JP6995542B2 - 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２０１６－０５８７０７号公報

Ｔ． Ｋｕｎｏ ｅｔ ａｌ．， ＡＩＰ ＡＤＶＡＮＣＥＳ ６， ０２５２２１， ２０１６

磁石材料の飽和磁化を高めることである。

実施形態の磁石材料は、組成式：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＺはＹ、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であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ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、ｘは０．２３≦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）原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数である）により表される。磁石材料は、ＴｈＭｎ_１２型結晶構造を有する主相を具備する。ＴｈＭｎ_１２型結晶構造において、２ａサイトを占めるＺ元素の量をＺ_２ａ原子％とし、８ｉサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｉ原子％とし、８ｊサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｊ原子％とし、８ｆサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｆ原子％とするとき、Ｚ_２ａ、Ｚ_８ｉ、Ｚ_８ｊ、及びＺ_８ｆは、（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．０９を満足する。

ＴｈＭｎ_１２型結晶構造の例を示す模式図である。 永久磁石モータを示す図である。 可変磁束モータを示す図である。 発電機を示す図である。 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、を含む。上記磁石材料は、結晶相を主相とする金属組織を具備し、主相中の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る。主相は、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る。

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（ＴｈＭｎ_１２型結晶構造）を有する。ＴｈＭｎ_１２型結晶相を主相とする磁石材料では、Ｍ元素濃度が高いため、高い飽和磁化を得ることができる。

本実施形態の磁石材料は、組成式：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＺはＹ、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であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ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、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）原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数である）により表される。なお、磁石材料は、不可避不純物を含んでいてもよい。

Ｚ元素は、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定化に有効な元素である。Ｚ元素は具体的には、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）から選ばれる少なくとも一つの元素である。Ｚ元素は、主として主相中の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。Ｚ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。Ｚ元素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。

Ｒ元素は１種以上の希土類元素であり、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Ｚ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、磁石材料中に含まれる主相の量が低下し、飽和磁化が低下する。Ｒ元素及びＺ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、本実施形態の磁石ではＭ元素の３０原子％以上がＦｅである。Ｍ元素にＣｏを入れることで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：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ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）、銅（Ｃｕ）、及びガリウム（Ｇａ）から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。

また、Ｚ元素は主としてＴｈＭｎ_１２結晶構造中のＲ元素と置換するが、Ｚ元素の一部がＭ元素と置換する可能性がある。Ｍ元素と置換した場合には、Ｔ元素の場合と同様に、Ｍ元素濃度の低下による磁石材料の飽和磁化の低下を招く。Ｍ元素と置換されるＺ元素の量は、添加した全Ｚ元素のうち１０原子％未満であることが好ましい。さらには、５原子％以下であることが好ましい。

図１は、ＴｈＭｎ_１２型結晶構造の例を示す模式図である。図１に示すＴｈＭｎ_１２型結晶構造は、ａ軸、ｂ軸、及びｃ軸に沿って設けられている。Ｒ元素はＴｈＭｎ_１２型結晶構造のワイコフ位置２ａで表される原子位置（２ａサイトともいう）を占有し、Ｍ元素はＴｈＭｎ_１２型結晶構造のワイコフ位置８ｉ、８ｊ、８ｆで表される３つの原子位置（８ｉサイト、８ｊサイト、８ｆサイトともいう）を占有している。このとき、ＴｈＭｎ_１２型結晶構造の２ａサイトを占めるＺ元素の量をＺ_２ａ原子％と表し、８ｉサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｆ原子％と表し、８ｊサイトを占める場合のＺ元素の量をＺ_８ｊ原子％と表し、８ｆサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｆ原子％と表すことができる。Ｍ元素と置換されるＺ元素の量が磁石材料に含まれる全Ｚ元素の１０原子％未満である場合、Ｚ_２ａ、Ｚ_８ｉ、Ｚ_８ｊ、及びＺ_８ｆは、（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．１を満足する。（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．１を満足することは、Ｍ元素と置換されるＺ元素の量が少ないことを示している。（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．１を満足させることにより磁石材料の飽和磁化を高めることができる。

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：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＡ_ｄ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＺはＹ、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、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、ｃは０＜ｃ＜７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、ｄは０＜ｄ≦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ｄは、０＜ｄ≦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ｄは、０＜ｄ≦１４原子％を満足する数であることがより好ましい。

磁石材料の飽和磁化等の磁気物性は、例えば振動試料型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｅｎｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）を用いて算出される。

磁石材料の組成は、例えばＩＣＰ－ＡＥＳ（高周波誘導結合プラズマ－発光分光分析法：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ＳＥＭ－ＥＤＸ（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）、ＴＥＭ－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）等により測定される。

主相の各元素の濃度は、例えばＳＥＭ－ＥＤＸを用いて測定される。例えば、ＳＥＭによる観察像とＳＥＭ－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を特定することができる。測定した主相の各元素の濃度から、添加した全Ｚ元素のうちＭ元素と置換されるＺ元素の量を以下のように定義することができる。主相がＴｈＭｎ_１２型結晶相の場合、磁石材料の組成を組成式：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ－ｓ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＺ_ｓａにより表したとき、ａ：ｂ＋ｃ＋ｓａ＝１：１２（ｂ＋ｃ＋ｓａ＝１２ａ）となるｓの値を算出する。このとき、ｘに対するｓの比（ｓ／ｘ）の値は、添加した全Ｚ元素のうちＭ元素と置換されるＺ元素の量、すなわち（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）の値に対応する。

本実施形態の磁石材料は、組成式：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ－ｓ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＺ_ｓａ（式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＺはＹ、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であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ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、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）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、ｓはｂ＋ｃ＋ｓａ＝１２ａを満足する数である）により表され、ｘに対するｓの比が０．１未満である。

Ｚ_８ｉ、Ｚ_８ｊ、Ｚ_８ｆの大小関係は、例えばＸ線回折（Ｘ‐Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）測定結果のリートベルト解析により決定される。主相がＴｈＭｎ_１２型結晶構造を有する場合、Ｍ元素位置（ワイコフ位置８ｉ、８ｊ、又は８ｆ）のＭ元素をＺ元素に一部置換した結晶構造モデルを用いて、リートベルト解析による測定結果のフィッティング精度がより高くなる場合のＭ元素位置のＭ元素がＺ元素と多く置換していると定義する。具体的には、ＲＩＥＴＡＮ等のリートベルト解析ソフトウェアを用い、まずＭ元素位置のＭ元素がＺ元素に置換されていないＴｈＭｎ_１２型結晶構造モデルにてバックグランド関数、プロファイル関数、尺度因子、格子定数、選択配向関数などの各種パラメータを最適化し、ＸＲＤ測定結果をフィッティングする。その後、上記パラメータを固定し、３種のＭ元素位置のそれぞれにＺ元素の占有率を有する３種の結晶構造モデルにて占有率の最適化を行う。

占有率が正の値であって、各種Ｒ因子等のフィッティングの程度を示す指標が最も小さくなる解析結果が得られる結晶構造モデルを決定すると、当該結晶構造モデルにおけるＺ元素の置換位置に最も多くのＺ元素が置換していると推定され、Ｚ_８ｉ、Ｚ_８ｊ、Ｚ_８ｆの大小関係が決定する。例えば、ワイコフ位置８ｆのＭ元素がＺ元素に置換された結晶構造モデルが、他の２つの結晶構造モデル、すなわちワイコフ位置８ｉのＭ元素がＺ元素に置換された結晶構造モデル及び８ｊ位置のＭ元素がＺ元素に置換された結晶構造モデルと比較して占有率が正の値かつフィッティングの程度を示す指標が最も小さくなる場合、Ｚ_８ｉ、Ｚ_８ｊ、及びＺ_８ｆは、Ｚ_８ｆ＞Ｚ_８ｉ及びＺ_８ｆ＞Ｚ_８ｊを満足する。

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。製造された合金中にα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相が生成されると、この合金から製造した永久磁石の保磁力の低下を招いてしまう。

さらに、上記合金を溶解して急冷する。これにより、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、例えばストリップキャスト法を用い急冷される。ストリップキャスト法では、冷却ロールに合金溶湯を傾注することにより、合金薄帯を製造することができる。このとき、ロールの回転速度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。ロールは単ロール型でも双ロール型でも良い。

上記合金薄帯に対して熱処理を施す。これにより、該材料を均質化する。例えば、８００～１３００℃で３０～２００時間加熱する。これにより、ＴｈＭｎ_１２型結晶相の安定性を高め、飽和磁化、異方性磁界の両特性をさらに向上させることができる。上記の急冷工程を完了した時点では、急冷効果によりＺ元素が結晶構造中のＲ元素位置（ワイコフ位置２ａ）だけでなくＭ元素位置にも置換されうる。その後の熱処理によって、Ｍ元素位置に置換されるＺ元素が本来の適正位置であるＲ元素位置に徐々に置換され、Ｍ元素位置に置換されるＺ元素の量を低減することができる。熱処理時間を３０時間以上にすることにより、Ｍ元素と置換されるＺ元素の量を十分に減らすことができる。生産性の観点から、熱処理時間は２００時間以下であることが好ましい。さらには、熱処理時間は５０～１５０時間であることがより好ましい。

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０．１～１００気圧の窒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時間加熱することで、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０．１～１００気圧の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、３００～９００℃の温度範囲で合金薄帯を１～１００時間加熱することで、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時間加熱することで、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で、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。例えば、上記磁石材料を粉砕し、その後焼結等の熱処理を行うことにより上記磁石材料の焼結体を含む焼結磁石が製造される。また、上記磁石材料を粉砕し、樹脂等で固化することにより上記磁性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の焼結体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２は永久磁石モータを示す図である。図２に示す永久磁石モータ１では、ステータ（固定子）２内にロータ（回転子）３が配置されている。ロータ３の鉄心４中には、第１の実施形態の永久磁石である永久磁石５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１の高効率化、小型化、低コスト化等を図ることができる。

図３は可変磁束モータを示す図である。図３に示す可変磁束モータ１１において、ステータ（固定子）１２内にはロータ（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が固定磁石１５及び可変磁石１６として配置されている。可変磁石１６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１６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１３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１６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１５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１６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３に示す可変磁束モータ１１においては、固定磁石１５及び可変磁石１６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１１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自動車や電気自動車等のモータに好適である。

図４は発電機を示している。図４に示す発電機２１は、上記永久磁石を用いたステータ（固定子）２２を備えている。ステータ（固定子）２２の内側に配置されたロータ（回転子）２３は、発電機２１の一端に設けられたタービン２４とシャフト２５を介して接続されている。タービン２４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２４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２５を回転させることも可能である。ステータ２２とロータ２３には、各種公知の構成を採用することができる。

シャフト２５はロータ２３に対してタービン２４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２３の回転により発生した起電力が発電機２１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２１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２３にはタービン２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２１はロータ２３の帯電を放電させるためのブラシ２６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５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２、３のモータ、図４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６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２、３のモータ、図４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も利用されてよい。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１～１０）
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℃、５０～１００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、合金薄帯を乳鉢で粉砕して合金粉末を作製した。その後、ＣｕＫαを線源とするＸＲＤ測定により上記合金粉末の結晶構造を解析した。ＸＲＤ測定の結果、合金粉末は、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。

次に、ＳＥＭ－ＥＤＸ測定により３つの観察視野で主相の元素濃度をそれぞれ５点ずつ測定し、これら１５点の単純平均を算出することにより主相中の各元素濃度を算出した。測定点として、ＳＥＭ像で半径５μｍ以内にα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相が存在しない点を選択した。ＳＥＭ観察では、日立ハイテクノロジーズ社製ＳＵ８０２０を用いて加速電圧３０ｋＶにて観察した。また、ＳＥＭ－ＥＤＸ測定では、エダックス社製Ｏｃｔａｎ－ｓｕｐｅｒ（半導体素子サイズ６０ｍｍ^２）を用い、ワーキングディスタンスを１５ｍｍとし、ライブタイムを１００秒として測定した。元素濃度の算出では、各試料の構成元素のみを算出対象とし、Ｓｍ、Ｙに対してはＬα線、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｔｉに対してはＫα線を用いた。測定した各元素濃度から算出した（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）の値を、表１に示す。

また、ＶＳＭ装置を用いて磁石材料の磁気物性を評価した。合金薄帯の面内方向に磁界を９．０Ｔ印加した後、磁界を－９．０Ｔまで掃引し、磁界Ｈと磁化Ｍを測定した。印加磁界を９．０Ｔから８．５Ｔまで下げている間の磁化Ｍと磁場の強さＨとの関係に正方晶に対する下記式で表される飽和漸近則を適用することにより、磁石材料全体の飽和磁化Ｍｓと異方性磁界Ｈ_Ａを算出した。
Ｍ＝Ｍｓ（１－Ｈ_Ａ ^２／１５Ｈ^２）（Ｍｓは飽和磁化、Ｈ_Ａは異方性磁界を表す）

Ｘ線回折パターンにおけるα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度を元に、α－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の飽和磁化に対する寄与を評価し、これを磁石材料全体の飽和磁化から引くことで、主相の飽和磁化を求めた。具体的には、Ｘ線回折パターンでα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相に起因するピーク強度を有しない粉末試料を作製し、これにα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相を有する粉末試料を加えて十分に混ぜ合わせて複数の試料を作製した。複数の試料中のα－Ｆｅ相を有する粉末試料の質量割合は、それぞれ０質量％以上２１質量％以下の範囲で異なる。上記試料の結晶構造をＸＲＤ測定により解析したところ、α－（Ｆｅ，Ｃｏ）相を有する粉末試料の質量割合とピーク強度の最大値の比Ｉ_{α－（Ｆｅ，Ｃｏ）}／（Ｉ_{α－（Ｆｅ，Ｃｏ）}＋Ｉ_{ＴｈＭｎ１２}）との関係が線形になることを確認した。これを元にＸ線回折パターンのα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相のピーク強度からα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の質量割合を求め、これをα－（Ｆｅ，Ｃｏ）相の飽和磁化に対する寄与に換算した。

（比較例１及び２）
合金薄帯の組成を表１に示す値とし、急冷工程後の熱処理時間を４時間とした以外は、実施例１の場合と同様にして磁石材料を作製し、実施例１の場合と同様の方法で分析した（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）の値及び主相の飽和磁化の値を、表１に示す。

（比較例３及び４）
合金薄帯の組成を表１に示す値とし、急冷工程後の熱処理時間を２０時間とした以外は、実施例１の場合と同様にして磁石材料を作製し、実施例１の場合と同様の方法で分析した（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）の値及び主相の飽和磁化の値を、表１に示す。

表１から分かるように、実施例１～１０の磁石材料は、（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．１（組成式：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ－ｓ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＺ_ｓａにおけるｘに対するｓの比が０．１未満）を満足し、高い飽和磁化を有することがわかる。

これに対し、比較例１～４の磁石材料は、（Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．１を満足しておらず、実施例１～１０の磁石材料よりも飽和磁化が低いことがわかる。上記実施例１～１０及び比較例１～４の飽和磁化の値はともに評価に用いた印加磁界の値に依存する。

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…永久磁石モータ、２…タービン、３…ロータ、４…鉄心、５…永久磁石、１１…可変磁束モータ、１３…ロータ、１４…鉄心、１５…固定磁石、１６…可変磁石、２１…発電機、２２…ステータ、２３…ロータ、２４…タービン、２５…シャフト、２６…ブラシ。

Claims (16)

1. 組成式１：（Ｒ_１－ｘＺ_ｘ）_ａＭ_ｂＴ_ｃ
   （式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＺはＹ、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であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ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、ｘは０．２３≦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）原子％を満足する数であり、ｃは０＜ｃ＜７原子％を満足する数である）により表される磁石材料であって、
   ＴｈＭｎ_１２型結晶構造を有する主相を具備し、
   前記ＴｈＭｎ_１２型結晶構造において、２ａサイトを占めるＺ元素の量をＺ_２ａ原子％とし、８ｉサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｉ原子％とし、８ｊサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｊ原子％とし、８ｆサイトを占めるＺ元素の量をＺ_８ｆ原子％とするとき、
   Ｚ_２ａ、Ｚ_８ｉ、Ｚ_８ｊ、及びＺ_８ｆは、
   （Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）／（Ｚ_２ａ＋Ｚ_８ｉ＋Ｚ_８ｊ＋Ｚ_８ｆ）＜０．０９
   を満足する、磁石材料。
2. Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂである、請求項１に記載の磁石材料。
3. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、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または請求項２に記載の磁石材料。
4. 前記組成式１の前記Ｍは、Ｆｅ_１－ｙＣｏ_ｙで表され、
   前記ｙは、０．０１≦ｙ≦０．３を満足する、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. Ｚ元素は、Ｙと、Ｚｒ及びＨｆからなる群より選ばれる少なくとも一つと、を含む、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－ｘＺ_ｘ－ｓ）_ａＭ_ｂＴ_ｃＺ_ｓａ
   （式中、Ｒは１種以上の希土類元素であり、ＺはＹ、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であり、ＭはＦｅ又はＦｅ及びＣｏ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、ｘは０．２３≦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）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、ｓはｂ＋ｃ＋ｓａ＝１２ａ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型結晶構造を有する主相を具備し、
   前記ｘに対する前記ｓの比は、０．０９未満である、磁石材料。
7. Ｔ元素の５０原子％以上は、Ｔｉ又はＮｂである、請求項６に記載の磁石材料。
8. Ｍ元素の２０原子％以下は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、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または請求項７に記載の磁石材料。
9. 前記組成式２の前記Ｍは、Ｆｅ_１－ｙＣｏ_ｙで表され、
   前記ｙは、０．０１≦ｙ≦０．３を満足する、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. Ｚ元素は、Ｙと、Ｚｒ及びＨｆからなる群より選ばれる少なくとも一つと、を含む、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. 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を含む永久磁石。
12. 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の焼結体を具備する永久磁石。
13. 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１２に記載の永久磁石を有する、回転電機。
14. 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１３に記載の回転電機。
15. 請求項１３に記載の回転電機を具備する、車両。
16. 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１５に記載の車両。

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