JP2019508879A

JP2019508879A - 選択的な表面改質を有するネオジム−鉄−ボロン磁石およびその製造方法

Info

Publication number: JP2019508879A
Application number: JP2018535001A
Authority: JP
Inventors: マリアッパン・パランタマン; デイヴィッド・エス・パーカー; フセイン・ウカール; オーランド・リオス; マイケル・エー・マクガイアー; ブライアン・シー・セールス; カイェタン・アイ・ヌレベディム; アール・ウィリアム・マッカラン; スコット・ケー・マッコール
Original assignee: ユーティー−バッテル・エルエルシー; アイオワ・ステート・ユニヴァーシティ・リサーチ・ファウンデーション・インコーポレーテッド; ローレンス・リヴァーモア・ナショナル・セキュリティ・エルエルシー
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2019-03-28
Also published as: DE112017000495T5; US20170213626A1; CN109275334A; KR20190003455A; WO2017132285A1; US10586640B2

Abstract

外面を有するネオジム−鉄−ボロンコアと、外面の少なくとも一部に存在する保磁力増大元素とを含むバルク高性能永久磁石であって、ネオジム−鉄−ボロンコアの内部は、その中に保磁力増大元素を有していない。高保磁力バルク永久磁石を製造するための方法も説明されており、この方法は、（ｉ）被覆永久磁石を形成するために、ネオジム−鉄−ボロンコア基板の外面の少なくとも一部に保磁力増大元素を堆積させるステップと、（ｉｉ）外面を前記ネオジム−鉄−ボロンコア基材の内部よりも実質的に高い温度まで加熱するパルス熱プロセスを被覆永久磁石が受けるステップであって、前記実質的に高い温度は、前記内部よりも少なくとも２００℃高く、前記外面の下であるが、前記内部の外側で前記保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである、ステップとを含む。

Description

関連出願への相互参照
本発明は、２０１６年１月２５日に出願された米国仮出願第６２／２８６，６５６号の利益を主張する。これらの内容のすべては、参照により本明細書に組み込まれる。

連邦政府資金による研究の記載
本発明は、米国エネルギー省から与えられた本契約第ＤＥ−ＡＣ０５−００ＯＲ２２７２５に基づく連邦政府の支援によりなされた。連邦政府は本発明に一定の権利を有する。

本発明は、一般に、高保磁力を有する永久磁石およびその製造方法に関し、より具体的には、保磁力増大元素がドープされた高保磁力永久磁石（特に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ型）およびそれらを製造するための方法に関する。

焼結ネオジム−鉄−ボロン（すなわち、Ｎｄ−Ｆｅ−ＢまたはＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）磁石は、その高い磁気性能のために、モータ、発電機、医療機器、ハードディスクドライブおよび測定装置を含む様々な磁気回路に一般的に使用されている。焼結Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂの高温保磁力を増加させるために、ジスプロシウム（Ｄｙ）または他の保磁力増大元素が磁石中のＮｄに代わることができる。この増大は、（Ｎｄ_１−ｘＤｙ_ｘ）_２Ｆｅ_１４ＢがＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂよりも高い磁気異方性を有するために生じる。

それにもかかわらず、Ｄｙ増大Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石を製造するために使用される現在の方法論には実質的に不利な点がある。１つの欠点は、Ｄｙのような重希土類（ＨＲＥ）元素は高コストである。Ｄｙの世界生産量は年間約１７００Ｍｔ（メートルトン）である。さらに、従来技術では、Ｄｙは、これらの磁石の５重量パーセントも含み得る。磁化に対して顕著なペナルティであるが、それは高温保磁力を改善するために典型的にはバルクに添加される。もう一つ欠点は、磁石のバルク全体を通してＤｙの拡散を確実にするように、永久磁石が長期間（例えば、数時間）昇温でアニーリングされるアニーリングプロセスの結果としての性能損失（例えば、保磁力の著しい損失）である。

O. Lucia et al., IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 61 (n5), pp. 2509-2520

一態様では、本開示は、外面を有するネオジム−鉄−ボロンコアと、外面の少なくとも一部に存在する保磁力増大元素とを含み、前記ネオジム−鉄−ボロンコアの内部は、その中に保磁力増大元素を有していない、バルク永久磁石を対象とする。１つの特定の実施形態では、保磁力増大元素は、ネオジム−鉄−ボロンコアの外面全体に存在しており、ネオジム−鉄−ボロンコアの内部は、その中に保磁力増大元素を有していない。別の特定の実施形態では、外面は、少なくとも１つの縁部または角部を含み、保磁力増大元素は、縁部または角部上および縁部または角部の近傍に選択的に存在しており、外面の他の部分は、その上に存在する保磁力増大元素を有していない。

別の態様では、本開示は、上で説明した高保磁力バルク永久磁石を製造する方法を対象とする。より具体的には、この方法は、（ｉ）被覆永久磁石を形成するために、ネオジム−鉄−ボロンコア基板の外面の少なくとも一部に保磁力増大元素を堆積させるステップと、（ｉｉ）外面をネオジム−鉄−ボロンコア基板の内部よりも実質的に高い温度まで加熱するパルス熱プロセスに被覆永久磁石をさらすステップであって、実質的に高い温度は、内部よりも少なくとも２００℃高く、外面の下であるが、内部の外側での保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである、ステップとを含む。

特許または特許出願は、カラーで作成された少なくとも１つの図面を含む。カラー図面を有するこの特許または特許出願の刊行物の写しは、要求および必要な手数料の支払いを受けて庁が提供する。

Ｄｙを用いて表面および縁部をスパッタリング被覆して、６００℃および７００℃で加熱処理した市販のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ（Ｎ３８等級）磁石のヒステリシスループである。Ｄｙを用いて表面および縁部をスパッタリング被覆して、６００℃および７００℃で加熱処理した市販のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ（Ｎ３８等級）磁石のアニーリング温度によるエネルギー積（ＢＨ_ｍａｘ）の効果である。Ｄｙが縁部上にスパッタリング被覆され、他の領域はマスクされたＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ（Ｎ３８等級）磁石表面の概略図である。磁石の両縁部および全体表面上にＤｙ膜をスパッタリング堆積して、６００℃および７００℃でポストアニーリングした後のヒステリシスループである。Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ（Ｎ３８等級）磁石の両縁部および全体表面上にＤｙ膜をスパッタリング堆積して、６００℃および７００℃でポストアニーリングした後のエネルギー積ＢＨ_ｍａｘ対試料のプロットである。

一態様では、本開示は、外面を有するネオジム−鉄−ボロンコアと、前記外面の少なくとも一部に存在する保磁力増大元素とを有するバルク永久磁石を対象とする。永久磁石に関連して本明細書で使用される「バルク」という用語は、巨視的な物体を意味し、従って、微視的またはナノスケールの物体と区別するように機能する。従って、本明細書で考慮されるバルク永久磁石は、バルク永久磁石の寸法の少なくとも１つに対して、一般に少なくとも１ミリメートル（ｍｍ）の大きさである巨視的な大きさである。特定の実施形態では、バルク永久磁石は、その寸法の少なくとも１つに対して、少なくとも１ｃｍの大きさを有することができる。いくつかの実施形態では、永久磁石は、一般に、１０ｍｍ以下、例えば、５、４、３、２または１ｍｍ以下の厚さを有する平面（層）形状を有している。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアは、一実施形態では、滑らかな円板状または球状のように、縁部または角部を有していなくてもよい。他の実施形態では、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアは、エッジディスク（ｅｄｇｅｄｄｉｓｋ）などのように、少なくとも１つの縁部を有しているが角部を有していない。さらに他の実施形態では、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアは、立方体、ブロック、または層形状、または他の多面体形状など、平行六面体のように少なくとも１つの角部を有している。

「ネオジム−鉄−ボロン」（すなわち、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）との用語は、少なくともネオジム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、およびボロン（Ｂ）を含む、当技術分野において知られているようなこれらの永久磁石の組成を参照している。これらの組成の最も典型的なものはＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂであるが、一般式（Ｎｄ_１−ｘＭ_ｘ）_２Ｆｅ_１４Ｂの範囲内の組成のいずれかなどの他のあまり知られていない変形も本明細書では考慮されており、ここで、Ｍは一般に保磁力増大元素であり（すなわちＮｄ、Ｆｅ、またはＢ以外）、ｘは１未満、より一般的には０．５、０．４、０．３、０．２または０．１以下である。いくつかの実施形態では、保磁力増大元素がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ組成に含まれておらず、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ組成はＮｄ、ＦｅおよびＢのみを含む。

本明細書で使用する「コア」との用語は、外面の境界内に含まれる容積を参照している。従って、「Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコア」は、外面の境界内に含まれるＮｄ−Ｆｅ−Ｂの容積を参照している。それ故、外面は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂからなる物体の外径および表面特徴を描写している。

保磁力増大元素は、本発明のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石のような永久磁石の保磁力を増加させることができる任意の元素である。この元素は、例えば、遷移元素またはランタニド元素であり得る。遷移元素は、周期律表の第３から１２族の元素のいずれかを参照しており、第１、第２または第３遷移金属であってもよい。遷移元素のいくつかの例は、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）を含み、これらの全ては第１遷移元素である。ランタニド元素は、原子番号５７から７１を有する元素、例えばランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、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）およびルテチウム（Ｌｕ）のいずれかを参照する。いくつかの実施形態では、単一の保磁力増大元素が使用され、他の実施形態では、２つ以上の保磁力増大元素が使用される。いくつかの実施形態では、保磁力増大元素は、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｍｎ、ＣｏまたはＮｉから選択されるか、またはＤｙまたはＣｅなどのような１つまたは複数のランタニド元素のみが使用され得る。

保磁力増大元素は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアの外面の少なくとも一部に存在する。「少なくとも一部」との用語は、保磁力増大元素が外面の一部または外面全体に存在し得ることを意味している。しかしながら、本発明の目的のために、保磁力増大元素を含まないＮｄ−Ｆｅ−Ｂコアの内部が少なくとも残る。

別の態様では、本開示は、上述したバルク永久磁石の製造方法を対象とする。この方法では、第一に保磁力増大元素がネオジム−鉄−ボロンコア基板の外面の少なくとも一部に堆積されて被覆永久磁石を形成する。保磁力増大元素は、溶液堆積または高周波（ＲＦ）スパッタリングなどの任意の適切なプロセスによって堆積させることができる。被覆永久磁石は、次いで、ネオジム−鉄−ボロンコア基板の内部よりも実質的に高い温度まで外面を加熱するパルス熱プロセスを受ける。パルス熱プロセスを使用することにより、表面における実質的に高い温度は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアの内部よりも少なくとも２００℃高く、外面の下であるが、内部より外側の保磁力増大元素の限定された拡散を誘発するのに十分な大きさである。一般的に、パルス熱プロセスは、少なくとも５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、または１０００℃の高温、または前述の値のいずれか２つによって境界付けられる範囲内の温度まで外面を加熱する。

パルス熱プロセスは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコア基板が高温にさらされる短いパルス期間を使用することによって、表面準位の拡散（すなわち、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアのバルク全体を通して保磁力増大元素を拡散させない）のみを達成する。このようにして、表面は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコア基板の内部よりも著しく高い温度にさらされる。パルス周期は、一般的に１分未満であり、より典型的には３０秒以下である。いくつかの実施形態では、パルス周期は、正確に、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０秒以下である。高温パルスを提供することができる当技術分野において知られている任意のプロセスを本明細書で採用することができる。いくつかの実施形態では、パルス誘導プロセスが使用され、その操作の詳細は、当技術分野、例えばルチアらの、IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 61(n5), pp.2509-2520において周知である。特定の実施形態では、パルス誘導プロセスは高周波誘導によって操作し、その操作の詳細は当技術分野において周知である。いくつかの実施形態では、パルス熱法は、例えば、高密度プラズマアークランプ法または集束（例えば、レーザ）電磁ビーム法であり、これらの全ては当技術分野において周知である。電磁ビームの場合、電磁気は、例えば、赤外線、マイクロ波、可視光、または紫外線放射であってもよい。

一実施形態では、保磁力増大元素は、ネオジム−鉄−ボロンコア基板の外面全体に堆積され、パルス熱プロセスは、外面をネオジム−鉄−ボロンコア基板の内部よりも実質的に高い温度まで加熱する。このようにして、パルス熱プロセスは、外面をＮｄ−Ｆｅ−Ｂの内部よりも少なくとも２００℃高く加熱し、外面の下であるが、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアの内部の外側での保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである。

別の実施形態では、保磁力増大元素はネオジム−鉄−ボロンコア基板の外面の選択した部分に堆積され、同時に、外面の他の部分には保磁力増大元素を堆積しない。このようにして、パルス熱プロセスは、外面をＮｄ−Ｆｅ−Ｂの内部よりも少なくとも２００℃高い温度に加熱し、外面の下であるが、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂコアの内部の外側での選択的に堆積された保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである。保磁力増大元素は、例えば、外面の特定の領域上に、特に、外面の縁部または角部上に堆積させることができ、これは縁部または角部の近傍を含み得る。

本発明の説明の目的のために、およびある特定の実施形態を説明するために、実施例が以下で説明される。しかしながら、本発明の範囲は、本明細書に記載の実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例）
Ｄｙを用いたＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石の選択的表面改質
Ｄｙを用いたＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石の選択的表面改質は、改善されたエネルギー積をもたらす。高磁束収束（ｈｉｇｈｆｌｕｘｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）の領域の理論的解釈に基づいて、市販のＮ−３８Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石（５．５ｍｍ×３．５ｍｍ×３ｍｍ）の表面および縁部の両方をＤｙスパッタリングで被覆し、磁場の下でアニーリングした。図１Ａおよび図１Ｂのヒステリシスループで示されるように、これは、Ｎ−３８Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石に対して約５％のエネルギー積の改善をもたらした。

商業用等級のＮ−３８、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石がこの研究の基本として使用された。３ｍｍの厚さを有する基本の磁石は、ＲＦマグネトロンスパッタリングユニットを用いて２００ｎｍ厚さのＤｙ膜でスパッタリングされた後、密閉型石英製アンプル中でＤｙ拡散を促進するために６００から７００℃で４時間の加熱処理が続く。２つの構成がこの研究で評価された。最初に、磁石の上面全体がＤｙで被覆された。第２の構成では、磁石の本体がカーボンテープで覆われ、これは、図２で概略的に示すように、試料の上縁部のみでのＤｙ被覆を可能にした。加熱処理の効果をＤｙ拡散の効果から描写するために対照試料もまた研究された。磁化は、整列方向に平行に印加された磁場を用いてＳＱＵＩＤ磁力計で測定された。とりわけ、コンピュータモデリングが、縁部および角部を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ基板における最大の消磁領域を決定するのを助けるために行われた。これらの計算から、均一な磁場における平行六面体に対する最大の消磁率は、縁部および角部にあることが決定された。

図３で示すように、縁部上のみに被覆された試料のエネルギー積は、６００℃のアニーリング温度で、全体が表面処理された磁石のエネルギー積より大きく増加した。しかしながら、７００℃のアニーリング温度での傾向は反対に現れ、ここで、５％のエネルギー積の増加は総Ｄｙ０．０６重量パーセントに対して達成された。すべてのＤｙがＮｄＦｅＢ磁石に拡散されたと仮定することにより、エネルギー積の改善は１％より高いＤｙの節約（重大要素）に相当する。図４は、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ（Ｎ３８等級）磁石の両縁部および全体表面にＤｙ膜をスパッタリング堆積した後に６００℃および７００℃でのポストアニーリングが続く、エネルギー積ＢＨ_ｍａｘ対試料のプロットである。

本発明の現在の好ましい実施形態と考えられるものを示して説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって決定される本発明の範囲内にある様々な変更および修正を行うことができる。

Claims

外面を有するネオジム−鉄−ボロンコアと、前記外面の少なくとも一部に存在する保磁力増大元素とを含むバルク永久磁石であって、前記ネオジム−鉄−ボロンコアの内部は、その中に前記保磁力増大元素を有していない、バルク永久磁石。
前記保磁力増大元素は、前記外面の少なくとも１つの選択した部分に存在しており、前記外面の他の部分は、その上に存在する前記保磁力増大元素を有していない、請求項１に記載のバルク永久磁石。
前記保磁力増大元素はジスプロシウムを含む、請求項１に記載のバルク永久磁石。
前記保磁力増大元素は、前記ネオジム−鉄−ボロンコアの前記外面全体に存在しており、前記ネオジム−鉄−ボロンコアの内部は、その中に前記保磁力増大元素を有していない、請求項１に記載のバルク永久磁石。
前記外面が少なくとも１つの縁部または角部を含み、前記保磁力増大元素が前記縁部または角部上に、および前記縁部または角部の近傍に選択的に存在しており、前記外面の他の部分が、その上に存在する前記保磁力増大元素を有していない、請求項１に記載のバルク永久磁石。
前記外面は、少なくとも１つの縁部を含み、角部を含まない請求項５に記載のバルク永久磁石。
前記外面は、少なくとも１つの角部を含む、請求項５に記載のバルク永久磁石。
前記ネオジム−鉄−ボロンコアが多面体形状を有している、請求項７に記載のバルク永久磁石。
前記ネオジム−鉄−ボロンコアが多面体形状を有している、請求項８に記載のバルク永久磁石。
前記ネオジム−鉄−ボロンコアが直方体形状を有している、請求項９に記載のバルク永久磁石。
高保磁力バルク永久磁石を製造するための方法であって、
（ｉ）被覆永久磁石を形成するために、ネオジム−鉄−ボロンコア基板の外面の少なくとも一部に保磁力増大元素を堆積させるステップと、
（ｉｉ）前記外面を前記ネオジム−鉄−ボロンコア基材の内部よりも実質的に高い温度まで加熱するパルス熱プロセスに前記被覆永久磁石をさらすステップであって、前記実質的に高い温度は、前記内部よりも少なくとも２００℃高く、前記外面の下であるが、前記内部の外側での前記保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである、ステップとを含む、方法。
前記パルス熱プロセスがパルス誘導加熱プロセスである、請求項１１に記載の方法。
前記保磁力増大元素がジスプロシウムを含む、請求項１１に記載の方法。
前記保磁力増大元素が、前記ネオジム−鉄−ボロンコア基板の前記外面全体に堆積され、前記パルス熱プロセスが、前記外面を前記ネオジム−鉄−ボロンコア基板の内部よりも実質的に高い温度まで加熱し、前記実質的に高い温度は、前記内部よりも少なくとも２００℃高く、前記外面の下であるが、前記内部の外側での前記保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである、請求項１３に記載の方法。
前記保磁力増大元素は、前記ネオジム−鉄−ボロンコア基板の前記外面の選択した部分上に堆積され、一方、前記外面の他の部分には前記保磁力増大元素を堆積せず、前記パルス熱プロセスは、前記外面を前記ネオジム−鉄−ボロンコア基板の内部よりも実質的に高い温度まで加熱し、前記実質的に高い温度は、前記内部より少なくとも２００℃高く、前記外面の下であるが、前記内部の外側での前記保磁力増大元素の拡散を誘発するのに十分な大きさである、請求項１３に記載の方法。
前記外面は少なくとも１つの縁部または角部を含み、前記保磁力増大元素は前記縁部または角部の上および前記縁部または角部の近傍に堆積され、一方、前記外面の他の部分に前記保磁力増大元素を堆積せず、前記パルス熱プロセスは、前記外面を前記ネオジム−鉄−ボロンコア基板の内部よりも実質的に高い温度まで加熱し、前記実質的に高い温度は、前記内部よりも少なくとも２００℃高く、前記外面の下であるが、前記内部の外側での前記保磁力増大元素の拡散を誘導するのに十分な大きさである、請求項１５に記載の方法。
前記外面は、少なくとも１つの縁部を含み、角部を含まない、請求項１６に記載の方法。
前記外面は、少なくとも１つの角部を含む、請求項１６に記載の方法。
前記ネオジム−鉄−ボロンコアが多面体形状を有している、請求項１８に記載の方法。
前記ネオジム−鉄−ボロンコアが多面体形状を有している、請求項１９に記載の方法。
前記ネオジム−鉄−ボロンコアが直方体形状を有している、請求項２０に記載の方法。