JP2020035911A - 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と生産性を高める磁石材料、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：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃにより表され、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を有する主相１を具備する。Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶相、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶相、ＴｂＣｕ_７型結晶相、及びＮｄ_３（Ｆｅ，Ｔｉ）_２９型結晶相からなる群より選ばれる少なくとも一つの副相２の総量が２０体積％以下である。α−Ｆｅ相及びα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相からなる群より選ばれる少なくとも一つの異相３の総量が５体積％以下である。主相１の平均結晶粒径は、４μｍ以上である。
【選択図】図１

Description

実施形態は、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２０１７−１１２３００号公報 国際公開第２０１６／１６２９９０号公報

本発明が解決しようとする課題は、磁石材料の飽和磁化と生産性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からなる群より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、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数である）により表され、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を有する主相を具備する。Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶相、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶相、ＴｂＣｕ_７型結晶相、及びＮｄ_３（Ｆｅ，Ｔｉ）_２９型結晶相からなる群より選ばれる少なくとも一つの副相の総量が２０体積％以下である。α−Ｆｅ相及びα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相からなる群より選ばれる少なくとも一つの異相の総量が５体積％以下である。主相の平均結晶粒径は、４μｍ以上である。

金属組織の構造例を示す断面模式図である。 磁石材料のＭ−Ｈカーブの模式図である。 磁石材料のＭ−Ｈカーブの模式図である。 永久磁石モータの例を示す図である。 可変磁束モータの例を示す図である。 発電機の例を示す図である。 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、Ｔ元素（Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素）と、を含有する。

上記磁石材料は、主相を有する金属組織を具備する。図１は、金属組織の構造例を示す断面模式図である。上記磁石材料は、高濃度のＭ元素を含む結晶相を主相１とする金属組織を具備する。主相１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。副相２は、主相１よりも体積占有率が低い相である。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１とする磁石材料は、希土類元素と遷移金属元素とを含有するとともにＴｈＭｎ_１２型結晶相の結晶構造と類似の結晶構造を有する相を副相２として含むことが多い。副相２は、例えばＴｈ_２Ｚｎ_１７型結晶相、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶相、ＴｂＣｕ_７型結晶相、及びＮｄ_３（Ｆｅ，Ｔｉ）_２９型結晶相からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶相である。これらの結晶相はＴｈＭｎ_１２型結晶相に比較すると含有するＭ元素濃度が低いため、飽和磁化が低い。このため、副相２の析出量が増えると磁石材料の飽和磁化の低下を招く。

本実施形態の磁石材料では、磁石材料の各元素濃度を制御し、適切な条件で作製することによりＴｈＭｎ_１２型結晶相の生成を促進させつつ、副相２を低減させる。これにより磁石材料の飽和磁化の低下を抑制することができる。

副相２の総量は２０体積％以下であり、より好ましくは１５体積％以下であり、さらに好ましくは１０体積％以下であり、さらに好ましくは５体積％以下である。副相２の総量が２０体積％を超えると飽和磁化が低下しやすくなる。

また、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相１とする磁石材料では、Ｍ元素濃度が高いため、α−Ｆｅ相及びα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相からなる群より選ばれる少なくとも一つの異相３が析出しやすい。異相３が析出すると主相中のＭ元素濃度が低下し、主相１の飽和磁化低下を招く。また、異相３の析出は永久磁石の保磁力の低下を招く。

本実施形態の磁石材料では、磁石材料の各元素濃度を制御し、適切な条件で作製することにより安定なＴｈＭｎ_１２型結晶相を形成しつつ、異相３を低減させる。これにより主相１中のＭ元素濃度を向上させて磁石材料の飽和磁化の低下を抑制することができる。

さらに、主相１の平均結晶粒径は、４μｍ以上、より好ましくは７μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは２０μｍ以上である。磁石材料から永久磁石を作製する場合、一般的に磁石材料の粉末（磁石粉末ともいう）を磁場中で配向させながらプレスする工程を有する。これにより、それぞれの磁石粉末の磁化容易軸方向が磁場印加方向に揃い、例えば高い残留磁化を得られるため、永久磁石の磁力を高めることができる。この工程では、磁石粉末の磁化容易軸方向がどの程度磁場印加方向に向いているかを表す指標である配向度を高めることが重要である。

配向度を高めるためには印加磁場を強めることや、粉末の粒子同士、又は粉末と金型との摩擦を低減すること等が効果的であるが、重要な要因の一つとして、磁石相（主相１）の平均結晶粒径が適切なサイズであることが挙げられる。これは、磁場により磁石粉末を回転させるための駆動力が外部磁場と磁石粉末の磁気モーメントのベクトル積（トルク）に依存しており、主相１の平均結晶粒径が大きいほど大きなトルクが得やすいためである。一般的に、磁場配向前の磁石材料の主相１の磁気モーメントは等方的であり、粉砕後の磁石粉末に複数の結晶粒が含まれる場合には、磁石粉末全体の磁化容易軸が等方的となり、配向度を高めることが難しい。一般的な永久磁石の製造方法では、最適な磁石粉末の粒度分布があり、主相１の平均結晶粒径は磁石粉末の平均粉末粒径以上であることが好ましい。なお、主相１の平均結晶粒径が粗大すぎる場合、均質で粗大な粒を得るために長時間の熱処理を必要とするため、生産性の観点から好ましくない。主相１の平均結晶粒径は１５０μm以下であることが好ましい。

本実施形態の磁石材料は、磁場配向した際に高い配向度を有する。配向度は磁石粉末を磁場中で配向させた後、磁場印加方向（磁化容易軸方向）のＭ−Ｈカーブとそれに直交する方向（磁化困難軸方向）のＭ−Ｈカーブを測定し、１０００ｋＡ／ｍの外部磁場を印加したときの磁化容易軸方向の磁化（Ｍ_ｅａｓｙ）に対する磁化困難軸方向の磁化（Ｍ_ｈａｒｄ）の比（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）により表現することができる。

図２及び図３は、磁石材料のＭ−Ｈカーブの模式図である。図２及び図３において、横軸は磁場Ｈを表し、縦軸は磁化Ｍを表す。図２に示すＭ−Ｈカーブは、配向度が低いことを示す。図３に示すＭ−Ｈカーブは、配向度が高いことを示す。完全に等方的な磁石材料では、磁化容易軸方向のＭ−Ｈカーブと磁化困難軸方向のＭ−Ｈカーブが一致するため、この指標（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）は１である。配向度が向上すると磁化容易軸方向のＭ−Ｈカーブと磁化困難軸方向のＭ−Ｈカーブは互いに離れ、この指標は１より小さな値である。上記比Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙは０．６以下であることが好ましく、より好ましくは０．５７以下であり、さらに好ましくは０．５５以下であり、さらに好ましくは０．５０以下である。

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からなる群より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、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数である。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１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）からなる群より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、結晶相の安定化に有効な元素である。

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）からなる群より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、多量の異相３が析出して保磁力が低下する。２０原子％を超える場合、副相２が増加し、磁石材料全体の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、Ｍ元素の３０原子％以上がＦｅである。Ｍ元素にＣｏを入れることにより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できる。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できる。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できる。組成式のＭを（Ｆｅ_１−ｙＣｏ_ｙ）と表記すると、好ましい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）、及びガリウム（Ｇａ）からなる群より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１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）からなる群より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元素の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、異相３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、異相３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、異相３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。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からなる群より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からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数であり、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）からなる群より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からなる群より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からなる群より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。１８原子％を超えるとＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性が低下する。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。

磁石材料の組成は、例えば高周波誘導結合プラズマ−発光分光分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＩＣＰ−ＡＥＳ）、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：ＳＥＭ−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：ＴＥＭ−ＥＤＸ）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１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１を特定することができる。

金属組織の各相の体積比率は、例えば電子顕微鏡や光学顕微鏡による観察とＸ線回折分析等とを併用して総合的に判断されるが、磁石材料の断面を撮影したＳＥＭ像の面積分析法により求めることができる。磁石材料の断面としては、試料の最大面積を有する表面の実質的に中央部の断面が用いられる。ＳＥＭでは、例えば倍率５００倍で１００μｍ×２００μｍ以上３００μｍ×５００μｍ以下の領域を観察する。観察は互いに重なり合わない１０箇所以上の箇所で行い各像において算出した面積率の最大値と最小値を除いた値の平均値を求め、この値をもって各相の体積比率とする。

副相２、異相３のそれぞれの総量は、図１のようなＳＥＭ像の面積Ｓ_{ｔｏｔａｌ}と、副相２の面積の総和Ｓ_ｓｕｂ又は異相３の面積の総和Ｓ_{Ｆｅ，Ｃｏ}を用いて、Ｓ_ｓｕｂ／Ｓ_{ｔｏｔａｌ}×１００あるいはＳ_{Ｆｅ，Ｃｏ}／Ｓ_{ｔｏｔａｌ}×１００により表される。

主相１の平均結晶粒径は、ＳＥＭ像から求めることができる。上記観察面において、主相１と同定された粒に対し、長手方向の長さを粒径とする。観察範囲内に結晶粒全体が確認できる結晶粒を計測し、一つの磁石材料に対し、１００点程度測定し、最大値と最小値を除いた値の平均値を主相１の平均結晶粒径とする。

磁石材料の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。磁石材料の飽和磁化は１．４Ｔ以上であり、好ましくは１．４５Ｔ以上であり、さらに好ましくは１．４８Ｔ以上であり、さらに好ましくは１．５０Ｔ以上である。飽和磁化の上限は、特に限定されないが、例えば１．７Ｔ以上である。

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、還元拡散法等を用いて合金を製造することができる。

ＴｈＭｎ_１２型結晶相等の高いＭ元素濃度を有する相を主相１とする磁石材料を作製する方法としては、ストリップキャスト法や液体急冷法等を用いる方法が知られている。これらの方法は溶融合金を急冷する作製方法であり、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高めるために有効な方法である。しかし、これら溶融合金に急冷を施す方法では、冷却後の主相１は微細になるため、上記の理由から磁場配向により配向度を高めることが難しい。配向度を高めるためには結晶粒を成長させるための熱処理等が必要となるが、熱処理による組成変動の制御や酸化による劣化抑制が必要であり、また、長時間の処理が必要であるため、生産性の低下を招く。

本実施形態では、各元素濃度を適切に制御して作製した塊状の合金に対し、適切な温度と保持時間で熱処理を施すことで、溶融合金の急冷工程を経ることなく、副相２や異相３の析出を抑制し、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定して作製することができる。これにより十分な大きさの主相１を有する磁石材料を生産性の低下無く作製することができる。

熱処理としては、例えば８００℃以上１３５０℃以下の温度で１時間以上１２０時間以下加熱する。これにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高め、また、副相２を形成しやすくし、飽和磁化、保磁力の両特性をさらに向上させることができる。

熱処理温度が８００℃よりも低い場合、副相２の析出量が多くなり、飽和磁化の低下を招く。副相２の析出を抑制するためにはなるべく高温で熱処理することが好ましい。一方、熱処理温度が１３５０℃よりも高い場合、異相３の析出が多くなり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。また、合金の一部が溶融し、生産性が著しく低下する。熱処理温度は、より好ましくは９００℃以上１３２０℃以下であり、さらに好ましくは１０００℃以上１３００℃以下であり、さらに好ましくは１１００℃以上１２９０℃以下であり、さらに好ましくは１１５０℃以上１２８０℃以下であり、さらに好ましくは１２００℃以上１２５０℃以下である。

上記合金に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気圧以上１００気圧以下の窒素ガスやアンモニアガス等の雰囲気中で、２００℃以上７００℃以下の温度で合金を１時間以上１００時間以下加熱することにより、合金を窒化させ、Ｎ元素を合金に侵入させることができる。Ａ元素が炭素の場合、約０．１気圧以上１００気圧以下のＣ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、又はＣＯガス若しくはメタノールの加熱分解ガスの雰囲気中で、３００℃以上９００℃以下の温度範囲で合金を１時間以上１００時間以下加熱することにより、合金を炭化させ、Ｃ元素を合金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℃の温度範囲で合金を１〜１００時間加熱することにより、合金を水素化させ、Ｈ元素を合金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により、合金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、合金をリン化させ、Ｐ元素を合金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、磁場中で加圧成型した後、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１１では、ステータ（固定子）１２内にロータ（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である永久磁石１５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１１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２１において、ステータ（固定子）２２内にはロータ（回転子）２３が配置されている。ロータ２３の鉄心２４中には、第１の実施形態の永久磁石が固定磁石２５及び可変磁石２６として配置されている。可変磁石２６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２６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２３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２６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２５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２６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２１においては、固定磁石２５及び可変磁石２６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２１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３１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）３２を備えている。ステータ（固定子）３２の内側に配置されたロータ（回転子）３３は、発電機３１の一端に設けられたタービン３４とシャフト３５を介して接続されている。タービン３４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３４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３５を回転させることも可能である。ステータ３２とロータ３３には、各種公知の構成を採用することができる。

シャフト３５はロータ３３に対してタービン３４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３３の回転により発生した起電力が発電機３１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３１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３３にはタービン３４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３１はロータ３３の帯電を放電させるためのブラシ３６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等の自動車（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利用してもよい。また、上記回転電機は、例えば産業機器（産業用モータ）、空調機器（エアコンディショナ・給湯器コンプレッサモータ）、風力発電機、又はエレベータ（巻上機）に搭載されてもよい。

（実施例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Ａｒ雰囲気下で１２００℃、２５時間加熱することで磁石材料を得た。

得られた磁石材料に対し、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。また、断面ＳＥＭ観察を行い、副相及び異相の総量並びに主相の平均結晶粒径を求めた。また、磁石材料を乳鉢で粉砕して粉末状にした後、磁場印加中でパラフィンを用いて固化し、ＶＳＭで磁気特性を測定し、飽和磁化と配向度（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）を求めた。各測定値を表２に示す。

（実施例６）
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Ａｒ雰囲気下で１２５０℃、１０時間加熱した。その後合金を乳鉢で粉砕し、得られた粉末を窒素ガス雰囲気において、４５０℃で４時間加熱することで磁石材料を得た。

得られた磁石材料に対し、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。また、断面ＳＥＭ観察を行い、副相及び異相の総量並びに主相の平均結晶粒径を求めた。また、磁石材料を乳鉢で粉砕して粉末状にした後、磁場印加中でパラフィンを用いて固化し、ＶＳＭで磁気特性を測定し、飽和磁化と配向度（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）を求めた。各測定値を表２に示す。

（比較例１）
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Ａｒ雰囲気下で７００℃、１００時間加熱することで磁石材料を得た。

得られた磁石材料に対し、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。また、断面ＳＥＭ観察を行い、副相及び異相の総量並びに主相の平均結晶粒径を求めた。また、磁石材料を乳鉢で粉砕して粉末状にした後、磁場印加中でパラフィンを用いて固化し、ＶＳＭで磁気特性を測定し、飽和磁化と配向度（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）を求めた。各測定値を表２に示す。

（比較例２）
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、得られた溶湯をロール周速１０ｍ／ｓで回転するＣｕロールに射出することで急冷薄帯を作製した。得られた合金薄帯をＡｒ雰囲気下で１０００℃、４時間加熱することで磁石材料を得た。

得られた磁石材料に対し、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。また、断面ＳＥＭ観察を行い、副相及び異相の総量並びに主相の平均結晶粒径を求めた。また、磁石材料を乳鉢で粉砕して粉末状にした後、磁場印加中でパラフィンを用いて固化し、ＶＳＭで磁気特性を測定し、飽和磁化と配向度（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）を求めた。各測定値を表２に示す。

表２からわかるように、実施例１〜６の磁石材料は副相及び異相の析出量が少なく、高い飽和磁化を有する。また、主相平均結晶粒径は４μｍ以上であり、高い配向度を有する。

これに対し、比較例１の磁石材料は特に副相の析出量が多く、飽和磁化が低い。また、比較例２は主相の平均結晶粒径が４μｍ未満であり、配向度（Ｍ_ｈａｒｄ／Ｍ_ｅａｓｙ）が低いことがわかる。

上記実施例１〜６及び比較例１〜２の飽和磁化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…主相、２…副相、３…異相、１１…永久磁石モータ、１３…ロータ、１４…鉄心、１５…永久磁石、２１…可変磁束モータ、２３…ロータ、２４…鉄心、２５…固定磁石、２６…可変磁石、３１…発電機、３２…ステータ、３３…ロータ、３４…タービン、３５…シャフト、３６…ブラシ、１００…鉄道車両、１０１…回転電機、２００…自動車、２０１…回転電機。

Claims (16)

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からなる群より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、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ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型結晶相を有する主相を具備し、
   Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶相、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶相、ＴｂＣｕ_７型結晶相、及びＮｄ_３（Ｆｅ，Ｔｉ）_２９型結晶相からなる群より選ばれる少なくとも一つの副相の総量が２０体積％以下であり、
   α−Ｆｅ相及びα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相からなる群より選ばれる少なくとも一つの異相の総量が５体積％以下であり、
   前記主相の平均結晶粒径は、４μｍ以上である、磁石材料。
2. 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. Ｙ元素の５０原子％以下は、Ｚｒ及びＨｆからなる群より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又は請求項２に記載の磁石材料。
4. 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３のいずれか一項に記載の磁石材料。
5. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＧａからなる群より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４のいずれか一項に記載の磁石材料。
6. 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からなる群より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からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数であり、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型結晶相を有する主相を具備し、
   Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶相、Ｔｈ_２Ｎｉ_１７型結晶相、ＴｂＣｕ_７型結晶相、及びＮｄ_３（Ｆｅ，Ｔｉ）_２９型結晶相からなる群より選ばれる少なくとも一つの副相の総量が２０体積％以下であり、
   α−Ｆｅ相及びα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相からなる群より選ばれる少なくとも一つの異相の総量が５体積％以下であり、
   前記主相の平均結晶粒径は、４μｍ以上である、磁石材料。
7. 前記ｄは、０＜ｄ≦１８原子％を満足する数であり、
   Ｒ元素の５０原子％以上は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である、請求項６に記載の磁石材料。
8. Ｙ元素の５０原子％以下は、Ｚｒ及びＨｆからなる群より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６又は請求項７に記載の磁石材料。
9. Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂである、請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の磁石材料。
10. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＧａからなる群より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６ないし請求項９のいずれか一項に記載の磁石材料。
11. 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を含む永久磁石。
12. 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の焼結体を具備する永久磁石。
13. 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１２に記載の永久磁石を有する、回転電機。
14. 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１３に記載の回転電機。
15. 請求項１３に記載の回転電機を具備する、車両。
16. 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１５に記載の車両。

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