JP7247874B2

JP7247874B2 - 鉄基軟磁性合金粉末

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Publication number: JP7247874B2
Application number: JP2019220963A
Authority: JP
Inventors: 泰志木野; 慎吾林; 久也小林
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: JP2020111826A; TW202037732A; TWI821495B

Description

本発明は、鉄基軟磁性合金粉末に関する。

近年、電源回路で使用されるパワーインダクタとしては、小型化・低背化の要求から大電流・高周波数で使用できる軟磁性材料が望まれている。従来、インダクタの主材料として酸化物であるフェライト系材料が使用されてきたが、飽和磁化が低いため小型化には不利であり、近年、飽和磁化が高く小型・低背化に有利な合金系材料を使用したメタルインダクタが急増している。メタルインダクタには、鉄を主材料とした軟磁性合金粉末が用いられ、軟磁性合金粉末と樹脂とを混合し、圧縮成形した圧粉磁心などが知られている。圧粉磁心の磁気特性（飽和磁化、透磁率、コアロス、周波数特性など）は、使用する軟磁性合金粉末の磁気特性や粒度分布、充填性、電気抵抗に依存する。

メタルインダクタの製造方法としては、一般的に、圧粉プレス加工が用いられている。しかしながら、圧粉プレス加工は、高い充填率を得るため、３００～６００ＭＰａもの高い圧力を加える必要がある。そのため、プレス加工された圧粉の生産性が低い。低圧成型法であるトランスファー成形（射出成型）法など、より生産性の高い製造方法により、メタルインダクタを製造したいという需要があり、そのため、従来よりも流動性の高い軟磁性合金粉末が求められている。

特許５３５４１０１号公報

本発明は、高い流動性を有することにより低圧成型法においても高充填が得られる鉄基軟磁性合金粉末を提供することを目的とする。

本発明者は、種々の研究を行った結果、結晶質の鉄基軟磁性合金粉末にＡｌを添加したことにより、驚くべきことに、鉄基軟磁性合金粉末の形状及び表面状態が改善して低比表面積化することにより、粉末の流動性が向上し、低圧成型法を用いた場合でも高充填が得られ、更には、磁性材料としての特性も向上するとの知見を得て、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の一側面は、Ｓｉ：０．５～１０重量％、Ｃｒ：０～７重量％及びＡｌ：０．０１～１．２重量％を含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる、結晶質の鉄基軟磁性合金粉末である。

本発明の一態様によれば、本発明は、Ｓｉ：１．５～８．５重量％、Ｃｒ：０～５．０重量％及びＡｌ：０．０１～１重量％を含み、残部がＦｅと不可避的不純物とからなる、結晶質の鉄基軟磁性合金粉末である。

本発明の一態様によれば、Ｆｅの一部がＣａに置換されており、Ｃａ：０．００１～０．０１重量％を含む、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

本発明の一態様によれば、Ａｌ：０．０２～０．８重量％を含む、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

本発明の一態様によれば、Ｃａ：０．００２～０．０１重量％をさらに含む、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

また、本発明の別の側面は、Ｆｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｓｉ_ｘＣｒ_ｙ（但し、ｘ：０．５～１０重量％、ｙ：０～７重量％である）で表される基本組成を有する結晶質の鉄基軟磁性合金粉末であって、前記基本組成の全量１００重量％に対して、Ａｌが０．０１～１．２重量％添加されている結晶質の鉄基軟磁性合金粉末である。

また、本発明の一態様によれば、Ｆｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｓｉ_ｘＣｒ_ｙ（但し、ｘ：１．５～８．５重量％、ｙ：０～５．０重量％である）で表される基本組成を有する結晶質の鉄基軟磁性合金粉末であって、前記基本組成の全量１００重量％に対して、Ａｌが０．０１～１重量％添加されている結晶質の鉄基軟磁性合金粉末である。

本発明の一態様によれば、前記基本組成の全量１００重量％に対して、さらにＣａが０．００１～０．０１重量％添加されている、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

本発明の一態様によれば、粒径（Ｄ５０）が０．５～１５０μｍである、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

本発明の一態様によれば、比表面積が１．１ｍ^２／ｇ以下である、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

本発明の一態様によれば、酸素量が１．０重量％以下である、上記鉄基軟磁性合金粉末が提供される。

本発明によれば、高い流動性を有することにより低圧成型時においても高充填が得られ、かつ高い磁気特性を有する鉄基軟磁性合金粉末を提供することができる。

実施例６に係る鉄基軟磁性合金粉末の走査型電子顕微鏡写真である。比較例１に係る鉄基軟磁性合金粉末の走査型電子顕微鏡写真である。実施例及び比較例に係る鉄基軟磁性合金粉末の充填率とコアロスの関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を阻害しない範囲で適宜変更を加えて実施することができる。なお、以下の説明において、「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上かつＢ以下」を意味する。

本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ｓｉを０．５～１０重量％、好ましくは１．５～８．５重量％、Ｃｒを０～７重量％、好ましくは０～５．０重量％、Ａｌを０．０１～１．２重量％、好ましくは０．０１～１重量％、更に好ましくは０．０２～０．８重量％含み、残部がＦｅと不可避不純物からなる。また、本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ｆｅの一部がＣａに置換されており、０．００１～０．０１重量％、好ましくは０．００２～０．０１重量％のＣａをさらに含む。
本明細書において、鉄基軟磁性合金粉末とは、Ｆｅ－Ｓｉ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｒ系、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系、Ｆｅ－Ｎｉ系などの従来公知の結晶質の軟磁性合金粉末である。
上記の組成を有することにより、鉄基軟磁性合金粉末の形状及び表面状態が改善して低比表面積化する。鉄基軟磁性合金粉末の形状及び表面状態の改善とは、鉄基軟磁性合金粉末がより球に近い形状となり、鉄基軟磁性合金粉末の表面の起伏がより少なく平滑化することであり、低比表面積化により、鉄基軟磁性合金粉末の流動性が向上する。
更には、低比表面積化に伴う、鉄基軟磁性合金粉末の形状及び表面状態の変化により、
鉄基軟磁性合金粉末の磁性特性が向上する。

本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ｆｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｓｉ_ｘＣｒ_ｙ（但し、ｘ：０．５～１０重量％、好ましくは１．５～８．５重量％、ｙ：０～７重量％、好ましくは０～５．０重量％である）で表される基本組成を有し、基本組成の全量１００重量％に対して、Ａｌが０．０１～１．２重量％、好ましくは０．０１～１重量％、更に好ましくは０．０２～０．８重量％添加されている結晶質の鉄基軟磁性合金粉末である。上述のように、本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、さらに基本組成の全量１００重量％に対して、Ｃａが０．００１～０．０１重量％、好ましくは０．００２～０．０１重量％添加されていることにより、Ｆｅの一部がＣａに置換されている結晶質の鉄基軟磁性合金粉末である。

＜Ｓｉ（シリコン）＞
本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ｓｉを１．５～８．５重量％含む。Ｓｉは粉末中の磁歪を減少させて高磁気特性化に寄与するが、８．５重量％を超えると磁束密度を低下させ得る。

＜Ｃｒ（クロム）＞
本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ｃｒを０～５重量％、好ましくは１．５～５重量％含む。Ｃｒは粉末の防錆効果及び粉末の抵抗率を上昇する効果があり、高磁気特性化に寄与するが、５．０重量％を超えると磁束密度を低下させ得る。

＜Ａｌ（アルミニウム）＞
本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ａｌを０．０１～１重量％、好ましくは０．０２～０．８重量％含む。当該範囲のＡｌが存在することにより、粉末の形状が改善する。０．０１重量％未満の場合、上述の効果が小さく、また、１重量％を超えると、粉末の形状が悪化し、磁気特性を低下させ得る。

＜Ｃａ（カルシウム）＞
本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、Ｆｅの一部がＣａに置換されており、Ｃａを好ましくは０．００１～０．０１重量％、より好ましくは０．００２～０．０１重量％さらに含む。当該範囲のＣａが存在することにより、粉末中の酸素量を低減させる。０．００１重量％未満の場合、上述の効果が小さく、また、０．０１重量％を超えると、磁気特性を低下させ得る。

Ａｌ又はＣａのそれぞれ一方のみが、鉄基軟磁性合金粉末に含まれる場合も上述の効果を奏し得るが、Ａｌ及びＣａの両元素を複合的に含有させることにより、驚くべきことに、飛躍的に鉄基軟磁性合金粉末が低比表面積化し、酸素量が低下する。これは、酸素との親和性が高いＡｌ及びＣａにより、合金粉末作製のための溶湯の表面張力が変化することや溶湯の酸素量が変化することによる結果であると考えられる。なお、Ａｌ及びＣａと同様に酸素との親和性が高い元素であれば、Ａｌ及びＣａの場合と同様の効果を奏し得る。

＜その他の元素＞
本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、不可避的不純物として、Ｎ、Ｓ、Ｏ等の元素を目的とする特性に影響を与えない程度含み得る。

本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、粒径（Ｄ５０）には依存せずに低比表面積化や磁気特性の向上の効果を有するが、粒径（Ｄ５０）が０．５～１５０μｍであることが好ましい。「粒径」とは、メディアン径：Ｄ５０を意味し、従来公知の方法、例えば、レーザー回折・散乱法により測定されるものである。上述の鉄基軟磁性合金粉末の低比表面積化や磁気特性の向上の効果は、幅広い粒径を有する鉄基軟磁性合金粉末において得られるが、粒径（Ｄ５０）が０．５～１５０μｍであることにより、特に、高い効果が得られる。

本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、比表面積が１．１ｍ^２／ｇ以下であることが好ましい。比表面積は、従来公知のＢＥＴ法等により測定されるものである。比表面積が１．１ｍ^２／ｇ以下であることにより、鉄基軟磁性合金粉末が高い流動性と磁気特性を兼ね備える。

本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、酸素量が１．０重量％以下であることが好ましい。酸素量は、従来公知の燃焼－赤外線吸収法等により測定されるものである。酸素量が１．０重量％以下であることにより、鉄基軟磁性合金粉末が高い流動性と磁気特性を兼ね備える。

［製造方法］
本実施形態に係る鉄基軟磁性合金粉末は、従来公知のアトマイズ法により製造されることが好ましい。例えば、所望の組成に調整した材料を溶解した溶湯に対してＡｌ及びＣａを添加し、所望の冷却条件や粒径となるようパラメータを設定したアトマイズ法により粉末が得られる。Ａｌ及びＣａの添加は、金属の形態であるＡｌ及びＣａを溶湯に添加することにより行い、添加する順番は問わないが、Ａｌ及びＣａは酸化物になり易いため、目的とする合金組成に対し、ある程度過剰量のＡｌ及びＣａを添加することを要する。
その後、得られた粉末を乾燥、分級し、必要に応じて、樹脂などによる被膜処理を行い、目的とする鉄基軟磁性合金粉末を得ることができる。

以下に本発明の実施例を示す。本発明の内容はこれらの実施例により限定して解釈されるものではない。

［鉄基軟磁性合金粉末の製造］
表１及び表２に示される各組成に調整した材料を、高周波誘導炉にて溶解し、水アトマイズ法を用いて結晶質の鉄基軟磁性合金粉末を得た。水アトマイズ法の条件は以下の通りである。
＜水アトマイズ条件＞
・水圧：１００ＭＰａ
・水量：１００Ｌ／分
・水温：２０℃
・オリフィス径：φ４ｍｍ
・溶湯温度：１８００℃

得られた鉄基軟磁性合金粉末を振動真空乾燥機〔ＶＵ－６０：中央化成製〕により乾燥させた。乾燥条件は以下の通りである。
＜乾燥条件＞
・温度１００℃
・圧力１０ｋＰａ以下
・時間６０分
乾燥後の鉄基軟磁性合金粉末について、組成について定量分析をＩＣＰ発光分析装置〔ＳＰＳ３５００ＤＤ：日立ハイテクサイエンス製〕にて行い、目的とする組成を有していることを確認した。

乾燥後の鉄基軟磁性合金粉末を気流分級装置〔ターボクラシファイア：日清エンジニアリング製〕により分級し、目的とする鉄基軟磁性合金粉末を得た。得られた鉄基軟磁性合金粉末の粒径（Ｄ５０）は、湿式粒度分析装置〔ＭＴ３３００ＥＸＩＩ：マイクロトラック・ベル製〕を用いて測定した。

上述のように製造した鉄基軟磁性合金粉末に対し、以下を行った。
［評価項目］
１．粉体物性
１－１．形状観察
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）〔ＪＳＭ７２００：日本電子製〕を用いて、鉄基軟磁性合金粉末の形状を観察した。
１－２．酸素量測定
酸素分析計〔ＥＭＧＡ８２３：堀場製作所製〕を用いて、鉄基軟磁性合金粉末に含まれる酸素量を測定した。
１－３．比表面積測定
比表面積測定装置〔ＢＥＬＳＯＲＰ－ｍｉｎｉ：マイクロトラック・ベル株式会社製〕を用いて、鉄基軟磁性合金粉末の比表面積をＢＥＴ法にて測定した。
１－４．タップ密度測定
鉄基軟磁性合金粉末の流動性を評価するため、粉体特性評価装置〔パウダテスタＰＴ－Ｓ：ホソカワミクロン株式会社製〕を用いて、鉄基軟磁性合金粉末のタップ密度を測定した。

２．磁気特性（透磁率、コアロス測定）
絶縁皮膜軟磁性合金粉末とエポキシ樹脂とを混合して造粒紛を作製し、造粒紛をリング状に圧粉成形（成形圧力：５ＭＰa）して圧粉磁心（外径：１５ｍｍ、内径：９ｍｍ、厚さ：３ｍｍ）を作製し、線径：０．３ｍｍの銅線をバイフェラ巻きしたトロイダルコアを作製し評価試料とした。
ＢＨアナライザ〔ＳＹ８２５８：岩通計測製〕を用いて、測定周波数：１ＭＨｚ、最大磁束密度：２５ｍＴの条件で透磁率及びコアロスを測定した。
また、表１中の比較例１及び実施例４に係る組成を有する絶縁皮膜軟磁性合金粉末を用いて、成形圧力を調整して充填率の異なる数種類の圧粉磁心を作製し、上述のようにトロイダルコアを作成してコアロスを測定した。

［評価結果］
評価結果を表１及び表２に示す。なお、表１中の「粉末流動評価」は、Ａｌ及びＣａの両方が添加されていない、同一組成及び粒径を有する比較材（比較例２－４及び実施例１－１１の場合は比較例１、実施例１２の場合は比較例５、比較例７－９及び実施例１５－２５の場合は比較例６、実施例２６の場合は比較例１０、比較例１２－１４及び実施例２９－３９の場合比較例１１、実施例４０の場合は比較例１５、実施例４３－４５の場合は比較例１６、実施例４６－４８の場合は比較例１７、実施例４９の場合は比較例１８、実施例５０の場合は比較例１９）のタップ密度の測定値に対して、タップ密度の測定値の上昇が１０％未満の場合が×、１０％以上２０％未満の場合が△、２０％以上の場合が〇である。また、表１及び表２中の「磁気物性評価」も同様に、Ａｌ及びＣａの両方が添加されていない比較材（比較例２－４及び実施例１－１１の場合は比較例１、実施例１２の場合は比較例５、比較例６－９及び実施例１５－２５の場合は比較例６、実施例２６の場合は比較例１０、比較例１２－１４及び実施例２９－３９の場合比較例１１、実施例４０の場合は比較例１５、実施例４３－４５の場合は比較例１６、実施例４６－４８の場合は比較例１７、実施例４９の場合は比較例１８、実施例５０の場合は比較例１９）のコアロスの測定値に対して、コアロスの測定値の低下が２０％未満の場合が×、２０％以上３０％未満の場合が△、３０％以上の場合が〇である。
なお、実施例１３、１４、２７、２８、４１、４２の場合は、同一粒径を有する比較材（比較例１、６、１１、１６、１７）のタップ密度及びコアロスの測定値に対して、同様に評価を行った。

表１及び表２に示されているように、実施例に係る鉄基軟磁性合金粉末は、比較例に係る比較材に比べ、粉末物性として、酸素量及び比表面積の測定値が低下し、流動性が向上している。すなわち、結晶質の鉄基軟磁性合金粉末にＡｌが添加されていることにより、本発明の鉄基軟磁性合金粉末は、高い流動性を有する。
更には、Ｃａがさらに添加されている鉄基軟磁性合金粉末は、磁気物性として、透磁率が向上し、コアロスが大きく低下している。すなわち、本発明の鉄基軟磁性合金粉末は、高い流動性と磁気特性を兼ね備えている。
また、本発明に係る鉄基軟磁性合金粉末は、実施例１２、２６及び４０並びに実施例５０に示されているように粒径Ｄ５０が１３μｍや１５０μｍのように大きくとも、実施例４９に示されているように粒径Ｄ５０が０．５μｍのように小さくとも、高い流動性と磁気特性を兼ね備えている。すなわち、本発明の特徴であるＡｌ及びＣａを添加することによる効果は、鉄基軟磁性合金粉末の粒径に依存しないことが分かる。
更に、実施例１３、１４、２７、２８及び４１－５０に示されているように、本発明は、結晶質の鉄基軟磁性合金であれば、同様に、高い流動性と磁気特性を付与することが分かる。すなわち、Ｆｅ－Ｓｉ－Ａｌ系、Ｆｅ－Ｎｉ系などの結晶質の軟磁性合金粉末であっても本願実施例に示される効果と同様の効果が得られ得る。
表１及び表２に示される結果から明らかなように、本発明の鉄基軟磁性合金粉末は、高い流動性と磁気特性を兼ね備えていることから、各種電子部品の圧粉成型用材料等として優れた特性を有している。

図１は実施例６に係る鉄基軟磁性合金粉末の走査型電子顕微鏡写真であり、図２は比較例１に係るＡｌ及びＣａを含まない鉄基軟磁性合金粉末の走査型電子顕微鏡写真である。
図１及び図２から明らかなように、図１の鉄基軟磁性合金粉末は図２の鉄基軟磁性合金粉末に比べ、明らかに形状が球形であり、表面の起伏が少なく平滑化されているおり、明らかに異なる形状を有している。表１に示される粉末物性及び磁気物性を向上は、この図１に示される形状及び表面状態の変化によるものということができる。
なお、図１には表されていないが、分級粗紛である、粒径のより大きい粉末も同様に、形状及び表面状態が改善していた。

図３に示されるように、実施例に係るＡｌ及びＣａを含む鉄基軟磁性合金粉末を用いて作製したトロイダルコアは、比較例に係るＡｌ及びＣａを含まない鉄基軟磁性合金粉末を用いて作製したトロイダルコアに比べ、広い充填率の範囲において、大きくコアロスを低減している。すなわち、本発明の鉄基軟磁性合金粉末は、優れた磁気特性を有しており、各種電子部品の圧粉成型用材料等として優れた特性を有している。

Claims

Ｓｉ：０．５～１０重量％、
Ｃｒ：０～７重量％、及び
Ａｌ：０．０１～１．２重量％、
を含み、残部がＦｅと不可避不純物とからなり、
Ｆｅの一部がＣａに置換されており、Ｃａ：０．００１～０．０１重量％を含む、結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
Ｓｉ：１．５～８．５重量％、
Ｃｒ：０～５．０重量％、及び
Ａｌ：０．０１～１重量％、
を含み、残部がＦｅと不可避不純物とからなる、請求項１に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
Ａｌ：０．０２～０．８重量％
を含む、請求項１又は２に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
Ｃａ：０．００２～０．０１重量％
を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
Ｆｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｓｉ_ｘＣｒ_ｙ（但し、ｘ：０．５～１０重量％、ｙ：０～７重量％である）で表される基本組成を有する結晶質の鉄基軟磁性合金粉末であって、
前記基本組成の全量１００重量％に対して、Ａｌが０．０１～１．２重量％及びＣａが０．００１～０．０１重量％添加されている、結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
Ｆｅ_{１００－ｘ－ｙ}Ｓｉ_ｘＣｒ_ｙ（但し、ｘ：１．５～８．５重量％、ｙ：０～５．０重量％である）で表される基本組成を有する結晶質の鉄基軟磁性合金粉末であって、
前記基本組成の全量１００重量％に対して、Ａｌが０．０１～１重量％添加されている、請求項５に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
粒径（Ｄ５０）が０．５～１５０μｍである、請求項１から６のいずれか一項に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
比表面積が１．１ｍ^２／ｇ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。
酸素量が１．０重量％以下である、請求項１から８のいずれか一項に記載の結晶質の鉄基軟磁性合金粉末。