JP2008248306A - 圧粉成形用粉末および圧粉成形磁芯ならびにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コアロスで且つ高初透磁率および高重畳特性の圧粉成形磁芯、これを確実に提供できる製造方法、およびこれに用いる圧粉成形用粉末を提供する。
【解決手段】Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をブレンドしてなる、圧粉成形用粉末。また、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をほぼ均一に含有していると共に、所定の形状に成形され且つ焼成されている、圧粉成形磁芯も含まれる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、低コアレスで且つ高初透磁率および高重畳特性を呈する圧粉成形磁芯とその製造方法ならびに係る磁芯を得るための圧粉成形用粉末に関する。

例えば、モーターなどの磁芯（コア）には、純鉄やパーマロイのほか、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金（Ｆｅ−５〜１１ｗｔ％Ｓｉ−３〜８ｗｔ％Ａｌ）が用いられている。係るＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金は、鋳造した場合に脆く割れ易いため、複雑な形状や小さな磁芯を製造する場合、例えば、水噴霧して得た粉末を圧粉成形した後、焼成している。
水アトマイズ（噴霧）により得られる粉末は、安価で且つ表面に微細な凹凸を有しているが、噴霧時の水分により当該粉末の表面が酸化している。このため、かなり脱酸処理しないと、水噴霧粉を圧粉成形し且つ焼成して得られる磁芯のコアロスを、所要のレベルまで低くすることができない、という問題があった。
一方、ガスアトマイズ（噴霧）にて得られたＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金の粉末と絶縁材とを混合して圧粉成形した後、得られた成形体を焼鈍することにより、低コアロスの圧粉コアを得る製造方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７４０１１号公報（第１〜８頁）

特許文献１の明細書における表１，２によれば、酸素含有量が２００ｐｐｍのガスアトマイズ粉を用いたトロイダルコアの初透磁率（μｉ）は、９０であるのに対し、酸素含有量が２８５０ｐｐｍの水アトマイズ粉を用いたトロイダルコアの初透磁率は、５０に留まっている。係る結果は、各酸素含有量の差に基づくと思われる。
しかし、ガスアトマイズ粉は、ほぼ球形状を呈するため、圧粉密度を高めるには、平均粒径の小さな粉末を用いる必要があり、製造コストが高くなる。このため、コアロスが低く、初透磁率および重畳特性の高い磁芯を得るには、実用的ではなかった。

本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、低コアロスで且つ高初透磁率および高重畳特性の圧粉成形磁芯、これを確実に提供できる製造方法、およびこれに用いる圧粉成形用粉末を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、水アトマイズ粉末とガスアトマイズ粉末とを、それぞれの粒度レベルおよび両粉末の配合割合を所定の範囲にしてブレンドする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の圧粉成形用粉末（請求項１）は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をブレンドしてなる、ことを特徴とする。

これによれば、酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下で、平均粒径が比較的小さく且つ異形形状の水アトマイズ粉と、酸素含有量が３００ｐｐｍ以下で、平均粒径が比較的大きく且つほぼ球形状のガスアトマイズ粉とが、前記範囲の割合でブレンドされている。このため、混合粉を絶縁材と共に圧粉成形し、更に焼成した際に、圧粉密度が高く且つ粉末全体が比較的均一であるので、酸化によるコアロスを抑制でき、高い初透磁率で且つ高い重畳特性の圧粉成形磁芯を容易に得ることが可能となる。
前記水アトマイズ粉が５０ｗｔ％未満では、コスト高になるおそれがあり、一方、７０ｗｔ％を越えると、酸化によるコアロスを生じるおそれがあるため、水アトマイズ粉の割合を５０〜７０ｗｔ％とした。かかる水アトマイズ粉の平均粒径が−２００メッシュよりも大きくなると、圧粉成形した際に内部に空隙を生じて、圧粉密度が低下するため、係る範囲を除外した。
前記ガスアトマイズ粉が３０ｗｔ％未満では、コアロスが上昇し且つ重畳特性が低下し、一方、５０ｗｔ％を越えると、初透磁率が低下するため、ガスアトマイズ粉の割合を３０〜５０ｗｔ％とした。かかるガスアトマイズ粉の平均粒径が−１００メッシュよりも大きくなると、圧粉成形した際に内部に空隙を生じるおそれがあり、圧粉密度が低下するため、係る範囲を除外した。
前記酸素含有量が３０００ｐｐｍまたは３００ｐｐｍを越えると、コアロスを生じるおそれがあるため、上記含有量以下とした。
ガスアトマイズ粉の平均粒径を−１００メッシュ以下のみとしたのは、これよりも細かくすることは、実用的な技術では高コストになるためである。
尚、前記Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金は、Ｆｅ−５〜１１ｗｔ％Ｓｉ−３〜８ｗｔ％Ａｌのほか、更にＣ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒなどを含有したり、あるいはＳやＰを微量含むものも含有される。

一方、本発明の圧粉成形磁芯（請求項２）は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をほぼ均一に含有していると共に、所定の形状に成形され且つ焼成されている、ことを特徴とする。
これによれば、圧粉密度および焼成密度が高く且つ酸化していないため、後述するような低コアロス、高初透磁率、および高重畳特性の優れた磁気特性を有する圧粉成形磁芯となっている。このため、小型化や複雑形状する磁芯であっても、安定した磁気特性を奏する共に、比較的安価に提供することが可能となる。
尚、所定の形状には、リング形や円柱形などのほか、種々の異形も含まれる。

また、本発明には、前記圧粉成形磁芯は、初透磁率（μｉ）が１１５以上、印加磁界が２０Ｏｅにおける透磁率が初透磁率に対して６５％以上、およびコアロス（Ｐｔ）が４００ｋＷ／ｍ^３以下の磁気特性を有する、圧粉成形磁芯（請求項３）も含まれる。
これによれば、低コアロス、高初透磁率、および高重畳特性の優れた磁気特性を有するため、各種の電磁機器やモーターなどにおいて、安定した磁芯として信頼性を高めることが可能となる。
尚、前記コアロスの条件は、５０ｋＨｚおよび０．１Ｔ（テスラ）である。

更に、本発明による圧粉成形磁芯の製造方法（請求項４）は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をブレンドする工程と、かかるブレンドされた混合粉末を絶縁材と共に金型内に充填して圧粉成形する工程と、所定の形状に圧粉成形された成形体を焼成する工程と、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、酸素含有量を抑制された水アトマイズ粉とガスアトマイズ粉との混合粉を絶縁材と共に圧粉成形し、得られた成形体を焼成することで、密度が高く且つ粉末全体が比較的均一であり、酸化によるコアロスを抑制でき、高い初透磁率で且つ高い重畳特性の圧粉成形磁芯を、確実に提供することができる。

尚、前記水アトマイズ粉を得るための水アトマイズ条件は、注湯ノズルの内径：６〜１０ｍｍ、注下流量：３０〜７０ｋｇ／分、噴霧水流量：８〜１５リットル／秒、噴霧水圧：１００〜２００ｋｇ／ｃｍ^２である。
また、前記ガスアトマイズ粉を得るためのガスアトマイズ条件は、注湯ノズルの内径：６〜１０ｍｍ、注下流量：３０〜７０ｋｇ／分、噴霧ガス流量：３００〜６００リットル／秒、噴霧ガス圧：２０〜４０ｋｇ／ｃｍ^２である。上記噴霧ガスには、Ａｒ、窒素、あるいはこれらの混合ガスが用いられる。
得られた水アトマイズ粉は、脱水および乾燥処理して回収した後、ガスアトマイズ粉は、回収した後、それぞれ各種のメッシュ用の篩により所定の粒度分布となるように分級される。
更に、前記ブレンド工程には、ブレンダーやミキサーなどが用いられる。
加えて、前記絶縁材は、アクリル樹脂やシリコンなどのペレットや粉末が用いられ、併せて潤滑剤や溶剤も配合される。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。尚、以下において、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金の組成に関する「％」は全て「ｗｔ％」である。
Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：５〜１１％、Ａｌ：３〜８％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金を、溶解炉で溶解した。
上記Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金の溶湯を、水噴霧装置によって、注湯ノズルの内径：６〜１０ｍｍ、注下流量：３０〜７０ｋｇ／分、噴霧水流量：８〜１５リットル／秒、噴霧水圧：１００〜２００ｋｇ／ｃｍ^２での条件で水噴霧して水アトマイズ粉とした。得られた水アトマイズ粉を、濾過器により脱水処理し、更にロターリーキルンにより乾燥処理した後、篩により−２００メッシュに分級した。

また、別の溶解炉で溶解したＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金の溶湯を、ガス噴霧装置によって、注湯ノズルの内径：６〜１０ｍｍ、注下流量：３０〜７０ｋｇ／分、噴霧ガス流量：３００〜６００リットル／秒、噴霧ガス圧：２０〜４０ｋｇ／ｃｍ^２での条件でガス噴霧してガスアトマイズ粉とした。得られたガスアトマイズ粉を、回収した後、篩により−１００メッシュに分級した。
次に、−２００メッシュの水アトマイズ粉と−１００メッシュのガスアトマイズ粉とを、前者が５０〜７０ｗｔ％で且つ後者が３０〜５０ｗｔ％の配合割合になるように、それぞれ計量してブレンダーに投入した後、約３０分間ブレンドした（ブレンド工程）。
次いで、得られた混合粉に、例えば、アクリル樹脂（絶縁材）の粉末、ステアリン酸などの潤滑剤、および溶剤を加えて、金型のキャビティ内に充填した後、開口部がポンチを当該キャビティ内に圧入して、例えばリング形状に圧粉成形した（圧粉成形工程）。

更に、得られたリング形の成形体を、不活性雰囲気中で約４００〜６５０℃に加熱して焼成した（焼成工程）。
以上の製造方法により得られた圧粉磁芯の磁気特性を測定した結果、初透磁率（μｉ）が１１５以上と高く、印加磁界が２０Ｏｅにおける透磁率も９０％以上と高く、コアロス（Ｐｔ）が４００ｋＷ／ｍ^３以下と低い、優れたものとなった。
これは、酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下で、平均粒径が比較的小さく且つ異形形状の水アトマイズ粉と、酸素含有量が３００ｐｐｍ以下で、平均粒径が比較的大きく且つほぼ球形状のガスアトマイズ粉とを、前記範囲の割合でブレンドし、得られた混合粉を絶縁材と共に圧粉成形し、更に焼成した際に、圧粉密度および焼成密度が高く且つ酸化が抑制されていたため、コアロスを低く抑制でき、高い初透磁率で且つ高い重畳特性となったものである。

Ｃ：０．０１％以下、Ｓｉ：９．４８％、Ａｌ：５．５３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金を、溶解炉で溶解した。
上記Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金の溶湯を、水噴霧装置によって、注湯ノズルの内径：８ｍｍ、注下流量：５０ｋｇ／分、噴霧水流量：１０リットル／秒、噴霧水圧：１００ｋｇ／ｃｍ^２での条件で水噴霧して水アトマイズ粉とした。得られた水アトマイズ粉を、濾過器にて脱水処理し、ロターリーキルンにて乾燥処理して、酸素含有量を１９００ｐｐｍ以下とした後、異なるメッシュの篩により、−１００メッシュ、−１４５メッシュ、および−２００メッシュの３種類に分級した。
また、別の溶解炉で溶解した上記Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金の溶湯を、ガス噴霧装置によって、注湯ノズルの内径：８ｍｍ、注下流量：５０ｋｇ／分、噴霧ガス流量：５００リットル／秒、噴霧ガス圧：３０ｋｇ／ｃｍ^２での条件でガス噴霧してガスアトマイズ粉とした。得られた酸素含有量が２００ｐｐｍ以下のガスアトマイズ粉を、回収した後、篩により−１００メッシュに分級した。

次に、−１００メッシュ、−１４５メッシュ、および−２００メッシュの各水アトマイズ粉と、−１００メッシュのガスアトマイズ粉とを、前者が５０，６０，７０ｗｔ％で且つ後者が５０，４０，３０ｗｔ％の配合割合であって、全体が１００ｗｔ％になるように、それぞれ計量してブレンダーに投入した後、約３０分間ブレンドした。
また、−１００メッシュ、−１４５メッシュ、−２００メッシュの水アトマイズ粉が１００ｗｔ％である３種類の単一粉と、−１００メッシュのガスアトマイズ粉が１００ｗｔ％の単一粉とを、別途に用意した。

次に、得られた９種類の混合粉および４種類の単一粉ごとに、アクリル樹脂の粉末：１ｗｔ％、潤滑剤（ステアリン酸アミド）：１ｗｔ％、および溶剤：５ｗｔ％を加えて、金型のキャビティ（外径２８ｍｍ×内径２０ｍｍ）内に充填した後、開口部がポンチを当該キャビティ内の成形圧力（２０ｔ／ｃｍ^２）で圧入して、個別にリング形状に圧粉成形した。
更に、得られた１３個の成形体を不活性雰囲気中で約６５０℃に加熱・焼成した。
以上の製造方法により得られた１３個の圧粉成形磁芯の磁気特性を測定した。その結果を、表１〜表３および図１〜図３のグラフに示した。

尚、表１〜表３中の最右欄は、−１００メッシュのガスアトマイズ粉のみからなる単一粉による圧粉成形磁芯の磁気特性を示している。
また、表１の初透磁率の評価は、１１５以上を○、それ未満を×とし、表２の重畳特性の評価は、６５％以上を○、それ未満を×とし、表３のコアロスの評価は、４００ｋＷ／ｍ^３以下を○、これを越えるものを×とした。
更に、表２の重畳特性は、初透磁率に対する印加磁界２０Ｏｅにおける透磁率の割合（％）である。
加えて、図１〜図３において、最右側の−１００メッシュのガスアトマイズ粉のみからなる単一粉と、３種類メッシュの水アトマイズ粉を５０ｗｔ％含む例との間を結ぶ細い実線、細い破線、および細い一点鎖線は、かくなるであろうという推定に基づく仮想線である。

表１および図１のグラフによれば、−１００メッシュのガスアトマイズ粉のみからなる圧粉成形磁芯は、初透磁率が６５と低かったが、これ以外の１２種類の圧粉成形磁芯は、全て初透磁率が１１５以上と高くなった。具体的には、酸素量がある程度抑制されていれば、水アトマイズ粉が多く、且つそのメッシュが荒いほど、初透磁率が高くなることが判明した。
また、表２および図２のグラフによれば、−１００メッシュのガスアトマイズ粉のみ、およびガスアトマイズ粉の割合が高い磁芯ほど、重畳特性が６５％以上と高くなった。一方、−１００，−１４５，−２００メッシュの水アトマイズ粉のみからなる磁芯と、水アトマイズ粉の割合が高い磁芯ほど、重畳特性が６５％未満と低くなった。

更に、表３および図３のグラフによれば、−２００メッシュの水アトマイズ粉で且つガスアトマイズ粉が３０〜５０ｗｔ％配合された磁芯、および−１００メッシュのガスアトマイズ粉のみを用いた磁芯は、コアロスが４００ｋＷ／ｍ^３以下と低くなった。一方、−１００，−１４５，−２００メッシュの水アトマイズ粉のみからなる磁芯、および−１００，−１４５メッシュの水アトマイズ粉を含む磁芯は、コアロスが４００ｋＷ／ｍ^３超と高くなった。
表１〜表３の全てで評価が太い円の白丸○となり、且つ図１〜図３中の白丸○で示した実施例の混合粉を用いて得られた３種類の実施例の圧粉成形磁芯は、前記酸素含有量で且つ−２００メッシュの水アトマイズ粉に対し、３０〜５０ｗｔ％の前記酸素含有量で且つ−１００メッシュのガスアトマイズ粉をブレンドし、係る混合粉を絶縁材と共に圧粉成形され、更に焼成されている。

このため、実施例の磁芯では、酸素含有量が抑制されており、且つ粉末全体が比較的均一に分布した状態で、高い圧粉密度により成形されていたため、初透磁率が１１５以上、重畳特性が６５％以上、および、コアロスが４００ｋＷ／ｍ^３以下の優れた磁気特性を奏したものと、推定される。
以上のような実施例の混合粉および圧粉成形磁芯によって、本発明の効果が裏付けられたことが容易に理解される。

水・ガスアトマイズ粉のブレンド割合と初透磁率との関係を示すグラフ。 水・ガスアトマイズ粉のブレンド割合と重畳特性との関係を示すグラフ。 水・ガスアトマイズ粉のブレンド割合とコアロスとの関係を示すグラフ。

Claims (4)

1. Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、
   Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をブレンドしてなる、
   ことを特徴とする圧粉成形用粉末。
2. Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をほぼ均一に含有していると共に、所定の形状に成形され且つ焼成されている、
   ことを特徴とする圧粉成形磁芯。
3. 前記圧粉成形磁芯は、初透磁率が１１５以上、印加磁界が２０Ｏｅにおける透磁率が初透磁率に対して６５％以上、およびコアロスが４００ｋＷ／ｍ^３以下の磁気特性を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧粉成形磁芯。
4. Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−２００メッシュ以下で且つ酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下である５０〜７０ｗｔ％の水アトマイズ粉と、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金からなり、平均粒径が−１００メッシュ以下で且つ
   酸素含有量が３００ｐｐｍ以下である３０〜５０ｗｔ％のガスアトマイズ粉と、をブレンドする工程と、
   上記ブレンドされた混合粉末を絶縁材と共に金型内に充填して圧粉成形する工程と、
   所定の形状に圧粉成形された成形体を焼成する工程と、を含む、
   ことを特徴とする圧粉成形磁芯の製造方法。

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