(57)【要約】【課題】飽和磁束密度の高い鉄系の粉末を用いて、高い絶縁性および低いコアロスと高い耐食性を兼ね備えた高性能な圧粉磁芯を提供すること、および、これを実現するために好適な金属粉末であるマグネタイト−鉄複合粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】平均一次粒径が０．７〜５．０μｍであり、粒子表面に、０．０１〜５mass％のタルクが付着し、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１mass％以上、５mass％未満ならびにマグネタイトを含有することを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均一次粒径が０．７〜５．０μｍであり、
粒子表面に、０．０１〜５mass％のタルクが付着し、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１mass％以上、５mass％未満ならびにマグネタイトを含有することを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末。
【請求項２】
マグネタイト−鉄複合粉末が、圧粉磁芯用であることを特徴とする請求項１に記載のマグネタイト−鉄複合粉末。
【請求項３】
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ及びＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有する酸化鉄を還元性雰囲気下で還元した後、さらに、酸化性雰囲気下で酸化処理を行い、マグネタイトを生成させた粉末と、タルクとを衝突させて、前記粉末の粒子表面にタルクを付着させることを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
【請求項４】
マグネタイト−鉄複合粉末が、請求項１に記載のマグネタイト−鉄複合粉末であることを特徴とする請求項３に記載のマグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
【請求項５】
粉末とタルクとの衝突を、それぞれの粒子同士の相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上となる速度で行うことを特徴とする請求項３または４に記載のマグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載のマグネタイト−鉄複合粉末と、樹脂および／または無機絶縁材料とを含有することを特徴とする圧粉磁芯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波で用いられるインダクタ素子用の磁芯材料として用いられる高性能な鉄粉系の磁性材料であるマグネタイト−鉄複合粉末と、その製造方法およびこれを用いた圧粉磁芯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコンのＣＰＵ処理速度の高速化が目覚しく、これに伴い、供給電源の大電流化が急速に進んでいる。
【０００３】
従来、ＣＰＵ駆動用のパワーインダクタにはフェライトコアが用いられていたが、フェライトの飽和磁束密度Ｂｓは０．３〜０．５Ｔと低いため、大電流印加時に磁気飽和状態に陥り易く、大電流化に対応することが困難である。これに対し、鉄粉を用いたダストコアはＢｓが０．８Ｔ程度あり、大電流印加時でも磁気飽和を起こさず、大電流化に対応可能である。
【０００４】
しかし、鉄粉を用いたダストコアは、圧粉体とした時の電気抵抗が低いため、部品としての安全性に問題がある。また、フェライトコアに比べてコアロスが高いため、磁芯が発熱し易い。さらに、酸化物であるフェライトコアが変質し難いのに対して、純鉄系のダストコアは錆び易いという欠点がある。
【特許文献１】特開２００６−２７４３００号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７２０２号公報
【特許文献３】特開２００１−１５５９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような問題に対して、本発明者らは、近年のＣＰＵ駆動電源の大電流化に対応するためには、Ｂｓの高い鉄粉系の磁性粉を用いて、高周波での磁気損失を低減するために鉄粉の粒子径をより微細にすることが有利との知見を得ている。このような知見のもとに、本発明者らは、特願２００５−３４５３７０、特願２００６−８９００５、特願２００６−２１２２２９および上記特許文献１において、平均一次粒径が０．７〜５μｍのマグネタイト−鉄複合粉末を圧粉磁芯用として使用する技術について出願を行った。
【０００６】
上記の発明によれば、飽和磁束密度の高い鉄系の圧粉磁芯で電気抵抗を高めることができるため、高い周波数で用いても渦電流損失を抑制することができ、高い安全性と低いコアロスを併せ持つ圧粉磁芯を得ることができる。
【０００７】
しかし、ノートパソコンのさらなる小型化、省電力化を図るために、パワーインダクタのさらなる高性能化の要求は依然として強く、より高い絶縁性と耐食性、かつ、より低いコアロスを兼ね備えた圧粉磁芯が求められている。
【０００８】
一方、特許文献２には、Ｎｉを含有するマグネタイト−鉄複合粉末が開示さている。このマグネタイト−鉄複合粉末のＮｉ含有量は、５０質量％以下、好ましくは５〜１０質量％と記載されている。このように、Ｎｉの含有量が多いと、飽和磁束密度が低下する。
【０００９】
また、特許文献３には、粒径が１５０μｍ以下、好ましくは１０〜１００μｍ程度の強磁性金属粉末と無機絶縁物、有機絶縁物との混合物に対して強力な圧縮・剪断作用を機械的に反復負荷する処理を施す技術が開示されている。この強磁性金属粉末は粒径が大きいため、高周波数での磁気特性が低下する。
【００１０】
本発明はこのような事情のもとになされたものであり、飽和磁束密度の高い鉄系の粉末を用いて、高い絶縁性および低いコアロスと高い耐食性を兼ね備えた高性能な圧粉磁芯を提供すること、および、これを実現するために好適な金属粉末であるマグネタイト−鉄複合粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
圧粉磁芯の絶縁性および耐食性を高める手段として、本発明者らはマグネタイト−鉄複合粉末の粒子表面を絶縁性の高いタルクを含有する粒子で被覆することを試み、タルクを用いることで圧粉磁芯の絶縁性および耐食性が改善し、同時にコアロスが低減することを見出した。
【００１２】
本発明は、上記の知見に基づきなされたもので以下のような特徴を有する。
［１］平均一次粒径が０．７〜５．０μｍであり、粒子表面に、０．０１〜５mass％のタルクが付着し、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を合計で０．０１mass％以上、５mass％未満ならびにマグネタイトを含有することを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末。
［２］上記［１］において、マグネタイト−鉄複合粉末が、圧粉磁芯用であることを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末。
［３］Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ及びＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有する酸化鉄を還元性雰囲気下で還元した後、さらに、酸化性雰囲気下で酸化処理を行い、マグネタイトを生成させた粉末と、タルクとを衝突させて、前記粉末の粒子表面にタルクを付着させることを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
［４］上記［３］において、マグネタイト−鉄複合粉末が、上記［１］に記載のマグネタイト−鉄複合粉末であることを特徴とする請求項３に記載のマグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
［５］上記［３］または［４］において、粉末とタルクとの衝突を、それぞれの粒子同士の相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上となる速度で行うことを特徴とするマグネタイト−鉄複合粉末の製造方法。
［６］上記［１］に記載のマグネタイト−鉄複合粉末と、樹脂および／または無機絶縁材料とを含有することを特徴とする圧粉磁芯。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、飽和磁束密度の高い鉄系の圧粉磁芯で、１ＭΩｃｍ以上の高い比抵抗と、５０ｋＨｚ，１００ｍＴの条件下で１０００ｋＷ／ｍ３以下の低いコアロス、従来のダストコアに比べて優れた耐食性を併せ持つ圧粉磁芯、および、このような圧粉磁芯を得るのに好適なマグネタイト−鉄複合粉末およびその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。
【００１５】
まず、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、平均一次粒径が０．７〜５．０μｍ、より好ましくは０．８〜３．０μｍの範囲内で良好な高周波磁気特性を示す。平均一次粒径が０．７μｍ未満では単磁区構造をとる粒子の頻度が高くなるため、粒子の保持力が著しく増大して圧粉磁芯のコアロスが劣化する。平均一次粒径が５．０μｍを超える範囲では、渦電流や磁壁共鳴などの影響を受けるため、高周波域での磁気特性が低下する。なお、前記平均一次粒径は、ＳＥＭ写真を解析して得た値である。視野の対角線上に１０〜２０個程度の粒子が入るような倍率でＳＥＭ写真を撮影し、対角線上の粒子の個数と倍率から、平均一次粒径を算出した。すなわち、平均一次粒径は、対角線の写真上の長さ（対角線の実際の長さを写真の倍率で除したもの）を、該対角線を横切る粒子数で除した値である。
【００１６】
また、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上の合計の含有量が０．０１mass％以上、５mass％未満、好ましくは０．１〜３mass％であることが重要である。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上の合計の含有量が０．０１mass％未満では、絶縁性及びコアロスを改善する効果が小さいため好ましくない。また、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上の合計の含有量が５mass％以上の場合、却って絶縁性が低下し、また、コアロスが劣化するため、好ましくない。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶそれぞれの好ましい含有量は、Ｃｏ：０．０１mass％以上、５mass％未満、Ｎｉ：０．０１mass％以上、５mass％未満、Ｃｒ：０．０１mass％以上、５mass％未満、Ｂ：０．０１mass％以上、５mass％未満、Ｖ：０．０１mass％以上、５mass％未満である。
【００１７】
また、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、マグネタイトの含有量が多すぎると飽和磁束密度が低下する。また、マグネタイトの含有量が少なすぎると、酸化鉄を還元した後、還元炉から取り出す際に燃え易く、危険である。そのため、マグネタイトの好ましい含有量は、０．３mass％程度以下である。
【００１８】
ここで、前記本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、製造後のマグネタイト−鉄複合粉末中の合計の含有量が０．０１mass％以上、５mass％未満となる量のＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有する酸化鉄を出発原料として用い、これを水素或いは窒素などの還元性雰囲気中で還元処理し、さらに、酸素濃度１〜１０vol.％の酸化性雰囲気中で表面を酸化処理（マグネタイト生成）して安定化した後に、炉より取り出すことで製造することができる。
【００１９】
前記原料である酸化鉄中にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上を含有することで圧粉磁芯の電磁気特性が改善する機構については明らかではないが、還元処理過程で酸化鉄（ヘマタイト）が鉄（α-Ｆｅ）に還元する際にこれらの成分が存在すると粒子形状が丸みを帯び、かつ、粒度分布が均一化する傾向があることから、粒子表面の平滑化効果が得られること、また、これらの成分が還元処理過程で粒子の表面に濃化し表面絶縁層を形成して粒子の絶縁性を改善することなどによる可能性が考えられる。従って、本発明では、酸化鉄の還元処理過程で原料中にＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＢおよびＶの中から選ばれる１種または２種以上の成分が存在することが重要であり、還元後の鉄粉に後からこれらの成分を添加する方法では本発明で得られるような電気抵抗増大効果およびコアロス改善効果を得ることはできない。
【００２０】
さらに、本発明のマグネタイト−鉄複合粉末は、上記の酸化処理工程の後に、タルクを添加して、酸化処理で得られた粉末とタルクとを、好ましくは、それぞれの粒子同士の相対速度が５０ｍ／ｓｅｃ以上の高速で衝突させて粒子表面を平滑にすると同時に、粒子表面にタルクを付着させ、固定化して被覆層を形成する。これにより、圧粉磁芯の電気抵抗がより増大し、コアロスがより低減し、耐食性が向上するからである。
【００２１】
この平滑化処理により圧粉磁芯の電気抵抗が増大する理由は、衝突により粒子表面の突起が消滅することで圧粉体における粒子同士の接触頻度が低減し、粒子間の絶縁性が向上するためと考えられる。また、コアロスが低減する理由は、衝突により粒子表面の突起が消失したことと、粒子表面に潤滑性の良いタルクの層が形成されたことで成形歪が軽減し、ヒステリシス損失が低減するためと考えられる。また、耐食性が向上する理由は、無機質のタルクの層によって金属粒子が被覆されたことに伴う防錆効果によるものと考えられる。
【００２２】
それぞれの粒子同士の衝突の際における相対速度が小さすぎると、衝突による衝撃力が小さいために平滑化効果が不十分であり、十分な電気抵抗増大効果を得ることができない。また、衝撃力が小さすぎると、タルクを粒子表面に薄く均一に付着させ、固定化することができないため、耐食性の改善効果が得られない。そのため、好ましい相対速度は、５０ｍ／ｓｅｃ以上である。
【００２３】
高速で粒子同士を衝突させる手段としては、例えば、（株）奈良機械製作所製のハイブリダイザーシステムなどのような機械的表面改質装置を用いることができる。ただし、同様の効果が得られる手段であれば、これに限定されるものではない。なお、本発明の方法では、耐食性を改善するためにタルクを粒子表面に薄く均一に付着させ、固定化することが特に重要であり、平滑化処理を施した後のマグネタイト−鉄複合粉末（タルク被覆なし）に、後からタルクを添加、混合して、圧粉磁芯を作製しても、耐食性を改善する効果は得られない。
【００２４】
製造後のマグネタイト−鉄複合粉末中におけるタルク添加量が０．０１mass％未満では、タルクによる金属粒子の被覆効果が不十分であり、絶縁性、コアロス、耐食性を改善する効果がほとんど得られない。また、タルク添加量が、５mass％を超えると、非磁性成分が多くなるため飽和磁束密度が低下し、また、コアロスが劣化するため好ましくない。より好ましいタルクの添加量は０．１〜２mass％である。
【００２５】
なお、タルクに替えてステアリン酸亜鉛やステアリン酸リチウムを用いることができるが、これらを用いた場合、圧粉磁芯の製造直後の磁気特性はタルクを用いた場合と同等であるが、数週間、大気中に放置すると、粒子が固く凝集して磁気特性が低下してしまう場合がある。また、タルクに替えて、アルミナ、シリカを用いることもできる。
【００２６】
以上のような方法で、本発明の圧粉磁芯用マグネタイト−鉄複合粉末を得ることができる。
【００２７】
次に、上述の本発明に係るマグネタイト−鉄複合粉末と、樹脂および／または無機絶縁材料とを混合した後、圧縮成形し、必要に応じて樹脂の熱硬化処理を施すことで、１ＭΩｃｍ以上の高い絶縁性と、５０ｋＨｚ，１００ｍＴで１０００ｋＷ/ｍ３以下の低いコアロスと、従来のダストコアより優れた耐食性を示す圧粉磁芯を得ることができる。
【００２８】
ここで、前記樹脂は、結合用として用いられるが、その種類としては、例えば、フェノール樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。
【００２９】
また、前記無機絶縁材料としては、絶縁性粉末、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の微粉末を用いることができる。
【００３０】
また、前記圧縮成形は、その方法は特に限定されず、通常用いられる圧縮成形の他、温間圧縮成形、射出成形等の成形方法を用いることができる。
【実施例】
【００３１】
以下に本発明の具体的実施例を記載する。
【００３２】
［実施例１］
フェライト用酸化鉄（ＪＦＥケミカル社製ＪＣ−ＤＣ、空気透過法により測定した平均粒径０．８μｍ）に対し、酸化コバルト（ＣｏＯ）を添加し、純水とスチールボールを用いてボールミルで湿式混合した後、乾燥、整粒してＣｏ含有酸化鉄を作製した。これを水素雰囲気中５００〜８００℃の温度で還元処理して、平均一次粒径の異なる種々の鉄粉を得た。その後、炉を開放する前に５vol.％Ｏ２−Ｎ２雰囲気で保持することにより、鉄粉の表層にマグネタイトを生成させてから炉外に取り出した。得られた鉄粉に、表１に示す種々の量のタルクを添加し（Ｎｏ.７以外）、機械的表面改質装置（（株）奈良機械製作所製のハイブリダイザーシステム）を用いて、粒子同士を、相対速度８０ｍ／ｓｅｃで衝突させて粒子表面の平滑化および粒子表面へのタルクの固定化処理を施した。Ｎｏ．７のみ、タルクを添加せずに平滑化処理を施した後、タルクを添加した。
【００３３】
得られた前記粉末の構成相をＸ線回折で調べた結果、全試料とも、マグネタイト相は、０．３mass％以下であった。ＳＥＭ写真より算出した平均一次粒径を表１に示す。
【００３４】
引き続き、マグネタイト−鉄複合粉末に対して５mass％のフェノール樹脂を混合し、成形圧力７ｔ／ｃｍ２（６８６ＭＰａ）で圧縮成形して、外径１２ｍｍφのリング型試料を作製し、１５０℃×３０分の熱処理を施してフェノール樹脂を硬化させた。得られたリング型試料の両端をワニ口クリップで挟み、印加電圧１０Ｖで電気抵抗を測定し、試料寸法を用いて比抵抗を算出した。コアロスは交流ＢＨアナライザーを用いて、周波数５０ｋＨｚ，励磁条件１００ｍＴの条件下で測定した。耐食性については、５mass％食塩水に試料の半分の高さまでを浸漬した時の溶解状況を観察した。浸漬してから１時間以内に溶解が観察された場合は「×」、２４時間以内に溶解が観察された場合は「△」、２４時間時点で溶解しない場合は「○」とした。
【００３５】
本発明例および比較例の比抵抗、コアロス、耐食性の評価結果を表１に併せて示す。表１に示すように、本発明に係る範囲のマグネタイト−鉄複合粉末を用いることにより、１ＭΩｃｍ以上の高い比抵抗、１０００ｋＷ／ｍ３以下の低いコアロス、良好な耐食性を同時に満足することができる。
【００３６】
【表１】
2008143720.tif 000002
【００３７】
[実施例２]
フェライト用酸化鉄（ＪＦＥケミカル社製ＪＣ−ＤＣ）に対し、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖの酸化物を添加し、純水とスチールボールを用いてボールミルで湿式混合した後、乾燥、整粒してＣｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖを含有する酸化鉄を作製した。これを水素雰囲気中５７５℃の温度で還元処理して、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｖ含有量の異なる種々の鉄粉を得た。その後、炉を開放する前に３vol.％Ｏ２−Ｎ２雰囲気で保持することにより、鉄粉の表層にマグネタイトを生成させてから炉外に取り出し、表２に示す種々のマグネタイト−鉄複合粉末を得た。さらに、このマグネタイト−鉄複合粉末に対して、タルクを０.５mass％添加した後、機械的表面改質装置（（株）奈良機械製作所製のハイブリダイザーシステム）を用いて、粒子同士を、相対速度８０ｍ／ｓｅｃで衝突させて粒子表面の平滑化処理を施した。
【００３８】
得られた前記粉末の平均粒径（ＳＥＭ写真より算出した平均一次粒径）は１〜３μｍの範囲であった。また、マグネタイトの含有量は、Ｘ線回折で調べた結果、０．３mass％以下であった。
【００３９】
引き続き、マグネタイト−鉄複合粉末に対して３mass％のフェノール樹脂を混合し、成形圧力７ｔ／ｃｍ２（６８６ＭＰａ）で圧縮成形して、外径１２ｍｍφのリング型試料を作製し、１５０℃×３０分の熱処理を施してフェノール樹脂を硬化させた。得られたリング型試料に対して、実施例１と同様に方法で、比抵抗、コアロス、耐食性を測定した。
【００４０】
本発明例および比較例の比抵抗、コアロス、耐食性の評価結果を表２に併せて示す。表２に示すように、本発明に係る範囲のマグネタイト−鉄複合粉末を用いることにより、１ＭΩｃｍ以上の高い比抵抗、低いコアロス、優れた耐食性を同時に満足することができる。
【００４１】
【表２】
2008143720.tif 000003
【００４２】
以上の実施例１，２で示した通り、本発明に係るマグネタイト−鉄複合粉末を用いることで、飽和磁束密度の高い金属系の圧粉磁芯で、高い絶縁性と低いコアロス、優れた耐食性を同時に満足することができ、本発明の効果が確認できた。