(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス相もしくはナノ結晶相であるＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−ＣｒまたはＳｍ−Ｆｅ−Ｎの磁性材料、または前記磁性材料を含む複合材料からなる粉末材料を用いた焼結により一定形状に成形された焼結体を製造する方法であって、
前記粉末材料に、外部から磁場を与えながら電流を供給し、これにより通電焼結を行うとともにその焼結中に磁気異方性を発現させることを特徴とする高性能磁性材料の製造方法。
【請求項２】
アモルファス相もしくはナノ結晶相であるＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｒの磁性材料、または前記磁性材料を含む複合材料からなる粉末材料を用いた焼結により一定形状に成形された焼結体であり、
前記粉末材料に、外部から磁場が与えられながら直接電流が供給され、これにより通電焼結されるとともに磁気異方性が付与されていることを特徴とする高性能磁性材料の焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性材料の高性能化を行う製造方法とその焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁性材料は様々な用途で使用されており、自動車用モーターなど大型・軽量かつ高性能な磁石材料や、通信機器のブロードバンド化に伴う高周波用の超小型コアなど高性能な軟磁性材料のように、ますますその用途が拡大することが予想できる。このような高性能な磁性材料はNd-Fe-B系やSm-Fe-N系のように希土類元素を含む材料を超急冷して作製しており、磁石にする場合には超急冷粉末を焼結したのち、外部から磁場を与えて磁化するようにしている。
【０００３】
ところで、一般的に磁石の磁力を高めるためには、結晶方向を一方向にそろえることにより異方性を持たせて、その方向への磁力を高めることが行われる。従来、非希土類系の磁石の場合にはその手法として、磁場中で熱処理することにより特定方向に結晶成長させることにより異方性を発現させていた。
【０００４】
しかし、超急冷によって作製する希土類系の磁石の場合、微細結晶粒であることが高い磁力を生み出しているため、熱処理をすることができず、非希土類系の磁石の場合と同様の手法を用いて異方性を発現させることができない。そのため、粉末を押し出し等によって機械的に配向させることにより異方性を発現させた後焼結する方法、あるいは磁場中で圧粉体を作製した後焼結する方法が用いられる。いずれの手法も異方性を出すプロセスと粉末を固めるプロセスの２つのプロセスが必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、高性能磁性材料を製造する場合に、従来では異方性を出すプロセスと粉末を固めるプロセスの２つのプロセスを必要とし、製造工程が複雑になっていた。
【０００６】
そこで、上記両プロセスを同時に行うことができれば、製造工程を簡略化することができ、これに伴って、トータルコストを低くすることができる。また、常温で圧粉体を作製する際に必要な、あるいは、異方性を出すために行う押し出しの際に必要な、大きなプレス圧力が不要になるため、省エネルギー化が可能である。さらに製品形状の複雑化等にも対応することが可能となる。
【０００７】
本発明はこれらの事情に鑑み、異方性の発現と粉末の焼結を同時に行うことができて、製造工程の簡略化及び省エネルギー化が可能な製造方法を提供するとともに、これにより作製した高性能磁性材料の焼結体を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の高性能磁性材料の製造方法は、アモルファス相もしくはナノ結晶相であるＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−ＣｒまたはＳｍ−Ｆｅ−Ｎの磁性材料、または前記磁性材料を含む複合材料からなる粉末材料を用いた焼結により一定形状に成形された焼結体を製造する方法であって、前記粉末材料に、外部から磁場を与えながら電流を供給し、これにより通電焼結を行うとともにその焼結中に磁気異方性を発現させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の方法によると、磁性粉末あるいはそれを含む混合粉末の焼結中に外部から磁場を与えることで異方性を発現させることができ、異方性を発現させるプロセスと焼結により成形するプロセスとを同時に行うことができる。
【００１０】
とくに、高性能磁性材料の原料となる粉末はその多くが超急冷法や機械的合金化法などにより作製され、ナノ結晶相やアモルファス相といった非平衡な状態にある。このような非平衡状態にある磁性材料は熱を与えることで簡単に結晶成長や結晶の析出が生じる。このような結晶成長あるいは結晶析出の際に磁場を与えることで、特定の方向を向いた結晶の成長あるいは析出を起こすことができる。
【００１１】
そして、結晶の成長あるいは析出が加熱によって簡単に発生するが、成長あるいは析出した結晶が大きくなりすぎると磁気特性が急激に低下するため、焼結は短時間で終了する必要がある。そのため、焼結方法は高速で昇温できる方法を採用することが要求される。この要求を満足する焼結方法として、焼結型と粉末に直接電流を流して昇温する通電焼結を行うこととし、例えばパルス電流を供給するパルス通電焼結（放電焼結）を行う。
【００１２】
また、本発明の焼結体は、上記のような製造方法により得られる。すなわち、アモルファス相もしくはナノ結晶相であるＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｒの磁性材料、または前記磁性材料を含む複合材料からなる粉末材料を用いた焼結により一定形状に成形された焼結体であり、前記粉末材料に、外部から磁場が与えられながら直接電流が供給され、これにより通電焼結されるとともに磁気異方性が付与されているものである。
【００１３】
この焼結体は、焼結中に外部から磁場が与えられることにより充分に大きい異方性が付与され、その方向への磁力が高められる等、磁性材料としての特性が向上される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の高性能材料の製造方法において焼結は通電発熱により行い、特に好ましくはパルス通電焼結（放電焼結）法を使用する。この焼結方法は焼結型あるいは粉末に直接パルス電流を流すことにより、高速（毎分５０°Ｃ以上の昇温速度）で焼結することが可能である。この方法には例えば図１に示すような装置が用いられる。
【００１５】
この装置において、焼結型１は外型２と上下一対のパンチ３とで構成され、外型２は導電性および非導電性の物質、パンチ３は導電性のある物質からなる。この焼結型１に粉末材料Ｍを充填し、チェンバ４内で焼結を行う。チェンバ４内は大気はもちろんのこと真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気にすることができるため種々の粉末を焼結することが可能である。パンチ３は加熱装置５により上下から加圧されることによって電極６と接し、電極６は焼結用電源１１に電気的に接続されており、上記電源１１から電極６およびパンチ３を通じて粉末Ｍあるいは外型２に電流が流れ、焼結が行われる。また、パンチ３を電極６と結合させることによって、無加圧の状態で電流を流すこともできる。
【００１６】
上記焼結型１内には磁性材料となる強磁性体の非平衡状態の粉末Ｍが充填される。このような粉末は、例えば単ロールを用いた液体急冷法、あるいはメカニカルアロイング（以下ＭＡと略す）により作製される。すなわち、単ロール法では、液体金属を１０6Ｋ／Ｓ以上の速度で超急冷するために、アモルファス相やナノ結晶相などの通常の溶解凝固では得られない非平衡状態を達成できる。また、ＭＡでは、原料粉末あるいは合金粉末を機械的に粉砕し、液体を介さずに固体反応によって合金化を行うか、あるいは合金結晶を微細化することにより、アモルファス相やナノ結晶相を生成させる。
【００１７】
また、図１に示す装置内には磁場発生手段が設けられている。この磁場発生手段は、例えば焼結型の周囲に配置されたコイル７により構成されている。そして、このコイル７に、焼結用電源１１とは別の磁場発生用電源１２から電流を供給することにより、磁場を発生させ、この磁場内に焼結型１が位置する状態で、焼結用電源１１からの電力供給により焼結を行わせる。
【００１８】
この場合、コイル７を設置する方向によって、発生させる磁場方向が決まるため、パンチ３を加圧する方向と平行に磁場を発生させたり、垂直方向に磁場を発生させたりすることが可能である。
【００１９】
磁場は焼結工程の全期間または一部の期間（異方性に影響を及ぼす期間）に与えるようにし、例えば、焼結用電源１１からの通電によって焼結材料を加熱する前からコイル７への通電により磁場を生じさせ、加熱終了後すなわち冷却中も磁場を存続させつつ、常温まで冷却する。
【００２０】
以上のような方法によると、磁性粉末あるいはそれを含む混合粉末の焼結中に外部から磁場を与えることで異方性を発現させることができ、異方性を発現させるプロセスと焼結により成形するプロセスとを同時に行うことができる。
【００２１】
そして、とくに非平衡状態の磁性粉末は、焼結時に熱が加えられるに伴い簡単に結晶成長や結晶の析出が生じ、この際、磁場中で焼結が行われることにより、特定の方向を向いた結晶の成長あるいは析出を起こすことができ、効果的に異方性を発現させることができる。
【００２２】
また、焼結がパルス電流の供給による通電焼結とされることにより、急速に昇温されて、短時間で焼結が達成される。つまり、焼結用電源によりパルス電流を供給し、その電流値およびパルス周波数等を制御することにより、放電（アーク放電）による発熱および焼結材料Ｍを流れる電流によるジュール熱（さらに外型２が導電性物質の場合は外型２を流れる電流によるジュール熱）で急速に昇温される。
【００２３】
このように短時間で焼結が達成されることにより、焼結中に成長あるいは析出した結晶が大きくなりすぎることが避けられ、磁気特性の低下が防止される。
【００２４】
以上の方法により、異方性を持ち磁気特性にすぐれた高性能磁性材料の焼結体が得られる。
【００２５】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、以下の内容をも包含するものである。
【００２６】
（１）焼結中に外部から磁場を与える方法としては、図１に示すようなコイル７以外でも、焼結型１の外部に焼結型１に触れないように電流経路を設け、焼結用の電流とは別系統の電流を流すことによって型１内の材料に磁場を与えるようにすればよい。あるいは、焼結外型２を焼結材料とは電気的に絶縁して形成し、この外型２に焼結用の電流とは別系統の電流を与えることによって、型１内に磁場を発生させるようにしてもよい。あるいはまた、輻射熱による影響が無いように外部に磁石を設置することにより型１内の材料に磁場を与えるようにしてもよい。
【００２７】
（２）焼結用の電流と磁場発生用の電流は同一電源から発生させても、別電源から発生させても良いが、上記実施形態のように別電源とする方が、個別に制御できて好ましい。
【００２８】
（３）焼結用の電流は、パルス状態ではない通常の直流電流あるいは交流電流であってもよい。また、磁場発生用の電流も、直流電流、直流パルス電流、交流電流などが考えられる。
【００２９】
（４）磁性材料としては、Nd-Fe-B、Sm-Fe-Nなどの磁石材料、Tb-Dy-Fe、Sm-Feなどの磁歪材料などがある。また、これらと有機材料やセラミックスとの複合材料であっても、焼結が可能である。また、Fe、Co、Niといった強磁性体を含む化合物においても、非平衡状態の粉末を出発原料とすることで、化合物の生成過程において異方性を発現させることが可能である。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。なお、各実施例の焼結体についての磁気特性の異方性の確認にあたっては、振動試料型磁化測定装置（以下ＶＳＭと略す）を使用した。そして、作製した試料をサイコロ状（立方体）に切断し、焼結時に印加した磁場に垂直な方向と水平な方向の磁気特性を測定し、それぞれの違いを調べた。評価は、得られた値のうちの大きい値を小さい値で除した割合で表した。異方性があれば、磁気特性に変化が現れ、その割合が１００％以上となる。この割合が大きいほど異方性が大きいことになる。
【００３１】
実施例１
図１に示すような装置における内径１０mmの黒鉛製の型に、ＭＡによってアモルファス状態にした磁性合金粉末Tb-Dy-Fe-Crを２．５ｇ入れ、黒鉛製のパンチで上下を挟み、加圧力２５５kgf/cm2でパンチを加圧し、磁場発生手段により発生させた磁場中で焼結を行った。磁場発生手段のコイルに流す電流は直流パルスで８０Ａ、周波数２Hzとした。このとき発生する磁場はおよそ２４００Ａ／ｍである。磁場の方向は加圧力に平行な方向とした。焼結は、アモルファス相が結晶化する温度より高い１１７３Ｋで５分間行った。作製した焼結体をＶＳＭによって飽和磁化を調べその異方性を測定した結果、１１４％の違いがあった。
【００３２】
参考例
実施例１と同様の焼結条件で、磁場を発生させずに焼結を行った場合、異方性は１０５％であった。これは、加圧によりわずかに異方性が現れるものの、実施例１と比べて異方性が格段に小さいことを示している。
【００３３】
実施例２
ＭＡによってアモルファス状態にした磁性合金粉末Tb-Dy-Fe-Crを１．０ｇおよび市販のZrO2粉末を１．５ｇ乳鉢で混合した後、図１に示すような装置における内径１０mmの黒鉛製の型に充填し、黒鉛製のパンチで上下を挟み、加圧力２５５kgf/cm2でパンチを加圧し、磁場発生手段により発生させた磁場中で焼結を行った。磁場発生手段のコイルに流す電流は直流パルスで８０Ａ、周波数２Hzとした。焼結は、アモルファス相が結晶化する温度より高い１１７３Ｋで５分間行った。ＶＳＭによって飽和磁化を調べその異方性を測定した結果、１１０％の違いがあった。
【００３４】
実施例３
Al粉末３．０ｇとFe繊維（平均長さ１mm、平均径１０μm）０．５ｇを乳鉢で混合した後、図１に示すような装置における内径１０mmの黒鉛製の型に充填し、無加圧の状態で、磁場発生手段により発生させた磁場中で焼結を行った。磁場発生手段のコイルには直流８０Ａの電流を流した。また、焼結温度は７７３Ｋとした。その結果、繊維が印加した磁場と平行に配列された状態で焼結されていた。
【００３５】
実施例４
実施例３と同様にAl粉末とFe繊維を混合した実験について、加圧力を２２．６kgf/cm2にすると、磁場を印加しても磁場方向にはそろわず、圧力方向に対して垂直な方向にランダムな状態で焼結された。これは、磁場によって発生する力よりも、加圧したことによってFe繊維がAl粉末に押される力の方が強かったためである。この場合においても、磁場を印加する方向を加圧力に対して垂直方向にすることによって、圧力方向に対して垂直な方向に配列された状態で焼結することが可能であった。
【００３６】
実施例５
図１に示すような装置における内径１０mmの黒鉛製の型に、超急冷により作製したアモルファス相およびナノ結晶相を含むNd-Fe-B粉末を２．０ｇ充填し、黒鉛製のパンチで上下を挟み、加圧力２５５kgf/cm2でパンチを加圧し、磁場発生手段により発生させた磁場中で焼結を行った。磁場発生手段のコイルに流す電流は直流パルスで８０Ａ、周波数２Hzとした。磁場の方向は加圧力に平行な方向とした。焼結は、アモルファス相が結晶化する温度直上の９３３Ｋで１０分間行った。ＶＳＭによって飽和磁化を調べその異方性を測定した結果、１１１％の違いがあった。
【００３７】
なお、同じ焼結条件下の実験で、磁場を印加しない実験を行って作製した試料につき、異方性を測定すると、１０１％でほとんど違いが見られなかった。
【００３８】
実施例６
超急冷法によって非平衡状態にしたSm-Fe-Nを２．０ｇおよび市販のエポキシ樹脂粉末を０．２ｇ乳鉢で混合した後、図１に示すような装置における内径１０mmの黒鉛製の型に充填し、黒鉛製のパンチで上下を挟み、加圧力２５５kgf/cm2でパンチを加圧し、磁場発生手段により発生させた磁場中で焼結を行った。磁場発生手段のコイルに流す電流は直流パルスで８０Ａ、周波数２Hzとした。焼結は、Sm-Fe-Nが分解する温度より低い４２３Ｋで５分間行った。ＶＳＭによって飽和磁化を調べその異方性を測定した結果、１１２％の違いがあった。
【００３９】
尚、本発明は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
以上記載したとおり、本発明によると、通電焼結により、外部から磁場を与えながら高性能磁性材料を焼結により作製することが可能となる。このため、異方性を発現させるプロセスと焼結により成形するプロセスとを同時に行うことができ、製造工程を簡略化することができるとともに、常温で圧粉体を作製する際に必要な、あるいは、異方性を出すために行う押し出しの際に必要な、大きなプレス圧力が不要となって、省エネルギー化が可能となり、これらによってコストの低減を図ることができる。
【００４１】
また、非平衡状態にある磁性材料を含む粉末材料を焼結し、その焼結中に磁場をあたえることにより、簡単かつ効果的に異方性を発現させることができる。
【００４２】
非平衡磁性粉末とセラミックス、樹脂等の粉末とを混合した材料を通電により焼結して、その通電焼結中に外部から磁場を与えるようにすれば、異方性を持つ複合磁性材料を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法を実施するための装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  焼結型
６  電極
７  磁場発生用のコイル
１１  焼結用電源
１２  磁場発生用電源
【図１】
0004714839.tif 000002