WO2017022594A1 - 軟磁性材料およびその製造方法 - Google Patents

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和宏 逸見
亨 ▲高▼橋
規治 吉年
彰宏 牧野
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株式会社村田製作所
国立大学法人東北大学
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Definitions

  • the present invention relates to a soft magnetic material and a manufacturing method thereof.
  • Soft magnetic powder having an amorphous structure is widely used in applications such as magnetic core (core) materials for coil parts used in electronic equipment.
  • core magnetic core
  • a method for producing a soft magnetic powder for example, by rapidly cooling a molten alloy to form a ribbon-like or powder-like quenching body having an amorphous phase as a main phase, the quenching body is subjected to a heat treatment to be crystallized.
  • a method for producing an Fe-based soft magnetic alloy in which fine grains are formed by precipitating crystal grains having an average crystal grain size of 50 nm or less containing at least Fe, wherein the quenching body is higher than the crystallization start temperature and substantially contains the compound phase.
  • Patent Document 1 A method for producing an Fe-based soft magnetic alloy is known in which a heat treatment for heating to a temperature at which it is not formed is performed at least twice (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 when producing a microcrystalline alloy (nanocrystalline alloy), the influence of self-heating is reduced by optimizing the heat treatment conditions for precipitating the microcrystals.
  • the present invention provides a soft magnetic alloy having excellent characteristics, low loss, and low coercive force.
  • An object of the present invention is to provide a soft magnetic powder in which small-sized nanocrystals are formed at a high density, which has excellent soft magnetic properties, and a method for producing the same.
  • the inventors have subjected the alloy powder obtained by cooling the molten metal of the mother alloy to at least two heat treatments, and the highest temperature in the first heat treatment and the highest in the second heat treatment. It is found that by setting the temperature to an appropriate value, small-sized nanocrystals can be formed at high density, and a soft magnetic powder having excellent soft magnetic properties can be obtained, and the present invention is completed. It came.
  • a soft magnetic powder comprising particles having a plurality of crystallites and an amorphous phase existing around the crystallites,
  • the average particle size of the crystallites is 30 nm or less
  • the average thickness of the amorphous phase is 30 nm or less
  • the average Fe concentration in the amorphous phase is lower than the average Fe concentration in the crystallite in a region where the depth from the particle surface is 0.2 r or more and 0.4 r or less.
  • the maximum temperature T1 in the first heat treatment is a temperature at which the Avrami constant is 1.7 or more, and the maximum temperature T2 in the second heat treatment is a temperature lower than T1
  • a method is provided wherein the degree of crystallinity as measured by powder X-ray diffraction is less than 20% in the alloy powder after the first heat treatment and greater than 20% in the soft magnetic powder after the second heat treatment.
  • a magnetic core formed of a composite material containing the above-mentioned soft magnetic powder and a resin.
  • the above-mentioned soft magnetic powder and a resin are mixed, and the resulting mixture is molded to obtain a molded body; And a step of heating the molded body.
  • a coil component including the above-described magnetic core and a coil conductor wound around the magnetic core.
  • a coil component including a magnetic body portion including a composite material containing the above-described soft magnetic powder and a resin as a main component, and a coil conductor embedded in the magnetic body portion.
  • the soft magnetic powder according to the present invention has excellent soft magnetic properties due to the above configuration.
  • the method for producing a soft magnetic powder according to the present invention can produce a soft magnetic powder in which small-sized nanocrystals are formed at a high density, and can obtain a soft magnetic powder having excellent soft magnetic properties. it can.
  • the soft magnetic powder according to the present invention as a magnetic core material, a coil component having excellent magnetic characteristics can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a crystallite and an amorphous phase in a soft magnetic powder according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an X-ray diffraction pattern analysis method.
  • the soft magnetic powder according to one embodiment of the present invention includes particles having a plurality of crystallites and an amorphous phase existing around the crystallites.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of crystallites and an amorphous phase contained in soft magnetic powder.
  • the average particle size of the crystallites contained in the soft magnetic powder according to the present embodiment is 30 nm or less.
  • the average grain size of the crystallites may be 2 nm or more.
  • the average thickness of the amorphous phase contained in the soft magnetic powder according to this embodiment is 30 nm or less.
  • the average thickness of the amorphous phase may be 1 nm or more.
  • the “amorphous phase thickness” means the thickness of the amorphous phase existing between adjacent crystallites.
  • the average thickness of the amorphous phase can be determined from a TEM photograph. Specifically, in the TEM photograph of the soft magnetic powder, r is the minor axis of the cross section of the particle contained in the soft magnetic powder, and the depth from the surface of the particle is arbitrarily in the region of 0.2r to 0.4r.
  • the boundary between the crystal phase of one crystallite and the surrounding amorphous phase, the crystal phase of the crystallite adjacent to the one crystallite, and the surrounding amorphous phase Measure the length of the line connecting the boundary of Let the average value of the length of this line segment be the average thickness of an amorphous phase.
  • the soft magnetic powder according to the present embodiment Since the average particle size of the crystallites contained in the soft magnetic powder and the average thickness of the amorphous phase are within the above ranges, the soft magnetic powder according to the present embodiment has nano-sized crystallites present at a high density. Therefore, it has high soft magnetic properties. Therefore, when the soft magnetic powder according to the present embodiment is used as a magnetic core material, a coil component having high magnetic characteristics can be obtained. Specifically, core loss can be reduced, and high magnetic permeability and high saturation magnetic flux density can be achieved.
  • the average Fe concentration in the amorphous phase and the crystallite can be obtained by combining TEM measurement and energy dispersive X-ray analysis (EDS). Specifically, in the TEM photograph of the soft magnetic powder, r is the minor axis of the cross section of the particle contained in the soft magnetic powder, and the depth from the surface of the particle is arbitrarily in the region of 0.2r to 0.4r.
  • the Fe concentration at the center of the crystallite is obtained by EDS measurement, and the average value is taken as the average Fe concentration in the crystallite.
  • the Fe at the midpoint of the line segment connecting the boundary between the crystal phase of the crystallite and the surrounding amorphous phase and the boundary between the crystal phase of the crystallite adjacent to the crystallite and the surrounding amorphous phase at the shortest is determined by EDS measurement, and the average value is defined as the average Fe concentration in the amorphous phase.
  • the ratio of the average Fe concentration in the amorphous phase to the average Fe concentration in the crystallite is 0.90 or less. It is preferable. When the ratio of the average Fe concentration is 0.90 or less, the Fe concentration in the crystallite increases, and as a result, the saturation magnetic flux density increases.
  • the degree of crystallinity of the soft magnetic powder is preferably greater than 20%, more preferably 30% or more. When the crystallinity of the soft magnetic powder is 30% or more, the soft magnetic characteristics can be further improved.
  • the crystallinity of the soft magnetic powder can be measured by a method described below by a powder X-ray diffraction method.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining an X-ray diffraction pattern analysis method.
  • a crystal peak indicating a body-centered cubic structure is indicated by P
  • a crystal peak indicating a low symmetry crystal structure is indicated by P2
  • a halo region indicating amorphous property is indicated by H. It is.
  • the crystallinity can be calculated by using the following formula (3) based on the X-ray diffraction spectrum of the soft magnetic powder.
  • X ⁇ Ic / (Ic + Ic ′ + Ia) ⁇ ⁇ 100 (3)
  • Ic area of crystal peak region showing body-centered cubic structure
  • Ic ′ area of crystal peak region showing low symmetry crystal structure
  • Ia showing amorphous property Hello area
  • the crystal peak P showing a body-centered cubic structure is a peak in which the diffraction angle 2 ⁇ from the 110 plane of Fe is in the range of 44.5 ° to 45.5 °.
  • the soft magnetic powder preferably contains a crystal phase mainly having a body-centered cubic structure.
  • the crystal phase mainly has a body-centered cubic structure
  • the soft magnetic characteristics are further improved.
  • Whether or not the crystal phase mainly has a body-centered cubic structure can be evaluated by a powder X-ray diffraction method.
  • the peak area ratio Y of the crystal peak showing a crystal structure with low symmetry can be expressed by the following formula (4).
  • Y ⁇ Ic ′ / (Ic + Ic ′ + Ia) ⁇ ⁇ 100 (4)
  • the value of Y is 1 or less, it can be considered that the crystal phase mainly has a body-centered cubic structure.
  • the particles contained in the soft magnetic powder preferably contain an alloy composition represented by the general formula Fe a Si b B c P d Cu e M f C g Cr h .
  • a part of Fe is substituted with at least one element of Ni and Co (that is, 0 ⁇ f ⁇ 12 in the above general formula).
  • the magnetic properties can be further improved.
  • a part of Fe is substituted with C (that is, 0 ⁇ g ⁇ 8 in the above general formula).
  • C that is, 0 ⁇ g ⁇ 8 in the above general formula.
  • a part of Fe is replaced with Cr (that is, 0 ⁇ h ⁇ 10 in the above general formula). Cr tends to be oxidized more easily than Fe. Therefore, when a part of Fe is replaced with Cr, Cr is preferentially oxidized, so that oxidation of Fe can be suppressed, and thereby deterioration of magnetic properties can be suppressed.
  • the particles contained in the soft magnetic powder preferably include an alloy composition represented by the general formula Fe a ′ Si b ′ B c ′ P d ′ Cu e ′ M ′ f ′ .
  • a ′, b ′, c ′, d ′, e ′ and f ′ are respectively 81 ⁇ (a ′ + f ′) ⁇ 86, 2 ⁇ b ′ ⁇ 8, 6 ⁇ c ′ ⁇ 10, 2 ⁇ d ′ ⁇ 5, 0.4 ⁇ e ′ ⁇ 1.4, 0.08 ⁇ e ′ / d ′ ⁇ 0.8, and 0 ⁇ f ′ ⁇ 3, and M ′ is Ti, Zr, Hf, Nb , Ta, Mo, W, Cr, Co, Ni, Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, Y, N, O and at least one element of rare earth elements.
  • the method for producing a soft magnetic powder according to the present embodiment includes a step of cooling a molten metal of a mother alloy to obtain an alloy powder mainly composed of an amorphous phase, a step of subjecting the alloy powder to a first heat treatment, Subjecting the alloy powder subjected to the heat treatment to a second heat treatment to obtain a soft magnetic powder.
  • a step of cooling a molten metal of a mother alloy to obtain an alloy powder mainly composed of an amorphous phase
  • Subjecting the alloy powder subjected to the heat treatment to a second heat treatment to obtain a soft magnetic powder.
  • the molten metal of the mother alloy is cooled to obtain an alloy powder mainly composed of an amorphous phase.
  • the mother alloy is prepared by weighing raw materials such as Fe, Si, Fe—B alloy, Fe—P alloy, Cu, Ni, Co, C, Cr, etc. so as to have a predetermined alloy composition, and heating and melting above the melting point, The lysate can then be prepared by cooling.
  • the master alloy preferably has a composition represented by the general formula Fe a Si b B c P d Cu e M f C g Cr h .
  • the mother alloy has the above composition
  • an amorphous phase can be stably formed, and a soft magnetic powder with higher soft magnetic properties can be obtained.
  • the mother alloy having the above-described composition is suitable for pulverizing the molten mother alloy with a high-pressure gas flow in the production of the alloy powder described later.
  • the master alloy preferably has a composition represented by the general formula Fe a ′ Si b ′ B c ′ P d ′ Cu e ′ M ′ f ′ .
  • a ′, b ′, c ′, d ′, e ′ and f ′ are respectively 81 ⁇ (a ′ + f ′) ⁇ 86, 2 ⁇ b ′ ⁇ 8, 6 ⁇ c ′ ⁇ 10, 2 ⁇ d ′ ⁇ 5, 0.4 ⁇ e ′ ⁇ 1.4, 0.08 ⁇ e ′ / d ′ ⁇ 0.8, and 0 ⁇ f ′ ⁇ 3, and M ′ is Ti, Zr, Hf, Nb , Ta, Mo, W, Cr, Co, Ni, Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Bi, Y, N, O and at least one element of rare earth elements.
  • the mother alloy having the above composition is suitable for the case of pulverizing the molten metal of the mother alloy with a high-pressure water flow in the production of the alloy powder to be described later, or when pulverizing the molten metal of the mother alloy with a high-pressure gas flow and cooling with water. ing.
  • the alloy powder mainly composed of an amorphous phase is obtained by cooling the molten metal of the mother alloy.
  • the alloy powder can be produced, for example, by pulverizing a molten metal of the mother alloy with a high-pressure water flow or a high-pressure gas flow and cooling. That is, the alloy powder can be formed by spraying high-pressure water or high-pressure gas on the molten metal.
  • the high pressure gas is a gas having a pressure of 1 MPa or more and 10 MPa.
  • the mother alloy is crushed to a size of about 3 cm so as to be easily melted, it is put into a crucible of an atomizing device such as a gas atomizing device, and high frequency induction heating is performed to melt the mother alloy to obtain a molten metal.
  • the inside of the atomizer is preferably set to an inert atmosphere such as an argon atmosphere.
  • the molten alloy is pulverized by jetting a jet fluid (that is, a high-pressure water stream or a high-pressure gas stream) onto the molten metal, and cooled (rapidly cooled) to obtain an alloy powder mainly composed of an amorphous phase.
  • argon gas, nitrogen gas, or the like can be used as the jet fluid. Cooling can be performed using a cooling medium such as water or gas.
  • a gas for example, an inert gas such as argon gas or nitrogen gas is preferably used as the cooling medium.
  • the alloy powder is subjected to a first heat treatment.
  • the first heat treatment can be performed using a heating device such as an infrared heating device.
  • the atmosphere in the heating device is preferably an inert gas atmosphere such as helium gas.
  • the atmosphere in the heating device may be a mixed gas atmosphere in which hydrogen gas is added to helium gas. By adding hydrogen gas, oxidation of the metal element during heat treatment can be suppressed. Hydrogen gas may be added at about 3% in terms of partial pressure.
  • the present inventors set the maximum temperature T1 in the first heat treatment to a temperature at which the Avrami constant is 1.7 or more, and set the maximum temperature T2 in the second heat treatment described later to a temperature lower than T1.
  • the inventors have found that nano-sized fine crystallites can be formed with high density.
  • the Avrami constant is a parameter indicating the mode of crystallization. The smaller the Avrami constant, the more difficult the crystallization proceeds, and the larger the Avrami constant, the easier the crystallization proceeds. When the degree of crystallinity is the same value, the larger the Avrami constant, the smaller the size of crystallites can be formed.
  • the Avrami constant of the alloy powder can be determined by the procedure described below by differential scanning calorimetry (DSC).
  • DSC differential scanning calorimetry
  • the isothermal DSC measurement of the alloy powder (temperature increase rate 400 ° C./min, isothermal holding measurement time 60 minutes) is performed twice in an argon atmosphere. Since the alloy powder is completely crystallized by the first measurement, no exothermic reaction due to self-heating occurs in the second measurement.
  • the calorific value of the alloy powder sample is calculated from the difference between the DSC curve obtained by the first measurement and the DSC curve obtained by the second measurement.
  • the cumulative calorific value from the start of isothermal measurement is obtained as a function of time t.
  • t isothermal holding time (seconds)
  • the maximum value of the Avrami constant obtained in this way is set as the Avrami constant at each temperature.
  • the maximum temperature T1 in the first heat treatment is set to a temperature at which the Avrami constant is 1.7 or more.
  • the crystallinity of the alloy powder after the first heat treatment measured by powder X-ray diffraction, is 20% or less.
  • the crystallinity after the first heat treatment is a relatively low value of 20% or less, the self-heating of the alloy powder in the first heat treatment can be suppressed.
  • the crystallinity can be calculated by the above-mentioned formula (3) by powder X-ray diffraction method.
  • the first heat treatment for a period of time not less than 0.01 when the crystallization reaction ratio is 0.01 or more and not more than a time when the crystallization reaction ratio is 0.4 or less.
  • the time of the first heat treatment is within the above range, it is easy to set the crystallinity of the alloy powder after the first heat treatment to an appropriate value.
  • the alloy powder subjected to the first heat treatment is subjected to the second heat treatment to obtain a soft magnetic powder.
  • the second heat treatment can be performed using a heating device such as an infrared heating device. Note that the first heat treatment and the second heat treatment may be performed continuously in the same heating apparatus, or may be performed using different heating apparatuses.
  • the atmosphere in the heating device is preferably an inert gas atmosphere such as argon gas.
  • the maximum temperature T2 in the second heat treatment is set to a temperature lower than T1.
  • the second heat treatment is preferably performed for 1 minute to 120 minutes, more preferably 5 minutes to 60 minutes.
  • time of the second heat treatment is within the above range, a soft magnetic powder in which nano-sized fine crystallites are formed at a high density can be obtained, and the soft magnetic characteristics are further improved.
  • the crystallinity of the soft magnetic powder after the second heat treatment is greater than 20%.
  • a soft magnetic powder having excellent soft magnetic properties can be obtained.
  • the magnetic core according to the present embodiment is formed of a composite material containing the soft magnetic powder according to the present invention and a resin.
  • a resin for example, an epoxy resin, a phenol resin, a silicone resin, or the like can be used.
  • the content of the soft magnetic powder in the composite material is preferably 60 vol% or more and 90 vol% or less. When the content of the soft magnetic powder is within the above range, a magnetic core having excellent magnetic properties can be obtained.
  • the dimension and shape of the magnetic core are not particularly limited, and can be appropriately set according to the intended use.
  • the magnetic core may be, for example, a toroidal core having an outer diameter of 13 mm, an inner diameter of 8 mm, and a thickness of 2.5 mm.
  • the method of manufacturing a magnetic core according to the present embodiment includes a step of mixing the soft magnetic powder according to the present invention and a resin such as an epoxy resin, a phenol resin, and a silicone resin, and molding the resulting mixture to obtain a molded body, Heating the molded body.
  • the molded body can be obtained, for example, by press molding a mixture containing soft magnetic powder and resin at a pressure of about 100 MPa.
  • the size and shape of the molded body are not particularly limited, and can be appropriately set according to the desired size and shape of the magnetic core.
  • the heating temperature of a molded object can be suitably set according to the kind etc. of resin to be used.
  • the coil component according to this embodiment includes a magnetic core according to the present invention and a coil conductor wound around the magnetic core.
  • the coil conductor can be formed by winding a metal wire such as a copper wire covered with enamel around a magnetic core. Since the coil component according to the present embodiment uses the soft magnetic powder according to the present invention as a magnetic core material, the coil component has excellent magnetic characteristics.
  • the coil component according to the present embodiment is embedded in a magnetic body portion including as a main component a composite material containing the soft magnetic powder according to the present invention and a resin such as an epoxy resin, a phenol resin, or a silicone resin. Coil conductors. Since the coil component according to the present embodiment uses the soft magnetic powder according to the present invention as a magnetic core material, the coil component has excellent magnetic characteristics.
  • the content of the soft magnetic powder in the composite material is preferably 60 vol% or more and 90 vol% or less. When the content of the soft magnetic powder is within the above range, the magnetic characteristics of the coil component can be further improved.
  • the coil component according to the present embodiment can be manufactured, for example, according to the procedure described below.
  • a plurality of composite material sheets are formed. And a coil conductor is arrange
  • a coil component can be obtained by thermocompression bonding of the sheet with the coil conductor disposed between the sheets.
  • the stator core of a motor can be formed using the soft magnetic powder of the present invention.
  • a coil component in which a coil conductor is wound around an armature tooth, a rotor rotatably disposed inside the coil component, and a plurality of armature teeth are provided at equal intervals on the same circumference.
  • a stator core Since the soft magnetic powder of the present invention has a high saturation magnetic flux density and low magnetic loss, it is possible to obtain a high-quality motor with low power loss by forming a stator core with the soft magnetic powder of the present invention. Become.
  • the soft magnetic powders of Examples 1 to 37 were prepared according to the procedure described below.
  • This mother alloy was crushed to a size of about 3 cm, put into a crucible of a gas atomizer, and melted by high frequency induction heating to obtain a molten metal.
  • the atmosphere inside the gas atomizer was set to an argon atmosphere.
  • an argon gas jet fluid was jetted into the molten metal, pulverized, and quenched with cooling water to obtain alloy powders of Examples 1 to 37.
  • the alloy powders of Examples 1 to 16 and 18 to 37 were subjected to the first heat treatment using an infrared heating device.
  • the maximum temperature in the first heat treatment was set to the temperatures shown in Tables 1, 4, 7, and 10.
  • the atmosphere in the heating apparatus was set to a mixed gas atmosphere in which 3% hydrogen gas in terms of partial pressure was added to helium gas.
  • the first heat treatment was performed for 10 seconds.
  • the alloy powder of Example 17 was not subjected to the first heat treatment.
  • crystal structure means the crystal structure of soft magnetic powder
  • bcc means that the soft magnetic powder mainly has a body-centered cubic structure
  • Bcc + lsp means that the soft magnetic powder has a low symmetric phase in addition to the body-centered cubic structure.
  • TEM Transmission electron microscope
  • n selected arbitrarily in the region where the depth from the surface of the particle is 0.2r to 0.4r, where r is the minor axis of the cross section of the particle contained in the soft magnetic powder.
  • the average Fe concentration in the amorphous phase and crystallites was determined by TEM-EDS.
  • n is selected arbitrarily in the region where the depth from the surface of the particle is 0.2r to 0.4r, where r is the minor axis of the cross section of the particle contained in the soft magnetic powder (n For the crystallites of ⁇ 5), the Fe concentration at the center of the crystallite was determined by EDS measurement, and the average value was taken as the average Fe concentration in the crystallite.
  • the concentration was determined by EDS measurement, and the average value was taken as the average Fe concentration in the amorphous phase.
  • the ratio of the average Fe concentration in the amorphous phase to the average Fe concentration in the crystallite shown as “Fe concentration ratio” in the table) was determined. The results are shown in Tables 2, 5, 8 and 11. In the soft magnetic powder of Example 17, no crystalline phase was detected, so the average Fe concentration in the crystallites could not be measured.
  • coil parts were produced according to the procedure described below. First, 3 parts by weight of epoxy resin is added to 100 parts by weight of each sample (ratio of epoxy resin: 15 vol%), press-molded with a pressure of 100 MPa, an outer diameter of 13 mm, an inner diameter of 8 mm, and a thickness of 2.5 mm. A toroidal core was produced. Next, a copper wire with a wire diameter of 0.3 mm covered with enamel is placed on the outer periphery of the toroidal core so that the number of turns of the primary winding for excitation and the secondary winding for voltage detection are both 16. The coil parts of Examples 1 to 37 were manufactured by winding twice.
  • the core loss (magnetic loss) of the coil component was measured at an applied magnetic field of 30 mT and a measurement frequency of 1 MHz, using a BH analyzer SY-8217 manufactured by Iwatsu Measurement Co., Ltd. The results are shown in Tables 2, 5, 8 and 11. In Tables 1 to 11, those marked with “*” are comparative examples.
  • the coil component using the soft magnetic powder of Example 1 in which the maximum temperature T1 in the first heat treatment is set to a temperature where the Avrami constant is less than 1.7 is greater than 2000 kW / m 3 Has core loss. This is considered due to the fact that the average particle size of the crystallites present in the soft magnetic powder was larger than 30 nm.
  • the coil parts using the soft magnetic powders of Examples 1, 2 and 16 whose crystallinity after the first heat treatment was greater than 20% had a core loss greater than 2000 kW / m 3 . This is considered due to the fact that the average particle size of the crystallites present in the soft magnetic powder was larger than 30 nm.
  • the coil parts using the soft magnetic powders of Examples 8 to 10 in which the maximum temperature T2 in the second heat treatment was higher than the maximum temperature T1 in the first heat treatment had a core loss greater than 2000 kW / m 3 . This is considered due to the fact that the average particle size of the crystallites present in the soft magnetic powder was larger than 30 nm.
  • Coil parts using the soft magnetic powders of Examples 14 and 15 whose crystallinity after the second heat treatment was less than 20% had a core loss greater than 2000 kW / m 3 . This is presumably because the average thickness of the amorphous phase present in the soft magnetic powder was larger than 30 nm.
  • the coil component using the soft magnetic powder of Example 17 that was not subjected to the first and second heat treatments had a core loss greater than 2000 kW / m 3 . This is considered due to the fact that fine crystallites were not formed in the soft magnetic powder of Example 17.
  • the coil components using the soft magnetic powders of Examples 3 to 7 and 11 to 13 had a core loss of 2000 kW / m 3 or less. This shows that the core loss was able to be reduced by using the soft magnetic powder according to the present invention.
  • the coil component using the soft magnetic powder of Example 27 whose crystallinity after the first heat treatment was greater than 20% had a core loss greater than 2000 kW / m 3 . This is considered due to the fact that the average particle size of the crystallites present in the soft magnetic powder was larger than 30 nm.
  • the coil parts using the soft magnetic powders of Examples 18 to 26 had a core loss of 2000 kW / m 3 or less. This shows that the core loss was able to be reduced by using the soft magnetic powder according to the present invention.
  • the coil component using the soft magnetic powder of Example 32 in which the maximum temperature T1 in the first heat treatment was set to a temperature where the Avrami constant was smaller than 1.7 was larger than 2000 kW / m 3
  • the coil parts using the soft magnetic powders of Examples 28 to 31 had a core loss of 2000 kW / m 3 or less. This shows that the core loss was able to be reduced by using the soft magnetic powder according to the present invention.
  • the coil component using the soft magnetic powder of Example 37 whose crystallinity after the first heat treatment was greater than 20% had a core loss greater than 2000 kW / m 3 . This is presumably because the average particle size of the crystallites present in the soft magnetic powder was larger than 30 nm and the average thickness of the amorphous phase was larger than 30 nm.
  • the coil parts using the soft magnetic powders of Examples 33 to 36 had a core loss of 2000 kW / m 3 or less. This shows that the core loss was able to be reduced by using the soft magnetic powder according to the present invention.
  • the soft magnetic powder according to the present invention as a magnetic core material, a coil component having excellent magnetic properties can be obtained, and it can be used for an electronic device that requires high performance.

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Abstract

本開示にかかる軟磁性粉末は、複数のナノサイズの結晶子と、結晶子の周りに存在するアモルファス相とを有する粒子を含む軟磁性粉末であって、結晶子の平均粒径が30nm以下であり、アモルファス相の平均厚さが30nm以下であり、粒子の断面の短径をrとしたとき、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下である領域において、アモルファス相における平均Fe濃度が結晶子における平均Fe濃度よりも低い、軟磁性粉末である。

Description

軟磁性材料およびその製造方法
 本発明は、軟磁性材料およびその製造方法に関する。
 アモルファス構造を有する軟磁性粉末は、電子機器に用いられるコイル部品の磁心(コア)材料等の用途で幅広く用いられている。軟磁性粉末の製造方法として、例えば、合金溶湯を急冷して非晶質相を主相とする薄帯状又は粉末状の急冷体とし、急冷体に熱処理を施して結晶化することにより、bcc-Feを少なくとも含む平均結晶粒径50nm以下の結晶粒を析出させて微細結晶組織を形成するFe基軟磁性合金の製造方法であり、急冷体を、結晶化開始温度より高く、かつ化合物相を実質的に形成しない温度まで加熱する熱処理を少なくとも2回以上行うことを特徴とするFe基軟磁性合金の製造方法が知られている(特許文献1)。特許文献1に記載の方法は、微結晶合金(ナノ結晶合金)を製造するに際し、微結晶を析出させる際の熱処理の条件を最適にすることで自己発熱の影響を少なくし、これにより軟磁気特性に優れ、かつ低損失で低保磁力の軟磁性合金を提供するものである。
特開2003-213331号公報
 上述のように熱処理して微結晶を析出させる際、合金材料が自己発熱するため、熱処理時の温度制御は困難である。自己発熱により熱処理時の温度が高くなりすぎると、微結晶(ナノ結晶)の寸法が大きくなり、その結果、磁気特性が悪化する傾向にある。一方、熱処理時の温度が低くなりすぎると、ナノ結晶を形成することができない。本発明者らの検討により、特許文献1に記載の熱処理条件では自己発熱の影響を十分に排除することができず、小さいサイズのナノ結晶を高密度に形成することが困難であることが明らかとなった。
 本発明は、小さいサイズのナノ結晶が高密度に形成された軟磁性粉末であって、優れた軟磁気特性を有する軟磁性粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。
 本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、母合金の溶湯を冷却して得られる合金粉末を、少なくとも2回の熱処理に付し、第1の熱処理における最高温度および第2の熱処理における最高温度を適切な値に設定することにより、小さいサイズのナノ結晶を高密度に形成することができ、優れた軟磁気特性を有する軟磁性粉末を得ることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
 本発明の第1の要旨によれば、複数の結晶子と、結晶子の周りに存在するアモルファス相とを有する粒子を含む軟磁性粉末であって、
 結晶子の平均粒径が30nm以下であり、アモルファス相の平均厚さが30nm以下であり、
 粒子の断面の短径をrとしたとき、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下である領域において、アモルファス相における平均Fe濃度が前記結晶子における平均Fe濃度よりも低い、軟磁性粉末が提供される。
 本発明の第2の要旨によれば、母合金の溶湯を冷却して、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る工程と、
 合金粉末を第1の熱処理に付す工程と、
 第1の熱処理に付した合金粉末を第2の熱処理に付して、軟磁性粉末を得る工程と
を含む、軟磁性粉末の製造方法であって、
 第1の熱処理における最高温度T1は、Avrami定数が1.7以上となる温度であり、第2の熱処理における最高温度T2はT1より低い温度であり、
 粉末X線回折法により測定される結晶化度が、第1の熱処理後の合金粉末において20%以下であり、第2の熱処理後の軟磁性粉末において20%より大きい、方法が提供される。
 本発明の第3の要旨によれば、上述の軟磁性粉末と、樹脂とを含有する複合材料で形成された磁心が提供される。
 本発明の第4の要旨によれば、上述の軟磁性粉末と、樹脂とを混合し、得られる混合物を成形して成形体を得る工程と、
 成形体を加熱する工程と
を含む、磁心の製造方法が提供される。
 本発明の第5の要旨によれば、上述の磁心と、磁心に巻回されたコイル導体とを含む、コイル部品が提供される。
 本発明の第6の要旨によれば、上述の軟磁性粉末と樹脂とを含有する複合材料を主成分として含む磁性体部と、磁性体部に埋設されたコイル導体とを含む、コイル部品が提供される。
 本発明に係る軟磁性粉末は、上記構成を有することにより、優れた軟磁気特性を有する。また、本発明に係る軟磁性粉末の製造方法は、小さいサイズのナノ結晶が高密度に形成された軟磁性粉末を製造することができ、優れた軟磁気特性を有する軟磁性粉末を得ることができる。本発明に係る軟磁性粉末を磁心材料として用いることにより、優れた磁気特性を有するコイル部品を得ることができる。
図1は、本発明の一の実施形態に係る軟磁性粉末における結晶子およびアモルファス相を模式的に示す図である。 図2は、X線回折パターンの解析方法を説明する図である。
 以下、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に示す実施形態は例示を目的とするものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
 本発明の一の実施形態に係る軟磁性粉末は、複数の結晶子と、前記結晶子の周りに存在するアモルファス相とを有する粒子を含む。図1に、軟磁性粉末に含まれる結晶子およびアモルファス相の模式図を示す。本実施形態に係る軟磁性粉末に含まれる結晶子の平均粒径は30nm以下である。結晶子の平均粒径は、2nm以上であってよい。
 結晶子の平均粒径は、透過型電子顕微鏡(TEM)写真から求めることが可能である。具体的には、軟磁性粉末のTEM写真において、軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとして、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下の領域において任意に選択したn個(n≧5)の結晶子の長径DLおよび短径DSを測定し、下記の式(2)を用いることにより算出することができる。本明細書において、「粒子の表面からの深さ」は、粒子の表面の法線方向の深さを意味する。

D=Σ(DL+DS)/2n   (2)

(D:結晶子の平均粒径)
 一方、本実施形態に係る軟磁性粉末に含まれるアモルファス相の平均厚さは30nm以下である。アモルファス相の平均厚さは1nm以上であってよい。本明細書において、「アモルファス相の厚さ」は、隣接する結晶子間に存在するアモルファス相の厚さを意味する。アモルファス相の平均厚さはTEM写真から求めることができる。具体的には、軟磁性粉末のTEM写真において、軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとして、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下の領域において任意に選択したn個(n≧5)の結晶子について、一の結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界と、その一の結晶子に隣接する結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界とを最短で結ぶ線分の長さを測定する。この線分の長さの平均値を、アモルファス相の平均厚さとする。
 軟磁性粉末に含まれる結晶子の平均粒径およびアモルファス相の平均厚さが上記範囲内であることにより、本実施形態に係る軟磁性粉末は、ナノサイズの結晶子が高密度で存在しており、そのため、高い軟磁気特性を有する。従って、本実施形態に係る軟磁性粉末を磁心材料として用いた場合、高い磁気特性を有するコイル部品を得ることができる。具体的には、コアロスを低減することができ、高透磁率および高飽和磁束密度を達成することができる。
 本実施形態に係る軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとしたとき、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下である領域において、アモルファス相における平均Fe濃度は、結晶子における平均Fe濃度よりも低い。アモルファス相および結晶子における平均Fe濃度は、TEM測定とエネルギー分散型X線分析(EDS)とを組み合わせることにより求めることができる。具体的には、軟磁性粉末のTEM写真において、軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとして、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下の領域において任意に選択したn個(n≧5)の結晶子について、結晶子の中心におけるFe濃度をEDS測定により求め、その平均値を結晶子における平均Fe濃度とする。また、上述の結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界と、その結晶子に隣接する結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界とを最短で結ぶ線分の中点におけるFe濃度をEDS測定により求め、その平均値をアモルファス相における平均Fe濃度とする。
 軟磁性粉末に含まれる粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下である領域において、結晶子における平均Fe濃度に対するアモルファス相における平均Fe濃度の比は、0.90以下であることが好ましい。平均Fe濃度の比が0.90以下であると、結晶子におけるFe濃度が高くなり、その結果、飽和磁束密度が高くなる。
 軟磁性粉末の結晶化度が高いほど、軟磁気特性が向上するので好ましい。軟磁性粉末の結晶化度は、好ましくは20%より大きく、より好ましくは30%以上である。軟磁性粉末の結晶化度が30%以上であると、軟磁気特性をより一層向上させることができる。軟磁性粉末の結晶化度は、粉末X線回折法により以下に説明する方法で測定することができる。図2に、X線回折パターンの解析方法を説明する模式図を示す。図2において、体心立方構造を示す結晶ピークはPで示され、対称性の低い(lowly symmetry)結晶構造を示す結晶ピークはP2で示され、非晶質性を示すハロー領域はHで示される。結晶化度は、軟磁性粉末のX線回折スペクトルに基づいて、下記の式(3)を用いることにより算出することができる。

X={Ic/(Ic+Ic’+Ia)}×100   (3)

(X:結晶化度、Ic:体心立方構造を示す結晶ピーク領域の面積、Ic’:対称性の低い(lowly symmetry)結晶構造を示す結晶ピーク領域の面積、Ia:非晶質性を示すハロー領域の面積)

なお、体心立方構造を示す結晶ピークPは、Feの110面からの回折角2θが44.5°以上45.5°以下の範囲にあるピークである。
 軟磁性粉末は、主に体心立方構造を有する結晶相を含むことが好ましい。結晶相が主に体心立方構造を有すると、軟磁気特性がより一層向上する。結晶相が主に体心立方構造を有しているか否かは、粉末X線回折法により評価することができる。X線回折スペクトルにおいて、対称性の低い結晶構造を示す結晶ピークのピーク面積比率Yは、下記の式(4)で表すことができる。

Y={Ic’/(Ic+Ic’+Ia)}×100   (4)

Yの値が1以下である場合、結晶相が主に体心立方構造を有するとみなすことができる。
 一の例において、軟磁性粉末に含まれる粒子は、一般式FeSiCuCrで表される合金組成物を含むことが好ましい。式中、a、b、c、d、e、f、gおよびhはそれぞれ、71.0≦(a+f+g+h)≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8(a+f+g+h)-50、e<-0.1(a+d+f+g+h)+10、0≦f≦12、0≦g≦8、0≦h≦10、およびa+b+c+d+e+f+g+h=100を満たし、MはNiおよびCoの少なくとも1種の元素である。軟磁性粉末に含まれる粒子が上記組成の合金組成物を含む場合、アモルファス相を安定して形成することができ、軟磁気特性がより一層向上する。
 上述の合金組成物において、Feの一部がNiおよびCoの少なくとも1種の元素で置換されている(即ち、上述の一般式において0<f≦12である)ことが好ましい。Feの一部をNiおよび/またはCoで置換することにより、磁気特性をより一層向上させることができる。
 また、上述の合金組成物において、Feの一部がCで置換されている(即ち、上述の一般式において0<g≦8である)ことが好ましい。Feの一部をCで置換することにより、アモルファス相が形成されやすくなる。また、Feの一部をCで置換しても同等の磁気特性を得ることができるので、Feの一部を安価なCで置換することにより原料コストを低減することができる。
 また、上述の合金組成物において、Feの一部がCrで置換されている(即ち、上述の一般式において0<h≦10である)ことが好ましい。CrはFeよりも酸化されやすい傾向にある。そのため、Feの一部をCrで置換した場合、Crが優先的に酸化されるので、Feの酸化を抑制することができ、それにより、磁気特性の悪化を抑制することができる。
 もう1つの例において、軟磁性粉末に含まれる粒子は、一般式Fea’Sib’c’d’Cue’M’f’で表される合金組成物を含むことが好ましい。式中、a’、b’、c’、d’、e’およびf’はそれぞれ、81≦(a’+f’)≦86、2≦b’≦8、6≦c’≦10、2≦d’≦5、0.4≦e’≦1.4、0.08≦e’/d’≦0.8、および0≦f’≦3を満たし、M’はTi、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、Al、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、Oおよび希土類元素の少なくとも1種の元素である。軟磁性粉末に含まれる粒子が上記組成の合金組成物を含む場合、アモルファス相を安定して形成することができ、軟磁気特性がより一層向上する。
 次に、本発明の一の実施形態に係る軟磁性粉末の製造方法について説明する。本実施形態に係る軟磁性粉末の製造方法は、母合金の溶湯を冷却して、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る工程と、合金粉末を第1の熱処理に付す工程と、第1の熱処理に付した合金粉末を第2の熱処理に付して、軟磁性粉末を得る工程とを含む。以下、各工程について詳細に説明する。
 まず、母合金の溶湯を冷却して、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る。母合金は、Fe、Si、Fe-B合金、Fe-P合金、Cu、Ni、Co、C、Cr等の原料を所定の合金組成になるように秤量し、融点以上に加熱し溶解させ、次いでこの溶解物を冷却することにより調製することができる。一の例において、母合金は、一般式FeSiCuCrで表される組成を有することが好ましい。式中、a、b、c、d、e、f、gおよびhはそれぞれ、71.0≦(a+f+g+h)≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8(a+f+g+h)-50、e<-0.1(a+d+f+g+h)+10、0≦f≦12、0≦g≦8、0≦h≦10、およびa+b+c+d+e+f+g+h=100を満たし、MはNiおよびCoの少なくとも1種の元素である。母合金が上記組成を有することにより、アモルファス相を安定して形成することができ、軟磁気特性がより高い軟磁性粉末を得ることができる。また、上述の組成を有する母合金は、後述する合金粉末の作製において母合金の溶湯を高圧ガス流で粉砕する場合に適している。
 もう1つの例において、母合金は、一般式Fea’Sib’c’d’Cue’M’f’で表される組成を有することが好ましい。式中、a’、b’、c’、d’、e’およびf’はそれぞれ、81≦(a’+f’)≦86、2≦b’≦8、6≦c’≦10、2≦d’≦5、0.4≦e’≦1.4、0.08≦e’/d’≦0.8、および0≦f’≦3を満たし、M’はTi、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、Al、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、Oおよび希土類元素の少なくとも1種の元素である。母合金が上記組成を有することにより、アモルファス相を安定して形成することができ、軟磁気特性がより高い軟磁性粉末を得ることができる。また、上述の組成を有する母合金は、後述する合金粉末の作製において母合金の溶湯を高圧水流で粉砕する場合、または母合金の溶湯を高圧ガス流で粉砕して水で冷却する場合に適している。
 この母合金の溶湯を冷却することにより、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る。合金粉末は、例えば、母合金の溶湯を高圧水流または高圧ガス流で粉砕して冷却することにより作製することができる。つまり、母合金の溶湯に高圧水または高圧ガスを吹き付けることにより、合金粉末を形成することができる。高圧ガスとは、1MPa以上10MPaの圧力のガスである。具体的には、母合金を溶解しやすいように3cm程度の大きさに破砕した後、ガスアトマイズ装置等のアトマイズ装置の坩堝に投入し、高周波誘導加熱を行って母合金を溶解させて溶湯を得る。アトマイズ装置の内部はアルゴン雰囲気等の不活性雰囲気に設定することが好ましい。次いで、ジェット流体(つまり、高圧水流または高圧ガス流)を溶湯に噴射することにより溶湯を粉砕し、冷却(急冷)することにより、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る。ジェット流体としては、例えばアルゴンガス、窒素ガス等を用いることができる。冷却は、水またはガス等の冷却媒を用いて行うことができる。冷却媒としてガス(例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス)を用いることが好ましい。
 次に、合金粉末を第1の熱処理に付す。第1の熱処理は、赤外線加熱装置等の加熱装置を用いて行うことができる。加熱装置内の雰囲気は、ヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。別法として、加熱装置内の雰囲気は、ヘリウムガスに水素ガスを添加した混合ガス雰囲気であってもよい。水素ガスを添加することにより、熱処理時に金属元素が酸化されるのを抑制することができる。水素ガスは、分圧換算で3%程度添加してよい。
 主にアモルファス相からなる合金粉末を熱処理することにより、合金粉末中に結晶子が形成される。結晶子のサイズが大きすぎると磁気特性が低下してしまう。そのため、ナノサイズの微細な結晶子を高密度に形成することが望ましい。ナノサイズの微細な結晶子を高密度に形成するためには、熱処理温度を適切に制御する必要がある。しかし、合金粉末は熱処理時に自己発熱するため、熱処理温度の制御は困難である。自己発熱により熱処理温度が高くなりすぎると、結晶子のサイズが大きくなり、磁気特性が低下してしまう。一方、熱処理温度を低くしすぎると、結晶子を形成することができない。本発明者らは、第1の熱処理における最高温度T1を、Avrami定数が1.7以上となる温度に設定し、後述の第2の熱処理における最高温度T2をT1より低い温度に設定することにより、ナノサイズの微細な結晶子を高密度に形成することができることを見出した。Avrami定数は、結晶化の様態を示すパラメータである。Avrami定数が小さいほど、結晶化は進行しにくく、Avrami定数が大きいほど結晶化が進行しやすい。結晶化度が同じ値である場合、Avrami定数が大きいほど、小さいサイズの結晶子を高密度で形成することができる。合金粉末のAvrami定数は、示差走査熱量分析(DSC)により以下に説明する手順で求めることができる。示差走査型熱量分析計を用いて、アルゴン雰囲気中で合金粉末の等温DSC測定(昇温速度400℃/分、等温保持測定時間60分)を2回行う。1回目の測定により合金粉末は完全に結晶化するので、2回目の測定においては自己発熱に起因する発熱反応は起こらない。2回目の測定により得られるDSCカーブをバックグラウンドとして、1回目の測定で得られるDSCカーブと2回目の測定で得られるDSCカーブとの差より合金粉末試料の発熱量を算出する。また、等温測定開始からの累計発熱量を時間tの関数として求める。t=60分における累計発熱量を全発熱量と定義する。下記の式(5)に基づいて、各温度における最大のAvrami定数を算出する。

N=d{ln(-ln(1-x))}/d{ln(t-τ)}   (5)

(x:結晶化反応比率(=累計発熱量/全発熱量)、t:等温保持時間(秒)、τ:インキュベーションタイム(秒)(x=0.01となる時間))

このようにして求めたAvrami定数の最大値を、各温度におけるAvrami定数とする。
 第1の熱処理における最高温度T1は、Avrami定数が1.7以上となる温度に設定する。このように第1の熱処理温度を設定することにより、ナノサイズの微細な結晶子を高密度に形成することができる。
 粉末X線回折法により測定される、第1の熱処理後の合金粉末の結晶化度は20%以下である。第1の熱処理後の結晶化度が20%以下の比較的低い値であることにより、第1の熱処理における合金粉末の自己発熱を抑制することができる。結晶化度は、粉末X線回折法により、上述の式(3)を用いて算出することができる。
 第1の熱処理は、結晶化反応比率が0.01以上となる時間以上、結晶化反応比率が0.4以下となる時間以下の間行うことが好ましい。第1の熱処理の時間が上記範囲内であると、第1の熱処理後の合金粉末の結晶化度を適切な値にすることが容易である。
 次に、第1の熱処理に付した合金粉末を第2の熱処理に付して、軟磁性粉末を得る。第2の熱処理は、赤外線加熱装置等の加熱装置を用いて行うことができる。なお、第1の熱処理および第2の熱処理は、同一の加熱装置内で連続的に行ってよく、異なる加熱装置を用いてそれぞれ行ってもよい。第2の熱処理において、加熱装置内の雰囲気は、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
 第2の熱処理において結晶子が成長し、所望の結晶化度を有する軟磁性粉末を得ることができる。第2の熱処理における合金粉末の自己発熱を抑制するために、第2の熱処理における最高温度T2はT1より低い温度に設定する。
 第2の熱処理は、1分以上120分以下の間行うことが好ましく、5分以上60分以下の間行うことがより好ましい。第2の熱処理の時間が上記範囲内であると、ナノサイズの微細な結晶子が高密度に形成された軟磁性粉末を得ることができ、軟磁気特性がより一層向上する。
 粉末X線回折法により測定される、第2の熱処理後の軟磁性粉末の結晶化度は20%より大きい。軟磁性粉末の結晶化度が上記範囲内であると、優れた軟磁気特性を有する軟磁性粉末を得ることができる。
 次に、本発明の一の実施形態に係る磁心について説明する。本実施形態に係る磁心は、本発明に係る軟磁性粉末と、樹脂とを含有する複合材料で形成される。樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。複合材料中の軟磁性粉末の含有量は、60vol%以上90vol%以下であることが好ましい。軟磁性粉末の含有量が上記範囲内であると、優れた磁気特性を有する磁心が得られる。磁心の寸法および形状は、特に限定されるものではなく、目的とする用途に応じて適宜設定することができる。磁心は、例えば、外径13mm、内径8mm、厚さ2.5mmのトロイダルコアであってよい。
 次に、本発明の一の実施形態に係る磁心の製造方法について説明する。本実施形態に係る磁心の製造方法は、本発明に係る軟磁性粉末と、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂とを混合し、得られる混合物を成形して成形体を得る工程と、成形体を加熱する工程とを含む。成形体は、例えば、軟磁性粉末および樹脂を含む混合物を、100MPa程度の圧力でプレス成形することにより得ることができる。成形体の寸法および形状は特に限定されるものではなく、所望の磁心の寸法および形状に応じて適宜設定することができる。成形体の加熱温度は、使用する樹脂の種類等に応じて適宜設定することができる。
 次に、本発明の一の実施形態に係るコイル部品について説明する。本実施形態に係るコイル部品は、本発明に係る磁心と、磁心に巻回されたコイル導体とを含む。コイル導体は、エナメルで被覆された銅線等の金属線を磁心に巻き付けることにより形成することができる。本実施形態に係るコイル部品は、本発明に係る軟磁性粉末を磁心材料として用いているので、優れた磁気特性を有する。
 次に、本発明のもう1つの実施形態に係るコイル部品について説明する。本実施形態に係るコイル部品は、本発明に係る軟磁性粉末と、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂とを含有する複合材料を主成分として含む磁性体部、および磁性体部に埋設されたコイル導体とを含む。本実施形態に係るコイル部品は、本発明に係る軟磁性粉末を磁心材料として用いているので、優れた磁気特性を有する。複合材料中の軟磁性粉末の含有量は、60vol%以上90vol%以下であることが好ましい。軟磁性粉末の含有量が上記範囲内であると、コイル部品の磁気特性をより一層向上させることができる。本実施形態に係るコイル部品は、例えば以下に説明する手順で製造することができる。まず、複合材料のシートを複数形成する。そして、シートの間にコイル導体を配置する。コイル導体がシートの間に配置された状態でシートを熱圧着することにより、コイル部品が得られる。また、本発明の軟磁性粉末を用いてモータのステータコアを形成することができる。モータは、電機子歯にコイル導体が巻回されたコイル部品と、コイル部品の内部に回動自在に配されたロータと、複数の電機子歯が同一円周上に等間隔に設けられたステータコアとを備える。本発明の軟磁性粉末は、高飽和磁束密度を有し低磁気損失であるから、本発明の軟磁性粉末でステータコアを形成することにより、電力損失の低い高品質のモータを得ることが可能となる。
 以下に説明する手順で例1~37の軟磁性粉末を作製した。
 (合金粉末の調製)
 母合金の原料として、Fe、Si、Fe-B合金、Fe-P合金、Cu、Ni、Co、CおよびCrを用いた。これらの原料を、所定の合金組成になるように秤量した。例1~17については、合金組成がFe80.3SiCu0.7となるように原料を秤量し、例18~27については表3、例28~32については表6、例33~37については表9に記載の組成となるように原料を秤量した。秤量した原料を、高周波誘導加熱炉で融点以上に加熱し溶解させ、次いでこの溶解物を銅製の鋳込み型に流し込んで冷却して、母合金を作製した。この母合金を3cm程度の大きさに破砕し、ガスアトマイズ装置の坩堝に投入し、高周波誘導加熱により母合金を溶解させて、溶湯を得た。ガスアトマイズ装置の内部の雰囲気はアルゴン雰囲気に設定した。次いで、アルゴンガスのジェット流体を溶湯に噴射して粉砕し、冷却水で急冷して、例1~37の合金粉末を得た。
 (Avrami定数の算出)
 例1~16および18~37の各合金粉末について、示差走査型熱量分析計(PerkinElmer社製DSC8500)を用いて、アルゴン雰囲気中で等温DSC測定(昇温速度400℃/分、等温保持測定時間60分)を2回行った。2回目の測定により得られたDSCカーブをバックグラウンドとして、1回目の測定により得られたDSCカーブと2回目の測定により得られたDSCカーブの差より合金粉末試料の発熱量を算出した。等温測定開始からの累計発熱量を時間tの関数として求めた。t=60分における累計発熱量を全発熱量と定義した。上述の式(5)に基づいて、各温度における最大のAvrami定数を算出した。結果を表1、4、7および10に示す。なお、例17の合金粉末は、後述するように第1の熱処理を行わなかったので、DSC測定およびAvrami定数の算出は行わなかった。
 (第1の熱処理)
 赤外線加熱装置を用いて、例1~16および18~37の合金粉末を第1の熱処理に付した。第1の熱処理における最高温度は、表1、4、7および10に示す温度に設定した。加熱装置内の雰囲気は、分圧換算で3%の水素ガスをヘリウムガスに添加した混合ガス雰囲気に設定した。第1の熱処理は10秒間行った。なお、例17の合金粉末については、第1の熱処理を行わなかった。
 (第1のXRD測定)
 第1の熱処理後の合金粉末について、粉末X線回折装置(リガク社製RINT2200)を使用して、回折角2θが30°以上65°以下の範囲で、ステップ幅0.02°、ステップ時間2秒の測定条件でX線回折スペクトルを測定した。得られたX線回折スペクトルから各試料の粉末構造相を同定した。また、このX線回折スペクトルに基づいて、上述の式(3)を用いて第1の熱処理後の合金粉末の結晶化度Xを算出した。結果を表1、4、7および10に示す。
 (第2の熱処理)
 赤外線加熱装置を用いて、第1の熱処理後の合金粉末を第2の熱処理に付して、例1~37の軟磁性粉末を得た。第2の熱処理における最高温度は、表1、4、7および10に示す温度に設定した。加熱装置内の雰囲気はアルゴン雰囲気に設定した。第1の熱処理は10分間行った。なお、例17の合金粉末については、第2の熱処理を行わなかった。
 (第2のXRD測定)
 第2の熱処理により得られた例1~37の軟磁性粉末について、粉末X線回折装置(リガク社製RINT2200)を使用して、回折角2θが30°以上65°以下の範囲で、ステップ幅0.01°、ステップ時間2秒の測定条件でX線回折スペクトルを測定した。得られたX線回折スペクトルに基づいて、上述の式(3)を用いて軟磁性粉末の結晶化度Xを算出した。結果を表1、4、7および10に示す。
 さらに、上述の式(4)を用いて、対称性の低い結晶構造を示す結晶ピークのピーク面積比率Yを算出した。結果を表1、4、7および10に示す。なお、表1、4、7および10において、「結晶構造」は軟磁性粉末の結晶構造を意味し、「bcc」は軟磁性粉末が主に体心立方構造(body-centered cubic structure)を有することを示しており、「bcc+lsp」は軟磁性粉末が体心立方構造に加えて対称性の低い相(lowly symmetry phase)相を有することを意味する。
 (アモルファス相の平均厚さの測定)
 例1~37の軟磁性粉末について、透過型電子顕微鏡(TEM)写真を撮影した。TEM写真を用いて、結晶子の平均粒径およびアモルファス相の平均厚さを求めた。結晶子の平均粒径は、各試料のTEM写真において、軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとして、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下の領域において任意に選択したn個(n≧5)の結晶子の長径DLおよび短径DSを測定し、上述の式(2)を用いて算出した。更に、各試料のTEM写真において、軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとして、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下の領域において任意に選択したn個(n≧5)の結晶子について、一の結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界と、その一の結晶子に隣接する結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界とを最短で結ぶ線分の長さを測定した。この線分の長さの平均値を、アモルファス相の平均厚さとした。結果を表2、5、8および11に示す。なお、例17の軟磁性粉末においては結晶子が検出されなかったので、結晶子の平均粒径およびアモルファス相の平均厚さを測定することはできなかった。
 (平均Fe濃度の測定)
 例1~37の軟磁性粉末について、TEM-EDSによりアモルファス相および結晶子における平均Fe濃度を求めた。各試料のTEM写真において、軟磁性粉末に含まれる粒子の断面の短径をrとして、粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下の領域において任意に選択したn個(n≧5)の結晶子について、結晶子の中心におけるFe濃度をEDS測定により求め、その平均値を結晶子における平均Fe濃度とした。また、上述の結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界と、その結晶子に隣接する結晶子の結晶相と周辺のアモルファス相との境界とを最短で結ぶ線分の中点におけるFe濃度をEDS測定により求め、その平均値をアモルファス相における平均Fe濃度とした。更に、結晶子における平均Fe濃度に対するアモルファス相における平均Fe濃度の比(表において「Fe濃度比率」で示す)を求めた。結果を表2、5、8および11に示す。なお、例17の軟磁性粉末においては結晶相が検出されなかったので、結晶子における平均Fe濃度を測定することはできなかった。
 (コイル部品の作製)
 例1~37の軟磁性粉末を用いて、以下に説明する手順でコイル部品を作製した。まず、各試料100重量部に対し3重量部のエポキシ樹脂を添加し(エポキシ樹脂の割合:15vol%)、100MPaの圧力でプレス成形して、外径13mm、内径8mm、厚さ2.5mmのトロイダルコアを作製した。次いで、励磁用の一次側巻線および電圧検出用の二次側巻線の各巻数がいずれも16となるように、エナメルで被覆された線径0.3mmの銅線をトロイダルコアの外周に二重に巻き付けて、例1~37のコイル部品を作製した。
 (コアロスの測定)
 岩通計測株式会社製のB-HアナライザSY-8217を用いて、印加磁界30mT、測定周波数1MHzにおけるコイル部品のコアロス(磁気損失)を測定した。結果を表2、5、8および11に示す。なお、表1~11において「*」を付したものは比較例である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表1および2に示すように、第1の熱処理における最高温度T1を、Avrami定数が1.7より小さい温度に設定した例1の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在する結晶子の平均粒径が30nmより大きかったことに起因すると考えられる。また、第1の熱処理後の結晶化度が20%よりも大きかった例1、例2および16の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在する結晶子の平均粒径が30nmより大きかったことに起因すると考えられる。第2の熱処理における最高温度T2が第1の熱処理における最高温度T1より高い温度であった例8~10の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在する結晶子の平均粒径が30nmより大きかったことに起因すると考えられる。第2の熱処理後の結晶化度が20%よりも小さかった例14および15の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在するアモルファス相の平均厚さが30nmよりも大きかったことに起因すると考えられる。また、第1および第2の熱処理を行わなかった例17の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、例17の軟磁性粉末中に微細な結晶子が形成されなかったことに起因すると考えられる。これに対し、例3~7および11~13の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/m以下のコアロスを有した。このことより、本発明に係る軟磁性粉末を用いることにより、コアロスを低減することができたことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 表4および5に示すように、第1の熱処理後の結晶化度が20%よりも大きかった例27の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在する結晶子の平均粒径が30nmより大きかったことに起因すると考えられる。これに対し、例18~26の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/m以下のコアロスを有した。このことより、本発明に係る軟磁性粉末を用いることにより、コアロスを低減することができたことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 表7および8に示すように、第1の熱処理における最高温度T1を、Avrami定数が1.7より小さい温度に設定した例32の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在する結晶子の平均粒径が30nmより大きく、アモルファス相の平均厚さが30nmより大きかったことに起因すると考えられる。これに対し、例28~31の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/m以下のコアロスを有した。このことより、本発明に係る軟磁性粉末を用いることにより、コアロスを低減することができたことがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 表10および11に示すように、第1の熱処理後の結晶化度が20%よりも大きかった例37の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/mより大きいコアロスを有した。これは、軟磁性粉末中に存在する結晶子の平均粒径が30nmより大きく、アモルファス相の平均厚さが30nmより大きかったことに起因すると考えられる。これに対し、例33~36の軟磁性粉末を用いたコイル部品は、2000kW/m以下のコアロスを有した。このことより、本発明に係る軟磁性粉末を用いることにより、コアロスを低減することができたことがわかる。
本発明に係る軟磁性粉末を磁心材料として用いることにより、優れた磁気特性を有するコイル部品を得ることができ、高性能が求められる電子機器に利用することができる。

Claims (21)

  1.  複数の結晶子と、前記結晶子の周りに存在するアモルファス相とを有する粒子を含む軟磁性粉末であって、
     前記結晶子の平均粒径が30nm以下であり、前記アモルファス相の平均厚さが30nm以下であり、
     前記粒子の断面の短径をrとしたとき、前記粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下である領域において、前記アモルファス相における平均Fe濃度が前記結晶子における平均Fe濃度よりも低い、軟磁性粉末。
  2.  前記粒子の表面からの深さが0.2r以上0.4r以下である領域において、前記結晶子における平均Fe濃度に対する前記アモルファス相における平均Fe濃度の比が0.90以下である、請求項1に記載の軟磁性粉末。
  3.  粉末X線回折法により測定される結晶化度が30%以上である、請求項1または2に記載の軟磁性粉末。
  4.  前記軟磁性粉末が、主に体心立方構造を有する結晶相を含む、請求項3に記載の軟磁性粉末。
  5.  前記粒子が一般式FeSiCuCrで表される合金組成物を含み、式中、a、b、c、d、e、f、gおよびhはそれぞれ、71.0≦(a+f+g+h)≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8(a+f+g+h)-50、e<-0.1(a+d+f+g+h)+10、0≦f≦12、0≦g≦8、0≦h≦10、およびa+b+c+d+e+f+g+h=100を満たし、MはNiおよびCoの少なくとも1種の元素である、請求項1~4のいずれか1項に記載の軟磁性粉末。
  6.  前記一般式中、0<f≦12を満たす、請求項5に記載の軟磁性粉末。
  7.  前記一般式中、0<g≦8を満たす、請求項5または6に記載の軟磁性粉末。
  8.  前記一般式中、0<h≦10を満たす、請求項5~7のいずれか1項に記載の軟磁性粉末。
  9.  前記粒子が一般式Fea’Sib’c’d’Cue’M’f’で表される合金組成物を含み、式中、a’、b’、c’、d’、e’およびf’はそれぞれ、81≦(a’+f’)≦86、2≦b’≦8、6≦c’≦10、2≦d’≦5、0.4≦e’≦1.4、0.08≦e’/d’≦0.8、および0≦f’≦3を満たし、M’はTi、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、Al、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、Oおよび希土類元素の少なくとも1種の元素である、請求項1~4のいずれか1項に記載の軟磁性粉末。
  10.  母合金の溶湯を冷却して、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る工程と、
     前記合金粉末を第1の熱処理に付す工程と、
     前記第1の熱処理に付した合金粉末を第2の熱処理に付して、軟磁性粉末を得る工程と
    を含む、軟磁性粉末の製造方法であって、
     前記第1の熱処理における最高温度T1は、Avrami定数が1.7以上となる温度であり、前記第2の熱処理における最高温度T2はT1より低い温度であり、
     粉末X線回折法により測定される結晶化度が、前記第1の熱処理後の合金粉末において20%以下であり、前記第2の熱処理後の軟磁性粉末において20%より大きい、方法。
  11.  前記母合金の溶湯を高圧ガス流で粉砕して冷却することにより、主にアモルファス相からなる合金粉末を得る、請求項10に記載の方法。
  12.  前記母合金の組成が、一般式FeSiCuCrで表され、式中、a、b、c、d、e、f、gおよびhはそれぞれ、71.0≦(a+f+g+h)≦81.0、0.14≦b/c≦5、0≦d≦14、0<e≦1.4、d≦0.8(a+f+g+h)-50、e<-0.1(a+d+f+g+h)+10、0≦f≦12、0≦g≦8、0≦h≦10、およびa+b+c+d+e+f+g+h=100を満たし、MはNiおよびCoの少なくとも1種の元素である、請求項10または11に記載の方法。
  13.  冷却媒としてガスを用いて前記冷却を行う、請求項12に記載の方法。
  14.  前記母合金の組成が、一般式Fea’Sib’c’d’Cue’M’f’で表され、式中、a’、b’、c’、d’、e’およびf’はそれぞれ、81≦(a’+f’)≦86、2≦b’≦8、6≦c’≦10、2≦d’≦5、0.4≦e’≦1.4、0.08≦e’/d’≦0.8、および0≦f’≦3を満たし、M’はTi、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Co、Ni、Al、Mn、Ag、Zn、Sn、As、Sb、Bi、Y、N、Oおよび希土類元素の少なくとも1種の元素である、請求項10または11に記載の方法。
  15.  冷却媒としてガスを用いて前記冷却を行う、請求項14に記載の方法。
  16.  請求項1~9のいずれか1項に記載の軟磁性粉末と、樹脂とを含有する複合材料で形成された磁心。
  17.  前記複合材料中の前記軟磁性粉末の含有量が60vol%以上90vol%以下である、請求項16に記載の磁心。
  18.  請求項1~9のいずれか1項に記載の軟磁性粉末と、樹脂とを混合し、得られる混合物を成形して成形体を得る工程と、
     前記成形体を加熱する工程と
    を含む、磁心の製造方法。
  19.  請求項16または17に記載の磁心と、該磁心に巻回されたコイル導体とを含む、コイル部品。
  20.  請求項1~9のいずれか1項に記載の軟磁性粉末と樹脂とを含有する複合材料を主成分として含む磁性体部と、該磁性体部に埋設されたコイル導体とを含む、コイル部品。
  21.  前記複合材料中の前記軟磁性粉末の含有量が60vol%以上90vol%以下である、請求項20に記載のコイル部品。
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