JP4635216B2

JP4635216B2 - 永久磁石材料

Info

Publication number: JP4635216B2
Application number: JP2003419059A
Authority: JP
Inventors: 哲治齋藤
Original assignee: Chiba Institute of Technology
Current assignee: Chiba Institute of Technology
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: JP2005183503A

Description

本発明は、従来の永久磁石材料に代わるチタンと鉄のTiFe₂ラーベス相を主成分とする新しい永久磁石材料に関する技術である。

サマリウム・コバルト磁石やネオジウム・鉄・ボロン磁石などの希土類磁石は高性能磁石としてコンピュータ周辺機器、民生用電子機器、計測・通信機器から自動車、医療機器まで幅広く使用されており、その生産量は年々増加している。また、フェライト磁石は、高性能なネオジウム・鉄・ボロン磁石に比べて磁気特性は劣るが、酸化物磁石であるため価格が安く、また化学的にも安定であり、画鋲磁石からモータ類まで最も幅広く大量に使用されている磁石である。また、アルニコ磁石がその温度特性の良さから計測器などに使用されている。上記の希土類磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石が現在使用されている代表的な磁石であり、磁石の使用量の９９％を占めるが、その他の磁石としてマンガン・アルミ磁石や鉄・クロム・コバルト磁石が実用化されている。また、特許文献１には、２７〜３５重量％の希土類元素を含み、少くとも希土類元素の全含量の５０％がNdであり、0.8〜1.3重量％のＢ、３０重量％までのCo、４０〜７５重量％のFe、0.03〜0.3重量％のＣ、0.2〜0.8重量％の酸素およびCu、Ga及びAgの少くとも１つを１重量％まで、Tiのような遷移元素を５重量％まで含有する永久磁石合金が記載されている。
特開平９−１１５７５５号公報

発明者は、現在広く使用されている希土類磁石やフェライト磁石などの永久磁石材料に関して、以下の問題点があることを知見した。
現在生産量が著しく増加している高性能なサマリウム・コバルト磁石やネオジウム・鉄・ボロン磁石などの希土類磁石はサマリウムやネオジウムなどの希土類金属を主成分の一つとするため価格が高く、耐食性が悪い。また、希土類磁石は、合金粉末をプレス成形した圧粉体を高温に加熱して焼き固める、いわゆる焼結法で製造されているため機械的強度が低く、形状の自由度が少ないなどの欠点がある。フェライト磁石は、酸化物からなるため耐食性はよいが、同様に焼結法で製造されるため、機械的強度が低く、形状の自由度が少ないなどの欠点がある。
本発明は、従来の永久磁石材料とは異なる組成により、機械的強度が高く、形状の自由度が大きい合金系磁石材料を構成した。

発明者は、希土類金属を含まない新しい合金の永久磁石化について鋭意検討した結果、チタンと鉄からなるラーベス相合金が高い磁化を有することを見出し、さらにこのラーベス相の一部をマンガンなどのIIId遷移金属又はジルコニウムなどのIIIA族金属で置換した合金の組織を急冷凝固法などにより微細にすると永久磁石として必須の保磁力が生じることを見出した。
さらに、このチタンと鉄からなるラーベス相にボロンや炭素などを少量添加した合金の組織を急冷凝固法などにより微細にしても永久磁石として必須の保磁力が生じることを見出した。
これらの合金は金属であり、そのまま永久磁石として使用可能である。また、希土類磁石やフェライト磁石と同様に磁石合金を粉砕して樹脂などで結合することによりボンド磁石としても使用可能である。

本発明の永久磁石材料は、比較的機械的強度が高く、形状の自由度が大きく、また比較的安価に得られる。

本発明を実施するための最良の形態について説明する。

チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金インゴットをアルゴン雰囲気中アーク溶解で作製した。得られた合金インゴットの結晶構造をX線回折法により調べたところ、TiFe₂ラーベス相からなることがわかった。次にこの合金インゴットを急冷凝固した試料を作製した。なお、急冷凝固法としては合金インゴットをアルゴン雰囲気中で高周波溶解した溶湯を高速で回転している銅ロール上に噴射して急冷凝固させるメルトスピン法を用いた。得られた試料のヒステリシス曲線を図１に示す。図１において、横軸は合金に印加した磁界を、縦軸は合金に生じた磁化を表す。なお、飽和磁化は最大の磁化の値、保磁力は磁化がゼロになった時の磁界、すなわちヒステリシス曲線と横軸との交点の値である。図１に示すように、アーク溶解で作製した合金インゴットは低い磁気特性しか示さなかったが、メルトスピン法で作製した急冷薄帯の飽和磁化は80emu/gと大きく、有望な磁性材料であること、また永久磁石として重要な保磁力も300Oeと少しあることがわかった。これは試料がメルトスピン法により微細な組織になったためである。
（比較例）チタンと鉄の２元系合金状態図によると、このチタンと鉄の金属間化合物としてはTiFe₂ラーベス相以外にTiFe相が存在する。そこで、チタン50原子％(Ti50at%)および鉄50原子％(Fe50at%)からなるチタン・鉄合金インゴットをアルゴン雰囲気中アーク溶解、急冷凝固で作製した。X線回折法により得られた合金インゴットの結晶構造を調べたところ、TiFe相であることが確認できた。この合金試料は磁界を加えても磁化はほとんど生じなかった。このことより、TiFe₂ラーベス相からなる急冷薄帯とは異なり、TiFe相からなる急冷薄帯は非磁性であることがわかった。

チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金インゴットをアルゴン雰囲気中アーク溶解で作製した。この合金インゴットにボールミルを施してその組織の微細化を試みた。得られた試料のヒステリシス曲線を図2に示す。メルトスピン法で作製した急冷薄帯と同様に、ボールミルにより組織を微細化しても保磁力が生じることがわかった。このことより、メルトスピン法やボールミル法だけでななく、当該技術分野において習熟した者によってガスアトマイズ法やメカニカルアロイング法など他の製造法により組織を微細化することによっても保磁力が得られることは明らかである。

チタンと鉄からなるTiFe₂ラーベス相合金の飽和磁化は大きいが保磁力は従来の永久磁石材料に比べてあまり大きくない。したがって、永久磁石材料として実用化するためには最低でも500Oe以上、できれば1000Oe以上の保磁力を有することが望ましい。そこで、このチタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金の鉄の一部をIIId遷移金属のバナジウム、マンガン、クロム、コバルトおよびニッケルから選ばれた１種又は２種以上の元素で少量置換した合金インゴットを作製し、メルトスピン法で急冷凝固した。なお、置換量としては20原子％および40原子％とした。得られた合金インゴットをX線回折法で調べたところ、IIId遷移金属で置換してもラーベス相のままであることがわかった。得られた試料の組成と保磁力を下表に示す。下表は、チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金の鉄の一部をIIId遷移金属のバナジウム、マンガン、クロム、コバルトおよびニッケルで少量置換した合金の急冷薄帯の組成と保磁力の関係を示す。置換量40原子％まで良好な保磁力を有することを確認した。

チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金の鉄の全部をマンガンで置換した合金インゴット、すなわちチタン33.3原子％(Ti33.3at%)およびマンガン66.7原子％(Mn66.7at%)からなるチタン・マンガン合金インゴットを作製し、メルトスピン法で急冷凝固した。得られた合金インゴットおよび急冷薄帯をX線回折法で調べたところ、IIId遷移金属で全部置換してもラーベス相のままであることがわかった。しかし、得られた急冷薄帯の飽和磁化はTiFe₂ラーベス相に比べた非常に小さいことがわかった。

チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金の一部を同じIIIA族金属のジルコニウム及び／又はハフニウムで少量置換した合金インゴットを作製し、メルトスピン法で急冷凝固した。なお、置換量としては20原子％および40原子％とした。得られた合金インゴットをX線回折法で調べたところ、IIIA族金属で置換してもラーベス相のままであることがわかった。得られた試料の組成と保磁力を下表に示す。IIIA族金属で置換すると大きく保磁力が向上することがわかった。下表は、チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金の一部をIIIA族金属のジルコニウムおよびハフニウムで少量置換した合金の急冷薄帯の組成と保磁力の関係を示す。置換量40原子％まで良好な保磁力を有することを確認した。

チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金に少量のボロン及び／又は炭素を添加した合金インゴットを作製し、メルトスピン法で急冷凝固した。なお、添加量としては10原子％および20原子％とした。得られた合金インゴットをX線回折法で調べたところ、ボロン及び／又は炭素を10原子％まで添加してもラーベス相のままであるが、添加量が20原子％になるとチタンの炭化物やほう素化物が析出することがわかった。得られた試料の組成と保磁力を下表に示す。下表は、チタン33.3原子％(Ti33.3at%)および鉄66.7原子％(Fe66.7at%)からなるチタン・鉄合金に少量のボロンおよび炭素を添加した合金の急冷薄帯の組成と保磁力の関係を示す。

少量のボロンや炭素などを添加しても保磁力を向上させることができることがわかった。

この発明は、コンピュータ周辺機器、民生用電子機器、計測・通信機器から自動車、医療機器まで幅広く利用可能である。

メルトスピン法で作製したチタン・鉄合金のヒステリシス曲線（磁気履歴曲線）である。チタン・鉄合金にボールミルを施した試料のヒステリシス曲線である。

Claims

チタンと鉄を溶解してTiFe ₂ ラーベス相を有する合金を作成する工程と、この合金に、急冷凝固法、ボールミル法、ガスアトマイズ法、メカニカルアイロニング法から選ばれた少なくとも一の方法を施して組織を微細化する工程とを含むことを特徴とする永久磁石材料の製造方法。
チタンと鉄とジルコニウム及び／又はハフニウムを溶解して一般式(Ti _1-m X _m )Fe ₂ で表される（ただし、Xはジルコニウム及び／又はハフニウム、0≦ｍ≦40原子％）ラーベス相を有する合金を作成する工程と、この合金に、急冷凝固法、ボールミル法、ガスアトマイズ法、メカニカルアイロニング法から選ばれた少なくとも一の方法を施して組織を微細化する工程とを含むことを特徴とする永久磁石材料の製造方法。
チタンと鉄とバラジウム、マンガン、クロム、コバルト、ニッケルから選ばれた１種又は２種以上の金属を溶解して一般式Ti(Fe _1-n Y _n ) ₂ で表される（ただし、Yはバラジウム、マンガン、クロム、コバルト、ニッケルから選ばれた１種又は２種以上の金属、0≦ｎ≦40原子％）ラーベス相を有する合金を作成する工程と、この合金に、急冷凝固法、ボールミル法、ガスアトマイズ法、メカニカルアイロニング法から選ばれた少なくとも一の方法を施して組織を微細化する工程とを含むことを特徴とする永久磁石材料の製造方法。
チタンと鉄とジルコニウム、ハフニウム、バラジウム、マンガン、クロム、コバルト、ニッケルから選ばれた１種又は２種以上の金属を溶解して一般式 (Ti _1-m X _m )(Fe _1-n Z _n ) ₂ で表される（ただし、Xはジルコニウム及び／又はハフニウム、Zはマンガン、クロム、コバルト、ニッケルから選ばれた１種又は２種以上の金属、0≦ｍ≦40原子％、0≦ｎ≦40原子％）ラーベス相を有する合金を作成する工程と、この合金に、急冷凝固法、ボールミル法、ガスアトマイズ法、メカニカルアイロニング法から選ばれた少なくとも一の方法を施して組織を微細化する工程とを含むことを特徴とする永久磁石材料の製造方法。
チタンと鉄と10原子％以下のボロン及び／又は炭素を溶解してラーベス相を有する合金を作成する工程と、この合金に、急冷凝固法、ボールミル法、ガスアトマイズ法、メカニカルアイロニング法から選ばれた少なくとも一の方法を施して組織を微細化する工程とを含むことを特徴とする永久磁石材料の製造方法。