稀土磁鐵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明目的在于提供矯頑力高的稀土磁鐵的結構。為了解決該課題，本發(fā)明的稀土磁鐵，其特征在于，層疊通過共價鍵而鍵合的元素的片(100)與包含過渡金屬元素的層(200)，稀土元素位于所述片(100)的面內。
【專利說明】稀土磁鐵

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及稀土磁鐵。

【背景技術】
[0002]Nd-Fe-B燒結磁鐵發(fā)明于1982年，現在仍是世界上具有最高性能的永久磁鐵材料，用于以硬盤驅動器(HDD)的音圈發(fā)動機(VCM)、核磁共振斷層成像裝置(MRI)、發(fā)電機為首的許多制品。Nd-Fe-B燒結磁鐵的產量因為節(jié)能對策，在發(fā)動機和發(fā)電機用途中特別存在增加的傾向。另外，還是因對環(huán)境污染的擔憂而正在進行開發(fā)的混合動力車(HybridElectric Vehicle, HE V)的驅動用大型發(fā)動機中最有希望的磁性材料,正預想進一步擴大產量。
[0003]作為顯不磁鐵材料的性能的指標，有最大磁能積和矯頑力。最大磁能積表不磁鐵可產生的最大能量。矯頑力是向被磁化的磁鐵施加反向磁場的情況下磁化消失的磁場。
[0004]Nd-Fe-B磁鐵自1982年發(fā)明之后得到改良，與在那之前具有最高性能的Sm-Co磁鐵相比，現在具有約2倍的最大磁能積。另一方面,Nd-Fe-B磁鐵的矯頑力停滯于Sm-Co磁鐵的一半左右。
[0005]一般為了提高作為永久磁鐵的性能指數的最大磁能積，需要具有大的飽和磁化強度和大的矯頑力?，F在作為使Nd-Fe-B燒結磁鐵高矯頑力化的基本技術，已知通過作為重稀土的Dy來部分置換Nd，來增強磁晶各向異性的方法。例如，專利文獻I中公開了通過將Dy化合物和磁鐵原料濕式混合，在磁鐵原料的表面被覆Dy化合物，將該磁鐵原料和樹脂粘合劑混合，將成形的生坯片燒結而成的永久磁鐵。另外，專利文獻2中公開了一種稀土燒結磁鐵，其包含多個R2T14B (R為Nd、Dy等稀土元素，T為Fe等過渡金屬元素)的晶粒和存在于鄰接的所述晶粒之間、與所述晶粒的表面相比Nd和Cu的量較多、且Dy的量較少的晶體晶界。
[0006]但是，Dy的磁矩因為存在與Nd和Fe反向平行地鍵合的性質，所以雖然通過Dy的添加，Nd-Fe-B燒結磁鐵的矯頑力增加，但隨著其添加量的增大，磁化減少，結果存在最大磁能積降低這樣的問題。MR1、揚聲器等的磁鐵使用時的工作溫度低的制品，因為不謀求高溫時的高矯頑力，所以幾乎不添加Dy，使用最大磁能積高達約50MG0e的Nd-Fe-B磁鐵。另一方面，在HEV中使用的發(fā)動機，因為工作環(huán)境達200°C以上，所以如果考慮到矯頑力的溫度變化，則需要在室溫時具有30k0e的高矯頑力的Nd-Fe-B磁鐵。在這種情況下，產生了添加10%左右的Dy的需要，最大磁能積降低至30MG0e左右。即，向Nd-Fe-B磁鐵添加Dy犧牲了作為Nd-Fe-B磁鐵特征的最大磁能積的大小，提高了矯頑力。
[0007]另外，因為Dy在稀土礦石中的含量少，原產地也集中在中國,所以如果為了 HEV用途而進行Nd-Fe-B磁鐵的大量供給，則存在不久的將來Dy的市場價格高漲，HEV的生產實際上變得不可能的擔憂。由于這樣的背景，現在急切開發(fā)不添加Dy或降低Dy添加量同時獲得聞矯頑力，同時具有聞的最大磁能積和聞耐熱性的聞性能的永久磁鐵。
[0008]現有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:特開2009-224671號公報
[0011]專利文獻2:特開2011-187734號公報


【發(fā)明內容】

[0012]發(fā)明要解決的課題
[0013]因此，本發(fā)明目的在于提供矯頑力高的稀土磁鐵的結構。
[0014]用于解決課題的手段
[0015]為了解決上述課題，本發(fā)明人進行了銳意研究的結果是找到了通過使稀土元素位于具有牢固的共價鍵的片的2維面內，使該片與包含過渡金屬元素的層進行層疊，可獲得高的矯頑力，而完成了本發(fā)明。
[0016]S卩，本發(fā)明的稀土磁鐵，其特征在于，層疊通過共價鍵而鍵合的元素的片和包含過渡金屬元素的層，稀土元素位于所述片的面內。
[0017]發(fā)明效果
[0018]根據本發(fā)明，因為稀土元素位于具有牢固的共價鍵的片內，所以在晶界面附近的晶體結構難以變紊亂，獲得了晶界面附近的磁各向異性高、矯頑力大的稀土磁鐵。以上所述以外的課題、構成及效果可通過以下實施方案的說明而明確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019][圖1]是示意性表示本發(fā)明的稀土磁鐵的一個實施方案的截面結構的圖。
[0020][圖2]是表示本發(fā)明的稀土磁鐵中的片的結構的一個實施方案的圖。
[0021][圖3]是表示為了求得晶體場參數而使用的Nd2Fe14B晶體結構的圖。
[0022][圖4]是表示晶體場參數的解析結果的圖。
[0023][圖5]是說明晶體場參數隨著表面模型而變動的機制的圖。
[0024][圖6]是說明晶體場參數隨著表面模型而變動的機制的圖。
[0025][圖7]是說明稀土磁鐵的矯頑力降低的機制的圖。

【具體實施方式】
[0026]以下基于附圖詳細說明本發(fā)明。
[0027]圖1表示了本發(fā)明涉及的稀土磁鐵的一個實施方案的主要部分的截面結構。在圖1中，通過共價鍵而鍵合的元素的片101、102、103、104、105、106及107(以下稱之為片100)與包含過渡金屬元素的層201、202、203、204、205、206、207及208(以下稱之為包含過渡金屬元素的層200)形成了層疊結構。在像這樣的層疊結構的稀土磁鐵中，易磁化軸(c軸)成為片100和包含過渡金屬兀素的層200的層疊方向。
[0028]在此，構成片100的元素為選自例如C、Si及Ge的至少一種。另外，位于片100的面內的稀土元素為選自例如Nd、Tb及Dy的至少一種。還有，構成包含過渡金屬元素的層200的元素為選自例如T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu的至少一種。圖2表示了片100的面內的原子配置例，碳C彼此通過共價鍵而鍵合，如石墨烯結構那樣牢固地鍵合，在其面內配置有作為稀土元素的釹Nd。如此，稀土元素位于通過牢固的共價鍵形成的元素的片的面內，由此晶界面附近的晶體結構難以變紊亂，能獲得矯頑力大的稀土磁鐵。對于該機制，以下進行詳細說明。
[0029]作為決定矯頑力的大小的指標，有磁各向異性能。相對于易磁化軸，在磁化僅以角度α旋轉的情況下，磁晶各向異性能EA表示為如以下。
[0030][數I]
[0031]Ea = K1Sin2 a +K2Sin4 a +K3Sin6 α +......
[0032]在此，KpK2及K3為磁晶各向異性常數，是表示各向異性的強度的指標。
[0033]在單純的情況下，僅使用第I項，表示為
[0034][數2]
[0035]Ea = K1Sin2 α。
[0036]該磁晶各向異性常數K1作為
[0037][數3]
[0038]K1 = -3J (J-1/2) α j<r2>A2°
[0039]而被求出。在此，J是稀土離子的總角動量，< r2 >表示涉及4f電子的矢徑波動函數的r2的期待值(4f電子的位置座標的平方期待值)。另外，a j是取決于4f電子的空間分布的幾何學形狀的參數，被稱為斯蒂文斯(Stevens)因子。這些J、<r2>& α τ采用取決于稀土離子的種類的值，例如在Nd離子的情況下，J = 9/2、Qj = -7/(32Χ112),< r2>=1.0Olatl(其中a0為玻爾半徑0.5291772108X 10_10m)。另外，A2°是晶體場參數的主項，如果將J及α:的值代入上式，對于Nd離子，K1和Α2°的關系變?yōu)镵1 = 0.347A2° < r2 >。即，為了使各向異性變大，A2°取正值，A2°大成為條件。在此，晶體場參數是取決于電子狀態(tài)的量。即，如果可由例如根據第一性原理計算的電子狀態(tài)計算求出晶體場參數，找到磁各向異性能大的稀土磁鐵的晶體結構，則可獲得矯頑力大的稀土磁鐵。
[0040]在此顯示了使用第一性原理計算，利用作為以往結構的Nd2Fe14B磁鐵的電子狀態(tài)計算獲得的晶體場參數的計算例，根據此結果顯示了用于使稀土磁鐵的磁各向異性能變高且矯頑力變大的方針。
[0041] Nd2Fe14B的電子狀態(tài)計算通過基于密度泛函理論(Density Funct1nal Theory>DFT)的 FLAPW 法(全電勢線性增廣平面波法，Full-potential linearized augmentedplane wave method)而進行解析。在通常的電子狀態(tài)計算中對于各原子周圍的球(糕模球)內的電子密度或單電子勢，一般假定為球對稱性。但是，在導出與Nd離子的磁各向異性相關的晶體場參數時，需要精度良好地求出位于Nd離子中的4f電子的狀態(tài)。為了精度良好地求出固體內的電子狀態(tài)，將電子密度和單電子勢假定為球對稱性并不恰當。因此，本發(fā)明人實施了根據全電勢(Full-potential)的第一性原理計算。所謂全電勢是考慮了單電子勢和電荷、及球面調和的內殼電子的函數中非球面的效果的方法。另外，LAPW法(線性增廣平面波法，Linearized Augmented Plane Wave Method)使能量涉及矢徑波動函數而線形化，將增強的平面波用作基函數，可在糕模球內及球外均不降低計算精度而降低計算負荷。在第一性原理計算中最常使用的贗勢法在計算中僅處理價電子，將核電子置換為贗勢而進行計算。另一方面，FLAPW法處理全電子，可以說在現行的第一性原理計算方法中是精度最高的方法之一。在本實施方案中，在Nd2Fe14B的電子狀態(tài)計算中采用FLAPW法。第一性原理計算程序使用維也納工科大學K.Schwartz教授等開發(fā)的通用代碼的WIEN2k。
[0042]圖3(a)及(b)中顯示了作為電子狀態(tài)計算的模型的Nd2Fe14B的原子配置。室溫時的晶格常數為a=8，8Av c=12.2A。I個單胞內合計包含68個原子，但由于對稱性，可通過Nd的2個晶格格位(f、g)、Fe的6個晶格格位(kp k2、,j1、j2、C、e)、B的I個晶格格位(g)的合計9個位置來表示晶體結構。使Nd、Fe、B原子的糕模半徑分別為Rmt =
2.80a0、2.08a。、1.85a0(a0 = 0.052918nm)。k 點的樣品數在不可約布里淵區(qū)(IrreducibleBrillouin Zone)內，首先使之為3個而進行計算,另外改變k點樣品數進行計算,確認了晶體場參數的收斂性。使決定平面波的截止能量的量RmKmaxS 7。對此，也另外改變值而進行計算，確認了晶體場參數的收斂性。在電子間的交換相關能中，使用考慮了局部密度的梯度的GGA (廣義梯度近似，Generalized Gradient Approximat1n)。如在本實施方案中處理的Nd這樣的稀土原子中的4f電子強烈集中。因為考慮到該集中性，所以進行考慮了集中電子間的庫倫力相互作用的修正(U)的解析(LDA+U法)。關于Nd的4f電子的修正U的值，作為NdO晶體的反射率等光學特性的解析結果與實驗結果良好相符的U值，采用U =6eV。
[0043]以下，對晶體場參數的解析方法進行說明。晶體場參數通過下式獲得。
[0044][數4]
[0045]

【權利要求】
1.稀土磁鐵，層疊通過共價鍵而鍵合的元素的片與包含過渡金屬元素的層而成，稀土元素位于所述片的面內。
2.權利要求1所述的稀土磁鐵，其中稀土元素是選自Nd、Tb及Dy的組的至少一種。
3.權利要求1或2所述的稀土磁鐵，其中過渡金屬元素為選自T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及Cu的組的至少一種。
4.權利要求1?3的任一項所述的稀土磁鐵，其中通過共價鍵而鍵合的元素為選自C、Si及Ge的組的至少一種。
5.權利要求4所述的稀土磁鐵，其中通過共價鍵而鍵合的元素是C，這些元素間的最鄰近距離是0.13nm以上0.16nm以下。
6.權利要求4所述的稀土磁鐵，其中通過共價鍵而鍵合的元素是Si，這些元素間的最鄰近距離為0.2Inm以上0.26nm以下。
7.權利要求4所述的稀土磁鐵，其中通過共價鍵而鍵合的元素是Ge，這些元素間的最鄰近距離是0.22nm以上0.27nm以下。
【文檔編號】H01F10/10GK104081475SQ201280068936
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年3月26日 優(yōu)先權日:2012年3月26日
【發(fā)明者】守谷浩志 申請人:株式會社日立制作所