JP2018101686A

JP2018101686A - 軟磁性合金粉末

Info

Publication number: JP2018101686A
Application number: JP2016246568A
Authority: JP
Inventors: 健輔荒; Kensuke Ara; 賢治堀野; Kenji Horino
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2018-06-28

Abstract

【課題】磁気デバイス用磁芯に用いることにより、高い透磁率を得ることができる軟磁性合金粉末を提供することを目的とする。【解決手段】軟磁性合金粉末であり、Ｆｅを含有する磁性相とヤング率が７０ＧＰａ以下である応力緩和相の少なくとも２種類の相より構成され、前記磁性相が前記応力緩和相を介して結着し、混相粒が形成されていることを特徴とし、好ましくは、前記応力緩和相の厚みは、５〜１００ｎｍであり、磁性相は粒子径１００μｍ以下の粒子である。【選択図】図１

Description

本発明は軟磁性合金粉末と軟磁性合金粉末を用いて作成した圧粉体、ペースト、シート、およびこれらを用いて構成されるチョークコイル、インダクタ、リアクトル、トランス等磁気デバイスの磁芯に関するものである。

軟磁性合金粉末は加圧成型や樹脂との混練により所望の形状に成型することが容易であることから、幅広い形態の磁気デバイスの磁芯として用いられている。また、樹脂等の高抵抗成分と混練してコンポジットとすることにより体積抵抗が高く渦電流損失が小さい磁芯を作成できるという特徴もあり、磁気デバイスの高効率化に貢献してきた。近年では高周波用途でのさらなる低損失化の要求を満たすために低保磁力かつ高い抵抗率と飽和磁化を有する磁性粉が報告されている。

たとえば特許文献１にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの磁性金属元素に加えてアモルファス形成効果のあるＢ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖを含有し、さらに耐食性効果のあるＣｒ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｐを含有するアモルファス軟磁性合金粉末が開示されている。また、特許文献２ではＦｅ、Ｂ、Ｓｉ、Ｓ、Ｃ、Ｐ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂｅ、Ａｕ、Ｃｕなどを含み結晶粒径６０ｎｍ以下の微結晶相とアモルファス相の混相構造を有するナノ結晶軟磁性合金粉末を用いて磁気デバイスを作成する技術が開示されている。高抵抗化の方法としては例えば特許文献３にガラスにより軟磁性合金粉末を被覆する技術が開示されている。また、特許文献４にはＦｅを主組成とした軟磁性合金にＳｎ，Ｉｎ，Ｚｎを添加し機械的加工性を改善する技術も開示されている。

特開２００２−１８４６１６号公報特開２００８−２９４４１１号公報特開２００２−５０５１１号公報特開２００９−２９９１０８号公報

ところで、上記アモルファス相を含む軟磁性合金粉末のアモルファス相部分は結晶の遠距離秩序を持たないがゆえに機械的に硬い性質を持つ。したがって機械的外力に対して比較的歪が生じにくいが、その反面外力と拮抗する応力を粉体内部に蓄えることとなる。したがって加圧成型にて磁芯を作成すると加圧成型時に生じた応力が粉体内部に残留することとなる。また、磁芯が樹脂・溶剤等のコンポジットである場合は、混練樹脂の硬化、溶剤の乾燥等、プロセス中での体積変化に対応して粉体内部に応力が蓄積されることとなる。

軟磁性材料の透磁率は内部応力と磁歪定数の積に依存して低下すること、および内部応力を緩和することにより軟磁性材料の透磁率を向上させることが可能であることが知られており、高い透磁率を有する磁芯を作成するためには内部応力を蓄積しにくい軟磁性合金粉末が必要とされている。Ｓｎ，Ｉｎ，Ｚｎなどのヤング率の低い金属元素を添加して軟磁性合金粉末を機械的にやわらかくする試みもなされているが、上述のようなアモルファス構造を有する軟磁性金属合金粉末の軟磁気特性と機械的に硬い性質は共にその非晶質構造に起因しているため、高い軟磁気特性と機械的にやわらかく応力を蓄積しにくい物性を両立させる技術は未だ実現されていない。

アモルファス相を含む軟磁性合金粉末を用いて磁芯を作成する際に、内部応力を如何にして低減し、透磁率を向上させるかが本発明の解決しようとする課題である。

上記課題を解決するため、本発明の軟磁性合金粉末は磁性相と応力緩和相の少なくとも２種類の相より構成され、前記磁性相はＦｅを含有する粒子であり、前記応力緩和相はヤング率が７０ＧＰａ以下であり、複数の前記磁性相が前記応力緩和相を介して結着し、混相粒を形成している。また、前記磁性相は粒子径が１００μｍ以下であることが好ましく、前記応力緩和相の厚みは５〜１００ｎｍであることが好ましい。

本発明の軟磁性合金粉末を用いることにより、高い透磁率を有する磁気デバイス用磁芯を得ることができる。

本発明の軟磁性合金粉末の図である。

本発明の軟磁性合金粉末は磁性相Ａと応力緩和相Ｂの少なくとも２種類の相より構成され、磁性相ＡはＦｅを含有し、応力緩和相Ｂはヤング率が７０ＧＰａ以下であり、複数の磁性相Ａが応力緩和相Ｂを介して結着し、混相粒Ｃが形成されている。

前磁性相Ａについてさらに詳細に説明する。磁性相ＡはＦｅを含有する限りにおいては、Ｆｅ以外の元素を含有してもよく、含有することが好ましいＦｅ以外の元素としてはＳｉ、Ｂ、Ｐ、Ｃ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｃｕ、Ａｇなどが挙げられる。また、磁性相Ａの微細構造はアモルファスまたは金属ガラスの部分を含み、アモルファスまたは金属ガラスの部分と結晶部分の混相であってもよい。この場合の結晶部分の結晶粒径は６０ｎｍ以下の微細結晶であることが特に好ましい。磁性相ＡにＳｉ，Ｂ，Ｃ，Ｐ，を含むことにより非晶質状態が形成しやすくなり、また、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂを含むことにより結晶部分が微細化しやすくなるため、結晶磁気異方性由来の保磁力が小さくなり高透磁率かつ低損失な軟磁性合金粉末を得ることができる。また、Ｃｕ、Ａｇを含むことにより結晶部分の結晶核となり、微細結晶が形成しやすくなる。

磁性相Ａの粒子の大きさについては粒子径が１００μｍ以下であることが好ましい。磁性相Ａの粒子の大きさが１００μｍを超える場合は磁性相Ａの粒内渦電流が増大し、渦電流損失由来の損失成分が増大するため好ましくない。また、粒子径が１００μｍ以下であれば粒度分布が複数の頻度極大を持つ場合も好ましい。尚、前記磁性相Ａの粒度分布は混相粒Ｃまたは混相粒Ｃを用いて作成した磁芯の切断面もしくは破断面を顕微鏡観察した際の投影面積円相当径の分布とし、前記粒子径は前記粒度分布の平均値とする。

応力緩和相Ｂはヤング率の低い金属、合金、金属酸化物を含有するガラス組成物（以下ガラスと表記する）またはこれらの混合物で構成される。ヤング率の低い金属、合金の例としてはＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｂｉおよびこれらの合金が挙げられる。ガラスとしては例えば珪酸ガラス、硼酸ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、リン酸ガラス、テルレート、ゲルマネート等の中からヤング率が７０ＧＰａ以下となる組成を選択して使用することができる。

本実施の形態に示す軟磁性合金粉末を作成する方法については特に限定されるものではないが、例えば、磁性相Ａの組成、微細構造、粒子径を有する原料粉Ａ１と応力緩和相Ｂの組成を有する原料粉Ｂ１をそれぞれ作成した後、原料粉Ａ１と原料粉Ｂ１を混合し、メカニカルアロイング法、メカノフュージョン法などの機械的混相法により混相化処理をすることによって混相粒Ｃを作成することができる。混相処理を行う際の温度は原料粉Ｂ１が金属である場合には原料粉Ｂ１の融点以上であり、原料粉Ｂ１がガラスである場合には原料粉Ｂ１のガラス転移点以上であることが好ましい。

原料粉Ａ１を作成する方法は特に限定されないが、アトマイズ等の溶射紛体化法、固相還元法、水熱合成法などを用いることができ、作成した原料粉を適宜粉砕、分級することにより所望の粒子径に調整することができる。

原料粉Ｂ１を作成する方法は特に限定されないが、原料粉Ｂ１が金属の場合はアトマイズ等の溶射紛体化法、固相還元法、水熱合成法などを用いて作成することができ、原料粉Ｂ１がガラスの場合は原料粉Ｂ１の組成に合わせて金属酸化物粉を調合し、溶融後に急冷することにより作成することができる。作成した原料粉は適宜粉砕、分級することにより所望の粒子径に調整することができる。

応力緩和相Ｂは低いヤング率を有しているため、応力緩和相Ｂを介して磁性相Ａが結着した形状を有する混相粒Ｃは所望の形状に成型して磁芯を作成する際に外力が印加された場合でも応力緩和相Ｂが歪むことにより応力が緩和され、磁性相Ａに内部応力が残留することがない。したがって磁性相Ａが比較的大きな磁歪定数を有する場合でも磁歪由来の磁気異方性が発現することがなく、高い透磁率を有する磁芯を得ることができる。

応力緩和相Ｂの厚みは厚くなるほど上記の応力緩和の効果が大きくなるという観点では好ましいが、応力緩和相Ｂを介して互いに隣接する複数の磁性相Ａの間の非磁性ギャップが厚くなることにもなり、磁芯を形成した場合の透磁率の低下と飽和磁束密度の低下を招くこととなるため、厚すぎる場合も好ましくない。本実施の形態における前記応力緩和相Ｂの厚みは５〜１００ｎｍであることが好ましい。

尚、上記成型する際に印加される外力は単に圧縮成型時の圧力のみに限られるものではなく、混練された樹脂が硬化する際や有機溶剤、水分等が乾燥する際に生じる体積変化によっても磁性相Ａに外力が加わることとなるため、本発明の混相粒Ｃを用いることにより比較的低圧で成型する場合においても高透磁率化の効果を得ることができる。

上記実施の形態について、実施例を比較例とともに示しさらに詳細に説明する。

（実施例１〜１３、比較例１）
Ｆｅ、Ｂ、ＣｒおよびＳｉをそれぞれ所定量秤量し、減圧Ａｒ雰囲気下においてこれらの原料を高周波誘導加熱装置で溶解し、インゴットを作製した。このインゴットを溶湯るつぼ内に入れて溶解し、溶湯るつぼの溶湯ノズルから合金溶湯を噴射するとともに、別に設けたガス噴霧器からアルゴンガス流を噴射して合金溶湯を霧状にし、この霧状の合金溶湯を急冷することにより金属ガラス合金の粉末を得た。得られた粉末をメッシュ透過法、遠心分離法、沈降法等により所望の粒子径に分級した後、所定温度で熱処理することにより磁性相Ａの原料粉Ａ１を得た。次にＡｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＢｉを原料としてそれぞれ所定量秤量し原料粉Ａ１と同様の方法により粉体化、分級を行い応力緩和相Ｂの原料粉Ｂ１を得た。原料粉Ａ１と原料粉Ｂ１をメカニカルアロイング装置に装填し所定温度に加熱し、所定時間混相化処理を行い混相粒Ｃを得た。原料粉Ｂ１の平均粒子径および原料粉Ａ１と原料粉Ｂ１の混合比率、処理温度を変化させることにより応力緩和相Ｂの厚みを変化させた。さらに原料粉Ａ１およびＢ１作成時の各元素の仕込み比率を変化させることにより原料粉Ａ１およびＢ１の組成を変化させた。得られた混相粒Ｃの磁性相Ａおよび応力緩和相Ｂの組成、磁性相Ａの粒子径、応力緩和相Ｂの厚みを粒子断面ＳＥＭおよび粒子断面ＥＤＳにより観察した。得られた値を表１に示す。さらに、得られた混相粒Ｃに熱硬化性エポキシ樹脂、硬化開始剤、アセトンを加えホモジナイザーにより混練した後、５０℃で３時間加熱しアセトンを蒸発させた後解砕して顆粒状とした。得られた顆粒を内径９ｍｍ、外形１１ｍｍ、厚み３〜４ｍｍのトロイダル形状に成型した後１８０℃で２時間加熱し樹脂の硬化を行いトロイダルコアを得た。得られたトロイダルコアに３０Ｔｕｒｎの巻線を施し、ＬＣＲメーターにてインダクタンスを計測し、得られたインダクタンスから透磁率を求めた。また、交流ＢＨアナライザーによりコアロスを測定した。
（比較例２、３）
原料粉Ａ１を上記（実施例１〜１３、比較例１）と同様の方法で作成し、原料粉Ａ１とＢ１の混相化処理を行わず原料粉Ａ１のみを用いて上記（実施例１〜１３、比較例１）と同様の方法でトロイダルコアを作成し評価した。
実施例１〜１３、比較例１〜３で作成したトロイダルコアの１００ｋＨｚにおける透磁率の値と３ＭＨｚ、１０ｍＴにおけるコアロスの値を表１に示す。

実施例３、実施例９〜１３、と比較例１〜３を比較するとヤング率が７０ＧＰａ以下の応力緩和相Ｂを有する混相粒Ｃを用いて磁芯を作成することにより透磁率が向上していることが確認できる。また、実施例１〜６より応力緩和相の厚みを５〜１００ｎｍとすることにより特に顕著な透磁率向上効果が得られることが確認できる。さらに、実施例３、７，８より磁性相Ａの粒子径が１００μｍを超える場合には高い透磁率は得られるもの、損失が顕著に大きくなることが確認できる。

（実施例１４〜２４、比較例４）
（実施例１〜１３、比較例１）と同様の方法で原料粉Ａ１を作成した。金属酸化物粉末を応力緩和相Ｂの組成に合わせて調合し、溶融法によりガラス粉末を作成し、所望の粒度分布に粉砕、分級を行い原料粉Ｂ１とした。以降（実施例１〜１３、比較例１）と同様の方法で原料粉Ａ１と原料粉Ｂ１を混相化処理することにより混相粒Ｃを作成し、混相粒Ｃを用いてトロイダルコアを作成、評価を行った。実施例１４〜２４、比較例４で作成したトロイダルコアの１００ｋＨｚにおける初透磁率の値と３ＭＨｚ、１０ｍＴにおけるコアロスの値を表２に示す。

実施例１６、２２〜２４と比較例２〜４を比較するとヤング率が７０以下の応力緩和相Ｂを有する混相粒Ｃを用いて磁芯を作成することにより透磁率が向上していることが確認できる。また、実施例１４〜１９より応力緩和相の厚みが５〜１００ｎｍの場合に顕著な透磁率向上効果が得られることが確認できる。さらに、実施例１６、２０、２１より磁性相Ａの粒子径が１００μｍを超える場合には高い透磁率は得られるもの、損失が顕著に大きくなることが確認できる。

本発明は、インダクタ、リアクトル、トランス、チョークコイル等の磁芯として有効である。

Ａ磁性相
Ｂ応力緩和相
Ｃ混相粒

Claims

磁性相と応力緩和相の少なくとも２種類以上の相より構成され、前記磁性相はＦｅを含有する粒子であり、前記応力緩和相はヤング率が７０ＧＰａ以下であり、前記磁性相が前記応力緩和相を介して結着し、混相粒が形成されていることを特徴とする軟磁性合金粉末。
前記応力緩和相の厚みが５〜１００ｎｍである請求項１記載の軟磁性合金粉末。
前記磁性相が粒子径１００μｍ以下の粒子であることを特徴とする請求項１〜２記載の軟磁性合金粉末。
前記応力緩和相がＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｂｉから選ばれる１種以上を含有する合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軟磁性合金粉末。
前記応力緩和相が金属酸化物を含有するガラス組成物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軟磁性合金粉末。