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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten.
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2. Stand der Technik
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Seltene-Erden-Magneten die aus Seltene-Erden-Elementen wie Lanthanoid hergestellt sind werden Permanentmagnete genannt und werden zum Antrieb von Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen und ähnlichem und als Motoren in Festplatten und MRIs verwendet.
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Als Kriterium für die magnetische Leistungsfähigkeit dieser Seltene-Erden-Magneten werden beispielsweise die remanente Magnetisierung (remanente magnetische Flussdichte) und die Koerzitivkraft verwendet. Mit der Verringerung der Größe eines Motors und der steigenden Stromdichte nimmt die Menge an Wärmeerzeugung zu und damit haben die Anforderungen an die hohe Wärmebeständigkeit an die verwendeten Seltene-Erden-Magnete zugenommen. Demgemäß ist es eine der wichtigen Aufgaben der Forschung in diesem technischen Gebiet wie die magnetischen Eigenschaften eines Magneten beibehalten werden können wenn er bei einer hohen Temperatur verwendet wird.
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Beispiele von Seltene-Erden-Magneten enthalten allgemein verwendete gesinterte Magnete in welchen eine Korngröße der Kristallkörner (Hauptphase) die deren Struktur bilden in dem Bereich von 3 μm bis 5 μm liegen; und nanokristalline Magnete, in welchen die Kristallkörner mit einer Korngröße von etwa 50 nm bis 300 nm zerkleinert wurden. Unter diesen haben nanokristalline Magnete gegenwärtig die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie durch die Zerkleinerung von Kristallkörnern die Menge an hinzugefügten teuren Seltene-Erden-Elementen reduzieren können oder sogar gar kein Bedarf an dem Hinzufügen von Seltene-Erden-Elementen besteht.
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Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten wird im Folgenden kurz beschrieben. Ein Beispiel zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten (orientierten Magneten) wie es gewöhnlich verwendet wird umfasst: schnelles Verfestigen des Nd-Fe-B geschmolzenen Metalls um feines Pulver zu erzeugen; Pressformen des feinen Pulvers zu einem Sinterkörper; und Durchführen eines heißen Deformationsprozesses an diesem gesinterten Körper um magnetische Anisotropie einzubringen. Beispiele für den heißen Deformationsprozess umfassen Strangpressen wie beispielsweise Rückwärtsstrangpressen und Vorwärtsstrangpressen; und Stauchen (Schmieden).
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Es ist bekannt, dass während des Heißdeformationsprozesses Sauerstoff in dem magnetischen Material eine Nd-Fe-B-Hauptphase verschlechtert, was eine Abnahme der remanenten magnetischen Flussdichte und Koerzitivkraft verursacht. Zusätzlich ist es bekannt, dass wenn nach dem Heißdeformationsprozess eine modifizierte Legierung in eine Korngrenzenphase diffundiert wird um die Koerzitivkraft wiederzuerlangen, der in den Korngrenzenphase verbleibende Sauerstoff die Infiltration der modifizierten Legierung in die Korngrenzenphase blockiert.
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Andererseits ist es in Bezug auf Stickstoff in einem magnetischen Material im Allgemeinen bekannt, dass wenn der Sauerstoffgehalt niedrig gehalten wird, auch der Stickstoffgehalt mit dem Sauerstoff reduziert wird, wobei der Effekt des Stickstoffgehalts auf das magnetische Material noch aktiv untersucht werden muss.
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2013-89687 (
JP 2013-89687 A ) offenbart ein Verfahren zu Herstellung von Nd-Fe-B Seltene-Erden-Permanentmagneten, umfassend: Trockenmahlen eines Magnetmaterials in einer Edelgasatmosphäre um Magnetpulver zu erzeugen; Formen des Magnetpulvers in einem geformten Körper in einer Edelgasatmosphäre; und Sintern des geformten Körpers bei 800°C bis 1180°C, in dem eine remanente Stickstoffkonzentration nach dem Sintern 800 ppm oder kleiner und noch bevorzugter 300 ppm oder kleiner ist.
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Das in der
JP 2013-89687 A offenbarte Herstellungsverfahren umfasst eine Beschreibung in Bezug auf den Stickstoffgehalt, wobei Details davon nicht die Zunahme des Stickstoffgehalts zur Verbesserung der magnetischen Leistungsfähigkeit sondern die Verringerung in dem Stickstoffgehalt zur Verbesserung der Koerzitivkraft des Seltene-Erden-Magneten betrifft.
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Um die Seltene-Erden-Magneten mit hoher Orientierung herzustellen, ist es notwendig während des Heißdeformationsprozesses starke Spannung an den Sinterkörper anzulegen. Die Kristallorientierung ist jedoch aufgrund der lokalen hohen Spannungen, die während der Deformation erzeugt werden, ungeordnet, und diese Kristallorientierungsunordnung verursacht eine Abnahme der remanenten Magnetisierung.
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Die Kristallorientierungsunordnung unter hoher Spannung während des heißen Deformationsprozesses tritt aus folgenden Gründen auf. Das heißt typischerweise wird der heiße Deformationsprozess eines Nd-Fe-B Seltene-Erden-Magneten wird unter Anlegen einer Spannung von 100 MPa bis 500 MPa bei einer Temperatur um etwa 800°C durchgeführt. In diesem Temperaturbereich entsteht eine flüssige Phase (Nd-reiche Phase) in der Korngrenzenphase und diese flüssige Phase veranlasst die Hauptphase (Kristall) sich zu drehen und zu bewegen. Aufgrund der hohen angelegten Spannung, um die guten magnetischen Eigenschaften während des Heißdeformationsprozesses zu erhalten, wird jedoch die flüssige Phase ausgepresst, und lokal ein Flüssig-Phasenpool gebildet. Aufgrund dieses Flüssig-Phasenpools wird ein Orientierungsausrichtungsverhalten wie Drehung oder Bewegung der Kristalle gestört, was zur Orientierungsunordnung der Kristalle um den Flüssig-Phasenpool herum führt.
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Um daher den Flüssig-Phasenpool zu reduzieren sollte daher ein Verfahren zur Verringerung der angelegten Spannung während des Heißdeformationsprozesses geprüft werden. Um jedoch die guten magnetischen Eigenschaften zu erhalten, ist es notwendig, eine hohe Spannung anzulegen. Eine Reduzierung der angelegten Spannung ist daher gegensätzlich zu der Verbesserung der magnetischen Eigenschaften durch den Heizdeformationsprozess. Außerdem ist das Magnetmaterial ein sprödes Material, das während der Herstellung mit hoher Wahrscheinlichkeit bricht. Es ist daher ein Prozess zur Reduzierung der Zugspannung in dem Heißdeformationsprozess notwendig. Beispielsweise ist die Anwendung einer hohen Spannung notwendig während des oben beschriebenen Strangpressens oder Schmiedens.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten bereit, in dem die magnetischen Eigenschaften während des Heißdeformationsprozesses verbessert werden, indem eine hohe Spannung an einen Sinterkörper in einer Hochtemperaturatmosphäre angelegt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten bereitgestellt umfassend: Erzeugen eines Pulvers durch Herstellen eines schnell-verfestigten Bandes durch Flüssigverfestigung, und durch Zerstoßen des schnell-verfestigten Bandes; Herstellen eines Sinterkörpers durch Pressformen des Pulvers; und Herstellen eines Seltene-Erden-Magneten durch Ausführen eines Heißdeformationsprozesses an dem Sinterkörper um eine Anisotropie in den Sinterkörper einzubringen. In diesem Verfahren entspricht das schnell-verfestigte Band einer Vielzahl feiner Kristallkörner. Das Pulver enthält eine RE-Fe-B-Hauptphase und eine Korngrenzenphase einer RE-X-Legierung um die Hauptphase herum. RE entspricht wenigstens einem vom Nd und Pr. X entspricht einem Metallelement. Zusätzlich wird der Stickstoffgehalt in dem Pulver auf mindestens 1000 ppm und höchstens 3000 ppm durch Ausführen wenigstens eines von der Herstellung des Pulvers und der Herstellung des Sinterkörpers in einer Stickstoffatmosphäre eingestellt.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung werden Herstellungsschritte durchgeführt, diese Herstellungsschritte umfassen: Herstellen von Pulver mittels Flüssigverfestigung (im Folgenden als „erster Schritt” bezeichnet); Herstellung eines Sinterkörpers durch Pressformen des Pulvers (im Folgenden als „zweiter Schritt”) bezeichnet; und Herstellen eines Seltene-Erden-Magneten durch Heißdeformationsprozess an dem Sinterkörper (im Folgenden als „dritter Schritt” bezeichnet). Durch Durchführung der wenigstens einen des ersten Schrittes und des zweiten Schrittes der Herstellungsschritte in einer Stickstoffatmosphäre wird der Stickstoffgehalt in dem Pulver auf mindestens 1000 ppm und wenigstens 3000 ppm eingestellt. Das heißt beispielsweise anders als bei der in der
JP 2013-89687 A offenbarten Idee, in der die Koerzitivkraftleistung durch Einstellen der Sauerstoffkonzentration auf 800 ppm oder weniger verbessert wird, stellt dieses Verfahren darauf ab, die magnetischen Eigenschaften eines Seltene-Erden-Magneten, wie beispielsweise die Koerzitivkraft und die remanente Magnetisierung zu verbessern, insbesondere um die remanente Magnetisierung durch Einstellen des Sauerstoffgehalts auf mindestens 1000 ppm und wenigstens 3000 ppm zu verbessern, was einem höheren Gehalt als in
JP 2013-89687 A entspricht.
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Hier entspricht das „Durchführen wenigstens eines der Herstellung eines Pulvers und der Herstellung eines Sinterkörpers in einer Stickstoffatmosphäre” einem Verfahren aus dem reinen Durchführen der Herstellung des Pulvers in einer Stickstoffatmosphäre, einem Verfahren zum reinen Durchführen einer Herstellung des Sinterkörpers in einer Stickstoffatmosphäre, und ein Verfahren aus beidem also der Herstellung des Pulvers und der Herstellung des Sinterkörpers in einer Stickstoffatmosphäre.
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Durch Heizen des Sinterkörpers durch den Heißdeformationsprozess in dem dritten Schritt, entsteht eine Flüssigphase (Nd-reiche Phase) in einer Korngrenze zwischen den Kristallen, die den Sinterkörper bilden. Wenn starke Spannungen in dem Heißdeformationsprozess angewandt werden, hat die Flüssigphase während des Kristallwachstums (Orientierung) eine Hilfsfunktion wie beispielsweise die Drehung oder Bewegung der Kristalle.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird, durch das Pulvermaterial, das auf mindestens 1000 ppm und höchstens 3000 ppm nitriert wurde, selbst in einem Zustand, in dem es sehr unwahrscheinlich ist, dass ein Flüssigphasenpool während des Heißdeformationsprozesses des Sinterkörpers gebildet wird, ein Teil der Flüssigphase durch das Ausbilden eines Nitrids mit Stickstoff verfestigt. Daher wird der Flüssigphasenpool, der während des Heizens in dem Heißdeformationsprozess erzeugt wird unterdrückt, und umgekehrt wird die Menge an Flüssigphase in der Korngrenze verringert. Dadurch dass der Flüssigphasenpool, der die die Drehung, Bewegung oder ähnliches der Kristalle verhindert, in kleiner Menge oder gar nicht in dem Materialpulver vorhanden ist, wird eine lokale Kristallorientierungsunordnung um den Flüssigphasenpool herum verringert, und damit die Kristallorientierung in dem gesamten Gebiet gefördert. Konsequenterweise können daher die magnetischen Eigenschaften der Seltene-Erden-Magnete verbessert werden.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Korngröße des zerkleinerten Pulvers auf einen Bereich von 75 μm bis 300 μm eingestellt werden. Außerdem kann die mittlere Korngröße der Hauptphase, die den Sinterkörper bildet, auf 300 nm oder kleiner eingestellt werden. In einem Korngrößenbereich des zerkleinerten Pulvers kleiner als 75 μm nehmen die spezifische Oberflächenfläche und die Oxidierbarkeit wegen des feinen Pulvers zu. Demgemäß ist es schwierig, den Sauerstoffgehalt in einer Hochtemperaturatmosphäre, in der die Herstellungsschritte durchgeführt werden, einzustellen. Andererseits gibt es bei einem Korngrößenbereich von mehr als 300 μm die hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Fließfähigkeit des Pulvers während der Herstellung des Sinterkörpers abnimmt und daher die Produktivität abnimmt.
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In einem ersten Schritt wird das Pulver für einen Seltene-Erden-Magneten durch Herstellung eines schnell-verfestigten Bandes, das feine Kristallkörner enthält, durch Flüssigverfestigung und Zerstoßen des schnell-verfestigten Bandes, hergestellt. Der Korngrößenbereich des zerstoßenen Pulvers wird so eingestellt dass er beispielsweise in dem oben beschriebenen Bereich von 75 μm bis 300 μm liegt. Beispielsweise wird das Pulver mit einer Korngröße in dem gewünschten Bereich durch Sieben des zerstoßenen Pulvers erreicht. In dem zweiten Schritt wird das Pulver beispielsweise in eine Form gefüllt und, während es mit einem Stempel gepresst wird, gesintert. Als Ergebnis erhält man einen isotropen Sinterkörper. Die durchschnittliche Korngröße der Hauptphase (Kristalle) des Sinterkörpers wird beispielsweise auf den oben beschriebenen Bereich von 300 nm oder kleiner eingestellt.
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Beispielsweise hat der Sinterkörper eine metallographische Struktur, die eine RE-Fe-B-Hauptphase (RE: wenigstens eines von Nd und Pr, genauer gesagt ein Element aus zwei oder mehr Elementen aus Nd, Pr, Nd-Pr) mit nanokristalliner Struktur und eine Korngrenzenphase einer RE-X-Legierung (X: Metallelement) um die Hauptphase herum.
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In Bezug auf das Durchführen von wenigstens des ersten Schrittes und des zweiten Schrittes in einer Stickstoffatmosphäre kann der erste Schritt beispielsweise in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt werden, und der zweite Herstellungsschritt zur Herstellung des Sinterkörpers kann in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden.
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Außerdem kann das Inhaltsverhältnis von RE in der RE-Fe-B-Hauptphase (Re: wenigstens eines von Nd und Pr), die das Seltene-Erden-Magnetmaterial bilden, 29 Massen-% bis 32 Massen-% betragen.
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Die Begründung ist wie folgt. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis von RE kleiner als 29 Massen-% ist, tritt mit hoher Wahrscheinlichkeit während des Heißdeformationsprozesses eine Rissbildung auf, und die Orientierung verschlechtert sich. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis von RE größer als 32 Massen-% ist, absorbiert die weiche Korngrenze Spannungen des Heißdeformationsprozesses, die Orientierung verschlechtert sich und der Gehalt der Hauptphase verringert sich. Daher nimmt die remanente Magnetisierung ab.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß dem Aspekt der Erfindung wird der Stickstoffgehalt in dem Pulver auf einen Bereich von 1000 ppm bis 2500 ppm eingestellt.
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Wie aus der Beschreibung oben klar wird, wird in dem Verfahren zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung der Stickstoffgehalt in dem Pulver auf mindestens 1000 ppm und höchstens 3000 ppm durch Durchführen wenigstens eines Schrittes zur Herstellung des Pulvers und dem Schritt zu Herstellung des Sinterkörpers aus den Herstellungsschritten unter einer Stickstoffatmosphäre eingestellt. Als Ergebnis wird die Ausbildung eines Flüssigphasenpools, der sich mit hoher Wahrscheinlichkeit während des heißen Deformationsprozesses ausbildet, unterdrückt, und die Kristallorientierung kann verbessert werden, und ein Seltene-Erden-Magnet mit überragenden magnetischen Eigenschaften kann hergestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Eigenschaften, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden unten mit Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente beschreiben, und wobei:
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1A und 1B schematische Diagramme sind, die einen ersten Schritt und entsprechend einen zweiten Schritt darstellen für ein Verfahren zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ein Diagramm ist, das die Mikrostruktur eines Sinterkörpers; wie in 1B dargestellt, zeigt;
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3 ein Diagramm ist, das einen dritten Schritt nach dem in 1B gezeigten zweiten Schritt darstellt;
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4 ein Diagramm ist, das eine Mikrostruktur eines hergestellten Seltene-Erden-Magneten zeigt;
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5 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse eines Experiments zum Auffinden einer Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt in magnetischem Pulvermaterial und einer Erhöhung der remanenten Magnetisierung eines Seltene-Erden-Magneten (im Vergleich zur remanenten Magnetisierung eines Seltene-Erden-Magneten, in dem der Stickstoffgehalt 0 ist) zeigt;
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6 ein Diagramm ist, das die Ergebnisse eines Experiments zur Untersuchung einer Beziehung zwischen einer Stickstoffatmosphärenhaltezeit und dem Stickstoffgehalt in dem magnetischen Pulvermaterial zeigt;
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7A und 7B SEM-Bilder zeigen, die durch Untersuchung einer Struktur eines Teststückes, in dem der Stickstoffgehalt des magnetischen Pulvermaterials 2000 ppm betrug, erhalten wurden; 7A zeigt ein Bild bei einer 10000-fachen Vergrößerung, und 7B zeigt ein Bild bei einer 50000-fachen Vergrößerung;
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8A und 8B SEM-Bilder zeigen, die durch Untersuchung einer Struktur eines Teststückes, in dem der Stickstoffgehalt in dem magnetischen Pulvermaterial 200 ppm war, erhalten wurde. 8A zeigt ein Bild bei einer 10000-fachen Vergrößerung, und 8B zeigt ein Bild bei einer 50000-fachen Vergrößerung; und
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9 zeigt ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Experiments zur Untersuchung einer Beziehung zwischen einer angelegten Spannung während des Heißdeformationsprozesses und einer erhöhten Magnetisierung (eine Erhöhung in dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 2000 ppm im Vergleich zu dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 200 ppm).
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In dem dargestellten Beispiel wird in den Figuren ein Strangpressstempel mit einem tellerförmigen hohlen Abschnitt zum Strangpressen, bei dem der Heißdeformationsprozess angewandt wird, verwendet. In dem in den Figuren dargestellten Beispiel wird ein Herstellungsverfahren (Rückwärtsstrangpressen) zur Herstellung eines tellerförmig orientierten Magneten verwendet, das Verfahren umfasst: Strangpressen eines Teils eines Sinterkörpers, in dem hohlen Abschnitt des oben beschriebenen Strangpressstempels während des Pressens des Sinterkörpers mit dem Strangpressstempel um die Dicke des Sinterkörpers zu verringern. Zusätzlich zu dem in den Figuren dargestellten Herstellungsbeispiel, kann ebenso ein Herstellungsverfahren (Vorwärtsstrangpressen) eines tellerförmig orientierten Magneten, oder Stauchen (Schieden) verwendet werden. Das Vorwärtsstrangpressen umfasst: Eingeben des Sinterkörpers in eine Form mit einem tellerförmigen hohlen Abschnitt; und Strangpressen eines Teils des Sinterkörpers in den hohlen Abschnitt der Form während der Sinterkörper mit einem Stempel, der keinen hohlen Abschnitt hat, gepresst wird, um die Dicke des Sinterkörpers zu verringern.
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(Ausführungsform eines Verfahrens zu Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten)
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1A zeigt ein schematisches Diagramm eines ersten Schrittes eines Verfahrens zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und 1B zeigt ein schematisches Diagramm eines zweiten Schrittes davon. 2 zeigt ein Diagramm, das eine Mikrostruktur eines Sinterkörpers aus 1B darstellt. Zusätzlich zeigt 3 ein Diagramm, das einen dritten Schritt, nach dem in 1B dargestellten zweiten Schritt, zeigt. 4 zeigt ein Diagramm, das eine Mikrostruktur eines hergestellten Seltene-Erden-Magneten darstellt. Eine Kombination der ersten bis dritten Schritte kann als eine Reihe von Herstellungsschritten bezeichnet werden.
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In dem Herstellungsverfahren gemäß der Ausführungsform, wie in 1A dargestellt, wird beispielsweise in einem Ofen (nicht dargestellt), in dem der Druck reduziert wurde auf beispielsweise 50 kPa, ein Legierungsbarren mittels Hochfrequenzinduktionsheizens unter Verwendung eines Einzel-Rollschmelzspinnverfahrens geschmolzen, und das geschmolzene Metall mit einer Zusammensetzung eines Seltene-Erden-Magneten wird in eine Kupferrolle R injiziert, um ein schnell-verfestigtes Band B zu erzeugen, und dieses schnell-verfestigte Band B wird zerstoßen um Pulver herzustellen. Ein Korngrößenbereich des zerstoßenen Pulvers liegt in einem Bereich von 75 μm bis 300 μm (erster Schritt).
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Wie in 1B dargestellt, wird das zerstoßene Pulver in einen Hohlraum eingefüllt, der durch eine zementierte Karbidform D und einen zementierten Karbidstempel P, der in einem hohlen Abschnitt der zementierten Karbidform D gleitet, aufgeteilt. Als nächstes wird das Pulver auf etwa 800°C durch einen Strom, der in eine Kompressionsrichtung fließt, aufgeheizt, während des Pressens mit dem zementierten Karbidstempel P (X-Richtung). Als Ergebnis wird ein viereckiger prismenförmiger Sinterkörper S hergestellt, wobei der Sinterkörper umfasst: eine Nd-Fe-B-Hauptphase (mit einer durchschnittlichen Korngröße von 300 nm oder weniger, beispielsweise mit einer Korngröße von etwa 50 nm bis 200 nm) einer nanokristallinen Struktur; und einer Korngrenzenphase einer Nd-X-Legierung (X: Metallelement), die um die Hauptphase (zweiter Schritt) herum liegt.
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Hier ist die Nd-X-Legierung, die die Korngrenzenphase bildet, eine Legierung aus Nd und wenigstens einem von Co, Fe, Ga und ähnlichem, und befindet sich in einem Nd-reichen Zustand. Beispielsweise kann eine Legierung oder eine Mixtur von zwei oder mehreren Legierungen ausgewählt aus Nd-Co, Nd-Fe, Nd-Ga, Nd-Co-Fe und Nd-Co-Fe-Ga, verwendet werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass der Sinterkörper ein Bulkkörper mit einer Dichte von 7,4 g/cm3 oder mehr ist.
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Der Stickstoffgehalt in dem Pulver wird auf mindestens 1000 ppm und höchstens 3000 ppm eingestellt, indem wenigstens einer der beiden Schritte des ersten Schrittes und des zweiten Schrittes unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden.
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Beispielsweise kann nur der erste Schritt unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, nur der zweite Schritt kann unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, oder beide, der erste und der zweite Schritt, kann unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden. Beispielweise kann eine Konfiguration angewandt werden, in der der erste Schritt in einer Vakuumatmosphäre und der zweite Schritt zum Herstellen des Sinterkörpers S in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
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Wie in 2 dargestellt, weist der Sinterkörper S eine isotrope Kristallstruktur auf, in der die Korngrenzenphase PB zwischen die nanokristallinen Körner MP (Hauptphase) gefüllt wird.
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Wenn der viereckige prismenförmige Sinterkörper S hergestellt ist, wird ein Strangpressen entsprechend dem Heißdeformationsprozess, wie in 3 dargestellt, ausgeführt. Als Ergebnis wird ein Seltene-Erden-Magnet C mit einer magnetischen Anisotropie, wie in 4 dargestellt, hergestellt.
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Wieder bezugnehmend auf 3 wird in Bezug auf den Heißdeformationsprozess der Sinterkörper S in eine Form Da gegeben, und die Form Da mittels einer Hochfrequenzspule Co geheizt. Bevor der Sinterkörper S mit einer Schicht in die Form Da gegeben wird, wird ein Schmiermittel auf die innere Oberfläche der Form Da oder auf eine Innenoberfläche des tellerförmig gebildeten hohlen Abschnitt PDa des Strangpressstempels PD aufgetragen.
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Der Sinterkörper S wird durch den Strangpressstempel PD mit dem tellerförmigen hohlen Abschnitt PDa (Y1-Richtung) gepresst, und ein Teil des Sinterkörpers S wird in den tellerförmigen hohlen Abschnitt PDa stranggepresst während die Dicke davon durch die oben genannte Kompressen (Z-Richtung) verringert wird.
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Die Dehnungsrate während des Strangpressens, das dem Heißdeformationsprozess entspricht, wird auf 0,1/sec oder mehr eingestellt. Außerdem, wenn beispielsweise der Herstellungsgrad (Kompressierbarkeit, Verdichtbarkeit) durch den Heißdeformationsprozess hoch ist, beispielsweise wenn die Kompressierbarkeit etwa 10% oder höher ist, wird dieser Heißdeformationsprozess als starke Deformation bezeichnet. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Heißdeformationsprozess jedoch in einem Prozessratenbereich von etwa 60% bis 80% durchgeführt.
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Durch den Heißdeformationsprozess mittels Strangpressen haben in dem in 4 dargestellten hergestellten Seltene-Erden-Magneten C die nanokristallinen Körner MP eine flache Form, und die Grenzoberfläche, die im Wesentlichen parallel zu einer anisotropen Achse ist, ist bogenförmig oder gekrümmt. Dieser Seltene-Erden-Magnet weist eine hohe magnetische Anisotropie auf.
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In dem Verfahren zur Herstellung eines Seltene-Erden-Magneten wie in den Figuren dargestellt, wird der Stickstoffgehalt in dem Pulver auf mindestens 1000 ppm und höchstens 3000 ppm durch das Durchführen von wenigstens einem des ersten Schritts zur Herstellung des Pulvers und des zweiten Schritts zur Herstellung des Sinterkörpers S in einer Stickstoffatmosphäre eingestellt. Als Ergebnis wird die Ausbildung eines Flüssig-Phasenpools, der sich während des Heißdeformationsprozesses mit hoher Wahrscheinlichkeit ausbildet, unterdrückt, die Kristallorientierung wird gefördert, und ein Seltene-Erden-Magnet mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften wird hergestellt.
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Der in der Figur dargestellte ausgerichtete Magnet C weist eine metallographische Struktur auf, die eine RE-Fe-B Hauptphase (RE: wenigstens eines von Nd und Pr) und eine Korngrenzenphase einer RE-X Legierung (X: Metallelement) um die Hauptphase herum aufweist. In dem orientierten Magneten C ist das Inhaltsverhältnis von RE 29 Massen-% ≦ RE ≦ 32 Massen-%, und die durchschnittliche Korngröße der Hauptphase des hergestellten Seltene-Erden-Magneten ist vorzugsweise 300 nm oder weniger. Durch die Einstellung des Inhaltsverhältnisses von RE in dem oben beschriebenen Bereich, kann der Effekt der Unterdrückung der Rissbildung während des Heißdeformationsprozesses weiter verbessert werden, und eine hoher Ausrichtungsgrad kann sichergestellt werden. Außerdem kann durch Einstellen des Inhaltsverhältnisses von RE in dem oben beschriebenen Bereich die Größe der Hauptphase, bei der eine hohe remanente magnetische Flussdichte sichergestellt werden kann, sichergestellt werden.
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Durch Durchführen des Heißdeformationsprozesses in dem dritten Schritt kann ein Seltene-Erden-Magnet als orientierter Magnet hergestellt werden. In diesem Fall kann eine Diffusions- und Infiltrierungsbehandlung einer modifizierten Legierung an dem orientierten Magneten durchgeführt werden, um die Koerzitivkraft weiter zu verbessern. Hierbei kann eine modifizierte Legierung ohne schweres Seltene-Erden-Element verwendet werden, um die Herstellungskosten zu verringern, und Beispiele einer modifizierten Legierung enthalten eine Nd-Cu Legierung, eine Nd-Al Legierung, eine Pr-Cu Legierung und eine Pr-Al Legierung. Beispielsweise kann die eutektische Temperatur der Nd-Cu Legierung etwa 520°C betragen, die eutektische Temperatur Pr-Cu Legierung etwa 480°C, die eutektische Temperatur der Nd-Al Legierung 640°C, und eutektische Temperatur der Pr-Al Legierung etwa 650°C. Da die eutektischen Temperaturen der oben genannten modifizierten Legierungen deutlich kleiner sind als der Bereich von 700°C bis 1000°C, in dem die Kristallkörner, die den nanokristallinen Magneten bilden, grobkörnig werden, werden die modifizierten Legierungen insbesondere bevorzugt verwendet für nanokristalline Magnete mit einer Korngröße in einem Bereich von 300 nm oder kleiner.
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[Experiment zur Untersuchung der Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt in dem Magnetmaterialpulver und einer erhöhten remanenten Magnetisierung des Seltene-Erden-Magneten (im Vergleich zur remanenten Magnetisierung von Seltene-Erden-Magneten, mit einem Stickstoffgehalt von 0), und Ergebnisse davon]
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Die vorliegenden Erfinder haben Seltene-Erden-Magneten hergestellt unter Variation des Stickstoffgehalts in dem Magnetmaterialpulver, und die remanente Magnetisierung jedes der Seltene-Erden-Magneten gemessen. Zusätzlich wurde eine erhöhte remanente Magnetisierung von jedem der Seltene-Erden-Magneten im Vergleich zur remanenten Magnetisierung eines Seltene-Erden-Magneten, in dem der Stickstoffgehalt 0 war, erhalten. Auf diese Art und Weise konnte ein Experiment zum Untersuchen der Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt und einer erhöhten remanenten Magnetisierung durchgeführt werden.
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(Verfahren zur Vorbereitung der Teststücke)
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Ein Verfahren zum Vorbereiten eines Seltene-Erden-Magneten als Teststück wird im Folgenden beschrieben. Hierfür wurden magnetische Rohmaterialien (eine Legierungszusammensetzung war Fe-30Nd-0.93B-4Co-0.4Ga in Massen-%) in vorher festgelegten Mengen miteinander vermischt, die Mischung wurde unter Ar-Atmosphäre geschmolzen, und das geschmolzene Metall wurde von einer Öffnung mit einem Durchmesser von 0,8 mm in eine Cr-plattierte sich drehende Cu Walze injiziert, um sich schnell-zu verfestigen. Als Ergebnis konnte ein schnell-verfestigtes Band hergestellt werden. Dieses schnell-verfestigte Band wurde unter Verwendung einer Schneidmühle unter Ar-Atmosphäre zerkleinert, um ein Pulver mit einer Korngröße von 0,3 mm oder kleiner als magnetisches Material zu erhalten.
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Das vorbereitete Pulver wurde in eine zementierte Karbidform mit einer Größe von 20 mm × 20 mm × 40 mm eingefüllt, und obere und untere Abschnitte davon wurden mit einem zementierten Karbidstempel verschlossen. Diese Form wurde in eine Kammer gegeben und der Druck wurde auf 10–2 Pa reduziert und unter Verwendung N2 Gas auf 0,1 MPa erhöht. Als nächstes wurde die Form durch eine Hochfrequenzspule auf 650°C aufgeheizt, für 0 bis 10 Minuten bei 650°C gehalten, und durch den oberen und unteren Abschnitt der Stempel bei 400 MPa gepresst. Nach dem Pressen wurde die Form für 60 Sekunden gehalten und ein Sinterkörper wurde der Form entnommen. Auf diese Art wurden Sinterkörper hergestellt, die eine Vielzahl Seltene-Erden-Magnetprecursor bilden mit einem Stickstoffgehalt in einem Bereich von 200 ppm bis 3000 ppm.
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Als nächstes wurden die Sinterkörper in eine Form gegeben, und die Form wurde durch eine Hochfrequenzspule erwärmt. Durch die Wärmeübertragung von der Form wurde der Sinterkörper auf etwa 800°C erwärmt, und ein Rückwärtsstrangpressen wurde als Heißdeformationsprozess mit einer Prozessrate von 70% und einer Ausgabegeschwindigkeit von 25 mm/s (eine Zugrate von etwa 1/s) ausgeführt.
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(Experimentelle Ergebnisse)
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Die experimentellen Ergebnisse sind in 5 dargestellt. In 5 gibt es einen Wendepunkt für einen Stickstoffgehalt von 1000 ppm, eine erhöhte remanente Magnetisierung fällt in einem Bereich kleiner als 1000 ppm stark ab, und eine erhöhte Magnetisierung von etwa 0,1 T ist in einem Bereich oberhalb von 1000 ppm gesättigt. Bei 3000 ppm nahm die Deformierbarkeit durch das Ausheilen der Flüssigphase des Teststückes ab. Als Ergebnis haben sich viele Risse während des Rückwärtsstrangpressens ausgebildet, und die magnetischen Eigenschaften konnten nicht bestätigt werden.
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Die experimentellen Ergebnisse zeigen folgendes: Der Stickstoffgehalt in dem Pulver des magnetischen Materials sollte vorzugsweise 1000 ppm betragen; die obere Grenze des Stickstoffgehalts war kleiner als 3000 ppm, da aufgrund des massiven Ausheilens Risse entstehen, wenn der Stickstoffgehalt 3000 ppm erreicht. Das heißt, es wurde herausgefunden, dass der Stickstoffgehalt bevorzugterweise auf mindestens 1000 ppm und höchstens 3000 ppm einzustellen ist. Noch besser wird der Stickstoffgehalt in einem Bereich von 1000 ppm bis 2500 ppm eingestellt.
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(Bezüglich der Beziehungen zwischen der Stickstoffatmosphärenhaltezeit und dem Stickstoffgehalt in dem magnetischen Materialpulver)
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Zusätzlich wurde in diesem Experiment eine Beziehung zwischen einer Stickstoffatmosphärenhaltezeit und dem Stickstoffgehalt in dem Magnetmaterialpulver untersucht. Insbesondere wurde bei einer Stickstoffkonzentration von 97 kPa in einer Stickstoffatmosphäre der Stickstoffgehalt gemessen, während die Haltezeit zwischen 0, 1, 2, 3, 5, und 10 Minuten variiert wurde. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt.
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In 6 war der Stickstoffgehalt bei 1000 ppm oder größer bei einer Stickstoffatmosphärenhaltezeit von 2 bis 3 Minuten und betrug 3000 ppm bei einer Stickstoffatmosphärenhaltezeit von 10 Minuten. Von den oben genannten Ergebnissen wurde herausgefunden, dass die Haltezeit bei einer Stickstoffatmosphäre mit einer Stickstoffkonzentration von 97 kPa bevorzugterweise länger als 2 Minuten und kleiner als 10 Minuten ist.
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(Beobachtete Ergebnisse aus dem SEM Bildern)
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Außerdem wurde bei diesem Experiment die Struktur eines Teststücks, in dem der Stickstoffgehalt in dem Magnetmaterialpulver 2000 ppm war, und die Struktur eines Teststücks, in dem der Stickstoffgehalt in dem Magnetmaterialpulver 200 ppm war, mittels SEM untersucht. Hier zeigen die 7A und 7B SEM Bilder, die durch Untersuchung der Struktur des Teststücks, in dem der Stickstoffgehalt in dem Magnetmaterialpulver 2000 ppm war, erhalten wurden, 7A zeigt ein Bild bei einer zehntausendfachen Vergrößerung, und 7B zeigt ein Bild bei einer fünfzigtausendfachen Vergrößerung. Außerdem zeigen die 8A und 8B SEM Bilder, die durch Untersuchung der Struktur des Teststücks, in dem der Stickstoffgehalt in dem Magnetmaterialpulver 200 ppm war, erhalten wurden, 8A zeigt ein Bild bei einer zehntausendfachen Vergrößerung, und 8B zeigt ein Bild bei einer fünfzigtausendfachen Vergrößerung.
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In den 7A und 7B konnte in dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 2000 ppm, was mindestens 1000 ppm und kleiner als 3000 ppm ist, zwischen den Kristallen kein Flüssig-Phasenpool festgestellt werden. Da kein Flüssig-Phasenpool zwischen den Kristallen vorhanden war, wurde eine Kristallorientierung begünstigt, und daher wegen des hohen Orientierungsgrades ein Seltene-Erden-Magnet mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften erzeugt.
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Andererseits wurde in dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 200 ppm also geringer als 1000 ppm eine große Anzahl an Flüssig-Phasenpools zwischen den Kristallen festgestellt. Es wurde darauf geschlossen, dass aufgrund dieser Flüssig-Phasenpools das Orientierungsausrichtungsverhalten wie die Drehung oder die Bewegung der Kristalle gestört wurde und dadurch die magnetischen Eigenschaften aufgrund der Orientierungsunordnung der Kristalle um die Flüssig-Phasenpools herum verschlechtert wurden.
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[Experiment zur Untersuchung der Beziehung zwischen einer Spannung, die während des Heißdeformationsprozesses angewandt wurde, und der erhöhten Magnetisierung (Erhöhung bei dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 2000 ppm im Vergleich zu dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 200 ppm), und Ergebnissen davon]
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Die Erfinder haben außerdem ein Experiment durchgeführt, in dem der Sinterkörper mit Stickstoffgehalt in dem Pulver von 2000 ppm und der Sinterkörper mit Stickstoffgehalt in dem Pulver von 200 ppm aus einer Menge von Sinterkörpern, die die Precursor der in den oben beschriebenen Experimenten vorbereiteten Teststücken bildeten, ausgewählt wurden, wobei die folgenden drei Typen an Heißdeformationsprozessen an den entsprechenden Sinterkörpern durchgeführt wurden, um Seltene-Erden-Magneten herzustellen, wobei die remanenten Magnetisierungen der entsprechenden Seltene-Erden-Magneten gemessen wurden, und eine Erhöhung des Teststücks mit einem Stickstoffgehalt von 2000 ppm im Vergleich zu dem Teststück mit einem Stickstoffgehalt von 200 ppm untersucht wurde.
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Ein erstes Prozessverfahren für den Heißdeformationsprozess war das Stauchschmieden. In diesem Prozess wurde der Sinterkörper in eine Form gegeben, und die Form wurde durch eine Hochfrequenzspule erwärmt. Wegen des Wärmeübertrags von der Form wurde der Sinterkörper auf etwa 800°C aufgeheizt und Stauchschmieden wurde bei einer Prozessrate von 70% und einer Entnahmegeschwindigkeit von 15 mm/s (einer Zugrate von etwa 1/s) durchgeführt. Die angelegte Spannung während des Stauchschmiedens betrug 100 MPa.
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Als zweites Herstellungsverfahren für den Heißdeformationsprozess wurde ein Vorwärtsstrangpressen verwendet. Bei diesem Prozess wurden die Sinterkörper durch eine Hochfrequenzspule auf etwa 800°C geheizt, der mittels eines Widerstandsheizverfahrens auf etwa 800°C geheizte Sinterkörper wurde in eine Form gefüllt, und das Vorwärtsstrangpressen wurde mit einer Prozessrate von 70% und einer Entnahmegeschwindigkeit von 20 mm/s (einer Zugrate von etwa 1/s) angewandt. Die angelegte Spannung während des Vorwärtsstrangpressens war 250 MPa.
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Außerdem wurde als drittes Verfahren für den Heißdeformationsprozess Rückwärtsstrangpressen angewandt. Bei diesem Verfahren wurde jeder der Sinterkörper in eine Form gegeben und die Form mit einer Hochfrequenzspule geheizt. Aufgrund des Wärmeübertrags von der Form wurde der Sinterkörper auf 800°C geheizt und Rückwärtsstrangpressen wurde bei einer Prozessrate von 70% und einer Entnahmegeschwindigkeit von 25 mm/s (einer Zugrate von etwa 1/s) durchgeführt. Die angelegte Spannung während des Rückwärtsstrangpressens war 500 MPa.
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Auf die Art und Weise variierte die an die Sinterkörper angelegte Spannungsstärke abhängig von dem entsprechenden Heißdeformationsverfahren. Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt.
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Aus 9 ist folgendes abzulesen: die Erhöhung der remanenten Magnetisierung nimmt in der Reihenfolge des Stauchens (angelegte Spannung: 100 MPa), Vorwärtsstrangpressen (angelegte Spannung: 250 MPa), und Rückwärtsstrangpressen (angelegte Spannung: 500 MPa) zu; und bevorzugterweise ist der Heißdeformationsprozess das Vorwärts- oder Rückwärtsstrangpressen, um eine hohe Spannung anzulegen.
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Die Ausführungsformen der Erfindung wurden in Bezug auf die Figuren beschrieben. Eine spezielle Konfiguration ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, und Designänderungen oder ähnliches, die in einem Umfang, der nicht über den Umfang der Erfindung hinausgeht, durchgeführt werden, sind von der Erfindung mit umfasst.
