JP2006508241A - 異方性磁石粉末の製造方法及びこの粉末より成る異方性ボンド磁石 - Google Patents

異方性磁石粉末の製造方法及びこの粉末より成る異方性ボンド磁石 Download PDF

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Abstract

本発明は、異方性磁石粉末の製造に、その出発材料に水素化及び脱水素化工程、即ちHDDR法により粉末を製造する改善方法及びこのような粉末から製造した磁石、特にボンド磁石に関する。その出発材料として異方性方位を有する磁石材料、特に磁石スクラップを使用し、従って硬磁性結晶のc−軸の等方性方位を有する高価な融成物を使用する必要がない。

Description

本発明は、請求項1の前文に記載の異方性磁石粉末の製造方法及びこのような粉末より成る異方性ボンド磁石に関する。
Nd−Fe−Bより成る焼結磁石を製造する際、磁石スクラップとも呼ばれる焼結した磁石屑が生じる。これらの磁石スクラップは、例えば工作部材又は等圧圧縮(静水圧圧縮成形)部材又はブロックの未加工磁石の端片、磁石として或いは塊状で使用できない、もしくは不完全に被覆された部材並びに過剰分から構成される。このような磁石スクラップは、相対的に高い金属価値を有する。しかし磁石の製造に再利用するには、この状態の材料は、例えばNi、C、Oのような不純物を含んでおり、再利用を困難なものにする諸々の問題を抱えており、従って高い出費を要する。目下のところ、その再利用の可能性は、それらの磁石スクラップを新たな融成物に加え、その際その混合したものを新たに秤量する。更に磁石スクラップのNi不純物を十分に分離し、粉砕し、新たに製造した組成の適正な他の粉末と混合して、焼結磁石に加工することも可能である。最終的に、カルシウムで直接還元することにより再生することも公知である。新しい焼結磁石を製造するためのこの再生利用法の場合、磁石の品質或いは高価格の故に損害が生じる。従って再利用の際のこれらの障害のため、磁石スクラップが使用されずに多量に溜まることになる。
プラスチックと結合したボンド磁石の製造に、磁石スクラップを使用することにより生ずる不純物は、その容量に点で、ごく些細な(希釈)に過ぎず、従って殆ど問題とならない。勿論この磁石スクラップを粉砕し、その粉末をボンド磁石に加工する場合、その材料が予め全く抗磁力(Hc)の不足を示さない場合を除いて、その粉砕時に抗磁力(Hc)が著しく減少するという問題が起こる。この磁石粉末が空気中に堆積することにより、その表面、従ってまたその磁石特性は結晶核の生成により更に損傷される。それ故このような磁石は、中温又は弱い縦方向の磁場で使用した場合不安定になろう。
Nd−Fe−Bをベースとする高原子価の異方性のボンド磁石の製造に、いわゆるHDDR法を使用することは、独国特許出願公開第19950835号明細書(愛知製鋼所)から公知である。その際硬磁性結晶のc−軸の異方性に分布した塊状のNd−Fe−Bの融成物から、特殊なプロセス中の水素化及び脱水素化により適切な異方性と抗磁力を有する粉末が製造される。従ってこのプロセスには、α−Fe及び遊離Ndを殆ど含むことを許さない、均質な融成物を使用しなければならない。その他に、粗い柱状結晶の材料を使用する必要がある。従ってこの方法は、大きな出費を伴い、高価なものにつく。
これは、HDDR法においては結晶の結晶学的方位を示す図2から明らかなように、出発材料としてNdFeBをベースとする合金製インゴットを使用することにより問題が生ずる。左側の図から明らかなように、親合金の結晶に相当する晶粒は、そのc−軸の結晶学的方位を示す。この方位は、通常隣接する晶粒の方位と異なっており、即ちc−軸の方位に不整な分布が存在する。またこの融成物中で、晶粒は相対的に粗い。その他に、粗いα−FeとNdの豊富な析出物もしくは堆積物による不均質性の問題が存続する。
中央もしくは右の図面にスケッチしてある反転相転移の場合、R2Fe14Bから、まずRH2(Rは希土類元素を表す)、Fe及びFe2Bより成る混合物が形成される。それらの反応は、Fe2B相のc−軸の結晶学的方位が変化していない、即ちFe2Bの方位が親合金の晶粒の方位と一致していることを示している。最終的に、再結合された微細構造が得られ、その際矢印は、R2Fe14BHx相のc−軸の結晶学的方位を示している。この相の方位もその晶粒の親合金の相の方位と一致している。
同様に、融解した合金の水素化及び脱水素化(HDDR)に基づく異方性のR−T−B磁石粉末を製造する類似のプロセス及びボンド磁石への使用は、独国特許第69315807号明細書に記載されている。
従来技術によりHDDR法を工業的に行う場合、一方では、温度、水素圧力等のような多数のパラメータの影響が、また他方では、その出発材料(融成物)の組成及び微細構造が問題となる。これは、例えば残留磁気と飽和分極の比率として表示可能な、生成した粉末の異なる異方性として示される。1に近い比率を得るべく努力されているが、実際には達成されていない。
本発明の課題は、異方性の磁石粉末と、このような粉末より成るボンド磁石を製造する改善法を提供することにある。
この課題は、請求項1又は2に記載の特徴を有する異方性の磁石粉末の製造方法もしくは請求項18に記載の特徴を有し、このようにして製造した粉末から成るボンド磁石により解決される。
有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
異方性の磁石粉末をそれ自体公知のHDDR法の使用下に製造する方法は有利である。この際本発明では、出発材料として硬磁性の結晶のc−軸の等方性分布を有する融成物の代わりに、異方性を有する磁石材料、つまり既に配向した結晶を使用する。従って出発材料として磁石スクラップを使用することができ、有利である。
この出発材料に、より微細な結晶サイズと、例えば酸化物、α−Fe、Ndの豊富な相、ホウ化物のような異質の相が均質に分布した、配向済みの結晶を使用すべきである。公知のHDDR法の場合、遊離鉄又は、しばしば多数のmm単位以上のSEの豊富な相のような不所望な異質相の大きな晶粒及び粗い析出物を甘受しなければならないのに対して、ここに記載する方法では、特に平均晶粒度が1mm以下のもの、90容量%以上の硬磁性成分及び0.5mm以下の異質相成分を含む出発材料を使用する。特に磁石スクラップの使用は、容易に精錬でき、またそれらの条件を満たす出発材料を提供する。それ自体公知の水素化及び脱水素化もしくは脱離工程をこの種の出発材料に使用すると、最終的に、特に0.5mm以下のサイズの微粒子を含む粉末を提供できる。この粉末から、配向した磁場内で、例えばBHmaxが10MGOe(80kJ/m3)以上のエネルギー積を提供するボンド磁石を製造できることは有利である。
この磁石材料が、硬磁性相のSE2TM14B(SEはYを含めた希土類元素を、またTMは、例えばFe、Co、Niのような遷移金属を表す)を含む永久磁石材料であると有利である。その他にSi、Zr、Tb、Ga、Al等の添加物は、C、O、N及びSの不可避分を含有できる。特にこの粉末をプラスチック又は金属との結合によるボンド磁石の製造に使用する場合、このような添加物は、殆ど或いは全く欠点とはならない。
この出発材料が粗い塊状物、即ちその結晶の大きさが粒子サイズの精々75%である粉末でできていると有利である。そのため、出発材料を水素化/脱水素化処理する前に、粉砕し、篩分け又は分別により選別し、かつ異質相分と分離してもよい。出発材料を予め磁石の品質(抗磁力)により分別して集め、不純物を最低限に抑えるため脱油、熱分解、分別等により精錬するとよい。更に出発材料を真空中、希ガス又は水素中で強熱することにより、この材料の表面を浄化する。その際例えば脱離、脱酸素又は脱炭素反応が利用可能である。
この水素化/脱水素化処理の後、600℃以下の温度で希ガス又は真空雰囲気下に熱処理を行う。この処理は、場合によってはなお材料中に含まれる水素の痕跡を低下させ、粒子表面の障害となるものを除去し、その結果この粉末もしくは粉末から製造した磁石の安定性を高める。これは、高温時のボンド磁石の回復不能な損傷を減少させる。
HDDR処理後又は引続いての熱処理後に、所望の粒度に粉砕すると有利であり、その際平均粒度は5〜400μmが有利である。最終的に得られたこの粉末を、比較的少ない装填量でテストし、引続き異なる粉末と混合して均質化すると有利である。特に0.5mm以上の粉末分の除去には、篩分けが有利である。
但しそれらの粗粒分は更なる破砕及び篩分けの後、その磁気特性を劣化することなく使用できることが判明している。この収量の向上は、本発明方法の重要な利点の1つを意味する。融成物を出発材料とする従来のHDDR法の場合、鉄分やNd分の豊富な析出物を殆ど回避できず、処理後にその粗粒分の一部を分離できるが、使用不能のものである。つまりこの従来の材料の粗粒分は、本発明によるものよりも明らかに特性が劣っている。
上記の欠点に対処するため、従来法では、溶解した出発材料を均質化のため付加的に強熱し、粗粒の異質相分をより均等に分布させ、精錬して、改善しようとしている。これは、経験上極めて不完全にしか成功せず、それ故高温でのこの均質化処理を必要としない本発明方法は、一層均等で、ほぼ粒子サイズを顧慮する必要のない品質の粉末が存続することは有利である。
32μm以下の寸法の微粒子分を最大10%までに制限することも、それらの微粒子分が他の材料よりも低い抗磁力を示すことから有利である。
この粉末を、最終的に腐食作用等を回避するため被覆してもよい。例えば有機の抗酸化物又は金属層が有効である。この被覆処理により、高温時の回復不能な損傷も同様に削減され、その耐食性が向上する。
有利な実施形態では、最終的にこの粉末から70%以上の方位度(異方化率>0.7)を有するボンド磁石が製造される。このようなボンド磁石の場合、特に有利な1実施形態では、63容量%或いはそれ以上の磁性成分もしくは磁性粒子の充填度を達成できる。この考え方では、粒の大きさとは、結晶の大きさのことであり、粒子サイズではない。異質相とは、それらの磁気特性(Br、HcJ)が、硬磁性相の場合よりもほぼ50%以上低下する全ての相成分を意味する。また磁石スクラップとは、一般に諸々の理由から使用することのできない磁性金属及び磁石のことを云う。例えば磁石スクラップは寸法的、磁気的、光学的、又は不十分に被覆された部材より成り得る。
ボンド磁石とは、プラスチック又は金属マトリックス中に結合された硬磁性相を含む粉末でできた磁石のことを云う。充填度とは、一般に磁石の全容量に対する金属粉末の容量比(%)を云う。
1実施例を図面に基づき以下に詳述する。
図1から明らかなように、まず最初に出発材料として異方性の磁石材料、即ち既に配向させてある結晶及び十分に均質な微粒組織を用意する。従って出発材料として磁石くずもしくは磁石スクラップを使用することができ、有利である(工程S1)。
この磁石材料は、既に配向済みの結晶を含み、その際その結晶寸法は、公知のHDDR法によるNdFeBベースの合金製インゴットを準備する場合よりも微細である。この選択した出発材料により、通常、異質相(例えば酸化物、α−Fe、Ndの豊富な相、ホウ化物)のより均質な分布が生じ、従ってHDDR法を特に有利に利用できる。出発材料としてSE2TM14Bを使用すると有利であり、その際SEはYを含めた希土類元素を、またTMはFe、Co、Ni等を含めた遷移金属を表す。一般に公知であるように、C、O、N及びSの不可避成分を含めて、例えばSi、Zr、Y、Tb、Ga、Al、Nb、Hf、W、V、Mo、Ti等の添加も可能である。
この出発材料を分別、特に磁気特性及び磁石材料に応じて分別する(S2)と有利である。こうしてそれらの粒子の抗磁力の特に局限した分布が得られる。
次いで、個々に分別した装填量を、特に脱油、熱分解及び分離を経て浄化する。その後この出発材料を所望の粉末サイズ、特に0.5mm以下の粒度の粉末に粉砕する(S3)。真空、希ガス又は水素中での強熱による浄化は、特に出発材料の表面の酸素及び炭素を除去する。
これらの層の残渣、微塵、その他のような不所望な不純物を、例えば篩分けにより分離することも有利である。
独国特許出願公開第19950835号明細書からそれ自体公知のHDDR法を、その明細書と十分広範に関連させて引続き行う(S4〜S6)。
このHDDR処理では、第1の工程で、例えばNdFeBベース合金より成る出発材料に、低温で水素化処理を行う(S4)。このNdFeBベース合金は、高い水素圧力下及び特に600℃以下の温度で水素を吸蔵し、その結果この合金は、不均化反応の惹起或いは誘発に十分な水素を蓄積する、Nd2Fe14BHxより成る水素化物となる。引続きこの水素化物に高温で、第2の水素化工程(S5)を施す。この工程中に、蓄積した水素の消費後、不均化反応に必要な水素を供給するため、水素化物を、適切な水素圧力下に760〜860℃の温度に加熱する。その結果適当な反応速度、即ち置換速度下に、NdH2、Fe及びFe2Bから成る混合物を生成する安定した相転移が起こる。その際Fe2B相は、これが元の結晶学的方位を維持し、再結合工程(S6)中に新たに生成したNd2Fe14Bの晶粒に転移するように形成される。その結晶学的方位を図2に示す。このFe2B相の結晶学的方位並びにNd2Fe14Bマトリックス相の結晶学的方位が一致していることが認められる。
更にもう1つの工程(S6)で、この混合物に再結合、脱水素化もしくは脱離工程を行い、その際特に約0.3μmのサブミクロンの晶粒サイズを含むNdFeBが生成される。
このプロセスに基づき生成された粉末粒子が多数のサブミクロンの微晶粒を含んでいるため、これらの微晶粒の極めて適正な異方性が、この粉末から製造した磁石の異方性を決定する。
出発材料として既に異方性を備えた磁石材料を使用することより、本発明により製造した粉末の異方性の形成は、一層うまくいく。その主たる要因は、HDDR処理した材料を粉砕する際に、異なる配向を有する移行帯が回避されることにある。これに関しては、更に引続き図2及び図3において詳述する。
1mm以下、特に0.1mm以下の平均粒度のこの異方性粒子の材料から出発して、更に小さい、サブミクロン粒度のものを生成するとよい。第1の脱離段階で、反転相転移(Umkehrphasenumwandlung)を、脱離反応を維持できる程度に水素圧力を高く保持して、できるだけ均等に行う。再結合したNd2Fe14Bマトリックス相は、Fe2B相の結晶学的方位と一致して、その結晶学的方位を維持し続けるようにして成長する。合金中になお多量の水素が存在することから、この工程中に、合金は再びNd2Fe14BHxより成る水素化物となる。従って引続き水素を高真空下にできるだけ完全に合金から脱水素化又は脱離する。
再結合されたNd2Fe14Bマトリックス相は、元の結晶学的方位と一致し、その結晶学的晶粒の方位と高度に整合した方位を示し、従って磁石もしくは磁石粉末に高度な異方性が付与される。同時にその相は、微細かつ均等に粒状加工された微細構造を示し、これが高い抗磁力(Hc)を生ずる。
図3には、HDDR処理前及び処理後の異方性の出発材料を示す。図2)に比べて、この処理済材料の破砕時に、破砕面の方向は重要でないことを明瞭に示している。それに対して、従来法の場合、全体として様々な配向をもつ範囲を通して破砕が進行するのを回避できない。その結果、かなりの粉末粒子がその内部領域に異なる方位を持つ。1つの磁場内でこれらの粒子を配向させた後、異方性磁石に製造すると、当然その誤配向はその儘残る。
本発明によるプロセスでは、方位のさまざまな領域は生じないので、粉末の更に高い異方化率(特に0.8以上)が達成される。
生成された異方性磁石粉末は、傑出した磁気特性を示し、例えばボンド磁石又は焼結磁石の製造に使用できる。
HDDR処理後、更なる処理工程(S7)で、少ない装填量でテストを行った。必要に応じて更なる粉末化を行う。しばしば異なる装填原料からの、異なる特性を有する粉末の混合により均質化することも有利である(S8)。この粉末は、その後ボンド磁石を製造するため、配向させた磁場内で使用できる(S10)。ボンド磁石又は焼結磁石に仕上げる(S10)前に、この粉末を被覆することも可能である(S9)。
生成した磁石粉末をHDDR処理後の工程中に、0.5mm以上の粗粒度分を篩い分けにより分離すると有利である。特に32μm未満の粒度分を含む磁石粉末から最高10%の粗粒度分を篩分けすると有利である。また600℃以下の新たな熱処理を希ガス又は真空雰囲気中で行うことも有利である。
一見してこの合金は、その多くの原料成分が使える状態にある。希土類元素として、例えばイットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)及びルテチウム(Lu)の群からの単数又は複数の希土類元素を選択できる。通常鉄(Fe)及びホウ素(B)も、避けられない不純物と共にこの粉末の成分になる。希土類元素としては、ネオジム(Nd)が特に適する。磁気特性を改善するため、例えばガリウム(Ga)又はニオブ(Nb)のような他の材料も添加可能である。特に、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Zr、Mo、In、Sn、Hf、Ta、W及びPbからの単数又は複数の元素は、抗磁力及び消磁曲線の直角性を改善するのに特に有利である。こうして温度を高めて磁気特性を改善するため、Co元素の添加によりこの合金のキュリー温度を高めることができる。
独国特許出願公開第19950835号明細書からそれ自公知であるように、HDDR法を行うのに特に高周波炉又は溶融炉を使用できる。
ボンド磁石又は焼結磁石の製造は、それ自体公知の方法で実施可能である。例えば生成した磁石粉末を3重量%の割合で固体のエポキシ粉末と混合し、次いで電磁石と加熱素子を備えた圧縮機で、中温及び例えば20kOe(16kA/cm)の磁場で形に圧縮するとよい。但し、BHmaxが10MGOe(80kJ/m3)以上のエネルギー積を有するボンド磁石を製造することを奨める。
このような磁石の方位度は70%(異方化率0.7)又はそれ以上である。この磁性成分の充填度は少なくとも63容量%あると有利である。
本発明による異方性磁石粉末の製造処理工程を示す工程図面。 自体公知の従来技術によるHDDR法の実施前、実施中及び実施後の晶粒内の結晶学的方位を示す図。 自体公知のHDDR法の実施前、実施中及び実施後の本発明の出発材料の晶粒内の結晶学的方位を示す図。

Claims (21)

  1. SE−TM−B合金(SEはイットリウムを含めた希土類元素を、またTMは遷移金属を表す)をベースとする出発材料を準備し、
    水素化物を生成するため、水素圧力下に加熱する第1の水素化工程(S4)と、水素圧力下及び高温下に経過する相転移を惹起させる第2の水素化工程(S5)とにより、TMxB相、特にFe2B相を含む混合物を生成し、
    反転相転移(HDDR−hydrogenation−decomposition−desorption−recombination、水素化−分解−脱離−再結合法)(S6)により脱水素化工程を行う
    異方性磁石粉末の製造方法において、
    出発材料として、異方性方位を有する磁石材料を使用することを特徴とする異方性磁石粉末の製造方法。
  2. SE−TM−B合金(SEはイットリウムを含めた希土類元素を、またTMは遷移金属を表す)をベースとする出発材料を準備し、
    水素圧力下に加熱して水素化物を生成する第1の水素化工程(S4)と、水素圧力下及び高温下に経過する、相転移を惹起させる第2の水素化工程(S5)とにより、TMxB相、特にFe2B相を含む混合物を生成し、
    反転相転移(HDDR法)(S6)により脱水素化工程を行う
    異方性磁石粉末の製造方法において、
    前記出発材料が磁石材料として少なくとも一部が磁石スクラップより成ることを特徴とする異方性磁石粉末の製造方法。
  3. 磁石材料として、硬磁性相のSE2TM14B(SEはYを含む希土類元素を、またTMは遷移金属を表す)を含む永久磁石材料を使用する請求項1又は2記載の方法。
  4. 遷移金属として、Fe、Ni又はCoの元素の少なくとも1つを備えた請求項1、2又は3に記載の方法。
  5. C、O、N及び/又はS分を一部含んでいる添加物を含有する、請求項1から5の1つに記載の方法。
  6. 出発材料として、平均粒度1mm以下の磁石材料と、90容量%以上の硬磁性分及び/又は0.5mm以下の(異質相)の磁石材料を使用する請求項1から5の1つに記載の方法。
  7. 出発材料として、平均粒度0.1mm以下の磁石材料を使用する請求項1から6の1つに記載の方法。
  8. この出発材料を水素化処理/脱水素化処理前に、粉砕、篩分け又は分別する(S3)請求項1から7の1つに記載の方法。
  9. 出発材料として、最高でも粒子の大きさの75%の結晶サイズの磁石粉末を使用する(S3)請求項1から8の1つに記載の方法。
  10. 出発材料の特に異質相分を分離し、精錬する(S3)、請求項1から9の1つに記載の方法。
  11. 上記出発材料を水素化/脱水素化処理する前に、真空、希ガス又は水素中で強熱により精錬する(S3)、請求項1から10の1つに記載の方法。
  12. 水素化/脱水素化処理の後、希ガス又は真空雰囲気下に、特に600℃までの温度で熱処理を行う請求項1から11の1つに記載の方法。
  13. 生成した磁石粉末を混合により均質化する(S8)請求項1から12の1つに記載の方法。
  14. 生成した磁石粉末の0.5mm以上の粗粒度分を篩分けにより除去する請求項1から13の1つに記載の方法。
  15. 32μm未満の微粒子分を最高で10%含む磁石粉末を用意する請求項1から14の1つに記載の方法。
  16. 上記磁石粉末を被覆する(S9)請求項1から15の1つに記載の方法。
  17. ホウ素Bを一部炭素Cと置換える請求項1から16の1つに記載の方法。
  18. 請求項1から17の1つに記載の方法の使用下に、生成した磁石粉末から製造したプラスチック又は金属と結合したボンド磁石。
  19. BHmaxが80kJ/m3以上のエネルギー積を有する請求項18記載の磁石。
  20. 70%以上の方位度を有する請求項18又は19に記載の磁石。
  21. その磁性分の充填度が少なくとも63容量%である請求項18、19又は20記載の磁石。
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