JP2004146432A - 磁石用固形材料 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度で高磁気特性を有し、熱安定性、耐酸化性に優れたＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁石用固形材料、及びその製造方法の提供。
【解決手段】希土類−鉄−窒素系磁性材料を含有する、７．４５ｇ／ｃｍ^３より高い密度を有する磁石用固形材料。
【選択図】　選択図なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度で高磁気特性を有し、熱安定性、耐酸化性に優れた希土類−鉄−窒素系磁石用固形材料に関する。
また、本発明は、磁性材料粉体を衝撃圧縮して、分解や脱窒を防止しながら高密度・高性能の永久磁石を得る、磁石用固形材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能の希土類磁石としては、例えばＳｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｄｅ−Ｂ系磁石が知られている。前者は高い熱安定性と耐食性等により、また、後者は極めて高い磁気特性、低コスト、原料供給の安定性等によりそれぞれ広く用いられている。今日、更に高い熱安定性と高い磁気特性とを併せ持ち、原料コストの安価な希土類磁石が、電装用や各種ＦＡ用のアクチュエータ、あるいは回転機用の磁石として要望されている。
【０００３】
一方、菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄化合物を、窒素と比較的低温にて反応させる時、窒素原子が上記結晶、例えばＴｈ_２Ｚｎ_１７型化合物の格子間位置に侵入して、キュリー温度や磁気異方性の顕著な増加を招来することが報告されている。
そして、近年、かかる希土類−鉄−窒素系磁性材料が前記要望に沿う新磁石材料として、その実用化への期待が高まっている。
【０００４】
窒素を金属間化合物の格子間に含有し、前記菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素系磁性材料（以下Ｒｅ−Ｎ系磁性材料という）は、一般に粉体状態にて得られるが、常圧下約６００℃以上の温度ではαｅ分解相と希土類窒化物相とに分解し易いため、自己焼結により固化して磁石用固形材料とすることは、通常の工業的方法では非常に困難である。
そこで、Ｒｅ−Ｎ系磁性材料を用いた磁石としては、樹脂をバインダとしたボンド磁石が生産され使用されている。しかし、当該材料を用いて作られた磁石は、多くは４００℃以上のキュリー温度を有し、本来２００℃以上の温度でも磁化を失わない磁性粉体を使用しているにもかかわらず、１２−ナイロン樹脂などのバインダの耐熱温度が低いことが主な原因となって不可逆減磁率が大きくなり、概ね１００℃未満の温度でしか使用されていない。すなわち、最近の高負荷の要求に対して、１５０℃以上の高温の環境下で使用される動力源としてのブラシレスモータ等を作る場合、このボンド磁石は使用することができないという問題があった。
【０００５】
また、樹脂をバインダとした圧縮成形ボンド磁石を製造する場合、充填率を向上させて高性能化するには、工業的に難しい１ＧＰａ以上の成形圧力が必要であり、金型寿命等を考慮すると、磁性材料の混合比率は体積分率で８０％未満にせざるを得ない場合が多く、圧縮成形ボンド磁石によってはＲｅ−Ｎ系磁性材料の優れた基本磁気特性が十分に発揮できないという問題があった。
【０００６】
以上の問題点を解決するために、樹脂バインダを用いない希土類−鉄−窒素系永久磁石の製造方法が特許文献１に提案されている。　しかしながら、当該方法によると、衝撃圧縮後の残留温度をＴｈ_２Ｚｎ_１７型希土類−鉄−窒素系磁性材料の分解温度以下に抑制するためには、衝撃圧縮の際の圧力を一定の狭い範囲に限定しなければならないという欠点があった。これは、従来の衝撃波を用いた場合には、衝撃波自体の持続時間が短いにもかかわらず、磁性材料の温度が高く且つ長い時間にわたって保持される結果、磁性材料が非常に分解され易いからである。
以上のように、高密度で分解がなく高磁気特性で、しかも熱安定性が良い磁石用固形材料が強く求められている。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１０８２３２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高密度で高磁気特性を有し、熱安定性、耐酸化性に優れたＲｅ−Ｎ系磁石用固形材料、及びその製造方法を提供することである。特に、７．４５ｇ／ｃｍ^３より高い密度を有するＲｅ−Ｎ系磁石用固形材料及び、その製造方法を提供する。本発明は、着磁などによって磁化した状態である磁石も含んだ磁石用固形材料を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題について、鋭意検討した結果、希土類−鉄−窒素系磁性材料粉体を、磁場中若しくは無磁場で圧粉成形体にした後、水中衝撃波を用いて衝撃圧縮固化し、衝撃圧縮の持つ超高圧剪断性、活性化作用、短時間現象などの特徴を活かして、Ｒｅ−Ｎ系磁性材料を主として含有する磁石用固形材料を得ることができることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）希土類−鉄−窒素磁性材料を含有する、７．４５ｇ／ｃｍ^３より高い密度を有する磁石用固形材料。
（２）磁性材料が菱面体晶または六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素系磁性材料を含有することを特徴とする上記（１）に記載の磁石用固形材料。
（３）一般式Ｒ_αＦｅ_{１００− α − β}Ｎ_βで表され、Ｒは希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、又、α、βは原子百分率で、３≦α≦２０、５≦β≦３０である希土類−鉄−窒素系磁性材料を含有する（１）又は（２）記載の磁石用固形材料。
（４）磁気異方性を付与してなることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の磁石用固形材料。
（５）水中衝撃波を用いて衝撃圧縮固化してなることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の磁石用固形材料。
（６）角柱状、円筒状、リング状、円板状、又は平板状に成形してなる（１）〜（５）のいずれかに記載の磁石用固形材料。
【００１１】
（７）希土類−鉄−窒素系磁性材料の原料粉体を、水中衝撃波を用いて、衝撃圧縮固化することを特徴とする磁石用固形材料の製造方法。
（８）水中衝撃波の圧力が、８〜４０ＧＰａであることを特徴とする（７）記載の磁石用固形材料の製造方法。
（９）原料粉体を磁場中で圧粉成形することを特徴とする（７）又は（８）記載の磁石用固形材料の製造方法。
（１０）原料粉体、圧粉成形された原料粉体、または磁石用固形材料を少なくとも一度１００℃以上且つ分解温度より低い温度で熱処理をする工程を含むことを特徴とする（７）〜（９）のいずれかに記載の磁石用固形材料の製造方法。
ここで言う固形材料とは、塊状の材料のことを指す。さらに、ここで言う磁石用固形材料とは、塊状の磁性材料のことを指し、磁石用固形材料を構成する磁性材料の粉末同士が直接、または金属相若しくは無機物相を介して、連続的に結合し、全体として塊状を成している状態の磁性材料である。着磁によって磁化し、残留磁束密度を発現している状態を特に磁石と呼ぶが、磁石も又ここで言う磁石用固形材料の範疇に属する。
【００１２】
ここでいう希土類元素とは、周期表第ＩＩＩａ族のＹおよび原子番号５７から７１までのＬａ系列の１５元素、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを指す。
ここで言う分解とは、希土類−鉄−窒素系磁性材料粉体の結晶構造が変化するのに伴ってαｅ分解相が生じることであり、このαｅ分解相の存在は磁気特性に悪影響を及ぼすので、上記のような分解は防止すべき現象である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、特にその好ましい態様を中心に、詳細に説明する。
本発明の磁石用固形材料に用いられるＲｅ−Ｎ系磁性材料は、公知の方法により調製される。
例えば、希土類−鉄合金を高周波法、超急冷法、Ｒ／Ｄ法、ＨＤＤＲ法、メカニカルアロイング法、メカニカルグラインディング法などで調製し、数十〜数百μｍ程度に粗粉砕した後、窒素ガスの高圧雰囲気下で窒化化処理を行って微粉砕を行い、Ｒｅ−Ｎ系磁性材料を調製する。磁性材料の組成、合金の処理法や窒化法によっては粗粉砕や微粉砕を必要としない場合もある。
【００１４】
Ｒｅ−Ｎ系磁性材料の結晶構造としては、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型結晶構造等又はそれと同様な結晶構造を有する菱面体晶、又はＴｈ_２Ｎｉ_１７、ＴｂＣｕ_７、ＣａＺｎ_５型結晶構造等又はそれと同様な結晶構造を有する六方晶が好ましく、さらにＲ_２Ｆｅ_１４ＢＮ_ｘ型、Ｒ_２Ｆｅ_１４ＣＮ_ｘ型やＲ（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）_１２Ｎ_ｘ型等又はそれと同様な結晶構造を有する正方晶などが５０体積％未満含有されていても良い。
以上のＲｅ−Ｎ系磁性材料は、好ましくは０．１〜１００μｍの平均粒径を有する粉体状として得られ、磁石用固形材料の原料として供給される。平均粒径が０．１μｍ未満であると、磁場配向性が不十分となりやすく、残留磁束密度が低くなる傾向がある。逆に平均粒径が１００μｍを超えると保磁力が低くなる傾向がある。優れた磁場配向性を付与させるために、更に好ましい平均粒径の範囲は１〜１００μｍである。
【００１５】
また、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料は、高い飽和磁化、高いキュリー点とともに、大きな磁気異方性を有することが特徴である。従って、単結晶粉体とすることができる場合には、外部磁場により容易に磁場配向することができ、高い磁気特性を持つ異方性磁石用固形材料とすることができる。
本発明のＲ−Ｆｅ−Ｎとして下記のような磁性材料を用いることができる。
（１）一般式Ｒ_αＦｅ_{１００− α − β}Ｎ_βで表され、Ｒは希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、又、α、βは原子百分率で、３≦α≦２０、５≦β≦３０である希土類−鉄−窒素系磁性材料。
（２）上記（１）の磁性材料が、菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有することを特徴とする磁性材料、
（３）Ｒ及び又はＦｅの２０原子％以下をＮｉ、Ｔｉ、Ｖ、　Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｂから選ばれた少なくとも一種の元素と置換した上記（１）又は（２）の磁性材料、
【００１６】
（４）Ｎの１０原子％以下をＣ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓ、Ａｌから選ばれる少なくとも一種の元素と置換した上記（１）〜（３）の磁性材料、
（５）上記（１）〜（４）のいずれかの磁性材料の成分のうち、Ｒの５０原子％以上がＳｍであることを特徴とする磁性材料、
（６）上記（１）〜（５）のいずれかの磁性材料の成分のうち、Ｆｅの０．０１〜５０原子％をＣｏで置換したことを特徴とする磁性材料、または
（７）上記（１）〜（６）のいずれかの磁性材料の粒界又は表面にＺｎを反応させた磁性材料。
【００１７】
なお、下記のような酸素を含むＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料も、本発明の磁石用固形材料として同様に用いられる。
（１）一般式Ｒ_αＦｅ_{１００− α − β − δ}Ｎ_βＯ_γで表される磁性材料であり、ＲはＹを含む希土類元素から選ばれた少なくとも一種の元素であり、又、α、β、γは原子百分率で、５≦α≦２０、１０≦β≦２５、１≦γ≦１０であることを特徴とする磁性材料、
（２）上記（１）の磁性材料が、菱面体晶又は六方晶の結晶構造を有することを特徴とする磁性材料、
（３）Ｒ及び又はＦｅの２０原子％以下をＮｉ、Ｔｉ、Ｖ、　Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｂから選ばれた少なくとも一種の元素と置換した上記（１）又は（２）の磁性材料、
【００１８】
（４）Ｎの１０原子％以下をＣ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓ、Ａｌから選ばれる少なくとも一種の元素と置換した上記（１）〜（３）の磁性材料、
（５）上記（１）〜（４）のいずれかの磁性材料の成分のうち、Ｒの５０原子％以上がＳｍであることを特徴とする磁性材料、
（６）上記（１）〜（５）のいずれかの磁性材料の成分のうち、Ｆｅの０．０１〜５０原子％をＣｏで置換したことを特徴とする磁性材料、または
（７）上記（１）〜（６）のいずれかの磁性材料の粒界又は表面にＺｎを反応させた磁性材料。
【００１９】
酸素がＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料に含有されると、磁化は若干劣るが、保磁力の向上と磁気特性の安定性に寄与する。
Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料の大きな特徴の一つは、耐酸化性が比較的高く、錆が発生しにくい点である。
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石は、磁気特性が極めて高く、ＶＣＭなどのアクチュエータや各種モータに多用されているが、表面が常温の大気中でも容易に酸化してしまうため、錆落ち防止の目的でニッケルメッキやエポキシ樹脂コーティングなどにより表面処理することが必須となる。
【００２０】
これに対して、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料を用いた磁石の場合、上記の表面処理を必要としないか、或いは簡便なものとすることができる。即ち、コスト的に有利であるだけでなく、アクチュエータやモータとして使用する場合、ステータとロータ間のギャップが磁性の低い表面層分だけ狭く取れるので、回転や反復運動のトルクを大きく取れる利点があり、磁石の磁力を最大限活かすことができる。このため、例えば常温の（ＢＨ）_ｍａｘ値がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石より劣る場合であっても、同様なパフォーマンスを発揮することができる。
【００２１】
本発明の磁石用固形材料は、７．４５ｇ／ｃｍ^３より高い密度を有することを特徴とするＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁石用固形材料である。磁化及び磁束密度は充填率に比例するため、密度が小さくなるほど残留磁束密度が低くなり、最大エネルギー積が低下するので、一般に充填率が高い磁石用固形材料ほど高性能磁石用として好適に用いられる。また、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁石材料は多くの場合微粉体であるため、連続孔であるボイド等の酸素の通り道が多く存在すると、微粉体の表面が酸化劣化して保磁力が低下する要因となる。従って、材料組成・用途によっては、十分に密度を上昇させ、表面からの酸素の進入を防ぐことが必要であり、充填率は好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上である。特に表面近くの充填率は１００％近いことが好ましい。酸化が顕著となる材料組成、用途の組み合わせにおいては、磁石用固形材料の密度は、７．４５ｇ／ｃｍ^３より大きいことが好ましく、７．５０ｇ／ｃｍ^３より大きいことがより好ましく、７．５５ｇ／ｃｍ^３より大きいことが更に好ましく、７．６０ｇ／ｃｍ^３以上であることが最も好ましい。また、原料の組成にもよるが、密度が８．０ｇ／ｃｍ^３を超えると、逆に、高磁気特性を有するＲ−Ｆｅ−Ｎ相以外の相が生じ、磁気特性が低下する場合が多い。
【００２２】
本発明の製造方法によれば、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ磁性材料のみを原料として５ｃｍ^３以下の磁石用固形材料を調製する場合、７．６０ｇ／ｃｍ^３を超える密度を有するものが比較的容易に得られるが、例えば０．１ｍ^３の体積を有する磁石用固形材料を作製した場合において、形態によっては内部に７．４５ｇ／ｃｍ^３以下の密度の部分が生じることがある。しかし、そのような場合にあっても、表層部において一部でも７．４５ｇ／ｃｍ^３を超える密度、好ましくは７．６０ｇ／ｃｍ^３を超える密度を有する磁石用固形材料となっている場合は、耐酸化性を有し、高磁気特性であって、本発明の磁石用固形材料の範疇に属するものと言うことができる。
【００２３】
本発明で用いるＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料は、ニュークリエーション型、ピンニング型、エクスチェンジスプリング型、交換結合型など磁化反転のメカニズムが異なる各種磁性材料を磁石用固形材料とすることができる。これら全ての磁性材料は、いずれも６００℃を超える温度で分解反応が生じるため、高温で高密度化する焼結法によっては磁石用固形材料とすることができないものであり、本発明の衝撃圧縮法を用いて成形することが非常に有効な材料群である。
【００２４】
磁石用固形材料を異方性化し、磁石とするために、通常着磁を行うが、この際に磁石用固形材料に大きな衝撃が加わり、緻密に固化したＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁石用固形材料をもってしても、割れ欠けの原因となる場合がある。そのため、着磁場や着磁方法によっては、磁石表面の一部又は全部を非磁性の固形材料で覆うことにより耐衝撃性の高い磁石用固形材料とすることが好ましい。
【００２５】
本発明の磁石用固形材料は、着磁後の磁気特性に優れることが特徴である。Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系材料が磁気異方性材料であった場合、圧縮成形時に８０ｋＡ／ｍ以上、好ましくは８００ｋＡ／ｍ以上の磁場で、磁性粉体を磁場配向することが望ましい。更にまた、衝撃波圧縮成形後に１．６ＭＡ／ｍ以上、より好ましくは２．４ＭＡ／ｍ以上の静磁場若しくはパルス磁場で着磁することにより、残留磁束密度及び保磁力を増加させることが望ましい。
Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料が等方性材料である場合、圧縮成形時の磁場配向は不要であるが、上記のような着磁を行って、充分磁気的に異方化することが必須となる。
【００２６】
また、本磁石用固形材料を着磁し、磁石として使用する場合、その用途によっては多種多様な形状が要求される。本磁石用固形材料は、樹脂バインダを含まず、且つ密度が高く、切削加工及び／又は塑性加工により、任意の形状に、通常の加工機で容易に加工することができる。特に、工業的利用価値の高い角柱状、円筒状、リング状、円板状又は平板状の形状に、容易に加工できることが大きな特徴である。一旦これらの形状に加工した後、さらにそれらに切削加工などを施し、瓦状や任意の底辺形状を有する四角柱などに加工することも可能である。即ち、任意の形状から、曲面、平面により囲まれたあらゆる形態に、容易に切削加工及び／塑性加工を施すことにより成形することができるのである。ここで言う切削加工とは、一般的な金属材料の切削加工であり、鋸、旋盤、フライス盤、ボール盤、砥石などによる機械加工であり、塑性加工とは、プレスによる型抜きや成形、圧延、爆発成形などである。また、冷間加工後のひずみ除去の為に、当該磁性材料粉体の分解温度以下での焼き鈍し等の熱処理を行うことができる。磁性材料粉体の組成によっては、塑性加工により、磁気異方性を付与したり強化したりすることができ、また熱処理と組み合わせることにより保磁力の調整を行うことも可能である。熱処理は、後述する衝撃波圧縮の後、生じた歪みを焼鈍したり、微細組織の調整を行い各種磁気特性を向上させるためにも用いることができる。
【００２７】
熱処理温度としては１００℃以上且つ分解温度未満の範囲で選ばれ、上述の例以外にも本発明の磁石用固形材料を製造する各工程前、中、後に熱処理を実施することができる。
熱安定性が低下する大きな原因としては、磁性粉体同士が、充分金属結合又はイオン結合により接合して固化していないことが挙げられる。本来、永久磁石は外界に静磁ポテンシャルを作るために、結晶の容易磁化方向を揃えているが、磁気的に非平衡な状態であるため、磁性粉体同士が充分結合され固定されていない状態であると、各磁性粉がマトリックスの中で回転するなどして容易磁化方向の向きを変え、蓄えられた静磁エネルギーが徐々に小さくなっていく。
【００２８】
磁性粉充填率が８０％未満の材料、例えばボンド磁石などは、１００℃以上の高温で樹脂が軟化あるいは劣化すると比較的容易に上記のような緩和が起こり、顕著な減磁が生じることになる。ボンド磁石は、その名のとおり、バインダによりボンディングされている磁石であって、金属結合又はイオン結合により固化された磁石ではない。熱安定性の不足はそのことに起因する問題点であるといえる。
【００２９】
一方、本発明の材料であれば、磁性粉同士が金属結合で固化しており、このような緩和は起こらない。以上のように、１００℃以上で満足する熱安定性を達成するためには、その材料の磁気特性と用途に応じて、磁性材料の体積分率の下限と上限を特定の範囲に設定する必要がある。
また、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料は、磁気特性の最適化を図ろうとした場合の窒素量はＲ_２Ｆｅ_１７当たり３個が最適である。しかしながら、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料は、前記窒素量が３個より少なくなり、熱力学的に不安定なＲ_２Ｆｅ_１７Ｎ_{３− Δ}相が生じる場合がある。この相は、熱的、機械的なエネルギーにより容易にα−Ｆｅ分解相と希土類窒化物分解相とへ分解する結果、従来の衝撃波圧縮法によっては高性能な磁石用固形材料とはなり得ない。
【００３０】
しかしながら、本発明においては、水中衝撃波を用いることにより、従来の衝撃波圧縮法によっては高性能な磁石用固形材料とはなり得なかったＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料の分解を促進させること無く固化させることができる。このことは、密度が高く、高磁気特性で、熱安定性、耐酸化性の優れたＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁石用固形材料を得るための重要な知見に他ならない。
【００３１】
次に、本発明の磁石用固形材料の製造法、特にその中で本発明の磁石用固形材料の実現を可能とした衝撃波圧縮法の一例について述べる。但し、本発明の製造法は、これに限定されるわけではない。
【００３２】
水中衝撃波による衝撃圧縮方法としては、二重管の最内部に当該粉体を圧粉成形し、中間部に水を入れ、外周部に爆薬を配置し、爆薬を爆轟させることで、前記中間部の水中に衝撃波を導入し、最内部の当該粉体を圧縮する方法や、当該粉体を密閉容器中へ圧粉成形し、水中へ投入し、爆薬を水中にて爆轟させ、その衝撃波により当該粉体を圧縮する方法や、特許第２９５１３４９号公報又は、特開平６−１９８４９６号公報による方法が選択できる。いずれの方法においても、以下に示す水中衝撃波による衝撃圧縮の利点を得ることができる。
【００３３】
水中衝撃波を用いた本発明の衝撃圧縮法による圧縮固化工程では、衝撃波の持つ超高圧剪断性、活性化作用は、粉体の金属的結合による固化作用と組織の微細化作用を誘起し、バルク固化と共に高保磁力化することも可能である。
このとき、衝撃圧力自体の持続時間は、従来の衝撃波を用いた場合よりも長いが、体積圧縮と衝撃波の非線形現象に基づくエントロピーの増加による温度上昇は極めて短時間（数μｓ以下）に消失し、分解や脱窒は殆ど起こらない。
【００３４】
水中衝撃波を用いて圧縮した後も残留温度は存在する。この残留温度が分解温度（常圧で約６００℃）以上になると、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料等も分解が開始され、磁気特性を劣化するので好ましくない。
しかし、水中衝撃波による場合は、従来の衝撃波による場合よりも、残留温度を低く保つことが非常に容易である。
【００３５】
即ち、水中衝撃波は以下のような特徴を有する。
（１）水中衝撃波の圧力は、爆薬と水のユゴニオ関係によって決まり、圧力Ｐは概略次式で示される。
Ｐ＝２８８（ＭＰａ）｛（ρ／ρ_０）^７．２５−１｝
上式より、水中衝撃波を用いた場合には、水の密度ρの基準値ρ_０に対する変化に関する圧力Ｐの増加量が非常に大きいため、爆薬量の調節により容易に超高圧が得られ、その際の磁性材料の温度は従来の衝撃波を用いた場合に比べて容易に低温度に保持される。
（２）衝撃圧力自体の持続時間が長い。
（３）体積圧縮と衝撃波の非線形現象に基づくエントロピーの増加による磁性材料の温度上昇は極めて短時間に消失する。
（４）磁性材料の温度は、その後高く保持されることが少なく、又、長く保持されることが少ない。
（５）衝撃圧力が被圧縮体に均一に負荷される。
【００３６】
水中衝撃波のもつ、これらの優れた特徴によって初めて、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料が熱分解を起こさず、高密度に容易に圧縮固化される。
更に、圧粉成形を磁場中で行うことにより、磁性材料粉体の磁化容易軸を一方向に揃えることができ、得られた圧粉体を衝撃圧縮固化により固形化しても、配向性は損なわれず、磁気的に一軸性の異方性をもつ磁石用固形材料が得られる。
本発明において、衝撃波圧力が８〜４０ＧＰａの水中衝撃波を用いて圧縮固化することにより、原料磁性粉体の真密度（例えば７．６６ｇ／ｃｍ^３）に対し充填率９７％を超える密度７．４５ｇ／ｃｍ^３以上の密度を有する磁石用固形材料を得ることができる。衝撃波圧力が８ＧＰａより低いと、必ずしも充填率が９５％を超える磁石用固形材料を得ることができない。また、衝撃波圧力が４０ＧＰａより高いと、α−Ｆｅ分解相等の分解物が生じ易くなる。衝撃波圧力が８〜４０ＧＰａの水中衝撃波を用いて圧縮固化する場合は、原料磁性粉体の真密度に対し充填率８０％を超える密度の磁石用固形材料を再現性良く得ることができる。
【００３７】
ここに言う真密度とは、Ｘ線から求められる、Ｒ−Ｆｅ−Ｎユニットセルの体積ｖと、そのユニットセルを構成する原子の原子量の総和ｗから求められる密度ｗ／ｖのことであり、一般にＸ線密度Ｄｘと呼ばれるものである。また、磁石用固形材料の密度Ｄｍは、アルキメデス法や体積法などのマクロな方法で求めることができる。なお、本発明の磁石用固形材料は、多結晶体であり、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ主相と異なった界面相を含む場合もあるため、ボイドが無い状態であってもＤｍは必ずしもＤｘに一致しない。従って、本発明においては、磁石用固形材料のパッキングの度合いを充填率Ｄｍ／Ｄｘで判断するより、Ｄｍ自体の値を目安とする方が適切である場合が多い。
【００３８】
以上述べたように、水中衝撃波圧縮固化法にて固形化することにより、磁性粉体として熱的に不安定なＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料から結合材としての樹脂成分を用いずに磁石用固形材料を作製することができる。この磁石用固形材料を用いて製造する磁石は、高磁気特性で、耐酸化性に優れ、熱安定性に優れた特徴を有する。
本発明の磁石用固形材料により得られた磁石の静磁場を用いた、各種アクチュエータ、ボイスコイルモータ、リニアモータ、ロータ又はステータとして回転機用モータ、その中で特に産業機械や自動車用モータ、医療用装置や金属選別機の磁場発生源のほかＶＳＭ装置、ＥＳＲ装置、加速器などの分析機用磁場発生源、マグネトロン進行波管、プリンタヘッドや光ピックアップなどＯＡ機器、アンジュレータ、ウイグラ、リターダ、マグネットロール、マグネットチャック、各種マグネットシートなどの装置並びに部品は、ステッピングモータなどの特殊な用途を除いて、１００℃以上の環境においても顕著な減磁が生ずることなく安定に使用することができる。
【００３９】
また、これらの装置又は部品に用いるとき、本発明の磁石用固形材料を各種加工を施してから、各形状のヨークやホールピース、各種整磁材料を接着、密着、接合した上で組み合わせて用いても良い。
また、本発明の磁石用固形材料を永久磁石同期モータ用ロータとして、もしくはその構成材料の硬磁性材料として使用する場合、本発明の表面磁石構造ロータとして、図１〜図２に示すような回転軸断面構造とすることができる。
また、埋込磁石構造ロータとして図３〜図８に示すような回転軸断面構造とすることができる。
【００４０】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料の分解の度合いは、成形した磁石用固形材料のＸ線回折図（Ｃｕ−Ｋα線）をもとに、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型をはじめとする菱面体晶又は六方晶の結晶構造由来の回折線における最強線の高さａに対する、２θ＝４４°付近のα−Ｆｅ分解相由来回折線の高さｂの比ｂ／ａをもって判断した。磁石用固形材料の原料となるＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性材料は原料粉末の段階から、通常ｂ／ａ比０．２程度のα−Ｆｅ相が確認さるため、この値が０．２５以下なら衝撃圧縮固化による分解の度合いはほとんどないと言える。
以下、本発明を実施例により説明するが、本件発明はこれらの具体例によって何ら技術的範囲が限定されるものではない。
【００４１】
【実施例１】
平均粒径２０ｍのＳｍ_２Ｆｅ_１７母合金をＮ_２ガス気流中、４９５℃で７２ｋｓ窒化を行った後、アルゴン気流中で１．８ｋｓアニールを行い、その後ボールミルにより平均粒径が約２ｍとなるように粉砕した。この粉体を、１．２ＭＡ／ｍの磁場中で磁場配向させながら圧粉成形を行うことで成形体を得た。図９は水中衝撃波を用いた衝撃圧縮法を行う装置の一例を示す説明図である。得られた成形体を図９に示す如く銅製パイプ１に入れて銅製プラグ２に固定した。さらに銅製パイプ３を銅製プラグ２に固定し、更に、この間隙に水を充填し、外周部に均一な間隙を設け、紙筒４を配置し、銅製パイプ３と紙筒４の間隙中に２８０ｇの硝酸アンモニウム系爆薬５を装填し、起爆部６より前記爆薬を起爆し、爆薬を爆轟させた。このとき衝撃波圧力は１８ＧＰａであった。
【００４２】
衝撃圧縮後、パイプ１から固化したＳｍ_９．１Ｆｅ_７７．７Ｎ_１３．２組成を有する磁石用固形材料を取り出し、４．０ＭＡ／ｍのパルス磁場で着磁し磁気特性を測定した結果、残留磁束密度Ｂ_ｒ＝０．９６Ｔ、保磁力Ｈ_ｃＪ＝０．３６ＭＡ／ｍ、（ＢＨ）_ｍａｘ＝１２０ｋＪ／ｍ^３の結果を得た。又、アルキメデス法により密度を測定した結果、密度７．５０ｇ／ｃｍ^３であった。
更に、Ｘ線回折法で解析した結果、固化した磁石用固形材料は原料粉末の状態でｂ／ａ比０．２、衝撃圧搾後のｂ／ａ比０．２１と、ほとんどα−Ｆｅ分解相の増加が起きておらず、Ｔｈ_２Ｚｎ_１７型菱面体晶の結晶構造を有していることが確認された。
【００４３】
爆薬量を調節して同様の実験を多数回繰り返した。
衝撃波圧力が４ＧＰａより低いと、得られた磁石用固形材料の充填率は必ずしも８０％を超えず、衝撃波圧力が４０ＧＰａより高いとα−Ｆｅ分解相等の分解物が生じることが確認された。又、充填率８０％を超える磁石用固形材料をより再現性良く得るためには、衝撃波圧力を３〜４０ＧＰａとすることが好ましいことも分かった。又、衝撃波圧力を６〜４０ＧＰａとすることで、充填率９０％を超える磁石用固形材料が再現性良く得られることも確認され、密度が７．４５ｇ／ｃｍ^３を超えるバルク磁石をより再現性良く得るためには、この衝撃波圧力を８〜４０ＧＰａとすることが好ましいことも分かった。又、衝撃波圧力１２〜４０ＧＰａでは密度７．５５ｇ／ｃｍ^３を超えるバルク磁石を再現性良く得ることができることも確認された。
【００４４】
【比較例１】
図１０は、爆薬の爆轟波を直接用いて衝撃圧縮を行う装置の一例を示す説明図である。この装置を用いて、実施例１で得た平均粒径２ｍのＲ−Ｆｅ−Ｎ系磁性粉体を銅製パイプ１に入れて銅製プラグ２に固定し、外周部に均一な間隙を設け、紙筒４を配置し、前記間隙中に実施例と同量の硝酸アンモニウム系爆薬５を装填し、起爆部６より前記爆薬を起爆し、爆薬を爆轟させた。衝撃圧縮後、パイプ１から固化した試料を取り出し、Ｘ線回折法により解析した結果、衝撃圧縮後はＳｍＮと多量のα−Ｆｅ分解相が生成していることが認められ、出発原料のＲ−Ｆｅ−Ｎ系化合物が分解していることが分かった。このときの回折線の強度比ｂ／ａは約３であった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のように、希土類−鉄−窒素系磁性粉体等を圧粉成形し、水中衝撃波を用いた衝撃圧縮をすることにより、バインダを必要とせず、自己焼結によらずに、又、分解、脱窒を防いで、高密度、高性能な磁石用固形材料を得ることを可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、表面磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図２】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、表面磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図３】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、埋込磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図４】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、埋込磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図５】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、埋込磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図６】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、埋込磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図７】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、埋込磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図８】本発明の磁石固形材料を永久磁石同期モータに適用する場合の例を説明する、埋込磁石構造ロータの回転軸断面構造図である。
【図９】実施例で使用した、水中衝撃波を用いた衝撃圧縮法を示す説明図である。
【図１０】比較例で使用した、爆薬の爆轟波を直接用いた衝撃圧縮法を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・銅製パイプ
２・・・銅製プラグ
３・・・銅製パイプ
４・・・紙筒
５・・・爆薬
６・・・起爆部
７・・・水
８・・・希土類−鉄−窒素磁性系材料

Claims (10)

1. 希土類−鉄−窒素磁性系材料を含有する、７．４５ｇ／ｃｍ^３より高い密度を有する磁石用固形材料。
2. 磁性材料が菱面体晶または六方晶の結晶構造を有する希土類−鉄−窒素系磁性材料を含有することを特徴とする請求項１に記載の磁石用固形材料。
3. 一般式Ｒ_αＦｅ_{１００− α − β}Ｎ_βで表され、Ｒは希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素であり、又、α、βは原子百分率で、３≦α≦２０、５≦β≦３０である希土類−鉄−窒素系磁性材料を含有する請求項１又は２記載の磁石用固形材料。
4. 磁気異方性を付与してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁石用固形材料。
5. 水中衝撃波を用いて衝撃圧縮固化してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁石用固形材料。
6. 角柱状、円筒状、リング状、円板状、又は平板状に成形してなる請求項１〜５のいずれかに記載の磁石用固形材料。
7. 希土類−鉄−窒素系磁性材料の原料粉体を、水中衝撃波を用いて、衝撃圧縮固化することを特徴とする磁石用固形材料の製造方法。
8. 水中衝撃波の圧力が、８〜４０ＧＰａであることを特徴とする請求項７記載の磁石用固形材料の製造方法。
9. 原料粉体を磁場中で圧粉成形することを特徴とする請求項７又は８記載の磁石用固形材料の製造方法。
10. 原料粉体、圧粉成形された原料粉体、または磁石用固形材料を、少なくとも一度１００℃以上且つ分解温度より低い温度で熱処理をする工程を含むことを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の磁石用固形材料の製造方法。

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