JP2007231330A - 圧粉磁心用金属粉末および圧粉磁心の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末の表層部のみにSiを均一に濃化させることにより、飽和磁束密度の低下や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力を高めた、電気絶縁性に優れた圧粉磁心用金属粉末を提供する。
【解決手段】直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、モータやトランスの磁心およびインダクタの素材として好適な圧粉磁心用の金属粉末および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。

モータやトランスの磁心材料には、小さな磁界で容易に磁化されるいわゆる軟磁性材料が用いられる。この軟磁性材料には、キュリー温度が高いことの他、保磁力が小さく透磁率が高いこと、飽和磁束密度が大きいこと、低損失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を超える高周波領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ものの、飽和磁束密度が高く、大きなエネルギーの変換や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。この渦電流損失を抑えるため、表面を絶縁被覆した電磁鋼板を何層にも積層して磁心とする方法が採られている。特により高い周波数で駆動されるトランスやモータの磁心に使用する場合には、電磁鋼板の板厚を薄くすることによって渦電流を抑制している。
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。

このような問題に対処するため、圧粉磁心を利用することが提案されている。圧粉磁心は、純鉄や軟磁性合金からなる磁性粉末に、樹脂などのバインダーを適宜添加した粉末を金型に充填して加圧成形することにより所望の形状に製造される磁心である。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が低い場合は、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。一方、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。磁性体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が増大し、結果として損失の増大を招く。

この問題に対処するには、成形体を600℃以上の温度に加熱して焼鈍処理を施すことにより、塑性歪みを取り除いてやれば良い。焼鈍処理の温度が高いほど歪みは少なくなり、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、焼鈍温度が高いと、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。
また、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、この段階で電気抵抗の低下を生じる。

さらに、インダクタにおいても、電子機器の小型化を反映して、コイルを磁性粉末の中に埋め込んで一体成形した構造にしたものが増え始めている。コイルと磁心を一体化して用いる場合、部品の安全性を確保するという観点からも、圧粉磁心の電気抵抗を十分に高めるために、磁性粉末粒子間の絶縁性を確保することが重要となる。

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、かつ耐熱性が高いという特性が求められる。このような要求を満たす絶縁材料として、シリコーン樹脂やリン酸塩などが提案されている。
また、特許文献１には、軟磁性金属粉末の表面付近にある程度以上のSiが存在していると、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。
特開2003−142310号公報

上掲特許文献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、Siを含有する合金組成の溶湯をたとえば水噴霧することにより作製している。このように、合金溶湯中にSiを含有させて、粉末の表面近傍にSi濃化層を形成する方法では、電磁鋼板の組成であるFe−Si合金、あるいはセンダストFe−Si−Al合金などのように軟磁性合金粉末組成としてSiが含まれている場合は問題ないが、純鉄粉や、パーマロイ（Fe−NiあるいはFe−Ni−Mo合金）、パーメンジュール（Fe−Co合金）においては、磁気異方性や磁歪の観点からSiを含有させる弊害が生じる。また、FeにSiを加えると、磁歪定数が小さくなるため固有の損失を低下させる上では有利であるが、飽和磁束密度が下がり、また粉末自体が硬くなり圧縮性が劣化するため、より高い成形圧力が必要となる。また、この方法では、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。

本発明は、上記したような従来技術の問題を有利に解決するもので、粉末の表層部のみにSiを均一に濃化させることにより、飽和磁束密度の低下や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力を高めた、電気絶縁性に優れ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。

前述したとおり、金属粉末の表層部に適量のSiが存在すると絶縁処理効果が高まり、その結果、高い電気抵抗を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−Si合金であると、高い圧粉密度および高い磁束密度を得ることは難しい。
しかしながら、粉体の表層部のみにSiを濃化させることができれば、上記の絶縁処理効果を確保した上で、高い圧粉密度および高い磁束密度が得られると考えられる。
そこで、発明者らは、金属粉末の表層部のみにSi濃化層を形成する方法について検討を重ねた。

ところで、従来から、気相反応法により低Si含有の鋼板に浸珪処理を施して、高珪素鋼板を製造する方法が知られている。この方法は、たとえば圧延が容易なSi含有量が４mass％未満の鋼板をSiCl₄と1000〜1200℃程度の温度で反応させることにより、SiCl₄＋５Fe→Fe₃Si＋２FeCl₂の反応により、鋼板表面にFe₃Si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に優れた高Si濃度の鋼板を得る方法である。

そこで、発明者らは、この方法を、本発明で対象とする圧粉磁心用の金属粉末に対して適用したところ、金属粉末では短時間のうちに粉末の内部までSiが拡散し、粉末の表層部のみに安定してSiを濃化させることは極めて難しいことが判明した。
この理由は、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、容易に中心部までSiが浸透するためであることが判明した。粉末全体にわたってSi濃度が高まると、高Si濃度の鋼板の圧延が困難であることと同様に、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。

そこで、発明者らは、さらに研究を進めた結果、気相反応によって粒子表面にSiを蒸着させるにしても、粒子表面に蒸着したSiが金属粉末の内部に拡散する拡散速度の遅い温度域で反応させてやれば、反応時間を調整することにより深さ方向のSi濃度を制御できることの知見を得た。
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１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させることを特徴とする圧粉磁心用金属粉末の製造方法。

（２）直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させたのち、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）直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させたのち、絶縁被覆処理を施し、ついで加圧成形することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。

（４）直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させたのち、絶縁被覆処理を施し、ついで加圧成形後、600℃以上 1000℃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。

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、上記の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。
従って、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、さらにはインダクタ素子等を得ることができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明で対象とする軟磁性金属材料としては、純鉄、低Si濃度の珪素鋼（Fe−Si）、パーマロイ（Fe−NiあるいはFe−Ni−Mo）、パーメンジュール（Fe−Co）等の組成を持つ金属あるいは合金が挙げられる。
本発明は、これらの金属あるいは合金の粉末（以下、単に金属粉末という）を、所定の温度域に加熱したのち、気相反応により粉末の表層部にSiを濃化させ、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形状に加工し、さらに歪み取りのための熱処理を行うという一連のプロセスからなる。

まず、基となる金属粉末の作製方法について説明する。
粉末の成分組成によりこれらの金属粉末の製造方法は異なるが、代表的な製造方法として、アトマイズ法、酸化物還元法、機械的粉砕法、化学反応法および電解析出法が挙げられる。
アトマイズ法は、溶融金属から小滴の噴霧により粉末を作製する方法であり、溶融金属流を粉砕する流体としてガスを用いるガスアトマイズ法、高圧水を用いる水アトマイズ法に分類され、また遠心力により溶融金属を飛沫状に飛散させて粉末とする遠心アトマイズ法等もある。ガスアトマイズや遠心アトマイズでは、溶湯の冷却制御によりほぼ球形の粉末が得られるが、水アトマイズでは、やや不規則形状となる。

酸化物を還元して金属粉末を得る方法は、合金組成に制約があり、鉄粉などに限られるが、形状や粒径は還元処理前の酸化物粉末の形状や粒径によりほぼ決まる。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や流動焙焼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。これらの酸化物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、絶縁被覆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、流動性が高くかつ充填性の良い粒子形状が望まれる。こ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ましい場合もあり、目的により粒子形状は適宜選択される。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、かつ粒子内に空孔が存在する場合は、成形体の密度を高める上で阻害要因となり、その結果圧粉磁心の飽和磁束密度が期待された値ほど上がらず、またヒステリシス損失も増加する。この場合は、ボールミルやジェットミル等で機械的に解砕を行うことにより、空孔を含まない粒子にまで粉砕すると共に、表面の凹凸も平滑化することができる。あるいは、空孔の多い粉末を不活性ガス気流によって管内で浮遊させ、管の周囲に巻かれた誘導コイルで加熱して、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。

粉末製造方法の違いにより、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、加圧成形の際に金型に充填することを考慮すると、粒径が10〜500μm程度の粉末が適している。10μm未満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、500μmを超える粒径の粉末では、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。
一方、インダクタンス素子等に用いる場合は、100MHzを超える周波数に対応するため、より微細な粉末とすることが必要で、１〜10μmの粒径の粉末を用いることが好ましい。なお、インダクタンス素子は、モータやトランスと比べて磁心のサイズが小さいので、比較的小さな成形圧力でも要求される成形密度を達成することができる。

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において制御可能である。たとえば、アトマイズ法では、溶湯温度とアトマイズ圧力を変えることで10〜1000μmの粒径の範囲の粉末を得ることができる。この点、還元法では、元々の酸化物の粒径に依存するが、この場合も酸化物の製造方法により１〜1000μm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に、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肝要である。

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、気相反応法により低Si含有の鋼板に浸珪処理を施して、高珪素鋼板を製造する方法が知られている。この方法は、例えば、圧延が容易なSi含有量：４mass％未満の鋼板をSiCl₄と1000〜1200℃程度の温度で反応させることにより、鋼板表面にSiCl₄＋５Fe→Fe₃Si＋２FeCl₂の反応により、鋼板表面にFe₃Si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、本発明で対象とする圧粉磁心用の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、短時間のうちに粉末の内部までSiが浸透・拡散し、粉末の表層部のみに安定してSiを濃化させることができなかった。粉末内部全体にわたってSi濃度が高まると、高Si濃度の鋼板の圧延が困難であることと同様に、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。

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、気相反応によってSiを粉末表面に蒸着させる場合に、反応温度さ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・拡散を効果的に抑制して、粉末の表層部のみに安定してSiを濃化できることを究明したのである。

以下、SiCl₄ガスを用いる場合を例に、好ましいSi濃化方法について説明する。
石英製の容器内に、粒径が１〜500μm の金属粉末を、厚さ：５mm以下より好ましくは３mm以下に載積し、非酸化性雰囲気中にて650℃以上、900℃以下、より好ましくは700℃以上、850℃以下に加熱する。次に、SiCl₄ガスを、0.01〜10Nl/min/kg程度導入する。
かくすることにより、金属粉末の表層部のみに安定してSiを濃化させることができた。

なお、金属粉末の載積厚みが５mmを超えると、SiCl₄ガスが粉末全体にいきわたらず、全ての粉末表面に均一にSiが蒸着されない。従って、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、撹拌羽根を用いて撹拌する方法、容器内に非酸化性ガスとSiCl₄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。

先に、成形性の観点から金属粉末粒径の限定理由を述べたが、気相反応処理で形成されるSi濃度分布も粉末の粒径依存性は大きい。
すなわち、1μm未満の粒径の粒子は反応性が高いため、気相反応を開始する前に焼結が始まり粒子同士が固着するため好ましくない。
１〜50μmの粒径の粒子でも比表面積が相対的に大きいため反応性が高いが、反応処理温度を750℃以下とすることにより、焼結させずに表面にSi高濃度層を形成することができる。この場合は、反応時間を短くすることが必要となる。
50〜500μmの粒子径をもつ粉末では、比表面積は比較的小さくなり、また粒子の体積も大きいため、より高い温度で反応させることができる。しかしながら、900℃を超えると、やはり反応が急速に進み、高Si濃度の領域が粉末内部まで浸透するので、900℃以下の温度で処理する必要がある。
特に100μm前後の粒径をもつ粉末では、700℃以上、850℃以下の温度で処理することがより好ましい。

また、処理時間については、１〜60min程度とすることが望ましいが、粒径が小さい場合は、より短時間の処理とする必要がある。

なお、気相反応後は、反応によって生じる塩化鉄が付着し易いため、数分から１時間程度不活性ガスを流して反応温度と同じかあるいはそれ以上の温度で保持することが望ましい。また、反応を行う系を減圧にすることも有利である。
また、これらの気相反応後、酸素を微量含むガスを系内に導入することにより、粉末粒子の表面を酸化してSiO₂を形成することができる。これは、特に５μm以下の粒径の粉末 が大気に曝された瞬間に急激に酸化されて発熱し、さらに酸化が進行することを防ぐ効果がある。さらに、絶縁被覆処理において、粒子と絶縁被膜材料との密着性を高める点でも効果がある。

気相反応に処する金属粉末の製造方法として、酸化物粉末を還元する方法を先に述べた。これは、酸化物を還元雰囲気中、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が、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SiCl₄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。

本発明において、金属粉末の表層部に形成するSi濃化層の厚みは、0.01μm 以上とすることが好ましい。というのは、Si濃化層の厚みが0.01μm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ないからである。
また、本発明では、上記したSi濃化層の厚み範囲内において、該Si濃化層の厚みを粉末粒径（半径）の１/２以下とすることが重要である。というのは、Si濃化層の厚みが粉末粒径の１/２超では、Si濃化層が粉末内部まで浸透しすぎ、やはり飽和磁束密度の低下および圧縮性の低下を招くからである。より好ましいSi濃化層の厚みは粉末粒径の１/５以下である。

さらに、本発明では、上記したSi濃化層における平均Si濃度は0.5〜32mass％程度とするのが好ましい。というのは、このSi濃度が0.5mass％に満たないと、本発明で所期したほど良好な絶縁処理効果が得られず、一方32mass％を超えると、この層が剥がれ易くなり、かえって絶縁効果が低下するからである。

次に、Si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。
本発明の金属粉末を、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被膜構造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、金属粉末を加圧成形し所望の形状に成形した後でも絶縁性を保持できるもので、Al，Si，Mg，Ca，Mn，Zn，Ni，Fe，Ti，Ｖ，Bi，Ｂ，Mo，Ｗ，Na，Ｋ等の酸化物等が挙げられる。また、スピネル型フェライトのような磁性酸化物、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、リン酸塩化成処理被膜やクロム酸塩化成処理被膜なども用いることができる。リン酸塩化成処理被膜にはホウ酸やMgを含むこともできる。その他、絶縁材料として、リン酸アルミニウム、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、フェノール樹脂、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、絶縁材料の金属粒子表面への付着力を高める目的、あるいは絶縁層の均一性を高める目的で、界面活性剤やシランカップリング剤を添加してもよい。この場合、界面活性剤やシランカップリング剤の添加量は、絶縁層全量に対し0.001〜１mass％程度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厚さは、粉末の粒径にもよるが、10〜10000nm 程度とすることが好ましい。10nm未満では、絶縁効果が十分でなく、一方10000nmを超えると圧粉体の密度が低下し、高い磁束密度が得られなくなる。

金属粉末の表面に絶縁層を形成する方法については、特に制限はなく、従来から公知の被膜形成方法（コーティング方法）いずれもが有利に適合する。代表的なコーティング方法としては、流動層法、浸漬法、噴霧法などが挙げられる。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、加圧成形方法について説明する。
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金属粉末（絶縁被覆粉）を、加圧成形して圧粉磁心とする。なお、この加圧成形に先立ち、粉末には必要に応じて金属石鹸やアミド系ワックス等の潤滑剤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質量部以下程度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、温間で加圧成形する温間成形工法、金型を潤滑して加圧成形する金型潤滑工法、それを温間で行う温間金型潤滑工法、さらには高圧で成形する高圧成形工法、静水圧プレス法などである。

次に、歪み取りのための熱処理について説明する。
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っている。従って、この歪みを取り除いて本来の磁気特性を発現させために、歪み取り熱処理が必要である。この処理温度は、600℃以上 1000℃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や分解するために絶縁効果を失い、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ましいが、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分程度とするのが好適である。

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濃度をさらに高めることもできる。この処理は、圧粉磁心の大きさと絶縁被覆材料の耐熱温度にもよるが、800℃以上1000℃以下程度とすることが好まし。また、この温度に加熱することにより歪み取り熱処理を兼ねることもできる。

実施例１
金属粉末として、表１に示す種々の成分組成になる粉末を用意した。粉末の粒子径は、レーザー散乱回折式粒度分布測定装置により測定し、平均値を求めた。この値を、表２に示す。これらの粉末を、石英容器内に載積厚み：３mmで充填し、アルゴンガス中にて580〜910℃で５分間加熱後、塩化珪素ガスを１Nl/min/kgの流量で５〜45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に置換後３〜60分間加熱処理する、気相反応処理を施した。
表２に、金属粉末の加熱温度、SiCl₄ガス中での加熱時間およびArガス中での加熱時間を示す。また、表２には、気相反応処理後の金属粉末のSi濃化層厚みおよび該濃化層中の平均Si濃度について調べた結果も示す。

ついで、得られた粉末粒子の表面に、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、東レダウコーニング社のSR2400を用いた。樹脂分で５mass％となるようにキシレンで調整した被覆液を、転動流動層型被覆装置にて装置容器内で流動化させたSi濃化粉末に、スプレーを用いて樹脂固形分が0.05mass％となるように噴霧した。噴霧終了後、20分間流動状態を維持して乾燥した。ついで、大気中にて250℃，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とした。

ついで、得られた被覆粉末を、加圧成形して測定用のリング状の圧粉磁心（外径：38mm、内径：25mm、高さ：6.2mm）を作製した。なお、成形前に金型内にステアリン酸亜鉛の５mass％アルコール懸濁液を塗布して金型潤滑を行い、成形圧力：980MPa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℃，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、磁束密度および電気抵抗について調べた結果を表２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、磁束密度は、圧粉磁心に１次側：100ターン、２次側：20ターンを巻き、直流磁化特性測定装置を用いて10kA/mの磁化での磁束密度（Ｂ_10k）を測定した。
さらに、電気抵抗は四端子法により通電電流１Ａで測定した。

表２に示したとおり、本発明の条件で気相反応処理を行った金属粉末はいずれも、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、かかる金属粉末を用いて製造した圧粉磁心はいずれも、優れた圧粉密度、磁束密度および電気抵抗を有していた。
これに対し、粉末粒子径が１μm未満の比較例１は、焼結が進み、電気抵抗が低下した。逆に、粒子径が大きい比較例２は、圧粉密度が低下し、磁束密度が低下した。また、気相反応における処理温度が高すぎる比較例３は、高い電気抵抗は得られたものの、磁束密度は低下した。これは、Siの拡散が速いために部分的に合金組成が変わったためと考えられる。一方、処理温度が低すぎる比較例４は、電気抵抗が低下した。これは、気相反応が十分に行われず、表層部のSi濃度が低いために絶縁効果を高めることができなかったためと考えられる。

実施例２
フェライト用酸化鉄（純度：99.7mass％）に、0.08mass％の酸化クロムを添加し、純水とスチールボールを用いてボールミルで湿式混合した後、乾燥、整粒してCr含有酸化鉄粉末を作製した。この鉄粉を、水素雰囲気中にて650℃の温度で熱処理し、冷却後、５%O₂−N₂雰囲気に保持することにより急激な酸化を防止して、鉄粉を得た。この鉄粉を、機械的表面改質装置（(株)奈良機械製作所製のハイブリダイザーシステム）を用いて、粒子同士を対向する位置から相対速度が80m/sとなる速度で衝突させて粒子表面の平滑化処理を施した。得られた粉末のSEM写真から、画像解析（(株)東レ製Ａ像くん）により算出した球相当径の平均粒子径は2.1μmであった。引き続き、この粉末を石英容器内に載積厚み：３mmで充填し、アルゴンガス中にて700℃で５分間加熱後、塩化珪素ガスを１Nl/min/kgの流量で10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に置換後５分間加熱処理する、気相反応処理を施した。
かくして得られた金属粉末のSi濃化層厚みは0.2 μm 、このSi濃化層中の平均Si濃度は1.2mass％であった。

また、比較のため、同じ条件で、反応温度のみを600℃とした処理も施して２水準の粉末を得た。
この金属粉末のSi濃化層厚みは0.1 μm 、またSi濃化層中の平均Si濃度は0.4mass％であった。

これらの粉末にそれぞれ、５mass％のフェノール樹脂を混合し、150℃×30分の熱処理を施してフェノール樹脂を硬化させた。ついで、成形圧力：700MPaで加圧成形し、外径：12mm、内径：６mm、厚み：２mmのリング状試料を作製した。
得られたリング試料の両端をワニ口クリップで挟み、印加電圧：10Ｖで電気抵抗を測定した。また、コアロスは、交流ＢＨアナライザーを用いてＮ₁＝85巻、Ｎ₂＝10巻、周波数ｆ：50kHz、磁束密度Ｂm＝100mＴの条件下で測定した。

その結果、700℃で処理をした場合の電気抵抗は20MΩ、コアロスは1800kW/m³であった。これに対し、600℃で処理した場合は、それぞれ700Ω、4500kW/m³であった。
このように、本発明に従う適正温度で気相反応処理を施した粉末は、１MΩ以上の高い電気抵抗を示し、かつ低コアロスを同時に達成することができた。

本発明によれば、気相反応により粉末粒子表面にSiを蒸着させるに際し、気相反応の処理温度を650℃以上900℃以下とすることによって、拡散を遅らせ、表層部のみに適量のSiを濃化させた金属粉末を得ることができる。さらに、この粉末に絶縁被覆処理を施した後、加圧成形し、600℃以上1000℃以下で熱処理をすることにより、高い圧粉密度と高い電気抵抗を同時に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、トランスおよびインダクタ用の圧粉磁心を得ることが可能となる。

Claims (4)

1. 直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させることを特徴とする圧粉磁心用金属粉末の製造方法。
2. 直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させたのち、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. 直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させたのち、絶縁被覆処理を施し、ついで加圧成形することを特徴とする圧粉磁心の製造方法。
4. 直径が１〜500μmの金属粉末を、650℃以上 900℃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金属粉末の表層部にSiを濃化させたのち、絶縁被覆処理を施し、ついで加圧成形後、600℃以上 1000℃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。