JP2004128302A

JP2004128302A - 希土類焼結磁石

Info

Publication number: JP2004128302A
Application number: JP2002292042A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Ichikawa; 市川　義明
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】磁気的空隙を生じないように形成された一体焼結物であって、成形体内に潜在クラックを残したり、残留応力を残すことなく十分に高い磁気特性の磁気異方性化領域を所望の方向に拡大形成可能な希土類焼結磁石を提供する
【解決手段】磁気異方性を付与するために設けられた金型内のキャビティ部に希土類焼結磁石用粉末を充填し、磁場の存在下で成形して磁気異方性を付与した予備成形体を作製し、成形時に印加された磁場を成形体から脱磁する工程を行なうことなく残磁による磁気的な吸着力を用いて予備成形体同士を磁気吸着させ、この状態を保持したまま焼結を行い、複数の予備成形体を結合させてより大きな一体形状とさせたことを特長とする
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大物一体型の異方性を有する希土類焼結磁石であって、磁気異方性化条件に拘束されることなく、所望の形状の方向に磁気異方性化領域を拡大形成可能な希土類焼結磁石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、自由電子レーザー、シンクロトロン放射光装置の加速器、ＭＲＩ，ハルバッハ磁気回路を用いた大型磁場発生装置等において、永久磁石を多数連続配置させ、各永久磁石は隣接するものと対向するものとが互いに逆極となるように構成され、通過する電子ビームや磁石周囲の環境に横方向の周期的磁場を付与させるものがある。あるいは、パーマロイや磁性ヨーク材と組み合わせた、いわゆるハイブリッドタイプと呼ばれる形式のものもある。
【０００３】
加速器等に使用する永久磁石は磁気特性の高いものが要求され、Ｓｍ−Ｃｏ系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の異方性希土類磁石が使用されている。これら永久磁石は一般的に磁石材料粉末を成形した後、焼結して作製されるが、金型で成形する場合に、金型の外周に磁場印加手段を設けて成形体に異方性を付与させている。しかし成形体をあまりに大きくすると成形体の全体に磁場がまわりきらずに配向度が落ちるため、永久磁石を大きな形状に一体成形で作製することができなかった。しかし、最近ではより大きな能力の加速器等が望まれており、そのような場合、大型の永久磁石が必要であるので、複数個のブロック磁石を接着材で組み立て接合して大きな形状にして使用している。
【０００４】
従来の希土類焼結磁石においては、磁気異方性化を可能にする寸法が成形工程で採用している磁場印加手段により制限されてしまうという問題があった。また、従来、異方性永久磁石を大きな形状に作製する場合、複数個のブロック磁石を接着剤で接着させているため、次のような問題があった。
【０００５】
接着剤が各ブロック磁石の相互間に介在して磁気的空隙を形成するため、その部分で磁束密度が低下し、全体として磁気特性が不均一となり、それを使用した装置の性能が低下してしまう。また、大型の異方性永久磁石が自由電子レーザー等に組み込まれた時には、高真空および紫外線の存在する環境におかれるので、永久磁石に使用した接着剤が紫外線による光化学反応により樹脂の高分子構造が破壊されるため劣化することが多い。さらに、複数の異方性ブロック磁石を接着剤で組み立て接合する作業は、煩雑であって、作業時間を多く要し、均一な品質のものを供給することが困難であった。そこでこれらの問題を対策するために、例えば特開平１０−５５９１４号公報に開示されている様に、複数の予備成形体を積層し、それら全体を予備成形時よりも高い圧力で再度加圧して一つの成形体とする方法があった。しかし、この方法では、最後の高圧での加圧時に、予備成形体の一部や内部でクラックが発生したり、加圧による残留応力のために、焼結工程後に焼結体が割れたり、ひびが入り歩留まりを低下させるという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−５５９１４号公報（第２−４頁）
【特許文献２】
特許第３１３２３９３号公報（第４頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、磁気的空隙を生じないように形成された一体焼結物であって、成形体内に潜在クラックを残したり、残留応力を残すことなく十分に高い磁気特性の磁気異方性化領域を所望の方向に拡大形成可能な希土類焼結磁石を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決を達成した本発明は、磁気異方性を付与するために設けられた金型内のキャビティ部に希土類焼結磁石粉末を充填し、磁場の存在下で予備成形して磁気異方性を付与した予備成形体となし、この成形体の脱磁を行うこと無しに金型より予備成形体を取り出す。次にこの予備成形体の複数を用いてそれら全数の磁気異方性磁化方向を同一方向になるように配置し、予備成形体を互いに接触させる。この時、各成形体のもつ残磁力により、成形体同士間に互いに吸着力が働き、成形体同士は互いに引き付けられて接着される。この状態を保ったまま焼結工程を行うことにより、複数の予備成形体が接合された集合成形体を得、以後熱処理を経て一軸異方性の一体型焼結品に形成されたことを特長とする希土類焼結磁石である。
【０００９】
本発明は希土類磁石に好適なものである。具体例を挙げれば、Ｒ_２Ｔ_１４Ｂ型金属間化合物を主相とするＲ−Ｔ−Ｂ系希土類磁石合金（ＲはＹを含めた希土類元素の１種または２種以上、ＴはＦｅまたはＦｅとＣｏ）からなり、重量％で、Ｒが２８〜３３％、Ｂが０．５〜２％、残部Ｔの主成分、および不可避不純物として含まれる酸素を０．６％以下、炭素を０．２％以下とした異方性の焼結磁石、鋳造・熱間加工磁石または超急冷した薄帯を用いてホットプレス等により高密度化した後に温間で塑性変形させて異方性を付与した温間加工磁石等への適用が有力である。Ｒが２８％未満では十分な保磁力（ｉＨｃ）が得られず、３３％より多いと残留磁束密度（Ｂｒ）が低下する。Ｂが０．５％未満では十分なｉＨｃが得られず、２％より多いとＢｒが低下する。酸素が０．６％より多いとｉＨｃの発現に有効な希土類量が顕著に減少し、磁気特性が大きく低下する。炭素が０．２％より多いと希土類炭化物の生成量が増加し、磁気特性が大きく低下する。また、本発明はＲ−Ｔ−Ｂ系の希土類磁石に限定されず、異方性のＳｍＣｏ_５型焼結磁石、Ｓｍ_２ＴＭ_１７（ＴＭはＣｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉのうちの１種または２種以上からなる）型の焼結磁石や鋳造・熱間加工磁石にも適用可能である。
【００１０】
上記予備成形体の形状は、円柱、リング、直方体、立方体、三角柱、多角柱、またはこれらを組み合わせた形状でも適宜使用可能である。これらの成形体を複数磁気吸着させる場合、おのおのの成形体の形状は同一または異なる形状でも磁気配向した方向を併せて磁気吸着させれば問題なく可能である。これらの予備成形体の残磁は表面磁束密度で０．０５Ｔ（５００Ｇ）以上、好ましくは０．１Ｔ（１０００Ｇ）以上、さらに好ましくは０．２Ｔ（２０００Ｇ）以上であると焼結時に隙間無く互いの予備成形体が結合するため好ましい。０．５Ｔ（５０００Ｇ）以上になると逆に磁気吸着力が強すぎ、予備成形体を並べる時にお互いの衝撃力で割れやひびが入るなど作業上のハンドリングに問題が出るため、予備成形体の体積・重量などから適宜選択することが好ましい。また、予備成形体どうしが磁気吸着する接触面積は１ｃｍ^２以上１００ｃｍ^２以下であることが好適である。接触面積が１ｃｍ^２未満であると予備成形体どうしがずれたり、残磁が大きすぎた場合その部分で予備成形体が崩れやすい。また、２００ｃｍ^２超であると予備成形体間に隙間ができやすく、焼結により完全な一体焼結品となりがたく、残留する気体により内部が腐食して脆性に問題が発生する可能性がある。
【００１１】
被覆処理はスパッタ、電解めっき、無電解めっき、化成処理、樹脂被覆など公知のものを適用可能である。焼結後、全体を一度に被覆処理することで接合面のない完全な一体型の大型焼結体を得ることができる。本発明の焼結磁石は焼結後でも磁石を切断し、断面を観察することで一体成形したものか、予備成形体を接合させたものか判別することも可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂを主組成系とする合金を機械的粉砕およびジェット気流中粉砕により、平均粒径１μ〜８μの粉体に粉砕した。これをプレス成形機の金型内に充填し、成形圧力０．４ｔ／ｃｍ^２〜１．８ｔ／ｃｍ^２の範囲にて予備成形した。この成形圧力がこの範囲を超えて高いと、成形体界面での焼結反応が成形体界面で起こりにくく、予備成形体の接着が接触面に均一に起こらない。プレスされた予備成形体は、図１の１に示す様に、長さ１００ｍｍ、幅３０ｍｍ、高さ１５ｍｍで、成形時の磁気異方性付与方向（磁化配向方向）は高さ１５ｍｍの方向である。プレスされた予備成形体は、プレス時に外部から印加された磁界により、磁粉が着磁されるため、成形体に０．０５〜０．３Ｔ（５００〜３０００Ｇａｕｓｓ）程の残磁が残る。成形体をこのままにすると、予備成形体同士が互いに吸着して、焼結後に焼きつき不良が発生するため従来は焼結前に成形体に直流・交流脱磁などを行い成形体の残磁を除去していた。しかし本発明ではこの予備成形体の残磁を積極的に活用している。すなわち、前記成形体１を２個用意し、それらの接着面に付いている付着粉を十分に取り除いたあと、３０×１００ｍｍの断面で重ねあわせ、予備成形体どうしを互いのもつ残磁により磁気吸着させた。この重ねあわせた状態で成形体２を焼結炉にて焼結を行った。焼結過程の進行に伴い成形体は自己収縮するため、２個接着後に３０×１００×３０ｍｍであった成形体２は、２６×８６×２３ｍｍの焼結体となった。焼結後の接着された焼結体について、焼結体両端を支持し、接着部に荷重を加えて測定を行うせん断強度試験の結果、せん断強度は１５６〜２８７ｋｇｆ／ｃｍ^２あり、実用上問題ないレベルであることを確認した。
【００１３】
（実施例２）
図２（ａ）に示すように、外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１５ｍｍのリング状成形体３で外周上に１箇所磁極位置を示すキー溝がつけられている、８極異方性リング磁石の予備成形体を配向磁界を印加しながら金型を用いて成形した。これをキー溝の位置を目印として、隣接するリング磁石の極性が反時計回りに磁極１極分だけずれるように３個をリングの軸方向に重ねあわせた（図２（ｂ））。こうすることにより、リングのＮ極とＳ極が互いに吸引されるので、予備成形体は互いに吸着され、３個のリングを一体化した成形体４ができた。構成している予備成形体の位置関係をこの状態に保ったまま真空焼結炉内で焼結を行った。焼結後のリング磁石を、外周研磨加工、内周研磨加工、長さ方向の研磨加工を行い、外径３０ｍｍ、内径１７ｍｍ、長さ３８ｍｍの極異方性リング磁石を得た。これをモーターのシャフトに接着固定し、永久磁石リングを用いたローターとして８極の着磁をおこない、モーターの性能を評価した。その結果、モーターのコギングトルクが従来の同寸法の８極異方性リング磁石を用いて製作したローターの場合にくらべ、３０％低下した。
【００１４】
従来リング磁石を用いたモーター用ローターとしては、中心から半径方向に磁化容易軸を持つラジアルリングと、本実施例で用いた、外周から磁石内を通過して外周へもどる磁化容易軸を持つ極異方性リング磁石がある。一方、極異方性リング磁石は同じ外径寸法のラジアルリング磁石に比べ、表面磁束密度が１．５倍〜２倍ほど高くできる長所があったが、ラジアルリング磁石に比べ、コギングトルクが大きいという短所があった。本実施例に示す様に、複数の極異方性リング磁石を、一方向に磁極がずれる様に予備成形体を成形体の残磁を利用して接着し、焼結後に加工したリング形状の磁石をこの磁極の位置に合わせてスキュー着磁すると、極異方性リング磁石を用いながら、スキュー着磁を行ったラジアルリングの場合と類似してコギングトルクを低下させることができた。この予備成形体接着の方法を用いることにより、表面磁束密度が高く、かつコギングトルクを低減させた極異方性リング磁石を得ることができた。
【００１５】
（実施例３）
コイル稼動型または磁石稼動型のリニアモーターにおいては、消費電力を低減させるため、可動部または固定レール部のどちらか一方に永久磁石を用いる場合が多く、その場合、リニアモーターは、その推力をフレミングの左手の法則に基いて発生させている。しかし小型で大きな推力を得るために、リニアモーターのコイルはコアレスでなく、コア付きとする場合が多い。この場合、コイル可動型のリニアモーターの場合には、モーター側コイルに設けられたコアと、それに対向して配置されるガイドレール上の永久磁石との間に吸引力が働く。磁石可動型のリニアモーターでは、モーター側の永久磁石とガイドレール側の固定コイル内のコアとの間で、同様の吸引力が発生する。通常、永久磁石はヨークと支持体を兼用するガイドレールまたは可動部台座に接着剤を用いて接着固定されるが、リニアモーター走行時に繰り返し発生する永久磁石とコア間の吸引力によって、磁石が剥離する不具合が発生する。これを改善するために、図３（ｂ）の７に示す様に、磁石両端に階段状の部分を設け、ここを機械的に固定する方法が取られてきた。しかし、従来は、この構造を実現するために焼結後の磁石を研磨加工して段差を設けなくてはならず、磁石の硬度が高いため、この加工に多大の費用がかかる問題があった。これを解決するため、図３（ａ）に示す様に２種類の直方体の予備成形体５、６を製作し、これを成形体として残磁力により磁気吸着させ７の形状とし、焼結を行い、一体の磁石とする。成形体が焼結体になるときの収縮率はあらかじめわかっているため、成形機用金型の寸法を適切に設計することにより、焼結体の側面を無加工で目標の寸法規格におさめることができる。そこで、上底面と下底面のみ研磨加工することで、磁石の寸法規格を満足させることができるため、磁石の加工費を大幅に節減することができる。図３には、直方体の磁石の一部に段差を設けた実施例をしめしたが、磁石の形状は直方体に限定するわけではなく、図４に示す様に、寸法の異なる円柱形状の磁石８、９を磁気吸着・焼結して段差を持つ焼結磁石を製作することもできる。溶着させる磁石の個数は２個に限るものではなく、３個以上の寸法の異なる磁石を溶着させることも可能である。この様な段差を設けられた磁石においては、金属の補強材料を用いて、はめ込み、ネジ止めの方法を用いてこの磁石をヨークや台座に固定することが容易になるため、従来の接着剤のみによる方法にくらべ、磁石固定後の機械強度が増し、装置の耐久性が大きく向上する。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、複数個の予備成形体を、成形直後にそれぞれの成形体が持つ残磁による吸引力を用いて接着させた状態で焼結させ、焼結工程中の溶着により一体形状の焼結体を得ることができた。この構造により、従来加工費のかかっていた複雑な形状の磁石を単純な形状の磁石の合体により形成させることができ、従来よりも大型寸法の磁石を容易に作製することができ、かつ、大幅な加工費用の節減を行うことができた。さらに、防錆のために磁石表面に電着または電解により塗装を行うときにも、磁石継ぎ目において塗膜に不連続な部分を形成することなく磁石全体を塗装することができるため、従来の接着剤を用いて接合した磁石に対して、耐食性を格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる磁石形状を示す一例である。
【図２】本発明に用いる別の磁石形状を示す一例である。
【図３】本発明に用いる別の磁石形状を示す一例である。
【図４】本発明に用いる別の磁石形状を示す一例である。
【符号の説明】
１，３，５，６，８　予備成形体
２，４，７　磁気吸着させた成形体

Claims

磁気異方性を付与するために設けられた金型内のキャビティ部に希土類焼結磁石用粉末を充填し、磁場の存在下で成形して磁気異方性を付与した予備成形体を作製し、成形時に印加された磁場を成形体から脱磁する工程を行なうことなく残磁による磁気的な吸着力を用いて予備成形体同士を磁気吸着させ、この状態を保持したまま焼結を行い、複数の予備成形体を結合させてより大きな一体形状とさせたことを特長とする希土類焼結磁石。
前記予備成形体の残磁は表面磁束密度で０．０５Ｔ（５００Ｇ）以上であることを特徴とする請求項１に記載の希土類焼結磁石。
前記予備成形体どうしが磁気吸着する接触面積は１ｃｍ^２以上２００ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の希土類焼結磁石。
複数の予備成形体をおのおのの磁気異方性の方向が同じ向きになるように配置して磁気吸着させる請求項１に記載の希土類焼結磁石。
前記焼結後、熱処理、加工を行い、一体形状のまま被覆処理することにより連続した耐食性皮膜を磁石表面に形成させた請求項１〜３のいずれかに記載の希土類焼結磁石。