JP2015185758A - アモルファス圧粉磁心とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度、高透磁率が得られるアモルファス圧粉磁心、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】表面を絶縁層で被覆されたアモルファス金属粉末を圧縮成形してなるアモルファス圧粉磁心であって、このアモルファス金属粉末は、異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末からなる２次粒子であり、この２次粒子は平均粒子径の大きなアモルファス金属粉末を中心粒子とし、この中心粒子よりも平均粒子径の小さなアモルファス金属粉末が中心粒子の表面に付着しており、アモルファス圧粉磁心の密度が５．６以上であり、比透磁率が６０以上である。
【選択図】図１

Description

本発明はアモルファス圧粉磁心とその製造方法に関する。

近年、電気・電子機器の小型化、高周波数化、大電流化が進む中で、磁性コア部品にも同様の対応が求められているが、現在主流のフェライト材料では材料特性そのものが限界にきており、新たな磁性コア材料が模索されている。例えば、フェライト材料は、センダストやアモルファスなどの圧縮磁性材料やアモルファス箔帯等に置き換えられつつある。しかし、上記圧縮磁性材料は成形性が悪く、焼成後の機械的強度も低い。また、上記アモルファス箔帯は巻線・切断・ギャップ形成から製造コストが高くなる。このため、これら磁性材料の実用化が遅れている。

軟磁性体粉末の表面の少なくとも一部を無機絶縁性材料で被覆し、その無機絶縁性材料に樹脂材料を融着させた複合粉末を用いることにより、軟磁性材料粉末間の電気絶縁性を確保するとともに、成形加工性を向上できることに着目して、以下の構成からなる軟磁性複合粉末の製造方法が知られている。すなわち、軟磁性体粉末の表面が無機絶縁性材料から成る無機絶縁層で被覆され、該無機絶縁層の表面には該軟磁性体粉末の表面を部分的に覆うように樹脂材料が融着されて成り、上記無機絶縁性材料が０．３〜６重量％、上記樹脂材料が３〜８重量％、そして残部が上記軟磁性粉末から成る軟磁性複合粉末が知られている（特許文献１）。

また、平均粒径が比較的大きな非晶質軟磁性粉末と、平均一次粒子径が１μｍ程度以下の微小な非晶質軟磁性微粉末との混合粉末を材料とする、高い透磁率を有する圧粉磁心を得るために、非晶質軟磁性粉末に対して非晶質軟磁性微粉末を混合した混合粉末と、結合剤との混合物を圧縮成形してなる圧粉磁心であって、上記非晶質軟磁性粉末は、非晶質相を主とし、平均粒径が８μｍ以上の粒子からなり、上記非晶質軟磁性微粉末は、非晶質相を主とし、平均一次粒子径が０．１μｍ以上１．５μｍ以下の球状粒子からなり、上記非晶質軟磁性粉末に対する上記非晶質軟磁性微粉末の混合比率が２重量％以上４０重量％以下である圧粉磁心が知られている（特許文献２）。

特許第４４５２２４０号公報 特開２０１２−１２９３８４号公報

絶縁被膜処理したアモルファス粉を圧縮成形した圧粉磁心はフェライト磁心と同等の優れた低損失でかつ、高い飽和磁束密度を有する。しかし、アモルファス粉表面に絶縁被膜処理をしたことによって透磁率が低くなる。そのため、アモルファス圧粉磁心は圧粉密度が高いほど、比透磁率が高い結果が示されている。

特許文献１に記載の軟磁性複合粉末を用いて、平均粒径５０μｍ程の正規分布上の粒度分布を有する絶縁被膜処理アモルファス粉を使用し圧粉成形を行なうと、成形圧を高めても密度はある程度上昇するが、アモルファス粉は塑性変形性に乏しいため、高密度品が得られ難くなる。そのためアモルファス粉自体の比透磁率は数十万程度と非常に高いにも関わらず、圧粉磁心では比透磁率が５０程度に留まるという問題がある。

特許文献２に記載の粒子径の異なる２種類の軟磁性粉末を混合する場合、ある程度圧粉密度向上が見られるが、以下の理由により十分ではない。
アモルファス粉の微粒子が存在すると、圧粉成形の際に成形金型の隙間（クリアランス）に侵入することで、金型破損等の成形トラブルを引き起こす原因となる。また、平均粒径の異なる粉体の混合粉の場合、粉の流動時に粒度分布状態を保ったまま搬送することが困難であり、ホッパーから金型への投入までに粒度分布が大きく変化してしまうという問題があり、圧粉密度を向上させ、透磁率を向上できるアモルファス圧粉磁心が得られない。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、高密度、高透磁率が得られるアモルファス圧粉磁心、およびその製造方法の提供を目的とする。

本発明のアモルファス圧粉磁心は、表面を絶縁層で被覆されたアモルファス金属粉末を圧縮成形してなるアモルファス圧粉磁心であって、
上記アモルファス金属粉末は、異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末からなる２次粒子であり、この２次粒子は平均粒子径の大きなアモルファス金属粉末を中心粒子とし、この中心粒子よりも平均粒子径の小さなアモルファス金属粉末が上記中心粒子の表面に付着していることを特徴とする。
また、上記アモルファス圧粉磁心の密度が５．６以上であり、比透磁率が６０以上であることを特徴とする。

上記本発明のアモルファス圧粉磁心において、上記中心粒子となるアモルファス金属粉末の粒度分布と、上記中心粒子の表面に付着するアモルファス金属粉末の粒度分布とは、存在比率を縦軸、粒子径を横軸とする粒度分布図において、両者の重なり合う部分が少なくとも１０％以下であることを特徴とする。
また、アモルファス金属粉末の絶縁層は、少なくとも無機絶縁性材料からなる無機絶縁層からなることを特徴とする。

本発明のアモルファス圧粉磁心の製造方法は以下に述べる（１）〜（３）の工程を備えることを特徴とする。
（１）異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末の表面にそれぞれ上記無機絶縁層が形成されたアモルファス金属粉末を製造する工程、
（２）中心粒子となる平均粒子径の大きなアモルファス金属粉末と、上記中心粒子よりも平均粒子径の小さなアモルファス金属粉末とを混合後、造粒して２次粒子を形成する工程、
（３）上記２次粒子を圧縮成形する圧縮成形工程。

本発明のアモルファス圧粉磁心は、粒子径の異なる少なくとも２種類のアモルファス金属粉末を所定の構造に造粒した２次粒子を圧縮成形するので、アモルファス圧粉磁心の密度および比透磁率を向上できる。特に該密度を５．６以上、比透磁率を６０以上にすることができる。

絶縁されたアモルファス金属粉末の粒度分布図である。 造粒後の２次粒子の状態を示す図である。

平均粒子径約５０μｍの粒子径が正規分布状に粒度分布を有するアモルファス金属粉末を圧縮成形する場合、圧縮成形圧力を高めてもアモルファス圧粉磁心の密度が５．６０、比透磁率が５０が限界であった。また、圧縮成形圧力を高めると、アモルファス金属粉末の粒度分布のため、非常に小さい粒径のものが存在し、この小さい粒径の粉が圧縮成形の際に成形金型の隙間（クリアランス）に侵入することで、金型破損等の成形トラブルを引き起こす原因となっていた。アモルファス金属粉末は金型材料と同等以上の高い硬度のためである。
さらに、密度を向上させるため、最密充填を目的として粒子径の異なるアモルファス金属粉末の混合粉を使用すると、粉の流動時に粒度分布状態を保ったまま搬送することが困難であり、ホッパーから金型への投入までに粒度分布が大きく変化してしまう問題があった。しかしながら、異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末を造粒して２次粒子とし、この２次粒子を圧縮成形することにより、粒度分布が変化することなく、また、従来限界とされていたアモルファス圧粉磁心の密度が５．６以上、比透磁率が６０以上となるアモルファス圧粉磁心が得られた。本発明はこのような知見に基づくものである。

本発明で使用できるアモルファス金属粉末は軟磁性体であり、鉄合金系、コバルト合金系、ニッケル合金系、これらの混合合金系アモルファス金属粉末などが使用できる。

アモルファス金属粉末の粒子表面に絶縁被覆を形成する酸化物としては、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂等の絶縁性金属または半金属の酸化物、ガラス、これらの混合物が挙げられる。これらの中でガラス材料が好ましい。ガラス材料の中でも、低融点ガラスが好ましい。低い軟化温度を有し、軟磁性非晶質合金に融着してその表面を被覆することができるからである。

低融点ガラスは、アモルファス金属粉末と反応せず、アモルファス金属の結晶化開始温度よりも低温、好ましくは約５５０℃以下で軟化するものであれば特に限定されない。例を挙げれば、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス等の鉛系ガラス、Ｐ₂Ｏ₅系ガラス、ＺｎＯ−ＢａＯ系ガラス、そしてＺｎＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス等の公知の低融点ガラスを用いることができる。好ましくは、無鉛ガラスであって、低い軟化点を与えるＰ₂Ｏ₅系ガラスが好ましい。その一例を挙げればＰ₂Ｏ₅が６０〜８０質量％、Ａｌ₂Ｏ₃が１０質量％以下、ＺｎＯが１０〜２０質量％、Ｌｉ₂Ｏが１０質量％以下、Ｎａ₂Ｏが１０質量％以下の組成のものを用いることができる。

以下に、アモルファス金属粉末の絶縁層作製方法の一例を説明する。なお必要に応じて、圧縮成形体の強度向上や絶縁性の向上のために、樹脂材料を添加することもできる。

アモルファス金属粉末を無機絶縁性材料で被覆して無機絶縁層を形成する方法としては、メカノフュージョン等の粉末コーティング法や、無電解メッキやゾル−ゲル法等の湿式薄膜作製法、またはスパッタリング等の乾式薄膜作製法等を用いることができる。粉末コーティング法は、例えば特開２００１−７３０６２号公報に記載された粉末コーティング装置を用いて行なうことができる。この方法によれば、アモルファス金属粉末と低融点ガラス粉末が強力な圧縮摩擦力を受け、アモルファス金属粉末と低融点ガラス粉末との融合およびガラス粉末同士の溶着により、アモルファス金属粉末の表面が低融点ガラスからなる無機絶縁層で被覆されたアモルファス金属粉末を得ることができる。

また、絶縁されたアモルファス金属粉末の組成は、無機絶縁性材料０．３〜６重量％、残部がアモルファス金属粉末となるように、より好ましくは、無機絶縁性材料０．４〜３重量％、残部がアモルファス金属粉末となるように、さらに好ましくは無機絶縁性材料０．４〜１重量％、残部がアモルファス金属粉末となるようにする必要がある。なお、必要により、０．１〜０．５重量％のステアリン酸亜鉛やステアリン酸カルシウム等のステアリン酸塩の滑剤を添加することもできる。また、必要に応じて温間成形や金型潤滑成形、これらを組み合わせた成形方法を利用することもできる。

絶縁されたアモルファス金属粉末は、異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末を準備する。アモルファス金属粉末としては同一種類または異なるアモルファス金属粉末を使用できる。好ましくは同一種類のアモルファス金属粉末である。
絶縁された２種類のアモルファス金属粉末の分布状況を図１に示す。図１はそれぞれ正規分布をする絶縁されたアモルファス金属粉末の粒度分布図である。平均粒子径はピークで表される。
図１に示すように、好ましくは存在比率を縦軸、粒子径を横軸とする粒度分布図において、明確に異なるピークを有する絶縁されたアモルファス金属粉末１および２を準備する。
好ましくは、両者の重なり合う部分３が少なくとも１０％以下である大小２種類の絶縁されたアモルファス金属粉末１および２を準備する。ここで１０％は平均粒子径が大きい粉末１と平均粒子径が小さい粉末２とを合計した場合に、重なり合う部分を含めて明確に異なるピーク全体の面積に対して、分布の重なる範囲の面積である。

本発明における平均粒子径の大きいアモルファス金属粉末１の好ましい平均粒子径は４０μｍ〜１００μｍであり、平均粒子径の小さいアモルファス金属粉末２の好ましい平均粒子径は１μｍ〜１０μｍである。
また、アモルファス金属粉末１とアモルファス金属粉末２との配合割合は、アモルファス金属粉末１を１００質量部としたときに、アモルファス金属粉末２が１８質量部〜５５質量部であることが好ましい。

上記２種類の粉末を混合して造粒することにより２次粒子とする。造粒する方法としては、転動流動造粒等の自足造粒法や、スプレードライ等の強制造粒法等、好ましくは、転動流動造粒方法を用いて行なう。
造粒後の２次粒子の状態を図２に示す。平均粒子径の大きいアモルファス金属粉末１の周囲に粒子径の小さいアモルファス金属粉末２が付着した２次粒子が得られている。なお造粒においては、必要に応じてバインダーを添付し使用してもよい。バインダーはポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースを使用することが好ましい。上記各成分を変性したものでもよい。

本発明は、この２次粒子を所定の金型に充填して圧縮成形する。例えば、２次粒子粉末を金型内に充填し、所定の加圧圧力でプレス成形し、成形した圧粉体を、焼成し、樹脂を焼失させて焼成体を得ることができる。なお、焼成温度をアモルファス金属粉末の結晶化開始温度より低温とする必要がある。

得られたアモルファス圧粉磁心は、密度が５．６以上であり、１ｋＨｚにおける比透磁率が６０以上、好ましくは６５以上、より好ましくは７０以上のアモルファス圧粉磁心となる。

本発明のアモルファス圧粉磁心は、二輪車を含む自動車や産業用機器および医療用機器の電源回路、フィルタ回路やスイッチング回路等に使用される軟質磁性材料のコア部品、例えばインダクタ、トランス、アンテナ、チョークコイル、フィルタなどのコア部品として使用できる。また、表面実装用部品の磁性コアとして使用できる。

実施例１
（Ｆｅ_0.97Ｃｒ_0.03）₇₆（Ｓｉ_0.5Ｂ_0.2）₂₂Ｃ₂のアモルファス金属粉末に低融点ガラス粉末（Ｐ₂Ｏ₅が６０〜８０質量％、Ａｌ₂Ｏ₃が１０質量％以下、ＺｎＯが１０〜２０質量％、Ｌｉ₂Ｏが１０質量％以下、Ｎａ₂Ｏが１０質量％以下、粒径４０μｍ以下）を粉末コーティング法でコーティングしたものを用いた。潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を用いた。なお、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系アモルファス金属合金粉末は篩により平均粒径を４０μｍ〜１００μｍに調整したものを準備した。

同様に製造した粒子径の異なるＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系アモルファス金属合金粉末を平均粒径を１μｍ〜１０μｍに調整したものを準備した。

上記準備した粒子径の大きなアモルファス金属合金粉末１００質量部に対して、粒子径の小さなアモルファス金属合金粉末１８質量部を配合して転動流動造粒法により２次粒子を造粒した。

上記２次粒子粉末１００質量部に、ステアリン酸亜鉛を０．６質量部添加し、ボールミルを用いて温度１１２℃で混合し、複合粉末を得た。

複合粉末を、金型に充填後、所定の圧力でプレス成形して圧粉体を得、次いでその圧粉体を４８０℃で１５分間、大気雰囲気で焼成して樹脂を焼失させて焼成体（直径１０ｍｍ、内径５ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を得た。

得られたアモルファス圧粉磁心の密度を幾何学的測定による寸法と重量から算出した。また、透磁率を、ＪＩＳ Ｃ２５６１に準じて１ｋＨzにおける透磁率として測定した。結果を表１に示す。

実施例２
粒子径の大きなアモルファス金属合金粉末１００質量部に対して、粒子径の小さなアモルファス金属合金粉末２５質量部を配合して転動流動造粒法により２次粒子を造粒した以外は、実施例１と同様にしてアモルファス圧粉磁心を得た。実施例１と同様にして密度および透磁率を測定した。結果を表１に示す。

実施例３
粒子径の大きなアモルファス金属合金粉末１００質量部に対して、粒子径の小さなアモルファス金属合金粉末４５質量部を配合して転動流動造粒法により２次粒子を造粒した以外は、実施例１と同様にしてアモルファス圧粉磁心を得た。実施例１と同様にして密度および透磁率を測定した。結果を表１に示す。

実施例４
粒子径の大きなアモルファス金属合金粉末１００質量部に対して、粒子径の小さなアモルファス金属合金粉末５５質量部を配合して転動流動造粒法により２次粒子を造粒した以外は、実施例１と同様にしてアモルファス圧粉磁心を得た。実施例１と同様にして密度および透磁率を測定した。結果を表１に示す。

比較例１
粒径５０μｍに調整したアモルファス金属合金粉末のみを用いて実施例１と同様にしてアモルファス圧粉磁心を得た。実施例１と同様にして密度および透磁率を測定した。結果を表１に示す。

本発明のアモルファス圧粉磁心は、密度および透磁率を上げることができるので、今後各種の電気・電子機器に利用できる。

１ 平均粒子径が大きい粉末の分布
２ 平均粒子径が小さい粉末の分布
３ 重なり部分

Claims (5)

1. 表面を絶縁層で被覆されたアモルファス金属粉末を圧縮成形してなるアモルファス圧粉磁心であって、
   前記アモルファス金属粉末は、異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末からなる２次粒子であり、この２次粒子は平均粒子径の大きなアモルファス金属粉末を中心粒子とし、この中心粒子よりも平均粒子径の小さなアモルファス金属粉末が前記中心粒子の表面に付着していることを特徴とするアモルファス圧粉磁心。
2. 前記アモルファス圧粉磁心の密度が５．６以上であり、比透磁率が６０以上であることを特徴とする請求項１記載のアモルファス圧粉磁心。
3. 前記中心粒子となるアモルファス金属粉末の粒度分布と、前記中心粒子の表面に付着するアモルファス金属粉末の粒度分布とは、存在比率を縦軸、粒子径を横軸とする粒度分布図において、両者の重なり合う部分が少なくとも１０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアモルファス圧粉磁心。
4. 前記絶縁層は、少なくとも無機絶縁性材料からなる無機絶縁層であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のアモルファス圧粉磁心。
5. 請求項２記載のアモルファス圧粉磁心の製造方法であって、
   異なる平均粒子径および粒度分布を有する少なくとも２種類のアモルファス金属粉末の表面にそれぞれ前記無機絶縁層が形成されたアモルファス金属粉末を製造する工程と、
   中心粒子となる平均粒子径の大きなアモルファス金属粉末と、前記中心粒子よりも平均粒子径の小さなアモルファス金属粉末とを混合後、造粒して２次粒子を形成する工程と、
   前記２次粒子を圧縮成形する圧縮成形工程とを備えることを特徴とするアモルファス圧粉磁心の製造方法。