JP3713326B2 - 永久磁石材料 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機器、特にモータ等に有用な永久磁石材料に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、高性能希土類永久磁石としては、SmCo5 またはSm2 Co17のようなSm−Co系磁石、Nd2 Fe14B1 金属間化合物をベースとしたNd−Fe−B系磁石などが知られおり、量産化が進められている。これらの磁石には、Sm、Ndのような希土類元素が用いられている。希土類元素は、これらの金属間化合物に大きな磁気異方性をもたらし、磁性材料に大きな保磁力を付与するのに有用である。しかしながら、希土類元素は高価な元素であり、永久磁石のコストを増大させる要因になっている。
【0003】
一方、希土類元素を含まない磁石材料としては、Mn−Ga系材料が知られている。Mn−Gaの二元系においては、MnとGaの原子比が3:1の近傍でAl3 Ti型結晶構造を持つ相が生成され、この相を主相とする材料において10kOeを超える大きな保磁力が得られることが報告されている(H.Niidaet al.,40th Annual Conference of Mabnetsm and magnetic Matelials abstract,p.347)。しかしながら、この磁石材料はMnをベースとしているため飽和磁化が50emu/gと小さく、良好な磁石特性が得られないという問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Al3 Ti相を主相とし、優れた磁石性能を有するMn−Ga系の永久磁石材料を提供しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる永久磁石材料は、一般式
[(Mn1-xTx)yGa1-y]1-zAz (I)
(ただし、TはFe,CoおよびNiから選ばれる少なくとも1つの元素、AはN,C,HおよびBの群から選ばれる少なくとも1つの元素、
x、yおよびzは、
0.0909≦x≦0.5、
0.6≦y≦0.8、
0.0001≦z≦0.2
を示す)にて表されるAl3Ti型結晶構造を持つ相を主相とすることを特徴とするものである。ここで、主相とは化合物中の各結晶相および非結晶相のうちで最大の体積占有率を有する相を意味するものである。
【0006】
前記T元素は、その20原子%以下の範囲内でTi、V、Cr、Cu、Zr、Hf、Sc、Nb、Mo、W、Si、AlおよびGeの群から選ばれる少なくとも1つの元素で置換されることを許容する。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる永久磁石材料は、一般式[(Mn1-xTx)yGa1-y]1-zAz (I)にて表され、Al3Ti型結晶構造を持つ相を主相とするものである。ただし、TはFe,CoおよびNiから選ばれる少なくとも1つの元素、AはN,C,HおよびBの群から選ばれる少なくとも1つの元素、x、yおよびzは0.0909≦x≦0.5、0.6≦y≦0.8、0.0001≦z≦0.2を示す。
【0008】
以下、本発明の永久磁石材料を構成する各成分ついて詳細に説明する。
(1)Mn
Mnは、Al3 Ti型結晶構造を安定化させると共に、主相の飽和磁化を向上させる働きを有する。Mnは、A元素を含まない磁石材料系では大きな磁化を示さないが、磁石材料中にA元素を含ませることにより磁化を増大させることが可能になる。
【0009】
(2)T元素
T元素は、Fe、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1つの元素であり、種としてAl3 Ti型結晶構造におけるMnのサイトを置換し、磁石材料の磁化を増大させる働きを有する。ただし、Mnに対する置換量が50原子%を超えると磁化を低下させる恐れがある。
【0010】
前記yの値が0.6≦y≦0.8の範囲でAl3 Ti型結晶構造を安定化させる。より好ましいyの値は、0.67≦y≦0.74である。
前記T元素は、その20原子%以下の範囲内でTi、V、Cr、Cu、Zr、Hf、Sc、Nb、Mo、W、Si、AlおよびGeの群から選ばれる少なくとも1つの元素(以下、M元素と称す)で置換されること許容する。T元素の一部を前記M元素で置換することにより永久磁石材料の保磁力を増大させることが可能になる。ただし、前記M元素の置換量が20原子%を超えると飽和磁化の低下を招く恐れがある。より好ましい前記M元素の置換量は5原子%以下、さらに好ましいくは前記M元素の置換量は2原子%以下である。
【0011】
(3)Ga
Gaは、Al3Ti型結晶構造を安定化させる働きを有する。
(4)A元素
A元素は、N,C,HおよびBの群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、主としてAl3Ti型結晶構造のインタースティシャル位置に依存し、A元素を含まない場合と比較して結晶格子を拡大させたり、電子構造を変化させたりして、諸相の飽和磁化を向上させる働きを有する。前記A元素の配合量であるzを0.0001原子%未満にするとその配合効果を十分に達成できず、一方前記zが0.2原子%を越えると、Al3Ti相の生成が困難になる。より好ましいzの値は0.0001≦z≦0.1である。
【0012】
本発明に係わる永久磁石材料は、酸化物等の不可避的不純物を含有することを許容する。
本発明に係わる永久磁石材料は、例えば以下の(a)〜(c)の方法により製造される。
【0013】
(a)所定量のMn、T元素、Ga、、A元素(H、Nを除く)および必要に応じて前記T元素の一部を置換するM元素を含む原料をアーク溶解または高周波溶解を行った後、必要に応じて800〜1200℃の温度で0.1〜300時間、不活性ガス雰囲気中や真空中で均質化熱処理を施すことにより永久磁石材料を製造する。ここで、均質化熱処理は必ずしも必要な処理ではないが、前記Al3 Ti相を安定化する上で実施することが好ましい。
【0014】
(b)所定量のMn、T元素、Ga、、A元素(H、Nを除く)および必要に応じて前記T元素の一部を置換するM元素を含む原料をアーク溶解または高周波溶解により合金溶湯を調製した後、超急冷法により永久磁石材料を製造する。超急冷法としては、例えば前記合金溶湯を高速で回転する単ロールまたは双ロールに噴射することにより急冷する単ロール法または双ロール法が一般的に採用される。前記超急冷法は、その他に前記合金溶湯を回転ディスク上に噴射して急冷する回転ディスク法、前記合金溶湯をHeのような不活性ガス中に噴射して急冷するガスアトマイズ法等が採用される。このような超急冷法は、金属組織を微細化するなどにより永久磁石材料の磁石特性、特に保磁力等を向上させるのに有用である。ただし、超急冷法において急冷速度を速くし過ぎると、非平衡状態、例えばアモルファス相の生成が著しくなり、前述したAl3 Ti相の割合が低下して磁石特性を劣化させるため、所定の相が得られるように急冷速度を設定することが望ましい。
【0015】
(c)所定量のMn、T元素、Ga、、A元素(H、Nを除く)および必要に応じて前記T元素の一部を置換するM元素の各元素粉末を含む混合体に機械的エネルギーを付与して合金化させるメカニカルアロイイング法またはメカニカルグラインディング法により永久磁石材料を製造する。これらの方法は、前記混合体を固相反応させることにより合金化する方法である。前記固相反応を起こさせる具体的な方法としては、例えば遊星ボールミル、回転式ボールミル、アトライタ、振動ボールミル、スクリュー式ボールミル等に前記混合体を投入し、前記各粉末に機械的な衝撃を与える方法が採用される。
【0016】
なお、前記(b)の急冷工程、前記(c)の固相反応工程はAr、He等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。このような雰囲気で急冷または固相反応を行うことによって、酸化による磁気特性の劣化を防止することができる。また、前記(b)、(c)の方法で得られた永久磁石材料に必要に応じて不活性ガス雰囲気中や真空中で、300〜1000℃の温度で0.1〜10時間熱処理を施してもよい。このような熱処理を施すことによりAl3 Ti相の割合を増大させたり、また保磁力等の磁気特性を向上させることが可能になる。
【0017】
また、一般式(I)で著され永久磁石材料において、A元素として特にNを配合する場合の製造方法の一例を以下に説明する。
前記(a)〜(c)の方法で得られた永久磁石性材料(Nを含まず)をボールミル、ブラウンミル、スタンプミル等によって平均粒径が数μm〜数100μmに粉砕し、この合金粉末を0.1kPa〜10MPaの窒素ガス雰囲気中、200〜700℃の温度下で0.1〜100時間熱処理(窒化処理)することにより目的の永久磁石材料を製造する。ただし、前記(c)の方法で得られた材料は粉末状態であるため、前記ボールミル等による粉末工程を省力することができる。
【0018】
前記窒化処理時の雰囲気は、窒素ガスに代えてアンモニア等の窒素化合物ガスを用いてもよい。
前記窒化処理の前工程として0.1kPa〜10MPaの水素ガス雰囲気中にて100〜700℃の温度下で熱処理を行うか、または窒素ガスに水素を混合したガスを用いることにより高効率の窒化を行うことが可能になる。また、前記窒化処理において窒素以外の他のガスを混合することを許容する。ただし、酸素を混合する場合には熱処理中の酸化物生成による磁気特性の劣化を避けるために、酸素分圧を2kPa以下にすることが望ましい。
【0019】
本発明に係わる永久磁石材料は、永久磁石の素材として好適である。以下に、本発明に係わる永久磁石材料から永久磁石を製造する方法を説明する。なお、永久磁石を製造する場合、通常、永久磁石材料を平均粒径が数μm〜数100μmに粉砕した合金粉末を使用する。ただし、前述した永久磁石材料の製造において既に粉砕が行われている場合にはこれを省略することが可能である。
【0020】
(1)本発明の永久磁石材料の粉末をエポキシ樹脂、ナイロン系などの樹脂と混合した後、成形することによりボンド磁石を製造する。前記樹脂としてエポキシ樹脂系の熱硬化性樹脂を用いる場合には、圧縮成形の後に100〜200℃の温度でキュア処理を施すことが望ましい。前記樹脂としてナイロン系の熱可塑性樹脂を用いる場合には、射出成形法を採用することが望ましい。また、圧縮成形ボンド磁石を製造する場合には、加圧時に磁場を印加して結晶方位を揃えることにより、高磁束密度を有する永久磁石を製造することが可能になる。
【0021】
(2)本発明の永久磁石材料の粉末を低融点金属または低融点合金と混合した後、成形することによりメタルボンド磁石を製造する。前記低融点金属としては、例えばAl、Pb、Sn、Zn、Mgなどを、前記低融点合金としては前記金属からなる合金等を用いることができる。このメタルボンドの製造においても、磁場を印加して結晶方位を揃えることにより、高磁束密度を有する永久磁石を製造することが可能になる。
【0022】
(3)本発明の永久磁石材料の粉末をホットプレスまたは熱間静水圧プレス(HIP)により高密度の成形体(圧粉体)として一体化することにより永久磁石を製造する。前記加圧時に磁場を印加して結晶方位を揃えることにより高磁束密度を有する永久磁石を製造できる。また、前記加圧後に573〜973Kの温度下で加圧しながら塑性変形加工を施すことにより磁化容易軸方向にに磁気的な配向がなされた永久磁石を製造することが可能になる。
【0023】
以上説明したように、本発明は大きな保磁力が得られるMn3 Ga近傍組成の材料に前記A元素(N、C、HおよびBから選ばれる少なくとも1つの元素)を添加することにより保磁力を損なうことなく、Mnの磁化を向上させ、ひいては飽和磁化を向上させた永久磁石材料を得ることができる。前記A元素の添加による飽和磁化の増大の主たる原因は、結晶格子の拡大である。結晶格子間にA元素を侵入させると、Mn原子間の距離が増大し、これに起因してMn1原子当たりの磁気モーメントが増大することが確認された。したがって、A元素を含まない永久磁石材料に比較して残留磁化、最大エネルギー積が改善され、実用的な永久磁石材料を提供することができる。
【0024】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
(実施例1)
まず、高純度のMn、Fe、Gaの原料をAr雰囲気中で高周波溶解してインゴットを調製した。得られたインゴットの組成は、Fe7原子し%、Ga28原子%、残部がMnであった。つづいて、インゴットをボールミルを用いて平均粒径25μmに粉砕した後、10気圧の窒素ガス雰囲気中、450℃の温度下で80時間熱処理を施して永久磁石材料を作った。この永久磁石材料の組成は、Fe6 Ga26N8 Mnbal であった。また、前記永久磁石材料はX回折にて主相がAl3 Ti型構造であることが確認された。
【0025】
次いで、前記永久磁石材料を平均粒径5μmまで微粉砕し、エポキシ樹脂を2重量%添加、混合した後、1600kA/mの磁場中にて配向させながら、1200MPaの圧力で圧縮成形した。この後、150℃で2.5時間キュア処理を施すことによりボンド磁石を製造した。
【0026】
得られたボンド磁石の室温における磁石特性を測定した。その結果、残留磁束密度は6.2kG、保磁力は8.5kOe、最大エネルギー積は7.5MGOeであった。
【0027】
(実施例2)
まず、高純度のMn、Fe、Co、Zr、Ga、Cの原料をAr雰囲気中で高周波溶解して合金溶湯とし、この合金溶湯を周速が30m/sで回転する銅製の単ロールの表面を噴射する超急冷法により急冷薄帯を作製した。この急冷薄帯の組成は、Fe5原子%、Co2原子%、Zr2原子%、Ti1原子%、Ga29原子%、C0.1原子%、残部がMnであった。つづいて、前記急冷薄帯を石英管に真空封入し、650℃で15分間熱処理を施した。ひきつづき、熱処理材をボールミルを用いて平均粒径20μmに粉砕した後、10気圧の窒素ガス雰囲気中、430℃の温度下で15時間熱処理を施して永久磁石材料を作った。この永久磁石材料の組成は、Fe4.6 Co1.8 Zr1.8 Ti0.9 Ga26.7C0.1 N8 Mnbal であった。また、前記永久磁石材料はX回折にて主相がAl3 Ti型構造であることが確認された。
【0028】
次いで、前記永久磁石材料の粉末にエポキシ樹脂を2重量%添加、混合した後、1200MPaの圧力で圧縮成形した。この後、150℃で2.5時間キュア処理を施すことによりボンド磁石を製造した。
【0029】
得られたボンド磁石の室温における磁石特性を測定した。その結果、残留磁束密度は5.1kG、保磁力は8.8kOe、最大エネルギー積は5.3MGOeであった。
【0030】
(比較例1)
実施例1で作製したインゴットを窒化処理せずにそのまま平均粒径5μmまで微粉砕し、この後、実施例1と同様な方法によりボンド磁石を製造した。
【0031】
得られたボンド磁石の室温における磁石特性を測定した。その結果、残留磁束密度は1.8kG、保磁力は7.3kOe、最大エネルギー積は0.6MGOeであった。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば優れた磁気特性を有すると共に希土類元素を含まない安価な永久磁石材料を提供できる。
Claims (2)
- 一般式
[(Mn1-xTx)yGa1-y]1-zAz (I)
(ただし、TはFe,CoおよびNiから選ばれる少なくとも1つの元素、AはN,C,HおよびBの群から選ばれる少なくとも1つの元素、
x、yおよびzは、
0.0909≦x≦0.5、
0.6≦y≦0.8、
0.0001≦z≦0.2
を示す)にて表されるAl3Ti型結晶構造を持つ相を主相とすることを特徴とする永久磁石材料。 - 前記T元素は、その20原子%以下の範囲内でTi,V,Cr,Cu,Zr,Hf,Sc,Nb,Mo,W,Si,AlおよびGeの群から選ばれる少なくとも1つの元素で置換されることを特徴とする請求項1記載の永久磁石材料。
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JP10535896A JP3713326B2 (ja) | 1996-04-25 | 1996-04-25 | 永久磁石材料 |
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- 1996-04-25 JP JP10535896A patent/JP3713326B2/ja not_active Expired - Lifetime
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