KR20160132840A

KR20160132840A - 자심, 코일 부품 및 자심의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160132840A
Application number: KR1020167024799A
Authority: KR
Inventors: 가즈노리 니시무라; 도시오 미하라; 신 노구치
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-11-21
Also published as: WO2015137303A1; EP3118865A1; US10176912B2; JPWO2015137303A1; EP3118865B1; JP6601389B2; CN106104714B; US20170018343A1; EP3118865A4; CN106104714A; KR102195949B1

Abstract

자심은 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하는 합금상(20)이 분산된 조직을 가지며, 인접하는 합금상(20)이 입계상(30)으로 연결되어 있음과 동시에 그 입계상(30)에는 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 합금상(20)보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역이 생성되어 있다. 이 자심은 Fe, Al, Cr 및 Si의 합을 100질량%로 하여 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물이다.

Description

자심, 코일 부품 및 자심의 제조 방법{Magnetic core, coil component and magnetic core manufacturing method}

본 발명은 합금상이 분산된 조직을 갖는 자심과 그 자심을 이용한 코일 부품과 그 자심의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터 가전 기기, 산업 기기, 차량 등 다종 다양한 용도에서 인덕터, 트랜스, 초크 등의 코일 부품이 이용되고 있다. 코일 부품은 자심(자성 코어)과, 그 자심에 권선을 실시하여 이루어지는 코일을 구비하고, 이러한 자심으로는 자기 특성이나 형상 자유도, 가격이 뛰어난 페라이트 자심이 널리 이용되고 있다.

최근에 전자 기기 등의 전원 장치의 소형화가 진행된 결과, 소형·저배(低背)이고 대전류에 대해서도 사용 가능한 코일 부품의 요구가 강해져서 페라이트 자심과 비교하여 포화 자속 밀도가 높은 금속계 자성 분말을 사용한 자심의 채용이 진행되고 있다. 금속계 자성 분말로서는 예를 들어 순Fe나 Fe-Si계, Fe-Al-Si계, Fe-Cr-Si계 등의 Fe기 자성 합금 입자가 알려져 있다.

Fe기 자성 합금의 포화 자속 밀도는 예를 들어 1T 이상으로, 이를 이용한 자심은 소형화되어도 우수한 직류 중첩 특성을 가진다. 한편, 이러한 자심은 Fe를 많이 포함하므로 비저항이 작아 와전류 손실이 크기 때문에 100kHz를 넘는 고주파 용도에는 수지나 유리 등의 절연물로 합금 입자를 코트하지 않으면 사용하는 것이 어렵다고 생각되었다. 그러나, 이러한 절연물을 통해 Fe기 자성 합금 입자가 결합된 자심은 자심 손실이 커서 그 저감이 요구되었다. 또한, 그 절연물의 영향에 의해 페라이트 자심에 비해 강도가 떨어지는 경우가 있었다.

특허문헌 1에는 Cr: 2~8wt%, Si: 1.5~7wt%, Fe: 88~96.5wt%의 조성을 갖는 연자성 합금이나 Al: 2~8wt%, Si: 1.5~12wt%, Fe: 80~96.5wt%의 조성을 갖는 연자성 합금을 이용하고, 그 연자성 합금의 입자군으로 구성된 성형체를 산소를 포함하는 분위기 중에서 열처리하여 얻어지는 자심이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는 Cr: 1.0~30.0질량%, Al: 1.0~8.0질량% 포함하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지는 Fe-Cr-Al계 자성 분말을 산화성 분위기 중에서 800℃ 이상으로 열처리하고, 이에 따라 알루미나를 포함하는 산화 피막을 표면에 자기 생성시킨 후에 그 자성 분말을 진공 챔버 내에서 방전 플라즈마 소결에 의해 고화 성형하여 이루어지는 자심이 개시되어 있다. 이 Fe-Cr-Al계 자성 분말은 불순물 원소로서 Si: 0.5질량% 이하로 포함해도 된다.

특허문헌 1: 일본공개특허 2011-249774호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2005-220438호 공보

그러나, 특허문헌 1이나 2에 기재된 자심에서는 자심 손실의 저감에 대해 고려되지 않은 데다가 비저항과 강도 모두를 충분히 확보하기에는 이르지 못하였다. 본 발명은 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 자심 손실이 우수함과 동시에 비저항과 강도가 확보된 자심과 이를 이용한 코일 부품과 그 자심의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 하기와 같은 본 발명에 의해 달성할 수 있다. 즉, 본 발명에 관한 자심은 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하는 합금상이 분산되고, 인접하는 상기 합금상이 입계상으로 연결된 조직을 가지며, Fe, Al, Cr 및 Si의 합을 100질량%로 하여 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 가지며, 상기 입계상에 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 상기 합금상보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역을 구비한다.

본 발명의 자심은 Si를 3질량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 자심에 있어서 비저항이 0.5×10³Ω·m 이상이고, 압환 강도가 120MPa 이상인 것이 바람직하다. 이 비저항이나 압환 강도의 값은 구체적으로 후술하는 실시예의 측정 방법에 의해 구해지는 값이다.

본 발명에 관한 코일 부품은 상기한 본 발명에 관한 자심과 그 자심에 실시된 코일을 갖는 것이다.

본 발명에 관한 자심의 제조 방법은 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe기 연자성 합금 입자와 바인더를 혼합하여 혼합 분말을 얻는 공정과, 상기 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 얻는 공정과, 산소를 포함하는 분위기 중에서 상기 성형체를 열처리하여 상기 Fe기 연자성 합금 입자에 의해 형성된 합금상이 분산된 조직을 갖는 자심을 얻는 공정을 구비하고, 상기 열처리에 의해 인접하는 상기 합금상을 연결하는 입계상을 형성함과 동시에 상기 입계상에 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 상기 합금상보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역을 생성하는 것이다.

본 발명에 의하면 자심 손실이 우수함과 동시에 비저항과 강도가 확보된 자심과 그 자심을 이용한 코일 부품과 그 자심의 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 자심의 일례를 나타내는 외관도.
도 2는 그 자심의 조직의 일례를 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명에 관한 코일 부품의 일례를 나타내는 외관도.
도 4는 Si의 함유량과 자심 손실의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 Si의 함유량과 투자율의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 비교예 1의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진.
도 7은 실시예 3의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진.
도 8은 실시예 4의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진.
도 9는 비교예 1의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 매핑도.
도 10은 비교예 2의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 매핑도.
도 11은 실시예 1의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 매핑도.
도 12는 실시예 2의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 매핑도.
도 13은 실시예 3의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 매핑도.
도 14는 실시예 4의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 매핑도.
도 15는 비교예 2의 자심을 단면 관찰한 TEM 사진.
도 16은 실시예 2의 자심을 단면 관찰한 TEM 사진.
도 17은 실시예 4의 자심을 단면 관찰한 TEM 사진.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 자심(1)은 Fe(철), Al(알루미늄), Cr(크롬) 및 Si(규소)를 포함하는 합금상이 분산된 조직을 가진다. 이 합금상은 Al, Cr 및 Si를 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe기 연자성 합금 입자에 의해 형성된다. 도 2는 그 조직의 일례로서, 인접하는 합금상(20)이 입계상(30)으로 연결되어 있다. 그 입계상(30)에는 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 합금상(20)보다 Al을 많이 포함하는 산화물 영역이 생성되어 있다. 이 자심(1)은 Fe, Al, Cr 및 Si의 합을 100질량%로 하여 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe와 불가피 불순물이다.

Fe기 연자성 합금 입자에 포함되는 비철금속(즉, Al, Cr 및 Si)은 Fe보다 O(산소)와의 친화력이 커서 산소를 포함하는 분위기 중에서 열처리를 행하면, 이들 비철금속과 Fe의 산화물이 생성되고 그 산화물이 Fe기 연자성 합금 입자의 표면을 덮고 나아가 입자 간의 공극을 충전한다. 이와 같이 입계상(30)의 산화물 영역은 Fe기 연자성 합금 입자로 이루어지는 성형체를 산화성 분위기 중에서 열처리함으로써 Fe기 연자성 합금 입자와 산소를 반응시켜 성장시킨 것으로, Fe기 연자성 합금 입자의 자연 산화를 넘는 산화 반응에 의해 형성된다. Fe나 상기 비철금속의 산화물은 금속 단체(單體)에 비해 높은 전기 저항을 가지며, 합금상(20)의 사이에 개재하는 입계상(30)은 절연층으로서 기능한다.

산화성 분위기 중에서의 열처리는 대기 중이나 산소와 비활성 가스의 혼합 기체 중 등 산소가 존재하는 분위기 중에서 행할 수 있다. 또한, 수증기와 비활성 가스의 혼합 기체 중 등 수증기가 존재하는 분위기 중에서 열처리를 행할 수도 있다. 이들 중에서 대기 중의 열처리가 간편하여 바람직하다. 또한, 열처리 분위기의 압력은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 압력 제어를 필요로 하지 않는 대기압 하인 것이 바람직하다.

합금상(20)의 형성에 이용되는 Fe기 연자성 합금 입자는 그 구성 성분 중에서 가장 함유율이 높은 주성분으로서 Fe를 포함하고, 부성분으로서 Al, Cr 및 Si를 포함한다. Fe는 Fe기 연자성 합금 입자를 구성하는 주원소로서, 포화 자속 밀도 등의 자기 특성이나 강도 등의 기계적 특성에 영향을 준다. 다른 비철금속과의 균형에도 따르지만, Fe기 연자성 합금 입자는 Fe를 80질량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하고, 이에 의해 포화 자속 밀도가 높은 연자성 합금을 얻을 수 있다.

Al은 Fe나 다른 비철금속과 비교하여 O와의 친화력이 크다. 그 때문에 열처리시에는 대기 중의 O나 바인더에 포함되는 O가 Fe기 연자성 합금 입자의 표면 근방의 Al과 우선적으로 결합하여 화학적으로 안정된 Al₂O₃나 다른 비철금속과의 복합 산화물이 합금상(20)의 표면에 생성된다. 또한, 합금상(20)에 침입하고자 하는 O가 Al과 반응하고, 이에 의해 Al을 포함하는 산화물이 차례대로 생성되기 때문에 합금상(20) 내로 O의 침입을 막고 불순물인 O 농도의 증가를 억제하여 자기 특성의 열화를 방지할 수 있다. 내식성이나 안정성이 우수한 Al을 포함하는 산화물 영역이 합금상(20)의 표면에 생성됨으로써 합금상(20) 간의 절연성이 높아지고 자심의 비저항이 향상되어 와전류 손실을 저감할 수 있다.

Fe기 연자성 합금 입자는 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하로 포함한다. 이것이 3질량% 미만이면 Al을 포함하는 산화물의 생성이 충분하지 않은 경우가 있어 절연성이나 내식성이 저하될 우려가 있다. Al의 함유량은 바람직하게는 3.5질량% 이상, 보다 바람직하게는 4.0질량% 이상, 더욱 바람직하게는 4.5질량% 이상이다. 한편, 이것이 10질량%를 넘으면, Fe량의 감소에 의해 포화 자속 밀도나 초기 투자율 저하 혹은 보자력 증가 등 자기 특성이 열화되는 경우가 있다. Al의 함유량은 바람직하게는 8.0질량% 이하, 보다 바람직하게는 7.0질량% 이하, 더욱 바람직하게는 6.0질량% 이하, 특히 바람직하게는 5.0질량% 이하이다.

Cr은 Al에 이어서 O와의 친화력이 크고, 열처리시에는 Al과 같이 O와 결합하여 화학적으로 안정된 Cr₂O₃나 다른 비철금속과의 복합 산화물이 생성된다. 한편, Al을 포함하는 산화물이 우선적으로 생성되므로 생성된 산화물 중의 Cr은 Al보다 소량이 되기 쉽다. Cr을 포함하는 산화물은 내식성이나 안정성이 우수하기 때문에 합금상(20) 간의 절연성을 높여 와전류 손실을 저감할 수 있다.

Fe기 연자성 합금 입자는 Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하로 포함한다. 이것이 3질량% 미만이면 Cr을 포함하는 산화물의 생성이 충분하지 않은 경우가 있어 절연성이나 내식성이 저하될 우려가 있다. Cr의 함유량은 바람직하게는 3.5질량% 이상, 보다 바람직하게는 3.8질량% 이상이다. 한편, 이것이 10질량%를 넘으면 Fe량의 감소에 의해 포화 자속 밀도나 초기 투자율 저하 혹은 보자력 증가 등 자기 특성이 열화되는 경우가 있다. Cr의 함유량은 바람직하게는 9.0질량% 이하, 보다 바람직하게는 7.0질량% 이하, 더욱 바람직하게는 5.0질량% 이하이다.

절연성이나 내식성을 높이는 관점에서 Al과 Cr을 합계한 함유량은 7질량% 이상이 바람직하고, 8질량% 이상이 보다 바람직하다. 열처리 온도에 대한 자심 손실의 변화율을 억제하고 열처리 온도의 관리폭을 넓게 확보하는 관점에서 Cr과 Al을 합계한 함유량은 11질량% 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 합금상(20) 간의 산화물 영역에는 Cr에 비해 Al이 현저하게 농화되기 때문에 Cr보다 Al의 함유량이 많은 Fe기 연자성 합금 입자를 이용하는 것이 보다 바람직하다.

Si는 Al이나 Cr과 같이 O와 결합하여 화학적으로 안정된 SiO₂나 다른 비철금속과의 복합 산화물이 생성된다. Si를 포함하는 산화물은 내식성이나 안정성이 우수하기 때문에 합금상(20) 간의 절연성을 높여 자심의 와전류 손실을 저감할 수 있다. Si는 자심의 투자율을 향상시킴과 동시에 자기 손실을 저하시키는 효과를 가지지만, 그 함유량이 너무 많으면 합금 입자가 딱딱해져 성형 금형에서의 충전성이 악화되고, 가압 성형에 의해 얻어지는 성형체의 저밀도화를 야기하여 투자율이 저하되고 자기 손실이 증가하는 경향이 있다.

Fe기 연자성 합금 입자는 Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함한다. 자심의 비저항이나 강도는 Si량의 증가에 따라 저하되지만, 4질량% 이하이면 충분히 높은 수준으로 확보되고, 예를 들어 0.5×10³Ω·m를 넘는 비저항과 120MPa 이상의 압환 강도를 얻을 수 있다. 또한, Si가 1질량% 초과 3질량% 이하임으로써 낮은 자심 손실과 높은 초기 투자율, 예를 들어 50 이상의 초기 투자율을 얻을 수 있다.

Fe기 연자성 합금 입자는 C(탄소)나 Mn(망간), P(인), S(유황), O(산소), Ni(니켈), N(질소) 등을 불가피 불순물로서 포함할 수 있다. 이들 불가피 불순물의 함유량은 각각 C≤0.05질량%, Mn≤1질량%, P≤0.02질량%, S≤0.02질량%, O≤0.5질량%, Ni≤0.5질량%, N≤0.1질량%인 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 자심이 갖는 조직에는 합금상과 입계상이 포함되고, 그 입계상은 열처리에 의한 Fe기 연자성 합금 입자의 산화에 의해 형성된다. 따라서, 합금상의 조성은 전술한 Fe기 연자성 합금 입자의 조성과는 다르지만, 열처리에 기인한 Fe, Al, Cr 및 Si의 증산 등에 의한 조성의 어긋남은 발생하기 어렵기 때문에 합금상과 입계상을 포함한 영역에서 O를 제외한 자심의 조성은 Fe기 연자성 합금 입자의 조성과 실질적으로 동일해진다. 이러한 자심의 조성은 주사형 전자 현미경을 사용한 에너지 분산형 X선 분광법(SEM/EDX) 등의 분석 수법으로 자심 단면을 분석함으로써 정량할 수 있다.

입계상(30)은 실질적으로 산화물로 형성되고, 이러한 입계상(30)을 사이에 두고 Fe기 연자성 합금 입자를 결합함으로써 우수한 비저항이나 강도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같은 제1 영역(30a)과 제2 영역(30b)을 가지며, 제1 영역(30a)이 합금상(20) 측에 형성되어 있다. 제1 영역(30a)은 Fe, Al, Cr 및 Si의 합에 대한 Al의 비율이 Fe, Cr 및 Si 각각의 비율보다 높은 영역이고, 제2 영역(30b)은 Fe, Cr, Al 및 Si의 합에 대한 Fe의 비율이 Al, Cr 및 Si 각각의 비율보다 높은 영역이다. 즉, 입계상(30)은 Fe나 Cr, Si보다 Al이 농화된 제1 영역(30a)과 Al이나 Cr, Si보다 Fe가 농화된 제2 영역(30b)을 가진다.

도 2의 예에서는 입계상(30)에서 제1 영역(30a)이 합금상(20)과의 계면측에 형성되고, 제2 영역(30b)이 그 입계상(30)의 안쪽에 형성되어 있다. 제1 영역(30a)은 합금상(20)과 입계상(30)의 계면을 따라 연장되고 그 계면에 접하여 있다. 한편, 제2 영역(30b)은 제1 영역(30a)에 의해 양측으로부터 끼워져 있어 합금상(20)과 입계상(30)의 계면으로부터 떨어져 있고 그 계면에는 접하지 않는다. 이와 같이 제1 영역(30a)은 입계상(30)의 두께 방향의 단부에 형성되고, 제2 영역(30b)은 입계상(30)의 두께 방향의 중앙부에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 합금상(20)은 입상을 이루고, 합금상끼리는 직접 접촉하지 않고 입계상을 사이에 두고 독립되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 코일 부품은 상기와 같은 자심과 그 자심에 실시된 코일을 가지며, 예를 들어 초크나 인덕터, 리액터, 트랜스로서 이용된다. 코일의 단부를 접속하기 위한 전극을 도금이나 인화 등의 수법에 따라 자심의 표면에 형성해도 된다. 코일은 도선을 자심에 직접 감음으로써 구성해도 되고, 도선을 내열성 수지제 보빈에 감음으로써 구성해도 된다. 코일은 자심의 주위에 감기거나 자심의 내부에 배치되고, 후자이면 쌍을 이루는 자심 간에 코일을 끼워 배치한 코일 봉입 구조의 자심을 갖는 코일 부품을 구성하는 것이 가능하다.

도 3에 도시된 코일 부품은 한 쌍의 차양부(50a, 50b)의 사이에 일체의 몸통부(60)를 구비한 각형상의 자심(1)을 가지며, 한쪽 차양부(50a)의 일면에는 2개의 단자 전극(70)이 형성되어 있다. 단자 전극(70)은 자심(1)의 표면에 직접 은도체 페이스트를 인쇄하고 인화하여 형성되어 있다. 도시를 생략하지만 몸통부(60)의 주위에는 에나멜 도선의 권선(80)으로 이루어지는 코일이 배치되어 있다. 권선(80)의 양단부는 단자 전극(70) 각각과 열 압착에 의해 접속되어 초크 코일 등의 면실장형 코일 부품이 구성되어 있다. 본 실시형태에서는 단자 전극(70)이 형성된 차양부 면을 회로 기판에의 실장면으로 하고 있다.

자심(1)의 비저항이 높음으로써 절연을 위한 수지 케이스(보빈이라고도 불림)를 이용하지 않고도 도선을 자심(1)에 직접적으로 부설할 수 있음과 동시에, 예를 들어 비저항이 0.5×10³Ω·m 이상, 바람직하게는 1×10³Ω·m 이상임으로써 권선을 접속하는 단자 전극(70)을 자심의 표면에 형성할 수 있기 때문에 코일 부품을 소형으로 구성할 수 있다. 또한, 코일 부품의 실장 높이를 낮게 억제함과 동시에 안정된 실장성을 얻을 수 있다. 게다가 자심(1)의 강도가 높음으로써, 예를 들어 압환 강도가 120MPa 이상임으로써 몸통부(60)의 주위에 도선을 감을 때에 차양부(50a, 50b) 또는 몸통부(60)에 외력이 작용해도 간단히 파괴되는 일이 없어 실용성이 우수하다.

본 발명에 관한 자심의 제조 방법은 Fe기 연자성 합금 입자와 바인더를 혼합하여 혼합 분말을 얻는 공정(제1 공정)과, 그 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 얻는 공정(제2 공정)과, 산소를 포함하는 분위기 중에서 성형체를 열처리하여 그 Fe기 연자성 합금 입자에 의해 형성된 합금상이 분산된 조직을 갖는 자심을 얻는 공정(제3 공정)을 구비한다. 이 열처리에 의해 도 2와 같이 인접하는 합금상(20)을 연결하는 입계상(30)을 형성함과 동시에 그 입계상(30)에 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 합금상(20)보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역을 생성한다.

제1 공정에서는 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe기 연자성 합금 입자가 이용된다. 이 Fe기 연자성 합금 입자의 바람직한 조성 등은 상술한 바와 같으므로 중복된 설명을 생략한다.

상기 Fe기 연자성 합금 입자는 누적 입도 분포에서의 메디안 지름(d50)으로 1~100μm의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 입경이 작음으로써 자심의 강도를 향상시킴과 동시에 와전류 손실을 저감하여 자심 손실을 개선할 수 있다. 강도나 자심 손실, 고주파 특성을 개선하는 관점에서 상기 메디안 지름(d50)은 보다 바람직하게는 30μm 이하이고, 더욱 바람직하게는 20μm 이하이다. 한편, 입경이 너무 작으면 투자율이 낮아지기 쉽기 때문에 상기 메디안 지름(d50)은 5μm 이상인 것이 바람직하다.

Fe기 연자성 합금 입자의 제작에는 전성이나 연성이 높아 분쇄하기 어려운 대략 구형의 합금 입자의 제작에 적합한 아토마이즈법(물 아토마이즈법이나 가스 아토마이즈법 등)을 이용하는 것이 바람직하고, 그 중에서도 미세한 합금 입자를 효율적으로 제작할 수 있는 물 아토마이즈법이 특히 바람직하다. 물 아토마이즈법에 의하면 소정의 합금 조성이 되도록 칭량된 원료를 고주파 가열로에 의해 용융시키거나 혹은 미리 합금 조성이 되도록 제작된 합금 잉곳을 고주파 가열로에 의해 용융시켜 그 용탕(용융 금속)을 고속, 고압으로 분사된 물에 충돌시킴으로써 미세립화와 함께 냉각하여 Fe기 연자성 합금 입자를 얻을 수 있다.

물 아토마이즈법으로 얻어진 합금 입자(물 아토마이즈 분말)의 표면에는 Al의 산화물인 Al₂O₃를 포함하는 자연 산화 피막이 5~20nm 정도의 두께로 섬 형상 또는 막 형상으로 형성되어 있어도 된다. 여기서의 섬 형상은 Al의 산화물이 합금 입자의 표면에 점재(点在)하는 상태를 말한다. 자연 산화 피막은 Fe의 산화물을 포함하고 있어도 된다.

합금 입자의 표면에 자연 산화 피막이 형성되면 방청 효과를 얻을 수 있으므로, Fe기 연자성 합금을 열처리하기까지의 동안에 쓸데없는 산화를 방지할 수 있고, Fe기 연자성 합금 입자를 대기 중에서 보관할 수도 있다. 한편, 산화 피막이 두꺼워지면 합금 입자가 딱딱해져 성형성이 저해되는 경우가 있다. 예를 들어 물 아토마이즈 직후의 물 아토마이즈 분말은 물로 젖은 상태이기 때문에 건조를 필요로 하는 경우에는 건조 온도(예를 들어, 건조로 내의 온도)를 150℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

얻어진 Fe기 연자성 합금 입자의 입경은 분포를 갖고 있기 때문에 성형 금형에 충전하였을 때에 입자지름이 큰 입자 간에 큰 간극이 형성되어 충전율이 올라가지 않고 가압 성형에 의해 얻어지는 성형체의 밀도가 내려가는 경향이 있다. 이 때문에 얻어진 Fe기 연자성 합금 입자를 분급하여 입자지름이 큰 입자를 제거하는 것이 바람직하다. 분급 방법으로서는 체가름 분급 등의 건식 분급을 이용할 수 있고, 적어도 32μm 언더의(즉, 눈크기 32μm의 체를 통과한) 합금 입자를 얻는 것이 바람직하다.

Fe기 연자성 합금 입자와 혼합되는 바인더는 가압 성형할 때에 합금 입자끼리를 결착시켜 성형 후의 핸들링에 견디는 강도를 성형체에 부여한다. Fe기 연자성 합금 입자와 바인더의 혼합 분말은 조립에 의해 과립으로 하는 것이 바람직하고, 이에 의해 성형 금형 내에서의 유동성이나 충전성을 향상시킬 수 있다. 바인더의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 폴리에틸렌이나 폴리비닐알코올, 아크릴 수지 등의 유기 바인더를 사용할 수 있다. 열처리 후도 잔존하는 무기계 바인더의 병용도 가능하지만, 제3 공정에서 생성되는 입계상이 합금 입자끼리를 결착하는 작용을 나타내기 때문에 무기계 바인더는 생략하여 공정을 간략화하는 것이 바람직하다.

바인더의 첨가량은 Fe기 연자성 합금 입자 사이에 바인더가 충분히 퍼져서 성형체의 강도를 충분히 확보할 수 있는 정도이면 되지만, 바인더의 첨가량이 너무 많으면 성형체의 밀도나 강도가 저하되는 경향이 있다. 이러한 관점에서 바인더의 첨가량은 Fe기 연자성 합금 입자 100중량부에 대해 0.2~10중량부로 하는 것이 바람직하고, 0.5~3.0중량부로 하는 것이 보다 바람직하다.

Fe기 연자성 합금 입자와 바인더의 혼합 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 종래부터 알려져 있는 혼합 방법이나 혼합기를 이용할 수 있다. 또한, 조립 방법으로서는 예를 들어 전동 조립이나 분무 건조 조립 등의 습식 조립 방법을 채용할 수 있다. 그 중에서도 스프레이 드라이어를 이용한 분무 건조 조립이 바람직하고, 이에 의하면 과립 형상이 구형에 가깝고 가열 공기에 노출되는 시간이 짧아 대량의 과립을 얻을 수 있다.

얻어지는 과립은 부피 밀도: 1.5~2.5×10³kg/㎥, 평균 입경(d50): 60~150μm인 것이 바람직하다. 이러한 과립에 의하면 성형시의 유동성이 우수함과 동시에 합금 입자 간의 간극이 작아져 금형 내로의 충전성이 늘어나고, 그 결과 성형체가 고밀도가 되어 투자율이 높은 자심을 얻을 수 있다. 원하는 크기의 과립 지름을 얻기 위해 진동체 등에 의한 분급을 사용할 수 있다.

또한, 가압 성형시의 혼합 분말(과립)과 성형 금형의 마찰을 저감시키기 위해 스테아린산이나 스테아린산염 등의 윤활재를 첨가하는 것이 바람직하다. 윤활재의 첨가량은 Fe기 연자성 합금 입자 100중량부에 대해 0.1~2.0중량부로 하는 것이 바람직하다. 윤활제는 금형에 도포하는 것도 가능하다.

제2 공정에서는 Fe기 연자성 합금 입자와 바인더의 혼합 분말이 적합하게는 상술한 바와 같이 조립된 후에 가압 성형에 제공된다. 가압 성형에서는 유압 프레스나 서보 프레스 등의 프레스 기계와 성형 금형을 이용하여 토로이달 형상이나 직육면제 형상 등의 소정 형상으로 혼합 분말을 성형한다. 이 가압 성형은 실온 성형으로도 되고, 바인더의 재질에 따라서는 바인더가 소실되지 않는 정도로서 바인더가 연화되는 유리 전이 온도 부근까지 과립을 가열하여 행하는 온간 성형으로도 된다. Fe기 연자성 합금 입자의 형상이나 과립의 형상, 이들의 평균 입경의 선택, 바인더 및 윤활재의 효과에 의해 성형 금형 내에서 과립의 유동성을 향상시킬 수 있다.

가압 성형에 의해 얻어진 성형체에서 Fe기 연자성 합금 입자는 바인더나 자연 산화 피막을 사이에 두고 서로 점 접촉 혹은 면 접촉하여 부분적으로 공극을 사이에 두고 인접한다. 또한, Fe기 연자성 합금 입자의 Si의 함유량을 소정의 범위 내로 억제함으로써 1GPa 이하의 낮은 성형 압력에서도 충분히 큰 성형 밀도와 강도를 얻을 수 있다. 이러한 저압에서의 성형에 의해 Fe기 연자성 합금 입자의 표면에 형성된 Al을 포함하는 자연 산화 피막의 파괴를 저감할 수 있고 성형체의 내식성을 높일 수 있다. 성형체의 밀도는 5.7×10³kg/㎥ 이상이 바람직하다. 성형체의 압환 강도는 3MPa 이상인 것이 바람직하다.

제3 공정에서는 가압 성형으로 도입된 응력 변형을 완화하여 양호한 자기 특성을 얻기 위해 성형체에 대한 열처리로서 소둔이 실시된다. 이 소둔에 의해 인접하는 합금상(20)을 연결하는 입계상(30)을 형성함과 동시에 그 입계상(30)에 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 합금상(20)보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역을 생성한다. 유기 바인더는 소둔에 의해 열분해를 일으켜 소실된다. 이와 같이 성형 후의 열처리에 의해 산화물 영역을 생성하기 때문에 유리 등의 절연물을 이용하지 않고도 강도 등이 우수한 자심을 간이한 방법에 의해 제조할 수 있다.

소둔은 대기 중 또는 산소와 비활성 가스의 혼합 기체 중 등 산소를 포함하는 분위기 중에서 행해지고, 그 중에서도 대기 중에서의 열처리가 간편하여 바람직하다. 전술한 바와 같이 입계상(30)은 열처리에 의해 Fe기 연자성 합금 입자와 산소를 반응시켜 얻어지고, Fe기 연자성 합금 입자의 자연 산화를 넘는 산화 반응에 의해 생성된다. 이러한 입계상(30)이 생성됨으로써 우수한 절연성이나 내식성을 가져 다수의 Fe기 연자성 합금 입자가 견고하게 결합된 고강도의 자심을 얻을 수 있다.

상기와 같은 Fe기 연자성 합금 입자를 이용하여 구성된 자심은 Fe, Al, Cr 및 Si의 합을 100질량%로 하여 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe와 불가피 불순물이다.

열처리를 거친 자심에 있어서 점적률은 82~90%의 범위 내인 것이 바람직하다. 이에 의해 설비적, 비용적인 부하를 억제하면서도 점적률을 높여 자기 특성을 향상시킬 수 있다.

소둔 후 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)을 이용하여 자심의 단면 관찰을 행하고, 에너지 분산형 X선 분광법(EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy)에 의해 각 구성 원소의 분포 조사를 행하면, 입계상(30)에서는 Al이 농화되어 있는 것이 관찰된다. 또한, 투과형 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)을 이용하여 자심의 단면 관찰을 행하면 도 2에 도시된 바와 같은 층상 조직을 나타내는 산화물 영역이 관찰된다.

나아가 투과형 전자 현미경(TEM)을 이용하여 EDX에 의해 상세하게 조성 분석을 행하면 입계상(30)은 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 있는 것이 관찰된다. 게다가 합금상(20)의 근방에서는 Fe, Al, Cr 및 Si의 합에 대한 비율에 관해 Al의 비율이 Fe의 비율, Cr의 비율 및 Si의 비율 각각보다 높고, 이러한 영역이 「제1 영역」에 상당한다. 그리고, 합금상(20) 사이의 중간부에서는 Fe, Al, Cr 및 Si의 합에 대한 비율에 관해 Fe의 비율이 Al의 비율, Cr의 비율 및 Si의 비율 각각보다 높고, 이러한 영역이 「제2 영역」에 상당한다. 또, 도 2에 도시된 입계상(30)에서는 산화물 영역이 층상 조직을 나타내지만, 입계상의 형태는 이에 한정되지 않고, 예를 들어 제2 영역을 제1 영역이 감싸고 제2 영역이 섬 형상으로 형성되어 있어도 된다.

성형체의 응력 변형을 완화하여 입계상(30)에 산화물 영역을 생성하는 관점에서 소둔 온도는 성형체가 600℃ 이상이 되는 온도인 것이 바람직하다. 또한, 입계상(30)의 부분적인 소실이나 변질 등에 의해 절연성이 저하되거나 소결이 현저하게 진행되어 Fe기 연자성 합금 입자끼리가 직접 접촉하여 이들이 부분적으로 연결된 부분(넥부)이 증가함으로써 자심의 비저항이 저하되어 와전류 손실이 증가하는 것을 피하는 관점에서 소둔 온도는 성형체가 850℃ 이하가 되는 온도인 것이 바람직하다. 상기 관점에서 소둔 온도는 650~830℃가 보다 바람직하고, 700~800℃가 더욱 바람직하다. 이러한 소둔 온도에서 유지 시간은 자심의 크기나 처리량, 특성 편차의 허용 범위 등에 따라 적절히 설정되고, 예를 들어 0.5~3시간으로 설정된다. 비저항이나 자심 손실에 특별한 지장을 초래하는 것이 아니면 일부에 넥부가 형성되는 것은 허용된다.

입계상(30)의 두께가 너무 크면 합금상의 간격이 넓어져 투자율 저하나 히스테리시스 손실 증가를 초래하고, 비자성 산화물을 포함하는 산화물 영역의 비율이 증가하여 포화 자속 밀도가 저하되는 경우가 있다. 그 때문에 입계상(30)의 평균 두께는 100nm 이하가 바람직하고, 80nm 이하가 보다 바람직하다. 한편, 입계상(30)의 두께가 너무 작으면 산화물 영역을 흐르는 터널 전류에 의해 와전류 손실이 증가하는 경우가 있기 때문에 입계상(30)의 평균 두께는 10nm 이상이 바람직하고, 30nm 이상이 보다 바람직하다. 입계상(30)의 평균 두께는 투과형 전자 현미경(TEM)으로 60만배 이상으로 자심의 단면을 관찰하고, 그 관찰 시야 내의 합금상의 윤곽이 확인되는 부분에서 합금상(20)끼리가 가장 근접하는 부분의 두께(최소 두께)와 가장 이격되는 부분의 두께(최대 두께)를 계측하여 그 산술 평균에 의해 산출된다.

자심의 강도와 고주파 특성을 개선하는 관점에서 합금상(20)을 구성하는 Fe기 연자성 합금 입자 각각의 최대 지름의 평균은 15μm 이하가 바람직하고, 8μm 이하가 보다 바람직하다. 한편, 투자율 저하를 억제하는 관점에서 Fe기 연자성 합금 입자 각각의 최대 지름의 평균은 0.5μm 이상이 바람직하다. 이 최대 지름의 평균은 자심의 단면을 연마하여 현미경 관찰하여 일정한 면적의 시야 내에 존재하는 30개 이상의 입자에 대해 최대 지름을 판독하고 그 개수 평균에 의해 산출된다. 성형 후의 Fe기 연자성 합금 입자는 소성 변형되어 있지만, 단면 관찰에서는 대부분의 합금 입자가 중심 이외의 부분의 단면에서 노출되기 때문에 상기 최대 지름의 평균은 분말 상태로 평가한 메디안 지름(d50)보다 작은 값이 된다.

또한, 자심의 강도와 고주파 특성을 개선하는 관점에서 SEM에 의한 자심의 1000배 단면 관찰상에서 최대 지름이 40μm 이상인 Fe기 연자성 합금 입자의 존재 비율은 1% 이하인 것이 바람직하다. 이 존재 비율은 적어도 0.04㎟ 이상의 관찰 시야에서 주위가 입계상(30)으로 둘러싸인 합금 입자의 전체 수(K1)와, 그 중 최대 지름이 40μm 이상인 합금 입자수(K2)를 계측하고 K2를 K1로 나누어 백분율로 나타낸 것이다. 또, K1 및 K2의 계측은 최대 지름이 1μm 이상인 합금 입자를 대상으로 하여 행해진다. 자심을 구성하는 Fe기 연자성 합금 입자를 미세하게 함으로써 고주파 특성이 개선된다.

실시예

본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 표 1에는 Si의 함유량을 다르게 한 7종(No. 1~7)의 Fe기 연자성 합금 입자를 물 아토마이즈법에 의해 제작한 후, 440메시(눈크기 32μm)의 체를 통과시켜 거친 입자를 제거한 합금 입자에 대해 이들의 조성 분석과 평균 입경(메디안 지름(d50))의 측정 결과를 나타내고 있다. Al은 ICP 발광 분석법에 의해, Cr은 용량법에 의해, Si는 흡광 광도법에 의해 각각 얻어진 분석값이다. 평균 입경은 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정 장치(호리바 제작소 제품 LA-920)에 의한 측정값이다. 이들 Fe기 연자성 합금 입자를 이용하여 하기 (1)~(3)의 공정에 의해 자심을 제조하여 각각 비교예 1, 2, 참고예 1, 2 및 실시예 1~3으로 하였다.

(1) 혼합

교반 뇌궤기를 이용하여 Fe기 연자성 합금 입자 100중량부에 대해 바인더로서 PVA(주식회사 쿠라레 제품 포발 PVA-205; 고형분 10%)를 2.5중량부 첨가하여 혼합하였다. 얻어진 혼합물을 120℃에서 10시간 건조한 후, 체에 통과시켜 혼합 분말의 과립을 얻어 그 평균 입경(d50)을 60~80μm의 범위 내로 하였다. 또한, 과립 100중량부에 대해 스테아린산 아연을 0.4중량부 첨가하고, 용기 회전 요동형 분체 혼합기에 의해 혼합하여 가압 성형에 제공하는 혼합 분말의 과립을 얻었다.

(2) 가압 성형

얻어진 과립을 성형 금형 내에 급분하고 유압 프레스기를 사용하여 실온에서 가압 성형하였다. 성형 압력은 0.74GPa로 하였다. 얻어진 성형체는 내경Φ 7.8mm, 외경Φ 13.5mm, 두께 4.3mm의 토로이달형 환상체로 하였다.

(3) 열처리

얻어진 성형체를 전기로에 의해 대기 중에서 소둔하여 대표 치수를 내경Φ 7.7mm, 외경Φ 13.4mm, 두께 4.3mm로 하는 자심을 얻었다. 열처리에서는 실온에서 소둔 온도인 750℃까지 2℃/분으로 승온하여 그 소둔 온도로 1시간 유지한 후 로냉하였다. 또한, 조립시에 첨가한 바인더 등의 유기물이 분해되도록 450℃에서 1시간 유지하는 탈지 공정을 열처리 도중에 포함시켰다.

또한, Cr을 4.5질량%, Si를 3.5질량%, 잔부가 Fe로 이루어지는 Fe기 연자성 합금 입자를 이용하여 자심을 제작하여 비교예 3으로 하였다. 구체적으로 엡손 아토믹스 주식회사 제품 PF-20F의 합금 입자를 사용하여 상기 (1)~(3)의 공정에 의해 자심을 얻었다. 단, 가압 성형에서의 성형 압력은 0.91GPa로 하였다.

상기와 같이 하여 얻어진 성형체나 자심에 대해 하기 (A)~(G)의 특성을 평가하였다.

(A) 성형체 밀도(dg), 소둔 후 밀도(ds)

환상체의 성형체와 자심에 대해 이들의 치수와 질량으로부터 부피 중량법에 의해 밀도(kg/㎥)를 산출하여 각각을 성형체 밀도(dg), 소둔 후 밀도(ds)로 하였다.

(B) 점적률

산출한 소둔 후 밀도(ds)를 연자성 합금의 진밀도로 나누어 자심의 점적률(상대 밀도)[%]을 산출하였다. 또, 상기 진밀도는 미리 주조하여 얻어진 연자성 합금의 잉곳에 대한 부피 중량법에 의해 구하였다.

(C) 자심 손실(Pcv)

환상체의 자심을 피측정물로 하고, 1차측 권선과 2차측 권선을 각각 15턴 감아 이와츠 계측 주식회사 제품 B-H 애널라이저 SY-8232를 이용하여 최대 자속 밀도 30mT, 주파수 50kHz~1000kHz의 조건으로 실온에서 자심 손실(Pcv(kW/㎥))을 측정하였다.

(D) 초기 투자율(μi)

환상체의 자심을 피측정물로 하고, 도선을 30턴 감아 LCR 미터(애질런트 테크놀로지 주식회사 제품 4284A)를 이용하여 주파수 100kHz로 실온에서 인덕턴스(L)를 측정하여 다음 식에 의해 초기 투자율(μi)을 구하였다.

초기 투자율 μi=(le×L)/(μ₀×Ae×N²)

[le: 자로 길이(mm), L: 시료의 인덕턴스(H), μ₀: 진공의 투자율=4π×10^-7(H/m), Ae: 자심의 단면적(㎟), N: 코일의 감김수]

(E) 증분 투자율(μ_Δ)

환상체의 자심을 피측정물로 하고, 도선을 30턴 감아 10kA/m의 직류 자계를 인가한 상태로 LCR 미터(애질런트 테크놀로지 주식회사 제품 4284A)를 이용하여 주파수 100kHz로 실온에서 인덕턴스(L)를 측정하여 전술한 초기 투자율(μi)과 같이 하여 증분 투자율(μ_Δ)을 구하였다.

(F) 압환 강도(σr)

JIS Z2507에 기초하여 인장·압축 시험기(주식회사 시마즈 제작소 제품 오토그래프 AG-1)의 정반 사이에 피측정물인 환상체의 자심을 배치하고, 그 자심에 지름 방향으로부터 하중을 주어 파괴시의 최대 가중(P(N))을 측정하여 다음 식으로부터 압환 강도(σr(MPa))를 구하였다.

압환 강도 σr(MPa)=P(D-d)/(Id²)

[D: 자심의 외경(mm), d: 자심의 두께〔내외경차의 1/2〕(mm), I: 자심의 높이(mm)]

(G) 비저항(ρ)(전기 저항률)

피측정물인 자심의 대향하는 두 평면에 도전성 접착제를 발라 그 접착제가 건조되어 고화되고 나서 전극의 사이에 자심을 세트하고, 전기 저항 측정 장치(주식회사 ADC 제품 8340A)에 의해 50V의 직류 전압을 인가하여 저항값(R(Ω))을 측정하여 다음 식에 의해 비저항(ρ(Ω·m))을 산출하였다.

비저항 ρ(Ω·m)=R×(A/t)

[A: 자심의 평면의 면적〔전극 면적〕(㎡), t: 자심의 두께〔전극간 거리〕(m)]

비교예 1~3, 참고예 1, 2 및 실시예 1~3의 자심에서 상기 특성의 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 비교예 1, 2, 참고예 1, 2 및 실시예 1~3의 자심에서 자심 손실과 Si량의 관계를 도 4의 그래프에 나타내고, 마찬가지로 초기 투자율 및 증분 투자율과 Si량의 관계를 도 5의 그래프에 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이 Si의 함유량이 증가하면 자심 손실이 양호하게 저감되어 있다. 특히 Si의 함유량이 0.9질량% 이상이 되는 예에서는 보다 바람직한 결과가 얻어져 있고, Si의 함유량은 1질량%를 넘는 것이 유효한 것을 알 수 있다. 참고예 2 및 실시예 1, 2에서는 모두 주파수 300kHz에서 자심 손실이 400kW/㎥를 밑돌았다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 Si의 함유량이 0.9질량% 초과 2질량% 이하인 예에서는 초기 투자율이 향상되었다. 한편, Si의 함유량이 4질량%를 넘으면 초기 투자율이 급격하게 저하되는 경향이 있기 때문에 Si의 함유량을 4질량% 이하로 하는 것이 유효한 것을 알 수 있다. 또한, Si의 함유량이 0.5질량%를 넘어도 증분 투자율은 저하되지 않고, 참고예 1, 2 및 실시예 1~3에서는 직류 중첩 특성이 확보된다고 할 수 있다.

표 2에 나타내는 바와 같이 Si의 함유량이 적은 범위에서는 Si가 증가함에 따라 비저항이나 압환 강도가 내려가는 경향이 있지만, 함유량이 1질량%를 넘는 범위에서는 특성의 저하가 거의 보이지 않고, 0.5×10³Ω·m 이상의 비저항과 120MPa를 크게 넘는 170MPa 이상의 압환 강도가 얻어져 있고, 종래의 자심(예를 들어 Fe-Si-Cr계 합금 입자에 의해 구성된 자심)에 비해 비저항이나 강도가 우수하다고 할 수 있다. Si의 함유량이 증가할수록 자심의 밀도가 저하되는 경향이 있지만, Si의 함유량이 4질량% 이하이면 양호한 투자율을 가질 수 있는 것은 전술한 바와 같다.

이들 자심에 대해 주사형 전자 현미경(SEM/EDX)을 이용하여 단면 관찰을 행하고, 동시에 각 구성 원소의 분포를 조사하였다. 도 6~8은 각각 비교예 1 및 실시예 1, 2의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진이다. 명도가 높은 부분이 Fe기 연자성 합금 입자이고, 그 표면에 형성된 명도가 낮은 부분이 입계부 또는 공극부이다. Si의 함유량이 증가함에 따라 합금 입자 간의 공극이 증가하고, 이에 따라 소둔 후 밀도가 작아진 것으로 생각된다.

도 9~14는 각각 비교예 1, 2, 참고예 1, 2 및 실시예 1, 2에서의 자심을 단면 관찰한 SEM 사진과 그 대응 시야에서의 원소 분포를 나타내는 매핑도이다. (b)~(f)의 매핑도는 각각 Fe, Al, Cr, Si, O의 분포를 나타내고, 밝은 색조일수록 대상 원소가 많다. 실시예 모두에서 입계상에서 Al의 농도가 높고, 그런데 O도 많아서 산화물이 생성되어 있고, 인접하는 합금상이 입계상을 통해 결합되어 있는 모습이 관찰된다. 또한, 입계상에서는 합금상의 내부에 비해 총 Fe의 농도가 낮고, Cr이나 Si는 Al에 비해 큰 농도 분포를 나타내지 않는다.

도 15~17은 각각 비교예 2, 참고예 2 및 실시예 2의 자심을 투과형 전자 현미경(TEM)에 의해 60만배 이상으로 단면 관찰한 TEM 사진으로, Fe기 연자성 합금 입자에 의해 형성된 합금상의 2입자의 단면의 윤곽이 확인되는 부분을 나타내고 있다. 이들 TEM 사진에 있어서 상하 방향으로 횡단하는 띠형부가 입계상이며, 그 입계상을 통해 인접하도록 위치하고 입계상보다 명도가 낮은 부분이 합금상이다. 입계상의 중앙부와 합금상의 근방이 되는 입계상의 경계부에서는 색조가 다른 부분이 확인되었다.

도 15~17에 도시된 단면에서 입계상의 중앙부(마커 1)와 입계상의 경계부(마커 2)와 합금상의 내부(마커 3)에 대한 TEM-EDX에 의한 조성 분석을 행한 결과를 표 3~5에 나타낸다. 입계상의 경계부는 합금상의 근방으로서, 단면의 윤곽으로서 나타나는 합금 입자의 표면으로부터 약 5nm 떨어진 위치로 하였다. 또한, 합금상의 내부는 합금 입자의 표면으로부터 약 10nm 이상 떨어진 위치로 하였다. 이들 조성 분석은 모두 직경 1nm의 영역에서 행하였다.

비교예 2, 참고예 2 및 실시예 2 모두에서 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 합금상보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역이 입계상에 생성되었다. 또한, 입계상에는 윤활제로서 첨가한 스테아린산 아연에 유래하는 Zn도 확인되었지만, 각 표에서 생략되어 있다. 입계상의 경계부에서는 Fe, Al, Cr 및 Si의 합에 대한 Al의 비율이 Fe, Cr 및 Si 각각의 비율보다 높다. 이 합금상 측에 형성된 영역이 제1 영역에 상당한다. 한편, 입계상의 중앙부에서는 Fe, Al, Cr 및 Si의 합에 대한 Fe의 비율이 Al, Cr 및 Si 각각의 비율보다 높고, 이 영역이 제2 영역에 상당한다. 참고예 2 및 실시예 2에서는 입계상의 경계부보다 중앙부에서 Cr 농도가 높았다. 실시예 2에서는 입계상의 중앙부에서 경계부보다 Si가 농화되어 있었다.

상기와 같이 Fe, Al, Cr 및 Si의 합에 대한 Al의 비율이 합금상의 내부보다 높은 산화물 영역이 입계상에 확인되었다. Al의 산화물은 절연성이 높기 때문에 이러한 Al의 산화물이 입계상에 생성됨으로써 절연성 확보나 자심 손실 저감에 기여한다고 추측된다. 또한, 상기와 같은 제1 영역과 제2 영역을 갖는 입계상을 통해 Fe기 연자성 합금 입자가 결합되어 있음으로써 강도 확보에 기여한다고 생각된다. 나아가 자심이 Fe, Al, Cr 및 Si를 소정의 범위에서 함유함으로써 자심 손실을 저감할 수 있다.

1 자심
20 Fe기 연자성 합금 입자
30 입계상
30a 입계상의 제1 영역
30b 입계상의 제2 영역

Claims

Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하는 합금상이 분산되고, 인접하는 상기 합금상이 입계상으로 연결된 조직을 가지며,
Fe, Al, Cr 및 Si의 합을 100질량%로 하여 Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 가지며,
상기 입계상에 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 상기 합금상보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역을 구비하는 자심.
청구항 1에 있어서,
Si를 3질량% 이하로 포함하는 자심.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
비저항이 0.5×10³Ω·m 이상이고, 압환 강도가 120MPa 이상인 자심.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 자심과, 그 자심에 실시된 코일을 갖는 코일 부품.
Al을 3질량% 이상 10질량% 이하, Cr을 3질량% 이상 10질량% 이하, Si를 1질량% 초과 4질량% 이하로 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 Fe기 연자성 합금 입자와 바인더를 혼합하여 혼합 분말을 얻는 공정과,
상기 혼합 분말을 가압 성형하여 성형체를 얻는 공정과,
산소를 포함하는 분위기 중에서 상기 성형체를 열처리하여 상기 Fe기 연자성 합금 입자에 의해 형성된 합금상이 분산된 조직을 갖는 자심을 얻는 공정을 구비하고,
상기 열처리에 의해 인접하는 상기 합금상을 연결하는 입계상을 형성함과 동시에 상기 입계상에 Fe, Al, Cr 및 Si를 포함하고 질량비로 상기 합금상보다 많은 Al을 포함하는 산화물 영역을 생성하는 자심의 제조 방법.