JP5565498B1 - R−t−b系永久磁石 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のR−T−B系永久磁石と比較して、磁気特性を著しく低下させることなく、低温で作製可能な永久磁石を提供すること。
【解決手段】R−T−B系の構造において、R1−T−B系結晶層とCe−T−B結晶層を交互に積層することによって、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の積層構造を形成し、R1−T−B系結晶層の高い異方性磁界を維持しながら、Ce−T−B系結晶層により結晶化温度を低くすることができる。
【選択図】なし
【解決手段】R−T−B系の構造において、R1−T−B系結晶層とCe−T−B結晶層を交互に積層することによって、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の積層構造を形成し、R1−T−B系結晶層の高い異方性磁界を維持しながら、Ce−T−B系結晶層により結晶化温度を低くすることができる。
【選択図】なし
Description
本発明は、希土類永久磁石に関し、特にR−T−B系永久磁石におけるRの一部を選択的にCeに置換することによって得られる永久磁石に関する。
正方晶R2T14B化合物を主相とするR−T−B系永久磁石(Rは希土類元素、TはFeまたはその一部がCoによって置換されたFe)は優れた磁気特性を有することが知られており、1982年の発明(特許文献1:特開昭59−46008号公報)以来、代表的な高性能永久磁石である。
特に、希土類元素RがNd、Pr、Dy、Ho、TbからなるR−T−B系永久磁石は異方性磁界Haが大きく永久磁石材料として広く用いられてきた。中でも希土類元素RをNdとしたNd−Fe−B系永久磁石は、飽和磁化Is、キュリー温度Tc、異方性磁界Haのバランスが良く、民生、産業、輸送機器などに広く用いられている。しかしながら、近年、R−Fe−B系永久磁石の用途が益々拡大し、NdやPr等の消費量が急激に増加しているため、貴重な資源であるNdやPr等の効率的利用を図るとともに、R−Fe−B系永久磁石の材料コストを低く抑えることが強く求められている。
一方、R−Fe−B系永久磁石は、結晶化させるために膨大なエネルギーを要するという課題がある。さらに、結晶化のために高い温度で熱処理を行うと、周辺からの不純物の混入が進行し、磁気特性が劣化するといった課題がある。このため、R−Fe−B系永久磁石は、低温で結晶化できることが求められている。
融点、およびFeとの共晶温度ともに希土類元素の中でもっとも低く、低い温度でR−T−B系結晶層の形成が可能な希土類元素Rとしては、Ceがある。またCeは資源量として豊富であり、かつ、高い保磁力を示すことも知られている。特許文献2は、低コストで高性能な焼結および樹脂結合磁石に関するものである。すなわち、Ce−La−(ジジム)−Feに半金属を加えた組成で、一般式は、原子比で、Ce1−x−y−zPrxNdyLaz(Fe1−mMm)nで表される。但し、MはB、C、Si、Ge、P、Sの各元素のうち1種または2種以上の元素からなり、x、y、z、t、m、nは、0.1≦x≦0.5、0.1≦y≦0.85、0≦z≦0.1、0.02≦m≦0.1,0≦n≦8.0,0<1−x−y−z<0.8、の値の範囲とする。ここで、Laは必須であり、本磁石の特性は保磁力では581kA/m以上である。
また、特許文献3も、低コストで高性能な焼結および樹脂結合磁石に関するものである。すなわち、Ce−La−(ジジム)−Fe−BにCoを置換した組成であり、保磁力629kA/mが得られている。
また、特許文献4も、低コストで高性能な焼結および樹脂結合磁石に関するものである。すなわち、Ce−La−(ジジム)−FeにM元素を置換した組成であり、保磁力597kA/m以上が得られている。
いずれも796kA/m程度であるNd−T−B系の保磁力よりも著しく低く、従来のNd−T−B系磁石の代替とすることは困難である。
また、特許文献3も、低コストで高性能な焼結および樹脂結合磁石に関するものである。すなわち、Ce−La−(ジジム)−Fe−BにCoを置換した組成であり、保磁力629kA/mが得られている。
また、特許文献4も、低コストで高性能な焼結および樹脂結合磁石に関するものである。すなわち、Ce−La−(ジジム)−FeにM元素を置換した組成であり、保磁力597kA/m以上が得られている。
いずれも796kA/m程度であるNd−T−B系の保磁力よりも著しく低く、従来のNd−T−B系磁石の代替とすることは困難である。
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、民生、産業、輸送機器などに広く用いられているR−T−B系永久磁石と比較して、磁気特性を著しく低下させることなく、低温で作製可能な永久磁石を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、R−T−B系の構造を有し、R1−T−B系結晶層(ただし、R1はCeを含まない希土類元素の少なくとも1種であり、TはFe又はFe及びCoを必須とする1種以上の遷移金属元素)とCe−T−B系結晶層が積層していることを特徴とする。係る構成をとることによって、従来のR−T−B系永久磁石と比較して、磁気特性を著しく低下させることなく、低温で作製可能な永久磁石が得られる。
本願発明は、Rとして、R1とCeを有し、資源量が豊富なCeを有効活用できる。また、Ceは融点、およびFeとの共晶温度ともに希土類元素の中でもっとも低く、低い温度でR−T−B系結晶層の形成が可能である。一方で、異方性磁界が低下してしまうという問題がある。そこで、発明者らはR1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層を積層させることで、R1−T−B系結晶層の高い異方性磁界を維持しながら、Ce−T−B系結晶層により結晶化温度を低くできることを見出し本発明に至った。
R1−T−BとCe−T−Bを交互に積層することによって、R1−T−Bの結晶化温度も低くすることができる。これは、低い結晶化温度でCe−T−B系結晶層が形成され、次にCe−T−B結晶層上にR1−T−Bが積層されることによって、界面近傍における共晶温度が低下するために、低い温度でもR1−T−B結晶が形成されると考えられる。その後は、界面近傍で生じたR1−T−B結晶が成長していくことにより、R1−T−B相全体の結晶化温度を低くすることができる。
本発明に係るR−T−B系永久磁石は、R1のCeに対する原子組成比R1/Ceが、0.1以上且つ10以下の範囲内であることが好ましい。係る範囲とすることで、R1−T−B系結晶層の高い異方性磁界とCe−T−B系結晶層の結晶化温度を低くできる効果のバランスがとれ、特に高い磁気特性を得ることができる。
本発明に係るR−T−B系永久磁石は、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の各々の厚みが0.6nm以上且つ300nm以下であることが好ましい。係る範囲とすることで、単磁区由来の保磁力発現機構も一部生じるようになり、特に高い保磁力を得ることができる。
本件発明は、Ceを添加したR−T−B系永久磁石において、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層を積層させることによって、RをCeとしたR−T−B系永久磁石より相対的に高い保磁力を保つことが可能となる。また、RとしてNd、Pr、Dy、Ho、Tbを用いた従来のR−T−B系永久磁石より結晶化温度を低くすることができる。
本発明を実施するための形態(実施形態)につき、詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、希土類元素を11〜18at%含有する。ここで、本発明におけるRはR1とCeを必須とし、R1はCeを含まない希土類元素の少なくとも1種とする。Rの量が11at%未満であると、R−T−B系永久磁石に含まれるR2T14B相の生成が十分ではなく軟磁性を持つα−Feなどが析出し、保磁力が著しく低下する。一方、Rが18at%を超えるとR2T14B相の体積比率が低下し、残留磁束密度が低下する。またRがOと反応し、含有するO量が増え、これに伴い保磁力発生に有効なRリッチ相が減少し、保磁力の低下を招く。
本実施形態において、前記希土類元素Rは、R1およびCeを含む。 R1はCeを含まない希土類元素の少なくとも1種である。ここで、R1としては、原料に由来する不純物、又は製造時に混入する不純物としての他の成分を含んでもよい。なお、R1は高い異方性磁界を得ることを考慮すると、Nd、Pr、Dy、Ho、Tbであることが好ましく、また、原料価格と耐食性の観点から、Ndが更に好ましい。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、Bを5〜8at%含有する。Bが5at%未満の場合には高い保磁力を得ることができない。一方で、Bが8at%を超えると残留磁束密度が低下する傾向がある。したがって、Bの上限を8at%とする。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、Coを4.0at%以下含有することができる。CoはFeと同様の相を形成するが、キュリー温度の向上、粒界相の耐食性向上に効果がある。また、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、Al及びCuの1種又は2種を0.01〜1.2at%の範囲で含有することができる。この範囲でAl及びCuの1種又は2種を含有させることにより、得られる永久磁石の高保磁力化、高耐食性化、温度特性の改善が可能となる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、他の元素の含有を許容する。例えば、Zr、Ti、Bi、Sn、Ga、Nb、Ta、Si、V、Ag、Ge等の元素を適宜含有させることができる。一方で、O、N、C等の不純物元素を極力低減することが望ましい。特に磁気特性を害するOは、その量を5000ppm以下、さらには3000ppm以下とすることが望ましい。O量が多いと非磁性成分である希土類酸化物相が増大して、磁気特性を低下させるからである。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、R−T−B系の構造を有し、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層が積層している。R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層を積層させることにより、R1−T−B系結晶層の高い異方性磁界を維持しながら、Ce−T−B系結晶層により結晶化温度を低くすることができる。
ここで好ましくは、R1のCeに対する原子組成比R1/Ceが、0.1以上且つ10以下の範囲内とする。係る範囲とすることで、R1−T−B系結晶層の高い異方性磁界とCe−T−B系結晶層の結晶化温度を低くできる効果のバランスがとれ、特に高い磁気特性を得ることができる。ただし、表面に1層積層し、局所的な改善を狙う場合などは、この割合の限りではない。
さらに好ましくは、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の各々の厚みが0.6nm以上且つ300nm以下であることが好ましい。これは、Nd2T14BとCe2T14Bの単磁区臨界粒径が300nm程度であり、各々この厚み以下で積層することによって、R−T−B系永久磁石の一般的な保磁力発現機構であるニュークリエーション型から、単磁区由来の保磁力発現機構も一部生じるようになり、高い保磁力が得られる。一方、R2T14Bの結晶構造におけるc軸方向の原子間距離は0.6nm程度であり、これ以下でR1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の積層構造とすることはできない。0.6nm未満の厚みで積層するとR1とCeが一部ランダムに配置したR2T14Bの結晶構造となる。
以下、本件発明の製造方法の好適な例について説明する。
R−T−B系永久磁石の製造方法は、焼結法、超急冷凝固法、蒸着法、HDDR法などがあるが、蒸着法におけるスパッタリングによる製造方法の一例について説明する。
R−T−B系永久磁石の製造方法は、焼結法、超急冷凝固法、蒸着法、HDDR法などがあるが、蒸着法におけるスパッタリングによる製造方法の一例について説明する。
材料として、先ずターゲット材を準備する。ターゲット材は、所望の組成を有するR1−T−B合金ターゲット材およびCe−T−B合金ターゲット材とする。ここで、ターゲット材の組成比とスパッタリングで作製した膜の組成比は、各元素のスパッタ率が異なるためにずれる場合があり、調整が必要である。3個以上のスパッタリング機構を有する装置を使用する場合、R1、Ce、T、B各々の単元素ターゲット材を準備し、所望の割合でスパッタリングすることもできる。また、R1、Ce、T−Bのように、一部合金ターゲット材を用いて、所望の割合でスパッタリングすることもできる。他の元素、例えば、Zr、Ti、Bi、Sn、Ga、Nb、Ta、Si、V、Ag、Ge等を適宜含有させたい場合も同様に、合金ターゲット材、単元素ターゲット材の両方の方法で含有させることができる。一方で、O、N、C等の不純物元素を極力低減することが望ましいため、ターゲット材中の不純物含有量も極力低減する。
ターゲット材は、保管中に表面から酸化する。特に、R1、Ceの希土類単元素ターゲット材を使用する場合は酸化の速度が速い。そのため、これらのターゲット材の使用前には、スパッタリングを十分に行い、ターゲット材の清浄表面を出しておく必要がある。
スパッタリングにて成膜を行う基材は、各種の金属、ガラス、シリコン、セラミックスなどを選択して使用することができる。ただし、所望の結晶組織を得るために高温での処理を行う必要上、高融点な材料を選択することが望ましい。なお、高温処理における耐性の他に、R−T−B膜との密着性が不足する場合があり、その対策としてCrやTi、Ta,Moなどの下地膜を設けることにより密着性を向上することが通常行われる。R−T−B膜の上部には、R−T−B膜の酸化を防ぐため、Ti、Ta、Moなどの保護膜を設けることができる。
スパッタリングを行う成膜装置は、O、N、C等の不純物元素を極力低減することが望ましいため、10−6Pa以下、より好ましくは10−8Pa以下となるまで真空槽内が排気されていることが望ましい。高い真空状態を保つため、成膜室と繋がった基材導入室を有することが望ましい。また、ターゲット材の使用前には、スパッタリングを十分に行い、ターゲット材の清浄表面を出しておく必要があるため、成膜装置は、基材とターゲット材の間に真空状態で操作可能な遮蔽機構を有することが望ましい。スパッタリングの方法は、不純物元素を極力低減するという目的で、より低Ar雰囲気でスパッタリングが可能となるマグネトロン・スパッタリング法が好ましい。ここで、Fe、Coを含むターゲット材は、マグネトロン・スパッタリングの漏れ磁束を大きく低減させ、スパッタリングを困難にするため、ターゲット材の厚みを適切に選択することが必要である。スパッタリングの電源は、DC、RFどちらでも使用可能であり、ターゲット材に応じて適宜選択できる。
上述したターゲット材および基材を用いて、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の積層構造を作製するには、R1−T−B合金ターゲット材とCe−T−B合金ターゲット材を交互にスパッタリングする。R1、Ce、T、B各々の単元素ターゲット材を用いる場合には、R1、T、Bの3種のターゲット材を所望の割合でスパッタリングした後に、Ce、T、Bの3種のターゲット材を所望の割合でスパッタリングする。これを交互に繰り返すことによって合金ターゲット材を用いた場合と同様の積層構造を得ることができる。R1、T、BおよびCe、T、Bのように3種のターゲット材をスパッタリングする際、3元同時スパッタリング、もしくは各元素を単独でスパッタリングする積層スパッタリングのどちらでも可能である。積層スパッタリングであっても、適切な割合、厚みで積層し、加熱することで熱力学的安定性によってR−T−B系の結晶構造が形成される。また、積層構造は、基材を成膜装置内で移送することによって、別室のチャンバーにて異なるターゲット材のスパッタリング行うことによっても作製可能である。
積層構造の繰り返し回数は、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層を積層した1セット以上で、任意の回数に設定することができる。
R−T−B系結晶層の厚みとは、R、Fe、Bが存在する面の端から端までとする。R2T14Bの結晶構造は、R、Fe、Bが存在する面とσ層と呼ばれるFeのみからなる層がc軸方向に積み重ねて構成されているため容易に見分けることができる。
積層構造におけるR1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の厚みは、スパッタリングのパワー、時間を調整することで任意の厚みに設定することができる。R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の厚みに差をつけることでR1のCeに対する原子組成比R1/Ceを調整することができる。また、繰り返しの度に厚さを変化させていくことで厚みに傾斜をつけるといったことも可能である。ここで、厚みの調整を行うには、あらかじめ成膜レートの確認を行っておく必要がある。成膜レートの確認は、所定のパワー、所定の時間で成膜した膜を接触式段差計で測定することが一般に行われている。また、成膜装置内に水晶振動子膜厚計等を備え付けて用いることも可能である。
スパッタリング中は、基材を400〜700℃で加熱し結晶化させる。一方、スパッタリング中は、基材を室温に保ち、成膜後に400〜1100℃の熱処理を行うことによって結晶化させることも可能である。この場合、成膜後のR−T−B膜は、通常数十nm程度の微細結晶やアモルファスから成っており、熱処理によって結晶が成長する。熱処理は、酸化、窒化を極力低減するため、真空もしくは不活性ガス中で行うことが好ましい。同様の目的で、熱処理機構と成膜装置は真空中で搬送可能であることがより好ましい。熱処理時間は短時間であることが望ましく、1分〜1時間の範囲で十分である。また、成膜中の加熱と熱処理は、任意に組み合わせて行うことが可能である。
ここで、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層は、スパッタリングのエネルギーと基材加熱のエネルギーによって結晶化される。スパッタリングのエネルギーは、スパッタ粒子が基材に付着し、結晶形成後すぐに失われる。一方、基材加熱のエネルギーは成膜時に継続して供給されるが、400〜700℃の熱エネルギーではR1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の拡散はほぼ進行せず、積層構造が維持される。低温成膜後の熱処理の場合も、400〜1100℃の熱エネルギーにより微細結晶の粒成長は進行するが、R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の拡散はほぼ進行せず、積層構造が維持される。ただし、下地層などR−T−B系結晶層以外の界面においては、熱力学的安定性により拡散が生じてしまう場合がある。
R1−T−BとCe−T−Bを交互に積層することによって、R1−T−Bの結晶化温度も低くすることができる。これは、先ずCeの融点、およびFeとの共晶温度ともに希土類元素の中でもっとも低いため、低い結晶化温度でCe−T−B系結晶層が形成される。次にCe−T−B結晶層上にR1−T−Bが積層されることによって、界面近傍における共晶温度が低下するために、低い温度でもR1−T−B結晶が形成されると考えられる。その後は、界面近傍で生じたR1−T−B結晶が成長していくことにより、R1−T−B相全体の結晶化温度を低くすることができる。また、このR1−T−B相全体の結晶化温度を低くすることができる効果は、常に最表面で起こる現象であるため、下地層が拡散しやすくなるといった不具合は生じない。
このまま、薄膜磁石として用いてもよいが、本実施形態によって得られた積層体を用いて、さらに希土類ボンド磁石や希土類焼結磁石とすることができる。以下、その製造方法を述べる。
希土類ボンド磁石の製造方法の一例について説明する。先ずスパッタリングで作製した積層構造を有する膜を基材から剥がし微粉砕する。その後、樹脂を含む樹脂バインダーと本粉末とを例えば加圧ニーダー等の加圧混練機で混練して、樹脂バインダーと積層構造を有するR−T−B系永久磁石粉末とを含む希土類ボンド磁石用コンパウンド(組成物)を調製する。樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、スチレン系、オレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系のエラストマー、アイオノマー、エチレンプロピレン共重合体(EPM)、エチレン−エチルアクリレート共重合体等の熱可塑性樹脂がある。なかでも、圧縮成形をする場合に用いる樹脂は、熱硬化性樹脂が好ましく、エポキシ樹脂又はフェノール樹脂がより好ましい。また、射出成形をする場合に用いる樹脂は熱可塑性樹脂が好ましい。また、希土類ボンド磁石用コンパウンドには、必要に応じて、カップリング剤やその他の添加材を加えてもよい。
また、希土類ボンド磁石におけるR−T−B系永久磁石粉末と樹脂との含有比率は、本粉末100質量%に対して、樹脂を例えば0.5質量%以上20質量%以下含むことが好ましい。R−T−B系永久磁石粉末100質量%に対して、樹脂の含有量が0.5質量%未満であると、保形性が損なわれる傾向があり、樹脂が20質量%と超えると、十分に優れた磁気特性が得られ難くなる傾向がある。
上述の希土類ボンド磁石用コンパウンドを調製した後、この希土類ボンド磁石用コンパウンドを射出成形することにより、積層構造を有するR−T−B系永久磁石粉末と樹脂とを含む希土類ボンド磁石を得ることができる。射出成形により希土類ボンド磁石を作製する場合、希土類ボンド磁石用コンパウンドを、必要に応じてバインダー(熱可塑性樹脂)の溶融温度まで加熱し、流動状態とした後、この希土類ボンド磁石用コンパウンドを所定の形状を有する金型内に射出して成形を行う。その後、冷却し、金型から所定形状を有する成形品(希土類ボンド磁石)を取り出す。このようにして希土類ボンド磁石が得られる。希土類ボンド磁石の製造方法は、上述の射出成形による方法に限定されるものではなく、例えば希土類ボンド磁石用コンパウンドを圧縮成形することによりR−T−B系永久磁石粉末と樹脂とを含む希土類ボンド磁石を得るようにしてもよい。圧縮成形により希土類ボンド磁石を作製する場合、上述の希土類ボンド磁石用コンパウンドを調製した後、この希土類ボンド磁石用コンパウンドを所定の形状を有する金型内に充填し、圧力を加えて金型から所定形状を有する成形品(希土類ボンド磁石)を取り出す。金型にて希土類ボンド磁石用コンパウンドを成形し、取り出す際には、機械プレスや油圧プレス等の圧縮成形機を用いて行なわれる。その後、加熱炉や真空乾燥炉などの炉に入れて熱をかけることにより硬化させることで、希土類ボンド磁石が得られる。
成形して得られる希土類ボンド磁石の形状は特に限定されるものではなく、用いる金型の形状に応じて、例えば平板状、柱状、断面形状がリング状等、希土類ボンド磁石の形状に応じて変更することができる。また、得られた希土類ボンド磁石は、その表面上に酸化層や樹脂層等の劣化を防止するためにめっきや塗装を施すようにしてもよい。
希土類ボンド磁石用コンパウンドは目的とする所定の形状に成形する際、磁場を印加して成形して得られる成形体を一定方向に配向させるようにしてもよい。これにより、希土類ボンド磁石が特定方向に配向するので、より磁性の強い異方性希土類ボンド磁石が得られる。
希土類焼結磁石の製造方法の一例について説明する。上述のように、積層構造を有するR−T−B系永久磁石粉末を、例えばプレス成形などにより目的とする所定形状に成形する。積層構造を有するR−T−B系永久磁石粉末を成形して得られる成形体の形状は特に限定されるものではなく、用いる金型の形状に応じて、例えば平板状、柱状、断面形状がリング状等、希土類焼結磁石の形状に応じて変更することができる。
次いで、成形体を、例えば、真空中又は不活性ガスの存在下、1000℃から1200℃の温度で、1時間から10時間加熱処理して焼成する。これにより、焼結体(希土類焼結磁石)が得られる。焼成後、得られた希土類焼結磁石を焼成時よりも低い温度で保持することなどによって、希土類焼結磁石に時効処理を施す。時効処理は、例えば、700℃から900℃の温度で1時間から3時間、更に500℃から700℃の温度で1時間から3時間加熱する2段階加熱や、600℃付近の温度で1時間から3時間加熱する1段階加熱等、時効処理を施す回数に応じて適宜処理条件を調整する。このような時効処理によって、希土類焼結磁石の磁気特性を向上させることができる。
得られた希土類焼結磁石は、所望のサイズに切断したり、表面を平滑化することで、所定形状の希土類焼結磁石としてもよい。また、得られた希土類焼結磁石は、その表面上に酸化層や樹脂層等の劣化を防止するためめっきや塗装を施すようにしてもよい。
また、積層構造を有するR−T−B系永久磁石粉末を目的とする所定の形状に成形する際、磁場を印加して成形して得られる成形体を一定方向に配向させるようにしてもよい。これにより、希土類焼結磁石が特定方向に配向するので、より磁性の強い異方性希土類焼結磁石が得られる。
以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
ターゲット材は、スパッタリングによって形成した膜がNd15Fe78B7、Pr15Fe78B7、Ce15Fe78B7の組成になるように調整したNd−Fe−B合金ターゲット材、Pr−Fe−B合金ターゲット材およびCe−Fe−B合金ターゲット材を作製した。成膜を行う基材にはシリコン基板を準備した。ターゲット材のサイズは直径76.2mm、基材のサイズは10mm×10mmとし、膜の面内均一性が十分に保たれる条件とした。
成膜装置は、10−8Pa以下まで排気が可能であり、同一槽内に複数のスパッタリング機構を有する装置を用いた。この成膜装置内に前記Nd−Fe−B合金ターゲット材とPr−Fe−B合金ターゲット材、Ce−Fe−B合金ターゲット材、さらに下地膜、保護膜に用いるTaターゲット材を装着した。スパッタリングは、マグネトロン・スパッタリング法を用いることにより、1PaのAr雰囲気とし、RF電源にて行った。尚、RF電源のパワーと成膜時間は、試料の構成に応じて調整した。
膜構成は、先ず下地膜としてTaを50nm成膜した。次に、各々の実施例および比較例に応じてR1−Fe−B層厚みとCe−Fe−B層厚みを調整しスパッタリングを行った。同様にPr−Fe−BとCe−Fe−Bのスパッタリングも行った。スパッタリング方法は、試料の構成に応じて2つのターゲット材を交互にスパッタリングする方法と、2つのターゲット材を同時にスパッタリングする方法、1つのターゲット材をスパッタリングする方法の3通りで行った。R−Fe−B膜成膜後に保護膜として、再びTaを50nm成膜した。
成膜中は、基材のシリコン基板を450℃に加熱することで、R−Fe−B膜を結晶化させた。比較のため、一部の試料は600℃に加熱した。磁性層成膜後は、200℃で保護膜を成膜し、その後真空中で室温まで冷却した後に成膜装置から取り出した。作製した試料を表1に示す。
作製した試料は、磁気特性の評価後に誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−AES)を行い、設計通りの原子組成比になっていることを確認した。
実施例と比較例1、2を比較すると、2つのターゲット材を交互にスパッタリングした実施例のほうが高い磁気特性を有していることが分かった。これは、R1−Fe−B系結晶層とCe−Fe−B系結晶層を積層させることにより、R1−Fe−B系結晶層の高い異方性磁界を維持しながら、Ce−Fe−B系結晶層により結晶化温度を低くすることができたためと考えられる。
実施例を比較すると、R1のCeに対する原子組成比R1/Ceが、0.1以上且つ10以下の範囲内とすることで、R1−Fe−B系結晶層の高い異方性磁界とCe−Fe−B系結晶層の結晶化温度を低くできる効果のバランスがとれ、特に高い磁気特性を得られることが分かった。
実施例を比較すると、R1−Fe−B系結晶層とCe−Fe−B系結晶層の各々の厚みが0.6nm以上且つ300nm以下とすることで、単磁区由来の保磁力発現機構も一部生じるようになり、特に高い保磁力が得られることが分かった。
実施例1と実施例7を比較すると、R1をNdからPrに変えても、同様に高い磁気特性を有していることが分かった。
作製した試料において、下地層であるTaが磁性膜中に不純物として拡散していないかどうかを調べるため、断面組成分析を行った。分析は先ず、収束イオンビーム装置を用いて試料の加工を行い、走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いて観察した。さらに、エネルギー分散X線分光法(EDS)による元素分析を行った。EDSのスポット径は1nm〜2nmであり、Ta下地層の厚み方向中心を測定点1とし、そこから磁性膜方向へ始めのみ50nm、次から100nmピッチで合計5点分析を行った。同様の測定を5箇所で行い結果は平均とした。試料は実施例3と比較例3を用い、結果を表3に示す。
実施例3の組成分析結果をみると、R1−Fe−B系結晶層とCe−Fe−B系結晶層の積層構造を有しているおり、さらに450℃の成膜温度においてTa下地層の拡散も防止できていることが分かった。一方、比較例3は、R1−Fe−B系結晶の単層であるが、600℃の成膜温度においてTa下地層の拡散が生じていることが分かった。予想される値より磁気特性も低く、Ta下地層拡散の影響が出ていると考えられる。
比較例4は、R1−Fe−B系結晶の単層を450℃の成膜温度において作製したものであるが、磁気特性が極端に低く、十分に結晶化ができていないと考えられる。
Claims (11)
- R−T−B系の構造を有し、R1−T−B系結晶層(ただし、R1はCeを含まない希土類元素の少なくとも1種であり、TはFe又はFe及びCoを必須とする1種以上の遷移金属元素)とCe−T−B系結晶層が積層していることを特徴とするR−T−B系永久磁石。
- R1のCeに対する原子組成比R1/Ceが、0.1以上且つ10以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載のR−T−B系永久磁石。
- R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の各々の厚みが0.6nm以上且つ300nm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のR−T−B系永久磁石。
- R−T−B系の構造を有し、R1−T−B系結晶層(ただし、R1はCeを含まない希土類元素の少なくとも1種であり、TはFe又はFe及びCoを必須とする1種以上の遷移金属元素)とCe−T−B系結晶層が積層していることを特徴とするR−T−B系薄膜永久磁石。
- R1のCeに対する原子組成比R1/Ceが、0.1以上且つ10以下の範囲内にあることを特徴とする請求項4記載のR−T−B系薄膜永久磁石。
- R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の各々の厚みが0.6nm以上且つ300nm以下であることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のR−T−B系薄膜永久磁石。
- R−T−B系の構造を有し、R1−T−B系結晶層(ただし、R1はCeを含まない希土類元素の少なくとも1種であり、TはFe又はFe及びCoを必須とする1種以上の遷移金属元素)とCe−T−B系結晶層が積層していることを特徴とするR−T−B系永久磁石粉末。
- R1のCeに対する原子組成比R1/Ceが、0.1以上且つ10以下の範囲内にあることを特徴とする請求項7記載のR−T−B系永久磁石粉末。
- R1−T−B系結晶層とCe−T−B系結晶層の各々の厚みが0.6nm以上且つ300nm以下であることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載のR−T−B系永久磁石粉末。
- 請求項7〜請求項9のいずれかに記載の永久磁石粉末を用いたボンド磁石。
- 請求項7〜請求項9のいずれかに記載の永久磁石粉末を用いた焼結磁石。
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