CN112105472B - 磁芯用粉末、使用其的磁芯和线圈部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含有第一Fe基合金的颗粒和软磁性材料的颗粒的磁芯用粉末，上述第一Fe基合金的颗粒具有纳米尺寸的FeSi结晶形成柱状组织的区域，上述软磁性材料的颗粒包含与上述第一Fe基合金的颗粒不同的金属组织。柱状组织包含沿着大致一个方向排列的多个线状的FeSi结晶和存在于该线状的FeSi结晶之间的非晶质相，线状的FeSi结晶成为平行存在而显现的条纹图案的组织。

Description

磁芯用粉末、使用其的磁芯和线圈部件

技术领域

本发明涉及适合用于开关电源等的变压器、扼流圈、电抗器等的磁芯用粉末、使用其的磁芯和线圈部件。

背景技术

开关电源被用于EV(电动汽车)、HEV(混合动力车)、PHEV(插电式混合动力车)、移动体通信设备(便携式电话、智能手机等)、个人电脑、服务器等需要供给电源的各种电子设备的电源电路中，在被要求小型、轻量化的同时，从节能的观点出发，还越来越被要求是低功耗。

另外，用于电子设备的LSI(大规模集成电路)中，伴随利用微细布线化的晶体管的高集成化，晶体管的耐压降低，并且消耗电流增加，工作电压的低电压化和大电流化正在发展。伴随于此，向LSI供给电源的DC－DC转换器等的电源电路也需要应对LSI的工作电压的低电压化和大电流化。例如，由于LSI的工作电压的低电压化使正常工作的电压范围变窄，在因来自电源电路的供给电压的变动(波动)而高于或低于LSI的电源电压范围时，会导致LSI的工作不稳定，因此采取提高电源电路的开关频率的对策。

相对于电源电路的高频化、大电流化，用于线圈部件的磁芯需要在高频率区域以高励磁磁通密度进行工作，并且大多采用适于小型化的Fe基非晶质合金、纳米结晶合金、纯铁、Fe－Si、Fe－Si－Cr等金属系软磁性材料的粉末。作为软磁性材料的粉末，优选使用在制成磁芯时不易产生磁特性的形状各向异性，而且在磁芯的成型时粉末的流动性良好的能够通过雾化法得到的粒状粉。

在上述金属系的软磁性材料之中，作为能够提高饱和磁通密度、减小矫顽力而且能够产生低磁致伸缩化的软磁性材料，目前已知一种Fe基合金，其是在组织中具有微细的bcc结构的FeSi结晶的纳米结晶合金。一般来说，纳米结晶合金成为具有均匀且超微细的结晶粒(例如粒径约为10nm)，主相为bcc结构的FeSi结晶，并且在其周围残留有非晶质相的组织(日立金属株式会社，FINE MET(注册商标)微观结构，[2018年4月18日检索]，因特网＜URL：http：//www.hitachi－metals.co.jp/product/finemet/fp04.htm＞)。例如，在日本特开2004－349585号公开了能够将这样的纳米结晶合金通过水雾化法制成粉末状而得到。另外，在日本特开2016－25352号和日本特开2017－110256号公开了将纳米结晶合金的粉末通过气体雾化法和高速旋转水流雾化法制作。

发明内容

发明所要解决的技术问题

用于线圈部件的磁芯被要求在直流电流重叠而成的交流电流中被励磁后的磁芯的电感维持初始值直至高电流值，能够抑制其降低，即，被要求重叠特性优异。

纳米结晶合金具有无规取向的铁磁性相的FeSi结晶的晶粒分散的组织，结晶粒径小于磁相关长度(大致为磁畴壁宽度的程度，为数十nm)，表观上的结晶磁各向异性成为接近于零的状态，具有相对于外部磁场的敏感性高的特征。使用了这样的纳米结晶合金的磁芯虽然其导磁率高，能够减小损失，但另一方面，作为线圈部件能够使用的最大电流值小，被要求改善直流重叠特性。

本发明是鉴于上述技术问题而完成的发明，其目的在于：提供一种作为磁芯使用时能够提高直流重叠特性的磁芯用粉末、使用了该磁芯用粉末的磁芯和线圈部件。

用于解决技术问题的技术方案

本发明的一个方式的磁芯用粉末含有第一Fe基合金的颗粒和软磁性材料的颗粒，上述第一Fe基合金的颗粒具有纳米尺寸的FeSi结晶形成柱状组织的区域，上述软磁性材料的颗粒包含与上述第一Fe基合金的颗粒不同的金属组织。

在上述磁芯用粉末中，优选第一Fe基合金的颗粒在形成柱状组织的区域中具有FeSi结晶的伸长方向不同的多个区域。

在上述磁芯用粉末中，优选还含有第二Fe基合金的颗粒，上述第二Fe基合金的颗粒具有纳米尺寸的FeSi结晶形成粒状组织的区域。

在上述磁芯用粉末中，在使用Cu的Kα特性X射线测得的X射线衍射图谱中，在2θ＝56.5°附近的bcc结构的Fe₂B结晶的衍射峰的峰强度P2相对于在2θ＝45°附近的bcc结构的FeSi结晶的衍射峰的峰强度P1的峰强度比(P2/P1)优选为0.05以下。

在上述磁芯用粉末中，在施加磁场为40kA/m时的矫顽力优选为350A/m以下。

在上述磁芯用粉末中，上述第一Fe基合金的颗粒优选具有合金组成：Fe_{100－a－b－c－d－e－f－g－h}Cu_aSi_bB_cM_dCr_eSn_fAg_gC_h(其中，a、b、c、d、e、f、g和h表示原子％，为满足0.8≤a≤2.0、2.0≤b≤12.0、11.0≤c≤17.0、0≤d≤1.0、0≤e≤2.0、0≤f≤1.5、0≤g≤0.2、0≤h≤0.4的数值，M为选自Nb、Ti、Zr、Hf、V、Ta和Mo中的1种以上的元素。)。

本发明的另一个方式是将上述磁芯用粉末利用粘合剂结合而成的磁芯。

发明的又一个方式是包含上述磁芯和线圈的线圈部件。

发明效果

本发明的磁芯用粉末在被用于磁芯时，能够提高直流重叠特性。另外，能够提供使用了该磁芯用粉末的磁芯和线圈部件。

附图说明

图1是用于说明本发明的一个实施例所涉及的磁芯用粉末所包含的颗粒的组织结构的示意图。

图2是用于说明图1的组织结构中的线状FeSi结晶的结构的示意图。

图3是示出本发明的一个实施例所涉及的磁芯用粉末(No.1和2)和参考例的磁芯用粉末(No.＊3)的粒度分布的图表。

图4是示出本发明的一个实施例所涉及的磁芯用粉末(No.1和2)和参考例的磁芯用粉末(No.＊3)的X射线衍射图谱的图表。

图5是对本发明的磁芯用粉末(No.1)的相当于d90的粒径的颗粒剖面进行观察的TEM照片。

图6是对本发明的磁芯用粉末(No.1)的相当于d90的粒径的颗粒剖面进行观察的其他视野的TEM照片。

图7是本发明的磁芯用粉末(No.1)的相当于d90的粒径的颗粒剖面的Si(硅)元素组成映射照片。

图8是本发明的磁芯用粉末(No.1)的相当于d90的粒径的颗粒剖面的B(硼)元素组成映射照片。

图9是本发明的磁芯用粉末(No.1)的相当于d90的粒径的颗粒剖面的Cu(铜)元素组成映射照片。

具体实施方式

以下，对本发明的一个实施方式所涉及的磁芯用粉末和使用其的磁芯以及线圈部件进行具体的说明。但是，本发明不限于这些。需要说明的是，在图的一部分或全部中，省略了说明中不涉及的部分，另外存在为了方便说明进行扩大或缩小等而图示的部分。另外，在说明中示出的尺寸、形状、构成部件的相对位置关系等在没有特别声明的情况下，并不限于这些。进一步在说明中，关于相同的名称和符号表示相同或本质上相同的部件，存在虽然图示但省略详细说明的情况。

[1]磁芯用粉末

发明人在对于纳米结晶软磁性材料进行精心研究中，发现了具有新型的结晶组织结构的纳米结晶合金，在对于应用其特性的研究中，完成了本发明。为了容易理解发明，对于具有新型的结晶组织结构的纳米结晶合金进行详细说明。

(1)组织结构

关于现有的纳米结晶合金，从非晶质相开始以Cu簇(富含Cu的区域)为起点进行结晶化而得到，平均结晶粒径例如为30nm以下，并且成为无规取向的铁磁性相的FeSi结晶的晶粒分散在非晶质相中的组织。也就是说，在现有的纳米结晶合金中，纳米尺寸的FeSi结晶形成粒状组织。FeSi结晶的晶粒成长在任意的方向发生而成为无规的析出，不会成为具有规则性的析出形态。需要说明的是，纳米结晶(纳米尺寸的结晶)一般指平均结晶粒径在100nm以下的结晶。

另一方面，新型的组织结构的纳米结晶合金中，纳米尺寸的FeSi结晶形成柱状组织。该柱状组织是指在非晶质相中沿着大致一个方向排列的多个线状的FeSi结晶具有间隔而存在的组织。图1是用于说明纳米尺寸的FeSi结晶形成柱状组织的状态的示意图。具有该柱状组织的纳米结晶合金100中，线状的FeSi结晶200成为以平行线状存在而显现的条纹图案的组织，在该线状的FeSi结晶200之间为非晶质相250。

图2是用于说明在图1的组织结构中观察到的线状的FeSi结晶200的结构的示意图。线状的FeSi结晶200是柱状结构且具有存在多个窄部的念珠形状。窄部之间的部分为大致椭圆球状，多个大致椭圆球状部连接起来而形成柱状。大致椭圆球状部的短径为大约10nm至20nm，长径为20nm至40nm的纳米尺寸。线状的FeSi结晶200的长度各异，但例如为200nm以上，其长度被认为受到合金组织内的应力分布的影响而发生变动。以下，有时将该新型的组织结构称作“柱状组织”，将现有的组织结构称作“粒状组织”。

具有粒状组织的FeSi结晶的现有的纳米结晶组织中，如前述那样，成为表观上的结晶磁各向异性接近于零的状态，对于外部磁场的敏感性高，使用具有这样结晶组织的纳米结晶合金的磁芯具有导磁率高，损失也小的特征。

另一方面，新型的组织结构的柱状组织中，FeSi结晶成为相对于宽度，伸长方向的长度较长的长的柱状结构。为具有柱状组织的FeSi结晶的结构时，与为现有的具有粒状组织的FeSi结晶的结构相比，会表现大的磁各向异性，被预测会导致增加矫顽力、降低导磁率、增加损失，存在无法得到所期望的软磁特性的问题。对于这样的问题，本发明人发现，在合金组织中，使其具有FeSi结晶的伸长方向不同的多个区域时，即，在各自的区域中FeSi结晶的伸长方向整齐而具有规则性，但各个区域中FeSi结晶的伸长方向不同，相邻接的区域间的线状的FeSi结晶不连续，从合金整体看是不具有规则性的结晶组织时，能够改善上述问题。

另外，具有柱状组织的FeSi结晶时，磁矩容易沿伸长方向取向，另外由于组织是纳米级，因此残留了对于磁场的高敏感性。在利用与易磁化轴连结的弹簧将使朝向易磁化轴方向的Fe的磁矩旋转的过程形象化表示时，由于线状的FeSi结晶的取向性与对于磁场的敏感性的平衡，对于伸长方向的磁场具有高饱和性，因此被认为相对于垂直方向的磁场，磁矩为了与磁场平行而旋转，但该旋转会受到弹簧的限制，另外在去除磁场时会迅速转向易磁化轴方向。这样的磁矩对于磁场的应答是线性的，利用对于磁场的敏感性能够持续至高磁场的特性，使用了具有柱状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金的磁芯被认为在能够得到来自FeSi结晶的大的饱和磁化的同时，能够使高的增量导磁率μΔ维持到大电流(高磁场)。

(2)磁芯用粉末

基于这样的见解，本发明人在进一步研究中发现，将具有新型的柱状组织的纳米结晶合金的粉末与具有现有的粒状组织的纳米结晶合金的粉末和/或其他的软磁性材料的粉末制成混合粉末，能够使各自不同的磁特征得到发挥和互补，得到了在用于磁芯的情况下能够抑制磁芯损失的增加、抑制导磁率的降低、并且改善重叠特性的磁芯用粉末。

关于纳米结晶合金中的柱状组织的出现机理并不明确，柱状组织的FeSi结晶被认为与现有的粒状组织的FeSi结晶同样，是从非晶质相开始以Cu簇为起点，使FeSi结晶析出(结晶化)。在至此的研究中，现有的粒状组织的FeSi结晶主要通过热处理由非晶质相形成，但柱状组织的FeSi结晶是在熔液被冷却而合金化的冷却过程中形成的，在这一点上与现有的纳米结晶的组织形成是不同的。

柱状组织的形成中，重点在于合金制作时的冷却速度、合金内的冷却速度的分布(合金颗粒表层部与中心部的速度梯度)，虽然因合金组成也会发生变化，但为了达到合金的非晶质化，被要求例如，使熔液能够以10³℃/秒左右以上的速度进行冷却，以及以(次μm)³～(数μm)³的大小的体积单位，在冷却的过程中在合金内部生成应力分布不同的区域。特别是，被认为受到熔液的冷却过程中在500℃左右的冷却速度的影响。

在具有柱状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金的粉末的制作中，只要能够满足上述要求，对制法、条件等就没有限定。例如，既可以采用制作现有的具有粒状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金的粉末中使用的气体雾化法、水雾化法、高速旋转水流雾化法等将水、气体用于熔液的粉碎手段的方法，也可以采用将火焰以超音速或接近音速的速度作为火焰喷射进行喷射的高速燃烧火焰雾化法等雾化法进行粉末化。

在本发明人的研究中发现，在具有柱状组织的纳米结晶合金的颗粒的制作中，特别优选使用高速燃烧火焰雾化法。高速燃烧火焰雾化法并不如其他的雾化法那样普遍，但在例如日本特开2014－136807号等中有记载。在高速燃烧火焰雾化法中，利用高速燃烧器的高速燃烧火焰将熔液制成粉末状，利用具有能够喷射液氮、液化二氧化碳等冷却介质的多个冷却喷嘴的急速冷却机构进行冷却。

已知通过雾化法得到的颗粒接近于球形，冷却速度大大依存于粒径。被粉碎的熔液高速地通过热交换效率高于大气的液体中、气体中(例如水、He或水蒸气)时，其表面以高的冷却速度被冷却。从表面高效地除热时，通过导热，其内部也被冷却，但冷却速度存在偏差，先凝固的表层部与后凝固的中心部之间会产生体积差。得到的合金颗粒越是具有相对较大的直径，其冷却速度的偏差越显著表现。

利用上述的高速燃烧火焰雾化法，在冷却过程的初期阶段，被粉碎的熔液被骤冷而成为过冷却玻璃状态的合金，由于体积差导致的形变的自松弛，冷却过程的颗粒中，以(次μm)³～(数μm)³的大小的体积单位，产生应力分布不同的区域。之后，在各区域中，被认为由于来自周围区域的束缚力而成为相互受到应力的状态。进一步还被认为，在冷却过程中，分离成结晶相与非晶质相时，从被施加应力的状态的非晶质相以Cu簇为起点开始析出FeSi结晶时，以其为引发点，再借助非晶质相的伴随原子移动的蠕变行为的效果，FeSi结晶的端部引起下一个结晶粒形成，在应力方向上进行结晶粒成长，结晶粒成长为以原子水平连续地连接格子而成的念珠形状。

另外，根据本发明人的研究，发现在高速燃烧火焰雾化法中，能够同时制作柱状组织的颗粒和粒状组织的颗粒。在高速燃烧火焰雾化法中，颗粒的粒径典型地为10μm以下，在相同组成中，观察到了与通过单辊法制作的带相比，冷却速度更高的倾向。粉末化时的冷却速度快时，粒内的冷却速度分布被抑制，形变和压力分布也变小，因此得到的颗粒的组织实质上成为非晶质相，难以得到柱状组织的FeSi结晶。对其进行现有的纳米结晶合金那样的热处理时，其组织与现有的同样，FeSi结晶成为粒状组织。

颗粒的粒径超过10μm时，典型地成为20μm左右时，内部与外部的冷却速度差变大，会积蓄源自冷却时的体积变化的时间差的形变，而且容易从冷却速度相对较慢的内部析出柱状组织的FeSi结晶。

基于这样的见解，只要是至少含有粒径为10～20μm的颗粒的粉末，即使其是通过一次性雾化处理得到的粉末，也能够制成含有具有柱状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金的粉末和具有粒状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金的粉末的粉末。另外，如果对其进行分级的话，也能够使柱状组织的纳米结晶合金的粉末与粒状组织的纳米结晶合金的粉末的比例不同。

具有柱状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金中，只要是满足磁芯用粉末所要求的磁特性的范围，其一部分可以含有FeSi结晶以外的结晶相。FeSi结晶以外的结晶相可以例示结晶磁各向异性高、被认为是使软磁特性变差的相的Fe₂B结晶。例如利用后述的bcc结构的Fe₂B结晶的衍射峰的峰强度P2相对于bcc结构的FeSi结晶的衍射峰的峰强度P1的峰强度比(P2/P1)进行规定时，其峰强度比(P2/P1)优选为0.05以下。为了获得优异的磁特性的结晶质的磁芯用粉末，优选峰强度比(P2/P1)为0.03以下，希望峰强度P2为测定的噪音水平以下且实质为0(零)的情况。

本发明的磁芯用粉末既可以是将预先准备的粒状组织的纳米结晶合金的粉末和/或其他的软磁性材料的粉末与柱状组织的纳米结晶合金的粉末混合而成的粉末，也可以是对于将在结晶化后成为粒状组织的纳米结晶合金的粉末与柱状组织的纳米结晶合金的粉末混合而成的粉末实施用于结晶化的热处理而得到的粉末。需要说明的是，这里所说的用于结晶化的热处理是为了使其成为粒状组织的纳米结晶合金而进行的处理。

(3)热处理

对将结晶化后成为粒状组织的纳米结晶合金的粉末与柱状组织的纳米结晶合金的粉末混合而成的粉末进行热处理时，用于热处理的炉只要是能够将温度控制在600℃左右的加热炉，无论什么样的炉都可以没有问题地使用。例如，能够利用间歇式的电气炉、网带式的连续电气炉进行。为了防止氧化，优选能够调节气氛的炉。

关于这样的热处理中的热处理条件，只要是不会使柱状组织的纳米结晶合金中增加FeSi结晶以外的Fe₂B结晶等使软磁特性变差的结晶相的适当设定即可。热处理温度可以基于成为粒状组织的纳米结晶合金的结晶化开始温度进行适当设定。另外，关于结晶化开始温度，使用差示扫描量热分析装置(DSC：Differential Scanning Calorimeter)，能够在从室温(RT)至600℃的温度范围，以600℃/hr的升温速度对粉末进行热分析来测定。热处理温度因成为粒状组织的纳米结晶合金的结晶化温度而异，但希望设为350～450℃，优选设为390～430℃的范围。热处理温度是指升温后的最高到达温度，在将该温度保持规定时间的情况下，也是该保持温度。

热处理时间为1秒至3小时，如果是连续式炉的话，优选为1秒～300秒，如果是间歇式炉的话，优选为300秒至2小时(7200秒)。热处理时间是以热处理温度保持的时间。

热处理中的300℃以上的温度范围中的平均升温速度(直至达到目标热处理温度的平均升温速度)为0.001～1000℃/秒，如果为连续式炉的话，优选为0.5～500℃/秒的范围，如果为间歇式炉的话，优选为0.006～0.08℃/秒的范围。升温速度在上述的范围时，能够防止因合金的结晶化产生的自发热而使温度过度上升，能够抑制相对于热处理温度的设定发生明显的过调节(Overshoot)，能够防止得到的粉末的磁特性的劣化。

(4)合金组成

纳米结晶合金的组成只要是能够发生FeSi结晶的柱状组织化，并且含有Si、B和Cu的组成即可。在以下例示适于通过雾化法得到柱状组织的纳米结晶合金的合金组成，但并不限于这些。可以是在通过雾化法得到的磁芯用粉末的粒度分布中，粒径为大径的颗粒成为柱状组织的FeSi结晶，粒径为小径的颗粒成为粒状组织的FeSi结晶的合金组成。

纳米结晶合金的组成优选为：Fe_{100－a－b－c－d－e－f－g－h}Cu_aSi_bB_cM_dCr_eSn_fAg_gC_h(其中，a、b、c、d、e、f、g和h表示原子％，为满足0.8≤a≤2.0、2.0≤b≤12.0、11.0≤c≤17.0、0≤d≤1.0、0≤e≤2.0、0≤f≤1.5、0≤g≤0.2和0≤h≤0.4的数值，M为选自Nb、Ti、Zr、Hf、V、Ta和Mo中的1种以上元素。)。

Cu是使结晶化后的合金组织微细化，有助于形成柱状组织的FeSi结晶的元素。另外，还是有助于形成粒状组织的元素。Cu含量以原子％计优选为0.8％以上2.0％以下。Cu含量少时得不到添加的效果，相反，含量多时会降低饱和磁通密度。Cu过剩的情况下，在冷却过程中的结晶化过度进行，使具有抑制结晶粒成长效果的残余非晶相缺乏，容易引起结晶粒的粗大化、磁各向异性高的Fe₂B的析出等，有时会使软磁特性变差。在雾化的冷却过程中，为了给予充分的Cu簇的数密度，Cu含量较优选为1.0％以上，更优选为1.1％以上，最优选为1.2％以上。另外，Cu含量较优选为1.8％以下，更优选为1.5％以下。

Si固溶于作为FeSi结晶的主成分的Fe中，有助于降低磁致伸缩和磁各向异性。Si含量以原子％计优选为2.0％以上12.0％以下。另外，还已知具有促进纳米结晶合金的非晶质化的效果，在冷却过程中，通过与B一起存在，具有加强非晶形成能力的效果。另外，具有抑制在冷却过程中析出粗大晶粒的效果。Si含量少时，得不到添加的效果，另一方面，Si含量过高时，会引起饱和磁通密度的降低。另一方面，容易引起Fe₃Si的规则化排列，因此Si含量的下限较优选为3.0％。为了得到高饱和磁通密度，Si含量较优选为10.0％以下，更优选为8.0％以下，最优选为5.0％以下。

B已知具有促进骤冷中合金的非晶质化的效果。B含量以原子％计优选为11.0％以上17.0％以下。B含量少时，为了形成非晶相，需要极高的冷却速度，容易析出微米级的比较粗大的晶粒，有时得不到良好的软磁特性。另外，B含量多时，会导致结晶化后的组织中的残余非晶相的体积分率变高，使饱和磁化等磁特性降低。Si和B的含量的合计越少越能够提高Fe含量，所以为了得到高饱和磁通密度，Si和B的含量的合计优选为20.0％以下，较优选为19.0％以下，最优选为18.0％以下。

M为选自Nb、Ti、Zr、Hf、V、Ta和Mo中的1种以上的元素。这些在获得柱状组织的或粒状组织的FeSi结晶的方面并非是必须的，但对将结晶化后成为粒状组织的纳米结晶合金的粉末与柱状组织的纳米结晶合金的粉末混合而成的粉末进行热处理时，对于粒状组织的FeSi结晶的粒径的均匀化是有效的，M元素的含量以原子％计优选为1.0％以下(包含0)，较优选为0.8％以下(包含0)，最优选为0.5％以下(包含0)。

Cr以原子％计优选为2.0％以下(包含0)。其在获得柱状组织的FeSi结晶的方面并非是必须的，但其是对提高纳米结晶合金的耐腐蚀性有效的元素。通过雾化法制作粉末时，为了得到防止内部氧化的效果，Cr含量优选为0.1％以上，较优选为0.3％以上。另一方面，单独情况下表现为反铁磁性，通过与Fe原子混合，弱化了Fe的铁磁性，引起饱和磁通密度的降低，因此作为Cr含量的上限，较优选为1.5％，最优选为1.1％。

Sn以原子％计优选为1.5％以下(包含0)。其在获得柱状组织的FeSi结晶的方面并非是必须的，但其是对协助Cu的簇形成有效的元素。通过添加微量，在结晶化的过程中，使Sn原子先聚集，进一步在其周围，扩散中的Cu原子为了降低势能而聚集，从而形成簇。考虑到作为Cu的簇形成的助剂的效果时，Sn含量的上限优选不超过Cu含量。另外由于是非磁性元素，Sn含量较优选为0.5％以下(包含0)。Sn含量的下限较优选为0.01％，最优选为0.05％。

Ag在获得柱状组织的FeSi结晶的方面并非是必须的，但Ag在熔液中分离，从雾化后的纳米结晶合金的凝固初期开始析出，发挥在热处理初期的Cu簇的核的功能。Ag的含量以原子％计优选为0.2％以下(包含0)。

C也在获得柱状组织的FeSi结晶的方面并非是必须的，但发挥熔液的粘度的稳定化的作用，其优选的含量以原子％计为0.4％以下(包含0)。

作为其他的纳米结晶合金所含的不可避免的杂质，可以含有S、O、N等。不可避免的杂质的含量分别优选S为200ppm以下，O为5000ppm以下，N为1000ppm以下。

Fe是构成纳米结晶合金的主要元素，对于饱和磁化等磁特性产生影响。其含量因与其他非铁金属的平衡而异，但优选以原子％计含有77.0％以上的Fe，这样能够得到饱和磁化大的纳米结晶合金。Fe含量较优选为77.5％以上，更优选为78.0％以上，最优选为79.0％以上。

另外，在上述中示出了适于得到具有柱状组织的FeSi结晶的纳米结晶合金的组成，但利用该合金组成也能够得到具有粒状组织的FeSi结晶的现有的纳米结晶合金。

[2]磁芯和线圈部件

本发明的一个实施方式的磁芯用粉末是优选适用于压粉磁芯或者金属复合材料的粉末。在压粉磁芯中，例如，将磁芯用粉末与作为绝缘材料和结合剂发挥功能的粘合剂混合后使用。作为粘合剂，可以列举环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、二甲苯树脂、苯二甲酸二烯丙酯树脂、硅树脂、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、水玻璃等，但不限于这些。磁芯用粉末与粘合剂的混合物中，根据需要混入硬脂酸锌等润滑剂后，填充至成型模具内，利用油压压制成型机等以10MPa～2GPa左右的成型压力加压，能够成型为规定形状的压粉体。之后，将成型后的压粉体在300℃以上且低于结晶化温度的温度，热处理1小时左右，在去除成型形变的同时使粘合剂固化，得到压粉磁芯。此时的热处理气氛可以是非活性气氛也可以是氧化气氛。得到的压粉磁芯可以是圆环状、矩形框状等的环状体，也可以是棒状、板状的形态，其形态能够根据目的适当选择。

作为金属复合材料使用的情况下，向含有磁芯用粉末和粘合剂的混合物中埋入线圈后一体成型即可。例如粘合剂如果从热塑性树脂、热固化性树脂中适当选择，就能够利用注射成型等公知的成型手段容易地制成将线圈密封的金属复合材料芯(线圈部件)。另外也可以将含有磁芯用粉末和粘合剂的混合物利用刮刀法等公知的片材化手段制成片材状的磁芯。另外，也可以将含有磁芯用粉末和粘合剂的混合物作为不定形的屏蔽材料使用。

另外，关于本发明的一个实施方式的磁芯用粉末，可以在FeSi结晶形成柱状组织的纳米结晶合金的粉末中添加Fe系非晶质合金、纯铁、Fe－Si、Fe－Si－Cr的结晶质的金属系软磁性材料的粉末等其他的软磁性粉末后使用。

在任意的情况下，得到的磁芯都成为直流重叠特性得到提高的磁特性优异的磁芯，优选用于电感器、噪音过滤器、扼流圈、变压器、电抗器等。

[3]实施例

以下，对于本发明的一个实施方式所涉及的磁芯用粉末和使用其的磁芯和线圈部件进行具体说明，但本发明不限于这些，在技术思想的范围内，能够进行适当变更。

称量Fe、Cu、Si、B、Nb、Cr、Sn和C，使得雾化后成为以下所述的组成A和组成B的合金组成，放入氧化铝的坩埚中，配置在高频诱导加热装置的真空腔室内，进行抽真空，之后，在减压状态下，在非活性气氛(Ar)中通过高频诱导加热将其熔化。之后，将熔液冷却制成2种母合金的锭。

[合金组成]

组成A：Fe_bal.Cu_1.2Si_4.0B_15.5Cr_1.0Sn_0.2C_0.2

组成B：Fe_bal.Cu_1.0Si_13.5B_11.0Nb_3.0Cr_1.0

接着，将得到的锭再溶解，利用高速燃烧火焰雾化法将熔液粉末化。所使用的雾化装置包括：收纳熔融金属的容器；设置在容器底面中央的与容器内部连通的注液嘴；对于从注液嘴向下方流出的熔融金属能够喷出火焰喷射的喷射燃烧器(HARD工业有限会社制)和冷却被粉碎的熔液的冷却单元。火焰喷射构成为能够将熔融金属粉碎而形成熔融金属粉末，各喷射燃烧器构成为能够将火焰以超音速或接近音速的速度以火焰喷射的形式喷射。冷却单元具有多个冷却喷嘴，该多个冷却喷嘴构成为能够向被粉碎的熔融金属喷射冷却介质。冷却介质能够使用水、液氮、液化二氧化碳等。

将喷出的火焰喷射的温度设为1300℃，将原料的熔融金属的滴落速度设为5kg/min。使用水作为冷却介质，制成液体雾后从冷却喷嘴喷射。熔融金属的冷却速度通过将水的喷射量设为4.5升/min～7.5升/min来进行调节。

将得到的组成A和组成B的粉末利用离心力型气流式分级机(日清工程制TC－15)进行分级，得到平均粒径d50不同的2种组成A的粉末(将d50大的称作“No.1”粉末，将d50小的称作“No.2”粉末。)和1种组成B的粉末(称为“No.＊3”粉末。)。通过下述评价方法测定所得到的磁芯用粉末的粒度。

[粉末的粒度]

利用激光衍射散射式粒度分布测定装置(堀场制作所制LA－920)进行测定，从通过激光衍射法测得的体积基准的粒度分布，得到了从小粒径侧起的累积％分别达到10体积％、50体积％和90体积％的颗粒径的d10、d50和d90。图3中示出No.1～＊3的粉末的粒度分布图。

对于得到的各粉末，通过以下的评价方法测定饱和磁化、矫顽力和通过X射线衍射法得到的衍射图谱。

[饱和磁化和矫顽力]

将试样的粉末放入容器内，利用VSM(Vibrating Sample Magnetometer振动试样型磁力计，东英工业制VSM－5)进行磁化测定，由磁滞曲线求出磁强度在Hm＝800kA/m时的饱和磁化和在Hm＝40kA/m的条件下的矫顽力。

[衍射图谱]

使用X射线衍射装置(株式会社RIGAKU制造的Rigaku RINT-2000)，由利用X射线衍射法得到的衍射图谱求出在2θ＝45°附近(44°～46°之间)的bcc结构的FeSi结晶的衍射峰的峰强度P1和在2θ＝56.5°(56°～57°之间)附近的bcc结构的Fe₂B结晶的衍射峰的峰强度P2，算出峰强度比(P2/P1)。X射线衍射强度测定的条件设为：X射线Cu－Kα，施加电压40kV，电流100mA，发散狭缝1°，散射狭缝1°，受光狭缝0.3mm，进行连续扫描，扫描速度2°/min，扫描步长0.02°，扫描范围20～60°。

将得到的结果示于表1。另外，在表1中的No.上标有“＊”的试样是参考例。

[表1]

确认了利用X射线衍射法得到的衍射图谱，在平均粒径不同的2种A组成的磁芯用粉末(No.1和No.2的粉末)中，确认到了bcc结构的FeSi结晶的衍射峰和bcc结构的Fe₂B结晶的衍射峰，但在1种B组成的磁芯用粉末(No.＊3的粉末)中仅观察到了晕纹，未确认到FeSi结晶和Fe₂B结晶的衍射峰。另外，在TEM观察中，确认到了在2种A组成的粉末中，线状的FeSi结晶以具有间隔的方式连续的条纹图案的组织。该组织在后述的热处理后的粉末中也同样观察到了。

接着，在能够调节气氛的电热处理炉中，将放入SUS制容器的100g的No.1～＊3的3种磁芯用粉末在氧浓度0.5％以下的N₂气氛中进行热处理。关于热处理，以0.006℃/秒的速度进行升温，达到表2所示的保持温度后，以该保持温度保持1小时，之后，停止加热，在炉中进行冷却。

对于热处理后的No.1～＊3的粉末，利用与前述相同的评价方法测定饱和磁化、矫顽力和利用X射线衍射法得到的衍射图谱。将得到的结果示于表2。

[表2]

另外，在热处理后的No.1～＊3的粉末中，选取相当于d10和d90的粒径的多个颗粒，埋入树脂进行裁断研磨后，对于剖面利用透射型电子显微镜(TEM/EDX：TransmissionElectron Microscope/energy dispersive X-ray spectroscopy)观察。图5是将No.1的相当于d90的颗粒的剖面研磨后进行观察的TEM照片。图6是对于其他的视野在相同条件下进行观察的TEM照片。图7是对No.1的相当于d90的颗粒的剖面的其他视野进行观察，并以Si(硅)元素进行组成映射而得到的照片，图8是以B(硼)元素进行组成映射而得到的照片，图9是以Cu(铜)元素进行组成映射而得到的照片。

从图5可知，在观察视野中确认到了浓淡成为平行线状交替显现的柱状组织(条纹图案的组织)。通过利用了TEM的点衍射测定和组成映射，确定了观察为线状的亮度低的浓的部分为FeSi结晶，亮度高的淡的部分为非晶质相。另外从其他视野的图6，观察到了条纹图案的组织的区域、亮度低的浓的部分看上去为点状图案的组织的区域等。在所有的区域中，亮度低的浓的部分为FeSi结晶，亮度高的淡的部分为非晶质相。进一步仔细观察发现，在全部区域中，FeSi结晶都形成为线状，在观察面所显现的方向，有时看上去为条纹图案，有时看上去为点状图案。也就是说在一个颗粒中，具有FeSi结晶的群延伸的方向不同的区域，在一个一个区域中，FeSi结晶成为在大致一个方向上析出结晶的柱状组织。在该一个区域之中，虽然线状的FeSi结晶的伸长方向整齐而具有规则性，但在每个区域中FeSi结晶的伸长方向不同，在相邻接的区域之间，线状的FeSi结晶不连续，因此从颗粒整体看上去成为不具有规则性的组织。

在元素分布映射中色调越明亮表示对象元素越多。从在同一视野中对Si、B和C分别进行组成映射而得到的图7、图8和图9所示的结果，确认到在与线状的FeSi结晶对应的区域中Si和Cu被浓化，在线状的FeSi结晶之间的与非晶质相对应的区域中B被浓化。另外，Fe(未图示)在整体中能够确认，但在Si和Cu被浓化的区域中浓度较高。

这被认为是，通过线状的FeSi结晶与非晶质相的调幅分解(SpinodalDecomposition)，Fe和Si被用于FeSi结晶的形成，难以进入结晶相的B在非晶质相中被浓缩，以使非晶质相的B浓度变得相对高的方式发生相分离，出现周期性的浓度变调结构。

对于No.2的粉末，在相当于d90的粒径的多个颗粒的观察中，观察到了与在图5和图6中观察到的组织同样的条纹图案的柱状组织的区域，但对于No.＊3的粉末，未观察到条纹图案的柱状组织的区域，而是成为现有的组织结构即粒径为30nm左右的FeSi结晶的晶粒分散在非晶质相中的粒状组织。

在对于热处理后的No.1～＊3的粉末的相当于d10的粒径的多个颗粒的观察中，均成为现有的组织结构即粒状组织。也就是说，可知No.1和2的磁芯用粉末成为粒状组织的纳米结晶合金的粉末和柱状组织的纳米结晶合金的粉末混合而成的粉末。另一方面，参考例的No.＊3的粉末中不存在柱状组织的纳米结晶合金的粉末，成为现有的粒状组织的纳米结晶合金的粉末。

柱状组织的纳米结晶合金的颗粒中，容易在非晶质相中形成Fe₂B结晶。另外，粉末中的含有Fe₂B结晶的颗粒的存在比例越多，Fe₂B结晶的峰表现得越强，因此从该峰强度能够相对地评价柱状组织结构的颗粒的存在比例的多少。在图4所示的衍射图谱中，在合金组成A的No.1和2的粉末(热处理后)中，均确认到了FeSi结晶的峰和Fe₂B结晶的峰。合金组成B的No.＊3的粉末(热处理后)中，确认到了FeSi结晶的峰，但未确认到Fe₂B结晶的峰。关于Fe₂B结晶的峰强度P2相对于FeSi结晶的峰强度P1之比P2/P1，在整体上具有小粒径的粒度分布的No.2的粉末较小。另外，关于矫顽力，No.2的粉末也较小。

相对于热处理后的No.1～＊3的粉末100份，分别加入5份硅树脂后进行混炼，填充至成型模具内，利用油压压制成型机，通过400MPa的加压进行成型，制成

的圆环状的磁芯。对于制作的磁芯，评价了占积率、磁芯损失、初始导磁率和增量导磁率。将结果示于表3。在表3中，也对使用了参考例的磁芯用粉末的试样的No.标注“＊”加以区别。

[占积率(相对密度)]

对于评价了磁性测定的圆环状磁芯在250℃实施热处理，使粘合剂分解得到粉末。由粉末的重量和圆环状的磁芯的尺寸以及质量，利用体积重量法算出密度(kg/m³)，并除以通过气体置换法得到的各合金组成A和B的粉末的真密度，算出磁芯的占积率(相对密度)(％)。

[磁芯损失]

将圆环状的磁芯作为被测定物，分别缠绕18圈的初级线圈和18圈的次级线圈，利用岩通计测株式会社制B－H分析仪SY－8218，在最大磁通密度30mT、频率2MHz的条件下，在室温(25℃)测定了磁芯损失(kW/m³)。

[初始导磁率μi]

将圆环状的磁芯作为被测定物，将导线缠绕30圈制成线圈部件，由利用LCR测量仪(Agilent Technologies株式会社制4284A)在室温以频率100kHz测得的电感，基于下式求得。将交流磁场设为0.4A/m的条件下得到的值作为初始导磁率μi。

初始导磁率μi＝(le×L)/(μ₀×Ae×N²)

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

[增量导磁率μΔ]

使用用于测定初始导磁率的线圈部件，利用直流施加装置(42841A：惠普公司制)在施加10kA/m的直流磁场的状态，利用LCR测量仪(Agilent Technologies株式会社制4284A)，以频率100kHz在室温(25℃)测定电感L。将由得到的电感利用与上述初始导磁率μi同样的计算式得到的结果作为增量导磁率μΔ。由得到的增量导磁率μΔ和初始导磁率μi算出比μΔ/μi(％)。

[表3]

使用了本发明的No.1和No.2的磁芯用粉末的磁芯无论电流变化如何，其导磁率的变化量都充分地小，能够以大致一定的值稳定地发挥直流重叠特性。另外，使用了峰强度比P2/P1小的No.2的磁芯用粉末的磁芯，其磁芯损失较小，而且初始导磁率较大。导磁率低时，为了得到必要的电感需要加大磁芯的剖面积，或者需要增加卷线的圈数，作为其结果，会使线圈部件的外形变大。因此可知，No.2的粉末在线圈部件的小型化方面有利。

Claims (8)

1.一种磁芯用粉末，其特征在于：

含有第一Fe基合金的颗粒和软磁性材料的颗粒，

所述第一Fe基合金的颗粒具有纳米尺寸的FeSi结晶形成柱状组织的区域，

所述软磁性材料的颗粒包含与所述第一Fe基合金的颗粒不同的金属组织，

所述柱状组织是指在非晶质相中沿着大致一个方向排列的多个线状的FeSi结晶具有间隔而存在的组织，

所述第一Fe基合金的颗粒含有Si、B和Cu。

2.如权利要求1所述的磁芯用粉末，其特征在于：

所述第一Fe基合金的颗粒在形成所述柱状组织的区域中具有FeSi结晶的伸长方向不同的多个区域。

3.如权利要求1或2所述的磁芯用粉末，其特征在于：

还含有第二Fe基合金的颗粒，所述第二Fe基合金的颗粒具有纳米尺寸的FeSi结晶形成粒状组织的区域。

4.如权利要求1或2所述的磁芯用粉末，其特征在于：

在使用Cu的Kα特性X射线测得的X射线衍射图谱中，在2θ＝56.5°附近的bcc结构的Fe₂B结晶的衍射峰的峰强度P2相对于在2θ＝45°附近的bcc结构的FeSi结晶的衍射峰的峰强度P1的峰强度比P2/P1为0.05以下。

5.如权利要求1或2所述的磁芯用粉末，其特征在于：

在施加磁场为40kA/m时的矫顽力为350A/m以下。

6.如权利要求1或2所述的磁芯用粉末，其特征在于：

所述第一Fe基合金的颗粒具有合金组成：

Fe_{100－a－b－c－d－e－f－g－h}Cu_aSi_bB_cM_dCr_eSn_fAg_gC_h，

其中，a、b、c、d、e、f、g和h表示原子％，为满足0.8≤a≤2.0、2.0≤b≤12.0、11.0≤c≤17.0、0≤d≤1.0、0≤e≤2.0、0≤f≤1.5、0≤g≤0.2和0≤h≤0.4的数值，M为选自Nb、Ti、Zr、Hf、V、Ta和Mo中的1种以上的元素。

7.一种磁芯，其特征在于：

其为将权利要求1～6中任一项所述的磁芯用粉末利用粘合剂结合而成的磁芯。

8.一种线圈部件，其特征在于：

包含权利要求7所述的磁芯和线圈。

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