JP6549720B2 - 希土類コバルト系永久磁石、その製造方法、モータ、及びデバイス - Google Patents

希土類コバルト系永久磁石、その製造方法、モータ、及びデバイス Download PDF

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Description

本発明は希土類コバルト系永久磁石に関する。
希土類コバルト系永久磁石として、例えば、質量百分率で、Feを14.5%含むサマリウムコバルト磁石がある。また、エネルギー積の向上を目的として、さらに、Feの含有量を高めたサマリウムコバルト磁石がある。
例えば、特許文献1には、RE(但し、REはSm又はSmを50質量%以上含む2種以上の希土類元素)20〜30質量%、Fe10〜45質量%、Cu1〜10質量%、Zr0.5〜5質量%、残部がCo及び不可避的不純物からなる合金を用いて得られるサマリウムコバルト磁石が開示されている。具体的には、ストリップキャスティング法を用いて、この合金を鋳造し、薄片を得る。ここで、ストリップキャスティング法とは、溶解した合金を水冷銅ロールに垂らして、厚み1mm程度の薄片を製造する方法である。続いて、得られた薄片を非酸化性雰囲気中において熱処理を施し、これを粉砕して、粉体を得る。続いて、この粉体を磁場中で圧縮成形し、さらに、焼結、溶体化処理及び時効処理をこの順に施す。
特開2002−083727号公報
ところで、良好な磁気特性を有する希土類コバルト系永久磁石が要求されている。
本発明は、良好な磁気特性を有する希土類コバルト系永久磁石を提供する。
本発明にかかる希土類コバルト系永久磁石は、
元素Rを、少なくともSmを含む希土類元素とすると、
質量%で、R:23〜27%、Cu:3.5〜5.0%、Fe:18〜25%、Zr:1.5〜3.0%を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる希土類コバルト系永久磁石であって、
複数の結晶粒と、粒界部と、を含む金属組織を有し、
前記粒界部は、連続して延びる形状を有し、
前記粒界部におけるCuの含有量は、前記結晶粒におけるCuの含有量よりも高く、前記粒界部におけるZrの含有量は、前記結晶粒におけるZrの含有量よりも高い。
また、前記粒界部は、質量%で、Cu:5〜45%、Zr:3〜20%を含んでもよい。また、減磁界を所定の印加磁場でかけて前記印加磁場を徐々に増大させていくと、磁壁が前記複数の結晶粒同士の境界に発生し、引き続いて前記印加磁場を徐々に増大させて、前記印加磁場が臨界磁場を超えたとき、前記磁壁が、前記結晶粒の内部に伝搬し、前記臨界磁場は、480kA/m以上であってもよい。また、固有保磁力が1600kA/m以上であってもよい。また、前記不可避的不純物のうち、C:200〜1000ppmに規制されてもよい。また、前記不可避的不純物のうち、O:1000〜5000ppmに規制されてもよい。また、密度が8.25g/cm以上であり、最大エネルギー積が255kJ/m以上であることを特徴としてもよい。
他方、本発明にかかるモータは、上記した希土類コバルト系永久磁石を備える。
他方、本発明にかかるデバイスは、上記した希土類コバルト系永久磁石を備える。
他方、本発明にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法は、元素Rを、少なくともSmを含む希土類元素とすると、質量%で、R:23〜27%、Cu:3.5〜5.0%、Fe:18〜25%、Zr:1.5〜3.0%を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、前記希土類コバルト系永久磁石は、複数の結晶粒と、粒界部と、を含む金属組織を有し、前記粒界部は、連続して延びる形状を有し、前記粒界部におけるCuの含有量は、前記結晶粒におけるCuの含有量よりも高く、前記粒界部におけるZrの含有量は、前記結晶粒におけるZrの含有量よりも高い、希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、インゴットを粉砕して粉末を形成し、前記粉末をプレス成形して成形体を成形した後で、前記成形体を焼結する焼結ステップと、前記焼結ステップと同じ雰囲気条件のまま、前記成形体を加熱保持することによって、溶体化処理する溶体化処理ステップと、前記成形体を急冷させる急冷ステップと、を備え、前記焼結ステップの前においてZrを含む母合金を含む原料を、配合する原料配合ステップと、金型鋳造法を用いて、インゴットを形成する鋳造ステップと、をさらに備える。
他方、本発明にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法は、元素Rを、少なくともSmを含む希土類元素とすると、質量%で、R:23〜27%、Cu:3.5〜5.0%、Fe:20〜25%、Zr:1.5〜3.0%を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、前記希土類コバルト系永久磁石は、複数の結晶粒と、粒界部と、を含む金属組織を有し、前記粒界部は、連続して延びる形状を有し、前記粒界部におけるCuの含有量は、前記結晶粒におけるCuの含有量よりも高く、前記粒界部におけるZrの含有量は、前記結晶粒におけるZrの含有量よりも高い、希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、インゴットを粉砕して粉末を形成し、前記粉末をプレス成形して成形体を成形した後で、前記成形体を、真空度10Pa以下の雰囲気下において、焼結温度1175〜1225℃の範囲内で焼結時間20〜180min加熱保持することによって、焼結する焼結ステップと、前記焼結ステップから引き続き前記雰囲気下のまま、前記成形体を溶体化温度1130〜1180℃の範囲内で溶体化時間2〜30時間加熱保持することによって、溶体化処理する溶体化処理ステップと、前記成形体を、急冷速度60℃/min以上の急冷速度で急冷させる急冷ステップと、を含む。
本発明によれば、良好な磁気特性を有する希土類コバルト系永久磁石を提供することができる。
実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の一例の断面組織を模式的に示す図である。 実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法の一例のフローチャートである。 磁場の強さHcに対する磁束密度Bとの関係を示すグラフである。 実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例1の永久磁石のDF−STEMによる像である。 実施例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 実施例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 実施例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 実施例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の一例の断面組織を模式的に示す図である。 実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法の一例のフローチャートである。 実施例21の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例21の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例21の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例21の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例21の永久磁石の磁区を示す像である。 実施例21の永久磁石の磁区を示す像である。 比較例1の永久磁石の磁区を示す像である。 比較例1の永久磁石の磁区を示す像である。 比較例1の永久磁石の磁区を示す像である。 比較例1の永久磁石の磁区を示す像である。 比較例1の永久磁石の磁区を示す像である。 比較例1の永久磁石のDF−STEMによる像である。 比較例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 比較例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 比較例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。 比較例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。
本発明者らは、永久磁石の磁区構造が角形性等の磁気特性に影響を与えることに着目した。本発明者らは、原料、製造方法等について鋭意研究を重ね、本発明を想到するに至った。
実施の形態1.
図1を参照して、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石について説明する。図1は、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の一例の断面組織を模式的に示す図である。
実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石は、質量%で、R:24%〜26%、Fe:18%〜22%、Cu:4.2%〜5.0%、Zr:2.0%〜2.6%、を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる。実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の融点は約1400℃である。ここで、Rは希土類元素であって、希土類元素のうち、少なくともSmを含む。希土類元素として、例えば、Pr、Nd、Ce、Laが挙げられる。また、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石は、希土類コバルトを主体とする金属間化合物を含有する。このような金属間化合物は、例えば、SmCo、SmCo17が挙げられる。
また、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の一例として、希土類コバルト系永久磁石10がある。図1に示すように、希土類コバルト系永久磁石10は、複数の結晶粒1と、複数の結晶粒1同士の境界(結晶粒界とも称してもよい)にある粒界部2とを含む金属組織を有する。
結晶粒1は、SmCo17を含むセル相(図示略)と、このセル相を囲み、SmCoを含むセル壁(図示略)と、Zr含有板状相(図示略)とを含む。さらに、希土類コバルト系永久磁石10では、サブミクロンオーダーの組織が結晶粒1内部に形成され、更に、セル相と、セル壁との間に合金組成の濃度差が生じ、特にセル壁へCuが濃縮している。
粒界部2は、結晶粒1と比較して、Cu及びZrの少なくとも一方をより多く含む。さらに、粒界部2におけるCuの含有量は、希土類コバルト系永久磁石10全体におけるCuの含有量と比較して大きい、又は、同じであってもよく、言い換えると、粒界部2は、Cuを質量%で、5.0%以上含むとよい。また、粒界部2におけるZrの含有量は、希土類コバルト系永久磁石10全体におけるZrの含有量と比較して大きく、言い換えると、粒界部2は、Zrを質量%で、2.6%よりも多く含むとよく、より好ましくは、3.0%以上含むとよい。
また、粒界部2は、連続して延びる膜状体である。より具体的には、粒界部2は、複数の結晶粒1をそれぞれ覆うように膜状に形成されているとよい。また、一具体例として、粒界部2は、複数の結晶粒1をそれぞれ覆う複数の膜状部が互いに連続した形状を有する。また、一具体例として、粒界部2は、複数の結晶粒1をそれぞれ覆うとともに、複数の結晶粒1同士を隔てる。
実施の形態1にかかる永久磁石は、時計、電動モータ、計器、通信機、コンピューター端末機、スピーカー、ビデオディスク、センサ、その他機器の各種部品、デバイスとして広く利用することができる。また、実施の形態1にかかる永久磁石は、高い環境温度にあっても磁力を劣化しにくいため、自動車のエンジンルームで使用される角度センサ、イグニッションコイル、HEV(Hybrid electric vehicle)などの駆動モータなどへの適用が期待される。
実施の形態1にかかる永久磁石の製造方法.
次に、図2を参照して実施の形態1にかかる永久磁石の製造方法の一例について説明する。図2は、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法の一例のフローチャートである。
まず、原料として、希土類元素と、純Feと、純Cuと、純Coと、Zrを含む母合金とを準備し、これらを上記した所定の組成となるように配合する(原料配合ステップS1)。ここで、母合金とは、通常2種類の金属元素からなる2元系合金であって、溶解原料として用いられるものである。また、Zrを含む母合金は、純Zrの融点1852℃より低い融点を有するような成分組成を有する。Zrを含む母合金の融点は、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石を溶解させる温度以下、つまり、1600℃以下であることが好ましく、さらに好ましくは1000℃以下である。
Zrを含む母合金として、例えば、FeZr合金やCuZr合金が挙げられる。FeZr合金及びCuZr合金は、低い融点を有するため、後述するインゴットの組織中にZrを均一に分散させて好ましい。従って、FeZr合金及びCuZr合金は共晶組成又はこれに近い近傍の組成を有すると、融点が1000℃以下に抑制されて好ましい。具体的には、FeZr合金は、例えば、Fe20%Zr80%合金である。Fe20%Zr80%合金は、質量%で、Zrを75〜85%含み、残部がFe及び不可避的不純物からなる。また、CuZr合金は、例えば、Cu50%Zr50%合金である。Cu50%Zr50%合金は、質量%で、Zrを45〜55%含み、残部がCu及び不可避的不純物からなる。
次いで、配合した原料をアルミナ製の坩堝に装入し、1×10−2Torr以下の真空雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下において、高周波溶解炉により溶解し、金型に鋳造することにより、インゴットを得る(インゴット鋳造ステップS2)。鋳造方法は、例えば、ブックモールド法と呼ばれる金型鋳造方法である。なお、得られたインゴットを溶体化温度で1〜20時間程度熱処理してもよい。この熱処理を行うと、インゴットの組織をより均一化させて好ましい。
次いで、得られたインゴットを粉砕し、所定の平均粒径を有する粉末を得る(粉末生成ステップS3)。典型的には、まず、得られたインゴットを粗粉砕し、さらに、この粗粉砕したインゴットをジェットミルなどを用いて不活性雰囲気中で微粉砕し、粉末化させる。粉末の平均粒径(d50)は、例えば、1〜10μmである。なお、平均粒径(d50)は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径であり、具体的には、粒径は、フェレット径である。
次いで、得られた粉末を、所定の磁場中において、さらに、この粉末を磁場方向に垂直に加圧してプレス成形し、成形体を得る(プレス成形ステップS4)。ここで、プレス成形条件として、磁場は、例えば、15kOe以上であり、プレス成形の圧力値は、例えば、0.5〜2.0ton/cm(=49〜196MPa)である。なお、製品に応じて、磁場は15kOe(=1193.7kA/m)以下であっても、上記した粉末を磁場方向に平行に加圧してプレス成形してもよい。非SI単位とSI単位との換算は、例えば、以下の換算式1〜4を用いて、行なうとよい。
1[kOe]=10/4π[kA/m] (…換算式1)
1[MGOe]=10/4π[kJ/m] (…換算式2)
1.0[ton/cm]=98.0665[MPa] (…換算式3)
1.0[Torr]=133.32[Pa] (…換算式4)
次いで、成形体を1×10−2Torr(=1.3332Pa)以下の真空雰囲気下、又は、不活性雰囲気下において、焼結温度に加熱し、焼結する(焼結ステップS5)。焼結温度は、例えば、1150〜1250℃である。
次いで、引き続き同じ雰囲気条件のまま、成形体を焼結温度よりも20℃〜50℃低い溶体化温度で溶体化処理を行う(溶体化処理ステップS6)。溶体化時間は、例えば、2〜10時間である。なお、得られた成形体の組織と、目標とする磁気特性とに応じて、適宜変更してもよい。溶体化時間が短すぎると、成分組成の均一化が不十分となる。一方、溶体化時間が長すぎると、成形体に含まれるSmが揮発する。これにより、成形体の内部と表面との成分組成に差が生じ、永久磁石としての磁気特性が劣化することがある。
なお、焼結ステップS5と溶体化処理ステップS6とを連続して行うと、量産性を向上して好ましい。焼結ステップS5と溶体化処理ステップS6とを連続して行う場合、焼結温度から溶体化温度まで、低い降温速度、例えば、0.2〜5℃/minで降温させる。この降温速度が遅いと、Zrが成形体の金属組織中において、より確実に分散し、均一に分布し得て好ましい。
次いで、溶体化処理された成形体を、300℃/min以上の冷却速度で急冷する(急冷ステップS7)。さらに、引き続き同じ雰囲気条件のまま、700〜870℃の温度に1時間以上加熱保持し、引き続いて、少なくとも600℃に降下するまで、好ましくは400℃以下に降下するまで、0.2〜5℃/minの冷却速度で冷却させる(初段時効処理ステップS8)。
以上の工程を経ると、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石が得られる。
ところで、金型鋳造方法は、水冷銅ロールなどの複雑な装置を必要とするストリップキャスト法と比較して、簡易な装置でも鋳造を行うことができる。実施の形態1によれば、金型鋳造方法を用いて、永久磁石を製造することできる、つまり、簡易な装置を用いて、良好な磁気特性を有する永久磁石を製造することができる。
また、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の密度は、金型鋳造法を用いることで、8.15〜8.39g/cmの範囲内にある傾向にある。また、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の平均結晶粒径は、金型鋳造法を用いることで、40〜100μmの範囲内にある傾向にある。
ところで、インゴット鋳造ステップS2において金型鋳造法の代わりにストリップキャスト法を用いたところを除いて、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石と同じ製造方法で製造した永久磁石がある。この永久磁石の密度は、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の密度と比較して大きく、具体的には、8.40g/cm以上となる傾向にある。また、この永久磁石の平均結晶粒径は、40μmを下回る傾向にある。
実施の形態2.
図15を参照して、実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石について説明する。図15は、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の一例の断面組織を模式的に示す図である。
実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石は、質量%で、R:23%〜27%、Fe:20%〜25%、Cu:3.5%〜5.0%、Zr:1.5%〜3.0%、を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる。実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の融点は約1400℃である。ここで、Rは希土類元素であって、希土類元素のうち、少なくともSmを含む。希土類元素として、例えば、Pr、Nd、Ce、Laが挙げられる。また、実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石は、希土類コバルトを主体とする金属間化合物を含有する。このような金属間化合物は、例えば、SmCo、SmCo17が挙げられる。
また、実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の一例として、希土類コバルト系永久磁石200がある。図15に示すように、希土類コバルト系永久磁石200は、複数の結晶粒201と、複数の結晶粒201同士の境界(結晶粒界とも称してもよい)にある粒界部202とを含む金属組織を有する。
結晶粒201は、SmCo17を含むセル相(図示略)と、このセル相を囲み、SmCoを含むセル壁(図示略)と、Zr含有板状相(図示略)とを含む。さらに、希土類コバルト系永久磁石200では、サブミクロンオーダーの組織が結晶粒201内部に形成され、更に、セル相と、セル壁との間に合金組成の濃度差が生じ、特にセル壁へCuが濃縮している。
粒界部202は、結晶粒201と比較して、Cu及びZrの少なくとも一方をより多く含む。さらに、粒界部202におけるCuの含有量は、希土類コバルト系永久磁石200全体におけるCuの含有量と比較して大きい、又は、同じであってもよく、言い換えると、粒界部202は、Cuを質量%で、5.0%以上含むとよく、例えば、45.0%を含んでもよい。また、粒界部202におけるZrの含有量は、希土類コバルト系永久磁石200全体におけるZrの含有量と比較して大きく、言い換えると、粒界部202は、Zrを質量%で、2.6%よりも多く含むとよく、より好ましくは3.0%以上含むとよく、さらに好ましくは6.0%以上含むとよく、例えば、20.0%を含んでもよい。
また、粒界部202は、連続して延びる膜状体である。より具体的には、粒界部202は、複数の結晶粒201をそれぞれ覆うように膜状に形成されているとよい。また、一具体例として、粒界部202は、複数の結晶粒201をそれぞれ覆う複数の膜状部が互いに連続した形状を有する。また、一具体例として、粒界部202は、複数の結晶粒201をそれぞれ覆うとともに、複数の結晶粒201同士を隔てる。
希土類コバルト系永久磁石200の一具体例は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力(固有保磁力)Hcj1600kA/m以上である。
実施の形態2にかかる永久磁石は、時計、電動モータ、計器、通信機、コンピューター端末機、スピーカー、ビデオディスク、センサ、その他機器の各種部品、デバイスとして広く利用することができる。また、実施の形態2にかかる永久磁石は、高い環境温度にあっても磁力を劣化しにくいため、自動車のエンジンルームで使用される角度センサ、イグニッションコイル、HEV(Hybrid electric vehicle)などの駆動モータなどへの適用が期待される。
実施の形態2にかかる永久磁石の製造方法.
次に、図16を参照して実施の形態2にかかる永久磁石の製造方法の一例について説明する。図16は、実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法の一例のフローチャートである。
まず、原料として、希土類元素と、純Feと、純Cuと、純Coと、Zrを含む母合金とを準備し、これらを上記した所定の組成となるように配合する(原料配合ステップS21)。上記したように、所定の組成は、質量%で、R:23%〜27%、Fe:20%〜25%、Cu:3.5%〜5.0%、Zr:1.5%〜3.0%、を含み、残部がCoである。所定の組成は、質量%で、R:24%〜26%、Fe:20%〜25%、Cu:4.0%〜5.0%、Zr:2.0%〜2.5%、を含み、残部がCoであると好ましい。Zrを含む母合金は、原料配合ステップS1(図2参照)で用いた合金と同じ種類の合金を利用するとよい。
次いで、配合した原料をアルミナ製の坩堝に装入し、1×10−2Torr以下の真空雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下において、高周波溶解炉により溶解し、金型に鋳造することにより、インゴットを得る(インゴット鋳造ステップS22)。鋳造方法は、例えば、ブックモールド法と呼ばれる金型鋳造方法である。なお、得られたインゴットを溶体化温度で1〜20時間程度熱処理してもよい。この熱処理を行うと、インゴットの組織をより均一化させて好ましい。
次いで、得られたインゴットを粉砕し、所定の平均粒径を有する粉末を得る(粉末生成ステップS23)。典型的には、まず、得られたインゴットを粗粉砕し、粗粉末を形成する。粗粉末の平均粒径(d50)は、例えば、100〜500μmである。さらに、この粗粉末をジェットミルなどを用いて不活性雰囲気中で微粉砕し、粉末化させる。粉末の平均粒径(d50)は、例えば、1〜10μmである。なお、平均粒径(d50)は、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径であり、具体的には、粒径は、フェレット径である。
次いで、プレス成形ステップS4(図2参照)と同様に、得られた粉末を、所定の磁場中において、さらに、この粉末を磁場方向に垂直に加圧してプレス成形し、成形体を得る(プレス成形ステップS24)。プレス成形条件についても、プレス成形ステップS4(図2参照)と同じである。
次いで、成形体を10Pa以下の真空雰囲気下、又は、不活性雰囲気下において、焼結温度に加熱し、焼結する(焼結ステップS25)。焼結温度は、1175〜1225℃であると好ましく、さらに好ましくは1180〜1220℃である。焼結時間は、20〜180分間であると好ましく、さらに好ましくは30〜150分間である。真空雰囲気は、1Pa未満であると好ましい。
次いで、引き続き同じ雰囲気条件のまま、成形体を溶体化温度で所定の時間、加熱保持することによって、溶体化処理を行う(溶体化処理ステップS26)。溶体化温度は、1130〜1180℃であると好ましく、さらに好ましくは、1140〜1170℃である。溶体化時間は、2〜30時間であると好ましく、さらに好ましくは、4〜20時間である。なお、得られた成形体の組織と、目標とする磁気特性とに応じて、適宜変更してもよい。溶体化時間が2時間よりも長いと、成分組成が十分に均一化しやすい。一方、溶体化時間が30時間以下であれば、成形体に含まれるSmが揮発しにくい。これにより、成形体の内部と表面との成分組成に差が生じ、永久磁石としての磁気特性が劣化することが抑制される。
なお、焼結ステップS25と溶体化処理ステップS26とを連続して行うと、量産性を向上して好ましい。焼結ステップS25と溶体化処理ステップS26とを連続して行う場合、焼結温度から溶体化温度まで、低い降温速度、例えば、0.2〜5℃/minで降温させる。この降温速度が遅いと、Zrが成形体の金属組織中において、より確実に分散し、均一に分布し得て好ましい。
次いで、溶体化処理された成形体を冷却して、成形体の温度を下げる。成形体の温度が1000℃〜600℃の範囲内において、所定の冷却速度で急冷する(急冷ステップS27)。成形体の温度が1000℃になるまで降下したときに、急冷を開始し、成形体の温度が600℃になるまで降下したとき、急冷を終了する。この所定の冷却速度は、60℃/min以上であり、70℃/min以上であると好ましく、さらに好ましくは、80℃/min以上である。
さらに、引き続き同じ雰囲気条件のまま、所定の時効温度で2〜20時間加熱保持し多後、少なくとも400℃に降下するまで所定の冷却速度で冷却させる(初段時効処理ステップS28)。時効温度は、700〜900℃であると好ましく、さらに好ましくは800〜850℃である。冷却速度は、2℃/min以下であると好ましく、さらに好ましくは、0.5℃/min以下である。
以上の工程を経ると、実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石が得られる。実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石は、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石と同様に、金型鋳造方法を用いて、永久磁石を製造することできる、つまり、簡易な装置を用いて、良好な磁気特性を有する永久磁石を製造することができる。
また、実施の形態2にかかる永久磁石の密度は、8.25〜8.45g/cmの範囲内にある傾向にある。
また、焼結ステップS25では、成形体を10Pa以下の真空雰囲気下、又は、不活性雰囲気下において、焼結温度に加熱し、焼結したが、SPS(Spark Plasma Sintering:放電焼結)等の熱処理を施してもよい。
実験1.
次に、表1、表2、図3〜14、及び図23〜32を用いて、実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石についての実施例1と、比較例1とについて行った実験について説明する。図3は、磁場の強さHcに対する磁束密度Bとの関係を示すグラフである。図4〜図9は、実施例1の永久磁石の磁区を示す像である。図10は、実施例1の永久磁石のDF−STEMによる像である。図11〜図14は、実施例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。図23〜図27は、比較例1の永久磁石の磁区を示す像である。図28は、比較例1の永久磁石のDF−STEMによる像である。図29〜図32は、比較例1の永久磁石の元素マッピングによる像である。
実施例1は、上記した実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図2参照)と同じ方法で製造した。詳細には、原料配合ステップS1では、目標組成は、表1に示した。
Figure 0006549720
Zrを含む母合金として、Fe20%Zr80%合金を使用した。また、粉末生成ステップS3では、ジェットミルを用いて、インゴットを不活性雰囲気中で微粉砕し、平均粒径(d50)6μmの粉末を生成した。また、プレス成形ステップS4では、磁場15kOe、プレス成形の圧力1.0ton/cm(=98MPa)の条件でプレス成形を行ない、複数のプレス成形体を得た。また、焼結ステップS5では、焼結温度1200℃で焼結を行なった。また、溶体化処理ステップS6では、降温速度1℃/minで溶体化温度まで降温させて、溶体化温度1170℃、溶体化処理時間4時間の条件で溶体化処理を行った。また、急冷ステップS7では、300℃/minの冷却速度で急冷を行った。初段時効処理ステップS8では、焼結体を不活性雰囲気中で850℃の温度で10時間加熱保持して等温時効処理を行い、その後0.5℃/minの冷却速度で350℃まで連続時効処理を行い、永久磁石を得た。
なお、比較例1は、原料配合ステップS1を除いて、上記した実施の形態1にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法と同じ製造方法を用いて製造された。比較例1の製造方法では、原料配合ステップS1に相当するステップにおいて、表1に示す目標組成となるように、配合した。Fe20%Zr80%合金の代わりに、スポンジジルコニウムと呼ばれるZr金属を用いた。
実施例1、比較例1の磁気特性について測定した。測定した磁気特性は、磁気曲線、残留磁束密度Br[T]、保磁力(固有保磁力)Hcj[kA/m]、最大エネルギー積(BH)max[kJ/m]、角形性Hk/Hcj[%]である。ここで、角形性Hk/HcJは減磁曲線の角形を表し、値が大きいほど優れた磁石特性を表していると言える。Hkは残留磁束密度Brの90%のBと、減磁曲線が交差する時の磁場の強さHcの値である。また、密度についても測定した。測定した結果を図3及び表2に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例1及び比較例1の断面組織の磁区構造を観察した。この観察による像を図4〜図9、図23〜図27に示した。また、DF−STEM/EDX(Dark Field - Scanning Transmission Electron Microscope / Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)を用いて、これらの断面組織における各元素の組成(含有量)を計測し、元素マッピングを行なった。この計測による像を図10〜図14、図28〜図32に示した。
Figure 0006549720
(磁気特性評価)
表2に示すように、実施例1では、比較例1と比較して、残留磁束密度Br、エネルギー積(BH)max、及び、角形性Hk/Hcjが高い値を示した。この一因として、実施例1では、Feの含有量が比較例1と比較して高く、Zrの含有量が比較例1と比較して低いことが考えられる。また、他の一因としては、実施例1ではFeZr合金を用いており、インゴット鋳造ステップS2において、十分に溶解させて、Zrを金属組織に均一に分布させたからと考えられる。また、一方、比較例1ではスポンジジルコニウムと呼ばれるZr金属を用いており、インゴット鋳造ステップS2において、実施例1と比較して、十分に溶解させることができず、Zrが金属組織に不均一に分布したからと考えられる。
また、比較例1では、密度が実施例1と比較して高いのにもかかわらず、残留磁束密度Brが低いことから結晶軸の配向度が低いと思われる。この一因として、実施例1と比較して、平均結晶粒径が小さいことが挙げられる。平均結晶粒径が40〜100μmの範囲にあると、永久磁石が良好な残留磁束密度Br、最大エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjを有し得るため、好ましい。
(磁区構造観察)
実施例1の磁区構造では、減磁界において印加磁場の絶対値を徐々に増大させながら、観察を行った。まず、図4に示すように、印加磁場−0kA/mにおいて、逆磁区とその周辺とを分ける磁壁を確認できなかった。続いて、図5に示すように、印加磁場−400kA/mにおいて、磁壁が結晶粒界に発生していることが確認された。続いて、図6に示すように、印加磁場−480kA/mにおいて、磁壁が結晶粒界に沿って発生することが確認された。続いて、図7に示すように、印加磁場−1200kA/mにおいて、磁壁が結晶粒内部に(ここでは、矢印方向に)移動した。従って、磁壁が結晶粒界から結晶粒内部への移動の可否を決定する臨界磁場は、印加磁場−480〜−1200kA/mの範囲内にあると考えられる。続いて、図8に示すように、印加磁場−1280kA/mにおいても、磁壁が結晶粒内部に引き続き移動していることが確認された。最後に、図9に示すように、印加磁場−1600kA/mにおいて、磁壁が結晶粒内部に引き続き移動した。
上記した実施例1の磁区構造観察によると、低い磁界、つまり、印加磁場の絶対値が小さい場合、結晶粒界に均一に逆磁区が発生していることが確認された。そのため、粒界での磁壁ピニング力が均一であることから、減磁曲線の角形性が向上する。また、高い磁界、印加磁場の絶対値が大きい場合、高い磁界で逆磁区が伝搬し始めることが確認された。
一方、比較例1の磁区構造では、図23に示すように、印加磁場−0kA/mにおいて、逆磁区とその周辺とを分ける磁壁を確認できなかった。続いて、図24に示すように、印加磁場−1120kA/mにおいて、磁壁が結晶粒界の一部に発生した。続いて、図25に示すように、印加磁場−1440kA/mにおいて、磁壁が、発生した箇所を起点として結晶粒内に移動した。続いて、図26に示すように、印加磁場−1520kA/mにおいて、磁壁が、引き続き結晶粒内に移動した。続いて、図27に示すように、印加磁場−1600kA/mにおいて、磁壁が、さらに引き続き結晶粒内に移動した。
上記した比較例1の磁区構造観察によると、低い磁界では、逆磁区が観察されなかった。一方、高い磁界で結晶粒界の一部から部分的に逆磁区が発生し、この逆磁区が結晶粒内に伝搬した。これにより、比較例1における結晶粒界での磁壁ピニング力が、実施例1のそれと比較して不均一であることから、減磁曲線の角形性も低かったと考えられる。
ところで、磁壁は磁壁エネルギーの低いところから発生し、拡張していくことが知られている。したがって、永久磁石において、磁壁が広範囲で一様に発生することは、磁壁エネルギーが揃っていると示唆しており、つまり、永久磁石の角形性が良好であると考えられる。したがって、実施例1の磁区構造は、比較例1の磁区構造と比較して、磁壁が広範囲で一様に発生しているため、実施例1の角形性は、比較例1の磁区構造と比較して、良好である。
(元素マッピング)
実施例1の永久磁石の断面組織では、図10に示すように、複数の結晶粒21と、結晶粒21同士の境界にある粒界部22とが観察された。図11に示すように、結晶粒21におけるFeの含有量(組成)が、粒界部22におけるFeの含有量と比較して高かった。同様に、図12に示すように、結晶粒21におけるCoの含有量が、粒界部22におけるCoの含有量と比較して高かった。
一方、図13に示すように、粒界部22におけるCuの含有量が、結晶粒21におけるCuの含有量と比較して高かった。同様に、図14に示すように、粒界部22におけるZrの含有量が、結晶粒21におけるZrの含有量と比較して高かった。したがって、粒界部22は、Cu及びZrが濃縮している濃縮部を有する。濃縮部はいずれも連なっており、途切れた部分を確認することができなかった。また、粒界部22が、質量%で、Cuを5〜30%含み、Zrを3〜20%含むことを確認した。
一方、比較例1の永久磁石の断面組織では、図28に示すように、複数の結晶粒91と、結晶粒91同士の境界にある粒界部92とが観察された。図29に示すように、結晶粒91におけるFeの含有量が、粒界部92におけるFeの含有量と比較して高かった。同様に、図30に示すように、結晶粒91におけるCoの含有量が、粒界部92におけるCoの含有量と比較して高かった。
一方、図31に示すように、粒界部92におけるCuの含有量が、結晶粒91におけるCuの含有量と比較して高い部位を複数有する。同様に、図32に示すように、粒界部92におけるZrの含有量が、結晶粒91におけるZrの含有量と比較して高い部位を複数有する。具体的には、粒界部92は、Cuが濃縮しているCu濃縮部と、Zrが濃縮しているZr濃縮部とを有する。Cu濃縮部及びZr濃縮部は、途切れた部分を有し、連なっていなかった。
ここで、実施例1の粒界部22におけるCu濃縮部及びZr濃縮部はいずれも連なっている一方で、比較例1の粒界部92におけるCu濃縮部及びZr濃縮部は途切れている。この構成が、上記した実施例1及び比較例1の磁区構造観察における結晶粒界における逆磁区の発生の仕方の違いに影響を与えていると考えられる。
実験2.
次に、以下の表3を用いて、実施の形態1にかかる永久磁石についての実施例2〜9と、比較例2〜9について行った実験について説明する。
Figure 0006549720
実施例2〜9では、表3に示す成分を目標組成として原料を準備し、実施例1と同じ製造方法で製造した。また、実施例2〜9、比較例2〜9の各磁気特性を測定した。また、実施例1及び比較例1と同様に、実施例2〜実施例9の磁区構造を観察した。
表3に示すように、実施例2及び3では、保磁力Hcjが1600kA/m以上であり、エネルギー積(BH)maxが200kJ/m以上であり、角形性Hk/Hcjが50%以上であり、いずれも良好な値を示した。なお、保磁力Hcjが1600kA/m以上、エネルギー積(BH)maxが200kJ/m以上、角形性Hk/Hcjが50%以上を良好な値とした。一方、比較例2では、実施例2及び3と比較して、Smの含有量が23.5質量%と小さく、保磁力Hcj及びエネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。比較例3では、実施例2及3と比較して、Smの含有量が26.5質量%と大きく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。つまり、目標組成におけるSmの含有量が24〜26質量%であれば、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが良好な値であると考えられる。
また、実施例4及び5では、実施例2及び3と同様に、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max、角形性Hk/Hcjは、いずれも良好な値を示した。一方、比較例4では、実施例4及び5と比較して、Feの含有量が17.5質量%と小さく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。比較例5では、実施例4及び5と比較して、Feの含有量が22.5質量%と大きく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。つまり、目標組成におけるFeの含有量が18〜22質量%であれば、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが良好な値であると考えられる。
また、実施例6及び7では、実施例2及び3と同様に、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max、角形性Hk/Hcjは、いずれも良好な値を示した。一方、比較例6では、実施例6及び7と比較して、Cuの含有量が4.0質量%と小さく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。比較例8では、実施例6及び7と比較して、Cuの含有量が5.2質量%と大きく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。つまり、目標組成におけるCuの含有量が4.2〜5.0質量%であれば、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが良好な値であると考えられる。
また、実施例8及び9では、実施例2及び3と同様に、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max、及び、角形性Hk/Hcjは、いずれも良好な値を示した。一方、比較例8では、実施例8及び9と比較して、Zrの含有量が1.8質量%と小さく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。比較例9では、実施例8及び9と比較して、Zrの含有量が2.8質量%と大きく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。つまり、目標組成におけるZrの含有量が2.0〜2.6質量%であれば、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが良好な値であると考えられる。
なお、実施例1及び比較例1と同様に、実施例2〜9の磁区構造を観察した。その結果、実施例2〜9では、実施例1と同様に、磁壁が結晶粒界に沿って均一に発生し、臨界磁場を超えると、結晶粒の内部に向かって成長することを確認した。
実験3.
次に、以下の表4を用いて、実施の形態1にかかる永久磁石についての実施例10〜13と、比較例10及び11とについて行った実験について説明する。
Figure 0006549720
実施例10〜13では、質量%で、Sm:24.5〜25.5%、Cu:4.5%、Fe:20.0%、Zr:2.3%、残部がCoからなる合金を目標組成としつつ、表4に示すように、C(炭素)、O(酸素)の含有量を変化させるところを除き、実施例1と同じ製造方法で製造した。C(炭素)の含有量は、プレス成形ステップS4において、ステアリン酸などの潤滑剤の量や添加方法を変更することにより、調節した。O(酸素)の含有量は、粉末生成ステップS3において、微粉砕する際の粉砕粒径等を変更することにより、調節した。また、実施例1及び比較例1と同様に、実施例10〜13、比較例10及び11の各磁気特性を測定した。また、実施例1及び比較例1と同様に、実施例10〜13の磁区構造を観察した。
表4に示すように、実施例10及び11では、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max、及び、角形性Hk/Hcjは、いずれも良好な値を示した。一方、比較例10では、実施例10及び11と比較して、Cの含有量が1100ppmと大きく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max、及び、角形性Hk/Hcjが小さかった。つまり、Cの含有量を200〜1000ppmに規制すると、良好な磁気特性が維持されると考えられる。
実施例12及び13では、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max、及び、角形性Hk/Hcjは、いずれも良好な値を示した。一方、比較例11では、実施例12及び13と比較してOの含有量が5250ppmと大きく、保磁力Hcj、エネルギー積(BH)max及び角形性Hk/Hcjが小さかった。つまり、Oの含有量を1000〜5000ppm、より望ましくは、1000〜3500ppmに規制すると、良好な磁気特性が維持されると考えられる。
なお、実施例1及び比較例1と同様に、実施例10〜13の磁区構造を観察した。その結果、実施例10〜13では、実施例1と同様に、磁壁が結晶粒界に沿って均一に発生し、臨界磁場を超えると、結晶粒の内部に向かって成長することを確認した。
実験4.
次に、以下の表5及び表6を用いて、実施の形態2にかかる永久磁石についての実施例21〜23と、参考例1及び2とについて行った実験について説明する。
実施例21〜23は、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法で製造した。実施例21〜23における原料配合ステップS21での目標組成は、表5に示した。表5に示すように、実施例21〜23の目標組成は、質量%で、R(Sm):25.0%、Fe:21.0%、Cu:4.35%、Zr:2.00%、を含み、残部がCoである。セル界面Cu量は、粒界部202に相当する部位におけるCuの含有量であり、セル界面Zr量は、粒界部202に相当する部位におけるZrの含有量である。
Figure 0006549720
Figure 0006549720
原料配合ステップS21では、Zrを含む母合金として、Fe20%Zr80%合金を使用した。また、粉末生成ステップS23では、粗粉末の平均粒径(d50)は、100〜500μmとした。また、ボールミルを用いて、インゴットを不活性雰囲気中で微粉砕し、平均粒径(d50)6μmの粉末を生成した。また、プレス成形ステップS24では、磁場15kOe、プレス成形の圧力1.0ton/cm(=98MPa)の条件でプレス成形を行ない、複数の成形体を得た。また、焼結ステップS25では、10Paの真空雰囲気下において、表5に示す焼結温度の条件で1.0時間焼結を行なった。また、溶体化処理ステップS26では、成形体を溶体化温度1150℃まで降温させて、溶体化温度1150℃、溶体化処理時間10時間の条件で溶体化処理を行った。また、急冷ステップS27では、成形体の温度が1000℃〜600℃の範囲内において、80℃/minの冷却速度で急冷を行った。初段時効処理ステップS28では、成形体を不活性雰囲気中で温度850℃になるまで加熱し、時効温度850℃で10時間加熱保持して等温時効処理を行い、その後0.5℃/minの冷却速度で350℃まで連続時効処理を行い、永久磁石を得た。
なお、参考例1及び2は、焼結ステップS25を除いて、実施例21〜23と同様に、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例21〜23の同じ条件で製造した。参考例1及び2の製造方法における、焼結ステップS25に相当するステップにおいて、表5に示す焼結温度で焼結した。
実施例21〜23、参考例1及び2の密度及び磁気特性について測定した。測定した磁気特性は、保磁力(固有保磁力)Hcj[kA/m]、最大エネルギー積(BH)max[kJ/m]である。測定した結果を表5に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例21の断面組織の磁区構造を観察した。この観察による像を図17〜図22に示した。
表5が示すように、実施例21〜23の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力Hcj1600kA/m以上であった。磁界を実施例21〜23の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生し、それが粒内へ伝播するのみであった。この一因として、焼結温度が1175〜1225℃の範囲内にあることが考えられる。具体的には、焼結温度が1175℃以上である場合、焼結が十分に進み、焼結温度が1225℃以下である場合、Smの蒸発が少ないため、良好な磁気特性を有すると考えられる。
一方、参考例1及び2の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、及び保磁力Hcj1600kA/m以上の全てを満たすことがなかった。さらに、磁界を参考例1及び2の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生するだけでなく粒内からも発生し、それらが結晶粒内や粒内の他の場所へ伝播していた。この一因として、焼結温度が1175℃未満、又は、1225℃より高いことが考えられる。
(磁区構造観察)
実施例21の磁区構造では、減磁界において印加磁場の絶対値を徐々に増大させながら、観察を行った。まず、図17に示すように、印加磁場0kOe(=−0kA/m)において、逆磁区とその周辺とを分ける磁壁を確認できなかった。
続いて、図18に示すように、印加磁場−3kOe(=−238.7kA/m)において、磁壁が結晶粒界に発生しており、逆磁区が粒界に沿って均一な幅を有することが確認された。
続いて、図19に示すように、印加磁場−10kOe(=−795.8kA/m)において、磁壁が結晶粒内部に(ここでは、矢印方向に)移動した。つまり、逆磁区が結晶粒内部へ伝播し始めている。従って、磁壁が結晶粒界から結晶粒内部への移動の可否を決定する臨界磁場は、印加磁場−3〜−10kOe(=−238.7〜−795.8kA/m)の範囲内にあると考えられる。
続いて、図20に示すように、印加磁場−12kOe(=−954.9kA/m)において、磁壁が結晶粒内部に引き続き移動しており、逆磁区による結晶粒内部への伝播が拡大している。
続いて、図21に示すように、印加磁場−14kOe(=−1114.1kA/m)においても、磁壁が結晶粒内部に引き続き移動しており、逆磁区による結晶粒内部への伝播がさらに拡大している。
最後に、図22に示すように、印加磁場−18kOe(=−1432.4kA/m)において、逆磁区による結晶粒内部への伝播がさらに進み、磁化反転が終了した。
上記した実施例21の磁区構造観察によると、低い磁界、つまり、印加磁場の絶対値が小さい場合、結晶粒界に均一に逆磁区が発生していることが確認された。そのため、粒界での磁壁ピニング力が均一であることから、減磁曲線の角形性が向上する。また、高い磁界、印加磁場の絶対値が大きい場合、高い磁界で逆磁区が伝搬し始めることが確認された。
なお、実施例22及び23でも、印加磁場の絶対値が小さい場合、結晶粒界に均一に逆磁区が発生していることが確認されているため、粒界での磁壁ピニング力が均一であることから、減磁曲線の角形性が向上する。
実験5.
次に、以下の表7及び表8を用いて、実施の形態2にかかる永久磁石についての実施例24〜26と、比較例23及び24とについて行った実験について説明する。
実施例24〜26は、原料配合ステップS21、焼結ステップS25、及び溶体化処理ステップS26を除いて、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例22と同じ条件で製造した。
実施例24〜26における原料配合ステップS21での目標組成は、表7に示した。表7に示すように、実施例24〜26の目標組成は、質量%で、R(Sm):25.5%、Fe:25.0%、Cu:5.0%、Zr:2.15%、を含み、残部がCoである。
Figure 0006549720
Figure 0006549720
焼結ステップS25では、10Paの真空雰囲気下において、焼結温度1200℃、表7に示す焼結時間の条件で、焼結を行なった。溶体化処理ステップS26では、成形体を溶体化温度1155℃まで降温させて、溶体化温度1155℃、溶体化処理時間10時間の条件で溶体化処理を行った。
なお、比較例23及び24は、焼結ステップS25及び溶体化処理ステップS26を除いて、実施例24〜26と同様に、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例24〜26と同じ条件で製造した。比較例23及び24の製造方法では、焼結ステップS25に相当するステップにおいて、表7に示す焼結時間で焼結した。溶体化処理ステップS26に相当するステップでは、成形体を溶体化温度1170°まで降温させて、溶体化温度1170℃、溶体化処理時間5時間の条件で溶体化処理を行った。
実施例24〜26、比較例23及び24の密度及び磁気特性について、実施例21〜23と同様に測定した。測定した結果を表7に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例24〜26、比較例23及び24の断面組織の磁区構造を観察した。この観察した結果を表8に示す。
表7が示すように、実施例24〜26の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力Hcj1600kA/m以上であった。磁界を実施例24〜26の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生し、それが粒内へ伝播するのみであった。この一因として、焼結時間が20〜180分(min)の範囲内にあることが考えられる。具体的には、焼結時間が20分以上である場合、焼結が十分に進み、焼結時間が180分以下である場合、Smの蒸発が少ないため、良好な磁気特性を有すると考えられる。
一方、比較例23及び24の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、及び保磁力Hcj1600kA/m以上の全てを満たすことがなかった。さらに、磁界を比較例23及び24の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生するだけでなく粒内からも発生し、それらが結晶粒内や粒内の他の場所へ伝播していた。この一因として、焼結時間が20分未満、又は、180分よりも長いことが考えられる。
実験6.
次に、以下の表9及び表10を用いて、実施の形態2にかかる永久磁石についての実施例27〜29と、比較例25及び26とについて行った実験について説明する。
実施例27〜29は、原料配合ステップS21、焼結ステップS25及び溶体化処理ステップS26を除いて、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例22と同じ条件で製造した。
実施例27〜29における原料配合ステップS21での目標組成は、表9に示した。表9に示すように、実施例27〜29の目標組成は、質量%で、R(Sm):24.5%、Fe:20.0%、Cu:4.65%、Zr:3.00%、を含み、残部がCoである。
Figure 0006549720
Figure 0006549720
焼結ステップS25では、10Paの真空雰囲気下において、焼結温度1210℃、焼結時間1.0時間の条件で、焼結を行なった。溶体化処理ステップS26では、成形体を、表9に示す溶体化温度まで降温させて、その溶体化温度、溶体化処理時間5時間の条件で溶体化処理を行った。
なお、比較例25及び26では、溶体化処理ステップS26を除いて、実施例27〜29と同様に、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例27〜29と同じ条件で製造した。
溶体化処理ステップS26に相当するステップでは、成形体を、表9に示す溶体化温度まで降温させて、その溶体化温度、溶体化処理時間5時間の条件で溶体化処理を行った。
実施例27〜29、比較例25及び26の密度及び磁気特性について、実施例21〜23と同様に測定した。測定した結果を表9に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例27〜29、比較例25及び26の断面組織の磁区構造を観察した。この観察した結果を表10に示す。
表9が示すように、実施例27〜29の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力Hcj1600kA/m以上であった。磁界を実施例27〜29の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生し、それが粒内へ伝播するのみであった。この一因として、溶体化温度が1130〜1180℃の範囲内にあることが考えられる。具体的には、溶体化温度が1130℃以上である場合、均質化が進み、溶体化温度が1180℃以下である場合、液相成分が組成に応じることなく残りにくいため、良好な磁気特性を有すると考えられる。
一方、比較例25及び26の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、及び保磁力Hcj1600kA/m以上の全てを満たすことがなかった。さらに、磁界を比較例25及び26の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生するだけでなく粒内からも発生し、それらが結晶粒内や粒内の他の場所へ伝播していた。この一因として、溶体化温度が1130℃未満、又は、1180℃よりも高いことが考えられる。
実験7.
次に、以下の表11及び表12を用いて、実施の形態2にかかる永久磁石についての実施例30〜32と、比較例27及び28とについて行った実験について説明する。
実施例30〜32では、原料配合ステップS21、及び溶体化処理ステップS26を除いて、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例22と同じ条件で製造した。
実施例30〜32における原料配合ステップS21での目標組成は、表11に示した。表11に示すように、実施例30〜32の目標組成は、質量%で、R(Sm):26.0%、Fe:22.5%、Cu:3.85%、Zr:2.50%、を含み、残部がCoである。
Figure 0006549720
Figure 0006549720
溶体化処理ステップS26では、成形体を溶体化温度1170℃まで降温させて、溶体化温度1170℃、表11に示す溶体化処理時間の条件で溶体化処理を行った。
なお、比較例27及び28では、溶体化処理ステップS26を除いて、実施例30〜32と同様に、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例30〜32と同じ条件で製造した。比較例27及び28の製造方法における溶体化処理ステップS26に相当するステップでは、成形体を溶体化温度1170℃まで降温させて、溶体化温度1170℃、表11に示す溶体化処理時間の条件で溶体化処理を行った。
実施例30〜32、比較例27及び28の密度及び磁気特性について、実施例21〜23と同様に測定した。測定した結果を表11に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例30〜32、比較例27及び28の断面組織の磁区構造を観察した。この観察した結果を表12に示す。
表11が示すように、実施例30〜32の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力Hcj1600kA/m以上であった。磁界を実施例30〜32の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生し、それが粒内へ伝播するのみであった。この一因として、溶体化時間が2時間〜30時間の範囲内にあることが考えられる。具体的には、溶体化時間が2時間以上である場合、均質化が進み、溶体化時間が30時間以下である場合、Smの蒸発が少ないため、良好な磁気特性を有すると考えられる。
一方、比較例27及び28の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、及び保磁力Hcj1600kA/m以上の全てを満たすことがなかった。さらに、磁界を比較例27及び28の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生するだけでなく粒内からも発生し、それらが結晶粒内や粒内の他の場所へ伝播していた。この一因として、溶体化時間が2時間未満、又は、30時間よりも長いことが考えられる。
実験8.
次に、以下の表13及び表14を用いて、実施の形態2にかかる永久磁石についての実施例33〜35と、比較例29及び30とについて行った実験について説明する。
実施例33〜35では、原料配合ステップS21、溶体化処理ステップS26及び急冷ステップS27を除いて、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例22と同じ条件で製造した。
実施例33〜35における原料配合ステップS21での目標組成は、表13に示した。表13に示すように、実施例33〜35の目標組成は、質量%で、R(Sm):25.5%、Fe:24.0%、Cu:3.50%、Zr:1.85%、を含み、残部がCoである。
Figure 0006549720
Figure 0006549720
溶体化処理ステップS26では、成形体を溶体化温度1170℃まで降温させて、溶体化温度1170℃、溶体化処理時間5時間の条件で溶体化処理を行った。
急冷ステップS27では、溶体化処理された成形体を冷却して、成形体の温度を下げる。成形体の温度が1000℃〜600℃の範囲内において、表13に示す冷却速度で急冷する。
なお、比較例29及び30では、急冷ステップS27を除いて、実施例33〜35と同様に、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例33〜35と同じ条件で製造した。比較例29及び30の製造方法における急冷ステップS27に相当するステップでは、溶体化処理された成形体を冷却して、成形体の温度を下げる。成形体の温度が1000℃〜600℃の範囲内において、表13に示す冷却速度で急冷する。
実施例33〜35、比較例29及び30の密度及び磁気特性について、実施例21〜23と同様に測定した。測定した結果を表13に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例33〜35、比較例29及び30の断面組織の磁区構造を観察した。この観察した結果を表14に示す。
表13が示すように、実施例33〜35の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力Hcj1600kA/m以上であった。磁界を実施例33〜35の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生し、それが粒内へ伝播するのみであった。この一因として、急冷速度が60℃/min以上であることが考えられる。具体的には、急冷速度が60℃/min以上である場合、降温時に組織、特に結晶構造が変化しにくいため、良好な磁気特性を有すると考えられる。
一方、比較例29及び30の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、及び保磁力Hcj1600kA/m以上の全てを満たすことがなかった。さらに、磁界を比較例29及び30の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生するだけでなく粒内からも発生し、それらが結晶粒内や粒内の他の場所へ伝播していた。この一因として、急冷速度が60℃/min未満であることが考えられる。
実験9.
次に、以下の表15及び表16を用いて、実施の形態2にかかる永久磁石についての実施例36〜38と、比較例31及び32とについて行った実験について説明する。
実施例36〜38では、原料配合ステップS21、焼結ステップS26、溶体化処理ステップS26及び急冷ステップS27を除いて、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例22と同じ条件で製造した。
実施例36〜38は、原料配合ステップS21での目標組成は、表15に示した。表15に示すように、実施例36〜38の目標組成は、質量%で、R(Sm):23.0%、Fe:24.0%、Cu:4.00%、Zr:1.50%、を含み、残部がCoである。
Figure 0006549720
Figure 0006549720
焼結ステップS25では、表15に示す真空度の真空雰囲気下において、焼結温度1200℃、焼結時間1.0時間の条件で、焼結を行なった。
溶体化処理ステップS26では、表15に示す真空度の真空雰囲気下において、成形体を溶体化温度1170℃まで降温させて、溶体化温度1170℃、溶体化処理時間5時間の条件で溶体化処理を行った。
なお、比較例31及び32では、焼結ステップS25及び溶体化処理ステップS26を除いて、実施例33〜35と同様に、上記した実施の形態2にかかる希土類コバルト系永久磁石の製造方法(図16参照)と同じ方法を用いて、実施例33〜35と同じ条件で製造した。焼結ステップS25に相当するステップでは、表15に示す真空度の真空雰囲気下において、焼結温度1200℃、焼結時間1.0時間の条件で、焼結を行なった。溶体化処理ステップS26に相当するステップでは、表15に示す真空度の真空雰囲気下において、成形体を溶体化温度1170℃まで降温させて、溶体化温度1170℃、溶体化処理時間5時間の条件で溶体化処理を行った。
実施例36〜38、比較例31及び32の密度及び磁気特性について、実施例21〜23と同様に測定した。測定した結果を表15に示す。また、磁気Kerr効果を用いた光学顕微鏡を用いて実施例36〜38、比較例31及び32の断面組織の磁区構造を観察した。この観察した結果を表16に示す。
表13が示すように、実施例33〜35の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、保磁力Hcj1600kA/m以上であった。磁界を実施例33〜35の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生し、それが粒内へ伝播するのみであった。この一因として、焼結ステップS25及び溶体化処理ステップS26における真空雰囲気下における真空度が10Pa以下であることが考えられる。具体的には、このような真空度が10Pa以下である場合、密度の低下が抑制されると考えられる。
一方、比較例31及び32の永久磁石は、密度8.25g/cm以上、最大エネルギー積(BH)max255kJ/m以上、及び保磁力Hcj1600kA/m以上の全てを満たすことがなかった。さらに、磁界を比較例29及び30の永久磁石にかけたとき、逆磁区の発生が結晶粒界部の断面の一辺から発生するだけでなく粒内からも発生し、それらが結晶粒内や粒内の他の場所へ伝播していた。この一因として、焼結ステップS25及び溶体化処理ステップS26における真空雰囲気下における真空度が10Paを上回ることが考えられる。
以上、本発明を上記実施の形態および実施例に即して説明したが、上記実施の形態および実施例の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
この出願は、2015年10月8日に出願された日本出願特願2015−200085を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
希土類コバルト系永久磁石 10
結晶粒 1、21 粒界部 2、22

Claims (11)

  1. 元素Rを、少なくともSmを含む希土類元素とすると、
    質量%で、R:23〜27%、Cu:3.5〜5.0%、Fe:18〜25%、Zr:1.5〜3.0%を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる希土類コバルト系永久磁石であって、
    複数の結晶粒と、粒界部と、を含む金属組織を有し、
    前記粒界部は、連続して延びる形状を有し、
    前記粒界部におけるCuの含有量は、前記結晶粒におけるCuの含有量よりも高く、
    前記粒界部におけるZrの含有量は、前記結晶粒におけるZrの含有量よりも高く、
    前記粒界部は、質量%で、Zr:6〜20%を含む、
    希土類コバルト系永久磁石。
  2. 前記粒界部は、質量%で、Cu:5〜45%を含む、
    請求項1に記載される希土類コバルト系永久磁石。
  3. 減磁界を所定の印加磁場でかけて前記印加磁場を徐々に増大させていくと、磁壁が前記複数の結晶粒同士の境界に発生し、
    引き続いて前記印加磁場を徐々に増大させて、前記印加磁場が臨界磁場を超えたとき、前記磁壁が、前記結晶粒の内部に伝搬し、
    前記臨界磁場は、480kA/m以上である、
    請求項1又は2に記載される希土類コバルト系永久磁石。
  4. 固有保磁力が1600kA/m以上である、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載される希土類コバルト系永久磁石。
  5. 前記不可避的不純物のうち、C:200〜1000ppmに規制される、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載される希土類コバルト系永久磁石。
  6. 前記不可避的不純物のうち、O:1000〜5000ppmに規制される、請求項1〜5のいずれか1項に記載される希土類コバルト系永久磁石。
  7. 密度が8.25g/cm以上であり、
    最大エネルギー積が255kJ/m以上である、
    ことを特徴とする請求項4に記載される希土類コバルト系永久磁石。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載される希土類コバルト系永久磁石を用いたモータ。
  9. 請求項1〜7のいずれか1項に記載される希土類コバルト系永久磁石を用いたデバイス。
  10. 元素Rを、少なくともSmを含む希土類元素とすると、
    質量%で、R:23〜27%、Cu:3.5〜5.0%、Fe:18〜25%、Zr:1.5〜3.0%を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、
    前記希土類コバルト系永久磁石は、複数の結晶粒と、粒界部と、を含む金属組織を有し、
    前記粒界部は、連続して延びる形状を有し、
    前記粒界部におけるCuの含有量は、前記結晶粒におけるCuの含有量よりも高く、
    前記粒界部におけるZrの含有量は、前記結晶粒におけるZrの含有量よりも高い、
    希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、
    インゴットを粉砕して粉末を形成し、前記粉末をプレス成形して成形体を成形した後で、前記成形体を焼結する焼結ステップと、
    前記焼結ステップと同じ雰囲気条件のまま、前記成形体を加熱保持することによって、溶体化処理する溶体化処理ステップと、
    前記成形体を、急冷速度300℃/min以上の急冷速度で急冷させる急冷ステップと、を備え、
    前記焼結ステップの前において
    Zrを含む母合金を含む原料を、配合する原料配合ステップと、
    金型鋳造法を用いて、インゴットを形成する鋳造ステップと、をさらに備える、
    希土類コバルト系永久磁石の製造方法。
  11. 元素Rを、少なくともSmを含む希土類元素とすると、
    質量%で、R:23〜27%、Cu:3.5〜5.0%、Fe:20〜25%、Zr:1.5〜3.0%を含み、残部がCo及び不可避的不純物からなる希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、
    前記希土類コバルト系永久磁石は、複数の結晶粒と、粒界部と、を含む金属組織を有し、
    前記粒界部は、連続して延びる形状を有し、
    前記粒界部におけるCuの含有量は、前記結晶粒におけるCuの含有量よりも高く、
    前記粒界部におけるZrの含有量は、前記結晶粒におけるZrの含有量よりも高い、
    希土類コバルト系永久磁石の製造方法であって、
    インゴットを粉砕して粉末を形成し、前記粉末をプレス成形して成形体を成形した後で、前記成形体を、真空度10Pa以下の雰囲気下において、焼結温度1175〜1225℃の範囲内で焼結時間20〜180min加熱保持することによって、焼結する焼結ステップと、
    前記焼結ステップから引き続き前記雰囲気下のまま、前記成形体を溶体化温度1130〜1180℃の範囲内で溶体化時間2〜30時間加熱保持することによって、溶体化処理する溶体化処理ステップと、
    前記成形体を、急冷速度60℃/min以上の急冷速度で急冷させる急冷ステップと、を含む、
    希土類コバルト系永久磁石の製造方法。
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