JP6673536B1 - 磁心用粉末、それを用いた磁心及びコイル部品 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発明者等がナノ結晶軟磁性材料について鋭意研究する中で、新規な結晶組織構造を有するナノ結晶合金を見出し、その特性を活用する検討の中で至ったものである。発明の理解を容易にするため、新規な結晶組織構造を有するナノ結晶合金について詳細に説明する。
従来のナノ結晶合金は、非晶質相からCuクラスター(Cuに富む領域)を起点に結晶化させることによって得られ、平均結晶粒径が例えば30 nm以下であって、ランダムに配向した強磁性相のFeSi結晶の粒が非晶質相中に分散した組織となっている。つまり、従来のナノ結晶合金では、ナノサイズのFeSi結晶が粒状組織をなしている。FeSi結晶の粒成長は任意の方向に起きてランダムな析出となり、規則性を持った析出形態とはならない。なお、ナノ結晶(ナノサイズの結晶)とは、一般的には平均結晶粒径が100 nm以下のものをいう。
このような知見を基に、本発明者等は、さらに検討を進める中で、新規な柱状組織を備えるナノ結晶合金の粉末と、さらに従来の粒状組織を備えるナノ結晶合金の粉末及び/又は他の軟磁性材料の粉末との混合粉末にすることで、それぞれの異なる磁気的特徴を活用・補完し、磁心として用いた場合に、磁心損失の増加、透磁率の低下を抑えながら、重畳特性を改善する磁心用粉末が得られることを見出した。
結晶化後に粒状組織のナノ結晶合金となる粉末と、柱状組織のナノ結晶合金の粉末とを混合した粉末を熱処理する場合、熱処理に使用する炉は600℃近傍まで温度制御が可能な加熱炉であれば、どのようなものでも特に問題なく使用することができる。例えば、バッチ式の電気炉、メッシュベルト式の連続電気炉により行うことができる。酸化を防ぐのであれば雰囲気調整が可能であるものが好ましい。
ナノ結晶合金の組成は、FeSi結晶の柱状組織化が可能で、Si、B及びCuを含むものであれば良い。以下にアトマイズ法により柱状組織のナノ結晶合金を得るのに好適な合金組成を例示するが、それに限定するものではない。アトマイズ法によって得られる磁心用粉末の粒度分布において、粒径が大径の粒子で柱状組織のFeSi結晶となり、小径の粒子で粒状組織のFeSi結晶となる合金組成であっても良い。
本発明の一実施形態の磁心用粉末は、圧粉磁心用として、あるいはメタルコンポジット用として好適なものとなる。圧粉磁心では、例えば、磁心用粉末を絶縁材料及び結合剤として機能するバインダと混合して使用する。バインダとしては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、水ガラス等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。磁心用粉末とバインダとの混合物は、必要に応じてステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を混ぜた後、成形金型内に充填し、油圧プレス成形機等で10 MPa〜2 GPa程度の成形圧力で加圧して所定の形状の圧粉体に成形することができる。次いで、成形後の圧粉体を300℃〜結晶化温度未満の温度で、1時間程度で熱処理して、成形歪みを除去すると共にバインダを硬化させて圧粉磁心を得る。この場合の熱処理雰囲気は不活性雰囲気でも酸化雰囲気でも良い。得られる圧粉磁心は、円環状や、矩形枠状等の環状体であってもよいし、棒状や板状の形態であっても良く、その形態は目的に応じて様々に選択することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る磁心用粉末と、それを用いた磁心及びコイル部品について具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、技術的思想の範囲内で適宜変更可能である。
組成A:Febal.Cu1.2Si4.0B15.5Cr1.0Sn0.2C0.2
組成B:Febal.Cu1.0Si13.5B11.0Nb3.0Cr1.0
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所製LA-920)により測定し、レーザー回折法により計測される体積基準の粒度分布から、小径側からの累積%がそれぞれ10体積%、50体積%及び90体積%となる粒子径であるd10、d50及びd90を得た。図3にNo.1〜*3の粉末の粒度分布図を示す。
試料の粉末を容器内に入れてVSM(Vibrating Sample Magnetometer振動試料型磁力計、東英工業製VSM-5)による磁化測定を行い、ヒステリシスループから、磁気の強さがHm=800 kA/mの時の飽和磁化と、Hm=40 kA/mの条件での保磁力を求めた。
X線回折装置(株式会社リガク製Rigaku RINT-2000)を使用し、X線回折法による回折スペクトルから、2θ=45°付近(44°〜46°の間)のbcc構造のFeSi結晶の回折ピークのピーク強度P1と、2θ=56.5°(56°〜57°の間)付近のbcc構造のFe2B結晶の回折ピークのピーク強度P2を求め、ピーク強度比(P2/P1)を算出した。X線回折強度測定の条件は、X線Cu-Kα、印加電圧40 kV、電流100 mA、発散スリット1°、散乱スリット1°、受光スリット0.3 mm、走査を連続とし、走査速度2°/min、走査ステップ0.02°、走査範囲20〜60°とした。
磁気測定を評価した円環状の磁心に対して250℃で熱処理を施し、バインダを分解して粉末を得た。粉末の重量と円環状の磁心の寸法と質量から、体積重量法により密度(kg/m3)を算出し、ガス置換法から得られる各合金組成A及びBの粉末の真密度で除して磁心の占積率(相対密度)(%)を算出した。
円環状の磁心を被測定物とし、一次側巻線と二次側巻線とをそれぞれ18ターン巻回し、岩通計測株式会社製B-HアナライザSY-8218により、最大磁束密度30 mT、周波数2 MHzの条件で磁心損失(kW/m3)を室温(25℃)で測定した。
円環状の磁心を被測定物とし、導線を30ターン巻回してコイル部品とし、LCRメータ(アジレント・テクノロジー株式会社製4284A)により、室温にて周波数100 kHzで測定したインダクタンスから次式により求めた。交流磁界を0.4 A/mとした条件で得られた値を初透磁率μiとした。
初透磁率μi=(le×L)/(μ0×Ae×N2)
(le:磁路長、L:試料のインダクタンス(H)、μ0:真空の透磁率=4π×10-7(H/m)、Ae:磁心の断面積、及びN:コイルの巻数)
初透磁率測定に用いたコイル部品を使って、直流印加装置(42841A:ヒューレットパッカード社製)で10 kA/mの直流磁界を印加した状態にて、LCRメータ(アジレント・テクノロジー株式会社社製4284A)によりインダクタンスLを周波数100 kHzで室温(25℃)にて測定した。得られたインダクタンスから前記初透磁率μiと同様の計算式にて得られた結果を増分透磁率μΔとした。得られた増分透磁率μΔと初透磁率μiとから比μΔ/μi(%)を算出した。
Claims (8)
- ナノサイズのFeSi結晶が非晶質中に線状に複数並んだ柱状組織をなす領域を備えた第一のFe基合金の粒子と、ナノサイズのFeSi結晶の粒が非晶質中に分散した粒状組織をなす領域を備えた第二のFe基合金粒子とを含む磁心用粉末。
- 請求項1に記載の磁心用粉末において、
前記第一のFe基合金の粒子は、前記柱状組織をなす領域においてFeSi結晶の伸長方向が異なる複数の領域を備える磁心用粉末。 - 請求項1又は2に記載の磁心用粉末において、
前記第一及び第二のFe基合金の粒子とは異なる金属組織からなる軟磁性材料の粒子をさらに含む磁心用粉末。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の磁心用粉末において、
CuのKα特性X線を用いて測定したX線回折スペクトルにおける2θ=45°付近のbcc構造のFeSi結晶の回折ピークのピーク強度P1に対する、2θ=56.5°付近のbcc構造のFe2B結晶の回折ピークのピーク強度P2のピーク強度比(P2/P1)が0.05以下である磁心用粉末。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の磁心用粉末において、
印加磁界40 kA/mにおける保磁力が350 A/m以下である磁心用粉末。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の磁心用粉末において、
前記第一のFe基合金の粒子が、
合金組成:Fe100-a-b-c-d-e-f-g-hCuaSibBcMdCreSnfAggCh(ただし、a、b、c、d、e、f、g及びhは原子%を表し、0.8≦a≦2.0、2.0≦b≦12.0、11.0≦c≦17.0、0≦d≦1.0、0≦e≦2.0、0≦f≦1.5、0≦g≦0.2、及び0≦h≦0.4を満たす数値であり、MはNb,Ti,Zr,Hf,V,Ta,及びMoからなる群から選択される1種以上の元素である。)を有する磁心用粉末。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の磁心用粉末をバインダで結合してなる磁心。
- 請求項7に記載の磁心とコイルとを含むコイル部品。
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