JP6601389B2 - 磁心、コイル部品および磁心の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、合金相が分散した組織を有する磁心と、その磁心を用いたコイル部品と、その磁心の製造方法とに関する。

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、チョークなどのコイル部品が用いられている。コイル部品は、磁心（磁性コア）と、その磁心に巻線を施してなるコイルとを備え、かかる磁心には、磁気特性や形状自由度、価格に優れるフェライト磁心が広く用いられている。

近年、電子機器などの電源装置の小型化が進んだ結果、小型・低背で且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、フェライト磁心と比較して飽和磁束密度が高い金属系磁性粉末を使用した磁心の採用が進んでいる。金属系磁性粉末としては、例えば純Ｆｅや、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系などのＦｅ基磁性合金粒が知られている。

Ｆｅ基磁性合金の飽和磁束密度は例えば１Ｔ以上で、それを用いた磁心は小型化しても優れた直流重畳特性を有する。一方で、かかる磁心は、Ｆｅを多く含むので比抵抗が小さく、渦電流損失が大きいため、１００ｋＨｚを超える高周波用途には、樹脂やガラスなどの絶縁物で合金粒をコートしなければ使用することが難しいと考えられていた。しかし、そのような絶縁物を介してＦｅ基磁性合金粒が結合された磁心は、磁心損失が大きく、その低減が求められていた。また、その絶縁物の影響によりフェライト磁心に比べて強度が劣る場合があった。

特許文献１には、Ｃｒ：２〜８ｗｔ％、Ｓｉ：１．５〜７ｗｔ％、Ｆｅ：８８〜９６．５ｗｔ％の組成を有する軟磁性合金や、Ａｌ：２〜８ｗｔ％、Ｓｉ：１．５〜１２ｗｔ％、Ｆｅ：８０〜９６．５ｗｔ％の組成を有する軟磁性合金を用い、その軟磁性合金の粒子群で構成された成形体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理して得られる磁心が開示されている。

特許文献２には、Ｃｒ：１．０〜３０．０質量％、Ａｌ：１．０〜８．０質量％含み、残部が実質的にＦｅからなるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系磁性粉末を酸化性雰囲気中で、８００℃以上で熱処理し、それによってアルミナを含む酸化皮膜を表面に自己生成させたうえで、その磁性粉末を真空チャンバー内で放電プラズマ焼結により固化成形してなる磁心が開示されている。このＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系磁性粉末は、不純物元素としてＳｉ：０．５質量％以下で含んでもよい。

特開２０１１−２４９７７４号公報 特開２００５−２２０４３８号公報

しかし、特許文献１や２に記載された磁心では、磁心損失の低減について考慮されていないうえ、比抵抗と強度の両方を十分に確保するには至っていない。本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、磁心損失に優れているとともに比抵抗と強度が確保された磁心と、それを用いたコイル部品と、その磁心の製造方法とを提供することを目的とする。

上記目的は、下記の如き本発明により達成することができる。即ち、本発明に係る磁心は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含む合金相が分散し、且つ、隣り合う前記合金相が粒界相で繋がれた組織を有し、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和を１００質量％として、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる組成を有し、前記粒界相に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、質量比で前記合金相よりも多くのＡｌを含む酸化物領域を備える。

本発明の磁心は、Ｓｉを３質量％以下で含むものが好ましい。また、本発明の磁心において、比抵抗が０．５×１０^３Ω・ｍ以上で、圧環強度が１２０ＭＰａ以上であるものが好ましい。この比抵抗や圧環強度の値は、具体的には後述する実施例の測定方法により求められる値である。

本発明に係るコイル部品は、上記した本発明に係る磁心と、その磁心に施されたコイルとを有するものである。

本発明に係る磁心の製造方法は、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなるＦｅ基軟磁性合金粒とバインダとを混合して混合粉を得る工程と、前記混合粉を加圧成形して成形体を得る工程と、酸素を含む雰囲気中で前記成形体を熱処理して、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒により形成された合金相が分散した組織を有する磁心を得る工程とを備え、前記熱処理によって、隣り合う前記合金相を繋ぐ粒界相を形成するとともに、前記粒界相に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、質量比で前記合金相よりも多くのＡｌを含む酸化物領域を生成するものである。

本発明によれば、磁心損失に優れているとともに比抵抗と強度が確保された磁心と、その磁心を用いたコイル部品と、その磁心の製造方法とを提供することができる。

本発明に係る磁心の一例を示す外観図 その磁心の組織の一例を示す模式図 本発明に係るコイル部品の一例を示す外観図 Ｓｉの含有量と磁心損失との関係を示すグラフ Ｓｉの含有量と透磁率との関係を示すグラフ 比較例１の磁心を断面観察したＳＥＭ写真 実施例３の磁心を断面観察したＳＥＭ写真 実施例４の磁心を断面観察したＳＥＭ写真 比較例１の磁心を断面観察したＳＥＭ写真とマッピング図 比較例２の磁心を断面観察したＳＥＭ写真とマッピング図 実施例１の磁心を断面観察したＳＥＭ写真とマッピング図 実施例２の磁心を断面観察したＳＥＭ写真とマッピング図 実施例３の磁心を断面観察したＳＥＭ写真とマッピング図 実施例４の磁心を断面観察したＳＥＭ写真とマッピング図 比較例２の磁心を断面観察したＴＥＭ写真 実施例２の磁心を断面観察したＴＥＭ写真 実施例４の磁心を断面観察したＴＥＭ写真

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示す磁心１は、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）及びＳｉ（ケイ素）を含む合金相が分散した組織を有する。この合金相は、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ基軟磁性合金粒により形成される。図２は、その組織の一例であり、隣り合う合金相２０が粒界相３０で繋がれている。その粒界相３０には、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、質量比で合金相２０よりもＡｌを多く含む酸化物領域が生成されている。この磁心１は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和を１００質量％として、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅと不可避不純物である。

Ｆｅ基軟磁性合金粒に含まれる非鉄金属（即ち、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉ）はＦｅよりもＯ（酸素）との親和力が大きく、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行うと、これらの非鉄金属とＦｅの酸化物が生成され、その酸化物がＦｅ基軟磁性合金粒の表面を覆い、さらに粒子間の空隙を充填する。このように、粒界相３０の酸化物領域は、Ｆｅ基軟磁性合金粒からなる成形体を酸化性雰囲気中で熱処理することによりＦｅ基軟磁性合金粒と酸素とを反応させ成長させたものであって、Ｆｅ基軟磁性合金粒の自然酸化を超える酸化反応により形成される。Ｆｅや上記非鉄金属の酸化物は金属単体に比べて高い電気抵抗を有し、合金相２０の間に介在する粒界相３０は絶縁層として機能する。

酸化性雰囲気中での熱処理は、大気中や、酸素と不活性ガスとの混合気体中など、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との混合気体中など、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、熱処理雰囲気の圧力は特に限定されるものではないが、圧力制御を必要としない大気圧下であることが好ましい。

合金相２０の形成に用いられるＦｅ基軟磁性合金粒は、その構成成分の中で最も含有率の高い主成分としてＦｅを含み、副成分としてＡｌ、Ｃｒ及びＳｉを含む。Ｆｅは、Ｆｅ基軟磁性合金粒を構成する主元素であり、飽和磁束密度などの磁気特性や強度などの機械的特性に影響を与える。他の非鉄金属とのバランスにもよるが、Ｆｅ基軟磁性合金粒はＦｅを８０質量％以上で含むことが好ましく、それにより飽和磁束密度が高い軟磁性合金を得ることができる。

Ａｌは、Ｆｅや他の非鉄金属と比較してＯとの親和力が大きい。そのため、熱処理時には、大気中のＯやバインダに含まれるＯがＦｅ基軟磁性合金粒の表面近傍のＡｌと優先的に結合し、化学的に安定なＡｌ_２Ｏ_３や他の非鉄金属との複合酸化物が合金相２０の表面に生成される。また、合金相２０に侵入しようとするＯがＡｌと反応し、それによりＡｌを含む酸化物が次々に生成されるため、合金相２０内へのＯの侵入を防ぎ、不純物であるＯ濃度の増加を抑えて磁気特性の劣化を防止できる。耐食性や安定性に優れたＡｌを含む酸化物領域が合金相２０の表面に生成されることにより、合金相２０間の絶縁性が高められ、磁心の比抵抗が向上して渦電流損失を低減できる。

Ｆｅ基軟磁性合金粒は、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下で含む。これが３質量％未満であると、Ａｌを含む酸化物の生成が十分でない場合があり、絶縁性や耐食性が低下する恐れがある。Ａｌの含有量は、好ましくは３．５質量％以上、より好ましくは４．０質量％以上、更に好ましくは４．５質量％以上である。一方、これが１０質量％を超えると、Ｆｅ量の減少により飽和磁束密度や初透磁率の低下、あるいは保磁力の増加など、磁気特性が劣化する場合がある。Ａｌの含有量は、好ましくは８．０質量％以下、より好ましくは７．０質量％以下、更に好ましくは６．０質量％以下、特に好ましくは５．０質量％以下である。

Ｃｒは、Ａｌに次いでＯとの親和力が大きく、熱処理時にはＡｌと同様にＯと結合して、化学的に安定なＣｒ_２Ｏ_３や他の非鉄金属との複合酸化物が生成される。その一方で、Ａｌを含む酸化物が優先的に生成されるので、生成された酸化物中のＣｒはＡｌよりも少量になりやすい。Ｃｒを含む酸化物は耐食性や安定性に優れるため、合金相２０間の絶縁性を高めて渦電流損失を低減できる。

Ｆｅ基軟磁性合金粒は、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下で含む。これが３質量％未満であると、Ｃｒを含む酸化物の生成が十分でない場合があり、絶縁性や耐食性が低下する恐れがある。Ｃｒの含有量は、好ましくは３．５質量％以上、より好ましくは３．８質量％以上である。一方、これが１０質量％を超えると、Ｆｅ量の減少により飽和磁束密度や初透磁率の低下、あるいは保磁力の増加など、磁気特性が劣化する場合がある。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、更に好ましくは５．０質量％以下である。

絶縁性や耐食性を高める観点から、ＡｌとＣｒを合計した含有量は、７質量％以上が好ましく、８質量％以上がより好ましい。熱処理温度に対する磁心損失の変化率を抑え、熱処理温度の管理幅を広く確保する観点から、ＣｒとＡｌを合計した含有量は、１１質量％以上が更に好ましい。また、合金相２０間の酸化物領域にはＣｒに比べてＡｌが顕著に濃化するため、ＣｒよりもＡｌの含有量が多いＦｅ基軟磁性合金粒を用いることがより好ましい。

Ｓｉは、ＡｌやＣｒと同様にＯと結合し、化学的に安定なＳｉＯ_２や他の非鉄金属との複合酸化物が生成される。Ｓｉを含む酸化物は耐食性や安定性に優れるため、合金相２０間の絶縁性を高めて磁心の渦電流損失を低減できる。Ｓｉは、磁心の透磁率を向上させるとともに、磁気損失を低下させる効果を有するものの、その含有量が多過ぎると合金粒が固くなって成形金型での充填性が悪化し、加圧成形により得られる成形体の低密度化を引き起こして、透磁率が低下し、磁気損失が増加する傾向にある。

Ｆｅ基軟磁性合金粒は、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含む。磁心の比抵抗や強度は、Ｓｉ量の増加によって低下するものの、４質量％以下であれば十分に高い水準で確保され、例えば０．５×１０^３Ω・ｍを超える比抵抗と、１２０ＭＰａ以上の圧環強度が得られる。また、Ｓｉが１質量％超え且つ３質量％以下であることで、低い磁心損失と、高い初透磁率、例えば５０以上の初透磁率を得ることができる。

Ｆｅ基軟磁性合金粒は、Ｃ（炭素）やＭｎ（マンガン）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｏ（酸素）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎ（窒素）などを不可避不純物として含みうる。これらの不可避不純物の含有量は、それぞれ、Ｃ≦０．０５質量％、Ｍｎ≦１質量％、Ｐ≦０．０２質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｏ≦０．５質量％、Ｎｉ≦０．５質量％、Ｎ≦０．１質量％であることが好ましい。

既述の通り、磁心が有する組織には合金相と粒界相とが含まれ、その粒界相は熱処理によるＦｅ基軟磁性合金粒の酸化によって形成される。したがって、合金相の組成は、前述したＦｅ基軟磁性合金粒の組成とは異なるが、熱処理に起因したＦｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの蒸散などによる組成のずれは生じ難いため、合金相と粒界相とを含んだ領域において、Ｏを除いた磁心の組成はＦｅ基軟磁性合金粒の組成と実質的に同じとなる。このような磁心の組成は、走査型電子顕微鏡を使用したエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ／ＥＤＸ）などの分析手法にて磁心断面を分析することによって定量できる。

粒界相３０は、実質的に酸化物で形成され、このような粒界相３０を介してＦｅ基軟磁性合金粒を結合することで、優れた比抵抗や強度が得られる。例えば、図２のような第１領域３０ａと第２領域３０ｂとを有し、第１領域３０ａが合金相２０側に形成されている。第１領域３０ａは、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対するＡｌの比率が、Ｆｅ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い領域であり、第２領域３０ｂは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉの和に対するＦｅの比率が、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い領域である。即ち、粒界相３０は、ＦｅやＣｒ、ＳｉよりもＡｌが濃化した第１領域３０ａと、ＡｌやＣｒ、ＳｉよりもＦｅが濃化した第２領域３０ｂとを有する。

図２の例では、粒界相３０において、第１領域３０ａが合金相２０との界面側に形成され、第２領域３０ｂがその粒界相３０の内方に形成されている。第１領域３０ａは、合金相２０と粒界相３０との界面に沿って延在し、該界面に接している。一方、第２領域３０ｂは、第１領域３０ａによって両側から挟まれていて、合金相２０と粒界相３０との界面から離れており、該界面には接していない。このように、第１領域３０ａは粒界相３０の厚み方向の端部に形成され、第２領域３０ｂは粒界相３０の厚み方向の中央部に形成されていることが好ましい。合金相２０は粒状をなし、合金相同士は直接接触せず、粒界相を介して独立していることが好ましい。

本発明に係るコイル部品は、上記の如き磁心と、その磁心に施されたコイルとを有し、例えばチョークやインダクタ、リアクトル、トランスとして用いられる。コイルの端部を接続するための電極を、メッキや焼き付けなどの手法によって磁心の表面に形成してもよい。コイルは、導線を磁心に直接巻回することにより構成してもよく、導線を耐熱性樹脂製のボビンに巻回することにより構成してもよい。コイルは、磁心の周囲に巻回され或いは磁心の内部に配置され、後者であれば、対をなす磁心間にコイルを挟んで配置したコイル封入構造の磁心を有するコイル部品を構成することが可能である。

図３に示したコイル部品は、一対の鍔部５０ａ，５０ｂの間に一体の胴部６０を備えた角鍔形状の磁心１を有し、一方の鍔部５０ａの一面には２つの端子電極７０が形成されている。端子電極７０は、磁心１の表面に直接、銀導体ペーストを印刷し焼き付けして形成されている。図示を省略しているが、胴部６０の周りには、エナメル導線の巻線８０からなるコイルが配置されている。巻線８０の両端部は端子電極７０の各々と熱圧着により接続され、チョークコイルなどの面実装型コイル部品が構成されている。本実施形態では、端子電極７０が形成された鍔部面を回路基板への実装面としている。

磁心１の比抵抗が高いことにより、絶縁のための樹脂ケース（ボビンとも呼ばれる）を用いなくても、導線を磁心１に直接的に敷設できるとともに、例えば比抵抗が０．５×１０^３Ω・ｍ以上、好ましくは１×１０^３Ω・ｍ以上であることにより、巻線を接続する端子電極７０を磁心の表面に形成できるため、コイル部品を小型に構成できる。また、コイル部品の実装高さを低く抑えるとともに、安定した実装性を得ることができる。しかも、磁心１の強度が高いことにより、例えば圧環強度が１２０ＭＰａ以上であることにより、胴部６０の周りに導線を巻く際に、鍔部５０ａ，５０ｂまたは胴部６０に外力が作用しても簡単に破壊することがなく、実用性に優れる。

本発明に係る磁心の製造方法は、Ｆｅ基軟磁性合金粒とバインダとを混合して混合粉を得る工程（第１の工程）と、その混合粉を加圧成形して成形体を得る工程（第２の工程）と、酸素を含む雰囲気中で成形体を熱処理して、そのＦｅ基軟磁性合金粒により形成された合金相が分散した組織を有する磁心を得る工程（第３の工程）とを備える。この熱処理によって、図２のように隣り合う合金相２０を繋ぐ粒界相３０を形成するとともに、その粒界相３０に、Ｆｅ、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉを含み、且つ、質量比で合金相２０よりも多くのＡｌを含む酸化物領域を生成する。

第１の工程では、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなるＦｅ基軟磁性合金粒が用いられる。このＦｅ基軟磁性合金粒の好ましい組成などは上述の通りであるので、重複した説明を省略する。

上記のＦｅ基軟磁性合金粒は、累積粒度分布におけるメジアン径ｄ５０で１〜１００μｍの平均粒径を有することが好ましい。このように粒径が小さいことにより、磁心の強度を向上するとともに、渦電流損失を低減して磁心損失を改善できる。強度や磁心損失、高周波特性を改善する観点から、上記のメジアン径ｄ５０は、より好ましくは３０μｍ以下であり、更に好ましくは２０μｍ以下である。一方、粒径が小さ過ぎると透磁率が低くなりやすいため、上記のメジアン径ｄ５０は５μｍ以上であることが好ましい。

Ｆｅ基軟磁性合金粒の作製には、展性や延性が高くて粉砕しにくい略球状の合金粒の作製に適したアトマイズ法（水アトマイズ法やガスアトマイズ法など）を用いることが好ましく、中でも微細な合金粒を効率良く作製できる水アトマイズ法が特に好ましい。水アトマイズ法によれば、所定の合金組成となるように秤量された素原料を、高周波加熱炉により溶融させ、あるいは予め合金組成となるように作製された合金インゴットを、高周波加熱炉により溶融させて、その溶湯（溶融金属）を高速且つ高圧で噴射された水に衝突させることによって、微細粒化とともに冷却してＦｅ基軟磁性合金粒を得ることができる。

水アトマイズ法で得られた合金粒（水アトマイズ粉）の表面には、Ａｌの酸化物であるＡｌ_２Ｏ_３を含む自然酸化被膜が５〜２０ｎｍ程度の厚みで島状または膜状に形成されていてもよい。ここでの島状は、Ａｌの酸化物が合金粒の表面に点在する状態を言う。自然酸化被膜は、Ｆｅの酸化物を含んでいてもよい。

合金粒の表面に自然酸化被膜が形成されると防錆効果が得られるので、Ｆｅ基軟磁性合金を熱処理するまでの間において無用な酸化を防止でき、Ｆｅ基軟磁性合金粒を大気中で保管することもできる。一方で、酸化被膜が厚くなると合金粒が硬くなり、成形性が阻害される場合がある。例えば水アトマイズ直後の水アトマイズ粉は水に濡れた状態であるため、乾燥を要する場合には、乾燥温度（例えば、乾燥炉内の温度）を１５０℃以下とすることが好ましい。

得られたＦｅ基軟磁性合金粒の粒径は分布を持っているため、成形金型に充填した際には、粒子径の大きな粒の粒間に大きな隙間が形成されて充填率が上がらず、加圧成形により得られる成形体の密度が下がる傾向にある。このため、得られたＦｅ基軟磁性合金粒を分級し、粒子径の大きな粒を除くことが好ましい。分級の方法としては、ふるい分け分級などの乾式分級を用いることができ、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）合金粒を得ることが好ましい。

Ｆｅ基軟磁性合金粒と混合されるバインダは、加圧成形する際に合金粒同士を結着させ、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。Ｆｅ基軟磁性合金粒とバインダとの混合粉は、造粒によって顆粒とすることが好ましく、それにより成形金型内での流動性や充填性を向上できる。バインダの種類は特に限定されないが、例えば、ポリエチレンやポリビニルアルコール、アクリル樹脂などの有機バインダを使用できる。熱処理後も残存する無機系バインダの併用も可能であるが、第３の工程で生成される粒界相が合金粒同士を結着する作用を奏するため、無機系バインダは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基軟磁性合金粒間にバインダが十分に行きわたり、成形体の強度を十分に確保できる程度であればよいが、バインダの添加量が多過ぎると、成形体の密度や強度が低下する傾向にある。かかる観点から、バインダの添加量は、Ｆｅ基軟磁性合金粒１００重量部に対して、０．２〜１０重量部にすることが好ましく、０．５〜３．０重量部にすることがより好ましい。

Ｆｅ基軟磁性合金粒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や混合機を用いることができる。また、造粒方法としては、例えば転動造粒や噴霧乾燥造粒などの湿式造粒方法を採用できる。中でもスプレードライヤーを用いた噴霧乾燥造粒が好ましく、これによれば顆粒の形状が球形に近付き、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。

得られる顆粒は、嵩密度：１．５〜２．５×１０^３ｋｇ／ｍ^３、平均粒径（ｄ５０）：６０〜１５０μｍであることが好ましい。このような顆粒によれば、成形時の流動性に優れるとともに、合金粒間の隙間が小さくなって金型内への充填性が増し、その結果、成形体が高密度になって透磁率の高い磁心が得られる。所望の大きさの顆粒径を得るために、振動篩などによる分級が使用できる。

また、加圧成形時の混合粉（顆粒）と成形金型との摩擦を低減させるために、ステアリン酸やステアリン酸塩など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基軟磁性合金粒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。

第２の工程では、Ｆｅ基軟磁性合金粒とバインダとの混合粉が、好適には上述のように造粒されたうえで加圧成形に供される。加圧成形では、油圧プレスやサーボプレスといったプレス機械と成形金型を用いて、トロイダル形状や直方体形状などの所定形状に混合粉を成形する。この加圧成形は、室温成形でもよいし、バインダの材質によっては、バインダが消失しない程度であって、バインダが軟化するガラス転移温度付近まで顆粒を加熱して行う温間成形でもよい。Ｆｅ基軟磁性合金粒の形状や、顆粒の形状、それらの平均粒径の選択、バインダ及び潤滑材の効果によって、成形金型内での顆粒の流動性を向上させることができる。

加圧成形により得られた成形体におけるＦｅ基軟磁性合金粒は、バインダや自然酸化被膜を介して互いに点接触あるいは面接触し、部分的に空隙を介して隣接する。また、Ｆｅ基軟磁性合金粒のＳｉの含有量を所定の範囲内に抑えていることにより、１ＧＰａ以下の低い成形圧力でも十分に大きい成形密度と強度が得られる。このような低圧での成形により、Ｆｅ基軟磁性合金粒の表面に形成されたＡｌを含む自然酸化被膜の破壊を低減でき、成形体の耐食性を高められる。成形体の密度は５．７×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上が好ましい。成形体の圧環強度は３ＭＰａ以上であることが好ましい。

第３の工程では、加圧成形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、成形体に対する熱処理として焼鈍が実施される。この焼鈍によって、隣り合う合金相２０を繋ぐ粒界相３０を形成するとともに、その粒界相３０に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、質量比で合金相２０よりも多くのＡｌを含む酸化物領域を生成する。有機バインダは、焼鈍により熱分解を起こして消失する。このように、成形後の熱処理により酸化物領域を生成することから、ガラスなどの絶縁物を用いなくても、強度などに優れた磁心を簡易な方法により製造できる。

焼鈍は、大気中、または酸素と不活性ガスとの混合気体中など、酸素を含む雰囲気中で行われ、中でも大気中での熱処理が簡便で好ましい。既述のように、粒界相３０は、熱処理によりＦｅ基軟磁性合金粒と酸素とを反応させて得られ、Ｆｅ基軟磁性合金粒の自然酸化を超える酸化反応によって生成される。かかる粒界相３０が生成されることにより、優れた絶縁性や耐食性を有して、多数のＦｅ基軟磁性合金粒が堅固に結合された高強度の磁心が得られる。

上記の如きＦｅ基軟磁性合金粒を用いて構成された磁心は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和を１００質量％として、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅと不可避不純物である。

熱処理を経た磁心において、占積率は８２〜９０％の範囲内であることが好ましい。これにより、設備的、コスト的な負荷を抑えながらも、占積率を高めて磁気特性を向上することができる。

焼鈍後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて磁心の断面観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）により各構成元素の分布調査を行うと、粒界相３０ではＡｌが濃化していることが観察される。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いて磁心の断面観察を行うと、図２に示すような層状組織を呈する酸化物領域が観察される。

更に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてＥＤＸにより詳細に組成分析を行うと、粒界相３０は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含んでいることが観察される。しかも、合金相２０の近傍では、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対する比率に関して、Ａｌの比率が、Ｆｅの比率、Ｃｒの比率及びＳｉの比率の各々よりも高く、かかる領域が「第１領域」に相当する。そして、合金相２０間の中間部では、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対する比率に関して、Ｆｅの比率が、Ａｌの比率、Ｃｒの比率及びＳｉの比率の各々よりも高く、かかる領域が「第２領域」に相当する。なお、図２に示した粒界相３０では酸化物領域が層状組織を呈するが、粒界相の形態はこれに限られず、例えば、第２領域を第１領域が包み、第２領域が島状に形成されていてもよい。

成形体の応力歪を緩和し、粒界相３０に酸化物領域を生成する観点から、焼鈍温度は、成形体が６００℃以上となる温度であることが好ましい。また、粒界相３０の部分的な消失や変質などにより絶縁性が低下したり、焼結が著しく進んでＦｅ基軟磁性合金粒同士が直接接触し、それらが部分的に繋がった部分（ネック部）が増えたりすることで、磁心の比抵抗が低下して渦電流損失が増加することを避ける観点から、焼鈍温度は、成形体が８５０℃以下となる温度であることが好ましい。上記の観点から、焼鈍温度は６５０〜８３０℃がより好ましく、７００〜８００℃が更に好ましい。かかる焼鈍温度での保持時間は、磁心の大きさや処理量、特性ばらつきの許容範囲などによって適宜に設定され、例えば０．５〜３時間に設定される。比抵抗や磁心損失に特段の支障を来すものでなければ、一部にネック部が形成されることは許容される。

粒界相３０の厚みが大き過ぎると、合金相の間隔が広くなり、透磁率の低下やヒステリシス損失の増加を招来し、また非磁性酸化物を含む酸化物領域の割合が増加して、飽和磁束密度が低下する場合がある。そのため、粒界相３０の平均厚みは、１００ｎｍ以下が好ましく、８０ｎｍ以下がより好ましい。一方、粒界相３０の厚みが小さ過ぎると、酸化物領域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、粒界相３０の平均厚みは１０ｎｍ以上が好ましく、３０ｎｍ以上がより好ましい。粒界相３０の平均厚みは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて６０万倍以上で磁心の断面を観察し、その観察視野内の合金相の輪郭が確認される部分で、合金相２０同士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、その算術平均により算出される。

磁心の強度と高周波特性を改善する観点から、合金相２０を構成するＦｅ基軟磁性合金粒の各々の最大径の平均は１５μｍ以下が好ましく、８μｍ以下がより好ましい。一方、透磁率の低下を抑える観点から、Ｆｅ基軟磁性合金粒の各々の最大径の平均は０．５μｍ以上が好ましい。この最大径の平均は、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個以上の粒子について最大径を読み取り、その個数平均により算出される。成形後のＦｅ基軟磁性合金粒は塑性変形しているが、断面観察では殆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。

また、磁心の強度と高周波特性を改善する観点から、ＳＥＭによる磁心の１０００倍の断面観察像において、最大径が４０μｍ以上のＦｅ基軟磁性合金粒の存在比率は１％以下であることが好ましい。この存在比率は、少なくとも０．０４ｍｍ^２以上の観察視野にて周囲が粒界相３０に囲まれた合金粒の全体数Ｋ１と、そのうち最大径が４０μｍ以上の合金粒数Ｋ２を計測し、Ｋ２をＫ１で除して百分率で示したものである。なお、Ｋ１及びＫ２の計測は、最大径が１μｍ以上の合金粒を対象として行われる。磁心を構成するＦｅ基軟磁性合金粒を細かくすることで高周波特性が改善される。

本発明の実施例について具体的に説明する。表１には、Ｓｉの含有量を異ならせた７種（Ｎｏ．１〜７）のＦｅ基軟磁性合金粒を水アトマイズ法により作製した後、４４０メッシュ（目開き３２μｍ）の篩を通して粗い粒子を取り除いた合金粒について、それらの組成分析と平均粒径（メジアン径ｄ５０）の測定結果を示している。ＡｌはＩＣＰ発光分析法により、Ｃｒは容量法により、Ｓｉは吸光光度法により、それぞれ得られた分析値である。平均粒径は、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）による測定値である。これらのＦｅ基軟磁性合金粒を用いて下記（１）〜（３）の工程により磁心を製造し、それぞれ比較例１，２、参考例１，２及び実施例１〜３とした。

（１）混合
撹拌擂潰機を用いて、Ｆｅ基軟磁性合金粒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重量部添加して混合した。得られた混合物を１２０℃で１０時間乾燥した後、篩に通して混合粉の顆粒を得て、その平均粒径（ｄ５０）を６０〜８０μｍの範囲内とした。また、顆粒１００重量部に対して、ステアリン酸亜鉛を０．４重量部添加し、容器回転揺動型粉体混合機により混合して、加圧成形に供する混合粉の顆粒を得た。

（２）加圧成形
得られた顆粒を成形金型内に給粉し、油圧プレス機を使用して室温で加圧成形した。成形圧力は０．７４ＧＰａとした。得られた成形体は、内径φ７．８ｍｍ、外径φ１３．５ｍｍ、厚み４．３ｍｍのトロイダル形の環状体とした。

（３）熱処理
得られた成形体を電気炉により大気中で焼鈍し、代表寸法を内径φ７．７ｍｍ、外径φ１３．４ｍｍ、厚み４．３ｍｍとする磁心を得た。熱処理では、室温から焼鈍温度である７５０℃まで２℃／分で昇温し、その焼鈍温度で１時間保持した後、炉冷した。また、造粒時に添加したバインダなどの有機物が分解されるように、４５０℃で１時間保持する脱脂工程を熱処理の途中に含めた。

また、Ｃｒを４．５質量％、Ｓｉを３．５質量％、残部がＦｅからなるＦｅ基軟磁性合金粒を用いて磁心を作製し、比較例３とした。具体的には、エプソンアトミックス株式会社製ＰＦ−２０Ｆの合金粒を使用し、上記（１）〜（３）の工程により磁心を得た。但し、加圧成形における成形圧力は０．９１ＧＰａとした。

上記のようにして得られた成形体や磁心に対し、下記（Ａ）〜（Ｇ）の特性を評価した。
（Ａ）成形体密度ｄｇ、焼鈍後密度ｄｓ
環状体の成形体と磁心に対し、それらの寸法と質量から体積重量法により密度（ｋｇ／ｍ^３）を算出し、それぞれを成形体密度ｄｇ、焼鈍後密度ｄｓとした。

（Ｂ）占積率
算出した焼鈍後密度ｄｓを軟磁性合金の真密度で除して磁心の占積率（相対密度）［％］を算出した。なお、上記の真密度は、あらかじめ鋳造して得られた軟磁性合金のインゴットに対する体積重量法により求めた。

（Ｃ）磁心損失Ｐｃｖ
環状体の磁心を被測定物として、一次側巻線と二次側巻線とをそれぞれ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を用いて、最大磁束密度３０ｍＴ、周波数５０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの条件で、室温における磁心損失Ｐｃｖ（ｋＷ／ｍ^３）を測定した。

（Ｄ）初透磁率μｉ
環状体の磁心を被測定物として、導線を３０ターン巻回し、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー株式会社製４２８４Ａ）を用いて、周波数１００ｋＨｚで室温にてインダクタンスＬを測定し、次式により初透磁率μｉを求めた。
初透磁率μｉ=（ｌｅ×Ｌ）／（μ_０×Ａｅ×Ｎ^２）
［ｌｅ：磁路長（ｍｍ）、Ｌ：試料のインダクタンス（Ｈ）、μ_０：真空の透磁率＝４π×１０^−７（Ｈ／ｍ）、Ａｅ：磁心の断面積（ｍｍ^２）、Ｎ：コイルの巻数］

（Ｅ）増分透磁率μ_Δ
環状体の磁心を被測定物として、導線を３０ターン巻回し、１０ｋＡ／ｍの直流磁界を印加した状態にて、ＬＣＲメータ（アジレント・テクノロジー株式会社社製４２８４Ａ）を用いて、周波数１００ｋＨｚで室温にてインダクタンスＬを測定し、前述した初透磁率μｉと同様にして増分透磁率μ_Δを求めた。

（Ｆ）圧環強度σｒ
ＪＩＳ Ｚ２５０７に基づき、引張・圧縮試験機（株式会社島津製作所製オートグラフＡＧ−１）の定盤間に被測定物である環状体の磁心を配置し、その磁心に径方向から荷重を与えて破壊時の最大加重Ｐ（Ｎ）を測定し、次式から圧環強度σｒ（ＭＰａ）を求めた。
圧環強度σｒ（ＭＰａ）=Ｐ（Ｄ−ｄ）／（Ｉｄ^２）
［Ｄ：磁心の外径（ｍｍ）、ｄ：磁心の厚み〔内外径差の１／２〕（ｍｍ）、Ｉ：磁心の高さ（ｍｍ）］

（Ｇ）比抵抗ρ（電気抵抗率）
被測定物である磁心の対向する二平面に導電性接着剤を塗り、その接着剤が乾燥し固化してから電極の間に磁心をセットし、電気抵抗測定装置（株式会社エーディーシー製８３４０Ａ）により５０Ｖの直流電圧を印加して抵抗値Ｒ（Ω）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）
［Ａ：磁心の平面の面積〔電極面積〕（ｍ^２）、ｔ：磁心の厚み〔電極間距離〕（ｍ）］

比較例１〜３、参考例１，２及び実施例１〜３の磁心における上記特性の評価結果を表２に示す。また、比較例１，２、参考例１，２及び実施例１〜３の磁心における磁心損失とＳｉ量との関係を図４のグラフに示し、同じく初透磁率及び増分透磁率とＳｉ量との関係を図５のグラフに示す。

図４に示すように、Ｓｉの含有量が増加すると、磁心損失が良好に低減されている。特にＳｉの含有量が０．９質量％以上となる例では、より好ましい結果が得られており、Ｓｉの含有量は１質量％を超えることが有効であることが分かる。参考例２及び実施例１，２では、いずれも周波数３００ｋＨｚにおける磁心損失が４００ｋＷ／ｍ^３を下回った。また、図５に示すように、Ｓｉの含有量が０．９質量％を超え且つ２質量％以下の例では、初透磁率が向上した。その一方で、Ｓｉの含有量が４質量％を超えると初透磁率が急激に低下する傾向にあるため、Ｓｉの含有量を４質量％以下とすることが有効であることが分かる。また、Ｓｉの含有量が０．５質量％を超えても増分透磁率は低下しておらず、参考例１，２及び実施例１〜３では直流重畳特性が確保されると言える。

表２に示すように、Ｓｉの含有量が少ない範囲では、Ｓｉが増えるにつれて比抵抗や圧環強度が下がる傾向にあるものの、含有量が１質量％を超える範囲では特性の低下が殆ど見られず、それでいて０．５×１０^３Ω・ｍ以上の比抵抗と、１２０ＭＰａを大きく超える１７０ＭＰａ以上の圧環強度が得られており、従来の磁心（例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系合金粒により構成された磁心）に比べて比抵抗や強度に優れていると言える。Ｓｉの含有量が増えるほど磁心の密度が低下する傾向にあるが、Ｓｉの含有量が４質量％以下であれば良好な透磁率を有しうることは、既述の通りである。

これらの磁心について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ／ＥＤＸ）を用いて断面観察を行い、同時に各構成元素の分布を調べた。図６〜８は、それぞれ比較例１及び実施例１，２の磁心を断面観察したＳＥＭ写真である。明度の高い部分がＦｅ基軟磁性合金粒であり、その表面に形成された明度の低い部分が粒界部または空隙部である。Ｓｉの含有量が増えるにつれて合金粒間の空隙が増えており、それに伴って焼鈍後密度が小さくなったものと考えられる。

図９〜１４は、それぞれ比較例１，２、参考例１，２及び実施例１，２における磁心を断面観察したＳＥＭ写真と、その対応視野での元素分布を示すマッピング図である。（ｂ）〜（ｆ）のマッピング図は、それぞれＦｅ、Ａｌ、Ｃｒ，Ｓｉ，Ｏの分布を示し、明るい色調ほど対象元素が多い。いずれの実施例においても、粒界相でＡｌの濃度が高く、それでいてＯも多くて酸化物が生成されており、隣り合う合金相が粒界相を介して結合されている様子が観察される。また、粒界相では、合金相の内部に比べて総じてＦｅの濃度が低く、ＣｒやＳｉはＡｌと比べて大きな濃度分布を示していない。

図１５〜１７は、それぞれ比較例２、参考例２及び実施例２の磁心を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により６０万倍以上で断面観察したＴＥＭ写真であり、Ｆｅ基軟磁性合金粒により形成された合金相の２粒子の断面の輪郭が確認される部分を示している。これらのＴＥＭ写真において、上下方向に横断する帯状部が粒界相であり、その粒界相を介して隣り合うように位置し、粒界相よりも明度が低い部分が合金相である。粒界相の中央部と、合金相の近傍となる粒界相の境界部とでは、色調が異なる部分が確認された。

図１５〜１７に示した断面において、粒界相の中央部（マーカー１）と、粒界相の境界部（マーカー２）と、合金相の内部（マーカー３）とに対するＴＥＭ−ＥＤＸによる組成分析を行った結果を表３〜５に示す。粒界相の境界部は、合金相の近傍であって、断面の輪郭として現れる合金粒の表面からおよそ５ｎｍ離れた位置とした。また、合金相の内部は、合金粒の表面からおよそ１０ｎｍ以上離れた位置とした。これらの組成分析は、いずれも直径１ｎｍの領域で行った。

比較例２、参考例２及び実施例２のいずれにおいても、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、合金相よりも多くのＡｌを含む酸化物領域が粒界相に生成されていた。また、粒界相には、潤滑剤として添加したステアリン酸亜鉛に由来するＺｎも確認されたが、各表において省略している。粒界相の境界部では、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対するＡｌの比率がＦｅ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い。この合金相側に形成された領域が第１領域に相当する。一方、粒界相の中央部では、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対するＦｅの比率がＡｌ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高く、この領域が第２領域に相当する。参考例２及び実施例２では、粒界相の境界部よりも中央部の方でＣｒ濃度が高かった。実施例２では、粒界相の中央部において境界部よりもＳｉが濃化していた。

上記のように、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対するＡｌの比率が合金相の内部よりも高い酸化物領域が粒界相に確認された。Ａｌの酸化物は絶縁性が高いため、かかるＡｌの酸化物が粒界相に生成されることにより、絶縁性の確保や磁心損失の低減に寄与すると推察される。また、上記の如き第１領域と第２領域を有する粒界相を介してＦｅ基軟磁性合金粒が結合されていることにより、強度の確保に寄与していると考えられる。更に、磁心がＦｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを所定の範囲で含有することで、磁心損失を低減することができる。

１ 磁心
２０ Ｆｅ基軟磁性合金粒
３０ 粒界相
３０ａ 粒界相の第１領域
３０ｂ 粒界相の第２領域

Claims (5)

1. Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含む合金相が分散し、且つ、隣り合う前記合金相が粒界相で繋がれた組織を有し、
   Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和を１００質量％として、Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる組成を有し、
   前記粒界相に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、質量比で前記合金相よりも多くのＡｌを含む酸化物領域を備え、
   前記粒界相は、前記合金相と前記粒界相との界面に沿って延在する第１領域と、前記第１領域によって両側から挟まれている第２領域とを有し、
   前記第１領域は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対するＡｌの比率が、Ｆｅ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い領域であり、
   前記第２領域は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉの和に対するＦｅの比率が、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い領域である磁心。
2. Ｓｉを３質量％以下で含む請求項１に記載の磁心。
3. 比抵抗が０．５×１０^３Ω・ｍ以上で、圧環強度が１２０ＭＰａ以上である請求項１または２に記載の磁心。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁心と、その磁心に施されたコイルとを有するコイル部品。
5. Ａｌを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｃｒを３質量％以上且つ１０質量％以下、Ｓｉを１質量％超え且つ４質量％以下で含み、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなるＦｅ基軟磁性合金粒とバインダとを混合して混合粉を得る工程と、
   前記混合粉を加圧成形して成形体を得る工程と、
   酸素を含む雰囲気中で前記成形体を熱処理して、前記Ｆｅ基軟磁性合金粒により形成された合金相が分散した組織を有する磁心を得る工程とを備え、
   前記熱処理によって、隣り合う前記合金相を繋ぐ粒界相を形成するとともに、前記粒界相に、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉを含み、且つ、質量比で前記合金相よりも多くのＡｌを含む酸化物領域を生成し、
   前記粒界相は、前記合金相と前記粒界相との界面に沿って延在する第１領域と、前記第１領域によって両側から挟まれている第２領域とを有し、
   前記第１領域は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの和に対するＡｌの比率が、Ｆｅ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い領域であり、
   前記第２領域は、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉの和に対するＦｅの比率が、Ａｌ、Ｃｒ及びＳｉの各々の比率よりも高い領域である磁心の製造方法。