阅读说明：本技术 压粉磁芯 (Dust core ) 是由 高桥毅 于 2020-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种压粉磁芯(100),其具有：多个软磁性铁基颗粒(10)、分别设置于各软磁性铁基颗粒(10)的表面的包覆层(20)、设置于包覆层(20)间的夹设层(40)和配置于软磁性铁基颗粒(10)间的纳米粉体(30)。包覆层(20)是含有Fe、Si、O、B和N的化合物的层,纳米粉体(30)为含有选自Fe、Si、Zr、Co、Al、Mg、Mn和Ni中的至少一种元素、以及O和N的化合物的粉体。(The present invention provides a powder magnetic core (100) which comprises: the magnetic core comprises a plurality of soft magnetic iron-based particles (10), coating layers (20) respectively arranged on the surfaces of the soft magnetic iron-based particles (10), an interlayer (40) arranged between the coating layers (20), and nano powder (30) arranged between the soft magnetic iron-based particles (10). The coating layer (20) is a layer containing a compound of Fe, Si, O, B and N, and the nano-powder (30) is a powder containing at least one element selected from the group consisting of Fe, Si, Zr, Co, Al, Mg, Mn and Ni, and a compound of O and N.)

压粉磁芯

技术领域

本发明涉及压粉磁芯。

背景技术

扼流线圈、电抗器、马达、电感器等的电子部件随着电气设备的小型化、轻质化，对电子部件中使用的磁性材料要求低的磁损耗(磁芯损耗)和高的导磁率。以导磁率的提高和磁损耗的降低为目标，开发了各种压粉磁芯。

例如，专利文献1中公开有一种涉及复合磁性材料的技术，该复合磁性材料包含维氏硬度(Hv)为230≤Hv≤1000的范围的金属磁性材料和压缩强度为10000kg/cm²(980.07MPa)以下的绝缘材料。

专利文献2中公开有一种涉及高阻力且高磁通密度的二氧化硅系绝缘包覆压粉磁芯及其制造方法、和电磁回路部件的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献：WO2010/082486号公报

专利文献2：日本特开2017-188678号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，专利文献1的技术中，为了得到高的成型密度而减少绝缘材料时，防止不了金属颗粒彼此的接触，难以降低磁损耗。专利文献2的技术中，难以在金属颗粒间均匀地形成1μm以下的薄的晶界层，难以同时得到高的导磁率和低的磁芯损耗。

本发明是鉴于上述课题而作出的，目的在于提供磁损耗低且导磁率高的压粉磁芯。

用于解决课题的方法

本发明提供一种压粉磁芯，其具有：多个软磁性铁基颗粒；包覆层，其分别设置于各上述软磁性铁基颗粒的表面；夹设层，其设置于上述包覆层间；和纳米粉体，其配置于上述软磁性铁基颗粒间。而且，上述包覆层是含有Fe、Si、O、B和N的化合物的层，上述纳米粉体是含有选自Fe、Si、Zr、Co、Al、Mg、Mn和Ni中的至少一种元素、以及O和N的化合物的粉体。

这里，上述纳米粉体能够是含有Fe、Si、O和N的化合物的粉体。

另外，上述纳米粉体的平均粒径能够为10～200nm。

另外，上述包覆层的平均厚度能够为1～100nm。

另外，上述软磁性铁基颗粒的平均粒径能够为1～100μm。

另外，上述软磁性铁基颗粒能够为Fe-Si合金颗粒，上述压粉磁芯的表观密度能够为6.6g/cm³以上。

发明的效果

根据本发明，提供磁损耗低且导磁率高的压粉磁芯。

附图说明

图1是本发明的实施方式的压粉磁芯的放大截面图。

符号说明

10…软磁性铁基颗粒，20…包覆层，30…纳米粉体，40…夹设层，100…压粉磁芯。

具体实施方式

(压粉磁芯)

对本发明的实施方式的压粉磁芯进行说明。图1是本发明的实施方式的压粉磁芯的放大截面图。

本发明的实施方式的压粉磁芯(磁芯，core)100具有：多个软磁性铁基颗粒10、分别设置于各软磁性铁基颗粒10的表面的包覆层20、设置于包覆层20间的夹设层40、和配置于软磁性铁基颗粒10间的纳米粉体30。

(软磁性铁基颗粒)

软磁性铁基颗粒是具有软磁性、且颗粒中的元素中显示最大的原子分率的元素为Fe的颗粒。Fe的原子分率能够为50at％以上。

软磁性铁基材料的例子为纯铁、羰基铁(carbonyl iron)、Fe-Si合金、Fe-Al合金、Fe-N化合物、Fe-Ni合金、Fe-C化合物、Fe-B化合物、Fe-Co合金、Fe-Al-Si合金、Fe-Al-Cr合金、Fe-Al-Mn合金、Fe-Al-Ni合金、Fe-Si-Cr合金、Fe-Si-Mn合金、Fe-Si-Ni合金。软磁性铁基材料可以为结晶性材料，也可以为非晶材料、纳米结晶材料。

软磁性铁基颗粒10的平均粒径没有特别限定，能够为1～100μm。平均粒径的下限可以为3μm，也可以为5μm。上限可以为50μm，也可以为30μm。

此外，软磁性铁基颗粒10的平均粒径能够如下求出：在压粉磁芯截面的电子显微镜照片(例如SEM)中分别求出软磁性铁基颗粒的30个截面面积，分别算出等面积圆当量直径，并进行算术平均。

此外，软磁性铁基颗粒10也可以在其内部沿着包覆层20的界面具有一个或多个氧化区域10a。例如，氧化区域10a能够具有球形状，能够存在于距界面500nm的深度的区域内。氧化区域10a的直径能够为1～20nm。该直径能够与后述的纳米粉体的直径同样地测定。通过在软磁性铁基颗粒10的内部含有氧化区域10a，电阻率变高，颗粒内的涡流损耗降低。当氧化区域10a的直径低于1nm时，降低涡流损耗的效果变低。当氧化区域的直径超过20nm时，存在导磁率降低的趋势。

(包覆层)

包覆层20包覆软磁性铁基颗粒10的表面。包覆层20优选包覆软磁性铁基颗粒10的整个面。

包覆层20的平均厚度能够为1nm以上，优选为5nm以上，更优选为10nm以上。包覆层20的平均厚度能够设为100nm以下，优选设为70nm以下。当包覆层20过厚时，加压成型后的密度容易降低，另一方面，过薄时，有时在加压成型时导致软磁性铁基颗粒10彼此的接触。

包覆层20的平均厚度能够如以下操作求出。从截面照片随机选择10个软磁性铁基颗粒。在截面照片中沿着各软磁性铁基颗粒和包覆层的界面等间隔地配置的10点分别测定包覆层的厚度，对各软磁性铁基颗粒的包覆层分别获得算术平均A。对10个软磁性铁基颗粒的包覆层的算术平均A进一步进行算术平均。

上述包覆层是具有电绝缘性的层，是至少含有Fe、Si、O、B和N的化合物的层。由此，与软磁性铁基颗粒10的密合性变高，并且，绝缘性也变高。

(夹设层)

夹设层40是填充于包覆层20间的层，将具有包覆层20的软磁性铁基颗粒10彼此粘接。夹设层40的材料的例子为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、有机硅树脂。夹设层可以为热塑性树脂，优选为热固性树脂。另外，夹设层的至少一部分或全部可以为该树脂的热分解物。

(纳米粉体)

纳米粉体30配置于软磁性铁基颗粒10间。即，纳米粉体30可以配置于包覆层20内，也可以配置于夹设层40内，也可以配置于包覆层20与夹设层40的界面。

纳米粉体30的平均粒径为200nm以下。平均粒径的上限可以为200nm，也可以为150nm，优选为100nm，更优选为80nm。平均粒径的下限没有特别限定，可以为1nm，优选为5nm，更优选为10nm。纳米粉体30的粒径为复合颗粒的截面的电子显微镜照片(例如TEM)中的等面积圆当量直径，平均粒径能够设为30个左右的纳米颗粒的粒径的算术平均。

纳米粉体30是含有选自Fe、Si、Zr、Co、Al、Mg、Mn和Ni中的至少一种元素、以及O(氧)和N(氮)的化合物的粉体。通过形成为这样的金属元素和/或半金属元素的氧氮化物，确保电绝缘性和韧性，故而优选。特别是通过含有N(氮)，与氧化物相比，韧性提高，即使在加压后，也容易抑制软磁性颗粒彼此的接触。

纳米粉体能够为化合物或复合颗粒群。作为例子，化合物能够为SiON粉(例如，Si₂N₂O粉)、AlON粉、SiAlON粉、ZrON粉。

纳米粉体30优选是含有Fe、Si、O和N的化合物的粉体。纳米粉体30是含有Fe和Si的化合物，由此，能够进一步表现磁性，因此，导磁率等的磁特性进一步提高。

作为与纳米颗粒的分散性相关的指标，可以列举压粉磁芯的TEM截面的纳米粉体的面积比率。就面积比率而言，TEM截面照片中的、纳米颗粒的合计的面积相对于软磁性铁基颗粒间的面积(包覆层和夹设层的面积)的比率(纳米颗粒的合计的面积/软磁性铁基颗粒间的面积)优选在10％以上50％以下之间，更优选在10％以上40％以下之间。在该面积比率为50％以下的情况下，压粉磁芯的密度变高。在面积比率为10％以上的情况下，压粉磁芯的绝缘性良好。TEM截面照片的软磁性铁基颗粒间的面积优选以成为0.01μm²～0.1μm²的方式设定。

在软磁性铁基颗粒为Fe-Si合金颗粒的情况下，压粉磁芯100的表观密度能够为6.6g/cm³以上，也能够为6.7g/cm³以上。在软磁性铁基颗粒为Fe-Ni-Si合金颗粒的情况下，压粉磁芯100的表观密度优选为7.3g/cm³以上。在软磁性铁基材料为羰基铁等含有99.5质量％的Fe以上的颗粒的情况下，压粉磁芯100的表观密度优选为6.9g/cm³以上。压粉磁芯100所含的软磁性铁基颗粒10的填充率优选为88％以上。关于压粉磁芯的填充率在后面进行阐述。

压粉磁芯的形状没有特别限定。例如，能够为环形(环状)磁芯、U字型等的切割磁芯(cut core)、马达、电感器用的层叠磁芯等。

(作用效果)

根据本实施方式的压粉磁芯，通过使包覆层20含有Fe、Si、O、B、N，软磁性铁基颗粒10间的电绝缘性变高。另外，在软磁性铁基颗粒10间夹设特定的金属的氧氮化物等的纳米粉体30，因此，与夹设氧化物颗粒等相比，具有韧性，即使高压冲压后，也容易确保软磁性颗粒间的间隙，能够抑制软磁性铁基颗粒间的接触，提高电绝缘性且缩小软磁性铁基颗粒间的间隙。

由此，能够提高导磁率且降低磁损耗。

(压粉磁芯的制造方法)

对压粉磁芯的制造方法的第一例(纳米粉体外部添加)进行说明。

首先，准备软磁性铁基颗粒、BN粉和纳米粉体的混合粉。优选使用球状的软磁性铁基颗粒。通过形成球状，软磁性铁基颗粒10彼此的接近点变少，容易确保电绝缘性。

BN粉的平均粒径优选与软磁性铁基颗粒相比充分小，例如，能够为20nm～4μm。BN优选为六方晶(h-BN)。软磁性铁基颗粒和BN粉的平均粒径为通过湿式的激光衍射散射法测得的体积基准的粒度分布的D50。

接着，将混合粉在氮中以400～700℃左右进行热处理。由此，在各软磁性铁基颗粒的表面形成包含纳米粉体30的包覆层20，得到复合颗粒。

接着，将所得到的复合颗粒群与粘合剂原料混合，得到混合物。根据需要，使粘合剂原料中的溶剂干燥。

接着，也可以根据需要在混合物中混合润滑剂。润滑剂的例子为硬脂酸锌。

接着，在具有与压粉磁芯的形状对应的空隙的金属模具内填充上述的混合物，进行加压成型，得到期望的形状的压粉磁芯。优选在金属模具的内表面预先涂布有润滑剂。

加压成型时的压力没有特别限定，能够设为981～1570MPa。

另外，可以在加压成型后或加压成型中，根据需要进行加热，并进行粘合剂原料的固化和/或软磁性铁基颗粒的退火。

接着，对压粉磁芯的制造方法的第二例(纳米粉体内部合成)进行说明。

在本实施方式中，将软磁性铁基颗粒与BN粉的混合物在氮中以800～1100℃、优选以900～1000℃左右进行热处理，由此，得到具有软磁性铁基颗粒、设置于软磁性铁基颗粒的表面的包覆层20、和配置于包覆层20内的纳米粉体30的复合颗粒。纳米粉体30能够源自于软磁性铁基颗粒而形成，因此，不需要从外部添加。

以后的工序与第一方法一样。

实施例

(实施例1)

准备平均粒径5μm的气体雾化Fe-Si(4.5质量％)合金粉、平均粒径4μm的BN粉和平均粒径180nm的SiON粉。将Fe-Si合金粉、BN粉和SiON粉以50︰10︰1的重量比混合，得到粉体混合物。

接着，将粉体混合物加入坩埚中，在氮气氛中进行500℃、30分钟的热处理，得到在Fe-Si合金粉的表面具有含有B、O、N、Fe、Si的化合物的包覆层和配置于该包覆层内的SiON的纳米粉体的复合颗粒。

利用醇除去残留于复合颗粒的未反应的BN粉和游离的SiON粉。

在所得到的复合颗粒群中添加1重量％的有机硅树脂进行混合并干燥。在干燥物中添加0.1重量％的润滑材料(硬脂酸锌)并进一步混合。将最终混合物的5g填充至预先涂布了硬脂酸锌的金属模具内，以成型压1570MPa冲压。然后，在900℃、30分钟氮气氛中进行退火，得到作为压粉磁芯的环形磁芯。如下操作，测定环形磁芯的填充率、表观密度、磁损耗和比导磁率。

填充率(A)基于环形磁芯的表观密度(C)相对于根据环形磁芯中所含的金属和半金属元素的组成计算的真密度(B)的比(A＝C/B＊100)进行计算。

真密度(B)根据环形磁芯所含的金属和半金属元素的质量比与各元素的密度的积的合计算出。例如，实施例1、实施例6、实施例7的软磁性铁基颗粒如下计算。

在实施例1～5、比较例1、2的Fe-Si(4.5质量％)合金颗粒的情况下，成为(7.87×(100.0－4.5)+2.33×4.5)/100＝7.62g/cm³。

在实施例6、比较例3、4的Fe(52.0质量％)-Ni(47.0质量％)-Si(1.0质量％)合金颗粒的情况下，成为(7.87×(100.0－47.0－1.0)+8.90×47.0+2.33×1.0)/100＝8.30g/cm³。

在实施例7、比较例5、6的Fe(99.5质量％)颗粒的情况下，成为7.87×0.995＝7.83g/cm³。

表观密度通过测定环形磁芯的尺寸和重量来算出。

导磁率如下测定。利用LCR表(Agilent Technologies公司制4284A)和直流偏置电源(Agilent Technologies公司制42841A)测定频率20kHz下压粉磁芯的电感，根据电感算出压粉磁芯室温下的导磁率。对直流叠加磁场为8000A/m的情况进行了测定。

磁损耗如下测定。使用岩崎通信机公司制的BH分析仪(SY8258)，施加最大50mT的正弦波交流磁场，并测定室温下500kHz中的损耗。

磁损耗优选为1200kW/m³以下，比导磁率优选为45以上。

测定压粉磁芯的截面中纳米粉体的面积比率(纳米颗粒的合计的面积/软磁性铁基颗粒间的面积)。利用日本FEI公司制的FIB(Nova200i)切割压粉磁芯，制作薄片试样，并利用JEOL公司制的STEM-EDS(JEM2100FCS)进行观察。将由STEM观察的STEM图像利用Innotech公司制的图像解析软件(Pixs2000Pro(ver2.2.2))分别测定软磁性铁基颗粒间的面积和纳米粉体的面积。准备5张对一个压粉磁芯的截面拍摄了不同的部位的TEM照片，对各自测定面积比率，并求出算术平均值。

(比较例1)

将Fe-Si合金粉与BN粉的重量比设为1︰1，并且不使用SiON粉，除此以外，与实施例1同样操作，得到比较例1的环形磁芯。

(比较例2)

对平均粒径5μm的气体雾化Fe-Si(4.5质量％)合金粉供给相对于Fe-Si粉的重量含有2重量％的SiON粉和相对于Fe-Si粉的重量含有1重量％的磷酸的醇溶液，然后使醇干燥，在Fe-Si合金粉的表面形成包含纳米粉体的磷酸铁包覆层。此后与实施例1同样操作，得到比较例2的环形磁芯。

(实施例2)

准备平均粒径5μm的气体雾化Fe-Si(4.5质量％)合金粉和平均粒径4μm的BN粉。将Fe-Si合金粉与BN粉以5︰1的重量比混合，得到粉体混合物。

接着，将粉体混合物加入坩埚，在氮气氛中进行900℃、30分钟的热处理，在Fe-Si合金粉的表面形成含有B、O、N、Fe、Si的化合物的包覆层和配置于该包覆层内的含有O、N、Si、Fe的化合物的纳米粉体，得到复合颗粒。此后，除了不添加SiON粉末以外，与实施例1同样操作，得到实施例2的环形磁芯。

(实施例3)

除了使用平均粒径10μm的气体雾化Fe-Si(4.5质量％)粉以外，与实施例2同样操作，得到实施例3的环形磁芯。

(实施例4)

除了将Fe-Si合金粉与BN粉的重量比设为1︰1以外，与实施例2同样操作，得到实施例4的环形磁芯。

(实施例5)

除了将Fe-Si合金粉与BN粉的重量比设为100︰1以外，与实施例2同样操作，得到实施例5的环形磁芯。

(实施例6)

准备平均粒径5μm的气体雾化Fe-Ni(47.0质量％)-Si(1.0质量％)合金粉和平均粒径4μm的BN粉。将Fe-Ni-Si合金粉和BN粉以5︰1的重量比混合，得到粉体混合物。

接着，将粉体混合物加入坩埚，在氮气氛中进行1100℃、60分钟的热处理，在Fe-Ni-Si合金粉的表面形成含有B、O、N、Fe、Si的化合物的包覆层和配置于该包覆层内的含有O、N、Si、Fe的化合物的纳米粉体，得到复合颗粒。

利用醇除去残留于复合颗粒的未反应的BN粉。

在所得到的复合颗粒群中添加1重量％的有机硅树脂进行混合并干燥。在干燥物中添加0.1重量％的润滑材料(硬脂酸锌)并进一步混合。将最终混合物的5g填充于预先涂布了硬脂酸锌的金属模具内，以成型压1570MPa进行冲压。然后，在600℃、30分钟氮气氛中进行退火，得到作为压粉磁芯的环形磁芯。

(比较例3)

将软磁性铁基颗粒设为实施例6的Fe-Ni-Si合金粉，将Fe-Ni-Si合金粉与BN粉的重量比设为1︰1，并且不使用SiON粉，除此以外，与实施例1同样操作，制作复合颗粒。然后，除了将退火条件设为600℃、30分钟以外，与实施例1同样操作，得到比较例3的环形磁芯。

(比较例4)

对实施例6的Fe-Ni-Si合金粉中供给相对于Fe-Ni-Si粉的重量含有2重量％的SiON粉和相对于Fe-Ni-Si粉的重量含有1重量％的磷酸的醇溶液，然后使醇干燥，在Fe-Ni-Si粉的表面形成包含纳米粉体的磷酸铁包覆层。此后与实施例6同样操作，得到比较例4的环形磁芯。

(实施例7)

准备粒径4μm的羰基铁粉(Fe99.5质量％)、粒径4μm的BN粉和TEOS(SiO(C₂H₅)4)。将羰基粉、BN粉和TEOS以5︰1︰0.01的重量比混合，得到粉体混合物。

接着，将粉体混合物加入坩埚，在氮气氛中进行750℃、30分钟的热处理，在羰基铁粉的表面形成含有B、O、N、Fe、Si的化合物的包覆层和配置于该包覆层内的含有O、N、Si、Fe的化合物的纳米粉体，得到复合颗粒。

利用醇除去残留于复合颗粒的未反应的BN粉。

在所得到的复合颗粒群中添加1重量％的有机硅树脂进行混合并干燥。在干燥物中添加0.1重量％的润滑材料(硬脂酸锌)并进一步混合。将最终混合物的5g填充于预先涂布了硬脂酸锌的金属模具内，以成型压980MPa进行冲压。然后，在750℃、30分钟氮气氛中进行退火，得到作为压粉磁芯的环形磁芯。

(比较例5)

将软磁性铁基颗粒设为实施例7的羰基铁粉，将羰基铁粉与BN粉的重量比设为1︰1，并且不使用SiON粉，除此以外，与实施例1同样操作，制作复合颗粒。然后，将成型压设为980MPa，将退火条件设为750℃、30分钟，除此以外，与实施例1同样操作，得到比较例5的环形磁芯。

(比较例6)

对实施例7的羰基铁粉供给相对于羰基铁粉的重量含有2重量％的SiON粉和相对于羰基铁粉的重量含有1重量％的磷酸的醇溶液，然后使醇干燥，在羰基铁粉的表面形成含有纳米粉体的磷酸铁包覆层。此后与实施例7同样操作，得到比较例6的环形磁芯。

在表1和表2中表示条件和结果。此外，包覆层和纳米粉体的化合物的组成通过STEM-EDS进行的线分析和点分析进行确认。通过日本FEI公司制的FIB(Nova200i)，从压粉磁芯制作薄片试样，通过JEOL公司制的STEM-EDS(JEM2100FCS)进行观察。就包覆层层的厚度而言，测定10个颗粒的各10点，并求出平均值。

就纳米颗粒的粒径而言，利用作为免费软件的QMP(ver.2.0.1)解析压粉磁芯截面的TEM图像，作为与颗粒的面积相等的圆的直径测定，并求出30个的平均值。

【表1】

【表2】

实施例1～7中，得到了能够兼顾高的比导磁率和低的磁损耗的环形磁芯。另一方面，比较例1～7中，比导磁率未充分变高。