JPWO2016010099A1 - 磁心の製造方法、磁心およびそれを用いたコイル部品 - Google Patents

Abstract

高強度と高比抵抗を兼ね備えた磁心およびそれを用いたコイル部品、並びに高強度と高比抵抗の磁心を容易に得ることが可能な磁心の製造方法を提供する。本発明の磁心の製造方法は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粉と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粉と、バインダとを混合する第１の工程と、前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程とを有し、前記熱処理によって前記Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に酸化物層を形成し、該酸化物層を介してＦｅ基軟磁性合金粉同士を結合させることを特徴とする。

Description

本発明は、Ｆｅ基軟磁性合金粉を用いて構成された磁心の製造方法、磁心および磁心にコイルを巻装して構成されたコイル部品に関する。

従来から、家電機器、産業機器、車両など多種多様な用途において、インダクタ、トランス、チョーク等のコイル部品が用いられている。コイル部品は、磁心と、その磁心の周囲に巻回されたコイルで構成される。近年、電子機器等の電源装置の小型化が進んだ結果、小型・低背で、かつ大電流に対しても使用可能なコイル部品の要求が強くなり、磁性コアとしては飽和磁束密度が高い金属系磁性粉末を使用した圧粉磁心の採用が進んでいる。金属系磁性粉末としては、例えばＦｅ−Ｓｉ系などの軟磁性合金粉末が用いられている。コイル部品には、加圧成形して得られた圧粉磁心の周囲にコイルを巻回した一般的な構造の他、小型・低背の要求を満たすために、コイルと磁性粉末が一体的に成形された構造（コイル封入構造）も採用されている。

Ｆｅ−Ｓｉ系などの軟磁性合金粉末を圧密化して得られる圧粉磁心は、フェライトのような酸化物磁性体に比べて飽和磁束密度が高い反面、使用される軟磁性合金粉末の電気抵抗率（比抵抗）が低い。そのため、軟磁性合金粉末表面に絶縁性被覆を形成するなど、軟磁性合金粉末間の絶縁性を高める方法が適用されている。例えば、特許文献１には、ＦｅおよびＳｉと、Ｆｅよりも酸化しやすい金属元素であるＣｒ又はＡｌを含有する軟磁性合金の粒子群で構成された成形体を４００℃から９００℃で熱処理する方法と、前記熱処理によって形成された酸化層を介して粒子同士を結合させた磁心が開示されている。成形時に高い圧力を必要とすることなく、高透磁率・高飽和磁束密度の磁心を得ることがその目的である。

特許文献２には、絶縁性被覆となる高電気抵抗物質の自己生成が可能な磁性粉末としてＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の磁性粉末を用いた例が開示されている。

特開２０１１−２４９７７４号公報 特開２００５−２２０４３８号公報

特許文献１に記載の磁心は、実施例に記載された熱処理条件によれば、１×１０^３Ω・ｍを超える比抵抗が得られるものの、破断応力は１００ＭＰａにも至らず、フェライト磁心と同程度の強度であった。熱処理温度を１０００℃まで上げることで、破断応力は２０ｋｇｆ／ｍｍ^２（１９６ＭＰａ）と向上するが、比抵抗は２×１０^２Ω・ｃｍ（２Ω・ｍ）と著しく低下している。すなわち、高比抵抗と高強度を両立するには至っていない。

また、特許文献２に記載の磁心は、酸化皮膜によって電気抵抗が２．５倍程度向上することが示されているが、抵抗値そのものは、酸化皮膜の有無にかかわらず数ｍΩ程度にすぎない。

本発明は、上記問題点に鑑み、高強度と高比抵抗を兼ね備えた磁心およびそれを用いたコイル部品、並びに高強度と高比抵抗の磁心を容易に得ることが可能な磁心の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の磁心の製造方法は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粉と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粉と、バインダとを混合する第１の工程と、前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程とを有し、前記熱処理によって前記Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に酸化物層を形成し、該酸化物層を介してＦｅ基軟磁性合金粉同士を結合させることを特徴とする。

また、前記磁心の製造方法において、前記第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉の合計に対する前記第１の基軟磁性合金粉の比率が質量比で４０％以上であることが好ましい。

本発明の磁心は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心であって、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒が、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粒と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粒を有し、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒同士が、該粒の表面に形成された酸化物層を介して結合されていることを特徴とする。

本発明のコイル部品は、前記磁心と、前記磁心に巻装されたコイルとを有することを特徴とする。

本発明によれば、高強度と高比抵抗を兼ね備えた磁心およびそれを用いたコイル部品、並びに高強度と高比抵抗の磁心を容易に得ることが可能な磁心の製造方法を提供することができる。

本発明に係る磁心の製造方法の実施形態を説明するための工程のフローである。 本発明に係る磁心の実施形態を示す斜視図である。 第１のＦｅ基軟磁性合金粉の含有比率と圧環強度との関係を示すグラフである。 第１のＦｅ基軟磁性合金粉の含有比率と比抵抗との関係を示すグラフである。 本発明に係る磁心の断面のＳＥＭ像および元素マッピングである。 比較例に係る磁心の断面のＳＥＭ像および元素マッピングである。

以下、本発明に係る磁心の製造方法、磁心およびコイル部品の実施形態を、具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明に係る磁心の製造方法の実施形態を説明するための工程のフローである。この製造方法は、Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粉と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粉と、バインダとを混合する第１の工程と、前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程とを有する。Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織は、Ｆｅ基軟磁性合金粒の集合体がなす組織である。熱処理によりＦｅ軟磁性合金粉の表面に酸化物層を形成しつつ、該酸化物層を介してＦｅ基軟磁性合金粉同士を結合させる。したがって、得られる磁心は、Ｆｅ基軟磁性合金粒と、該Ｆｅ基軟磁性合金粒間に介在する酸化物相を有する。ここで酸化物相は、２つのＦｅ基軟磁性合金粒の間の粒界の酸化物層と、３つのＦｅ基軟磁性合金粒の間の粒界の３重点にある、例えば層状の形態をとらない酸化物を含む。
これらの構成によって、以下に説明する効果を得ることができる。

本発明に用いる第１のＦｅ基軟磁性合金粉は、質量比でＦｅを最も多く含み、さらにＡｌおよびＣｒを含むＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉である。また、第２のＦｅ基軟磁性合金粉は、質量比でＦｅを最も多く含み、さらにＳｉおよびＣｒを含むＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉である。磁心にＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉を用いることは高耐食性や低コアロスに有利である反面、加圧成形に高圧を要し、磁心の強度向上には不利である。一方、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉と同様にＦｅ−Ｓｉ系の合金粉に比べて耐食性に優れるうえに、Ｆｅ−Ｓｉ系やＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系の合金粉に比べて塑性変形しやすい。したがって、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉単独ではなく、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉も併せて用いることで、低い成形圧力でも高い占積率と強度を備えた磁心を得ることができる。そのため、成形機の大型化・複雑化も回避することができる。また、低圧で成形できるため、金型の破損も抑制され、生産性が向上する。

さらに、後述するように、成形後の熱処理によってＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉およびＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉の表面に絶縁性の酸化物層を形成することができる。したがって、成形前に絶縁性酸化物を形成する工程を省略することが可能であるうえ、絶縁性被覆の形成方法も簡易になるため、かかる点においても生産性が向上する。また、上記酸化物層の形成に伴い、Ｆｅ基軟磁性合金粉同士が該酸化物層を介して結合され、高強度の磁心が得られる。

本発明に係る磁心の製造方法の実施形態のうち、まず、第１の工程に供するＦｅ基軟磁性合金粉ついて説明する。なお、以下、特に断りのない限り、含有量や百分率は質量比によるものである。第１のＦｅ基軟磁性合金粉は、軟磁性合金を構成する各成分の中で最も含有率の高い主成分としてＦｅを、副成分としてＡｌおよびＣｒを含む。すなわち、Ｆｅ、ＡｌおよびＣｒが含有比率の高い三つの主要金属元素である。第２のＦｅ基軟磁性合金粉は、軟磁性合金を構成する各成分の中で最も含有率の高い主成分としてＦｅを、副成分としてＣｒおよびＳｉを含む。すなわち、Ｆｅ、ＣｒおよびＳｉが含有比率の高い三つの主要金属元素である。磁心を構成できるのであれば、第１のＦｅ基軟磁性合金粉のＡｌおよびＣｒの含有量並びに第２のＦｅ基軟磁性合金粉のＣｒおよびＳｉの含有量は、これを特に限定するものではないが、以下好ましい構成について説明する。

Ｆｅは、Ｆｅ基軟磁性合金粉を構成する主要な磁性元素である。高飽和磁束密度を確保する観点からはＦｅの含有量は８０質量％以上であることが好ましい。

第１のＦｅ基軟磁性合金粉が含むＣｒおよびＡｌは耐食性等を高める元素である。耐食性向上等の観点からは、Ｃｒの含有量は、好ましくは１．０質量％以上、より好ましくは２．５質量％以上である。一方、非磁性のＣｒが多くなると飽和磁束密度が低下する傾向を示すため、Ｃｒの含有量は、好ましくは９．０質量％以下、より好ましくは７．０質量％以下、さらに好ましくは４．５質量％以下である。
また、上述のようにＡｌも耐食性を高める元素であり、特にＦｅ基軟磁性合金粉の表面酸化物の形成に寄与する。かかる観点から、Ａｌの含有量は、好ましくは２．０質量％以上、より好ましくは３．０質量％以上、さらに好ましくは５．０質量％以上である。一方、非磁性のＡｌが多くなると飽和磁束密度が低下する傾向を示すため、Ａｌの含有量は、好ましくは１０．０質量％以下、より好ましくは８．０質量％以下、さらに好ましくは６．０質量％以下である。また、Ａｌは占積率の向上にも寄与するため、ＣｒよりもＡｌの含有量が高いＦｅ基軟磁性合金粉を用いることがより好ましい。

第２のＦｅ基軟磁性合金粉が含むＣｒは上述のように耐食性等を高める元素である。耐食性向上等の観点からは、Ｃｒの含有量は、好ましくは１．０質量％以上、より好ましくは２．５質量％以上である。一方、非磁性のＣｒが多くなると飽和磁束密度が低下する傾向を示すため、Ｃｒの含有量は、好ましくは９．０質量％以下、より好ましくは７．０質量％以下、さらに好ましくは４．５質量％以下である。
Ｓｉは電気抵抗率や透磁率を高める元素である。かかる観点から、例えば、Ｓｉは１．０質量％以上が好ましい。より好ましくは２．０質量％以上である。一方、Ｓｉが多くなりすぎると飽和磁束密度の低下が大きくなるため、１０．０質量％以下が好ましい。より好ましくは６．０質量％以下、さらに好ましくは４．０質量％以下である。

Ｆｅ基軟磁性合金粉は、Ｃｏ、Ｎｉ等の磁性元素やＡｌ、Ｃｒ以外の非磁性元素を含むことができる。また、製造上不可避の不純物を含み得る。
第１のＦｅ基軟磁性合金粉は、不可避不純物として、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎ等を含み得る。即ち、第１のＦｅ基軟磁性合金粉は、ＡｌおよびＣｒを含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなるものでもよい。かかる不可避不純物の含有量は、それぞれ、Ｓｉ＜１．０質量％、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｃ≦０．０５質量％、Ｏ≦０．３質量％、Ｎ≦０．１質量％、Ｐ≦０．０２質量％、Ｓ≦０．０２質量％であることが好ましい。このうち、Ｓｉは圧環強度向上には不利であるため、第１のＦｅ基軟磁性合金粉では、Ｓｉ＜０．５質量％に規制することがより好ましい。Ｓｉ量はさらに好ましくは０．４質量％以下である。但し、不純物元素を通常の製造工程を経て含まれる水準よりも大幅に低減することには量産性の観点から現実的ではないため、例えば第１のＦｅ基軟磁性合金粉において０．０２質量％以上のＳｉ量は許容することが好ましい。
一方、第２のＦｅ基軟磁性合金粉は、不可避不純物として、Ｍｎ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎ等を含み得る。即ち、第２のＦｅ基軟磁性合金粉は、ＣｒおよびＳｉを含み、残部がＦｅおよび不可避不純物よりなるものでもよい。かかる不可避不純物の含有量は、それぞれ、Ｍｎ≦１．０質量％、Ｃ≦０．０５質量％、Ｏ≦０．３質量％、Ｎ≦０．１質量％、Ｐ≦０．０２質量％、Ｓ≦０．０２質量％であることが好ましい。

各Ｆｅ基軟磁性合金粉の平均粒径（ここでは、体積累積粒度分布におけるメジアン径ｄ５０を用いる）は特に限定されるものではないが、例えば、１μｍ以上、１００μｍ以下の平均粒径を有するＦｅ基軟磁性合金粉を用いることができる。平均粒径を小さくすることで、高周波特性が改善されるので、メジアン径ｄ５０は好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下である。一方、平均粒径が小さい場合は透磁率が低くなる傾向があるため、メジアン径ｄ５０はより好ましくは５μｍ以上である。また、篩等を用いてＦｅ基軟磁性合金粉から粗い粒子を除くことがより好ましい。この場合、少なくとも３２μｍアンダーの（すなわち、目開き３２μｍの篩を通過した）Ｆｅ基軟磁性合金粉を用いることが好ましい。
第１のＦｅ基軟磁性合金粉の平均粒径と第２のＦｅ基軟磁性合金粉の平均粒径との関係はこれを特に限定するものではない。例えば、成形性の観点からは、硬く成形性の低い第２のＦｅ基軟磁性合金粉の平均粒径を相対的に小さくすることが好ましく、コアロスの観点からは、コアロスが相対的に大きい第１のＦｅ基軟磁性合金粉の平均粒径を相対的に小さくすることが好ましい。

Ｆｅ基軟磁性合金粉の形態は、特に限定されるものではないが、流動性等の観点からアトマイズ粉に代表される粒状粉を用いることが好ましい。展性や延性が高く、粉砕しにくい合金の粉末作製には、ガスアトマイズ、水アトマイズ等のアトマイズ法が好適である。また、アトマイズ法は略球状のＦｅ基軟磁性合金粉を得る上でも好適である。

第２のＦｅ基軟磁性合金粉に第１のＦｅ基軟磁性合金粉を混合することで、成形性や強度の向上が期待できるので、第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉との混合比は、これを特に限定するものではない。ただし、第１のＦｅ基軟磁性合金粉を含むことの高強度化の効果を十部に発揮させるためには、第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉の合計に対する前記第１の基軟磁性合金粉の比率が質量比で４０％以上であることが好ましい。また、第１のＦｅ基軟磁性合金粉および第２のＦｅ基軟磁性合金粉以外の磁性粉末をさらに混合してもよい。

なお、上述のようにＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を用いることは、磁心の高強度化等に効果がある。そのため、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を含む限り、第２のＦｅ基軟磁性合金粉としてＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉以外に、広くＦｅ基軟磁性合金粉を用いることでも一定の効果を上げることができる。この場合、他の軟磁性合金粉としては、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉およびＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉のように、熱処理によって軟磁性合金粉表面に酸化物層が形成されるものを用いることが好ましい。他のＦｅ基軟磁性合金粉は、例えば、Ｆｅ−Ｓｉ系軟磁性合金等である。Ａｌを含むＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉よりも硬度が低いＦｅ基軟磁性合金粉を第２のＦｅ基軟磁性合金粉として用いれば、第１のＦｅ基軟磁性合金粉の添加効果をより重畳的に発揮させることができる。また、この場合も、前記酸化物層は、磁性元素であるＦｅ以外の副成分が濃化したものであることがより好ましい。
上述のように第２のＦｅ基軟磁性合金粉としてＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉以外のＦｅ基軟磁性合金粉を用いることができるが、耐食性に優れる点等でＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉を用いることが好ましい。

次に、第１の工程において用いるバインダについて説明する。バインダは、成形する際、粉体同士を結着させ、成形後のハンドリングに耐える強度を成形体に付与する。バインダの種類は、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂等の各種有機バインダを用いることができる。有機バインダは成形後の熱処理により、熱分解する。そのため、熱処理後においても固化、残存して粉末同士を結着する、シリコーン樹脂などの無機系バインダを併用してもよい。但し、本発明に係る磁心の製造方法においては、第３の工程で形成される酸化物層がＦｅ基軟磁性合金粉同士を結着する作用を奏するため、上記の無機系バインダの使用を省略して、工程を簡略化することが好ましい。

バインダの添加量は、Ｆｅ基軟磁性合金粉間に行きわたり、十分な成形体強度を確保できる量にすればよい。一方、これが多すぎると密度や強度が低下するようになる。かかる観点から、バインダの添加量は、例えば、Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して、０．５〜３．０重量部にすることが好ましい。
バインダは第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉を混合してから、添加、混合してもよいし、第１のＦｅ基軟磁性合金粉、第２のＦｅ基軟磁性合金粉およびバインダを同時に混合してもよい。また、第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉のうちいずれか一方とバインダを混合し、後から他方を追加して混合することもできる。なお、後述する造粒粉はバインダを含むため、第１のＦｅ基軟磁性合金粉の造粒粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉の造粒粉とを混合する形態も第１の工程に含まれるが、均一性の観点からは造粒前に第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉とを混合しておくことがより好ましい。

第１の工程における、Ｆｅ基軟磁性合金粉とバインダとの混合方法は、特に限定されるものではなく、従来から知られている混合方法、混合機を用いることができる。バインダが混合された状態では、その結着作用により、混合粉は広い粒度分布をもった凝集粉となっている。かかる混合粉を、例えば振動篩等を用いて篩に通すことによって、成形に適した所望の二次粒子径の造粒粉（顆粒）を得ることができる。造粒方法としては、噴霧乾燥造粒等の湿式造粒方法を採用することもできる。中でもスプレードライヤを用いた噴霧乾燥造粒が好ましく、これによれば、略球形の顆粒が得ることができ、また加熱空気に曝される時間が短く、大量の顆粒を得ることができる。また、加圧成形の場合の粉末と金型との摩擦を低減させるために、ステアリン酸、ステアリン酸塩等の潤滑材を添加することが好ましい。潤滑材の添加量は、Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して０．１〜２．０重量部とすることが好ましい。潤滑剤は、金型に塗布することも可能である。

次に、第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程について説明する。第１の工程で得られた混合物は、好適には上述のように造粒されて、第２の工程に供される。造粒された混合物は、例えば、成形金型を用いて、トロイダル形状、直方体形状等の所定形状に加圧成形される。Ｆｅ基軟磁性合金粉としてＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を用いると、低い圧力でも圧粉磁心の占積率（相対密度）を高めることができ、圧粉磁心の強度も向上する。かかる作用を利用して、熱処理を経た圧粉磁心における軟磁性材料粉の占積率を８０〜９０％の範囲内にすることがより好ましい。かかる範囲が好ましい理由は、占積率を高めることで磁気特性が向上する一方、過度に占積率を高めようとすると、設備的、コスト的な負荷が大きくなるからである。さらに好ましくは、占積率は８２〜９０％である。
なお、第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉との混合粉を用いるため、真密度（粒子の合金そのものの密度）としては、第１のＦｅ基軟磁性合金粉の真密度および第２のＦｅ基軟磁性合金粉の真密度と、各合金粉の混合比とに基づく加重平均を用いる。各Ｆｅ基軟磁性合金粉の真密度は、溶解によって作製された同組成の合金インゴットの密度測定値を用いればよい。

第２の工程における成形は、室温成形でもよいし、バインダが消失しない程度に加熱して行う温間成形でもよい。また、混合物の調整方法および成形方法も上記のものに限定されるものではない。例えば、金型を用いた加圧成形の代わりに、シート成形を行い、得られたシートを積層、圧着して積層型磁心用の成形体を得ることもできる。この場合には、混合物はスラリ状態に調整され、ドクターブレード等のシート成形機に供される。

次に、前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程について説明する。成形等で導入された応力歪を緩和して良好な磁気特性を得るために、第２の工程を経た成形体に対して熱処理が施される。かかる熱処理によって、さらに、Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に、酸化物層を形成する。この酸化物層は、熱処理によりＦｅ基軟磁性合金粉と酸素とを反応させ成長させたものであり、Ｆｅ基軟磁性合金粉の自然酸化を超える酸化反応により形成される。上記酸化物が形成されることによって、Ｆｅ基軟磁性合金粉の絶縁性および耐食性が向上する。また、かかる酸化物層は、成形体を構成した後に形成されるため、該酸化物層を介したＦｅ基軟磁性合金粉同士の結合にも寄与する。Ｆｅ基軟磁性合金粉同士が前記酸化物層を介して結合されることで、高強度の磁心が得られる。

具体的には、上記の熱処理によって第１および第２の各Ｆｅ基軟磁性合金粉が酸化されて、その表面に酸化物層が形成される。すなわち、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金粉およびＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系合金粉に含まれる金属の酸化物が存在する。このとき、第１のＦｅ基軟磁性合金粉では、合金粉中のＡｌが表層に濃化し、Ｆｅ、ＡｌおよびＣｒの和に対するＡｌの比率が内部の合金相よりも高い酸化物層が形成される。典型的には、内部の合金相に比べて、構成金属元素のうち特にＡｌの比率が高く、Ｆｅの比率が低い。さらに、より微視的には、Ｆｅ基軟磁性合金粉間の粒界において、合金相近傍よりも層中央の方がＦｅの比率が高い酸化物層が形成される。
一方、第２のＦｅ基軟磁性合金粉では、合金粉中のＣｒが表層に濃化し、Ｆｅ、ＣｒおよびＳｉの和に対するＣｒの比率が内部の合金相よりも高い酸化物層が形成される。第３の工程の熱処理によって形成される酸化物層は、第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉、第１のＦｅ基軟磁性合金粉同士、第２のＦｅ基軟磁性合金粉同士、のように、互いに隣接するＦｅ基軟磁性合金粉同士を結合させる。

第３の工程の熱処理は、大気中、酸素と不活性ガスの混合気体中など、酸素が存在する雰囲気中で行うことができる。また、水蒸気と不活性ガスの混合気体中など、水蒸気が存在する雰囲気中で熱処理を行うこともできる。これらのうち大気中の熱処理が簡便であり好ましい。また、第３の工程の熱処理は、上記酸化物層が形成される温度で行えばよい。かかる熱処理によって強度に優れた磁心が得られる。さらに、第３の工程の熱処理は、Ｆｅ基軟磁性合金粉が著しく焼結しない温度で行うことが好ましい。Ｆｅ基軟磁性合金粉が著しく焼結すると、酸化物層の一部が合金相に取り囲まれてアイランド状に孤立化するようになる。そのため、Ｆｅ基軟磁性合金粉の母体の合金相同士を隔てる酸化物層としての機能が低下し、コアロスも増加するようになる。具体的な熱処理温度は、６００〜９００℃の範囲が好ましく、７００〜８００℃の範囲がより好ましく、７５０〜８００℃の範囲がいっそう好ましい。上記温度範囲での保持時間は磁心の大きさ、処理量、特性ばらつきの許容範囲などによって適宜設定されるが、例えば０．５〜４時間が好ましい。

第１〜第３の各工程の前後に他の工程を追加することも可能である。例えば、第１の工程の前に、熱処理やゾルゲル法等によって軟磁性材料粉に絶縁被膜を形成する予備工程を付加してもよい。但し、本発明に係る磁心の製造方法においては、第３の工程によってＦｅ基軟磁性合金粉の表面に酸化物層を形成することができるため、上記のような予備工程を省略して製造工程を簡略化することがより好ましい。また、酸化物層自体は塑性変形しにくい。そのため、成形後に上述の酸化物層を形成するプロセスを採用することで、第２の工程の成形において、Ｆｅ基軟磁性合金粉（特にＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉）が持つ高い成形性を有効に利用することができる。

上述の磁心の製造方法によってＦｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する以下の磁心が得られる。前記Ｆｅ基軟磁性合金粒は、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粒と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粒を有し、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒同士が、該粒の表面に形成された酸化物層を介して結合されている。かかる酸化物層によるＦｅ基軟磁性合金粒同士の結合によって、高強度かつ高比抵抗の磁心が実現される。なお、磁心におけるＦｅ基軟磁性合金粒（以下、単に合金粒ともいう）は、製造方法の実施形態で説明したＦｅ基軟磁性合金粉に対応し、その組成等の説明は重複するので省略する。また、その他の磁心に係る構成も上述の製造方法の実施形態において説明したとおりであるので、重複する部分の説明は省略する。なお、熱処理は酸化を目的の一つとするものであるため、熱処理後の磁心のバルク体組成における酸素量は、成形前のＦｅ基軟磁性合金粉の不可避不純物レベルよりも高くなる。

磁心は、その断面観察像において各合金粒の最大径の平均が１５μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下がより好ましい。磁心を構成する合金粒が細かいことで、強度に加えて高周波特性が改善される。かかる観点から、磁心の断面観察像において、最大径が４０μｍを超える合金粒の個数比率が１．０％未満であることが好ましい。一方、透磁率の低下を抑える観点から、合金粒の最大径の平均は０．５μｍ以上であることが好ましい。最大径の平均は、磁心の断面を研磨して顕微鏡観察し、一定の面積の視野内に存在する３０個以上の合金粒について最大径を読み取り、その個数平均を取って算出すればよい。成形後の合金粒は塑性変形しているものの、断面観察ではほとんどの合金粒が中心以外の部分の断面で露出するため、上記最大径の平均は粉末状態で評価したメジアン径ｄ５０よりも小さい値となる。最大径が４０μｍを超える合金粒の個数比率は、少なくとも０．０４ｍｍ^２以上の視野範囲で評価する。

熱処理後の磁心における粒界の酸化物層の平均厚みは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。この酸化物層の平均厚みは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて、例えば６０万倍で磁心の断面を観察し、観察視野内の隣接するＦｅ基軟磁性合金粒の略平行な輪郭が確認される部分で、Ｆｅ基軟磁性合金粒間が最も近接する部分の厚み（最小厚み）と最も離間する部分の厚み（最大厚み）とを計測し、その算術平均として算出される厚みを指す。具体的には、粒界の三重点間の中間部付近で測定を行うことが好ましい。酸化物層の厚みが大きいと、Ｆｅ基軟磁性合金粒間の間隔が広くなり、透磁率の低下やヒステリシス損失の増加を招き、また非磁性酸化物を含む酸化物層が占める割合が増加して、飽和磁束密度が低下する場合がある。一方、酸化物層の厚みが小さいと、酸化物層を流れるトンネル電流によって渦電流損失が増加する場合があるため、酸化物層の平均厚みは１０ｎｍ以上であることが好ましい。より好ましい酸化物層の平均厚みは３０〜８０ｎｍである。

コイル部品を構成するために必要な磁心の透磁率は用途に応じて決めることができる。インダクタ用途であれば、例えば１００ｋＨｚの初透磁率で３０以上であることが好ましい。より好ましくは４０以上、さらに好ましくは５０以上である。本発明に係る磁心は、高比抵抗と高強度を両立する上で好適な構成である。かかる磁心の構成を適用して１×１０^３Ω・ｍ以上の比抵抗を得ることができる。さらに１×１０^４Ω・ｍ以上の比抵抗を得ることもできる。また、本発明に係る圧粉磁心によれば、１２０ＭＰａ以上の圧環強度を得ることもできる。圧環強度は好ましくは１５０ＭＰａ以上である。

磁心の形状はトロイダル、Ｕ型、Ｅ型、ドラム型等、各種形状を適用することができる。高強度の特徴を活かす観点からは、本発明に係る構成は、図２に示すような、導線を巻回するための柱状部１、該柱状部の一端側または両端側に鍔部２を有するドラム型磁心に適用することが好ましい。
上記の磁心と、該磁心に巻装されたコイルとを用いてコイル部品が提供される。コイルは、導線を磁心に巻回して構成してもよいし、ボビンに巻回して構成してもよい。このような磁心とコイルとを有するコイル部品は、例えばチョーク、インダクタ、リアクトル、トランス等として用いられる。磁心およびコイル部品が使用される周波数帯域は特に限定されるものではないが、例えば１ｋＨｚ以上であり、１００ｋＨｚ以上の周波数帯域での使用も好ましい。また、磁心およびコイル部品は静止誘導器に限らず、回転機に適用することもできる。

磁心は、上述のようにバインダ等を混合したＦｅ基軟磁性合金粉末だけを加圧成形した圧粉磁心単体の形態で製造してもよいし、内部にコイルが配置された形態で製造してもよい。後者の構成は、特に限定されるものではなく、例えばＦｅ基軟磁性合金粉末とコイルとを一体で加圧成形してコイル封入構造の圧粉磁心を製造することができる。また、積層型の磁心の場合であれば、コイルは磁心内部にパターン電極の形態で巻装される。

また、磁心の表面に、コイルの端部を接続するための電極を、メッキや焼き付け等の手法によって形成してもよい。例えば、焼き付けで電極を形成する場合には、導体材料としてはＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｃｕ等を用いることができる。焼き付けで形成した導体膜の上にさらにメッキによりＮｉ、Ａｕ、Ｓｎ等の導体膜を形成することもできる。また、スパッタリング、蒸着等の物理気相成長法（ＰＶＤ）によって電極を形成することもできる。
磁心には絶縁性確保等の目的から、樹脂コーティングを設けてもよい。また、コイル部品は、その一部または全体を樹脂でモールドすることもできる。

Ｆｅ基軟磁性合金粉として、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉（第１のＦｅ基軟磁性合金粉）およびＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉（第２のＦｅ基軟磁性合金粉）を用い、以下のようにして圧粉磁心を作製した。
使用したＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉は粒状のアトマイズ粉であり、その組成は質量百分率でＦｅ−５．０％Ａｌ−４．０％Ｃｒであった。なお、不純物として最も多かったのはＳｉであり、その含有量は０．２％であった。アトマイズ粉は、４４０メッシュ（目開き３２μｍ）の篩で分級し、篩を通過したＦｅ基軟磁性合金粉を混合に供した。篩を通過したＦｅ基軟磁性合金粉の平均粒径（メジアン径ｄ５０）をレーザー回折散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ−９２０）で測定した。平均粒径（メジアン径ｄ５０）は１６．８μｍであった。
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉も粒状のアトマイズ粉であり、その組成は質量百分率でＦｅ−４．０％Ｃｒ−３．５％Ｓｉであった。平均粒径（メジアン径ｄ５０）は１０．４μｍであった。

Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉とＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉の配合比を変えたＦｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して、バインダとしてＰＶＡ（株式会社クラレ製ポバールＰＶＡ−２０５；固形分１０％）を２．５重量部（固形分として０．２５重量部）の割合で添加し、混合を行った。この混合粉を１２０℃で１０時間乾燥し、乾燥後の混合粉を篩に通して造粒粉を得た。この造粒粉に、Ｆｅ基軟磁性合金粉１００重量部に対して０．４重量部の割合でステアリン酸亜鉛を添加、混合して成形用の混合物を得た。

得られた混合物は、プレス機を使用して、０．７４ＧＰａの成形圧で室温にて加圧成形した。得られた成形体は、内径φ７．８ｍｍ、外径φ１３．５ｍｍ、高さ４．３ｍｍのトロイダル形状である。得られた成形体を、大気中、温度７５０℃、保持時間１．０時間の条件で熱処理し、圧粉磁心を得た。

以上の工程により作製した圧粉磁心の密度ｄｓをその寸法および質量から算出し、圧粉磁心の密度ｄｓをＦｅ基軟磁性合金の真密度（使用した軟磁性合金粉の真密度の加重平均）で除して占積率（相対密度）を算出した。また、トロイダル形状の圧粉磁心の径方向に荷重をかけ、破壊時の最大加重Ｐ（Ｎ）を測定し、次式から圧環強度σｒ（ＭＰａ）を求めた。
σｒ＝Ｐ（Ｄ−ｄ）／（Ｉｄ^２）
（ここで、Ｄ：磁心の外径（ｍｍ）、ｄ：磁心の径方向の肉厚（ｍｍ）、Ｉ：磁心の高さ（ｍｍ）である。）
さらに、一次側と二次側のそれぞれに巻線を１５ターン巻回し、岩通計測株式会社製Ｂ−ＨアナライザーＳＹ−８２３２により、最大磁束密度３０ｍＴ、周波数３００ｋＨｚの条件でコアロスＰｃｖを測定した。また、初透磁率μｉは、前記トロイダル形状の圧粉磁心に導線を３０ターン巻回し、ヒューレット・パッカード社製４２８４Ａにより、周波数１００ｋＨｚで測定した。さらに、直流重畳特性として、１０ｋＡ／ｍの直流磁界印加時の初透磁率（増分透磁率μ_Δ）も測定した。
また、前記トロイダル形状の磁心の対向する二平面に導電性接着剤を塗り、乾燥・固化の後、以下のようにして比抵抗（抵抗率）の評価を行った。電気抵抗測定装置（株式会社エーディーシー製８３４０Ａ）を用いて、５０Ｖの直流電圧を印加し、抵抗値Ｒ（Ω）を測定した。磁心試料の平面の面積Ａ（ｍ^２）と厚みｔ（ｍ）とを測定し、次式により比抵抗ρ（Ω・ｍ）を算出した。
比抵抗ρ（Ω・ｍ）＝Ｒ×（Ａ／ｔ）
上記の評価で得られた結果を表１、図３および図４に示す。

表１に示すようにＦｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉のみを用いて構成したＮｏ１の圧粉磁心は、コアロスＰｃｖや増分透磁率μ_Δに優れるが、圧環強度が十分ではない。これに対して、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉にＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を混合して作成したＮｏ２〜５の圧粉磁心は高い圧環強度を有することがわかる。表１および図３に示すように、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率が高くなるにつれて、占積率が向上し、圧環強度も高くなった。特に、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率４０％以上では、圧粉磁心は１５０ＭＰａ以上の高い値を示した。また、表１および図４に示すように、比抵抗もＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率が高くなるにつれて向上し、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率３０％以上では、１．０×１０^４Ω・ｍ以上の高い値を示した。すなわち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系軟磁性合金粉にＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉を混合することで、高強度、高比抵抗の圧粉磁心が得られることが明らかとなった。また、初透磁率もＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率が高くなるにつれて向上し、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率５０％以上では、５０以上の高い値を示した。
一方、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系軟磁性合金粉の含有比率が高くなるにつれて、コアロスＰｃｖはやや増加し、増分透磁率はやや減少する傾向を示した。

Ｎｏ４の圧粉磁心について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ／ＥＤＸ）を用いて圧粉磁心の断面観察を行い、同時に各構成元素の分布を調べた。結果を図５に示す。図５（ａ）はＳＥＭ像である。圧粉磁心は、明るいグレーの色調を有するＦｅ基軟磁性合金粒３が分散した組織を有することがわかる。なお、他の観察視野も含めた断面観察において、最大径が４０μｍを超える合金粒は観察されず、個数比率は０．０％であった。

図５（ｂ）〜（ｆ）はそれぞれ、Ｆｅ、Ｏ（酸素）、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌの分布を示す元素マッピングである。明るい色調ほど対象元素が多いことを示す。Ａｌの分布を示す図５（ｆ）で白い部分、Ｓｉの分布を示す図５（ｅ）で白い部分が、それぞれ第１のＦｅ基軟磁性合金粒、第２のＦｅ基軟磁性合金粒を示す。図５から、圧粉磁心が、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粒と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有することがわかる。また、各Ｆｅ基軟磁性合金粒の表面（粒界）には酸素が多く、酸化物が形成されていること、および各Ｆｅ基軟磁性合金粒同士がこの酸化物を介して結合している様子がわかる。なお、ＳＥＭ観察によって、第１のＦｅ基軟磁性合金粒および第２のＦｅ基軟磁性合金粒とも多結晶であることも確認された。
各Ｆｅ基軟磁合金粒の表面（粒界）では内部に比べてＦｅの濃度が低いこと、Ａｌは、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粒の表面での濃度が顕著に高くなっていることが確認された。これらのことから、第１のＦｅ基軟磁合金粒の表面に、内部の合金相よりもＦｅ、ＡｌおよびＣｒの和に対するＡｌの比率が高い酸化物層が形成されていることがわかった。さらに、Ｃｒは、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粒の表面での濃度が顕著に高くなっていること、Ｓｉは、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粒の表面と内部とで明確な濃度差がないことが確認された。このことから第２のＦｅ基軟磁合金粒の表面に、内部の合金相よりもＦｅ、ＣｒおよびＳｉの和に対するＣｒの比率が高い酸化物層が形成されていることがわかった。第１のＦｅ基軟磁性合金粒および第２のＦｅ基軟磁性合金粒の上記元素分布傾向は、それぞれ第１のＦｅ基軟磁性合金粒同士が隣接する部分、第２のＦｅ基軟磁性合金粒同士が隣接する部分で顕著であった。第１のＦｅ基軟磁性合金粒と第２のＦｅ基軟磁性合金粒とが隣接する部分の粒界ではＣｒが濃化している形態と、Ａｌが濃化している形態の両方が確認された。

また、熱処理前には図５に示すような各構成元素の濃度分布は観察されず、上記酸化物層が熱処理によって形成されたこともわかった。また、Ａｌの比率が高い酸化物層やＣｒの比率が高い酸化物層が各粒を覆う構成が、高比抵抗、低コアロス等の特性にも寄与していると考えられる。また、図５に示すような粒界相（酸化物層）を介してＦｅ基軟磁性合金粒が結合しており、かかる構成が強度向上にも寄与していると考えられる。
また、図５に示すように第１のＦｅ基軟磁合金粒が集まった部分には、層状ではなくＦｅ基軟磁性合金粒の隙間の形状に沿った塊状酸化物４も確認された。図５の元素マッピングからは、塊状酸化物４はＡｌの他にＦｅの含有量も多い酸化物であることがわかる。比較のために図６には第１のＦｅ基軟磁性合金粒を含まないＮｏ１の磁心の元素マッピングを示す。図６（ａ）はＳＥＭ像である。図６（ｂ）〜（ｅ）はそれぞれ、Ｆｅ、Ｏ（酸素）、Ｃｒ、Ｓｉの分布を示す。図６に示すように、Ｎｏ１の磁心では、Ｎｏ４の磁心で観察される塊状酸化物が明確に確認されなかった。したがって、かかる塊状酸化物の存在も、強度向上に関連していると推察される。

１：柱状部 ２：鍔部 ３：Ｆｅ基軟磁性合金粒 ４：塊状酸化物

Claims (4)

1. Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心の製造方法であって、
   ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粉と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粉と、バインダとを混合する第１の工程と、
   前記第１の工程を経て得られた混合物を成形する第２の工程と、
   前記第２の工程を経て得られた成形体を熱処理する第３の工程とを有し、
   前記熱処理によって前記Ｆｅ基軟磁性合金粉の表面に酸化物層を形成し、該酸化物層を介してＦｅ基軟磁性合金粉同士を結合させることを特徴とする磁心の製造方法。
2. 前記第１のＦｅ基軟磁性合金粉と第２のＦｅ基軟磁性合金粉の合計に対する前記第１のＦｅ基軟磁性合金粉の比率が質量比で４０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁心の製造方法。
3. Ｆｅ基軟磁性合金粒が分散した組織を有する磁心であって、
   前記Ｆｅ基軟磁性合金粒が、ＡｌおよびＣｒを含む第１のＦｅ基軟磁性合金粒と、ＣｒおよびＳｉを含む第２のＦｅ基軟磁性合金粒を有し、
   前記Ｆｅ基軟磁性合金粒同士が、該粒の表面に形成された酸化物層を介して結合されていることを特徴とする磁心。
4. 請求項３に記載の磁心と、前記磁心に巻装されたコイルとを有することを特徴とするコイル部品。
   
   

Images