JP3976467B2 - 超磁歪合金の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相変態を利用して大きな磁歪を発現出来る磁性合金、すなわち超磁歪合金の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
部材として移動（歪）と力（応力）を発生できる機能材料は、アクチュエータと呼ばれ、電子機器、医療機器、各種製造装置に多用されている。材料として、圧電・磁歪・形状記憶材料等がある。磁歪材料として、希土類合金Ｔｂ0.3 Ｄｙ0.7 Ｆｅが注目され（Journal of Alloys and Compounds,vol.258,1997）、商品化（商品名Terfenol-D）されている。その最大磁歪量は０．１７％である。
【０００３】
また、特開平１１−２６９６１１号公報には、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄ系で急冷凝固した磁歪量０．１５〜０．２％の合金が開示されている。また、Ｎｉ2 ＭｎＧａは、磁場や電場で結晶状態が変化し、作動時間が高速化できる形状記憶合金であることが知られている（工業材料Ｖｏｌ．４５．Ｎｏ．１２，１９９７年１１月号、Ｐ１０８〜１１１、特開平１０−２５９４３８号公報）が、この合金は、機械的に脆く加工性が悪い。さらに、特開昭６２−１７０４５３号公報には、Ｆｅに２５〜３０ａｔ％のＰｔを含有させたものからなる原子の配列が不規則な加工性のよい形状記憶合金が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電子機器の小型化、医療器具や各種製造装置の高性能化に伴い、加工性のよい材料でより大きな移動量（大きな歪量）を実現するアクチュエータが望まれている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ｆｅ3-xＰｔ1+x(-0.02≦x≦0.2)を合金の構造相変態に注目し、熱処理条件を工夫する規則化処理を行うことによって、０．３％以上、特に０．５％以上の磁歪量を得ることに成功した。
【０００６】
本発明の製造方法で得られる超磁歪合金は、Ｆｅ3-xＰｔ1+x(-0.02≦x≦0.2)を熱処理により規則化率を０．６〜０．９５とした超磁歪合金である。xが-0.02未満または0.2を超えると規則化をさせてもＦＣＣ−ＦＣＴマルテンサイト変態が起きない。xはより好ましくは、0.0≦x≦0.１である。
【０００７】
すなわち、本発明は、Ｆｅ3-xＰｔ1+x(-0.02≦x≦0.2)合金素材を１２００Ｋ〜１７００ Ｋで均質化焼鈍した後、７００〜１０００Ｋで０．５〜６００時間加熱処理することにより該合金の規則化率を０．６〜０．９５としてＦＣＣ−ＦＣＴマルテンサイト変態を起こさせることを特徴とする超磁歪合金の製造方法である。
【０００８】
規則化率（Ｓ）は、面心構造のＦｅ3 Ｐｔでは、結晶格子のコーナーにＰｔ、面心にＦｅが全て正しく配置された状態を完全に規則化された、即ち規則化率Ｓ＝１とすると、この規則化率を０．６から０．９５とすることで最大の磁歪量を達成した。この規則化率が０．６未満または０．９５を超えるとＦＣＣ−ＦＣＴマルテンサイト変態が起きない。
【０００９】
本発明の製造方法で得られる合金は、４Ｔ程度の弱い磁場で０．５％以上という極めて大きな歪み量を発現している。磁歪合金に関して、磁区の中でスピンが揃うという今までの考え方だけでは、磁歪量Δｌ／ｌは、１０-6のオーダーである。本発明の製造方法で得られる合金において、０．５％（５×１０-3）の極めて大きな歪み量が得られる理由としては、結晶学的ドメイン（バリアント）と磁区が同一となり、単磁区を形成し、結晶的にも軸が揃うからであろうと考えられる。
【００１０】
本発明の製造方法で得られる合金は、容易に単結晶、多結晶バルク、薄板状（ロール状を含む）、線状や薄膜状に製造でき、加工性が良い。また、結晶学的ドメイン（バリアント）と磁区とをほぼ同じ大きさとし、磁場方向に揃えられた形状記憶合金を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、熱処理する前のＦｅ3-xＰｔ1+x(-0.02≦x≦0.2)合金素材は、単結晶製造法、鋳造法、スパッターリング法などで製造することができる。素材を約１２００〜１７００Ｋで均質化焼鈍し、素材を所定の形状に切断し、切断時の歪みを除去するために約１２００〜１７００Ｋで溶体化処理した後、規則化処理のために素材を石英管内に封入し、酸化を防ぐために真空またはＡｒガス雰囲気として７００〜１０００Ｋ、好ましくは８００Ｋから９００Ｋで、０．５〜６００時間、好ましくは、１時間から９６時間加熱する。
【００１２】
規則化処理温度までの昇温および規則化処理温度からの降温のスピードは問わない。降温は空冷でも水冷（例えば２０℃の水中への投入）でもよい。規則化処理温度×規則化処理時間は、規則化率Ｓが０．６から０．９５の間で所望の規則化率が得られるように調整する。鋳造法により得られた素材の場合は、結晶の方向を合わせるために鍛造または圧延することが望ましい。また、別の実施形態として、基板を７００〜１０００Ｋに加熱し、鉄・白金を蒸着する方法も可能である。
【００１３】
素材の立方晶ＦＣＣから規則化処理により正方晶のＦＣＴになるので、規則化率は、Ｘ線分析で検知可能である。図１は、９２３Ｋで規則化処理した場合の規則化処理時間の関数としての相変態図であり、ＢＣＴ（ ━━ ）とＦＣＴマルテンサイト（−−−）のＭｓ温度の変化およびツイードの形成開始温度が規則化処理時間に依存して変化することを示している。図１の右下のＦＣＴ領域が規則化率０．６から０．９５の本発明の製造方法で得られる合金に該当する。
【００１４】
【実施例】
実施例１
以下の方法で、Ｆｅ3 Ｐｔの単結晶バルク合金をフローティングゾーン法で製造した。
(1)溶解：鉄と白金を原子比で３：１になるように、それぞれ２６ｇ，３０ｇをアーク溶解炉でアーク溶解した。
(2)単結晶化：四楕円鏡型浮遊帯域溶融装置を用いて、フローティングゾーン法で単結晶化し、Ｆｅ3 Ｐｔの単結晶塊５６ｇを得た。
(3)均質化焼鈍：電気炉を用いて、Ｆｅ3 Ｐｔの単結晶塊の温度を１３７３Ｋに維持して、２４時間加熱し、徐冷した。
(4)試料のカッティング：熱処理後の単結晶塊を２ｍｍ角の立方体に切断し、ラウエ分析で結晶方位を確認し、磁場方向が［００１］方向になるように結晶方向を合わせた。
(5)石英管に封入：次に切断後の単結晶塊を直径１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの大きさの石英管に封入した。
(6)溶体化処理：カッティング時の歪を取るために、石英管中を真空又はＡｒガス雰囲気として単結晶塊を１３７３Ｋに維持し、１時間加熱し、徐冷した。
(7)規則化処理：電気炉を用いて、単結晶塊を９２３Ｋに維持し、１２時間加熱した。
(8)冷却：加熱後空冷した。
【００１５】
磁歪量測定：熱膨張、磁歪量の測定は、二平面間の距離の変化を容量測定により検知した。容量測定は、三端子容量測定法を用いた。単結晶の場合には、２ｍｍ立方のサイコロ状で、００１を磁界の方向に合わせて測定した。
【００１６】
測定結果を図２に示す。(1) 、 (2) 、 (3)の順に０Ｔから４Ｔへ、４Ｔから０Ｔへ、０Ｔから−４Ｔへ、更に０Ｔへ（線の種類は、実線、一点鎖線、点線の順序）磁場（Ｔ）を変化させた。図２から分かるように、本発明の製造方法で得られるＦｅ3 Ｐｔ単結晶は、５×１０-3の磁歪量を示している。これは、従来例の３倍に相当する。図３は、帯磁率の温度依存性、図４は、７７Ｋと１００ＫでのＸ線プ口ファイルを示す。これから，ドメインの数、磁歪量の計算が出来、結果と合う。図５は、熱膨張率の温度依存性を示すグラフであり、５×１０-3の形状変化を示し、３つのバリアントが導入されている。
【００１７】
実施例２
以下の方法で、Ｆｅ3 Ｐｔの多結晶バルク板状合金を鋳造法により製造した。
(1)溶解：実施例１と同様に溶解した溶湯を水冷銅るつぼの中で凝固させ大きさ３０×２０×１０ミリメートルのＦｅ3 Ｐｔの多結晶塊を得た。
(2)圧延：片ロール法により圧延し、１ミリ厚の板状試料を作成した。
(3)均質化焼鈍：以降は、実施例１に同じ。磁歪量は、３×１０-3であった。
【００１８】
実施例３
以下の方法で、Ｆｅ3 Ｐｔの多結晶合金膜をスパッターリング法により製造した。
(1)スパッターリング： マグネトロンスパッタ装置を用いてターゲットとしてＦｅ3 Ｐｔの組成の合金を用いることにより鉄と白金を３：１になるように石英からなる基体の上にスパッターリングし、堆積した膜を基体から剥がして厚さ０．００１ｍｍのＦｅ3 Ｐｔの合金膜を得た。
(2)均質化焼鈍：以降は、実施例１に同じ。磁歪量は、３×１０-3であった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の製造方法で得られる磁歪合金は、０．３％以上、特に０．５％以上という極めて大きな歪量を発現している。また、加工性が良く、板材、箔、線材に出来る。スパッターリングによる薄膜でも可能な材料、プロセスである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、規則化処理時間の関数としての相変態を示すグラフである。
【図２】図２は、実施例１のＦｅ3 Ｐｔ単結晶の印加磁場と磁歪量の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、実施例１のＦｅ3 Ｐｔ単結晶の帯磁率の温度依存性を示すグラフである。
【図４】図４は、実施例１のＦｅ3 Ｐｔ単結晶の７７Ｋと１００ＫでのＸ線プ口ファイルを示す図である。
【図５】図５は、実施例１のＦｅ3 Ｐｔ単結晶の熱膨張率の温度依存性を示すグラフである。

Claims (4)

  1. Ｆｅ3-xＰｔ1+x(-0.02≦x≦0.2)合金素材を１２００Ｋ〜１７００Ｋで均質化焼鈍した後、７００〜１０００Ｋで０．５〜６００時間加熱処理することにより該合金の規則化率を０．６〜０．９５としてＦＣＣ−ＦＣＴマルテンサイト変態を起こさせることを特徴とする超磁歪合金の製造方法。
  2. 均質化焼鈍した後、合金素材を所定の形状に切断し、切断時の歪みを除去するために１２００〜１７００Ｋで溶体化処理した後、７００〜１０００Ｋで０．５〜６００時間加熱処理することを特徴とする請求項１記載の超磁歪合金の製造方法。
  3. 前記合金素材は、鋳造法により得られた素材を鍛造または圧延した素材であることを特徴とする請求項１または２記載の超磁歪合金の製造方法。
  4. 前記超磁歪合金の磁歪量が０．３％以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の超磁歪合金の製造方法。
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