JPH05135929A - 希土類磁石並びに希土類磁石用合金粉末とその製造方法 - Google Patents

希土類磁石並びに希土類磁石用合金粉末とその製造方法

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JPH05135929A
JPH05135929A JP3323779A JP32377991A JPH05135929A JP H05135929 A JPH05135929 A JP H05135929A JP 3323779 A JP3323779 A JP 3323779A JP 32377991 A JP32377991 A JP 32377991A JP H05135929 A JPH05135929 A JP H05135929A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 iHcと(BH)maxを向上させ、5kG
以上の残留磁束密度Brを有し安定した工業生産が可能
なFe3B型Fe−Co−B−R−M系磁石の製造方法
の確立とハードフェライト磁石の代替えとしての高性能
ボンド磁石を安価に提供すること。 【構成】 希土類元素の含有量が少ない特定組成のFe
−Co−B−R(Pr,Nd)−M(Cu,Ga)系合
金溶湯を超急冷法にて実質的に90%以上をアモルファ
ス組織となし、500℃以上から1〜10℃/分の昇温
速度で昇温した後、550〜700℃で5分〜6時間保
持する熱処理を施して、Fe3B型結晶構造相を主相と
して特定量のNd2Fe14B型結晶構造相を有し、iH
c≧2kOe、Br≧7kG、(BH)max≧8MG
Oeの磁気特性を有する磁石用合金粉末を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、モーターやアクチュ
エーターなどに最適な希土類焼結磁石やボンド磁石に係
り、希土類元素の含有量が少ない特定組成のFe−Co
−B−R合金溶湯を超急冷法にてアモルファス組織とな
し、特定の熱処理にて微細結晶集合体を得ることによ
り、ハードフェライト磁石では得られなかった5kG以
上の残留磁束密度Brを有するボンド磁石に最適の希土
類磁石用合金粉末を得る製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電装品用モーターやアクチュエーターな
どに使用される永久磁石は主にハードフェライト磁石に
限定されていたが、低温でのiHc低下に伴う低温減
磁、セラミックス材質のために機械的強度が低くて割
れ、欠けが発生し易いこと、複雑な形状が得難いことな
どの問題があった。
【0003】今日、自動車は省資源のため車両の軽量化
による燃費の向上が強く要求されており、自動車用電装
品はより一層の小型、軽量化が求められている。また、
自動車用電装品以外の家電用モーターなどの用途におい
ても、性能対重量比を最大にするための設計が検討され
ており、現在のモーター構造では磁石材料としてBrが
5〜7kG程度のものが最適とされている。すなわち、
使用する磁石材料のBrが8kG以上の場合、現在のモ
ーター構造では磁路となる回転子やステーターの鉄板の
断面積を増大させる必要があり、重量の増大を招来する
が、Brが5〜7kGであれば性能対重量比を最大にす
ることができる。
【0004】従って、小型モーター用の磁石材料は磁気
特性的には特に5kG以上の残留磁束密度Brが要求さ
れているが、従来のハードフェライト磁石では得ること
ができない。例えばNd−Fe−B系ボンド磁石ではか
かる磁気特性を満足するが、金属の分離精製や還元反応
に多大の工程並びに大規模な設備を要するNd等を10
〜15at%含有しているため、ハードフェライト磁石
に比較して著しく高価であり、現在のところ大量生産が
可能で安価に提供できるBrが5〜7kG程度の磁石材
料は、見出されていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一方、Nd−Fe−B
系磁石において、最近、Nd4Fe7719(at%)近
傍でFe3B型化合物を主相とする磁石材料が提案
(R.Coehoorn等、J.dePhys.、C
8,1988,669〜670頁)された。この磁石材
料はアモルファスリボンを熱処理することにより、Fe
3BとNd2Fe14Bの結晶集合組織を有する準安定構造
であるが、iHcが2〜3kOe程度と高くなく、また
このiHcを得るための熱処理条件が狭く限定され、工
業生産上実用的でない。
【0006】このFe3B型化合物を主相とする磁石材
料に添加元素を加えて多成分化し、性能向上を図った研
究が発表されている。その1つは希土類元素にNdのほ
かにDyとTbを用いてiHcの向上を図るものである
が、高価な元素を添加する問題のほか、添加希土類元素
はその磁気モーメントがNdやFeの磁気モーメントと
反平行して結合するため磁化が減少する問題がある
(R.Coehoorn、J.Magn,Magn,M
at、83(1990)228〜230頁)。
【0007】他の研究(Shen Bao−genら、
J.Magn,Magn,Mat、89(1991)3
35〜340頁)として、 Feの一部をCoにて置換
してキュリー温度を上昇させ、iHcの温度係数を改善
するものであるが、Coの添加にともないiHcを低下
させる問題がある。
【0008】いずれにしてもFe3B型Nd−Fe−B
系磁石は、超急冷法によりアモルファス化した後、熱処
理してハード磁石材料化できるが、iHcが低く、かつ
前記熱処理条件が苛酷であり、添加元素にて高iHc化
を図ると磁気エネルギー積が低下するなど、安定した工
業生産ができず、ハードフェライト磁石の代替えとして
安価に提供することができない。
【0009】また、Nd−Fe−B系合金をアモルファ
ス化するためには、超急冷時のロール周速度を著しく速
くする必要があり、製品の回収率や歩留りが低下する問
題があり、さらにFe基合金であることから、保存時の
腐食が進行し易く、長期間の保存により初期の磁気特性
が維持できずに劣化する問題があった。
【0010】この発明は、Fe3B型Fe−B−R系磁
石(Rは希土類元素)に着目して、iHcと(BH)m
axを向上させ、安定した工業生産が可能な製造方法の
確立と、5kG以上の残留磁束密度Brを有しハードフ
ェライト磁石の代替えとして安価に提供できるFe3
型Nd−Fe−B系磁石を目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明は、Fe3B型
系Fe−B−R磁石のiHcと(BH)maxを向上さ
せ、安定した工業生産が可能な製造方法を目的に種々検
討した結果、希土類元素の含有量が少なく、Co及びG
a、Cuの少なくとも1種を少量添加した鉄基の特定組
成の合金溶湯を超急冷法にてアモルファス組織となし、
特定の昇温速度による熱処理にて微細結晶集合体を得る
ことにより、ハードフェライト磁石では得られなかった
5kG以上の残留磁束密度Brを有するボンド磁石に最
適の希土類磁石用合金粉末が得られることを知見し、こ
の発明を完成した。
【0012】この発明は、組成式をFe100-x-y-zCox
yzw (但しRはPrまたはNdの1種または2
種、MはCuまたはGaの1種または2種)と表し、組
成範囲を限定する記号x、y、z、wが下記値を満足
し、Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe14B型結晶
構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が0.01
〜0.1μmの微細結晶集合体からなることを特徴とす
る希土類磁石である。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦6at% 0.1≦w≦3at%
【0013】また、この発明は、組成式をFe
100-x-y-zCoxyzw (但しRはPrまたはNd
の1種または2種、MはCuまたはGaの1種または2
種)と表し、組成範囲を限定する記号x、y、z、wが
上述の値を満足し、Fe3B型化合物を主相とし、Nd2
Fe14B型結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶
粒径が0.01〜0.1μmの微細結晶集合体からな
り、平均粒径が3〜500μm、磁気特性がiHc≧2
kOe、Br≧7kG、(BH)max≧8MGOeで
あることを特徴とする希土類磁石用合金粉末である。
【0014】また、この発明は、(1)組成式をFe
100-x-y-zCoxyzw (但しRはPrまたはNd
の1種または2種、MはCuまたはGaの1種または2
種)と表し、組成範囲を限定する記号x、y、z、wが
上述の値を満足する合金溶湯を超急冷法にて実質的に9
0%以上をアモルファス組織となし、(2)さらに熱処
理に際し500℃からの昇温速度を1〜10℃/分で昇
温して550〜700℃で5分〜6時間保持する熱処理
を施し、(3)Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe
14B型結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径
が0.01〜0.1μmの微細結晶集合体を得たのち、
(4)これを粉砕して磁石用合金粉末を得ることを特徴
とする希土類磁石用合金粉末の製造方法である。
【0015】
【作用】この発明は、希土類元素の含有量が少ない特定
組成のFe−Co−B−R−M系合金溶湯を超急冷法に
て実質的に90%以上をアモルファス組織となすと、特
定量のCoを含有するためアモルファス薄帯の回収率が
著しく向上し、さらに得られたフレーク、リボンを50
0℃以上から1〜10℃/分の昇温速度で昇温した後、
550〜700℃で5分〜6時間保持する熱処理を施す
ことにより、平均結晶粒径が0.01〜0.1μmの微
細結晶集合体となり、主相のFe3B型化合物相のほ
か、Nd2Fe14B型結晶構造相を有する強磁性相の量
比が増大し、α−Fe相が減少し、CuまたはGaを含
有するためCoを含有してもiHcの低下がなく、さら
に減磁曲線の角型性が改善されることにより、iHc≧
2kOe、Br≧7kG、(BH)max≧8MGOe
の磁気特性が得られ、さらにこれを粉砕して磁石用合金
粉末化することによって、5kG以上の残留磁束密度B
rを有するボンド磁石に最適のFe−Co−B−R−M
系磁石用合金粉末を得ることができ、また焼結磁石化す
ることにより従来のアルニコ系磁石と同等以上の磁気特
性を得ることができる。
【0016】組成の限定理由 希土類元素RはPrまたはNdの1種また2種を特定量
含有のときのみ、高い磁気特性が得られ、他の希土類、
例えばCe、LaではiHcが2kOe以上の特性が得
られず、またSm以降の中希土類元素、重希土類元素は
磁気特性の劣化を招来するとともに磁石を高価格にする
ため好ましくない。Rは、3at%未満では2kOe以
上のiHcが得られず、また6at%を超えるとFe3
B相が生成せず、α−Fe相が主相となってiHcは著
しく低下するので好ましくないため、3〜6at%の範
囲とする。
【0017】Bは、16at%未満および22at%を
超えると2kOe以上のiHcが得られないため、16
〜22at%の範囲とする。
【0018】Coは、iHc及び減磁曲線の角型性の向
上改善に有効であるが、0.05at%未満ではかかる
効果が得られず、15at%を超えるとiHcは著しく
低下し、2kOe以上のiHcが得られないため、0.
05〜15at%の範囲とする。
【0019】Cu及びGaは熱処理温度範囲を拡大して
減磁曲線の角型性を改善し、磁気特性のBr、(BH)
maxを増大させる効果を有し、かかる効果を得るには
少なくとも0.1at%以上の添加が必要であるが、3
at%を超えるとかえって角型性を劣化させ、(BH)
maxも低下するため、0.1〜3at%の範囲とす
る。
【0020】Feは、上述の元素の含有残余を占める。
【0021】製造条件の限定理由 この発明において、上述の特定組成の合金溶湯を超急冷
法にてアモルファスとなし、500℃以上から1〜10
℃/分の昇温速度で昇温した後、550〜700℃で5
分〜6時間保持する熱処理を施すことにより、熱力学的
には準安定相であるFe3B型化合物とNd2Fe14B型
結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が0.
01〜0.1μmの微細結晶集合体として得ることが最
も重要であり、合金溶湯の超急冷処理には公知の回転ロ
ールを用いた超急冷法を採用することができるが、実質
的に90%以上をアモルファスとなす必要がある。例え
ばCu製ロールを用いる場合は、そのロール表面周速度
が10〜50m/秒の範囲が好適な組織が得られるため
好ましい。すなわち周速度が10m/秒未満ではアモル
ファスとならずα−Fe相の析出量が増大して好ましく
なく、ロール表面周速度が50m/秒を超えると、急冷
された合金が連続的なリボンとして生成せず、合金片が
飛散し、装置から合金を回収する際の回収率や回収能率
が低下して好ましくない。ただし、微量のα−Fe相が
急冷薄帯中に存在しても特性を著しく低下させるもので
なく許容される。
【0022】この発明において、上述の特定組成の合金
溶湯を超急冷法にてアモルファスとなした後、磁気特性
が最高となる熱処理は組成に依存するが、熱処理温度が
550℃未満ではアモルファス相のままで2kOe以上
のiHcが得られず、また700℃を超えると熱平衡相
であるα−Fe相とFe2BまたはNd1.1Fe44相が
生成してiHcが発源しないため、熱処理温度は550
〜700℃に限定する。熱処理雰囲気はArガス中など
の不活性ガス雰囲気が好ましい。
【0023】熱処理時間は短くてもよいが、5分未満で
は十分なミクロ組織の生成が行われず、iHc及び減磁
曲線の角型性が劣化し、また6時間を超えると2kOe
以上のiHcが得られないので、熱処理保持時間を5分
〜6時間に限定する。
【0024】この発明において重要な特徴として、熱処
理に際して500℃以上からの昇温速度があり、1℃/
分未満の昇温速度では、昇温中にNd2Fe14B相とF
3B相の結晶粒径が大きく成長しすぎてiHcが劣化
し、2kOe以上のiHcが得られない。また、10℃
/分を超える昇温速度では、500℃を通過してから生
成するNd2Fe14B相の析出が十分に行われず、α−
Fe相の析出量が増大して、磁化曲線の第2象限にBr
点近傍に磁化の低下のある減磁曲線となり、(BH)m
axが劣化するため好ましくない。ただし、微量のα−
Fe相の存在は許容できる。なお、熱処理に際して50
0℃未満までは急速加熱などその昇温速度は任意であ
る。
【0025】結晶構造 この発明による希土類磁石並びに希土類磁石用合金粉末
の結晶相は、Fe3B型化合物を主相とし、Nd2Fe14
B型結晶構造を有する強磁性相を有し、平均結晶粒径が
0.01〜0.1μmの微細結晶集合体からなることを
特徴としている。
【0026】この発明において、磁石合金の平均結晶粒
径が0.1μmを超えると、減磁曲線の角型性が著しく
劣化し、Br≧7kG、(BH)max≧8MGOeの
磁気特性を得ることができない。また、平均結晶粒径は
細かいほど好ましいが、0.01μm未満の平均結晶粒
径を得ることは工業生産上困難であるため、下限を0.
01μmとする。
【0027】磁石化方法 特定組成の合金溶湯を超急冷法にてアモルファスとな
し、500℃以上からの昇温速度を1〜10℃/分で昇
温した後、550〜700℃で5分〜6時間保持する熱
処理を施すことにより、平均結晶粒径が0.01〜0.
1μmの微細結晶集合体として得たこの発明による希土
類磁石用合金粉末を用いて磁石化するには、700℃以
下で固化、圧密化できる公知の焼結磁石化方法並びにボ
ンド磁石化方法の何れも採用することができ、特に、当
該合金を平均粒径が3〜500μmの合金粉末に粉砕し
たのち、公知のバインダーと混合して所要のボンド磁石
となすことにより、5kG以上の残留磁束密度Brを有
するボンド磁石を得ることができる。
【0028】
【実施例】実施例1 表1のNo.1〜5の組成となるように、純度99.5
%以上のFe、Co、B、Nd、Pr、Cu、Gaの金
属を用いて、総量が30grとなるように秤量し、底部
に直径0.8mmのオリフィスを有する石英るつぼ内に
投入し、圧力56cmHgのAr雰囲気中で高周波加熱
により溶解し、溶解温度を1400℃にした後、湯面を
Arガスにより加圧して室温にてロール周速度20m/
秒にて高速回転するCu製ロールの外周面に0.7mm
の高さから溶湯を噴出させて、幅2〜3mm、厚み30
〜40μmの超急冷薄帯を作製した。得られた超急冷薄
帯をCuKαの特性X線によりアモルファスであること
を確認した。
【0029】この超急冷薄帯をArガス中で500℃ま
で急速加熱した後、500℃以上を表1に示す昇温速度
で昇温し、表1に示す熱処理温度で10分間保持し、そ
の後室温まで冷却して薄帯を取り出し、幅2〜3mm、
厚み30〜40μm、長さ3〜5mmの試料を作製し、
VSHを用いて磁気特性を測定した。測定結果を表2に
示す。なお、試料の測定結果は、正方晶と斜方晶が混在
するFe3B相が主相で、Nd2Fe14B相とα−Fe相
が混在する多相組織であり、平均結晶粒径はいずれも
0.1μm以下であった。なお、Coはこれらの各相で
Feの一部を置換するが、Ga、Cuについては添加量
が少ない上。超微細結晶であるため分析不能であった。
【0030】比較例 実施例1と同条件で得られた実施例1の組成No.2の
超急冷薄帯をArガス中で500℃まで急速加熱した
後、500℃以上を11℃/分で昇温し、620℃で1
0分間保持する熱処理を施し、冷却後に実施例1と同条
件で試料化(比較例No.6)してVSMを用いて磁気
特性を測定した。測定結果を表2に示す。
【0031】実施例1と同条件で得られた実施例1の組
成No.2の超急冷薄帯をArガス中で500℃まで急
速加熱した後、比較例No.7は500℃で10分間保
持する熱処理を施し、比較例No.8は500℃以上を
4℃/分で昇温し、750℃で10分間保持する熱処理
を施し、冷却後に実施例1と同条件で試料化してVSM
を用いて磁気特性を測定した。測定結果を表2に示す。
比較例No.7はアモルファス組織、同No.8はFe
2B相とα−Fe相が混在する多相組織であった。
【0032】実施例1の組成No.2と同様組成で、G
aを含有しない比較例No.9を、組成No.2と同条
件で製造しかつ試料化してVSHを用いて磁気特性を測
定した。測定結果を表2に示す。
【0033】実施例2 実施例1で得られた表1の組成No.4の超急冷薄帯
を、表1の熱処理後に平均粒径150μm以下に粉砕
し、エポキシ樹脂なるバインダーを3wt%の割合で混
合したのち、15mm×15mm×7mm寸法のボンド
磁石を作成した。得られたボンド磁石の磁気特性は、i
Hc=4.0kOe、Br=6.3kG、(BH)ma
x=5.0MGOeであった。
【0034】
【表1】
【0035】
【表2】
【0036】
【発明の効果】この発明は、特定組成のFe−Co−B
−R−M系合金溶湯を超急冷法にてアモルファス組織と
なし、これに特定条件の熱処理を施すことにより、平均
結晶粒径が0.01〜0.1μmの微細結晶集合体とな
り、主相のFe3B型化合物相のほか、Nd2Fe14B型
結晶構造相の量比が増大し、α−Fe相が減少すること
により、永久磁石薄帯となり、さらにこれを粉砕して磁
石用合金粉末化することによって、iHc≧2kOe、
Br≧7kG、(BH)max≧8MGOeの磁気特性
が得られ、5kG以上の残留磁束密度Brを有するボン
ド磁石に最適のFe−Co−B−R−M系磁石用合金粉
末を得ることができ、また焼結磁石化することにより従
来のアルニコ系磁石と同等以上の磁気特性を得ることが
できる。また、この発明は、希土類元素の含有量が少な
く、製造方法が簡単で大量生産に適しているため、5k
G以上の残留磁束密度Brを有し、ハードフェライト磁
石を超える磁気的性能を有し、磁気部品と磁石体との一
体成型を採用することによって工程を短縮することがで
き、焼結ハードフェライトを凌ぐ性能対コスト比を実現
し得るボンド磁石を提供することができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 組成式をFe100-x-y-zCoxyzw
    (但しRはPrまたはNdの1種または2種、MはC
    uまたはGaの1種または2種)と表し、組成範囲を限
    定する記号x、y、z、wが下記値を満足し、Fe3
    型化合物を主相とし、Nd2Fe14B型結晶構造を有す
    る強磁性相を有し、平均結晶粒径が0.01〜0.1μ
    mの微細結晶集合体からなることを特徴とする希土類磁
    石。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦6at% 0.1≦w≦3at%
  2. 【請求項2】 組成式をFe100-x-y-zCoxyzw
    (但しRはPrまたはNdの1種または2種、MはC
    uまたはGaの1種または2種)と表し、組成範囲を限
    定する記号x、y、z、wが下記値を満足し、Fe3
    型化合物を主相とし、Nd2Fe14B型結晶構造を有す
    る強磁性相を有し、平均結晶粒径が0.01〜0.1μ
    mの微細結晶集合体からなり、平均粒径が3〜500μ
    m、磁気特性がiHc≧2kOe、Br≧7kG、(B
    H)max≧8MGOeであることを特徴とする希土類
    磁石用合金粉末。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦6at% 0.1≦w≦3at%
  3. 【請求項3】 組成式をFe100-x-y-zCoxyzw
    (但しRはPrまたはNdの1種または2種、MはC
    uまたはGaの1種または2種)と表し、組成範囲を限
    定する記号x、y、z、wが下記値を満足する合金溶湯
    を超急冷法にて実質的に90%以上をアモルファス組織
    となし、さらに熱処理に際し500℃からの昇温速度を
    1〜10℃/分で昇温して550〜700℃で5分〜6
    時間保持する熱処理を施し、Fe3B型化合物を主相と
    し、Nd2Fe14B型結晶構造を有する強磁性相を有
    し、平均結晶粒径が0.01〜0.1μmの微細結晶集
    合体を得たのち、これを粉砕して磁石用合金粉末を得る
    ことを特徴とする希土類磁石用合金粉末の製造方法。 0.05≦x≦15at% 16≦y≦22at% 3≦z≦6at%
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