JP6941766B2 - 軟磁性合金粉末とその製造方法、および、それを用いた圧粉磁心 - Google Patents

Description

本願発明は、軟磁性合金粉末とその製造方法、および、それを用いた圧粉磁心に関する。特に、本願発明は、チョークコイル、リアクトル、トランス等のインダクタに用いられる軟磁性合金粉末とその製造方法、および軟磁性合金粉末を用いた圧粉磁心に関するものである。

近年、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）やプラグインハイブリッド自動（ＰＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）など、車両の電動化が急速に進んでおり、更なる燃費向上のためシステムの小型・軽量化が求められている。その電動化市場に牽引されて、様々な電子部品に対して小型化および軽量化が求められる中、チョークコイル、リアクトル、トランスなどで使用される軟磁性合金粉末およびそれを用いた圧粉磁心に対してますます高い性能が要求されている。

この軟磁性合金粉末およびそれを用いた圧粉磁心においては、小型化・軽量化のために、材質としては、飽和磁束密度が高いことが優れ、コアロスが小さくことが要求されている。さらに、この軟磁性合金粉末およびそれを用いた圧粉磁心は、直流重畳特性に優れることも要求されている。

中でも、アモルファス相中に微小なαＦｅ結晶相が析出したナノ結晶軟磁性合金は、高飽和磁束密度と低コアロスの両立が可能な優れた軟磁性材料である。

例えば、特許文献１には、高飽和磁束密度でナノスケールの結晶粒からなるＦｅ基のナノ結晶軟磁性合金粉末の製造方法と、優れた磁気特性を示すナノ結晶軟磁性合金粉末および磁性部品が記載されている。

特許第５４４５８８８号公報

図２に、特許文献１に記載された軟磁性合金粉末内部のミクロ組織の模式図を示す。ナノ軟磁性合金粉末は、平均粒径６０ｎｍ以下のαＦｅ結晶相１が、アモルファス相２中に体積分率で３０％以上分散している。

しかしながら、この中には、数ｎｍ以下の大きさで結晶化が足りない微結晶粒や、数十ｎｍ以上の肥大化した結晶粒も含まれる。この場合、ナノ軟磁性合金粉末の磁気異方性が大きくなり、ナノ軟磁性合金粉末の保磁力が増加する。さらに、それを用いた圧粉磁心のコアロスも増加する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高飽和磁束密度でかつ優れた軟磁気特性が得られる結晶軟磁性合金粉末とその製造方法、および、それを用いた圧粉磁心を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、アモルファス相と、上記アモルファス相中に位置するαＦｅ結晶相と、を有し、上記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の最頻値が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、上記αＦｅ結晶相の結晶子体積分布の半値幅が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である軟磁性合金粉末を用いる。

また、アモルファス相を有する合金組成物を粉末にする粉砕工程と、上記粉末を熱処理してαＦｅ結晶相を析出させ、かつ、上記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の最頻値が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、上記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の半値幅が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下にする熱処理工程と、を含む軟磁性合金粉末の製造方法を用いる。

以上のように、本実施の形態で開示する手段によれば、軟磁性合金粉末の保磁力を低減でき、高飽和磁束密度でかつ優れた軟磁気特性が得られるナノ結晶軟磁性合金粉末とそれを用いた圧粉磁心を提供することができる。

本実施の形態により製造した軟磁性合金粉末の結晶子の体積分布を示す図 特許文献１に記載された軟磁性合金粉末内部のミクロ組織の模式図

＜軟磁性合金粉末の製造＞
まず、本実施の形態の軟磁性合金粉末の製造方法について説明する。

（１）αＦｅ結晶相の微細結晶を析出する合金組成物を、高周波加熱などによって融解し、液体急冷法でアモルファス相の薄帯または薄片を作製する。アモルファス相の薄帯を作製する液体急冷法としては、Ｆｅ基アモルファス薄帯の製造などに使用される単ロール式のアモルファス製造装置や、双ロール式のアモルファス製造装置を使用することができる。

（２）次に、薄帯または薄片を粉砕して粉末化する。薄帯または薄片の粉砕は、一般的な粉砕装置を使用できる。例えば、ボールミル、スタンプミル、遊星ミル、サイクロンミル、ジェットミル、回転ミルなどが使用できる。また、粉砕して得られた粉末を、ふるいを用いて分級することにより、所望の粒度分布を有する軟磁性合金粉末が得られる。

（３）次に、薄帯または薄片の粉砕粉を熱処理して、αＦｅ結晶相を析出させる。熱処理装置は、例えば、熱風炉、ホットプレス、ランプ、シースー金属ヒーター、セラミックヒーター、ロータリーキルンなどを使用できる。特に、ホットプレスで、粉末を挟んで熱処理するのが好ましい。粉体自体の温度を正確に制御できる。

熱処理時の粉末の温度を均一にすることにより、数ｎｍ以下の結晶化不足の微結晶粒や数十ｎｍ以上の肥大化した結晶粒ができるのを防ぎ、適切なサイズのαＦｅ結晶相の結晶粒を析出させることができる。単に、容器に入れて、炉に入れるだけでは、粉末の温度が不均一となる。粉末の温度を均一にしないと、結晶化の度合いが場所で異なり、不均質な大きさの結晶となる。

その結果、高飽和磁束密度でかつ優れた軟磁気特性が得られる結晶軟磁性合金粉末が得られる。

＜圧粉磁心の作製＞
（１）本実施の形態における圧粉磁心の作製は、上記の軟磁性合金粉末と、フェノール樹脂やシリコーン樹脂などの絶縁性が良好で耐熱性が高いバインダーとを混合して造粒粉を作製する。

（２）次に造粒粉を所望の形状を有する耐熱性が高い金型に充填し、加圧成形して圧粉体を得る。

（３）その後、バインダーが加熱硬化し、かつα結晶相が析出しない温度で熱処理を行うことで、高飽和磁束密度でかつ優れた軟磁気特性が得られる圧粉磁心が得られる。

（評価方法）
＜結晶子の体積分布＞
軟磁性合金粉末における結晶子の体積分布は、まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によって得られた粉末試料のＸ線回折プロファイルを取得する。次に、プロファイル形状を、体積荷重分布関数を用いて表現し、直径に対する体積比率を計算することによって、結晶子の体積分布が得られる。

＜結晶化度＞
また、軟磁性合金粉末におけるαＦｅ結晶相の割合を示す結晶化度は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）によって得られた粉末試料のＸ線回折パターンから得ることができる。αＦｅ結晶相の回折パターンと、アモルファス相に特有のブロードな回折パターンを分離する。次に、それぞれの回折強度を求めた後、全回折強度に対するαＦｅ結晶相の回折強度の比を計算することによって、結晶化度が得られる。

なお、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）は、ＲＩＮＴ−Ｕｌｔｉｍａ（リガク社製）を使用し、照射Ｘ線はＣｕ−Ｋα、光学系は集中ビーム系、検出器はゴニオメータ型を使用した。

（実施例、比較例）
急冷単ロール法により作製したＦｅ７３．５−Ｃｕ１−Ｎｂ３−Ｓｉ１３．５−Ｂ９（原子％）のＦｅ系アモルファス合金薄帯を、回転ミルを用いて粉砕し、アモルファス相の軟磁性合金粉末を得た。粉砕は、粗粉砕３分後、微粉砕２０分実施した。

次に、粉砕粉を熱処理して、αＦｅ結晶相を析出させた。熱処理は、実施例１〜４の他に、比較用として、比較例１、比較例２の６通り実施した。
＜熱処理＞
実施例１は、ホットプレスで５５０℃、２０秒加熱した。

実施例２は、熱風炉で３９０℃、１２時間加熱した後、ホットプレスで５５０℃、７分加熱した。

実施例３は、ホットプレスで５５０℃、２０秒加熱した。

実施例４は、ホットプレスで５５０℃、２０秒加熱した。

比較例１は、熱風炉で５３０℃、１０分加熱した。

比較例２は、ホットプレスで５５０℃、２０秒加熱した後、熱プラズマにより再溶融させた。

図１に、得られたそれぞれのナノ結晶軟磁性合金粉末に対して、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて、結晶子サイズの度数分布を算出した結果を示す。図１の度数分布より、それぞれの結晶子サイズの度数分布の最頻値と半値幅を算出した。最頻値は、最大度数のところの結晶子サイズである。また、上述した結晶化度の算出方法により、結晶化度を算出した。

また、シリコーン樹脂をバインダーとして混合し、造粒を行い、造粒粉を作製した。次に、造粒粉を金型に投入し、加圧成形を行って圧粉体を作製した。シリコーン樹脂は、軟磁性合金粉末の３重量％程度とした。

得られたそれぞれの圧粉体に対して、Ｂ−Ｈアナライザーを用いて、周波数１ＭＨｚ、磁束密度２５ｍＴにおけるコア損失を測定した。コア損失の合否基準は、１３００ｋＷ／ｍ^３以下とした。その理由は、一般的な金属系の材料のコア損失以下となることを目標としたためである。

表１に、実施例１〜４、比較例１、比較例２の結晶子サイズの体積分布の最頻値と半値幅、結晶化度、コア損失を示す。なお、比較例２のコア損失は、軟磁性粉末の保磁力が実施例１の４倍程度あり、コア損失が大きく装置限界を超えて測定できなかったため、４０００ｋＷ／ｍ^３以上と推定している。

＜結晶サイズの体積分布の最頻値および半値幅、結晶化度＞
表１の結果をみると、結晶子の体積分布の最頻値および半値幅が小さすぎても大きすぎてもコア損失が増加し、結晶子の体積分布には、コア損失を小さくする最適な結晶子サイズの体積分布があることがわかる。さらに、結晶化度が高い方がコア損失を小さくできることもわかる。
＜体積分布の最頻値と半値幅＞
したがって、結晶子の体積分布の最頻値が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、かつ、結晶子サイズの体積分布の半値幅が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下がよい。

また、結晶子の体積部分の最頻値は、６ｎｍ以上１５ｎｍ以下がよい。

結晶子の体積分布の最頻値が８ｎｍ以上１５ｎｍ以下、かつ、結晶子サイズの体積分布の半値幅が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。

さらに、結晶子の体積分布の最頻値が８ｎｍ以上１１ｎｍ以下、かつαＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の半値幅が１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下がよい。
＜結晶化度＞
加えて、結晶化度が５５％より高いと、さらにコア損失が小さい圧粉磁心が得られる。
結晶化度は、７０％％以上であると好ましい。さらに、結晶化度が、８０％以上であると好ましい。

なお、実施例２は実施例１に対して、熱処理時間を長くして粉末の周囲に形成される酸化膜の厚みを増やし、圧粉磁心の耐圧を向上させている。

実施例２は、実施例１に対して、結晶サイズの体積分布が少し大きくなるが、コア損失は比較例１より小さく、合否基準を満たすことができる。よって、信頼性を高めた上で優れた磁気特性が得られていると考えられる。

比較例１は、結晶子が数ｎｍ以下で小さく、結晶化が不足している微粒子を多数含み、結晶化度が低い。比較例２は、数十ｎｍ以上の肥大化した結晶粒を多数含み、結晶化度が低い。

したがって、比較例１、比較例２とも、ナノ軟磁性合金粉末の磁気異方性が大きくなり、ナノ軟磁性合金粉末の保磁力が増加する。さらに、それを用いた圧粉磁心のコア損失も増加する。

一方、実施例１、実施例２は、結晶子が数ｎｍ以下や数十ｎｍ以上の割合が少なく、さらに、結晶化度も高く、ナノ軟磁性合金粉末の磁気異方性が平均化されて小さくなり、ナノ軟磁性合金粉末の保磁力が小さくなる、と考えられる。さらに、それを用いた圧粉磁心のコア損失も低減できる。

＜考察＞
粉末の集合体は、粉末間に空隙が存在し熱伝導性が低い。そのため、熱風炉で熱処理すると、一部の粉末は熱が十分に伝わらず、粉末の熱処理時の温度が十分に上がらない。

一方、熱風炉には吸熱機能がないため、一部の粉末は、αＦｅ結晶相析出に伴う自己発熱により熱暴走し、粉末の熱処理時の温度が上がりすぎる。

よって、熱風炉での熱処理は、熱処理時の粉末の温度が不均一になり、数ｎｍ以下の微結晶粒と数十ｎｍ以上の肥大化した結晶粒が多数混在した状態となり、軟磁性合金粉末の保磁力が増加する。

一方、ホットプレスでの熱処理は、上下から粉末を、加熱板で挟み込んで加熱するため、熱伝導性が高い。さらに、αＦｅ結晶相析出に伴う自己発熱により、粉末の温度がホットプレスより高くなると、粉末の発熱を加熱板で吸熱することができる。

したがって、熱処理時の全ての粉末の温度を均一にでき、最適なサイズのαＦｅ結晶相を析出させることができる。よって、高飽和磁束密度でかつ優れた軟磁気特性が得られる結晶軟磁性合金粉末が得られる。

（全体として）
なお、Ｆｅ基アモルファス合金薄帯は、実施例の組成の薄帯に限定されるものではなく、αＦｅ結晶相の微細結晶を析出できるものであればよい。

また、結晶子サイズ体積分布、結晶化度も、実施例の組成でなくとも、同様である。

本実施の形態によれば、高飽和磁束密度でかつ優れた軟磁気特性が得られるナノ結晶軟磁性合金粉末とそれを用いた圧粉磁心を提供することができる。

１ αＦｅ結晶相
２ アモルファス相

Claims (11)

1. アモルファス相と、
   前記アモルファス相中に位置するαＦｅ結晶相と、
   を有し、
   前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の最頻値が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、
   前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の半値幅が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である軟磁性合金粉末。
2. 前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の最頻値が６ｎｍ以上１５ｎｍ以下である請求項１記載の軟磁性合金粉末。
3. 前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の最頻値が８ｎｍ以上１５ｎｍ以下である請求項１記載の軟磁性合金粉末。
4. 前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の半値幅が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である請求項１または２記載の軟磁性合金粉末。
5. 前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の最頻値が８ｎｍ以上１１ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の軟磁性合金粉末。
6. 前記αＦｅ結晶相の結晶子の体積分布の半値幅が１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の軟磁性合金粉末。
7. 前記αＦｅ結晶相の結晶化度が５５％より高い請求項１〜６のいずれか１項に軟磁性合金粉末。
8. 前記αＦｅ結晶相の結晶化度が７０％以上である請求項７項に軟磁性合金粉末。
9. 前記αＦｅ結晶相の結晶化度が８０％以上である請求項７項に軟磁性合金粉末。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の軟磁性合金粉末と、バインダーとを、含む圧粉磁心。
11. アモルファス相を有する合金組成物を粉末にする粉砕工程と、
    前記粉末を熱処理してαＦｅ結晶相を析出させ、かつ、前記αＦｅ結晶相の結晶子サイズの体積分布の最頻値が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下、前記αＦｅ結晶相の結晶子サイズの体積分布の半値幅が３ｎｍ以上５０ｎｍ以下にする熱処理工程と、を含む軟磁性合金粉末の製造方法であり、
    前記熱処理工程では、ホットプレスで前記粉末を挟んで熱処理する軟磁性合金粉末の製造方法。

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