JPH07500140A - 鉄／ポリマー粉末組成物の製造方法 - 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】 鉄／ポリマー粉末組成物の製造方法 発明の分野 本発明は、総体的に粒状形で高分子材料に結合している鉄−基材粉末粒子を含ん でなる粉末組成物の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明方法は、鉄および ポリマーを最初に乾燥形で混合した後、鉄粒子に対するポリマーの結合を行なわ しめる高分子材料（二対する溶剤の使用に関する。このように造られた粉末粒子 は、磁気コア成分を製造するのに特に青用である。

発明の背景 鉄−基材粒子は、粉末冶金法により構造成分の製造における基材として長く用い られてきている。鉄−基材粒子を失ず高圧下ダイ中で成型して所望の形状を得る 。成型工程後、構造成分は通常焼結工程を受け成分に必要な強度を付与する。

磁気コア成分は又そのような粉末冶金法により製造されてきたか、しかしこれら の方法で用いられる鉄−基材粒子は一般に絶縁材料の円周方向の層で一般に被覆 されている。

鉄コア成分の二つの重要な性質は、その透磁率およびコア損失特性である。材料 の透磁率はそれが磁性化し得る能力の指標であるか、又は磁束を帯青し得るその 能力の指標である。透磁率は磁化力又は場の強さに対する誘動された磁束の割合 として定義される。磁性材料は急速に変化する場にさらされると、コアの全エネ ルギーは、ヒステリシスの損失および／又は渦電流損失の発生により減少する。

エネルギー損失は、エネルギーの必要な消費によりもたらされ鉄コア成分内で保 持された磁気力を克服する。渦電流損失は、電流状態を変化させることによって 生じる変化束のため鉄コア成分内の電流の発生によりもたらされる。

初期の磁気コア成分は、積層シート鋼から造られていたが、しかしこれらの成分 は製造困難でありそしてより高い周波数で多量のコア損失を経験した。これらの 積層−基材コアの適用も又、過剰の渦電流損失を避けるためシートの平面内で磁 束を有することの必要性により制限される。焼結金属粉末は、磁気コア成分に対 する材料として積層シートに代わるために用いられたが、しかしこれらの焼結部 もまた高いコア損失を有しそして電流操作を指図することに対し主に制限を受け た。

被覆された鉄−基材粉末を用い磁気コア成分の粉末冶金製造における研究は、他 の性質に不利な影響を与えることなく一定の物理的および磁性を高める鉄粉末組 成的の開発に向けられてきた。望ましい性質には、広範囲の周波数範囲にわたっ た高い透磁性、高い圧縮強度、低コア損失および組成的成型技術に対する適合性 が含まれる。

交流電力適用のためのコア成分を成型するとき、鉄粒子がコア損失を減少させる ため電気絶縁コーチングを有することが一般に必要とされる。鉄粒子上へのプラ スチックコーチングの使用（山口へ付与された米国特許３．９３５．３４０参照 ）および二重コート鉄粒子の使用（ソイレー等へ付与された米国特許第４．６０ １．７６５参照）は鉄粒子を絶縁するためおよび従って渦電流損失を減少させる ため用いられた。

最近、以下の内容が見出された。すなわち、絶縁高分子材料は個々の鉄粒子の十 分なコーチングとして粉末組成物中に存在する必要はなく、むしろばらばらな粒 子の形で存在できそしてこの粒子は鉄粒子と完全に混合する。本発明は均質性を 確保するような方法でこの混合物を形成する方法に関しそしてこれにより鉄組成 物で造られた加圧部の磁性を改善する。本発明は鉄−基材粒子に高分子材料の周 囲のコーチングを付与する必要性を排除するものであり、このコーチングはより 高価な流動床プロセスの使用を総体的に必要とした。

発明の要約 本発明は鉄／ポリマー粉末組成物を製造する方法を提供し、この組成物は鉄−基 材粉末粒子および該鉄−基材粉末粒子に結合された高分子材料を含んでなる。こ の方法によれば、鉄−基材粒子と高分子の粒子の乾燥混合物が造られる。一般に 、高分子材料は鉄−基材粒子とポリマーの合計重量の約ｏ、ｏｏｉ〜１５重量％ を構成するであろう。次いで、乾燥混合物を高分子材料用の溶剤で湿潤させる。

好ましくは、溶剤を混合物上に散布し、同時に混合物は更に混合される。

しかる後、溶剤を除去し、高分子材料に結合した鉄−基材粒子の流動性粉末組成 物を残す。

この方法はいかなる鉄−基材粒子および高分子材料から粉末組成物を形成するた めに適用可能である。「鉄−基材粒子」とは、粉末冶金方法において一般に用い られるいかなる鉄含有粒子も含むものと意味されるが、しかしこれに制限される ことなく、実質的に純粋な鉄および例えば遷移金属および／又は他の強化元素と 共に予備合金された鉄粒子をも意味する。この方法はいかなる高分子材料の使用 にも適用できるけれども、それは磁気コア成分の使用に関しその最も意義なる有 用性を有する。好ましい熱可塑性材料はビフェニレンエーテルおよびポリエーテ ルイミドであり、そしてこれらのポリマーと共に使用のための好ましい溶剤は塩 化メチレンである。

発明の詳細な記載 本発明によれば、以下の内容か見出された。すなわち、高分子絶縁材料は接着剤 でつけることかできあるいは又鉄−基材粉末に結合して実質的に均質性を有しそ して圧縮すると秀れた磁性を育する磁気コア成分を与えるであろう組成物を提供 する。本発明によれば、鉄−基材粒子および高分子材料の粒子を総体的に乾燥状 態で先ず混合し、二種の実質的に均質な混合物を形成する。次いで、乾燥混合物 を、以下に十分に記載する如く混合物全体の実質的湿潤を確保するような方法で ポリマーに対する比較的少量の溶剤により接触させる。しかる後、溶剤を除去し 高分子材料が結合している鉄−基材粒子の乾燥、流動性粉末組成物を提供する。

次いで、磁気コア成分は公知方法により粉末組成物により製造できる。

本発明で有用な鉄−基材粒子は粉末冶金方法で一般に用いられるいかなる純粋な 鉄又は鉄−コーチング（鋼又は強磁性）粒子である。

例としては、実質的に純粋な鉄並びに他の元素（例えば、鋼−製造用元素）と鉄 予備合金化した粒子があげられるが、該他の元素は最終製品の強度、焼入性、電 磁特性又は他の所望の性質を増加する元素である。本発明で有用な鉄−基材材料 の粒子は、１ミクロン又はそれ以下、又は約８５０〜１，０００　ミクロンまで の小さな重量平均粒径を育することができるが、しかし一般に粒子は約１０〜５ ｏｏミクロンの範囲内の重量平均粒径を育するであろう。最大平均粒径約３５０ 　ミクロンを育する粒子組成物が好ましく、そして最大平均粒径約２５０ミクロ ンを有する粒子組成物がより好ましい。

本発明において使用するための好ましい鉄−基材粒子は、実質的に純粋な鉄の高 圧縮性粉末であり；すなわち約１．０重量％以下、好ましくは約０．５重量％以 下の通常の不純物を含有する鉄である。そのような金属学的等級の純粋な鉄粉末 の例はヘガネス社（リバートン、ニューシャーシー）から入手可能な鉄粉末のＡ ＮＣＯＲＳＴＥＥＬ　１０００シリーズである。特に好ましいそのような粉末は ＡＮＣＯＲＳＴＥＥＬ　１００ＯＣ鉄扮末てあり、これはＮｏ、　３２５篩以下 の粒子約１３重量％およびＮｏ、　１００篩より大の粒子の約１７重量％の典型 的スクリーンプロファイルを有し、残りはこれらの２つ寸法の間にある（Ｎｏ、 ６０篩よりもより大の微量）。ＡＮＣＯＲＳＴＥＥＬ　１０００Ｃ粉末は約２． ８〜約３．０ｇ／ｃｍ２の見掛は密度を有する。

本発明の実施において有用な他の鉄−基材粉末は鉄と共に予備合金化される合金 用元素の有効量を含有する強磁性又は鋼粉末である。

良好な強磁性材料の例は、少量のリンと共に予備合金化される鉄の粒子である。

他の良好な強磁性材料は、実質的に純粋な鉄の粒子と混合される。フェロホスホ ル粉末、例えば鉄−リン合金又は粉末形の鉄燐化物化合物のブレンドである。そ のような粉末混合物はテングゼニウス等に対し１９７４年９月に発行された米国 特許４．０９３．４４９およびスベンソン等に対し１９７８年６月に発行された 米国特許４、０９３．４４９に開示されている。鋼粉末の例は１種又はそれ以上 の遷移元素又は他の強化用元素例えばモリブデン、ニッケル、マンガン、銅およ びクロムで予備合金化される鉄の粒子である。本発明の実施で使用できる種々の 予備合金鋼粉末は、鋼粉末のそのＡＮＣＯＲＳＴＥＥＬラインの一部としてヘガ ネス社から入手できる。

鉄−基材粒子は先ず絶縁無機材料でコートでき結合高分子材料の下にある内側コ ーチングを与える。この内側コーチングは、被覆粒子の約０．２総重量％以下で あることか好ましい。そのような内側コーチングにはルッッ等に対し１９９１年 １１月に発行された米国特許５、０６３．０１１に開示された如き鉄ホスフェー トおよびソイレー等に対し１９８６年７月に発行されるた米国特許４．６０１． ７６５に開示された如きアルカリ金属シリケートが含まれる。これらの特許の開 示は引用してその内容が本明細書に加入される。

鉄−基材粒子の表面に接着又は結合し得るように溶剤により十分に軟化および／ 又は溶解できる如何なる高分子材料も本発明で使用できる。好ましい高分子材料 は熱可塑性材料、特に約１０．０００〜５０、０００の重量平均分子量を有する 材料である。より好ましくは、約１７５〜４５０°Ｆ（約８０〜２３０℃）の範 囲内にガラス転移温度を育するような分子量範囲を有する熱可塑性ポリマーであ る。熱可塑性材料の例は、ポリエーテルイミド、ポリエチレンエーテル、ポリエ ーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリエチレングリコール、ポリビニルアセ テートおよびポリビニルアルコールである。

本発明で熱可塑樹脂として使用できる適当なポリカーボネートは、ポリ（ビスフ ェノール−Ａ−カーボネート）としても知られているビスフェノール−Ａ−ポリ カーボネートである。これらのポリカーボネートは約１．２〜１．６の比重範囲 を有する。特定の例は、実験式（Ｃ＋５Ｈ７４０−）。（式中、ｎは約３０〜６ ０の整数である）を有するポリ（オキシカルボニルオキシ−１，４−フェニレン −（ｌ−メチルエチリデン）−１，４−フェニレン）である。商業的に入手可能 なポリカーボネートはゼネラルエレクトリック社からのＬＥＸＡＮ樹脂である。

最も好ましいＬＥＸＡＮ樹脂はＬＥＸＡＮ　１２１および１４１グレードである 。

適当なポリフェニレンエーテル熱可塑性樹脂は、実験式（Ｃ，ＨｓＯ）。

（式中、ｎは約３０〜１００の整数である）を有するポリ（２，６−ジメチル、 １．４−フェニレンオキシド）である。ポリフェニレンエーテルホモポリマーは 合金用／ブレンド用樹脂、例えば耐衝撃性ポリスチレン、例えばポリ（ブタジェ ン−スチレン）：およびポリイミド、例えばポリカプロラクタム又はポリ（ヘキ サメチレンジアミン−アジペート）としてナイロン６６と混合できる。これらの 熱可塑性材料は約１．０〜１．４の範囲内の比重を存する。商業的に入手可能な ポリエチレンは、ゼネラルエレクトリック社からＮ０ＲＹＬ樹脂として市販され ている。最も好ましいＮ０ＲＹＬ樹脂は、Ｎ０ＲＹＬ　８４４．８８８および１ ２２２グレードである。

適当なポリエーテルイミド熱可塑性樹脂はポリ（２，２’−ビス（３，４−ジカ ルボキシフェノキシ）フェニルプロパン）−２−フェニレンビスイミド〕であり 、これは実験式（ＣｓｖＨ＊４０Ｊ２）　−（式中、ｎは約１５〜２７の整数で ある）を有する。ポリエチレンイミド熱可塑性樹脂は約１．２〜１．６の範囲内 の比重を育する。商業的に入手可能なポリエーテルイミドは、ゼネラルエレクト リック社からＵＬＴＥＭ樹脂として市販されている。最も好ましいＵＬＴＥＭ樹 脂はＵＬＴＥＭ　１０００グレードである。

適当なポリエーテルスルホン熱可塑性樹脂は実験式（ＣＩ２８Ｉ−ＳＯ３）。

（式中、ｎは約５０〜２００の整数である）を有する。商業的に入手可能な適当 なポリエーテルスルホンの例は、ＩＣ１社よりｖｒＣＴＲＥＸ　ＰＥＳとして市 販されている。これらの樹脂の内置も好ましいものは、ＶＩＣＴＲＥＸ　ＰＥＳ 　５２００グレードである。

本発明で使用するための高分子材料は一般に粒子の形て与えられ、これは好まし くは球体であるか、しかし例えばレンズ形又はフレーク形状であってもよい。粒 子は、好ましくはＮｏ、６０＠、米国シリーズ（約２５０ミクロン又はそれ以下 ）を通過するのに十分に細かいものであり、より好ましくはＮｏ、　１００篩（ 約１５０ミクロン又はそれ以下）を通過するか、そして最も好ましくはＮｏ、　 １４０篩（約１０５ミクロン又はそれ以下）を通過するのに十分細かいものであ る。ポリマー粒子の絶対径は、しかし鉄−基材粒子のサイズに関しそれらのサイ ズよりも重要性は少ない：ポリマー粒子は一般に鉄−基材粒子よりもより微細で あることか好ましい。ポリマーの量は、一般に鉄−基材粒子と高分子粒子の合計 重量の約０．００１−１５重量％である。好ましくは、ポリマーはこの組合せの 少なくとも０，２重量％であり、約５重量％までである。より好ましくは、ポリ マーは鉄−基材粒子と高分子材料の合計重量の約０．４〜２重量％であり、そし て最も好ましくは約０．６〜１．０重量％である。

鉄−基材粒子および高分子粒子は、通常の混合技術により好ましくは乾燥形で共 に混合され実質的に均質な粒子ブレンドを形成する。

次いで、乾燥混合物を十分な溶剤と接触させ粒子を湿潤させ、更に特にポリマー 粒子の表面を軟化させおよび／又は部分的に溶解させ、これら粒子を粘着性にし そして鉄−基材粒子の表面に接着させ又は結合させる。好ましくは、乾燥ブレン ドの混合中溶剤の微細小滴を散布することにより溶剤を乾燥混合物に適用する。

最も好ましくは混合を溶解運用中継続し高分子材料の湿潤性および最終混合物の 均質性を確保する。しかる後、溶剤を所望により加熱、強制通風又は真空により 除去する。混合は溶剤除去工程中継続でき、この工程はそれ自信溶剤の蒸発を助 けるであろう。粒子の初期乾燥配合並びに溶剤の適用および除去は、適当な溶剤 適用および回収手段を用意した通常の混合装置で行うことができる。ナウタ社か ら入手できる円錐スクリューミキサーはこの目的に対し使用できる。

高分子材料に対する有機溶剤は、使用できる。好ましくは、塩化メチレン、１． １．２−トリクロロエタンおよびアセトンである。

これらの溶剤のブレンドも使用できる。本発明において使用するための好ましい 組合せは、高分子材料としてポリエーテルイミド熱可塑性樹脂並びに溶剤として 塩化メチレンを用いる。乾燥混合物に適用される溶剤の量は、鉄−基材粉末１０ ０重量部当たり約１〜２５重量部の溶剤であろう。しかし、一般に、存在する高 分子物質の量を基準にして溶剤の量を計算するのが好都合であろう。これらの点 から、ポリマーの重量単位当たり、約１．５〜５０重量部、好ましくは約３〜２ ０重量部、より好ましくは約５〜ｌＯ重量部の溶剤が混合物を十分に湿潤させる てあろう。

本発明方法によって製造される鉄／ポリマー粉末組成物は、適当な成型技術によ り磁気コアに形成できる。好ましい態様において、圧縮成型技術（ここにおいて 粉末組成物かダイに装入されそして熱可塑性物質のガラス転移温度以上の温度に 加熱される）が磁気成分を形成するため用いられる。好ましくは、ダイおよび組 成物は、ガラス転移温度よりも約２５〜８５℃高い温度に加熱される。通常の粉 末冶金学圧力か所望成分を加圧するため示された温度で適用される。

典型的圧縮成型技術は、平方インチ当たり約５〜１００トン（６９〜１３７９Ｍ Ｐａ）、好ましくは約３０〜６０ｔｓｉ　（４１４〜８２８ＭＰａ）の範囲の圧 縮圧を用いる。通常約１重量％までの量の潤滑剤か鉄／ポリマー粉末組成物に混 合できるが、しかし潤滑材はダイ壁に直接適用できる。潤滑材を用いるとストリ ッピング圧および滑り圧を減少する。適当な潤滑材の例は、ステアリン酸鉛又は ＡＣＲＡＷＡＸ合成ワックスとしてグリコールケミカル社から入手可能な合成ワ ックスの１つである。

鉄／ポリマー粉末組成物と直接混合できる他の潤滑材は粒状窒化ホウ素である。

圧縮工程に続き成型成分は所望により熱処理される。この手順により、圧縮成分 は、好ましくはダイから除去後そして高分子材料のガラス転移に少なくとも等し い低い温度に冷却せしめた後、ガラス転移温度よりも高い「プロセス」温度に、 好ましくは成分が圧縮される温度よりも高い約１４０°Ｃまての温度に別個に加 熱される。圧縮成分を、成分か完全に加熱されるために十分なプロセス時間で維 持しそしてその内部温度をプロセス温度に実質的にもたらす。一般に、加圧部の サイズおよび初期温度に応じて、加熱は約０．５〜３時間必要である。熱処理は 空気中又は不活性雰囲気例えば窒素中で行うことができる。

例１ 鉄／熱可塑性粉末組成物を、粒状ＵＬＴＥＭ　１０００ポリエーテルイミド（１ ５０ミクロンよりも大きい粒子を除くため篩別された）および解離したアンモニ ア中ですでにアニールされそして１５０ミクロンよりも小さくそして約３７５ミ クロンよりも大きい粒子を除くため篩別された実質的に純粋な鉄の粒子を用いて 調製した。鉄粒子および熱可塑性粒子を乾燥状態で手で混合し、熱可塑性材料の ０°６総重量％である鉄／熱可塑性樹脂組成物を得た。試験組成物は以下に述べ る量の乾燥混合物上に塩化メチレンを散布して調製し、この間混合を継続した。

湿潤された混合物の場合は、溶剤の添加が均質混合物を達成しそして蒸発による 溶剤の除去において助成するため完結された後更に２〜３分間継続した。この期 間の後、混合物をトレー上に散布しそして空気中で乾燥せしめた。

３種の異なる試験組成物を次の如き種々の量の塩化メチレンを用い上記方法によ り調製した：組成物Ａは１００重量部の鉄粉末当たり１．７重量部の溶剤を用い て作成した；組成物Ｂは１００重量部の鉄粉末当たり３．３重量部の溶剤を用い て作成した；そして組成物Ｃは１００重量部の鉄粉末当たり８．３重量部の溶剤 を用いた。乾燥混合物（これは、本発明方法によって溶剤結合技術で処理されて いなかった）を対照組成物として保った。

トロイド（Ｔｏｒｏｉｄｓ）および強度試験棒を磁性および横方向破壊強度を測 定するため粉末組成物から製造した。材料を４０ｔｓｉ（約５５２ＭＰａ）の圧 力下、５２５°Ｆ（約２７４°Ｃ）の温度でダイ中で均一に成型した。

圧縮後、加圧された品を空気中６００°Ｆ（約３１６°Ｃ）の温度で１時間熱処 理した。横方向破壊強度はＡＳＴＭ　８５２８−７６に従い、熱処理された試験 棒に対して測定された。結果を表ＩＡに示す。明らかなように、パーツの強度は より高い溶剤レベルで増加した。

交流鉄損（ワット／ボンド；　５００Ｈｚ、１テスラで測定）を熱処理されたト ロイドに対し測定した。結果を表ＩＢに示す。対照（溶剤結合なし）組成物から 作成したトロイドは、最高の鉄損を示し、このことは溶剤の使用は簡単な混合物 を超えた改善を証明したことを示す。

例２ 鉄／熱可塑性粉末組成物を、粒状ＵＬＴＥＭ　１０００ポリエーテルイミド（１ ０４ミクロンより大きい粒子を除（ため篩別された）およびＡＮＣＯＲＳＴＥＥ Ｌ　１００ＯＣ鉄粉末を用いて調製した。鉄粒子（２９７，７５ポンド）および 熱可塑性粒子（２，２５ボンド）をナウタ円錐スクリューミキサー中で１５分間 混合した。塩化メチレン（１５ポンド）を１５分にわたって混合物に添加し、こ の間混合を続けた。湿潤化された混合物の混合を更に１０分間継続した。しかる 後混合容器を真空に委ねることにより溶剤を除去し、この間混合を継続した。得 られた乾燥粉末を混合容器から排出せしめた。

強度試験棒およびトロイドを作成しそして例１の如く試験した。

結果を例１で用いた同じ対照サンプルと比較した。結果を表２に示す。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 平成６年７月λヲ日

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．高分子材料に結合する鉄−基材粉末粒子の鉄／ポリマー粉末組成物の製造方 法であって、 （ａ）鉄−基材粉末粒子および高分子材料の粒子の乾燥混合物を形成し、 ポリマーは混合物の約０．００１〜１５．０重量％を構成する；（ｂ）乾燥混合 物を高分子材料のための溶剤で湿潤し；次いで（ｃ）溶剤を除去する、 を含んでなる前記方法。
2. ２．高分子材料が、熱可塑性ポリマーでありそして鉄−基材粉末粒子が実質的に 純粋な鉄である、請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．高分子材料が、約１０，０００〜５０，０００の重量平均分子量を有する熱 可塑性材料である、請求の範囲第２項記載の方法。
4. ４．熱可塑性材料が、約８０〜２３０℃の範囲内のガラス転移温度を有しそして 混合物の約０．２〜５．０重量％を構成する、請求の範囲第２項記載の方法。
5. ５．熱可塑性材料がポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテ ルスルホン又はポリカーボネートである、請求の範囲第２項記載の方法。
6. ６．前記湿潤工程が混合物上に溶剤を散布し、この間更に混合物を混合し、ここ において鉄粒子は約５００ミクロンまでの重量平均粒径を有しそしてここにおい て高分子材料の粒子は約２５０ミクロンよりもより細かいものである、請求の範 囲第１項記載の方法。
7. ７．前記湿潤工程が混合物上に溶剤を散布し、この間混合物を更に混合し、そし てここにおいて溶剤が塩化メチレンである、請求の範囲第５項記載の方法。
8. ８．鉄粒子が約５００ミクロンまでの重量平均粒径を有しそしてここにおいて高 分子材料が約２５０ミクロンよりもより細かいものである、請求の範囲第５項記 載の方法。
9. ９．ポリマーが前記乾燥混合物の約０．２〜５重量％を構成する、請求の範囲第 ５項記載の方法。
10. １０．ポリマーが該乾燥混合物の約０．２〜５重量％を構成する、請求の範囲第 ８項記載の方法。
11. １１．請求の範囲第１項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成物 。
12. １２．請求の範囲第２項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成物 。
13. １３．請求の範囲第５項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成物 。
14. １４．請求の範囲第７項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成物 。
15. １５．請求の範囲第８項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成物 。
16. １６．請求の範囲第９項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成物 。
17. １７．請求の範囲第１０項記載の方法によって形成される鉄／ポリマ−粉末組成 物。