JP2012069962A - 磁石用固形材料 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が、一般式RαFe100-α-β-γNβHγで表され、RはYを含む希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、又、α、β、γは原子百分率で、3≦α≦20、5≦β≦30、0.01≦γ≦10であることを特徴とし、その希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が80体積%を超えて100体積%まで含有した磁石用固形材料。
【選択図】なし
Description
さらに、ここで言う磁石用固形材料とは、塊状の磁性材料のことを指し、本願では、磁石用固形材料を構成する磁性材料の粉末同士が直接、または金属相若しくは無機物相を介して、連続的に結合し、全体として塊状を成している状態の磁性材料をいう。
すなわち、R−Fe−N−H系磁性材料を原料とするボンド磁石は、従来のSm−Co系、Nd−Fe−B系焼結磁石等と比較して、本来の高い熱安定性及び、磁気特性を十分に発揮できないという問題があった。
また、本発明者等は、更に、上記水中衝撃波を用いた場合、R−Fe−N−H系磁性材料と軟磁性の粉体や固体、或いは非磁性材料の粉体又は固体を容易に一体化できることも見出し、本発明を完成した。
本発明の磁石用固形材料は樹脂等のバインダを含まないものである。
(1)菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が、一般式RαFe100-α-β-γNβHγで表され、RはYを含む希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、又、α、β、γは原子百分率で、3≦α≦20、5≦β≦30、0.01≦γ≦10であることを特徴とし、その希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が80体積%を超えて100体積%まで含有した磁石用固形材料。
(2)前記R及び/又はFeの10原子%以下をNi、Ti、V、Cr、Mn、Zn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Ru、Rh、Pd、Hf、Re、Os、Irから選ばれる少なくとも一種の元素と置換したことを特徴とする(1)に記載の磁石用固形材料。
(3)前記N及び/又はHの10原子%以下をC、P、Si、S、Alから選ばれる少なくとも一種の元素と置換したことを特徴とする(1)又は(2)に記載の磁石用固形材料。
(4)菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が、一般式RαFe100-α-β-γ-δNβHγMδで表され、RはYを含む希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、MはLi、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Pd、Cu、Ag、Zn、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Pb、Biから選ばれる少なくとも一種の元素及び/又はRの酸化物、フッ化物、炭化物、窒化物、水素化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、塩化物、硝酸塩から選ばれる少なくとも一種であり、又、α、β、γ、δはモル百分率で、3≦α≦20、5≦β≦30、0.01≦γ≦10、0.1≦δ≦40であることを特徴とし、その希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が80体積%を超えて100体積%まで含有した磁石用固形材料。
(5)前記Rの50原子%以上がSmであることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(6)前記Feの0.01〜50原子%をCoで置換したことを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(7)Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも一種の元素を含む軟磁性材料が均一に分散され、一体化していることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(8)希土類−鉄−ほう素系磁性材料、希土類−コバルト系磁性材料、フェライト系磁性材料から選ばれる少なくとも一種の磁性材料が均一に添加混合され、一体化していることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(9)磁性材料の粒界に非磁性相が存在することを特徴とする(1)〜(8)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(10)(1)〜(9)のいずれかに記載の磁石用固形材料と軟磁性の固形金属材料とを接合して一体化したことを特徴とする磁石用固形材料。
(11)軟磁性層を有し、軟磁性層と交互に積層されて一体化していることを特徴とする(1)〜(10)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(12)少なくとも一部が非磁性の固形材料で覆われたことを特徴とする上記(1)〜(11)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(13)磁気異方性を付与したことを特徴とする(1)〜(12)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
(14)円柱状又は円筒状又はリング状又は円板状又は平板状に成形したことを特徴とする(1)〜(13)のいずれかに記載の磁石用固形材料。
本発明の磁石用固形材料は水中衝撃波の衝撃波圧力を用いて原料成形体を圧縮固化することにより製造することができる。
衝撃波圧力が3〜40GPaの水中衝撃波を用いて圧縮固化することにより、原料磁性粉体の真密度に対し体積比にて80%を超える密度の磁石用固形材料を得ることができる。衝撃波圧力が3GPaより低いと、必ずしも密度が80%を超える磁石用固形材料を得ることができない。また、衝撃波圧力が40GPaより高いと、α−Fe分解相等の分解物が生じ易く、好ましくない。衝撃波圧力が3〜40GPaの水中衝撃波を用いて圧縮固化する場合は、原料磁性粉体の真密度に対し体積比にて80%を超える密度の磁石用固形材料を再現性良く得ることができる。また、衝撃波圧力が6〜40GPaの水中衝撃波を用いた場合は、密度が90%を超える密度の磁石用固形材料を得ることができる。
また、R−Fe−N−H系磁性材料は、高い飽和磁化、高いキュリー点とともに、大きな磁気異方性を有することが特徴である。従って、単結晶粉体とすることができる場合には、外部磁場により容易に磁場配向することができ、高い磁気特性を持つ異方性磁石用固形材料とすることができる。
Nd−Fe−B系焼結磁石は、磁気特性が極めて高く、VCMなどのアクチュエータや各種モータに多用されているが、表面が常温の大気中でも容易に酸化してしまうため、錆落ち防止の目的でニッケルメッキやエポキシ樹脂コーティングなどにより表面処理することが必須となる。
これに対して、R−Fe−N−H系磁性材料を用いた磁石の場合、上記の表面処理を必要としないか、或いは簡便なものとすることができる。即ち、コスト的に有利であるだけでなく、アクチュエータやモータとして使用する場合、ステータとロータ間のギャップが磁性の低い表面層分だけ狭く取れるので、回転や反復運動のトルクを大きく取れる利点があり、磁石の磁力を最大限活かすことができる。
このため、例えば(BH)max値がNd−Fe−B系磁石より劣る場合であっても、同様なパフォーマンスを発揮することができる。R−Fe−N−H系磁性材料を含有した磁石においては、表面処理を必要としない場合、(BH)max値が200kJ/m3以上であればコストパフォーマンスの優れた好ましい磁石となり、240kJ/m3以上であれば更に好ましい。
このことは、密度が高く、高磁気特性で、熱安定性、耐酸化性の優れた磁石用固形材料を得るための重要な知見に他ならない。
これらの軟磁性副相は、特にR−Fe−N−H系磁性材料の残留磁束密度を向上させる効果を有する。しかし、軟磁性相の粒径または厚さが5nm未満であると飽和磁化が小さくなってしまい、又、100nmを超えると軟磁性相と硬磁性相並びに軟磁性相同士の交換結合による異方性を保持できなくなり、逆磁区の芽となって保磁力が極端に低くなるので、好ましくない。
その方法としては、特許第2705985号公報を初めとする公知の方法、例えば、磁性粉体と非磁性成分を混合して熱処理する方法、磁性粉体表面をメッキ処理する方法、磁性粉体表面に各種蒸着法により非磁性成分をコーティングする方法、磁性粉体を有機金属で処理し該有機金属を光分解させることにより金属成分として粉体表面をコーティングする方法等が挙げられる。さらに、R−Fe−N−H系磁性材料と非磁性成分を混合し圧縮成形した後、衝撃波により圧縮する方法も可能である。
図1は、R−Fe−N−H系磁性材料(硬磁性層)と軟磁性の固形状金属(軟磁性層)とを接合して一体化して得られた磁石用固形材料の断面の一例を示す。
図2は、R−Fe−N−H系磁性材料層(硬磁性層)と軟磁性層が交互に積層され一体化された磁石用固形材料の断面の一例を示す。図2のような構成にすると、磁石の表面磁束密度を損なうことなく、低コスト化が図れる。
図3は、非磁性体で覆われた磁石用固形材料の断面を例示する。表面全てを非磁性体で覆うような磁石用固形材料は、耐食性を増す効果もあって、高温高湿の過酷な環境での用途では磁気特性を若干犠牲にしてでも非磁性体の被覆をした方が好適な場合もある。非磁性体としては、分解温度や融点の高い有機物、高分子、無機物、非磁性金属などが挙げられるが、熱安定性が特に要求される用途では非磁性金属や無機物による被覆が好ましい。この場合も又、R−Fe−N−H系磁性材料粉体と非磁性固形材料又は粉体とを混合することなく同時に仕込んで、衝撃波圧縮した場合、R−Fe−N−H系磁性材料の固化と非磁性材との一体化を同時に行うことができる。
R−Fe−N−H系磁性材料が等方性材料である場合、圧縮成形時の磁場配向は不要であるが、上記のような着磁を行って、充分磁気的に異方化することが必須となる。
水中衝撃波による衝撃圧縮方法としては、二重管の最内部に当該粉体を圧粉成形し、中間部に水を入れ、外周部に爆薬を配置し、爆薬を爆轟させることで、前記中間部の水中に衝撃波を導入し、最内部の当該粉体を圧縮する方法や、当該粉体を密閉容器中へ圧粉成形し、水中へ投入し、爆薬を水中にて爆轟させ、その衝撃波により当該粉体を圧縮する方法や、特許第2951349号公報又は、特開平6−198496号公報による方法が選択できる。いずれの方法においても、以下に示す水中衝撃波による衝撃圧縮の利点を得ることができる。
このとき、衝撃圧力自体の持続時間は、従来の衝撃波を用いた場合よりも長いが、体積圧縮と衝撃波の非線型現象に基づくエントロピーの増加による温度上昇は極めて短時間(数μs以下)に消失し、分解や脱窒は殆ど起こらない。
しかし、水中衝撃波による場合は、従来の衝撃波による場合よりも、残留温度を低く保つことが非常に容易である。
(1)水中衝撃波の圧力は、爆薬と水のユゴニオ関係によって決まり、圧力Pは概略次式で示される。
P=288(MPa){(ρ/ρ0)7.25−1}
上式より、水中衝撃波を用いた場合には、水の密度ρの基準値ρ0に対する変化に関する圧力Pの増加量が非常に大きいため、爆薬量の調節により容易に超高圧が得られ、その際の磁性材料の温度は従来の衝撃波を用いた場合に比べて容易に低温度に保持される。
(2)衝撃圧力自体の持続時間が長い。
(3)体積圧縮と衝撃波の非線型現象に基づくエントロピーの増加による磁性材料の温度上昇は極めて短時間に消失する。
(4)磁性材料の温度は、その後高く保持されることが少なく、又、長く保持されることが少ない。
(5)衝撃圧力が被圧縮体に均一に負荷される。
更に、圧粉成形を磁場中で行うことにより、磁性材料粉体の磁化容易軸を一方向に揃えることができ、得られた圧粉体を衝撃圧縮固化により固形化しても、配向性は損なわれず、磁気的に一軸性の異方性をもつ磁石用固形材料が得られる。
但し、上記の判定法は、磁石用固形材料の原料となるR−Fe−N−H系磁性材料にもともとFe軟磁性材料のような44°付近にピークを持つ材料が含有されている場合は適用できない。この場合、R−Fe−N−H系磁性材料と磁石用固形材料におけるb/aの相対比により、分解の有無の目安とすることは可能である。
平均粒径60μmのSm2Fe17母合金をNH3分圧0.35atm、H2分圧0.65atmのアンモニア−水素混合ガス気流中、465℃で7.2ks窒化水素化を行った後、アルゴン気流中で1.8ksアニールを行い、その後ボールミルにより平均粒径が約2μmとなるように粉砕した。この粉体を、1.2MA/mの磁場中で磁場配向させながら圧粉成形を行うことで成形体を得た。図5は水中衝撃波を用いた衝撃圧縮法を行う装置の一例を示す説明図である。得られた成形体を図5に示す如く銅製パイプ1に入れて銅製プラグ2に固定した。さらに銅製パイプ3を銅製プラグ2に固定し、更に、この間隙に水を充填し、外周部に均一な間隙を設け、紙筒4を配置し、前記間隙中に280gの硝酸アンモニウム系爆薬5を装填し、起爆部6より前記爆薬を起爆し、爆薬を爆轟させた。このとき衝撃破圧力は16GPaであった。
更に、X線回折法で解析した結果、固化した磁石用固形材料はほとんどα−Fe分解相の析出が起きておらず、Th2Zn17型菱面体晶の結晶構造を有していることが確認された。
衝撃波圧力が4GPaより低いと、得られた磁石用固形材料の密度は必ずしも80%を超えず、衝撃波圧力が40GPaより高いとα−Fe分解相等の分解物が生じることが確認された。又、密度80%を超える磁石用固形材料をより再現性良く得るためには、衝撃波圧力を3〜40GPaとすることが好ましいことも分かった。又、衝撃波圧力を6〜40GPaとすることで、密度90%を超える磁石用固形材料が再現性良く得られることも確認された。
所定量のSm及びFeの金属粉体(重量比16.85:83.15)を振動ボールミルで180ks間メカニカルアロイング処理したのち、真空中600℃で7.2ks間熱処理した。この粉体には、Fe軟磁性材料が約30体積%含まれていた。この粉体を、NH3分圧0.35atm、H2分圧0.65atmのアンモニア−水素混合ガス気流中、380℃、1.2ksの条件で窒化水素化処理し、続いて同温度で水素中300sの時間熱処理した。この粉体を用いて、実施例1と同様に、ただし衝撃波圧力を18GPaとすることにより、Sm6.1Fe81.6N9.2H3.1なる組成の磁石用固形材料を作製した。
実施例1で得た平均粒径約2μmのR−Fe−N−H系粉体と、平均粒径約25μmで組成がSm11.5Co57.6Fe24.8Cu4.4Zr1.7であるSm−Co系粉体を、体積比で50:50の割合になるようにめのう乳鉢に仕込み、シクロヘキサン中で湿式混合した。
この混合粉体を用いて、実施例1と同様に、ただし衝撃波圧力を14GPaとすることにより、R−Fe−N−H系磁石用固形材料を作製した。この磁石用固形材料を4.0MA/mのパルス磁場で着磁し磁気特性を測定した結果、残留磁束密度Br=1.10T、保磁力HcJ=0.83MA/m、(BH)max=209kJ/m3であった。
公知のジエチル亜鉛を用いた光分解法によって、表面にZn金属を被覆した平均粒径約1μmのSm−Fe−Co−N−H磁性粉体を調製し、この粉体を用いて、実施例1と同様に、ただし衝撃波圧力を16GPaとすることにより、Sm8.4Fe64.3Co7.1N12.6H3.4Zn4.2なる組成の磁石用固形材料を作製した。この磁石用固形材料を4.0MA/mのパルス磁場で着磁し磁気特性を測定した結果、残留磁束密度Br=1.27T、保磁力HcJ=0.76MA/m、(BH)max=257kJ/m3であった。密度は7.71g/cm3であった。さらに、X線回折法で解析した結果、固化した磁石用固形材料は、Th2Zn17型菱面体晶の結晶構造を有していることが確認された。44°付近におけるα−Fe分解相の回折線とTh2Zn17型菱面体晶の結晶構造を示す(303)最強線との強度比b/aは0.08であった。
公知の方法(特開平8−55712号公報)により得た、磁化反転機構がピンニング型である平均粒径30μmのSm−Fe−Co−Mn−N−H系磁性粉体を用いて、実施例1と同様に、ただし衝撃波圧力を14GPaとすることにより、Sm8.5(Fe0.89Co0.11)66.8Mn3.6N18.5H2.6なる組成の磁石用固形材料を作製した。この磁石用固形材料を4.0MA/mのパルス磁場で着磁し磁気特性を測定した結果、残留磁束密度Br=1.12T、保磁力HcJ=0.37MA/m、(BH)max=125kJ/m3であった。体積法で求めた密度は7.70g/cm3であった。さらに、この材料のX線回折図には、Th2Zn17型菱面体晶の結晶構造以外にα−Fe分解相由来の回折線も観察された。44°付近におけるα−Fe分解相の回折線とTh2Zn17型菱面体晶の結晶構造を示す(303)最強線との強度比b/aは0.06であった。
平均粒径20μmのSm2Fe17母合金をN2ガス気流中、495℃で72ks窒化を行うこと以外は実施例1と同様に、ただし衝撃波圧力を18GPaとすることにより、Sm9.1Fe77.7N13.2なる組成の磁石用固形材料を作製した。
この磁石用固形材料を4.0MA/mのパルス磁場で着磁し磁気特性を測定した結果、残留磁束密度Br=0.96T、保磁力HcJ=0.36MA/m、(BH)max=120kJ/m3の結果を得た。又、アルキメデス法により密度を測定した結果7.50g/cm3であった。
この材料のX線回折図には、Th2Zn17型菱面体晶の結晶構造以外にα−Fe分解相由来の回折線も観察された。44°付近におけるα−Fe分解相の回折線とTh2Zn17型菱面体晶の結晶構造を示す(303)最強線との強度比b/aは0.21であった。
図6は、爆薬の爆轟波を直接用いて衝撃圧縮を行う装置の一例を示す説明図である。この装置を用いて、実施例1で得た平均粒径2μmのR−Fe−N−H系磁性粉体を銅製パイプ1に入れて銅製プラグ2に固定し、外周部に均一な間隙を設け、紙筒4を配置し、前記間隙中に実施例と同量の硝酸アンモニウム系爆薬5を装填し、起爆部6より前記爆薬を起爆し、爆薬を爆轟させた。衝撃圧縮後、パイプ1から固化した試料を取り出し、X線回折法により解析した結果、衝撃圧縮後はSmNと多量のα−Fe分解相が生成していることが認められ、出発原料のR−Fe−N−H系化合物が分解していることが分かった。このときの回折線の強度比b/aは約3であった。
2 銅製プラグ
3 銅製パイプ(水を保持するために使用)
4 紙筒(爆薬を保持するために使用)
5 爆薬
6 起爆部
Claims (14)
- 菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が、一般式RαFe100-α-β-γNβHγで表され、RはYを含む希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、又、α、β、γは原子百分率で、3≦α≦20、5≦β≦30、0.01≦γ≦10であることを特徴とし、その希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が80体積%を超えて100体積%まで含有した磁石用固形材料。
- 前記R及び/又はFeの10原子%以下をNi、Ti、V、Cr、Mn、Zn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Ru、Rh、Pd、Hf、Re、Os、Irから選ばれる少なくとも一種の元素と置換したことを特徴とする請求項1に記載の磁石用固形材料。
- 前記N及び/又はHの10原子%以下をC、P、Si、S、Alから選ばれる少なくとも一種の元素と置換したことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が、一般式RαFe100-α-β-γ-δNβHγMδで表され、RはYを含む希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、MはLi、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Pd、Cu、Ag、Zn、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Pb、Biから選ばれる少なくとも一種の元素及び/又はRの酸化物、フッ化物、炭化物、窒化物、水素化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、塩化物、硝酸塩から選ばれる少なくとも一種であり、又、α、β、γ、δはモル百分率で、3≦α≦20、5≦β≦30、0.01≦γ≦10、0.1≦δ≦40であることを特徴とし、その希土類−鉄−窒素−水素系磁性材料が80体積%を超えて100体積%まで含有した磁石用固形材料。
- 前記Rの50原子%以上がSmであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 前記Feの0.01〜50原子%をCoで置換したことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも一種の元素を含む軟磁性材料が均一に分散され、一体化していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 希土類−鉄−ほう素系磁性材料、希土類−コバルト系磁性材料、フェライト系磁性材料から選ばれる少なくとも一種の磁性材料が均一に添加混合され、一体化していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 磁性材料の粒界に非磁性相が存在することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載の磁石用固形材料と軟磁性の固形金属材料とを接合して一体化したことを特徴とする磁石用固形材料。
- 軟磁性層を有し、軟磁性層と交互に積層されて一体化していることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 少なくとも一部が非磁性の固形材料で覆われたことを特徴とする上記請求項1乃至11のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 磁気異方性を付与したことを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載の磁石用固形材料。
- 円柱状又は円筒状又はリング状又は円板状又は平板状に成形したことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の磁石用固形材料。
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