JP5315636B2 - 非晶質軟磁性金属粉末および圧粉磁芯 - Google Patents

Description

本発明は、非晶質軟磁性金属粉末およびその非晶質軟磁性金属粉末を含む圧粉磁芯に関するものである。

高透磁率材料である軟磁性金属粉体が絶縁材料および結合剤によりコーティングされるとともに、所定の形状にプレス成形され且つ硬化された圧粉磁芯が知られている。このような圧粉磁芯は、ＯＡ機器や車両などのスイッチング電源やＤＣ／ＤＣコンバータ，チョークコイルなどの磁芯として多用されている。

上記のような圧粉磁芯に用いられる軟磁性金属粉体としては、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金等が知られている。Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金は、コアロスが比較的低い特徴がある反面、飽和磁化が小さいために大きな直流が印加されると磁芯が磁気的に飽和してしまい、十分な直流重畳特性が得られない。反対に、純鉄、Ｆｅ−Ｓｉ系合金を用いた場合は、飽和磁化を高くできる特徴があるが、コアロスが大きくなる。これらに対し、コアロスが低くしかも飽和磁化が大きい材料として、Ｆｅ基非晶質軟磁性合金が存在している。このようなＦｅ基非晶質軟磁性合金の粉体は、たとえば特許文献１に示すように、非晶質とするために溶湯を回転体の上に落下させて帯状の急冷材を作成しそれを粉砕する技術が知られている。また、特許文献２には、溶湯にガスを噴射して溶滴としそれを旋回冷却液に供給するガスアトマイズ法を用いた装置が記載されている。
特開２００６−０２１２４８号公報 特開平１１−０８０８１２号公報

ところで、上記のようにＦｅ基非晶質軟磁性合金の粉体を製造するに際して、特許文献１に示すような、溶湯を回転体の上に落下させて帯状の急冷材を作成しそれを粉砕する場合には、急冷と粉砕との２工程および設備を必要とするため、製造性に劣るという問題があった。また、特許文献２に示すような、アトマイズ法によれば、非晶質軟磁性金属粉末を直接得ることができる利点があるが、汎用性のあるアトマイズ装置では急冷が不十分となって非晶質度( アモルファス化率）が得られ難く、非晶質軟磁性金属粉末の非晶質度を高くするための特殊な専用設備を必要とし、生産コストが高くなるという欠点があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、汎用性のあるアトマイズ装置であっても十分な非晶質度が得られる非晶質形成能が高い非晶質軟磁性金属粉末およびその非晶質軟磁性金属粉末を用いた圧粉磁芯を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として、比較的遅い冷却速度であっても軟磁性金属粉末の非晶質化が容易な組成についてＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系合金などをベースとして種々検討を重ねた結果、Ｓｉ、Ｂ、Ｃの組成比率の合計値、ＳｉとＢの組成比率の相対値、およびＣの組成比率を所定の範囲とすると、比較的遅い冷却速度であっても軟磁性金属粉末の非晶質化が容易な、非晶質形成能が高い軟磁性金属を見いだした。本発明はかかる知見に基づいて為されたものである。

すなわち、請求項１に係る発明は、Ｆｅ−ａＣｒ−ｂＳｉ−ｃＢ−ｄＣ−ｅＮｂ系の合金粉末から成り、その合金粉末の各元素の比率を原子％表示で示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの値は、０．５≦ａ≦５．０、２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦３０、−４≦( ｂ−ｃ) ≦３、２≦ｄ≦１２、１≦ｅ≦４であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、非晶質軟磁性金属粉末は、溶湯からアトマイズ法による粉末化されたものであることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明の圧粉磁芯用非晶質軟磁性金属粉末が絶縁性バインダーによりコーティングされた状態でプレス成形により圧縮され、且つその絶縁性バインダーが硬化させられることにより相互に結合して構成された圧粉磁芯であることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、Ｆｅ−ａＣｒ−ｂＳｉ−ｃＢ−ｄＣ−ｅＮｂ系の合金粉末から成り、各元素の組成比率を原子％表示で示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの値は、０．５≦ａ≦５．０、２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦３０、−４≦( ｂ−ｃ) ≦３、２≦ｄ≦１２、１≦ｅ≦４であることから、冷却速度が比較的遅い汎用性のあるアトマイズ装置を用いても十分に非晶質化された粉末が得られるので、この粉末を用いた圧粉磁芯では低いコアロスの特性が得られる。また、汎用性のあるアトマイズ装置を用いても非晶質化されるので、設備投資金額が軽減されるとともに稼働率が高められ、製造コストが低減される。

上記Ｃｒは、少量の添加量たとえば０．５原子％以上で軟磁性金属粉末の酸素含有量を低減することができ、軟磁性金属粉末の保磁力の低減、圧粉磁芯としたときのコアロスの低減に有効な元素であるが、含有量が５．０原子％を超えると飽和磁化の低下を招く。

上記ＳｉおよびＢは非晶質とするために必要な元素であり、ＣはＳｉおよび／またはＢに置換して添加すると非晶質化を促進する効果が大きい。このため、Ｓｉ、Ｂ、およびＣの合計で２３〜３０原子％の範囲内であるときに軟磁性金属粉末が非晶質となり易い。それらのうちのＳｉとＢとの差( Ｓｉ−Ｂ) は−４〜３の範囲となることが必要である。ＣはＳｉおよび／またはＢに置換して添加すると、少量たとえば１原子％以上の存在で非晶質化を促進する効果が大きいが、１２原子％を超えるても、逆に非晶質度の低下を招く。

上記Ｎｂは、非晶質化を促進する上で有効な元素である。少量添加することにより軟磁性金属粉末の非晶質比率が高くなるが、含有量が４．０原子％を超えると飽和磁化の低下を招く。

また、請求項２に係る発明によれば、軟磁性金属粉末は、溶湯からアトマイズ法により粉末化されたものである。このようにすれば、粉末の量産性の向上を図ることができる。このアトマイズ法としては、通常のガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ガスおよび水の混合アトマイズ法、ガスアトマイズ直後の水冷却法等を、好適に用いることができる。

また、請求項３に係る発明によれば、請求項１または２に係る発明の非晶質軟磁性金属粉末が絶縁性バインダーによりコーティングされた状態でプレス成形により圧縮され、且つその絶縁性バインダーが硬化させられることにより相互に結合して構成された圧粉磁芯であることにあることから、十分な磁気特性を持つ圧粉磁芯を安価に製造することができる。

ここで、好適には、前記絶縁材料および結合剤としては、シリコーン樹脂等の共通の材料が用いられてもよいし、別々の材料が用いられてもよい。また、その材料は流動性材料であってもよいし、粉体であってもよい。

また、前記圧粉磁芯は、円環状体のみならず、矩形枠状体、多角形枠状や複雑な形状の環状体であってもよい。また、複数の部品が組み合わせられることによって環状に構成されるものであってもよい。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は簡略化されており、それら各部の寸法等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の圧粉磁芯１０を示す斜視図である。この圧粉磁芯１０は、円環状を成し、ノイズフィルター、チョークコイルなどに用いられるために、捲線が施される。この圧粉磁芯１０は、円環状体であり、たとえば外径２０ｍｍφ×内径１２ｍｍφ×厚み６ｍｍｔ程度の外形寸法を備えている。

上記圧粉磁芯１０は、たとえば図２に示す工程にしたがって製造される。図２において、溶解工程Ｐ１では、たとえば電気溶解炉を用いて、Ｆｅ( 鉄) 、Ｃｒ( クロム）、Ｓｉ( 珪素) 、Ｂ( 硼素) 、Ｃ( 炭素) 、およびＭ[ Ｎｂ( ニオブ) 、Ｍｏ( モリブデン) 、Ｚｒ( ジルコニウム) のうちの１種以上] の材料が、各元素Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、およびＭの組成比率を原子％( atm ％) 表示で順に示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの値が、０．５≦ａ≦５．０、２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦３０、−４≦( ｂ−ｃ) ≦３、１≦ｄ≦１２、０≦ｅ≦４となるように、調合され且つ溶解され、溶湯が生成される。次の金属粉末生成工程Ｐ２では、良く知られた水アトマイズ装置或いはガスアトマイズ装置を用いて、上記溶湯が所定の容器内において水またはガスを用いて噴霧され、その溶湯が急速冷却されるとともに粉末化され、篩等によってたとえば粒径４５μｍ以下の所定の粒度に分級される。これにより、圧粉磁芯用の非晶質軟磁性金属粉末が得られる。

次いで、バインダー混合工程Ｐ３では、絶縁材料および結合剤として機能する電気的な絶縁バインダーを上記非晶質軟磁性金属粉末に対して０．５〜３ｗｔ％程度の混合率となるように定量し、混合されることにより、非晶質軟磁性金属粉末の表面に電気絶縁性バインダーがコーティングされる。上記電気絶縁性バインダーとしては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、水ガラス等を用いるとができる。また、必要に応じて、潤滑剤混合工程Ｐ４において、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤が上記非晶質軟磁性金属粉末に対して０．１〜０．５ｗｔ％程度となるように混合される。

続くプレス成形工程Ｐ５では、上記バインダー混合工程Ｐ３において絶縁性バインダーが被覆された軟磁性金属粉末が所定の成形金型内に充填され、且つ油圧プレスによって１〜２ＧＰａ程度の成形圧力で加圧されることにより非晶質軟磁性金属粉末の圧粉体が成形される。熱処理工程Ｐ６は、上記プレス成形工程Ｐ５により成形された成形体の成形歪みを除去すると共に絶縁バインダーを硬化させるために、上記成形体を不活性雰囲気たとえばアルゴンガス雰囲気内において２００℃乃至結晶化温度、たとえば４６０℃程度の温度で１時間程度の熱処理を施す。

[実験例１]
以下、本発明者等が行った実験例１を説明する。図３は実験例１の内容を示す表である。この実験例１では、先ず図３に示す５種類の組成の溶湯を、水アトマイズ法を用いてそれぞれ粉末化し、それを分級して２１〜２３μｍの平均粒径を備えた非晶質軟磁性金属粉末を得、それを用いて、５種類の試料すなわち比較例１および２と実施例１〜３とを、図２の製造工程と同様の工程を経て作成し、粉末の酸素量、非晶質度、飽和磁化、圧粉磁芯のコアロスをそれぞれ測定し、測定結果を図３の表１に示す。

上記非晶質度( アモルファス化率：％）は、Ｘ線回折スペクトルのうちのアモルファス由来のハローのピーク強度値および結晶由来のピーク強度値をそれぞれ測定し、そのハローのピーク強度値を、ハローのピーク強度値と結晶由来のピーク強度値とを加算した値で割った値を％表示したものである。上記飽和磁化は、所定量の非晶質軟磁性金属粉末を容器内に入れ、パラフィンで固定したサンプルをＶＳＭ（振動試料型磁力計）により測定し、磁気の強さがＨｍ＝８００ｋＡ／ｍの時の磁化の値を用いた。上記コアロス（単位：kW/m³ ）は、非晶質軟磁性金属粉末を含む圧粉磁芯１０( 寸法：外径２８ｍｍφ×内径２０ｍｍφ×厚み５ｍｍ）に８０ターン程度の一次捲線と２０ターン程度の二次捲線とを設け、よく知られたコアロス測定装置を用いて、一次捲線を正弦波による交流磁界での励磁（０．１Ｔ、１００ｋＨｚ）したときにおける圧粉磁芯１０の損失Ｐc を二次捲線に発生する信号に基づいて測定した。

図３においては、非晶質軟磁性金属粉末を構成するＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ−Ｎｂ系合金のうちのＣｒの割合を０原子％から７．０原子％まで５段階に変化させたときの、酸素量、非晶質度、飽和磁化、コアロスが示されている。すなわち、Ｃｒの割合が多くなるほど非晶質軟磁性金属粉末中の酸素Ｏが減少する傾向にあり、非晶質度は変化せず、飽和磁化およびコアロスが減少する傾向にある。コアロスが８００kW/m³ を超え且つ酸素量Ｏが０．５重量％を超える理由で、Ｃｒを含まない比較例１は使用できない。また、飽和磁化が従来のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（センダスト) のそれ( １．１Ｔ) より低い点で７．０原子％以上のＣｒを含む比較例２は効果が得られない。しかし、実験例１〜３は、コアロスが８００以下且つ酸素Ｏが０．５重量％以下であり、しかも飽和磁化が従来のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（センダスト) のそれ( １．１Ｔ) より高い。Ｃｒの僅かな含有によってコアロスおよび酸素量が低下するので、Ｃｒの割合は０．５乃至５．０原子％の範囲が望ましい。上記実験例１〜３をＦｅ−ａＣｒ−ｂＳｉ−ｃＢ−ｄＣ−ｅＮｂ系の合金粉末として示すと、原子％表示で、０．５≦ａ≦５．０、２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦２７、( ｂ−ｃ) ＝０、ｄ＝２、ｅ＝１となる。

[実験例２]
次に、本発明者等が行った実験例２を説明する。図４は実験例２の内容を示す表である。この実験例２では、先ず図４に示す３７種類の組成の溶湯を、ガスアトマイズ法を用いてそれぞれ粉末化し、それを〜２５μｍ、２５〜３８μｍ、３８〜４５μｍの３種類の粒径に分級した非晶質軟磁性金属粉末を得、それを用いて、４１種類の試料すなわちＮｏ．１乃至Ｎｏ．４１について飽和磁化と、さらに上記３種類の粒径毎の非晶質度とを、前述の実験例１と同様の方法でそれぞれ測定した。その測定結果を図４に示す。

図４においては、非晶質度が９７％以上以上であるものについて効果ありと評価している。図４において、粒度２５μｍ以下については、試料Ｎｏ．１に示すようにＳｉ、Ｂ、およびＣの合計で２３原子％を下まわると非晶質度が９７％を大きく下まわり、十分な非晶質度が得られず、試料Ｎｏ．１９に示すようにＳｉ、Ｂ、およびＣの合計で３０原子％を上まわっても非晶質度が９７％を下まわる。また、試料Ｎｏ．２、５〜７、９〜１３、１５〜１８、２１〜２３、２５〜３１、３３〜４１に示すように、上記元素のうちのＳｉとＢとの差( Ｓｉ−Ｂ) は−４〜３の範囲となる。

Ｃは上記Ｓｉおよび／またはＢに置換して添加すると、１原子％以上の存在で非晶質化を促進する効果が大きい。試料Ｎｏ．２０、２４に示すように１原子％を下回ると非晶質度の向上の効果は十分ではなく、試料Ｎｏ．３２に示すように１２原子％を超えても逆に非晶質度の低下を招く。また、上記Ｎｂは、非晶質化を促進する上で有効な元素である。少量添加することにより軟磁性金属粉末の非晶質比率が高くなるが、含有量が４．０原子％を超えると飽和磁化の低下を招く。

図４において、試料Ｎｏ．２、５〜７、９〜１３、１５〜１８、２１〜２３、２５〜３１、３３〜４１は、十分な非晶質度と飽和磁化を備えたものであることから、それらを構成する軟磁性金属粉末であるＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ−Ｎｂ系合金は、それら元素のＣｒ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、およびＮｂの組成比率を原子％( atm ％) 表示で順に示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの値は、０．５≦ａ≦５．０、２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦３０、−４≦( ｂ−ｃ) ≦３、２≦ｄ≦１２、１≦ｅ≦４の範囲内となる。

上述のように、本実施例の非晶質軟磁性金属粉末は、Ｆｅ−ａＣｒ−ｂＳｉ−ｃＢ−ｄＣ−ｅＭ系の合金粉末から成り、各元素の組成比率を原子％表示で示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの値は、０．５≦ａ≦５．０、２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦３０、−４≦( ｂ−ｃ) ≦３、２≦ｄ≦１２、１≦ｅ≦４であり、前記Ｍは、Ｎｂである非晶質軟磁性金属粉末であることから、比較的遅い冷却速度である汎用性のあるアトマイズ装置を用いても十分に非晶質化された粉末が得られるので、この粉末を用いた圧粉磁芯では低いコアロスの特性が得られる。このため、好適には、圧粉磁芯用非晶質軟磁性金属粉末として使用される。また、汎用性のあるアトマイズ装置を用いても非晶質化されるので、設備投資金額が軽減されるとともに稼働率が高められ、製造コストが低減される。

また、本実施例の圧粉磁芯用非晶質軟磁性金属粉末を製造する金属粉末生成工程Ｐ２において用いられるアトマイズ法は、通常のガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ガスおよび水の混合アトマイズ法、ガスアトマイズ直後の水冷却法などを用いることができる。このため、汎用性のあるアトマイズ装置を用いることができ、専用の設備を設ける場合に比較して、設備費用が低減され、製造コストが低くなる。

また、本実施例では、溶解工程Ｐ１および金属粉末生成工程Ｐ２を経て製造された非晶質軟磁性金属粉末が、バインダー混合工程Ｐ３において絶縁バインダーによりコーティングされた状態で、必要に応じて潤滑剤混合工程Ｐ４を経て、プレス成形工程Ｐ５においてプレス成形により圧縮成形され、熱処理工程Ｐ６において成形歪みを除去すると共に絶縁性バインダーで硬化させられることにより相互に結合して構成された安価な圧粉磁芯１０が得られる。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えた態様で実施し得る。

本発明の一実施例の製造方法により製造された磁芯を示す図である。 図１の磁芯の製造工程を説明する工程図である。 図１の磁芯を構成するＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ−Ｍ系合金のうちのＣｒの割合を変化させた実験例１の結果を示す図表である。 図１の磁芯を構成するＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃ−Ｍ系合金のうちのＳｉ、Ｂ、Ｃ、Ｍの割合をそれぞれ変化させた実験例２の結果を示す図表である。

符号の説明

１０：磁芯

Claims (3)

1. Ｆｅ−ａＣｒ−ｂＳｉ−ｃＢ−ｄＣ−ｅＮｂ系の合金粉末から成り、該合金粉末の組成の各元素の比率を原子％表示で示すａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの値は、
   ０．５≦ａ≦５．０、
   ２３≦( ｂ＋ｃ＋ｄ) ≦３０、
   −４≦( ｂ−ｃ) ≦３、
   ２≦ｄ≦１２、
   １≦ｅ≦４
   であることを特徴とする非晶質軟磁性金属粉末。
2. 前記非晶質軟磁性金属粉末は、溶湯からアトマイズ法による粉末化されたものであることを特徴とする請求項１の非晶質軟磁性金属粉末。
3. 請求項１または２の非晶質軟磁性金属粉末が絶縁性バインダーによりコーティングされた状態でプレス成形により圧縮され、且つ該絶縁性バインダーが硬化させられることにより相互に結合して構成された圧粉磁芯。
   

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