JP2008251993A - 磁性材料及びこれを用いた磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない希土類元素の含有量で十分な磁気特性を有しており、しかもバルク形状を有する磁石を容易に形成することができる磁性材料、及び、これを用いた磁石を提供すること。
【解決手段】少なくとも希土類元素を含みＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物からなる主相粒子２と、主相粒子２の周囲の少なくとも一部を被覆しており、Ｆｅを主成分とする被覆層４と、を有することを特徴とする磁性材料及びこれを用いた磁石。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁性材料及びこれを用いた磁石に関する。

希土類元素を含有する希土類磁石は、高磁気特性を有する磁石として種々の用途に用いられている。例えば、下記特許文献１に記載されたような所定の組成を有するＲ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石が、優れた磁気特性を発揮し得るものとして知られている。

希土類磁石においては、希少な希土類元素の使用量をできるだけ少なくして高特性を得ることが望まれる。希土類元素の使用量を少なくできる希土類磁石としては、例えば、希土類元素を含む相と、希土類元素を含まない相とを組み合わせた複合型の希土類磁石が考えられる。このような複合型の希土類磁石によれば、希土類元素を含まない相を有しているため、単一の金属間化合物から構成される希土類磁石に比べて、希土類元素の量を少なくできる。

複合型の希土類磁石としては、例えば、下記特許文献２に記載されたような、Ｓｍ（Ｃｏ，Ｃｕ）_５の組成を有する硬磁性相と、Ｆｅからなる軟磁性相とが交互に繰り返し積層された多層膜構造を有するナノコンポジット磁石が知られている。
特開２０００−２３４１５１号公報 特開２００６−１７３２１０号公報

しかしながら、上記従来のナノコンポジット磁石は、多層膜構造からなる薄膜磁石であり、広い用途に適用できるボンド磁石や焼結磁石といったバルク形状の磁石を形成することは困難であった。また、従来の単一の金属間化合物から構成されるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石と比べると、未だ十分な磁気特性が得られるものではなかった。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、少ない希土類元素の含有量で十分な磁気特性を有しており、しかもバルク形状を有する磁石を容易に形成することができる磁性材料、及び、これを用いた磁石を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の磁性材料は、少なくとも希土類元素を含みＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物からなる主相粒子と、主相粒子の周囲の少なくとも一部を被覆しており、Ｆｅを主成分とする被覆層とを有する粒子を含む、ことを特徴とする。

本発明の磁性材料は、希土類元素を含む金属間化合物からなる主相粒子と、Ｆｅを主成分とする被覆層とを含む複合構造を有していることから、単一の金属間化合物から構成される希土類磁石と比べて希土類元素の含有量を少なくできる。また、主相粒子を被覆層が被覆した粒子を含むため、上述の多層膜構造に比べて容易にバルク形状の磁石を形成することができる。さらに、本発明の磁性材料は、希土類元素を含む主相粒子が、Ｆｅを主成分とする被覆層により被覆された複合構造を有することから、希土類元素の含有量が少ないのにも関わらず、優れた磁気特性を有するものとなる。

ここで、本発明の磁性材料が優れた磁気特性を有するのは、必ずしも明らかではないが、以下のような要因によると考えられる。すなわち、本発明の磁性材料においては、希土類元素を含む主相粒子が、ＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物によって構成されている。このＣａＣｕ_５型の結晶構造においては、希土類元素が密に存在する面が層状に重なった異方性構造が形成されており、しかも希土類元素が六方晶のｃ軸方向に連なった構成を有しているため、大きな異方性が発現されると考えられる。そのため、このような金属間化合物によって構成される粒子は、極めて大きな異方性磁界を有するものとなる。本発明の磁性材料は、このような粒子がＦｅを主成分とする被覆層によって被覆された構成を有していることから、磁石を形成した場合にこれらによって構成される相間での交換結合を強く生じることができる。その結果、本発明の磁性材料によれば、主相粒子が有する高い異方性磁界と、被覆層が有する高い磁束密度とが十分に発揮され、希土類元素の量が少なくても、優れた磁気特性を有する磁石を形成できるものと考えられる。

本発明はまた、上述の磁性材料を用いる磁石を提供する。すなわち、本発明の磁石は、少なくとも希土類元素を含みＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物からなる主相粒子と、主相粒子の周囲の少なくとも一部を被覆しており、Ｆｅを主成分とする被覆層とを有することを特徴とする。

このような本発明の磁石は、上述の複合構造を有する磁性材料によって構成されることから、容易にバルク形状を有することができ、希土類元素の含有量を少なくした場合であっても、高い磁気特性を有するものとなる。

上記本発明の磁石は、上記粒子を結合させる結合剤を更に含んでいても良い。これにより、Ｆｅを主成分とする被覆層により被覆された主相粒子が結合剤によって結合され、磁石のバルク化が一層容易となる。よって、このような磁石は、多様な用途に適した形状を有することができるようになる。

本発明によれば、少ない希土類元素の含有量で十分な磁気特性を有しており、しかもバルク形状を有する磁石を容易に形成することができる磁性材料、及び、これを用いた磁石を提供することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る磁石の断面構成を拡大して示す模式図である。図１に示すように、磁石１０は、Ｆｅを主成分とする被覆層４によりそれぞれ被覆された多数の主相粒子２と、これらの間を満たす、結合剤６と有している。このように、磁石１０は、被覆層４により被覆された主相粒子２からなる粒子から構成される磁性粉末（磁性材料）が、結合剤６で結合されることによって構成されている。

図２は、本発明の他の好適な実施形態に係る磁石の断面構成を拡大して示す模式図である。図２に示すように、磁石２０は、多数の主相粒子２と、この表面を覆うＦｅを主成分とする被覆層４とからなる粒子が多数密着した構成を有している。この磁石２０においては、隣接する粒子の被覆層４同士がほぼ一体化しており、換言すれば、多数の主相粒子２の粒界部分が被覆層４によって満たされた構成となっている。以下、磁石１０及び２０の各要素について説明する。

主相粒子２は、少なくとも希土類元素を含み、ＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物からなる。このような主相粒子２における金属間化合物がＣａＣｕ_５型構造を有しているか否かは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって確認することができる。主相粒子２を構成する金属間化合物は、希土類元素と他の金属元素とが金属結合によって結合した化合物である。

金属間化合物に含まれる希土類元素としては、サマリウム（Ｓｍ）、エルビウム（Ｅｒ）やツリウム（Ｔｍ）が挙げられ、Ｓｍが好ましい。また、希土類元素と組み合わせる他の金属元素としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のような鉄族元素が挙げられ、特にコバルト（Ｃｏ）が好ましい。このような金属間化合物としては、Ｓｍ−Ｃｏ系の化合物が挙げられる。Ｓｍは、ＣａＣｕ_５型構造において、ｃ軸方向に大きな異方性を付与することができ、また、Ｃｏは、ＣａＣｕ_５型構造を安定化できる特性を有していると考えられる。Ｓｍ−Ｃｏ系の金属間化合物としては、具体的には、ＳｍＣｏ_５が好ましい。ＳｍＣｏ_５の組成を有する金属間化合物は、特に大きな異方性磁界を有する傾向にある。

さらに、金属間化合物としては、Ｓｍ−Ｃｏ系においてＣｏの一部がホウ素（Ｂ）に置換されたＳｍ−Ｃｏ−Ｂ系の化合物がより好ましい。このようにＣｏの一部がＢに置換されることによって、ＢはＣｏよりも原子半径が小さいため、ＣａＣｕ_５型構造においてｃ軸方向のＳｍ同士の距離を小さくすることができ、より高い異方性が得られると考えられる。Ｓｍ−Ｃｏ−Ｂ系の金属間化合物としては、例えば、ＳｍＣｏ_４Ｂ、ＳｍＣｏ_３Ｂ_２、Ｓｍ_２Ｃｏ_７Ｂ_３や、Ｓｍ_３Ｃｏ_１１Ｂ_４等のＳｍ_ＮＣｏ_３Ｎ＋２Ｂ_２Ｎ−２（Ｎは２以上）で表される組成を有するものが挙げられる。

さらにまた、金属間化合物としては、Ｓｍ−Ｃｏ−Ｂ系の金属間化合物においてＣｏの一部がＦｅに置換されたＳｍ−Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系の化合物がさらに好ましい。このようにＣｏの一部がＦｅに置換されることによって、金属間化合物の異方性磁界を高めながら、キュリー温度を十分に高くすることも可能となる。キュリー温度の高い金属間化合物からなる被覆層４を有することで、磁石１０及び２０は高温でも優れた磁気特性を維持できるものとなる。ＣｏのＦｅ置換量としては、十分な異方性磁界を得るとともに、キュリー温度を上昇させる観点から、７５原子％以下とすることが好ましく、２５〜７５原子％とすることがより好ましい。

なお、このような金属間化合物は、上述のＣａＣｕ_５型構造において、Ｃａの位置にＳｍが入り、Ｃｕの位置にＣｏ，Ｆｅ，Ｂ等が入るが、このようなＣａＣｕ_５型構造を安定化させるために、１０原子％以下の他の遷移金属元素、半金属元素を含有していてもよい。

このような構成を有する主相粒子２の形状は、例えば板状とすることができ、その厚さは３００μｍ以下であることが好ましい。

Ｆｅを主成分とする被覆層４は、Ｆｅのみから構成されてもよく、Ｆｅ以外の元素を組み合わせて含む層であってもよい。被覆層４に含まれるＦｅ以外の元素としては、例えば、コバルト（Ｃｏ）や窒素（Ｎ）が挙げられ、Ｃｏを２０〜５０原子％含む組成を有しているとより好ましい。Ｆｅに加えてＣｏを含有することで、磁石の飽和磁束密度が向上する傾向にある。

また、被覆層４の具体的な組成としては、Ｆｅ_７５Ｃｏ_２５組成が挙げられる。

磁石１０における結合剤６は、磁性粉末同士を結合させる成分である。この結合剤６は、少なくとも主相粒子２及び被覆層４を構成する材料よりも飽和磁束密度が小さい材料から構成され、非磁性（常磁性、反磁性）又は反強磁性の材料からなるとより好ましい。結合剤６の具体例としては、希土類金属（Ｓｍ又はＬａ）、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ等の金属単体、ＮｉＯ、ＦｅＭｎ、ＦｅＡｌ等の合金、或いは、樹脂等からなるものが挙げられる。

これらのうち、Ｓｍは、磁性粉末等の構造の乱れによる異方性の低下を抑制することができ、Ｚｎは融点が低いため磁性粉末を分散させるのに適しており、また、Ｃｕは展性・延性に優れており、結合剤６に適している上、めっきによる形成等が容易であるといった利点を有している。さらに、ＮｉＯやＦｅＭｎは安価で容易に結合剤６として利用でき、また、樹脂は、溶融が容易で磁性粉末を分散しやすい等の利点を有している。結合剤６としては、所望の特性に合わせて上記の成分を適宜選択して用いることが好ましい。

次に、上述した構成を有する磁石１０及び２０の製造方法の好適な例について説明する。

磁石１０及び２０の製造においては、まず、希土類元素を含む主相粒子２を準備する。この主相粒子２は、例えば、以下で説明する溶媒を用いる方法や高速急冷法あるいはアークプラズマガンを用いる方法等により製造することができる。

溶液を用いる方法では、例えば次のようにして主相粒子２が得られる。すなわち、上述の金属間化合物に含まれる元素を含む化合物、例えば所望の組成が得られるような質量比のサマリウム塩、コバルト塩及びボロン塩等を、グリコール類等の溶媒に溶解させる。得られた溶液を十分に攪拌し、これを１５０〜３２０℃に保って反応させることにより、主相粒子２が得られる。

高速急冷法では、例えば次のようにして主相粒子２が得られる。すなわち、上述の金属間化合物に含まれる元素を含む化合物、例えばＳｍＣｏ_４Ｂ組成の化合物の原料を、高周波等により溶解した後、得られた溶解物を、Ａｒガス減圧下において、冷却ロールの周速度１５〜６０ｍ／ｓの範囲で急冷して薄片を得る。得られた薄片を粉砕することにより主相粒子２が得られる。

次に、このような主相粒子２の周囲に被覆層４を形成し、被覆層４により主相粒子２が被覆された粒子からなる磁性粉末を製造する。被覆層４は、例えば、被覆層４を構成する金属間化合物等の原料を蒸着やスパッタ等のＰＶＤ法によって主相粒子２の表面に堆積させる堆積法、被覆層４の原料となる微粒子と主相粒子２とを混合する混合法、めっき法等により形成することができる。

堆積法では、例えば次のようにして磁性粉末を製造する。すなわち、上述した被覆層４の成分、例えばＦｅ_７５Ｃｏ_２５合金をターゲットとし、スパッタ装置チャンバー上方に取り付ける。基板位置に皿を用意し、この皿の中に上述の主相粒子２を入れてスパッタすることにより、主相粒子２の表面に被覆層４が形成され、磁性粉末が得られる。

混合法では、例えば次のようにして磁性粉末を製造する。すなわち、上述した被覆層４の成分の原料、例えば鉄塩やコバルト塩等を溶解して反応させることにより３〜１０ｎｍのナノ粒子を得る。このナノ粒子と上述の主相粒子２とを混合・攪拌して反応させコアシェル構造を有するナノ粒子、すなわち主相粒子２の周囲に被覆層４が形成された粒子からなる磁性粉末を得る。この後、得られたナノ粒子を溶剤中で分散・乾燥する工程で攪拌して顆粒状の磁性粉末とすることもできる。

磁石１０は、このようにして得られる磁性粉末を、結合剤６により結合させることによってバルク化することによって得られる。このバルク化は、例えば、磁性粉末を結合剤６で覆った後にこれを成型する方法や、結合剤６中に磁性粉末を分散させた状態で成型する方法等によって実施することができる。

例えば、結合剤６としてＺｎを用いる場合は、まず、Ｚｎを収容した容器を５００℃程度に加熱し、Ｚｎを溶融した後、この中に上記の磁性粉末を加えて分散させる。次いで、この混合物を徐々に昇温し、さらに磁場中で成型を行いながらＺｎを蒸発させることによって、バルク状の磁石１０が得られる。なお、所望の製品形状を得るために、一旦得られた磁石１０を粗粉砕した後、これを更に磁場中で成型してもよい。

また、結合剤６として例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の樹脂を用いる場合は、例えば、上述の磁性粉末と樹脂とを混合し、得られた混合物を押し出し成型することで磁石１０（ボンド磁石）が得られる。

一方、磁石２０は、例えば次のような方法により得られる。まず、上述の磁性粉末をホットプレスして成型する。得られた成型体を熱間組成加工して高配向化させる。次いで、高配向化された加工品を一旦粉砕して粉砕粉を得る。得られた粉砕粉を金型に入れ、磁場中成型する。最後にこの成型体をプラズマ活性化焼結（ＰＡＳ：Plasma Activated Sintering）あるいは放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）で焼結することにより磁石２０が得られる。

また、磁石２０は、次のような方法によっても得られる。まず、上述した混合法により得られるコアシェル構造を有する顆粒状のナノ粒子を金型に入れ、磁場中で成型する。そして、この成型体をＰＡＳあるいはＳＰＳで焼結することによって磁石２０が得られる。

以上、説明した磁石１０及び２０は、主相粒子２が高い磁気異方性を有するＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する他、主相粒子２と被覆層４とが交換相互作用を生じたナノコンポジット構造を有しているため、これらの双方が有する磁気特性が十分に発揮され、優れた磁気特性（残留磁束密度や保磁力）を有している。

そして、磁石１０及び２０は、主相粒子２と被覆層４とからなる粒子からなるため立体的な形状を形成し易く、バルク化が容易である。特に、磁石１０については、磁性材料が結合剤６によって結合されたものであるためバルク化が容易である。なお、磁石１０においては、結合剤６が、非磁性又は反磁性を有しているため、磁性材料による優れた磁気特性が阻害されずに十分に維持されたものとなる。

したがって、上述の磁石１０及び２０は、単一の金属間化合物によって構成される従来の希土類磁石と比べて、希土類元素の含有量が少ないにもかかわらず、優れた磁気特性を有するものとなる。

なお、本発明の磁性材料又は磁石は、必ずしも上述した実施形態のものに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、まず、上述の実施形態では、粒子）として板状の形状を有するものについてのみ説明を行ったが、本発明においては、主相粒子２は必ずしも板状でなくてもよく、球状やそれに近い形状あるいは多面体の形状を有していてもよい。

さらに、上述した実施形態では、主相粒子２として単一の粒子によって構成されるものを例示したが、主相粒子２は、単一の粒子からではなく、複数の粒子が凝集して一つの粒子となったものでもよい。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

［主相粒子２の製造］
高速急冷装置のノズル内でＳｍＣｏ_４Ｂ組成の原料を高周波溶解して溶湯とした。ノズル直下に設置している銅製冷却ロールを周速２５ｍ／ｓで回転させ、この溶湯をφ０．９ｍｍノズル先端穴から噴出させた。溶湯はロールで急冷された後、遠心力で飛ばされ、厚さ５０μｍの薄片となった。これをボールミルで粉砕して平均粒径３μｍのＳｍＣｏ_４Ｂ粉（主相粒子２に相当）を得た。

［被覆層４の形成］
３インチのＦｅ_７５Ｃｏ_２５合金をターゲットとし、スパッタ装置チャンバー上方に取り付けた。基板位置に皿を用意し、これにＳｍＣｏ_４Ｂ粉を入れてＦｅ−Ｃｏ膜（被覆層４に相当）をＤＣスパッタにより形成した。

［熱間組成加工による高配向化］
Ｆｅ−Ｃｏ合金で表面を覆ったＳｍＣｏ_４Ｂ粉を７８０℃でホットプレスしてφ１５ｍｍ、長さ１５ｍｍの成型体を得た。得られた成型体を８００℃に加熱した状態で、４０トン／ｃｍ^２の高圧で熱間組成加工を実施した。得られた加工物を粉砕して得られた粉砕粉をＶＳＭで測定したところ、高配向化されていることを確認した。これを粉砕して５４μｍアンダーの粉砕粉とした。

［磁場中成型及び焼結］
金型に得られた粉砕粉を入れ、約２Ｔの磁場中で成型した。得られた成型体をＰＡＳで焼結して異方性焼結磁石を得た。得られた磁石の相をＸＲＤで解析したところ、ＣａＣｕ_５型構造の相とＢＣＣ−Ｆｅ固溶体相が観察された。

［ボンド磁石の製造］
上述の熱間組成加工による高配向化工程で得られた粉砕粉をＰＰＳと混合して、得られた混合物を押し出し成型することで、ボンド磁石を得た。これをＸＲＤで解析したところ、ＣａＣｕ_５型構造の相とＢＣＣ−Ｆｅ固溶体相のピークが観察された。

本発明の好適な実施形態に係る磁石の断面構成を拡大して示す模式図である。 本発明の他の好適な実施形態に係る磁石の断面構成を拡大して示す模式図である。

符号の説明

２…粒子、４…被覆層、６…結合剤、１０，２０…磁石。

Claims (3)

1. 少なくとも希土類元素を含みＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物からなる主相粒子と、前記主相粒子の周囲の少なくとも一部を被覆しており、Ｆｅを主成分とする被覆層と、を有する粒子を含む、ことを特徴とする磁性材料。
2. 少なくとも希土類元素を含みＣａＣｕ_５型の結晶構造を有する金属間化合物からなる主相粒子と、前記主相粒子の周囲の少なくとも一部を被覆しており、Ｆｅを主成分とする被覆層と、を有する粒子を含む、ことを特徴とする磁石。
3. 前記粒子を結合させる結合剤を更に含む、ことを特徴とする請求項２記載の磁石。

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