JP2018186212A

JP2018186212A - 軟磁性粉末及びその製造方法、軟磁性材料、並びに圧粉磁心の製造方法

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Publication number: JP2018186212A
Application number: JP2017087955A
Authority: JP
Inventors: 吉田　昌弘; Masahiro Yoshida; 昌弘吉田; 良幸道明; Yoshiyuki Domyo; 井上　健一; Kenichi Inoue; 健一井上
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-11-22

Abstract

【課題】保磁力が低く透磁率の高い軟磁性粉末及びその製造方法、軟磁性材料、並びに圧粉磁心の製造方法を提供する。【解決手段】軟磁性粉末は、ＦｅＳｉを基本組成とし、さらにＣｒを含んでもよい軟磁性粉末であって、質量％で、Ｓｉ：１．０〜８．０％、及びＣｒ：０〜８．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金組成を有する。【選択図】なし

Description

本発明は、軟磁性粉末及びその製造方法、軟磁性材料、並びに圧粉磁心の製造方法に関する。

軟磁性粉末は圧粉磁心などに使用されており、その求められる代表的特性は、低い保磁力と高い透磁率である。

一方、鉄にＳｉを添加していくと透磁率が高くなることが知られており、６質量％程度Ｓｉを添加した組成が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−１７１１６７号公報

本発明は、ＦｅＳｉを基本組成とする、保磁力が低く透磁率の高い軟磁性粉末及びその製造方法、軟磁性材料、並びに圧粉磁心の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した結果、下記発明を実現するに至った。

（１）質量％で、Ｓｉ：１．０〜８．０％、及びＣｒ：０〜８．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金組成を有する軟磁性粉末。

（２）平均粒子径が１．０〜１５．０μｍである、（１）に記載の軟磁性粉末。

（３）ＢＥＴ比表面積が０．３〜１０．０ｍ^２／ｇである、（１）又は（２）に記載の軟磁性粉末。

（４）タップ密度が２．５〜６．５ｇ／ｃｍ^３である、（１）〜（３）のいずれかに記載の軟磁性粉末。

（５）酸素含有量が０．２０〜３．５質量％である、（１）〜（４）のいずれかに記載の軟磁性粉末。

（６）Ｆｅ及びＳｉを含む溶湯を調製する工程と、該溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて前記溶湯を粉砕し且つ冷却凝固させる工程とを有する軟磁性粉末の製造方法であって、前記溶湯がＳｉを１．０〜８．０質量％含む、軟磁性粉末の製造方法。

（７）前記溶湯がさらにＣｒを８．０質量％以下含む、（６）に記載の軟磁性粉末の製造方法。

（８）（１）〜（５）のいずれかに記載の軟磁性粉末と絶縁樹脂材料を含む、軟磁性材料。

（９）（８）に記載の軟磁性材料を所定の形状に成型し、得られた成型物を加熱して圧粉磁心を得る、圧粉磁心の製造方法。

本発明によれば、ＦｅＳｉを基本組成とする、保磁力が低く透磁率の高い軟磁性粉末が提供される。

実施例１に係る合金粉粒子における元素の分布の分析結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の軟磁性粉末は、ＦｅＳｉを基本組成とし、さらにＣｒを含んでもよい軟磁性粉末であって、質量％で、Ｓｉ：２．０〜８．０％、及び、Ｃｒ：０〜８．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金組成を有している。

本発明に係る軟磁性粉末においては、Ｓｉにより軟磁性粉末の透磁率が高くなる。この観点からＳｉの量は好ましくは３．０〜７．０質量％である。また、該軟磁性粉末に、さらにＣｒが含まれていると、軟磁性粉末の酸素含有量が低くなり、これにより透磁率が高くなる点から好ましい。一方で、Ｃｒの含有量が多過ぎると粒子が硬くなり、該軟磁性粉末の充填性が悪化し、透磁率が低くなる。
以上の酸素含有量及び充填性の観点から、Ｃｒを含む場合における、本発明に係る軟磁性粉末の合金組成におけるＣｒの割合は、０．０５〜６．０質量％が好ましい。

本発明に係る軟磁性粉末の平均粒子径は、微粒子化による鉄損の抑制の観点から好ましくは１．０〜１５．０μｍである。なお、本明細書において平均粒子径とは、レーザー回折式粒度分布測定装置により測定した体積基準の累積５０％粒子径（Ｄ５０径）をいう。
本発明に係る軟磁性粉末のＢＥＴ比表面積は、好ましくは０．３〜１０．０ｍ^２／ｇである。
本発明に係る軟磁性粉末のタップ密度は、好ましくは２．５〜６．５ｇ／ｃｍ^３である。

本発明に係る軟磁性粉末は、後述する所定の製造方法を採用したり、合金組成にＣｒを含めることで酸素含有量を低くすることができる。そのような場合において、本発明に係る軟磁性粉末の酸素含有量は、好ましくは０．２０〜３．５質量％であり、より好ましくは０．２０〜１．５０質量％であり、特に好ましくは０．２０〜０．８０質量％である。このように酸素含有量の低い軟磁性粉末は、高透磁率となる。また、酸素含有量が低いほど粒子が柔らかくなり、圧粉成型時の充填率が高くなるため、作製した圧粉磁心の透磁率が高くなる。

本発明に係る軟磁性粉末の製造方法は、以上説明した合金組成等を達成できる方法であれば特に制限されるものではないが、粒子径の小さい（合金の）軟磁性粉末を効率よく製造できることから、水アトマイズ法が好ましく採用される。

水アトマイズ法においては、例えばタンディッシュ炉中にＦｅ及びＳｉ（例えばシリコンメタルの形態で）を仕込み、好ましくは１５３６℃（Ｆｅの融点）〜１８００℃に加熱して溶湯とする。Ｓｉの仕込みの比率は、該溶湯中のＳｉの量が１．０〜８．０質量％、好ましくは３．０〜７．０質量％となる量とする。溶湯中におけるＳｉの量が、得られる軟磁性粉末におけるＳｉの合金組成に概ね反映される。また、該溶湯の温度は、好ましくは１６５０〜１７５０℃である。
得られる軟磁性粉末の酸素含有量を低くするため、該溶湯は、非酸化性雰囲気（窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などの不活性雰囲気や、水素雰囲気、一酸化炭素雰囲気などの還元性雰囲気）中で調製されることが好ましい。また、該溶湯にＣｒを添加することで、溶湯の耐酸化性を高めて、得られる軟磁性粉末中の酸素含有量を低くすることができる。このような点から、Ｃｒの添加量は、該溶湯中のＣｒの量が好ましくは８．０質量％以下、より好ましくは０．０５〜６．０質量％となるような量とすることが好ましい。溶湯中のＣｒの量が、得られる軟磁性粉末におけるＣｒの合金組成に概ね反映される。

調製された溶湯を、通常タンディッシュ炉の底部に設けられた出湯口から出湯させ、該溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて、該溶湯を微粒に粉砕し、かつ冷却凝固させる。高圧水のｐＨは特に制限されず、純水またはアルカリ水もしくは酸性水のいずれでもよい。また、吹き付けられる高圧水の水圧を高くすると粒径の小さい軟磁性粉末を製造することができ、そのような観点から、水圧は好ましくは６０〜１８０ＭＰａ、さらに好ましくは８０〜１８０ＭＰａ、最も好ましくは９０〜１８０ＭＰａである。
また、高圧水を吹き付けて溶湯を粉砕する水アトマイズの際の雰囲気は特に制限されるものではないが、得られる軟磁性粉末の酸素含有量を低くする観点から、非酸化性雰囲気（窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などの不活性雰囲気や、水素雰囲気、一酸化炭素雰囲気などの還元性雰囲気）が好ましい。

このように溶湯に高圧水を吹き付けて溶湯を粉砕しかつ急冷凝固させて得られたスラリーを固液分離し、得られた固形物を乾燥して軟磁性粉末を得ることができる。なお、必要に応じて、固液分離により得られた固形物を乾燥する前に水洗してもよいし、乾燥した後に解砕したり、分級して、粒度を調整してもよい。

以上説明した、Ｆｅ及びＳｉ（そして必要に応じてＣｒ）が均一に溶解した溶湯を調製して、これを粉砕するというプロセスにより、得られる軟磁性粉末の各粒子における表面から内部までの元素の分布は概ね均一になり、磁性等の偏りが生じ難くなると考えられる。

以上説明した本発明の軟磁性粉末は、保磁力が低く透磁率が高い。具体的には、後述の実施例の条件で測定した保磁力（Ｈｃ）が、好ましくは５〜２０Ｏｅであり、後述の実施例の条件で測定した測定周波数１０ＭＨｚにおける比透磁率（μ’）は、好ましくは７．５〜１２であり、測定周波数１００ＭＨｚにおける比透磁率（μ’）は、好ましくは７．５〜１２である。

このような特性から、本発明の軟磁性粉末は圧粉磁心の製造原料として好適である。前記軟磁性粉末を絶縁樹脂と混合して、これらを含む軟磁性材料とし、この軟磁性材料を所定の形状に成型して加熱することで、圧粉磁心を製造することができる。

より具体的には、例えば本発明の軟磁性粉末を絶縁樹脂材料と混合し、メッシュを通して造粒する。得られた粒状の複合体粉末（軟磁性材料）を所定形状の金型に入れ、加圧することで圧粉体を得る。なお、前記絶縁樹脂材料の具体例として、（メタ）アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂が挙げられる。

得られた圧粉体を所定の温度で加熱することで、圧粉磁心を形成する。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。

（実施例１）
タンディッシュ炉中で、電解鉄１４ｋｇとシリコンメタル１．０１ｋｇとを窒素雰囲気下において１７００℃に加熱して溶解した溶湯を、窒素雰囲気下（酸素濃度３００ｐｐｍ以下）においてタンディッシュ炉の底部から落下させながら、水圧１５０ＭＰａ、水量１６０Ｌ／分で高圧水を吹き付けて急冷凝固させ、得られたスラリーを固液分離し、固形物を水洗し、窒素雰囲気下、１２０℃で６００分乾燥した。
その後、乾燥後の固形物を乾燥機に入れ、この乾燥機内を１時間かけて窒素雰囲気にし、６０℃まで昇温して保持した後、６０℃のままで乾燥機内に酸素を供給して酸素濃度を１質量％から２１質量％まで段階的に上昇させる間に、それぞれの酸素濃度において所定時間保持することによって徐酸化を行った。なお、この徐酸化では、酸素濃度１質量％で３０分間、２質量％で４５分間、４質量％で１００分間、５質量％で６０分間、８質量％で６０分間、１６質量％で３０分間、２１質量％で５分間保持した。
得られた乾燥粉を解砕し、風力分級して、実施例１に係る合金粉を得た。

このようにして得られた合金粉について、ＢＥＴ比表面積、タップ密度、酸素含有量、炭素含有量、粒度分布、合金組成、深さ方向の元素の分布及び磁気特性を求めた。

ＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ比表面積測定器（ユアサアイオニクス株式会社製の４ソーブＵＳ）を使用して、測定器内に１０５℃で２０分間窒素ガスを流して脱気した後、窒素とヘリウムの混合ガス（Ｎ_２：３０体積％、Ｈｅ：７０体積％）を流しながら、ＢＥＴ１点法により測定した。

タップ密度（ＴＡＰ）は、特開２００７−２６３８６０号公報に記載された方法と同様に、合金粉を内径６ｍｍの有底円筒形のダイに充填して合金粉層を形成し、この合金粉層の上面に０．１６０Ｎ／ｍ^２の圧力を均一に加えた後、合金粉層の高さを測定し、この合金粉層の高さの測定値と、充填された合金粉の重量とから、合金粉の密度を求めて、合金粉のタップ密度とした。

酸素含有量は、酸素・窒素・水素分析装置（株式会社堀場製作所製のＥＭＧＡ−９２０）により測定した。

炭素含有量は、炭素・硫黄分析装置（堀場製作所製のＥＭＩＡ−２２０Ｖ）により測定した。

粒度分布は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＹＭＰＡＴＥＣ社製のへロス粒度分布測定装置（ＨＥＬＯＳ＆ＲＯＤＯＳ（気流式の乾燥モジュール）））により分散圧５ｂａｒで測定した。

合金組成は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置（株式会社日立ハイテクサイエンス製のＳＰＳ３５２０Ｖ）によって分析した。

［深さ方向の元素分布分析］
得られた実施例１に係る合金粉粒子における深さ方向の元素分布分析は、Ｘ線光電子分光装置（アルバックファイ株式会社製、ＥＳＣＡ５８００）（以降、単にＥＳＣＡと称する。）を使用し、以下の測定条件にて実施した。

（測定条件）
・Ｘ線源…Ａｌモノクロ
・出力…１５０Ｗ
・光電子取り出し角…４５°
・パスエネルギー…１１７．４０ｅＶ
・Ａｒスパッタエッチング速度…１ｎｍ／ｍｉｎ．（ＳｉＯ_２換算値）

［磁気特性（透磁率、磁気損失、保磁力）の測定］
得られた実施例１に係る合金粉とビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（株式会社テスク製；一液性エポキシ樹脂Ｂ−１１０６）を９０：１０の質量割合で秤量し、真空撹拌・脱泡ミキサー（ＥＭＥ社製；Ｖ−ｍｉｎｉ３００）とを用いてこれらを混練し、供試粉末がエポキシ樹脂中に分散したペーストとした。このペーストをホットプレート上で６０℃、２ｈ乾燥させて合金粉末と樹脂との複合体としたのち、粉末状に解粒して、複合体粉末とした。この複合体粉末０．２ｇをドーナッツ状の容器内に入れて、ハンドプレス機により９８００Ｎ（１Ｔｏｎ）の荷重をかけることにより、外径７ｍｍ、内径３ｍｍのトロイダル形状の実施例１に係る成形体を得た。
この成形体について、ＲＦインピーダンス／マテリアル・アナライザ（アジレント・テクノロジー社製；Ｅ４９９１Ａ）とテストフィクスチャ（アジレント・テクノロジー社製；１６４５４Ａ）を用い、１０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚにおける複素比透磁率の実数部μ’および虚数部μ”を測定し、複素比透磁率の損失係数ｔａｎδ＝μ”／μ’を求めた。

また、高感度型振動試料型磁力計（東英工業株式会社製：ＶＳＭ−Ｐ７−１５型）を用い、印加磁界（１０ｋＯｅ）、Ｍ測定レンジ（５０ｅｍｕ）、ステップビット１００ｂｉｔ、時定数０．０３ｓｅｃ、ウエイトタイム０．１ｓｅｃで合金粉の磁気特性を測定した。Ｂ−Ｈ曲線により、保磁力Ｈｃを求めた。なお、処理定数はメーカー指定に従った。具体的には下記の通りである。

交点検出：最小二乗法Ｍ平均点数０Ｈ平均点数０
ＭｓＷｉｄｔｈ：８ＭｒＷｉｄｔｈ：８ＨｃＷｉｄｔｈ：８ＳＦＤＷｉｄｔｈ：８Ｓ．ＳｔａｒＷｉｄｔｈ：８
サンプリング時間（秒）：９０
２点補正Ｐ１（Ｏｅ）：１０００
２点補正Ｐ２（Ｏｅ）：４５００

（実施例２〜２１）
水アトマイズにおける雰囲気、水洗した固形物の乾燥条件、及び、徐酸化時の温度を下記表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして、実施例２〜２１に係る合金粉を製造した。
なお、実施例２〜２１においては風力分級条件を変更して粒度分布を調整した。また実施例１５においては、溶湯の調製において、電解鉄１３．７９ｋｇとシリコンメタル０．９９ｋｇとフェロクロム（Ｆｅ３３ｗｔ％、Ｃｒ６７ｗｔ％）０．２２ｋｇとを、タンディッシュ炉に仕込んだ。実施例１６〜２１においては、溶湯の調整において、電解鉄１３．４３ｋｇとシリコンメタル０．５７ｋｇとフェロクロム（Ｆｅ３３ｗｔ％、Ｃｒ６７ｗｔ％）１．０１ｋｇとをタンディッシュ炉に仕込んだ。

実施例２〜２１に係る合金粉について、実施例１と同様に、ＢＥＴ比表面積、タップ密度、酸素含有量、炭素含有量、粒度分布、合金組成及び磁気特性を求めた。実施例１の結果とあわせて、下記表２及び３に示す。また、実施例１に係る合金粉の元素の分布の分析結果を図１に示す。

今回の磁性特性の測定では、測定周波数１０ＭＨｚにおいて複素比透磁率の虚数部μ”の測定においてノイズが生じ、数値が負になるものがあった。

Claims

質量％で、Ｓｉ：１．０〜８．０％、及びＣｒ：０〜８．０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金組成を有する軟磁性粉末。
平均粒子径が１．０〜１５．０μｍである、請求項１に記載の軟磁性粉末。
ＢＥＴ比表面積が０．３〜１０．０ｍ^２／ｇである、請求項１又は２に記載の軟磁性粉末。
タップ密度が２．５〜６．５ｇ／ｃｍ^３である、請求項１〜３のいずれかに記載の軟磁性粉末。
酸素含有量が０．２０〜３．５質量％である、請求項１〜４のいずれかに記載の軟磁性粉末。
Ｆｅ及びＳｉを含む溶湯を調製する工程と、
該溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて、前記溶湯を粉砕しかつ冷却凝固させる工程と
を有する軟磁性粉末の製造方法であって、
前記溶湯がＳｉを１．０〜８．０質量％含む、軟磁性粉末の製造方法。
前記溶湯がさらにＣｒを８．０質量％以下含む、請求項６に記載の軟磁性粉末の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の軟磁性粉末と絶縁樹脂材料を含む、軟磁性材料。
請求項８に記載の軟磁性材料を所定の形状に成型し、得られた成型物を加熱して圧粉磁心を得る、圧粉磁心の製造方法。