JPH04217305A - 窒化鉄系高密度焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高中周波数域用軟磁
性材料として好適な窒化鉄系高密度焼結体の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】窒化鉄
は、窒素の含有量により結晶系が変化し、その磁気的特
性も大きく異なる侵入型化合物である。この窒化鉄は金
属と酸化物の中間的な性質を有する材料であり、金属Ｆ
ｅよりも耐食性、耐候性に優れ、かつ硬いという性質を
有している。特にＦｅ４　Ｎ及びＦｅ１６Ｎ２　は高い
飽和磁化を有しており、耐食性、耐候性、及び機械的特
性が優れた磁性材料としての用途への適用が期待されて
いる。 しかしながら、上述のように優れた特性を考慮した焼結
体を得ることが困難であり、焼結体としての適用はなさ
れていないのが実情である。この発明はかかる事情に鑑
みてなされたものであって、実用的な窒化鉄系高密度焼
結体の製造方法を提供することを目的とする。

【０００３】

【課題を解決するための手段及び作用】この発明に係る
窒化物系高密度焼結体の製造方法は、鉄又は鉄合金粉末
に窒化処理を施して少なくとも粉末粒子の外周部にＦｅ
４　Ｎ又はＦｅ１６Ｎ２　を形成する工程と、このよう
に形成された粉末粒子を焼結させる工程と、これら粒子
に対し粒間酸化処理を施す工程とを備えたことを特徴と
する。

【０００４】このような方法により、Ｆｅ４　Ｎ若しく
はＦｅ１６Ｎ２　を主体とする粒子、又は内部がＦｅ若
しくはＦｅ合金で外周部がＦｅ４　Ｎ若しくはＦｅ１６
Ｎ２　を主体とする粒子が、スピネル型磁性酸化物とし
てのＦｅ３　Ｏ４　のマトリックス中に分散した状態の
複合焼結体からなる窒化物系高密度焼結体を得ることが
できる。このような高密度焼結体は、高中周波数域用軟
磁性材料として好適である。

【０００５】従来、軟磁性材料としては、フェライト、
ケイ素鋼板、パ−マロイ、Ｆｅ基及びＣｏ基アモルファ
ス合金等が用いられている。このような軟磁性材料は飽
和磁束密度が高くかつ低損失であり、ある程度の透磁率
を有していることが要求される。これらの中でケイ素鋼
板、パ−マロイ及びＦｅ基及びＣｏ基アモルファス合金
等の金属材料は、飽和磁束密度が比較的高く低周波数用
の軟磁性材料として適している。特に、Ｆｅ基及びＣｏ
基アモルファス合金は高い透磁率を有している。しかし
、これらは基本的に金属であるため、電気抵抗が低く、
高中周波数用としては適用が困難である。すなわち、損
失（ｔａｎ　δ）は周波数の２乗に比例し電気抵抗に反
比例するため、これら金属磁性材料は高周波数域におい
て損失が大きくなり過ぎるためである。また、金属材料
は耐候性が悪いという欠点がある。一方、Ｍｎ−Ｚｎフ
ェライト等のフェライト材料は、基本的に酸化物である
ため電気抵抗が高く、低周波数域から高中周波数域まで
使用できる軟磁性材料として広く用いられている。しか
し、フェライト材料は基本的に飽和磁束密度が低く、ま
た、１０３　ｋＨｚ以上の高周波数域では急激に損失が
大きくなってしまうという欠点がある。そこで、この発
明では、これら材料の欠点を補い、極めて特性が優れた
軟磁性材料としての上記焼結体を得ることができる製造
方法を提供する。

【０００６】次に、この発明により得ようとする焼結体
について説明する。図１は、鉄−窒素系の状態図である
。この状態図の中でγ´相がＦｅ４　Ｎであり、α’’
相がＦｅ１６Ｎ２　である。Ｆｅ４　Ｎは、鉄のｆｃｃ
相の体心位置に窒素原子が入ったペロブスカイト型結晶
格子を有している。この相は常温でも安定であり、Ｔｃ
＝４８８℃の強磁性体である。常温での飽和磁化は１９
５ｅｍｕ／ｇと純鉄より若干低い程度であり、磁性材料
として有望である。一方、Ｆｅ１６Ｎ２　は準安定相で
あり、ｂｃｃ格子を母体としたｂｃｔ結晶格子を有する
。このｂｃｔ構造はｂｃｃ構造の鉄の体心位置に規則的
に窒素原子が入り込んだ型となっている。この相の常温
での飽和磁化は２６０ｅｍｕ／ｇと純鉄の１．２倍であ
り、これも磁性材料として有望である。また、大気中に
おいて、Ｆｅ４　Ｎ及びＦｅ１６Ｎ２　の表面には緻密
なα−Ｆｅ２　Ｏ３　が形成されるので、表面にＦｅ３
　Ｏ４　が形成されるＦｅよりも耐候性に優れている。 さらに、これらは窒化物であるから鉄よりもかなり硬い
。

【０００７】このような、Ｆｅ４　Ｎ又はＦｅ１６Ｎ２
　を主体とする粒子をスピネル型磁性酸化物としてのＦ
ｅ３　Ｏ４　等のマトリックス中に分散させた状態の複
合焼結体は、電気抵抗が高いスピネルをマトリックスと
しているので、高抵抗を維持することができ、しかも、
飽和磁束密度が大きいＦｅ４　Ｎ又はＦｅ１６Ｎ２　を
スピネル型磁性酸化物マトリックス中の磁性粒子として
用いているので、磁性の連続性を維持することができ、
フェライトよりも高い飽和磁束密度及び比較的高い透磁
率を得ることができる。従って、高中周波数においても
損失が小さい。また、マトリックス中の磁性粒子は、少
なくともその外周部が耐候性が高いＦｅ４　Ｎ若しくは
Ｆｅ１６Ｎ２　を主体としているので、金属系の軟磁性
材料よりも耐候性に優れている。

【０００８】このような焼結体を製造するためには、先
ず、出発原料としての鉄粉を準備する。この鉄粉として
は、粒子径が０．１〜２００μｍのものが好ましく、Ｃ
ＶＤ法による超微粒鉄粉、カ−ボニル鉄粉、水アトマイ
ズ粉、ガスアトマイズ粉、還元鉄粉を用いることができ
る。また、これらの鉄粉としては純鉄のみならず、Ｆｅ
−Ｃｏ合金を用いることもできる。

【０００９】次に、このような鉄粉末又は鉄合金粉末を
適宜の方法で窒化する。この場合に窒化処理時間が十分
に長ければ粒子を完全にＦｅ４　Ｎ若しくはＦｅ１６Ｎ
２　にすることができ、また窒化処理時間が短ければ外
周部だけを窒化して内部がＦｅ若しくはＦｅ合金で外周
部がＦｅ４Ｎ若しくはＦｅ１６Ｎ２　で構成された粒子
を製造することができる。この処理に際して、窒素供給
量、温度等の窒化条件を適宜規定することによってＦｅ
４　Ｎ及びＦｅ１６Ｎ２　のいずれかを形成することが
できる。なお、前述したように、Ｆｅ１６Ｎ２は準安定
相であるので、窒化処理後急冷することにより得られる
。

【００１０】窒化処理の方法としては、ガス窒化法及び
イオン窒化法が好適である。ガス窒化法においては、反
応容器内に鉄粉末を装入し、外部ヒ−タにて容器内を例
えば５００℃程度に加熱しながら、容器内にＮＨ３　ガ
ス、Ｈ２　ガス等を送入して鉄粉末を窒化する。また、
イオン窒化法においては、反応容器内を高真空に保持し
、この容器内に反応ガスとしてのＮ２　等を送入してグ
ロ−放電により鉄粉末を窒化する。

【００１１】次に、窒化処理された鉄粉を焼結させる。 この場合の焼結は、形成する窒化鉄がＦｅ４　Ｎの場合
には、圧粉成形した後、通常焼成により行うことができ
る。Ｆｅ１６Ｎ２　の場合には、この相が準安定相であ
り急冷する必要があることから爆発成形により焼結を行
う。 爆発成形は火薬の爆発力を利用するもので瞬間的に生ず
る巨大な圧力と加工速度を利用して粉末を成形すると共
に、焼結させるものである。この爆発成形は、静水圧成
形のように塑性型の中に粉末を充填して水中に置き爆発
力を加えて成形する方法で行うこともできるし、普通の
押型の構造でパンチに爆発力を加える方法で行ってもよ
い。なお、この焼結は、後に続く粒間酸化処理の際に必
要な粒間酸化を生じさせることができる程度の焼結体が
得られるように行われる。

【００１２】その後、この焼結体に対し粒間酸化処理を
施す。この粒間酸化処理は焼結体を５９０℃程度に保持
して、酸化性ガスを供給することにより行われる。これ
により焼結体粒子の周囲にＦｅ３　Ｏ４　等のマトリッ
クスが形成され、高密度焼結体が得られる。なお、この
粒間酸化はこのように焼結処理の後に行ってもよいが、
焼結雰囲気を弱酸化雰囲気にして焼結処理の過程で焼結
と同時に行うこともできる。

【００１３】これらの工程により、上述した、Ｆｅ４　
Ｎ若しくはＦｅ１６Ｎ２　を主体とする粒子、又は内部
がＦｅ若しくはＦｅ合金で外周部がＦｅ４　Ｎ若しくは
Ｆｅ１６Ｎ２　を主体とする粒子が、スピネル型磁性酸
化物としてのＦｅ３　Ｏ４　等のマトリックス中に分散
した状態の複合焼結体からなる窒化物系高密度焼結体が
得られる。

【００１４】このようなＦｅ４　Ｎ又はＦｅ１６Ｎ２　
を含む磁性粒子とスピネル型磁性酸化物マトリックスと
の複合焼結体は、Ｆｅ４　Ｎ又はＦｅ１６Ｎ２　を含む
磁性粒子とスピネル型磁性酸化物マトリックスとの体積
比が６／１００〜１００／１００であることが好ましい
。また、このような高密度焼結体は、理論密度の９８％
以上の密度を有していることが好ましい。上述の方法で
製造された窒化鉄系の複合焼結体は、高中周波数用軟磁
性材料として適した磁気特性を有し、かつ耐候性に優れ
ている。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。 （実施例１）

【００１６】この実施例においては、出発原料として粒
径が１〜４０μｍの水アトマイズ鉄粉及びカ−ボニル鉄
粉を用いた。この鉄粉をガス窒化法により窒化処理して
窒化粉とした。この窒化処理は、反応ガスとしてＨ２　
ガス及びＮＨ３　ガスを用い、Ｈ２　／ＮＨ３　を０／
１００〜９０／１０まで変化させ、室温〜７５０℃の範
囲で５分間〜２時間の窒化処理を行った。その結果、Ｆ
ｅ４　Ｎ若しくはＦｅ１６Ｎ２　を主体とする粒子、又
は内部がＦｅで外周部がＦｅ４　Ｎ若しくはＦｅ１６Ｎ
２　を主体とする粒子が形成された。これらの窒化粉の
うち、Ｈ２　／ＮＨ３　が５０／５０〜７０／３０、温
度５００℃で３０分間保持の条件で窒化処理してほぼ全
体がＦｅ４　Ｎとなったものについて、Ｈ２　／ＮＨ３
　が４０／６０〜６０／４０の混合ガス雰囲気中で３０
０℃、５〜１５分間の還元処理を行った。これにより窒
化粉末粒子の表面にＦｅのメタルシェルが形成された。

【００１７】次いで、この粉末を成形し、その後、酸化
性雰囲気中で粒間を酸化しながら焼結させた。その結果
、Ｆｅ４　Ｎ粒子がスピネル型磁性酸化物としてのＦｅ
３　Ｏ４のマトリックス中に分散した状態の複合焼結体
からなる窒化物系高密度焼結体が得られた。この焼結体
の物性及び特性は以下に示す通りであった。 密度　　　　　　　　　　　　　　　　６．５３ｇ／ｃ
ｍ３　　　　鉄損Ｗ　　　　　　　　　　　　　　０．
８５Ｗ／ｃｍ３　　　　最大透磁率μｍａｘ　　　　　
　　８００比抵抗ρ　　　　　　　　　　　　０．０１
Ω・ｃｍ飽和磁化ＭＳ　　　　　　　　１７１ｅｍｕ　
／ｇ以上のように、高中周波数用軟磁性材料として優れ
た磁気的特性を有する高密度焼結体が得られたことが確
認された。 （実施例２） この実施例においては、出発原料として粒径が１〜４０
μｍの水アトマイズ鉄粉を用い、実施例１と同じ条件で
窒化処理した。

【００１８】これらの窒化粉のうち、Ｈ２　／ＮＨ３　
が５０／５０〜７０／３０、温度５００℃で３０分間保
持の条件で窒化処理してほぼ全体が窒化されたものにつ
いて、Ｈ２　／ＮＨ３　が４０／６０〜６０／４０の混
合ガス雰囲気中で３００℃、５〜１５分間の還元処理を
行った。これにより窒化粉末粒子の表面にＦｅメタルシ
ェルが形成された。

【００１９】この粉末にＭｎ粉及びＺｎ粉を加えてＶブ
レンダ−により混合し、次いで、この粉末を成形し、そ
の後、酸化性雰囲気中で粒間を酸化しながら焼結させた
。その結果、窒化粒子がスピネル型磁性酸化物としての
Ｆｅ３　Ｏ４　等のマトリックス中に分散した状態の複
合焼結体からなる窒化物系高密度焼結体が得られた。こ
の焼結体の物性及び特性を測定した結果、実施例１とほ
ぼ同様の値が得られた。すなわち、高中周波数用軟磁性
材料として優れた磁気的特性を有する高密度焼結体が得
られたことが確認された。

【００２０】

【発明の効果】この発明によれば、実用的な窒化鉄系高
密度焼結体の製造方法を提供することができる。この方
法によって製造された焼結体は高電気抵抗及び高飽和磁
化を有しているため損失が小さく、かつ透磁率が比較的
大きいので、高中周波数用の軟磁性材料に好適である。 また、金属系の軟磁性材料よりも耐候性に優れているの
で実用的である。

【図面の簡単な説明】

【第１図】鉄−窒素系の状態図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　鉄又は鉄合金粉末に窒化処理を施して
   少なくとも粉末粒子の外周部にＦｅ４　Ｎ又はＦｅ１６
   Ｎ２　を形成する工程と、このように形成された粉末粒
   子を焼結させる工程と、これら粒子に対し粒間酸化処理
   を施す工程とを備えたことを特徴とする窒化鉄系高密度
   焼結体の製造方法。