JP3957458B2 - フェライト磁石粉末の製造方法および磁石の製造方法 - Google Patents
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-
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-
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェライト磁石粉末および該磁石粉末を用いた磁石の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
フェライトは二価陽イオン金属の酸化物と三価の鉄とが作る化合物の総称であり、フェライト磁石はモーターや発電機などの種々の用途に使用されている。フェライト磁石の材料としては、マグネトプランバイト型の六方晶構造を持つSrフェライト(SrFe12O19)またはBaフェライト(BaFe12O19)が広く用いられている。これらのフェライトは、酸化鉄とストロンチウム(Sr)またはバリウム(Ba)等の炭酸塩を原料とし、粉末冶金法によって比較的安価に製造される。
【0003】
マグネトプランバイト型フェライトの基本組成は、通常、「MO・nFe2O3」の化学式で表現される。元素Mは二価陽イオンとなる金属であり、Sr、Ba、Pb、Niその他から選択される。このフェライト中の各サイトにおける鉄イオン(Fe3+)はスピン磁気モーメントを持ち、酸素イオン(O-2)を介して超交換相互作用によって結合している。Fe3+の各サイトにおいて、Fe3+の磁気モーメントはc軸に沿って「上向き」または「下向き」の状態にある。「上向き」の磁気モーメントを持つサイトの数と「下向き」の磁気モーメントを持つサイトの数との間に差異があるため、結晶全体としては強磁性を示す(フェリ磁性体)。
【0004】
マグネトプランバイト型フェライト磁石の磁気性能のうち、残留磁束密度(Br)は結晶のIsを向上させ、焼結体の密度および結晶の配向度を増加させることによって改善できることが知られている。一方、保磁力(HcJ)は単磁区結晶の存在率を高めることによって改善できることも知られている。しかし、残留磁束密度(Br)を向上させる目的で焼結体の密度を高くしようとすると、結晶成長が助長されために保磁力(HcJ)が低下してしまう。逆に、Al2O3等の添加によって結晶粒サイズを制御し、それによって保磁力を向上させようとすると、焼結体の密度低下などに起因して残留磁束密度が低下してしまう。このようなフェライト磁石の磁気特性を改善する目的で、フェライトの組成、添加物および製造条件について種々の検討がなされてきたが、残留磁束密度と保磁力の両方を向上させたフェライト磁石の開発は難しかった。
【0005】
本出願人は、原料にCoを添加することによって残留磁束密度を低下させずに保磁力を向上させたフェライト磁石を開発した(特公平4−40843号公報および特公平5−42128号公報)。
【0006】
その後、FeをZnで置換し、SrをLaで置換することによって飽和磁化(σS)を向上させたフェライト磁石が提案された(特開平9−115715号公報および特開平10−149910号公報)。フェライト磁石は、前述のようにFe3+の磁気モーメントがサイトによって逆方向を向くフェリ磁性体であるため、その飽和磁化は相対的に低い。しかし、上記公報には、Feの磁気モーメントよりも小さな磁気モーメントを有するイオンをFeイオンの特定サイトに置くことによって「下向き」の磁気モーメントを減少させ、それによって飽和磁化σSを向上できると記載されている。なお、この公報には、Laの代わりにNdやPrを用いる例、Znの代わりにMn、Co、Niを用いる例も記載されている。
【0007】
日本応用磁気学会学術講演概要集(1998年9月20日配布)には、LaおよびCoを添加したSr1-xLaxCox・Fe12-xO19組成物によって保磁力(HcJ)と飽和磁化(σs)の両方を向上させたフェライト磁石が開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのフェライト磁石においても、保磁力および飽和磁化の両方についての特性改善は不十分である。特に、FeをCoで置換し、SrをLaで置換したSr1-xLaxCox・Fe12-xO19組成物について、特開平10−149910号公報に開示されているような温度(1200℃)で仮焼を行った場合、飽和磁化σSは高くても保磁力は高くないという問題がある。
【0009】
上記日本応用磁気学会学術講演概要集(1998年9月20日配布)では、Znの代わりにCoを用いてFeを置換することによって保磁力がある程度改善されることが報告されているが、その原因は記載されておらず、また保磁力改善および残留磁束密度改善の程度も不十分であると考えられる。
【0010】
本発明は、このような諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、飽和磁化と保磁力の両方を向上させたフェライト磁石粉末、および該磁石粉末を用いた磁石を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明によるフェライト磁石粉末の製造方法は、SrCO3およびFe2O3の粉末に対して、LaおよびCoの各々の酸化物粉末を添加した原料混合粉末を用意する工程と、前記原料混合粉末を1350℃以上の温度であって1450℃以下の温度で仮焼し、それによって(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.4、5.5≦n≦6.5)の組成を有し、結晶C軸に沿って上向きまたは下向きの状態にあるFeの磁気モーメントのうちサイト数が多い向きの磁気モーメントを持ったFeがCoで置換され、かつ、室温において異方性磁界H A が1750kA/m以上で飽和磁化σ S が84.78μWbm/kg以上であるフェライトの仮焼体を形成する工程と、前記仮焼体を粉砕する工程とを包含する。なお、原料混合粉末を用意する工程とは、このような原料混合粉末を最初から作製する場合のみならず、他者によって作製された原料混合粉末を購入して用いる場合や、他者によって作製された粉末を混合する場合を含むものとする。
【0017】
本発明による磁石の製造方法は、SrCO3およびFe2O3の粉末に対して、LaおよびCoの各々の酸化物粉末を添加した原料混合粉末を用意する工程と、前記原料混合粉末を1350℃以上の温度であって1450℃以下の温度で仮焼し、それによって(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.4、5.5≦n≦6.5)の組成を有し、結晶C軸に沿って上向きまたは下向きの状態にあるFeの磁気モーメントのうちサイト数が多い向きの磁気モーメントを持ったFeがCoで置換され、かつ、室温において異方性磁界H A が1750kA/m以上で飽和磁化σ S が84.78μWbm/kg以上であるフェライトの仮焼体を形成する工程と、前記仮焼体を粉砕し、フェライト磁石粉末を形成する工程と、前記フェライト磁石粉末を成形・焼結する工程とを包含する。
【0018】
本発明による他の磁石の製造方法は、SrCO3およびFe2O3の粉末に対して、LaおよびCoの各々の酸化物粉末を添加した原料混合粉末を用意する工程と、前記原料混合粉末を1350℃以上の温度であって1450℃以下の温度で仮焼し、それによって(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.4、5.5≦n≦6.5)の組成を有し、結晶C軸に沿って上向きまたは下向きの状態にあるFeの磁気モーメントのうちサイト数が多い向きの磁気モーメントを持ったFeがCoで置換され、かつ、室温において異方性磁界H A が1750kA/m以上で飽和磁化σ S が84.78μWbm/kg以上であるフェライトの仮焼体を形成する工程と、前記仮焼体を粉砕し、フェライト磁石粉末を形成する工程と、前記フェライト磁石粉末からボンド磁石を形成する工程とを包含する。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明によって得られた磁石粉末は、(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoOで表現されるマグネトプランバイト型フェライトの主相を有している。Srの一部はLaで置換され、その置換量xは0.1≦x≦0.4の範囲にある。Feの一部はCoで置換され、置換量yは0.1≦y≦0.4の範囲内にある。また、nは、5.5≦n≦6.5の範囲内にある。
【0024】
FeをCoで置換する場合、仮焼温度が通常の温度範囲(1200℃前後)にあれば飽和磁化は向上する。これに対して、仮焼温度を通常の温度範囲よりも高いレベルに上昇させると、飽和磁化が低下するという現象が観察された。
【0025】
本願発明者は、LaおよびCoを原料粉末に添加し、1300℃を超える温度で仮焼を実行すると、飽和磁化の低下を抑制しつつ保磁力(異方性磁界)を向上できるという事実を見いだした。この理由は、CoとFeとの置換位置(サイト)が仮焼温度の増加によって変化し、それによって磁気特性が改善されることを意味しているものと考えられる。より詳細には、次の通りである。
【0026】
マグネトプランバイト型フェライトでは、化学量論組成がSrO・6(Fe2O3)の場合、一単位胞あたり12個のFe3+イオンが含まれている。そのうち、8個のFe3+イオンは結晶C軸に沿って上向きの磁気モーメントを持ち、4個のFe3+イオンが下向きの磁気モーメントを持つ。なお、本願明細書では、8個のFe3+イオン(サイト数の多い方)が保有する磁気モーメントの向きを「上向き」として表現しているが、この向きを「下向き」とし、残り4個のFe3+イオンが示す磁気モーメントの向きを「上向き」としてもよい。以下、簡単化のため、サイト数の多い磁気モーメントの向きを「上向き」として説明を行う。
【0027】
このようなフェライト中においてFeの一部をCoで置換する場合、仮焼温度が1200℃以上1300℃以下では、Coが下向きの磁気モーメントを持つFeと置換し(図5(a))、仮焼温度が1300℃を超える場合、Coは上向きの磁気モーメントを持つFeと置換する(図5(b))と考えられる。Coの磁気モーメントはFeの磁気モーメントに比較して小さいため、Coが下向きの磁気モーメントを持つFeと置換すると、フェライトの飽和磁化が向上することになるが、図5(b)に示すようにしてCoが上向きの磁気モーメントを持つFeと置換すると、フェライトの飽和磁化は若干低下するが、異方性磁界(保磁力)が充分に向上することになると考えられる。
【0028】
なお、仮焼温度が1450℃を超えると、結晶粒が成長しすぎ、粉砕工程において粉砕に多大な時間を要することになる等の不都合が生じるおそれがある。
【0029】
以上のことから、仮焼温度は1300℃を超え、かつ1450℃以下という温度範囲内に設定することが好ましい。更に高い磁気特性を実現するには、仮焼温度は1350℃から1450℃の範囲内にあることがより好ましい。
【0030】
本発明によれば、室温における異方性磁界HAが19×79.58kA/m(=19kOe=1512kA/m)を越え、しかも飽和磁化σsが66.5×1.256μWbm/kg(=66.5emu/g=83.52μWbm/kg)を越える磁気特性が得られる。組成比(置換量)と仮焼結温度を調整することによって、異方性磁界HAが19.5×79.58kA/m(=19.5kOe=1631kA/m)、飽和磁化σsが69.2×1.256μWbm/kg(=69.2emu/g=86.91μWbm/kg)、更には異方性磁界HAが26×79.58kA/m(=26kOe=2069kA/m)、飽和磁化σsが67.7×1.256μWbm/kg(=67.7emu/g=85.03μWbm/kg)という特性が達成される。
【0031】
なお、本発明では、マグネトプランバイト型フェライトのFe3+を価数の異なるCo2+で置換するために、Srの一部をLaで置換し、上記価数の違いを補償している。従って、置換量xは置換量yにほぼ等しいことが好ましいが、本願発明はx=yの場合に限定されるわけではない。
【0032】
次に、本発明の磁石粉末の製造方法を説明する。
【0033】
まず、SrCO 3 の粉末とFe2O3(α酸化鉄)の粉末とを1:5.5から1:6.5の範囲のモル比で混合する。このとき、La2O3およびCoO等を原料粉末に添加する。各粉末の一次粒径は、例えば、次の通りである。SrCO 3 :約0.8μm、Fe2O3粉末:約0.5μm、La2O3:約1.0μmは、CoO:約1.0μm。
【0034】
LaおよびCoの添加は、このようにLaおよびCoの各々の酸化物の粉末として添加することが好ましいが、酸化物以外の化合物(例えば炭酸塩、水酸化物、硝酸塩など)の粉末状態であってもよい。
【0035】
上記粉末に対して、必要に応じて、SiO2、CaCO 3 、SrCO3、Al2O3、Cr2O3等を含む他の化合物を1重量%程度添加しても良い。
【0036】
混合した原料粉末は、次に、ロータリーキルン等を用いて大気中で1300〜1450℃の温度に加熱し、固相反応によってマグネトプランバイト型フェライトフェライト化合物を形成する。このプロセスを「仮焼」と呼び、得られた化合物を「仮焼体」と呼ぶ。仮焼時間は、1〜5時間であることが好ましい。
【0037】
この仮焼工程によって得られた仮焼体は以下の化学式で表されるマグネトプランバイト型フェライトの主相を有しており、その平均粒径は、1〜10μmの範囲にある。
【0038】
(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO
0.1≦x=y≦0.4、5.5≦n≦6.5
【0039】
この仮焼体を粉砕または解砕することによって本発明の磁石粉末を得ることができる。
【0040】
図1および図2は、置換量xが異なる各種試料について、磁気特性の仮焼温度(Calcining temperature)依存性を示している。図1のグラフの縦軸は飽和磁化を示し、横軸は置換量x(=y)を示している。図2のグラフの縦軸は異方性磁界を示し、横軸は置換量x(=y)を示している。
【0041】
図1および図2には、置換量xが0〜0.5のサンプルについての測定値が記載されている。飽和磁化σSおよび異方性磁界HAは、何れもパルス磁化装置によって測定した。測定は室温(23℃)で行った。また、測定法は以下の通りである。
【0042】
一般に強磁性体(フェロ磁性体)またはフェリ磁性体の強磁界での磁化曲線は下記の式で表現される。
【0043】
I=IS(1−a/H−b/H2+・・・)+χ0μ0H
【0044】
この式は、飽和漸近則と呼ばれている。第1項は磁気モーメントが結晶異方性その他の原因で磁界の方向に完全に揃わないために生じる項である。第2項は、磁気モーメントの大きさそのものが磁界によって増加する項である。自発磁化IS(σS)を実験的に求めるには、磁気異方性が特に大きくない場合(K1〜104J/m3)には、Hが106A/m以上の磁界に対してb/H2の項はほとんど無視できるので、それ以上の磁界に対してはχ0Hまたはa/Hなる項の存在の有無を調べ、前者の場合はHを0に、後者の場合は1/Hをゼロに外挿することによってISを求めることができる。
【0045】
なお、モル比6.0のマグネトプランバイト型Srフェライト(SrO・6Fe2O3)の仮焼粉末を測定した磁化曲線において、磁化Iは外部磁界Hが30×79.58kA/m(=30kOe=2387kA/m)以上では直線になる。このため、上式の第1項はISとなり、第2項のHの一次式となるので、Hをゼロに外挿して、そのy切片をσSとした。その結果、SrO・6Fe2O3の飽和磁化は(69.2±0.1)×1.256μWbm/kgであった。また、異方性磁界HAは、同じパルス磁化測定装置によって2階微分磁化率の測定から求めた。その結果、SrO・6Fe2O3のHAは1.43MA/m(18kOe)であった。
【0046】
図3は、異方性磁界HAおよび飽和磁化σSの置換量依存性を示している。
【0047】
図1〜図3のグラフから以下のことがわかる。
【0048】
1. LaおよびCoを添加すると、磁気特性は仮焼温度に依存するようになる。特に異方性磁界HAの仮焼温度依存性は、LaおよびCoの置換量xが大きいと増大する。
【0049】
2. 置換量xが0.1以上の場合、異方性磁界HAが18kOe以上に増大する。また、仮焼結温度が高いほど、異方性磁界HAの増加は顕著になる。異方性磁界HAの増加の程度は、置換量xが0.3で最大になる(図3)。
【0050】
3. 置換量xが0.4を超えて大きくなると、仮焼温度の増加に伴って、飽和磁化σsは低下する傾向が現れる(図3)。
【0051】
4. 飽和磁化σSを67.5×1.256μWbm/kg(=67.5emu/g=84.78μWbm/kg)以上に維持しながら、22×79.58kA/m(=22kOe=1750kA/m)以上の異方性磁界HAを達成するには、置換量xを0.2〜0.3の範囲とし、しかも仮焼結温度が1300℃を超えるようにすればよい。
【0052】
図4は、仮焼温度が1200℃、1300℃および1400℃の場合のX線回折パターンを示している。回折パターンは、仮焼温度にほとんど依存していないようである。しかし、図1に示すデータから明らかなように、仮焼温度が高いほど、仮焼体の異方性磁界HAは向上する。仮焼温度が高いほど異方性磁界HAが改善される理由は、前述のように、CoとFeとの置換が生じるサイトが仮焼温度の高低によって変化するためであると予想される。
【0053】
このように本発明によれば、仮焼結温度を1300℃を超え、かつ1450℃以下とし、FeをCoで置換することによって、飽和磁化σSの低下を抑制しながら、異方性磁界HAを大きく向上させることが可能である。
【0054】
次に、本発明によるフェライト磁石の製造方法を説明する。
【0055】
まず、前述の方法によって仮焼体を製造する。次に、仮焼結体を振動ミル、ボールミルおよび/またはアトライターを用いた微粉砕工程によって、仮焼結体を微粒子に粉砕する。微粒子の平均粒径は0.4〜0.7μm程度(空気透過法)にすることが好ましい。微粉砕工程は、乾式粉砕と湿式粉砕とを組み合わせて行うことが好ましい。湿式粉砕に際しては、水などの水系溶媒や種々の非水系溶媒を用いることができる。湿式粉砕に際して溶媒と仮焼体粉末とが混合したスラリーが生成される。スラリーには公知の各種界面活性剤を添加することが好ましい。
【0056】
その後、スラリー中の溶媒を除去しながら磁場中または無磁場中でプレス成形する。プレス成形の後、脱脂工程、焼結工程、加工工程、洗浄工程、検査工程などの公知の製造プロセスを経て、最終的にフェライト磁石の製品が完成する。焼結工程は、空気中で例えば1200℃から1250℃の温度範囲で0.5〜2時間程度行えばよい。焼結工程で得られる焼結磁石の平均粒径は例えば1〜1.5μmである。
【0057】
なお、上記フェライト磁石粉末をフレキシビリティのあるゴムや硬質軽量のプラスチックなどと混ぜ固めてボンド磁石を作製することもできる。この場合、本発明の磁石粉末をバインダおよび添加物と混合・混練した後、成形加工を行う。成形加工は、射出成形、押出成形、ロール成形などの方法によって実行される。
【0058】
本発明では、前述のように比較的に高い温度で仮焼を行うことにより、磁気特性の向上をはかることができる。仮焼温度を高くすると、一般にはその後の粉砕が困難になり、焼結性も劣化する。そのため、仮焼温度は低くする(例えば1200℃程度にする)ことが望ましいと考えられている。本発明では、仮焼温度を1300℃以上の高温にするため、仮焼前に微細に造粒し、造粒粉以上に粒成長させないようにしたり、粒成長した粒子をローラミルやロッドミルなどによって粗粉砕する等の処置を行って高仮焼温度による弊害を排除している。
【0059】
なお、Srに代えて、Ba、CaおよびPbから選択された少なくとも一種類の元素が用いられても良い。また、Laに代えて、またLaと共に、Yを含む希土類元素およびBiから選択された少なくとも一種類の元素でSrの一部を置換しても良い。
【0060】
(実施例)
まず、(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoOの組成において、x=y=0.3となるように配合した原料粉末を1350℃で仮焼することによって本発明による磁石粉末を作製した。
【0061】
次に、この磁石粉末を更に0.52μmの大きさになるまで微粉砕した後、得られた微粉砕にCaCo3=0.7wt%、SiO2=0.4wt%を添加し混合した。このようにして得られた微粉砕粉を磁界中で成形した後、1230℃で30分間焼結し、焼結磁石を作製した。
【0062】
得られた焼結磁石の磁気特性は、残留磁束密度Br=0.44T、保磁力Hcj=4.6×79.58kA/m、(BH)max=4.7×7.958kJ/m3であった。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、仮焼体および磁石粉末の飽和磁化および保磁力について、その両方の向上を同時に実現できるため、磁気特性に優れた磁石を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例および比較例について、飽和磁化σSの仮焼温度(Calcining temperature)依存性を示すグラフである。
【図2】 本発明の実施例および比較例について、異方性磁界HAの仮焼温度依存性を示すグラフである。
【図3】 本発明の実施例および比較例について、飽和磁化σSおよび異方性磁界HAの置換量依存性を示すグラフである(x=y)。
【図4】 本発明の実施例における仮焼温度が1200℃、1300℃および1400℃の場合のX線回折パターンを示すグラフである。
【図5】 (a)は、仮焼結温度が1300℃以下の場合のFeとCoとの置換を模式的に示す図であり、(b)は、仮焼結温度が1300℃を超える場合のFeとCoとの置換を模式的に示す図である。
Claims (3)
- SrCO3およびFe2O3の粉末に対して、LaおよびCoの各々の酸化物粉末を添加した原料混合粉末を用意する工程と、
前記原料混合粉末を1350℃以上の温度であって1450℃以下の温度で仮焼し、それによって(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.4、5.5≦n≦6.5)の組成を有し、結晶C軸に沿って上向きまたは下向きの状態にあるFeの磁気モーメントのうちサイト数が多い向きの磁気モーメントを持ったFeがCoで置換され、かつ、室温において異方性磁界H A が1750kA/m以上で飽和磁化σ S が84.78μWbm/kg以上であるフェライトの仮焼体を形成する工程と、
前記仮焼体を粉砕する工程と、
を包含するフェライト磁石粉末の製造方法。 - SrCO3およびFe2O3の粉末に対して、LaおよびCoの各々の酸化物粉末を添加した原料混合粉末を用意する工程と、
前記原料混合粉末を1350℃以上の温度であって1450℃以下の温度で仮焼し、それによって(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.4、5.5≦n≦6.5)の組成を有し、結晶C軸に沿って上向きまたは下向きの状態にあるFeの磁気モーメントのうちサイト数が多い向きの磁気モーメントを持ったFeがCoで置換され、かつ、室温において異方性磁界H A が1750kA/m以上で飽和磁化σ S が84.78μWbm/kg以上であるフェライトの仮焼体を形成する工程と、
前記仮焼体を粉砕し、フェライト磁石粉末を形成する工程と、
前記フェライト磁石粉末を成形・焼結する工程と、
を包含する磁石の製造方法。 - SrCO3およびFe2O3の粉末に対して、LaおよびCoの各々の酸化物粉末を添加した原料混合粉末を用意する工程と、
前記原料混合粉末を1350℃以上の温度であって1450℃以下の温度で仮焼し、それによって(1-x)SrO・(x/2)La2O3・(n-y/2)Fe2O3・yCoO(0.1≦x≦0.4、0.1≦y≦0.4、5.5≦n≦6.5)の組成を有し、結晶C軸に沿って上向きまたは下向きの状態にあるFeの磁気モーメントのうちサイト数が多い向きの磁気モーメントを持ったFeがCoで置換され、かつ、室温において異方性磁界H A が1750kA/m以上で飽和磁化σ S が84.78μWbm/kg以上であるフェライトの仮焼体を形成する工程と、
前記仮焼体を粉砕し、フェライト磁石粉末を形成する工程と、
前記フェライト磁石粉末からボンド磁石を形成する工程と、
を包含する磁石の製造方法。
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