JP2023085304A - 磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石材料の保磁力を高める。【解決手段】磁石材料は、組成式２：（Ｒ１－ｕＹｕ）ｘＮｂｙＢｔＭ１００－ｘ－ｙ－ｔ（Ｒは希土類元素からなる群より選ばれる少なくともの一つの元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏ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４≦ｘ≦１１原子％を満足する数であり、ｙは０≦ｙ≦６．５原子％を満足する数であり、ｔは０≦ｔ＜１２原子％を満足する数であり、ｕは０．０１≦ｕ≦０．５を満足する数である）により表され、ＴｎＭｎ１２型結晶構造及びＴｂＣｕ７型結晶構造からなる群より選ばれる少なくとも一つの構造を具備し、ｚ＝（１００－ｘ－ｙ－ｔ）／（ｘ＋ｙ）により定義されるｚは、７．５≦ｚ≦１２を満足する数である。【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、上記製品の小型化や高効率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。

特許第４３２０７０１号公報 特開２００４－２６３２３２号公報 特開平９－７４００６号公報

本発明が解決しようとする課題は、磁石材料の保磁力を高めることである。

実施形態の磁石材料は、組成式２：（Ｒ_１－ｕＹ_ｕ）_ｘＮｂ_ｙＢ_ｔＭ_{１００－ｘ－ｙ－ｔ}（Ｒは希土類元素からなる群より選ばれる少なくともの一つの元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏ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４≦ｘ≦１１原子％を満足する数であり、ｙは０≦ｙ≦６．５原子％を満足する数であり、ｔは０≦ｔ＜１２原子％を満足する数であり、ｕは０．０１≦ｕ≦０．５を満足する数である）により表され、ＴｎＭｎ_１２型結晶構造及びＴｂＣｕ_７型結晶構造からなる群より選ばれる少なくとも一つの構造を具備し、ｚ＝（１００－ｘ－ｙ－ｔ）／（ｘ＋ｙ）により定義されるｚは、７．５≦ｚ≦１２を満足する数である。

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）
実施形態の磁石材料は、希土類元素と、Ｍ元素（ＭはＦｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素）と、Ｎｂ元素と、Ｂ元素とを含有する。上記磁石材料は、高濃度のＭ元素を含む結晶相を主相とする金属組織を具備する。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。上記磁石材料は副相を含んでいてもよい。副相は例えば主相の結晶粒間に存在する粒界相や微細結晶相、不純物相等である。高濃度のＭ元素を含む結晶相としては、例えばＴｈＭｎ_１２型結晶相やＴｂＣｕ_７型結晶相が挙げられる。

希土類元素及びＭ元素に加え、Ｎｂ元素とＢ元素とを添加することにより非晶質の形成能を高め、保磁力を高めることができる。上記磁石材料の用途の一つにボンド磁石とそれを用いたモータがある。近年、モータの小型化や高速化の需要が増加しており、それに伴い磁石の耐熱性向上に対する要求が高まっている。耐熱性向上のためには保磁力の向上が必要である。

大きな磁気異方性を有する磁石材料において、保磁力を発現させるための有効な方法の一つに磁石材料中の結晶粒を微細化する方法がある。よって、主相は、微結晶を有することが好ましい。微結晶は、例えば液体急冷法を用いて非晶質の薄帯を作製してその後に適切な熱処理を施して結晶粒の析出と成長を行うことにより形成される。

磁気異方性が高い主相を微細化することにより、個々の結晶粒が単磁区状態となりやすくなり、逆磁区発生と磁壁伝播を抑制して高い保磁力を発現する。結晶粒径が微細すぎる場合も粗大すぎる場合も保磁力が低くなるため、主相の平均結晶粒径は、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは、０．５ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１ｎｍ以上６０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。また、主相の粒径分布を狭くすることにより角型比を向上させることができる。

粒界相として非磁性又は弱磁性の粒界相を形成してもよい。これにより結晶粒間の磁気的な結合が切断され、逆磁区の発生や磁壁の伝播を抑制する効果が高まり、保磁力を向上させることができる。

保磁力を高めるためには希土類元素、Ｍ元素、Ｎｂ元素、Ｂ元素の各添加量を制御する必要がある。実施形態の磁石材料は、例えば組成式１：Ｒ_ｘＮｂ_ｙＢ_ｔＭ_{１００－ｘ－ｙ－ｔ}により表される。なお、磁石材料は、不可避不純物を含んでいてもよい。

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、イットリウム（Ｙ）、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元素の添加量ｘは、例えば６．２＜ｘ≦８原子％を満足する数であることが好ましい。ｘが少なすぎる場合も多すぎる場合も異相が析出して保磁力が低下する。Ｒ元素の添加量ｘは、６．３≦ｘ≦７．７原子％を満足する数、さらには６．４≦ｘ≦７．５原子％を満足する数、さらには６．５≦ｘ≦７．４原子％を満足する数であることがより好ましい。

ニオブ（Ｎｂ）は、高濃度のＭ元素を含む結晶相の安定化に有効な元素である。また、非晶質化の促進に有効な元素である。Ｎｂ元素の添加量ｙは、Ｒ元素の添加量ｘとの間で特定の関係式を満たすように調整することにより、磁石材料の性能、例えば保磁力を高めることができる。Ｎｂ元素の添加量ｙは、例えば０．７５≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５を満足する数であることが好ましい。

ｘ／（ｘ＋ｙ）が０．７５未満の場合、結晶構造中のＳｍ濃度が低下し、磁石材料の磁気異方性が低下することや、主相の安定性が低下し、例えばα－Ｆｅ相とＲ_２Ｆｅ_１４Ｂ相に分解しやすくなる等の理由により高い保磁力を得にくくなる。

ｘ／（ｘ＋ｙ）が０．９５より大きい場合、Ｎｂの量が少なくなりすぎて非晶質化が困難となり、保磁力が低下する。より好ましくは０．７６≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９３を満足する数であり、さらに好ましくは０．７７≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９を満足する数である。

Ｎｂ元素の５０原子％以下は、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、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、Ｔａ元素、及びＨｆ元素は、結晶相の安定化や非晶質化に有効な元素である。

Ｍ元素は、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、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Ｍ元素の５０原子％以上がＦｅであることが好ましい。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。このため、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１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）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、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、例えば主相を構成する結晶粒の成長に寄与する。

ホウ素（Ｂ）は、非晶質化の促進に有効な元素である。Ｂ元素の添加量ｔを適切に制御することにより、単ロール急冷法等の工業生産性の高い手法で非晶質な薄帯を得ることができる。Ｂ元素の添加量ｔは、例えば０≦ｔ＜１２原子％を満足する数であることが好ましい。Ｂ元素が多すぎる場合にはＲ_２Ｆｅ_１４Ｂ相等の異相が形成されやすくなり、保磁力が低下する。Ｂ元素を実質的に含まなくても非晶質化は可能であるが、単ロール法を用いる場合には、ロール周速を速めて冷却速度を高める必要があり、工業生産性が低下する。Ｂ元素の添加量ｔは０．５≦ｔ≦１１原子％を満足する数であることがより好ましく、さらに好ましくは１≦ｔ≦１０．８原子％を満足する数であり、さらに好ましくは２≦ｔ≦１０．５原子％を満足する数である。

Ｒ元素の一部はＹ元素により置換されてもよい。このとき、磁石材料は、例えば組成式２：（Ｒ_１－ｕＹ_ｕ）_ｘＮｂ_ｙＢ_ｔＭ_{１００－ｘ－ｙ－ｔ}により表される。なお、磁石材料は、不可避不純物を含んでいてもよい。Ｒ元素、Ｎｂ元素、Ｂ元素、Ｍ元素の説明については、上記説明を適宜援用することができる。

Ｙ元素は高濃度のＭ元素を含む結晶相、例えばＴｈＭｎ_１２型結晶相やＴｂＣｕ_７型結晶相の安定化に有効な元素である。高濃度のＭ元素を含む結晶相はＭ元素濃度を高めるほど飽和磁化が高くなり、磁石特性を高めることができるが、Ｍ元素濃度が高くなると結晶構造が不安定になり、主相の分解や、α－Ｆｅ又はα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出により保磁力が低下する。これに対し、Ｒ元素の一部をＹ元素で置換することにより、高濃度のＭ元素を含む結晶相の安定性を高めることができ、よりＭ元素濃度を高めることができる。これにより、高い保磁力と高い磁化を両立することができる。Ｙ元素の添加量ｕは０．０１≦ｕ≦０．５原子％を満足する数であることが好ましい。ｕが少なすぎる場合には安定化の効果が少なく、ｕが大すぎる場合には磁気異方性が低下し、保磁力が低下する。ｕは０．０２≦ｕ≦０．４原子％を満足する数であることがより好ましく、さらに好ましくは０．０５≦ｕ≦０．３原子％である。

なお、組成式１又は組成式２により表される磁石材料において、（１００－ｘ－ｙ－ｔ）／（ｘ＋ｙ）により定義されるｚの値は、Ｍ元素の添加量に比例し、ｚの値が大きいほど高い磁化が得られる。ｚは７．５≦ｚ≦１２を満足する数であることが好ましい。ｚが７．５未満の場合にはＭ元素濃度が低くなり、磁化が低下する。ｚが１２より大きい場合にはα－Ｆｅ又はα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出が避けられず、保磁力が低下する。ｚは８≦ｚ≦１２を満足する数であることがより好ましく、さらに好ましくは８．５≦ｚ≦１２であり、さらに好ましくは９＜ｚ≦１２を満足する数であり、さらに好ましくは９．５≦ｚ≦１２を満足する数である。組成式２により表される磁石材料の場合、好ましくは９＜ｚ≦１２を満足する数であり、さらに好ましくは９．５≦ｚ≦１２を満足する数である。Ｒの一部をＹで置換することにより、高濃度のＭ元素を含む結晶相の安定性が向上し、ｚの値が大きい組成で保磁力を高めやすくなる。

組成式２により表される磁石材料において、Ｒ元素とＹ元素の添加量ｘとＮｂの添加量ｙは、４≦ｘ≦１１原子％、０≦ｙ≦６．５原子％をそれぞれ満足する数であることが好ましいが、ｙが０．７５≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５を満足する数であることがより好ましい。さらに好ましくは０．７６≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９３を満足する数であり、さらに好ましくは０．７７≦ｘ／（ｘ＋ｙ）≦０．９を満足する数である。また、ｘは６．２＜ｘ≦８原子％を満足する数であることがより好ましく、さらに好ましくは６．３≦ｘ≦７．７原子％を満足する数であり、さらに好ましくは６．４≦ｘ≦７．５原子％を満足する数であり、さらに好ましくは６．５≦ｘ≦７．４原子％を満足する数である。

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。Ａ元素は窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、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。

実施形態の磁石材料は、液体急冷法（メルトスパン法）で作製された急冷合金薄帯の形態であってもよいし、急冷合金薄帯を原料素材とした、例えば粉末状等であってもよい。薄帯は平均厚さが１０μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましい。薄帯が薄すぎる場合には表面劣化層の割合が増え、磁石特性、例えば磁化が低下する。また、薄帯が厚すぎる場合には、薄帯内で冷却速度の分布が生じやすくなり、保磁力が低下する。薄帯の平均厚さは、好ましくは１５μｍ以上５０μｍ以下であり、さらに好ましくは２０μｍ以上４０μｍ以下である。

実施形態の磁石材料の固有保磁力は、３００ｋＡ／ｍ以上２５００ｋＡ／ｍ以下である。耐熱性を高めるために、より好ましくは５００ｋＡ／ｍ以上２５００ｋＡ／ｍ以下であり、さらに好ましくは６００ｋＡ／ｍ以上２５００ｋＡ／ｍ以下であり、さらに好ましくは６１０ｋＡ／ｍ以上２５００ｋＡ／ｍ以下であり、さらに好ましくは６２０ｋＡ／ｍ以上２５００ｋＡ／ｍ以下であり、さらに好ましくは６４０ｋＡ／ｍ以上２５００ｋＡ／ｍ以下である。

実施形態の磁石材料の残留磁化は、０．７Ｔ以上１．６Ｔ以下である。残留磁化が高いほどモータの小型化等に効果的である。残留磁化は、好ましくは０．７５Ｔ以上１．６Ｔ以下であり、さらに好ましくは０．８Ｔよりも高く１．６Ｔ以下である。

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）、走査型透過電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ－Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＴＥＭ－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。

主相の平均粒径は次のように求められる。磁石材料の断面においてＳＴＥＭ－ＥＤＸを用いて特定した主相結晶粒に対し、任意の粒を選択し、選択した粒に対し、両端が別の相に接する最も長い直線Ａを引く。次に、この直線Ａの中点において、直線Ａに垂直であり、かつ両端が別の相に接する直線Ｂを引く。この直線Ａと直線Ｂの長さの平均を相の径Ｄとする。上記手順で１個以上の任意の相のＤを求める。一つのサンプルに対して５視野で上記Ｄを算出し、各Ｄの平均を相の径（Ｄ）と定義する。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。

急冷合金薄帯の平均厚さは例えば次のように求められる。１０ｍｍ以上の薄帯片に対し、マイクロメータを用いて厚さを測定する。１０個以上の薄帯片について厚さを測定し、最大値と最小値を除いた値の平均値を求めることにより、薄帯の平均厚さが算出される。

磁石材料の保磁力や磁化等の磁石特性は、例えば振動試料型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）を用いて算出される。

次に、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。

上記合金を溶解して急冷する。これにより、合金を非晶質化する。溶解された合金は、例えば液体急冷法（メルトスパン法）を用い冷却される。液体急冷法では、合金溶湯を高速回転するロールに射出する。ロールは単ロール型でも双ロール型でもよく、材質は主に銅等が使用される。射出する溶湯の量や、回転するロールの周速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。合金の非晶質化の程度は組成と冷却速度により制御できる。また、上記の合金作製時にガスアトマイズ法等を用いることにより既に非晶質合金が得られている場合は改めて急冷工程を実施しなくてもよい。

上記非晶質化した合金又は合金薄帯に対して熱処理を施す。これにより、主相を結晶化し、微結晶を有する主相を備える金属組織を形成することができる。例えば、Ａｒ中や真空中等の不活性雰囲気下で５００℃以上１０００℃以下の温度で５分以上３００時間以下加熱する。

温度が低すぎる場合には結晶化や均一化が不十分となり保磁力が低下する。また、温度が高すぎる場合には主相の分解等により異相が生成され、保磁力や角型性が低下する。加熱温度は例えば５２０℃以上８００℃以下がより好ましく、さらに好ましくは５４０℃以上７００℃以下であり、さらに好ましくは５５０℃以上６５０℃以下である。加熱時間が短すぎる場合には結晶化や均一化が不十分となり保磁力が低下する。

加熱時間が長すぎる場合には主相の分解等により異相が生成され、保磁力や角型性が低下する。好ましい加熱時間は１５分以上１５０時間以下であり、さらに好ましくは３０分以上１２０時間以下であり、さらに好ましくは１時間以上１２０時間以下であり、さらに好ましくは２時間以上１００時間以下であり、さらに好ましくは３時間以上８０時間以下である。

加熱後には炉冷又は水中急冷、ガス急冷、オイル中急冷等の方法により結晶化した合金又は薄帯を冷却する。

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ガスも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。また、上記合金又は薄帯を粉砕することにより磁石粉末が製造される。さらに、上記磁石材料や磁石粉末を用いて永久磁石が製造される。磁石製造工程の一例を示す。

磁石材料を加圧焼結することにより、焼結体を有する永久磁石を形成することができる。加圧焼結の方法としては、プレス成型機で加圧した後に、加熱して焼結する方法や、放電プラズマ焼結法を用いる方法、ホットプレスを用いる方法、熱間加工法を用いる方法等が適用できる。例えば、磁石材料をジェットミルやボールミル等の粉砕装置を用いて粉砕し、１～２Ｔ程度の磁場中で１トン程度の圧力で磁場配向プレスすることにより成型体を得る。得られた成型体をＡｒ中や真空中等の不活性ガス雰囲気で加熱し焼結を行うことにより焼結体を作製する。焼結体に不活性雰囲気中等で適宜熱処理を加えることにより永久磁石を製造することができる。

また、上記磁石材料を粉砕し、粉砕物をバインダで固着させて混合することによりボンド磁石を製造することができる。バインダとしては、例えば熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、低融点合金、ゴム材料等を用いることができる。成型方法としては、例えば圧縮成型法や射出成型法を用いることができる。

ボンド磁石の磁気特性、特に残留磁化と最大磁気エネルギー積は、ボンド磁石の密度を高めることにより高めることができる。また、高密度化によりボンド磁石の空隙を減少させることにより耐食性を向上させることができる。

高密度化されたボンド磁石は、例えば組成式３：Ｒ_ｘＮｂ_ｙＢ_ｔＭ_{１００－ｘ－ｙ－ｔ}により表される磁石材料を有していてもよい。Ｒは希土類元素からなる群より選ばれる少なくともの一つの元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏ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４．０＜ｘ≦１１．０原子％を満足する数であり、ｙは０≦ｙ≦６．５を満足する数であり、ｔは０≦ｔ＜１２原子％を満足する数である。磁石材料のその他の説明は、上記磁石材料の説明を適宜援用できる。

薄帯形状を有する磁石材料では、成型時に材料間に生じる摩擦や、材料自体のスプリングバック等の要因により高密度化が困難である。

ボンド磁石の高密度化のために、圧縮成型工程において、６×１０^２ＭＰａ以上のプレス圧力を印加する加圧ステップと、続いて加圧ステップのプレス圧力の９０％以下の圧力までプレス圧力を下げる脱圧ステップと、を交互に切り替えることが有効である。加圧と脱圧とを切り替えることにより、スプリングバックによる局所的な残留応力の開放や材料の塑性変形を伴いながら、内部応力を均質化する方向でバインダや材料の流動が進行し、ボンド磁石の空隙を減少させて高密度化を実現できる。ボンド磁石の密度は、例えば６．４５ｇ／ｃｍ^３以上７．８ｇ／ｃｍ^３以下である。ボンド磁石の密度は、より好ましくは、６．５３ｇ／ｃｍ^３である。

加圧ステップの圧力は、６．０×１０^２ＭＰａ以上３．０×１０^３ＭＰａ以下が好ましい。６．０×１０^２ＭＰａ未満の圧力の場合、材料及びバインダを流動させる力が不十分であるため空隙を減少させる効果が低い。３．０×１０^３ＭＰａを超える圧力の場合、加圧力が強すぎて、特殊な金型や装置を必要とし、生産性を低下させる。加圧ステップの圧力は、より好ましくは、８．０×１０^２ＭＰａ以上２．５×１０^３ＭＰａ以下であり、さらに好ましくは、１０．０×１０^２ＭＰａ以上２．０×１０^３ＭＰａ以下である。

脱圧ステップでは、大気圧まで圧力を開放することが好ましいが、工業的には、大気圧以上の圧力を残存させることにより、リードタイムを短縮でき、生産性を向上させることができる。脱圧ステップの圧力は、加圧ステップの圧力の９０％以下が好ましい。加圧ステップの圧力の９０％を超える圧力では、脱圧ステップで十分に残留応力が開放されず、材料及びバインダの流動が進行しにくい。脱圧ステップの圧力は、より好ましくは加圧ステップの圧力の６０％以下であり、さらに好ましくは加圧ステップの圧力の３０％以下である。脱圧ステップの圧力の下限は大気圧であり、大気圧未満、すなわち減圧状態では、別途減圧装置を必要とし、生産性を著しく低下させる。

加圧ステップ及び脱圧ステップとの切り替えは、２回以上繰り返すことが好ましい。１回では、残留応力解放後の流動が少なく、空隙を減少させる効果が低い。切り替え回数は、より好ましくは３回以上であり、さらに好ましくは５回以上であり、さらに好ましくは１０回以上である。切り替え回数の上限は、例えば２０回以下が好ましい。２０回を超えると、残存空隙が少なすぎるため、材料及びバインダの流動が起こらず、高密度化の効果が低い。

ボンド磁石に用いられる磁石材料の平均長さは、５μｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。５μｍ未満では、加圧及び脱圧による材料及びバインダの流動が起こりづらく、密度向上が困難である。１ｍｍを超えると、ボンド磁石の表面粗さが大きくなり、寸法精度を低下させる。平均長さの下限は、例えば２０μｍ以上がより好ましく、さらに好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは１５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上である。平均長さの上限は、例えば８００μｍ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは５００μｍ以下である。平均長さを適切に制御することにより、加圧ステップ及び脱圧ステップの繰り返しによる密度向上効果を高めることができ、例えば６．５３ｇ／ｃｍ^３以上の高い密度を有するボンド磁石を実現できる。

ボンド磁石の密度は、成型体の寸法及び重量から求められる。より寸法精度を高めるために、ボンド磁石に研削加工等を施してから測定してもよい。磁石材料は、例えば篩い分けによって、平均長さを制御できる。カッターミルやハンマーミル等の各種粉砕装置の粉砕時間やスクリーン径等の粉砕条件を調整することにより平均長さを制御してもよい。平均長さは、例えばＳＥＭ像から５０個以上の粉末の長辺方向の長さを求め、その平均値により定義できる。

圧縮成型時に杵や臼等の成型用金型に回転運動又は往復運動を加えて、プレス圧力を印加してもよい。これによりせん断力等の力が加わり、高密度化を実現できる。

ボンド磁石のバインダは、例えばエポキシ系樹脂、ナイロン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂等の樹脂を含む。樹脂は、粉末状樹脂、液状樹脂、又はこれらの形状の樹脂の混合物でもよいが、特に液状樹脂を用いるとボンド磁石を高密度化させやすい。液状樹脂の粘度は、１ポアズ以上５００ポアズ以下が好ましい。

バインダの含有量は、０．５質量％以上５質量％以下が好ましい。５質量％を超えると磁気特性を著しく低下させる。０．５質量％未満では結着力が不足し、十分な強度を得られない。バインダの含有量は、好ましくは１質量％以上４質量％以下であり、さらに好ましくは２質量％以上３質量％以下である。

ボンド磁石は、例えばチタン系カップリング材やシリコン系カップリング材等のカップリング材を含んでいてもよい。カップリング剤は、粉末の分散性を向上させる効果を有し、磁石密度の向上に有効である。磁石材料は、脂肪酸、脂肪酸塩類、アミン類、アミン酸類等の滑剤により表面処理されることにより密度を向上できる。

（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１は永久磁石モータを示す図である。図１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。また、上記永久磁石は同期リラクタンスモータのフラックスバリア部分に挿入することもできる。これにより、同期リラクタンスモータの力率を高めることができる。

図２は可変磁束モータを示す図である。図２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２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３は発電機を示している。図３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４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１、２のモータ、図３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５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１、２のモータ、図３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１－４）
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、得られた溶湯を単ロール法により急冷し、急冷合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下において６５０℃の温度で４時間加熱し、ガス急冷した。磁石材料の組成はＩＣＰ－ＡＥＳを用いて評価した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力を評価した。磁石材料の組成、保磁力、及び残留磁化の評価結果を表１に示す。

（実施例５－９）
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、得られた溶湯を単ロール法により急冷し、急冷合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下において６３０℃の温度で１２時間加熱し、ガス急冷した。磁石材料の組成はＩＣＰ－ＡＥＳを用いて評価した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力及び残留磁化を評価した。磁石材料の組成、保磁力、及び残留磁化の評価結果を表１に示す。

（実施例１０－１６）
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、得られた溶湯を単ロール法により急冷し、急冷合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下において６００℃の温度で３０時間加熱し、ガス急冷した。磁石材料の組成はＩＣＰ－ＡＥＳを用いて評価した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力及び残留磁化を評価した。磁石材料の組成、保磁力、及び残留磁化の評価結果を表１に示す。

（比較例１－３）
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、得られた溶湯を単ロール法により急冷し、急冷合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下において６４０℃の温度で１時間加熱し、ガス急冷した。磁石材料の組成はＩＣＰ－ＡＥＳを用いて評価した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力及び残留磁化を評価した。磁石材料の組成、保磁力、及び残留磁化の評価結果を表１に示す。磁石材料の組成、保磁力、及び残留磁化の評価結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１－１６の磁石材料は、組成式１又は組成式２により表され、ｚ＝（１００－ｘ－ｙ－ｔ）／（ｘ＋ｙ）により定義されるｚが７．５≦ｚ≦１２を満足する数である。また、実施例１－１６の磁石材料は、ＴｎＭｎ_１２型結晶相及びＴｂＣｕ_７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を有する主相を具備する。さらに、実施例１－１６の磁石材料は、固有保磁力が６１０ｋＡ／ｍ以上であり、残留磁化は０．８０Ｔを超える。

（実施例１７－１９）
実施例１０－１６と同様の方法で磁石材料を作製したのち、平均長さが２００μｍ以上５００μｍ以下となるように磁石材料を粉砕した。粉砕粉、エポキシ系樹脂、チタン系カップリング剤を、それぞれ９７．０質量％、２．５質量％、０．５質量％となるよう秤量し、アセトンを適量加えて混合した。その後、アセトンを揮発させて混合粉を作製した。得られた混合粉を金型に充填した後に、１０．０×１０^２ＭＰａの圧力を印加して充填物を加圧する加圧ステップと、その後大気圧まで脱圧する脱圧ステップと、を交互に切り替えて５回繰り返し、成型体を作製した。得られた成型体を１３０℃の温度で１時間熱処理してボンド磁石を作製し、密度及び磁気特性を評価した。磁石材料の組成、ボンド磁石の密度、残留磁化、及び最大磁気エネルギー積の評価結果を表２に示す。残留磁化及び最大磁気エネルギー積は、Ｂ－Ｈトレーサーを用いて測定した。

（実施例２０、２１）
実施例１０－１６と同様の方法で磁石材料を作製し、平均長さが１００μｍ以上２００μｍ以下となるように磁石材料を粉砕した。粉砕粉、エポキシ系樹脂、チタン系カップリング剤を、それぞれ９７．０質量％、２．５質量％、０．５質量％となるよう秤量し、アセトンを適量加えて混合した。その後、アセトンを揮発させて混合粉を作製した。得られた混合粉を金型に充填した後に、１０．０×１０^２ＭＰａの圧力を印加して充填物を加圧する加圧ステップと、その後大気圧まで脱圧する脱圧ステップと、を交互に切り替えて５回繰り返し、成型体を作製した。得られた成型体を１３０℃の温度で１時間熱処理してボンド磁石を作製し、密度及び磁気特性を評価した。磁石材料の組成、ボンド磁石の密度、残留磁化、及び最大磁気エネルギー積の評価結果を表２に示す。残留磁化及び最大磁気エネルギー積は、Ｂ－Ｈトレーサーを用いて測定した。

（比較例４）
実施例１０－１６と同様の方法で磁石材料を作製し、平均長さが２００μｍ以上５００μｍ以下となるように磁石材料を粉砕した。粉砕粉、エポキシ系樹脂、チタン系カップリング剤を、それぞれ９７．０質量％、２．５質量％、０．５質量％となるよう秤量し、アセトンを適量加えて混合した。その後、アセトンを揮発させて混合粉を作製した。得られた混合粉を金型に充填した後に、１０．０×１０^２ＭＰａの圧力を印加して充填物を加圧する加圧ステップと、その後大気圧まで脱圧する脱圧ステップと、を１回ずつ行い、成型体を作製した。得られた成型体を１３０℃の温度で１時間熱処理してボンド磁石を作製し、密度及び磁気特性を評価した。磁石材料の組成、ボンド磁石の密度、残留磁化、及び最大磁気エネルギー積の評価結果を表２に示す。残留磁化及び最大磁気エネルギー積は、Ｂ－Ｈトレーサーを用いて測定した。

（比較例５）
実施例１０－１６と同様の方法で磁石材料を作製し、平均長さが１００μｍ以上２００μｍ以下となるように磁石材料を粉砕した。粉砕粉、エポキシ系樹脂、チタン系カップリング剤を、それぞれ９７．０質量％、２．５質量％、０．５質量％となるよう秤量し、アセトンを適量加えて混合した。その後、アセトンを揮発させて混合粉を作製した。得られた混合粉を金型に充填した後に、１０．０×１０^２ＭＰａの圧力を印加して充填物を加圧する加圧ステップと、その後大気圧まで脱圧する脱圧ステップと、を１回ずつ行い、成型体を作製した。得られた成型体を１３０℃の温度で１時間熱処理してボンド磁石を作製し、密度及び磁気特性を評価した。磁石材料の組成、ボンド磁石の密度、残留磁化、及び最大磁気エネルギー積の評価結果を表２に示す。残留磁化及び最大磁気エネルギー積は、Ｂ－Ｈトレーサーを用いて測定した。

表２に示すように、実施例１７－２１のボンド磁石の６．４５ｇ／ｃｍ^３以上の高い密度を有する。このことから、ボンド磁石の製造条件を調整することによりボンド磁石の密度を向上できることがわかる。

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。

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 (18)

1. 組成式２：（Ｒ_１－ｕＹ_ｕ）_ｘＮｂ_ｙＢ_ｔＭ_{１００－ｘ－ｙ－ｔ}
   （Ｒは希土類元素からなる群より選ばれる少なくともの一つの元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏ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４≦ｘ≦１１原子％を満足する数であり、ｙは０≦ｙ≦６．５原子％を満足する数であり、ｔは０≦ｔ＜１２原子％を満足する数であり、ｕは０．０１≦ｕ≦０．５を満足する数である）
   により表され、
   ＴｎＭｎ_１２型結晶構造及びＴｂＣｕ_７型結晶構造からなる群より選ばれる少なくとも一つの構造を具備し、
   ｚ＝（１００－ｘ－ｙ－ｔ）／（ｘ＋ｙ）により定義されるｚは、７．５≦ｚ≦１２を満足する数である、磁石材料。
2. ｚは、９＜ｚ≦１２を満足する数である、請求項１に記載の磁石材料。
3. 固有保磁力が５００ｋＡ／ｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の磁石材料。
4. 残留磁化が０．７５Ｔ以上である、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. 前記少なくとも一つの構造を具備する主相を有する、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. 前記主相の平均結晶粒径は、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項５に記載の磁石材料。
7. Ｒ元素の５０原子％以上がＳｍ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. Ｎｂ元素の５０原子％以下がＺｒ、Ｈｆ、Ｔａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素により置換されている、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. Ｍ元素の５０原子％以上がＦｅ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. Ｍ元素の２０原子％以下がＮｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、及びＭｏからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素により置換されている、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. 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と、
    バインダと、
    を具備する、永久磁石。
12. 前記永久磁石の密度は、６．４５ｇ／ｃｍ^３以上である、請求項１１に記載の永久磁石。
13. 前記永久磁石の密度は、６．５３ｇ／ｃｍ^３以上である、請求項１１に記載の永久磁石。
14. 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。
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１１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の永久磁石を具備する、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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