JP4030176B2

JP4030176B2 - Giant magnetostrictive material and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4030176B2
Application number: JP04983298A
Authority: JP
Inventors: 山和高君; 野秀昭小; 田宗勝島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Santoku Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Santoku Corp
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2018-03-02
Also published as: JPH11246948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪材料に関し、とくに、外部磁界を作用させたときに長さが変化する超磁歪材料およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体に外部磁界を作用させると、磁性体に伸びあるいは縮みを発生する現象は、例えば、変位制御用あるいは駆動用アクチュエータ、超音波発生用磁歪振動子、超音波遅延線、超音波濾波器、可変周波数共振器、各種センサ等に応用されている。
【０００３】
磁歪材料には、低磁界強度での高い磁歪量、あるいは、高い材質強度等が目的・用途などに応じて求められ、耐食性に優れていることも必要である。
【０００４】
従来知られている磁歪材料で常温での飽和磁歪量が大きいものとしては、Ｔｂ，Ｄｙ，ＳｍとＦｅを主成分とした金属間化合物があり、上記の低磁界強度での高い磁歪量，高い材質強度，温度特性の改善等が検討され、多数の希土類（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｅｕ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｍ）およびその他の元素（Ｍｎ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｃｏ）による添加，置換が方策として挙げられている。これらの磁歪材料は、主成分がＲＦｅ_２ラーベス型金属間化合物と呼ばれるＦｅと希土類元素Ｒとの金属間化合物であり、超磁歪材料と呼ばれている。
【０００５】
これらの超磁歪材料をアクチュエータなどに使用する場合において、その動作周波数を確保するためには、一旦製造された磁歪ロッド（ブロック）を厚さ数ｍｍ以下程度に切断し、その後接着するという手法を用いて、磁歪内部に発生する渦電流損失を軽減することにより高周波の動作を可能としていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、切断・接着に要する製造コストが大きく、切断時の磁歪ロッドの破損やひび割れが度々発生し、歩留りを低下させるだけではなく、接着して得られた磁歪素子の機械的強度や信頼性は実使用のデバイスとしては十分に満足のいくレベルには至らなかった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明はこのような従来の課題にかんがみてなれたものであって、動作可能な周波数を大きく高めたものとして高周波での動作を確保し、かつ、製造コストを低減し、機械的強度および信頼性を向上させることが可能で、製造の容易な超磁歪材料を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような本発明の目的は、実質的に合金中に酸素を含有させた超磁歪合金とすることによって達成される。
【０００９】
すなわち、本発明に係わる超磁歪材料は、請求項１に記載しているように、粉末冶金法により製造した希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料において、ラーベス相超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に、希土類酸化物および／または希土類−鉄酸化物が結晶形態ないしはアモルファス形態で存在し、超磁歪材料中の酸素含有量が２．００重量％以上３０．４０重量％以下であるものとしたことを特徴としている。
【００１０】
そして、本発明に係わる超磁歪材料の実施態様にあっては、請求項２に記載しているように、請求項１に記載の超磁歪材料において、酸素を含有する結晶粒界の厚さおよび／または結晶粒径が１μｍ以上２００μｍ以下であるものとしたことを特徴としている。
【００１１】
同じく、本発明に係わる超磁歪材料の実施態様にあっては、請求項３に記載しているように、請求項１または２に記載の超磁歪材料において、酸化物がＲ_２Ｏ_３，Ｒ_４Ｏ_７，Ｒ_７Ｏ_１２，ＲＦｅＯ_３，Ｒ_６Ｆｅ_１６Ｏ（ＲはＴｂ，Ｄｙのうちの１種または２種で構成される希土類元素）のうちの１種または２種以上で構成されるものとしたことを特徴としている。
【００１３】
本発明に係わる超磁歪材料の製造方法は、請求項４又は請求項６に記載しているように、１）原材料を溶解・凝固して母合金を作製する工程と、２）母合金を粉砕することによってまたは回転しているロール上にノズルから吹き付けることによって微粉末を作製する工程と、３）微粉末を金型に充填・加圧して圧粉体を作製する工程と、４）圧粉体を焼成する工程を少なくとも経て、超磁歪材料を製造する際の前記１）の工程において、希土類酸化物，希土類−鉄酸化物，希土類塩，鉄酸化物のうちの１種または２種以上を原料として超磁歪合金を作製するようにしたこと、又は１）原材料を溶解・凝固して母合金を作製する工程と、２）母合金を粉砕することによってまたは回転しているロールにノズルから吹き付けることによって微粉末を作製する工程と、３）微粉末を金型に充填・加圧して圧粉体を作製する工程と、４）圧粉体を焼成する工程を少なくとも経て超磁歪合金を作製するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
同じく、本発明に係わる超磁歪材料の製造方法は、請求項５又は請求項７に記載しているように、１）原材料を溶解して母合金を作製する工程と、２）母合金の溶湯を回転しているロール上にノズルから吹き付けることによって薄帯またはフレークまたは粉末を作製する工程を少なくとも経て、超磁歪材料を製造する際の前記１）の工程において、希土類酸化物，希土類−鉄酸化物，希土類塩，鉄酸化物のうちの１種または２種以上を原料として超磁歪合金を作製するようにしたこと、又は１）原材料を溶解して母合金を作製する工程と、２）母合金の溶湯を回転しているロールにノズルから吹き付けることによって薄帯またはフレークまたは粉末を作製する工程を少なくとも経て超磁歪合金を作製するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
そして、本発明に係わる超磁歪材料の製造方法の実施態様においては、請求項８に記載しているように、請求項４ないし７のいずれかに記載の１）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で原材料を溶解・凝固して超磁歪合金を作製するようにしたことを特徴としている。
【００１６】
同じく、本発明に係わる超磁歪材料の製造方法の実施態様においては、請求項９に記載しているように、請求項４および請求項６に記載の２）の工程において、酸素を含有した雰囲気中またはガスを用いて母合金を粉砕して微粉末を得るようにしたことを特徴としている。
【００１７】
同じく、本発明に係わる超磁歪材料の製造方法の実施態様においては、請求項１０に記載しているように、請求項４および請求項６に記載の３）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で超磁歪材料の微粉末を圧縮成型して圧粉体を作製するようにしたことを特徴としている。
【００１８】
同じく、本発明に係わる超磁歪材料の製造方法の実施態様においては、請求項１１に記載しているように、請求項４および請求項６に記載の４）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で圧粉体を焼成するようにしたことを特徴としている。
【００１９】
同じく、本発明に係わる超磁歪材料の製造方法の実施態様においては、請求項１２に記載しているように、請求項５および請求項７に記載の２）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で母合金の溶湯を吹き付けるようにしたことを特徴としている。
【００２０】
【発明の作用】
本発明の超磁歪材料では、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在し、超磁歪材料の電気抵抗率を上昇させ、磁歪素子として高周波動作させる際に渦電流を低減して、高周波の動作を可能とする。
【００２１】
そして、本発明の高周波特性に優れ接着部のない超磁歪材料は、超磁歪ロッド製造後の切り出し・接着の工程がないため、歩留りを向上させ、製造コストの大幅な低減を可能にするとともに、素子の機械的強度も従来に比べて飛躍的に向上するものとなる
以下、本発明の具体的構成についてその作用と共にさらに詳細に説明する。
【００２２】
本発明の超磁歪材料は、主成分としては公知のＲＦｅ_２系ラーベス相の超磁歪合金であり、必要に応じて各種元素を添加したものである。
【００２３】
これらの磁歪合金の製造工程において、原料として酸化物を用いるか、あるいは、工程中に超磁歪合金に酸素を含有させて、超磁歪素子の高周波動作を可能にするものである。
【００２４】
本発明の超磁歪材料中の酸化物は、超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に、希土類酸化物および／または希土類−鉄酸化物が結晶形態ないしはアモルファス形態で存在し、超磁歪材料の工程で製造されるため、超磁歪合金と酸化物が緻密に形成され、従来技術にある接着部を持たないことから、機械的強度が向上したものとなる。
【００２５】
特に、酸化物としては、Ｒ_２Ｏ_３，Ｒ_４Ｏ_７，Ｒ_７Ｏ_１２，ＲＦｅＯ_３，Ｒ_６Ｆｅ_１６Ｏ（ＲはＴｂ，Ｄｙのうちの１種または２種で構成される希土類元素）のうちの１種または２種以上で構成される場合に、高周波特性の改善に加えて機械的強度の向上が著しい。
【００２６】
また、超磁歪材料中の酸素含有量が増加するほど、より高い周波数での動作が可能となり、応用製品の要求特性に合わせて酸素含有量を決定すればよい。しかしながら、酸素含有量が２．００重量％未満では十分な動作周波数の改善は認められず、また、過度の酸素含有は動作周波数の向上はあるものの磁歪特性を示さない酸化物が増加し、磁歪素子全体としての磁歪特性が劣化（磁歪変位量が低下）するため、実用的には酸素含有量は２．００重量％以上３０．４０重量％以下が好ましい。そして、酸素を含有する結晶粒界の厚さおよび／または結晶粒径は、１μｍ程度から高周波特性改善の効果があらわれる傾向となるが、２００μｍ程度より大きい範囲では実質的な磁歪変位量の低下が大きい傾向となることにから、従って、実用的な酸素を含有する結晶粒界の厚さおよび／または結晶粒径については、１μｍから２００μｍまでとするのが好ましい。
【００２７】
超磁歪材料の製造方法としては、鋳造法，粉末冶金法および急冷法が公知である。これらの製造方法では、原料合金を鋳造法で作製し、これを母合金としてその後の工程を経て磁歪材料が製造される。そして、その母合金を鋳造する際に、酸素を含有した雰囲気、例えば、Ａｒ＋Ｏ_２またはＮ_２＋Ｏ_２または少量の大気をリークさせながら真空中にて原料金属を溶解・凝固することにより一定量の酸素を取り込むことができる。そして、このときの酸素分圧または真空度の調整によって取り込む酸素量を調整することが可能である。この場合、酸素分圧値および真空度は鋳造装置の条件等により一義的には決まらないが、酸素含有量は２．００重量％から３０．４０重量％までとするのが効果的であることは前述の通りである。その後必要に応じて酸素を含有した鋳造母合金を熱処理することも磁歪特性の改善に効果的である。
【００２８】
また、鋳造工程において酸素を含有させる方法とは別に、原料として、希土類酸化物，希土類−鉄酸化物，希土類塩，鉄酸化物を用いて、鋳造母合金とすることによっても酸素を含有した超磁歪材料を製造することが可能である。
【００２９】
そして、このようにして得られた酸素含有の母合金を用いて、公知の鋳造法，粉末冶金法，急冷法などにより、本発明の超磁歪材料が実現できる。
【００３０】
一方、粉末冶金法を用いる場合には、母合金を粉末にする粉砕工程，粉末の成型工程，焼結工程のうちの１工程または複数工程をＡｒ＋Ｏ_２またはＮ_２＋Ｏ_２または少量の大気をリークさせながら真空中にて行うことにより、酸素を含有させることが可能である。
【００３１】
液体急冷法では、回転しているロール上にノズルから溶融金属溶湯を吹き付けることによって超磁歪薄帯またはフレークまたは粉末を得るようにするが、その吹き付け工程を酸素を含有した雰囲気、すなわち、Ａｒ＋Ｏ_２またはＮ_２＋Ｏ_２または少量の大気をリークさせながら真空中で行うことが有効である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による超磁歪材料では、請求項１に記載しているように、粉末冶金法により製造した希土類と鉄を主成分とするラーベス相超磁歪材料において、ラーベス相超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に、希土類酸化物および／または希土類−鉄酸化物が結晶形態ないしはアモルファス形態で存在し、超磁歪材料中の酸素含有量が２．００重量％以上３０．４０重量％以下であるものとしたから、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在することによって超磁歪材料の電気抵抗率を上昇させることが可能となり、磁歪素子として高周波動作させる際に渦電流を低減することが可能となって、高周波の動作を確保することができるようになり、かつ、製造コストを低減し、機械的強度および信頼性を向上させることができ、製造が容易な超磁歪材料を提供することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３３】
そして、請求項２に記載しているように、請求項１に記載の超磁歪材料において、酸素を含有する結晶粒界の厚さおよび／または結晶粒径が１μｍ以上２００μｍ以下であるものとすることによって、実質的な磁歪変位量の低下を大きくすることなく高周波特性のより一層の改善を実現することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３４】
また、請求項３に記載しているように、請求項１または２に記載の超磁歪材料において、酸化物がＲ_２Ｏ_３，Ｒ_４Ｏ_７，Ｒ_７Ｏ_１２，ＲＦｅＯ_３，Ｒ_６Ｆｅ_１６Ｏ（ＲはＴｂ，Ｄｙのうちの１種または２種で構成される希土類元素）のうちの１種または２種以上で構成されるものとすることによって、高周波特性の改善に加えて、機械的強度の向上を実現することが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３６】
本発明による超磁歪材料の製造方法では、請求項４又は請求項６に記載しているように、１）原材料を溶解・凝固して母合金を作製する工程と、２）母合金を粉砕することによってまたは回転しているロール上にノズルから吹き付けることによって微粉末を作製する工程と、３）微粉末を金型に充填・加圧して圧粉体を作製する工程と、４）圧粉体を焼成する工程を少なくとも経て、超磁歪材料を製造する際の前記１）の工程において、希土類酸化物，希土類−鉄酸化物，希土類塩，鉄酸化物のうちの１種または２種以上を原料として超磁歪合金を作製するようにしたから、又は１）原材料を溶解・凝固して母合金を作製する工程と、２）母合金を粉砕することによってまたは回転しているロールにノズルから吹き付けることによって微粉末を作製する工程と、３）微粉末を金型に充填・加圧して圧粉体を作製する工程と、４）圧粉体を焼成する工程を少なくとも経て超磁歪合金を作製するようにしたから、従来のような超磁歪ロッド製造後の切り出し・接着の工程がないため、歩留りを向上させ、製造コストの大幅な低減を可能にするとともに、素子の機械的強度も従来に比べて飛躍的に向上させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３７】
同じく、本発明による超磁歪材料の製造方法では、請求項５又は請求項７に記載しているように、１）原材料を溶解して母合金を作製する工程と、２）母合金の溶湯を回転しているロール上にノズルから吹き付けることによって薄帯またはフレークまたは粉末を作製する工程を少なくとも経て、超磁歪材料を製造する際の前記１）の工程において、希土類酸化物，希土類−鉄酸化物，希土類塩，鉄酸化物のうちの１種または２種以上を原料として超磁歪合金を作製するようにしたから、又は１）原材料を溶解して母合金を作製する工程と、２）母合金の溶湯を回転しているロールにノズルから吹き付けることによって薄帯またはフレークまたは粉末を作製する工程を少なくとも経て超磁歪合金を作製するようにしたから、従来のような超磁歪ロッド製造後の切り出し・接着の工程がないため、歩留りを向上させ、製造コストの大幅な低減を可能にするとともに、素子の機械的強度も従来に比べて飛躍的に向上させることが可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３８】
そして、実施態様にあっては、請求項８に記載しているように、請求項４ないし７のいずれかに記載の１）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で原材料を溶解・凝固して超磁歪合金を作製するようになすことによって、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在するものとすることが容易に可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００３９】
同じく、実施態様にあっては、請求項９に記載しているように、請求項４および請求項６に記載の２）の工程において、酸素を含有した雰囲気中またはガスを用いて母合金を粉砕して微粉末を得るようになすことによっても、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在するものとすることが容易に可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４０】
同じく、実施態様にあっては、請求項１０に記載しているように、請求項４および請求項６に記載の３）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で超磁歪材料の微粉末を圧縮成型して圧粉体を作製するようになすことによっても、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在するものとすることが容易に可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４１】
同じく、実施態様にあっては、請求項１１に記載しているように、請求項４および請求項６に記載の４）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で圧粉体を焼成するようになすことによっても、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在するものとすることが容易に可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４２】
同じく、実施態様にあっては、請求項１２に記載しているように、請求項５および請求項７に記載の２）の工程において、酸素を含有した雰囲気中で母合金の溶湯を吹き付けるようになすことによっても、酸素を含んだ化合物が超磁歪合金の結晶粒界および／または結晶粒内に存在するものとすることが容易に可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４４】
（参考例１）
超磁歪母合金を鋳造法にて製造する際の原料と製造条件と特性を表１に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
表１において、参考例Ｎｏ．１−１は原料の一部として酸化物を用いた例であり、参考例Ｎｏ．１−２およびＮｏ．１−３は金属原料を用いてこれを酸素を含有する雰囲気中で鋳造した例である。
【００４７】
表１に示すように、酸化物を含まない原料を酸素を含有しない真空中で鋳造した比較例１を含めてこれらを比較すると、鋳造母合金中の酸素含有量が増加するに従って、動作可能周波数が増加していることが確認できる。
【００４８】
（実施例２）
粉末冶金法において、酸素を含有させる工程をそれぞれ設けて、超磁歪材料を製造した例を表２に示す。なお、すべての母合金は酸素を含有していないＴｂ_０．３Ｄｙ_０．７Ｆｅ_１．９組成の合金である。
【００４９】
【表２】

【００５０】
それぞれの試料の酸素含有雰囲気で処理した工程は、参考例Ｎｏ．２−１は粉砕工程であり、実施例Ｎｏ．２−２は成形工程であり、実施例Ｎｏ．２−３は焼結工程であり、実施例Ｎｏ．２−４は粉砕工程と成形工程である。他方、比較例Ｎｏ．２−２およびＮｏ．２−３は酸素含有雰囲気での処理工程が無い場合である。
【００５１】
表２に示すように、ここでも、酸素含有量の増加に伴って動作可能限界周波数が増加していることがわかる。また、大量に酸素を含有させた比較例Ｎｏ．２−１は、動作可能限界周波数はかなり上昇しているものの、磁歪変位量が極端に減少しており、実用的とはいえないものであった。
【００５２】
（実施例３）
超磁歪材料粉末を液体急冷法を用いて作製し、得られた原料粉末を成形，焼結して得られた超磁歪材料の例を表３に示す。
【００５３】
【表３】

【００５４】
実施例Ｎｏ．３−１および比較例３で使用した母合金は希土類酸化物，希土類−鉄酸化物，希土類塩，鉄酸化物を一切使用せず、純Ｔｂ，純Ｄｙ，純Ｆｅ金属を真空中１０^−３Ｔｏｒｒ台で溶解したものである。また、実施例Ｎｏ．３−２の母合金は純金属に加えてＴｂ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３を鋳造して酸素を含有させたものであり、実施例Ｎｏ．３−３では純金属としてＤｙＦｅＯ_３およびＴｂＣｌ_３６Ｈ_２Ｏを鋳造して酸素を含有させたものであり、実施例Ｎｏ．３−４では純金属とＴｂ_４Ｏ_７およびＦｅ_３Ｏ_４を鋳造して酸素を含有させたものである。
【００５５】
表３に示すように、液体急冷法を用いた場合、母合金中に酸素を含有させ、その後の工程で酸素含有雰囲気とする工程の有無に関わらず、作製された磁歪材料中の酸素含有量の増加とともに動作可能限界周波数が上昇している。また、酸素を含有させていない公知の母合金を酸素含有雰囲気中で急冷処理した実施例Ｎｏ．３−１においても製造された材料中の酸素含有量が増加しており、これに伴う高周波時の動作特性が改善している。
【００５６】
（観察結果）
得られた参考例Ｎｏ．１−３の超磁歪材料についてＸ線回折により測定した結果、磁歪を示す希土類−鉄系ラーベス相構造を有し、ラーベス相からの回折ピークに加えて、Ｒ_６Ｆｅ_１６Ｏ，Ｒ_２Ｏ_３等の酸化物ピークが観察され、高周波特性を改善していることが判明した。また、実施例Ｎｏ．３−１の超磁歪材料についてのＸ線回折パターンでは酸化物の回折ピークは認められなかったが、ＥＰＭＡによる面分析の結果、ラーベス相と考えられる結晶粒内および結晶粒界に集中する希土類元素および酸素元素の高濃度分布が確認され、酸化物が結晶粒内および結晶粒界に存在していることを確認した。
【００５７】
参考例Ｎｏ．１−３の超磁歪材料のＸ線回折チャートを図１に示し、実施例Ｎｏ．３−１の超磁歪材料の組織構造略図を図２に示す。この結果、図１に示すように、Ｒ_６Ｆｅ_１６Ｏ，Ｒ_２Ｏ_３等の酸化物ピークが観察され、高周波特性を改善していることが判明した。また、図２（Ａ）に示すように、超磁歪結晶粒子１の結晶粒界に酸化物粒子２が存在していて酸素含有粒界３が形成されていることが認められ、図２（Ｂ）に示すように、超磁歪結晶粒子１の結晶粒内に酸化物結晶粒子４が存在していて高周波特性を改善していることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例Ｎｏ．１−３の超磁歪材料について調べたＸ線回折チャートである。
【図２】本発明実施例Ｎｏ．３−１の超磁歪材料について調べた組織構造概略図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetostrictive material, and more particularly to a giant magnetostrictive material whose length changes when an external magnetic field is applied and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
When an external magnetic field is applied to a magnetic material, the phenomenon that causes expansion or contraction of the magnetic material is, for example, a displacement control or drive actuator, an ultrasonic generation magnetostrictive vibrator, an ultrasonic delay line, an ultrasonic filter, It is applied to variable frequency resonators and various sensors.
[0003]
A magnetostrictive material is required to have a high magnetostriction amount at a low magnetic field strength, a high material strength, or the like depending on the purpose and application, and to have excellent corrosion resistance.
[0004]
Conventionally known magnetostrictive materials having a large amount of saturated magnetostriction at room temperature include intermetallic compounds mainly composed of Tb, Dy, Sm, and Fe. Improvements in material strength, temperature characteristics, etc. have been studied, and many rare earths (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Eu, Ho, Er, Yb, Lu, Tm) and other elements (Mn, Ti , V, Cr, Ni, Cu, Nb, Mo, Ta, W, C, Si, Ge, Sn, B, In, Al, and Co) are listed as measures. These magnetostrictive materials are mainly composed of an intermetallic compound of Fe and rare earth element R called RFe ₂ Laves type intermetallic compound, and are called giant magnetostrictive materials.
[0005]
When using these giant magnetostrictive materials for actuators, etc., in order to ensure the operating frequency, a method of cutting the once produced magnetostrictive rod (block) to a thickness of several millimeters or less and then bonding it. It has been possible to operate at high frequency by reducing the eddy current loss generated inside the magnetostriction.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, with this method, the manufacturing cost required for cutting / bonding is high, and the magnetostrictive rod is frequently damaged or cracked during cutting, which not only decreases the yield but also the mechanical strength of the magnetostrictive element obtained by bonding. And reliability has not reached a satisfactory level as an actual device.
[0007]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been conceived in view of such conventional problems, and it is possible to ensure high-frequency operation as a significantly increased operable frequency, reduce manufacturing costs, and provide mechanical strength and reliability. It is an object of the present invention to provide a giant magnetostrictive material that can improve the properties and can be easily manufactured.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Such an object of the present invention is achieved by making a giant magnetostrictive alloy substantially containing oxygen in the alloy.
[0009]
That is, the giant magnetostrictive material according to the present invention is a Laves phase giant magnetostrictive material mainly composed of rare earth and iron produced by powder metallurgy , as described in claim 1. The rare earth oxide and / or rare earth-iron oxide is present in a crystal form or an amorphous form in the grain boundary and / or crystal grains, and the oxygen content in the giant magnetostrictive material is 2.00 wt% or more and 30.40 wt%. % Or less.
[0010]
In the embodiment of the giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 2, in the giant magnetostrictive material according to claim 1, the thickness of the grain boundary containing oxygen and The crystal grain size is 1 μm or more and 200 μm or less.
[0011]
Similarly, in the embodiment of the giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 3, in the giant magnetostrictive material according to claim 1 or 2, the oxide is R ₂ O ₃ , R ₄ O ₇ , R ₇ O ₁₂ , RFeO ₃ , R ₆ Fe ₁₆ O (R is a rare earth element composed of one or two of Tb and Dy), or one or more of them. It is characterized by that.
[0013]
The method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention comprises, as described in claim 4 or claim 6 , 1) a step of melting and solidifying the raw material to produce a master alloy, and 2) pulverizing the master alloy. A process for producing a fine powder by spraying from a nozzle onto a rotating roll, 3) a process for producing a green compact by filling and pressing the fine powder into a mold, and 4) a green compact. In the step 1) when producing a giant magnetostrictive material at least through the step of firing the body, one or more of rare earth oxides, rare earth-iron oxides, rare earth salts, and iron oxides are used. Giving a giant magnetostrictive alloy as a raw material , or 1) melting and solidifying the raw material to produce a mother alloy, and 2) pulverizing the mother alloy or spraying a rotating roll from a nozzle By fine powder A step of preparing, 3) a step of preparing a green compact pressed filling and pressurizing the powder into the mold, 4) that the step of firing the green compact was to create at least through super magnetostrictive alloy It is a feature.
[0014]
Similarly, the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention includes 1) a step of producing a master alloy by melting raw materials, and 2) a melt of the master alloy as described in claim 5 or claim 7. In the above step 1) when producing a giant magnetostrictive material through at least the step of producing a ribbon or flake or powder by spraying from a nozzle onto a rotating roll, a rare earth oxide, a rare earth-iron oxidation A magnetostrictive alloy is produced by using one or more of materials, rare earth salts, and iron oxides as raw materials , or 1) a step of dissolving a raw material to produce a master alloy, and 2) a mother A giant magnetostrictive alloy is produced through at least a step of producing a ribbon, flakes or powder by spraying a molten alloy from a nozzle onto a rotating roll .
[0015]
In the embodiment of the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 8 , oxygen is contained in the step 1) according to any one of claims 4 to 7 . It is characterized by producing a giant magnetostrictive alloy by melting and solidifying raw materials in an atmosphere.
[0016]
Similarly, in the embodiment of the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 9 , an atmosphere containing oxygen in the step 2) of claim 4 and claim 6 is used. It is characterized in that a fine powder is obtained by pulverizing the mother alloy using medium or gas.
[0017]
Similarly, in the embodiment of the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 10 , an atmosphere containing oxygen in the step 3) of claim 4 and claim 6 is used. Among them, a compact is produced by compression molding a fine powder of a giant magnetostrictive material.
[0018]
Similarly, in the embodiment of the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 11 , an atmosphere containing oxygen in the process of claim 4 and claim 4). It is characterized in that the green compact is fired.
[0019]
Similarly, in the embodiment of the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 12 , an atmosphere containing oxygen is provided in the step 2) of claim 5 and claim 7. It is characterized by spraying molten metal of the mother alloy.
[0020]
[Effects of the Invention]
In the giant magnetostrictive material of the present invention, when the oxygen-containing compound is present in the crystal grain boundary and / or crystal grain of the giant magnetostrictive alloy, the electrical resistivity of the giant magnetostrictive material is increased and the magnetostrictive element is operated at a high frequency. Reduces eddy currents and enables high frequency operation.
[0021]
And the super magnetostrictive material with excellent high-frequency characteristics of the present invention and without an adhesive part has no cutting and bonding process after manufacturing the giant magnetostrictive rod, so that the yield is improved and the manufacturing cost can be greatly reduced, The mechanical strength of the element is also greatly improved as compared with the prior art. Hereinafter, the specific configuration of the present invention will be described in more detail together with its operation.
[0022]
The giant magnetostrictive material of the present invention is a known RFe ₂ Laves phase giant magnetostrictive alloy as a main component, with various elements added as necessary.
[0023]
In the manufacturing process of these magnetostrictive alloys, an oxide is used as a raw material, or oxygen is contained in the super magnetostrictive alloy during the process to enable high frequency operation of the super magnetostrictive element.
[0024]
The oxide in the giant magnetostrictive material of the present invention has a rare earth oxide and / or rare earth-iron oxide in a crystalline form or an amorphous form in the grain boundary and / or crystal grain of the giant magnetostrictive alloy. Since the super magnetostrictive alloy and the oxide are densely formed because they are manufactured by the material process and do not have the bonding portion in the prior art, the mechanical strength is improved.
[0025]
In particular, as the oxide, R ₂ O ₃ , R ₄ O ₇ , R ₇ O ₁₂ , RFeO ₃ , R ₆ Fe ₁₆ O (R is a rare earth element composed of one or two of Tb and Dy) ), The mechanical strength is remarkably improved in addition to the improvement of the high-frequency characteristics.
[0026]
Further, as the oxygen content in the giant magnetostrictive material increases, operation at a higher frequency becomes possible, and the oxygen content may be determined in accordance with the required characteristics of the applied product. However, when the oxygen content is less than 2.00 % by weight, a sufficient improvement in the operating frequency is not observed, and an excessive oxygen content increases the operating frequency, but the number of oxides that do not exhibit magnetostrictive properties increases, and the magnetostriction In practice, the oxygen content is preferably 2.00 % by weight or more and 30.40 % by weight or less because the magnetostriction characteristics of the entire element deteriorate (the magnetostriction displacement amount decreases). The thickness of the crystal grain boundary containing oxygen and / or the crystal grain size tends to have an effect of improving the high-frequency characteristics from about 1 μm. However, if the range is larger than about 200 μm, the substantial magnetostrictive displacement is reduced. Therefore, the thickness and / or crystal grain size of a practical grain boundary containing oxygen is preferably 1 μm to 200 μm.
[0027]
As a method for producing a giant magnetostrictive material, a casting method, a powder metallurgy method, and a rapid cooling method are known. In these production methods, a raw material alloy is produced by a casting method, and this is used as a mother alloy to produce a magnetostrictive material through subsequent steps. Then, when casting the mother alloy, a certain amount of metal is dissolved and solidified in a vacuum while leaking an atmosphere containing oxygen, for example, Ar + O ₂ or N ₂ + O ₂ or a small amount of air. Can take up oxygen. The amount of oxygen taken in can be adjusted by adjusting the oxygen partial pressure or the degree of vacuum at this time. In this case, the oxygen partial pressure value and the degree of vacuum are not uniquely determined depending on the conditions of the casting apparatus, but it is effective that the oxygen content is 2.00 % by weight to 30.40 % by weight. Is as described above. Thereafter, heat treatment of the cast mother alloy containing oxygen is also effective in improving the magnetostriction characteristics as necessary.
[0028]
Also, apart from the method of containing oxygen in the casting process, a rare earth oxide, rare earth-iron oxide, rare earth salt, iron oxide is used as a raw material to form a casting mother alloy. It is possible to produce a magnetostrictive material.
[0029]
The super magnetostrictive material of the present invention can be realized by a known casting method, powder metallurgy method, quenching method, and the like using the thus obtained oxygen-containing master alloy.
[0030]
On the other hand, when using powder metallurgy, one or more of the pulverization process, powder molding process, and sintering process to turn the mother alloy into powder is leaked with Ar + O ₂ or N ₂ + O ₂ or a small amount of air. It is possible to contain oxygen by carrying out in a vacuum while making it occur.
[0031]
In the liquid quenching method, molten metal melt is sprayed from a nozzle onto a rotating roll to obtain a giant magnetostrictive ribbon or flakes or powder. The spraying process is performed in an atmosphere containing oxygen, that is, Ar + O _2. Alternatively, it is effective to carry out in vacuum while leaking N ₂ + O ₂ or a small amount of air.
[0032]
【The invention's effect】
In the giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 1, in the Laves phase giant magnetostrictive material mainly composed of rare earth and iron produced by powder metallurgy , the crystal grain boundaries of the Laves phase giant magnetostrictive alloy and In the crystal grains, rare earth oxide and / or rare earth-iron oxide is present in a crystalline form or an amorphous form, and the oxygen content in the giant magnetostrictive material is 2.00 wt% or more and 30.40 wt% or less. As a result, it is possible to increase the electrical resistivity of the giant magnetostrictive material by the presence of oxygen-containing compounds in the grain boundaries and / or crystal grains of the giant magnetostrictive alloy. Eddy currents can be reduced during operation, high frequency operation can be ensured, manufacturing costs can be reduced, and mechanical strength and reliability can be reduced. It can be above, resulting in a significantly excellent effect that it is possible to manufacture provide easy giant magnetostrictive material.
[0033]
As described in claim 2, in the giant magnetostrictive material according to claim 1, the thickness and / or crystal grain size of the crystal grain boundary containing oxygen is 1 μm or more and 200 μm or less. As a result, the remarkably excellent effect that it is possible to realize further improvement of the high frequency characteristics without increasing the substantial decrease in the amount of magnetostriction displacement is brought about.
[0034]
Moreover, as described in claim 3, in the giant magnetostrictive material according to claim 1 or 2, the oxide is R ₂ O ₃ , R ₄ O ₇ , R ₇ O ₁₂ , RFeO ₃ , R ₆ Fe. _In addition to the improvement of high-frequency characteristics by being composed of one or more of ₁₆ O (R is a rare earth element composed of one or two of Tb and Dy), The remarkably excellent effect that an improvement in mechanical strength can be realized is brought about.
[0036]
In the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention , as described in claim 4 or claim 6 , 1) a step of melting and solidifying the raw material to produce a mother alloy, and 2) pulverizing the mother alloy. A process for producing a fine powder by spraying from a nozzle onto a rotating roll, 3) a process for producing a green compact by filling and pressing the fine powder into a mold, and 4) a green compact. In the step 1) when producing a giant magnetostrictive material through at least the step of firing the material, one or more of rare earth oxides, rare earth-iron oxides, rare earth salts and iron oxides are used as raw materials. Or 1) a step of melting and solidifying the raw material to produce a mother alloy, and 2) pulverizing the mother alloy or spraying a rotating roll from a nozzle. By fine powder A step of preparing, 3) a step of preparing a fine powder filling and pressurizing the mold compact, 4) from the step of firing the green compact was to create at least through super magnetostrictive alloy, Since there is no conventional cutting and bonding process after manufacturing giant magnetostrictive rods, the yield is improved and the manufacturing cost can be greatly reduced, and the mechanical strength of the element is dramatically improved compared to the conventional method. The remarkably excellent effect of being able to be made is brought about.
[0037]
Similarly, in the method for producing a giant magnetostrictive material according to the present invention, as described in claim 5 or claim 7 , 1) a step of producing a mother alloy by melting raw materials, and 2) a molten metal of the mother alloy. In the step 1) in producing a giant magnetostrictive material through at least the step of producing a ribbon or flake or powder by spraying from a nozzle onto a rotating roll, the rare earth oxide, rare earth-iron oxide , Rare earth salts and iron oxides are used as a raw material to produce a giant magnetostrictive alloy , or 1) a process for producing a master alloy by melting raw materials, and 2) a master alloy since the process of manufacturing a thin strip or flakes or powder by blowing the molten metal from the nozzle into the rotating roll so as to create at least through super magnetostrictive alloy, as in the prior art super-magnetostrictive Since there is no cut-out / bonding process after the manufacture of the head, the yield can be improved, the manufacturing cost can be greatly reduced, and the mechanical strength of the element can be dramatically improved compared to the conventional one. There is a markedly superior effect.
[0038]
In the embodiment, as described in claim 8 , in the step 1) according to any one of claims 4 to 7 , the raw material is dissolved and solidified in an oxygen-containing atmosphere. By producing a giant magnetostrictive alloy, it is possible to easily make it possible for the oxygen-containing compound to be present in the grain boundaries and / or in the grains of the giant magnetostrictive alloy. Is brought about.
[0039]
Similarly, in the embodiment, as described in claim 9 , in the process of 2) according to claim 4 and claim 6 , the mother alloy is formed in an atmosphere containing oxygen or using a gas. Even if the fine powder is obtained by pulverization, it is possible to easily make it possible for the oxygen-containing compound to be present in the crystal grain boundaries and / or crystal grains of the giant magnetostrictive alloy. The effect is brought about.
[0040]
Similarly, in the embodiment, as described in claim 10 , in the step of 3) according to claim 4 and claim 6 , fine powder of the giant magnetostrictive material is added in an atmosphere containing oxygen. It can be easily made that the compound containing oxygen is present in the crystal grain boundary and / or crystal grain of the giant magnetostrictive alloy by making the green compact by compression molding. A remarkably excellent effect is brought about.
[0041]
Also, in the embodiment, as set forth in claim 11, in the step 4) according to claims 4 and 6, so that firing the green compact in an atmosphere containing oxygen Also in this case, a remarkably excellent effect is obtained that it is possible to easily make the oxygen-containing compound exist in the crystal grain boundary and / or crystal grain of the giant magnetostrictive alloy.
[0042]
Similarly, in the embodiment, as described in claim 12 , in the process of 2) according to claim 5 and claim 7 , the molten metal alloy is sprayed in an atmosphere containing oxygen. Also in this case, a remarkably excellent effect is obtained that it is possible to easily make the oxygen-containing compound exist in the crystal grain boundary and / or crystal grain of the giant magnetostrictive alloy.
[0043]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the present invention will be shown to describe the present invention in more detail.
[0044]
( Reference Example 1)
Table 1 shows raw materials, manufacturing conditions, and characteristics when the giant magnetostrictive mother alloy is manufactured by a casting method.
[0045]
[Table 1]

[0046]
In Table 1, Reference Example No. 1-1 is an example using an oxide as part of the raw materials, Reference Example No. 1-2 and No.1. 1-3 is an example in which a metal raw material is cast in an atmosphere containing oxygen.
[0047]
As shown in Table 1, when these were compared including Comparative Example 1 in which the raw material containing no oxide was cast in a vacuum containing no oxygen, the operable frequency increased as the oxygen content in the cast mother alloy increased. Can be confirmed.
[0048]
(Example 2)
Table 2 shows an example in which a giant magnetostrictive material is manufactured by providing each step of containing oxygen in the powder metallurgy method. All the master alloys are alloys of Tb _0.3 Dy _0.7 Fe _1.9 composition that does not contain oxygen.
[0049]
[Table 2]

[0050]
The process of each sample treated in an oxygen-containing atmosphere is described in Reference Example No. 2-1 is a grinding | pulverization process. 2-2 is a molding process. 2-3 is a sintering process. 2-4 is a grinding | pulverization process and a shaping | molding process. On the other hand, Comparative Example No. 2-2 and No. 2-3 is a case where there is no treatment process in an oxygen-containing atmosphere.
[0051]
As shown in Table 2, it can also be seen that the operable limit frequency increases with increasing oxygen content. Further, Comparative Example No. 1 containing a large amount of oxygen was used. In the case of 2-1, although the operable limit frequency was considerably increased, the magnetostriction displacement amount was extremely decreased, which was not practical.
[0052]
(Example 3)
Table 3 shows an example of a giant magnetostrictive material obtained by producing a giant magnetostrictive material powder using a liquid quenching method, and molding and sintering the obtained raw material powder.
[0053]
[Table 3]

[0054]
Example No. The mother alloy used in 3-1 and Comparative Example 3 does not use any rare earth oxide, rare earth-iron oxide, rare earth salt, or iron oxide, and pure Tb, pure Dy, and pure Fe metal are used in a vacuum of 10 ^−3. Dissolved on the Torr platform. In addition, Example No. The mother alloy of 3-2 was obtained by casting Tb ₂ O ₃ and Fe ₂ O ₃ in addition to pure metal to contain oxygen. No. 3-3 was obtained by casting DyFeO ₃ and TbCl ₃ 6H ₂ O as pure metals and containing oxygen. In No. 3-4, pure metal, Tb ₄ O ₇ and Fe ₃ O ₄ are cast to contain oxygen.
[0055]
As shown in Table 3, when the liquid quenching method is used, the oxygen content in the produced magnetostrictive material is determined regardless of the presence or absence of the oxygen-containing atmosphere in the master alloy and the subsequent oxygen-containing atmosphere. As the frequency increases, the operable limit frequency increases. In addition, Example No. 1 was obtained by quenching a known mother alloy not containing oxygen in an oxygen-containing atmosphere. Also in 3-1, the oxygen content in the manufactured material is increasing, and the operating characteristics at high frequencies accompanying this increase.
[0056]
(Observation results)
The obtained Reference Example No. As a result of measuring the 1-3 magnetostrictive material by X-ray diffraction, it has a rare earth-iron Laves phase structure showing magnetostriction, and in addition to the diffraction peak from the Laves phase, R ₆ Fe ₁₆ O, R ₂ O ₃ Such oxide peaks were observed, and it was found that the high frequency characteristics were improved. In addition, Example No. In the X-ray diffraction pattern of 3-1 giant magnetostrictive material, no oxide diffraction peak was observed, but as a result of surface analysis by EPMA, rare earth elements concentrated in the crystal grains considered to be Laves phases and in grain boundaries In addition, high concentration distribution of oxygen and oxygen was confirmed, and it was confirmed that oxides existed in the crystal grains and in the crystal grain boundaries.
[0057]
Reference Example No. An X-ray diffraction chart of the 1-3 magnetostrictive material is shown in FIG. A schematic diagram of the structure of the 3-1 giant magnetostrictive material is shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 1, oxide peaks such as R ₆ Fe ₁₆ O, R ₂ O ₃ were observed, and it was found that the high frequency characteristics were improved. Further, as shown in FIG. 2 (A), it is recognized that the oxide particles 2 are present at the crystal grain boundaries of the giant magnetostrictive crystal particles 1 and the oxygen-containing grain boundaries 3 are formed. ), It has been found that the oxide crystal particles 4 are present in the crystal grains of the giant magnetostrictive crystal particles 1 to improve the high frequency characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 Reference Example No. It is the X-ray-diffraction chart investigated about the 1-3 giant magnetostrictive material.
FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of a structure examined for a 3-1 giant magnetostrictive material.

Claims

In a Laves phase giant magnetostrictive material mainly composed of rare earth and iron produced by powder metallurgy , rare earth oxides and / or rare earth-iron oxides are present in crystal grain boundaries and / or crystal grains of Laves phase giant magnetostrictive alloys. A giant magnetostrictive material which exists in a crystalline form or an amorphous form and has an oxygen content in the giant magnetostrictive material of 2.00 % by weight or more and 30.40 % by weight or less.

The giant magnetostrictive material according to claim 1, wherein the giant magnetostrictive material is produced by powder metallurgy, wherein the crystal grain boundary thickness and / or crystal grain size containing oxygen is 1 µm or more and 200 µm or less.

In the giant magnetostrictive material according to claim 1 or 2 were prepared by powder metallurgy, oxide _{_{_{_{R 2 O 3, R 4 O}}}} 7, R 7 O 12, RFeO 3, R 6 Fe 16 O (R is Tb, A giant magnetostrictive material comprising one or more of rare earth elements composed of one or two of Dy).

1) a process for producing a mother alloy by melting and solidifying raw materials; 2) a process for producing a fine powder by pulverizing the mother alloy or spraying from a nozzle onto a rotating roll; Rare earth oxide in the above-mentioned step 1) when producing a giant magnetostrictive material through at least a step of producing a green compact by filling and pressing powder into a mold, and 4) a step of firing the green compact A giant magnetostrictive material according to any one of claims 1 to 3, wherein a giant magnetostrictive alloy is produced using one or more of rare earth-iron oxide, rare earth salt, and iron oxide as raw materials. Manufacturing method.

Giant magnetostriction through at least the steps of 1) melting raw materials to produce a master alloy , and 2) producing a ribbon or flake or powder by spraying a molten master alloy from a nozzle onto a rotating roll. In the step 1) when producing the material, a giant magnetostrictive alloy is produced using one or more of rare earth oxide, rare earth-iron oxide, rare earth salt, and iron oxide as raw materials. A method for producing a giant magnetostrictive material according to any one of claims 1 to 3.

1) a step of preparing a mother alloy by melting and solidifying raw materials, 2) a step of preparing a fine powder by pulverizing the master alloy or spraying a rotating roll from a nozzle, and 3) a fine powder. 4. A giant magnetostrictive alloy is produced through at least a step of producing a green compact by filling and pressurizing a metal mold and 4) a step of firing the green compact. A method for producing the giant magnetostrictive material described.

A super magnetostrictive alloy is produced through at least a step of producing a master alloy by melting raw materials and 2) a step of producing a ribbon or flake or powder by spraying a molten master alloy from a nozzle onto a rotating roll. The method for producing a giant magnetostrictive material according to any one of claims 1 to 3, wherein the material is produced.

In step 1) according to any one of claims 4 to 7, the manufacturing method of the super magnetostrictive material you characterized in that to produce the oxygen dissolved and solidified to super magnetostrictive alloy raw materials in an atmosphere containing.

In step 2) of claim 4 or claim 6, the manufacturing method of the super magnetostrictive material you and obtaining a fine powder by pulverizing a mother alloy with oxygen atmosphere or gas containing.

In Step 3) according to claim 4 or claim 6, in an atmosphere containing oxygen by compression molding the fine powder of giant magnetostrictive material you characterized in that to produce the green compact of the super magnetostrictive material Production method.

In the step 4) of claim 4 or claim 6, the manufacturing method of the super magnetostrictive material you and firing the green compact in an atmosphere containing oxygen.

In step 2) of claim 5 or claim 7, the production method of the super magnetostrictive material you characterized by blowing molten master alloy in an atmosphere containing oxygen.