JP2017183325A - ハイブリッド磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の技術的課題は、フェライト磁石よりも残留磁束密度が高く、かつ保磁力の高い磁石を提供することにある。【解決手段】本発明は、第１の磁石材料と第２の磁石材料を含むハイブリッド磁石であり、前記第１の磁石材料が、フェライトであり、前記第２の磁石材料が、Ｍｎ−Ｂｉ系合金であることを特徴とする。フェライトとＭｎ−Ｂｉ系合金を組み合わせることで、優れた温度特性のまま、フェライト磁石よりも残留磁束密度が向上したハイブリッド磁石を得ることができる。【選択図】なし

Description

本発明は、ハイブリッド磁石に関する。

フェライト磁石は安価な割に優れた特性を示す磁石として、現在もなお大量に生産されている磁石であるが、フェライト磁石の残留磁束密度は理論値にほぼ到達し、これ以上の特性向上は難しいという課題がある。そのため希土類磁石などのような高価だが優れた特性を示す磁石がフェライト磁石に代わって使用されるようになってきている。

しかし、希土類金属元素の中でもＮｄやＤｙなどの高価な希土類を含む磁石は資源調達リスクが高いため、希土類を含まない磁石としてＭｎ−Ｂｉ系磁石が注目されている。このＭｎ−Ｂｉ系磁石材料は光磁気記録の分野で良く知られており、高温状態でも保磁力が低下しないため、温度特性の優れたバルク磁石としても有望な磁石材料であり、フェライト磁石に比べ残留磁束密度は比較的大きいという特徴を持つ。

その他、温度特性に優れる有望な磁石材料としては、１５０℃以上の高温環境において、Ｃｏ系磁石（Ｓｍ_２Ｃｏ_１７系磁石、ＳｍＣｏ_５系磁石、ＦｅＣｒＣｏ系磁石）やＳｍ_２Ｆｅ_１７Ｎ_ｘ系樹脂ボンディッド磁石しか選択肢が無いのが現状である。この中でＣｏ系磁石は残留磁束密度が劣り、なおかつ高価であり、また、脆性を有するため、欠けや割れなども起きやすいという欠点を持つ。また、Ｓｍ_２Ｆｅ_１７Ｎ_ｘ系磁石において、残留磁束密度は高いが約６５０℃以上で不均化反応を起こし、ＳｍＮとαＦｅに分解してしまうという欠点がある。この熱分解挙動が一般に焼結体の作製は不可能であると言われる原因であり、よってＳｍ_２Ｆｅ_１７Ｎ_ｘ系磁石は、製品としては樹脂ボンディッド磁石のみに限定されるため、焼結体に比べ残留磁束密度が低いという欠点を持つ。

また、特許文献１などでは、フェライト磁石粉末に希土類磁石粉末を混合するハイブリッド磁石について述べられているが、フェライト磁石粉末に希土類磁石粉末を混合するという手法では、フェライト磁石に比べ飽和磁化は大きくなるものの、焼結磁石とすると保磁力が著しく低下してしまうので、通常は樹脂ボンディッド磁石を選択せざるを得ないため、大きな残留磁束密度の向上は望めないのが現状である。

特開２００３−５９７０６号公報

そこで、本発明の技術的課題は、フェライト磁石よりも残留磁束密度が高く、かつ保磁力の高い磁石を提供することにある。

本発明は、第１の磁石材料と第２の磁石材料を含むハイブリッド磁石であり、前記第１の磁石材料が、フェライトであり、前記第２の磁石材料が、Ｍｎ−Ｂｉ系合金であることを特徴とする。

フェライトは室温付近から高温にするほど保磁力が大きくなる性質を持つため、温度特性に優れる。

Ｍｎ−Ｂｉ系合金は、フェライト磁石に比べ残留磁束密度は比較的大きいという特徴を持つ。また、約３５０℃以上で不均化反応を起こし、結晶学的には、高温相（ＨＴＰ：Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ）とＢｉに分解してしまうが、低温相（ＬＴＰ：Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ）と呼ばれる硬磁性合金が主たる構成相として存在すれば、低温相は室温付近から２００℃程度までの間、高温にするほど保磁力が大きくなる性質を持つため、温度特性に優れる。

したがって、フェライトとＭｎ−Ｂｉ系合金を組み合わせることで、優れた温度特性のまま、フェライト磁石よりも残留磁束密度が向上したハイブリッド磁石が得られる。

本発明に係るハイブリッド磁石は、前記フェライトと前記Ｍｎ−Ｂｉ系合金の含有量の体積比（１００−ｘ）：ｘとなるｘが、５以上、７０以下の範囲であることが好ましい。係る体積比とすることで、より大きな残留磁束密度を持つ磁石が得られる。

本発明に係るハイブリッド磁石は、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｇａ，Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種からなる金属バインダーを含むことを特徴とする金属ボンディッドハイブリッド磁石であることが好ましい。このような金属バインダーを用いることで塑性変形しやすくなり、特に圧縮成形工程において磁石の相対密度を容易に高めることができ、残留磁束密度を高めることができる。金属バインダーは樹脂バインダーよりも水分透過性および酸素ガス透過性が著しく低いため、錆びや欠けなどが抑制され、耐食性、耐酸化性などの長期信頼性にも優れる。

本発明によれば、フェライト磁石に比べて残留磁束密度が高く、保磁力の高いハイブリッド磁石を得ることができる。

本発明に係るハイブリッド磁石の好ましい実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態によって限定されるものではない。

本実施形態に係るハイブリッド磁石は、第１の磁石材料と第２の磁石材料を含むハイブリッド磁石であり、前記第１の磁石材料が、フェライトであり、前記第２の磁石材料が、Ｍｎ−Ｂｉ系合金である。フェライトとＭｎ−Ｂｉ系合金をハイブリッド磁石とすることで、フェライト磁石に比べて残留磁束密度を高めながらも、保磁力が低下しないハイブリッド磁石を得ることができる。

本実施形態の第１の磁石材料であるフェライトは、成分組成がＡ_１−ａＲ_ａＦｅ_１２−ｂＭ_ｂＯ_１９で表され、ＡはＢａまたはＳｒから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ＲはＹを含む希土類元素およびＢａ、Ｓｒを除くアルカリ土類元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｍはアルカリ土類元素および遷移金属元素およびＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉから選ばれる少なくとも１種であり、ａ、ｂは０≦ａ≦０．５、０≦ｂ≦０．５であることを満たす。ａ、ｂは０．０５≦ａ≦０．５、０．０５≦ｂ≦０．５であることが好ましく、この範囲とすることで、保磁力および残留磁束密度の優れた磁石材料が得られる。また、フェライト粉末の平均粒径は１〜１０μｍが好ましく、より好ましくは１．２〜５μｍである。粉末形状は扁平粉が好ましく、より好ましくは平らな面に垂直に結晶配向した異方性の扁平粉である。

本実施形態の第２の磁石材料であるＭｎ−Ｂｉ系合金は、成分組成がＭｎ_{１００−ｗ}Ｂｉ_ｗで表され、ｗは原子パーセントで４０％≦ｗ≦６０％であることを満たす。主としてＮｉＡｓ型の六方晶系の結晶構造を有し、ｗ＝５０％の化学量論比を持つため、好ましくは、４５％≦ｗ≦５５％である。Ｍｎ−Ｂｉ系合金はＬＴＰ相（ＮｉＡｓ型）とＢｉ相のコンポジットになることが好ましい。また、Ｍｎ−Ｂｉ系合金粉末の平均粒径は１〜２００μｍが好ましく、より好ましくは２〜１０μｍである。

本実施形態に係るハイブリッド磁石は、その構成比率として、前記フェライトと前記Ｍｎ−Ｂｉ系合金の含有量の体積比（１００−ｘ）：ｘとなるｘが、５以上、７０以下の範囲であることが好ましい。Ｍｎ−Ｂｉ系合金の含有量が体積比で５以上でないと、残留磁束密度が十分に向上せず、７０以下でないとフェライトの体積比が小さくなりすぎて、安価な磁石にならない。より好ましくは８以上、５０以下である。

本実施形態に係るハイブリッド磁石は、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｇａ，Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種からなる金属バインダーを含むことが好ましい。また、前記フェライトと前記Ｍｎ−Ｂｉ系合金と金属バインダーの含有量の体積比（１００−ｘ）：ｘ：ｙとなるｙは、５以上、２０以下が好ましい。ｙが２０以下であれば、主成分を構成可能な元素とは異なる元素の金属または合金を含んでもよいし、酸化物を含んでもよい。係る体積比とすることで、より保磁力の高いハイブリッド磁石が得られる。

上記金属バインダーは、Ｂｉ−Ｓｎ系合金、Ｚｎ−Ｓｎ系合金、Ｂｉ−Ｚｎ系合金、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｚｎ系合金およびＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金を含むことがより好ましい。また、これらの合金にＡｇやＣｕを微量添加することで、機械的強度を必要に応じて調節することが出来る。このような合金を用いれば、金属バインダーがさらに低融点になることとなり、低い成形温度でも高い相対密度が得られるため、残留磁束密度が高められ、低い成形温度で分解劣化が抑制されるため、保磁力をさらに高めることができる。なお、金属バインダーの融点は５０℃以上４００℃以下の低融点であることが好ましく、５０℃以上３００℃以下がより好ましく、さらに好ましくは５０℃以上１５０℃以下が良い。

また、金属バインダーの平均粒径は１０〜２００μｍが好ましく、より好ましくは２０〜１００μｍである。

ここで金属バインダーとは、磁石材料の粒子間に介在する少なくとも１種以上の金属相であって、ここで言う金属相は金属単体でも良いし、２種類以上の元素から構成される合金相であってもよい。２種以上の磁石材料が用いられる場合、同種の磁石材料の粒子間に存在しても良いし、異種の磁石材料の間に存在しても構わない。金属バインダーは粒子間に島状あるいは粒状に存在しても良いが、粒子間の磁気分離に効果的に寄与するためには磁石粒子同士の粒界に沿って粒界相を形成することが望ましい。

本実施形態に係るハイブリッド磁石の好適な製造法について述べる。

本実施形態における第１の磁石材料の製法としては、原料粉末を乾式混合または湿式混合して混合粉を調整すれば良く、適量の分散剤を添加しても良いし、ボールミル、ＳＣミルなどメディアを利用した解砕混合としても良い。湿式混合の場合は、得られた混合粉スラリーを大気中で１００℃以上に加熱して乾燥すれば、乾燥した混合粉を得ることが出来る。さらに、混合粉を大気中、１２００〜１４００℃で加熱し、原料粉末を反応させる目的で焼成を行えば、フェライト粉末が得られる。さらに保磁力を高める目的で、フェライト粉末を乾式粉砕または湿式粉砕しても良く、バイブミル、アトライタ、ボールミルなどを用いることが出来る。湿式粉砕の場合は、混合粉同様、フェライトスラリーを大気中、１００℃以上で加熱して乾燥すれば、乾燥したフェライト粉末を得ることが出来る。なお、上記の各種方法で得られた粉末は異方性であることが望ましい。

本実施形態における第２の磁石材料の製法としては、アーク溶解法や高周波溶解法などを用いて溶融した合金溶湯をロール急冷法、ストリップキャスト法やアトマイズ法（ガスアトマイズ、ディスクアトマイズ、水アトマイズを含む）によって合金を得ても良いし、鋳型に収めインゴット状の合金としても良い。得られた合金をブラウンミル、ピンミル、振動ミル、ボールミルやディスクミルなどの機械粉砕法やジェットミルなどの気流粉砕法によって合金粉末を得ても良い。さらに上記の各種方法で得られた合金粉末は異方性であることが望ましい。

本実施形態における金属バインダーは成分組成に従って所定の金属を秤量し、高周波溶解、抵抗加熱、赤外線加熱などの加熱法によって金属バインダーの融点以上にすることで溶融し、アトマイズ法、ロール急冷などの凝固法によって合金粉末または金属粉末が得られる。粉末の平均粒径は１ｍｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下である。

得られた磁石合金を磁石粉末にするためには、ブラウンミル、ピンミル、振動ミル、ボールミルおよびまたはジェットミルなどの粉砕方法を適宜使用することが出来る。粉末の平均粒径は５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。さらに得られた磁石粉末や金属バインダーを混合するためには、前記粉砕方法によって同時に粉砕することで混合しても良いし、Ｖミキサー、ダブルコーンミキサー、ナウタミキサーなどの混合器を温度を室温から４００℃までの間に調節しながら使用することも出来る。混合の際の温度が金属バインダーの融点付近以上であれば、異なる磁石粉末の粒子同士が顆粒化し、流動性の良好なコンパウンドが得られるのでより好ましい。

また、金属バインダーを使用した金属ボンディッドハイブリッド磁石においては、金属バインダーの融点（１４０℃〜３５０℃）付近かそれ以下で温間成形する必要がある。

成形方法としては、磁場印加しながら圧縮成形、押出成形、射出成形を行った後に熱処理する方法と、磁場印加しながらホットプレス等の熱間成形で作る方法がある。その際、Ｍｎ−Ｂｉ系合金が不均化反応しないように、熱処理、または熱間成形の温度は３５０℃以下に抑える必要がある。成形温度は５０〜３００℃が好ましく、成形圧力は１００ＭＰａ〜１２００ＭＰａが好ましい。熱処理、または熱間成形を行う際の雰囲気は、酸化を防止するため、真空または、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈｅ等の不活性雰囲気、またはＨ２などの還元雰囲気、または不活性ガスと還元ガスの混合雰囲気などで行うことが出来る。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
第１の磁石材料として選ばれるフェライト粉末については、組成がＳｒ_０．９Ｌａ_０．３Ｆｅ_１１．７Ｃｏ_０．３Ｏ_１９となるように原料のＳｒＣＯ_３粉末、Ｌａ_２Ｏ_３粉末，Ｃｏ_３Ｏ_４粉末，ＣｏＯ粉末，Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を秤量混合し、大気中、１３００℃で焼成し、水を分散媒としたボールミル粉砕によりスラリーを得，これを乾燥して平均粒径１０μｍ以下のフェライト粉末を得た。

第２の磁石材料として選ばれるＭｎ−Ｂｉ系合金粉末については、原料のＭｎ金属、Ｂｉ金属をおよそ５５：４５の重量比で秤量混合し、アーク溶解法にて合金インゴットを得た。この合金インゴットをＡｒガス雰囲気中ロール急冷により薄帯状の合金粉末を得た後、さらにＮ_２ガス雰囲気中３５０℃で２４時間の熱処理を施した。この合金粉末をスタンプミルで粗粉砕し、ｎ−オクタンを分散媒に用いたボールミルで３２時間粉砕し平均粒径１０μｍ以下のＭｎ−Ｂｉ系合金粉末を得た。

第１の磁石材料と第２の磁石材料の比重を測定したところ、４．８ｇ／ｃｍ^３および８．９ｇ／ｃｍ^３であったことから、体積比が９８：２となるようにそれぞれ秤量し、Ｖミキサーで４ｈ混合した後、得られた混合物を金型に充填し、２３ｋＯｅの磁場中で２５０℃に加熱し、１ＧＰａの圧力で成形し、７ｘ７ｘ７ｍｍの立方体形状の磁石を作製した。

また、表１に示す通り比較例１および比較例２について、第１の磁石材料と第２の磁石材料との体積比が１００：０および０：１００となるように秤量混合すること以外はすべて、それぞれ実施例１と同様に作製した。なお、比較例１においてはさらに大気中、１２００℃で４時間焼成した。

また、表１に示す通り実施例２〜実施例６について、第１の磁石材料と第２の磁石材料との体積比が９８：２〜１５：８５となるように秤量混合すること以外はすべて、それぞれ実施例１と同様に作製した。

また、表２に示す通り実施例７〜実施例１０について、金属バインダーにＢｉを用い、第１の磁石材料と金属バインダーの体積比が５０：５、５０：１０、５０：１５、５０：２０となるように秤量混合すること以外はすべて、それぞれ実施例４と同様に作製した。

また、表３に示す通り実施例１１〜実施例１７について、金属バインダーにＳｎ、５０Ｂｉ５０Ａｌ、５０Ｂｉ５０Ｇａ、６７Ｂｉ３３Ｉｎ、５８Ｂｉ４２Ｓｎ、５７Ｂｉ１７Ｓｎ２６Ｉｎ、５０Ｂｉ５０Ｚｎ（元素名直前の数字は重量％を表す）を用いること以外はすべて、それぞれ実施例７と同様に作製した。

得られた磁石についてＢＨトレーサー（東英工業製）による磁気ヒステリシス測定を行った。磁気ヒステリシス曲線から得られた保磁力ＨｃＪ（ｋＯｅ）および残留磁束密度Ｂｒ（ｋＧ）は表１から表３にまとめた。

表１に示すように、第１の磁石材料と第２の磁石材料を混ぜ合わせた方が、第１の磁石材料単独で磁石とするよりも保磁力および残留磁束密度を同時に高めることができ、第２の磁石材料単独と同等の残留磁束密度を得ることが出来る。この理由は定かではないが、主な原因として第１の磁石材料の隙間に塑性変形しやすい第２の磁石材料が占有することによって、成形圧力が加わった際に空隙が減少し、残留磁束密度が向上する効果と、空隙から生じる反磁界による保磁力低下が軽減されることによるものと思われる。

また，磁石を切断し，切断面を平滑に研磨して得られる断面を観察し，第１の磁石材料と第２の磁石材料の元素組成マップを画像解析し，第１の磁石材料と第２の磁石材料の面積比を算出したところ，表１に示した第１の磁石材料と第２の磁石材料の体積比と等しい結果を得た．したがって，面積比は体積比とほとんど等しい値として扱ってよく，２種類以上の磁石材料の混合物を用いて作製された磁石において，磁石における各磁石材料同士の面積比および体積比は混合した時点での体積比とほとんど変わらないものと思われる．

表２に示すように、金属バインダーを添加した方が、添加しない物に比べて保磁力を高めることができる。この理由は定かではないが、主な原因として第２の磁石材料よりもさらに柔らかな性質を持つ金属バインダーの塑性変形により成形圧力が加わった際に空隙が減少し、残留磁束密度が向上する効果と、空隙から生じる反磁界による保磁力低下が軽減されることによるものと思われる。残留磁束密度が高まる効果は体積比５０：１０で、最も効果が認められるが、多すぎるとかえって磁石成分が相対的に減少することで残留磁束密度は減少する。保磁力が高まる効果は体積比５０：１５で飽和し、５０：２０では保磁力が向上せず、残留磁束密度が減少するので、体積比２０以下の添加が好ましい。

表３に示すように、各種金属バインダーを添加することで残留磁束密度は向上し、保磁力が改善することが判る。また同じ成形温度（２５０℃）で成形されたこれら実施例の比較では、実施例１５および実施例１６のように成形温度で液化する金属バインダーを用いると残留磁束密度の向上と保磁力の改善が両立する磁石が得られる。これは成形する際の磁石材料同士の摩擦が軽減されより空隙を減少させながらも、液化した金属バインダーが粒子間に浸み込む作用によるものと考えられる。これにより磁石粒子同士の磁気分離を強め空隙における反磁界による保磁力低下を軽減することができる。

Claims (3)

1. 第１の磁石材料と第２の磁石材料を含むハイブリッド磁石において、前記第１の磁石材料が、フェライトであり、前記第２の磁石材料が、Ｍｎ−Ｂｉ系合金であることを特徴とするハイブリッド磁石。
2. 請求項１に記載のハイブリッド磁石において、前記フェライトと前記Ｍｎ−Ｂｉ系合金の含有量の体積比（１００−ｘ）：ｘとなるｘが、５以上、７０以下の範囲であることを特徴とするハイブリッド磁石。
3. 請求項１および２に記載のハイブリッド磁石において、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｇａ，Ｉｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種からなる金属バインダーを含むことを特徴とする金属ボンディッドハイブリッド磁石。