CN106104714B - 磁芯、线圈部件以及磁芯的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的磁芯具有分散有含有Fe、Al、Cr以及Si的合金相(20)的组织，相邻的合金相(20)通过晶界相(30)连接，并且在该晶界相(30)中，生成含有Fe、Al、Cr以及Si、且含有以质量比计比合金相(20)多的Al的氧化物区域。将Fe、Al、Cr以及Si的和设为100质量％，该磁芯含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、以及大于1质量％并且4质量％以下的Si，剩余部分是Fe和不可避免的杂质。

Description

磁芯、线圈部件以及磁芯的制造方法

技术领域

本发明涉及具有分散有合金相的组织的磁芯、使用该磁芯的线圈部件、以及该磁芯的制造方法。

背景技术

以往而言，在家电设备、工业设备、车辆等各种各样的用途中，使用感应器、变压器、扼流圈等线圈部件。线圈部件具有磁芯(磁心)和在该磁芯实施绕线而成的线圈，对于该磁芯而言，广泛利用磁性特性、形状自由度、价格优异的铁氧体磁芯。

近年来，随着电子设备等的电源装置向小型化的推进，对小型、低高度且大电流下也能够使用的线圈部件的要求越来越强烈，相比于铁氧体磁芯，更趋向采用使用了饱和磁通密度高的金属系磁性粉末的磁芯。作为金属系磁性粉末，例如，已知纯Fe、Fe-Si系、Fe-Al-Si系、Fe-Cr-Si系等Fe基磁性合金粒子。

Fe基磁性合金的饱和磁通密度为，例如，1T以上，使用Fe基磁性合金的磁芯即使小型化也具有优异的直流叠加特性。另一方面，该磁芯由于大量含有Fe，所以电阻率小，涡流损耗大，因此，认为在大于100kHz的高频用途中，如果不使用树脂、玻璃等绝缘物包覆合金粒子，则难以使用。但是，对于这种通过绝缘物结合了Fe基磁性合金粒子的磁芯而言，磁芯损耗大，要求磁芯损耗的降低。而且，存在由于该绝缘物的影响，强度比铁氧体磁芯差的情况。

在专利文献1中，公开了使用具有Cr：2～8wt％、Si：1.5～7wt％、Fe：88～96.5wt％的组成的软磁性合金、具有Al：2～8wt％、Si：1.5～12wt％、Fe：80～96.5wt％的组成的软磁性合金，在含有氧的环境中对由该软磁性合金的粒子群构成的成型体进行热处理而得到的磁芯。

在专利文献2中，公开了在氧化性环境中、800℃以上，对含有Cr：1.0～30.0质量％、Al：1.0～8.0质量％、残余部分实质上由Fe构成的Fe-Cr-Al系磁性粉末进行热处理，由此，在表面自生成含有氧化铝的氧化覆膜后，在真空腔内，通过放电等离子体烧结对该磁性粉末进行固化成型而成的磁芯。对于该Fe-Cr-Al系磁性粉末而言，作为杂质元素，也可以含有Si：0.5质量％以下。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-249774号公报；

专利文献2：日本特开2005-220438号公报。

发明内容

发明要解决的问题

但是，对于专利文献1、2中记载的磁芯而言，没有考虑磁芯损耗的降低，而且没有实现充分确保电阻率和强度两方面。本发明就是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供磁芯损耗优异并且确保电阻率和强度的磁芯、使用该磁芯的线圈部件、以及该磁芯的制造方法。

解决问题的技术方案

通过如下所述的本发明，能够达到上述目的。即，对于本发明的磁芯而言，具有分散有含有Fe、Al、Cr以及Si的合金相、并且相邻的前述合金相通过晶界相连接的组织，所述磁芯具有：将Fe、Al、Cr以及Si的和设为100质量％，含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的组成，在前述晶界相中具有含有Fe、Al、Cr以及Si、并且含有以质量比计比前述合金相多的Al的氧化物区域。

本发明的磁芯优选含有3质量％以下的Si。而且，在本发明的磁芯中，优选电阻率为0.5×10³Ω·m以上、径向抗压强度为120MPa以上。该电阻率、径向抗压强度的值具体为通过下文所述的实施例的测定方法求出的值。

本发明的线圈部件具有上述本发明的磁芯和实施于该磁芯的线圈。

本发明的磁芯的制造方法具备：将含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si、并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的Fe基软磁性合金粒子与粘合剂混合，得到混合粉末的工序；对前述混合粉末加压成型，得到成型体的工序；以及，在含有氧的环境中，对前述成型体进行热处理，得到具有分散有由前述Fe基软磁性合金粒子而形成的合金相的组织的磁芯的工序，通过前述热处理，形成连接相邻的前述合金相的晶界相，并且在前述晶界相中生成含有Fe、Al、Cr以及Si、且含有以质量比计比前述合金相多的Al的氧化物区域。

发明效果

根据本发明，能够提供磁芯损耗优异并且确保了电阻率和强度的磁芯、使用了该磁芯的线圈部件以及该磁芯的制造方法。

附图说明

图1是表示本发明的磁芯的一个实例的外观图。

图2是表示该磁芯的组织的一个实例的示意图。

图3是表示本发明的线圈部件的一个实例的外观图。

图4是表示Si的含量与磁芯损耗的关系的曲线图。

图5是表示Si的含量与导磁率的关系的曲线图。

图6是剖面观察比较例1的磁芯的SEM照片。

图7是剖面观察实施例3的磁芯的SEM照片。

图8是剖面观察实施例4的磁芯的SEM照片。

图9是剖面观察比较例1的磁芯的SEM照片和映射图。

图10是剖面观察比较例2的磁芯的SEM照片和映射图。

图11是剖面观察实施例1的磁芯的SEM照片和映射图。

图12是剖面观察实施例2的磁芯的SEM照片和映射图。

图13是剖面观察实施例3的磁芯的SEM照片和映射图。

图14是剖面观察实施例4的磁芯的SEM照片和映射图。

图15是剖面观察比较例2的磁芯的TEM照片。

图16是剖面观察实施例2的磁芯的TEM照片。

图17是剖面观察实施例4的磁芯的TEM照片。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行具体的说明。但是，本发明并非限定于此。

图1中表示的磁芯1具有分散有含有Fe(铁)、Al(铝)、Cr(铬)以及Si(硅)的合金相的组织。该合金相由含有Al、Cr以及Si、并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的Fe基软磁性合金粒子而形成。图2是该组织的一个实例，相邻的合金相20通过晶界相30连接。在该晶界相30中，生成含有Fe、Al、Cr以及Si、并且含有以质量比计比合金相20多的Al的氧化物区域。将Fe、Al、Cr以及Si的和设为100质量％，该磁芯1含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

在Fe基软磁性合金粒子中含有的非铁金属(即，Al、Cr以及Si)与O(氧)的亲和力比Fe大，如果在含有氧的环境中进行热处理，则生成这些非铁金属与Fe的氧化物，该氧化物覆盖Fe基软磁性合金粒子的表面，进一步地填充粒子间的空隙。如此地，晶界相30的氧化物区域是通过在氧化性环境中对由Fe基软磁性合金粒子构成的成型体进行热处理，使Fe基软磁性合金粒子与氧反应、生长的氧化物区域，并且通过超过Fe基软磁性合金粒子的自然氧化的氧化反应而形成。Fe、上述非铁金属的氧化物具有比金属单体高的电阻，夹杂在合金相20之间的晶界相30作为绝缘层而发挥功能。

在氧化性环境中的热处理能够在大气中、氧气和非活性气体的混合气体中等存在氧的环境中进行。而且，能够在水蒸气与非活性气体的混合气体中等存在水蒸气的环境中进行热处理。其中，大气中的热处理简便而优选。而且，对于热处理环境的压力而言，没有特别的限定，但是，优选在不需要压力控制的大气压下。

对于用于合金相20的形成的Fe基软磁性合金粒子而言，在其构成成分中，含有Fe作为含有率最高的主要成分，作为副成分，含有Al、Cr以及Si。Fe是构成Fe基软磁性合金粒子的主要元素，对饱和磁通密度等磁性特性、强度等机械特性产生影响。也根据与其他的非铁金属的平衡，优选Fe基软磁性合金粒子含有80质量％以上的Fe，由此能够得到饱和磁通密度高的软磁性合金。

Al与Fe和其他的非铁金属相比，与O的亲和力大。因此，在热处理时，大气中的O、粘合剂中含有的O优先与Fe基软磁性合金粒子的表面附近的Al结合，在合金相20的表面生成化学稳定的Al₂O₃、与其他的非铁金属的复合氧化物。另外，由于想要侵入合金相20的O与Al反应，由此不断地生成含有Al的氧化物，所以能够防止O向合金相20内的侵入，抑制作为杂质的O浓度的增加，防止磁性特性变差。通过在合金相20的表面生成含有耐蚀性、稳定性优异的Al的氧化物区域，能够提高合金相20间的绝缘性，提高磁芯的电阻率，降低涡流损耗。

Fe基软磁性合金粒子含有3质量％以上并且10质量％以下的Al。如果Al小于3质量％，则存在含有Al的氧化物的生成不充分的情况，存在绝缘性、耐蚀性降低的危险。Al的含量优选为3.5质量％以上，更优选为4.0质量％以上，进一步地优选为4.5质量％以上。另一方面，如果Al大于10质量％，则存在由于Fe量的减少导致饱和磁通密度、初始导磁率的降低、或者矫顽力的增加等磁性特性劣化的情况。Al的含量优选为8.0质量％以下，更优选为7.0质量％以下，进一步地优选为6.0质量％以下，特别地优选为5.0质量％以下。

Cr与O的亲和力次于Al，在热处理时与Al同样地与O结合，生成化学稳定的Cr₂O₃、与其他非铁金属的复合氧化物。另一方面，由于优先生成含有Al的氧化物，所以生成的氧化物中的Cr容易比Al少。由于含有Cr的氧化物耐蚀性、稳定性优异，所以能够提高合金相20间的绝缘性，降低涡流损耗。

Fe基软磁性合金粒子含有3质量％以上并且10质量％以下的Cr。如果Cr小于3质量％，则存在含有Cr的氧化物的生成不充分的情况，存在绝缘性、耐蚀性降低的风险。Cr的含量优选为3.5质量％以上，更优选为3.8质量％以上。另一方面，如果Cr大于10质量％，则存在由于Fe量的减少导致饱和磁通密度、初始导磁率的降低、或者矫顽力的增加等磁性特性劣化的情况。Cr的含量优选为9.0质量％以下，更优选为7.0质量％以下，进一步地优选为5.0质量％以下。

从提高绝缘性、耐蚀性的观点出发，Al与Cr的总含量优选为7质量％以上，更优选为8质量％以上。从控制磁芯损耗相对于热处理温度的变化率、确保宽的热处理温度的管理幅度的观点出发，Cr与Al的总含量进一步地优选为11质量％以上。而且，由于在合金相20间的氧化物区域，与Cr相比Al显著浓化，所以更优选使用Al的含量比Cr含量高的Fe基软磁性合金粒子。

Si与Al、Cr同样地与O结合，生成化学稳定的SiO₂、与其他的非铁金属的复合氧化物。由于含有Si的氧化物具有优异的耐蚀性、稳定性，所以能够提高合金相20间的绝缘性，降低磁芯的涡流损耗。虽然Si具有提高磁芯的导磁率、并且降低磁损耗的效果，但是如果其含量过多，则合金粒子变硬，在成型模具中的填充性恶化，引起通过加压成型而得到的成型体的低密度化，有导磁率降低、磁损耗增加的倾向。

Fe基软磁性合金粒子含有大于1质量％并且4质量％以下的Si。虽然磁芯的电阻率、强度随着Si量的增加而降低，但是如果为4质量％以下，则确保充分高的水平，例如，得到大于0.5×10³Ω·m的电阻率和120MPa以上的径向抗压强度。另外，通过将Si设为大于1质量％并且3质量％以下，能够得到低的磁芯损耗和高的初始导磁率，例如，能够得到50以上的初始导磁率。

Fe基软磁性合金粒子可以含有作为不可避免的杂质的C(碳)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、O(氧)、Ni(镍)、N(氮)等。这些不可避免的杂质的含量分别优选为C≤0.05质量％、Mn≤1质量％、P≤0.02质量％、S≤0.02质量％、O≤0.5质量％、Ni≤0.5质量％、N≤0.1质量％。

如上所述，在磁芯所具有的组织中包含合金相和晶界相，该晶界相通过使用热处理的Fe基软磁性合金粒子的氧化而形成。因此，合金相的组成与前述Fe基软磁性合金粒子的组成不同，但是，由于难以产生由热处理所引起的Fe、Al、Cr以及Si的蒸发等导致的组成的偏差，所以在含有合金相和晶界相的区域中，除O以外的磁芯的组成与Fe基软磁性合金粒子的组成实质上相同。这种磁芯的组成能够通过使用扫描电子显微镜的能量分散型X射线光谱法(SEM/EDX)等分析方法分析磁芯剖面而定量。

晶界相30实质上由氧化物形成，通过这种晶界相30结合Fe基软磁性合金粒子，从而得到优异的电阻率、强度。例如，具有如图2所示的第一区域30a和第二区域30b，在合金相20侧形成第一区域30a。第一区域30a是Al相对于Fe、Al、Cr以及Si的和的比率比Fe、Cr以及Si的各比率都高的区域，第二区域30b是Fe相对于Fe、Cr、Al以及Si的和的比率比Al、Cr以及Si的各比率都高的区域。即，晶界相30具有Al比Fe、Cr、Si浓化的第一区域30a和Fe比Al、Cr、Si浓化的第二区域30b。

在图2的实例中，在晶界相30中，第一区域30a形成于与合金相20的界面侧，第二区域30b形成于该晶界相30的内侧。第一区域30a沿着合金相20与晶界相30的界面延伸，与该界面接触。另一方面，第二区域30b从两侧被第一区域30a夹持，远离合金相20与晶界相30的界面，不与该界面接触。如此地，优选第一区域30a形成于晶界相30的厚度方向的端部，第二区域30b形成于晶界相30的厚度方向的中央部。优选合金相20呈粒状，合金相之间不直接接触，通过晶界相而独立。

本发明的线圈部件具有如上所述的磁芯和实施于该磁芯的线圈，例如，用作扼流圈、感应器、电抗器、变压器。也可以通过电镀、烧结等方法在磁芯的表面形成用于连接线圈的端部的电极。线圈可以通过将导线直接卷绕在磁芯上而构成，也可以通过将导线卷绕在耐热性树脂制的线轴上而构成。线圈卷绕在磁芯的周围或者配置于磁芯的内部，如果是后者，则能够构成具有在成对的磁芯间夹持线圈而配置的线圈封入结构的磁芯的线圈部件。

图3所示的线圈部件具有在一对凸缘部50a、50b之间具有一体的主体部60的方凸缘形状的磁芯1，在一方的凸缘部50a的一面形成两个端子电极70。端子电极70通过在磁芯1的表面直接印刷烧结银导体膏而形成。虽然省略了图示，但是在主体部60的周围配置有由漆包导线的绕线80构成的线圈。绕线80的两端部通过与各端子电极70热压接而连接，构成扼流圈线圈等面安装型线圈部件。在本实施方式中，将形成端子电极70的凸缘部表面设为对电路基板的安装面。

通过提高磁芯1的电阻率，从而即使不使用用于绝缘的树脂壳体(也称为线轴)也能在磁芯1上直接铺设导线，例如，通过将电阻率设为0.5×10³Ω·m以上，优选设为1×10³Ω·m以上，从而能够在磁芯的表面形成与绕线连接的端子电极70，所以能够使线圈部件的构成小型化。而且，能够将线圈部件的安装高度抑制得较低，并且得到稳定的安装性。而且，通过提高磁芯1的强度，例如，通过将径向抗压强度设为120MPa以上，从而当在主体部60的周围卷绕导线时，即使外力作用在凸缘部50a、50b或者主体部60，也不会被简单地破坏，实用性优异。

本发明的磁芯的制造方法具备：混合Fe基软磁性合金粒子和粘合剂，得到混合粉末的工序(第一工序)；对该混合粉末进行加压成型，得到成型体的工序(第二工序)；在含有氧的环境中对成型体进行热处理，得到具有分散有由该Fe基软磁性合金粒子而形成的合金相的组织的磁芯的工序(第三工序)。通过该热处理，如图2所示形成连接相邻的合金相20的晶界相30，并且在该晶界相30中生成含有Fe、Al、Cr以及Si、并且含有以质量比计比合金相20多的Al的氧化物区域。

在第一工序中，使用含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si、并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的Fe基软磁性合金粒子。由于该Fe基软磁性合金粒子的优选组成等如上所述，所以省略重复的描述。

以累积粒径分布中的中值粒径d50计算时，上述Fe基软磁性合金粒子优选具有1～100μm的平均粒径。通过如此地使粒径取较小的数值，从而提高磁芯的强度，并且能够降低涡流损耗，改善磁芯损耗。从改善强度、磁芯损耗、高频特性的观点出发，上述中值粒径d50更优选为30μm以下，进一步地优选为20μm以下。另一方面，如果粒径过小，则由于导磁率容易降低，所以上述中值粒径d50优选为5μm以上。

对于Fe基软磁性合金粒子的制作而言，优选使用适用于延展性高、难以粉碎的大致球状的合金粒子的制作的雾化法(水雾化法、气体雾化法等)，其中，特别地优选能够高效地制作微细的合金粒子的水雾化法。根据水雾化法，使用高频加热炉使以成为规定的合金组成的方式秤量的原料熔融，或者使用高频加热炉使预先以成为合金组成的方式制作的合金锭熔融，通过使该熔液(熔融金属)与以高速并且高压喷射的水碰撞，从而进行微细粒子化，并冷却，能够得到Fe基软磁性合金粒子。

也可以在通过水雾化法而得到的合金粒子(水雾化粉末)的表面，形成厚度5～20nm左右、岛状或者膜状的含有Al的氧化物Al₂O₃的自然氧化覆膜。此处的岛状是指Al的氧化物在合金粒子的表面散布的状态。自然氧化覆膜也可以含有Fe的氧化物。

由于在合金粒子的表面形成自然氧化覆膜时可得到防锈效果，所以能够防止直至对Fe基软磁性合金进行热处理为止之间不必要的氧化，能够在大气中保管Fe基软磁性合金粒子。另一方面，如果氧化覆膜变厚，则合金粒子变硬，存在阻碍成型性的情况。例如，在由于刚被水雾化后的水雾化粉末为在水中润湿的状态，从而需要干燥的情况下，优选将干燥温度(例如，干燥炉内的温度)设为150℃以下。

由于得到的Fe基软磁性合金粒子的粒径具有一个分布，所以在填充于成型模具中时，在粒径大的粒子的粒间形成大的间隙，有填充率不上升、通过加压成型而得到的成型体密度下降的倾向。因此，优选对得到的Fe基软磁性合金粒子进行分级，除去粒径大的粒子。作为分级的方法，优选能够使用筛分分级等干式分级，得到至少32μm以下的(即，通过筛孔32μm的筛的)合金粒子。

与Fe基软磁性合金粒子混合的粘合剂在加压成型时使合金粒子之间粘接，并对成型体赋予可耐受成型后的操作(handling)的强度。对于Fe基软磁性合金粒子与粘合剂的混合粉末而言，优选通过造粒形成颗粒，由此能够提高成型模具内的流动性、填充性。对粘合剂的种类没有特别的限定，例如可以使用聚乙烯、聚乙烯醇、丙烯酸树脂等有机粘合剂。也可以并用热处理后残留的无机类粘合剂，但是由于第三工序中生成的晶界相起到粘接合金粒子之间的作用，所以优选省略无机类粘合剂而使工序简化。

粘合剂的添加量只要是在Fe基软磁性合金粒子间进行充分粘合并可确保充分的成型体强度的量即可，但是，如果粘合剂的添加量过多，则有成型体的密度、强度降低的倾向。从该观点出发，粘合剂的添加量相对于100重量份Fe基软磁性合金粒子优选为0.2～10重量份，更优选为0.5～3.0重量份。

对于Fe基软磁性合金粒子和粘合剂的混合方法，没有特别的限定，可以使用以往公知的混合方法、混合机。而且，作为造粒方法，例如，可以采用转动造粒、喷雾干燥造粒等湿式造粒方法。其中，优选使用喷雾干燥器的喷雾干燥造粒法，由此，颗粒的形状接近球形，而且暴露于加热空气的时间短，能够得到大量的颗粒。

得到的颗粒优选为堆密度：1.5～2.5×10³kg/m³、平均粒径(d50)：60～150μm。根据这种颗粒，成型时的流动性优异，并且合金粒子间的间隙变小，向模具内的填充性增加，其结果是成型体成为高密度，得到导磁率高的磁芯。为了得到所期望的大小的颗粒粒径，能够使用采用振动筛等的分级。

另外，为了减少加压成型时的混合粉末(颗粒)与成型模具的摩擦，优选添加硬脂酸、硬脂酸盐等润滑材料。润滑材料的添加量相对于Fe基软磁性合金粒子100重量份优选为0.1～2.0重量份。润滑剂也可以涂布于模具上。

在第二工序中，优选如上所述地对Fe基软磁性合金粒子与粘合剂的混合粉末进行造粒后，提供于加压成型。对于加压成型而言，使用油压机、伺服压力机这样的压力机械和成型模具，将混合粉末成型为环形(toroidal)、长方体形状等规定形状。该加压成型可以是室温成型，根据粘合剂的材质，也可以是在粘合剂不消失的程度下，在粘合剂软化的玻璃化转变温度附近对颗粒进行加热而进行的温成型。根据Fe基软磁性合金粒子的形状、颗粒的形状、其平均粒径的选择、粘合剂以及润滑材料的效果，能够提高成型模具内的颗粒的流动性。

通过加压成型而得到的成型体中的Fe基软磁性合金粒子通过粘合剂、自然氧化覆膜而相互点接触或者面接触，通过空隙部分相邻。而且，通过将Fe基软磁性合金粒子的Si的含量控制在规定的范围内，从而即使在1GPa以下的低成型压力下，也得到充分大的成型密度和强度。通过这种低压下的成型，能够降低在Fe基软磁性合金粒子的表面形成的含有Al的自然氧化覆膜的破坏，提高成型体的耐蚀性。成型体的密度优选为5.7×10³kg/m³以上。成型体的径向抗压强度优选为3MPa以上。

在第三工序中，为了缓和通过加压成型导入的应力应变而获得良好的磁性特性，作为对成型体进行的热处理，实施退火。通过该退火，形成连接相邻的合金相20的晶界相30，并且，在该晶界相30中生成含有Fe、Al、Cr以及Si、且含有以质量比计比合金相20多的Al的氧化物区域。对于有机粘合剂而言，通过退火引起热分解而消失。如此地，由于通过成型后的热处理而生成氧化物区域，所以即使不使用玻璃等绝缘物，也能够通过简单的方法制造强度等优异的磁芯。

在大气中、或者氧气和非活性气体的混合气体中等含有氧的环境中进行退火，其中，大气中的热处理简便而优选。如上所述，晶界相30是通过热处理使Fe基软磁性合金粒子与氧反应而得，是通过超过Fe基软磁性合金粒子的自然氧化的氧化反应而生成。通过生成所述晶界相30，从而得到具有优异的绝缘性、耐蚀性、坚固地结合了多数的Fe基软磁性合金粒子的高强度的磁芯。

如上所述，将Fe、Al、Cr以及Si的和设为100质量％，使用Fe基软磁性合金粒子而构成的磁芯含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si，并且剩余部分为Fe和不可避免的杂质。

在经过了热处理的磁芯中，占空系数优选在82～90％的范围内。由此，能够在抑制设备负荷、成本负荷的同时，提高占空系数、提高磁性特性。

退火后，使用扫描电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)进行磁芯的剖面观察，通过能量分散型X射线光谱法(EDX：Energy Dispersive X-ray spectroscopy)进行各构成元素的分布调查，观察到在晶界相30中，Al浓化。而且，使用透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)进行磁芯的剖面观察，观察到呈现如图2所示的层状组织的氧化物区域。

进一步地，使用透射电子显微镜(TEM)，通过EDX详细地进行组成分析，观察到晶界相30含有Fe、Al、Cr以及Si。而且，在合金相20的附近，关于相对于Fe、Al、Cr以及Si的和的比率，Al的比率比Fe的比率、Cr的比率以及Si的比率的每一个都高，该区域相当于“第一区域”。而且，在合金相20间的中间部中，关于相对于Fe、Al、Cr以及Si的和的比率，Fe的比率比Al的比率、Cr的比率以及Si的比率的每一个都高，该区域相当于“第二区域”。另外，在图2所示的晶界相30中，氧化物区域呈现层状组织，但是，晶界相的形态不限定于此，例如，也可以是第一区域包覆第二区域，第二区域形成为岛状。

从缓和成型体的应力应变、在晶界相30生成氧化物区域的观点出发，退火温度优选为使成型体成为600℃以上的温度。而且，由晶界相30的部分消失、变质等导致绝缘性下降，或者烧结显著地进行，Fe基软磁性合金粒子之间直接接触，Fe基软磁性合金粒子部分地连接的部分(颈部)增加，从而磁芯的电阻率降低，涡流损耗增加，从避免上述问题的观点出发，退火温度优选为使成型体成为850℃以下的温度。从上述观点出发，退火温度更优选为650～830℃，进一步地优选为700～800℃。该退火温度的保持时间根据磁芯的大小、处理量、特性偏差的容许范围等适宜地设定，例如，设定为0.5～3小时。只要不对电阻率、磁芯损耗带来特别的障碍，容许形成一部分颈部。

如果晶界相30的厚度过大，则存在合金相的间隔变大，导致导磁率的降低、磁滞损失的增加，而且含有非磁性氧化物的氧化物区域的比例增加，饱和磁通密度降低的情况。因此，晶界相30的平均厚度优选为100nm以下，更优选为80nm以下。另一方面，由于如果晶界相30的厚度过小，则存在由在氧化物区域流动的隧道电流导致涡流损耗增加的情况，所以晶界相30的平均厚度优选为10nm以上，更优选为30nm以上。晶界相30的平均厚度通过如下方法算出：通过透射电子显微镜(TEM)以60万倍以上观察磁芯的剖面，在确认其观察视野内的合金相的轮廓的部分，测量合金相20之间最接近的部分的厚度(最小厚度)和最远离的部分的厚度(最大厚度)，通过其算数平均而算出。

从改善磁芯的强度和高频特性的观点出发，构成合金相20的各Fe基软磁性合金粒子的最大粒径的平均值优选为15μm以下，更优选为8μm以下。另一方面，从抑制导磁率的降低的观点出发，各Fe基软磁性合金粒子的最大粒径的平均值优选为0.5μm以上。该最大粒径的平均值通过如下方法得到：对磁芯的剖面进行研磨、显微镜观察，对存在于规定面积的视野内的30个以上的粒子读取最大粒径，计算出其个数平均值。虽然成型后的Fe基软磁性合金粒子已发生塑性变形，但是，由于在剖面观察中大部分的合金粒子露出在中心以外部分的剖面中，所以，上述最大粒径的平均值是相比于粉末状态下评价的中值粒径d50更小的值。

而且，从改善磁芯的强度和高频特性的观点出发，在使用SEM的磁芯的1000倍的剖面观察图像中，最大粒径为40μm以上的Fe基软磁性合金粒子的存在比率优选为1％以下。该存在比率是通过测量至少0.04mm²以上的观察视野中周围被晶界相30包围的合金粒子的总数K1和其中最大粒径为40μm以上的合金粒子数K2，用K2除以K1而得的百分率表示。另外，K1和K2的测量是将最大粒径为1μm以上的合金粒子作为对象而进行的。通过使构成磁芯的Fe基软磁性合金粒子细化，从而改善高频特性。

实施例

对本发明的实施例进行具体的说明。对于通过水雾化法制作使Si的含量不同的7种(No.1～7)Fe基软磁性合金粒子后，通过440目(筛孔32μm)的筛，除去粗粒子而得的合金粒子，将其组成分析和平均粒径(中值粒径d50)的测定结果表示于表1。Al是通过ICP发光分析法得到的分析值，Cr是通过容量法得到的分析值，Si是通过吸光光度法得到的分析值。平均粒径是使用激光衍射散射式粒度分布测定装置(堀场制作所制LA-920)的测定值。使用这些Fe基软磁性合金粒子，通过下述(1)～(3)的工序制造磁芯，分别作为比较例1、2、参考例1、2以及实施例1～3。

[表1]

(1)混合

使用搅拌粉碎机，相对于Fe基软磁性合金粒子100重量份，添加2.5重量份作为粘合剂的PVA(可乐丽(クラレ)股份有限公司制造的Poval(ポバール)PVA-205；固体成分10％)，并进行混合。将得到的混合物在120℃条件下干燥10小时后，过筛得到混合粉末的颗粒，使其平均粒径(d50)在60～80μm的范围内。而且，相对于颗粒100重量份，添加0.4重量份硬脂酸锌，通过容器旋转摆动型粉体混合机进行混合，得到用于加压成型的混合粉末的颗粒。

(2)加压成型

将得到的颗粒供给至成型模具内，使用油压机在室温条件下进行加压成型。将成型压力设为0.74GPa。得到的成型体制成内径φ7.8mm、外径φ13.5mm、厚度4.3mm的环形的环状体。

(3)热处理

通过电炉对得到的成型体在大气中进行退火，得到代表性尺寸为内径φ7.7mm、外径φ13.4mm、厚度4.3mm的磁芯。在热处理中，以2℃/分钟的速度从室温升温至退火温度即750℃，在该退火温度条件下保持1小时后，使电炉冷却。而且，为了使在造粒时添加的粘合剂等有机物分解，热处理的过程中包含在450℃条件下保持1小时的脱脂工序。

另外，使用含有4.5质量％的Cr、3.5质量％的Si、并且剩余部分由Fe构成的Fe基软磁性合金粒子制作磁芯，作为比较例3。具体地，使用爱普生艾特米克斯(エプソンアトミックス)股份有限公司制造的PF-20F的合金粒子，通过上述(1)～(3)工序得到磁芯。但是，将加压成型中的成型压力设为0.91GPa。

对如上所述地得到的成型体、磁芯，评价下述(A)～(G)的特性。

(A)成型体密度dg，退火后密度ds

对环状体的成型体和磁芯而言，根据其尺寸和质量，通过体积质量法，算出密度(kg/m³)，将其分别作为成型体密度dg、退火后密度ds。

(B)占空系数

用算出的退火后密度ds除以软磁性合金的真密度而算出磁芯的占空系数(相对密度)[％]。另外，上述真密度通过对预先铸造而得到的软磁性合金锭实施体积重量法而求出。

(C)磁芯损耗Pcv

将环状体的磁芯作为被测定物，将初级侧绕线和次级侧绕线分别卷绕15圈(turn)，使用岩通计测股份有限公司制B-H Analyzer SY-8232，在最大磁通密度30mT、频率50kHz～1000kHz的条件下，测定室温中的磁芯损耗Pcv(kW/m³)。

(D)初始导磁率μi

将环状体的磁芯作为被测定物，卷绕导线30圈，使用LCR表(安捷伦科技(アジレント·テクノロジー)股份有限公司制造的4284A)，以频率100kHz、在室温条件下测定电感L，通过下式求出初始导磁率μi。

初始导磁率μi＝(le×L)/(μ₀×Ae×N²)

[le：磁路长度(mm)，L：试样的电感(H)，μ₀：真空的导磁率＝4π×10^-7(H/m)，Ae：磁芯的剖面面积(mm²)，N：线圈的圈数]

(E)增量导磁率μ_Δ

将环状体的磁芯作为被测定物，卷绕导线30圈，在施加10kA/m的直流磁场的状态下，使用LCR表(安捷伦科技股份有限公司制造的4284A)，以频率100kHz、在室温条件下测定电感L，通过与前述初始导磁率μi相同的方法求出增量导磁率μ_Δ。

(F)径向抗压强度σr

基于JIS Z2507，在拉伸·压缩试验机(株式会社岛津制作所制造的万能试验机(オートグラフ)AG-1)的平台间设置作为被测定物的环状体的磁芯，在该磁芯的直径方向上施加负荷，测定破坏时的最大加重P(N)，并根据下式求出径向抗压强度σr(MPa)。

径向抗压强度σr(MPa)＝P(D-d)/(Id²)

[D：磁芯的外径(mm)，d：磁芯的厚度(内外径差的1/2)(mm)，I：磁芯的高度(mm)]

(G)电阻率ρ(电阻率)

在与作为被测定物的磁芯相对的两平面上涂布导电性粘合剂，该粘合剂干燥固化后在电极之间设置磁芯，通过电阻测定装置(ADC股份有限公司制造的8340A)施加50V的直流电压，测定电阻值R(Ω)，通过下式算出电阻率ρ(Ω·m)。

电阻率ρ(Ω·m)＝R×(A/t)

[A：磁芯的平面的面积(电极面积)(m²)，t：磁芯的厚度(电极间距离)(m)]

将比较例1～3、参考例1、2以及实施例1～3的磁芯中的上述特性的评价结果表示于表2。另外，将比较例1、2、参考例1、2以及实施例1～3的磁芯中的磁芯损耗与Si量的关系表示于图4的曲线图中，同样，将初始导磁率以及增量导磁率与Si量的关系表示于图5的曲线图中。

[表2]

如图4所示，如果Si的含量增加，则磁芯损耗良好地降低。特别是在Si的含量为0.9质量％以上的示例中，得到了更优选的结果，可知Si的含量大于1质量％是有效的。在参考例2以及实施例1、2中，频率300kHz时的磁芯损耗都小于400kW/m³。而且，如图5所示，在Si的含量为大于0.9质量％并且2质量％以下的示例中，初始导磁率提高。另一方面，如果Si的含量大于4质量％，则初始导磁率有急剧地下降的倾向，因此，可知将Si的含量设为4质量％以下是有效的。而且，即使Si的含量大于0.5质量％，增量导磁率也不会下降，在参考例1、2以及实施例1～3中，可以说确保了直流叠加特性。

如表2所示，在Si的含量少的范围内，虽然随着Si增加，电阻率、径向抗压强度有下降的倾向，但是在含量大于1质量％的范围内，几乎看不到特性的下降，得到0.5×10³Ω·m以上的电阻率和远远大于120MPa的170MPa以上的径向抗压强度，与以往的磁芯(例如，由Fe-Si-Cr系合金粒子构成的磁芯)相比，可以说电阻率、强度优异。随着Si的含量增加，磁芯的密度有降低的趋势，如果Si的含量为4质量％以下，则具有良好的导磁率，这一点如上所述。

对这些磁芯，使用扫描电子显微镜(SEM/EDX)进行剖面观察，同时检测了各构成元素的分布。图6～8是分别对比较例1以及实施例1、2的磁芯进行剖面观察的SEM照片。亮度高的部分是Fe基软磁性合金粒子，在其表面形成的亮度低的部分是晶界部或者空隙部。认为随着Si的含量增加，合金粒子间的空隙增加，与此相伴，退火后密度变小。

图9～14是分别对比较例1、2、参考例1、2以及实施例1、2中的磁芯进行剖面观察的SEM照片和表示其对应视野中的元素分布映射图。(b)～(F)的映射图分别表示Fe、Al、Cr、Si、O的分布，色调越明亮，对象元素越多。在任一实施例中，均观察到在晶界相中生成了Al的浓度高、O也多的氧化物，相邻的合金相通过晶界相而结合的状态。另外，在晶界相中，与合金相的内部相比总体上Fe的浓度低，Cr、Si没有显示出比Al大的浓度分布。

图15～17是通过透射电子显微镜(TEM)以60万倍以上分别对比较例2、参考例2以及实施例2的磁芯进行剖面观察的TEM照片，表示出确认了由Fe基软磁性合金粒子形成的合金相的两个粒子的剖面的轮廓的部分。在这些TEM照片中，在上下方向上横剖的带状部是晶界相，通过该晶界相相邻、亮度比晶界相低的部分是合金相。在晶界相的中央部和合金相的附近的晶界相的边界部中，确认了色调不同的部分。

在图15～17所示的剖面中，将对晶界相的中央部(标记1)、晶界相的边界部(标记2)、以及合金相的内部(标记3)进行采用TEM-EDX的组成分析的结果表示于表3～5。晶界相的边界部在合金相的附近，位于距离表现为剖面的轮廓的合金粒子的表面约5nm的位置。而且，合金相的内部位于距离合金粒子的表面约10nm以上的位置。这些组成分析都是在直径1nm的区域内进行。

[表3]

(质量％)

[表4]

(质量％)

[表5]

(质量％)

在比较例2、参考例2以及实施例2的任一者中，在晶界相都生成了含有Fe、Al、Cr以及Si、并且含有比合金相多的Al的氧化物区域。而且，在晶界相中，也确认了来自作为润滑剂添加的硬脂酸锌的Zn，但是在各表中省略。在晶界相的边界部，Al相对于Fe、Al、Cr以及Si的和的比率比Fe、Cr以及Si的各比率都高。在该合金相侧形成的区域相当于第一区域。另一方面，在晶界相的中央部，Fe相对于Fe、Al、Cr以及Si的和的比率比Al、Cr以及Si的各比率都高，该区域相当于第二区域。在参考例2和实施例2中，晶界相的中央部比晶界相的边界部中的Cr浓度高。在实施例2中，在晶界相的中央部中，与晶界相的边界部相比，Si浓化。

如上所述，在晶界相中确认了Al相对于Fe、Al、Cr以及Si的和的比率比合金相的内部高的氧化物区域。可以推测由于Al的氧化物绝缘性高，所以通过在晶界相生成该Al的氧化物，有助于绝缘性的确保、磁芯损耗的降低。而且，如上所述，认为通过具有第一区域和第二区域的晶界相，使Fe基软磁性合金粒子结合，有助于强度的确保。进一步地，通过使磁芯含有规定的范围内的Fe、Al、Cr以及Si，从而能够降低磁芯损耗。

附图标记的说明

1 磁芯；

20 Fe基软磁性合金粒子；

30 晶界相；

30a 晶界相的第一区域；

30b 晶界相的第二区域。

Claims (5)

1.一种磁芯，其中，

所述磁芯具有分散有含有Fe、Al、Cr和Si的合金相、并且相邻的所述合金相通过晶界相连接的组织，

将Fe、Al、Cr和Si的质量和设为100质量％，所述磁芯具有含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si、剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的组成，

在所述晶界相中具有含有Fe、Al、Cr和Si、并且含有以质量比计比所述合金相多的Al的氧化物区域，

所述晶界相具有形成于所述合金相侧的第一区域、以及由该第一区域夹持的第二区域，

所述第一区域是Al相对于Fe、Al、Cr及Si的和的比率大于Fe、Cr及Si的各比率的区域，

所述第二区域是Fe相对于Fe、Cr、Al及Si的和的比率大于Al、Cr及Si的各比率的区域。

2.如权利要求1所述的磁芯，其中，含有3质量％以下的Si。

3.如权利要求1或2所述的磁芯，其中，电阻率为0.5×10³Ω·m以上，径向抗压强度为120MPa以上。

4.一种线圈部件，其具有权利要求1～3中任一项所述的磁芯和实施于该磁芯的线圈。

5.一种磁芯的制造方法，其中，包括：

将含有3质量％以上并且10质量％以下的Al、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、大于1质量％并且4质量％以下的Si、剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的Fe基软磁性合金粒子与粘合剂混合，得到混合粉末的工序；

对所述混合粉末进行加压成型，得到成型体的工序；以及

在含有氧的环境中对所述成型体进行热处理，得到具有分散有由所述Fe基软磁性合金粒子形成的合金相的组织的磁芯的工序，

通过所述热处理，形成连接相邻的所述合金相的晶界相，并且，在所述晶界相中生成含有Fe、Al、Cr和Si、并且含有以质量比计比所述合金相多的Al的氧化物区域，

所述晶界相具有形成于所述合金相侧的第一区域、以及由该第一区域夹持的第二区域，

所述第一区域是Al相对于Fe、Al、Cr及Si的和的比率大于Fe、Cr及Si的各比率的区域，

所述第二区域是Fe相对于Fe、Cr、Al及Si的和的比率大于Al、Cr及Si的各比率的区域。