CN105489363A - 稀土磁铁的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种稀土磁铁的制造方法，即使采用液体急冷法所制作的磁性粉末包含纳米晶质和非晶质这双方，也能够制造磁特性优良的稀土磁铁。该稀土磁铁的制造方法，包括：第1步骤，将由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt表示的金属熔液急冷，制作平均晶体粒径为500nm以下的纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末(MF)，其中，Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％；和第2步骤，对磁性粉末(MF)进行烧结来制作烧结体(S)，对烧结体(S)实施热塑性加工来制造稀土磁铁(C)。

Description

稀土磁铁的制造方法
技术领域
本发明涉及稀土磁铁的制造方法。
背景技术
使用了稀土元素的稀土磁铁也被称为永久磁铁，其用途除了构成硬盘、MRI的电动机之外，还用于混合动力车、电动汽车等的驱动用电动机等。
作为该稀土磁铁的磁铁性能的指标，可列举剩余磁化(剩余磁通密度)和矫顽力，但针对由电动机的小型化、高电流密度化所引起的发热量的增大，对所使用的稀土磁铁的耐热性的要求进一步提高，在高温使用下如何能够保持磁铁的矫顽力成为本技术领域中的重要的研究课题之一。列举多用于车辆驱动用电动机的稀土磁铁之一即Nd-Fe-B系磁铁，曾进行了通过谋求晶粒的微细化、使用Nd量多的组成合金、添加矫顽力性能高的Dy、Tb这样的重稀土元素等等来使其矫顽力增大的尝试。
作为稀土磁铁，除了构成组织的晶粒的尺度(scale)为3～5μm左右的一般的烧结磁铁之外，还有将晶粒微细化为50nm～500nm左右的纳米尺度的纳米晶体磁铁。
概述作为该纳米晶体磁铁的稀土磁铁的制造方法的一例，一般应用以下方法：对将例如Nd-Fe-B系的金属熔液急冷凝固而得到的微细粉末进行加压成型来制造烧结体，为对该烧结体赋予磁各向异性而实施热塑性加工，从而制造稀土磁铁(取向磁铁)。
但是，在采用液体急冷法制作磁性粉末时，难以制作仅由所希望的粒径范围的纳米晶质构成的磁性粉末，实际上一般是制作出纳米晶质和非晶质(amorphous)的磁性粉末。从本发明人过去的实际成果知道，在使用例如铜材料的单辊将金属熔液进行液体急冷来制作磁性粉末的情况下，会制作出大约30～40体积％的非晶质的磁性粉末。再者，在专利文献1公开了下述方法：使用纳米晶质和非晶质的磁性粉末来制作烧结体，并进行热塑性加工(在此为热强加工)来制造稀土磁铁。
已知：非晶质的磁性粉末，在采用后面工序的热成型制作烧结体和/或采用热塑性加工制造稀土磁铁时，容易变为粗大晶粒，包含粗大晶粒的稀土磁铁与不包含粗大晶粒的稀土磁铁相比，磁性能大大降低。因此，在以往的应用液体急冷法来制作磁性粉末，由该磁性粉末制作烧结体，并实施热塑性加工来制造稀土磁铁的制造方法中，从磁特性的观点出发，除去非晶质的磁性粉末来制造了稀土磁铁。在不除去非晶质的磁性粉末来量产稀土磁铁的情况下，会发生30～40％的不良率。
在此，当言及液体急冷法中的急冷速度和所制作的磁性粉末的组成的关系时，在通过急冷凝固来制作Nd-Fe-B系的纳米晶质的磁性粉末的情况下，其良品范围(不包含非晶质而仅包含纳米晶质的范围)非常窄，制作仅包含纳米晶质的磁性粉末实际上极其困难。例如当急冷速度过慢时晶体会粗大化，不能够达到要通过形成为纳米晶质来谋取耐热性提高的最初目的。另一方面，当急冷速度过快时，此次会结晶化不进行，仅制作出非晶质的组织的磁性粉末。
虽然如上述那样在液体急冷法中使用了铜制的单辊的方法是主流，但是在想要采用该方法仅制作纳米晶质的磁性粉末的情况下，需要均细致地控制熔液温度、排出量、单辊的旋转速度。并且，所制作的最初的急冷薄体的厚度需要抑制成±2μm左右，但这相当于由例如熔液温度变化10～20℃所影响到的厚度范围，需要控制上述多个要素使得变为这样的厚度范围，这是难以控制的原因。
因此，从在高效率且高的材料成品率下制造磁特性优异的稀土磁铁的观点出发，在本技术领域中迫切希望开发下述技术，即，能够使用即使采用液体急冷法所制作的磁性粉末包含纳米晶质和非晶质这二者也能够制造磁特性优异的稀土磁铁的组成的磁性粉末来制造稀土磁铁的技术。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-244111号公报
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的是提供即使采用液体急冷法所制作的磁性粉末包含纳米晶质和非晶质这二者也能够制造磁特性优异的稀土磁铁的稀土磁铁制造方法。
为了达到上述目的，本发明的稀土磁铁的制造方法包括：第1步骤，将由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt表示的金属熔液急冷，制作平均晶体粒径为500nm以下的纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末，其中，Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％；和第2步骤，对纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末进行烧结来制作烧结体，对烧结体实施热塑性加工来制造稀土磁铁。
本发明的稀土磁铁的制造方法为下述制造方法，即，通过使用由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt(Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％)表示的金属熔液，应用液体急冷法来制作稀土磁铁用的磁性粉末，并使用该磁性粉末来制造稀土磁铁，即使是磁性粉末包含纳米晶质和非晶质这二者的情况下，也能够不除去非晶质的磁性粉末来制造磁特性优异的稀土磁铁。
在此，本发明的制造方法中，作为制造对象的稀土磁铁中，纳米晶质的磁性粉末的晶体粒径，平均晶体粒径为500nm以下。在此，所谓“平均晶体粒径”是面积平均晶体粒径。具体来说，在采用SEM图像等观察一定范围的组织时，求出各晶粒的惯性椭圆，将其长径作为晶体粒径。对该晶体粒径加权各晶粒的面积求出平均值，所得到的值为面积平均晶体粒径。
在第1步骤中，首先，采用液体急冷法制作由上述组成式表示的磁性粉末。例如，采用液体急冷法制作微细晶粒的急冷薄带(急冷带)，将其进行粗粉碎等，由此能够制作纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的稀土磁铁用的磁性粉末。
接着，作为第2步骤，将这样地纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末原样地填充到冲模(阴模：dice)内，一边使用冲头进行加压一边烧结来谋取块状化，由此得到各向同性的烧结体。这样，在制作烧结体时，不除去非晶质的磁性粉末，在与纳米晶质的磁性粉末混合存在的状态下进行热成型等来制作烧结体。
在第2步骤中，进而为了对各向同性的烧结体赋予磁各向异性而实施热塑性加工。该热塑性加工，有镦锻锻造加工、挤压锻造加工(前方挤压法、后方挤压法)等，通过采用这些加工之中的一种、或者组合其中的两种以上来向烧结体内部导入加工应变，实施例如加工率为60～80％左右的强加工，可制造出具有高的取向、且磁化性能优异的稀土磁铁。
由本发明人等证实了如下情况：即使是经过采用热成型等制作烧结体、采用热塑性加工制造稀土磁铁等的多种热塑性加工的情况下，非晶质的磁性粉末也不会粗大化，最终形成平均晶体粒径为500nm以下的晶质的组织。并且，这是在包含非晶质的磁性粉末的状态下制造了稀土磁铁的情况下也能得到磁特性优异的稀土磁铁的原因。
如由以上的说明能够理解的那样，根据本发明的稀土磁铁的制造方法，通过使用由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt(Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％)表示的金属熔液，应用液体急冷法制作稀土磁铁用的磁性粉末，并使用该磁性粉末制造稀土磁铁，能够不除去非晶质的磁性粉末、高效率且不会使材料成品率降低地制造方法来制造磁特性优异的稀土磁铁。
附图说明
图1是说明在本发明的稀土磁铁的制造方法的第1步骤中使用的磁性粉末的制作方法的示意图。
图2是说明本发明的稀土磁铁的制造方法的第2步骤的示意图。
图3是与图2接续地说明本发明的稀土磁铁的制造方法的第2步骤的示意图。
图4的(a)是说明图2所示的烧结体的微观结构的图，(b)是说明图3所示的稀土磁铁的微观结构的图。
图5是表示对与采用液体急冷法所制作的磁性粉末的厚度相应的稀土磁铁的矫顽力和结晶温度(结晶化温度)下的发热量进行测定的实验结果的图。
图6是表示在实施例和比较例中对与采用液体急冷法所制作的磁性粉末的厚度相应的稀土磁铁的磁化进行测定的实验结果的图。
图7是表示在实施例和比较例中关于磁性粉末的组织和稀土磁铁的组织的SEM图像照片图的图。
附图标记说明
R…铜辊
B…急冷薄带(急冷带)
D…超硬冲模
P…超硬冲头
S…烧结体
C…稀土磁铁
MF…磁性粉末(纳米晶质的磁性粉末、非晶质的磁性粉末、纳米晶质和非晶质混合存在的磁性粉末)
MP…主相(纳米晶粒、晶粒)
BP…晶界相
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的稀土磁铁的制造方法的实施方式。
(稀土磁铁的制造方法的实施方式)
本发明的制造方法，首先，在第1步骤中采用液体急冷法将金属熔液进行急冷，来制作纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末。
如图1所示，在减压到例如50kPa以下的氩气气氛的未图示的炉中，高频熔化合金锭，采用使用单辊的熔融纺丝法，向铜辊R喷射可提供稀土磁铁的组成的熔液来制作急冷薄带B(急冷带)，将其进行粗粉碎来制作磁性粉末。
所制作的磁性粉末，是由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt(Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％)表示、具有包含主相和晶界相的组织、平均晶体粒径为500nm以下的纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末。
在本发明的制造方法中，不除去非晶质的磁性粉末，与纳米晶质的磁性粉末一起作为稀土磁铁用的磁性粉末使用。因此，材料成品率不会降低，另外，能够省去挑选并除去非晶质的磁性粉末的工夫，成为高效率的稀土磁铁的制造方法。
接着，如图2、图3所示，在第2步骤中，对纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末MF进行烧结来制作烧结体S，对烧结体S实施热塑性加工来制造稀土磁铁C。
图2是说明第2步骤之中制作烧结体S的方法的图。如该图所示，在由超硬冲模D和在其中空内滑动的超硬冲头P围成的腔室内，收纳平均晶体粒径为500nm以下的纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末MF。
然后，通过一边使用超硬冲头P进行加压(Z方向)，一边在加压方向上流通电流，在800℃左右下通电加热，来制作出烧结体S。例如，该烧结体S是具备纳米晶体组织的Nd-Fe-B系的主相和位于主相的周围的Nd-X合金(X:金属元素)的晶界相的烧结体。即，非晶质的磁性粉末也通过热成型而结晶化，形成纳米晶体组织(再者，在烧结的阶段，也有残存一些非晶质组织的可能性)。在此，构成烧结体S的晶界相的Nd-X合金，包括Nd与Co、Fe、Ga等之中的至少一种以上的合金，例如是Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Ga之中的任一种、或者它们中的两种以上混合存在的合金，成为富有Nd的状态。
如图2所示那样制作出烧结体S，接着如图3所示那样为了对烧结体S赋予磁各向异性，在由超硬冲模D和超硬冲头P围成的腔室内收纳烧结体S，一边使用超硬冲头P进行加压(Z方向)一边实施热塑性加工，由此可制作出烧结体S溃缩而形成的稀土磁铁C(取向磁铁)(第2步骤)。再者，热塑性加工时的应变速度调整为0.1/sec以上为好。另外，可以将热塑性加工的加工度(压缩率)大的情况、例如压缩率为10％左右以上的情况的热塑性加工称为强加工，但在加工率60～80％左右的范围内进行热塑性加工为好。并且，即使是在烧结体S的阶段残存非晶质的组织的情况，通过该热塑性加工，非晶质组织也变为纳米晶体组织。
如图4的(a)所示，在第2步骤中制作出的烧结体S呈现出在纳米晶粒MP(主相)间充满晶界相BP的各向同性的结晶组织。
与此相对，如图4的(b)所示，在该第2步骤中制作出的稀土磁铁C呈现出磁各向异性的结晶组织。
如已述那样，在本发明的制造方法中，在制作烧结体S时，非晶质的磁性粉末也不进行除去，以与纳米晶质的磁性粉末混合存在的状态使用。因此，虽然如已述那样制造效率性良好，但是有可能最终得到的稀土磁铁C的磁特性降低。
但是，由于使用了由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt(Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％)表示的磁性粉末，因此即使是经过采用热成型等制作烧结体S、采用热塑性加工制造稀土磁铁C等的多种的热加工的情况，非晶质的磁性粉末也不会粗大化，最终形成平均晶体粒径为500nm以下的晶质的组织。因而，即使在包含非晶质的磁性粉末的状态下制造了稀土磁铁C的情况下，也能得到磁特性优异的稀土磁铁。即，通过应用本发明的制造方法，能够采用高效率且不使材料成品率降低的制造方法来制造磁特性优异的稀土磁铁C。
(评价采用本发明的制造方法制造的稀土磁铁的磁特性，且观察了组织的实验及其结果)
本发明人等进行了评价采用本发明的制造方法制造的稀土磁铁的磁特性、且观察组织的实验。
＜关于实施例＞
使用铜制的单辊来制作组成为
Nd28.7Pr0.415Fe69.29B0.975Ga0.4Al0.11Cu0.106、厚度为10～28μm的液体急冷带，得到了多种磁性粉末。在此，所谓“磁性粉末的厚度”意指与单辊的旋转方向垂直的方向的尺寸，厚度越薄就越被急冷。以下，表1中示出了多种的磁性粉末的制作条件和磁性粉末的厚度。
表1
另外，作为制作烧结体时的条件，装入被加热到700℃的超硬合金的模具中，以400MPa的负荷进行加压烧成，保持3分钟后，从模具中取出从而制作了烧结体。
进而，作为将烧结体热塑性加工时的条件，在加热温度为780℃、应变速度为0.1/sec、应变量为40％、50％、60％的条件下进行热塑性加工，制作了稀土磁铁。
＜关于实验结果＞
在图5和以下的表2中示出与磁性粉末的厚度相应的非晶质含有范围的验证结果、和关于与磁性粉末的厚度相应的稀土磁铁的矫顽力和在结晶温度下的发热量的实验结果。另外，在图6和以下的表3中示出关于与采用液体急冷法制作的磁性粉末的厚度相应的稀土磁铁的磁化的测定结果。
表2
表3
首先，由图5和表2可知，磁性粉末的厚度小于30μm(图中的28μm左右的虚线)的范围成为存在非晶质的磁性粉末的区域，由该区域的磁性粉末制造的稀土磁铁的矫顽力极小，为2kOe以下，另一方面，在结晶温度下的发热量极高，为54(J/g)以上。
与此相对，可知：在不包含非晶质的厚度范围、即仅由纳米晶质的磁性粉末构成的稀土磁铁中，矫顽力极高，为15kOe左右～18kOe左右，在结晶温度下的发热量也变为零或者6.7(J/g)。
另外，在图6中，实线表示采用本发明的制造方法(为实施例，使用已述的组成的磁性粉末，使用纳米晶质和非晶质混合存在的磁性粉末来制造稀土磁铁的方法)获得的结果，虚线表示采用以往的制造方法(为比较例，不使用已述的组成的磁性粉末，使用纳米晶质和非晶质混合存在的磁性粉末来制造稀土磁铁的方法)获得的结果。
由图6和表3可知，在比较例中，在磁性粉末的厚度小于25μm的范围内，非晶质的磁性粉末粗大化，磁化特性变低。因此，在比较例中，为了得到磁特性良好的稀土磁铁，需要仅使用25μm以上的厚度范围、即以往良品范围的磁性粉末。
与此相对，在实施例中，显示出与磁性粉末的厚度范围无关、稀土磁铁的磁化为1.4T左右或其以上的高的值。因此可知，尽管并不在厚度范围内挑选磁性粉末，全部使用采用液体急冷法制作的磁性粉末，也能够得到磁特性优异的稀土磁铁。
进而，图7示出在实施例和比较例中关于磁性粉末的组织和稀土磁铁的组织的SEM图像照片图。
在比较例中，在通过热塑性加工而制造的稀土磁铁的组织中，非晶质的磁性粉末粗大化，具有平均晶体粒径为550nm的结晶组织。与此相对，在实施例中，非晶质的磁性粉末没有粗大化，具有平均晶体粒径为250nm的结晶组织。
这样就证实了以下情况：通过使用由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt(Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％)表示的磁性粉末，即使是不仅有纳米晶质的磁性粉末，还混合存在非晶质的磁性粉末的情况下，也能够得到磁特性优异的稀土磁铁。
以上使用附图详述了本发明的实施方式，但具体的构成并不限于该实施方式，即使有不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等，这些设计变更等也包括在本发明中。

Claims (1)

1.一种稀土磁铁的制造方法，包括：
第1步骤，将由组成式(Rl)x(Rh)yTzBsMt表示的金属熔液急冷，制作平均晶体粒径为500nm以下的纳米晶质的磁性粉末、和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末，其中，Rl为包含Y的一种以上的轻稀土元素，Rh为包含Dy、Tb中的至少一种的重稀土元素，T为包含Fe、Ni、Co中的至少一种以上的过渡金属，B为硼，M为Ga、Al、Cu中的至少一种以上，27≤x≤44，0≤y≤10，z＝100-x-y-s-t，0.75≤s≤3.4，0≤t≤3，x、y、z、s、t的单位都为质量％；和
第2步骤，对纳米晶质的磁性粉末和非晶质的磁性粉末混合存在的磁性粉末进行烧结来制作烧结体，对烧结体实施热塑性加工来制造稀土磁铁。
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