JP2006278455A - 焼結磁石の製造方法及び磁場中成形装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 弱磁性体又は非磁性体からなる臼型20に形成される複数の金型キャビティCに磁性粉末Pを充填する工程と、金型キャビティC内の磁性粉末Pに、所定方向の磁場を印加し、かつ所定方向の圧力を加えることで成形体を作製する工程と、成形体を焼結する工程と、を含み、成形体を作製する工程において、臼型20の鉛直方向に、強磁性体からなるヨーク60を配置した状態で、磁性粉末Pに磁場を印加する。
【選択図】図1
Description
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、縦磁場成形によって厚みの薄い成形体を多数個取りする場合に、クラックの発生を抑制することのできる磁場中成形方法を提供することを目的とする。本発明は、そのような磁場中成形方法を実行することのできる磁場中成形装置を提供することを目的とする。
本発明は、臼型の鉛直方向に、強磁性体からなるヨークを配置することにより、それまで下パンチ及び上パンチに集束していた磁場が臼型の水平方向に分散することにより、磁場の分布が平坦化する。したがって、厚みが5mm以下の成形体を多数個取りする場合であっても、金型キャビティ内に略均等に磁場が印加されることにより、加圧成形に先立つ金型キャビティ内の磁性粉末の移動が規制される。
この磁場中成形装置において、複数の孔が水平方向で内接する円の面積をA1、ヨークの横断面積をA2とすると、A2/A1≧1.5であることが好ましいことは前述の通りである。
図1は、本実施の形態における磁場中成形装置10の構成を説明するための図である。
この図1に示すように、磁場中成形装置10は、臼型20と下パンチ30とによって形成される金型キャビティC内に磁性粉末Pを供給し、コイル50で図中白抜き矢印方向の磁場を印加しつつ、上パンチ40と下パンチ30で磁性粉末Pを加圧することで磁場中成形を行い、成形体を形成するものである。磁場中成形装置10は、2つの金型キャビティCを備えている多数個取りができる装置である。
このヨーク60は、図3に示すように金型キャビティCが水平方向で内接する円の面積をA1とし、ヨーク60の横断面積をA2とすると、A2/A1が1.5以上、好ましくは2.0以上、さらに好ましくは2.5以上とすべきである。ヨーク60の横断面積が小さすぎると、ヨーク60による効果が低くなり、またヨーク60の横断面積が大きすぎると、磁場中成形装置10のサイズが大きくなり、省スペース化の妨げとなる。したがって、A2/A1は20以下、好ましくは10以下、さらに好ましくは7以下とすべきである。
そして、下パンチ30は、磁場中成形時に、その上面がヨーク60の上面と略同一レベルとなるように設けられている。そうすることにより、磁場中成形時に、金型キャビティCに印加される磁場の分布の均一性をより一層高めることができる。このとき、先端部材32が弱磁性体又は非磁性体で構成される場合には、先端部材32は、ヨーク60の上面と同一レベルとなるか否かについて考慮されない。
また、上ラム15の外周部には、コイル50を構成する上部コイル50Bを設けることもできる。
上パンチ40および上部コイル50Bは、駆動シリンダ(図示無し)またはカムを駆動させることで昇降し、上パンチ40の先端部材41が、臼型20および下パンチ30によって形成される金型キャビティCに、接近・離間できるようになっている。
上パンチ40、下パンチ30、ヨーク60は、強磁性体である鉄やダイス鋼からなり、これらの磁化により、金型キャビティCにより多くの配向磁場を得る。上パンチ40、下パンチ30は、超硬合金または強磁性体である鉄やダイス鋼等、あるいはそれらの組み合わせによって形成することもできる。この場合、その超硬合金は、必要な強度の範囲で、なるべく磁性の強い材質が選ばれるのは言うまでもない。
下パンチ30の先端部材32、上パンチ40の先端部材41は、下パンチ30、上パンチ40と同材料で形成することもできるが、非磁性のステンレス等の鉄合金や超硬合金の組み合わせからなることが好ましい。あるいは、飽和磁化が0.5T以下の若干の磁性を有するものでも良い。
ここでまず、本発明の適用対象の磁石について説明する。
本発明はR−T−B(Rは希土類元素の1種又は2種以上、TはFe又はFe及びCo)で示されるネオジム系焼結磁石について適用することができる。
R−T−B系焼結磁石は、希土類元素(R)を25〜37wt%含有する。ここで、RはYを含む概念を有しており、したがってY、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuの1種又は2種以上から選択される。Rの量が25wt%未満であると、R−T−B系焼結磁石の主相となるR2T14B相の生成が十分ではなく軟磁性を持つα−Feなどが析出し、保磁力が著しく低下する。一方、Rが37wt%を超えると主相であるR2T14B相の体積比率が低下し、残留磁束密度が低下する。またRが酸素と反応し、含有する酸素量が増え、これに伴い保磁力発生に有効なRリッチ相が減少し、保磁力の低下を招く。したがって、Rの量は25〜37wt%とする。望ましいRの量は28〜35wt%である。
本発明が適用されるR−T−B系焼結磁石は、Coを5.0wt%以下(0を含まず)、望ましくは0.1〜3.0wt%含有することができる。CoはFeと同様の相を形成するが、キュリー温度の向上、粒界相の耐食性向上などに効果がある。
以下、各工程の内容を説明する。なお、以下では希土類焼結磁石としてネオジム系焼結磁石であるR−T−B系焼結磁石を例にして説明するが、本発明はこれ以外のSmCo系の希土類焼結磁石に適用できることは言うまでもない。
<原料合金調整>
R−T−B系焼結磁石の原料合金は、真空又は不活性ガス、望ましくはAr雰囲気中でストリップキャスト法、その他公知の溶解法により作製することができる。ストリップキャスト法は、原料金属をArガス雰囲気などの非酸化性雰囲気中で溶解して得た溶湯を回転するロールの表面に噴出させる。ロールで急冷された溶湯は、薄板または薄片(鱗片)状に急冷凝固される。この急冷凝固された合金は、結晶粒径が1〜50μmの均質な組織を有している。原料合金は、ストリップキャスト法に限らず、高周波誘導溶解等の溶解法によって得ることができる。また、還元拡散法によって得られた合金を原料合金として用いることもできる。
原料合金は粉砕工程に供される。粉砕工程には、粗粉砕工程と微粉砕工程とがある。まず、原料合金を、粒径数百μm程度になるまで粗粉砕する。粗粉砕は、スタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル等を用い、不活性ガス雰囲気中にて行うことが望ましい。粗粉砕に先立って、原料合金に水素を吸蔵させた後に放出させることにより粉砕を行うことが効果的である。水素放出処理は、希土類焼結磁石として不純物となる水素を減少させることを目的として行われる。水素放出のための加熱保持の温度は、200℃以上、望ましくは350℃以上とする。保持時間は、保持温度との関係、原料合金の厚み等によって変わるが、少なくとも30分以上、望ましくは1時間以上とする。水素放出処理は、真空中又はArガスフローにて行う。なお、水素吸蔵処理、水素放出処理は必須の処理ではない。この水素粉砕を粗粉砕と位置付けて、機械的な粗粉砕を省略することもできる。
以上のようにして得られた微粉砕粉(磁性粉末)を、磁場中成形し、成形体を得る。本実施の形態では、加圧方向と印加する磁場の方向が平行な成形法である縦磁場成形法(または平行磁場成形法)を用いる。
磁場中成形における成形圧力は30〜300MPaの範囲とすればよい。成形圧力が低いほど配向性は良好となるが、成形圧力が低すぎると成形体の強度が不足して成形体の加工時に問題が生じるので、この点を考慮して上記範囲から成形圧力を選択する。磁場中成形で得られる成形体の最終的な相対密度は、50〜65%が好ましい。
本発明において印加する磁場は、800〜1600kA/m程度とすればよい。
磁場中成形によって得られた成形体を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼結し、R−T−B系焼結磁石を得る。焼結温度は、組成、粉砕方法、平均粒径と粒度分布の違い等、諸条件により調整する必要があるが、1000〜1200℃で1〜10時間程度焼結すればよい。
焼結後、得られた焼結体に時効処理を施すことができる。この工程は、保磁力を制御する重要な工程である。時効処理を2段に分けて行う場合には、800℃近傍、600℃近傍での所定時間の保持が有効である。800℃近傍での熱処理を焼結後に行うと、保磁力が増大するため特に有効である。また、600℃近傍の熱処理で保磁力が大きく増加するため、時効処理を1段で行う場合には、600℃近傍の時効処理を施すとよい。
以上のようにして得られた希土類焼結磁石、特にR−T−B系焼結磁石は、その表面に電解めっきによる保護膜を形成することができる。保護膜の材質としては、Ni、Ni−P、Cu、Zn、Cr、Sn、Alのいずれかを用いることができるし、他の材質を用いることもできる。また、これらの材質を複層として被覆することもできる。
電解めっきによる保護膜は本発明の典型的な形態であるが、他の手法による保護膜を設けることもできる。他の手法による保護膜としては、無電解めっき、クロメート処理をはじめとする化成処理及び樹脂塗装膜のいずれか又は組み合せが実用的である。特に清浄性の要求から、VCM用磁石は、表面硬度の高いNiめっきが好んで用いられる。
保護膜の厚みは、磁石素体のサイズ、要求される耐食性のレベル等によって変動させる必要があるが、1〜100μmの範囲で適宜設定すればよい。望ましい保護膜の厚みは1〜50μmである。
磁場中成形工程では、図1に示した磁場中成形装置10を用いる。
まず、図1に示したように、上パンチ40を上昇させて下パンチ30から離した状態で、臼型20と下パンチ30とによって形成される金型キャビティCに、図示しない原料供給機構により、磁性粉末Pとしての微粉砕粉Pを供給する。
微粉砕粉Pの供給後、下部コイル50Aおよび上部コイル50Bでは所定強度の磁場を発生し、金型キャビティC内の微粉砕粉Pに対し磁場を印加し、微粉砕粉Pを所定の方向に配向させながら、上パンチ40を下降させて金型キャビティC内の微粉砕粉Pを下パンチ30との間で挟み込み、所定の加圧力で加圧する。
このようにすることで、図1に示した磁場中成形装置10よりもさらに磁場分布が均一になり、金型キャビティC内における磁場分布の均一性が向上する。
このヨーク70は、上パンチ40の側に、着脱可能に設けるのが好ましい。金型のセット換え等の作業性が低下するのを防ぐためである。また、下パンチ30の周囲にヨーク60を設けることなく、上パンチ40の周囲にのみヨーク70をもうけることもできる。
29.5wt%Nd−3.0wt%Dy−1.0wt%B−0.5wt%Co−残部Feの組成の合金をストリップキャスト法で作製し、水素吸排出により粗粉化させた後、ジェットミルで窒素ガスを用いて粉砕して平均粒径4μmの原料合金粉を得た。
この原料合金粉を、図1に示したような構成の磁場中成形装置10を用い、成形体を作製した。このとき、金型キャビティCは、30mm×12mmの開口面積を有するものとし、この金型キャビティCに供給した原料合金粉を加圧成形することで、表1に示す種々の厚みの成形体を作製した。
また、ヨーク60は、外周形状が円形又は矩形のものを使用した。その直径及び縦×横の寸法を表1に示している。ここで、図3に示すように2つの金型キャビティCが内接する円を基準とし、ヨーク60はその円の面積(A1=19.6cm2)の1.4〜4.0倍の横断面積(A2)を有している。
磁場中成形時には、下部コイル50A、上部コイル50Bにより1200kA/mの磁場を印加しながら、150MPaの圧力で原料合金粉を加圧成形した。
キャビティ数が1つの場合、成形体厚みが薄くても成形体に発生するクラック数は少ない。しかし、キャビティ数が2つになると、クラックの発生が顕著となる。例えば、本発明によるヨークを設けることなく得られた厚みが2mmの成形体(試料b)はそのほとんどにクラックが発生している。これに対して、本発明によるヨークを設けることにより、クラック数を50%以下に低減することができる(試料c〜g)。特に、ヨークの横断面積A2が内接円面積A1の1.5倍以上(試料d〜g)になるとクラック低減効果が大きい。成形体の密度差を見ると、クラック数が多いと密度差が大きくなっており、磁場印加によりに磁性粉末が金型キャビティ内で移動することによって、成形体に密度差が生じ、クラックの発生に至っているものと解される。
Claims (8)
- 弱磁性体又は非磁性体からなる臼型に形成される複数の金型キャビティに磁性粉末を供給する工程と、
前記金型キャビティ内の前記磁性粉末に、所定方向の磁場を印加し、かつ前記所定方向の圧力を加えることで成形体を作製する工程と、
前記成形体を焼結する工程と、を含み、
前記成形体を作製する工程において、前記臼型の鉛直方向に、強磁性体からなるヨークを配置した状態で、前記磁性粉末に前記磁場を印加することを特徴とする焼結磁石の製造方法。 - 前記成形体の厚みが5mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の焼結磁石の製造方法。
- 複数の前記金型キャビティが水平方向で内接する円の面積をA1、
前記ヨークの横断面積をA2とすると、
A2/A1≧1.5であることを特徴とする請求項1又は2に記載の焼結磁石の製造方法。 - 前記所定方向の圧力を加える下パンチ及び上パンチを備え、前記下パンチの周囲に前記ヨークを配置した状態で、前記磁性粉末に前記磁場を印加することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の焼結磁石の製造方法。
- 前記成形体を作製する工程では、前記下パンチの上面と前記ヨークの上面が略同じ高さとなるように配置することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の焼結磁石の製造方法。
- 複数の前記金型キャビティは、前記磁場の中心から偏心した位置にその中心が配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の焼結磁石の製造方法。
- 成形すべき成形体の形状に応じた複数の孔を有し、弱磁性体又は非磁性体からなる臼型と、
前記臼型の複数の前記孔内に位置し、強磁性体からなる下パンチと、
前記臼型の複数の前記孔に上側から挿入され、前記孔内で前記下パンチに対して相対的に昇降可能に設けられた上パンチと、
前記臼型の鉛直方向に設けられる強磁性体からなるヨークと、
前記臼型、前記下パンチ及び前記上パンチから構成されるキャビティに対して、前記昇降の方向の磁場を印加するコイルと、
を備えることを特徴とする磁場中成形装置。 - 複数の前記孔が平面方向で内接する円の面積をA1、
前記ヨークの横断面積をA2とすると、
A2/A1≧1.5であることを特徴とする請求項7に記載の磁場中成形装置。
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