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JP2018142641A - R−t−b系焼結磁石の製造方法 - Google Patents

R−t−b系焼結磁石の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】固有保磁力および耐食性の向上したR−T−B系焼結磁石を提供する。【解決手段】R−T−B系焼結磁石を用意する工程と、磁石の表面にRLRHM1合金(RLはNdおよび/またはPr、RHはDyおよび/またはTb、M1はAl、Cu、Fe、Ga、Co、Ni、Znから選ばれる1種以上)の粉末と、M2化合物(M2はAl、Li、Fe、Cuから選ばれる1種以上、M2化合物はM2フッ化物および/またはM2酸化物)の粉末とを存在させた状態において、焼結温度以下で熱処理を行う工程とを含む。合金はRL+RHを全体の50原子%以上、M1を全体の10原子%以上、かつ、RLとRHをRL:RH=96:4〜10:90の原子比で含み、かつ、合金の融点は熱処理の温度以下である。熱処理は、合金の粉末とM2化合物の粉末とが、合金:M2化合物=97:3〜80:20の質量比で磁石の表面に存在する状態で行われる。【選択図】なし

Description

本発明は、R14B型化合物を主相として有するR−T−B系焼結磁石(Rは希土類元素、TはFeまたはFeとCo、Bはホウ素)の製造方法に関する。
14B型化合物を主相とするR−T−B系焼結磁石は、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ボイスコイルモータ(VCM)、電気自動車用(EV、HV、PHVなど)モータ、産業機器用モータなどの各種モータや家電製品などに使用されている。
R−T−B系焼結磁石は、高温で固有保磁力HcJ(以下、単に「HcJ」と表記する)が低下するため、不可逆熱減磁が起こる。不可逆熱減磁を回避するため、モータ用等に使用する場合、高温下でも高いHcJを維持することが要求されている。
R−T−B系焼結磁石は、主相中のRの一部を重希土類元素RH(Dy、Tb)で置換すると、HcJが向上することが知られている。高温で高いHcJを得るためには、R−T−B系焼結磁石中に重希土類元素RHを多く添加することが有効である。しかし、R−T−B系焼結磁石において、Rとして軽希土類元素RL(Nd、Pr)を重希土類元素RHで置換すると、HcJが向上する一方、残留磁束密度B(以下、単に「B」と表記する)が低下してしまうという問題がある。また、重希土類元素RHは希少資源であるため、その使用量を削減することが求められている。
そこで、近年、Bを低下させないように、より少ない重希土類元素RHによってR−T−B系焼結磁石のHcJを向上させることが検討されている。例えば、重希土類元素RHを効果的にR−T−B系焼結磁石に供給し拡散させる方法として、特許文献1、2にRHと、各種金属Mの合金をR−T−B系焼結磁石の表面に存在させた状態で熱処理することによって、RHやMを効率よくR−T−B系焼結磁石に拡散させて、R−T−B系焼結磁石のHcJを高める方法が開示されている。
特開2008−263179号公報 特開2011−14668号公報
R−T−B系焼結磁石は、反応性の高いRを含むため、大気中で酸化腐食されやすく、耐食性の上で弱点を有している。このため、通常のR−T−B系焼結磁石は、その表面に金属被膜や樹脂被膜などの耐食性被膜が形成された状態で実用に供される。
一方、IPM(Interior Permanent Magnet)モータなどのように磁石が部品に埋め込まれて使用される場合は、耐食性被膜を磁石の表面に形成することは必要とされない。しかし、磁石が製造されてから部品に埋め込まれるまでの期間においては、磁石の耐食性を確保することが必要になる。このため、種々の簡易耐食性向上技術が提案されているが、それらは、耐食性を向上させるためだけの特別の工程を必要とする。
本発明の実施形態は、耐食性を向上させるための特別の工程を付加することなく、R−T−B系焼結磁石のHcJ向上および耐食性向上の両方を達成できることのできるR−T−B系焼結磁石の製造方法を提供する。
本開示のR−T−B系焼結磁石の製造方法は、例示的な実施形態において、R−T−B系焼結磁石(Rは希土類元素、TはFeまたはFeとCo、Bはホウ素)を用意する工程と、前記R−T−B系焼結磁石の表面にRLRHM1合金(RLはNdおよび/またはPr、RHはDyおよび/またはTb、M1はAl、Cu、Fe、Ga、Co、Ni、Znからなる群から選ばれる1種以上)の粉末と、M2化合物(M2はAl、Li、Fe、Cuからなる群から選ばれる1種以上、M2化合物はM2フッ化物および/またはM2酸化物)の粉末とを存在させた状態において、前記R−T−B系焼結磁石の焼結温度以下で熱処理を行う工程とを含み、前記RLRHM1合金はRL+RHをRLRHM1合金全体の50原子%以上、M1をRLRHM1合金全体の10原子%以上、かつ、RLとRHをRL:RH=96:4〜10:90の原子比で含み、かつ、前記RLRHM1合金の融点は前記熱処理の温度以下であり、
前記熱処理は、前記RLRHM1合金の粉末と前記M2化合物の粉末とが、RLRHM1合金:M2化合物=97:3〜80:20の質量比で前記R−T−B系焼結磁石の前記表面に存在する状態で行われる。
ある実施形態において、前記M2化合物はAlフッ化物である。
ある実施形態において、前記M2化合物はAlである。
本開示の実施形態によると、耐食性を向上させるための特別の工程を付加することなく、R−T−B系焼結磁石のHcJ向上および耐食性向上の両方を達成できる。
R−T−B系焼結磁石のPCT試験による減耗量とM2化合物との関係を示すグラフである。
本発明者は、R−T−B系焼結磁石のHcJ向上と耐食性向上をともに達成できる工程として、R−T−B系焼結磁石の表面にRLRHM1合金と、M2化合物(M2はAl、Li、Fe、Cuからなる群から選ばれる1種以上、M2化合物はM2フッ化物および/またはM2酸化物)とを存在させて熱処理する工程を行うことが有効であることを見出した。
[R−T−B系焼結磁石母材の準備]
重希土類元素RHの拡散の対象とするR−T−B系焼結磁石母材を準備する。本明細書では、わかりやすさのため、重希土類元素RHの拡散の対象とするR−T−B系焼結磁石をR−T−B系焼結磁石母材と厳密に称することがあるが、「R−T−B系焼結磁石」の用語はそのような「R−T−B系焼結磁石母材」を含むものとする。このR−T−B系焼結磁石母材は公知のものが使用でき、例えば以下の組成を有する。
希土類元素R:12〜17原子%
B(B(ボロン)の一部はC(カーボン)で置換されていてもよい):5〜8原子%
添加元素M´(Al、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):0〜2原子%
T(Feを主とする遷移金属元素であって、Coを含んでもよい)および不可避不純物:残部
ここで、希土類元素Rは、主として軽希土類元素RL(Nd、Prから選択される少なくとも1種の元素)であるが、重希土類元素を含有していてもよい。なお、重希土類元素を含有する場合は、DyおよびTbの少なくとも一方を含むことが好ましい。
上記組成のR−T−B系焼結磁石母材は、任意の製造方法によって製造される。R−T−B系焼結磁石母材は焼結上がりでもよいし、切削加工や研磨加工が施されていてもよい。
[RLRHM1合金]
RLRHM1合金のRLは、Ndおよび/またはPrであり、RHはDyおよび/またはTbであり、M1はAl、Cu、Fe、Ga、Co、Ni、Znからなる群から選ばれる1種以上である。RLRHM1合金は、RL+RHをRLRHM1合金全体の50原子%以上、M1をRLRHM1合金全体の10原子%以上、かつ、RLとRHをRL:RH=96:4〜10:90の原子比で含む。RL:RHは90:10〜20:80が好ましい。RLRHM1合金の融点は拡散熱処理の温度以下である。
RLとしては、M2化合物を還元する効果が高いNdおよび/またはPrとする。M1は、RLRHM1合金の融点を後述の拡散熱処理温度以下に下げ、かつ、磁石特性に悪影響を与えない、Al、Cu、Fe、Ga、Co、Ni、Znからなる群から選ばれる1種以上とする。
RLRHM1合金は、磁石内に拡散させてHcJを向上させるRHを供給する拡散剤の役割と、M2化合物を還元する還元剤の役割の両方を果たすと考えられる。RL:RHが96:4よりRHが少ない側、すなわち、RHがRL+RHの4原子%未満であると、十分にHcJを向上させるに足るRHを供給することができない。RL:RHが10:90よりRLが少ない側であると、すなわち、RLがRL+RHの10原子%未満であると、M2化合物を還元する力が足りず、HcJを向上させる効果が発揮できにくい。
RHを十分に磁石中に拡散させ、M2化合物を還元するために、RLRHM1合金は拡散熱処理の際に溶融することが好ましい。したがって、RLRHM1合金の融点は拡散熱処理の温度以下であることが好ましいが、そのためには、M1がRLRHM1合金全体の10原子%以上必要である。
RLRHM1合金の製法はどんなものでも良く、ロール急冷法やアトマイズ法などの急冷法、RLRHM1合金のインゴットを粉砕する方法などがあげられる。RLRHM1合金の粉末の粒度は500μm以下が好ましく、10〜300μmがより好ましい。なお、本開示において粉末の粒度は、例えば顕微鏡観察によって測定すればよい。また、市販の粒度分布測定装置(例えば、マイクロトラック・ベル社製レーザー回折・散乱式 粒子径分布測定装置等)を用いて測定することもできる。
[M2化合物]
M2化合物は、Al、Li、Fe、Cuからなる群から選ばれる1種以上のフッ化物および/または酸化物である。M2は、RHとともに粒界を介して磁石内部に拡散すると考えられる。M2化合物の典型例は、AlF、Al、LiF、FeF、CuFなどである。これらの典型例の中でもAl化合物が好ましい。これらの化合物は他の化合物と比較して保磁力HcJの向上効果が大きい。M2化合物の製法はどのようなものでも良く、市販のM2化合物を使用できる。M2化合物の粒度は100μm以下が好ましい。
本発明者らの検討によれば、R−T−B系焼結磁石表面にRLRHM1合金の粉末を、M2化合物の粉末とともに存在させて熱処理することによって、R−T−B系焼結磁石のHcJ向上と耐食性向上をともに達成できることがわかった。
[塗布]
RLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末とをR−T−B系焼結磁石の表面に存在させる方法はどのようなものであってもよい。例えば、RLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末をR−T−B系焼結磁石の表面に散布する方法、RLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末とを純水や有機溶剤などの溶媒に分散させ、これにR−T−B系焼結磁石を浸漬して引き上げる方法、RLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末とをバインダや溶媒と混合してスラリーを作製し、このスラリーをR−T−B系焼結磁石の表面に塗布する方法、RLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末をバインダと共に造粒して造粒粉末を作製し、この造粒粉末をR−T−B系焼結磁石の表面に付着させる方法のいずれもが実行され得る。
バインダおよび溶媒は、その後の熱処理の昇温過程において、拡散助剤の融点以下の温度で熱分解または蒸発などでR−T−B系焼結磁石の表面から実質的に除去されるものであればよく、特に限定されない。バインダの例としては、ポリビニルアルコール、エチルセルロース、ポリエステルなどがあげられる。またRLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末は、それらが混合した状態でR−T−B系焼結磁石の表面に存在してもよいし、別々に存在してもよい。
なお、本開示の方法において、RLRHM1合金はその融点が熱処理温度以下であるため熱処理の際に溶融し、R−T−B系焼結磁石の表面はRHがR−T−B系焼結磁石内部に拡散しやすい状態になる。RLRHM1合金の粉末とM2化合物の粉末とをR−T−B系焼結磁石の表面に存在させる前にR−T−B系焼結磁石の表面に対して酸洗などの特段の清浄化処理を行う必要はない。もちろん、そのような清浄化処理を行うことを排除するものではない。また、RLRHM1合金粉末粒子の表面が多少酸化されていてもRHの拡散やM2化合物を還元する効果にほとんど影響はない。
本開示の製造方法は、RLRHM1合金およびM2化合物の粉末以外の粉末(第三の粉末)がR−T−B系焼結磁石の表面に存在することを必ずしも排除しないが、第三の粉末がM2化合物中のRHをR−T−B系焼結磁石の内部に拡散することを阻害しないように留意する必要がある。R−T−B系焼結磁石の表面に存在する粉末の全体に占める「RLRHM1合金およびM2化合物」の粉末の質量比は、70%以上であることが望ましい。
本開示の製造方法によれば、少ない量のRHで、効率的にR−T−B系焼結磁石のHcJを向上させることが可能である。R−T−B系焼結磁石の表面に存在させる粉末中のRH元素の量は、R−T−B系焼結磁石に対して0.2〜1.5質量%であることが好ましい。
[拡散熱処理]
拡散のための熱処理温度はR−T−B系焼結磁石の焼結温度以下(具体的には例えば1000℃以下)であり、かつ、RLRHM1合金の粉末の融点よりも高い温度である。具体的には、熱処理温度はR−T−B系焼結磁石の温度で500℃以上が好ましい。熱処理時間は例えば10分〜72時間である。また拡散のための熱処理の後必要に応じてさらに400〜700℃で10分〜72時間の熱処理を行ってもよい。
(実験例1)
まず、公知の方法で、組成比Nd=13.4、B=5.8、Al=0.5、Cu=0.1、Co=1.1、残部=Fe(原子%)のR−T−B系焼結磁石を作製した。これを機械加工することにより、4.9mm×10mm×24.5mmのR−T−B系焼結磁石母材を得た。得られたR−T−B系焼結磁石母材の磁気特性をB−Hトレーサーによって測定したところ、HcJは1035kA/m、Bは1.45Tであった。
なお、後述の通り、熱処理後のR−T−B系焼結磁石の磁気特性は、R−T−B系焼結磁石の表面を機械加工にて除去してから測定する。このため、R−T−B系焼結磁石母材もそれに合わせて、表面をさらにそれぞれ0.2mmずつ機械加工にて除去し、大きさ4.5mm×9.6mm×24.1mmとしてから測定した。また、別途R−T−B系焼結磁石母材の不純物量をガス分析装置によって測定したところ、酸素が810ppm、窒素が370ppm、炭素が870ppmであった。
次にRLRHM1合金として組成がNd57Tb13Cu30(原子%)(融点570℃)の合金を用意した。合金はアトマイズ法によって作製した粒度106μm以下の粉末である。得られた合金の粉末と表1に示すM2化合物の粉末を質量比、Nd57Tb13Cu30:M2化合物=90:10で混合し、混合粉末を得た(表1のNdTbCu=Nd57Tb13Cu30)。この混合粉末とポリビニルアルコールおよび水を混合してスラリーを得た。このスラリーを、R−T−B系焼結磁石母材の10mm×24.5mmの2面に、RH(Tb)量がR−T−B系磁石母材に対して両面あわせて1.0質量%となるように塗布し、乾燥した。
このR−T−B系焼結磁石母材を配置したMo板を処理容器に収容して蓋をした。この蓋は容器内外のガスの出入りを妨げるものではない。これを熱処理炉に収容し、100PaのAr雰囲気中、900℃で10時間の熱処理を行った。熱処理は、室温から真空排気しながら昇温し、雰囲気圧力および温度が上記条件に達してから上記条件で行った。その後いったん室温まで降温してからMo板を取り出してR−T−B系焼結磁石を回収した。回収したR−T−B系焼結磁石を処理容器に戻して再び熱処理炉に収容し、10Pa以下の真空中、490℃で3時間の熱処理を行った。この熱処理も室温から真空排気しながら昇温し、雰囲気圧力および温度が上記条件に達してから上記条件で行った。その後いったん室温まで降温してからR−T−B系焼結磁石を回収した。
得られたR−T−B系焼結磁石の表面をそれぞれ0.2mmずつ機械加工によって研磨除去し、4.5mm×9.6mm×24.1mmのサンプルNo.1〜7を得た。得られたサンプルNo.1〜7の磁気特性をB−Hトレーサーによって測定し、HcJとBを求めた。結果を表1に示す。
Figure 2018142641
さらに、サンプルNo.1〜7について、エタノール中で超音波洗浄を行った後、温度120℃、相対湿度100%RH、0.2MPaで12時間×3サイクルのプレッシャークッカーテスト(PCT試験)を行った。
図1は、M2化合物の種類ごとにPCT試験後の磁石の減耗量を示すグラフである。磁石の減耗量は、スラリーを塗布していない側面における減耗量を含んでいる。
表1および図1から、M2化合物をRHRLM1合金とともにR−T−B系焼結磁石母材の表面に存在させて熱処理した磁石は、HcJ向上と耐食性向上をともに達成できることがわかった。
本発明によるR−T−B系焼結磁石の製造方法は、より少ない重希土類元素RHによってHcJを向上させ、かつ、耐食性も向上したR−T−B系焼結磁石を提供し得る。

Claims (3)

  1. R−T−B系焼結磁石(Rは希土類元素、TはFeまたはFeとCo、Bはホウ素)を用意する工程と、
    前記R−T−B系焼結磁石の表面にRLRHM1合金(RLはNdおよび/またはPr、RHはDyおよび/またはTb、M1はAl、Cu、Fe、Ga、Co、Ni、Znからなる群から選ばれる1種以上)の粉末と、M2化合物(M2はAl、Li、Fe、Cuからなる群から選ばれる1種以上、M2化合物はM2フッ化物および/またはM2酸化物)の粉末とを存在させた状態において、前記R−T−B系焼結磁石の焼結温度以下で熱処理を行う工程と、
    を含み、
    前記RLRHM1合金はRL+RHをRLRHM1合金全体の50原子%以上、M1をRLRHM1合金全体の10原子%以上、かつ、RLとRHをRL:RH=96:4〜10:90の原子比で含み、かつ、前記RLRHM1合金の融点は前記熱処理の温度以下であり、
    前記熱処理は、前記RLRHM1合金の粉末と前記M2化合物の粉末とが、RLRHM1合金:M2化合物=97:3〜80:20の質量比で前記R−T−B系焼結磁石の前記表面に存在する状態で行われる、R−T−B系焼結磁石の製造方法。
  2. 前記M2化合物はAlフッ化物である、請求項1に記載のR−T−B系焼結磁石の製造方法。
  3. 前記M2化合物はAlである、請求項1に記載のR−T−B系焼結磁石の製造方法。
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