JP6776441B2 - 磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両 - Google Patents

Description

実施形態は、磁石材料、永久磁石、回転電機、及び車両に関する。

永久磁石は、例えばモータ、発電機等の回転電機、スピーカ、計測機器等の電気機器、自動車、鉄道車両等の車両を含む広範な分野の製品に用いられている。近年、上記製品の小型化が要求されており、高磁化及び高保磁力を有する高性能な永久磁石が求められている。

高性能な永久磁石の例としては、例えばＳｍ−Ｃｏ系磁石やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の希土類磁石が挙げられる。これらの磁石では、ＦｅやＣｏが飽和磁化の増大に寄与している。また、これらの磁石にはＮｄやＳｍ等の希土類元素が含まれており、結晶場中における希土類元素の４ｆ電子の挙動に由来して大きな磁気異方性をもたらす。これにより、大きな保磁力を得ることができる。

特開２０１７−１１２３００号公報 国際公開第２０１６／１６２９９０号公報

本発明が解決しようとする課題は、磁石材料の飽和磁化と保磁力を高めることである。

実施形態の磁石材料は、組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＤ_ｄ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏであるとともにＭ元素の５０原子％以上がＦｅであり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＤはＣｕ及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｄは０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数である）により表される。磁石材料は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を有する主相と、４０原子％以上のＣｕを含む第１の相又は２５原子％以上のＳｎを含む第２の相の少なくとも一方を有する副相と、を具備する。

金属組織の構造例を示す断面模式図である。 金属組織の他の構造例を示す断面模式図である。 永久磁石モータの例を示す図である。 可変磁束モータの例を示す図である。 発電機の例を示す図である。 鉄道車両の構成例を示す模式図である。 自動車の構成例を示す模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は模式的なものであり、例えば厚さと平面寸法との関係、各層の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。また、実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略する。

（第１の実施形態）
本実施形態の磁石材料は、希土類元素と、Ｍ元素（ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ）と、Ｄ元素（ＤはＣｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、及びＧａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素）と、を含む。上記磁石材料は、主相と副相とを有する金属組織を具備する。

図１は、金属組織の構造例を示す断面模式図である。上記磁石材料は、高濃度のＭ元素を含む結晶相を主相１とする金属組織を具備する。主相１中のＭ元素濃度を高めることにより飽和磁化を向上させることができ、加えてＤ元素を含む相を有する副相２を形成することにより、保磁力を向上させることができる。主相１は、磁石材料中の各結晶相及び非晶質相のうち、最も体積占有率が高い相であり、副相２は主相１を構成する結晶粒に接して存在する。副相２は、例えば２つ以上の結晶粒の間に粒界相として存在することが多い。

高濃度のＭ元素を含む結晶相としては、例えばＴｈＭｎ_１２型結晶相が挙げられる。ＴｈＭｎ_１２型結晶相は、正方晶系の結晶構造を有する。ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相１とする磁石材料では、Ｍ元素濃度が高いため、高い飽和磁化が得られるが、主相１のみでは高い保磁力を得ることが難しい。そこで、本実施形態の磁石材料では、主相１に含まれる各元素濃度を制御し、高飽和磁化を実現するための主相１を安定に形成しつつ、Ｄ元素を含む相を含む副相２を形成することにより、主相１の磁化反転核の形成の抑制と近接する主相１間の逆磁区伝搬を抑制し、保磁力を向上させることができる。

本実施形態の磁石材料は、組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＤ_ｄ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ＤはＣｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、及びＧａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｄは０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数である。）により表される組成を有する。なお、磁石材料は、不可避不純物を含んでいてもよい。

イットリウム（Ｙ）は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定化に有効な元素である。すなわち、Ｙ元素は、主として主相１中のＲ元素と置換し、結晶格子を縮小させること等によりＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高めることができる。Ｙ元素の添加量が少なすぎると、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高める効果を十分に得ることができない。Ｙの添加量が多すぎると、磁石材料の異方性磁界が著しく低下してしまう。ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であることが好ましく、より好ましくは０．０５≦ｘ＜０．５を満足する数であり、さらに好ましくは０．１≦ｘ≦０．４を満足する数である。

Ｙ元素の５０原子％以下は、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。Ｚｒ元素及びＨｆ元素は、結晶相の安定化に有効な元素である。

Ｒ元素は希土類元素であり、磁石材料に大きな磁気異方性をもたらし、永久磁石に高い保磁力を付与することができる元素である。Ｒ元素は具体的には、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、特に、Ｓｍを用いることが好ましい。例えば、Ｒ元素としてＳｍを含む複数の元素を用いる場合、Ｓｍ濃度をＲ元素として適用可能な元素全体の５０原子％以上とすることにより、磁石材料の性能、例えば保磁力を高めることができる。

Ｒ元素及びＹ元素の濃度ａは、例えば４≦ａ≦２０原子％を満足する数であることが好ましい。４原子％未満の場合、多量のα−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が析出して保磁力が低下する。２０原子％を超える場合、副相が増加し、磁石材料全体の飽和磁化が低下する。Ｒ元素及びＹ元素の濃度ａは、５≦ａ≦１８原子％を満足する数、さらには７≦ａ≦１５原子％を満足する数であることがより好ましい。

Ｍ元素は、Ｆｅ又はＦｅ及びＣｏであり、磁石材料の高い飽和磁化を担う元素である。ＦｅとＣｏではＦｅのほうがより磁化が高いことからＦｅは必須元素であり、Ｍ元素の３０原子％以上がＦｅである。Ｍ元素にＣｏを入れることにより磁石材料のキュリー温度が上昇し、高温領域での飽和磁化の低下を抑制することが出来る。また、Ｃｏを少量入れることによりＦｅ単独の場合よりも飽和磁化を高めることが出来る。一方、Ｃｏ比率を高めると異方性磁界の低下を招く。さらに、Ｃｏ比率が高すぎると飽和磁化の低下も招く。そのため、ＦｅとＣｏの比率を適切に制御することにより、高い飽和磁化、高い異方性磁界、高いキュリー温度を同時に実現することが出来る。組成式１のＭを（Ｆｅ_１−ｙＣｏ_ｙ）と表記すると、好ましいｙの値は０．０１≦ｙ＜０．７であり、より好ましくは０．０１≦ｙ＜０．５であり、さらに好ましくは０．０１≦ｙ≦０．３である。Ｍ元素の２０原子％以下は、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びガリウム（Ｇａ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されてもよい。上記元素は、例えば主相１を構成する結晶粒の成長に寄与する。

Ｔ元素は、例えばチタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である。Ｔ元素を添加することにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させることができる。しかしながら、Ｔ元素の導入によりＭ元素濃度が低下し、結果として磁石材料の飽和磁化が低下しやすくなる。Ｍ元素濃度を高めるためにはＴ元素の添加量を減らせばよいが、その場合、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性が失われ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相が析出することにより磁石材料の保磁力が低下してしまう。Ｔ元素の添加量ｃは、０＜ｃ＜７原子％を満足する数であることが好ましい。これにより、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出を抑制しつつ、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させることができる。Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂであることがより好ましい。Ｔｉ又はＮｂを用いることにより、Ｔ元素の含有量を少なくしてもＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させつつ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を大幅に低減することができる。

磁石材料の飽和磁化をより向上させるためにＴ元素の添加量は少ないことが好ましいが、Ｔ元素の添加量が少ない場合、Ｎｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相が析出しやすいため、かえって飽和磁化が低下する場合がある。Ｔ元素の添加量が少ない場合であってもＮｄ_３（Ｆｅ,Ｔｉ）_２９型結晶相の析出を抑制するためには、Ｙの添加量を増やすことが効果的であり、これにより高い飽和磁化を実現することができる。例えばＴ元素の添加量ｃが０＜ｃ＜４．５原子％を満足する数である場合、ｘは０．１＜ｘ＜０．６を満足する数であることが好ましく、ｃが１．５＜ｃ＜４原子％を満足する数である場合、ｘは０．１５＜ｘ≦０．５５を満足する数であることが好ましく、ｃが３＜ｃ≦３．８原子％を満足する数である場合、ｘは０．３＜ｘ≦０．５を満足する数であることが好ましい。

Ｄ元素は、例えば銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、及びガリウム（Ｇａ）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素である。Ｄ元素を添加することにより、Ｄ元素を含む副相２を形成することができ、保磁力を向上させることができる。しかしながら、Ｄ元素は非磁性元素であるため、多量に導入すると磁石材料の飽和磁化が低下しやすくなる。Ｄ元素の添加量ｄは、０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数であることが好ましい。これにより、磁石材料の飽和磁化を高めつつ、保磁力を高めることができる。より好ましい添加量ｄは０．０１５≦ｄ≦３原子％であり、さらに好ましくは０．０２≦ｄ≦１原子％である。

本実施形態の磁石材料は、さらにＡ元素を含んでいてもよい。このとき、磁石材料の組成は、組成式２：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＤ_ｄＡ_ｅ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏであり、ＤはＣｕ及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ、及びＰからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ−ｅ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｄは０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数であり、ｅは０＜ｅ≦１８原子％を満足する数である）により表される。

Ａ元素は窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、水素（Ｈ）、及びリン（Ｐ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。Ａ元素はＴｈＭｎ_１２型結晶相の結晶格子内に侵入し、例えば結晶格子を拡大させること及び電子構造を変化させることの少なくとも一つを生じさせる機能を有する。これにより、キュリー温度、磁気異方性、飽和磁化を変化させることができる。Ａ元素は、不可避不純物を除き必ずしも添加されなくてもよい。

Ｒ元素の５０原子％以上がＳｍである場合（Ｒ元素の主成分がＳｍである場合）、Ａ元素の侵入によってＴｈＭｎ_１２型結晶相の磁気異方性がｃ軸方向からｃ軸に垂直な面内に変化し、保磁力を減少させる。このため、不可避不純物を除きＡ元素は添加されないことが好ましい。これに対し、Ｒ元素の５０原子％以上がＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である場合（Ｒ元素の主成分がＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である場合）、Ａ元素の侵入によってＴｈＭｎ_１２型結晶相の磁気異方性がｃ軸に垂直な面内からｃ軸方向に変化し、保磁力を増加させることができる。このため、Ａ元素は添加されることが好ましい。Ａ元素を添加する場合、Ａ元素濃度ｅは、０＜ｅ≦１８原子％を満足する数であることが好ましい。１８原子％を超えるとＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性が低下する。Ａ元素濃度ｅは、０＜ｅ≦１４原子％を満足する数であることがより好ましい。

ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相１とする磁石材料は、一部の結晶粒に磁化反転核が発生し、逆磁区領域が他結晶粒に伝搬して減磁するニュークリエーション型の保磁力機構で保磁力を発現する。保磁力を高めるためには、主相１の磁化反転核発生の抑制及び逆磁区領域の伝搬の抑制の少なくとも一つが有効である。本実施形態の磁石材料は、Ｄ元素を含む副相２を有しており、この副相２が上記機能を担うことにより保磁力を向上させることができる。

副相２は熱処理によって形成されるが、永久磁石を形成する際に焼結を行う場合、副相２の融点は、焼結温度よりも低いことが好ましい。また、主相１のＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定させるために、副相２の融点は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の形成温度よりも低いことが好ましい。ただし、副相２の融点が低すぎる場合、磁石の使用環境のうち、高温環境下で副相２の変性、一部溶融による特性低下が起こるため、副相２の融点は使用環境温度よりも十分高いことが必要である。副相２の融点は、２５０℃以上１２００℃以下であることが好ましく、より好ましくは３００℃以上１１００℃以下である。

副相２により主相１間での逆磁区伝搬を効果的に抑制するためには、副相２が非強磁性であることが好ましく、より好ましくは非磁性である。本実施形態の磁石材料は副相２にＤ元素を含む。Ｄ元素は非磁性元素であるため、Ｄ元素を副相２に多く含むことにより、副相２の磁性を弱めることができる。副相２中のＤ元素濃度は１０原子％以上であることが好ましい。副相２中のＤ元素の好ましい含有量は、Ｄ元素の種類により異なり、Ｃｕであれば４０原子％以上、Ｓｎであれば２５原子％以上であることが好ましい。このとき、副相２は、４０原子％以上のＣｕを含む相又は２５原子％以上のＳｎを含む相の少なくとも一方を有する。より好ましくは、Ｃｕが４５原子％以上、Ｓｎが３０原子％以上である。

４０原子％以上のＣｕを含む相としては、例えばＳｍＣｕ相、ＳｍＣｕ_２相、Ｓｍ_２Ｃｕ_７相、Ｓｍ_２Ｃｕ_９相、ＳｍＣｕ_５相、又はＳｍＣｕ_６相等が挙げられる。２５原子％以上のＳｎを含む相としては、例えばＳｍ_５Ｓｎ_３相、Ｓｍ_４Ｓｎ_３相、Ｓｍ_５Ｓｎ_４相、Ｓｍ_２Ｓｎ_３相、ＳｍＳｎ_２相、又はＳｍＳｎ_３相が挙げられる。

副相２は、図１に示すように主相１を連続して囲むことが好ましい。主相１を囲むことにより逆磁区伝搬を効果的に抑制して保磁力をさらに高めることができる。

微細な粒状の副相２が金属組織に分散して存在することも好ましい。図２は、金属組織の他の構造例を示す断面模式図である。副相２を微細化することにより主相１との接触面積が増加し、逆磁区の発生を効果的に抑制することができる。微細な副相２が存在することにより、主相１の結晶粒も微細化し、個々の結晶粒の保磁力を高めることができる。なお、分散された副相と主相１を囲む副相の両方が存在していてもよい。

副相２の平均粒径は、０．０００５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。副相２の平均粒径が０．０００５μｍ未満である場合、副相２を介して接する２つ以上の主相１の結晶粒間の磁気的な結合を分断できず、十分な逆磁区伝播の抑制効果が得られない。副相２の平均粒径が２μｍを超える場合、２つ以上の結晶粒が接する体積が多くなり、十分な逆磁区発生及び逆磁区伝播の抑制効果が得られない。より好ましい平均粒径は０．００１μｍ以上、１．５μｍ以下であり、さらに好ましくは０．００１５μｍ以上１μｍ以下であり、さらに好ましくは、０．００２μｍ以上０．５μｍ以下である。

微細な副相２は磁石材料全体に分散して存在することが好ましい。副相２が偏在した場合、副相２と接しない主相１の割合が増え十分な逆磁区発生及び逆磁区伝播の抑制効果が得られない。磁石材料の断面を５μｍ×５μｍの区画で区切ったときに、副相２が存在する区画の面積割合が断面全体の５０％以上であることが好ましい。より好ましくは７０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上であり、さらに好ましくは９５％以上である。

磁石材料の組成は、例えば高周波誘導結合プラズマ−発光分光分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＩＣＰ−ＡＥＳ）、走査電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ−ＥＤＸ）、透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＥＭ−ＥＤＸ）、走査型透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＴＥＭ−ＥＤＸ）等により測定される。各相の体積比率は、電子顕微鏡や光学顕微鏡による観察とＸ線回折等とを併用して総合的に判断される。

主相１や副相２の各元素の濃度は、例えばＳＥＭ−ＥＤＸやＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて測定される。例えば、ＳＥＭ又はＳＴＥＭによる観察像とＳＥＭ−ＥＤＸ又はＳＴＥＭ−ＥＤＸによる磁石材料の測定サンプルの各元素のマッピング像から主相１や副相２を特定することができる。

粒状の副相２を有する場合、副相２の平均粒径は、次のように求められる。上記ＳＥＭ−ＥＤＸやＳＴＥＭ−ＥＤＸを用いて特定した副相２に対し、任意の粒を選択し、選択した粒に対し、両端が別の相に接する最も長い直線Ａを引く。次に、この直線Ａの中点において、直線Ａに垂直であり、かつ両端が別の相に接する直線Ｂを引く。この直線Ａと直線Ｂの長さの平均を相の径Ｄとする。上記手順で１個以上の任意の相のＤを求める。一つのサンプルに対して５視野で上記Ｄを算出し、各Ｄの平均を相の径（Ｄ）と定義する。

次に、本実施形態の磁石材料の製造方法例について説明する。まず、磁石材料に必要な所定の元素を含む合金を製造する。例えば、アーク溶解法、高周波溶解法、金型鋳造法、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法、ガスアトマイズ法、還元拡散法などを用いて合金を製造することができる。なお、Ｄ元素原料の添加量に応じて副相２中のＤ元素の濃度を調整することができる。

さらに、上記合金を溶解して急冷してもよい。これにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相を安定して得ることができ、α−（Ｆｅ，Ｃｏ）相の析出量を低減することができる。溶解された合金は、例えば液体急冷法を用い冷却される。液体急冷法では、合金溶湯を高速回転するロールに射出する。ロールは単ロール型でも双ロール型でもよく、材質は主に銅などが使用される。射出する溶湯の量や、回転するロールの周速を制御することにより溶湯の冷却速度を制御することができる。急冷を用いた合金作製法の一つであるストリップキャスト法は冷却速度が比較的遅い液体急冷法と考えることができる。急冷速度を高速化すると、製造される磁石材料の金属組織を微細にかつ均一化する効果が高い。

上記合金薄帯に対して熱処理を施してもよい。これにより、該材料を均質化することが可能である。例えば、７００℃以上１３００℃以下の温度で５分以上２００時間以下加熱する。これにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高め、また、副相２を形成しやすくし、飽和磁化、保磁力の両特性をさらに向上させることができる。なお、９００℃未満の温度で微細な副相２が分散されやすくなる。また、１０００℃超の温度で副相２が主相１間に形成されやすくなる。

上記合金薄帯にＡ元素を侵入させてもよい。Ａ元素を合金へ侵入させる工程の前に、合金を粉砕して粉末にしておくことが好ましい。Ａ元素が窒素の場合、約０．１気圧以上１００気圧以下の窒素ガスやアンモニアガス等の雰囲気中で、２００℃以上７００℃以下の温度で合金薄帯を１時間以上１００時間以下加熱することにより、合金薄帯を窒化させ、Ｎ元素を合金薄帯に侵入させることができる。Ａ元素が炭素の場合、約０．１気圧以上１００気圧以下のＣ_２Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、又はＣＯガス若しくはメタノールの加熱分解ガスの雰囲気中で、３００℃以上９００℃以下の温度範囲で合金薄帯を１時間以上１００時間以下加熱することにより、合金薄帯を炭化させ、Ｃ元素を合金薄帯に侵入させることができる。Ａ元素が水素の場合、約０．１〜１００気圧の水素ガスやアンモニアガス等の雰囲気中で、２００〜７００℃の温度範囲で合金薄帯を１〜１００時間加熱することにより、合金薄帯を水素化させ、Ｈ元素を合金薄帯に侵入させることができる。Ａ元素がホウ素の場合、合金を製造する時に原料にホウ素を含めることにより、合金薄帯中にホウ素を含有させることができる。Ａ元素がリンの場合、合金薄帯をリン化させ、Ｐ元素を合金薄帯に侵入させることができる。

上記工程により磁石材料が製造される。さらに、上記磁石材料を用いて永久磁石が製造される。磁石製造工程の一例を示す。上記磁石材料をジェットミルやボールミルなどの粉砕装置を用いて粉砕し、１〜２Ｔ程度の磁場中で１トン程度の圧力で磁場配向プレスすることにより成型体を得る。得られた成型体をＡｒ中や真空中などの不活性ガス雰囲気で加熱し焼結を行うことにより焼結体を作製する。焼結体に不活性雰囲気中などで適宜熱処理を加えることにより永久磁石を製造することができる。また、上記磁石材料を粉砕し、粉砕物を樹脂等で固着させることにより上記磁石材料を含むボンド磁石が製造される。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の磁石材料を具備する永久磁石は、各種モータや発電機に使用することができる。また、可変磁束モータや可変磁束発電機の固定磁石や可変磁石として使用することも可能である。第１の実施形態の永久磁石を用いることによって、各種のモータや発電機が構成される。第１の実施形態の永久磁石を可変磁束モータに適用する場合、可変磁束モータの構成やドライブシステムには、例えば特開２００８−２９１４８号公報や特開２００８−４３１７２号公報に開示されている技術を適用することができる。

次に、上記永久磁石を具備するモータと発電機について、図面を参照して説明する。図３は永久磁石モータを示す図である。図３に示す永久磁石モータ１１では、ステータ（固定子）１２内にロータ（回転子）１３が配置されている。ロータ１３の鉄心１４中には、第１の実施形態の永久磁石である永久磁石１５が配置されている。第１の実施形態の永久磁石を用いることにより、各永久磁石の特性等に基づいて、永久磁石モータ１１の高効率化、小型化、低コスト化等を図ることができる。

図４は可変磁束モータを示す図である。図４に示す可変磁束モータ２１において、ステータ（固定子）２２内にはロータ（回転子）２３が配置されている。ロータ２３の鉄心２４中には、第１の実施形態の永久磁石が固定磁石２５及び可変磁石２６として配置されている。可変磁石２６の磁束密度（磁束量）は可変することが可能とされている。可変磁石２６はその磁化方向がＱ軸方向と直交するため、Ｑ軸電流の影響を受けず、Ｄ軸電流により磁化することができる。ロータ２３には磁化巻線（図示せず）が設けられている。この磁化巻線に磁化回路から電流を流すことによって、その磁界が直接に可変磁石２６に作用する構造となっている。

第１の実施形態の永久磁石によれば、固定磁石２５に好適な保磁力を得ることができる。第１の実施形態の永久磁石を可変磁石２６に適用する場合には、製造条件を変更することによって、例えば保磁力を１００ｋＡ／ｍ以上５００ｋＡ／ｍ以下の範囲に制御すればよい。なお、図４に示す可変磁束モータ２１においては、固定磁石２５及び可変磁石２６のいずれにも第１の実施形態の永久磁石を用いることができるが、いずれか一方の磁石に第１の実施形態の永久磁石を用いてもよい。可変磁束モータ２１は、大きなトルクを小さい装置サイズで出力可能であるため、モータの高出力・小型化が求められるハイブリッド車や電気自動車等のモータに好適である。

図５は発電機を示している。図５に示す発電機３１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）３２を備えている。ステータ（固定子）３２の内側に配置されたロータ（回転子）３３は、発電機３１の一端に設けられたタービン３４とシャフト３５を介して接続されている。タービン３４は、例えば外部から供給される流体により回転する。なお、流体により回転するタービン３４に代えて、自動車の回生エネルギー等の動的な回転を伝達することによって、シャフト３５を回転させることも可能である。ステータ３２とロータ３３には、各種公知の構成を採用することができる。

シャフト３５はロータ３３に対してタービン３４とは反対側に配置された整流子（図示せず）と接触しており、ロータ３３の回転により発生した起電力が発電機３１の出力として相分離母線及び主変圧器（図示せず）を介して、系統電圧に昇圧されて送電される。発電機３１は、通常の発電機及び可変磁束発電機のいずれであってもよい。なお、ロータ３３にはタービン３４からの静電気や発電に伴う軸電流による帯電が発生する。このため、発電機３１はロータ３３の帯電を放電させるためのブラシ３６を備えている。

以上のように、上記永久磁石を発電機に適用することにより、高効率化、小型化、低コスト化等の効果が得られる。

上記回転電機は、例えば、鉄道交通に利用される鉄道車両（車両の一例）に搭載されてよい。図６は、回転電機１０１を具備する鉄道車両１００の一例を示す図である。回転電機１０１としては、上記図３、４のモータ、図５の発電機等を用いることができる。回転電機１０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機１０１は、例えば、架線から供給される電力や、鉄道車両１００に搭載された二次電池から供給される電力を利用することによって駆動力を出力する電動機（モータ）として利用されてもよいし、運動エネルギーを電力に変換して、鉄道車両１００内の各種負荷に電力を供給する発電機（ジェネレータ）として利用されてもよい。実施形態の回転電機のような高効率な回転電機を利用することにより、省エネルギーで鉄道車両を走行させることができる。

上記回転電機は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの自動車（車両の他の例）に搭載されてもよい。図７は、回転電機２０１を具備する自動車２００の一例を示す図である。回転電機２０１としては、上記図３、４のモータ、図５の発電機等を用いることができる。回転電機２０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機２０１は、自動車２００の駆動力を出力する電動機、又は自動車２００の走行時の運動エネルギーを電力に変換する発電機として利用してもよい。また、上記回転電機は、例えば産業機器（産業用モータ）、空調機器（エアコンディショナ・給湯器コンプレッサモータ）、風力発電機、又はエレベータ（巻上機）に搭載されてもよい。

（実施例１〜８）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯をストリップキャスト法により急冷し、合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下で１０００℃、５時間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金薄帯の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯をジェットミルで粉砕して合金粉末を作製し、磁場中成型と熱処理により永久磁石を得た。得られた永久磁石に対し、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行った結果、永久磁石はＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とし、Ｄ元素を含む副相を有する金属組織を具備することが確認された。副相中のＤ元素濃度はＳＥＭ−ＥＤＸ分析から算出した。また、試料振動型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）を用いて永久磁石の保磁力を評価した。さらに、副相の形態を評価した。結果を表１に示す。

（実施例９〜１０）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯をストリップキャスト法により急冷し、合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下で１１００℃、４時間加熱した。その後合金薄帯を乳鉢で粉砕し、得られた粉末を窒素ガス雰囲気において、４５０℃で４時間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて合金粉末の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯をジェットミルで粉砕して合金粉末を作製し、磁場中成型した後、放電プラズマ焼結（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＰＳ）法を用いて永久磁石を得た。得られた永久磁石に対し、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行った結果、永久磁石はＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とし、Ｄ元素を含む副相を有する金属組織を具備することが確認された。副相中のＤ元素濃度はＳＥＭ−ＥＤＸ分析から算出した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力を評価した。さらに、副相の形態を評価した。結果を表１に示す。

（実施例１１〜１４）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯を１５ｍ／ｓで回転する単ロールに射出することでストリップキャスト法よりも高速で急冷し、合金薄帯を作製した。上記合金薄帯をＡｒ雰囲気下で８５０℃、１５分間加熱した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金薄帯の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯をジェットミルで粉砕して合金粉末を作製し、磁場中成型した後、放電プラズマ焼結法（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＰＳ）を用いて永久磁石を得た。得られた永久磁石に対し、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行った結果、永久磁石はＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とし、Ｄ元素を含む副相を有する金属組織を具備することが確認された。副相中のＤ元素濃度はＳＥＭ−ＥＤＸ分析から算出した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力を評価した。さらに、副相の平均粒径及び副相の形態を評価した。結果を表１に示す。

（実施例１５、１６）
原料を適量秤量し、アーク溶解法を用いて合金を作製した。次に、合金を溶解し、得られた溶湯を１５ｍ／ｓで回転する単ロールに射出することでストリップキャスト法よりも高速で急冷し、合金薄帯を作製した。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金薄帯の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯をジェットミルで粉砕して合金粉末を作製し、磁場中成型した後、放電プラズマ焼結法（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＰＳ）を用いて永久磁石を得た。得られた永久磁石に対し、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行った結果、永久磁石はＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とし、Ｄ元素を含む副相を有する金属組織を具備することが確認された。副相中のＤ元素濃度はＳＥＭ−ＥＤＸ分析から算出した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力を評価した。さらに、副相の平均粒径及び副相の形態を評価した。結果を表１に示す。

（比較例１）
実施例１〜８と同様のプロセスで永久磁石を得た。得られた永久磁石に対し、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行った結果、永久磁石はＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とし、副相を有する金属組織を具備することが確認された。副相中のＤ元素濃度はＳＥＭ−ＥＤＸ分析から算出した。結果を表１に示す。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力を評価した。結果を表１に示す。

（比較例２）
実施例１１〜１３と同様のプロセスで永久磁石を得た。その後、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて加熱後の合金薄帯の組成を分析した。ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて求められた磁石材料の組成を表１に示す。

次に、合金薄帯をジェットミルで粉砕して合金粉末を作製し、磁場中成型した後、放電プラズマ焼結法（Ｓｐａｒｋ Ｐｌａｓｍａ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＰＳ）を用いて永久磁石を得た。得られた永久磁石に対し、ＳＥＭ−ＥＤＸ分析を行った結果、永久磁石はＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする金属組織を具備することが確認された。副相中のＤ元素濃度はＳＥＭ−ＥＤＸ分析から算出した。また、ＶＳＭを用いて永久磁石の保磁力を評価した。結果を表１に示す。

実施例１〜１６、比較例１、２において、比較例１の保磁力を「×（Ｂａｄ）」としたとき、比較例１の保磁力に対して５０％以上２００％以下上昇した場合に「△（Ｇｏｏｄ）」と判定し、２００％を超えて上昇した場合に「〇（Ｖｅｒｙ Ｇｏｏｄ）」と判定した。表１から分かるように、実施例１〜１６の永久磁石では、Ｄ元素を含む副相が形成され、保磁力の向上が確認された。これに対し、比較例１、２の磁石材料はＤ元素を含む副相が存在せず、保磁力がほとんど発現しなかった。

なお、上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…主相、２…副相、１１…永久磁石モータ、１３…ロータ、１４…鉄心、１５…永久磁石、２１…可変磁束モータ、２３…ロータ、２４…鉄心、２５…固定磁石、２６…可変磁石、３１…発電機、３２…ステータ、３３…ロータ、３４…タービン、３５…シャフト、３６…ブラシ、１００…鉄道車両、１０１…回転電機、２００…自動車、２０１…回転電機。

Claims (25)

1. 組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＤ_ｄ
   （式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏであるとともにＭ元素の５０原子％以上がＦｅであり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＤはＣｕ及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｄは０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
   ＴｈＭｎ_１２型結晶相を有する主相と、
   ４０原子％以上のＣｕを含む第１の相又は２５原子％以上のＳｎを含む第２の相の少なくとも一方を有する副相と、を具備する、磁石材料。
2. Ｒ元素の５０原子％以上は、Ｓｍである、請求項１に記載の磁石材料。
3. Ｙ元素の５０原子％以下は、Ｚｒ及びＨｆからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項１又は請求項２に記載の磁石材料。
4. Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂである、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁石材料。
5. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＧａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁石材料。
6. 組成式２：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＤ_ｄＡ_ｅ
   （式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏであるとともにＭ元素の５０原子％以上がＦｅであり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＤはＣｕ及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＡはＮ、Ｃ、Ｂ、Ｈ、及びＰからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ−ｅ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｄは０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数であり、ｅは０≦ｅ≦１８原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
   ＴｈＭｎ_１２型結晶相を有する主相と、
   ４０原子％以上のＣｕを含む第１の相又は２５原子％以上のＳｎを含む第２の相の少なくとも一方を有する副相と、を具備する、磁石材料。
7. Ｒ元素の５０原子％以上は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｔｂ、及びＤｙからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である、請求項６に記載の磁石材料。
8. Ｙ元素の５０原子％以下は、Ｚｒ及びＨｆからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項６又は請求項７に記載の磁石材料。
9. Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂである、請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の磁石材料。
10. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＧａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素に置換されている、請求項６ないし請求項９のいずれか一項に記載の磁石材料。
11. 前記第１の相は、ＳｍＣｕ相、ＳｍＣｕ_２相、Ｓｍ_２Ｃｕ_７相、Ｓｍ_２Ｃｕ_９相、ＳｍＣｕ_５相、又はＳｍＣｕ_６相であり、
    前記第２の相は、Ｓｍ_５Ｓｎ_３相、Ｓｍ_４Ｓｎ_３相、Ｓｍ_５Ｓｎ_４相、Ｓｍ_２Ｓｎ_３相、ＳｍＳｎ_２相、又はＳｍＳｎ_３相である、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の磁石材料。
12. 前記第１の相又は前記第２の相は、前記主相を連続して囲む、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の磁石材料。
13. 前記第１の相の融点又は前記第２の相の融点は、２５０℃以上１２００℃以下である、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の磁石材料。
14. 前記第１の相の平均粒径又は前記第２の相の平均粒径は、０．０００５μｍ以上２μｍ以下である、請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の磁石材料。
15. 前記磁石材料の断面を５μｍ×５μｍの複数の区画に区切ったとき、前記第１の相又は第２の相の少なくとも一方が存在する区画の面積割合は、前記断面全体の５０％以上である、請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の磁石材料。
16. 前記主相の結晶粒径は、１０μｍ以下である、請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の磁石材料。
17. 組成式１：（Ｒ_１−ｘＹ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＤ_ｄ
    （式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＭはＦｅ及びＣｏであるとともにＭ元素の５０原子％以上がＦｅであり、ＴはＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ＤはＣｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、及びＧａからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、ｘは０．０１≦ｘ≦０．８を満足する数であり、ａは４≦ａ≦２０原子％を満足する数であり、ｂはｂ＝１００−ａ−ｃ−ｄ原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数であり、ｄは０．０１≦ｄ≦７原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
    ＴｈＭｎ_１２型結晶相を有する主相と、
    Ｄ元素を含む副相と、を具備し、
    前記副相の融点は、２５０℃以上１２００℃以下である、磁石材料。
18. ｃは３＜ｃ＜７原子％を満足する数である、請求項１ないし請求項１７のいずれか一項に記載の磁石材料。
19. ｄは０．０１≦ｄ≦１．３原子％を満足する数である、請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載の磁石材料。
20. 請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の磁石材料を含む永久磁石。
21. 請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の磁石材料の焼結体を具備する永久磁石。
22. ステータと、
    ロータと、を具備し、
    前記ステータ又は前記ロータは、請求項２１に記載の永久磁石を有する、回転電機。
23. 前記ロータは、シャフトを介してタービンに接続されている、請求項２２に記載の回転電機。
24. 請求項２２に記載の回転電機を具備する、車両。
25. 前記ロータは、シャフトに接続されており、
    前記シャフトに回転が伝達される、請求項２４に記載の車両。

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