JP4058510B2 - Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof - Google Patents
Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP4058510B2 JP4058510B2 JP2001326913A JP2001326913A JP4058510B2 JP 4058510 B2 JP4058510 B2 JP 4058510B2 JP 2001326913 A JP2001326913 A JP 2001326913A JP 2001326913 A JP2001326913 A JP 2001326913A JP 4058510 B2 JP4058510 B2 JP 4058510B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- less
- raw material
- sintered body
- main raw
- giant magnetostrictive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 62
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 45
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 73
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 57
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 47
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 38
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 34
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 34
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 28
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 27
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 15
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 13
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 claims description 11
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 7
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 2
- 238000005242 forging Methods 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 2
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 30
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 28
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 14
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 6
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910001068 laves phase Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- PJWVRCBRZWEQHL-UHFFFAOYSA-N 2,3-bis(2-hydroxyphenyl)phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1C1=CC=CC(O)=C1C1=CC=CC=C1O PJWVRCBRZWEQHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超磁歪材料及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、磁歪アクチュエータ、磁歪振動子、フィルタ、センサ等の磁気−機械変換デバイスに用いられる超磁歪材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
消磁した強磁性体を磁化すると、一般にその寸法、形状が変化する。このような現象を磁歪効果といい、磁歪効果を示す材料を磁歪材料という。磁歪材料としては、具体的には、Ni、Ni基合金、フェライト、希土類−鉄系の金属間化合物などが知られている。
【0003】
これらの中でも、特に希土類−鉄系の金属間化合物(ラーベス相化合物)は、室温において10−3程度の巨大磁歪を示す超磁歪材料として知られている。そのため、希土類−鉄系の金属間化合物は、磁気エネルギーと機械エネルギーとを相互に変換するための各種の磁気−機械変換デバイス(例えば、VTR、カメラ、コンピュータ機器等に用いられる磁歪アクチュエータ、超音波溶接機、カッター、ソナー、医療メス、粉砕機等に用いられる磁歪振動子、メカニカルフィルタ、可変周波数変換器、遅延回路素子等の各種フィルタ類、圧力センサ、ノックセンサ、音圧センサ等の各種センサ類など)への応用が期待されているものである。
【0004】
最も大きな磁歪を示す希土類−鉄系金属間化合物としては、A.E.Clarkらによって報告されたTbFe2が知られている(A.E.Clark and H.S.Belson:”Giant Room-Temperature Magnetostrictions in TbFe2 and DyFe2”、Pys.Rev.B、5(1972)3642-3644参照)。しかしながら、このTbFe2は、大きな磁歪を得るためには大きな磁界が必要であるという問題点があった。磁歪材料の実用化を考慮すると、大きな磁界で大きな磁歪を得るよりは、むしろ小さな磁界で変化率の大きな磁歪を得る方が望ましい。そのため、希土類−鉄系金属間化合物の磁歪特性を向上させるために、その合金組成や製造方法について、従来から種々の提案が為されている。
【0005】
例えば、磁歪量の大きい希土類−鉄系の超磁歪合金としては、Tb0.27Dy0.73Fe2.0(ターフェノールD)が知られている。ターフェノールDは、大きな磁歪量を得るためには結晶を配向させる必要があることから、その製造には、通常、単結晶育成法が用いられている。
【0006】
また、例えば、特開平5−148594号公報には、低磁界における磁歪特性を向上させるために、RE(Fe1−q−rMnqMr)s(REは少なくとも一種の希土類元素、MはC、Mg、Al、Si、Ca、Zr、Y、Ga、Bから選ばれる1種の金属元素、0.005≦q≦0.5、0.005≦r≦0.2、1.90≦s≦2.10)で表され、異相となる1−3相の含有量が5容量%以下である超磁歪合金が開示されている。
【0007】
さらに、特開平7−286249号公報には、所定のTb、Dy及びT(Tは、Fe、Co及びNiから選択される少なくとも1種の元素)を含み、かつ磁気異方性の大きい原料Aの粉末に対して、所定のDy、Tb及びTを含み、かつ焼結時に融剤として作用する原料Bの粉末及び必要に応じて実質的にTから構成される原料Cを加えて混合し、この混合物を磁場中で焼結した後、焼結する磁歪材の製造方法が開示されている。また、同公報には、この方法によって、磁化容易軸が一方向に配向し、かつ、(TbvDy1−v)Tw(但し、0.27≦v<0.50、1.70≦w≦2.00)で表される組成を有する磁歪材が得られる点が開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
TbFe2中のTbの全部又は一部をDy等の他の希土類元素に置換したり、あるいは、Feの全部又は一部をMn等の他の元素に置換すると、低磁界における磁歪特性を改善することができる。また、磁化容易軸を一方向にそろえると磁歪量の大きい材料が得られることから、磁歪材料は、通常、単結晶育成法、一方向凝固法、あるいは磁場中成形−焼結法を用いて製造されている。
【0009】
しかしながら、単結晶育成法や一方向凝固法は、生産性が極めて悪いという問題がある。また、従来の希土類−鉄系の金属間化合物は、本質的に脆いために、高負荷条件下で使用すると破損するおそれがあり、2次加工も困難である。そのため、従来の合金組成及び製造方法では、使用条件及び製造可能な形状に制限があるという問題があった。
【0010】
また、従来の希土類−鉄系の金属間化合物は、構成元素として希土類元素を含んでいるために、酸化又は窒化しやすいという性質がある。そのため、製造工程において原料が酸化又は窒化すると、所望の磁歪特性が得られないという問題がある。また、使用中に酸化又は窒化が進行すると、磁歪特性が劣化するという問題がある。
【0011】
また、従来の希土類−鉄系の磁歪材料は、熱伝導率が高いという性質がある。そのため、従来の材料では、使用中に磁歪素子の周辺温度が上昇すると、それによって磁歪材料がキュリー温度を超え、磁歪特性が消失するおそれがある。
【0012】
さらに、磁歪材料には、その用途に応じて、軽量化や耐摩耗性が求められる場合がある。しかしながら、従来の希土類−鉄系の磁歪材料は、重元素を含んでいるために比重が大きく、また、耐摩耗性も不十分である。
【0013】
本発明が解決しようとする課題は、低磁界において高い磁歪特性を有し、生産性に優れ、しかも複雑な形状を有する部品であっても製造可能な超磁歪材料及びその製造方法を提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、高負荷条件下で使用しても破損のおそれが少ない超磁歪材料及びその製造方法を提供することにある。
【0014】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、使用中における材料自体の温度上昇を抑制し、磁歪特性の消失が起きにくい超磁歪材料を提供することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、使用中における材料表面の酸化及び窒化を抑制し、長期間に渡って高い磁歪特性を維持することが可能な超磁歪材料を提供することにある。さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、比重が小さく、しかも耐摩耗性に優れた超磁歪材料を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る超磁歪材料は、一般式:(TbxDy1−x)(FeyCr1−y)z(但し、0≦x≦0.8、0.8≦y≦0.95、1.5≦z≦3.0)で表される組成を有する主相および不可避的不純物よりなり、かつ、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である磁歪合金の多結晶体からなり、焼結体であって、圧縮強度が300MPa以上であることを要旨とするものである。
【0016】
Tb、Dy及びFeを含むラーベス相化合物を主相とする磁歪合金において、Feの一部を所定のCrで置換し、かつ多結晶化すると、磁歪特性を低下させることなく、圧縮強度を向上させることができる。そのため、高負荷下での使用が可能となり、また、2次加工も容易化する。
【0017】
また、本発明に係る超磁歪材料の製造方法は、一般式:(TbxDy1−x)(FeyCr1−y)z(但し、0≦x≦0.8、0.8≦y≦0.95、1.5≦z≦3.0)で表される組成を有する主相および不可避的不純物よりなる磁歪合金及び/又はその前駆体からなり、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である主原料粉末を製造する粉末製造工程と、前記主原料粉末を用いて多結晶体を製造する焼結体製造工程とを備え、前記粉末製造工程は、前記磁歪合金を構成する金属元素を含有する2種以上の粗粉末を、不活性雰囲気中において機械的合金化処理することを要旨とするものである。
【0018】
この場合、前記焼結体製造工程は、前記主原料粉末を成形し、得られた成形体を加熱するものであってもよく、あるいは、前記主原料粉末を型内に充填し、加熱と同時に加圧を行うものであってもよい。
【0019】
所定の組成を有する磁歪合金又はその前駆体からなる主原料粉末を成形・焼結すると、所定の組成を有する磁歪合金の多結晶体からなる超磁歪材料が得られる。また、製造条件を最適化することによって、異方性の少ない均質な超磁歪材料が得られる。そのため、複雑な形状を有する部品であっても、高い生産性で製造することができる。また、得られる超磁歪材料は、高強度かつ均質であるので、2次加工も容易化する。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。本発明の第1の実施の形態に係る超磁歪材料は、次の化1の式で表される組成を有する相を主相とし、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である磁歪合金の多結晶体からなる。
【0021】
【化1】
(TbxDy1−x)(FeyCr1−y)z
(但し、0≦x≦1.0、0.8≦y≦0.95、1.5≦z≦3.0)
【0022】
化1の式において、TbとDyの比率を表すxの値は、磁気異方性を小さくし、低磁界における磁歪特性を向上させるため、xの値は、0以上0.8以下が好ましく、さらに好ましくは、0以上0.5以下である。
【0023】
Crは、Feの置換元素であり、磁歪特性に悪影響を与えることなく、圧縮強度を向上させる作用がある。また、Crには、超磁歪材料の耐食性を高める作用もある。CrによるFeの置換量の尺度を表すyの値は、0.8以上0.95以下が好ましい。yの値が0.8未満になると、低磁界における磁歪特性が低下するので好ましくない。一方、yの値が0.95を超えると、圧縮強度が低下するので好ましくない。優れた磁歪特性と高い圧縮強度とを両立させるためには、yの値は、さらに好ましくは、0.85以上0.95以下である。
【0024】
さらに、化1の式において、(Tb+Dy)に対する(Fe+Cr)の比を表すzの値は、1.5以上3.0以下が好ましい。zの値が1.5未満になると、超磁歪材料中における巨大磁歪を示すラーベス相化合物の割合が減少し、磁歪特性が低下するので好ましくない。一方、zの値が3.0を超えると、同様にラーベス相化合物の割合が低下し、磁歪特性が低下するので好ましくない。zの値は、さらに好ましくは、1.6以上2.2以下である。
【0025】
本実施の形態に係る超磁歪材料は、化1の式で表される組成を有する相(すなわち、「主相」)のみからなることが望ましいが、不可避的に含まれる不純物が含まれていても良い。高い磁歪特性を得るには、主相は、80mass%以上が好ましく、さらに好ましくは、90mass%以上である。
【0026】
また、不純物の中でも、酸素及び窒素は、特に磁歪特性を低下させる作用が強いので、焼結体に含まれる酸素量及び窒素量は、少ない程良い。高い磁歪特性を有する超磁歪材料を得るためには、酸素量は、1.5mass%以下が好ましく、さらに好ましくは、1.0mass%以下である。また、窒素量は、1.5mass%以下が好ましく、さらに好ましくは、1.0mass%以下である。
【0027】
このような酸素量及び窒素量の少ない超磁歪材料は、化1の式で表される金属元素を含む2種以上の粗粉末を不活性雰囲気中で粉砕(又は、粉砕・混合)した主原料粉末(特に、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である主原料粉末)を成形・焼結することにより得られる。この点については、後述する。
【0028】
さらに、本実施の形態に係る超磁歪材料において、多結晶体を構成する各結晶粒は、一方向に配向していても良く、あるいは無配向であっても良い。但し、2次加工を容易化させるためには、超磁歪材料は均質であることが望ましく、そのためには、多結晶体を構成する各結晶粒は、無配向である方が好ましい。
【0029】
また、超磁歪材料の高負荷条件下における破損を抑制するためには、その圧縮強度は、高い程良い。超磁歪材料の圧縮強度は、具体的には、300MPa以上が好ましい。そのためには、材料組成を最適化することに加えて、多結晶体の平均結晶サイズを小さくすることが好ましい。高負荷条件下における耐久性に優れた超磁歪材料を得るには、平均結晶サイズは、100μm以下が好ましく、さらに好ましくは、50μm以下である。
【0030】
次に、本実施の形態に係る超磁歪材料の作用について説明する。ラーベス相(AB2)型の金属間化合物であるTbFe2は、巨大磁歪を示す超磁歪材料であるが、磁気異方性が大きいために、低磁界における磁歪特性に劣る。このTbFe2に含まれるTbの一部をDyに置換すると、磁気異方性エネルギーが小さくなり、低磁界における磁歪特性が向上する。
【0031】
また、Tb−Dy−Fe系磁歪合金は、本質的に脆いという性質がある。そのため、従来の合金組成では、単結晶として用いる場合だけでなく、多結晶体として用いる場合であっても、高負荷が作用する使用条件下においては、破損するおそれがある。
【0032】
これに対し、Tb−Dy−Fe系磁歪合金のFeの一部を所定のCrで置換すると、磁歪特性を低下させることなく、圧縮強度を向上させることができる。また、このような組成を有する磁歪合金を多結晶化することによって、圧縮強度をさらに向上させることができる。そのため、高負荷下での使用が可能となり、2次加工も容易化する。
【0033】
さらに、磁歪合金中に含まれる酸素量及び窒素量を所定の値以下とすることによって、低磁界における磁歪特性がさらに向上し、100kA/mの磁場中における磁歪量が200ppm以上である超磁歪材料が得られる。
【0034】
次に、本発明の第1の実施の形態に係る超磁歪材料の製造方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法は、粉末製造工程と、焼結体製造工程とを備えている。
【0035】
初めに、粉末製造工程について説明する。粉末製造工程は、次の化2の式で表される組成を有する主相および不可避的不純物よりなる磁歪合金及び/又はその前駆体からなり、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である主原料粉末を製造する工程である。
【0036】
【化2】
(TbxDy1−x)(FeyCr1−y)z
(但し、0≦x≦0.8、0.8≦y≦0.95、1.5≦z≦3.0)
【0037】
ここで、「前駆体」とは、完全に合金化していないが、現実的な熱処理によって所望の組成を有する磁歪合金となり得るもの(例えば、機械的合金化処理された粉末など)をいう。
【0038】
主原料粉末は、化2の式で表される相(主相)のみからなる磁歪合金及び/又はその前駆体からなることが望ましいが、不可避的に含まれる不純物が含まれていても良い。但し、高い磁歪特性を得るには、主相は、80mass%以上が好ましく、さらに好ましくは、90mass%以上である。
【0039】
また、主原料粉末中の酸素量及び窒素量は、少ない程良い。酸素量又は窒素量が多くなると、焼結性が低下し、得られる焼結体の磁歪特性も低下するので好ましくない。主原料粉末中の酸素量は、具体的には、1.5mass%以下が好ましく、さらに好ましくは、1.0mass%以下である。また、主原料粉末中の窒素量は、具体的には、1.5mass%以下が好ましく、さらに好ましくは、1.0mass%以下である。
【0040】
なお、主原料粉末の平均粒径については、特に限定されるものではない。一般的には、平均粒径が小さくなるほど、焼結性は向上するが、成形性や取扱性が低下する傾向があるので、主原料粉末の組成、焼結体の製造方法、焼結体の製造条件、超磁歪材料に要求される特性等に応じて、最適な平均粒径を選択すればよい。
【0041】
また、原料を粉末化する方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。具体的には、磁歪合金を構成する金属元素を含有する2種以上の粗粉末を不活性雰囲気中で単に粉砕する方法、磁歪合金の溶湯を急冷凝固する方法、磁歪合金を構成する金属元素を含有する2種以上の粗粉末を不活性雰囲気中で機械的合金化処理する方法、水あるいはガス噴霧法等が好適な一例として挙げられる。
【0042】
中でも、化2の式で表される磁歪合金を構成する金属元素を含有する2種以上の粗粉末を不活性雰囲気中において機械的合金化処理する方法は、所定の組成を有し、かつ酸素量及び窒素量の少ない磁歪合金又はその前駆体からなる主原料粉末を効率よく製造できるので、特に好適である。
【0043】
この場合、各粗粉末は、目的とする磁歪合金の組成が得られる比率で配合すればよい。また、「不活性雰囲気」とは、真空中、減圧中、還元雰囲気中、不活性ガス雰囲気中等、出発原料である粗粉末及び/又は機械的合金化処理後に得られる主原料粉末の酸化、窒化、炭化等が生じない雰囲気をいう。
【0044】
次に、焼結体製造工程について説明する。焼結体製造工程は、粉末製造工程において製造された主原料粉末を用いて多結晶体を製造する工程である。多結晶体を製造する方法としては、種々の方法を用いることができ、特に限定されるものではない。具体的には、主原料粉末を成形し、次いで得られた成形体を加熱する方法(以下、これを「方法A」という。)、主原料粉末を型内に充填し、加熱と同時に加圧を行う方法(以下、これを「方法B」という。)、主原料粉末を密閉容器内に充填し、静水圧加熱処理する方法等が好適な一例として挙げられる。
【0045】
焼結体の製造方法として方法Aを用いる場合、主原料粉末の成形(成形工程)は、98MPa以上980MPa以下の成形圧力で行うことが好ましい。成形圧力が98MPa未満になると、成形体密度が低下し、高密度の焼結体が得られないので好ましくない。一方、成形圧力を必要以上に高くしても、焼結体密度に与える影響は小さく、むしろ型の耐久性を低下させるので好ましくない。成形圧力は、さらに好ましくは、98MPa以上490MPa以下である。
【0046】
また、得られた成形体の焼結(焼結工程)は、500℃以上1200℃以下の温度で加熱することにより行うことが好ましい。焼結温度が500℃未満であると、短時間で高密度の焼結体が得られないので好ましくない。また、焼結温度が1200℃を超えると、焼結中に主原料粉末が溶融するおそれがあるので好ましくない。焼結温度は、さらに好ましくは、800℃以上1100℃以下である。
【0047】
なお、方法Aを用いる場合において、焼結は、成形体の酸化及び窒化を防止するために、不活性雰囲気中で行うのが好ましい。また、昇温速度及び焼結温度での保持時間は、特に限定されるものではなく、所定の特性(例えば、焼結体密度、平均結晶サイズ、磁歪特性等。)が得られるように、主原料粉末の組成、焼結温度等に応じて任意に選択することができる。
【0048】
焼結体の製造方法として方法Bを用いる場合、具体的には、型内に主原料粉末を充填した後、所定の昇温速度で焼結温度まで昇温し、焼結温度まで達すると同時に主原料粉末に対して加圧し、所定時間保持すればよい。
【0049】
この場合、型内に充填された主原料粉末に対して加える圧力は、19.6MPa以上980MPa以下が好ましい。圧力が19.6MPa未満になると、高密度の焼結体が得られないので好ましくない。また、圧力が980MPaを超えると、型の耐久性が低下するので好ましくない。主原料粉末に対して加える圧力は、さらに好ましくは、39.2MPa以上490MPa以下である。
【0050】
また、方法Bにおいては、昇温速度は、速い程良い。これは、焼結時に加圧を行うために、昇温速度を速くしても焼結体密度が低下することがなく、むしろ昇温速度を速くすることによって、平均結晶サイズの小さい焼結体が得られるためである。但し、昇温速度が過大になると、型内に充填された主原料粉末の加熱が不均一となり、焼結性が低下するので好ましくない。平均結晶サイズが小さく、高密度かつ均一な焼結体を得るためには、昇温速度は、20℃/min以上200℃/min以下が好ましく、さらに好ましくは、30℃/min以上150℃/min以下である。
【0051】
また、この場合も、焼結温度は、500℃以上1200℃以下が好ましい。焼結温度が500℃未満であると、短時間で高密度の焼結体が得られないので好ましくない。また、焼結温度が1200℃を超えると、焼結中に主原料粉末が溶融するおそれがあるので好ましくない。焼結温度は、さらに好ましくは、800℃以上1100℃以下である。
【0052】
さらに、型内に充填された主原料粉末の加熱方法としては、種々の方法を用いることができ、特に限定されるものではない。加熱方法としては、具体的には、ヒータを用いて型を外部から加熱する方法、上下のパンチを通して型内に直接、電流を流す方法(通電焼結法)等が好適な一例として挙げられる。中でも、通電焼結法は、高密度の焼結体を効率よく製造できるので、超磁歪材料の焼結方法として特に好適である。
【0053】
なお、方法Bを用いる場合において、焼結は、主原料粉末の酸化及び窒化を防止するために、不活性雰囲気中で行うのが好ましい。また、焼結温度での保持時間は、特に限定されるものではなく、所定の特性(例えば、焼結体密度、平均結晶サイズ、磁歪特性等。)が得られるように、主原料粉末の組成、焼結温度等に応じて任意に選択することができる。
【0054】
このような工程を経て得られた焼結体は、必要に応じて仕上げ加工を施した後、そのまま磁歪素子として用いても良いが、得られた焼結体に対して2次加工を施しても良い。2次加工方法としては、具体的には、押出、圧延、鍛造等が好適な一例として挙げられる。また、これらは単独で用いても良いが、製品の最終形状に応じて、2種以上を組み合わせて用いても良い。
【0055】
次に、本実施の形態に係る製造方法の作用について説明する。所定の組成を有する主原料粉末を成形し、得られた成形体を焼結する方法を用いると、単結晶育成法、あるいは一方向凝固法では得られない複雑な形状を有する磁歪素子を効率よく製造することができる。また、所定の組成を有する主原料粉末を型内に充填し、所定の昇温速度で焼結温度まで昇温した後、主原料粉末に対して所定の圧力を加えながら、所定の時間保持する方法を用いると、高い焼結体密度を有し、かつ平均結晶サイズの小さい焼結体を効率よく製造することができる。
【0056】
しかも、このようにして得られた焼結体は、所定の合金組成を有しているので、低磁界における優れた磁歪特性と、高い圧縮強度を示す。そのため、本発明に係る方法によれば、高負荷条件下での耐久性に優れた超磁歪材料が得られる。また、得られた焼結体は、高強度かつ均質であるので、2次加工も容易化する。そのため、従来の方法では得られない複雑形状を有する磁歪素子であっても、効率よく製造することができる。
【0057】
【実施例】
(実施例1)
粒径500μm以下のTb、Dy、Fe及びCr粗粉末を、(Tb0.5Dy0.5)(Fe0.95Cr0.05)2.0組成となるように配合し、遊星ボールミルを用いて100時間の機械的合金化処理を施した。機械的合金化処理は、アルゴン雰囲気中で行い、ボールに対する粗粉末の重量比は、約0.04とした。
【0058】
次に、図1に示すように、内径20mmのカーボン型10に得られた主原料粉末12を入れ、通電焼結を行った。焼結は、10Paの真空中において、昇温速度:40℃/min、焼結温度:1000℃、加圧力:39.2MPa、保持時間:20分間の条件で行い、加圧は、1000℃に到達した直後に行った。
【0059】
得られた焼結体について、大きさの異なる磁界を付与し、その際に生ずる磁歪の変化を測定した。図2に、その結果を示す。図2より、本実施例で得られた焼結体は、低磁界において優れた磁歪特性を示すことがわかる。得られた焼結体の100kA/mの磁界中における磁歪は、360ppmであった。
【0060】
(実施例2、3)
CrによるFeの置換量を、それぞれ10at%(実施例2)及び20at%(実施例3)とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、焼結体を作製した。
【0061】
(比較例1、2)
CrによるFeの置換量を0at%とした以外は、実施例1と同一の手順に従い、焼結体を作製した。
【0062】
(比較例3〜6)
機械的合金化処理の際にポットに充填するアルゴンガスに対して所定量の酸素及び窒素を添加した以外は、実施例1と同一の手順に従い、焼結体を作製した(比較例3、4)。同様に、CrによるFeの置換量を10at%とし、かつ機械的合金化処理の際にポットに充填するアルゴンガスに対して所定量の酸素及び窒素を添加した以外は、実施例1と同一の手順に従い、焼結体を作製した(比較例5、6)。
【0063】
実施例1〜3及び比較例1〜6で得られた機械的合金化処理後の主原料粉末について、酸素量及び窒素量を測定した。また、得られた焼結体について、100kA/mの磁場中における磁歪を測定した。さらに、得られた焼結体の上に治具を乗せ、クロスヘッドスピード1mm/minの条件下で圧縮試験を行った。表1に、その結果を示す。
【0064】
【表1】
【0065】
Crが添加されていない比較例1及び2の場合、主原料粉末中に含まれる酸素量は、それぞれ0.59%及び0.49%であった。また、主原料粉末中に含まれる窒素量は、それぞれ、0.02%及び0.10%であった。さらに、100kA/mの磁場中における磁歪は、370〜380ppmであり、高い値を示した。しかしながら、比較例1及び2は、いずれも圧縮強度測定用治具を試料上に載せた際に、治具の自重により試料が破壊したために、圧縮強度を測定できなかった。
【0066】
一方、CrによるFeの置換量を5〜10at%とした比較例3〜5は、圧縮強度が250〜300MPaに向上した。しかしながら、主原料粉末中に1.5mass%を超える酸素、及び1.5mass%を超える窒素が含まれていたために、100kA/mの磁場中における磁歪は、200ppm未満であった。また、磁歪は、主原料粉末中の酸素量又は窒素が多くなるほど低下する傾向を示した。
【0067】
さらに、比較例6の場合、高濃度の酸素及び窒素が含まれる雰囲気下で機械的合金化処理を行ったために、主原料粉末中には、5.0mass%の酸素と、9.85mass%の窒素が含まれていた。また、得られた焼結体の100kA/mの磁場中における磁歪は、30ppmまで低下した。さらに、高濃度の酸素及び窒素を含んでいるために、焼結体が脆化しており、圧縮強度を測定できなかった。
【0068】
これに対し、主原料粉末中の酸素量を1.5mass%以下、窒素量を1.5mass%以下とし、Feの一部をCrで置換した実施例1〜3は、いずれも100kA/mの磁場中における磁歪は、200ppmを超え、圧縮強度は300MPaを超えた。磁歪は、Cr置換量が少なくなるほど増加する傾向を示し、Cr置換量を10at%以下とすると、磁歪は、Cr無添加の比較例1及び2と同等となった。一方、圧縮強度は、Cr置換量が多くなるほど増加する傾向を示し、Cr置換量を20at%とすると、圧縮強度は、400MPaまで向上した。
【0069】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。例えば、加熱と同時に加圧を行う方法(方法B)を用いて超磁歪材料を製造する場合、加圧は、焼結温度に到達したと同時に行っても良く、あるいは、焼結温度に到達する以前から行っても良い。
【0070】
また、主原料粉末の作製は、機械的合金化処理を用いるのが好ましいが、磁歪合金を構成する金属元素を含有する2種以上の粗粉末を、それぞれ別個に不活性雰囲気下において粉砕し、これらを所定の比率で混合する方法を用いても良い。
【0071】
【発明の効果】
本発明に係る超磁歪材料は、所定の合金組成を有する磁歪合金の多結晶体からなるので、低磁界おける磁歪特性に優れ、しかも高い圧縮強度を示すという効果がある。また、高強度かつ均質であるので、2次加工が容易化するという効果がある。
【0072】
また、本発明に係る超磁歪材料の製造方法は、所定の組成並びに酸素量及び窒素量を有する主原料粉末を用いて成形及び焼結を行うので、上述のような優れた特性を有する磁歪材料を効率よく製造できるという効果がある。また、得られる焼結体は、2次加工も容易であるので、従来の方法では得られない複雑形状を有する製品であっても、高い生産性で製造できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 通電焼結法の概略構成図である。
【図2】 実施例1で得られた焼結体の磁界と磁歪の関係を示す図である。
【符号の説明】
10 型
12 主原料粉末
14、16 パンチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a giant magnetostrictive material and a manufacturing method thereof, and more particularly to a giant magnetostrictive material used for a magneto-mechanical conversion device such as a magnetostrictive actuator, a magnetostrictive vibrator, a filter, and a sensor, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
When a demagnetized ferromagnetic material is magnetized, its size and shape generally change. Such a phenomenon is called a magnetostrictive effect, and a material exhibiting the magnetostrictive effect is called a magnetostrictive material. Specific examples of magnetostrictive materials include Ni, Ni-base alloys, ferrites, and rare earth-iron-based intermetallic compounds.
[0003]
Among these, a rare earth-iron-based intermetallic compound (Laves phase compound) is 10% at room temperature.-3It is known as a giant magnetostrictive material exhibiting a huge magnetostriction. Therefore, rare earth-iron-based intermetallic compounds are various magneto-mechanical conversion devices (for example, magnetostrictive actuators, ultrasonic waves used in VTRs, cameras, computer equipment, etc.) for mutually converting magnetic energy and mechanical energy. Magnetostrictive vibrators used in welding machines, cutters, sonars, medical scalpels, pulverizers, various filters such as mechanical filters, variable frequency converters, delay circuit elements, various sensors such as pressure sensors, knock sensors, and sound pressure sensors Application) is expected.
[0004]
Examples of rare earth-iron-based intermetallic compounds exhibiting the largest magnetostriction include A. E. TbFe reported by Clark et al.2(A.E.Clark and H.S.Belson: “Giant Room-Temperature Magnetostrictions in TbFe2 and DyFe2"Pys. Rev. B, 5 (1972) 3642-3644). However, this TbFe2However, there is a problem that a large magnetic field is required to obtain a large magnetostriction. Considering the practical use of magnetostrictive materials, it is preferable to obtain a large magnetostriction with a small magnetic field rather than a large magnetostriction with a large magnetic field. Therefore, in order to improve the magnetostriction characteristics of the rare earth-iron-based intermetallic compound, various proposals have conventionally been made regarding the alloy composition and manufacturing method.
[0005]
For example, as a rare earth-iron super magnetostrictive alloy having a large magnetostriction amount, Tb0.27Dy0.73Fe2.0(Terphenol D) is known. Since terphenol D requires crystal orientation to obtain a large amount of magnetostriction, a single crystal growth method is usually used for its production.
[0006]
Further, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-148594 discloses RE (Fe) in order to improve magnetostriction characteristics in a low magnetic field.1-q-rMnqMr)s(RE is at least one kind of rare earth element, M is one metal element selected from C, Mg, Al, Si, Ca, Zr, Y, Ga and B, 0.005 ≦ q ≦ 0.5, 0.005 ≦ r ≦ 0.2, 1.90 ≦ s ≦ 2.10), and a giant magnetostrictive alloy is disclosed in which the content of the 1-3 phase as a different phase is 5% by volume or less.
[0007]
Further, JP-A-7-286249 discloses a raw material A containing predetermined Tb, Dy and T (T is at least one element selected from Fe, Co and Ni) and having a large magnetic anisotropy. The raw material B containing predetermined Dy, Tb and T and acting as a flux during sintering and a raw material C substantially composed of T as necessary are mixed with the powder of A method for producing a magnetostrictive material in which the mixture is sintered in a magnetic field and then sintered is disclosed. In this publication, the easy magnetization axis is aligned in one direction by this method, and (TbvDy1-v) Tw(However, it is disclosed that a magnetostrictive material having a composition represented by 0.27 ≦ v <0.50, 1.70 ≦ w ≦ 2.00) can be obtained.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
TbFe2Substituting all or part of Tb with other rare earth elements such as Dy or substituting all or part of Fe with other elements such as Mn may improve magnetostriction characteristics in a low magnetic field. it can. In addition, when the easy magnetization axis is aligned in one direction, a material having a large magnetostriction amount can be obtained. Therefore, the magnetostrictive material is usually manufactured using a single crystal growth method, a unidirectional solidification method, or a molding-sintering method in a magnetic field. Has been.
[0009]
However, the single crystal growth method and the unidirectional solidification method have a problem that productivity is extremely poor. In addition, conventional rare earth-iron-based intermetallic compounds are inherently fragile, so that they may be damaged when used under high load conditions, and secondary processing is also difficult. Therefore, the conventional alloy composition and manufacturing method have a problem that there are limitations on the use conditions and the shape that can be manufactured.
[0010]
In addition, the conventional rare earth-iron-based intermetallic compound has the property of being easily oxidized or nitrided because it contains a rare earth element as a constituent element. Therefore, there is a problem that a desired magnetostrictive characteristic cannot be obtained if the raw material is oxidized or nitrided in the manufacturing process. Further, when oxidation or nitridation progresses during use, there is a problem that the magnetostrictive characteristics deteriorate.
[0011]
Further, conventional rare earth-iron-based magnetostrictive materials have a property of high thermal conductivity. Therefore, in the conventional material, when the ambient temperature of the magnetostrictive element increases during use, the magnetostrictive material may exceed the Curie temperature, and the magnetostrictive characteristics may be lost.
[0012]
Furthermore, the magnetostrictive material may be required to be light and wear resistant depending on its application. However, conventional rare earth-iron-based magnetostrictive materials contain heavy elements and thus have a large specific gravity and insufficient wear resistance.
[0013]
The problem to be solved by the present invention is to provide a giant magnetostrictive material having a high magnetostriction characteristic in a low magnetic field, excellent in productivity, and capable of producing even a component having a complicated shape, and a method for producing the same. It is in. Another problem to be solved by the present invention is to provide a giant magnetostrictive material that is less likely to be damaged even when used under high load conditions, and a method for producing the same.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a giant magnetostrictive material that suppresses the temperature rise of the material itself during use and is unlikely to lose its magnetostrictive characteristics. Another object of the present invention is to provide a super magnetostrictive material capable of suppressing oxidation and nitridation of the material surface during use and maintaining high magnetostriction characteristics over a long period of time. is there. Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a giant magnetostrictive material having a small specific gravity and excellent wear resistance.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the giant magnetostrictive material according to the present invention has a general formula: (TbxDy1-x) (FeyCr1-y)z(However, it has a composition represented by 0 ≦ x ≦ 0.8, 0.8 ≦ y ≦ 0.95, 1.5 ≦ z ≦ 3.0)mainIt is made of a magnetostrictive alloy polycrystal having a phase and inevitable impurities, an oxygen content of 1.5 mass% or less, and a nitrogen content of 1.5 mass% or less, and is a sintered body having a compressive strength of 300 MPa or more. This is the gist.
[0016]
In a magnetostrictive alloy whose main phase is a Laves phase compound containing Tb, Dy, and Fe, if a part of Fe is replaced with predetermined Cr and polycrystallized, the compressive strength is improved without deteriorating the magnetostrictive properties. be able to. Therefore, it can be used under a high load, and secondary processing is facilitated.
[0017]
In addition, the method of manufacturing a giant magnetostrictive material according to the present invention has a general formula: (TbxDy1-x) (FeyCr1-y)z(However, it has a composition represented by 0 ≦ x ≦ 0.8, 0.8 ≦ y ≦ 0.95, 1.5 ≦ z ≦ 3.0)mainA powder production process for producing a main raw material powder comprising a magnetostrictive alloy comprising a phase and inevitable impurities and / or a precursor thereof and having an oxygen content of 1.5 mass% or less and a nitrogen content of 1.5 mass% or less; And a sintered body manufacturing process for manufacturing a polycrystalline body using raw material powder.In the powder production process, two or more kinds of coarse powders containing the metal elements constituting the magnetostrictive alloy are mechanically alloyed in an inert atmosphere.This is the gist.
[0018]
In this case, the sintered body manufacturing step may be one in which the main raw material powder is molded and the obtained molded body is heated, or the main raw material powder is filled in a mold and heated simultaneously. Pressurization may be performed.
[0019]
When a main raw material powder made of a magnetostrictive alloy having a predetermined composition or a precursor thereof is molded and sintered, a giant magnetostrictive material made of a magnetostrictive alloy polycrystal having a predetermined composition is obtained. Further, by optimizing the manufacturing conditions, a homogeneous giant magnetostrictive material with little anisotropy can be obtained. Therefore, even a part having a complicated shape can be manufactured with high productivity. Further, since the obtained giant magnetostrictive material is high in strength and homogeneous, secondary processing is also facilitated.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail. The giant magnetostrictive material according to the first embodiment of the present invention has a phase having a composition represented by the following chemical formula 1 as a main phase, an oxygen content of 1.5 mass% or less, and a nitrogen content of 1.5 mass. % Or less magnetostrictive alloy polycrystal.
[0021]
[Chemical 1]
(TbxDy1-x) (FeyCr1-y)z
(However, 0 ≦ x ≦ 1.0, 0.8 ≦ y ≦ 0.95, 1.5 ≦ z ≦ 3.0)
[0022]
In the formula (1), the value of x representing the ratio of Tb and Dy is preferably 0 or more and 0.8 or less in order to reduce magnetic anisotropy and improve magnetostriction characteristics in a low magnetic field. More preferably, it is 0 or more and 0.5 or less.
[0023]
Cr is a substitution element for Fe and has the effect of improving the compressive strength without adversely affecting the magnetostriction characteristics. Cr also has the effect of increasing the corrosion resistance of the giant magnetostrictive material. The value of y that represents a measure of the amount of substitution of Fe with Cr is preferably 0.8 or more and 0.95 or less. If the value of y is less than 0.8, the magnetostriction characteristics in a low magnetic field are deteriorated, which is not preferable. On the other hand, if the value of y exceeds 0.95, the compressive strength decreases, which is not preferable. In order to achieve both excellent magnetostriction characteristics and high compressive strength, the value of y is more preferably 0.85 or more and 0.95 or less.
[0024]
Furthermore, in the formula (1), the value of z representing the ratio of (Fe + Cr) to (Tb + Dy) is preferably 1.5 or more and 3.0 or less. If the value of z is less than 1.5, the ratio of Laves phase compounds exhibiting giant magnetostriction in the super magnetostrictive material is decreased, and the magnetostrictive characteristics are deteriorated, which is not preferable. On the other hand, if the value of z exceeds 3.0, the ratio of the Laves phase compound similarly decreases, and the magnetostrictive characteristics deteriorate, which is not preferable. The value of z is more preferably 1.6 or more and 2.2 or less.
[0025]
The giant magnetostrictive material according to the present embodiment is preferably composed of only a phase having a composition represented by the formula 1 (ie, “main phase”), but inevitably contains impurities. Also good. In order to obtain high magnetostriction characteristics, the main phase is preferably 80 mass% or more, and more preferably 90 mass% or more.
[0026]
Of the impurities, oxygen and nitrogen are particularly strong in reducing the magnetostriction characteristics, so that the smaller the amount of oxygen and nitrogen contained in the sintered body, the better. In order to obtain a giant magnetostrictive material having high magnetostrictive properties, the oxygen content is preferably 1.5 mass% or less, and more preferably 1.0 mass% or less. Further, the amount of nitrogen is preferably 1.5 mass% or less, and more preferably 1.0 mass% or less.
[0027]
Such a giant magnetostrictive material with a small amount of oxygen and nitrogen is represented by the formula 1 below.MoneyContains genus elementsTwo or moreMain raw material powder (especially main raw material powder having an oxygen content of 1.5 mass% or less and a nitrogen content of 1.5 mass% or less) obtained by pulverizing (or pulverizing and mixing) coarse powder in an inert atmosphere. It is obtained by tying. This point will be described later.
[0028]
Furthermore, in the giant magnetostrictive material according to the present embodiment, each crystal grain constituting the polycrystal may be oriented in one direction or non-oriented. However, in order to facilitate the secondary processing, it is desirable that the giant magnetostrictive material is homogeneous. For this purpose, it is preferable that each crystal grain constituting the polycrystalline body is non-oriented.
[0029]
Moreover, in order to suppress the damage of the giant magnetostrictive material under high load conditions, the higher the compressive strength, the better. Specifically, the compressive strength of the giant magnetostrictive material is preferably 300 MPa or more. For this purpose, it is preferable to reduce the average crystal size of the polycrystal in addition to optimizing the material composition. In order to obtain a giant magnetostrictive material having excellent durability under high load conditions, the average crystal size is preferably 100 μm or less, and more preferably 50 μm or less.
[0030]
Next, the operation of the giant magnetostrictive material according to the present embodiment will be described. Laves phase (AB2) Type intermetallic compound TbFe2Is a giant magnetostrictive material exhibiting giant magnetostriction, but has poor magnetostriction characteristics in a low magnetic field due to its large magnetic anisotropy. This TbFe2When a part of Tb contained in is replaced with Dy, the magnetic anisotropy energy is reduced, and the magnetostriction characteristics in a low magnetic field are improved.
[0031]
Further, the Tb—Dy—Fe-based magnetostrictive alloy has a property of being essentially brittle. Therefore, in the conventional alloy composition, there is a risk of breakage under use conditions where a high load acts, not only when used as a single crystal but also when used as a polycrystal.
[0032]
On the other hand, when a part of Fe of the Tb—Dy—Fe-based magnetostrictive alloy is replaced with predetermined Cr, the compressive strength can be improved without deteriorating the magnetostrictive characteristics. Further, the compressive strength can be further improved by polycrystallizing the magnetostrictive alloy having such a composition. Therefore, it can be used under a high load, and secondary processing is facilitated.
[0033]
Further, by making the amount of oxygen and nitrogen contained in the magnetostrictive alloy not more than predetermined values, the magnetostriction characteristics in a low magnetic field are further improved, and the magnetostriction material having a magnetostriction amount in a magnetic field of 100 kA / m is 200 ppm or more. Is obtained.
[0034]
Next, a method for manufacturing a giant magnetostrictive material according to the first embodiment of the present invention will be described. The manufacturing method according to the present embodiment includes a powder manufacturing process and a sintered body manufacturing process.
[0035]
First, the powder manufacturing process will be described. The powder manufacturing process has a composition represented by the following chemical formula 2mainThis is a step of producing a main raw material powder comprising a magnetostrictive alloy and / or a precursor thereof composed of a phase and inevitable impurities and having an oxygen content of 1.5 mass% or less and a nitrogen content of 1.5 mass% or less.
[0036]
[Chemical formula 2]
(TbxDy1-x) (FeyCr1-y)z
(However, 0 ≦ x ≦ 0.8, 0.8 ≦ y ≦ 0.95, 1.5 ≦ z ≦ 3.0)
[0037]
Here, the “precursor” refers to a material that is not completely alloyed but can be a magnetostrictive alloy having a desired composition by a realistic heat treatment (for example, a powder that has been subjected to mechanical alloying treatment).
[0038]
The main raw material powder is preferably made of a magnetostrictive alloy and / or its precursor composed of only the phase (main phase) represented by the formula 2 but may contain impurities inevitably included. However, in order to obtain high magnetostriction characteristics, the main phase is preferably 80 mass% or more, and more preferably 90 mass% or more.
[0039]
The smaller the amount of oxygen and nitrogen in the main raw material powder, the better. When the amount of oxygen or nitrogen increases, the sinterability decreases, and the magnetostrictive properties of the resulting sintered body also decrease, which is not preferable. Specifically, the amount of oxygen in the main raw material powder is preferably 1.5 mass% or less, and more preferably 1.0 mass% or less. Further, specifically, the amount of nitrogen in the main raw material powder is preferably 1.5 mass% or less, and more preferably 1.0 mass% or less.
[0040]
The average particle size of the main raw material powder is not particularly limited. In general, the smaller the average particle size, the better the sinterability, but the moldability and handleability tend to decrease. Therefore, the composition of the main raw material powder, the method for producing the sintered body, The optimum average particle diameter may be selected according to the manufacturing conditions, characteristics required for the giant magnetostrictive material, and the like.
[0041]
Moreover, the method of pulverizing the raw material is not particularly limited, and various methods can be used. Specifically, it constitutes a magnetostrictive alloyContains metal elementsA method of simply pulverizing two or more kinds of coarse powders in an inert atmosphere, a method of rapidly solidifying a molten magnetostrictive alloy, and a magnetostrictive alloyContains metal elementsSuitable examples include a method of mechanically alloying two or more kinds of coarse powders in an inert atmosphere, a water or gas spraying method, and the like.
[0042]
Among them, it constitutes a magnetostrictive alloy represented by the formula 2MoneyA method of mechanically alloying two or more kinds of coarse powders containing a genus element in an inert atmosphere is mainly composed of a magnetostrictive alloy having a predetermined composition and a small amount of oxygen and nitrogen, or a precursor thereof. Since raw material powder can be manufactured efficiently, it is particularly suitable.
[0043]
In this case, each coarse powder may be blended at a ratio that provides the desired composition of the magnetostrictive alloy. In addition, “inert atmosphere” means oxidation, nitridation of main raw material powder obtained after roughing and / or mechanical alloying as a starting material in vacuum, reduced pressure, reducing atmosphere, inert gas atmosphere, etc. An atmosphere in which carbonization or the like does not occur.
[0044]
Next, the sintered body manufacturing process will be described. A sintered compact manufacturing process is a process of manufacturing a polycrystal using the main raw material powder manufactured in the powder manufacturing process. Various methods can be used as a method for producing the polycrystalline body, and it is not particularly limited. Specifically, the main raw material powder is molded, and then the resulting molded body is heated (hereinafter referred to as “Method A”), the main raw material powder is filled in a mold, and the pressure is applied simultaneously with heating. Suitable examples include a method of carrying out (hereinafter referred to as “method B”), a method of filling the main raw material powder in a sealed container, and a hydrostatic heat treatment.
[0045]
When Method A is used as a method for producing a sintered body, the main raw material powder is preferably molded (molding step) at a molding pressure of 98 MPa or more and 980 MPa or less. When the molding pressure is less than 98 MPa, the density of the molded body is lowered, and a high-density sintered body cannot be obtained. On the other hand, even if the molding pressure is increased more than necessary, the influence on the sintered body density is small, and the durability of the mold is rather lowered, which is not preferable. The molding pressure is more preferably 98 MPa or more and 490 MPa or less.
[0046]
Moreover, it is preferable to perform sintering (sintering process) of the obtained molded body by heating at a temperature of 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. A sintering temperature of less than 500 ° C. is not preferable because a high-density sintered body cannot be obtained in a short time. Further, if the sintering temperature exceeds 1200 ° C., the main raw material powder may be melted during sintering, which is not preferable. The sintering temperature is more preferably 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
[0047]
In the case of using the method A, the sintering is preferably performed in an inert atmosphere in order to prevent oxidation and nitridation of the molded body. Further, the heating rate and the holding time at the sintering temperature are not particularly limited, and are mainly set so that predetermined characteristics (for example, sintered body density, average crystal size, magnetostrictive characteristics, etc.) can be obtained. It can be arbitrarily selected according to the composition of the raw material powder, the sintering temperature and the like.
[0048]
When Method B is used as a method for producing a sintered body, specifically, after filling the main raw material powder in a mold, the temperature is raised to a sintering temperature at a predetermined temperature raising rate, and at the same time the temperature reaches the sintering temperature. The main raw material powder may be pressurized and held for a predetermined time.
[0049]
In this case, the pressure applied to the main raw material powder filled in the mold is preferably 19.6 MPa or more and 980 MPa or less. A pressure of less than 19.6 MPa is not preferable because a high-density sintered body cannot be obtained. On the other hand, when the pressure exceeds 980 MPa, the durability of the mold decreases, which is not preferable. More preferably, the pressure applied to the main raw material powder is 39.2 MPa or more and 490 MPa or less.
[0050]
In Method B, the higher the temperature increase rate, the better. This is because pressurization during sintering does not reduce the density of the sintered body even if the heating rate is increased, but rather by increasing the heating rate, the sintered body has a small average crystal size. Is obtained. However, if the rate of temperature rise is excessive, the heating of the main raw material powder filled in the mold becomes non-uniform and the sinterability is lowered, which is not preferable. In order to obtain a sintered body having a small average crystal size and high density, the temperature rising rate is preferably 20 ° C./min or more and 200 ° C./min or less, more preferably 30 ° C./min or more and 150 ° C./min. It is below min.
[0051]
Also in this case, the sintering temperature is preferably 500 ° C. or more and 1200 ° C. or less. A sintering temperature of less than 500 ° C. is not preferable because a high-density sintered body cannot be obtained in a short time. Further, if the sintering temperature exceeds 1200 ° C., the main raw material powder may be melted during sintering, which is not preferable. The sintering temperature is more preferably 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
[0052]
Furthermore, various methods can be used as a method for heating the main raw material powder filled in the mold, and the method is not particularly limited. Specific examples of the heating method include a method of heating the mold from the outside using a heater, a method of flowing a current directly into the mold through upper and lower punches (electric current sintering method), and the like. Among them, the electric current sintering method is particularly suitable as a method for sintering a giant magnetostrictive material because a high-density sintered body can be efficiently produced.
[0053]
In the case of using method B, the sintering is preferably performed in an inert atmosphere in order to prevent oxidation and nitridation of the main raw material powder. In addition, the holding time at the sintering temperature is not particularly limited, and the composition of the main raw material powder so that predetermined characteristics (for example, sintered body density, average crystal size, magnetostrictive characteristics, etc.) can be obtained. It can be arbitrarily selected depending on the sintering temperature and the like.
[0054]
The sintered body obtained through such a process may be used as it is as a magnetostrictive element after being subjected to finish processing as necessary, but secondary processing is applied to the obtained sintered body. Also good. Specific examples of the secondary processing method include extrusion, rolling, forging, and the like. These may be used singly or in combination of two or more according to the final shape of the product.
[0055]
Next, the operation of the manufacturing method according to the present embodiment will be described. Using a method of forming a main raw material powder having a predetermined composition and sintering the resulting molded body, a magnetostrictive element having a complicated shape that cannot be obtained by a single crystal growth method or a unidirectional solidification method is efficiently obtained. Can be manufactured. Also, the main raw material powder having a predetermined composition is filled in the mold, heated to a sintering temperature at a predetermined heating rate, and then held for a predetermined time while applying a predetermined pressure to the main raw material powder. When this method is used, a sintered body having a high sintered body density and a small average crystal size can be efficiently produced.
[0056]
In addition, since the sintered body obtained in this way has a predetermined alloy composition, it exhibits excellent magnetostriction characteristics in a low magnetic field and high compressive strength. Therefore, according to the method of the present invention, a giant magnetostrictive material excellent in durability under high load conditions can be obtained. Moreover, since the obtained sintered body is high-strength and homogeneous, secondary processing is also facilitated. Therefore, even a magnetostrictive element having a complicated shape that cannot be obtained by a conventional method can be efficiently manufactured.
[0057]
【Example】
Example 1
Tb, Dy, Fe, and Cr coarse powders having a particle size of 500 μm or less are used as (Tb0.5Dy0.5) (Fe0.95Cr0.05)2.0The composition was blended and subjected to mechanical alloying treatment for 100 hours using a planetary ball mill. The mechanical alloying treatment was performed in an argon atmosphere, and the weight ratio of the coarse powder to the ball was about 0.04.
[0058]
Next, as shown in FIG. 1, the main
[0059]
About the obtained sintered compact, the magnetic field from which a magnitude | size differs was provided, and the change of the magnetostriction which arises in that case was measured. FIG. 2 shows the result. FIG. 2 shows that the sintered body obtained in this example exhibits excellent magnetostriction characteristics in a low magnetic field. The magnetostriction of the obtained sintered body in a magnetic field of 100 kA / m was 360 ppm.
[0060]
(Examples 2 and 3)
A sintered body was produced according to the same procedure as in Example 1 except that the amount of substitution of Fe by Cr was 10 at% (Example 2) and 20 at% (Example 3), respectively.
[0061]
(Comparative Examples 1 and 2)
A sintered body was produced according to the same procedure as in Example 1 except that the amount of substitution of Fe with Cr was 0 at%.
[0062]
(Comparative Examples 3-6)
A sintered body was produced according to the same procedure as in Example 1 except that a predetermined amount of oxygen and nitrogen was added to the argon gas filled in the pot during the mechanical alloying treatment (Comparative Examples 3 and 4). ). Similarly, the same amount as in Example 1 except that the substitution amount of Fe with Cr is 10 at% and a predetermined amount of oxygen and nitrogen is added to the argon gas filled in the pot during the mechanical alloying process. A sintered body was produced according to the procedure (Comparative Examples 5 and 6).
[0063]
About the main raw material powder after the mechanical alloying treatment obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6, the oxygen content and the nitrogen content were measured. The obtained sintered body was measured for magnetostriction in a magnetic field of 100 kA / m. Furthermore, a jig was placed on the obtained sintered body, and a compression test was performed under the condition of a crosshead speed of 1 mm / min. Table 1 shows the results.
[0064]
[Table 1]
[0065]
In the case of Comparative Examples 1 and 2 to which no Cr was added, the amounts of oxygen contained in the main raw material powder were 0.59% and 0.49%, respectively. Further, the amounts of nitrogen contained in the main raw material powder were 0.02% and 0.10%, respectively. Furthermore, the magnetostriction in a magnetic field of 100 kA / m was 370 to 380 ppm, indicating a high value. However, in both Comparative Examples 1 and 2, the compressive strength could not be measured because the sample was broken by the weight of the jig when the compressive strength measuring jig was placed on the sample.
[0066]
On the other hand, in Comparative Examples 3 to 5 in which the substitution amount of Fe with Cr was 5 to 10 at%, the compressive strength was improved to 250 to 300 MPa. However, since the main raw material powder contained oxygen exceeding 1.5 mass% and nitrogen exceeding 1.5 mass%, the magnetostriction in a magnetic field of 100 kA / m was less than 200 ppm. In addition, the magnetostriction tended to decrease as the amount of oxygen or nitrogen in the main raw material powder increased.
[0067]
Furthermore, in the case of Comparative Example 6, since mechanical alloying treatment was performed in an atmosphere containing high concentrations of oxygen and nitrogen, 5.0 mass% oxygen and 9.85 mass% were contained in the main raw material powder. Nitrogen was included. Further, the magnetostriction of the obtained sintered body in a magnetic field of 100 kA / m was reduced to 30 ppm. Furthermore, since the high concentration oxygen and nitrogen were contained, the sintered compact was embrittled and the compressive strength could not be measured.
[0068]
On the other hand, in Examples 1-3 in which the oxygen content in the main raw material powder was 1.5 mass% or less, the nitrogen content was 1.5 mass% or less, and a part of Fe was replaced with Cr, all were 100 kA / m. The magnetostriction in the magnetic field exceeded 200 ppm and the compressive strength exceeded 300 MPa. The magnetostriction showed a tendency to increase as the Cr substitution amount decreased. When the Cr substitution amount was 10 at% or less, the magnetostriction was equivalent to Comparative Examples 1 and 2 without addition of Cr. On the other hand, the compressive strength tended to increase as the Cr substitution amount increased. When the Cr substitution amount was 20 at%, the compressive strength was improved to 400 MPa.
[0069]
The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, when a giant magnetostrictive material is manufactured using a method (Method B) in which pressurization is performed simultaneously with heating, pressurization may be performed simultaneously with reaching the sintering temperature, or the sintering temperature is reached. You can do it before.
[0070]
The production of the main raw material powder preferably uses a mechanical alloying treatment, but constitutes a magnetostrictive alloy.Contains metal elementsTwo or more kinds of coarse powders may be separately pulverized under an inert atmosphere and mixed at a predetermined ratio.
[0071]
【The invention's effect】
Since the super magnetostrictive material according to the present invention is made of a magnetostrictive alloy polycrystal having a predetermined alloy composition, it has an effect of being excellent in magnetostriction characteristics in a low magnetic field and exhibiting a high compressive strength. Moreover, since it is high intensity | strength and homogeneous, there exists an effect that secondary processing becomes easy.
[0072]
In addition, since the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention performs molding and sintering using a main raw material powder having a predetermined composition, oxygen content and nitrogen content, the magnetostrictive material having the excellent characteristics as described above. Can be produced efficiently. Further, since the obtained sintered body can be easily subjected to secondary processing, there is an effect that even a product having a complicated shape that cannot be obtained by a conventional method can be manufactured with high productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric current sintering method.
2 is a diagram showing the relationship between the magnetic field and magnetostriction of the sintered body obtained in Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
12 Main raw material powder
14,16 punch
Claims (8)
(但し、0≦x≦0.8、0.8≦y≦0.95、1.5≦z≦3.0)
で表される組成を有する主相および不可避的不純物よりなり、かつ、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である磁歪合金の多結晶体からなり、
焼結体であって、圧縮強度が300MPa以上である超磁歪材料。General formula: (Tb x Dy 1-x ) (Fe y Cr 1-y ) z
(However, 0 ≦ x ≦ 0.8, 0.8 ≦ y ≦ 0.95, 1.5 ≦ z ≦ 3.0)
Consists main phase and incidental impurities having a composition expressed in and oxygen content less 1.5 mass%, nitrogen content consists polycrystal magnetostrictive alloy is less than 1.5 mass%,
A giant magnetostrictive material which is a sintered body and has a compressive strength of 300 MPa or more.
(但し、0≦x≦0.8、0.8≦y≦0.95、1.5≦z≦3.0)
で表される組成を有する主相および不可避的不純物よりなる磁歪合金及び/又はその前駆体からなり、酸素量が1.5mass%以下、窒素量が1.5mass%以下である主原料粉末を製造する粉末製造工程と、
前記主原料粉末を用いて多結晶体を製造する焼結体製造工程とを備え、
前記粉末製造工程は、前記磁歪合金を構成する金属元素を含有する2種以上の粗粉末を、不活性雰囲気中において機械的合金化処理するものである超磁歪材料の製造方法。General formula: (Tb x Dy 1-x ) (Fe y Cr 1-y ) z
(However, 0 ≦ x ≦ 0.8, 0.8 ≦ y ≦ 0.95, 1.5 ≦ z ≦ 3.0)
A main raw material powder comprising a magnetostrictive alloy and / or a precursor thereof composed of a main phase and inevitable impurities having a composition represented by formula (1) and having an oxygen content of 1.5 mass% or less and a nitrogen content of 1.5 mass% or less. Powder manufacturing process to
A sintered body production process for producing a polycrystalline body using the main raw material powder ,
The said powder manufacturing process is a manufacturing method of the giant magnetostrictive material which carries out the mechanical alloying process of 2 or more types of coarse powder containing the metal element which comprises the said magnetostriction alloy in inert atmosphere .
該成形工程で得られた成形体を、500℃以上1200℃以下で加熱し、所定時間保持する焼結工程からなる請求項5に記載の超磁歪材料の製造方法。The sintered body manufacturing step includes a molding step of molding the main raw material powder at a molding pressure of 98 MPa or more and 980 MPa or less,
The method for producing a giant magnetostrictive material according to claim 5 , comprising a sintering step in which the molded body obtained in the molding step is heated at 500 ° C. to 1200 ° C. and held for a predetermined time.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001326913A JP4058510B2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001326913A JP4058510B2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003129194A JP2003129194A (en) | 2003-05-08 |
JP4058510B2 true JP4058510B2 (en) | 2008-03-12 |
Family
ID=19143216
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001326913A Expired - Lifetime JP4058510B2 (en) | 2001-10-24 | 2001-10-24 | Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4058510B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8487487B2 (en) * | 2008-07-15 | 2013-07-16 | Ethicon Endo-Surgery, Inc. | Magnetostrictive actuator of a medical ultrasound transducer assembly, and a medical ultrasound handpiece and a medical ultrasound system having such actuator |
-
2001
- 2001-10-24 JP JP2001326913A patent/JP4058510B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2003129194A (en) | 2003-05-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20180182515A1 (en) | Rare earth magnet and production method thereof | |
JP2001358377A (en) | Ultra-magnetostriction material, its manufacturing method, and magnetostriction actuator and magnetostriction sensor using the same | |
US5529745A (en) | Preparation of magnetostrictive material | |
WO1989012113A1 (en) | SINTERED RARE EARTH ELEMENT-B-Fe-MAGNET AND PROCESS FOR ITS PRODUCTION | |
JP2006213985A (en) | Method for producing magnetostriction element | |
EP1770177B1 (en) | Method for preparing a magnetostrictive material | |
JP4058510B2 (en) | Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof | |
US6991686B2 (en) | Method for producing magnetostrictive material | |
JP2013089813A (en) | Rare earth nitride-based isotropic sintered magnet and production method therefor | |
JP2006213984A (en) | Super-magnetostrictive material and manufacturing method therefor | |
Malekzadeh et al. | Sintering studies of rare-earth iron laves phase magnetostrictive compounds | |
JP4146120B2 (en) | Magnetostrictive material | |
JP3672238B2 (en) | Method for producing magnetostrictive material | |
JP2007162064A (en) | Method of manufacturing magnetostriction material powder, and method of manufacturing magnetostrictor | |
JP2623731B2 (en) | Manufacturing method of rare earth-Fe-B based anisotropic permanent magnet | |
JP4209111B2 (en) | Magnetostrictive material | |
JP4127599B2 (en) | Sintered body manufacturing method and sintered body and magnetostrictive material manufactured thereby | |
JP4266287B2 (en) | Method for producing magnetostrictive material | |
JP3207892B2 (en) | Magnetostrictive material and manufacturing method thereof | |
JP2003003203A (en) | Method for manufacturing high-density sintered compact, and the sintered compact | |
JP4412487B2 (en) | Method for producing magnetostrictive material | |
JPH10154610A (en) | Manufacturing method of anisotropic magnet powder, anisotropic magnet powder and anisotropic bond magnet | |
JPH01289102A (en) | Manufacture of rare earth permanent magnet | |
JP2689544B2 (en) | Method for manufacturing giant magnetostrictive alloy and giant magnetostrictive material | |
JP2005232573A (en) | Magnetostrictive material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20011025 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040514 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050524 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070228 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070423 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20070427 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20070427 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070830 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071026 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071120 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4058510 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |