JP2010098080A - Ｒ−ｔ−ｂ系焼結磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接着剤を使わず、異なる組成の材料を焼結することで一体的に接合しようとすると、焼結工程で変形してしまう。そのために所定寸法への加工が必要となり、歩留まりが低下したり、異なる組成の材料間で割れてしまうこともあった。
【解決手段】 重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に低い又は含まない第１原料合金粉末、および重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に高い第２原料合金粉末を準備する工程と、前記第１原料合金粉末および第２原料合金粉末を、金型によって形成されたキャビティの所定の空間にそれぞれ充填する充填工程と、前記第１原料合金粉末の第１成形体部分および前記第２原料合金粉末の第２成形体部分からなる複合成形体を得る工程と、前記複合成形体を焼結することにより、前記第１成形体部分と前記第２成形体部分とが結合した焼結磁石を形成する工程と、を含むＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車搭載用モーター等に好適に用いられるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法に関する。

Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型化合物を主相とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（Ｒは希土類元素、Ｂはホウ素、Ｔは主にＦｅを示す）は、永久磁石の中で最も高性能な磁石として知られており、ハードディスクドライブのＶＣＭ（ボイスコイルモータ）や、ハイブリッド車搭載用モーター等の各種モーターや家電製品等に使用されている。Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石をモーター等の各種装置に使用する場合、高温での使用環境に対応するため、耐熱性に優れ、高保磁力を有することが要求される。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の保磁力を向上させるため、希土類元素Ｒとして軽希土類元素Ｒ_Ｌとともに所定量の重希土類元素Ｒ_Ｈを原料として配合し、溶製した合金を用いることが行われている。この方法によると、希土類元素Ｒとして主相であるＲ_２Ｆｅ_１４Ｂ相の軽希土類元素Ｒ_Ｌが重希土類元素Ｒ_Ｈで置換されるため、Ｒ_２Ｆｅ_１４Ｂ相の結晶磁気異方性（保磁力を決定する本質的な物理量）が向上する。

しかし、Ｒ_２Ｆｅ_１４Ｂ相中における軽希土類元素Ｒ_Ｌの磁気モーメントは、Ｆｅの磁気モーメントと同一方向であるのに対して、重希土類元素Ｒ_Ｈの磁気モーメントは、Ｆｅの磁気モーメントと逆方向であるため、軽希土類元素Ｒ_Ｌに対する重希土類元素Ｒ_Ｈの置換量が増加するほど、残留磁束密度Ｂ_ｒが低下してしまうことになる。

モーター等に使用される磁石では、残留磁束密度Ｂ_ｒが高く、かつ、高熱や大きな反磁界にさらされる領域の保磁力Ｈ_ｃＪが高いことが要求される。

従来技術としては、残留磁束密度Ｂ_ｒが高い磁石と保磁力Ｈ_ｃＪが高い磁石との接着一体型磁石をモーター等の各種装置に用いることがあった。しかし、接着一体型磁石をモーター等の各種装置に用いる場合、接着剤の低い耐熱性により使用上限温度が制限されてしまう。また、接着一体型磁石を作製する場合、接合の作業時間が余計にかかり、生産性が悪くなる。さらに、接合に用いる接着剤が多いと、接着剤により磁気的に不連続な層が形成されてしまう。

接着剤を用いずに一体型磁石を成形する方法も考えられていた（特許文献１、特許文献２）。特許文献１では、各々が、同一基本組成を有し、他に比較して高い残留磁束密度Ｂ_ｒを有する一方の材料と、該一方の材料に比較して高い保磁力Ｈ_ｃＪを有する他の材料とを焼結により一体的に固着した界磁用複合永久磁石が開示されている。

特許文献２では、複数個で直流機の永久磁石を構成する断面円弧状の界磁用永久磁石において、各界磁用永久磁石の減磁界側の内側端面エッジ部分を中心に内円周表面付近部のみを、本体永久磁石よりも保磁力の高い永久磁石とした構成が開示されている。

しかし、いずれの文献もフェライト磁石を対象としており、モーター等の小型化や高性能化の要求を満足するものではなかった。また、異なる組成の材料を焼結することで一体的に接合するため、焼結工程で変形してしまい、使用時の温度上昇に伴い各々材料が有する収縮率の差により接合部から割れてしまうという問題があった。

特開昭５７−１４８５６６号公報 実開昭５９−１１７２８１号公報

接着一体型磁石をモーター等の各種装置に用いる場合、接着剤の耐熱性により使用上限温度が制限されてしまうという問題があった。一方、接着剤を使わず、異なる組成の材料を焼結することで一体的に接合しようとすると、焼結工程で変形してしまうことがあった。そのために所定寸法への加工が必要となり、歩留まりが低下したり、異なる組成の材料間で割れてしまうこともあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、接着剤を用いずに、磁石の所定箇所に残留磁束密度Ｂ_ｒが高い領域と保磁力Ｈ_ｃＪの高い領域とが強固に結合一体化し、さらに焼結時の変形が小さいＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法を提供することにある。

前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法は、軽希土類元素Ｒ_Ｌ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも一方）および重希土類元素Ｒ_Ｈ（ＤｙおよびＴｂの少なくとも一方）の両方を含有し、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型結晶を主相とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（Ｒは希土類元素、Ｂはホウ素、Ｔは主にＦｅを示す）の製造方法であって、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に低い又は含まない第１原料合金粉末、および重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に高い第２原料合金粉末を準備する工程と、前記第１原料合金粉末および第２原料合金粉末を、金型によって形成されたキャビティの所定の空間にそれぞれ充填する充填工程と、前記第１原料合金粉末の第１成形体部分および前記第２原料合金粉末の第２成形体部分からなる複合成形体を得る工程と、前記複合成形体を焼結することにより、前記第１成形体部分と前記第２成形体部分とが結合した焼結磁石を得る工程と、を含むＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法である。

好ましい実施形態において、充填工程で前記第１原料合金粉末および前記第２原料合金粉末を充填できる空間からなるキャビティを形成し、前記第１原料合金粉末又は前記第２原料合金粉末の一方をキャビティ内に充填し、その後充填する前記原料合金粉末上面に前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の他方を充填することを含む。

好ましい実施形態において、充填工程で前記第１原料合金粉末又は前記第２原料合金粉末の一方を、当該一方の原料合金粉末を充填できる空間からなるキャビティ内に充填し、充填した粉末上面を水平にした後、さらにキャビティ内に前記原料合金粉末上面に前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の他方を充填できる空間を形成し、当該空間に前記他方の原料合金粉末を充填する第２充填工程と、を含む。

好ましい実施形態において、前記充填工程でキャビティ内に仕切りを配置しキャビティを分割して、前記第１原料合金粉末と第２原料合金粉末とをそれぞれ分割した別のキャビティに充填することを含む。

好ましい実施形態において、前記充填工程でキャビティ内に配置した仕切りは、充填後複合成形体を得る前に取り外すことを含む。

好ましい実施形態において、前記第１原料合金粉末および第２原料合金粉末のうち少なくとも第１原料合金粉末に、収縮緩和剤Ｍ（Ｃ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＳｎからなる群から選択された少なくとも１種）を含有し、前記第１原料合金粉末における収縮緩和剤Ｍの濃度は、前記第２原料合金粉末における収縮緩和剤Ｍの濃度よりも高いことを含む。

本発明によれば、残留磁束密度Ｂ_ｒの高い領域と保磁力Ｈ_ｃＪの高い領域との結合部では重希土類元素Ｒ_Ｈが拡散しているため接着剤によることなく強固な結合を実現できる。

さらに、残留磁束密度Ｂ_ｒの高い領域と保磁力Ｈ_ｃＪの高い領域の重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度差に応じて収縮緩和剤Mの濃度などのプロセスパラメータを変化させることにより、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度差に起因して生じる焼結工程における焼結磁石の変形を抑制することが可能になる。

図１および図２を参照しつつ、本発明によるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の構成例を説明する。図１は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石１の構成例を示す断面図であり、図２は、図１の磁石内部の組織を模式的に示している。

図示されているＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石１は、重希土類元素Ｒ_Ｈの量が多い組成からなる領域２（高保磁力部）と領域２に比べ重希土類元素Ｒ_Ｈの量が少ない組成からなる領域３（高Ｂ_ｒ部）とが接合部４を介して一体的に接合された構成を有している。

なお、本明細書では、簡単のため、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に低い又はゼロの第１領域を「高残留磁束密度部」又は「高Ｂ_ｒ部」と称し、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に高い第２領域を「高保磁力部」又は「高Ｈ_ｃＪ部」と称する場合がある。本発明の主たる特徴点は、高保磁力部と高残留磁束密度部とが成形、及び焼結によって強固に結合されていることにあり、従来技術のように接着剤による接合は行っていない。

図２に示される磁石組織は、重希土類元素Ｒ_Ｈの量が多い組成Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型結晶からなる主相５と、重希土類元素Ｒ_Ｈの量が少ない組成Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型結晶からなる主相６と、を有する。

接合部４の近傍では、領域２の重希土類元素Ｒ_Ｈと領域３の軽希土類元素Ｒ_Ｌが相互に拡散しており、それによって強固な結合を実現している。この重希土類元素Ｒ_Ｈ拡散領域（図中Ｙの領域）は、図２に示すように、全体として重希土類元素Ｒ_Ｈの量が領域２から領域３に向かって漸減する傾向を示している。また軽希土類元素Ｒ_ＬはＲ_Ｈとは逆の傾向を示す。なお、粒界相８は希土類リッチ相である。

本発明のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、例えば以下の方法によって製造され得る。

本発明のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法では、重希土類元素Ｒ_Ｈの含有量が異なる第１原料合金粉末と第２原料合金粉末を準備する。

[第１原料合金]
第１原料合金粉末に用いる第１原料合金は、１６．０質量％以上３６．０質量％以下の軽希土類元素Ｒ_Ｌと、０質量％以上１５質量％未満の重希土類元素Ｒ_Ｈ（ＤｙおよびＴｂのいずれか一種、または両方）と、０．５質量％以上〜２．０質量％以下のＢ（硼素）と、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とを含有する。ここで、Ｆｅの一部（５０原子％以下）は、他の遷移金属元素（例えばＣｏまたはＮｉ）によって置換されていてもよい。また、この合金は、種々の目的により、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも１種の添加元素を０．０１〜１．０質量％程度含有していてもよい。上記の合金は、原料合金の溶湯を例えばストリップキャスト法によって急冷して好適に作製され得る。以下、ストリップキャスト法による急冷凝固合金の作製を説明する。

まず、上記組成を有する原料合金をアルゴン雰囲気中において高周波溶解によって溶解し、原料合金の溶湯を形成する。次に、この溶湯を例えば１３５０℃程度に保持した後、単ロール法によって急冷し、例えば厚さ約０．３ｍｍのフレーク状合金鋳片を得る。こうして作製した合金鋳片を、次の粗粉砕工程の水素粉砕前に例えば１〜１０ｍｍの大きさのフレーク状に粉砕する。なお、ストリップキャスト法による原料合金の製造方法は、例えば、米国特許第５、３８３、９７８号明細書に開示されている。

[第２原料合金]
第２原料合金粉末に用いる第２原料合金は、１６．０質量％以上３５．０質量％以下の軽希土類元素Ｒ_Ｌと、０．５質量％以上１５．０質量％以下の重希土類元素Ｒ_Ｈ（ＤｙおよびＴｂのいずれか一方または両方）と、０．５質量％以上２．０質量％以下のＢ（硼素）と、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とを含有することを除き第１原料合金と同様にして第２原料合金が作製される。ここで、Ｆｅの一部（５０原子％以下）は、他の遷移金属元素（例えばＣｏまたはＮｉ）によって置換されていてもよい。また、この合金は、種々の目的により、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも１種の添加元素を０．０１〜１．０質量％程度含有していてもよい。第２原料合金も第１原料合金と同様ストリップキャスト法により好適に作製される。

なお、本発明では第１原料合金、第２原料合金の２種類の原料合金を用いた実施形態を説明しているが、３種類以上の原料合金を用いても良い。

第１原料合金と第２原料合金との差異は、第１原料合金における重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が第２原料合金における重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度よりも相対的に低いことにある。第１原料合金は重希土類元素Ｒ_Ｈを含有していなくてもよい。

［粗粉砕工程］
第１原料合金および第２原料合金の粗粉砕は、水素脆化法を行う。これは、水素吸蔵に伴う体積膨張を利用して合金に微細なクラックを生じさせ、粉砕する方法であり、本発明の合金系では、主相とＲリッチ相との水素吸蔵量の差、即ち体積変化量の差がクラック発生の元になることから、主相の粒界で割れる確率が高くなり、次工程の微粉砕工程で原料合金を微細な粉末に粉砕することができる。

水素脆化処理は、通常、常温で加圧水素に一定時間暴露した後、温度を上げて過剰な水素を放出させた後、冷却する。水素脆化処理後の粗粉末は、多数のクラックを内在し、比表面積が大幅に増大していることもあって、非常に活性であり、大気中の取り扱いでは酸素量の増加が著しくなるので、窒素、Ａｒなどの不活性ガス中で取り扱うことが望ましい。また、高温では窒化反応も生じる可能性があるため、コストが許せばＡｒ雰囲気が好ましい。

水素粉砕によって、第１原料合金、第２原料合金それぞれの合金鋳片は０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の大きさに粉砕され、その平均粒径は５００μｍ以下となる。水素粉砕後、脆化した原料合金をより細かく解砕するとともに冷却することが好ましい。比較的高い温度状態のまま原料合金を取り出す場合は、冷却処理の時間を相対的に短くすれば良い。

［微粉砕工程］
次に、粗粉砕粉に対して例えばジェットミル粉砕装置を用いて微粉砕を実行する。本実施形態で使用するジェットミル粉砕装置にはサイクロン分級機が接続されている。ジェットミル粉砕装置は、粗粉砕工程で粗く粉砕された粗粉砕粉の供給を受け、粉砕機内で粉砕する。粉砕機内で粉砕された粉末はサイクロン分級機を経て回収容器に集められる。こうして、気流分散型レーザ回折法の測定にてＤ５０で１〜１０μｍ程度（典型的には３〜５μｍ）の微粉末となった第１原料合金粉末、第２原料合金粉末を得ることができる。このような微粉砕に用いる粉砕装置は、ジェットミルに限定されず、アトライタやボールミルであってもよい。粉砕に際して、ステアリン酸亜鉛などの潤滑剤を粉砕助剤として用いてもよい。

ここで、収縮緩和剤Ｍとして、Ｃ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎの少なくとも一種（Ｃは５０ｐｐｍから３０００ｐｐｍ含有するのが好ましい。Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎのいずれかでは０．０２質量％含有するのが好ましい。）を化合物又は金属粉末として第１原料合金粉末または／および第２原料合金粉末に混合することが好ましい。混合することで、組成の異なる原料合金からなる粉末を圧縮された成形体を焼結したときの収縮率差に起因する変形を抑制することができる。なお収縮緩和剤Mを原料溶解時に添加した場合は、収縮緩和剤としての効果は小さい。

［充填および複合成形体の形成工程］
次に、前記第１原料合金粉末および前記第２原料合金粉末を、パンチ、ダイスなどからなる金型によって形成されたキャビティの所定の空間にそれぞれ充填し、その後、前記第１原料合金粉末の第１成形体部分および前記第２原料合金粉末の第２成形体部分を含む複合成形体を得る。

本実施形態では、作製された第１原料合金粉末、第２原料合金粉末に対し、例えばロッキングミキサー内で潤滑剤を例えば０．３質量％添加・混合してもよい。ここで潤滑剤には、ステアリン酸亜鉛等のＣを含む潤滑剤を用いることができる。

ここで、前述の方法で作製した第１原料合金からなる粉末を金型によって形成されたキャビティに充填し、さらに続けて第２原料合金からなる粉末を同じキャビティに充填し、公知のプレス装置を用いて０．４MA／ｍから１．６MA／ｍの静磁界中で成形する。その際、キャビティは充填前に前記第１原料合金粉末および前記第２原料合金粉末の合計量を充填できるだけの深さまで相対的に下パンチを引き下げることで形成し、前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の一方をキャビティに充填し、続けてその上に前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の他方を充填する方法でも良い（図４）。

前記第１原料合金粉末と第２原料合金粉末の充填が完了後、公知のプレス装置を用いて配向磁界中で、成形体密度が３．５〜４．８ｇ／ｃｍ^３程度となる複合成形体を得るのがよい。３．５ｇ／ｃｍ^３未満であると成形体を取り出した後のハンドリングが困難となり、４．８ｇ／ｃｍ^３を超えると高圧での成形となり合金粉末の配向が乱れるため、高特性が得られないという問題がある。

また、他の実施形態として、先ず前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の一方を充填できるだけの深さまで相対的に下パンチを引き下げ、前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の一方を充填し、充填した前記原料合金粉末上面を水平にした後、さらに相対的に下パンチを相対的に移動させて充填した前記原料合金粉末上面に前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の他方を充填させる空間を形成し、充填するという方法（図５）でもよい。これらの方法により加圧方向に前記第1原料合金粉末と第2原料合金粉末を積層一体化できる。

前記第１原料合金粉末と第２原料合金粉末の充填が完了後、公知のプレス装置を用いて配向磁界中で成形し、複合成形体を得る。ここで、成形体密度が３．５〜４．８ｇ／ｃｍ^３程度で成形するのがよい。

さらに、別の実施形態として、キャビティは充填前に前記第１原料合金粉末、および前記第２原料合金粉末の合計量を充填できるだけの深さまで相対的に下パンチを引き下げ、充填の前にキャビティ内に仕切りを配置しキャビティを分割して、各キャビティに前記第１原料合金粉末および第２原料合金粉末をキャビティに充填することができる。これらの方法により加圧方向と直交する方向に前記第1原料合金粉末と第2原料合金粉末を一体化できる。前記キャビティ内に配置した仕切りは、充填が完了後、複合成形体を形成する前に取り外す（図６）。

前記第１原料合金粉末と第２原料合金を充填完了し、仕切りを取り外した後、公知のプレス装置を用いて配向磁界中で成形し、複合成形体を得る。ここで、成形体密度が３．５〜４．８ｇ／ｃｍ^３程度で成形するのがよい。

[焼結工程]
次に、複合成形体を焼結することにより、前記第１成形体部分と前記第２成形体部分とが結合した焼結磁石を作製する。上記の粉末成形体に対して、３００℃〜９００℃の範囲内の温度で３０分〜１２０分間保持する工程と、その後、上記の保持温度よりも高い温度（例えば１０００℃から１１５０℃）で焼結を更に進める工程とを順次行なうことが好ましい。焼結後、必要に応じて、時効処理（７００℃〜１０００℃）が行われる。

本発明にて製造されたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、軽希土類元素Ｒ_Ｌ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも一方）および重希土類元素Ｒ_Ｈ（ＤｙおよびＴｂの少なくとも一方）の両方を含有するＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型結晶を主相とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石である。この焼結磁石は、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度（含有量）が相対的に低い又は含まない高残留磁束密度部と重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に高い高保磁力部とが形成されている。

本発明によれば、第１原料合金と第２原料合金の充填順等を変えることで、重希土類元素Ｒ_Ｈを多く含む領域を任意の位置に配することが可能になる。図３は、上記の製造方法によって形成され得る本発明のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の構成例を示す断面図である。図中の矢印は、磁界配向方向を示している。

図３に示す板状の焼結磁石１１では希土類元素Ｒとして、両端部１２は重希土類元素Ｒ_Ｈを多く含む領域からなり、中央部１３は重希土類元素Ｒ_Ｈの量が相対的に少なく、軽希土類元素Ｒ_Ｌを多く含む領域からなる。

図３に示す例では、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相互に異なる複数の領域で磁界配向方向が共通している。

本発明によれば、成形、及び焼結によって、一体となった磁石の全体において、僅かな量の重希土類元素Ｒ_Ｈを一部の領域に集中させ保磁力Ｈ_ｃＪの高い領域を選択して形成できる。このため、焼結磁石のうち、反磁界が小さい領域に対して、不必要に重希土類元素Ｒ_Ｈを添加しないで済むため、その領域では残留磁束密度Ｂ_ｒを高くすることができる。また、接着剤を用いていないため、従来技術について説明した問題（接着剤の低い耐熱性により使用上限温度が制限されてしまうこと）を回避することができる。

以下、本発明によるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を製造する方法の効果を示す実施例について説明する。

実施例１
まず、Ｎｄ：２６．０、Ｐｒ：５．０、Ｂ：１．００、Ｃｏ：０．９０、Ｃｕ：０．１、Ａｌ：０．２０、残部：Ｆｅ（単位は質量％）の組成を有するように配合した第１原料合金のインゴットを前述したストリップキャスト法により溶解し、冷却することによって、厚さ０．２〜０．３ｍｍの合金薄片を作製した。

また、Ｎｄ：１６．５、Ｐｒ：５．０、Ｄｙ：１０．００、Ｂ：１．００、Ｃｏ：０．９０、Ｃｕ：０．１、Ａｌ：０．２０、残部：Ｆｅ（単位は質量％）の組成を有するように配合した第２原料合金のインゴットを同様にストリップキャスト法により溶解し、冷却することによって、厚さ０．２〜０．３ｍｍの合金薄片を作製した。

次に、この合金薄片をそれぞれ容器内に充填し、水素処理装置内に挿入した。そして、水素処理装置内に圧力５００ｋＰａの水素ガス雰囲気で満たすことにより、室温で合金薄片に水素吸蔵させた後、真空中で５００℃まで昇温して２時間保持し、一部の水素を放出させた。このような水素処理を行うことにより、合金薄片を脆化し、大きさ約０．１５〜０．２ｍｍの不定形粗粉末を作製した。

上記の水素処理により作製した前記各粗粉末に対し粉砕助剤として、０．０５質量％のステアリン酸亜鉛を添加し混合した後、ジェットミル装置による粉砕工程を行うことにより、各粉末粒径がいずれも約４μｍの微粉末を製作した。この後、前記各微粉砕粉末に対し、粉末潤滑剤として０．１５質量％の潤滑剤（液状の脂肪酸エステル）を添加した。

こうして作製した微粉末のうち、第１原料合金からなる微粉末（第１原料合金粉末）をプレス装置に充填し、粉末上面がパンチ面と平行な面になるように整えた後、続けてその上に第２原料合金２からなる微粉末（第２原料合金粉末）を質量比で１：１になるよう充填し、１．５Ｔの印加磁界中で密度４．２ｇ／ｃｍ^３からなる複合成形体を作製した。その後、真空炉により１０５０℃で４時間の焼結工程を行った。

尚、本実施例で用いたプレスは公知の直角磁界成形装置（以下、横磁場プレス装置ともいう）であり、作製された焼結磁石は図3の焼結磁石の例に示すように粉末の積層方向と磁界印加方向とが直交している。なお、加圧方向と磁界印加方向とが平行である磁場プレスでも同様の効果が得られる。

こうして作製された焼結体ブロックを機械的に加工することにより、厚さ３ｍｍ×縦１４ｍｍ（磁化方向）×横８ｍｍ（プレス方向）の焼結磁石を得た。

実施例２
公知の横磁場プレス装置にて、粉末の積層方向と磁界印加方向とが一致する複合成形体を、図６に示す方法により作製したことを除き、それ以外は実施例１と同様の条件で焼結磁石を作製した．

一方、比較例１の試料も作製した。

比較例１
第１原料合金粉末と第２原料合金粉末とを、別々にプレス装置に充填し、１．５Ｔの印加磁界中で密度４．２ｇ／ｃｍ^３からなる成形体をそれぞれ作製し、それぞれ真空炉により１０４０℃で４時間焼結して２つの磁石焼結体を得てから、作製した２つの磁石焼結体の磁化配向方向が揃うように二液性エポキシ系接着剤で接合した焼結磁石を作製したことを除き、実施例１と同様の条件で焼結磁石を作製した。

比較例２
Ｎｄ：２６．０、Ｐｒ：５．０、Ｄｙ：＜０．０５、Ｂ：１．０、Ｃｏ：０．９０、Ｃｕ：０．１、Ａｌ：０．２０、残部：Ｆｅ（単位は質量％）の組成を有するように配合した原料合金３のみを用いて焼結磁石を作製したことを除き、それ以外は実施例１と同様の条件で焼結磁石を作製した。

実施例１、２および比較例１の試料に対し、モーター等の各種装置における高温環境での使用を想定して２００℃の恒温槽内で２時間加熱したところ、実施例１、２の試料は高温保持の前後で変化がないのに対し、比較例１の試料は接着部が剥がれていた．

実施例１、２および比較例２で得た試料に対し三点曲げ抗折強度（実施条件 スパン間距離：９ｍｍ クロスヘッドスピード：１ｍｍ／ｍｉｎ 装置名：ＪＴトーシ製 ＬＳC−１／３０ ）を測定し、比較例２の抗折強度を基準（３００ＭＰａ）に実施例１および実施例２を比較した。

実施例１及び実施例２の焼結磁石は、比較例２と同等の抗折強度であった。

また、ＥＰＭＡマッピング（測定条件 加速電圧：１５ｋＶ、ビーム：電流：１００ｎＡ、ビーム照射時間：１ｓ／ｐｏｉｎt 装置名： 島津 EPＭＡ−１６１０）にて実施例１のＤｙの拡散状況を確認した。図７の通り希土類元素Ｒとして重希土類元素Ｒ_Ｈを多く含む第２原料合金からなる高保磁力部から、希土類元素Ｒとして重希土類元素Ｒ_Ｈの量が比較的少ない第１原料合金からなる高Ｂ_ｒ部に、重希土類元素Ｒ_Ｈ（ここではＤｙ）が拡散していることがわかった。なお、焼結前の成形体接合部がわかるように目印としてタングステン金属を挟んでいる。

また、EPMAラインプロファイル（測定条件 加速電圧：１５ｋＶ、ビーム：電流：１００ｎＡ、ビーム照射時間：１ｓｅｃ／ｐｏｉｎt 装置名： 島津 EPＭＡ１６１０）にて実施例１のＤｙの拡散状況を確認した。ラインプロファイルは、重希土類元素Ｒ_Ｈを多く含む第２原料合金粉末からなる高保磁力部から希土類元素Ｒとして重希土類元素Ｒ_Ｈの量が比較的少ない第１原料合金粉末からなる高Ｂ_ｒ部に向かって測定した。図８の通り第２原料合金粉末からなる高保磁力部から第１原料合金粉末からなる高Ｂ_ｒ部へ重希土類元素Ｒ_Ｈ（ここではＤｙ）が拡散していることがわかった。ここで、表されるラインは、２μｍ間隔で主相、粒界相、三重点全てのDyの値を引いたラインである。また、横軸の「Range」は、第１原料合金からなる高Ｂ_ｒ部と第２原料合金からなる高保磁力部の接合部を基準（０μｍ）としている。

上述した本発明による製造方法によると、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が異なる複数の微粉末が密着した状態で同時に焼結されるため、これらの成形体の各々を構成する粉末同士が焼結によって結合するとともに、各成形体が相互に接合されることになる。このとき、重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度差に起因して、各成形体の収縮量に差異が生じるため、複数の成形体が一体化して形成される最終的な焼結磁石がわずかに変形する場合がある。

上記焼結磁石の変形をより抑制するためには、複合成形体における高保磁力部のための成形体部分と高Ｂｒ部のための成形体部分との間で、（１）原料合金粉末に添加する潤滑剤の量（収縮緩和剤Ｍ（Ｃ））、収縮緩和剤Ｍ（Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＳｎの少なくとも１種）の量、（２）成形体を成形する磁性粉末の粉末粒度の差、のうち少なくとも１つのプロセスパラメータを変化させることが好ましい。

以下、これらのプロセスパラメータを調整した実施例を説明する。

まず、以下の表１に示すようにＤｙ濃度の異なる３種類の原料合金粉末Ａ、Ｂ、Ｃを作製した。

表１および以下の表２には、原料合金粉末Ａ、Ｂ、Ｃの各々の組成と、圧縮成形して作製した成形体の密度や焼結時の収縮率などを記載している。各粉末の粉砕粒度Ｄ５０は４．７０μｍに調整した。表１および表２に記載の事項を除き、実施例１と同様にして作製した。表２に示す「成形圧」は成形体に加わる総圧力を成形体に接触するパンチ面積で割った値である。成形体密度は、（成形体の単重（実測値））／（ダイスホール面積（設計値））で求めた値を成形体高さ（実測値）で割ることよって求めた値である。そして、焼結時の収縮率は、磁界配向方向（Ｍ方向）と、Ｍ方向並びにプレス方向（加圧方向）の両方に垂直な方向（Ｋ方向）について求めた値である。収縮率は、成形体、焼結体それぞれ各面の中心で対向する面間隔を測定し対応する部位の寸法から、（（成形体の寸法−焼結磁石の寸法）／成形体の寸法の値に１００を掛けた式にて求めた値である。

表２に示すデータは、原料合金粉末Ａからなる成形体および焼結体、原料合金粉末Ｂからなる成形体および焼結体、原料合金粉末Ｃからなる成形体および焼結体の各々について別々に得られた値である。

この例では、各原料合金粉末に０．１５質量％の潤滑剤（液状の脂肪酸エステル）を添加し、いずれにも０．３４ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力（成形圧）を加えて圧縮成形を行った。この例の成形はプレス方向（加圧方向）と磁界印加方向とが直交する、いわゆる、直角磁界成形による。こうして得られた成形体に対し、１０４０℃で４時間の焼結を行った。表２収縮率は原料合金粉末のＤｙ濃度に依存して異なっていることがわかった。

表３に示すように、種々の粉末Ａ、Ｂ、Ｃの組合せ、追加条件を変えて焼結磁石を作製した。

以下の表３は、試料Ｎｏ．１−１〜試料Ｎｏ．４−４について、製造条件と最終的に得られた焼結磁石の形状を示している。これらの実施例は、実施例１と同様に、「第１充填→第２充填→成形→焼結」の順序で作製した。

表３における「組合せ」の欄は、プレス装置のキャビティ内に最初に充填する粉末の種類（同欄左）と、その後にキャビティ内に充填する粉末の種類（同欄右）を記載している。例えば、試料Ｎｏ．１−１では、最初に原料合金粉末Ａの給粉を行い粉末上面をパンチ面と平行面になるように整えた後、原料合金粉末Ｂの給粉を行い、０．３４ｔｏｎ／ｃｍ^２の成形圧にて圧縮成形をし、複合成形体を得た。

試料Ｎｏ．２−１に関する「追加条件」は、原料合金粉末Ｂに標準値（０．１５質量％）の潤滑剤（液状の脂肪酸エステル）を添加するだけではなく、０．０５質量％の潤滑剤を更に添加したことである（合計で０．２０質量％の潤滑剤が添加され、成形体においてＣが１０００ｐｐｍ含有されたことになる）。同様に、試料Ｎｏ．２−２に関する「追加条件」は、原料合金粉末Ａに標準値（０．１５質量％）の潤滑剤を添加するだけではなく、０．０８質量％の潤滑剤を更に添加したことである（合計で０．２３質量％の潤滑剤が添加され、成形体においてＣが約１１００ｐｐｍ含有されたことになる）。試料Ｎｏ．２−１と試料Ｎｏ．２−２において、１段目の合金粉末に添加する潤滑剤を相対的に増やしている理由は、一体化された成形体内の第１充填をした成形体部分のＤｙ濃度が相対的に低く、収縮しやすいため、潤滑剤の添加量を相対的に高め、結果的に同じ成形圧でも成形体密度を上昇させることにより、焼結時の高残留磁束密度部と高保磁力部との寸法差を低減するためである。

逆に試料Ｎｏ．２−３に関する「追加条件」として、原料合金粉末Cに標準値（０．１５質量％）の潤滑剤（液状の脂肪酸エステル）を添加するだけではなく、０．０５質量％の潤滑剤を更に添加したり（合計で０．２０質量％の潤滑剤が添加されたことになる）、同様に、試料Ｎｏ．２−４に関する「追加条件」として、原料合金粉末Cに標準値（０．１５質量％）の潤滑剤を添加するだけではなく、０．０８質量％の潤滑剤を更に添加した場合（合計で０．２３質量％の潤滑剤が添加されたことになる）においては、さらに焼結時の高残留磁束密度部と高保磁力部との寸法差が広がるため、焼結時に歪による割れが生じてしまう．

試料Ｎｏ．３−１に関する「追加条件」は、原料合金粉末Ｂに収縮緩和剤Ｍとして０．１０質量％のＳｎ粉末を添加したことである。同様に、試料Ｎｏ．３−２に関する「追加条件」は、原料合金粉末Ａに収縮緩和剤Ｍとして０．１９質量％のＳｎ粉末を添加したことである。試料Ｎｏ．３−１と試料Ｎｏ．３−２において、１段目の合金粉末に収縮緩和剤Ｍを添加している理由は、一体化された成形体内の第１充填をした成形体部分のＤｙ濃度が相対的に低く、収縮しやすいため、収縮緩和剤Ｍによって焼結時の高残留磁束密度部と高保磁力部とのを低減するためである。

逆に試料Ｎｏ．３−３に関する「追加条件」として、原料合金粉末Cに収縮緩和剤Ｍとして０．１０質量％のＳｎ粉末を添加したり、同様に、試料Ｎｏ．３−４に関する「追加条件」として、原料合金粉末Cに収縮緩和剤Ｍとして０．１９質量％のＳｎ粉末を添加した場合においては、さらに焼結時の高残留磁束密度部と高保磁力部との寸法差が広がるため、焼結時に歪による割れが生じてしまう．

試料Ｎｏ．４−１に関する「追加条件」は、原料合金粉末Ｂの粉砕粒度Ｄ５０を標準値（４．７０μｍ）から４．８０μｍに変更したことである。同様に、試料Ｎｏ．４−２に関する「追加条件」は、原料合金粉末Ａの粉砕粒度Ｄ５０を標準値（４．７０μｍ）から５．１０μｍに変更したことである。試料Ｎｏ．４−１と試料Ｎｏ．４−２において、１段目の合金粉末の粉砕粒度を相対的に大きくしている理由は、一体化された成形体内の1段目部分のＤｙ濃度が相対的に低く、収縮しやすいため、粉末の粒度を高め、結果的に同じ成形圧でも成形体密度を上昇させることにより、収縮率を低減するためである。なお、「追加条件」の欄に記載していないプロセスパラメータは、いずれの試料についても同じ条件に設定した。

逆に試料Ｎｏ．４−３に関する「追加条件」として、原料合金粉末Cの粉砕粒度Ｄ５０を標準値（４．７０μｍ）から４．８０μｍに変更したり、同様に、試料Ｎｏ．３−４に関する「追加条件」として、原料合金粉末Cの粉砕粒度Ｄ５０を標準値（４．７０μｍ）から５．１０μｍに変更した場合においては、さらに焼結時の高残留磁束密度部と高保磁力部との寸法差が広がるため、焼結時に歪による割れが生じてしまう．

表３における「形状」判定の欄は、以下に示す寸法比に基づく。ここで寸法比とは、焼結磁石について、高Ｂ_ｒ部（第1原料合金粉末に由来する部分）、高保磁力部（第2原料合金粉末に由来する部分）それぞれの(面中心部における)磁界配向方向の寸法を測定し、高Ｂ_ｒ部の寸法の高保磁力部の寸法に対する比率（％）を指す。「◎」の符号は寸法比が99.0%以上、「○」の符号は寸法比が98.5％〜99.0%、「△」の符号は寸法比が98.0%〜98.5%、「×」の符号は寸法比が98.0%以下又は割れが発生したことを意味する。上述のプロセスパラメータを調整することにより、Ｄｙ濃度の異なる領域の寸法比を縮小することができ、その結果、焼結磁石の変形を充分に抑制することができた。

表３の結果より、焼結磁石の変形を抑制するためには、重希土類元素Ｒ_Ｈがない又は比較的少ない第１成形体と重希土類元素Ｒ_Ｈが比較的多い第２成形体との間で、成形体の粉末に添加する潤滑剤は、０．０５質量％以上追添加させること、収縮緩和剤ＭでＣ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＳｎの少なくとも１種では０．１０質量％以上添加させることが好ましいことがわかった。

表３の結果より、焼結磁石の変形を抑制するためには、第１原料合金粉末の粒度を第２原料合金粉末の粒度より粗くすることが好ましいことがわかった。また、収縮緩和剤Ｍを用いない場合、焼結磁石の変形を抑制するためには第１原料合金粉末および第２原料合金粉末いずれにも重希土類元素Ｒ_Ｈが含まれていることが好ましいことがわかった。

本発明によれば、接着剤を用いず残留磁束密度Ｂ_ｒが高い領域と保磁力_ＨｃＪの高い領域とがそれぞれ存在するＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を提供することができる。

組成の異なる複数の成形体を積層し焼結することにより、強固に一体化した焼結体の断面を表した模式図である。 図１の磁石内部の組織を模式的に示す模式図である。 本発明の一実施例を表す図である。 本発明の充填工程を示す工程図である。 本発明の他の充填工程を示す工程図である。 本発明の他の充填工程を示す工程図である。 実施例１の焼結体断面のＥＰＭＡマッピング画像である。 実施例１の焼結体断面のＥＰＭＡラインプロファイル画である。

符号の説明

１、１１ 一体化した希土類磁石焼結体
２、１２ 一体化した希土類磁石焼結体で重希土類元素Ｒ_Ｈを多く含む組成からなる領域
３、１３ 一体化した希土類磁石焼結体で重希土類元素Ｒ_Ｈを多く含まない組成からなる領域
４ 接合部跡
５、６、７ 主相
８ 粒界相
Ｙ 重希土類元素Ｒ_Ｈが拡散した領域

Claims (6)

1. 軽希土類元素Ｒ_Ｌ（ＮｄおよびＰｒの少なくとも一方）および重希土類元素Ｒ_Ｈ（ＤｙおよびＴｂの少なくとも一方）の両方を含有し、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ型結晶を主相とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（Ｒは希土類元素、Ｂはホウ素、Ｔは主にＦｅを示す）の製造方法であって、
   重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に低い又は含まない第１原料合金粉末、および重希土類元素Ｒ_Ｈの濃度が相対的に高い第２原料合金粉末を準備する工程と、
   前記第１原料合金粉末および第２原料合金粉末を、金型によって形成されたキャビティの所定の空間にそれぞれ充填する充填工程と、
   前記第１原料合金粉末の第１成形体部分および前記第２原料合金粉末の第２成形体部分からなる複合成形体を得る工程と、
   前記複合成形体を焼結することにより、前記第１成形体部分と前記第２成形体部分とが結合した焼結磁石を得る工程と、
   を含むＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
2. 前記充填工程において、前記第１原料合金粉末および前記第２原料合金粉末を充填できる空間からなるキャビティを形成し、前記第１原料合金粉末又は前記第２原料合金粉末の一方をキャビティ内に充填し、
   その後充填する前記原料合金粉末上面に前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の他方を充填させる工程を含む請求項１に記載のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
3. 前記充填工程において、前記第１原料合金粉末又は前記第２原料合金粉末の一方を、当該一方の原料合金粉末を充填できる空間からなるキャビティ内に充填し、充填した粉末上面を水平にした後、さらにキャビティ内に前記原料合金粉末上面に前記第１原料合金粉末又は第２原料合金粉末の他方を充填できる空間を形成し、当該空間に前記他方の原料合金粉末を充填する第２充填工程と、
   を含む請求項１に記載のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
4. 前記充填工程において、キャビティ内に仕切りを配置しキャビティを分割して、前記第１原料合金粉末と第２原料合金粉末とをそれぞれ分割した別のキャビティに充填することを含む請求項１に記載のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
5. 前記充填工程において、キャビティ内に配置した仕切りは、充填後複合成形体を形成する前に取り外すことを含む請求項４に記載のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
6. 前記第１原料合金粉末および前記第２原料合金粉末の少なくとも第１原料合金粉末に、収縮緩和剤Ｍ（Ｃ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＳｎからなる群から選択された少なくとも１種）を含有し、
   前記第１原料合金粉末における収縮緩和剤Ｍの濃度は、前記第２原料合金粉末における収縮緩和剤Ｍの濃度よりも高い、請求項１に記載のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。

Images