JPS6133892B2

JPS6133892B2 -

Info

Publication number: JPS6133892B2
Application number: JP54040293A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sahashi; Hirokazu Tokoro; Kagetaka Amano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1986-08-05
Also published as: JPS55134150A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はすぐれた磁歪特性を示し、かつ靭性に
すぐれたテルビウム―デイスプロジウム基巨大磁
歪合金に関するものである。従来より磁性体を磁
化した場合、内部磁気配列の変化に応じ、磁性体
の長さが変化すること、すなわち外部磁場を作用
させた場合、磁歪が生ずることが知られていた。
この磁歪は磁歪フイルタ，磁歪センサ，超音波遅
延線，磁歪振動子等に応用されている。これらの
デバイスを構成する磁歪物質としては、ニツケル
基合金，鉄―コバルト合金，フエライト等が用い
られている。近年、計測工学の進歩および精密機械分野の発
展に伴い、ミクロンオーダーの微小変位制御に不
可欠の変位駆動部の開発が必要とされている。の
変位駆動部の駆動機構の一つとして磁歪物質を用
いた磁気―機械変換デバイスが有力である。しか
しながら従来知られている磁歪物質では変位の絶
対量が充分でなく、ミクロンオーダーの精密変位
制御駆動部材料としては絶対駆動変位量のみなら
ず、精密制御の点からも満足し得るものではなか
つた。また上記磁歪物質の変位量のみに着目すれば、
稀土類と鉄の金属間化合物がニツケル基合金の
100倍近い磁歪を示すことが知られているが、電
気入力エネルギーの機械的変位への変換効率が極
めて悪いことおよび材質的に脆弱であることのた
め駆動部材料としては満足し得るものでなかつ
た。本発明者等はこのような点に対拠して検討を進
めた結果８重量％〜38重量％の鉄および0.01重量
％〜25重量％のマンガン，0.1重量％〜35重量％
のテルビウム並びに残部のデイスプロシウムおよ
び不随的不純物から成り、かつテルビウムとデイ
スプロシウムの重量比（（テルビウム重量）／
（デイスプロシウム重量））が0.001以上0.5以下の
範囲内にあり、かつ50体積％以上のラーベス型金
属間化合物相と残部テルビウムおよびデイスプロ
シウムを主成分とした稀土類金属α相より構成さ
れる２相合金組織よりなるテルビウム−デイスプ
ロシウム基巨大磁歪合金を見い出したものであ
る。即ち本発明は優れた磁歪特性および靭性を有
し、特に精密変位制御駆動部用磁気―機械変位変
換デバイスの主要部材である磁歪物質に適したテ
ルビウム―デイスプロシウム基巨大磁歪合金を提
供する事を目的とする。以下本発明を詳細に説明すると、本発明に係る
合金において、テルビウム，デイスプロシウムは
稀土類（ランタナイド）に属し、鉄，ニツケル等
の3d遷移金属と異なり、4f電子の強い軌道角運動
量のため極めて大きい結晶異方性を有し、すぐれ
た磁歪特性を得るための必須成分であると同時に
すぐれた靭性を付与する合金主成分でもある。し
かしながらテルビウム，デイスプロシウム単体、
あるいはテルビウム―デイスプロシウム合金で
は、低温領域では優れた磁歪特性を示すものの、
室温以上の温度領域では磁歪を示さず、満足した
特性を得ることが不可能である。本発明合金の主要合金（添加）元素である鉄お
よびマンガンはテルビウムおよびデイスプロシウ
ムとラーベス型金属間化合物を形成し、テルビウ
ムおよびデイスプロシウム，テルビウム―デイス
プロシウム合金における室温以上の温度領域にお
ける磁歪特性を著しく向上せしめ、満足し得る特
性に至らしめるものである。鉄およびマンガンの
合金成分範囲をそれぞれ８重量％以上38重量％以
下の鉄，0.01重量％以上25重量％以下のマンガン
と限定する理由は、鉄，マンガンともにそれぞれ
８重量％未満の鉄，0.01重量％未満のマンガンで
は十分な磁歪特性の向上が得られず、38重量％を
超える鉄では靭性が著しく劣下し、脆弱になり、
25重量％を超えるマンガンでは磁歪特性が劣下す
るため上記合金成分範囲に限定する。さらにテル
ビウムの合金成分範囲を0.1重量％以上35重量％
以下でかつテルビウムとデイスプロシウムの重量
比（（テルビウム重量）／（デイスプロシウム重
量））が0.001以上0.5以下の範囲内と限定する理
由はテルビウムの合金化によりデイスプロシウム
のみの場合に較べ、鉄およびマンガンによる磁歪
特性の向上が一層高められ、優れた磁歪特性を示
すテルビウム―デイスプロシウム基合金が実現さ
れるわけであるが、0.1重量％未満のテルビウム
では磁歪特性の向上が得られず、35重量％を越え
るテルビウムにおいては、かえつて磁歪特性の劣
化が認められることから、0.1重量％以上35重量
％以下の範囲に限定した。さらに上記テルビウム
限定範囲内においてもテルビウムとデイスプロシ
ウムの重量比が0.001以上0.5以下の範囲に含まれ
ない場合、磁歪特性の向上が得られないので、限
定範囲につけ加えた。加えて本発明合金中に認められるラーベス型金
属間化合物の体積％としては50％を満たさない場
合、靭性その他の機械的性質はすぐれるものの満
足し得る磁歪特性が得られないので、50％以上の
ラーベス型金属間化合物を含むことを限定する。次に本発明合金において遷移金属添加元素とし
て鉄およびマンガンに限定した理由を実験データ
に基づき説明する。デイスプロシウムおよびテル
ビウム金属は鉄およびマンガン等の遷移金属とラ
ーベス型金属間化合物を作る。ラーベス型金属間
化合物を作ることにより、テルビウム―デイスプ
ロシウム合金等の稀土類金属・合金のすぐれた磁
歪特性は室温以上に持ち来たされる。これは広義
の意味での強磁性相が室温以上の温度まで安定化
されるためである。強磁性相の消失する温度は稀
土類金属において一例を挙げるならば、デイスプ
ロシウムにおいて、179K（−94℃）である。一
方ラーベス型金属間化合物においてDyFe₂の場合
635K（358℃）である。以上のごとく遷移金属は
稀土類金属の合金化においてラーベス型金属間化
合物を形成し、すぐれた磁歪特性を室温以上の温
度に持ち来たすわけである。ラーベス型金属間化
合物の室温における飽和磁歪値を第１表に示す。

【表】これらの値は従来の磁歪金属例えばニツケルの
飽和磁歪値30×10^-6に比べ桁違いに大きいことが
一見できる。しかしラーベス型金属間化合物単相
の機械的性質は極めて悪く、特に加工性，靭性に
劣り、実用合金かはほど違い特性しか有していな
い。加えて第１表に示す飽和磁歪値を得るために
は、数十キロエルステツドという強磁場を必要と
し、１アンペア当り100エルステツド程度のソレ
ノイド型マグネツトを用い、電気―磁気変換を行
なうならば100アンペア以上の大電流を必要と
し、数十キロワツトの電力消費となり、実用上の
大きな障害となる。加工性および靭性の改善策の一つとしては、ラ
ーベス型金属間化合物を構成する遷移金属を鉄と
マンガンとの合金にすることによつて達成され
る。またさらに加工性および靭性を向上せしめる
手段としてはラーベス型金属間化合物中に延性に
富む稀土類金属α相、特にα―デイスプロシウム
相を分散せしめ破壊靭性値を向上せしめることで
ある。しかしこのα―テルビウム―デイスプロシ
ウム相の分散による靭性，加工性の改善は熱平衡
状態図より上記鉄―マンガン―稀土類金属・合金
系に限定される。遷移金属―稀土類金属系状態図
は第１図に示すデイスプロシウム―マンガン系の
ごとき稀土類金属側においてDyMn₂ラーベス型
金属間化合物より高稀土類金属元素濃度の化合物
が存在しない系と第２図に示すデイスプロシウム
―コバルト系のごとき稀土類金属側において
DyCo₂ラーベス型金属間化合物より高稀土類元素
の化合物が存在する系とに大別される。本発明合
金製品に適用可能な合金系としてはデイスプロシ
ウム―マンガン系型の状態図を示す合金系に限定
されるわけであるが、これを満たす合金系として
は、鉄―マンガン稀土類合金系であるわけであ
る。次にラーベス型金属間化合物中の稀土類金属お
よび遷移金属、特に稀土類金属としてはデイスプ
ロシウムのテルビウムによる合金化、遷移金属と
しては鉄のマンガンによる合金化に伴う磁歪特性
の変化及びα―テルビウム―デイスプロシウムに
より靭性を改善した場合の磁歪特性の変化につい
て説明する。第３図および第４図に（TbyDy₍₁―_y)）₁.₃₃
（Fe₁―_xMnx）₂系の各ｘ値（マンガン濃度）、各ｙ
値（テルビウム濃度）における磁歪特性を示す。
マンガンの合金化は室温、特に低磁場側（2kOe
以下）での磁歪特性において、ｙが0.2程度，テ
ルビウム濃度13重量％程度より低濃度側におい
て、鉄のマンガンによる合金化に伴い、顕著な磁
歪特性の向上が認められた。なお第３図において
磁歪特性はDy₁.₃₃Fe₂の室温における磁歪特性を
10とした場合の相対値で示す。（Tb₀.₂Dy₀.₈）₁.₃₃
（Fe₀.₈Mn₀.₂）₂においては、現在磁歪特性が明ら
かになつている物質中、最高の特性を示す
Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₂を上回るものである。加えて
Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₂は脆弱であることに較べ、
（Tb₀.₂Dy₀.₈）₁.₃₃（Fe₀.₈Mn₀.₂）₂は著しく靭性の改
善が認められた。一方テルビウムの合金化は、室温特に低磁場側
（2kOe以下）での磁歪特性において、ｘ値，マン
ガン濃度の大小によらず、デイスプロシウムのテ
ルビウムによる合金金化に伴い、顕著な磁歪特性
の向上が認められた。加えてテルビウム合金化の
効果はｘが0.1，0.2、特にｘ＝0.2において顕著に
認められた。第４図における磁歪特性は
Dy₁.₃₃Fe₂の室温における磁歪特性を10とした場
合の相対値で示す。この結果上記Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₂
に較べ低テルビウム濃度において、優れた磁歪特
性を示すものである。稀土類金属は地球上に稀有な金属資源であり、
近年有限な資源の有効活用は、技術的問題の一つ
にまで高められている。この意味においても稀土
類ランタナイド中最も稀有で高価な金属の一つで
ある低テルビウム濃度化は、極めて実用上、技術
上意味が大きい。また（Tb₀.₂Dy₀.₈）（Fe₀.₈Mn₀.₂）₂―α（Tb―
Dy）系の磁歪特性を第５図に示す。なお磁歪特
性（Tb₀.₂Dy₀.₈）（Fe₀.₈Mn₀.₂）₂の室温における磁
歪特性を10とした場合の相対値で示す。α―（テ
ルビウム―デイスプロシウム）体積パーセントが
50％を越えると急激に磁歪特性が劣下することが
判る。以上のごとき実験事実に基づき本発明合金の組
成が限定された。次に本発明の実施例について説明し、併せて本
発明の効果を確認するために比較例についても説
明する。実施例１第２表，第３表，第４表のNo.２―１〜No.２―
14，No.３―１〜No.３―14，No.４―１〜No.４−14，
各14種類，合計42種類の合金を用意し、夫々アー
ク溶解後800℃で120時間均一化処理したのち切削
加工により厚さ３mm，幅６mm，長さ15mmの試験片
を作成した後、室温下において磁歪特性を測定し
た。

【表】

【表】磁歪特性はコアマグネツトを用い、磁気回路の
一部に上記試料を挿入し、歪ゲージ法により測定
された。なおNo.２シリーズは（テルビウム）／（デイス
プロシウム）重量比が0.1，No.３シリーズは（テ
ルビウム）／（デイスプロシウム）重量比が
0.2，No.４シリーズは（テルビウム）／（デイス
プロシウム）重量比が0.3である。この測定結果は第５表，第６表，第７表に示す
通りである。

【表】

【表】比較例１第８表のNo.５―１〜No.５―14に示す組成の14種
類の合金を用意し、実施例同様アーク溶解後800
℃で120時間均一化処理したのち切削加工により
厚さ３mm，幅６mm長さ15mmの試験片を作成した
後、実施例と同一条件下で磁歪特性を測定した。
また第８表のNo.５―15〜No.５―17に示す組成の従
来用いられているニツケル，鉄―コバルト系合金
および鉄―パラジウム系合金についても磁歪特性
を測定した。この結果を第９表に併記した。

【表】およびデイスプロシウムを主成分
としたα相ではない。(RT_３相)）

【表】

【表】なお磁歪特性の比較にあたつては、低磁場側の
磁歪値に注目し、印加磁場2kOeにおける静的磁
気歪値を求め、No.５―５に示すDyFe₂の磁歪特性
を10とし、これを基準として相対値で表示した。上記実施例１の結果から明らかな如く、本発明
によるテルビウム―デイスプロシウム基巨大磁歪
合金は、DyFe₂の磁歪特性に較べ、その室温，低
磁場（低電気入力）側での特性の大幅改善がなさ
れることが確認された。比較例１の５―17なるニ
ツケルに比べ本発明合金，実施例１―２の３―
９，実施例１―３の４―10においては約８倍から
９倍、すなわち従来最も用いられている磁歪材料
に比べ１桁近く磁歪特性が向上している。この事
実は、精密微小変位駆動用材料に例を取るなら
ば、従来１ｍで最大40μｍ程度の精密変位制御が
可能であつたところを同一長さ（１ｍ）であれば
400μｍ程度の精密変位制御が可能となる以外に
同一変位（40μｍ）を精密変位制御するのであれ
ば10cm長さですみ、小型化できるとともに、この
サイズは実用化の可否を決める重要な因子でもあ
る。更に本発明合金の磁歪特性は、比較例１の５―
15に示す鉄―コバルト合金，比較例５―16に示す
鉄―パラジウム合金の磁歪特性をも大幅に上回る
ものである。加えて本発明合金はDyFe₂の磁歪特性および靭
性の改善を検討した本発明者等が先に提案したデ
イスプロシウム基巨大磁歪合金の磁歪特性をさら
に３倍近く向上せしめた合金である。第６図に本発明合金、実施例１−２の３―９，
実施例１―３の４―10および脆弱ではあるが磁歪
特性に優れたラーベス型金属間化合物
Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₂の低磁場（低電気入力エネルギ
ー）側の磁歪特性を示すが、本発明合金は低電気
入力側において、Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₂を上回る特性を
示し、かつ電気入力に対する直線性に優れ、高速
交流制御においては極めて有利な特性を有してい
る。なお上記実施例では磁歪特性の向上のみについ
て示したが、実施例１に示したような巨大磁歪合
金を精密変位駆動部材あるいは強力超音波発生部
材に適用する場合、磁歪特性に加え靭性は実用上
大きな問題となる。以下実施例１，第２表，第３
表，第４表に示した本発明合金および比較例２，
第10表に示した合金について、靭性の改善の実施
例について説明する。

【表】実施例２第２表のNo.２―１〜No.２―14，第３表No.３―１
〜３―14，第４表No.４―１〜４―14，各14種類，
合計42種類の合金を用意し、夫々アーク溶解後
800℃で120時間均一化処理したのち切削加工によ
り、10〓mm×100mmの試験片を作成した。靭性
の比較評価方法としては凹凸を有する鉄製敷板へ
の落下試験を採用し、同一形状（ほぼ同一重量）
の試験片をＡ（0.5ｍ），Ｂ（１ｍ），Ｃ（２ｍ），
Ｄ（３ｍ）の４種類の異なる位置エネルギーの位
置より自然落下させ、破壊の有無を調べた。この
結果は第11表に示す通りである。なお靭性の表示
方法としては位置Ａ以下の位置より落下させたと
き破壊したものは×印，位置Ａ以上位置Ｂ以下の
位置より落下させたとき破壊したものは△印，位
置Ｂ以上位置Ｃ以下より落下させたとき破壊した
ものは〇印，位置Ｃ以上位置Ｄ以下より落下させ
たとき破壊したものは◎印，位置Ｄ以上より落下
させたとき破壊するものあるいは破壊をまつたく
おこさないものは↑印で示した。

【表】比較例２本発明合金におけるマンガンの合金化および稀
土類金属濃度の靭性への効果を確認するために第
10表のNo.10―１〜No.10―５の合金を実施例２と同
一条件で作成した後、同一条件で試験した。この
試験結果は第12表に示す通りである。

【表】上記実施例２の結果から明らかなごとく、マン
ガンの合金化およびラーベス型金属間化合物化学
量論的組成の稀土類金属濃度以上の稀土類金属濃
度によつて著しく靭性の改善がなされている。す
なわち本発明合金であるテルビウム―デイスプロ
シウム―鉄―マンガン系よりなるテルビウム―デ
イスプロシウム基合金はマンガンの合金化延性に
富むα―（Tb―Dy）の分散により、金属間化合
物のもつ脆弱性を克服し、実用にたえうる靭性の
付与を可能ならしめたものである。加えて化学量
論的組成の稀土類金属濃度以上の稀土類金属濃度
により、室温における耐酸化性，耐食性をも向上
せしめることが可能である。以上説明した如く本発明によるテルビウム―デ
イスプロシウム―鉄―マンガン系テルビウム―デ
イスプロシウム基合金は従来の磁歪材料の特性に
比べ、極めて優れた磁歪特性を有するとともに靭
性および耐酸化等の実用材料に不可欠な要因をも
満たし、特にミクロンオーダーの微小変位制御用
駆動部強力超音波発生用振動子，センサ等の構成
材料として極めて優れた特性を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はデイスプロシウム―マンガン合金状態
図、第２図はデイスプロシウム―コバルト合金状
態図、第３図は（TbyDy₍₁―_y)）₁.₃₃
（Fe₁―_xMnx）₂におけるマンガン濃度と磁歪特性
との関係を示す曲線図、第４図は
（TbyDy₍₁―_y)）₁.₃₃（Fe₁―_xMnx）₂におけるテル
ビウム濃度と磁歪特性との関係を示す曲線図、第
５図はα（Tb―Dy）―Tb₀.₂Dy₀.₈）
（Fe₀.₈Mn₀.₂）₂におけるα―（Tb―Dy）体積パー
セントと磁歪特性との関係を示す曲線図、第６図
は本発明合金およびTb₀.₃Dy₀.₇Fe₂の低磁場側の
磁歪特性を示す曲線図。

Claims

【特許請求の範囲】

１８重量％〜38重量％の鉄および0.01重量％〜
25重量％のマンガン，0.1重量％〜35重量％のテ
ルビウム並びに残部のデイスプロジウムおよび不
随的不純物から成り、かつテルビウムとデイスプ
ロジウムの重量比（（テルビウム／（デイスプロ
ジウム重量））が0.001以上0.5以下の範囲内にあ
り、かつ50体積％以上のラーベス型金属間化合物
相と残部テルビウムおよびデイスプロジウムを主
成分とした稀土類金属α相より構成される２相合
金組織より成るテルビウム―デイスプロジウム基
巨大磁歪合金。