JP2999649B2 - 希土類磁石並びに希土類磁石合金粉末とその製造方法 - Google Patents

希土類磁石並びに希土類磁石合金粉末とその製造方法

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JP2999649B2
JP2999649B2 JP5085291A JP8529193A JP2999649B2 JP 2999649 B2 JP2999649 B2 JP 2999649B2 JP 5085291 A JP5085291 A JP 5085291A JP 8529193 A JP8529193 A JP 8529193A JP 2999649 B2 JP2999649 B2 JP 2999649B2
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earth magnet
magnet
alloy powder
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裕和 金清
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    • H01F1/0571Alloys characterised by their composition containing rare earth metals and magnetic transition metals, e.g. SmCo5 and IIIa elements, e.g. Nd2Fe14B in the form of particles, e.g. rapid quenched powders or ribbon flakes

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、モーターやアクチュ
エーターなどに最適な希土類焼結磁石やボンド磁石に係
り、希土類元素の含有量が少ない特定組成のFe−Co
−B−(R,Dy)−M合金(RはNd、Prの1種ま
たは2種)溶湯を超急冷法にてアモルファス組織とな
し、特定の熱処理にて微細結晶集合体を得ることによ
り、ハードフェライト磁石では得られなかった5kG以
上の残留磁束密度Brを有するボンド磁石に最適の希土
類磁石合金粉末を得る製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電装品用モーターやアクチュエーターな
どに使用される永久磁石は主にハードフェライト磁石に
限定されていたが、低温でのiHc低下に伴う低温減
磁、セラミックス材質のために機械的強度が低くて割
れ、欠けが発生し易いこと、複雑な形状が得難いことな
どの問題があった。
【0003】今日、自動車は省資源のため車両の軽量化
による燃費の向上が強く要求されており、自動車用電装
品はより一層の小型、軽量化が求められている。また、
自動車用電装品以外の家電用モーターなどの用途におい
ても、性能対重量比を最大にするための設計が検討され
ており、現在のモーター構造では磁石材料としてBrが
5〜7kG程度のものが最適とされている。すなわち、
使用する磁石材料のBrが8kG以上の場合、現在のモ
ーター構造では磁路となる回転子やステーターの鉄板の
断面積を増大させる必要があり、重量の増大を招来する
が、Brが5〜7kGであれば性能対重量比を最大にす
ることができる。
【0004】従って、小型モーター用の磁石材料は磁気
特性的には特に5kG以上の残留磁束密度Brが要求さ
れているが、従来のハードフェライト磁石では得ること
ができない。例えばNd−Fe−B系ボンド磁石ではか
かる磁気特性を満足するが、金属の分離精製や還元反応
に多大の工程並びに大規模な設備を要するNd等を10
〜15at%含有しているため、ハードフェライト磁石
に比較して著しく高価であり、現在のところ大量生産が
可能で安価に提供できるBrが5〜7kG程度の磁石材
料は、見出されていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一方、Nd−Fe−B
系磁石において、最近、Nd4Fe7719(at%)近
傍でFe3B型化合物を主相とする磁石材料が提案
(R.Coehoorn等、J.de Phys.、C
8,1988,669〜670頁)された。この磁石材
料はアモルファスリボンを熱処理することにより、Fe
3BとNd2Fe14Bの結晶集合組織を有する準安定構造
であるが、iHcが2〜3kOe程度と高くなく、また
このiHcを得るための熱処理条件が狭く限定され、工
業生産上実用的でない。
【0006】このFe3B型化合物を主相とする磁石材
料に添加元素を加えて多成分化し、性能向上を図った研
究が発表されている。その1つは希土類元素にNdのほ
かにDyとTbを用いてiHcの向上を図るものである
が、高価な元素を添加する問題のほか、添加希土類元素
はその磁気モーメントがNdやFeの磁気モーメントと
反平行して結合するため磁化が減少する問題がある
(R.Coehoorn、J.Magn,Magn,M
at.、83(1990)228〜230頁)。
【0007】他の研究(Shen Bao−genら、
J.Magn,Magn,Mat.、89(1991)
335〜340頁)として、 Feの一部をCoにて置
換してキュリー温度を上昇させ、iHcの温度係数を改
善するものであるが、Coの添加にともないBrを低下
させる問題がある。
【0008】いずれにしてもFe3B型Nd−Fe−B
系磁石は、超急冷法によりアモルファス化した後、熱処
理してハード磁石材料化できるが、iHcが低く、かつ
前記熱処理条件が狭く、添加元素にて高iHc化を図る
と磁気エネルギー積が低下するなど、安定した工業生産
ができず、ハードフェライト磁石の代替えとして安価に
提供することができない。
【0009】また、Nd−Fe−B系合金をアモルファ
ス化するためには、超急冷時のロール周速度を著しく速
くする必要があり、製品の回収率や歩留りが低下する問
題があり、さらにFe基合金であることから、保存時の
腐食が進行し易く、長期間の保存により初期の磁気特性
が維持できずに劣化する問題があった。
【0010】この発明は、Fe3B型Fe−B−R系磁
石(Rは希土類元素)に着目して、iHcと(BH)m
axを向上させ、安定した工業生産が可能な製造方法の
確立と、5kG以上の残留磁束密度Brを有しハードフ
ェライト磁石の代替えとして安価に提供できるFe3
型R−Fe−B系磁石を目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明は、Fe3B型
系Fe−B−R磁石のiHcと(BH)maxを向上さ
せ、安定した工業生産が可能な製造方法を目的に種々検
討した結果、希土類元素のNdの一部をDyで置換する
ことによりNd2Fe14B相の異方性磁界を向上させ、
高保磁力を図ると共に、Coの添加により超急冷法を用
いたアモルファス生成能力を高め、かつiHcの温度係
数を改善し、さらに、Ag、Al、Si、Ga、Cuの
少なくとも1種を少量添加することにより結晶粒の微細
化を図り、特定の昇温速度による熱処理にて微細結晶集
合体を得ることにより、ハードフェライト磁石では得ら
れなかった5kG以上の残留磁束密度Brとともに保磁
力及び磁化の向上を図ったボンド磁石に最適の希土類磁
石合金粉末が得られることを知見し、この発明を完成し
た。
【0012】この発明は、組成式をFe100-x-y-zCox
y(R1-aDyazw (但し、RはNd、Prの1
種または2種、MはAg、Al、Si、CuまたはGa
の1種または2種以上)と表し、組成範囲を限定する記
号x、y、z、a、wが下記値を満足し、Fe3B型化
合物を主相とし、Nd2Fe14B型結晶構造を有する強
磁性相を有し、平均結晶粒径が0.01〜0.1μmの
微細結晶集合体からなることを特徴とする希土類磁石で
ある。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦5.5at% 0.02≦a≦0.9 0.1≦w≦3at%
【0013】また、この発明は、組成式をFe
100-x-y-zCoxy(R1-aDyazw (但し、Rは
Nd、Prの1種または2種、MはAg、Al、Si、
CuまたはGaの1種または2種以上)と表し、組成範
囲を限定する記号x、y、z、a、wが上記値を満足
し、Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe14B型結晶
構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が0.01
〜0.1μmの微細結晶集合体からなり、平均粒径が3
〜500μm、磁気特性がiHc≧4kOe、Br≧7
kG、(BH)max≧8MGOeであることを特徴と
する希土類磁石合金粉末である。
【0014】また、この発明は、(1)組成式をFe
100-x-y-zCoxy(R1-aDyazw (但し、Rは
Nd、Prの1種または2種、MはAg、Al、Si、
CuまたはGaの1種または2種以上)と表し、組成範
囲を限定する記号x、y、z、a、wが上述の値を満足
する合金溶湯を超急冷法にて実質的に90%以上をアモ
ルファス組織となし、(2)さらに熱処理に際し500
℃からの昇温速度を1〜15℃/分で昇温して550〜
700℃で30秒〜6時間保持する熱処理を施し、
(3)Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe14B型結
晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が0.0
1〜0.1μmの微細結晶集合体を得たのち、(4)こ
れを粉砕して磁石合金粉末を得ることを特徴とする希土
類磁石合金粉末の製造方法である。
【0015】組成の限定理由 希土類元素Rは特定量のNd、Dyの1種または2種に
Dyを含有するときのみ高い磁気特性が得られ、他の希
土類、例えばCe、LaではiHcが4kOe以上の特
性が得られず、またSm以降の中希土類元素、重希土類
元素は磁気特性の劣化を招来するとともに磁石を高価格
にするため好ましくない。R(Nd、Dyの1種または
2種)は、3at%未満では4kOe以上のiHcが得
られず、また5.5at%を超えるとFe3B相が生成
せず、硬磁性を示さない準安定相のR2Fe233相が折
出しiHcは著しく低下するので好ましくないため、3
〜5.5at%の範囲とする。R中のDy量を0.02
〜0.9に限定した理由は、DyはiHcを向上させる
のに特に有効に作用するが、0.02未満では4kOe
以上のiHcが得られず、0.9を超えるとBrの低下
が著しく好ましくないためである。
【0016】Bは、16at%未満および22at%を
超えると2kOe以上のiHcが得られないため、16
〜22at%の範囲とする。
【0017】Coは、iHc及び減磁曲線の角型性の向
上改善に有効であるが、0.05at%未満ではかかる
効果が得られず、15at%を超えるとiHcは著しく
低下し、2kOe以上のiHcが得られないため、0.
05〜15at%の範囲とする。
【0018】Ag、Al、Si、Cu及びGaは熱処理
温度範囲を拡大して減磁曲線の角型性を改善し、磁気特
性のBr、(BH)maxを増大させる効果を有し、か
かる効果を得るには少なくとも0.1at%以上の添加
が必要であるが、3at%を超えるとかえって角型性を
劣化させ、(BH)maxも低下するため、0.1〜3
at%の範囲とする。
【0019】Feは、上述の元素の含有残余を占める。
【0020】製造条件の限定理由 この発明において、上述の特定組成の合金溶湯を超急冷
法にてアモルファスとなし、500℃以上から1〜15
℃/分の昇温速度で昇温した後、550〜700℃で3
0秒〜6時間保持する熱処理を施すことにより、熱力学
的には準安定相であるFe3B型化合物とNd2Fe14
型結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が
0.01〜0.1μmの微細結晶集合体として得ること
が最も重要であり、合金溶湯の超急冷処理には公知の回
転ロールを用いた超急冷法を採用することができるが、
実質的に90%以上をアモルファスとなす必要がある。
例えばCu製ロールを用いる場合は、そのロール表面周
速度が10〜50m/秒の範囲が好適な組織が得られる
ため好ましい。すなわち周速度が10m/秒未満ではア
モルファスとならずα−Fe相の析出量が増大して好ま
しくなく、ロール表面周速度が50m/秒を超えると、
急冷された合金が連続的なリボンとして生成せず、合金
片が飛散し、装置から合金を回収する際の回収率や回収
能率が低下して好ましくない。ただし、微量のα−Fe
相が急冷薄帯中に存在しても特性を著しく低下させるも
のでなく許容される。
【0021】この発明において、上述の特定組成の合金
溶湯を超急冷法にてアモルファスとなした後、磁気特性
が最高となる熱処理は組成に依存するが、熱処理温度が
550℃未満ではアモルファス相のままで4kOe以上
のiHcが得られず、また700℃を超えると熱平衡相
であるα−Fe相とFe2BまたはNd1.1Fe44相が
生成してiHcが発源しないため、熱処理温度は550
〜700℃に限定する。熱処理雰囲気はArガス中など
の不活性ガス雰囲気が好ましい。
【0022】熱処理時間は短くてもよいが、30秒未満
では十分なミクロ組織の生成が行われず、iHc及び減
磁曲線の角型性が劣化し、また6時間を超えると4kO
e以上のiHcが得られないので、熱処理保持時間を3
0秒〜6時間に限定する。
【0023】この発明において重要な特徴として、熱処
理に際して500℃以上からの昇温速度があり、1℃/
分未満の昇温速度では、昇温中にNd2Fe14B相とF
3B相の結晶粒径が大きく成長しすぎてiHcが劣化
し、4kOe以上のiHcが得られない。また、15℃
/分を超える昇温速度では、500℃を通過してから生
成するNd2Fe14B相の析出が十分に行われず、α−
Fe相の析出量が増大して、磁化曲線の第2象限にBr
点近傍に磁化の低下のある減磁曲線となり、(BH)m
axが劣化するため好ましくない。ただし、微量のα−
Fe相の存在は許容できる。なお、熱処理に際して50
0℃未満までは急速加熱などその昇温速度は任意であ
る。
【0024】結晶構造 この発明による希土類磁石並びに希土類磁石合金粉末の
結晶相は、Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe14
型結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が
0.01〜0.1μmの微細結晶集合体からなることを
特徴としている。
【0025】この発明において、磁石合金の平均結晶粒
径が0.1μmを超えると、減磁曲線の角型性が著しく
劣化し、Br≧7kG、(BH)max≧8MGOeの
磁気特性を得ることができない。また、平均結晶粒径は
細かいほど好ましいが、0.01μm未満の平均結晶粒
径を得ることは工業生産上困難であるため、下限を0.
01μmとする。
【0026】磁石化方法 特定組成の合金溶湯を超急冷法にてアモルファスとな
し、500℃以上からの昇温速度を1〜15℃/分で昇
温した後、550〜700℃で30秒〜6時間保持する
熱処理を施すことにより、平均結晶粒径が0.01〜
0.1μmの微細結晶集合体として得たこの発明による
希土類磁石合金粉末を用いて磁石化するには、700℃
以下で固化、圧密化できる公知の焼結磁石化方法並びに
ボンド磁石化方法の何れも採用することができ、特に、
当該合金を平均粒径が3〜500μmの合金粉末に粉砕
したのち、公知のバインダーと混合して所要のボンド磁
石となすことにより、5kG以上の残留磁束密度Brを
有するボンド磁石を得ることができる。
【0027】
【作用】この発明は、希土類元素の含有量が少ない特定
組成のFe−Co−B−(Nd,Dy)−M系合金溶湯
を超急冷法にて実質的に90%以上をアモルファス組織
となすと、特定量のCoを含有するためアモルファス薄
帯の回収率が著しく向上し、さらに得られたフレーク、
リボンを500℃以上から1〜15℃/分の昇温速度で
昇温した後、550〜700℃で30秒〜6時間保持す
る熱処理を施すことにより、平均結晶粒径が0.01〜
0.1μmの微細結晶集合体となり、主相のFe3B型
化合物相のほか、Nd2Fe14B型結晶構造相を有する
強磁性相の量比が増大し、α−Fe相が減少し、Ag、
Al、Si、CuまたはGaを含有するためCoを含有
してもiHcの低下がなく、さらに減磁曲線の角型性が
改善されることにより、iHc≧4kOe、Br≧7k
G、(BH)max≧8MGOeの磁気特性が得られ、
さらにこれを粉砕して磁石合金粉末化することによっ
て、5kG以上の残留磁束密度Brを有するボンド磁石
に最適のFe−Co−B−R−M系磁石合金粉末を得る
ことができ、また焼結磁石化することにより従来のアル
ニコ系磁石と同等以上の磁気特性を得ることができる。
【0028】
【実施例】実施例1 表1のNo.1〜の組成となるように、純度99.5
%以上のFe、Co、B、Nd、Pr、Dy、Ag、A
l、Si、Cu、Gaの金属を用いて、総量が30gr
となるように秤量し、底部に直径0.8mmのオリフィ
スを有する石英るつぼ内に投入し、圧力56cmHgの
Ar雰囲気中で高周波加熱により溶解し、溶解温度を1
400℃にした後、湯面をArガスにより加圧して室温
にてロール周速度20m/秒にて高速回転するCu製ロ
ールの外周面に0.7mmの高さから溶湯を噴出させ
て、幅2〜3mm、厚み30〜40μmの超急冷薄帯を
作製した。得られた超急冷薄帯をCuKαの特性X線に
よりアモルファスであることを確認した。
【0029】この超急冷薄帯をArガス中で500℃ま
で急速加熱した後、500℃以上を表1に示す昇温速度
で昇温し、表1に示す熱処理温度で10分間保持し、そ
の後室温まで冷却して薄帯を取り出し、幅2〜3mm、
厚み30〜40μm、長さ3〜5mmの試料を作製し、
VSHを用いて磁気特性を測定した。測定結果を表2に
示す。なお、試料の測定結果は、正方晶と斜方晶が混在
するFe3B相が主相で、Nd2Fe14B相とα−Fe相
が混在する多相組織であり、平均結晶粒径はいずれも
0.1μm以下であった。なお、Coはこれらの各相で
Feの一部を置換するが、Ag、Al、Si、Ga、C
uについては添加量が少ない上、超微細結晶であるため
分析不能であった。また、Dyは主相のNd2Fe14
相のNdの一部と置換する
【0030】比較例 表1のNo.7.8の組成となるように純度99.5%
以上のFe、Co、B、Ndを用いて実施例1と同条件
で超急冷薄帯を作製した。得られた薄帯を実施例1と同
一条件の熱処理を施し、冷却後に実施例1と同条件で試
料化(比較例No.7.8)してVSMを用いて磁気特
性を測定した。測定結果を表2に示す。比較例No.
7.8の組織は実施例1の組織と類似していたが、結晶
粒が実施例1に比較して粗大化していた。
【0031】実施例2 実施例1で得られた表1の組成No.2の超急冷薄帯
を、表1の熱処理後に平均粒径150μm以下に粉砕
し、エポキシ樹脂なるバインダーを2wt%の割合で混
合したのち、15mm×15mm×7mm寸法のボンド
磁石を作成した。得られたボンド磁石の磁気特性は、i
Hc=5kOe、Br=6.4kG、(BH)max=
5MGOeであった。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
【発明の効果】この発明は、特定組成のFe−Co−B
−(Nd,Dy)−M系合金溶湯を超急冷法にてアモル
ファス組織となし、これに特定条件の熱処理を施すこと
により、平均結晶粒径が0.01〜0.1μmの微細結
晶集合体となり、主相のFe3B型化合物相のほか、N
2Fe14B型結晶構造相の量比が増大し、α−Fe相
が減少することにより、永久磁石薄帯となり、さらにこ
れを粉砕して磁石合金粉末化することによって、iHc
≧4kOe、Br≧7kG、(BH)max≧8MGO
eの磁気特性が得られ、5kG以上の残留磁束密度Br
を有するボンド磁石に最適のFe−Co−B−(Nd,
Dy)−M系磁石合金粉末を得ることができ、また焼結
磁石化することにより従来のアルニコ系磁石と同等以上
の磁気特性を得ることができる。また、この発明は、希
土類元素の含有量が少なく、製造方法が簡単で大量生産
に適しているため、5kG以上の残留磁束密度Brを有
し、ハードフェライト磁石を超える磁気的性能を有し、
磁気部品と磁石体との一体成型を採用することによって
工程を短縮することができ、焼結ハードフェライトを凌
ぐ性能対コスト比を実現し得るボンド磁石を提供するこ
とができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 1/053 B22F 1/00 C22C 33/02 C22C 38/00 303 H01F 1/06

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 組成式をFe100-x-y-zCoxy(R1-a
    Dyazw (但し、RはNd、Prの1種または2
    種、MはAg、Al、Si、CuまたはGaの1種また
    は2種以上)と表し、組成範囲を限定する記号x、y、
    z、a、wが下記値を満足し、Fe3B型化合物を主相
    とし、Nd2Fe14B型結晶構造を有する強磁性相を有
    し、平均結晶粒径が0.01〜0.1μmの微細結晶集
    合体からなることを特徴とする希土類磁石。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦5.5at% 0.02≦a≦0.9 0.1≦w≦3at%
  2. 【請求項2】 組成式をFe100-x-y-zCoxy(R1-a
    Dyazw (但し、RはNd、Prの1種または2
    種、MはAg、Al、Si、CuまたはGaの1種また
    は2種以上)と表し、組成範囲を限定する記号x、y、
    z、a、wが下記値を満足し、Fe3B型化合物を主相
    とし、Nd2Fe14B型結晶構造を有する強磁性相を有
    し、平均結晶粒径が0.01〜0.1μmの微細結晶集
    合体からなり、平均粒径が3〜500μm、磁気特性が
    iHc≧4kOe、Br≧7kG、(BH)max≧8
    MGOeであることを特徴とする希土類磁石合金粉末。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦5.5at% 0.02≦a≦0.9 0.1≦w≦3at%
  3. 【請求項3】 組成式をFe100-x-y-zCoxy(R1-a
    Dyazw (但し、RはNd、Prの1種または2
    種、MはAg、Al、Si、CuまたはGaの1種また
    は2種以上)と表し、組成範囲を限定する記号x、y、
    z、a、wが下記値を満足する合金溶湯を超急冷法にて
    実質的に90%以上をアモルファス組織となし、さらに
    熱処理に際し500℃からの昇温速度を1〜15℃/分
    で昇温して550〜700℃で30秒〜6時間保持する
    熱処理を施し、Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe
    14B型結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径
    が0.01〜0.1μmの微細結晶集合体を得たのち、
    これを粉砕して磁石合金粉末を得ることを特徴とする希
    土類磁石合金粉末の製造方法。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦5.5at% 0.02≦a≦0.9 0.1≦w≦3at%
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