JP5258860B2 - 永久磁石、それを用いた永久磁石モータおよび発電機 - Google Patents
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Description
本発明の実施態様は、永久磁石、それを用いた永久磁石モータおよび発電機に関する。
高性能希土類磁石としてはＳｍ−Ｃｏ磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石などが知られており、現在量産されているこれらの磁石にはＦｅやＣｏが多量に含まれ飽和磁化の増大に寄与している。
また、これらの磁石にはＮｄやＳｍ等の希土類元素が含まれており、結晶場中における希土類元素の４ｆ電子の挙動に由来して大きな磁気異方性をもたらす。
これにより大きな保磁力が得られ、高性能磁石が実現されている。
そして、これら高性能磁石は、各種モータ、発電機、スピーカ、計測器などの電気機器に使用されている。
本発明が解決しようとする課題は、耐熱性の良好なＳｍ−Ｃｏ磁石において磁化を高めながら、保磁力を発現させることで高性能な永久磁石、それを用いた永久磁石モータおよび発電機を提供することである。
本発明の実施形態の永久磁石は、
組成式：Ｓｍ１−ｘＲｘ（ＦｅｐＭｑＣｕｒＣｏ１−ｐ−ｑ−ｒ）ｚ
（ＲはＮｄ，Ｐｒから選ばれる１種以上の元素、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選ばれる１種以上の元素、０．０５≦ｘ＜０．５，７≦ｚ≦９、０．２２≦ｐ≦０．４５、０．００５≦ｑ≦０．０５、０．０１≦ｒ≦０．１）
で表され、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とし、粉末Ｘ線回折による前記Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度をＩ（１１３），（３００）面からの回折ピーク強度をＩ（３００）とするとき、０．９≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１．７の関係を満たすことを特徴とする。
組成式：Ｓｍ１−ｘＲｘ（ＦｅｐＭｑＣｕｒＣｏ１−ｐ−ｑ−ｒ）ｚ
（ＲはＮｄ，Ｐｒから選ばれる１種以上の元素、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選ばれる１種以上の元素、０．０５≦ｘ＜０．５，７≦ｚ≦９、０．２２≦ｐ≦０．４５、０．００５≦ｑ≦０．０５、０．０１≦ｒ≦０．１）
で表され、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とし、粉末Ｘ線回折による前記Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度をＩ（１１３），（３００）面からの回折ピーク強度をＩ（３００）とするとき、０．９≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１．７の関係を満たすことを特徴とする。
また、本発明の実施形態の永久磁石モータは、前記永久磁石を永久磁石モータに用いることを特徴とする。
また、本発明の実施形態の発電機は、前記永久磁石を発電機の用いることを特徴とする。
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
近年、各種電気機器の小型軽量化、低消費電力化の要求が高まり、これに対応するために永久磁石の最大磁気エネルギー積（ＢＨｍａｘ）を向上させた、より高性能の永久磁石が求められている。
近年、各種電気機器の小型軽量化、低消費電力化の要求が高まり、これに対応するために永久磁石の最大磁気エネルギー積（ＢＨｍａｘ）を向上させた、より高性能の永久磁石が求められている。
また、最近ではハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）のモータに使用される耐熱性の高い永久磁石が求められている。
ＨＥＶやＥＶ用モータには、現在、主としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石が用いられているが、高い耐熱性の要求からＮｄの一部をＤｙで置換して保磁力を高めた材質が選択されている。Ｄｙは希少元素の一つであり、ＨＥＶやＥＶ用モータの本格的普及に際してはＤｙを全く使用しない永久磁石が強く求められている。Ｄｙを使用せず耐熱性の良好な永久磁石としてはＳｍ−Ｃｏ磁石が知られているが、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石と比べて磁化が小さいという課題があり、より磁化の高いＳｍ−Ｃｏ磁石が求められている。
このＳｍ―Ｃｏ磁石においては、Ｓｍの一部を磁気モーメントの大きなＮｄやＰｒで置換することにより、磁化を向上させることが可能である。しかし、Ｎｄ、ＰｒでＳｍを置換すると、その４ｆ電子軌道の形態から磁気異方性が低下し、保磁力の発現が困難になるという問題がある。そのため、Ｎｄ、Ｐｒの置換量を増やしながら、保磁力を発現させる技術が必要となる。
Ｓｍ−Ｃｏ磁石の中で、高性能な磁石であるＳｍ２Ｃｏ１７磁石は、２相分離で生じた結晶粒界における磁壁のピンニングによって保磁力が発現すると言われており、金属組織が特性に与える影響が極めて大きい磁石である。
本発明者らは、前記課題を解決するために、Ｓｍの一部をＮｄあるいはＰｒで置換した合金組成において金属組織を検討した結果、高い磁化を維持しながら保磁力を発現させ、高特性な永久磁石を実現可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の永久磁石は、組成式：（Ｓｍ１−ｘＲｘ）１００−ｚ（ＦｅｐＭｑＣｕｒＣｏ
１−ｐ−ｑ−ｒ）ｚ（ＲはＮｄ，Ｐｒから選ばれる１種以上の元素、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆから選ばれる１種以上の元素、０．１≦ｘ≦０．４５，７≦ｚ≦９、０．２２≦ｐ≦０
．４５、０．００５≦ｑ≦０．０５、０．０１≦ｒ≦０．１）
で表され、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とし、粉末Ｘ線回折による前記Ｔｈ２
Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度をＩ（１１３），（３００）面から
の回折ピーク強度をＩ（３００）とするとき、０．９≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１
．７の関係を満たす焼結体であるであることを特徴とする。
１−ｐ−ｑ−ｒ）ｚ（ＲはＮｄ，Ｐｒから選ばれる１種以上の元素、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆから選ばれる１種以上の元素、０．１≦ｘ≦０．４５，７≦ｚ≦９、０．２２≦ｐ≦０
．４５、０．００５≦ｑ≦０．０５、０．０１≦ｒ≦０．１）
で表され、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とし、粉末Ｘ線回折による前記Ｔｈ２
Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度をＩ（１１３），（３００）面から
の回折ピーク強度をＩ（３００）とするとき、０．９≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１
．７の関係を満たす焼結体であるであることを特徴とする。
すなわち、この実施形態の永久磁石は、本発明で規定する組成式を満足した上で、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とする組織を有しており、そのＴｈ２Ｚｎ１７型構造型構造の特定の面でのピーク強度比は本発明で規定する範囲を満足するものである。
本発明における各元素について以下に説明する。
（ＳｍおよびＲ元素）
Ｓｍ（サマリウム）は、永久磁石に大きな磁気異方性をもたらし、高い保磁力を付与するために有効な元素である。ＳｍとＲ元素の総量があまり少ないと多量のα−Ｆｅ相が析出して意図する高い保磁力を得ることができない。逆にＳｍとＲ元素の総量があまり多いと飽和磁化が低下する。このため、ＳｍとＲ元素の総量は、Ｆｅ（鉄）、Ｍ元素、Ｃｕ（銅）およびＣｏ（コバルト）との原子比を示すｚ値が７≦ｚ≦９の範囲とすることが好ましい。ｚ値は、７．３≦ｚ≦９の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは７．５≦ｚ≦８．６の範囲である。
Ｓｍ（サマリウム）は、永久磁石に大きな磁気異方性をもたらし、高い保磁力を付与するために有効な元素である。ＳｍとＲ元素の総量があまり少ないと多量のα−Ｆｅ相が析出して意図する高い保磁力を得ることができない。逆にＳｍとＲ元素の総量があまり多いと飽和磁化が低下する。このため、ＳｍとＲ元素の総量は、Ｆｅ（鉄）、Ｍ元素、Ｃｕ（銅）およびＣｏ（コバルト）との原子比を示すｚ値が７≦ｚ≦９の範囲とすることが好ましい。ｚ値は、７．３≦ｚ≦９の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは７．５≦ｚ≦８．６の範囲である。
Ｒ元素は、Ｎｄ（ネオジム）およびＰｒ（プラセオジム）から選ばれる１種以上の元素
が使用される。Ｒ元素は磁化の向上のために有効な元素である。ＳｍとＲ元素の総量に対
し、Ｒ元素量があまり少ないと磁化の向上の効果を得ることが期待できない。逆にＲ元素
量が増加することにより飽和磁化を向上することができるが、あまりＲ元素量が多いと磁
気異方性さらには保磁力を低下させる恐れがある。このため、Ｒ元素量は、ＳｍとＲ元素
の総量に対する原子比を示すｘ値が０．１≦ｘ≦０．４５の範囲とすることが好ましい。
さらに好ましくは０．２≦ｘ≦０．４の範囲である。
が使用される。Ｒ元素は磁化の向上のために有効な元素である。ＳｍとＲ元素の総量に対
し、Ｒ元素量があまり少ないと磁化の向上の効果を得ることが期待できない。逆にＲ元素
量が増加することにより飽和磁化を向上することができるが、あまりＲ元素量が多いと磁
気異方性さらには保磁力を低下させる恐れがある。このため、Ｒ元素量は、ＳｍとＲ元素
の総量に対する原子比を示すｘ値が０．１≦ｘ≦０．４５の範囲とすることが好ましい。
さらに好ましくは０．２≦ｘ≦０．４の範囲である。
ここで、Ｓｍの一部が、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｅｒ（ユウロピウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）から選ばれる１種以上の元素で置換されることが可能であり、これにより精製時のコストを低下させることができ、工業上有利である。これら元素は、Ｓｍに対し、あまり多いと磁気特性が低下する恐れがあるため、５０原子％以下の量で添加されることが好ましい。好ましくは４０原子％以下、より好ましくは３０原子％以下である。
（Ｆｅ）
Ｆｅは、主として永久磁石の磁化を担うための元素である。Ｆｅ量があまり少ないと永久磁石の磁化の向上の効果を得ることが期待できない。逆にＦｅ量が増加することにより永久磁石の飽和磁化を向上することができるが、あまりＦｅ量が多いとα−Ｆｅ相の析出などにより保磁力を低下させる恐れがある。このため、Ｆｅ量は、Ｆｅ、Ｍ元素、ＣｕおよびＣｏの総量に対する原子比を示すｐ値が０．２２≦ｐ≦０．４５の範囲とすることが好ましい。ｐ値は、０．２６≦ｐ≦０．４５の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．２８≦ｐ≦０．４５の範囲である。
Ｆｅは、主として永久磁石の磁化を担うための元素である。Ｆｅ量があまり少ないと永久磁石の磁化の向上の効果を得ることが期待できない。逆にＦｅ量が増加することにより永久磁石の飽和磁化を向上することができるが、あまりＦｅ量が多いとα−Ｆｅ相の析出などにより保磁力を低下させる恐れがある。このため、Ｆｅ量は、Ｆｅ、Ｍ元素、ＣｕおよびＣｏの総量に対する原子比を示すｐ値が０．２２≦ｐ≦０．４５の範囲とすることが好ましい。ｐ値は、０．２６≦ｐ≦０．４５の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．２８≦ｐ≦０．４５の範囲である。
（Ｍ元素）
Ｍ元素は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選ばれる１種以上の元素が使用される。Ｍ元素は、高いＦｅ量の組成で大きな保磁力を発現させるために有効な元素である。Ｍ元素があまり少ないと保磁力向上の効果を得ることが期待できない。逆に、Ｍ元素量があまり多いと磁化を低下させる恐れがある。このため、Ｍ元素量は、Ｆｅ、Ｍ元素、ＣｕおよびＣｏの総量に対する原子比を示すｑ値が、０．００５≦ｑ≦０．０５の範囲とすることが好ましい。ｑ値は、０．０１５≦ｑ≦０．０４の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．０１５≦ｐ≦０．０３５の範囲である。
Ｍ元素は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）から選ばれる１種以上の元素が使用される。Ｍ元素は、高いＦｅ量の組成で大きな保磁力を発現させるために有効な元素である。Ｍ元素があまり少ないと保磁力向上の効果を得ることが期待できない。逆に、Ｍ元素量があまり多いと磁化を低下させる恐れがある。このため、Ｍ元素量は、Ｆｅ、Ｍ元素、ＣｕおよびＣｏの総量に対する原子比を示すｑ値が、０．００５≦ｑ≦０．０５の範囲とすることが好ましい。ｑ値は、０．０１５≦ｑ≦０．０４の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．０１５≦ｐ≦０．０３５の範囲である。
ここで、Ｍ元素のうち、Ｍ元素の総量に対し、５０原子％以上をＺｒに置換することによって保磁力を高める効果をさらに向上することができる。
なお、Ｍ元素の中でＨｆは高価であるため、Ｍ元素の総量に対し２０原子％未満とすることが工業上望ましい。
（Ｃｕ）
Ｃｕは、永久磁石の高い保磁力を発現させるために必須の元素である。Ｃｕ量があまり少ないと高い保磁力を得ることが困難となる。逆に、Ｃｕ量があまり多いと磁化を低下させる恐れがある。このため、Ｃｕ量は、Ｆｅ、Ｍ元素、ＣｕおよびＣｏの総量に対する原子比を示すｒ値が、０．０１≦ｒ≦０．１の範囲とすることが好ましい。ｒ値は、０．０２≦ｒ≦０．１の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．０３≦ｒ≦０．０８の範囲である。
Ｃｕは、永久磁石の高い保磁力を発現させるために必須の元素である。Ｃｕ量があまり少ないと高い保磁力を得ることが困難となる。逆に、Ｃｕ量があまり多いと磁化を低下させる恐れがある。このため、Ｃｕ量は、Ｆｅ、Ｍ元素、ＣｕおよびＣｏの総量に対する原子比を示すｒ値が、０．０１≦ｒ≦０．１の範囲とすることが好ましい。ｒ値は、０．０２≦ｒ≦０．１の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．０３≦ｒ≦０．０８の範囲である。
（Ｃｏ）
Ｃｏは永久磁石の磁化を担うとともに、高い保磁力を発現させるために有効な元素である。また、Ｃｏを多く含むことにより永久磁石は高いキュリー温度が得られ、磁石特性の熱安定性を高める効果も有している。Ｃｏ量があまり少ないと前記効果を得ることが期待できない。逆に、Ｃｏ量があまり多いと相対的にＦｅ量が減少することになり、磁化の低下を招く恐れがある。
Ｃｏは永久磁石の磁化を担うとともに、高い保磁力を発現させるために有効な元素である。また、Ｃｏを多く含むことにより永久磁石は高いキュリー温度が得られ、磁石特性の熱安定性を高める効果も有している。Ｃｏ量があまり少ないと前記効果を得ることが期待できない。逆に、Ｃｏ量があまり多いと相対的にＦｅ量が減少することになり、磁化の低下を招く恐れがある。
ここで、Ｃｏ量に対し２０原子％以下をＮｉ（ニッケル）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）で置換することによって磁石特性、例えば保磁力を向上することが可能となる。これら元素の過剰の置換は磁化の低下を招く恐れがあるため、その置換量はＣｏ量に対し２０原子％以下とすることが好ましい。その置換量は、１８原子％以下とすることが好ましく、さらに好ましくは１５原子％以下の範囲である。
なお、本発明の永久磁石の組成は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：高周波誘導結合プラズマ）発光分光分析法により測定することができる。
さらに、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とする組織を有している。
Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とする組織とすることにより、高保磁力など、高い磁石特性が得られる。
ここで、前記主相とは永久磁石を構成する各結晶相および非晶質相などの構成相のうち体積比が最大の相を意味するものであり、具体的には体積比が５０％以上であることが好ましい。
主相であるＴｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相以外には、ＣａＣｕ５型構造を有する相が存在する。なお、これら２相以外の相が含まれることを除外するものではない。
本発明においては、Ｔｈ2Ｚｎ17型構造を有する相（２−１７相）とＣａＣｕ5型構造を有する相（１−５相）とが二相分離した微細組織であることが、高い磁石特性を得る上で好ましい。
この合金相の体積比率は電子顕微鏡や光学顕微鏡による観察、Ｘ線回折等を併用して総合的に判断されるが、永久磁石断面（磁化困難軸面）を撮影した透過型電子顕微鏡写真の面積分析法により求めることができる。永久磁石断面は、製品の表面の最大面積を有する面の実質的に中央部の断面を用いる。
本発明の磁石材料は酸化物などの不可避的不純物を含有することを許容する。
さらに、本発明は、粉末Ｘ線回折による前記Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度をＩ（１１３），（３００）面からの回折ピーク強度をＩ（３００）とするとき、０．９≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１．７の関係を満足する。
前記、本発明の範囲とすることによって、本発明で規定する組成おいて、大きな保磁力を発現させることが可能となり、磁化の高い、高性能な永久磁石を得ることができる。
Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値があまり低いと、永久磁石として十分な保磁力が発現しない。逆に、Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値があまり大きいと磁化の低下を招く。Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値は、０．９５≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１．６の関係が好ましく、さらに好ましくは１≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１．５の関係である。
本発明において、Ｉ（１１３）及びＩ（３００）は、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造の（１１３）面と（３００）面からの粉末Ｘ線回折による回折ピーク強度によって定義される。
本発明における粉末Ｘ線回折の具体的な測定方法を以下に示す。
まず、永久磁石（製品に使用されている場合には、その製品から分離したもの）を、交流磁場により消磁し、消磁状態にあるものを粉砕し、平均粒径が１０μｍ程度の粉末を得る。得られた粉末はＸ線の入射する試料面が平面となるように試料ホルダーに十分な量を充填する。
測定は粉末Ｘ線回折（X-ray diffraction）のθ−２θ法により行い、Ｘ線にはＣｕＫα線を用いる。サンプリング角度は０．０４度以下で、スキャンスピードは１分間に２度以下のペースで測定する。得られた積分強度から、測定データの両端に接する直線で近似した線でバックグラウンドを差し引いたものを所望の回折ピーク強度とする。
得られた回折ピーク強度のうち、図１に示す回折パターンに示すように、回折角２θが３０度の付近に現れる、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度Ｉ（１１３）と、２θが３７度の付近に現れる、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造の（３００）面からの回折ピーク強度Ｉ（３００）の比を以ってＩ（１１３）／Ｉ（３００）を算出する。
次に、本発明に係わる永久磁石の製造方法の一例について説明する。
まず、各元素を所定量含む合金粉末を作製する。合金粉末は本発明で規定される組成式の組成を満足するように調合される。
合金粉末はストリップキャスト法等でフレーク状の合金薄帯を作製し、これを粉砕することにより調製される。ストリップキャスト法においては、例えば合金溶湯を周速０．１〜２０ｍ／秒で回転する冷却ロールに射出することによって、連続的に厚さ１ｍｍ以下に凝固させた薄帯を得ることができる。冷却ロールの周速が０．１ｍ／秒未満の場合、薄帯中に組成のばらつきが生じる。冷却ロールの周速が２０ｍ／秒を超えると、結晶粒が単磁区サイズ以下に微細化して良好な磁気特性が得られない。冷却ロールのより好ましい周速は０．３〜１５ｍ／秒であり、さらに好ましくは０．５〜１２ｍ／秒である。
また、合金原料をアーク溶解や高周波溶解した後に鋳造して得られる合金インゴットを粉砕することによって、本発明で規定される組成式の組成を満足する合金粉末を調製してもよい。
合金粉末の他の調製方法としては、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法、ガスアトマイズ法、還元拡散法等が挙げられる。
合金の粉砕はジェットミル、ボールミル等を用いて実施される。合金の粉砕は合金粉末の酸化を防止するために、不活性ガス雰囲気中もしくはエタノール中で行うことが好ましい。
このようにして得られる合金粉末または粉砕前の合金に対して、必要に応じて熱処理を施して均質化してもよい。
次いで、電磁石等による磁場中に設置した金型内に合金粉末を充填し、磁場を印加しながら加圧成形することによって、合金粉末の結晶軸を配向させた圧粉体を作製する。
この圧粉体を１１００℃〜１３００℃の温度で０．５時間〜１５時間の条件で焼結することによって、緻密な焼結体が得られる。焼結は酸化等を防止するために、真空中やアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で実施されることが好ましい。
この焼結温度は、あまり低いと焼結体の密度が低下し、逆にあまり高いと合金粉末中のＳｍ等が蒸発して良好な磁気特性が得られないため、前記範囲が好ましい。焼結温度は１１５０〜１２５０℃とすることが好ましく、さらに好ましくは１１８０℃〜１２３０℃である。焼結時間があまり短いと焼結体の密度が不均一となり、逆にあまり長いと合金粉末中のＳｍ等が蒸発して良好な磁気特性が得られない。焼結時間は１時間〜１０時間とすることがより好ましく、さらに好ましくは１時間〜４時間である。
次に、焼結体に溶体化熱処理および時効熱処理を施して結晶組織を制御する。
溶体化熱処理はＴｈ2Ｚｎ17型構造を有する相（２−１７相）を主相とするために行われ、具体的には、２−１７相とＣａＣｕ5型構造を有する相（１−５相）とに相分離させる前駆体であるＴｂＣｕ７型構造を有する相（１−７相）を得るために、１１３０〜１２３０℃の範囲の温度で実施する。溶体化熱処理時間は０．５〜８時間の範囲とすることが好ましい。
溶体化熱処理温度があまり低いと、１−７相の割合を十分に高めることができず、良好な磁気特性が得られない。逆に溶体化熱処理温度があまり高いと、１−７相の割合が減少し、良好な磁気特性が得られない。このため、前記範囲の温度とした。溶体化熱処理温度は１１５０〜１２１０℃の範囲とすることがより好ましく、さらに好ましくは１１６０℃〜１１９０℃の範囲である。このような溶体化熱処理温度を適用することによって、高Ｆｅ濃度の１−７相をより一層効率よく得ることが可能となる。
溶体化熱処理時間があまり短いと、構成相の不均一性が生じるおそれがある。逆に溶体化熱処理時間があまり長いと、焼結体中のＳｍ等が蒸発して良好な磁気特性が得られない。このため、前記範囲の時間とした。溶体化熱処理時間は、１〜８時間の範囲とすることがより好ましく、さらに好ましくは１〜４時間の範囲である。
この溶体化熱処理は酸化防止のために、通空中またはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で実施されることが好ましい。
次に、時効熱処理は、前駆体である１−７相を主相である２−１７相と１−５相とに相分離させるために、例えば７００〜９００℃の範囲の温度で０．５〜２０時間保持した後に４００℃まで徐冷し、引き続き室温まで炉冷することにより実施する。
時効熱処理温度があまり低くても、逆にあまり高くても均質な２−１７相と１−５相との混合相が得られない。時効熱処理温度は７５０〜９００℃とすることがより好ましく、さらに好ましくは８００〜８５０℃である。
時効熱処理時間があまり短いと１−７相から２−１７相と１−５相への相分離を完了させることができない。逆にあまり長いと結晶粒の粗大化等により磁気特性が低下する。このため、前記範囲の時間とした。時効熱処理時間は１〜１５時間とすることが好ましく、さらに好ましくは５〜１０時間である。
この時効熱処理は酸化防止のため、真空中またはアルゴンガス等の等の不活性ガス雰囲気中で実施されることが好ましい。
また、時効熱処理後の徐冷は０．５〜５℃／分の範囲の冷却速度で実施することが好ましい。
本発明の永久磁石の特徴の一つは、Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値が高いことである。Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値は、時効後の組織状態によって変化する。例えば、１−５型結晶相に代表される粒界相の存在比率が増大すると、Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値は大きくなる。粒界相の存在比率を高めるためには、Ｃｕ量を増やす、溶体化処理温度を下げるなどの手法が選択される。Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値は合金組成によっても変化し、Ｍ元素の配合割合を高めることによってその値を高めることも可能である。
本発明に係わる永久磁石は、例えば主として永久磁石モータおよび発電機に用いられる。
永久磁石モータ（発電機）は従来の誘導モータ（発電機）と比較して効率に優れ、小型化や低騒音化などのメリットから鉄道車両やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）の駆動モータ、発電機などで普及が進んでいる。
永久磁石モータまたは発電機に本発明の永久磁石を搭載することによって、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。また、本発明の永久磁石はＳｍ−Ｃｏ系をベースとしていることから耐熱性も良好である。
（第２の実施形態）
次に本発明の永久磁石を用いた永久磁石モータについて説明する。
次に本発明の永久磁石を用いた永久磁石モータについて説明する。
本発明の永久磁石は、各種永久磁石モータに使用される。
図２は、永久磁石モータの一実施形態としての可変磁束モータ１を示す断面図である。
可変磁束モータ１は、大きなトルクを小さい装置サイズにて出力可能であり、モータの高出力小型化が求められるハイブリッド車や電気自動車等に好適である。
固定子（ステータ）２内には、回転子（ロータ）３が配置され、回転子３内の鉄心中に、本発明の永久磁石を用いた固定磁石４と、本発明の固定磁石より低保磁力の永久磁石を用いた可変磁石５を組み合わせて配置した構成である。可変磁石５の磁束密度（磁束量）は可変することが可能である。可変磁石５は、Ｑ軸方向とその磁化方向が直交するためＱ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流によって磁化することができる。また、回転子３には磁化巻線（図示せず）が設けられ、この磁化巻線に磁化回路から電流を流すことでその磁界が直接に可変磁石６に作用する構造となっている。
本発明においては、前述の製造方法の各種条件を変更することにより、例えば、保磁力が２．５ｋＯｅ以上の固定磁石と、保磁力が２．０ｋＯｅ以下の可変磁石を得ることが可能である。
なお、図２においては、固定磁石４および可変磁石５のいずれにも本発明の永久磁石を用いたが、いずれか一方の磁石について本発明の永久磁石を用いても良い。
本発明の永久磁石モータは、第１の実施形態に示すような永久磁石を固定磁石５に使用することにより、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
本発明の永久磁石モータは、第１の実施形態に示すような永久磁石を固定磁石５に使用することにより、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
（第３の実施形態）
次に本発明の永久磁石を用いた発電機について説明する。
次に本発明の永久磁石を用いた発電機について説明する。
本発明の永久磁石は、各種発電機に用いられる永久磁石に使用される。
図３は、一実施形態としての本発明の永久磁石を固定子（ステータ）１４に用いた発電機１０を示す概略図である。
発電機１０の一端には外部から供給される流体によって回転されるよう構成されるタービン１１を有し、タービン１１は軸１２により回転子（ロータ）１３と接続されている。なお、ここで流体によって回転されるタービン１１に代え、自動車の回生エネルギーなどの動的な回転を伝達することで軸１２を回転させることも可能である。前記タービン１１と軸１２により接続された回転子（ロータ）１３およびその外部に配置された固定子（ステータ）１４は、公知の永久磁石モータを使用することができる。そして、軸１２の回転子１３に対しタービン１１との反対側に配置された整流子（図示せず）と接触し、回転子１３の回転により発生した起電力を発電機１０の出力として相分離母線１５および主変圧器（図示せず）を介して系統電圧に昇圧され送電される。回転子１３には、タービン１１からの静電気による帯電や発電に伴う軸電流による帯電等が発生するため、回転子１３の帯電を放電させるためにブラシ１５を有している。
本発明の発電機は、第１の実施形態に示すような永久磁石を固定磁石５に使用することにより、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
（実施例１乃至４）
表１の実施例１乃至４に示す組成になるよう各種原料を調整し、Ａｒ（アルゴン）雰囲気においてアーク溶解して合金インゴットを得る。得られる合金インゴットに、真空中、１１７０℃で１時間の熱処理を施す。この合金インゴットを乳鉢粉砕により粗粉砕した後、ジェットミルにより粉砕して、粒径１０μｍ以下の合金粉末を得る。この合金粉末を２Ｔ（テスラ）の磁界中で、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ３でプレスすることで圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１１９０℃で３時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１５０℃で３時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８３０℃で４時間保持し、１．２℃／ｍｉｎの冷却速度で６００℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
表１の実施例１乃至４に示す組成になるよう各種原料を調整し、Ａｒ（アルゴン）雰囲気においてアーク溶解して合金インゴットを得る。得られる合金インゴットに、真空中、１１７０℃で１時間の熱処理を施す。この合金インゴットを乳鉢粉砕により粗粉砕した後、ジェットミルにより粉砕して、粒径１０μｍ以下の合金粉末を得る。この合金粉末を２Ｔ（テスラ）の磁界中で、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ３でプレスすることで圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１１９０℃で３時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１５０℃で３時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８３０℃で４時間保持し、１．２℃／ｍｉｎの冷却速度で６００℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
（実施例５乃至９）
表１の実施例５乃至９に示す組成になるよう各種原料を調整し、Ａｒ雰囲気においてアーク溶解して合金インゴットを得る。得られる合金インゴットを石英製のノズルに装填し、高周波誘導加熱で溶融した後、溶湯を周速０．６ｍ／秒で回転する冷却ロールに傾注し、連続的に凝固させた合金薄帯を作製する。この合金薄帯を粗粉砕した後、ジェットミルにより粉砕して粒径１０μｍ以下の合金粉末を得る。この合金粉末を２Ｔの磁界中で、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ３でプレスすることで圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１２００℃で１時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１６０℃で４時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８５０℃で１．５時間保持し、引き続き８７５℃で４時間保持し、１．３℃／ｍｉｎの冷却速度で４５０℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
表１の実施例５乃至９に示す組成になるよう各種原料を調整し、Ａｒ雰囲気においてアーク溶解して合金インゴットを得る。得られる合金インゴットを石英製のノズルに装填し、高周波誘導加熱で溶融した後、溶湯を周速０．６ｍ／秒で回転する冷却ロールに傾注し、連続的に凝固させた合金薄帯を作製する。この合金薄帯を粗粉砕した後、ジェットミルにより粉砕して粒径１０μｍ以下の合金粉末を得る。この合金粉末を２Ｔの磁界中で、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ３でプレスすることで圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１２００℃で１時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１６０℃で４時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８５０℃で１．５時間保持し、引き続き８７５℃で４時間保持し、１．３℃／ｍｉｎの冷却速度で４５０℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
（比較例１）
実施例１の組成に対し、Ｃｕ量を表１に示す組成になるよう各種原料を調整し、実施例１と同様の方法、条件により圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１２００℃で３時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１８０℃で３時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８５０℃で４時間保持し、１．２℃／ｍｉｎの冷却速度で６００℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
実施例１の組成に対し、Ｃｕ量を表１に示す組成になるよう各種原料を調整し、実施例１と同様の方法、条件により圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１２００℃で３時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１８０℃で３時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８５０℃で４時間保持し、１．２℃／ｍｉｎの冷却速度で６００℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
（比較例２）
実施例５の組成に対し、Ｚｒ量を表１に示す組成になるよう各種原料を調整し、実施例５と、同様の方法、条件により圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１２１０℃で１時間の焼結を行い、引き続いて１１８０℃で４時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８３０℃で１．５時間保持し、引き続き８７０℃で４時間保持し、１．３℃／ｍｉｎの冷却速度で４５０℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
実施例５の組成に対し、Ｚｒ量を表１に示す組成になるよう各種原料を調整し、実施例５と、同様の方法、条件により圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１２１０℃で１時間の焼結を行い、引き続いて１１８０℃で４時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８３０℃で１．５時間保持し、引き続き８７０℃で４時間保持し、１．３℃／ｍｉｎの冷却速度で４５０℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
（比較例３、４）
表１に示す比較例３，４に示す組成になるように各種原料を調整し、Ａｒ雰囲気においてアーク溶解して合金インゴットを得る。得られる合金インゴットをジェットミルにより粉砕して、粒径１０μｍ以下の合金粉末を得る。この合金粉末を２Ｔの磁界中で、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ３でプレスすることで圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１１９０℃で３時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１５０℃で３時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８３０℃で４時間保持し、１．２℃／ｍｉｎの冷却速度で６００℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
表１に示す比較例３，４に示す組成になるように各種原料を調整し、Ａｒ雰囲気においてアーク溶解して合金インゴットを得る。得られる合金インゴットをジェットミルにより粉砕して、粒径１０μｍ以下の合金粉末を得る。この合金粉末を２Ｔの磁界中で、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ３でプレスすることで圧縮成型体を得る。この圧縮成型体をＡｒ雰囲気中、１１９０℃で３時間の焼結を行い、引き続いてＡｒ雰囲気中、１１５０℃で３時間の熱処理を施すことで焼結体が製造される。得られた焼結体をＡｒ雰囲気中、８３０℃で４時間保持し、１．２℃／ｍｉｎの冷却速度で６００℃まで徐冷を行い、永久磁石を得る。
得られる実施例１乃至９および比較例１乃至４の永久磁石におけるＴｈ２Ｚｎ１７型構造のＩ（１１３）／Ｉ（３００）、保磁力（Ｈｃｊ）、残留磁化（Ｍｒ）を測定する。その結果を表１に示す。
なお、得られる永久磁石の合金相を、永久磁石断面（磁化困難軸面）を撮影した透過型電子顕微鏡写真の面積分析法により確認した結果、いずれもＴｈ２Ｚｎ１７型構造が主相であることを確認した。
Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値は粉末Ｘ線回折による回折ピーク強度から計算した。具体的には、試料を粉砕し、平均粒径が１０μｍ程度の粉末とした後、ＸＲＤ装置（装置名：RIGAKU社製、型番：RINT-1000）にて、回折ピークを測定した。その際、管球にはＣｕを用い、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡにてＣｕＫα線を用いた。また、サンプリング角度は０．０２０度であり、スキャンスピードは１分間に２度のペースであった。図１に実施例１のＸ線回折パターンを示す。また、保磁力、残留磁化についてはＢＨトレーサ（装置名：YOKOGAWA社製、型番：3257 MAGNETIC HYSTERESISLOOP TRACER）で測定した。
表１に示すように、Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値が本発明の範囲を満たす実施例１乃至９は、いずれも保磁力が３００ｋＡ／ｍ以上で、かつ、残留磁化が１．１５Ｔ以上である。これに対して、Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）の値が本発明の範囲を満たさない、比較例１乃至４は、保磁力が実施例に比較し低い。
このように、本発明は、高保磁力で、かつ残留磁化も優れており、高性能な永久磁石を得ることができる。
（実施例１０）
実施例１乃至９の永久磁石を図２に示す永久磁石モータ（可変磁束モータ）に使用したところ、従来に比較し、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
実施例１乃至９の永久磁石を図２に示す永久磁石モータ（可変磁束モータ）に使用したところ、従来に比較し、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
（実施例１１）
実施例１乃至９の永久磁石を図３に示す発電機に使用したところ、従来に比較し、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
実施例１乃至９の永久磁石を図３に示す発電機に使用したところ、従来に比較し、さらなる高効率化、小型化、低コスト化が可能となる。
なお、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。こ本実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 可変磁束モータ
２ 固定子（ステータ）
３ 回転子（ロータ）
４ 固定磁石
５ 可変磁石
１０ 発電機
１１ タービン
１２ 軸
１３ 回転子（ロータ）
１４ 固定子（ステータ）
１５ 相分離母線
１６ ブラシ
２ 固定子（ステータ）
３ 回転子（ロータ）
４ 固定磁石
５ 可変磁石
１０ 発電機
１１ タービン
１２ 軸
１３ 回転子（ロータ）
１４ 固定子（ステータ）
１５ 相分離母線
１６ ブラシ
Claims (6)
- 組成式：（Ｓｍ１−ｘＲｘ）１００−ｚ（ＦｅｐＭｑＣｕｒＣｏ１−ｐ−ｑ−ｒ）ｚ（
ＲはＮｄ，Ｐｒから選ばれる１種以上の元素、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選ばれる１種以
上の元素、０．１≦ｘ≦０．４５，７≦ｚ≦９、０．２２≦ｐ≦０．４５、０．００５≦
ｑ≦０．０５、０．０１≦ｒ≦０．１）
で表され、Ｔｈ２Ｚｎ１７型構造を有する相を主相とし、粉末Ｘ線回折による前記Ｔｈ２
Ｚｎ１７型構造の（１１３）面からの回折ピーク強度をＩ（１１３），（３００）面から
の回折ピーク強度をＩ（３００）とするとき、０．９≦Ｉ（１１３）／Ｉ（３００）≦１
．７の関係を満たす焼結体であることを特徴とする永久磁石。 - Ｓｍの一部が、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｅｒ、Ｔｂ、Ｄｙから選ばれる１種以上の元素で置換
されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石。 - Ｃｏの２０原子％以下を、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗで置換
されることを特徴とする請求項１乃至請求項２いずれか１項に記載の永久磁石。 - Ｍの総量の５０原子％以上がＺｒで置換されていることを特徴とする請求項１乃至請求
項３いずれか１項に記載の永久磁石。 - 請求項１乃至４いずれか１項に記載の永久磁石を用いることを特徴とする永久磁石モー
タ。 - 請求項１乃至５いずれか１項に記載の永久磁石を用いることを特徴とする発電機。
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