JP6071211B2 - 低磁歪高磁束密度複合軟磁性材とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ、アクチュエータ、リアクトル、トランス、チョークコア、磁気センサコア、ノイズフィルタ、スイッチング電源、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの各種電磁気回路部品の素材として使用される低磁歪高磁束密度複合軟磁性材とその製造方法に関する。

従来、モータ、アクチュエータ、磁気センサなどの磁心用材料として、鉄粉末、Ｆｅ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｎｉ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｃｏ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ系鉄基軟磁性合金粉末、Ｆｅ−Ｐ系鉄基軟磁性合金粉末（以下、これらを軟磁性粒子と総称する）を焼結して得られた軟磁性焼結材が知られている。
一方、鉄粉末や合金粉末をガス又は水アトマイズ法で粉末化して作製した場合、鉄粉末や合金粉末は単体では比抵抗が低いため、鉄粉末や合金粉末の表面に絶縁皮膜の被覆を行うか、有機化合物や絶縁材を混合するなどして焼結を防止し、比抵抗を上げるなどの対策を講じている。この種の軟磁性材において、渦電流損失を抑制するために、鉄を含む軟磁性粒子の表面を非鉄金属の下層皮膜と無機化合物を含む絶縁膜とで覆った複合軟磁性材が提案されている。

前記複合軟磁性材の一例として、軟磁性粉末と絶縁性結着材とを混合した複合軟磁性材料を目的の形状に圧縮成形し、焼成してなる圧粉磁心が適用されている。この圧粉磁心は、軟磁性粉末粒子どうしが絶縁性結着材を介し接合された組織を有し、絶縁性結着材により軟磁性粉末粒子どうしの絶縁が確保されている。
また、この種の圧粉磁心の一例として、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末（Ｓｉ含有量０．５〜３．５質量％）に磁歪量を減少させる作用を有する樹脂としてシリコーン系樹脂を添加することで、低磁歪材料とする技術が開示されている。（特許文献１参照）

また、この種の軟磁性材において、純鉄粉末とＦｅ−６．５Ｓｉ合金粉末を混合し、更に、カオリン、アモルファスシリカ、アクリルエマルジョン、潤滑剤を添加し、純鉄粉末の全体量に対する重量比率を１０〜５５％とすることで、高強度な低磁歪材を得る技術が開示されている。（特許文献２参照）

特開２００６−３３２３２８号公報 特開２００８−１９２８９７号公報

ところで、電子機器用電磁気部品は、電子機器の小型化、高性能化に伴い、より厳しい材料特性が求められ、更に実使用状態において問題を生じない電磁気部品であることが必要になってきている。このような部品に用いられる軟磁性材について検討すると、純鉄粉末とＦｅ−６．５Ｓｉ合金粉末を混合し上述の如くカオリンやアモルファスシリカなどを混合し圧縮成形してなる低磁歪材、Ｎｉ−Ｆｅ合金（Ｎｉ含有量７８．５重量％のパーマロイ合金）あるいはＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ（センダスト）合金以外の鉄系軟磁性材では、特に周波数１０ｋＨｚ以下の帯域において使用中に磁歪に起因する騒音が発生する問題があるため、実使用には適さないという問題があった。
従ってこの種の鉄系の軟磁性材にあっては、実使用状態において磁歪に起因する騒音の発生を生じることがないような低磁歪特性を有するとともに、高い磁束密度を有する軟磁性材の提供が望まれている。

本発明は前記の問題に鑑み創案されたものであり、その目的は、純鉄系の複合軟磁性粉末に１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末を適量混合することにより、純鉄系の複合軟磁性粉末が有する正磁歪を緩和する適正量の負磁歪の材料として特別な組成のＦｅ−Ｓｉ合金粉末を混合し、熱処理を施すことにより低磁歪特性を有し、広範囲な周波数域で使用が可能な鉄系複合軟磁性材を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために本発明の低磁歪特性、高磁束密度複合軟磁性材は、Ｍｇ含有絶縁皮膜あるいはリン酸塩皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末粒子と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子をこれらの合計全量に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の割合において１０〜６０質量％含有してなり、前記粒子間に境界層を有してなることを特徴とする。
（２）前記純鉄系の複合軟磁性粉末粒子の正磁歪がＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の負磁歪により緩和されて磁束密度０〜０．５Ｔの範囲で−２×１０ ^−６ 〜＋２×１０ ^−６ の範囲の低磁歪とされたことが好ましい。
（３）前記純鉄系の複合軟磁性粉末粒子とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の界面にシリコーン樹脂の焼成物からなる境界層が生成されたことが好ましい。
（４）前記Ｍｇ含有絶縁皮膜の膜厚が５〜２００ｎｍであることが好ましい。

（５）本発明の電磁気回路部品は、（１）〜（４）のいずれかに記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材からなることを特徴とする。

（６）本発明の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法は、Ｍｇ含有絶縁皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末とを配合後の全量に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉末の割合において１０〜６０質量％となるように配合し、圧縮成形後、非酸化性雰囲気において５００℃〜１０００℃で焼成処理を行うことを特徴とする。
（７）本発明の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法は、リン酸塩皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末とを配合後の全量に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉末の割合において１０〜６０質量％となるように配合し、圧縮成形後、非酸化性雰囲気において３５０℃〜５００℃で焼成処理を行うことを特徴とする。
（８）前記Ｍｇ含有絶縁皮膜として膜厚５〜２００ｎｍのＭｇ含有絶縁皮膜を用いることが好ましい。
（９）本発明の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法は、（６）〜（８）のいずれかにおいて前記複合軟磁性粉末とＦｅ−Ｓｉ合金粉末に加え、メチル系、メチルフェニル系またはフェニル系のシリコーン樹脂を添加配合して圧縮成形し、熱処理することにより、前記純鉄系の複合軟磁性粉末粒子とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の界面に前記メチル系、メチルフェニル系またはフェニル系のシリコーン樹脂の焼成物からなる境界層を生成することを特徴とする。

本発明の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材によれば、Ｍｇ含有絶縁皮膜あるいはリン酸塩皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末粒子と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子をこれらの合計全量に対する前記Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の割合において１０〜６０質量％含有してなり、前記粒子間に境界層を有してなるので、純鉄系の複合軟磁性粉末粒子が有する正磁歪と１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ系合金粉末粒子が有する負磁歪の掛け合わせにより全体として緩和し、低磁歪とした複合軟磁性材とすることができる。
また、軟質の純鉄系の複合軟磁性粉末と硬質のＦｅ−Ｓｉ合金粉末の混合により、圧縮成形による粉末同士の結合状態を良好にできるので、硬質粉末同士を圧縮成形する場合と比較し、圧縮成形時の圧縮力が小さくとも粉末同士の結合性の良好な低磁歪の複合軟磁性材とすることができる。よって成型機にかかる負担を少なくし、硬質粉末同士を圧縮成形する場合に比較し、圧縮力の小さい成型機であっても利用することができる。
メチル系、メチルフェニル系あるいはフェニル系のシリコーン樹脂を圧縮成形した後に焼成処理してなる境界層を介し純鉄系の複合軟磁性粉末粒子あるいはＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子を結合しているので、境界層部分での機械的結合力に優れ、純鉄系の複合軟磁性粉末粒子とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の粒界部分においても確実な絶縁を望むことができるため、高周波領域において低い鉄損の複合軟磁性材が得られる。
本発明の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材は、低磁歪と高磁束密度の両立を実現できるものであり、これらの特徴を生かした各種電磁気回路部品の材料として使用できる。

前記低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を用いて構成される電磁気回路部品として、例えば、磁心、電動機コア、発電機コア、ソレノイドコア、イグニッションコア、リアクトルコア、トランスコア、チョークコイルコアまたは磁気センサコアなどとしての利用が可能であり、いずれにおいても優れた磁気特性を発揮し得る電磁気回路部品を提供できる。
そして、これら電磁気回路部品を組み込んだ電気機器には、電動機、発電機、ソレノイド、インジェクタ、電磁駆動弁、インバータ、コンバータ、変圧器、継電器、磁気センサシステム等があり、これら電気機器の高効率高性能化や小型軽量化に寄与するという効果がある。

図１は本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の部分構造を示す模式図。 図２は本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を用いてなる電磁気回路部品の一例を示す斜視図。 図３は実施例において得られた負磁歪材料粉末を４０質量％混合した試料の組織写真。 図４は実施例において得られた試料において隙間を有する部分の拡大組織写真。 図５は図４に示す部位における炭素の分布状態を示すＳＥＭ−ＥＤＳ面分析写真。 図６は図４に示す部位における鉄の分布状態を示すＳＥＭ−ＥＤＳ面分析写真。 図７は図４に示す部位における酸素の分布状態を示すＳＥＭ−ＥＤＳ面分析写真。 図８は図４に示す部位におけるマグネシウムの分布状態を示すＳＥＭ−ＥＤＳ面分析写真。 図９は図４に示す部位における珪素の分布状態を示すＳＥＭ−ＥＤＳ面分析写真。

以下に本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明に係る第１実施形態の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の組織構造の一例を示す模式図であり、この実施形態の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａは、膜厚５〜２００ｎｍのＭｇ含有絶縁皮膜１によって絶縁処理された純鉄系の複数の複合軟磁性粉末粒子２と、１１〜１６質量％のＳｉを含む複数のＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子３と、それら複数の粒子間の界面に存在するように形成された境界層５を主体として構成されている。複合軟磁性粉末粒子２は純鉄粉末粒子４の外周をＭｇ含有絶縁皮膜１により覆って構成される。
図１では本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａの組織の一部分のみを拡大して示しているので、純鉄系の複合軟磁性粉末粒子２とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子３は１つずつしか描かれていないが、後述する如く複数の純鉄系の複合軟磁性粉末とＦｅ−Ｓｉ合金粉末を混合して圧縮成形し、熱処理することで低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａが形成されているので、実際の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａは、複数の純鉄系の複合軟磁性粉末粒子２と複数のＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子３がそれらの間に存在する境界層５を介して接合された組織を呈する。なお、Ｍｇ含有絶縁皮膜によって絶縁処理された複合軟磁性粉末粒子２については、リン酸塩皮膜、例えば、リン酸亜鉛皮膜、リン酸鉄皮膜、リン酸マンガン皮膜、リン酸カルシウム皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末粒子で置換することができ、その説明については後述する。

膜厚５〜２００ｎｍのＭｇ含有絶縁皮膜１によって純鉄粉末粒子４を絶縁処理してなる純鉄系の複合軟磁性粒子２を形成するための純鉄系の複合軟磁性粉末について以下に説明する。
純鉄系の複合軟磁性粉末は平均粒径（Ｄ５０）：５〜５００μｍの範囲内にある純鉄粉末を主体とすることが好ましい。その理由は、平均粒径が５μｍより小さすぎると、純鉄粉末の圧縮性が低下し、純鉄粉末の体積割合が低くなるために磁束密度の値が低下する傾向があり、一方、平均粒径が５００μｍより大きすぎると、純鉄粉末内部の渦電流が増大して高周波における透磁率が低下するなどの理由によるものである。
なお、純鉄系の複合軟磁性粉末の平均粒径はレーザー回折法による測定で得られる粒径である。
この純鉄粉末を原料粉末とし、酸化雰囲気中において室温〜５００℃に保持する酸化処理を施した後、この原料粉末にＭｇ粉末を添加し混合して得られた混合粉末を温度：１５０〜１１００℃、圧力：１×１０^−１２〜１×１０^−１ＭＰａ程度の不活性ガス雰囲気または真空雰囲気中で加熱し、さらに必要に応じて酸化雰囲気中、温度：５０〜４００℃で加熱すると、純鉄粉末表面をＭｇ含有絶縁物で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末が得られる。

前記Ｍｇ粉末の添加量は０．１〜０．３質量％の範囲内にあることが好ましい。
このＭｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末は、従来のＭｇフェライト膜を形成したＭｇ含有絶縁物被覆軟磁性粉末に比べて密着性が格段に優れたものとなり、このＭｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末を圧縮成形して圧粉体を作製しても絶縁皮膜が破壊し剥離することが少なく、また、このＭｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末の圧粉体を温度：４００〜１３００℃程度で熱処理して得られた複合軟磁性材は粒界にＭｇ含有酸化膜が均一に分布した組織が得られる。

前述の製造方法の場合、酸化処理した純鉄粉末を原料粉末とし、この原料粉末にＭｇ粉末を添加し混合して得られた混合粉末を温度：１５０〜１１００℃、圧力：１×１０^−１２〜１×１０^−１ＭＰａの不活性ガス雰囲気または真空雰囲気中で加熱するには、前記混合粉末を転動させながら加熱することが好ましい。
本発明において用いるＭｇ含有絶縁皮膜１とは、純鉄粉末の酸化鉄（Ｆｅ−Ｏ）とＭｇが反応を伴って当該純鉄粉末表面に堆積したＭｇ含有絶縁物の皮膜を示す。この純鉄粉末の表面に形成されているＭｇ含有絶縁皮膜（Ｍｇ−Ｆｅ−Ｏ三元系酸化物堆積膜）の膜厚は、圧縮成形後に複合軟磁性材の高磁束密度と高比抵抗を得るために、５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
ここでの膜厚が５ｎｍより薄いと、圧縮成形、熱処理後に得られる複合軟磁性材の比抵抗が充分ではなく、渦電流損失が増大するので好ましくなく、膜厚が２００ｎｍを越える厚さでは、圧縮成形した複合軟磁性材の磁束密度が低下する傾向となる。このような範囲においてより好ましい膜厚は、５ｎｍ〜１００ｎｍである。

１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金に対し、一般的に鉄に対して磁気特性が安定して得られるＳｉの固溶限界が２１質量％程度とされており、この範囲の中でも、Ｆｅ−Ｓｉ合金の単結晶においては、Ｆｅ−３Ｓｉが正磁歪、Ｆｅ−６．５Ｓｉが零磁歪であることが公知であるが、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末として圧縮成形し、熱処理した後の圧粉材料において磁歪がどの程度のＳｉ含有量において正磁歪、零磁歪、負磁歪となるかについては明確にされていない。
本発明者は、上述のＭｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末が正磁歪であること、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末より純鉄系の複合軟磁性粉末の方が軟質であること、を考慮し、負磁歪を示す硬質のＦｅ−Ｓｉ合金粉末と、正磁歪を示す軟質の純鉄系の複合軟磁性粉末とを混合して圧縮成形するならば、この種の合金粉末単体での圧縮成形と比較し、成形圧力を大きくすることなく高密度かつ密着性の良好な圧縮成形が可能であって、圧粉体全体として磁歪も小さくできることを想定し、研究した結果、本願発明に到達した。

本発明者は、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末とＭｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末との混合物を圧縮成形し、熱処理して得られる複合軟磁性材について、磁歪に関する研究を行ったところ、Ｆｅ−３Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−８Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−１０Ｓｉ合金粉末を用いて複合軟磁性材を形成しても、磁束密度０〜０．５Ｔの範囲で全体として磁歪を−２×１０^−６〜＋２×１０^−６の範囲の低磁歪とすることはできなかった。
そこで、通常のＦｅ−Ｓｉ合金単結晶で知られている磁歪が０ｐｐｍとなる組成であるＦｅ−６．５Ｓｉを境界として負磁歪とするために更にＳｉ含有量を増加したＦｅ−Ｓｉ合金粉末を用いて種々研究した結果、望ましいＳｉ含有量の範囲を見出し本発明に適用した。
この背景から、本願発明においては、Ｍｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末に対し混合するＦｅ−Ｓｉ合金粉末として、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末を用いる。

Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末に含有させるＳｉ量として、一般的に安定して磁性を得られる面でのＦｅに対するＳｉの固溶限界が２１質量％であることを考慮し、１４．５質量％を超えるＳｉを含有させると、磁性が不安定となる傾向があり、Ｍｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末に混合して圧縮成形後に高い磁束密度を得ることが難しくなる。これは、Ｆｅ−Ｓｉ合金においてＳｉ含有量１４．５質量％まで強磁性のα相が主体であり、Ｓｉ含有量１４．５質量％を超える範囲ではＳｉ含有量の増加とともに非磁性のε相が徐々に増加することが影響していると思われる。
このため、純鉄系の複合軟磁性粉末が示す正磁歪に対し、負磁歪のＦｅ−Ｓｉ合金粉末を混合し磁束密度０〜０．５Ｔの範囲で全体として−２×１０^−６〜＋２×１０^−６の範囲の低磁歪とするためには、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末に含有させるＳｉ量を１１〜１６質量％とする必要がある。

また、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末の粒径については、平均粒径（Ｄ５０）：５０〜１５０μｍの範囲内にある粉末を主体とすることが好ましい。なお、Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末の平均粒径はレーザー回折法による測定で得られる粒径である。

次に、Ｍｇ含有絶縁皮膜１で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末とＦｅ−Ｓｉ合金粉末の混合割合については、純鉄系の複合軟磁性粉末とＦｅ−Ｓｉ合金粉末の合計量に対する純鉄系の複合軟磁性粉末の割合として４０〜９０質量％の範囲とする必要がある。純鉄系の複合軟磁性粉末の含有量が少なすぎると、純鉄が本来有する高い磁束密度を発揮し難くなり、硬質のＦｅ−Ｓｉ合金粉末よりも軟質の純鉄系の複合軟磁性粉末の割合が少なくなるので、満足に圧縮成形するための成形圧力が高くなり、成型機に負担がかかる傾向となる。逆に、負磁歪を示すＦｅ−Ｓｉ合金粉末の割合が少なすぎると、純鉄系の複合軟磁性粉末が示す正磁歪を調整し難くなり、磁歪が大きくなる。
磁歪のバランスをとって低磁歪とした上、良好な磁気特性（飽和磁束密度）を得るためには、純鉄系の複合軟磁性粉末とＦｅ−Ｓｉ合金粉末の合計量に対する純鉄系の複合軟磁性粉末粒子２の割合として４０〜９０質量％の範囲が好ましい。また、この範囲内であっても４０〜８０質量％の範囲にすると、より磁歪が低くなり、好ましい。

以下、図１に示す組織構造を示す低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を製造する方法の一例について説明する。
前記低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を製造する場合において、例えば第１の工程において用意した原料としての純鉄粉末を第２工程において前酸化して表面酸化し、第３工程においてＭｇを蒸着しＭｇ含有絶縁皮膜で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末とする。次に、この粉末にシリコーン樹脂を添加して乾燥した粉末を用意し、第４工程において別途シリコーン樹脂添加後に乾燥したＦｅ−Ｓｉ合金粉末と先のシリコーン樹脂添加後に乾燥した純鉄系の複合軟磁性粉末を混合した後、第５工程において目的の形状に成形し、第６工程において焼成処理することにより、先に説明した如く本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａを得ることができる。

前記成形の圧力は８〜１２ｔ／ｃｍ^２程度の成形圧力を選択することができる。ここで使用する成形圧力は、一般的な硬質合金として知られるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系のセンダスト合金粉末の圧縮成形、あるいは、Ｆｅ−６．５Ｓｉ合金粉末の圧縮成形において必要とされる２０ｔ／ｃｍ^２クラスの値よりも遙かに小さい値であり、一般的な粉末成形法において利用する圧力と同程度であるので、一般的な規模の粉末成型機を用いて本発明に係る優れた低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａを製造することができる。
圧縮成形の後、得られた成形体を５００〜１０００℃の温度で、望ましくは真空中あるいは窒素雰囲気中などの非酸化性雰囲気において数１０分程度焼成して低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａとすることができる。
なお、このような高温で焼成できるのは、Ｍｇ含有絶縁皮膜１で被覆した複合軟磁性粉末を用いているためであり、例えば、リン酸亜鉛皮膜などにおいてはこのような高温域で焼成すると、リン酸亜鉛皮膜の絶縁が完全に破壊されてしまう。５００℃以上の高温で焼成できることにより、焼成材の結晶粒を大きくできるので、磁気特性を向上させる上で好ましい。ただし本発明ではリン酸塩皮膜で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末を用いることもできるので、リン酸塩皮膜を用いる場合は、３５０〜５００℃程度で焼成することが好ましい。なお、Ｍｇ含有絶縁皮膜によって絶縁処理された複合軟磁性粉末粒子２については、リン酸塩皮膜、例えば、リン酸亜鉛皮膜、リン酸鉄皮膜、リン酸マンガン皮膜、リン酸カルシウム皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末粒子で置換することができる。

以上説明の如く製造された低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａは、磁束密度０〜０．５Ｔの範囲で磁歪が−２×１０^−６〜＋２×１０^−６の範囲であって低磁歪であり、飽和磁束密度（１０ｋＡ／ｍでの磁束密度）が０．８〜１．２Ｔである優れた磁気特性を示す。
また、磁性を担う主体として飽和磁束密度の高い純鉄系の複合軟磁性粉末粒子２がＭｇ含有絶縁皮膜１により絶縁され、更に境界層５により絶縁され、焼成により密に接合された状態とされるので、高周波域（５０ｋＨｚなどの高周波帯域）において鉄損を小さくすることができ、優れた軟磁気特性を有する。
また、本実施形態の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａにあっては、高周波対応として見ても優れたＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子３を境界層５で強固に結合し、比抵抗も高いので、５０ｋＨｚなどの高周波領域における鉄損が小さいという特徴を有する。

図２は、本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａを適用した電磁気回路部品の一例であるリアクトルを示す。
図２に示すリアクトル１０は、平面視レーストラック状のリアクトルコア１１と、リアクトルコア１１に巻装された２つのコイル１２を有している。
図２に示すように、各コイル１２は、それぞれ、多数回巻回された導線よりなり、リアクトルコア１１の長手方向の直線区間に巻装されている。このリアクトル１０では、リアクトルコア１１が低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａにより構成されている。

この例のリアクトル１０では、リアクトルコア１１の比抵抗が大きく、磁歪が小さく抑えられているため、リアクトル１０として高い性能を得ることができる。特にこの例のリアクトル１０は、低磁歪としているので、磁歪を原因とする騒音はほとんど生じない。
なお、前記リアクトル１０は本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａを電磁気回路部品に適用した一例であって、本発明に係る低磁歪高磁束密度複合軟磁性材Ａをその他種々の電磁気回路部品に適用できるのは勿論である。

平均粒径１００μｍ（Ｄ５０）の純鉄粉末に対し大気中２５０℃にて加熱処理を３０分間行った。ここでＭｇＯ膜は前段の２５０℃大気中加熱処理で生成される酸化膜厚に比例するので、Ｍｇの添加量は必要最小限度で良く、鉄粉に対して０．３質量％のＭｇ粉末を配合し、この配合粉末を０．１Ｐａの真空雰囲気中、バッチ式回転キルンによって転動させながら６５０℃に加熱することによりＭｇ−Ｆｅ−Ｏ三元系酸化物堆積膜被覆純鉄系の軟磁性粉末（Ｍｇ含有絶縁物被覆純鉄系の軟磁性粉末）を作製した。
このＭｇ含有絶縁物被覆純鉄系の軟磁性粉末の表面に形成されている（Ｍｇ,Ｆｅ）Ｏを含むＭｇ−Ｆｅ−Ｏ三元系酸化物堆積膜の膜厚は、前述の大気中加熱処理で生成される酸化膜厚に比例し、加熱処理の時間に応じ膜厚を制御できる。

純鉄系の複数の複合軟磁性粉末の表面に膜厚５〜２００ｎｍのＭｇ含有絶縁皮膜が存在することは、以下のＳＥＭ−ＥＤＳ（電界放射型走査電子顕微鏡）分析にて確認した。「ＳＥＭ−ＥＤＳ：Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ製 Ｕｌｔｒａ５５、ＥＤＳソフトウェア：Ｎｏｒａｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｘ 」観察条件：加速電圧 １ｋＶ、ＥＤＳ面分析条件：加速電圧４ｋＶ、電流量 １ｎＡ、ＷＤ３ｍｍ。
次に、Ｍｇ含有絶縁皮膜で被覆した純鉄系の複合軟磁性粉末に０．４質量％メチルフェニル系シリコーン樹脂を添加して乾燥し、シリコーン樹脂被覆純鉄系複合軟磁性粉末とした。

Ｆｅ−１４Ｓｉ合金粉末（平均粒径８０μｍ：Ｄ５０：レーザー回折法による）を用意し、シランカップリング剤を０．３質量％、メチル系シリコーン樹脂を２質量％添加し乾燥して得られた粉末（以下、粉末Ｎ）と、前記メチルフェニル系シリコーン樹脂被覆純鉄系複合軟磁性粉末（以下、粉末Ｐ）を質量％において、粉末Ｎ：粉末Ｐ＝６０：４０、５０：５０、４０：６０、３０：７０、２０：８０、１０：９０の割合で混合し、成型機を用いて１２ｔ／ｃｍ^２の圧力で常温成形し、窒素雰囲気中において６５０℃で３０分焼成し、リング状（ＯＤ３５×ＩＤ２５×Ｈ５ｍｍ）およびバー状（６０×１０×Ｈ５ｍｍ）の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を得た。
なお、純鉄系の複合軟磁性粉末の表面に被覆したシリコーン樹脂は焼成により一部の成分が消失するがＳｉが主体として残留し、純鉄系の複合軟磁性粉末粒子とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の粒界に境界層を構成する。

得られた低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の磁束密度０．５Ｔでの磁歪、磁界１０ｋＡ／ｍでの磁束密度（飽和磁束密度）を測定した。
また、用いたＦｅ−Ｓｉ合金粉末として、先のＦｅ−１４Ｓｉ合金粉末に代えて、Ｆｅ−１０．５Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−１１Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−１２Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−１６Ｓｉ合金粉末、Ｆｅ−１６．５Ｓｉ合金粉末を用いて上述の例と同様に低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を作製し、磁束密度０．５Ｔでの磁歪、磁界１０ｋＡ／ｍでの磁束密度を測定した。
前記１０ｋＡ／ｍでの磁束密度の測定は、リング状試料を用いてＢ−Ｈトレーサ（横河電機（株）製直流磁化測定装置Ｂ積分ユニット ＴＹＰＥ３２５７）で行った。また、磁歪の測定については以下の内容で行った。
磁歪の測定は、ストレインゲージ法により行った。ストレインゲージ法とは、ストレインゲージを貼り付けた試料に磁界を印加させ、それによってゲージの電気抵抗が変化することを利用して試料の歪量を測定する方法である。本実施例では、バー状試料を切断して１０×１０×Ｈ５ｍｍの大きさにした試料にストレインゲージ（（株）共和電業製）を接着剤で貼り付け、接着剤の貼り付けから少なくとも１時間以上経過させた後に試料の測定を行った。なお、本発明の磁歪測定では、Ｂ−Ｈトレーサ（理研電子（株）製直流磁化特性自動記録装置 ＢＨＨ−５０、東英工業（株）製電磁石 ＴＥＭ−ＶＷ１０１Ｃ−２５２）を用いて磁界を印加し、記録は、（株）キーエンス製ＰＣリンク型高機能レコーダ ＧＲ−３５００により行った。
以上の結果を以下の表１、表２、表３に示す。

表１〜表３に示す結果から、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末において、Ｓｉ量を１１〜１６質量％含有するＦｅ−Ｓｉ合金粉末を用いるならば、複合軟磁性材を作製した場合、低磁歪の複合軟磁性材を得ることができる。表２に示す如くＦｅ−１０．５Ｓｉ合金粉末を用いた場合、Ｆｅ−１６．５Ｓｉ合金粉末を用いた場合のいずれにおいても磁歪が正磁歪となり大きくなった。
また、表３に示す結果から、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末の割合が７０質量％の試料では負の磁歪が大きく、６２質量％の試料では負の磁歪が若干大きく、飽和磁束密度の低下が見られ、１８質量％の試料では正の磁歪が若干大きくなったが、±２×１０^−６の範囲内には収まった。また、表１に示す各試料の強度は使用時に十分な強度を有することも分かった。
以上の結果から、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末については、Ｓｉ含有量１１〜１６質量％のＦｅ−Ｓｉ合金粉末を用いることで純鉄系の複合軟磁性粉末が本来有する正磁歪を調整して複合軟磁性材として低磁歪にできる。また、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末の含有量については、純鉄系の複合軟磁性粉末との合計量に対し、１０〜６０質量％の範囲で含有させることで低磁歪かつ高い飽和磁束密度を両立でき、十分な強度も有することが判明した。更に、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末の含有量を２０〜６０質量％の範囲で含有させることにより、より磁歪が低くなり、良好な特性を得られることが判明した。

次に、表１に示した試料を作製する場合、粉末の種類に応じメチル系シリコーン樹脂とメチルフェニル系シリコーン樹脂を使い分けていたのに代えて、負磁歪材料粉末Ｎと正磁歪材料粉末Ｐのいずれの場合もメチルフェニル系シリコーン樹脂を添加して試料とした場合の試験結果を以下の表４に記載する。
次に、これら試料との対比のために、リン酸亜鉛被覆鉄粉６０％とＦｅ−１４Ｓｉ合金粉末４０％を混合して低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を作製した。Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末にはメチル系シリコーン樹脂を添加して被覆し、リン酸亜鉛被覆鉄粉にはメチルフェニル系シリコーンレジンを表１の試料と同等量添加した。なお、粉末を混合して成形後に窒素雰囲気中において３０分焼成する場合の温度は４５０℃に設定した。これは、リン酸亜鉛皮膜の耐熱温度がＭｇＯ皮膜の耐熱温度よりも低いためである。
ここで得られた試料の試験結果を以下の表５に記載する。

表４に示す結果から、正磁歪材料粉末と負磁歪材料粉末それぞれに同種のシリコーン樹脂を用いて低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を作製した場合であっても表１で得られた結果と同様な結果を得ることができた。即ち、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末の含有量について、純鉄系の複合軟磁性粉末との合計量に対し、１０〜６０質量％の範囲で含有させることで低磁歪かつ高い飽和磁束密度を両立でき、十分な強度も有することが判明した。また、表４に示す結果から、１０〜６０質量％の範囲内でも２０〜６０質量％の範囲とすることでより磁歪を低くできることが分かる。
表５に示す結果から、ＭｇＯ被覆鉄粉に代えてリン酸亜鉛被覆鉄粉を用いることによっても表１、表４に示す試料と同等の磁歪、飽和磁束密度、強度を示す低磁歪高磁束密度複合軟磁性材を得ることができた。なお、リン酸亜鉛皮膜はＭｇＯ皮膜に比べて耐熱性では劣るので、耐熱性の面では表１〜４に示す試料の方が表５に示す試料よりも優れている。
なお、表３において、ＭｇＯ被覆鉄粉８２質量％、Ｆｅ−１４Ｓｉ粉末１８質量％の試料は、本発明の範囲に入る試料であるため、表３に示す他の試料より低磁歪であり、かつ、表１に示す試料と同等の飽和磁束密度を示した。

図３は表１に示す試料において、ＭｇＯ被覆鉄粉を６０質量％、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末を４０質量％混合して製造した試料の組織を示すＳＥＭ像（倍率３０００倍）である。
図３に示す組織において、中央に配置されている断面円形の粒子がＦｅ−Ｓｉ合金粉末（粒子）であり、その周囲に配置されてＦｅ−Ｓｉ合金粉末に対し凹凸部を有し突き合わされている粒子がＭｇＯ被覆鉄粉である。Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末に対しＭｇＯ被覆鉄粉の方が柔らかいので図３の組織となる。図３の中央のＦｅ−Ｓｉ合金粉末の周囲に位置する粒界にシリコーン樹脂の焼成物が充填された粒界（境界層）が形成されている。
更に説明すると、図３の中心に位置する丸いＦｅ−Ｓｉ合金粉末（Ｆｅ−１４Ｓｉ粉）の周囲において、右側と下側にＭｇＯ被覆鉄粉が配置され、左上側と上側に丸形のＦｅ−Ｓｉ合金粉末が配置されている。図３の中心に位置する丸いＦｅ−Ｓｉ合金粉末（Ｆｅ−１４Ｓｉ粉）の周囲において、左下、左上、右上、右下のそれぞれの位置に４つの粒界が示されている。
図３の左下の粒界、右上の粒界、右下の粒界にそれぞれ存在する黒い空洞部分が空隙を示す。左上の粒界はシリコーン樹脂の焼成物からなる白く表示された境界層で埋められ、右上の粒界は黒い空隙部分の周囲に境界層が形成され、右下の粒界は白く表示されている部分が境界層とされている。また、特に右下側と右上側に位置する粒界には図３の矢印に示す位置に複数の亀裂が存在することを確認できた。
なお、図３に記載しているリデポとは、写真撮影用に試料の断面を作製した際、イオンビームでスパッタした試料の一部が断面に再付着して生成した再付着物である。

図４に同試料の別視野における亀裂部分の拡大写真を示す。図４の左端に位置するＦｅ−Ｓｉ合金粉末とその右側に存在するシリコーン樹脂の焼成物とその右側に存在するＭｇＯ被覆鉄粉の３層組織を確認できる。図４の拡大写真では、左側に位置するＦｅ−Ｓｉ合金粉末の粒子と右側に位置するＭｇ被覆鉄粉の粒子との間の領域が、シリコーン樹脂の焼成物で埋められている。
そして、左側のＦｅ−Ｓｉ合金粉末とその右側に存在するシリコーン樹脂の焼成物との境界部分に黒塗りのエッジ部分で表示される亀裂（隙間）の存在を確認できた。このような隙間を生じているのは、異質のシリコーン樹脂を用いたことが原因であると推定できる。このようにＦｅ−Ｓｉ合金粉末とその周囲に存在するシリコーン樹脂の焼成物からなる境界層との間に隙間が存在することで、表１に示す試料の方が表３に示す試料よりも若干ながら磁歪の吸収効果に優れ、これが原因となって、表１に示す０．５Ｔでの磁歪の値が表３に示す０．５Ｔでの磁歪の値よりも若干良好となった原因であると推定できる。

図５〜図９は、図４に示す金属組織に対し、ＳＥＭ−ＥＤＳ面分析を行った結果を示す。図５は炭素（Ｃ）の分析結果、図６は鉄（Ｆｅ）の分析結果、図７は酸素（Ｏ）の分析結果、図８はマグネシウム（Ｍｇ）の分析結果、図９は珪素（Ｓｉ）の分析結果を示す。
図５〜図９に示す結果から粒界にＣとＯとＳｉを構成元素とするシリコーン樹脂が存在しており、鉄粉の周囲にＭｇＯ皮膜が存在していることが分かる。

Ａ…低磁歪高磁束密度複合軟磁性材、１…Ｍｇ含有絶縁皮膜、２…複合軟磁性粉末粒子、３…Ｆｅ−Ｓｉ合金粉末粒子、４…純鉄粉末粒子、５…境界層。

Claims (9)

1. Ｍｇ含有絶縁皮膜あるいはリン酸塩皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末粒子と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子をこれらの合計全量に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の割合において１０〜６０質量％含有してなり、前記粒子間に境界層を有してなることを特徴とする低磁歪高磁束密度複合軟磁性材。
2. 前記純鉄系の複合軟磁性粉末粒子の正磁歪がＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の負磁歪により緩和されて磁束密度０〜０．５Ｔの範囲で−２×１０^−６〜＋２×１０^−６の範囲の低磁歪とされたことを特徴とする請求項１に記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材。
3. 前記純鉄系の複合軟磁性粉末粒子とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の界面にシリコーン樹脂の焼成物からなる境界層が生成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材。
4. 前記Ｍｇ含有絶縁皮膜の膜厚が５〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材からなることを特徴とする電磁気回路部品。
6. Ｍｇ含有絶縁皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末とを配合後の全量に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉末の割合において１０〜６０質量％となるように配合し、圧縮成形後、非酸化性雰囲気において５００℃〜１０００℃で焼成処理を行うことを特徴とする低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法。
7. リン酸塩皮膜によって絶縁処理された純鉄系の複合軟磁性粉末と、１１〜１６質量％のＳｉを含むＦｅ−Ｓｉ合金粉末とを配合後の全量に対するＦｅ−Ｓｉ合金粉末の割合において１０〜６０質量％となるように配合し、圧縮成形後、非酸化性雰囲気において３５０℃〜５００℃で焼成処理を行うことを特徴とする低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法。
8. 前記Ｍｇ含有絶縁皮膜として膜厚５〜２００ｎｍのＭｇ含有絶縁皮膜を用いることを特徴とする請求項６に記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法。
9. 前記純鉄系の複合軟磁性粉末とＦｅ−Ｓｉ合金粉末に加え、メチル系、メチルフェニル系またはフェニル系のシリコーン樹脂を添加配合して圧縮成形し、熱処理することにより、前記純鉄系の複合軟磁性粉末粒子とＦｅ−Ｓｉ合金粉末粒子の界面に前記メチル系、メチルフェニル系またはフェニル系のシリコーン樹脂の焼成物からなる境界層を生成することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の低磁歪高磁束密度複合軟磁性材の製造方法。