JP5431490B2 - 圧粉磁心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、無機絶縁被膜に被覆された軟磁性鉄基粉末を用いた圧粉磁心の製造方法に係り、特に、無機絶縁被膜に被覆された軟磁性鉄基粉末に成形潤滑剤粉末を添加した混合粉末を用いて形成される圧粉体を熱処理する圧粉磁心の製造方法に関する。

鉄などの軟磁性金属粉末を圧縮成形して作製した圧粉磁心は、電磁鋼板などによる積層コアと比較して、作製時の材料歩留まりが良く材料コストが低減できる。また、形状自由度が高く、コア形状の最適設計を行うことによって特性向上を図ることが可能である。さらに、有機樹脂や無機粉末などの絶縁物と金属粉末を混合したり、金属粉末の表面に絶縁被膜を被覆したりして金属粉末間の絶縁性を高めることにより、コアの渦電流損を大幅に低減することができる。これらの理由から、近年、小型化や高効率化が求められている回転電機用の軟磁性コア材料として圧粉磁心が注目されている。

高周波数領域での渦電流損を抑制する観点から、軟磁性金属粉末に絶縁処理を施して軟磁性金属粉末の表面に電気絶縁層を形成した粉末を用い、その粉末に結合材および絶縁材として樹脂を混合した後に圧縮成形して製造された圧粉磁心が提案されている（特許文献１）。

また、軟磁性金属粉末に酸化物の微粉末を混合して、軟磁性金属粉末の表面に酸化物粉末を付着させることで薄く絶縁性の良好な絶縁層を形成する方法が提案されている（特許文献２）。

特開平１１−２５１１３１号公報 特開２００３−３３２１１６号公報

近年、圧粉磁心の磁束密度の更なる向上が求められており、磁心中の軟磁性金属粉末の占積率を高くするために、圧粉磁心の高密度化が必要となっている。圧粉磁心の高密度化は、成形時の圧力を高めることによって可能であるが、高い圧力で圧粉成形すると、軟磁性金属粉末同士の接触・摩擦が起こりやすくなるため、金属粉末表面の絶縁被膜が損傷して比抵抗が低くなり、渦電流損が増大することにもつながる。

また、高密度化するために高い圧力で圧粉成形すると、得られる圧粉磁心中の圧縮歪みが大きくなり、透磁率及び磁束密度が低くなるとともにヒステリシス損が増大する。

このため、透磁率及び磁束密度を向上させてヒステリシス損を低減するために、圧縮成形した圧粉体に焼結温度未満の温度で熱処理を施して、圧粉磁心中の歪みを緩和する必要がある。

しかし、有機樹脂は、一般的に高温において熱分解し、また、有機樹脂より耐熱温度が高い無機絶縁被膜も、結晶化して凝集したり、軟磁性金属と反応したりするおそれがある。従って、ヒステリシス損を低減させるために過度に高い温度で熱処理を施すと、絶縁物質が損なわれて比抵抗が著しく低くなり、渦電流損が増大するため、かえって鉄損が高くなってしまう。そのため、熱処理温度は、絶縁物質の耐熱温度未満に制限され、概して２００℃から５００℃程度未満となるが、このような温度において圧縮歪みを十分に除去することは難しい。

また、特許文献２のように微粉末を軟磁性金属粉末に付着させる方法では、均一かつ完全に粉末表面を覆うことが困難である。更に、金属酸化物は、耐熱性は高いが硬くて脆いため、圧粉成形時に軟磁性金属粉末の絶縁被膜を損傷しやすい。

本発明の目的は、上述のような課題を解決し、無機絶縁被膜に被覆された軟磁性鉄基粉末を用いた圧粉磁心の製造において、圧粉成形時の絶縁被膜の損傷及び絶縁性の低下を防止し、渦電流損及びヒステリシス損が共に低い圧粉磁心を得ることができる圧粉磁心の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、本願発明者は、圧粉成形における様々な要素について検討し、本発明を成すに至った。
本発明の一形態によれば、圧粉磁心の製造方法は、リン酸塩化合物を含む無機絶縁被膜によって被覆された軟磁性鉄基粉末に、バリウムの脂肪酸塩を含む成形潤滑剤粉末が添加された混合粉末を用意し、前記混合粉末を用いて圧粉体を成形し、前記圧粉体に熱処理を施して圧粉体中の歪みを除去することを要旨とする。

本発明によれば、加熱によって、軟磁性金属粉末に施されたリン酸塩系絶縁被膜に、脂肪酸金属塩を構成する金属元素が分散し、絶縁被膜の耐熱性を向上させるので、歪みを除去するための熱処理を高温で行っても絶縁性を損なわず、周波数による透磁率の変動が低下した安定性の良い圧粉磁心が得られる。圧粉成形時に軟磁性金属粉末間に脂肪酸金属塩が介在することにより、成形潤滑剤として作用する脂肪酸金属塩が軟磁性粉末同士の接触・摩擦を低減して絶縁被膜の損傷を防止でき、渦電流損及びヒステリシス損を共に低下させた圧粉磁心を提供することができる。軟磁性金属粒子の占積率が高い圧粉磁心を提供できる。

軟磁性粉末と樹脂粉末とで構成される圧粉磁心の磁気特性と周波数との関係を調べると、ヒステリシス損は、周波数が高くなるにつれて増大する。従って、高周波数域において良好な磁気特性を示す圧粉磁心を得るためには、ヒステリシス損の減少は重要である。高密度圧縮時に発生する応力歪みに起因するヒステリシス損は、熱処理を施して応力歪みを緩和することで低減可能であるが、熱処理においては、加熱による樹脂の変質又は分解を生じると、絶縁性の低下に伴う渦電流損及び鉄損の増加を招く。応力歪みの緩和に有効な加熱温度は５００℃前後であり、このような加熱に十分に耐え得る樹脂素材を見出すのは実用的に困難であるが、樹脂粉末に代えて、金属石鹸（水に不溶の脂肪酸金属塩）粉末を成形潤滑剤（粉末潤滑剤）として用いると、その潤滑性によって圧粉成形時に粉末粒子間に生じる歪み自体の大幅な減少が可能であり、また、圧粉体を金型から抜き出す際に圧粉体と金型壁面との抵抗も低減できるので、応力歪みの緩和に要する熱処理を軽減又は省略することが可能である。

更に、圧粉磁心の性能を高めるために、圧粉磁心をリアクトルに適用する場合について検討したところ、金属石鹸の中に特異的に有効なものが存在することを見出した。

一般に、磁気ヒステリシス曲線は、磁場の強さ（Ｈ）が増加すると、急激に磁束密度（Ｂ）が増加した後、一定の値で飽和する曲線を描き、このヒステリシス曲線の勾配が透磁率（μ）に相当する。このような磁気ヒステリシス曲線を描く磁心をリアクトルとして使用すると、初期のインダクタンスの値（Ｌ）が高くても、電流値（ｉ）が増加するに従ってインダクタンスの値（Ｌ）が激減する。このような状態になると、高磁場側で使用するリアクトルの場合には、鉄心の効果が著しく低減するので、空心コイルの状態で使用するのと同様になる。

これに対して、磁場の強さ（Ｈ）に対して磁束密度（Ｂ）が一定の割合で増加するような磁気ヒステリシス曲線を示す磁心、つまり、透磁率（μ）が安定している磁心を想定すると、初期のインダクタンスの値（Ｌ）は低いが、電流値（ｉ）の値が増加してもインダクタンスの値（Ｌ）は急激に減少しない優れたリアクトルとなる。換言すれば、高磁場側でも鉄心によってインダクタンスを得ることができ、鉄心の効果を維持することができる。故に、交流磁場における周波数が変化しても透磁率が安定している磁心は、リアクトルへの適用において好ましく、特に、透磁率の低下率が５％未満の磁心が好ましい。

金属石鹸粉末を用いて圧粉磁心を作成し、透磁率との関連について調べると、特定の脂肪酸金属塩を用いた場合に、透磁率の変動が低減して透磁率の安定性が高い磁心を得られる。具体的には、脂肪酸金属塩のうち、バリウム，カルシウム，リチウム及びマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属による脂肪酸塩を成形潤滑剤として添加した時に、交流磁場における周波数の変化に対する透磁率の変化が少なく、特に、バリウム塩及びカルシウム塩は、透磁率の安定性に優れており、リアクトルとして使用した際に、電流値（ｉ）の変化に対してインダクタンスの値（Ｌ）が変化しない優れたリアクトルが得られる。

従って、本発明において用いる脂肪酸金属塩は、バリウム塩、カルシウム塩、リチウム塩及びマグネシウム塩のうち少なくとも１種の金属による脂肪酸塩を含む。この脂肪酸金属塩とリン酸塩化合物被膜を表面に施した軟磁性金属粉末との粉末混合物を圧縮成形すると、圧縮時に軟磁性金属粉末に蓄積される歪みが低減され、更に、熱処理することによって解消され、透磁率を高くするとともに、ヒステリシス損を減少させることが可能となる。

脂肪酸金属塩を構成する金属元素は、圧粉磁心の歪みを除去する熱処理の際に、絶縁被膜を構成するリン酸塩系化合物に作用して絶縁被膜の耐熱性を向上させ、４００〜６００℃での高温熱処理を施しても、極端な比抵抗の低下や渦電流損の増大を防止できる。この脂肪酸金属塩を構成する金属元素の絶縁被膜への作用は、熱処理の際にリン酸塩系の絶縁被膜中に分散して、絶縁被膜を結晶化し難くするものと考えられる。つまり、５００℃近辺での熱処理による圧粉体の圧縮歪みの積極的解消を適用可能とすると共に、軟磁性鉄粉表面の絶縁被膜の物性に作用することによって、圧粉磁心の周波数特性が向上する。尚、脂肪酸金属塩を構成する脂肪酸は、熱処理においてガス化、分解等によって実質的に消失するので、上述の絶縁被膜への作用は、脂肪酸金属塩を構成する金属元素の相異によって変化するが、脂肪酸の相異は実質的に影響しない。

脂肪酸金属塩を構成する脂肪酸としては、炭素数１２〜２８程度の飽和又は不飽和の高級脂肪酸類が好ましく、例えば、ステアリン酸、１２−ヒドロキシステアリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、リシノール酸、ベヘン酸、モンタン酸などが挙げられる。これらの脂肪酸の金属塩は、圧粉成形において特に好適な粉末潤滑性を示す。脂肪酸は単独でも複数種の混合であっても良く、又、実質的に上述の効果を損なわない限りにおいて、上記以外の脂肪酸を含んでも良い。

なお、使用する脂肪酸金属塩は、バリウム塩、カルシウム塩、リチウム塩及びマグネシウム塩のうち少なくとも１種を含めばよく、複数種の混合物を使用してよい。また、成形潤滑剤として他の金属石鹸やアミドワックス等をさらに添加して軟磁性金属粉末と混合してもよい。この場合、前記脂肪酸金属塩は、成形潤滑剤全量の０．１質量％以上であることが好ましい。

成形潤滑剤粉末の添加量によって、得られる圧粉磁心における軟磁性鉄基粉末の占積率及び比抵抗値が変化するので、その添加量は、軟磁性鉄基粉末の占積率及び絶縁形成を勘案して適宜設定される。圧粉磁心の比抵抗値が１００００μΩｃｍ以上、軟磁性鉄基粉末の占積率が９３％以上となるように構成することが好ましく、この点に基づくと、成形潤滑剤の添加量は、軟磁性鉄基粉末と成形潤滑剤の合計量に対して０．１〜１．０質量％程度であると好ましく、０．２〜０．７質量％程度であるとより好ましい。

又、使用する成形潤滑剤粉末の粒径が小さいと、軟磁性鉄基粉末間に均一に分散して良好な絶縁性を発揮し易いので、成形潤滑剤の平均粒径は、４５μｍ以下であると好ましい。このような小粒径の成形潤滑剤粉末を用いると、特に高周波数域における圧粉磁心の渦電流損及び鉄損が好適に減少する。

無機絶縁被膜で表面を被覆された軟磁性粉末は、圧粉磁心の渦電流損の低減に有効であり、本発明では、軟磁性粉末として、鉄系金属粉末の表面をリン酸塩化合物を含む無機絶縁被膜で被覆した軟磁性鉄基粉末が用いられ、鉄系金属として、純鉄や、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、パーマロイ、センダスト等の鉄合金が挙げられる。純鉄粉を被覆したものは、磁束密度の高さや成形性等の点で優れている。高周波用に適した高密度圧粉磁心を得る上で、粒径が１〜３００μｍ程度の軟磁性鉄基粉末が好ましい。無機絶縁被膜で被覆された軟磁性鉄基粉末は、既知の化成処理によって鉄系金属粉末の表面に絶縁性無機化合物の被膜を形成して用いたり、市販の絶縁被膜で被覆された軟磁性鉄基粉末製品を入手してそのまま使用することができる。例えば、リン酸、ホウ酸及びマグネシウムを含有する水溶液を鉄粉末に混合して乾燥することによって、鉄粉末１ｋｇの表面に０．７〜１１ｇ程度の無機絶縁被膜が形成された被覆軟磁性粉末が得られる。

無機絶縁被膜は、例えば、リン酸鉄、リン酸マンガン、リン酸亜鉛、リン酸カルシウム、リン酸アルミニウムなどのリン酸金属塩化合物を含有することが好ましい。

上述に従って、軟磁性鉄基粉末及び成形潤滑剤を用意して均一に混合し、粉末混合物を金型に充填して加圧圧縮することにより、粉末混合物は圧粉体に成形される。高周波数域で優れた磁気特性を示すには、圧粉磁心の軟磁性粉末の占積率が９３％以上であることが好ましく、このような高密度に圧縮成形するためには、通常、１０００ＭＰａ程度の高い成形圧を要する。しかし、本発明においては、上述の成形潤滑剤の高い潤滑性によって粉末混合物の圧縮性が向上し、６００〜８００ＭＰａ程度の成形圧で上述のような高密度成形が可能である。また、軟磁性金属粉末間の接触・摩擦を低減し、圧粉成形時の絶縁被膜の損傷を防止できる。粉末潤滑剤としてステアリン酸バリウムやステアリン酸リチウムを用いると、７００ＭＰａ以下での成形も容易であり、軟磁性粉末の占積率が９４〜９６％の圧粉体も容易に得られる。８００ＭＰａ以下の成形圧では、加圧成形時に発生する応力歪みを小さく抑えることが可能であり、残留する応力歪みが小さい圧粉体を得ることができるので、粉末潤滑剤によって圧縮性が向上した粉末混合物は、比較的低い成形圧で高密度に圧縮成形でき、残留応力を低減できる。従って、得られる圧粉体は、そのまま圧粉磁心として使用することができるが、更に、後述の熱処理を施すと、圧粉磁心として高磁場、高周波数域で良好な磁気特性を発揮するだけでなく、周波数による透磁率の変動が少なくすることができる。

得られた圧粉体は、熱処理を施すことによって応力歪みが減少し、歪みの緩和効果は、熱処理の温度が高くなるに従って増大する。熱処理温度が４００℃に満たないと、軟磁性金属粒子中の歪みの除去が不充分となり、透磁率の向上効果およびヒステリシス損の低減効果が不充分となる。一方、熱処理温度が６００℃を超えると、絶縁被膜の劣化による軟磁性粉末間の絶縁性の低下が大きくなるため、ヒステリシス損の減少よりも渦電流損の増大のほうが大きくなる。

上述に従って熱処理を施した圧粉体は、高い磁束密度を有し、残留応力歪みが小さいので、最大透磁率が高く、高磁場、高周波領域における用途でもヒステリシス損及び渦電流損が小さい。故に、リアクトル、イグニッションコイル等の昇圧回路や、チョ−クコイル、ノイズフィルタ等の高磁場、高周波領域で使用される回路の鉄心用として好適に使用できる。特に、周波数による透磁率の変動が少ないので、リアクトルへの適用に優れている。このような用途に応じて、巻き線、樹脂塗装、樹脂モールド、部品組み付け等の必要な加工処理を施して、各種製品として提供することができる。

成形潤滑剤として用いる脂肪酸金属塩として、ステアリン酸バリウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸マグネシウム及びステアリン酸亜鉛を用意して、以下の操作を行った。

表１に従って、リン酸塩化合物被覆を表面に施した純鉄粉末（商品名：Somaloy 500、被覆：リン酸成分０．３〜０．４質量％含有、ヘガネス社製）に対して０．５質量％の成形潤滑剤を添加混合して原料粉末とした。また、比較のために、成形潤滑剤を添加しない原料粉末も用意した。得られた原料粉末を成形型に投入し、圧粉密度が約７．４Ｍｇ／ｍ^３となるように加圧圧力を調節して圧粉成形することにより、内径：２０ｍｍ、外径：３０ｍｍ、厚さ：５ｍｍの圧粉体を得た。得られた圧粉体を表１に示す温度で加熱して試料番号１〜２０の試料を得た。得られた試料について、直流磁気特性及び交流磁気特性を調べた。直流磁気特性については、１００００Ａ／ｍの条件下で磁束密度及び最大透磁率を測定し、交流磁気特性については、周波数４００Ｈｚ 、磁束密度１Ｔの条件下でヒステリシス損、渦電流損および鉄損を測定した。

以上のようにして得られた各試料の各加熱温度における磁気特性の測定結果を表１に示す。

表１の試料番号１〜７及び試料番号１１〜１５に基づいて、熱処理温度の影響を調べることができる。これらの結果によれば、熱処理温度が上昇するにつれて軟磁性粒子中の歪みが減少してヒステリシス損が低下するとともに透磁率が向上することがわかる。ステアリン酸バリウムを添加した場合は、熱処理温度が６００℃まで上昇しても、比抵抗が高く、且つ、渦電流損が低く安定した値を示す圧粉体が得られ、鉄損も低く安定している。ステアリン酸亜鉛を添加した場合は、熱処理温度が上昇すると、比抵抗が低下し絶縁性が保てなくなるとともに渦電流損が増大する。鉄損も、熱処理温度が４５０℃以上になると増大する。

成形潤滑剤を添加しなかった試料（試料番号１６〜２０）では、成形潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を添加した試料よりも更に比抵抗が低くなり、特に５５０℃の熱処理温度では渦電流損が著しく増大する。このことから、成形潤滑剤を添加せずに圧粉成形すると、絶縁被膜が損傷し、渦電流損の増大を招くことが確認される。

また、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸リチウムおよびステアリン酸マグネシウムを用いた試料（試料番号８〜１０）は、５５０℃の熱処理温度でも高い比抵抗と低い渦電流損を示し、ステアリン酸バリウムと同様に、絶縁性の低下及び渦電流損の増加を抑制するのに非常に有効であることが解る。

なお、試料番号１〜１０の試料断面を透過型電子顕微鏡で観察し、元素マッピングを行ったところ、軟磁性金属粒子の周囲の絶縁被膜中に、ステアリン酸金属塩の構成成分である金属元素が分散していることが確認された。このことから、圧粉磁心の歪みを解消する熱処理工程において、高級脂肪酸金属塩を構成する金属元素がリン酸塩化合物の絶縁被膜に分散することで、絶縁被膜を結晶化し難くし、絶縁被膜の耐熱性を向上させると考えられる。

実施例１で用いたステアリン酸バリウム、及び、リン酸塩化合物被膜を表面に施した純鉄粉末を用いて、表２に示す配合割合でこれらを添加混合して原料粉末を調製した。原料粉末を、実施例１と同様に、圧粉体密度７．４Ｍｇ／ｍ^３になるように圧力を調節して、内径：２０ｍｍ、外径：３０ｍｍ、厚さ：５ｍｍの圧粉体に成形した後、５５０℃で熱処理して試料番号２１〜２４の試料を得た。得られた試料について、実施例１と同様の条件で各試料の磁気特性を測定した。その結果を表２に示す。尚、表２中、試料番号５の試料は、実施例１において得た試料番号５である。

表２より、ステアリン酸バリウムの添加量が０．０５質量％の試料番号２１では比抵抗が低く、渦電流損が大きいが、添加量が０．１質量％の試料番号２２では５５０℃で熱処理を施しても充分な絶縁性を保ち、比抵抗が３０００μΩｃｍ以上となり、渦電流損が低い。

ステアリン酸バリウムの添加量が多いほど比抵抗は低くなる。但し、添加量が１．０質量％を超えると、圧粉体密度を７．４Ｍｇ／ｍ^３以上に成形することが困難になる。これは、高級脂肪酸金属塩は軟磁性金属粒子よりも低比重で、高級脂肪酸金属塩の圧粉体中の占積率が大きくなるためであり、その結果、鉄粉末の占積率の向上が困難となり、磁束密度を高くできなくなる。故に、成形潤滑剤の添加量は１．０質量％以下とすることが肝要である。

成形潤滑剤として用いる高級脂肪酸金属塩として、実施例１で用いたステアリン酸バリウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸マグネシウム及びステアリン酸亜鉛を用意した。

実施例１で用いたリン酸塩化合物被膜を表面に施した純鉄粉末を用い、純鉄粉末に対する成形潤滑剤の配合割合を０．５質量％として、これらを混合して原料粉末を調製した。原料粉末を、実施例１と同様に、圧粉体密度７．４Ｍｇ／ｍ^３になるように、内径：２０ｍｍ、外径：３０ｍｍ、厚さ：５ｍｍの圧粉体に圧粉成形した後、５５０℃で熱処理して試料番号２５〜２９の試料を得た。又、成形潤滑剤を添加しない原料を用いて同様に試料を作製した（試料番号３０）。

得られた試料について、周波数５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚ 、磁束密度１Ｔの条件下で透磁率（μａ）を測定し、周波数５０Ｈｚ〜１０００Ｈｚにおける透磁率の平均値、及び、周波数５０Ｈｚと周波数１０００Ｈｚとの透磁率の差を算出した。結果を表３に示す。

リアクトルとしての使用においては、透磁率（μａ）の大きさは問題とならず、周波数の変化に対して透磁率（μａ）の値が安定しているものが適している。この点において、ステアリン酸バリウムを用いた試料における透磁率の変動が最も少なく、優れた安定性を示している。次いで、ステアリン酸カルシウムを用いた場合の安定性が高い。尚、ステアリン酸亜鉛を用いた場合には、透磁率はある程度安定しているが、実施例１，２において示すように、熱処理によって絶縁被膜が破壊されて比抵抗が増加し、渦電流損が増加する。

表３の結果を用いて、周波数５０Ｈｚから１０００Ｈｚまでの透磁率の低下率を、（μａの差／５０Ｈｚにおけるμａ）×１００［％］として求めると、試料２５：２．７％、試料２６：２．９％、試料２７：２．７％、試料２８：３．２％、試料２９：３．０％、試料３０：８２．７％となる。つまり、成形潤滑剤を添加した試料２５〜２９の何れも低下率が５％未満であり、リアクトルとしての使用に極めて好ましい値である。

本発明によれば、周波数に対する透磁率の変動が少なく安定性の高い圧粉磁心の提供が可能となり、イグニッションコイル、インジェクタコア等の電装部品や、チョークコイル、ノイズフィルタなどの高磁場、高周波領域で使用される回路の鉄心、さらには一般産業用あるいは自動車用のモータコア等の商用周波数〜中周波数領域で使用される磁気部品にも好適に使用できる圧粉磁心を提供することができる。

Claims (4)

1. リン酸塩化合物を含む無機絶縁被膜によって被覆された軟磁性鉄基粉末に、バリウムの脂肪酸塩を含む成形潤滑剤粉末が添加された混合粉末を用意し、前記混合粉末を用いて圧粉体を成形し、前記圧粉体に熱処理を施して圧粉体中の歪みを除去する圧粉磁心の製造方法。
2. 前記脂肪酸塩は、炭素数１２〜２８の飽和又は不飽和脂肪酸の塩を含み、前記脂肪酸塩の添加量は、前記混合粉末中の０．１〜１．０質量％である請求項１に記載の圧粉磁心の製造方法。
3. 熱処理温度が４００〜６００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧粉磁心の製造方法。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の圧粉磁心の製造方法によって得られる、周波数５０Ｈｚから１０００Ｈｚまでの透磁率の低下率が５％未満であることを特徴とする圧粉磁心。