(57)【要約】本発明は、鉄ベース粉末の粒子がクロム含有層によって絶縁される、前記鉄ベース粉末を圧縮成形するステップを含む、圧縮された軟磁性粉末コアを準備するための方法に関する。次に、圧縮成形体は、鉄ベース材料の応力逃しおよび再結晶化を達成するために少なくとも６００℃の温度に加熱される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮された軟磁性粉末コアを準備するための方法であって、
−鉄ベース粉末の粒子がクロム含有層によって絶縁される、前記鉄ベース粉末を圧縮成形するステップと、
−応力逃しを達成するために圧縮成形体を少なくとも約６００℃の温度に加熱するステップと、
−鉄ベース材料を再結晶化するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
非絶縁の鉄ベース粉末が、水噴霧化された粉末、またはクロムを本質的に含まないスポンジ鉄粉である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記非絶縁の鉄ベース粉末が、水噴霧化された本質的に純粋な粉末またはスポンジ鉄粉である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
クロム含有絶縁層が、５未満、好ましくは３μｍ未満である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記非絶縁の鉄ベース粉末がクロムを本質的に含まないことを前提として、絶縁粉末のクロム成分が、前記絶縁粉末の総重量で計算して約０．０１〜０．３５重量％、好ましくは０．０５〜０．２５重量％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記非絶縁の鉄ベース粉末の粒子が、絶縁層を前記鉄ベース粉末粒子上に獲得するために、ＣｒＯ３を水に溶解することによって準備された溶液で処理される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
ＮａＯＨまたはＫＯＨが前記溶液に添加される、請求項８に記載の方法。
【請求項８】
前記非絶縁の鉄ベース粉末がクロムを本質的に含まないことを前提として、前記処理が、溶液により、かつ前記絶縁粉末の総重量で計算して約０．０１〜０．３５重量％、好ましくは０．０５〜０．２５重量％の絶縁粉末のクロム成分を獲得する程度に十分な期間実行される、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
絶縁被覆がリンを本質的に含まない、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記圧縮成形が１５０〜１５００ＭＰａの圧力で実行される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記圧縮成形ステップが、周囲温度または高温で実行される、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記圧縮成形体が、約６２０℃超の温度に加熱される、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記圧縮成形体が、約６２０℃〜９００℃の温度に加熱される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記加熱ステップが、数分間から２時間の期間実行される、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
低および中周波数で使用するための、先行請求項のいずれか１項に従って準備された磁性粉末コア。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は軟磁性材料に関する。より詳しくは、本発明は、鉄粉が圧縮され、引き続き熱処理される方法に関する。本方法は、向上した軟磁性特性を有する磁気コアコンポーネントを形成するために特に有用である。
【０００２】
（発明の背景）
鉄ベース粒子は、粉末冶金法によって構造コンポーネントを製造する際にベース材料として長い間使用されてきた。鉄ベース粒子は、所望の形状を形成するために高圧下でダイで最初に成形される。成形ステップ後に、通常、構造コンポーネントは焼結ステップを受けて、必要な強度をコンポーネントに付与する。
【０００３】
磁気コアコンポーネントはまた、このような粉末冶金法によって製造されてきたが、これらの方法で使用される鉄ベース粒子は、一般に、絶縁材料の外周層で被覆される。
【０００４】
鉄心コンポーネントの２つの重要な特徴は、その透磁性およびコア損失特性である。材料の透磁性は、材料の磁化能力または磁束を坦持する材料の能力を表す。透磁性は、磁化力または磁場の強さに対する誘導された磁束の比率として定義される。急速に変化する磁場に磁気材料をさらすと、コアの総エネルギは、ヒステリシス損および／または渦電流損の発生によって低減される。ヒステリシス損は、鉄心コアコンポーネント内の残留磁力を克服するために必要なエネルギ消費によって引き起こされる。渦電流損は、交流（ＡＣ）条件によって引き起こされた磁束の変化に起因する鉄心コアコンポーネント内の電流の発生によってもたらされる。
【０００５】
磁気コアコンポーネントはラミネートシート鋼から製造されるが、これらのコンポーネントは、複雑な小部品用の正味の形状に製造することが困難であり、周波数が高くなると大きなコア損失を蒙る。これらのラミネートベースコアの用途は、シート面にのみ磁束を坦持する必要性によっても制限される。ラミネート鋼を磁気コアコンポーネント用の材料として代用するために、燒結金属粉末が使用されてきたが、同様に、これらの焼結部品は高いコア損失を有し、主に直流（ＤＣ）動作に限定される。
【０００６】
鉄ベース粉末を用いた磁気コアコンポーネントの粉末冶金製造の研究は、他の特性に悪影響を及ぼすことなくある特定の物理的および磁気特性を強化する鉄粉組成の開発に向けられてきた。所望の特性には、低いコア損失、広い周波数範囲にわたる高透磁性、高圧縮強度、および圧縮成形技術の適合性が含まれる。
【０００７】
ＡＣ電源用途のコアコンポーネントの損失を減らすために、一般に、粒子は、粒子間の接触を防止する電気絶縁被覆または層を有することが要求される。この層の重要な特徴は、応力逃しを達成するために、粉末から準備された圧縮成形体を熱処理することが一般に望ましいので、劣化なしに高温に耐える層の能力である。特に興味深いものは、再結晶化後にベース粉末の特性に対する重要な変化が生じるときに絶縁を劣化することなく、ベース材料、すなわち非絶縁粉末の再結晶化温度の上方の温度に耐えることができる絶縁層である。他の要件は、ベース材料から準備された圧縮成形製品の密度に対する被覆の影響を可能な限り最小にすることである。
【０００８】
絶縁被覆は、例えば米国特許第５７９８１７７号およびＤＥ３４３９３９７に記述されている。これらの文献によれば、被覆は、リン酸を含む被覆溶液で鉄ベース粉末を処理することによって獲得される。絶縁粉末から準備された圧縮成形製品は、引き続き熱処理される。
【０００９】
米国特許第３２４５８４１号は、高い電気抵抗を有する磁性粉末の生産を開示している。粉末は、リン酸とクロム酸とを含む被覆溶液で鉄粉を処理することによって準備される。このような粉末から準備された圧縮粉末コアは、高周波数電力装置の使用に適切である。この特許は、粉末から準備された製品を熱処理する可能性について何ら言及していない。
【００１０】
強磁性粉末粒子上のリン酸塩と組み合わせたクロムを含む絶縁被覆は、ＷＯ９９／３０９０１（米国特許第６２５１５１４または第６０４２９４９号と同等）にも開示されている。この公知の粉末から製造された磁気部品は、比較的高い温度、すなわち２５０〜４５０℃の温度で焼鈍し得る。
【００１１】
他の種類の被覆が米国特許第４６０２９５７号に開示されている。この特許によれば、低周波数電力装置の使用に適切な磁性粉末コアは、重クロム酸カリウムの水溶液で鉄粉を処理し、粉末を乾燥し、粉末を圧縮して圧粉体を形成し、圧粉体を略６００℃で熱処理することによって準備される。しかし、本発明者が最もよく知る限りでは、これらの文献に記述されているように準備された絶縁粉末は、高い熱抵抗性および高い圧縮性の特性を組み合わせていない。
【００１２】
（本発明の目的）
第１の目的は、低い総損失、高透磁性、低保磁力、優れた周波数安定性等のような優れた軟磁性特性によって区別される圧縮材料を提供することである。
【００１３】
第２の目的は、鉄ベース粒子を囲む絶縁層が劣化されることなく鉄ベース材料の再結晶化温度以上の温度に耐えることができる軟磁性材料を提供することである。
【００１４】
第３の目的は、単一圧縮成形ステップで高密度に圧縮成形し得る粉末を提供することである。
【００１５】
第４の目的は、低および中周波数のＡＣ電源用途に有用な軟磁性材料を提供することである。
【００１６】
（発明の概要）
本発明によれば、上述の目的は、
−鉄ベース粉末の粒子がクロム含有層によって絶縁される、前記鉄ベース粉末を圧縮成形するステップと、
−鉄ベース材料の応力逃しおよび再結晶化を達成するために圧縮成形体を少なくとも６００℃の温度に加熱するステップと、を含む方法によって達成することが可能である。
【００１７】
（発明の詳細な説明）
鉄ベース粉末
最初のステップでは、鉄ベース粉末の粒子はクロム含有溶液で処理され、クロム層を鉄粒子の表面に形成する。粉末は、実質的に純粋な水で噴霧化された鉄粉、または不規則形状の粒子を有するスポンジ鉄粉であることが好ましい。しかし、鉄ケイ素、鉄ニッケル粉末等のような予め合金化された粉末も使用できる。本明細書では、「実質的に純粋な」という用語は、粉末は介在物を実質的に含むべきでないこと、および不純物Ｏ、ＣおよびＮの量が最小に維持されるべきことを意味する。平均粒度は、概して、３００μｍ未満、１０μｍ超である。このような粉末の例は、Ｈｏｅｇａｎａｅｓ  ＡＢ，Ｓｗｅｄｅｎから入手可能なＡＢＣ１００．３０、ＡＳＣ１００．２９、ＡＴ４０．２９、ＡＳＣ２００、ＡＳＣ３００、ＮＣ１００．２４、ＳＣ１００．２６、ＭＨ３００、ＭＨ４０．２８、ＭＨ４０．２４である。
【００１８】
溶液
本発明の好ましい実施態様によれば、本質的に純粋な鉄粉は、０．０１〜０．３５重量％、好ましくは０．０５〜０．２５重量％の最終絶縁粉末のクロム成分を提供するように、所定のクロム成分を有する溶液と混合される。この溶液は、ＣｒＯ３および／またはＮａ２ＣｒＯ４のような化合物を含有するクロムと共に、水、またはアセトン、エタノール等のような有機溶剤を用いることによって準備できる。この溶液には、クロム酸塩および／または水素クロム酸塩イオンとしてクロムが存在することが好ましく、ｐＨは７未満である。溶液の濃度ならびに粉末を処理するための期間は、最終粉末の所望の最終クロム成分に左右される。溶液の量は、鉄ベース粉末１ｋｇ当たり、５〜５００ｍｌの間で変化する。
【００１９】
本発明の好ましい実施態様によれば、溶液のｐＨは、アルカリ金属の水酸化物のような基本的物質を少量添加することによって調整することが可能である。このような物質の例はＮａＯＨおよびＫＯＨである。したがって、被覆溶液内のＮａＯＨまたはＫＯＨの濃度が、鉄ベース粉末で計算してＮａＯＨまたはＫＯＨの０．０１〜０．０３重量％の間で変化するときに、非常に安定した被覆が得られることが確認されている。
【００２０】
処理は、室温で約５分間〜約２時間の期間実行されることが好ましい。次に、混合物は、乾燥粉末を獲得するために加熱される。
【００２１】
絶縁粉末
通常、圧縮成形すべき最終の乾燥粉末のＣｒ成分は、非絶縁粉末がクロムを本質的に含まないことを前提として、絶縁粉末の総重量で計算して０．０１〜０．３５重量％の間で、最も好ましくは０．０５〜０．２５重量％の間で変化する。
【００２２】
粒子（倍率５００Ｘ）は、ＥＤＳ（エネルギー分散性Ｘ線分光分析法）の補助によりＪｅｏｌ５８００ＳＥＭで分析した。ソリッドステート検出器を著しく純粋な単結晶のゲルマニウムから構成し、液体窒素温度に冷却した。検出器によって吸収されたＸ線は、各Ｘ線量のエネルギに比例していくつかの電子正孔対を発生する。検出器からの信号はさらに増幅され、パルスが振幅に従ってソートされるマルチチャンネル分析器に送られる。情報は、ｋｅＶの量子エネルギに対して強度、すなわち量子数がプロットされるエネルギグラフに表示される。質的情報はグラフのピークの位置から得られ、また量的情報はピークの下の領域から得られる。定量化は、複数の段階、すなわちバックグラウンド除去、オーバラップピークの逆畳み込みおよび元素濃度の計算を介して行われなければならない。
【００２３】
エネルギスペクトルは点分析から得た。ビームの透過深度は約３〜５μｍであった。ＺＡＦ補正、すなわち原子番号（Ｚ）、吸収（Ａ）および蛍光（Ｆ）の補正による手順を用いて、定量化を実行した。定量化の前にコバルト標準に対してエネルギスケールを較正した。
【００２４】
以下においてＳＥＭ分析と呼ばれるこの技術によれば、水噴霧化されたＣｒを本質的に含まない粉末の粒子表面の絶縁被覆は、好ましくは０．０１〜０．７％のＣｒ成分を有するべきである。
【００２５】
以下の表１は、本発明による２つの粉末について、化学分析に従って得られたＣｒ成分と、ＳＥＭ法に従って測定されたＣｒ成分との間の関係を開示している。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
得られた結果は、非絶縁粒子がＣｒを本質的に含まないことを前提として、粒子表面のＣｒ成分が、全粒子で計算されたＣｒ成分の約２倍であることを示している。被覆の組成は、粉末等級毎に変化し得るベース粉末表面との発熱反応による反応生成物に関係する。表面の酸化物および局所的な組成により被覆の組成が決定される。
【００２８】
上述の米国特許第３２４５８４１号およびＷＯ９９／３０９０１から公知のクロム含有の絶縁被覆または層と対照的に、本発明による被覆はリンを含まない。
【００２９】
圧縮成形ステップ
圧縮成形ステップの前に、Ｃｒ被覆の鉄粉は適切な潤滑剤と混合される。代わりに、ダイが潤滑される。本発明による有用な潤滑剤の１つの種類は、Ｈｏｇａｎａｓ  ＡＢ，Ｓｗｅｄｅｎから入手可能なＫｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）であり、粉末の０．０５〜１重量％の量で使用できる。他の種類の潤滑剤を使用してもよい。
【００３０】
Ｃｒ被覆の乾燥粉末は、圧縮成形の前に熱硬化性または熱可塑性樹脂と混合し得る。このことは、最終のコンポーネントが比較的高い強度を有することが必要とされる場合に特に当てはまる。
【００３１】
圧縮成形ステップは、約１５０〜１５００ＭＰａの圧力で従来の装置で実行することが好ましい。圧縮成形は、周囲温度においてまたは高温の熱間圧縮成形として実行することが可能である。
【００３２】
本発明の重要な特徴は、粉末が高い圧縮性を有し、高密度に圧縮成形し得ることである。したがって、同一の圧力で圧縮成形した場合、圧縮成形された絶縁粉末の密度は、約０．３重量％未満のＣｒを含む絶縁粉末から本体が準備された場合にベース粉末の密度（図１参照）よりも低い０．１ｇ／ｃｍ３未満でもよいことが確認されている。
【００３３】
本発明による圧縮体の好ましい密度は７．２ｇ／ｃｍ３超であり、最も好ましくは７．２５ｇ／ｃｍ３超であり、この密度は約８００ＭＰａの圧縮成形圧力で得られる。
【００３４】
熱処理ステップ
最終の熱処理ステップにおいて、圧縮成形されたコンポーネントは、ベース材料の応力逃しおよび再結晶化を達成するために熱処理される。
【００３５】
ベース粉末材料の特性の重要な変化は、材料が再結晶化し、また軟磁性特性が向上するときに生じるので、絶縁粉末は再結晶化温度以上における劣化に耐えることが重要であり、この再結晶化温度は、本発明に従って使用されるベース粉末では通常６００℃超である。温度は、好ましくは６２０℃超であり、最も好ましくは６５０〜９００℃である。熱処理は１つのステップで実施されることが好ましい。熱処理期間は、数分間から最高２時間であり得る。
【００３６】
熱処理された圧縮成形体
本発明に従って準備された圧縮体は、１．５Ｔ、１５０Ｈｚで約４０Ｗ／ｋｇの総損失、４５０超の初期の透磁率、約２００Ａ／ｍの保磁力のような優れた軟磁性特性によって区別される。圧縮部分の最も興味深い用途は、ＡＣ用途のコアコンポーネントとして、本明細書において５０Ｈｚ〜５ｋＨｚの周波数範囲内にあることを意味する低または中周波数にある。
【００３７】
本発明に従って準備された圧縮成形かつ熱処理された本体の特性を、米国特許第４６０２９５７号に従って準備された圧縮成形体の特性と比較した。この結果は図１〜図５に示され、「Ｒｅｆ」は米国特許第４６０２９５７号に従って準備されたサンプルを示している。
【００３８】
（実施例１）
本実施例は、熱処理温度の関数として磁気特性を例示している。１ｋｇの鉄粉（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ  ＡＢ，Ｓｗｅｄｅｎから入手可能なＡＢＣ．１００．３０）を、最終の粉末で０．１％のＣｒを達成するためにＣｒＯ３の水溶液と混合した。完全に乾燥するまで約１００℃の加熱オーブンで、粉末を乾燥した。乾燥した絶縁鉄粉と０．５％のＫｅｎｏｌｕｂｅ（登録商標）潤滑剤との混合物を８００ＭＰａの圧力で圧縮し、外径５．５ｃｍ、内径４．５ｃｍ、高さ０．５ｃｍのトロイドに成形した。次に、トロイドを５００〜８００℃の温度の空気内で１０〜３０分間熱処理した。磁気特性を測定した。図２は保磁力測定の測定値の結果を開示しており、図３は１Ｔにおける総損失の測定値の結果を開示している。
【００３９】
本発明に従って得られた結果と、米国特許第４６０２９５７号による同一のベース粉末から準備された被覆との比較は、公知の被覆が劣化なしに約６００℃超の温度に耐えないことを開示している。
【００４０】
（実施例２）
本実施例は、濃度範囲の関数として総損失および透磁率を例示している。
【００４１】
乾燥ベース粉末で計算して最高約０．３重量％のＣｒのクロム成分を有する絶縁粉末を上述のように準備し、また磁気測定用のトロイドを、実施例１のような鉄粉と０．５重量％の潤滑剤との混合物で圧縮成形した。トロイドを６５０℃の空気内で１０分間熱処理した。
【００４２】
図４は、粉末のクロム成分の関数として損失測定の結果を示しており、図５は透磁率を示している。
【００４３】
（実施例３）
本実施例は、溶液のＮａＯＨの効果を例示している。
【００４４】
ＮａＯＨをＣｒＯ３の水溶液に溶解し、高純度の鉄ベース粉末（ＡＢＣ．１００．３０）と混合した。ＮａＯＨの量は１０００ｇの鉄粉の０．０２％であった。乾燥および８００ＭＰａでの圧縮成形後、獲得したグリーンボディを６５０℃で１０分間熱処理した。基準粉末を同一の方法で準備したが、ＮａＯＨは添加しなかった。
【００４５】
以下の表２に要約された結果から理解できるように、周波数安定性（間隔１〜１０ｋＨｚにおけるμによる＝Ｄμ＝の変化）は、ＮａＯＨの添加によって著しく向上する。
【００４６】
【表２】
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【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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