KR20190132933A

KR20190132933A - 연자성 분말, 압분체 및 자성 부품

Info

Publication number: KR20190132933A
Application number: KR1020190058102A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 요시도메; 히로유키 마쓰모토; 겐지 호리노; 사토코 모리; 마사카즈 호소노; 요시키 가지우라
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2019-11-29
Also published as: US11894169B2; JP2019203150A; TWI677884B; CN110517839B; KR102220415B1; CN110517839A; EP3572171A1; US20190355498A1; JP6680309B2; TW202004787A

Abstract

[과제] 연자기 특성이 뛰어나고, 또한, 분말 저항이 높은 연자성 분말 등을 제공한다.
[해결 수단] 조성식 (Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bP_cSi_dC_eS_f로 이루어지는 주성분을 포함하는 연자성 분말이다. X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상, X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상, M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W, Ti 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다. 0≤a≤0.140, 0.020＜b≤0.200, 0＜c≤0.150, 0≤d≤0.060, 0≤e≤0.030, 0≤f≤0.010, α≥0, β≥0, 0≤α＋β≤0.50이다. 연자성 분말에 있어서의 산소 함유율이 질량비로 300ppm 이상 3000ppm 이하이다.

Description

연자성 분말, 압분체 및 자성 부품{SOFT MAGNETIC POWDER, PRESSED POWDER BODY, AND MAGNETIC COMPONENT}

본 발명은, 연자성 분말, 압분체 및 자성 부품에 관한 것이다.

최근, 전자·정보·통신 기기 등에 있어서 저소비 전력화 및 고효율화가 요구되고 있다. 또한, 저탄소화 사회를 향해, 상기의 요구가 한층 강해지고 있다. 그로 인해, 전자·정보·통신 기기 등의 전원 회로에도, 에너지 손실의 저감이나 전원 효율의 향상이 요구되고 있다. 그리고, 전원 회로에 사용되는 자성 소자의 자심에는 포화 자속밀도의 향상이나 코어 로스(자심 손실)의 저감 등이 요구되고 있다.

특허문헌 1에는, Fe-B-M(M=Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W)계의 연자성 비정질 합금이 기재되어 있다. 본 연자성 비정질 합금은 시판의 Fe 아몰퍼스에 비해 높은 포화 자속밀도를 갖는 등, 양호한 연자기 특성을 갖는다.

일본국 특허 제3342767호

그러나, 현재는, 양호한 연자기 특성을 가지면서, 또한 분말 저항이 높은 연자성 분말이 요구되고 있다.

본 발명은, 연자기 특성이 뛰어나고, 또한, 분말 저항이 높은 연자성 분말 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 연자성 분말은,

조성식 (Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bP_cSi_dC_eS_f로 이루어지는 주성분을 포함하는 연자성 분말로서,

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W, Ti 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고,

0≤a≤0.140

0.020＜b≤0.200

0＜c≤0.150

0≤d≤0.060

0≤e≤0.030

0≤f≤0.010

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50

이며,

상기 연자성 분말에 있어서의 산소 함유율이 질량비로 300ppm 이상 3000ppm 이하이다.

본 발명의 연자성 분말은, 상기의 구성을 가짐으로써, 연자기 특성이 뛰어나고, 또한, 분말 저항을 높일 수 있다. 그리고, 본 발명의 연자성 분말을 이용함으로써 저항률이 높은 압분체를 제작하기 쉬워진다.

본 발명의 연자성 분말은 비정질이어도 된다.

본 발명의 연자성 분말은 비정질 및 미결정으로 이루어지고 상기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조가 관찰되어도 된다.

본 발명의 연자성 분말은 상기 미결정의 평균 입자경이 0.3~10nm여도 된다.

본 발명의 연자성 분말은 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조가 관찰되어도 된다.

본 발명의 연자성 분말은 상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 3nm 이상 50nm 이하여도 된다.

본 발명의 연자성 분말은, 삼차원 아톰 프로브로 Fe 함유 비율이 상기 연자성 분말 전체에 포함되는 Fe 함유 비율보다 높은 영역이 연결되어 있는 Fe 조성 네트워크상이 관찰되고 있어도 되고,

상기 Fe 조성 네트워크상은, 국소적으로 Fe 함유 비율이 주위보다 높아지는 Fe 함유 비율의 극대점을 40만개/μm³ 이상 갖고 있어도 되며,

모든 상기 Fe 함유 비율의 극대점 중에서, 배위수가 1 이상 5 이하인 상기 Fe 함유 비율의 극대점의 비율이 80% 이상 100% 이하여도 된다.

본 발명의 연자성 분말은, 상기 연자성 분말 전체에서 차지하는 상기 Fe 조성 네트워크상의 체적 비율이 25vol% 이상 50vol% 이하여도 된다.

본 발명의 연자성 분말은, 압력 0.1t/cm²로 압분된 상태에 있어서의 체적 저항률이 0.5kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하여도 된다.

본 발명의 압분체는, 상기의 연자성 분말을 포함한다.

본 발명의 자성 부품은, 상기의 압분체를 갖는다.

도 1은 극대점을 탐색하는 공정의 모식도이다.
도 2는 극대점을 모두 잇는 선분을 생성한 상태의 모식도이다.
도 3은 Fe 함유 비율이 평균값을 초과하는 영역과 평균값 이하의 영역으로 구분한 상태의 모식도이다.
도 4는 Fe 함유 비율이 평균값 이하의 영역을 통과하는 선분을 삭제한 상태의 모식도이다.
도 5는 삼각형 내부에 Fe 함유 비율이 평균값 이하의 부분이 없는 경우에, 삼각형을 형성하는 선분 중 가장 긴 선분을 삭제한 상태의 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

본 실시 형태의 연자성 분말은, 조성식 (Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bP_cSi_dC_eS_f로 이루어지는 주성분을 포함하는 연자성 분말로서,

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,

0≤a≤0.140

0.020＜b≤0.200

0＜c≤0.150

0≤d≤0.060

0≤e≤0.030

0≤f≤0.010

α≥0

β≥0

0≤α＋β≤0.50

이며,

본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은, 연자기 특성이 뛰어나다. 즉, 보자력 Hc가 낮고, 포화 자기화 σs가 높다. 또한, 분말 저항이 높다. 그리고, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말을 포함하는 압분체는 체적 저항률을 향상시키기 쉽다. 구체적으로는, 체적 저항률이 0.5kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하인 압분체를 형성하기 쉽다.

이하, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말의 각 성분에 대해 상세하게 설명한다.

M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W, Ti 및 V에서 선택되는 1종 이상이다.

M의 함유량(a)은 0≤a≤0.140을 만족한다. 즉, M을 함유하지 않아도 된다. M의 함유량(a)은 0.040≤a≤0.140인 것이 바람직하고, 0.040≤a≤0.100인 것이 더 바람직하다. a가 큰 경우에는, 포화 자기화 σs가 저하하기 쉬워진다. 또, M을 함유하지 않는 경우에는 M을 함유하는 경우와 비교하여 포화 자속밀도가 높아지는 점에서 바람직하다.

B의 함유량(b)은 0.020＜b≤0.200을 만족한다. 0.025≤b≤0.200이어도 된다. 또, 0.060≤b≤0.200인 것이 바람직하고, 0.060≤b≤0.150인 것이 더 바람직하다. b가 작은 경우에는, 열처리 전의 연자성 분말에 입경 30nm보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상이 생기기 쉽고, 결정상이 생기는 경우에는, 열처리에 의해서 적절한 구조로 할 수 없다. 그리고, 보자력이 상승하기 쉬워진다. b가 큰 경우에는, 포화 자기화가 저하하기 쉬워진다.

P의 함유량(c)은 0＜c≤0.150을 만족한다. 0.001≤c≤0.150이어도 된다. 또, 0.010≤c≤0.150인 것이 바람직하고, 0.050≤c≤0.080인 것이 더 바람직하다. 본 실시 형태에 따르는 연자성 합금은, P를 함유함으로써, P와 산소(O)가 결합하여, 분말 저항이 상승한다고 생각된다. c=0, 즉, P를 포함하지 않는 경우에는 보자력이 상승하기 쉬워진다. 또, c가 큰 경우에는, 포화 자기화가 저하하기 쉬워진다.

Si의 함유량(d)은 0≤d≤0.060을 만족한다. 즉, Si는 함유하지 않아도 된다. 또, 0≤d≤0.030인 것이 바람직하다. d가 큰 경우에는, 보자력이 상승하기 쉬워지고, 포화 자기화가 저하하기 쉬워진다.

C의 함유량(e)은 0≤e≤0.030을 만족한다. 즉, C는 함유하지 않아도 된다. 또, 0≤e≤0.010인 것이 바람직하다. e가 큰 경우에는, 보자력이 상승해 버린다.

S의 함유량(f)은 0≤f≤0.010을 만족한다. 즉, S는 함유하지 않아도 된다. 또, 0≤f≤0.005인 것이 바람직하다. f가 큰 경우에는, 보자력이 상승해 버린다.

또, S를 함유하지 않는 경우(f=0의 경우)에는 C를 많이 함유할수록 저항률이 저하하기 쉬워진다. 그러나, C와 S를 동시에 함유시킴으로써 C를 함유하는 것에 의한 저항률의 저하를 억제하기 쉬워진다.

본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은 산소 함유율이 질량비로 300ppm 이상 3000ppm 이하이다. 또, 800ppm 이상 2000ppm 이하인 것이 바람직하다. 산소 함유율을 상기의 범위 내에 제어함으로써, 포화 자기화를 상승시키고, 또한, 분말 저항을 높일 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말을 포함하는 압분체의 체적 저항률을 향상시키기 쉬워지고, 구체적으로는 압력 0.1t/cm²로 가압하는 경우에 체적 저항률이 0.5kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하인 압분체를 얻을 수 있다. 분말 저항이 높은 연자성 분말을 이용함으로써, 연자성 분말의 입자간이 충분히 절연되기 때문에, 높은 연자기 특성과 낮은 손실을 동시에 갖는 압분체 등을 얻을 수 있기 때문이다. 산소 함유율이 너무 낮은 경우에는, 분말 저항이 저하하기 쉬워진다. 산소 함유율이 너무 높은 경우에는, 분말 저항이 저하하기 쉬워짐과 더불어, 포화 자기화가 저하하기 쉬워진다.

또, 본 실시 형태의 연자성 분말에 있어서는, Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 된다.

X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다. X1의 함유량에 관해서는 α=0이어도 된다. 즉, X1은 함유하지 않아도 된다. 또, X1의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at%로 하여 40at% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤α{1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)}≤0.400을 만족하는 것이 바람직하다.

X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이다. X2의 함유량에 관해서는 β=0이어도 된다. 즉, X2는 함유하지 않아도 된다. 또, X2의 원자수는 조성 전체의 원자수를 100at%로 하여 3.0at% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 0≤β{1-(a＋b＋c＋d＋e＋f)}≤0.030을 만족하는 것이 바람직하다.

Fe를 X1 및/또는 X2로 치환하는 치환량의 범위로는, 원자수 베이스로 Fe의 절반 이하로 한다. 즉, 0≤α＋β≤0.500으로 한다. α＋β＞0.500의 경우에는, 열처리에 의해 본 실시 형태의 연자성 분말을 얻는 것이 곤란해진다.

(Fe＋X1＋X2)의 함유량(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))에 대해서는, 임의이나, 0.690≤(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))≤0.900인 것이 바람직하다. (1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))를 상기의 범위 내로 함으로써, 본 실시 형태의 연자성 분말 제조시에 입경 30nm보다 큰 결정으로 이루어지는 결정상이 더 생기기 어려워진다.

또한, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은 상기 이외의 원소를 불가피적 불순물로서 포함하고 있어도 된다. 예를 들어, 연자성 분말 100mass%에 대해서 0.1mass% 이하, 포함하고 있어도 된다.

또, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은, 비정질을 포함해도 되고, 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조를 갖고 있어도 된다. 비정질을 포함하는 것, 미결정을 포함하는 것, 및, 나노 헤테로 구조를 갖는 것은, X선 구조 회절에 의한 방법이나, 투과형 전자현미경에 의한 고분해능상 해석에 의해 격자의 유무를 확인하는 방법이나, 투과형 전자현미경에 의한 전자 회절 패턴에 의한 방법 등으로 관찰할 수 있다. 미결정의 평균 입경은 0.2nm 이상 10nm 이하인 것이 바람직하다.

또, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은, X선 구조 회절로 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조가 관찰되는 것이 바람직하다.

Fe기 나노 결정이란, 입경이 나노 오더이며, Fe의 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)인 결정이다. 본 실시 형태에 있어서는, Fe기 나노 결정의 평균 입경이 3nm 이상 50nm 이하인 것이 바람직하다. 이러한 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조를 갖는 연자성 분말은, 보자력 Hc가 낮아지기 쉽고, 포화 자기화 σs가 높아지기 쉽다. 또한, X선 구조 회절로 Fe기 나노 결정이 관찰되는 경우에는 비정질은 관찰되지 않는 것이 통상이나, 비정질이 관찰되어도 된다.

또, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은, Fe 조성 네트워크상을 갖는 것이 바람직하다. 이하, Fe 조성 네트워크상에 대해 설명한다.

Fe 조성 네트워크상이란, 연자성 분말의 평균 조성보다 Fe의 함유 비율이 높은 상이다. 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말의 Fe 농도 분포를 3차원 아톰 프로브(이하, 3DAP라고 표기하는 경우가 있다)를 이용하여 관찰하면 Fe 함유 비율이 높은 부분이 네트워크형상으로 분포하고 있는 상태를 관찰할 수 있다.

Fe 조성 네트워크상의 양태는, Fe 조성 네트워크상의 극대점의 수 및 극대점의 배위수를 측정함으로써 정량화할 수 있다.

Fe 조성 네트워크상의 극대점이란, 국소적으로 Fe 함유 비율이 주위보다 높아지는 점이다. 또, 극대점의 배위수란, 하나의 극대점이 Fe 조성 네트워크상을 통해서 연결되어 있는 다른 극대점의 수이다.

이하, 본 실시 형태에 있어서의 Fe 조성 네트워크상의 해석 순서에 대해 도면을 이용하여 설명함으로써, 극대점, 극대점의 배위수 및 그들의 산출 방법에 대해 설명한다.

우선, 1변의 길이가 40nm인 입방체를 측정 범위로 하고, 당해 입방체를 1변의 길이가 1nm인 입방체 형상의 그리드마다 분할한다. 즉, 하나의 측정 범위에 그리드가 40×40×40=64000개 존재한다.

다음으로, 각 그리드에 포함되는 Fe 함유 비율을 평가한다. 그리고, 모든 그리드에 있어서의 Fe 함유 비율의 평균값(이하, 역치라고 표기하는 경우가 있다)을 산출한다. 당해 Fe 함유 비율의 평균값은, 연자성 분말의 평균 조성으로부터 산출되는 값과 실질적으로 동등한 값이 된다.

다음으로, Fe 함유 비율이 역치를 초과하는 그리드이며, 모든 인접 그리드보다 Fe 함유 비율이 높은 그리드를 극대점으로 한다. 도 1에는 극대점을 탐색하는 공정을 나타내는 모델을 도시한다. 각 그리드(10)의 내부에 기재한 숫자가 각 그리드에 포함되는 Fe 함유 비율을 나타낸다. 인접하는 모든 인접 그리드(10b)의 Fe 함유 비율 이상의 Fe 함유 비율인 그리드를 극대점(10a)으로 한다.

또, 도 1에는, 1개의 극대점(10a)에 대해서 8개의 인접 그리드(10b)가 기재되어 있으나, 실제로는, 도 1의 극대점(10a)의 앞쪽 및 안쪽에도 인접 그리드(10b)가 9개씩 존재한다. 즉, 1개의 극대점(10a)에 대해서 인접 그리드(10b)가 26개 존재한다.

또, 측정 범위의 단부에 위치하는 그리드(10)에 대해서는, 측정 범위의 외측에 대해 Fe 함유 비율 0의 그리드가 존재한다고 간주한다.

다음으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 측정 범위에 포함되는 전체 극대점(10a)간을 잇는 선분을 생성한다. 선분을 이을 때에는, 각 그리드의 중심과 중심을 잇는다. 또한, 도 2~도 5에 있어서는, 설명의 편의상, 극대점(10a)을 동그라미로 표기한다. 동그라미의 내부에 기재된 숫자는 Fe 함유 비율이다.

다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 역치보다 높은 Fe 함유 비율인 영역(=Fe 조성 네트워크상)(20a) 및 역치 이하의 Fe 함유 비율인 영역(20b)을 구분한다. 그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 영역(20b)을 통과하는 선분을 삭제한다.

다음으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 선분이 삼각형을 구성하는 부분이며 당해 삼각형의 내측에 영역(20b)이 없는 경우에는, 당해 삼각형을 구성하는 3개의 선분 중, 가장 긴 선분을 한 개 삭제한다. 마지막으로, 극대점들이 인접하는 그리드에 있는 경우에 대해서, 그 극대점들을 잇는 선분을 삭제한다.

그리고, 각 극대점(10a)으로부터 뻗는 선분의 수를 각 극대점(10a)의 배위수로 한다. 예를 들어, 도 5의 경우에는, Fe 함유 비율이 50인 극대점(10a1)은 배위수 4, Fe 함유 비율이 41인 극대점(10a2)은 배위수 2가 된다.

또, 40nm×40nm×40nm의 측정 범위 내의 최표면에 존재하는 그리드가 극대점을 나타내는 경우, 당해 극대점은, 후술하는 배위수가 특정 범위 내인 극대점의 비율의 계산으로부터 제외한다.

또한, 배위수가 0인 극대점, 및, 배위수가 0인 극대점의 주위에 존재하고 있는 역치보다 높은 Fe 함유 비율인 영역도 Fe 조성 네트워크상에 포함된다고 한다.

이상으로 개시한 측정은, 각각 상이한 측정 범위에서 수 회 행함으로써, 산출되는 결과의 정밀도를 충분히 높은 것으로 할 수 있다. 바람직하게는, 각각 상이한 측정 범위에서 3회 이상, 측정을 행한다.

본 실시 형태에 따르는 연자성 분말이 갖는 Fe 조성 네트워크상은, 국소적으로 Fe 함유 비율이 주위보다 높아지는 Fe 함유 비율의 극대점을 40만개/μm³ 이상 갖고, 상기 Fe 함유 비율의 극대점 전체에서 차지하는 배위수가 1 이상 5 이하인 극대점의 비율이 80% 이상 100% 이하이다. 또한, 극대점의 개수의 분모는 측정 범위 전체의 체적이며, 역치보다 높은 Fe 함유 비율인 영역(20a)의 체적 및 역치 이하의 Fe 함유 비율인 영역(20b)의 체적의 합계이다.

본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은, 극대점의 수 및 배위수가 1 이상 5 이하인 극대점의 비율이 상기의 범위 내인 Fe 조성 네트워크상을 가짐으로써, 연자기 특성이 뛰어난 연자성 분말이 된다. 구체적으로는, 보자력이 낮고 포화 자기화가 높은 연자성 분말이 된다.

바람직하게는, 상기 Fe 함유 비율의 극대점 전체에서 차지하는 배위수가 2 이상 4 이하인 극대점의 비율이 70% 이상 90% 이하이다.

또한, 상기 연자성 분말 전체에서 차지하는 상기 Fe 조성 네트워크상의 체적 비율(역치보다 높은 Fe 함유 비율인 영역(20a) 및 역치 이하의 Fe 함유 비율인 영역(20b)의 합계에서 차지하는 역치보다 높은 Fe 함유 비율인 영역(20a)의 체적 비율)이 25vol% 이상 50vol% 이하인 것이 바람직하고, 30vol% 이상 40vol% 이하인 것이 더 바람직하다.

이하, 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 실시 형태의 연자성 분말을 얻는 방법으로는, 예를 들어 물 아토마이즈법 또는 가스 아토마이즈법에 의한 방법이 있다. 이하, 가스 아토마이즈법에 대해 설명한다.

가스 아토마이즈법에서는, 우선, 최종적으로 얻어지는 연자성 분말에 포함되는 각 금속 원소의 순금속을 준비하고, 최종적으로 얻어지는 연자성 분말과 같은 조성이 되도록 칭량한다. 그리고, 각 금속 원소의 순금속을 용해하고, 혼합하여 모합금을 제작한다. 또한, 상기 순금속의 용해 방법에는 특별히 제한은 없으나, 예를 들어 챔버 내에서 진공으로 한 후에 고주파 가열로 용해시키는 방법이 있다. 또한, 모합금과 최종적으로 얻어지는 연자성 분말은, 통상, 산소의 함유량 이외는 같은 조성이 된다.

다음으로, 제작한 모합금을 가열하여 용융시켜, 용융 금속(용탕)을 얻는다. 용융 금속의 온도는 임의이나, 예를 들어 1200~1500℃로 할 수 있다. 그 후, 상기 용융 합금을 챔버 내에서 분사시켜, 연자성 분말을 제작한다. 용융 금속의 온도가 낮을수록 후술하는 미결정의 입경이 작아지기 쉬워지고, 미결정이 생성되기 어려워진다.

이때, 가스 분사 온도를 50~200℃로 하고, 챔버 내의 증기압을 4hPa 이하로 함으로써, 연자성 분말을 나노 헤테로 구조로 하기 쉬워진다. 나노 헤테로 구조란, 미결정이 비정질 중에 존재하는 구조이다. 또, 이 나노 헤테로 구조에는, 입경이 30nm보다 큰 결정이 포함되어 있지 않다. 입경이 30nm보다 큰 결정의 유무에 대해서는, 예를 들어 통상의 X선 회절 측정에 의해 확인할 수 있다.

이 시점에서 연자성 분말을 나노 헤테로 구조로 함으로써, 후술하는 열처리에 의해 연자성 분말을 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조로 하기 쉬워진다. 또한, 상기의 Fe 조성 네트워크상을 갖는 구조로 하기 쉬워진다. 또한, 상기 미결정은 평균 입경이 0.3~10nm인 것이 바람직하다. 미결정의 유무 및 평균 입경은, 예를 들어 용융 금속의 온도를 제어함으로써 변화시킬 수 있다.

단, 최종적으로 얻어지는 연자성 분말이 비정질을 포함해도 되는 경우에는, 열처리 전의 연자성 분말을 나노 헤테로 구조로 하지 않아도 되고, 비정질만을 포함하는 구조로 해도 된다. 또, 최종적으로 얻어지는 연자성 분말이 나노 헤테로 구조를 갖는 경우에는, 열처리 전의 연자성 분말을 비정질만을 포함하는 구조로 해도 되고, 열처리 전의 연자성 분말을 나노 헤테로 구조로 해도 된다.

또, 상기의 미결정의 유무 및 평균 입경의 관찰 방법에 대해서는, 특별히 제한은 없으나, 예를 들어, 투과 전자현미경을 이용하여, 제한 시야 회절상, 나노 빔 회절상, 명시야상 또는 고분해능상을 얻음으로써 확인할 수 있다. 제한 시야 회절상 또는 나노 빔 회절상을 이용하는 경우, 회절 패턴에 있어서 비정질의 경우에는 링형상의 회절이 형성되는 데 비해, 비정질이 아닌 경우에는 결정 구조에 기인한 회절 반점이 형성된다. 또, 명시야상 또는 고분해능상을 이용하는 경우에는, 배율 1.00×10⁵~3.00×10⁵배로 육안으로 관찰함으로써 미결정의 유무 및 평균 입경을 관찰할 수 있다.

가스 아토마이즈법으로 나노 헤테로 구조로 이루어지는 연자성 분말을 제작한 후에 열처리를 행함으로써, 연자성 분말을 적절한 구조로 하기 쉬워진다. 또한, 상기의 Fe 조성 네트워크상을 갖는 구조로 하기 쉬워진다.

열처리 조건은 임의이다. 연자성 분말의 조성에 따라 바람직한 열처리 조건은 상이하다. 최종적으로 얻어지는 연자성 분말을 Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조로 하는 경우 및 Fe 조성 네트워크상을 갖는 구조로 하는 경우에는, 통상, 바람직한 열처리 온도는 대체로 450~650℃, 바람직한 열처리 시간은 대체로 0.5~10시간이 된다. 그러나, 조성에 따라서는 상기의 범위를 벗어난 곳에 바람직한 열처리 온도 및 열처리 시간이 존재하는 경우도 있다.

또, 최종적으로 얻어지는 연자성 분말을 비정질만을 포함하는 구조 또는 나노 헤테로 구조로 하는 경우에는, 열처리 온도를 상기의 온도보다 작게 하거나, 열처리 전의 연자성 분말을 비정질만을 포함하는 구조로 하는 것이 바람직하다. 열처리 온도를 작게 하는 경우에는, 구체적으로는, 대체로 300~350℃로 하는 것이 바람직하다.

열처리시의 분위기는 임의이다. 예를 들어 Ar 가스 중과 같은 불활성 분위기로 하는 것이 바람직하다. 또, 열처리시의 분위기 중의 산소 분압을 제어함으로써, 최종적으로 얻어지는 연자성 분말에 있어서의 산소 함유율을 질량비로 300ppm 이상 3000ppm 이하로 제어할 수 있다. 또한, 열처리 전의 연자성 분말에 있어서의 산소 함유율은 150ppm 정도이며, 상기의 범위 외이다.

최종적으로 얻어지는 연자성 분말에 있어서의 산소 함유율을 제어하는 방법은 임의이다. 열처리시의 분위기 중의 산소 분압을 제어하는 방법 이외에도, 예를 들어 모합금 제작시에 있어서의 분위기 중의 산소 분압을 변화시킴으로써 제어하는 방법을 들 수 있다.

또, 열처리시의 분위기에는 특별히 제한은 없다. 대기 중과 같은 활성 분위기하에서 행해도 되고, Ar 가스 중과 같은 불활성 분위기하에서 행해도 된다.

또, 열처리에 의해 얻어진 연자성 분말에 포함되는 미결정 또는 Fe기 나노 결정의 평균 입경의 산출 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들어 투과 전자현미경을 이용하여 관찰함으로써 산출할 수 있다. 또, Fe기 나노 결정의 결정 구조가 bcc(체심 입방 격자 구조)인 것을 확인하는 방법에도 특별히 제한은 없다. 예를 들어 X선 회절 측정을 이용하여 확인할 수 있다.

본 실시 형태에 따르는 연자성 분말의 분말 저항은 0.1t/cm²로 성형한 압분체의 체적 저항률에 의해 평가할 수 있다. 0.1t/cm²라고 하는 것은 성형 압력으로서는 낮은 압력이다. 즉, 성형의 전후로 연자성 분말의 형상 등의 변화가 매우 작다. 한편, 성형 압력이 더 저압이면, 압분체의 밀도가 너무 낮아서 압분체의 체적 저항률을 올바르게 측정할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 연자성 분말을 0.1t/cm²로 성형한 압분체의 체적 저항률을 평가함으로써 연자성 분말의 분말 저항을 평가할 수 있다. 연자성 분말의 산소 함유율을 300ppm 이상 3000ppm 이하로 제어함으로써, 압분체의 체적 저항률이 0.5kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하가 되는 분말 저항을 갖는 연자성 분말로 하기 쉬워진다.

본 실시 형태에 따르는 연자성 분말은 적당히 바인더와 혼합한 후, 금형을 이용해 압분 성형함으로써, 높은 체적 저항률을 갖는 압분체를 얻을 수 있다. 즉, 분말 저항이 높은 연자성 분말을 이용하는 경우에는, 압분 성형시의 성형 압력은 임의이나, 충전율이 상승해도 체적 저항률이 높은 압분체를 얻을 수 있다. 또, 바인더의 종류나 함유량은 임의이며, 바인더의 종류나 함유량에 의해서도 압분체의 체적 저항률이 변화한다. 또한, 바인더와 혼합하기 전에, 연자성 분말 표면에 산화 처리나 절연 피막 등을 실시함으로써, 압분체의 체적 저항률을 더 상승시키는 것이 가능하다.

또한, 상기의 압분체에 대해, 변형 교정 열처리로서 성형 후에 열처리함으로써, 보자력을 저감하여 코어 로스를 저하시키는 것도 가능하다.

또, 상기 압분체에 권선을 실시함으로써 인덕턴스 부품이 얻어진다. 권선을 실시하는 방법 및 인덕턴스 부품의 제조 방법에는 특별히 제한은 없다. 예를 들어, 상기의 방법으로 제조한 압분체에 권선을 적어도 1턴 이상 감는 방법을 들 수 있다.

또한, 권선 코일이 본 실시 형태에 따르는 연자성 분말에 내장되어 있는 상태로 가압 성형하여 일체화함으로써, 본 실시 형태에 따르는 압분체에 권선 코일이 내장된 인덕턴스 부품을 제조하는 것도 가능하다.

여기서, 연자성 분말을 이용하여 인덕턴스 부품을 제조하는 경우에는, 최대 입경이 체 직경으로 45μm 이하, 중심 입경(D50)이 30μm 이하인 연자성 분말을 이용하는 것이, 뛰어난 Q 특성을 얻는 데 있어서 바람직하다. 최대 입경을 체 직경으로 45μm 이하로 하기 위해서, 눈금 간격 45μm의 체를 이용하여, 체를 통과하는 연자성 분말만을 이용해도 된다.

최대 입경이 큰 연자성 분말을 이용할수록 고주파 영역에서의 Q값이 저하되는 경향이 있고, 특히 최대 입경이 체 직경으로 45μm를 초과하는 연자성 분말을 이용하는 경우에는, 고주파 영역에서의 Q값이 크게 저하되는 경우가 있다. 단, 고주파 영역에서의 Q값을 중시하지 않는 경우에는, 편차가 큰 연자성 분말을 사용 가능하다. 편차가 큰 연자성 분말은 비교적 저렴하게 제조할 수 있기 때문에, 편차가 큰 연자성 분말을 이용하는 경우에는, 비용을 저감하는 것이 가능하다.

본 실시 형태에 따르는 압분체의 용도는 임의이다. 자성 부품, 예를 들어 자심, 인덕턴스 부품, 트랜스, 모터 등에 이용할 수 있다.

이상, 본 발명의 각 실시 형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 상기의 실시 형태에 한정되지 않는다.

[실시예]

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실험예 1)

하기 표에 기재하는 각 실시예 및 비교예의 합금 조성이 되도록 원료 금속을 칭량하고, 고주파 가열로 용해하여, 모합금을 제작했다. 또한, 시료 번호 1(비교예)의 조성은 일반적으로 잘 알려진 아몰퍼스 합금의 조성이다.

그 후, 제작한 모합금에 대해서, 아토마이즈법에 의해 분말화하여 연자성 분말을 얻었다. 이 때에, 도가니로부터 유하시키는 용융 금속의 온도를 1250℃, 유하량을 1kg/분, 도가니의 유하구의 내경을 1mm, 가스 제트의 유속을 900m/s로 했다. 그 후, 분급기에 의해 분급을 행하여, 평균 입경 D50이 15μm 이상 30μm 이하인 연자성 분말을 얻었다.

얻어진 연자성 분말에 대해서 X선 회절 측정을 행하여, 입경이 30nm보다 큰 결정의 유무를 확인했다. 그리고, 입경이 30nm보다 큰 결정이 존재하지 않는 경우에는 비정질상이 관찰된다고 하고, 입경이 30nm보다 큰 결정이 존재하는 경우에는 결정상으로 이루어진다고 했다. 또한, 후술하는 시료 번호 181을 제외한 모든 실시예에 있어서, 평균 입경이 0.1nm 이상 15nm 이하인 미결정이 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조가 관찰되었다.

그 후, 각 시료의 연자성 분말에 대해, 600℃에서 1시간, 열처리를 행했다. 열처리는 질소 분위기에서 행했다. 또, 열처리시의 질소 분위기 중의 산소 농도를 10ppm 이상 10000ppm 이하의 범위 내에서 제어함으로써, 열처리 후의 연자성 분말의 산소 함유율을 제어했다. 열처리 후의 각 연자성 분말에 대해, 포화 자기화 σs 및 보자력 Hc를 측정했다. 포화 자기화 σs는 진동 시료형 자력계(VSM)를 이용하여 자장 1000kA/m로 측정했다. 보자력 Hc는 직류 BH 트레이서를 이용하여 자장 5kA/m로 측정했다.

그 후, 열처리 후의 각 연자성 분말을 압력 0.1t/cm²로 가압하고, 분말 저항 장치를 이용하여 (체적)저항률 ρ를 측정했다.

본 실시예에서는 포화 자기화 σs는 150A·m²/kg 이상을 양호로 했다. 보자력 Hc는 4.0Oe 이하를 양호로 했다. 저항률 ρ는 0.5kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하를 양호로 하고, 3kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하를 더 양호로 했다. 하기 표에서는 저항률 ρ가 3kΩ·cm 이상인 경우를 ◎, 0.5kΩ·cm 이상 3kΩ·cm 미만인 경우를 ○, 0.5kΩ·cm 미만 또는 500kΩ·cm 초과인 경우를 ×로 했다. 또한, 저항률 ρ가 500kΩ·cm를 초과하는 시료는 존재하지 않았다.

이하에 개시하는 실험예 1의 실시예에서는 특별히 기재가 없는 한, 열처리 후의 연자성 분말은 모두 평균 입경이 3nm 이상 30nm 이하이며 결정 구조가 bcc인 Fe기 나노 결정을 갖고 있던 것을 X선 회절 측정, 및 투과 전자현미경을 이용한 관찰로 확인했다. 또, 열처리의 전후로 합금 조성에 변화가 없는 것에 대해 ICP 분석을 이용하여 확인했다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

[표 8]

[표 9]

[표 10]

[표 11]

[표 12]

표 1은 일반적으로 잘 알려진 아몰퍼스 합금의 조성을 갖는 비교예와, 특정의 조성을 갖고 산소의 함유량을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다.

표 1로부터, 종래의 조성의 연자성 분말은 포화 자기화 σs가 충분하지 않다. 또, 특정 범위 내의 조성을 가지며, 산소의 함유량을 질량비로 300ppm 이상 3000ppm 이하로 제어한 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 또한, 산소의 함유량을 800ppm 이상 2000ppm 이하로 제어한 실시예는 저항률 ρ가 더 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, 특정 조성을 가져도 산소의 함유량이 300ppm 미만인 비교예는 저항률 ρ가 저하했다. 또, 산소의 함유량이 3000ppm 초과인 비교예는 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 저하했다.

표 2는 주로 M(Nb)의 함유량(a)을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 0≤a≤0.140인 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 또한, 0.040≤a≤0.140인 실시예는 저항률 ρ가 더 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, a가 너무 큰 비교예는 포화 자기화 σs가 저하했다.

표 3은 주로 B의 함유량(b)을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 0.020＜b≤0.200인 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 또한, 0.060≤b≤0.200인 실시예는 저항률 ρ가 더 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, b가 너무 작은 비교예는 열처리 전의 연자성 분말이 결정상으로 이루어지고, 열처리 후의 보자력 Hc가 현저하게 상승했다. 또, b가 너무 큰 비교예는 포화 자기화 σs가 저하했다.

표 4는 주로 P의 함유량(c)을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 0＜c≤0.150인 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 또한, 0.010≤c≤0.150인 실시예는 저항률 ρ가 더 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, c=0인 비교예는 보자력 Hc가 커졌다. 또, c가 너무 큰 비교예는 포화 자기화 σs가 저하했다.

표 5는 M(Nb)의 함유량(a), B의 함유량(b) 및 P의 함유량(c)을 동시에 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. M(Nb)의 함유량(a), B의 함유량(b) 및 P의 함유량(c)을 특정 범위 내에서 동시에 변화시킨 실시예는 모두 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

표 6은 주로 Si의 함유량(d)을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 0≤d≤0.060인 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, d가 너무 큰 비교예는 보자력 Hc가 상승하고, 포화 자기화 σs가 저하했다.

표 7은 주로 C의 함유량(e)을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 0≤e≤0.030인 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 또한, 0≤e≤0.010인 실시예는 저항률 ρ가 더 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, e가 너무 큰 비교예는 보자력 Hc가 상승했다.

표 8은 주로 S의 함유량(f)을 변화시킨 실시예 및 비교예를 기재한 것이다. 0≤f≤0.010인 실시예는 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다. 이에 비해, f가 너무 큰 비교예는 보자력 Hc가 상승했다.

표 9는 Si, C, 및 S를 모두 포함하지 않는 시료 번호 34, 35 및 5에 대해서, Si, C, 및 S를 동시에 함유시킨 실시예를 기재한 것이다. Si, C, 및 S를 특정 범위 내에서 동시에 함유시킨 실시예는 모두 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

표 10은 M의 종류를 변화시킨 실시예를 기재한 것이다. M의 종류를 변화시켜도 조성이 특정 범위 내인 실시예는 모두 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

표 11은 Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환한 실시예를 기재한 것이다. Fe의 일부를 X1 및/또는 X2로 치환해도 조성이 특정 범위 내인 실시예는 모두 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

표 12는 M을 포함하지 않는 실시예(a=0인 실시예)를 기재한 것이다. M을 포함하지 않아도 조성이 특정 범위 내인 실시예는 모두 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

(실험예 2)

실험예 2에서는, 용융 금속의 온도 및 열처리 조건을 시료 번호 5로부터 변화시킨 실시예를 행했다. 결과를 하기 표에 기재한다. 또한, 시료 번호 181은 열처리 전에도 열처리 후에도 결정이 생성되지 않고, 비정질만을 갖는 구조가 되었다. 시료 번호 181a는 열처리 전에는 비정질만을 갖는 구조이며, 열처리 후에는 Fe기 나노 결정을 갖는 구조가 되었다. 시료 번호 182 및 182a는 열처리 전에도 열처리 후에도 나노 헤테로 구조였다. 시료 번호 182b, 183~189는 모두 열처리 전에는 나노 헤테로 구조이며, 열처리 후에는 Fe기 나노 결정을 갖는 구조였다.

[표 13]

표 13으로부터, 상기한 대로 구조를 변화시켜도 조성이 특정 범위 내인 실시예는 모두 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

(실험예 3)

실험예 3에서는, 각 시료에 대해 3DAP(3차원 아톰 프로브)를 이용하여, Fe 함유 비율의 극대점의 개수, 배위수가 1 이상 5 이하인 극대점의 비율, 배위수가 2 이상 4 이하인 극대점의 비율 및 시료 전체에 대한 Fe 조성 네트워크상의 함유 비율에 대해 측정했다. 결과를 표 14에 기재한다. 또한, 표 14에 기재한 각 실시예는, 조성이 실험예 1의 시료 번호 5와 동일하고, 아토마이즈의 분사 조건 및 열처리 온도를 제어함으로써 극대점의 개수 및 Fe 조성 네트워크상의 체적 비율을 주로 변화시킨 실시예이다.

[표 14]

표 14로부터, 연자성 분말의 조성이 특정 범위 내이며, 연자성 분말이 Fe 조성 네트워크상으로 이루어지고, Fe 조성 네트워크상의 체적 비율이 25vol% 이상 50vol% 이하인 경우에는, 보자력 Hc, 포화 자기화 σs 및 저항률 ρ가 적절한 결과가 되었다.

10…그리드
10a…극대점
10b…인접 그리드
20a…역치보다 높은 Fe 함유 비율인 영역
20b…역치 이하의 Fe 함유 비율인 영역

Claims

조성식 (Fe_{(1-(α＋β))}X1_αX2_β)_{(1-(a＋b＋c＋d＋e＋f))}M_aB_bP_cSi_dC_eS_f로 이루어지는 주성분을 포함하는 연자성 분말로서,
X1은 Co 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,
X2는 Al, Mn, Ag, Zn, Sn, As, Sb, Cu, Cr, Bi, N, 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상,
M은 Nb, Hf, Zr, Ta, Mo, W, Ti 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고,
0≤a≤0.140
0.020＜b≤0.200
0＜c≤0.150
0≤d≤0.060
0≤e≤0.030
0≤f≤0.010
α≥0
β≥0
0≤α＋β≤0.50
이며,
상기 연자성 분말에 있어서의 산소 함유율이 질량비로 300ppm 이상 3000ppm 이하인, 연자성 분말.
청구항 1에 있어서,
비정질인, 연자성 분말.
청구항 1에 있어서,
비정질 및 미결정으로 이루어지고 상기 미결정이 상기 비정질 중에 존재하는 나노 헤테로 구조가 관찰되는, 연자성 분말.
청구항 3에 있어서,
상기 미결정의 평균 입자경이 0.3~10nm인, 연자성 분말.
청구항 1에 있어서,
Fe기 나노 결정으로 이루어지는 구조가 관찰되는, 연자성 분말.
청구항 5에 있어서,
상기 Fe기 나노 결정의 평균 입경이 3nm 이상 50nm 이하인, 연자성 분말.
청구항 1에 있어서,
삼차원 아톰 프로브로 Fe 함유 비율이 상기 연자성 분말 전체에 포함되는 Fe 함유 비율보다 높은 영역이 연결되어 있는 Fe 조성 네트워크상이 관찰되고,
상기 Fe 조성 네트워크상은, 국소적으로 Fe 함유 비율이 주위보다 높아지는 Fe 함유 비율의 극대점을 40만개/μm³ 이상 가지며,
모든 상기 Fe 함유 비율의 극대점 중에서, 배위수가 1 이상 5 이하인 상기 Fe 함유 비율의 극대점의 비율이 80% 이상 100% 이하인, 연자성 분말.
청구항 7에 있어서,
상기 연자성 분말 전체에서 차지하는 상기 Fe 조성 네트워크상의 체적 비율이 25vol% 이상 50vol% 이하인, 연자성 분말.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
압력 0.1t/cm²로 압분된 상태에 있어서의 체적 저항률이 0.5kΩ·cm 이상 500kΩ·cm 이하인, 연자성 분말.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 연자성 분말을 포함하는 압분체.
청구항 10에 기재된 압분체를 갖는 자성 부품.