JP2003031432A - 希土類焼結磁石の製造方法および希土類焼結磁石 - Google Patents
希土類焼結磁石の製造方法および希土類焼結磁石Info
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Abstract
り成形体を得る希土類焼結磁石の製造方法において、高
保磁力の希土類磁石合金を用いた場合も配向率を向上さ
せ、高性能の磁石を得る。 【解決手段】水素を吸蔵させて低保磁力化させた希土類
磁石合金を粉末化し、該粉末をパルス磁場によって配向
させた後静水圧プレスにて成形体とし、さらに該成形体
を脱水素処理して、その後成形体の焼結および時効処理
を行い、希土類焼結磁石を製造する。
Description
金粉末を用いて高配向率の焼結磁石を製造するための粉
末冶金法による希土類焼結磁石の製造方法、および保磁
力が大きく高配向率の希土類焼結磁石に関する。
類元素、Tは遷移金属元素)磁石を代表とする希土類元
素を主成分とする希土類磁石は、ハードディスク向けボ
イスコイルモーター(VCM)用、医療用磁気共鳴画像
装置(MRI)用途から、さらにモーター用途の需要が
増大し、それに伴い、高保磁力タイプの磁石の需要がさ
らに伸びつつあるのが現状である。
程、合金を粉砕する工程、粉末を磁場配向させて成形す
る工程、成形体を焼結して焼結体とする工程、さらに加
工および表面処理を行う工程に分けられる。
配向は成形時あるいは成形前に行われる。磁場配向の目
的は、合金粉末に強力な磁場を加えることにより、強磁
性体からなる各粉末粒子の磁化容易軸方向を磁場の方向
にそろえることである。この工程により磁石を構成する
粉末粒子の結晶粒の磁化容易軸が所望の方向に整列し、
特定方位に磁気エネルギー積を集中させることが可能と
なる。高性能の焼結磁石を製造するためには、磁場配向
工程で如何に粉末の粒子を配向させ、その配向を如何に
乱さず圧縮(プレス)成形するかが重要となる。
一軸プレスによる金型成形と、静水圧プレス(擬似静水
圧プレスを含む)による成形に大別できる。そのうち、
従来から焼結磁石の製造には、生産性に優れる金型成形
の方が多く使用されてきた。
の関係によって、平行磁場プレスと垂直磁場プレスとの
2種類に分類できる。平行磁場プレスではプレス方向と
磁場配向方向とが一致しており、加圧の際に磁場配向に
整列した粉末の方位が乱されることによって磁石の配向
率が低くなる傾向がある。その反面、薄型でなおかつ厚
さ方向に配向しているような磁石を作る場合、ニアネッ
トシェイプで作製可能であり、生産性に優れている。一
方、垂直磁場プレスでは、磁場配向方向に垂直にプレス
を行うため、成形時の粉末の配列は乱されにくく、平行
磁場プレスよりも磁石の配向率は高くなる。しかしなが
ら、厚さ方向に配向した薄型形状とするには、ブロック
を配向方向と垂直に薄板状に切り出す必要があり、切り
しろのロスが大きいため歩留まりが悪く、加工コストも
高い。
にプレスを行うことで、プレスに伴う配向の乱れを抑制
するという方法である。静水圧プレスの具体的な方法と
して、粉末を柔軟なモールドに充填して全体を等方的に
圧縮する冷間静水圧プレス(以下、CIP)や、粉末を
特殊なゴムモールドに充填して金型内で上下方向から圧
縮することで、水平方向からも同じようなプレス圧がか
かり、擬似静水圧プレスがなされる方法(以下、RI
P)などが挙げられる。そのうち、特にRIPは、CI
Pの欠点であった生産性の問題を解決し、CIP同様の
高配向率を得ることができるため、高特性磁石の製造方
法として急速に普及してきた。
法では、成形中に圧力が一方向にかかり粉末の方位が乱
れてしまうため、高い配向率を得るためには成形加圧中
は常に静磁界をかけ続ける必要があった。しかし、高い
配向率を得るには大きな磁界が必要となり、そのための
磁場発生装置は極めて大掛りなものとなった。
圧力はほぼ等方的にかかるため、プレス成形中の配向の
乱れは少ない。そのため、成形前に粉末粒子を磁場配向
させておけば、通常プレス成形中に静磁界をかける必要
はない。さらに、この成形前の磁場配向にはパルス磁場
が利用できる。パルス磁場は、簡単な装置で静磁界では
発生出来ないような大きな磁界を容易に発生できるた
め、配向率を容易に高めることができるという利点があ
る。
P)で加圧成形中に磁界をかけるためには、非常に大掛
かりな装置が必要となる。そのため、生産性やコスト面
からみて、静水圧プレスで成形する際はパルス磁場で粉
末粒子の磁場配向をし、静磁界をかけずにプレス成形を
行うという手段が好ましい。
向が、外部磁場の方向に平行となることによってもたら
され、粒子の形状、粒子間の摩擦のような、粒子の回転
を妨げる要素の他に、粒子の磁性によっても左右され
る。強磁性体は外部磁場で磁化されるが、この磁化が大
きいほど、さらには磁気モーメントを磁化容易軸方向に
向けようとする力である異方性磁界が大きいほど、外部
磁場の方向に回転する力が大きくなる。特に異方性磁界
の配向への寄与が大きいことは良く知られている。ま
た、磁場配向の過程で合金粉末の粒子は多少なりとも着
磁される。成形体が大きな磁化を有すると、各粒子の磁
極間の相互作用により、配向を乱して静磁エネルギーを
低くしようとする力が働くようになる。
静磁界が用いられ、成形中も静磁界をかけ続けている。
静磁界中で成形される方法では、たとえ大きな磁化が残
存しても、加圧により高密度の成形体となるまで磁界が
加えられるため、外部磁場がなくなっても各粒子はもは
や動くことはできない。
磁場を用いているため、強磁界による配向率の向上が可
能である。しかし、配向にパルス磁場を使用すると、強
力なパルス磁場によって瞬間的に粒子は配向するが、磁
場は短時間しか働かない。CIP、RIPによる成形の
場合、磁場配向した後、磁場のない条件下でプレス成形
を行っている。そのため、粒子に比較的大きな磁化が残
存することにより配向が乱れる可能性がある。
スは、主に高磁化材について行われて来た。CIP、R
IPでは、磁場配向の際の充填密度が材料の真密度に対
して、25%程度以上と比較的高く、粒子の回転、再配
列を妨げる粒子間の摩擦力が大きいため、プレス成形の
際の配向の低下は少なく、従来は配向の乱れは見逃され
ていた。
びていることから、高磁化材だけでなく、高保磁力材に
ついても同様に静水圧プレスによる成形が行われつつあ
る。しかし、静水圧プレスを高保磁力の磁石合金粉末に
用いて磁石を作ると、配向率が金型成形よりも低くなる
ことが判明している。これは、高保磁力材料の希土類磁
石合金粉末の粒子の回転、再配列による配向率の低下が
原因であると考えられる。
力磁石、特にR-T-B系磁石では、強磁性相の異方性磁
界を高めることにより保磁力を増加している。例えば最
も一般的な希土類元素であるNdの一部をDy或いはT
bと言った重希土類で置換すると、強磁性相のR2T1
4B系磁石合金の異方性磁界が増大し、磁石の保磁力の
増加が可能となる。他にもCu、Al、Ga等の添加元
素も有効で、これらは粒界の微細構造の変化に寄与して
いるが、これらの保磁力増加効果は限界がある。そのた
め実用上用いられる高保磁力R−T−B系磁石は、Dy
或いはTbと言った重希土類を必ず一定量(数質量%)
含有し、R2T14B化合物の異方性磁界が増加してい
る。
加すると磁石だけでなく、原料合金の粉末の保磁力も同
様に増大する。粉末の保磁力は磁石と比較すると、大き
くても約300kA/mと極めて小さい。しかし、CI
P、RIPのような静水圧プレスを行う前にパルス磁場
で配向させる際には、この原料合金粉末の約300kA
/m程度の保磁力が大きな問題となる。つまり、粉末自
体の保磁力が増加することによって、粉末の残留磁化が
増大し、粒子の回転、再配列をもたらし、配向率を低下
させる。そのため、高保磁力材は、パルス磁場配向を行
い、静水圧プレスで成形する希土類焼結磁石の製造方法
により製造するのが困難であった。
水圧プレスにより成形体を得る希土類焼結磁石の製造方
法において、高保磁力の希土類磁石合金を用いた場合も
配向率を向上させ、高性能の磁石を得ることを目的とす
る。
金を粉末化し、該粉末をパルス磁場によって配向させた
後静水圧プレスにて成形体とし、さらに該成形体を脱水
素処理して、その後成形体の焼結および時効処理を行う
希土類焼結磁石の製造方法。 (2)希土類磁石合金が、合金主相がR2T14B相
(但し、RはYを含む希土類元素、Tは遷移金属元素を
表わす。)からなり、かつR成分中のR’(R’はD
y、Tbのうち少なくとも1種以上を表わす。)の質量
比率R’/Rが5%以上である希土類磁石合金からなる
ことを特徴とする前記(1)に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 (3)合金主相のR成分中のR’の質量比率R’/Rが
10%以上であることを特徴とする前記(2)に記載の
希土類焼結磁石の製造方法。 (4)希土類磁石合金の水素吸蔵量の制御を、希土類磁
石合金に水素を飽和量まで吸蔵させ、その後の脱水素工
程の加熱温度を250℃以下とすることで行うことを特
徴とする前記(1)〜(3)に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 (5)水素を吸蔵させて低保磁力化させた希土類磁石合
金の粉末の保磁力が160kA/m以下であることを特
徴とする前記(1)〜(4)に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 (6)静水圧プレスを、粉末をゴムモールドに充填して
金型内でプレスする擬似静水圧プレス(RIP)で行う
ことを特徴とする前記(1)〜(5)に記載の希土類焼
結磁石の製造方法。 (7)成形体の脱水素処理として、成形体を真空中ある
いは不活性ガスフロー中で700〜900℃の温度で1
時間以上保持する加熱処理を、焼結の前に行うことを特
徴とする前記(1)〜(6)に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。である。
られた希土類焼結磁石。 (9)配向率が90%以上であることを特徴とする前記
(8)に記載の希土類焼結磁石。 (10)保磁力が950kA/m以上であることを特徴
とする前記(8)または(9)に記載の希土類焼結磁
石。である。
原料粉末の特性と磁石の配向率の関係を詳細に調査し、
焼結磁石の配向率の低下には磁石の原料合金粉末の保磁
力の影響が大きいことを見出した。そして、鋭意研究の
結果、従来は原料合金粉末の保磁力が高いために、CI
PあるいはRIPのような静水圧プレスにおいて高配向
率が得られなかった高保磁力のR−T−B系合金を用い
た磁石に関し、合金組成、組織を全く変えずに、パルス
磁場配向とプレス成形の間だけ、原料粉末の保磁力を低
下させる方法を見出した。
有する希土類焼結磁石の製造方法において、R−T−B
系合金の原料粉末の保磁力を合金に水素を吸蔵させるこ
とで低下させた後、それの粉末を用いてパルス磁場配向
を行い、さらに静水圧プレスにより成形体を形成するこ
とにより、得られた磁石の配向率の向上をもたらしたも
のである。
形体を焼結することで、保磁力が高く、かつ配向率も高
い希土類焼結磁石を製造するものである。
いる希土類磁石用合金粉末は、水素を吸蔵させることに
より保磁力を好ましくは160kA/m以下に低下させ
る。さらにパルス磁場配向および静水圧プレスにより成
形された後は、脱水素処理を施した後で燒結させて、焼
結磁石の保磁力を950kA/m以上とするものであ
る。
うな静水圧プレスの場合、パルス磁場で配向させる際に
は、原料粉末の保磁力が大きいと磁石の配向率が低下す
る。これは、粉末の残留磁化の増大による粒子の回転や
再配列のためであるものと考えられる。一般に磁石の保
磁力が大きいほど、粉末の保磁力も大きくなるが、磁石
の保磁力が950kA/m以上で、粉末の保磁力が16
0kA/m以上と高い場合に配向率の低下が著しい。そ
こで本発明では、原料粉末の保磁力を好ましくは160
kA/m以下に低下させて、パルス磁場による磁場配向
と静水圧プレスによる成形体加工を行う。
4B相(但し、RはYを含む希土類元素、Tは遷移金属
元素を表す。)であり、R成分中のR’(R’はDy、
Tbのうち少なくとも1種以上を表す。)の質量比率
R’/Rが5%以上であることを特徴とする。強磁性R
2T14B相を主相とすることにより、磁場配向が可能
となり、配向率の高い磁石を作製することができる。こ
の際、特にR’(Dy、Tbのうち少なくとも1種以
上)の質量比率R’/Rが5%以上であると、磁石の保
磁力増加に伴い、合金粉末の保磁力も増加するため、本
発明の効果が明確となる。さらにR’/Rが10%以上
になると、本発明は極めて有効である。
御する方法 本発明は、希土類磁石合金の水素吸蔵量の制御を、希土
類磁石合金に水素を飽和量まで吸蔵させ、その後の脱水
素工程の加熱温度を250℃以下とすることで行う。こ
の水素吸蔵量の制御は、例えば希土類磁石合金の水素解
砕処理およびそれに引き続く脱水素処理を兼ねて行うこ
とができる。水素解砕処理はR−T−B系合金の粉砕工
程の一部として利用されている。以下に水素解砕処理に
ついて説明する。
は、まず原料合金を適当に破砕した後、真空引き且つガ
ス加圧のできる炉に挿入して、密閉状態とする。合金を
セットしてから、炉内を真空引きした後、炉内に水素ガ
スを導入する。この際、一般に安全上の理由と効率を考
慮し、内部圧を大気圧以上(例えば、0.14MPa程
度)に加圧する。処理温度は150℃以下で行うのが望
ましい。150℃以上になると、Rリッチ相の一部が3
水素化物になるまで水素を吸蔵しなくなることから、合
金の膨張に伴う割れの発生が遅くなる傾向になる。作業
効率の面も考慮すると、約10〜35℃程度の室温で行
うが好ましい。
割れを生じて解砕していく。この時、炉内の圧力は水素
ガスが減少していくため下がっていくので、適宜補充す
る。合金の水素吸蔵に伴う解砕現象は、炉内圧力の低下
が見られなくなったところで終了したものと判断する。
この状態で希土類磁石合金に水素を飽和量まで吸蔵させ
ることができたとみなす。
熱して脱水素を行う。ここで、従来の方法における加熱
温度は300℃以上である。加熱脱水素により、主相か
ら水素が放出される。また、主相中の残存水素は主相の
異方性磁界を低下させるため、従来の静磁界による磁場
配向方法においては、この脱水素処理の段階で300℃
以上に加熱することによって主相から水素を放出させて
残存水素をなくすように処理されていた。
回復しない程度の温度に加熱して脱水素を行う。そのた
め、脱水素温度は250℃以下にすることが好ましい。
加熱時間は、処理装置の特性によって決まってくるが、
Rリッチ相がより安定な状態となるために水素原子を放
出する反応時間を考慮して、試料全体が加熱されるよう
になった時点からの経過時間を30分以上とするのが望
ましく、また、作業効率の面から、2時間を超えない方
が望ましい。
磁石用合金粉末を、パルス磁場を用いて配向させる。先
に説明した通り、160kA/m以下の低い保磁力を有
する希土類磁石用合金粉末は、パルス磁場を配向工程に
使用することによっても、高配向率を有する磁石の作製
が可能である。
はRIP)であることを特徴とする。CIP、RIPな
どの静水圧プレス又は擬似静水圧プレスでは、成形中の
プレス圧による配向の乱れを抑制できる。特にRIP
は、CIPの欠点であった生産性の問題を解決し、CI
P同様の高配向率を得ることができるためこのましい成
形方法である。
この脱水素処理は、通常は800℃付近で長時間、例え
ば30分程度加熱すれば完了するが、同様の処理を本発
明の原料粉末から作られた成形体に対して行うと、脱水
素が不充分な状態で焼結温度近傍まで成形体を加熱する
ことになり、それによって、結晶粒の異常粒成長が起こ
りやすくなり、且つ、磁石特性を低下させる。これは、
本発明の原料粉末から作られた成形体が、従来と異なり
主相中にも一定量以上の水素を含有していることによる
ものである。そこで、本発明では、成形体の脱水素処理
として、成形体を真空中あるいは不活性ガスフロー中で
700〜900℃の温度で1時間以上さらに望ましくは
3時間以上保持する加熱処理を行う。
結、時効処理を施し、必要に応じて加工、表面処理を経
て、焼結磁石の製品とする。
た後でCIP、RIPなどの静水圧プレスあるいは擬似
静水圧プレスを行うような方法では高配向率が得られな
かった高保磁力材料用粉末においても、高配向率が得ら
れるようになった。
%、Dy=7.0質量%、B=0.98質量%、Al=
0.3質量%、Cu=0.03質量%、残部=Feとな
るように、原料としてNdメタル、Dyメタル、純鉄、
フェロボロン、Al、Cuを配合し、真空雰囲気中ある
いは不活性ガス雰囲気中にて溶湯とした。その後、スト
リップキャスティング法にて急冷合金とした。
水素解砕を行った。水素吸蔵の条件としては、実施温度
=30℃、初期水素圧力=0.14MPaとした。その
後、装置内を真空引きしながら170℃程度に2時間加
熱することで脱水素を行った。
て、窒素雰囲気中でブラウンミルにて粗粉砕、さらにジ
ェットミルにて微粉砕を行って粉末を得た。粉末の粒度
はフィッシャーサブシーブサイザーで、3.1μmであ
った。また、粉末の保磁力をVSM(振動型磁力計)で測
定した結果、104kA/mであった。なお、ステアリ
ン酸亜鉛0.03質量%をブラウンミル粉砕後に添加、
混合した。
作製した。粉末をゴムモールドに、約2.8×103k
g/m3の密度に充填した後、3Tのパルス磁場で配向
させ、さらに約100MPaの圧力で成形体を得た。
真空雰囲気中1037℃で3時間焼結を行った。焼結温
度に到達する前に、粉末に入っていた水素を除去するた
めに790℃で5時間加熱した。得られた焼結体につい
ては、さらに790℃×1時間、引き続いて570℃×
1時間の時効処理を施した。
断、研磨して約7mm角の立方体に加工し、磁気測定を
行った。その結果、得られた磁気特性は、残留磁束密度
(以下、Br略す)=1.23T、保磁力(以下、iH
cと略す)=1.83×103kA/m、磁気エネルギ
ー積(以下、BHmaxと略す)=294kJ/m3、
配向率=95.3%となった。
条件によって得られた合金について、水素解砕装置にて
水素解砕を行った。水素吸蔵の条件は、実施例1と同様
とした。その後、装置内を真空引きしながら500℃程
度に2時間加熱することで脱水素を行った。
同様に粉砕を行った。その結果、得られた粉末の粒度
は、フィッシャーサブシーブサイザーにて約3.0μm
であった。また、粉末の保磁力をVSM(振動型磁力計)
で測定した結果、255kA/mであった。
IP法にて成形体を作製し、焼結体を得た。その結果、
得られた磁気特性は、Br=0.72T、iHc=1.
85×103kA/m、BHmax=96kJ/m3、配
向率=58.9%となった。
図1に示す。縦軸は磁化、横軸は保磁力を表している。
両者を比較すると、比較例1では曲線の角型が良好でな
く磁石として好ましくないのに対し、実施例1では曲線
の角型がより良好であり、磁石として好ましいことが判
明した。
型モールドに充填して、上パンチがモールドに挿入され
た時点からプレス方向に垂直な方向に1.2Tの静磁界
を発生させたまま約78MPaの圧力でプレスを行い、
成形体を作製した。その後、実施例1と同様の加熱処理
によって、焼結体を得た。この焼結体を実施例1と同じ
形状に加工して、磁気測定をおこなった。その結果、得
られた磁気特性は、Br=1.17T、iHc=1.7
7×103kA/m、BHmax=280kJ/m3、配
向率=93.5%となった。
静水圧プレスによって高い配向率が得られなかったのに
対し、本発明によって、高保磁力材において、パルス磁
場配向と静水圧プレスから高配向率の成形体が得られる
ようになった。これによって作製された焼結磁石は、金
型プレスによって得られた磁石よりも高い配向率とな
り、従来では得られなかった高配向の高保磁力型薄型磁
石を製造することができるようになった。
特性を示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】水素を吸蔵させて低保磁力化させた希土類
磁石合金を粉末化し、該粉末をパルス磁場によって配向
させた後静水圧プレスにて成形体とし、さらに該成形体
を脱水素処理して、その後成形体の焼結および時効処理
を行う希土類焼結磁石の製造方法。 - 【請求項2】希土類磁石合金が、合金主相がR2T14
B相(但し、RはYを含む希土類元素、Tは遷移金属元
素を表わす。)からなり、かつR成分中のR’(R’は
Dy、Tbのうち少なくとも1種以上を表わす。)の質
量比率R’/Rが5%以上である希土類磁石合金からな
ることを特徴とする請求項1に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 - 【請求項3】合金主相のR成分中のR’の質量比率R’
/Rが10%以上であることを特徴とする請求項2に記
載の希土類焼結磁石の製造方法。 - 【請求項4】希土類磁石合金の水素吸蔵量の制御を、希
土類磁石合金に水素を飽和量まで吸蔵させ、その後の脱
水素工程の加熱温度を250℃以下とすることで行うこ
とを特徴とする請求項1〜3に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 - 【請求項5】水素を吸蔵させて低保磁力化させた希土類
磁石合金の粉末の保磁力が160kA/m以下であるこ
とを特徴とする請求項1〜4に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 - 【請求項6】静水圧プレスを、粉末をゴムモールドに充
填して金型内でプレスする擬似静水圧プレス(RIP)
で行うことを特徴とする請求項1〜5に記載の希土類焼
結磁石の製造方法。 - 【請求項7】成形体の脱水素処理として、成形体を真空
中あるいは不活性ガスフロー中で700〜900℃の温
度で1時間以上保持する加熱処理を、焼結の前に行うこ
とを特徴とする請求項1〜6に記載の希土類焼結磁石の
製造方法。 - 【請求項8】請求項1〜7に記載の製造方法によって得
られた希土類焼結磁石。 - 【請求項9】配向率が90%以上であることを特徴とす
る請求項8に記載の希土類焼結磁石。 - 【請求項10】保磁力が950kA/m以上であること
を特徴とする請求項8または9に記載の希土類焼結磁
石。
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