JP7252105B2 - 希土類磁石及びその製造方法 - Google Patents
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Description
〈1〉主相及び前記主相の周囲に存在する粒界相を備え、
モル比での全体組成が、式(R2 (1-x)R1 x)yFe(100-y-w-z-v)CowBzM1 v・(R3 (1-p)M2 p)q(ただし、R1は、Ce、La、Y、及びScからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、R2及びR3は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、M1は、Ga、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群より選ばれる一種以上の元素並びに不可避的不純物元素であり、M2は、R3と合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素であり、かつ、
0.1≦x≦1.0、
12.0≦y≦20.0、
5.0≦z≦20.0、
0≦w≦8.0、
0≦v≦2.0、
0.05≦p≦0.40、及び、
0.1≦q≦15.0
である。)で表され、
前記主相が、R2Fe14B型(ただし、Rは希土類元素である。)の結晶構造を有し、
前記主相の平均粒径が、1~20μmであり、
前記主相が、コア部及び前記コア部の周囲に存在するシェル部を有し、
前記シェル部の厚さが、25~150nmであり、かつ、
前記コア部について、Ce、La、Y、Sc、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoの合計含有量に対する、Ce、La、Y、及びScの合計含有量のモル比をaとし、前記シェル部について、Ce、La、Y、Sc、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoの合計含有量に対する、Ce、La、Y、及びScの合計含有量のモル比をbとしたとき、0≦b≦0.30及び0≦b/a≦0.50を満足する、
希土類磁石。
〈2〉前記bが0.09~0.27を満足し、かつ、b/aが0.17~0.47を満足する、〈1〉項に記載の希土類磁石。
〈3〉前記zが5.6~20.0である、〈1〉又は〈2〉項に記載の希土類磁石。
〈4〉主相及び前記主相の周囲に存在する粒界相を備え、モル比での全体組成が、式(R2 (1-x)R1 x)yFe(100-y-w-z-v)CowBzM1 v(ただし、R1は、Ce、La、Y、及びScからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、R2は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、M1は、Ga、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群より選ばれる一種以上の元素並びに不可避的不純物元素であり、かつ、0.1≦x≦1.0、12.0≦y≦20.0、5.0≦z≦20.0、0≦w≦8.0、及び0≦v≦2.0である。)で表され、前記主相がR2Fe14B型(ただし、Rは希土類元素である。)の結晶構造を有し、前記主相の平均粒径が1~20μmであり、かつ、前記主相の体積率が90~97%である、希土類磁石前駆体を準備すること、及び、
モル比での式R3 (1-p)M2 p(ただし、R3は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、M2は、R3と合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素であり、かつ、0.05≦p≦0.40である。)で表される組成を有する改質材を準備すること、及び、
100モル部の前記希土類磁石前駆体に対して、qモル部(0.1≦q≦15.0)の前記改質材を接触させ、前記改質材の融点以上、かつ750~1000℃の温度で、前記希土類磁石前駆体と前記改質材の合計(100モル部+qモル部)に対して、3.7~10.0モル部の前記R3を拡散浸透させること、
を含む、
希土類磁石の製造方法。
〈5〉100モル部の前記希土類磁石前駆体に対して、3.6~10.4モル部の前記改質材を拡散浸透させる、〈4〉項に記載の方法。
〈6〉前記希土類磁石前駆体と前記改質材の合計(100モル部+qモル部)に対して、3.8~7.8モル部の前記R3を拡散浸透させる、〈4〉に記載の方法。
〈7〉前記希土類磁石前駆体の組成を表す式のzが5.6~20.0であり、
前記希土類磁石前駆体の粒界相が、前記希土類磁石前駆体全体に対して、0~30.0体積%のR1.1Fe4B4型の結晶構造を有する相を含有し、
前記改質材の組成が、モル比での式R3 (1-s-t)FesM3 t(ただし、M3は、R3及びFeと合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素であり、かつ、0.05≦s≦0.30、0≦t≦0.20、及び0.05≦s+t≦0.40である。)で表される、〈4〉~〈6〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈8〉前記希土類磁石前駆体に前記改質材を拡散浸透した前記希土類磁石を、さらに、450~600℃で最適化熱処理する、〈4〉~〈7〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈9〉前記拡散浸透後、前記希土類磁石前駆体及び前記改質材を、0.1~10℃/分の速度で冷却する、〈4〉~〈8〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈10〉前記拡散浸透後、前記希土類磁石前駆体及び前記改質材を、0.1~1℃/分の速度で冷却する、〈4〉~〈8〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈11〉前記希土類磁石前駆体に前記改質材を、前記改質材の融点以上、かつ850~1000℃の温度で拡散浸透させる、〈4〉~〈10〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈12〉前記希土類磁石前駆体に前記改質材を、前記改質材の融点以上、かつ900~1000℃の温度で拡散浸透させる、〈4〉~〈10〉項のいずれか一項に記載の方法。
まず、本開示の希土類磁石の構成要件について説明する。本開示の希土類磁石100は、図3A及び図3Bに示したように、主相10及び粒界相20を備える。粒界相20は、主相10の周囲に存在する。主相10は、コア部12及びシェル部14を有する。シェル部14は、コア部12の周囲に存在する。以下、本開示の希土類磁石100の全体組成、主相10、及び粒界相20について説明する。また、主相10に関しては、コア部12及びシェル部14について説明する。
本開示の希土類磁石100の全体組成について説明する。本開示の希土類磁石100の全体組成とは、図3A及び図3Bにおいて、すべての主相10と粒界相20を合わせた組成を意味する。上述したように、主相10はコア部12及びシェル部14を有する。三重点22が存在する場合には、三重点22は粒界相20に含む。
R1は、本開示の希土類磁石に必須の成分である。上述したように、R1は、Ce、La、Y、及びScからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、軽希土類元素に属する。R1は、主相(R2Fe14B相)を構成元素である。主相の表層部近傍のR1の少なくとも一部が、改質材中のR3で置換されることによって、主相がコア部とシェル部を有することができる。
上述したように、R2は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、軽希土類元素以外の希土類元素に属する。Nd、Pr、及びGdは中希土類元素に属し、Tb、Dy、及びHoは重希土類元素に属する。すなわち、R2は中希土類元素及び/又は重希土類元素に属する。本開示の希土類磁石において、性能と価格のバランスの観点からは、Nd及びPrの含有量を多くすることが好ましく、Ndの含有量を多くすることがより好ましい。R1として、NdとPrを共存させる場合には、ジジミウムを用いてもよい。R2は主相(R2Fe14B相)を構成元素である。
本開示の希土類磁石において、R1とR2は希土類磁石前駆体に由来する元素である。R1とR2の合計に対して、モル比で、xのR1が存在し、(1-x)のR2が存在する。そして、0.1≦x≦1.0を満足する。
上式において、R1とR2の合計含有割合は、yで表され、12.0≦y≦20.0を満足する。なお、yの値は、希土類磁石前駆体に対する含有割合であり、原子%に相当する。
Bは、図2A及び図3Aに示したように、主相10(R2Fe14B相)を構成し、主相10及び粒界相20の存在割合と、粒界相20中の三重点22(R1.1Fe4B4相)の存在割合に影響を与える。
Coは、主相及び粒界相で、Feと置換可能な元素である。本明細書で、Feと記載されている場合には、Feの一部がCoで置換可能であることを意味する。例えば、R2Fe14B相のFeの一部がCoで置換されて、R2(Fe、Co)14B相となる。また、例えば、粒界相中のR1.1Fe4B4相は、そのFeの一部がCoで置換されて、R1.1(Fe、Co)4B4相になる。
M1は、本開示の希土類磁石の特性を損なわない範囲で含有することができる。M1には不可避的不純物元素を含んでよい。本明細書において、不可避的不純物元素とは、希土類磁石の原材料に含まれる不純物元素、あるいは、製造工程で混入してしまう不純物元素等、その含有を回避することが避けられない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物元素のことをいう。製造工程で混入してしまう不純物元素等には、製造上の都合により、磁気特性に影響を与えない範囲で含有させる元素を含む。また、不可避的不純物元素には、R1及びR2として選択される希土類元素以外であって、上述したような理由で不可避的に混入する希土類元素を含む。
Feは、これまで説明したR1、R2、Co、B、及びM1の残部であり、Feの含有割合は、(100-y-w-z-v)で表される。y、w、z、及びvを、これまでに説明した範囲にすると、図3A及び図3Bに示したように、主相10及び粒界相20が得られる。
R3は改質材に由来する元素である。図1、図2A、及び図3Aに示したように、改質材60は希土類磁石前駆体50の内部に拡散浸透する。主相10の表層部近傍のR1の少なくとも一部は、改質材60のR3で置換されて、シェル部14を形成する。このことから、本開示の希土類磁石100においては、R3は、シェル部14及び粒界相20に存在する。
M2は、R3と合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素である。典型的には、M2は、R3 (1-p)M2 pの融点をR3の融点よりも低下させる合金元素及び不可避的不純物元素である。M2としては、例えば、Cu、Al、Co、及びFeから選ばれる一種以上の元素並びに不可避的不純物元素が挙げられる。M2としては、Cu、Al、及びFeから選ばれる一種以上の元素が好ましい。また、上述したように、M2がFeを含有しない場合(図3A、参照)と比べて、M2がFeを含有する場合(図3B、参照)においては、三重点22のR1.1Fe4B4相が、改質材60のFeにより、主相(R2Fe14B相)の一部となる。その結果、本開示の希土類磁石100の異方性磁界(保磁力)及び残留磁化の一層の向上に寄与する。なお、本明細書において、不可避的不純物元素とは、希土類磁石の原材料に含まれる不純物元素、あるいは、製造工程で混入してしまう不純物元素等、その含有を回避することが避けられない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物元素のことをいう。製造工程で混入してしまう不純物元素等には、製造上の都合により、磁気特性に影響を与えない範囲で含有させる元素を含む。また、不可避的不純物元素には、R3として選択される希土類元素以外であって、上述したような理由で不可避的に混入する希土類元素を含む。
R3とM2は、式R3 (1-p)M2 pで表されるモル比での組成を有する合金を形成し、改質材は、この合金を含有する。そして、pは、0.05≦p≦0.40を満足する。
M2はFeを含有しても、含有しなくてもよいが、上述したように、M2はFeを含有することが好ましい。M2がFeを含有する場合には、便宜的に、Fe以外のM2を、M3としてもよい。そして、上式のR3 (1-p)M2 pをR3 (1-s-t)FesM3 tとしてもよい。このとき、M3は、R3及びFeと合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素であり、かつ、0.05≦s≦0.30、0≦t≦0.20、及び0.05≦s+t≦0.40である。s及びtについては、「《製造方法》」のところで詳述する。
上式において、100モル部の希土類磁石前駆体50に対する改質材60の割合は、qモル部である。すなわち、100モル部の希土類磁石前駆体50に、qモル部の改質材60を拡散浸透すると、100モル部+qモル部の本開示の希土類磁石100となる。このことから、qは、希土類磁石前駆体に由来する元素の合計含有量を100モル部としたときの、改質材に由来する元素の含有量のモル比である。言い替えると、100原子%の希土類磁石前駆体50に対して、本開示の希土類磁石100は(100+q)原子%である。
主相10は、R2Fe14B型の結晶構造を有する。Rは希土類元素である。R2Fe14B「型」としたのは、主相10中(結晶構造中)で、R、Fe、及びB以外の元素を、置換型及び/又は侵入型で含み得るためである。例えば、主相10中で、Feの一部がCoで置換されていてもよい。あるいは、例えば、主相10中で、R、Fe、及びBのいずれかの元素の一部が、M1で置換されていてもよい。あるいは、例えば、主相10中に、M1が侵入型で存在していてもよい。
図3Aに示したように、本開示の希土類磁石100の主相10は、コア部12とシェル部14を有する。シェル部14は、コア部12の周囲に存在する。
図3A及び図3Bに示したように、本開示の希土類磁石100においては、主相10と、主相10の周囲に存在する粒界相20を備える。上述したように、主相10はR2Fe14B型の結晶構造を有する相(R2Fe14B相)を含む。一方、粒界相20は、三重点22を除き、結晶構造が明瞭ではない相を含む。「明瞭ではない相」とは、理論に拘束されないが、R2Fe14B相以外の相であり、その相の少なくとも一部が不完全な結晶構造を有し、それらが不規則に存在している相(状態)を意味する。あるいは、そのような相(状態)の少なくとも一部が、非晶質のように、結晶構造の様相をほとんど呈していないこと相を意味する。
次に、本開示の希土類磁石の製造方法について説明する。
モル比での全体組成が、式(R2 (1-x)R1 x)yFe(100-y-w-z-v)CowBzM1 vで表される希土類磁石前駆体50を準備する。希土類磁石前駆体50の全体組成を表す式において、R1、R2、Fe、Co、B、及びM1、並びにx、y、z、w、及びvについては、「《希土類磁石》」のところで説明したとおりである。
モル比での式R3 (1-p)M2 pで表される組成を有する改質材を準備する。改質材の組成を表す式において、R3及びM2並びにpについては、「《希土類磁石》」のところで説明したとおりである。
改質材の融点以上、かつ750~1000℃の温度で、希土類磁石前駆体に改質材を拡散浸透させる。
改質材60を希土類磁石前駆体50に拡散浸透した後、希土類磁石前駆体50及び改質材60を冷却して、本開示の希土類磁石100が得られる。上述したように、改質材60が粒界相20に拡散浸透すると、主相10の表層近傍が溶融し(図2A及び図2B、参照)、それを冷却してシェル部14を形成する(図3A及び図3B、参照)。
上述したように、Feを含有する改質材60を使用すると(図3B、参照)、Feを含有しない改質材60を使用したとき(図3A、参照)に、三重点22としてR1.1Fe4B4相が形成される部位も、主相10(R2Fe14B相)の一部となり、残留磁化が一層向上する。
改質材60を希土類磁石前駆体50に拡散浸透した後、それを冷却して、そのまま本開示の希土類磁石100としてもよいし、冷却後の希土類磁石を、さらに、熱処理して、本開示の希土類磁石100としてもよい。理論に拘束されないが、この熱処理により、主相10の組織が変質することなく(溶融することなく)、改質材60を拡散浸透させた後の粒界相20の一部が溶融し、その溶融物が凝固し、主相10を均一に被覆して、保磁力の向上に寄与することが考えられる。
主として、拡散浸透温度の影響について検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。また、実施例9の試料については、SEM-EDXを用いて面分析した。
主として、改質材の組成の影響を確認するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM: Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。
Feを含有する改質材を使用する場合について、希土類磁石前駆体のBの含有割合の影響を主として検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。
主として、希土類磁石前駆体の主相の体積率の影響を検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。
Feを含有する改質材を使用する場合について、希土類磁石前駆体のBの含有割合の影響を主として検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。
主として、希土類磁石前駆体の主相の平均粒径の影響を検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。また、実施例25及び比較例13のいずれの試料についても、SEM-EDXを用いて面分析した。
主として、改質材を拡散浸透した後の冷却速度の影響について検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。
主として、改質材の接触量及び最適化熱処理の影響を検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を室温で測定した。
主として、高温(75~200℃)での磁気特性について検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を、室温~200℃の範囲で測定した。
主として、コア部及びシェル部の組織について検証するため、次の試料を準備した。
振動試料型磁力計(VSM:Vibrating Sample Magnetometer)を用いて、得られた試料の磁気特性を、室温で測定した。また、球面収差補正機能付き走査透過型電子顕微鏡のエネルギー分散型X線分光分析機(Cs-STEM-EDX:Corrector-Spherical Aberration-Scanning Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectrometry)を用いて、各試料のコア部及びシェル部について、所定の希土類磁石の含有割合を分析し、上述したa及びb並びにb/aを求めた。また、シェル部の厚さを求めた。
12 コア部
14 シェル部
20 粒界相
22 三重点
50 希土類磁石前駆体
60 改質材
62 融液
100 本開示の希土類磁石
Claims (8)
- 主相及び前記主相の周囲に存在する粒界相を備え、
モル比での全体組成が、式(R2 (1-x)R1 x)yFe(100-y-w-z-v)CowBzM1 v・(R 3 (1-s-t) Fe s M 3 t )q(ただし、R1は、Ce及びLaからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、R2及びR3は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、M1は、Ga、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群より選ばれる一種以上の元素並びに不可避的不純物元素であり、M 3 は、R3 及びFeと合合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素であり、かつ、
0.4≦x≦1.0、
12.0≦y≦20.0、
5.6≦z≦20.0、
0≦w≦30.0、
0≦v≦2.0、
0.05≦s≦0.30、
0≦t≦0.20、
0.05≦s+t≦0.40、及び、
0.1≦q≦15.0
である。)で表され、
前記主相が、R2Fe14B型(ただし、Rは希土類元素である。)の結晶構造を有し、
前記主相の平均粒径が、2.4~20μmであり、
前記主相が、コア部及び前記コア部の周囲に存在するシェル部を有し、
前記シェル部の厚さが、75~150nmであり、かつ、
前記コア部について、Ce、La、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoの合計含有量に対する、Ce及びLaの合計含有量のモル比をaとし、前記シェル部について、Ce、La、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoの合計含有量に対する、Ce及びLaの合計含有量のモル比をbとしたとき、0≦b≦0.30及び0≦b/a≦0.50を満足する、
希土類磁石。 - 前記bが0.09~0.27を満足し、かつ、b/aが0.17~0.47を満足する、請求項1に記載の希土類磁石。
- 主相及び前記主相の周囲に存在する粒界相を備え、モル比での全体組成が、式(R2 (1-x)R1 x)yFe(100-y-w-z-v)CowBzM1 v(ただし、R1は、Ce及びLaからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、R2は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、M1は、Ga、Al、Cu、Au、Ag、Zn、In、及びMnからなる群より選ばれる一種以上の元素並びに不可避的不純物元素であり、かつ、0.4≦x≦1.0、12.0≦y≦20.0、5.6≦z≦20.0、0≦w≦8.0、及び0≦v≦2.0である。)で表され、前記主相がR2Fe14B型(ただし、Rは希土類元素である。)の結晶構造を有し、前記主相の平均粒径が2.4~20μmであり、かつ、前記主相の体積率が90~97%である、希土類磁石前駆体を準備すること、
モル比での式R 3 (1-s-t) Fe s M 3 t (ただし、R 3 は、Nd、Pr、Gd、Tb、Dy、及びHoからなる群より選ばれる一種以上の元素であり、M 3 は、R 3 及びFeと合金化する希土類元素以外の遷移金属元素及び不可避的不純物元素であり、かつ、0.05≦s≦0.30、0≦t≦0.20、及び0.05≦s+t≦0.40である。)で表される組成を有する改質材を準備すること、及び、
100モル部の前記希土類磁石前駆体に対して、qモル部(0.1≦q≦15.0)の前記改質材を接触させ、前記改質材の融点以上、かつ950~1000℃の温度で、前記希土類磁石前駆体と前記改質材の合計(100モル部+qモル部)に対して、3.7~10.0モル部の前記R3を拡散浸透させること、
を含み、
前記希土類磁石前駆体の粒界相が、前記希土類磁石前駆体全体に対して、0.4~30.0体積%のR 1.1 Fe 4 B 4 型の結晶構造を有する相を含有する、
希土類磁石の製造方法。 - 100モル部の前記希土類磁石前駆体に対して、3.6~10.4モル部の前記改質材を拡散浸透させる、請求項3に記載の方法。
- 前記希土類磁石前駆体と前記改質材の合計(100モル部+qモル部)に対して、3.8~7.8モル部の前記R3を拡散浸透させる、請求項3に記載の方法。
- 前記希土類磁石前駆体に前記改質材を拡散浸透した前記希土類磁石を、さらに、450~600℃で熱処理する、請求項3~5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記拡散浸透後、前記希土類磁石前駆体及び前記改質材を、0.1~10℃/分の速度で冷却する、請求項3~6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記拡散浸透後、前記希土類磁石前駆体及び前記改質材を、0.1~1℃/分の速度で冷却する、請求項3~6のいずれか一項に記載の方法。
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