(57)【要約】【課題】均一な複合ナノ組織を持つ交換スプリング磁石が作製可能となり、高保磁力、高残留磁束密度を有する永久磁石として有用な磁性材料を提供すること、及びモータに適用した場合に従来のネオジム磁石にくらべ大幅な出力の向上させること。【解決手段】急冷凝固法で作成するＳｍＣｏＣｕＦｅ合金からなる磁性材料において、Ｓｍ：（Ｃｏ＋Ｃｕ＋Ｆｅ）原子量比を１．０：５．０〜１．０〜６．６の範囲とし、Ｃｏ：Ｃｕ原子量比を７．２：２．８〜５．０：５．０の範囲として、ＳｍＣｏ５結晶とα−Ｆｅ結晶を同時にナノ結晶化させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
サマリウム、コバルト、銅及び鉄からなる原料合金を含むＳｍＣｏＣｕＦｅ合金融液を急冷凝固してなる磁性材料であって、前記原料合金の組成は、Ｓｍ：（Ｃｏ＋Ｃｕ＋Ｆｅ）原子量比を１．０：５．０〜１．０：６．６の範囲とし、Ｃｏ：Ｃｕ原子量比を７．２：２．８〜５．０：５．０の範囲とすることを特徴とする磁性材料。
【請求項２】
前記原料合金の組成は、Ｓｍ：Ｃｏ：Ｃｕ原子量比を１：３．６：１．４から１：２．５：２．５とし、Ｓｍ：Ｆｅ原子量比を１：０．５から１：１．６の範囲とする、請求項２記載の磁性材料。
【請求項３】
材料を構成する結晶相がＳｍＣｏ５結晶相とα−Ｆｅ結晶相からなる請求項１又は２記載の磁性材料。
【請求項４】
前記α−Ｆｅ結晶相におけるα−Ｆｅの結晶子径が５０ｎｍ以下である、請求項３記載の磁性材料。
【請求項５】
前記ＳｍＣｏ５結晶相におけるＳｍＣｏ５の結晶子径が５〜１００ｎｍであり、前記α−Ｆｅ結晶相におけるα−Ｆｅの結晶子径が１〜５０ｎｍである、請求項３記載の磁性材料。
【請求項６】
前記合金融液を急冷した後に、アニールしてなる請求項１〜５の何れかに記載の磁性材料。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の磁性材料からなるナノコンポジット磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一な複合ナノ組織を持つ交換スプリング磁石や、高保磁力、高残留磁束密度を有する永久磁石等に有用な磁性材料に関し、更には、永久磁石として磁性材料をモータに適用することにより、従来のネオジム磁石にくらべ大幅な出力の向上が可能なナノコンポジット磁石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ナノスケール（nano-scale）で微構造を制御し、種々の元素を組み合わせて複合化した有用なナノコンポジット（nano-composite）磁石及びその製造方法が提案されている。
【０００３】
ナノスケールで微構造を制御する方法は、化学溶液法、スパッタ法、融液急冷凝固法等がある。その中でも、融液急冷凝固法は、安価にナノ結晶材料を鋳造できる方法である。しかし、急冷凝固法において鋳造可能な結晶相は、化学平衡状態に制限されるため、制限がある。
【０００４】
硬磁性材料と軟磁性材料をナノスケールで複合化した硬磁性材料として、高い磁化と高い保磁力を達成する交換スプリング結合磁石がある。例えば、ＳｍＣｏ５とα−Ｆｅを複合化した磁性材料は高い潜在能力がある（R. Skomski and J. M. D. Coey, Phys. Rev. B, 48 (1993), 15812.及び特開２００６−１７３２１０号公報参照）。しかし、Ｓｍに対する遷移金属濃度が上昇すると、ＳｍＣｏ７相やＳｍ２Ｃｏ１７相が優先して結晶化しやすくなるため、Ｆｅを増やすことは不可能である。
【０００５】
特表２００８−５０５５００号公報及び特表２００５−５２７９８９号公報において、硬磁性＋軟磁性のナノコンポジット（nano  composite）において考えられる元素の組合せが殆ど網羅されている。しかし、これらの公報には、達成の手段が述べられておらず、Ｆｅを多く含むＳｍＣｏ金属融液を急冷凝固しただけでは、ＳｍＣｏ５結晶を得ることはできない。
【０００６】
また、特開２００６−１７３２１０号公報において、薄膜の積層構造によって、ＳｍＣｏ５＋Ｆｅナノコンポジットを実現したものが開示されているが、薄膜プロセスを必要とするため、製造可能なサイズと製造コストの面で問題が残る。
【０００７】
また、特開２０１０−２１５４１号公報、特開２０１０−３４５２２号公報、特開２０１０−１２１１６７号公報、特開２０１０−１２３７２２号公報、特開２０１１−１１４２３６号公報、特開２０１２−６９７５０号公報、特開２０１２−６９８１９号公報において、Ｃｕを含む結晶相がＳｍ２Ｃｏ１７相、ＳｍＣｏ７相、ＳｍＣｏ５相について言及されているが、ＳｍＣｏとα−Ｆｅが共存する系については言及されていない。このため、磁化を最大限に上昇させようとした場合、限界値がＳｍＣｏへのＦｅの固溶限界に制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００８−５０５５００号公報
【特許文献２】特表２００５−５２７９８９号公報
【特許文献３】特開２００６−１７３２１０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２１５４１号公報
【特許文献５】特開２０１０−３４５２２号公報
【特許文献６】特開２０１０−１２１１６７号公報
【特許文献７】特開２０１０−１２３７２２号公報
【特許文献８】特開２０１１−１１４２３６号公報
【特許文献９】特開２０１２−６９７５０号公報
【特許文献１０】特開２０１２−６９８１９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】R. Skomski and J. M. D. Coey, Phys. Rev. B, 48 (1993), 15812.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、従来の薄膜プロセスに対し、コストやサイズの面で大幅に改善され、高い飽和磁化、高い保磁力を有し、高いＢＨｍａｘ（最大エネルギー積）を備えた磁性材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明らは、鋭意研究した結果、特定の組成比からなる金属融液を急冷凝固法で作製したＳｍＣｏＣｕＦｅ合金からなり、ＳｍＣｏ５結晶とα−Ｆｅ結晶を同時にナノ結晶化させた磁性材料を提供することにより、前記目的を達成することの知見を得た。
【００１２】
本発明は、前記知見に基づきなされたもので、下記の発明１〜６を提供するものである。
１．サマリウム、コバルト、銅及び鉄からなる原料合金を含むＳｍＣｏＣｕＦｅ合金融液を急冷凝固してなる磁性材料であって、前記原料合金の組成は、Ｓｍ：（Ｃｏ＋Ｃｕ＋Ｆｅ）原子量比を１．０：５．０〜１．０〜６．６の範囲とし、Ｃｏ：Ｃｕ原子量比を７．２：２．８〜５．０：５．０の範囲とすることを特徴とする磁性材料。
【００１３】
２．前記原料合金の組成は、Ｓｍ：Ｃｏ：Ｃｕ原子量比
を１：３．６：１．４から１：２．５：２．５とし、Ｓｍ：Ｆｅ原子量比を１：０．５から１：１．６の範囲とする、前記２記載の磁性材料。
【００１４】
３．材料を構成する結晶相がＳｍＣｏ５結晶相とα−Ｆｅ結晶相からなる前記１又は２記載の磁性材料。
【００１５】
４．前記α−Ｆｅ結晶相におけるα−Ｆｅの結晶子径が５０ｎｍ以下である、前記３記載の磁性材料。
【００１６】
５．前記ＳｍＣｏ５結晶相におけるＳｍＣｏ５の結晶子径が５〜１００ｎｍであり、前記α−Ｆｅ結晶相におけるα−Ｆｅの結晶子径が１〜５０ｎｍである、前記３記載の磁性材料。
【００１７】
６．前記合金融液を急冷した後に、アニールしてなる前記１〜５の何れかに記載の磁性材料。
【００１８】
７．前記１〜６の何れかに記載の磁性材料からなるナノコンポジット磁石。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、薄膜プロセスに対し、コストやサイズの面で大幅な改善が見込まれる。また、ＳｍＣｏ合金のなかでも、最も磁気異方性の高い結晶構造を有する事から、高い保磁力が望まれる。さらに、ナノ結晶化により、高い飽和磁化を有する軟磁性相と高い保磁力を有する硬磁性相を交換結合させることから、高いＢＨｍａｘが見込まれる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を、その好ましい実施形態に基づいて詳述する。本発明の磁性材料は、サマリウム、コバルト、銅及び鉄からなる原料合金を含むＳｍＣｏＣｕＦｅ合金融液を急冷凝固してなるナノコンポジット磁性材料であって、前記原料合金の組成は、Ｓｍ：（Ｃｏ＋Ｃｕ＋Ｆｅ）原子量比を１．０：５．０〜１．０：６．６の範囲とし、Ｃｏ：Ｃｕ原子量比を７．２：２．８〜５．０：５．０の範囲とすることを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、前記の構成からなる磁性材料であることにより、均一な複合ナノ組織を持つ交換スプリング磁石が作製可能となり、高保磁力、高残留磁束密度を有する永久磁石が作製可能となる。また、本発明の磁性材料を永久磁石としてモータに適用することにより、従来のネオジム磁石にくらべ大幅な出力の向上が可能となる。
【００２２】
特に、原料合金の組成は、結晶磁気異方性の高いSmCo5結晶相と飽和磁化の高いα-Fe結晶相を同時に結晶化させる点で、Ｓｍ：Ｃｏ：Ｃｕ原子量比 を１：３．６：１．４から１：２．５：２．５とし、Ｓｍ：Ｆｅ原子量比を１：０．５から１：１．６の範囲とすることが好ましい。
【００２３】
ＳｍＣｏＣｕＦｅ合金融液を急冷凝固して作成された本発明の磁性材料は、その構成する結晶相がＳｍＣｏ５結晶相とα−Ｆｅ結晶相からなるものである。
【００２４】
本発明の磁性材料を構成するα−Ｆｅ結晶相におけるα−Ｆｅは、その結晶子径が５０ｎｍ以下であるものが好ましい。
【００２５】
また、SmCo5結晶相とα-Fe結晶相を磁気交換スプリング結合させる点で、本発明の磁性材料を構成するＳｍＣｏ５結晶相におけるＳｍＣｏ５の結晶子径が５〜１００ｎｍであり、α−Ｆｅ結晶相におけるα−Ｆｅの結晶子径が１〜５０ｎｍであるものが好ましい。
【００２６】
ＳｍＣｏＣｕＦｅ合金融液を急冷凝固する方法としては、例えば、液体急冷凝固法、ガスアトマイズ法、単ロール法、双ロール法等が挙げられる。
【００２７】
また、ＳｍＣｏＣｕＦｅ合金融液を急冷した後には、アニールすることが好ましく、具体的には、４００〜８００℃の熱処理を施すことが特に好ましい。
【００２８】
本発明の磁性材料は、硬磁性材料として有用である。また、本発明の磁性材料は、ナノコンポジット磁石、特に、Ｓｍ（Ｃｏ，Ｃｕ）５＋Ｆｅナノコンポジット磁石に好ましく用いられる。
【００２９】
また、本発明の磁性材料は、モータ等に利用して、回転機、発電機に応用することが可能である。本発明の磁性材料をコンポジット磁石等としてモータに適用した場合に、従来のネオジム磁石にくらべ大幅な出力を向上した永久磁石として利用することができる。
【実施例１】
【００３０】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。下記表１に示す組成比になるように、Ｃｕを添加したＳｍＣｏＦｅ融液を調製し、該融液を急冷凝固する事で、Ｎｏ．１〜２７の各ナノ結晶複合材料を鋳造した。
【００３１】
具体的には、Ｓｍ（９９．９％）、Ｃｏ（９９．９％）、Ｃｕ（９９．９％）、Ｆｅ（９９．９％）試薬を、目標の組成に秤量し、真空アーク溶解炉で溶解し、母合金原料とした。母合金を石英管ノズルに充填し、0.001Paの真空中で、ＲＦ-コイルで誘導加熱し、溶解させる。石英管ノズル中の溶解した融液に対しＡｒガスで加圧し、射出口から高速回転（１０００から５０００ｒｐｍ）するＣｕロールへ噴射させ、融液を急速冷却凝固させた。  急冷凝固された金属片は、主に非晶質であることから、真空管状炉中で、４００〜８００℃で熱処理を行い、結晶化を行った。または、急冷凝固した金属片を、乳鉢で粉砕し、磁場中で成形した後、加圧焼結を行い、結晶化と緻密化を行った。
【００３２】
調製した試料の磁気特性は試料振動型磁力計を用いて、残留磁束密度（Ｂｒ）、固有保磁力（Ｈｃｊ）を測定した。生成した結晶相の同定は、Ｘ線回折ピークから同定した。
【００３３】
粒径の測定方法は、ホール（Ｈａｌｌ）の方法を用いてＸ線回折ピークの拡がりを算出することにより測定可能である（シェラーの式を使うとＸ線回折ピークの線幅から結晶の大きさを評価可能である）。得られたナノ結晶複合材料の生成相の組成及び軟磁性相の結晶子径、並びに残留磁束密度（Ｂｒ）、固有保磁力（Ｈｃｊ）の結果は、表１に示すとおりであった。
【００３４】
【表１】
2014116436.tif 000002
【００３５】
表１に示す結果から、Ｃｕを添加したＳｍＣｏＦｅ融液を急冷凝固する事でナノ結晶複合材料を鋳造するに際し、合金におけるＳｍ：Ｃｏ：Ｃｕ原子量比
を１：３．６：１．４から１：２．５：２．５とした場合、Ｓｍ：Ｆｅ原子量比を１：０．５から１：１．６の範囲とすることで、ＳｍＣｏ５結晶とα−Ｆｅ結晶が同時に結晶化することがわかる。
【００３６】
一方、合金における組成比が上記範囲から外れる場合には、ＳｍＣｏ５結晶とα−Ｆｅ結晶を同時に結晶化することができない。
【００３７】
実施例２から７において、Ｃｕ量が少ない実施例２，３，４では、ＳｍＣｏ５結晶相のみが結晶化する。これは、ＦｅがＳｍＣｏ５結晶に固溶するためである。一方、実施例５，６，７では、Ｃｕにより、ＳｍＣｏ５結晶が安定化し、結晶化の際、α-ＦｅとしてＦｅを析出する。同様の傾向は、実施例８から１２にも認められる、実施例８，９においては、Ｆｅが結晶相に固溶した結果、Ｓｍ２Ｆｅ１７結晶相が生成する。しかし、実施例１０，１１，１２においては、ＳｍＣｏ５結晶相とα−Ｆｅ結晶相が析出している。これらの結果から、Ｃｕの固溶した結晶相が、極めて安定であることがわかる。
【００３８】
しかし、Ｆｅ量がＳｍ：Ｆｅ＝１．０：６．６を越えた実施例１３から１７において、Ｃｕ量が少ない、実施例１３においては、Ｓｍ２Ｆｅ１７相のみが結晶化する。これは、ＦｅがＳｍ金属間化合物に固溶するため、Ｓｍ２Ｆｅ１７相が安定化した結果である。また、Ｃｕ量を増やした実施例１４から１７において、α-Ｆｅ相の結晶化は、認められるが、Ｓｍ金属間化合物に固溶するＦｅ量が増加するため、ＳｍＣｏ７結晶相が安定化する。
【００３９】
これらの、磁気特性を比較すると、ＳｍＣｏ５結晶相の生成した試料において、高い固有保磁力（Ｈｃｊ）が確認される。
【００４０】
実施例５，６，７と実施例１０，１１，１２を比較すると、Ｆｅ量の増加に伴い、Ｈｃｊが低下している。この現象の大きな原因の一つとして、α−Ｆｅ結晶子径の増大が挙げられる。軟磁性相の粗大化に伴い、ＳｍＣｏ５結晶相と磁気的に結合できない領域が生成し始め、Ｈｃｊを低下させている。このため、本発明で利用可能な、α−Ｆｅ結晶のサイズは、５０ｎｍ以下である。
【００４１】
また、ＳｍＣｏ５結晶内で、Ｃｏを単純にＦｅへ置換することは不可能であるため、原料価格の高いＣｏを単純に安いＦｅへ置き換える事はできない。しかし、本発明の手法を用いれば、より安価で高機能な磁性材料を製造できる。
【００４２】
また、合金における組成比が上記範囲では、得られた磁性材料のＢｒ及びＨｃｊが高いことがわかる。本発明は、均一な複合ナノ組織を持つ交換スプリング磁石が作製可能で、高保磁力、高残留磁束密度を有する永久磁石が作製可能な磁性材料として産業上利用可能である。また、本発明は、モータに適用した場合に従来のネオジム磁石にくらべ大幅な出力の向上が可能な永久磁石を提供できる。