JP7304498B2

JP7304498B2 - 鉄基軟磁性粉末、それを用いた磁性部品及び圧粉磁芯

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Publication number: JP7304498B2
Application number: JP2022555883A
Authority: JP
Inventors: 拓也高下; 尚貴山本; 誠中世古; 繁宇波; 方成友澤; 顕理浦田; 美帆千葉
Original assignee: JFE Steel Corp; Tokin Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Tokin Corp
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2042-05-09
Also published as: WO2023007902A1; EP4372769A1; JPWO2023007902A1; CA3223549A1; CN117581315A; KR20240010503A

Description

本発明は鉄基軟磁性粉末、それを用いた磁性部品及び圧粉磁芯に関する。

電動機（モータ）、変圧器（トランス）、リアクトル等に用いられる磁芯は、磁束密度が高く、鉄損が低いという特性が要求される。従来、このような磁芯には、電磁鋼板を積層して成形されたものが主として用いられてきた。しかし、電磁鋼板を積層して磁芯を成形する場合には、形状の自由度に限界があり、また、表面が絶縁された電磁鋼板を使用するため、鋼板面方向と鋼板面垂直方向とで磁気特性が異なり、鋼板面垂直方向の磁気特性が悪いという問題があった。また、特にリアクトル鉄芯等のインバータを用いた電力変換部品等へ用いられる鉄芯材料の場合、スイッチングによる高調波に起因する高周波鉄損の増加が問題となっており、その低減が求められていた。

圧粉磁芯は、絶縁被覆された軟磁性粒子（鉄粉）を金型に装入しプレス成形して製造されるため、金型によって所望の形状に形成でき、電磁鋼板を積層して磁芯を成形する場合に比べて、形状の自由度が高く、三次元的な磁気回路の形成が可能である。しかも、圧粉磁芯の製造には、安価な鉄基軟磁性粒子を使用でき、製造工程も短くコスト的にも有利となるという利点がある。さらに、圧粉磁芯で使用する鉄基軟磁性粒子は、それぞれの粒子が絶縁被覆材に覆われており、あらゆる方向に対して磁気特性が均一であるいう利点があり、三次元的な磁気回路形成用として好適である。また、その構造に起因して、積層された電磁鋼板に比べ、高周波鉄損の主成分である渦電流損が小さいという利点もある。このような点から、最近では、圧粉磁芯を利用したリアクトル等の開発が盛んである。

一方で、圧粉磁芯を低鉄損とするためには、渦電流損だけでなく、鉄損を構成するもう１つの損失であるヒステリシス損の低減も必要である。また、部品の小型化のためには一定以上の磁束密度を確保することも必要である。このような、高磁束密度と低保磁力を両立する素材として近年着目されているのがナノ結晶材料である。

ナノ結晶材料は、従来から低保磁力と高磁束密度を両立する材料として、主に薄帯分野で注目されてきた材料であり、ミクロ組織中の非晶質相（アモルファス相）が低保磁力を、ナノ結晶相が高磁束密度を担う。結晶相に起因した保磁力増加を抑制するために、ナノ結晶相の結晶子の平均径は５０ｎｍ未満である。このナノ結晶組織を圧粉磁芯で得るために、近年種々の開発が行われている。

例えば、特許文献１には、Ｆｅ、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃ及びＣｕからなる合金組成物が開示されている。特許文献１の合金組成物は、連続薄帯形状又は粉末形状を有している。粉末形状の合金組成物（軟磁性粉末）は、例えばアトマイズ法によって作製されており、非晶質相を主相としている。この軟磁性粉末に所定の熱処理条件による熱処理を施すことでＦｅ（ｂｃｃＦｅ）のナノ結晶が析出し、これによりＦｅ基ナノ結晶合金粉末が得られる。
特許文献２には、粒子の円形度の最大値が一定値以上かつ平均値が一定値以上である粉末を使用し、粉末を金型へ充填する際の流動性を向上させることが開示されている。

特開２０１０－０７０８５２号公報特開２０１９－２１９０６号公報

しかしながら、特許文献１で提案されているＦｅ基ナノ結晶合金粉末及びこのＦｅ基ナノ結晶合金粉末を用いた圧粉磁芯の磁気特性は十分とはいえず、さらなる磁束密度の向上と鉄損の低減が求められている。
特許文献２で規定されているのは粒子円形度のみである。しかしながら、良好な磁気特性を有する軟磁性粉末を得るには円形度を制御して粒子形状を球状にするのみでは不十分であって、十分な軟磁気特性を安定して確保するのが困難である。

本発明は、上述した課題を解決し、鉄損の低い圧粉磁芯を製造することができる鉄基軟磁性粉末を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するために保磁力の低減に着目し、圧粉磁芯の原料が有するミクロ組織及び粒子形状の両方を適正化する検討を鋭意行い、本発明を発明するに至った。本発明の要旨構成は次のとおりである。
［１］鉄基軟磁性粉末であって、
結晶化度が１０％以下であり、
体積基準の円形度の中央値（Ｃ_５０）が０．８５以上であり、
窒素雰囲気中、昇温速度３℃／分で４００℃まで昇温し、該温度で２０分間保持し、次いで室温まで自然放冷した粉末中のＣｕクラスタの数密度が１．００×１０^３個／μｍ^３以上１．００×１０^６個／μｍ^３以下であり、かつＣｕクラスタのＣｕ濃度の平均値が３０．０ａｔ％以上である、鉄基軟磁性粉末。
［２］不可避的不純物を除く成分組成が、組成式：Ｆｅ_ａＭ_ｂＳｉ_ｃＢ_ｄＰ_ｅＣｕ_ｆ
（式中、
７９．０ａｔ％≦ａ＋ｂ≦８４．５ａｔ％
０ａｔ％≦ｂ≦１０．０ａｔ％
０ａｔ％≦ｃ＜６．０ａｔ％
０ａｔ％＜ｄ≦１１．０ａｔ％
３．０ａｔ％＜ｅ≦１１．０ａｔ％
０．２ａｔ％≦ｆ≦１．０ａｔ％、かつ
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１００ａｔ％であり、
Ｍは、Ｎｉ及びＣｏから選ばれる少なくとも１種の元素である）
で示される、［１］の鉄基軟磁性粉末。
［３］前記組成式におけるＰが、４．０ａｔ％以下の量で、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素で置換されている、［２］の鉄基軟磁性粉末。
［４］前記不可避的不純物として含まれるＯ含有量が０．３質量％以下である、［１］～［３］のいずれかの鉄基軟磁性粉末。
［５］前記鉄基軟磁性粉末を構成する粒子の表面に絶縁被覆を有する、［１］～［４］のいずれかの鉄基軟磁性粉末。
［６］［５］の鉄基軟磁性粉末を用いてなる磁性部品。
［７］［５］の鉄基軟磁性粉末を用いてなる圧粉磁芯。

本発明によれば、鉄損の低い圧粉磁芯を製造することができる鉄基軟磁性粉末が提供される。より詳細には、本発明の鉄基軟磁性粉末を絶縁被覆することで、良好な磁気特性（飽和磁束密度、保磁力）を有する絶縁被覆鉄基粉末を製造することができ、この絶縁被覆鉄基粉末を用いることにより、鉄損の低い圧粉磁芯を製造することができる。

以下、本発明を具体的に説明する。

［鉄基軟磁性粉末］
本発明の一実施形態である鉄基軟磁性粉末（以下、「軟磁性粉末」ともいう。）は、結晶化度が１０％以下であり、体積基準の粒子円形度の中央値（Ｃ_５０）が０．８５以上であり、窒素雰囲気中、昇温速度３℃／分で４００℃まで昇温し、該温度で２０分間保持し、次いで室温まで自然放冷した粉末中のＣｕクラスタの数密度が１．００×１０^３個／μｍ^３以上１．００×１０^６個／μｍ^３以下であり、かつＣｕクラスタのＣｕ濃度の平均値が３０．０ａｔ％以上である。
ここで、「鉄基」とは、５０質量％以上のＦｅを含むことをいう。「室温」は、０℃以上４０℃以下をいう。「自然放冷」とは、特別の冷却手段を使用することなく、室温の大気中に放置したまま自然冷却させることをいう。

（結晶化度）
本発明の軟磁性粉末は、圧粉成形後に熱処理を施し、ナノ結晶を析出させてから磁芯として用いることを想定している。そのため、粉末の状態での結晶化度は低いほうが望ましく、１０％以下とする。結晶化度は、好ましくは５％以下であり、０％であってもよい。結晶化度が１０％超であると、圧粉成形後の熱処理過程でのナノ結晶粗大化が進み、磁気特性が大幅に低下する。

結晶化度は、粉末Ｘ線回折法を用いて評価することができ、Ｘ線回折により得られたプロファイルの、非晶質領域の面積と結晶ピークの面積の合計に対する結晶ピークの面積の比率として算出することができる。

（円形度）
本発明における円形度は、（１）式で定義される値とする。

（ここで、
Ｃは、円形度であり、
Ａは、１粒子の投影面積であって、単位はｍ^２であり、
Ｐは、１粒子の粒子周囲長さであって、単位はｍである。）

円形度の測定は次のとおりとする。
測定対象とする粉末を、例えば圧縮空気で、平坦な表面（例えば、ガラス板の表面）上に分散させて、各粒子の画像を顕微鏡で撮影する。測定対象の粉末における全粒子数は１０００個以上とする。
撮影画像をコンピュータで解析し、各粒子の投影面積と粒子周囲長さを測定する。測定結果を上記（１）式に代入して、各粒子の円形度を算出する。
各粒子の投影面積と同じ面積を持つ円の直径（円相当径）を算出し、その直径と同じ直径を有する球の体積を算出する。これにより、各粒子の円形度と体積が得られ、各円形度における体積頻度を算出することができる。

測定対象の粉末における全粒子の円形度について昇順で並べ、全粒子の体積の総和の５０％に相当する粒子の円形度を中央値（Ｃ_５０）とする。円形度の上限は、その定義より１であるため、円形度の中央値は１以下である。円形度の平均値は、円形度が大きい粒子の値の影響を大きく受けるため、粉末全体の円形度を示す指標として、本発明では円形度の中央値（Ｃ_５０）を用いる。

本発明の軟磁性粉末における体積基準の円形度の中央値（Ｃ_５０）は０．８５以上であり、好ましくは０．９０以上であり、さらに好ましくは０．９５以上である。この範囲であれば、粒子の形状磁気異方性が低減し、保磁力が十分に低減する。

（Ｃｕクラスタ）
本発明の軟磁性粉末は、窒素雰囲気中、昇温速度３℃／分で４００℃まで昇温し、該温度で２０分間保持し、次いで室温まで自然放冷した粉末中のＣｕクラスタの数密度が１．００×１０^３個／μｍ^３以上１．００×１０^６個／μｍ^３以下であり、かつＣｕクラスタのＣｕ濃度の平均値が３０ａｔ％以上である。

Ｃｕクラスタとは、粉末中のＣｕ原子が優先的に集合した領域であり、ここでは、３次元アトムプローブ電解イオン顕微鏡により測定された原子の集合体であって、原子の集合体が、Ｃｕ原子を１３個以上含み、含まれるＣｕ原子のいずれを基準としても、その基準となるＣｕ原子と隣り合う他のＣｕ原子との距離が互いに０．５ｎｍ以下である条件を満たす領域（以下「クラスタ領域」ともいう。）中に含まれる全原子と定義する。
また、ＣｕクラスタのＣｕ濃度は、以下の式で算出した数値である。
Ｃｕ濃度（ａｔ％）＝クラスタ領域内のＣｕ原子数／クラスタ領域の全原子数×１００

Ｃｕクラスタについては、未熱処理の状態でも、クラスタの核となるものが非晶質相中に存在すると考えられるが、現状の技術ではその核を捉えるのは難しく、粉末に対して熱処理を行って、間接的に評価しなければ、定量化が困難である。そのため、本発明におけるＣｕクラスタの数密度及びＣｕ濃度は、所定の条件下で測定された値とし、具体的には、本発明の軟磁性粉末を、窒素雰囲気中、昇温速度３℃／分で４００℃まで昇温し、該温度で２０分間保持し、次いで室温まで自然放冷した粉末に対する測定値とする。自然放冷した粉末は、自然放冷により室温に到達した後、さらなる熱処理に付されていない粉末であり、Ｃｕクラスの測定は、自然放冷により室温に到達した直後の粉末に対して行ってもよく、自然放冷により室温に到達した後室温で放置した粉末に対して行ってもよい。

Ｃｕクラスタの測定における、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡による原子の検出効率は３０％程度とする。検出効率が３０％超の装置で測定した場合、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡の測定値を、検出効率３０％とした場合の値に逆算し、Ｃｕクラスタの数密度及びＣｕ濃度を算出した値を利用してもよい。
Ｃｕクラスタの解析は、Maximum Separation Methodにより、Ｃｕ原子間の最大間隔ｄmaxとして０．５ｎｍ、クラスタを構成する最低限指数ＮminとしてＣｕ原子１３個をパラメータとして行うことができる。
３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡の測定には、測定対象の粉末を構成する粒子中央部から試料を採取し、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により、針状にした針状試料を使用することができる。針状試料の先端は、１００ｎｍφ以下とすることが好ましい。測定体積は、８×１０^－２４ｍ^３以上であり、１×１０^－２０ｍ^３以下とすることができる。
針状試料のイオン化は、電圧負荷による電解蒸発でも、レーザーアシストによる電界蒸発でもよい。

本発明におけるＣｕクラスタの数密度は、１．００×１０^３個／μｍ^３以上１．００×１０^６個／μｍ^３以下である。Ｃｕクラスタの数密度が、上記下限よりも小さいと、ナノ結晶核生成量が不十分で、十分な磁束密度が得られなくなる。また、上記上限よりも大きいと、クラスタを核として生成したｂｃｃＦｅであるナノ結晶の粗大化が促進されてしまうため、より短時間での熱処理が必要となり、圧粉磁芯化後のナノ結晶化熱処理において、安定した特性の確保が困難となる。

本発明におけるＣｕクラスタのＣｕ濃度の平均は、３０．０ａｔ％以上である。ＣｕクラスタのＣｕ濃度が、上記下限よりも小さいと、これを核としてｂｃｃＦｅを成長させることが困難となる。ＣｕクラスタのＣｕ濃度は、好ましくは３５．０ａｔ％以上、さらに好ましくは４０．０ａｔ％以上である。Ｃｕ濃度の上限は、特に限定されず、１００ａｔ％であってもよい。

（組成）
本発明の鉄基軟磁性粉末は、不可避的不純物を除く成分組成が、
組成式：Ｆｅ_ａＭ_ｂＳｉ_ｃＢ_ｄＰ_ｅＣｕ_ｆ
（式中、
７９．０ａｔ％≦ａ＋ｂ≦８４．５ａｔ％、
０ａｔ％≦ｂ≦１０．０ａｔ％、
０ａｔ％≦ｃ＜６．０ａｔ％、
０ａｔ％＜ｄ≦１１．０ａｔ％、
３．０ａｔ％＜ｅ≦１１．０ａｔ％、
０．２ａｔ％≦ｆ≦１．０ａｔ％、
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１００ａｔ％であり、
Ｍは、Ｎｉ及びＣｏから選ばれる少なくとも１種の元素である）
であることが好ましい。このような組成とすることにより、粉末の結晶化度を１０％以下に抑えることができ、熱処理後によって、ｂｃｃＦｅのナノ結晶を析出させて磁性特性を一層改善することができる。
軟磁性粉末には、製造工程等から不可避的に混入される不可避的不純物が含まれ得るが、上記組成式は、不可避的不純物を除いたものである。

７９．０ａｔ％≦ａ＋ｂ≦８４．５ａｔ％、０ａｔ％≦ｂ≦１０．０ａｔ％：
組成式におけるＭは、Ｎｉ及びＣｏから選ばれる少なくとも１種の元素である。Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏは軟磁気特性の発現を担う元素である。粉末の磁束密度を高いレベルに維持するために、ａ＋ｂは７９．０ａｔ％以上とするのが好ましい。
Ｎｉ及びＣｏの過度の添加は飽和磁束密度の低下や原料コストの増加を招くため、ｂは１０．０ａｔ％以下とするのが好ましい。ｂは０ａｔ％であってもよい。
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの添加量が過剰な場合、製造過程で完全な非晶質とするのが難しくなるため、ａ＋ｂは８４．５ａｔ％以下とするのが好ましい。
ａ＋ｂは、より好ましくは８４．０ａｔ％以下であり、さらに好ましくは８３．０ａｔ％以下である。

０ａｔ％≦ｃ＜６．０ａｔ％：
Ｓｉは、圧粉成形後の熱処理中に、磁気特性に悪影響を及ぼすＦｅ－Ｐ系析出物の発生を抑制する効果がある。Ｓｉ含有量は０ａｔ％であってもよいが、安定してナノ結晶組織を得るためには、２．０ａｔ％以上の添加が好ましい。一方、過度の添加はナノ結晶化後の粉末の磁束密度低下を招くため、６．０ａｔ％未満とするのが好ましい。ｃは、より好ましくは５．０ａｔ％以下であり、さらに好ましくは４．０ａｔ％以下である。

０ａｔ％＜ｄ≦１１．０ａｔ％：
Ｂは、安定した非晶質の形成を担う元素である。ただし、過度の添加は、ナノ結晶化後の粉末の磁束密度低下を招くため、１１．０ａｔ％以下とするのが好ましい。ｄは、より好ましくは１０ａｔ％以下であり、さらに好ましくは９．５ａｔ％以下である。ｄは、１ａｔ％以上であることが好ましい。

３．０ａｔ％＜ｅ≦１１．０ａｔ％：
Ｐを添加することで、さらに非晶質が形成され易くなるため、３．０ａｔ％超で添加することが好ましい。Ｐは粉末の保磁力を低減する効果もある。一方、過度の添加は成形後のナノ結晶化を目的とする熱処理の最中に保磁力を大幅に増加させるＦｅ－Ｐ系析出物の形成を容易にし、ナノ結晶化後の粉末の磁束密度低下を招くため、１１．０ａｔ％以下とするのが好ましい。ｅは、より好ましくは１０．０ａｔ％以下であり、さらに好ましくは９．０ａｔ％以下である。

０．２ａｔ％≦ｆ≦１．０ａｔ％：
ＣｕはＣｕクラスタを生成するのに必須の元素であり、０．２ａｔ％以上で添加することが好ましい。一方、過度の添加は、Ｃｕクラスタが過多となる状況を生み出し、ナノ結晶化後の磁気特性を劣化させるため、１．０ａｔ％以下とすることが好ましい。ｆは、より好ましくは０．３ａｔ％以上であり、また、より好ましくは０．８ａｔ％以下である。

Ｐの置換：
本発明の組成式におけるＰは、４．０ａｔ％以下までの量で、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶの少なくとも１種で置換することができる。Ｐの一部をこれらの元素で置換することで、サイズの大きく異なる原子が混入し、非晶質が形成され易くなる。また、非晶質組織中の元素分布の均質化にも寄与するため、保磁力を低下させることができる。置換する場合、好ましくは０．３ａｔ％以上であり、より好ましくは１．０ａｔ％以上である。

不可避的不純物：
不可避的不純物としてＯが挙げられるが、Ｏが過度に混入すると磁束密度の低下や保磁力の増加を招くため、Ｏ含有量を０．３質量％以下に抑制することが好ましい。Ｏ含有量は、０．２質量％以下に抑制することがより好ましく、０質量％であってもよい。

［製造方法］
本発明の軟磁性粉末は、金属溶湯に水やガスを吹き付け、噴霧状にして冷却凝固させる水アトマイズ法やガスアトマイズ法を用いて製造することができる。あるいは、粉砕法や酸化物還元法で得られた粉末を加工することによって得ることもできる。

結晶化度は、水アトマイズ法の場合は、水アトマイズ時の水圧、水量等を制御することにより、ガスアトマイズ法の場合は、ガスアトマイズ時のガス圧、ガス流量等を制御することにより調整することができる。

得られた粉末を様々な方法で分級して所定の円形度や粒子径に調整してもよい。例えば、水アトマイズ法やガスアトマイズ法を用いる場合、水やガスを吹き付けるガスを低圧に調整することにより、円形度を所定の範囲とすることができる。あるいは、円形度の調整は、粒子表面の平滑化や、篩での分級で円形度の低い粒子を除去することで行うこともできる。例えば、粉砕法や酸化物還元法、あるいは通常の高圧での水アトマイズ法やガスアトマイズ法で得られた粉末の粒子表面を平滑化するか、かつ／又は篩での分級により円形度の低い粒子を除去してもよい。

Ｃｕクラスタの数密度及び濃度は、アトマイズ法を用いて得られた粉末に対して、不活性又は減圧雰囲気下で熱処理を実施することにより調整することができる。熱処理は、水アトマイズ粉末の場合、脱水後の乾燥処理を兼ねてもよい。熱処理の温度は、１００℃以上３００℃以下であることが好ましい。温度が、この範囲であれば、十分な効果が得られ、クラスタの過多な生成量を抑制し、ナノ結晶化後の磁気特性が劣化することを回避することができる。熱処理の時間は、任意に変えることができるが、生産性を考慮すると１２時間以下とするのが好ましい。

本発明の鉄基軟磁性粉末は、見掛密度が３．７０Ｍｇ／ｍ^３以上であることができ、好ましくは４．００Ｍｇ／ｍ^３以上である。工業的に達成可能な見掛密度は５．００Ｍｇ／ｍ^３以下である。また、平均粒子径（Ｄ_５０）は１００μｍ以下であることができ、好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下である。
見掛密度は、ＪＩＳＺ２５０４に規定された方法で測定することができる。
平均粒子径（Ｄ_５０）は、レーザー回折・散乱法で測定した体積基準積算粒度分布が５０％となる粒径である。

［絶縁被膜］
本発明の鉄基軟磁性粉末は、該粉末を構成する粒子の表面に絶縁被覆を備えることができる。

絶縁被覆は、特に限定されず、無機絶縁被覆であっても、有機絶縁被覆であってもよい。これらの一方を用いても、両方を用いてもよい。
無機絶縁被覆としては、アルミニウム化合物を含有する被膜が好ましく、リン酸アルミニウムを含有する被膜がより好ましい。無機絶縁被覆は、化成皮膜であってもよい。
有機絶縁被覆としては、有機樹脂被膜が好ましい。有機樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。これらを単独で含んでいても、２種以上を任意の比率で含んでいてもよい。中でも、シリコーン樹脂を含有する被膜がより好ましい。
絶縁被覆は、１層の被膜であっても、２層以上からなる多層被膜であってもよい。多層被膜は、同種の被膜からなる多層被膜であってもよく、異なる種類の被膜からなる多層被膜であってもよい。

シリコーン樹脂としては、例えば、東レ・ダウコーニング株式会社製の、ＳＨ８０５、ＳＨ８０６Ａ、ＳＨ８４０、ＳＨ９９７、ＳＲ６２０、ＳＲ２３０６、ＳＲ２３０９、ＳＲ２３１０、ＳＲ２３１６、ＤＣ１２５７７、ＳＲ２４００、ＳＲ２４０２、ＳＲ２４０４、ＳＲ２４０５、ＳＲ２４０６、ＳＲ２４１０、ＳＲ２４１１、ＳＲ２４１６、ＳＲ２４２０、ＳＲ２１０７、ＳＲ２１１５、ＳＲ２１４５、ＳＨ６０１８、ＤＣ－２２３０、ＤＣ３０３７、ＱＰ８－５３１４や、信越化学工業株式会社製の、ＫＲ－２５１、ＫＲ－２５５、ＫＲ－１１４Ａ、ＫＲ－１１２、ＫＲ－２６１０Ｂ、ＫＲ－２６２１－１、ＫＲ－２３０Ｂ、ＫＲ－２２０、ＫＲ－２８５、Ｋ２９５、ＫＲ－２０１９、ＫＲ－２７０６、ＫＲ－１６５、ＫＲ－１６６、ＫＲ－１６９、ＫＲ－２０３８、ＫＲ－２２１、ＫＲ－１５５、ＫＲ－２４０、ＫＲ－１０１－１０、ＫＲ－１２０、ＫＲ－１０５、ＫＲ－２７１、ＫＲ－２８２、ＫＲ－３１１、ＫＲ－２１１、ＫＲ－２１２、ＫＲ－２１６、ＫＲ－２１３、ＫＲ－２１７、ＫＲ－９２１８、ＳＡ－４、ＫＲ－２０６、ＥＳ－１００１Ｎ、ＥＳ－１００２Ｔ、ＥＳ１００４、ＫＲ－９７０６、ＫＲ－５２０３、ＫＲ－５２２１などの銘柄が挙げられるが、これらに限定されない。これらは単独で用いても、２種以上を任意の比率で用いてもよい。

アルミニウム化合物としては、アルミニウムを含む任意の化合物を使用でき、例えば、アルミニウムのリン酸塩、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物などが挙げられる。これらは単独で用いても、２種以上を任意の比率で用いてもよい。
アルミニウム化合物を含有する被覆は、アルミニウム化合物を主体とする被膜であってよく、アルミニウム化合物からなる被膜であってもよい。被膜は、さらにアルミニウム以外の金属を含む金属化合物を含有してもよい。アルミニウム以外の金属としては、例えば、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｙ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｖ、Ｂａなどが挙げられる。これらは単独で用いても、２種以上を任意の比率で用いてもよい。アルミニウム以外の金属を含む金属化合物としては、例えば、リン酸塩、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物などが挙げられる。これらは単独で用いても、２種以上を任意の比率で用いてもよい。金属化合物は、水などの溶媒に可溶であることが好ましく、水溶性金属塩であることがより好ましい。

絶縁被覆の被覆量は、特に限定されないが、鉄基軟磁性粉末に対し、０．１質量％以上５質量％以下とすることが好ましい。

本発明の鉄基軟磁性粉末は、絶縁被覆中、絶縁被覆の下、及び絶縁被覆の上の少なくとも１つに、上記絶縁被膜とは異なる物質を含有していてもよい。このような物質としては、濡れ性を改善するための界面活性剤、粒子間結着のための結合剤、ｐＨ調整のための添加剤などが挙げられる。絶縁被覆全体に対する前記物質の総量は、１０質量％以下とすることが好ましい。

絶縁被覆の形成方法は、特に限定されないが、湿式処理により形成することが好ましい。湿式処理としては、例えば、絶縁被覆形成用処理液と軟磁性粉末とを混合する方法が挙げられる。
混合方法は、特に限定されないが、例えば、アトライター又はヘンシェルミキサーなどの槽内で軟磁性粉末と処理溶液とを撹拌混合する方法や、転動流動型被覆装置などにより軟磁性粉末を流動状態として処理溶液を供給して混合する方法などが好ましい。
軟磁性粉末への溶液の供給は、混合開始前又は開始直後に全量を供給してもよく、混合中に数回に分けて供給してもよい。あるいは、液滴供給装置、スプレーなどを用いて、混合中に継続して処理液を供給してもよい。

［圧粉磁芯］
本発明の他の実施形態である圧粉磁芯は、上記鉄基軟磁性粉末を用いてなる圧粉磁芯である。
圧粉磁芯の製造方法は、特に限定されず、任意の方法を用いることができる。例えば、本発明の鉄基軟磁性粉末を金型に装入し、所望の寸法及び形状となるように加圧成形することによって圧粉磁芯を得ることができる。鉄基軟磁性粉末は絶縁被膜を備えたものであることが好ましい。

加圧成形は、特に限定されず、任意の方法を用いることができ、例えば、常温成形法、金型潤滑成形法などが挙げられる。
成形圧力は、用途に応じて適宜決定することができるが、成形圧力を増加すれば、圧粉密度が高くなり、磁気特性が向上する点から、４９０ＭＰａ以上が好ましく、より好ましくは６８６ＭＰａ以上である。

加圧成形に際しては、潤滑剤を用いることができる。潤滑剤は、金型壁面に塗布しても、鉄基軟磁性粉末に添加してもよい。潤滑剤を使用することにより、加圧成形時に金型と粉末との間の摩擦を低減することができ、成形体密度の低下の一層の抑制が可能であるとともに、金型から抜き出す際の摩擦も低減でき、取り出し時の成形体（圧粉磁芯）の割れを防止できる。
潤滑剤は、特に限定されず、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の金属石鹸、脂肪酸アミドなどのワックスが挙げられる。

得られた圧粉磁芯に対して熱処理を施してもよい。熱処理を行うことにより、歪取りによるヒステリシス損失の低減や成形体強度の増加といった効果を見込むことができる。熱処理条件は、粉末の適正なナノ結晶化温度に合わせて適宜決定できるが、一般的には２００℃以上７００℃以下、時間は５分以上３００分以下程度が好ましい。熱処理は、大気中、不活性雰囲気中、還元雰囲気中、真空中など、任意の雰囲気で行うことができる。圧粉磁芯中の均一なナノ結晶化のためには、熱処理において、過度に早い昇温速度を適用することは好ましくなく、昇温速度は１０℃／分以下が好ましく、さらに好ましくは５℃／分以下である。生産性の点から、昇温速度は１℃／分以上が好ましく、さらに好ましくは２℃／分以上である。

［用途］
本発明の鉄基軟磁性粉末を出発原料として用いることにより、鉄損の低い圧粉磁芯を製造することができる。本発明の鉄基軟磁性粉末は、特にトランス、インダクタ、モータの磁芯等の磁性部品等を製造する際の出発原料として好ましい。

以下、実施例により、さらに本発明を詳細に説明するが、本発明は実施例により制限されるものではない。

（鉄基軟磁性粉末の評価）
実施例における鉄基軟磁性粉末の評価は、以下のようにして行った。

（１）円形度
対象となる鉄基軟磁性粉末を乾燥した後、粒子画像イメージング分析装置（スペクトリス株式会社製モフォロギＧ３）に装入した。モフォロギＧ３は、顕微鏡により粒子を撮像し、得られた画像を解析する機能を有する装置である。
乾燥させた鉄基軟磁性粉末を、個々の粒子の形状が判別可能となるように、５００ｋＰａの空気によりガラス上に分散させた。次いで、ガラス上に分散させた粉末をモフォロギＧ３付属の顕微鏡で観察し、視野に含まれる粒子の個数が５０００個になるよう自動で倍率を調整した。その後、視野内に含まれる５０００個の粒子について画像解析を行い、自動的に各粒子の円形度φを算出した。得られた個々の粒子の円形度を昇順に並べた際の、円形度の中央値（Ｃ_５０）を求めた。

（２）結晶化度
鉄基軟磁性粉末の結晶化度の評価は、先に述べた粉末Ｘ線回折を用いる方法によって実施した。

（３）Ｃｕクラスタの数密度及びＣｕクラスタの濃度
対象の鉄基軟磁性粉末を、窒素雰囲気中で、３℃／分で４００℃に昇温し、４００℃で２０分間、窒素雰囲気中で保持し、次いで室温まで自然冷却した。冷却後の鉄基軟磁性粉末について、先に述べた方法で、針状試料を作成し、先に述べた方法で、３次元アトムプローブ電界イオン顕微鏡（３ＤＡＰ）によるＣｕクラスタの評価を実施した。
３ＤＡＰの原子の検出効率は３０％程度とした。針状試料は２個用意し、１個は、電圧負荷による電界蒸発でイオン化し、もう１個は、レーザーアシストによる電界蒸発でイオン化し、測定を行った。数密度及びＣｕ濃度は、これらの平均値である。

（４）磁気特性
上記（３）の熱処理後の鉄基軟磁性粉末について磁気特性を評価した。振動試料型磁力計（ＶＳＭ：Vibrating Sample Magnetometer）を使用して飽和磁気モーメントを測定し、保磁力と飽和磁束密度測定を算出した。最大磁場は１３００ｋＡ／ｍとした。

（圧粉磁芯の作製と評価）
実施例で得られた鉄基軟磁性粉末（（３）の熱処理をしていないもの）に絶縁被覆用溶液を添加し、混合することにより絶縁被覆を施した。絶縁被覆用溶液は、樹脂分６０質量％のシリコーン樹脂（東レ・ダウコーニング株式会社製ＳＲ２４００）をさらにキシレンにより希釈したものであり、この溶液を用いて鉄基軟磁性粉末に対する樹脂が３質量％となるように被覆した。混合後、乾燥のため室温の大気中で１０時間静置した。乾燥後、樹脂硬化のため１５０℃で６０分間の熱処理を行った。次に、絶縁被覆した鉄基軟磁性粉末を、ステアリン酸リチウムを塗布した金型に充填し、加圧成形して圧粉磁芯（外径３８ｍｍ、内径２５ｍｍ、高さ６ｍｍ）とした。成形圧力は１４７０ＭＰａとし、１回で成形した。成形体の強度向上のためＮ_２雰囲気下の炉で室温から３℃／分で昇温後に４００℃で２０分間保持した。熱処理後はＮ_２雰囲気下で炉から取り出してから室温まで空冷し、得られた試料を圧粉磁芯の試験片とした。

上記試験片に巻き線を行い（一次側１００ターン、二次側２０ターン）、高周波鉄損測定器（メトロン技研株式会社製）を用いて、鉄損（０．１Ｔ、２０ｋＨｚ）を測定した。

＜実施例１＞
表１に示す成分組成の溶鋼を水アトマイズ法により急冷凝固させて、鉄基軟磁性粉末を作製した。表１のＮｏ．１～７は、水圧や溶鋼の注入速度を適宜調整することにより結晶化度と円形度を調整した。具体的には、Ｎｏ．１～４では、水アトマイズ時の水圧を変化させており、水圧が高い順にＮｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３及びＮｏ．４であり（Ｎｏ．１がもっとも水圧が高く、Ｎｏ．４がもっとも水圧が小さい。）、水圧の小さいもの程、結晶化度が高い。Ｎｏ．５～７は、水アトマイズ時の噴霧水の水圧及び溶鋼の注入速度を変化させており、水圧が小さい順にＮｏ．５、Ｎｏ．６及びＮｏ．７であり（Ｎｏ．５がもっとも水圧が低く、Ｎｏ．７がもっとも水圧が高い）、溶鋼注入速度が小さい順にＮｏ．５、Ｎｏ．６及びＮｏ．７である（Ｎｏ．５がもっとも遅く、Ｎｏ．７がもっとも速い）。Ｎｏ．８～１２は、Ｎｏ．１と同等の条件で水アトマイズを行った。
次に、水アトマイズ法により製造した粉末に対して、Ｃｕクラスタの密度調整を兼ねた乾燥処理を行った。乾燥処理は、Ｎｏ．１～７は炉温を１８０℃とし、６時間の大気雰囲気で、さらに大気圧に対し１０Ｐａの減圧下で６時間の処理を実施した。
乾燥処理における大気雰囲気での処理について、Ｎｏ．８は、１２０℃で６時間、Ｎｏ．９は８０℃で６時間、Ｎｏ．１０は２２０℃で６時間、Ｎｏ．１１は２９０℃で６時間、Ｎｏ．１２は３６０℃で６時間とした。

得られた軟磁性粉末の特性の測定結果を表１示す。軟磁性粉末の合否判定は、以下のとおりである。
磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ保磁力が１００Ａ／ｍ以下・・・◎
磁束密度が１．６５Ｔ以上かつ保磁力が１００Ａ／ｍ超１５０Ａ／ｍ以下・・・〇
磁束密度が１．６５Ｔ未満かつ／又は保磁力が１５０Ａ／ｍ超・・・×
「〇」と「◎」が合格であり、「×」は不合格である。

表１より、本発明の鉄基軟磁性粉末に相当する発明例は、合否判定が「〇」と「◎」であり、優れた磁気特性を有していた。また、発明例の鉄基軟磁性粉末を用いて作製した圧粉磁芯は、鉄損が全て３００ｋＷ／ｍ^３を下回っており、優れた磁気特性を有していた。

＜実施例２＞
Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃｕの添加量の影響を検討するために、表２に示す成分組成の鉄基軟磁性粉末を作製した。作製方法は、使用した溶鋼の成分組成を変更したこと以外は、実施例１のＮｏ．１と同様である。

表２のＮｏ．１３～３４は、所定の組成式を満たす発明例であるが、合否判定は全て「◎」であり、圧粉磁芯の鉄損も全て２００ｋＷ／ｍ^３以下であり、優れた磁気特性を有していた。

＜実施例３＞
Ｆｅの一部をＮｉ、Ｃｏと置換した際の影響を検討するために、表３に示す成分組成の鉄基軟磁性粉末を作製した。作製方法は、使用した溶鋼の成分組成を変更したこと以外は、実施例１のＮｏ．１と同様である。

表３のＮｏ．３５～４３は、所定の組成式を満たす発明例であるが、合否判定は全て「◎」であり、圧粉磁芯の鉄損も全て２００ｋＷ／ｍ^３以下であり、優れた磁気特性を有していた。

＜実施例４＞
Ｐの一部をＭｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｔｒ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖと置換した際の影響を検討するために、表４に示す成分組成の粉末を作製した。作製方法は、使用した溶鋼の成分組成を変更したこと以外は、実施例１のＮｏ．１と同様である。

表４のＮｏ．４４～７２は、Ｐの一部を所定の元素で置換した発明例であるが、合否判定は全て「◎」であり、圧粉磁芯の鉄損も全て２００ｋＷ／ｍ^３以下であり、優れた磁気特性を有していた。

＜実施例５＞
軟磁性粉末の不可避的不純物として含まれるＯ含有量の影響を検討するために、表５のＮｏ．７３～７５に示す組成の粉末を作製した。作製方法は、使用した溶鋼の成分組成を変更したこと以外は、実施例１のＮｏ．１と同様であるが、Ｏ含有量の相違は噴霧中の雰囲気酸素濃度を調整したことによる。

表５のＮｏ．７３～７５は、不可避的不純物であるＯ含有量が０．３質量％以下に抑制された発明例であるが、鉄基軟磁性粉末の合否判定は全て「◎」であり、圧粉磁芯の鉄損も全て２００ｋＷ／ｍ^３以下であり、優れた磁気特性を有していた。

Claims

鉄基軟磁性粉末であって、
結晶化度が１０％以下であり、
体積基準の円形度の中央値（Ｃ_５０）が０．８５以上であり、
窒素雰囲気中、昇温速度３℃／分で４００℃まで昇温し、該温度で２０分間保持し、次いで室温まで自然放冷した粉末中のＣｕクラスタの数密度が１．００×１０^３個／μｍ^３以上１．００×１０^６個／μｍ^３以下であり、かつＣｕクラスタのＣｕ濃度の平均値が３０．０ａｔ％以上である、鉄基軟磁性粉末。
不可避的不純物を除く成分組成が、組成式：Ｆｅ_ａＭ_ｂＳｉ_ｃＢ_ｄＰ_ｅＣｕ_ｆ
（式中、
７９．０ａｔ％≦ａ＋ｂ≦８４．５ａｔ％
０ａｔ％≦ｂ≦１０．０ａｔ％
０ａｔ％≦ｃ＜６．０ａｔ％
０ａｔ％＜ｄ≦１１．０ａｔ％
３．０ａｔ％＜ｅ≦１１．０ａｔ％
０．２ａｔ％≦ｆ≦１．０ａｔ％、かつ
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＝１００ａｔ％であり、
Ｍは、Ｎｉ及びＣｏから選ばれる少なくとも１種の元素である）
で示される、請求項１に記載の鉄基軟磁性粉末。
前記組成式におけるＰが、４．０ａｔ％以下の量で、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶから選ばれる少なくとも１種の元素で置換されている、請求項２に記載の鉄基軟磁性粉末。
前記不可避的不純物として含まれるＯ含有量が０．３質量％以下である、請求項２又は３に記載の鉄基軟磁性粉末。
前記鉄基軟磁性粉末を構成する粒子の表面に絶縁被覆を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の鉄基軟磁性粉末。
請求項５に記載の鉄基軟磁性粉末を用いてなる磁性部品。
請求項５に記載の鉄基軟磁性粉末を用いてなる圧粉磁芯。