JP2703939B2

JP2703939B2 - Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性焼結材料の製造方法

Info

Publication number: JP2703939B2
Application number: JP63206705A
Authority: JP
Inventors: 禎公清田; 重彰高城
Original assignee: 川崎製鉄株式会社
Priority date: 1988-08-20
Filing date: 1988-08-20
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH0257664A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、交流特性に優れるFe−Si系軟磁性焼結材料
の製造方法に関する。

＜従来の技術＞ Fe−Si系合金は、軟質磁性材料の中でも電気抵抗率が
高いことを特徴とし、鉄損が低いために交流用用途に高
範囲で使用されている。

しかし、その焼結材については、本合金の硬くて脆い
性質に起因する成形の困難性のために応用が限られてい
る。特に、3wt％程度以上のSiの場合は、この傾向が強
い。

＜発明が解決しようとする課題＞この成形性の改良法として、有機バインダを利用した
射出成形は、粉末の硬さが殆ど問題とならないために、
有望視されている。ところが、金属粉末を射出成形によ
って成形し、焼結する場合は、Si等のように酸化性の高
い元素を極端に酸化させずに、有機バインダに起因する
Ｃを除去する方法がなく、交流磁気特性に優れた焼結材
料が得られなかった。

本発明は、以上の実情に鑑みてなされたもので、射出
成形法を利用し、極端な酸化を伴わないように有機バイ
ンダに起因するＣを除去することにより交換磁気特性に
優れたFe−Si系軟磁性焼結材料を製造する方法を提供す
ることを目的としている。

＜課題を解決するための手段＞本発明者らは、Fe−Si系焼結材料の射出成形を利用し
た製造に関して、種々の焼結条件で原料粉末の焼結およ
び反応性および得られる焼結材料の磁気特性について、
詳細な実験を行うことによって本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の第一の態様によれば、平均粒径が
３〜９μｍの合金粉末もしくは混合粉末より構成される
原料粉末を調製し、次にこれを有機バインダと混練し、
射出成形処理、脱脂処理を行った後、還元性雰囲気中も
しくは0.1Torr以下の減圧雰囲気中にて1050〜1250℃で
第１段目の加熱処理を行い、更に、不活性ガス雰囲気中
にて第１段目の加熱処理温度より50℃以上高く且つ1200
〜1350℃の範囲内の温度で第２段目の加熱処理を行うこ
とを特徴とする、 Si:1.5〜6.5wt％、 O :0.03〜0.5wt％、 C :0.03wt％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、焼
結密度比が95.0％以上であるFe−Si系軟磁性焼結材料の
製造方法が提供される。

また、本発明の第二の態様によれば、平均粒径が３〜
25μｍの合金粉末もしくは混合粉末より構成される原料
粉末を調製し、次にこれを有機バインダと混練し、射出
成形処理、脱脂処理を行った後、還元性雰囲気中もしく
は0.1Torr以下の減圧雰囲気中にて1050〜1250℃で第１
段目の加熱処理を行い、更に、30〜150気圧の不活性ガ
ス雰囲気中にて第１段目の加熱処理温度より50℃以上高
く且つ1200〜1350℃の範囲内の温度で第２段目の加熱処
理を行うことを特徴とする、 Si:1.5〜6.5wt％、 O :0.03〜0.5wt％、 C :0.03wt％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、焼
結密度比が95.0％以上であるFe−Si系軟磁性焼結材料の
製造方法が提供される。

以下に本発明をさらに詳細に説明する。

まず、本発明の製造法で得られる焼結材料における組
成を限定した理由について説明する。

Si:1.5〜6.5wt％ Siは、Feに添加することによって電気抵抗率を向上さ
せるが、1.5wt％に満たない場合は、電気抵抗率向上の
効果が小さい。また、Siは、透磁率を向上させるが、6.
5wt％を超えると急激に低下をきたすため、Si量を1.5〜
6.5wt％に限定した。

O:0.03〜0.5wt％、C:0.03wt％以下 C,Oは磁気特性、特に保持力（Hc）および最大透磁率
（μmax）に悪影響を及ぼす。

しかしながら、Siのように非常に酸化性の高い元素を
含む場合、結晶雰囲気下で、原料粉末に起因するＯ量お
よび射出成形材料とするために添加した有機バインダに
起因するＣ量を同時に低減することが実質不可能であ
る。そこで、磁気特性に特に悪影響を与えるＣ量の低減
に主眼をおいた。磁気特性に対して悪影響の小さいＯ量
を、本発明では、むしろ高くすることによって、Ｃ量を
低減したものである。すなわち、Ｃ量が0.03wt％を超え
ると磁気特性劣化が著しいため、Ｃ量の上限値を0.03wt
％とした。また、Ｃ量を0.03wt％以下に低減するため
に、Ｏ量を0.03wt％以上とした。Ｏ量が0.03wt％を下回
ると決してＣ量を0.03wt％以下とすることができないた
め、Ｏ量の下限値を0.03wt％とした。

さらに、Ｏ量が0.5wt％を超えると、磁気特性が著し
く劣化するため、Ｏ量の上限値を0.5wt％とした。

焼結密度比:95.0％以上磁束密度は焼結密度比に比例し、焼結密度比が95.0％
を下回る場合、磁束密度が著しく低下し、競合成形法で
ある金型圧縮成形でえられる材料に対する優位性が見出
せない。

したがって、焼結密度比の下限を95.0％に限定した。

以上のように限定することによってはじめて磁気特性
に優れたFe−Si系焼結材料が得られる。

次に本発明の製造方法について説明する。

本発明の製造方法は、金属粉末を有機バインダと混練
したのち、射出成形処理、脱脂処理し、さらに焼結処理
を行うものである。特に本発明においては、従来、一般
に採用されている圧縮成形法の替わりに、射出成形法を
採用する点に大きな特徴がある。圧縮成形法では、原料
粉末が焼結性の低い粗粉末に限定されるのに対して、射
出成形法では、焼結性の高い微粉末を使用できる利点が
ある。これにより従来の低い磁気特性の改良が可能にな
った。

焼結体の磁気特性は、原料粉末の粒度と密接な関係が
あることを本発明者は知見した。原料粉末の平均粒径
は、焼結密度を左右し、ある上限粒度を超えると本発明
の焼結材料が得られない。

また、焼結方法によって使用しうる原料粉末の粒度は
異なるが、平均粒径は３〜25μｍであることが必要であ
る。まず、通常の加熱のみによる焼結の場合は、３〜９
μｍの平均粒径が好ましく、加熱と同時にガス圧による
加圧を併用する加圧焼結を適用する場合は、10〜25μｍ
が好ましい。加熱のみによる焼結をおこなった場合、平
均粒径が増加するにつれて焼結密度比は低下し、９μｍ
を超えると焼結密度比は95.0％を達成できず、さらに25
μｍを超えると焼結密度比は90％を達成できない。しか
し、焼結密度比が90％を上回る場合は、焼結体の気孔は
閉気孔となっているため、加圧焼結によって、焼結密度
比を95.0％以上にすることができる。

また、10μｍ以上の平均粒径では加圧焼結による密度
比の向上が著しく、10μｍ未満の粉末よりもむしろ高い
密度比がえられる。

一方、平均粒径が25μｍを超えると決して95.0％以上
の密度比が達成できず、本発明の焼結材料が得られない
ため、平均粒径の上限値を25μｍに限定した。また、平
均粒径が３μｍ未満の粉末は高価格であるため、経済的
でないため除外する。

つぎに、焼結条件について説明する。

焼結は２段階で行う必要がある。

この第１段目は、還元性雰囲気である水素含有ガスも
しくは0.1Torr以下の減圧雰囲気で行う必要がある。さ
もなければ、原料粉末表面の酸素や成形助剤の残留に起
因する炭素を除去できず、高純度の焼結体が得られな
い。また、焼結温度は、1050〜1250℃で行う必要があ
る。この下限値を下回ると、雰囲気と原料粉末との間で
起こる不純物除去反応が効果的に進行しない。また、こ
の上限値を超えると、不純物除去反応よりも粉末同士の
焼結の方が早く進行するために、不純物が除去できな
い。これらの不純物は、水蒸気もしくは炭酸ガスとして
除去されるため、ガス流通孔を失うことは大きな弊害と
なる。特に、成形体は微粉末で構成されるため、もとも
と流通孔は小さいので、注意が必要である。また、これ
らの温度は、焼結の進行が速やかになりはじめる温度で
もあり、原料粉末の粒度によっても異なるため、平均粒
径が小さい場合には、より低温側に平均粒径が大きい場
合は、より高温側に、本発明の範囲より選択するのが好
ましい。

焼結時間は、使用した焼結温度で、Ｃ、Ｏ量が平衡値
に達するに要する時間であり、通常、20分〜４時間の範
囲であり、数回の試行実験で容易に決定できる。

続いて、本発明の焼結の第２段目について説明する。

第２段目は、第１段目で高純度化、閉空孔化した焼結
体を高密度化する工程であるため、もはや反応性のガス
を使用する必要はない。したがって、雰囲気ガスは不活
性ガスに限定する。また、温度は、第１段目の焼結温度
よりも50℃以上高い温度である必要がある。

温度の下限値を、第１段目の焼結温度よりも50℃以上
高い温度としたのは、第１段目の焼結温度が、焼結速度
が加速しはじめる温度に設定してあるために、高密度化
が不充分であるためである。さらに、第１段目で減圧雰
囲気を使用した場合、構成元素の蒸気圧の差によって焼
結体表面に組成分布が生じる。また、還元性のガス雰囲
気でも、ガスに触れている焼結体もしくは粉末表面とそ
れらの内部との間に組成分布が生じることがある。この
組成分布は焼結体中の原子拡散律速で成立するものであ
り、大気圧以上の構成元素の蒸発しない雰囲気で、ある
いは化学反応の全く起こることのない雰囲気で、第１段
目よりも50℃以上高い温度、すなわち、より拡散速度の
高い温度領域で、均一化処理を速やかに進行させる必要
があるからである。

上限温度は、必要以上に結晶粒径が粗大化したり、溶
融を開始する温度である。より好ましい温度範囲は、12
00〜1350℃である。

また、この第２段目の工程で、加圧焼結を行う場合に
ついても、温度の下限値は、第１段目の焼結温度よりも
50℃以上高い温度であることが必要である。この下限温
度は、焼結速度が加速しはじめる温度である第１段目で
設定した温度と相関があり、この温度を境に加圧焼結が
効果的となる。さらに、前述の通り、第１段目の焼結に
おいて形成された組成分布を解消するために、本工程で
均一化処理を速やかに進行させる必要があるからであ
る。上限温度についても、加圧焼結の場合も加圧しない
場合と同様である。また、加圧に必要な圧力は30〜150
気圧である。30気圧未満の場合は、圧力を加えない場合
と有意差がでず、150気圧を超えるガス媒体を用いると
設備コストが急騰するからである。

第２段目における焼結時間は、使用した焼結温度で、
焼結密度および化学組成分布が平衡に達するに要する時
間であり、通常、20分〜２時間の範囲であり、数回の試
行実験で容易に選択できる。

以上のように、焼結方法を限定することによって初め
て、射出成形法を利用して、高磁気特性のFe−Si系焼結
材料を経済的に製造することができる。

本発明の原料粉末を構成する出発原料粉末は、高圧水
アトマイズ法、還元法、カルボニル法等により得られた
粉末を分級あるいは粉砕することによって所望の粒度に
調整して使用する。本発明の原料粉末は、上記出発原料
単独またはそれらの混合粉末として使用できる。原料粉
末の純度については、焼結過程で除去できるＣ、Ｏを除
く他の不純物が実質的に無視できる程度でよく、通常、
Fe、Siの合計量が97〜99wt％の粉末が使用できる。

前記原料粉末は、有機バインダと混練してコンパウン
ドとし、公知の射出成形法により成形される。特に、複
雑形状部品の場合は射出成形法が効果的である。

本発明に用いられるバインダは、熱可塑性樹脂類また
はワックス類あるいはその混合物を主体とする公知バイ
ンダが使用でき、必要に応じて可塑剤、潤滑剤および脱
脂促進剤等を添加する。熱可塑性樹脂としては、アクリ
ル系、ポリエチレン系、ポリプロピレン系、およびポリ
スチレン系等の１種あるいは２種以上の混合物が選択で
きる。ワックス類としては、密ろう、木ろう、モンタン
ワックス等に代表されるような天然ろうおよび低分子ポ
リエチレン、ミクロクリスタリンワックス、パラフィン
ワックス等に代表されるような合成ろうより１種あるい
は２種以上を選択して使用できる。可塑剤は、主体とな
る樹脂類あるいはワックス類との組合せによって選択
し、DOP、DEP、DHP等を使用できる。潤滑剤としては、
高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸エステル等を使用で
き、場合によってはワックス類を潤滑剤として兼用す
る。また、脱脂を促進することを目的に、樟脳等のよう
な昇華性物質を添加することもできる。

添加すべきバインダ量は、全体積の45〜60vol％であ
り（残体積は原料金属粉）、成形すべき形状の成形容易
性と脱脂性を考慮して調整できる。

鉄粉とバインダとの混合、混練には、バッチ式あるい
は連続式のニーダを使用できる。混練後、ペレタイザー
あるいは粉砕機等を使用して造粒を行い成形用原料を得
る。

成形用原料は、通常のプラスチック用射出成形機を用
いて、成形することができる。

得られた成形体は、大気中あるいは雰囲気ガス中で、
脱脂処理を施す。

脱脂処理の後、高密度化およびＣ、Ｏ量の低減のため
に前述のように焼結を行う。

また、必要に応じて、最終焼結体のＣ、Ｏ量を調整す
る。Ｃ、Ｏ量の増減の方法としては、脱脂体のC/O量比
の増減によってなされ、C/O量比を小さくすることでＣ
量を低減でき、C/O量比を大きくすることでＯ量を低減
できる。C/O量比の増減には、原料粉末のＣ、Ｏ量の調
整、バインダの除去程度の加減、あるいは除去後の酸化
処理などによって行うことができる。さらに、Ｃ、Ｏ量
の全体レベル（Ｃ量とＯ量との積に相当）の低減には、
第１段目の焼結雰囲気の変更によって行い、減圧雰囲気
を利用する場合は圧力の低減により、還元性雰囲気を利
用する場合は雰囲気ガスの純度の向上によって達成でき
る。

＜実施例＞以下に本発明を実施例に基づき具合的に説明する。

第１表に示す各原料粉末にそれぞれ第１表に示すバイ
ンダを添加し、加圧ニーダによって混練したのち、粉砕
して射出成形用コンパウンドを作成した。続いて、射出
成形機によって、外径53×内径41×高さ5mmのリング試
験片を作成した。これを窒素中、＋５℃/hの速度で600
℃まで昇温の後、600℃で30分保持して、脱脂処理を施
した。次にそれぞれ第１表に示す条件で、第１段目の加
熱処理および第２段目の加熱処理を施した。得られた焼
結体の化学成分、密度比、磁気特性および電気抵抗率を
第１表に示す。

なお、第１表中No.1−１〜１−11については、脱脂後
に露点０℃の水素雰囲気中、350〜650℃の温度範囲で加
熱温度の水準を調節することによりＣ、Ｏ量を調整した
のち第１段目および第２段目の熱処理を施した。

第１表から、No.1−１〜１−11についてＣ量およびＯ
量が各々0.03wt％、0.5wt％を超える場合は、磁気特性
が劣化した（比較例1,2）。また、Ｏ量が低過ぎる場合
（比較例１）は、Ｃ量を低減できず、磁気特性が極端に
劣化した。しかし、Ｃ、Ｏ量が本発明の範囲内の場合は
優れた磁気特性が得られた（本発明例１〜８）。

第２段目の加熱処理温度が、第１段目の加熱温度より
も50℃以上高くない場合（比較例３）は、低い密度しか
得られないため、優れた磁気特性が得られなかった。

さらに、第２段目の加熱処理で加熱焼結を利用する場
合は、圧力30気圧未満（比較例４）では効果がない。ま
た、原料の平均粒径が25μｍを超えると（比較例５）効
果が無い。

30気圧以上で加圧焼結のもの（本発明例９〜14）の焼
結密度比はいずれも常圧焼結のもの（本発明例１〜８）
より高い結果が得られた。

＜発明の効果＞本発明は、以上説明したように構成されているので、
射出成形法を利用し、極端な酸化を伴わないように有機
バインダに起因するＣを除去することにより交流磁気特
性に優れたFe−Si系軟磁性焼結材料を得ることができ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径が３〜９μｍの合金粉末もしくは
混合粉末より構成される原料粉末を調製し、次にこれを
有機バインダと混練し、射出成形処理、脱脂処理を行っ
た後、還元性雰囲気中もしくは0.1Torr以下の減圧雰囲
気中にて1050〜1250℃で第１段目の加熱処理を行い、更
に、不活性ガス雰囲気中にて第１段目の加熱処理温度よ
り50℃以上高く且つ1200〜1350℃の範囲内の温度で第２
段目の加熱処理を行うことを特徴とする、 Si:1.5〜6.5wt％、 O :0.03〜0.5wt％、 C :0.03wt％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、焼
結密度比が95.0％以上であるFe−Si系軟磁性焼結材料の
製造方法。
【請求項２】平均粒径が３〜25μｍの合金粉末もしくは
混合粉末より構成される原料粉末を調製し、次にこれを
有機バインダと混練し、射出成形処理、脱脂処理を行っ
た後、還元性雰囲気中もしくは0.1Torr以下の減圧雰囲
気中にて1050〜1250℃で第１段目の加熱処理を行い、更
に、30〜150気圧の不活性ガス雰囲気中にて第１段目の
加熱処理温度より50℃以上高く且つ1200〜1350℃の範囲
内の温度で第２段目の加熱処理を行うことを特徴とす
る、 Si:1.5〜6.5wt％、 O :0.03〜0.5wt％、 C :0.03wt％以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、焼
結密度比が95.0％以上であるFe−Si系軟磁性焼結材料の
製造方法。