂成分を排除することができた。また、樹脂成分を排除した分、磁束密度に寄与する鉄粉末粒子の密度を向上させることができ、磁束密度の向上も果たせる。なお、本発明の圧粉磁心においては、密度比が９８％以上であると、磁束密度が高くなり好ましい。
【００１９】
リン酸塩相のリン量の範囲は、固有抵抗と磁束密度の目標値から選定される。リンが０．０４８質量％未満では圧縮成形後の材料の固有抵抗が１００μΩｍ以下となり、交流磁場における磁性粉末間に発生する渦電流発生が大きくなる。一方、０．１２質量％を越えると磁束密度が１．６Ｔ未満となり所望の磁気特性が得られない。このことから、リン酸塩のリン量は、鉄粉の重量に対して０．０４８〜０．１２質量％とした。
【００２０】
本発明の圧粉磁心は、上述のように、リンを０．０４８〜０．１２質量％含有するとともに、厚さが１６０〜４００ｎｍであるリン酸塩層で表面が被覆された鉄粉末粒子を原料粉末として用いるが、高い磁束密度および機械的強さを得るため、成形圧力は通常の粉末冶金法による機械部品の成形圧力４００〜７００ＭＰａより高い領域の成形圧力８００〜１５００ＭＰａとする必要がある。このような成形条件とすることで、本発明のリン酸塩層が厚い鉄粉末粒子を用いても、リン酸塩層が互いに密着して、鉄粉末粒子間の距離が縮まり、高い磁束密度と機械的強さを得ることが可能となる。成形圧力が８００ＭＰａに満たないと、リン酸塩層の密着が不十分となり、機械的強さが不十分となるとともに、鉄粉末粒子間の距離が大きくなって、所望の磁束密度が得られない。一方、１５００ＭＰａを超えると金型の強度および構造の面から成形が難しくなる。成形圧力の上限は好ましくは１２００ＭＰａ、より好ましくは１０００ＭＰａである。なお、このような高い成形圧力であっても、上述の厚さのリン酸塩層であれば、剥離が生じ難く、ごく一部で剥離が発生したとしても剥離面に上述の厚さのリン酸塩層を有する鉄粉末粒子が対向して密着することとなって、鉄粉どうしの接触が防止され、固有抵抗の低下を抑制する。
【００２１】
また、上記の成形においては、圧粉磁心内部に成形潤滑剤が残留すると磁気特性および機械的特性に影響を及ぼすことが考えられるため、原料粉末に成形潤滑剤を添加する内部潤滑法よりも、金型内壁面に成形潤滑剤を塗布する外部潤滑法の方が好ましい。この金型内壁面への成形潤滑剤の塗布は、成形潤滑剤を有機溶媒中に所定量を均一分散させた潤滑剤を金型内壁面に塗布したり、静電噴霧法により帯電させた成形潤滑剤を金型内壁面に噴霧し電荷により吸着させてもよい。
【００２２】
上記の圧縮成形により得られた成形体は、リン酸塩層が密着し、ある程度の機械的強さを有するもので、加熱をしない成形体のままでも、従来に比して高磁束密度・高比抵抗の圧粉磁心が得られる。ただし、機械的強さの向上を望む場合には、このリン酸塩相を形成した鉄粉を上述の成形圧力で圧縮成形した後、３００〜５００℃の温度で加熱することにより、鉄粉末粒子表面に形成したリン酸塩層どうしが化学的に結合したリン酸塩相を形成することができ、機械的強さの高い圧粉磁心が得られる。加熱温度が３００℃に満たないとリン酸塩層どうしの化学的な結合が不十分となり、５００℃を超えるとリン酸塩相の劣化が生じ、いずれの場合も機械的強さが劣化することとなる。また、加熱工程の炉内雰囲気は、鉄粉表面のリン酸塩被覆が破壊や劣化しない雰囲気で行えばよく、還元性雰囲気以外の不活性ガス中または大気中とする。
【００２３】
なお、本発明で使用する鉄粉末粒子は、使用される周波数領域、磁束密度または用途などにより種々選択することができる。鉄粉末にはアトマイズ法、還元法などの各種製法による種類があるが、純度および圧縮性が優れるアトマイズ鉄粉末が適当である。
【００２４】
鉄粉末の粒子径は、使用する周波数領域により選定する必要があり、好ましくは１５０μｍ以下で、渦電流損失を小さくするならば、１００μｍ以下がより好ましい。また、この粒子径が小さくなるほど渦電流損失は小さくなり交流特性が向上するため、粒子径の下限については特に設定しないが、通常は１０μｍ以上であることが好ましい。粒子径が小さすぎると、金属粉末の圧縮成形性、流動性が悪くなり、高密度の軟磁性材料が得られない。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。実施例では、鉄粉末として平均粒径が７５μｍのアトマイズ鉄粉を用いた。このアトマイズ鉄粉を、水１リットルにリン酸２０ｇを溶解したリン酸塩水溶液とともに容器に入れ、定時間混合した後、恒温槽を用いて１８０℃で６０分間乾燥した。リン酸塩層の厚さは、鉄粉末に対するリン酸塩水溶液の添加量を変えることにより調整し、膜厚およびリン含有量が異なる複数のものを用意した。また、比較のため、上記により得られたリン酸塩層の厚さが５０ｎｍのリン酸塩層形成鉄粉末にポリアミド樹脂を２質量％添加し混合したものを、従来例として、併せて用意した。
【００２６】
用意したリン酸塩層形成鉄粉末を表１に示す成形圧力でφ２３×φ１０×５ｔのリング形状に圧縮成形し、表１に示す加熱条件で加熱してリング試験片を作成した。なお、成形に際しては、金型潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を有機溶媒中に所定量を均一分散させたものを金型内壁面に塗布する、金型潤滑法で行った。また、加熱は所定の雰囲気、温度において１時間の加熱保持を行った。
【００２７】
得られたリング試験片について、密度、固有抵抗、磁束密度および圧環強さの各特性について測定した。リン酸塩層の厚さについては、鉄粉の表面積より計算した理論膜厚値を用いた。密度はアルキメデス法で測定し、理論密度に対する密度比を求めた。鉄粉末粒子間の距離は試料を切断研磨した切断面を電子顕微鏡で観察して求めた。固有抵抗は試験片表面を＃８００の研磨紙で磨き、研磨面を四端針法により測定した。磁束密度はリング試験片に１次側コイル１２０回，２次側コイル２０回の捲き線を施し、１０ｋＡ／ｍの磁界を印加し磁束密度Ｂ１０ｋを測定した。圧環強度は別のリング試験片（φ２３×φ１０×１０ｔ）を用いて、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分で圧縮試験し最大破壊荷重から圧環強度を算出した。これらの結果を表２に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【表２】
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【００３０】
以上の実施例からは次のようなことがわかる。
（１）、表１および２の試料番号０１〜０４、１０、１６〜１９の試料を比較することで、鉄粉末表面に形成したリン酸塩層の厚さの影響を調べることができる。これを試料番号１９を除いてグラフ化したものを図１に示す。図１より、リン酸塩層の厚さが大きくなるとともに、密度比および磁束密度は低下する傾向を示すものの、成形圧力が大きいため、高い密度比を示すとともに、４００ｎｍ以下で目標とする１．６Ｔ以上の高い磁束密度を示している。この時の試料の鉄粉末粒子間の距離を電子顕微鏡により観察したところ６００ｎｍであった。固有抵抗はリン酸塩層の厚さが大きくなるに従い増加し、厚さが１６０ｎｍ以上で目標とする１００μΩｍ以上の高い固有抵抗を示している。この時の試料の鉄粉末粒子間の距離は同様に２００ｎｍであった。圧環強さはリン酸塩層の厚さが大きくなると上昇する傾向を示すが、その上昇の割合はリン酸塩層の厚さが大きくなるに従い減少し３００ｎｍをピークとして逆に低下する傾向を示している。また、従来の樹脂添加による試料（試料番号１９）は樹脂の絶縁性により固有抵抗は高いものの、樹脂を添加している分だけ磁束密度が低く、さらに機械的強さも低いものであることが確認された。
【００３１】
以上より、鉄粉末表面に形成するリン酸塩層の厚さを１６０〜４００ｎｍと大きくするとともに樹脂を排除した本発明圧粉磁心は、高い磁気特性と高い機械的強さを有することが確認された。また、この時の圧粉磁心の鉄粉末粒子間の距離は２００〜６００ｎｍである。
【００３２】
（２）、表１および２の試料番号０５、０６、１０、１４、１５の試料を比較することで、成形圧力の影響を調べることができる。これをグラフ化したものを図２に示す。図２より、成形圧力が試料番号０５の５００ＭＰａでは十分な密度が得られず、磁束密度が目標値である１．６Ｔを下回っているが、成形圧力が８００、１０００、１２００、１５００ＭＰａ（試料番号０６、１０、１４、１５）と大きくなるにつれて密度比が向上して磁束密度が向上している。目標とする磁束密度１．６Ｔ以上を得るためには成形圧力８００ＭＰａ以上であれば良いことが確認された。ただし、その上昇割合は成形圧力が大きくなるに従い少なくなる傾向がある。固有抵抗は成形圧力が大きくなるに従い減少する傾向を示すものの１５００ＭＰａの成形圧力においても目標とする１００μΩｍ以上が得られている。また圧環強さも成形圧力の増加につれて向上する傾向を示すが、同様にその上昇割合は成形圧力が大きくなるに従い少なくなる傾向がある。以上より、成形圧力としては８００〜１５００ＭＰａの範囲で磁気特性および機械的強さの目標が達成できることがわかった。ただし、高圧側では磁束密度および圧環強さの向上の幅が狭い割に、絶縁被膜の破壊に伴う固有抵抗の減少が生じるため、１２００ＭＰａ以下の成形圧力にすることが好ましい。
【００３３】
（３）、表１および２の試料番号０７〜１０、１２と１３の試料を比較することで、加熱処理の有無および加熱処理を行う際の加熱温度の影響を調べることができる。これをグラフ化したものを図３に示す。図３および表１より、加熱処理を行わない試料番号０７の場合、加熱処理を行ったものに比して圧環強さは低いものの、従来の樹脂を用いた圧粉磁心（試料番号１９）よりも約２倍程度高い圧環強さを示している。また、固有抵抗は極めて高い値を示すとともに磁束密度も目標とする１．６Ｔを超えていることから、強度が特に要求されない用途においては十分に実用性のあるものであることがわかる。ただし、機械的強さを求められる用途においては加熱処理が有効で、加熱温度が３００〜５００℃の範囲で目標とする１５００ＭＰａ以上を達成している。このことより、加熱処理によりリン酸塩層どうしが化学的に結合してリン酸塩相を形成して機械的強さの向上に寄与していることがわかる。ただし、５００℃を超える加熱はリン酸塩相を劣化させ固有抵抗が目標とする１００μΩｍを下回るようになるため、５００℃を上限とすべきである。
【００３４】
（４）、表１および２の試料番号１０と１１の試料を比較することで、加熱処理時の雰囲気の影響を調べることがわかる。すなわち、試料番号１０と１１の試料を比べると、加熱処理時の雰囲気が大気であっても磁束密度および機械的強さに差は見られず、同等の値である。固有抵抗は、雰囲気が大気の場合に若干向上しているが、これは圧粉磁心の表層部の鉄粉末粒子が酸化されて形成された酸化鉄が絶縁被膜として働いたためである。ただし、窒素雰囲気中で加熱した場合の圧粉磁心が金属光沢を呈するのに対し、大気雰囲気中で加熱した場合の圧粉磁心は煤けた感じとなるため、製品としての美観を重視する際には窒素雰囲気が適している。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の圧粉磁心の活用例としては、固有抵抗が大くして高周波側での鉄損の抑制するとともに、磁束密度を高めて磁気特性を改善し、さらに機械的強さも向上させたことにより、圧粉磁心の適用を広げ、高性能な変圧器、リアクトル、サイリスタバルブ、ノイズフィルタ、チョークコイル等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】鉄粉末表面に形成したリン酸塩層の厚さと各評価項目の関係を示すグラフである。
【図２】成形圧力と各評価項目の関係を示すグラフである。
【図３】加熱温度と各評価項目の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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