(57)【要約】  本開示は、窒化鉄を含む磁性材料、窒化鉄を含むバルク永久磁石、窒化鉄を含む磁性材料を形成するための技術、及び窒化鉄を含むバルク永久磁石を形成するための技術について記載する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄及び窒素を含む混合物を加熱して、溶融窒化鉄含有材料を形成すること、並びに
前記溶融窒化鉄含有材料を鋳造、急冷、及びプレスして、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を形成すること、
を含む方法。
【請求項２】
鋳造、急冷、及びプレスすることが、前記溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスして、工作物の他の寸法よりも長い寸法を有する工作物を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ローリングモード粉砕装置、撹拌モード粉砕装置、又は振動モード粉砕装置の容器中において、窒素源の存在下、鉄含有原材料を粉砕して、窒化鉄を含む粉末を作製すること、
をさらに含み、並びに
鉄及び窒素を含む前記混合物を加熱することが、窒化鉄を含む前記粉末を加熱することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記窒素源が、硝酸アンモニウム、アミド含有物質、又はヒドラジン含有物質のうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記アミド含有又はヒドラジン含有物質のうちの少なくとも１つが、液体アミド、アミド含有溶液、ヒドラジン、又はヒドラジン含有溶液のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アミド含有又はヒドラジン含有物質のうちの少なくとも１つが、カルバミド、メタンアミド、ベンズアミド、又はアセトアミドのうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記鉄含有原材料が、実質的に純粋である鉄を含む、請求項３〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記鉄含有原材料に触媒を添加することをさらに含む、請求項３〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記触媒が、ニッケル又はコバルトのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記鉄含有原材料が、約１００μｍ未満の平均径を持つ粉末を含む、請求項３〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
窒化鉄を含む前記粉末が、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、又はｘが約０．０５〜約０．５の範囲であるＦｅＮｘのうちの少なくとも１つを含む、請求項３〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
鉄前駆体を粉砕して前記鉄含有原材料を形成することをさらに含む、請求項３〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記鉄前駆体が、Ｆｅ、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ2Ｏ3、又はＦｅ3Ｏ4のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記鉄前駆体を粉砕して前記鉄含有原材料を形成することが、Ｃａ、Ａｌ、又はＮａのうちの少なくとも１つの存在下、Ｃａ、Ａｌ、又はＮａのうちの少なくとも１つと前記鉄前駆体中に存在する酸素との間の酸化反応を引き起こすのに充分な条件下で前記鉄前駆体を粉砕することを含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
鉄前駆体を溶融スピニングして前記鉄含有原材料を形成することをさらに含む、請求項３〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記鉄前駆体を溶融スピニングすることが、
溶融鉄前駆体を形成すること、
前記溶融鉄前駆体を冷間圧延して、材料の脆性リボンを形成すること、
前記材料の脆性リボンを熱処理すること、及び
前記材料の脆性リボンを粉砕して前記鉄含有原材料を形成すること
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物の少なくとも１つの軸線における寸法が、約５０ミリメートル未満である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記溶融窒化鉄含有材料が、約８：１の鉄原子対窒素原子比を有する、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記溶融窒化鉄含有材料が、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを含む、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントが、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、又はＴａのうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記溶融窒化鉄含有材料が、約１０原子パーセント未満の前記少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを含む、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記溶融窒化鉄含有材料が、少なくとも１つの相安定化剤をさらに含む、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの相安定化剤が、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、又はＳのうちの少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記溶融窒化鉄含有材料が、約０．１原子パーセント〜約１５原子パーセントの前記少なくとも１つの相安定化剤を含む、請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
鉄及び窒素を含む前記混合物を加熱して前記溶融窒化鉄含有材料を形成することが、約１５００℃よりも高い温度で前記混合物を加熱することを含む、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスすることが、約６５０℃〜約１２００℃の範囲の温度で前記溶融窒化鉄含有材料を鋳造することを含む、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスすることが、約６５０℃を超える温度まで前記窒化鉄含有材料を急冷することを含む、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
前記溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスすることが、約２５０℃よりも低い温度、及び約５トン〜約５０トンの範囲の圧力で前記窒化鉄含有材料をプレスすることを含む、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物を歪導入及びポストアニーリングして、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物を形成することをさらに含む、請求項１〜２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物を歪導入及びポストアニーリングすることにより、前記工作物の寸法が減少する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む前記工作物の少なくとも１つの軸線における寸法が、歪導入及びポストアニーリングの後、約０．１ｍｍ未満である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
歪導入及びポストアニーリングの後、前記工作物が、単一のＦｅ16Ｎ2相ドメインから本質的に成る、請求項２９〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物を歪導入することが、前記工作物に、約０．３％〜約１２％の範囲の引張歪を施すことを含む、請求項２９〜３２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記引張歪が、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物における少なくとも１つの＜００１＞結晶軸線に対して実質的に平行である方向に印加される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物をポストアニーリングすることが、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物を、約１００℃〜約２５０℃の範囲の温度に加熱することを含む、請求項２９〜３４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
鉄含有材料に尿素拡散プロセスを受けさせることによって鉄及び窒素を含む前記混合物を形成することをさらに含む、請求項１〜３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む前記工作物が、磁気異方性であることを特徴とする、請求項２９〜３６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む前記工作物のエネルギー積、保磁力、及び飽和磁化が、異なる配向において異なっている、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む前記工作物が、ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、又はシートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
請求項１〜３９に記載の方法のいずれか１つを実施するように構成された装置。
【請求項４１】
請求項１〜３９のいずれか１項に記載の方法に従って作製された工作物。
【請求項４２】
請求項２９〜３５、３７、又は３８のいずれか１項に記載の方法によって形成された工作物を含むバルク磁性材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、発明の名称が「窒化鉄ワイヤの形成及びその緻密化のための技術」である２０１３年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／８４０，２１３号；発明の名称が「窒化鉄材料を形成するための技術」である２０１３年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／８４０，２２１号；発明の名称が「窒化鉄磁石を形成するための技術」である２０１３年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６１／８４０，２４８号；及び発明の名称が「窒化鉄材料及び窒化鉄材料を含む磁石」である２０１４年２月４日に出願された米国特許仮出願第６１／９３５，５１６号の利益を主張するものである。米国特許仮出願第６１／８４０，２１３号；同第６１／８４０，２２１号；同第６１／８４０，２４８号；及び同第６１／９３５，５１６号の全内容は、あらゆる点において参照により本明細書に援用される。
【０００２】
本開示は、磁性材料及び磁性材料を形成するための技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
永久磁石は、例えば代替エネルギーシステムを含む多くの電気機械システムにおいて役割を担っている。例えば、永久磁石は、電気モーター又は発電機に用いられており、これらは、車両、風力タービン、及びその他の代替エネルギー機構に用いられ得る。現在用いられている多くの永久磁石は、高いエネルギー積が得られるネオジミウムなどの希土類元素を含んでいる。このような希土類元素は、比較的供給が少なく、将来的に価格の上昇及び／又は供給不足に直面する恐れがある。加えて、希土類元素を含む一部の永久磁石は、生産コストが高い。例えば、ＮｄＦｅＢ及びフェライト磁石の製造は、一般的に、材料の粉砕、材料の圧縮、及び１０００℃以上の温度での焼結を含み、これらはすべて、磁石の高い製造コストに寄与するものである。加えて、希土類の採掘は、重大な環境破壊に繋がりかねない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、窒化鉄を含む磁性材料、窒化鉄を含むバルク永久磁石、窒化鉄を含む磁性材料を形成するための技術、及び窒化鉄を含む磁石を形成するための技術について記載する。Ｆｅ16Ｎ2を含むバルク永久磁石は、Ｆｅ16Ｎ2が高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、及び高いエネルギー積を持つことから、希土類元素を含む永久磁石に対する代替品を提供し得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
いくつかの例において、本開示は、アミド若しくはヒドラジン含有液体又は溶液などの窒素源と共に鉄含有原材料を粉砕することを用いて窒化鉄を含む粉末を形成するための技術について記載する。アミド含有液体又は溶液は、窒素供与体として作用し、粉砕及び混合の完了後、窒化鉄を含む粉末が形成される。いくつかの例では、窒化鉄を含む粉末は、例えばＦｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ2Ｎ、ＦｅＮ、及びＦｅＮx（ｘは、約０．０５〜約０．５の範囲内である）を含む１つ以上の窒化鉄相を含んでよい。窒化鉄を含む粉末は、続いて、窒化鉄を含む永久磁石を形成するための技術に用いられてよい。
【０００６】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料を形成するための技術について記載する。いくつかの実施において、磁性材料は、窒化鉄を含む粉末又は窒化鉄を含むバルク材料などの鉄及び窒素を含む材料から形成されてよい。そのような例では、さらなる窒化工程を省略することができる。その他の例では、磁性材料は、磁性材料を形成するプロセスの一部として窒化されてよい鉄含有原材料（例：粉末又はバルク）から形成されてよい。窒化鉄含有材料は、次に、溶融され、連続する鋳造、急冷、及びプレスのプロセスに掛けられて、窒化鉄を含む工作物が形成されてよい。いくつかの例では、工作物は、工作物の他の寸法よりも長い、例えば非常に長い寸法を含む。工作物のこの寸法は、工作物の「長寸法」と称される場合がある。他の寸法よりも長い寸法を持つ工作物の例としては、ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、シートなどが挙げられる。
【０００７】
その他の例では、工作物は、工作物の他の寸法よりも長い寸法を持たなくてもよい。例えば、工作物は、球形、円柱形、小片、フレーク、規則的多面体、不規則的多面体、及びこれらのいずれかの組み合わせなどの粒子又は粉末を含んでよい。適切な規則的多面体の例としては、四面体、六面体、八面体、十面体、十二面体などが挙げられ、それらの限定されない例としては、立方体、角柱、角錐などが挙げられる。
【０００８】
鋳造プロセスは、例えば、空気、窒素環境、不活性環境、部分真空、完全真空、又はこれらのいずれかの組み合わせなどの気体環境中で行われてよい。鋳造プロセスは、約０．１ＧＰａ〜約２０ＧＰａを例とするいかなる圧力であってもよい。いくつかの例では、鋳造及び急冷プロセスは、歪場、温度場、圧力場、磁場、電場、又はこれらのいずれかの組み合わせによって補助されてよい。いくつかの例では、工作物は、直径又は厚さなど１つ以上の軸線に、約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍの寸法を有してよく、及び少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含んでよい。いくつかの例では、工作物は、直径又は厚さなど１つ以上の軸線に、約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍの寸法を有してよく、及び少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含んでよい。
【０００９】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物には、続いて、歪導入及びポストアニーリングが行われ、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物が形成されてよい。少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物は、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインの少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインへの変態を促進するために、アニーリングを行いながら歪導入されてもよい。いくつかの例では、工作物に対して施される歪は、１つ以上の軸線の工作物寸法を約０．１ｍｍ未満まで減少させるのに充分なものであってよい。いくつかの例では、延伸プロセスを補助するために、ローラー及び圧力が同時に又は別々に適用されて、１つ以上の軸線の工作物寸法が減少されてよい。歪導入プロセス時の温度は、約−１５０℃〜約３００℃であってよい。いくつかの例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物は、本質的に１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインから成っていてよい。
【００１０】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を組み合わせて磁性材料とするための技術について記載する。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合させるための技術としては、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つを用いて工作物を合金化して、工作物の界面に鉄合金を形成すること；Ｆｅ又はその他の強磁性粒子が充填された樹脂を用いて工作物を互いに結合させること；工作物を一緒にプレスするための衝撃圧縮；工作物を接合させるための放電；工作物を接合させるための電磁圧密化；及びそのようなプロセスのいずれかの組み合わせが挙げられる。
【００１１】
いくつかの例において、本開示は、窒化鉄粉末から磁性材料を形成するための技術について記載する。窒化鉄粉末は、１つ以上の異なる窒化鉄相を含んでよい（例：Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ2Ｎ、ＦｅＮ、及びＦｅＮx（ｘは、約０．０５〜約０．５の範囲内である））。窒化鉄粉末は、単独で又は純粋鉄粉末と混合されて、８：１の原子比で鉄及び窒素を含む混合物が形成されてよい。この混合物は、次に、様々な方法のうちの１つを介して磁性材料へと形成されてよい。例えば、混合物は、溶融され、鋳造、急冷、及びプレスのプロセスに掛けられて、複数の工作物が形成されてよい。いくつかの例では、混合物はまた、せん断場に掛けられてもよい。いくつかの例では、せん断場は、１つ以上の窒化鉄相ドメインの整列を補助し得る（例：窒化鉄相ドメインの単位胞の１つ以上の＜００１＞結晶軸の整列）。複数の工作物は、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含んでよい。複数の工作物は、次に、アニーリングされて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインが形成され、焼結及びエージングされて複数の工作物が接合され、並びに所望に応じて成形及び磁化されて、磁石が形成されてよい。別の例として、混合物は、磁場の存在下でプレスされ、アニーリングされて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインが形成され、焼結及びエージングされ、並びに所望に応じて成形及び磁化されて、磁石が形成されてよい。別の例として、混合物は、溶融及びスピニングされて、窒化鉄含有材料が形成されてよい。窒化鉄含有材料は、アニーリングされて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインが形成され、焼結及びエージングされ、並びに所望に応じて成形及び磁化されて、磁石が形成されてよい。
【００１２】
いくつかの例では、ＦｅＮ工作物は、一緒に焼結、結合、又は焼結と結合の両方が直接成されて、バルク磁石が形成されてよい。焼結、結合、又はその両方は、結合プロセスの前又は最中に、一定又は変動する周波数（例：パルス化磁場）の外部磁場の印加と組み合わされて、ＦｅＮ工作物の配向が整列され、及びＦｅＮ工作物が一緒に結合されてよい。この方法により、全体としての磁気異方性をＦｅＮ工作物に付与することができる。
【００１３】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを追加で含む窒化鉄含有磁性材料について記載する。いくつかの例では、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントは、強磁性又は非磁性不純物と称される場合がある。強磁性又は非磁性ドーパントを用いて、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の磁気モーメント、保磁力、又は熱安定性のうちの少なくとも１つを増加させることができる。強磁性又は非磁性ドーパントの例としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｔａ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの例では、２つ以上（例：少なくとも２つ）の強磁性又は非磁性ドーパントが、鉄及び窒素を含む混合物中に含まれてよい。いくつかの例では、強磁性又は非磁性ドーパントは、ドメイン磁壁ピニング位置として機能することができ、これは、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の保磁力を改善することができる。
【００１４】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つの相安定化剤を追加で含む窒化鉄含有磁性材料について記載する。少なくとも１つの相安定化剤は、Ｆｅ16Ｎ2体積比、熱安定性、保磁力、及び耐浸食性のうちの少なくとも１つを改善するように選択された元素であってよい。混合物中に存在する場合、少なくとも１つの相安定化剤は、約０．１原子％〜約１５原子％の濃度で、鉄及び窒素を含む混合物中に存在してよい。混合物中に少なくとも２つの相安定化剤が存在するいくつかの例では、少なくとも２つの相安定化剤の合計濃度は、約０．１原子％〜約１５原子％であってよい。少なくとも１つの相安定化剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓ、及びこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【００１５】
１つの例において、本開示は、鉄及び窒素を含む混合物を加熱して溶融窒化鉄含有材料を形成すること、並びに溶融窒化鉄含有材料を鋳造、急冷、及びプレスして少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を形成することを含む方法について記載する。
【００１６】
別の例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること、及びＳｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つを、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物のうちの少なくとも１つの工作物の面上に配置することを含む方法について記載する。この例によると、この方法はまた、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物及びＳｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つを、加圧下で加熱して、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の隣接する工作物間の界面にＦｅとＳｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つとの合金を形成することも含んでよい。
【００１７】
さらなる例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること、及び少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に樹脂を配置することを含む方法について記載し、ここで、樹脂は、強磁性材料の複数の粒子を含む。この例によると、この方法はまた、樹脂を用いて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を結合するために、樹脂を硬化することも含んでよい。
【００１８】
さらなる例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること、及び少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に強磁性材料の複数の粒子を配置することを含む方法について記載する。この例によると、この方法はまた、圧縮衝撃を用いて、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合することも含んでよい。
【００１９】
別の例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること、及び少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に強磁性材料の複数の粒子を配置することを含む方法について記載する。この例によると、この方法はまた、電磁パルスを用いて、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合することも含んでよい。
【００２０】
追加の例において、本開示は、ローリングモード粉砕装置、撹拌モード粉砕装置、又は振動モード粉砕装置の容器中、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して、窒化鉄を含む粉末を作製することを含む方法について記載する。
【００２１】
さらなる例において、本開示は、鉄含有原材料及び窒素源を収容し、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して窒化鉄を含む粉末を作製するように構成された容器を含むローリングモード粉砕装置について記載する。
【００２２】
別の例において、本開示は、鉄含有原材料及び窒素源を収容し、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して窒化鉄を含む粉末を作製するように構成された容器を含む振動モード粉砕装置について記載する。
【００２３】
さらなる例において、本開示は、鉄含有原材料及び窒素源を収容し、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して窒化鉄を含む粉末を作製するように構成された容器を含む撹拌モード粉砕装置について記載する。
【００２４】
追加の例において、本開示は、窒化鉄含有材料を実質的に純粋な鉄と混合して、鉄原子対窒素原子比が約８：１である混合物を形成すること、及びその混合物から、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料を形成することを含む方法について記載する。
【００２５】
別の例において、本開示は、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを窒化鉄含有材料中に添加すること、及び少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを含む窒化鉄含有材料から、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁石を形成することを含む方法について記載する。
【００２６】
さらなる例において、本開示は、体心正方（ｂｃｔ）相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を、窒化鉄材料中に添加すること、及びｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を含む窒化鉄含有材料から、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁石を形成することを含む方法について記載する。
【００２７】
１つ以上の例の詳細が、添付の図面及び以下の記述に示される。その他の特徴、目的、及び利点は、その記述及び図面から、並びに請求項から明らかとなるであろう。
【００２８】
発明の概要並びに以下の詳細な記述は、添付の図面と合わせて読むことでさらに理解される。本開示を説明する目的で、図面中に例が示されるが；本開示は、開示される特定の技術、組成、及びデバイスに限定されない。加えて、図面は必ずしも縮尺を合わせて描かれているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、鉄含有原材料を窒素源と共に粉砕するために用いられてよい第一の粉砕装置を示す概念図である。
【００３０】
【図２】図２は、カルボン酸からの酸アミドの形成、鉄の窒化、及び鉄の窒化後に残留する炭化水素からの酸アミドの再生のための反応の流れの例を示す概念フロー図である。
【００３１】
【図３】図３は、鉄含有原材料を窒化するための粉砕装置の別の例を示す概念図である。
【００３２】
【図４】図４は、鉄含有原材料を窒化するための粉砕装置の別の例を示す概念図である。
【００３３】
【図５】図５は、Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメイン（例：α″‐Ｆｅ16Ｎ2）を含む工作物を形成するための技術の例のフロー図である。
【００３４】
【図６】図６は、窒化鉄含有工作物に対する歪導入及びポストアニーリングに用いられてよい装置の例を示す概念図である。
【００３５】
【図７】図７は、鉄原子間の格子間空隙に窒素原子が挿入された歪状態にある８つの鉄単位胞を示す概念図である。
【００３６】
【図８】図８は、平行に配置した複数の窒化鉄含有工作物に対する歪導入及びアニーリングを行うために用いられてよい技術の例を示す概念図である。
【００３７】
【図９】図９は、尿素拡散プロセスを用いて鉄含有原材料を窒化するために用いられてよい装置の例の概念図である。
【００３８】
【図１０Ａ】図１０Ａ〜１０Ｃは、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための技術の例を示す概念図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａ〜１０Ｃは、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための技術の例を示す概念図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａ〜１０Ｃは、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための技術の例を示す概念図である。
【００３９】
【図１１】図１１は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための技術の別の例を示す概念図である。
【００４０】
【図１２】図１２は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための別の技術を示す概念図である。
【００４１】
【図１３】図１３は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に強磁性粒子が配置された少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を示す概念図である。
【００４２】
【図１４】図１４は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するために用いられてよい別の装置の概念図である。
【００４３】
【図１５】図１５は、窒化鉄を含む磁石を形成するための技術の例を示すフロー図である。
【００４４】
【図１６】図１６は、鉄の窒化物に対する比が約８：１である混合物から、窒化鉄相ドメインを含む磁石を形成するための技術の例を示すフロー図である。
【図１７】図１７は、鉄の窒化物に対する比が約８：１である混合物から、窒化鉄相ドメインを含む磁石を形成するための技術の例を示すフロー図である。
【図１８】図１８は、鉄の窒化物に対する比が約８：１である混合物から、窒化鉄相ドメインを含む磁石を形成するための技術の例を示すフロー図である。
【００４５】
【図１９Ａ】図１９Ａ及び１９Ｂは、Ｆｅ16Ｎ2相ドメイン、並びに少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含む磁性材料を形成するための技術の別の例を示す概念図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａ及び１９Ｂは、Ｆｅ16Ｎ2相ドメイン、並びに少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含む磁性材料を形成するための技術の別の例を示す概念図である。
【００４６】
【図２０】図２０は、まず鉄前駆体材料を粉砕して鉄含有原材料を形成し、次にこの鉄含有原材料をホルムアミド溶液中で粉砕することによって作製されたサンプルに対するＸＲＤスペクトルの例を示す。
【００４７】
【図２１】図２１は、鉄含有原材料をアセトアミド溶液中で粉砕することによって作製されたサンプルに対するＸＲＤスペクトルの例を示す。
【００４８】
【図２２】図２２は、連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術によって作製されたＦｅ16Ｎ2を含む磁性材料の例における印加磁場に対する磁化の図である。
【００４９】
【図２３】図２３は、連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術によって作製された少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むワイヤの例のＸ線回折スペクトルである。
【００５０】
【図２４】図２４は、連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術、並びにそれに続く歪導入及びポストアニーリングによって作製されたＦｅ16Ｎ2を含む磁性材料の例における印加磁場に対する磁化の図である。
【００５１】
【図２５】図２５は、連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術、並びにそれに続く歪導入及びポストアニーリングによって作製されたＦｅ16Ｎ2を含む磁性材料のサンプルにおけるオージェ電子スペクトル（ＡＥＳ）試験の結果を示す図である。
【００５２】
【図２６Ａ】図２６Ａ及び２６Ｂは、本明細書で述べる技術に従って形成された窒化鉄ホイル及び窒化鉄バルク材料の例を示す画像である。
【図２６Ｂ】図２６Ａ及び２６Ｂは、本明細書で述べる技術に従って形成された窒化鉄ホイル及び窒化鉄バルク材料の例を示す画像である。
【００５３】
【図２７】図２７は、Ｆｅ16Ｎ2を含むワイヤ形状磁性材料の例における印加磁場に対する磁化の図であり、サンプルに対する外部磁場の異なる配向における異なるヒステリシスループを示している。
【００５４】
【図２８】図２８は、ワイヤ形状ＦｅＮ磁石の例の保磁力と外部磁場に対するその配向との間の関係を示す図である。
【００５５】
【図２９】図２９は、Ｆｅ16Ｎ2結晶構造の例を示す概念図である。
【００５６】
【図３０】図３０は、ＭｎドーピングバルクＦｅの状態密度計算の例の結果を示すプロットである。
【００５７】
【図３１】図３１は、ＭｎドーピングバルクＦｅ16Ｎ2の状態密度計算の例の結果を示すプロットである。
【００５８】
【図３２】図３２は、５原子％、８原子％、１０原子％、及び１５原子％のＭｎドーパント濃度で作製されたＦｅ‐Ｍｎ‐Ｎバルクサンプルの磁気ヒステリシスループのプロットである。
【００５９】
【図３３】図３３は、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて収集した尿素窒素源の存在下でのボール粉砕後におけるサンプル１の粉末の元素濃度のプロットである。
【００６０】
【図３４】図３４は、アニーリング後におけるサンプル１からの粉末のｘ線回折スペクトルを示すプロットである。
【００６１】
【図３５】図３５は、硝酸アンモニウムの存在下でのボール粉砕を用いて形成され、作製された窒化鉄の磁気ヒステリシスループのプロットである。
【００６２】
【図３６】図３６は、緻密化前後でのサンプルに対するｘ線回折スペクトルを示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
本開示は、本開示の一部を成す添付の図面及び例と合わせて以下の詳細な記述を参照することによって、より容易に理解することができる。本開示が、本明細書で述べる及び／又は示される特定のデバイス、方法、適用、条件、若しくはパラメーターに限定されないこと、並びに本明細書で用いられる専門用語が、特定の例を記載する目的のものであり、請求項を限定することを意図するものではないことは理解されるべきである。値の範囲が表される場合、別の例は、１つの特定の値から、及び／又は別の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」を用いることによって近似値として表される場合、特定の値が別の例を形成することは理解される。範囲はすべて、両端の値を含み、組み合わせ可能である。さらに、範囲として記載される値への言及は、その範囲内のすべての値を含む。
【００６４】
明確にするために本明細書にて別々の例として記載される本開示の特定の特徴が、単一の例として組み合わされて提供されてもよいことは理解されるべきである。逆に、簡潔とするために単一の例として記載される本開示の種々の特徴は、別々に、又はいずれのサブ組み合わせとして提供されてもよい。
【００６５】
本開示は、窒化鉄を含む磁性材料、窒化鉄を含むバルク永久磁石、窒化鉄を含む磁性材料を形成するための技術、及び窒化鉄を含むバルク永久磁石を形成するための技術について記載する。Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄相を含むバルク永久磁石は、Ｆｅ16Ｎ2が高い飽和磁化、高い磁気異方性定数、及び従って高いエネルギー積を持つことから、希土類元素を含む永久磁石に対する代替品を提供し得るものである。高い飽和磁化及び高い磁気異方性定数は、いくつかの例において希土類磁石よりも高い場合のある磁気エネルギー積をもたらす。本明細書で述べる技術に従って作製されたバルクＦｅ16Ｎ2永久磁石は、Ｆｅ16Ｎ2永久磁石が異方性である場合に、約１３０ＭＧＯｅという高さのエネルギー積を含む望ましい磁気特性を持ち得る。Ｆｅ16Ｎ2磁石が等方性である例では、エネルギー積は、約３３．５ＭＧＯｅという高さであり得る。永久磁石のエネルギー積は、残留保磁力と残留磁化の積に比例する。比較のために、Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ永久磁石のエネルギー積は、約６０ＭＧＯｅという高さであり得る。より高いエネルギー積は、モーター、発電機などに用いられた場合に、永久磁石の効率の上昇をもたらすことができる。加えて、Ｆｅ16Ｎ2相を含む永久磁石は、希土類元素を含まなくてよく、そのことによって、磁石の材料コストを低下させることができ、及び磁石製造による環境への影響を低減することもできる。
【００６６】
いかなる動作理論にも束縛されるものではないが、Ｆｅ16Ｎ2は、準安定相であり、Ｆｅ‐Ｎのその他の安定相と競合すると考えられる。従って、Ｆｅ16Ｎ2を含むバルク磁性材料及びバルク永久磁石の形成は困難であり得る。本明細書で述べる様々な技術は、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄相を含む磁性材料の形成を促進することができる。いくつかの例では、これらの技術は、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄相を含む磁性材料形成のためのその他の技術と比較して、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄相を含む磁性材料形成のコストを低減することができ、磁性材料中におけるＦｅ16Ｎ2窒化鉄相の体積分率を増加させることができ、磁性材料中におけるＦｅ16Ｎ2窒化鉄相の安定性を高めることができ、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄相を含む磁性材料の大量生産を促進することができ、及び／又はＦｅ16Ｎ2窒化鉄相を含む磁性材料の磁気特性を改善することができる。
【００６７】
本明細書で述べるバルク永久ＦｅＮ磁石は、異方性磁気特性を持つことができる。そのような異方性磁気特性は、印加された電場又は磁場に対する異なる相対的配向において、異なるエネルギー積、保磁力、及び磁化モーメントを有することを特徴とする。従って、開示されるバルクＦｅＮ磁石を用いることで、様々な適用（例：電気モーター）のいずれにおいても、そのような適用に低エネルギー損失及び高エネルギー効率を付与することができる。
【００６８】
いくつかの例において、本開示は、鉄含有原材料を、アミド若しくはヒドラジン含有液体又は溶液などの窒素源と共に粉砕することを用いて窒化鉄を含む粉末を形成するための技術について記載する。アミド含有若しくはヒドラジン含有液体又は溶液は、窒素供与体として作用し、粉砕及び混合の完了後、窒化鉄を含む粉末が形成される。いくつかの例では、窒化鉄を含む粉末は、例えばＦｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ2Ｎ、ＦｅＮ、及びＦｅＮx（ｘは、約０．０５〜約０．５の範囲内である）を含む１つ以上の窒化鉄相を含んでよい。窒化鉄を含む粉末は、続いて、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄を含むバルク永久磁石を形成するための技術に用いられてよい。
【００６９】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料を形成するための技術について記載する。いくつかの実施では、磁性材料は、窒化鉄を含む粉末又は窒化鉄を含むバルク材料などの鉄及び窒素を含む材料から形成されてよい。そのような例では、さらなる窒化工程を省略することができる。その他の例では、磁性材料は、磁性材料を形成するプロセスの一部として窒化されてよい鉄含有原材料（例：粉末又はバルク）から形成されてよい。窒化鉄含有材料は、次に、溶融され、鋳造、急冷、及びプレスのプロセスに掛けられて、窒化鉄を含む工作物が形成されてよい。いくつかの例では、工作物は、約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍである少なくとも１つの軸線の寸法を有してよく、及び少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含んでよい。工作物がワイヤ又はリボンを含む場合などのいくつかの例では、ワイヤ又はリボンは、それぞれ約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍの直径又は厚さを有してよい。
【００７０】
いくつかの例では、工作物は、工作物の他の寸法よりも長い、例えば非常に長い寸法を含む。他の寸法よりも長い寸法を持つ工作物の例としては、ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、シートなどが挙げられる。その他の例では、工作物は、工作物の他の寸法よりも長い寸法を持たなくてもよい。例えば、工作物は、球形、円柱形、小片、フレーク、規則的多面体、不規則的多面体、及びこれらのいずれかの組み合わせなどの粒子又は粉末を含んでよい。適切な規則的多面体の例としては、四面体、六面体、八面体、十面体、十二面体などが挙げられ、それらの限定されない例としては、立方体、角柱、角錐などが挙げられる。
【００７１】
いくつかの例では、鋳造プロセスは、空気中、窒素環境中、不活性環境中、部分真空中、完全真空中、又はこれらのいずれかの組み合わせ中で行われてよい。いくつかの例では、鋳造時の圧力は、約０．１ＧＰａ〜約２０ＧＰａであってよい。いくつかの実施では、鋳造及び急冷プロセスは、歪場、せん断場、温度場、圧力場、電場、磁場によって補助されてよく、又はこれらのいずれかの組み合わせが印加されて鋳造プロセスが補助されてよい。
【００７２】
いくつかの例では、急冷プロセスは、工作物を、６５０℃を超える温度まで、約０．５時間〜約２０時間にわたって加熱することを含む。いくつかの例では、工作物の温度は、工作物合金のマルテンサイト温度（Ｍｓ）以下に急低下されてよい。例えば、Ｆｅ16Ｎ2の場合、マルテンサイト温度（Ｍｓ）は、約２５０℃である。急冷に用いられる媒体としては、水、鹹水（約１％〜約３０％の塩濃度）、油などの非水性流体、又は液体窒素などの液体が挙げられ得る。その他の例では、急冷媒体は、約１毎分標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）〜約１０００ｓｃｃｍの流速である窒素ガスなどのガスが挙げられ得る。その他の例では、急冷媒体は、塩、砂などの固体が挙げられ得る。いくつかの実施では、急冷プロセスを補助するために、電場又は磁場が印加されてよい。
【００７３】
少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物には、続いて、歪導入及びポストアニーリングが行われて、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物が形成されてよい。少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物は、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインの少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインへの変態を促進するために、アニーリングを行いながら歪導入されてもよい。いくつかの例では、工作物に対して施される歪は、１つ以上の軸線の工作物寸法を約０．１ｍｍ未満まで減少させるのに充分なものであってよい。工作物がワイヤ又はリボンを含む場合などのいくつかの例では、ワイヤ又はリボンに対して施される歪は、それぞれワイヤ又はリボンの直径又は厚さを約０．１ｍｍ未満まで減少させるのに充分なものであってよい。いくつかの例では、工作物の寸法を１つ以上の寸法において減少させることを促進するために、工作物に対して圧力を施すためにローラーが用いられてよい。いくつかの例では、歪導入プロセスの過程での工作物の温度は、約−１５０℃〜約３００℃であってよい。いくつかの例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物は、本質的に１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインから成っていてよく、それはさらに、工作物の長さ方向に沿って配向されてよい（例：窒化鉄相ドメインの単位胞の１つ以上の＜００１＞結晶軸が、工作物の長さ方向に沿って配向されてよい）。
【００７４】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を組み合わせてバルク磁性材料とするための技術について記載する。いくつかの例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物は、各々、それぞれの工作物の長軸線に対して実質的に平行直角である１つ以上の＜００１＞結晶軸を含んでよい。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の長軸線は、互いに実質的に平行に配置されてよく、それによって、工作物の＜００１＞結晶軸を実質的に平行とすることができる。このことによって、高い磁気異方性を得ることができ、それは、高いエネルギー積をもたらすことができる。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合させるための技術としては、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つを用いて工作物を合金化して、工作物の界面に鉄合金を形成すること；Ｆｅ又はその他の強磁性粒子が充填された樹脂を用いて工作物を互いに結合させること；工作物を一緒にプレスするための衝撃圧縮；又は工作物を接合させるための放電；及び／若しくは工作物を接合させるための電磁圧密化が挙げられる。
【００７５】
いくつかの例において、本開示は、窒化鉄粉末から磁性材料を形成するための技術について記載する。窒化鉄粉末は、１つ以上の異なる窒化鉄相を含んでよい（例：Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ2Ｎ、ＦｅＮ、及びＦｅＮx（ｘは、約０．０５〜０．５である））。窒化鉄粉末は、単独で又は純粋鉄粉末と混合されて、８：１の原子比で鉄及び窒素を含む混合物が形成されてよい。この混合物は、次に、様々な方法のうちの１つを介して磁性材料へと形成されてよい。例えば、混合物は、溶融され、鋳造、急冷、及びプレスのプロセスに掛けられて、複数の工作物が形成されてよい。複数の工作物は、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含んでよい。複数の工作物は、次に、アニーリングされて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインが形成され、焼結及びエージングされて複数の工作物が接合され、並びに所望に応じて成形及び磁化されて、磁石が形成されてよい。別の例として、混合物は、磁場の存在下でプレスされ、アニーリングされて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインが形成され、焼結及びエージングされ、並びに所望に応じて成形及び磁化されて、磁石が形成されてよい。別の例として、混合物は、溶融及びスピニングされて、窒化鉄含有材料が形成されてよい。窒化鉄含有材料は、アニーリングされて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインが形成され、焼結及びエージングされ、並びに所望に応じて成形及び磁化されて、磁石が形成されてよい。
【００７６】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを追加で含む窒化鉄含有磁性材料について記載する。いくつかの例では、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントは、強磁性又は非磁性不純物と称される場合がある。強磁性又は非磁性ドーパントを用いて、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の磁気モーメント、保磁力、又は熱安定性のうちの少なくとも１つを増加させることができる。強磁性又は非磁性ドーパントの例としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｔａ、及びこれらの組み合わせが挙げられる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、２つ以上（例：少なくとも２つ）の強磁性又は非磁性ドーパントを含んでよい。いくつかの例では、強磁性又は非磁性ドーパントは、ドメイン磁壁ピニング位置として機能することができ、これは、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の保磁力を改善することができる。
【００７７】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つの相安定化剤を追加で含む窒化鉄含有磁性材料について記載する。少なくとも１つの相安定化剤は、Ｆｅ16Ｎ2体積比、熱安定性、保磁力、及び耐浸食性のうちの少なくとも１つを改善するように選択された元素であってよい。混合物中に存在する場合、少なくとも１つの相安定化剤は、約０．１原子％〜約１５原子％の濃度で、鉄及び窒素を含む混合物中に存在してよい。混合物中に少なくとも２つの相安定化剤が存在するいくつかの例では、少なくとも２つの相安定化剤の合計濃度は、約０．１原子％〜約１５原子％であってよい。少なくとも１つの相安定化剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓ、及びこれらの組み合わせが挙げられ得る。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。
【００７８】
図１は、鉄含有原材料を窒素源と共に粉砕するために用いられてよい第一の粉砕装置を示す概念図である。第一の粉砕装置１０は、ローリングモードで運転されてよく、その場合、第一の粉砕装置１０の容器１２は、矢印１４で示されるように、水平軸線を中心に回転する。容器１２が回転すると、粉砕球体１６が容器１２内で動き、鉄含有原材料１８を経時で粉砕する。鉄含有原材料１８及び粉砕球体１６に加えて、容器１２には、窒素源２０も封入されている。
【００７９】
図１に示す例では、粉砕球体１６は、充分な力で鉄含有原材料１８と接触した場合に、鉄含有原材料１８を磨滅させ、鉄含有原材料１８の粒子を平均してより小さいサイズとする充分に硬質の材料を含んでよい。いくつかの例では、粉砕球体１６は、スチール、ステンレススチールなどから形成されてよい。いくつかの例では、粉砕球体１６が形成される材料は、鉄含有原材料１８及び／又は窒素源２０と化学反応起こさなくてよい。いくつかの例では、粉砕球体１６は、約５ミリメートル（ｍｍ）〜約２０ｍｍの平均径を有してよい。
【００８０】
鉄含有原材料１８は、原子状鉄、酸化鉄、塩化鉄などを含むいかなる鉄含有材料を含んでもよい。いくつかの例では、鉄含有原材料１８は、実質的に純粋である鉄を含んでよい（例：ドーパント又は不純物が約１０原子パーセント（原子％）未満である鉄）。いくつかの例では、ドーパント又は不純物は、酸素又は酸化鉄を含んでよい。鉄含有原材料１８は、例えば粉末又は比較的小さい粒子を含む適切ないかなる形態で提供されてもよい。いくつかの例では、鉄含有原材料１８の粒子の平均サイズは、約１００マイクロメートル（μｍ）未満であってよい。
窒素源２０としては、硝酸アンモニウム（ＮＨ4ＮＯ3）、又は液体アミド若しくはアミド含有溶液などのアミド含有材料、又はヒドラジン若しくはヒドラジン含有溶液が挙げられ得る。アミドは、Ｃ−Ｎ−Ｈ結合を含み、ヒドラジンは、Ｎ−Ｎ結合を含む。硝酸アンモニウム、アミド、及びヒドラジンは、窒化鉄を含む粉末を形成するための窒素供与体として作用することができる。アミドの例としては、カルバミド（（ＮＨ2）2ＣＯ；尿素とも称される）、メタンアミド（式１）、ベンズアミド（式２）、及びアセトアミド（式３）が挙げられるが、いかなるアミドが用いられてもよい。
【００８１】
【化１】
2016536777.tif 000003
【００８２】
いくつかの例では、アミドは、カルボン酸から、カルボン酸のヒドロキシル基をアミン基で置き換えることによって誘導されてよい。このタイプのアミドは、酸アミドと称される場合がある。
いくつかの例では、容器１０には、触媒２２も封入されてよい。触媒２２は、例えば、コバルト（Ｃｏ）粒子及び／又はニッケル（Ｎｉ）粒子を含んでよい。触媒２２は、鉄含有原材料１８の窒化を触媒する。Ｃｏ触媒を用いて鉄を窒化するための１つの考え得る概念化した反応経路を、以下の反応１〜３に示す。触媒２２としてＮｉが用いられた場合も、類似の反応経路に従って反応が行われ得る。
【００８３】
【化２】
2016536777.tif 000004
【００８４】
従って、充分なアミド及び触媒２２を混合することにより、鉄含有原材料１８を、窒化鉄含有材料に変換することができる。
【００８５】
図２は、カルボン酸からの酸アミドの形成、鉄の窒化、及び鉄の窒化後に残留する炭化水素からの酸アミドの再生のための反応の流れの例を示す概念フロー図である。図２に示す反応の流れを利用することにより、触媒２２及び窒素源２０の一部（例：アミド中の窒素とは別に）を再利用し、プロセスからの廃棄物を低減することができる。図２に示されるように、カルボン酸は、約１００℃の温度でアンモニアと反応して、酸アミドを形成し、水が発生し得る。次に、酸アミドは、触媒２２（例：Ｃｏ及び／又はＮｉ）と反応して、水素が発生し、触媒が窒素と結合し得る。この化合物は、続いて、鉄と反応して、有機窒化鉄を形成し、触媒を遊離させ得る。最後に、有機窒化鉄は、ＬｉＡｌＨ4と反応して、カルボン酸を再生し、窒化鉄を形成し得る。
【００８６】
ここで図１に戻ると、粉砕装置１０の容器１２は、容器１２中の成分（例：粉砕球体１６、鉄含有原材料１８、窒素源２０、及び触媒２２）を混合させ、粉砕球体１６に鉄含有原材料１８を粉砕させるのに充分な速度で回転されてよい。いくつかの例では、容器１２は、約５００回転毎分（ｒｐｍ）〜約２０００ｒｐｍの回転速度で回転されてよく、約６００ｒｐｍ〜約６５０ｒｐｍ、約６００ｒｐｍ、又は約６５０ｒｐｍなどである。さらに、鉄含有原材料１８の粉砕を促進するために、いくつかの例では、粉砕球体１６の総質量の鉄含有原材料１８の総質量に対する質量比は、約２０：１であってよい。粉砕は、鉄含有原材料１８の窒化、並びに鉄含有原材料１８（及び窒化された鉄含有材料）の所定のサイズ分布までの粉砕を可能とするように選択された所定の時間にわたって実施されてよい。いくつかの例では、粉砕は、約１時間〜約１００時間の時間にわたって実施されてよく、約１時間〜約２０時間、又は約２０時間などである。いくつかの例では、粉砕装置１０は、粉砕装置１０、鉄含有原材料１８、窒素源２０、及び触媒２２を冷却させるために、１０時間の粉砕ごとに約１０分間停止されてよい。
【００８７】
その他の例では、粉砕プロセスは、異なるタイプの粉砕装置を用いて実施されてよい。図３は、鉄含有原材料の窒化のための粉砕装置の別の例を示す概念図である。図３に示される粉砕装置は、撹拌モード粉砕装置３０と称される場合がある。撹拌モード粉砕装置は、容器３２及びシャフト３４を含む。シャフト３４には、複数のパドル３６が搭載されており、これらが、シャフト３４の回転に従って容器３２の内容物を撹拌する。容器３２に含有されるのは、粉砕球体、鉄含有原材料の混合物３８；アミド含有若しくはヒドラジン含有液体又は溶液などの窒素源；及び触媒である。粉砕球体、鉄含有原材料、窒素源、及び触媒は、図１を参照して記載した粉砕球体１６、鉄含有原材料１８、窒素源２０、及び触媒２２と同一、又は実質的に類似していてよい。
【００８８】
撹拌モード粉砕装置３０は、図１に示した粉砕装置１０に類似の方法での鉄含有原材料１８の窒化に用いることができる。例えば、シャフト３４は、約５００ｒｐｍ〜約２０００ｒｐｍの速度で回転されてよく、約６００ｒｐｍ〜約６５０ｒｐｍ、約６００ｒｐｍ、又は約６５０ｒｐｍなどである。さらに、鉄含有原材料の粉砕を促進するために、いくつかの例では、粉砕球体の総質量の鉄含有原材料に対する質量比は、約２０：１であってよい。粉砕は、鉄含有原材料の窒化、並びに鉄含有原材料（及び窒化された鉄含有材料）の所定のサイズ分布までの粉砕を可能とするように選択された所定の時間にわたって実施されてよい。いくつかの例では、粉砕は、約１時間〜約１００時間の時間にわたって実施されてよく、約１時間〜約２０時間、又は約２０時間などである。いくつかの例では、粉砕装置１０は、粉砕装置１０、鉄含有原材料１８、窒素源２０、及び触媒２２を冷却させるために、１０時間の粉砕ごとに約１０分間停止されてよい。
【００８９】
図４は、鉄含有原材料を窒化するための粉砕装置の別の例を示す概念図である。図４に示される粉砕装置は、振動モード粉砕装置４０と称される場合がある。図４に示されるように、振動モード粉砕装置は、水平軸線を中心にした容器４２の回転（矢印４４で示される）及び容器４２の垂直方向の振動の動き（矢印５４で示される）の両方を利用することで、粉砕球体４６を用いて鉄含有原材料１８を粉砕することができる。図４に示されるように、容器４２は、粉砕球体４６、鉄含有原材料４８、窒素源５０、及び触媒５２の混合物を含有する。粉砕球体４６、鉄含有原材料４８、窒素源５０、及び触媒５２は、図１を参照して記載した粉砕球体１６、鉄含有原材料１８、窒素源２０、及び触媒２２と同一、又は実質的に類似していてよい。
【００９０】
振動モード粉砕装置４０は、図１に示される粉砕装置１０に類似の方法での鉄含有原材料１８の窒化に用いられてよい。例えば、シャフト３４は、約５００ｒｐｍ〜約２０００ｒｐｍの速度で回転されてよく、約６００ｒｐｍ〜約６５０ｒｐｍ、約６００ｒｐｍ、又は約６５０ｒｐｍなどである。さらに、鉄含有原材料の粉砕を促進するために、いくつかの例では、粉砕球体の鉄含有原材料に対する質量比は、約２０：１であってよい。粉砕は、鉄含有原材料の窒化、並びに鉄含有原材料（及び窒化された鉄含有材料）の所定のサイズ分布までの粉砕を可能とするように選択された所定の時間にわたって実施されてよい。いくつかの例では、粉砕は、約１時間〜約１００時間の時間にわたって実施されてよく、約１時間〜約２０時間、又は約２０時間などである。いくつかの例では、粉砕装置１０は、粉砕装置１０、鉄含有原材料１８、窒素源２０、及び触媒２２を冷却させるために、１０時間の粉砕ごとに約１０分間停止されてよい。
【００９１】
窒化鉄粉末の形成に用いられる粉砕のタイプに関わらず、窒化鉄粉末は、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ（例：ξ‐Ｆｅ2Ｎ）、Ｆｅ3Ｎ（例：ε‐Ｆｅ3Ｎ）、Ｆｅ4Ｎ（例：γ‐Ｆｅ4Ｎ）、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、及びＦｅＮ×（ｘは、約０．０５〜約０．５である）のうちの少なくとも１つを含んでよい。加えて、窒化鉄粉末は、純粋鉄、コバルト、ニッケル、ドーパントなどのその他の物質を含んでもよい。いくつかの例では、コバルト、ニッケル、ドーパントなどは、粉砕プロセス後、１つ以上の適切な技術を用いて少なくとも部分的に除去されてよい。いくつかの例では、窒化鉄粉末は、続いてのプロセスに用いられて、Ｆｅ16Ｎ2などの窒化鉄相を含む永久磁石などの磁性材料を形成してよい。鉄含有原材料を、硝酸アンモニウム、又はアミド若しくはヒドラジン含有液体又は溶液などの窒素源の存在下で粉砕することは、窒化鉄含有材料を形成するための費用対効果の高い技術であり得る。さらに、鉄含有原材料を、硝酸アンモニウム、又はアミド若しくはヒドラジン含有液体又は溶液などの窒素源の存在下で粉砕することにより、窒化鉄含有材料の大量生産を促進することができ、及び鉄の酸化を低減することができる。
【００９２】
いくつかの例では、窒素源の存在下での鉄含有原材料の粉砕の前に、粉砕技術及び／又は溶融スピニング技術を用いて、鉄前駆体が、鉄含有原材料に変換されてよい。いくつかの例では、鉄前駆体は、Ｆｅ、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ2Ｏ3、又はＦｅ3Ｏ4のうちの少なくとも１つを含んでよい。いくつかの実施では、窒化鉄前駆体は、平均径が、例えば約０．１ｍｍ（１００μｍ）よりも大きい粒子を含んでよい。
【００９３】
鉄前駆体が粉砕される場合、ローリングモード粉砕、撹拌モード粉砕、及び振動モード粉砕を含む上述した粉砕技術のうちのいずれが用いられてもよい。いくつかの例では、鉄前駆体は、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はナトリウム（Ｎａ）のうちの少なくとも１つの存在下で粉砕されてよい。Ｃａ、Ａｌ、及び／又はＮａのうちの少なくとも１つは、鉄前駆体に存在する酸素と（分子状酸素又は酸素イオン）、それが存在する場合反応してよい。酸化されたＣａ、Ａｌ、及び／又はＮａのうちの少なくとも１つは、次に、混合物から除去されてよい。例えば、酸化されたＣａ、Ａｌ、及び／又はＮａのうちの少なくとも１つは、析出技術、及び蒸発技術、又は酸洗浄技術のうちの少なくとも１つを用いて除去されてよい。いくつかの例では、粉砕装置内に水素ガスを流すことによって、酸素還元プロセスが実施されてよい。水素は、鉄含有原材料中に存在するいずれの酸素とも反応することができ、鉄含有原材料から酸素を除去することができる。いくつかの例では、これは、実質的に純粋である鉄（例：ドーパントが約１０原子％未満である鉄）を形成することができる。加えて、又は別の選択肢として、鉄含有原材料は、酸洗浄技術を用いて洗浄されてよい。例えば、約５％〜約５０％の濃度の希ＨＣｌを用いて、鉄含有原材料から酸素が洗浄除去されてよい。Ｃａ、Ａｌ、及び／又はＮａのうちの少なくとも１つとの混合物として鉄前駆体を粉砕すること（又は酸洗浄）により、鉄の酸化を低減することができ、例えばＦｅ、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ2Ｏ3、若しくはＦｅ3Ｏ4、又はこれらの組み合わせを含む多くの異なる鉄前駆体に対して有効であり得る。鉄前駆体の粉砕は、窒化鉄含有材料の形成に用いられる鉄含有原材料の作製時に、柔軟性及びコスト上の有利性を提供することができる。
【００９４】
その他の例では、鉄含有原材料は、溶融スピニングによって形成されてよい。溶融スピニングでは、鉄前駆体が、例えば鉄前駆体を炉中で加熱することによって溶融されて、溶融鉄前駆体が形成されてよい。溶融鉄前駆体は、次に、冷却ローラー面上に流動されて、溶融鉄前駆体が冷却され、材料の脆性リボンが形成されてよい。いくつかの例では、冷却ローラー面は、水などの冷却剤によって室温より低い温度に冷却されてよい。例えば、冷却ローラー面は、約１０℃〜約２５℃の温度に冷却されてよい。材料の脆性リボンは、次に、脆性鉄材料を予備アニーリングするための熱処理工程を受けてよい。いくつかの例では、熱処理は、大気圧下、約２００℃〜約６００℃の温度で、約０．１時間〜約１０時間にわたって行われてよい。いくつかの例では、熱処理は、窒素又はアルゴン雰囲気中で行われてよい。材料の脆性リボンを不活性ガス下で熱処理した後、材料の脆性リボンは、粉砕されて、鉄含有粉末が形成されてよい。この粉末は、窒化鉄含有粉末を形成するための技術において、鉄含有原材料１８又は４８として用いられてよい。
【００９５】
いくつかの例において、本開示は、窒化鉄含有材料から、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料を形成するための技術について記載する。いくつかの例では、上述の技術によって形成された窒化鉄含有粉末を用いて、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁石が形成されてよい。その他の例では、鉄含有原材料は、以下で述べるように、その他の技術を用いて窒化されてもよい。
【００９６】
窒化鉄含有材料源に関わらず、窒化鉄含有材料は、溶融され、連続的に鋳造、プレス、及び急冷が行われて、窒化鉄を含有する工作物が形成されてよい。いくつかの例では、工作物は、１つ以上の軸線において、約０．００１ｍｍ〜約５０ｍｍの寸法を有してよい。例えば、工作物がリボンを含むいくつかの例では、リボンは、約０．００１ｍｍ〜約５ｍｍの厚さを有してよい。別の例として、工作物がワイヤを含むいくつかの例では、ワイヤは、約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍの直径を有してよい。次に、工作物には、歪導入及びポストアニーリングが行われて、Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメイン（例：α″‐Ｆｅ16Ｎ2）が形成されてよい。いくつかの例では、Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメイン（例：α″‐Ｆｅ16Ｎ2）を含むこのような工作物は、次に、Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメイン（例：α″‐Ｆｅ16Ｎ2）を含む他の工作物と接合されて、磁石が形成されてよい。
【００９７】
図５は、Ｆｅ16Ｎ2を含む少なくとも１つの相ドメイン（例：α″‐Ｆｅ16Ｎ2）を含む工作物を形成するための技術の例のフロー図である。図５に示す技術は、鉄及び窒素を含む混合物を溶融して溶融窒化鉄含有混合物を形成すること（６２）を含む。鉄及び窒素を含む混合物は、例えば、およそ８：１の鉄対窒素原子比を有してよい。例えば、混合物は、約８原子パーセント（原子％）〜約１５原子％の窒素を含んでよく、残量が、鉄、その他の元素、及びドーパントであってよい。別の例として、混合物は、約１０原子％〜約１３原子％の窒素、又は約１１．１原子％の窒素を含んでよい。
【００９８】
いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、鉄及び／又は窒素に加えて、少なくとも１つのタイプの窒化鉄を含んでよく、例えば、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ（例：ξ‐Ｆｅ2Ｎ）、Ｆｅ3Ｎ（例：ε‐Ｆｅ3Ｎ）、Ｆｅ4Ｎ（例：γ′‐Ｆｅ4Ｎ及び／又はγ‐Ｆｅ4Ｎ）、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、又はＦｅＮ×（ｘは、約０．０５〜約０．５である）などである。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、少なくとも９２原子パーセント（原子％）の純度（例：鉄及び窒素含有量の合計）を有してよい。
いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、強磁性若しくは非磁性ドーパントなどの少なくとも１つのドーパント、及び／又は相安定化剤を含んでよい。いくつかの例では、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパントは、強磁性若しくは非磁性不純物と称される場合があり、及び／又は相安定化剤は、相安定化不純物と称される場合がある。強磁性若しくは非磁性ドーパントを用いることで、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の磁気モーメント、保磁力、又は熱安定性のうちの少なくとも１つを増加させることができる。強磁性又は非磁性ドーパントの例としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、及びＴａが挙げられる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。いくつかの例では、２つ以上（例：少なくとも２つ）の強磁性又は非磁性ドーパントが、鉄及び窒素を含む混合物中に含まれてよい。いくつかの例では、強磁性又は非磁性ドーパントは、ドメイン磁壁ピニング位置として機能することができ、これは、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の保磁力を改善することができる。表１は、鉄及び窒素を含む混合物中の強磁性又は非磁性ドーパントの濃度の例を含む。
【００９９】
【表１】
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【０１００】
別の選択肢として、又は加えて、鉄及び窒素を含む混合物は、少なくとも１つの相安定化剤を含んでよい。少なくとも１つの相安定化剤は、Ｆｅ16Ｎ2体積比、熱安定性、保磁力、及び耐浸食性のうちの少なくとも１つを改善するように選択された元素であってよい。混合物中に存在する場合、少なくとも１つの相安定化剤は、約０．１原子％〜約１５原子％の濃度で、鉄及び窒素を含む混合物中に存在してよい。混合物中に少なくとも２つの相安定化剤が存在するいくつかの例では、少なくとも２つの相安定化剤の合計濃度は、約０．１原子％〜約１５原子％であってよい。少なくとも１つの相安定化剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、及び／又はＳが挙げられ得る。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。
【０１０１】
いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物を溶融して溶融窒化鉄含有混合物を形成することは（６２）、鉄及び窒素、並びに所望に応じて、少なくとも１つの非磁性若しくは強磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含む混合物を、約１５００℃を超える温度で加熱することを含んでよい。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、高周波（ＲＦ）誘導コイルを用いた炉中で加熱されてよい。バルク窒化鉄含有材料が用いられる例では、炉は、約１６００℃を超える温度で加熱されてよい。窒化鉄含有粉末が用いられる例では、炉は、約２０００℃を超える温度で加熱されてよい。
【０１０２】
その他の例では、鉄及び窒素を含む混合物は、低又は中周波誘導コイルを用いた炉中で加熱されてよい。低又は中周波誘導コイルが用いられるいくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物としてバルク窒化鉄含有材料又は窒化鉄含有粉末が用いられるかに関わらず、炉は、約１６００℃を超える温度で加熱されてよい。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、周囲雰囲気下で加熱されてよい。
【０１０３】
鉄及び窒素を含む混合物が溶融されると、混合物は、鋳造、急冷、及びプレスのプロセスに掛けられて、窒化鉄含有工作物が形成されてよい（６４）。いくつかの例では、鋳造、急冷、及びプレスのプロセスは、バッチプロセスとは対照的に、連続的であってよい。鉄及び窒素を含む溶融混合物は、モールド中に堆積されてよく、そこで、鉄及び窒素を含む混合物は、少なくとも１つのワイヤ、リボン、又はその幅若しくは直径よりも大きい長さを有するその他の物品などの所定の形状へと成形されてよい。鋳造プロセスの過程にて、モールドの温度は、鋳造速度に応じて、約６５０℃〜約１２００℃の温度に維持されてよい。いくつかの例では、鋳造プロセスの過程にて、モールドの温度は、約８００℃〜約１２００℃の温度に維持されてよい。鋳造プロセスは、空気中、窒素環境中、不活性環境中、部分真空中、完全真空中、又はこれらのいずれの組み合わせで行われてもよい。鋳造プロセスは、いずれの圧力で行われてもよく、例えば、約０．１ＧＰａ〜約２０ＧＰａである。いくつかの例では、鋳造プロセスは、歪場、温度場、圧力場、磁場、電場、又はこれらのいずれの組み合わせによって補助されてもよい。
【０１０４】
鋳造の完了後、又は鋳造プロセスが完了される間において、鉄及び窒素を含む混合物は、急冷されて、窒化鉄含有材料の結晶構造及び相組成が固定されてよい。いくつかの例では、急冷プロセスの過程において、工作物は、６５０℃を超える温度まで、約０．５時間〜約２０時間にわたって加熱されてよい。いくつかの例では、工作物の温度は、工作物合金のマルテンサイト温度（Ｍｓ）以下に急低下されてよい。例えば、Ｆｅ16Ｎ2の場合、マルテンサイト温度（Ｍｓ）は、約２５０℃である。急冷に用いられる媒体としては、水、鹹水（約１％〜約３０％の塩濃度）、油などの非水性液体若しくは溶液、又は液体窒素などの液体が挙げられ得る。その他の例では、急冷媒体は、約１ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍの流速である窒素ガスなどのガスが挙げられ得る。その他の例では、急冷媒体は、塩、砂などの固体が挙げられ得る。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む工作物は、急冷プロセスの過程で、毎秒５０℃を超える速度で冷却されてよい。いくつかの例では、鋳造プロセスは、磁場及び／又は電場によって補助されてよい。
【０１０５】
急冷の完了後、窒化鉄含有材料は、プレスされて、窒化鉄含有材料の所定のサイズが達成されてよい。プレスプロセスの過程にて、窒化鉄含有材料の温度は、約２５０℃よりも低く維持されてよく、窒化鉄含有材料は、窒化鉄含有材料の所望される最終寸法（例：厚さ又は直径）に応じて、約５トン〜５０トンの圧力に暴露されてよい。プレスプロセスが完了すると、窒化鉄含有材料は、１つ以上の軸線の寸法が約０．００１ｍｍ〜約５０ｍｍ（例：ワイヤの場合、約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍの直径、又はリボンの場合、約０．００１ｍｍ〜約５ｍｍの厚さ）である工作物の形状であってよい。窒化鉄含有工作物は、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ窒化鉄相ドメインを含んでよい。
【０１０６】
図５に示される技術はさらに、窒化鉄含有工作物の歪導入及びポストアニーリングを含む（６６）。歪導入及びポストアニーリングプロセスは、Ｆｅ8Ｎ窒化鉄相ドメインの少なくとも一部を、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインに変換することができる。図６は、窒化鉄含有工作物（６６）の歪導入及びポストアニーリングに用いられてよい装置の例を示す概念図である。図６に示される装置７０は、窒化鉄含有工作物７４が巻き出される第一のローラー７２、及びポストアニーリングプロセスの完了後に窒化鉄含有工作物７４が巻き取られる第二のローラー７６を含む。図６に示される例は、窒化鉄含有工作物７４に関して記載されるが、その他の例では、装置７０及び技術は、上述した工作物の形状のいずれかなどの異なる形状を定める窒化鉄含有材料に用いられてもよい。
【０１０７】
例えば、工作物は、工作物の他の寸法よりも長い、例えば非常に長い寸法を含む。他の寸法よりも長い寸法を持つ工作物の例としては、ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、シートなどが挙げられる。その他の例では、工作物は、工作物の他の寸法よりも長い寸法を持たなくてもよい。例えば、工作物は、球形、円柱形、小片、フレーク、規則的多面体、不規則的多面体、及びこれらのいずれかの組み合わせなどの粒子又は粉末を含んでよい。適切な規則的多面体の例としては、四面体、六面体、八面体、十面体、十二面体などが挙げられ、それらの限定されない例としては、立方体、角柱、角錐などが挙げられる。
【０１０８】
一般的に、アニーリングと同時に充分に応力印加が可能であるいかなる二次元又は三次元形状も、本明細書で述べる技術に組み込むことができる。例えば、引張応力を作り出すのに充分に大きいプレスを用いることにより、ワイヤを円柱形とすることができる。いくつかの例では、工作物は、非円形状断面を有してよい。１つ以上の種類の形状、断面、又はその両方を持つ複数の工作物が、本明細書で述べる技術において組み合わされて用いられてもよい。いくつかの例では、工作物断面は、円弧形状、楕円形状、三角形状、正方形状、四角形状、五角形状、六角形状、それより多い多角形状、並びに規則的多角形状及び不規則多面体状のその変化形であってよい。従って、工作物が適切に応力印加可能である限りにおいて、工作物は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを形成するように誘導可能である。
【０１０９】
窒化鉄含有工作物７４が第一のローラー７２から巻き出されるに従って、窒化鉄含有工作物７４は、所望に応じて存在してよい整直セクション７８を通り、これは、窒化鉄含有工作物７４と接触して窒化鉄含有工作物７４を実質的に整直化（例：整直化又はほぼ整直化）する複数のローラーを含んでよい。所望に応じて存在してよい整直セクション７８の後、窒化鉄含有工作物７４は、所望に応じて存在してよい洗浄セクション８０を通過し、ここで、窒化鉄含有工作物７４は、例えばスクラビング、及び水、又は表面ドーパントは除去するが窒化鉄含有工作物７４とは実質的に反応しない別の溶媒を用いて洗浄されてよい。
【０１１０】
所望に応じて存在してよい洗浄セクション８０を出ると、窒化鉄含有工作物７４は、ローラーの第一のセット８２の間を通り、歪導入及びポストアニーリングセクション８４へ向かう。歪導入及びポストアニーリングセクション８４は、窒化鉄含有工作物７４は、例えば加熱されながらの延伸及び／又はプレスにより、機械的歪に掛けられる。いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４は、窒化鉄含有工作物７４中の少なくとも１つの鉄結晶の＜００１＞軸線に対して実質的に平行（例：平行又はほぼ平行）である方向に沿って歪導入されてよい。いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４は、体心立方（ｂｃｃ）結晶構造を持つ窒化鉄から形成される。いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４は、複数のｂｃｃ窒化鉄結晶から形成されてよい。このような例のいくつかにおいて、複数の鉄結晶は、個々の単位胞及び／又は結晶の＜００１＞軸線の少なくとも一部、例えば大部分又は実質的にすべてが、窒化鉄含有工作物７４に歪が印加される方向に対して実質的に平行であるように配向される。例えば、鉄が窒化鉄含有工作物７４として形成される場合、＜００１＞軸線の少なくとも一部は、窒化鉄含有工作物７４の主軸線に対して実質的に平行であってよい。
【０１１１】
非歪導入鉄ｂｃｃ結晶格子において、結晶単位胞の＜１００＞、＜０１０＞、及び＜００１＞軸線は、実質的に同じ長さを有していてよい。しかし、引張力を例とする力が、＜００１＞結晶軸線を例とする結晶軸線のうちの１つに対して実質的に平行である方向で結晶単位胞に印加される場合、単位胞は、変形し得るものであり、鉄結晶構造は、体心立方（ｂｃｔ）と称され得る。例えば、図７は、鉄原子間の格子間空隙に窒素原子が挿入された歪状態にある８つの鉄単位胞を示す概念図である。図７の例は、第一の層９２に４つの鉄単位胞、及び第二の層９４に４つの鉄単位胞を含む。第二の層９４は、第一の層９２の上に重なっており、第二の層９４の単位胞は、第一の層９２の単位胞と実質的に整列されている（例：単位胞の＜００１＞結晶軸線が、層間で実質的に整列されている）。図７に示されるように、鉄単位胞は、＜００１＞軸線に沿った単位胞の長さがおよそ３．１４オングストローム（Å）である一方、＜０１０＞及び＜１００＞軸線に沿った単位胞の長さがおよそ２．８６Åであるように変形される。鉄単位胞は、歪状態にある場合、ｂｃｔ単位胞と称され得る。鉄単位胞が歪状態にある場合、＜００１＞軸線は、単位胞のｃ軸線と称され得る。
【０１１２】
歪は、様々な歪導入装置を用いて窒化鉄含有工作物７４に施されてよい。例えば、図６に示されるように、窒化鉄含有工作物７４は、第一のローラーセット８２及び第二のローラーセット８６によって受けられてよく（例：その周りに巻き取られる）、ローラーセット８２、８６は逆方向に回転して、窒化鉄含有工作物７４に引張力が施されてよい。その他の例では、窒化鉄含有工作物７４の両端部が、クランプを例とする機械的グリップによって掴まれてよく、機械的グリップは、互いから離れるように移動されて、窒化鉄含有工作物７４に引張力が施されてよい。
【０１１３】
歪導入装置は、特定の延伸状態まで窒化鉄含有工作物７４に歪導入してよい。例えば、窒化鉄含有工作物７４上の歪は、約０．３％〜約１２％であってよい。その他の例では、窒化鉄含有工作物７４上の歪は、約０．３％未満又は約１２％超であってよい。いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４に特定の歪を施すことによって、鉄の個々の単位胞に実質的に類似する歪をもたらすことができ、それによって、単位胞は、＜００１＞軸線に沿って、約０．３％〜約１２％延伸される。
【０１１４】
窒化鉄含有工作物７４が歪導入される間、窒化鉄含有工作物７４は、窒化鉄含有工作物７４のアニーリングのために加熱されてよい。窒化鉄含有工作物７４のアニーリングは、窒化鉄含有工作物７４を約１２０℃〜約２００℃などの約１００℃〜約２５０℃の温度に加熱することによって行われてよい。窒化鉄含有工作物７４を歪導入する間に窒化鉄含有工作物７４をアニーリングすることにより、窒化鉄相ドメインの少なくとも一部のＦｅ16Ｎ2相ドメインへの変換を促進することができる。
【０１１５】
アニーリングプロセスは、窒素原子の適切な格子間空隙への拡散を可能とするのに充分である所定の時間にわたって継続されてよい。いくつかの例では、アニーリングプロセスは、約４０時間〜約６０時間などの約２０時間〜約１００時間にわたって継続される。いくつかの例では、アニーリングプロセスは、鉄の酸化を低減又は実質的に防止するために、Ａｒなどの不活性雰囲気下で行われてよい。いくつかの実施では、窒化鉄含有工作物７４がアニーリングされる間、温度は、実質的に一定に保持される。
【０１１６】
図８は、平行に配置した複数の窒化鉄含有工作物７４に対する歪導入及びアニーリングを行うために用いられてよい技術の例を示す概念図である。図８に示される例は、窒化鉄含有工作物７４に関して記載されるが、その他の例では、図８の技術は、上述した工作物の形状のいずれかなどの異なる形状を定める窒化鉄含有材料に用いられてもよい。図８に示される技術の例では、複数の窒化鉄含有工作物７４は、平行に配置されており、窒化鉄含有工作物７４の各々は、多結晶窒化鉄を含む領域１０２、及び単一のＦｅ16Ｎ2相ドメインから本質的に成る領域１０４を含む。
【０１１７】
図８に示されるように、加熱コイル１０６が、複数の窒化鉄含有工作物７４に隣接して配置され、それぞれの窒化鉄含有工作物７４の主軸線に対して実質的に平行であってよい矢印１０８で示される方向へ、複数の窒化鉄含有工作物７４に対して移動する。複数の窒化鉄含有工作物７４の各々は、図８に示されるように、及び図６に示されるローラーの第一及び第二のセット８２及び８６に類似して、ローラーを用いて歪導入されてよい。加熱コイル１０６が工作物７４に対して移動するに従って（例：コイル１０６及び／又は工作物７４の動きによって）、工作物７４は歪下でアニーリングされ、工作物７４の相構成成分の少なくとも一部が、異なる窒化鉄相（例：Ｆｅ8Ｎ、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ（例：ξ‐Ｆｅ2Ｎ）、Ｆｅ3Ｎ（例：ε‐Ｆｅ3Ｎ）、Ｆｅ4Ｎ（例：γ‐Ｆｅ4Ｎ）、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、及びＦｅＮ×（ｘは、約０．０５〜約０．５である））からＦｅ16Ｎ2に変化する。いくつかの例では、多結晶窒化鉄領域１０２中に存在する実質的にすべての窒化鉄が、Ｆｅ16Ｎ2に変態する。いくつかの場合では、鉄工作物７４の各々は、アニーリング後、単一のＦｅ16Ｎ2相ドメイン１０４から本質的に成る。
【０１１８】
いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４の歪導入及びアニーリングに用いられる装置に関わらず、窒化鉄含有工作物７４に対して施される歪は、少なくとも１つの軸線における窒化鉄含有工作物７４の寸法を減少させるのに充分である。上述のように、いくつかの実施では、鋳造、急冷、及びプレスの後、窒化鉄含有工作物７４の少なくとも１つの軸線における寸法は、約１ｍｍ〜約５ｍｍに定められてよい。歪導入及びアニーリングの後（６６）、いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４の少なくとも１つの軸線における寸法は、約０．１ｍｍ未満に定められてよい。いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４の少なくとも１つの軸線における寸法が約０．１ｍｍ未満に定められる場合、窒化鉄含有工作物７４は、単一のＦｅ16Ｎ2相ドメインなど、単一のドメイン構造から本質的に成ってよい。このことは、高い異方性に寄与することができ、その結果として、低い異方性の窒化鉄磁石よりも高いエネルギー積を得ることができる。例えば、単一のＦｅ16Ｎ2相ドメインから本質的に成る窒化鉄含有工作物は、４０００Ｏｅという高さの保磁力及び３０ＭＧＯｅという高さのエネルギー積を有することができる。
【０１１９】
いくつかの例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物の形成後、工作物は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物に対する所定の方向である所定の充分に大きいモーメントを持つ磁場に工作物を暴露することによって、磁化されてよい。加えて、又は別の選択肢として、以下で述べるように、いくつかの例では、窒化鉄含有工作物７４は、他の窒化鉄含有工作物７４と共に集合されて、より大きい磁石が形成されてよい。
【０１２０】
図５を参照して記載される技術の例では、窒化鉄含有材料が投入物として用いられた。その他の例では、鉄含有材料（窒化鉄含有材料とは対照的に）が用いられてよく、Ｆｅ16Ｎ2を含む工作物を形成するプロセスの一部として窒化されてよい。いくつかの例では、図１〜４に関して上記で述べる技術が用いられて、鉄含有原材料が窒化されてよい。この窒化鉄含有粉末が、次に、図５で示される技術における投入物として用いられてよい。
【０１２１】
その他の例では、鉄含有材料の窒化に異なる技術が用いられてよい。図９は、尿素拡散プロセスを用いて鉄含有原材料を窒化するために用いられてよい装置の例の概念図である。そのような尿素拡散プロセスは、鉄含有材料が単結晶鉄、多結晶鉄などを含むかどうかに関わらず、鉄含有原材料の窒化に用いられてよい。さらに、ワイヤ、リボン、シート、粉末、又はバルクなどの異なる形状の鉄材料も、尿素拡散プロセスを用いて窒素を注入することができる。例えば、いくつかのワイヤ材料の場合、ワイヤの直径は、例えば数マイクロメートル〜数ミリメートルであってよい。別の例として、いくつかのシート又はリボン材料の場合、シート又はリボンの厚さは、例えば数ナノメートル〜数ミリメートルであってよい。さらなる例として、いくつかのバルク材料の場合、材料の質量は、例えば約１ミリグラム〜数キログラムであってよい。
【０１２２】
示されるように、装置１１０は、真空炉１１４中に坩堝１１２を含む。鉄含有材料１２２は、尿素１１８と共に坩堝１１２中に配置される。図９に示されるように、Ａｒ及び水素を含むキャリアガスが、尿素拡散プロセスの過程で坩堝１１２へ供給される。その他の例では、異なるキャリアガスが用いられてよく、又はさらには、キャリアガスが用いられなくてもよい。いくつかの例では、尿素拡散プロセスの過程での真空炉１１４中のガス流速は、およそ５ｓｃｃｍ〜およそ５０ｓｃｃｍであってよく、例えば、２０ｓｃｃｍ〜およそ５０ｓｃｃｍ、又は５ｓｃｃｍ〜およそ２０ｓｃｃｍなどである。
【０１２３】
加熱コイル１１６は、尿素拡散プロセスの過程において、例えば渦電流、誘導電流、高周波などの適切ないかなる技術を用いて鉄含有材料１２２及び尿素１１８を加熱してもよい。坩堝１１２は、尿素拡散プロセスの過程で用いられる温度に耐えるように構成されてよい。いくつかの例では、坩堝１１２は、およそ１６００℃までの温度に耐えることが可能であってよい。
【０１２４】
尿素１１８は、鉄含有材料１２２と共に加熱されて窒素を発生させてよく、それが鉄含有材料１２２中に拡散して、窒化鉄含有材料が形成されてよい。いくつかの例では、尿素１１８及び鉄含有材料１２２は、坩堝１１２中にておよそ６５０℃以上まで加熱されてよく、続いて、冷却によって鉄及び窒素の混合物が急冷され、窒化鉄含有材料が形成されてよい。いくつかの例では、尿素１１８及び鉄含有材料１２２は、坩堝１１２中、およそ５分間〜およそ１時間にわたって、およそ６５０℃以上まで加熱されてよい。いくつかの例では、尿素１１８及び鉄含有材料１２２は、数分間〜およそ１時間にわたって、およそ１０００℃〜およそ１５００℃まで加熱されてよい。加熱の時間は、異なる温度での窒素の熱係数に依存し得る。例えば、鉄含有材料１２２が約１マイクロメートルの厚さを有する場合、拡散プロセスは、約１２００℃では約５分間で、１１００℃では約１２分間で完了し得る、などである。
【０１２５】
急冷プロセスの過程での加熱材料の冷却のために、坩堝１１２の外側を冷水が循環して、内容物を急速に冷却してよい。いくつかの例では、温度は、約２０秒間で６５０℃から室温まで低下され得る。
【０１２６】
尿素拡散プロセスで形成された窒化鉄含有材料は、次に、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物を形成するために、図５に示される技術への投入物として用いられてよい。従って、窒化鉄含有材料又は鉄含有材料のいずれかが、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物を形成するために用いられてよい。しかし、窒化鉄含有材料が出発材料として用いられる場合、さらなる窒化が行われる必要はなく、このことにより、鉄含有原材料の窒化を含む技術と比較して、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物を製造するコストを低下させることができる。
【０１２７】
いくつかの例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物は、続いて接合されて、個々の工作物よりもサイズの大きい磁性材料が形成されてよい。いくつかの例では、上述のように、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物は、少なくとも１つの軸線において、０．１ｍｍ未満の寸法を定めてよい。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物が接合されて、少なくとも１つの軸線において０．１ｍｍを超えるサイズを持つ磁性材料が形成されてよい。図１０Ａ〜１０Ｃは、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための技術の例を示す概念図である。図１０Ａに示されるように、スズ（Ｓｎ）１３２が、第一の工作物１３４及び第二の工作物１３６などの少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも１つの工作物の面上に配置されてよい。図１０Ａ〜１０Ｂに示されるように、晶子及び原子の移動によって、Ｓｎの凝集が引き起こされ得る。第一の工作物１３４及び第二の工作物１３６は、次に、一緒にプレスされ、加熱されて、鉄‐スズ（Ｆｅ‐Ｓｎ）合金が形成されてよい。Ｆｅ‐Ｓｎ合金は、約１５０℃〜約４００℃の温度でアニーリングされて、第一の工作物１３４及び第二の工作物１３６が接合されてよい。いくつかの例では、アニーリング温度は、第一の工作物１３４及び第二の工作物１３６の磁気特性（例：工作物１３４及び１３６中の少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2及びＦｅ16Ｎ2相ドメインの一部の磁化）が実質的に変化され得ない充分に低い温度であってよい。いくつかの例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物の接合にＳｎ１３２が用いられる代わりに、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇが用いられてもよい。
【０１２８】
いくつかの例では、それぞれの工作物１３４及び１３６の＜００１＞結晶軸線は、実質的に整列されてよい。それぞれの工作物１３４及び１３６の＜００１＞結晶軸線がそれぞれの工作物１３４及び１３６の長軸線に対して実質的に平行である例では、工作物１３４及び１３６の長軸線を実質的に整列させることによって、工作物１３４及び１３６の＜００１＞結晶軸線を実質的に整列することができる。それぞれの工作物１３４及び１３６の＜００１＞結晶軸線を整列させることにより、工作物１３４及び１３６から形成される磁石に対して、一軸磁気異方性を提供することができる。
【０１２９】
図１１は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための技術の別の例を示す概念図である。図１１に示されるように、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１４２が、長軸線を実質的に整列させて互いに隣接して配置される。上述のように、いくつかの例では、工作物１４２の長軸線を実質的に整列させることによって、工作物１４２の＜００１＞結晶軸線を実質的に整列させることができ、それによって、工作物１４２から形成される磁石に対して、一軸磁気異方性を提供することができる。
【０１３０】
図１１の例では、強磁性粒子１４４が、樹脂又はその他の接着剤１４６中に配置される。樹脂又はその他の接着剤１４６の例としては、天然又は合成の樹脂が挙げられ、ミシガン州ミッドランドのダウケミカル社（The Dow Chemical Company）からＡｍｂｅｒｌｉｔｅ（商標）の商品名で入手可能であるものなどのイオン交換樹脂；ビスマレイミド‐トリアジン（ＢＴ）‐エポキシなどのエポキシ；ポリアクリロニトリル；ポリエステル；シリコーン；プレポリマー；ポリビニルブチラール；尿素‐ホルムアルデヒドなどが含まれる。樹脂又はその他の接着剤１４６が、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１４２を実質的に完全に封入しており、及び強磁性粒子１４４が、樹脂又はその他の接着剤１４６の実質的に体積全体に配置され得ることから、少なくとも一部の強磁性粒子１４４は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１４２の隣接する工作物間に配置される。いくつかの例では、樹脂又はその他の接着剤１４６は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１４２を互いに結合させるために硬化されてよい。
【０１３１】
強磁性粒子１４４は、交換スプリングカップリングを介して、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１４２中のＦｅ16Ｎ2硬磁性材料と磁気的にカップリングすることができる。交換スプリングカップリングは、軟磁性強磁性粒子１４４を実質的に硬磁性とし、及び本質的にＦｅ16Ｎ2から成るバルク材料に類似する磁気特性をバルク材料に提供することができる。磁性材料の体積全体にわたる交換スプリングカップリングを達成するために、Ｆｅ16Ｎ2ドメインは、磁気構造１４０全体にわたって、例えばナノメートル又はマイクロメートルスケールで分布されてよい。
【０１３２】
いくつかの例では、Ｆｅ16Ｎ2ドメイン及び強磁性粒子１４４のドメイン、並びに樹脂又はその他の接着剤１４６を含む磁性材料のＦｅ16Ｎ2ドメインの体積分率は、全磁気構造１４０の約４０体積パーセント（体積％）未満であってよい。例えば、硬磁性Ｆｅ16Ｎ2相は、磁気構造１４０の全体積の約５体積％〜約４０体積％、又は磁気構造１４０の全体積の約５体積％〜約２０体積％、又は磁気構造１４０の全体積の約１０体積％〜約２０体積％、又は磁気構造１４０の全体積の約１０体積％〜約１５体積％、又は磁気構造１４０の全体積の約１０体積％を占め、残りの体積が強磁性粒子１４４及び樹脂又はその他の接着剤１４６であってよい。強磁性粒子１４４としては、例えば、Ｆｅ、ＦｅＣｏ、Ｆｅ8Ｎ、又はこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【０１３３】
いくつかの例では、磁気構造１４０は、約５０℃〜約２００℃の温度にて、約０．５時間〜約２０時間にわたってアニーリングされて、堅固な磁気構造１４０が形成されてよい。
【０１３４】
図１２は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するための別の技術を示す概念図である。図１２は、圧縮衝撃を発生させるために用いられてよい圧縮衝撃装置を示しており、それによって、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物が接合される。図１３は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１７２の周囲に強磁性粒子１４４が配置された少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１７２を示す概念図である。図１３に示されるように、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１７２は、互いに隣接し、長軸線が実質的に整列されて配置される。上述のように、いくつかの例では、工作物１７２の長軸線を実質的に整列することによって、工作物１７２の＜００１＞結晶軸線を実質的に整列することができ、それによって、工作物１７２から形成される磁石に対して、一軸磁気異方性を提供することができる。少なくともいくつかの強磁性粒子１７４が、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１７２の隣接する工作物間に配置される。
【０１３５】
いくつかの例では、衝撃圧縮は、平行プレート間に工作物１７２を配置することを含んでよい。工作物１７２は、平行プレートの一方又は両方の裏側に取り付けられた導管を通して液体窒素を流すことによって、例えば０℃未満の温度まで冷却されてよい。ガスガンを用いて、約８５０ｍ／秒などの高速でのガスの噴出による衝撃を平行プレートの一方に与えてよい。いくつかの例では、ガスガンは、約４０ｍｍ〜約８０ｍｍの直径を有してよい。
【０１３６】
衝撃圧縮の後、強磁性粒子１７４は、交換スプリングカップリングを介して、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１７２中のＦｅ16Ｎ2硬磁性材料と磁気的にカップリングすることができる。交換スプリングカップリングは、軟磁性強磁性粒子１７４を実質的に硬磁性とし、及び本質的にＦｅ16Ｎ2から成るバルク材料に類似する磁気特性をバルク材料に提供することができる。磁性材料の体積全体にわたる交換スプリングカップリングを達成するために、Ｆｅ16Ｎ2ドメインは、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１７２及び強磁性粒子１７４によって形成される磁気構造全体にわたって、例えばナノメートル又はマイクロメートルスケールで分布されてよい。
【０１３７】
いくつかの例では、Ｆｅ16Ｎ2ドメイン及び強磁性粒子１７４のドメインを含む磁性材料のＦｅ16Ｎ2ドメインの体積分率は、全磁気構造の約４０体積パーセント（体積％）未満であってよい。例えば、硬磁性Ｆｅ16Ｎ2相は、磁気構造の全体積の約５体積％〜約４０体積％、又は磁気構造の全体積の約５体積％〜約２０体積％、又は磁気構造の全体積の約１０体積％〜約２０体積％、又は磁気構造の全体積の約１０体積％〜約１５体積％、又は磁気構造の全体積の約１０体積％を占め、残りの体積が強磁性粒子１７４であってよい。強磁性粒子１７４としては、例えば、Ｆｅ、ＦｅＣｏ、Ｆｅ8Ｎ、又はこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【０１３８】
図１４は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物を接合するために用いられてよい別の装置の概念図である。図１４の装置１８０は、それを通して電流が印加されてよい誘導コイル１８６を含み、それが電磁場を発生させる。電流は、パルスとして作り出されて、電磁力が発生されてよく、それは、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物１８２を緻密化する補助とされてよい。いくつかの例では、強磁性粒子１８４が、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物１８２の周囲に配置されてよい。いくつかの例では、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物１８２が、導電性コイル１８６の内径内にある電気伝導性管又は容器中に配置されてよい。導電性コイル１８６には、高電流によるパルスが印加されて、導電性コイル１８６の内径内に磁場が発生されてよく、それが続いて、電気伝導性管又は容器に電流を誘導する。この誘導電流は、導電性コイル１８６によって発生された磁場と相互作用を起こして、電気伝導性管又は容器を崩壊させる内向きに作用する磁力を発生させる。崩壊する電磁容器又は管は、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物１８２に力を伝達し、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物１８２を接合させる。Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む少なくとも２つの工作物１８２を強磁性粒子１８４と共に緻密化した後、強磁性粒子１８４は、交換スプリングカップリングを介して、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物１８２中のＦｅ16Ｎ2硬磁性材料と磁気的にカップリングすることができる。いくつかの例では、この技術を用いて、円柱対称、高アスペクト比、又は正味形状（工作物の所望される最終形状に対応する形状）のうちの少なくとも１つを有する工作物を作製することができる。
【０１３９】
いくつかの例では、Ｆｅ16Ｎ2ドメイン及び強磁性粒子１８４のドメインを含む磁性材料のＦｅ16Ｎ2ドメインの体積分率は、全磁気構造の約４０体積パーセント（体積％）未満であってよい。例えば、硬磁性Ｆｅ16Ｎ2相は、磁気構造の全体積の約５体積％〜約４０体積％、又は磁気構造の全体積の約５体積％〜約２０体積％、又は磁気構造の全体積の約１０体積％〜約２０体積％、又は磁気構造の全体積の約１０体積％〜約１５体積％、又は磁気構造の全体積の約１０体積％を占め、残りの体積が強磁性粒子１８４であってよい。強磁性粒子１８４としては、例えば、Ｆｅ、ＦｅＣｏ、Ｆｅ8Ｎ、又はこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【０１４０】
上記の例のいずれにおいても、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の緻密化を補助するためのその他の技術が用いられてよく、圧力、電気パルス、スパーク、外部磁場の印加、高周波シグナル、レーザー加熱、赤外線加熱などである。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合するための技術のこれらの例の各々は、用いられる温度がＦｅ16Ｎ2相ドメインを実質的に改変（例：Ｆｅ16Ｎ2相ドメインをその他のタイプの窒化鉄に変換することによる）することなく維持し得るように、比較的低い温度を含み得る。
【０１４１】
いくつかの例では、本開示は、窒化鉄を含む粉末からＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁石を形成するための技術について記載する。Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む永久磁石を形成するために窒化鉄含有原材料を用いることにより、鉄のさらなる窒化を省略することができ、それによって、例えば純粋鉄を窒化することを含む技術と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む永久磁石を形成するコストを低減することができる。
【０１４２】
図１５は、窒化鉄（例：Ｆｅ16Ｎ2相ドメイン）を含む磁石を形成するための技術の例を示すフロー図である。図１５に示されるように、この技術は、およそ８：１の鉄対窒素原子比を有する混合物を形成することを含む（１９２）。例えば、この混合物は、約８原子パーセント（原子％）〜約１５原子％の窒素を含んでよく、残量が、鉄、その他の元素、及びドーパントであってよい。別の例として、混合物は、約１０原子％〜約１３原子％の窒素、又は約１１．１原子％の窒素を含んでよい。
【０１４３】
いくつかの例では、上記で述べた窒素源（例：アミド若しくはヒドラジン含有液体又は溶液）中で鉄を粉砕することによって形成される窒化鉄含有粉末は、およそ８：１の鉄対窒素原子比を有する混合物として用いられてよい。窒化鉄含有粉末は、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、又はＦｅＮ×（ｘは、約０．０５〜約０．５である）のうちの少なくとも１つを含んでよい。加えて、窒化鉄粉末は、純粋鉄、コバルト、ニッケル、ドーパントなどのその他の物質を含んでもよい。
【０１４４】
いくつかの例では、窒化鉄含有粉末は、純粋鉄と混合されて、所望される鉄対窒素原子比が確立されてよい。異なる種類の窒化鉄含有粉末と純粋鉄との具体的な比率は、窒化鉄含有粉末中の窒化鉄の種類及び比率によって影響され得る。上述のように、窒化鉄含有粉末は、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ（例：ξ‐Ｆｅ2Ｎ）、Ｆｅ3Ｎ（例：ε‐Ｆｅ3Ｎ）、Ｆｅ4Ｎ（例：γ′‐Ｆｅ4Ｎ）、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、及びＦｅＮ×（ｘは、約０．０５〜約０．５である）のうちの少なくとも１つを含んでよい。
【０１４５】
およそ８：１の鉄対窒素比を持つ得られた混合物は、次に、窒化鉄相ドメインを含む磁石に成形されてよい（１９４）。およそ８：１の鉄対窒素比を持つ混合物は、例えば、溶融され、所定の形状を有する物品に成形され、及びアニーリングによってその物品中にＦｅ16Ｎ2相ドメイン（例：α″‐Ｆｅ16Ｎ2相ドメイン）が形成されてよい。図１６〜１８は、窒化鉄相ドメインを含む磁石を形成するための技術の３つの例を示すフロー図である（９４）。
【０１４６】
図１６に示されるように、第一の例の技術は、溶融窒化鉄混合物を形成することを含む（２０２）。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、少なくとも９２原子パーセント（原子％）の純度（例：鉄及び窒素の含有量の合計）を有してよい。
【０１４７】
いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、強磁性若しくは非磁性ドーパントなどの少なくとも１つのドーパント、及び／又は相安定化剤を含んでよい。いくつかの例では、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントは、強磁性又は非磁性不純物と称される場合があり、及び／又は相安定化剤は、相安定化不純物と称される場合がある。強磁性又は非磁性ドーパントを用いて、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の磁気モーメント、保磁力、又は熱安定性のうちの少なくとも１つを増加させることができる。強磁性又は非磁性ドーパントの例としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、及びＴａが挙げられる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物中には、２つ以上（例：少なくとも２つ）の強磁性又は非磁性ドーパントが含まれてよい。いくつかの例では、強磁性又は非磁性ドーパントは、ドメイン磁壁ピニング位置として機能することができ、これは、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の保磁力を改善することができる。
【０１４８】
別の選択肢として、又は加えて、鉄及び窒素を含む混合物は、少なくとも１つの相安定化剤を含んでよい。少なくとも１つの相安定化剤は、Ｆｅ16Ｎ2体積比、熱安定性、保磁力、及び耐浸食性のうちの少なくとも１つを改善するように選択された元素であってよい。混合物中に存在する場合、少なくとも１つの相安定化剤は、約０．１原子％〜約１５原子％の濃度で、鉄及び窒素を含む混合物中に存在してよい。混合物中に少なくとも２つの相安定化剤が存在するいくつかの例では、少なくとも２つの相安定化剤の合計濃度は、約０．１原子％〜約１５原子％であってよい。少なくとも１つの相安定化剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、及び／又はＳが挙げられ得る。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。
【０１４９】
いくつかの例では、溶融窒化鉄混合物を形成することは（２０２）は、鉄及び窒素、並びに所望に応じて、少なくとも１つの非磁性若しくは強磁性ドーパント及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含む混合物を、約１５００℃を超える温度で加熱することを含んでよい。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、高周波（ＲＦ）誘導コイルを用いた炉中で加熱されてよい。バルク窒化鉄含有材料が用いられる例では、炉は、約１６００℃を超える温度で加熱されてよい。窒化鉄含有粉末が用いられる例では、炉は、約２０００℃を超える温度で加熱されてよい。
【０１５０】
その他の例では、鉄及び窒素を含む混合物は、低又は中周波誘導コイルを用いた炉中で加熱されてよい。炉の加熱に低又は中周波誘導コイルが用いられるいくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物としてバルク窒化鉄含有材料又は窒化鉄含有粉末が用いられるかに関わらず、炉は、約１６００℃を超える温度で加熱されてよい。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、周囲雰囲気下で加熱されてよい。
【０１５１】
鉄及び窒素を含む混合物が溶融されると、混合物は、鋳造、急冷、及びプレスのプロセスに掛けられて、窒化鉄含有工作物が形成されてよい（２０４）。鉄及び窒素を含む溶融混合物は、モールド中に堆積されてよく、そこで、鉄及び窒素を含む混合物は、その幅若しくは直径よりも大きい長さを有する少なくとも１つの工作物又はその他の物品などの所定の形状へと成形されてよい。鋳造プロセスの過程にて、モールドの温度は、鋳造速度に応じて、約６５０℃〜約１２００℃の温度に維持されてよい。いくつかの例では、鋳造プロセスの過程にて、モールドの温度は、約８００℃〜約１２００℃の温度に維持されてよい。いくつかの例では、鋳造プロセスは、空気中、窒素環境中、不活性環境中、部分真空中、完全真空中、又はこれらのいずれの組み合わせで行われてもよい。いくつかの例では、鋳造時の圧力は、約０．１ＧＰａ〜約２０ＧＰａであってよい。いくつかの実施において、鋳造及び急冷プロセスは、歪場、温度場、圧力場、磁場、及び／若しくは電場、又はこれらのいずれの組み合わせによって補助されてもよい。
【０１５２】
鋳造の完了後、又は鋳造プロセスが完了される間において、鉄及び窒素を含む混合物は、急冷されて、窒化鉄含有材料の結晶構造及び相組成が固定されてよい。いくつかの例では、急冷プロセスは、約０．５時間〜約２０時間にわたって６５０℃を超える温度まで工作物を加熱することを含む。いくつかの例では、工作物の温度は、工作物合金のマルテンサイト温度（Ｍｓ）未満に急低下されてよい。例えば、Ｆｅ16Ｎ2の場合、マルテンサイト温度（Ｍｓ）は、約２５０℃である。いくつかの例では、鉄及び窒素を含む混合物は、急冷プロセスの過程にて、毎秒５０℃を超える速度で冷却されてよい。急冷に用いられる媒体としては、水、鹹水（約１％〜約３０％の塩濃度）、油などの非水性液体若しくは溶液、又は液体窒素などの液体が挙げられ得る。その他の例では、急冷媒体は、約１ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍの流速である窒素ガスなどのガスが挙げられ得る。その他の例では、急冷媒体は、塩、砂などの固体が挙げられ得る。いくつかの実施において、急冷プロセスを補助するために、電場又は磁場が印加されてよい。
【０１５３】
急冷の完了後、窒化鉄含有材料は、プレスされて、窒化鉄含有材料の所定のサイズが達成されてよい。プレスプロセスの過程にて、窒化鉄含有材料の温度は、約２５０℃よりも低く維持されてよく、窒化鉄含有材料は、窒化鉄含有材料の所望される最終寸法に応じて、約５トン〜５０トンの圧力に暴露されてよい。いくつかの例では、少なくとも１つの軸線における工作物の寸法の減少を促進するために、ローラーを用いて窒化鉄含有材料に圧力が施されてよい。いくつかの例では、プレスプロセス時の窒化鉄含有材料の温度は、約−１５０℃〜約３００℃であってよい。プレスプロセスが完了すると、窒化鉄含有材料は、上述のように、少なくとも１つの軸線における寸法が約０．０１ｍｍ〜約５０ｍｍである工作物の形状であってよい。窒化鉄含有工作物は、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ窒化鉄相ドメインを含んでよい。
【０１５４】
図１６に示される技術はさらに、窒化鉄含有工作物をアニーリングすることを含む（２０６）。アニーリングプロセスは、Ｆｅ8Ｎ窒化鉄相ドメインの少なくとも一部を、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインに変換することができる。いくつかの例では、アニーリングプロセスは、図５に関して記載した歪導入及びアニーリング工程（６６）に類似するか、又は実質的に同じ（例：同じ又はほぼ同じ）であってよい。歪導入装置は、特定の延伸状態まで窒化鉄含有工作物に歪導入してよい。例えば、窒化鉄含有工作物上の歪は、約０．３％〜約１２％であってよい。その他の例では、窒化鉄含有工作物上の歪は、約０．３％未満又は約１２％超であってよい。いくつかの例では、窒化鉄含有工作物に特定の歪を施すことによって、鉄の個々の単位胞に実質的に類似する歪をもたらすことができ、それによって、単位胞は、＜００１＞軸線に沿って、約０．３％〜約１２％延伸される。
【０１５５】
窒化鉄含有工作物が歪導入される間、窒化鉄含有工作物は、窒化鉄含有のアニーリングのために加熱されてよい。窒化鉄含有工作物のアニーリングは、窒化鉄含有工作物を約１２０℃〜約２００℃などの約１００℃〜約２５０℃の温度に加熱することによって行われてよい。窒化鉄含有工作物を歪導入する間に窒化鉄含有工作物をアニーリングすることにより、窒化鉄相ドメインの少なくとも一部のＦｅ16Ｎ2相ドメインへの変換を促進することができる。
【０１５６】
アニーリングプロセスは、窒素原子の適切な格子間空隙への拡散を可能とするのに充分である所定の時間にわたって継続されてよい。いくつかの例では、アニーリングプロセスは、約４０時間〜約６０時間などの約２０時間〜約１００時間にわたって継続される。いくつかの例では、アニーリングプロセスは、鉄の酸化を低減又は実質的に防止するために、Ａｒなどの不活性雰囲気下で行われてよい。いくつかの実施では、窒化鉄含有工作物がアニーリングされる間、温度は、実質的に一定に保持される。
【０１５７】
アニーリングプロセスが完了すると、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物は、磁性材料を形成するために一緒に焼結され、及びエージングされてよい（２０８）。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物は、一緒にプレスされ、焼結されてよい。焼結プロセス時には、それぞれの工作物の＜００１＞結晶軸線は、実質的に整列されてよい。それぞれの工作物の＜００１＞結晶軸線がそれぞれの工作物の長軸線に対して実質的に平行である例では、工作物の長軸線を実質的に整列させることにより、工作物の＜００１＞結晶軸線を実質的に整列させることができる。それぞれの工作物の＜００１＞結晶軸線を整列させることにより、工作物から形成される磁性材料に対して、一軸磁気異方性を提供することができる。
【０１５８】
焼結圧力、温度、及び継続時間は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の結晶構造は維持した状態で（例：Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含むように）、工作物を機械的に接合するように選択されてよい。従って、いくつかの例では、焼結は、比較的低い温度で実施されてよい。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満であってよく、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は約１５０℃などである。焼結圧力は、例えば、約０．２ＧＰａ〜約１０ＧＰａであってよい。焼結時間は、少なくとも約５時間であってよく、少なくとも約２０時間、又は約５時間〜約１００時間、又は約２０時間〜約１００時間、又は約４０時間であってよい。焼結時間、温度、及び圧力は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物中の物質によって影響され得る。焼結は、周囲雰囲気、窒素雰囲気、真空、又は別の不活性雰囲気中で実施されてよい。
【０１５９】
Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む焼結された材料は、次にエージングされてよい。いくつかの例では、焼結された材料のエージングは、約１００℃〜約５００℃の温度にて、約０．５時間〜約５０時間にわたって行われる。エージング工程により、焼結された材料を安定化し、安定な相ドメイン構造を達成することができる。
【０１６０】
Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含む焼結された材料がエージングされた後、焼結された材料は、成形及び磁化されてよい。いくつかの例では、焼結された材料は、例えば所望される最終形状に応じて、永久磁石の最終形状に成形されてよい。焼結された材料は、例えば、焼結された材料を最終形状に切削することによって成形されてよい。最終形状の焼結された材料又は磁性材料は、磁化器を用いて磁化されてよい。磁性材料を磁化するための磁場は、約１０ｋＯｅ〜約１００ｋＯｅであってよい。いくつかの例では、最終形状の焼結された材料又は磁性材料を磁化するために、比較的短い継続時間のパルスが用いられてよい。
【０１６１】
図１７は、鉄の窒化物に対する比が約８：１である混合物から、窒化鉄相ドメインを含む磁石を形成するための技術の別の例を示すフロー図である。図１６に関して述べた技術と同様に、図１７に示される技術は、溶融窒化鉄混合物を形成することを含む（２１２）。溶融窒化鉄混合物を形成すること（２１２）は、図１６に関して述べた溶融窒化鉄混合物を形成すること（２０２）に類似していてよい。例えば、いくつかの実施では、混合物は、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含んでよい。図１６に関して述べた技術とは異なり、図１７に示される技術は、磁場の存在下にて溶融窒化鉄混合物をプレスすることを含む（２１４）。
【０１６２】
磁場の存在下にて溶融窒化鉄混合物をプレスすること（２１４）により、鋳造及びアニーリングの過程でＦｅ16Ｎ2相の形成を補助することができる。いくつかの例では、溶融窒化鉄混合物をプレスしながら、９テスラ（Ｔ）の磁場が溶融窒化鉄混合物に印加されてよい。いくつかの例では、磁場の存在下にて溶融窒化鉄混合物をプレスすること（２１４）は、窒化鉄混合物をアニーリングすること（２１６）と組み合わされてよい。例えば、窒化鉄混合物は、約９Ｔの磁場に約２０時間暴露されると同時に、約１５０℃の温度でアニーリングされてよい。いくつかの例では、磁場は、渦電流及び反磁界係数を低下させるために、窒化鉄混合物の平面に印加されてよい。
【０１６３】
いくつかの例では、印加された磁場の存在下で窒化鉄混合物をプレス（２１４）及び／又はアニーリング（２１６）することにより、窒化鉄混合物の相組成及び結晶配向に対する制御を容易とすることができる。例えば、Ｆｅ16Ｎ2含有量は、α′相からα″相への窒化鉄の量の増加に起因して増加し得る。この結果として、窒化鉄混合物の飽和磁化（Ｍｓ）及び／又は保磁力の増加が得られ得る。
【０１６４】
磁場の存在下で溶融窒化鉄混合物をプレス（２１４）した後、図１７に示される技術は、アニーリング（２１６）、焼結及びエージング（２１８）、並びに成形及び磁化（２２０）を含む。これらの工程の各々は、図１６に関して述べた対応する工程（２０６）〜（２１０）に類似するか、又は実質的に同じであってよい。
【０１６５】
図１８は、鉄の窒化物に対する比が約８：１である混合物から、窒化鉄相ドメインを含む磁石を形成するための技術の別の例を示すフロー図である。図１６に関して述べた技術と同様に、図１７に示される技術は、溶融窒化鉄混合物を形成することを含む（２２２）。溶融窒化鉄混合物を形成すること（２２２）は、図１６に関して述べた溶融窒化鉄混合物を形成すること（２０２）に類似していてよい。例えば、いくつかの実施では、混合物は、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含んでよい。
【０１６６】
図１６に関して述べた技術とは異なり、図１８に示される技術は、溶融窒化鉄混合物を溶融スピニングすることを含む（２２４）。溶融スピニングでは、溶融窒化鉄混合物は、冷却ローラー面上に流動されて、溶融窒化鉄混合物が急冷され、材料の脆性リボンが形成されてよい。いくつかの例では、冷却ローラー面は、水などの冷却剤によって室温より低い温度に冷却されてよい。例えば、冷却ローラー面は、約１０℃〜約２５℃の温度に冷却されてよい。材料の脆性リボンは、次に、脆性鉄材料を予備アニーリングするための熱処理工程を受けてよい。いくつかの例では、熱処理は、大気圧下、約２００℃〜約６００℃の温度で、約０．１時間〜約１０時間にわたって行われてよい。いくつかの例では、熱処理は、窒素又はアルゴン雰囲気中で行われてよい。材料の脆性リボンを不活性ガス下で熱処理した後、材料の脆性リボンは、粉砕されて、鉄含有粉末が形成されてよい。溶融窒化鉄混合物を溶融スピニングした（２２４）後、図１８に示される技術は、アニーリング（２２６）、焼結及びエージング（２２８）、並びに成形及び磁化（２３０）を含む。これらの工程の各々は、図１６に関して述べた対応する工程（２０６）〜（２１０）に類似するか、又は実質的に同じであってよい。
【０１６７】
いくつかの例において、本開示は、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパントを窒化鉄中へ組み込むための、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を窒化鉄中へ組み込むための技術について記載する。いくつかの例では、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを用いて、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の磁気モーメント、保磁力、又は熱安定性のうちの少なくとも１つを増加させることができる。強磁性又は非磁性ドーパントの例としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、及びＴａが挙げられる。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。いくつかの例では、２つ以上（例：少なくとも２つ）の強磁性又は非磁性ドーパントが、鉄及び窒素を含む混合物中に含まれてよい。いくつかの例では、強磁性又は非磁性ドーパントは、ドメイン磁壁ピニング位置として機能することができ、これは、鉄及び窒素を含む混合物から形成された磁性材料の保磁力を改善することができる。表１（上記）は、鉄及び窒素を含む混合物中における強磁性又は非磁性ドーパントの濃度の例を含む。
【０１６８】
別の選択肢として、又は加えて、鉄及び窒素を含む混合物は、少なくとも１つの相安定化剤を含んでよい。少なくとも１つの相安定化剤は、Ｆｅ16Ｎ2がそのうちの１つの種類であるｂｃｔ相を安定化させるように選択されてよい。少なくとも１つの相安定化剤は、Ｆｅ16Ｎ2体積比、熱安定性、保磁力、及び耐浸食性のうちの少なくとも１つを改善するように選択された元素であってよい。混合物中に存在する場合、少なくとも１つの相安定化剤は、約０．１原子％〜約１５原子％の濃度で、鉄及び窒素を含む混合物中に存在してよい。混合物中に少なくとも２つの相安定化剤が存在するいくつかの例では、少なくとも２つの相安定化剤の合計濃度は、約０．１原子％〜約１０原子％であってよい。少なくとも１つの相安定化剤としては、例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、及び／又はＳが挙げられ得る。例えば、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む窒化鉄材料中に約５原子％〜約１５原子％のレベルでＭｎドーパント原子を含めることにより、Ｍｎドーパント原子を含まない窒化鉄材料と比較して、Ｆｅ16Ｎ2相ドメインの熱安定性及び材料の保磁力を改善することができる。
【０１６９】
いくつかの例では、上述のように、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤が、窒化鉄粉末を含む混合物中に組み込まれてよい。次に、この混合物が処理されて、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料が形成されてよい。他の例では、これも上述のように、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤が、鉄含有原材料を含む混合物中に組み込まれてよい。少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤、並びに鉄含有原材料を含む混合物は、次に、例えばアミド若しくはヒドラジン含有液体又は溶液などの窒素源の存在下でこの混合物を粉砕することにより、又は尿素拡散を用いることにより、窒化されてよい。
【０１７０】
他の例では、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤は、異なる技術を用いて磁性材料中に組み込まれてよい。図１９Ａ及び１９Ｂは、Ｆｅ16Ｎ2相ドメイン、並びに少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含む磁性材料を形成するための技術の別の例を示す概念図である。
【０１７１】
図１９Ａ及び１９Ｂに示されるように、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤は、材料のシート２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃ（まとめて「シート２４２」）として導入されてよく、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４ａと２４４ｂ（まとめてシート「２４４」）との間に導入されてよい。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４は、本明細書で述べる技術のいずれによって形成されてもよい。
【０１７２】
少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含むシート２４２は、数ナノメートル〜数百ナノメートルの範囲のサイズ（例：厚さ）を有してよい。いくつかの例では、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含むシート２４２は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４とは別に形成されてよい。その他の例では、少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含むシート２４２は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４のうちの少なくとも１つの面上に、例えばＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリングなどの堆積プロセスを用いて形成されてよい。
【０１７３】
少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むそれぞれのシート２４４の＜００１＞軸線が実質的に整列されるように配列されてよい。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むそれぞれのシート２４４の＜００１＞軸線が、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むそれぞれの１つのシート２４４の長軸線に対して実質的に平行である例では、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４を実質的に整列させることは、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む１つのシート２４４を、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む別のシート２４４上に重ねることを含んでよい。少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むそれぞれのシート２４４の＜００１＞軸線を整列させることにより、磁性材料２４６に対して、一軸磁気異方性を提供することができる（図１９Ｂ）。
【０１７４】
少なくともＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むシート２４４、並びに少なくとも１つの強磁性若しくは非磁性ドーパント、及び／又は少なくとも１つの相安定化剤を含むシート２４２は、種々のプロセスのうちの１つを用いて結合されてよい。例えば、シート２４２及び２４４は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物を接合させるための上記で述べた技術のうちの１つを用いて結合されてよく、合金化、圧縮衝撃、樹脂若しくは接着剤結合、又は電磁パルス結合などである。その他の例では、シート２４２及び２４４は、焼結されてもよい。
【０１７５】
焼結圧力、温度、及び継続時間は、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の結晶構造は維持した状態で（例：Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを含むように）、シート２４２及び２４４を機械的に接合するように選択されてよい。従って、いくつかの例では、焼結は、比較的低い温度で実施されてよい。例えば、焼結温度は、約２５０℃未満であってよく、約１２０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１２０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２００℃、又は約１５０℃などである。焼結圧力は、例えば、約０．２ギガパスカル（ＧＰａ）〜約１０ＧＰａであってよい。焼結時間は、少なくとも約５時間であってよく、少なくとも約２０時間、又は約５時間〜約１００時間、又は約２０時間〜約１００時間、又は約４０時間であってよい。焼結時間、温度、及び圧力は、シート２４２及び２４４中の物質によって影響され得る。焼結は、周囲雰囲気、窒素雰囲気、真空、又は別の不活性雰囲気中で実施されてよい。
【０１７６】
本開示は、窒化鉄を含む材料、粉末、磁性材料、及び磁石を形成するための様々な技術について記載してきた。いくつかの例では、本明細書で述べる様々な技術は、本明細書で述べる組み合わせとして、及び当業者にとって明らかであるその他の組み合わせとして、一緒に用いられてよい。
【０１７７】
節１：ローリングモード粉砕装置、撹拌モード粉砕装置、又は振動モード粉砕装置の容器中、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して、窒化鉄を含む粉末を作製することを含む方法。
【０１７８】
節２：窒素源が、アミド含有又はヒドラジン含有物質のうちの少なくとも１つを含む、節１に記載の方法。
【０１７９】
節３：アミド含有又はヒドラジン含有物質のうちの少なくとも１つが、液体アミド、アミド含有溶液、ヒドラジン、又はヒドラジン含有溶液のうちの少なくとも１つを含む、節２に記載の方法。
【０１８０】
節４：アミド含有又はヒドラジン含有物質のうちの少なくとも１つが、メタンアミド、ベンズアミド、又はアセトアミドのうちの少なくとも１つを含む、節２に記載の方法。
【０１８１】
節５：鉄含有原材料が、実質的に純粋である鉄を含む、節１〜４のいずれか一節に記載の方法。
【０１８２】
節６：鉄含有原材料に触媒を添加することをさらに含む、節１〜５のいずれか一節に記載の方法。
【０１８３】
節７：触媒が、ニッケル又はコバルトのうちの少なくとも１つを含む、節６に記載の方法。
【０１８４】
節８：鉄含有原材料が、約１００μｍ未満の平均径を持つ粉末を含む、節１〜７のいずれか一節に記載の方法。
【０１８５】
節９：窒化鉄が、ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、及びｘが約０．０５〜約０．５であるＦｅＮ×のうちの少なくとも１つを含む、節１〜８のいずれか一節に記載の方法。
【０１８６】
節１０：鉄前駆体を粉砕して鉄含有原材料を形成することをさらに含む、節１〜９のいずれか一節に記載の方法。
【０１８７】
節１１：鉄前駆体が、Ｆｅ、ＦｅＣｌ3、Ｆｅ2Ｏ3、又はＦｅ3Ｏ4のうちの少なくとも１つを含む、節１０に記載の方法。
【０１８８】
節１２：鉄前駆体を粉砕して鉄含有原材料を形成することが、Ｃａ、Ａｌ、及びＮａのうちの少なくとも１つの存在下、鉄前駆体中に存在する酸素との酸化反応を引き起こすのに充分な条件下で鉄前駆体を粉砕することを含む、節１０又は１１に記載の方法。
【０１８９】
節１３：鉄前駆体を溶融スピニングして鉄含有原材料を形成することをさらに含む、節１〜９のいずれか一節に記載の方法。
【０１９０】
節１４：鉄前駆体を溶融スピニングすることが：溶融鉄前駆体を形成すること；溶融鉄前駆体を冷間圧延して、材料の脆性リボンを形成すること；材料の脆性リボンを熱処理すること；及び材料の脆性リボンを粉砕して鉄含有原材料を形成することを含む、節１３に記載の方法。
【０１９１】
節１５：鉄及び窒素を含む混合物を加熱して溶融窒化鉄含有材料を形成すること；並びに溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスして少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を形成することを含む方法。
【０１９２】
節１６：鉄及び窒素を含む混合物が、節１〜１４のいずれか一節に記載の方法によって形成される、節１５に記載の方法。
【０１９３】
節１７：少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物の少なくとも１つの軸線における寸法が、約５０ミリメートル未満である、節１５又は１６に記載の方法。
【０１９４】
節１８：溶融窒化鉄含有材料が、約８：１の鉄原子対窒素原子比を有する、節１５〜１７のいずれか一節に記載の方法。
【０１９５】
節１９：溶融窒化鉄含有材料が、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを含む、節１５〜１８のいずれか一節に記載の方法。
【０１９６】
節２０：少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントが、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、又はＴａのうちの少なくとも１つを含む、節１９に記載の方法。
【０１９７】
節２１：溶融窒化鉄含有材料が、約１０原子パーセント未満の少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを含む、節１９又は２０に記載の方法。
【０１９８】
節２２：溶融窒化鉄含有材料が、少なくとも１つの相安定化剤をさらに含む、節１５〜２１のいずれか一節に記載の方法。
【０１９９】
節２３：少なくとも１つの相安定化剤が、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、又はＳのうちの少なくとも１つを含む、節２２に記載の方法。
【０２００】
節２４：溶融窒化鉄含有材料が、約０．１原子パーセント〜約１５原子パーセントの少なくとも１つの相安定化剤を含む、節２２又は２３に記載の方法。
【０２０１】
節２５：鉄及び窒素を含む混合物を加熱して溶融窒化鉄含有材料を形成することが、約１５００℃よりも高い温度で混合物を加熱することを含む、節１５〜２４のいずれか一節に記載の方法。
【０２０２】
節２６：溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスすることが、約６５０℃〜約１２００℃の温度で溶融窒化鉄含有材料を鋳造することを含む、節１５〜２５のいずれか一節に記載の方法。
【０２０３】
節２７：溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスすることが、約６５０℃を超える温度まで窒化鉄含有材料を急冷することを含む、節１５〜２６のいずれか一節に記載の方法。
【０２０４】
節２８：溶融窒化鉄含有材料を連続的に鋳造、急冷、及びプレスすることが、約２５０℃よりも低い温度、及び約５トン〜約５０トンの圧力で窒化鉄含有材料をプレスすることを含む、節１５〜２７のいずれか一節に記載の方法。
【０２０５】
節２９：少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を歪導入及びポストアニーリングして、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物を形成することをさらに含む、節１５〜２８のいずれか一節に記載の方法。
【０２０６】
節３０：少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を歪導入及びポストアニーリングすることにより、工作物の寸法が減少する、節２９に記載の方法。
【０２０７】
節３１：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物の少なくとも１つの軸線における寸法が、歪導入及びポストアニーリングの後、約０．１ｍｍ未満である、節３０に記載の方法。
【０２０８】
節３２：歪導入及びポストアニーリングの後、工作物が、単一のＦｅ16Ｎ2相ドメインから成る、節２９〜３１のいずれか一節に記載の方法。
【０２０９】
節３３：少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を歪導入することが、工作物に、約０．３％〜約１２％の引張歪を施すことを含む、節２９〜３２のいずれか一節に記載の方法。
【０２１０】
節３４：引張歪が、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物における少なくとも１つの＜００１＞結晶軸線に対して実質的に平行である方向に印加される、節３３に記載の方法。
【０２１１】
節３５：少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物をポストアニーリングすることが、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を、約１００℃〜約２５０℃の温度に加熱することを含む、節２９〜３４のいずれか一節に記載の方法。
【０２１２】
節３６：鉄含有材料に尿素拡散プロセスを受けさせることによって鉄及び窒素を含む混合物を形成することをさらに含む、節１５〜３５のいずれか一節に記載の方法。
【０２１３】
節３７：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物が、磁気異方性であることを特徴とする、節２９〜３６のいずれか一節に記載の方法。
【０２１４】
節３８：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む工作物のエネルギー積、保磁力、及び飽和磁化が、異なる配向において異なっている、節３７に記載の方法。
【０２１５】
節３９：少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物が、ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、及びシートのうちの少なくとも１つを含む、節１５〜３８のいずれか一節に記載の方法。
【０２１６】
節４０：鉄含有原材料及び窒素源を収容し、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して窒化鉄を含む粉末を作製するように構成された容器を含むローリングモード粉砕装置。
【０２１７】
節４１：鉄含有原材料及び窒素源を収容し、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して窒化鉄を含む粉末を作製するように構成された容器を含む振動モード粉砕装置。
【０２１８】
節４２：鉄含有原材料及び窒素源を収容し、鉄含有原材料を窒素源の存在下で粉砕して窒化鉄を含む粉末を作製するように構成された容器を含む撹拌モード粉砕装置。
【０２１９】
節４３：節１〜３９のいずれか一節に記載の方法を実施するように構成された装置。
【０２２０】
節４４：節１５〜３９のいずれか一節に記載の方法に従って作製された工作物。
【０２２１】
節４５：節２９〜３５、３７、又は３８のいずれか一節によって形成された工作物を含むバルク磁性材料。
【０２２２】
節４６：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること；Ｓｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つを、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物のうちの少なくとも１つの工作物の面上に配置すること；並びに少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物及びＳｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つを加圧下で加熱して、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の隣接する工作物間の界面にＦｅとＳｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、又はＡｇのうちの少なくとも１つとの合金を形成することを含む方法。
【０２２３】
節４７：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること；少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に、強磁性材料の複数の粒子を含む樹脂を配置すること；及び樹脂を用いて少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を結合するために樹脂を硬化することを含む方法。
【０２２４】
節４８：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること；少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に強磁性材料の複数の粒子を配置すること；及び圧縮衝撃を用いて、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合することを含む方法。
【０２２５】
節４９：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を、複数の工作物のそれぞれの長軸線が互いに実質的に平行となるように互いに隣接して配置すること；少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物の周囲に強磁性材料の複数の粒子を配置すること；及び電磁パルスを用いて、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数の工作物を接合することを含む方法。
【０２２６】
節５０：複数の工作物のうちの１つの工作物が、ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、及びシートのうちの少なくとも１つを含む、節４６〜４９のいずれか一節に記載の方法。
【０２２７】
節５１：節４６〜５０のいずれか一節に記載の方法に従って作製されたバルク磁性物（bulk magnetic）。
【０２２８】
節５２：節４６〜５０のいずれか一節に記載の方法を実施するように構成された装置。
【０２２９】
節５３：窒化鉄含有材料を実質的に純粋な鉄と混合して、鉄原子対窒素原子比が約８：１である混合物を形成すること、及びその混合物から、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することを含む方法。
【０２３０】
節５４：窒化鉄含有材料が、窒化鉄含有粉末を含む、節５３に記載の方法。
【０２３１】
節５５：窒化鉄含有材料が、ε‐Ｆｅ3Ｎ、γ′‐Ｆｅ4Ｎ、及びξ‐Ｆｅ2Ｎ相のうちの１つ以上を含む、節５３又は５４に記載の方法。
【０２３２】
節５６：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することが：混合物を溶融して溶融混合物を作製すること；溶融混合物を連続的に鋳造、急冷、及びプレスして、少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を形成すること；並びに少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を歪導入及びポストアニーリングして、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することを含む、節５３〜５５のいずれか一節に記載の方法。
【０２３３】
節５７：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することが：混合物を溶融して溶融混合物を作製すること；印加された磁場の存在下にて混合物をアニーリングすること；並びに少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を歪導入及びポストアニーリングして、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することを含む、節５３〜５５のいずれか一節に記載の方法。
【０２３４】
節５８：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することが：混合物を溶融スピニングすること；並びに少なくとも１つのＦｅ8Ｎ相ドメインを含む工作物を歪導入及びポストアニーリングして、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料を形成することを含む、節５３〜５５のいずれか一節に記載の方法。
【０２３５】
節５９：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む複数のバルク磁性材料を焼結することをさらに含む、節５６〜５８のいずれか一節に記載の方法。
【０２３６】
節６０：少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを窒化鉄含有材料中に添加すること；及び少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを含む窒化鉄含有材料から、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することを含む方法。
【０２３７】
節６１：少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントが、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｓｍ、Ｃ、Ｐｂ、Ｗ、Ｇａ、Ｙ、Ｍｇ、Ｈｆ、又はＴａのうちの少なくとも１つを含む、節６０に記載の方法。
【０２３８】
節６２：少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを窒化鉄含有材料中に添加することが、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを窒化鉄含有粉末と混合することを含む、節６０又は６１に記載の方法。
【０２３９】
節６３：少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを窒化鉄含有材料中に添加することが、少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを溶融窒化鉄含有材料と混合することを含む、節６０又は６１に記載の方法。
【０２４０】
節６４：少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを窒化鉄含有材料中に添加することが：窒化鉄含有材料を含む複数のシートを互いに隣接させて配置し、窒化鉄含有材料を含む複数のシートのそれぞれのシートの間に少なくとも１つの強磁性又は非磁性ドーパントを配置すること；及び窒化鉄含有材料の複数のシートを接合することを含む、節６０又は６１に記載の方法。
【０２４１】
節６５：ｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を窒化鉄材料中に添加すること；及びｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を含む窒化鉄含有材料から、少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料を形成することを含む方法。
【０２４２】
節６６：少なくとも１つの相安定化剤が、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、又はＳのうちの少なくとも１つを含む、節６５に記載の方法。
【０２４３】
節６７：少なくとも１つの相安定化剤が、約０．１原子パーセント〜約１５原子パーセントの濃度で存在する、節６５又は６６に記載の方法。
【０２４４】
節６８：ｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を窒化鉄含有材料中に添加することが、ｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を窒化鉄含有粉末と混合することを含む、節６５〜６７のいずれか一節に記載の方法。
【０２４５】
節６９：ｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を窒化鉄含有材料中に添加することが、ｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を溶融窒化鉄含有材料と混合することを含む、節６５〜６７のいずれか一節に記載の方法。
【０２４６】
節７０：ｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を窒化鉄含有材料中に添加することが：窒化鉄含有材料を含む複数のシートを互いに隣接させて配置し、窒化鉄含有材料を含む複数のシートのそれぞれのシートの間にｂｃｔ相ドメインのための少なくとも１つの相安定化剤を配置すること；及び窒化鉄含有材料の複数のシートを接合することを含む、節６５〜６７のいずれか一節に記載の方法。
【０２４７】
節７１：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むバルク磁性材料が、磁気異方性であることを特徴とする、節５３〜７０のいずれか一節に記載の方法。
【０２４８】
節７２：少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料のエネルギー積、保磁力、及び飽和磁化が、異なる配向において異なっている、節７１に記載の方法。
【０２４９】
節７３：節５３〜７２のいずれか一節に記載の方法を実施するように構成された装置。
【０２５０】
節７４：節５３〜７２のいずれか一節に記載の方法に従って作製された少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含む磁性材料。
【０２５１】
節７５：節５３〜７２のいずれか一節に記載の方法に従って形成されたバルク永久磁石。
【０２５２】
節７６：ファイバー、ワイヤ、フィラメント、ケーブル、フィルム、厚フィルム、ホイル、リボン、又はシートのうちの少なくとも１つを含む工作物であって、工作物は、長方向を有することを特徴とし、及び工作物は、工作物の長方向に沿って配向された少なくとも１つの窒化鉄相ドメインを含む。いくつかの例では、工作物は、本明細書で述べる技術のいずれか１つを用いて形成されてよい。加えて、いくつかの例では、工作物の形成のために、鉄又は窒化鉄粉末を含む前駆体材料のいずれが用いられてもよい。
【０２５３】
節７７：少なくとも１つの窒化鉄相ドメインが、以下の相：ＦｅＮ、Ｆｅ2Ｎ、Ｆｅ3Ｎ、Ｆｅ4Ｎ、Ｆｅ2Ｎ6、Ｆｅ8Ｎ、Ｆｅ16Ｎ2、及びＦｅＮxのうちの１つ以上を含み、ここでｘは、約０．０５〜約０．５の範囲である、節７６に記載の工作物。
【０２５４】
節７８：工作物が、１つ以上のドーパント、１つ以上の相安定化剤、又は両方を含む、節７６又は７７に記載の工作物。
【０２５５】
節７９：１つ以上のドーパント、１つ以上の相安定化剤、又は両方が、少なくとも１つの窒化鉄相ドメインの原子％に基づいて、０．１原子％〜１５原子％の範囲で存在する、節７８に記載の工作物。
【０２５６】
節８０：工作物が、バルク永久磁石であることを特徴とする、節７６〜７９のいずれか一節に記載の工作物。
【０２５７】
節８１：窒化鉄を含むバルク永久磁石であって、バルク永久磁石は、バルク永久磁石の第一の端部からバルク永久磁石の第二の端部まで伸びる主軸線を持つことを特徴とし、バルク永久磁石は、少なくとも１つの体心正方（ｂｃｔ）窒化鉄結晶を含み、及び少なくとも１つのｂｃｔ窒化鉄結晶の＜００１＞軸線は、バルク永久磁石の主軸線に対して実質的に平行である。いくつかの例では、バルク永久磁石は、本明細書で述べる技術のうちのいずれか１つを用いて形成されてよい。加えて、いくつかの例では、鉄又は窒化鉄粉末を含む前駆体材料のいずれを用いてバルク永久磁石が形成されてもよい。
【実施例】
【０２５８】
実施例１
図２０は、まず鉄前駆体材料を粉砕して鉄含有原材料を形成し、次にこの鉄含有原材料をホルムアミド溶液中で粉砕することによって作製されたサンプルに対するＸＲＤスペクトルの例を示す。鉄前駆体材料の粉砕の過程において、ボール粉砕装置を、９０％の窒素及び１０％の水素を含むガスで充填した。約５ｍｍ〜約２０ｍｍの直径を持つ粉砕ボールを用いて粉砕を行い、ボール対粉末質量比は、約２０：１であった。鉄含有原材料の粉砕の過程において、ボール粉砕装置を、ホルムアミド溶液で充填した。約５ｍｍ〜約２０ｍｍの直径を持つ粉砕ボールを用いて粉砕を行い、ボール対粉末質量比は、約２０：１であった。図２０に示した上側のＸＲＤスペクトルで示されるように、鉄前駆体材料を粉砕した後、Ｆｅ（２００）及びＦｅ（２１１）結晶相を含む鉄含有原材料が形成された。ＸＲＤスペクトルは、ワシントンＤＣのシーメンズＵＳＡから入手可能であるＤ５００５Ｘ線回折計を用いて収集した。図２０に示した下側のＸＲＤスペクトルで示されるように、窒化鉄を含有する粉末が、鉄含有原材料をホルムアミド溶液中で粉砕した後に形成された。窒化鉄を含有する粉末は、Ｆｅ（２００）、Ｆｅ3Ｎ（１１０）、Ｆｅ（１１０）、Ｆｅ4Ｎ（２００）、Ｆｅ3Ｎ（１１２）、Ｆｅ，（２００）、及びＦｅ（２１１）結晶相を含んでいた。
【０２５９】
実施例２
図２１は、鉄含有原材料をアセトアミド溶液中で粉砕することによって作製されたサンプルに対するＸＲＤスペクトルの例を示す。鉄前駆体材料の粉砕の過程において、ボール粉砕装置を、９０％の窒素及び１０％の水素を含むガスで充填した。約５ｍｍ〜約２０ｍｍの直径を持つ粉砕ボールを用いて粉砕を行い、ボール対粉末質量比は、約２０：１であった。鉄含有原材料の粉砕の過程において、ボール粉砕装置を、アセトアミド溶液で充填した。約５ｍｍ〜約２０ｍｍの直径を持つ粉砕ボールを用いて粉砕を行い、ボール対粉末質量比は、約２０：１であった。ＸＲＤスペクトルは、ワシントンＤＣのシーメンズＵＳＡから入手可能であるＤ５００５Ｘ線回折計を用いて収集した。図２１に示したＸＲＤスペクトルで示されるように、窒化鉄を含有する粉末が、鉄含有原材料をアセトアミド溶液中で粉砕した後に形成された。窒化鉄を含有する粉末は、Ｆｅ16Ｎ2（００２）、Ｆｅ16Ｎ2（１１２）、Ｆｅ（１００）、Ｆｅ16Ｎ2（００４）結晶相を含んでいた。
【０２６０】
実施例３
図２２は、連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術によって作製されたＦｅ16Ｎ2を含む磁性材料の例における印加磁場に対する磁化の図である。まず、アミドの存在下で鉄粉末を粉砕することにより、鉄対窒素原子比が約９：１である鉄‐窒素混合物を形成した。走査型電子顕微鏡観察を用いて測定した平均鉄粒子サイズは、約５０ｎｍ±５ｎｍであった。粉砕は、混合物中にニッケル触媒を存在させて、約４５℃の温度にて、約５０時間行った。ニッケルの鉄に対する重量比は、約１：５であった。鉄対窒素原子比は、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて測定した。
次に、窒化鉄粉末をガラス管中に入れ、トーチを用いて加熱した。トーチは、燃料として天然ガス及び酸素の混合物を用い、約２３００℃の温度で加熱して、窒化鉄粉末を溶融した。次に、ガラス管をタイリングし（tiled）、溶融窒化鉄を室温まで冷却して、窒化鉄を鋳造した。磁化曲線は、カリフォルニア州サンディエゴのクオンタムデザイン社（Quantum Design, Inc.）から商品名ＭＰＭＳ（登録商標）‐５Ｓで入手可能である超電導磁化率計（超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ））を用いて測定した。図２２に示されるように、サンプルの飽和磁化（Ｍｓ）値は、約２３３ｅｍｕ／ｇであった。
【０２６１】
実施例４
図２３は、連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術によって作製された少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを含むワイヤの例のＸ線回折スペクトルである。このサンプルは、Ｆｅ16Ｎ2（００２）、Ｆｅ3Ｏ4（２２２）、Ｆｅ4Ｎ（１１１）、Ｆｅ16Ｎ2（２０２）、Ｆｅ（１１０）、Ｆｅ8Ｎ（００４）、Ｆｅ（２００）、及びＦｅ（２１１）相ドメインを含んでいた。表２は、種々の相ドメインの体積比を示す。
【０２６２】
【表２】
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【０２６３】
実施例５
実施例３で述べた連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術によって作製されたＦｅＮバルクサンプルを、約０．８ｍｍの直径及び約１０ｍｍの長さを持つワイヤに切削した。ワイヤを、約３５０Ｎの力によってワイヤの長軸線に沿って歪導入し、歪導入を行いながら約１２０℃〜約１６０℃の温度でポストアニーリングして、ワイヤ中に少なくとも１つのＦｅ16Ｎ2相ドメインを形成した。図２４は、カリフォルニア州サンディエゴのクオンタムデザイン社から商品名ＭＰＭＳ（登録商標）‐５Ｓで入手可能である超電導磁化率計（超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ））を用いて測定したワイヤに対する磁化対印加磁場の図である。図２４に示されるように、サンプルは、約２４９Ｏｅの保磁力及び約１９２ｅｍｕ／ｇの飽和磁化を有していた。
【０２６４】
図２５は、サンプルのオージェ電子スペクトル（ＡＥＳ）試験の結果を示す図である。サンプルの組成は、約７８原子％  Ｆｅ、約５．２原子％  Ｎ、約６．１原子％  Ｏ、及び約１０．７原子％  Ｃであった。
【０２６５】
図２６Ａ及び２６Ｂは、実施例３及び５で述べる連続する鋳造、急冷、及びプレスの技術を用いて形成された窒化鉄ホイル及び窒化鉄バルク材料の例を示す画像である。
【０２６６】
実施例６
図２７は、Ｆｅ16Ｎ2を含むワイヤ形状磁性材料の例における印加磁場に対する磁化の図であり、ワイヤ形状サンプルの長軸線に対する外部磁場の異なる配向における異なるヒステリシスループを示している。サンプルは、歪導入ワイヤ技術をコールドクルーシブルシステムと共に用いて作製した。α″‐Ｆｅ16Ｎ2バルク永久磁石は、市販の高純度バルク鉄（９９．９９％）から作製した。尿素を、コールドクルーシブルシステムにおける窒素供給剤として用いた。まず、バルク鉄を、所定のパーセントの尿素と共にコールドクルーシブルシステム中で溶融した。尿素は、化学的に分解して窒素原子を発生させ、これは、溶融鉄中に拡散することができた。作製されたＦｅＮ混合物を取り出し、約４時間にわたって約６６０℃に加熱し、次に室温の水を用いて急冷した。急冷したサンプルを平坦化し、四角柱形状で、長さ約１０ｍｍ及び四角部の辺の長さ約０．３〜０．４ｍｍであるワイヤに切削した。最後に、ワイヤを長さ方向に歪導入して、長さ方向に沿って格子伸長を導入し、ワイヤを約１５０℃で約４０時間にわたってアニーリングした。
【０２６７】
ワイヤ形状サンプルを、０°から９０°まで変化させた外部磁場に対する異なる配向で試料振動型磁力計の内部に置いた。結果は、外部磁場に対するサンプルの異なる配向において、異なるヒステリシスループを示している。結果はまた、ＦｅＮ磁石サンプルが、異方性の磁気特性を有することを実験的に示している。
【０２６８】
図２８は、図２７に関して述べたコールドクルーシブル技術を用いて作製したワイヤ形状ＦｅＮ磁石の保磁力と外部磁場に対するその配向との間の関係を示す図である。ワイヤ形状サンプルの長軸線と外部磁場との間の角度は、０°、４５°、６０°、及び９０°に変化させた。ワイヤ形状サンプルの長軸線が磁場に対して実質的に直角である場合、サンプルの保磁力は急激に増加しており、このことは、サンプルの異方性磁気特性を示すものである。
【０２６９】
実施例７
表３は、異なる方法によって形成されたＦｅ16Ｎ2含有窒化鉄永久磁石における磁気特性の理論値と実験値との間の比較を示す。「コールドクルーシブル」磁石は、２０１２年８月１７日に出願され、発明の名称が「窒化鉄永久磁石及び窒化鉄永久磁石を形成するための技術」である国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５１３８２に記載されるもの、及び実施例６に関して記載されるものに類似の技術によって形成した。
【０２７０】
「窒素イオン注入」磁石は、２０１３年２月７日に出願され、発明の名称が「窒化鉄永久磁石及び窒化鉄永久磁石を形成するための技術」である米国特許仮出願番号６１／７６２，１４７に記載のものに類似の技術によって形成した。詳細には、厚さ約５００ｎｍである純粋（１１０）鉄ホイルを、鏡面仕上げ（１１１）Ｓｉ基材上に配置した。（１１１）Ｓｉ基材及び鉄ホイルの面は、予め洗浄しておいた。ホイルは、溶融モードのウエハボンダー（ＳＢ６、Ｋａｒｌ  Ｓｕｓｓ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｅｒ）を約４５０℃にて約３０分間にわたって用い、基材と直接結合させた。窒素イオン注入は、１００ｋｅＶに加速された原子状Ｎ＋のイオンを用いて行い、２×１０16／ｃｍ2〜５×１０17／ｃｍ2の範囲の流束により、室温にてこれらのホイルに垂直に注入した。その後、注入を行ったホイルに、二工程のポストアニーリングプロセスを適用する。第一の工程は、Ｎ2及びＡｒの混合雰囲気中、約５００℃で約０．５時間のプレアニーリングである。次に、真空中、約１５０℃で約４０時間のポストアニーリングを続いて行った。
「連続鋳造」磁石は、実施例３に関して上記で述べたものに類似の技術によって形成した。
【０２７１】
【表３】
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【０２７２】
実施例８
この実施例では、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄バルクサンプルにおいて、ドーパントとしてマンガン（Ｍｎ）を用いることについて調べた。密度汎関数理論（ＤＦＴ）による計算を用いて、Ｆｅ16Ｎ2窒化鉄結晶格子内でのＭｎ原子の想定される位置、及びＦｅ16Ｎ2結晶格子中におけるＭｎ原子とＦｅ原子との間の磁気カップリングを特定した。Ｍｎ原子でドーピングされたＦｅ16Ｎ2窒化鉄の熱安定性及び磁気特性も、実験によって観察した。ＤＦＴ計算はすべて、www.quantum-espresso.org.から入手可能であるＱｕａｎｔｕｍ  Ｅｓｐｒｅｓｓｏソフトウェアパッケージを用いて行った。Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｓｐｒｅｓｓｏに関する情報は、P. Gianozzi et al. J. Phys.: Condens. Matter, 21, 395502 (2009) http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502に見出すことができる。
【０２７３】
ＤＦＴ計算において、Ｍｎは、Ｆｅ原子のうちの１つと置き換えられて、α″‐Ｆｅ16Ｎ2相の正方単位胞中に挿入された。周期律表から分かるように、Ｍｎは、Ｆｅに類似しており、Ｆｅ16Ｎ2のホスト構造との親和性を示すこと、及び材料の磁気特性に寄与する可能性があることが予測された。Ｍｎは、Ｆｅの３つの異なる結晶学的位置のうちの１つ以上に挿入され得る。図２９は、Ｆｅ16Ｎ2結晶構造の例を示す概念図である。示されるように、Ｆｅ原子は、Ｎ原子からの３つの異なる距離、Ｆｅ  ８ｈ、Ｆｅ  ４ｅ、及びＦｅ  ４ｄに存在する。Ｆｅ  ８ｈ鉄原子は、Ｎ原子に最も近く、Ｆｅ  ４ｄ鉄原子は、Ｎ原子から最も遠く、Ｆｅ  ４ｅ鉄原子は、Ｎ原子から中間の距離にある。これらの結晶学的位置の各々にＭｎを挿入することによる効果を、ＤＦＴ計算を用いて調べた。特に、３つのＤＦＴ計算を用いて、３つの結晶学的位置の各々に挿入されたＭｎ原子に対して、それぞれの系の総エネルギーを推定した。また、ＤＦＴ計算を用いて、バルク鉄にＭｎ原子をドーピングすることによる結果についても推定した。次に、これらの計算の結果を比較して、Ｍｎドーパント原子の位置及び磁化の決定におけるＮ原子の役割を評価し、並びにドーピングされた系の熱力学的安定性を評価した。
【０２７４】
バルクＦｅでは、Ｍｎドーパント又は不純物は、Ｆｅ原子と反強磁性的にカップリングする。図３０は、ＭｎドーピングバルクＦｅの状態密度計算の例の結果を示すプロットである。計算は、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｓｐｒｅｓｓｏを用いて行った。図３０に示されるように、Ｍｎドーパントは、バルク鉄中のＦｅ1（Ｆｅ  ８ｈ）の位置に見出される可能性がより高い。加えて、図３０は、Ｆｅの状態密度が、Ｍｎの状態密度に対して常に逆であることも示している。Ｆｅの状態密度が正である場合、Ｍｎの状態密度は負であり、このことは、Ｍｎ原子が、バルクＦｅサンプル中において、Ｆｅ原子と反強磁性的にカップリングすることを示している。
【０２７５】
図３１は、ＭｎドーピングバルクＦｅ16Ｎ2の状態密度計算の例の結果を示すプロットである。計算は、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｓｐｒｅｓｓｏを用いて行った。図３１に示されるように、Ｍｎの状態密度が、Ｆｅの状態密度と常に同じ符号であることから、Ｍｎドーパントは、Ｆｅ16Ｎ2バルクサンプル中において、残りのＦｅ原子と反強磁性的にカップリングしていない。Ｍｎの状態密度は、全体として、図３１の同じエネルギーレベルにおいてＦｅ1（Ｆｅ  ８ｈ）の状態密度に最も近いことから、図３１は、ＭｎドーパントがＦｅ16Ｎ2中のＦｅ1（Ｆｅ  ８ｈ）の位置に見出される可能性がより高いことを示している。このことは、Ｎ原子が、位置間の磁気カップリングに対して重要な影響を有することを示唆している。
【０２７６】
図３２は、５原子％、８原子％、１０原子％、及び１５原子％のＭｎドーパント濃度で作製されたＦｅ‐Ｍｎ‐Ｎバルクサンプルの磁気ヒステリシスループのプロットである。サンプルは、コールドクルーシブルシステムを用いて作製した。Ｆｅ、Ｍｎ、及び尿素前駆体を含み、Ｍｎ濃度（Ｆｅ及びＭｎ原子に基づく）が、それぞれ５原子％、８原子％、１０原子％、及び１５原子％である４つの混合物を、各々、コールドクルーシブル中に入れ、溶融して、ＦｅＭｎＮのそれぞれの混合物を形成した。このＦｅＭｎＮのそれぞれの混合物を、６５０℃で約４時間加熱し、冷水中にて室温に急冷した。急冷したＦｅＭｎＮ材料を、次に、約１ｍｍ×１ｍｍ×８ｍｍの寸法のワイヤに切削した。次に、ワイヤを約１８０℃にて約２０時間加熱し、歪導入して、Ｍｎドーパントを含む（いくつかのＦｅ原子を置き換えて）Ｆｅ16Ｎ2相ドメインを形成した。図３２は、Ｍｎドーパント濃度の増加と共に飽和磁化（Ｍs）が減少していることを示している。しかし、保磁力（Ｈc）は、Ｍｎドーパント濃度の増加と共に増加している。このことは、Ｆｅ16Ｎ2をＭｎでドーピングすることにより、保磁力を増加させることができることを示している。Ｍｎの濃度が５原子％〜１５原子％であるサンプルの保磁力の値は、Ｍｎドーパントを含まないサンプルよりも大きい。
【０２７７】
ＭｎドーピングＦｅ16Ｎ2バルク材料の熱安定性を、高い温度でのその結晶構造を観察することによって調べた。Ｍｎドーパントを含むサンプルは、Ｍｎドーパントを含まないサンプルと比較して、改善された熱安定性を示した。Ｍｎドーパントを含まないＦｅＮバルクサンプルは、約１６０℃の温度にて、ｘ線回折スペクトル中の対応するピークの相対強度の変化によって観察される相体積比（例：Ｆｅ16Ｎ2相体積分率）の変化を示し得る。相体積比の変化は、この温度でのＦｅ16Ｎ2相の安定性の低下を示し得る。しかし、Ｍｎドーパント濃度が５原子％〜１５原子％であるサンプルは、空気雰囲気中１８０℃、約４時間の場合におけるｘ線回折スペクトル中の対応するピークの相対強度の変化によって観察される実質的に安定である相体積比（例：Ｆｅ16Ｎ2相体積分率）を示した。いくつかの例では、約２２０℃の温度によって、Ｆｅ16Ｎ2相の完全な分解がもたらされ得る。
【０２７８】
実施例９
Ｒｅｔｓｃｈ（登録商標）Ｐｌａｎｅｔａｒｙ  Ｂａｌｌ  Ｍｉｌｌ  ＰＭ  １００（Ｒｅｔｓｃｈ（登録商標）、ハーン、ドイツ）の商品名で入手可能であるボール粉砕システムをスチール製ボールで用いて、１：１の重量比で硝酸アンモニウム（ＮＨ4ＮＯ3）の窒素源を含むＦｅを粉砕した。各サンプルにおいて、各々約５ｍｍの直径を有する１０個のスチール製ボールを用いた。１０時間の粉砕が完了した時点ごとに、粉砕システムを１０分間停止してシステムを冷却させた。各サンプルに対するプロセスパラメーターを表４にまとめる。
【０２７９】
【表４】
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【０２８０】
図３３は、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて収集した尿素窒素源の存在下でのボール粉砕後におけるサンプル１の粉末の元素濃度のプロットである。図３３に示されるように、この粉末は、炭素、窒素、酸素、及び鉄を含んでいた。
図３４は、アニーリング後におけるサンプル１からの粉末のｘ線回折スペクトルを示すプロットである。図３４に示されるように、この粉末は、Ｆｅ16Ｎ2相窒化鉄を含んでいた。
【０２８１】
図３５は、硝酸アンモニウムの存在下でのボール粉砕を用いて形成され、作製された窒化鉄の磁気ヒステリシスループのプロットである。磁気ヒステリシスループは、室温で測定した。磁気ヒステリシスループを測定した窒化鉄サンプルは、サンプル１について上記で挙げたプロセスパラメーターを用いて作製した。特に、図３５は、アニーリング後のサンプル１の磁気ヒステリシスループの例を示す。図３５は、サンプル１の保磁力（Ｈc）が約５４０Ｏｅであり、飽和磁化が約２０９ｅｍｕ／ｇであることを示している。
【０２８２】
粉末サンプルを、電気伝導性容器又はアーマチャに入れる。このサンプルは、サンプル１について上記で挙げたものと同じプロセスパラメーターを用いて形成した窒化鉄粉末を含んでいた。電気伝導性容器を、高磁場コイルの内径内に置いた。磁場コイルに高電流によるパルスを印加して（例：１アンペア〜１００アンペア、及びパルス比約０．１％〜約１０％）、内径内に磁場を発生させ、それが続いて、アーマチャ内に電流を誘導する。この誘導電流は、印加磁場と相互作用を起こして、アーマチャを崩壊させてサンプルを圧密化する内向きに作用する磁力を発生させる。圧密化は、１ミリ秒未満で発生する。
【０２８３】
圧密化によって形成された部分の密度は、７．２ｇ／ｃｃであると推定され、理論密度のおよそ９０％であった。
【０２８４】
図３６は、緻密化前後でのサンプルに対するｘ線回折スペクトルを示すプロットである。図３６は、Ｆｅ16Ｎ2相が、緻密化後のサンプル中にも依然として存在していたことを示している。Ｆｅ16Ｎ2ピークの強度は低下したが、Ｆｅ16Ｎ2相は依然として存在していた。
【０２８５】
分子量などの物理的特性、又は化学式などの化学的特性に対して本明細書にて範囲が用いられる場合、そこでの具体例に対する範囲のすべての組み合わせ及びサブ組み合わせが含まれることを意図している。
【０２８６】
様々な例について記載してきた。当業者であれば、本開示で述べる例に数多くの変更及び改変を行ってよいこと、並びにそのような変更及び改変を、本開示の趣旨から逸脱することなく行うことができることは理解される。これらの、及びその他の例は、以下の請求項の範囲内である。
【０２８７】
本文書中で引用される、又は記載される各特許、特許出願、及び刊行物の開示事項は、その全内容が参照により本明細書に援用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
2016536777.tif 000018
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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