(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットの製造方法であって、
希土類合金のグレインを含む磁性体を提供するステップと、
前記磁性体の表面上にジスプロシウムの層をコールドスプレー堆積してマグネットを形成するステップと、
前記マグネットを熱処理するステップと、を備える方法。
【請求項２】
前記マグネットを熱処理するステップが粒界拡散プロセスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マグネットを熱処理するステップが、
前記マグネットを第一高温に加熱するステップと、
前記マグネットを第二温度に冷却するステップと、
前記マグネットを室温に急冷するステップと、を備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第一高温が少なくとも９００℃である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第二温度が少なくとも５００℃である、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記マグネットは前記第一高温で少なくとも６時間保たれる、請求項３から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記マグネットは前記第二温度で少なくとも０．５時間保たれる、請求項３から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記希土類合金はネオジム合金である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ネオジム合金はＮｄ２Ｆｅ１４Ｂである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
磁性体と、ジスプロシウムの層とを備えるマグネットであって、前記磁性体は希土類合金のグレインを含み、コールドスプレープロセスによって前記磁性体の表面上に前記ジスプロシウムの層が堆積されている、マグネット。
【請求項１１】
前記磁性体が焼結されている、請求項１０に記載のマグネット。
【請求項１２】
前記希土類合金がネオジム合金である、請求項１０又は１１に記載のマグネット。
【請求項１３】
前記ネオジム合金がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂである、請求項１２に記載のマグネット。
【請求項１４】
ジスプロシウムが前記グレイン内で拡散している、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のマグネット。
【請求項１５】
前記グレインが０．５〜１５重量％のある程度の量の拡散したジスプロシウムを含む、請求項１４に記載のマグネット。
【請求項１６】
前記ジスプロシウムが前記グレインの境界に沿って拡散してシェル層を形成している、請求項１４又は１５に記載のマグネット。
【請求項１７】
前記磁性体は、Ｄｙ２Ｆｅ１４Ｂ又は（Ｄｙ，Ｎｄ）２Ｆｅ１４Ｂを含むシェル層を有するＮｄ２Ｆｅ１４Ｂのグレインを含む、請求項１６に記載のマグネット。
【請求項１８】
前記シェル層は約０．５μｍの厚さを有する、請求項１６又は１７に記載のマグネット。
【請求項１９】
前記ジスプロシウムの層の堆積厚が１〜５μｍである、請求項１０〜１８のいずれか一項に記載のマグネット。
【請求項２０】
マグネットの製造方法であって、
希土類合金のグレインを含む磁性体を提供するステップと、
前記磁性体の表面上にテルビウムの層をコールドスプレー堆積してマグネットを形成するステップと、
前記マグネットを熱処理するステップと、を備える方法。
【請求項２１】
前記マグネットを熱処理するステップが粒界拡散プロセスを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記マグネットを熱処理するステップが、
前記マグネットを第一高温に加熱するステップと、
前記マグネットを第二温度に冷却するステップと、
前記マグネットを室温に急冷するステップと、を備える、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第一高温が少なくとも９００℃である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第二温度が少なくとも５００℃である、請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記マグネットは前記第一高温で少なくとも６時間保たれる、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記マグネットは前記第二温度で少なくとも０．５時間保たれる、請求項２２から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記希土類合金はネオジム合金である、請求項２０から２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記ネオジム合金はＮｄ２Ｆｅ１４Ｂである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
磁性体と、テルビウムの層とを備えるマグネットであって、前記磁性体は希土類合金のグレインを含み、コールドスプレープロセスによって前記磁性体の表面上に前記テルビウムの層が堆積されている、マグネット。
【請求項３０】
前記磁性体が焼結されている、請求項２９に記載のマグネット。
【請求項３１】
前記希土類合金がネオジム合金である、請求項２９又は３０に記載のマグネット。
【請求項３２】
前記ネオジム合金がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂである、請求項３１に記載のマグネット。
【請求項３３】
テルビウムが前記グレイン内で拡散している、請求項２９から３２のいずれか一項に記載のマグネット。
【請求項３４】
前記グレインが０．５〜１５重量％のある程度の量の拡散したテルビウムを含む、請求項３３に記載のマグネット。
【請求項３５】
前記テルビウムが前記グレインの境界に沿って拡散してシェル層を形成している、請求項３３又は３４に記載のマグネット。
【請求項３６】
前記磁性体は、テルビウムを含むシェル層を有するＮｄ２Ｆｅ１４Ｂのグレインを含む、請求項３５に記載のマグネット。
【請求項３７】
前記シェル層は約０．５μｍの厚さを有する、請求項３５又は３６に記載のマグネット。
【請求項３８】
前記テルビウムの層の堆積厚が１〜５μｍである、請求項２９〜３７のいずれか一項に記載のマグネット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は希土類マグネットと、希土類マグネットの製造方法とに関する。より具体的に、本発明は改善した保磁力を有する希土類マグネットとそれの製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
希土類マグネットは希土類合金のグレインを含む結晶格子構造を含んでよい。そのようなマグネットの磁性特性、特に保磁力は、結晶格子構造中にジスプロシウム又はテルビウムを置換することで向上できることが示されてきた。ジスプロシウム又はテルビウムは、例えば二元添加を介して結晶格子のバルク中に置換されるか、粒界拡散などの、熱処理ステップを介して結晶格子の粒界に沿って置換され得る。粒界に沿ったジスプロシウム又はテルビウムの拡散は、保磁力等の磁性特性の同じ改善を達成するのに比較的少量のジスプロシウム又はテルビウムが必要とされるので好ましい。
【０００３】
粒界拡散のために、ジスプロシウム又はテルビウムは、効率的な置換が起こるように希土類マグネット上に堆積されねばならない。しかしながら、ジスプロシウム及びテルビウムの高価格と低い天然存在度は、最近の研究努力が、より少量のジスプロシウム又はテルビウムを使用して改善したマグネットを提供することに集中してきたことを意味する。これらの堆積技術の問題は、ジスプロシウム又はテルビウムを堆積するのに非常に長期間が要求され得ることと、高価なジスプロシウム又はテルビウムの損失が依然として生じ得ることである。例えばＤｙＦ３等の現在の堆積技術で使用されるいくつかのジスプロシウム含有材料は、基材の磁性特性に有害であることがあるとも考えられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高速かつ／又は材料的に効率的な、基材の磁性特性に有害な効果を有しない、希土類磁性基材上にジスプロシウム又はテルビウムを堆積する方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第一の態様において、本発明は、磁性体と、ジスプロシウムの層とを備えるマグネットであって、磁性体は希土類磁性合金のグレインを含み、コールドスプレープロセスによって磁性体の表面上にジスプロシウムの層が堆積されている、マグネットを提供する。
【０００６】
希土類合金のグレインは、サマリウム、プラセオジム、セリウム、又はネオジムを含む磁性合金を含んでよい。ネオジムを含む焼結合金又はサマリウム合金、特にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ、ＳｍＣｏ５及びＳｍ（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｒ）７が特に注目される。
【０００７】
磁性体上にジスプロシウムの層を堆積するのにコールドスプレーを使用することは、従来の技術に対していくつかの利点を有する。例えば、ＤｙＦ３又はＤｙ２Ｏ３等のジスプロシウムリッチ粉末の代わりに、ジスプロシウム金属を本プロセスで直接使用できる。上述の通り、フッ化物スラリーは磁性基材の磁性特性に悪影響を与えることがある。Ｄｙ２Ｏ３リッチな粉末が使用される場合、熱処理後、又はマグネットの更なる焼結後に、ジスプロシウム酸化物が残存し得り、格子構造中への不十分なジスプロシウムの置換を引き起こす。これらの望ましくない副作用は、ジスプロシウム酸化物の代わりにジスプロシウム金属を磁性体上に直接コールドスプレーすることによって克服され得る。
【０００８】
ジスプロシウム蒸気収着及びディップコーティング等の従来の堆積技術は、十分なレベルのジスプロシウム置換を有する希土類マグネットを製造するために大量の時間と制御された条件を必要とする。対照的に、コールドスプレープロセスを使用すると、比較的制御されていない環境も可能であり、堆積プロセスは比較的高速であり、ジスプロシウムの堆積は数秒である。加えて、コールドスプレーでは標準条件を使用できるので、処理中に比較的少量のジスプロシウム金属が酸化され、それによって磁性体中に拡散するのにより高品質のジスプロシウムを提供する。
【０００９】
磁性体上に堆積されたジスプロシウムの量も、コールドスプレーを用いて注意深く制御され、明確に目標とされることができる。従来の堆積技術は予測できない量の堆積を引き起こし得り、不適切な領域に堆積された高価なジスプロシウム金属の大量損失も引き起こし得る。
【００１０】
磁性体は焼結され得る。焼結された磁性体は、より良好な粒界拡散を起こすことができる。粒界拡散熱処理中に、ある程度の焼結が生じ得る。しかし、ジスプロシウム層のコールドスプレー堆積前に磁性体が予め焼結されていれば一層有益である。予め焼結された磁性体は、ジスプロシウムを物体（ｂｏｄｙ）中に拡散させるために別個の熱処理ステップが要求されることを意味する。この別個の熱処理ステップは、合金グレインへのジスプロシウムの完全な拡散に対して粒界拡散が支配的であるように、注意深く調節され得る。
【００１１】
熱処理中、ある程度の量のジスプロシウムがグレイン内で拡散してもよい。拡散したジスプロシウムの量が比較的少量だと、グレイン中の初期ジスプロシウム量の増やすのと比べて、磁性体の保磁力を改善できる。更に、拡散量は、熱処理の条件、即ち、温度上昇、保持時間及び温度、冷却レート、並びにガス雰囲気を変えることによって制御し調節することができる。グレインは、０．５〜１５重量％のある程度の量の拡散したジスプロシウムを含んでよく、ジスプロシウムはグレインの境界に沿って拡散してシェル層を形成することができる。
【００１２】
グレインはネオジム合金を含んでよい。ネオジム合金は好ましい磁場強度を有し、強力な永久磁石が必要とされる用途で広く使用されている。そのような用途の例は、電気モーター及び発電機を含む。いくつかの用途では、動作温度が１５０℃を超えることがある。しかし、従来のネオジムマグネットの保磁力は、高温で劣っていることがある。結晶格子中である程度の量（典型的には１２％）のネオジムをジスプロシウムで置換することで、保磁力を著しく高めることができ、高温におけるマグネットの性能を改善することができることが分かった。ネオジム合金は、特に改善したマグネットを示すＮｄ２Ｆｅ１４Ｂでよい。この改善は、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂよりも高い異方性磁場を有するＤｙ２Ｆｅ１４Ｂ及び（Ｄｙ，Ｎｄ）２Ｆｅ１４Ｂに起因すると信じられている。
【００１３】
Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ合金マグネットはＤｙ２Ｆｅ１４Ｂ又は（Ｄｙ，Ｎｄ）２Ｆｅ１４Ｂを含むシェル層を有するＮｄ２Ｆｅ１４Ｂのグレインを含んでよく、シェル層は約０．５μｍの厚さを有する。磁性体上にコールドスプレーされたジスプロシウムの層を堆積した後の熱処理中に、堆積されたジスプロシウムは磁性体中を拡散する。熱処理中、堆積されたジスプロシウムは、結晶格子のバルク中に浸透する代わりに、結晶格子の粒界に沿ってネオジム原子を置換する。コールドスプレー及び熱処理によって生じたグレインのシェル層は、他の方法によって製造されたマグネットと比べてずっと薄いことができる。シェル層は０．５μｍの厚さを有することができる。従って、ずっと高濃度のジスプロシウムが粒界に存在し、従来のジスプロシウム置換希土類マグネットで示されたのと同じ保磁力増加を達成するために比較的少量のジスプロシウムが必要とされることを意味する。
【００１４】
ジスプロシウムの層の堆積厚は１〜５μｍでよい。この厚さによって熱処理中に効果的な粒界拡散を引き起こし、高価なジスプロシウムの損失も減らすことができる。均一な厚さを有する層は要求されていないので、ジスプロシウムの連続層は１〜５μｍの平均厚さを有するべきである。
【００１５】
第二の態様において、本発明は、マグネットの製造方法であって、希土類合金のグレインを含む磁性体を提供するステップと、磁性体の表面上にジスプロシウムの層をコールドスプレー堆積してマグネットを形成するステップと、マグネットを熱処理するステップと、を備える方法を提供する。
【００１６】
マグネットを熱処理するステップは粒界拡散プロセスを含んでもよい。より具体的に、マグネットを熱処理するステップは、マグネットを第一高温に加熱するステップと、マグネットを第二高温に冷却するステップと、マグネットを室温に急冷するステップと、を備えてもよい。このプロセスは、第一高温が少なくとも９００℃でもよいように実行され得る。第一温度とは独立に、第二高温は少なくとも５００℃でよい。温度に加えて、マグネットは第一高温で少なくとも６時間保持されてよい。マグネットが第一温度に保持される時間と独立に、マグネットは第二高温で少なくとも０．５時間保持されてよい。これらの温度及び時間は、グレインが焼結又は更なる焼結を受けることなく良好な拡散条件を提供するので、特に好ましい。
【００１７】
第三の態様において、本発明は、磁性体と、テルビウムの層とを備えるマグネットであって、磁性体は希土類磁性合金のグレインを含み、コールドスプレープロセスによって磁性体の表面上にテルビウムの層が堆積されている、マグネットを提供する。
【００１８】
第四の態様において、本発明は、マグネットの製造方法であって、希土類合金のグレインを含む磁性体を提供するステップと、磁性体の表面上にテルビウムの層をコールドスプレー堆積してマグネットを形成するステップと、マグネットを熱処理するステップと、を備える方法を提供する。
【００１９】
本発明が一層容易に理解され得るように、本発明の実施形態が、例として、添付の図面を参照しつつ記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は本発明のマグネットの断面概略図を示す。
【図２】図２は本発明のマグネットの製造プロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１のマグネット１は、磁性体２と、磁性体２の表面上に堆積されたジスプロシウム金属の層３とを含む。
【００２２】
磁性体２は、希土類合金の焼結されたグレイン４を含む。グレイン４は、境界を有する個別の顆粒として示されている。具体的に、グレイン４内のバルク材料はＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ合金を含む。堆積された表面に隣接するグレイン４は、それらの境界の周りに、それぞれシェル層５を有する。シェル層５は、希土類合金の結晶格子構造中に置換した、拡散されたジスプロシウムを含む。グレイン４内の結晶構造のバルク中にジスプロシウムは拡散することができるが、熱処理条件を注意深く制御することによって、拡散が粒界でより容易に起こるようにできる。具体的に、シェル層５は、Ｄｙ２Ｆｅ１４Ｂ又は（Ｄｙ，Ｎｄ）２Ｆｅ１４Ｂ合金を含み、ジスプロシウムはネオジウム合金中に置換している。各グレイン４の周りに形成されたジスプロシウム含有合金のシェル層５は約０．５μｍの厚さを有する。
【００２３】
ジスプロシウム金属の層３は、コールドスプレー技術を用いて磁性体２上に直接適用される。層３は、均一であり、磁性体２の上部表面を完全に覆うことが示される。しかし、磁性体２の任意の表面が、その上に堆積されたジスプロシウムの層を有してよく、層３は均一又は不均一な態様で適用され得る。層の厚さが図面に概略的に示されている。グレイン４の内部又は周りにおけるジスプロシウムの拡散を促進するために、最小の厚さが望ましい。しかしながら、５μｍの層厚を超えると、改善した保磁力及び磁性特性の収穫逓減が観測される。
【００２４】
図２を参照しつつ、マグネット１の製造方法が以下に記述される。Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ合金のグレイン４を含む磁性体２が提供される。磁性体２の表面は、ジスプロシウムでコートされるように選択される。ジスプロシウム金属粒子６は、選択された表面上に標的とされ、放出され、堆積される。銅や鉄などの他の金属粉末のコールドスプレー用に使用される条件が、ジスプロシウム金属粒子のコールドスプレーに適用され得る。堆積されたジスプロシウム金属は、磁性体２の標的とされた表面上ですぐに層３を形成する。
【００２５】
ジスプロシウムの堆積に続いて、マグネット１が熱処理される。熱処理中、磁性体２のグレインの周りにシェル層が形成する。熱処理によってコーティング層３中のジスプロシウムが磁性体２中のグレイン４の境界に沿って拡散して、ジスプロシウム含有合金５を含むシェル層５を形成するように、熱処理は粒界拡散プロセスを含む。熱処理は、コートされたマグネット１を高温第一温度まで一定のレートで加熱するステップと、マグネット１を高温で少なくとも６時間の期間にわたって保持するステップとの一般的な方法に従う。第一高温は１０００℃に近いべきであり、理想的には９００℃である。この温度は、ジスプロシウムの拡散を開始し、広めるには十分高温である一方、磁性グレイン４の焼結又は融解を回避する。
【００２６】
その後、マグネット１は、制御されたレートで、第一よりも低温の第二高温まで冷却される。マグネット１は、制御された冷却レートで室温まで急冷される前に、比較的短時間、約３０分間、この第二高温で保持される。急冷されたマグネット１は改善した磁性特性、例えば向上した保磁力を示す。
【００２７】
グレイン４はＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ合金を含む。グレインは、サマリウム、プラセオジム、又はセリウムを含むもの等の他の磁性希土類合金、特に、ＳｍＣｏ５及びＳｍ（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｒ）７も含むことができる。合金グレイン４の境界に沿ったジスプロシウム層３の拡散は、少なくともこれらの希土類合金に対して容易に起こる。
【００２８】
グレイン４は、図面に示されるようにシェル層５で全体的にコートされ得る。代替的に、凝集グレイン４は、シェル層５がグレイン４の露出された境界のみを覆うように、シェル層５でコートされ得る。
【００２９】
更なる研究によって、希土類磁性金属テルビウムも、改善した保磁力を有する希土類マグネットをつくるためにコールドスプレー堆積プロセスで使用され得ることが示された。
【図１】
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【図２】
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