JP7326410B2 - 軟磁性合金粉末及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、軟磁性合金粉末及びその製造方法に関し、詳しくは、圧粉磁心に用いられるＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系軟磁性合金粉末及びその製造方法に関する。
電子機器の小型化及び高機能化に伴い、電子機器に備えられるチョークコイルやインダクタの磁心には、高周波化及び大電流化に対応するような性能が求められている。高周波化及び大電流化に対応するために、磁心における損失を低減することが必要とされている。このため、磁化のヒシテリシスによる損失を低減するように透磁率が高く、保磁力が低い軟磁性合金粉末で形成した圧粉磁心が提供されている。圧粉磁心においては、軟磁性合金材料は絶縁性のバインダで結合されているため電気抵抗率が確保され、渦電流による損失も低減されている。高周波化及び大電流化に対応するような圧粉磁心に使用することができる軟磁性合金粉末として、Ｆｒ－Ｃｒ－Ｓｉ系合金粉末が提供されている（特許文献１を参照）。
しかしながら、高周波化及び大電流化に対応するため、さらに損失を低減した圧粉磁心を形成することができるような軟磁性合金が求められている。
本実施の形態においては、圧粉磁心を構成する軟磁性合金粉末であって、圧粉磁心における損失を低減させ、高周波化及び大電流化に対応することができるような軟磁性合金粉末及びその製造方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、この出願に係る軟磁性合金粉末は、Ｆｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系軟磁性合金粉末であって、合金粉末に含有されたＣｒは、合金粉末の表面から深さ方向に所定の深さまで重量比が次第に減少する。
Ｓｉの含有量が３～６．５重量％の範囲にあり、Ｃｒの含有量が１～５重量％の範囲にあってもよい。Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及びＯの少なくとも一つをさらに含有してもよい。
Ｃｒ酸化物／金属Ｃｒの重量比が合金粉末の表面から深さ方向に次第に減少してもよい。
この出願に係るＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系軟磁性合金粉末の製造方法は、合金を坩堝で加熱して溶湯にする工程と、坩堝から導かれて落下する溶湯の流れに流体を吹き付けて破砕及び凝固させ、合金粉末を形成する工程とを含み、溶湯から合金粉末を形成する工程において、合金粉末に含有されたＣｒの一部を酸化する。
合金粉末に含有されたＣｒのＣｒ酸化物／金属Ｃｒの重量比が合金粉末の表面から深さ方向に次第に低下するように酸化してもよい。
合金粉末に含有されたＣｒは、合金粉末の表面から深さ方向に所定の深さまで重量比が次第に減少してもよい。
溶湯にする合金は、Ｓｉの含有量が３～６．５重量％の範囲にあり、Ｃｒの含有量が１～５重量％の範囲にあってもよい。合金は、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及びＯの少なくとも一つをさらに含有してもよい。
この発明によると、高周波化及び大電流化に対応することができるような損失の小さい圧粉磁心を形成することができる。
以下、軟磁性合金粉末及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態において軟磁性合金粉末を構成する合金としてはＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系合金を想定している。本実施の形態のＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系軟磁性合金は、主成分の鉄（Ｆｅ）にクロム（Ｃｒ）及びケイ素（Ｓｉ）を添加して構成された合金であり、特記する添加物及び不可避的不純物を除いてＣｒ及びＳｉの残部はＦｅから構成されている。
本実施の形態の軟磁性合金粉末（以下、軟磁性合金粉末を合金粉末と、軟磁性合金を合金と称することもある。）は、アトマイズ法によって製造される。まず、合金粉末を構成する材料を坩堝に入れて溶解炉で加熱し、合金の溶湯にする。Ｆｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系合金は、Ｆｅを主成分としてＣｒ及びＳｉを添加したものであり、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）を添加してもよい。さらに酸素（Ｏ）を添加してもよい。
本実施の形態のＦｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系合金において、Ｓｉの含有量は、３～６．５重量％の範囲にあってもよい。Ｃｒの含有量は、１～５重量％の範囲にあってもよい。Ｃの含有量は、０．００３～０．０２重量％の範囲にあってもよく、０．００５～０．０１７重量％の範囲にあってもよく、０．００７～０．０１５重量％の範囲にあってもよい。Ｍｎの含有量は、０．０１～０．１重量％の範囲にあってもよく、０．０１５～０．０８重量％の範囲にあってもよく、０．０１７～０．０７重量％の範囲にあってもよい。Ｐの含有量は、０．００１～０．００９重量％の範囲にあってもよく、０．００２～０．００６重量％の範囲にあってもよく、０．００２５～０．００５重量％の範囲にあってもよい。Ｓの含有量は、０．００１～０．００９重量％の範囲にあってもよく、０．００２～０．００６重量％の範囲にあってもよく、０．００２５～０．００５重量％の範囲にあってもよい。Ｏの含有量は、２５００重量ｐｐｍ以下であってもよい。
次に、坩堝の底に形成された孔からノズルに合金の溶湯を導き、ノズルから落下する合金の溶湯の流れを形成する。そして、落下する合金の溶湯に水やガスなどの流体のジェット流を吹き付け、溶湯を粉砕し、凝固させて合金粉末を形成する。本実施の形態においては、合金の溶湯から合金粉末を形成するとともに、粉砕されて液滴となった合金の溶湯を酸化させている。このため、落下する溶湯の流れに吹き付ける流体に酸素が含有されるようにしてもよく、合金の溶湯が落下する雰囲気に酸素が含有されるようにしてもよい。
このような製造方法によって、次の表１に示すように実験例１～３の異なる組成の合金から合金粉末を作製した。なお、表１には、比較例１～４の合金粉末の組成も併せて示す。比較例１～４は、ノズルから落下する合金の溶湯に流体のジェット流を吹き付けて合金粉末を形成する工程において溶湯の液滴を酸化させていないことを除いて、本実施の形態と同様の製造方法により作製したものである。
実験例１～３のＯの濃度、メディアン径Ｄ５０、タップ密度、比表面積及び保磁力を測定した結果を表２に示す。表２には、比較例１から３についての測定結果についても併せて示す。ここで、メディアン径Ｄ５０径は、合金粉末を径の大きさの順に並べたときに中央にある合金粉末の径である。タップ密度は、容器に合金粉末を入れ、容器をタップして合金粉末の隙間を埋めて測定した密度である。比表面積は、合金粉末の重量あたりの表面積である。
表２において実験例１～３と比較例１～４とを対比すると、Ｏの濃度、メディアン径Ｄ５０、タップ密度及び比表面積は同程度の値であることが観察される。これに対し、保磁力Ｈｃについては、比較例１～４が６７２～７１４［Ａ／ｍ］にあるのに対し実験例１～３は４６１～５８１の範囲にあることから、本実施の形態の製造方法により作製した合金粉末では保磁力Ｈｃが顕著に減少していることが観察される。実験例１～３では保磁力Ｈｃが減少しているため、実験例１～３の合金粉末で形成した圧粉磁心においては、圧粉磁心の磁化のヒシテリシスによる損失が顕著に減少することになる。
図１は、合金粉末の深さ方向についてのＣｒの分布を示すグラフである。図１においては、Ｘ線光電分光法（ＸＰＳ）によって合金粉末の表面から１３０ｎｍ程度の深さまでのＣｒ量の分布を測定した。実験例１～３においては、Ｃｒの量は粉末の表面から深さ方向に進むにつれて次第に減少し、深さ５０～７０ｎｍ程度のある深さに達すると飽和してそれ以降は略一定値で推移していることが観察される。これに対し、比較例１～４においては、Ｃｒの量は、合金粉末の表面において実験例１～３よりも小さい値から出発し、次第に増加して深さ５０～７０ｎｍ程度のある深さに達すると飽和してそれ以降は略一定値で推移するが、一定値で推移する値は実験例１～３が略一定値で推移する値よりもやや小さいことが観察される。
上述のように、実験例１～３は合金の溶湯から合金粉末を形成する工程において溶湯の液滴を酸化させているのに対し、比較例１～４においては合金から合金粉末を形成する工程において酸化させていない。このため、実験例１～３の合金粉末におけるＣｒの量の深さ方向の分布、すなわちＣｒの量は粉末の表面から深さ方向に進むにつれて次第に減少した後で飽和するという分布は、溶湯の液滴を酸化させる過程により形成されたと考えられる。
図２～図４は、合金粉末の深さ方向についてのＣｒのＸＰＳスペクトルの分布を示すグラフである。図２（ａ）は合金粉末の表面から深さ６．５ｎｍ、図２（ｂ）は深さ１３ｎｍ、図３（ｃ）は深さ１９．５ｎｍ、図３（ｄ）は深さ２６ｎｍ、図４（ｅ）は深さ１３０ｎｍにおけるＣｒのＸＰＳスペクトルを示している。なお、合金粉末の深さは、ＳｉＯ２換算によるものである。
それぞれのグラフには、金属Ｃｒの結合エネルギーがＥ１として、Ｃｒ酸化物の結合エネルギーがＥ２として示されている。図２（ａ）～図４（ｅ）を参照すると、実験例１～３は図２（ａ）の深さ６．５ｎｍではＣｒに占める比率は金属ＣｒよりもＣｒ酸化物が多いが、図２（ａ）～図４（ｅ）と深さが大きくなるにつれてＣｒに占める比率は金属Ｃｒが次第に増加している。図２（ｂ）の深さ１３ｎｍではまだ金属ＣｒよりもＣｒ酸化物の比率が大きいが、図３（ｃ）の深さ１９．５ｎｍ以降はＣｒ酸化物よりも金属Ｃｒの比率が大きくなっている。
比較例１～４においても図２（ａ）～図４（ｅ）と深さが大きくなるにつれてＣｒに占める比率は金属Ｃｒが次第に増加する傾向は実験例１～３と同様である。しかしながら、図２（ｂ）の深さ１３ｎｍにおいてすでにＣｒ酸化物よりも金属Ｃｒの比率が大きくなっている点が相違している。このような比較例１～４と比べると、実験例１～３では合金粉末の表面からある程度の深さまでの表層でＣｒの酸化が進んでいるということができる。
上述のように、実験例１～３は合金の溶湯から合金粉末を形成する工程において溶湯の液滴を酸化させているのに対し、比較例１～４においては合金から合金粉末を形成する工程において粉末を酸化させていない。このため、実験例１～３の合金粉末においては、この工程において表面からＣｒの酸化が進み、表層のＣｒ酸化物の量が比較例１～４と比べて多くなったと考えられる。
図５は、画像解析により得られた合金粉末の面積円形度を示すグラフである。実験例４及び５は、本実施の形態の製造方法によって作製した合金粉末である。上述のように、実験例４及び５では、合金粉末の表層のＣｒにおいて金属Ｃｒよりも酸化物Ｃｒの占める量が多くなっている。比較例５は、合金の溶湯から合金粉末を形成する工程において酸化させていないことを除いて、本実施の形態と同様の製造方法によって作製したものである。
図５を参照すると、径が５μｍよりも小さい合金粉末では実験例４及び５並びに比較例５の面積円形度は９．２前後の同程度の値であるが、径が５μｍ以上で１０μｍ未満の範囲及び径が１０ｍｍ以上の範囲においては、いずれも実験例４及び５の面積円形度が比較例５の面積円形度よりも大きいことが観察される。このことは、実験例４及び５では表層のＣｒに占めるＣｒ酸化物の比率が大きく、表層のＣｒ酸化物の強い結合力のため、合金の液滴は円形度の高い粉末に形成されたためであると考えられる。
図６は、合金粉末の直流重畳特性を測定した結果を示すグラフである。図中には、図５で用いた実験例４及び５並びに比較例５の測定データを示している。グラフは、横軸を磁場として、縦軸は磁場を印加しないときを１００とした比透磁率をとしている。図を参照すると、実験例４及び５並びに比較例５の測定データのいずれも、磁場が増加するにつれて１０００［Ａ／ｍ］に達する前まで増加して最大値に達した後、１２０００［Ａ／ｍ］近くまで単調に減少していることが観察される。また、磁場が約２０００［Ａ／ｍ］までは実験例４及び５並びに比較例５の比透磁率はほぼ同等であるが、約２０００[Ａ／ｍ]を超えると測定範囲の上限となる１２０００［Ａ／ｍ］近くまで実験例４及び５の比透磁率は比較例５の透磁率よりも大きいことが観察される。したがって、実験例４及び５においては、直流電流に応じた磁場の強度の増加にかかわらず、透磁率の減少が小さいという良好な直流重畳特性を有するということができる。
このように、実験例４及び５の合金粉末は、比較例５の合金粉末よりも良好な直流重畳特性を有している。このような実験例４及び５の直流重畳特性は、図５に示したように、実験例４及び５の合金粉末の円形度が高いためであると考えられる。実験例４及び５のような本実施の形態の合金粉末で形成した圧粉磁心は、大電流を流しても透磁率の低下を抑制することで透磁率を確保することができるため、損失を低減することができる。
図７は、合金粉末の体積抵抗率の加圧力に対する依存性を示すグラフである。実験例６は、本実施の形態の製造方法によって作製した合金粉末であり、合金粉末の表層のＣｒにおいて金属Ｃｒよりも酸化物Ｃｒの占める量が多くなっている。比較例６は、合金の溶湯から合金粉末を形成する工程において酸化させていないことを除いて、本実施の形態と同様の製造方法によって作製したものである。
図７においては、実験例６及び比較例６について、平均値又は中央値のような典型値と最小値から最大値までの範囲との測定データが示されている。図を参照すると、実験例６及び比較例６の測定データのいずれも、体積抵抗率は加圧力が増加するにつれて次第に減少していることが観察される。また、実験例６の体積抵抗率は比較例６の体積抵抗率よりも１０１～１０３の程度高いことが観察される。
このように、実験例６の粉末合金は、比較例６の粉末合金よりも高い体積抵抗率を有している。このような実験例６の高い体積抵抗率は、本実施の形態の製造方法により作製した実験例の粉末合金は表層のＣｒにおいて、導電性を有しないＣｒ酸化物の占める比率が大きいからであると考えられる。実験例６のような本実施の形態の合金粉末で形成した圧粉磁心は、体積抵抗率が大きいために渦電流の発生による損失を低減することができる。
上述のように、本実施の形態の合金粉末は、本実施の形態の製造方法においてアトマイズ法により合金の溶湯から合金粉末を形成する工程において溶湯の液滴を酸化させつつ作製したものである。このような本実施の形態の合金粉末は、本実施の形態の製造方法によらない比較例よりも保磁力が小さくなっている。また、合金粉末の表層におけるＣｒに占めるＣｒ酸化物の比率が金属Ｃｒに対して大きくなっている。さらに、合金粉末の円形度が高いため、磁場の増加にともなう透磁率の減少が小さく、良好な直流重畳特性が得られる。さらにまた、合金粉末の表層におけるＣｒに占めるＣｒ酸化物が金属Ｃｒよりも大きいため、高い体積抵抗率が得られる。
このような本実施の形態の合金粉末によって形成した圧粉磁心は、保磁力が小さく、また、直流重畳特性が良好であって高い透磁率を確保することができるため、ヒシテリシス損失を低減することができる。また、合金粉末の体積抵抗率が高いため、渦電流による損失も低減することができる。このように、本実施の形態の合金粉末で形成した圧粉磁心は、チョークコイルやインダクタなどの高周波化及び大電流化にかかわらず損失を低減することができ、高周波化及び大電流化に対応することができるものである。
本実施の形態の合金粉末及びその製造方法は、電気機器のチョークコイル、インダクタなどの圧粉磁心の製造に利用することができる。
Claims (7)
- Ｆｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系軟磁性合金粉末であって、軟磁性合金粉末に含有されたＣｒは、前記合金粉末の表面から深さ方向に所定の深さまで重量比が次第に減少し、Ｃｒ酸化物／金属Ｃｒの重量比も前記合金粉末の表面から深さ方向に次第に減少し、径が５μｍ以上１０μｍ未満の範囲で面積円形度が０．８５０以上である軟磁性合金粉末。
- Ｓｉの含有量が３～６．５重量％の範囲にあり、Ｃｒの含有量が１～５重量％の範囲にある請求項１に記載の軟磁性合金粉末。
- Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及びＯの少なくとも一つをさらに含有する請求項１又は２に記載の軟磁性合金粉末。
- Ｆｅ－Ｃｒ－Ｓｉ系軟磁性合金粉末の製造方法であって、
合金を坩堝で加熱して溶湯にする工程と、
前記坩堝から導かれて落下する溶湯の流れに流体を吹き付けて破砕及び凝固させ、合金粉末を形成する工程と
を含み、
前記溶湯から合金粉末を形成する工程において、前記合金粉末に含有されたＣｒのＣｒ酸化物／金属Ｃｒの重量比が前記合金粉末の表面から深さ方向に次第に低下するように、前記合金粉末に含有されたＣｒの一部を酸化し、
前記合金粉末は、径が５μｍ以上１０μｍ未満の範囲で面積円形度が０．８５０以上である製造方法。 - 前記合金粉末に含有されたＣｒは、前記合金粉末の表面から深さ方向に所定の深さまで重量比が次第に減少する請求項４に記載の製造方法。
- 前記溶湯にする合金は、Ｓｉの含有量が３～６．５重量％の範囲にあり、Ｃｒの含有量が１～５重量％の範囲にある請求項４又は５に記載の製造方法。
- 前記合金は、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及びＯの少なくとも一つをさらに含有する請求項６に記載の製造方法。
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