JP2009084628A - 焼結体の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば磁石の磁気特性の向上などの製品機能を改善する際に、蒸発させた元素が効率よく回収されるようにした焼結体の製造装置を提供する。
【解決手段】 焼結体の製造装置１は、真空排気手段１１を有する真空チャンバ１２と、この真空チャンバ内で、液相焼結で得られた一次焼結体Ｓを収納する焼結体ケース２と、この焼結体ケースの加熱を可能とする加熱手段３とを備える。そして、加熱手段を作動させて当該一次焼結体を焼結温度より低い温度にて真空雰囲気中で加熱することにより、液相成分中の蒸気圧の高い元素を優先的に蒸発させて、液相の体積比を減少あるいは消滅させることができる。その処理の際に、蒸発させた元素が付着するようにトラップ手段５が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焼結体の製造装置に関し、より詳しくは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系（ネオジウム鉄ボロン系）の焼結磁石から希土類元素を優先的に蒸発させて高性能の永久磁石を作製するために用いられる焼結体の製造装置に関する。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石（所謂、ネオジム磁石）は、鉄と、安価であって資源的に豊富で安定供給が可能なＮｄ、Ｂの元素の組み合わせからなることで安価に製造できると共に、高磁気特性（最大エネルギー積はフェライト系磁石の１０倍程度）を有することから、電子機器など種々の製品に利用され、ハイブリッドカー用のモーターや発電機などにも採用され、使用量が増えている。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石は主に粉末冶金法で生産されており、この方法では、先ず、Ｎｄ、Ｆｅ、Ｂを所定の組成比で配合し、溶解、鋳造して合金原料を作製し、例えば水素粉砕工程により一旦粗粉砕し、引き続き、例えばジェットミル微粉砕工程により微粉砕して、合金原料粉末を得る。次いで、得られた合金原料粉末を磁界中で配向（磁場配向）させ、磁場を印加した状態で圧縮成形して成形体を得る。そして、この成形体を所定の条件下で焼結させて焼結磁石が作製される（特許文献１参照）。

ここで、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石の磁性を担うＲ_２Ｔ_１４Ｂ相（主相成分）は、平衡状態では液相から直接生成せず、先ず初相としてγ鉄が生成し、液相とその鉄との反応（包晶反応）で生成する（γ鉄は温度低下と共にα鉄に変態する）。この場合、例えば、凝固冷却速度の速い急冷法であるストリップキャスティング法（ＳＣ法）により合金原料を溶解、鋳造したとしても、Ｎｄの含有量を２８．５％以下にすれば、α鉄の生成の抑制が難しく、合金中にデンドライト状に生成することが知られている。

α鉄が合金中にデンドライト状に生成し、立体的に繋がっていると、その後の粉砕工程での合金の粉砕性を著しく害する。つまり、粉砕性が悪いと、水素粉砕工程により一旦粗粉砕し、引き続き、ジェットミル微粉砕工程により微粉砕しようとしても、高磁気特性の焼結磁石を作製することに適した粒形の揃った微細な粉末粒子の粉末を得ることが困難となる。その上、ジェットミル中に粗大粒（デンドライト状に生成したα鉄に起因する）が残留したり、バッグフィルターで回収される微粉の量が増えることによって組成ずれが起こり易く、品質管理が困難であるという問題がある。

他方で、Ｎｄの含有量を２８．５％より多くすれば、α鉄が生成しないインゴットの製造が可能であるものの、Ｒリッチ相が増えて、磁性を担うＲ_２Ｔ_１４Ｂ相の体積比が減少するため、磁気特性を示す最大エネルギー積（（ＢＨ）ｍａｘ）及び残留磁束密度（Ｂｒ）の大きな超高性能磁石の製造が難しくなるといった問題が生じる。

そこで、液相焼結により焼結磁石を得た後、当該焼結磁石を焼結温度より低い温度にて真空雰囲気中で加熱することにより、液相成分中の蒸気圧の高い希土類元素を優先的に蒸発させて液相の体積比を減少させることが本出願人により提案されている（特願２００７−２００８４５号参照）。
特開２００４−６７６１号公報（例えば、従来技術の記載参照）

上記方法によれば、希土類元素を効率良く蒸発させてＲリッチ相の体積比を減少させることで、磁性を担うＲ_２Ｔ_１４Ｂ相（主相成分）の体積比を増大させることにより、磁気特性を示す最大エネルギー積（（ＢＨ）ｍａｘ）及び残留磁束密度（Ｂｒ）を向上することができる。然し、このような焼結磁石には、ディスプロシムやテルビウム等に代表されるような希土類元素であって、資源的に乏しく、安定供給が望めない高価なものが含まれていることが多く、このような場合に、蒸発した元素をそのまま真空排気手段で排気したのでは、貴重な希土類元素が無駄になるばかりか、製造コスト高を招く。

そこで、本発明の目的は、上記点に鑑み、例えば磁石の磁気特性の向上などの製品機能を改善する際に、蒸発させた元素が効率よく回収されるようにした焼結体の製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の焼結体の製造装置は、真空排気手段を有する真空チャンバと、この真空チャンバ内で、液相焼結で得られた一次焼結体を収納する焼結体ケースと、この焼結体ケースの加熱を可能とする加熱手段とを備え、加熱手段を作動させて当該一次焼結体を焼結温度より低い温度にて真空雰囲気中で加熱することにより、液相成分中の蒸気圧の高い元素を優先的に蒸発させて、液相の体積比を減少あるいは消滅させるように構成した焼結体の製造装置であって、前記蒸発させた元素が付着するようにトラップ手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、焼結促進に寄与する液相成分のうち、蒸気圧の高い元素を優先的に蒸発させることにより（蒸発処理）、液相の体積比を減少または消滅させ、主相本来の特性を発揮させることができる。この場合、本発明の焼結体の製造装置においては、蒸発させた元素が付着するトラップ手段を備えているため、上記蒸発処理中には、蒸発させた元素を当該トラップ手段に順次付着させておき、当該処理後に、公知の剥離方法を用いて当該元素をトラップ手段から剥離するだけで、その回収が可能になる。その結果、ネオジウム鉄ボロン系の焼結磁石から、特にディスプロシム等の高価な希土類元素を蒸発させる場合に、その希土類元素が回収できて良い。

本発明においては、前記焼結体ケースは一面を開口した箱状のものであり、前記トラップ手段が、前期焼結体の開口面から所定の間隔を存してかつ当該開口面全体を覆うように配置された板材から構成されるようにすればよい。

他方で、前記トラップ手段は、真空チャンバから真空排気手段に通じる排気通路に連通させて設けた収納室と、当該収納室に配置された少なくとも１枚の板材とから構成され、当該板材に駆動手段を連結し、前記板材を排気通路に対し進退自在とした構成を採用すれば、蒸発処理を行う場合にのみ、トラップ手段を排気通路内に侵入させるようにできてよい。

この場合、蒸発した元素を効率よく板材に付着させるには、前記板材は、ガス流方向に対し傾斜させて２列でかつ互い違いとなるように配置されていることが好ましい。

また、前記トラップ手段は、排気通路のうち粘性流領域となる範囲に進退自在とすることが好ましい。

さらに、前記トラップ手段に、冷媒の循環による冷却手段が組み込まれている構成を採用すれば、温度差によって蒸発した元素を効率よくトラップ板に付着させることができてよい。

尚、処理後に、公知の剥離方法を用いて当該元素をトラップ手段から剥離するために、前記トラップ手段の少なくとも蒸発させた元素が付着する部位が、当該元素と反応しない材料から形成されている。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明の焼結体の製造装置たる真空蒸発装置１であり、特に、ネオジウム鉄ボロン系の焼結磁石（一次焼結体）Ｓを真空雰囲気にて加熱し、当該焼結磁石Ｓから希土類元素を優先的に蒸発させる処理（真空蒸発処理）を施して、超高性能磁石（永久磁石）を作製することに適したものである。真空蒸発装置１は、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、拡散ポンプなどの真空排気手段１１を介して所定圧力（例えば１０^−５Ｐａ）まで減圧して保持できる真空チャンバ１２を有する。真空チャンバ内１２には、上面を開口した円筒形状の焼結体ケース２が設置され、この焼結体ケース２で囲まれた空間が処理室２０を構成する。焼結体ケース２は、加熱により焼結磁石Ｓから液相である希土類リッチ相のＮｄ、Ｐｒなどの希土類元素Ｒを優先的に蒸発させたとき、その希土類元素Ｒと反応しない材料から構成されている。

即ち、蒸発させた希土類元素Ｒが焼結体ケース２の表面に付着してその表面に反応生成物を形成したのでは、希土類元素Ｒの回収が困難になる場合がある。このため、焼結体ケース２を、表面に付着した希土類元素Ｒの剥離が容易なＭｏやＳＵＳから製作するか、またはＭｏ等を他の断熱材の表面に内張膜として成膜したものから構成している。また、処理室２０には、焼結体ケース２の底面から上面に向かって相互に所定の間隔を置いて、例えばＭｏ製の皿状の載置部３が複数個配置され、載置部３には、直方体など所定形状に成形した後、焼結してなる焼結磁石Ｓが並べて載置できる。

また、真空チャンバ１２には、焼結体ケース２の周囲を囲うように加熱手段４が設けられている。加熱手段４は、焼結体ケース２の周囲を囲うようにその全長に亘って列設した複数本の環状のフィラメントから構成される電気ヒータ（図示せず）であり、各フィラメントは、真空チャンバ１２内に設けた支持片（図示せず）で支持されている。この場合、フィラメントもまた、希土類元素Ｒと反応しないＭｏ等から構成されている。そして、減圧下で、加熱手段４によって焼結体ケース２を加熱することで、焼結体ケース２を介して間接的に処理室２０、ひいては、載置部３に載置した焼結磁石Ｓを略均等に加熱できる。

焼結体ケース２の上方には、その開口した上面を覆うようにトラップ板（トラップ手段）５が着脱自在にセットされている。トラップ板５は、上記焼結体ケース２と同様、蒸発させた希土類元素Ｒと反応せず、かつ、表面に付着したものが剥離し易い材料、例えばＭｏから構成されている。また、トラップ板５には、図示しないが冷媒の循環による冷却手段が組み込まれており、トラップ板５を所定温度に冷却することで、蒸発させた希土類元素Ｒが当該トラップ板５に到達したときに、温度差によって希土類元素Ｒがトラップ板５に効率よく付着して堆積するようにしている。

処理室２０の容積は、蒸発させた希土類元素Ｒの平均自由行程を考慮して、蒸発した希土類元素Ｒが直接または焼結体ケース２の内壁への衝突を繰返して上面開口を通って外側に排出されるように設定され、また、焼結体ケース２の上端からトラップ板５までの間隔は、焼結体ケースの上面開口から排出された希土類元素Ｒの大部分が一旦トラップ板５に向って導かれるように設定されている。これにより、本実施の形態の蒸発処理装置１においては、蒸発処理中には、蒸発させた元素をトラップ板５に順次付着させることができ、当該処理後に、トラップ板５を脱離した後、公知の剥離方法を用いてトラップ板５から当該元素を剥離するだけで、その元素の回収が可能になる。

次に、本発明の蒸発処理装置１の作動について、超高性能永久磁石の作製を例に説明する。先ず、原料合金粉末は次のように作製される。即ち、Ｆｅ、Ｎｄ、Ｂが所定の組成比となるように、工業用純鉄、金属ネオジウム、低炭素フェロボロンを配合して真空誘導炉を用いて溶解し、急冷法、例えばストリップキャスト法により０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの原料合金を先ず作製する。あるいは、遠心鋳造法で５〜１０ｍｍ程度の厚さの合金原料を作製してもよく、配合の際に、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｇａ等を添加しても良い。この場合、希土類元素の合計含有量を２８．５％より多くし、α鉄が生成しないインゴットとする。

次いで、作製した原料合金を、公知の水素粉砕工程により粗粉砕し、引き続き、ジェットミル微粉砕工程により窒素ガス雰囲気中で微粉砕し、平均粒径３〜１０μｍの合金原料粉末を得る。次いで、原料合金粉末を、公知の圧縮成形機を用いて磁界中で所定形状に圧縮成形する。次いで、圧縮成形機から取出した成形体を、図示しない焼結炉内に収納し、真空中で所定温度（例えば、１０５０℃）で所定時間焼結（焼結工程）し、さらに所定温度（５００℃）、一次焼結体Ｓを得る。

次いで、作製した一次焼結体Ｓを、真空蒸発装置１の載置部３上に載置するとともに、トラップ板５を所定の位置にセットした後（図１に示す状態）、真空排気手段を作動させて、所定圧力（例えば１０^−５Ｐａ）に到達するまで真空チャンバ１２を減圧する。真空チャンバ１２内が所定圧力に到達した後、加熱手段４を作動させて処理室２０、ひいては焼結磁石Ｓを加熱し、所定温度に到達した後、この状態で所定時間保持する（真空蒸発処理）。

この場合、処理室２０、ひいては焼結磁石Ｓの加熱温度を９００℃以上で、焼結温度未満の温度に設定する。９００℃より低い温度では、希土類元素Ｒの蒸発速度が遅く、また、焼結温度を超えると、異常粒成長が起こり、磁気特性が大きく低下する。併せて、真空チャンバ１２と真空排気手段１１とを連結する排気通路（排気管）１１ａに開度調整自在な開閉バルブ１１ｂを設け、この開閉バルブ１１ｂの開度を調節して、真空チャンバ１１、ひいては処理室２０内の圧力を１０^−３Ｐａ以下の圧力に設定する。１０^−３Ｐａより高い圧力では、希土類元素Ｒを効率よく蒸発させることができない。

これにより、一定温度下での蒸気圧の相違により（例えば、１０００℃において、Ｎｄの蒸気圧は１０^−３Ｐａ、Ｆｅの蒸気圧は１０^−５Ｐａ、Ｂの蒸気圧は１０^−１３Ｐａ）、Ｒリッチ相中の希土類元素Ｒのみが蒸発する。その際、蒸発した希土類元素Ｒの大部分は、冷却されたトラップ板５に付着して堆積する。

このように蒸発処理を施すと、Ｎｄリッチ相の割合が減少して、磁気特性を示す最大エネルギー積（（ＢＨ）ｍａｘ）及び残留磁束密度（Ｂｒ）を向上でき、高性能な永久磁石が得られる。この場合、高性能な永久磁石を得るには、永久磁石の希土類元素Ｒの含有量を２８．５ｗｔ％未満、または、希土類元素Ｒの平均濃度の減少量を０．５重量％以上となるまで加熱処理する。

そして、上記真空蒸発処理を実施した後、加熱手段４の作動を一旦停止すると共に、開閉バルブ１１ｂを全開して真空チャンバ１２内を排気しつつ冷却し、処理室２０内の温度を例えば５００℃まで一旦下げる。引き続き、加熱手段４を再度作動させ、処理室２０内の温度を５５０℃〜６５０℃の範囲に設定し、一層磁気特性を向上させるための熱処理を施す。最後に、略室温まで冷却し、焼結体たる永久磁石を取り出す。他方で、トラップ板５もまた、真空チャンバ１２から脱離され、公知の剥離方法を用いてトラップ板５から希土類元素Ｒを剥離させて回収される。

尚、本実施の形態では、焼結体ケース２の上方にトラップ板５を配置したものについて説明したが、これに限定されるものではく、例えば図示しない真空チャンバから真空排気手段に通じる排気通路１１ａにトラップ手段６を配置してもよい（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。トラップ手段６は、ゲートバルブ６１を介して排気通路１１ａに連通する収納室６２を有し、収納室６２には、断面略矩形の支持枠６３が収納され、この支持枠６３内には、複数枚のトラップ板６４が配置されている。また、支持枠６３には、ゲートバルブ６１の開位置でこの支持枠６３を排気通路１１ａに対し進退自在とするエアーシリンダ等の駆動手段６５が連結されている。

トラップ板６４は、上記同様、希土類元素Ｒと反応しないＭｏ、ＳＵＳ等から構成され、排気通路６のガス流を遮るように、ガス流方向に対し傾斜させて２列でかつ互い違いに配置される。そして、真空チャンバ１２内を所定圧力まで減圧し、加熱手段４を作動させて焼結磁石Ｓを加熱する場合にのみ、トラップ手段６を排気通路１１ａ内に侵入させ、蒸発した希土類元素Ｒを付着させて回収する。尚、蒸発させた元素を効率よくトラップ手段６に付着させるために、トラップ手段６は、排気通路１１ｂのうち粘性流領域となる範囲に設けられる。

ところで、焼結体ケース２の上方にトラップ板５を配置したとしても、蒸発した元素が、真空チャンバの壁面まで回り込んだ付着する場合がある。このため、真空チャンバ１２の内壁に、例えばＭｏ製のトラップ板を配置し、当該真空チャンバ１２の壁面の汚染を防止するためのシールドと兼用させるようにしてもよい。

さらに、本実施の形態では、焼結磁石Ｓの製造を例として説明したが、焼結体から特定物質を蒸発させて焼結体の機能を向上できるものであれば、本発明の焼結体の製造方法を適用できる。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）粉末に金属シリコン粉末を焼結助剤として混合し、成形後シリコンの融点以上で液相焼結して得た焼結体の場合が挙げられる。

実施例１では、図１に示す真空蒸発装置１を用い、一次焼結体Ｓに真空蒸発処理を実施して永久磁石を得た。まず、工業用純鉄、金属ネオジウム、低炭素フェロボロン、電解コバルト、純銅を原料として、配合組成で２９Ｎｄ−１Ｂ−０．１Ｃｕ−１Ｃｏ−Ｂａｌ Ｆｅ（重量％）となるようにして、真空誘導溶解を行い、ストリップキャスティング法で厚さ約０．３ｍｍの薄片状インゴットを得た。次に、水素粉砕工程により一旦粗粉砕し、引き続き、例えばジェットミル微粉砕工程により微粉砕して、原料合金粉末を得た。

次に、公知の構造を有する横磁場圧縮成形装置を用いて、成形体を得て、次いで真空焼結炉にて１０５０℃の温度下で２時間焼結させて一次焼結体Ｓを得た。そして、ワイヤカットにより一次焼結体をφ１０×５ｍｍの形状に加工した後、表面粗さが１０μｍ以下となるように仕上げ加工した後、希硝酸によって表面をエッチングした。

次に、図１に示す真空蒸発装置１を用い、処理室２０内の載置部３に１００個の上記一次焼結体Ｓを配置した後、真空チャンバ１２の圧力が１０^−５Ｐａに到達するまで真空排気した。真空チャンバ１２内の圧力が所定位置に達した後、加熱手段４を作動させて処理室２０を加熱した。この場合、加熱温度を９７５℃に設定すると共に、開閉バルブ１１ｂの開度を調節して真空チャンバ１２内の圧力を５×１０^−５Ｐａに設定した。次いで、保磁力を向上するための熱処理を行った。この場合、熱処理温度を５３０℃、処理時間を６０分に設定した。

図３は、処理時間を変えて上記真空蒸発処理を実施した時の被処理材のNｄの含有量（ｗｔ％）の変化量と熱処理後の磁気特性（ＢＨカーブトレーサーにより測定）の平均値との関係を示す表である。これによれば、蒸発処理時間が長くなるに従い、Ｎｄの含有量が減少し、２４時間に亘る真空蒸発処理を実施すると、約２ｗｔ％減少させることができた。この場合、磁気特性を示す最大エネルギー積は、５５．１ＭＧ０ｅであり、残留磁束密度は１４．８８ｋＧであり、磁気特性を向上できたことが判る。

本発明の焼結体の製造装置たる真空蒸発装置の構成を概略的に説明する図。 他の変形例に係るトラップ手段を説明する図。 実施例１で作製した焼結磁石材料の希土類元素の含有量の変化量及び磁気特性を示す表。

符号の説明

１ 真空蒸発装置（焼結体の製造装置）
１１ 真空排気手段
１２ 真空蒸発装置
２ 焼結体ケース
２０ 処理室
３ 載置部
４ 加熱手段
５ トラップ板（トラップ手段：板材）
Ｓ 一次焼結体（焼結磁石）
Ｒ 希土類元素

Claims (7)

1. 真空排気手段を有する真空チャンバと、この真空チャンバ内で、液相焼結で得られた一次焼結体を収納する焼結体ケースと、この焼結体ケースの加熱を可能とする加熱手段とを備え、加熱手段を作動させて当該一次焼結体を焼結温度より低い温度にて真空雰囲気中で加熱することにより、液相成分中の蒸気圧の高い元素を優先的に蒸発させて、液相の体積比を減少あるいは消滅させるように構成した焼結体の製造装置であって、前記蒸発させた元素が付着するようにトラップ手段を設けたことを特徴とする焼結体の製造装置。
2. 前記焼結体ケースは一面を開口した箱状のものであり、前記トラップ手段が、前期焼結体の開口面から所定の間隔を存してかつ当該開口面全体を覆うように配置された板材から構成されることを特徴とする請求項１記載の焼結体の製造装置。
3. 前記トラップ手段は、真空チャンバから真空排気手段に通じる排気通路に連通させて設けた収納室と、当該収納室に配置された少なくとも１枚の板材とから構成され、当該板材に駆動手段を連結し、前記板材を排気通路に対し進退自在としたことを特徴とする請求項１焼結体の製造装置。
4. 前記板材は、ガス流方向に対し傾斜させて２列でかつ互い違いとなるように配置されていることを特徴とする請求項３記載の焼結体の製造装置。
5. 前記トラップ手段は、排気通路のうち粘性流領域となる範囲に進退自在であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の焼結体の製造装置。
6. 前記トラップ手段に、冷媒の循環による冷却手段が組み込まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の焼結体の製造装置。
7. 前記トラップ手段の少なくとも蒸発させた元素が付着する部位が、当該元素と反応しない材料から形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の焼結体の製造装置。
   

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