(57)【要約】【課題】永久磁石の磁化の低下及び密度の低下を抑制する。【解決手段】永久磁石は、組成式：ＲＮＸ（ＣｒｐＳｉｑＭ１−ｐ−ｑ）ＺＴＳで表される。永久磁石は、Ｔｈ２Ｎｉ１７型、Ｔｈ２Ｚｎ１７型、及びＴｂＣｕ７型の少なくとも一つの結晶構造を有する主相と、主相中のＲよりも多いＲを含む副相と、を具備する。【選択図】図１
2018120942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式：ＲＮＸ（ＣｒｐＳｉｑＭ１−ｐ−ｑ）ＺＴＳ
（Ｒは希土類元素、Ｚｒ、Ｎｂ、及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素、ＭはＦｅ及びＣｏから選ばれる少なくとも一つの元素、ＴはＣｕ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、及びＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素、Ｘは０．５≦Ｘ≦２．０を満足する原子比、ｐは０．００５≦ｐ≦０．２を満足する原子比、ｑは０．００５≦ｑ≦０．２を満足する原子比、Ｚは４≦Ｚ≦１３を満足する原子比、Ｓは０．００５≦Ｓ≦２．０を満足する原子比である）
で表される永久磁石であって、
Ｔｈ２Ｎｉ１７型、Ｔｈ２Ｚｎ１７型、及びＴｂＣｕ７型の少なくとも一つの結晶構造を有する主相と、
前記主相中の前記Ｒよりも多い前記Ｒを含む副相と、を具備する、永久磁石。
【請求項２】
前記Ｒの５０原子％以上はＳｍである、請求項１に記載の永久磁石。
【請求項３】
前記Ｍの５０原子％以上はＦｅである、請求項１又は請求項２に記載の永久磁石。
【請求項４】
前記Ｍの２０原子％以下は、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、及びＧｅから選ばれる少なくとも一つの元素で置換されている、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の永久磁石。
【請求項５】
前記Ｎの５０原子％以下が、Ｈ、Ｂ、及びＣから選ばれる少なくとも一つの元素で置換されている、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の永久磁石。
【請求項６】
前記Ｔの５０原子％以上はＣｕである、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の永久磁石。
【請求項７】
前記永久磁石の密度は６．５ｇ／ｃｍ３以上である、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の永久磁石。
【請求項８】
前記副相は、前記Ｒと前記Ｔとの合金相を有する、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の永久磁石。
【請求項９】
前記永久磁石中の酸化物相の体積比率は、５．２％以下である、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の永久磁石。
【請求項１０】
ロータと、
ステータと、を具備し、
前記ロータ又は前記ステータは、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の永久磁石を有する、回転電機。
【請求項１１】
モータ又は発電機である請求項１０に記載の回転電機。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１記載の回転電機を具備する、車両。
【請求項１３】
請求項１０に記載の回転電機を具備し、
前記回転電機の一端に設けられたシャフトに回転が伝達される、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態の発明は、永久磁石、回転電機、及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
高性能な永久磁石として、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石等の希土類磁石が知られている。希土類磁石は、モータ、スピーカ、計測器等の電気機器、さらにハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）や電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）等の車両に用いられている。近年、各種電気機器に対して小型化の要求が高まっており、さらにＨＥＶやＥＶで使用されるモータの需要が増加している。これらの要求に応えるために、最大磁気エネルギー積（ＢＨｍａｘ）の向上を目指した永久磁石の開発が望まれている。
【０００３】
より高性能の永久磁石を得るための磁石材料としては、例えば希土類元素とＦｅ等の遷移金属元素との組み合わせが有望である。Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系材料は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料に匹敵する高い飽和磁化と、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系材料を超える大きな磁気異方性を有するため、高性能磁石としての応用が期待されている。しかしながら、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石材料は約５５０℃以上の温度による加熱で熱分解してしまうという欠点を有している。このため、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系材料は焼結により緻密化することができない。
【０００４】
このような点に対して、例えば、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石材料粉末に融点が約４２０℃であるＺｎを金属バインダとして混合し、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石材料が熱分解しない程度の温度で加熱固化することによって、高い相対密度を有するＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石体を得る方法が検討されている。
【０００５】
しかしながら、金属バインダとしてＺｎを用いるＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石材料の固化方法では、比較的高い密度を有する永久磁石が得られるものの、加熱固化工程の間にＳｍ−Ｆｅ−ＮのＦｅとＺｎが置換し、永久磁石の磁化が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−０８２１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明で解決しようとするべき課題は、永久磁石の磁化及び密度の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の永久磁石は、組成式：ＲＮＸ（ＣｒｐＳｉｑＭ１−ｐ−ｑ）ＺＴＳ（Ｒは希土類元素、Ｚｒ、Ｎｂ、及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素、ＭはＦｅ及びＣｏから選ばれる少なくとも一つの元素、ＴはＣｕ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、及びＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素、Ｘは０．５≦Ｘ≦２．０を満足する原子比、ｐは０．００５≦ｐ≦０．２を満足する原子比、ｑは０．００５≦ｑ≦０．２を満足する原子比、Ｚは４≦Ｚ≦１３を満足する原子比、Ｓは０．００５≦Ｓ≦２．０を満足する原子比である）で表される。永久磁石は、Ｔｈ２Ｎｉ１７型、Ｔｈ２Ｚｎ１７型、及びＴｂＣｕ７型の少なくとも一つの結晶構造を有する主相と、主相中のＲよりも多いＲを含む副相と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】永久磁石の断面組織の模式図である。
【図２】永久磁石のＳＥＭ観察像の一例を示す図である。
【図３】モータの構成例を示す模式図である。
【図４】可変磁束モータの構成例を示す模式図である。
【図５】発電機の構成例を示す模式図である。
【図６】車両の構成例を示す模式図である。
【図７】車両の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
【００１１】
（第１の実施形態）
実施形態の永久磁石の例について説明する。図１は、本実施形態の永久磁石の構造例を示す模式図である。永久磁石は、主相１と、主相１の間に設けられた副相２と、を含む二次元組織を具備する。主相１は永久磁石中の各結晶相及び非晶質相のうち、最も体積占有率が高い相である。副相２は、主相１よりも体積占有率が低い相である。副相２は、主相１とは異なる結晶相、又は非晶質相を有する。主相１及び副相２の形状は、図１に示す形状に限定されない。副相２は、ＲとＴとの合金相を有していてもよい。
【００１２】
実施形態の永久磁石の組成は下記組成式（１）で表される。
ＲＮＸ（ＣｒｐＳｉｑＭ１−ｐ−ｑ）ＺＴＳ・・・（１）
（式中Ｒは希土類元素、Ｚｒ、Ｎｂ、及びＨｆから選ばれる少なくとも一つの元素である。ＭはＦｅ及びＣｏから選ばれる少なくとも一つの元素である。ＴはＣｕ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、及びＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素である。Ｘは０．５≦Ｘ≦２．０を満足する原子比である。ｐは０．００５≦ｐ≦０．２を満足する原子比である。ｑは０．００５≦ｑ≦０．２を満足する原子比である。Ｚは４≦Ｚ≦１３を満足する原子比である。Ｓは０．００５≦Ｓ≦２．０を満足する原子比である。）
【００１３】
組成式（１）において、Ｒは希土類元素、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びハフニウム（Ｈｆ）から選ばれる少なくとも一つの元素である。希土類元素としては、例えば、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、及びサマリウム（Ｓｍ）等が挙げられる。Ｒとしては、１種の元素を用いてもよいし、複数種の元素を用いてもよい。Ｒは、磁石に大きな磁気異方性と高い保磁力を付与する。Ｒの５０原子％以上がＳｍであることが好ましい。Ｒの７０原子％以上がＳｍであることが望ましい。Ｒに希土類元素を用いることによって、永久磁石の性能、とりわけ保磁力を再現性よく高めることができる。
【００１４】
窒素（Ｎ）は、主として主相１のインタースティシャル位置（侵入位置）に存在する。結晶中に窒素を含むと、結晶格子は拡大し、電子構造は変化する。これにより、永久磁石のキュリー温度、磁気異方性、及び飽和磁化が向上する。窒素の原子比はＲが１のときに、０．５以上２．０以下である。つまりＸは０．５≦Ｘ≦２．０を満足する原子比である。Ｘは１．０≦Ｘ≦１．５を満足する原子比であることがより好ましい。Ｘが０．５未満である場合、永久磁石に窒素を含有することによる効果を十分に得ることができない。Ｘが２．０を超えると、永久磁石の飽和磁化等が低下する。
【００１５】
Ｎの一部は、水素（Ｈ）、ホウ素（Ｂ）、及び炭素（Ｃ）から選ばれる少なくとも一つの元素で置換されてもよい。上記置換元素としては、１種の元素を用いてもよいし、複数種の元素を用いてもよい。上記置換元素は、上述した窒素と同様の効果を示す。ただし、窒素を過剰に置換すると、永久磁石の磁気異方性の低下等を招く。よって、窒素の５０原子％以下が上記元素に置換されることが好ましい。
【００１６】
Ｍは、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）から選ばれる少なくとも一つの元素である。Ｍとしては、１種の元素を用いてもよいし、複数種の元素を用いてもよい。Ｍは、主として永久磁石の磁化を担う元素である。Ｍを比較的多量に含有することにより、永久磁石の飽和磁化を高めることができる。ただし、Ｍの含有量が過剰になると、α‐Ｆｅ相等が析出して保磁力が低下する。
【００１７】
Ｍの５０原子％以上はＦｅであることが好ましい。さらにＭの７０原子％以上はＦｅであることがより好ましい。ＭのうちのＦｅは、特に永久磁石の磁化の向上に寄与する。永久磁石がＭの一部としてＣｏを含有することにより、永久磁石のキュリー温度が高くなり、永久磁石の熱安定性が向上する。また、永久磁石の保磁力も高くなる。
【００１８】
Ｍの一部は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びゲルマニウム（Ｇｅ）から選ばれる少なくとも一つの元素で置換されてもよい。置換元素としては、１種の元素を用いてもよいし、複数種の元素を用いてもよい。Ｍの一部を置換する元素は、磁気特性、例えば、保磁力の向上に寄与する。ただし、Ｍの一部を置換しすぎると、永久磁石の磁化は低下する。従って、Ｍの２０原子％以下、さらにはＭの１０原子％以下が上記元素で置換されることが好ましい。
【００１９】
クロム（Ｃｒ）又はケイ素（Ｓｉ）は、Ｒ−Ｍ−Ｎ系永久磁石の熱分解温度を上昇させる。クロム（Ｃｒ）又はケイ素（Ｓｉ）は、主として主相中のＭが占めるサイトを置換する。Ｃｒは結晶内のｄ電子の数を変化させることにより結晶の熱安定性を高めることができる。Ｓｉは結晶格子の大きさを縮小させることにより結晶の熱安定性を高めることができる。Ｃｒ及びＳｉの両方を永久磁石中に含有させることにより、Ｒ−Ｍ−Ｎ系永久磁石の熱安定性を焼結工程の適用が可能な状態まで向上させることができる。
【００２０】
永久磁石中のＣｒの含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して０．５原子％以上２０原子％以下（０．００５≦ｐ≦０．２）である。Ｃｒの含有量が少なすぎると効果を十分に得ることができない。Ｃｒの含有量が多すぎると、永久磁石の飽和磁化等の低下を招く。Ｃｒの含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、３原子％以上１８原子％以下であることがより好ましい。さらに、Ｃｒの含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、５原子％以上１５原子％以下であることがより好ましい。
【００２１】
永久磁石中のＳｉの含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、０．５原子％以上２０原子％以下（０．００５≦ｑ≦０．２）である。Ｓｉの含有量が少なすぎると、Ｓｉによる効果を十分に得ることができない。Ｓｉの含有量が多すぎると、永久磁石の飽和磁化等の低下を招く。Ｓｉの含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、１原子％以上１５原子％以下であることが好ましい。Ｓｉの含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、１原子％以上１０原子％以下であることがより好ましい。
【００２２】
ＣｒとＳｉの合計の含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、５原子％以上２０原子％以下であることが好ましい。ＣｒとＳｉの合計の含有量は、ＭとＣｒとＳｉの合計の含有量に対して、８原子％以上１５原子％以下であることがより好ましい。
【００２３】
Ｔは、銅（Ｃｕ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、及びスズ（Ｓｎ）から選ばれる少なくとも一つの元素である。Ｔの５０原子％以上はＣｕであることが好ましい。Ｔは、Ｒと合金化することにより、主相間の空隙を埋めて永久磁石の密度を向上させることが可能な元素である。Ｔの原子比は、Ｒが１のときに、０．００５以上２．０以下である。つまりＳは０．００５≦Ｓ≦２．０を満足する原子比である。Ｒに対するＴの原子比が０．００５未満である場合、永久磁石の密度向上効果が十分に得られない。Ｒに対するＴの原子比が２．０を超えると、永久磁石の飽和磁化等が低下する。Ｓは０．１以上０．５以下を満足する原子比であることがより好ましい。
【００２４】
主相１は、Ｔｈ２Ｎｉ１７型、Ｔｈ２Ｚｎ１７型、及びＴｂＣｕ７型の少なくとも一つの結晶構造を有する。主相１は、例えばＳｍ２（Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｉ）１７Ｎ３相等のＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相を有する。
【００２５】
副相２は、主相１中に含まれるＲよりも多くＲを含み、さらにＴを含む。ここで、“主相１中に含まれるＲよりも多くＲを含む”、とは、主相１の組成を組成式（Ａ）ＲａＮＸ（ＣｒｐＳｉｑＭ１−ｐ−ｑ）Ｚで表し、副相２の組成を組成式（Ｂ）ＲｂＴＳで表したときａとｂが、ａ／（ａ＋Ｘ＋Ｚ）＜ｂ／（ｂ＋Ｓ）を満足する数であることを意味する。
【００２６】
実施形態の永久磁石において、Ｔは、主としてＲとの合金として永久磁石中に含まれる。Ｒ−Ｔ合金は永久磁石中の空隙を埋める副相として存在する。特に、Ｃｒ及びＳｉを含むＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ系磁石材料は、高い熱安定性を有するため、Ｃｒ、Ｓｉを含まないＲ−Ｍ−Ｎ系磁石材料では熱分解してしまうような高い融点を有するＲ−Ｔ合金相を形成することが可能である。
【００２７】
永久磁石の組成の分析は、誘導結合発光プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発光分光分析法で行われる。永久磁石の組成の分析には、磁石をジェットミルやボールミル等で粉砕し、粒径が１０μｍ以上の粉末が体積％で全体の３％以下となる粉末（合金粉末）を用いる。得られた粉末からランダムに１０回試料を採取し、その試料に対し分析を実施する。分析した測定値から最大値と最小値を除いた平均値を永久磁石の組成とする。
【００２８】
図２は、永久磁石のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察像の一例を示す図である。図２に示す組織は、主相１及び副相２に加え、酸化物相３を有する。酸化物相３としては、例えばＲの酸化物相等が挙げられる。
【００２９】
永久磁石中の酸化物相３は少ないことが好ましい。永久磁石中の酸化物相の体積比率は、磁石全体の５．２％以下、さらに好ましくは１．５％以下である。酸化物相を少なくすることにより、永久磁石の飽和磁化を高めることができる。
【００３０】
主相１、副相２、及び酸化物相３は、例えばＳＥＭ−ＥＤＸ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、ＴＥＭ−ＥＤＸ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）などの方法で特定することができる。ＴＥＭ−ＥＤＸによれば、電子ビームを主相部分や粒界相部分などに絞って照射し、各部分の構成元素比を定量でき、また結晶構造を同定することができる。
【００３１】
ＳＥＭ−ＥＤＸを用いた主相１、副相２、酸化物相３の同定方法について以下に説明する。観察面積５０μｍ×５０μｍのＳＥＭ像を取得する。ＳＥＭ像内でＯ元素の濃度が４０原子％以上の連続領域を酸化物相、Ｏ元素の濃度が４０原子％未満かつＲ元素濃度が２０原子％未満の連続領域を主相、Ｏ元素の濃度が４０原子％未満かつＲ元素濃度が２０原子％以上の連続領域を副相とそれぞれ定義する。
【００３２】
主相のＲ元素比率は、同じ観察視野内で主相と定義された相のＲ元素比率を５点測定して平均したものとし、副相のＲ元素比率についても同様である。また、上記に従って定義した主相・副相と酸化物相との面積比率を、そのまま体積比率として算出した値を、永久磁石中の酸化物相の体積比率と定義する。一つの永久磁石につき、５つの観察視野で以上に述べた方法によって主相のＲ元素比率、副相のＲ元素比率、酸化物相の体積比率をそれぞれ算出し、加算平均したものをその永久磁石の主相のＲ元素比率、副相のＲ元素比率、酸化物相の体積比率と定義する。
【００３３】
実施形態の永久磁石は、Ｒを多く含む副相により永久磁石の密度を向上させることができる。例えば、実施形態の永久磁石では、密度を６．５ｇ／ｃｍ３以上にすることができる。永久磁石の密度は、永久磁石の大気中及び水中での質量をそれぞれ測定し、アルキメデス法により算出される。このとき、一つの試料につきそれぞれ１０回算出し、得られた永久磁石の密度のうち最大値と最小値を除いた平均の値を永久磁石の密度と定義する。
【００３４】
次に、実施形態の永久磁石の製造方法例について説明する。まず、所定量の元素を含む合金粉末を作製する。合金粉末は、組成式（２）で表される。
Ｒ（ＣｒｐＳｉｑＭ１−ｐ−ｑ）ＺＴＳ・・・（２）
【００３５】
組成式（２）において、Ｒに対するそれ以外の元素Ｍ、Ｃｒ、Ｓｉの合計の含有量の比を示す原子比Ｚは、４≦Ｚ≦１３を満足する数である。原子比ｐは０．００５≦ｐ≦０．２を満足する数である。原子比ｑは０．００５≦ｑ≦０．２を満足する数である。原子比ＳはＲが１のときにＳ≦２．０を満足する数であるが、原子比Ｔは窒化処理を施す前の合金には含ませず、すなわちＳ＝０あるいは不可避不純物としておき、Ｒ−Ｔ合金の状態で窒化処理を施した別の合金粉末（窒化合金粉末）に所望の混合比で混合してもよい。
【００３６】
合金粉末は、例えば、アーク溶解法や高周波溶解法による溶湯を鋳造して得られた合金インゴット、あるいは溶湯急冷法により作製した合金薄帯を粉砕することにより調製される。合金粉末の他の調製方法としては、メカニカルアロイング法やメカニカルグラインディング法、ガスアトマイズ法、還元拡散法等が挙げられる。合金粉末又は粉砕前の合金に対して、必要に応じて熱処理を施して均質化してもよい。
【００３７】
合金インゴットや合金薄帯等の粉砕は、合金粉末の粒径が４５μｍ以下となるように実施することが好ましい。合金粉末の粒径が４５μｍ以下であると、粒子内部まで窒素を十分に侵入させ、粒子全体にわたって均質に窒化処理することができる。合金インゴットや合金薄帯等の粉砕は、例えば、ジェットミルやボールミルを用いて実施される。合金インゴットや合金薄帯等の粉砕は、合金粉末の酸化を防止するために、不活性ガス雰囲気中等で行うことが好ましい。
【００３８】
次に、合金粉末に窒化処理を施す。窒化処理では、０．１〜１００気圧の窒素ガス雰囲気中で、３００〜９００℃の温度で０．１〜１００時間熱処理する。Ｒ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相の均質性を高めるために、窒素ガス雰囲気の圧力は０．５〜１０気圧、温度は４５０〜７５０℃、２〜２４時間で窒化処理することがより好ましい。合金粉末の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。窒素ガス又は窒素化合物ガスと水素とを混合したガスを用いることにより、窒化反応を制御することもできる。
【００３９】
アンモニア等の窒素化合物ガスや、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いることにより、磁石材料中の窒素の一部を水素で置換することができる。窒素の一部を炭素やホウ素で置換する場合には、窒化処理前の合金粉末に炭素やホウ素を含有させてもよいし、炭素化合物ガスやホウ素化合物ガス等を用いて炭素やホウ素を含有させてもよい。
【００４０】
次に、電磁石の中に設置した金型内に窒化処理を施した合金粉末（窒化合金粉末）と混合用合金粉末を混合して充填し、磁場を印加しながら加圧成形することにより結晶軸を配向させた圧粉体を製造する。
【００４１】
次に、圧粉体の焼結を行う。焼結方法としては、放電プラズマ焼結法を用いることが好ましい。放電プラズマ焼結では、粉末粒子の表面に選択的に電流が流れやすいと考えられており、Ｒ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相にかかる熱負荷を抑制しつつ、Ｒ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ結晶粒子間あるいは粒子表面に存在するＲ−Ｔ合金を優先的に融解させるのに適している。
【００４２】
焼結は、真空雰囲気中やアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。放電プラズマ焼結時に、焼結温度を５００〜７００℃とすることにより、緻密な永久磁石を得ることができる。５００℃未満ではＲ−Ｔ合金の融解が進行せず、十分な密度の永久磁石を得ることができない。７００℃を超えると永久磁石の熱分解が進行し、永久磁石中にα‐Ｆｅ相等が生成されるため、永久磁石の磁気特性が著しく低下する。
【００４３】
上記工程により永久磁石を得ることができる。得られた永久磁石の磁気特性は振動試料型磁力計で測定することができる。残留磁化の測定は以下のように行うことができる。焼結前に配向させた磁化方向と平行な方向に外部磁場を＋１６００ｋＡ／ｍまで印加してから磁場をゼロに戻し、そのときに測定される磁化の値を永久磁石の残留磁化と定義する。永久磁石試料の測定とは別に、測定する試料と類似形状のニッケル標準試料（磁化の絶対値が既知の試料）についても同様の測定を行い、磁化の絶対値を較正する。
【００４４】
実施形態の永久磁石の製造方法例では、窒化処理を施したＲ−Ｍ−Ｎ合金粉末に同じく合金粉末としてＲ−Ｔ合金を混合し、焼結を施す。焼結工程において、焼結条件をＲ−Ｔ合金が融解するような条件とすることにより、Ｒ−Ｔ合金を金属バインダとして機能させＲ−Ｍ−Ｎ合金粉末同士の結晶粒界がＲ−Ｔ合金で埋められている、すなわちＲ−Ｔ合金が副相となる微構造を得ることができ、永久磁石の密度を向上させることができる。
【００４５】
従来技術として、金属バインダにＺｎを用いる方法があるが、Ｚｎの融点を超える４５０℃程度での加熱固化においてＺｎがＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相中のＭと置換することにより永久磁石の磁化の低下を招くという欠点がある。実施形態のＲ−Ｔ合金を用いる方法は、Ｍ原子と置換しづらいＴを用いることにより、この欠点を補うものである。ただし、例えばＴとしてＣｕを用いたＲ−Ｃｕ系合金の場合、最も融点の低い組成においても融点は約６００℃程度である。実施形態の永久磁石の製造方法は、融点が低い合金を得るために、Ｒ−Ｔ合金におけるＲの比率は主相であるＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相のそれよりも高い。
【００４６】
Ｒ−Ｔ合金をＲ−Ｍ−Ｎに含ませて融点を超える条件で焼結しようとした場合、Ｒ−Ｍ−Ｎ相が熱分解してしまうため、高い磁気特性を示す永久磁石を得ることができない。一方で実施形態の永久磁石の製造方法例では、Ｃｒ、Ｓｉを含ませ高い熱安定性を有するＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ合金を用いることによって、Ｒ−Ｔ合金の融点を超える温度で焼結を施した場合でもＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相を熱分解させることなく永久磁石を得ることができる。
【００４７】
Ｒ−Ｔ合金を永久磁石中に含有させる別の方法として、窒化処理前の合金にＴを含有させておく方法がある。予め合金化する際にＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相の固溶限を超える量のＴを添加することにより、得られる合金の結晶粒子表面に余剰のＴがＲ−Ｔ合金として偏析する。これを合金粉末として上記窒化処理を施した後、Ｒ−Ｔ合金粉末と混合した後に上述のようにＲ−Ｔ合金が融解する条件で焼結することにより、粒子表面のＲ−Ｔ合金が融解して金属バインダとして機能し、高い密度を有する永久磁石を得ることができる。この方法では、粒子表面に偏析したＲ−Ｔ合金によって、Ｒ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相が酸化するのを抑制することができ、Ｒ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ相の酸化によって酸化物相が生成して永久磁石の特性が低下するのを防ぐことができる。よって、永久磁石中の酸化物相の体積比率を例えば５．２％以下まで小さくすることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の永久磁石は、回転電機、例えばモータや発電機に用いることができる。これら回転電機は、少なくともステータ（固定子）とロータ（回転子）で構成される。
【００４９】
図３は実施形態の永久磁石を用いた回転電機である永久磁石モータの構成例を示す図である。永久磁石モータ２１は、ステータ（固定子）２２、ロータ（回転子）２３で構成される。ステータ２２内にはロータ２３が配置されている。ステータ２２は、ロータ２３を回転させる。ロータ２３は鉄心２４及び実施形態の永久磁石２５で構成される。永久磁石２５の特性等に基づいて、永久磁石モータ２１の高効率化や小型化、低コスト化等を図ることができる。永久磁石モータ２１は、モータの高出力とモータの小型化が求められるハイブリッド車や電気自動車等の車両用のモータに好適である。
【００５０】
図４は回転電機である可変磁束モータの構成例を示す図である。可変磁束モータ３１はステータ３２、ロータ３３で構成される。ステータ３２内にはロータ３３が配置されている。ロータ３３は、鉄心３４、固定磁石３５、可変磁石３６で構成される。固定磁石３５及び可変磁石３６は、実施形態の永久磁石が用いられる。固定磁石３５及び可変磁石３６のうち少なくとも１つをロータ３３に用いればよい。
【００５１】
可変磁石３６の磁束密度（磁束量）は変えることができる。図４中のＤは可変磁石３６の磁化方向（ＳからＮに向かう方向）を示している。この可変磁石３６の磁化方向をＤ軸という。Ｄ軸の示す方向は可変磁石３６ごとに異なる。Ｄ軸と直交する方向をＱ軸という。可変磁石３６の磁束密度（磁束量）は、可変磁石３６の磁化方向（Ｄ軸方向）と直交するＱ軸方向に磁界を発生させるＱ軸電流の影響を受けない。可変磁石３６の磁束密度（磁束量）は、Ｄ軸方向に磁界を発生させるＤ軸電流によってのみ変化させることができる。
【００５２】
ロータ３３には、図示しない磁化巻線が設けられている。磁化巻線に電流を流すことにより、その磁界が直接に可変磁石３６に作用する構造となっている。可変磁束モータ３１は、小型の装置でも大きなトルクを出力することが可能である。可変磁束モータ３１は、モータの高出力とモータの小型化が求められるハイブリッド車や電気自動車等の車両用のモータに好適である。
【００５３】
図５は発電機の構成例を示す図である。発電機４１は、実施形態の永久磁石を用いたステータ４２、ロータ４３、タービン４４、シャフト４５、及びブラシ４６で構成される。ロータ４３は、シャフト４５を介してタービン４４と接続されている。タービン４４は、外部から供給される流体により回転する。タービン４４に代えて、自動車等の車両の回生エネルギー等の動的な回転を伝達することにより、シャフト４５を回転させてもよい。シャフト４５は、ロータ４３に対してタービン４４とは反対側に配置された図示しない整流子と接続されている。ロータ４３の回転により発生した起電力が発電機４１の出力として、相分離母線及び主変圧器を介して、系統電圧に昇圧されて送電される。ブラシ４６は、ロータ４３の帯電を放電させる。
【００５４】
発電機４１は、通常の発電機及び可変磁束発電機のいずれであってもよい。ロータ４３では、タービン４４の静電気や発電に伴う軸電流による帯電が発生する。
【００５５】
上記回転電機は、例えば、鉄道交通に利用される鉄道車両（車両の一例）に搭載されてよい。図６は、回転電機１０１を具備する鉄道車両１００の一例を示す図である。回転電機１０１としては、上記図３、４のモータ、図５の発電機等を用いることができる。回転電機１０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機１０１は、例えば、架線から供給される電力や、鉄道車両１００に搭載された二次電池から供給される電力を利用することによって駆動力を出力する電動機（モータ）として利用されてもよいし、運動エネルギーを電力に変換して、鉄道車両１００内の各種負荷に電力を供給する発電機（ジェネレータ）として利用されてもよい。実施形態の回転電機のような高効率な回転電機を利用することにより、省エネルギーで鉄道車両を走行させることができる。
【００５６】
上記回転電機は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの自動車（車両の他の例）に搭載されてもよい。図７は、回転電機２０１を具備する自動車２００の一例を示す図である。回転電機２０１としては、上記図３、４のモータ、図５の発電機等を用いることができる。回転電機２０１として上記回転電機が搭載された場合、回転電機２０１は、自動車２００の駆動力を出力する電動機、又は自動車２００の走行時の運動エネルギーを電力に変換する発電機としても利用されてよい。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
原料を表１に示す合金粉末組成、Ｓｍ（Ｃｒ０．０８Ｓｉ０．０３Ｆｅ０．８９）８．３の組成となるように所定の比率で調合した。原料を調合したものをアルゴンガス雰囲気中でアーク溶解して合金インゴットを作製した。合金インゴットをアルゴンガス雰囲気中にて約１０００℃で約３日間熱処理した。その後、乳鉢で合金インゴットを粉砕し合金粉末を得た。合金粉末を目開き２５μｍのふるいでふるい分けした。合金粉末を約１気圧の窒素ガス雰囲気中、７００℃で４時間熱処理することにより、窒化合金粉末を得た。
【００５８】
上記とは別に、原料を表１に示す混合用合金粉末組成、ＳｍＣｕの組成となるように所定の比率で調合した。原料を調合したものをアルゴンガス中でアーク溶解して合金インゴットを作製した。その後、乳鉢で合金インゴットを粉砕し、混合用合金粉末を得た。混合用合金粉末を目開き２５μｍのふるいでふるい分けした。
【００５９】
窒化合金粉末と混合用合金粉末とを重量比で９：１の比率となるよう混合し、磁場中で配向プレスしながら金型に充填した後、材料粉末に圧力１．０ＧＰａ、焼結温度６００℃の条件で放電プラズマ焼結を施して永久磁石を得た。窒化合金粉末の窒化処理及び混合用合金粉末の混合により、永久磁石の組成は表１に示す磁石組成となった。
【００６０】
表２に実施例１で作製された永久磁石における、密度及び残留磁化の値を示す。残留磁化は後に述べる比較例１によって作製した永久磁石の残留磁化を１００とした場合の相対値で示している。
【００６１】
実施例１で作製された永久磁石のＳＥＭ−ＥＤＸ分析結果によれば、主相のＲ元素比率は１２原子％、副相のＲ元素比率は５１原子％であった（表２参照）。
【００６２】
（実施例２〜１４）
合金粉末組成及び混合用合金粉末組成が表１に示す値となるように原料を所定の比率で調合した。その他は、実施例１の場合と同様の方法で永久磁石を作製した。得られた永久磁石の特性を実施例１の場合と同様に評価した。表２に実施例２〜１４の永久磁石における、密度、残留磁化、主相のＲ元素比率、及び副相のＲ元素比率の値を示す。
【００６３】
（実施例１５）
表１に示すように、Ｓｍ（Ｃｒ０．０８Ｓｉ０．０３Ｆｅ０．８９）８．４Ｃｕ０．２１の組成となるように、原料を所定の比率で調合した。原料を調合したものをアルゴンガス雰囲気中でアーク溶解して合金インゴットを作製した。
【００６４】
合金インゴットをアルゴンガス雰囲気中にて約１０００℃で約３日間熱処理した。その後、乳鉢で合金インゴットを粉砕し合金粉末を得た。合金粉末を目開き２５μｍのふるいでふるい分けした。合金粉末を約１気圧の窒素ガス雰囲気中、７００℃で４時間熱処理することにより、窒化合金粉末を得た。以上によって得られた窒化合金粉末を磁場中で配向プレスしながら金型に充填した後、材料粉末に圧力１．０ＧＰａ、焼結温度６００℃の条件で放電プラズマ焼結を施して永久磁石を得た。表２に実施例１５で作製された永久磁石における、密度、残留磁化、主相のＲ元素比率、及び副相のＲ元素比率の値を示す。
【００６５】
（比較例１）
混合用合金粉末としてＺｎを用いた他は、実施例１ないし１４の場合と同様の方法で永久磁石を作製した。得られた永久磁石の特性を実施例１の場合と同様に評価した。表２に比較例１の永久磁石における、密度、残留磁化、主相のＲ元素比率、及び副相のＲ元素比率の値を示す。
【００６６】
【表１】
2018120942.tif 000003
【００６７】
【表２】
2018120942.tif 000004
【００６８】
副相のＲ元素比率が主相よりも高い永久磁石（例えば実施例１）では、Ｚｎを含む永久磁石（比較例１）と同程度の高い相対密度が得られ、かつ比較例１よりも高い残留磁化を有するＲ−（Ｍ，Ｃｒ，Ｓｉ）−Ｎ系永久磁石が得られることが確認された。さらに、実施例１５で述べた方法により作製された永久磁石では、先に述べたように合金粉末を混合する方法よりも永久磁石中の酸化物相比率が少ない。例えば、実施例１の永久磁石ではＳＥＭ−ＥＤＸにより算出した酸化物相比率は約５．２％であったのに対して、実施例１５の永久磁石では酸化物相比率は約１．５％となり、酸化物相の減少に伴って残留磁化の向上が確認された。
【００６９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７０】
１…主相、２…副相、３…酸化物相、２１…永久磁石モータ、２２…ステータ、２３…ロータ、２４…鉄心、２５…永久磁石、３１…可変磁束モータ、３２…ステータ、３３…ロータ、３４…鉄心、３５…固定磁石、３６…可変磁石、４１…発電機、４２…ステータ、４３…ロータ、４４…タービン、４５…シャフト、４６…ブラシ、１００…鉄道車両、１０１…回転電機、２００…自動車、２０１…回転電機。
【図１】
2018120942.tif 000005
【図２】
2018120942.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2018120942.tif 000009
【図６】
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【図７】
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