JP2016136605A - 永久磁石およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)本発明の永久磁石は、全体を100原子%(以下、単に「%」という。)としたときに、FeとNiの合計:0.2〜4%、Al:40〜50%、Mn:残部、であるMnAl系合金からなることを特徴とする。このMnAl系合金に含まれ得るFeとNiは、いずれか一方のみでもよい。
本発明は、上述した永久磁石としてのみならず、その製造方法としても把握できる。すなわち、本発明は、MnとAlからなる第一合金層と、FeまたはNiの少なくとも一方とMnまたはAlの少なくとも一方とからなる第二合金層とを交互に積層した積層体を形成する積層工程と、該積層体を加熱して均質化する均質化工程とを備え、上述した永久磁石が得られることを特徴とする永久磁石の製造方法としても把握できる。
(1)本明細書では、MnAl系磁石の結晶構造を特定するために格子定数を適宜用いるが、適宜、その単位(nm)を省略して表記する。
本発明に係るMnAl系合金は、全体を100原子%(単に「%」という。)としたときに、FeとNiの少なくとも一方を含み、その合計は0.2〜4%、0.4〜3.5%さらには0.6〜3%であると好ましい。これらの元素が過少でも過多でも、飽和磁化の十分な向上を図れない。特に、それらの元素が過多になると、永久磁石特性を発現するL10型結晶構造が維持されなくなり、好ましくない。また本発明に係るMnAl系合金は、Alを40〜50%、42〜48%さらには43%〜47%含むと好ましい。Alが過少でも過多でも、やはり、MnAl系磁石の結晶構造(L10型正方晶)が維持されず、好ましくない。
本発明の永久磁石は、その製造方法を問わないが、例えば、上述した積層工程と、均質化工程とを行うことにより得られる。
第一合金層または第二合金層の形成は、例えば、永久磁石となるMnAl系合金の所望組成に応じて用意されたターゲット原料に対してスパッタリング等を行うことにより可能である。各合金層の組成は種々調整され得るが、例えば、第一合金層が永久磁石特性を発現するMnAl合金(例えばベース合金)からなり、第二合金層がそのMnAl合金のMnと置換されるFeまたはNiと、Alとの合金からなると好ましい。これにより、少量のMnをFeまたはNiで置換した所望組成のMnAl系合金の形成が容易となる。
第一合金層と第二合金層の積層体を加熱して各元素(特にFeまたはNi)を拡散させることにより、所望の組成および結晶構造を有する均質的なMnAl系合金が得られる。加熱条件は種々調整され得るが、例えば、300〜800℃さらには400〜600℃で、0.1〜10時間さらには0.5〜2時間加熱すると好ましい。なお、積層体の加熱は、酸化防止雰囲気(真空雰囲気、不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気等)で行うと好ましい。
本発明の永久磁石は、その用途を問わないが、例えば、電動機のロータまたはステータなどに用いることもできる。なお、本発明の永久磁石は、上述した薄膜法の他、溶解法等によっても製造可能であり、種々の機器に用いられ得る。
(1)下地層形成工程
MgO単結晶基板(以下単に「基板」という。)を用意した。MgO単結晶基板は、(001)面が基板面になるように加工し、表面粗度を小さくするため研磨を行ったものである。この基板の(001)面上に、Crからなる下地層をスパッタリングにより形成した(下地層形成工程)。このCr下地層の厚さは約10nmとした。
550℃に加熱した基板に対して上述したスパッタリングを行い、Mn55Al45 からなる第一合金層を成膜した(第一合金層形成工程)。その上に、M55Al45 (M:Fe、Co、Ni、Cuのいずれか)からなる第二合金層を成膜した(第二合金層形成工程)。このように第一合金層の成膜と第二合金層の成膜を交互に繰り返して各種の積層体を得た。この際、第一合金層と第二合金層の膜厚をそれぞれ数nmレベルで制御し、それらの膜厚比を調整することにより、所望の合金組成からなる積層体を種々調製した。具体的にいうと、第一合金層の膜厚は1.8〜1.98nm、第二合金層の膜厚は0.02〜0.2nmで調整し、これらの全積層数は50層とした。
各種の積層体を真空雰囲気中で、500℃×1時間加熱した。これにより第一合金層と第二合金層を構成する各元素を拡散させて、全体的に均質的な薄膜状のMnAl系合金を得た。
MnAl系合金(膜)を形成した基板を室温(35℃以下)まで冷却し、その室温域で、その表面に酸化防止のためのCr層(保護層)を形成した。こうして表1に示す各種のMnAl系合金を得た。なお、比較のため、ベース合金(試料C0)も併せて表1に示した。
(1)結晶構造と格子定数
各試料に係る合金の結晶構造と格子定数を、X線回折法およびIn−PlaneX線回折法を用いて特定した。その結果を表1に併せて示した。なお、表1中に示した「相生成」は、永久磁石としての特性を示すL10型正方晶からなる相が生成されていたかを示す。そのような相が生成されているときを「○」、その他の相が主に生成したときを「×」として示した。
各試料に係る合金層の室温(23℃)における磁気特性(飽和磁化と保磁力)を振動試料型磁力計(VSM)で測定した。その結果を表1に併せて示した。
表1から明らかなように、FeまたはNiを特定量含むMnAl系合金は、飽和磁化がベース合金(試料C0)よりも向上していることがわかる。なお、試料8は試料C0よりも飽和磁化が高いが、保磁力が大幅に低下している。試料8の高飽和磁化は、特定の結晶構造からなるMnAl系合金相に由来するものではなく、多量に配合された強磁性元素であるNi自体に由来するものと考えられる。
Claims (7)
- 全体を100原子%(以下、単に「%」という。)としたときに、
FeとNiの合計:0.2〜4%、
Al:40〜50%、
Mn:残部、
であるMnAl系合金からなることを特徴とする永久磁石。 - 全体を100%としたときに、
Fe:0.2〜4%、
Al:40〜50%、
Mn:残部、
であるMnAl系合金からなることを特徴とする永久磁石。 - 全体を100%としたときに、
Ni:0.2〜4%、
Al:40〜50%、
Mn:残部、
であるMnAl系合金からなることを特徴とする永久磁石。 - 前記MnAl系合金の結晶構造は、正方晶である請求項1〜3のいずれかに記載の永久磁石。
- 前記MnAl系合金の結晶構造は、
格子定数比(c/a):0.877<c/a<0.91、
である請求項1〜4のいずれかに記載の永久磁石。 - 前記MnAl系合金の結晶構造は、
格子定数(a):0.3904nm<a<0.3979nm、
格子定数(c):0.349nm<c<0.3553nm、
である請求項1〜5のいずれかに記載の永久磁石。 - MnとAlからなる第一合金層と、FeまたはNiの少なくとも一方とMnまたはAlの少なくとも一方とからなる第二合金層とを交互に積層した積層体を形成する積層工程と、
該積層体を加熱して均質化する均質化工程とを備え、
請求項1〜6のいずれかに記載の永久磁石が得られることを特徴とする永久磁石の製造方法。
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