JP7025230B2 - 希土類磁石及びその製造方法 - Google Patents
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Description
〈1〉Sm、Fe、及びNを含有する磁性相と、
前記磁性相の周囲に存在するZn相と、
前記磁性相と前記Zn相との間に存在する中間相と、
を有し、
前記中間相がZnを含有し、かつ、
前記中間相の酸素含有量が、前記Zn相の酸素含有量よりも高い、
希土類磁石。
〈2〉前記中間相の酸素含有量が、前記Zn相の酸素含有量よりも1.5~20.0倍高い、〈1〉項に記載の希土類磁石。
〈3〉前記中間相中に、Ia-3型の結晶構造を有するSm2O3相が形成されている、〈1〉又は〈2〉項に記載の希土類磁石。
〈4〉前記磁性相が、(Sm(1-i)Ri)2(Fe(1-j)Coj)17Nh(ただし、RはSm以外の希土類元素並びにY及びZrから選ばれる1種以上、iは0~0.50、jは0~0.52、かつ、hは1.5~4.5)で表される相を含む、〈1〉~〈3〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈5〉式Hc=α・Ha-Neff・Ms(Hcは保磁力、Haは異方性磁界、Msは飽和磁化、かつ、Neffは自己減磁界係数)で表される組織パラメタαが0.07~0.55である、〈1〉~〈4〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈6〉前記組織パラメタαが、0.11~0.55である、〈5〉項に記載の希土類磁石。
〈7〉前記希土類磁石全体に対する酸素含有量が、1.55~3.00質量%である、〈1〉~〈6〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石。
〈8〉Sm、Fe、及びNを含有する磁性材原料粉末と、金属Zn及びZn合金の少なくともいずれかを含有する改良材粉末とを、前記磁性材原料粉末と前記改良材粉末の合計に対して、前記改良材粉末中のZn成分が1~20質量%になるように混合して、混合粉末を得ること、及び
前記混合粉末が含有する金属Zn又はZn合金の融点のうち、最も低い融点をT℃としたとき、前記混合粉末を、(T-30)℃以上、500℃以下で熱処理すること、
を含み、
前記改良材粉末全体に対し、前記改良材粉末中の酸素含有量が、1.0質量%以下である、
希土類磁石の製造方法。
〈9〉前記磁性材原料粉末が、(Sm(1-i)Ri)2(Fe(1-j)Coj)17Nh(ただし、RはSm以外の希土類元素並びにY及びZrから選ばれる1種以上、iは0~0.50、jは0~0.52、かつ、hは1.5~4.5)で表される磁性相を含む、〈8〉項に記載の方法。
〈10〉前記混合と前記熱処理を同時に行う、〈8〉又は〈9〉項に記載の方法。
〈11〉前記熱処理の前に、さらに、前記混合粉末を圧粉することを含む、〈8〉又は〈9〉項に記載の方法。
〈12〉前記圧粉を磁場中で行う、〈11〉項に記載の方法。
〈13〉前記改良材粉末の単位粒子について、酸素含有量をC(質量%)、体積に対する表面積の割合をS(cm-1)としたとき、S/C(cm-1・質量%-1)の値が90000以上である、〈8〉~〈12〉のいずれか一項に記載の方法。
図1(b)に示したように、本開示の希土類磁石100は、磁性相10、Zn相20、及び中間相30を有する。希土類磁石100の形態は、特に限定されない。希土類磁石100の形態としては、粉末、ボンド磁石、及び焼結磁石等が挙げられる。
希土類磁石100は、磁性相10によって、磁気特性を発現する。磁性相10は、Sm、Fe、及びNを含有する。磁性相10には、本開示の希土類磁石及びその製造方法の効果を阻害しない範囲で、Rを含有していてもよい。Rは、Sm以外の希土類元素並びにY及びZrから選ばれる1種以上である。このような磁性相10を、Sm、R、Fe、Co、及びNのモル比で表すと、(Sm(1-i)Ri)2(Fe(1-j)Coj)17Nhである。ここで、hは、1.5以上が好ましく、2.0以上がより好ましく、2.5以上がより一層好ましい。一方、hは、4.5以下が好ましく、4.0以下がより好ましく、3.5以下がより一層好ましい。また、iは、0以上、0.10以上、又は0.20以上であってよく、0.50以下、0.40以下、又は0.30以下であってよい。そして、jは、0以上、0.10以上、又は0.20以上であってよく、0.52以下、0.40以下、又は0.30以下であってよい。
図1(b)に示したように、Zn相20は、磁性相10の周囲に存在する。後述するように、磁性相10とZn相20との間には中間相30が存在するため、Zn相20は中間相30の外周に存在する。
図1(b)に示したように、中間相30は、磁性相10とZn相20との間に存在する。混合粉末の粒子50(図1(a)、参照)を熱処理することによって、酸化相15中の酸素が、Zn相20中のZnと結合して、中間相30を形成する。このため、中間相30は、Znを含有する。中間相30におけるZnの含有量は、希土類磁石100全体に対して、5原子%以上であれば、中間相30による保磁力向上を明瞭に認識できる。保磁力向上観点からは、中間相30におけるZnの含有量は、10原子%以上がより好ましく、15原子%以上がより一層好ましい。一方、中間相30におけるZnの含有量が、希土類磁石100全体に対して、60原子%以下であれば、磁化の低下を抑制できる。磁化の低下を抑制する観点からは、中間相30におけるZnの含有量は、希土類磁石100全体に対して、50原子%以下がより好ましく、30原子%以下がより一層好ましい。なお、中間相30におけるZnの含有量は、中間相30におけるEDX線分析結果の平均値である。
上述したように、中間相30の形成によって、α-Fe相12と不整合界面14が消滅する。理論に拘束されないが、α-Fe相12と不整合界面14が消滅することによって、磁性相10と中間相30との間には、ファセット界面17が形成される。ファセット界面17としては、例えば、(101)面、(100)面、(101)面、(201)面、(-102)面、及び(003)面等の低指数面が挙げられる。
希土類磁石100に存在する酸素は、磁性材原料粉末と改良材粉末との混合粉末に由来する。希土類磁石100においては、改良粉末全体に対し、改良粉末中の酸素含有量が1.0質量%以下である混合粉末を用いる。それによって、酸素含有量の多い磁性材原料粉末を用いても、中間相30に酸素を濃化させて、保磁力を向上させることができる。そして、熱処理後の希土類磁石100に、比較的多くの酸素が残留(含有)しても、充分に保磁力を向上させることができる。
次に、本開示の希土類磁石100の製造方法について説明する。本開示の希土類磁石100の製造方法は、混合粉末準備工程と混合粉末の熱処理工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。
先ず、Sm、Fe、及びNを含有する磁性材原料粉末と、金属Zn及びZn合金の少なくともいずれかを含有する改良材粉末とを、磁性材原料粉末と改良材粉末の合計に対して、改良材粉末中のZn成分が1~20質量%になるように混合して、混合粉末を得る。
混合粉末50が含有する金属Zn又はZn合金の融点のうち、最も低い融点をT℃としたとき、準備した混合粉末50(図1(a)、参照)を、(T-30)℃以上、500℃以下で熱処理する。この熱処理によって、混合粉末50のZn相20に磁性相10中の酸素が拡散し、中間相30(図1(b)、参照)に酸素が濃化する。さらに、中間相30中に、Ia-3型のSm2O3が形成される。理論に拘束されないが、hcp型のSm2O3が形成される場合と比べて、Ia-3型のSm2O3が形成されることによって、磁性相10と中間相30との間に、ファセット界面17が形成され易く、中間相の結晶性が向上して、保磁力の増加に寄与する。
磁性材原料粉末と改良材粉末の混合と熱処理を同時に行ってもよい。図3は、磁性材原料粉末と改良材粉末の混合と熱処理を同時に行う場合の一例を模式的に示す図である。図3において、(a)は、改良材粉末が溶融する前の状態を示す図であり、(b)は、改良材粉末が溶融した後の状態を示す図である。
磁性材原料粉末の表面に、改良材粉末中の金属Zn及びZn合金の少なくともいずれかを堆積させることによって、磁性材原料粉末と改良材粉末とを混合してもよい。堆積混合には、アークプラズマデポジション装置等を用いることができる。図15は、アークプラズマデポジション装置を用いて、磁性材原料粉末の粒子の表面に、金属Zn及び/又はZn合金を堆積する一例を模式的に示す図である。
熱処理の前に、混合粉末を圧粉してもよい。圧粉することによって、混合粉末の個々の粒子が相互に密着するため、良好な中間相30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。圧粉方法は、金型を用いたプレス等の常法でよい。プレス圧力は、例えば、50MPa以上、100MPa以上、又は150MPa以上であってよく、1500MPa以下、1000MPa以下、又は500MPa以下であってよい。
熱処理の一態様として、例えば、焼結が挙げられる。典型的には、混合粉末の圧粉体を焼結するが、これに限られない。焼結には、材料の一部が液相になる液相焼結が含まれる。本開示の希土類磁石の製造方法では、典型的には、改良材粉末の一部が溶融する。焼結方法としては、希土類磁石の製造で用いられる周知の方法を適用することができる。
希土類磁石の試料を次の要領で準備した。
磁性材原料粉末と改良材粉末とを、ボールミルを用いて混合した。磁性材原料粉末については、磁性材原料粉末全体に対して、Sm2Fe17N3の含有量が、95質量%以上である粉末を用いた。改良材粉末については、金属Zn粉末を用いた。磁性材原料粉末の粒径は、3μmであった。改良材粉末の粒径は、1μmであった。磁性材原料粉末と改良材粉末の合計質量は、15gとした。ボールミルの回転速度は125rpmとした。回転時間は60分とした。混合の際には、磁性材原料粉末と改良材粉末に、ヘプタンを80cm3加えた。混合の際には、直径が1mmのステンレス球100gと、直径が5mmのステンレス球50gを加えた。磁性材原料粉末全体に対する磁性材原料粉末の酸素含有量、改良材粉末全体に対する改良材粉末の酸素含有量、及び、混合粉末全体に対する改良材粉末中のZn成分量を、それぞれ、表1に示した。なお、各粉末の酸素含有量は、非分散型赤外線吸収法によって測定した。また、実施例1~5及び比較例1~3については、改良材粉末として金属Zn粉末を用いたため、混合粉末全体に対する改良材粉末中のZn成分量は、混合粉末全体に対する金属Zn粉末量である。
磁性材原料粉末と改良材粉末とを、ロータリーキルン炉を用いて、混合と熱処理を同時に行った。磁性材原料粉末については、磁性材原料粉末全体に対して、Sm2Fe17N3の含有量が、95質量%以上である粉末を用いた。改良材粉末については、金属Zn粉末を用いた。磁性材原料粉末の粒径は、3μmであった。改良材粉末の粒径は、7μmであった。磁性材原料粉末と改良材粉末の合計質量は、10gであった。
磁性材原料粉末と改良材粉末とを、V型混合器を用いて混合した。磁性材原料粉末については、磁性材原料粉末全体に対して、Sm2Fe17N3の含有量が、95質量%以上である粉末を用いた。改良材粉末については、金属Zn粉末を用いた。磁性材原料粉末の粒径は、3μmであった。改良材粉末の粒径は、20~65μmであった。磁性材原料粉末と改良材粉末の合計質量は、15gとした。磁性材原料粉末全体に対する磁性材原料粉末の酸素含有量、改良材粉末全体に対する改良材粉末の酸素含有量、混合粉末全体に対する改良材粉末中のZn成分量、及び、改良材粉末の粒径を、それぞれ、表4に示した。なお、各粉末の酸素含有量は、非分散型赤外線吸収法によって測定した。また、実施例9~14については、改良材粉末として金属Zn粉末を用いたため、混合粉末全体に対する改良材粉末中のZn成分量は、混合粉末全体に対する金属Zn粉末量である。
磁性材原料粉末と改良材粉末とを、ボールミルを用いて混合した。磁性材原料粉末については、磁性材原料粉末全体に対して、Sm2Fe17N3の含有量が、95質量%以上である粉末を用いた。改良材粉末については、金属Zn粉末を用いた。磁性材原料粉末の粒径は、3μmであった。改良材粉末の粒径は、3.3~1000μmであった。磁性材原料粉末と改良材粉末の合計質量は、15gとした。磁性材原料粉末全体に対する磁性材原料粉末の酸素含有量、改良材粉末全体に対する改良材粉末の酸素含有量、混合粉末全体に対する改良材粉末中のZn成分量、改良材粉末の粒径、及びS/Cを、それぞれ、表5に示した。なお、各粉末の酸素含有量は、非分散型赤外線吸収法によって測定した。また、実施例15~18及び比較例6~8については、改良材粉末として金属Zn粉末を用いたため、混合粉末全体に対する改良材粉末中のZn成分量は、混合粉末全体に対する金属Zn粉末量である。
各試料について、保磁力と磁化を測定した。測定は、東英工業社製のパルス式BHトレーサーを用いて行った。測定は、常温(室温)で行ったが、実施例9~14については、160℃での保磁力も測定した。
12 α-Fe相
14 不整合界面
16 界面
15 酸化相
20 Zn相
30 中間相
50 混合粉末の粒子
90 埋め込み樹脂
100 本開示の希土類磁石
110 撹拌ドラム
120 材料格納部
130 回転軸
150 磁性材原料粉末
160 改良材粉末
170 溶融液
200 アークプラズマデポジション装置
210 アークプラズマガン
220 粒子
230 ステージ
310 粒子集合領域
320 塊状物領域
330 混在領域
Claims (13)
- Sm、Fe、及びNを含有する磁性相と、
前記磁性相の周囲に存在するZn相と、
前記磁性相と前記Zn相との間に存在する中間相と、
を有し、
前記中間相がZnを含有し、かつ、
前記中間相の酸素含有量が、前記Zn相の酸素含有量よりも高い、
希土類磁石。 - 前記中間相の酸素含有量が、前記Zn相の酸素含有量よりも1.5~20.0倍高い、請求項1に記載の希土類磁石。
- 前記中間相中にIa-3型のSm2O3相が形成されている、請求項1又は2に記載の希土類磁石。
- 前記磁性相が、(Sm(1-i)Ri)2(Fe(1-j)Coj)17Nh(ただし、RはSm以外の希土類元素並びにY及びZrから選ばれる1種以上、iは0~0.50、jは0~0.52、かつ、hは1.5~4.5)で表される相を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の希土類磁石。
- 式Hc=α・Ha-Neff・Ms(Hcは保磁力、Haは異方性磁界、Msは飽和磁化、かつ、Neffは自己減磁界係数)で表される組織パラメタαが0.07~0.55である、請求項1~4のいずれか一項に記載の希土類磁石。
- 前記組織パラメタαが0.11~0.55である、請求項5に記載の希土類磁石。
- 前記希土類磁石全体に対する酸素含有量が、1.55~3.00質量%である、請求項1~6のいずれか一項に記載の希土類磁石。
- Sm、Fe、及びNを含有する磁性材原料粉末と、金属Zn及びZn合金の少なくともいずれかを含有する改良材粉末とを、前記磁性材原料粉末と前記改良材粉末の合計に対して、前記改良材粉末中のZn成分が1~20質量%になるように混合して、混合粉末を得ること、及び
前記混合粉末が含有する金属Zn又はZn合金の融点のうち、最も低い融点をT℃としたとき、前記混合粉末を、(T-30)℃以上、500℃以下で熱処理すること、
を含み、
前記磁性材原料粉末の粒子の表面は、酸化相で覆われており、かつ
前記改良材粉末全体に対し、前記改良材粉末中の酸素含有量が、1.0質量%以下である、
希土類磁石の製造方法。 - 前記磁性材原料粉末が、(Sm(1-i)Ri)2(Fe(1-j)Coj)17Nh(ただし、RはSm以外の希土類元素並びにY及びZrから選ばれる1種以上、iは0~0.50、jは0~0.52、かつ、hは1.5~4.5)で表される磁性相を含む、請求項8に記載の方法。
- 前記混合と前記熱処理を同時に行う、請求項8又は9に記載の方法。
- 前記熱処理の前に、さらに、前記混合粉末を圧粉することを含む、請求項8又は9に記載の方法。
- 前記圧粉を磁場中で行う、請求項11に記載の方法。
- 前記改良材粉末の単位粒子について、酸素含有量をC(質量%)、体積に対する表面積の割合をS(cm-1)としたとき、S/C(cm-1・質量%-1)の値が90000以上である、請求項8~12のいずれか1項に記載の方法。
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