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JP5855457B2 - Method for producing metal-based material for magnetic cooling or heat pump - Google Patents

Method for producing metal-based material for magnetic cooling or heat pump Download PDF

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Description

本発明は、磁気冷却用またはヒートポンプ用の金属系材料の製造方法、この種の材料、及びその用途に関する。本発明で製造される材料は、磁気冷却や、ヒートポンプ、空調システム中で使用される。   The present invention relates to a method for producing a metallic material for magnetic cooling or heat pump, this kind of material, and its use. The material produced in the present invention is used in magnetic cooling, heat pumps and air conditioning systems.

この種の材料は基本的には公知であり、例えばWO2004/068512に記載されている。磁気冷却技術は、磁気熱量効果(MCE)によるもので、既知の蒸気循環冷却方式を置き換えるものである。磁気熱量効果を示す材料中では、ランダムに配列した磁気モーメントが外部磁界で配列する結果、材料が加熱される。この熱は、伝熱によりMCE材料から周囲の雰囲気に除かれる。磁場が消されるかなくなると、この磁気モーメントがランダムな配列に戻り、この結果として材料が周囲温度未満にまで冷却される。この効果は冷却に利用できる;Nature、vol. 415、January 10、2002、pages 150 to 152を参照。通常、磁気熱量材料から熱を除くのに水などの伝熱媒体が用いられる。   Such materials are basically known and are described, for example, in WO 2004/068512. The magnetic cooling technique is based on magnetocaloric effect (MCE) and replaces the known steam circulation cooling system. In a material exhibiting a magnetocaloric effect, the material is heated as a result of the randomly arranged magnetic moments being arranged by an external magnetic field. This heat is removed from the MCE material to the surrounding atmosphere by heat transfer. When the magnetic field is extinguished or lost, this magnetic moment returns to a random arrangement, resulting in the material being cooled to below ambient temperature. This effect can be used for cooling; Nature, vol. 415, January 10, 2002, pages 150 to 152. Usually, a heat transfer medium such as water is used to remove heat from the magnetocaloric material.

従来の材料は、その材料の出発元素または出発合金をボールミル中で固相反応させ、続いて、プレス、焼結、不活性ガス雰囲気下での熱処理し、そして徐々に室温にまで冷却して製造されている。このようなプロセスは、例えば、J. Appl. Phys. 99、2006、08Q107に記載されている。   A conventional material is produced by subjecting a starting element or starting alloy of the material to a solid phase reaction in a ball mill, followed by pressing, sintering, heat treatment in an inert gas atmosphere, and gradually cooling to room temperature. Has been. Such a process is described, for example, in J. Org. Appl. Phys. 99, 2006, 08Q107.

溶融紡糸による加工も可能である。これにより、元素のより均一な分布が可能となり、この結果、磁気熱量効果が改善される; Rare Metals、vol. 25、October 2006、pages 544〜549を参照。ここに記載の方法では、出発元素はまずアルゴンガス雰囲気下で誘導過熱により溶融され、溶融状態でノズルから回転している銅ローラー上に吹付けられる。その後、1000℃で焼結し、徐々に室温まで冷却する。   Processing by melt spinning is also possible. This allows for a more uniform distribution of the elements, resulting in improved magnetocaloric effect; Rare Metals, vol. 25, October 2006, pages 544-549. In the method described here, the starting elements are first melted by induction overheating in an argon gas atmosphere and sprayed onto a copper roller rotating from a nozzle in the molten state. Then, it sinters at 1000 degreeC and cools to room temperature gradually.

この既知の方法で得られる材料は、しばしば大きな熱ヒステリシスを示す。例えば、ゲルマニウムまたはケイ素で置換されたFe2P型化合物では、10K以上の大きな範囲の熱ヒステリシスが観察される。したがって、これらの材料は磁気熱量冷却に非常に好適であるとは言えない。 Materials obtained with this known method often exhibit large thermal hysteresis. For example, in a Fe 2 P-type compound substituted with germanium or silicon, a large range of thermal hysteresis of 10K or more is observed. Therefore, it cannot be said that these materials are very suitable for magnetocaloric cooling.

本発明の目的は、熱ヒステリシスの小さな磁気冷却用の金属系材料の製造方法を提供することである。同時に大きな磁気熱量効果(MCE)が達成されなければならない。   An object of the present invention is to provide a method for producing a magnetic material for magnetic cooling with small thermal hysteresis. At the same time a large magnetocaloric effect (MCE) must be achieved.

本発明によれば、本目的は、
磁気冷却用またはヒートポンプ用の金属系材料の製造方法であって、
a)金属系材料に相当する化学量論量の化学元素及び/又は合金のボールミル中における固相反応
b)工程a)で得られる材料の溶融紡糸により固体を得ること
c)430〜1200℃の範囲の温度で、10秒間〜5時間の工程b)の固体の加熱
d)工程c)からの熱処理成型物の200〜1300K/sの冷却速度での急冷
を含み、
前記金属系材料はリボン状であり、
前記金属系材料が、
(1)一般式(I)の化合物
(A 1−y 2+δ (I)
式中、
Aは、Mn又はCoであり、
Bは、Fe、Cr、又はNiであり、
CとDとEは、CとDとEのうち少なくとも2つは異なり、濃度がゼロでなく、P、B、Se、Ge、Ga、Si、Sn、N、As、およびSbから選ばれ、CとDとEの少なくとも一つがGe又はSiであり、
δは、−0.1〜0.1の範囲の数字であり、
w、x、y、zは、0〜1の範囲の数字である(ただし、w+x+z=1);
(2)一般式(II)又は(III)又は(IV)のLa及びFe系化合物
La(FeAl1−x13またはLa(FeSi1−x13 (II)
式中、
xは0.7〜0.95の数字であり;
yは、0〜3の数字である;
La(FeAlCo13またはLa(FeSiCo13 (III)
式中
xは0.7〜0.95の数字であり;
yは0.05〜1−xの数字であり;
zは0.005〜0.5の数字である;
LaMnFe2−xGe (IV)
式中
xは1.7〜1.95の数字である;及び
(3)MnTP型のホイスラー合金(式中、Tは遷移金属で、Pは原子中の電子数e/aが7〜8.5の範囲にあるp−ドープ金属である)
から選ばれることを特徴とする方法により達成される。
According to the present invention, this object is
A method for producing a metallic material for magnetic cooling or heat pump,
a) Solid phase reaction in a ball mill of stoichiometric amounts of chemical elements and / or alloys corresponding to metal-based materials ,
b) obtaining a solid by melt spinning of the material obtained in step a) ;
c) heating the solid of step b) at a temperature in the range of 430 to 1200 ° C. for 10 seconds to 5 hours ;
d) rapid cooling of the heat-treated molded product from step c) at a cooling rate of 200 to 1300 K / s ,
Including
The metallic material is ribbon-shaped ,
The metal material is
(1) Compound of general formula (I) (A y B 1-y ) 2 + δ C w D x E z (I)
Where
A is Mn or Co;
B is Fe, Cr, or Ni;
C, D, and E are selected from P, B, Se, Ge, Ga, Si, Sn, N, As, and Sb, and at least two of C, D, and E are different and the concentration is not zero. At least one of C, D and E is Ge or Si;
δ is a number in the range of −0.1 to 0.1,
w, x, y, and z are numbers in the range of 0 to 1 (where w + x + z = 1);
(2) La and Fe compounds of general formula (II) or (III) or (IV)
La (Fe x Al 1-x ) 13 H y or La (Fe x Si 1-x ) 13 H y (II)
Where
x is a number from 0.7 to 0.95;
y is a number from 0 to 3;
La (Fe x Al y Co z ) 13 or La (Fe x Si y Co z ) 13 (III)
Where x is a number from 0.7 to 0.95;
y is a number from 0.05 to 1-x;
z is a number from 0.005 to 0.5;
LaMn x Fe 2-x Ge (IV)
Where x is a number from 1.7 to 1.95; and (3) MnTP type Heusler alloy (wherein T is a transition metal and P has an electron number e / a of 7 to 8. A p-doped metal in the range of 5)
It is achieved by a method characterized in that it is selected from

本発明により、焼結及び/又は熱処理後の金属系材料を周囲温度にまで徐冷するのでなく高冷却速度で急冷することにより熱ヒステリシスを小さくすることができることが明らかとなった。この冷却速度は、少なくとも100K/sである。この冷却速度は、好ましくは100〜10000K/sであり、より好ましくは200〜1300K/sである。特に好ましい冷却速度は、300〜1000K/sである。   According to the present invention, it has been clarified that the thermal hysteresis can be reduced by quenching the metal-based material after sintering and / or heat treatment at a high cooling rate instead of gradually cooling to ambient temperature. This cooling rate is at least 100 K / s. This cooling rate is preferably 100 to 10000 K / s, and more preferably 200 to 1300 K / s. A particularly preferable cooling rate is 300 to 1000 K / s.

この急冷は、いずれか適当な冷却方法で、例えば固体を水または水系の液体で、例えば冷却水または氷/水混合物で冷却することにより達成できる。例えば、この固体を氷水中に落下させてもよい。液体窒素などの超冷却ガスで固体を急冷することもできる。他の急冷方法は、当業界の熟練者には公知である。最も重要なのは、よく制御された急冷である。   This quenching can be achieved by any suitable cooling method, for example by cooling the solid with water or an aqueous liquid, for example with cooling water or an ice / water mixture. For example, this solid may be dropped into ice water. It is also possible to quench the solid with a supercooling gas such as liquid nitrogen. Other quenching methods are known to those skilled in the art. Most important is well controlled quenching.

理論に拘泥するのではないが、ヒステリシスの減少は、急冷後の組成物の粒度の減少によるものであろう。   Without being bound by theory, the decrease in hysteresis may be due to a decrease in composition particle size after quenching.

従来の方法では、焼結後や熱処理後に徐冷されるため、粒度が増加し、熱ヒステリシスが大きくなる。   In the conventional method, since it is gradually cooled after sintering or heat treatment, the particle size is increased and the thermal hysteresis is increased.

最終工程で焼結後及び/又は熱処理後の固体が本発明の冷却速度で急冷されるのであるなら、金属系材料の製造の他の部分はそれほど重要ではない。この方法は、いずれか適当な磁気冷却用の金属系材料の製造に適用可能である。磁気冷却用材料の典型例は、少なくとも3種の金属元素と、さらに適当なら非金属元素を含む多金属混合物である。なお、「金属系材料」という表現は、これらの材料の主たる部分が金属または金属元素からなることを意味する。通常、全材料中の比率が、少なくとも50質量%であり、好ましくは少なくとも75質量%、特に少なくとも80質量%である。好適な金属系材料を、以下に詳細に説明する。   If the solid after sintering and / or heat treatment in the final step is quenched at the cooling rate of the present invention, the other parts of the production of the metal-based material are not so important. This method is applicable to the production of any suitable magnetic material for magnetic cooling. A typical example of a magnetic cooling material is a multimetallic mixture containing at least three metallic elements and, if appropriate, non-metallic elements. The expression “metallic material” means that the main part of these materials is made of a metal or a metal element. Usually, the proportion in the total material is at least 50% by weight, preferably at least 75% by weight, in particular at least 80% by weight. Suitable metal-based materials are described in detail below.

本発明の方法の工程(a)では、最後に金属系材料中に存在する元素及び/又は合金が、この金属系材料に相当する量で、固相または液相で処理される。   In step (a) of the method of the present invention, finally, elements and / or alloys present in the metal-based material are treated in a solid phase or a liquid phase in an amount corresponding to the metal-based material.

密閉容器中または押出機中でこれらの元素及び/又は合金を加熱して、あるいはボールミル中で固相反応により、工程a)の反応を行うことが好ましい。固相反応を行うことが、特にボールミル中で固相反応を行うことが、特に好ましい。このような反応は、原理的には既知である(序に述べた文書を参照)。通常、所望の金属系材料中に存在する個々の元素の粉末または2種以上の元素からなる合金の粉末を、適当な質量比で粉末状態で混合する。必要なら、微結晶の混合粉末を得るためにこの混合物をさらに粉砕してもよい。この混合粉末をボールミル中で加熱することが好ましく、これにより粉砕と混合が進行して混合粉末中で固相反応が起こる。   It is preferable to carry out the reaction of step a) by heating these elements and / or alloys in a closed container or an extruder, or by solid phase reaction in a ball mill. It is particularly preferable to perform a solid phase reaction, particularly a solid phase reaction in a ball mill. Such reactions are known in principle (see the document mentioned in the introduction). Usually, powders of individual elements or alloys of two or more elements existing in a desired metal-based material are mixed in a powder state at an appropriate mass ratio. If necessary, this mixture may be further ground to obtain a microcrystalline mixed powder. This mixed powder is preferably heated in a ball mill, whereby pulverization and mixing proceed to cause a solid phase reaction in the mixed powder.

あるいは、個々の元素を所要量混合して溶融する。   Alternatively, required amounts of individual elements are mixed and melted.

密閉容器中での加熱を併用すると、揮発性元素の固定と量の制御が可能となる。例えばリンを使用する場合は、開放系ではリンが簡単に気化してしまう。   When heating in an airtight container is used in combination, it is possible to fix volatile elements and control the amount. For example, when phosphorus is used, phosphorus is easily vaporized in an open system.

この反応の後に、この固体の焼結及び/又は熱処理が続くが、この前に一つ以上の中間工程を設けてもよい。例えば、工程a)で得られる固体を焼結及び/又は熱処理の前に、プレスを行ってもよい。この結果、材料の密度が増加し、高密度の磁気熱量材料が後の工程で存在することとなる。これは、特に磁場が存在する体積を減らすことができるため有利であり、かなりのコスト減につながる可能性がある。プレスは公知であり、プレス用の補助具を用いて行ってもよいし、用いなくてもよい。このプレスにいずれか適当な金型を用いることもできる。プレスにより、所望の三次元構造もつ成型物を得ることができる。このプレスの後に、工程c)の焼結及び/又は熱処理が続き、さらに工程d)の急冷が続いてもよい。   This reaction is followed by sintering and / or heat treatment of the solid, which may be preceded by one or more intermediate steps. For example, the solid obtained in step a) may be pressed before sintering and / or heat treatment. As a result, the density of the material increases and a high density magnetocaloric material is present in a later step. This is particularly advantageous because the volume in which the magnetic field is present can be reduced, which can lead to significant cost savings. The press is publicly known and may or may not be performed using an auxiliary tool for pressing. Any suitable mold can be used for this press. A molded product having a desired three-dimensional structure can be obtained by pressing. This pressing may be followed by sintering and / or heat treatment in step c) followed by quenching in step d).

あるいは、ボールミルで得られる固体を溶融紡糸プロセスに送ることもできる。溶融紡糸プロセスは公知であり、例えば、Rare Metals、Vol. 25、October 2006、pages 544 to 549やWO2004/068512に記載されている。   Alternatively, the solid obtained in the ball mill can be sent to the melt spinning process. Melt spinning processes are known and are described, for example, in Rare Metals, Vol. 25, October 2006, pages 544 to 549, and WO 2004/068512.

これらのプロセスでは、工程a)で得られる組成物を溶融して、回転している冷金属ローラー上に吹き付ける。この吹付けは、噴射ノズルの上流を加圧するか、噴射ノズルの下流を減圧することにより行われる。通常、回転銅ドラムまたはローラーが使用され、これは、適当ならさらに冷却される。この銅ドラムの表面速度は、好ましくは40m/sであり、特に20〜30m/sである。この銅ドラム上で、この液体組成物が、好ましくは102〜107K/sの速度で、より好ましくは少なくとも104K/s、特に0.5〜2×106K/sの速度で冷却される。 In these processes, the composition obtained in step a) is melted and sprayed onto a rotating cold metal roller. This spraying is performed by pressurizing the upstream of the injection nozzle or reducing the pressure downstream of the injection nozzle. Usually a rotating copper drum or roller is used, which is further cooled if appropriate. The surface speed of this copper drum is preferably 40 m / s, in particular 20-30 m / s. On this copper drum, the liquid composition is preferably at a rate of 10 2 to 10 7 K / s, more preferably at least 10 4 K / s, in particular 0.5 to 2 × 10 6 K / s. Cooled by.

工程a)の反応と同様に、溶融紡糸も減圧下または不活性ガス雰囲気下で実施できる。   Similar to the reaction of step a), melt spinning can also be carried out under reduced pressure or in an inert gas atmosphere.

溶融紡糸では続く焼結と熱処理を短縮することができるため、加工速度を上げることができる。具体的には工業スケールで、金属系材料の製造がさらに経済的に実施可能となる。吹付けでも、高い加工速度が可能となる。特に好ましいのは、溶融紡糸を行うことである。   In melt spinning, the subsequent sintering and heat treatment can be shortened, so that the processing speed can be increased. Specifically, the production of metal-based materials can be carried out more economically on an industrial scale. Even with spraying, a high processing speed is possible. Particularly preferred is melt spinning.

あるいは、工程b)で、噴霧冷却を行い、工程a)からの組成物の溶融物を噴霧塔内に噴霧することができる。例えば、この噴霧塔をさらに冷却してもよい。噴霧塔においては、103〜105K/sの範囲の、特に約104K/sの冷却速度が、しばしば達成される。 Alternatively, spray cooling can be performed in step b) and the melt of the composition from step a) can be sprayed into the spray tower. For example, the spray tower may be further cooled. In spray towers, cooling rates in the range of 10 3 to 10 5 K / s, in particular about 10 4 K / s, are often achieved.

固体の焼結及び/又は熱処理は、工程c)で行われ、好ましくはまず800〜1400℃の範囲の温度で焼結し、次いで500〜750℃の範囲の温度で熱処理する。これらの値は、特に成型物に対するものであり、粉末には、より低い焼結温度や熱処理温度を使用してもよい。例えば、焼結を500〜800℃の範囲の温度で行ってもよい。成型物/固体には、焼結は、より好ましくは1000〜1300℃の範囲の温度で、特に1100〜1300℃の範囲の温度で行われる。熱処理を、例えば600〜700℃で行ってもよい。   Solid sintering and / or heat treatment is performed in step c), preferably first sintering at a temperature in the range of 800-1400 ° C. and then heat treating at a temperature in the range of 500-750 ° C. These values are especially for moldings, and lower sintering and heat treatment temperatures may be used for the powder. For example, the sintering may be performed at a temperature in the range of 500 to 800 ° C. For moldings / solids, the sintering is more preferably carried out at temperatures in the range of 1000-1300 ° C., in particular at temperatures in the range of 1100-1300 ° C. You may perform heat processing, for example at 600-700 degreeC.

焼結は、好ましくは1〜50時間、より好ましくは2〜20時間、特に5〜15時間行う。熱処理は、好ましくは10〜100時間の範囲、より好ましくは10〜60時間、特に30〜50時間の範囲で行う。実際の処理時間は、材料の実際的な必要条件に合わせて決めることができる。   Sintering is preferably carried out for 1 to 50 hours, more preferably 2 to 20 hours, especially 5 to 15 hours. The heat treatment is preferably performed in the range of 10 to 100 hours, more preferably in the range of 10 to 60 hours, and particularly in the range of 30 to 50 hours. The actual processing time can be determined according to the practical requirements of the material.

溶融紡糸方法を使用する場合は、しばしば焼結を省くことができ、また熱処理を大幅に短縮、例えば5分〜5時間に、好ましくは10分〜1時間に短縮することができる。従来の10時間の焼結と50時間の熱処理と比べると、これは大きな時間的利点となる。
焼結/熱処理の結果、粒子境界の部分的な溶融が起こり材料がさらに緻密となる。
When using the melt spinning method, sintering can often be omitted and the heat treatment can be greatly shortened, for example from 5 minutes to 5 hours, preferably from 10 minutes to 1 hour. This is a significant time advantage compared to conventional 10 hour sintering and 50 hour heat treatment.
As a result of the sintering / heat treatment, partial melting of the grain boundary occurs and the material becomes denser.

したがって、工程b)での溶融と急冷で工程c)の所要時間が大幅に短縮される。したがってこれら金属系材料の連続生産が可能となる。   Accordingly, the melting time and rapid cooling in step b) significantly reduce the time required for step c). Therefore, continuous production of these metallic materials is possible.

本発明によれば、次の加工順序が好ましい。
a)金属系材料に相当する量の化学元素及び/又は合金のボールミル中での固相反応、
b)工程a)で得られる材料の溶融紡糸、
c)430〜1200℃の範囲、好ましくは800〜1000℃の範囲の温度で10秒間又は1分〜5時間、好ましくは30分間〜2時間の工程b)の固体の加熱、
d)工程c)からの熱処理成型物の200〜1300K/sの冷却速度での急冷。
According to the invention, the following processing sequence is preferred.
a) Solid phase reaction of a chemical element and / or alloy in an amount corresponding to a metal-based material in a ball mill,
b) melt spinning of the material obtained in step a),
c) heating of the solid of step b) at a temperature in the range of 430 to 1200 ° C., preferably in the range of 800 to 1000 ° C. for 10 seconds or 1 minute to 5 hours, preferably 30 minutes to 2 hours,
d) Rapid cooling of the heat-treated molded product from step c) at a cooling rate of 200 to 1300 K / s.

いずれの適当な金属系材料にも、本発明の方法を使用可能である。   The method of the present invention can be used with any suitable metallic material.

この金属系材料は、好ましくは以下の化合物から選ばれる。
(1)一般式(I)の化合物
(A 1−y 2+δ (I)
式中、
Aは、Mn又はCoであり、
Bは、Fe、Cr、又はNiであり、
C、D、Eは、CとDとEのうち少なくとも2つは相互に異なり、濃度がゼロでなく、P、B、Se、Ge、Ga、Si、Sn、N、As、およびSbから選ばれ、CとDとEの少なくとも一つがGe又はSiであり、
δは、−0.1〜0.1の範囲の数字であり、
w、x、y、zは、0〜1の範囲の数字である(ただし、w+x+z=1);
(2)一般式(II)又は(III)又は(IV)のLa及びFe系化合物
La(FeAl1−x13またはLa(FeSi1−x13 (II)
式中、
xは0.7〜0.95の数字であり;
yは、0〜3の、好ましくは0〜2の数字である;
La(FeAlCo13またはLa(FeSiCo13 (III)
式中
xは0.7〜0.95の数字であり;
yは0.05〜1−xの数字であり;
zは0.005〜0.5の数字である;
LaMnFe2−xGe (IV)
式中
xは1.7〜1.95の数字である;及び
(3)MnTP型のホイスラー合金(式中、Tは遷移金属で、Pは原子中の電子数e/aが7〜8.5の範囲にあるp−ドープ金属である)。
This metal material is preferably selected from the following compounds.
(1) Compound of general formula (I) (A y B 1-y ) 2 + δ C w D x E z (I)
Where
A is Mn or Co;
B is Fe, Cr, or Ni;
C, D and E are different from each other in at least two of C, D and E, and the concentration is not zero, and is selected from P, B, Se, Ge, Ga, Si, Sn, N, As, and Sb. And at least one of C, D and E is Ge or Si;
δ is a number in the range of −0.1 to 0.1,
w, x, y, and z are numbers in the range of 0 to 1 (where w + x + z = 1);
(2) In formula (II) or (III) or (IV) of La and Fe-based compound La (Fe x Al 1-x ) 13 H y or La (Fe x Si 1-x ) 13 H y (II)
Where
x is a number from 0.7 to 0.95;
y is a number from 0 to 3, preferably 0 to 2;
La (Fe x Al y Co z ) 13 or La (Fe x Si y Co z ) 13 (III)
Where x is a number from 0.7 to 0.95;
y is a number from 0.05 to 1-x;
z is a number from 0.005 to 0.5;
LaMn x Fe 2-x Ge (IV)
Where x is a number from 1.7 to 1.95; and (3) MnTP type Heusler alloy (wherein T is a transition metal and P has an electron number e / a of 7 to 8. A p-doped metal in the range of 5).

本発明に特に好適な材料が、例えば、WO 2004/068512、Rare Metals、Vol. 25、2006、pages 544 to 549、J. Appl.Phys. 99.08Q107 (2006)、Nature、Vol. 415、January 10、2002、pages 150 to 152、及びPhysica B 327 (2003)、pages 431 to 437に記載されている。   Materials particularly suitable for the present invention are described, for example, in WO 2004/068512, Rare Metals, Vol. 25, 2006, pages 544 to 549, J.A. Appl. Phys. 99.08Q107 (2006), Nature, Vol. 415, January 10, 2002, pages 150 to 152, and Physica B 327 (2003), pages 431 to 437.

上記の一般式(I)の化合物中で、CとDとEは、好ましくは同一であるが、異なっていてもよく、P、Ge、Si、Sn及びGaの少なくとも一種から選ばれる。   In the compound of the above general formula (I), C, D and E are preferably the same, but may be different and are selected from at least one of P, Ge, Si, Sn and Ga.

一般式(I)の金属系材料は、好ましくは少なくともMnとFeとPと、適当ならSbに加えて、さらにGe、Si、As、GeとSi、GeとAs、SiとAs、又はGeとSiとAsを含む4元化合物から選ばれる。   The metal-based material of the general formula (I) is preferably at least Mn, Fe and P and, if appropriate, Sb, Ge, Si, As, Ge and Si, Ge and As, Si and As, or Ge and It is selected from quaternary compounds containing Si and As.

好ましくは、成分Aの少なくとも90質量%が、より好ましくは少なくとも95質量%がMnである。好ましくは、Bの少なくとも90質量%が、より好ましくは少なくとも95質量%がFeである。好ましくは、Cの少なくとも90質量%が、より好ましくは少なくとも95質量%がPである。好ましくは、Dの少なくとも90質量%が、より好ましくは少なくとも95質量%がGeである。好ましくは、Eの少なくとも90質量%が、より好ましくは少なくとも95質量%がSiである。   Preferably, at least 90% by weight of component A, more preferably at least 95% by weight is Mn. Preferably at least 90% by weight of B, more preferably at least 95% by weight is Fe. Preferably, at least 90% by mass of C, more preferably at least 95% by mass is P. Preferably at least 90% by weight of D is Ge, more preferably at least 95% by weight Ge. Preferably, at least 90% by weight of E is more preferably at least 95% by weight Si.

この材料は、好ましくは、一般式MnFe(PwGexSiz)をもつ。 The material preferably has a general formula MnFe (P w Ge x Si z ).

xは、好ましくは0.3〜0.7の範囲の数字であり、wは1−x以下であり、zは1−x−wである。   x is preferably a number in the range of 0.3 to 0.7, w is 1-x or less, and z is 1-x-w.

この材料は、好ましくは結晶性の六方晶型Fe2P構造をもつ。好適な構造の例としては、MnFeP0.45-0.7Ge0.55-0.30およびMnFeP0.5-0.70(Si/Ge)0.5-0.30があげられる。 This material preferably has a crystalline hexagonal Fe 2 P structure. Examples of suitable structures include MnFeP 0.45-0.7 Ge 0.55-0.30 and MnFeP 0.5-0.70 (Si / Ge) 0.5-0.30 .

他の好適な化合物は、Mn1+xFe1-x1-yGeyであり、xは−0.3〜0.5の範囲であり、inは0.1〜0.6の範囲である。同様に好適なのが、一般式Mn1+xFe1-x1-yGey-zSbzの化合物であり、xは−0.3〜0.5の範囲であり、yは0.1〜0.6の範囲であり、zはyより小さく、また0.2より小さい。式Mni+xFe1-x1-yGey-zSizの化合物も好適である。xは0.3〜0.5の範囲であり、yは0.1〜0.66の範囲であり、zはyより小さく、0.6より小さい。 Another suitable compound is Mn 1 + x Fe 1-x P 1-y Ge y , x is in the range of −0.3 to 0.5, and in is in the range of 0.1 to 0.6. It is. Likewise suitable are compounds of the general formula Mn 1 + x Fe 1-x P 1-y Ge yz Sb z , x is in the range of −0.3 to 0.5 and y is 0.1 to In the range of 0.6, z is smaller than y and smaller than 0.2. Compounds of formula Mn i + x Fe 1-x P 1-y Ge yz Si z also suitable. x is in the range of 0.3 to 0.5, y is in the range of 0.1 to 0.66, and z is smaller than y and smaller than 0.6.

好ましい一般式(II)及び/又は(III)及び/又は(IV)のLaとFe系化合物は、La(Fe0.90Si0.1013、La(Fe0.89Si0.1113、La(Fe0.880Si0.12013、La(Fe0.877Si0.12313、LaFe11.8Si1.2、La(Fe0.88Si0.12130.5、La(Fe0.88Si0.12131.0、LaFe11.7Si1.31.1、LaFe11.57Si1.431.3、La(Fe0.88Si0.12)H1.5、LaFe11.2Co0.7Si1.1、LaFe11.5Al1.5Co0.1、LaFe11.5Al1.50.2、LaFe11.5Al1.50.4、LaFe11.5Al1.5Co0.5、La(Fe0.94Co0.0611.83Al1.17、La(Fe0.92Co0.0811.83Al1.17である。 Preferred La and Fe compounds of the general formula (II) and / or (III) and / or (IV) are La (Fe 0.90 Si 0.10 ) 13 , La (Fe 0.89 Si 0.11 ) 13 , La (Fe 0.880 Si 0.120 13 , La (Fe 0.877 Si 0.123 ) 13 , LaFe 11.8 Si 1.2 , La (Fe 0.88 Si 0.12 ) 13 H 0.5 , La (Fe 0.88 Si 0.12 ) 13 H 1.0 , LaFe 11.7 Si 1.3 H 1.1 , LaFe 11.57 Si 1.43 H 1.3 , La (Fe 0.88 Si 0.12 ) H 1.5 , LaFe 11.2 Co 0.7 Si 1.1 , LaFe 11.5 Al 1.5 Co 0.1 , LaFe 11.5 Al 1.5 C 0.2 , LaFe 11.5 Al 1.5 C 0.4 , LaFe 11.5 Al 1.5 Co 0.5 , La ( Fe 0.94 Co 0.06 ) 11.83 Al 1.17 and La (Fe 0.92 Co 0.08 ) 11.83 Al 1.17 .

好適なマンガン含有化合物は、MnFeGe、MnFe0.9Co0.1Ge、MnFe0.8Co0.2Ge、MnFe0.7Co0.3Ge、MnFe0.6Co0.4Ge、MnFe0.5Co0.5Ge、MnFe0.4Co0.6Ge、MnFe0.3Co0.7Ge、MnFe0.2Co0.8Ge、MnFe0.15Co0.85Ge、MnFe0.1Co0.9Ge、MnCoGe、Mn5Ge2.5Si0.5、Mn5Ge2Si、Mn5Ge1.5Si1.5、Mn5GeSi2、Mn5Ge3、Mn5Ge2.9Sb0.1、Mn5Ge2.8Sb0.2、Mn5Ge2.7Sb0.3、LaMn1.9Fe0.1Ge、LaMn1.85Fe0.15Ge、LaMn1.8Fe0.2Ge、(Fe0.9Mn0.13C、(Fe0.8Mn0.23C、(Fe0.7Mn0.33C、Mn3GaC、MnAs、(Mn、Fe)As、Mn1+δAs0.8Sb0.2、MnAs0.75Sb0.25、Mn1.1As0.75Sb0.25、Mn1.5As0.75Sb0.25である。 Suitable manganese-containing compounds are MnFeGe, MnFe 0.9 Co 0.1 Ge, MnFe 0.8 Co 0.2 Ge, MnFe 0.7 Co 0.3 Ge, MnFe 0.6 Co 0.4 Ge, MnFe 0.5 Co 0.5 Ge, MnFe 0.4 Co 0.6 Ge, MnFe 0.3 Co 0.7 Ge , MnFe 0.2 Co 0.8 Ge, MnFe 0.15 Co 0.85 Ge, MnFe 0.1 Co 0.9 Ge, MnCoGe, Mn 5 Ge 2.5 Si 0.5 , Mn 5 Ge 2 Si, Mn 5 Ge 1.5 Si 1.5 , Mn 5 GeSi 2 , Mn 5 Ge 3 , Mn 5 Ge 2.9 Sb 0.1 , Mn 5 Ge 2.8 Sb 0.2 , Mn 5 Ge 2.7 Sb 0.3 , LaMn 1.9 Fe 0.1 Ge, LaMn 1.85 Fe 0.15 Ge, LaMn 1.8 Fe 0.2 Ge, (Fe 0.9 Mn 0.1 ) 3 C, ( Fe 0.8 Mn 0.2 ) 3 C, (Fe 0.7 Mn 0.3 ) 3 C, Mn 3 GaC, MnAs, (Mn, Fe) As, Mn 1+ δ As 0.8 Sb 0.2 , MnAs 0.75 Sb 0.25 , Mn 1.1 As 0.75 Sb 0.25 , Mn 1.5 As 0.75 Sb 0.25 .

本発明で好適なホイスラー合金の例としては、Fe2MnSi0.5Ge0.5、Ni52.9Mn22.4Ga24.7、Ni50.9Mn24.7Ga24.4、Ni55.2Mn18.6Ga26.2、Ni51.6Mn24.7Ga23.8、Ni52.7Mn23.9Ga23.4、CoMnSb、CoNb0.2Mn0.8Sb、CoNb0.4Mn0.6Sb、CoNb0.6Mn0.4Sb、Ni50Mn35Sn15、Ni50Mn37Sn13、MnFeP0.45As0.55、MnFeP0.47As0.33、Mn1.1Fe0.90.47As0.53、MnFeP0.89-xSixGe0.11、x=0.22、x=0.26、x=0.30、x=0.33があげられる。 Examples of Heusler alloys suitable for the present invention include Fe 2 MnSi 0.5 Ge 0.5 , Ni 52.9 Mn 22.4 Ga 24.7 , Ni 50.9 Mn 24.7 Ga 24.4 , Ni 55.2 Mn 18.6 Ga 26.2 , Ni 51.6 Mn 24.7 Ga 23.8 , Ni 52.7 Mn 23.9 Ga 23.4 , CoMnSb, CoNb 0.2 Mn 0.8 Sb, CoNb 0.4 Mn 0.6 Sb, CoNb 0.6 Mn 0.4 Sb, Ni 50 Mn 35 Sn 15 , Ni 50 Mn 37 Sn 13 , MnFeP 0.45 As 0.55 , MnFeP 0.47 As 0.33 , Mn 1.1 Fe 0.9 P 0.47 As 0.53 , MnFeP 0.89-x Si x Ge 0.11 , x = 0.22, x = 0.26, x = 0.30, x = 0.33.

本発明はまた、上記の方法により得られる磁気冷却用の金属系材料に関する。   The present invention also relates to a magnetic material for magnetic cooling obtained by the above method.

また、本発明は、As含有材料を除く組成物で、平均結晶サイズが10〜400nmの範囲、より好ましくは20〜200nm、特に30〜80nmの範囲にある上記の磁気冷却用の金属系材料に関する。この平均結晶サイズは、X線回折で求めることができる。結晶サイズが小さくなりすぎると最大の磁気熱量効果が低下する。一方、結晶サイズが大きすぎると系のヒステリシスが増加する。   The present invention also relates to the above-described metal material for magnetic cooling having an average crystal size in the range of 10 to 400 nm, more preferably 20 to 200 nm, and particularly 30 to 80 nm. . This average crystal size can be determined by X-ray diffraction. If the crystal size becomes too small, the maximum magnetocaloric effect is reduced. On the other hand, if the crystal size is too large, the hysteresis of the system increases.

上述のように、本発明の金属系材料は磁気冷却に使用することが好ましい。上述のように、対応する冷蔵庫は、磁石、好ましくは永久磁石に加えて、金属系材料を有している。コンピューターチップや太陽発電機の冷却も可能である。他の利用分野はヒートトポンプや空調システムである。   As described above, the metal-based material of the present invention is preferably used for magnetic cooling. As mentioned above, the corresponding refrigerator has a metallic material in addition to a magnet, preferably a permanent magnet. Computer chips and solar generators can also be cooled. Other fields of use are heat pumps and air conditioning systems.

本発明の方法で製造される金属系材料は、どのような固体状態であってもよい。フレーク状や、リボン状、ワイヤ状、粉末状であってもよく、また成型物の形であってもよい。モノリスやハニカムなどの成型物は、例えば押出成型法により製造される。例えばセル密度が400〜1600CPI以上であってもよい。本発明によれば、ロールにより製造される薄いシートが好ましい。好ましい無多孔性の成型物は、薄い材料、例えばチューブ、板、メッシュ、格子状物または棒からなるものである。本発明によれば、金属射出成型(MIM)法による成型も可能である。   The metal-based material produced by the method of the present invention may be in any solid state. It may be in the form of flakes, ribbons, wires, powders, or may be in the form of a molded product. Molded articles such as monoliths and honeycombs are manufactured by, for example, an extrusion molding method. For example, the cell density may be 400 to 1600 CPI or more. According to the invention, a thin sheet produced by a roll is preferred. Preferred non-porous moldings are those made of thin materials such as tubes, plates, meshes, grids or bars. According to the present invention, molding by metal injection molding (MIM) method is also possible.

本発明を、以下の実施例をもとに詳述する。   The present invention will be described in detail based on the following examples.

実施例1
プレスしたMnFePGe試料を含む真空石英アンプルを1100℃で10時間維持して、この粉末を焼結させた。この焼結物を650℃で60時間熱処理して均質化させた。炉中でゆっくりと室温まで冷却するのでなく、試料を直ちに室温の水中で急冷した。この水中での急冷で試料表面が一定程度酸化した。外側の酸化被膜を希酸で洗い流した。XRDパターンは、すべての試料が、Fe2P型の構造で結晶化していることを示した。
Example 1
A vacuum quartz ampoule containing the pressed MnFePGe sample was maintained at 1100 ° C. for 10 hours to sinter this powder. This sintered product was homogenized by heat treatment at 650 ° C. for 60 hours. Rather than slowly cooling to room temperature in the furnace, the samples were immediately quenched in room temperature water. The sample surface was oxidized to some extent by this rapid cooling in water. The outer oxide film was washed away with dilute acid. XRD patterns showed that all samples were crystallized with a Fe 2 P type structure.

以下の組成物が得られた。   The following composition was obtained:

Mn1.1Fe0.90.81Ge0.19、Mn1.1Fe0.90.78Ge0.22、Mn1.1Fe0.90.75Ge0.25、およびMn1.2Fe0.80.81Ge0.19。これらの試料の熱ヒステリシスの観測値は、順に7K、5K、2K、3Kである。徐冷された試料では熱ヒステリシスが10Kより大きく、この試料と比べると、熱ヒステリシスは大幅に低下している。 Mn 1.1 Fe 0.9 P 0.81 Ge 0.19 , Mn 1.1 Fe 0.9 P 0.78 Ge 0.22 , Mn 1.1 Fe 0.9 P 0.75 Ge 0.25 , and Mn 1.2 Fe 0.8 P 0.81 Ge 0.19 . The observed values of thermal hysteresis of these samples are 7K, 5K, 2K, 3K in order. The annealed sample has a thermal hysteresis of more than 10K, and the thermal hysteresis is greatly reduced compared to this sample.

熱ヒステリシスは、0.5テスラの磁場で測定した。   Thermal hysteresis was measured with a magnetic field of 0.5 Tesla.

図1は、磁場を増強しながらキュリー温度付近でMn1.1Fe0.90.78Ge0.22を等温磁化させた結果を示す。最高5テスラの磁場まで、MCEを増加させる磁場誘起性の遷移がみられる。 FIG. 1 shows the result of isothermal magnetization of Mn 1.1 Fe 0.9 B 0.78 Ge 0.22 near the Curie temperature while enhancing the magnetic field. There is a field-induced transition that increases the MCE up to a magnetic field of up to 5 Tesla.

キュリー温度は、熱ヒステリシス値と同様に、Mn/Fe比とGe濃度を変えることで調整可能である。   As with the thermal hysteresis value, the Curie temperature can be adjusted by changing the Mn / Fe ratio and the Ge concentration.

0〜2テスラの最大磁場変化に対する、マクスウェル式を用いて直流磁化から計算された磁気エントロピーの変化は、初めの三つの試料に対して、それぞれ14J/kgK、20J/kgK、12.7J/kgKである。   The change in magnetic entropy calculated from DC magnetization using the Maxwell equation for the maximum magnetic field change of 0-2 Tesla is 14 J / kgK, 20 J / kgK, 12.7 J / kgK for the first three samples, respectively. It is.

Mn/Fe比の増加に伴い、キュリー温度と熱ヒステリシスは低下する。その結果、このMnFePGe化合物は、低磁場で比較的大きなMCE値を示す。これらの材料の熱ヒステリシスは非常に小さい。   As the Mn / Fe ratio increases, the Curie temperature and thermal hysteresis decrease. As a result, this MnFePGe compound exhibits a relatively large MCE value in a low magnetic field. The thermal hysteresis of these materials is very small.

実施例2
MnFeP(GeSb)の溶融紡糸
WO2004/068512とJ. Appl.Phys. 99、08 Q107 (2006)に記載のように、ボールミル中で高エネルギーを注入して、固相反応法により、まず多結晶MnFeP(Ge,Sb)合金を製造した。この材料を、ノズルを有する石英チューブに入れた。試験槽を10-2mbarにまで脱気し、高純度アルゴンガスで満たした。試料を高周波で溶融し、回転銅ドラムを収めた試験槽への差圧によりノズルから吹付けさせた。銅ホイールの表面速度は調整可能で、約105K/sの冷却速度が達成された。次いで、巻き取ったリボンを900℃で1時間熱処理した。
Example 2
Melt spinning of MnFeP (GeSb) WO 2004/068512 and J.M. Appl. Phys. 99, 08 Q107 (2006), high energy was injected in a ball mill and a polycrystalline MnFeP (Ge, Sb) alloy was first produced by a solid phase reaction method. This material was placed in a quartz tube with a nozzle. The test tank was evacuated to 10 -2 mbar and filled with high purity argon gas. The sample was melted at high frequency and sprayed from the nozzle by the differential pressure to the test tank containing the rotating copper drum. The surface speed of the copper wheel was adjustable and a cooling rate of about 10 5 K / s was achieved. Next, the wound ribbon was heat-treated at 900 ° C. for 1 hour.

X線回折の結果は、すべての試料が六方晶Fe2P構造パターンで結晶化していることを示す。溶融紡糸法以外で生産された試料とは異なり、MnOの汚染相が観測されなかった。 X-ray diffraction results show that all samples are crystallized with a hexagonal Fe 2 P structure pattern. Unlike samples produced by methods other than melt spinning, no contaminated phase of MnO was observed.

溶融紡糸をいろいろ異なる周速度で行い、キュリー温度、ヒステリシス、エントロピーの値を測定した。結果を、以下の表1と表2にまとめて示す。いずれの場合も、低いヒステリシス温度が測定された。   Melt spinning was performed at various peripheral speeds, and Curie temperature, hysteresis, and entropy values were measured. The results are summarized in Table 1 and Table 2 below. In both cases, a low hysteresis temperature was measured.

Figure 0005855457
Figure 0005855457

Figure 0005855457
Figure 0005855457

Claims (2)

磁気冷却用またはヒートポンプ用の金属系材料の製造方法であって、
a)金属系材料に相当する化学量論量の化学元素及び/又は合金のボールミル中における固相反応、
b)工程a)で得られる材料の溶融紡糸により固体を得ること、
c)430〜1200℃の範囲の温度で、10秒間〜5時間の工程b)の固体の加熱、
d)工程c)からの熱処理成型物の200〜1300K/sの冷却速度での急冷、
を含み、
前記金属系材料はリボン状であり、
前記金属系材料が、
(1)一般式(I)の化合物
(A1−y2+δ (I)
式中、
Aは、Mn又はCoであり、
Bは、Fe、Cr、又はNiであり、
CとDとEは、CとDとEのうち少なくとも2つは異なり、濃度がゼロでなく、P、B、Se、Ge、Ga、Si、Sn、N、As、およびSbから選ばれ、CとDとEの少なくとも一つがGe又はSiであり、
δは、−0.1〜0.1の範囲の数字であり、
w、x、y、zは、0〜1の範囲の数字である(ただし、w+x+z=1);
(2)一般式(II)又は(III)又は(IV)のLa及びFe系化合物
La(FeAl1−x13またはLa(FeSi1−x13 (II)
式中、
xは0.7〜0.95の数字であり;
yは、0〜3の数字である;
La(FeAlCo13またはLa(FeSiCo13 (III)
式中
xは0.7〜0.95の数字であり;
yは0.05〜1−xの数字であり;
zは0.005〜0.5の数字である;
LaMnFe2−xGe (IV)
式中
xは1.7〜1.95の数字である;及び
(3)MnTP型のホイスラー合金(式中、Tは遷移金属で、Pは原子中の電子数e/aが7〜8.5の範囲にあるp−ドープ金属である)
から選ばれることを特徴とする方法。
A method for producing a metallic material for magnetic cooling or heat pump,
a) Solid phase reaction in a ball mill of stoichiometric amounts of chemical elements and / or alloys corresponding to metal-based materials,
b) obtaining a solid by melt spinning of the material obtained in step a);
c) heating the solid of step b) at a temperature in the range of 430 to 1200 ° C. for 10 seconds to 5 hours;
d) rapid cooling of the heat-treated molded product from step c) at a cooling rate of 200 to 1300 K / s,
Including
The metallic material is ribbon-shaped,
The metal material is
(1) Compound of general formula (I) (A y B 1-y ) 2 + δ C w D x E z (I)
Where
A is Mn or Co;
B is Fe, Cr, or Ni;
C, D, and E are selected from P, B, Se, Ge, Ga, Si, Sn, N, As, and Sb, and at least two of C, D, and E are different and the concentration is not zero. At least one of C, D and E is Ge or Si;
δ is a number in the range of −0.1 to 0.1,
w, x, y, and z are numbers in the range of 0 to 1 (where w + x + z = 1);
(2) In formula (II) or (III) or (IV) of La and Fe-based compound La (Fe x Al 1-x ) 13 H y or La (Fe x Si 1-x ) 13 H y (II)
Where
x is a number from 0.7 to 0.95;
y is a number from 0 to 3;
La (Fe x Al y Co z ) 13 or La (Fe x Si y Co z ) 13 (III)
Where x is a number from 0.7 to 0.95;
y is a number from 0.05 to 1-x;
z is a number from 0.005 to 0.5;
LaMn x Fe 2-x Ge (IV)
Where x is a number from 1.7 to 1.95; and (3) a MnTP type Heusler alloy (wherein T is a transition metal and P has an electron number e / a of 7 to 8. A p-doped metal in the range of 5)
A method characterized in that it is selected from:
前記金属系材料が、少なくとも、MnとFeとP、適当ならSbに加えて、Ge、Si、As、GeとAs、SiとAs、又はGeとSiとAsを含む一般式(I)の4元化合物から選ばれる請求項1に記載の方法。   In the general formula (I), the metal-based material contains at least Ge, Si, As, Ge and As, Si and As, or Ge, Si, and As in addition to Mn, Fe, and P, and Sb as appropriate. 2. A process according to claim 1 selected from the original compounds.
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