JP2007119882A - R−t−b系合金及びr−t−b系合金薄片の製造方法、r−t−b系希土類永久磁石用微粉、r−t−b系希土類永久磁石 - Google Patents

R−t−b系合金及びr−t−b系合金薄片の製造方法、r−t−b系希土類永久磁石用微粉、r−t−b系希土類永久磁石 Download PDF

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Abstract

【課題】優れた磁気特性を有する希土類系永久磁石の原料であるR−T−B系合金を提供すること。
【解決手段】希土類系永久磁石に用いられる原料であるR−T−B系(但し、RはYを含む希土類元素のうち少なくとも1種、TはFeを必須とする遷移金属、Bは硼素である。)合金であって、短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相を含む領域の体積率が0.5〜10%であるR−T−B系合金とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、R−T−B系合金及びR−T−B系合金薄片の製造方法、R−T−B系希土類永久磁石用微粉、R−T−B系希土類永久磁石に係り、特にストリップキャスト法により製造されるR−T−B系合金薄片に関するものである。
永久磁石の中で最大の磁気エネルギー積を有するR−T−B系磁石は、その高特性からHD(ハードディスク)、MRI(磁気共鳴映像法)、各種モーター等に使用されている。近年、R−T−B系磁石の耐熱性向上に加え、省エネルギーへの要望が高まっていることから、自動車を含めたモーター用途の比率が上昇している。
R−T−B系磁石は、主成分がNd、Fe、Bである事からNd−Fe−B系、あるいはR−T−B系磁石と総称されている。R−T−B系磁石のRは、Ndの一部をPr、Dy、Tb等の他の希土類元素で置換したものが主であり、Yを含む希土類元素のうち少なくとも1種である。TはFeの一部をCo、Ni等の他の遷移金属で置換したものである。Bは硼素であり、一部をCまたはNで置換できる。また、R−T−B系磁石には、添加元素としてCu、Al、Ti、V、Cr、Ga、Mn、Nb、Ta、Mo、W、Ca、Sn、Zr、Hfなどを1種または複数組み合わせて添加してもよい。
R−T−B系磁石となるR−T−B系合金は、磁化作用に寄与する強磁性相であるR214B相を主相とし、非磁性で希土類元素の濃縮した低融点のRリッチ相が共存する合金で、活性な金属であることから一般に真空又は不活性ガス中で溶解や鋳造が行われる。また、鋳造されたR−T−B系合金塊から粉末冶金法によって焼結磁石を作製するには、合金塊を3μm(FSSS:フィッシャーサブシーブサイザーでの測定)程度に粉砕して合金粉末にした後、磁場中でプレス成形し、焼結炉で約1000〜1100℃の高温にて焼結し、その後必要に応じ熱処理、機械加工し、さらに耐食性を向上するためにメッキを施し、焼結磁石とするのが普通である。
R−T−B系焼結磁石において、Rリッチ相は、以下のような重要な役割を担っている。
1)融点が低く、焼結時に液相となり、磁石の高密度化、従って磁化の向上に寄与する。
2)粒界の凹凸を無くし、逆磁区のニュークリエーションサイトを減少させ保磁力を高める。
3)主相を磁気的に絶縁し保磁力を増加する。
従って、成形した磁石中のRリッチ相の分散状態が悪いと局部的な焼結不良、磁性の低下をまねくため、成形した磁石中にRリッチ相が均一に分散していることが重要となる。ここでRリッチ相の分布は、原料であるのR−T−B系合金の組織に大きく影響される。
また、R−T−B系合金の鋳造において生じるもう一つの問題は、鋳造された合金中にα−Feが生成することである。α−Feは、変形能を有し、粉砕されずに粉砕機中に残存するため、合金を粉砕する際の粉砕効率を低下させるだけでなく、粉砕前後での組成変動、粒度分布にも影響を及ぼす。さらに、α−Feが、焼結後も磁石中に残存すれば、磁石の磁気特性の低下をもたらす。そのため、α−Feは、原料合金からは極力排除されるべきものとして扱われてきた。そこで従来の合金では、必要に応じ高温で長時間にわたる均質化処理を行い、α―Feの消去を行っていた。原料合金中の少量のα−Feであれば、均質化熱処理によって除去することが出来る。しかし、α−Feは包晶核として存在するため、その消去には長時間の固相拡散が必要であり、厚さ数cmのインゴットで希土類量が33%以下となると、α−Feの消去は事実上不可能であった。
このR−T−B系合金中にα−Feが生成する問題を解決するため、より速い冷却速度で合金塊を鋳造するストリップキャスト法(SC法と略す。)が開発され実際の工程に使用されている。
SC法は、内部が水冷された銅ロール上に溶湯を流して0.1〜1mm程度の薄片を鋳造することにより、合金を急冷凝固させる方法である。SC法では、溶湯を主相R14B相の生成温度以下まで過冷却するため、合金溶湯から直接R14B相を生成することが可能であり、α‐Feの析出を抑制することができる。さらに、SC法を行なうことにより合金の結晶組織が微細化するため、Rリッチ相が微細に分散した組織を有する合金を生成することが可能となる。Rリッチ相は水素雰囲気中で水素と反応、膨張し脆い水素化物となる。この性質を利用すると、Rリッチ相の分散程度に見合った、微細なクラックが導入される。この水素化工程を経てから微粉砕すると、水素化で生成した多量の微細クラックをきっかけに合金が壊れるため、粉砕性が極めて良好となる。このように、SC法で鋳造された合金は、内部のRリッチ相が微細に分散しているため、粉砕、焼結後の磁石中のRリッチ相の分散性も良好となり、磁石の磁気特性の向上に成功している(例えば、特許文献1参照)。
またSC法により鋳造された合金薄片は、組織の均質性も優れている。組織の均質性は、結晶粒径やRリッチ相の分散状態で比較することが出来る。SC法で作製した合金薄片では、合金薄片の鋳造用ロール側(以降、鋳型面側とする)にチル晶が発生することもあるが、全体として急冷凝固でもたらされる適度に微細で均質な組織を得ることが出来る。
以上のように、SC法で鋳造したR−T−B系合金は、Rリッチ相が微細に分散し、α−Feの生成も抑制されているため、焼結磁石を作製する場合には、最終的な磁石中のRリッチ相の均質性が高まり、またα−Feに起因する粉砕、磁性への弊害を防止することができる。このように、SC法で鋳造したR−T−B系合金塊は、焼結磁石を作製するための優れた組織を有している。しかし、磁石の特性が向上するにつれて、ますます原料合金の組織、特にRリッチ相の存在状態の高度な制御が求められるようになってきている。
先に本発明者らは、鋳造されたR−T−B系合金の組織と、水素解砕や微粉砕の際の挙動との関係を研究した結果、焼結磁石用の合金粉末の粒度を制御するためには、Rリッチ相の分散状態を制御することが重要であることを見出した(例えば、特許文献2参照)。そして、合金中の鋳型面側に生成されるRリッチ相の分散状態が極端に細かな領域(微細Rリッチ相領域)は微粉化しやすく、合金の粉砕安定性を低下させると共に、粉末の粒度分布をブロードにすることを見出し、微細Rリッチ相領域を減少させることが磁石特性を向上させるために必要であることを確認した。
特開平5−222488号公報 特開2003-188006号公報
しかしながら、上記の特許文献2に示すR−T−B系合金においても、より一層、磁気特性を向上させることが要求されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、優れた磁気特性を有する希土類系永久磁石の原料であるR−T−B系合金を提供することを目的とする。
本発明者らは、様々な条件で鋳造凝固させた合金薄片の断面組織を詳細に観察し、2−17相の析出状態と磁気特性に関係があることを見出した。そして、本発明者は、合金中に微細な2−17相(R17相)を析出させることで、磁気特性向上をもたらす事が可能であるという知見を得た。
また、本発明者らは、微細なR17相が存在する合金、あるいはSC法における鋳造ロール上での冷却速度や鋳造ロールを離脱する温度を制御した合金から作製した焼結磁石の保磁力が安定して増加し、優れた磁気特性が得られる事実を確認し、本発明に至った。
すなわち本発明は、下記の各発明を提供するものである。
(1)希土類系永久磁石に用いられる原料であるR−T−B系(但し、RはYを含む希土類元素のうち少なくとも1種、TはFeを必須とする遷移金属、Bは硼素である。)合金であって、短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相を含む領域の体積率が0.5〜10%であることを特徴とするR−T−B系合金。
(2)短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相と、短軸方向の平均粒径が3μm以下のRリッチ相とが共存している領域の体積率が0.5〜10%であることを特徴とする(1)記載のR−T−B系合金。
(3)短軸方向の平均粒径が10μm以上のR17相を含む領域の体積率が10%以下であることを特徴とする(1)または(2)に記載のR−T−B系合金。
(4)短軸方向の平均粒径が5μm以上のR17相を含む領域の体積率が10%以下であることを特徴とする(1)ないし(3)のいずれかに記載のR−T−B系合金。
(5)R17相は非平衡相であることを特徴とする(1)ないし(4)のいずれかに記載のR−T−B系合金。
(6)ストリップキャスト法で製造された平均厚さ0.1〜1mmの薄片であることを特徴とする(1)ないし(5)のいずれかに記載のR−T−B系合金。
(7)ストリップキャスト法によるR−T−B系合金薄片の製造方法であって、
平均厚さを0.1〜1mmとするとともに、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒10g以上とすることを特徴とするR−T−B系合金薄片の製造方法。
(8)前記鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度が、毎秒500〜3000℃であることを特徴とする(7)に記載のR−T−B系合金薄片の製造方法。
(9)前記鋳造ロールを離脱するR−T−B系合金の平均温度が、前記R−T−B系合金のR14B相の平衡状態での凝固温度よりも100〜400℃低いことを特徴とする(7)または(8)に記載のR−T−B系合金薄片の製造方法。
(10)(7)ないし(9)のいずれかに記載のR−T−B系合金薄片の製造方法により作製されたR−T−B系合金。
(11)(1)ないし(6)または(10)のいずれかに記載のR−T−B系合金から作製したR−T−B系希土類永久磁石用微粉。
(12)(11)に記載のR−T−B系希土類永久磁石用微粉から作製されたR−T−B系希土類永久磁石。
本発明のR−T−B系合金は、短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相を含む領域の体積率が0.5〜10%であるので、保磁力の高い磁気特性に優れた希土類永久磁石を実現できる。
また、R−T−B系合金薄片の製造方法では、SC法によって製造し、平均厚さを0.1〜1mmとするとともに、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒10g以上とすることで、保磁力の高いR−T−B系合金が得られる。
図1は、本発明のR−T−B系合金の一例を示した写真であり、R−T−B系合金の薄片の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したときの写真である。
図1に示すR−T−B系合金は、SC法で製造されたものである。このR−T−B系合金の組成は、重量比でNd22%、Dy9%、B0.95%、Co1%、Al0.3%、Cu0.1%、残部Feであり、過冷却の大きい通常のSC法では、R17相は析出せず、常温の平衡状態においてもR14B相の融点である1170℃以下の温度ではR17相は安定に存在しない組成である。図1において、Rリッチ相は白色で示され、R17相は主相R14B相よりも若干暗い色で示されている。
図1に示すように、R−T−B系合金は、全体的にR14B相の柱状晶とその長軸方向に伸張したRリッチ相とから構成されている。R14B相は、主に柱状晶、一部等軸晶からなり、その短軸方向の平均結晶粒径は10〜50μmである。R14B相の粒界と粒内には、柱状晶の長軸方向に沿って線状のRリッチ相、あるいは一部が途切れるか粒状となったRリッチ相が存在する。R14B相の粒界と粒内に存在するRリッチ相の平均間隔は3〜10μmである。また、図1に示すように、R−T−B系合金には、非常に微細なR17相とRリッチ相とが共存している領域が、それぞれ面積比率(体積率)で3%程度存在している。
(1)R17
図1に示すR−T−B系合金において、R17相は、希土類−鉄系の2元状態図に常温から高温域まで安定に存在する組成幅を有しない金属間化合物である。常温では面内異方性の軟磁性相であり、R−T−B系焼結磁石中に存在すれば、逆磁区のニュークリエイションサイトとして機能し保磁力の低下をもたらす。しかし、原料合金中に少量のR17相が存在したとしても、焼結過程で消滅して無害化される場合が多い。また、R17相は展延性を有しない金属間化合物であるため、磁石作成工程での粉砕挙動に対する影響は殆ど無い。
また、R17相はDy、Tbなどの重希土類の比率が多くなると、α−Feに代わって初晶として析出する。磁気的にソフトであるが、上記のとおりα−Feのような粉砕挙動への影響は少なく、SC法では大きな過冷却によってα−Fe同様に生成を防止することができる。
(2)R17相の結晶粒径
図2は、図1に示した写真の拡大写真であり、図1において白線で囲んだ領域およびその周辺領域の写真である。図2において白線で囲んだ領域は、R17相の析出した領域を示している。
R−T−B系合金のR17相の短軸方向の平均結晶粒径は細かいほどよく、図1に示すR−T−B系合金では1〜2μm程度である。上記したようにR17相の結晶粒径が大きくなると、焼結時に消滅しにくくなり、焼結体に残存すると磁気特性の低下を招く。焼結温度の上昇、焼結時間の増加で消滅は可能であるが、主相結晶粒も粗大化するため、保磁力低下の原因となる。R17相の短軸方向の平均結晶粒径を3μm以下とすることで、本発明の効果をもたらすことが可能となる。
粗大なR17相の弊害は、焼結体への残存可能性、焼結温度上昇、時間増大によってもたらされる保磁力あるいは角型性の低下のほかに、配向率の低下となって現れる。配向率低下の原因は2つ考えられる。一つ目は、R17相が面内異方性であり、R14B相とは磁化も異なるために磁場中成型中のR14B相配向挙動に影響する可能性があること。2つ目は、焼結温度で小さなR17相は隣接するR14B相に合体するか、液相となるものと考えられる。しかし、R17相が主相R14B相の粒度程度まで大きくなると、消滅までに時間がかかり、消滅するまでの間に近傍のBリッチ相等と反応して、R14B相の核を生成、成長することが考えられる。ここで新規に核生成、成長したR14B相の結晶方位はランダムとなるため、全体としての配向率の低下をもたらす。
(3)R17相を含む領域の体積率
本発明では、図2に示すようにR17相が析出している領域を「R17相を含む領域」と定義する。この領域は、周囲の主に柱状晶の主相と、その長軸方向に伸長したRリッチ相からなる合金組織部分からは容易に区別することが出来る。
特にR17相の短軸方向の平均粒径が3μm以下の場合、上記した焼結性改善と磁気特性の向上の効果が認められ、その好ましい体積率は0.5〜10%である。短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相の体積率が0.5%よりも少ないと焼結性改善と磁気特性の向上の効果が少なくなる。また、短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相の体積率が10%よりも多いと粉砕時の組成、粒度変動が大きくなり、磁気特性の変動が大きくなるし、配向率低下による磁化減少も発生する。短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相のより好ましい体積率は1〜5%である。ただし、R17相の短軸方向の平均結晶粒径が5μmを超えるとR17相析出の効果は乏しくなり、そのようなR17相を含む領域の体積率が10%を超えると磁気特性の変動が大きくなる。また、R17相の短軸方向の平均粒径が10μm以上となりその体積率が10%以上となると磁気特性が明らかに低下する。また、短軸方向の平均粒径が10μm以上のR17相を含む領域のより好ましい体積率は5%以下である。
(4)R17相の安定性
本発明の好ましい実施態様におけるR−T−B系合金に存在するR17相は非平衡相(準安定相)として存在することを特徴とする。準安定相として存在する析出物は、本発明のR−T−B系合金を構成するR17相に限らず、エネルギー的に高い状態にあるため、拡散が十分機能する高温域、例えばその化合物の絶対温度で示される分解温度の1/2程度で消滅する。非平衡相として存在するR17相の消滅に要する時間は温度、R17相の大きさなどに依存するが、平衡状態で存在するR17相と比較して消滅は容易であり、磁石作製工程では数時間以内の一般的な焼結時間内で消滅する。
(5)Rリッチ相
本発明の好ましい実施態様におけるR−T−B系合金では、図2に示すようにR17相析出部位にRリッチ相が同程度の大きさで共存している。Rリッチ相は微粉砕前の水素解砕工程で水素を吸蔵、膨張、脆化し、微細なクラックの起点となる。R17相を含む領域は、Rリッチ相が共存していることにより、R14B相よりも細かく粉砕され、微細なR17相の効果がさらに高められる。また、Rリッチ相の分散性が良くなることで焼結性もさらに改善される。しかし、Rリッチ相の短軸方向の平均粒径が10μm程度に大きくなると、Rリッチ相だけからなる微粉が増加し、成型体中での均質性が低下し、焼結性の悪化をもたらす。また、焼結体中のRリッチ相の均質性も低下するため、保磁力が低下する。さらに、水素化されたRリッチ相は主相よりも脆いため、粉砕初期に短時間で微粉化され、粉砕時の組成、粒度変動を増大させ、特性変動の原因となる。したがって、Rリッチ相の短軸方向の平均粒径は、3μm以下とされることが望ましい。
(6)ストリップキャスト法(SC法)
図1に示す本発明のR−T−B系合金は、ストリップキャスト法で製造された薄片である。本発明のR−T−B系合金は、例えば、以下に示すSC法によって鋳造することができる。
図3は、SC法によって鋳造するための装置を示した模式図である。通常、R−T−B系合金は、その活性な性質のため真空または不活性ガス雰囲気中で、耐火物ルツボ1を用いて溶解される。溶解されたR−T−B系合金の溶湯は1300〜1500℃で所定の時間保持された後、必要に応じて整流機構、スラグ除去機構を設けたタンディッシュ2を介して、内部を水冷された鋳造用回転ロール3(鋳造ロール)に供給される。溶湯の供給速度と鋳造ロールの回転数は、求める合金の厚さに応じて制御される。一般に鋳造ロールの回転数は、周速度にして0.5〜3m/s程度である。鋳造ロールの材質は、熱伝導性がよく入手が容易である点から銅、或いは銅合金が適当である。鋳造ロールの材質や鋳造ロールの表面状態によっては、鋳造ロールの表面にメタルが付着しやすいため、必要に応じて清掃装置を設置すると、鋳造されるR−T−B系合金の品質が安定する。鋳造ロール上で凝固した合金4はタンディッシュの反対側でロールから離脱し、捕集コンテナ5で回収される。捕集コンテナに加熱、冷却機構を設けることでRリッチ相の組織の状態を制御できることは、特開平10‐36949に記載されている。また、本発明において、ロール離脱後の冷却、保温は、Rリッチ相の分散状態を制御するために、幾つかの工程に分解して制御してもよい。具体的には例えば、最終的に捕集コンテナで収集する以前に加熱冷却機構を設けて、合金の加熱、保温、冷却を実施することで、合金の組織の大きさと均質性、粉砕後の微粉の粒度分布、金型への供給性、嵩密度、焼結時の縮率の調整、磁気特性の改善が可能である。
(7)合金の厚さ
本発明のR−T−B系合金は、平均厚さ0.1mm以上1mm以下の薄片とするのが好ましい。薄片の平均厚さが0.1mmより薄いと凝固速度が過度に増加し、Rリッチ相の分散が細かくなりすぎる。また、薄片の平均厚さが1mmより厚いと凝固速度低下によるRリッチ相の分散性の低下、α−Feの析出、R17相の粗大化などを招く。
(8)鋳造ロールへの平均溶湯供給速度
鋳造ロールへの平均溶湯供給速度は、幅1cmあたり毎秒10g以上とすることができ、幅1cmあたり毎秒20g以上とすることが好ましく、幅1cmあたり毎秒25g以上とすることがさらに好ましく、さらに好ましくは毎秒100g以下とする。溶湯の供給速度が毎秒10gよりも低下すると、溶湯自身粘性、鋳造ロール表面との濡れ性のため、溶湯がロール上に薄く濡れ広がらず、収縮し、合金品質の変動をもたらす。また、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度が幅1cmあたり毎秒100gを越えると、鋳造ロール上での冷却が不十分となり、組織の粗大化、α−Feの析出などが発生する。タンディッシュに整流機構を設けることである程度制御することができる。
本発明では、ロール表面で溶湯が安定して薄く濡れ広がるために必要な最低の溶湯供給速度よりも供給速度を高めた方が目的とするR17相を含む領域を有する合金を容易に生成できることを確認している。
(9)鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度
溶湯の鋳造ロール接触直前の温度と鋳造ロール離脱時の温度との差を、鋳造ロール上に接触している時間で除した値である。鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度は、毎秒500〜3000℃とすることが望ましく、毎秒500℃未満では、冷却速度不足でα−Feの析出、Rリッチ相、R17相などの組織の粗大化をもたらす。一方、毎秒3000℃よりも大きくなると、過冷却が大きくなりすぎて本発明の特徴であるR17相を含む領域の生成量が低下する。
(10)鋳造ロールを離脱するR−T−B系合金の平均温度
鋳造ロールを離脱する際のR−T−B系合金の平均温度は、鋳造ロールとの接触程度の微妙な相違、厚さのゆらぎなどにより微妙に変化する。合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は、例えば鋳造開始時から終了時まで放射温度計で合金表面を幅方向に走査して測定し、得られた測定値を平均化することで得られる。
合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は、溶湯のR−T−B系合金のR14B相の平衡状態での凝固温度よりも100〜400℃低いことが好ましく、100〜300℃低いことがより好ましい。R14B相の溶解温度は、Nd−Fe−Bの3元系では1150℃とされているが、Ndの他の希土類元素への置換、Feの他の遷移元素への置換、その他の添加元素の種類、添加量に応じて変化する。鋳造ロールを離脱するR−T−B系合金の平均温度と、R−T−B系合金のR14B相の平衡状態での凝固温度との差が、100℃未満である場合は、冷却速度不足に相当する。一方、その差が400℃を超える場合は、冷却速度が速すぎるため、溶湯の過冷却が大きくなりすぎる。溶湯の過冷却の程度は合金内で一様ではなく、鋳造ロールとの接触程度、鋳造ロールとの接触部からの距離に応じて変化する。
鋳造ロール離脱時の合金温度は、上述したように、同一鋳造工程(タップ)内でも変動するが、その変化幅が大きいと、組織、品質の変動をもたらす。そのため、タップ内での温度変化幅は、200℃よりも小さいことが適当であり、好ましくは100℃以下、さらに好ましくは50℃であり、さらにより好ましくは20℃である。
また、鋳造ロールを離脱するR−T−B系合金の平均温度が、溶湯の合金組成でのR14B相の平衡状態における凝固温度よりも300℃以上低くなると、微細なR17相の析出量が減少し、磁気特性改善効果が乏しくなる。したがって、R17相の析出が過冷度の比較的小さな部分で発生しているものと推定できる。また、希土類中の重希土類が占める割合が低下すると、R17相の析出量も低下し、存在を確認できなくなるが、磁気特性向上の効果は持続する。これは、凝固速度が適度に遅くなることでR14B相の結晶欠陥が減少し、安定性が向上したためと推定している。
従来、ストリップキャスト法では、結晶粒が過度に微細化されない範囲内であれば、冷却速度が大きくても問題ないものと解釈されてきた。例えば特開平08−269643では、ロール上の冷却を一次冷却と称して、2×10℃/sec〜7×10℃/sec冷却速度にて鋳片温度700℃〜1000℃まで冷却することが好ましいとしている。
(11)R−T−B系希土類永久磁石
本発明のR−T−B系希土類永久磁石を作製するには、まず、本発明のR−T−B系合金からR−T−B系希土類永久磁石用微粉を作製する。本発明のR−T−B系希土類永久磁石用微粉は、例えば、本発明のR−T−B系合金からなる薄片を水素解砕したのち、ジェットミルなどの粉砕機を用いて微粉砕する方法によって得られる。ここでの水素解砕は、例えば、所定の圧力の水素雰囲気中に保持する水素吸蔵工程をあらかじめ行なうことが望ましい。
次に、得られたR−T−B系希土類永久磁石用微粉を、例えば、横磁場中成型機などを用いてプレス成型して、焼結させることによりR−T−B系希土類永久磁石が得られる。
本発明のR−T−B系合金では、微細なR17相や、R17相と共存する微細なRリッチ相が、焼結時に速やかに液相となり、焼結性、Rリッチ相の分散性向上に寄与するので、保磁力の高い磁気特性に優れた希土類永久磁石を実現できる。
17相を含む合金としては、例えば、R14B相を主相とするSC法による合金粉末に、R17相を含むSC法による合金粉末を混合してR14B相の体積率を増加したものがある(例えば、特開平7−45413参照)。しかし、特開平7−45413に記載のR17相を含む合金が、B量を減少して平衡状態でR17相を析出する組成としていることは、請求項、実施例の記載から明らかである。この場合、合金中のR17相の体積率が増加し、合金中のR17相の結晶粒径も大きくなる。したがって、焼結時にR17相を消滅させるために、R17相を含む合金粉末の粒度を細かくする必要がある。粒度を細かくしないと、R17相の消滅に要する十分な拡散を得るために、焼結温度の上昇、焼結時間の延長が必要となり、焼結体組織を粗大化させるので、保磁力低下の原因となる。また、特開平7−45413に記載のR17相は、常温からその分解温度まで安定に存在することは組成的に容易に類推できる。さらに、特開平7−45413では、R17相の添加が液相の増加をもたらすとしているが、液相となるまでの速度論的な議論には触れていない。
これに対し、本発明のR−T−B系合金を構成するR17相は、上述したように非平衡相として析出している。非平衡相として存在するR17相は、平衡状態で存在するR17相と比較して容易に消滅するので、磁石作製工程では一般的である数時間の焼結時間で消滅する。
また、上述した実施例においては、R17相が析出する組成のR−T−B系合金を製造する方法について説明したが、本発明のR−T−B系合金薄片の製造方法は、R17相が析出する組成のR−T−B系合金を製造する方法に限定されるものではなく、本発明のR−T−B系合金薄片の製造方法によりR17相が析出しない組成のR−T−B系合金を製造してもよい。
この場合においても上述したR−T−B系合金薄片の製造方法によりR−T−B系合金を製造することで、後述する実施例に示すように、保磁力の大きいR−T−B系合金が得られる。
この原因は、上述したR−T−B系合金薄片の製造方法により作製した場合、結晶欠陥が少ないものとなることが一因ではないかと推定している。
(実施例1)
合金組成が重量比で、Nd22%、Dy9%、B0.95%、Co1%、Al0.3%、Cu0.1%、残部Feになるように、金属ネオジウム、金属ディスプロシウム、フェロボロン、コバルト、アルミニウム、銅、鉄を配合した原料を、アルミナ坩堝を使用して、アルゴンガスで1気圧の雰囲気中で、高周波溶解炉で溶解し、溶湯をSC法にて鋳造して、合金薄片を作製した。
鋳造用回転ロールの直径は600mm、材質は銅に微量のCr、Zrを混合した合金であり、内部は水冷されており、鋳造時のロールの周速度は1.3m/sで、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒28g、合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は放射温度計で測定したところ890℃であった。その測定値の最高温度と最低温度との相違は35℃であった。本合金のR14B相の融点が約1170℃であることから、平均離脱温度との差は280℃である。また、鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度は、980℃/秒であり、平均厚さは0.29mmであった。また、ロールを離脱した合金薄片を収容する回収コンテナ内は、冷却用Arガスを流通させた仕切り板を有する。合金薄片の製造条件を表1に示す。
Figure 2007119882
なお、表1において「供給速度」とは、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度であり、幅1cm、1秒あたりの供給量のことであり、「冷却速度」とは、鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度のことであり、「凝固温度」とは、R−T−B系合金のR14B相の平衡状態での凝固温度(融点)のことであり、「平均温度差」とは、「凝固温度」と鋳造ロールを離脱するR−T−B系合金の平均温度との温度差のことであり、「平均厚さ」とは、ストリップキャスト法で製造された薄片の平均厚さのことである。
「合金薄片の評価」
得られた合金薄片を10枚埋め込み、研摩した後、走査型電子顕微鏡(SEM)で各合金薄片について反射電子線像(BEI)を倍率350倍で撮影した。撮影した写真のR17相を含む領域およびRリッチ相を含む領域中のR17相とRリッチ相それぞれの短軸方向の平均結晶粒径を画像解析装置で解析した。また、撮影した写真のR17相を含む領域およびRリッチ相を含む領域の写真を切断し重量比から体積率を算出した。ここで、R17相を含む領域の体積率については、その領域中のR17相の平均粒径が3μm以下、平均粒径が5μm以上のものについてそれぞれ算出した。合金薄片の各組織の平均粒径および体積率を表1に示す。
なお、表1において、平均粒径1および体積率1とは、短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相の平均粒径およびそのR17相を含む領域の体積率を示し、平均粒径2および体積率2とは、短軸方向の平均粒径が5μm以上のR17相を含む領域の平均粒径およびそのR17相を含む領域の体積率を示し、平均粒径3および体積率3とは、短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相を含む領域中に存在する短軸方向の平均粒径が3μm以下のRリッチ相の平均粒径およびその領域の体積率を示す。
さらに、得られた合金薄片を1000℃で2時間熱処理した後、走査型電子顕微鏡(SEM)で各合金薄片について反射電子線像(BEI)を倍率350倍で撮影した。その結果、R17相は完全に消滅していた。このことから熱処理前の合金薄片中のR17相は準安定相であったと言える。なお、実施例1の合金組成ではR17相がR14B相の融点である1170℃以下では安定に存在しないことは、組成的にも明らかである。
(比較例1)
実施例1と同様の組成に原料を配合し、実施例1と同様にして溶解およびSC法による鋳造を実施した。但し、鋳造時のロールの周速度は0.8m/sで、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒13.0g、合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は放射温度計で測定したところ630℃であった。その測定値の最高温度と最低温度との相違は160℃であった。本合金のR14B相の融点が約1170℃であることから、平均離脱温度との差は540℃である。また、鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度は、920℃/秒であり、平均厚さは0.23mmであった。
得られた合金薄片を実施例1と同様に評価した結果を表1に示す。なお、比較例1では、R17相を含む領域は確認できなかった。
(実施例2)
合金組成が重量比で、Nd26.0%、Pr5.0%、B0.95%、Co1.0%、Al0.3%、Cu0.1%、残部Feになるように、金属ネオジウム、金属プラセオジム、フェロボロン、コバルト、アルミニウム、銅、鉄を配合し、実施例1と同様にして溶解およびSC法による鋳造を実施した。但し、鋳造時のロールの周速度は1.3m/sで、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒28g、合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は放射温度計で測定したところ850℃であった。その測定値の最高温度と最低温度との相違は20℃であった。本合金のR14B相の融点が約1140℃であることから、平均離脱温度との差は290℃である。また、鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度は、1060℃/秒であり、平均厚さは0.29mmであった。
得られた合金薄片を実施例1と同様に評価した結果を表1に示す。なお、実施例2のR−T−B系合金の組成は、R17相が析出しない組成であり、実施例2では、R17相を含む領域は確認できなかった。
(比較例2)
実施例2と同様の組成に原料を配合し、実施例1と同様にして溶解およびSC法による鋳造を実施した。但し、鋳造時のロールの周速度は0.8m/sで、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒13.0g、合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は放射温度計で測定したところ620℃であった。その測定値の最高温度と最低温度との相違は180℃であった。本合金のR14B相の融点が約1140℃であることから、平均離脱温度との差は520℃である。また、鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度は、930℃/秒であり、平均厚さは0.23mmであった。
得られた合金薄片を実施例1と同様に評価した結果を表1に示す。なお、比較例2では、R17相を含む領域は確認できなかった。
(比較例3)
実施例1と同様の組成に原料を配合し、実施例1と同様にして溶解およびSC法による鋳造を実施した。但し、鋳造時のロールの周速度は0.8m/sで、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒70g、合金が鋳造ロールを離脱する平均温度は放射温度計で測定したところ1000℃であった。その測定値の最高温度と最低温度との相違は250℃であった。本合金のR14B相の融点が約1170℃であることから、平均離脱温度との差は170℃である。また、鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度は、290℃/秒であり、平均厚さは1.2mmであった。
得られた合金薄片を実施例1と同様に評価した結果を表1に示す。また、比較例3では、実施例1と同様に1000℃で2時間熱処理した後でも若干量のR17相を含む領域の存在が確認された。この原因は、熱処理前に存在するR17相の粒径が大きいために、消滅するのに必要な時間が長いためと言える。なお、比較例3は、実験例1と同様、R14B相の融点である1170℃以下の温度では、R17相が安定に存在しない組成である。
次に焼結磁石を作製した実施例を説明する。
(実施例3)
実施例1で得られた合金薄片を水素解砕し、ジェットミルで微粉砕した。水素解砕工程の前工程である水素吸蔵工程の条件は、100%水素雰囲気、2気圧で1時間保持とした。水素吸蔵反応開始時の金属片の温度は25℃であった。また後工程である脱水素工程の条件は、0.133hPaの真空中で、500℃で1時間保持とした。この粉末に、ステアリン酸亜鉛粉末を0.07質量%添加し、100%窒素雰囲気中でV型ブレンダーで十分混合した後、ジェットミル装置で微粉砕した。粉砕時の雰囲気は、4000ppmの酸素を混合した窒素雰囲気中とした。その後、再度、100%窒素雰囲気中でV型ブレンダーで十分混合した。得られた粉体の酸素濃度は2500ppmで、粉体の炭素濃度の分析から、粉体に混合されているステアリン酸亜鉛粉末は0.05質量%であると計算された。
次に、得られた粉体を100%窒素雰囲気中で横磁場中成型機でプレス成型した。成型圧は0.8t/cm2であり、金型のキャビティ内の磁界は15kOeとした。得られた成型体を、1.33×10-5hPaの真空中、500℃で1時間保持し、次いで1.33×10-5hPaの真空中、800℃で2時間保持した後、さらに1.33×10-5hPaの真空中、1030℃で2時間保持して焼結させた。焼結密度は7.7g/cm3以上であり十分な大きさの密度となった。さらに、この焼結体をアルゴン雰囲気中、530℃で1時間熱処理し、焼結磁石を作製した。
得られた実施例3の焼結磁石の磁気特性を直流BHカーブトレーサーで測定した。その結果を表2に示す。
Figure 2007119882
なお、表2において「Br」とは、残留磁束密度であり、「iHc」とは、保持力であり、「(BH)max」とは、最大磁気エネルギー積であり、「SQ」とは、角型性であり、磁化が飽和磁化の90%となる外部磁場の値をiHcで割った値を%表示したものである。
(比較例4)
比較例1で得られた合金薄片を、実施例3と同様の方法で焼結磁石を作製した。そして、得られた比較例4の焼結磁石の磁気特性を直流BHカーブトレーサーで測定した。その結果を表2に示す。
(実施例4)
実施例2で得られた合金薄片を、実施例3と同様の方法で焼結磁石を作製した。そして、得られた実施例4の焼結磁石の磁気特性を直流BHカーブトレーサーで測定した。その結果を表2に示す。
(比較例5)
比較例2で得られた合金薄片を、実施例3と同様の方法で粉砕して微粉を得た。そして、得られた比較例5の焼結磁石の磁気特性を直流BHカーブトレーサーで測定した。その結果を表2に示す。
(比較例6)
比較例3で得られた合金薄片を、実施例3と同様の方法で粉砕して微粉を得た。そして、得られた比較例6の焼結磁石の磁気特性を直流BHカーブトレーサーで測定した。その結果を表2に示す。
17相を含む領域が確認されず、平均温度差が300℃を越える比較例4では、表2に示すように、本発明のR−T−B系合金薄片の製造方法により製造された実施例3と比較して保磁力(iHc)が低い。この原因は、実施例1の合金中のR17相を含む領域が焼結性を改善したためと推定できる。
また、R17相の粒径や体積率の大きい比較例3の合金を使用した比較例6では、実施例3と比較して保磁力(iHc)および最大磁気エネルギー積((BH)max)が低くなることが分かった。
さらに、重希土類を含まず、R17相の析出しない組成であって、本発明のR−T−B系合金薄片の製造方法により製造された実施例2の合金を使用した実施例4も、平均温度差が300℃を越える比較例5と比較して保磁力が大きい。この原因は未だ調査中ではあるが、実施例2の合金の方が、凝固速度が低いために結晶欠陥が少ないことが一因ではないかと推定している。
図1は、本発明のR−T−B系合金の一例を示した写真であり、R−T−B系合金の薄片の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したときの写真である。 図2は、図1に示した写真の拡大写真である。 ストリップキャスト法の鋳造装置の模式図である。
符号の説明
1 耐火物ルツボ
2 タンディッシュ
3 鋳造ロール
4 合金
5 捕集コンテナ

Claims (12)

  1. 希土類系永久磁石に用いられる原料であるR−T−B系(但し、RはYを含む希土類元素のうち少なくとも1種、TはFeを必須とする遷移金属、Bは硼素である。)合金であって、
    短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相を含む領域の体積率が0.5〜10%であることを特徴とするR−T−B系合金。
  2. 短軸方向の平均粒径が3μm以下のR17相と、短軸方向の平均粒径が3μm以下のRリッチ相とが共存している領域の体積率が0.5〜10%であることを特徴とする請求項1記載のR−T−B系合金。
  3. 短軸方向の平均粒径が10μm以上のR17相を含む領域の体積率が10%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のR−T−B系合金。
  4. 短軸方向の平均粒径が5μm以上のR17相を含む領域の体積率が10%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のR−T−B系合金。
  5. 17相は非平衡相であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のR−T−B系合金。
  6. ストリップキャスト法で製造された平均厚さ0.1〜1mmの薄片であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のR−T−B系合金。
  7. ストリップキャスト法によるR−T−B系合金薄片の製造方法であって、
    平均厚さを0.1〜1mmとするとともに、鋳造ロールへの平均溶湯供給速度を幅1cmあたり毎秒10g以上とすることを特徴とするR−T−B系合金薄片の製造方法。
  8. 前記鋳造ロール上でのR−T−B系合金の平均冷却速度が、毎秒500〜3000℃であることを特徴とする請求項7に記載のR−T−B系合金薄片の製造方法。
  9. 前記鋳造ロールを離脱するR−T−B系合金の平均温度が、前記R−T−B系合金のR14B相の平衡状態での凝固温度よりも100〜400℃低いことを特徴とする請求項7または請求項8に記載のR−T−B系合金薄片の製造方法。
  10. 請求項7ないし請求項9のいずれかに記載のR−T−B系合金薄片の製造方法により作製されたR−T−B系合金。
  11. 請求項1ないし請求項6または請求項10のいずれかに記載のR−T−B系合金から作製したR−T−B系希土類永久磁石用微粉。
  12. 請求項11に記載のR−T−B系希土類永久磁石用微粉から作製されたR−T−B系希土類永久磁石。

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