JP2008283142A - 希土類ボンド磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の磁気特性及び機械的特性を向上させる希土類ボンド磁石の製造方法を提供する。
【解決手段】希土類ボンド磁石の製造方法において、希土類磁石粉末及び熱硬化性樹脂及び添加剤からなる混合物を圧縮成形し、成形品にマイクロ波を照射して、前記希土類磁石粉末による発熱により熱硬化性樹脂を硬化させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、希土類ボンド磁石の製造方法に関する。

従来より、希土類磁石は、樹脂結合型のボンド磁石の材料として用いられている。樹脂結合型のボンド磁石は、希土類磁石粉末に樹脂バインダーを配合して圧縮成形することにより製造され、焼結型の磁石に比べて寸法精度が高く複雑な形状に成形でき、歩留まりが少ない等の利点を有している。

希土類系ボンド磁石の材料となる希土類磁石として、例えば、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７等のＳｍ−Ｃｏ系の磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系の磁石がある。Ｓｍ−Ｃｏ系の磁石は、コストが高い材料として知られているが、耐熱性が優れているため、高耐熱が要求される場合に用いられている。

また、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石は、耐熱性、耐食性に劣るものの、液体急冷法では、磁化方向がランダムに向いている等方性に関わらず、高磁性材料としても知られている。いわゆるHDDR法（Hydrogenation Decomposition Desorption Recombination法）では異
方性磁石粉末にし、さらに高い磁気特性を有するものも知られている。最近では、上記磁気特性に匹敵する高い磁気特性を有し、かつ比較的安価な希土類磁石材料としてSm-Fe-N
系磁石も注目を浴びている。

このような希土類磁石を材料とするボンド磁石は、音響・映像機器、回転機器、通信機器、計測機器、自動車部品等の多分野で用いられ、需要が高まるにつれ、磁気特性向上の他、工業的生産性、機械的強度、耐食性等の向上が要求されている。

しかし、磁気特性を向上させるために希土類磁石材料の量を増やすと、希土類磁石材料をバインドする熱硬化性樹脂が減り、機械的強度が低下する現象が発生する。逆に強度を上げるために熱硬化性樹脂を増やすと、磁気特性が低下してしまう。このため、現状では、熱硬化性樹脂量を増やし、磁気特性の低下を引き起こしてでも、磁石の強度を上げている。

また、従来のように樹脂バインダーを硬化させるために特殊な熱処理炉により加熱を行うと、ボンド磁石の自己燃焼が進行するまで１〜２時間かかり、硬化処理に長時間を要する問題がある。さらに、希土類ボンド磁石の外表面に近い部分は熱硬化性樹脂の重合が進むものの、内部では充分に熱硬化性樹脂の重合ができず、強度が低下するという問題もある。

また、硬化処理中の希土類磁石の酸化を抑制し、磁気特性の低下を防ぐ必要があるが、特殊な熱処理炉を用いる場合、酸素を完全に取り去ることは熱処理炉の構成上困難である。これに対し、高純度窒素又はアルゴンガス等の不活性ガスによる置換、真空引きを行うと、時間および費用が掛かり生産効率を悪化させるばかりか、目的とする磁気特性を得ることは困難であった。

これに対し、磁石粉末の表面を樹脂で均一に被覆することにより、製造工程中の磁石粉末の酸化を抑制し、磁気特性および機械強度の向上を図る方法が提案されている。（特許文献１参照）。

また、近赤外線加熱によりバインダーの硬化処理を施すことにより、処理時間を短縮化して磁石の酸化を抑制し、磁気特性の向上を図る方法が提案されている。（特許文献２参照）。
特開平６−３０２４１８号公報 特開平９−１８０９２０号公報

ところが、上記した磁石粉末を樹脂で被覆する方法では、特殊な熱処理炉を使用し、外部熱源より輻射や熱伝導で試料を昇温するため、処理時間が長時間となる。また、試料の温度は熱源に近い所では高温になり、熱源より離れているところでは低温となることにより、熱硬化性樹脂の未硬化部分が存在してしまう現象が発生し、ボンド磁石の強度が不足してしまう。さらに、完全に磁石粉末の表面を樹脂で均一に被覆することは不可能なため、熱処理炉内に残存する酸素により磁気特性の低下も招く可能性がある。

一方、近赤外線加熱を行う方法では、磁石成形体の内部に近赤外線が充分に伝播しないため、特に試料内部において熱硬化性樹脂の未硬化部が発生する現象が起こる可能性がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、磁石の磁気特性及び機械的特性を向上させる希土類ボンド磁石の製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、希土類磁石粉末及び熱硬化性樹脂からなる混合物を圧縮成形し、圧縮成形した成形品にマイクロ波を照射して、前記希土類磁石粉末による発熱により熱硬化性樹脂を硬化させることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、マイクロ波を照射して前記熱硬化性樹脂を硬化させた前記成形品を、真空又は不活性ガス中で冷却することを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、前記成形品に照射するマイクロ波の周波数は、１ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下であることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、前記成形品に対し窒素原子を含む雰囲気下でマイクロ波を照射し、前記希土類磁石粉末の窒化と前記熱硬化性樹脂の硬化とを同時に行うことを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、前記希土類磁石粉末の平均粒径が、２〜１５０μｍであることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、希土類磁石粉末及び熱硬化性樹脂からなる混合物を圧縮成形し、成形品にマイクロ波を照射する。このため、希土類磁石粉末による自己発熱によって、希土類磁石粉末の間隙或いは表面に付着している熱硬化性樹脂に熱を伝え、試料全体を均一に昇温することができる。このため、熱硬化性樹脂を瞬時に硬化することができるとともに、処理時間を短縮化することができる。

請求項２に記載の発明によれば、マイクロ波照射を行った後、真空又は不活性ガス中で成形品を冷却するので、希土類磁石粉末の酸化を抑制し、良好な磁気特性を維持することができる。

請求項３に記載の発明によれば、成形品に照射されるマイクロ波は、１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚであるため、アーク放電の発生を抑制するとともに、成形品を所望する温度範囲内に昇温することができる。

請求項４に記載の発明によれば、希土類磁石粉末の窒化と、熱硬化性樹脂との硬化とを同時に行うので、処理時間を短縮化することができる。
請求項５に記載の発明によれば、希土類磁石粉末として、平均粒径が２〜１５０μｍの粉末を用いるため、磁石粉末の酸化を抑制するとともに、磁化方向を揃えながら成形する際に粒子を所望の磁化方向に揃えることができる。

本発明の希土類元素−遷移金属系（以下、Ｒ−ＴＭ系という）の希土類ボンド磁石の製造方法について以下に工程毎に説明する。尚、Ｒは希土類元素のうち少なくとも１種若しくは２種以上の元素であり、ＴＭは遷移元素のうち少なくとも１種若しくは２種以上の元素である。
（１）希土類系磁石粉末
本発明のＲ−ＴＭ系合金を構成する希土類元素は、Ｙ（イットリウム）と、ランタノイド元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕ）等を好適に用いることができる。特にＰｒ、ＮｄまたはＳｍを用いると、著しく磁気特性を高めることができる。また、２種以上の希土類元素を組合せることにより、磁気特性の残留磁束密度と保持力を向上させることができる。

具体的には、ＳｍＣｏ_５、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７といったＳｍ−Ｃｏ系磁石粉末や、ＨＤＤＲ法又は液体急冷法により製造されるＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ等のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末を用いることができる。又は、Ｓｍを主とする希土類元素と、Ｆｅを主とする遷移金属と、Ｎを主とする格子間元素とを基本成分とするＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末を用いることができる。又は上記した希土類磁石粉末を２種以上混合しても良い。

以上のＲ−ＴＭ系又はＲ−ＴＭ−Ｎ系の希土類磁石粉末は、一般的な溶解鋳造法の場合、希土類金属及び遷移金属等を所定の配合比で調合して、不活性ガス雰囲気中で高周波溶解する。さらに、得られた合金インゴットを熱処理し、ジョークラッシャー、ジェットミル又はアトライター等の粉砕機で所定の粒度に粉砕して製造する。

液体急冷法では、上記したように作製した合金インゴットに対し、合金溶湯を高速で回転するロールに吐出し、ロールの外周面と接触させることで合金溶湯を急冷して合金薄帯を作製する。その合金薄帯を上記粉砕機にて所定の粒度に粉砕する。この溶解時、不可避的不純物として、Ｃ、Ｂ等が含まれても特に問題は無い。

磁石粉末の粒径としては、平均粒径２〜１５０μｍが好ましい。２μｍ未満では、酸化されやすい他、ボンド磁石作成時に凝集或いはスプリングバックによる密度の向上が得られず、磁気特性が低いものとなる。また、平均粒径が１５０μｍを超える場合には、磁場をかけて磁化方向を揃えながら成形する際に、粒子が所望の磁化方向に向かず、磁気特性の低下を引き起こす。
（２）熱硬化性樹脂
熱硬化性樹脂は、特に限定されないが、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等を用いることができる。この熱硬化性樹脂は、一液、
二液性又は液状、固形いずれにおいても、加熱して硬化反応を示すものであれば、それぞれあらゆる種類のものを組み合わせて使用できる。添加量は磁石粉末に対し０．５ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下の範囲が好ましい。０．５ｗｔ％未満では、成形体の強度不足となり、３．０ｗｔ％よりを超えると、希土類磁石粉末の体積割合が減少することになり、磁気特性の低下を招く。
（３）添加剤
添加剤は、特に限定されないが、界面活性剤、カップリング剤、滑剤、離型剤、難燃剤、安定剤、無機充填剤や顔料等を用いることができる。この添加剤は、金型へ充填するための流動性、磁場をかけて磁化方向を揃えるための滑り性、金型から取り出す際の離型性、成形体の撥水性、密度向上あるいは強度向上を示すものであればよく、複数種類の添加剤を組み合わせて用いてもよい。
（４）混合
上記希土類系磁石粉末、熱硬化性樹脂あるいは添加剤をアトライター、ヘンシェルミキサー又はＶブレンダー等で混合分散させ造粒することにより、コンパウンドを得る。特に熱硬化性樹脂及び添加剤等を均一に混合するため、有機溶剤等で混合脱気し、造粒粉を作成することが好ましい。
（５）圧縮成形
磁場を印加するための電磁石を金型に具備したプレス装置を用い、コンパウンドを金型内に充填し、１０ｋＯｅ（エルステッド）以上の磁場中又は無磁場中で、１０ｔｏｎ以上の圧力で圧縮成形する。

液体急冷法で作成される等方性磁石材料の成形は無磁場でもよいが、異方性材料の希土類磁石粉末は、１０ｋＯｅ未満になると、磁化方向に向かないため１０ｋＯｅ以上必要である。また、金型温度を５０〜１５０℃に上げて成形すると、熱硬化性樹脂の溶融により密度向上に繋がるため、成形圧力を低くすることができるとともに、金型の耐久性向上を図ることができる。金型温度が５０℃未満では、熱硬化性樹脂の溶融が見られず、１５０℃を超えると、金型に投入する前にコンパンドが凝集固化する。
（６）熱硬化性樹脂硬化
圧縮成形が終了すると、本実施形態では、得られた成形体に対してマイクロ波を照射することで熱硬化性樹脂を硬化させる。このように希土類磁石粉末を選択的且つ急速に自己発熱させることによって、１５０〜３００℃まで数分で昇温する。希土類磁石粉末の自己発熱により生じた熱は、磁石粉末の間隙或いは表面に付着している熱硬化性樹脂に伝わり、熱硬化性樹脂は瞬時に硬化する。このとき、試料全体が均一に昇温することにより、未硬化部のない高強度の希土類系ボンド磁石を得ることができる。また、マイクロ波照射により数分で所定温度まで昇温することができるので、処理時間を短縮化するとともに合金粉末の酸化を抑制することができる。

成形体に照射するマイクロ波は、１ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下が好ましい。１ＧＨｚ未満では、アーク放電が生じやすく、３０ＧＨｚより大きいと、所望する温度以上に加熱されてしまう。雰囲気は、大気、真空、窒素等の不活性ガスのいずれでも良いが、磁石の酸化抑制の観点から、真空又は不活性ガス中がより好ましい。

さらに、熱硬化性樹脂の硬化と希土類磁石粉末の窒化を同時に行う場合は、窒素０．１〜５Ｍｐａの圧力下が好ましい。０．１Ｍｐａ未満では、窒化が粒子内部まで侵入せず表面のみに止まり、５Ｍｐａを超えると粒子表面において、過剰窒化となる。

また、マイクロ波の照射によって成形体を２５０〜４００℃の温度範囲にて加熱することで、希土類磁石粉末を最適に窒化することができる。加熱温度が２５０°Ｃ未満では窒化が進まず、４００℃を超えると熱硬化性樹脂が分解するので好ましくない。

また、窒化する希土類磁石粉末は、Ｒ−ＴＭ系を主成分とするものが好ましく、Ｓｍ−Ｆｅ系、Ｎｄ−Ｆｅ系等の希土類磁石粉末等を用いることができる。
（７）冷却処理
マイクロ波照射を行った後、熱硬化性樹脂を硬化させた成形品の冷却処理を行う。即ち、マイクロ波の照射を終了すると、希土類磁石粉末自身は迅速に冷却されるものの、多少の酸化は免れない。これに対し、マイクロ波の照射出力を低下しながら、冷却させる方法も試みたが、ある出力以下になると酸化反応が優先的になり僅かではあるが磁気特性の低下が見られる。このため、真空引き、或いは窒素、アルゴンガス等の不活性ガス中にて室温まで冷却する必要があり、外部冷却を併用して行うことも場合によっては好ましい。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、希土類磁石粉末及び熱硬化性樹脂及び添加剤からなる混合物を圧縮成形し、成形品にマイクロ波を照射する。これにより、希土類磁石粉末を選択的に自己発熱させ、磁石粉末の発熱により周囲の熱硬化性樹脂を硬化させることができるので、試料全体を均一に昇温し、未硬化部分を無くすことにより機械的強度を良好にすることができる。また、未硬化部分を無くして機械的強度を向上することができるため、ボンド磁石中の希土類磁石材料の量を増やして磁気特性を向上することができる。さらに、希土類磁石粉末の発熱により熱硬化性樹脂を瞬時に硬化させることができるため、処理時間を短縮化することができるとともに、長時間加熱を要因とする酸化を抑制することで、磁気特性の低下を防止することができる。

（２）上記実施形態では、熱硬化性樹脂を硬化させた成形品を、真空又は不活性ガス中で冷却するので、希土類磁石粉末の酸化を抑制し、良好な磁気特性を維持することができる。

（３）上記実施形態では、成形品に照射されるマイクロ波の周波数を、１ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下の範囲とする。このため、低周波数で発生しやすいアーク放電を抑制することができる。また、周波数が高すぎることにより所望する温度以上に加熱されてしまうことを防止し、成形品を所望の温度範囲に加熱することができる。

（４）上記実施形態では、窒素雰囲気下且つ０．１〜５ＭＰａの加圧下で、成形品に対しマイクロ波を照射することにより、希土類磁石粉末の窒化と熱硬化性樹脂の硬化とを同時に行うことを可能とした。このため、窒化工程と樹脂硬化とを別に行う場合と比較して、処理時間を短縮化することができる。

（５）上記実施形態では、希土類磁石粉末の平均粒径を、２〜１５０μｍにした。このため、磁石の表面積が大きくなることによる磁石の酸化を抑制するとともに、磁化方向を揃えながら成形する際に粒子を所望の磁化方向に揃えることができる。

Claims (5)

1. 希土類磁石粉末及び熱硬化性樹脂からなる混合物を圧縮成形し、圧縮成形した成形品にマイクロ波を照射して、前記希土類磁石粉末による発熱により熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする希土類ボンド磁石の製造方法。
2. 請求項１に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、
   マイクロ波を照射して前記熱硬化性樹脂を硬化させた前記成形品を、真空又は不活性ガス中で冷却することを特徴とする希土類ボンド磁石の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、
   前記成形品に照射するマイクロ波の周波数は、１ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下であることを特徴とする希土類ボンド磁石の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、
   前記成形品に対し窒素原子を含む雰囲気下でマイクロ波を照射し、前記希土類磁石粉末の窒化と前記熱硬化性樹脂の硬化とを同時に行うことを特徴とする希土類ボンド磁石の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の希土類ボンド磁石の製造方法において、
   前記希土類磁石粉末の平均粒径が、２〜１５０μｍであることを特徴とする希土類ボンド磁石の製造方法。