JPWO2014118971A1 - 希土類磁石、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

保磁力の高い希土類磁石を提供することを目的とする。上記課題を解決するため、本発明の希土類磁石は、希土類元素を含む磁石母体の表面に、磁化方向に対して垂直なＦｅ層を形成したことを特徴とする。

Description

本発明は、希土類磁石、及びその製造方法に関する。

希土類磁石として代表的なＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石は、１９８２年に発明され、現在も世界最高性能を有する永久磁石材料であり、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）のボイスコイルモータ（ＶＣＭ）や、核磁気共鳴断層装置（ＭＲＩ）、発電機をはじめ多くの製品に用いられている。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石の生産量は、省エネ対策のために、モータや発電機用途において特に増加の傾向にある。また、環境汚染への配慮から開発が進められているハイブリッドカー（Hybrid Electric Vehicle、ＨＥＶ）の駆動用大型モータにおける最も有望な磁性材料であり、さらなる生産量の拡大が予想されている。

磁石材料の性能を示す指標として、最大エネルギー積と保磁力がある。最大エネルギー積は、磁石が発生可能な最大のエネルギーを表す。保磁力は、着磁した磁石に逆磁場を加えた場合に磁化が無くなる磁場である。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石は、１９８２年の発明後、改良が加えられ、それまでの最高性能を有していたＳｍ−Ｃｏ磁石に比べ、現在では約２倍の最大エネルギー積を有している。一方、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の保磁力はＳｍ−Ｃｏ磁石の半分程度に留まっている。

一般に、永久磁石の性能指数である最大エネルギー積を高めるためには、大きな飽和磁化と大きな保磁力を持つことが必要となる。現在、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石を高保磁力化する基本的な技術として、Ｎｄを重希土類であるＤｙで部分的に置換し、結晶磁気異方性を増強する方法が知られている。例えば、（特許文献１）には、Ｄｙ化合物と磁石原料とを湿式混合することで、磁石原料の表面にＤｙ化合物を被覆し、この磁石原料と樹脂バインダーとを混合、成形したグリーンシートを焼結してなる永久磁石が開示されている。また、（特許文献２）には、複数のＲ_２Ｔ_１４Ｂ（ＲはＮｄ、Ｄｙ等の希土類元素、ＴはＦｅ等の遷移金属元素）の結晶粒と、隣接する前記結晶粒の間に存在し、前記結晶粒の表面よりもＮｄ及びＣｕの量が多く、かつＤｙの量が少ない結晶粒界と、を含む希土類焼結磁石が開示されている。

しかし、Ｄｙの磁気モーメントは、Ｎｄ及びＦｅと反平行に結合する性質があるため、Ｄｙの添加によりＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石の保磁力は増加するが、その添加量の増大に伴って磁化が減少し、結果的に最大エネルギー積が低下するという問題がある。ＭＲＩや、スピーカ等の磁石使用時の動作温度が低い製品では、高温での高い保磁力は求められていないため、Ｄｙはほとんど添加されておらず、最大エネルギー積も約５０ＭＧＯｅと高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石が使われている。一方、ＨＥＶで用いるモータでは、動作環境が２００℃以上になるため、保磁力の温度変化を考慮すると室温で３０ｋＯｅもの高保磁力を持つＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石が必要とされる。この場合、１０％程のＤｙを添加する必要が生じ、最大エネルギー積が３０ＭＧＯｅ程度まで減少してしまう。すなわち、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石へのＤｙ添加は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の特徴である最大エネルギー積の大きさを犠牲にして、保磁力を高めるものである。

また、Ｄｙは、希土類鉱石中の含有量が少なく、原産地も中国に偏在するため、ＨＥＶ用途のためにＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の大量供給を行うと、近い将来にＤｙの市場価格が高騰し、実際的にＨＥＶの生産が不可能となる恐れがある。このような背景から、現在、Ｄｙを添加せず又は添加量を低減しつつ高保磁力を得ることで、高い最大エネルギー積と高耐熱性を併せ持つ高性能な永久磁石を開発することが切望されている。

特開２００９−２２４６７１号公報 特開２０１１−１８７７３４号公報

そこで本発明は、保磁力の高い希土類磁石、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者が鋭意研究を行った結果、希土類元素を含む磁石において、磁石表面の希土類イオンを含む層の上にＦｅ層を形成し、且つそのＦｅ層を磁化方向に対して垂直な層とすることにより、磁石表面付近の磁気モーメントが安定した、保磁力の大きい希土類磁石が得られることを見出し、発明を完成した。

すなわち、本発明の希土類磁石は、希土類元素を含む磁石母体の表面に、磁化方向に対して垂直なＦｅ層を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、磁石表面に、磁化方向に対して垂直なＦｅ層が形成されているため、磁石表面付近の希土類イオン（例えば、ネオジム（Ｎｄ））に働く結晶場が改善され、磁気モーメントが安定し、反転しづらくなる。それにより、モーメント保磁力が大きい希土類磁石が得られる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る希土類磁石の一実施形態における表面近傍の（ａ）断面構造及び（ｂ）結晶構造を模式的に示す図である。 結晶場パラメータを求めるために用いたＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ結晶構造を示す図である。 結晶場パラメータの解析結果を示す図である。 結晶場パラメータが表面モデルによって変動するメカニズムを説明するための図である。 複数の結晶粒を含む希土類磁石の表面形成過程を説明するための図である。

以下、図面に基づき本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る希土類磁石の一実施形態であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の表面近傍の（ａ）断面構造及び（ｂ）結晶構造を示している。図１（ａ）に示すように、本発明の希土類磁石は、ＮｄＦｅＢ結晶粒１０１及び粒界相１０４からなる磁石母体１０５の表面に、磁化方向に対して垂直になるようにＦｅ層１０２が存在する。さらに、そのＦｅ層の上にコーティング層１０３が配置され、積層構造を形成している。

ここで、磁石母体１０５を構成する希土類元素は、例えば、Ｎｄ、Ｔｂ及びＤｙからなる群から選択される少なくとも１種である。さらに、第一層であるＦｅ層１０２を構成する元素は鉄であり、第二層であるコーティング層１０３はＮｉやＣｕメッキにより形成される。希土類磁石の表面にＦｅ層が存在することによって、表面付近の希土類元素の磁気モーメントが乱れにくく、反転しづらくなるために、保磁力が大きい希土類磁石を得ることができる。このメカニズムについて、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を例に挙げて、以下に詳細に説明する。

保磁力の大きさを決める指標として、磁気異方性エネルギーがある。磁化容易軸に対し、磁化が角度αだけ回転した場合、結晶磁気異方性エネルギーＥ_Ａは、以下のように表される。

ここで、Ｋ_１、Ｋ_２及びＫ_３は結晶磁気異方性定数であり、異方性の強さを表す指標である。

単純な場合には、第１項のみを用いて、

と表される。この結晶磁気異方性定数Ｋ_１は、

として求められる。ここで、Ｊは希土類イオンの全角運動量、＜ｒ^２＞は４ｆ電子の動径波動関数に関するｒ^２の期待値（４ｆ電子の位置座標の２乗期待値）を示す。また、α_Ｊは４ｆ電子の空間分布の幾何学的形状に依存するパラメータであり、Ｓｔｅｖｅｎｓ因子と呼ばれる。これらのＪ、＜ｒ^２＞及びα_Ｊは、希土類イオンの種類によって決まった値をとり、例えばＮｄイオンの場合、Ｊ＝９／２、α_Ｊ＝−７／（３^２×１１^２）、＜ｒ^２＞＝１．００１ａ_０である（だだし、ａ_０はボーア半径０．５２９１７７２１０８×１０^−１０ｍである）。また、Ａ_２ ^０は、結晶場パラメータの主要項であり、上式にＪ及びα_Ｊの値を代入すると、ＮｄイオンについてＫ_１とＡ_２ ^０の関係はＫ_１＝０．３４７Ａ_２ ^０＜ｒ^２＞となる。すなわち、異方性が大きくなるためには、Ａ_２ ^０は正の値をとり、Ａ_２ ^０が大きいことが条件となる。ここで、結晶場パラメータは、電子状態に依存する量である。すなわち、結晶場パラメータを、例えば第一原理計算による電子状態計算から求め、磁気異方性エネルギーの大きい希土類磁石の結晶構造を見出すことができれば、保磁力の大きい希土類磁石を得ることができる。

そこで、第一原理計算を用いた、従来構造のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石についての電子状態計算による結晶場パラメータの計算例を示し、この結果を基に、希土類磁石の磁気異方性エネルギーを高め保磁力を大きくするための指針を示す。

Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂの電子状態計算は、密度汎関数理論（Density Functional Theory、ＤＦＴ）に基づくＦＬＡＰＷ法（Full-potential linearized augmented plane wave method）により解析した。通常の電子状態計算では、各原子の周囲の球（マフィンティン球）内での電子密度や一電子ポテンシャルについて、球対称性を仮定するのが一般的である。しかし、Ｎｄイオンの磁気異方性に関係した結晶場パラメータの導出では、Ｎｄイオンにおける局在した４ｆ電子の状態を精度良く求める必要がある。固体内の電子状態を精度良く求めるには、電子密度や一電子ポテンシャルに対し球対称性を仮定するのは適当ではない。そこで、本発明者は、フルポテンシャル（Full-potential）による第一原理計算を実施した。フルポテンシャルとは、一電子ポテンシャルや電荷、及び球面調和的な内殻電子の関数に非球面的な効果を考慮する方法である。また、ＬＡＰＷ法（Linearized Augmented Plane Wave Method）は、動径波動関数をエネルギーに関して線形化し、補強された平面波を基底関数に用いており、マフィンティン球内及び球外ともに計算精度を落とさずに計算負荷を低減することが可能である。第一原理計算で最も一般的に使われる擬ポテンシャル法では、計算に価電子のみを取り扱い、コアの電子は擬ポテンシャルとして置き換えて計算している。一方、ＦＬＡＰＷ法は、全電子を取り扱っており、現行の第一原理計算手法の中では、最も精度が高い手法の一つであるといえる。本実施形態では、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂの電子状態計算に、ＦＬＡＰＷ法を採用した。第一原理計算プログラムは、ウィーン工科大学のＫ．Ｓｃｈｗａｒｔｚ教授らが開発した汎用コードであるＷＩＥＮ２ｋを用いた。

図２（ａ）及び（ｂ）に、電子状態計算のモデルであるＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂの原子配置を示す。室温での格子定数は、ａ＝８．８Å、ｃ＝１２．２Åである。１ユニットセル内には計６８個の原子が含まれるが、対称性から、Ｎｄの２サイト（ｆ，ｇ）、Ｆｅの６サイト（ｋ_１，ｋ_２，ｊ_１，ｊ_２，ｃ，ｅ）、Ｂの１サイト（ｇ）の計９サイトで結晶構造を表すことができる。Ｎｄ、Ｆｅ、Ｂ原子のマフィンティン半径は、それぞれＲ_ＭＴ＝２．８０ａ_０、２．０８ａ_０、１．８５ａ_０（ａ_０＝０．０５２９１８ｎｍ）とした。ｋ点のサンプル数は、既約されたブリルアンゾーン（Irreducible Brillouin Zone）内で、まずは３個として計算し、別途ｋ点サンプル数を変えた計算を実行し、結晶場パラメータの収束性を確認した。平面波のカットオフエネルギーを決める量Ｒ_ＭＴＫ_ｍａｘは７とした。これについても、別途値を変えた計算を実行し、結晶場パラメータの収束性を確認した。電子間の交換相関エネルギーには、局所密度の勾配を考慮したＧＧＡ（Generalized Gradient Approximation）を用いた。本実施形態で取り扱うＮｄのような希土類原子中の４ｆ電子は、強く局在している。この局在性を考慮するため、局在電子間のクーロン相互作用の補正（Ｕ）を考慮した解析（ＬＤＡ＋Ｕ法）を行った。Ｎｄの４ｆ電子の補正Ｕの値については、ＮｄＯ結晶の反射率等の光学特性の解析結果が実験結果と良く合うＵ値として、Ｕ＝６ｅＶを採用した。

次に、結晶場パラメータの解析方法について説明する。結晶場パラメータの主要項であるＡ_２ ^０は、以下の式で得られる。

ここで、Ｖ_２ ^０（ｒ）は、一電子ポテンシャルエネルギー成分であり、希土類イオンに働く結晶電場ポテンシャルＶ_ｃｒｙを、実数球面調和関数

で次式のように展開した場合の成分である。

また、ρ_４ｆ（ｒ）は、４ｆ電子の密度である。ａ_２０はＺ_２ ^０の数因子であり、

である。さらに、＜ｒ^２＞は、４ｆ電子の動径座標の２乗ｒ^２の平均であり、以下の式で得られる。

表１に、結晶場パラメータＡ_２ ^０＜ｒ^２＞の計算結果と実験結果の文献値を示す。文献（Motohiko Yamada, Hiroaki Kato, Hisao Yamamoto, and Yasuaki Nakagawa: Crystal-field analysis of the magnetization process in a series of Nd₂Fe₁₄B-type compounds, Phys. Rev. B 38, 620 (1988)）によると、実験で測定される磁化曲線を再現する結晶場パラメータＡ_２ ^０＜ｒ^２＞は、約３００Ｋと見積られており、本実施形態での計算結果に近い結果が得られている。特に、Ｎｄ（ｆ）サイト、Ｎｄ（ｇ）サイトとも、Ａ_２ ^０＜ｒ^２＞が正の値となっている。Ｎｄ_１４Ｆｅ_２Ｂバルクが一軸異方性を持ち、ｃ軸が磁化容易軸となるためには、Ａ_２ ^０＜ｒ^２＞が正の値となる必要がある。本実施形態での結晶場パラメータの計算結果は、その条件を満足する結果であり、計算手法の妥当性が確認できた。

次に、結晶場パラメータの大きさに影響を及ぼしている因子について検討する。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石では、磁石表面に形成されたコーティング層から受ける結晶場パラメータによって、Ｎｄイオンが磁化反転しやすくなる可能性がある。保磁力性能を上げるには、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ表面の結晶構造と磁気特性との関係を、電子論的に明らかにすることが有効であると考えられる。

そこで本実施形態では、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ表面モデルの結晶場パラメータを解析し、表面の希土類イオンを含む層の上に鉄Ｆｅ及び銅Ｃｕの層を設けたモデルとＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂバルクモデルとの差異の有無を評価することで、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ表面の結晶構造と磁気特性との関係を考察する。

図３に、解析した種々の（００１）表面モデルについて、結晶場パラメータＡ_２ ^０＜ｒ^２＞の計算結果をまとめて示す。図３から明らかなように、Ｆｅ層表面モデルのみ、Ｎｄイオンの結晶場パラメータＡ_２ ^０＜ｒ^２＞が全て正の符号となり、他のモデルでは、負の符号を有した。すなわち、磁石表面のＮｄイオンに対してＦｅ層を積層することによって、Ｎｄイオンの結晶場パラメータＡ_２ ^０＜ｒ^２＞の値の符号が正になることを示している。

表面の積層状態によってＮｄイオンの結晶場パラメータの符号が変わるメカニズムとして、表面形成によるＮｄイオンの上下の金属イオンの数及び種類の変化に伴う、Ｎｄイオン自身の価電子雲の形状変化が考えられる。結晶場パラメータは、希土類イオン内の４ｆ以外の価電子（以下、単に価電子という）からの電場の寄与と、周囲イオンからの電場の寄与により決まる。ここでは、表面を形成することによる、価電子からの電場の変化を考える。Ｆｅ層を形成したモデルでは、Ｎｄイオンの上下（ｃ軸方向）にＦｅイオンが存在する。このため、Ｆｅイオンの３ｄ電子雲とＮｄイオンの５ｄ電子雲は、図４の模式図に示すように、ｃ軸方向に沿って連なった結合を形成していると考えられる（正確には、Ｎｄに最も近いＦｅは、Ｎｄから見てｃ軸から約２０度ずれた位置に存在する）。この結合により、Ｎｄイオンの５ｄ電子雲は、ｃ軸方向を向くことになる。Ｎｄイオンの５ｄ電子雲と４ｆ電子雲には斥力が働くため、４ｆ電子雲のドーナツ型の軸はｃ軸方向を向こうとする。これにより、Ｎｄイオンの磁気モーメントもｃ軸方向を向き、結晶場パラメータの価電子からの寄与がバルクと同程度に働き、Ａ_２ ^０＜ｒ^２＞が正の符号となったものと考えられる。一方、Ｎｄ露出の表面モデルでは、表面側のＦｅイオンが無いために、Ｎｄイオンの５ｄ電子雲の軸をｃ軸方向に向ける斥力が小さい。また、Ｃｕ層表面モデルでは、Ｆｅ層表面モデルと違って３ｄ軌道が閉殻となり、Ｎｄイオンの５ｄ電子雲との相互作用が小さくなったために、露出モデル同様、斥力が小さくなったものと考えられる。

上記のメカニズムから、希土類磁石の保磁力を高めるには、磁石母体の表面における希土類元素を含む層にＦｅ層を積層させることが良いという考えに至った。

次に、図１に示した希土類磁石の製造方法について説明する。一般的には、文献（俵 好夫、大橋 健 共著，「希土類永久磁石」，森北出版）にあるように、まず、原料となる金属を配合して、高周波誘導加熱によって溶解し、合金化する。偏析も起こり得るので、必要に応じて溶体化熱処理を行う。続いて、溶解インゴットを粉砕する。初めはスタンプミルやジョークラッシャー等で粉砕し、その後、ブラウンミル等を用いて数１００μｍ程度の粗粉とする。ここからさらにジェットミル等を用いて細かく粉砕し、平均粒径３〜５μｍ程度の単結晶微粉にする。次に、これら微粉を電磁石に抱かれた金型内に充填し、磁場印加によって、結晶軸を配向させた状態で加圧成型する。そして、真空又はアルゴンガス中で焼結する。例えば、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石の場合は１１００℃近傍が目安の焼結温度であり、組成や粉砕方法、粒度と粒度分布の違い等、諸々の条件に応じて加減してよい。焼結温度で１時間程度保持すれば十分である。その後は、熱処理や時効によって保磁力を制御する。Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ磁石の場合は、焼結後に９５０℃近傍の高温熱処理と４９０℃近傍の低温熱処理を加えると、保磁力が大きく増加することが知られている。そして、磁石の加工を行う。一般の脆性材料と同様に、切断や研削加工が用いられる。この時、切断や研磨加工された表面において、図５（ａ）に示すように、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ結晶粒の一部のＮｄイオンが露出する。

次に、図５（ｂ）に示すように、上記の切断や研磨加工された表面上に、Ｆｅ層を、例えば蒸着法により形成する。Ｆｅ層の厚さは、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下とすることが望ましい。これは、Ｆｅ層の厚さが０．５ｎｍ（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ結晶のＦｅ層厚さに相当）より小さい場合には、Ｎｄイオンに働く結晶場パラメータＡ_２ ^０＜ｒ^２＞の符号をプラスする働きが小さくなるからである。また、Ｆｅ層厚さが３．０ｎｍより大きい場合には、Ｎｄイオンの磁気モーメントがＦｅイオンの磁気モーメントをｃ軸に向かせる効果が小さくなる。

さらに、本発明の希土類磁石は、必要に応じて、大気中での酸化を防止するため、図５（ｃ）に示すように、表面に保護膜としてのコーティング層を形成する表面処理を行っても良い。保護膜には、耐食性と強度に優れた金属膜の他、樹脂膜も適用可能であり、ポリイミド膜等を採用することができる。表面処理方法としては、気相成長によるＡｌコーティングや、公知のめっき法によるＮｉめっき等が好ましく、保護膜の膜厚は、体積磁気特性を低下させないため比較的薄い方が望ましい。最終製品に加工する前に表面処理を行うか、加工後に表面処理を行うかは製品形状、用途に応じて適宜選択することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることが可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

１０１ ＮｄＦｅＢ結晶粒
１０２ Ｆｅ層
１０３ コーティング層
１０４ 粒界相
１０５ 磁石母体

Claims (5)

1. 希土類元素を含む磁石母体の表面に、磁化方向に対して垂直なＦｅ層が形成された希土類磁石。
2. 希土類元素が、Ｎｄ、Ｔｂ及びＤｙからなる群から選択される少なくとも１種である請求項１に記載の希土類磁石。
3. Ｆｅ層の厚さが、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である請求項１又は２に記載の希土類磁石。
4. 希土類元素を含む原料を、磁場印加によって結晶軸を配向させた状態で成型し、焼結して磁石母体を得る工程と、
   前記磁石母体の表面に、結晶軸を配向させた磁化方向に対して垂直になるようにＦｅ層を形成する工程と、
   を含む希土類磁石の製造方法。
5. Ｆｅ層の形成が、蒸着により行われる希土類磁石の製造方法。

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