JP2014113612A - 磁場中液体急冷凝固装置及び異方性希土類永久磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】異方性交換スプリング磁石が作製可能で、高保磁力、高残留磁束密度を有する異方性希土類永久磁石を作製する。従来のサマリウム磁石にくらべψ_a（回転子磁石の磁束）が高く、大幅なモータ出力の向上を可能とする。
【解決手段】液体急冷凝固装置において急冷部分に１Ｔ以上の磁場を印加する磁気回路を有し、磁場中で急冷薄帯を作製する。また、該磁場中液体急冷凝固装置を用いて、硬磁性相と軟磁性相が微細に分散した内部構造を有する交換スプリング磁石を磁場中で急冷して作製された急冷薄帯を備え、急冷薄帯内部の硬磁性相の磁化容易軸が一方向に揃えられた異方性希土類永久磁石を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁場中で急冷して硬磁性相の磁化容易軸を一方向に揃えた急冷薄帯を備えた異方性交換スプリング磁石を作製可能で、高保磁力、高残留磁束密度を有する異方性希土類永久磁石を作製できる磁場中液体急冷凝固装置に関し、さらには、従来のサマリウム磁石にくらべψ_a（回転子磁石の磁束）が高く、大幅なモータ出力の向上を可能とする異方性希土類永久磁石、並びに磁化容易軸の揃った急冷薄帯を磁場中プレス、焼結することにより、等方性磁石より磁気特性の優れた異方性永久磁石に関する。

交換スプリング磁石は、同一磁石内に軟磁性相（α−Ｆｅなど）と硬磁性相（Ｓｍ−Ｃｏなど）がナノサイズで分散した磁石であり、両相の間に働く磁気的な交換結合により軟磁性の高磁化と硬磁性の高保磁力を同時に併せ持つまったく新しい種類の永久磁石である。交換スプリング磁石は、従来の焼結磁石の磁気特性を大幅に超える可能性が理論的に提唱されているため、その実用化が期待されている。

このような硬磁性相と軟磁性相が微細に分散した内部構造を有する交換スプリング磁石の作成方法としては、液体急冷凝固法を用いて作製する方法が提案されている。

液体急冷凝固法は、溶融した金属合金を急冷して軟磁性と硬磁性の複合ナノ組織を得るものであり、単ロール法やストリップキャスト法に代表されるように回転する銅ロールに液体金属を吹き付けて急冷薄帯を作製する。合金組成の調整によりナノ組織は比較的容易に得られるが、液体金属を急冷する作製方法であるため結晶の磁化容易軸（一般的な希土類磁石はｃ軸方向）を揃えることができず、結晶がランダムな方向を向いた等方性磁石しか作製できない。急冷後の結晶方位がランダムであるため、これらは等方性永久磁石として用いられる。

一方、交換スプリング磁石に関する異方性磁石に関する技術としては、例えば、特開２００５−２７２９２４号公報では、急冷したアモルファス粉体の表面に金属皮膜を被服し、熱処理により異方性磁石を作製する方法が開示されている。
また、特表２００８−５０５５００号公報では、希土類磁石表面にα−Ｆｅ等軟磁性相をコーティングした後、熱間変形で異方性磁石を作製する方法が開示されている。
また、特開平１１−９７２２２号公報では、急冷したリボンを加圧変形させて異方性磁石を作製する方法が開示されている。

しかし、これら公報に開示の方法では、磁気特性等が不十分であったため、より磁気特性が優れた、結晶方位の揃った異方性磁石の作製可能な方法、また等方性磁石より磁気特性の優れた異方性永久磁石が作製可能な方法が望まれていた。

特開２００５−２７２９２４号公報 特表２００８−５０５５００号公報 特開平１１−９７２２２号公報

本発明の目的は、異方性交換スプリング磁石が作製可能で、高保磁力、高残留磁束密度を有する異方性希土類永久磁石を作製できる磁場中液体急冷凝固装置を提供すること、また、従来のサマリウム磁石にくらべψ_a（回転子磁石の磁束）が高く、大幅なモータ出力の向上を可能とする異方性希土類永久磁石を提供することにある。

本発明は、下記の１〜５の発明を提供することにより、前記目的を達成したものある。
１．液体急冷凝固装置において急冷部分に１Ｔ以上の磁場を印加する磁気回路を有し、磁場中で急冷薄帯を作製することを特徴とする磁場中液体急冷凝固装置。

２．前記急冷薄帯を単ロール法により作製する、前記１記載の磁場中液体急冷凝固装置。

３．前記１又は２記載の磁場中液体急冷凝固装置により、硬磁性相と軟磁性相が微細に分散した内部構造を有する交換スプリング磁石を磁場中で急冷して作製された急冷薄帯を備え、急冷薄帯内部の硬磁性相の磁化容易軸が一方向に揃えられてなることを特徴とする異方性希土類永久磁石。

４．前記交換スプリング磁石における前記硬磁性相がＳｍＣｏ_５、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７およびＮｄ_２Ｆｅ_１4Ｂのいずれかであり、前記軟磁性相がα−Ｆｅ、ＦｅＣｏおよびＦｅ_３Ｂのいずれかである、前記３記載の異方性希土類永久磁石。

５．前記１又は２記載の磁場中液体急冷凝固装置により作製した急冷薄帯を磁場プレスにより仮成形した後、焼結して得られるバルク形状の異方性希土類永久磁石。

本発明によれば、磁場中で急冷が可能な磁場中液体急冷凝固装置を用いて交換スプリング磁石を作製することにより、硬磁性相の磁化容易軸を一方向に揃えた急冷薄帯の作製が可能である。また、磁化容易軸の揃った急冷薄帯を磁場中プレス、焼結することにより、等方性磁石より磁気特性の優れた異方性永久磁石が作製可能となる。

図１は本発明の一実施例に係る磁場中液体急冷凝固装置の概略を示す平面（図１（ａ））及び側面図（図１（ｂ））である。

以下、本発明を、その好ましい実施形態に基づいて詳述する。
本発明の磁場中液体急冷凝固装置は、液体急冷凝固装置において急冷部分に１Ｔ以上の磁場を印加する磁気回路を有し、磁場中で急冷薄帯を作製するものである。

急冷部分に印加する磁場（磁束密度）の大きさは、好ましくは１〜２Ｔ、さらに好ましくは１〜８Ｔである。かかる範囲の磁場で印加すると、溶融金属が回転する銅ロールに接触し急冷凝固される際に、磁場方向に結晶方位が揃って結晶化するため急冷後に磁化容易軸の揃った急冷薄帯が得られる。

本発明の磁場中液体急冷凝固装置は、急冷速度が速い点で、単ロール法により急冷薄帯を作製することが好ましい。なお、その他の方法、例えば、ストリップキャスト法、双ロール法等によっても急冷薄帯を作製することができる。

単ロール法による場合は、例えば、次のようにして実施することができる。まず、ＳｍやＣｏ等を含む原料となる金属元素を溶解し、母合金を作製する。そして、後述する実施例１で用いる図１の磁場中液体急冷凝固装置等を用いて、母合金を溶融し、溶融金属を任意の速度で回転する銅ロール上に噴射し、磁場中急冷薄帯を得ることができる。

また、本発明は、前述した磁場中液体急冷凝固装置により作製した急冷薄膜を備えた異方性希土類永久磁石を提供できる。

本発明の異方性希土類永久磁石は、前述した磁場中液体急冷凝固装置により、硬磁性相と軟磁性相が微細に分散した内部構造を有する交換スプリング磁石を磁場中で急冷して作製された急冷薄帯を備え、急冷薄帯内部の硬磁性相の磁化容易軸が一方向に揃えられてなるものである。

本発明に用いられる交換スプリング磁石における硬磁性相は、結晶磁気異方性が高くすなわち保磁力が高い点で、ＳｍＣｏ_５、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７およびＮｄ_２Ｆｅ_１4Ｂのいずれかであることが好ましい。

また、交換スプリング磁石における軟磁性相は、飽和磁束密度が高い点で、α−Ｆｅ、ＦｅＣｏおよびＦｅ_３Ｂのいずれかであることが好ましい。

また、本発明は、前述した磁場中液体急冷凝固装置により作製した急冷薄帯を磁場プレスにより仮成形した後、焼結して得られるバルク形状の異方性希土類永久磁石を提供できる。

本発明の異方性希土類永久磁石は、例えば、作製した急冷薄帯を真空中所定の温度で熱処理を行い、異方性永久磁石粉とし、また一部の急冷薄帯を磁場プレスにより仮成形した後、所定の温度で焼結を行う等して、異方性バルク永久磁石とすることができる。

優れた磁気特性を有する異方性希土類永久磁石を作製するためには、以下の条件が必要である。
１．液体急冷凝固法により作製された急冷薄帯の結晶粒径が１００ナノメートル以下であること。
２．硬磁性相の磁化容易軸が一方向に配向していること。

本発明の磁場中液体急冷凝固装置で急冷薄帯を作製することにより、結晶粒径が１００ナノメートル以下であり、硬磁性相の磁化容易軸が一方向に配向した磁石粉体を作製することができる。
さらに、作製した磁性粉体を磁場プレスにより仮成形し、焼結することで異方性希土類バルク永久磁石が作製できる。

本発明の液体急冷凝固装置によれば、異方性交換スプリング磁石が作製可能となり、高保磁力、高残留磁束密度を有する異方性希土類永久磁石が作製可能となる。

また、本発明により得られた異方性希土類永久磁石を永久磁石型モータに適用した場合、トルクは以下の式によって決定される。
Ｔ∝P_nψ_ai_q

ここで、P_nはモータ極数、ψ_aは回転子磁石の磁束、i_qは固定子巻線の電流を示す。
本発明の異方性希土類永久磁石は、例えば従来のサマリウム磁石にくらべψ_aが高いため大幅なモータ出力の向上が可能となる。

本発明の異方性希土類永久磁石は、モータ等に利用して、回転機、発電機に応用することが可能である。

以下、本発明の磁場中急冷凝固装置を用いた異方性希土類永久磁石製造方法の実施例について比較例とともに説明する。ここでは代表例としてＳｍＣｏ_５／α−Ｆｅ交換スプリング磁石の製造方法について述べる。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

原料となる金属元素はＳｍ、Ｃｏに２種類以上の添加元素を加えた任意の組成とする。添加元素は例えばＣｕ，Ｆｅ，Ｂ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｃ，Ｔｉ，Ｃｒ等とすることができる。はじめに原料金属をＡｒ雰囲気中でアーク溶解炉もしくは高周波溶解炉を用いて溶解し母合金を作製する。

磁場中液体急冷凝固装置の概略を図１に示す。単ロール液体急冷凝固装置において、石英ノズル１４と銅ロール１２の間、すなわち溶融金属が銅ロールで冷却される空間に永久磁石を用いた定常磁場磁気回路１０を設置する。ここで磁場の向きは銅ロール１２の面に平行、磁束密度の大きさは１Ｔ以上、磁場印加空間は１０ｍｍφ×１０ｍｍとする。作製した母合金を石英ノズル１４に投入し、Ａｒ雰囲気中で、高周波コイル１６による高周波加熱により母合金を溶融する。溶融金属を任意の速度で回転する銅ロール１２の上にＡｒガス圧を加えて噴射し、磁場中急冷薄帯を得る。

磁場を印加しない急冷は磁気回路を取り外し、上記と同様の手順で急冷薄帯を作製した。

作製した急冷薄帯は真空中６００〜８００℃の温度で熱処理を行い、異方性永久磁石粉とする。また一部の急冷薄帯は磁場プレスにより仮成形した後６００〜８００℃の温度で焼結を行い異方性バルク永久磁石とする。

表１に実施例および比較例を示す。実施例１〜５は磁場１．０Ｔ下において急冷速度に対応する銅ロール速度を変化させて急冷したものであり、比較例１〜２は磁場を印加せずに銅ロール速度を変化させて急冷したものである。
特に、実施例５において保磁力、残留磁束密度共に高い特性が得られており、比較例２のそれより高い磁気特性が得られることがわかる。

本発明によれば、異方性交換スプリング磁石が作製可能で、高保磁力、高残留磁束密度を有する異方性希土類永久磁石を作製できる磁場中液体急冷凝固装置として、また、従来のサマリウム磁石にくらべψ_a（回転子磁石の磁束）が高く、大幅なモータ出力の向上を可能とする異方性希土類永久磁石を提供することができる。

Claims (5)

1. 液体急冷凝固装置において急冷部分に１Ｔ以上の磁場を印加する磁気回路を有し、磁場中で急冷薄帯を作製することを特徴とする磁場中液体急冷凝固装置。
2. 前記急冷薄帯を単ロール法により作製する、請求項１記載の磁場中液体急冷凝固装置。
3. 請求項１又は２記載の磁場中液体急冷凝固装置により、硬磁性相と軟磁性相が微細に分散した内部構造を有する交換スプリング磁石を磁場中で急冷して作製された急冷薄帯を備え、急冷薄帯内部の硬磁性相の磁化容易軸が一方向に揃えられてなることを特徴とする異方性希土類永久磁石。
4. 前記交換スプリング磁石における前記硬磁性相がＳｍＣｏ_５、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７およびＮｄ_２Ｆｅ_１4Ｂのいずれかであり、前記軟磁性相がα−Ｆｅ、ＦｅＣｏおよびＦｅ_３Ｂのいずれかである、請求項３記載の異方性希土類永久磁石。
5. 請求項１又は２記載の磁場中液体急冷凝固装置により作製した急冷薄帯を磁場プレスにより仮成形した後、焼結して得られるバルク形状の異方性希土類永久磁石。