JP7017148B2

JP7017148B2 - ＭｎＡｌ合金及びその製造方法

Info

Publication number: JP7017148B2
Application number: JP2018560388A
Authority: JP
Inventors: 卓佐藤; 周一郎入江; 泰直三浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: US11441218B2; WO2018128152A1; JPWO2018128152A1; CN110167699A; US20190338406A1

Description

本発明はＭｎＡｌ合金及びその製造方法に関し、特に、メタ磁性を有するＭｎＡｌ合金及びその製造方法に関する。

ＭｎＡｌ合金は、古くから磁性材料として知られている。例えば、特許文献１に開示されたＭｎＡｌ合金は正方晶構造を有し、ＭｎとＡｌの原子比を５：４とすることにより磁性を示すことが開示されている。より具体的には、ＭｎとＡｌの原子比を約５５．５：４４．５とし、１１００℃で作製されたε－ＭｎＡｌ相に適切な熱処理を施すことにより、正方晶構造を持ち、ｃ／ａが約１．３であり、原子座標（０，０，０）及び（１／２，１／２，１／２）をＭｎもしくはＡｌが占有したτ－ＭｎＡｌ相と言われる強磁性相が得られることが開示されている。

τ－ＭｎＡｌ相は、ＭｎとＡｌが原子座標（０，０，０）もしくは（１／２，１／２，１／２）を優先的に占有しているＬ１０型の規則合金である。（０，０，０）もしくは（１／２，１／２，１／２）をＡｌが優先的に占有しようと、Ｍｎが優先的に占有しようと結晶構造としては区別がないので、以後、τ－ＭｎＡｌ相においてＭｎが優先的に占有している原子座標をＭｎサイト、Ａｌが優先的に占有している原子座標をＡｌサイトと呼ぶこととする。完全規則化したτ－ＭｎＡｌは、ＭｎサイトにはＭｎのみが占有し、ＡｌサイトにはＡｌのみが占有し、そのＭｎとＡｌの原子比は５０：５０となるが、特許文献１に記載された方法で作製されたτ－ＭｎＡｌ相において、Ａｌ量を超えた過剰分のＭｎは、ほとんどＡｌサイトを占有することが知られている（非特許文献１）。

加えて、非特許文献２では、電析法によって３００℃以下でＭｎとＡｌの原子比におけるＭｎ比率が５０％未満のτ－ＭｎＡｌ相が作製され、強磁性を示すことが報告されている。

また、特許文献２に示されているように、Ｍｎを主たる構成元素とする磁性材料の一部は、メタ磁性を示すことが知られている。メタ磁性とは、磁場により常磁性または反強磁性から強磁性に転移する性質である。メタ磁性を示すメタ磁性材料は、磁気冷凍器やアクチュエーター、限流器への応用が期待されている。

特公昭３６－１１１１０号公報特開２０１４－２２８１６６号公報

Ｙ．Ｙａｎｇｅｔａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５５（１９８４）２０５３－２０５４Ｇ．Ｒ．Ｓｔａｆｆｏｒｄｅｔａｌ．，Ｊ．ＡｌｌｏｙＣｏｍｐｄ．２００（１９９３）１０７－１１３.

しかしながら、特許文献２に記載されたメタ磁性材料は、いずれも磁場による常磁性から強磁性への一次相転移を利用しているため、キュリー温度近傍でしかメタ磁性を発現しない。このため、現実的には限流器などへの応用が困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、幅広い温度でメタ磁性を示すＭｎ系合金及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明者らは磁場による反強磁性から強磁性に転移するタイプのメタ磁性材料（以下、「ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料」という）に注目した。ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料は、反強磁性秩序がなくなるネール温度以下であればメタ磁性が発現するため、常磁性から強磁性に転移するタイプのメタ磁性材料（以下、「ＰＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料」という）のように、キュリー温度近傍という狭い温度帯に維持する必要がないからである。

ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性を実現するには、高い結晶磁気異方性を持ち、且つ、反強磁性を有することが必要となる。そこで、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料として、単体で反強磁性を示すＭｎを用いたＭｎ系磁性材料に着目し、様々な合金・化合物について検討を行った。その結果、Ｍｎ系合金の中でも強磁性を示す比較的稀有であるＭｎＡｌに反強磁性的な要素を付与することで、幅広い温度でメタ磁性を示すことを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであり、本発明によるＭｎＡｌ合金はメタ磁性を有することを特徴とする。

また、本発明によるＭｎＡｌ合金は、組成式をＭｎ_ｂＡｌ_{１００－ｂ}で表した場合、４５≦ｂ≦５０を満たすことが好ましい。ＭｎとＡｌの比率をこの範囲に設定すれば、ＭｎＡｌ合金にメタ磁性を付与することが可能となる。

また、本発明によるＭｎＡｌ合金はτ－ＭｎＡｌ相を含み、τ－ＭｎＡｌ相の磁気構造が反強磁性構造を持つことが好ましい。相転移前である無磁場において、反強磁性が安定となるＭｎ系合金を用いることで、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料が実現する。ここで、反強磁性状態の安定性が高すぎる場合は、磁場による強磁性への相転移を起こすことができない。一方、反強磁性の安定性が低すぎる場合は、無磁場又は非常に弱い磁場でも強磁性になる可能性がある。そして、ＭｎＡｌ合金は反強磁性状態の安定性が適度であることから、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性を付与すれば、幅広い温度でメタ磁性を発現することができる。

ＡｌサイトのＭｎ量を調整することでτ－ＭｎＡｌ相が反強磁性化するメカニズムについて第一原理計算により検討を行ったところ、ＡｌサイトのＡｌ原子におけるｐ軌道価電子を介したＭｎサイトのＭｎ同士の超交換相互作用にあることがわかった。超交換相互作用とは、遷移金属原子の３ｄ軌道価電子が、配位子と呼ばれるｐ軌道価電子を有した原子におけるｐ軌道価電子との軌道混成を通して働く交換相互作用のメカニズムの一種である。ここで、遷移金属原子と、配位子と、結合を起こす遷移金属原子とのなす角度が１８０°に近い場合に、反強磁性結合を起こす。つまり、τ－ＭｎＡｌ相におけるＭｎサイトのＭｎと、配位子であるＡｌサイトのＡｌと、Ｍｎサイトから（１，１，０）及び（１，１，１）方向のＭｎのなす角度は１８０°に近く、反強磁性結合を起こしたことが原因であることがわかった。加えて、ＡｌサイトにＭｎ原子が置換した場合、ＭｎサイトのＭｎ同士に超交換相互作用は生じず、反強磁性的な磁気構造は取りづらくなることもわかった。これらの結果から、τ－ＭｎＡｌ相におけるＡｌサイトのＭｎ量を調整することで、反強磁性の安定性が調整できることがわかった。

また、本発明によるＭｎＡｌ合金はτ－ＭｎＡｌ相を含み、τ－ＭｎＡｌ相の組成式をＭｎ_ａＡｌ_{１００－ａ}で表した場合、４８≦ａ＜５５を満たすことが好ましい。ａ＜４８であるτ－ＭｎＡｌ相は、ＡｌサイトのＭｎ量が少なくなり、反強磁性状態の安定性が非常に高く、磁気相転移に必要な磁場が大きくなり、応用上好ましくない。ａ≧５５であるτ－ＭｎＡｌ相は、ＭｎがＡｌよりも多く含まれることからＡｌサイトにＭｎが置換されやすい。Ａｌサイトに置換したＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反強磁性的に結合することで、ＭｎサイトのＭｎ間が強磁性的な結合を起こし、τ－ＭｎＡｌ相全体としてはフェリ磁性化することで、メタ磁性が得にくくなる。τ－ＭｎＡｌ相のＭｎの割合を４８≦ａ＜５５、好ましくは５０＜ａ＜５５とし、無磁場での反強磁性状態の安定性を調整することで、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性を実現し、幅広い温度、特に－１００℃～２００℃の温度範囲でメタ磁性を得ることができる。

また、本発明によるＭｎＡｌ合金におけるτ－ＭｎＡｌ相の規則度Ｓは、０．８５以上であることが好ましい。規則度Ｓが０．８５未満であるτ－ＭｎＡｌ相は、ＡｌサイトへのＭｎ置換が起こりやすい。Ａｌサイトに置換したＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反強磁性的に結合することで、ＭｎサイトのＭｎ間が強磁性的な結合を起こし、τ－ＭｎＡｌ相全体としてはフェリ磁性化することで、メタ磁性が得にくくなる。

規則度Ｓとは、１を上限としたτ－ＭｎＡｌ相のＭｎとＡｌの結晶相内の規則的な配列を示す尺度であり、規則度Ｓ＝１とはＭｎサイトにＭｎのみが、ＡｌサイトにＡｌのみが占有する状態を示す。Ｓ＝１未満の状態としては、ＭｎサイトにＭｎがｇ％、Ａｌが１００－ｇ％占有し、ＡｌサイトにＡｌがｇ％、Ｍｎが１００－ｇ％占有した場合、Ｓ＝（ｇ－５０）×２／１００で算出される。

本発明によるＭｎＡｌ合金は、粉状体であることが好ましい。これによれば、粉状体のＭｎＡｌ合金を圧縮成形することによって任意の製品形状を得ることが可能となる。

本発明によるＭｎＡｌ合金の製造方法は、Ｍｎ化合物およびＡｌ化合物を含む溶融塩を電解することによってＭｎＡｌ合金を析出させる工程と、ＭｎＡｌ合金を４００℃以上、６００℃未満の温度で熱処理する工程とを備えることを特徴とする。このように、溶融塩電解法によって形成したＭｎＡｌ合金を所定の温度で熱処理することにより、ＭｎＡｌ合金にメタ磁性を付与することが可能となる。従来のＭｎＡｌ合金の製造法である、ε－ＭｎＡｌ相に熱処理を施す方法で作製されたτ－ＭｎＡｌ相は、ε－ＭｎＡｌが安定となるＭｎ比率である５５ａｔ％未満にすることは困難であり、メタ磁性は得られない。また、電析法に作製されたＭｎＡｌ合金に含まれるτ－ＭｎＡｌ相は、３００℃以下の低温で生成されるため、熱処理を施さない限りτ－ＭｎＡｌ相の規則度Ｓが０．８５未満であり、メタ磁性が得られない。このように、溶融塩電解法によって形成したＭｎＡｌ合金内に含まれる、Ｍｎ比率が５５ａｔ％未満のτ－ＭｎＡｌ相を所定の温度で熱処理し、τ－ＭｎＡｌ相の規則度Ｓを０．８５以上にすることで、ＭｎＡｌ合金にメタ磁性を付与することが可能となる。

このように、本発明によれば、幅広い温度でメタ磁性を示すＭｎＡｌ合金を提供することが可能となる。

図１は、メタ磁性を有するＭｎＡｌ合金の磁気特性を示すグラフである。図２は、メタ磁性を有するＭｎＡｌ合金の磁気特性を示すグラフであり、第１象限（Ｉ）のみを示している。図３は、メタ磁性を有するＭｎＡｌ合金の磁気特性を示す別のグラフである。図４は、図３に示す特性の微分値を示すグラフである。図５は、図３に示す特性の二回微分値を示すグラフである。図６は、ＭｎＡｌ合金を製造するための電析装置の模式図である。図７は、実施例１～７および比較例１～１４の製造条件及び評価結果を示す表である。図８（ａ）～（ｄ）は、それぞれ実施例３、比較例１、比較例５及び比較例１３のサンプルの磁気特性を示すグラフである。図９（ａ），（ｂ）は、実施例３、比較例１、比較例５及び比較例１３における中性子回折法の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に記載の実施形態及び実施例の内容により限定されるものではない。また、以下に記載の実施形態及び実施例にて示された構成要素は適宜組み合わせても良いし、適宜選択してもよい。

メタ磁性とは、磁場により常磁性（ＰＭ：Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ）もしくは反強磁性（ＡＦＭ：Ａｎｔｉ－Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）から強磁性（ＦＭ：Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）に一次相転移する性質を指す。磁場による一次相転移とは、磁場に関する磁化の変化が不連続になる点をもつことを指す。メタ磁性材料は、磁場により常磁性から強磁性に転移するＰＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料と、磁場により反強磁性から強磁性に転移するＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料に分類される。ＰＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料は、キュリー温度の近傍でのみ一次相転移が生じるのに対し、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料は、反強磁性状態が消失するネール温度以下であれば一次相転移が生じる。そして、本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料であることから、幅広い温度でメタ磁性を発現する。

また、本発明によるＭｎＡｌ合金はτ－ＭｎＡｌ相を含み、そのτ－ＭｎＡｌ相の磁気構造は反強磁性構造を有している。反強磁性構造とは、磁性体の磁化の起源となるスピンが空間的に周期的な構造を持ち、磁性体全体としての磁化（すなわち自発磁化）を持たない構造を指し、スピンが空間的な周期性を持たず無秩序な磁気構造を持ち磁性体全体としての磁化を持たない常磁性構造とは異なる。相転移前である無磁場において、反強磁性が安定となるＭｎＡｌ合金を用いることで、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性材料が実現する。ここで、反強磁性状態の安定性が高すぎる場合は、強磁性への磁気相転移に必要な磁場が大きくなりすぎ、実質的に磁場による磁気相転移を起こすことができない。一方、反強磁性の安定性が低すぎる場合は、無磁場又は非常に弱い磁場でも強磁性になる可能性がある。そして、ＭｎＡｌ合金は反強磁性状態の安定性が調整し、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性を付与すれば、幅広い温度でメタ磁性を発現することができる。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、反強磁性構造を持つτ－ＭｎＡｌ相のみで構成されることが好ましいが一部に強磁性や常磁性、フェリ磁性構造を含んでいても構わない。また、メタ磁性を有する限り、ＭｎＡｌ合金におけるτ－ＭｎＡｌ相の反強磁性構造は、スピン軸が一定であるコリニア型反強磁性構造でも、スピン軸が一定でないノンコリニア型反強磁性構造でも構わないが、長周期の磁気構造となる反強磁性構造の方が反強磁性から強磁性に転移することに必要な磁場が小さくなり、応用上好ましい。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金におけるτ－ＭｎＡｌ相に反強磁性構造を持たせるためには、τ－ＭｎＡｌ相におけるＡｌサイトがＡｌに占有されることが好ましいが、Ａｌサイトを占有する原子は、ｐ軌道価電子を持つ限りどのような原子でも構わない。具体的には、ｐ軌道価電子を持つＢ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｏ、Ｓ，Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔがその候補となりうる。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、τ－ＭｎＡｌ相を含み、τ－ＭｎＡｌ相の組成式をＭｎ_ａＡｌ_{１００－ａ}で表した場合、４８≦ａ＜５５を満たしており、５０＜ａ＜５５を満たしていることが好ましい。ａ＜４８であるτ－ＭｎＡｌ相は、ＡｌサイトのＭｎ量が少なくなり、反強磁性状態の安定性が非常に高く、磁気相転移に必要な磁場が大きくなり、応用上好ましくない。ａ≧５５であるτ－ＭｎＡｌ相は、ＭｎがＡｌよりも多く含まれることからＡｌサイトにＭｎが置換されやすい。Ａｌサイトに置換したＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反強磁性的に結合することで、ＭｎサイトのＭｎ間が強磁性的な結合を起こし、τ－ＭｎＡｌ相全体としてはフェリ磁性化することで、メタ磁性が得にくくなる。τ－ＭｎＡｌ相のＭｎの割合を４８≦ａ＜５５、好ましくは５０＜ａ＜５５とし、無磁場での反強磁性状態の安定性を調整することで、ＡＦＭ－ＦＭ転移型メタ磁性を実現し、幅広い温度でのメタ磁性を得ることができる。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、τ－ＭｎＡｌ相の組成式をＭｎ_ａＡｌ_{１００－ａ}で表した場合、５０＜ａ＜５５を満たす結晶粒子のみで構成されることが好ましいが、５０＜ａ≦５３であることがより好ましい。ａを５３近傍もしくは５３以下とすることで、高い最大質量磁化が得られる。また、ａ＝５３近傍が反強磁性と強磁性構造の安定性の境目であり、その５３近傍もしくは５３以下とすることで反強磁性から強磁性に転移することに必要な磁場が小さくなる傾向にあり、応用上好ましい。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、τ－ＭｎＡｌ相の組成式をＭｎ_ａＡｌ_{１００－ａ}で表した場合、５０＜ａ＜５５を満たす結晶粒子のみで構成されることが好ましいが、メタ磁性を有する限り、γ２－ＭｎＡｌ相、β－ＭｎＡｌ相、アモルファス相などの異相を含んでいても構わない。また、メタ磁性を有する限り、Ｍｎサイト又はＡｌサイトの一部がＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒ又はＮｉで置換された多元系ＭｎＡｌ合金であっても構わない。

また、本発明によるＭｎＡｌ合金におけるτ－ＭｎＡｌ相の規則度Ｓが０．８５以上であることが好ましい。規則度が０．８５未満であるτ－ＭｎＡｌ相は、ＡｌサイトへのＭｎ置換が起こりやすい。Ａｌサイトに置換したＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反強磁性的に結合することで、ＭｎサイトのＭｎ間が強磁性的な結合を起こし、τ－ＭｎＡｌ相全体としてはフェリ磁性化することで、メタ磁性が得られない。

図１は、本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性を示すグラフであり、第１軸である横軸（Ｘ軸）は磁場Ｈを示し、第２軸である縦軸（Ｙ軸）は磁化Ｍを示している。図１において、符号ＡＦＭ－ＦＭは本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性を示し、符号ＳＭは一般的な軟磁性材料の磁気特性を示し、符号ＨＭは一般的な硬磁性材料の磁気特性を示している。

図１において符号ＳＭで示すように、一般的な軟磁性材料は、低磁場領域においては透磁率が高く容易に磁化される一方、磁場強度が所定値を超えると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。言い換えれば、磁気飽和しない磁場領域では、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値が大きく、磁気飽和する磁場領域では、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値が小さくなる。また、一般的な軟磁性材料は、ヒステリシスが無い、或いは、ヒステリシスが非常に小さいことから、符号ＳＭで示す特性曲線は、グラフの原点又はその近傍を通る。したがって、符号ＳＭで示す特性曲線は、グラフの第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）に現れ、第２象限（ＩＩ）及び第４象限（ＩＶ）には実質的に現れない。

図１において符号ＨＭで示すように、一般的な硬磁性材料は大きなヒステリシスを有しており、磁場がゼロであっても磁化された状態が維持される。このため、符号ＨＭで示す特性曲線は、グラフの第１象限（Ｉ）～第４象限（ＩＶ）の全てに現れる。

これらの一般的な強磁性材料に対し、本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、グラフの第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）において符号ＡＦＭ－ＦＭで示すように、低磁場領域においては透磁率が低いためほとんど磁化されず、中磁場領域においては透磁率が高くなって容易に磁化され、さらに、強磁場領域になると磁気飽和を起こし、それ以上はほとんど磁化されないという特性を示す。後述する電析条件及び熱処理条件によっては、第１象限（Ｉ）及び第３象限（ＩＩＩ）内において僅かにヒステリシスが存在するが、残留磁化はゼロ又は非常に小さいため、符号ＡＦＭ－ＦＭで示す特性曲線は実質的にグラフの原点を通る。符号ＡＦＭ－ＦＭで示す特性曲線が厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通ることになる。このことは、本実施形態によるＭｎＡｌ合金が初期状態であるか、或いは、繰り返し磁場を印加した後の状態であるかにかかわらず、同じ磁気特性が得られることを意味する。

図２は、本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性を示すグラフであり、第１象限（Ｉ）のみを示している。

図２を用いて本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性についてより具体的に説明すると、磁場Ｈが無い状態から磁場を高めていくと、第１の磁場強度Ｈ１までの領域（第１の磁場領域ＭＦ１）においては透磁率が低く、このため磁化Ｍの増加は僅かである。グラフの傾き、つまり、磁場Ｈに対する磁化Ｍの微分値は透磁率に連動する。第１の磁場領域ＭＦ１における透磁率は非磁性材料の透磁率と同程度であり、したがって、第１の磁場領域ＭＦ１においては実質的に非磁性材料として振る舞う。

一方、第１の磁場強度Ｈ１から第２の磁場強度Ｈ２までの領域（第２の磁場領域ＭＦ２）においては透磁率が急激に高くなり、磁化Ｍの値は大幅に増加する。つまり、磁場を高めていくと、第１の磁場強度Ｈ１を境として透磁率が急激に増加する。第２の磁場領域ＭＦ２における透磁率は軟磁性材料の透磁率に近く、したがって、第２の磁場領域ＭＦ２においては軟磁性的に振る舞う。

さらに磁場を高めることによって第２の磁場強度Ｈ２を超えると（第３の磁場領域ＭＦ３）、磁気飽和を起こし、グラフの傾き、つまり透磁率は再び低下する。

逆に、第３の磁場領域ＭＦ３から磁場を弱めていき、第３の磁場強度Ｈ３を下回ると、第４の磁場強度Ｈ４までの領域で再び透磁率が高くなる。そして、第４の磁場強度Ｈ４を下回ると透磁率が低下し、再び非磁性材料として振る舞う。このように、第１象限（Ｉ）内においてはヒステリシスを有しているものの、残留磁化はほとんど存在しないため、磁場Ｈを一旦ゼロ近辺に戻せば、再び上述した特性と同じ特性が得られる。

尚、図１及び図２に示したグラフは縦軸が磁化Ｍであるが、縦軸を磁束密度Ｂに置き換えても、同様の関係が成り立つ。

図３は、本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性を示す別のグラフであり、第１軸である横軸は磁場Ｈを示し、第２軸である縦軸は磁束密度Ｂを示している。

図３に示すように、縦軸を磁束密度Ｂに置き換えた場合であっても、本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性は、グラフの第１象限（Ｉ）において同様の特性曲線を描く。つまり、低磁場である第１の磁場領域ＭＦ１においては傾きが小さく、中磁場である第２の磁場領域ＭＦ２においては傾きが急激に大きくなり、強磁場である第３の磁場領域ＭＦ３においては傾きが再び小さくなる。また、図３に示すグラフにおいても、本実施形態によるＭｎＡｌ合金の磁気特性を示す特性曲線は実質的に原点を通り、厳密にグラフの原点を通らない場合であっても、横軸又は縦軸の原点近傍を通る。

図４は図３に示す特性の微分値を示すグラフであり、図５は図３に示す特性の二回微分値を示すグラフである。図４に示す特性は、本実施形態によるＭｎＡｌ合金の微分透磁率に相当する。

図４に示すように、図３に示す特性を一回微分すると、第２の磁場領域ＭＦ２において微分値が極大となる。第１の磁場領域ＭＦ１及び第３の磁場領域ＭＦ３では、微分値は小さい値のままである。そして、図５に示すように、図３に示す特性を二回微分すると、第２の磁場領域ＭＦ２において二回微分値が正の値から負の値に反転する。第１の磁場領域ＭＦ１及び第３の磁場領域ＭＦ３では、二回微分値はほぼゼロである。このように、本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、磁場Ｈに対して磁束密度Ｂを二回微分すると、二回微分値が正の値から負の値に反転するという特徴を有している。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、Ｍｎ化合物とＡｌ化合物を混合溶解した溶融塩を電解することによってＭｎＡｌ合金を析出させた後、このＭｎＡｌ合金を４００℃以上、６００℃未満の温度で熱処理することによって得られる。

図６は、ＭｎＡｌ合金を製造するための電析装置の模式図である。

図６に示す電析装置は、ステンレス製の密閉容器１の内部に配置されたアルミナ坩堝２を備えている。アルミナ坩堝２は溶融塩３を保持するものであり、密閉容器１の外部に配置された電気炉４によってアルミナ坩堝２内の溶融塩３が加熱される。アルミナ坩堝２内には、溶融塩３に浸漬する陰極５及び陽極６が設けられており、これら陰極５及び陽極６には、定電流電源装置７を介して電流が供給される。陰極５はＣｕからなる板状体であり、陽極６はＡｌからなる板状体である。アルミナ坩堝２内の溶融塩３は、攪拌機８によって攪拌することが可能である。また、密閉容器１の内部は、ガス経路９を介して供給されるＮ_２などの不活性ガスで満たされる。

溶融塩３は、少なくともＭｎ化合物およびＡｌ化合物を含む。Ｍｎ化合物としてはＭｎＣｌ_２を用いることができ、Ａｌ化合物としてはＡｌＣｌ_３、ＡｌＦ_３、ＡｌＢｒ_３又はＡｌＮａ_３Ｆ_６を用いることができる。Ａｌ化合物はＡｌＣｌ_３単独であっても構わないし、その一部をＡｌＦ_３、ＡｌＢｒ_３又はＡｌＮａ_３Ｆ_６によって置換しても構わない。

溶融塩３は、上述したＭｎ化合物およびＡｌ化合物の他に、別のハロゲン化物を添加しても構わない。別のハロゲン化物としては、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ又はＫＣｌなどのアルカリ金属ハロゲン化物を選択することが好ましく、アルカリ金属ハロゲン化物にＬａＣｌ_３、ＤｙＣｌ_３、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＧａＣｌ_３、ＩｎＣｌ_３、ＧｅＣｌ_４、ＳｎＣｌ_４、ＮｉＣｌ_２、ＣｏＣｌ_２、ＦｅＣｌ_２などの希土類ハロゲン化物、アルカリ土類ハロゲン化物、典型元素ハロゲン化物、遷移金属ハロゲン化物などを添加しても構わない。

このようなＭｎ化合物、Ａｌ化合物及び別のハロゲン化物をアルミナ坩堝２にチャージし、電気炉４によって加熱溶融させることによって、溶融塩３を得ることができる。また、溶融塩３の組成分布が均一となるよう、溶融直後は攪拌機８によって溶融塩３を十分に攪拌することが好ましい。

溶融塩３の電解は、定電流電源装置７を介して陰極５と陽極６との間に電流を流すことによって行う。これにより、陰極５にＭｎＡｌ合金を析出させることができる。電解中における溶融塩３の加熱温度は、１５０℃以上、４５０℃以下とすることが好ましく。電気量については、電極面積１ｃｍ^２当たりの電気量を１５ｍＡｈ以上、１５０ｍＡｈとすることが好ましい。電解中においては、密閉容器１の内部をＮ_２などの不活性ガスで満たすことが好ましい。

また、陰極５と陽極６との間に流す電流は、溶融塩３中におけるＭｎ化合物の濃度１ｍａｓｓ％当たり、且つ、電極面積１ｃｍ^２当たりの電気量を５０ｍＡｈ以上とすることにより、陰極５に粉末状のＭｎＡｌ合金を析出させることができる。これは、溶融塩３中におけるＭｎ化合物の濃度が高いほど析出が促進されるとともに、単位電極面積当たりの電気量が多いほど析出が促進される結果、上記の数値範囲（５０ｍＡｈ以上）を満たすことによって、析出するＭｎＡｌ合金が粉末状になりやすくなるからである。陰極５に析出するＭｎＡｌ合金が粉末状であれば、電解を長時間行ってもＭｎＡｌ合金の析出が停止することがないため、ＭｎＡｌ合金の生産性を高めることができる。また、得られた粉状体のＭｎＡｌ合金を圧縮成形することによって、任意の製品形状を得ることも可能となる。

溶融塩３中におけるＭｎ化合物の初期濃度は、０．２ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、０．２ｍａｓｓ％以上、３ｍａｓｓ％以下であることがより好ましい。また、電解中にＭｎ化合物を追加投入することによって、溶融塩３中におけるＭｎ化合物の濃度を維持することが好ましい。追加投入するＭｎ化合物は、粉末状あるいは粉末を成形したペレット状とし、これを溶融塩３に連続的又は定期的に追加すればよい。このように、溶融塩３の電解中にＭｎ化合物を追加投入すれば、電解の進行に伴うＭｎ化合物の濃度低下が抑制され、溶融塩３中におけるＭｎ化合物の濃度を所定値以上に維持することができる。これにより、析出するＭｎＡｌ合金の組成のばらつきを抑制することが可能となる。

電解によって析出したＭｎＡｌ合金に対しては、熱処理を施すことによってＭｎＡｌ合金にメタ磁性を与えることができる。具体的には、熱処理の温度を４００℃以上、６００℃未満とすればＭｎＡｌ合金にメタ磁性を与えることができる。熱処理の雰囲気は、不活性ガス中または真空中とすることが好ましい。

本実施形態によるＭｎＡｌ合金は、様々な電子部品に応用することが可能である。例えば、本実施形態によるＭｎＡｌ合金を磁心として用いれば、リアクトル、インダクタ、限流器、電磁アクチュエーター、モータなどへの応用が可能である。また、本実施形態によるＭｎＡｌ合金を磁気冷凍作業物質として用いれば、磁気冷凍機への応用が可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

＜溶融塩電解法によるＭｎＡｌ合金の作製＞
まず、図６に示す構造を有する電析装置を用意した。陰極５は、溶融塩３への浸漬面積が５ｃｍ×８ｃｍとなるよう切断した厚み３ｍｍのＣｕ板を用い、陽極６は、溶融塩３への浸漬面積が５ｃｍ×８ｃｍとなるよう切断した厚み３ｍｍのＡｌ板を用いた。

次に、Ａｌ化合物である無水ＡｌＣｌ_３と、別のハロゲン化物であるＮａＣｌをそれぞれ５０ｍｏｌ％ずつ秤量し、Ｍｎ化合物として予め脱水処理したＭｎＣｌ_２を１ｍａｓｓ％秤量し、総重量が１２００ｇとなるようアルミナ坩堝２に投入した。したがって、ＭｎＣｌ_２の量は１２ｇである。脱水処理は、ＭｎＣｌ_２水和物をＮ_２ガスなどの不活性雰囲気中で約４００℃、４時間以上加熱することにより行った。

材料が投入されたアルミナ坩堝２を密閉容器１の内部に移動し、電気炉４によって材料を３５０℃に加熱することによって溶融塩３を得た。次に、攪拌機８の回転羽根を溶融塩３に沈降させ、４００ｒｐｍの回転数で０．５時間撹拌した。その後、陰極５と陽極６の間に単位電極面積当たり６０ｍＡ／ｃｍ^２（２．４Ａ）の定電流を４時間通電し、電流および加熱を停止した。そして、溶融塩３が冷却固化する前に電極を離脱し、陰極５をアセトンで超音波洗浄した。陰極５の表面には、膜状の電析物と粉状の電析物（ＭｎＡｌ合金）が析出していた。膜状の電析物は、陰極５を構成するＣｕを濃硝酸で溶解除去することによって回収し、乳鉢で粉砕して粉末状とした。粉状の電析物については、一部が陰極５に残留するものの、残りはアルミナ坩堝２の底部に堆積する。このため、溶融塩３中に沈降した粉末状の電析物をろ過回収するとともに、溶融塩をデカンテーションし、底部に残った粉末状の電析物と溶融塩の混合物を冷却固化後、アセトンで洗浄し、ろ過回収した。いずれの回収法で得られた粉末状電析物も、膜状電析物を粉砕した粉末状サンプルと合わせて混合した。

上述の方法で得られた粉末試料を比較例１とした。

さらに、電析温度をそれぞれ３００℃及び２５０℃とした他は、比較例１と同様にして、比較例２及び３のサンプルを作製した。

＜ＭｎＡｌ合金の熱処理＞
比較例１の試料粉末に対し、Ａｒ雰囲気中で３５０℃～７００℃、１６時間の熱処理を行った。熱処理温度を３５０℃としたサンプルを比較例４、４００℃としたサンプルを実施例１、４５０℃としたサンプルを実施例２、５００℃としたサンプルを実施例３、５５０℃としたサンプルを実施例４、５７５℃としたサンプルを実施例５、熱処理温度を６００℃としたサンプルを比較例５、熱処理温度を６５０℃としたサンプルを比較例６、熱処理温度を７００℃としたサンプルを比較例７とした。

さらに、比較例２及び３の試料粉末に対し、Ａｒ雰囲気中で５５０℃、１６時間の熱処理を行うことにより、それぞれ実施例６及び７のサンプルを作製した。

＜溶解法によるＭｎＡｌ合金の作製＞
純度９９．９質量％以上のＭｎと純度９９．９質量％以上のＡｌを、それぞれＭｎを４６ａｔ％、Ａｌを５４ａｔ％の割合で秤量し、Ａｒ雰囲気中でアーク溶解して原料インゴットを作製した。

得られた原料インゴットをＡｒ雰囲気中で１１５０℃にて、２時間加熱処理を行った後、水中急冷処理を行った。その後、インゴットをＡｒ雰囲気中で６００℃にて、１時間の熱処理を行った後、徐冷した。その後、スタンプミルにて粉砕を行い、１００μｍ以下の粉末を得た。得られたサンプルを比較例８とした。

ＭｎとＡｌの比率を変えた他は、比較例８と同様にして比較例９～１４のサンプルを作製した。

＜磁気特性の評価＞
実施例１～７及び比較例１～１４のサンプルに対し、パルス励磁型磁気特性測定装置（東英工業製）を用いて室温にて０～１００ｋＯｅの磁場範囲での磁気特性を測定し、得られた磁化曲線からメタ磁性の有無を判定した。さらに、１００ｋＯｅにおける質量磁化を最大質量磁化σｍａｘ、０ｋＯｅ付近での磁化を残留質量磁化σｒとし、その比率σｒ／σｍａｘを角型比とした。そして、角型比が０．１以上の試料を残留磁化有りと判定し、角型比が０．１未満の試料を残留磁化なしと判定した。

＜結晶構造の評価＞
実施例１～７及び比較例１～１４のサンプルに対し、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ、Ｒｉｇａｋｕ製）を用いてＣｕα１放射線により室温にて２０°～８０°範囲で回折強度を測定し、相同定を行った。

＜Ｍｎ濃度及びＡｌ濃度の評価＞
実施例１～７及び比較例１～１４のサンプルに対し、ＩＣＰ－ＡＥＳ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａＡｔｏｍｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：発光分光分析法）を用いて、Ｍｎ及びＡｌの含有量を測定し、ＭｎとＡｌの原子比率を評価した。

＜τ－ＭｎＡｌ結晶粒子のＭｎとＡｌ濃度評価＞
実施例１～７及び比較例１～１４のサンプルを樹脂に埋め研磨した後、粉末試料の一部をＦＩＢ（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ：集束イオンビーム）加工により薄片化した。得られた薄片に対し、ＳＴＥＭ－ＥＤＳ分析（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ－ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：走査型透過電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分光分析）により、ＭｎとＡｌの原子比率を評価した。

＜規則度の評価＞
実施例１～７及び比較例１～１４のサンプルに対し、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ、Ｒｉｇａｋｕ製）を用いてＣｕα１放射線により室温にて、スキャン間隔０．０２０°、測定時間１．２秒で２０°～８０°範囲で回折強度を測定し、３２．２°近傍に観測されるτ－ＭｎＡｌ相の（１００）ピークの積分強度Ｉ（１００）と、６７．４°近傍に観測されるτ－ＭｎＡｌ相の（２００）ピークの積分強度Ｉ（２００）を算出した。そして、Ｉ（１００）／Ｉ（２００）を計算し得られた値を（Ｉ（１００）／Ｉ（２００））Ｅｘｐ．とした。一方、τ－ＭｎＡｌ相が完全規則化した際に得られる積分強度比率Ｉ（１００）／Ｉ（２００）の値を（Ｉ（１００）／Ｉ（２００））Ｔｈｅｏｒｙとし、下記の計算式によって規則度Ｓを計算した。
Ｓ＝√（Ｉ（１００）／Ｉ（２００））Ｅｘｐ．／（Ｉ（１００）／Ｉ（２００））Ｔｈｅｏｒｙ
ここで、（Ｉ（１００）／Ｉ（２００））Ｔｈｅｏｒｙは、回折強度のシミュレーションソフトによって得られ、ここでは、ＲＩＥＴＡＮ－ＦＰによって算出された値である１．０６を用いた。

＜磁気構造の評価＞
粉末試料を、飛行時間中性子回折法により面間隔ｄが１～４０オングストロームの範囲を測定し、τ－ＭｎＡｌの結晶構造よりも長周期な磁気構造が観測された場合を反強磁性の磁気構造を有する結晶粒子があると判断した。長周期な磁気構造の有無は、磁気構造に起因する回折ピークのミラー指数（ｈ，ｋ，ｌ）が、τ－ＭｎＡｌの結晶構造を基準として指数付けした場合に、整数とならない場合に、長周期な磁気構造があると判定できる。ここで、磁気構造に起因するピークは、中性子回折で得られた回折ピークからＸ線回折で得られた結晶構造起因のピークを除くことで、得られる。例えば、τ－ＭｎＡｌのｃ軸方向に２倍周期の磁気構造を有することを示すミラー指数（１，０，１／２）は、ミラー指数ｌが１／２となり有理数となるために、ｃ軸方向に２倍周期の磁気構造を有することがわかる。

＜評価結果＞
評価結果を図７～図９に示す。図８（ａ）～（ｄ）は、それぞれ実施例３、比較例１、比較例５及び比較例１３のサンプルの磁気特性を示すグラフである。また、図９（ａ），（ｂ）は、実施例３、比較例１、比較例５及び比較例１３における中性子回折法の測定結果を示すグラフである。

図７に示すように、溶融塩電解法によって得られたＭｎＡｌ合金を４００℃～５７５℃で熱処理した実施例１～７のサンプルはメタ磁性を示した。図８（ａ）には、実施例３のサンプルの磁気特性が示されている。また、実施例１～７のサンプルでは、τ－ＭｎＡｌ相におけるＭｎの比率は、それぞれ５１％、５２％、５３％、５４．５％、５４．８％、４９％及び４８％であった。一方、ＭｎＡｌ合金全体に占めるＭｎの比率は、実施例１～５では５０％、実施例６では４７．５％、実施例７では４５％であった。

これに対し、比較例１～１４のサンプルは、いずれもメタ磁性を示さなかった。特に、比較例１～５、１１～１４のサンプルは、τ－ＭｎＡｌ相を有していたが、実施例１～７とは異なり、メタ磁性を示さなかった。比較例１～５、１１～１４のサンプルでは、τ－ＭｎＡｌ相におけるＭｎの比率は、４５％～５６％であった。比較例６～１０のサンプルはγ２相であり、τ－ＭｎＡｌ相が認められなかった。図８（ｂ）～（ｄ）に示すように、比較例１のサンプルは強磁性を示し、比較例５のサンプルは非磁性を示し、比較例１３のサンプルは軟磁性を示した。

また、中性子回折法の測定結果である図９（ａ），（ｂ）に示すように、実施例３においては中性子回折により整数ではないミラー指数である（１，０，１／６）や（１，０，１／２）が観測された。この結果は、τ－ＭｎＡｌのｃ軸方向に２倍周期と６倍周期が同時に確認された稀有な例であり、詳細な磁気構造に関しては不明ではあるが、反強磁性構造が存在すると言える。比較例１３に関しては、中性子回折により整数ではないミラー指数が確認されなかった。一方、比較例５は、τ－ＭｎＡｌ相が確認されなかった。比較例１に関しては、ミラー指数である（１，０，１／２）が確認されたが、実施例３と比較して弱い回折強度であった。また、実施例３にて観測された（１，０，１／６）は確認されなかった。

次に、実施例３、比較例１及び１３のサンプルに対し、温度を－１００℃～２００℃の温度範囲で磁気特性の評価を行った。結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例３のサンプルは－１００℃～２００℃という広い温度範囲でメタ磁性を示した。

１密閉容器
２アルミナ坩堝
３溶融塩
４電気炉
５陰極
６陽極
７定電流電源装置
８攪拌機
９ガス経路

Claims

少なくとも－１００℃～２００℃の温度範囲でメタ磁性を示すＭｎＡｌ合金。
組成式をＭｎ_ｂＡｌ_{１００－ｂ}で表した場合、４５≦ｂ≦５０を満たす請求項１に記載のＭｎＡｌ合金。
τ－ＭｎＡｌ相を有する結晶粒子を含み、前記τ－ＭｎＡｌ相の磁気構造が、無磁場の状態において反強磁性構造を有する請求項１に記載のＭｎＡｌ合金。
前記τ－ＭｎＡｌ相の組成式をＭｎ_ａＡｌ_{１００－ａ}で表した場合、４８≦ａ＜５５を満たす請求項３に記載のＭｎＡｌ合金。
前記τ－ＭｎＡｌ相の組成式をＭｎ_ａＡｌ_{１００－ａ}で表した場合、５０＜ａ＜５５を満たす請求項４に記載のＭｎＡｌ合金。
τ－ＭｎＡｌ相の規則度が０．８５以上である請求項１に記載のＭｎＡｌ合金。
粉状体である請求項１に記載のＭｎＡｌ合金。
前記粉状体を所定の形状に成形してなる請求項７に記載のＭｎＡｌ合金。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＭｎＡｌ合金を含む電子部品。
少なくとも－１００℃～２００℃の温度範囲でメタ磁性を示すＭｎＡｌ合金の製造方法であって、
Ｍｎ化合物およびＡｌ化合物を含む溶融塩を電解することによってＭｎＡｌ合金を析出させる工程と、
前記ＭｎＡｌ合金を４００℃以上、６００℃未満の温度で熱処理する工程と、を備えることを特徴とするＭｎＡｌ合金の製造方法。