(57)【要約】【課題】磁気特性に優れる炭化鉄材、及びその製造方法を提供する。【解決手段】炭化鉄材は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子の表面の少なくとも一部に炭素の被覆層とを備える粉末である。炭化鉄材の製造方法は、鉄粉末を準備する準備工程と、炭素粉末を鉄粉末に添加し、鉄粉末と炭素粉末とを混合して、炭素付着鉄粉末を作製する混合工程と、炭素付着鉄粉末に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、Ｆｅの一部と炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、Ｆｅの残部とＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前駆体粒子の表面に炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する炭化工程と、前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、Ｆｅの残部とＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に被覆層を備える炭化鉄粉末を作製する拡散工程と、を備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、前記粒子の表面の少なくとも一部に炭素の被覆層とを備える粉末である炭化鉄材。
【請求項２】
前記粒子の平均粒径が、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項１に記載の炭化鉄材。
【請求項３】
前記被覆層の平均厚さが、２．５ｎｍ以上である請求項１又は請求項２に記載の炭化鉄材。
【請求項４】
請求項１に記載の炭化鉄材の粉末を成形した炭化鉄材。
【請求項５】
Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、前記粒子間に炭素の粒界相とを備える成形体である炭化鉄材。
【請求項６】
前記粒子の平均粒径が、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項５に記載の炭化鉄材。
【請求項７】
前記粒界相の平均厚さが、５ｎｍ以上である請求項５又は請求項６に記載の炭化鉄材。
【請求項８】
角型比が０．８以上である請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載の炭化鉄材。
【請求項９】
酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程と、
炭素の粒子を含む炭素粉末を前記鉄粉末に添加し、前記鉄粉末と前記炭素粉末とを混合して、前記酸化鉄粒子の表面に前記炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程と、
前記炭素付着鉄粉末に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、前記酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と前記炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前記前駆体粒子の表面に前記炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する炭化工程と、
前記前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、前記Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に前記被覆層を備える炭化鉄粉末を作製する拡散工程と、
を備える炭化鉄材の製造方法。
【請求項１０】
酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程と、
炭素の粒子を含む炭素粉末を前記鉄粉末に添加し、前記鉄粉末と前記炭素粉末とを混合して、前記酸化鉄粒子の表面に前記炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程と、
前記炭素付着鉄粉末を加圧成形して中間成形体を作製する前成形工程と、
前記中間成形体に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、前記酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と前記炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前記前駆体粒子間に前記炭素の粒界相を形成して前駆体成形体を作製する炭化工程と、
前記前駆体成形体に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、前記Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に前記粒界相を備える炭化鉄成形体を作製する拡散工程と、
を備える炭化鉄材の製造方法。
【請求項１１】
前記酸化鉄がγ−Ｆｅ２Ｏ３である請求項９又は請求項１０に記載の炭化鉄材の製造方法。
【請求項１２】
前記炭素の添加量を前記鉄粉末におけるＦｅの含有量に対して２．６質量％以上４．０質量％以下とする請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載の炭化鉄材の製造方法。
【請求項１３】
前記炭化工程における前記還元ガスをＣＯガスとする請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の炭化鉄材の製造方法。
【請求項１４】
前記拡散工程における前記拡散熱処理の温度を２００℃以上２１０℃以下とする請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の炭化鉄材の製造方法。
【請求項１５】
前記拡散工程における前記磁場を３Ｔ以上とする請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載の炭化鉄材の製造方法。
【請求項１６】
請求項１、請求項４及び請求項５のいずれか１項に記載の炭化鉄材を着磁した磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化鉄材、炭化鉄材の製造方法、及び磁石に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータや発電機などに利用される永久磁石として、酸化鉄を用いたフェライト磁石、Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金やＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金を用いた金属系磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系合金やＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系合金を用いた希土類磁石が利用されている。
【０００３】
最近では、ＮｉやＣｏ、希土類金属などの希少金属を使用しない磁石材料の研究が進められている。代替材料候補として、窒化鉄（Ｆｅ１６Ｎ２）が注目されている（特許文献１、２参照）。Ｆｅ１６Ｎ２は、飽和磁化が高く、理論的に高い最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘを持つことから、磁石材料として期待されている。
【０００４】
一方、Ｆｅ１６Ｎ２と同様の侵入型の鉄化合物である炭化鉄（Ｆｅ１６Ｃ２）が知られている（特許文献３参照）。特許文献３には、Ｆｅ１６Ｃ２膜を記録媒体膜として利用することが記載されている。この特許文献３では、Ｆｅ単結晶膜にＣのイオンを加速して注入した後、熱処理することで、Ｆｅ格子中にＣを侵入させた構造のＦｅ１６Ｃ２膜を作製している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２４６１７４号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５３２４８号公報
【特許文献３】特開平８−２０３７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献３では、Ｆｅ１６Ｃ２の膜を作製し、これを記録媒体膜として利用しているが、膜であるため、任意の大きさ・形状が求められる磁石に使用することは困難である。また、Ｆｅ１６Ｃ２を磁石などの磁性材料に利用する場合、磁気特性に優れることが望まれる。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の１つは、磁気特性に優れる粉末状又は成形体状の炭化鉄材を提供することにある。
本発明の別の目的の１つは、磁気特性に優れる粉末状又は成形体状の炭化鉄材を生産性よく製造することができる炭化鉄材の製造方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的の１つは、磁気特性に優れる磁石を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の炭化鉄材は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子の表面の少なくとも一部に炭素の被覆層とを備える粉末である。
【０００９】
本発明の炭化鉄材は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子間に炭素の粒界相とを備える成形体である。
【００１０】
本発明の炭化鉄材の製造方法は、以下の工程を備える。
（Ａ）酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程。
（Ｂ）炭素の粒子を含む炭素粉末を鉄粉末に添加し、鉄粉末と炭素粉末とを混合して、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程。
（Ｃ）炭素付着鉄粉末に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、Ｆｅの残部とＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前駆体粒子の表面に炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する炭化工程。
（Ｄ）前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、Ｆｅの残部とＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に被覆層を備える炭化鉄粉末を作製する拡散工程。
【００１１】
本発明の炭化鉄材の製造方法は、以下の工程を備える。
（Ａ）酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程。
（Ｂ）炭素の粒子を含む炭素粉末を鉄粉末に添加し、鉄粉末と炭素粉末とを混合して、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程。
（Ｃ）炭素付着鉄粉末を加圧成形して中間成形体を作製する前成形工程。
（Ｄ）中間成形体に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前駆体粒子間に炭素の粒界相を形成して前駆体成形体を作製する炭化工程。
（Ｅ）前駆体成形体に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、Ｆｅの残部とＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に粒界相を備える炭化鉄成形体を作製する拡散工程。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の炭化鉄材は、磁気特性に優れ、磁石などの磁性材料に好適に利用できる。
また、本発明の炭化鉄材の製造方法は、磁気特性に優れる粉末状又は成形体状の炭化鉄材を生産性よく製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［本発明の実施形態の説明］
鉄や鉄合金、鉄化合物を単純に炭化して炭化鉄を合成しても、炭素が過剰に取り込まれて、Ｆｅ１６Ｃ２よりも磁気特性に劣るＦｅ３Ｃが生成される。炭化鉄は、Ｆｅ１６Ｃ２の状態よりもＦｅ３Ｃの状態の方が安定するためである。本発明者が鋭意研究したところ、ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む化合物に特定の熱処理を施すことで、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２が効率よく合成されることを見出した。以下、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１４】
（１）実施形態の炭化鉄材は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子の表面の少なくとも一部に炭素の被覆層とを備える粉末である。
【００１５】
上記した実施形態の炭化鉄材（粉末）によれば、強磁性のＦｅ１６Ｃ２の粒子（以下、単に「Ｆｅ１６Ｃ２粒子」と呼ぶ場合がある）を備えることで、磁気特性に優れる。なお、本願明細書でいう「Ｆｅ１６Ｃ２の粒子」とは、Ｆｅ１６Ｃ２を主成分として含む粒子のことであり、粒子におけるＦｅ１６Ｃ２成分の含有量が８０体積％以上である。
【００１６】
実施形態の炭化鉄材（粉末）は磁石などの磁性材料に好適に利用できる。実施形態の炭化鉄材の粉末を磁性材料に利用する場合、任意の大きさ・形状に成形することができる。例えば、粉末をバインダ樹脂で固化した成形体や、粉末を圧縮成形した成形体とすることが挙げられる。このような成形体を磁石素材に利用する場合、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士がくっついている（磁気的に結合している）と減磁し易い。しかしながら、実施形態の炭化鉄材（粉末）は、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に非磁性の炭素の被覆層（以下、単に「炭素被覆層」と呼ぶ場合がある）を備えることで、被覆層がＦｅ１６Ｃ２の粒子同士の磁気的な結合を切る働きをして、磁気特性が向上する。
【００１７】
（２）実施形態の炭化鉄材（粉末）の一形態としては、上記粒子の平均粒径が、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが挙げられる。
【００１８】
磁気特性を向上させる観点から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子は微細であることが好ましく、粒子の平均粒径は、例えばナノオーダー（１０００ｎｍ以下）であることが好ましい。特に、実施形態の炭化鉄材（粉末）を磁石材料に利用する場合、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００１９】
（３）実施形態の炭化鉄材（粉末）の一形態としては、上記被覆層の平均厚さが、２．５ｎｍ以上であることが挙げられる。
【００２０】
実施形態の炭化鉄材（粉末）を成形した成形体を磁石素材に利用する場合、上述したように、炭素被覆層にはＦｅ１６Ｃ２の粒子同士の磁気的な結合を切る働きがある。ここで、磁気的な結合を切るという観点から、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子間は非磁性体で５ｎｍ以上隔てられていることが好ましい。実施形態の炭化鉄材の粉末を成形した場合、隣り合う粒子間には各粒子の被覆層が介在することになるため、粉末での粒子表面の炭素被覆層の平均厚さは２．５ｎｍ以上が好ましい。一方、炭素被覆層の平均厚さの上限は、粉末におけるＦｅ１６Ｃ２成分を確保する観点から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径の１０％以下とすることが好ましい。
【００２１】
（４）実施形態の炭化鉄材は、上記した実施形態の炭化鉄材の粉末を成形したものである。
【００２２】
実施形態の炭化鉄材の粉末を成形した炭化鉄材の成形体（炭化鉄粉末成形体）は、任意の大きさ・形状を有する粉末粒子の集合体である。成形体には、例えば、粉末をバインダ樹脂で固化した形態や、粉末を圧縮成形した形態が挙げられる。
【００２３】
（５）別の実施形態の炭化鉄材は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子間に炭素の粒界相とを備える成形体である。
【００２４】
上記した実施形態の炭化鉄材（成形体）によれば、強磁性相のＦｅ１６Ｃ２の粒子を備えることで、磁気特性に優れる。実施形態の炭化鉄材の成形体は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士が粒子間に介在する粒界相によって結合された構造であり、任意の大きさ・形状とすることができる。
【００２５】
実施形態の炭化鉄材（成形体）は磁石などの磁性材料に好適に利用できる。実施形態の炭化鉄材の成形体を磁石素材に利用する場合、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士がくっついている（磁気的に結合している）と減磁し易い。しかしながら、実施形態の炭化鉄材（成形体）は、Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に非磁性の炭素の粒界相（以下、単に「炭素粒界相」と呼ぶ場合がある）を備えることで、粒界相がＦｅ１６Ｃ２の粒子同士の磁気的な結合を切る働きをして、磁気特性が向上する。
【００２６】
（６）実施形態の炭化鉄材（成形体）の一形態としては、上記粒子の平均粒径が、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが挙げられる。
【００２７】
磁気特性を向上させる観点から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子は微細であることが好ましく、粒子の平均粒径は、例えばナノオーダー（１０００ｎｍ以下）であることが好ましい。特に、実施形態の炭化鉄材（成形体）を磁石素材に利用する場合、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径は、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００２８】
（７）実施形態の炭化鉄材（成形体）の一形態としては、上記粒界相の平均厚さが、５ｎｍ以上であることが挙げられる。
【００２９】
実施形態の炭化鉄材（成形体）を磁石素材に利用する場合、上述したように、炭素粒界相にはＦｅ１６Ｃ２の粒子同士の磁気的な結合を切る働きがある。ここで、磁気的な結合を切るという観点から、非磁性相である炭素粒界相の平均厚さは５ｎｍ以上が好ましい。一方、炭素粒界相の平均厚さの上限は、成形体におけるＦｅ１６Ｃ２成分を確保する観点から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径の２０％以下とすることが好ましい。
【００３０】
（８）実施形態の炭化鉄材（成形体）の一形態としては、角型比が０．８以上であることが挙げられる。
【００３１】
角型比が０．８以上であることで、高い磁気異方性を有し、強力な磁石が得られる。より好ましくは、角形比が０．８５以上である。
【００３２】
（９）実施形態の炭化鉄材の製造方法は、以下の工程を備える。
（Ａ）酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程
（Ｂ）炭素の粒子を含む炭素粉末を鉄粉末に添加し、鉄粉末と炭素粉末とを混合して、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程。
（Ｃ）炭素付着鉄粉末を還元ガス雰囲気中で還元熱処理して、酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、Ｆｅの残部とＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前駆体粒子の表面に炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する炭化工程。
（Ｄ）前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、Ｆｅの残部とＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に被覆層を備える炭化鉄粉末を作製する拡散工程。
【００３３】
上記した実施形態の炭化鉄材（粉末）の製造方法によれば、炭化工程において、炭素付着鉄粉末に還元熱処理を施すことで、ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成することができる。また同時に、前駆体粒子の表面に炭素の被覆層を形成することができる。そして、拡散工程において、前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施すことで、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２を合成して、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に被覆層を備える炭化鉄粉末が得られる。ここで、拡散工程において磁場を印加することで、Ｆｅの基本格子（体心立方格子；ＢＣＣ）を磁場の印加方向に引き伸ばし、引き伸ばされた格子軸に沿った一方向に並ぶＦｅ原子−Ｆｅ原子間にＣを侵入し易くし、他の二方向にＣを侵入し難くすることができる。つまり、Ｃの侵入方向を規制することができる。そのため、磁場を印加した状態で拡散熱処理することで、ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子において、Ｆｅ３Ｃの引き伸ばされない格子に存在しているＣ原子が拡散し、Ｆｅの磁歪により引き伸ばされた格子軸に沿った一方向に並ぶＦｅ原子−Ｆｅ原子間に選択的に侵入して再配置され、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２を効率よく合成できる。また、炭化工程で前駆体粒子の表面に炭素の被覆層が同時に形成されることから、最終的に得られる炭化鉄粉末の粒子表面に非磁性材を別途被覆する必要もない。したがって、上記した実施形態の炭化鉄材（粉末）の製造方法によれば、磁気特性に優れる粉末状の炭化鉄材を生産性よく製造することができる。なお、本願明細書でいう「酸化鉄の粒子を含む鉄粉末」とは、酸化鉄の粒子を主体とする粉末のことであり、酸化鉄の粒子を８０体積％以上含む。また、「炭素の粒子を含む炭素粉末」とは、炭素の粒子を主体とする粉末のことであり、炭素の粒子を８０体積％以上含む。
【００３４】
（１０）別の実施形態の炭化鉄材の製造方法は、以下の工程を備える。
（Ａ）酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程。
（Ｂ）炭素の粒子を含む炭素粉末を鉄粉末に添加し、鉄粉末と炭素粉末とを混合して、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程。
（Ｃ）炭素付着鉄粉末を加圧成形して中間成形体を作製する前成形工程。
（Ｄ）中間成形体に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、Ｆｅの残部とＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前駆体粒子間に炭素の粒界相を形成して前駆体成形体を作製する炭化工程。
（Ｅ）前駆体成形体に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、Ｆｅの残部とＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に粒界相を備える炭化鉄成形体を作製する拡散工程。
【００３５】
上記した実施形態の炭化鉄材（成形体）の製造方法によれば、炭化工程において、炭素付着鉄粉末を加圧成形した中間成形体に還元熱処理を施すことで、ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成することができる。また同時に、前駆体粒子間に炭素の粒界相を形成することができる。そして、拡散工程において、前駆体成形体に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施すことで、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２を合成して、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に被覆層を備える炭化鉄成形体が得られる。上述したように、磁場を印加した状態で拡散熱処理することで、ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子においてＣ原子が再配置され、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２を効率よく合成できる。したがって、上記した実施形態の炭化鉄材（成形体）の製造方法によれば、磁気特性に優れる成形体状の炭化鉄材を生産性よく製造することができる。
【００３６】
また、上記した実施形態の炭化鉄材（成形体）の製造方法では、成形体にした状態で拡散工程を行うため、合成したＦｅ１６Ｃ２の結晶を磁場の印加方向に配向させることができ、最終的に得られる炭化鉄成形体に対して磁気異方性を持たせることができる。
【００３７】
（１１）実施形態の炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造方法の一形態としては、酸化鉄がγ−Ｆｅ２Ｏ３であることが挙げられる。
【００３８】
酸化鉄がγ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）があることで、炭化工程において還元し易く、酸素を容易に取り除くことができるので、炭化鉄材の生産性を向上させることができる。また、還元し易いため、還元熱処理の温度を下げることができる。
【００３９】
（１２）実施形態の炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造方法の一形態としては、炭素の添加量を鉄粉末におけるＦｅの含有量に対して２．６質量％以上４．０質量％以下とすることが挙げられる。
【００４０】
炭素粉末（炭素粒子）は、炭化工程においてＦｅ３Ｃを生成するための炭素源となる。炭素の添加量を調整することで、Ｆｅ３Ｃの生成量が変化する。炭素の添加量を鉄粉末におけるＦｅの含有量に対して２．６質量％以上とすることで、炭化工程においてＦｅ３Ｃが十分に生成され、拡散工程でＦｅ１６Ｃ２を十分に合成でき、磁気特性を向上させることができる。一方、炭素の添加量を鉄粉末におけるＦｅの含有量に対して４．０質量％以下とすることで、炭化工程においてＦｅ３Ｃが過剰に生成されることを抑制し、拡散工程でＦｅ１６Ｃ２を十分に合成でき、Ｆｅ３Ｃが残留し難くなるため、磁気特性を向上させることができる。また、炭素粉末は、炭素被覆層又は炭素粒界相の炭素源としても作用する。
【００４１】
（１３）実施形態の炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造方法の一形態としては、炭化工程における還元ガスをＣＯガスとすることが挙げられる。
【００４２】
還元ガスをＣＯガスとすることで、合成した前駆体粒子の表面からＣが抜けることを抑制し、粒子に含まれるＦｅ３ＣのＣ濃度を表面から内部に亘って均質にし易い。その結果、拡散工程でＦｅ１６Ｃ２を合成し易くなる。
【００４３】
（１４）実施形態の炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造方法の一形態としては、拡散工程における拡散熱処理の温度を２００℃以上２１０℃以下とすることが挙げられる。
【００４４】
拡散熱処理の温度を２００℃以上とすることで、Ｃの拡散を促進させ、Ｆｅ１６Ｃ２をより効率よく合成できる。一方、拡散熱処理の温度を２１０℃以下とすることで、Ｆｅ３Ｃの安定化を抑制できる。
【００４５】
（１５）実施形態の炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造方法の一形態としては、拡散工程における磁場を３Ｔ以上とすることが挙げられる。
【００４６】
磁場を３Ｔ以上とすることで、Ｆｅの基本格子の磁歪がより大きくなり、Ｆｅ１６Ｃ２をより効率よく合成できる。
【００４７】
（１６）実施形態の磁石は、上記した実施形態の炭化鉄材（粉末又は成形体）を着磁したものである。
【００４８】
実施形態の磁石によれば、上記した実施形態の炭化鉄材を使用するため、磁気特性に優れる。
【００４９】
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５０】
[炭化鉄材]
実施形態に係る炭化鉄材には、粉末状のもの（炭化鉄粉末）と、成形体状のもの（炭化鉄成形体）がある。
【００５１】
｛炭化鉄粉末｝
炭化鉄粉末は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子の表面の少なくとも一部に炭素の被覆層とを備える。この炭化鉄粉末を任意の大きさ・形状に成形することで、炭化鉄粉末の成形体を得ることができる。成形方法としては、例えば、バインダ樹脂で固化したり、圧縮成形することが挙げられる。炭化鉄粉末成形体は、磁石素材に利用することができる。
【００５２】
（Ｆｅ１６Ｃ２粒子）
炭化鉄粉末において、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径は、磁気特性の観点から、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、特に炭化鉄粉末を磁石材料に利用する場合、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５３】
（炭素被覆層）
炭化鉄粉末成形体を磁石素材に利用する場合、炭素被覆層には、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士がくっつくことを防止し、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士の磁気的な結合を切る働きがある。炭化鉄粉末成形体では、隣り合う粒子間に各粒子の被覆層が介在することになるため、粒子間の間隔は被覆層の厚さの２倍以上になる。炭化鉄粉末において、炭素被覆層の平均厚さは、磁気的な結合を切るという観点から２．５ｎｍ以上が好ましく、粉末におけるＦｅ１６Ｃ２成分を確保する観点から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径の１０％以下（例、１０ｎｍ以下）とすることが好ましい。
【００５４】
｛炭化鉄成形体｝
炭化鉄成形体は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子と、粒子間に炭素の粒界相とを備える。炭化鉄成形体は、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士が炭素粒界相によって結合された構造であり、任意の大きさ・形状とすることができる。
【００５５】
（Ｆｅ１６Ｃ２粒子）
炭化鉄成形体において、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径は、磁気特性の観点から、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、特に炭化鉄成形体を磁石素材に利用する場合、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
（炭素粒界相）
炭化鉄成形体を磁石素材に利用する場合、炭素粒界相には、Ｆｅ１６Ｃ２の粒子同士の磁気的な結合を切る働きがある。炭化鉄成形体において、炭素粒界相の平均厚さは、磁気的な結合を切るという観点から５ｎｍ以上が好ましく、成形体におけるＦｅ１６Ｃ２成分を確保する観点から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径の２０％以下（例、２０ｎｍ以下）とすることが好ましい。
【００５７】
［炭化鉄材の製造方法］
実施形態に係る炭化鉄材の製造方法には、炭化鉄粉末を作製する製造方法、炭化鉄成形体を作製する製造方法がある。
【００５８】
｛炭化鉄粉末の製造方法｝
炭化鉄粉末の製造方法は、準備工程と、混合工程と、炭化工程と、拡散工程とを備える。各工程について詳細に説明する。
【００５９】
（準備工程）
準備工程は、酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する。酸化鉄としては、例えば、γ−Ｆｅ２Ｏ３（マグヘマイト）、α−Ｆｅ２Ｏ３（ヘマタイト）、Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト）などを用いることができる。中でも、γ−Ｆｅ２Ｏ３は、後工程の炭化工程において還元し易い点で好ましい。基本的に、原料としての酸化鉄の粒子の大きさと、最終的に得られるＦｅ１６Ｃ２粒子の大きさは、実質的に等しくなるため、酸化鉄の粒子の平均粒径もナノオーダー（１０００ｎｍ以下）であることが好ましい。なお、粒子の平均粒径は、例えばレーザ回折式粒度分布装置を用いて測定した積算質量が５０％となる粒径である。また、酸化鉄の粒子の平均粒径をナノオーダーとすることで、後工程の炭化工程において粒子の表面からＣを拡散し易く、Ｃ濃度を表面から内部に亘って均質にし易い。このような微細な酸化鉄の粒子は、酸化鉄の粉末や焼結体を粉砕することで作製できる。例えば、粒子の粒径が数ミクロンサイズ（例、１〜５μｍ程度）となるまで粗粉砕した後、更に粒径がナノオーダー（例、５０〜１００ｎｍ）となるまで微粉砕することが挙げられる。粗粉砕には、例えば、ジョークラッシャー、ロールクラッシャー、スタンプミル、ブラウンミル、ボールミルなどの機械粉砕を用いることができ、微粉砕には、例えば、ビーズミル、ジェットミルなどを用いることができる。ナノオーダーの微細な酸化鉄の粉末（ナノ酸化鉄粉）は、水熱合成法、共沈法、逆ミセル法、ゾルゲル法などの化学的手法により合成することも可能である。
【００６０】
（混合工程）
混合工程は、炭素の粒子を含む炭素粉末を鉄粉末に添加し、鉄粉末と炭素粉末とを混合して、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する。炭素としては、例えば、グラフェン、グラファイト（黒鉛）、活性炭、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンブラックなどを用いることができる。中でも、単層のグラフェンは扁平であるため、酸化鉄粒子の表面に付着させ易い。また、炭素の粒子の平均粒径は、酸化鉄粒子の表面に付着させる観点から、酸化鉄粒子の平均粒径よりも小さいことが好ましい。なお、酸化鉄粒子の表面を完全に炭素粒子で覆ってしまうと、後工程の炭化工程において還元ガスと酸化鉄粒子とが接触せず、酸化鉄粒子を還元し難くなる。鉄粉末と炭素粉末とを混合しながら、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子を付着させることで、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子がまだらに付着した状態を作り易い。
【００６１】
炭素の添加量は、鉄粉末を完全に還元することを想定して、Ｆｅの含有量（質量）に対して２．６質量％以上４．０質量％以下とすることが好ましい。炭素の添加量を２．６質量％以上とすることで、後工程の炭化工程でＦｅ３Ｃが十分に生成され、拡散工程でＦｅ１６Ｃ２を十分に合成できる。一方、炭素の添加量を４．０質量％以下とすることで、後工程の炭化工程においてＦｅ３Ｃが過剰に生成されることを抑制し、拡散工程でＦｅ１６Ｃ２を十分に合成できる。つまり、Ｃが不足すると、炭化工程で生成されるＦｅが多くなる（Ｆｅ３Ｃが少なくなる）ため、拡散工程で軟磁性のＦｅが残存する。一方、Ｃが過剰であると、炭化工程で生成されるＦｅ３Ｃが多くなる（Ｆｅが少なくなる）ため、拡散工程でＦｅ３Ｃが残存する。その結果、磁気特性に優れるＦｅ１６Ｃ２の生成量が少なくなり、磁気特性の向上効果が小さい。
【００６２】
混合工程では、酸化鉄粒子の微粉砕を同時に行ってもよい。これにより、炭素粒子も粉砕され、炭素粒子が酸化鉄粒子に比べて粉砕され易いため、炭素粒子の平均粒径を酸化鉄粒子の平均粒径よりも小さくし易い。例えば、炭素粉末の粒径が数ナノサイズ（例、１０ｎｍ程度）まで粉砕される。また、粉砕も同時に行うことで、酸化鉄粒子の表面に炭素粒子がまだらに付着した状態をより作り易い。鉄粉末と炭素粉末との混合と同時に粉砕を行う場合、ビーズミルを用いて行うことが好ましい。
【００６３】
（炭化工程）
炭化工程は、炭素付着鉄粉末に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、Ｆｅの残部とＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前駆体粒子の表面に炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する。還元は、還元ガスにＣＯガスを用いた還元処理が好ましい。還元ガスをＣＯガスとすることで、合成した前駆体粒子の表面からＣが抜けることを抑制し、粒子に含まれるＦｅ３ＣのＣ濃度を表面から内部に亘って均質にし易い。酸化鉄がγ−Ｆｅ２Ｏ３の場合、γ−Ｆｅ２Ｏ３は還元し易いので、ＣＯガスを用いて十分に還元することができる。この場合、還元熱処理の温度は例えば７００℃以上８００℃以下、還元熱処理の時間は例えば３０分以上５時間以下とすることが挙げられる。
【００６４】
酸化鉄としてα−Ｆｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４を用いる場合、γ−Ｆｅ２Ｏ３に比較して還元し難いため、還元力の高い水素ガスを用いた還元処理を採用してもよい。この場合、炭化工程において、水素ガスを用いた還元処理によってα−Ｆｅ２Ｏ３やＦｅ３Ｏ４からＯを抜け易くした後、ＣＯガスを用いて還元することが考えられる。水素ガスを用いた還元処理のみでは、Ｆｅが炭化され難く、Ｆｅ３Ｃが生成され難く、Ｆｅのみが生成され易いためである。
【００６５】
酸化鉄粒子の表面に付着した炭素粒子は、炭化工程において、Ｆｅとの反応余剰分の炭素粒子同士が反応して結合し、炭素被覆層を形成する。
【００６６】
（拡散工程）
拡散工程は、前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、Ｆｅの残部とＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に被覆層を備える炭化鉄粉末を作製する。ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子に磁場を印加して拡散熱処理を施すことで、粒子中のＣを再配置して、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２を効率よく合成できる。拡散熱処理は、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気中で行うことが好ましい。拡散熱処理の雰囲気を窒素ガス雰囲気とした場合、Ｆｅ原子−Ｆｅ原子間の一部にＮが侵入して一部に侵入型の炭窒化鉄化合物や窒化鉄化合物が生成されることがあるが、これを許容する。
【００６７】
拡散熱処理の温度は、２００℃以上２１０℃以下とすることが好ましい。拡散熱処理の温度を２００℃以上とすることで、Ｃの拡散を促進させ、Ｆｅ１６Ｃ２をより効率よく合成できる。一方、拡散熱処理の温度を２１０℃以下とすることで、Ｆｅ３Ｃの安定化を抑制できる。また、拡散熱処理の時間は、例えば１時間以上１００時間以下とすることが挙げられる。
【００６８】
磁場の強度は３Ｔ以上とすることが好ましい。磁場を印加することで、Ｆｅの基本格子を磁場の印加方向に引き伸ばし、Ｆｅ３Ｃから拡散したＣが、磁歪により引き伸ばされた格子軸に沿った一方向に並ぶＦｅ原子−Ｆｅ原子間に選択的に侵入して再配置され、ＦｅとＦｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２を合成できる。磁場を３Ｔ以上とすることで、Ｆｅの基本格子の磁歪がより大きくなり、Ｆｅ１６Ｃ２をより効率よく合成できる。磁場の印加には、銅線などの常電導コイル、超電導線材を用いた超電導コイルを用いることができる。特に、高温超電導線材を用いた超電導コイルを利用すると、励磁速度が速く、また冷却コストを低減できるので、生産性に優れる。
【００６９】
上記した炭化鉄粉末の製造方法では、原料（鉄粉末）として酸化鉄を用いる形態を説明したが、純鉄を用いることも可能である。ナノオーダーの微細な純鉄の粉末（ナノ鉄粉）は、公知の方法、例えば共沈法、逆ミセル法、ゾルゲル法などを利用して製造することが可能である。このようなナノ鉄粉は、実質的にα−Ｆｅからなる。また、体心立方構造（ＢＣＣ）を維持できる範囲であれば、Ｆｅ以外の元素を含有していてもよく、原料には、例えばＦｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｍｎなどの鉄合金を用いることも可能である。
【００７０】
｛炭化鉄粉末成形体｝
製造した炭化鉄粉末を成形して、炭化鉄粉末成形体（炭化鉄材）を得ることができる。成形方法としては、例えば、バインダ樹脂で固化したり、圧縮成形することが挙げられる。具体的には、炭化鉄粉末とバインダ樹脂とを混合し、これを成形用金型に充填して圧縮成形することで、ボンド磁石素材を製造できる。或いは、炭化鉄粉末を成形用金型に充填して圧縮成形することで、圧粉磁石素材を製造できる。
【００７１】
ボンド磁石素材の場合、バインダ樹脂としては、例えばアクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。成形圧力は、例えば０．１ＧＰａ以上１．０ＧＰａ以下とすることが挙げられる。成形時の雰囲気は、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気とすることが挙げられる。圧縮成形は、磁場を印加した状態で行うことができる。この場合の磁場強度は、例えば０．１Ｔ以上５Ｔ以下とすることが挙げられる。磁場を印加しながら成形することで、Ｆｅ１６Ｃ２の結晶を磁場の印加方向に配向させることができ、磁気異方性を持たせることができる。
【００７２】
圧粉磁石素材の場合、成形圧力は、例えば０．６ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下とすることが挙げられる。成形時の雰囲気は、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気とすることが挙げられる。圧縮成形は、上記したボンド磁石素材と同様に、磁場を印加した状態で行うことができる。磁場を印加しながら成形することで、Ｆｅ１６Ｃ２の結晶を磁場の印加方向に配向させることができ、磁気異方性を持たせることができる。
【００７３】
｛炭化鉄成形体の製造方法｝
炭化鉄成形体の製造方法は、準備工程と、混合工程と、前成形工程と、炭化工程と、拡散工程とを備える。この炭化鉄成形体の製造方法は、基本的には前成形工程を備える点で、上記した炭化鉄粉末の製造方法と異なる。以下では、炭化鉄粉末の製造方法との相違点を中心に説明する。
【００７４】
（前成形工程）
前成形工程は、混合工程で作製した炭素付着鉄粉末を加圧成形して中間成形体を作製する。炭化鉄成形体の製造方法では、この前成形工程により予め成形体を作製し、成形体にした状態で後工程の炭化工程、拡散工程を行うことで最終的に炭化鉄成形体が得られる。また、成形体にした状態で拡散工程を行うため、合成したＦｅ１６Ｃ２の結晶を磁場の印加方向に配向させることができ、最終的に得られる炭化鉄成形体に磁気異方性を持たせることができる。つまり、拡散工程において、Ｆｅ１６Ｃ２の合成と同時に、炭化鉄成形体に対して磁気異方性を付与できる。
【００７５】
前成形工程では、中間成形体が多孔質となるように加圧成形することが好ましい。これにより、後工程の炭化工程において還元ガスを成形体の表面から内部まで行き渡らせ易く、内部の酸化鉄粒子まで還元ガスが侵入して、酸化鉄粒子を還元し易くなる。多孔質の中間成形体を得るには、成形圧力を、例えば１０ｋｇｆ／ｃｍ２（０．９８ＭＰａ）以上２００ｋｇｆ／ｃｍ２（１９．６ＭＰａ）以下とすることが挙げられる。
【００７６】
中間成形体の空隙率は、例えば２０体積％以上５０体積％以下とすることが挙げられる。空隙率は、中間成形体の体積に対する中間成形体中に含まれる空隙量の体積の比を百分率で表したものである。具体的には、中間成形体の嵩密度（成形密度）を理論密度（真密度）で除して相対密度を求め、求めた相対密度を下記式に代入することで求めることができる。
式：空隙率（％）＝（１−相対密度）×１００
【００７７】
（炭化工程）
炭化工程では、還元熱処理によって、Ｆｅ３Ｃを生成し、ＦｅとＦｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成する点で、上記した炭化鉄粉末の製造方法と同じであるが、前駆体粒子間に炭素の粒界相を形成する点が異なる。炭化鉄成形体の製造方法では、炭化工程において、Ｆｅとの反応余剰分の炭素粒子同士が反応して結合し、炭素粒界相を形成する。この炭素粒界相はＦｅ１６Ｃ２の粒子同士の結合に寄与する。
【００７８】
炭化工程の還元熱処理は、中間成形体を加圧した状態で行ってもよい。例えば、一軸加圧が可能な金型に中間成形体を収納し、中間成形体をプレスしながら還元熱処理を行うことが挙げられる。前成形工程では、塑性変形し難い酸化鉄の粉末を加圧成形することから、成形密度を高めることが難しい。一方、炭化工程中、還元熱処理によって、塑性変形し易いＦｅが一部に生成されることから、加圧しながら還元熱処理することで成形密度を高め易く、最終的に得られる炭化鉄成形体の密度を向上させることができる。加えて、加圧しながら還元熱処理することで、粒子のアスペクト比を向上させ、保磁力や磁気異方性（形状磁気異方性）を向上させることができる。加圧圧力は、粒子のアスペクト比を向上させる観点から、１００ＭＰａ以上が好ましく、１５０ＭＰａ以上がより好ましく、２５０ＭＰａ以上が更に好ましい。ここで、後工程の拡散工程において、磁場の印加方向を還元熱処理時の加圧方向に対して垂直な方向とすると、磁気異方性をより向上させることができる。
【００７９】
（後成形工程）
更に、炭化工程の後、前駆体成形体を加圧成形する後成形工程を付加してもよい。前成形工程では、塑性変形し難い酸化鉄の粉末を加圧成形することから、成形密度を高めることが難しい。一方、炭化工程後の前駆体成形体は塑性変形し易いＦｅが混在していることから、加圧成形することで成形密度を高め易く、最終的に得られる炭化鉄成形体の密度を向上させることができる。したがって、このような炭化鉄成形体を磁石素材に利用した場合、磁石密度が高く、磁気特性を向上させることができる。
【００８０】
上記した炭化鉄成形体の製造方法において、前成形工程を省略し、後成形工程のみ行うこともできる。つまり、上記した炭化鉄粉末の製造方法における炭化工程まで同様にして、炭化工程の後、前駆体粉末を加圧成形して前駆体成形体を作製し、この成形体に対して拡散工程を行ってもよい。この場合も、上記した後成形工程のところで説明したように、最終的に得られる炭化鉄成形体の密度を向上させることができる。
【００８１】
＜試験例１＞
以下の手順で炭化鉄粉末の試料を製造し、その磁気特性を評価した。
【００８２】
（準備工程）
原料には、固相反応法により作製したγ−Ｆｅ２Ｏ３の焼結体を用いた。このγ−Ｆｅ２Ｏ３の焼結体を粒子の粒径が１〜５μｍ程度になるまで機械粉砕して、γ−Ｆｅ２Ｏ３の粉末を得た。
【００８３】
（混合工程）
次に、市販の活性炭の粉末（平均粒径１００ｎｍ）をγ−Ｆｅ２Ｏ３の粉末に添加して混合粉砕した。この試験では、ビーズミルを用いて、γ−Ｆｅ２Ｏ３粒子の平均粒径が８０ｎｍ程度になるまで混合粉砕した。ビーズミルのメディアには、直径０．５ｍｍのジルコニアビーズを用いた。活性炭の添加量（Ｃ添加量）は、γ−Ｆｅ２Ｏ３の粉末におけるＦｅの含有量に対して３質量％とした。そして、表面にグラフェン粒子が付着したγ−Ｆｅ２Ｏ３粒子の２次凝集体（炭素付着鉄粉末）を作製した。
【００８４】
（炭化工程）
作製した２次凝集体を、ＣＯガス雰囲気中で７５０℃×５時間の還元熱処理した。
【００８５】
（拡散工程）
次いで、ＣＯガスを排気し、Ａｒガスを導入した後、Ａｒガス雰囲気中で２０５℃×２０時間の拡散熱処理した。また、拡散熱処理は、５Ｔの磁場を印加した状態で行った。そして、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に炭素被覆層を備える炭化鉄粉末を製造した。
【００８６】
得られた炭化鉄粉末の凝集体を２．０ＧＰａでプレス成形して、炭化鉄粉末成形体を作製し、この炭化鉄粉末成形体の磁気特性を評価した。具体的には、炭化鉄粉末成形体を４０００ｋＡ／ｍのパルス磁界で着磁して磁石とした後、ＢＨトレーサ（理研電子株式会社製ＤＣＢＨトレーサ）を用いて調べた。ここでは、磁気特性として、飽和磁束密度Ｂｓ（Ｔ）、固有保磁力ｉＨｃ（ｋＡ／ｍ）を測定した。
【００８７】
その結果、Ｂｓが１．８Ｔ、ｉＨｃが１．１ｋＯｅ（８７．５ｋＡ／ｍ）であった。試験例１の炭化鉄粉末は、飽和磁化が高く、優れた磁気特性を有しており、磁石などの磁性材料に好適に利用できる。
【００８８】
更に、上記した試験例１と同じ手順で炭化鉄粉末を製造し、炭化鉄粉末の組織観察を行った。具体的には、得られた炭化粉末の凝集体を樹脂に埋め込んだ後、切断及び研磨した断面の組織観察を行った。組織観察には、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）−ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた。その結果、Ｆｅ１６Ｃ２粒子は実質的にＦｅ１６Ｃ２からなり、その平均粒径が５０ｎｍであった。Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径は、観察視野内のＦｅ１６Ｃ２粒子について等面積円相当径を測定し、その平均値とした。また、Ｆｅ１６Ｃ２粒子表面の炭素被覆層の平均厚さが３ｎｍであった。炭素被覆層の平均厚さは、観察視野内のＦｅ１６Ｃ２粒子おける炭素被覆層の３点の厚さをそれぞれ測定し、その平均値とした。
【００８９】
＜試験例２＞
製造条件を変えて炭化鉄成形体の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３０を製造し、それらの磁気特性を評価した。
【００９０】
（準備工程）
原料には、市販のγ−Ｆｅ２Ｏ３の粉末（平均粒径５μｍ）を用いた。
【００９１】
（混合工程）
次に、市販の活性炭の粉末（平均粒径１００ｎｍ）をγ−Ｆｅ２Ｏ３の粉末に添加して混合粉砕した。この試験では、ビーズミルを用いて、γ−Ｆｅ２Ｏ３粒子の平均粒径が８０ｎｍ程度になるまで混合粉砕した。ビーズミルのメディアには、直径０．５ｍｍのジルコニアビーズを用いた。活性炭の添加量（Ｃ添加量）は、γ−Ｆｅ２Ｏ３の粉末におけるＦｅの含有量に対して１．０質量％〜１０．０質量％とした。そして、表面に活性炭粒子が付着したγ−Ｆｅ２Ｏ３粒子の炭素付着鉄粉末を作製した。
【００９２】
（前成形工程）
作製した炭素付着鉄粉末をハンドプレス機で加圧成形して中間成形体を作製した。このときの成形圧力は２００ｋｇｆ／ｃｍ２（１９．６ＭＰａ）とした。
【００９３】
（炭化工程）
作製した中間成形体を、ＣＯガス雰囲気中で７５０℃×３時間の還元熱処理した。この試験では、還元熱処理は、中間成形体を一軸加圧が可能な金型に収納し、中間成形体を加圧した状態で行った。還元熱処理時の加圧圧力は、０〜５００ＭＰａとした。なお、加圧圧力が「０」とは、加圧していないことを意味する。
【００９４】
（拡散工程）
次いで、ＣＯガスを排気してＡｒガスを導入した後、Ａｒガス雰囲気中、磁場を印加した状態で拡散熱処理した。拡散熱処理の温度は１５０℃〜２５０℃とし、拡散熱処理の時間は２０時間とした。また、磁場の強度は０〜５Ｔとし、磁場の印加方向は炭化工程での還元熱処理時の加圧方向に対して垂直な方向とした。そして、Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に炭素粒界相を備える炭化鉄成形体を製造した。なお、磁場強度が「０」とは、磁場を印加していないことを意味する。
【００９５】
得られた炭化鉄成形体の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２５について、試験例１と同じように、４０００ｋＡ／ｍのパルス磁界で着磁して磁石とした後、ＢＨトレーサを用いて磁気特性を評価した。ここでは、飽和磁束密度Ｂｓ（Ｔ）、角型比Ｂｒ／Ｂｓ（残留磁束密度Ｂｒと飽和磁束密度Ｂｓとの比）、固有保磁力ｉＨｃ（ｋＡ／ｍ）、最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘ（ｋＪ／ｍ３）を測定した。その結果をその製造条件と併せて表１に示す。
【００９６】
【表１】
2014207341.tif 000002
【００９７】
表１に示す試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の磁気特性の結果から、Ｃ添加量を多くするほど、磁気特性が向上していることが分かる。特に、Ｃ添加量が２．６質量％〜４．０質量％である試料Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６は、１．７５Ｔ（特に１．８０Ｔ）Ｔ以上のＢｓを有し、ｉＨｃが３５０ｋＡ／ｍ（特に４００ｋＡ／ｍ）以上、（ＢＨ）ｍａｘが１００ｋＪ／ｍ３（特に１５０ｋＪ／ｍ３）以上であり、優れた磁気特性に有している。更に、試料Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６は、Ｂｒ／Ｂｓが０．８以上であり、高い磁気異方性を有している。但し、試料Ｎｏ．７〜Ｎｏ．１０のように、Ｃ添加量を多くし過ぎると、磁気特性（特に、Ｂｒ／Ｂｓや（ＢＨ）ｍａｘ）の向上が小さくなる傾向が見られる。
【００９８】
試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０について、試験例１と同じように、ＴＥＭ−ＥＤＸを用いて断面の組織観察を行った。その結果、試料Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６では、Ｆｅ１６Ｃ２粒子が実質的にＦｅ１６Ｃ２で構成されていた。これに対し、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３では、Ｆｅが残存しており、試料Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６に比べてＦｅ１６Ｃ２の成分が少なかった。一方、料Ｎｏ．７〜Ｎｏ．１０では、Ｆｅ３Ｃが残存しており、試料Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６に比べてＦｅ１６Ｃ２の成分が少なかった。
【００９９】
このような結果から、Ｃ添加量が不足する場合、軟磁性のＦｅが残存することにより、保磁力などの磁気特性の向上幅が小さくなると考えられる。一方、Ｃ添加量が過剰な場合、Ｆｅ１６Ｃ２に比べて磁気特性に劣るＦｅ３Ｃが残存することにより、磁気特性の向上幅が小さくなると考えられる。
【０１００】
また、試料Ｎｏ．５の断面観察像から、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径と炭素粒界相の平均厚さを求めたところ、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径が６０ｎｍ、炭素粒界相の平均厚さが５ｎｍであった。ここでは、Ｆｅ１６Ｃ２粒子の平均粒径は、観察視野内のＦｅ１６Ｃ２粒子について等面積円相当径を測定し、その平均値とした。炭素粒界相の平均厚さは、観察視野内の隣り合うＦｅ１６Ｃ２粒子間における炭素粒界相の３点の厚さをそれぞれ測定し、その平均値とした。
【０１０１】
表１に示す試料Ｎｏ．５及びＮｏ．１１〜Ｎｏ．１７の磁気特性の結果から、炭化工程での還元熱処理時の加圧圧力を高くするほど、磁気特性が向上していることが分かる。特に、加圧圧力を１００ＭＰａ以上、より好ましく１５０ＭＰａ以上、更により好ましくは２５０ＭＰａ以上とすると、磁気特性の向上幅が大きい。例えば、加圧圧力が１００ＭＰａの試料Ｎｏ．５は、Ｂｒ／Ｂｓが０．８５以上でｉＨｃが４５０ｋＡ／ｍ以上、加圧圧力が１５０ＭＰａの試料Ｎｏ．１３は、Ｂｓが１．８５Ｔ以上で（ＢＨ）ｍａｘが２００ｋＪ／ｍ３以上、加圧圧力が２５０ＭＰａの試料Ｎｏ．１５は、Ｂｓが１．９Ｔ以上、Ｂｒ／Ｂｓが０．９以上でｉＨｃが５００ｋＡ／ｍ以上を達成している。これは、還元熱処理時の加圧圧力を高くすることで、炭化工程で粒子のアスペクト比が向上したことにより、保磁力や角型比（磁気異方性）が向上したことに起因すると考えられる。
【０１０２】
表１に示す試料Ｎｏ．５及びＮｏ．１８〜Ｎｏ．２５の磁気特性の結果から、拡散工程での拡散熱処理の温度を２００℃以上２１０℃以下とすることが好ましいことが分かる。これは、拡散熱処理の温度を２００℃以上とすることで、Ｆｅ１６Ｃ２を合成する反応がより進行し、Ｆｅ１６Ｃ２の生成量が多くなり、一方、拡散熱処理の温度を２１０℃未満とすることで、Ｆｅ３Ｃの安定化を抑制し、Ｆｅ１６Ｃ２の生成量が多くなることに起因すると考えられる。
【０１０３】
表１に示す試料Ｎｏ．５及びＮｏ．２６〜Ｎｏ．３０の磁気特性の結果から、拡散工程での磁場強度を高くするほど、磁気特性が向上していることが分かる。特に、磁場強度を３Ｔ以上とすると、磁気特性の向上幅が大きい。これは、磁場強度を３Ｔ以上とすることで、Ｆｅ１６Ｃ２を合成する反応がより進行し、Ｆｅ１６Ｃ２の生成量が多くなることに起因すると考えられる。
【０１０４】
試料Ｎｏ．２６について、ＴＥＭ−ＥＤＸを用いて断面の組織観察を行い、組成分析したところ、Ｆｅ１６Ｃ２がほとんど検出されなかった。
【０１０５】
以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。
【０１０６】
［付記］
（付記１）
酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程と、
炭素の粒子を含む炭素粉末を前記鉄粉末に添加し、前記鉄粉末と前記炭素粉末とを混合して、前記酸化鉄粒子の表面に前記炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程と、
前記炭素付着鉄粉末に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、前記酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と前記炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前記前駆体粒子の表面に前記炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する炭化工程と、
前記前駆体粉末に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、前記Ｆｅ１６Ｃ２粒子の表面に前記被覆層を備える炭化鉄粉末を作製する拡散工程と、
前記炭化鉄粉末を成形して炭化鉄成形体を作製する成形工程と、
を備える炭化鉄材の製造方法。
【０１０７】
上記した付記１の炭化鉄材の製造方法によれば、炭化鉄粉末の成形体（炭化鉄粉末成形体）を得ることができる。炭化鉄粉末の成形方法としては、例えば、バインダ樹脂で固化したり、圧縮成形することが挙げられる。
【０１０８】
（付記２）
酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程と、
炭素の粒子を含む炭素粉末を前記鉄粉末に添加し、前記鉄粉末と前記炭素粉末とを混合して、前記酸化鉄粒子の表面に前記炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程と、
前記炭素付着鉄粉末に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、前記酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と前記炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前記前駆体粒子の表面に前記炭素の被覆層を形成して前駆体粉末を作製する炭化工程と、
前記前駆体粉末を加圧成形して前駆体成形体を作製する成形工程と、
前記前駆体成形体に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、前記Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に前記粒界相を備える炭化鉄成形体を作製する拡散工程と、
を備える炭化鉄材の製造方法。
【０１０９】
上記した付記２の炭化鉄材の製造方法によれば、炭化工程後の前駆体粉末は変形し易いＦｅが混在していることから、加圧成形した場合に成形密度を高め易く、最終的に得られる炭化鉄成形体の密度を向上させることができる。その結果、このような炭化鉄成形体を磁石素材に利用した場合、磁石密度が高く、磁気特性を向上させることができる。
【０１１０】
（付記３）
酸化鉄の粒子を含む鉄粉末を準備する準備工程と、
炭素の粒子を含む炭素粉末を前記鉄粉末に添加し、前記鉄粉末と前記炭素粉末とを混合して、前記酸化鉄粒子の表面に前記炭素粒子を付着させて炭素付着鉄粉末を作製する混合工程と、
前記炭素付着鉄粉末を加圧成形して第１中間成形体を作製する前成形工程と、
前記中間成形体に還元ガス雰囲気中で還元熱処理を施して、前記酸化鉄を還元して生成したＦｅの一部と前記炭素とを反応させてＦｅ３Ｃを生成し、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３Ｃとを含む前駆体粒子を合成すると共に、前記前駆体粒子間に前記炭素の粒界相を形成して前駆体成形体を作製する炭化工程と、
前記前駆体成形体を更に加圧成形して第２中間成形体を作製する後成形工程と、
前記第２中間成形体に磁場を印加した状態で拡散熱処理を施して、前記Ｆｅの残部と前記Ｆｅ３ＣとからＦｅ１６Ｃ２の粒子を合成し、前記Ｆｅ１６Ｃ２粒子間に前記粒界相を備える炭化鉄成形体を作製する拡散工程と、
を備える炭化鉄材の製造方法。
【０１１１】
上記した付記３の炭化鉄材の製造方法によれば、炭化工程後の前駆体成形体は変形し易いＦｅが混在していることから、加圧成形することで成形密度を高め易く、最終的に得られる炭化鉄成形体の密度を向上させることができる。その結果、このような炭化鉄成形体を磁石素材に利用した場合、磁石密度が高く、磁気特性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の炭化鉄材（粉末又は成形体）は、磁石などの磁性材料に好適に利用できる。例えば、各種のモータ、特に、ハイブリッド車（ＨＥＶ）やハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などのモータに備える永久磁石の材料に利用可能である。その他、本発明の炭化鉄材（粉末又は成形体）は、磁気ヘッド、リアクトル（トランス）やモータの磁心、磁気シールド、ノイズフィルターなどの磁性材料にも利用可能である。また、本発明の炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造方法は、磁気特性に優れる炭化鉄材（粉末又は成形体）の製造に好適に利用できる。