CN106104715A - 磁芯、线圈部件以及磁芯的制造方法 - Google Patents

磁芯、线圈部件以及磁芯的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的磁芯具有含有由含有M1、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成的合金相(20)、该合金相(20)通过晶界相(30)连接的组织，其中，M1是Al和Cr这两种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。在晶界相(30)生成含有Fe、M1、Si以及R并且含有以质量比计比合金相(20)多的Al的氧化物区域。

Description

磁芯、线圈部件以及磁芯的制造方法
技术区域
本发明涉及具有含有粒状的合金相的组织的磁芯、使用了该磁芯的线圈部件和该磁芯的制造方法。
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，使用了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，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。将热处理温度提高至1000℃时，虽然断裂应力提高至20kgf/mm2(196MPa)，但是电阻率显著地下降至2×102Ω·cm，导致不能充分地确保电阻率和强度这两方面。
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％、剩余部分实质上由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，也可以含有Ti：1.0质量％以下、Zr：1.0质量％以下中的一种或者两种，作为杂质元素，也可以含有Si：0.5质量％以下。但是，由于电阻值仅为几mΩ左右，所以不能满足高频用途中的使用、在磁芯的表面直接形成电极的情况。
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
发明所要解决的问题
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供电阻率和强度优异的磁芯、使用了该磁芯的线圈部件和该磁芯的制造方法。
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，根据本发明的第一方案，提供一种磁芯，所述磁芯具有含有由含有M1、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成的合金相、所述合金相通过晶界相连接的组织，在所述晶界相中具有含有Fe、M1、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的Al的氧化物区域，其中，M1是Al和Cr这两种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
将Fe、M1以及R的和设为100质量％，该第一方案中的磁芯优选为含有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0.01质量％以上并且1质量％以下的R，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。另外，优选含有0.3质量％以上的R。另外，优选含有0.6质量％以下的R。
另外，根据本发明的第二方案，提供一种磁芯，所述磁芯具有含有由含有M2、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成的合金相、所述合金相通过晶界相连接的组织，在所述晶界相中具有含有Fe、M2、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的M2的氧化物区域，其中，M2是Al或者Cr中的任一种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
将Fe、M2、Si以及R的和设为100质量％，该第二方案中的磁芯优选为含有1.5质量％以上并且8质量％以下的M2、大于1质量％并且7质量％以下的Si以及0.01质量％以上并且3质量％以下的R，残余部分为Fe和不可避免的杂质。另外，优选含有0.3质量％以上的R。另外，优选含有0.6质量％以下的R。
在本发明的磁芯中，优选所述氧化物区域具有R的比率比所述氧化物区域内的其他区域高的区域。另外，R优选为Zr或者Hf。
在本发明的第一方案中的磁芯中，优选所述晶界相具有Al相对于Fe、M1、Si以及R的和的比率比Fe、Cr、Si以及R的各比率都高的第一区域和Fe相对于Fe、M1、Si以及R的和的比率比Al、Cr以及R的各比率都高的第二区域。
另外，在本发明的第一方案中的磁芯中，优选电阻率为1×105Ω·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施加于该磁芯的线圈。
本发明的磁芯的制造方法包括：将含有M1、Si以及R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，得到具有含有由所述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，形成连接所述合金相的晶界相，并且在所述晶界相中生成含有Fe、M1、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的Al的氧化物区域，其中，M1是Al和Cr这两种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
另外，本发明的另一种磁芯的制造方法包括：将含有M2、Si以及R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；对所述混合粉进行成型，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，得到具有含有由所述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，形成连接所述合金相的晶界相，并且在所述晶界相中生成含有Fe、M2、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的M2的氧化物区域，其中，M2是Cr或者Al中的任一种元素，R是选自于由Y、La、Zr、Hf、Nb以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
发明效果
根据本发明，能够提供电阻率和强度优异的磁芯，并且能够提供使用了该磁芯的线圈部件和该磁芯的制造方法。
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是表示本发明的第一方案的磁芯的剖面中的微观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是对参考例1的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
图5是对实施例1的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
图6是对实施例2的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
图7是对比较例1的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
图8是对实施例3的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
图9是对实施例1的磁芯进行剖面观察的SEM照片和映射图。
图10是对实施例2的磁芯进行剖面观察的SEM照片和映射图。
图11是对参考例1的磁芯进行剖面观察的TEM照片。
图12是对实施例1的磁芯进行剖面观察的TEM照片。
图13是对本发明的第二方案的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
图14是对图13的磁芯进行剖面观察的SEM照片。
具体实施方式
下面，对本发明的实施方案进行具体的说明。但是，本发明并非限定于此。
[第一方案]
对本发明的第一方案进行具体的说明。如下文所述，第一方案中的磁芯具有含有由含有M1、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成的合金相、该合金相通过晶界相连接的组织。
图1所示的磁芯1，例如，具有如图2所示的剖面微观组织。该剖面微观组织，例如，通过使用了透射电子显微镜(TEM)以60万倍以上进行观察。该组织含有粒状的合金相20，所述合金相20含有Fe(铁)、M1以及Si，相邻的合金相20通过晶界相30连接。在此，M1是Al(铝)和Cr(铬)这两种元素。晶界相30主要通过如下文所述的在含有氧的环境中的热处理而形成。该晶界相30中具有含有Fe、M1、Si以及R并且含有以质量比计比合金相20多的Al的氧化物区域。氧化物区域在与该合金相20的界面侧具有含有比合金相20多的R的区域。此处，R是选自于由Y(钇)、Zr(锆)、Nb(铌)、La(镧)、Hf(铪)以及Ta(钽)所组成的组中的至少一种元素。
合金相20由Fe基软磁性合金粒子形成，所述Fe基软磁性合金粒子含有Al、Cr、Si以及R，并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。Fe基软磁性合金粒子中含有的非铁金属(即，Al、Cr以及R)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的氧化物或者与Fe的复合氧化物，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，氧化物区域主要通过热处理，使Fe基软磁性合金粒子与氧反应而生长，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相比于金属单体具有高的电阻，夹杂在合金相20之间的晶界相30作为绝缘层发挥功能。
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，作为含有率最高的主要成分，含有Fe，作为副成分，含有Al、Cr、Si以及选自Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta中的至少一种。Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta都是难以与Fe固溶的金属，而且氧化物的标准生成吉布斯自由能的绝对值比较大(容易生成氧化物)。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、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，抑制杂质O浓度的增加，防止磁性特性变差。通过在合金相20的表面生成耐蚀性、稳定性优异的含有Al的氧化物区域，从而能够提高合金相20间的绝缘性，降低涡流损耗，提高磁芯的电阻率。
优选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、耐蚀性降低的风险。Al的含量更优选为3.5质量％以上，进一步地优选为4.0质量％以上，特别地优选为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的含量更优选为8.0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。
优选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的含量更优选为3.5质量％以上，进一步地优选为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的含量更优选为9.0质量％以下，进一步地优选为7.0质量％以下，特别地优选为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。从抑制磁芯损耗相对于热处理温度的变化率、确保热处理温度宽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间的氧化物区域中，与Cr相比Al显著浓化，所以更优选使用Al的含量比Cr高的Fe基软磁性合金粒子。
由于R(Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta中的至少一种)难以固溶于Fe，所以其氧化物的标准生成吉布斯自由能的绝对值大。上述R构成的典型的氧化物的标准生成吉布斯自由能表示于表1。R氧化物的标准生成吉布斯自由能都是负值，其绝对值比Fe2O3、Fe3O4大。这表示上述R比Fe容易氧化，与O强烈地结合，容易生成ZrO2等稳定的氧化物。另外，由于难以固溶于Fe，R容易在粒子表面作为氧化膜析出，在热处理时，与在晶界相30出现的成为氧化物区域的主体的Al的氧化物相结合，形成在晶界相30出现的强固的氧化覆膜，能够提高合金相间的绝缘性，提高磁芯的电阻率。
另外，如下文所述，通过沿着沿着合金相20与晶界相30的界面的氧化物区域的边缘部生成含有R的氧化物，从而有效地抑制Fe从合金相20扩散至晶界相30，减少合金相之间的接触，能够提高由氧化物区域导致的绝缘性，提高电阻率。由于R如上所述地难以固溶于Fe，所以在通过下文所述的雾化法制造的Fe基软磁性合金粒子中，容易在该粒子表面浓缩，即使添加微量也能得到充分的效果。
[表1]
出处：化学便览(化学便覧)基础篇改订5版(丸善，2004年)
优选Fe基软磁性合金粒子含有0.01质量％以上并且1质量％以下的R。如果R小于0.01质量％，则含有R的氧化物的生成不充分，存在不能充分地得到电阻率的提高效果的情况。R的含量更优选为0.1质量％以上，进一步地优选为0.2质量％以上，特别地优选为0.3质量％以上。另一方面，如果R的含量大于1质量％，则存在磁芯损耗增加等不能合适地得到磁芯的磁性特性的情况。R的含量较优选为0.9质量％以下，更优选为0.8质量％以下，进一步地优选为0.7质量％以下，特别地优选为0.6质量％以下。R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的两种以上的元素时，其总量优选为0.01质量％以上并且1质量％以下。
对于与Zr、Hf同为元素周期表第四族元素的Ti(钛)而言，发现了在单独使用Ti的情况下，径向抗压强度与含有R的情况相同地增加，虽然得到比含有R的情况相对高的初始导磁率和小的磁芯损耗，但是电阻率有降低的倾向。TiO2的标准生成吉布斯自由能为-890kJ/mol，该绝对值比Fe3O4小，认为原因之一是没有合适地形成强固的氧化覆膜。但是，在含有Ti的情况下，通过与上述R组合使用，能够在维持强度的同时改善电阻率。在含有Ti的情况下，其含量优选为小于0.3质量％，更优选为小于0.1质量％，进一步地优选为小于0.01质量％。另外，从合适地得到磁芯的磁性特性的观点出发，优选R与Ti的含量的总和为1质量％以下。
Fe基软磁性合金粒子含有C(碳)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)、O、Ni(镍)、N(氮)等作为不可避免的杂质。该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％。对于Si(硅)而言，也存在作为不可避免的杂质包含在Fe基软磁性合金粒子中的情况。
在一般的Fe基合金的精炼工序中，为了除去杂质氧O，通常使用Si作为脱氧剂。添加的Si以氧化物的形式分离，在精炼工序中被除去，但是一部分残留，在合金中作为不可避免的杂质含有0.5质量％左右的情况较多。另外，根据使用的原料，也存在在合金中含有1质量％左右的情况。能够使用纯度高的原料，通过真空溶解等而精炼，但是设为小于0.05质量％是不利于批量生产的，出于成本方面考虑也是不优选的。由此，在第一方案中，优选将Si量设为0.05～1质量％。该Si量的范围是不仅包括Si作为不可避免的杂质存在的情况(典型地是0.5质量％以下)，也包括少量添加Si的情况的范围。通过使Si量在该范围内，从而提高初始导磁率，并且能够降低磁芯损耗。另外，随着Si量的增加，电阻率和径向抗压强度有降低的倾向。为了得到高的电阻率和高的径向抗压强度，优选将Si量抑制在不可避免的杂质程度，使R量多于Si量。
在图2的实例中，在沿着合金相20与晶界相30的界面的氧化物区域的边缘部30c生成含有R(例如Zr)的氧化物。如上所述，氧化物区域含有的Al比合金相20多，在该氧化物区域，边缘部30c含有的R比中央部30a多。通过沿着边缘部30c生成含有R的氧化物，从而有效地抑制Fe从合金相20扩散至晶界相30，提高由氧化物区域导致的绝缘性，有利于电阻率的提高。
晶界相30实质上由氧化物形成，但是如图2所示，也可以形成由中央部30a、边缘部30c所包围的岛状的区域30b。下面，将氧化物区域中的中央部30a称为第一区域，将岛状的区域30b称为第二区域，将边缘部30c称为第三区域，并进行说明。在图2所示的剖面微观组织中，在晶界相30，只描绘了一个岛状的第二区域30b，但是也可以分散有多个第二区域。第一区域30a和第三区域30c是Al相对于Fe、Al、Cr、Si以及R的和的比率比Fe、Cr以及R的各比率都高的区域。第二区域30b是Fe相对于Fe、Cr、Al、Si以及R的和的比率比Al、Cr以及R的各比率都高的区域。Al浓化的第一区域30a、第三区域30c将Fe浓化的第二区域30b包围，从而得到电阻率优异的磁芯。
合金相呈粒状，该粒成为由多个合金晶体构成的多晶的情况较多，但是也可以是仅由单一的晶体构成的单晶。另外，优选合金相之间不直接接触，通过晶界相30而独立。另外，在磁芯具有的组织中，包含合金相20和晶界相30，该晶界相30主要通过采用热处理的Fe基软磁性合金粒子的氧化而形成。因此，合金相的组成与所述Fe基软磁性合金粒子的组成不同，但是，难以发生由热处理引起的Fe、Al、Cr以及R的蒸发等导致的组成的偏差，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。因此，如上所述，将Fe、Al、Cr以及R的和设为100质量％，使用Fe基软磁性合金粒子构成的磁芯含有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以及0.01质量％以上并且1质量％以下的R，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。另外，该磁芯含有1质量％以下的Si。
本发明的线圈部件具有如上所述的磁芯和施加于该磁芯的线圈，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，并且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。另外，将线圈部件的安装高度抑制得较低，并且能够得到稳定的安装性。从该观点出发，磁芯的电阻率优选为1×103Ω·m以上，更优选为1×105Ω·m以上。而且，通过提高磁芯1的强度，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，也不会简单地被破坏，实用性优异。从该观点出发，磁芯的径向抗压强度优选为120MPa以上，更优选为200MPa以上，进一步地优选为250MPa以上。
该磁芯的制造方法包括：将含有M1、Si以及R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(第一工序)，其中，M1是Al和Cr这两种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素；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，得到具有含有由该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、M1、Si以及R并且含有以质量比计比合金相20多的Al的氧化物区域。在氧化物区域中，与合金相20的内部相比，Al相对于Fe、Al、Cr、Si以及R的和的比率高。
在第一工序中，使用一种Fe基软磁性合金粒子，所述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、3质量％以上并且10质量％以下的Cr、1质量％以下的Si、0.01质量％以上并且1质量％以下的R，并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。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，则导磁率容易降低，因此，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造而言，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造的雾化法(水雾化法、气体雾化法等)，其中，特别地优选能够高效地制造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造的合金锭熔融，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。
在通过水雾化法而得到的合金粒子(水雾化粉末)的表面，形成以Al的氧化物Al2O3为主体的厚度5～20nm左右的自然氧化覆膜。在该自然氧化覆膜中，除Al以外，含有Fe、Cr、Si以及R。特别地，难以固溶于Fe的R以比合金粒子内高的浓度存在于该自然氧化覆膜中。另外，也存在在该自然氧化覆膜的表面侧(从合金粒子整体看的最表面侧)进一步形成以Fe氧化物为主体的岛状的氧化物的情况。该岛状的氧化物中，除Fe以外，含有Al、Cr、Si以及R。
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，能够在大气中保存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。
向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发挥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Fe基软磁性合金粒子100重量份，优选设为0.2～10重量份，更优选设为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、硬脂酸盐等润滑剂。相对于Fe基软磁性合金粒子100重量份，润滑剂的添加量优选设为0.1～2.0重量份。润滑剂也可以涂布于模具。
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。在加压成型中，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、粘合剂以及润滑剂的效果，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。所述Fe基软磁性合金粒子即使在1GPa以下的低成型压力下进行成型，也能够得到充分大的成型密度和在成型体中的径向抗压强度。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5.6×103kg/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、M1以及R并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，通过由退火引起的热分解而消失。如此地，由于通过成型后的热处理生成氧化物区域，所以即使不使用玻璃等绝缘物，也能够通过简易的方法制造强度等优异的磁芯。
退火在大气中、或氧与非活性气体的混合气体中、或者含有水蒸气的环境中等含有氧的环境中进行，其中，大气中的热处理简便而优选。如上所述，氧化物区域是通过热处理时的Fe基软磁性合金粒子与氧的反应而得，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。通过生成所述氧化物区域，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。
在经过热处理而得到的磁芯中，优选占空系数为82～90％的范围内。由此，能够抑制设备负荷、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、Si以及R。而且，在合金相20的附近的氧化物区域的边缘部30c，沿着合金相20与晶界相30的界面显示出含有R的氧化物。另外，关于相对于Fe、Al、Cr以及R的和的比率，对于晶界相30而言，除了下文所述的岛状的区域，Al的比率比Fe的比率、Cr的比率、Si的比率以及R的比率的每一个都高，该区域相当于“第一区域”和“第三区域”。另外，“第三区域”的R的比率比“第一区域”高，该氧化物区域具有R的比率比该氧化物区域内的其他区域(第一区域)高的区域(第三区域)。而且，关于相对于Fe、Al、Cr以及R的和的比率，在氧化物区域内呈岛状的区域中，Fe的比率比Al的比率、Cr的比率以及R的比率的每一个都高，该区域相当于“第二区域”。
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，合金相之间直接接触，合金相部分地连接的部分(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，则存在由在晶界相30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，呈粒状的各合金相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，各合金相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相在中心以外部分的剖面露出，所以，上述最大粒径的平均值是比粉末状态下评价的中值粒径d50小的值。
另外，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以上的合金相的存在比率优选为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包围的合金相的总数K1和其中最大粒径为40μm以上的合金相数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以上的合金相作为对象而进行的。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。
[第一方案的实施例]
对本发明的第一方案的实施例进行具体的说明。首先，将Fe-Al-Cr合金锭和规定量的Zr、Ti(纯度均为99.8％以上)装入坩埚，在Ar环境中进行高频溶解后，通过水雾化法制造合金粉末。然后，使制造的合金粉末通过440目(筛孔32μm)的筛，除去粗粒子。另外，作为溶解方法，也可以使用并溶解Fe、Al、Cr的原料。另外，作为雾化方法，不限于水雾化法，也可以是气雾化法等。将如此得到的粉末的组成分析结果和平均粒径(中值粒径d50)表示于表2。Al和Zr通过ICP发光分析法、Cr通过容量法、Si和Ti通过吸光光度法，分别得到分析值。除R以外的元素也通过ICP发光分析法测定。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，分别作为参考例1、比较例1以及实施例1～5。
[表2]
(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。
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，根据其尺寸和质量，通过体积质量法，算出密度(kg/m3)，分别作为成型体密度dg、退火后密度ds。
(B)占空系数(相对密度)
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的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)，使用岩通计测株式会社制B-H Analyzer SY-8232，在在最大磁通密度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(m)，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(m2)，N：线圈的圈数]
(E)增量导磁率μΔ
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(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，通过与前述初始导磁率μi相同的方法求出增量导磁率μΔ。
(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)，并根据下述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)＝电阻值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)]
将参考例1、比较例1以及实施例1～5的磁芯中的上述特性的评价结果表示于表3。
[表3]
如表3所示，在含有Zr的实施例1、2、4中，与参考例1相比，电阻率大幅地提高，都得到了1×105Ω·m以上的优异的电阻率。与此相对，在不含Zr并且含有Ti的比较例1中，认为不发挥绝缘性，由于含有Ti导致电阻率下降。但是，在实施例3中，通过含有与比较例1相同的量的Ti的同时含有Zr，导致电阻率提高，得到1×103Ω·m以上的电阻率。
在磁芯的密度中，没有看到显著的差异，但是在含有Zr的实施例1～5中，与参考例1相比，径向抗压强度提高，都得到大于250MPa的优异的径向抗压强度。另外，实施例1～5的磁芯损耗、初始导磁率比参考例1差，磁芯损耗在300kHz时为691kW/m3以下，初始导磁率大于20，都达到了不妨碍实际使用的水平。此外，对于增量导磁率，没有看到显著的差异，在实施例1～5中，也可以说确保了直流叠加特性。
对于这些磁芯，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4～8是各实例的磁芯进行剖面观察的SEM照片，(b)的照片是在与(a)的照片相同的观察点，对剖面进行扩大而摄影的照片。亮度高的部分是Fe基软磁性合金粒子，在该表面形成的亮度低的部分是晶界部或者空隙部。在各实例的剖面的比较中，不能确认特别明显的差异。
图9、10是分别表示对实施例1、2的磁芯进行剖面观察的SEM照片和该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、Zr、O的分布，色调越明亮，对象元素越多。在实施例1、2的任一者中，在合金相之间的晶界相，Al的浓度高、O也多，生成氧化物，观察到相邻的合金相通过晶界相结合的状态。另外，确认了在晶界相中，与合金相的内部相比，Fe的浓度低。不能确认Cr、Zr有大的浓度分布。
图11、12是通过透射电子显微镜(TEM)以60万倍以上分别对参考例1和实施例1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。
如图11所示，在参考例1中，在晶界相的中央部和合金相的附近的晶界相的边缘部确认了色调不同的部分。对该晶界相的中央部(氧化物区域的中央部：标记1)、晶界相的边缘部(氧化物区域的边缘部：标记2、3)和合金相的内部(标记4)，在直径1nm的区域，进行采用TEM-EDX的组成分析，并将结果表示于表4。晶界相的边缘部在合金相的附近，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。
[表4]
(质量％)
如表4所示，在参考例1中，在连接相邻的合金相的晶界相生成含有Fe、Al以及Cr并且含有比合金相多的Al的氧化物区域。在Al的比率高的氧化物区域中，在沿着合金相与晶界相的界面的氧化物区域的边缘部，Al的比率特别高。而且，以被夹持于该Al的比率特别高的区域之间的方式，生成带状的Fe的比率高的区域。在晶界相，也确认了来自作为润滑剂添加的硬脂酸锌的Zn，但是省略其说明(表5也相同)。
如图12所示，在实施例1中，晶界相的色调在整体上均匀。对该晶界相的中央部(标记1)、晶界相的边缘部(边缘部A：标记3)、晶界相的边缘部中的亮度低的岛状的部分(边缘部B：标记2)和合金相的内部(标记4)，在直径1nm的区域，进行采用TEM-EDX的组成分析，并将结果表示于表5。晶界相的边缘部A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。
[表5]
(质量％)
如表5所示，在实施例1中，在连接相邻的合金相的晶界相生成含有Fe、Al、Cr、Si以及Zr并且含有比合金相多的Al的氧化物区域。Al的比率不仅在氧化物区域的边缘部高，而且在该氧化物区域的中央部也高，形成与图11不同的状态。另外，在氧化物区域的边缘部中，在接近合金相和晶界相的界面的边缘部A中，存在的Zr比合金相多，与含有2质量％以上的Zr相对，在氧化物相的中央部几乎不存在Zr。如此地，认为通过含有Al、Zr的氧化物覆盖合金相的表面，从而抑制热处理时的Fe的扩散，提高电阻率。
在实施例1中，在氧化物区域的中央部与边缘部A中，Al相对于Fe、Al、Cr、Si以及Zr的和的比率比Fe、Cr、Si以及Zr的各比率都高，该区域相当于晶界相中的第一区域。另外，边缘部A的Zr的比率比边缘部B高，其相当于第三区域。另一方面，在氧化物区域的边缘部B中，Fe相对于Fe、Al、Cr、Si以及Zr的和的比率比Al、Cr、Si以及Zr的各比率都高，该区域相当于晶界相中的第二区域。第二区域被第一区域和第三区域包围形成为岛状，认为在热处理时抑制Fe的扩散。
作为上述实施例以外的实施例，在造粒方法中，使用喷雾干燥造粒法，制造磁芯，评价各特性。将在本实施例中使用的原料粉末的组成和平均粒径表示于表6。使用这些原料粉末，在以下的条件下进行喷雾干燥造粒。首先，向搅拌装置的容器中，投入软磁性合金粒子、作为粘合剂的PVA(可乐丽股份有限公司制造的Poval PVA-205；固体成分10％)以及作为溶剂的离子交换水，搅拌混合，制成泥浆(浆料)。浆料浓度为80质量％。相对于上述磁性合金粒子100重量份，将粘合剂设为10重量份。通过喷雾干燥器在装置内部将该浆料喷雾，使用将温度调整为240℃的热风使浆料瞬间干燥，从装置下部回收成为粒状的颗粒。为了除去得到的颗粒粗大的粒子，通过60目(筛孔250μm)的筛，通过筛后的颗粒的平均粒径在60～80μm的范围内。相对于得到的颗粒100重量份，添加0.4重量份的硬脂酸锌，通过容器旋转摆动型粉体混合机进行混合。加压成型以后的工序和特性评价方法如上述(2)、(3)以及(A)～(G)所记载。另外，在本实施例中，在加压成型时，调整成型压力，使成型体密度dg成为6.0×103kg/m3。
[表6]
将上述得到的磁芯的特性评价结果表示于表7。表7中的磁芯损耗Pcv的值在频率300kHz、励磁磁通密度30mT的条件下测定。在本实施例中，任一实例的电阻率都高达300×103Ω·m以上。认为这是由于在本实施例中，为了控制为成型时的密度比上述实施例1～5略低，金属粒子间的间隙变大，热处理时，形成比较厚的晶界相，从而嵌入该间隙。在该状态下，通过添加0.09质量％以上的Zr，电阻率进一步地上升，以0.25质量％以上，得到106Ω·m数量级的非常高的电阻率。另外，确认了径向抗压强度也随Zr的添加而升高。进一步地，在添加0.21质量％的Hf代替Zr的实施例11中，也看到了106Ω·m数量级的高电阻率和径向抗压强度的升高。
[表7]
在本实施例中，表示了作为难以固溶于铁的金属，含有Zr或者Hf的实例，但是，也可以含有Y、Nb、La以及Ta中的至少一种作为代替，或者作为额外添加。这些金属都难以固溶于Fe，并且其氧化物的标准生成吉布斯自由能的绝对值比ZrO2、HfO2大，所以与含有Zr、Hf的情况相同，在晶界相生成有效地抑制Fe的扩散的强固的氧化覆膜，能够提高磁芯的电阻率。
[第二方案]
对本发明的第二方案进行具体的说明。由于第二方案除下文说明的内容以外，与第一方案大致相同，所以省略共通点，主要对不同点进行说明。另外，对与在第一方案中说明的构成相当的构成，标记相同的符号，省略重复的说明。如下文所述，第二方案中的磁芯具有含有由含有M2、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成的合金相、该合金相通过晶界相相连的组织。
第二方案的磁芯的外观例示于图1。如图13所示的磁芯剖面观察图，该磁芯1具有多个合金相、连接所述合金相的晶界相，例如，具有如图14所示的剖面微观组织。该剖面微观组织，例如，通过使用了透射电子显微镜(TEM)以60万倍以上进行观察。该组织含有含有Fe、Si以及M2的粒状的合金相20，相邻的合金相20通过晶界相30连接。在此，M2是Al或者Cr中的任一种元素。该晶界相30具有含有Fe、M2、Si以及R并且含有以质量比计比合金相20多的M2(即，Al或者Cr)的氧化物区域。氧化物区域在与该合金相20的界面侧具有含有比合金相20多的R的区域。此处，R是选自于由Y、La、Zr、Hf、Nb以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
合金相20由Fe基软磁性合金粒子形成，所述Fe基软磁性合金粒子含有M2、Si以及R并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。Fe基软磁性合金粒子中含有的非铁金属(即，M2、Si以及R)与O(氧)的亲和力比Fe大。这些非铁金属的氧化物或者与Fe的复合氧化物形成合金相间的晶界相30。Fe、上述非铁金属的氧化物相比于金属单体具有更高的电阻，夹杂在合金相20之间的晶界相30的氧化物区域作为绝缘层发挥功能。
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，作为含有率最高的主要成分，含有Fe，作为副成分，含有Si、M2以及R。R都是难以与Fe固溶的金属，而且氧化物的标准生成吉布斯自由能的绝对值比较大(容易生成氧化物)。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。M2与O的亲和力大，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M2结合，在合金相20的表面生成化学稳定的氧化物。
优选Fe基软磁性合金粒子含有1.5质量％以上并且8质量％以下的Al或者Cr中的一种。如果Al或者Cr小于1.5质量％，则存在含有Al或者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。Al或者Cr的含量更优选为2.5质量％以上，进一步地优选为3质量％以上。另一方面，如果Al或者Cr的含量大于8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或者Cr的含量更优选为7质量％以下，进一步地优选为6质量％以下。
Si与Al、Cr同样地与O结合，生成化学稳定的SiO2、与其他非铁金属的复合氧化物。由于含有Si的氧化物耐食性、稳定性优异，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7质量％以下的Si。如果Si为1质量％以下，则存在含有Si的氧化物的生成不充分的情况，磁芯损耗恶化，并且不能充分地得到由Si导致的导磁率提高的效果。从改善磁芯损耗和导磁率的观点出发，Si的含量优选为3质量％以上。另一方面，如果Si的含量大于7质量％，则有基于上述理由导致导磁率下降，磁损耗增加的倾向。为了提高电阻率、强度，并降低磁损耗，有效地防止导磁率的降低，Si的含量优选为5质量％以下。
如上所述，R难以固溶于Fe，并且其氧化物的标准生成吉布斯自由能的绝对值大，容易与O强烈地结合，形成稳定的氧化物。因此，容易作为R的氧化物析出，在热处理时，与在晶界相出现的成为氧化物区域的主体的Al或者Cr的氧化物相结合，形成强固的氧化覆膜。
优选Fe基软磁性合金粒子含有0.01质量％以上并且3质量％以下的R。如果R小于0.01质量％，则含有R的氧化物的生成不充分，存在不能充分地得到电阻率的提高效果的情况。R的含量更优选为0.1质量％以上，进一步地优选为0.2质量％以上，特别地优选为0.3质量％以上。另一方面，如果R大于3质量％，则存在磁芯损耗增加等不能合适地得到磁芯的磁性特性的情况。R的含量较优选为1.5质量％以下，更优选为1.0质量％以下，进一步地优选为0.7质量％以下，特别地优选为0.6质量％以下。R是选自于由Y、La、Zr、Hf、Nb以及Ta所组成的组中的两种以上的元素时，其总量优选为0.01质量％以上并且3质量％以下。
Fe基软磁性合金粒子作为不可避免的杂质含有C、Mn、P、S、O、Ni、N等。对于这些不可避免的杂质的优选的含量，如第一方案所述。
在图14的实例中，在沿着合金相20与晶界相30的界面的氧化物区域的边缘部30c，生成含有R(例如Zr)的氧化物。如上所述，氧化物区域含有的Al或者Cr比合金相20多，在该氧化物区域，边缘部30c含有的R比中央部多。通过沿着边缘部30c生成含有R的氧化物，从而有效地抑制Fe从合金相20扩散至晶界相30，提高由氧化物区域导致的绝缘性，有利于电阻率的提高。
优选合金相呈粒状，合金相之间不直接接触，通过晶界相而独立。另外，在磁芯具有的组织中，包含合金相和晶界相，该晶界相通过Fe基软磁性合金粒子的氧化而形成。因此，合金相的组成与上述Fe基软磁性合金粒子的组成不同，但是，难以发生由退火等热处理引起的Fe、M2、Si以及R的蒸发等导致的组成的偏差，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。因此，如上所述，将Fe、M2、Si以及R的和设为100质量％，使用Fe基软磁性合金粒子构成的磁芯含有1.5质量％以上并且8质量％以下的M2、大于1质量％并且7质量％以下的Si以及0.01质量％以上并且3质量％以下的R，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。
本发明的线圈部件可以具有如上所述的磁芯和施加于该磁芯的线圈，其外观的一个实例表示于图3。对于线圈部件的构成，如第一方案所述。该磁芯的径向抗压强度优选为100MPa以上。
该磁芯的制造方法包括：将含有M2、Si以及R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(第一工序)，其中，M2是Al或者Cr中的任一种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素；对所述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所述成型体进行热处理，得到具有含有由所述Fe基软磁性合金粒子形成的合金相和晶界相的组织的磁芯的工序(第三工序)。通过该热处理，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、M2、Si以及R并且含有以质量比计比合金相20多的M2的氧化物区域。在氧化物区域中，与合金相20的内部相比，M2相对于Fe、M2、Si以及R的和的比率更高。
在第一工序中，使用一种Fe基软磁性合金粒子，将Fe、M2、Si以及R的和设为100质量％，所述Fe基软磁性合金粒子含有1.5质量％以上并且8质量％以下的M2、大于1质量％并且7质量％以下的Si、0.01质量％以上并且3质量％以下的R，并且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。由于该Fe基软磁性合金粒子的更优选组成等如上所述，所以省略重复的描述。
在第一方案中说明的Fe基软磁性合金粒子的粒径、制造方法、粘合剂、颗粒、润滑剂等与第一工序相关的事项；加压成型和通过加压成型得到的成型体等关于第二工序的事项；以及热处理(退火)的环境、退火温度等关于第三工序的事项都在第二方案中有所对应。另外，关于经过热处理而得到的磁芯的占空系数、晶界相的厚度、合金相的最大粒径和其存在比率等，如第一方案所述。但是，在晶界相生成的氧化物区域含有Fe、M2、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的M2。
退火后，使用扫描电子显微镜(SEM/EDX)进行磁芯的剖面观察和各构成元素的分布检查。观察到在晶界相30形成的氧化物区域中，M2(Cr或者Al)浓化。另外，使用透射电子显微镜(TEM)，进行磁芯的剖面观察，观察到如图14所示的呈层状组织的氧化物区域。
进一步详细地进行组成分析(TEM-EDX：transmission electron microscopewith energy dispersive X-ray spectroscopy)，观察到氧化物区域含有Fe、M2、Si以及R。而且，在合金相20附近的氧化物区域的边缘部30c中，在沿着合金相20与晶界相30的界面显示出含有R的氧化物。另外，关于相对于Fe、M2、Si以及R的和的比率，氧化物区域成为M2的比率比Fe的比率、Si的比率以及R的比率的每一个都高的区域。
[第二方案的实施例]
对本发明的第二方案的实施例进行具体的说明。在表8中，通过水喷雾法制造Fe基软磁性合金粒子后，通过440目(筛孔32μm)的筛，除去粗粒子的合金粒子，表示其组成分析和平均粒径(中值粒径d50)的测定结果。在本实施例中，选择Cr作为选择元素M2，选择Zr作为选择元素R。用于组成的分析、粒径的测定的方法、装置如第一方案所述。使用这些Fe基软磁性合金粒子，通过(1)混合、(2)加压成型以及(3)热处理的工序制造磁芯，分别作为实施例12、比较例2。该(1)～(3)工序除了将加压成型时的成型压力设为0.93GPa以外，与第一方案相同。
[表8]
对如上所述而得到的磁芯进行(A)退火后密度ds、(B)占空系数(相对密度)、(C)磁芯损耗Pcv、(D)初始导磁率μi、(E)增量导磁率μΔ、(F)径向抗压强度σr以及(G)电阻率ρ(电阻率)的各特性评价。评价这些特性的方法与第一方案相同。将实施例12和比较例2的磁芯中的上述特性的评价结果表示于表9。表9中的磁芯损耗Pcv的值在频率300kHz、励磁磁通密度30mT的条件下测定。
[表9]
如表9所示，在含有Zr的实施例12中，与比较例2相比，电阻率提高，得到1×105Ω·m以上的优异的电阻率。
在磁芯的密度中，没有看到显著的差异，但是在含有Zr的实施例12中，与比较例2相比，径向抗压强度升高，得到大于100MPa的优异的径向抗压强度。另外，初始导磁率大于25，与比较例2相同地达到了对实际使用没有妨碍的水平。
对于这些磁芯，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。在实施例12、比较例2的任一者中，在合金相之间的晶界相，Cr的浓度高、O也多，生成氧化物，观察到相邻的合金相通过氧化物区域结合的状态。另外，确认了在晶界相中，与合金相的内部相比，Fe的浓度低。
将实施例12的磁芯切断，通过透射电子显微镜(TEM)以60万倍在切剖面观察合金相和连接合金相的晶界相。在观察图像中，晶界相的氧化物区域在含有晶界相的厚度方向上的中央部的区域与作为晶界相的边缘部的合金相的界面侧呈现不同的色调，呈层状。在连接相邻的合金相的晶界相生成含有Fe、Si、Cr以及Zr并且含有比合金相多的Cr的氧化物区域。另外，在氧化物区域的边缘部中，在靠近合金相与晶界相的界面的氧化物区域的边缘部30c存在比合金相多的Zr，在氧化物区域的中央部30a几乎不存在Zr。因此，认为通过含有Cr、Zr的氧化物覆盖合金相的表面，从而抑制了热处理时Fe的扩散，电阻率提高。
在本实施例中，示出选择Cr作为选择元素M2的实例，但是也可以选择Al代替Cr。Al与O的亲和力比Cr更大，大气中的O、粘合剂中含有的O与Fe基软磁性合金粒子的表面附近的Al优先地结合，在表面形成化学稳定的Al2O3或者与其他的非铁金属的复合氧化物。另外，作为选择元素R，也可以含有Y、Nb、La、Hf以及Ta中的至少一种来代替Zr或者作为额外添加。由于这些金属都难以固溶于Fe，并且其氧化物的标准生成吉布斯自由能的绝对值比ZrO2大，所以与含有Zr的情况同样地，在晶界相生成有效地抑制Fe的扩散的强固的氧化覆膜，提高磁芯的电阻率和强度。
附图标记说明
1 磁芯；
20 合金相；
30 晶界相；
30a 氧化物区域的第一区域(中央部)；
30b 氧化物区域的第二区域；
30c 氧化物区域的第三区域(边缘部)。

Claims (13)

1.一种磁芯，具有含有合金相、且所述合金相通过晶界相连接的组织，所述合金相由含有M1、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成，
所述晶界相中具有含有Fe、M1、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的Al的氧化物区域，
其中，M1是Al和Cr两种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
2.如权利要求1所述的磁芯，其中，将Fe、M1以及R的质量和设为100质量％时，所述磁芯含有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、0.01质量％以上并且1质量％以下的R，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。
3.一种磁芯，具有含有合金相、且所述合金相通过晶界相连接的组织，所述合金相由含有M2、Si以及R的Fe基软磁性合金粒子形成，
所述晶界相中具有含有Fe、M2、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的M2的氧化物区域，
其中，M2是Al和Cr中的任一种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
4.如权利要求3所述的磁芯，其中，将Fe、M2、Si以及R的质量和设为100质量％时，所述磁芯含有1.5质量％以上并且8质量％以下的M2、1质量％以上并且7质量％以下的Si、0.01质量％以上并且3质量％以下的R，剩余部分为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求1～4中任一项所述的磁芯，其中，所述氧化物区域具有R的比率比所述氧化物区域内的其他区域高的区域。
6.如权利要求1～5中任一项所述的磁芯，其中，R是Zr或者Hf。
7.如权利要求2或4所述的磁芯，其中，所述磁芯含有0.3质量％以上的R。
8.如权利要求2、4或7所述的磁芯，其中，所述磁芯含有0.6质量％以下的R。
9.如权利要求1或2所述的磁芯，其中，所述晶界相具有第一区域和第二区域；在所述第一区域中，Al相对于Fe、M1、Si以及R的和的比率比Fe、Cr、Si以及R分别相对于Fe、M1、Si以及R的和的比率都高；在所述第二区域中，Fe相对于Fe、M1、Si以及R的和的比率比M1、Si以及R分别相对于Fe、M1、Si以及R的和的比率都高。
10.如权利要求1或2所述的磁芯，其中，电阻率为1×105Ω·m以上，径向抗压强度为120MPa以上。
11.一种线圈部件，具有权利要求1～10中任一项所述的磁芯和施加于该磁芯的线圈。
12.一种磁芯的制造方法，包括：
将含有M1、Si以及R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；
在含有氧的环境下对所述成型体进行热处理，得到具有含有合金相的组织的磁芯，所述合金相由所述Fe基软磁性合金粒子形成的工序，
通过所述热处理，形成连接所述合金相的晶界相，并且在所述晶界相中生成含有Fe、M1、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的Al的氧化物区域，
其中，M1是Al和Cr两种元素，R是选自于由Y、Zr、Nb、La、Hf以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
13.一种磁芯的制造方法，包括：
将含有M2、Si以及R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成型，得到成型体的工序；
在含有氧的环境下对所述成型体进行热处理，得到具有含有合金相的组织的磁芯，所述合金相由所述Fe基软磁性合金粒子形成的工序，
通过所述热处理，形成连接所述合金相的晶界相，并且在所述晶界相中生成含有Fe、M2、Si以及R并且含有以质量比计比所述合金相多的M2的氧化物区域，
其中，M2是Al和Cr中的任一种元素，R是选自于由Y、La、Zr、Hf、Nb以及Ta所组成的组中的至少一种元素。
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