(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式
［（Ｍｎ1-xＴx）yＧａ1-y］1-zＡz          （Ｉ）
（ただし、ＴはＦｅ，ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１つの元素、ＡはＮ，Ｃ，ＨおよびＢの群から選ばれる少なくとも１つの元素、
ｘ、ｙおよびｚは、
０．０９０９≦ｘ≦０．５、
０．６≦ｙ≦０．８、
０．０００１≦ｚ≦０．２
を示す）にて表されるＡｌ3Ｔｉ型結晶構造を持つ相を主相とすることを特徴とする永久磁石材料。
【請求項２】
前記Ｔ元素は、その２０原子％以下の範囲内でＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｃ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｓｉ，ＡｌおよびＧｅの群から選ばれる少なくとも１つの元素で置換されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機器、特にモータ等に有用な永久磁石材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高性能希土類永久磁石としては、ＳｍＣｏ5 またはＳｍ2 Ｃｏ17のようなＳｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｄ2 Ｆｅ14Ｂ1 金属間化合物をベースとしたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石などが知られおり、量産化が進められている。これらの磁石には、Ｓｍ、Ｎｄのような希土類元素が用いられている。希土類元素は、これらの金属間化合物に大きな磁気異方性をもたらし、磁性材料に大きな保磁力を付与するのに有用である。しかしながら、希土類元素は高価な元素であり、永久磁石のコストを増大させる要因になっている。
【０００３】
一方、希土類元素を含まない磁石材料としては、Ｍｎ−Ｇａ系材料が知られている。Ｍｎ−Ｇａの二元系においては、ＭｎとＧａの原子比が３：１の近傍でＡｌ3 Ｔｉ型結晶構造を持つ相が生成され、この相を主相とする材料において１０ｋＯｅを超える大きな保磁力が得られることが報告されている（Ｈ．Ｎｉｉｄａｅｔ  ａｌ．，４０ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｍａｂｎｅｔｓｍ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｌｉａｌｓ  ａｂｓｔｒａｃｔ，ｐ．３４７）。しかしながら、この磁石材料はＭｎをベースとしているため飽和磁化が５０ｅｍｕ／ｇと小さく、良好な磁石特性が得られないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ａｌ3 Ｔｉ相を主相とし、優れた磁石性能を有するＭｎ−Ｇａ系の永久磁石材料を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる永久磁石材料は、一般式
［（Ｍｎ1-xＴx）yＧａ1-y］1-zＡz          （Ｉ）
（ただし、ＴはＦｅ，ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１つの元素、ＡはＮ，Ｃ，ＨおよびＢの群から選ばれる少なくとも１つの元素、
ｘ、ｙおよびｚは、
０．０９０９≦ｘ≦０．５、
０．６≦ｙ≦０．８、
０．０００１≦ｚ≦０．２
を示す）にて表されるＡｌ3Ｔｉ型結晶構造を持つ相を主相とすることを特徴とするものである。ここで、主相とは化合物中の各結晶相および非結晶相のうちで最大の体積占有率を有する相を意味するものである。
【０００６】
前記Ｔ元素は、その２０原子％以下の範囲内でＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、ＡｌおよびＧｅの群から選ばれる少なくとも１つの元素で置換されることを許容する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる永久磁石材料は、一般式［（Ｍｎ1-xＴx）yＧａ1-y］1-zＡz  （Ｉ）にて表され、Ａｌ3Ｔｉ型結晶構造を持つ相を主相とするものである。ただし、ＴはＦｅ，ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１つの元素、ＡはＮ，Ｃ，ＨおよびＢの群から選ばれる少なくとも１つの元素、ｘ、ｙおよびｚは０．０９０９≦ｘ≦０．５、０．６≦ｙ≦０．８、０．０００１≦ｚ≦０．２を示す。
【０００８】
以下、本発明の永久磁石材料を構成する各成分ついて詳細に説明する。
（１）Ｍｎ
Ｍｎは、Ａｌ3 Ｔｉ型結晶構造を安定化させると共に、主相の飽和磁化を向上させる働きを有する。Ｍｎは、Ａ元素を含まない磁石材料系では大きな磁化を示さないが、磁石材料中にＡ元素を含ませることにより磁化を増大させることが可能になる。
【０００９】
（２）Ｔ元素
Ｔ元素は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１つの元素であり、種としてＡｌ3 Ｔｉ型結晶構造におけるＭｎのサイトを置換し、磁石材料の磁化を増大させる働きを有する。ただし、Ｍｎに対する置換量が５０原子％を超えると磁化を低下させる恐れがある。
【００１０】
前記ｙの値が０．６≦ｙ≦０．８の範囲でＡｌ3 Ｔｉ型結晶構造を安定化させる。より好ましいｙの値は、０．６７≦ｙ≦０．７４である。
前記Ｔ元素は、その２０原子％以下の範囲内でＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｃ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、ＡｌおよびＧｅの群から選ばれる少なくとも１つの元素（以下、Ｍ元素と称す）で置換されること許容する。Ｔ元素の一部を前記Ｍ元素で置換することにより永久磁石材料の保磁力を増大させることが可能になる。ただし、前記Ｍ元素の置換量が２０原子％を超えると飽和磁化の低下を招く恐れがある。より好ましい前記Ｍ元素の置換量は５原子％以下、さらに好ましいくは前記Ｍ元素の置換量は２原子％以下である。
【００１１】
（３）Ｇａ
Ｇａは、Ａｌ3Ｔｉ型結晶構造を安定化させる働きを有する。
（４）Ａ元素
Ａ元素は、Ｎ，Ｃ，ＨおよびＢの群から選ばれる少なくとも１つの元素であり、主としてＡｌ3Ｔｉ型結晶構造のインタースティシャル位置に依存し、Ａ元素を含まない場合と比較して結晶格子を拡大させたり、電子構造を変化させたりして、諸相の飽和磁化を向上させる働きを有する。前記Ａ元素の配合量であるｚを０．０００１原子％未満にするとその配合効果を十分に達成できず、一方前記ｚが０．２原子％を越えると、Ａｌ3Ｔｉ相の生成が困難になる。より好ましいｚの値は０．０００１≦ｚ≦０．１である。
【００１２】
本発明に係わる永久磁石材料は、酸化物等の不可避的不純物を含有することを許容する。
本発明に係わる永久磁石材料は、例えば以下の（ａ）〜（ｃ）の方法により製造される。
【００１３】
（ａ）所定量のＭｎ、Ｔ元素、Ｇａ、、Ａ元素（Ｈ、Ｎを除く）および必要に応じて前記Ｔ元素の一部を置換するＭ元素を含む原料をアーク溶解または高周波溶解を行った後、必要に応じて８００〜１２００℃の温度で０．１〜３００時間、不活性ガス雰囲気中や真空中で均質化熱処理を施すことにより永久磁石材料を製造する。ここで、均質化熱処理は必ずしも必要な処理ではないが、前記Ａｌ3 Ｔｉ相を安定化する上で実施することが好ましい。
【００１４】
（ｂ）所定量のＭｎ、Ｔ元素、Ｇａ、、Ａ元素（Ｈ、Ｎを除く）および必要に応じて前記Ｔ元素の一部を置換するＭ元素を含む原料をアーク溶解または高周波溶解により合金溶湯を調製した後、超急冷法により永久磁石材料を製造する。超急冷法としては、例えば前記合金溶湯を高速で回転する単ロールまたは双ロールに噴射することにより急冷する単ロール法または双ロール法が一般的に採用される。前記超急冷法は、その他に前記合金溶湯を回転ディスク上に噴射して急冷する回転ディスク法、前記合金溶湯をＨｅのような不活性ガス中に噴射して急冷するガスアトマイズ法等が採用される。このような超急冷法は、金属組織を微細化するなどにより永久磁石材料の磁石特性、特に保磁力等を向上させるのに有用である。ただし、超急冷法において急冷速度を速くし過ぎると、非平衡状態、例えばアモルファス相の生成が著しくなり、前述したＡｌ3 Ｔｉ相の割合が低下して磁石特性を劣化させるため、所定の相が得られるように急冷速度を設定することが望ましい。
【００１５】
（ｃ）所定量のＭｎ、Ｔ元素、Ｇａ、、Ａ元素（Ｈ、Ｎを除く）および必要に応じて前記Ｔ元素の一部を置換するＭ元素の各元素粉末を含む混合体に機械的エネルギーを付与して合金化させるメカニカルアロイイング法またはメカニカルグラインディング法により永久磁石材料を製造する。これらの方法は、前記混合体を固相反応させることにより合金化する方法である。前記固相反応を起こさせる具体的な方法としては、例えば遊星ボールミル、回転式ボールミル、アトライタ、振動ボールミル、スクリュー式ボールミル等に前記混合体を投入し、前記各粉末に機械的な衝撃を与える方法が採用される。
【００１６】
なお、前記（ｂ）の急冷工程、前記（ｃ）の固相反応工程はＡｒ、Ｈｅ等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。このような雰囲気で急冷または固相反応を行うことによって、酸化による磁気特性の劣化を防止することができる。また、前記（ｂ）、（ｃ）の方法で得られた永久磁石材料に必要に応じて不活性ガス雰囲気中や真空中で、３００〜１０００℃の温度で０．１〜１０時間熱処理を施してもよい。このような熱処理を施すことによりＡｌ3 Ｔｉ相の割合を増大させたり、また保磁力等の磁気特性を向上させることが可能になる。
【００１７】
また、一般式（Ｉ）で著され永久磁石材料において、Ａ元素として特にＮを配合する場合の製造方法の一例を以下に説明する。
前記（ａ）〜（ｃ）の方法で得られた永久磁石性材料（Ｎを含まず）をボールミル、ブラウンミル、スタンプミル等によって平均粒径が数μｍ〜数１００μｍに粉砕し、この合金粉末を０．１ｋＰａ〜１０ＭＰａの窒素ガス雰囲気中、２００〜７００℃の温度下で０．１〜１００時間熱処理（窒化処理）することにより目的の永久磁石材料を製造する。ただし、前記（ｃ）の方法で得られた材料は粉末状態であるため、前記ボールミル等による粉末工程を省力することができる。
【００１８】
前記窒化処理時の雰囲気は、窒素ガスに代えてアンモニア等の窒素化合物ガスを用いてもよい。
前記窒化処理の前工程として０．１ｋＰａ〜１０ＭＰａの水素ガス雰囲気中にて１００〜７００℃の温度下で熱処理を行うか、または窒素ガスに水素を混合したガスを用いることにより高効率の窒化を行うことが可能になる。また、前記窒化処理において窒素以外の他のガスを混合することを許容する。ただし、酸素を混合する場合には熱処理中の酸化物生成による磁気特性の劣化を避けるために、酸素分圧を２ｋＰａ以下にすることが望ましい。
【００１９】
本発明に係わる永久磁石材料は、永久磁石の素材として好適である。以下に、本発明に係わる永久磁石材料から永久磁石を製造する方法を説明する。なお、永久磁石を製造する場合、通常、永久磁石材料を平均粒径が数μｍ〜数１００μｍに粉砕した合金粉末を使用する。ただし、前述した永久磁石材料の製造において既に粉砕が行われている場合にはこれを省略することが可能である。
【００２０】
（１）本発明の永久磁石材料の粉末をエポキシ樹脂、ナイロン系などの樹脂と混合した後、成形することによりボンド磁石を製造する。前記樹脂としてエポキシ樹脂系の熱硬化性樹脂を用いる場合には、圧縮成形の後に１００〜２００℃の温度でキュア処理を施すことが望ましい。前記樹脂としてナイロン系の熱可塑性樹脂を用いる場合には、射出成形法を採用することが望ましい。また、圧縮成形ボンド磁石を製造する場合には、加圧時に磁場を印加して結晶方位を揃えることにより、高磁束密度を有する永久磁石を製造することが可能になる。
【００２１】
（２）本発明の永久磁石材料の粉末を低融点金属または低融点合金と混合した後、成形することによりメタルボンド磁石を製造する。前記低融点金属としては、例えばＡｌ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇなどを、前記低融点合金としては前記金属からなる合金等を用いることができる。このメタルボンドの製造においても、磁場を印加して結晶方位を揃えることにより、高磁束密度を有する永久磁石を製造することが可能になる。
【００２２】
（３）本発明の永久磁石材料の粉末をホットプレスまたは熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）により高密度の成形体（圧粉体）として一体化することにより永久磁石を製造する。前記加圧時に磁場を印加して結晶方位を揃えることにより高磁束密度を有する永久磁石を製造できる。また、前記加圧後に５７３〜９７３Ｋの温度下で加圧しながら塑性変形加工を施すことにより磁化容易軸方向にに磁気的な配向がなされた永久磁石を製造することが可能になる。
【００２３】
以上説明したように、本発明は大きな保磁力が得られるＭｎ3 Ｇａ近傍組成の材料に前記Ａ元素（Ｎ、Ｃ、ＨおよびＢから選ばれる少なくとも１つの元素）を添加することにより保磁力を損なうことなく、Ｍｎの磁化を向上させ、ひいては飽和磁化を向上させた永久磁石材料を得ることができる。前記Ａ元素の添加による飽和磁化の増大の主たる原因は、結晶格子の拡大である。結晶格子間にＡ元素を侵入させると、Ｍｎ原子間の距離が増大し、これに起因してＭｎ１原子当たりの磁気モーメントが増大することが確認された。したがって、Ａ元素を含まない永久磁石材料に比較して残留磁化、最大エネルギー積が改善され、実用的な永久磁石材料を提供することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
まず、高純度のＭｎ、Ｆｅ、Ｇａの原料をＡｒ雰囲気中で高周波溶解してインゴットを調製した。得られたインゴットの組成は、Ｆｅ７原子し％、Ｇａ２８原子％、残部がＭｎであった。つづいて、インゴットをボールミルを用いて平均粒径２５μｍに粉砕した後、１０気圧の窒素ガス雰囲気中、４５０℃の温度下で８０時間熱処理を施して永久磁石材料を作った。この永久磁石材料の組成は、Ｆｅ6 Ｇａ26Ｎ8 Ｍｎbal であった。また、前記永久磁石材料はＸ回折にて主相がＡｌ3 Ｔｉ型構造であることが確認された。
【００２５】
次いで、前記永久磁石材料を平均粒径５μｍまで微粉砕し、エポキシ樹脂を２重量％添加、混合した後、１６００ｋＡ／ｍの磁場中にて配向させながら、１２００ＭＰａの圧力で圧縮成形した。この後、１５０℃で２．５時間キュア処理を施すことによりボンド磁石を製造した。
【００２６】
得られたボンド磁石の室温における磁石特性を測定した。その結果、残留磁束密度は６．２ｋＧ、保磁力は８．５ｋＯｅ、最大エネルギー積は７．５ＭＧＯｅであった。
【００２７】
（実施例２）
まず、高純度のＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｃの原料をＡｒ雰囲気中で高周波溶解して合金溶湯とし、この合金溶湯を周速が３０ｍ／ｓで回転する銅製の単ロールの表面を噴射する超急冷法により急冷薄帯を作製した。この急冷薄帯の組成は、Ｆｅ５原子％、Ｃｏ２原子％、Ｚｒ２原子％、Ｔｉ１原子％、Ｇａ２９原子％、Ｃ０．１原子％、残部がＭｎであった。つづいて、前記急冷薄帯を石英管に真空封入し、６５０℃で１５分間熱処理を施した。ひきつづき、熱処理材をボールミルを用いて平均粒径２０μｍに粉砕した後、１０気圧の窒素ガス雰囲気中、４３０℃の温度下で１５時間熱処理を施して永久磁石材料を作った。この永久磁石材料の組成は、Ｆｅ4.6 Ｃｏ1.8 Ｚｒ1.8 Ｔｉ0.9 Ｇａ26.7Ｃ0.1 Ｎ8 Ｍｎbal であった。また、前記永久磁石材料はＸ回折にて主相がＡｌ3 Ｔｉ型構造であることが確認された。
【００２８】
次いで、前記永久磁石材料の粉末にエポキシ樹脂を２重量％添加、混合した後、１２００ＭＰａの圧力で圧縮成形した。この後、１５０℃で２．５時間キュア処理を施すことによりボンド磁石を製造した。
【００２９】
得られたボンド磁石の室温における磁石特性を測定した。その結果、残留磁束密度は５．１ｋＧ、保磁力は８．８ｋＯｅ、最大エネルギー積は５．３ＭＧＯｅであった。
【００３０】
（比較例１）
実施例１で作製したインゴットを窒化処理せずにそのまま平均粒径５μｍまで微粉砕し、この後、実施例１と同様な方法によりボンド磁石を製造した。
【００３１】
得られたボンド磁石の室温における磁石特性を測定した。その結果、残留磁束密度は１．８ｋＧ、保磁力は７．３ｋＯｅ、最大エネルギー積は０．６ＭＧＯｅであった。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば優れた磁気特性を有すると共に希土類元素を含まない安価な永久磁石材料を提供できる。