技術論文

Fe-Si-Al系圧粉磁心の損失に及ぼす組成の影響
相川芳和*・加藤信行*

Effect of Composition on Core Loss of Fe-Si-Al Powder Compressed Cores
Yoshikazu Aikawa and Nobuyuki KatoSynopsis: The effect of Si and Al contents for Fe-Si-Al alloy powder was studied from the viewpoint of core loss. For powder
compressed core material, Sendust (Fe-10%Si-6%Al) is well-known as the one providing both high permeability
and low core loss. However, the core loss of Sendust compressed core increases as temperature rises. Since thistemperature characteristic possibly causes "thermal run away", temperature consistency (negative dependence ispreferred) of core loss as well as high permeability has been desired.
As a result, decreasing Si content from the basic Sendust composition, we found that there was some composition
region where core loss has negative dependence on temperature. The optimum composition with which high permeability and good core loss behavior are compatibly obtained was Fe-8.8mass%Si-6.0mass%Al.
Although the core loss behavior has been mostly explained with magnetocrystalline anisotropy constant K, theresult of this study was found to agree with the change of magnetostriction constant λ.
Key words: powder compressed core; Fe-Si-Al powder; temperature characteristic of core loss; magnetocrystalline anisotropy
constant; magnetostriction constant

1．緒言

歪定数（ λ ）が常温でともにほぼ零であることから2），透磁率が大きく磁気損失が小さいためフェライト磁心に替わ近年の電気・電子機器の小型化，高周波化には目覚しいる材料として注目されている。

ものがあり，今後もその要求は更に強くなるとみられていしかしながら，このセンダスト組成の粉末を用いた圧粉る。この動向に対応するためには，電子部品の中でも特に磁心は，常温以上で損失が温度上昇とともに単調増加するインダクタンス部品（コイル部品）の小型化・低背化が必という特徴を有している。このような磁心材は，実際の部須とされており，これに用いられる磁性体（磁心）の高透品として使用した場合の温度域（80〜120℃程度）での損磁率化，低損失化が求められている。

失が常温よりも大きくなるという課題があると同時に，損従来から磁心には，Mn-Zn系，Ni-Zn系に代表されるフ失による発熱がさらに損失の増大につながる結果，熱暴走ェライトが用いられてきたが，これらフェライト磁心は飽を招く危険性があるため，特に大出力のトランス等に用い和磁束密度が低いことから大電流下では透磁率が著しく減るのは困難とされていた。

少するという欠点を有している 。そのため，フェライト

本研究では，Fe-Si-Al系合金粉末を用いた圧粉磁心の損磁心では大容量化が進むパソコン等の小型化の要求には対失の温度特性に及ぼす組成の影響に着目した。当社ガスア

応できなくなってきている1）。

トマイズ粉末を用いて検討した結果，常温での損失が低く，

1）

一方，圧粉磁心は金属磁性粉末をバインダーと混合してさらに温度勾配が常温以上で負となるFe-Si-Al系合金の組加圧成形したものであり，飽和磁束密度がフェライトコア成領域を見い出すことができた。と比較して大きいことから，大電流下でも高透磁率を保つ

さらに得られた結果から圧粉磁心材の温度特性を決定すことが可能であり，部品の小型化の要求にも対応できるとる因子について考察したので報告する。

いう利点がある。現在，圧粉磁心用として検討されている

2．実験方法

金属材料には，純Fe，Fe-Si系，Fe-Ni系等があるが，なかでもFe-Si-Al系合金，特にFe-10mass%Si-6mass%Al近傍のFig.1に本実験のフローチャートを示す。原料粉末はアル

いわゆるセンダスト組成は，結晶磁気異方性定数（K），磁*技術研究所

新材料グループ

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Ar gas atomization

Sieving

Si：7.9〜9.9mass%

雰囲気温度293〜393Kにおける損失および透磁率を測定しAl：4.9〜6.5mass%た。

3．実験結果Particle size：-106 µ m3・1

粉末特性

Fig.3に本実験で作製した粉末のSEMによる外観の一例をKneading

Si resin：3masss%示す。本実験で用いたガスアトマイズ粉末はいずれの組成も表面性状の滑らかな球状粉であることがわかる。またTable1に粉末の酸素分析値ならびに保磁力を示す。いずれ

Compressing

Pressure：980MPaの組成も酸素値は300ppm以下であった。保磁力は熱処理前で90〜180A/m，さらに熱処理を施すことにより65A/m以下まで低下した。

Heat treatment

Temperature：973K

Fig. 1. Experimental procedure

ゴンガスアトマイズ法により作製し，主成分はSi：7.9〜9.9mass%，Al：4.9〜6.5mass%，残部Feとした。この粉末を-106 µ mに分級した後，バインダーとしてSi樹脂を金属粉末に対して3mass%混合した。その混合粉を一軸プレスにて，980MPaで加圧し，外径25mm，内径15mm，厚み10mmのトロイダル形状（JIS C2531に準拠）の成形体を得た。その後，粉末の内部歪み軽減とバインダーの硬化を目的としてN 2雰囲気下で973K-30minにて熱処理を行った。
Fig.2に熱処理後の試験片の外観を示す。

50 µ mFig. 3. SEM photograph of Fe-8.8Si-6.0Al gas atomized powder

Table1. Oxgen amount and coercive force of Fe-Si-Al powder
Coersive force /kA/m

Fig. 2. Appearance of specimens

樹脂混合前のガスアトマイズ粉末は，その外観を走査型

CompositionOxgen（ppm）

as atomized

973K

Fe-7.9Si-5.9Al

160

179

64

Fe-8.8Si-6.4Al

180

116

40Fe-8.3Si-5.9Al

230

150

52Fe-8.8Si-6.0Al

210

115

39Fe-8.9Si-4.9Al

260

99

35

Fe-9.4Si-5.9Al1509032Fe-9.9Si-5.9Al

14013448Fe-9.8Si-5.5Al

22016660Fe-9.6Si-6.5Al

19014751

電子顕微鏡（SEM）で観察した。さらに振動試料型磁束計（VSM）により飽和磁化（Is）を測定し，Hcメーターにより最大印加磁場144kA/mにおける保磁力を測定した。

用いた粉末の飽和磁化（Is）はTable2に示すとおりで，リング状試験片については所定数の巻線を施した後，0.85〜1.17Tであった。この値はFig.4に示すとおり，Feの原BHアナライザーにより周波数50kHz，最大磁束密度0.1T，子比に一次に依存することがわかった。

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Table2. Saturated magnetization of Fe-Si-Al powder
Is/TFe-7.9Si-5.9Al

1.15

Fe-8.8Si-6.4Al0.97

Fe-8.3Si-5.9Al

1.14

Fe-8.8Si-6.0Al

1.03

Fe-8.9Si-4.9Al

1.17

Fe-9.4Si-5.9Al

0.97

Fe-9.9Si-5.9Al

0.93

Fe-9.8Si-5.5Al

0.97

Fe-9.6Si-6.5Al

0.85

Fe-7.9Si-5.9Al
Fe-8.8Si-6.4Al
Fe-8.3Si-5.9Al
Fe-8.8Si-6.0Al
Fe-8.9Si-4.9Al

Fe-9.4Si-5.9Al
Fe-9.9Si-5.9Al
Fe-9.8Si-5.5Al
Fe-9.6Si-6.5Al

600500Core loss/kW/m3Composition

1.2

400
300
200
100
50kHz-0.1T

Is/T

0280

360400Temperature/K
1.00.80.72

Fig. 5. Effect of temperature on core loss of Fe-Si-Al powder
compressed cores

0.74
Atomic ratio of Fe

Fe-7.9Si-5.9Al
Fe-8.8Si-6.4Al
Fe-8.3Si-5.9Al
Fe-8.8Si-6.0Al
Fe-8.9Si-4.9Al

0.76

Fig. 4. Relationship between saturated magnetization of Fe-Si-Al
powder and atomic ratio of Fe

3・2

320

Fe-9.4Si-5.9Al
Fe-9.9Si-5.9Al
Fe-9.8Si-5.5Al
Fe-9.6Si-6.5Al

100

コア特性

Fig.5に本実験で作製した圧粉磁心の損失の温度特性を示90

す。本実験の温度範囲では，圧粉磁心の損失はいずれの組

50kHz-0.1T

成も200〜500kW/m3であり，圧粉磁心としては低いレベル80µであった。また，その温度特性は組成によって異なり，Alが4.9〜6.5mass%においてSiが9.4mass%以上の場合，損失の70温度勾配は正となった。一方，Siが7.9〜8.9mass%の場合，損失の温度勾配は負となることがわかった。

60

特にFe-8.8mass%Si-6.0mass%Alの場合，部品とした時の使用温度域となる373Kでの損失が240kW/m3と低く，従来

50280のセンダスト組成（Fe-10mass%Si-6mass%Al近傍）と比較して約半分の値であった。以上示したように，本実験によ

320

360

400

Temperature/K

り損失のレベルが低く，常温以上での損失の温度勾配が負Fig. 6. Effect of temperature on permeability of Fe-Si-Al powder
compressed coresとなるFe-Si-Al系の組成領域を初めて見出すことができた。
Fig.6にFig.5と同様の条件で測定した透磁率の温度特性を示す。本実験で作製した圧粉磁心の透磁率はいずれの組成も75〜85程度の値を示した。透磁率の温度特性はFig.5で示失の温度勾配が正の圧粉磁心については透磁率の温度勾配した損失の温度特性とは逆の挙動を示し，損失の温度勾配は負になることがわかった。

が負であった圧粉磁心の透磁率の温度勾配は正であり，損31

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4．考察＋Control of composition andcalcination conditions

フェライト磁心の温度特性K04・1以上示した実験結果について考察するにあたり，フェラ−

イト磁心の温度特性について従来の考え方を以下に説明する。
Fig.7にフェライト磁心における結晶磁気異方性定数（K），0Ordinarytemperature−K＋

Magnetic loss

透磁率（ µ ），磁気損失の温度変化を模式的に示す。KはFig. 8. Variation of gradient in case of Mn-Zn ferite coresµTemperature characteristicPermeability
Positive dependence
Negative dependenceCore loss
Negative dependence
Positive dependence
negativedependence

positivedependence

88ass%))%sas(mK＜0Si

Magnetic lossTemperature(mAlTemperature
Fig. 7. Schematic illustration of the relationship between magnetocrystalline anisotoropy constant（K）, permeability（ µ ）,magnetic loss and temperature.

K=048887

K＞086

128584Fe(mass%)
Fig. 9. Composition line of K＝0 at room temperature in Fe-Si-Alalloy

磁壁移動の容易さを示す定数であり，一般に温度上昇に伴って単調増加し，透磁率，磁気損失はある温度で極大および極小となる3）。フェライト磁心の場合，透磁率が極大となり磁気損失が極小となる時の温度はKが0となる時の温Al合金の結晶磁気異方性定数（K）の常温での符号と組成度に対応しており，これはK＝0の時に磁壁の移動が最もの関係を示す4）。本実験で作製した組成は図中にプロット容易になるという考え方で理解されている。また，Fig.7かした通りであり，損失の温度勾配が正であった磁心材がいらKが負となる温度領域では損失の温度勾配は負となり，ずれもほぼK＜0の領域にあることがわかる。圧粉磁心のKが正となる温度領域では損失の温度勾配は正となること

損失の温度特性がフェライト磁心と同様に結晶磁気異方性がわかる。このような知見を利用して，Mn-Zn系のフェラ定数に依存するとした場合，Fig.7から常温でK＜0の場合にイト磁心では組成および焼成条件を制御することにより，は損失の温度勾配は負となることから，従来の結晶磁気異Fig.8に示すようにKが0を横切る温度を常温より高温側へシ方性定数の考えだけでは本実験結果を十分に説明できないフトさせることにより，負の損失の温度勾配を実現していことがわかる。
そこで磁壁移動の容易さを示すもう一つの材料特性である。
4・2る磁歪定数（ λ ）に着目した。Fig.10にFe-Si-Al合金の飽

圧粉磁心の温度特性

前述のフェライト磁心における損失の温度特性に関する和磁歪定数（ λ ）の常温での符号と組成の関係を示す 4）。

知見をもとに本実験結果について考察した。Fig.9にFe-Si-

この図から損失の温度勾配が負であった材料はいずれも λ32

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配は負となる。この仮定から導き出される結論は実験結果

Temperature characteristicPermeability
Core loss
Positive dependence
Negative dependenceNegative dependence
Positive dependence8と一致しており，圧粉磁心の損失の温度特性は磁歪定数を用いることにより良く説明できることがわかった。
一般に透磁率（ µ ）は飽和磁束密度（Bs），結晶磁気異方性定数（K），磁歪定数（ λ ），応力（ σ ）を用いて次式8のように表される5）。

(mSi

Bsn
¦aK¦＋¦b σ λ ¦s%

asµ∝))…（1）%
ssa,bは定数

a(mAl

488

λ ＞087損失の大きさも磁壁移動の容易さが密接に関連すること

λ ＜0λ ＝08685
Fe(mass%)

12から，（1）式と同様のパラメーターで表されると考えられる。圧粉磁心の温度特性がλに依存する理由は，フェライ84

ト磁心と比較して成形時に大きな応力がかかるため，（1）
式中の¦b σ λ ¦の項が¦aK¦よりも十分に大きくなることに起Fig. 10. Composition line of λ ＝0 at room temperature in Fe-SiAl alloy

因すると考えれば矛盾なく説明できると思われる。

5．結言が正の領域であるのに対して，損失の温度勾配が正であった材料はいずれも λ が負の領域にあることがわかった。

Fe-Si-Al系圧粉磁心の損失に及ぼす組成の影響について

また，λ は一般に温度上昇に対して単調減少する。ここ検討した結果，本実験条件範囲内で以下のことを明らかに

で圧粉磁心の場合，Fig.11に示すとおり λ が0となる時に磁した。

気損失が極小となり透磁率が極大になると仮定してみた。
・SEM観察の結果，本実験で用いたアトマイズ粉末は表面性状の滑らかな球状粉であり，酸素値は300ppm以下で理を施すことにより65A/m以下まで低下した。

0・Fig.12に示す組成領域において，圧粉磁心とした場合の損失が低く，かつ損失の温度勾配が負となることを見出−λ＋あった。保磁力は熱処理前で90〜180A/m，さらに熱処した。特にFe-8.8mass%Si-6.0mass%Alでは，373Kでの損Negative gradient失が240kW/m3（50kHz）と従来のセンダスト組成と比較

Positive gradient

Magnetic lossµして約半分の値であった。

Positive gradientComposition area of
negative dependenceof core loss

Negative gradientComposition areaof sendust
88sas(mSiTemperature)

Fig. 11. Schematic illustration of the relationship between magnetostriction constant（ λ ）, permeability（ µ ）, magnetic loss and temperature%s%)

as(mAlFe-8.8Si-6.0Al4
この仮定に基づくと，λ が正の領域では損失の温度勾配は888786851284Fe(mass%)

負となり，透磁率の温度勾配は正となる。一方，λ が負の領域では，磁気損失の温度勾配が正となり透磁率の温度勾Fig. 12. Developed composition area

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Fe-Si-Al系圧粉磁心の損失に及ぼす組成の影響・実験結果について考察したところ，圧粉磁心の損失の温度特性は磁歪定数λで説明できることがわかった。

文
1） 茂呂

献

英治：スイッチング電源システムシンポジウム, B-4-1,（1996）

1.
2） 近角

聰信：強磁性体の物理, 裳華房,（1984）, 375.

3） 奥谷 克典：粉体および粉末冶金, 34（1987）, 189.
4） 高橋

研：応用物理, 56（1987）, No.10, 1289.

5） 小沼稔：磁性材料, 工学図書,（1996）, 28.

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