JP6719607B2 - シリコン酸化物被覆軟磁性粉末およびその製造方法 - Google Patents
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Description
絶縁性の被覆としては従来種々のものが提案されているが、高絶縁性の被覆としてシリコンの酸化物被覆が知られている。乾式法によりシリコン酸化物を被覆した軟磁性粉末としては、例えば特許文献1に、振動スパッタ装置により膜厚5〜10nmのSiO2被膜を形成したFe−Si−Cr−Ni合金粉末が開示されている。また、特許文献2には、メカノフュージョン法を用いてSiO2を79重量%含むホウケイ酸アルカリガラスを被覆したFe−Si−Cr系磁性金属粉末が開示されている。湿式法によりシリコン酸化物を被覆した軟磁性粉末としては、例えば特許文献3に、テトラエトキシシランのIPA(イソプロパノール)溶液を用い、テトラエトキシシランの加水分解生成物を被覆した後、120℃で乾燥させたFe−6.5%Si粉末が開示されている。また、特許文献4には、硬磁性体であるFe−Pdコアを軟磁性体であるFeで被覆した磁性粉末にオルトケイ酸テトラエチル(テトラエトキシシラン)を用いて膜厚が1〜13nmのSiO2被膜を形成する技術が開示されている。
湿式法は生産性に優れるため、絶縁物を被覆した軟磁性粉末工業的な製造方法として有望であるが、特許文献3で得られる絶縁物被覆軟磁性粉末は、被覆層層の平均膜厚が大きく、磁性粉末の圧粉密度が低下するため磁気特性が悪化するという問題があった。また、特許文献4に開示されている技術では、還元熱処理を経由して絶縁物被覆硬磁性粉末を作製しており、この製法で合成したコート粒子は凝集が起こって磁性粉末の圧粉密度が低下するため、磁気特性が悪化するという問題があった。また、所定の磁気特性を得るためには圧粉磁心を大型化することとなり、製品の小型化の要望に応えられない。
さらに特許文献4に開示の技術では、還元熱処理を経由してコアの表面に絶縁物被覆シェルを形成させる工程が必須であり、工程が煩雑になるという問題があった。
R=Si×100/(Si+M) …(1)
ここでSiは、前記シリコン酸化物被覆軟磁性粉末についてX線光電子分光分析法(XPS)測定により得られたSiのモル分率、Mは前記の軟磁性粉末を構成する元素のうち、酸素を除く金属元素および非金属元素についてXPS測定により得られたモル分率の総和である。
前記のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末は、レーザー回折式粒度分布測定法により得られる体積基準の累積50%粒子径D50が1.0μm以上5.0μm以下であることが好ましい。
本発明のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の製造方法においては、前記のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末のシリコン酸化物被覆層層の平均膜厚が1nm以上30nm以下であり、下記(1)式で定義される被覆率Rが70%以上であり、圧粉密度が4.0g/cm3以上であることが好ましい。
R=Si×100/(Si+M) …(1)
ここでSiは、前記シリコン酸化物被覆軟磁性粉末についてX線光電子分光分析法(XPS)測定により得られたSiのモル分率、Mは前記の軟磁性粉末を構成する元素のうち、酸素を除く金属元素および非金属元素についてXPS測定により得られたモル分率の総和である。
また、本発明のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の製造方法においては、前記のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末のレーザー回折式粒度分布測定法により得られる体積基準の累積50%粒子径D50が1.0μm以上5.0μm以下であることが好ましい。
本発明においては、出発物質として鉄を20質量%以上含有する軟磁性粉末を用いる。鉄を20質量%以上含有する軟磁性粉末としては、具体的には、Fe−Si合金、Fe−Si−Cr合金、Fe−Al−Si合金(センダスト)、パーマロイ組成であるFe−Ni合金(Ni質量30〜80質量%)等が挙げられる。また、必要に応じてMo、Coが少量(10質量%以下)添加される場合がある。Moを添加した合金は結晶構造がアモルファスになることから、特にアモルファス粉と呼ばれることがある。
以下、本明細書においては、特に断らない限り、「鉄を20質量%以上含有する軟磁性粉末」を単に「軟磁性粉末」と呼ぶ。本発明においては前記の軟磁性粉末の磁気特性については特に規定しないが、保磁力(Hc)が低く、飽和磁化(σs)が高い粉末が好ましい。Hcは低いほどよく3.98kA/m(約50(Oe))以下が好ましい。Hcが3.98kA/mを超えると磁場を反転させる際のエネルギーロスが大きくなり、磁心には不適当である。
また、σsは高い方が良く、100Am2/kg(100emu/g)以上が好ましい。飽和磁化が100Am2/kg未満では、磁性粉が多量に必要になり、必然的に磁心のサイズが大きくなってしまうので好ましくない。
本発明においては前記の軟磁性粉末の一次粒子の平均粒径も特に規定しないが、従来、一次粒子の平均粒径として0.80μm超え〜5.0μm以下のものがあり、目的に応じてこの範囲の任意の一次粒子の平均粒径を有する軟磁性粉末を用いることができる。
本発明においては、シリコンアルコキシドを用いた湿式の被覆法により、前記の軟磁性粉末を構成する粒子の表面に絶縁性のシリコン酸化物を被覆する。シリコンアルコキシドを用いた被覆法は、一般にゾル−ゲル法と呼ばれる手法であり、前述した乾式法と比較して大量生産性に優れたものである。
シリコンアルコキシドを加水分解すると、アルコキシ基の一部または全てが水酸基(OH基)と置換し、シラノール誘導体となる。本発明においては、このシラノール誘導体により前記の軟磁性粉末表面を被覆するが、被覆されたシラノール誘導体は、加熱すると縮合または重合することによりポリシロキサン構造を取り、ポリシロキサン構造をさらに加熱するとシリカ(SiO2)になる。本発明においては、有機物であるアルコキシ基の一部が残存するシラノール誘導体被覆からシリカ被覆までを総称してシリコン酸化物被覆と呼ぶ。
シリコンアルコキシドとしては、例えばトリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、トリエトキシシラン、テトラエトキシシラン、トリプロポキシシラン、テトラプロポキシシラン、トリブトキシシラン、トリブトキシシラン等を使用することができるが、軟磁性粒子への濡れ性が良く、均一な被覆層を形成できるので、テトラエトキシシランを使用することが好ましい。
シリコン酸化物被覆層の平均膜厚は、1nm以上30nm以下であることが好ましく、1nm以上25nm以下であることがより好ましい。膜厚が1nm未満では、被覆層中に欠陥が多く存在し、絶縁性を確保することが困難になる。一方、膜厚が30nmを超えると絶縁性は向上するが、軟磁性粉末の圧粉密度が低下して磁気特性が悪化するために好ましくない。シリコン酸化物被覆層の平均膜厚は溶解法により測定するが、測定法の詳細は後述する。また、溶解法によって測定が難しい場合は、シリコン酸化物被覆層の断面を透過電子顕微鏡(TEM)観察もしくは走査電子顕微鏡(SEM)観察により平均膜厚を求めることができる。その場合断面のTEM写真またはSEM写真を撮影し、任意粒子の測定点50箇所の平均値によって平均膜厚を求めることができる。この方法によって求めた膜厚も、溶解法と同等となる。
XPS測定により、下記の式(1)を用いて求めたシリコン酸化物被覆層の被覆率R(%)は、70%以上であることが好ましい。
R=Si×100/(Si+M) …(1)
ここでSiは、前記シリコン酸化物被覆軟磁性粉末についてX線光電子分光分析法(XPS)測定により得られたSiのモル分率、Mは前記の軟磁性粉末を構成する元素のうち、酸素を除く金属元素および非金属元素についてXPS測定により得られたモル分率の総和である。XPS測定されるMは、例えばFe、Ni、Cr,Co、Mo、Alがある。
被覆率Rの物理的意味は、以下の通りである。
XPSは軟X線を励起源として固体表面に照射し、固体表面から放出される光電子を分光する表面分析法である。XPSにおいては、入射されたX線は固体表面から相当程度の深さ(1〜10μm程度)まで侵入するが、励起された光電子の脱出深さは数nm以下であり、極めて小さな値である。これは、励起された光電子が、その運動エネルギーに依存する固有の平均自由行程λを持ち、それらの値が0.1〜数nmと小さいためである。本発明の場合、シリコン酸化物被覆層に欠陥が存在すると、欠陥部に露出した軟磁性粉末の構成成分に起因する光電子が検出される。また、シリコン酸化物被覆層に欠陥が存在しない場合においても、シリコン酸化物被覆層の平均膜厚が軟磁性粉末の構成成分に起因する光電子の脱出深さよりも薄い部分が存在すると、やはり軟磁性粉末の構成成分に起因する光電子が検出されることになる。したがって、被覆率Rはシリコン酸化物被覆層の平均膜厚および欠陥部の面積割合を総合的に表す指標となる。
後述する実施例で用いたFe−Ni粉末の場合は、R=Si×100/(Si+Fe+Ni)であり、シリコン酸化物被覆層の膜厚がFeおよびNiの光電子の脱出深さより厚く、シリコン酸化物被覆層中に欠陥が存在しない場合には、Fe+Ni=0となり、被覆率Rは100%になる。
なお、Fe−Si粉末やFe−Si−Cr粉末のように、軟磁性粉末の構成成分としてSiを含有している場合には、軟磁性粉末を構成するSiのモル分率を式(1)の分母と分子のSiのモル分率から差し引いて計算することで被覆率を求めることができる。
ここで、軟磁性粉末を構成するSiのモル分率は、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末のシリコン酸化物被覆層を適当な方法でエッチングしてXPSを測定することで求めることができる。
エッチングの方法としては、XPSに付属のイオンスパッタリング装置でシリコン酸化物被覆軟磁性粉末をSiO2換算で100nm程度エッチングを行うか、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末を苛性ソーダ10質量%水溶液、80℃×20minの条件で浸漬することでシリコン酸化膜を完全にエッチングできる。
本発明の場合、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末の圧粉密度は4.0g/cm3以上であることが好ましい。更に好ましくは5.0g/cm3以上である。圧粉密度は圧粉磁心の透磁率に影響する。圧粉密度が低ければ圧粉磁心の透磁率が低いものになってしまい、結果的に所定の透磁率を得るために圧粉磁心のサイズが大きいものになるので圧粉磁心の小型化の観点から好ましくない。
圧粉密度は高い方がよいが、軟磁性粉末の組成から、実質的に得られる圧粉密度の上限は7g/cm3程度である。
[体積基準累積50%粒子径]
本発明の場合、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末のレーザー回折式粒度分布測定法により得られる体積基準の累積50%粒子径D50が1.0μm以上5.0μm以下であることが好ましい。1.0μmより小さいサイズの粒径では、シリコン酸化物を被覆した際に二次凝集が多くなり、圧粉密度が4.0g/cm3以上にならず、透磁率が低くなってしまう。また5.0μm以上ではインダクタとした際の高周波時の磁気損失が大きくなるため好ましくない。
本発明のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末は、表面にシラノール基が存在し、吸水性を有するために水分を吸着し易い。シリコン酸化物被覆軟磁性粉末表面に水分が吸着すると、絶縁性の低下を招き易くなるので、シリコン酸化物被覆軟磁性粉の水分含有量を低く抑えることが好ましい。本発明の場合、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末の水分含有率は特に規定するものではないが、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末全体に対する水分含有量として0.25質量%以下が好ましい。後述する乾燥工程で、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末を80℃以上で乾燥すると、水分含有量を0.25質量%以下にすることができる。より好ましくは、水分含有量を0.15質量%以下がよい。なお、大気中の水分の吸着が生じるので、水分含有量を0にすることは困難であり、通常は0.01質量%以上のものが得られる。
本発明の製造方法においては、公知の機械的手段により撹拌することにより、水と有機溶媒の混合溶媒中に軟磁性粉末を分散させた状態で、ゾル−ゲル法により軟磁性粉末表面にシリコン酸化物を被覆するが、その被覆に先立ち、当該混合溶媒中で軟磁性粉末を含むスラリーを保持する分散工程を設ける。軟磁性粉末の表面には当該軟磁性粉末の主成分であるFeの極めて薄い酸化物が存在するが、この分散工程では、当該Fe酸化物が混合溶媒中に含まれる水により水和される。水和したFe酸化物表面は一種の固体酸であり、ブレンシュテッド酸として弱酸と類似の挙動を示すため、次工程において混合溶媒中に軟磁性粉末を含むスラリーにシリコンアルコキシドを添加した際に、シリコンアルコキシドの加水分解生成物であるシラノール誘導体と軟磁性粉末表面との反応性が向上する。
混合溶媒中の水の含有量は、1質量%以上40質量%以下であることが好ましい。より好ましくは5質量%以上30質量%以下であり、さらに好ましくは10質量%以上20質量%以下である。水の含有量が1質量%未満では、前述したFe酸化物を水和する作用が不足する。水の含有量が40質量%を超えると、シリコンアルコキシドの加水分解速度が速くなり、均一なシリコン酸化物被覆層が得られなくなるので、それぞれ好ましくない。
混合溶媒に用いる有機溶媒としては、水と親和性のあるメタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール等の脂肪族アルコールを用いることが好ましい。ただし、有機溶媒の溶解度パラメータが水のそれに近すぎると、混合溶媒中の水の反応性が低下するので、1−プロパノール、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノールを用いることがより好ましい。
本発明においては、分散工程の反応温度は特に規定するものではないが、20℃以上70℃以下とすることが好ましい。反応温度が20℃未満では、Fe酸化物の水和反応の速度が遅くなるので好ましくない。また、反応温度が70℃を超えると、次工程のアルコキシド添加工程において、添加したシリコンアルコキシドの加水分解反応速度が増大し、シリコン酸化物被覆層の均一性が悪化するので好ましくない。本発明においては、分散工程の保持時間も特に規定するものではないが、Fe酸化物の水和反応が均一に起こるように、保持時間が1min以上30min以下になるように条件を適宜選択する。
前記の分散工程により得られた混合溶媒中に軟磁性粉末を分散させたスラリーを、公知の機械的手段により撹拌しながら、シリコンアルコキシドを添加した後、その状態でスラリーを一定時間保持する。シリコンアルコキシドとしては、前述のように、トリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、トリエトキシシラン、テトラエトキシシラン、トリプロポキシシラン、テトラプロポキシシラン、トリブトキシシラン、トリブトキシシラン等を使用することができる。
本工程で添加したシリコンアルコキシドは、混合溶媒中に含まれる水の作用により加水分解してシラノール誘導体になる。生成したシラノール誘導体は、縮合、化学吸着等により、軟磁性粉末表面にシラノール誘導体の反応層を形成する。本工程では、加水分解触媒を添加していないので、シリコンアルコキシドの加水分解が緩やかに起こるため、前記のシラノール誘導体の反応層が均一に形成されるものと考えられる。
本工程で添加したシリコンアルコキシドは、ほぼ全量シリコン酸化物被覆層の形成に用いられるので、その添加量はシリコン酸化物被覆層の平均膜厚に換算して1nm以上30nmになる量とする。シリコンアルコキシドの添加量は、具体的には以下の方法により決定する。
スラリー中に含まれる軟磁性粉末の質量をGp(g)、当該軟磁性粉末の被覆前のBET比表面積をS(m2/g)、シリコン酸化物被覆層の目標膜厚をt(nm)とすると、シリコン酸化物被覆層の全体積はV=Gp×S×t(10-5m3)であり、シリコン酸化物被覆層の密度をd=2.65(g/cm3=106g/m3)とすると、シリコン酸化物被覆層の質量はGc=0.1V×d(g)となる。したがって、シリコン酸化物被覆層に含まれるSiのモル数はGcをSiO2の分子量60.08で割った値として求められる。本発明の製造方法においては、上記の目標膜厚t(nm)に対応するモル数のシリコンアルコキシドを混合溶媒中に軟磁性粉末を分散させたスラリー中に添加する。
なお、収束イオンビーム(FIB)加工装置を用いてシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を切断し、透過電子顕微鏡(TEM)観察により測定したシリコン酸化物被覆層の平均膜厚は、シリコン酸化物被覆層の密度をd=2.65(g/cm3)として後述する溶解法により求めた膜厚と精度良く一致することが確認されている。
本発明においては、アルコキシド添加工程の反応温度は特に規定するものではないが、20℃以上70℃以下とすることが好ましい。反応温度が20℃未満では、軟磁性粉末表面とシラノール誘導体との反応の速度が遅くなるので好ましくない。また、反応温度が70℃を超えると、添加したシリコンアルコキシドの加水分解反応速度が増大し、シリコン酸化物被覆層の均一性が悪化するので好ましくない。本発明においては、アルコキシド添加工程の反応時間も特に規定するものではないが、軟磁性粉末表面とシラノール誘導体との反応が均一に起こるように、反応時間が10 min以下になるように条件を適宜選択する。
本発明の製造方法においては、前記のアルコキシド添加工程において軟磁性粉末表面にシラノール誘導体の反応層を形成した後、混合溶媒中に軟磁性粉末を分散させたスラリーを公知の機械的手段により撹拌しながら、シリコンアルコキシドの加水分解触媒を添加する。本工程においては、加水分解触媒の添加により、シリコンアルコキシドの加水分解反応が促進され、シリコン酸化物被覆層の成膜速度が増大する。なお、本工程以降は、通常のゾル−ゲル法による成膜法と同一の手法になる。
加水分解触媒はアルカリ触媒を用いる。酸触媒を用いると、軟磁性粉の主成分であるFeが溶解するので好ましくない。アルカリ触媒としては、シリコン酸化物被覆層中に不純物が残存し難いことと入手の容易さから、アンモニア水を用いることが好ましい。
本発明においては、加水分解触媒添加工程の反応温度は特に規定するものではなく、前工程であるアルコキシド添加工程の反応温度と同一で構わない。また、本発明においては、加水分解触媒添加工程の反応時間も特に規定するものではないが、長時間の反応時間は経済的に不利になるので、反応時間が5min以上120min以下になるように条件を適宜選択する。
前記までの一連の工程で得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を含むスラリーから、公知の固液分離手段を用いてシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を回収する。固液分離手段としては、濾過、遠心分離、デカンテーション等の公知の固液分離手段を用いることができる。固液分離時には、凝集剤を添加し固液分離しても構わない。
回収したシリコン被覆軟磁性粉は大気雰囲気、80℃以上の温度で乾燥する。80℃以上で乾燥を行うと、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末の水分含有量を0.25質量%以下に低減することができる。乾燥温度としては85℃以上が好ましく、90℃以上がより好ましい。また、シリコン酸化物被覆が剥がれないように、乾燥温度は400℃以下であることが好ましく、150℃以下がより好ましい。軟磁性粉の酸化を抑制したい場合は、不活性ガス雰囲気や真空雰囲気で乾燥する。
Siの含有量の測定は重量法によって行った。試料に塩酸と過塩素酸を加えて加熱分解し、過塩素酸の白煙が発生するまで加熱する。引き続き加熱して乾固させる。放冷後、水と塩酸を加えて加温して可溶性塩類を溶解させる。不溶解残渣をろ紙を用いてろ過し、残渣をろ紙ごとるつぼに移し、乾燥、灰化させる。放冷後にるつぼごと秤量する。少量の硫酸とフッ化水素酸を加え、加熱して乾固させた後、強熱する。放冷後にるつぼごと秤量する。1回目の秤量値から2回目の秤量値を差し引き、重量差をSiO2として計算してSi濃度を求める。
上記の方法で測定したシリコン酸化物被覆軟磁性粉末のSi含有量をA(質量%)とすると、シリコン酸化物被覆層の質量割合をB(質量%)は、Siの原子量とSiO2の分子量から、以下の式により算出される。
B=A×SiO2の分子量/Siの原子量=A×60.08/28.09
さらに、前述のS(m2/g)およびd(g/cm3)を用いると、シリコン酸化物被覆層の平均膜厚t(nm)は以下の式で表される。なお、下式の10は換算係数である。
t(nm)=10×B/(d×S)
前述のように、dの値を2.65g/cm3として算出したシリコン酸化物被覆層の平均膜厚は、TEM観察結果とよく一致する。
BET比表面積は、ユアサアイオニクス株式会社製の4ソーブUSを用いて、BET一点法により求めた。
[SEM観察]
SEM観察は、株式会社日立ハイテクノロジーズ製S−4700を用い、加速電圧3kV、倍率3万倍で行った。
XPS測定にはアルバック・ファイ社製PHI5800 ESCA SYSTEMを用いた。分析エリアはφ800μmとし、X線源:Al管球、X線源の出力:150W、分析角度:45°とした。得られた光電子スペクトルのうち、Siは2p3/2軌道、Feは2p3/2軌道、Niは2p3/2軌道のスペクトルと、それぞれの光電子スペクトルの相対感度係数を用い、装置に内蔵のコンピュータによりSi、FeおよびNiのモル分率を算出した。なお、CoおよびCrを分析する場合も、スペクトル種は2p軌道を用いた。バックグラウンド処理はshirley法を用いた。なお、スパッタエッチングは行わず、粒子の最表面における光電子スペクトルの測定をおこなった。
それらの値を前記(1)式の対応する元素記号の箇所に代入して被覆率R(%)を算出した。
シリコン酸化物被覆軟磁性粉末の体積抵抗率の測定は、三菱化学アナリテック株式会社製粉体抵抗測定ユニット(MCP−PD51)、三菱化学アナリテック株式会社製高抵抗抵抗率計ハイレスタUP(MCP−HT450)、三菱化学アナリテック株式会社製高抵抗粉体測定システムソフトウェアを用い、二重リング電極方法により、粉末1.0gを13〜64MPa(4〜20kN)で垂直に加圧し、電圧を印加した状態で測定することにより求めた。
圧粉密度は64MPa(20kN)で加圧した際の厚みと試料の重量から算出した。
64MPa(20kN)時の体積抵抗率は、1.0×106Ω・cm以上が好ましい。更に好ましくは1.0×107Ω・cm以上である。
被覆処理前およびシリコン酸化物被覆処理後の軟磁性粉末の粒度分布は、レーザー回折式粒度分布装置(SYMPATEC社製のヘロス粒度分布測定装置(HELOS&RODOS))により測定した。同装置により体積基準の累積10%粒子径(D10)、累積50%粒子径(D50)、累積90%粒子径(D90)を求め、累積50%粒子径(D50)を平均粒子径とした。
[透磁率(μ')の測定]
被覆処理前またはシリコン酸化物被覆処理後の軟磁性粉末とビスフェノール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、自転公転ミキサー(THINKY社製:ARE−250)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乾燥させて金属粉末と樹脂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成形体を得た。この成形体について、RFインピーダンス・アナライザ(キーサイト・テクノロジー社製;E4990A)とターミナル・アダプタ(キーサイト・テクノロジー社製;42942A)、テストフィクスチャ(キーサイト・テクノロジー社製;16454Aを用い、100MHzにおける複素比透磁率の実数部μ'を求めた。
本発明のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を用いることで、100MHzにおける複素比透磁率の実数部μ'が4.5以上の成形体が得られるため、本発明のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を用いて製造された成形体は、優れた透磁率特性を示し、小型化が求められるインダクタの磁心などの用途に好適に用いることができる。
シリコン酸化物被覆軟磁性粉末中の水分含有量の測定は、平沼産業株式会社製水分気化装置EV−2010を用いて、電量滴定法により測定した。具体的には、300℃に加熱した水分気化装置EV−2010に測定用試料を測定セルに投入し測定した測定値をシリコン酸化物被覆軟磁性粉末中の水分含有量とする。
1000mLの反応容器に、室温下で純水70gとイソプロピルアルコール(IPA)400gを投入し、撹拌羽を用いて混合して混合溶媒を作成した後に、当該混合溶媒に軟磁性粉末としてFeNi合金粉末(Fe50質量%、Ni50質量%、BET比表面積:0.77m2/g、平均粒径1.9μm、圧粉密度 5.47g/cm3)250gを添加して、軟磁性粉末の分散したスラリーを得た。その後、当該スラリーを600rpmの撹拌速度で撹拌しながら、室温から40℃まで昇温させた。この間、分散工程における当該スラリーの保持時間は15minである。
前記の混合溶媒中に軟磁性粉末が分散した撹拌下のスラリーに、少量ビーカーに分取したテトラエトキシシラン(TEOS:和光純薬工業社特級試薬)3.74gを一気に添加した。少量ビーカーの器壁に付着したTEOSは、IPA5gを用いて洗い落とし、反応容器中に加えた。TEOS添加後、撹拌を5min継続し、TEOSの加水分解生成物と軟磁性粉末表面との反応を行わせた。
引き続き、前記のTEOSを添加後5min保持したスラリーに、28質量%アンモニア水45gを1g/minの添加速度で添加した。アンモニア水の添加終了後、撹拌を行いながらスラリーを1h保持し、軟磁性粉末の表面にシリコン酸化物被覆層を形成させた。
その後、加圧濾過装置を用いてスラリーを濾別し、120℃で3h真空乾燥して、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末を得た。
得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の組成分析、XPSおよび水分含有量の測定を行い、シリコン酸化物被覆層の膜厚t(nm)、被覆率R(%)および水分含有量を算出した。膜厚tは2nm、被覆率Rは81%(Mとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出された)、水分含有量は0.10質量%であった。それらの結果を表1に示す。表1には、得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の粒度分布測定結果、圧粉密度および圧粉体の体積抵抗率の測定結果も併せて示してある。
前記のスラリーに添加するTEOSの量を、実施例2では9.36g、実施例3では21.0g、実施例4では31.4g、実施例5では41.9gにそれぞれ変化させた以外は実施例1と同じ手順でシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を得た。得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末について算出したシリコン酸化物被覆層の膜厚、被覆率および水分含有量、並びにシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の粒度分布、圧粉密度および圧粉体の体積抵抗率の測定結果も表1に併せて示してある。なお、実施例2〜4はMとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出され、実施例5は、酸素を除く金属元素および非金属元素は測定されなかった。
また、図1に、実施例2により得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉のSEM観察結果を示す。なお、図1の右下に示す11本の白い縦線で示される長さが1.0μmである。
TEOSの添加量を増加するとシリコン酸化物被覆層の膜厚が増加し、被覆率も上昇する。膜厚の増加とともに圧粉体の体積抵抗率が増加するが、圧粉密度が減少する。本発明例について得られた圧粉体の体積抵抗率は、後述する比較例についてのそれらと比較して一桁以上高くなっている。
平均粒径はシリコン酸化物の膜厚の増加と共に若干増加しているが、これはシリコン酸化物がバインダーとなり軟磁性粒子同士がくっ付いているためであるが、20nmの膜厚でも3.5μmに増加しただけであり、二次凝集による粒径の増加は少なかった。
軟磁性粉として鉄粉(純度99質量%以上、平均粒径5.5μm、比表面積0.40m2/g)を用い、スラリーに添加するTEOS量を4.80g(SiO2膜厚5nm相当)とした以外は実施例1と同じ手順でシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を得た。得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末について算出したシリコン酸化物被覆層の膜厚、被覆率および水分含有量、並びにシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の粒度分布、圧粉密度および圧粉体の体積抵抗率の測定結果も表1に併せて示してある。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFeがXPS測定で検出された軟磁性粉として鉄粉を用いた場合にも、良好な圧粉体の体積抵抗率および透磁率が得られる。
[実施例7]
乾燥温度を80℃にした以外は実施例2と同じ手順でシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を得た。得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末について算出したシリコン酸化物被覆層の膜厚、被覆率および水分含有量、並びにシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の粒度分布、圧粉密度および圧粉体の体積抵抗率の測定結果も表1に併せて示してある。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出された乾燥温度を80℃の場合には、水分含有量がやや高くなり、圧粉体の体積抵抗率がやや低くなった。
実施例1〜5に供試した軟磁性のFeNi合金粉末にシリコン酸化物被覆を施さず、BET法による比表面積、レーザー回折法による粒度分布、並びに粉末の体積抵抗率および圧粉密度を測定した。測定結果を表1に併せて示す。なお、本比較例のFeNi合金粉末のBET比表面積は、前述のように0.77m2/gであった。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出された。
本比較例の測定結果から、シリコン酸化物被覆層の膜厚の薄い実施例1の場合でも、圧粉体の体積抵抗率が6桁程度増加していることが判る。
特許文献2の実施例1に記載の方法に準じ、前記の軟磁性FeNi合金粉末にシリコン酸化物被覆を施した。この製造方法では、本発明の特許請求の範囲において規定する分散工程とアルコキシド添加工程は行われておらず、軟磁性粉は加水分解触媒を添加した被覆液と直ちに反応させられる。すなわち、テトラエトキシシラン(関東化学社製)14gとIPAの混合溶液100mL、濃アンモニア水(28質量%)2mL、水30gからなる室温25℃の加水分解溶液に前記のFeNi合金粉末500gを浸漬し、プロペラ撹拌機を用いて3時間撹拌した。その後、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末と加水分解溶液を分離し、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末を120℃で1時間熱処理し、IPA溶液と水とを除去した。その後、得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末について、本発明の実施例と同様な評価を行った。評価結果を表1に併せて示す。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出された。
本比較例において得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末のシリコン酸化物被覆軟磁性層の膜厚は4nmであり、本発明の特許請求の範囲に含まれるが、被覆率は52%であり、圧粉体の体積抵抗率は本発明の実施例のそれらと比較して劣っていた。
軟磁性粉末をスラリーにするための溶媒として水を添加せず、IPA400gのみを用いた以外は実施例1と同じ条件でシリコン酸化物被覆軟磁性粉末をえた。得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の特性を表1に示す。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出された。本比較例において得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末のシリコン酸化物被覆軟磁性層の膜厚は実施例1と同じで2nmであるが、被覆率は58%であり、圧粉体の体積抵抗率は本発明の実施例のそれらと比較して劣っていた。
スラリーに添加するTEOS量を55.4g(SiO2膜厚30nm相当)とした以外は比較例3と同じ手順でシリコン酸化物被覆軟磁性粉末を得た。得られたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末について算出したシリコン酸化物被覆層の膜厚、被覆率および水分含有量、並びにシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の粒度分布、圧粉密度および圧粉体の体積抵抗率の測定結果も表1に併せて示してある。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFe、NiがXPS測定で検出された。
本比較例では、SiO2膜厚を30nm厚くしたにも関わらず、被覆率は69%と低く、圧粉体の体積抵抗率も低かった。
[比較例5]
実施例6に用いた鉄粉につき、シリコン酸化物被覆を施さずに測定した水分含有量、圧粉密度および圧粉体の体積抵抗率を表1に併せて示してある。なお、Mとして軟磁性粉末を構成するFeがXPS測定で検出された。
Claims (4)
- 鉄を50質量%以上含有する軟磁性粉末の表面にシリコン酸化物の被覆層が形成されたシリコン酸化物被覆軟磁性粉末であって、前記被覆層の平均膜厚が1nm以上30nm以下であり、下記(1)式で定義される被覆率Rが70%以上であり、前記シリコン酸化物被覆軟磁性粉末を64MPaで加圧して成形して得られた圧粉体の体積と質量より算出した圧粉密度が4.0g/cm3以上である、シリコン酸化物被覆軟磁性粉末、ただし、前記被覆層はフッ素含有組成物を含むものを除くものである。
R=Si×100/(Si+M) …(1)
ここでSiは、前記シリコン酸化物被覆軟磁性粉末についてX線光電子分光分析法(XPS)測定により得られたSiのモル分率、Mは前記の軟磁性粉末を構成する元素のうち、酸素を除く金属元素および非金属元素についてXPS測定により得られたモル分率の総和である。 - レーザー回折式粒度分布測定法により得られる体積基準の累積50%粒子径D50が1.0μm以上5.0μm以下である、請求項1に記載のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末。
- 鉄を50質量%以上含有する軟磁性粉末の表面にシリコン酸化物を被覆したシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の製造方法であって、
水と有機溶媒を混合し、水を1質量%以上40質量%以下含む混合溶媒を準備する工程と、
前記の混合溶媒に鉄を50質量%以上含有する軟磁性粉末を添加し、軟磁性粉末の分散したスラリーを得る分散工程と、
前記の軟磁性粉末を分散したスラリーにシリコンアルコキシドを添加するアルコキシド添加工程と、
前記のシリコンアルコキシドを添加した磁性粉末を分散したスラリーに、シリコンアルコキシドの加水分解触媒を添加し、シリコン化合物を被覆した軟磁性粉末の分散したスラリーを得る加水分解触媒添加工程と、
前記のシリコン化合物を被覆した軟磁性粉末の分散したスラリーを固液分離し、シリコン化合物を被覆した軟磁性粉末を得る工程と、
前記のシリコン化合物を被覆した軟磁性粉末を乾燥する工程、
を含む、請求項1に記載のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の製造方法、ただし、前記の製造方法は可溶性フッ素化剤を混合する工程を含まないものである。 - 前記のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末のレーザー回折式粒度分布測定法により得られる体積基準の累積50%粒子径D50が1.0μm以上5.0μm以下である、請求項3に記載のシリコン酸化物被覆軟磁性粉末の製造方法。
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