JP6085301B2 - 窒化鉄永久磁石および窒化鉄永久磁石の形成技術 - Google Patents

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Description

本開示は、永久磁石および永久磁石形成技術に関する。
永久磁石は、例えば代替エネルギーシステムを含めた多くの電気機械システムに関与する。例えば永久磁石は、乗り物、風力タービン、および他の代替エネルギーの仕組みに用いることができる電動機または発電機に使用される。現在使用されている多くの永久磁石はネオジムなどの希土類元素を含む。これらの希土類元素は、比較的に供給不足であり、将来は価格上昇および/または物不足に直面する可能性がある。さらに、希土類元素を含む永久磁石のなかには生産コストが高いものもある。例えばNdFeB磁石の製造は、一般に材料の破砕のステップ、その材料の圧縮のステップ、および1000℃を超える温度での焼結のステップを含む。
全般的には本開示は、Fe162を含むバルク永久磁石と、Fe162を含むバルク永久磁石の形成技術とを対象とする。バルクFe162永久磁石は、希土類元素を含む永久磁石に代わるものを提供することができる。鉄および窒素は豊富にある元素であり、したがって比較的に安価かつ入手しやすい。さらに、薄膜Fe162永久磁石から集められた実験的証拠は、Fe162バルク永久磁石が、NdFeBのエネルギー積(約60メガガウス×エールステッド(MGOe))の約2倍である約134MGOeほどもの高いエネルギー積を含めた望ましい磁石特性を有することができることを示唆している。Fe162磁石のこの高いエネルギー積は、数ある用途の中でも電動機、発電機、および核磁気共鳴映像(MRI)用磁石における用途に対して高い効率を与える可能性がある。
幾つかの態様において本開示は、バルクFe162永久磁石の形成技術について述べる。一般にはこの技術は、少なくとも1個の体心立方晶(bcc)鉄結晶を含む鉄線または鉄板をその少なくとも1個のbcc鉄結晶の<001>結晶軸に実質上平行な方向に沿って歪ませるステップを含む。幾つかの例ではその少なくとも1本(枚)の鉄線または鉄板の<001>結晶軸は、その鉄線または鉄板の主軸に実質上平行に横たわる。次いでこの技術は、この鉄線または鉄板を窒素環境に曝してその鉄線または鉄板中に窒素を導入するステップを含む。さらにこの技術は、鉄原子および窒素原子の配列を整え、かつ鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe162相構成を形成させるためにその窒化された鉄線または鉄板を焼鈍するステップを含む。幾つかの例では実質上平行な<001>軸を有する複数本(枚)のFe162鉄線または鉄板を集めることもでき、その複数本(枚)のFe162鉄線または鉄板を合わせて加圧してFe162相構成を含む永久磁石を形成することができる。
幾つかの態様において本開示は、単結晶窒化鉄の鉄線または鉄板の形成技術について述べる。幾つかの例では、るつぼ技術、例えば本明細書中で述べる技術を用いて単結晶窒化鉄の鉄線または鉄板を形成することができる。このようなるつぼ技術に加えて、そのような単結晶鉄線または鉄板は、マイクロメルトゾーンフローティング法(micro melt zone floating)か、またはマイクロシェーパーから引き抜くかのいずれかによって形成することもできる。さらに、結晶集合組織を持つ(crystalline textured)(例えば、鉄線または鉄板の一定の方向に沿って所望の結晶配向を有する)窒化鉄の鉄線または鉄板を形成する技術についてもまた述べる。
一例では本開示は、少なくとも1個の結晶を含む鉄線または鉄板をその鉄の結晶の<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップと、その鉄線または鉄板を窒化して窒化された鉄線または鉄板を形成するステップと、その窒化された鉄線または鉄板を焼鈍してその窒化された鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe162相構成を形成させるステップとを含む方法を対象とする。
別の例において本開示は、少なくとも1個の体心立方晶(bcc)鉄結晶を含む鉄線または鉄板をそのbcc鉄結晶の<001>軸に実質上平行な方向に歪ませる手段と、その歪みのかかった鉄線または鉄板を加熱する手段と、その歪みのかかった鉄線または鉄板を原子状窒素前駆体に曝して窒化された鉄線または鉄板を形成する手段と、その窒化された鉄線または鉄板を焼鈍してその窒化された鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe162相構成を形成させる手段とを含むシステムを対象とする。
別の態様において本開示は、窒素原子を鉄中に拡散させて窒化された鉄線または鉄板または鉄バルクを形成するのに効果的な原子状窒素供給源として尿素を含む方法を対象とする。
別の態様において本開示は、Fe162相構成を含む線材を含む永久磁石を対象とする。
別の態様において本開示は、Fe162相構成を含む薄板を含む永久磁石を対象とする。
別の態様において本開示は、Fe162相構成を含む永久磁石を対象とする。本開示のこの態様によれば永久磁石は、少なくとも1つの寸法が少なくとも0.1mmの大きさである。
本開示の1つまたは複数の例の詳細を添付の図面および下記の詳細な説明で述べる。本開示の他の特徴、目的、および利点は、この詳細な説明および図面から、また特許請求の範囲から明らかになるはずである。
バルクFe162永久磁石の形成技術の例を示す工程系統図である。 鉄線または鉄板に歪みを与え、窒素に曝すことができる装置の例を示す概念図である。 図2に示したるつぼ加熱ステージの一例の更なる詳細を示す図である。 窒素原子が鉄原子間の格子間隙に埋め込まれている歪みのかかった状態の8個の鉄単位胞を示す概念図である。 複数本(枚)の鉄線または鉄板を合体して永久磁石にするための圧縮工程の例を示す概念図である。 鉄線または鉄板に歪みを与えることができる装置の別の例を示す概念図である。 尿素拡散により鉄線または鉄板を窒化するために使用することができる装置の例を示す略図である。 窒化鉄の状態図である。 本開示の態様を例示するために行った実験の具体例についての様々な結果のグラフである。 本開示の態様を例示するために行った実験の具体例についての様々な結果のグラフである。 本開示の態様を例示するために行った実験の具体例についての様々な結果のグラフである。 本開示の態様を例示するために行った実験の具体例についての様々な結果のグラフである。 一例としての窒化された鉄線または鉄板に集合組織を持たせるための高速ベルトキャスティング用装置の例を示す概念図である。
全般的には本開示は、Fe162相構成を含む永久磁石と、Fe162相構成を含む永久磁石の形成技術とを対象とする。具体的には本明細書中で述べる技術は、バルク相Fe162永久磁石を形成するために使用される。
Fe162永久磁石は、そのFe162永久磁石が異方性である場合、比較的高いエネルギー積、例えば約134MGOeほどもの高いエネルギー積を提供することができる。Fe162磁石が等方性の例ではエネルギー積は約33.5MGOeほどの高さであることができる。永久磁石のエネルギー積は、残留保磁力と残留磁気の積に比例する。因みにNd2Fe14B永久磁石のエネルギー積は約60MGOeほどの高さである。原動機、発電機などに使用した場合、エネルギー積が高いほど永久磁石の高効率をもたらすことができる。
図1は、バルクFe162永久磁石の形成技術の例を示す工程系統図である。図1の技術は、図2〜5と並行的に関連させて記述されることになる。図2は、鉄線または鉄板に歪みを与え、窒素に曝すことができる装置の概念図を示す。図3は、図2に示したるつぼ加熱ステージの一例の更なる詳細を示す。
図2の装置の例は、第一ローラー22、第二ローラー24、およびるつぼ加熱ステージ26を含む。第一ローラー22および第二ローラー24は、鉄線または鉄板28のそれぞれ第一端38および第二端40を受けるように構成される。鉄線または鉄板28は、第一端38と第二端40の間で主軸を画定する。図3で最もよく分かるように鉄線または鉄板28は、るつぼ加熱ステージ26によって画定される開口部30を通過する。るつぼ加熱ステージ26は、るつぼ加熱ステージ26によって画定される開口部30の少なくとも一部を取り囲む誘導子32を含む。
図1の技術の例は、鉄線または鉄板28中の少なくとも1個の鉄結晶の<001>軸に実質上平行(例えば、平行またはほぼ平行)な方向に沿ってその鉄線または鉄板28に歪みを与えるステップ(12)を含む。幾つかの例では鉄線または鉄板28は、体心立方晶(bcc)結晶構造を有する鉄から作られる。
幾つかの例では鉄線または鉄板28は、単一のbcc結晶構造から作られる。他の例では鉄線または鉄板28は、複数個のbcc結晶構造から作ることもできる。それらの例の幾つかでは複数個の鉄結晶は、個々の単位胞および/または結晶の<001>軸の少なくとも一部、例えば大部分または実質上全部が、鉄線または鉄板28に歪みを加える方向に実質上平行であるように配向される。例えば、鉄が鉄線または鉄板28として形成される場合、<001>軸の少なくとも一部は、図2および3に示すように鉄線または鉄板28の主軸に実質上平行であることができる。上記で注記したように幾つかの例では単結晶窒化鉄の線材または薄板は、るつぼ技術を使用して形成することができる。このようなるつぼ技術に加えて、単結晶の鉄線または鉄板を、マイクロメルトゾーンフローティング法か、またはマイクロシェーパーから引き抜くかのいずれかによって形成して鉄線または鉄板28を形成することもできる。
幾つかの例では鉄線または鉄板28は、結晶集合組織を持つ構造を有することができる。これら技術を使用して結晶集合組織を持つ(例えば、鉄線または鉄板の一定の方向に沿って所望の結晶配向を有する)鉄線または鉄板28を形成することができる。図13は、鉄線または鉄板の例、例えば鉄線または鉄板28に集合組織を持たせるための高速ベルトキャスティング用装置70の一例を示す概念図である。図示のように高速ベルトキャスティング装置70は、溶融鉄の鋳塊72を収容する鋳塊チャンバー76を含む。鋳塊は、例えば加熱コイルの形態の加熱源74によって加熱することができる。鋳塊72は、ノズルヘッド78を経てチャンバー76から流出して鉄ストリップ80を形成する。鉄ストリップ80は、反対方向に回転するピンチローラー82Aおよび82Bの表面間の間隙ゾーンに送り込まれる。幾つかの例ではローラー82Aおよび82Bの回転は、1分当たり約10から1000回転まで変えることができる。鉄ストリップは、ピンチローラー82Aおよび82B上で冷やされ、ピンチローラー82Aと82Bの間で加圧された後、集合組織を持つ鉄ストリップ84Aおよび84Bを形成する。幾つかの例では集合組織を持つ鉄ストリップ84Aおよび84Bは、例えば約1マイクロメートルから約1ミリメートルの間の厚さ(個々にまたは多枚数の鉄ストリップの圧縮後のいずれかで)を有する集合組織を持つ鉄リボンを形成することができる。
歪みのかかっていない鉄bcc結晶格子では、結晶単位胞の<100>軸、<010>軸、および<001>軸は、ほぼ等しい長さを有することができる。しかしながら結晶単位胞に力、例えば張力を結晶軸の一つ、例えば<001>結晶軸に実質上平行な方向に加えた場合、その単位胞は変形することができ、その鉄結晶構造は体心正方晶(bct)と呼ぶことができる。例えば図4は、窒素原子が鉄原子間の格子間隙に埋め込まれている歪みのかかった状態の8個の鉄単位胞を示す概念図である。図4の例は、第一層42中に4個の鉄単位胞を、また第二層44中に4個の鉄単位胞を含む。第二層44は第一層42に被さり、第二層44中のそれら単位胞は、第一層42中の単位胞と実質上一列に整列する(例えば、それら単位胞の<001>結晶軸は層間で実質上一列に整列する)。図4に示すように鉄単位胞は、<001>軸に沿った単位胞の長さが約3.14オングストローム(Å)になり、一方<010>軸および<100>軸に沿った単位胞の長さが約2.86Åになるように変形される。歪みのかかった状態にある場合、この鉄単位胞をbct単位胞と呼ぶことがある。鉄単位胞が歪みのかかった状態にある場合、その<001>軸を単位胞のc−軸と呼ぶことがある。
歪みは、歪みを生じさせる様々な装置を使用して鉄線または鉄板28に与えることができる。例えば、図2に示すように鉄線または鉄板28の第一端38および第二端40を、それぞれ第一ローラー22および第二ローラー24に受け取らせる(例えば、巻き付ける)ことができ、そのローラー22、24を反対方向(図2中で矢印34および35によって表される)に回転させて鉄線または鉄板28に張力を与えることができる。
他の例では鉄線または鉄板28の両端をメカニカルグリップ、例えばクランプ中に把持することができ、そのメカニカルグリップを互いに離れるように移動させてその鉄線または鉄板28に張力を与えることができる。図6は、本明細書中で述べるように鉄線または鉄板28に歪みを与えることができる装置の別の例を示す概念図である。図示のように装置54はクランプ56および58を含み、それらはねじ60a〜dを締め付けることによって鉄線または鉄板28の両端を固定することができる。鉄線または鉄板が装置19中にいったん固定されたら、ボルト62にボルト62のねじ体の回転を開始させてクランプ56と58の間の距離を増し、鉄線または鉄板28に張力を与えることができる。ボルト62の回転によって生ずる伸びまたは応力の値は、例えば歪みゲージなどの任意の適切な計測器によって測定することができる。幾つかの例では、鉄線または鉄板28が装置54によって引き伸ばされる間および/または後にその鉄線または鉄板28を加熱することができるように装置54を炉(例えば管状炉)または他の加熱環境中に置くことができる。
歪みを生じさせる装置は、一定の伸びまで鉄線または鉄板28に歪みを与えることができる。例えば、鉄線または鉄板28上の歪みは、約0.3%から約7%の間であることができる。他の例では鉄線または鉄板28上の歪みは、約0.3%未満または約7%を超えることもできる。幾つかの例では、鉄線または鉄板28に一定の歪みを与えることによりその鉄の個々の単位胞上にもほぼ似た歪みを生じさせ、その結果、単位胞が<001>軸に沿って約0.3%から約7%の間まで伸ばされるようにすることができる。
鉄線または鉄板28は、任意の適切な直径および/または厚さを有することができる。幾つかの例では適切な直径および/または厚さは、マイクロメートル(μm)またはミリメートル(mm)程度であることができる。例えば鉄線は、約10μm(0.01mm)を超える直径を有することができる。幾つかの例では鉄線は、約0.01mmから約1mmの間、例えば約0.1mmの直径を有する。同様に鉄板は、任意の適切な厚さおよび/または幅を有することができる。幾つかの例では鉄板は約0.01mmを超える、例えば約0.01mmから約1mmの間の厚さ、または約0.1mmの厚さを有することができる。幾つかの実施例では鉄板の幅は、その鉄板の厚さを超えることができる。
鉄線の直径または鉄板の断面積(鉄板が引き伸ばされ/歪みを与えられる方向に実質上直角な平面内の)は、所定の歪みを生じさせるために鉄線または鉄板28に加えなければならない力の量に影響を与える可能性がある。例えば、約0.1mmの直径を有する鉄線に約144Nの力を加えることにより約7%の歪みを生じさせることができる。別の例として、約0.2mmの直径を有する鉄線に約576Nの力を加えることにより約7%の歪みを生じさせることができる。別の例として、約0.3mmの直径を有する鉄線に約1296Nの力を加えることにより約7%の歪みを生じさせることができる。別の例として、約0.4mmの直径を有する鉄線に約2304Nの力を加えることにより約7%の歪みを生じさせることができる。別の例として、約0.5mmの直径を有する鉄線に約3600Nの力を加えることにより約7%の歪みを生じさせることができる。
幾つかの例では鉄線または鉄板28は、Fe162相構成が形成された後のそのFe162相構成を安定化させるのに役立つドーパント元素を含むことができる。例えば相安定化ドーパント元素にはコバルト(Co)、チタン(Ti)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)などを挙げることができる。
歪みを生じさせる装置が鉄線または鉄板28に歪みを与えるにつれて、かつ/または歪みを生じさせる装置が鉄線または鉄板28にほぼ一定の歪みを与えた後に、鉄線または鉄板2を窒化することができる(14)。幾つかの例では窒化工程の間に加熱装置を使用して鉄線または鉄板28を加熱することができる。鉄線または鉄板28を加熱するために使用することができる加熱装置の一例は、図2および3に示したるつぼ加熱ステージ26である。
るつぼ加熱ステージ26は、鉄線または鉄板28が通過する(例えば鉄線または鉄板28の一部が配列される)開口部30を画定する。幾つかの例では鉄線または鉄板28の加熱の間、るつぼ加熱ステージ26のどの部分も鉄線または鉄板28と接触しない。幾つかの実施例では、これは望ましくない元素または化学種が鉄線または鉄板28と接触し、その中に拡散するリスクを減らすので有利である。望ましくない元素または化学種は鉄線または鉄板28の特性に影響を及ぼす恐れがあり、したがって鉄線または鉄板28と他の材料の間の接触を減少または限定することが望ましいことがある。
るつぼ加熱ステージ26はまた、るつぼ加熱ステージ26によって画定される開口部の少なくとも一部を取り囲む誘導子32を含む。誘導子32は、電流が通過することができる導電性材料、例えばアルミニウム、銀、または銅を含む。この電流は交流電流(AC)であることができ、これは鉄線または鉄板28中に渦電流を引き起こし、鉄線または鉄板28を加熱することができる。他の例では、るつぼ加熱ステージ26を使用して鉄線または鉄板28を加熱する代わりに他の非接触加熱源を使用することもできる。例えば、赤外線加熱ランプなどの輻射熱源を使用して鉄線または鉄板28を加熱することもできる。別の例ではプラズマアークランプを使用して鉄線または鉄板28を加熱することもできる。
窒化工程中に鉄線または鉄板28を加熱するために使用される加熱装置に関係なく、その加熱装置は、鉄線または鉄板28の厚さまたは直径のほぼ全体にわたって所定の濃度まで窒素の拡散を可能にするのに十分な時間、或る一定の温度でその鉄線または鉄板28を加熱することができる。このようにその加熱時間と温度は関係しており、また鉄線または鉄板28の組成および/または幾何形状によって影響を受ける場合もある。例えば、鉄線または鉄板28は、約125℃から約600℃の間の温度で、約2時間から約9時間加熱することができる。幾つかの例では鉄線または鉄板28を、約500℃から約600℃の間の温度で、約2時間から約4時間加熱することができる。
幾つかの例では鉄線または鉄板28は、約0.1mmの直径を有する鉄線を含む。これらの例の幾つかでは鉄線または鉄板28を、約125℃の温度で約8.85時間、または約600℃の温度で約2.4時間加熱することができる。一般に、所与の温度ではその窒化工程時間は、鉄線または鉄板28の特性寸法、例えば鉄線の直径または鉄板の厚さの二乗に逆比例する。
鉄線または鉄板28を加熱するステップに加えて、鉄線または鉄板28の窒化(14)は、その鉄線または鉄板28を、鉄線または鉄板28中に拡散する原子状窒素物質に曝すステップを含む。幾つかの例では原子状窒素物質を二原子窒素(N2)として供給することができ、次いでそれは分離(分解)して個々の窒素原子になる。他の例では原子状窒素を、アンモニア(NH3)などの別の原子状窒素前駆体から得ることもできる。他の例では原子状窒素を尿素(CO(NH22)から得ることができる。
窒素は、気相単独(例えば、実質的に純粋なアンモニアまたは二原子窒素ガス)で供給することも、キャリヤーガスとの混合物として供給することもできる。幾つかの例ではキャリヤーガスはアルゴン(Ar)である。このガスまたはガス混合物は、任意の適切な圧力、例えば約0.001トル(約0.133パスカル(Pa))から約10トル(約1333Pa)の間、例えば約0.01トル(約1.33Pa)から約0.1トル(約13.33Pa)の間の圧力で供給することができる。幾つかの例では、窒素をキャリヤーガスとの混合物の一部として送り出す場合、窒素または窒素前駆体(例えばNH3)の分圧は約0.02トルから約0.1トルの間であることができる。
窒素前駆体(例えば、N2またはNH3)を様々な技術を用いて分解して原子状窒素物質を形成することができる。例えば、輻射を用いて窒素前駆体を加熱して原子状窒素物質を形成する、かつ/または窒素前駆体と鉄線または鉄板28との間の反応を促進させることができる。別の例として、プラズマアークランプを用いて窒素前駆体を分解して原子状窒素物質を形成する、かつ/または窒素前駆体と鉄線または鉄板28との間の反応を促進させることができる。
幾つかの例では鉄線または鉄板28は、尿素拡散法により窒化することができる(14)。この場合、尿素が窒素源(例えば、二原子窒素またはアンモニアではなく)として利用される。尿素(カルバミドとも呼ばれる)は時には窒素放出肥料として使用されることもある化学式CO(NH22を有する有機化合物である。鉄線または鉄板28を窒化する(14)には、尿素を鉄線または鉄板28と一緒に、例えば炉内で加熱して、鉄線または鉄板28中に拡散することができる分解窒素原子を発生させる。下記でさらに述べることにするが、得られる窒化された鉄材料の構成は、拡散工程の温度、および鉄とその工程に使用された尿素の比(例えば重量比)によってある程度は制御することができる。他の例では鉄線または鉄板28は、半導体工程でドーピング剤を導入するために使用される方法に似た注入法によって窒化することもできる。
図7は、尿素拡散法により鉄線または鉄板28を窒化するために使用することができる装置の例64を示す略図である。そのような尿素拡散法は、例えば単結晶鉄、複数の結晶構造、または集合組織を持つ構造を有する場合に鉄線または鉄板28の窒化に使用することができる。さらに、線材、薄板、またはバルクなどの様々な形状を有する鉄材料にもまた、このような方法を使用して拡散することができる。線材料の場合、線径は、数マイクロメートルから数ミリメートルまで変えることができる。板材料の場合、板厚は、例えば数ナノメートルから数ミリメートルであることができる。バルク材の場合、材料の重量は、例えば約1ミリグラムから数キログラムであることができる。
図示のように装置64は、真空炉68の内部にるつぼ66を含む。鉄線または鉄板28は、窒素供給源の尿素72と共にるつぼ66内に置かれる。図7に示すようにArおよび水素を含むキャリヤーガスが、尿素拡散工程の間ずっとるつぼ66中に供給される。他の例では別のキャリヤーガス、またはキャリヤーガスなしですら使用することができる。幾つかの例では尿素拡散工程の間の真空炉68内のガス流量は、約5標準状態立方センチメートル毎分(standard cubic centimeters per minute)(sccm)から約50sccmの間、例えば20標準状態立方センチメートル毎分(sccm)から約50sccmの間、または5標準状態立方センチメートル毎分(sccm)から約20sccmの間などであることができる。
加熱コイル70は、任意の適切な技術、例えば渦電流、誘導電流、高周波などを使用して尿素拡散工程の間に鉄線または鉄板28と尿素72を加熱することができる。るつぼ66は、尿素拡散工程中に使用される温度に耐えるように構成することができる。幾つかの例では、るつぼ66は約1600℃までの温度に耐えることができる。
尿素72を鉄線または鉄板28と共に加熱して、窒化鉄材料を形成するために鉄線または鉄板28中に拡散することができる窒素を発生させることができる。幾つかの例では鉄線または鉄板28と尿素72を、るつぼ66内で約650℃以上まで加熱し、続いて冷却して鉄と窒素の混合物を焼入れし、鉄線または鉄板28の厚さまたは直径のほぼ全域にわたってFe162相構成を有する窒化鉄材料を形成することができる。幾つかの例では尿素72と鉄線または鉄板28を、るつぼ66内で約5分から約1時間、約650℃以上に加熱することができる。幾つかの例では尿素72と鉄線または鉄板28を、数分から約1時間、約1000℃から約1500℃の間で加熱することができる。加熱時間は、尿素72および鉄線または鉄板28を加熱する温度によって決まる。例えば、その鉄線または鉄板28が約1マイクロメートルの厚さの場合、拡散工程は約1200℃では約5分、1100℃では約12分などで終えることができる。
加熱された材料を焼入れ工程の間に冷却するには、内容物を急速に冷却するために、るつぼの外側に冷水を循環させることができる。幾つかの例では温度を、約20秒で650℃から室温まで下げることができる。
下記で述べるように幾つかの例では、鉄と窒素の混合物を焼鈍して鉄線または鉄板28の厚さまたは直径のほぼ全域にわたってFe162相構成を有する窒化鉄材料を形成するには、尿素72と鉄線または鉄板28の温度は、例えば約200℃から約150℃の間であることができる。尿素72と鉄線または鉄板28は、この焼鈍温度において、例えば約1時間から約40時間の間であることができる。例えばその鉄材料が単結晶の鉄線および鉄板であるか、またはマイクロメートルレベルの厚さを有する集合組織を持つ鉄線および鉄板である場合、このような焼鈍工程を他の窒素拡散技術に加えて、またはその代替手段として使用することができる。焼鈍および焼入れのステップのそれぞれにおいて窒素は、炉68内で窒素ガスまたはArプラス水素キャリヤーガスを含むガス混合物から鉄線または鉄板28中に拡散させることができる。幾つかの例ではガス混合物は、Ar約86%+H24%+N210%の組成を有することができる。他の例ではガス混合物は、N210%+Ar90%、またはN2100%、またはAr100%の組成を有することができる。
下記でさらに述べることにするが尿素拡散法により形成される窒化鉄材料の構成は、使用される尿素対鉄の重量比によって決まる。したがって幾つかの例では、尿素対鉄の重量比を選択してFe162相構成を有する窒化鉄材料を形成することができる。しかしながらそのような尿素拡散工程は、Fe162相構成を有するもの以外の窒化鉄材料、例えばFe2N、Fe3N、Fe4N、Fe8Nなどを形成するためにも使用することができる。さらに尿素拡散工程は、鉄以外の材料中に窒素を拡散させるためにも使用することができる。例えばこのような尿素拡散工程は、インジウム、FeCo、FePt、CoPt、コバルト、Zn、Mnなどの中に窒素を拡散させるために使用することができる。
鉄線または鉄板28を窒化する(14)ために使用される技術には関係なく、窒素は約8原子百分率(at.%)〜約14at.%、例えば約11at.%の濃度まで鉄線または鉄板28中に拡散することができる。鉄中のこの窒素濃度は平均濃度であることができ、また鉄線または鉄板28の体積全体にわたって変えることもできる。幾つかの例では窒化された鉄線または鉄板28(鉄線または鉄板28を窒化(14)した後の)の少なくとも一部分のその得られる相構成はα’相Fe8Nであることができる。Fe8N相構成は、化学的規則性を持つFe162相の化学的不規則性を持つ対等物である。またFe8N相構成はbct結晶細胞を有し、比較的高い結晶磁気異方性を導入することができる。
幾つかの例では、窒化された鉄線または鉄板28はα”相Fe162であることができる。図8は、鉄−窒素の状態図である。図8に示すように、約11at.%Nの原子百分率においてはα”相Fe168は、Fe−N混合物を約650℃を超える温度で適切な時間焼入れすることによって形成することができる。さらに、約11at.%Nの原子百分率においてはα”相Fe168は、Fe−N混合物を約200℃未満の温度で適切な時間焼鈍することによっても形成することができる。
幾つかの例では、鉄線または鉄板28を窒化した(14)後に、鉄線または鉄板28を或る一定温度で或る一定時間焼鈍して鉄格子内の適切な間隙中への窒素原子の拡散を容易にし、Fe162相を形成することもできる(16)。図4は、窒素原子が位置付けられている鉄結晶格子の適切な間隙の例を示す。幾つかの例では、窒化された鉄線または鉄板28を、約100℃から約300℃の間の温度で焼鈍することができる。他の例では、焼鈍温度は、約126.85℃(約400ケルビン)であることができる。窒化された鉄線または鉄板28は、るつぼ加熱ステージ26、プラズマアークランプ、輻射熱源(例えば赤外線加熱ランプ)、オーブン、または密閉されたレトルトを使用して焼鈍することができる。
焼鈍工程は、適切な間隙への窒素原子の拡散を可能にするのに十分な所定の時間のあいだ続けることができる。幾つかの例では焼鈍工程は、約20時間から約100時間、例えば約40時間から約60時間続く。幾つかの例では焼鈍工程は、鉄の酸化を減らすまたは実質上防止するためにArなどの不活性雰囲気中で行うことができる。幾つかの実施例では、鉄線または鉄板28が焼鈍される(16)間、その温度はほぼ一定に保たれる。
焼鈍工程が完了した後、鉄線または鉄板28はFe162相構成を含むことができる。幾つかの実施例では、鉄線または鉄板28の少なくとも一部分は、実質上Fe162相構成からなる。本明細書中で使用される「から実質上なる」とは、その鉄線または鉄板28が、Fe162と、そのFe162相の基本的かつ新規な特性に著しい影響を与えない他の材料とを含むことを意味する。他の例では鉄線または鉄板28は、Fe162相構成と、例えば鉄線または鉄板28の別の部分にFe8N相構成とを含むことができる。その線材および薄板中の、またこの後者の加圧された集成材中のFe8N相構成およびFe162相構成は、量子力学の実用的原則により磁気的に交換結合することができる。これは、いわゆる交換スプリング磁石を形成することができ、それはFe8Nのごく一部だけでさえ磁気エネルギー積を増すことができる。
幾つかの例では、下記でさらに詳細に述べるように鉄線または鉄板28は、磁区壁ピン止めサイトとして働くドーパント元素または欠陥を含むことができ、これらは鉄線または鉄板28の保磁力を高めることができる。本明細書中で使用される実質上Fe162相構成からなる鉄線または鉄板28は、磁壁ピン止めサイトとして働くドーパント元素または欠陥を含むことができる。他の例では、下記でさらに詳細に述べるように鉄線または鉄板28は、結晶粒界として働く非磁性ドーパント元素を含むことができ、それらは鉄線または鉄板の保磁力を高めることができる。本明細書中で使用されるFe162相構成からなる鉄線または鉄板28は、結晶粒界として働く非磁性元素を含むことができる。
焼鈍工程が完了した後、鉄線または鉄板28は、酸化を減らすまたは防止するためにアルゴンなどの不活性雰囲気中で冷却することができる。
幾つかの例では鉄線または鉄板28は、所望の用途にとって十分なサイズでない場合もある。このような例では複数本(枚)の鉄線または鉄板28を形成し(それぞれがFe162相構成を含むか、または実質上Fe162相構成からなる)、それら複数本(枚)の鉄線または鉄板28を合わせて加圧して、Fe162相構成を含むか、または実質上Fe162相構成からなるより大きな永久磁石を形成することができる(18)。
図5Aおよび5Bは、圧縮工程の例を示す概念図である。図5Aに示すように、複数本(枚)の鉄線または鉄板28は、それぞれの鉄線または鉄板28の<001>軸が実質上整列するように配置される。それぞれの鉄線または鉄板28の<001>軸がその鉄線または鉄板28の長軸に実質上平行な例では、鉄線または鉄板28を実質上整列させることは、1本(枚)の鉄線または鉄板28を、別の鉄線または鉄板28上に重ねることを含むことができる。それぞれの鉄線または鉄板28の<001>軸を整列させることにより、永久磁石52に一軸磁気異方性を与えることができる。
この複数本(枚)の鉄線または鉄板28を、例えば冷間圧縮または熱間圧縮を使用して圧縮することができる。幾つかの例では圧縮が行われる温度は、Fe162が約300℃を超えると分解し始めるので約300℃未満であることができる。圧縮は、その複数本(枚)の鉄線または鉄板28をつなぎ合わせて図5Bに示すような実質上一軸の永久磁石52にするのに十分な圧力および時間で行うことができる。
任意の本数(枚数)の鉄線または鉄板28を合わせて加圧して永久磁石52を形成することができる。幾つかの例では永久磁石52は、少なくとも一つの寸法が少なくとも0.1mmの大きさを有する。幾つかの例では永久磁石52は、少なくとも一つの寸法が少なくとも1mmの大きさを有する。幾つかの例では永久磁石52は、少なくとも一つの寸法が少なくとも1cmの大きさを有する。
幾つかの例では、望ましい高保磁力を与えるために鉄線または鉄板28および/または永久磁石52内の磁区の移動を制御することが望ましい場合がある。磁区の移動を制御することができる一つの方法は、鉄線または鉄板28および/または永久磁石52中へ磁区壁ピン止めサイトを導入することによるものである。幾つかの例では、磁区壁ピン止めサイトは、鉄結晶格子中に欠陥を導入することによって形成することができる。それら欠陥は、鉄結晶格子中にドーパント元素を注入することにより、または鉄結晶格子の機械的圧迫により導入することができる。幾つかの例では欠陥は、窒素の導入およびFe162相構成の形成の前に鉄結晶格子中に導入することができる。他の例では欠陥は、鉄線または鉄板28を焼鈍してFe162を形成(16)した後に導入することができる。磁区壁ピン止めサイトとして働く欠陥を鉄線または鉄板28中に導入することが可能な一例は、鉄結晶格子中へのホウ素(B)、銅(Cu)、炭素(C)、ケイ素(Si)などのイオンボンバードである。他の例では非磁性元素または化合物(例えば、Cu、Ti、Zr、Ta、SiO2、Al23など)からなる粉末を、Fe162相からなる鉄線および鉄板と一緒に加圧することもできる。数ナノメートル〜数百ナノメートルの範囲のサイズを有するこれらの非磁性粉末は、加圧工程後にFe162相の結晶粒界として機能する。これらの結晶粒界は、永久磁石の保磁力を高めることができる。
窒化鉄に関して述べたが、また本明細書中で述べる工程の例のうちの一つまたは複数をFeCo合金に応用して、単結晶または高度な集合組織を持つFeCo線材または薄板を形成することもできる。Fe格子中のFe原子の一部をCo原子で置き換えて結晶磁気異方性を高めることができる。さらに、本明細書中で述べた歪みを伴う拡散法の例のうちの一つまたは複数はまた、これらのFeCo線材または薄板に応用することができる。さらにまた、これら工程の例のうちの一つまたは複数を応用して、FeまたはFeCoの線材または薄板中に炭素(C)ホウ素(B)、およびリン(P)の原子を、あるいはFeまたはFeCoの線材または薄板中にN原子と共に部分的にC、P、Bを拡散させることもできる。したがってまた、本明細書中で述べた方法をFeCo合金に応用して単結晶または高度な集合組織を持つFeCo線材または薄板を形成することもできる。また、Fe格子中のFe原子の一部をCo原子で置き換えて、例えば結晶磁気異方性を高めることができる。さらにまた、本明細書中で述べた方法を応用して、FeまたはFeCoの線材または薄板中に炭素(C)ホウ素(B)、およびリン(P)の原子を、あるいはFeまたはFeCoの線材または薄板中にN原子と共に部分的にC、P、Bを拡散させることもできる。さらに、本明細書中で述べた工程に使用される鉄は、線材、薄板の形状、またはバルクの形態を取ることもできる。
本明細書中で述べた窒化鉄材料の実例の1または複数の態様を評価するために一連の実験を行った。具体的には実例としての様々な窒化鉄材料を尿素拡散により形成し、次いで評価した。尿素対バルク鉄の重量比への窒化鉄材料の構成の依存度を求めるためにその比を様々に変えた。図12に示すように、約0.5(すなわち1:2)、1.0、1.2、1.6、および2.0の尿素対バルク鉄の重量比を用いて5種類の異なる例を形成した。
参考のために、上述の尿素拡散工程の主な化学反応は、約1573℃を超える温度において、
Co(NH22→NH3+HNCO (1)
HNCO+H2O→2NH3+CO2 (2)
2NH3→2N+3H2 (3)
2N→N2 (4)
である。このような反応過程では窒素原子の場合、式(4)に示すように再結合して分子になるのが比較的容易である。したがって幾つかの例では、尿素拡散工程の間ずっと尿素をバルク鉄材料の隣りまたはすぐ近くに置くことによって窒素原子の再結合を減らすことができる。例えば幾つかの事例では、尿素はバルク鉄材料の表面と直接に接していることも、またバルク材料の約1センチメートル以内にあることもできる。
これら窒化鉄試料は、本明細書中で述べた尿素拡散法により調製された。尿素拡散法による窒化鉄試料の調製の後、オージェ電子分光法を用いてこれら実例としての鉄材料の表面の化学組成を決定した。図9は、これら例の一つに対するオージェ測定結果のグラフであり、材料中の窒素の存在を示している。
図12は、尿素対尿素拡散工程で使用したバルク鉄材料の重量比に対する最終窒化鉄材料の窒素濃度(at.%)の関係のグラフである。上記で判るように、この場合、尿素対バルク鉄材料については0.5(すなわち1:2)、1.0、1.2、1.6、および2.0の比が使用された。図12に示すように尿素対バルク鉄材料の異なる重量比は、尿素拡散後の窒化鉄材料内に異なる窒素濃度を生じさせることができる。具体的には図12は、バルク鉄の量を基準にした使用される尿素の量が増加するにつれて、窒化鉄材料中の窒素の原子比が増加したことを示す。したがって、少なくとも幾つかの事例では尿素拡散により形成される窒化鉄材料の所望の窒素濃度は、その所望の窒素濃度に相当する出発材料中の尿素対鉄の重量比を使用することによって得ることができる。
図10は、窒化鉄材料の表面からの深さに対する、約2.0の尿素対鉄の重量比で始まる尿素拡散により形成される窒化鉄材料の濃度(at.%)の関係のグラフである。図10に示すように、窒化鉄材料の表面からその材料の表面下約1600オングストロームまでの窒素の濃度は約6at.%であった。さらに、酸素および炭素については少しの痕跡も存在せず、これは他のドーパント源が効果的に減少されていることを意味する。
図11は、窒化鉄材料の表面からの深さに対する、約1.0の尿素対鉄の重量比で始まる尿素拡散により形成される窒化鉄材料の濃度(at.%)の関係のグラフである。図11に示すように、窒化鉄材料の表面からその材料の表面下約800オングストロームまでの窒素の濃度は約6〜12at.%であった。幾つかの例では、例えばより大きな流れを引き起こすポンプシステムを使用するなどの真空システムの改良によってその濃度をさらに低減させることができる。また図示されているように酸素は約4at.%まで減少した。10at.%を超える炭素が存在するが、それは窒素の代替元素とみなすことができるので製造される永久磁石に著しい負の影響を与えない。
様々な例について述べてきた。これらおよび他の例は、下記の特許請求の範囲の範囲に入る。本発明の実施態様の一部を以下の項目[1]−[87]に記載する。
[1]
少なくとも1個の鉄結晶を含む鉄線または鉄板を前記鉄結晶の<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップ、
前記鉄線または鉄板を窒化して窒化された鉄線または鉄板を形成するステップ、および
前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して、前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe 16 2 相構成を形成させるステップ
を含む方法。
[2]
前記鉄線または鉄板が、単一鉄結晶構造または集合組織構造を含む、項目1に記載の方法。
[3]
前記鉄線または鉄板が複数個の鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記複数個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記複数個の鉄結晶のうちの少なくとも幾つかの前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップを含む、項目1に記載の方法。
[4]
前記鉄線または鉄板が前記鉄線を含み、かつ前記鉄線が主軸を画定し、かつ前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記鉄線を前記鉄線の前記主軸に実質上平行な方向に歪ませるステップを含む、項目1に記載の方法。
[5]
前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記鉄線または鉄板の第一端を第一の方向に引っ張り、かつ前記鉄線または鉄板の前記第二端を前記第一の方向と実質上反対の第二の方向に引っ張ることによって前記鉄線または鉄板に引張力を加えるステップを含む、項目1に記載の方法。
[6]
前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に約0.3%から約7%の間の歪みまで歪ませるステップを含む、項目1に記載の方法。
[7]
前記鉄線または鉄板を窒化して前記窒化された鉄線または鉄板を形成するステップが、前記鉄線または鉄板を約125℃から約600℃の間の温度に加熱するステップを含む、項目1に記載の方法。
[8]
前記鉄線または鉄板を約125℃から約600℃の間の温度に加熱するステップが、前記鉄線または鉄板を約125℃の温度で約8.85時間加熱するステップを含む、項目7に記載の方法。
[9]
前記鉄線または鉄板を約125℃から約600℃の間の温度に加熱するステップが、前記鉄線または鉄板を約600℃の温度で約2.4時間加熱するステップを含む、項目7に記載の方法。
[10]
前記鉄線または鉄板を窒化して前記窒化された鉄線または鉄板を形成するステップが、前記鉄線または鉄板を原子状窒素物質に曝すステップを含む、項目1に記載の方法。
[11]
前記原子状窒素物質が、N 2 ガスまたはNH 3 ガスの中の少なくとも1種類を含む窒素前駆体から形成される、項目10に記載の方法。
[12]
前記窒素前駆体がキャリヤーガスと混合される、項目11に記載の方法。
[13]
前記窒素前駆体が、約0.02から約0.1の間の分圧まで前記キャリヤーガスと混合される、項目12に記載の方法。
[14]
前記鉄線または鉄板を前記原子状窒素物質に曝すステップが、前記鉄線または鉄板を約0.133Paから約1333Paの間の圧力で窒素前駆体に曝すステップを含む、項目10に記載の方法。
[15]
前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも前記一部分で前記Fe 16 2 相構成を形成させるステップが、前記窒化された鉄線または鉄板を約100℃から約300℃の間で加熱するステップを含む、項目1に記載の方法。
[16]
前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも前記一部分で前記Fe 16 2 相構成を形成させるステップが、前記窒化された鉄線または鉄板を約100℃から約300℃の間で約20時間から約100時間加熱するステップを含む、項目1に記載の方法。
[17]
前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも前記一部分で前記Fe 16 2 相構成を形成させるステップが、前記窒化された鉄線または鉄板を不活性雰囲気下で焼鈍するステップを含む、項目1に記載の方法。
[18]
Fe 16 2 相構成を含む複数本(枚)の鉄線または鉄板を圧縮してFe 16 2 相構成を含む永久磁石を形成するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
[19]
前記Fe 16 2 相構成を含む前記複数本(枚)の窒化された鉄線または鉄板を圧縮して前記Fe 16 2 相構成を含む前記永久磁石を形成するステップが、前記Fe 16 2 相構成を含む前記多数本(枚)の窒化された鉄線または鉄板を冷間圧縮して前記Fe 16 2 相構成を含む前記永久磁石を形成するステップを含む、項目18に記載の方法。
[20]
前記Fe 16 2 相構成を含む前記複数本(枚)の窒化された鉄線または鉄板を圧縮して前記Fe 16 2 相構成を含む前記永久磁石を形成するステップが、前記Fe 16 2 相構成を含む第一の窒化された鉄線または鉄板の<001>結晶軸を、前記Fe 16 2 相構成を含む第二の窒化された鉄線または鉄板の<001>結晶軸と、前記第一の窒化された鉄線または鉄板および前記第二の鉄線または鉄板の圧縮に先立って実質上一列に整列させるステップを含む、項目18に記載の方法。
[21]
前記Fe 16 2 相構成を含む前記複数本(枚)の鉄線または鉄板を圧縮して前記Fe 16 2 相構成を含む前記永久磁石を形成するステップが、前記Fe 16 2 相構成を含む前記複数本(枚)の鉄線または鉄板を圧縮して、前記Fe 16 2 相構成を含み、かつ少なくとも0.1mmの少なくとも1つの寸法が大きさを画定する前記永久磁石を形成するステップを含む、項目18に記載の方法。
[22]
前記Fe 16 2 相構成を含む前記複数本(枚)の鉄線または鉄板を圧縮して前記Fe 16 2 相構成を含む前記永久磁石を形成するステップが、前記Fe 16 2 相構成を含む前記複数本(枚)の鉄線または鉄板を圧縮して、前記Fe 16 2 相構成を含み、かつ少なくとも1mmの少なくとも1つの寸法が大きさを画定する前記永久磁石を形成するステップを含む、項目18に記載の方法。
[23]
前記鉄線または鉄板を窒化して前記窒化された鉄線または鉄板を形成するステップが、前記鉄線または鉄板を原子状窒素物質に曝すステップを含み、前記原子状窒素物質が尿素から形成される、項目1に記載の方法。
[24]
前記Fe 16 2 相構成を含む前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
[25]
前記Fe 16 2 相構成を含む前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップが、前記Fe 16 2 相構成を含む前記窒化された鉄線または鉄板をドーパント元素でイオンボンバード処理するステップを含む、項目24に記載の方法。
[26]
前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップの前に、前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
[27]
前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップが、前記窒化された鉄線または鉄板をドーパント元素でイオンボンバード処理するステップを含む、項目26に記載の方法。
[28]
Co、Ti、Cu、またはZnのうちの少なくとも1種類を含む相安定化ドーパント元素を前記鉄線または鉄板中に導入するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
[29]
少なくとも1個の体心立方晶(bcc)鉄結晶を含む鉄線または鉄板に前記bcc鉄結晶の<001>軸に実質上平行な方向に歪みを与えるように構成された歪みを生じさせる装置、
前記歪みのかかった鉄線または鉄板を加熱するように構成された第一加熱装置、
前記歪みのかかった鉄線または鉄板を原子状窒素物質に曝して窒化された鉄線または鉄板を形成するように構成された前記原子状窒素物質の供給源、および
前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe 16 2 相構成を形成させるのに十分な温度まで前記窒化された鉄線または鉄板を加熱するように構成された第二加熱装置
を含むシステム。
[30]
Fe 16 2 相構成を含む複数本(枚)の窒化された鉄線または鉄板を圧縮してFe 16 2 相構成を含む実質上単一の永久磁石を形成させるように構成されたプレスをさらに含む、項目29に記載のシステム。
[31]
前記プレスが、前記Fe 16 2 相構成を含む複数本(枚)の窒化された鉄線または鉄板を圧縮して、前記Fe 16 2 相構成を含み、かつ少なくとも0.1mmの少なくとも1つの寸法が大きさを画定する実質上単一の永久磁石を形成させるように構成される、項目30に記載のシステム。
[32]
前記プレスが、前記Fe 16 2 相構成を含む複数本(枚)の窒化された鉄線または鉄板を圧縮して、前記Fe 16 2 相構成を含み、かつ少なくとも1mmの少なくとも1つの寸法が大きさを画定する実質上単一の永久磁石を形成させるように構成される、項目30に記載のシステム。
[33]
前記原子状窒素物質の前記供給源が尿素を含む、項目29に記載のシステム。
[34]
前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するための手段をさらに含む、項目29に記載のシステム。
[35]
前記歪みを生じさせる装置が、前記鉄線または鉄板の第一端を受けるように構成された第一ローラーと、前記鉄線または鉄板の第二端を受けるように構成された第二ローラーとを含み、かつ前記第二端が前記第一端の実質上反対の位置にあり、かつ前記第一ローラーおよび前記第二ローラーが、回転して前記鉄線または鉄板の前記第一端と前記鉄線または鉄板の前記第二端の間に引張力を加えるように構成される、項目29に記載のシステム。
[36]
前記第一ローラーおよび前記第二ローラーが、回転して前記鉄線または鉄板に約0.3%から約7.0%の間で歪ませるように構成される、項目35に記載のシステム。
[37]
前記第一加熱装置が、るつぼ加熱ステージを含む、項目29に記載のシステム。
[38]
前記第一加熱装置が、輻射熱源を含む、項目29に記載のシステム。
[39]
前記第一加熱装置が、プラズマアークランプを含む、項目29に記載のシステム。
[40]
前記第二加熱装置が、加熱用るつぼを含む、項目29に記載のシステム。
[41]
前記第二加熱装置が、輻射熱源を含む、項目29に記載のシステム。
[42]
前記第二加熱装置が、プラズマアークランプを含む、項目29に記載のシステム。
[43]
前記第二加熱装置が、オーブンを含む、項目29に記載のシステム。
[44]
前記第二加熱装置が、密閉されたレトルトを含む、項目29に記載のシステム。
[45]
Fe 16 2 相構成を含む線材を含む永久磁石。
[46]
前記線材が、少なくとも約0.01ミリメートルの直径を有する、項目45に記載の永久磁石。
[47]
前記線材が、約0.1ミリメートルの直径を有する、項目45に記載の永久磁石。
[48]
前記線材が、約30MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目45に記載の永久磁石。
[49]
前記線材が、約60MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目45に記載の永久磁石。
[50]
前記線材が、約65MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目49に記載の永久磁石。
[51]
前記線材が、約100MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目50に記載の永久磁石。
[52]
前記線材が、約60MGOeから約135MGOeの間のエネルギー積を有する、項目49に記載の永久磁石。
[53]
前記線材が、前記線材の第一端から前記線材の第二端まで延びる主軸を画定し、かつ前記線材が、少なくとも1個の体心正方晶(bct)窒化鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個のbct窒化鉄結晶の<001>軸が、前記線材の前記主軸に実質上平行である、項目45に記載の永久磁石。
[54]
少なくとも1個の磁区壁ピン止めサイトをさらに含む、項目45に記載の永久磁石。
[55]
Ti、Co、Ta、Ni、Mn、Zr、Mo、Nb、Nd、Ga、Ge、C、B、Si、P、Cr、Cu、またはZnのうちの少なくとも1種類を含む相安定化ドーパント元素をさらに含む、項目45に記載の永久磁石。
[56]
前記線材が、Fe 8 N相構成をさらに含む、項目45に記載の永久磁石。
[57]
前記線材が、実質上Fe 16 2 相構成からなる、項目45に記載の永久磁石。
[58]
Fe 16 2 相構成を含む薄板を含む永久磁石。
[59]
前記薄板が、少なくとも約0.01ミリメートルの厚さを有する、項目58に記載の永久磁石。
[60]
前記薄板が、約0.1ミリメートルの厚さを有する、項目58に記載の永久磁石。
[61]
前記薄板が、約30MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目58に記載の永久磁石。
[62]
前記薄板が、約60MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目61に記載の永久磁石。
[63]
前記薄板が、約65MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目62に記載の永久磁石。
[64]
前記薄板が、約100MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目63に記載の永久磁石。
[65]
前記薄板が、約60MGOeから約135MGOeの間のエネルギー積を有する、項目62に記載の永久磁石。
[66]
前記薄板が、前記薄板の第一端から前記薄板の第二端まで延びる主軸を画定し、かつ前記薄板が、少なくとも1個の体心正方晶(bct)窒化鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個のbct窒化鉄結晶の<001>軸が、前記薄板の前記主軸に実質上平行である、項目58に記載の永久磁石。
[67]
少なくとも1個の磁区壁ピン止めサイトをさらに含む、項目58に記載の永久磁石。
[68]
Ti、Co、Ta、Ni、Mn、Zr、Mo、Nb、Nd、Ga、Ge、C、B、Si、P、Cr、Cu、またはZnのうちの少なくとも1種類を含む相安定化ドーパント元素をさらに含む、項目58に記載の永久磁石。
[69]
前記薄板が、Fe 8 N相構成をさらに含む、項目58に記載の永久磁石。
[70]
前記薄板が、実質上Fe 16 2 相構成からなる、項目58に記載の永久磁石。
[71]
Fe 16 2 相構成を含む永久磁石であって、前記永久磁石は少なくとも1つの寸法が少なくとも0.1mmの大きさである、永久磁石。
[72]
前記永久磁石は、少なくとも1つの寸法が少なくとも1mmの大きさである、項目71に記載の永久磁石。
[73]
前記永久磁石は、少なくとも1つの寸法が少なくとも1cmの大きさである、項目71に記載の永久磁石。
[74]
前記永久磁石が、約30MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目71に記載の永久磁石。
[75]
前記永久磁石が、約60MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目74に記載の永久磁石。
[76]
前記永久磁石が、約65MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目75に記載の永久磁石。
[77]
前記永久磁石が、約100MGOeを超えるエネルギー積を有する、項目76に記載の永久磁石。
[78]
前記永久磁石が、約60MG×Oeから約135MG×Oeの間のエネルギー積を有する、項目75に記載の永久磁石。
[79]
少なくとも1個の磁区壁ピン止めサイトをさらに含む、項目71に記載の永久磁石。
[80]
Ti、Cu、またはZnのうちの少なくとも1種類を含む相安定化ドーパント元素をさらに含む、項目71に記載の永久磁石。
[81]
Fe 8 N相構成をさらに含む、項目71に記載の永久磁石。
[82]
前記永久磁石が、実質上Fe 16 2 相構成からなる、項目71に記載の永久磁石。
[83]
尿素拡散法により金属部材を窒化するステップを含む方法。
[84]
前記尿素拡散により金属部材を窒化するステップは、前記尿素の窒素原子を分解し、前記窒素原子がチャンバー内で前記金属部材中に拡散するように選択された温度まで前記チャンバー内で尿素と前記金属部材を一緒に加熱するステップを含む、項目83に記載の方法。
[85]
前記金属部材が鉄を含む、項目83に記載の方法。
[86]
前記金属部材が実質上鉄からなる、項目85に記載の方法。
[87]
前記尿素拡散工程後に前記金属部材が実質上前記Fe 16 2 相構成からなるように尿素対鉄の比が選択される、項目83に記載の方法。

Claims (41)

  1. 少なくとも1個の鉄結晶を含む鉄線または鉄板を前記鉄結晶の<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませて少なくとも1個の鉄結晶の単位胞構造を変形させかつ<001>結晶軸に沿って長さが増加した変形した体心正方晶単位胞構造を形成するステップであって、前記<001>結晶軸が鉄線または鉄板の主軸に実質的に平行な方向に延びているステップ、
    鉄線または鉄板に歪を加えながら、前記鉄線または鉄板を窒化して窒化された鉄線または鉄板を形成するステップ、および
    前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して、前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe162相構成を形成させるステップ
    を含む方法。
  2. 前記鉄線または鉄板が、単一鉄結晶構造または集合組織構造を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記鉄線または鉄板が複数個の鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記複数個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記複数個の鉄結晶のうちの少なくとも幾つかの前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記鉄線または鉄板が前記鉄線を含み、かつ前記鉄線が主軸を画定し、かつ前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記鉄線を前記鉄線の前記主軸に実質上平行な方向に歪ませるステップを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップが、前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に約0.3%から約7%の間の歪みまで歪ませるステップを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記鉄線または鉄板を窒化して前記窒化された鉄線または鉄板を形成するステップが、
    前記鉄線または鉄板を原子状窒素物質に曝すステップ、及び
    前記鉄線または鉄板を約125℃から約600℃の間の温度に加熱するステップ
    を含む、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記原子状窒素物質が、N2ガス、NH3ガスまたは尿素の中の少なくとも1種類を含む窒素前駆体から形成される、請求項6に記載の方法。
  8. 前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも前記一部分で前記Fe162相構成を形成させるステップが、前記窒化された鉄線または鉄板を不活性雰囲気下で約100℃から約300℃の間で加熱するステップを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記Fe162相構成を含む前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップをさらに含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記Fe162相構成を含む前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップが、前記Fe162相構成を含む前記窒化された鉄線または鉄板をドーパント元素でイオンボンバード処理するステップを含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記少なくとも1個の鉄結晶を含む前記鉄線または鉄板を前記鉄結晶の前記<001>結晶軸に実質上平行な方向に歪ませるステップの前に、前記窒化された鉄線または鉄板中に磁区壁ピン止めサイトを導入するステップをさらに含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  12. Ti、Co、Ta、Ni、Mn、Zr、Mo、Nb、Nd、Ga、Ge、C、B、Si、P、Cr、Cu、またはZnのうちの少なくとも1種類を含む相安定化ドーパント元素を前記鉄線または鉄板中に導入するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  13. 前記変形した単位胞構造が、歪のかかっていない鉄体心立方格子(bcc)単位胞と比較して約0.3〜約7%の<001>軸に沿って伸びた体心正方晶(bct)鉄結晶単位胞を規定する、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 少なくとも1個の体心立方晶(bcc)鉄結晶を含む鉄線または鉄板に前記bcc鉄結晶の<001>軸に実質上平行な方向に歪みを与えて少なくとも1個の鉄結晶の単位胞構造を変形させかつ<001>結晶軸に沿って長さが増加した変形した体心正方晶単位胞構造を形成するように構成された歪みを生じさせる装置であって、前記<001>結晶軸が鉄線または鉄板の主軸に実質的に平行な方向に延びている装置
    前記歪みを生じさせる装置が鉄線または鉄板に歪を加えている間に、前記歪みのかかった鉄線または鉄板を加熱するように構成された第一加熱装置、
    前記歪みを生じさせる装置が鉄線または鉄板に歪を加えながらかつ前記第一加熱装置が前記歪みのかかった鉄線または鉄板を加熱しながら、前記歪みのかかった鉄線または鉄板を原子状窒素物質に曝して窒化された鉄線または鉄板を形成するように構成された前記原子状窒素物質の供給源、および
    前記窒化された鉄線または鉄板を焼鈍して前記窒化された鉄線または鉄板の少なくとも一部分でFe162相構成を形成させるのに十分な温度まで前記窒化された鉄線または鉄板を加熱するように構成された第二加熱装置
    を含むシステム。
  15. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法を実行するための手段をさらに含む、請求項14記載のシステム。
  16. Fe162相構成を含むバルク永久磁石であって、Fe 16 2 相構成をすくなくとも一部に含む線材を含み、前記線材が、前記線材の第一端から前記線材の第二端まで延びる主軸を画定し、かつ前記線材が、少なくとも1個の体心正方晶(bct)窒化鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個のbct窒化鉄結晶の<001>軸が、前記線材の前記主軸に実質上平行であるバルク永久磁石。
  17. 前記線材が、少なくとも約0.01ミリメートルの直径を有する、請求項16に記載のバルク永久磁石。
  18. 前記線材が、少なくとも0.1ミリメートルの直径を有する、請求項16に記載のバルク永久磁石。
  19. Fe162相構成を含む薄板をさらに含む、請求項16に記載のバルク永久磁石。
  20. 前記薄板が、少なくとも約0.01ミリメートルの厚さを有する、請求項19に記載のバルク永久磁石。
  21. 前記薄板が、少なくとも約0.1ミリメートルの厚さを有する、請求項19に記載のバルク永久磁石。
  22. 前記薄板が、前記薄板の第一端から前記薄板の第二端まで延びる主軸を画定し、かつ前記薄板が、少なくとも1個の体心正方晶(bct)窒化鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個のbct窒化鉄結晶の<001>軸が、前記薄板の前記主軸に実質上平行である、請求項19〜21のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  23. 約30MGOeを超えるエネルギー積を有する、請求項16〜22のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  24. 約60MGOeを超えるエネルギー積を有する、請求項16〜22のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  25. 約65MGOeを超えるエネルギー積を有する、請求項16〜22のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  26. 約100MGOeを超えるエネルギー積を有する、請求項16〜22のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  27. 約60MGOeから約135MGOeの間のエネルギー積を有する、請求項16〜22のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  28. 少なくとも1個の磁区壁ピン止めサイトをさらに含む、請求項16〜27のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  29. Ti、Co、Ta、Ni、Mn、Zr、Mo、Nb、Nd、Ga、Ge、C、B、Si、P、Cr、Cu、またはZnのうちの少なくとも1種類を含む相安定化ドーパント元素をさらに含む、請求項16〜28のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  30. Fe8N相構成をさらに含む、請求項16〜29のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  31. Fe162相構成から本質的になる、請求項16〜27のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  32. 0.1mmよりも厚い、請求項16〜31のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  33. 1mmよりも厚い、請求項16〜31のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  34. 10mmよりも厚い、請求項16〜31のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  35. 歪のかかっていない鉄体心立方格子(bcc)単位胞と比較して約0.3〜約7%の<001>軸に沿って伸びた体心正方晶(bct)鉄結晶単位胞を少なくとも1つ含む、請求項16〜34のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  36. 約8〜約12at%のNを含む、請求項16〜35のいずれか1項に記載のバルク永久磁石。
  37. 尿素拡散法により金属部材を窒化し、金属部材の少なくとも一部にFe 16 2 相構成を形成するステップを含む方法であって、前記金属部材が線材または板材を含み、前記線材または板材が、前記線材または板材の第一端から前記線材または板材の第二端まで延びる主軸を画定し、前記Fe 16 2 相構成が少なくとも1個の体心正方晶(bct)窒化鉄結晶を含み、かつ前記少なくとも1個のbct窒化鉄結晶の<001>軸が、前記線材または板材の前記主軸に実質上平行である方法。
  38. 前記尿素拡散により金属部材を窒化するステップは、前記尿素の窒素原子を分解し、前記窒素原子がチャンバー内で前記金属部材中に拡散するように選択された温度まで前記チャンバー内で尿素と前記金属部材を一緒に加熱するステップを含む、請求項37に記載の方法。
  39. 前記金属部材が鉄を含む、請求項37または38に記載の方法。
  40. 前記尿素拡散工程の前において、前記金属部材が鉄から本質的になる、請求項37または38に記載の方法。
  41. 前記尿素拡散工程後に前記金属部材が実質上前記Fe162相構成からなるように尿素対鉄の比が選択される、請求項37または38に記載の方法。
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