WO2008149825A1

WO2008149825A1 - 圧粉磁心用金属粉末および圧粉磁心の製造方法

Info

Publication number: WO2008149825A1
Application number: PCT/JP2008/060092
Authority: WO
Inventors: Akira Fujita; Tatsuhiko Hiratani; Toshio Maetani
Original assignee: Jfe Steel Corporation
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2008-12-11
Also published as: EP2153921A1; CN101678451B; JP5470683B2; US20100150768A1; JP2008297606A; EP2153921A4; EP2153921B1; CN101678451A

Abstract

直径が10～500μｍで純度が99mass％以上の純鉄粉を、600℃以上1400℃以下の温度域に加熱し、この温度域にて気相反応により該純鉄粉の表面から５μmまでの深さ範囲にSiを濃化させ、この深さ範囲における平均Si濃度を0.05mass％以上２mass％以下とすることにより、圧縮性の劣化を招くことなしに絶縁材料と粒子間の結合を高めて電気絶縁性を高めた圧粉磁心用金属粉末を得る。得られる圧粉磁心においては、高い飽和磁束密度を維持し、かつ低鉄損となる。

Description

明細書圧粉磁心用金属粉末および圧粉磁心の製造方法技術分野

本発明は、モータやトランスの磁心の素材として好適な圧粉磁心（dust core) 用金属粉末（metal powder) の製造方法に関するものである。本発明はまた、該金属粉末を用いた圧粉磁心の製造方法に関するものである。背京技術 +

モータやトランスの磁心材料としては、小さな磁界で磁化が容易な、いわゆる軟磁性材料が用いられる。この軟磁性材料には、キユリ一温度が高いことの他、保磁力が小さいこと、透磁率が高いこと、飽和磁束密度が大きいこと、低損失（low core loss) であることなど多くの特性が要求される。これらの要求を満たす軟磁性材料としては、金属軟磁性材料と酸化物軟磁性材料に大別され、周波数や電力により使い分けがなされている。

MnZnフェライトに代表される酸化物軟磁性材料は、電気抵抗が高いため 100kHzを超える高周波镡域でも損失が小さいという利点をもつ反面、飽和磁束密度が小さいという欠点がある。

一方、金属軟磁性材料は、電気抵抗が低いことから、使用周波数は低周波帯域に限定される。しかし飽和磁束密度が高いため、大きなエネルギーの変換ゃ伝達が可能という利点がある。たとえば、金属軟磁性材料の代表例である電磁鋼板は、商用周波数帯域 (commercial power frequency) の大電力用トランスやモータの磁心として使用されている。

金属軟磁性材料の使用が低周波帯域に限定されるのは、周波数が高くなるにつれて磁性体内部に渦電流が発生し、これが損失となってエネルギー効率の低下を招くためである。この渦電流損失（eddy - current loss) を抑えるため、表面を絶縁被覆（insulation coating) した電磁鋼板を幾層にも積層して磁心とする方法が取られている。特により高い周波数で駆動されるトランスゃモータの磁心に使用する場合は、電磁鋼板の板厚を薄くすることにより渦電流の発生を抑制している。

しかしながら、板厚を薄くすることにより、積層板間の電気抵抗は改善されるものの、板面内の高電気抵抗化には限度があるため、 10kHzより高い周波数での渦電流損失を抑制するのは困難である。上記の問題に対する対処策として、圧粉磁心を利用することが提案されている。圧粉磁心とは、純鉄ゃ軟磁性合金からなる磁性粉末（magnet i c powder) に、樹脂などのバインダーを必要に応じて適宜添加し、得られた粉末を金型に充填して加圧成形（compact i on) することにより、所望の形状に.成形された磁心のことである。ここで、磁性粉末粒子の表面に絶縁処理を施すことにより、電磁鋼板材料と異なり三次元の絶縁が可能となり、電気抵抗が高められるため、より高周波域まで渦電流損失を抑制することができる。

しかしながら、加圧成形後の成形密度（green dens i ty) が低い場合には、飽和磁束密度が低く、また機械的強度も低下するため、電磁鋼板に比べると. 不利となる。従って、圧粉磁心をモータやトランスのコアとする場合は、いかにして圧縮性を高め、成形体の密度を高めるかが重要となる。しかしながら、成形荷重を高めて高い成形密度を得ようとすると、塑性変形による歪みが大きくなる。'磁性^:に塑性歪みが加わると、渦電流損失以外の損失の要因であるヒステリシス損失（hys t ere s i s lo s s ) が増大し、結果として損失の増大を招く。

この問題への解決策としては、歪み取りのために成形体を 600 以上の温度に加熱することが考えられ、この熱処理により塑性ひずみを小さくすることができる。熱処理の温度が高いほど歪みは小さくなり、ヒステリシス損失も小さくすることができる。しかしながら、その反面、熱処理温度が高いと、粒子表面に被覆した絶縁材料が分解あるいは結晶化して粒子間の電気抵抗が低下し、渦電流損失の増大を招く。

なお、絶縁材料と粒子との密着性が悪いと、時として成形時に絶縁被膜が剥がれ、ごの段階で電気抵抗の低下を生じる。

従って、粒子表面に被覆する絶縁材料は、粒子との密着性が良く、かつ耐熱性が高いものが求められる。このような要求を満たす絶縁材料として、シリコーン樹脂ゃリン酸塩などが提案されている。

また、特開 2003— 142310号公報（特許文献 1 ) には、軟磁性金属粉末の少なくとも表面付近に'、ある程度以上の量の Siが存在していると（具体的には表面から 0.2μ mまでの平均 Si濃度が少なくとも 0.5wt%であると）、絶縁処理効果が高まり、その結果、高い電気抵抗を有する圧粉磁心が得られることが報告されている。なお、特許文献 1では、表面近傍に Siを高濃度に存在させた軟磁性金属粉末を作成する方法として、 Siを含有する合金組成の溶湯をたとえば水噴霧（water atomizing) することを提案している。ところで、従来力ら、気相反応法 (gas-phase reaction method) により Si含有量の少ない鋼板に浸珪して、高珪素鋼板を製造する方法が知られている。この方法としては、たとえば、圧延の容易な Si含有量： 4 ma_Ss°/o未満の鋼板を 1000〜1200 程度の温度で SiCl₄と反応させ、 SiCl₄ + 5 Fe→Fe₃Si + 2 FeCl₂の反応により鋼板表面に Fe₃ Siを形成し、さらに板厚方向に Siを拡散させることにより、磁気特性および磁歪特性（magnetostriction properties) に優れた高 Si濃度の銅板を得る方法などがある。

また、このような気相反応を用いて、特開平 11一 8712.3号公報（特許文献 2 ) では、 10kHzを超える高周波に対して初透磁率の低下が少ない電源用トランス磁心に用いられる軟磁性粉末を作製することを提案している。この軟磁性粉末は、粉末の表面からその粒径の 10分の 1の厚さの表層部分における Si濃度が、粉末の中心から表面に向かって粒径の 10分の 1 の範囲の中心部分における Si濃度より高い Si濃度分布を有する Fe基合金粉末であり、このような濃度分布を形成することにより、表層部分では電気抵抗および透磁率が高く、中心部では、 Si濃度が低いために飽和磁束密度が高く、その結果透磁率も高くすることができるとされている。ここで、前記表層部分の好適な Si 濃度は 2〜25wt%としている。なお、特許文献 2では、粉末の表層部分における Si濃度が、中心部分における Si濃度より高い Si濃度勾配を付与する方法. として、純鉄粉（pure iron powder) を 600〜 900°Cで SiCl ₄を含む混合ガス中で浸珪処理することを提案している。

なお、本件国内出願の時点で未公開の技術として、発明者らによる、金属粉末表面の Si濃度の制御技術がある（特願 2006— 52490号および特願 2006— 52509号：後述）。発明の開示

〔発明が解決しようとする課題〕

前掲した特許文献 1 のように、合金溶湯中に Siを含有させた場合に、表面付近に Siが高濃度に存在する場合がしばしば認められるとはいえ、その分布を細かく制御することは極めて難しい。

一方、前掲特許文献 2の方法によれば、特許文献 1の方法に比べると、表面近傍の Si濃度をより細かく制御することができると考えられる。

Fe— Si合金あるいはセンダスト合金（Fe— Si— A1合金）（ sendust al loy ) . などのように合金組成として Siが多く含まれている場合は、合金自体が硬くなることが知られている。同様に、 Si含有量が 6.5niass%の電磁鋼板 I, electrical steel sheet) は ΐ&気特性 (magnetic properties) に ftれているが、鋼板が硬いため圧延が困難となることが知られている。このため、高珪素の電磁鋼板を製造する方法として、低 Si濃度の鋼板を圧延した後に気相反応による浸珪処理を施す方法が採られている。

この電磁鋼板で用いられる気相反応法を、たとえば 2 ma_SS%の Siを含む金属粉末に対して適用した場合、粉末は銅板に比べて比表面積が大きく反応性が高いため、比較的短時間のう.ちに粉末内部へ Siが浸透 · 拡散した。

ところが Siを高濃度に食む粉末も圧縮性が悪いため、これを用いて高密度の圧粉体を得るのは難しい。また、圧粉体の密度を高めるためには、高い成形圧力が必要となり、その結果歪みも著しくなる。

ただし、表面層の Si濃度を高くして中心部の Si濃度を低くすることにより、粉末の圧縮性はいくぶん改善することができると考えられる。

そこで発明者らは、気相反応法により粒子表面に Siを蒸着（ vapor deposition) させるに際し、粒子表面に蒸着した Siが鉄粉内部に拡散する拡散速度の遅い温度域を選択すること、あるいは拡散速度が遅い組織を有する鉄粉を選択することにより、深さ方向の Si濃度を反応時間で制御して、表面に高 Si濃度層（Si濃化層）を形成できることを見出した（前述の特願 2006 一 52490号および特願 2006— 52509号として日本に出願）。しかしながら、上記の発明による処理を施した場合、条件によっては、高 S i濃度層が厚くなるあまり、高い成形体密度が得られないか、あるいは、高い成形密度を得るためにより高い圧力での成形が必要となる場合があった。本発明は、上記したような問題を有利に解決することを目的とするものである。すなわち、粉末のごく表層部のみに S iを均一に濃化させることにより、

•粉末における圧縮性の劣化を招くことなしに成形密度を高め、

• その結果'、高い飽和磁束密度を維持し、

• かつ絶縁材料と粒子間の結合を高めて電気絶縁性を向上させた、圧粉磁心用金属粉末の有利な製造方法を、この圧粉磁心用金属粉末を素材とする圧粉磁心の製造方法と共に提案することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前述したとおり、金属粉末の表層部に適量の S iが存在すると絶縁処理効果が高まり.、その結果、高い電気抵抗が有する圧粉磁心が得られるが、特許文献 1のように、粉末全体が Fe— S i合金であると、高い圧粉磁心密度および'高い磁束密度を得ることは難しい。また、粉末の表層部のみに S iを濃化させた場合でも、その厚みが厚すぎると、粉末の圧縮性が低下して、高い圧粉磁心密度および高い磁束密度を得ることは難しい。

そこで、発明者らは、さらに研究を進めた結果、鉄粉粒子の表層部に形成する S i濃化層の厚みを厳密に制御することにより、良好な圧縮性と高い電気絶縁性の両者を同時に満たすことができるとの知見を得た。

本発明は、上記の知見に立脚するものである。すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。

1 . 直径が 10〜 500 μ mで純度が 99ma s s。/。以上の純鉄粉を、，600 .以上 1400 :以下の温度域に加熱し、この温度域にて気相反応により該純鉄粉の表面から厚さ 5 μ m以下の S i濃化層を形成させ、かつ、表面から 5 / m以下までの深さ範囲における平均 S i濃度を 0. 05mas s %以上 2 ma s s %以下としたことを特徴とする圧粉磁心用金属粉末の製造方法。

ここで、出発材である純鉄粉は、平均粒径が lOO/ m以上であることがとくに好ましい。

2. 上記 1 において、前記 Si濃化層の表面に、さらに絶縁被覆処理を施すことを特徴とする圧粉磁心用金属粉末の製造方法。

3.上記 2に記載の方法により製造された絶縁被覆処理済みの圧粉磁心用金属粉末を、加圧成形することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。.

4.上記 2に記載の方法により製造した絶縁被覆処理済みの圧粉磁心用金属粉末を、加圧成形し、その後 600で以上 1000T:以下の温度域にて熱処理を施すことを特徴とする圧粉磁心の製造方法。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明では、素材として、 Fe濃度が 99mas_S%以上の純鉄粉を用いる。かかる純鉄粉は、'高純度で軟質であるが故に、高い飽和磁束密度と優れた圧縮性をそなえている。組成の残部は不純物で、例えば Si： 0· 05mass%未満などが含まれる。. , 本発明は、上記した純鉄粉を所定の温度域に加熱したのち、気相反応により鉄粉の表層部のみに Siを的確に濃化させ、ついで粒子表面に絶縁被覆処理を施してから、加圧成形により所望の磁心の形状に加工し、さらに好適には歪み取りのための熱処理を行うとレ、う一連のプロセスからなる。本発明で使用する純鉄粉の代表的な製造方法としては、ァトマイズ法 (atomization)、酸 ί匕物還元法、機械的粉碎法 (mechanical crushing), ィ匕学反応法 ( chemical decomposition) および電解析出法 - ( electrolytic precipitation; カめる。

アトマイズ法は、溶融金属を小滴（droplet) に粉砕することにより粉末を作製する方法であり、溶融金属流を粉碎する流体としてガスを用いるガスァトマイズ法と、高圧水を用いる水ァトマイズ法とがある。また、遠心力により溶融金属を飛沫（airborne droplet) 状に飛散させて粉末を得る遠心ァトマイズ法もある。ガスアトマイズ法や遠心アトマイズ法では、溶湯の冷却制御によりほぼ球形の'粉末が得られるが、水ァトマイズでは、粒形状はやや不規則形状となる。

酸化鉄を還元して純鉄粉を得る方法では、形状や粒径は還元処理前の酸化鉄粉末の形状や粒径によってほぼ決定される。工業的に量産されている酸化鉄を例にとると、鋼板の酸洗処理で発生した塩化鉄を噴霧焙焼（spray roasting) または流動焙焼（fluidized roasting) することにより酸化鉄を得ている。前者は細かい不規則形状で、後者は比較的大きな球状の酸化鉄の粒子が得られる。これらの酸化鉄を還元した粉末も同様な形状となる。

圧粉磁心を製造する工程は、絶縁被膜処理ならびに加圧成形を含んでいる。粉末の粒子表面に絶縁被膜を形成するためには、粒子の凹凸ができるだけ少なく滑らかであることが好ましい。また、粉末を金型に充填して加,圧成形することを考えると、流動性（flowability) が高くかつ充填性（die filling property) の良い粒子形状であることが望まれる。

これらの要請に応えるためには、粒子は球状であることが有利である。ただし、成形後の成形体の機械強度に関しては、球状よりもやや変形した形状の方が好適な場合があるため、粒子形状は目的に応じて適宜選択される。ま ' た、凹凸を持つ粒子形状でも、粒子表面を平滑化（smoothing) する処理を施せば流動性や充填性を高めることができる。たとえば、ガス気流中で粒子同士を対向する位置から衝突させて機械的に表面を改質する方法などを利用することができる。

さらに、還元鉄粉にしばしば見られるように、不規則形状で、かつ粒子内に空孔（pore) が存在する場合には、成形体の密度を高める上で阻害要因となることがあり、その結果、，圧粉磁心の飽和磁束密度値が、期待されたほど高い値とならず、またヒステリシス損失が増加する場合がある。このような場合は、ボールミルゃジヱットミル等で機械的に解碎（crushing) することにより、空孔を含まない粒子にまで粉碎すると同時に、表面の凹凸も平滑化することができる。また、空孔の多い粉末を不活性ガス気流によって管内に浮遊させ、管の周囲に卷かれた誘導コイルで加熱する、レビテーション溶解法を用いて個々の粒子を溶融することにより、内部に空孔のない球状に近い粉末粒子とすることができる。

粉末の製造方法により、粉末の粒子径ならびに粒度分布は異なる。

モータあるいはトランス等の磁心とする場合には、加圧成形工程が不可欠である。従って、成形の際の金型への充填性および圧縮性を考慮すると、粒径（直径、以下同様）は 10〜500/z mの範囲とする必要がある。すなわち、粒径が 10 _μ m以下の微粉を含む場合には流動性が低くなるため、金型への充填性が低下する。一方、 500/Z m超の粒径の粉末では、成形圧力を高めても高い成形密度を得ることが難しく、また機械的強度も低下する。

上記したいずれの製造方法でも、粉末の粒度分布はある範囲内で制御可能である。たとえば、水ァトマイズ法では、溶湯温度と水嘖霧圧力を変えることで 10〜1000 mの粒径の範囲の粉末を得ることができる。還元法では、もともとの酸化鉄の粒径'に依存するが、この場合も酸化鉄の製造方法により 1 〜1000// mの範囲で粒径制御が可能である。従って、所望の圧粉磁心に適した粒径となるよう、粉末の製造方法を選択し、かつ製造条件を制御することができる。次に、'粉末粒子の表層部に Siを濃化させる方法について説明する。

前述したとおり、気相反応法により Si含有量の少ない鋼板に浸珪処理を施して、高珪素銅板を製造する方法が知られている。この方法は、たとえば、圧延の容易な Si含有量： 4 mass%未満の鋼板を SiCl₄と 1000〜 1200°Cの温度で反応させることにより、下式

SiCl₄ + 5 Fe → Fe₃Si + 2 FeCl₂

の反応により、鋼板表面に Fe₃Siを形成し、さらに鋼板の板厚方向に Siを拡散させることにより、磁気特性およぴ磁歪特性に優れた高 Si濃度の鋼板を得る方法である。

しかしながら、この浸珪法を、たとえば 2mass%の Siを含む金属粉末に対して適用した場合、粉末は鋼板に比べて比表面積が大きく反応性が高いために、比較的短時間のうちに粉末内部へ Siが浸透 ·拡散し、粉末の表層部のみに Siを濃化させることはできなかった。粉末表層からある程度の深さにわたつて Si濃度が高まると、高 Si濃度の鋼板の圧延が困難になるのと同様に、粒子が硬くなり、後工程である成形工程において圧縮性が低下して成形体密度が低下し、その結果高い飽和磁束密度が得られなくなる。

この点、発明者らは、先に、気相反応法により粒子表面に Siを蒸着させるにしても、粒子表面に蒸着した Siが鉄粉内部に拡散する拡散速度の遅い温度域を選択すること、あるいは拡散速度が遅い組織を有する鉄粉を選択することにより、反応時間により深さ方向の Si濃度を制御できることを見出した。しかしこれらの方法を用いても、 Si濃化層が厚くなるあまり、高い成形体密度が得られない力、、あるいは高い成形密度を得るためにはより高い圧力で成形することが必要となる場合があった。

そこで、発明者らは、この点を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、気相反応によつて Siを鉄粉表面に蒸着させる場合に、反応温度ざらには反応時間を的確に制御することにより、Siの粉末内部への浸透'拡散を的確に制御して、鉄粉粒子の表層部に形成する Si濃化層の厚みを制限することにより、粉末の圧縮性を良好に保ち、かつ高い電気絶縁性を有するという両特性を同時に満たし得ることが究明されたのである。.' 以下、 SiCl₄ガスを用いる場合を例として、好ましい Si濃化方法について説明する。なお、 Si濃化法はこれだけに限定されないことは言うまでもなレ、。石英製の容器内に、粒径が 10〜500 mの純鉄粉を、厚さ： 5 mm以下、より好ましくは 3匪以下に.載積（charge) し、非酸化性雰囲気下で 600^以上 1400°C以下、より好ましくは 700°C以上 1200で以下に加熱する。次に、 SiCl ₄ガス、あるいは非酸化性ガスと SiCl₄ガスとの混合ガスを、容器内の粉末重量に対し、 0.01〜200Nl/min/kg導入する（N1：標準状態における体積（リットル）、 SiCl₄ガス量換算）。より好ましくは 0. lNl/min/kg以上である。また、好ましくは 80Nl/min/kg以下である。さら好ましくは 50Nl/min/kg以下である。非酸化性ガスはとくに限定されないが、アルゴンや窒素等が入手および管理が容易で好ましい。 ' ここで、反応温度が 600でに満たないと、反応中あるいは反応後に残留する、塩化鉄や煤等の不純物が多量に粉体表面に付着して、後の工程に悪影響を及ぼす懸念がある。好ましくは 700^：以上とする。

また、反応温度が高くなるにつれて反応速度は速くなるが、 900°C以上になると、純鉄はフェライト相からオーステナィト相に変わり、 S iの拡散速度が格段に遅くなる。従って、この相が存在する温度範囲である 1400°Cまでは、拡散速度が遅いために粉末表層部のみに S i濃化層をより効果的に形成することができる。好ましくは 1200で以下とする。

これらの温度範囲であれば、適切な反応時間を選ぶことにより、表面から 5 μ mの範囲に S i濃化層を止めることが可能である。反応時間は、反応温度が高い場合は短くする必要があるが、おおむね 1〜 5分である。ただし、反応速度を低目（600〜800 :程度）に設定する場合などにおいて、 10分、あるいはそれ以上の長時間処理（60分以下程度）を施して、確実に濃化層を形成させることは自由である。

かくすることにより、粉末の表面から 5 /z mの深さ範囲の表層部のみに安定して S iを濃化することができる。なお、-鉄粉の載積厚みが 5 mmを超えると、堆積したままでは S iCl ₄ガスが粉末全体に行きわたらず、全ての粉末表面に均一に S iが蒸着されない。従つて、大量に処理を行う場合には、粉末を撹拌しながら処理する方法等により、不均一な気相反応を抑制することが好ましい。粉末を撹拌する方法としては、粉末を入れた容器自体を回転させる方法、攪拌羽根を用いて撹拌する方法、 . 容器内に非酸化性ガスと S iCl ₄ガスの混合ガスを導入して粉末を流動させる方法等が挙げられる。

SiCl ₄以外に気相反応により S i濃化層を形成するのに好適な S i源としては、 S iCl 4の C1の一部または全部が他の元素や基に置換された物質が挙げられ、具体的には、メチルトリクロロシラン、トリクロロシラン、ジクロロシラン、シランなどが好適である。経済的観点および不純物（煤） .を残しにくいという特性からは、珪素媒体として四塩化珪素、または四塩化珪素の塩素の一部または全部を水素で置換したものが好ましい。また電磁鋼板の S i濃化処理に適用できる種々の方法が原則として鉄粉にも適用可能であることは、言うまでもない。本発明において、粉末の表層部に形成される Si濃化層の厚みは、 0.01 m 以上とすることが好ましい。 Si濃化層の厚みが 0.01 μ mに満たないと、本発明で意図する絶縁処理効果の向上が得られる程度の Si濃化（深さ 5 μ mまでの Si濃度が 0.05mass%以上）を工業的に達成することが難しいからである。一方、粉末の表層部に形成される Si濃化層の厚みは 5 μ m以下でなければならない。これより内部では、ほぼ気相反応処理を施す前の成分になっている。すなわち、純鉄であることにより、圧縮性が優れ、その結果、成形密度が高められ、高飽和磁束密度を実現できる。 Si濃化層の厚みが 5 / mより大きくなると、粉末粒子が硬くなり、圧縮性が低下して高い成形体密度が得られない力、あるいは高い成形密度を得るためにより高い圧力で成形する必要が生じてくる。

また、この Si濃化層における Si濃度は、表面から厚さ 5 /z mまでの範囲の平均 Si濃度が 0.05mass%以上、 2mass%以下となるようにする必要がある。というのは、 0.05mass%に満たないと、本発明で意図する絶縁処理効果の向上が望めず、'一方 2mas_S%を超えると表層部が硬くなり、 '内部との硬度差が生じて成形時に一様に圧縮されず、成形密度が低下するからである。なお、 Si濃化層よりも内部、すなわち少なくとも表面から 5 μ mの深さ位置よりも深い範囲においては、気相反応処理を施す前の純鉄粉の成分となっている。先に流動性'充填性および成形性の観点から鉄粉の粒径の限定理由を述べた。本発明においては、：.粉末表面から 5 μ mの範囲に Si濃化層があり、それより内部では純鉄であることが圧縮性に優れる粉末の要件となっている。ここで、粉末の粒径が 10 mの場合は、粉末のほぼ中心まで Siが濃化されていることになるため、粉末は硬くなる。しかしながら、より大きな粒径の粉末が存在する場合は、成形時にはこれらの大きな粒径の粉末の圧縮性が相対的に高いので、成形時には全体として成形密度を高くすることができる。従つて、圧縮成形に供する粉体の平均粒径としては 100μ m以上であることがとくに好ましい。ただし、平均粒径が 100μ m以上の場合、表面から深さ 5 μ mまでの領域の平均 Si濃度が 2 %を超え易いので注意が必要である。適宜、予備実験を施す、あるいは既にあるデータから予測モデルを立てるなどして、 S i濃化層形成条件をより適正化することが好ましい。気相反応に供する鉄粉の製造方法として、酸化鉄を還元する方法を先に述ベた。これは、酸化鉄を還元雰囲気中、例えば水素ガスや COガス中あるいはそれらを含む混合ガス中で加熱する方法である力還元反応終了後に系全体を一旦不活性雰囲気に置換し、引き続き S iCl ₄を含むガスを導入して気相反応を行うこともできる。この方法は、加熱した炉の温度を室温まで下げることなく次の処理に移ることができるため、ハンドリングの面でも経済面でも有利である。次に、 S iを表層部に濃化させた粉末の絶縁被覆処理について説明する。なお、下記以外の公知の絶縁被膜処理や、下記限定範囲外の公知の条件を適用することは自由である。

本発明の鉄粉を、圧粉磁心のような磁性部品に適用する際には、粉末粒子に絶縁被覆処理を施し、粒子表面を層状に覆う皮膜構造（layer structure) の絶縁層を形成して圧粉体の電気抵抗を高め、渦電流損失を低減することにより、磁気特性を高める必要がある。 '

ここに、絶縁被覆用の材料としては、粉末を加圧成形し所望の形状に成形された後でも絶縁性を保持できるものであれば良く、特に限定はされない。かような材料としては、例えば Al， S i ,. Mg, Ca, Mn, Zn, Ni , Fe， Ti , V， B i , B， Mo, W , Na , K等の酸化物等が挙げられる。また、スピネル型フエライトのような磁性酸化物や、水ガラスに代表される非晶質材を使用することもできる。さらに、リン酸塩化成処理皮膜（pho sphate layer) やクロム酸塩化成処理皮膜なども用いることができる。リン酸塩化成処理皮膜には、ホウ酸や Mgを含むこともできる。その他、絶縁材料として、リン酸アルミ二ゥム、リン酸亜鉛、リン酸カルシウムおよびリン酸鉄等のリン酸化合物を用いることもできる。また、エポキシ樹脂、フエノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等の有機樹脂を用いてもよい。

なお、絶縁材料の鉄粉粒子表面への付着力を高めるため、あるいは絶縁層の均一性を高める目的で、界面活性剤ゃシラン力ップリング剤を絶縁層あるいはその原料に添加してもよい。界面活性剤ゃシランカツプリング剤の添加量は、絶縁層全量に対し 0.001〜 1 mass%の範囲とすることが好ましい。絶縁被覆処理により形成される絶縁層の適正な厚さは、粉末の粒径にも依存するが、その下限は絶縁効果から、上限は圧粉体の密率（高い磁束密度の観点から充分な密度が必要）から、それぞれ適宜選択すればよい。一般には、 10n m以上、 10000η m以下程度とすることが好ましい。

鉄粉粒子表面に絶縁層を形成する方法としては、従来から公知の皮膜形成方法（コーティング方法）がいずれも好適に適用できる。使用できるコーテイング方法としては、流動層法（fluidized bed process；)、浸漬法（dipping method) , 噴霧法（spraying method) などが挙げられる。なお、いずれの方法においても、被覆工程の後あるいは被覆工程と同時に、絶縁材料を溶解または分散させる溶媒を乾燥する工程が必要となる。また、絶縁層が粉末粒子に密着し、加圧成形時に剥離する'ことを防止するために、絶縁層と粉末粒子表面との間に反応層（reaction layer)を形成してもよい。反応層の形成は、化成処理を施すことによるのが好ましい。次に加圧成形について説明する。なお、下記以外の公知の粉末冶金技術や、下記限定範囲外の公知の条件を適用することは自由である。

上記したような絶縁被覆処理を施し、粒子表面に絶縁層を形成した粉末 (絶縁被覆粉）を、加圧成形して圧粉磁心とする。なお、加圧成形に先立ち、粉末には必要に応じて金属石鹺ゃアミド系ワックス（amide- based wax) 等の潤滑剤（lubricant) を配合することもできる。潤滑剤の配合量は、粉末： 100質量部に対し 0.5質量部以下とする.ことが好ましい。潤滑剤の配合量が多くなると圧粉磁心の密度が低下するためである。

加圧成形法としては、従来公知の方法がいずれも適用できる。例えば、一軸プレスを用いて常温で加圧成形する金型成形工法（die compaction method)、温間で加圧成形する温間成形工法（warm compaction method)、金型（die) を潤滑して加圧成形する金型潤滑工法（die lubrication method)、それを温間で行う温間金型潤滑工法、あるいは高圧で成形する高圧成形工法、静水圧プレス法などが挙げられる。次に歪み取りのための熱処理について説明する。なお、下記以外の公知の歪み取り熱処理を施すことや、下記限定範囲外の公知の条件を適用することは自由である。、

上記加圧成形により得られた、圧粉磁心用の圧粉体は、成形時に歪みが加わっているため、ヒステリシス損失が大きくなつている。従って、歪みを取り除いて本来の磁気特性を発現するためには、歪み取り熱処理が必要である。この処理温度は、 600°C以上 1000°C以下程度とすることが好ましい。この処理温度が高すぎると、歪み取り効果は増加するものの絶縁被覆が結晶化したり分解したりするために絶縁効果を失い、その結果、電気抵抗が著しく低下する。また、熱処理時間も長い方が歪み取りには好適であるが、長すぎると同様に電気抵抗が著しく低下する。従って、熱処理時間は効果ならびに経済性の観点から 5〜300分、より好ましくは 10〜120分程度とすることが好適である。言うまでも無く、熱処理温度が低すぎたり、熱処理時間が短すぎたりすば、歪みの除去が不充分となる。さらに、一旦成形した圧粉磁心に再び気相反応処理を施して、圧粉体内部の Si濃度を高めることもできる。この処理は、圧粉磁心の大きさや絶縁被覆材料の耐熱温度にもよるが、 800 以上 1000°C以下の温度での加熱処理とすることにより歪み取り熱処理を兼ねさせることもできる。言うまでも無く、既知の Si濃化技術を適用することは自由である。

〔実施例〕

(実施例 1)

素材粉末として、表 1 に示す粒径の異なるァトマイズ（atomized) 純鉄粉 (Fe濃度： 99.8mass%、残部不純物（Si : 0.01%)) を用意した。粉末の平均粒子径、最小、最大粒子径は、レーザー散乱回折式粒度分布測定装置により積鼻度分布 (accumulated particle size distribution) ¾r測し、積真値がそれぞれ 50%， 1%, 99%となる粒度とした。これらの各粉末を、石英容器内に載積厚み： 3 mmで充填し、アルゴンガス中にて 600〜1420 で 5分間加熱後、塩化珪素ガスを 20Nl/min/kgの流量で 1〜10分間（No.14だけ 75Nl/min/kgにて 30分間）流しながら所定の温度に保持し、さらにアル.ゴンガスで置換後 3分間加熱処理する、気相反応処理を施した。

表 1 に、各々の粉末の加熱温度、 SiCl₄ガス中での加熱時間を示す。また、表 1 には、気相反応処理後粉末の Si濃化層厚みおよび表面から 5 μ mまでの深さの範囲における平均 Si濃度について調べた結果も示す。ここで、 Si 濃化層の厚みは粒子断面（研磨後）を走査型電子顕微鏡にて観察し、濃化層と純鉄部分との硬度差により発生する段差の位置で判定し、 E PMAで検証した。また、濃化層の Si濃度は、粒子表面から中心に向かう線分に沿って E P M Aで定量分析を行い、表面から 5 μ m強までの積算 Si量を深さ方向に平均して求めた。いずれも粒子 5個の平均値を代表値とした。ついで、得られた粉末粒子表面に、以下の方法によりシリコーン樹脂を被覆した。シリコーン樹脂として、東レダウコ一二ング社（Dow Corning Toray Co. , Ltd. ) の「SR2400」（TM)を用レ、、樹脂分で 5 mass%となるようにキシレンで調整した被覆液を用意した。該被覆を、転動流動層型被覆装置 (tumbling f luidization coating system) にて装置容器内で流動 ί匕させた Si濃化粉末に、スプレーを用いて樹脂分が 0.05mass%とよるように噴霧した。噴霧終了後、流動状態を 20分間維持することにより乾燥した。ついで、大気中にて 2.50Ϊ：、 60分間の加熱処理を行い、シリコーン樹脂を加熱硬化させて被覆粉末 I, surface-insulated powder; とし 7こ。ついで、得られた被覆粉末を、加圧成形してリング状の圧粉磁心（外径： 38匪、内径： 25mm、高さ： 6.2mm) (磁気特性測定用）を作製した。なお、成形前に金型の内側にステアリン酸亜鉛の 5 mass%アルコール懸濁液を塗布して金型潤滑を行い、成形圧力： 900MPaで成形した。

その後、得られた圧粉体に、窒素雰囲気中にて 800°C、 60分間の熱処理を施した。 · かくして得られた圧粉磁心の圧粉密度、磁束密度および比抵抗について調ベた結果を、表 1 に併記する。

なお、圧粉密度は、圧粉磁心の寸法と重量を測定し、計算により求めた。また、比抵抗は四端子法により通電電流： 1 A.で測定した。

さらに、磁束密度は、圧粉磁心に 1次側： 100ターン、 2次側： 20ターンの条件で導線を卷き、直流磁化特性測定装置（DC magnetometer) を用いて lOkA/mの磁化での磁束密度（B i o k ) を測定した。

表 1

*表面から 5 mまでの深さ範

表 1 に示したとおり、本発明に従って気相反応処理を行った粉末はいずれも、表層部に適正厚みでかつ適正濃度の Si濃化層が形成されていた。また、かかる粉末を用いて製造した圧粉磁心は、優れた圧粉密度を得ることができ、また磁束密度および電気抵抗にも優れていた。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、絶縁処理性に優れ、かつ飽和磁束密度の高い圧粉磁心用金属粉末を得ることができる。

また、当該圧粉磁心用金属粉末を素材として加圧成形することにより、電気抵抗が高く、かつ成形密度が高い圧粉磁心を得ることができる。したがつて、上記の圧粉磁心を利用することにより、優れた磁気特性を有するモータおよびトランス等を得ることができる。 '

すなわち、本発明によれば、気相反応により粉末粒子表面に S iを蒸着させるに際し、気相反応の処理条件を的確に制御することにより、表層部のみに適量の S iを濃化させた鉄粉を得ることができる。さらに、この鉄粉に絶縁被覆処理を施した後、加圧成形し焼鈍処理をすることにより、高い圧粉密度と高い磁束密度および電気抵抗を有する圧粉磁心を得ることができる。その結果、優れた磁気特性を有するモータおよびトランス用の圧粉磁心を低コストで得ることが可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 直径が 10〜500 /i mで純度が 99niass%以上の純鉄粉を、 600Ϊ:以上 1400°C以下の温度域に加熱し、

この温度域にて気相反応により該純鉄粉の表面から厚さ 5 μ m以下の Si 濃化層を形成させ、かつ、

表面から 5 mまでの深さ範囲における平均 Si濃度を 0.05^355%以上 2ma_SS%以下とする、圧粉磁心用金属粉末の製造方法。

2. 前記純鉄粉の平均粒径が 100 μ m以上である請求項 1 に記載の圧粉磁心用金属粉末の製造方法。

3. 請求項 1 または 2において、前記 Si濃化層の表面に、さらに絶縁被覆処理を施す、圧粉磁心用金属粉末の製造方法。 .

4. 請求項 3に記載の方法により製造された圧粉磁心用金属粉末を加圧成形する、圧粉磁心の製造方法。

5. 請求項 3に記載の方法により製造された圧粉磁心用金属粉末を加圧成形し、その後 600°C以上 1000°C以下の温度域にて熱処理を施す、圧粉磁心の製造方法。 -