JPS60176202A - 鉄−希土類−窒素系永久磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、鉄−希土類−窒素系永久磁石に関するもので
あり、特に従来の技術では困難であった高性能化を容易
に、しかも高価な雰囲気ガスの使用を極力少なくした上
で実現し得るものに関するものである。

鉄と希土類元素（Ｒ）とから成る金属間化合物は大きな
結晶磁気異方性と高い飽和磁束密度を示し、高保磁力、
高エネルギー積を有する永久磁石材料として有望である
。特に、希土類・コバルトから成る材料に比して廉価で
ある点と高飽和磁束密度である点で、永久磁石材料とし
て有望である。

最近になり、Ｂを添加したＦｅ　−Ｎｄ　−Ｂ系などの
材料が知られている。

しかしながら、これまでの鉄−希土類系磁石は、永久磁
石材料として要求される緒特性が必ずしも充分満足でき
るほどには得られていない。しかもそれらの製造には、
Ａｒ　、　Ｈ２、真空などの高価な雰囲気ガスの使用が
不可欠であった。鉄−希土類系合金を永久磁石材料とし
て応用するためには実用性の点から、磁気特性その他の
緒特性な５びに製造コスＩ−の面からの一層の改善が要
求される。

本発明はこのような問題点を改善し、鉄−希土類系合金
において、高性能化を実現できる永久磁石を提供するも
のである。

具体的には、本１発明は窒素（Ｎ）ボロンとを共゛に含
有させることにより、磁気特性を改善すると共に製造コ
ストを低減させた永久磁石材料を提供するものである。

本発明の材料の組成は、 （Ｆｅ　ＲＢ’＞　ＮＩＴ。

１−Ｘ−ニア　ス　７’１−１ｎ ただし、ＲはＹ、Ｔｈおよびずべてのランタノイド元素
から成る群の中から選ばれた１種または２種以上の元素
。

０．０７≦Ｘ≦０．３０ ０、００５≦ｙ≦０．２０ ０．００１≦ｍ≦０．２０ であることを特徴とする。

本発明は、永久磁石材料として基本的に重要なことは、
高い飽和磁束密度を有する材料をベースにすべきである
との観点からなされたものである。

、Ｆｅは典型的な強磁性金属であり、実用磁性材料とし
て古くから使用されている。Ｆｅの磁性については特開
昭５８−１４１５１０号公報にも述べられている如く、
依然として不思議な点が多い。たとえば、Ｓ　ｌａｔｅ
ｒ−Ｐａｕｌｉｎｇ曲線がら外挿ずれば、面心立方晶構
造（ｆｃｃ、以下γと略す）を有するＦｅは２．８〜３
．０μｓの磁気モーメントを持っことが予想できる。実
際、中性子回折実験によればＦｅ−１’Ｊｉ系合金、Ｆ
ｅ−Ｐｄ系合金中のＦｅ原′子の磁気モーメント・は２
．８〜３．０μｓである。γＦｅＮｉ−０ｒ系合金中の
鉄原子あるいはＣｕ中に析出させたγＦｅでは磁気モー
メンｆ・０．５−０．６μｓ１ネ一ル温度５０〜６０Ｋ
及び内部磁場２０〜３０ＫＯｅの反強磁性スピン構造と
なっている。このようにγ相中のＦｅは２種類の相反す
るスピン構造、つまり２．８〜３．０μｓの磁気モーメ
ン］−を持つ強磁性結合及び０．５〜０．６μｓの磁気
モーメン１〜を持つ反強磁性結合を形成する可能性があ
る。この点については現在もなお未解決ｃ、　Ｆｅ−Ｎ
ｔ系合金にみられる“インバー効果”′の原因がその一
例として挙げられる。ｌ”ｅは室温で体心立方晶構造（
ｂｃｃ、以下αと略す）となっており、２２μｓの磁気
モーメントをもっている。

前述した通りの多くの不思議な現象を示すｌ”ｅを用い
て、次に述ヘルように３１ａｔｅｒ　−ｐａｕｌｉｎｇ
曲線の限界以上に飽和磁化を増大できる可能性がある。

第一はＫ　１ＩｌｌａｎｄＴａｋａｈａｓ旧らは窒素ガ
ス雰囲気中で蒸着したＦｅ１Ｗ膜の磁化がαＦｅに比べ
て２０〜３０％も増加σ−ることを見出し、この原因が
Ｆｅ＋らＮ２化合物の生成によることを明らかにした。

Ｆｅｌ＆Ｎ２化合物は体心正方晶構造（ｂｃｔ、以下α
−と略す）を持ち、−軸方向にひずんでいる。

第二はαＦｅの圧力効果の実験である。αＦｅの磁化及
び格子定数の圧力依存性はそれぞれ次のような関係にあ
る。

ここに、θは磁化（ｅｍｕｌｏ　）　、Ｐは圧力（ｋｂ
ａｒ）及びａは格子定数（Ａ）である。この二式から判
るように、もしαＦｅに′″負の圧力″を加えることが
できれば格子の膨張が生じ、単位体積の増加に伴って第
１図に示すように磁化が増えると期待できる。

第三は第二め可能性を支持するものとして、Ａ　ｎｄｅ
ｒｓｏｎ　ｅｌ　ａｔのバンド計算がある。彼らは、ｓ
　ｐ−ｄ構成軌道を無視し、ｄバンドのみスピン分極が
生じると仮定して、遍歴モデルを使ってスピン分極を計
算した。その結果、格子定数が大きくなるにつれて磁気
モーメントは増加する。

以上の三点から類推できるように、αＦｅの格子が膨張
又は変形すると磁化は増加すると期待できる。このこと
は、鉄−希土類系合金においても、それがＦｅを主体と
するようなものぐあるならば、同様に成り立つことが充
分に期待される。

このαＦｅの格子を膨張させ得る元素としては、侵入型
原子としてよく知られているＢ、Ｃおよ、びＮを利用す
ることができる。この中、ＣおよびＮはＦｅ中に侵入し
やすい。しかし、Ｃは希土類元素と共存させた場合には
容易に炭化物を形成しやすく、本発明の目的にはそぐわ
ない点がある。そこで本発明では１つの理由としてＦｅ
の格子を膨張させ得る元素であるという点から、鉄−希
土類系合金への添加元素として侵入型原子の中でも、と
くにＮを選んだ。また、Ｎを選んだもう１つの大きな理
由は、この場合には製造工程における雰囲気ガスとして
安価なＮを主体としたガスを用いることができるように
なるからである。

さて、ＲをＹ、Ｔｈおよびランタノイド元素から成る群
の中から選ばれた１種または２種以上の元素とするとき
、Ｒと鉄との金属間化合物の中には、高い飽和磁化と大
きな磁気異方性を有するものがあるので、ＲＦｅ系化合
物は、ＲＣＯ系に代わる高性能永久磁石材料として近年
注目されている。

これまでにＴｂ　Ｆｅ系、ＮｄＦｅ系、　ｐｒ　Ｆｅ系
、ＦｅＢＬａＴｂ系などが、高い保磁力をもつ永久磁石
合金として見出されている。しかし、これらの永久磁石
は、いずれも液体急冷法などにより作製した非晶質合金
を適度に結晶化させることにより永久磁石化するという
ものであった。これに対し、最近、体用らはＮｄ−Ｆｅ
系合金にＢを添加することにより、バルク材でも優れた
永久磁石特性を有する合金を見出した（日本金属学会１
９８３年秋期講演大会講演概要集ｐ、５５１）本願発明
者らは種々検討した結果、Ｒ−Ｆｅ系合金にＮを含有さ
せた場合に、永久磁石材料として優れた緒特性を有する
ことを見出し、先に、特願昭５８−２３９０９０号とし
て特許出願を行った。その後さらに検討を進めたところ
、Ｒ−、Ｆｅ系合金にＢを含有させた上でＮを含有させ
た場合は、さらに安定的に好特性の得られることを見出
し、本願を完成させたものである。

すなわち、Ｎを合金内に含有させる場合、溶解時に原材
料の形で添加することは困難な場合が多く、むしろ後か
ら適当な゛窒化処理″を行ってＮを含有させることもよ
く行われる。これに対して、前記侵入型原子の中でも、
とくにＢは溶解原材料の形で合金内に添加含有させるこ
とがきわめて容易である。そこで、本願発明者らは、鉄
−希土類系合金の格子膨張の目的のために、Ｎ原子のみ
でなく、Ｂ原子をも共に利用することを試みて検詞を行
つ１ζ。その結果、Ｎ原子の単独添加よりも安定的に好
特性が得られることがわかった。さらに、ＮとＢとの複
合添加によれば、Ｂ原子の単独添加の場合よりもより高
い飽和磁束密度と高いキュリ一点を得ることが可能であ
ることがわかった。両原子の半径から見れば共有結合半
径にしても、イオン半径にしても、Ｂの方がＮよりも大
ぎいのであ全から、Ｂの方が効果的に格子の膨張を計れ
ると期待されるにも拘わらず、上記のような結果となる
のは、ＢとＮとの相乗的効果に基いているものと思われ
る。

本発明の合金組成は以下の理由により規定される。

本発明の合金組成は、 （Ｆｅ（−Ｘ−ＸＲＸ　Ｂ／）＋−ｒｎ　Ｎｒｎで表わ
される。ここで、ＲはＹ、Ｔｈおよびすべてのランタノ
イド元素からなる群の中から選ばれた１種ま′たは２種
以上の元素であり、Ｆｅど組合せて高保磁力を発生させ
るために必要である。これらの中で、Ｎｄ　、Ｐｒは本
発明の目的に対して最も効果的な元素である。また、Ｃ
ｅ、ｌａもこれについで効果が大きい。その他のＲ元素
は、上記した元素と適宜組合せることにより、所望の特
性を実用するために効果がある。

窒素Ｎは鉄−希土類系合金の格子を膨張させることによ
り、飽和磁化を高めると共に、高保磁力を発生させる点
でも不可欠であり、重要な元素である。Ｎが保磁ツノを
高める上に顕著な効果を有することは、実験の途上にお
いて確認されたものであるが、その理由についてはまだ
不明な点が多く、現在、鋭意検討中である。Ｎの量はｍ
　′ｂ＜　ｏ、ｏｏ１未満ではその効果が発現されず、
一方ｍが０．２０を越えると、Ｆｅの格子間中に侵入型
原子として存在することは困難である。この中でもｍが
０．０２以上になると効果が顕著であり、好ましくはｍ
の値は０．０４以上、さらに好ましくは０．０５以上に
選ぶようにするとよい。

また、ｍが０．１５を越えるとＲまたはＦｅとの窒化物
が現われる場合があるので、熱処理条件等を極めて厳密
に管理する必要がある。遊離窒化物が現われると、特性
の低下をきたすのでｍの値は０．１２以下、好ましくは
０．１０以下に選択するようにするとよい。

Ｘの値は、磁気特性に大ぎく影響する。Ｘの値が０．０
１未満では保磁力が極めて小さくなってしまう。一方、
Ｘが０．３０を越えると保磁力、飽和磁束密度とも小さ
くなりすぎてし′まって、永久磁石材料となり得ない。

×が０．１０未満では、Ｆｅ−ｒｉｃｈ相が出現して磁
気特性を損いやすいので、各工程の条件管理を充分１１
！＆ｆｆｆに行う必要がある。

この点から、高い保磁力を安定して得るためには、Ｘの
値は０．１２以上、好ましくは０．１４以上、さらに好
ましくは０，１５以上に選ぶことが望ましい。

また、満足な飽和磁束密度を得るためにはＸの値を０．
２３以下、好ましくは０．２０以下、さらに好ましくは
０．１１以下に選択することが望ましい。

Ｂは前記Ｎとの相乗的効果により、水系合金の永久磁石
特性の発現に本質的な役割を果している金属学的相の生
成を安定化させる点ならびに、永久磁石特性そのものの
改善という点で効果がある。

■の値が０．００５以上からこの効果が認められ始める
が、より顕著に上記効果を得るためには、■の値は０．
０１以上、好ましくは０．０２以上さらに好ましくは０
．０４以上に選ぶことが望ましい。しかし１．ｙの値が
０．２０を越えると合金の飽和磁束密度が不足してしま
うので、■の値は０．２０以下、好ましくは０．１２以
下さらに好ましくは０．０９以下に選ぶことが望ましい
。

以下、実施例により本発明の詳細な説明するが、本発明
はこの実施例に限定されするものではない。

実施例１ 純度９９．９％のＦ−ｅ、純度９９．９％のＮｄ、およ
び純度９９．５％のＢを用いて、重量比でｌ：ｅ６６．
８％。

Ｎｄ３２．４％、　Ｂ　ｏ、ａｉ％から成る合金をアル
ゴン雰囲気中で溶製した。この合金は原子％でＦｅ８０
．０％、　Ｎｄ　１５．０％、　８５．０％、すなわち
ｘ＝０．１５　、　Ｖ　＝　０．０５に相当する。

このインゴット・を鉄製乳鉢中で粗粉砕し、３２メツシ
ユ以下の粉とした。この粉にＮを侵入させるために、こ
れをＮ２ガス中、５００．　６００．　７００℃の温度
において３ｈｒ処理した。この処理により各々窒素０．
６．　１．６．　３．８原子％が侵入した。すなわち、
これらは各々ｍ　＝　０．００６．　０．０１（１，０
，０３８に相当する。

得られた粉体をＮ２ガスを用いてジエンＩ・ミル粉砕し
、１０μｌ以下の粉末としだ後８ｋＯｅの磁場中におい
て１０ｔｏｎ　７ｃｍ２で縦磁場成型した。なお、比較
のためにＮを侵入させる処理を行わなかったものについ
ても同様の成型を行った。

得られた成型体を１１５０℃で２ｈｒ、Ｎ２ガス中にお
いて焼結した。ぞの後、６００℃で２ｈｒ、Ｎ２ガス中
において時効熱処理を施した。この試料の磁気特性を第
１表に示す。

第１表かられかる通り、Ｎを含有させない試料に比較し
てＮを含有させたものでは、４πｉｓとキュリ一点が高
くなっていることがわかる。

比較例１ 実施例１と同様の方法によって重量比でＦｅ６７．０％
、　Ｎｄ　３３，０％からなる合金をアルゴン雰囲気中
で溶製した。この合金は原子％でＦｅ８４．０％。

Ｎ（１１６，０％、すなわちｘ　＝’　０．１Ｇ　、　
ｙ　＝　Ｏに相当する。このインゴットを実施例１と同
様な方法によって、粗粉砕、窒化処理、微粉砕、磁場中
成型。

焼結９時効処理した後、磁気特性を測定した。その結果
を第２表に示す。

第１表の結果を第２表と比較してみれば明らかなように
、第１表ではＢの効果により、特性の安定化が計られて
いることがわかる。また、ＢとＮとの複合効果により、
キュリ一点が高（なっている。

実施例２ 実施例１と同様の方法によって、重量化でＦｅ６Ｇ、３
％、　Ｎｄ　３３．４％、　３０．３１％から成る合金
を溶製した。この合金は、原子％でＦｅ８２．０％、　
Ｎｄ１６．０％、　Ｂ’　２．０％、すなわちｘ　＝０
．１’Ｇ　、　ｙ　＝　０．０２に相当する。このイン
ボッ１−を実施例１ど同様な方法によって、粗粉砕、窒
化処理、微粉砕。

磁場中成型、￥Ａ結２時効処理した後、磁気特性を測定
した。その結果を第３表に示す。

第３表の結果を第２表と比較してみれば明らかなように
、第３表ではＢとＮとの複合効果により好特性が得られ
ていることがわかる。

以上に説明したように、本発明によれば鉄−希土類系合
金において、高い磁気特性を、しかも高価な雰囲気ガス
の使用を極力少なくした上で得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁化の強さと体積変化との関係を示す図である
。 図面のｎ硯ｌ（内容に変更なし） 第　ｌ　図 −５０５ 手続補正書（方式） ％式％ 発明の名称　鉄−希土類−窒素系永久磁石補正をする者 名　＃　、＋ｓｏａ＋　日立金属株式会社代表者河野　
典夫 代　理　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、材料の組成が次式の関係にあることを特徴とする鉄
   −希土類−窒素系永久磁石。 （Ｆｅ、−、−ｙ　ＲＸ　Ｂ　ｙ　）１−ｍ　Ｎｒｎた
   だし、ＲはＹ、、Ｔｈおよびす べてのランタノイド元素から成 る群の中から選ばれた１種また は２種以上の元素。 ０．０７≦Ｘ≦０．３０ ０．００５≦ｙ≦０．２０ ０．００１≦ｍ≦０．２０ ２、特許請求の範囲第１項記載の鉄−希土類−窒素系永
   久磁石において、ＲがＮｄ　、　Ｐｒ　、　Ｃｅ　。 ｌａから選ばれた１種または２種以上の元素であること
   を特徴とする鉄−希土類−窒素系永久磁石。 ３、特許請求の範囲第２項記載の鉄−希土類−窒素系永
   久磁石において、ＲがＮｄ　、Ｐｒの１種またはこれら
   の組み合せであることを特徴とする鉄−希土類−窒素系
   永久磁石。