JP2020202383A - 希土類磁石及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】改質材の浸透によって保磁力を向上させても、磁化の低下を抑制することができる、希土類磁石及びその製造方法を提供する。【解決手段】主相と、前記主相の周囲に存在する粒界相と、前記主相と前記粒界相との間に挟まれている中間相と、を備え、全体組成が、式((Ce(1−x)Lax)(1−y)R1y)pT(100−p−q−r)BqM1r・(R21−zM2z)s(ただし、R1及びR2は、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Tは、Fe、Ni、及びCoから選ばれる1種以上であり、M1は、磁気特性に影響を与えない少量元素、M2は、R21−zM2z融点をR2の融点よりも低下させる合金元素)で表され、Ce及びLaの合計濃度が、前記中間相においてよりも、前記主相において高くなっており、かつ、R2の濃度が、前記主相においてよりも、前記中間相において高くなっている、希土類磁石。【選択図】図1

Description

本開示は、R−Fe−B系希土類磁石(Rは希土類元素)及びその製造方法に関する。本開示は、特に、(Ce,La)−Fe−B系希土類磁石及びその製造方法に関する。
R−Fe−B系希土類磁石のうち、Nd−Fe−B系希土類磁石が、最も代表的である。Nd−Fe−B系希土類磁石において、特定の特性を向上させるため、種々の試みがなされている。
Nd−Fe−B系希土類焼結磁石においては、Nd−Fe−B系希土類磁石粉末の焼結体を強加工することによって、異方性が付与されることが一般的である。強加工の加工率は、30〜70%と非常に高いため、焼結体には、高い熱間加工性が要求される。特許文献1には、Nd−Fe−B系希土類焼結磁石中のNdの一部を、Ce、La、及び/又はY等で置換して、焼結体の熱間加工性を向上させる試みが開示されている。
また、従来から、Nd−Fe−B系希土類磁石に、Nd−Cu合金、Nd−Cu−Dy合金、及び/又はNd−Cu−Tb合金等を含む改質材を浸透させて、保磁力を向上させる試みがなされている。
特開平4−21744号公報
上述した改質材は、非磁性である。Nd−Fe−B系希土類磁石においては、磁性相同士の間に、非磁性の改質材を浸透させることによって、磁性相同士を磁気的に分断することができる。その結果、複数の磁性相を跨いで磁化反転が伝搬することを抑制できるため、保磁力が向上する。
しかし、Nd−Fe−B系希土類磁石中で、改質材の含有量が増加することによって、非磁性材の含有量が増加する。したがって、Nd−Fe−B系希土類磁石の磁性相同士の間に、改質材を介在させると、磁化は低下することが一般的であった。
これらのことから、希土類磁石において、改質材の浸透によって保磁力を向上させる際、磁化の低下を抑制することが求められている、という課題を本発明者らは見出した。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものである。本開示は、改質材の浸透によって保磁力を向上させても、磁化の低下を抑制することができる、希土類磁石及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本開示の希土類磁石及びその製造方法を完成させた。その要旨は、次のとおりである。
〈1〉主相と、
前記主相の周囲に存在する粒界相と、
前記主相と前記粒界相との間に挟まれている中間相と、
を備え、
全体組成が、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) ・(R 1−z (ただし、R及びRは、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Tは、Fe、Ni、及びCoから選ばれる1種以上であり、Mは、Ti、Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Mn、V、W、Ta、Ge、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、Mg、Hg、Ag、及びAuから選ばれる1種以上、並びに不可避的不純物であり、Mは、Rと合金化することによって、R 1−z の融点をRの融点よりもを低下させる合金元素及び不可避的不純物であり、かつ、
p、q、r、及びs、並びにx、y、及びzが、
12.0≦p≦20.0、
5.0≦q≦20.0、
0≦r≦3.0、
1.0≦s≦11.0
0.1≦x≦0.5、
0≦y≦0.1、及び
0.1≦z≦0.5
である。)で表され、
Ce及びLaの合計濃度が、前記中間相においてよりも、前記主相において高くなっており、かつ、
の濃度が、前記主相においてよりも、前記中間相において高くなっている、
希土類磁石。
〈2〉Laの濃度が、前記中間相においてよりも、前記粒界相において高くなっている、〈1〉項に記載の希土類磁石。
〈3〉Rが、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上である、〈1〉又は〈2〉項に記載の希土類磁石。
〈4〉Ce及びLaの合計濃度が、前記中間相においてよりも、前記主相において、1.5〜10.0倍高くなっている、〈1〉〜〈3〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈5〉Rの濃度が、前記主相においてよりも、前記中間相において、1.5〜10.0倍高くなっている、〈1〉〜〈4〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈6〉Laの濃度が、前記中間相においてよりも、前記粒界相において、1.5〜10.0倍高くなっている、〈1〉〜〈5〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈7〉前記xが、0.2≦x≦0.3である、〈1〉〜〈6〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈8〉前記zが、0.2≦z≦0.4である、〈1〉〜〈7〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈9〉前記中間相の厚さが、5〜50nmである、〈1〉〜〈8〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈10〉前記Tが、Feである、〈1〉〜〈9〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈11〉全体組成が、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) (ただし、Rは、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Tは、Fe、Ni、及びCoから選ばれる1種以上であり、Mは、Ti、Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Mn、V、W、Ta、Ge、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、Mg、Hg、Ag、及びAuから選ばれる1種以上、並びに不可避的不純物であり、かつ
p、q、及びr、並びにx及びyが、
12.0≦p≦20.0、
5.0≦q≦20.0、
0≦r≦3.0、
0.1≦x≦0.5、及び
0≦y≦0.1である。)
で表され、磁性相と、前記磁性相の周囲に存在する(Ce、La、R)リッチ相とを備える希土類磁石前駆体を準備すること、
1−z (ただし、Rは、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Mは、Rと合金化することによって、R 1−z の融点をRの融点よりもを低下させる合金元素及び不可避的不純物であり、かつ、0.1≦z≦0.5である。)で表される合金を含有する改質材を準備すること、
前記希土類磁石前駆体と前記改質材を互いに接触させて、接触体を得ること、及び
前記接触体を熱処理して、前記希土類磁石前駆体の前記磁性相の内部に、前記改質材の融液を浸透させること、
を含む、希土類磁石の製造方法。
〈12〉前記Rが、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上であり、前記Mが、Cu、Al、及びCoから選ばれる1種以上及び不可避的不純物である、〈11〉項に記載の方法。
〈13〉前記zが、0.2≦z≦0.4である、〈11〉又は〈12〉項に記載の方法。
〈14〉前記改質材の浸透量が、前記希土類磁石前駆体に対して、1.0〜11.0原子%である、〈11〉〜〈13〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈15〉前記熱処理の温度が、600〜800℃である、〈11〉〜〈14〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈16〉前記xが、0.2≦x≦0.3である、〈11〉〜〈15〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈17〉前記Tが、Feである、〈11〉〜〈16〉項のいずれか一項に記載の方法。
本開示によれば、CeとLaを共存させることにより、改質材の浸透によって保磁力を向上させても、磁化の低下を抑制することができる、希土類磁石及びその製造方法を提供することができる。
図1は、本開示の希土類磁石の組織を模式的に示した図である。 図2は、希土類磁石前駆体の組織を模式的に示した図である。 図3は、((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) で表される全体組成を有する希土類磁石前駆体における、xと磁化との関係を示すグラフである。 図4は、実施例1の試料についてのB−H曲線を示す図である。 図5は、比較例の試料についてのB−H曲線を示す図である。 図6は、比較例の試料の走査型透過電子顕微鏡像を示す図である。 図7は、図6で白線で囲まれた部分を成分分析した結果を示す図である。 図8は、図7の結果を纏めた図である。 図9は、実施例1の試料の走査透過電子顕微鏡像を示す図である。 図10は、図9中の白矢線に沿って成分分析した結果を纏めた図である。 図11は、実施例2の試料についてのB−H曲線を示す図である。
以下、本開示に係る希土類磁石及びその製造方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本開示に係る希土類磁石及びその製造方法を限定するものではない。
R−Fe−B系希土類磁石は、R−Fe−B系合金溶湯を液体急冷等することによって得られる。液体急冷等によって、RFe14Bで表される磁性相(以下、このような相を「RFe14B相」ということがある。)が形成される。RFe14B相が形成された後の残液中では、RFe14B相の形成に寄与しなかった余分なRによって、Rリッチ相が形成される。Rリッチ相は、RFe14B相の周囲に形成される。
このようなR−Fe−B系希土類磁石に改質材を浸透する際、改質材中の合金が、RFe14B相と同じ希土類元素を主として含有するとき、改質材中の希土類元素は、RFe14B相中に浸透し難い。例えば、Nd−Fe−B系希土類磁石に、Nd−Cu合金を含有する改質材を浸透する際、改質材中のNdは、Ndリッチ相に留まり易く、NdFe14B相に浸透し難い。
これに対し、改質材中の合金が、RFe14B相と異なる希土類元素を主として含有するとき、改質材中の希土類元素は、RFe14B相に浸透し易い。例えば、Nd−Fe−B系希土類磁石に、Dy−Cu合金を含有する改質材を浸透する際、改質材中のDyは、NdFe14B相に浸透し易い。
Fe14B相のRが、主としてCe及びLaであり、かつ、改質材がCe及びLa以外の希土類元素を主として含有している場合、改質材中の合金の希土類元素は、RFe14B相中に、特に浸透し易いということを、本発明者らは知見した。
このような場合、非磁性の改質材が浸透されているにもかかわらず、磁化の低下が抑制されており、かつ、保磁力が向上されていることを、本発明者らは知見した。
これらの知見に基づく、本開示に係る希土類磁石の構成を次に説明する。
(全体組成)
本開示の希土類磁石の全体組成は、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) ・(R 1−z で表される。
上式中、R及びRは、Ce及びLa以外の希土類元素である。Tは、Fe、Ni、及びCoから選ばれる1種以上である。Mは、Ti、Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Mn、V、W、Ta、Ge、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、Mg、Hg、Ag、及びAuから選ばれる1種以上、並びに不可避的不純物である。Mは、Rの融点を低下させる合金元素及び不可避的不純物である。
pは、Ce、La、及びRの合計含有量であり、qは、B(ホウ素)の含有量であり、rは、Mの含有量であり、sは、RとMの合計含有量であり、p、q、r、及びsの値は、それぞれ、原子%である。
xは、CeとLaの含有量割合を示す。yは、Ce及びLaの合計含有量とRの含有量の割合を示す。zは、RとMの含有割合を示す。x、y、及びzの値は、それぞれ、モル比である。
本開示の希土類磁石は、後述するように、希土類磁石前駆体に、改質材を浸透して得られる。希土類磁石前駆体は、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) で表される全体組成を有する。改質材は、R 1−z で表される組成を有する合金を含有する。
希土類磁石前駆体に浸透させる合金の量は、s原子%、すなわち、1.0〜11.0原子%である。したがって、本開示の希土類磁石の全体組成は、((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) で表される組成と、(R 1−z )sで表される組成との合計となる。これらを合計した組成は、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) ・(R 1−z で表される。
希土類磁石前駆体中に、適正量の((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r)14Bで表される相が存在するためには、12.0≦p≦20.0及び5.0≦q≦20.0であればよい。また、Mは、本開示の希土類磁石の特性を損なわない範囲で含有することができる。Mには不可避的不純物を含んでよい。不可避的不純物とは、原材料に含まれる不純物等、その含有を回避することが避けられない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物のことをいう。rが3.0以下であれば、本開示の希土類磁石の特性を損なわない。p、q、及びrの値それぞれは、通常のR−Fe−B系希土類磁石の場合と同等である。
Tは、鉄族元素に分類され、Fe、Ni、及びCoそれぞれの性質は、常温及び常圧で強磁性を示す点で共通する。したがって、これらを相互に入れ替えて用いてもよい。Coの含有により、磁化が向上し、キュリー点が上昇する。この効果は、Co含有量が0.1原子%以上で発現する。この観点からは、Coの含有量は0.1原子%以上が好ましく、1原子%がより好ましく、3原子%以上がより一層このましい。一方、Coは高価であり、Feが最も安価であるため、経済的には、T全体に対して、Feは80原子%以上が好ましく、90原子%以上がより好ましく、Tの全部がFeであってもよい。
(主相、粒界相、及び中間相)
次に、上式で表された全体組成を有する、本開示の希土類磁石の組織について説明する。図1は、本開示の希土類磁石の組織を模式的に示した図である。希土類磁石100は、主相10、粒界相20、及び中間相30を備える。
主相10の平均粒径は、保磁力確保の観点から、小さいほど好ましく、1000nm以下が好ましく、500nm以下がより好ましい。一方、主相10の平均粒径は、実用上、1nm以上、50nm以上、又は100nm以上であってよい。
ここで、「平均粒径」とは、例えば、図1で示す主相10の長手方向の長さtの平均値のことである。例えば、希土類磁石100の走査型電子顕微鏡像又は透過型電子顕微鏡像で、一定領域を規定し、この一定領域内に存在する主相10それぞれの長さtの平均値を算出し、それを「平均粒径」とする。主相10の断面形状が楕円形の場合は、その長軸の長さをtとする。主相の断面が四角形の場合は、長い方の対角線の長さをtとする。
希土類磁石100は、主相10、粒界相20、及び中間相30以外の相(図示しない)を含有してもよい。主相10、粒界相20、及び中間相30以外の相としては、酸化物、窒化物、及び金属間化合物等が挙げられる。
希土類磁石100の特性は、主として、主相10、粒界相20、及び中間相30によって発揮される。主相10、粒界相20、及び中間相30以外の相は、その大半が、不純物である。したがって、希土類磁石100に対する、主相10、粒界相20、及び中間相30の合計含有量については、95体積%以上が好ましく、97体積%以上がより好ましく、99体積%以上がより一層好ましい。
希土類磁石前駆体は、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) で表される組成を有する。図2は、希土類磁石前駆体の組織を模式的に示した図である。希土類磁石前駆体200は、((Ce(1−x)La(1−y) 14Bで表される磁性相50(以下、「磁性相50」ということがある。)を有する。磁性相50は結晶粒状である。磁性相50の周囲には、(Ce、La、R)リッチ相60が存在する。(Ce、La、R)リッチ相60は、磁性相50の形成に寄与しなかった元素で形成されており、Ce、La、及びRの濃度が高い。
希土類磁石前駆体200に改質材を浸透させると、改質材は、(Ce、La、R)リッチ相60を通じて、(Ce、La、R)リッチ相60と磁性相50との界面に到達する。そして、改質材中のRの一部が、(Ce、La、R)リッチ相60から磁性相50中へ浸透し、磁性相50中から(Ce、La、R)リッチ相60へCe及びLaが排出される。その結果、希土類磁石100中に、主相10、粒界相20、及び中間相30が形成される。
粒界相20は主相10の周囲に存在する。中間相30は、主相10と粒界相20の間に挟まれている。そして、CeとLaの合計濃度は、中間相30においてよりも、主相10において高くなっている。また、Rの濃度は、主相10においてよりも、中間相30において高くなっている。
Ce及びLaは、軽希土類元素であるため、磁性相中のCe及びLaが、Ce及びLa以外の希土類元素Rと置換されると、異方性磁界を増加させることができる。Rの濃度は、主相10においてよりも中間相30において高くなっていることから、異方性磁界は、主相10(磁性相の中心部)においてよりも、中間相30(磁性相の周辺部)において高くなる。これにより、磁性相である主相10同士は、粒界相20に加えて、中間相30によって、磁気的に一層強く分断される。これらにより、保磁力が向上する。なお、異方性磁界は、永久磁石の保磁力の大きさを表す物性値である。
が、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上であるとき、保磁力が一層向上する。Nd、Pr、Dy、及びTbは、これら以外の希土類元素と比べて、異方性磁界を一層増加させることができるためである。
中間相30が過度に薄いと、異方性磁界が低く、保磁力が低下する。この観点から、中間相30の厚さは、2nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましく、20nm以上がより一層好ましい。ここで、磁化に対する中間相30の厚みの感度は、Rによって好ましさが変わる。Rの飽和磁化(永久磁石の磁化の大きさを表す物性値)がLa及び/又はCeよりも大きい場合(Nd及び/又はPr)、中間相30が過度に薄いと、磁化が低下する。この観点から、中間相30の厚さは、2nm以上が好ましく、10nm以上がより好ましく、20nm以上がより一層好ましい。一方、Rの飽和磁化がLa及び/又はCeよりも小さい場合(Dy及び/又はTb)、中間相30が過度に薄いと、磁化が低下する。この観点から、中間相30の厚さは、50nm以下が好ましく、40nm以下がより好ましく、30nm以下がより一層好ましい。
の濃度が、主相10(磁性相の中心部)においてよりも、中間相30(磁性相の周辺部)において、1.5倍以上高ければ、磁気分断をより明瞭に認識できる。一方、Rの濃度が、主相10(磁性相の中心部)においてよりも、中間相30(磁性相の周辺部)において、10.0倍高いとき、磁気分断の効果は飽和しない。したがって、Rの濃度は、主相10においてよりも、中間相30において、1.5〜10.0倍高くなっていることが好ましい。1.5〜5.0倍高くなっていることがより好ましく、1.5〜3.0倍高くなっていることがより好ましい。
また、中間相が形成されたあと、中間相30により多くのRが浸透するためには、より多くのCe及びLaが、中間相30から粒界相20へ排出されることが好ましい。主相10にまでRが到達するには時間を要するため、より多くのCe及びLaが、中間相30から粒界相20へ排出されると、Ce及びLaの合計濃度が、中間相30においてよりも、主相10において一層高くなる。Ce及びLaの合計濃度が、中間相30においてよりも、主相10において、1.5倍以上高くなっていれば、より多くのRの浸透をより明瞭に認識できるようになる。一方、Ce及びLaの合計濃度が、中間相30においてよりも、主相10において、10.0倍高いとき、Rの浸透が飽和しない。したがって、Ce及びLaの合計濃度が、主相10においてよりも、中間相30において、1.5〜10.0倍高くなっていることが好ましい。1.5〜5.0倍高くなっていることがより好ましく、1.5〜3.0倍高くなっていることがより好ましい。
磁性相50中で、CeとLaが共存するときは、Laが存在せずCeが存在するときと比べて、(Ce、La、R)リッチ相60と磁性相50との界面で、Ce及びLaとRとが相互に移動し易くなる。そうすると、磁性相50中で、CeとLaが共存するとき、多くのCeとLaが磁性相50から(Ce、La、R)リッチ相60へ移動し、多くのRが(Ce、La、R)リッチ相60から磁性相50へ移動する。その結果、主相10と中間相30が形成されて、CeとLaの合計濃度は、中間相30においてよりも、主相10において高くなり、Rの濃度は、主相10においてよりも、中間相30において高くなる。以下の説明で、磁性相50中で、CeとLaが共存するとき、(Ce、La、R)リッチ相60と磁性相50との界面で、Ce及びLaとRとが相互に移動することを、「界面でのCe及びLaとRとの相互移動」ということがある。
磁性相50中に、Ce及びLa以外の希土類元素Rが少ないほど、界面でのCe及びLaとRとの相互移動が起こり易くなる。
上式で、yは、磁性相50における、Ce及びLa以外の希土類元素Rの許容量である。yは可能な限り小さい方が好ましく、0が理想である。しかし、原材料の製造コストが過剰に上昇することを避けるため、yの下限は0.03であってもよい。一方、yが0.1以下であれば、Ce及びLaとRとの相互移動が妨げられたとしても、実質的に問題は小さい。この観点からは、yは0.05以下であることが好ましい。
CeとLaは、Ce(1−x)Laで表される配合比で共存しているとよい。xが0.1以上であれば、界面でのCe及びLaとRとの相互移動が起こり易くなる効果が発現する。この効果は、xが0.1〜0.3の間で最大となる。xが0.5以下であれば、この効果の発現時以上の効果を得られる。これらのことから、xは0.2以上が好ましい。また、xは0.4以下が好ましく、0.3以下がより好ましい。
図3は、((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) で表される全体組成を有する希土類磁石前駆体200における、xと磁化との関係を示すグラフである。図3から分かるように、xが上述した範囲であるとき、改質材が浸透される前の希土類磁石前駆体200で、磁化が向上する。このことは、改質材の浸透によって保磁力を向上させても、磁化の低下を抑制する上で、好都合である。
理論に拘束されないが、CeとLaが共存するときには、さらに、次のことが考えられる。主相10と中間相30についての磁化及び保磁力と、Ce及びLaとRとの置換に分けて説明する。
まず、主相10と中間相30についての磁化及び保磁力について説明する。CeFe14Bで表される磁性相において、多くのCeは4価である。4価のCeは、4f電子が局在していない。4f電子は磁化の向上に寄与するが、4価のCeにおいては、4f電子が局在していないため、磁化が小さくなっていると考えられる。そこで、磁性相にLaを添加して、(Ce,Nd)Fe14Bで表される磁性相にすると、多くのCeの価数は3価になる。3価のCeにおいては、4f電子が局在するため、磁化が向上する。すなわち、CeとLaが共存すると、主相10と中間相30の磁化が向上する。また、改質材の浸透によって、中間相30のCeとLaがRと置換され、異方性磁界が主相10より大きくなる。そして、互いに隣接する主相10を磁気的に分断することにより、保磁力が向上する。
次に、Ce及びLaとRとの置換について説明する。LaFe14Bの格子安定エネルギーは、CeFe14Bの格子安定エネルギーよりも小さい。したがって、(Ce,La)Fe14Bの格子安定エネルギーは、CeFe14Bの格子安定エネルギーよりも小さい。これにより、CeとLaが共存するときは、Laが存在せずCeが存在するときと比べて、上述の界面で、Ce及びLaとRとが相互に移動し易くなるのに加え、LaFe14B及び/又はCeFe14B中で、La及び/又はCeの位置にRが置換されやすい。Ce及びLaとRとが相互に移動し易くなるため、Rの濃度は、主相10においてよりも、中間相30において一層高くなると考えられる。また、La及び/又はCeの位置にNd(R)が置換されることにより、磁化の低下を抑制することができる。さらに、粒界相20と中間相30との関係においても、LaFe14Bの格子安定エネルギーは、CeFe14Bの格子安定エネルギーよりも小さいことから、中間相30でLaFe14Bは存在し難く、Laとして粒界相20に排出され易い。これにより、Laの濃度は、中間相30においてよりも、粒界相20において高くなる。その結果、LaFe14Bの位置にNd(R)が置換されることにより、磁化の低下を抑制することができる。また、中間相30でのNd(R)の濃度が高くなり異方性磁界が大きくなることによって、保磁力向上にも寄与する。
Laの濃度は、中間相30においてよりも、粒界相20において、1.5倍以上、3.0倍以上、又は4.5倍以上高くてもよく、10.0倍以下、8.5倍以下、又は7.0倍以下高くてもよい。
これらにより、本開示の希土類磁石は、改質材の浸透によって保磁力を向上させても、磁化の低下を抑制することができる。
(製造方法)
次に、本開示の希土類磁石の製造方法について説明する。
(希土類磁石前駆体の準備)
全体組成が、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) である希土類磁石前駆体200を準備する。R、T、M、並びに、p、q、r、x、及びyについては、上述したとおりである。
希土類磁石前駆体200は、磁粉であってもよいし、磁粉の焼結体であってもよい。焼結体に熱間強加工を施した塑性加工体であってもよい。
磁粉の製造方法としては、周知の方法を採用することができる。例えば、液体急冷法によって、ナノ結晶組織を有する、等方性の磁粉を得る方法が挙げられる。あるいは、HDDR(Hydrogen Disproportionation Desorption Recombination)法によって、等方性若しくは異方性の磁粉を得る方法が挙げられる。
液体急冷法によって磁粉を得る方法を概説する。希土類磁石前駆体200の全体組成と同じ組成を有する合金を高周波溶解して、溶湯を準備する。例えば、50kPa以下に減圧したArガス雰囲気中で、溶湯を銅製単ロールに吐出して、急冷薄帯を作製する。この急冷薄帯を、例えば、10μm以下に粉砕する。
次に、焼結体を得る方法について概説する。粉砕によって得た磁粉を磁場配向させ、液相焼結を経て、異方性を有する焼結体を得る。あるいは、液体急冷法によって得た、等方性ナノ結晶組織を有する磁粉を焼結して、等方性を有する焼結体を得る。あるいは、等方性ナノ結晶組織を有する磁粉を焼結し、さらにその焼結体を強加工して、異方性を有する塑性加工体を得る。あるいは、HDDR法で得た、等方性若しくは異方性を有する磁粉を焼結して、等方性若しくは異方性を有する焼結体を得る。
(改質材の準備)
1−z で表される組成を有する合金を含有する改質材を準備する。Rは、Ce及びLa以外の希土類元素である。Mは、Rと合金化することによって、R 1−z の融点をRの融点よりも低下させる合金元素及び不可避的不純物である。RとMの割合は、0.1≦z≦0.5である。
希土類磁石前駆体200の磁性相50は、Ce及びLaを主として含有するのに対して、Rは、Ce及びLa以外の希土類元素である。そのため、後述する熱処理で、改質材の融液中のRが、希土類磁石前駆体200の磁性相50に浸透し易い。その結果、Rを含有する主相10及び中間相30が得られる。
が、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上であるとき、保磁力が一層向上する。Nd、Pr、Dy、及びTbは、これら以外の希土類元素と比べて、異方性磁界を一層増加させることができるためである。これらのことから、Rは、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上であることが好ましい。
が、Rと合金化することによって、R 1−z の融点をRの融点よりも低下させる合金元素及び不可避的不純物であることにより、後述する熱処理の温度を過度に高くしなくとも、改質材中の合金を溶融することができる。その結果、希土類磁石前駆体200の組織を粗大化することなく、改質材を希土類磁石前駆体200に浸透させることができる。Mには不可避的不純物を含んでよい。不可避的不純物とは、原材料に含まれる不純物等、その含有を回避することが避けられない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物のことをいう。
は、Cu、Al、及びCoから選ばれる1種以上及び不可避的不純物であることが好ましい。Cu、Al、及びCoは、希土類磁石の磁気特性等への悪影響が小さいためである。
とMとの合金としては、Nd−Cu合金、Pr−Cu合金、Tb−Cu合金、Dy−Cu合金、La−Cu合金、Ce−Cu合金、Nd−Pr−Cu合金、Nd−Al合金、Pr−Al合金、Nd−Pr−Al合金、Nd−Co合金、Pr−Co合金、及びNd−Pr−Co合金等が挙げられる。
とMの割合について説明する。zが0.1以上であれば、改質材中の合金の融点が適正に低下するため、後述する熱処理の温度が適正となる。その結果、希土類磁石前駆体200の組織が粗大化を抑制できる。合金の融点の適正化の観点からは、zについては、0.2以上が好ましく、0.25以上がより好ましい。一方、zが0.5以下であれば、合金中のRの含有量が多いため、Rを主相10及び中間相30まで浸透させ易い。この観点からは、zについては、0.4以下が好ましく、0.35以下がより好ましい。Rが2種以上の元素である場合には、その合計である。Mについても同様である。
改質材の製造方法は特に制限されない。改質材の製造方法としては、鋳造法、液体急冷法等が挙げられる。改質材の部位により、合金成分のばらつきが小さい、酸化物等の不純物が少ないという観点から、液体急冷法が好ましい。
(接触体の準備)
希土類磁石前駆体200と改質材を互いに接触させて、接触体を得る。希土類磁石前駆体200と改質材の両方がバルク体の場合には、希土類磁石前駆体200の少なくとも一面と、改質材の少なくとも一面とを、互いに接触させる。バルク体は、塊状体、板材、薄帯、圧粉体、及び焼結体等を含む。例えば、希土類磁石前駆体200と改質材の両方が薄帯の場合には、希土類磁石前駆体200の一面と薄帯の一面を互いに接触させてもよいし、希土類磁石前駆体200を改質材で挟み込み、希土類磁石前駆体200の両面に改質材を接触させてもよい。
希土類磁石前駆体200がバルク体で、改質材が粉末の場合には、希土類磁石前駆体200の少なくとも一面に改質材の粉末を接触させてもよい。典型的には、希土類磁石前駆体200の上面に改質材の粉末を載置してもよい。
希土類磁石前駆体200と改質材の両方が粉末の場合には、それぞれの粉末を、互いに混合してもよい。
(熱処理)
上述の接触体を熱処理して、希土類磁石前駆体200の内部に、改質材の融液を浸透させる。これにより、改質材の融液が、希土類磁石前駆体200の(Ce、La、R)リッチ相60を通じて、希土類磁石前駆体200の磁性相50に到達し、希土類磁石100の主相10及び中間相30を形成する。
改質材の浸透量は、希土類磁石前駆体200に対して1.0〜11.0原子%であることが好ましい。改質材が希土類磁石前駆体200の内部に少しでも浸透すれば、本開示の希土類磁石100が得られる。改質材の浸透量が1.0原子%以上であれば、本開示の希土類磁石100の効果が明瞭に認識できる。この観点からは、改質材の浸透量は2.6原子%以上が好ましく、4.0原子%以上がより好ましく、5.0原子%以上がより一層好ましい。一方、改質材の浸透量が11.0原子%以下であれば、改質材の浸透による効果は飽和しない。この観点からは、改質材の浸透量は8.0原子%以下が好ましく、7.5原子%以下がより好ましい。
熱処理温度は、改質材が溶融し、かつ、希土類磁石前駆体200の磁性相50の内部に、改質材の融液を浸透させることができれば、特に制限はない。
熱処理温度が高いほど、改質材の融液、特にRを希土類磁石前駆体200の磁性相50の内部に浸透させ易い。この観点からは、熱処理温度については、600℃以上が好ましく、625℃以上がより好ましく、675℃以上がより一層好ましい。一方、熱処理温度が低いほど、希土類磁石前駆体200の組織、特に磁性相50の粗大化を抑制し易い。この観点からは、熱処理温度については、800℃以下が好ましく、775℃以下がより好ましく、725℃以下がより一層好ましい。
熱処理雰囲気に特に制限はないが、希土類磁石前駆体200及び改質材の酸化抑制の観点からは、不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガス雰囲気には、窒素ガス雰囲気を含む。
以下、本開示の希土類磁石及びその製造方法を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の希土類磁石及びその製造方法は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。
(実施例1の試料の作製)
まず、希土類磁石前駆体200を作製する。(Ce0.75La0.2512.47Fe81.23Cu0.205.73Ga0.37で表される組成を有する合金溶湯を、単ロール法で液体急冷して薄帯を得た。液体急冷の条件としては、溶湯温度(吐出温度)が1450℃であり、ロール周速が30m/sであった。液体急冷は、アルゴンガス減圧雰囲気下で行われた。薄帯がナノ結晶を有していることを透過電子顕微鏡(TEM)観察で確認した。
薄帯を粗粉砕して粉末とし、その粉末をダイスに装入し、加圧及び加熱して、焼結体を得た。加圧及び加熱条件としては、加圧力が400MPaであり、加熱温度が650℃であり、加圧及び加熱の保持時間が60秒であった。
焼結体を熱間据え込み加工(熱間強加工)して、希土類磁石前駆体200(塑性加工体)を得た。熱間据え込み加工条件としては、加工温度が750℃であり、歪速度が0.1〜10.0/sであった。塑性加工体が配向したナノ結晶を有していることを走査型電子顕微鏡(SEM)で確認した。
改質材としてNd70Cu30合金を作製した。(株)高純度化学製のNd粉末とCu粉末を秤量して、それをアーク溶解し、液体急冷して薄帯を得た。
希土類磁石前駆体200(塑性加工体)と改質材(薄帯)を互いに接触させて、加熱炉で熱処理した。改質材の量は、希土類磁石前駆体200に対して5.3原子%(10質量%)であった。加熱炉としては、アルバック理工(株)製のランプ炉を用いた。熱処理条件としては、熱処理温度が700℃であり、熱処理時間が360分であった。
(実施例2の試料の作製)
希土類磁石前駆体200を作製するための合金の組成が、(Ce0.50La0.5012.47Fe81.23Cu0.205.73Ga0.37であることを除き、実施例1と同様にして、実施例2の試料を作製した。
(比較例の試料の作製)
希土類磁石前駆体200を作製するための合金の組成が、Ce12.47Fe81.23Cu0.205.73Ga0.37であることを除き、実施例1と同様にして、比較例の試料を作製した。
(参考例の試料の作製)
希土類磁石前駆体200を作製するための合金の組成が、Nd13.86Fe79.91Cu0.205.66Ga0.37であることを除き、実施例1と同様にして、参考例の試料を作製した。
(評価)
実施例1〜2、比較例、及び参考例の試料について、保磁力と磁化を測定した。測定は、Lake Shore社製の振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用い、常温で行った。
実施例1及び比較例の試料については、走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いて組織観察し、成分分析(EDX線分析)を行った。
評価結果を、表1及び図4〜11に示す。図4は、実施例1の試料についてのB−H曲線(磁気ヒステリシス曲線)を示す図である。図5は、比較例の試料についてのB−H曲線(磁気ヒステリシス曲線)を示す図である。図6は、比較例の試料の走査型透過電子顕微鏡(STEM)像を示す図である。図7は、図6で白線で囲まれた部分を成分分析(EDX線分析)した結果を示す図である。図7中、白の直線は、EDX線分析した箇所を示す。図8は、図7の結果を纏めた図である。図9は、実施例1の試料の走査型透過電子顕微鏡(STEM)像を示す図である。図10は、図9中の白矢線に沿ってEDX線分析した結果を纏めた図である。図11は、実施例2の試料についてのB−H曲線(磁気ヒステリシス曲線)を示す図である。
表1から分かるように、実施例1〜2の試料においては、改質材の浸透によって保磁力を向上させても、磁化の低下を抑制できていることが確認できた。
比較例についての図6〜8から分かるように、希土類磁石中の希土類元素がCeだけであっても、Ce及びLaの合計濃度が、中間相30においてよりも、主相10において高くなっており、Nd(R)の濃度が、主相10においてよりも、中間相30において高くなっている。
これに対して、LaFe14Bの格子安定エネルギーは、CeFe14Bの格子安定エネルギーよりも小さい。したがって、実施例1の試料では、CeとLaが共存することによって、Ce及びLaとRとが相互に移動し易くなるのに加え、LaFe14B及び/又はCeFe14B中で、La及び/又はCeの位置にNd(R)が置換されたと考えられる。すなわち、Laの存在により、Ce及びLaとRとが相互に移動し易くなるため、Nd(R)の濃度は、主相10においてよりも、中間相30において一層高くなったと考えられる。また、表1で確認された磁化の低下の抑制は、La及び/又はCeの位置にNd(R)が置換されることに起因すると考えられる。
希土類磁石100の内部に、CeとLaが共存するとき、主相10、粒界相20、及び中間相30において、Ce、La、及びNd(R)の濃度が次のようになっていることを、図10から確認できた。すなわち、Ce及びLaの合計濃度が、中間相30においてよりも、主相10において高くなっていた。また、Rの濃度は、主相10においてよりも、中間相30において高くなっていた。さらに、Laの濃度が、中間相30においてよりも、粒界相20において高くなっていた。そして、Laの濃度については、中間相30においてよりも、粒界相20において、1.5〜10.0倍高くなっていた。これは、LaFe14Bの格子安定エネルギーは、CeFe14Bの格子安定エネルギーよりも小さいことから、主相10及び中間相30で、LaFe14Bは存在し難く、Laとして粒界相20に排出されたことによると考えられる。
以上の結果から、本発明の効果を確認できた。
10 主相
20 粒界相
30 中間相
50 磁性相
60 (Ce、La、R)リッチ相
100 希土類磁石
200 希土類磁石前駆体

Claims (17)

  1. 主相と、
    前記主相の周囲に存在する粒界相と、
    前記主相と前記粒界相との間に挟まれている中間相と、
    を備え、
    全体組成が、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) ・(R 1−z (ただし、R及びRは、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Tは、Fe、Ni、及びCoから選ばれる1種以上であり、Mは、Ti、Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Mn、V、W、Ta、Ge、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、Mg、Hg、Ag、及びAuから選ばれる1種以上、並びに不可避的不純物であり、Mは、Rと合金化することによって、R 1−z の融点をRの融点よりも低下させる合金元素及び不可避的不純物であり、かつ、
    p、q、r、及びs、並びにx、y、及びzが、
    12.0≦p≦20.0、
    5.0≦q≦20.0、
    0≦r≦3.0、
    1.0≦s≦11.0
    0.1≦x≦0.5、
    0≦y≦0.1、及び
    0.1≦z≦0.5
    である。)で表され、
    Ce及びLaの合計濃度が、前記中間相においてよりも、前記主相において高くなっており、かつ、
    の濃度が、前記主相においてよりも、前記中間相において高くなっている、
    希土類磁石。
  2. Laの濃度が、前記中間相においてよりも、前記粒界相において高くなっている、請求項1に記載の希土類磁石。
  3. が、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上である、請求項1又は2に記載の希土類磁石。
  4. Ce及びLaの合計濃度が、前記中間相においてよりも、前記主相において、1.5〜10.0倍高くなっている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  5. の濃度が、前記主相においてよりも、前記中間相において、1.5〜10.0倍高くなっている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  6. Laの濃度が、前記中間相においてよりも、前記粒界相において、1.5〜10.0倍高くなっている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  7. 前記xが、0.2≦x≦0.3である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  8. 前記zが、0.2≦z≦0.4である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  9. 前記中間相の厚さが、5〜50nmである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  10. 前記Tが、Feである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の希土類磁石。
  11. 全体組成が、式((Ce(1−x)La(1−y) (100−p−q−r) (ただし、Rは、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Tは、Fe、Ni、及びCoから選ばれる1種以上であり、Mは、Ti、Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Mn、V、W、Ta、Ge、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、Mg、Hg、Ag、及びAuから選ばれる1種以上、並びに不可避的不純物であり、かつ、
    p、q、及びr、並びにx及びyが、
    12.0≦p≦20.0、
    5.0≦q≦20.0、
    0≦r≦3.0、
    0.1≦x≦0.5、及び
    0≦y≦0.1である。)
    で表され、磁性相と、前記磁性相の周囲に存在する(Ce、La、R)リッチ相とを備える希土類磁石前駆体を準備すること、
    1−z (ただし、Rは、Ce及びLa以外の希土類元素であり、Mは、Rと合金化することによって、R 1−z の融点をRの融点よりも低下させる合金元素及び不可避的不純物であり、かつ、0.1≦z≦0.5である。)で表される合金を含有する改質材を準備すること、
    前記希土類磁石前駆体と前記改質材を互いに接触させて、接触体を得ること、及び
    前記接触体を熱処理して、前記希土類磁石前駆体の前記磁性相の内部に、前記改質材の融液を浸透させること、
    を含む、希土類磁石の製造方法。
  12. 前記Rが、Nd、Pr、Dy、及びTbから選ばれる1種以上であり、前記Mが、Cu、Al、及びCoから選ばれる1種以上及び不可避的不純物である、請求項11に記載の方法。
  13. 前記zが、0.2≦z≦0.4である、請求項11又は12に記載の方法。
  14. 前記改質材の浸透量が、前記希土類磁石前駆体に対して、1.0〜11.0原子%である、請求項11〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記熱処理の温度が、600〜800℃である、請求項11〜14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記xが、0.2≦x≦0.3である、請求項11〜15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記Tが、Feである、請求項11〜16のいずれか一項に記載の方法。
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