JP6742674B2

JP6742674B2 - 金属粉末

Info

Publication number: JP6742674B2
Application number: JP2018211028A
Authority: JP
Inventors: 謙典松木; 健志諸住; 山根　浩志; 浩志山根
Original assignee: JFE Mineral Co Ltd
Current assignee: JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: JP2020076135A

Description

本発明は、金属粉末に係り、とくにインダクタ向けとして好適な、鉄合金粉末に関する。

近年、スマートフォンやタブレットPC等に代表される小型携帯機器では、高機能化・多機能化が進んでいる。それに伴い、搭載する電源回路のチョークコイルにも搭載台数の増加や集積回路ICの高機能化に伴う大電流化への対応という要求が強くなっている。また、携帯機器の更なる小型化・薄型化の要求に対応して、コイル自体の小型化・低背化という要求も強くなっている。

チョークコイルには、従来から、フェライト材料が用いられてきた。しかし、フェライトの飽和磁束密度が低いため、小型化すると飽和磁気により直流重畳特性が悪化し、大電流を流せなかった。このため、最近では、小型インダクタ用コア材料として、飽和磁束密度が高い鉄ベースの金属磁性微粒子が注目されている。

例えば、特許文献１には、「軟磁性金属粉末」が提案されている。特許文献１に記載された軟磁性金属粉末は、組成式でFe_100-a-bSi_aCr_ｂ（重量％で、0≦a≦8、0<ｂ≦3）で表わされ、粉末表面の一部または全体が絶縁性酸化物で覆われ、粉末表面のCr濃度が粉末中心部より高い軟磁性金属粉末である。また、絶縁性酸化物を含む軟磁性金属粉末全体の酸素量が10質量％以下であることが好ましいとしている。この軟磁性金属粉末は、原料粉とアルコキシド溶液とを混合し、乾燥したのち、900℃以上の熱処理を施して、製造されるとしている。これにより、圧粉磁心の渦電流損とヒステリシス損失の双方を大幅に低減することが可能であるとしている。

また、特許文献２には、「鉄基軟磁性粉末材」が記載されている。特許文献２に記載された鉄基軟磁性粉末材は、結晶質であり、基本組成が、組成式Fe_100-X-YSi_XCr_Y（但し、x：0〜15at％、ｙ：0〜15at％、x＋y：0〜25at％である）で表され、前記組成式の全体量100質量部に対して、Nb、V、Ta、Ti、及びWの4〜6族遷移金属群から１種以上選択される磁性改質微量成分が0.05〜4.0質量部添加されている鉄基軟磁性粉末材である。この磁性改質微量成分の含有により磁気異方性が低減し、内部歪が軽減するとしている。特許文献２に記載された鉄基軟質磁性粉末で製造された圧粉磁心は、高透磁率化が可能であり、また磁心損失も増大しない。

また、特許文献３には、「磁性材料」が提案されている。特許文献３に記載された磁性材料は、Fe−Cr−Si系合金ならなる金属粒子を酸化雰囲気下で熱処理することにより得られる粒子成形体である。そして、使用する金属粒子は、成形前の金属粒子のＸＰＳによる709.6eV、710.7eVおよび710.9eVの各ピークの積分値の和Fe_oxide、と706.9eVのピークの積分値Fe_metalについて、Fe_metal／（Fe_metal＋Fe_oxide）が0.2以上であるFe−Cr−Si系合金粒子とするとしている。なお、Crの含有範囲は2.0〜15wt％である。得られる粒子成形体は、複数の金属粒子と、金属粒子を被覆する金属粒子の酸化物からなる酸化被膜と、酸化物被膜同士の結合部とを有し、これにより、高透磁率で高絶縁抵抗の磁性材料とすることができるとしている。

また、特許文献４には、「Fe基軟磁性金属粉体」が提案されている。特許文献４に記載されたFe基軟磁性金属粉体は、Fe中に質量％で、Si：7〜9％、Cr：2〜8％を不可避的不純物とともに含む組成を有し、平均粒径D50が1〜40μmとして、酸素量を0.60質量％以下に抑制したことを特徴としている。これにより、高い透磁率が得られるとともに、鉄損が小さく抑えられ、耐食性にも優れた磁心とすることができるとしている。

また、特許文献５には、「軟磁性金属粉末」が提案されている。特許文献５に記載された軟磁性金属粉末は、鉄を主成分とする粉末で、質量％で、炭素を100〜995ppm、Siを3〜15％含有する金属粉末であり、粒子内に含まれる酸素が500ppm以下であることが好ましく、またNi：30〜80％、Cr：10％以下含有してもよい、としている。これにより、保持力の低い軟磁性金属粉末とすることができ、この軟磁性金属粉末を用いることで圧粉コアの損失を改善できるとしている。

特開2008−195986号公報特許第5354101号公報特開2013−26356号公報特開2014−78629号公報特開2017−92481号公報

しかしながら、特許文献1〜５に記載された技術では、圧粉コアとした場合に、粉末の充填密度を向上させることができず、圧粉コアとしての透磁率および飽和磁束密度を高くすることができない、という問題があった。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、低保磁力で、樹脂との親和性が高く、耐錆性に優れ、かつ高飽和磁束密度でかつ低鉄損の圧粉磁心を製作可能な、金属粉末を提供することを目的とする。

なお、ここでいう「低保磁力」を有する金属粉末とは、所定の容器に金属粉末を入れ、パラフィンを融解、凝固させて固定したものを振動試料型磁力計（VSM）で測定（測定磁界：1200kA/m）して、10 Oe以下である場合をいうものとする。また、ここでいう「低鉄損の圧粉磁心」とは、金属粉末をエポキシ樹脂中に混合し分散させた混合粉をリング状金型（外径：13mm、内径：8mm）に充填し、プレス成型したのち、樹脂を硬化させて、厚さ：3mmのトロイダルコアとし、１次側20ターン、２次側20ターンの巻線を与えて、磁束密度0.025T、周波数1MHzの条件で測定した場合の鉄損が、1000kW/m³以下である場合をいうものとする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、純鉄粉を基準として金属粉末の組成について鋭意検討した。その結果、Fe中に適正量のSi、Cr、さらには適正量のClを含有する金属粉末（鉄合金粉末）とすることが肝要であることを見出した。とくに、適正量のClの存在が、樹脂との親和性を高め、粉末の充填密度を高めて、飽和磁束密度が高く、コア損失の少ない低鉄損の圧粉磁心の作製を容易にすることを新規に知見した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）Feを主成分とする金属粉末であって、質量％で、Siを1〜10％、Crを1〜13％、Clを10〜10000ppmを含有することを特徴とする金属粉末。
（２）（１）において、前記金属粉末が、さらに、質量％で、O（酸素）を1〜7％含有することを特徴とする金属粉末。
（３）（１）または（２）において、前記金属粉末が、平均粒径で、0.1〜3.0μmであることを特徴とする金属粉末。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記金属粉末の表面に、OH基を含む被膜を有することを特徴とする金属粉末。

本発明によれば、低保磁力で、樹脂密着性に優れ、耐錆性にも優れた金属粉末が容易に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、飽和磁束密度が高く、コア損失が少ない低鉄損の圧粉磁心の作製が容易になるという効果もある。

本発明金属粉末は、Feを主成分とする金属粉末（鉄合金粉末）である。ここでいう「主成分」とは、当該元素（Fe）を金属粉末全体で、質量％で50％以上含有する場合をいう。本発明金属粉末は、Feを主成分とし、質量％で、Siを1〜10％、Crを1〜13％、Clを10〜10000ppmを含有することに特徴がある。すなわち、本発明金属粉末は、質量％で、Si：1〜10％、Cr：1〜13％、Cl：10〜10000ppmを含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基本組成を有する金属粉末である。

つぎに、組成限定の理由について説明する。以下、組成における質量％は、単に％で記す。

Si：1〜10％
Feを主成分とする金属粉末（鉄合金粉末）では、Siは、基地中に固溶して、金属粉末の保磁力の低下に寄与する元素である。所望の低い保磁力を達成するためには、Siは1％以上の含有を必要とする。一方、10％を超えて含有すると、保磁力は増加し、飽和磁化が低下する。このため、Siは1〜10％の範囲に限定した。なお、好ましくは3〜10％である。

Cr：1〜13％
Crは、金属粉末（鉄合金粉末）の磁気特性を低下させるが、耐食性を向上させる元素であり、本発明では1％以上の含有を必要とする。Crが1％未満と少ない場合には、粒子表面に錆が発生しやすくなる。一方、13％を超えて多量に含有すると、飽和磁化（emu/g）が低下する。このため、Crは1〜13％の範囲に限定した。なお、好ましくは1〜6％である。

Cl：10〜10000ppm
Clは、金属粒子表面と樹脂との親和性向上に寄与する元素であり、コアとした場合の金属粉末の充填密度を向上させ、コアの飽和磁束密度を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、10ppm以上の含有を必要とする。Clが10ppm未満と少ない場合には、粉末粒子表面と樹脂との親和性が低く、粉末粒子の周囲に空隙が生じやすく、所望の充填密度を達成できない。一方、Clの含有量が10000ppmを超えて多量に含有すると、表面からの吸湿による錆発生が促進されるおそれがある。このため、本発明ではClは10〜10000ppmの範囲に限定した。なお、好ましくは、10〜1000ppmである。

本発明金属粉末では、上記した基本の組成に加えてさらに、O（酸素）を1〜7％含有してもよい。

O（酸素）：1〜7％
O（酸素）は、表面に酸化物として存在し、金属粉末表面が活性化するのを抑制する作用を有する。このような効果を得るためには、O（酸素）を1％以上含有することが好ましい。O（酸素）が1％未満では、粒子表面が活性で、発火しやすくなり、大気中での取り扱いが難しくなる。一方、7％を超えて多量に含有すると、飽和磁化が低下する。このようなことから、O（酸素）は1〜7％の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、1〜3％である。

上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
なお、不純物元素としてNi：10％以下の含有が許容できる。
Niは、不純物として、混入し、Fe含有量を低下させた場合、金属粉末の飽和磁化を低下させる元素であり、できるだけ低減することが望ましいが、Niは他の不純物元素に比べ、飽和磁化を低下させる作用が緩慢であるため、10％以下の含有であれば許容できる。なお、コアとしての飽和磁束密度の向上のためにはNiは、5％以下とすることがより好ましく、さらに好ましくは3％以下である。

Ni以外の不可避的不純物である、C、N、P、S、Mn、Cu、Al等の元素は、金属粉末の飽和磁化を低下させる元素であり、合計で3％以下の含有であれば、実用上致命的とまで言える磁気特性の低下は生じないため、許容できる。なお、コアの飽和磁束密度の向上という観点からは、上記した元素の含有は、合計で1％以下とすることがより好ましい。

また、本発明金属粉末は、上記した組成を有し、平均粒径で、0.1〜3.0μmの粒子（粉末）とすることが好ましい。ここでいう「平均粒径」は、金属粉末粒子を走査型電子顕微鏡（SEM）観察し撮像して、画像解析により求めたD50とする。平均粒径が0.1μm未満では、樹脂と混錬した場合に凝集が発生しやすく、充填率が上がらないため、コアとしての飽和磁束密度が低下する。一方、平均粒径が3.0μmを超えると、コアロス（高周波における損失）が増加する。このため、本発明金属粉末の平均粒径は、0.1〜3.0μmの範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜2.0μmである。

また、本発明金属粉末は、粉末粒子表面にOH基を含む被膜を有することが好ましい。粉末粒子表面にOH基を含む被膜が存在すると、金属粒子表面と樹脂との親和性が顕著に向上し、コアを作製した場合に金属粉末の充填密度が高くなる。粉末粒子表面に存在する被膜がOH基を含まない被膜である場合には、金属粒子表面と樹脂との親和性が低く、コアを作製した場合に金属粉末の充填密度が低く、飽和磁束密度が低下する。

つぎに、本発明金属粉末の好ましい製造方法について説明する。
本発明金属粉末（鉄合金粉末）は、化学的気相法（Chemical Vapor Deposition：以下、CVDともいう）を用いて製造することが好ましい。CVDでは、Fe、Si及びCr等の合金元素を、高温の塩素ガスと反応させて生成した各元素の塩化物ガス、あるいは、Fe、Si、Crなどの各元素の塩化物を高温に加熱して気化させた塩化物ガスを所定の比率で混合させた混合ガスに、それぞれ適した温度で、水素を反応させて塩化物を還元し、Si、Cr等を含有する所望組成の鉄合金粉末（金属粉末）を得る。

本発明金属粉末（鉄合金粉末）では、塩化物ガスの濃度、反応温度および反応時間を所望の粒径となるように、調整することが好ましい。
反応（還元反応）後、得られた金属粉末は、さらに脱塩素工程を施される。
脱塩素工程は、溶剤を用いて、得られた金属粉末を洗浄し、塩素濃度を調整する工程である。使用する溶剤としては、未反応の塩化物や還元反応によって生成した副生成物を溶解する溶剤を用いることが好ましい。このような溶剤としては、水、アルコール等が例示される。また、上記した水溶液等の親水性の溶液を用いて金属粉末を洗浄することにより、表面にOH基を有する被膜を容易に形成することができる。

以下、さらに本発明について、実施例に基づき、さらに説明する。

表１に示す鉄合金組成の金属粉末（鉄合金粉末）を作製した。

原料粉として、Feの塩化物、Siの塩化物、Crの塩化物をそれぞれ準備した。そして、これら塩化物を、反応装置内で高温（1000℃）に加熱し、塩化物を気化させて、各元素の塩化物ガスを生成した。生成した各元素の塩化物ガスを、表１に示す各金属粉末の組成となるように、混合比率を変化させて混合し、各種混合ガスとした。得られた混合ガスに、所定の反応温度（1000〜1100℃）で、水素を反応させて、塩化物を還元した。

ついで、得られた各種金属粉末に、純水を用いて洗浄する脱塩素工程を施し、塩素含有量を調整した。

得られた各種金属粉末について、磁気特性、耐錆性、鉄損を調査した。調査方法は次のとおりとした。
（１）磁気特性
得られた各種金属粉末について、振動試料型磁力計（東英工業社製）を用いて、保磁力、飽和磁化を測定した。
（２）耐錆性
得られた各種金属粉末（磁性粉）を、樹脂に埋め込み固定したのち、断面を鏡面研磨して、耐錆性測定用試験片とした。これら試験片を、恒温恒湿槽中に所定時間保持したのち、試験片内の粒子について、ランダムに20個を選定し、発錆の有無を観察し、発錆している粒子の割合を算出した。なお、恒温恒湿槽は、温度：60℃、相対湿度：95％の条件で保持した。また、恒温恒湿槽中の保持時間は2000時間とした。
（３）鉄損
得られた各種金属粉末（磁性粉）を、表１に示す磁性粉量（体積率）で樹脂（エポキシ樹脂）中に混合し分散させ、各種混合粉とした。これら混合粉をリング状金型（外径：13mm、内径：8mm）に充填し、プレス成型したのち、樹脂を硬化させて、厚さ：3mmのトロイダルコアを作製した。得られたコアに、１次側20ターン、２次側20ターンの巻線を与えて、B-Hアナライザ（岩通計測株式会社製SY-8218）を用いて、磁束密度0.025T、周波数1MHzの条件で、鉄損（コアロス）を測定した。

なお、得られた金属粉末について、SEM観察し撮像して、画像解析によりD50を求め、平均粒径とした。またさらに、金属粉末表面にOH基を含む被膜が存在するか否かについて、金属粉末表面をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）を用いて、分析した。また、金属粉末に含まれる合金元素（Si、Cr）量は、ICP（誘導結合プラズマ）を用いて測定した。なお、粉体（金属粉末）に含まれる塩素Clは、燃焼法を用いて、また、O（酸素）は燃焼法を用いて測定した。

得られた結果を、表１に併記する。
本発明例はいずれも、10 Oe以下の低保磁力で、180 emu/g以上の高い飽和磁化を保持し、耐錆性に優れた金属粉末であり、さらに圧粉コアとした場合に鉄損が1000 kW/m³以下である、コアロスの低い圧粉コアを作製できる、という顕著な効果を奏する。

一方、本発明の範囲を外れる比較例は、保磁力が10 Oeを超えて高いか、飽和磁化が180 emu/g未満と低いか、あるいは耐錆性が低下している金属粉末であり、圧粉コアとした場合に鉄損が1000 kW/m³を超えてコアロスが高い圧粉コアとなっている。

Claims

Feを主成分とする金属粉末であって、質量％で、Siを1〜10％、Crを1〜13％、Clを10〜10000ppmを含有することを特徴とする金属粉末。
前記金属粉末が、さらに、質量％で、O（酸素）を1〜7％含有することを特徴とする請求項１に記載の金属粉末。
前記金属粉末が、平均粒径で、0.1〜3.0μmであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属粉末。
前記金属粉末の表面に、OH基を含む被膜を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金属粉末。