JPH0649882B2 - 永久磁石用合金粉末組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はFeBR系永久磁石用合金粉末組成物に関する。

永久磁石材料は一般家庭用の各種電気製品から大型コン
ピュータの周辺機器に至るまで巾広い分野で使用されて
いる極めて重要な電気関連部材の一つである。特に近年
の電気・電子機器の小型化・高性能化の要求に伴い永久
磁石も益々高性能化が求められている。

現在の代表的な永久磁石材料としてはアルニコ・フェラ
イトおよび希土類・コバルト磁石材料がある。

高残留磁束密度，高保磁力を有する永久磁石材料として
開発された希土類コバルト磁石材料ではあるがコバルト
を５０〜６０重量％も含むうえ希土類鉱石中にあまり含
まれていないサマリウムSmを使用するため大変高価であ
る。このため用途が限定されてしまい特に磁気特性から
小型では付加価値の高いところに使用されているにすぎ
ない。

希土類磁石材料がもっと広い分野で安価に，かつ多量に
使用されるようになるためには高価なコバルトを含ま
ず、希土類元素として鉱石中に比較的多量に含有されて
いるＮｄ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｌａなどのような軽希土類元素
を主成分とすることが必要である。このような軽希土類
元素を用いる永久磁石材料の開発が試みられている。そ
の一つとしてＲＦｅ_２系化合物（ここでＲは希土類金属
の少なくとも一種）が検討された。

クラーク（Ａ．Ｅ．Ｃｌａｒｋ）は，スパッタリングに
より非晶質TbFe₂を作成したところ４．２゜Kで２９．５
ＭＧＯｅのエネルギー積をもち、更にこれを３００〜５
００℃で熱処理すると，室温で保磁力ｉＨｃ＝３．４ｋ
Ｏｅ，最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘ＝７ＭＧＯｅを
示すことを見い出した。同様な研究はＳｍＦｅ_２につい
ても行なわれ，７７゜Kで９．２ＭＧＯｅの最大エネルギ
ー積を示すことが報告されている。

また，クーン（Ｎ．Ｃ．ｋｏｏｎ）等は（Ｆｅ，Ｂ）
_０．９Ｔｂ_０．０５Ｌａ_０．０５のリボンを超急冷法に
より作成した後，８７５゜K付近で焼鈍すると保磁力ｉＨ
ｃが９ｋＯｅをこえることを見い出した。しかしこの場
合磁化曲線の角形性と当然のことながら配向性が悪く，
その結果最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘは低い（Ｎ．
Ｃ．Ｋｏｏｎ外Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３９
（１０），１９８１，８４０〜８４２頁，ＩＥＥＥ Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖ
ｏｌ．ＭＡＧ−１８，No.６，１９８２，１４４８〜１
４５０頁）。

さらにクロート（Ｊ．Ｊ．Ｃｒｏａｔ）およびカバコフ
（Ｌ．Ｋａｂａｃｏｆｆ）等はＰｒＦｅおよびＮｄＦｅ
組成のリボンを超急冷法により作製し，室温において８
ｋＯｅに近い保磁力ｉＨｃを報告している（Ｌ．Ｋａｂ
ａｃｏｆｆ他，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５３（３）１
９８１，２２５５〜２２５７頁，Ｊ．Ｊ．Ｃｒｏａｔ
ＩＥＥＥ Ｖｏｌ．１８ No.６ １４４２〜１４４
７）。これらの超急冷リボン又はスパッタ薄膜はそれ自
体として使用可能な実用永久磁石材料ではなく，これら
のリボンや薄膜からは実用永久磁石を得ることは出来な
い。

即ち、従来のＦｅＢＲ系超急冷リボン又はＲＦｅ系スパ
ッタ薄膜からは任意の形状・寸法を有するバルク永久磁
石体を得ることは出来ない。これまでに報告されたＦｅ
ＢＲ系リボンの磁化曲線は角形性が悪く，従来慣用の磁
石材料に対抗できる実用永久磁石材料とはみなされなか
った。また，上記スパッタ薄膜及び超急冷リボンは，い
ずれも本質上等方性であり、これらから磁気異方性の実
用永久磁石材料を得ることは，事実上不可能である。

このように，これまでに希土類，鉄系合金の永久磁石材
料を得るため多くの研究者によって試みられた結果はど
れも実用永久磁石材料を得るには不適当であった。

従って本発明の目的は上述の従来提案されている永久磁
石材料の欠点を解消し，新規な実用永久磁石材料を工業
的に製造できる新規な永久磁石材用合金粉末組成物を提
供することを目的とする。

さらに具体的には，本発明は，室温以上で良好な磁気特
性を有し，任意の形状・寸法に成形可能であり，磁化曲
線の角形性が高くさらに磁気異方性又は等方性を有する
実用永久磁石材料であってしかもＲとして資源的に豊富
な軽希土類元素を主として有効に使用できるものを得る
ための最適な永久磁石用合金粉末組成物を得ることを目
的とする。

本発明者等は先にＳｍ，Ｃｏを必ずしも用いる必要のな
いＦｅＢＲ系永久磁石材料を発明した（特願昭５７−１
４５０７２）。このＦｅＢＲ系永久磁石材料は，従来知
られているＲＣｏ_５やＲ_２Ｃｏ_１７化合物とは異なる新
しい化合物を基礎とし，特にボロン(B)は，従来の，た
とえば非晶質合金作成時の非晶質促進元素又は粉末治金
法における焼結促進元素として添加されるものではな
く、このＦｅＢＲ系永久磁石材料の実態的内容を構成す
る磁気的に安定で高い磁気異方性定数を有するＲ−Ｆｅ
−Ｂ化合物の必須構成元素であることを明らかにした。
（なお、上記ＦｅＢＲ系永久磁石材料に基づき，適当な
ミクロ組織を形成することによって磁気異方性焼結永久
磁石が得られることも明らかにした。

本発明者等は前記目的を達成するためにさらに永久磁石
用合金粉末組成物についても鋭意研究の結果，本発明に
至ったものである。

即ち本発明によれば，原子百分率において８〜３０％の
Ｒ（但しＲはＹを包含する希土類元素の少なくとも一
種），２〜２８％のＢ，および残部Ｆｅおよび不可避の
不純物からなる組成であり、０．３〜８０μｍの平均粒
度であることを特徴とする，ＦｅＢＲ系永久磁石用粉末
合金組成物により上記目的が達成される。

以下本発明について詳述する。

本発明は実用的なＦｅＢＲ系永久磁石材料を工業的に生
産するためのＦｅＢＲ系合金粉末組成物であり，また前
記先願と同様にＲ−Ｆｅ−Ｂ三元化合物に基づく結晶質
合金粉末である。本発明の合金粉末組成物は必ずしもＣ
ｏを含有する必要がなく又Ｒとしては資源的に豊富な軽
希土類元素を用いることができ必ずしもＳｍを必要とせ
ずあるいはＳｍを主体とする必要もないので原料が安価
でありきわめて有用である。

本発明において，永久磁石材料を得るためにＦｅＢＲ系
の上記組成の合金粉末組成物を調製する。

以下磁気異方性永久磁石材料を得る場合を基本として説
明する。

本発明においてホウ素ＢはＦｅ・ｘＢ・１５Ｎｄの例を
第１図に示すようにまず永久磁石材料として必要な保磁
力ｉＨｃが１ｋＯｅ以上であることからこれを満たすた
めには２％（以下％は合金中の原子百分率を示す）以上
でなければならずハードフェライトの残留磁束密度Ｂｒ
４ＫＧを越えるためには２８％以下でなければならな
い。又Ｒは量が多いほどｉＨｃが高くなり永久磁石とし
て好ましいが（９２−ｘ）Ｆｅ・８Ｂ・ｘＮｄの例を第
２図に示すようにｉＨｃを１ｋＯｅ以上とするには８％
以上でなければならない。しかしＲは非常に酸化されや
すいため高Ｒ含有合金の粉末は燃えやすく又取扱いが困
難となることから３０％以下が望ましい。

本発明で用いられるＢ（ホウ素）としては純ボロン又は
フェロボロンがあるが不純物としてＡｌ，Ｓｉ，Ｃ等を
含むものも用いることが出来る。希土類元素ＲはＹを包
含し軽希土類及び重希土類を包含する希土類元素であ
り、そのうちの一種以上を用いる。即ちＲとしては，Ｎ
ｄ，Ｐｒ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｅ
ｕ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｐｍ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，及びＹが包
含される。通常Ｒは軽希土類をもって足り特にＮｄ，Ｐ
ｒなどが好ましい。またＲのうち一種をもって足りるが
実用上は二種以上の混合物（ミッシュメタル，ジジム
等）を入手の便宜等から用いることもでき，Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌ
ｕ，Ｙは他のＲ（Ｎｄ，Ｐｒ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｔｂ），特
にＮｄ，Ｐｒとの混合物として用いることができる。な
おＲは純希土類元素でなくとも良く工業上入手可能な範
囲で製造上不可避な不純物（他の希土類元素，Ｃａ，Ｍ
ｇ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃ，Ｏ等）を含有するものも用いるこ
とが出来る。

本発明において永久磁石材料には製造上不可避な不純物
の存在を許容できる。Ｃ，Ｓ，Ｐ，Ｃｕ，Ｃａ，Ｍｇ，
Ｏ，Ｓｉ等を所定限度内で含むこともでき製造上の便
宜，低価格化に資する。Ｃは有機結合剤からＳ，Ｐ，Ｃ
ｕ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｏ，Ｓｉ等は原料，製造工程からも含
有されることがある。Ｃ４．０％以下，Ｐ３．５％以
下，Ｓ２．５％以下，Ｃｕ３．５％以下，Ｃａ，Ｍｇ各
４％以下，Ｓｉ５％以下（但しこれらの合計は，各成分
のうち最大値以下）とすることが実用上好ましい。（な
お等方性の場合Ｐ，Ｃｕ３．３％以下が好ましい。）な
お、合金粉末の状態においては，処理工程，空気からの
吸着成分（水分，酸素等）が含まれ易いが，これらは焼
結時に除去することができる。但し，必要に応じ工程，
保存に注意する。

本発明の永久磁石用合金粉末組成物を用いた永久磁石材
料は原子百分率で８〜３０％のＲ（但しＲはＹを包含す
る希土類元素の少なくとも一種），２〜２８％のＢ，残
部Ｆｅおよび不可避の不純物において保磁力ｉＨｃは１
ｋＯｅ以上，残留磁束密度Ｂｒが４ｋＧ以上の磁気特性
を示し最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘはハードフェラ
イト（〜４ＭＧＯｅ程度）と同等以上となる（磁気異方
性の場合）。軽希土類特にＮｄとＰｒの一種又は二種を
Ｒの主成分（即ち全Ｒ中５０％以上）とし１２〜２４％
のＲ，３〜２７％のＢ，残部Ｆｅ及び不可避の不純物の
組成において最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘが７ＭＧ
Ｏｅ以上を示し好ましい範囲である。最も好ましくは軽
希土類（特にＮｄ，Ｐｒ）をＲの主成分（同上）とし１
２〜２０％のＲ，４〜２４％のＢ，残部Ｆｅおよび不可
避の不純物の組成であり最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａ
ｘは１０ＭＧＯｅ以上を示し，最高３３（ＢＨ）ｍａｘ
以上に達する。

本発明の永久磁石用合金粉末組成物を用いた永久磁石材
料は典型的には焼結体として得られ，その製造方法は基
本的に粉末治金法的方法である。焼結体の密度は理論密
度の約８０％以上が得られ，９５％以上が磁気特性上好
ましく，さらに好ましくは９６％以上であり，最高９９
％以上にも達する（各実施例及び第４図参照）。

第３図にＦｅＢＲ系磁石材料の代表例として７５Ｆｅ・
１０Ｂ・１５Ｎｄ（異方性）の初磁化曲線１，および第
１，第２両象眼の減磁曲線２を示す。初磁化曲線１は低
磁界で急激に立ち上がり飽和に達する。減磁曲線２はき
わめて角形性が高い。初磁化曲線１の形から本磁石の保
磁力が反転磁区の核発生によって決まる，いわゆるニュ
ークリエーション型永久磁石であることがわかる。また
減磁曲線２の高い角形性はこの磁石が曲型的な高性能磁
石であることを示している。

参考までに従来知られているＦｅＢＲ系の例として７
０．５Ｆｅ・１５．５Ｂ・７Ｔｂ・７Ｌａのアモルファ
ス合金のリボンの減磁曲線３を示すが角形性を全く示さ
ない。

以下本発明の永久磁石用合金粉末組成物の製造，及びこ
れを用いた高性能永久磁石材料の製造について詳細に説
明する。

一般に希土類金属は化学的に非常に活性であり空気中の
酸素と結びつきやすく容易に酸素と反応し希土類酸化物
をつくるので、溶解，粉砕，成形，焼結等の各工程を還
元性雰囲気または非酸化性雰囲気中で行うことが必要で
ある。

まず、所定組成の合金組成の合金粉末を調製する。一例
として，上記組成範囲内で原料を所定の組成に秤量配合
した後，高周波誘導炉等により溶解を行いインゴットと
し，次いで粉砕する。粉末平均粒度０．３〜８０μｍの
範囲で保磁力（ｉＨｃ）は１ｋＯｅ以上となる。平均粒
度０．３μｍより小さくなると酸化が急激に進行し，目
的とする合金が得られ難くなるためＦｅＢＲ系永久磁石
材料の高性能品の安定的製造上好ましくない。また粉末
粒度８０μｍを越えると保磁力ｉＨｃは１ｋＯｅ以下と
なり磁石材料の性能保持上好ましくない。上記範囲内の
粒度を有する粉末において本発明の組成範囲内で組成の
異なる二種類以上の粉末を組成の調整または焼結時の緻
密化を促進させるために混合して用いることもできる
（ＲリッチもしくはＢリッチのもの等のＦｅ−Ｂ−Ｒの
組成比の異るものの混合物，又はＦｅ−Ｂ−Ｒ合金粉末
と，各成分元素もしくはその合金との混合物等）。なお
粉砕は通常の粉砕でよいが溶媒中で湿式で行なうことが
好ましく，アルコール系溶媒，ヘキサン，トリクロルエ
タン，トリクロルエチレン，キシレン，トルエン，フッ
素系溶媒，パラフィン系溶媒などを用いることができ
る。

次いで得られた所定の粒度を有する合金粉末を成形す
る。成形時の圧力は０．５〜８Ｔｏｎ／cm²の範囲で行
うことが好ましい。０．５Ｔｏｎ／cm²未満の圧力で
は，成形体の充分な強度が得られず永久磁石材料として
の実用上その取扱いが極めて困難となる。また８Ｔｏｎ
／cm²をこえると成形体の強度は非常にあがりその取扱
いの上で好ましくはなるが、プレスのパンチ，ダイス金
型の強度の点で連続的に成形を行う時に問題となるので
好ましくない。但しこの成形圧力は限定的ではない。さ
らに加圧成形時，磁気的異方性の磁石の材料を製造する
場合には加圧成形を行う時には磁界中で行うのであるが
その時の磁界は凡そ７〜１３ｋＯｅの磁界中で行うこと
が好ましい。（また，等方性の永久磁石材料を製造する
場合は磁界をかけずに加圧成形を行う。）なお，必要に
応じ成形バインダ（助剤）を用いる。

以下典型例として，焼結体とする場合について述べる。

得られた成形体は９００〜１２００℃の温度，好ましく
は１０００〜１１８０℃で焼結する。

焼結温度が９００℃未満では永久磁石材料としての十分
な密度が得られず又所要の磁束密度が得られない。また
１２００℃を越えると焼結体が変形し，配向がくずれ磁
束密度の低下と角形性の低下を来たし好ましくない。ま
た焼結時間は５分以上あればよいが余り長時間になると
量産性に問題があるので好ましい焼結時間は３０分〜８
時間である。

焼結は還元性ないし非酸化性雰囲気で行う。焼結雰囲気
として不活性ガス雰囲気を用いる場合は定圧又は加圧雰
囲気でもよいが焼結体の緻密化を図る方法として減圧雰
囲気或いは減圧不活性雰囲気で行うことも可能である。
また焼結密度を上げる別の方法としては，還元性ガスで
あるＨ_２ガス雰囲気中で行うことも用いられる。以上の
各工程を経て高磁束密度で磁気特性のすぐれた磁気的に
異方性（又は等方性）の焼結永久磁石材料を得ることが
できる。なお焼結温度と磁気特性の関連についての一例
を第４図に示す。

以上主として異方性の場合について説明したが，本発明
は等方性の場合をも含みその場合には，磁気特性が異方
性の場合よりは低いが，従来の等方性磁気材料と比べて
極めて優れた特性を有するものが得られる。

すなわち、等方性永久磁石材料の場合，合金粉末は，１
０〜２５％のＲ，３〜２３％のＢ，および残部Ｆｅおよ
び不可避の不純物からなるものが好ましい特性を付与で
きる。

本発明において，「等方性」とは，実質的に等方性であ
ることを意味し，プレスなどによって現れることのある
異方性を示すものも包含する。

等方性の場合も，Ｒ量が増加するに従ってｉＨｃは増加
するが，Ｂｒは最大値を経た後減少する。かくて（Ｂ
Ｈ）ｍａｘ ２ＭＧＯｅ以上を満足するＲ量は１０％以
上でかつ２５％以下である。またＢ量が増大するに従
い、ｉＨｃは増大するがＢｒは最大値を経た後減少す
る。かくて（ＢＨ）ｍａｘ ２ＭＧＯｅ以上はＢ３〜２
３％の範囲である。

好ましくは軽希土類（特にＮｄ，Ｐｒ）をＲの主成分
（全Ｒ中５０原子％以上）とし１２〜２０％のＲ，５〜
１８％のＢ，残部Ｆｅの組成で（ＢＨ）ｍａｘ４ＭｇＯ
ｅ以上の高い磁気特性を示す。最も好ましく範囲として
Ｎｄ，Ｐｒ等の軽希土類をＲの主成分とし１２〜１６％
のＲ，６〜１８％のＢ，残部Ｆｅの組成では（ＢＨ）ｍ
ａｘが７ＭＧＯｅ以上で等方性永久磁石材料ではかつて
ない高い特性が得られる。

以下本発明の実施例について説明する。但し本発明は実
施例によって限定されるものではない。実施例で用いる
試料を次に製造工程により作成した。

(1)原料は希土類として９９％以上のもの（不純物は主
として他の希土類金属，重量％以下原料純度についても
同じ）を用いた。鉄は純度９９．９％の電解鉄を用い，
ボロンとしてはＢ１９．４％を包含し残部がＦｅと不純
物としてＡｌ，Ｓｉを含有するフェロボロン合金を用い
所定の組成になるよう秤量配合を行った。

(2)磁石原料を高周波誘導を用いて溶解を行った。この
際ルツボとしてはアルミナルツボを用い水冷銅鋳型中に
鋳込みインゴットを作った。

(3)溶解で得られたインゴットを搗砕し−３５ｍｅｓｈ
にしたのち，さらにボールミルにより０．３〜８０μｍ
のものが得られるように粉砕を行った。

(4)粉末を７〜１３ｋＯｅの磁界中で０．５〜８Ｔｏｎ
／cm²の圧力で成形した。（但し等方性磁石材料を製造
する場合は磁界をかけないで成形した。） (5)成形体は９００℃〜１２００℃の温度で焼結を行っ
た。その際の雰囲気は還元性のガス，不活性ガス，又は
真空中で行った。

以下に上記工程により得られた焼結体から成る実施例を
示す。

実施例１ 原子百分率で７２Ｆｅ・８Ｂ・２０Ｎｄなる合金を上記
工程により平均粉末粒度３．３μｍに紛砕し約１０ｋＯ
ｅの磁界中で３Ｔｏｎ／cm²の圧力で成形体をつくりＡ
ｒ大気圧雰囲気中，各温度で１時間焼結を行った時の焼
結密度と特性は次のようになった。

実施例２ ７７Ｆｅ・９Ｂ・９Ｎｄ・５Ｐｒなる合金を上記工程に
より平均粉末粒度２．８μｍに粉砕し１０ｋＯｅの磁界
中で１．５Ｔｏｎ／cm²の圧力で成形体をつくりＡｒ２
００Ｔｏｒｒ雰囲気中，各温度で４時間焼結を行った時
の焼結密度と特性は次のようになった。

実施例３ ７７Ｆｅ・７Ｂ・１６Ｐｒなる合金を平均粉末粒度４．
９μｍに粉砕し１０ｋＯｅの磁界中で５Ｔｏｎ／cm²の
圧力で成形体をつくり１×１０^−４Ｔｏｒｒの真空中
で，各温度で４時間焼結を行った時の焼結密度と特性は
次のようになった。

実施例４ ７９Ｆｅ・７Ｂ・１４Ｎｄなる合金を平均粉末粒度５．
２μｍに粉砕し１０ｋＯｅの磁界中で１．５Ｔｏｎ／cm
²の圧力で成形体をつくりＡｒ雰囲気中で各温度，１時
間焼結を行った時の焼結密度と特性は次のようになっ
た。

実施例５ ６８Ｆｅ・１７Ｂ・１５Ｎｄなる合金を平均粉末粒度
１．８μｍに粉砕し１０ｋＯｅの磁界中で２Ｔｏｎ／cm
²の圧力で成形体をつくり，Ａｒ２００Ｔｏｒｒ中雰囲
気で各温度，２時間焼結を行った時の焼結密度と特性は
次のようになった。

実施例６ ７７Ｆｅ・８Ｂ・１５Ｎｄなる合金を平均粉末粒度１．
５μｍに粉砕し磁界中配向せずに成形を行い，得られた
成形体をＡｒ雰囲気中で各温度，１時間焼結を行った時
の焼結密度と特性は次のようになった。

以上の実施例にみられるごとく、本発明のＦｅＢＲ系永
久磁石用合金粉末組成物は磁気異方性，等方性いずれに
も成形可能であり、粉末治金的焼結法によって高性能か
つ任意の大きさの永久磁石材料，ひいては最終製品を作
りだすことができる。従来のスパッタリングや超急冷法
などの製造方法によってはかかる高特性の付与および任
意の形状を作ることは不可能なものである。したがって
本発明はＦｅＢＲ系において，任意の形状の製品を安価
かつ高性能永久磁石材料として提供できる永久磁石用合
金粉末組成物を実現したものであり工業的に非常に有用
である。また本発明の合金粉末組成物は，実施例に例示
した以外にも永久磁石用として広汎な応用が可能である
ことは論をまたない。

【図面の簡単な説明】

第１図は（８５−ｘ）Ｆｅ・ｘＢ・１５ＮｄのＢ量
（ｘ）と磁気特性Ｂｒ，ｉＨｃの変化を示すグラフ， 第２図は（９２−ｘ）Ｆｆ・８Ｂ・ｘＮｄのＮｄ量
（ｘ）と磁気特性Ｂｒ，ｉＨｃの変化を示すグラフ， 第３図は７５Ｆｅ・１０Ｂ・１５Ｎｄの場合の磁化曲線
を示すグラフ， 第４図は焼結温度と磁気特性の関連を示すグラフ， 第５図は合金粉末の平均粒度（μｍ）と保磁力ｉＨｃ
（ｋＯｅ）との関係を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子百分率において８〜３０％のＲ，２〜
   ２８％のＢ，および残部Ｆｅおよび不可避の不純物から
   なる組成で平均粒度０．３〜８０μｍであることを特徴
   とするFeBR系永久磁石用合金粉末組成物。