JP2024144067A - R-T-B permanent magnet - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、R‐T‐B系永久磁石に関する。 This disclosure relates to R-T-B permanent magnets.
一般的に、R-T-B系永久磁石中の主相粒子は、隣接する主相粒子と強く磁気的に結合(couple)している。よって、R-T-B系永久磁石の保磁力を向上させるためには、粒界が形成され易い組成の設計、又は粒界拡散プロセスなどによって、Ndが濃化された粒界相(磁化反転過程を妨げるピンニングサイト)を主相粒子間に形成する必要がある。しかしながら、粒界相は非磁性相であるため、大量の粒界相の形成により、R-T-B系永久磁石の残留磁束密度が低下してしまう。 In general, the main phase grains in an R-T-B permanent magnet are strongly magnetically coupled to adjacent main phase grains. Therefore, in order to improve the coercive force of an R-T-B permanent magnet, it is necessary to form Nd-enriched grain boundary phases (pinning sites that impede the magnetization reversal process) between the main phase grains by designing a composition that makes it easy to form grain boundaries, or by a grain boundary diffusion process. However, because the grain boundary phase is a non-magnetic phase, the formation of a large amount of grain boundary phase reduces the residual magnetic flux density of the R-T-B permanent magnet.
下記特許文献1に記載の永久磁石は、高い保磁力と高い残留磁束密度を目的としている。下記特許文献1に記載の永久磁石では、主相(硬磁性相)よりも高い飽和磁化Msを示す軟磁性相(α-Fe相等)が、主相と混在している。下記特許文献1に記載の磁石の製造方法では、Nd2Fe14Bの化学量論的組成よりも多量のFeを含む溶湯の急冷により、薄帯(ribbon)が形成される。多量のFeを含む薄帯の焼結により、下記特許文献1に記載の永久磁石が得られる。下記特許文献1、2、及び下記非特許文献1に記載の永久磁石は、Feを含む軟磁性相、及びNd2Fe14Bを含む硬磁性相が混在する微細結晶の集合体から形成された準安定構造を有しており、「ナノコンポジット磁石」又は「交換スプリング磁石」と称される。
The permanent magnet described in the following
本発明の一側面の目的は、高い残留磁束密度及び高い保磁力を両立するR‐T‐B系永久磁石を提供することである。 The objective of one aspect of the present invention is to provide an R-T-B system permanent magnet that combines high residual magnetic flux density and high coercivity.
例えば、下記[1]~[6]の通り、本発明の一側面は、R‐T‐B系永久磁石に関する。 For example, as shown in [1] to [6] below, one aspect of the present invention relates to an R-T-B system permanent magnet.
[1] 希土類元素R、遷移金属元素T、及びホウ素(B)を含有するR‐T‐B系永久磁石(R-T-B based permanent magnet)であって、
R‐T‐B系永久磁石が、希土類元素Rとして、少なくともNdを含有し、
R‐T‐B系永久磁石が、遷移金属元素Tとして、少なくともFeを含有し、
R‐T‐B系永久磁石が、複数の主相粒子(main phase grains)と、複数の軟磁性粒子(soft magnetic grains)と、を含み、
複数の主相粒子が、少なくとも希土類元素R、遷移金属元素T、及びホウ素を含有し、
複数の軟磁性粒子が、少なくともFeを含有し、
R‐T‐B系永久磁石の断面が、複数の軟磁性領域(soft magnetic regiоns)を含み、
R‐T‐B系永久磁石の上記断面が、R‐T‐B系永久磁石の磁化容易軸方向(easy magnetization axis direction)に平行であり、
複数の軟磁性領域それぞれが、磁化容易軸方向に垂直な方向に沿って整列(align)する複数の軟磁性粒子を含み、
磁化容易軸方向において、複数の主相粒子と複数の軟磁性領域が交互に配置されており、
磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅の平均値が、20nm以上5μm以下である、
R‐T‐B系永久磁石。
[1] An R-T-B based permanent magnet containing a rare earth element R, a transition metal element T, and boron (B),
The R-T-B system permanent magnet contains at least Nd as a rare earth element R,
The R-T-B system permanent magnet contains at least Fe as a transition metal element T,
The R-T-B based permanent magnet includes a plurality of main phase grains and a plurality of soft magnetic grains,
the plurality of main phase particles contain at least a rare earth element R, a transition metal element T, and boron;
The soft magnetic particles contain at least Fe,
A cross section of the R-T-B system permanent magnet includes a plurality of soft magnetic regions,
the cross section of the R-T-B system permanent magnet is parallel to the easy magnetization axis direction of the R-T-B system permanent magnet,
Each of the soft magnetic regions includes a plurality of soft magnetic grains aligned along a direction perpendicular to the easy axis of magnetization;
A plurality of main phase grains and a plurality of soft magnetic regions are alternately arranged in the direction of the easy axis of magnetization,
The average width of the soft magnetic particles in the direction of easy magnetization is 20 nm or more and 5 μm or less.
R-T-B series permanent magnet.
[2] 磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が、4μm以上15μm以下である、
[1]に記載のR‐T‐B系永久磁石。
[2] The average spacing between the soft magnetic regions in the easy axis direction is 4 μm or more and 15 μm or less.
The R-T-B system permanent magnet according to [1].
[3] R‐T‐B系永久磁石の上記断面における複数の軟磁性粒子の面積分率が、4%以上15%以下である、
[1]又は[2]に記載のR‐T‐B系永久磁石。
[3] The area fraction of the soft magnetic particles in the cross section of the R-T-B system permanent magnet is 4% or more and 15% or less.
The R-T-B system permanent magnet according to [1] or [2].
[4] 複数の軟磁性粒子の少なくとも一部が、希土類元素R及び遷移金属元素Tを含むR‐T相を含む、
[1]~[3]のいずれか一つに記載のR‐T‐B系永久磁石。
[4] At least a portion of the soft magnetic particles includes an R-T phase containing a rare earth element R and a transition metal element T;
[1] to [3]. An R-T-B system permanent magnet according to any one of [1] to [3].
[5] 希土類元素Rの含有量が、26質量%以上32質量%以下であり、
ホウ素の含有量が、0.77質量%以上1.15質量%である、
[1]~[4]のいずれか一つに記載のR‐T‐B系永久磁石。
[5] The content of the rare earth element R is 26% by mass or more and 32% by mass or less,
The boron content is 0.77% by mass or more and 1.15% by mass.
[1] to [4]. An R-T-B system permanent magnet according to any one of [1] to [4].
[6] R‐T‐B系永久磁石の上記断面において観察される複数の主相粒子が、扁平である、
[1]~[5]のいずれか一つに記載のR‐T‐B系永久磁石。
[6] A plurality of main phase grains observed in the cross section of the R-T-B system permanent magnet are flat.
[1] to [5]. An R-T-B system permanent magnet according to any one of [1] to [5].
[7] 磁化容易軸方向における複数の主相粒子の幅が、磁化容易軸方向に垂直な方向における複数の主相粒子の幅よりも小さく、
磁化容易軸方向における複数の主相粒子の幅の平均値が、20nm以上200nm以下である、
[1]~[6]のいずれか一つに記載のR‐T‐B系永久磁石。
[7] A width of the plurality of main phase grains in the direction of the easy axis of magnetization is smaller than a width of the plurality of main phase grains in a direction perpendicular to the easy axis of magnetization;
the average width of the main phase grains in the direction of the easy magnetization axis is 20 nm or more and 200 nm or less;
An R-T-B system permanent magnet according to any one of [1] to [6].
本発明の一側面によれば、高い残留磁束密度及び高い保磁力を両立するR‐T‐B系永久磁石が提供される。 According to one aspect of the present invention, an R-T-B permanent magnet that combines high residual magnetic flux density and high coercivity is provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態が説明される。図面において、同等の構成要素には同等の符号が付される。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。図1に示される矢印Cと2つの矢印ABは、互いに直交する3つの座標軸を示している。矢印Cは、R‐T‐B系永久磁石の磁化容易軸方向Cに相当する。2つの矢印ABそれぞれは、磁化容易軸方向Cに直交するAB方向に相当する。磁化容易軸方向C及びAB方向は、全ての図面に共通する。例えば、R‐T‐B系永久磁石は、R‐T‐B系熱間加工磁石(R-T-B based hot deformed magnet)、又はR‐T‐B系焼結磁石(R-T-B based sintered magnet)であってよい。下記実施形態では、簡略化のためにR‐T‐B系永久磁石が「永久磁石」と表記される。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, equivalent components are given the same reference numerals. The present invention is not limited to the following embodiment. The arrow C and two arrows AB shown in FIG. 1 indicate three coordinate axes perpendicular to each other. The arrow C corresponds to the magnetization easy axis direction C of the R-T-B permanent magnet. Each of the two arrows AB corresponds to the AB direction perpendicular to the magnetization easy axis direction C. The magnetization easy axis direction C and the AB direction are common to all the drawings. For example, the R-T-B permanent magnet may be an R-T-B based hot deformed magnet (R-T-B based hot deformed magnet) or an R-T-B based sintered magnet (R-T-B based sintered magnet). In the following embodiment, the R-T-B permanent magnet is referred to as "permanent magnet" for simplification.
(永久磁石)
本実施形態に係る永久磁石は、少なくとも希土類元素R、遷移金属元素T、及びホウ素(B)を含有する。
(Permanent magnet)
The permanent magnet according to this embodiment contains at least a rare earth element R, a transition metal element T, and boron (B).
永久磁石は、希土類元素Rとして、少なくともネオジム(Nd)を含有する。永久磁石は、Ndに加えて、更に他の希土類元素Rを含有してもよい。永久磁石に含有される他の希土類元素Rは、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であってよい。永久磁石2は、重希土類元素(例えば、Dy及びTbの両方)を含まなくてもよい。
The permanent magnet contains at least neodymium (Nd) as a rare earth element R. The permanent magnet may contain other rare earth elements R in addition to Nd. The other rare earth elements R contained in the permanent magnet may be at least one element selected from the group consisting of scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). The
永久磁石は、遷移金属元素Tとして、少なくとも鉄(Fe)を含有する。永久磁石は、遷移金属元素Tとして、Feのみを含有してよい。永久磁石は、遷移金属元素Tとして、Fe及びコバルト(Co)の両方を含有してもよい。 The permanent magnet contains at least iron (Fe) as the transition metal element T. The permanent magnet may contain only Fe as the transition metal element T. The permanent magnet may contain both Fe and cobalt (Co) as the transition metal element T.
図1中の(a)は、本実施形態に係る永久磁石2の斜視図であり、図1中の(b)は、永久磁石2の断面2csの模式図である。永久磁石2の断面2csは、永久磁石2の磁化容易軸方向Cに略平行又は完全に平行である。磁化容易軸方向Cは、永久磁石2の一対の磁極を結ぶ直線に平行な方向である。つまり、磁化容易軸方向Cは、永久磁石2のS極から永久磁石2のN極へ向く方向である。磁化容易軸方向Cは、永久磁石2の磁束分布の測定に基づいて特定されてよい。磁化容易軸方向Cは、永久磁石2から分離された分析用試料の磁束分布の測定に基づいて特定されてもよい。上述の通り、AB方向は、磁化容易軸方向Cに垂直である。
1A is a perspective view of the
本実施形態に係る永久磁石2は、直方体(板)である。ただし、永久磁石2の形状は、直方体に限定されない。例えば、永久磁石2の形状は、立方体、多角柱、アークセグメント、扇(annular sector)、球、円板、円柱、筒、又はリングであってよい。例えば、永久磁石2の断面2csの形状は、多角形、円弧(円弦)、弓形、アーチ形、C字形、又は円であってよい。
The
図2は、図1中の(b)に示される断面2csの一部(領域II)の拡大図である。図2に示されるように、永久磁石2は、複数の主相粒子4と、複数の軟磁性粒子6を含む。複数の主相粒子4は、硬磁性体(hard magnetic material)である。永久磁石2は、更に複数の副相粒子(sub-phase grains)8を含んでよい。
Figure 2 is an enlarged view of a portion (region II) of cross section 2cs shown in (b) of Figure 1. As shown in Figure 2,
複数の主相粒子4は、少なくとも希土類元素R、遷移金属元素T、及びBを含有する。主相粒子4は、希土類元素Rとして、少なくともNdを含む。主相粒子4は、遷移金属元素Tとして、少なくともFeを含む。主相粒子4は、一つの結晶粒(つまり一次粒子)と言い換えられえてよい。主相粒子4は、R2T14Bの結晶(単結晶又は多結晶)を含む。R2T14Bは、硬磁性(hard magnetism)を有する三元金属間化合物である。主相粒子4は、R2T14Bの結晶のみからなってよい。R2T14Bの結晶は、正方晶であってよい。つまり、R2T14Bの結晶軸は、a軸、b軸及びc軸であり、a軸、b軸及びc軸は、互いに直交し、R2T14Bのa軸方向の格子定数は、R2T14Bのb軸方向の格子定数と等しくてよく、R2T14Bのc軸方向の格子定数は、a軸方向及びb軸方向それぞれの格子定数と異なってよい。R2T14Bのc軸方向は、永久磁石2の磁化容易軸方向Cに略平行又は完全に平行であってよい。
The
例えば、主相粒子4を構成するR2T14Bは、(Nd1-xPrx)2(Fe1-yCoy)14Bと表されてもよい。xは0以上1未満であってよい。yは0以上1未満であってよい。主相粒子4は、Rとして、軽希土類元素に加えて、Tb及びDy等の重希土類元素を含有してもよい。R2T14BにおけるBの一部が、炭素(C)等の他の元素で置換されていてもよい。主相粒子4内の組成は均一であってよい。主相粒子4内の組成は不均一であってもよい。例えば、主相粒子4におけるR、T及びBそれぞれの濃度分布が勾配を有していてもよい。主相粒子4は、R、T及びBに加えて他の元素を含有してもよい。
For example, R 2 T 14 B constituting the
図2に示されるように、磁化容易軸方向Cに平行である断面2csにおいて観察される複数の主相粒子4は、扁平であってよい。換言すれば、断面2csにおいて観察される主相粒子4は、板状であってよい。扁平な複数の主相粒子4は、磁化容易軸方向Cに沿って積み重なっていてよい。永久磁石2は、互いに結合した複数の主相粒子4から構成される二次粒子を更に含んでよい。永久磁石2は、複数の二次粒子を含んでよい。
As shown in FIG. 2, the multiple
複数の軟磁性粒子6は、少なくともFeを含有する。複数の軟磁性粒子6は強磁性体(ferromagnetic material)である。複数の軟磁性粒子6中のFe及びCoの含有量の合計は、70質量%以上100質量%以下であってよい。軟磁性粒子6中のFe及びCoの含有量の合計が70質量%以上である場合、軟磁性粒子6が強磁性を有し易く、軟磁性粒子6の飽和磁束密度が、主相粒子4の飽和磁束密度よりも高くなり易く、軟磁性粒子6の残留磁束密度も、主相粒子4の残留磁束密度よりも高くなり易い。例えば、α-Fe相の飽和磁束密度Bsは2.15Tであり、Nd2Fe14Bの飽和磁束密度Bsは1.61Tである。複数の軟磁性粒子6は、Fe以外の元素を更に含んでよい。例えば、複数の軟磁性粒子6それぞれは、R、B、及びCoのうち少なくとも一つの元素を更に含んでよい。例えば、複数の軟磁性粒子6の少なくとも一部は、α-Fe相、R‐T相、Fe3B相、及びFe2Co相からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。例えば、複数の軟磁性粒子6それぞれは、α-Fe相、R‐T相、Fe3B相、及びFe2Co相からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。複数の軟磁性粒子6それぞれは、α-Fe相、R‐T相、Fe3B相、及びFe2Co相からなる群より選ばれる少なくとも一つのみからなっていてよい。複数の軟磁性粒子6がFeを含有する限りにおいて、永久磁石2は、組成において異なる複数の種類の軟磁性粒子6を含んでよい。複数の軟磁性粒子6の組成は同一であってもよい。複数の軟磁性粒子6それぞれは、単結晶又は多結晶であってよい。
R‐T相は、希土類元素R及び遷移金属元素Tを含む。R‐T相に含まれるTの少なくとも一部は、Feである。R‐T相は、Tとして、Fe以外の遷移金属元素(例えば、Co及びCuのうち少なくとも一つ)を更に含んでよい。R‐T相に含まれるRの少なくとも一部は、Ndであってよい。R‐T相は、Rとして、Ndに加えて、一種以上の他の希土類元素を更に含んでもよい。R‐T相は、Bを更に含んでもよい。一つの軟磁性粒子6中の全てのRの濃度(単位:原子%)は、[R]と表されてよく、一つの軟磁性粒子6中の全てのTの濃度(単位:原子%)は、[T]と表されてよく、R‐T相を含む軟磁性粒子6の[T]/[R]は、8.4以上8.8以下であってよい。例えば、複数の軟磁性粒子6の少なくとも一部は、R‐T相として、R2T17相を含んでよい。つまり、R2T17相を含む軟磁性粒子6の[T]/[R]は、8.5であってよい。R‐T相は、結晶質であってよい。例えば、R‐T相の結晶構造は、Th2Zn17型構造、Th2Ni17型構造、又はTbCu7型構造であってよい。R‐T相の結晶構造は、走査透過電子顕微鏡(STEM)によって同定されてよい。
The soft
The R-T phase includes a rare earth element R and a transition metal element T. At least a part of the T included in the R-T phase is Fe. The R-T phase may further include a transition metal element other than Fe (for example, at least one of Co and Cu) as T. At least a part of the R included in the R-T phase may be Nd. The R-T phase may further include one or more other rare earth elements in addition to Nd as R. The R-T phase may further include B. The concentration (unit: atomic %) of all R in one soft
磁化容易軸方向Cに平行である断面2csは、複数の軟磁性領域smを含む。複数の軟磁性領域smそれぞれは、磁化容易軸方向Cに略垂直又は完全に垂直な方向(AB方向)に沿って整列する複数の軟磁性粒子6を含む。磁化容易軸方向Cと、複数の軟磁性領域smそれぞれにおいて複数の軟磁性粒子6が整列する方向と、の間の角度は、45°より大きく90°以下、好ましくは90°であってよい。複数の軟磁性領域smそれぞれは、複数の軟磁性粒子6のみからなっていてよい。軟磁性領域smにおいて隣接する軟磁性粒子6同士は、直接接していてよい。軟磁性を有しない他の粒子が、軟磁性領域smにおいて整列する複数の軟磁性粒子6の間に介在してよい。例えば、一つ以上の副相粒子8が、軟磁性領域smにおいて整列する複数の軟磁性粒子6の間に介在してよい。つまり、複数の軟磁性粒子6、及び一つの以上の副相粒子8が、複数の軟磁性領域smそれぞれにおいて、磁化容易軸方向Cに略垂直又は完全に垂直な方向(AB方向)に沿って整列していてよい。軟磁性領域smは、軟磁性層と言い換えられてよい。磁化容易軸方向Cに垂直な方向(AB方向)における軟磁性領域smの幅(長さ)は限定されない。例えば、磁化容易軸方向Cに垂直な方向(AB方向)における軟磁性領域smの幅(長さ)は、50μm以上300μm以下であってよい。
The cross section 2cs parallel to the magnetization easy axis direction C includes a plurality of soft magnetic regions sm. Each of the plurality of soft magnetic regions sm includes a plurality of soft
複数の主相粒子4と複数の軟磁性領域smが、磁化容易軸方向Cにおいて、交互に配置されている。換言すれば、一つ以上の主相粒子4が、磁化容易軸方向Cにおいて一対の軟磁性領域smによって挟まれている。換言すれば、一つ以上の主相粒子4と、軟磁性領域smに含まれる一つ以上の軟磁性粒子6が、磁化容易軸方向Cにおいて、交互に配置されている。主相粒子4と軟磁性領域sm(軟磁性領域sm中の軟磁性粒子6)は、磁化容易軸方向Cにおいて直接接してよい。粒界相が、磁化容易軸方向Cにおいて主相粒子4と軟磁性領域sm(軟磁性領域sm中の軟磁性粒子6)との間に介在してもよい。
A plurality of
結晶磁気異方性を有する一つ以上の主相粒子4(硬磁性相)と、主相粒子4よりも大きい飽和磁化を有する複数の軟磁性領域sm(軟磁性層)が、磁化容易軸方向Cにおいて交互に配置されているので、微細な主相粒子4と微細な軟磁性領域smの間に強い交換相互作用が働き易い。軟磁性領域smの磁化が反転しても、主相粒子4と軟磁性領域smとの間の強い交換相互作用が働くため、反転磁区が伝播し難く、永久磁石2は硬磁性に優れ、高い保磁力を有することができる。加えて、複数の軟磁性領域sm(軟磁性層)が主相粒子4と交互に配置されていることで、軟磁性領域smと主相粒子4との間に、静磁学的(magnetostatical)な磁気交換相互作用が働く、と発明者は推察している。従来の交換スプリング磁石(ナノコンポジット磁石)では、高い残留磁束密度を達成するために、short-range(例えば、数nm以下である距離)での主相粒子及び軟磁性相の間の直接的な磁気結合状態が必要である。対照的に、本実施形態に係る永久磁石2においては、long-range(例えば、数十μm以上である距離)での主相粒子4及び軟磁性領域smの間の静磁学的な磁気交換相互作用が働き得る、と発明者は推察している。上記の理由により、永久磁石2は、複数の軟磁性領域smの大きい飽和磁化に由来する高い残留磁束密度を有することができる。従来の交換スプリング磁石(ナノコンポジット磁石)では、複数の軟磁性粒子が整列することなく硬磁性相中にランダムに分散している。したがって、従来の交換スプリング磁石では、主相粒子4及び軟磁性領域sm(軟磁性層)の配置に起因する上記メカニズムは成立せず、高い残留磁束密度と高い保磁力は両立し難い。
Since one or more main phase grains 4 (hard magnetic phase) having magnetocrystalline anisotropy and a plurality of soft magnetic regions sm (soft magnetic layers) having a saturation magnetization larger than that of the
磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性粒子6の幅S6(例えば、最大幅)の平均値は、20nm(0.02μm)以上5μm以下である。磁化容易軸方向Cに平行な断面2csにおいて測定される複数の軟磁性粒子6の粒径(grain diameter)の平均値は、磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性粒子6の幅S6(例えば、最大幅)の平均値とみなされてよい。つまり、磁化容易軸方向Cに平行な断面2csにおける複数の軟磁性粒子6の粒径の平均値は、20nm以上5μm以下であってよい。磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性粒子6の粒径の平均値は、50nm以上5μm以下、又は20nm以上2.11μm以下であってもよい。磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向における複数の軟磁性粒子6の幅L6(例えば、最大幅)の平均値も、20nm以上5μm以下、50nm以上5μm以下、又は20nm以上2.11μm以下であってよい。少なくとも一部の軟磁性粒子6は扁平であってよい。つまり、磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性粒子6それぞれの幅S6は、磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向における複数の軟磁性粒子6それぞれの幅L6よりも小さくてもよい。
The average value of the width S6 (e.g., maximum width) of the multiple soft
複数の軟磁性粒子6の幅S6の平均値が20nm以上5μm以下であるので、磁化容易軸方向Cにおける主相粒子4と軟磁性領域sm(軟磁性粒子6)との間の交換相互作用に因り、高い保磁力を達成することができる。永久磁石2の熱処理過程(例えば、後述される熱間塑性加工工程)において、軟磁性粒子6の粒成長が進行するので、磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性粒子6の幅S6の平均値を20nm未満に調整することは困難である。複数の軟磁性粒子6の幅S6の平均値が5μmを超える場合、局所的な反磁界に因る磁化反転が生じてしまい、保磁力が顕著に低下する。従来の交換スプリング磁石(ナノコンポジット磁石)では、高い保磁力と高い残留磁束密度を達成するためには、主相粒子4及び軟磁性粒子6それぞれの粒径の臨界値(上限値)は10nmであることが、理論的に予測されていた。従来の予測に反して、発明者の研究は、磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性粒子6の幅S6の平均値が20nm以上であるにもかかわらず、高い残留磁束密度及び高い保磁力が両立することを明らかにした。
Since the average value of the width S6 of the multiple soft
本実施形態では、硬磁性相と軟磁性相との間の磁気結合が静磁気学的に形成されているので、主相粒子4及び軟磁性粒子6それぞれの粒子径への厳しい制約が緩和される、と発明者は推察している。更に本実施形態では、軟磁性粒子6の粒径及び分布が最適化されているので、高い保磁力を維持しながらも、高い残留磁束密度を達成することができる。
In this embodiment, the magnetic coupling between the hard magnetic phase and the soft magnetic phase is formed magnetostatically, so the inventors speculate that the strict constraints on the particle size of each of the
例えば、23℃での永久磁石2の保磁力(HcJ)は、1103kA/m以上1473kA/m以下であってよい。
例えば、室温での永久磁石2の残留磁束密度(Br)は、1447mT以上1533mT以下であってよい。
例えば、永久磁石2の角形比(Hk/HcJ)は、95.2%以上98.8%以下であってよい。Hkとは、永久磁石2の磁化曲線の第二象限における残留磁束密度の90%に相当する減磁界の強度である。
For example, the coercive force (HcJ) of the
For example, the residual magnetic flux density (Br) of the
For example, the squareness ratio (Hk/HcJ) of the
磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性領域smの間隔iの平均値は、4μm以上15μm以下、4.03μm以上12.17μm以下、又は4.23μm以上12.17μm以下であってよい。換言すれば、磁化容易軸方向Cにおいて、複数の軟磁性領域smに含まれる複数の軟磁性粒子6の間隔iの平均値は、4μm以上15μm以下、4.03μm以上12.17μm以下、又は4.23μm以上12.17μm以下であってよい。複数の軟磁性領域smの間隔iの平均値が上記範囲内である場合、高い保磁力を維持しつつ、高い残留磁束密度を達成し易い。例えば、磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性領域smの間隔iとは、磁化容易軸方向Cに平行な断面2csにおいて、磁化容易軸方向Cに平行な任意の基準線Lc上において隣り合う一対の軟磁性粒子6間の距離であってよい。例えば、磁化容易軸方向Cにおける複数の軟磁性領域smの間隔iの平均値は、磁化容易軸方向Cに平行な任意の10つの基準線Lc上において測定された全ての間隔iの平均値であってよい。
The average value of the spacing i between the multiple soft magnetic regions sm in the magnetization easy axis direction C may be 4 μm or more and 15 μm or less, 4.03 μm or more and 12.17 μm or less, or 4.23 μm or more and 12.17 μm or less. In other words, the average value of the spacing i between the multiple soft
断面2csにおける複数の軟磁性粒子6の面積分率(面積の割合)が、4%以上15%以下、又は4.11%以上12.10%以下であってよい。断面2csにおける複数の軟磁性粒子6の面積分率の平均値が、4%以上15%以下、又は4.11%以上12.10%以下であってもよい。例えば、磁化容易軸方向Cに平行な断面2csの任意の一部分である領域II(図2に示される領域II)の面積は、Acsと表されてよく、領域II内に存在する全ての軟磁性粒子6の面積(断面積)の合計が、Asmと表されてよく、面積分率Raは、Asm/Acsと定義されてよい。つまり、Asm/Acsが、0.04以上0.15以下であってよい。面積分率が4%以上である場合、永久磁石2が、複数の軟磁性粒子6に由来する高い残留磁束密度を有し易い。面積分率が15%以下である場合、軟磁性粒子6を起点とする磁化反転が抑制され易く、永久磁石2が高い保磁力を有し易い。例えば、断面2csにおける複数の主相粒子4の面積分率は、80%以上96%以下、90%以上96%以下、又は95%以上96%以下であってよい。
The area fraction (area ratio) of the soft
例えば、複数の主相粒子4の体積比率(永久磁石2における全ての主相粒子4の体積の割合)は、80体積%以上96体積%以下、90体積%以上96体積%以下、又は95体積%以上96体積%以下であってよい。例えば、複数の軟磁性粒子6の体積比率(永久磁石2における全ての軟磁性粒子6の体積の割合)は、4体積%以上15体積%以下、又は4.11体積%以上12.10体積%以下であってよい。
For example, the volume ratio of the multiple main phase particles 4 (proportion of the volume of all
上述の通り、磁化容易軸方向Cに平行である断面2csにおいて観察される複数の主相粒子4は、扁平であってよい。例えば、磁化容易軸方向Cにおける複数の主相粒子4(一次粒子)それぞれの幅S4は、磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向における複数の主相粒子4それぞれの幅L4よりも小さくてよい。換言すれば、各主相粒子4の短軸(short axis)の長さ(S4)は、各主相粒子4の長軸(long axis)の長さ(L4)よりも小さくてよい。例えば、磁化容易軸方向Cにおける複数の主相粒子4の幅S4の平均値は、20nm以上200nm以下、又は67nm以上95nm以下であってよい。例えば、磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向における複数の主相粒子4の幅L4の平均値は、100nm以上1000nm以下であってよい。例えば、複数の主相粒子4それぞれのアスペクト比L4/S4の平均値は、2以上10以下であってよい。例えば、永久磁石2が後述される熱間塑性加工工程によって製造される場合、アスペクト比L4/S4が2以上であることに因り、主相粒子4のc軸が磁化容易軸方向Cにおいて配向し易く、保磁力が増加し易い。2以上のアスペクト比L4/S4は、熱間塑性加工工程において主相粒子4(R2T14Bの結晶)の異方的な粒成長が十分に進行していることを示している。熱間塑性加工工程における主相粒子4の異方的な粒成長には限界があるので、アスペクト比L4/S4は10を超え難い。
As described above, the
断面2csにおける主相粒子4の形状は長方形に限定されない。断面2csにおける主相粒子4の形状は歪であってよい。断面2csにおける主相粒子4の形状は一様でなくてよい。断面2csにおける主相粒子4の形状が歪である場合、主相粒子4の形状は、主相粒子4に外接する四角形のうち面積が最小である四角形で近似されてよい。四角形は、長方形であってよい。この四角形の短辺の長さが、主相粒子4の短軸の長さとみなされてよく、上記四角形の長辺の長さが、主相粒子4の長軸の長さとみなされてよい。主相粒子4の短軸の長さの平均値は、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影される断面2csの反射電子像内に存在する全ての主相粒子4の短軸の長さの測定値から算出されてよい。主相粒子4の長軸の長さの平均値も、上記反射電子像内に存在する全ての主相粒子4の長軸の長さの測定値から算出されてよい。ただし、反射電子像からはみ出している主相粒子4の寸法は、平均値の計算から除外される。例えば、主相粒子4の短軸及び長軸それぞれの長さの測定に用いる反射電子像の寸法の最大値は、縦120μm×横80μm、又は縦80μm×横120μmであってよい。これらの低倍率で撮影された反射電子像内の代表的な複数の箇所を選定して、各箇所の反射電子像が高倍率で撮影されてよい。そして、高倍率の反射電子像内で測定された全主相粒子4の長軸及び短軸それぞれの長さから、長軸及び短軸それぞれの平均値が算出されてよい。以上の主相粒子4の形状(輪郭線)の特定、及び主相粒子4(主相粒子4に外接する四角形)の寸法の測定には、市販の画像解析ソフトが用いられてよい。
The shape of the
主相粒子4は、表層部と、表層部に覆われた中心部、とから構成されていてよい。表層部はシェルと言い換えられてよく、中心部はコアと言い換えられてよい。主相粒子4の表層部は、Tb及びDyのうち少なくとも一種の重希土類元素を含有してよい。全ての主相粒子4それぞれの表層部が、Tb及びDyのうち少なくとも一種の重希土類元素を含有してよい。全ての主相粒子4のうち一部の主相粒子4の表層部が、Tb及びDyのうち少なくとも一種の重希土類元素を含有してもよい。表層部が重希土類元素を含有することにより、粒界近傍において異方性磁界が局所的に増加し易く、粒界近傍において磁化反転の核が発生し難い。その結果、高温(例えば、100~200℃)での永久磁石2の保磁力が増加する。永久磁石2の残留磁束密度(Br)及び保磁力が両立し易いことから、表層部における重希土類元素の濃度の合計は、中心部における重希土類元素の濃度の合計よりも高くてよい。
The
上述の通り、一つ以上の副相粒子8が、軟磁性領域smにおいて整列する複数の軟磁性粒子6の間に介在してよい。例えば、副相粒子8は、希土類元素Rの酸化物、及び希土類元素Rからなる金属のうち少なくとも一つを含んでよい。副相粒子8は、希土類元素Rの酸化物、及び希土類元素Rからなる金属のうち少なくとも一つのみからなっていてもよい。例えば、副相粒子8に含まれる希土類元素Rの酸化物は、Nd2O3又はNdOであってよい。例えば、副相粒子8に含まれる金属は、六方最密充填構造を有するNdの結晶であってよい。Ndの結晶を含む副相粒子8は、軟磁性及び強磁性を有してよい。副相粒子8は、硬磁性、軟磁性、及び強磁性のいずれも有していなくてもよい。
As described above, one or
永久磁石2は、粒界相を更に含んでよい。例えば、粒界相は、3つ以上の主相粒子4に囲まれた粒界(粒界多重点)に存在してよい。例えば、粒界相は、2つの主相粒子4間の粒界(二粒子粒界)に存在してもよい。例えば、粒界相は、主相粒子4と軟磁性領域sm(軟磁性粒子6)との間に存在してもよい。例えば、粒界相は、軟磁性粒子6と副相粒子8の間に存在してもよい。
The
例えば、少なくとも一部の粒界相は、Rリッチ相であってよい。Rリッチ相は、強磁性体であり、且つ軟磁性体であってよい。Rリッチ相は、少なくとも希土類元素Rを含有する。例えば、Rリッチ相は、Rとして、Ndを含有してよい。Rリッチ相は、Rとして、Ndに加えて、一種以上の他の希土類元素を更に含有してよい。Rリッチ相は、Rとして、Ndに加えて、一種以上の重希土類元素を含有してよい。Rリッチ相は、Rに加えて、R以外の一種以上の元素を更に含有してよい。Rリッチ相は、金属単体、合金、金属間化合物、及び酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一つを含有してよい。例えば、一部又は全部のRリッチ相は、Rの単体、Rを含む合金、及びRを含む金属化合物のうち少なくとも一つのみからなっていてよい。一部又は全部のRリッチ相は、Rの酸化物を含有してもよい。例えば、Rの酸化物は、Ndの酸化物であってよい。主相粒子4の酸化された表面が、Rの酸化物であってもよい。一部のRリッチ相は、Rの酸化物のみからなっていてもよい。Rリッチ相におけるRの濃度(単位:原子%)は、主相粒子4におけるRの濃度の平均値よりも高くてよい。Rリッチ相におけるRの濃度は、上記断面2csにおけるRの濃度の平均値よりも高くてよい。永久磁石2が複数種のRを含有する場合、Rの濃度とは、複数種のRの濃度の合計であってよい。永久磁石2は、Rリッチ相以外の粒界相を含んでよい。例えば、永久磁石2は、R-Fe-Ga-Cu相及びR-Fe-Co-Cu相のうち少なくとも一つの粒界相を含んでよい。R-Fe-Ga-Cu相は、R、Fe、Ga、及びCuを含む相である。R-Fe-Co-Cu相は、R、Fe、Co、及びCuを含む相である。
For example, at least a part of the grain boundary phase may be an R-rich phase. The R-rich phase may be a ferromagnetic material and a soft magnetic material. The R-rich phase contains at least a rare earth element R. For example, the R-rich phase may contain Nd as R. The R-rich phase may further contain one or more other rare earth elements in addition to Nd as R. The R-rich phase may contain one or more heavy rare earth elements in addition to Nd as R. The R-rich phase may further contain one or more elements other than R in addition to R. The R-rich phase may contain at least one selected from the group consisting of a metal element, an alloy, an intermetallic compound, and an oxide. For example, a part or all of the R-rich phase may be composed of only at least one of a metal element, an alloy containing R, and a metal compound containing R. A part or all of the R-rich phase may contain an oxide of R. For example, the oxide of R may be an oxide of Nd. The oxidized surface of the
例えば、永久磁石2は、後述される粒界拡散工程によって永久磁石2内に導入される元素を含む粒界相を含んでよい。例えば、粒界拡散工程によって永久磁石2内に導入される元素は、Tb及びDyのうち少なくとも一種の重希土類元素であってよい。粒界拡散工程によって永久磁石2内に導入される元素は、重希土類元素及び軽希土類元素であってよく、軽希土類元素は、Nd及びPrのうち少なくとも一つであってよい。粒界拡散工程によって永久磁石2内に導入される元素は、重希土類元素、軽希土類元素、及び銅であってもよい。Nd-Cu及びNd‐Al等の共晶合金が、粒界拡散工程によって永久磁石2内に導入されてもよい。
For example, the
例えば、磁化容易軸方向Cにおける永久磁石2の寸法は、数mm以上数百mm以下、又は数十mm以上数百mm以下であってよい。例えば、AB方向における永久磁石2の寸法は、数mm以上数百mm以下、又は数十mm以上数百mm以下であってよい。
For example, the dimension of the
主相粒子4、軟磁性粒子6、副相粒子8、及び粒界相それぞれは、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影された永久磁石2の断面2csの反射電子像のコントラストに基づいて識別することができる。原子の原子量の増加に伴って、反射電子像における原子の輝度(単位:任意単位)は増加する。Feの原子量は、希土類元素Rの原子量よりも小さい。したがって、反射電子像中のFeの輝度は、反射電子像中の希土類元素Rの輝度よりも低い。軟磁性粒子6におけるFeの濃度(単位:原子%)は、断面2csのうち軟磁性粒子6以外の部分におけるFeの濃度よりも高い。軟磁性粒子6における希土類元素Rの濃度は、断面2csのうち軟磁性粒子6以外の部分における希土類元素Rの濃度(単位:原子%)よりも低い。したがって、断面2csの反射電子像における軟磁性粒子6の輝度は、断面2csのうち軟磁性粒子6以外の部分に比べて低い。つまり、断面2csの反射電子像において暗い部分(gray valueが大きい部分)が、軟磁性粒子6に相当する。主相粒子4、軟磁性粒子6、副相粒子8、及び粒界相それぞれの組成は、SEM又はSTEMに搭載されたエネルギー分散型X線分光(EDS)装置によって分析されてよい。
The
永久磁石2の全体の組成が、以下に説明される。ただし、永久磁石2の組成は下記の組成に限定されない。永久磁石2中の各元素の含有量は、下記の範囲を外れてもよい。
The overall composition of
例えば、永久磁石2中の希土類元素Rの含有量は、26質量%以上32質量%以下であってよい。Rの含有量が26質量%以上である場合、永久磁石2の製造過程において液相(Rリッチ相)が粒界に生成し易く、永久磁石2の保磁力が高まり易い。またRの含有量が26質量%以上である場合、過剰な軟磁性相(α-Fe相等)の形成が抑制され、軟磁性粒子6の幅(粒径)の最大値、及び磁化容易軸方向における軟磁性領域の間隔それぞれを所望の範囲内に制御し易い。一方、Rの含有量が32質量%以下である場合、過剰な液相(Rリッチ相)の生成が抑制され、主相の体積比率が高まり易い。またRの含有量が32質量%以下である場合、後述される薄帯作製工程(超急冷凝固法)において、軟磁性粒子6の前駆体である軟磁性相が、合金薄帯(allоy ribbon)の表面に析出(precipitate)し易い。
For example, the content of the rare earth element R in the
残留磁束密度及び保磁力が増加し易いことから、全希土類元素Rに占めるNd及びPrの割合の合計は、80原子%以上100原子%以下、又は95原子%以上100原子%以下であってよい。 Since the residual magnetic flux density and coercive force are likely to increase, the total proportion of Nd and Pr in the total rare earth elements R may be 80 atomic % or more and 100 atomic % or less, or 95 atomic % or more and 100 atomic % or less.
永久磁石2におけるTb及びDyの含有量の合計値は、0.00質量%以上5.00質量%以下であってよい。永久磁石2がTb及びDyのうち少なくとも一種の重希土類元素を含有することにより、永久磁石2の磁気特性(特に高温での保磁力)が増加し易い。ただし、永久磁石2はTb及びDyを含有しなくてもよい。
The total content of Tb and Dy in the
R‐T‐B系永久磁石中のBの含有量は、0.77質量%以上1.15質量%以下であってよい。Bの含有量が0.77質量%以上である場合、面内異方性を有するTbCu7型R2Fe17相等の異相(heterogeneous phase)の形成が適度に抑制され、保磁力が増加し易い。Bの含有量が1.15質量%以下である場合、R1+εFe4B4(Boride)等の異相の形成が抑制され、保磁力が増加し易い。Bの含有量が上記の範囲内である場合、永久磁石2の角型比が1.0に近づき易い。
The content of B in the R-T-B system permanent magnet may be 0.77% by mass or more and 1.15% by mass or less. When the content of B is 0.77% by mass or more, the formation of heterogeneous phases such as TbCu7 type R2Fe17 phase having in-plane anisotropy is moderately suppressed, and the coercive force is likely to increase. When the content of B is 1.15% by mass or less, the formation of heterogeneous phases such as R1 + εFe4B4 (Boride) is suppressed, and the coercive force is likely to increase. When the content of B is within the above range, the squareness ratio of the
永久磁石2は、ガリウム(Ga)を含有してよい。例えば、Gaの含有量は、0.03質量%以上1.00質量%以下、又は0.20質量%以上0.80質量%以下であってよい。Gaの含有量が上記範囲内である場合、副相(例えば、R、T及びGaを含有する相)の生成が適度に抑制され、永久磁石2の残留磁束密度及び保磁力が増加し易い。ただし、永久磁石2はGaを含有しなくてもよい。
The
永久磁石2は、アルミニウム(Al)を含有してもよい。例えば、永久磁石2におけるAlの含有量は、0.01質量%以上0.2質量%以下、又は0.04質量%以上0.07質量%以下であってよい。Alの含有量が上記範囲内であることにより、永久磁石の保磁力及び耐食性が向上し易い。ただし、永久磁石2はAlを含有しなくてもよい。
The
永久磁石2は、銅(Cu)を含有してよい。例えば、永久磁石2におけるCuの含有量は0.01質量%以上1.50質量%以下、又は0.04質量%以上0.50質量%以下であってよい。Cuの含有量が上記範囲内であることにより、永久磁石2を鍛造(fоrge)し易く、永久磁石2の保磁力、耐食性及び温度特性が向上し易い。ただし、永久磁石2はCuを含有しなくてもよい。
The
永久磁石2は、コバルト(Co)を含有してよい。例えば、永久磁石2におけるCoの含有量は、0.30質量%以上6.00質量%以下、又は0.30質量%以上4.00質量%以下であってよい。永久磁石2がCoを含有することにより、永久磁石2のキュリー温度が向上し易い。また永久磁石2がCoを含有することにより、永久磁石2の耐食性が向上し易い。ただし、永久磁石2はCoを含有しなくてもよい。
The
永久磁石2から上記の元素を除いた残部は、Feのみ、又はFe及びその他の元素であってよい。永久磁石2が十分な磁気特性を有するためには、残部のうち、Fe以外の元素の含有量の合計は、永久磁石2の全質量に対して5質量%以下であってよい。
The remainder of
永久磁石2は、その他の元素(例えば、不可避不純物)として、珪素(Si)、チタン(Ti)、Mn(マンガン)、Zr(ジルコニウム)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ビスマス(Bi)、錫(Sn)、カルシウム(Ca)、炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、塩素(Cl)、硫黄(S)、及びフッ素(F)からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含有してよい。例えば、永久磁石2におけるその他の元素の含有量の合計は、0.001質量%以上0.50質量%であってよい。
The
例えば、永久磁石2全体の組成は、蛍光X線(XRF)分析法、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法、不活性ガス融解‐非分散型赤外線吸収(NDIR)法、酸素気流中燃焼‐赤外吸収法、及び不活性ガス融解‐熱伝導度法等によって分析されてよい。
For example, the composition of the entire
永久磁石2は、モーター、発電機、又はアクチュエーター等に適用されてよい。例えば、永久磁石2は、ハイブリッド自動車、電気自動車、ハードディスクドライブ、磁気共鳴画像装置(MRI)、スマートフォン、デジタルカメラ、薄型TV、スキャナー、エアコン、ヒートポンプ、冷蔵庫、掃除機、洗濯乾燥機、エレベーター、及び風力発電機等の様々な分野で利用される。
The
(永久磁石の製造方法)
本実施形態に係る永久磁石の製造方法は、薄帯作製(ribbon preparation)工程、熱間成形(hоt pressing)工程、及び熱間塑性加工(hоt defоrming)工程を含んでよい。永久磁石の製造方法は、熱間塑性加工に続く粒界拡散工程等の他の工程を更に含んでよい。ただし、粒界拡散工程は必須ではない。
(Manufacturing method of permanent magnets)
The method for producing a permanent magnet according to the present embodiment may include a ribbon preparation step, a hot pressing step, and a hot deforming step. The method for producing a permanent magnet may further include other steps, such as a grain boundary diffusion step, following the hot deforming step. However, the grain boundary diffusion step is not essential.
製造過程における永久磁石及びその仕掛品の酸化を抑制するために、永久磁石の製造方法は非酸化的雰囲気下において実施されてよい。例えば、非酸化的雰囲気は、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスであってよい。非酸化的雰囲気は、不活性ガスに加えて水素ガス(H2)等の還元性ガスを更に含んでよい。 In order to suppress oxidation of the permanent magnet and its work-in-progress during the manufacturing process, the manufacturing method of the permanent magnet may be carried out under a non-oxidizing atmosphere. For example, the non-oxidizing atmosphere may be an inert gas such as argon (Ar) gas. The non-oxidizing atmosphere may further contain a reducing gas such as hydrogen gas (H 2 ) in addition to the inert gas.
薄帯作製工程は、超急冷凝固法(rapid-solidification method)によって原料金属から合金薄帯を作製する工程である。得られる。超急冷凝固法では、容器(crucible)内の溶湯が、容器の先端に位置するノズルから冷却ロールの表面へ噴射(eject)される。溶湯は、冷却ロール(cooled roll)の表面に接触し、高速で回転する冷却ロールによって瞬時に弾き飛ばされ、多数の細長いリボン状になる。冷却ロールの表面への接触により、溶湯は急速に冷却され、凝固する。その結果、多数の細長い合金薄帯が形成される。冷却ロールによって合金薄帯が弾き飛ばされる方向には、容器が設置されており、合金薄帯が容器内へ回収される。合金薄帯は非晶質の微細構造を有してよい。後述される熱間成形工程中の加熱により、合金薄帯が結晶化する。永久磁石中の軟磁性粒子の前駆体である軟磁性相(例えば、α-Fe相)は、合金薄帯の表面に析出する。合金薄帯において軟磁性相(例えば、α-Fe相)が析出し易い表面は、合金薄帯において冷却ロールに接触する表面の裏面である。超急冷凝固法によって合金薄帯が形成される過程は、熱力学的に非平衡過程であるので、溶湯が、平衡相図では軟磁性相が形成されないような組成を有していたとしても、軟磁性相(例えば、α-Fe相、及びR-T相)を合金薄帯の表面に形成することができる。
軟磁性相のうちR-T相は、準安定相であり、熱間塑性加工工程において、希土類元素Rを主成分とする液相とR-T相が反応して、R-T相が主相とα-Fe相に分解され易い。合金薄帯中の希土類元素Rの含有量が多いほど、熱間塑性加工工程において液相が生じ易く、液相との反応によってR-T相が分解され易く、軟磁性粒子中のα-Fe相の割合が高まり易い。α-Fe相の飽和磁化はR‐T相の飽和磁化に比べて高いので、軟磁性粒子中のα-Fe相の含有量の増加に伴って、永久磁石の残留磁束密度が高まり易い。
The ribbon production process is a process of producing an alloy ribbon from raw metal by the rapid solidification method. In the rapid solidification method, the molten metal in a crucible is ejected from a nozzle located at the tip of the container onto the surface of a chill roll. The molten metal comes into contact with the surface of the chill roll, and is instantly thrown off by the chill roll rotating at high speed, becoming a large number of elongated ribbons. The molten metal is rapidly cooled and solidified by contact with the surface of the chill roll. As a result, a large number of elongated alloy ribbons are formed. A container is installed in the direction in which the alloy ribbon is thrown off by the chill roll, and the alloy ribbon is collected in the container. The alloy ribbon may have an amorphous microstructure. The alloy ribbon is crystallized by heating during the hot forming process described later. A soft magnetic phase (e.g., α-Fe phase), which is a precursor of soft magnetic particles in a permanent magnet, precipitates on the surface of the alloy ribbon. The surface of the alloy ribbon on which the soft magnetic phase (e.g., α-Fe phase) is likely to precipitate is the surface opposite to the surface of the alloy ribbon that comes into contact with a cooling roll. Since the process of forming the alloy ribbon by the ultra-rapid solidification method is a thermodynamically non-equilibrium process, even if the molten metal has a composition in which a soft magnetic phase is not formed in an equilibrium phase diagram, a soft magnetic phase (e.g., α-Fe phase and R-T phase) can be formed on the surface of the alloy ribbon.
Among the soft magnetic phases, the R-T phase is a metastable phase, and in the hot plastic working process, the R-T phase reacts with a liquid phase mainly composed of a rare earth element R, and the R-T phase is easily decomposed into a main phase and an α-Fe phase. The higher the content of the rare earth element R in the alloy ribbon, the more easily a liquid phase is generated in the hot plastic working process, the more easily the R-T phase is decomposed by reaction with the liquid phase, and the more easily the proportion of the α-Fe phase in the soft magnetic particles increases. Since the saturation magnetization of the α-Fe phase is higher than that of the R-T phase, the remanence of the permanent magnet is easily increased as the content of the α-Fe phase in the soft magnetic particles increases.
溶湯は、永久磁石を構成する各元素を含む金属(原料金属)である。例えば、原料金属は、希土類元素の単体(金属単体)、希土類元素を含有する合金、純鉄、フェロボロン、又はこれらを含有する合金であってよい。これらの原料金属は、所望の永久磁石の組成に一致するように秤量される。 The molten metal is a metal (raw metal) containing each of the elements that make up the permanent magnet. For example, the raw metal may be a rare earth element (metal element), an alloy containing a rare earth element, pure iron, ferroboron, or an alloy containing these. These raw metals are weighed out to match the composition of the desired permanent magnet.
溶湯は、容器内の原料金属を高周波誘導加熱によって加熱することに得られてよい。例えば、ノズルから噴射される溶湯の温度(噴射温度)は、1300℃以上1400℃以下であってよい。例えば、原料金属の温度が噴射温度に達するまでの昇温速度は、約20~100℃/秒であってよい。 The molten metal may be obtained by heating the raw metal in the container by high-frequency induction heating. For example, the temperature of the molten metal sprayed from the nozzle (spray temperature) may be 1300°C or higher and 1400°C or lower. For example, the rate of temperature rise until the temperature of the raw metal reaches the spray temperature may be about 20 to 100°C/sec.
例えば、ノズルは石英製であってよい。例えば、ノズルの孔径は、0.6mm以上1.0mm以下であってよい。ノズルの孔径が0.6mm以上1.0mm以下である場合、ノズルの孔径が0.6mm未満である場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が15μmを超え易い。ノズルの孔径が1.0mmを超える場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が4μm未満になり易く、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が、5μmを超え易い。 For example, the nozzle may be made of quartz. For example, the nozzle hole diameter may be 0.6 mm or more and 1.0 mm or less. When the nozzle hole diameter is 0.6 mm or more and 1.0 mm or less, if the nozzle hole diameter is less than 0.6 mm, the average spacing between the multiple soft magnetic regions in the easy axis direction is likely to exceed 15 μm. When the nozzle hole diameter exceeds 1.0 mm, the average spacing between the multiple soft magnetic regions in the easy axis direction is likely to be less than 4 μm, and the average width (grain size) of the multiple soft magnetic particles in the easy axis direction is likely to exceed 5 μm.
溶湯の酸化を抑制するために、溶湯の容器内の雰囲気は、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスで置換されてよい。例えば、溶湯の容器内の気圧は、100kPa以上240kPa以下であってよい。冷却ロールは、チャンバー内に設置されている。溶湯及び合金薄帯の酸化(Rの酸化物の生成)を抑制するために、チャンバー内の雰囲気は、アルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスで置換されてよい。同様の理由から、チャンバー内の雰囲気は、不活性ガスに加えて水素ガス(H2)等の還元性ガスを含んでよい。例えば、チャンバー内の気圧は、60kPa以上200kPa以下であってよい。 In order to suppress oxidation of the molten metal, the atmosphere in the container of the molten metal may be replaced with an inert gas such as argon (Ar) gas. For example, the air pressure in the container of the molten metal may be 100 kPa or more and 240 kPa or less. The cooling roll is installed in the chamber. In order to suppress oxidation of the molten metal and the alloy ribbon (generation of oxides of R), the atmosphere in the chamber may be replaced with an inert gas such as argon (Ar) gas. For the same reason, the atmosphere in the chamber may contain a reducing gas such as hydrogen gas (H 2 ) in addition to the inert gas. For example, the air pressure in the chamber may be 60 kPa or more and 200 kPa or less.
溶湯の容器内の気圧は、チャンバー内の気圧よりも高い。溶湯の容器内の気圧とチャンバー内の気圧との差は、ノズルから噴射される溶湯の圧力(噴射差圧)である。例えば、噴射差圧は、10kPa以上40kPa以下、又は20kPa以上40kPa以下に調整されてよい。
噴射差圧の増加に伴って、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が増加する。噴射差圧が10kPa以上である場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が、2nm以上である値に制御され易い。噴射差圧が40kPaを超える場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が、5μmを超え易い。
噴射差圧が20kPa未満である場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が15μmを超え易い。噴射差圧が40kPaを超える場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が4μm未満になり易い。
The air pressure in the container of the molten metal is higher than the air pressure in the chamber. The difference between the air pressure in the container of the molten metal and the air pressure in the chamber is the pressure of the molten metal sprayed from the nozzle (the spray pressure difference). For example, the spray pressure difference may be adjusted to 10 kPa or more and 40 kPa or less, or 20 kPa or more and 40 kPa or less.
As the injection pressure difference increases, the average value of the width (particle size) of the soft magnetic particles in the easy axis direction increases. When the injection pressure difference is 10 kPa or more, the average value of the width (particle size) of the soft magnetic particles in the easy axis direction is likely to be controlled to a value of 2 nm or more. When the injection pressure difference exceeds 40 kPa, the average value of the width (particle size) of the soft magnetic particles in the easy axis direction is likely to exceed 5 μm.
When the injection pressure difference is less than 20 kPa, the average spacing between the soft magnetic regions in the easy axis direction is likely to exceed 15 μm. When the injection pressure difference is more than 40 kPa, the average spacing between the soft magnetic regions in the easy axis direction is likely to be less than 4 μm.
例えば、冷却ロールの表面は、Cu等の熱伝導率が高い金属から構成されてよい。冷却ロールの表面の温度は、冷却ロール内を流れる冷媒によって制御されてよい。例えば、冷却ロールの表面における溶湯の冷却速度が約105~106℃/秒となるように、冷却ロールの表面の温度が制御されてよい。溶湯の冷却速度が約105~106℃/秒に調整される場合、ナノスケールの主相(R2T14B)と軟磁性相(α-Fe相等)が混在する微細組織から構成される合金薄帯が形成され易い。冷却速度が高いほど、合金薄帯に含まれる主相(R2T14B)及び軟磁性相(α-Fe相等)それぞれの結晶粒径が微細になり易く、永久磁石の保磁力が高まり易い。単位時間あたりに冷却ロールの表面へ噴射される溶湯の量が少ないほど、冷却ロールの表面に付着する溶湯が薄くなり、冷却速度が高くなり、合金薄帯も薄くなる。冷却ロールの周速が高いほど、冷却ロールの表面に付着する溶湯が薄くなり、冷却速度が高くなり、合金薄帯も薄くなる。磁化容易軸方向における主相粒子の厚さ(主相粒子の短軸の長さ)は、合金薄帯の厚さ(並びに合金薄帯の粉砕及び分級)に依る。合金薄帯が薄いほど、主相粒子の厚さ(粒子径)が小さくなり、永久磁石の保磁力が高まる傾向がある。例えば、合金薄帯の厚さは、20μm以上60μm以下、又は30μm以上50μm以下であってよい。例えば、合金薄帯の幅は、1.0mm以上5.0mm以下であってよい。 For example, the surface of the chill roll may be made of a metal with high thermal conductivity such as Cu. The temperature of the surface of the chill roll may be controlled by a coolant flowing through the chill roll. For example, the temperature of the surface of the chill roll may be controlled so that the cooling rate of the molten metal on the surface of the chill roll is about 10 5 to 10 6 ° C./sec. When the cooling rate of the molten metal is adjusted to about 10 5 to 10 6 ° C./sec, an alloy ribbon composed of a microstructure in which a nanoscale main phase (R 2 T 14 B) and a soft magnetic phase (α-Fe phase, etc.) are mixed is easily formed. The higher the cooling rate, the finer the crystal grain size of each of the main phase (R 2 T 14 B) and the soft magnetic phase (α-Fe phase, etc.) contained in the alloy ribbon is, and the coercive force of the permanent magnet is easily increased. The smaller the amount of molten metal sprayed onto the surface of the chill roll per unit time, the thinner the molten metal attached to the surface of the chill roll becomes, the higher the cooling rate becomes, and the thinner the alloy ribbon becomes. The higher the peripheral speed of the chill roll, the thinner the molten metal adhering to the surface of the chill roll, the higher the cooling rate, and the thinner the alloy ribbon. The thickness of the main phase particles in the direction of easy magnetization (the length of the short axis of the main phase particles) depends on the thickness of the alloy ribbon (as well as the crushing and classification of the alloy ribbon). The thinner the alloy ribbon, the smaller the thickness (particle diameter) of the main phase particles, and the higher the coercive force of the permanent magnet tends to be. For example, the thickness of the alloy ribbon may be 20 μm or more and 60 μm or less, or 30 μm or more and 50 μm or less. For example, the width of the alloy ribbon may be 1.0 mm or more and 5.0 mm or less.
例えば、冷却ロールの周速(circumferential speed)は、30m/秒以上60m/秒以下であってよい。
冷却ロールの周速の減少に伴って、永久磁石の断面(磁化容易軸方向に平行な断面)における複数の軟磁性粒子の面積分率が増加する。冷却ロールの周速が40m/秒未満である場合、永久磁石の断面(磁化容易軸方向に平行な断面)における複数の軟磁性粒子の面積分率が、4%以上である値に制御され易い。冷却ロールの周速が30m/秒未満である場合、永久磁石の断面(磁化容易軸方向に平行な断面)における複数の軟磁性粒子の面積分率が、15%を超え易い。
冷却ロールの周速の減少に伴って、磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が減少する。冷却ロールの周速が20m/秒未満である場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性領域の間隔の平均値が4μm未満になり易い。
冷却ロールの周速の減少に伴って、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が増加する。冷却ロールの周速が60m/秒以下である場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が、2nm以上である値に制御され易い。冷却ロールの周速が30m/秒未満である場合、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(粒径)の平均値が、5μmを超え易い。
For example, the circumferential speed of the chill roll may be 30 m/sec or more and 60 m/sec or less.
As the circumferential speed of the chill roll decreases, the area fraction of the soft magnetic particles in the cross section of the permanent magnet (cross section parallel to the easy axis of magnetization) increases. When the circumferential speed of the chill roll is less than 40 m/sec, the area fraction of the soft magnetic particles in the cross section of the permanent magnet (cross section parallel to the easy axis of magnetization) is likely to be controlled to a value of 4% or more. When the circumferential speed of the chill roll is less than 30 m/sec, the area fraction of the soft magnetic particles in the cross section of the permanent magnet (cross section parallel to the easy axis of magnetization) is likely to exceed 15%.
As the peripheral speed of the chill roll decreases, the average spacing between the soft magnetic regions in the easy axis direction decreases. When the peripheral speed of the chill roll is less than 20 m/s, the average spacing between the soft magnetic regions in the easy axis direction is likely to become less than 4 μm.
As the circumferential speed of the chill roll decreases, the average width (particle size) of the soft magnetic particles in the direction of the easy axis of magnetization increases. When the circumferential speed of the chill roll is 60 m/s or less, the average width (particle size) of the soft magnetic particles in the direction of the easy axis of magnetization is easily controlled to a value of 2 nm or more. When the circumferential speed of the chill roll is less than 30 m/s, the average width (particle size) of the soft magnetic particles in the direction of the easy axis of magnetization is easily controlled to a value of 5 μm or more.
薄帯作製工程後、粉砕/分級工程が実施されてよい。粉砕/分級工程は、粉砕装置を用いて合金薄帯を粉砕して粗粉末を作製し、粗粉末を分級することにより、所定の粒子径及びアスペクト比を有する合金粉末を回収する工程である。合金粉末は、永久磁石に含まれる主相粒子の前駆体である。合金粉末を構成する各合金粒子の形状は、板状又はフレーク状であってよい。例えば、合金薄帯の粉砕方法は、カッターミル及びプロペラミルのうち少なくとも一つの方法であってよい。粗粉末の分級の手段は、篩である。例えば、分級によって得られた合金粉末の粒子径及び粒度分布は、レーザー回折散乱法によって測定されてよい。例えば、分級によって得られた合金粉末の粒子径は、60μm以上2800μm以下、又は150μm以上2800μm以下であってよい。 After the ribbon preparation process, a pulverization/classification process may be performed. The pulverization/classification process is a process in which the alloy ribbon is pulverized using a pulverizer to produce coarse powder, and the coarse powder is classified to recover an alloy powder having a predetermined particle size and aspect ratio. The alloy powder is a precursor of the main phase particles contained in the permanent magnet. The shape of each alloy particle constituting the alloy powder may be plate-like or flake-like. For example, the pulverization method of the alloy ribbon may be at least one of a cutter mill and a propeller mill. The means for classifying the coarse powder is a sieve. For example, the particle size and particle size distribution of the alloy powder obtained by classification may be measured by a laser diffraction scattering method. For example, the particle size of the alloy powder obtained by classification may be 60 μm or more and 2800 μm or less, or 150 μm or more and 2800 μm or less.
熱間成形工程は、合金薄帯(合金粉末)を加熱しながら加圧することにより、成形体(cоmpact)を形成する工程である。例えば、金型内の合金粉末を加熱しながら、合金粉末が金型で圧縮されてよい。合金粉末の加圧により、合金粉末間の空隙が減少して、緻密な成形体が得られる。加圧に伴う合金粉末の加熱により、合金薄帯が結晶化する。さらに加圧に伴う合金粉末の加熱により、合金粉末の表面から液相(Ndリッチ相等のRリッチ相)が形成され、液相が合金粉末間の空隙(粒界)を満たし、且つ液相によって合金粉末が潤滑になることにより、緻密な成形体が得られる。熱間成形工程前に冷間成形工程が実施されてもよい。冷間成形工程では、常温(室温)で合金粉末を加圧することにより、成形体が形成されてよい。冷間成形工程によって得られた成形体を熱間成形工程において加熱しながら加圧することにより、成形体が緻密化されてよい。例えば、熱間成形工程における合金粉末の温度(熱間成形温度)は、550℃以上800℃以下であってよい。熱間成形温度が低過ぎる場合、十分な液相が合金粉末の表面から形成されず、成形体が緻密化され難い。熱間成形温度が高過ぎる場合、合金粉末を構成する結晶(R2T14B)の粒成長が過度に進行し、永久磁石の保磁力が低下し易い。例えば、熱間成形工程において合金粉末に及ぶ圧力(熱間成形圧力)は、50MPa以上300MPa以下であってよい。例えば、合熱間成形温度及び熱間成形圧力が上記の範囲に保持される時間(熱間成形時間)は、数十秒以上数百秒以下であってよい。 The hot compacting step is a step of forming a compact by pressing an alloy strip (alloy powder) while heating it. For example, the alloy powder may be compressed in a die while heating the alloy powder in the die. Pressurizing the alloy powder reduces the gaps between the alloy powder, resulting in a dense compact. Heating the alloy powder with pressurization crystallizes the alloy strip. Furthermore, heating the alloy powder with pressurization forms a liquid phase (R-rich phase such as Nd-rich phase) from the surface of the alloy powder, and the liquid phase fills the gaps (grain boundaries) between the alloy powder, and the liquid phase lubricates the alloy powder, resulting in a dense compact. A cold compacting step may be performed before the hot compacting step. In the cold compacting step, a compact may be formed by pressing the alloy powder at room temperature (room temperature). The compact obtained by the cold compacting step may be densified by pressing the compact obtained by the cold compacting step while heating it in the hot compacting step. For example, the temperature of the alloy powder in the hot compacting step (hot compacting temperature) may be 550°C or more and 800°C or less. If the hot compacting temperature is too low, a sufficient liquid phase is not formed from the surface of the alloy powder, and the compact is difficult to densify. If the hot compacting temperature is too high, the grain growth of the crystals ( R2T14B ) constituting the alloy powder proceeds excessively, and the coercive force of the permanent magnet is likely to decrease. For example, the pressure applied to the alloy powder in the hot compacting step (hot compacting pressure) may be 50 MPa or more and 300 MPa or less. For example, the time (hot compacting time) during which the combined hot compacting temperature and hot compacting pressure are maintained in the above range may be several tens of seconds or more and several hundreds of seconds or less.
熱間成形工程後、熱間塑性加工工程が実施される。熱間塑性加工工程は、熱間成形工程によって得られた成形体の加熱及び加圧により、c軸(磁化容易軸)が所定の方向に配向した複数の主相粒子(R2T14Bの結晶粒)を含む磁石基材を得る工程である。例えば、熱間塑性加工工程として、ダイアップセット鍛造(die upset forging)が実施されてよい。例えば、熱間塑性加工工程として、熱間押出し成形(hot extrusion)が実施されてもよい。 After the hot compaction step, a hot plastic working step is performed. The hot plastic working step is a step of obtaining a magnet base material including a plurality of main phase grains (R 2 T 14 B crystal grains) whose c-axes (axis of easy magnetization) are oriented in a predetermined direction by heating and pressurizing the compact obtained by the hot compaction step. For example, die upset forging may be performed as the hot plastic working step. For example, hot extrusion may be performed as the hot plastic working step.
熱間塑性加工工程中の加熱により、成形体中の粒界相が液化して液相(Rリッチ相)が生成する。熱間塑性加工工程中の加圧により、所定の方向において応力が成形体に作用し、成形体を構成する各合金粒子(合金薄帯)が歪む。液相の生成と合金粒子の歪みに伴って、結晶粒のc軸と垂直な方向における結晶粒の異方成長が進行する。また液相が各結晶粒を潤滑にし、応力に応じて各結晶粒に力が作用する。その結果、結晶粒が粒界すべりによって回転し、各結晶粒(主相粒子)のc軸が応力方向と平行に配向する。換言すれば、c軸と垂直な方向に延びる複数の扁平な主相粒子が、応力方向に沿って積み重なる。磁石基材の磁化容易軸方向は、略又は完全に応力方向と平行になる。各結晶粒(主相粒子)の配向に伴って、主相粒子の元である合金薄帯において軟磁性相(α-Fe相等)が析出(precipitate)していた表面は、磁化容易軸方向(応力方向)に対して略又は完全に垂直になる。そして、合金薄帯の表面に析出していた軟磁性相は、磁化容易軸方向に略又は完全に垂直な方向において配列する複数の軟磁性粒子となる。その結果、磁化容易軸方向において一つ以上の主相粒子と交互に配置される複数の軟磁性領域(軟磁性層)が形成される。 Heating during the hot plastic processing process liquefies the grain boundary phase in the compact, generating a liquid phase (R-rich phase). Pressurization during the hot plastic processing process applies stress to the compact in a specific direction, distorting each alloy particle (alloy ribbon) that constitutes the compact. As the liquid phase is generated and the alloy particles are distorted, anisotropic growth of the crystal grains progresses in a direction perpendicular to the c-axis of the crystal grains. The liquid phase also lubricates each crystal grain, and a force acts on each crystal grain in response to the stress. As a result, the crystal grains rotate due to grain boundary sliding, and the c-axis of each crystal grain (main phase particle) is oriented parallel to the stress direction. In other words, multiple flat main phase particles extending in a direction perpendicular to the c-axis are stacked along the stress direction. The magnetization easy axis direction of the magnet base material is approximately or completely parallel to the stress direction. As each crystal grain (main phase particle) is oriented, the surface on which the soft magnetic phase (such as the α-Fe phase) precipitated in the alloy ribbon from which the main phase particles originated becomes approximately or completely perpendicular to the direction of the easy magnetization axis (stress direction). The soft magnetic phase precipitated on the surface of the alloy ribbon becomes multiple soft magnetic particles aligned in a direction approximately or completely perpendicular to the direction of the easy magnetization axis. As a result, multiple soft magnetic regions (soft magnetic layers) are formed that are alternately arranged with one or more main phase particles in the direction of the easy magnetization axis.
例えば、熱間塑性加工工程における成形体の温度(熱間塑性加工温度)は、700℃以上900℃未満、又は700℃以上850℃以下であってよい。
熱間塑性加工温度が低過ぎる場合、液相(Ndリッチ相等のRリッチ相)が成形体内の粒界において生成し難く、結晶粒が成長し難く、粒界すべりに因る結晶粒の回転が起き難い。その結果、主相粒子の短軸の長さの平均値が20nm未満になり易く、各主相粒子(結晶粒)のc軸が応力方向と平行に配向し難い。
熱間塑性加工温度が高過ぎる場合(例えば、熱間塑性加工温度が900℃以上である場合)、液相(Rリッチ相)が各合金粒子から過度に染み出して、各合金粒子の表面及び合金粒子間の界面へ偏析し、殆どの液相が結晶粒の粒成長に消費される。殆どの液相が結晶粒の粒成長に消費されることにより、主相粒子(結晶粒)の粒成長が異常に進行し、粗大な主相粒子が形成され易く、主相粒子の短軸の長さの平均値が200nmを超え易い。粗大な主相粒子は、磁化容易軸方向において配向し難い。
例えば、熱間塑性加工工程において成形体に及ぶ圧力(熱間塑性加工圧力)は、50MPa以上200MPa以下であってよい。例えば、熱間塑性加工温度及び熱間塑性加工圧力が上記の範囲に保持される時間(熱間塑性加工時間)は、数十秒であってよい。
For example, the temperature of the formed body in the hot plastic working step (hot plastic working temperature) may be 700°C or higher and lower than 900°C, or 700°C or higher and 850°C or lower.
If the hot plastic working temperature is too low, liquid phases (R-rich phases such as Nd-rich phases) are unlikely to form at the grain boundaries in the compact, crystal grains are unlikely to grow, and crystal grain rotation due to grain boundary sliding is unlikely to occur. As a result, the average length of the minor axis of the main phase grains is likely to be less than 20 nm, and the c-axes of each main phase grain (crystal grain) are unlikely to be oriented parallel to the stress direction.
When the hot plastic processing temperature is too high (for example, when the hot plastic processing temperature is 900° C. or higher), the liquid phase (R-rich phase) seeps out excessively from each alloy particle and segregates to the surface of each alloy particle and the interface between the alloy particles, and most of the liquid phase is consumed in the grain growth of the crystal grains. Since most of the liquid phase is consumed in the grain growth of the crystal grains, the grain growth of the main phase particles (crystal grains) progresses abnormally, and coarse main phase particles are likely to be formed, and the average length of the minor axis of the main phase particles is likely to exceed 200 nm. The coarse main phase particles are difficult to orient in the direction of the easy axis of magnetization.
For example, the pressure applied to the formed body in the hot plastic working step (hot plastic working pressure) may be 50 MPa or more and 200 MPa or less. For example, the time during which the hot plastic working temperature and the hot plastic working pressure are maintained within the above ranges (hot plastic working time) may be several tens of seconds.
以上の工程によって得られた磁石基材が、永久磁石の完成品であってよい。下記の粒界拡散工程を経た磁石基材が、永久磁石の完成品であってもよい。 The magnet base material obtained by the above process may be a finished permanent magnet. The magnet base material that has undergone the grain boundary diffusion process described below may be a finished permanent magnet.
冷却工程後、下記の粒界拡散工程が実施されてもよい。 After the cooling process, the grain boundary diffusion process described below may be carried out.
例えば、粒界拡散工程では、重希土類元素を含む拡散材(diffusing material)を磁石基材の表面に付着させ、拡散材及び磁石基材が加熱されてよい。拡散材が付着した磁石基材の加熱により、拡散材中の重希土類元素が磁石基材の表面から磁石基材の内部へ拡散する。磁石基材の内部では、重希土類元素が、粒界を介して主相粒子の表面近傍へ拡散する。主相粒子の表面近傍において、一部の軽希土類元素(Nd等)が重希土類元素で置換される。重希土類元素が主相粒子の表面近傍及び粒界に局在することにより、異方性磁界が粒界の近傍において局所的に大きくなり、磁化反転の核が粒界の近傍において発生し難くなる。その結果、高い保磁力を有する永久磁石が得られる。 For example, in the grain boundary diffusion process, a diffusing material containing a heavy rare earth element may be attached to the surface of the magnet base material, and the diffusing material and the magnet base material may be heated. By heating the magnet base material to which the diffusing material is attached, the heavy rare earth element in the diffusing material diffuses from the surface of the magnet base material to the inside of the magnet base material. Inside the magnet base material, the heavy rare earth element diffuses through the grain boundaries to the vicinity of the surface of the main phase particles. In the vicinity of the surface of the main phase particles, some of the light rare earth elements (Nd, etc.) are replaced with the heavy rare earth element. By localizing the heavy rare earth element near the surface and at the grain boundaries of the main phase particles, the anisotropic magnetic field becomes locally large near the grain boundaries, and it becomes difficult for nuclei of magnetization reversal to occur near the grain boundaries. As a result, a permanent magnet with high coercivity is obtained.
例えば、重希土類元素を含む拡散材及び磁石基材の温度(拡散温度)は、550℃以上900℃以下であってよい。例えば、拡散温度が上記の範囲に保持される時間(拡散時間)は、1分以上1440分以下であってよい。 For example, the temperature (diffusion temperature) of the diffusion material containing a heavy rare earth element and the magnet base material may be 550°C or more and 900°C or less. For example, the time (diffusion time) during which the diffusion temperature is maintained in the above range may be 1 minute or more and 1,440 minutes or less.
拡散材は、Tb及びDyのうち少なくとも一種の重希土類元素を含有してよい。拡散材は、重希土類元素に加えて、Nd及びPrのうち少なくとも一種の軽希土類元素を更に含有してよい。拡散材は、重希土類元素及び軽希土類元素に加えて、Cuを更に含有してもよい。例えば、拡散材は、一種の上記元素からなる金属、一種の上記元素の水素化物、複数種の上記元素を含む合金、又は当該合金の水素化物であってよい。拡散材は、粉末であってよい。粒界拡散工程では、拡散材及び有機溶媒を含むスラリーが磁石基材の表面に塗布されてよい。粒界拡散工程では、磁石基材の表面が、拡散材及びバインダを含むシートで覆われてもよい。粒界拡散工程では、磁石基材の表面が、拡散材から構成される合金箔(リボン)で覆われてもよい。 The diffusion material may contain at least one heavy rare earth element selected from Tb and Dy. The diffusion material may further contain at least one light rare earth element selected from Nd and Pr in addition to the heavy rare earth element. The diffusion material may further contain Cu in addition to the heavy rare earth element and the light rare earth element. For example, the diffusion material may be a metal consisting of one of the above elements, a hydride of one of the above elements, an alloy containing multiple types of the above elements, or a hydride of the alloy. The diffusion material may be a powder. In the grain boundary diffusion process, a slurry containing the diffusion material and an organic solvent may be applied to the surface of the magnet substrate. In the grain boundary diffusion process, the surface of the magnet substrate may be covered with a sheet containing the diffusion material and a binder. In the grain boundary diffusion process, the surface of the magnet substrate may be covered with an alloy foil (ribbon) composed of the diffusion material.
希土類元素Rを含む共晶合金(Nd-Cu及びNd‐Al等)が、粒界拡散工程によって磁石基材内に導入されてもよい。例えば、共晶合金を含む拡散材を磁石基材の表面に付着させ、拡散材及び磁石基材が加熱されてよい。例えば、共晶合金を含む拡散材は、共晶合金からなる微細な薄帯であってよい。共晶合金の融点は、磁石基材自体の融点よりも低い。したがって、共晶合金を含む拡散材及び磁石基材を、共晶合金の融点以上磁石基材の融点未満である温度で加熱することにより、溶融した共晶合金が磁石基材の表面から磁石基材内の粒界へ浸透及び拡散する。その結果、高い保磁力を有する永久磁石が得られ易い。 A eutectic alloy (such as Nd-Cu and Nd-Al) containing a rare earth element R may be introduced into the magnet base material by a grain boundary diffusion process. For example, a diffusion material containing a eutectic alloy may be attached to the surface of the magnet base material, and the diffusion material and magnet base material may be heated. For example, the diffusion material containing a eutectic alloy may be a fine ribbon made of a eutectic alloy. The melting point of the eutectic alloy is lower than the melting point of the magnet base material itself. Therefore, by heating the diffusion material containing a eutectic alloy and the magnet base material at a temperature equal to or higher than the melting point of the eutectic alloy and lower than the melting point of the magnet base material, the molten eutectic alloy penetrates and diffuses from the surface of the magnet base material to the grain boundaries in the magnet base material. As a result, a permanent magnet with high coercivity is easily obtained.
拡散材の拡散を促進するため、粒界拡散工程前に磁石基材の表面が研磨されてよい。粒界拡散工程後に磁石基材の表面に残存する拡散材を除去するために、粒界拡散工程後の磁石基材の表面が研磨されてもよい。 The surface of the magnet base material may be polished before the grain boundary diffusion process to promote diffusion of the diffusion material. The surface of the magnet base material may be polished after the grain boundary diffusion process to remove the diffusion material remaining on the surface of the magnet base material after the grain boundary diffusion process.
磁石基材の切削及び研磨等により、磁石基材の寸法及び形状が調整されてよい。磁石基材の表面の酸化又は化成処理(chemical treatment)により、不動態(passive)層が磁石基材の表面に形成されてよい。磁石基材の表面が樹脂膜等の保護膜で覆われてもよい。不動態層又は保護膜により、永久磁石の耐食性が向上する。 The dimensions and shape of the magnet substrate may be adjusted by cutting and polishing the magnet substrate. A passive layer may be formed on the surface of the magnet substrate by oxidation or chemical treatment of the surface of the magnet substrate. The surface of the magnet substrate may be covered with a protective film such as a resin film. The passive layer or protective film improves the corrosion resistance of the permanent magnet.
本発明は必ずしも上述された実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明の種々の変更が可能であり、これ等の変更例も本発明に含まれる。 The present invention is not necessarily limited to the above-described embodiment. Various modifications of the present invention are possible without departing from the spirit of the present invention, and these modifications are also included in the present invention.
以下の実施例及び比較例により、本発明が詳細に説明される。本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。 The present invention will be described in detail with reference to the following examples and comparative examples. The present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
以下の実施例1の各工程は、非酸化的雰囲気(Arガス)中で実施された。
Example 1
Each step of Example 1 below was carried out in a non-oxidizing atmosphere (Ar gas).
薄帯作製工程では、上述された超急冷凝固法によって原料合金から合金薄帯が作製された。薄帯作製工程に用いた原料金属(溶湯)は、Nd、Fe、Co、Ga、Al及びBからなっていた。
原料金属中のNdの含有量は、29.00質量%であった。
原料金属中のFeの含有量は、64.52質量%であった。
原料金属中のCoの含有量は、5.02質量%であった。
原料金属中のGaの含有量は、0.53質量%であった。
原料金属中のAlの含有量は、0.03質量%であった。
原料金属中のBの含有量は、0.90質量%であった。
In the ribbon production step, an alloy ribbon was produced from the raw alloy by the above-mentioned ultra-rapid solidification method. The raw alloy metals (molten metal) used in the ribbon production step were composed of Nd, Fe, Co, Ga, Al and B.
The Nd content in the raw material metal was 29.00 mass %.
The Fe content in the raw material metal was 64.52 mass %.
The Co content in the raw material metal was 5.02 mass %.
The Ga content in the raw material metal was 0.53 mass %.
The Al content in the raw material metal was 0.03 mass %.
The B content in the raw material metal was 0.90 mass %.
石英製のノズルから噴射される溶湯の温度(噴射温度)は、1300℃であった。銅製の冷却ロールの表面における溶湯の冷却速度は、約105℃/秒であった。冷却ロールが設置されたチャンバー内のガス(雰囲気)は、Arであった。チャンバー内の気圧は、50kPaであった。 The temperature of the molten metal sprayed from the quartz nozzle (spray temperature) was 1300° C. The cooling rate of the molten metal on the surface of the copper chill roll was about 10 5 ° C./sec. The gas (atmosphere) in the chamber in which the chill roll was placed was Ar. The atmospheric pressure in the chamber was 50 kPa.
溶湯の容器内へ供給されるガスは、Arであった。溶湯の容器内の気圧とチャンバー内の気圧との差である噴射差圧(単位:kPa)は、下記表1に示される値であった。ノズルの孔径(単位:mm)は、下記表1に示される値であった。冷却ロールの周速(単位:m/秒)は、下記表1に示される値であった。 The gas supplied into the molten metal container was Ar. The injection pressure difference (unit: kPa), which is the difference between the air pressure inside the molten metal container and the air pressure inside the chamber, was the value shown in Table 1 below. The nozzle hole diameter (unit: mm) was the value shown in Table 1 below. The peripheral speed of the chill roll (unit: m/sec) was the value shown in Table 1 below.
熱間成形工程では、金型内の合金粉末を加熱しながら、合金粉末を金型で圧縮することにより、成形体が作製された。成形体は円柱であった。円柱の端面(円)の直径(つまり、円柱の太さ)は、10mmであった。円柱の高さは、10mmであった。熱間成形温度は、700℃であった。熱間成形圧力は、300MPaであった。熱間成形時間は、180秒であった。 In the hot forming process, the alloy powder was compressed in a die while the alloy powder in the die was heated, to produce a compact. The compact was cylindrical. The diameter of the end face (circle) of the cylinder (i.e., the thickness of the cylinder) was 10 mm. The height of the cylinder was 10 mm. The hot forming temperature was 700°C. The hot forming pressure was 300 MPa. The hot forming time was 180 seconds.
熱間塑性加工工程では、ダイアップセット鍛造(die upset forging)により、成形体から永久磁石が作製された。ダイアップセット鍛造では、成形体を800℃で加熱しながら、成形体(円柱)の端面に垂直な圧力が成形体へ印加された。つまり、成形体の端面に垂直な方向において成形体を押し潰すことにより、円板状の永久磁石が作製された。永久磁石の厚さ方向が、永久磁石の磁化容易軸方向Cであった。つまり、永久磁石の円形の表面に垂直な方向が、磁化容易軸方向Cであった。永久磁石の高さ(円板の厚さ)は、hf(単位:mm)と表される。加圧前の成形体(円柱)の高さは、hi(単位:mm)と表される。上述の通り、hiは10mmである。hiがhfまで減少するまでに要した時間は、T(単位:秒)と表される。Tは、成形体の加圧に要した時間と言い換えられる。圧下率(draft)は、(hi-hf)/hi×100と定義される。圧下率の単位は、%である。圧下率は78%であった。つまり、hfは2.2mmであった。圧下速度(press speed)は、(hi-hf)/Tと定義される。圧下速度の単位は、mm/秒である。圧下速度は、0.1mm/秒であった。つまり、Tは78秒であった。 In the hot plastic processing process, a permanent magnet was produced from the compact by die upset forging. In die upset forging, pressure perpendicular to the end face of the compact (cylinder) was applied to the compact while the compact was heated at 800°C. In other words, a disk-shaped permanent magnet was produced by crushing the compact in a direction perpendicular to the end face of the compact. The thickness direction of the permanent magnet was the easy axis direction C of the permanent magnet. In other words, the direction perpendicular to the circular surface of the permanent magnet was the easy axis direction C of the magnet. The height of the permanent magnet (disc thickness) is expressed as hf (unit: mm). The height of the compact (cylinder) before pressure is expressed as hi (unit: mm). As mentioned above, hi is 10 mm. The time required for hi to decrease to hf is expressed as T (unit: seconds). T can be rephrased as the time required to pressurize the compact. The draft is defined as (hi-hf)/hi x 100. The unit of the draft is %. The draft was 78%. That is, hf was 2.2 mm. The press speed is defined as (hi-hf)/T. The unit of the draft is mm/sec. The draft was 0.1 mm/sec. That is, T was 78 seconds.
(実施例2~7及び比較例1~4)
実施例2~7及び比較例1~4それぞれの噴射差圧は、下記表1に示される値であった。実施例2~7及び比較例1~4それぞれのノズルの孔径は、下記表1に示される値であった。実施例2~7及び比較例1~4それぞれの冷却ロールの周速は、下記表1に示される値であった。
(Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 4)
The jet differential pressure of each of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 was the value shown in the following Table 1. The nozzle hole diameter of each of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 was the value shown in the following Table 1. The peripheral speed of the chill roll of each of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 was the value shown in the following Table 1.
上記の事項を除いて実施例1と同様の方法で、実施例2~7及び比較例1~4それぞれの永久磁石が作製された。 The permanent magnets of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 were produced in the same manner as Example 1, except for the above points.
(比較例5)
比較例5の薄帯作製工程に用いた原料金属(溶湯)は、Nd、Tb、Fe、Co、Ga、Al及びBからなっていた。比較例5の原料金属の組成は、R2T14Bの化学両論的組成に略又は完全に一致する。
比較例5の原料金属中のNdの含有量は、25.62質量%であった。
比較例5の原料金属中のTbの含有量は、0.06質量%であった。
比較例5の原料金属中のFeの含有量は、70.46質量%であった。
比較例5の原料金属中のCoの含有量は、2.53質量%であった。
比較例5の原料金属中のGaの含有量は、0.20質量%であった。
比較例5の原料金属中のAlの含有量は、0.18質量%であった。
比較例5の原料金属中のBの含有量は、0.95質量%であった。
(Comparative Example 5)
The raw material metal (molten metal) used in the ribbon production process of Comparative Example 5 was composed of Nd, Tb, Fe, Co, Ga, Al, and B. The composition of the raw material metal of Comparative Example 5 was approximately or completely consistent with the stoichiometric composition of R 2 T 14 B.
The Nd content in the raw metal of Comparative Example 5 was 25.62 mass %.
The Tb content in the raw metal of Comparative Example 5 was 0.06 mass %.
The Fe content in the raw material metal of Comparative Example 5 was 70.46 mass %.
The Co content in the raw material metal of Comparative Example 5 was 2.53 mass %.
The Ga content in the raw material metal of Comparative Example 5 was 0.20 mass %.
The Al content in the raw metal of Comparative Example 5 was 0.18 mass %.
The B content in the raw metal of Comparative Example 5 was 0.95 mass %.
比較例5の噴射差圧は、下記表1に示される値であった。比較例5のノズルの孔径は、下記表1に示される値であった。比較例5の冷却ロールの周速は、下記表1に示される値であった。 The injection differential pressure in Comparative Example 5 was the value shown in Table 1 below. The nozzle hole diameter in Comparative Example 5 was the value shown in Table 1 below. The peripheral speed of the cooling roll in Comparative Example 5 was the value shown in Table 1 below.
上記の事項を除いて実施例1と同様の方法で、比較例5の永久磁石が作製された。 The permanent magnet of Comparative Example 5 was produced in the same manner as in Example 1, except for the above points.
(実施例8~11)
実施例8~11それぞれの薄帯作製工程に用いた原料金属(溶湯)は、Nd、Fe、Co、Ga、Al及びBからなっていた。
(Examples 8 to 11)
The raw metals (molten metal) used in the ribbon production process in each of Examples 8 to 11 were composed of Nd, Fe, Co, Ga, Al and B.
実施例8の原料金属中のNdの含有量は、29.82質量%であった。
実施例8の原料金属中のFeの含有量は、65.15質量%であった。
実施例8の原料金属中のCoの含有量は、3.59質量%であった。
実施例8の原料金属中のGaの含有量は、0.53質量%であった。
実施例8の原料金属中のAlの含有量は、0.02質量%であった。
実施例8の原料金属中のBの含有量は、0.89質量%であった。
The Nd content in the raw material metal of Example 8 was 29.82 mass %.
The Fe content in the raw material metal of Example 8 was 65.15 mass %.
The Co content in the raw material metal of Example 8 was 3.59 mass %.
The Ga content in the raw material metal of Example 8 was 0.53 mass %.
The Al content in the raw metal of Example 8 was 0.02 mass %.
The B content in the raw metal of Example 8 was 0.89 mass %.
実施例9の原料金属中のNdの含有量は、29.66質量%であった。
実施例9の原料金属中のFeの含有量は、65.24質量%であった。
実施例9の原料金属中のCoの含有量は、3.57質量%であった。
実施例9の原料金属中のGaの含有量は、0.53質量%であった。
実施例9の原料金属中のAlの含有量は、0.02質量%であった。
実施例9の原料金属中のBの含有量は、0.98質量%であった。
The Nd content in the raw metal of Example 9 was 29.66 mass %.
The Fe content in the raw material metal of Example 9 was 65.24 mass %.
The Co content in the raw metal of Example 9 was 3.57 mass %.
The Ga content in the raw material metal of Example 9 was 0.53 mass %.
The Al content in the raw metal of Example 9 was 0.02 mass %.
The B content in the raw metal of Example 9 was 0.98 mass %.
実施例10の原料金属中のNdの含有量は、29.54質量%であった。
実施例10の原料金属中のFeの含有量は、65.31質量%であった。
実施例10の原料金属中のCoの含有量は、3.56質量%であった。
実施例10の原料金属中のGaの含有量は、0.53質量%であった。
実施例10の原料金属中のAlの含有量は、0.02質量%であった。
実施例10の原料金属中のBの含有量は、1.04質量%であった。
The Nd content in the raw metal of Example 10 was 29.54 mass %.
The Fe content in the raw material metal of Example 10 was 65.31 mass %.
The Co content in the raw material metal of Example 10 was 3.56 mass %.
The Ga content in the raw material metal of Example 10 was 0.53 mass %.
The Al content in the raw metal of Example 10 was 0.02 mass %.
The B content in the raw metal of Example 10 was 1.04 mass %.
実施例11の原料金属中のNdの含有量は、29.42質量%であった。
実施例11の原料金属中のFeの含有量は、65.39質量%であった。
実施例11の原料金属中のCoの含有量は、3.55質量%であった。
実施例11の原料金属中のGaの含有量は、0.52質量%であった。
実施例11の原料金属中のAlの含有量は、0.02質量%であった。
実施例11の原料金属中のBの含有量は、1.10質量%であった。
The Nd content in the raw metal of Example 11 was 29.42 mass %.
The Fe content in the raw material metal of Example 11 was 65.39 mass %.
The Co content in the raw material metal of Example 11 was 3.55 mass %.
The Ga content in the raw material metal of Example 11 was 0.52 mass %.
The Al content in the raw metal of Example 11 was 0.02 mass %.
The B content in the raw material metal of Example 11 was 1.10 mass %.
上記の事項を除いて実施例1と同様の方法で、実施例8~11それぞれの永久磁石が作製された。 The permanent magnets of Examples 8 to 11 were produced in the same manner as Example 1, except for the above points.
<永久磁石の分析>
(永久磁石の組成及び微細構造)
実施例1~11及び比較例1~5それぞれの永久磁石の断面の反射電子像が、走査電子顕微鏡(SEM)によって撮影された。各永久磁石の断面は、各永久磁石の磁化容易軸方向Cに平行であった。各永久磁石の断面の組成が、走査電子顕微鏡に搭載されたエネルギー分散型X線分光(EDS)装置で分析された。実施例1の断面の一部の反射電子像が、図3中の(a)及び(b)に示される。比較例5の断面の一部の反射電子像が、図4中の(a)及び(b)に示される。
<Analysis of Permanent Magnets>
(Permanent Magnet Composition and Microstructure)
A backscattered electron image of the cross section of each of the permanent magnets of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 was taken by a scanning electron microscope (SEM). The cross section of each permanent magnet was parallel to the magnetization easy axis direction C of each permanent magnet. The composition of the cross section of each permanent magnet was analyzed by an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) device mounted on the scanning electron microscope. Backscattered electron images of a portion of the cross section of Example 1 are shown in (a) and (b) of FIG. 3. Backscattered electron images of a portion of the cross section of Comparative Example 5 are shown in (a) and (b) of FIG. 4.
実施例1~11及び比較例1~5のいずれの場合も、永久磁石は以下の特徴を有していた。
永久磁石の全体の組成は、原料金属の組成と一致した。
永久磁石は、多数の主相粒子(R2T14Bの結晶粒)を含んでいた。
各主相粒子は、Rとして少なくともNdを含有し、Tとして少なくともFeを含有していた。
断面において観察される各主相粒子は扁平であった。
各主相粒子の短軸は、磁化容易軸方向Cに略平行又は完全に平行であった。
各主相粒子の長軸は、磁化容易軸方向Cに略垂直又は完全に垂直であった。
多数の扁平な主相粒子が、磁化容易軸方向Cに沿って積み重なっていた。
永久磁石は、複数の軟磁性粒子を含んでいた。
各軟磁性粒子は、断面の反射電子像において最も暗い部分として他の部分と識別された。(図3中の(a)参照。)
各軟磁性粒子におけるFe及びCoの含有量の合計は、70質量%以上であった。α-Fe相を含む軟磁性粒子、Fe3B相を含む軟磁性粒子、及びFe2Co相を含む軟磁性粒子が検出された。
In all cases of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5, the permanent magnets had the following characteristics.
The overall composition of the permanent magnets matched that of the source metals.
The permanent magnet contained numerous primary phase grains (R 2 T 14 B grains).
Each of the main phase grains contained at least Nd as R and at least Fe as T.
Each main phase grain observed in cross section was flat.
The minor axis of each main phase grain was approximately parallel or completely parallel to the direction C of easy axis of magnetization.
The major axis of each main phase grain was approximately perpendicular or completely perpendicular to the direction C of easy axis of magnetization.
A large number of flat main phase grains were stacked along the direction of easy axis C of magnetization.
The permanent magnet included a plurality of soft magnetic particles.
Each soft magnetic particle was identified as the darkest part in the cross-sectional backscattered electron image (see FIG. 3(a)).
The total content of Fe and Co in each soft magnetic particle was 70 mass % or more. Soft magnetic particles containing an α-Fe phase, soft magnetic particles containing an Fe 3 B phase, and soft magnetic particles containing an Fe 2 Co phase were detected.
全ての実施例の永久磁石は、以下の特徴を有していた。比較例5を除く全ての比較例の永久磁石も、以下の特徴を有していた。
永久磁石の断面が、複数の軟磁性領域を含んでいた。
複数の軟磁性領域それぞれが、磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向に沿って整列する複数の軟磁性粒子を含んでいた。
磁化容易軸方向Cにおいて、複数の主相粒子と複数の軟磁性領域が交互に配置されていた。
The permanent magnets of all the examples had the following characteristics. The permanent magnets of all the comparative examples except for Comparative Example 5 also had the following characteristics.
The cross section of the permanent magnet included a plurality of soft magnetic regions.
Each of the soft magnetic regions included a plurality of soft magnetic grains aligned along an AB direction perpendicular to the easy axis C of magnetization.
In the direction of easy axis C, a plurality of main phase grains and a plurality of soft magnetic regions were arranged alternately.
図4中の(b)に示されるように、比較例5の永久磁石の断面においては、複数の軟磁性粒子がランダムに分布していた。つまり、比較例5の永久磁石の断面は、磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向に沿って整列する複数の軟磁性粒子を含む軟磁性領域を含んでいなかった。 As shown in FIG. 4(b), multiple soft magnetic particles were randomly distributed in the cross section of the permanent magnet of Comparative Example 5. In other words, the cross section of the permanent magnet of Comparative Example 5 did not include a soft magnetic region containing multiple soft magnetic particles aligned along the AB direction perpendicular to the magnetization easy axis direction C.
(軟磁性粒子に関する測定)
図5中の(a)に示される実施例1の永久磁石の断面の反射電子像は、図3中の(a)と同一の(identical)反射電子像である。つまり、図5中の(a)の反射電子像は、磁化容易軸方向Cに平行である。図5中の(a)の反射電子像の寸法は、縦63.5μm×横47.6μmである。
(Measurements on soft magnetic particles)
The backscattered electron image of the cross section of the permanent magnet of Example 1 shown in (a) of Figure 5 is identical to (a) of Figure 3. In other words, the backscattered electron image in (a) of Figure 5 is parallel to the magnetization easy axis direction C. The dimensions of the backscattered electron image in (a) of Figure 5 are 63.5 μm vertical × 47.6 μm horizontal.
RGBカラーモデル(Red-Green-Blue color model)に基づく閾値処理(二値化処理)により、図5中の(a)の反射電子像が、図5中の(b)のモノクローム(monochrome)の画像に変換された。図5中の(b)のモノクロームの画像中の複数の黒い部分それぞれが、軟磁性粒子に相当する。図5中の(b)のモノクロームの画像中の各軟磁性粒子の面積が測定された。測定された各軟磁性粒子の面積に基づき、永久磁石の断面(図5中の(b)中のモノクロームの画像)における複数の軟磁性粒子の面積分率が算出された。
上記と同様の方法で、実施例1の永久磁石の断面内の計10箇所の領域における複数の軟磁性粒子の面積分率が算出された。10箇所の領域の面積分率から、面積分率の平均値Ra_avgが算出された。実施例1の複数の軟磁性粒子の面積分率の平均値Ra_avgは、下記表1に示される。
The backscattered electron image of (a) in FIG. 5 was converted into the monochrome image of (b) in FIG. 5 by threshold processing (binarization processing) based on the RGB color model (Red-Green-Blue color model). Each of the multiple black parts in the monochrome image of (b) in FIG. 5 corresponds to a soft magnetic particle. The area of each soft magnetic particle in the monochrome image of (b) in FIG. 5 was measured. Based on the measured area of each soft magnetic particle, the area fraction of the multiple soft magnetic particles in the cross section of the permanent magnet (the monochrome image in (b) in FIG. 5) was calculated.
Using the same method as above, the area fractions of the soft magnetic particles in a total of 10 regions in the cross section of the permanent magnet of Example 1 were calculated. The average area fraction Ra_avg was calculated from the area fractions of the 10 regions. The average area fraction Ra_avg of the soft magnetic particles of Example 1 is shown in Table 1 below.
図5中の(b)のモノクロームの画像の画像処理により、図5中の(b)のモノクロームの画像中の各軟磁性粒子の輪郭が抽出された。図5中の(c)に示される画像に含まれる複数の閉曲線(楕円)それぞれが、図5中の(b)のモノクロームの画像中の各軟磁性粒子の輪郭に相当する。つまり、図5中の(b)のモノクロームの画像中の各軟磁性粒子の輪郭を楕円(真円を含む。)で近似することにより、図5中の(c)の画像が得られた。楕円による各軟磁性粒子の輪郭の近似は、最小二乗法に基づくフィティングによって実施された。モノクロームの画像中の黒い部分のうち寸法が(縦10nm×横10nm)以下である部分は、ノイズとして画像から除去された。図5中の(b)のモノクロームの画像の画像処理では、画像の端部において途切れている軟磁性粒子は画像から除去された。 The outline of each soft magnetic particle in the monochrome image of FIG. 5(b) was extracted by image processing of the monochrome image of FIG. 5(b). Each of the multiple closed curves (ellipses) included in the image shown in FIG. 5(c) corresponds to the outline of each soft magnetic particle in the monochrome image of FIG. 5(b). In other words, the image of FIG. 5(c) was obtained by approximating the outline of each soft magnetic particle in the monochrome image of FIG. 5(b) with an ellipse (including a perfect circle). The approximation of the outline of each soft magnetic particle with an ellipse was performed by fitting based on the least squares method. Parts of the black parts in the monochrome image that were less than or equal to (10 nm long x 10 nm wide) were removed from the image as noise. In the image processing of the monochrome image of FIG. 5(b), the soft magnetic particles that were interrupted at the edge of the image were removed from the image.
図5中の(c)の画像中の各軟磁性粒子の輪郭を近似する楕円の長軸の長さが測定された。つまり、図5中の(c)の画像中の各軟磁性粒子の輪郭を近似する楕円のフェレット径(Feret’s diameter)が測定された。さらに、図5中の(c)の画像中の各軟磁性粒子の輪郭を近似する楕円の長軸の長さの平均値が算出された。磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子それぞれの幅は、各軟磁性粒子の輪郭を近似する楕円の長軸の長さ以下である。したがって、各軟磁性粒子の輪郭を近似する楕円の長軸の長さは、各軟磁性粒子それぞれの粒径の最大幅とみなされ、且つ磁化容易軸方向における各軟磁性粒子それぞれの幅(最大幅)とみなされる。図5中の(c)の画像中の各軟磁性粒子の幅の平均値が算出された。
図5中の(a)の反射電子像と同じ倍率で、永久磁石の断面内の計10箇所の反射電子像が撮影された。計10箇所のうち一箇所は、図5中の(a)に示される部分である。更に上記と同様の画像処理により、各反射電子像中の各軟磁性粒子の幅(フェレット径)の平均値が算出された。つまり、軟磁性粒子の幅の平均値として、10通りの平均値が算出された。10通りの平均値の和を10で除することによって、磁化容易軸方向における複数の軟磁性粒子の幅(最大幅)の平均値Ws_avgが算出された。実施例1の複数の軟磁性粒子の幅の平均値Ws_avgは、下記表1に示される。
The length of the major axis of the ellipse approximating the contour of each soft magnetic particle in the image (c) in FIG. 5 was measured. That is, the Feret's diameter of the ellipse approximating the contour of each soft magnetic particle in the image (c) in FIG. 5 was measured. Furthermore, the average value of the length of the major axis of the ellipse approximating the contour of each soft magnetic particle in the image (c) in FIG. 5 was calculated. The width of each of the soft magnetic particles in the easy axis direction is equal to or less than the length of the major axis of the ellipse approximating the contour of each soft magnetic particle. Therefore, the length of the major axis of the ellipse approximating the contour of each soft magnetic particle is regarded as the maximum width of the particle diameter of each soft magnetic particle, and is regarded as the width (maximum width) of each soft magnetic particle in the easy axis direction. The average value of the width of each soft magnetic particle in the image (c) in FIG. 5 was calculated.
A total of 10 reflected electron images were taken in the cross section of the permanent magnet at the same magnification as the reflected electron image in (a) in FIG. 5. One of the total 10 locations is the portion shown in (a) in FIG. 5. Furthermore, the average value of the width (ferret diameter) of each soft magnetic particle in each reflected electron image was calculated by the same image processing as above. That is, 10 average values were calculated as the average value of the width of the soft magnetic particles. The average value Ws_avg of the width (maximum width) of the multiple soft magnetic particles in the magnetization easy axis direction was calculated by dividing the sum of the 10 average values by 10. The average value Ws_avg of the width of the multiple soft magnetic particles in Example 1 is shown in Table 1 below.
図5中の(b)、図6中の(a)、図7中の(a)、図8中の(a)、及び図9中の(a)それぞれに示されるモノクロームの画像は、同一(identicial)である。
図6中の(b)は、図6中の(a)に示される測定領域a1における走査方向dcに沿った線走査(line scan)によって得られるグレー値(Gray Value)の分布図である。
図7中の(b)は、図7中の(a)に示される測定領域a2における走査方向dcに沿った線走査によって得られるグレー値の分布図である。
図8中の(b)は、図8中の(a)に示される測定領域a3における走査方向dcに沿った線走査によって得られるグレー値の分布図である。
図9中の(b)は、図9中の(a)に示される測定領域a4における走査方向dcに沿った線走査によって得られるグレー値の分布図である。
走査方向dcは、磁化容易軸方向Cに平行である。図6中の(b)、図7中の(b)、図8中の(b)、及び図9中の(b)それぞれの横軸の原点は、線走査が開始される点である。図6中の(b)、図7中の(b)、図8中の(b)、及び図9中の(b)それぞれの横軸は、磁化容易軸方向における距離(単位:μm)を示す。
グレー値は二値化処理の方法に依存する相対値であり、グレー値の単位は、任意単位である。グレー値が50以上であるピークの頂点が、軟磁性粒子の位置とみなされる。したがって、隣り合う一対のピークの頂点間の距離は、磁化容易軸方向において隣り合う一対の軟磁性粒子の間隔とみなされる。換言すれば、隣り合う一対のピークの頂点間の距離は、磁化容易軸方向において隣り合う一対の軟磁性領域の間隔とみなされる。
上述された測定領域a2、測定領域a2、測定領域a2及び測定領域a4それぞれにおいて、磁化容易軸方向(走査方向dc)における複数の軟磁性領域の間隔が測定された。さらに測定領域a2、測定領域a2、測定領域a2及び測定領域a4とは別の6つの測定領域それぞれにおいて、磁化容易軸方向(走査方向dc)における複数の軟磁性領域の間隔が算出された。
上述された10つの測定領域のいずれも、図5中の(b)のモクロームの画像において、複数の主相粒子と複数の軟磁性領域が磁化容易軸方向において交互に配置されている部分から無作為に選択された。10つの測定領域において測定された複数の軟磁性領域の間隔を平均することにより、磁化容易軸方向(走査方向dc)における複数の軟磁性領域の間隔の平均値Int_avgが得られた。実施例1の複数の軟磁性領域の間隔の平均値Int_avgは、下記表1に示される。
The monochrome images shown in (b) of FIG. 5, (a) of FIG. 6, (a) of FIG. 7, (a) of FIG. 8, and (a) of FIG. 9 are identical.
FIG. 6B is a distribution diagram of gray values obtained by a line scan along the scanning direction dc in the measurement area a1 shown in FIG. 6A.
FIG. 7B is a distribution diagram of gray values obtained by line scanning along the scanning direction dc in the measurement area a2 shown in FIG.
FIG. 8B is a distribution diagram of gray values obtained by line scanning along the scanning direction dc in the measurement area a3 shown in FIG. 8A.
FIG. 9B is a distribution diagram of gray values obtained by line scanning along the scanning direction dc in the measurement area a4 shown in FIG. 9A.
The scanning direction dc is parallel to the magnetization easy axis direction C. The origin of the horizontal axis in each of Fig. 6(b), Fig. 7(b), Fig. 8(b), and Fig. 9(b) is the point where the line scan starts. The horizontal axis in each of Fig. 6(b), Fig. 7(b), Fig. 8(b), and Fig. 9(b) indicates the distance (unit: μm) in the magnetization easy axis direction.
The gray value is a relative value that depends on the method of binarization processing, and the unit of the gray value is an arbitrary unit. The apex of the peak with a gray value of 50 or more is considered to be the position of the soft magnetic particle. Therefore, the distance between the apexes of a pair of adjacent peaks is considered to be the interval between a pair of adjacent soft magnetic particles in the direction of the easy magnetization axis. In other words, the distance between the apexes of a pair of adjacent peaks is considered to be the interval between a pair of adjacent soft magnetic regions in the direction of the easy magnetization axis.
In each of the above-mentioned measurement regions a2, a2, a2, and a4, the intervals between the soft magnetic regions in the direction of the easy axis of magnetization (scanning direction dc) were measured. Furthermore, in each of six measurement regions other than the measurement regions a2, a2, a2, and a4, the intervals between the soft magnetic regions in the direction of the easy axis of magnetization (scanning direction dc) were calculated.
Each of the 10 measurement regions described above was randomly selected from a portion of the image of the mochrome in FIG. 5B where a plurality of main phase grains and a plurality of soft magnetic regions are alternately arranged in the direction of the easy axis of magnetization. The intervals between the plurality of soft magnetic regions measured in the 10 measurement regions were averaged to obtain an average value Int_avg of the intervals between the plurality of soft magnetic regions in the direction of the easy axis of magnetization (scanning direction dc). The average value Int_avg of the intervals between the plurality of soft magnetic regions in Example 1 is shown in Table 1 below.
上述された軟磁性粒子に関する測定は、パブリックドメインの画像処理ソフトであるImageJによって実施された。 The measurements on the soft magnetic particles described above were performed using ImageJ, a public domain image processing software.
実施例1と同様の方法で、実施例2~11及び比較例1~5それぞれの複数の軟磁性粒子の面積分率の平均値Ra_avgが算出された。
実施例1と同様の方法で、実施例2~11及び比較例1~5それぞれの複数の軟磁性粒子の幅の平均値Ws_avgが算出された。
実施例1と同様の方法で、実施例2~11及び比較例1~5それぞれの複数の軟磁性領域の間隔の平均値Int_avgが算出された。
実施例2~11及び比較例1~5それぞれのRa_avg、Ws_avg、及びInt_avgは、下記表1及び表2に示される。
In the same manner as in Example 1, the average value Ra_avg of the area fraction of the plurality of soft magnetic particles in each of Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 was calculated.
In the same manner as in Example 1, the average value Ws_avg of the widths of the multiple soft magnetic particles in each of Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 was calculated.
In the same manner as in Example 1, the average value Int_avg of the spacing between the multiple soft magnetic regions was calculated for each of Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 5.
The Ra_avg, Ws_avg, and Int_avg of each of Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 are shown in Tables 1 and 2 below.
実施例1の永久磁石を集束イオンビーム(Focused Ion Beam; FIB)で研磨することにより、薄片が得られた。薄片の厚さは、100nmであった。薄片に含まれる3つの軟磁性粒子(粒子1~3)それぞれの組成が分析された。粒子1~3は、一つの軟磁性領域において、磁化容易軸方向Cに垂直なAB方向に沿って整列していた。粒子1~3それぞれの組成は、STEM-EDSによって分析された。粒子1~3それぞれにおける各元素の濃度(単位:原子%)は、下記表3に示される。粒子1~3それぞれの[T]/[R]も、下記表3に示される。各軟磁性粒子から検出されたCuは、冷却ロールに由来する不純物である、と発明者は推察する。[T]/[R]が8.4以上8.8以下である軟磁性粒子は、R-T相を含む軟磁性粒子とみなされた。[T]/[R]の定義は、上述の通りである。[T]/[R]が99.0以上である軟磁性粒子は、α-Fe相を含む軟磁性粒子とみなされた。実施例1の粒子1及び2は、R-T相を含む軟磁性粒子であった。実施例1の粒子3は、α-Fe相を含む軟磁性粒子であった。
A flake was obtained by polishing the permanent magnet of Example 1 with a focused ion beam (FIB). The thickness of the flake was 100 nm. The composition of each of the three soft magnetic particles (
実施例1と同様の方法で、実施例2~11及び比較例1~5それぞれの軟磁性粒子の組成が分析された。
実施例2~7及び比較例1~5のいずれの場合も、R-T相を含む軟磁性粒子、及びα-Fe相を含む軟磁性粒子の両方が検出された。
一方、実施例8~11のいずれの場合も、α-Fe相を含む軟磁性粒子は検出されたが、R-T相を含む軟磁性粒子は検出されなかった。
In the same manner as in Example 1, the composition of the soft magnetic particles in each of Examples 2 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 was analyzed.
In all of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 5, both soft magnetic particles containing an RT phase and soft magnetic particles containing an α-Fe phase were detected.
On the other hand, in all of Examples 8 to 11, soft magnetic particles containing an α-Fe phase were detected, but soft magnetic particles containing an RT phase were not detected.
(主相粒子に関する測定)
実施例1~11及び比較例1~5それぞれの永久磁石の断面の反射電子像が、SEMで撮影された。反射電子像が撮影された断面は、磁化容易軸方向Cに平行であった。反射電子像の寸法は、縦63.5μm×横47.6μmであった。反射電子像内の代表的な10箇所を選定して、各箇所の反射電子像が高倍率で撮影された。高倍率の反射電子像内に存在する主相粒子(一次粒子)の短軸径(短軸の長さ)が測定された。各主相粒子の形状は、主相粒子に外接する長方形のうち面積が最小である長方形で近似された。長方形の短辺の長さが、主相粒子の短軸径とみなされた。各主相粒子の形状の近似には、パブリックドメインの画像処理ソフトであるImageJが用いられた。高倍率の反射電子像内に存在する全ての主相粒子の短軸径の平均値Dm_avgが算出された。実施例1~11及び比較例1~5それぞれのDm_avgは、下記表1及び表2に示される。
(Measurements on main phase particles)
A backscattered electron image of the cross section of each of the permanent magnets of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 was taken by SEM. The cross section on which the backscattered electron image was taken was parallel to the magnetization easy axis direction C. The size of the backscattered electron image was 63.5 μm in length × 47.6 μm in width. Ten representative locations in the backscattered electron image were selected, and the backscattered electron image of each location was taken at a high magnification. The minor axis diameter (length of the minor axis) of the main phase particles (primary particles) present in the high magnification backscattered electron image was measured. The shape of each main phase particle was approximated by a rectangle with the smallest area among the rectangles circumscribing the main phase particle. The length of the short side of the rectangle was considered to be the minor axis diameter of the main phase particle. ImageJ, which is a public domain image processing software, was used to approximate the shape of each main phase particle. The average value Dm_avg of the minor axis diameters of all the main phase particles present in the high magnification backscattered electron image was calculated. The Dm_avg of each of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 is shown in Tables 1 and 2 below.
(永久磁石の磁気特性の測定)
実施例1~11及び比較例1~5それぞれの永久磁石の保磁力(HcJ)、残留磁束密度(Br)、及び角形比(Hk/HcJ)が測定された。保磁力、残留磁束密度、及び角形比は、BHトレーサーによって測定された。保磁力は23℃で測定された。残留磁束密度は室温で測定された。角形比は23℃で測定された。各測定値は、下記表1及び表2に示される。
(Measurement of magnetic properties of permanent magnets)
The coercive force (HcJ), residual magnetic flux density (Br), and squareness ratio (Hk/HcJ) of each of the permanent magnets of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 5 were measured. The coercive force, residual magnetic flux density, and squareness ratio were measured using a BH tracer. The coercive force was measured at 23°C. The residual magnetic flux density was measured at room temperature. The squareness ratio was measured at 23°C. The measured values are shown in Tables 1 and 2 below.
例えば、本発明の一側面に係るR‐T‐B系永久磁石は、電気自動車又はハイブリッド車に搭載されるモーターの材料に適用されてよい。 For example, the R-T-B permanent magnet according to one aspect of the present invention may be used as a material for the motor installed in an electric vehicle or hybrid vehicle.
2…R‐T‐B系永久磁石、2cs…R‐T‐B系永久磁石の断面(磁化容易軸方向に平行な断面)、4…主相粒子、6…軟磁性粒子、8…副相粒子、sm…軟磁性領域。
2... R-T-B system permanent magnet, 2cs... Cross section of R-T-B system permanent magnet (cross section parallel to the axis of easy magnetization), 4... Main phase particle, 6... Soft magnetic particle, 8... Subphase Particle, sm...soft magnetic region.
Claims (7)
前記R‐T‐B系永久磁石が、前記希土類元素Rとして、少なくともNdを含有し、
前記R‐T‐B系永久磁石が、前記遷移金属元素Tとして、少なくともFeを含有し、
前記R‐T‐B系永久磁石が、複数の主相粒子と、複数の軟磁性粒子と、を含み、
複数の前記主相粒子が、少なくとも前記希土類元素R、前記遷移金属元素T、及び前記ホウ素を含有し、
複数の前記軟磁性粒子が、少なくともFeを含有し、
前記R‐T‐B系永久磁石の断面が、複数の軟磁性領域を含み、
前記R‐T‐B系永久磁石の前記断面が、前記R‐T‐B系永久磁石の磁化容易軸方向に平行であり、
複数の前記軟磁性領域それぞれが、前記磁化容易軸方向に垂直な方向に沿って整列する複数の前記軟磁性粒子を含み、
前記磁化容易軸方向において、複数の前記主相粒子と複数の前記軟磁性領域が交互に配置されており、
前記磁化容易軸方向における複数の前記軟磁性粒子の幅の平均値が、20nm以上5μm以下である、
R‐T‐B系永久磁石。 An R-T-B system permanent magnet containing a rare earth element R, a transition metal element T, and boron,
The R-T-B system permanent magnet contains at least Nd as the rare earth element R,
The R-T-B system permanent magnet contains at least Fe as the transition metal element T,
the R-T-B based permanent magnet includes a plurality of main phase particles and a plurality of soft magnetic particles,
a plurality of the main phase particles contain at least the rare earth element R, the transition metal element T, and the boron;
The soft magnetic particles contain at least Fe,
A cross section of the R-T-B system permanent magnet includes a plurality of soft magnetic regions,
the cross section of the R-T-B system permanent magnet is parallel to the magnetization easy axis direction of the R-T-B system permanent magnet,
Each of the soft magnetic regions includes a plurality of the soft magnetic grains aligned along a direction perpendicular to the easy axis direction,
a plurality of the main phase grains and a plurality of the soft magnetic regions are alternately arranged in the direction of the easy magnetization axis,
an average value of widths of the soft magnetic particles in the direction of the easy axis of magnetization is 20 nm or more and 5 μm or less;
R-T-B series permanent magnet.
請求項1に記載のR‐T‐B系永久磁石。 an average value of intervals between the soft magnetic regions in the easy axis direction is 4 μm or more and 15 μm or less;
The R-T-B system permanent magnet according to claim 1 .
請求項1に記載のR‐T‐B系永久磁石。 the area fraction of the soft magnetic particles in the cross section of the R-T-B system permanent magnet is 4% or more and 15% or less;
The R-T-B system permanent magnet according to claim 1 .
請求項1に記載のR‐T‐B系永久磁石。 At least a portion of the soft magnetic particles includes an R-T phase including the rare earth element R and the transition metal element T.
The R-T-B system permanent magnet according to claim 1 .
前記ホウ素の含有量が、0.77質量%以上1.15質量%である、
請求項1に記載のR‐T‐B系永久磁石。 The content of the rare earth element R is 26% by mass or more and 32% by mass or less,
The boron content is 0.77% by mass or more and 1.15% by mass.
The R-T-B system permanent magnet according to claim 1 .
請求項1に記載のR‐T‐B系永久磁石。 a plurality of the main phase grains observed in the cross section of the R-T-B system permanent magnet are flat;
The R-T-B system permanent magnet according to claim 1 .
前記磁化容易軸方向における前記複数の主相粒子の幅の平均値が、20nm以上200nm以下である、
請求項1に記載のR‐T‐B系永久磁石。
a width of the main phase grains in the direction of the easy axis of magnetization is smaller than a width of the main phase grains in a direction perpendicular to the easy axis direction,
an average width of the plurality of main phase grains in the direction of the easy axis of magnetization is 20 nm or more and 200 nm or less;
The R-T-B system permanent magnet according to claim 1 .
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