JP5163630B2 - 希土類磁石およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ナノサイズの結晶粒径を有する多結晶から成る希土類磁石およびその製造方法に関する。
ネオジム磁石(NdFe14B)で代表される希土類磁石は、磁束密度が高く極めて強力な永久磁石として種々の用途に用いられている。ここで、更に優れた磁気特性を得るために、ナノサイズの結晶粒径を確保する必要がある。
ナノサイズの結晶粒径を実現する方法として、磁石組成の溶湯を単ロール法、双ロール法等によって急冷し、薄帯を得る方法が行なわれている。急冷時の冷却速度が大き過ぎると部分的にまたは完全にアモルファス組織になる。アモルファス組織は適当なアニール処理により結晶化できるが、急冷により直接生成した結晶組織よりも粒径が大きくなる。
従来の焼結磁石では、数μm程度の多磁区NdFe14B粒子を使用しているため、高い保磁力を発現させるためには、磁壁の移動や発生を防止する障壁として粒界相の存在が必要である。
例えば、特許文献1、2には、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニオブ(Nb)、イットリウム(Y)および硼素(B)を含む合金溶湯を回転する冷却ロールに供給して急冷薄帯とし、これを昇温速度150〜250℃/minで熱処理して結晶化させる方法が開示されている。これにより、上記成分元素を含み多結晶から成る希土類磁石用合金薄帯が得られる。
しかし、粒界相には何ら配慮がなされておらず、保磁力の向上の余地があった。
更に、従来は室温の保磁力で評価されてきたが、ハイブリッド自動車用のモーターとしては使用温度域の160℃付近での保磁力で評価する必要がある。
特開2007−251037号公報 特開2008−069444号公報
本発明は、粒界相の存在により結晶粒のナノサイズ化を促進して保磁力を高めた希土類磁石およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を達成するために、本発明の希土類磁石は、
組成式:RFeCo
R:Yを含む希土類元素の少なくとも1種
H:DyおよびTbの重希土類元素の少なくとも1種
M:Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Ni、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、MgおよびVの少なくとも1種
13≦a≦20
0≦b≦4
c=100−a−b−d−e−f
0≦d≦30
4≦e≦20
0≦f≦3
で表される組成を有し、
主相 : (RH)(FeCo)14B相
粒界相: (RH)(FeCo)相およびRH相
から成り、結晶粒径が10〜200nm
である組織を有する、
ことを特徴とする。
本発明の希土類磁石の製造方法は、
組成式:RFeCo
R:Yを含む希土類元素の少なくとも1種
H:DyおよびTbの重希土類元素の少なくとも1種
M:Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Ni、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、MgおよびVの少なくとも1種
13≦a≦20
0≦b≦4
c=100−a−b−d−e−f
0≦d≦30
4≦e≦20
0≦f≦3
で表される組成を有する合金溶湯を急冷凝固させることにより、
主相 : (RH)(FeCo)14B相
粒界相: (RH)(FeCo)相およびRH相
から成り、結晶粒径が10〜200nm
である組織を生成させることを特徴とする。
本発明の希土類磁石は、主相:(RH)(FeCo)14B相と、粒界相:(RH)(FeCo)相およびRH相とから成り、結晶粒径が10〜200nmであることにより、高い保磁力を達成できる。
本発明の希土類磁石の製造方法は、上記の結晶組織が生成する冷却速度で急冷凝固を行なうことにより、高い保磁力を備えた希土類磁石を製造することができる。
急冷凝固時にアモルファスが生成した場合はアニールにより結晶化することができる。
図1は、本発明のナノ多結晶希土類磁石の急冷リボンを作製に用いる単ロールを示す模式図である。 図2は、実施例1で作製した急冷リボンの磁気特性測定結果を示すグラフである。 図3は、実施例1で作製した急冷リボンの粒界相中のNdFe相比率に対する保磁力の関係を示すグラフである。 図4は、実施例1で作製した急冷リボンのXRDチャートを示すグラフである。 図5は、実施例1で作製した種々の粒界相体積分率の急冷リボンの粒界相中のNdFe相比率に対する保磁力の関係を示すグラフである。 図6は、実施例2で作製した急冷リボンの磁気特性測定結果を示すグラフである。 図7は、実施例2で作製した急冷リボンのGa添加量と保磁力の関係を示すグラフである。 図8は、実施例2で作製した急冷リボンの磁気特性に対するDy添加の影響を示すグラフである。 図9は、実施例3で作製した急冷リボンの磁気特性測定結果を示すグラフである。 図10は、実施例3で作製した急冷リボンの破断面のSEM像を示す写真である。 図11は、実施例3で作製した急冷リボンの結晶粒径と保磁力との関係を示すグラフである。 図12は、実施例4で作製した急冷リボンの磁気特性測定結果を示すグラフである。 図13は、実施例4で作製した他の急冷リボンの磁気特性測定結果を示すグラフである。 図14は、実施例5で作製した急冷リボンのアニール時の昇温速度と保磁力との関係を示すグラフである。 図15は、実施例5におけるアニール時の組織変化の過程を示す模式図である。 図16は、実施例6で作製した急冷リボンの保磁力と測定温度との関係を示すグラフである。 図17は、実施例6で作製した急冷リボンのTEM像を示す写真である。 図18は、実施例6で作製した他の急冷リボンの保磁力と測定温度との関係を示すグラフである。 図19は、実施例6で作製した急冷リボンの粒界相の変化と温度に対する保磁力低下率との関係を説明する模式図である。
本発明のナノサイズの結晶粒径は、これは単磁区粒子径以下すなわち10〜200nmであることが好ましく、更に好ましくは10〜50nmである。
本発明の希土類磁石は典型的には、組成式NdaFecBeで表され、13≦a≦20、4≦≦20、=100−a−である組成を有し、組織が主相:NdFe14B相と、粒界相:NdFe相およびNd相とから成る。
粒界相を構成するNdFe相とNd相との相比率(体積率)は、NdFe相:Nd相=20:80〜80:20であることが好ましい。
本発明の希土類磁石は、急冷凝固したままの状態で常温での保磁力として、添加元素Mなしの純三元系NdFeBの場合は15kOe以上が得られ、添加元素Mありの場合は20kOe以上が得られる。
本発明の希土類磁石は、保磁力の温度低下率が0.42%/℃以下、好ましくは0.40%/℃以下である。
組織は、結晶質が95%以上(体積率)であることが好ましい。
本発明の希土類磁石の製造方法において、冷却速度5×10K/s以上の急冷とし、好ましくは2×10K/s以下とすることでアモルファス組織の生成が抑制されナノサイズの結晶組織が生成し易くなる。急冷時の冷却速度が大きすぎる(例えば2×10K/℃を超える)場合は、アモルファスが生成する。急冷法としては単ロール法、双ロール法などを用いることができるが、特にこれらに限定しない。
急冷凝固時にアモルファスが生成した場合は、アニールにより結晶化してもよい。
本発明の方法において、合金が溶湯の状態から凝固完了するまでの工程は、非酸化性雰囲気中で行なうことが好ましい。
〔実施例1〕
表1に示した本発明による組成a〜eのNdFeBGa合金のインゴットをアーク溶解で作製した。組成a〜eは、粒界相(NdFe相+Nd相)の体積分率が18%(一定)となるようにNdFeB三元平衡状態図上で選択した。表1には、NdFeB三元平衡状態図上で計算により求めた、粒界相のNdFe相:Nd相の比率も併せて示した。
上記インゴットから図1に示した単ロール炉を用いて、表2の条件で急冷リボンを作製した。矢印1方向に回転する単ロール2の外周面に、ノズル3から合金溶湯を噴射すると急冷凝固してリボン4となる。
得られた急冷リボンの磁気特性をVSM(Lake Shore製、7410型)にて測定した。また、XRD(Rigaku製、RINT-2000)にてリボンの結晶構造を解析した。
図2に磁気特性測定結果を示す。保磁力は粒界相中のNdFe相比率が増加すると共にa→cの順で増加し、cの組成Nd16Fe74Gaで最大値をとった後、更にNdFe相比率が増加するとc→eの順で低下した。Mr/Mat27kOeの値が一定であることから、結晶粒間の交換結合性に差はなく、主相NdFe14Bの粒径の差が保磁力の差となったと考えられる。図3に、粒界相中のNdFe相比率に対して保磁力をプロットして示す。
粒界相中の相比率によって主相粒径が変化する要因として、主相と包晶関係にあるNdFe相の比率(体積率)が組成aから組成cまで増加するに伴い主相の粗大化が抑制され、結晶粒微細化により保磁力が増加したと考えられる。しかし、NdFe相の比率(体積率)が組成cを超えて増加すると、主相の核生成頻度が低下して、主相の結晶粒が粗大化し、保磁力が低下したと考えられる。
図4にXRDの回折チャートを示す。組成aではNdGaの回折強度が強く明瞭なピークが認められるので、添加元素MとしてのGaは、粒界相のNdと化合物を作っていることが分かる。
b以降の組成ではNdGaのピークが消え、NdFe相のピーク強度が増加した。b以降の組成では粒界相のNdFe相は結晶質であるが、Nd相(NdGa相)はアモルファスになっていることが考えられる。aの組成では最終凝固部のNd相の体積分率が多く、局所的に凝集したNd相がゆっくり冷却されて結晶したのに対して、b以降の組成ではNd相の体積分率が少なく、均一に分散したNd相が急冷されてアモルファス化したと考えられる。
一方、組成eでは、NdFe相のピーク強度が急激に大きくなっていることから、反応経路がそれ以前の組成a〜dとは異なり、初晶がNdFe14B相ではない可能性がある。そのため、NdFe14B相の粗大化をNdFe相の包晶反応によって阻止できず、保磁力が低下したと考えられる。
その結果、Nd相が均一に分散し、かつ、NdFe相の包晶反応を利用できる組成cで最も高い保磁力が得られたと考えられる。
<粒界相の体積分率の影響>
上記の結果は、粒界相の体積分率を18%(一定)とした場合であった。ここで更に、粒界相の体積分率を28%(一定)、12%(一定)とした場合についても、上記と同様に急冷リボンを作製して、VSMにて磁気特性を測定した。
図5に、体積分率12%、18%、28%の場合を一括して、粒界相中のNdFe相比率に対して保磁力をプロットして示す。
図5に示したように、粒界相の体積分率の増加に伴い、保磁力の最大値が増加し、かつ、保磁力が最大になるNdFe相の相比率が増加する。すなわち、NdFe相の相比率に対する保磁力の変化曲線のピーク位置が図中に破線矢印で示したように右上にシフトしている。この観点から好ましいNdFe相の相比率は、大略下記のように区分できる。
○粒界相の体積分率<15%の場合:NdFe相の相比率<50%
○粒界相の体積分率15%〜23%の場合:NdFe相の相比率15%〜80%
○粒界相の体積分率>23%の場合:NdFe相の相比率30〜80%
〔実施例2〕
<添加元素の影響>
本発明によるNd16Fe4710に、重希土類以外の元素としてGa、Cr、Si、VまたはNiを2at%添加した組成のアークインゴットを作製した。各インゴットから図1の単ロール炉を用いて、表3の条件で急冷リボンを作製した。
得られた急冷リボンの磁気特性をVSMにて測定した。
図6に磁気特性測定結果を示す。無添加の組成Nd16Fe4710に比べて、いずれの元素を添加した場合も保磁力が向上している。添加元素が粒界相と化合物または固溶体を作ることで主相の結晶粒成長を抑制したためであると考えられる。
<添加量の影響>
図7に、Nd16Fe4710にGaを2at%までの範囲で添加した場合に得られた保磁力を示す。Gaの添加量が増加するに従い保磁力が増加した。しかし、添加量を1at%以上に増加しても保磁力は大きく変化しなかった。添加量が増加すると磁化が低下するので、2〜3at%が添加量の上限であると考えられる。
<重希土類元素の添加の影響>
図8に、Nd16Fe4710にDyを0.5at%添加した場合と無添加の場合の磁化曲線を示す。無添加の組成Nd16Fe4710に比べて、わずか0.5at%の添加で磁化を低下させずに、保磁力を増加させることが可能であった。また、Dyを2at%添加した場合は、保磁力が30kOeを超えて、VSMの測定限界を超えたため、測定できなかった。
〔実施例3〕
<結晶粒径の影響>
実施例1と同様にして、単ロールを用いて表4の条件で、表5に示す種々の組成1〜5の急冷リボンを作製した。
得られた急冷リボンの磁気特性をVSMにて測定した。
また、SEMにて急冷リボンの破断面を観察し、結晶粒径を算出した。
図9に磁気特性、図10にSEM像を示す。
結晶粒径が細かくなるほど、得られる保磁力が大きくなった。用いたリボンはNdFeBベース組成にGaまたはGaCuを添加した組成であるため、各リボン間で主相NdFe14Bの結晶時期異方性は変化していない。したがって、保磁力が増加する要因は主相の結晶粒径の微細化によるものと考えられる。
単磁区(SD)結晶粒径の領域において、体積換算の粒径が一定の傾きの線上にのることが分かった。組成1の保磁力20.5kOeの急冷リボンは、粒径分布が大きいため(図10(1))、保磁力の小さい粗大結晶粒の影響が大きくなり、平均粒径から予想される保磁力を下回っている可能性がある。またNdFe14Bの異方性磁界を67kOeとしたとき、等方性の理論値である33.5kOe(67kOe×1/2)を発現させるためには、10nm程度の結晶粒径が必要であることがこの実験結果から予想される。
図11に組成1〜5について結晶粒径と保磁力との関係を示す。ここで、●プロットは、組成3の急冷リボンをアニール(575℃×1min)した後の粒径と保磁力を示したものであり、結晶粒の粗大化に伴って保磁力が低下しており、他のプロット5点の並ぶ直線のほぼ延長上に並んでいる。この組成変化の範囲では保磁力は結晶粒径と良い相関関係があることが分かる。
〔実施例4〕
<純三元系NdFeBの急冷リボンの作製>
NdFe100−3x/2x/2でXを11.8、14、15、17(at%)に変化させた純三元系NdFeBの急冷リボンa〜dを、単ロールを用いて表6の条件で作製し、VSMにより磁気特性を測定した。ただし、粒界相の相比率Nd:NdFe=59:41で一定とした。
更に、Ndリッチ組成e(Nd15Fe7015、粒界相の相比率Nd:NdFe=22:78)およびBリッチ組成f(Nd20Fe6515、粒界相の相比率Nd:NdFe=41:59)についても同様に急冷リボンを作製し、磁気特性を測定した。
図12、図13に磁気特性測定結果を示す。
図12に示すように、組成a〜dでNd量を増加させると保磁力は22kOeで飽和した。これはNd量を増加させても、ある一定以上では主相NdFe14B相の結晶粒径を微細化することができなくなったためであると考えられる。
一方、図13に示すように、Ndリッチ、Bリッチにした組成e、fでは、粒界相NdFeの体積分率が増加し、磁化は低下するが、保磁力は増加し、Nd20Fe6515の組成で最大24.5kOeの保磁力が発現した。したがって、組成の最適化を行なうことで結晶粒径を微細化し、ナノ多結晶磁石の原料となり得る高磁化、高保磁力の急冷リボンを作製できる可能性が示された。
〔実施例5〕
表7の条件で組成Nd20Fe6515の急冷リボンを単ロールで作製した。急冷凝固時の冷却速度2×10以上で作製した場合、大部分がアモルファスの急冷リボンが作成される。得られたアモルファスをアニールして結晶化させることで、急冷まま(冷却速度5×10k/s〜2×10k/s)に近い保磁力を得ることが可能である。
本実施例では、急冷リボンを赤外線ランプでアニール(575℃×1min)して結晶化させた。その後、VSMにて磁気特性を測定した。
図14にアニールの昇温速度と保磁力との関係を示す。昇温速度が速いほど保磁力が高くなった。これは図15に模式図で示すように、主相の核生成頻度と粒成長によって最終的な結晶粒径と保磁力がきまるためであると考えられる。
一般に、結晶化のためのアニール条件は、不活性雰囲気、温度550〜650℃、保持時間0.1〜10min、昇温速度20℃/min以上好ましくは120℃/min以上である。
〔実施例6〕
<保磁力の温度依存性>
本発明による組成(1)Nd15Fe7015および(2)Nd15Fe77の急冷リボンを表8の条件で単ロールにて作製し、VSMにて種々の温度で磁気特性を測定した。
図16に、各試料について測定温度と保磁力の関係を示す。比較のために、(3)Dy添加焼結磁石Nd11.5DyFe806.5および(4)Dy無添加焼結磁石Nd13.5Fe806.5の特性も併せて示した。
室温の保磁力はDy添加焼結磁石(3)の方が本発明のナノ多結晶磁石(1)(2)より高いものの、高温160℃ではその関係が逆転して本発明のナノ多結晶磁石(1)(2)の方が高い保磁力を発現する。これは、本発明のナノ多結晶磁石(1)(2)は温度に対する保磁力の低下率がそれぞれ0.35%/℃、0.39%/℃であり、比較例(3)の0.48%/℃よりも小さいためである。
更に、本発明のナノ多結晶磁石(1)(2)同士を比較すると、(1)の方が(2)に比べて保磁力が高く保磁力の低下率が小さい。これは、(2)に比べて(1)の方が、粒界相の体積分率が増加するため、主相NdFe14B相間の孤立性が高まったためであると考えられる。
なお、粒界相はTEMにより典型的には図17に示すように観察できる。
<添加元素ありの場合>
図18、図19に、Gaを添加した場合の、粒界相体積分率とBリッチ化による保磁力の変化を示す。
粒界相の体積分率が増加し、かつ、粒界相中のNdFe4B4相の相比率も高まったことにより、主相の微細化と主相間の孤立性とが高まり、保磁力が高まり同時に温度による保磁力低下率が小さくなったと考えられる。
本発明により、粒界相の存在により結晶粒のナノサイズ化を促進して保磁力を高めた希土類磁石およびその製造方法が提供される。

Claims (5)

  1. 組成式:RFeCo
    R:Yを含む希土類元素の少なくとも1種
    H:DyおよびTbの重希土類元素の少なくとも1種
    M:Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Ni、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、MgおよびVの少なくとも1種
    13≦a≦20
    0≦b≦4
    c=100−a−b−d−e−f
    0≦d≦30
    4≦e≦20
    0≦f≦3
    で表される組成を有し、
    主相 : (RH)(FeCo)14B相
    粒界相: (RH)(FeCo)相およびRH相
    から成り、結晶粒径が10〜200nm
    である結晶組織を有し、
    粒界相の体積分率が15%未満の場合は、(RH)(FeCo)相の相比率が50%未満であり、
    粒界相の体積分率が15%〜23%の場合は、(RH)(FeCo)相の相比率が15%〜80%であり、
    粒界相の体積分率が23%を超える場合は、(RH)(FeCo)相の相比率が30〜80%であることを特徴とする希土類磁石。
  2. 請求項1において、
    RがNdであり、
    b=d=f=0
    13≦a≦20
    4≦e≦20
    c=100−a−e
    である組成式NdaFecBeで表される組成を有し、
    主相:NdFe14B相
    粒界相:NdFe相およびNd相
    から成る組織を有する
    ことを特徴とする希土類磁石。
  3. 組成式:RFeCo
    R:Yを含む希土類元素の少なくとも1種
    H:DyおよびTbの重希土類元素の少なくとも1種
    M:Ga、Zn、Si、Al、Nb、Zr、Ni、Cu、Cr、Hf、Mo、P、C、MgおよびVの少なくとも1種
    13≦a≦20
    0≦b≦4
    c=100−a−b−d−e−f
    0≦d≦30
    4≦e≦20
    0≦f≦3
    で表される組成を有する合金溶湯を急冷凝固させることにより、
    主相 : (RH)(FeCo)14B相
    粒界相: (RH)(FeCo)相およびRH相
    から成り、結晶粒径が10〜200nm
    である結晶組織からなる凝固組織とし、
    粒界相の体積分率が15%未満の場合は、(RH)(FeCo) 相の相比率が50%未満であり、
    粒界相の体積分率が15%〜23%の場合は、(RH)(FeCo) 相の相比率が15%〜80%であり、
    粒界相の体積分率が23%を超える場合は、(RH)(FeCo) 相の相比率が30〜80%である
    ことを特徴とする希土類磁石の製造方法。
  4. 請求項3において、上記急冷凝固を冷却速度5×10K/s〜2×10K/sで行なうことを特徴とする希土類磁石の製造方法。
  5. 請求項3において、上記急冷凝固によりアモルファスを生成させた後にアニールにより結晶化させて上記組織を生成させることを特徴とする希土類磁石の製造方法。
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