JP2009013426A - 熱可塑性樹脂を含む鉄粉圧縮製品及びその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な軟磁気特性及び高い強度を有する磁心圧縮製品を製造するために有効な材料を提供する。
【解決手段】高い引張強さと軟磁気特性を有する軟磁性材料の粉末冶金的製法であって、
ａ）噴霧された又はスポンジ状の鉄粉をリン酸にて処理し、その表面にリン酸鉄の被膜を形成し、
ｂ）得られた粉を乾燥し、
ｃ）その乾燥粉を、ポリフェニレンエーテルとポリエーテルイミドおよびアミド型のオリゴマーから成る群より選択される熱可塑性樹脂の乾燥粉と、及び潤滑剤と混合して均一な粉体混合物を形成し、
ｄ）かくして得られた粉体混合物を金型の中で熱可塑性樹脂のガラス転移温度又は融点より下の温度で圧縮し、次いで
ｅ）得られた圧縮製品を２００°〜５００℃に加熱する
諸工程から成る製法により製造することができる軟磁性材料。
【選択図】なし

Description

本発明は圧縮された鉄を主成分とする粉体組成物を熱処理する方法およびかかる方法により製造することができる製品に関する。さらに詳細には、本発明はある方法に関するものであり、そしてそれは鉄組成物が熱可塑性樹脂と混合され、圧縮されそして加熱される方法である。その方法は良好な軟磁気特性及び高い強度を有する磁心圧縮製品を製造するために有効である。

米国特許第５，２６８，１４０号は高強度の鉄を主成分とする圧縮製品を粉末冶金技術により製造する方法を開示している。この方法によれば、有機溶媒の存在で熱可塑性材料により被覆されるか又はそれと混合されている、鉄を主成分とする粒子の粉体組成物がその熱可塑性材料のガラス転移温度より上の温度で金型の中に圧縮され、そして得られた圧縮製品はその圧縮温度以上約８００°Ｆ（４２７℃）以下の温度で別に加熱される。その結果得られる圧縮製品は増加された強度を有し、そして構造圧縮製品として又は磁心圧縮製品として使用されることができる。更に、この特許は、最も好ましい実施態様によれば、その熱可塑性材料は個々の鉄粒子の表面上に被覆として存在する。この態様の変形において、鉄の粒子は二重に被覆されることもできて、例えば、熱可塑性材料の外側の層に加えて、リン酸鉄のような絶縁材料の初めの内部被覆を有する。

要するに、本発明はある方法に関するものであり、その方法により鉄を主成分とする粉体組成物が熱可塑性材料と混合される。その得られた混合物は熱可塑性材料のガラス転移温度または融点より下の温度で圧縮される。次にその得られた圧縮製品は任意に前記の硬化温度より上の温度まで焼きなましされる。
特に、本発明は高い強度と改良された軟磁気特性を有する製品の粉末冶金的製造方法に関するものであり、その方法は次の段階から成る。
ａ）噴霧された又はスポンジ状の鉄粉をリン酸にて処理し、その表面にリン酸鉄の被膜を形成し、
ｂ）得られた粉を乾燥し、
ｃ）その乾燥粉を、ポリフェニレンエーテルとポリエーテルイミドおよびアミド型のオリゴマーから成る群より選択される熱可塑性樹脂の乾燥粉と、及び潤滑剤と混合して均一な粉体混合物を形成し、
ｄ）かくして得られた粉体混合物を金型の中で熱可塑性樹脂のガラス転移温度又は融点より下の温度で圧縮し、次いで
ｅ）得られた圧縮製品を２００°〜５００℃に加熱する
諸工程から成る上記製法。
本発明は、かかる方法により製造することができる軟磁性材料にも関する。

この方法の段階ａ）において、噴霧された又はスポンジ状の鉄粉はリン酸水溶液により処理されて鉄粒子の表面にリン酸鉄の層を形成することが好ましい。リン酸処理は室温で、約０．５〜約２時間の期間に行われる。それから乾燥粉を作るために水が約９０℃〜約１００℃の温度で蒸発させられる。本発明の他の一つの実施態様によると、鉄粉は有機溶媒に溶かされたリン酸により処理される。

リンの層はできるだけ薄くなければならないし、また同時に別々の粒子をできるだけ完全に被覆しなければならない。従ってリンの量は粉体の表面積が大きくなるほど多くなる。スポンジ状の粉は噴霧された粉よりも大きな表面積を有するので、リンの量は一般にスポンジ状の粉の方が噴霧された粉よりも多いはずである。前者の場合リンの量は粉の重量につき０．０２〜０．０６％の間で、好ましくは０．０３〜０．０５％の間で変わるが、後者の場合にはリンの量は粉の重量につき０．００５〜０．０４％の間、好ましくは０．００８〜０．０３％の間で変わるだろう。

本発明の方法に使用される熱可塑性材料は約１０，０００より約５０，０００の範囲内の平均分子量及びそれらが有機溶媒に溶解されることを許す結晶化度の水準を有するポリマーであることができよう。更に詳細には、それらのポリマーはポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド又はその他の米国特許第５，２６８，１４０号明細書に記載のポリマーである。前記特許は参考資料Ａとしてここに引用により組み込まれる。ある市販のポリエーテルイミドは ULTEM（登録商標）樹脂の商品名で販売されている。最も好ましい ULTEM（登録商標）樹脂は ULTEM（登録商標）１０００グレードである。本発明により使用されることができる他の一つの熱可塑性材料は３０，０００以下の重量平均分子量を有するアミド型のオリゴマーである。この型のオリゴマーは国際公開スエーデン特許第９５／００６３６号明細書に開示されている。前記特許はそれはここに引用により組み込まれる。特定のオリゴマーの例はElf Ato−chem, Franceより入手できる Orgasol 3501 及び Orgasol 2001 のようなオルガノゾルである。これらの型のポリマーは無定形でなく、即ち、米国特許第５，２６８，１４０号明細書に記載のポリマーよりも更に結晶性であって、ガラス転移温度によるのみならず融点によっても際立っている。

熱可塑性材料の粒径は決定的に重要ではない。しかし、粒径は約１００μｍ以下であることが好ましい。熱可塑性材料の量は鉄粉の重量につき０．１〜１％の間で、好ましくは０．２〜０．６％の間で変わってもよい。

米国特許第５，２６８，１４０号に開示された方法とは対照的に、本発明の方法では潤滑剤を使用することは必須である。

いろいろな潤滑剤を鉄と熱可塑性粒子に混合することができる。潤滑剤は低融点型のものが好ましいが、それは金属のステアリン酸塩、ワックス、パラフィン、天然または合成の脂肪誘導体及び前述のアミド型オリゴマーから成る群より選択されることができよう。本発明の方法において使用できる市販の潤滑剤の例をあげるとHoganas AB Sweden より入手できるKenolube（登録商標）、 Hoechst AG, Germanyより入手できる H-wax（登録商標）及び Morton International,Cincinatti, Ohioより入手できるPromold（登録商標）である。これに関連して、アミド型のオリゴマーは熱可塑性樹脂としてか又は潤滑剤としてのいずれか、或いは両者を兼ねて使用されることができることは言及されるべきであろう。従って、本発明の一実施態様によれば、絶縁された鉄粉は問題のオリゴマーとのみ混合され、オリゴマーの融点以下の温度で圧縮され、オリゴマーを硬化させるために加熱され、次いで任意に焼きなましされる。

それらの潤滑剤は鉄粉の重量につき０．１〜１％、好ましくは０．２〜０．８％の量に使用される。

鉄、熱可塑性樹脂及び潤滑剤の粉体組成物は前記の米国特許による方法におけるようにいかなる追加の加熱装置なしに慣用の金型で適当な成形技術により成形された圧縮製品に形作られることができる。しかし、鉄粉、熱可塑性材料及び潤滑剤はまた金型の中に供給される前に熱可塑性樹脂のガラス転移温度または融点より下の温度に予熱されることができる。前記の金型もまたガラス転移温度又は融点より下の温度に予熱される。好ましい実施態様によれば、前記の粉体組成物は冷圧縮法により成形された圧縮製品に形作られることができる、即ち、圧縮段階は周囲温度で行われる。圧縮段階は約４００〜１８００MPa の間で行われる。

最終の、任意の熱処理又は焼きなまし段階において、圧縮されてから硬化された混合物は熱可塑性材料の硬化温度よりもかなり上の温度にさらされる。本発明に従って好ましい熱可塑性材料について、これは約１００〜６００℃の温度に加熱することを含む。好ましくはその温度は２００〜５００℃、そして最も好ましくは３００〜４００℃で変わる。この熱処理は一つの別の工程において行われることが好ましい。

本発明の方法と既知の方法との間の主な違いは、本発明の方法が熱可塑性樹脂のガラス転移温度または融点より下の温度で行われる圧縮段階を含むことである。この結果、本発明方法はエネルギー消費が少ないので、従って低コストであり、同時に、全く意外にも、本質的に同じ軟磁気特性を得ることができる。更に、粉体混合物の中に潤滑剤を使用することは、前記米国特許による方法において必要である、金型に油を塗る必要をなくす。既知の方法に勝る他の一つの利点は、本発明の方法はいかなる環境上有害な有機溶媒も使用することなしにかつ従来慣用の金型のなかで行われることができることである。

本発明に従って使用される特定の熱可塑性材料は、ドイツ特許第３４ ３９ ３９７号による場合のように、最良の結果を得るために温度及び圧力を変化させる必要がない。この特徴は本発明を工業上の見地からドイツ特許に記載の方法よりもはるかに魅力あるものにする。

軟磁気特性に関して、高い周波数においては、透磁率対周波数曲線は本発明に従って製造された製品についても既知の方法に従って製造された製品についても本質的には同じであることが判った。また材料の強度も類似している。

本発明は更に次の例により説明される。
例 １
SCM100.28 （ Hoganas AB 、Swedenより入手できる鉄粉）を主成分とする混合物をリン酸水溶液で処理してから鉄粒子上にリン被覆を与えるために乾燥した。０．５％の ULTEM（登録商標）、粒径＜７０μｍ及び０．５％の Promold潤滑剤からなる合計１％の有機材料を空練りして均一な材料の資料を作った。
ある混合物は既にリン酸で処理されてから鉄粒子上にリン被覆を与えるために乾燥された ABM 100.32（Hoganas AB 、Swedenより入手できる鉄粉）を主成分としていた。０．６％の Orgasolと０．１％のステアリン酸亜鉛潤滑剤から成る合計０．７％の有機物を空練りして均一な材料の資料を作った。

米国特許第５，２６８，１４０号に従って製造されかつ Hoganas Corporation, Riverton N.J. により TC パウダーとして市販されている鉄粉 TC を対照試料として使用した。この試料はリン被覆を有する鉄粉を主成分としていた。その既にリン酸塩絶縁された鉄粒子の上に ULTEM（登録商標）1000 の追加の被覆がほどこされた。（１％の Ultemポリマーが有機溶媒の溶解され、そしてリン酸塩絶縁された鉄粒子と混合された。それから溶媒は蒸発させられた。）

全ての試料を６００ MPaで圧縮した。本発明による製品、即ち、ULTEM（登録商標）とPromold（登録商標）とOrgasol（登録商標）及びステアリン酸亜鉛をそれぞれ含む製品、を周囲温度で慣用のプレスの中で圧縮した。既知の方法によりツインコーティングした又はダブルコーティングした粉体を１５０℃の温度に予熱してから、Ult-em（登録商標）1000 のガラス転移点のすぐ上の２１８℃に加熱された金型の中で圧縮した。３種の試料全てを次に３００℃の温度で焼きなました。磁気特性は本発明による ULTEM（登録商標）とPromold（登録商標）を含む冷間圧縮製品についても、ツインコーティングした又はダブルコーティングした製品に基づく温間圧縮製品についても本質的に同じである。Orgasol（登録商標）及びステアリン酸亜鉛に基づく製品は、図１の透磁率対周波数曲線により示されるように、低い周波数においてより高い透磁率をそして高い周波数においてより低い透磁率有する若干異なる側面を有する。

例 ２
混合物は既にリン酸で処理されてから鉄粒子上にリン被覆を与えるために乾燥された ABM 100.32（Hoganas AB 、Swedenより入手できる鉄粉）を主成分としているものである。０．５％の Ultem（登録商標）及び０．５％のOrgasol（登録商標）潤滑剤からなる合計１％の有機材料を空練りして均一な材料の試料を作った。
上記のようにリン酸により処理され、かつ ABM 100.32 を主成分とする混合物を０．５％の Ultem（登録商標）及び０．５％のKenolube（登録商標）潤滑剤と共に空練りして均一な材料の試料を作った。
上記のようにリン酸により処理され、かつ ABM 100.32 を主成分とする混合物に０．６％のOrgasol（登録商標）及び熱可塑性樹脂をいずれも潤滑剤として空練りして均一な材料の試料を作った。
それらの試料は６００ MPa及び周囲温度で圧縮されてから続いて３００℃で６０分間の熱処理の後に比較された。強度が表１に比較されている。

これらの試料は周囲温度において８００ MPaで圧縮してから、続いて空気中に３００℃に６０分間熱処理の後に比較された。周波数に対する透磁率が図２に示されている。

例 ３
混合物は既にリン酸で処理されてから鉄粒子上にリン被覆を与えるために乾燥された ABM 100.32（Hoganas AB 、Swedenより入手できる鉄粉）を主成分としているものであった。０．５％の Ultem及び０．５％のOrgasol（登録商標）潤滑剤からなる合計１％の有機材料を空練りして均一な材料の試料を作った。
ABM 100.32 を主成分とする混合物に０．６％のOrgasol 及び熱可塑性樹脂をいずれも潤滑剤として空練りして均一な材料の試料を作った。
約６００ MPaでの温間圧縮と８００ MPaでの周囲温度圧縮の効果が図３と図４に示されている。温間圧縮のための温度は、粉体温度１１０℃〜１１５℃であり、ツーリング（tooling）温度（ツールであるダイの温度）は、両試料について１３０℃である。これはUltemのガラス転移温度（Tg）の下である。Orgasol の場合には、その温度は融点（Tm）の下である。

本発明の好ましい態様は下記のようなものである。
1. 高い引張強さと軟磁気特性を有する軟磁性材料の粉末冶金的製法において、
ａ）噴霧された又はスポンジ状の鉄粉をリン酸にて処理し、その表面にリン酸鉄の被膜を形成し、
ｂ）得られた粉を乾燥し、
ｃ）その乾燥粉を、ポリフェニレンエーテルとポリエーテルイミドおよびアミド型のオリゴマーから成る群より選択される熱可塑性樹脂の乾燥粉と、及び潤滑剤と混合して均一な粉体混合物を形成し、
ｄ）かくして得られた粉体混合物を金型の中で熱可塑性樹脂のガラス転移温度又は融点より下の温度で圧縮し、次いで
ｅ）得られた圧縮製品を２００°〜５００℃に加熱する
諸工程から成る上記製法。
2. 潤滑剤はステアリン酸塩、ワックス、パラフィン、天然又は合成の脂肪誘導体及び前述のアミド型オリゴマーから成る群より選択される１に記載の方法。
3. 噴霧された又はスポンジ状の鉄粉はリン酸水溶液により処理される、１又は２に記載の方法。
4. 樹脂は鉄粉の重量につき０．１〜２％の量に添加される、１より３までのいずれかに記載の方法。
5. 樹脂は鉄粉の重量につき１．５％以下の量に添加される、１より３までのいずれかに記載の方法。
6. 樹脂は２００μｍ以下の粒径を有する、１、４又は５に記載の方法。
7. 樹脂は１００μｍ以下の粒径を有する、１、４又は５に記載の方法。
8. 段階ｅ）の温度が３００°〜４００℃である、１より７までのいずれかに記載の方法。
9. 圧縮が室温で行われる、１より８までのいずれかに記載の方法。
10. 熱可塑性樹脂及び潤滑剤はアミド型のオリゴマーである、１より９までのいずれかに記載の方法、および上記１−10の方法により製造することのできる軟磁性材料。

本発明によれば、良好な軟磁気特性及び高い強度を有する磁心圧縮製品を製造するために有効な方法およびかかる方法により製造することのできる軟磁性材料が提供される。

透磁率対周波数曲線 透磁率対周波数曲線 透磁率対周波数曲線 温間圧縮と周囲温度圧縮の効果を示す図

Claims (1)

1. 高い引張強さと軟磁気特性を有する軟磁性材料の粉末冶金的製法であって、
   ａ）噴霧された又はスポンジ状の鉄粉をリン酸にて処理し、その表面にリン酸鉄の被膜を形成し、
   ｂ）得られた粉を乾燥し、
   ｃ）その乾燥粉を、ポリフェニレンエーテルとポリエーテルイミドおよびアミド型のオリゴマーから成る群より選択される熱可塑性樹脂の乾燥粉と、及び潤滑剤と混合して均一な粉体混合物を形成し、
   ｄ）かくして得られた粉体混合物を金型の中で熱可塑性樹脂のガラス転移温度又は融点より下の温度で圧縮し、次いで
   ｅ）得られた圧縮製品を２００°〜５００℃に加熱する
   諸工程から成る製法により製造することができる軟磁性材料。

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