JP6511862B2 - マンガン系磁石 - Google Patents

Description

本発明は、高い電気抵抗率を有するマンガン系磁石に関するものである。

現在、フェライト磁石よりも磁気特性が高く、希土類磁石よりも安価な磁石が求められている。このため希土類を含まないマンガン系磁石が注目されている。

マンガン系磁石の中でもマンガンアルミニウム磁石は有望であり、鋳造の後に熱間塑性加工というプロセスにより作製されており（特公昭５４−３１４４８）、高い磁気特性や機械的強度を有する異方性磁石として知られている。

磁石は使用環境下で時間変化する磁場にさらされると、その磁場を打ち消すために磁石内部に渦電流が流れ、この渦電流がジュール熱を発生させて渦電流損になる。マンガン系磁石では電流が流れ易いため、渦電流損が大きい。

特許文献１ではマンガン系磁石の電気抵抗率を十分に高めることができていないので、渦電流損を低減できない。
特公昭５４−３１４４８

本発明は、このような実情に鑑みてなされ、その目的は、高い電気抵抗率を有するとともに、良好な磁気特性を併せ持つマンガン系磁石を提供することである。

本発明に係るマンガン系磁石は、カルシウムもしくはマグネシウムを０．０１ｍａｓｓ％〜１１ｍａｓｓ％含むことを特徴とする。

マンガン系磁石内の隣り合う２つ以上の主相粒子によって形成された粒界にカルシウムもしくはマグネシウムが存在することで、電子伝導を妨げ、渦電流損を低減できると共に、良好な磁気特性を有することができる。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。

カルシウムやマグネシウムは酸素と結合し易いため、それらの酸化物である酸化カルシウムや酸化マグネシウムがマンガン系磁石内部に安定して存在でき、マンガン系磁石の電気抵抗率を上げることができると考えられる。

マンガン系磁石に含まれるカルシウムもしくはマグネシウムが０．０１ｍａｓｓ％未満では電気抵抗率を高くすることができない。また、マンガン系磁石に含まれるカルシウムもしくはマグネシウムが１１ｍａｓｓ％を超えると磁気特性の低下が大きい。本発明では、マンガン系磁石に含まれるカルシウムもしくはマグネシウムを０．０１〜１１ｍａｓｓ％の割合で構成したので、電気抵抗率の増大と磁気特性の維持の両立を図ることができる。

本発明によれば、高い電気抵抗率を有するとともに、良好な磁気特性を併せ持つマンガン系磁石を得ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に記載の実施形態および実施例の内容により限定されるものではない。また、以下に記載の実施形態および実施例にて示された構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択してもよい。

本発明の実施形態に係るマンガン系磁石の実施形態について説明する。本実施形態に係るマンガン系磁石はＭｎＸ（ここで、ＸはＡｌ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｎ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種である。）結晶粒を有するマンガン系磁石であり、内部にカルシウムやマグネシウムを含んでいる。高電気抵抗率を有するカルシウムやマグネシウムの酸化物がマンガン系磁石内部に含まれることで、電子伝導を妨げることができ、交流磁場にさらされたときに誘起される渦電流損を低減することができる。一方、マンガン系磁石の磁気特性が高いのはカルシウムもしくはマグネシウム量が低い割合で構成している場合である。

マンガン系磁石に含まれるカルシウムもしくはマグネシウムが０．０１ｍａｓｓ％未満になるとカルシウムもしくはマグネシウムが少ないため、十分に主相粒子間の電子伝導を妨げることができず、高い電気抵抗率を得られない。また、マンガン系磁石に含まれるカルシウムもしくはマグネシウムが１１％を超えてしまうとＭｎＸ相の比率が小さくなり過ぎて、十分な磁化を得ることができない。そこで、マンガン系磁石に含まれるカルシウムもしくはマグネシウムを０．０１〜１１ｍａｓｓ％とすることで、電気抵抗率の向上と磁化の維持の両立を図るようにした。

また、本発明に係るマンガン系磁石に含まれるカルシウムは、ＣａＯ、Ｃａ−Ｘ−Ｏ、Ｃａ−Ｍｎ−Ｏ、Ｃａ−Ｘ−Ｍｎ−Ｏ化合物またはそれらの化合物として存在し、マグネシウムはＭｇＯ、Ｍｇ−Ｘ−Ｏ、Ｍｇ−Ｍｎ−Ｏ、Ｍｇ−Ｘ−Ｍｎ−Ｏ化合物またはそれらの混合物として存在する。

マンガン系磁石の主相粒子であるＭｎＸ結晶粒の粒径は１．０μｍ未満であることが好ましい。粒径が１．０μｍ以下であると主相粒子内の電子伝導が起こりにくくなるので、電気抵抗率を十分に上げることが容易となる。カルシウムもしくはマグネシウムはマンガン系磁石全体に均一に分布していることが好ましい。

本発明に係るマンガン系磁石の製造方法を説明する。本発明に係るマンガン系磁石は、マンガン合金粉末を製造し、得られたマンガン系合金粉体とカルシウム源もしくはマグネシウム源を、混合・粉砕し、得られた粉体を圧縮成型し、温間押出加工する事により得られる。

本発明におけるマンガン系合金粉末はＭｎＸ（ここで、ＸはＡｌ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｎ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種である。）を主相とし、ガスアトマイズ法にて製造される。

このマンガン系合金粉末とカルシウム源もしくはマグネシウム源を所定量秤量し混合する。カルシウム源としてＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）_２、ＣａＣＯ_３などが挙げられるが、特にＣａＯが好ましい。マグネシウム源としてＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）_２、ＭｇＣＯ_３などが挙げられるが、特にＭｇＯが好ましい。

本発明におけるカルシウム源およびマグネシウム源の粒子形状は特に限定はないが、球状、針状、粒状、紡錘状、直方体状などいずれでもよい。本発明におけるカルシウム源およびマグネシウム源の粒径は１００μｍ以下が好ましい。粒径が１００μｍ以下のカルシウムもしくはマグネシウムは磁石内部で偏らずに存在するため、十分高い電気抵抗率を得ることが容易となる。

次にマンガン系合金粉末とカルシウム源およびマグネシウム源を混合して微粉砕を行う。粉砕時間などの条件を適宜調整しながら、ジェットミル、ボールミル、振動ミルなどの微粉砕機を用いて粉砕を行うことで実施される。

マンガン合金粉体とカルシウム源およびマグネシウム源の粉砕時間は５時間以上が好ましい。粉砕時間が５時間未満の場合には、マンガン合金粉体とカルシウム源およびマグネシウム源の混合度が不十分となり、十分な電気抵抗率を有するマンガン系磁石を得ることができない。

振動ミルを使用する場合、マンガン合金粉体とカルシウム源およびマグネシウム源の振動ミルの使用する容器とボールは特に限定しないが、ステンレス、アルミナ、メノウ製が好ましい。さらにはＦｅ不純物の混入を避けることができるアルミナ、メノウ製が特に好ましい。

混合で得られる混合粉末を所定量計量し、ダイスに投入し油圧プレスにて圧縮成形する。圧縮成型温度は６００℃〜７００℃が好ましい。圧縮成型温度が６００℃未満では十分な密度が得られない。圧縮成型圧力は１０ｋｇ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。１０ｋｇ／ｍｍ^２未満では十分な密度が得られない。

得られたビレットを７００℃〜８００℃、押出比Ｒ（押出加工前後のビレットの断面積比）２〜４で温間押出加工する事により、目的とするマンガン系磁石が得られる。

＜評価方法＞
本実施例と比較例の測定方法について説明する。作製したマンガン系磁石の電気抵抗率は４探針法にて測定した。４探針法とは４つの探針を試料表面に接触させ、外側の探針に電流を流した時に内側の探針に生じる電圧から電気抵抗率を求める方法である。試料の形状は２ｍｍ×２ｍｍ×５ｍｍに成形した。評価は１００μΩ・ｃｍ以上を合格とした。

マンガン系磁石の磁化は玉川製作所のＶＳＭ（振動試料型磁力測定：Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）で測定した。磁場範囲は０〜３３０００Ｏｅであり、温度は２５℃である。飽和磁化の評価はマンガンアルミニウム系磁石では８０ｅｍｕ／ｇ以上、マンガンビスマス系磁石では４０ｅｍｕ／ｇ以上を合格とした。

マンガン系磁石に含まれる相をＸ線回折法で同定した。マンガン系磁石のカルシウムおよびマグネシウムの含有量は誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ法）で測定した。

実施例１
Ｍｎ（純度９９．９ｍａｓｓ％以上）、Ａｌ（純度９９．９ｍａｓｓ％以上）をＭｎ：Ａｌ＝７１：２９ｍａｓｓ％の割合で秤量し、ガスアトマイズ法でマンガンアルミニウム合金粉末を作製した。得られた粉体にＣａＯを０．０２ｍａｓｓ％添加し、ボールミルで６時間混合・粉砕を行った。

この粉体を所定量計量後、ダイスに投入し油圧プレスにて温度６００℃、３０ｋｇ／ｍｍ^２の条件で圧縮成型し、温間押し出し加工を行い、マンガンアルミニウム系磁石を得た。

得られたマンガンアルミニウム系磁石のＸＲＤ測定を行うとＭｎＡｌ相のピークとわずかなＣａＯのピークが観測された。製造された磁石の主相粒子がＭｎＡｌ相になっており、カルシウムはＣａＯとして存在していることが分かる。ＩＣＰ−ＭＳ法でカルシウム量を測定すると添加したＣａＯの仕込み比から換算した値と一致していた。

得られたマンガンアルミニウム系磁石の測定を行ったところ電気抵抗率ρが１０２μΩ・ｃｍ、飽和磁化Ｍｓが９５．２ｅｍｕ／ｇであり、十分な電気抵抗率と磁気特性が得られた。

実施例２〜５ではＣａＯの添加量のみを変えたこと以外は実施例１と同様にしてマンガンアルミニウム系磁石を作製した。ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したカルシウム量は添加したＣａＯの仕込み比から換算した値と一致していた。実施例２〜５では、ＸＲＤ測定を行ったところＭｎＡｌとＣａＯのピークが観測された。電気抵抗率と飽和磁化を測定すると、十分な電気抵抗率と飽和磁化を有することが分かった。

実施例６、７では添加剤をＣａＯからＭｇＯに変えたこと以外は実施例１と同様にしてマンガンアルミニウム系磁石を作製した。ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したマグネシウム量は添加したＭｇＯの仕込み比から換算した値と一致していた。ＸＲＤ測定を行ったところ、ＭｎＡｌとＭｇＯのピークが観測された。電気抵抗率と飽和磁化を測定すると、十分な電気抵抗率と飽和磁化を有することが分かった。

実施例８ではＣａＯのみではなくＣａＯとＭｇＯを添加したこと以外は実施例１と同様にしてマンガンアルミニウム系磁石を作製した。ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したカルシウム量およびマグネシウム量は添加したＣａＯおよびＭｇＯの仕込み比から換算した値と一致していた。ＸＲＤ測定を行ったところ、ＭｎＡｌ、ＣａＯおよびＭｇＯのピークが観測された。電気抵抗率と飽和磁化を測定すると、十分な電気抵抗率と飽和磁化を有することが分かった。

実施例１〜８で添加したＣａＯとＭｇＯの量とＩＣＰ−ＭＳ分析で検出したＣａとＭｇ量を表１に示す。
実施例１〜８で電気抵抗率と磁化の測定を行った結果を表２に示す。

比較例１では添加剤を入れなかったこと以外は実施例１と同様にしてマンガンアルミニウム系磁石を作製した。

比較例２ではＣａＯを０．０１ｍａｓｓ％添加し、比較例３ではＣａＯを１８ｍａｓｓ％添加したこと以外は実施例１と同様にしてマンガンアルミニウム系磁石を得た。

比較例４ではＣａＯの代わりにＭｇＯを０．０１ｍａｓｓ％添加し、比較例５ではＭｇＯを１８ｍａｓｓ％添加したこと以外は実施例１と同様にしてマンガンアルミニウム系磁石を得た。

比較例１〜５で電気抵抗率と磁化の測定を行った結果を表１に示す。

電気抵抗率測定および磁化測定いずれの評価でも合格と評価できるマンガンアルミニウム系磁石は実施例１〜８であるといえる。カルシウムもしくはマグネシウムの添加量が多いほど電気抵抗率の増大の効果が強くなっていることが分かる。また、実施例１〜８のカルシウムもしくはマグネシウム量の範囲では十分な飽和磁化を持つことが分かる。

一方、比較例１、２のようにカルシウムの添加量が０．０１ｍａｓｓ％未満ではカルシウム量が少ないため主相粒子間の電子伝導を抑えられず、電気抵抗率を十分に高めることができなかったと考えられる。また、比較例３のようにカルシウム量が１１ｍａｓｓ％を超えると磁石の飽和磁化が低くなる。

比較例４のようにマグネシウム量が０．０１ｍａｓｓ％未満では十分電気抵抗を高めることができず、比較例５のようにマグネシウム量が１１ｍａｓｓ％を超えると磁石の飽和磁化が低くなる。

実施例９
Ｍｎ（純度９９．９ｍａｓｓ％以上）、Ｂｉ（純度９９．９ｍａｓｓ％以上）をそれぞれＭｎを１７ｍａｓｓ％、Ｂｉを８３ｍａｓｓ％の割合で秤量し、ガスアトマイズ法でマンガンビスマス合金粉末を作製し、Ａｒ雰囲気中２７０℃で３日間加熱した。

得られた粉体にＣａＯを０．０２ｍａｓｓ％添加し、振動ミルで６時間混合・粉砕を行い、１００μｍ以下の粉体を得た。

この粉体を所定量計量後、ダイスに投入し油圧プレスにて温度６００℃、３０ｋｇ／ｍｍ^２の条件で圧縮成型し、温間押し出し加工によりマンガンビスマス系磁石を得た。

ＸＲＤ測定を行うとＭｎＡｌ相のピークとわずかなＣａＯのピークが観測された。製造されたマンガン系磁石では、主相粒子がＭｎＢｉになっており、カルシウムはＣａＯとして存在していることが分かる。ＩＣＰ−ＭＳ法でカルシウム量を測定すると添加したＣａＯの仕込み比から換算した値と一致していた。

得られた磁石の測定を行ったところ電気抵抗率ρが１０２μΩ・ｃｍ、飽和磁化Ｍｓが５０．０ｅｍｕ／ｇであり、十分な電気抵抗率と磁気特性が得られた。

実施例１０〜１３ではＣａＯの添加量のみを変えたこと以外は実施例９と同様にしてマンガン系磁石を作製した。ＩＣＭ−ＭＳ法で測定したカルシウム量は添加したＣａＯの仕込み比から換算した値と一致していた。実施例１０〜１３では、ＸＲＤ測定を行ったところＭｎＢｉとＣａＯのピークが観測された。電気抵抗率と飽和磁化を測定すると、十分な電気抵抗率と飽和磁化を有することが分かった。

実施例１４、１５では添加剤をＣａＯからＭｇＯに変えたこと以外は実施例９と同様にしてマンガンビスマス系磁石を作製した。ＩＣＰ−ＭＳ法で測定したマグネシウム量は添加したＭｇＯの仕込み比から換算した値と一致していた。実施例１４、１５ではＸＲＤ測定を行ったところ、ＭｎＢｉとＭｇＯのピークが観測された。電気抵抗率と飽和磁化を測定すると、十分な電気抵抗率と飽和磁化を有することが分かった。

実施例９〜１６で添加したＣａＯとＭｇＯの量とＩＣＰ−ＭＳ分析で検出したＣａとＭｇ量を表３に示す。
実施例９〜１６で電気抵抗率と磁化の測定を行った結果を表４に示す。

比較例６では添加剤を入れなかったこと以外は実施例９と同様にしてマンガンビスマス系磁石を作製した。

比較例７ではＣａＯを０．０１ｍａｓｓ％添加し、比較例８ではＣａＯを１８ｍａｓｓ％添加したこと以外は実施例１と同様にしてマンガンビスマス系磁石を得た。

比較例９ではＣａＯの代わりにＭｇＯを０．０１ｍａｓｓ％添加し、比較例１０ではＭｇＯを１８ｍａｓｓ％添加したこと以外は実施例９と同様にしてマンガンビスマス系磁石を得た。

比較例６〜１０で電気抵抗率と磁化の測定を行った結果を表４に示す。

電気抵抗率測定および磁化測定いずれの評価でも合格と評価できるマンガンビスマス系磁石は実施例９〜１６であるといえる。カルシウムもしくはマグネシウムの添加量が多いほど電気抵抗率の増大の効果が強くなっていることが分かる。また、実施例９〜１６のカルシウムもしくはマグネシウム量の範囲では十分な飽和磁化を持つことが分かる。

一方、比較例６、７のようにカルシウムの添加量が０．０１ｍａｓｓ％未満ではカルシウム量が少ないため主相粒子間の電子伝導を抑えられず、電気抵抗率を十分に高めることができなかったと考えられる。また、比較例８のようにカルシウム量が１１ｍａｓｓ％を超えると磁石の飽和磁化が低くなる。

比較例９のようにマグネシウム量が０．０１ｍａｓｓ％未満では十分電気抵抗を高めることができず、比較例１０のようにマグネシウム量が１１ｍａｓｓ％を超えると磁石の飽和磁化が低くなる。

本発明はマンガン系磁石においてカルシウムもしくはマグネシウムを含むことで渦電流損を低減することができる。よって、本発明のマンガン系磁石は交流磁界を受けたときの渦電流損を抑え、渦電流に伴う発熱を抑えることができ、磁石モータなどの回転機に使用することができる。

Claims (1)

1. マンガン系磁石であって、
   カルシウムもしくはマグネシウムをカルシウムおよびマグネシウムの合計で０．０１４ｍａｓｓ％〜１０．８５４ｍａｓｓ％含み、
   カルシウムは、ＣａＯ、Ｃａ−Ｘ−Ｏ、Ｃａ−Ｍｎ−Ｏ、Ｃａ−Ｘ−Ｍｎ−Ｏ化合物またはそれらの化合物として存在し、
   マグネシウムは、ＭｇＯ、Ｍｇ−Ｘ−Ｏ、Ｍｇ−Ｍｎ−Ｏ、Ｍｇ−Ｘ−Ｍｎ−Ｏ化合物またはそれらの化合物として存在し、
   ＸはＡｌ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｎ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄの少なくとも１種であり、
   電気抵抗率が１００μΩ・ｃｍ以上であることを特徴とするマンガン系磁石。