JP6523778B2 - 圧粉磁心、及び圧粉磁心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リアクトルやインダクタといった回路部品に備える磁心などに利用される圧粉磁心、及び圧粉磁心の製造方法に関するものである。特に、軟磁性粒子がＦｅ−Ｓｉ系合金からなり、高密度で低保磁力な圧粉磁心に関する。

スイッチング電源やＤＣ／ＤＣコンバータなどのエネルギーを変換する回路に備える部品として、巻線を巻回してなるコイルと、このコイルが配置され、閉磁路を形成する磁心とを備える磁気部品がある。上記磁心として、軟磁性材料からなる粉末を用いて製造される圧粉磁心がある。圧粉磁心は、代表的には、軟磁性粒子の表面に絶縁層を有する被覆軟磁性粒子の粉末を所定の形状に加圧成形して成形体とし、その成形体に熱処理を施すことで製造される。

軟磁性材料のうち、特に、センダストに代表されるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金やＦｅ−Ｓｉ系合金といった鉄基合金は、例えば、純鉄に比較して鉄損を低減し易い。従って、上記鉄基合金から構成される圧粉磁心は、より低損失な磁心を構築できる（例えば、特許文献１）。

特開２０１２−１０７３３０号公報

しかし、上述の鉄基合金は、添加元素の固溶体硬化によって純鉄に比較して非常に硬く塑性変形性に劣る。そのため、鉄基合金粒子は、上述の加圧成形によって、実質的に塑性変形しない。よって、圧粉磁心を構成する個々の鉄基合金粒子間に空隙が多くなり、圧粉磁心の密度の低下を招き、磁気特性が低下する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的の一つは、軟磁性粒子がＦｅ−Ｓｉ系合金からなり、高密度で低保磁力な圧粉磁心を提供することにある。また、本発明の別の目的は、軟磁性粒子がＦｅ−Ｓｉ系合金からなり、高密度で低保磁力な圧粉磁心を効率的に得られる圧粉磁心の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る圧粉磁心は、複数の軟磁性粒子と、前記軟磁性粒子の各々の表面を覆う絶縁被覆と、を備える。前記軟磁性粒子は、Ｓｉを４質量％以上１０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系合金粒子であり、前記絶縁被覆は、Ｆｅの酸化物と、Ｓｉの酸化物と、を含む酸化物材であり、相対密度が９３％以上である。

本発明の一態様に係る圧粉磁心の製造方法は、準備工程と、成形工程と、焼結工程と、を備える。準備工程は、原料粉末として、Ｓｉの含有量が２質量％以上４質量％未満であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる低Ｓｉ粉末と、Ｓｉの含有量が９質量％以上であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる高Ｓｉ粉末と、Ｆｅの酸化物及びＳｉの酸化物を含む酸化物粉末と、が混合された混合粉末を準備する。成形工程は、前記混合粉末を加圧圧縮して成形体とする。焼結工程は、前記成形体を前記酸化物粉末が液相となる温度にて焼結して、前記低Ｓｉ粉末及び前記高Ｓｉ粉末をＳｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる複数の軟磁性粒子とし、前記軟磁性粒子の各々の周囲を前記酸化物粉末に由来する酸化物材で覆う。

本発明の圧粉磁心は、軟磁性粒子がＦｅ−Ｓｉ系合金からなり、高密度で低保磁力である。

本発明の圧粉磁心の製造方法は、軟磁性粒子がＦｅ−Ｓｉ系合金からなり、高密度で低保磁力な圧粉磁心を生産性よく製造することができる。

実施形態に係る圧粉磁心を製造する状態を模式的に説明する説明図である。

［本発明の実施形態の説明］
Ｆｅ−Ｓｉ系合金では、Ｓｉの含有量が６．５質量％近傍であると、保磁力が最も小さくなることが知られている。低保磁力な圧粉磁心を製造するにあたり、例えば、Ｆｅ−６．５質量％Ｓｉ合金からなる合金粉末を用いて焼結することが考えられる。しかし、Ｆｅ−Ｓｉ系合金では、Ｓｉの含有量が高いほど、高硬度となって塑性変形性に劣るため、高密度の圧粉磁心を得ることが困難である。そこで、Ｓｉの含有量が６．５質量％近傍であるＦｅ−Ｓｉ系合金（以下、Ｆｅ−６．５Ｓｉ系合金と呼ぶことがある）からなる圧粉磁心を製造するにあたり、原料粉末として、Ｓｉの含有量が低いＦｅ−Ｓｉ系合金からなる低Ｓｉ粉末を用いることで塑性変形性を向上させることを検討した。このとき、原料粉末として、低Ｓｉ粉末と、Ｓｉの含有量が高いＦｅ−Ｓｉ系合金からなる高Ｓｉ粉末と、絶縁被覆となる酸化物粉末と、を混合した混合粉末を用いることを考えた。そして、この混合粉末を加圧圧縮⇒焼結することで、低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末の各構成元素が相互拡散してＦｅ−６．５Ｓｉ系合金粒子からなる粉末となり、焼結によって液相となった酸化物粉末が各Ｆｅ−６．５Ｓｉ系合金粒子の表面を覆うことで絶縁被覆となると共に、高密度の圧粉磁心が得られる、ことを見出した。以下、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）実施形態に係る圧粉磁心は、複数の軟磁性粒子と、前記軟磁性粒子の各々の表面を覆う絶縁被覆と、を備える。前記軟磁性粒子は、Ｓｉを４質量％以上１０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系合金粒子であり、前記絶縁被覆は、Ｆｅの酸化物と、Ｓｉの酸化物と、を含む酸化物材であり、相対密度が９３％以上である。

上記構成によれば、軟磁性粒子がＳｉを４質量％以上１０質量％以下含有するＦｅ−Ｓｉ系合金であるにもかかわらず、相対密度が９３％以上と高密度である。よって、上記圧粉磁心は、低保磁力である。

（２）上記圧粉磁心の一例として、前記酸化物材は、さらにＣａの酸化物を含む形態が挙げられる。

Ｆｅの酸化物とＳｉの酸化物とを含む酸化物材にＣａの酸化物を添加した酸化物材は、液相状態では表面張力が小さくなるため、各軟磁性粒子間に絶縁被覆が均一的に配され易い。また、各軟磁性粒子間の距離をより小さくすることができ、高密度の圧粉磁心を得易い。さらに、各軟磁性粒子間を十分にかつ確実に絶縁することができ、より低損失な圧粉磁心を得易い。

（３）上記圧粉磁心の一例として、前記酸化物材の含有量は、０．５質量％以上２．０質量％以下である形態が挙げられる。

酸化物材の含有量が０．５質量％以上であることで、各軟磁性粒子の表面に絶縁被覆が均一に配され易い。均一な絶縁被覆の存在により、圧粉磁心の渦電流損を低減できる。一方、酸化物材の含有量が２．０質量％以下であることで、圧粉磁心における絶縁被覆量が適量となり、軟磁性粒子の量を十分とできるため、高密度の圧粉磁心を得易い。

（４）上記圧粉磁心の一例として、前記圧粉磁心の任意の断面において、前記軟磁性粒子の過半数が単結晶である形態が挙げられる。

軟磁性粒子が単結晶であるということは、磁化回転を阻害する結晶粒界が存在しないため低保磁力である。

（５）上記圧粉磁心の一例として、前記軟磁性粒子が単結晶である場合、前記軟磁性粒子の単結晶の平均結晶粒径は、４０μｍ以上３００μｍ以下である形態が挙げられる。

軟磁性粒子の単結晶の平均結晶粒径が４０μｍ以上であることで、保磁力を低減できる。均一な絶縁被覆の存在により、圧粉磁心の渦電流損を低減できる。一方、軟磁性粒子の単結晶の平均結晶粒径が３００μｍ以下であることで、渦電流損失の増大を低減し易い。

（６）実施形態に係る圧粉磁心の製造方法は、準備工程と、成形工程と、焼結工程と、を備える。準備工程は、原料粉末として、Ｓｉの含有量が２質量％以上４質量％未満であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる低Ｓｉ粉末と、Ｓｉの含有量が９質量％以上であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる高Ｓｉ粉末と、Ｆｅの酸化物及びＳｉの酸化物を含む酸化物粉末と、が混合された混合粉末を準備する。成形工程は、前記混合粉末を加圧圧縮して成形体とする。焼結工程は、前記成形体を前記酸化物粉末が液相となる温度にて焼結して、前記低Ｓｉ粉末及び前記高Ｓｉ粉末をＳｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる複数の軟磁性粒子とし、前記軟磁性粒子の各々の周囲を前記酸化物粉末に由来する酸化物材で覆う。

上記構成によれば、原料粉末に塑性変形性に優れる低Ｓｉ粉末を混合することで、圧縮成形時の塑性変形性に優れ、良好な成形性を有することができ、高密度な圧粉磁心を製造することができる。よって、成形用バインダなどを不要とできる。焼結工程において、低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末の各構成元素が相互拡散することで、圧粉磁心を構成する軟磁性粒子を、Ｓｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金とでき、低保磁力な圧粉磁心を製造することができる。また、この焼結工程において、酸化物粉末に由来する酸化物材で各軟磁性粒子の周囲を覆うことで、絶縁被膜を形成することができる。そのため、原料粉末の段階で各粉末粒子の表面への絶縁被覆の形成を考慮する必要がなく、絶縁被覆を形成する工程を省略することができる。以上より、上記構成によれば、高密度で低保磁力な圧粉磁心を生産性よく製造することができる。

焼結工程において、酸化物粉末が液相となる温度で焼結を行うことで、次の現象が生じていると考えられる。液相状態となった酸化物粉末が、Ｆｅ−Ｓｉ系合金の多結晶の軟磁性粒子の結晶粒界に侵入する。このとき、低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末との間でＦｅ，Ｓｉが相互拡散し、かつ各Ｓｉ粉末とＦｅの酸化物及びＳｉの酸化物との間でもＦｅ，Ｓｉが相互溶解しながら液相焼結は進む。そうすることで、Ｓｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる複数の軟磁性粒子が生成され、液相の酸化物が各軟磁性粒子の表面を覆い、各軟磁性粒子同士を絶縁する絶縁被覆となる。液相の酸化物が各軟磁性粒子の結晶粒界に侵入することで、各軟磁性粒子は互いに近づく方向に移動し、各軟磁性粒子間の空隙が狭められる。その後、酸化物が液相から固相に転移するにあたり、各軟磁性粒子は再配列され、各軟磁性粒子間の空隙が縮小することで、高密度の圧粉磁心を製造することができる。

ここで、Ｆｅ−Ｓｉ系合金の状態図から、酸化物粉末が液相となる焼結温度（１２００℃近傍）では、Ｓｉの含有量が２質量％程度未満であるＦｅ−Ｓｉ系合金はγ相、Ｓｉの含有量が２質量％程度以上であるＦｅ−Ｓｉ系合金はα相であることが知られている。α相は、Ｆｅの自己拡散係数が大きく、例えばγ相における自己拡散係数の数十倍の自己拡散係数を有する。原料粉末として、Ｆｅの自己拡散係数が大きいα相のＦｅ−Ｓｉ系合金であるＳｉ粉末を用いることで、低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末との間で構成元素の相互拡散を容易に行え、焼結が進み易く、上述した焼結時の現象を生じさせることができる。

（７）上記圧粉磁心の製造方法の一例として、上記焼結は、１１００℃以上１３００℃以下の温度で行う形態が挙げられる。

焼結を１１００℃以上の温度で行うことで、低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末との間で構成元素が相互拡散し易く、Ｆｅ−Ｓｉ系合金中のＳｉの含有量が所望の値（４質量％以上１０質量％以下から選択された値）となる圧粉磁心が得られる。また、酸化物粉末が液相となって各軟磁性粒子間に液相侵入することができ、各軟磁性粒子間を適切に絶縁する絶縁被覆となる。一方、焼結を１３００℃以下の温度で行うことで、融点（液相点）が低い高Ｓｉ合金が焼結の際に成形体の表面に溶出することを抑制できる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。まず、圧粉磁心の製造方法を説明し、その後に圧粉磁心を説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、後述する試験例について原料粉末の混合割合、成形体の成形圧力、成形体の焼結温度・時間などを適宜変更することができる。

＜圧粉磁心の製造方法＞
実施形態の圧粉磁心の製造方法は、以下の準備工程、成形工程、焼結工程を備える。以下、図１に基づいて、各工程を順に説明する。

〔準備工程〕
図１の上段左に示すように、原料粉末として、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなりＳｉの含有量が異なるＳｉ粉末と、絶縁被覆の材料となる酸化物粉末２４と、を混合した混合粉末２を準備する。Ｓｉ粉末は、Ｓｉの含有量が低い低Ｓｉ粉末２１と、Ｓｉの含有量が高い高Ｓｉ粉末２２と、を用いる。

・低Ｓｉ粉末及び高Ｓｉ粉末
低Ｓｉ粉末（低Ｓｉ軟磁性粒子）２１におけるＳｉの含有量は、２質量％以上４質量％未満である。Ｆｅ−Ｓｉ系合金は、９００℃〜１４００℃程度の領域において、Ｓｉの含有量によってα相とγ相との間で相変態する領域が存在する。γ相はＦｅの自己拡散が非常に遅い領域であり、後述する焼結工程において、低Ｓｉ粉末２１と高Ｓｉ粉末２２との間で構成元素の相互拡散が生じ難く、焼結が進み難い領域である。Ｓｉの含有量が２質量％以上のＦｅ−Ｓｉ系合金は、後述する焼結温度において実質的にα相の単相となり、Ｆｅの自己拡散係数が大きく、低Ｓｉ粉末２１と高Ｓｉ粉末２２との間で構成元素の相互拡散を容易に行え、焼結が進み易い。一方、Ｓｉの含有量は、６．５質量％に近づくほど保磁力の低下に寄与するものの、硬くなり塑性変形性の低下を招くことから、４質量％未満とする。Ｓｉの含有量は２．５質量％以上３．５質量％以下がより好ましい。

高Ｓｉ粉末（高Ｓｉ軟磁性粒子）２２におけるＳｉの含有量は、９質量％以上である。Ｓｉの含有量が９質量％以上であることで、後述する焼結工程において高Ｓｉ粉末２２から低Ｓｉ粉末２１にＳｉが十分に拡散して、Ｓｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる圧粉磁心を製造し易い。高Ｓｉ粉末２２におけるＳｉの含有量は、多いほど焼結時に拡散するＳｉ量が多くなって、Ｓｉの含有量が６．５質量％近傍であるＦｅ−Ｓｉ系合金を得易く、１２質量％以上が好ましく、１５質量％以上がより好ましい。

低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２は、代表的には、上述の範囲でＳｉを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物というＦｅ−Ｓｉの二相合金からなるものが挙げられる。その他、合計含有量が１．５質量％以下の範囲で、Ｓｉ以外の添加元素（例えば、Ｐなど）を不純物として含むことを許容する。Ｐは焼結を促進させ、圧粉磁心の高密度化や結晶粒の粗大化などの効果があり、圧粉磁心の保磁力の低下に寄与する。

低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２の各配合量（質量）は、低Ｓｉ粉末：高Ｓｉ粉末＝２：１〜１５：１が好ましく、３：１〜１０：１がより好ましい。低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２の各配合量は、後述する酸化物粉末２４の含有量と併せて、圧粉磁心を構成する軟磁性粒子１０（Ｆｅ−Ｓｉ系合金）中のＳｉの含有量が所望の値（４質量％以上１０質量％以下から選択される値）となるように、各粉末のＳｉの含有量に応じて選択すればよい。また、高密度な圧粉磁心を得ることを考慮すると、低Ｓｉ粉末２１の含有量が高Ｓｉ粉末２２の含有量よりも多い方が好ましい。

低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２の各粒子の大きさは、適宜選択することができる。成形性及び焼結性を考慮するといずれも、平均粒径は１５０μｍ以下が好ましい。特に、高Ｓｉ粉末２２は、低Ｓｉ粉末２１に比較して高硬度であり、成形性に劣ることから、低Ｓｉ粉末２１よりも小さい方が好ましい。具体的には、高Ｓｉ粉末（各高Ｓｉ軟磁性粒子）２２の平均粒径は、４５μｍ以下であると、原料粉末（混合粉末２）が成形性に優れて好ましく、さらに３０μｍ以下、２０μｍ以下が好ましい。但し、高Ｓｉ粉末２２が小さ過ぎると、取り扱い難く、作業性に劣ることから、高Ｓｉ粉末（各高Ｓｉ軟磁性粒子）２２の平均粒径は、１μｍ以上が好ましく、さらに３μｍ以上、特に５μｍ以上であるとハンドリング性に優れてより好ましい。

低Ｓｉ粉末（低Ｓｉ軟磁性粒子）２１の平均粒径は、４５μｍ以上であると、原料粉末（混合粉末２）が成形性に優れて好ましく、さらに５０μｍ以上、７０μｍ以上が好ましい。低Ｓｉ粉末（低Ｓｉ軟磁性粒子）２１の平均粒径は、１５０μｍ以下であると、後述する焼結工程において、低Ｓｉ合金からなる各粒子の内部にまでＳｉが十分に拡散できて焼結性に優れる。さらに、低Ｓｉ粉末（低Ｓｉ軟磁性粒子）２１の平均粒径は、１２５μｍ以下、特に１００μｍ以下であると、短時間でもＳｉを十分に拡散できて焼結性をさらに高め易い。また、低Ｓｉ粉末（低Ｓｉ軟磁性粒子）２１の平均粒径は、高Ｓｉ粉末（高Ｓｉ軟磁性粒子）２２の平均粒径の３倍以上、さらに５倍以上であると、低Ｓｉ粉末２１が十分に大きく、成形性に優れる。

低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２は、公知のＦｅ−Ｓｉ系合金粉末の製造方法、例えば、アトマイズ法などを利用して製造できる。上述のＳｉの含有量や平均粒径を満たす市販の粉末を利用してもよい。

・酸化物粉末
酸化物粉末（酸化物粒子）２４は、絶縁性を有する適宜な酸化物が利用でき、Ｆｅの酸化物及びＳｉの酸化物を含む。酸化物粉末２４は、後述する焼結工程において液相状態となり、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなる軟磁性粒子の周囲を覆う絶縁被覆を生成する。酸化物粉末２４として、（１）Ｆｅ−Ｓｉ系合金に固溶しない、もしくは固溶しても磁気特性に影響を及ぼさないもの、（２）Ｆｅ−Ｓｉ系合金に対して接触角が小さく（濡れ性が良く）、軟磁性粒子の結晶粒界へ液相侵入し易いもの、を含有することが挙げられる。

酸化物粉末２４は、Ｆｅの酸化物及びＳｉの酸化物以外に、例えばＣａの酸化物を含有することが挙げられる。Ｃａは、Ｆｅ−Ｓｉ系合金に固溶しないため磁気特性を低下させ難い。また、Ｃａの酸化物を添加した酸化物粉末２４は、液相状態で表面張力が小さくなるため、結晶粒界間に侵入し易い点で好ましい。他に、酸化物粉末２４は、Ａｌ_２Ｏ_３を含有することもできる。ＡｌはＦｅ−Ｓｉ系合金に固溶するものの、固溶によって磁気特性の低下を招き難い。

酸化物粉末（酸化物粒子）２４の大きさは、平均粒径が１μｍ以上４０μｍ以下であることが挙げられる。酸化物粉末（酸化物粒子）２４の平均粒径が１μｍ以上であることで、低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２の周囲に均一的に配され易く、さらに原料粉末（混合粉末２）として取り扱い易い。一方、酸化物粉末（酸化物粒子）２４の平均粒径が４０μｍ以下であることで、酸化物粉末２４に由来して生成される絶縁被覆の厚さにばらつきを抑制し易く、磁気特性の低下を招き難い。酸化物粉末（酸化物粒子）２４の平均粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下がより好ましい。

酸化物粉末２４の配合量は、混合粉末２中に、０．５質量％以上２．０質量％以下が好ましい。酸化物粉末２４の混合粉末２中の含有量が０．５質量％以上であることで、低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２の周囲に均一に配され易く、各軟磁性粒子の表面を均一的に絶縁被覆で被覆することができる。一方、酸化物粉末２４の混合粉末２中の含有量が２．０質量％以下であることで、低Ｓｉ粉末２１及び高Ｓｉ粉末２２の含有量を適量とでき、圧粉磁心における軟磁性粒子の含有量を十分に確保することができる。酸化物粉末２４の混合粉末２中の含有量は、さらに１質量％以上１．５質量％以下であることが挙げられる。

酸化物粉末２４の配合量は、混合粉末２中に、２．０質量％超１０質量％以下とすることもできる。酸化物粉末２４の混合粉末２中の含有量が２．０質量％超であることで、酸化物粉末２４に由来して生成される絶縁被覆（酸化物材）の含有量を多くでき、低透磁率の圧粉磁心とできる。一方、酸化物粉末２４の混合粉末２中の含有量が１０質量％以下であることで、圧粉磁心における軟磁性粒子の含有量を確保することができる。

酸化物粉末２４は、所望の大きさの市販の酸化物粉末を用いてもよいし、市販の粉末を粉砕して所望の大きさのものをふるいなどで選別してもよい。

・原料粉末に含まれるその他のもの
原料粉末（混合粉末２）には、潤滑剤を含有させることができる。この場合、（１）成形性を向上でき、寸法精度に優れる成形体が得られる、（２）成形時の摩擦を低減できるため、金型から成形体を抜き出し易く、表面性状に優れる成形体が得られる、といった利点を有する。潤滑剤は、例えば、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛などの金属石鹸、ステアリン酸アミドなどの脂肪酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミドなどの高級脂肪酸アミドといった有機物、窒化硼素やグラファイトなどの無機物などが挙げられる。潤滑剤の含有量は、原料粉末に用いる低Ｓｉ粉末及び高Ｓｉ粉末の合計量に対して０．１質量％以上１．０質量％以下であると、上記利点を十分に得られる上に、原料における合金の割合の低下を防止できる。

〔成形工程〕
準備した混合粉末２を加圧圧縮して成形体を成形する。成形体は、混合粉末２を所望の形状の金型の成形空間に充填して成形する。金型は、圧粉磁心の製造に利用される一般的なものが利用できる。代表的な金型は、貫通孔が設けられた筒状のダイと、この貫通孔に挿入配置されて原料粉末を加圧圧縮する上パンチ及び下パンチとを備えるものが挙げられる。ダイの貫通孔の内周面と、この貫通孔の一方の開口部に挿入した下パンチとで形成される成形空間に、上述の混合粉末２を充填した後、上記貫通孔の他方の開口部に挿入した上パンチと、上記下パンチとで混合粉末２を所定の圧力で加圧・圧縮して成形体を形成し、ダイから成形体を抜き出す。この金型を用いた場合、ダイの輪郭形状、及び上パンチ・下パンチの端面形状に応じた柱状の成形体が得られる。上述の筒状のダイ内に挿通配置されるコアロッドを備える金型を用いると、コアロッドの形状に応じた貫通孔や溝を有する成形体を形成できる。コアロッドは、上パンチ及び下パンチの少なくとも一方に挿通配置する。

成形圧力は、例えば、５ｔｏｎ／ｃｍ^２（≒４９０ＭＰａ）以上１５ｔｏｎ／ｃｍ^２（≒１４７０ＭＰａ）以下が挙げられる。５ｔｏｎ／ｃｍ^２以上とすることで、高硬度な高Ｓｉ粉末２２を含む混合粉末２であっても十分に圧縮でき、１５ｔｏｎ／ｃｍ^２以下とすることで、金型寿命が過度に短くならない。この加圧・圧縮は、常温下で行うことが好ましい。

上述した条件で加圧圧縮すると、図１の上段右に示すように、低Ｓｉ粉末２１（複数の低Ｓｉ軟磁性粒子）が塑性変形し、成形性に優れた成形体３とできる。

〔焼結工程〕
上記成形体３に液相焼結を施して圧粉磁心とする。焼結温度は、低Ｓｉ粉末２１と高Ｓｉ粉末２２との間でＦｅ，Ｓｉが相互拡散し、かつ酸化物粉末２４が液相となる温度であり、１１００℃以上１３００℃以下が挙げられる。焼結温度が１１００℃以上であることで、低Ｓｉ粉末２１と高Ｓｉ粉末２２との間でＦｅ，Ｓｉが相互拡散し易く、Ｆｅ−Ｓｉ系合金中のＳｉの含有量が所望の値（４質量％以上１０質量％以下から選択される値）となる圧粉磁心が得られる。また、酸化物粉末２４が液相となって各軟磁性粒子間に液相侵入することができ、各軟磁性粒子間を適切に絶縁する絶縁被覆となる。一方、焼結温度が１３００℃以下であることで、融点（液相点）が低い高Ｓｉ合金が焼結する前に溶出することを抑制できる。焼結温度は、より好ましくは１１００℃以上１２７５℃以下、特に好ましくは１１５０℃以上１２５０℃以下が挙げられる。保持時間は５分以上、好ましくは３０分以上が挙げられる。焼結時の雰囲気は、大気雰囲気といった酸素を含む雰囲気とすることが好ましい。

上述した条件で液相焼結を行った際の状態を図１の下段に示す。まず、酸化物粉末（酸化物粒子）２４が液相状態となると共に、低Ｓｉ粉末２１と高Ｓｉ粉末２２との間でＦｅ，Ｓｉが相互拡散し、両Ｓｉ粉末はＳｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金の多結晶軟磁性粒子４０からなる粉末となる（左図）。次に、多結晶軟磁性粒子４０の結晶粒界に液相の酸化物が侵入する。そうすると、多結晶軟磁性粒子４０は、結晶粒界に侵入した酸化物によって分断され、複数の単結晶の軟磁性粒子１０となる（中図）。液相の酸化物が結晶粒界に侵入していく過程では、多結晶軟磁性粒子４０，４０間、各軟磁性粒子１０，１０間、多結晶軟磁性粒子４０と軟磁性粒子１０との間、各粒子１０，４０と液相の酸化物との間で、それぞれＦｅ，Ｓｉが溶解、相互拡散しながらさらに液相焼結が進む。液相の酸化物は、多結晶軟磁性粒子４０の結晶粒界に侵入することで、各軟磁性粒子１０の実質的に全表面を覆う。液相焼結が進むと、各軟磁性粒子１０は互いに近づく方向に移動し、各軟磁性粒子１０間の空隙が狭められる。その後、酸化物が液相から固相に転移するにあたり、各軟磁性粒子１０は再配列され、各軟磁性粒子１０間の空隙が縮小する。この液相の酸化物が各軟磁性粒子１０同士を絶縁する絶縁被覆１４となり、Ｓｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる複数の軟磁性粒子１０と、絶縁被覆１４とを備える圧粉磁心１を得ることができる（右図）。

＜圧粉磁心＞
上述した圧粉磁心の製造方法によって製造される圧粉磁心は、複数の軟磁性粒子と、各軟磁性粒子の表面を覆う絶縁被覆とを備える。各軟磁性粒子は、Ｓｉを４質量％以上１０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系合金粒子である。絶縁被覆は、Ｆｅの酸化物と、Ｓｉの酸化物とを含む酸化物材である。

軟磁性粒子は、Ｓｉの含有量が６．５質量％近傍であると、保磁力が最も小さくなる。軟磁性粒子のＳｉの含有量は、４質量％以上９質量％以下が好ましく、さらに５質量％以上８質量％以下、特に６質量％以上７質量％以下が好ましい。

軟磁性粒子は、代表的には圧粉磁心の任意の断面において、過半数が単結晶であることが挙げられる。本実施形態の圧粉磁心の製造方法では、焼結工程において、酸化物粉末を液相とする温度で焼結を行い、液相状態となった複合酸化物を多結晶軟磁性粒子の結晶粒界に侵入させることで絶縁被覆を形成しているため、圧粉磁心中の軟磁性粒子の過半数は単結晶となる。より好ましくは軟磁性粒子の８０％以上、さらには実質的に全ての軟磁性粒子が単結晶であることが挙げられる。軟磁性粒子の状態は、圧粉磁心の任意の断面を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）で観察することで確認したり、測定したりすることができる。例えば、圧粉磁心の任意の断面において、２００μｍ×３００μｍの視野を５個以上取得して、各視野における単結晶である軟磁性粒子の割合の平均を単結晶粒子の比率とすることが挙げられる。

上述した圧粉磁心の製造方法では、焼結工程において高温の熱処理を行うため、低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末の各構成元素が相互拡散するにあたり、各粒子は粒成長し易く、原料粉末の各粒子の大きさよりも大きくなる傾向にある。その後、液相状態の酸化物が各多結晶軟磁性粒子の結晶粒界に侵入し、多結晶軟磁性粒子を分断することで、複数の単結晶の軟磁性粒子となる。この粒成長と分断によって生じる単結晶の軟磁性粒子の平均結晶粒径は、４０μｍ以上３００μｍ以下が挙げられる。特に、単結晶の軟磁性粒子の平均結晶粒径が７５μｍ以上であると、磁化反転が容易となり、保磁力の低下に寄与し易い。単結晶の軟磁性粒子の平均結晶粒径は、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下や１００μｍ以上１５０μｍ以下が挙げられる。

絶縁被覆を構成する酸化物材の含有量は、０．５質量％以上２．０質量％以下であることが挙げられる。酸化物材の含有量が０．５質量％以上であることで、各軟磁性粒子間を十分に絶縁することができる。一方、酸化物材の含有量が２．０質量％以下であることで、圧粉磁心における軟磁性粉末の量を十分に確保することができる。酸化物材の含有量が、０．７質量％以上１．８質量％以下が好ましく、１．０質量％以上１．５質量％以下がより好ましい。

絶縁被覆を構成する酸化物材の含有量は、２．０質量％超１０質量％以下とすることもできる。酸化物材の含有量が２．０質量％超であることで、酸化物材の含有量を多くでき、低透磁率の圧粉磁心とできる。一方、１０質量％以下であることで、圧粉磁心における軟磁性粉末の量を確保することができる。

本実施形態の圧粉磁心は、（１）原料粉末に塑性変形性に優れる低Ｓｉ粉末を混合することで塑性変形性を向上、（２）液相焼結によって絶縁被覆を形成することで各軟磁性粒子間の空隙を縮小、によって、高密度である。圧粉磁心の相対密度は９３％以上である。この圧粉磁心の相対密度は、原料粉末における低Ｓｉ粉末の混合割合や、焼結温度・保持時間などによって、例えば９５％以上、さらには９７％以上であることが挙げられる。本実施形態の圧粉磁心は、高密度であることで、磁気特性にも優れる。また、本実施形態の圧粉磁心は、液相焼結によって絶縁被覆を形成しており、各軟磁性粒子同士が液相を経た酸化物材によって結合されているため、高強度である。

＜試験例＞
Ｆｅ−Ｓｉ系合金粉末を含む混合粉末を加圧圧縮⇒焼結して、複数の軟磁性粒子と、軟磁性粒子の各々の表面を覆う絶縁被覆と、を備える圧粉磁心（試料Ｎｏ．１，２）を作製し、得られた各圧粉磁心の相対密度と保磁力を調べた。

・試料Ｎｏ．１
原料粉末として、Ｆｅ−Ｓｉ系合金からなりＳｉの含有量が異なる２種類のＳｉ粉末と、酸化物粉末とを準備した。Ｓｉ粉末は、一方がＳｉを３質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる低Ｓｉ粉末（Ｆｅ−３Ｓｉ合金粉末）であり、他方がＳｉを１８質量％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる高Ｓｉ粉末（Ｆｅ−１８Ｓｉ合金粉末）である。低Ｓｉ粉末及び高Ｓｉ粉末は、後述する焼結工程においてα相である。低Ｓｉ粉末の平均粒径は７５μｍ、高Ｓｉ粉末の平均粒径は１０μｍである。酸化物粉末は、Ｆｅの酸化物：ＦｅＯと、Ｓｉの酸化物：ＳｉＯ_２とを、ＦｅＯ：ＳｉＯ_２＝２：１の割合（質量）で混合した粉末である。酸化物粉末の平均粒径は３０μｍである。この試験例において平均粒径は、市販の測定装置により測定した５０％粒径（累積質量）である。原料粉末の配合量（質量）は、低Ｓｉ粉末：高Ｓｉ粉末：酸化物粉末＝７５．９：２３．１：１とした。

上記原料粉末に潤滑剤を添加し、Ｖ型混合機により十分に混合して、混合粉末を作製した。潤滑剤は、エチレンビスステアリン酸アミドとし、その含有量は、低Ｓｉ粉末、高Ｓｉ粉末及び複合酸化物粉末の合計量に対して０．６質量％とした。

上記混合粉末を金型の成形空間に給粉し、成形圧力を１０ｔｏｎ／ｃｍ^２（≒９８０ＭＰａ）として加圧・圧縮し、リング状の成形体（外径：３４ｍｍ×内径：２０ｍｍ×厚さ：５ｍｍ）を作製した。この成形体は、良好に成形することができた。

得られた成形体を大気雰囲気中、６００℃×１時間の熱処理を施して、潤滑剤を除去した後、１２５０℃×１時間の熱処理（焼結）を施し、圧粉磁心を作製した。

・試料Ｎｏ．２
原料粉末における酸化物粉末として、Ｆｅの酸化物：ＦｅＯと、Ｓｉの酸化物：ＳｉＯ_２と、Ｃａの酸化物ＣａＯとを、ＦｅＯ：ＳｉＯ_２：ＣａＯ＝６：３：１の割合（質量）で混合した粉末を用いて、圧粉磁心を作製した。この酸化物粉末以外については、試料Ｎｏ．１と同様とした。

・試料Ｎｏ．１００
比較品として、従来の方法（軟磁性粉末の準備→各軟磁性粒子の表面に絶縁被覆を形成→被覆軟磁性粉末を加圧・圧縮→焼結）で圧粉磁心を作製した。まず、原料粉末として、Ｓｉの含有量が６．５質量％であるＦｅ−６．５Ｓｉ合金の軟磁性粉末を準備した。次に、各軟磁性粒子の表面にシリコーンの絶縁被覆を形成して被覆軟磁性粉末とした。絶縁被覆の被覆条件は、特許文献１と同様とした。被覆軟磁性粉末に成形用樹脂を添加して造粒粉とし、この造粒粉を１０ｔｏｎ／ｃｍ^２（≒９８０ＭＰａ）の成形圧力で加圧・圧縮し、リング状の成形体（外径：３４ｍｍ×内径：２０ｍｍ×厚さ：５ｍｍ）を作製した。この成形体を窒素雰囲気中、７７５℃×１時間の熱処理を施し、圧粉磁心とした。

試料Ｎｏ．１，２，１００の圧粉磁心について、相対密度を測定した。相対密度は、（見掛密度／真密度）×１００で表される密度比のことである。見掛密度は、アルキメデス法を利用して求めた。真密度は、圧粉磁心の成分分析を行い、その構成成分（ここでは、合金粒子・酸化物）の合成密度を用いた。成分分析は、公知の方法（エネルギー分散Ｘ線分光法や誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法など）を利用できる。その結果を表１に示す。

また、試料Ｎｏ．１，２，１００の圧粉磁心について、保磁力を測定した。保磁力（Ｏｅ）は、各試料のリング状の圧粉磁心に同一の巻線を配置して測定部材を作製し、ＢＨトレーサ（理研電子株式会社製ＤＣＢＨトレーサ）を用いて測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、原料粉末として低Ｓｉ粉末と高Ｓｉ粉末、及び酸化物粉末を混合した混合粉末を加圧圧縮⇒焼結して作製した試料Ｎｏ．１，２の圧粉磁心は、従来の方法で作製した試料Ｎｏ．１００に比較して、高密度であり、保磁力が非常に低いことが分かった。試料Ｎｏ．１，２では、（１）原料粉末に塑性変形性に優れる低Ｓｉ粉末を混合したことで塑性変形性が向上した、（２）液相焼結によって絶縁被覆を形成したことで各軟磁性粒子間の空隙が縮小した、という理由により、高密度となったと考えらえる。また、液相焼結によって、低Ｓｉ粉末及び高Ｓｉ粉末をＳｉの含有量が６．５質量％近傍であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる軟磁性粒子による粉末とすることができ、かつ液相となった酸化物粉末によって各軟磁性粒子の周囲に絶縁被覆を生成することができ、低保磁力の圧粉磁心が得られたと考えられる。

試料Ｎｏ．１，２の圧粉磁心について、断面を観察した。圧粉磁心の断面を鏡面研磨してＳＥＭで観察すると、コントラストの違いにより各単結晶の識別が可能である。その結果、試料Ｎｏ．１，２の圧粉磁心は、軟磁性粒子の過半数が単結晶であることが確認できた。また、試料Ｎｏ．１，２の圧粉磁心の断面のＳＥＭ反射電子像において、任意に選定した１０個の単結晶粒子について、各単結晶粒子の面積を測定し、この面積と同面積の円の直径を各単結晶粒子の粒径とし、単結晶粒子の平均結晶粒径を求めた。その結果、単結晶粒子の平均結晶粒径は１２２μｍであった。さらに、エネルギー分散Ｘ線分光法によって、各軟磁性粒子は均一的な組成のＦｅ−６．５質量％Ｓｉ合金であること、及び各軟磁性粒子の表面にＦｅＯ−ＳｉＯ_２（試料Ｎｏ．１）及びＦｅＯ−ＳｉＯ_２−ＣａＯ（試料Ｎｏ．２）からなる絶縁被覆が形成されていることが確認できた。

本発明の圧粉磁心は、低保磁力が望まれる用途の磁性部材に利用することができる。また、本発明の圧粉磁心の製造方法は、各種インダクタに用いられる圧粉磁心を得るのに好適に利用可能である。

１ 圧粉磁心 ２ 混合粉末 ３ 成形体
１０ 軟磁性粒子（単結晶軟磁性粒子） １４ 絶縁被覆
２１ 低Ｓｉ軟磁性粒子（低Ｓｉ粉末）
２２ 高Ｓｉ軟磁性粒子（高Ｓｉ粉末）
２４ 酸化物粒子（酸化物粉末）
４０ 多結晶軟磁性粒子

Claims (5)

1. 複数の軟磁性粒子と、前記軟磁性粒子の各々の表面を覆う絶縁被覆と、を備える圧粉磁心であって、
   前記軟磁性粒子は、Ｓｉを４質量％以上１０質量％以下含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系合金粒子であり、
   前記絶縁被覆は、Ｆｅの酸化物と、Ｓｉの酸化物と、を含む酸化物材であり、
   前記圧粉磁心における前記酸化物材の含有量は、１．０質量％以上２．０質量％以下であり、
   相対密度が９３％以上である圧粉磁心。
2. 前記酸化物材は、さらにＣａの酸化物を含む請求項１に記載の圧粉磁心。
3. 前記圧粉磁心の任意の断面において、前記軟磁性粒子の過半数が単結晶である請求項１又は請求項２に記載の圧粉磁心。
4. 前記軟磁性粒子の単結晶の平均結晶粒径は、４０μｍ以上３００μｍ以下である請求項３に記載の圧粉磁心。
5. 原料粉末として、Ｓｉの含有量が２質量％以上４質量％未満であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる低Ｓｉ粉末と、Ｓｉの含有量が９質量％以上であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる高Ｓｉ粉末と、Ｆｅの酸化物及びＳｉの酸化物を含む酸化物粉末と、が混合された混合粉末を準備する準備工程と、
   前記混合粉末を加圧圧縮して成形体とする成形工程と、
   前記成形体を前記酸化物粉末が液相となる１１００℃以上１３００℃以下の温度にて焼結して、前記低Ｓｉ粉末及び前記高Ｓｉ粉末をＳｉの含有量が４質量％以上１０質量％以下であるＦｅ−Ｓｉ系合金からなる複数の軟磁性粒子とし、前記軟磁性粒子の各々の周囲を前記酸化物粉末に由来する酸化物材で覆う焼結工程と、を備え、
   前記準備工程における前記酸化物粉末は、平均粒径を１μｍ以上４０μｍ以下とし、前記混合粉末中の含有量を１．０質量％以上２．０質量％以下とする圧粉磁心の製造方法。

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