軟磁性粉末材料、その製造方法、軟磁性成形体、その製造方法
【課題】鉄粉粒子への元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層をもつ軟磁性粉末材料およびその製造方法、ならびにその軟磁性粉末材料を用いた軟磁性成形体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】軟磁性粉末材料は、鉄を主成分とする鉄粉粒子１と、鉄粉粒子１の表面に無機系シリコン含有化合物を添加した水溶液と鉄粉粒子とを接触させて被覆したシリコン酸化物を主成分とする被覆層２とを具備し、さらに被覆層２の外層にフェライト層４が被覆されている。
【解決手段】軟磁性粉末材料は、鉄を主成分とする鉄粉粒子１と、鉄粉粒子１の表面に無機系シリコン含有化合物を添加した水溶液と鉄粉粒子とを接触させて被覆したシリコン酸化物を主成分とする被覆層２とを具備し、さらに被覆層２の外層にフェライト層４が被覆されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟磁性粉末材料およびその製造方法、軟磁性成形体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の産業機器等の進歩に伴い、軟磁性材料は、従来よりも更に高い透磁率を有することが要望されている。更に、高い透磁率の他に、鉄損等の低減を図るため、高い比抵抗を有することが求められている。これらの要求に対し、これまでに種々の研究が進められ、種々の軟磁性成形体に係る技術が提案されてきた。
【０００３】
特許文献１には、Ｆｅ−Ａｌ系の鉄系粉末を大気中で熱処理することにより粉末粒子の表面を選択的に酸化し、粉末粒子の表面に比抵抗の高いアルミ酸化物、鉄酸化物の膜を被覆した軟磁性粒子を形成し、その軟磁性粒子の粉末集合体を高温高圧下で成形して高密度の磁芯を製造する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、ドラム内に軟磁性金属粒子とソフトフェライトとを装入した状態で機械的に攪拌させてメカノフュージョンを実施することにより、軟磁性金属粒子の表面にソフトフェライト層を機械的に被覆し、その軟磁性金属粒子の粉末集合体をプラズマ活性化焼結することにより磁性コアを製造する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、軟磁性の金属粉末粒子の表面に、高い比抵抗をもつガラス状の酸化物を被覆し、その軟磁性金属粉末粒子の粉末集合体を高温・高圧焼結することにより、軟磁性成形体を製造する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、Ｆｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末粒子の表面にスピネル構造のフェライト層を被覆した複合粉末粒子と、平均粒径１００ナノメートルのＳｉＯ２粉末粒子を０．０５〜１．０質量％添加して混合した混合粉末を形成し、その後、混合粉末から圧粉体を形成し、その後、圧粉体を焼結する製造方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献５には、軟磁性粉末粒子の表面に被覆層を形成した複合粉末粒子を形成し、その後、複合粉末粒子と粉末状のフェライト材とを混合分散させた混合粉末を形成し、その後、混合粉末から圧粉体を形成し、圧粉体を焼結する複合焼結材料の製造方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献６には、クロムやモリブデンを含有する鉄系粉末にフェライト被膜を形成した軟磁性粒子を形成し、その後、軟磁性粒子の集合体を加圧して圧粉体を形成し、その後、圧粉体を焼結して複合磁性材料を形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−３２６２８９号公報
【特許文献２】特開平５−４７５４１号公報
【特許文献３】特開平８−１６７５１９号公報
【特許文献４】特開２００３−３０６７０４号公報
【特許文献５】特開２００５−２４３７９４号公報
【特許文献６】特開２００５−１５０２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した各従来技術によれば、軟磁性成形体の比抵抗を高め得るため、交流磁場で使用される場合であっても、軟磁性成形体に発生する渦電流を抑えることができ、ひいては渦電流による損失を抑えることができる。
【００１０】
しかしながら、焼結して軟磁性成形体を形成するとき、鉄粉粒子を構成する鉄成分の拡散を無視できない。拡散量が多いと、抵抗が低い物質が鉄粉粒子同士の界面に生成し易い。この場合、軟磁性成形体の目的とする磁気性能が得られにくいという不具合がある。
【００１１】
殊に、特許文献４に係る技術によれば、鉄粉粒子の外側にＳｉＯ２（シリカ）粉末粒子が用いられているものの、鉄粉粒子→フェライト層→シリカ粉末粒子の順に並んでいるため、鉄粉粒子とフェライト層との間において相互拡散が生じやすい。このため特許文献４に係る技術によれば、鉄粉粒子とフェライト層との間において、相互拡散が発生し易く、電気抵抗が低い物質が生成するおそれがある。この場合、隣接する鉄粉同士間において渦電流のループが生じ、渦電流損失を増加させるおそれがあり、軟磁性成形体の目的とする磁気性能が得られにくいというおそれがある。
【００１２】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層を鉄粉粒子の表面に形成することにより、目的とする磁気性能を得るのに有利な軟磁性粉末材料およびその製造方法、軟磁性成形体およびその製造方法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】
【００１３】
本発明者は軟磁性粒子および軟磁性成形体に関する技術について鋭意開発を進めている。そして、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆すれば、軟磁性粒子を高温領域に加熱して焼結するときであっても、元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層が得られ、ひいては、鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できること知見し、試験で確認し、本発明を完成した。
【００１４】
（１）即ち、様相１に係る軟磁性粉末材料は、鉄を主成分とする鉄粉粒子と、鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物を主成分とする被覆層とを具備することを特徴とする。被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００１５】
（２）様相２に係る軟磁性粉末材料は、鉄を主成分とする鉄粉粒子と、鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物層を主成分とする被覆層と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層と、被覆層に被覆されたフェライト層とを具備しており、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子とフェライト層との間に介在させていることを特徴とする。
【００１６】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。またフェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００１７】
（３）様相３に係る軟磁性粉末材料の製造方法は、鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程とを順に実施することを特徴とする。
【００１８】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低く透磁率が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００１９】
（４）様相４に係る軟磁性粉末材料の製造方法は、鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程と、シリコン酸化物を被覆した鉄粉粒子にフェライト層を被覆し、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子とフェライト層との間に介在させる第３工程とを順に実施することを特徴とする。
【００２０】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部（フェライト層）に拡散することが抑制される。またフェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００２１】
（５）様相５に係る軟磁性成形体は、上記した様相に係る前記軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体の粒子が互いに接合されていることを特徴とする。
【００２２】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。またフェライト層が被覆されている場合には、フェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００２３】
（６）様相６に係る軟磁性成形体の製造方法は、上記した様相に係る軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体に対して、加圧する操作と加熱する操作とを、同時にまたは時間をずらして行うことにより軟磁性成形体を形成することを特徴とする。これにより軟磁性成形体が得られる。被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。またフェライト層が被覆されている場合には、フェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層を鉄粉粒子の表面に形成することにより、目的とする磁気性能を得るのに有利な軟磁性粉末材料およびその製造方法、軟磁性成形体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明に係る鉄粉粒子としては、純鉄（Ｆｅ）、鉄−アルミニウム系（Ｆｅ−Ａｌ系）、鉄−シリコン系（Ｆｅ−Ｓｉ系）、鉄−ニッケル系（Ｆｅ−Ｎｉ系）、鉄−シリコン−アルミニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）、鉄−クロム系（Ｆｅ−Ｃｒ系）、鉄−コバルト系（Ｆｅ−Ｃｏ系）の少なくとも１種を採用でき、場合によってはアモルファスであっても良い。鉄粉粒子を１００％とするとき、質量比で、Ｃは０．１％以下、殊に０．０１％以下とすることができ、Ｏは０．５％以下、殊に０．１％以下とすることができる。鉄粉粒子としては、水アトマイズ法で製造したものでも良いし、ガスアトマイズ法で製造したものでも良いし、場合によっては、機械的破砕法で製造したものでも良い。
【００２６】
鉄粉粒子の粒径が過剰に小さいと、満足する磁気時性が得られにくい。鉄粉粒子の粒径が過剰に大きいと、軟磁性成形体を圧縮成形する際に圧縮成形性が低下する。従って、鉄粉粒子の粒径としては１０μｍ〜２０００μｍ、１０μｍ〜１０００μｍ、好ましくは５０〜２５０μｍ、更に好ましくは１００μｍ〜２００μｍを採用することができる。
【００２７】
フェライト層は、基本的には、鉄酸化物を主成分とする高い電気絶縁性をもつ酸化物層であり、高い比抵抗、高い透磁率を有する。故に、鉄を主成分とする鉄粉粒子の表面にフェライト層が被覆されていれば、高い比抵抗、高い透磁率を発現させるのに有利となる。従って、高周波交流磁場等の交流磁場が作用する用途で使用されるときにおいて、渦電流が小さくなり、渦電流で生じる損失が低減される。
【００２８】
フェライト層としては一般的にスピネル型構造を採用できる。スピネル型構造は結晶磁気異方性が比較的小さいため、透磁率、飽和磁束密度が高い。この場合フェライト層としては、（Ｆｅ，Ｍ）３Ｏ４の組成式をもつ形態を採用できる。Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）の少なくとも１種とすることができる。上記したＭがＮｉ、Ｚｎのときには、ＮｉＺｎフェライトとも呼ばれる。フェライト層の厚みは、フェライト層の組成、鉄粉粒子の粒子径等にもよるが、０．０１μｍ〜１０μｍ、殊に０．０１μｍ〜２μｍ、０．２μｍ〜１μｍとすることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
フェライト層の厚みが過剰であると、フェライト層を生成する時間が長くなり、工業的生産の面では好ましくない。フェライト層の厚みが過小であると、軟磁性粒子及び軟磁性成形体の所望の比抵抗が得られにくくなり、交流磁場で使用したとき、渦電流で生じる損失が増加するおそれがある。
【００３０】
被覆層はシリコン酸化物（一般的にはＳｉＯ２）を主成分とする。シリコン酸化物は高い電気絶縁性をもつ。被覆層の厚みとしては、鉄粉粒子の組成やサイズ等にも影響されるが、１〜５００ナノメートル、殊に５〜１００ナノメートルが例示される。
【００３１】
本発明に係る軟磁性成形体は、軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体に対して、加圧する操作と焼結する操作とを、同時にまたは時間をずらして行うことにより形成することができる。この場合、軟磁性粒子の粉末集合体が互いに接合されている。軟磁性成形体を製造するにあたり、上記した軟磁性粒子を主成分とする粉末集合体を用意する工程と、その軟磁性粒子の粉末集合体を加圧成形して互いに結合することにより軟磁性成形体を得る結合工程とを実施することができる。加圧成形としては、成形型加圧方式、静水圧加圧方式（ＣＩＰ）などを例示できる。加圧力としては鉄粉粒子の種類、加圧成形の温度などによって相違するものの、２．０〜１０ｔｏｎｆ／ｃｍ２（≒１９６〜９８０ＭＰａ）、殊に４．５〜７ｔｏｎｆ／ｃｍ２（≒４４１〜６８６ＭＰａ）を例示することができるが、これらに限定されるものではない。加圧時間としては鉄粉粒子の種類、加圧成形の温度などによって相違するものの、５〜１２０秒、殊に１０〜６０秒を例示することができるが、これらに限定されるものではない。加圧成形の雰囲気としては、大気雰囲気、非酸化性雰囲気（アルゴンガス雰囲気、真空雰囲気等）を例示することができる。
【００３２】
軟磁性粉末材料の製造方法は、鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程と、鉄粉粒子の被覆層にフェライト層を被覆し、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子とフェライトとの間に介在させる第３工程とを順に実施する。
【００３３】
第２工程は、無機系のシリコン含有化合物を用い、シリコン含有化合物を添加した水溶液と鉄粉粒子とを接触させる接触操作を経て実施される形態が例示される。接触操作としては、シリコン含有化合物を添加した水溶液に鉄粉粒子を浸漬させても良いし、あるいは、シリコン含有化合物を添加した水溶液を鉄粉粒子にスプレー塗布しても良い。反応性を高めるため、水溶液を加熱することが好ましい。
【００３４】
シリコン含有化合物としては水ガラスが使用できる。水ガラスはアルカリケイ酸塩であり、アルカリ性を示す。アルカリは一般的にはナトリウムであり、水ガラスはケイ酸ナトリウムが挙げられる。一般式としては、Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２が挙げられる。例えばｎ＝２〜４にできる。アルカリケイ酸塩を構成するアルカリはカリウムでも良い。
【００３５】
ここで、水溶液において水ガラスが薄すぎると、シリコン酸化物が鉄粉粒子の表面に付着する時間が長くなり、生産性が低下する。水溶液において水ガラスが濃すぎると、シリコン酸化物が鉄粉粒子に均一に付着しない。このため水溶液における水ガラスの濃度としては、質量比で、１〜１０％程度、殊に１〜５％程度が挙げられる。
【００３６】
上記した接触操作としては、水溶液にアルカリ調整剤（塩基性物質）を添加し、水溶液のＰＨ値をアルカリ領域にしつつ実施することが好ましい。アルカリ調整剤としてはアルカリ金属の水酸化物を用いることができる。水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが例示される。水溶液のＰＨ値をアルカリ領域に設定する理由としては、鉄粉粒子の表面における錆びの生成、酸化膜の生成を抑制するためである。鉄粉粒子の表面に錆びや、酸化膜が生成すると、シリコン酸化物が鉄粉粒子の表面に付着しにくいと推察される。水溶液のＰＨ値としてはアルカリ領域であれば良く、ＰＨ値が７．５〜１４、あるいは、８〜１３とすることができる。この場合、アルカリ性が強過ぎても弱すぎてもシリコン酸化物が鉄粉粒子の表面に付着しにくい。
【００３７】
軟磁性成形体としては、モータの固定子コア、モータの回転子コア、電磁アクチュエータの軟磁性コアが例示される。モータとしては、公知のモータで有れば良く、回転式モータ、リニア式モータを含む。電磁アクチュエータは、コイルに通電することによって、磁力または電磁力により操作子を作動させるものを意味し、プランジャ型のソレノイド装置、油圧回路または空圧回路といった流体回路等に使用される電磁弁を含む。
【実施例１】
【００３８】
以下、本発明の実施例１について図１および図２を参照して説明する。図１は鉄粉粒子１の概念図を示す。まず、下記の軟磁性をもつ鉄粉粒子１の粉末集合体を用意する。鉄粉粒子１の組成は、純鉄に近いものであり、質量比で、Ｆｅ−０．２５％Ｃ−０．２５％Ｏ−０．０３％Ｓｉ−０．１％Ｍｎ−０．００１％Ｐである。製法はガスアトマイズ法であり、粒子の平均粒径は約１００μｍである。
【００３９】
そして、鉄粉粒子１の表面に湿式処理により被覆層２を被覆する。この場合、無機系のシリコン含有化合物である水ガラス（アルカリケイ酸塩，Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２、ｎ＝２〜４）を用いる。そして水ガラスを７０℃の水に添加する。水ガラスの添加割合は、質量比で約１％とする。そして、ＰＨ調整剤として水酸化ナトリウムで水溶液のＰＨ値を１２付近に調整する。これを調整液とする。
【００４０】
次に、鉄粉粒子１の集合体を調整液に浸漬させ、所定時間（約１時間）、所定温度（約７０℃）で鉄粉粒子１を調整液内に保持する。その後、調整液から鉄粉粒子１の集合体を取り出し、鉄粉粒子１を乾燥させる。これにより鉄粉粒子１の表面に被覆層２が形成されている。図２はこのように製造した軟磁性粉末粒子の概念の断面を模式的に示す。被覆層２は基本的にはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分として形成されている。被覆層２の厚みは約１〜５００ナノメートルとすることができる。
【００４１】
以上説明したように本実施例によれば、鉄粉粒子１の集合体を調整液に浸漬させることにより、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする被覆層２を鉄粉粒子１の表面に形成する。このような方法であれば、コスト低廉を図りつつ、被覆層２で被覆された多量の軟磁性粉末粒子を製造できる。
【実施例２】
【００４２】
以下、本発明の実施例２について図３および図４を説明する。本実施例によれば、実施例１で製造した被覆層２を被覆した鉄粉粒子１の集合体を用いる。そしてこの鉄粉粒子１の被覆層２にフェライト層４を被覆する（図４参照）。これによりシリコン酸化物を主成分とする被覆層２を、鉄粉粒子１とフェライト層４との間に介在させる（図４参照）。
【００４３】
フェライト層４を被覆するにあたり、図３に示すメカノフュージョン装置を用いて行う。この場合、図３に示すように、メカノフュージョン装置は、円筒形のケース１００（内径１５０ミリメートル）と、ケース１００内に回転可能に配置されたスクレーバ１０２と、ケース１００内に回転可能に配置されたインナーピース１０４とをもつ。
【００４４】
そして、被覆層２を被覆した鉄粉粒子１の集合体と、フェライト粉末粒子（平均粒径：５〜３００ナノメートル）３の集合体とを、メカノフュージョン装置の円筒形のケース１００に挿入する。この場合、配合比としては、質量比で、被覆層２を被覆した鉄粉粒子１：フェライト粉末粒子３＝９９．４：０．６とした。
【００４５】
フェライト粉末粒子３はＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライトである。即ち、フェライト粉末粒子３は、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、ニッケル酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物を含む。具体的には、フェライトの組成は、質量比で、ニッケル酸化物が約４５％、亜鉛酸化物が約２％、銅酸化物が約３％、残部が鉄酸化物および不可避の不純物である。フェライト粉末粒子３は銅成分を含有するため、銅成分を含有しない場合に比較して、フェライト粉末粒子３同士の焼結温度を低下させることができる。フェライトの粉末粒子３同士の焼結温度を約１１００℃付近から、７５０〜８５０℃へと低下させることができる。
【００４６】
そして、メカノフュージョン装置を作動させ、不活性ガス（アルゴンガス）を５リットル／分間の流速でケース１００内に供給しつつ、スクレーバ１０２およびインナーピース１０４を回転数８００ｒｐｍで４０分間回転させる。これによりケース１００内に配置されている鉄粉粒子１とフェライト粉末粒子３とに、スクレーバ１０２による掻き取り作用と、インナーピース１０４による圧縮作用とが作用する。これによりシリコン酸化物を主成分とする被覆層２が被覆された鉄粉粒子１にフェライト粉末粒子３が堆積し、フェライト層４が被覆層２の上に形成される。これによりシリコン酸化物を主成分とする被覆層２は、鉄粉粒子１とフェライト層との間に介在する。図４はこのように製造した軟磁性粉末粒子の概念の断面を模式的に示す。
【実施例３】
【００４７】
以下、本発明の実施例３を説明する。本実施例によれば、実施例２で製造した軟磁性粉末粒子を用いる。軟磁性粉末粒子は、シリコン酸化物を主成分とする被覆層２が被覆された鉄粉粒子１と、鉄粉粒子１の被覆層２に被覆されたフェライト層４とを有する。鉄粉粒子１とフェライト層４との間には、シリコン酸化物を主成分とする被覆層２が存在する（図４参照）。
【００４８】
そして、図５に示すように、第１分割型２０１および第２分割型２０２をもつ成形型２００を用い、上記した軟磁性粉末粒子の集合体を成形型２００のキャビティ２０３に装填する。その後、成形型２００のキャビティ２０３内の軟磁性粉末粒子の集合体を加圧成形し、圧粉体６を形成する。その後、圧粉体６を焼結炉において窒素雰囲気で焼結温度７５０℃とし、１時間焼結する。これにより圧粉体６を構成する軟磁性粉末粒子同士を互いに結合させる。これにより軟磁性成形体７を形成する。加圧成形の条件としては、雰囲気として大気雰囲気とし、温度としては約２５℃とし、面圧は約８ｔｏｎｆ／ｃｍ２ （≒８００ＭＰａ）とする。
【００４９】
上記したように製造した軟磁性成形体７によれば、軟磁性粉末粒子が互いに接合している。軟磁性粉末粒子を構成する鉄粉粒子１とフェライト層４との間には、被覆層２が膜状に介在している。被覆層２は、電気絶縁性が高いシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする。このため、軟磁性成形体７が交流磁場が作用する部位において使用されるとき、高い電気絶縁性をもつシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする被覆層２により、渦電流のループが抑制され、渦電流による損失が抑制される。
【００５０】
軟磁性粉末粒子の焼結性を高めるためには、焼結温度をある程度以上とすることが好ましい。しかし高温で焼結すると、鉄粉粒子１とフェライト層４との間において元素拡散が進行し、電気抵抗が低くかつ透磁率が低い非磁性物質（例えばＦｅＯ）が鉄粉粒子１とフェライト層４との間に生成されるおそれがある。
【００５１】
この点本実施例によれば、軟磁性粉末粒子を構成する鉄粉粒子１とフェライト層４との間には、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする拡散バリヤ性が高い被覆層２が膜状に介在している。このため、圧粉体６を焼結温度領域で焼結するとき、鉄粉粒子１の鉄成分がフェライト層４側に拡散することが抑制される。同様に、フェライト層４の成分が鉄粉粒子１側に拡散することが抑制される。このように焼結時において、焼結温度が高いときであっても、元素の拡散が被覆層２により抑制される。このため、鉄粉粒子１とフェライト層４との間に、電気抵抗が低くかつ透磁率が低い非磁性物質（例えばＦｅＯ）が生成されることが抑制される。従って、軟磁性成形体７の良好な磁気特性が得られる。
【００５２】
ところで、フェライト層を形成するフェライト粉末粒子は酸化物であるため、フェライト粉末粒子の焼結温度領域は、１０００〜１２００℃と、鉄粉のみを焼結させる場合に比較して高くする必要がある。この点本実施例によれば、フェライト層４を形成するフェライト粉末粒子３は、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、ニッケル酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物を含む。このようにフェライト粉末粒子３は銅成分を含有するため、銅成分を含有しない場合に比較して、フェライト粉末粒子３同士の焼結温度を低下させることができる。このため鉄粉粒子１の焼結温度と、フェライト粉末粒子３の焼結開始温度とを近づけることができる。このため焼結性を高めることができる。
【実施例４】
【００５３】
以下、本発明の試験例を具体的に説明する。本試験例では、便宜上、鉄板からなる試験片１０（厚み：２ミリメートル、長さ：１センチメートル、幅：１センチメートル）を鉄系粒子としてみなし、試験片とした。試験片１０の組成は鉄粉粒子１の組成に実質的に相当するものであり、炭素を０．２５％、シリコンを０．０３％、マンガンを０．１６％含有する。本実施例によれば、湿式処理により、試験片１０の表面にシリコン酸化物（ＳｉＯ２）の被覆層２０を形成する。被覆層２０を形成する手順について説明する。
【００５４】
まず、７０℃の水に水ガラスを添加した。水ガラスの添加割合は、質量比で、約１％とした。この場合、ＰＨ調整剤として水酸化ナトリウムでＰＨ値を１２付近に調整し、調整液１２を形成した。
【００５５】
次に、試験片１０を調整液１２に所定時間（１時間）浸漬させ、所定温度（７０℃）で試験片１０を調整液１２内に保持した。その後、調整液１２から試験片１０を取り出し、試験片１０を乾燥させた。これにより試験片１０の表面には薄膜状の被覆層２０が形成されている。被覆層２０は基本的にはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）で形成されている。被覆層２０の厚みは、膜厚計（ＡＮＲＩＴＳＵ ＥＬＥＣＴＩＣ株式会社製，型式Ｋ−４０２Ｂ）で測定したところ、約１マイクロメートルであった。
【００５６】
被覆層２０を被覆した試験片１０について、窒素ガス雰囲気において４５０℃で１時間加熱して熱処理を実施した。更に、被覆層２０を被覆した別の試験片１０について、窒素ガス雰囲気において６００℃で１時間加熱して熱処理を実施し、試験片１０の界面における接合を促進させた。更に、被覆層２０を被覆した別の試験片１０について、窒素ガス雰囲気において８００℃で１時間加熱して熱処理を実施した。
【００５７】
このように熱処理するにあたり、図８に示すように、２つの試験片１０同士を重ね合わせてサンプルとした。サンプルでは、試験片１０に被覆されている被覆層２０同士が重なり合い、接触している。
【００５８】
比較例について試験を行った。比較例によれば、鉄板からなる試験片１０Ｓの表面に、フェライトシート４０（Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライトシート、厚み１マイクロメートル）を１枚載せた。フェライトシート４０はフェライト層４に相当する。フェライトシート４０は、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、ニッケル酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物を含む。具体的には、フェライトシート４０の組成は、質量比で、ニッケル酸化物が４５％、亜鉛酸化物が２％、銅酸化物が３％、残部が鉄酸化物および不可避の不純物であった。そして、２つの試験片１０Ｓ同士をフェライトシート４０が重なるように接触状態に積層させた。これを比較例のサンプルとした。
【００５９】
そして、２端子法により、実施例に係るサンプル、比較例に係るサンプルについて、厚み方向の電気抵抗を測定した。試験結果を図１０に示す。図１０において特性線Ｗ１は、実施例に係るサンプルの試験結果を示す。特性線Ｗ２は、比較例に係るサンプルの試験結果を示す。
【００６０】
図１０の特性線Ｗ２に示すように、比較例に係るサンプルによれば、熱処理の温度を４５０℃としたときには、サンプルの電気抵抗は高く維持されていたが、熱処理の温度が６００℃になると、サンプルの電気抵抗は急激に低下した。このことから、比較例に係るサンプルによれば、焼結温度領域に加熱されると、拡散が促進され、試験片１０の表面に形成されているフェライトシート４０に、電気抵抗が低い物質（ＦｅＯ）が生成しているため、サンプルの厚み方向の電気抵抗が低下したものと推察される。これは、軟磁性粉末材料に適用した場合には、鉄粉粒子１同士の導通性が高まり、渦電流ループが流れ易くなり、渦電流損が増加することを意味する。
【００６１】
これに対して、特性線Ｗ１に示すように、実施例に係るサンプルによれば、熱処理の温度が４５０℃、６００℃、８００℃である場合においても、サンプルの電気抵抗は高く維持されていた。このことから、実施例に係るサンプルによれば、試験片１０の表面に形成されている被覆層２の拡散バリヤ性が高いため、鉄粉粒子１の鉄成分の拡散が抑制され、高温領域に加熱されるときであっても、試験片１０の表面に形成されている被覆層２の電気絶縁性が良好に維持されているものと推察される。
【００６２】
Ｘ線回折装置によりＸＲＤ分析した。この場合には、被覆層２０同士が重なるように、被覆層２０を形成した２つの試験片１０同士を重ねたサンプルを用い、このサンプルを窒素雰囲気において８００℃で１時間加熱する熱処理を施した。ＸＲＤ分析結果を図１１（横軸は２θ、縦軸は強度）に示す。図１１に示すように、８００℃という高温で１時間加熱した条件であっても、ＳｉＯ２のピーク（ＡＳＴＭカードで同定）が認められた。即ち、高温領域で焼結したとしても、被覆層２においてシリコン酸化物が良好に残留しており、鉄粉粒子同士１の間において拡散バリヤ性を維持すると共に電気絶縁性を維持するのに有利となる。
【００６３】
本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した実施例によれば、水ガラスを水に添加するにあたり、水ガラスの添加割合は、質量比で、約１％とするが、これに限らず、０．１〜８％程度としても良い。上記した実施例によれば、フェライト粉末粒子はＮｉ−Ｚｎフェライトとしても良いし、Ｎｉ−Ｃｕフェライトとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例１で用いる鉄粉粒子の概念を模式的に示す構成図である。
【図２】実施例１の鉄粉粒子に被覆層を被覆した状態の概念を模式的に示す構成図である。
【図３】実施例２に係り、被覆層を被覆した鉄粉粒子の表面にフェライト層を被覆する方法を模式的に示す構成図である。
【図４】実施例２に係り、被覆層を被覆した鉄粉粒子の表面にフェライト層を被覆した軟磁性粒子の概念を模式的に示す構成図である。
【図５】実施例３に係り、圧粉体を成形する過程を模式的に示す構成図である。
【図６】実施例３に係り、圧粉体を焼結して形成した軟磁性成形体を模式的に示す構成図である。
【図７】実施例４に係り、試験片に被覆層を被覆する過程を模式的に示す構成図である。
【図８】実施例４に係り、被覆層を被覆した試験片の厚み方向の電気抵抗を測定する状態を模式的に示す構成図である。
【図９】比較例に係り、被覆層を被覆した試験片の厚み方向の電気抵抗を測定する状態を模式的に示す構成図である。
【図１０】試験結果に係り、抵抗と熱処理の温度との関係を示すグラフである。
【図１１】ＸＲＤ分析した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
図中、１は鉄粉粒子、２は被覆層、３はフェライト粉末粒子、４はフェライト層、６は圧粉体、７は軟磁性成形体を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は軟磁性粉末材料およびその製造方法、軟磁性成形体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の産業機器等の進歩に伴い、軟磁性材料は、従来よりも更に高い透磁率を有することが要望されている。更に、高い透磁率の他に、鉄損等の低減を図るため、高い比抵抗を有することが求められている。これらの要求に対し、これまでに種々の研究が進められ、種々の軟磁性成形体に係る技術が提案されてきた。
【０００３】
特許文献１には、Ｆｅ−Ａｌ系の鉄系粉末を大気中で熱処理することにより粉末粒子の表面を選択的に酸化し、粉末粒子の表面に比抵抗の高いアルミ酸化物、鉄酸化物の膜を被覆した軟磁性粒子を形成し、その軟磁性粒子の粉末集合体を高温高圧下で成形して高密度の磁芯を製造する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、ドラム内に軟磁性金属粒子とソフトフェライトとを装入した状態で機械的に攪拌させてメカノフュージョンを実施することにより、軟磁性金属粒子の表面にソフトフェライト層を機械的に被覆し、その軟磁性金属粒子の粉末集合体をプラズマ活性化焼結することにより磁性コアを製造する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、軟磁性の金属粉末粒子の表面に、高い比抵抗をもつガラス状の酸化物を被覆し、その軟磁性金属粉末粒子の粉末集合体を高温・高圧焼結することにより、軟磁性成形体を製造する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、Ｆｅ−Ｓｉ系の軟磁性粉末粒子の表面にスピネル構造のフェライト層を被覆した複合粉末粒子と、平均粒径１００ナノメートルのＳｉＯ２粉末粒子を０．０５〜１．０質量％添加して混合した混合粉末を形成し、その後、混合粉末から圧粉体を形成し、その後、圧粉体を焼結する製造方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献５には、軟磁性粉末粒子の表面に被覆層を形成した複合粉末粒子を形成し、その後、複合粉末粒子と粉末状のフェライト材とを混合分散させた混合粉末を形成し、その後、混合粉末から圧粉体を形成し、圧粉体を焼結する複合焼結材料の製造方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献６には、クロムやモリブデンを含有する鉄系粉末にフェライト被膜を形成した軟磁性粒子を形成し、その後、軟磁性粒子の集合体を加圧して圧粉体を形成し、その後、圧粉体を焼結して複合磁性材料を形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平５−３２６２８９号公報
【特許文献２】特開平５−４７５４１号公報
【特許文献３】特開平８−１６７５１９号公報
【特許文献４】特開２００３−３０６７０４号公報
【特許文献５】特開２００５−２４３７９４号公報
【特許文献６】特開２００５−１５０２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した各従来技術によれば、軟磁性成形体の比抵抗を高め得るため、交流磁場で使用される場合であっても、軟磁性成形体に発生する渦電流を抑えることができ、ひいては渦電流による損失を抑えることができる。
【００１０】
しかしながら、焼結して軟磁性成形体を形成するとき、鉄粉粒子を構成する鉄成分の拡散を無視できない。拡散量が多いと、抵抗が低い物質が鉄粉粒子同士の界面に生成し易い。この場合、軟磁性成形体の目的とする磁気性能が得られにくいという不具合がある。
【００１１】
殊に、特許文献４に係る技術によれば、鉄粉粒子の外側にＳｉＯ２（シリカ）粉末粒子が用いられているものの、鉄粉粒子→フェライト層→シリカ粉末粒子の順に並んでいるため、鉄粉粒子とフェライト層との間において相互拡散が生じやすい。このため特許文献４に係る技術によれば、鉄粉粒子とフェライト層との間において、相互拡散が発生し易く、電気抵抗が低い物質が生成するおそれがある。この場合、隣接する鉄粉同士間において渦電流のループが生じ、渦電流損失を増加させるおそれがあり、軟磁性成形体の目的とする磁気性能が得られにくいというおそれがある。
【００１２】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層を鉄粉粒子の表面に形成することにより、目的とする磁気性能を得るのに有利な軟磁性粉末材料およびその製造方法、軟磁性成形体およびその製造方法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】
【００１３】
本発明者は軟磁性粒子および軟磁性成形体に関する技術について鋭意開発を進めている。そして、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆すれば、軟磁性粒子を高温領域に加熱して焼結するときであっても、元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層が得られ、ひいては、鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できること知見し、試験で確認し、本発明を完成した。
【００１４】
（１）即ち、様相１に係る軟磁性粉末材料は、鉄を主成分とする鉄粉粒子と、鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物を主成分とする被覆層とを具備することを特徴とする。被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００１５】
（２）様相２に係る軟磁性粉末材料は、鉄を主成分とする鉄粉粒子と、鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物層を主成分とする被覆層と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層と、被覆層に被覆されたフェライト層とを具備しており、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子とフェライト層との間に介在させていることを特徴とする。
【００１６】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。またフェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００１７】
（３）様相３に係る軟磁性粉末材料の製造方法は、鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程とを順に実施することを特徴とする。
【００１８】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低く透磁率が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００１９】
（４）様相４に係る軟磁性粉末材料の製造方法は、鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程と、シリコン酸化物を被覆した鉄粉粒子にフェライト層を被覆し、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子とフェライト層との間に介在させる第３工程とを順に実施することを特徴とする。
【００２０】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部（フェライト層）に拡散することが抑制される。またフェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００２１】
（５）様相５に係る軟磁性成形体は、上記した様相に係る前記軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体の粒子が互いに接合されていることを特徴とする。
【００２２】
被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。またフェライト層が被覆されている場合には、フェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【００２３】
（６）様相６に係る軟磁性成形体の製造方法は、上記した様相に係る軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体に対して、加圧する操作と加熱する操作とを、同時にまたは時間をずらして行うことにより軟磁性成形体を形成することを特徴とする。これにより軟磁性成形体が得られる。被覆層は元素拡散に対して高いバリヤ性をもつ。このため鉄粉粒子を構成する鉄成分が外部に拡散することが抑制される。またフェライト層が被覆されている場合には、フェライト層を構成している成分が鉄粉粒子の内部に拡散することが抑制される。これにより鉄粉粒子同士の界面において、電気抵抗が低い非磁性物質が生成することを抑制できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、元素拡散に対するバリヤ性が高い被覆層を鉄粉粒子の表面に形成することにより、目的とする磁気性能を得るのに有利な軟磁性粉末材料およびその製造方法、軟磁性成形体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明に係る鉄粉粒子としては、純鉄（Ｆｅ）、鉄−アルミニウム系（Ｆｅ−Ａｌ系）、鉄−シリコン系（Ｆｅ−Ｓｉ系）、鉄−ニッケル系（Ｆｅ−Ｎｉ系）、鉄−シリコン−アルミニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）、鉄−クロム系（Ｆｅ−Ｃｒ系）、鉄−コバルト系（Ｆｅ−Ｃｏ系）の少なくとも１種を採用でき、場合によってはアモルファスであっても良い。鉄粉粒子を１００％とするとき、質量比で、Ｃは０．１％以下、殊に０．０１％以下とすることができ、Ｏは０．５％以下、殊に０．１％以下とすることができる。鉄粉粒子としては、水アトマイズ法で製造したものでも良いし、ガスアトマイズ法で製造したものでも良いし、場合によっては、機械的破砕法で製造したものでも良い。
【００２６】
鉄粉粒子の粒径が過剰に小さいと、満足する磁気時性が得られにくい。鉄粉粒子の粒径が過剰に大きいと、軟磁性成形体を圧縮成形する際に圧縮成形性が低下する。従って、鉄粉粒子の粒径としては１０μｍ〜２０００μｍ、１０μｍ〜１０００μｍ、好ましくは５０〜２５０μｍ、更に好ましくは１００μｍ〜２００μｍを採用することができる。
【００２７】
フェライト層は、基本的には、鉄酸化物を主成分とする高い電気絶縁性をもつ酸化物層であり、高い比抵抗、高い透磁率を有する。故に、鉄を主成分とする鉄粉粒子の表面にフェライト層が被覆されていれば、高い比抵抗、高い透磁率を発現させるのに有利となる。従って、高周波交流磁場等の交流磁場が作用する用途で使用されるときにおいて、渦電流が小さくなり、渦電流で生じる損失が低減される。
【００２８】
フェライト層としては一般的にスピネル型構造を採用できる。スピネル型構造は結晶磁気異方性が比較的小さいため、透磁率、飽和磁束密度が高い。この場合フェライト層としては、（Ｆｅ，Ｍ）３Ｏ４の組成式をもつ形態を採用できる。Ｍは鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）の少なくとも１種とすることができる。上記したＭがＮｉ、Ｚｎのときには、ＮｉＺｎフェライトとも呼ばれる。フェライト層の厚みは、フェライト層の組成、鉄粉粒子の粒子径等にもよるが、０．０１μｍ〜１０μｍ、殊に０．０１μｍ〜２μｍ、０．２μｍ〜１μｍとすることができるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
フェライト層の厚みが過剰であると、フェライト層を生成する時間が長くなり、工業的生産の面では好ましくない。フェライト層の厚みが過小であると、軟磁性粒子及び軟磁性成形体の所望の比抵抗が得られにくくなり、交流磁場で使用したとき、渦電流で生じる損失が増加するおそれがある。
【００３０】
被覆層はシリコン酸化物（一般的にはＳｉＯ２）を主成分とする。シリコン酸化物は高い電気絶縁性をもつ。被覆層の厚みとしては、鉄粉粒子の組成やサイズ等にも影響されるが、１〜５００ナノメートル、殊に５〜１００ナノメートルが例示される。
【００３１】
本発明に係る軟磁性成形体は、軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体に対して、加圧する操作と焼結する操作とを、同時にまたは時間をずらして行うことにより形成することができる。この場合、軟磁性粒子の粉末集合体が互いに接合されている。軟磁性成形体を製造するにあたり、上記した軟磁性粒子を主成分とする粉末集合体を用意する工程と、その軟磁性粒子の粉末集合体を加圧成形して互いに結合することにより軟磁性成形体を得る結合工程とを実施することができる。加圧成形としては、成形型加圧方式、静水圧加圧方式（ＣＩＰ）などを例示できる。加圧力としては鉄粉粒子の種類、加圧成形の温度などによって相違するものの、２．０〜１０ｔｏｎｆ／ｃｍ２（≒１９６〜９８０ＭＰａ）、殊に４．５〜７ｔｏｎｆ／ｃｍ２（≒４４１〜６８６ＭＰａ）を例示することができるが、これらに限定されるものではない。加圧時間としては鉄粉粒子の種類、加圧成形の温度などによって相違するものの、５〜１２０秒、殊に１０〜６０秒を例示することができるが、これらに限定されるものではない。加圧成形の雰囲気としては、大気雰囲気、非酸化性雰囲気（アルゴンガス雰囲気、真空雰囲気等）を例示することができる。
【００３２】
軟磁性粉末材料の製造方法は、鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程と、鉄粉粒子の被覆層にフェライト層を被覆し、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を鉄粉粒子とフェライトとの間に介在させる第３工程とを順に実施する。
【００３３】
第２工程は、無機系のシリコン含有化合物を用い、シリコン含有化合物を添加した水溶液と鉄粉粒子とを接触させる接触操作を経て実施される形態が例示される。接触操作としては、シリコン含有化合物を添加した水溶液に鉄粉粒子を浸漬させても良いし、あるいは、シリコン含有化合物を添加した水溶液を鉄粉粒子にスプレー塗布しても良い。反応性を高めるため、水溶液を加熱することが好ましい。
【００３４】
シリコン含有化合物としては水ガラスが使用できる。水ガラスはアルカリケイ酸塩であり、アルカリ性を示す。アルカリは一般的にはナトリウムであり、水ガラスはケイ酸ナトリウムが挙げられる。一般式としては、Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２が挙げられる。例えばｎ＝２〜４にできる。アルカリケイ酸塩を構成するアルカリはカリウムでも良い。
【００３５】
ここで、水溶液において水ガラスが薄すぎると、シリコン酸化物が鉄粉粒子の表面に付着する時間が長くなり、生産性が低下する。水溶液において水ガラスが濃すぎると、シリコン酸化物が鉄粉粒子に均一に付着しない。このため水溶液における水ガラスの濃度としては、質量比で、１〜１０％程度、殊に１〜５％程度が挙げられる。
【００３６】
上記した接触操作としては、水溶液にアルカリ調整剤（塩基性物質）を添加し、水溶液のＰＨ値をアルカリ領域にしつつ実施することが好ましい。アルカリ調整剤としてはアルカリ金属の水酸化物を用いることができる。水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが例示される。水溶液のＰＨ値をアルカリ領域に設定する理由としては、鉄粉粒子の表面における錆びの生成、酸化膜の生成を抑制するためである。鉄粉粒子の表面に錆びや、酸化膜が生成すると、シリコン酸化物が鉄粉粒子の表面に付着しにくいと推察される。水溶液のＰＨ値としてはアルカリ領域であれば良く、ＰＨ値が７．５〜１４、あるいは、８〜１３とすることができる。この場合、アルカリ性が強過ぎても弱すぎてもシリコン酸化物が鉄粉粒子の表面に付着しにくい。
【００３７】
軟磁性成形体としては、モータの固定子コア、モータの回転子コア、電磁アクチュエータの軟磁性コアが例示される。モータとしては、公知のモータで有れば良く、回転式モータ、リニア式モータを含む。電磁アクチュエータは、コイルに通電することによって、磁力または電磁力により操作子を作動させるものを意味し、プランジャ型のソレノイド装置、油圧回路または空圧回路といった流体回路等に使用される電磁弁を含む。
【実施例１】
【００３８】
以下、本発明の実施例１について図１および図２を参照して説明する。図１は鉄粉粒子１の概念図を示す。まず、下記の軟磁性をもつ鉄粉粒子１の粉末集合体を用意する。鉄粉粒子１の組成は、純鉄に近いものであり、質量比で、Ｆｅ−０．２５％Ｃ−０．２５％Ｏ−０．０３％Ｓｉ−０．１％Ｍｎ−０．００１％Ｐである。製法はガスアトマイズ法であり、粒子の平均粒径は約１００μｍである。
【００３９】
そして、鉄粉粒子１の表面に湿式処理により被覆層２を被覆する。この場合、無機系のシリコン含有化合物である水ガラス（アルカリケイ酸塩，Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２、ｎ＝２〜４）を用いる。そして水ガラスを７０℃の水に添加する。水ガラスの添加割合は、質量比で約１％とする。そして、ＰＨ調整剤として水酸化ナトリウムで水溶液のＰＨ値を１２付近に調整する。これを調整液とする。
【００４０】
次に、鉄粉粒子１の集合体を調整液に浸漬させ、所定時間（約１時間）、所定温度（約７０℃）で鉄粉粒子１を調整液内に保持する。その後、調整液から鉄粉粒子１の集合体を取り出し、鉄粉粒子１を乾燥させる。これにより鉄粉粒子１の表面に被覆層２が形成されている。図２はこのように製造した軟磁性粉末粒子の概念の断面を模式的に示す。被覆層２は基本的にはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分として形成されている。被覆層２の厚みは約１〜５００ナノメートルとすることができる。
【００４１】
以上説明したように本実施例によれば、鉄粉粒子１の集合体を調整液に浸漬させることにより、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする被覆層２を鉄粉粒子１の表面に形成する。このような方法であれば、コスト低廉を図りつつ、被覆層２で被覆された多量の軟磁性粉末粒子を製造できる。
【実施例２】
【００４２】
以下、本発明の実施例２について図３および図４を説明する。本実施例によれば、実施例１で製造した被覆層２を被覆した鉄粉粒子１の集合体を用いる。そしてこの鉄粉粒子１の被覆層２にフェライト層４を被覆する（図４参照）。これによりシリコン酸化物を主成分とする被覆層２を、鉄粉粒子１とフェライト層４との間に介在させる（図４参照）。
【００４３】
フェライト層４を被覆するにあたり、図３に示すメカノフュージョン装置を用いて行う。この場合、図３に示すように、メカノフュージョン装置は、円筒形のケース１００（内径１５０ミリメートル）と、ケース１００内に回転可能に配置されたスクレーバ１０２と、ケース１００内に回転可能に配置されたインナーピース１０４とをもつ。
【００４４】
そして、被覆層２を被覆した鉄粉粒子１の集合体と、フェライト粉末粒子（平均粒径：５〜３００ナノメートル）３の集合体とを、メカノフュージョン装置の円筒形のケース１００に挿入する。この場合、配合比としては、質量比で、被覆層２を被覆した鉄粉粒子１：フェライト粉末粒子３＝９９．４：０．６とした。
【００４５】
フェライト粉末粒子３はＮｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライトである。即ち、フェライト粉末粒子３は、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、ニッケル酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物を含む。具体的には、フェライトの組成は、質量比で、ニッケル酸化物が約４５％、亜鉛酸化物が約２％、銅酸化物が約３％、残部が鉄酸化物および不可避の不純物である。フェライト粉末粒子３は銅成分を含有するため、銅成分を含有しない場合に比較して、フェライト粉末粒子３同士の焼結温度を低下させることができる。フェライトの粉末粒子３同士の焼結温度を約１１００℃付近から、７５０〜８５０℃へと低下させることができる。
【００４６】
そして、メカノフュージョン装置を作動させ、不活性ガス（アルゴンガス）を５リットル／分間の流速でケース１００内に供給しつつ、スクレーバ１０２およびインナーピース１０４を回転数８００ｒｐｍで４０分間回転させる。これによりケース１００内に配置されている鉄粉粒子１とフェライト粉末粒子３とに、スクレーバ１０２による掻き取り作用と、インナーピース１０４による圧縮作用とが作用する。これによりシリコン酸化物を主成分とする被覆層２が被覆された鉄粉粒子１にフェライト粉末粒子３が堆積し、フェライト層４が被覆層２の上に形成される。これによりシリコン酸化物を主成分とする被覆層２は、鉄粉粒子１とフェライト層との間に介在する。図４はこのように製造した軟磁性粉末粒子の概念の断面を模式的に示す。
【実施例３】
【００４７】
以下、本発明の実施例３を説明する。本実施例によれば、実施例２で製造した軟磁性粉末粒子を用いる。軟磁性粉末粒子は、シリコン酸化物を主成分とする被覆層２が被覆された鉄粉粒子１と、鉄粉粒子１の被覆層２に被覆されたフェライト層４とを有する。鉄粉粒子１とフェライト層４との間には、シリコン酸化物を主成分とする被覆層２が存在する（図４参照）。
【００４８】
そして、図５に示すように、第１分割型２０１および第２分割型２０２をもつ成形型２００を用い、上記した軟磁性粉末粒子の集合体を成形型２００のキャビティ２０３に装填する。その後、成形型２００のキャビティ２０３内の軟磁性粉末粒子の集合体を加圧成形し、圧粉体６を形成する。その後、圧粉体６を焼結炉において窒素雰囲気で焼結温度７５０℃とし、１時間焼結する。これにより圧粉体６を構成する軟磁性粉末粒子同士を互いに結合させる。これにより軟磁性成形体７を形成する。加圧成形の条件としては、雰囲気として大気雰囲気とし、温度としては約２５℃とし、面圧は約８ｔｏｎｆ／ｃｍ２ （≒８００ＭＰａ）とする。
【００４９】
上記したように製造した軟磁性成形体７によれば、軟磁性粉末粒子が互いに接合している。軟磁性粉末粒子を構成する鉄粉粒子１とフェライト層４との間には、被覆層２が膜状に介在している。被覆層２は、電気絶縁性が高いシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする。このため、軟磁性成形体７が交流磁場が作用する部位において使用されるとき、高い電気絶縁性をもつシリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする被覆層２により、渦電流のループが抑制され、渦電流による損失が抑制される。
【００５０】
軟磁性粉末粒子の焼結性を高めるためには、焼結温度をある程度以上とすることが好ましい。しかし高温で焼結すると、鉄粉粒子１とフェライト層４との間において元素拡散が進行し、電気抵抗が低くかつ透磁率が低い非磁性物質（例えばＦｅＯ）が鉄粉粒子１とフェライト層４との間に生成されるおそれがある。
【００５１】
この点本実施例によれば、軟磁性粉末粒子を構成する鉄粉粒子１とフェライト層４との間には、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を主成分とする拡散バリヤ性が高い被覆層２が膜状に介在している。このため、圧粉体６を焼結温度領域で焼結するとき、鉄粉粒子１の鉄成分がフェライト層４側に拡散することが抑制される。同様に、フェライト層４の成分が鉄粉粒子１側に拡散することが抑制される。このように焼結時において、焼結温度が高いときであっても、元素の拡散が被覆層２により抑制される。このため、鉄粉粒子１とフェライト層４との間に、電気抵抗が低くかつ透磁率が低い非磁性物質（例えばＦｅＯ）が生成されることが抑制される。従って、軟磁性成形体７の良好な磁気特性が得られる。
【００５２】
ところで、フェライト層を形成するフェライト粉末粒子は酸化物であるため、フェライト粉末粒子の焼結温度領域は、１０００〜１２００℃と、鉄粉のみを焼結させる場合に比較して高くする必要がある。この点本実施例によれば、フェライト層４を形成するフェライト粉末粒子３は、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、ニッケル酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物を含む。このようにフェライト粉末粒子３は銅成分を含有するため、銅成分を含有しない場合に比較して、フェライト粉末粒子３同士の焼結温度を低下させることができる。このため鉄粉粒子１の焼結温度と、フェライト粉末粒子３の焼結開始温度とを近づけることができる。このため焼結性を高めることができる。
【実施例４】
【００５３】
以下、本発明の試験例を具体的に説明する。本試験例では、便宜上、鉄板からなる試験片１０（厚み：２ミリメートル、長さ：１センチメートル、幅：１センチメートル）を鉄系粒子としてみなし、試験片とした。試験片１０の組成は鉄粉粒子１の組成に実質的に相当するものであり、炭素を０．２５％、シリコンを０．０３％、マンガンを０．１６％含有する。本実施例によれば、湿式処理により、試験片１０の表面にシリコン酸化物（ＳｉＯ２）の被覆層２０を形成する。被覆層２０を形成する手順について説明する。
【００５４】
まず、７０℃の水に水ガラスを添加した。水ガラスの添加割合は、質量比で、約１％とした。この場合、ＰＨ調整剤として水酸化ナトリウムでＰＨ値を１２付近に調整し、調整液１２を形成した。
【００５５】
次に、試験片１０を調整液１２に所定時間（１時間）浸漬させ、所定温度（７０℃）で試験片１０を調整液１２内に保持した。その後、調整液１２から試験片１０を取り出し、試験片１０を乾燥させた。これにより試験片１０の表面には薄膜状の被覆層２０が形成されている。被覆層２０は基本的にはシリコン酸化物（ＳｉＯ２）で形成されている。被覆層２０の厚みは、膜厚計（ＡＮＲＩＴＳＵ ＥＬＥＣＴＩＣ株式会社製，型式Ｋ−４０２Ｂ）で測定したところ、約１マイクロメートルであった。
【００５６】
被覆層２０を被覆した試験片１０について、窒素ガス雰囲気において４５０℃で１時間加熱して熱処理を実施した。更に、被覆層２０を被覆した別の試験片１０について、窒素ガス雰囲気において６００℃で１時間加熱して熱処理を実施し、試験片１０の界面における接合を促進させた。更に、被覆層２０を被覆した別の試験片１０について、窒素ガス雰囲気において８００℃で１時間加熱して熱処理を実施した。
【００５７】
このように熱処理するにあたり、図８に示すように、２つの試験片１０同士を重ね合わせてサンプルとした。サンプルでは、試験片１０に被覆されている被覆層２０同士が重なり合い、接触している。
【００５８】
比較例について試験を行った。比較例によれば、鉄板からなる試験片１０Ｓの表面に、フェライトシート４０（Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｕフェライトシート、厚み１マイクロメートル）を１枚載せた。フェライトシート４０はフェライト層４に相当する。フェライトシート４０は、鉄酸化物（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、ニッケル酸化物、亜鉛酸化物、銅酸化物を含む。具体的には、フェライトシート４０の組成は、質量比で、ニッケル酸化物が４５％、亜鉛酸化物が２％、銅酸化物が３％、残部が鉄酸化物および不可避の不純物であった。そして、２つの試験片１０Ｓ同士をフェライトシート４０が重なるように接触状態に積層させた。これを比較例のサンプルとした。
【００５９】
そして、２端子法により、実施例に係るサンプル、比較例に係るサンプルについて、厚み方向の電気抵抗を測定した。試験結果を図１０に示す。図１０において特性線Ｗ１は、実施例に係るサンプルの試験結果を示す。特性線Ｗ２は、比較例に係るサンプルの試験結果を示す。
【００６０】
図１０の特性線Ｗ２に示すように、比較例に係るサンプルによれば、熱処理の温度を４５０℃としたときには、サンプルの電気抵抗は高く維持されていたが、熱処理の温度が６００℃になると、サンプルの電気抵抗は急激に低下した。このことから、比較例に係るサンプルによれば、焼結温度領域に加熱されると、拡散が促進され、試験片１０の表面に形成されているフェライトシート４０に、電気抵抗が低い物質（ＦｅＯ）が生成しているため、サンプルの厚み方向の電気抵抗が低下したものと推察される。これは、軟磁性粉末材料に適用した場合には、鉄粉粒子１同士の導通性が高まり、渦電流ループが流れ易くなり、渦電流損が増加することを意味する。
【００６１】
これに対して、特性線Ｗ１に示すように、実施例に係るサンプルによれば、熱処理の温度が４５０℃、６００℃、８００℃である場合においても、サンプルの電気抵抗は高く維持されていた。このことから、実施例に係るサンプルによれば、試験片１０の表面に形成されている被覆層２の拡散バリヤ性が高いため、鉄粉粒子１の鉄成分の拡散が抑制され、高温領域に加熱されるときであっても、試験片１０の表面に形成されている被覆層２の電気絶縁性が良好に維持されているものと推察される。
【００６２】
Ｘ線回折装置によりＸＲＤ分析した。この場合には、被覆層２０同士が重なるように、被覆層２０を形成した２つの試験片１０同士を重ねたサンプルを用い、このサンプルを窒素雰囲気において８００℃で１時間加熱する熱処理を施した。ＸＲＤ分析結果を図１１（横軸は２θ、縦軸は強度）に示す。図１１に示すように、８００℃という高温で１時間加熱した条件であっても、ＳｉＯ２のピーク（ＡＳＴＭカードで同定）が認められた。即ち、高温領域で焼結したとしても、被覆層２においてシリコン酸化物が良好に残留しており、鉄粉粒子同士１の間において拡散バリヤ性を維持すると共に電気絶縁性を維持するのに有利となる。
【００６３】
本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した実施例によれば、水ガラスを水に添加するにあたり、水ガラスの添加割合は、質量比で、約１％とするが、これに限らず、０．１〜８％程度としても良い。上記した実施例によれば、フェライト粉末粒子はＮｉ−Ｚｎフェライトとしても良いし、Ｎｉ−Ｃｕフェライトとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例１で用いる鉄粉粒子の概念を模式的に示す構成図である。
【図２】実施例１の鉄粉粒子に被覆層を被覆した状態の概念を模式的に示す構成図である。
【図３】実施例２に係り、被覆層を被覆した鉄粉粒子の表面にフェライト層を被覆する方法を模式的に示す構成図である。
【図４】実施例２に係り、被覆層を被覆した鉄粉粒子の表面にフェライト層を被覆した軟磁性粒子の概念を模式的に示す構成図である。
【図５】実施例３に係り、圧粉体を成形する過程を模式的に示す構成図である。
【図６】実施例３に係り、圧粉体を焼結して形成した軟磁性成形体を模式的に示す構成図である。
【図７】実施例４に係り、試験片に被覆層を被覆する過程を模式的に示す構成図である。
【図８】実施例４に係り、被覆層を被覆した試験片の厚み方向の電気抵抗を測定する状態を模式的に示す構成図である。
【図９】比較例に係り、被覆層を被覆した試験片の厚み方向の電気抵抗を測定する状態を模式的に示す構成図である。
【図１０】試験結果に係り、抵抗と熱処理の温度との関係を示すグラフである。
【図１１】ＸＲＤ分析した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
図中、１は鉄粉粒子、２は被覆層、３はフェライト粉末粒子、４はフェライト層、６は圧粉体、７は軟磁性成形体を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分とする鉄粉粒子と、前記鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物を主成分とする被覆層とを具備することを特徴とする軟磁性粉末材料。
【請求項２】
鉄を主成分とする鉄粉粒子と、前記鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物を主成分とする被覆層と、前記被覆層に被覆されたフェライト層とを具備しており、前記シリコン酸化物を主成分とする前記被覆層を前記鉄粉粒子と前記フェライト層との間に介在させていることを特徴とする軟磁性粉末材料。
【請求項３】
請求項１または２において、前記鉄粉粒子は、純鉄（Ｆｅ）、鉄−アルミニウム系（Ｆｅ−Ａｌ系）、鉄−シリコン系（Ｆｅ−Ｓｉ系）、鉄−ニッケル系（Ｆｅ−Ｎｉ系）、鉄−シリコン−アルミニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）、鉄−クロム系（Ｆｅ−Ｃｒ系）、鉄−コバルト系（Ｆｅ−Ｃｏ系）の少なくとも１種であることを特徴とする軟磁性粉末材料。
【請求項４】
鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を前記鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程とを順に実施することを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項５】
鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を前記鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程と、前記被覆層にフェライト層を被覆し、前記シリコン酸化物を主成分とする前記被覆層を前記鉄粉粒子と前記フェライト層との間に介在させる第３工程とを順に実施することを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項６】
請求項４または５において、前記第２工程は、前記無機系シリコン含有化合物を添加した水溶液と前記鉄粉粒子とを接触させる接触操作を経て実施されることを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記接触操作は、前記水溶液にアルカリ調整剤を添加し、前記水溶液のＰＨ値をアルカリ領域にしつつ実施することを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に係る前記軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体の粒子が互いに接合されていることを特徴とする軟磁性成形体。
【請求項９】
請求項１〜８のうちのいずれか一項に係る前記軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体に対して、加圧する操作と加熱する操作とを、同時にまたは時間をずらして行うことにより軟磁性成形体を形成することを特徴とする軟磁性成形体の製造方法。
【請求項１】
鉄を主成分とする鉄粉粒子と、前記鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物を主成分とする被覆層とを具備することを特徴とする軟磁性粉末材料。
【請求項２】
鉄を主成分とする鉄粉粒子と、前記鉄粉粒子の表面に被覆されシリコン酸化物を主成分とする被覆層と、前記被覆層に被覆されたフェライト層とを具備しており、前記シリコン酸化物を主成分とする前記被覆層を前記鉄粉粒子と前記フェライト層との間に介在させていることを特徴とする軟磁性粉末材料。
【請求項３】
請求項１または２において、前記鉄粉粒子は、純鉄（Ｆｅ）、鉄−アルミニウム系（Ｆｅ−Ａｌ系）、鉄−シリコン系（Ｆｅ−Ｓｉ系）、鉄−ニッケル系（Ｆｅ−Ｎｉ系）、鉄−シリコン−アルミニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系）、鉄−クロム系（Ｆｅ−Ｃｒ系）、鉄−コバルト系（Ｆｅ−Ｃｏ系）の少なくとも１種であることを特徴とする軟磁性粉末材料。
【請求項４】
鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を前記鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程とを順に実施することを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項５】
鉄を主成分とする鉄粉粒子を用意する第１工程と、シリコン酸化物を主成分とする被覆層を前記鉄粉粒子の表面に被覆する第２工程と、前記被覆層にフェライト層を被覆し、前記シリコン酸化物を主成分とする前記被覆層を前記鉄粉粒子と前記フェライト層との間に介在させる第３工程とを順に実施することを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項６】
請求項４または５において、前記第２工程は、前記無機系シリコン含有化合物を添加した水溶液と前記鉄粉粒子とを接触させる接触操作を経て実施されることを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記接触操作は、前記水溶液にアルカリ調整剤を添加し、前記水溶液のＰＨ値をアルカリ領域にしつつ実施することを特徴とする軟磁性粉末材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に係る前記軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体の粒子が互いに接合されていることを特徴とする軟磁性成形体。
【請求項９】
請求項１〜８のうちのいずれか一項に係る前記軟磁性粉末材料を主成分とする粉末集合体に対して、加圧する操作と加熱する操作とを、同時にまたは時間をずらして行うことにより軟磁性成形体を形成することを特徴とする軟磁性成形体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２５４７６８（Ｐ２００７−２５４７６８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７７０３５（Ｐ２００６−７７０３５）
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００１６６４４３）戸田工業株式会社 (406)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００１６６４４３）戸田工業株式会社 (406)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]