JP2013008762A

JP2013008762A - 複合磁性材料

Info

Publication number: JP2013008762A
Application number: JP2011139081A
Authority: JP
Inventors: Toru Sendai; 亨千代; Takeshi Takahashi; 岳史高橋; Shota Nishio; 翔太西尾
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-01-10

Abstract

【課題】本発明は、熱処理後の圧粉磁芯の強度の向上および磁気特性の改善の二つを両立できる複合磁性材料を提供することを目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために本発明は、鉄を主成分とした複数の金属磁性粉と、金属酸化物と、無機フィラーとを含み、前記金属酸化物を介して前記金属磁性粉同士が結着しているとともに、前記金属酸化物は前記金属磁性粉の表面積の１４．４％以上、３５．５％以下を覆うことを特徴とした複合磁性材料とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器、電動機、チョーク、ノイズフィルター等に用いられる高性能な金属系複合磁性材料に関し、特に磁芯用の軟磁性材料として用いられる複合磁性材料、磁性素子に関するものである。

近年の電気・電子機器の小型化に伴い、用いられるインダクタンス部品に関しても小型かつ高効率である事が求められている。このインダクタンス部品の性能は用いられる磁性材料により大きく性能が左右され、小型化や飽和磁束密度に有利な圧粉磁芯が広く用いられている。この圧粉磁芯はＦｅを主成分とする金属磁性粉と、絶縁材として機能する無機フィラー等からなりこれらを加圧成形して形成され、より高密度とするためにより高圧で加圧される。その際、成形後の圧粉磁芯には加工歪が残留し、この加工歪を開放するために熱処理が施され、この温度が高いほどより多くの加工歪を解放することができる。

しかしながら高温での熱処理を行うと圧粉磁芯中の金属磁性粉同士が焼結し、渦電流損失が大きくなる。そのため上述した無機フィラーのような絶縁材を金属磁性粉間に介在させることで耐熱性を上げる技術が一般的に知られているが、このように形成された圧粉磁芯は強度が低く、破壊されやすいため生産性が悪いという問題があった。

このような上記課題に対して特許文献１では、金属磁性粉と酸化物粉末とを混合し、加圧成形後に熱処理してなる圧粉磁芯において、酸化物粉末を金属磁性粉の間に介在させることで圧粉磁芯の強度を向上する技術が開示されている。しかしながら、このような構成の圧粉磁芯では酸化物が金属磁性粉の全体を覆い、酸化物が金属磁性粉内に拡散して磁気特性が悪化するという問題が生じてしまう。

特開２００９−３０２４４７号公報

本発明は上記問題を解決するものであり、熱処理後の圧粉磁芯の強度の向上および磁気特性の改善の二つを両立することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、鉄を主成分とした複数の金属磁性粉と、金属酸化物と、無機フィラーを含み、前記金属酸化物を介して前記金属磁性粉同士が結着しているとともに、前記金属酸化物は前記金属磁性粉の表面積の１４．４％以上、３５．５％以下を覆うことを特徴とした複合磁性材料とした。

本発明によれば、金属酸化物を金属磁性粉間に偏在させ、金属磁性粉の表面積の１４．４％〜３５．５％を覆う構成とすることで、圧粉磁芯の強度を維持し、金属磁性粉内部への金属酸化物の拡散を一定量以下とすることができるので、磁気損失を低減させることができ磁気特性の劣化を抑制することができるものである。

本発明の一実施の形態における複合磁性材料の断面模式図本発明の一実施の形態における熱処理前の成形体の断面模式図本発明の一実施の形態における熱処理前の金属磁性粉周囲の断面模式図本発明の一実施の形態における機械的強度測定方法を示した模式図

以下、本発明の複合磁性材料について説明する。

本発明の複合磁性材料は、図１に示すように、金属磁性粉１と、無機フィラー２と、金属酸化物３とからなり、加圧成形後に熱処理してなる複合磁性材料であって、金属酸化物３は前記金属磁性粉同士を結着する結着材として機能するとともに、金属磁性粉１同士が接触して渦電流が増大する絶縁材としての機能も果たす。また、無機フィラー２は熱処理時に金属磁性粉１同士が焼結しないように金属磁性粉１間に介在しており耐熱材としての機能も有する。このとき、金属酸化物３が金属磁性粉１の表面積の１４．４％以上、３５．５％以下を被覆している。

この図１の構成を実現する方法を以下に図面を用いて説明する。

まず、金属酸化物３を金属酸化物粒子としてあらかじめ混合する方法がある。図２は加圧成形後、すなわち熱処理前の成形体の断面図を示しており、結着性樹脂４が金属磁性粉１、無機フィラー２および金属酸化物３の隙間に存在している。ここで、結着性樹脂４は、加圧成形後の熱処理において熱分解するため、結着性樹脂４中に存在した金属酸化物３は熱処理後には金属磁性粉１の表面に付着する構成となり、熱処理後の複合磁性材料は図１に示した構成となる。

次に反応性樹脂に含まれる金属元素を、熱処理することで金属酸化物３とする方法、すなわち残渣物として金属酸化物３を生成させる方法がある。図３は加圧成形後、すなわち熱処理前の成形体の断面図を示しており、結着性樹脂４と反応性樹脂５を混合したものが金属磁性粉１および無機フィラー２の隙間に存在している。

ここで結着性樹脂４は熱処理後に熱分解するが、反応性樹脂５は熱処理することで金属酸化物３を生成し、この金属酸化物３が金属磁性粉１の表面に偏在するような構成となる。

上記２つの方法で得られた複合磁性材料において、金属酸化物３が金属磁性粉１の表面を被覆している割合を被覆率Ａとする。

以下に、本実施の形態１における被覆率Ａの導出方法を説明する。上述したように金属酸化物３は、金属酸化物粒子を添加して得られる場合と、反応性樹脂成分を熱処理することで金属酸化物３を生成する場合がある。すなわち金属酸化物粒子を添加して得られる場合は、金属酸化物３と結着性樹脂４の添加量から、また反応性樹脂添加により形成する場合は、反応性樹脂５と結着性樹脂４の添加量から被覆率Ａを導出する。

例えば、金属酸化物３の添加量をｂ、比重をｄとすると、添加した金属酸化物３の体積Ｖ_XはＶ_X＝（ｂ／ｄ）となる。また、結着性樹脂４の添加量をｃ、比重をｅとすると、結着性樹脂４の体積Ｖ_YはＶ_Y＝（ｃ／ｅ）となる。

従って、金属酸化物３の体積Ｖ_Xと結着性樹脂４の体積Ｖ_Yから、それぞれの体積比を算出すると、金属酸化物３の体積比Ｒ_Xは、Ｒ_X＝[Ｖ_X／（Ｖ_X＋Ｖ_Y）]、結着性樹脂４の体積比Ｒ_Yは、Ｒ_Y＝[Ｖ_Y／（Ｖ_X＋Ｖ_Y）]となる。

一方、反応性樹脂５を熱処理することによって金属酸化物３を形成する方法も同様に、結着性樹脂４と反応性樹脂５の混合物が金属磁性粉１の表面を覆う構成となっており、この表面には前記２種類の樹脂の体積比によって金属酸化物３が付着する面積比が異なる。このようにして熱処理をすることで結着性樹脂４は熱分解して消失し、反応性樹脂５は付着面積部分に金属酸化物３を形成する。

次に、上記のように算出した体積を面積に換算する。

そこで、金属酸化物３の体積Ｖ_Xと結着性樹脂４の体積Ｖ_Yを２／３乗することにより、体積を面積へと換算した。即ち、金属磁性粉１表面への金属酸化物３の被覆面積Ａ_Xは、Ａ_X＝Ｖ_X ^2/3＝[（ｂ／ｄ）^2/3]となる。同様に、結着性樹脂４の被覆面積Ａ_Yは、Ａ_Y＝Ｖ_Y ^2/3＝[（ｃ／ｅ）^2/3]となる。これら金属酸化物３の被覆面積Ａ_Xと結着性樹脂４の被覆面積Ａ_Yを、金属酸化物３の体積比Ｒ_Xに適用すると、金属磁性粉１表面に対して金属酸化物３が被覆している面積の比率、即ち被覆率Ａとなる。

以上のことから、金属酸化物３の添加量をｂ、比重をｄ、結着性樹脂４の添加量をｃ、比重をｅとすると、金属磁性粉１表面に介在する金属酸化物３の被覆率Ａは、次式で表される。

被覆率Ａ＝[Ｖ_X ^2/3／（Ｖ_X ^2/3＋Ｖ_Y ^2/3）]×１００
＝[（ｂ／ｄ）^2/3／｛（ｂ／ｄ）^2/3＋（ｃ／ｅ）^2/3｝]×１００
本実施の形態１において、被覆率Ａが１４．４％以下であると金属磁性粉１間に存在する金属酸化物３が少な過ぎるため熱処理後の金属粉同士の結着性が弱く機械的強度が低下してしまい、３５．５％以上であると熱処理を施した際に金属酸化物３が必要以上に金属磁性粉１内部にまで拡散して軟磁気特性が劣化する可能性がある。このため、金属磁性粉１の表面を被覆する金属酸化物３の被覆率Ａの範囲を、１４．４％≦Ａ≦３５．５％とする構成により、優れた磁気特性と、熱処理後の機械的強度の向上を両立することができる。

以下、各構成について具体的に説明する。

本実施の形態１に用いられる金属磁性粉１は、主成分として少なくともＦｅを含むものであり、好ましくはＦｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系から選ばれる、少なくとも１種以上である。

本実施の形態１に用いられるＦｅ−Ｓｉ系の金属磁性粉１は、Ｓｉの含有量が１ｗｔ％以上８ｗｔ％以下であり、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなるものである。本実施の形態１におけるＳｉの役割は軟磁気特性を向上させるものであり、磁気異方性、磁歪定数を小さくし、また電気抵抗を高め渦電流損失を低減する効果がある。Ｓｉ含有量としては上記組成範囲とすることが好ましい。Ｓｉ含有量が１ｗｔ％より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、８ｗｔ％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。

本実施の形態１に用いられるＦｅ−Ｎｉ系の金属磁性粉は、Ｎｉの含有量が４０ｗｔ％以上９０ｗｔ％以下であり、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなるものである。本実施の形態１におけるＮｉの役割は軟磁気特性を向上させるものであり、含有量は上記組成範囲とすることが好ましい。Ｎｉ含有量が４０ｗｔ％より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、９０ｗｔ％より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。さらに、透磁率改善のために１〜６ｗｔ％のＭｏを添加することも可能である。

本実施の形態１に用いられるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の金属磁性粉１は、Ｓｉの含有量が６ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下、Ａｌの含有量が４ｗｔ％以上８ｗｔ％以下であり、残部がＦｅおよび不可避な不純物からなるものである。本実施の形態１におけるＳｉ、Ａｌの役割は軟磁気特性を向上させるものであり、含有量は上記組成範囲とすることが好ましい。Ｓｉ、Ａｌの含有量が上記組成範囲より少ないと軟磁気特性の改善効果に乏しく、上記組成範囲より多いと飽和磁化の低下が大きく直流重畳特性が低下する。

本実施の形態１に用いられる金属磁性粉１の平均粒径としては、１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。この金属磁性粉１の平均粒径を１μｍ以上とすることにより成形密度が向上し、透磁率の低下を抑制できるため好ましく、平均粒径を１００μｍ以下とすることにより、高周波領域での渦電流損失の増大を抑制できるため好ましい。さらに好ましくは、金属磁性粉１の平均粒径を１μｍ以上５０μｍ以下とすることがより好ましい。

本実施の形態１における金属磁性粉１の作製方法は特に限定されるものではなく、各種アトマイズ法や各種粉砕法により得られる金属磁性粉１を用いることが可能である。

本実施の形態１における無機フィラー２は、金属磁性粉１との絶縁性を有し、かつ融点が７００℃以上であるため高温での熱処理が可能となり、優れた磁気特性を実現しえる。このとき用いられる無機フィラー２としては、アルミナ、タルク、マイカ、窒化ホウ素、シリカが挙げられる。

本実施の形態１に用いられる無機フィラー２の形状は特に限定されるものではないが、好ましくはアスペクト比が１０以上２００以下の扁平状のものが良く、アスペクト比が１０未満である金属酸化物とは異なる。扁平状無機フィラーは、球状無機フィラーと比較して効率的に隣接する金属磁性粉１間に入り込み金属磁性粉１同士の接触を妨げることができ、熱処理時における金属磁性粉１同士の焼結を防ぎ、複合磁性材料の耐熱性を向上させることが可能である。また、無機フィラー２の形状を扁平状にすることにより、金属酸化物３を介して金属磁性粉１間に絡みつくようにして入り込むことで結着性が増し、機械的強度をより向上させる効果が期待できる。

本実施の形態１における無機フィラー２は、無機フィラー２の平均粒径をＲ、前記金属磁性粉１の平均粒径をｒとしたとき、０．１ｒ≦Ｒ≦２．０ｒの関係からなる構成を有する。このとき、無機フィラー２が扁平状である場合、無機フィラー２の平均粒径Ｒは粒子の長径のことを指す。無機フィラー２の平均粒径が０．１ｒ以下であると金属磁性粉１同士の接触を効率的に妨げられなくなるために熱処理時の耐熱性が低下してしまい、２．０ｒ以上であると後述の加圧成形後の成形体における金属磁性粉１の充填率が小さくなるために透磁率が大きく低下する可能性がある。

このような構成とすることにより、熱処理温度の高温化とコア強度の向上を両立することができる。

以下に、本実施の形態１における製造方法について具体的に説明する。

本実施の形態１における複合磁性材料は、Ｆｅを主成分とした金属磁性粉１と、無機フィラー２と、熱処理後に金属酸化物３を生じる反応材と、結着性樹脂とからなり、これらを混合分散する第１の工程と、加圧成形により成形体を得る第２の工程と、成形体を熱処理することにより複合磁性材料を得る第３の工程とからなる。

本実施の形態１における金属磁性粉１と無機フィラー２および金属酸化物３の混合、分散方法は特に限定されるものではなく、回転ボールミル、遊星型ボールミル等各種ボールミル、Ｖブレンダー、プラネタリーミキサー等を用いることが可能である。また、加圧成形後の成形体の保形性を確保するため、金属磁性粉１と無機フィラー２の混合分散後に、結着性樹脂４を添加、混合する。また、金属酸化物３がシリコーンなどの反応性樹脂５からなる場合、成形体の保形性を目的として結着性樹脂４とともに添加、混合することが可能である。

本実施の形態１における結着性樹脂４としては、アクリル樹脂、ブチラール樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。結着性樹脂４の混合、分散方法は特に限定されるものではなく、例えば金属磁性粉１と無機フィラー２の混合分散に用いられる方法を使用することができる。

本実施の形態１における加圧成型方法は特に限定されるものではなく、通常の加圧成型方法が用いられる。成形圧力としては５ｔｏｎ／ｃｍ²以上２０ｔｏｎ／ｃｍ²以下の範囲が好ましい。５ｔｏｎ／ｃｍ²以上とすることにより金属磁性粉１の充填率を高くすることができ、高い磁気特性を得ることができる。また、２０ｔｏｎ／ｃｍ²以下とすることにより、加圧成形時の金型強度を確保するために金型を小型化することができ、また、成形圧力を確保するためにプレス機を小型化することができる。上記を実現することにより、生産性の向上、コストダウンにつながる。

本実施の形態１における熱処理は、加圧成形時に金属磁性粉１に導入される加工歪みによる軟磁気特性の劣化を防ぐ、すなわち加工歪みを開放することによりヒステリシス損失を低下することが目的である。

熱処理温度としては、７００℃以上１０００℃以下の範囲とすることが好ましい。熱処理温度を７００℃以上とすることにより、加工歪みを十分に開放することができ、優れた磁気特性を実現することができる。また、１０００℃以下とすることにより、金属磁性粉１と金属磁性粉１表面に偏在する金属酸化物３との反応の促進を抑制し、十分な絶縁性を確保することができ、渦電流損失の増大を抑制することができる。

熱処理雰囲気としては、金属磁性粉１の酸化による軟磁気特性の低下を抑制するために非酸化性雰囲気が好ましく、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等を用いた不活性雰囲気、水素ガス等を用いた還元雰囲気、真空雰囲気において熱処理することができる。以下、本実施の形態１の複合磁性材料の実施例について説明する。

平均粒径が３０μｍで、組成が重量％で１０．０Ｓｉ−５．０Ａｌ−ｂａｌ．Ｆｅの金属磁性粉１を準備した。この金属磁性粉１に対し、（表１）記載の金属酸化物３および無機フィラー２として、平均粒子径が１６μｍ、平均粒子厚みが０．８μｍ、アスペクト比が２０の扁平状の窒化ホウ素を添加混合し、混合粉末を作製した。得られた混合粉末にブチラール樹脂を（表１）記載の量だけ添加した後、エタノールを少量加えて混合分散を行い、窒素ガス雰囲気中にて８００℃で０．５ｈ熱処理を行った。このとき、金属酸化物３として添加したＳｉＯ₂の比重を２．３３ｇ／ｃｍ³、結着性樹脂４として添加したブチラール樹脂の比重を１．０ｇ／ｃｍ³として被覆率Ａを算出した。作製した試料形状は、外形１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ程度のトロイダルコアである。

得られたサンプルについて、コア損失の周波数特性、透磁率の直流重畳特性、熱処理後の機械的強度の評価を行った。コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数１００ｋＨｚ、測定磁束密度０．１Ｔで測定を行った。直流重畳特性は、印加磁場０Ｏｅ、周波数１００ｋＨｚにおける透磁率を、ＬＣＲメーターにて測定し評価した。機械的強度の測定は、図４に示すように、長辺１８ｍｍ、短辺５ｍｍ、高さ２ｍｍ程度の試料片６をギャップ８ｍｍの支持治具７に設置し、加圧治具８を用いて試料片の中心線上を１．５ｃｍ／ｍｉｎの速度で加圧し、破壊したときの負荷を機械的強度として評価した。得られた結果を（表１）に示す。

（表１）より、本発明の複合磁性材料は、金属酸化物３と無機フィラー２とを備えた場合にのみ、低いコア損失と高い機械的強度を両立できることがわかる。

平均粒径が１０μｍで、組成が重量％で５０．０Ｎｉ−ｂａｌ．Ｆｅの金属磁性粉１を準備した。この金属磁性粉１に対し、（表２）記載の無機フィラー２として、平均粒子径が１８μｍ、平均粒子厚みが０．２μｍ、アスペクト比が９０の扁平状のマイカを添加混合し、混合粉末を作製した。得られた混合粉末に対して、熱処理後に金属酸化物３になるシリコーン樹脂とアクリル樹脂を（表２）記載の量であらかじめ混合したものを添加後、トルエンを少量加えて混合分散を行い、窒素ガス雰囲気中にて８４０℃で０．５ｈ熱処理を行った。このとき、金属酸化物３として添加したシリコーン樹脂の比重を１．０ｇ／ｃｍ³、結着性樹脂として添加したアクリル樹脂の比重を１．０ｇ／ｃｍ³として被覆率Ａを算出した。

また、試料Ｎｏ．１４と１５には、無機フィラー２として扁平状および球状のアルミナを添加しており、扁平状アルミナは平均粒子径が１０μｍ、平均粒子厚みが０．３μｍ、アスペクト比が３３とし、球状アルミナは平均粒子径を４．７μｍのものを用いた。作製した試料は、実施例１と同形状のトロイダルコアである。

得られたサンプルについて、コア損失の周波数特性、透磁率の直流重畳特性、熱処理後の機械的強度の評価を行った。コア損失は交流Ｂ−Ｈカーブ測定機を用いて測定周波数５０ｋＨｚ、測定磁束密度０．０５Ｔで測定を行った。直流重畳特性は、印加磁場０Ｏｅ、周波数１０ｋＨｚにおける透磁率を、ＬＣＲメーターにて測定し評価した。機械的強度の測定は実施例１と同様にして行った。得られた結果を（表２）に示す。

（表２）より、本実施の形態１の複合磁性材料は、構成中に金属酸化物３と無機フィラー２とを備え、かつ金属磁性粉１表面における金属酸化物３の被覆率を１４．４％〜３５．５％の範囲とすることで、低いコア損失と高い機械的強度を両立できることがわかる。また、無機フィラー２のアスペクト比を１０以上２００以下の扁平形状とすることで、より高い機械的強度を得られることがわかる。

本実施の形態１にかかる複合磁性材料は、低いコア損失と優れた機械的強度を有しており、トランスコア、チョークコイル等に用いる磁性材料として有用である。

１金属磁性粉
２無機フィラー
３金属酸化物
４結着性樹脂
５反応性樹脂
６試料片
７支持治具
８加圧治具

Claims

鉄を主成分とした複数の金属磁性粉と、金属酸化物と、無機フィラーを含み、
前記金属酸化物を介して前記金属磁性粉同士が結着しているとともに、
前記金属酸化物は前記金属磁性粉の表面積の１４．４％以上、３５．５％以下を覆うことを特徴とした複合磁性材料。
前記無機フィラーは、アルミナ、タルク、マイカ、シリカ、窒化ホウ素のいずれかであることを特徴とした請求項１に記載の複合磁性材料。
複数の前記金属酸化物は、前記無機フィラーを介して結着していることを特徴とした請求項１に記載の複合磁性材料。
前記無機フィラーの平均粒径をＲ、前記金属磁性粉の平均粒径をｒとしたとき、０．１ｒ≦Ｒ≦２．０ｒの関係からなることを特徴とした請求項１に記載の複合磁性材料。