JP2008038187A - 圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末、その製造方法およびこれを用いた圧粉磁芯 - Google Patents

Abstract

【課題】飽和磁束密度Ｂｓの高い鉄系の金属粉末を用いて、高い品質係数Ｑおよび初透磁率μｉと、高い絶縁性とを兼ね備えた高性能な圧粉磁芯を提供すること、および、これを実現するために好適な金属粉末であるマグネタイト−鉄複合粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】マグネタイトを含有し、平均一次粒径が０．７〜５．０μｍ、嵩密度が０．８〜２．６ｇ／ｃｍ^３であり、且つ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を合計で０．０１〜５mass％含有することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末を用いる。
【選択図】無し

Description

本発明は、高周波で用いられるインダクタ素子用等の磁芯材料として用いられる高性能な金属系の磁性材料に関し、特に金属磁性粉を成形して得られる圧粉磁芯用の軟磁性材料として用いて好適なマグネタイト−鉄複合粉末、その製造方法およびこれを用いた圧粉磁芯に関するものである。

電子機器の小型化、駆動周波数の高周波化に伴い、これらの機器の回路部品のひとつとして用いられるインダクタンス部品においては、小型化され、かつ、高周波下で使用される場合においても高効率の磁性素子を実現できるような高性能な磁性材料の使用が求められている。

このような状況において、高周波の信号用磁芯には、従来よりＮｉ系フェライトや圧粉磁芯が使用されている。ここで、Ｎｉ系フェライトは１００ＭＨｚ程度までは品質係数Ｑ（以下、「Ｑ値」と記す。）が高く、良好な磁気特性を示すが、１００ＭＨｚを超える高周波下では結晶構造に起因する共鳴現象の影響を受けるため、安定な初透磁率μｉおよびＱ値を得ることが難しい。一方、上記圧粉磁芯は、金属磁性粉が導体であるために高周波下で渦電流の影響を受けやすく、フェライトと比べてＱ値が低く、初透磁率μｉの周波数特性も劣るという欠点があった。

上記のような問題に対して、本発明者らは、近年の電子機器における駆動周波数の高周波化に対応するためには、より微細な金属粉末の導入が有利との考えのもとに、特願２００５−１９３３８及び特願２００５−９１５５９において、平均一次粒径が０．７〜３μｍのマグネタイト−鉄複合粉末を圧粉磁芯用として使用する技術について出願を行った。

上記の発明によれば、飽和磁束密度Ｂｓの高い鉄系の圧粉磁芯で電気抵抗を高めることができるため、高い周波数で用いても渦電流損失を抑制することができ、高い初透磁率μｉおよびＱ値、低いコアロス、優れた直流重畳特性を併せ持つ圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末およびこれを用いた圧粉磁芯を得ることができる。

一方、最近では、電子機器のさらなる小型化を図るために、飽和磁束密度Ｂｓの高い鉄系の圧粉磁芯を高周波信号用インダクタとして使用するケースが増えている。信号用途では、信号の歪みを抑制する観点からより高いＱ値が求められ、また、少ない巻線数で高いインダクタンスを得るためにより高い初透磁率μｉを有する磁芯が求められている。

また、電子機器の小型化の進展に伴い電子部品同士の間隔が狭くなっているため、電子部品間の絶縁を確保する観点から、より高い電気抵抗を有する磁芯が求められている。

本発明はこのような事情のもとになされたものであり、本発明は、飽和磁束密度Ｂｓの高い鉄系の金属粉末を用いて、高いＱ値および初透磁率μｉと、高い絶縁性とを兼ね備えた高性能な圧粉磁芯を提供すること、および、これを実現するために好適な金属粉末であるマグネタイト−鉄複合粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。

圧粉磁芯のＱ値を高める手段として、本発明者らはマグネタイト−鉄複合粉末の中の微量成分に注目して、種々の成分の含有量とＱ値の関係について詳細に検討を行った。その結果、ある種の成分を含有する時に高いＱ値が得られることを見出した。

さらに、上記複合粉末の粉体特性と圧粉磁芯のＱ値との関係を詳細に調べた結果、複合粉末の嵩密度が所定の範囲にある時に、圧粉磁芯のＱ値が向上することが判った。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので以下のような特徴を有する。
［１］マグネタイトを含有し、平均一次粒径が０．７〜５．０μｍ、嵩密度が０．８〜２．６ｇ／ｃｍ^３であり、且つ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を合計で０．０１〜５mass％含有することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末。
［２］上記［１］に記載の圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法であって、
マグネタイトを含有し、製造後のマグネタイト−鉄複合粉末中における合計の含有量が０．０１〜５mass％となる量のＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を含有する酸化鉄を、還元性雰囲気中で還元した後、さらに、酸化性雰囲気中で徐酸化処理して製造することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
［３］上記［１］に記載の圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法であって、
マグネタイトを含有し、製造後のマグネタイト−鉄複合粉末中における合計の含有量が０．０１〜５mass％となる量のＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を含有する酸化鉄を、還元性雰囲気中で還元した後、さらに、酸化性雰囲気中で徐酸化処理して得た粉粒体を、該粉粒体の粒子同士の相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上となる速度で衝突させて製造することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
［４］上記［１］に記載のマグネタイト−鉄複合粉末と、樹脂および／または無機絶縁材料とを混合し、成形してなることを特徴とする圧粉磁芯。

本発明によれば、飽和磁束密度の高い鉄系の圧粉磁芯で、１ＭΩ以上の高い電気抵抗と、１Ｍ〜３０ＭＨｚの高周波帯域で高いＱ値と初透磁率μｉを併せ持つ圧粉磁芯、および、このような圧粉磁芯を得るのに好適な圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末およびその製造方法が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

まず、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、平均一次粒径ｄが０．７〜５．０μｍ、より好ましくは０．８〜３．０μｍの範囲内で良好な高周波磁気特性を示す。平均一次粒径ｄが０．７μｍ未満では単磁区構造をとる粒子の頻度が高くなるため、粒子の保持力が著しく増大して圧粉磁芯の初透磁率μｉ値が低下する。平均一次粒径ｄが５．０μｍを超える範囲では、渦電流や磁壁共鳴などの影響を受けるために高周波域での磁気特性が低下する。なお、前記平均一次粒径ｄは、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を解析して得た値である。視野の対角線上に１０〜２０個程度の粒子が入る倍率でＳＥＭ写真を撮影し、対角線上の粒子の個数から平均一次粒径ｄを算出した。

また、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、磁性粉の防錆処理や造粒過程で、磁性粉と防錆剤や樹脂とを均一に混合するために、粉体の嵩密度を０．８〜２．６ｇ／ｃｍ^３の範囲に調整することが重要である。嵩密度が０．８ｇ／ｃｍ^３未満では、圧縮成形時に高い圧力で成形する必要があるため、圧粉磁芯に残留する成形歪の影響で高いＱ値を得ることができない。また、嵩密度が２．６ｇ／ｃｍ^３を超えると、粒子同士の接触点が多くなるため絶縁性が低下する。なお、嵩密度は、ＪＩＳ Ｚ ２５０４により測定する。

マグネタイト−鉄複合粉末の粉体の嵩密度を上記の範囲に制御する方法としては、（１）出発原料である酸化鉄の段階で適当な嵩密度の粉体を選定する方法、（２）還元過程で粒子形状を平滑化する効果のある成分、例えばＣｏなどを予め酸化鉄に添加してから還元処理する方法、（３）還元後の粉体同士を高速で衝突させることで粒子表面を平滑化する方法、（４）還元後の粉体を塩酸等で化学エッチングする方法、などがある。なお、上記（１）の方法は原料が限定され、また、上記（４）の方法は量産性が劣るため、上記（２）および／または（３）の方法を用いることが好適である。

また、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を合計で０．０１〜５mass％、好ましくは、０．１〜３mass％含有することが重要である。Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上の合計の含有量が０．０１mass％未満では、還元処理過程における粒子の平滑化効果が小さいため電気抵抗が増大せず、また、Ｑ値を改善する効果も小さいため好ましくない。また、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上の合計の含有量が５mass％を超えると、却って電気抵抗が低下して渦電流損が増大し、Ｑ値が抵下するため、好ましくない。

ここで、前記本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、マグネタイトを含有し、還元処理後のマグネタイト−鉄複合粉末中における合計の含有量が０．０１〜５mass％となる量のＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を含有する酸化鉄を出発原料として用い、これを水素或いは窒素などの還元性雰囲気中で４００〜８５０℃の温度で還元処理し、さらに、酸素濃度１〜１０vol.％の酸化性雰囲気中で表面を徐酸化処理して安定化した後に、炉より取り出すことで製造することができる。

前記原料である酸化鉄中にＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を含有することで圧粉磁芯の電磁気特性が改善する機構については明らかではないが、還元処理過程で酸化鉄（ヘマタイト）が鉄（α−Ｆｅ）に変態する際にこれらの成分が存在すると粒子形状が丸みを帯び、かつ、粒度分布が均一化する傾向があることから、粒子表面の平滑化効果が得られること、また、これらの成分が還元処理過程で粒子の表面に濃化し表面絶縁層を形成して粒子の絶縁性を改善することなどによる可能性が考えられる。従って、本発明では、酸化鉄の還元処理過程で原料中にＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上の成分が存在することが重要であり、鉄粉に後からこれらの成分を添加する方法では本発明で得られるような電気抵抗増大効果およびＱ値改善効果を得ることはできない。

さらに、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、上記の還元処理工程及び徐酸化処理工程の後に、粉粒体である粒子同士を、相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で衝突させて粒子表面の平滑化処理を行うことが好ましい。これにより、圧粉磁芯の電気抵抗がより増大し、Ｑ値がより向上するからである。この平滑化処理により圧粉磁芯の電気抵抗が増大する理由は、衝突により粒子表面の突起が消滅することで、圧粉体における粒子同士の接触頻度が低減し、粒子間の絶縁性が向上するためと考えられる。また、Ｑ値が向上する理由は、衝突により粒子表面の突起が消失したことで成形歪が軽減し、ヒステリシス損失が低減するためと、圧粉磁芯の電気抵抗が増大して渦電流損が低減するためと考えられる。

前記粒子同士の衝突の相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満では、衝突による衝撃力が小さいために平滑化効果が不十分であり、十分な電気抵抗増大効果を得ることができない。ここで、５０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で粒子同士を衝突させる手段としては、例えば、（株）奈良機械製作所製のハイブリダイザーシステムなどのような機械的表面改質装置を用いることができる。ただし、同様の効果が得られる手段であれば、これに限定されるものではない。

以上のような方法で、本発明の圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末を得ることができる。

次に、上述の本発明に係るマグネタイト−鉄複合粉末と、樹脂および／または無機絶縁材料とを混合した後、圧縮成形し、必要に応じて樹脂の熱硬化処理を施すことで、１ＭΩ以上の高い絶縁性と、１Ｍ〜３０ＭＨｚの高周波下で高いＱ値と初透磁率μｉを示す圧粉磁芯を得ることができる。

ここで、前記樹脂は、結合用として用いられるが、その種類としては、例えば、フェノール樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。

また、前記無機絶縁材料としては、絶縁性粉末、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の微粉末を用いることができる。

また、前記圧縮成形は、その方法は特に限定されず、通常用いられる圧縮成形の他、温間圧縮成形、射出成形等の成形方法を用いることができる。

以下に本発明の具体的実施例を記載する。

［実施例１］
フェライト用酸化鉄（ＪＦＥケミカル社製ＪＣ−ＤＣ、空気透過法により測定した平均粒径０．８μｍ）に対し、還元し、さらに、酸化性雰囲気中で表面を徐酸化処理して安定化した後のＣｒ含有量が１mass％となるように酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３)を添加し、純水とスチールボールを用いてボールミルで湿式混合した後、乾燥、整粒してＣｒ含有酸化鉄を作製した。これを水素雰囲気中４００〜８００℃の温度で還元処理して、平均一次粒径および嵩密度の異なる種々の鉄粉を得た。その後、炉を開放する前に５vol.％Ｏ_２−Ｎ_２雰囲気で保持することにより、鉄粉の表層にマグネタイトを生成させてから炉外に取り出し、表１に示すＣｒ含有量が１mass％の種々のマグネタイト−鉄複合粉末を得た。

得られた前記粉末の構成相をＸ線回折で調べた結果、全試料ともα−Ｆｅ相が９９．７〜１００mass％、残部０．０１〜０．３mass％はマグネタイト相であった。ＳＥＭ写真より算出した平均一次粒径および嵩密度を測定した結果を下表１に示す。

引き続き、マグネタイト−鉄複合粉末に対して５mass％のフェノール樹脂を混合し、成形圧力７ｔ／ｃｍ^２（約７００ＭＰａ）で圧縮成形して、外径１２ｍｍφのリング型試料を作製し、１５０℃×３０分の熱処理を施してフェノール樹脂を硬化させた。得られたリング型試料の両端をワニ口クリップで挟み、印加電圧１０Ｖで電気抵抗を測定した。初透磁率μｉとＱ値の周波数特性は、ＬＣＲメータを用いてＮ＝１０巻、印加電流０．２ｍＡ、周波数１００ｋ〜３０ＭＨｚの条件下（表１は周波数３０ＭＨｚで測定）で測定した。

本発明例および比較例の電気抵抗、３０ＭＨｚで測定した初透磁率μｉ、Ｑ値の最大値Ｑmaxの評価結果を表１に併せて示す。表１に示すように、本発明に係る範囲のマグネタイト−鉄複合粉末を用いることにより、１ＭΩ以上の高抵抗、高初透磁率μｉ、高Ｑ値を同時に満足することができる。

[実施例２]
フェライト用酸化鉄（ＪＦＥケミカル社製ＪＣ−ＤＣおよびＪＣ−ＣＰＷ）に対し、還元し、さらに、酸化性雰囲気中で表面を徐酸化処理して安定化した後のＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの含有量が表２に示す含有量となるようにＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの酸化物を添加し、純水とスチールボールを用いてボールミルで湿式混合した後、乾燥、整粒してＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖを含有する酸化鉄を作製した。これを水素雰囲気中５７５℃の温度で還元処理して、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの含有量の異なる種々の鉄粉を得た。その後、炉を開放する前に３vol.％Ｏ_２−Ｎ_２雰囲気で保持することにより、鉄粉の表層にマグネタイトを生成させてから炉外に取り出し、表２に示す種々のマグネタイト−鉄複合粉末を得た。さらに、このマグネタイト−鉄複合粉末に対して、機械的表面改質装置（（株）奈良機械製作所製のハイブリダイザーシステム）を用いて、粒子同士を、相対速度８０ｍ／ｓｅｃで衝突させて粒子表面の平滑化処理を施した。

得られた前記粉末の構成相をＸ線回折で調べた結果、全試料ともα−Ｆｅ相が９９．８〜１００mass％、残部０．０１〜０．３mass％はマグネタイト相であった（ただし、Ｎｏ．１７ではＣｒ_２０_３相の極僅かなピークが観測された）。また、全試料ともＳＥＭ写真より算出した平均一次粒径は０．７〜３μｍ、嵩密度は１．２〜２．０ｇ／ｃｍ^３の範囲であった。

引き続き、マグネタイト−鉄複合粉末に対して３mass％のフェノール樹脂を混合し、成形圧力７ｔ／ｃｍ^２（約７００ＭＰａ）で圧縮成形して、外径１２ｍｍφのリング型試料を作製し、１５０℃×３０分の熱処理を施してフェノール樹脂を硬化させた。得られたリング型試料の両端をワニ口クリップで挟み、印加電圧１０Ｖで電気抵抗を測定した。初透磁率μｉとＱ値の周波数特性は、ＬＣＲメータを用いてＮ＝１０巻、印加電流０．２ｍＡ、周波数１００ｋ〜３０ＭＨｚの条件下（表２は周波数３０ＭＨｚで測定）で測定した。

本発明例および比較例の電気抵抗、３０ＭＨｚで測定した初透磁率μｉ、Ｑ値の最大値Ｑmaxの評価結果を表２に併せて示す。表２に示すように、本発明に係る範囲のマグネタイト−鉄複合粉末を用いることにより、１ＭΩ以上の高抵抗、高初透磁率μｉ、高Ｑ値を同時に満足することができる。

以上の実施例１，２で示した通り、本発明に係るマグネタイト−鉄複合粉末を用いることで、飽和磁束密度Ｂｓの高い金属系の圧粉磁芯で、高い絶縁性と高周波域における高い磁気特性を同時に得ることができ、本発明の効果が確認できた。

Claims (4)

1. マグネタイトを含有し、平均一次粒径が０．７〜５．０μｍ、嵩密度が０．８〜２．６ｇ／ｃｍ^３であり、且つ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を合計で０．０１〜５mass％含有することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末。
2. 請求項１に記載の圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法であって、
   マグネタイトを含有し、製造後のマグネタイト−鉄複合粉末中における合計の含有量が０．０１〜５mass％となる量のＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を含有する酸化鉄を、還元性雰囲気中で還元した後、さらに、酸化性雰囲気中で徐酸化処理して製造することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
3. 請求項１に記載の圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法であって、
   マグネタイトを含有し、製造後のマグネタイト−鉄複合粉末中における合計の含有量が０．０１〜５mass％となる量のＣｏ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの内のいずれか１種以上を含有する酸化鉄を、還元性雰囲気中で還元した後、さらに、酸化性雰囲気中で徐酸化処理して得た粉粒体を、該粉粒体の粒子同士の相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上となる速度で衝突させて製造することを特徴とする圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
4. 請求項１に記載のマグネタイト−鉄複合粉末と、樹脂および／または無機絶縁材料とを混合し、成形してなることを特徴とする圧粉磁芯。