【０００１】
【発明の属する技術分野】
磁性金属粒子を用いた圧粉磁芯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気・電子機器の小型化が進んでおり、それに伴い小型の圧粉磁芯が要求されている。さらに、ＣＰＵなどの電子機器における使用周波数が高周波化しているため、高周波での損失が低い圧粉磁芯が求められている。
圧粉磁芯用粉末の磁性材料としてはフェライト粉末や強磁性金属粉末が用いられている。フェライト磁性材料は飽和磁束密度が低いために磁気飽和しやすく、インダクタに用いられる場合はインダクタンスの低下が大きい。一方、強磁性金属材料はフェライトに比べて飽和磁束密度が極めて大きい点で優れている。しかし、強磁性金属材料は電気抵抗が低いため、数百ｋＨｚ〜ＭＨｚの高周波域では渦電流損失が大きい。上記渦電流損失を減少させるために、粉末間の絶縁処理が施されている。例えば、金属磁性粉末表面に無機あるいは有機絶縁層で被覆する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５６−１５５５１０号公報（第１〜３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧粉磁芯用粉末における絶縁処理は、粉末粒子同士が接触して電気的に短絡することによる渦電流損失の増加を抑制するものである。しかし、従来の絶縁処理においては電気抵抗が数十Ω・ｃｍ程度であり、電気絶縁性が低い。電気絶縁性を高めるためには圧粉磁芯用粉末の表面を絶縁材料にて完全に被覆しなければならない。さらに、従来の圧粉磁芯用粉末の平均粒径は５〜１５０μｍと大きいため、完全に粉末間を絶縁できたとしても、個々の粒子において渦電流損失の余地が残った。渦電流損失低減のためには平均粒径をより微細化する必要がある。ところが、単に粉末の平均粒径を微細化するだけでは粉末が凝集しやすくなるとともに粉末間の摩擦が増大して圧粉体密度が向上せず、高い磁束密度が得られないという問題があった。
本発明は以上の背景を考慮して為されたものであって、電気抵抗と磁束密度が高い圧粉磁芯用磁性粉末及びこれを用いた圧粉磁芯を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明として、金属酸化物を還元することによって得られる金属粒子を主として構成されており、前記金属粒子の表面は炭素、窒化ホウ素の少なくとも一つで被覆されており、平均粒径０．００１〜１μｍである圧粉磁芯用磁性粉末を提供する。さらに、前記圧粉磁芯用磁性粉末は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含むことを特徴とする。また、前記圧粉磁芯用磁性粉末に樹脂を添加して成形することによって得られる圧粉磁芯を提供する。
【０００６】本発明の圧粉磁芯用磁性粉末において、被覆物質である炭素や窒化ホウ素は固体潤滑剤として公知の材料である。したがって上記磁性粉末を圧縮成形する際には、上記被覆物質によって粉末同士の凝集を防ぐとともに粉末間の摩擦を低減でき、結果として圧粉体の充填密度が向上する。さらに充填密度の向上によって高い磁束密度が得られる。すなわち上記本発明に係る圧粉磁芯は、圧粉体の密度が５．７Ｍｇ／ｍ３以上であり、磁束密度が１．５Ｔ以上であることを特徴とする。金属酸化物を還元することによって得られる被覆付きの金属粒子からなる圧粉磁芯用磁性粉末を用いることで、高密度且つ高磁束密度の圧粉磁芯を構成することができる。
【０００７】
また、本発明の圧粉磁芯用磁性粉末の平均粒径は０．００１〜１μｍの範囲にあり、微細であるため、従来の圧粉磁芯よりも渦電流損失が低減する。さらに炭素や窒化ホウ素による被覆の効果によって磁性粉末の分散性が向上しているため、圧粉磁芯においては樹脂による粉末間の絶縁が効果的に実現でき、圧粉磁芯の電気抵抗が高くなる。
他に炭素や窒化ホウ素は熱伝導性に優れているため、本発明の圧粉磁芯用磁性粉末を使用すると、圧粉磁芯の放熱性が向上する。すなわちモータなどで使用される場合に圧粉磁芯は熱減磁が少なく、安定した磁化を供給することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。すなわち、本発明者らは、遷移金属、なかでもＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属酸化物粉末と炭素粉末とを、非酸化性の雰囲気中で加熱することにより炭素が金属酸化物を還元し、冷却過程で金属に固溶していた余剰の炭素が表面に析出することによって、炭素で被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子が生成することを見出した。また、遷移金属、なかでもＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属酸化物粉末とホウ素粉末とを、窒素を含む不活性雰囲気中で加熱することにより、ホウ素が金属酸化物を還元し、さらには余剰のホウ素が雰囲気中の窒素と反応して窒化ホウ素（以下、ＢＮ）を生成し、ＢＮで被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子を合成できることを見出した。上記炭素、窒化ホウ素の少なくとも一つで被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子は、平均粒径が１μｍ以下と微細であるにも関わらず、被覆材料が固体潤滑剤として機能するため粉体間の潤滑性に優れ、圧縮性の良い圧粉磁芯用磁性粉末として適用できることを見出した。上記金属粒子が窒化ホウ素で被覆されている場合は特に絶縁性に優れている。さらに、金属粒子の平均粒径が通常の圧粉磁芯用磁性粉末よりも微細であるため、渦電流損失が非常に小さく、鉄損の少ない圧粉磁芯を提供することができる。
【０００９】
以下に、炭素で被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子の製法を説明する。金属酸化物を構成する金属元素としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んでいればよく、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んだ合金の酸化物であってもよい。金属と酸素の組成比は特に限定されない。酸化物を原料とするため酸化安定性に優れており、大気中での取り扱いが容易である。金属酸化物粉末の平均粒径は還元後の金属粒子の平均粒径に影響するため、０．００１〜１μｍの範囲で選択できる。炭素粉末としては炭素単体の粉末が適しているが、炭素を含有する金属、半金属の粉末やポリビニルアルコールなどの高分子体の粉末も使用できる。炭素単体の粉末としては黒鉛、石墨、アモルファスカーボンやカーボンブラックなど、主要構成元素が炭素である粉末を使用できる。炭素粉末の平均粒径は０．００１〜１００μｍの範囲内で選択できるが、より好ましくは０．１〜５０μｍとする。平均粒径が極端に微細であると、原料コストが高くなる。炭素粉末が５０μｍを越えると前記金属酸化物粒子と混合する際、分散に不均一が生じ、未反応生成物発生の原因となる。金属酸化物と炭素粉末の混合粉において、金属酸化物の含有率は５〜８０ｍａｓｓ％が好ましい。５ｍａｓｓ％未満では金属含有率が極端に小さくなって収率が低くなる。８０ｍａｓｓ％を越えると炭素が不足して金属酸化物の還元が不十分となるとともに、金属粒子の粒成長が促進されて粗大粒発生の原因となる。金属酸化物粉末と炭素粉末との混合においては、乳鉢などで手動混合してもよいし、Ｖ字型混合機などの自動混合機を使用することもできる。
【００１０】
前記手法により得た混合粉を熱処理する際、アルミナ、黒鉛、ＢＮなどの耐熱性かつ安定性に優れた材料で構成されるルツボを使用することができる。熱処理時の雰囲気は非酸化性雰囲気であれば特に限定されず、例えばＡｒ、Ｈｅ、Ｎｅなどの不活性ガスや窒素ガスを使用する。熱処理温度は６００℃以上の温度とすることができるが、実用的には１０００〜１６００℃が好ましい。１０００℃未満の温度では熱処理時間が著しく長時間化する。１６００℃を越える温度では加熱炉に耐熱部材を使用しなければならず製造コストが高くなる。熱処理中の反応は、以下の３工程を経る。
【００１１】
第一工程：炭素が金属酸化物を還元して炭酸ガスが発生し、還元された金属粒子と余剰の炭素粉が共存する工程。
第二工程：金属中に炭素が固溶する工程。
第三工程：冷却とともに金属粒子表面へ析出してきた炭素が成長して金属粒子を被覆する工程。
【００１２】
以上の工程より、金属酸化物を還元することによって得られた金属粒子であって、前記金属粒子の表面は炭素で被覆されており、平均粒径が０．００１〜１μｍであることを特徴とする金属超微粒子が得られる。圧粉磁芯用粉末としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む強磁性金属超微粒子であることが好ましい。
【００１３】
以下にＢＮで被覆されたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む金属粒子の製法を説明する。金属酸化物を構成する金属元素としてはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んでいればよく、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一つを含んだ合金の酸化物であってもよい。金属と酸素の組成比は特に限定されない。酸化物を原料とするため酸化安定性に優れており、大気中での取り扱いが容易である。金属酸化物粉末の平均粒径は還元後の金属粒子の平均粒径に影響するため、０．００１〜１μｍの範囲で選択できる。ホウ素粉末としてはホウ素単体の粉末が適しているが、ホウ素を含有する金属あるいは半金属の粉末も使用できる。ホウ素粉末の平均粒径は０．００１〜１００μｍの範囲内で選択できるが、より好ましくは０．１〜５０μｍとする。０．１μｍ未満のホウ素粉末は作製するのが困難であり、原料コストが高くなる。ホウ素粉末が５０μｍを越えると前記金属酸化物粒子と混合する際、分散に不均一が生じ、未反応生成物発生の原因となる。金属酸化物とホウ素粉末の混合粉において、金属酸化物の含有率は５〜８０ｍａｓｓ％が好ましい。５ｍａｓｓ％未満では金属含有率が極端に小さくなって収率が低くなる。８０ｍａｓｓ％を越えるとホウ素が不足して金属酸化物の還元が不十分となるとともに、窒化ホウ素が生成しなくなる。ここで、ｍａｓｓ％は被測定物の単位質量中、所定の成分のものの質量を百分率で表わすものである。
【００１４】
金属酸化物粉末とホウ素粉末との混合には、乳鉢などで手動混合してもよいし、Ｖ字型混合機などの自動混合機を使用することもできる。前記手法により得た混合粉を熱処理する際、アルミナ、黒鉛、ＢＮなどの耐熱性かつ安定性に優れた材料で構成されるルツボを使用することができる。熱処理時の雰囲気は窒素を含む不活性雰囲気であって、窒素のみならず窒素とＡｒ、窒素とＨｅ、窒素とＮｅ、窒素とアンモニア、あるいは窒素と水素、といった混合ガスも使用できる。安全性を考慮すれば窒素または窒素と不活性ガス（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎｅなど）との混合ガスを使用することが好ましい。熱処理温度は８００℃以上の温度とすることができるが、実用的には１０００〜１６００℃が好ましい。１０００℃未満の温度では熱処理時間が著しく長時間化する。１６００℃を越える温度では加熱炉に耐熱部材を使用しなければならず製造コストが高くなる。熱処理中の反応は、以下の３工程を経る。
【００１５】
第一工程：ホウ素が金属酸化物を還元して、金属とホウ素とホウ素酸化物の混相状態となる工程。
第二工程：還元された金属とホウ素が反応して化合物を形成し、金属と金属ホウ化物とホウ素酸化物の混相状態となる工程。
第三工程：金属ホウ化物のホウ素が表面へ拡散して雰囲気中の窒素と反応し、ＢＮが形成する工程。この工程で金属ホウ化物粒子がＢＮで被覆された金属粒子へと変化する。
【００１６】
以上の工程より、金属酸化物を還元することによって得られた金属粒子であって、前記金属粒子の表面は窒化ホウ素で被覆されており、平均粒径が０．００１〜１μｍであることを特徴とする金属超微粒子が得られる。圧粉磁芯用粉末としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含む強磁性金属超微粒子であることが好ましい。
以上、被覆材料が炭素とＢＮの場合に分けて圧粉磁芯用磁性粉末の製法を記述したが、炭素粉末とホウ素粉末を同時添加することによりＢ−Ｃ−Ｎ化合物による被覆も可能である。
【００１７】
本発明によって得られる圧粉磁芯用磁性粉末は１μｍ以下であり、従来の圧粉磁芯用粉末よりも粒径が微細である。平均粒径が微細であると粉末間の摩擦力が大きい、粉末同士が凝集しやすい、などの理由から圧粉体密度が低下する恐れがあるが、本発明の金属粒子は表面が炭素若しくはＢＮで被覆されているため粉末間の潤滑性に優れており、高密度の圧粉体を作製でき、高磁束密度を得ることができる。粉末間を十分に絶縁するため、本発明の圧粉磁芯は絶縁材として樹脂を含有する。特にＢＮは絶縁材料であるため、金属粉末間を完全に絶縁させることができる。十分に絶縁された磁性粉末から得られる圧粉磁芯は、高い絶縁性を維持しながら磁性粉末が高充填されているため磁束密度が高い。また、磁性粉末が微細であるため、従来の圧粉磁芯粉末を用いた場合よりも渦電流損失が小さい。
【００１８】
樹脂としては、スチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン／アクリル樹脂、エステル樹脂、ウレタン樹脂、オレフィン樹脂、フェノール樹脂、カーボネート樹脂、ケトン樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂の中から少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。樹脂の含有量は、前記圧粉磁芯用磁性粉末に対して好ましくは１〜３０ｖｏｌ％、より好ましくは２〜２０ｖｏｌ％である。樹脂含有量が少なすぎると圧粉磁芯の機械的強度が低下したり、絶縁性が低下する。一方、樹脂含有量が多すぎる場合には非磁性部の体積率が大きくなり、圧粉磁芯の磁束密度が低下してしまう。前記圧粉磁芯用磁性粉末と樹脂との混合の際には、固体状または液体状の樹脂を溶液化して混合してもよく、液状の樹脂を直接混合してもよい。また、固体状樹脂を粉砕機で粉砕して微粒子にしてから混合することができる。以上の手法により、磁性粉末の表面に薄い絶縁性樹脂被膜を形成することができる。磁性粉末と樹脂は、加圧ニーダーやライカイ機などを用いて混合した後、プレス成形装置により所望の形状に成形する。成形条件は特に限定されず、圧力は３９０〜１９６０ＭＰａ、最大圧力の保持時間は０．１〜６０ｓ程度でよく、目的とする磁芯の寸法・形状に応じて適宜決定すればよい。
【００１９】
平均粒径は、例えば、圧粉磁芯用磁性粉末の試料を溶媒中に分散させて、レーザー光線を照射して回折を利用して平均粒径を測定する方法（第１の方法）により求めることができる。あるいは、空気透過法（例えば、フィッシャー・サブ・シーブ・サイザー（Ｆ．Ｓ．Ｓ．Ｓ）法）により求めることができる（第２の方法）。高い測定精度を得るには、第１の方法を用いた市販の測定装置を用いる方が好ましい。なお、試料の量が微量である為、第１および第２の方法では平均粒径の測定が困難な場合には、圧粉磁芯用磁性粉末の試料を電子顕微鏡で観察して平均粒径を測定する（第３の方法）。例えば、試料の電子顕微鏡写真を取る。写真内で任意の面積内にある金属超微粒子の粒径を測定して平均値を求めたり、あるいは写真内で任意の長さの線分を引いて、線分の粒子を横断する部分の長さの和Ｌと線分が横断した粒子の数Ｎとから、平均粒径＝Ｌ／Ｎとして求める。ただし、第３の方法では、少なくとも５０個以上の粒子の平均値を得るものとする。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
酸化鉄粉（堺化学工業（株）製、ＦＲＯ−３）とホウ素粉末（レアメタリック社製、＃３２５メッシュ）を原料として用いた。ここで平均粒径は酸化鉄粉が０．０３μｍ、ホウ素粉末が２１μｍである。酸化鉄粉とホウ素粉末を５：５の割合で秤量し、Ｖ字型ミキサーによって１０分間混合した。得られた混合粉をアルミナ製ボートに充填し、管状炉にて１１００℃で２時間熱処理した。加熱時の雰囲気は窒素ガスとした。室温まで炉冷した熱処理済の混合粉は軽く凝集していたため、匙で解砕しながら回収した。上記粉末のＸ線回折測定結果を図１の（ａ）に示す。主要ピークは六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）と鉄（α−Ｆｅ）である。さらに透過型電子顕微鏡により上記粉末を観察すると、図２に示すように鉄粒子を窒化ホウ素膜が被覆していた。
【００２１】
図２は、電子顕微鏡で観察した本発明に係る粒子構造の顕微鏡写真であり、ＢＮ被覆したＦｅ粒子を示している。図３は、図２の構造を模式的に説明するための概略図である。図３に示すように、Ｆｅ粒子１１の表面に被覆されたＢＮ膜には、積層された結晶格子の縞模様が認められる。格子面１３の部分は、格子面がＦｅ粒子１１の表面に沿って、複数の格子面がほぼ並行に積層されている。格子面１４や格子面１５の部分は、格子面同士が平行でない箇所を有するが、Ｆｅ粒子１１の表面を十分に被覆していることがわかる。粒子および被覆膜の組成分析にはＥＤＸおよびＥＥＬＳ分析を用いた。熱処理済混合粉から非磁性粉を除去するため、アセトン中に上記粉末を投入して３０分間超音波を印加した後、永久磁石を液面上部に近づけて磁性粒子だけを回収した。アセトンを自然乾燥させて圧粉磁芯用磁性粉末とした。
【００２２】
上記圧粉磁芯用磁性粉末にシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング社製、ＳＲ−２４１０）を秤量して、加圧ニーダーで３０分間混合した。シリコーン樹脂は上記磁性粉末に対して２ｖｏｌ％とした。磁性粉末と樹脂の混合粉を金型に充填して、１２０ｍｍ×１３０ｍｍ×１００ｍｍの直方体寸法となるよう、５９０ＭＰａの圧力で加圧成形した。成形後の圧粉体の密度、電気抵抗率、磁束密度を評価した結果を表１に示す。密度はアルキメデス法で測定した。電気抵抗率は四端子法で測定した。磁束密度は直流Ｂ−Ｈトレーサを用いて２０ｋＡ／ｍ印加時の値を測定した。
【００２３】
（実施例２）
酸化鉄粉（堺化学工業（株）製、ＦＲＯ−３）と炭素粉末（高純度化学社製、ｃａ．５μｍ）を原料として用いた。ここで平均粒径は酸化鉄粉が０．０３μｍ、炭素粉末が５μｍである。酸化鉄粉と炭素粉末を５：５の割合で秤量し、Ｖ字型ミキサーによって１０分間混合した。得られた混合粉をアルミナ製ボートに充填し、管状炉にて１１００℃で２時間熱処理した。加熱時の雰囲気は窒素ガスとした。室温まで炉冷した熱処理済混合粉は特に凝集は見られず、直接回収した。上記粉末のＸ線回折測定結果を図１の（ｂ）に示す。主要ピークはグラファイトと鉄（α−Ｆｅ）である。さらに透過型電子顕微鏡により上記粉末を観察すると、図４に示すように鉄粒子をグラファイト膜が被覆していた。
【００２４】
図４は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察した実施例２に係る粒子の構造の顕微鏡写真である。ＴＥＭ観察するにあたり、必要とされる試料調整以外、粒子への損傷や変異などを与える加工は一切施していない。図５は、図４の構造を模式的に説明する概略図であり、若干拡大している。粒子１は、α−Ｆｅの粒子２の表面が全て所定の厚さのグラファイト薄膜１０で被覆された粒子である。この被覆はα−Ｆｅの粒子２の表面を保護しており、効果的に酸化防止している。グラファイト薄膜１０の外側に散在する凸部８，９は、グラファイトの異層が成長したものか、異物が付着したもののいずれかと推定される。α−Ｆｅの粒子２自体の明暗のパターン３ａ，３ｂ，３ｃは、α−Ｆｅの粒子２の形状（略球形）に起因する干渉パターン（２点鎖線で表示）である。
【００２５】
α−Ｆｅの粒子の両端では、グラファイト薄膜の境界４が若干不明瞭に撮影されているため、点線で表示した。これは略球形の形状により全てに焦点を合わせることが難しいためであり、実際の形状が不明瞭になっている訳ではない。１点鎖線で輪郭を表示した領域は、粒子１をＴＥＭ観察のサンプルホルダーに固定させるためのコロジオン膜５である。符号２０の線と符号は、その３本線の長さが２０ｎｍに相当するスケールであり、図４を撮影した際のスケールに基づいて図５に付け加えたものである。
【００２６】
粒子および被覆膜の組成分析にはＥＤＸおよびＥＥＬＳ分析を用いた。熱処理済の混合粉から非磁性粉を除去するため、アセトン中に上記粉末を投入して３０分間超音波を印加した後、永久磁石を液面上部に近づけて磁性粒子だけを回収した。アセトンを自然乾燥させて圧粉磁芯用磁性粉末とした。
【００２７】
上記圧粉磁芯用磁性粉末にシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング社製、ＳＲ−２４１０）を秤量して、加圧ニーダーで３０分間混合した。シリコーン樹脂は上記磁性粉末に対して２ｖｏｌ％（２体積％）とした。磁性粉末と樹脂の混合粉を金型に充填して、１２０ｍｍ×１３０ｍｍ×１００ｍｍの直方体寸法となるよう、５９０ＭＰａの圧力で加圧成形した。成形後の圧粉体の密度、電気抵抗率、磁束密度を評価した結果を表１に示す。密度はアルキメデス法で測定した。電気抵抗率は四端子法で測定した。磁束密度は直流Ｂ−Ｈトレーサを用いて２０ｋＡ／ｍ印加時の値を測定した。
【００２８】
（比較例１）
圧粉磁芯用磁性粉末として、カルボニルＦｅ粒子（レアメタリック社製、３μｍ）を使用した以外は実施例１と同様にして圧粉体を作製し、圧粉磁芯として評価した。評価結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る構成を用いることにより、電気抵抗と磁束密度が高い圧粉磁芯用磁性粉末及びこれを用いた圧粉磁芯を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理後の粉末のＸ線回折パターンを示すグラフである。
【図２】電子顕微鏡で観察した粉末を構成する粒子の顕微鏡写真である。
【図３】図２の写真の構造に対応する概略図である。
【図４】電子顕微鏡で観察した粉末を構成する粒子の顕微鏡写真である。
【図５】図４の写真の構造に対応する概略図である。
【符号の説明】
１ 粒子、 ２ α−Ｆｅの粒子、
３ａ，３ｂ，３ｃ 明暗のパターン、
４ グラファイト薄膜の境界、 ５ コロジオン膜、
８，９ 凸部、
１０ グラファイト薄膜、 １１ Ｆｅ粒子、 １３ 格子面、
１４ 格子面、１５ 格子面、[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dust core using magnetic metal particles.
[0002]
[Prior art]
In recent years, miniaturization of electric and electronic devices has been progressing, and accordingly, a compact dust core has been required. Furthermore, since the operating frequency of electronic devices such as CPUs is becoming higher, there is a need for a dust core having low loss at high frequencies.
Ferrite powder or ferromagnetic metal powder is used as a magnetic material of the powder for the dust core. Ferrite magnetic materials tend to be magnetically saturated because of their low saturation magnetic flux density, and when used in inductors, the inductance is greatly reduced. On the other hand, a ferromagnetic metal material is excellent in that the saturation magnetic flux density is extremely large as compared with ferrite. However, since the ferromagnetic metal material has low electric resistance, eddy current loss is large in a high frequency range of several hundred kHz to MHz. In order to reduce the eddy current loss, an insulating treatment between powders is performed. For example, a method of coating the surface of a metal magnetic powder with an inorganic or organic insulating layer has been proposed (Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-56-155510 (pages 1 to 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The insulating treatment of the powder for the dust core suppresses an increase in eddy current loss due to a short-circuit caused by contact between the powder particles. However, in the conventional insulation treatment, the electric resistance is about several tens Ω · cm, and the electric insulation is low. In order to enhance the electrical insulation, the surface of the powder for the dust core must be completely covered with an insulating material. Further, since the average particle diameter of the conventional powder for a dust core is as large as 5 to 150 μm, there is room for eddy current loss in each particle even if the powder can be completely insulated. In order to reduce eddy current loss, it is necessary to further reduce the average particle size. However, simply reducing the average particle size of the powder has the problem that the powder tends to agglomerate, friction between the powders increases, the green compact density does not improve, and a high magnetic flux density cannot be obtained. .
The present invention has been made in view of the above background, and provides a magnetic powder for a dust core having a high electric resistance and a high magnetic flux density, and a dust core using the same.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, as the present invention, a metal particle obtained by reducing a metal oxide is mainly constituted, and the surface of the metal particle is coated with at least one of carbon and boron nitride. And a magnetic powder for a dust core having an average particle size of 0.001 to 1 μm. Further, the magnetic powder for a dust core includes at least one of Fe, Co, and Ni. Further, the present invention provides a dust core obtained by adding a resin to the magnetic powder for a dust core and molding the resin.
[0006] In the magnetic powder for a dust core of the present invention, carbon or boron nitride as a coating substance is a known material as a solid lubricant. Therefore, when the magnetic powder is compression-molded, the coating material prevents the powders from agglomerating and reduces friction between the powders. As a result, the packing density of the compact is improved. Furthermore, a high magnetic flux density can be obtained by improving the filling density. That is, the dust core according to the present invention is characterized in that the density of the compact is 5.7 Mg / m 3 or more and the magnetic flux density is 1.5 T or more. By using a magnetic powder for a dust core made of coated metal particles obtained by reducing a metal oxide, a dust core having a high density and a high magnetic flux density can be formed.
[0007]
Further, the average particle size of the magnetic powder for a dust core of the present invention is in the range of 0.001 to 1 μm and is fine, so that eddy current loss is reduced as compared with the conventional dust core. In addition, since the dispersibility of the magnetic powder is improved by the effect of coating with carbon or boron nitride, insulation between the powders by the resin can be effectively realized in the dust core, and the electrical resistance of the dust core is high. Become.
In addition, since carbon and boron nitride have excellent thermal conductivity, the use of the magnetic powder for a dust core of the present invention improves the heat dissipation of the dust core. That is, when used in a motor or the like, the dust core has little thermal demagnetization and can supply stable magnetization.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. That is, the present inventors heated a carbon oxide powder and a metal oxide powder containing at least one of transition metals, in particular, Fe, Co, and Ni in a non-oxidizing atmosphere, whereby carbon was converted into a metal oxide powder. Was reduced, and excess carbon dissolved in the metal in the cooling process was precipitated on the surface, thereby producing metal particles containing at least one of Fe, Co, and Ni coated with carbon. . Further, by heating a metal oxide powder containing at least one of transition metals, especially Fe, Co, and Ni and a boron powder in an inert atmosphere containing nitrogen, boron reduces the metal oxide, Furthermore, it has been found that surplus boron reacts with nitrogen in the atmosphere to generate boron nitride (hereinafter, BN), so that metal particles containing at least one of Fe, Co, and Ni coated with BN can be synthesized. The metal particles containing at least one of Fe, Co, and Ni coated with at least one of the above carbon and boron nitride have a coating material as a solid lubricant despite having a fine average particle size of 1 μm or less. It has been found that since it functions, it has excellent lubricity between powders and can be applied as a magnetic powder for a dust core having good compressibility. When the metal particles are coated with boron nitride, they are particularly excellent in insulating properties. Further, since the average particle diameter of the metal particles is smaller than that of a normal magnetic powder for a dust core, a dust core having very small eddy current loss and low iron loss can be provided.
[0009]
Hereinafter, a method for producing metal particles containing at least one of Fe, Co, and Ni coated with carbon will be described. The metal element constituting the metal oxide may include at least one of Fe, Co, and Ni, and may be an oxide of an alloy including at least one of Fe, Co, and Ni. The composition ratio of metal and oxygen is not particularly limited. Since the oxide is used as a raw material, it has excellent oxidation stability and is easy to handle in the air. Since the average particle size of the metal oxide powder affects the average particle size of the reduced metal particles, it can be selected in the range of 0.001 to 1 μm. As the carbon powder, a powder of simple carbon is suitable, but a powder of a carbon-containing metal or metalloid, or a powder of a polymer such as polyvinyl alcohol can also be used. As a powder of carbon alone, a powder whose main constituent element is carbon, such as graphite, graphite, amorphous carbon or carbon black, can be used. The average particle size of the carbon powder can be selected within the range of 0.001 to 100 μm, but is more preferably 0.1 to 50 μm. When the average particle size is extremely fine, the raw material cost increases. If the carbon powder exceeds 50 μm, when the carbon powder is mixed with the metal oxide particles, the dispersion becomes non-uniform, which causes the generation of unreacted products. In the mixed powder of the metal oxide and the carbon powder, the content of the metal oxide is preferably from 5 to 80 mass%. If it is less than 5 mass%, the metal content becomes extremely small and the yield becomes low. If it exceeds 80 mass%, carbon is insufficient and the reduction of the metal oxide becomes insufficient, and the grain growth of the metal particles is promoted, which causes the generation of coarse grains. In mixing the metal oxide powder and the carbon powder, manual mixing may be performed in a mortar or the like, or an automatic mixer such as a V-shaped mixer may be used.
[0010]
When the mixed powder obtained by the above method is heat-treated, a crucible made of a material having excellent heat resistance and stability, such as alumina, graphite, and BN, can be used. The atmosphere during the heat treatment is not particularly limited as long as it is a non-oxidizing atmosphere. For example, an inert gas such as Ar, He, or Ne or a nitrogen gas is used. The heat treatment temperature can be 600 ° C. or higher, but is preferably 1000 to 1600 ° C. for practical use. At a temperature lower than 1000 ° C., the heat treatment time is significantly prolonged. If the temperature exceeds 1600 ° C., a heat-resistant member must be used in the heating furnace, which increases the production cost. The reaction during the heat treatment goes through the following three steps.
[0011]
First step: a step in which carbon reduces a metal oxide to generate carbon dioxide gas, and the reduced metal particles and excess carbon powder coexist.
Second step: a step in which carbon forms a solid solution in the metal.
Third step: a step in which the carbon deposited on the surface of the metal particles grows with cooling and coats the metal particles.
[0012]
Metal particles obtained by reducing a metal oxide from the above steps, wherein the surface of the metal particles is coated with carbon, and has an average particle size of 0.001 to 1 μm. Metal ultrafine particles are obtained. The powder for the dust core is preferably a ferromagnetic metal ultrafine particle containing at least one of Fe, Co, and Ni.
[0013]
Hereinafter, a method for producing metal particles containing at least one of Fe, Co, and Ni coated with BN will be described. The metal element constituting the metal oxide may include at least one of Fe, Co, and Ni, and may be an oxide of an alloy including at least one of Fe, Co, and Ni. The composition ratio of metal and oxygen is not particularly limited. Since the oxide is used as a raw material, it has excellent oxidation stability and is easy to handle in the air. Since the average particle size of the metal oxide powder affects the average particle size of the reduced metal particles, it can be selected in the range of 0.001 to 1 μm. As boron powder, powder of boron alone is suitable, but powder of a metal or metalloid containing boron can also be used. The average particle size of the boron powder can be selected within the range of 0.001 to 100 μm, but is more preferably 0.1 to 50 μm. Boron powders of less than 0.1 μm are difficult to produce and increase raw material costs. When the boron powder exceeds 50 μm, when the powder is mixed with the metal oxide particles, the dispersion becomes non-uniform, which causes the generation of unreacted products. In the mixed powder of the metal oxide and the boron powder, the content of the metal oxide is preferably from 5 to 80 mass%. If it is less than 5 mass%, the metal content becomes extremely small and the yield becomes low. If it exceeds 80 mass%, boron will be insufficient and the reduction of the metal oxide will be insufficient, and boron nitride will not be generated. Here, “mass%” represents the mass of a component of a predetermined component in the unit mass of the measured object in percentage.
[0014]
The metal oxide powder and the boron powder may be mixed manually using a mortar or the like, or an automatic mixer such as a V-shaped mixer may be used. When the mixed powder obtained by the above method is heat-treated, a crucible made of a material having excellent heat resistance and stability, such as alumina, graphite, and BN, can be used. The atmosphere during the heat treatment is an inert atmosphere containing nitrogen, and not only nitrogen but also a mixed gas such as nitrogen and Ar, nitrogen and He, nitrogen and Ne, nitrogen and ammonia, or nitrogen and hydrogen can be used. In consideration of safety, it is preferable to use nitrogen or a mixed gas of nitrogen and an inert gas (Ar, He, Ne, or the like). The heat treatment temperature can be 800 ° C. or higher, but practically preferably 1000 to 1600 ° C. At a temperature lower than 1000 ° C., the heat treatment time is significantly prolonged. If the temperature exceeds 1600 ° C., a heat-resistant member must be used in the heating furnace, which increases the production cost. The reaction during the heat treatment goes through the following three steps.
[0015]
First step: a step in which boron reduces a metal oxide to form a mixed phase of metal, boron and boron oxide.
Second step: a step in which the reduced metal and boron react to form a compound, and the mixed state of the metal, metal boride and boron oxide is obtained.
Third step: a step in which boron of the metal boride diffuses to the surface and reacts with nitrogen in the atmosphere to form BN. In this step, the metal boride particles are changed into metal particles coated with BN.
[0016]
Metal particles obtained by reducing a metal oxide from the above steps, wherein the surface of the metal particles is coated with boron nitride and has an average particle diameter of 0.001 to 1 μm. Is obtained. The powder for the dust core is preferably a ferromagnetic metal ultrafine particle containing at least one of Fe, Co, and Ni.
As mentioned above, the manufacturing method of the magnetic powder for the dust core was described separately for the case where the coating material is carbon and BN, but the coating with the BCN compound is also possible by simultaneously adding the carbon powder and the boron powder. .
[0017]
The magnetic powder for a dust core obtained by the present invention is 1 μm or less, and has a finer particle size than the conventional powder for a dust core. If the average particle size is too small, the green compact density may decrease due to reasons such as a large frictional force between the powders and a tendency of the powders to agglomerate. Since it is covered with, it is excellent in lubricity between powders, a high-density green compact can be produced, and a high magnetic flux density can be obtained. In order to sufficiently insulate between powders, the dust core of the present invention contains a resin as an insulating material. In particular, since BN is an insulating material, it is possible to completely insulate between metal powders. A dust core obtained from sufficiently insulated magnetic powder has a high magnetic flux density because it is highly filled with magnetic powder while maintaining high insulating properties. Further, since the magnetic powder is fine, eddy current loss is smaller than in the case where a conventional dust core powder is used.
[0018]
As the resin, a resin containing at least one of styrene resin, acrylic resin, styrene / acrylic resin, ester resin, urethane resin, olefin resin, phenol resin, carbonate resin, ketone resin, fluorine resin, silicone resin, and phenol resin Can be used. The content of the resin is preferably 1 to 30 vol%, more preferably 2 to 20 vol%, based on the magnetic powder for a dust core. If the resin content is too small, the mechanical strength of the dust core is reduced or the insulating property is reduced. On the other hand, if the resin content is too large, the volume ratio of the non-magnetic portion increases, and the magnetic flux density of the dust core decreases. In mixing the magnetic powder for a dust core with a resin, a solid or liquid resin may be made into a solution and mixed, or a liquid resin may be directly mixed. Further, the solid resin can be mixed after being crushed by a crusher into fine particles. By the above method, a thin insulating resin film can be formed on the surface of the magnetic powder. The magnetic powder and the resin are mixed using a pressure kneader or a raikai machine, and then molded into a desired shape by a press molding device. The molding conditions are not particularly limited, and the pressure may be 390 to 1960 MPa, the holding time of the maximum pressure may be about 0.1 to 60 s, and may be appropriately determined according to the target size and shape of the magnetic core.
[0019]
The average particle diameter is determined by, for example, dispersing a sample of magnetic powder for a dust core in a solvent, irradiating a laser beam, and measuring the average particle diameter using diffraction (first method). Can be. Alternatively, it can be determined by an air permeation method (for example, a Fischer-sub-sieve sizer (FSSS) method) (second method). In order to obtain high measurement accuracy, it is preferable to use a commercially available measurement device using the first method. When it is difficult to measure the average particle size by the first and second methods because the amount of the sample is very small, the sample of the magnetic powder for a dust core is observed with an electron microscope to determine the average particle size. Is measured (third method). For example, take an electron micrograph of the sample. Measure the average particle size of the metal ultra-fine particles in an arbitrary area in the photograph and calculate the average value, or draw a line segment of any length in the photograph and measure the length of the part that crosses the particle of the line segment The average particle diameter is determined as L / N from the sum L of the particles and the number N of the particles crossed by the line segment. However, in the third method, an average value of at least 50 or more particles is obtained.
[0020]
【Example】
(Example 1)
Iron oxide powder (FRO-3, manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd.) and boron powder (# 325 mesh, manufactured by Rare Metallic Co., Ltd.) were used as raw materials. Here, the average particle diameter is 0.03 μm for iron oxide powder and 21 μm for boron powder. The iron oxide powder and the boron powder were weighed at a ratio of 5: 5 and mixed by a V-shaped mixer for 10 minutes. The obtained mixed powder was filled in an alumina boat and heat-treated at 1100 ° C. for 2 hours in a tubular furnace. The atmosphere during the heating was nitrogen gas. The heat-treated mixed powder that had been furnace-cooled to room temperature was lightly agglomerated, and thus was recovered while being crushed with a spoon. FIG. 1A shows the result of X-ray diffraction measurement of the powder. The main peaks are hexagonal boron nitride (h-BN) and iron (α-Fe). Further observation of the powder with a transmission electron microscope showed that the iron particles were covered with a boron nitride film as shown in FIG.
[0021]
FIG. 2 is a micrograph of the particle structure according to the present invention observed with an electron microscope, and shows Fe particles coated with BN. FIG. 3 is a schematic diagram for schematically explaining the structure of FIG. As shown in FIG. 3, the BN film coated on the surface of the Fe particles 11 has a stripe pattern of the laminated crystal lattice. In the portion of the lattice plane 13, a plurality of lattice planes are stacked substantially parallel to each other along the surface of the Fe particle 11. It can be seen that the lattice planes 14 and 15 have portions where the lattice planes are not parallel to each other, but sufficiently cover the surface of the Fe particles 11. EDX and EELS analyzes were used for the composition analysis of the particles and the coating film. In order to remove the non-magnetic powder from the heat-treated mixed powder, the powder was put into acetone, and ultrasonic waves were applied for 30 minutes. Then, the permanent magnet was brought close to the upper surface of the liquid to collect only the magnetic particles. Acetone was naturally dried to obtain a magnetic powder for a dust core.
[0022]
A silicone resin (manufactured by Dow Corning Toray, SR-2410) was weighed to the magnetic powder for a dust core, and mixed with a pressure kneader for 30 minutes. The silicone resin was 2 vol% with respect to the magnetic powder. The mixed powder of the magnetic powder and the resin was filled in a mold, and was press-molded at a pressure of 590 MPa so as to have a rectangular parallelepiped size of 120 mm × 130 mm × 100 mm. Table 1 shows the results of evaluation of the density, electrical resistivity, and magnetic flux density of the green compact after molding. The density was measured by the Archimedes method. The electrical resistivity was measured by a four-terminal method. The magnetic flux density measured the value at the time of applying 20 kA / m using the direct current BH tracer.
[0023]
(Example 2)
Iron oxide powder (FRO-3, manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd.) and carbon powder (ca. 5 μm, manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd.) were used as raw materials. Here, the average particle size is 0.03 μm for iron oxide powder and 5 μm for carbon powder. The iron oxide powder and the carbon powder were weighed at a ratio of 5: 5 and mixed by a V-shaped mixer for 10 minutes. The obtained mixed powder was filled in an alumina boat and heat-treated at 1100 ° C. for 2 hours in a tubular furnace. The atmosphere during the heating was nitrogen gas. The heat-treated mixed powder that had been furnace-cooled to room temperature did not show any agglomeration and was directly collected. The results of X-ray diffraction measurement of the powder are shown in FIG. The main peaks are graphite and iron (α-Fe). Further, when the powder was observed with a transmission electron microscope, the iron particles were covered with a graphite film as shown in FIG.
[0024]
FIG. 4 is a micrograph of the structure of the particles according to Example 2 observed with a TEM (transmission electron microscope). In the TEM observation, no processing for causing damage or mutation to the particles was performed except for the necessary sample preparation. FIG. 5 is a schematic diagram schematically illustrating the structure of FIG. 4 and is slightly enlarged. Particle 1 is a particle in which the surface of α-Fe particle 2 is entirely covered with graphite thin film 10 having a predetermined thickness. This coating protects the surface of the α-Fe particles 2 and effectively prevents oxidation. The projections 8 and 9 scattered outside the graphite thin film 10 are presumed to be either a growth of a different layer of graphite or a deposition of foreign matter. The light-dark patterns 3a, 3b, 3c of the α-Fe particles 2 themselves are interference patterns (indicated by two-dot chain lines) resulting from the shape (substantially spherical) of the α-Fe particles 2.
[0025]
At both ends of the α-Fe particles, the boundary 4 of the graphite thin film is photographed somewhat indistinctly, and is therefore indicated by dotted lines. This is because it is difficult to focus on everything due to the substantially spherical shape, and the actual shape is not unclear. The area indicated by the dashed line is the collodion film 5 for fixing the particles 1 to the sample holder for TEM observation. The line and the reference numeral 20 are scales corresponding to the length of the three lines corresponding to 20 nm, and are added to FIG. 5 based on the scale at the time of photographing FIG.
[0026]
EDX and EELS analyzes were used for the composition analysis of the particles and the coating film. In order to remove the non-magnetic powder from the heat-treated mixed powder, the powder was put into acetone, and ultrasonic waves were applied for 30 minutes. Then, the permanent magnet was brought close to the upper surface of the liquid to collect only the magnetic particles. Acetone was naturally dried to obtain a magnetic powder for a dust core.
[0027]
A silicone resin (manufactured by Dow Corning Toray, SR-2410) was weighed to the magnetic powder for a dust core, and mixed with a pressure kneader for 30 minutes. The silicone resin was 2 vol% (2 vol%) based on the magnetic powder. The mixed powder of the magnetic powder and the resin was filled in a mold, and was press-molded at a pressure of 590 MPa so as to have a rectangular parallelepiped size of 120 mm × 130 mm × 100 mm. Table 1 shows the results of evaluation of the density, electrical resistivity, and magnetic flux density of the green compact after molding. The density was measured by the Archimedes method. The electrical resistivity was measured by a four-terminal method. The magnetic flux density measured the value at the time of applying 20 kA / m using the direct current BH tracer.
[0028]
(Comparative Example 1)
A green compact was prepared in the same manner as in Example 1 except that carbonyl Fe particles (3 μm, manufactured by Rare Metallic Co., Ltd.) were used as the magnetic powder for the dust core, and evaluated as a dust core. Table 1 shows the evaluation results.
[0029]
[Table 1]
[0030]
【The invention's effect】
As described above, by using the configuration according to the present invention, a magnetic powder for a dust core having a high electric resistance and a high magnetic flux density and a dust core using the same can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a powder after heat treatment.
FIG. 2 is a micrograph of particles constituting a powder observed with an electron microscope.
FIG. 3 is a schematic view corresponding to the structure of the photograph of FIG. 2;
FIG. 4 is a micrograph of particles constituting a powder observed with an electron microscope.
FIG. 5 is a schematic view corresponding to the structure of the photograph of FIG.
[Explanation of symbols]
1 particle, 2 α-Fe particles,
3a, 3b, 3c light and dark patterns,
4 boundary of graphite thin film, 5 collodion film,
8,9 convex part,
10 graphite thin film, 11 Fe particle, 13 lattice plane,
14 lattice planes, 15 lattice planes,
