JP6171662B2 - Rare earth magnet, electric motor, and device including electric motor - Google Patents

Rare earth magnet, electric motor, and device including electric motor Download PDF

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Description

本発明は、希土類磁石、電動機、及び電動機を備える装置に関する。   The present invention relates to a rare earth magnet, an electric motor, and an apparatus including the electric motor.

正方晶R14B化合物を主相とするR−T−B系希土類磁石(Rは希土類元素、TはFe又は一部がCoによって置換されたFe、Bはホウ素)は優れた磁気特性を有することが知られており、1984年の発明を嚆矢とする(特許文献1)。以来改良が重ねられてきたR−T−B系希土類磁石のうちネオジム磁石は、100℃程度の使用温度であれば、エネルギー積が最大の高性能永久磁石である。 An R-T-B rare earth magnet (R is a rare earth element, T is Fe or Fe partially substituted by Co, and B is boron) having a tetragonal R 2 T 14 B compound as a main phase has excellent magnetic properties. It is known that the invention of 1984 is taken as an arrow (Patent Document 1). Among the R-T-B rare earth magnets that have been improved since then, a neodymium magnet is a high-performance permanent magnet having a maximum energy product at an operating temperature of about 100 ° C.

希土類元素RとしてNd、Pr、Dy、Ho、Tbの少なくとも一種を含むR−T−B系希土類磁石は、異方性の起源を結晶磁気異方性に依存している割合が高く、キュリー温度が300℃程度である。そのため、高温環境での使用に制約があり、R−T−B系希土類磁石を特殊な用途に用いるには、希土類金属の中でも重希土類であって希少な元素であるDy等を含有させざるを得ない(特許文献2)。このような状況に対して、Dy等の使用量を減少させる試みが積極的になされている(特許文献3)。   R-T-B type rare earth magnets containing at least one of Nd, Pr, Dy, Ho, and Tb as the rare earth element R have a high proportion of anisotropy dependent on crystal magnetic anisotropy, and have a Curie temperature. Is about 300 ° C. Therefore, use in a high temperature environment is limited, and in order to use an R-T-B rare earth magnet for a special purpose, it is necessary to contain Dy or the like, which is a rare element and a rare element among rare earth metals. Not obtained (Patent Document 2). In such a situation, attempts to reduce the amount of Dy used have been actively made (Patent Document 3).

特開昭59−46008号公報JP 59-46008 A 特開2012−151442号公報JP 2012-151442 A 特開2012−15169号公報JP2012-15169A

しかしながら、資源問題を抱えたDy等の重希土類の使用量を低減し、さらにはDy等の重希土類を一切使用しない場合には、高温で安定した磁気特性を有する希土類磁石を実現することは現状では困難である。   However, if the amount of heavy rare earth such as Dy, which has a resource problem, is reduced, and if no heavy rare earth such as Dy is used at all, it is possible to realize a rare earth magnet having stable magnetic properties at high temperatures. It is difficult.

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、輸送機器や産業機器などの分野において、とりわけエネルギー消費の面で電動機の効率アップへの貢献を可能にする、Dy等の重希土類を使用しないR−T−B系希土類磁石の提供を目的とする。
具体的には、150℃を超える高温暴露後においても最大エネルギー積を維持でき、昇温と降温を繰り返す温度サイクル特性に優れたR−T−B系希土類磁石、該希土類磁石を備える電動機、及び該電動機を備える装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems, and in the fields of transportation equipment and industrial equipment, a heavy rare earth such as Dy, which can contribute to the improvement of the efficiency of an electric motor, particularly in terms of energy consumption. An object is to provide an R-T-B rare earth magnet that is not used.
Specifically, an R-T-B rare earth magnet that can maintain a maximum energy product even after exposure to high temperatures exceeding 150 ° C. and has excellent temperature cycle characteristics that repeats heating and cooling, an electric motor including the rare earth magnet, and It is an object of the present invention to provide an apparatus including the electric motor.

そこで本発明は、正方晶R14B化合物(ここで、Rは希土類元素であり、Tは鉄族元素であり、Bはホウ素である。)を主相とする結晶粒子を含むR−T−B系希土類磁石において、少なくとも結晶粒子内部に、形状記憶合金ナノ粒子が分散された希土類磁石を提供する。 Therefore, the present invention provides an R- containing crystal grains containing a tetragonal R 2 T 14 B compound (where R is a rare earth element, T is an iron group element, and B is boron) as a main phase. In the TB rare earth magnet, a rare earth magnet in which shape memory alloy nanoparticles are dispersed at least inside crystal grains is provided.

本発明に係るR−T−B系希土類磁石においては、形状記憶合金ナノ粒子が、少なくとも、正方晶R14B化合物を主相とする結晶粒子内部に、分散された状態で含まれる。上記形状記憶合金ナノ粒子は、原子移動を伴わずに相変態が可能な微細結晶構造を有するため、Dy等の重希土類を添加しなくても、150℃を超える高温暴露後において最大エネルギー積を維持でき、昇温と降温を繰り返す温度サイクル特性に優れたR−T−B系希土類磁石が得られる。 In the RTB-based rare earth magnet according to the present invention, the shape memory alloy nanoparticles are contained in a dispersed state at least inside the crystal particles having a tetragonal R 2 T 14 B compound as a main phase. Since the shape memory alloy nanoparticles have a fine crystal structure capable of phase transformation without atom transfer, the maximum energy product is obtained after exposure to high temperature exceeding 150 ° C. without adding heavy rare earth such as Dy. An RTB-based rare earth magnet excellent in temperature cycle characteristics that can be maintained and repeats heating and cooling is obtained.

高温暴露後の最大エネルギー積の維持に必要な、B−H曲線の第二象限の形状維持に寄与する、保磁力維持のメカニズムについて、本発明者らは以下のように推察する。高温下において、磁区(結晶粒子全体に対応又は、結晶粒子内部に形成されている)が磁壁移動(具体的には、結晶粒子の内部や粒界相等に存在する磁壁の移動)により再構成される際、形状記憶合金ナノ粒子が原子移動を伴わない相変態をすることによって歪む。形状記憶合金ナノ粒子の歪みに起因する応力によって、磁壁移動が抑制され、保磁力の低下を抑制できるものと考えられる。このような保磁力の低下に対抗するメカニズムに加え、正方晶R14B化合物を主相とする結晶粒子内部に、歪みを生じた形状記憶合金ナノ粒子が分散されることにより、主相を構成する原子の移動に対しピンニングの働きをすることとなり、不可逆減磁を低減でき、優れた温度サイクル特性が得られるものと考えられる。
本発明によれば、希少な金属資源であるDy等の重希土類の使用量が低減され、また、一切添加されなくとも、供述のような効果を奏するR−T−B系希土類磁石を提供することができる。
The present inventors speculate as follows about the coercivity maintaining mechanism that contributes to maintaining the shape of the second quadrant of the BH curve necessary for maintaining the maximum energy product after high temperature exposure. Under high temperature, the magnetic domain (corresponding to the whole crystal grain or formed inside the crystal grain) is reconstructed by the domain wall movement (specifically, the movement of the domain wall existing inside the crystal grain or the grain boundary phase). In this case, the shape memory alloy nanoparticles are distorted by a phase transformation that does not involve atom transfer. It is considered that the domain wall movement is suppressed by the stress caused by the distortion of the shape memory alloy nanoparticles, and the decrease in coercive force can be suppressed. In addition to the mechanism to counter such a decrease in coercive force, the distortion of shape memory alloy nanoparticles inside the crystal particles having a tetragonal R 2 T 14 B compound as a main phase allows the main phase to be dispersed. It acts as a pinning for the movement of atoms constituting the irreversible, it is considered that irreversible demagnetization can be reduced, and excellent temperature cycle characteristics can be obtained.
According to the present invention, there is provided an R-T-B system rare earth magnet that can reduce the amount of heavy rare earth such as Dy, which is a rare metal resource, and achieves the effects described above even if it is not added at all. be able to.

本発明においては、形状記憶合金ナノ粒子がNi系合金から構成されるとよい。Ni系合金は、形状記憶合金の中でもR‐T−B系希土類磁石に対する相溶性が良好であり、好適に用いられる。   In the present invention, the shape memory alloy nanoparticles are preferably composed of a Ni-based alloy. The Ni-based alloy has good compatibility with the RTB-based rare earth magnet among the shape memory alloys and is preferably used.

さらに、本発明は、上記希土類磁石を磁極として備える電動機を提供する。本発明に係る電動機は上記希土類磁石を磁極として備えるため、高温環境下で使用しても実動時の効率低下が少なく、また、停機時に磁気特性が回復する作用を備えるために着磁に至るまでのサイクル数を増やすことができる。   Furthermore, this invention provides the electric motor provided with the said rare earth magnet as a magnetic pole. Since the electric motor according to the present invention includes the rare earth magnet as a magnetic pole, there is little decrease in efficiency during actual operation even when used in a high-temperature environment, and magnetism is caused because it has an effect of recovering magnetic characteristics when stopped. The number of cycles up to can be increased.

さらにまた本発明は、上記電動機を備える装置を提供する。本発明に係る装置は上記電動機を備えるため、高温環境下における実用性を維持することができる。   Furthermore, this invention provides an apparatus provided with the said electric motor. Since the apparatus according to the present invention includes the above-described electric motor, it can maintain practicality in a high-temperature environment.

本発明によれば、150℃を超える高温暴露後においても、最大エネルギー積を維持でき、昇温と降温を繰り返す温度サイクル特性に優れたR−T−B系希土類磁石、該希土類磁石を備える電動機、及び該電動機を備える装置を提供することができる。   According to the present invention, even after high temperature exposure exceeding 150 ° C., an R-T-B rare earth magnet that can maintain the maximum energy product and has excellent temperature cycle characteristics that repeats heating and cooling, and an electric motor including the rare earth magnet And a device including the electric motor can be provided.

図1は、本発明の実施形態に係るR−T−B系希土類磁石を模式的に示した拡大断面図である。FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view schematically showing an RTB-based rare earth magnet according to an embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

図1は、本実施形態に係るR−T−B系希土類磁石を模式的に示した拡大断面図である。R−T−B系希土類磁石は、複数の結晶粒子1から構成される。結晶粒子1は、正方晶R14B化合物(ここで、Rは希土類元素であり、Tは鉄族元素であり、Bはホウ素である。)を主相とする。複数の結晶粒子1の間には、粒界相3が存在する。結晶粒子1の内部には、形状記憶合金ナノ粒子2が分散されている。形状記憶合金ナノ粒子2は粒界相3に存在していてもよい。 FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view schematically showing an RTB-based rare earth magnet according to the present embodiment. The RTB-based rare earth magnet is composed of a plurality of crystal particles 1. The crystal particle 1 has a tetragonal R 2 T 14 B compound (where R is a rare earth element, T is an iron group element, and B is boron) as a main phase. A grain boundary phase 3 exists between the plurality of crystal grains 1. Shape memory alloy nanoparticles 2 are dispersed inside the crystal particles 1. The shape memory alloy nanoparticles 2 may be present in the grain boundary phase 3.

結晶粒子1の主相を構成するR14B化合物について、Rは希土類元素であり、軽希土類元素、重希土類元素、又はこれらの組み合わせである。RはNd、Pr等が挙げられるが、材料コストの観点からNdが好ましい。Tは鉄族元素であり、Fe又はFeとCoとの組み合わせが好ましい。ただし、R,Tは、これらの具体例に限定されない。また、Bはホウ素である。本実施形態の希土類磁石において、全質量に対する各元素の含有量は、それぞれ以下の通りであることが好ましい。 Regarding the R 2 T 14 B compound constituting the main phase of the crystal particle 1, R is a rare earth element and is a light rare earth element, a heavy rare earth element, or a combination thereof. Examples of R include Nd and Pr. Nd is preferable from the viewpoint of material cost. T is an iron group element, and Fe or a combination of Fe and Co is preferable. However, R and T are not limited to these specific examples. B is boron. In the rare earth magnet of the present embodiment, the content of each element with respect to the total mass is preferably as follows.

Rの含有量は、希土類磁石全量を100質量%として、20〜45質量%であることが好ましく、25〜35質量%であることがより好ましく、29.5〜33質量%であることが特に好ましい。
Bの含有量は、希土類磁石全量を100質量%として、0.1〜2.5質量%であることが好ましく、0.5〜1.5質量%であることがより好ましく、0.7〜0.95質量%であることが特に好ましい。
形状記憶合金ナノ粒子の含有量(ただし、不可避不純物を除いた含有量である。)は、希土類磁石全量を100質量%として、0.5〜7.0質量%であることが好ましく、1.0〜6.0質量%であることがより好ましく、2.0〜4.5質量%であることが特に好ましい。
Tは、実質的に、上記R、B、及び、形状記憶合金ナノ粒子を除いた残部である。
The content of R is preferably 20 to 45% by mass, more preferably 25 to 35% by mass, particularly 29.5 to 33% by mass, based on 100% by mass of the total amount of rare earth magnets. preferable.
The content of B is preferably 0.1 to 2.5% by mass, more preferably 0.5 to 1.5% by mass, based on 100% by mass of the total amount of the rare earth magnet, and 0.7 to It is particularly preferably 0.95% by mass.
The content of the shape memory alloy nanoparticles (however, the content excluding inevitable impurities) is preferably 0.5 to 7.0% by mass with 100% by mass of the rare earth magnet as a whole. It is more preferably 0 to 6.0% by mass, and particularly preferably 2.0 to 4.5% by mass.
T is substantially the remainder excluding the R, B, and shape memory alloy nanoparticles.

形状記憶合金ナノ粒子2は、形状記憶合金として知られている組成の合金であって、平均粒子径が、ナノオーダーの粒子である。平均粒子径がナノオーダーであれば、サイズの分布は特に限定されず、粒度分布が複数のピークを有していてもよい。形状記憶合金ナノ粒子2の平均粒子径は、好ましくは10〜500nm、より好ましくは50〜400nm、さらに好ましくは100〜350nmの粒子である。形状記憶合金ナノ粒子2は、原子移動を伴わずに相変態が可能な微細結晶構造を有しており、少なくとも結晶粒子2の内部に分散された微細結晶部を形成する。微細結晶部は、オーステナイト相(変態温度より高温側の相)とマルテンサイト相(変態温度より低温側の相)との間における相変態を利用することができる。   The shape memory alloy nanoparticle 2 is an alloy having a composition known as a shape memory alloy, and an average particle diameter is a nano-order particle. If the average particle size is nano-order, the size distribution is not particularly limited, and the particle size distribution may have a plurality of peaks. The average particle diameter of the shape memory alloy nanoparticles 2 is preferably 10 to 500 nm, more preferably 50 to 400 nm, and still more preferably 100 to 350 nm. The shape memory alloy nanoparticles 2 have a fine crystal structure capable of undergoing phase transformation without atom transfer, and form at least fine crystal parts dispersed inside the crystal particles 2. The fine crystal part can utilize the phase transformation between the austenite phase (phase higher than the transformation temperature) and the martensite phase (phase lower than the transformation temperature).

高温下暴露後の最大エネルギー積を維持でき、優れた温度サイクル特性の得られる効果は、以下の作用によるものと考えられる。高温下において、磁区(結晶粒子1全体に対応又は、結晶粒子1内部に形成されている)が磁壁移動(具体的には、結晶粒子2の内部や粒界相3等に存在する磁壁の移動)により再構成される際、形状記憶合金ナノ粒子2が、上述のような原子移動を伴わない相変態をすることによって歪み、形状記憶合金ナノ粒子2の歪みに起因する応力によって、保磁力の低下を抑制できるものと考えられる。また、正方晶R14B化合物を主相とする結晶粒子1内部に、歪みを生じた形状記憶合金ナノ粒子2が分散されることにより、主相を構成する原子の移動に対しピンニングの働きをすることとなり、不可逆減磁を低減でき、優れた温度サイクル特性が得られるものと考えられる。 The maximum energy product after exposure under high temperature can be maintained, and the effect of obtaining excellent temperature cycle characteristics is considered to be due to the following actions. Under high temperature, the magnetic domain (corresponding to the whole crystal particle 1 or formed inside the crystal particle 1) is domain wall moved (specifically, the domain wall existing inside the crystal particle 2 or the grain boundary phase 3). ), The shape memory alloy nanoparticles 2 are distorted by undergoing a phase transformation that does not involve atomic movement as described above, and the coercive force is reduced by the stress caused by the distortion of the shape memory alloy nanoparticles 2. It is considered that the decrease can be suppressed. Further, by dispersing the shape memory alloy nanoparticles 2 with distortion in the crystal particles 1 having a tetragonal R 2 T 14 B compound as a main phase, pinning can be performed against movement of atoms constituting the main phase. It is considered that irreversible demagnetization can be reduced and excellent temperature cycle characteristics can be obtained.

形状記憶合金としては、残留磁束密度を高められる磁性金属を必須成分元素として含むものが好ましく、R−T−B系希土類磁石に対する相溶性を良好にする観点から、Ni系合金から構成されることがより好ましい。具体的には、Ni−Ti、Ni−Ti−Co、Ni−Ti−Cuが挙げられる。これらの合金の組成は、合金全量を基準として、Ni−Tiにおいて、Niは45〜60at%、Tiは残部であり、Ni−Ti−Coにおいて、Niは45〜60at%、Coは0.5〜5at%、Tiは残部であり、Ni−Ti−Cuにおいて、Niは45〜60at%、Cuは3〜12at%、Tiは残部である。   The shape memory alloy preferably includes a magnetic metal capable of increasing the residual magnetic flux density as an essential component element, and is made of a Ni-based alloy from the viewpoint of improving compatibility with the R-T-B rare earth magnet. Is more preferable. Specifically, Ni-Ti, Ni-Ti-Co, and Ni-Ti-Cu are mentioned. The composition of these alloys is based on the total amount of the alloy. In Ni—Ti, Ni is 45 to 60 at% and Ti is the balance. In Ni—Ti—Co, Ni is 45 to 60 at% and Co is 0.5. ˜5 at%, Ti is the balance. In Ni—Ti—Cu, Ni is 45-60 at%, Cu is 3-12 at%, and Ti is the balance.

次に、本発明に係るR−T−B系希土類磁石を磁極として備える電動機(たとえばモータ)の好適な実施形態について説明する。本実施形態に係る電動機は、電気自動車用のモータ(永久磁石型同期モータ)として用いることができる。具体的には、本実施形態に係る電動機は、ロータ部のコアに沿って、本実施形態に係るR−T−B系希土類磁石を配置することにより得ることができる。より具体的には、円筒状のロータとこのロータの内側に配置されるステータとを備える。ロータは円筒状のコアと円筒状のコアの内周面に沿ってN極とS極が交互になるように設けられた複数のR−T−B系希土類磁石と、を有する。ステータは、外周面に沿って設けられた複数のコイルを有する。このコイルとR−T−B系希土類磁石とは互いに対向するように配置される。   Next, a preferred embodiment of an electric motor (for example, a motor) including the R-T-B rare earth magnet according to the present invention as a magnetic pole will be described. The electric motor according to this embodiment can be used as a motor for an electric vehicle (permanent magnet type synchronous motor). Specifically, the electric motor according to the present embodiment can be obtained by arranging the RTB-based rare earth magnet according to the present embodiment along the core of the rotor portion. More specifically, a cylindrical rotor and a stator disposed inside the rotor are provided. The rotor includes a cylindrical core and a plurality of R-T-B rare earth magnets provided so that N poles and S poles are alternately arranged along the inner peripheral surface of the cylindrical core. The stator has a plurality of coils provided along the outer peripheral surface. The coil and the R-T-B rare earth magnet are arranged so as to face each other.

本実施形態に係る電動機は、本発明に係るR−T−B系希土類磁石をロータに備えることにより、磁極におけるDy等の重希土類の含有量が低減され、又は、一切含有されなくとも、高温環境下での使用において、実動時の効率低下を抑制でき、また、停機時に磁気特性が回復するため着磁に至るまでのサイクル数を増やすことができる。そのため、コンプレッサ、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の装置に用いることができる。   The electric motor according to the present embodiment includes the RTB-based rare earth magnet according to the present invention in the rotor, so that the content of heavy rare earth such as Dy in the magnetic pole is reduced or not contained at all. In use under the environment, it is possible to suppress a decrease in efficiency during actual operation and to increase the number of cycles to reach magnetization because the magnetic characteristics are restored when the vehicle is stopped. Therefore, it can be used for devices such as compressors, electric vehicles, hybrid vehicles, and fuel cell vehicles.

以下、本発明に係るR−T−B系希土類磁石の製造方法について好適な実施形態を説明する。
R−T−B系希土類磁石の製造方法としては、焼結法等が挙げられ、その原料合金の製造方法としてはストリップキャスト法等が挙げられる。ここで、好適な製法の一例として、原料合金をストリップキャスト法で製造する場合について以下に説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing an R-T-B rare earth magnet according to the present invention will be described.
Examples of the method for producing the R-T-B rare earth magnet include a sintering method, and examples of the method for producing the raw material alloy include a strip casting method. Here, as an example of a suitable manufacturing method, a case where a raw material alloy is manufactured by a strip casting method will be described below.

本実施形態に係るR−T−B系希土類磁石の製造方法は、(a)原料作製工程、(b)形状記憶合金ナノ粒子分散工程、(c)粉砕工程、(d)成形工程、(e)焼成工程、(f)熱処理工程を含む。   The manufacturing method of the RTB-based rare earth magnet according to the present embodiment includes (a) a raw material production step, (b) a shape memory alloy nanoparticle dispersion step, (c) a pulverization step, (d) a molding step, (e ) A firing step, and (f) a heat treatment step.

(a)原料作製工程
原料作製工程は、原料1作製工程と、原料2作製工程と、を含む。原料1作製工程は、形状記憶合金ナノ粒子(原料1)を準備する工程である。製法としては電気化学的な手法である還元法、プラズマガス中蒸発法、ガスアトマイズ法、レーザーアブレーション法、スパッタリング法などから適宜選択すればよい。
原料2作製工程は、形状記憶合金ナノ粒子を除くR−T−B系希土類磁石の原料(原料2)を、その溶解温度以上に加熱することにより、Nd,Fe,Bを主として含む溶湯を準備する工程である。
(A) Raw material production process The raw material production process includes a raw material 1 production process and a raw material 2 production process. The raw material 1 preparation step is a step of preparing shape memory alloy nanoparticles (raw material 1). The production method may be appropriately selected from electrochemical reduction methods, plasma gas evaporation methods, gas atomization methods, laser ablation methods, sputtering methods, and the like.
The raw material 2 preparation step prepares a molten metal mainly containing Nd, Fe, and B by heating the raw material (raw material 2) of the RTB-based rare earth magnet excluding the shape memory alloy nanoparticles to the melting temperature or higher. It is a process to do.

(b)形状記憶合金ナノ粒子分散工程
形状記憶合金ナノ粒子分散工程は、原料1及び原料2を用いて、形状記憶合金ナノ粒子を、少なくとも正方晶R14B化合物を主相とする結晶粒子の内部に分散する工程である。本工程においては、形状記憶合金ナノ粒子の融点Tと、形状記憶合金ナノ粒子を除いたR−T−B系希土類磁石の構成成分を溶解する加熱温度Tと、後述する冷却ロール面上の温度Tとを最適化することにより、本実施形態に係るR−T−B系希土類磁石の微細構造を得ることができる。ここで、T、T、及びTの温度の関係を最適化して本実施形態に係るR−T−B系希土類磁石の微細構造を得る方法として、具体的には、下記の製法A,Bが挙げられる。
(製法A)
原料2の溶湯を冷却ロール表面に供給し、原料2の溶湯が冷却されることによって薄帯が形成される過程において、温度T以下で、且つ、原料2が溶融状態にある間に、形状記憶合金ナノ粒子(原料1)を含む水蒸気ジェットを上記薄帯に吹き付ける。水蒸気ジェットを吹き付ける部位の表面温度(上述の冷却ロール面上の温度に対応)をTとして、T,T,Tの条件設定を最適化することにより、形状記憶合金ナノ粒子の分散を制御する。
(製法B)
>Tの関係にあり、且つ、原料1及び原料2が混合した溶湯において、形状記憶合金ナノ粒子が、ナノ粒子のまま孤立して安定化している条件範囲においてT,T,Tを最適化する。原料1及び原料2が混合された溶湯を冷却ロール面に供給することにより、所望の薄帯を製作することができる。
(B) Shape Memory Alloy Nanoparticle Dispersion Step The shape memory alloy nanoparticle dispersion step uses the raw material 1 and the raw material 2 to crystallize the shape memory alloy nanoparticles as a main phase of at least a tetragonal R 2 T 14 B compound. It is a step of dispersing inside the particles. In this step, the melting point T 1 of the shape memory alloy nanoparticles, the heating temperature T 2 for dissolving the constituent components of the R—T—B rare earth magnet excluding the shape memory alloy nanoparticles, and the cooling roll surface described later by optimizing the temperature T 3, it is possible to obtain a microstructure of the R-T-B rare earth magnet according to the present embodiment. Here, as a method for obtaining the fine structure of the RTB-based rare earth magnet according to the present embodiment by optimizing the relationship between the temperatures of T 1 , T 2 , and T 3 , specifically, the following production method A , B.
(Manufacturing method A)
A melt of the raw material 2 is supplied to the cooling roll surface, in the process of thin strip by the material 2 melt is cooled is formed at temperatures T 1 or less, and, while the raw material 2 is in a molten state, the shape A water vapor jet containing memory alloy nanoparticles (raw material 1) is sprayed onto the ribbon. As T 3 the surface temperature of a portion (corresponding to the temperature of the above-mentioned chill roll surface) for blowing steam jet, by optimizing the condition setting of T 1, T 2, T 3 , the dispersion of the shape memory alloy nanoparticles To control.
(Manufacturing method B)
T 1> is in the relation of T 2, and, in the molten metal material 1 and material 2 are mixed, the shape memory alloy nanoparticles, T 1, T 2 in isolated and stabilized are conditions range remains nanoparticles, to optimize the T 3. A desired ribbon can be manufactured by supplying the molten metal in which the raw material 1 and the raw material 2 are mixed to the cooling roll surface.

(c)粉砕工程
本工程において、上記(b)工程によって得られた薄帯を粉砕する。具体的には、上記(b)工程によって得られた薄帯を、不活性ガス雰囲気や必要に応じて水素雰囲気中、酸化の進行を抑制しながら粉砕する、又は、水素を吸蔵させ(水素脆化処理)その後粉砕することにより微粉末(以下、「原料微粉末」という)を得る。本工程には、粗粉砕工程と微粉砕工程とが含まれる。粗粉砕工程の後、微粉砕工程を行う2段階が好ましいが、1段階としてもよい。粗粉砕工程は、例えばスタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル等を用いて行うことができる。粗粉砕工程においては、原料合金を、平均粒子径が数百μmから数mm程度となるまで粉砕を行う。
(C) Crushing step In this step, the ribbon obtained in the step (b) is crushed. Specifically, the ribbon obtained by the step (b) is pulverized in an inert gas atmosphere or in a hydrogen atmosphere as necessary while suppressing the progress of oxidation, or occluded with hydrogen (hydrogen embrittlement). The powder is then pulverized to obtain a fine powder (hereinafter referred to as “raw material fine powder”). This step includes a coarse pulverization step and a fine pulverization step. The two stages in which the fine pulverization process is performed after the coarse pulverization process are preferable, but may be one stage. The coarse pulverization step can be performed using, for example, a stamp mill, a jaw crusher, a brown mill, or the like. In the coarse pulverization step, the raw material alloy is pulverized until the average particle size is about several hundred μm to several mm.

微粉砕工程は、粗粉砕工程で得られた粗粉末を微粉砕して、平均粒子径が数μm程度の原料微粉末を作製する。原料微粉末の平均粒子径は、焼結後の結晶粒の成長度合を勘案して設定すればよい。微粉砕は、例えば、ジェットミルを用いて行うことができる。   In the fine pulverization step, the coarse powder obtained in the coarse pulverization step is finely pulverized to produce a raw material fine powder having an average particle diameter of about several μm. The average particle diameter of the raw material fine powder may be set in consideration of the degree of growth of crystal grains after sintering. The fine pulverization can be performed using, for example, a jet mill.

(d)成形工程
本工程は、上記(c)工程によって得られた原料微粉末を磁場中で成形して成形体を作製する工程である。具体的には、原料微粉末を電磁石中に配置された金型内に充填した後、電磁石により磁場を印加して原料微粉末の結晶軸を配向させながら、原料微粉末を加圧することにより成形を行う。この磁場中の成形は、例えば、1000〜1600kA/mの磁場中、30〜300MPa程度の圧力で行えばよい。
(D) Molding step This step is a step of forming a molded body by molding the raw material fine powder obtained in the above step (c) in a magnetic field. Specifically, after forming the raw material fine powder into a mold arranged in an electromagnet, molding is performed by applying a magnetic field with an electromagnet and pressing the raw material fine powder while orienting the crystal axis of the raw material fine powder. I do. The molding in the magnetic field may be performed at a pressure of about 30 to 300 MPa in a magnetic field of 1000 to 1600 kA / m, for example.

(e)焼成工程
本工程は、上記(d)工程によって得られた成形体を焼成して焼結体を得る工程である。磁場中での成形後、成形体を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼成し、焼結体を得ることができる。焼成条件は、成形体の組成、原料微粉末の粉砕方法、粒度等の条件に応じて適宜設定することが好ましいが、例えば、1000℃〜1100℃で1〜10時間程度行えばよい。
(E) Firing step This step is a step of firing the molded body obtained in the step (d) to obtain a sintered body. After molding in a magnetic field, the compact can be fired in a vacuum or an inert gas atmosphere to obtain a sintered compact. Firing conditions are preferably set as appropriate according to conditions such as the composition of the molded body, the method of pulverizing the raw material fine powder, and the particle size, but may be performed at 1000 to 1100 ° C. for about 1 to 10 hours, for example.

(f)熱処理工程
本工程は、上記(e)工程によって得られた焼結体を時効処理する工程である。本工程を経ることにより、隣接する結晶粒子間に形成される粒界相の幅およびその組成が決定される。しかしながら、これらの微細構造はこの工程のみで制御されるのではなく、上記(e)焼結工程の諸条件及び、原料微粉末の状態との兼ね合いで決定される。従って、本工程における熱処理温度、時間等の条件は、上記(e)工程によって得られた焼結体の微細構造の状態を勘案しながら設定すればよい。熱処理は、通常450℃〜900℃の温度範囲で行えばよいが、700〜900℃、好ましくは750〜850℃での熱処理を行った後、450〜650℃、好ましくは500〜600℃での熱処理を行うというふうに2段階に分けて行ってもよい。
(F) Heat treatment step This step is a step of aging treatment of the sintered body obtained in the step (e). Through this step, the width of the grain boundary phase formed between adjacent crystal grains and the composition thereof are determined. However, these fine structures are not controlled only by this process, but are determined by taking into consideration the various conditions of the above (e) sintering process and the state of the raw material fine powder. Therefore, the conditions such as the heat treatment temperature and time in this step may be set in consideration of the state of the microstructure of the sintered body obtained in the step (e). The heat treatment may be usually performed in a temperature range of 450 ° C. to 900 ° C., but after heat treatment at 700 to 900 ° C., preferably 750 to 850 ° C., 450 to 650 ° C., preferably 500 to 600 ° C. The heat treatment may be performed in two stages.

上記(e)工程によって得られたR−T−B系希土類磁石は、用途に応じて、加工、表面処理、着磁の工程を経ることにより製品化が完了する。   The R-T-B rare earth magnet obtained by the step (e) is completely commercialized through the steps of processing, surface treatment, and magnetization depending on the application.

以上、本発明を上記実施形態に基づき説明したが、実施形態は例示であり、様々な変形および変更が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the said embodiment, embodiment is an illustration and various deformation | transformation and change are possible.

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。   Hereinafter, although the content of the present invention is explained in detail using an example and a comparative example, the present invention is not limited to the following examples.

<R−T−B系希土類磁石の作製>
(a)原料作製工程及び(b)形状記憶合金ナノ粒子分散工程
(製法A)
原料1:平均粒子径240nmの形状記憶合金ナノ粒子からなる原料と、原料2:Nd、Fe及びBを含む合金と、をそれぞれ所定量秤量した。原料2を、電子ビーム加熱溶解炉において、表1に示す加熱温度(T)にて加熱溶解し、合金溶湯を得た。得られた合金溶湯を、タンデイッシュを経て、冷却ロール面に沿って供給した。該合金溶湯が冷却ロール面に沿って送られる間に結晶化が進行し、合金薄帯が形成された。薄帯厚みと、冷却ロール面に供給した合金溶湯の表面温度を光学的に非接触で測定し、形状記憶合金ナノ粒子を添加する位置を決定した。超純水溶液中に分散された形状記憶合金ナノ粒子からなる流体を加熱パイプに通し、0.3〜0.8MPa、150〜200℃の形状記憶合金ナノ粒子を含んだ水蒸気ジェットを、上述のようにして決定した位置に向けて照射し、薄帯中に形状記憶合金ナノ粒子が分散された。
<Production of R-T-B rare earth magnet>
(A) Raw material preparation step and (b) shape memory alloy nanoparticle dispersion step (production method A)
Raw material 1: A raw material composed of shape memory alloy nanoparticles having an average particle diameter of 240 nm and a raw material 2: an alloy containing Nd, Fe and B were weighed in predetermined amounts, respectively. The raw material 2 was heated and melted at a heating temperature (T 2 ) shown in Table 1 in an electron beam heating and melting furnace to obtain a molten alloy. The obtained molten alloy was supplied along the cooling roll surface through a tundish. Crystallization progressed while the molten alloy was fed along the cooling roll surface, and an alloy ribbon was formed. The ribbon thickness and the surface temperature of the molten alloy supplied to the cooling roll surface were measured optically in a non-contact manner, and the position where the shape memory alloy nanoparticles were added was determined. A fluid consisting of shape memory alloy nanoparticles dispersed in an ultrapure aqueous solution is passed through a heating pipe, and a water vapor jet containing shape memory alloy nanoparticles of 0.3 to 0.8 MPa, 150 to 200 ° C. is used as described above. The shape memory alloy nanoparticles were dispersed in the ribbon by irradiation toward the determined position.

(製法B)
原料1:平均粒子径240nmの形状記憶合金ナノ粒子からなる原料と、原料2:Nd、Fe及びBを含む合金と、をそれぞれ所定量秤量した。原料2を、電子ビーム加熱溶解炉において、表1に示す加熱温度(T)にて加熱溶解し、合金溶湯を得た。得られた合金溶湯に原料1を混合し、タンデイッシュを経て、冷却ロール面に沿って供給した。該合金溶湯が冷却ロール面に沿って送られる間に結晶化が進行し、合金薄帯が形成された。薄帯中には形状記憶合金ナノ粒子が分散されていた。
(Manufacturing method B)
Raw material 1: A raw material composed of shape memory alloy nanoparticles having an average particle diameter of 240 nm and a raw material 2: an alloy containing Nd, Fe and B were weighed in predetermined amounts, respectively. The raw material 2 was heated and melted at a heating temperature (T 2 ) shown in Table 1 in an electron beam heating and melting furnace to obtain a molten alloy. The raw material 1 was mixed with the obtained molten alloy, supplied through a tundish along the cooling roll surface. Crystallization progressed while the molten alloy was fed along the cooling roll surface, and an alloy ribbon was formed. Shape memory alloy nanoparticles were dispersed in the ribbon.

(c)粉砕工程
(粗粉砕工程)
次に、得られた合金薄帯に水素を吸蔵させる水素脆化処理を行い、Ar雰囲気で600℃、1時間放置した後、粉砕処理を行った。その後、得られた粉砕物をAr雰囲気下で室温まで冷却した。
(微粉砕工程)
得られた粉砕物に粉砕助剤としてオレイン酸アミドを添加し、混合後、ジェットミルを用いて微粉砕を行い、平均粒子径が約2〜3μmである原料微粉末を得た。
(C) Grinding process (coarse grinding process)
Next, hydrogen embrittlement treatment was performed in which the obtained alloy ribbon was occluded with hydrogen, and the mixture was left in an Ar atmosphere at 600 ° C. for 1 hour, and then pulverized. Thereafter, the obtained pulverized product was cooled to room temperature under an Ar atmosphere.
(Fine grinding process)
Oleic acid amide was added as a pulverization aid to the obtained pulverized product, mixed, and then finely pulverized using a jet mill to obtain a raw material fine powder having an average particle diameter of about 2 to 3 μm.

(d)成形工程
得られた原料微粉末を、低酸素雰囲気下において、配向磁場1200kA/m、成形圧力120MPaの条件で成形を行って、成形体を得た。
(D) Molding Step The obtained raw material fine powder was molded under the conditions of an orientation magnetic field of 1200 kA / m and a molding pressure of 120 MPa in a low oxygen atmosphere to obtain a molded body.

(e)焼成工程
得られた成形体を、真空中で1030〜1050℃にて3時間焼成した後、急冷して焼結体を得た。
(E) Firing step The obtained molded body was fired in vacuum at 1030 to 1050 ° C. for 3 hours, and then rapidly cooled to obtain a sintered body.

(f)熱処理工程
得られた焼結体に対し、800℃と500℃との2段階の熱処理を行った。一段目の800℃での熱処理(時効1)については1時間、一定温度を保持し、その後500℃まで放熱後、二段目の500℃での熱処理(時効2)については3時間、一定温度を保持して加熱した。
(F) Heat treatment process The obtained sintered body was subjected to two-stage heat treatment at 800 ° C and 500 ° C. The first stage of heat treatment at 800 ° C. (aging 1) is maintained at a constant temperature for 1 hour, and after heat release to 500 ° C., the second stage of heat treatment at 500 ° C. (aging 2) is maintained at a constant temperature for 3 hours. And heated.

上記(a)〜(f)工程を経て得られたR−T−B系希土類磁石から、厚さ1mm×長さ36mm×幅4mmの小片を切り出し下記の方法によって、最大エネルギー積(MOe)及び、140℃及び170℃におけるサイクル減磁性率(%)を評価した。
なお、形状記憶合金ナノ粒子の添加効果について予備的な検討を行い、100〜350nmの平均粒子径の範囲ではサイズ依存性がほとんど見られなかったことから、平均粒子径240nmの形状記憶合金ナノ粒子を用いた。
From the R-T-B rare earth magnet obtained through the steps (a) to (f), a piece having a thickness of 1 mm, a length of 36 mm, and a width of 4 mm is cut out by the following method, and the maximum energy product (MOe) and The cycle demagnetization rate (%) at 140 ° C. and 170 ° C. was evaluated.
In addition, since preliminary examination was performed on the effect of adding shape memory alloy nanoparticles, and almost no size dependency was observed in the range of the average particle size of 100 to 350 nm, the shape memory alloy nanoparticles having an average particle size of 240 nm were used. Was used.

<R−T−B系希土類磁石の特性評価>
R−T−B系希土類磁石の最大エネルギー積及びサイクル減磁率の評価方法について説明する。
(最大エネルギー積の測定)
上記の方法によって作製した小片を評価用試料として用い、先ず室温(25℃)においてB−HカーブトレーサーにてB−Hカーブを記録した。最大エネルギー積(BHmax)を算出し、これをBHmax0とした。
(サイクル減磁率の測定)
次に、評価用試料を140℃で2時間加熱し、室温に戻した(1サイクル)。このサイクルを60サイクル繰り返した後、評価用試料の温度が室温に戻ったら残留磁束を測定し、測定値をBHmax1とした。同様に、170℃での高温暴露の測定値をBHmax2とした。140℃におけるサイクル減磁率D140及び170℃におけるサイクル減磁率D170は、それぞれ下記式(1)、(2)により算出した。
140=(BHmax1−BHmax0)/BHmax0*100(%)…(1)
170=(BHmax2−BHmax0)/BHmax0*100(%)…(2)
<Characteristic evaluation of R-T-B rare earth magnet>
A method for evaluating the maximum energy product and the cycle demagnetization rate of the R-T-B rare earth magnet will be described.
(Measurement of maximum energy product)
A small piece produced by the above method was used as an evaluation sample, and a BH curve was first recorded with a BH curve tracer at room temperature (25 ° C.). The maximum energy product (BH max ) was calculated, and this was defined as BH max0 .
(Measurement of cycle demagnetization factor)
Next, the sample for evaluation was heated at 140 ° C. for 2 hours and returned to room temperature (one cycle). After this cycle was repeated 60 times, when the temperature of the sample for evaluation returned to room temperature, the residual magnetic flux was measured, and the measured value was BH max1 . Similarly, the measured value of high temperature exposure at 170 ° C. was defined as BH max2 . Cycle demagnetization D 170 in cycle demagnetization D 140 and 170 ° C. at 140 ° C., the following formulas (1) was calculated by (2).
D 140 = (BH max1 -BH max0 ) / BH max0 * 100 (%) ... (1)
D 170 = (BH max2 -BH max0 ) / BH max0 * 100 (%) ... (2)

(実施例1〜実施例14、比較例1〜8)
融点TのNi系形状記憶合金ナノ粒子と、形状記憶合金ナノ粒子を除くR−T−B系希土類磁石の構成成分を原料として用い、上記製法A及び上記製法Bにより、下記表1に表される組成を有するR−T−B系希土類磁石を作製した。実施例9〜14及び比較例1〜5の製法Bにおいて、冷却ロール面上の温度はTであった。なお、表1に示した各元素の含有量について、R(Nd,Dy)、T(Fe)、及び形状記憶合金ナノ粒子の構成元素(Ni,Ti,Co,Cu)は、蛍光X線分析により測定し、Bは、ICP発光分光分析法により測定した。
(Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 8)
A Ni based shape memory alloy nanoparticles of the melting point T 1, using the components of the R-T-B rare earth magnet as a raw material except the shape memory alloy nanoparticles by the method A and the process B, the table in the following Table 1 An RTB-based rare earth magnet having the composition described above was produced. In Process B of Example 9-14 and Comparative Examples 1-5, the temperature of the cooling roll surface was T 3. In addition, about content of each element shown in Table 1, R (Nd, Dy), T (Fe), and the constituent element (Ni, Ti, Co, Cu) of a shape memory alloy nanoparticle, a fluorescent X ray analysis And B was measured by ICP emission spectroscopy.

実施例1〜14及び比較例1〜8について、得られた最大エネルギー積の値(BHmax0)と、140℃におけるサイクル減磁率D140及び170℃におけるサイクル減磁率D170を表1に示す。なお、比較例1〜5は、Ni,Tiが形状記憶合金の組成となっていない例であり、比較例6は原料1を含まない例であり、比較例7、8は原料1に代えてDyを含む例である。 Table 1 shows the obtained maximum energy product value (BH max0 ), the cycle demagnetization factor D 140 at 140 ° C., and the cycle demagnetization factor D 170 at 170 ° C. for Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 8. Comparative Examples 1 to 5 are examples in which Ni and Ti do not have a shape memory alloy composition, Comparative Example 6 is an example that does not include raw material 1, and Comparative Examples 7 and 8 are replaced with raw material 1. This is an example including Dy.

Figure 0006171662
Figure 0006171662

実施例1〜14について、得られる最大エネルギー積は比較例7のDy5%添加とほぼ等価の値であり、170℃サイクル減磁率D170は本実施例品のほうが優れていた。オーステナイト相とマルテンサイト相の相変態が、加熱,冷却の温度サイクルにおいて、磁壁移動に対してピンニング作用があり、且つこの相変態が可逆であることから、従来から提案されてきたさまざまな組成の微調整とは異なる作用効果に基づいたものであることが見て取れる。組成としてNi,Tiが形状記憶合金ナノ粒子組成になっていない比較例1〜5の結果を見れば、従来の組成最適化のアプローチと異なる成果であり、形状記憶合金ナノ粒子の相変態が効果的に作用していることが明らかである。特筆すべき点は、代表的なNi−Ti形状記憶合金は、これまで知られている、Dy添加効果と遜色のない高温での使用を可能にする作用をもたらしているということである。本発明の微細構造を得る製法として二つのタイプを示したが、製法による優位差は見られていない。 For Examples 1 to 14, the maximum energy product obtained is almost equivalent to the value and Dy5% addition of Comparative Example 7, 170 ° C. cycle demagnetization D 170 was superior I prefer the present Example product. The phase transformation between the austenite phase and the martensite phase has a pinning effect on the domain wall motion in the heating and cooling temperature cycle, and this phase transformation is reversible. It can be seen that the fine adjustment is based on a different effect. Looking at the results of Comparative Examples 1 to 5 in which Ni and Ti are not in the shape memory alloy nanoparticle composition, the results are different from the conventional composition optimization approaches, and the phase transformation of the shape memory alloy nanoparticles is effective. It is clear that it works. It should be noted that a typical Ni-Ti shape memory alloy has a function that enables the use of Dy addition effect and high temperature comparable to those known so far. Although two types of production methods for obtaining the microstructure of the present invention have been shown, there is no significant difference between the production methods.

<R−T−B系希土類磁石を磁極として備える電動機の評価>
次に、表1で示した実施例1と比較例6〜8のR−T−B系希土類磁石を、永久磁石型同期モータに組み込んで、試作したモータの10%負荷時の効率の変化を評価した。評価は電気自動車での実使用を想定して、周囲温度120℃で10時間運転、その後2時間停止のサイクルを50サイクル繰り返し、25℃において初期効率との効率比較を行った。その結果、効率の低下は実施例1の希土類磁石を組みこんだ場合8%、比較例6は15.2%、比較例7は10.7%、比較例8は7.2%であった。このように、電動機においても、Dy等の重希土類の使用量を低減、さらには一切使用せずとも、高温環境下での使用における実用性が見込める。
<Evaluation of an electric motor including an R-T-B rare earth magnet as a magnetic pole>
Next, the R-T-B rare earth magnets of Example 1 and Comparative Examples 6 to 8 shown in Table 1 are incorporated into a permanent magnet type synchronous motor, and the change in efficiency at 10% load of the prototype motor is shown. evaluated. Assuming actual use in an electric vehicle, the evaluation was repeated for 50 cycles of an operation at an ambient temperature of 120 ° C. for 10 hours and then a 2-hour stop, and the efficiency was compared with the initial efficiency at 25 ° C. As a result, the reduction in efficiency was 8% when the rare earth magnet of Example 1 was incorporated, 15.2% for Comparative Example 6, 10.7% for Comparative Example 7, and 7.2% for Comparative Example 8. . As described above, even in an electric motor, the use amount of heavy rare earth such as Dy is reduced, and further, practicality in use under a high temperature environment can be expected without using it at all.

なお、上記実施例1〜14においては、Dyを積極的に用いていないが、Dyを添加した場合にも、同等以上の効果が得られるものと推察される。本発明の効果を発現するメカニズムと、Dyの添加が果たす役割は異なる面もあり、且つ、おおむね独立性があると考えられることから、Dyを添加した系についても、より高性能な磁石を得る観点では有用性は高い。   In Examples 1 to 14, Dy is not actively used, but it is presumed that the same or higher effect can be obtained when Dy is added. Since the mechanism that exerts the effect of the present invention and the role played by the addition of Dy have different aspects and are considered to be largely independent, a higher performance magnet can be obtained even for a system to which Dy is added. Usefulness is high from the viewpoint.

1…結晶粒子、2…形状記憶合金ナノ粒子、3…粒界相 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crystal particle, 2 ... Shape memory alloy nanoparticle, 3 ... Grain boundary phase

Claims (4)

正方晶R14B化合物(ここで、Rは希土類元素であり、Tは鉄族元素であり、Bはホウ素である。)を主相とする結晶粒子を含むR−T−B系希土類磁石において、少なくとも前記結晶粒子内部に、形状記憶合金ナノ粒子が分散された希土類磁石。 R—T—B-based rare earth including crystal grains having a main phase of a tetragonal R 2 T 14 B compound (where R is a rare earth element, T is an iron group element, and B is boron) A rare earth magnet in which shape memory alloy nanoparticles are dispersed at least inside the crystal particles. 前記形状記憶合金ナノ粒子が、Ni系合金から構成される請求項1に記載の希土類磁石。   The rare earth magnet according to claim 1, wherein the shape memory alloy nanoparticles are made of a Ni-based alloy. 請求項1又は2に記載の希土類磁石を磁極として備える電動機。   An electric motor comprising the rare earth magnet according to claim 1 as a magnetic pole. 請求項3に記載の電動機を備える装置。   An apparatus comprising the electric motor according to claim 3.
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