JP3630164B2 - Magnetic alloy material and method for producing the same - Google Patents

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本発明は、磁気冷凍作業物質あるいは磁歪材料として好適に用いられる磁性合金材料およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a magnetic alloy material suitably used as a magnetic refrigeration working substance or a magnetostrictive material and a method for producing the same.

近年、組成式:La1-zREz(Fe1-xx-yTMy13(A=Al、Si、Ga、Ge、Snのうち少なくとも1種の元素0.05≦x≦0.2、TMは遷移金属元素のうち少なくとも1種の元素0≦y≦0.1、REはLaを除く希土類元素のうち少なくとも1種の元素0≦z≦0.1)で表される磁性合金(以下、「LaFe13系磁性合金」と称する。)は、NaZn13型の結晶構造を有し、キュリー温度(Tc)付近で、大きな磁気熱量効果および磁気体積効果を示すことから、磁気冷凍作業物質および磁歪材料として、有望視されている(例えば、特許文献1、特許文献2および非特許文献1)。 In recent years, composition formula: La 1-z RE z (Fe 1-x A xy TM y ) 13 (A = at least one element of Al, Si, Ga, Ge, Sn 0.05 ≦ x ≦ 0.2) , TM is a magnetic alloy represented by at least one element of transition metal elements 0 ≦ y ≦ 0.1, RE is at least one element of rare earth elements excluding La, 0 ≦ z ≦ 0.1) (Hereinafter referred to as “LaFe 13 -based magnetic alloy”) has a NaZn 13 type crystal structure and exhibits a large magnetocaloric effect and magnetovolume effect near the Curie temperature (Tc). As a magnetostrictive material, it is considered promising (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1).

LaFe13系磁性合金は、従来、例えば、アーク溶解あるいは高周波溶解により得られた鋳造合金を真空中で1050℃、約168時間の熱処理をすることによって製造されていた。
特開2000−54086号公報 特開2002−69596号公報 「遍歴電子メタ磁性La(FexSi1-x)13化合物の強大な磁気体積および磁気熱量効果」、藤田麻哉、他、まてりあ、第41巻、第4号、269頁〜275頁、2002
The LaFe 13 series magnetic alloy has been conventionally produced by, for example, subjecting a cast alloy obtained by arc melting or high frequency melting to a heat treatment in vacuum at 1050 ° C. for about 168 hours.
JP 2000-54086 A JP 2002-69596 A “The strong magnetic volume and magnetocaloric effect of the itinerant electron metamagnetism La (FexSi1-x) 13 compound”, Maya Fujita, et al., Materia, Vol. 41, No. 4, pp. 269-275, 2002

しかしながら、従来のLaFe13系磁性合金の製造方法には、以下の問題点がある。 However, the conventional method for producing a LaFe 13 series magnetic alloy has the following problems.

所定の組成の合金溶湯から得られた鋳造合金は、上記組成式におけるAおよびTMの一部が固溶したα−Fe相と、残部で構成される相とを含む2つ以上の粗大な結晶相が複雑に入り組んだ組織(例えば後述の図6(a)参照)を有している。NaZn13型結晶構造を有する化合物相(以下、「LaFe13型化合物相」という。)は、これらの粗大な結晶相の界面から生成する(例えば後述の図6(b)参照)。従って、このような粗大な結晶相を有する組織から、LaFe13系磁性合金(金属間化合物)を得るためには、上述したように、高温で長時間の熱処理によって均質化(以下、「均質化熱処理」ということがある。)を施していた。この長時間に亘る均質化熱処理が不可欠なことから、LaFe13系磁性合金は量産性に乏しいという問題があった。 A cast alloy obtained from a molten alloy having a predetermined composition has two or more coarse crystals including an α-Fe phase in which a part of A and TM in the above composition formula is dissolved and a phase composed of the remainder. It has an intricate organization of phases (for example, see FIG. 6A described later). A compound phase having a NaZn 13 type crystal structure (hereinafter referred to as “LaFe 13 type compound phase”) is generated from the interface of these coarse crystal phases (see, for example, FIG. 6B described later). Therefore, in order to obtain a LaFe 13 -based magnetic alloy (intermetallic compound) from a structure having such a coarse crystal phase, as described above, homogenization (hereinafter referred to as “homogenization” by high-temperature heat treatment at a high temperature). Sometimes referred to as “heat treatment”. Since the homogenization heat treatment for a long time is indispensable, there is a problem that the LaFe 13 series magnetic alloy is poor in mass productivity.

また、長時間の均質化熱処理の間に合金表面が酸化等の腐食によって劣化し、その結果、磁気熱量効果や磁気体積効果が劣化するという問題もあった。   In addition, the alloy surface is deteriorated by corrosion such as oxidation during the long-time homogenization heat treatment, and as a result, there is a problem that the magnetocaloric effect and the magnetovolume effect are deteriorated.

さらに、鋳造合金は一般に塊状であり、均質化熱処理も塊状のまま実行される。磁気冷凍作業物質は、熱交換液体(例えば水系不凍液などの比熱の大きな液体)との熱交換効率を高めるために粒状(粉末状)で用いられることが多いのに対して、塊状の鋳造合金は粉砕性に乏しく、生産効率を低下させる要因となる。   Further, the cast alloy is generally massive, and the homogenization heat treatment is also carried out in bulk. Magnetic refrigeration work materials are often used in granular form (powder) to increase the heat exchange efficiency with heat exchange liquids (eg, liquids with high specific heat such as aqueous antifreeze), whereas bulk cast alloys are The grindability is poor, which causes a reduction in production efficiency.

本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、従来よりも高い効率でLaFe13系磁性合金材料を製造する方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such various points, and its main object is to provide a method for producing a LaFe 13 -based magnetic alloy material with higher efficiency than before.

本発明の磁性合金材料の製造方法は、所定の組成を有する合金原料の溶湯を用意する工程と、前記合金原料の溶湯を急冷することによって、組成式:Fe100-a-b-cREabTMc(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、ErおよびTmからなる群から選択され、Laを90原子%以上含む少なくとも1種の希土類元素、AはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選択される少なくとも1種の元素、TMはSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、CuおよびZnからなる群から選択される少なくとも1種の遷移金属元素、5原子%≦a≦10原子%、4.7原子%≦b≦18原子%、0原子%≦c≦9原子%)で表される組成を有する急冷合金を形成する工程と、前記急冷合金中に、NaZn13型結晶構造を有する化合物相を70体積%以上形成する工程とを包含し、そのことによって、上記目的が達成される。 Method for producing a magnetic alloy material of the present invention includes the steps of preparing a melt of an alloy material having a predetermined composition, by quenching a melt of the alloy material, the composition formula: Fe 100-abc RE a A b TM c (RE is selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Tm, and at least one rare earth element containing 90 atomic% or more of La, A Is at least one element selected from the group consisting of Al, Si, Ga, Ge and Sn, TM is at least selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu and Zn 1 type transition metal element, 5 atomic% ≦ a ≦ 10 atomic%, 4.7 atomic% ≦ b ≦ 18 atomic%, 0 atomic% ≦ c ≦ 9 atomic%) are formed. And in the quenched alloy, The compound phase having AZN 13 type crystal structure includes a step of forming 70 vol% or more, by the above-described object is achieved.

好ましい実施形態において、前記化合物相を形成する工程は、前記急冷合金を400℃以上1200℃以下の温度で、1秒以上100時間以下の時間に亘って熱処理を施す工程を包含する。   In a preferred embodiment, the step of forming the compound phase includes a step of heat-treating the quenched alloy at a temperature of 400 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower for a time of 1 second or longer and 100 hours or shorter.

前記熱処理工程は、前記急冷合金を10分以上熱処理する工程であることが好ましい。   The heat treatment step is preferably a step of heat-treating the quenched alloy for 10 minutes or more.

前記熱処理工程によって、全体に亘って、均質な組織を有するNaZn13型結晶構造を有する化合物相を形成することが好ましい。 It is preferable to form a compound phase having a NaZn 13 type crystal structure having a homogeneous structure throughout the heat treatment step.

ある実施形態において、前記急冷合金は、急冷直後において、NaZn13型結晶構造を有する前記化合物相を有することが好ましい。 In one embodiment, the quenched alloy preferably has the compound phase having a NaZn 13 type crystal structure immediately after quenching.

前記急冷合金を形成する工程における冷却速度は、1×102℃/秒以上1×108℃/秒以下であることが好ましい。 The cooling rate in the step of forming the quenched alloy is preferably 1 × 10 2 ° C./second or more and 1 × 10 8 ° C./second or less.

前記急冷合金は、厚さが10μm以上300μm以下の薄帯状であることが好ましい。   The quenched alloy is preferably in the form of a ribbon having a thickness of 10 μm to 300 μm.

好ましい実施形態において、前記磁性合金原料は、磁気熱量効果を有する。   In a preferred embodiment, the magnetic alloy raw material has a magnetocaloric effect.

好ましい実施形態において、前記急冷合金を粉砕する工程を更に含む。   In a preferred embodiment, the method further includes a step of pulverizing the quenched alloy.

磁気相転移を示すキュリー温度Tcが180K以上330K以下の範囲内にあることが好ましい。前記組成式中のTMとしてCoを含み、Coの比率を制御することによって異なるキュリー温度Tcを有する複数の磁性合金材料を得ることができる。   It is preferable that Curie temperature Tc which shows a magnetic phase transition exists in the range of 180K or more and 330K or less. A plurality of magnetic alloy materials having different Curie temperatures Tc can be obtained by including Co as TM in the composition formula and controlling the ratio of Co.

ある実施形態において、磁気相転移を起こす温度領域の半値幅ΔTcが30K以上である。   In one embodiment, the half-value width ΔTc of the temperature region causing the magnetic phase transition is 30K or more.

本発明による磁性合金材料は、上記のいずれかの製造方法によって製造されたことを特徴とし、特に、磁気冷凍作業物質として好適に用いることができる。   The magnetic alloy material according to the present invention is manufactured by any one of the above-described manufacturing methods, and can be particularly suitably used as a magnetic refrigeration working substance.

本発明によると、従来よりも高い生産効率でLaFe13系磁性合金材料を製造する方法が提供される。特に、薄帯状の急冷合金を形成するプロセスを採用すると粉砕性を向上させることが出来るので、粉末として用いられる磁気冷凍作業物質として磁性合金材料を高い効率で製造することが出来る。 According to the present invention, a method for producing a LaFe 13 -based magnetic alloy material with higher production efficiency than before is provided. In particular, if a process for forming a ribbon-like quenching alloy is employed, the pulverization property can be improved, so that a magnetic alloy material can be produced with high efficiency as a magnetic refrigeration working substance used as a powder.

以下、本発明による磁性合金材料(LaFe13系磁性合金)の製造方法の実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a method for producing a magnetic alloy material (LaFe 13 -based magnetic alloy) according to the present invention will be described.

本発明の磁性合金材料の製造方法は、所定の組成を有する合金原料の溶湯を用意する第1工程と、合金原料の溶湯を急冷することによって、組成式:Fe100-a-b-cREabTMc(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、ErおよびTmからなる群から選択され、Laを90原子%以上含む少なくとも1種の希土類元素、AはAl、Si、Ga、GeおよびSnからなる群から選択される少なくとも1種の元素、TMはSc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、CuおよびZnからなる群から選択される少なくとも1種の遷移金属元素、5原子%≦a≦10原子%、4.7原子%≦b≦18原子%、0原子%≦c≦9原子%)で表される組成を有する急冷合金を形成する第2工程と、急冷合金中にNaZn13型結晶構造を有する化合物相(すなわち、LaFe13型化合物相)を70体積%以上形成する第3工程とを包含している。 Method for producing a magnetic alloy material of the present invention includes a first step of preparing a melt of an alloy material having a predetermined composition, by quenching a melt of the alloy material, the composition formula: Fe 100-abc RE a A b TM c (RE is selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm, and at least one rare earth element containing 90 atomic% or more of La, A is at least one element selected from the group consisting of Al, Si, Ga, Ge and Sn, and TM is selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu and Zn A quenched alloy having a composition represented by at least one transition metal element, 5 atomic% ≦ a ≦ 10 atomic%, 4.7 atomic% ≦ b ≦ 18 atomic%, 0 atomic% ≦ c ≦ 9 atomic%) A second step to form and N in the quenched alloy Compound phase having a Zn 13 type crystal structure (i.e., LaFe 13 type compound phase) encompasses a third step of forming a 70% by volume or more.

本発明によるLaFe13系磁性合金の製造方法は、第2工程において急冷法(液体急冷法)を採用している。急冷合金は、鋳造合金よりも組成の均一性が高く、鋳造合金に見られる粗大な結晶相からなる多相構造(図6(a)参照)は観察されない。例えば、急冷合金を粉砕し、粒径が10μmから300μmの粒状としても、例えば熱処理することによって、それぞれの粒子の70体積%以上がLaFe13型化合物相で構成されるようになる。 The method for producing a LaFe 13 -based magnetic alloy according to the present invention employs a rapid cooling method (liquid quenching method) in the second step. The quenched alloy has a higher compositional uniformity than the cast alloy, and a multiphase structure (see FIG. 6A) composed of coarse crystal phases found in the cast alloy is not observed. For example, even when the quenched alloy is pulverized to have a particle size of 10 μm to 300 μm, for example, by heat treatment, 70% by volume or more of each particle is composed of a LaFe 13 type compound phase.

勿論、熱処理条件などを調節することによって、90体積%以上がLaFe13型化合物相で構成された磁性合金材料を得ることができる。なお、上記組成式において、aが上記範囲を外れると、LaFe13型化合物相を70体積%以上形成することができない。bが4.7原子%未満ではLaFe13型化合物相が形成されず、18原子%を超えると磁気熱量効果(または磁気体積効果)が十分に得られない。また、cが上記範囲を外れても、磁気熱量効果(または磁気体積効果)が十分に得られず、磁気冷凍作業物質(または磁歪材料)として十分な特性の磁性合金材料が得られない。 Of course, a magnetic alloy material in which 90% by volume or more is composed of a LaFe 13 type compound phase can be obtained by adjusting heat treatment conditions and the like. In the above composition formula, when a is out of the above range, the LaFe 13 type compound phase cannot be formed by 70 vol% or more. If b is less than 4.7 atomic%, the LaFe 13 type compound phase is not formed, and if it exceeds 18 atomic%, the magnetocaloric effect (or magnetovolume effect) cannot be obtained sufficiently. Further, even if c is out of the above range, the magnetocaloric effect (or magnetovolume effect) cannot be sufficiently obtained, and a magnetic alloy material having sufficient characteristics as a magnetic refrigeration working material (or magnetostrictive material) cannot be obtained.

第3工程は、典型的には、第2工程で得られた急冷合金を400℃以上1200℃以下の温度で、1秒以上100時間以下の時間に亘って熱処理を施す工程を包含する。第2工程で得られる急冷合金は鋳造合金よりも均一な組織を有しているので、急冷合金の全体をLaFe13系磁性合金とするために必要な熱処理時間を短縮することができる。例えば、熱処理時間を24時間以下にすることが可能で、更には5分程度にまで短縮することもできる。なお、特性を向上するためには、合金の全体に亘って、均質な組織を有するLaFe13型化合物相を形成することが好ましい。合金の全体に亘って、均質な組織を有するLaFe13型化合物相を形成するためには、10分以上熱処理することが好ましい。例えば、後述するように、ロール表面速度を3m/秒以上30m/秒以下の範囲内に調節して得られた急冷合金については、10分以上熱処理を行えば、合金のほぼ全体に亘って、均質な組織を有するLaFe13型化合物相を形成することができる。なお、90分を超えて熱処理を行うと、α−Fe相が増大する恐れがあるので、熱処理時間は90分以下であることが好ましい。 The third step typically includes a step of subjecting the quenched alloy obtained in the second step to a heat treatment at a temperature of 400 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower for a period of 1 second or longer and 100 hours or shorter. Since the quenched alloy obtained in the second step has a more uniform structure than the cast alloy, the heat treatment time required for making the entire quenched alloy into a LaFe 13 -based magnetic alloy can be shortened. For example, the heat treatment time can be reduced to 24 hours or less, and can be further reduced to about 5 minutes. In order to improve the characteristics, it is preferable to form a LaFe 13 type compound phase having a homogeneous structure throughout the alloy. In order to form a LaFe 13 type compound phase having a homogeneous structure throughout the alloy, it is preferable to heat-treat for 10 minutes or more. For example, as will be described later, for a quenched alloy obtained by adjusting the roll surface speed within a range of 3 m / second or more and 30 m / second or less, if heat treatment is performed for 10 minutes or more, almost all of the alloy is obtained. A LaFe 13 type compound phase having a homogeneous structure can be formed. If the heat treatment is performed for more than 90 minutes, the α-Fe phase may increase, so the heat treatment time is preferably 90 minutes or less.

熱処理温度は、処理時間と関係で、所定のLaFe13系磁性合金が形成されるように設定される。ただし、400℃未満であると、処理時間が100時間を超えるので好ましくなく、1200℃を超えると酸化等による表面の劣化や特定元素の揮散などが顕著となるので好ましくない。熱処理時間を1時間程度にまで短縮することを考慮すると、900℃以上1200℃以下の温度で熱処理することが好ましい。また、雰囲気は酸化を抑制するために、真空中(例えば10-2Pa以下)あるいは不活性ガス(特に、希ガス)雰囲気とすることが好ましい。 The heat treatment temperature is set so that a predetermined LaFe 13 series magnetic alloy is formed in relation to the treatment time. However, if the temperature is lower than 400 ° C., the treatment time is longer than 100 hours, and it is not preferable. If the temperature exceeds 1200 ° C., surface deterioration due to oxidation or the like, and volatilization of specific elements become remarkable. In consideration of shortening the heat treatment time to about 1 hour, it is preferable to perform the heat treatment at a temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. In order to suppress oxidation, the atmosphere is preferably a vacuum (eg, 10 −2 Pa or less) or an inert gas (particularly, rare gas) atmosphere.

なお、本発明によるLaFe13系磁性合金の製造方法における第1工程は、例えば、従来と同じ方法で実行される。 The first step in the production method of LaFe 13 based magnetic alloy according to the present invention, for example, it is performed in the same way as conventional.

本実施形態による製造方法を用いると、熱処理時間を短縮することができるので、生産性が改善される。更に、熱処理中にLaFe13系磁性合金表面の酸化等による劣化も抑制されるので、特性の低下も少ない。例えば、鋳造合金を長時間熱処理することによって得られたLaFe13系磁性合金は、表面から数mmの層は磁気冷凍作業物質として利用することができないが、本発明の実施形態によって得られた急冷合金(特に薄帯状急冷合金、合金薄帯)はそのまま磁気冷凍作業物質として用いることができる。従って、高価な原料の歩留まりが向上することによるコスト削減効果が得られる。また、後述するように、薄帯状の急冷合金を作製すれば、鋳造合金よりも粉砕性に優れるので、粉砕工程に掛かるプロセス時間を短縮できる利点も得られる。 When the manufacturing method according to the present embodiment is used, the heat treatment time can be shortened, so that productivity is improved. Furthermore, since deterioration due to oxidation or the like of the surface of the LaFe 13 -based magnetic alloy is suppressed during the heat treatment, there is little deterioration in characteristics. For example, in a LaFe 13 series magnetic alloy obtained by heat-treating a cast alloy for a long time, a layer several mm from the surface cannot be used as a magnetic refrigeration working material, but the quenching obtained by the embodiment of the present invention is used. Alloys (especially ribbon-like quenched alloys and alloy ribbons) can be used as magnetic refrigeration materials as they are. Therefore, a cost reduction effect can be obtained by improving the yield of expensive raw materials. Further, as will be described later, if a ribbon-like quenched alloy is produced, the pulverization performance is superior to that of a cast alloy, so that the process time required for the pulverization process can be shortened.

LaFe13系磁性合金が大きな磁気熱量効果または磁気体積効果を有するのは、キュリー温度付近で、一次相転移に近い磁気相転移を示すからであり、磁気熱量効果または磁気体積効果を大きくするためには、一次相転移に近い磁気相転移を示すLaFe13型化合物相を出来るだけ多く形成することが望まれる。従来は、鋳造法によって得られた合金(as−cast合金)に含まれる粗大なα−Fe相と粒界相との界面から、LaFe13型化合物相が形成されるために、長時間の均質化処理が必要であった。 The LaFe 13 series magnetic alloy has a large magnetocaloric effect or magnetovolume effect because it exhibits a magnetic phase transition close to the primary phase transition near the Curie temperature. In order to increase the magnetocaloric effect or magnetovolume effect It is desirable to form as many LaFe 13 type compound phases as possible that exhibit a magnetic phase transition close to the primary phase transition. Conventionally, since the LaFe 13 type compound phase is formed from the interface between the coarse α-Fe phase and the grain boundary phase contained in the alloy (as-cast alloy) obtained by the casting method, it is homogeneous for a long time. The treatment was necessary.

一方、合金の作製方法として、鋳造法とともに急冷法が知られている。しかしながら、急冷法を用いてもα−Fe相は鋳造法と同様に生成されやすく、また、急冷プロセスを経ることによって組成ずれが生じる可能性や、LaFe13型化合物相以外の準安定相が生成される可能性があることから、急冷法を用いて、LaFe13系磁性合金を製造したという報告はされていない。 On the other hand, as a method for producing an alloy, a rapid cooling method is known together with a casting method. However, even if the quenching method is used, the α-Fe phase is likely to be produced in the same manner as in the casting method, the compositional deviation may occur through the quenching process, and a metastable phase other than the LaFe 13 type compound phase is produced. Therefore, there is no report that a LaFe 13 -based magnetic alloy is manufactured by using a rapid cooling method.

本発明者が検討した結果、急冷法を用いると、上述したように均一で微細な組織が形成され、後に実施例として例示するように、急冷直後の状態で既にLaFe13型化合物相が生成される。ただし、急冷直後(as−cast)の状態をアモルファス組織とした後、熱処理によってLaFe13型化合物相を形成してもよい。 As a result of the study by the present inventors, when the rapid cooling method is used, a uniform and fine structure is formed as described above, and a LaFe 13 type compound phase is already generated in the state immediately after the rapid cooling, as illustrated later as an example. The However, the LaFe 13 type compound phase may be formed by heat treatment after making the state immediately after quenching (as-cast) an amorphous structure.

急冷合金を形成する工程における冷却速度は、1×102℃/秒以上1×108℃/秒以下であることが好ましい。冷却速度が1×102℃/秒よりも遅いと、従来の鋳造法と同様に比較的粗大なα−Fe相を含む多相構造が形成され、100時間を超える均質化熱処理を要することになる。一方、冷却速度を1×108℃/秒よりも速くすると、急冷合金の厚さが小さくなる結果、生産効率が低下するため好ましくない。 The cooling rate in the step of forming the quenched alloy is preferably 1 × 10 2 ° C./second or more and 1 × 10 8 ° C./second or less. When the cooling rate is slower than 1 × 10 2 ° C./second, a multiphase structure including a relatively coarse α-Fe phase is formed as in the conventional casting method, and a homogenization heat treatment exceeding 100 hours is required. Become. On the other hand, if the cooling rate is faster than 1 × 10 8 ° C./second, the thickness of the quenched alloy is reduced, resulting in a decrease in production efficiency.

このような冷却速度が得られる液体急冷法としては、ガスアトマイズ法、単ロール急冷法、双ロール急冷法、ストリップキャスト法、メルトスピニング法などを用いることができる。特に、メルトスピニング法、ストリップキャスト法などを用いると、厚さが20μm以上200μm以下の薄帯状の急冷合金を高い効率で製造できる。   As a liquid quenching method that can obtain such a cooling rate, a gas atomizing method, a single roll quenching method, a twin roll quenching method, a strip casting method, a melt spinning method, or the like can be used. In particular, when a melt spinning method, a strip casting method, or the like is used, a ribbon-like quenched alloy having a thickness of 20 μm to 200 μm can be manufactured with high efficiency.

例えば、図1に示す急冷装置を用いて、メルトスピニング法によって急冷合金を作製することができる。酸化しやすい希土類元素(上記組成式中のLaおよびRE)やFeを含む原料合金の酸化を防ぐため、不活性ガス雰囲気中で急冷工程を実行することが好ましい。不活性ガスとしては、ヘリウムまたはアルゴン等の希ガスや窒素を用いることができる。なお、窒素は希土類元素と比較的に反応しやすいため、ヘリウムまたはアルゴンなどの希ガスを用いることが好ましい。   For example, a quenching alloy can be produced by a melt spinning method using the quenching apparatus shown in FIG. In order to prevent oxidation of a raw material alloy containing rare earth elements (La and RE in the above composition formula) and Fe that are easily oxidized, it is preferable to perform the quenching step in an inert gas atmosphere. As the inert gas, a rare gas such as helium or argon or nitrogen can be used. Note that since nitrogen is relatively easy to react with rare earth elements, it is preferable to use a rare gas such as helium or argon.

図1の急冷装置は、真空または不活性ガス雰囲気を保持し、その圧力を調整することが可能な原料合金の溶解室1および急冷室2を備えている。図1(a)は全体構成図であり、図1(b)は、一部の拡大図である。   The rapid cooling apparatus shown in FIG. 1 includes a raw material alloy melting chamber 1 and a rapid cooling chamber 2 capable of maintaining a vacuum or an inert gas atmosphere and adjusting the pressure. FIG. 1A is an overall configuration diagram, and FIG. 1B is a partially enlarged view.

図1(a)に示されるように、溶解室1は、所望の合金組成になるように配合された原料20を高温にて溶解する溶解炉3と、底部に出湯ノズル5を有する貯湯容器4と、大気の進入を抑制しつつ配合原料を溶解炉3内に供給するための配合原料供給装置8とを備えている。貯湯容器4は原料合金の溶湯21を貯え、その出湯温度を所定のレベルに維持できる加熱装置(不図示)を有している。   As shown in FIG. 1 (a), the melting chamber 1 includes a melting furnace 3 for melting a raw material 20 blended so as to have a desired alloy composition at a high temperature, and a hot water storage container 4 having a hot water discharge nozzle 5 at the bottom. And a blended raw material supply device 8 for feeding the blended raw material into the melting furnace 3 while suppressing the entry of air. The hot water storage container 4 has a heating device (not shown) that stores the molten alloy 21 of the raw material alloy and can maintain the temperature of the hot water at a predetermined level.

急冷室2は、出湯ノズル5から出た溶湯21を急冷凝固するための回転冷却ロール7を備えている。   The quenching chamber 2 includes a rotary cooling roll 7 for rapidly cooling and solidifying the molten metal 21 discharged from the hot water nozzle 5.

この装置においては、溶解室1および急冷室2内の雰囲気およびその圧力が所定の範囲に制御される。そのために、雰囲気ガス供給口1b、2b、および8bとガス排気口1a、2a、および8aとが装置の適切な箇所に設けられている。特にガス排気口2aは、急冷室2内の絶対圧を30kPa〜常圧(大気圧)の範囲内(好ましくは100kPa以下)に制御するため、ポンプに接続されている。溶解室1の圧力を変化させることにより、ノズル5から出る溶湯の噴射圧を調節することができる。   In this apparatus, the atmosphere in the melting chamber 1 and the quenching chamber 2 and the pressure thereof are controlled within a predetermined range. Therefore, atmospheric gas supply ports 1b, 2b, and 8b and gas exhaust ports 1a, 2a, and 8a are provided at appropriate locations in the apparatus. In particular, the gas exhaust port 2a is connected to a pump in order to control the absolute pressure in the quenching chamber 2 within a range of 30 kPa to normal pressure (atmospheric pressure) (preferably 100 kPa or less). By changing the pressure in the melting chamber 1, the injection pressure of the molten metal coming out of the nozzle 5 can be adjusted.

溶解炉3は傾動可能であり、ロート6を介して溶湯21を貯湯容器4内に適宜注ぎ込む。溶湯21は貯湯容器4内において不図示の加熱装置によって加熱される。   The melting furnace 3 can be tilted, and the molten metal 21 is appropriately poured into the hot water storage container 4 through the funnel 6. The molten metal 21 is heated in the hot water storage container 4 by a heating device (not shown).

貯湯容器4の出湯ノズル5は、溶解室1と急冷室2との隔壁に配置され、貯湯容器4内の溶湯21を下方に位置する冷却ロール7の表面に流下させる。出湯ノズル5のオリフィス径は、0.5mm以上4.0mm以下の範囲内に設定される。溶湯21の粘性に応じて、オリフィス径および/または溶解室1と急冷室2との間の圧力差(例えば10kPa以上)を調節することによって、溶湯21の出湯がスムーズに実行される。本実施形態で用いる装置によれば、合金溶湯の供給レートを1.5〜10kg/分に設定することができる。供給レートが10kg/分を超えると、溶湯急冷速度が遅くなり、多相構造が形成されるという不都合が生じる。合金溶湯の更に好ましい供給レートは2〜8kg/分である。   The hot water discharge nozzle 5 of the hot water storage container 4 is disposed in the partition wall between the melting chamber 1 and the quenching chamber 2 and causes the molten metal 21 in the hot water storage container 4 to flow down to the surface of the cooling roll 7 positioned below. The orifice diameter of the hot water nozzle 5 is set within a range of 0.5 mm to 4.0 mm. By adjusting the orifice diameter and / or the pressure difference between the melting chamber 1 and the quenching chamber 2 (for example, 10 kPa or more) according to the viscosity of the molten metal 21, the molten metal 21 is smoothly discharged. According to the apparatus used in this embodiment, the molten alloy supply rate can be set to 1.5 to 10 kg / min. When the supply rate exceeds 10 kg / min, the molten metal quenching rate becomes slow, and there is a disadvantage that a multiphase structure is formed. A more preferable supply rate of the molten alloy is 2 to 8 kg / min.

冷却ロール7は、Cu、Fe、またはCuやFeを含む合金から形成することが好ましい。CuやFe以外の材料で冷却ロールを作製すると、急冷合金の冷却ロールに対する剥離性が悪くなるため、急冷合金がロールに巻き付くおそれがあり好ましくない。冷却ロール7の直径は例えば300mm〜500mmである。冷却ロール7内に設けた水冷装置の水冷能力は、単位時間あたりの凝固潜熱と出湯量とに応じて算出し、調節される。   The cooling roll 7 is preferably formed from Cu, Fe, or an alloy containing Cu or Fe. If the cooling roll is made of a material other than Cu or Fe, the releasability of the quenched alloy from the cooling roll is deteriorated, and therefore the quenched alloy may be wound around the roll. The diameter of the cooling roll 7 is, for example, 300 mm to 500 mm. The water cooling capacity of the water cooling device provided in the cooling roll 7 is calculated and adjusted according to the solidification latent heat per unit time and the amount of hot water.

まず、所定の原料合金の溶湯21を作製し、図1の溶解室1の貯湯容器4に貯える。次に、この溶湯21は出湯ノズル5から減圧Ar雰囲気中の水冷ロール7上に出湯され、冷却ロール7との接触によって急冷され、凝固する。上述したような均質な組織を得るには、合金溶湯の冷却速度を1×102〜1×108℃/秒とすることが好ましく、1×102〜1×106℃/秒とすることが更に好ましい。 First, a melt 21 of a predetermined raw material alloy is produced and stored in the hot water storage container 4 of the melting chamber 1 in FIG. Next, the molten metal 21 is discharged from the hot water nozzle 5 onto the water-cooled roll 7 in the reduced-pressure Ar atmosphere, rapidly cooled by contact with the cooling roll 7, and solidified. To obtain a homogeneous structure as described above, it is preferable that the cooling rate of the molten alloy with 1 × 10 2 ~1 × 10 8 ℃ / sec, and 1 × 10 2 ~1 × 10 6 ℃ / sec More preferably.

合金の溶湯21が冷却ロール7によって冷却される時間は、回転する冷却ロール7の外周表面に合金が接触してから離れるまでの時間に相当し、その間に、合金の温度は低下し、過冷却液体状態になる。その後、過冷却状態の合金は冷却ロール7から離れ、不活性雰囲気中を飛行する。合金は薄帯状で飛行している間に雰囲気ガスに熱を奪われる結果、その温度は更に低下する。本実施形態では、雰囲気ガスの圧力を10kPa〜常圧の範囲内に設定している。   The time during which the molten alloy 21 is cooled by the cooling roll 7 corresponds to the time from when the alloy comes into contact with the outer peripheral surface of the rotating cooling roll 7 until it leaves, during which time the temperature of the alloy decreases and supercooling occurs. Become liquid. Thereafter, the supercooled alloy leaves the cooling roll 7 and flies in an inert atmosphere. While the alloy is in the form of a ribbon, the temperature is further reduced as a result of the heat being taken away by the atmospheric gas. In the present embodiment, the pressure of the atmospheric gas is set within the range of 10 kPa to normal pressure.

本実施形態では、ロール表面速度を3m/秒以上30m/秒以下の範囲内に調節し、かつ、雰囲気ガスによる二次冷却効果を高めるために雰囲気ガス圧力を30kPa以上にすることによって、均質な組織を有する薄帯状の急冷合金を得ることができる。ロール表面速度を3m/秒未満にすると均質化熱処理の時間が長くなり、急冷薄帯の表面が酸化等の腐食によって劣化する恐れがあり、30m/秒を超えると急冷薄帯が薄くなりすぎることにより表面の劣化層を除いた均質な組織の部分の体積の割合が少なくなる恐れがある。   In the present embodiment, the roll surface speed is adjusted within a range of 3 m / sec or more and 30 m / sec or less, and the atmosphere gas pressure is set to 30 kPa or more in order to enhance the secondary cooling effect by the atmosphere gas. A ribbon-like quenched alloy having a texture can be obtained. If the roll surface speed is less than 3 m / sec, the time for the homogenization heat treatment becomes longer, and the surface of the quenched ribbon may be deteriorated by corrosion such as oxidation, and if it exceeds 30 m / sec, the quenched ribbon is too thin. As a result, the volume ratio of the portion of the homogeneous structure excluding the deteriorated layer on the surface may be reduced.

なお、本発明で用いる合金溶湯の急冷法は、上述の片ロール法に限定されず、ノズルオリフィスによる流量制御を行なわない急冷方法であるストリップキャスト法を用いてもよい。ストリップキャスト法による場合は、ノズルオリフィスを用いないため、溶湯供給レートを大きくし、かつ、安定化しやすいという利点がある。しかし、冷却ロールと溶湯との間に雰囲気ガス巻き込みが発生しやすく、急冷面側での冷却速度が不均一する可能性がある。このような問題を解決するには、冷却ロールが置かれた空間の雰囲気圧力を上述した範囲に低下させ、雰囲気ガスの巻き込みを抑制する必要がある。また、生産効率は低下するが、ガスアトマイズ法を用いても良い。   In addition, the rapid cooling method of the molten alloy used in the present invention is not limited to the above-described single roll method, and a strip casting method which is a rapid cooling method in which the flow rate is not controlled by the nozzle orifice may be used. In the case of the strip casting method, since the nozzle orifice is not used, there are advantages that the molten metal supply rate is increased and stabilization is easy. However, atmospheric gas is likely to be caught between the cooling roll and the molten metal, and the cooling rate on the quenching surface side may be uneven. In order to solve such a problem, it is necessary to reduce the atmospheric pressure of the space in which the cooling roll is placed to the above-described range and suppress the entrainment of the atmospheric gas. Further, although the production efficiency is lowered, a gas atomizing method may be used.

本発明による実施形態のLaFe13系磁性合金の製造方法によると、外部磁界を0Tから1Tまで変化させたときの磁気エントロピー変化(−ΔSmag)が5JK-1kg-1を超える磁気熱量効果を有する磁気冷凍作業物質を得ることができる。上述した製造方法によると薄帯状のLaFe13系磁性急冷合金を得ることが出来るので、粒状(粉末状)の磁気冷凍作業物質を高い製造効率で製造することができる。 According to the manufacturing method of the LaFe 13 series magnetic alloy of the embodiment according to the present invention, the magnetocaloric effect in which the magnetic entropy change (−ΔS mag ) when the external magnetic field is changed from 0 T to 1 T exceeds 5 JK −1 kg −1 is achieved. A magnetic refrigeration working material can be obtained. According to the manufacturing method described above, a thin LaFe 13 magnetic quenching alloy can be obtained, so that a granular (powdered) magnetic refrigeration working material can be manufactured with high manufacturing efficiency.

本発明の実施形態によると、磁気相転移の生じるキュリー温度Tcが180K以上、もしくは190K以上で、330K以下の範囲内にあるLaFe13系磁性合金が得られる。上記組成式中のTMとしてCoを含み、Coの比率を制御することによってキュリー温度Tcの異なるLaFe13系磁性合金を得ることができる。例えば、Coの比率(上記組成式中のcに相当)が9のとき、Tc=330Kが得られる。なお、本明細書において、磁気相転移とは、強磁性から常磁性、強磁性から反強磁性、あるいは、反強磁性から常磁性への転移を指す。 According to the embodiment of the present invention, a LaFe 13 -based magnetic alloy having a Curie temperature Tc at which a magnetic phase transition occurs is in a range of 180K or higher, or 190K or higher and 330K or lower is obtained. LaFe 13 -based magnetic alloys having different Curie temperatures Tc can be obtained by including Co as TM in the composition formula and controlling the ratio of Co. For example, when the ratio of Co (corresponding to c in the composition formula) is 9, Tc = 330K is obtained. In this specification, the magnetic phase transition refers to a transition from ferromagnetism to paramagnetism, ferromagnetism to antiferromagnetism, or antiferromagnetism to paramagnetism.

また、本発明のある実施形態によって得られるLaFe13系磁性合金は、磁気相転移を起こす温度領域が比較的広く、例えば、転移温度領域の半値幅ΔTcが30K以上のLaFe13系磁性合金を得ることができる。従って、本実施形態によると、単一のLaFe13系磁性合金を磁気冷凍作業物質として用いても、磁気冷凍装置を構成することができる。もちろん、動作温度範囲に応じて、複数の組成の異なる(Tcの異なる)LaFe13系磁性合金を用いてもよいが、例えば、MnAs系磁気冷凍作業物質(特開2003−028532号公報)を用いる場合よりも少ない種類の合金で同じ動作温度範囲をカバーすることができる。また、本実施形態によるLaFe13系磁性合金を用いて、特開2003−028532号公報に記載されている蓄冷式熱交換器および磁気冷凍装置を構成することができる。 In addition, the LaFe 13 -based magnetic alloy obtained by an embodiment of the present invention has a relatively wide temperature region in which a magnetic phase transition occurs, and for example, obtains a LaFe 13 -based magnetic alloy having a half-value width ΔTc of 30 K or more in the transition temperature region. be able to. Therefore, according to the present embodiment, the magnetic refrigeration apparatus can be configured even when a single LaFe 13 -based magnetic alloy is used as the magnetic refrigeration working material. Of course, a plurality of LaFe 13 -based magnetic alloys having different compositions (different Tc) may be used depending on the operating temperature range. For example, a MnAs-based magnetic refrigeration working material (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-028532) is used. Fewer types of alloys can cover the same operating temperature range. Moreover, the regenerative heat exchanger and the magnetic refrigeration apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-028532 can be configured using the LaFe 13 based magnetic alloy according to the present embodiment.

本発明によるLaFe13系磁性合金は、磁気冷凍作業物質として特に好適に用いられるが、例えば、特許文献1や特許文献2に開示されているように、磁歪材料としても好適に用いることが出来る。 The LaFe 13 -based magnetic alloy according to the present invention is particularly preferably used as a magnetic refrigeration working material, but can also be suitably used as a magnetostrictive material as disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2.

以下、実験例を示して、本発明によるLaFe13系磁性合金の製造方法の具体例を説明するが、本発明はこれに限られない。 Hereinafter, shows an experimental example will be described an embodiment of the method of LaFe 13 based magnetic alloy according to the present invention, the present invention is not limited thereto.

(実験例1)
[原料合金溶湯の作製工程]
La(Fe0.88Si0.1213の組成を有するLaFe13型化合物相が得られるように、La、FeおよびSi原料を所定量配合し、高周波溶解炉を用いて鋳造合金を作製した。この段階で得られた鋳造合金を試料(e)とする。
(Experimental example 1)
[Production process of raw material alloy melt]
Predetermined amounts of La, Fe and Si raw materials were blended so that a LaFe 13 type compound phase having a composition of La (Fe 0.88 Si 0.12 ) 13 was obtained, and a cast alloy was produced using a high frequency melting furnace. The cast alloy obtained at this stage is designated as sample (e).

[急冷工程]
図1と同様の構成の実験機を用いて、塊状の鋳造合金約10gの溶湯を直径0.8mmの石英製ノズルから20m/秒で回転するCuロールに噴射し、合金薄帯を作製した。ここで得られた薄帯合金を試料(a)とする。
[Rapid cooling process]
Using an experimental machine having the same configuration as that shown in FIG. 1, about 10 g of molten cast alloy was injected from a quartz nozzle having a diameter of 0.8 mm onto a Cu roll rotating at 20 m / second to produce an alloy ribbon. The ribbon alloy obtained here is designated as sample (a).

[熱処理工程]
試料(a)をNb箔に包み、石英管に入れ、ロータリーポンプで真空排気しながら(実質的に10Pa以下の真空度)、1000℃で1時間熱処理を施した。得られた急冷合金を試料(b)とする。
[Heat treatment process]
Sample (a) was wrapped in Nb foil, placed in a quartz tube, and subjected to heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour while being evacuated with a rotary pump (substantially a vacuum of 10 Pa or less). The obtained quenched alloy is designated as sample (b).

試料(a)を10-2Pa以下に真空排気した石英管に封入して、1050℃で24時間熱処理を施した急冷合金を試料(c)とし、120時間熱処理を施した急冷合金を試料(d)とする。 Sample (a) was enclosed in a quartz tube evacuated to 10 −2 Pa or less and quenched at 1050 ° C. for 24 hours as sample (c), and quenched at 120 hours for sample (c) d).

試料(e)(鋳造合金)約10gを10-2Pa以下に真空排気した石英管に封入して、1050℃で1時間、24時間および120時間熱処理を施した鋳造合金を試料(f)、試料(g)、および試料(h)とする。 About 10 g of sample (e) (casting alloy) was sealed in a quartz tube evacuated to 10 −2 Pa or less, and a casting alloy that was heat treated at 1050 ° C. for 1, 24, and 120 hours was used as sample (f), Let it be a sample (g) and a sample (h).

[評価]
各試料の結晶構造をX線回折法(XRD法)で評価した。それぞれの試料を150μm以下に粉砕した粉末を用いた。ターゲットにはCuを用いた。スキャンスピードは4.0°/min、サンプリング幅は0.02°、測定範囲は20〜80°とした。
[Evaluation]
The crystal structure of each sample was evaluated by an X-ray diffraction method (XRD method). The powder which grind | pulverized each sample to 150 micrometers or less was used. Cu was used for the target. The scan speed was 4.0 ° / min, the sampling width was 0.02 °, and the measurement range was 20 to 80 °.

得られた試料(a)〜(h)の熱処理条件および合金中の生成相をまとめて表1に示す。   Table 1 summarizes the heat treatment conditions of the obtained samples (a) to (h) and the formation phase in the alloy.

また、各試料の形態および組成分布を電子線マイクロアナライザ(EPMA)を用いて評価した。EPMA観察用の試料は次のようにして作製した。それぞれの試料合金をエポキシ樹脂に含浸し表面を研磨した後、厚さ約20nmのAu蒸着を施したものをEPMA用試料とした。EPMAの加速電圧は15kVとした。照射電流はB.E.I.(反射電子像)で1.0nAとした。   Moreover, the form and composition distribution of each sample were evaluated using an electron beam microanalyzer (EPMA). A sample for EPMA observation was prepared as follows. An EPMA sample was prepared by impregnating each sample alloy with an epoxy resin and polishing the surface, followed by Au deposition with a thickness of about 20 nm. The acceleration voltage of EPMA was 15 kV. The irradiation current is B.I. E. I. (Reflected electron image) was 1.0 nA.

各試料の磁気特性(磁気熱量効果)を評価した。磁気冷凍作業物質には、磁気熱量効果の大きい材料が好ましい。磁気熱量効果の評価には磁気エントロピー変化−ΔSmagが用いられる。一般に−ΔSmagが大きいほど磁気熱量効果は大きい。高磁界VSM(試料振動式磁束計)を用いて0Tから1Tまで0.2T間隔で設定した一定強度の印加磁界下で磁化(M)−温度(T)曲線を測定し、測定結果から下記の式(1)を用いて−ΔSmagを算出した。
−ΔSmag = ∫0 H(∂M/∂T)HdH ・・・・(1)
(ここで、−ΔSmagは磁気エントロピー変化、Hは磁界、Mは磁化、Tは絶対温度である。)
The magnetic properties (magnetocaloric effect) of each sample were evaluated. A material having a large magnetocaloric effect is preferred for the magnetic refrigeration material. Magnetic entropy change −ΔS mag is used to evaluate the magnetocaloric effect. In general, the greater the -ΔS mag , the greater the magnetocaloric effect. Using a high magnetic field VSM (sample vibration magnetometer), a magnetization (M) -temperature (T) curve was measured under an applied magnetic field having a constant intensity from 0T to 1T at intervals of 0.2T. -ΔS mag was calculated using Equation (1).
-ΔS mag = ∫ 0 H (∂M / ∂T) H dH (1)
(Where -ΔS mag is the magnetic entropy change, H is the magnetic field, M is the magnetization, and T is the absolute temperature.)

急冷合金を用いて作製した試料(a)、(b)、(c)および(d)のXRDの測定結果を図2に示す。また、試料(c)について得られた−ΔSmagの温度依存性を図3に示す。更に、試料(c)のEPMAによる反射電子像(B.E.I)を図4に示す。 FIG. 2 shows the XRD measurement results of samples (a), (b), (c) and (d) prepared using the quenched alloy. Further, FIG. 3 shows the temperature dependence of −ΔS mag obtained for the sample (c). Further, a reflected electron image (BEI) of the sample (c) by EPMA is shown in FIG.

比較のために、鋳造合金を用いて作製した試料(e)、(f)、(g)および(h)のXRDの測定結果を図5に示す。また、試料(e)および(h)のEPMAによる反射電子像(B.E.I)を図6(a)および(c)に示す。図6(b)には、熱処理時間が8時間の試料の反射電子像を合せて示している。   For comparison, FIG. 5 shows the XRD measurement results of samples (e), (f), (g) and (h) prepared using a cast alloy. In addition, reflected electron images (BEI) of samples (e) and (h) by EPMA are shown in FIGS. FIG. 6B shows a backscattered electron image of a sample having a heat treatment time of 8 hours.

図2と図5とを比較しながら、本発明の実施例の急冷合金試料と従来の鋳造合金試料との組織の違いを説明する。   The difference in structure between the quenched alloy sample of the embodiment of the present invention and the conventional cast alloy sample will be described by comparing FIG. 2 and FIG.

図2からわかるように、実施例による急冷合金は、急冷直後(試料(a))からLaFe13型化合物相(図中○)が形成されている。なお、試料(a)においてはLa、Fe、Siからなる(La、Fe、Si)化合物相(図中▲)およびα−Fe相も形成されている。1時間の熱処理を施すと(試料(b))、(La、Fe、Si)化合物相はほぼ消失し、α−Fe相も減少する。その後、熱処理時間を長くすると、α−Fe相に由来するピークの強度が若干増大する以外は、ほとんど変化が見られず、この場合、約1時間の熱処理で、急冷合金のほぼ全てがLaFe13型化合物相となっていることがわかる。また、図4に示した試料(c)の反射電子像を見ると、薄帯の端部にFeが多く存在する以外は、薄帯の全体に亘ってほぼ均一な組成分布を有していることがわかる。 As can be seen from FIG. 2, in the quenched alloy according to the example, a LaFe 13 type compound phase (◯ in the figure) is formed immediately after quenching (sample (a)). In the sample (a), (La, Fe, Si) compound phases (▲ in the figure) and α-Fe phases composed of La, Fe, and Si are also formed. When heat treatment is performed for 1 hour (sample (b)), the (La, Fe, Si) compound phase almost disappears and the α-Fe phase also decreases. Thereafter, when the heat treatment time is lengthened, there is almost no change except that the intensity of the peak derived from the α-Fe phase is slightly increased. In this case, almost all of the rapidly cooled alloy is LaFe 13 after about 1 hour heat treatment. It turns out that it is a type compound phase. Moreover, when the backscattered electron image of the sample (c) shown in FIG. 4 is seen, it has a substantially uniform composition distribution over the whole ribbon except that many Fe exist in the edge part of a ribbon. I understand that.

また、図3に示した磁気エントロピー変化−ΔSmagの温度依存性からわかるように、実施例による急冷合金(試料(c))は、大きな磁気エントロピー変化を示している。0T〜1Tまでの−ΔSmagは、7.5Jkg-1-1であった。現在、室温付近で動作する磁気冷凍試験機に使用されているGd(ガドリニウム)は、0Tから1Tで−ΔSmag=3Jkg-1-1程度であり、これと比較しても大きな磁気エントロピー変化を有していることがわかる。なお、鋳造合金を用いて作製した試料(h)の表面の酸化層(厚さ約2mm)を除去した後の試料について求めた−ΔSmagは19Jkg-1-1であった。試料(c)の−ΔSmagが試料(h)よりも低い原因は、表面の酸化層の有無が影響しているものと考えられる。工業的な利用可能性を考えると、この−ΔSmagの低下よりも、熱処理時間の短縮効果、原料コストの低減効果、さらには、粉砕工程の簡略化による利点が大きいと考えられる。また、図3からわかるように、試料(c)の磁気相転移が起こる温度領域の半値幅ΔTcは30K以上あり、磁気冷凍作業物質としての動作温度範囲が広いという利点もある。 Moreover, as can be seen from the temperature dependence of the magnetic entropy change −ΔS mag shown in FIG. 3, the quenched alloy according to the example (sample (c)) shows a large magnetic entropy change. -ΔS mag from 0T to 1T was 7.5 Jkg −1 K −1 . Currently, Gd (gadolinium) used in a magnetic refrigeration tester operating near room temperature is about −ΔS mag = 3 Jkg −1 K −1 from 0T to 1T, which is a large magnetic entropy change. It can be seen that It should be noted that -ΔS mag obtained for the sample after removing the oxide layer (thickness of about 2 mm) on the surface of the sample (h) prepared using the cast alloy was 19 Jkg −1 K −1 . The reason why -ΔS mag of sample (c) is lower than that of sample (h) is considered to be due to the presence or absence of the oxide layer on the surface. Considering the industrial applicability, it is considered that the effect of shortening the heat treatment time, the raw material cost, and the simplification of the pulverization process are larger than the decrease of -ΔS mag . Further, as can be seen from FIG. 3, the half-value width ΔTc of the temperature region where the magnetic phase transition of the sample (c) occurs is 30K or more, and there is an advantage that the operating temperature range as a magnetic refrigeration working material is wide.

一方、図5に示した、従来の鋳造合金を用いて作製した試料(e)から(h)のXRDの測定結果および図6に示した反射電子像を見ると、鋳造合金(試料(e))にはLaFe13型化合物相は存在せず、熱処理が進むに連れて、徐々に(La、Fe、Si)化合物相およびα−Fe相が減少し、LaFe13型化合物相が形成されている様子がわかる。また、図5と図2とを比較すると分かるように、急冷合金を1時間熱処理した試料(b)では、(La、Fe、Si)化合物相はほぼ完全に消失しているのに対し、鋳造合金を24時間熱処理した試料(g)においては(La、Fe、Si)化合物相が残存している。 On the other hand, when the XRD measurement results of the samples (e) to (h) prepared using the conventional cast alloy shown in FIG. 5 and the reflected electron image shown in FIG. 6 are viewed, the cast alloy (sample (e) ) Has no LaFe 13 type compound phase, and as the heat treatment proceeds, the (La, Fe, Si) compound phase and α-Fe phase gradually decrease, and a LaFe 13 type compound phase is formed. I can see the situation. Further, as can be seen from a comparison between FIG. 5 and FIG. 2, in the sample (b) obtained by heat-treating the quenched alloy for 1 hour, the (La, Fe, Si) compound phase disappears almost completely, but the casting In the sample (g) obtained by heat-treating the alloy for 24 hours, the (La, Fe, Si) compound phase remains.

このように、急冷合金を用いることによって、短時間の熱処理によって、LaFe13型化合物相を主相とするLaFe13系磁性合金が得られることがわかる。 Thus, it can be seen that by using a quenched alloy, a LaFe 13 based magnetic alloy having a LaFe 13 type compound phase as a main phase can be obtained by a short heat treatment.

更に、最適な熱処理時間を求めるための実験を行った結果を説明する。   Furthermore, the results of experiments conducted to determine the optimum heat treatment time will be described.

(実験例2)
[試料作製]
上述の実験例1と同様に、La(Fe0.88Si0.1213の組成を有するLaFe13型化合物相が得られるように、La、FeおよびSi原料を所定量配合し、高周波溶解炉を用いて鋳造合金を作製した。得られた塊状の鋳造合金約10gの溶湯を直径0.8mmの石英製ノズルから20m/秒で回転するCuロールに噴射し、薄帯合金を試料(i)を得た。
(Experimental example 2)
[Sample preparation]
In the same manner as in Experimental Example 1 described above, a predetermined amount of La, Fe, and Si raw materials are blended so that a LaFe 13 type compound phase having a composition of La (Fe 0.88 Si 0.12 ) 13 is obtained, and a high frequency melting furnace is used. A cast alloy was produced. About 10 g of the molten cast alloy thus obtained was sprayed from a quartz nozzle having a diameter of 0.8 mm onto a Cu roll rotating at 20 m / sec to obtain a ribbon alloy sample (i).

試料(i)をAr気流中で、1050℃で、1分、5分、10分、30分および60分間それぞれ熱処理した薄帯合金を試料(j)、試料(k)、試料(l)、試料(m)および試料(n)とした。   Samples (j), (k), (l), and (b) were obtained by heat-treating samples (i) at 1050 ° C. for 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 30 minutes, and 60 minutes, respectively, in an Ar stream. Sample (m) and sample (n) were used.

また、上述の方法と同様に、La(Fe1-xSix13(x=0.10,0.11,0.12,0.13,0.14)の組成を有する鋳造合金を作製した。それぞれの鋳造合金から、上述の方法に従って、薄帯合金を作製した。ただし、ここでは、Cuロールの回転速度は10m/秒とした。 Further, similarly to the above-described method, a cast alloy having a composition of La (Fe 1-x Si x ) 13 (x = 0.10, 0.11, 0.12, 0.13, 0.14) is produced. did. A ribbon alloy was produced from each cast alloy according to the method described above. However, here, the rotational speed of the Cu roll was 10 m / sec.

得られた薄帯合金をNb箔に包み、Ar気流中1050℃で1時間熱処理して得られた薄帯合金をそれぞれ試料(o)、試料(p)、試料(q)、試料(r)および試料(s)とした。   The obtained ribbon alloy was wrapped in Nb foil and heat-treated at 1050 ° C. for 1 hour in an Ar stream, and the obtained ribbon alloys were sample (o), sample (p), sample (q) and sample (r), respectively. And sample (s).

一方、比較のために、上述の鋳造合金約10gを10-2Pa以下に真空排気した石英管に封入して1050℃で120時間熱処理を施した合金をそれぞれ試料(t)、試料(u)、試料(v)、試料(w)および試料(x)とした。 On the other hand, for comparison, about 10 g of the above-mentioned cast alloy was sealed in a quartz tube evacuated to 10 −2 Pa or less and heat-treated at 1050 ° C. for 120 hours, respectively, sample (t) and sample (u) Sample (v), sample (w) and sample (x).

本発明による実施例の試料(i)から(s)と比較例の試料(t)から(x)の組成および作製条件を表2にまとめて示す。   Table 2 summarizes the compositions and preparation conditions of the samples (i) to (s) of the examples according to the present invention and the samples (t) to (x) of the comparative examples.

[評価]
実験例1と同様の方法で、各試料の評価を行った。試料(i)、試料(j)、試料(k)、試料(l)、試料(m)および試料(n)の結晶構造をXRDで評価した結果を図7に示す。
[Evaluation]
Each sample was evaluated in the same manner as in Experimental Example 1. FIG. 7 shows the results of evaluating the crystal structures of sample (i), sample (j), sample (k), sample (l), sample (m) and sample (n) by XRD.

図7からわかるように、急冷直後の合金薄帯(試料(i))に熱処理を施すと、熱処理時間が僅か1分(試料(j))であってもα−Fe相が減少することが明確に観察される。このことから、ごく僅かな時間(例えば1秒)であっても急冷直後よりもLaFe13型化合物相が増大する効果が得られると考えられる。 As can be seen from FIG. 7, when the alloy ribbon (sample (i)) immediately after quenching is subjected to heat treatment, the α-Fe phase is reduced even if the heat treatment time is only 1 minute (sample (j)). Observed clearly. From this, it is considered that even in a very short time (for example, 1 second), the effect of increasing the LaFe 13 type compound phase can be obtained more than immediately after the rapid cooling.

熱処理時間をさらに長くしても、熱処理時間が1時間(試料(n))まではα−Fe相に由来するピークの強度は変化しない。先に図2を参照しながら説明したように、熱処理時間が24時間(試料(c))になると、α−Fe相は逆に増大する。α−Fe相に由来する回折ピーク強度の熱処理時間依存性から、熱処理時間が約1時間まではα−Fe相は増大しないと考えられる。すなわち、急冷合金の最適な熱処理時間は約1時間以下である。   Even if the heat treatment time is further increased, the intensity of the peak derived from the α-Fe phase does not change until the heat treatment time is 1 hour (sample (n)). As described above with reference to FIG. 2, when the heat treatment time is 24 hours (sample (c)), the α-Fe phase increases conversely. From the dependence of the diffraction peak intensity derived from the α-Fe phase on the heat treatment time, it is considered that the α-Fe phase does not increase until the heat treatment time is about 1 hour. That is, the optimum heat treatment time for the quenched alloy is about 1 hour or less.

次に、試料(i)、試料(k)および試料(n)の破断面を電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM)で観察した結果を図8(a)、(b)および(c)に示す。   Next, the results of observing the fracture surfaces of sample (i), sample (k), and sample (n) with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) are shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C. Shown in

図8(a)からわかるように、急冷直後の合金薄帯(試料(i))には、1μm以下の粒子状の微細組織が観察されるが、熱処理を5分施した試料(k)では図8(b)からわかるように、1μm程度の比較的大きな粒子状の組織が形成されている。さらに熱処理時間を1時間とした試料(n)では、図8(c)に示すように、粒子状の組織は観察されず均質な組織となっている。   As can be seen from FIG. 8 (a), a particulate microstructure of 1 μm or less is observed in the alloy ribbon (sample (i)) immediately after quenching, but in the sample (k) subjected to heat treatment for 5 minutes. As can be seen from FIG. 8B, a relatively large particulate structure of about 1 μm is formed. Furthermore, in the sample (n) with a heat treatment time of 1 hour, as shown in FIG.

このように、熱処理を施すことによって、α−Fe相が減少するとともに、LaFe13型化合物相が増大し、組織の均質化が進む。 As described above, by performing the heat treatment, the α-Fe phase is decreased, the LaFe 13 type compound phase is increased, and the structure is homogenized.

図9に、実施例の試料(o)、試料(p)、試料(q)、試料(r)、試料(s)および比較例の試料(t)、試料(u)、試料(v)、試料(w)および試料(x)の磁気特性(磁気熱量効果)を評価した結果を示す。   FIG. 9 shows sample (o), sample (p), sample (q), sample (r), sample (s) and sample (t) of comparative example, sample (u), sample (v), The result of having evaluated the magnetic characteristic (magnetocaloric effect) of the sample (w) and the sample (x) is shown.

実施例の各試料の磁気エントロピー変化−ΔSmagの温度依存性と、対応する比較例の各試料の磁気エントロピー変化−ΔSmagの温度依存性とを比較すると、いずれも205K以下では−ΔSmagの最大値は15〜21Jkg-1-1であり、205Kを超えると−ΔSmagの最大値は9Jkg-1-1以下となり、ほぼ同程度の値となっていることがわかる。すなわち、本発明の実施例によると、急冷合金を1時間熱処理することによって、従来の製造方法に従って鋳造合金を120時間に亘って熱処理したものと同等の磁気エントロピー変化−ΔSmagの温度依存性を有するLaFe13系磁性合金材料を製造できた。 And the temperature dependence of the magnetic entropy change -Derutaesu mag of each sample of Example, a comparison between the temperature dependence of the magnetic entropy change -Derutaesu mag of each sample of the comparative example corresponding Both of -Derutaesu mag at 205K or less The maximum value is 15 to 21 Jkg −1 K −1 , and when it exceeds 205 K, the maximum value of −ΔS mag is 9 Jkg −1 K −1 or less, which is almost the same value. That is, according to the embodiment of the present invention, the quenched alloy is heat-treated for 1 hour, so that the temperature dependence of the magnetic entropy change -ΔS mag equivalent to that obtained by heat-treating the cast alloy for 120 hours according to the conventional manufacturing method is obtained. It was possible to produce a LaFe 13 series magnetic alloy material.

本発明によると、従来よりも高い生産効率でLaFe13系磁性合金材料を製造することが可能となる。従って、磁性冷凍作業物質や磁歪材料を従来よりも安く提供することが可能となり、例えば、磁気冷凍装置を実用的なコストで提供するが可能となる。磁気冷凍装置は、気体圧縮型の様に冷媒を用いることが無いので、環境に優しく、また、永久磁石材料の併用により高いエネルギー変換効率が得られるという特長を有している。 According to the present invention, it is possible to produce a LaFe 13 -based magnetic alloy material with higher production efficiency than before. Therefore, it is possible to provide a magnetic refrigeration working substance and a magnetostrictive material at a lower price than before, and for example, it is possible to provide a magnetic refrigeration apparatus at a practical cost. Since the magnetic refrigeration apparatus does not use a refrigerant unlike the gas compression type, the magnetic refrigeration apparatus is environmentally friendly and has a feature that high energy conversion efficiency can be obtained by using a permanent magnet material in combination.

(a)は、本発明による急冷合金を製造する方法に用いる装置の全体構成例を示す断面図であり、(b)は急冷凝固が行われる部分の拡大図である。(A) is sectional drawing which shows the example of whole structure of the apparatus used for the method of manufacturing the quenching alloy by this invention, (b) is an enlarged view of the part by which rapid solidification is performed. 急冷合金を用いて作製した試料(a)、(b)、(c)および(d)のXRDの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of XRD of the sample (a), (b), (c) and (d) produced using the quenching alloy. 急冷合金を用いて作製した試料(c)について得られた−ΔSmagの温度依存性を示す図である。It is a diagram showing temperature dependence of the resulting -Derutaesu mag for sample (c) was prepared using the rapidly solidified alloy. 急冷合金を用いて作製した試料(c)のEPMAによる反射電子像(B.E.I)を示す写真である。It is a photograph which shows the reflected-electron image (BEI) by EPMA of the sample (c) produced using the quenching alloy. 鋳造合金を用いて作製した試料(e)、(f)、(g)および(h)のXRDの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of XRD of the samples (e), (f), (g), and (h) produced using the casting alloy. 鋳造合金を用いて作製した試料のEPMAによる反射電子像(B.E.I)を示す写真である。It is a photograph which shows the reflected electron image (BEI) by EPMA of the sample produced using the casting alloy. 急冷合金を用いて作製した試料(i)、試料(j)、(k)、(l)、(m)および(n)のXRDの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of XRD of sample (i), samples (j), (k), (l), (m), and (n) produced using the quenching alloy. 急冷合金を用いて作製した試料(i)、(k)および(n)のFE−SEMによる破断面の組織を示す写真である。It is a photograph which shows the structure of the torn surface by FE-SEM of sample (i), (k), and (n) produced using the quenching alloy. 薄帯合金を用いて作製した試料(o)、試料(p)、試料(q)、試料(r)および試料(s)について得られた−ΔSmagの温度依存性を示すグラフ(上段)と、鋳造合金を用いて作製した試料(t)、試料(u)、試料(v)、試料(w)および試料(x)について得られた−ΔSmagの温度依存性を示すグラフ(下段)である。A graph (top) showing the temperature dependence of -ΔS mag obtained for sample (o), sample (p), sample (q), sample (r) and sample (s) produced using the ribbon alloy; , (Graph) showing the temperature dependence of -ΔS mag obtained for sample (t), sample (u), sample (v), sample (w) and sample (x) prepared using a cast alloy is there.

符号の説明Explanation of symbols

1b、2b、8b、および9b 雰囲気ガス供給口
1a、2a、8a、および9a ガス排気口
1 溶解室
2 急冷室
3 溶解炉
4 貯湯容器
5 出湯ノズル
6 ロート
7 回転冷却ロール
21 溶湯
22 合金薄帯
1b, 2b, 8b, and 9b Atmospheric gas supply port 1a, 2a, 8a, and 9a Gas exhaust port 1 Melting chamber 2 Quenching chamber 3 Melting furnace 4 Hot water storage vessel 5 Hot water discharge nozzle 6 Funnel 7 Rotating cooling roll 21 Molten metal 22 Alloy ribbon

Claims (12)

所定の組成を有する合金原料の溶湯を用意する工程と、
前記合金原料の溶湯を急冷することによって、組成式:Fe100-a-b-cREabTMc(REはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、ErおよびTmからなる群から選択され、Laを90原子%以上含む少なくとも1種の希土類元素、AはSi、TMはCo、5原子%≦a≦10原子%、4.7原子%≦b≦18原子%、0原子%≦c≦9原子%)で表される組成を有する急冷合金を形成する工程と、
前記急冷合金中に、NaZn13型結晶構造を有する化合物相を70体積%以上形成する工程と、
を包含する、磁性合金材料の製造方法。
Preparing a molten alloy raw material having a predetermined composition;
By quenching a melt of the alloy material, the composition formula: Fe 100-abc RE a A b TM c (RE is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er And at least one rare earth element selected from the group consisting of Tm and containing 90 atomic% or more of La, A is Si , TM is Co , 5 atomic% ≦ a ≦ 10 atomic%, 4.7 atomic% ≦ b ≦ 18 Forming a quenched alloy having a composition represented by: atomic%, 0 atomic% ≦ c ≦ 9 atomic%);
Forming 70% by volume or more of a compound phase having a NaZn 13 type crystal structure in the quenched alloy;
A method for producing a magnetic alloy material, comprising:
前記化合物相を形成する工程は、前記急冷合金を900℃以上1200℃以下の温度で、1秒以上100時間以下の時間に亘って熱処理を施す工程を包含する、請求項1に記載の磁性合金材料の製造方法。 2. The magnetic alloy according to claim 1, wherein the step of forming the compound phase includes a step of heat-treating the quenched alloy at a temperature of 900 ° C. to 1200 ° C. for a time of 1 second to 100 hours. Material manufacturing method. 前記熱処理工程は、前記急冷合金を10分以上熱処理する工程である、請求項2に記載の磁性合金材料の製造方法。   The method for producing a magnetic alloy material according to claim 2, wherein the heat treatment step is a step of heat-treating the quenched alloy for 10 minutes or more. 前記熱処理工程によって、全体に亘って、均質な組織を有するNaZn13型結晶構造を有する化合物相を形成する、請求項2または3に記載の磁性合金の製造方法。 The method for producing a magnetic alloy according to claim 2, wherein a compound phase having a NaZn 13 type crystal structure having a homogeneous structure is formed throughout the heat treatment step. 前記急冷合金は、急冷直後において、NaZn13型結晶構造を有する前記化合物相を有する、請求項1から4のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。 5. The method for producing a magnetic alloy material according to claim 1, wherein the quenched alloy has the compound phase having a NaZn 13 type crystal structure immediately after quenching. 前記急冷合金を形成する工程における冷却速度は、1×102℃/秒以上1×108℃/秒以下である、請求項1から5のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。 The method for producing a magnetic alloy material according to any one of claims 1 to 5, wherein a cooling rate in the step of forming the quenched alloy is 1 x 10 2 ° C / second or more and 1 x 10 8 ° C / second or less. 前記急冷合金は、厚さが10μm以上300μm以下の薄帯状である、請求項1から6のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。   The method for producing a magnetic alloy material according to any one of claims 1 to 6, wherein the quenched alloy is a ribbon having a thickness of 10 µm to 300 µm. 前記磁性合金原料は、磁気熱量効果を有する、請求項1から7のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。   The said magnetic alloy raw material is a manufacturing method of the magnetic alloy material in any one of Claim 1 to 7 which has a magnetocaloric effect. 前記急冷合金を粉砕する工程を更に含む、請求項1か8のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。   The method for producing a magnetic alloy material according to claim 1, further comprising a step of pulverizing the quenched alloy. 磁気相転移を示すキュリー温度Tcが180K以上330K以下の範囲内にある、請求項1から9のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。   The method for producing a magnetic alloy material according to any one of claims 1 to 9, wherein a Curie temperature Tc exhibiting a magnetic phase transition is in a range of 180K to 330K. 磁気相転移を起こす温度領域の半値幅ΔTcが30K以上である、請求項1から10のいずれかに記載の磁性合金材料の製造方法。 The method for producing a magnetic alloy material according to any one of claims 1 to 10 , wherein a half-value width ΔTc of a temperature region causing a magnetic phase transition is 30K or more. 請求項1から11のいずれかに記載の製造方法によって製造された磁性合金材料。
The magnetic alloy material manufactured by the manufacturing method in any one of Claim 1 to 11 .
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