JP2018125512A - 磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石材料の飽和磁化を高める磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両を提供する。【解決手段】磁石材料は、組成式１：（Ｒ１−ｘＹｘ）ａＭｂＴｃにより表される磁石材料であって、ＴｈＭｎ１２型結晶相からなる主相を具備する。組成式１のＭ元素の３０原子％以上は、Ｆｅである。【選択図】なし

Description

実施形態の発明は、磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両に関する。

永久磁石は、例えばモータ、発電機等の回転電機、スピーカ、計測機器等の電気機器、自動車、鉄道車両等の車両を含む広範な分野の製品に用いられている。近年、上記製品の小型化が要求されており、高磁化及び高保磁力を有する高性能な永久磁石が求められている。

高性能な永久磁石の例としては、例えばＳｍ−Ｃｏ系磁石やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の希土類磁石が挙げられる。これらの磁石では、ＦｅやＣｏが飽和磁化の増大に寄与している。また、これらの磁石にはＮｄやＳｍ等の希土類元素が含まれており、結晶場中における希土類元素の４ｆ電子の挙動に由来して大きな磁気異方性をもたらす。これにより、大きな保磁力を得ることができる。

特開２０１６−０５８７０７号公報 米国特許公開２０１６／００７１６３５ 特開平６−２８３３１６号公報 特許第３７４１５９７号 米国特許第６４１９７５９号 特開平４−３０８０６２号公報 米国特許公開２０１６／０１４８７３４

Ｔ． Ｋｕｎｏ ｅｔ ａｌ．， ＡＩＰ ＡＤＶＡＮＣＥＳ ６， ０２５２２１， ２０１６ Ｓ． Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ． ４０１， ２５９， ２０１６ Ｅ． Ｐ． Ｙｅｌｓｕｋｏｖ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ． １１５， ２７１， １９９２ Ｇ． Ｐｏｕｒｒｏｙ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ａｌｌｏｙｓ Ｃｏｍｐｄ． ２４４， ９０， １９９６

本発明で解決しようとするべき課題は、磁石材料の飽和磁化を高めることである。

実施形態の磁石材料は、組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ（式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数である）により表される。磁石材料は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相からなる主相を具備する。組成式１のＭ元素の３０原子％以上は、Ｆｅである。

組成式：（Ｓｍ_０．８２Ｙ_０．１８）_７．７（Ｆｅ_０．７０Ｃｏ_０．３０）_８８．４Ｔｉ_３．９で表される磁石材料のＸ線回折パターンの例を示す図である。 組成式：（Ｓｍ_０．６８Ｚｒ_０．３２）_７．８（Ｆｅ_０．７０Ｃｏ_０．３０）_８８．２Ｔｉ_４．０で表される磁石材料のＸ線回折パターンの例を示す図である。 Ｎｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相のピークを有するＸ線回折パターンの例を示す図である。 永久磁石モータを示す図である。 可変磁束モータを示す図である。 発電機を示す図である。 鉄道車両の構成例を示す模式図である。 自動車の構成例を示す模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。

（第１の実施形態）
本実施形態の磁石材料は、希土類元素と、Ｍ元素（ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ）と、を含む。上記磁石材料は、結晶相を主相とする金属組織を具備し、主相中のＭ元素濃度を高めることにより飽和磁化を向上させることができる。主相は、磁石材料中の各結晶相及び非晶質相のうち、最も体積占有率が高い相である。

高濃度のＭ元素を含む結晶相としては、例えばＴｈＭｎ_１２型結晶相が挙げられる。ＴｈＭｎ_１２型結晶相は、正方晶系の結晶構造を有する。ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする磁石材料では、Ｍ元素濃度が高いため、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が析出しやすい。α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相等の異相が析出すると主相中のＭ元素濃度が低下し、主相の飽和磁化低下を招く。また、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出は永久磁石の保磁力の低下を招く。そこで、本実施形態の磁石材料では、主相中に含まれる各元素濃度を制御し、安定なＴｈＭｎ_１２型結晶相を形成しつつ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相を低減させて主相中のＭ元素濃度を向上させることにより、飽和磁化の低下を抑制する。

本実施形態の磁石材料は、組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ（式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数である）により表される組成を有する。なお、磁石材料は、不可避不純物を含んでいてもよい。

イットリウム（Ｙ）は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定化に有効な元素である。すなわち、Ｙ元素は、主として主相中のＲ元素と置換し、結晶格子を縮小させること等によりＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高めることができる。Ｙ元素の添加量が少なすぎると、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高める効果を十分に得ることができない。Ｙの添加量が多すぎると、磁石材料の異方性磁界が著しく低下してしまう。ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であることが好ましく、より好ましくは０．０５≦ｘ＜０．５を満足する数であり、さらに好ましくは０．１≦ｘ≦０．４を満足する数である。

Ｙ元素の５０原子％以下は、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）から選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。Ｚｒ元素及びＨｆ元素は、高いＦｅ濃度の組成で大きな保磁力を発現させることができる元素である。Ｚｒ元素及びＨｆ元素に置換することによって、保磁力を高めることができる。

Ｒ元素は希土類元素であり、磁石材料に大きな磁気異方性をもたらし、永久磁石に高い保磁力を付与することができる元素である。Ｒ元素は具体的には、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）から選ばれる少なくとも一つの元素であり、特に、Ｓｍを用いることが好ましい。例えば、Ｒ元素としてＳｍを含む複数の元素を用いる場合、Ｓｍ濃度をＲ元素として適用可能な元素全体の５０原子％以上とすることにより、磁石材料の性能、例えば保磁力を高めることができる。

Ｒ元素及びＹ元素の濃度ａは、例えば４≦ａ≦２０原子％を満足する数であることが好ましい。４原子％未満の場合、多量のα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が析出して保磁力が低下する。２０原子％を超える場合、粒界相が増加し、飽和磁化が低下する。Ｒ元素及びＹ元素の濃度ａは、５≦ａ≦１８原子％を満足する数、さらには７≦ａ≦１５原子％を満足する数であることがより好ましい。

Ｍ元素は、Ｆｅ又はＦｅ及びＣｏであり、磁石材料の高い飽和磁化を担う元素である。ＦｅとＣｏではＦｅのほうがより磁化が高いことからＦｅは必須元素であり、本実施形態の磁石ではＭ元素の３０原子％以上がＦｅである。Ｍ元素にＣｏを入れることで磁石材料のキュリー温度が上昇し、高温領域での飽和磁化の低下を抑制することが出来る。また、Ｃｏを少量入れることによりＦｅ単独の場合よりも飽和磁化を高めることが出来る。一方、Ｃｏ比率を高めると異方性磁界の低下を招く。さらに、Ｃｏ比率が高すぎると飽和磁化の低下も招く。そのため、ＦｅとＣｏの比率を適切に制御することにより、高い飽和磁化、高い異方性磁界、高いキュリー温度を同時に実現することが出来る。組成式１のＭを（Ｆｅ_１−ｙＣｏ_ｙ）と表記すると、望ましいｙの値は０．０１≦ｙ＜０．７であり、より好ましくは０．０１≦ｙ＜０．５であり、さらに好ましくは０．０１≦ｙ≦０．３である。Ｍ元素の２０原子％以下は、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びガリウム（Ｇａ）から選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。上記元素は、例えば主相を構成する結晶粒の成長に寄与する。

Ｔ元素は、例えばチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）から選ばれる少なくとも１つの元素である。Ｔ元素を添加することにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させることができる。しかしながら、Ｔ元素の導入によりＭ元素濃度が低下し、結果として磁石材料の飽和磁化が低下しやすくなる。Ｍ元素濃度を高めるためにはＴ添加量を減らせばよいが、その場合、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性が失われ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が析出することにより磁石材料の保磁力が低下してしまう。Ｔ元素の添加量ｃは、０＜ｃ＜７原子％を満足する数であることが好ましい。これにより、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出を抑制しつつ、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させることができる。Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂであることがより好ましい。Ｔｉ又はＮｂを用いることにより、Ｔ元素の含有量を少なくしてもＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させつつ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を大幅に低減することができる。

磁石材料の飽和磁化をより向上させるためにＴ元素の添加量は少ないことが好ましいが、Ｔ元素の添加量が少ない場合、Ｎｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相が析出しやすいため、かえって飽和磁化が低下する場合がある。Ｔ元素の添加量が少ない場合であってもＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出を抑制するためには、Ｙの添加量を増やすことが効果的であり、これにより高い飽和磁化を実現することができる。組成式１又は組成式２において、例えばＴ元素の添加量ｃが０＜ｃ＜４．５原子％を満足する数である場合、ｘは０．１＜ｘ＜０．６を満足する数であることが好ましく、ｃが１．５＜ｃ＜４原子％を満足する数である場合、ｘは０．１５＜ｘ≦０．５５を満足する数であることが好ましく、ｃが３＜ｃ≦３．８原子％を満足する数である場合、ｘは０．３＜ｘ≦０．５を満足する数であることが好ましい。

本実施形態の磁石材料は、さらにＡ元素を含んでいてもよい。このとき、磁石材料の組成は、組成式２：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＡ_ｄ（式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ、及びＰから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数、ｄは０＜ｄ≦１８原子％を満足する数である）により表される。

Ａ元素は窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、水素（Ｈ）、及びリン（Ｐ）から選ばれる少なくとも一つの元素である。Ａ元素はＴｈＭｎ_１２型結晶相の結晶格子内に侵入し、例えば結晶格子を拡大させること及び電子構造を変化させることの少なくとも一つを生じさせる機能を有する。これにより、キュリー温度、磁気異方性、飽和磁化を変化させることができる。Ａ元素は、不可避不純物を除き必ずしも添加されなくてもよい。

Ｒ元素の５０原子％以上がＳｍである場合（Ｒ元素の主成分がＳｍである場合）、Ａ元素の侵入によってＴｈＭｎ_１２型結晶相の磁気異方性がｃ軸方向からｃ軸に垂直な面内に変化し、保磁力を減少させる。このため、不可避不純物を除きＡ元素は添加されないことが好ましい。これに対し、Ｒ元素の５０原子％以上がＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙから選ばれる少なくとも一つの元素である場合（Ｒ元素の主成分がＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙから選ばれる少なくとも一つの元素である場合）、Ａ元素の侵入によってＴｈＭｎ_１２型結晶相の磁気異方性がｃ軸に垂直な面内からｃ軸方向に変化し、保磁力を増加させることができる。このため、Ａ元素は添加されることが好ましい。Ａ元素を添加する場合、Ａ元素濃度ｄは、０＜ｄ≦１８原子％を満足する数であることが好ましい。１８原子％を超えるとＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性が低下する。Ａ元素濃度ｄは、０＜ｄ≦１４原子％を満足する数であることがより好ましい。

図１は組成式：（Ｓｍ_０．８２Ｙ_０．１８）_７．７（Ｆｅ_０．７０Ｃｏ_０．３０）_８８．４Ｔｉ_３．９で表される磁石材料のＸ線回折パターンの例を示す図であり、図２は組成式：（Ｓｍ_０．６８Ｚｒ_０．３２）_７．８（Ｆｅ_０．７０Ｃｏ_０．３０）_８８．２Ｔｉ_４．０で表される磁石材料のＸ線回折パターンの例を示す図である。図１、２に示すＸ線回折パターンは、磁石材料に対してＸ線回折（Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）測定を行うことにより得られる。図１、２に示すＸ線回折パターンから磁石材料がＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする金属組織を具備することがわかる。

図１に示すＸ線回折パターンのα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}は、図２に示すＸ線回折パターンのα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}よりも小さい。これは、本実施形態の磁石材料は、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量が少ないことを示している。本実施形態の磁石材料のＸ線回折パターンにおいて、ＴｈＭｎ_１２型結晶相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}とα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}との和に対するα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}の比（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}））は、０．２０未満、さらには０．１５未満、さらには０．１０未満であることが好ましい。

図３はＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相のピークを有するＸ線回折パターンの例を示す図である。図３に示すようにＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出は、Ｘ線回折パターンの２θが３９度以上４０度以下に現れるピークから判定することができる。本実施形態の磁石材料のＸ線回折パターンにおいて、ＴｈＭｎ_１２型結晶相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}とＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_３−２９との和に対するＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９結晶相に起因するピーク強度の最大値Ｉ_３−２９の比（Ｉ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}））からＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出量を評価することができる。Ｉ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）は、０．０７０以下、さらには０．０５０未満、さらには０．０４０未満であることが好ましい。

本実施形態の磁石材料は、主相中のＭ元素濃度が高いほど、磁石材料の飽和磁化を高めることができる。磁石材料の主相中のＭ元素濃度は、主相中のＡ元素を除く元素（Ｒ元素、Ｙ元素、Ｍ元素、及びＴ元素）の総量の８５原子％以上であることが好ましく、より好ましくは８７．４原子％以上であり、さらに好ましくは８７．６原子％以上、さらには８８．０原子％以上であることがより好ましい。

本実施形態の磁石材料では、主相中のＭ元素濃度を主相中のＡ元素を除く元素（Ｒ元素、Ｙ元素、Ｍ元素、及びＴ元素）の総量の８７．４原子％以上とすることによって、従来よりも高い飽和磁化を有する磁石材料を提供することができる。磁石材料全体の飽和磁化は、例えば１．４８Ｔよりも高い、さらには１．５２Ｔ以上であることが好ましい。また、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の飽和磁化の寄与を除く主相の飽和磁化は、例えば１．４１Ｔよりも高い、さらには１．５０Ｔ以上であることが好ましい。飽和磁化等の磁気物性は、例えば振動試料型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）を用いて算出される。

磁石材料の組成は、例えばＩＣＰ−ＡＥＳ（高周波誘導結合プラズマ−発光分光分析法：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ＳＥＭ−ＥＤＸ（走査電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ＴＥＭ−ＥＤＸ（透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等により測定される。各相の体積比率は、電子顕微鏡や光学顕微鏡による観察とＸ線回折等とを併用して総合的に判断される。

主相の各元素の濃度は、例えばＳＥＭ−ＥＤＸを用いて測定される。例えば、ＳＥＭによる観察像とＳＥＭ−ＥＤＸによる磁石材料の測定サンプルの各元素のマッピング像から主相を特定することができる。

次に、本実施形態の磁石材料の製造方法例について説明する。まず、磁石材料に必要な所定の元素を含む合金を製造する。例えば、アーク溶解法、高周波溶解法、金型鋳造法、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法、ガスアトマイズ法、還元拡散法などを用いて合金を製造することができる。製造された合金中にα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が生成されると、この合金から製造した永久磁石の保磁力の低下を招いてしまう。

さらに、上記合金を溶解して急冷する。これにより、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を低減することができる。溶解された合金は、例えばストリップキャスト法を用い急冷される。ストリップキャスト法では、冷却ロールに合金溶湯を傾注することにより、合金薄帯を製造することができる。このとき、ロールの回転速度を制御することにより、溶湯の冷却速度を制御することができる。ロールは単ロール型でも双ロール型でも良い。

上記合金薄帯に対して熱処理を施してもよい。これにより、該材料を均質化することが可能である。例えば、８００〜１３００℃で２〜１２０時間加熱する。これにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高め、飽和磁化、異方性磁界の両特性をさらに向上させることができる。

上記合金薄帯にＡ元素を侵入させてもよい。Ａ元素を合金へ侵入させる工程の前に、合金を粉砕して粉末にしておくことが好ましい。Ａ元素が窒素の場合、約０．１〜１００気圧の窒素ガスやアンモニアガス等の雰囲気中で、２００〜７００℃の温度範囲で合金薄帯を１〜１００時間加熱することで、合金薄帯を窒化させ、Ｎ元素を合金薄帯に侵入させることができる。Ａ元素が炭素の場合、約０．１〜１００気圧のＣ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、又はＣＯガスもしくはメタノールの加熱分解ガスの雰囲気中で、３００〜９００℃の温度範囲で合金薄帯を１〜１００時間加熱することで、合金薄帯を炭化させ、Ｃ元素を合金薄帯に侵入させることができる。Ａ元素が水素の場合、約０．１〜１００気圧の水素ガスやアンモニアガス等の雰囲気中で、２００〜７００℃の温度範囲で合金薄帯を１〜１００時間加熱することで、合金薄帯を水素化させ、Ｈ元素を合金薄帯に侵入させることができる。Ａ元素がホウ素の場合、合金を製造する時に原料にホウ素を含めることで、合金薄帯中にホウ素を含有させることができる。Ａ元素がリンの場合、合金薄帯をリン化させ、Ｐ元素を合金薄帯に侵入させることができる。

上記工程により磁石材料が製造される。さらに、上記磁石材料を用いて永久磁石が製造される。例えば、上記磁石材料を粉砕し、その後焼結等の熱処理を行うことにより上記磁石材料の焼結体を含む焼結磁石が製造される。また、上記磁石材料を粉砕し、樹脂等で固化することにより上記磁性材料を含むボンド磁石が製造される。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の磁石材料の焼結体を具備する永久磁石は、各種モータや発電機に使用することができる。また、可変磁束モータや可変磁束発電機の固定磁石や可変磁石として使用することも可能である。第１の実施形態の永久磁石を用いることによって、各種のモータや発電機が構成される。第１の実施形態の永久磁石を可変磁束モータに適用する場合、可変磁束モータの構成やドライブシステムには、例えば特開２００８−２９１４８号公報や特開２００８−４３１７２号公報に開示されている技術を適用することができる。

次に、上記永久磁石を具備するモータと発電機について、図面を参照して説明する。図４は永久磁石モータを示す図である。図４に示す永久磁石モータ１では、ステータ（固定子）２内にロータ（回転子）３が配置されている。ロータ３の鉄心４中には、第１の実施形態の永久磁石である永久磁石５が配置されている。第１の実施形態の永久磁石を用いることにより、各永久磁石の特性等に基づいて、永久磁石モータ１の高効率化、小型化、低コスト化等を図ることができる。

図５は可変磁束モータを示す図である。図５に示す可変磁束モータ１１において、ステータ（固定子）１２内にはロータ（回転子）１３が配置されている。ロータ１３の鉄心１４中には、第１の実施形態の永久磁石が固定磁石１５及び可変磁石１６として配置されている。可変磁石１６の磁束密度（磁束量）は可変することが可能とされている。可変磁石１６はその磁化方向がＱ軸方向と直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流により磁化することができる。ロータ１３には磁化巻線（図示せず）が設けられている。この磁化巻線に磁化回路から電流を流すことによって、その磁界が直接に可変磁石１６に作用する構造となっている。

第１の実施形態の永久磁石によれば、固定磁石１５に好適な保磁力を得ることができる。第１の実施形態の永久磁石を可変磁石１６に適用する場合には、製造条件を変更することによって、例えば保磁力を１００ｋＡ／ｍ以上５００ｋＡ／ｍ以下の範囲に制御すればよい。なお、図５に示す可変磁束モータ１１においては、固定磁石１５及び可変磁石１６のいずれにも第１の実施形態の永久磁石を用いることができるが、いずれか一方の磁石に第１の実施形態の永久磁石を用いてもよい。可変磁束モータ１１は、大きなトルクを小さい装置サイズで出力可能であるため、モータの高出力・小型化が求められるハイブリッド車や電気自動車等のモータに好適である。

図６は発電機を示している。図６に示す発電機２１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）２２を備えている。ステータ（固定子）２２の内側に配置されたロータ（回転子）２３は、発電機２１の一端に設けられたタービン２４とシャフト２５を介して接続されている。タービン２４は、例えば外部から供給される流体により回転する。なお、流体により回転するタービン２４に代えて、自動車の回生エネルギー等の動的な回転を伝達することによって、シャフト２５を回転させることも可能である。ステータ２２とロータ２３には、各種公知の構成を採用することができる。

シャフト２５はロータ２３に対してタービン２４とは反対側に配置された整流子（図示せず）と接触しており、ロータ２３の回転により発生した起電力が発電機２１の出力として相分離母線及び主変圧器（図示せず）を介して、系統電圧に昇圧されて送電される。発電機２１は、通常の発電機及び可変磁束発電機のいずれであってもよい。なお、ロータ２３にはタービン２からの静電気や発電に伴う軸電流による帯電が発生する。このため、発電機２１はロータ２３の帯電を放電させるためのブラシ２６を備えている。

以上のように、上記永久磁石を発電機に適用することにより、高効率化、小型化、低コスト化等の効果が得られる。

上記回転電機は、例えば、鉄道交通に利用される鉄道車両（車両の一例）に搭載されてよい。図７は、回転電機１０１を具備する鉄道車両１００の一例を示す図である。回転電機１０１としては、上記図４、５のモータ、図６の発電機等を用いることができる。回転電機１０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機１０１は、例えば、架線から供給される電力や、鉄道車両１００に搭載された二次電池から供給される電力を利用することによって駆動力を出力する電動機（モータ）として利用されてもよいし、運動エネルギーを電力に変換して、鉄道車両１００内の各種負荷に電力を供給する発電機（ジェネレータ）として利用されてもよい。実施形態の回転電機のような高効率な回転電機を利用することにより、省エネルギーで鉄道車両を走行させることができる。

上記回転電機は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの自動車（車両の他の例）に搭載されてもよい。図８は、回転電機２０１を具備する自動車２００の一例を示す図である。回転電機２０１としては、上記図４、５のモータ、図６の発電機等を用いることができる。回転電機２０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機２０１は、自動車２００の駆動力を出力する電動機、又は自動車２００の走行時の運動エネルギーを電力に変換する発電機としても利用されてよい。

（実施例１−３８）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯をストリップキャスト法により急冷し、合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下で１１００℃、４時間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金薄帯の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯を乳鉢で粉砕して合金粉末を作製した。その後、ＣｕＫαを線源とするＸＲＤ測定により上記合金粉末の結晶構造を解析した。図１は、実施例１の磁石材料のＸ線回折パターンである。ＸＲＤ測定の結果、合金粉末は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする金属組織を具備することが確認された。また、Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を評価した。さらに、Ｉ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出量を評価した。

また、ＶＳＭ装置を用いて磁石材料の磁気物性を評価した。合金薄帯の面内方向に磁界を５．０Ｔ印加した後、磁界を−５．０Ｔまで掃引し、磁界Ｈと磁化Ｍを測定した。印加磁界を５．０Ｔから４．５Ｔまで下げている間の磁化Ｍと磁場の強さＨとの関係に正方晶に対する下記式（１）で表される飽和漸近則を適用することにより、磁石材料全体の飽和磁化Ｍｓと異方性磁界Ｈ_Ａを算出した。
Ｍ＝Ｍｓ（１−Ｈ_Ａ ^２／１５Ｈ^２）（Ｍｓは飽和磁化、Ｈ_Ａは異方性磁界を表す） （１）

Ｘ線回折パターンにおけるα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度を元に、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の飽和磁化に対する寄与を評価し、これを磁石材料全体の飽和磁化から引くことで、主相の飽和磁化を求めた。具体的には、Ｘ線回折パターンでα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度を有しない粉末試料を作製し、これにα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相を有する粉末試料を加えて十分に混ぜ合わせて複数の試料を作製した。複数の試料中のα−Ｆｅ相を有する粉末試料の質量割合は、それぞれ０質量％以上２１質量％以下の範囲で異なる。上記試料の結晶構造をＸＲＤ測定により解析したところ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相を有する粉末試料の質量割合とピーク強度の最大値の比Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）との関係が線形になることを確認した。これを元にＸ線回折パターンのα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相のピーク強度からα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の質量割合を求め、これをα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の飽和磁化に対する寄与に換算した。

次に、ＳＥＭ−ＥＤＸ測定により３つの観察視野で主相の元素濃度をそれぞれ５点ずつ測定し、これら１５点の単純平均を算出することにより主相中のＭ元素濃度を算出した。測定点として、ＳＥＭ像で半径５μｍ以内にα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が存在しない点を選択した。ＳＥＭ観察では、日立ハイテクノロジーズ社製ＳＵ８０２０を用いて加速電圧３０ｋＶにて観察した。また、ＳＥＭ−ＥＤＸ測定では、エダックス社製Ｏｃｔａｎ−ｓｕｐｅｒ（半導体素子サイズ６０ｍｍ^２）を用い、ワーキングディスタンスを１５ｍｍとし、ライブタイムを１００秒として測定した。元素濃度の算出では、各試料の構成元素のみを算出対象とし、Ｓｍ、Ｚｒ、Ｙに対してはＬα線、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉに対してはＫα線を用いた。

（実施例３９−４１）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯をストリップキャスト法により急冷し、合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下で１１００℃、４時間加熱した。その後合金薄帯を乳鉢で粉砕し、得られた粉末を窒素ガス雰囲気において、４５０℃で４時間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて合金粉末の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、ＣｕＫαを線源とするＸＲＤ測定により上記合金粉末の結晶構造を解析した。ＸＲＤ測定の結果、合金粉末は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする金属組織を具備することが確認された。また、Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を評価した。さらに、Ｉ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出量を評価した。

また、アクリル製角型セル中にパラフィンを用いて合金粉末を固め、ＶＳＭを用いて磁石材料の磁気物性を評価した。測定条件並びに飽和磁化及び異方性磁界の算出方法は、実施例１〜３０の場合と同様である。

次に、ＳＥＭ−ＥＤＸ測定により３つの観察視野で主相の各元素濃度をそれぞれ５点ずつ測定し、これら１５点の単純平均を算出することにより主相中のＭ元素濃度を算出した。

（実施例４２、４３）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解及び急冷せず、Ａｒ雰囲気下で１１００℃、４時間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯を乳鉢で粉砕して合金粉末を作製した。その後、ＣｕＫαを線源とするＸ線回折測定により上記合金粉末の結晶構造を解析した。ＸＲＤ測定の結果、合金粉末は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする金属組織を具備することが確認された。また、Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を評価した。さらに、Ｉ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出量を評価した。

また、ＶＳＭを用いて磁石材料の磁気物性を評価した。測定条件並びに飽和磁化及び異方性磁界の算出方法は、実施例１〜４１の場合と同様である。

次に、ＳＥＭ−ＥＤＸ測定により３つの観察視野で主相の各元素濃度をそれぞれ５点ずつ測定し、これら１５点の単純平均を算出することにより主相中のＭ元素濃度を算出した。

（比較例１〜５）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯をストリップキャスト法により急冷し、合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下で１１００℃、４時間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金薄帯の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯を乳鉢で粉砕して合金粉末を作製した。その後、ＣｕＫαを線源とするＸ線回折測定により上記合金粉末の結晶構造を解析した。図２は、比較例１の磁石材料のＸ線回折パターンである。ＸＲＤ測定の結果、合金粉末は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする金属組織を具備することが確認された。また、Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を評価した。さらに、Ｉ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）を算出することによりＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出量を評価した。

また、ＶＳＭを用いて磁石材料の磁気物性を評価した。測定条件並びに飽和磁化及び異方性磁界の算出方法は、実施例１〜４３の場合と同様である。

次に、ＳＥＭ−ＥＤＸ測定により３つの観察視野で主相の各元素濃度をそれぞれ５点ずつ測定し、これら１５点の単純平均を算出することにより主相中のＭ元素濃度を算出した。

表１から分かるように、実施例１〜４３の磁石材料はＭ元素の３０原子％以上がＦｅであり、高い飽和磁化を有する。また、実施例１〜２７、３１〜３７、及び３９〜４１の磁石材料の主相中のＭ元素濃度は、Ｒ元素、Ｙ元素、Ｍ元素、及びＴ元素の総量の８７．４原子％以上であり、とりわけ高い飽和磁化を有する。実施例２１〜２６及び２８、２９、３１〜３８、４１の磁石材料は（Ｆｅ_１−ｙＣｏ_ｙ）としたとき、ｙの値は０．０１以上０．３未満であり、とりわけ高い異方性磁界を有する。また、実施例１〜２７、３１〜３７、及び３９〜４１の磁石材料のＩ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α−（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）は０．１５未満である。また、実施例３１〜３７の磁石材料のＩ_３−２９／（Ｉ_３−２９＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）は０．０２０未満であり、主相の飽和磁化が１．５２Ｔ以上である。さらに、実施例１〜２７、３１〜３７、及び３９〜４１の磁石材料の主相の飽和磁化は１．４８Ｔ以上であり、実施例１〜４３の異方性磁界は全て３ＭＡ／ｍ以上である。

これに対し、比較例５の磁石材料はＦｅがＭ元素の３０原子％未満であり、飽和磁化及び異方性磁界が低いことがわかる。また、比較例１〜４はＹの添加量が本発明の範囲外であり、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量が多い。

上記実施例１〜４３及び比較例１〜５の飽和磁化と異方性磁界の値はともに評価に用いた印加磁界の値に依存する。

なお、上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…永久磁石モータ、２…タービン、３…ロータ、４…鉄心、５…永久磁石、１１…可変磁束モータ、１３…ロータ、１４…鉄心、１５…固定磁石、１６…可変磁石、２１…発電機、２２…ステータ、２３…ロータ、２４…タービン、２５…シャフト、２６…ブラシ、１００…鉄道車両、１０１…回転電機、２００…自動車、２０１…回転電機。

Claims (18)

1. 組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ
   （式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
   ＴｈＭｎ_１２型結晶相からなる主相を具備し、
   前記組成式１のＭ元素の３０原子％以上は、Ｆｅである、磁石材料。
2. 前記組成式１のＲ元素の５０原子％以上は、Ｓｍである、請求項１に記載の磁石材料。
3. 組成式２：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＡ_ｄ
   （式中、Ｒは１種類以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ、及びＰから選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数、ｄは０＜ｄ≦１８原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
   ＴｈＭｎ_１２型結晶相からなる主相を具備し、
   前記組成式２のＭ元素の３０原子％以上は、Ｆｅである、磁石材料。
4. 前記組成式２のＲ元素の５０原子％以上は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙから選ばれる少なくとも一つの元素である、請求項３に記載の磁石材料。
5. 前記磁石材料のＸ線回折パターンにおいて、前記ＴｈＭｎ_１２型結晶相に起因するピーク強度の最大値とα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度の最大値との和に対する前記α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度の最大値の比は、０．２０未満である、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁石材料。
6. 前記組成式１又は前記組成式２のＹ元素の５０原子％以下は、Ｚｒ及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁石材料。
7. 前記組成式１又は前記組成式２のＴ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂである、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の磁石材料。
8. 前記組成式１又は前記組成式２のＭ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＧａから選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の磁石材料。
9. 前記主相中のＭ元素の濃度は、前記主相中のＲ元素、Ｙ元素、Ｍ元素、及びＴ元素の総量の８７．４原子％以上である、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の磁石材料。
10. 前記組成式１又は前記組成式２の前記Ｍは、Ｆｅ_１−ｙＣｏ_ｙで表され、
    前記ｙは、０．０１≦ｙ≦０．３を満足する数である、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の磁石材料。
11. 前記組成式１又は前記組成式２において前記ｘは０．３＜ｘ≦０．６を満足する数であり、前記ｃは３＜ｃ≦３．８原子％を満足する数である、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の磁石材料。
12. 前記磁石材料のＸ線回折パターンにおいて、前記ＴｈＭｎ_１２型結晶相に起因するピーク強度の最大値とＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相に起因するピーク強度の最大値との和に対する前記Ｎｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相に起因するピーク強度の最大値の比は、０．０４０未満である、請求項１１に記載の磁石材料。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の磁石材料を含む永久磁石。
14. 請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の磁石材料の焼結体を具備する永久磁石。
15. ステータと、
    ロータと、を具備し、
    前記ステータ又は前記ロータは、請求項１４に記載の永久磁石を有する、回転電機。
16. 前記ロータは、シャフトを介してタービンに接続されている、請求項１５に記載の回転電機。
17. 請求項１５に記載の回転電機を具備する、車両。
18. 前記ロータは、シャフトに接続されており、
    前記シャフトに回転が伝達される、請求項１７に記載の車両。

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