JP3861276B2 - 冷却ロール、磁石材料の製造方法、薄帯状磁石材料、磁石粉末およびボンド磁石 - Google Patents

冷却ロール、磁石材料の製造方法、薄帯状磁石材料、磁石粉末およびボンド磁石 Download PDF

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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

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却ロール、磁石材料の製造方法、薄帯状磁石材料、磁石粉末およびボンド磁石に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
磁石粉末を結合樹脂で結合してなるボンド磁石は、形状の自由度が広いという利点を有し、モータや各種アクチュエータに用いられている。
【0003】
このようなボンド磁石を構成する磁石材料は、例えば急冷薄帯製造装置を用いた急冷法により製造される。急冷薄帯製造装置が単一の冷却ロールを備えるものである場合は、単ロール法と呼ばれる。
【0004】
この単ロール法では、所定の合金組成の磁石材料を加熱、溶融し、その溶湯をノズルから射出し、ノズルに対して回転している冷却ロールの周面に衝突させ、該周面と接触させることにより急冷、凝固し、薄帯状(リボン状)の磁石材料、すなわち急冷薄帯を連続的に形成する。そして、この急冷薄帯を粉砕して磁石粉末とし、この磁石粉末よりボンド磁石を製造する。
【0005】
このとき、冷却ロールとしては、熱伝導率の高い銅または銅系合金、鉄または鉄系合金等のロール(表面コーティングなし)が使用されたり、あるいは、主に耐久性の向上を目的として、ロール基材に比べて熱伝導率の低いCrメッキ等の表面層が、ロールの表面に設けられたものが使用されている。
【0006】
しかし、前者のように表面コーティングのないロールを使用した場合、得られる急冷薄帯のロール面(冷却ロールの周面と接触する側の面)では、冷却速度が非常に速く非晶質化し易くなるのに対し、フリー面(ロール面と反対側の面)では、ロール面に比べて冷却速度が遅いため結晶粒径の粗大化が起こり、結果として磁気特性が低下する。
【0007】
一方後者では、ロール基材に比べて熱伝導率の低いCrメッキ層等が表面層として設けてあるので、前記のような結晶粒径のバラツキは若干緩和されるが、次のような問題があった。
【0008】
通常Crメッキを施す場合、基部の上に電解メッキによってメッキ層を形成するが、電解メッキを行った場合、基部表面の凹凸の状態などでCrメッキ層の成長速度が場所によって大きく異なり、メッキ層表面にも凹凸が顕著に現れる。このため、メッキ後、面出しをするために、表面の研削加工、研磨加工などの機械加工が必須となる。しかし、冷却ロールについて、このような機械加工を行う場合、冷却ロールを回転して行うが、冷却ロールの偏心回転や機械のぶれ、振動等の影響で、周方向に沿って均一な加工を行うことができず、最終的に得られるCrメッキ層の厚さが不均一となる。
【0009】
このようにメッキ層の厚さが不均一になると、得られる急冷薄帯に対する熱伝達特性は、場所によって大きく異なる。そのため、急冷薄帯の合金の結晶粒径もバラツキが大きくなり、安定した高い磁気特性が得られない。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、磁気特性が優れ、信頼性の高い磁石を提供することができる冷却ロール、磁石材料の製造方法、薄帯状磁石材料、磁石粉末およびボンド磁石を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記(1)〜(23)の本発明により達成される。
【0012】
(1) 磁石材料製造用の冷却ロールであって、
前記冷却ロールのロール基材の外周の全周にセラミックスで構成された表面層を有し、
前記表面層の最大の厚さをTmax、最小の厚さをTminとしたとき、1.01≦Tmax/Tmin≦3の関係を満足することを特徴とする冷却ロール。
【0013】
(2) 前記表面層は、組成の異なる複数の層の積層体であり、前記積層体の隣接する層同士が同一の元素を含むものである上記(1)に記載の冷却ロール。
【0014】
(3) 前記表面層は、その表面に機械加工を行わないで製造されたものである上記(1)または(2)に記載の冷却ロール。
【0015】
(4) 前記表面層は、化学蒸着法(CVD)または物理蒸着法(PVD)によって形成されたものである上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の冷却ロール。
【0016】
(5) 前記表面層の平均厚さは、0.5〜50μmである上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の冷却ロール。
【0017】
(6) 前記表面層の表面粗さRaは、0.03〜8μmであることを特徴とする上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の冷却ロール。
【0018】
(7) 前記冷却ロールの半径が50〜1000mmである上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の冷却ロール。
【0019】
(8) 前記磁石材料は、希土類元素と、遷移金属と、ボロンとを含む合金である上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の冷却ロール。
【0020】
(9) 上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の冷却ロールを用いて急冷法により薄帯状磁石材料を製造することを特徴とする磁石材料の製造方法。
【0021】
(10) 雰囲気ガス中で、磁石材料の溶湯をノズルから射出し、前記ノズルに対し回転している上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の冷却ロールの周面に衝突させ、冷却固化して、薄帯状磁石材料を製造することを特徴とする磁石材料の製造方法。
【0022】
(11) 前記雰囲気ガスは、不活性ガスである上記(10)に記載の磁石材料の製造方法。
【0023】
(12) 前記冷却ロールの周速度が、5〜60m/秒である上記(9)ないし(11)のいずれかに記載の磁石材料の製造方法。
【0024】
(13) 得られる薄帯状磁石材料の平均厚さが10〜50μmである上記(9)ないし(12)のいずれかに記載の磁石材料の製造方法。
【0025】
(14) 得られる薄帯状磁石材料は、ソフト磁性相とハード磁性相とが相隣接して存在する複合組織を有するものである上記(9)ないし(13)のいずれかに記載の磁石材料の製造方法。
【0026】
(15) 上記(9)ないし(14)のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする薄帯状磁石材料。
【0027】
(16) 上記(9)ないし(14)のいずれかに記載の方法により製造された薄帯状磁石材料を粉砕して得られたことを特徴とする磁石粉末。
【0028】
(17) 磁石粉末は、その製造過程で、または製造後少なくとも1回熱処理が施されたものである上記(16)に記載の磁石粉末。
【0029】
(18) 平均結晶粒径が500nm以下の単相組織または複合組織を持つ上記(16)または(17)に記載の磁石粉末。
【0030】
(19) 平均粒径が0.5〜150μmである上記(16)ないし(18)のいずれかに記載の磁石粉末。
【0031】
(20) 上記(16)ないし(19)のいずれかに記載の磁石粉末を結合材で結合してなることを特徴とするボンド磁石。
【0032】
(21) 前記磁石粉末の含有量が75〜99.5%である上記(20)に記載のボンド磁石。
【0033】
(22) 保磁力HcJが320〜900kA/m以上である上記(20)または(21)に記載のボンド磁石。
【0034】
(23) 最大磁気エネルギー積(BH)maxが60kJ/m3以上である上記(20)ないし(22)のいずれかに記載のボンド磁石。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の冷却ロール、磁石材料の製造方法、薄帯状磁石材料、磁石粉末およびボンド磁石について添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。
【0036】
図1は、本発明の磁石材料を単ロール法により製造する装置(急冷薄帯製造装置)の構成例を示す斜視図、図2は、図1に示す装置における溶湯の冷却ロールへの衝突部位付近の状態を示す断面側面図である。
【0037】
図1に示すように、急冷薄帯製造装置1は、磁石材料を収納し得る筒体2と、該筒体2に対し図中矢印9A方向に回転する冷却ロール5とを備えている。筒体2の下端には、磁石材料の溶湯を射出するノズル(オリフィス)3が形成されている。
【0038】
筒体2の構成材料としては、例えば石英や、アルミナ、マグネシア等の耐熱性セラミックスが挙げられる。
【0039】
ノズル3の開口形状としては、例えば、円形、楕円形、スリット状等が挙げられる。
【0040】
また、筒体2のノズル3近傍の外周には、加熱用のコイル4が配置され、このコイル4に例えば高周波を印加することにより、筒体2内を加熱(誘導加熱)し、筒体2内の磁石材料を溶融状態にする。
【0041】
なお、加熱手段は、このようなコイル4に限らず、例えば、カーボンヒータを用いることもできる。
【0042】
冷却ロール5は、ロール基材51と、その外周の全周を被覆する表面層52とで構成されている。表面層52は、周面53を形成する。
【0043】
ロール基材51の構成材料は、特に限定されないが、表面層52の熱をより速く放散できるように、例えば銅または銅系合金、鉄または鉄系合金のような熱伝導率の高い金属材料で構成されているのが好ましい。
【0044】
また、表面層52は、ロール基材51より熱伝導率が低い材料で構成されている。これにより、急冷薄帯8のロール面81側とフリー面82側との冷却速度の差をより小さくすることができ、結晶粒径の均一化を図ることができる。
【0045】
このとき、表面層52の厚さのバラツキが大きいと、得られる急冷薄帯8に対する熱伝達特性は、場所によって大きく異なり、結晶粒径のバラツキが大きくなり、安定した磁気特性が得られなくなる。したがって、これを防止するために、本発明の冷却ロール5は、表面層52の最大の厚さをTmax、最小の厚さをTminとしたとき、下記式(I)を満足する表面層52を有するものとする。これにより、急冷薄帯8の長手方向における結晶粒径のバラツキを小さくすることができ、磁気特性の向上に寄与する。
【0046】
1.01≦Tmax/Tmin≦3 ・・・(I)
また、式(I)に代わり、式(II)を満足するのが好ましく、式(III)を満足するのがより好ましい。
【0047】
1.01≦Tmax/Tmin≦2 ・・・(II)
1.05≦Tmax/Tmin≦1.5 ・・・(III)
max/Tminの値は、小さいほどよいが、1.01未満のものは、製作上困難である場合がある。一方、Tmax/Tminの値が前記式中の上限値を超えると、表面層52の材質等によっては、得られる急冷薄帯8に対する熱伝達特性が場所によって大きく異なることになり、結晶粒径のバラツキが生じ、安定した磁気特性が得られなくなる。
【0048】
なお、表面層52が後述する組成の異なる複数の層の積層体であるときは、それらの合計の厚さの最大値をTmax、最小値をTminとする。
【0049】
ここで、表面層52の形成方法は、前記式を満足することができる方法であれば特に限定されないが、熱CVD、プラズマCVD、レーザーCVDなどの化学蒸着法(CVD)または真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどの物理蒸着法(PVD)が好ましい。これらの方法は、層形成を均一に行うことができるため、表面層52の形成後、その表面に機械加工を行わなくてよい。また、その他、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ、溶射等の方法でもよいが、表面層52の形成後、その表面に機械加工を行わないようにすることが好ましい。ただし、研削や研磨のような機械加工ではない、例えば、洗浄、エッチング、不動態化処理等の化学的に行う表面処理は、この限りではない。
【0050】
表面層52は、セラミックスで構成されたものである。これにより、急冷薄帯8のロール面81とフリー面82との冷却速度の差をより小さくできる。セラミックスとしては、例えば、Al23、SiO2、TiO2、Ti23、ZrO2、Y23、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム等の酸化物系セラミックス、AlN、Si34、TiN、BN等の窒化物系セラミックス、グラファイト、SiC、ZrC、NbC、Al43、CaC2、WC等の炭化物系のセラミックス、あるいは、これらのうちの2以上を任意に組合せた複合セラミックスが挙げられる。
【0051】
また、表面層52は、図示のような単層のみならず、例えば組成の異なる複数の層の積層体であってもよい。この場合、隣接する層同士は、密着性の高いものが好ましく、その例としては、隣接する層同士に同一の元素が含まれているものが挙げられる。
【0052】
また、表面層52が単層で構成されている場合でも、その組成は、厚さ方向に均一なものに限らず、例えば、含有成分が厚さ方向に順次変化するもの(傾斜材料)であってもよい。
【0053】
表面層52の平均厚さ(前記積層体の場合はその合計厚さ)Tは、特に限定されないが、0.5〜50μmであることが好ましく、1〜20μmであることがより好ましい。
【0054】
表面層52の平均厚さTが小さすぎると、表面層52の材質によっては、急冷薄帯8のロール面81では冷却速度が速く非晶質化し易くなるのに対して、フリー面82ではロール面81に比べて冷却速度が遅いため結晶粒径の粗大化が起こり、また、逆に表面層52の平均厚さTが大きすぎると、急冷速度が遅く、結晶粒径の粗大化が起こり、いずれの場合にも、結果として磁気特性が低下する。
【0055】
表面層52の表面粗さRaは、表面層52を構成する材料、組成等にもより、特に限定されないが、0.03〜8μmであることが好ましく、0.05〜5μm程度であるのがより好ましい。
【0056】
表面粗さRaが小さ過ぎると、溶湯6が周面53に衝突して形成されるパドル(湯溜り)7にすべりが生じるおそれがある。このすべりが著しいと、周面53と急冷薄帯8との接触が不十分となり、結晶粒が粗大化し、磁気特性が低下する。一方、Raが大き過ぎると、周面53と急冷薄帯8との間に生じる空隙が大きくなり、後述する接触時間が比較的短いと、全体として熱伝達性が悪くなり、磁気特性が低下する。
【0057】
冷却ロール5の半径は、特に限定されないが、通常50〜1000mm程度が好ましく、75〜500mm程度がより好ましい。
【0058】
冷却ロール5の半径が小さ過ぎると、冷却ロール全体の冷却能力が低くなり、特に急冷薄帯8を連続的に生産する場合、時間の経過と共に結晶粒径の粗大化が起こり、高い磁気特性を有する急冷薄帯8を安定して得ることが困難となる。また、半径が大き過ぎると、冷却ロール自体の加工性が悪く、場合によっては加工が困難となり、また装置の大型化を招くこととなる。
【0059】
本発明における薄帯状磁石材料や磁石粉末としては、優れた磁気特性を有するものが好ましく、このようなものとしては、R(ただし、Rは、Yを含む希土類元素のうちの少なくとも1種)を含む合金、特にR(ただし、Rは、Yを含む希土類元素のうちの少なくとも1種)とTM(ただし、TMは、遷移金属のうちの少なくとも1種)とB(ボロン)とを含む合金が挙げられ、次の[1]〜[4]の組成のものが好ましい。
【0060】
[1] Smを主とする希土類元素と、Coを主とする遷移金属とを基本成分とするもの(以下、Sm−Co系合金と言う)。
【0061】
[2] R(ただし、Rは、Yを含む希土類元素のうちの少なくとも1種)と、Feを主とする遷移金属(TM)と、Bとを基本成分とするもの(以下、R−TM−B系合金と言う)。
【0062】
[3] Smを主とする希土類元素と、Feを主とする遷移金属と、Nを主とする格子間元素とを基本成分とするもの(以下、Sm−Fe−N系合金と言う)。
【0063】
[4] R(ただし、Rは、Yを含む希土類元素のうち少なくとも1種)とFe等の遷移金属とを基本成分とし、ソフト磁性相とハード磁性相とが相隣接して存在する複合組織(特に、ナノコンポジット組織と呼ばれるものがある)を有するもの。
【0064】
Sm−Co系合金の代表的なものとしては、SmCo5、Sm2TM17(ただしTMは、遷移金属)が挙げられる。
【0065】
R−Fe−B系合金の代表的なものとしては、Nd−Fe−B系合金、Pr−Fe−B系合金、Nd−Pr−Fe−B系合金、Nd−Dy−Fe−B系合金、Ce−Nd−Fe−B系合金、Ce−Pr−Nd−Fe−B系合金、これらにおけるFeの一部をCo、Ni等の他の遷移金属で置換したもの等が挙げられる。
【0066】
Sm−Fe−N系合金の代表的なものとしては、Sm2Fe17合金を窒化して作製したSm2Fe173、TbCu7型相を主相とするSm−Zr−Fe−Co−N系合金が挙げられる。
【0067】
前記希土類元素としては、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、ミッシュメタルが挙げられ、これらを1種または2種以上含むことができる。また、前記遷移金属としては、Fe、Co、Ni等が挙げられ、これらを1種または2種以上含むことができる。
【0068】
また、保磁力、最大磁気エネルギー積等の磁気特性を向上させるため、あるいは、耐熱性、耐食性を向上させるために、磁石材料中には、必要に応じ、Al、Cu、Ga、Si、Ti、V、Ta、Zr、Nb、Mo、Hf、Ag、Zn、P、Ge等を含有することもできる。
【0069】
前記複合組織(ナノコンポジット組織)は、ソフト磁性相とハード磁性相とを有し、各相の厚さや粒径がナノメーターレベル(例えば1〜100nm)で存在している。そして、ソフト磁性相とハード磁性相とが相隣接し、磁気的な交換相互作用を生じる。
【0070】
ソフト磁性相の磁化は、外部磁界の作用により容易にその向きを変えるので、ハード磁性相に混在すると、系全体の磁化曲線はB−H図(J−H図)の第二象現で段のある「へび型曲線」となる。しかし、ソフト磁性相のサイズが数10nm以下と十分小さい場合には、ソフト磁性体の磁化が周囲のハード磁性体の磁化との結合によって十分強く拘束され、系全体がハード磁性体として振舞うようになる。
【0071】
このような複合組織(ナノコンポジット組織)を持つ磁石は、主に、以下に挙げる特徴1)〜5)を有している。
【0072】
1)B−H図(J−H図)の第二象現で、磁化が可逆的にスプリングバックする(この意味で「スプリング磁石」とも言う)。
2)着磁性が良く、比較的低い磁場で着磁できる。
3)磁気特性の温度依存性がハード磁性相単独の場合に比べて小さい。
4)磁気特性の経時変化が小さい。
5)微粉砕しても磁気特性が劣化しない。
【0073】
前述したR−TM−B系合金において、ハード磁性相およびソフト磁性相は、例えば次のようなものとなる。
【0074】
ハード磁性相:R2TM14B系(TMは、FeまたはFeとCo)、またはR2TM14BQ系(Qは、Al、Cu、Ga、Si、Ti、V、Ta、Zr、Nb、Mo、Hf、Ag、Zn、P、Ge等のうちの少なくとも1種)
ソフト磁性相:TM(特にα−Fe,α−(Fe,Co))、またはTMとQとの合金相
冷却ロール5の周速度は、合金溶湯の組成、表面層52の構成材料(組成)、周面53の表面性状(特に、周面53の溶湯6に対する濡れ性)等によりその好適な範囲が異なるが、磁気特性向上のために、通常、5〜60m/秒であるのが好ましく、10〜45m/秒であるのがより好ましい。
【0075】
冷却ロール5の周速度が遅すぎると、急冷薄帯8の体積流量(単位時間当たりに射出される溶湯6の体積)によっては、急冷薄帯8の平均厚さtが大きくなり、結晶粒径が増大する傾向を示し、逆に冷却ロール5の周速度が速すぎると、大部分が非晶質組織となり、いずれの場合にも、その後に熱処理を施したとしても磁気特性の十分な向上が図れなくなる。
【0076】
このような急冷薄帯製造装置1は、チャンバー(図示せず)内に設置され、該チャンバー内に不活性ガスやその他の雰囲気ガスが充填された状態で作動する。特に、急冷薄帯8の酸化を防止するために、雰囲気ガスは、不活性ガスであるのが好ましい。不活性ガスとしては、例えばアルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等が挙げられる。
【0077】
筒体2内の溶湯6の液面には、チャンバーの内圧より高い所定の圧力がかけられている。溶湯6は、この筒体2内の溶湯6の液面に作用する圧力とチャンバー内の雰囲気ガスの圧力との差圧により、ノズル3から射出する。
【0078】
急冷薄帯製造装置1では、筒体2内に磁石材料を入れ、コイル4により加熱して溶融し、その溶湯6をノズル3から射出すると、図2に示すように、溶湯6は、冷却ロール5の周面53に衝突し、パドル(湯溜り)7を形成した後、回転する冷却ロール5の周面53に引きずられつつ急速に冷却されて凝固し、急冷薄帯8が連続的または断続的に形成される。このようにして形成された急冷薄帯8は、やがて、そのロール面81が周面53から離れ、図1中の矢印9B方向に進行する。なお、図2中、溶湯の凝固界面71を点線で示す。
【0079】
なお、急冷薄帯8を実際に製造するに際しては、必ずしもノズル3を冷却ロール5の回転中心54の真上に設置しなくてもよく、例えば、冷却ロール5の位置は同じで、ノズル3を図2中左方向に若干移動した位置に設置し、急冷薄帯8の製造を行なってもよい。
【0080】
以上のようにして得られた急冷薄帯8は、その幅wおよび厚さができるだけ均一であるものが好ましい。この場合、急冷薄帯8の平均厚さtは、10〜50μm程度であるのが好ましく、15〜40μm程度であるのがより好ましい。
【0081】
平均厚さtが小さ過ぎると、非晶質組織が占める割合が多くなり、その後に熱処理を施したとしても磁気特性の十分な向上が図れなくなる。また、平均厚さtが小さ過ぎると、急冷薄帯8の機械的強度が低下し、連続した長さの急冷薄帯8が得られにくく、フレーク状または粉末状となり、その結果、冷却が不均一となり、磁気特性のバラツキが生じる。また、単位時間当たりの生産性も劣る。
【0082】
また、平均厚さtが大き過ぎると、熱伝達が急冷薄帯8の内部の熱伝導によって支配されるようになり、フリー面82側の結晶粒径が粗大化する傾向を示すため、磁気特性の十分な向上が図れない。
【0083】
なお、得られた急冷薄帯8に対しては、例えば、非晶質組織(アモルファス組織)の再結晶化の促進、組織の均質化等を目的として、熱処理を施すこともできる。この熱処理の条件としては、例えば、400〜900℃で、0.5〜300分程度とすることができる。
【0084】
また、この熱処理は、酸化を防止するために、真空または減圧状態下(例えば1×10-1〜1×10-6 Torr )、あるいは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス中のような、非酸化性雰囲気中で行うのが好ましい。
【0085】
以上のようにして得られた急冷薄帯(薄帯状磁石材料)8は、微細結晶組織、もしくは微細結晶が非晶質組織中に含まれるような組織となり、優れた磁気特性が得られる。
【0086】
なお、以上では、急冷法として、単ロール法を例に説明したが、双ロール法を採用してもよい。このような急冷法は、金属組織(結晶粒)を微細化することができるので、ボンド磁石の磁石特性、特に保磁力等を向上させるのに有効である。
【0087】
以上のようにして得られた急冷薄帯8を粉砕することにより、本発明の磁石粉末が得られる。
【0088】
粉砕の方法は、特に限定されず、例えばボールミル、振動ミル、ジェットミル、ピンミル等の各種粉砕装置、破砕装置を用いて行うことができる。この場合、粉砕は、酸化を防止するために、真空または減圧状態下(例えば1×10-1〜1×10-6Torr)、あるいは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス中のような、非酸化性雰囲気中で行うこともできる。
【0089】
なお、得られた磁石粉末に対しては、例えば、粉砕により導入されたひずみの影響の除去、結晶粒径の制御を目的として、熱処理を施すこともできる。この熱処理の条件としては、例えば、350〜850℃で、0.5〜300分程度とすることができる。
【0090】
また、この熱処理は、酸化を防止するために、真空または減圧状態下(例えば1×10-1〜1×10-6 Torr )、あるいは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガス中のような、非酸化性雰囲気中で行うのが好ましい。
【0091】
このような磁石粉末を用いてボンド磁石を製造した場合、該磁石粉末は、結合材(結合樹脂)との結合性(濡れ性)が良く、そのため、このボンド磁石は、機械的強度が高く、熱安定性(耐熱性)、耐食性が優れたものとなる。従って、当該磁石粉末は、ボンド磁石の製造に適しており、製造されたボンド磁石は、信頼性の高いものとなる。
【0092】
以上のような磁石粉末は、平均結晶粒径が500nm以下であるのが好ましく、200nm以下であるのがより好ましく、10〜100nm程度がさらに好ましい。平均結晶粒径が大き過ぎると、優れた磁気特性、特に保磁力および角型性の向上が十分に図れないからである。
【0093】
なお、磁石材料が前記[1]〜[3]のような単相組織のものであるか、前記[4]のような複合組織のものであるかを問わず、また、前記急冷薄帯8に対する熱処理や磁石粉末に対する熱処理の有無や熱処理条件にかかわらず、平均結晶粒径は、上記範囲のものとするのが好ましい。
【0094】
また、磁石粉末の平均粒径は、特に限定されないが、後述するボンド磁石(希土類ボンド磁石)を製造するためのものの場合、磁石粉末の酸化防止と、粉砕による磁気特性劣化の防止とを考慮して、0.5〜150μm程度が好ましく、1〜60μm程度がより好ましい。また、後述するような少量の結合樹脂で成形時の良好な成形性を得るために、磁石粉末の粒径分布は、ある程度分散されている(バラツキがある)のが好ましい。これにより、得られたボンド磁石の空孔率を低減することができ、ボンド磁石の機械的強度をより高め、磁気特性をさらに向上することができる。
【0095】
このような磁石粉末は、同一組成のもののみならず、異なる2種以上の組成の磁石粉末を混合したものでもよい。例えば、前記[1]〜[4]の組成のもののうち、少なくとも2種を混合したものが挙げられる。この場合、混合する各磁石粉末の利点を併有することができ、より優れた磁気特性を容易に得ることができる。
【0096】
なお、異なる2種以上の組成の磁石粉末を混合したものの場合、混合する磁石粉末の組成毎に、その平均粒径が異なっていてもよい。また、このような混合粉末の場合、異なる2種以上の組成の磁石粉末のうちの少なくとも1種が前述した本発明の方法により製造されたものであればよい。
【0097】
また、本発明の粉末状の磁石材料は、ボンド磁石の製造に用いるものに限定されず、例えば、焼結磁石の製造に用いるものであってもよい。
【0098】
次に、本発明のボンド磁石について説明する。
本発明のボンド磁石は、前述の磁石粉末を結合樹脂のような結合材(バインダー)で結合してなるものである。
結合樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれでもよい。
【0099】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド(例:ナイロン6、ナイロン46、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン6−12、ナイロン6−66)、熱可塑性ポリイミド、芳香族ポリエステル等の液晶ポリマー、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアセタール等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を混合して用いることができる。
【0100】
これらのうちでも、成形性が特に優れており、機械的強度が高いことから、ポリアミド、耐熱性向上の点から、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイドを主とするものが好ましい。また、これらの熱可塑性樹脂は、磁石粉末との混練性にも優れている。
【0101】
このような熱可塑性樹脂は、その種類、共重合化等により、例えば成形性を重視したものや、耐熱性、機械的強度を重視したものというように、広範囲の選択が可能となるという利点がある。
【0102】
一方、熱硬化性樹脂としては、例えば、ビスフェノール型、ノボラック型、ナフタレン系等の各種エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル(不飽和ポリエステル)樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を混合して用いることができる。
【0103】
これらのうちでも、成形性が特に優れており、機械的強度が高く、耐熱性に優れるという点から、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂が好ましく、エポキシ樹脂が特に好ましい。また、これらの熱硬化性樹脂は、磁石粉末との混練性、混練の均一性にも優れている。
【0104】
なお、使用される熱硬化性樹脂(未硬化)は、室温で液状のものでも、固形(粉末状)のものでもよい。
【0105】
なお、本発明では、弾性を有する結合材として、例えば、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR、1,2−BR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等のブタジエン系ゴム、クロロプレンゴム(CR)、ブタジエン−アクリロニトリルゴム(NBR)等のジエン系特殊ゴム、ブチルゴム(IIR)、エチレン−プロピレンゴム(EPM、EPDM)、エチレン−酢酸ビニルゴム(EVA)、アクリル系ゴム(ACM、ANM)、ハロゲン化ブチルゴム(X−IIR)等のオレフィン系ゴム、ウレタンゴム(AU、EU)等のウレタン系ゴム、ヒドリンゴム(CO、ECO、GCO、EGCO)等のエーテル系ゴム、多硫化ゴム(T)等のポリスルフィド系ゴム、シリコーンゴム(Q)、フッ素ゴム(FKM、FZ)、塩素化ポリエチレン(CM)等の各種ゴムや、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマーを用い、可撓性(柔軟性)を有するボンド磁石とすることもできる。
【0106】
また、本発明のボンド磁石は、等方性でも異方性でもよいが、製造のし易さから、等方性であるのが好ましい。
【0107】
このような本発明のボンド磁石は、例えば次のようにして製造される。磁石粉末と、結合樹脂と、必要に応じ添加剤(酸化防止剤、潤滑剤等)とを含むボンド磁石用組成物(コンパウンド)を製造し、このボンド磁石用組成物を用いて、圧縮成形(プレス成形)、押出成形、射出成形、カレンダー成形等の成形方法により、磁場中または無磁場中で所望の磁石形状に成形する。結合樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、成形後、加熱等によりそれを硬化する。
【0108】
ここで、前記3種の成形方法のうち、押出成形および射出成形(特に、射出成形)は、形状選択の自由度が広く、生産性が高い等の利点があるが、これらの成形方法では、良好な成形性を得るために、成形機内におけるコンパウンドの十分な流動性を確保しなければならないため、圧縮成形に比べて、磁石粉末の含有量を多くすること、すなわちボンド磁石を高密度化することができない。しかしながら、本発明では、後述するように、高い磁束密度が得られ、そのため、ボンド磁石を高密度化しなくても優れた磁気特性が得られるので、押出成形、射出成形により製造されるボンド磁石にもその利点を享受することができる。
【0109】
ボンド磁石中の磁石粉末の含有量(含有率)は、特に限定されず、通常は、成形方法や、成形性と高磁気特性との両立を考慮して決定される。具体的には、75〜99.5wt%程度であるのが好ましく、85〜98wt%程度であるのがより好ましい。
【0110】
特に、ボンド磁石が圧縮成形により製造されたものの場合には、磁石粉末の含有量は、90〜99.5wt%程度であるのが好ましく、93〜98.5wt%程度であるのがより好ましい。
【0111】
また、ボンド磁石が押出成形または射出成形により製造されたものの場合には、磁石粉末の含有量は、75〜98wt%程度であるのが好ましく、85〜97wt%程度であるのがより好ましい。
【0112】
ボンド磁石の密度ρは、それに含まれる磁石粉末の比重、磁石粉末の含有量、空孔率等の要因により決定される。本発明のボンド磁石において、その密度ρは特に限定されないが、結合材として前述のような結合樹脂(熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂)を用いたボンド磁石の場合には、5.0g/cm3以上であるのが好ましく、5.5〜6.6g/cm3程度であるのがより好ましい。また、可撓性(柔軟性)を有するボンド磁石の場合には、5.0g/cm3未満であってもよい。
【0113】
本発明では、磁石粉末の磁束密度、保磁力が比較的大きいので、ボンド磁石に成形した場合に、磁石粉末の含有量が多い場合はもちろんのこと、含有量が比較的少ない場合でも、優れた磁気特性(高い保磁力および最大磁気エネルギー積)が得られる。
【0114】
本発明のボンド磁石は、保磁力HcJが320〜900kA/m程度であるのが好ましく、400〜720kA/m程度であるのがより好ましい。保磁力が前記下限値未満では、モータの用途によっては逆磁場がかかったときの減磁が顕著になり、また、高温における耐熱性が劣る。また、保磁力が前記上限値を超えると、着磁性が低下する。従って、保磁力HcJを上記範囲とすることにより、ボンド磁石(特に、円筒状磁石)に多極着磁等をするような場合に、十分な着磁磁場が得られないときでも、良好な着磁が可能となり、十分な磁束密度が得られ、高性能なボンド磁石、特にモータ用ボンド磁石を提供することができる。
【0115】
本発明のボンド磁石は、最大磁気エネルギー積(BH)maxが60kJ/m3以上であるのが好ましく、65kJ/m3以上であるのがより好ましく、70〜130kJ/m3であるのがさらに好ましい。最大磁気エネルギー積(BH)maxが60kJ/m3未満であると、モータ用に用いた場合、その種類、構造によっては、十分なトルクが得られない。
【0116】
本発明のボンド磁石の形状、寸法等は特に限定されず、例えば、形状に関しては、例えば、円柱状、角柱状、円筒状(リング状)、円弧状、平板状、湾曲板状等のあらゆる形状のものが可能であり、その大きさも、大型のものから超小型のものまであらゆる大きさのものが可能である。
【0117】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例について説明する。
【0118】
(実施例1)
以下に述べるような方法で合金組成が(Nd0.9Dy0.18.9Febal.Co7.85.6Al0.7の急冷薄帯を得た。
【0119】
まず、Nd、Fe、Co、B、Alの各原料を秤量し、高周波誘導溶解炉にてArガス中で溶解、鋳造し、母合金インゴットを製造した後、このインゴットから約15gのサンプルを切り出した。
【0120】
図1に示す構成の急冷薄帯製造装置1を用意し、底部にノズル(円孔オリフィス)3を設けた石英管内に前記サンプルを入れた。
【0121】
銅製のロール基材51(直径200mm、幅30mm)の周面に対し、化学蒸着法(CVD)により蒸着を行い、表面層52を有する冷却ロール5を得た(No.1〜3、6)。このとき、化学蒸着は、熱CVDにより行った。表面層の材質に応じて所定の合成反応ガスを選択した。合成温度も材質によって変わるが、約800〜1500℃でCVDを行った。
【0122】
また、前記と同一条件のロール基材51の周面に対し、物理蒸着法(PVD)により行い、表面層52を有する冷却ロール5を得た(条件No.4、5)。このとき、物理蒸着は、イオンプレーティングにより行った。基板温度をおよそ250〜800℃に保持し、表面材質によって反応ガスを選択して、加速電圧は50〜300Vとした。
【0123】
なお、条件No.5、6では、表面層52は、組成の異なる2層を積層したものとした。
【0124】
また、比較例として、前記と同一条件のロール基材51の周面に、電解メッキによりCr層を形成した。その後、Cr層に研削研磨加工を施し、表面層52とした(条件No.7)。なお、研削加工は円筒研削盤を用いて行い、研磨加工は、#1500の研磨紙で行った。
【0125】
このようにして得られた条件No.1〜7の冷却ロール5について表面層52の平均厚さT、Tmax、Tmin、表面粗さRaの測定を行った。
【0126】
表面層52の厚さは、表面層を設ける前のロール基材と、表面層を設けた後のロールのそれぞれについて、あらかじめ位置決めしておいてから拡大投影機にて外寸法を測定した値から算出した。周面53上で周方向に等間隔の120箇所の点において表面層52の厚さを測定し、この平均値を平均厚さTとし、この120箇所の測定の最高値をTmax、最低値をTminとした。
【0127】
表面粗さRaは、平均厚さT、Tmax、Tminと同様にして周面53上の等間隔の12箇所の点において表面粗さを測定し、その平均値を求めた。
【0128】
冷却ロール5の表面層52の材質、平均厚さT、Tmax/Tmin、表面粗さRaについて、下記表1に示した。
【0129】
【表1】
Figure 0003861276
急冷薄帯製造装置1が収納されているチャンバー内を脱気した後、ヘリウムガスを導入し、所望の温度および圧力の雰囲気とした。
【0130】
その後、石英管内のインゴットサンプルをコイル4で高周波誘導加熱して溶解し、さらに、冷却ロール5の周速度を16m/秒、溶湯の噴射圧(石英管の内圧と雰囲気圧との差圧)を40kPa、雰囲気ガスの圧力を60kPaとし、溶湯を冷却ロール5の回転中心の真上から冷却ロール5の頂部の周面53に向けて噴射し、急冷薄帯を連続的に製造した。
【0131】
得られたそれぞれの急冷薄帯について、長さ約5cmの急冷薄帯を取り出し、さらにそこから長さ約7mmのサンプルを5サンプル連続して作製し、それぞれのサンプルについて平均厚さt、平均結晶粒径および磁気特性を測定した。
【0132】
平均厚さtは、マイクロスコープにより1サンプルにつき20箇所の測定点で測定し、これを平均した値とした。平均結晶粒径は、電子顕微鏡による組織観察結果から求めた。磁気特性は、振動試料型磁力計(VSM)を用いて保磁力HcJ(kA/m)および最大磁気エネルギー積(BH)max(kJ/m3)を測定した。それらの結果を表2に示した。
【0133】
【表2】
Figure 0003861276
これらの結果から明らかなように、条件No.1〜6(本発明)で得られた急冷薄帯は、高い磁気特性が安定して得られていることが確認された。
【0134】
これに対し、条件No.7(比較例)で得られた急冷薄帯は、磁気特性が低いばかりでなく、連続したリボンから抽出したサンプルであるにもかかわらず、その磁気特性のバラツキが大きい。
【0135】
(実施例2)
次に、実施例1の条件No.1〜6で得られた急冷薄帯に、Arガス雰囲気中で680℃×300秒の熱処理を施した後、これらの急冷薄帯を粉砕して、磁石粉末を得た。
【0136】
得られた磁石粉末について、その相構成を分析するため、Cu−Kαを用い回折角20°〜60°にてX線回折を行った。回折パターンからハード磁性相であるR2(Fe・Co)14B型相と、ソフト磁性相であるα−(Fe,Co)型相の回折ピークが確認でき、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察結果から、いずれも、複合組織(ナノコンポジット組織)を形成していることが確認された。得られた磁石粉末の平均粒径については、それぞれ下記表3に示した。
【0137】
次に、以上のようにして得られた各磁石粉末に、エポキシ樹脂(結合樹脂)と、少量のヒドラジン系酸化防止剤とを混合し、これらを混練してボンド磁石用組成物(コンパウンド)を作製した。このとき、磁石粉末とエポキシ樹脂との配合比率(重量比)は、各サンプルについてほぼ等しい値とした。
【0138】
次いで、このコンパウンドを粉砕して粒状とし、この粒状物を秤量してプレス装置の金型内に充填し、圧力7ton/cm2で圧縮成形(無磁場中)して、成形体を得た。
【0139】
離型後、150℃の加熱によりエポキシ樹脂を硬化させて(キュア処理)、直径10mm×高さ7mmの円柱状の等方性ボンド磁石を得た。
【0140】
各ボンド磁石中の磁石粉末の含有量、各ボンド磁石の密度ρについては、それぞれ表3に示した。
【0141】
これらのボンド磁石について、磁場強度3.2MA/mのパルス着磁を施した後、直流自記磁束計にて最大印加磁場2.0MA/mで保磁力HcJおよび最大磁気エネルギー積(BH)maxを測定した。測定時の温度は、23℃(室温)であった。それらの結果を表3に示した。
【0142】
次に耐熱性のテストを行った。この耐熱性は、ボンド磁石を100℃×1時間の環境下に保持した後、室温に戻した際の不可逆減磁率(初期減磁率)を測定し、評価した。不可逆減磁率(初期減磁率)の絶対値が小さいほど、耐熱性(熱安定性)に優れる。測定の結果得られた不可逆減磁率を表3に示した。
【0143】
【表3】
Figure 0003861276
これらの結果からわかるように、実施例2で得られた条件No.1〜6のボンド磁石は、いずれも、優れた磁気特性(高い保磁力HcJおよび最大磁気エネルギー積(BH)max)および良好な温度特性(低い不可逆減磁率)が得られている。
【0144】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果が得られる。
【0145】
・ 得られる急冷薄帯のロール面側とフリー面側の組織差や長手方向における組織差を小さくすること、特に冷却速度の違いによる結晶粒径の差を小さくすることができ、その結果、優れた磁気特性を持つ磁石材料、磁石粉末が得られ、それより製造されたボンド磁石も優れた磁気特性を発揮する。
【0146】
・ 特に、冷却ロールに形成される表面層の構成材料、厚さ、表面粗さ、冷却ロールの半径、周速度、急冷薄帯の厚さ等、磁石粉末の粒径(粒度)、平均結晶粒径等を好適な範囲に設定することにより、さらに優れた磁気特性が得られる。
【0147】
・ 従来のボンド磁石に比べ、より小さい体積のボンド磁石で同等以上の磁気特性を発揮することができるので、より小型で高性能のモータ等を製造することが可能となる。
【0148】
・ 高磁気特性が得られることから、ボンド磁石の製造に際し、高密度化を追求しなくても十分に満足できる磁気特性を得ることができ、その結果、成形性の向上と共に、寸法精度、機械的強度、耐食性、耐熱性等の向上が図れ、信頼性の高いボンド磁石を容易に製造することが可能となる。
【0149】
・ また、高密度化を要求されないことから、圧縮成形法に比べて高密度の成形がしにくい押出成形法や射出成形法によるボンド磁石の製造にも適し、このような成形方法で成形されたボンド磁石でも、前述したような効果が得られる。よって、ボンド磁石の成形方法の選択の幅、さらには、それによる形状選択の自由度が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁石材料を製造する装置(急冷薄帯製造装置)の構成例を示す斜視図である。
【図2】図1に示す装置における溶湯の冷却ロールへの衝突部位付近の状態を示す断面側面図である。
【符号の説明】
1 急冷薄帯製造装置
2 筒体
3 ノズル
4 コイル
5 冷却ロール
51 ロール基材
52 表面層
53 周面
6 溶湯
7 パドル
71 凝固界面
8 急冷薄帯
81 ロール面
82 フリー面
9A 矢印
9B 矢印

Claims (23)

  1. 磁石材料製造用の冷却ロールであって、
    前記冷却ロールのロール基材の外周の全周にセラミックスで構成された表面層を有し、
    前記表面層の最大の厚さをTmax、最小の厚さをTminとしたとき、1.01≦Tmax/Tmin≦3の関係を満足することを特徴とする冷却ロール。
  2. 前記表面層は、組成の異なる複数の層の積層体であり、前記積層体の隣接する層同士が同一の元素を含むものである請求項1に記載の冷却ロール。
  3. 前記表面層は、その表面に機械加工を行わないで製造されたものである請求項1または2に記載の冷却ロール。
  4. 前記表面層は、化学蒸着法(CVD)または物理蒸着法(PVD)によって形成されたものである請求項1ないし3のいずれかに記載の冷却ロール。
  5. 前記表面層の平均厚さは、0.5〜50μmである請求項1ないし4のいずれかに記載の冷却ロール。
  6. 前記表面層の表面粗さRaは、0.03〜8μmであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の冷却ロール。
  7. 前記冷却ロールの半径が50〜1000mmである請求項1ないし6のいずれかに記載の冷却ロール。
  8. 前記磁石材料は、希土類元素と、遷移金属と、ボロンとを含む合金である請求項1ないし7のいずれかに記載の冷却ロール。
  9. 請求項1ないし8のいずれかに記載の冷却ロールを用いて急冷法により薄帯状磁石材料を製造することを特徴とする磁石材料の製造方法。
  10. 雰囲気ガス中で、磁石材料の溶湯をノズルから射出し、前記ノズルに対し回転している請求項1ないし8のいずれかに記載の冷却ロールの周面に衝突させ、冷却固化して、薄帯状磁石材料を製造することを特徴とする磁石材料の製造方法。
  11. 前記雰囲気ガスは、不活性ガスである請求項10に記載の磁石材料の製造方法。
  12. 前記冷却ロールの周速度が、5〜60m/秒である請求項9ないし11のいずれかに記載の磁石材料の製造方法。
  13. 得られる薄帯状磁石材料の平均厚さが10〜50μmである請求項9ないし12のいずれかに記載の磁石材料の製造方法。
  14. 得られる薄帯状磁石材料は、ソフト磁性相とハード磁性相とが相隣接して存在する複合組織を有するものである請求項9ないし13のいずれかに記載の磁石材料の製造方法。
  15. 請求項9ないし14のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする薄帯状磁石材料。
  16. 請求項9ないし14のいずれかに記載の方法により製造された薄帯状磁石材料を粉砕して得られたことを特徴とする磁石粉末。
  17. 磁石粉末は、その製造過程で、または製造後少なくとも1回熱処理が施されたものである請求項16に記載の磁石粉末。
  18. 平均結晶粒径が500nm以下の単相組織または複合組織を持つ請求項16または17に記載の磁石粉末。
  19. 平均粒径が0.5〜150μmである請求項16ないし18のいずれかに記載の磁石粉末。
  20. 請求項16ないし19のいずれかに記載の磁石粉末を結合材で結合してなることを特徴とするボンド磁石。
  21. 前記磁石粉末の含有量が75〜99.5%である請求項20に記載のボンド磁石。
  22. 保磁力HcJが320〜900kA/m以上である請求項20または21に記載のボンド磁石。
  23. 最大磁気エネルギー積(BH)maxが60kJ/m以上である請求項20ないし22のいずれかに記載のボンド磁石。
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