JP2009302256A

JP2009302256A - 希土類磁石の製造方法

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Publication number: JP2009302256A
Application number: JP2008154454A
Authority: JP
Inventors: Fumitaka Baba; 文崇馬場; Takeshi Masuda; 健増田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】粒径がより小さい希土類合金の原料粉末を用いた場合にも、十分に高いＢｒを維持しつつ、ＨｃＪを向上させることができる希土類磁石の製造方法を提供すること。
【解決手段】
希土類磁石の原料粉末を乾式成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼成して、希土類磁石の焼結体を得る焼成工程とを備える希土類磁石の製造方法であり、原料粉末の平均粒径が３．５μｍ以下であり、焼結体中の窒素含有量が酸素含有量より多く、かつ、窒素含有量及び酸素含有量の合計が１２００ｐｐｍ以下である、希土類磁石の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、希土類磁石の製造方法に関する。

Ｒ−Ｆｅ−Ｂ（Ｒは希土類元素）系の組成を有する希土類磁石は、優れた磁気特性を有する磁石であり、その磁気特性の更なる向上を目指して多くの検討がなされている。磁石の磁気特性を表す指標としては、一般に、残留磁束密度（Ｂｒ）及び保磁力（ＨｃＪ）が用いられる。ＨｃＪを向上するためには、希土類磁石を形成するための原料の酸化を抑制することが重要となる。

そこで、特許文献１及び２では、酸素量を低減した不活性ガス雰囲気中で希土類合金の粗粉末を微粉砕し、得られた微粉末を油等の溶媒に分散させたスラリーを作製して成形（以下、「湿式成形」という）することが開示されている。また、特許文献３では、焼成するまでの工程で酸素量を１００ｐｐｍ以下に制御することで酸化を抑制することが開示されている。
特開２００５−２６８５３８号公報特開平９−６３８７９号公報国際公開第２００４／０２９９９５号パンフレット

近年、磁石の作製に用いられる希土類合金の原料粉末の粒径をより小さくすることで、磁気特性の更なる向上が期待されている。しかしながら、特許文献１〜３に記載の方法では、原料粉末の粒径が小さい場合（例えば、平均粒径が４μｍ未満）には、原料粉末の酸化が進んでしまい、Ｂｒを維持しつつＨｃＪを向上させた希土類磁石が得られ難い。

そのため、粒径がより小さい希土類合金の原料粉末を用いて、Ｂｒが十分に高く、優れたＨｃＪを有する希土類磁石を製造することが望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、粒径がより小さい希土類合金の原料粉末を用いた場合にも、十分に高いＢｒを維持しつつ、ＨｃＪを向上させることができる希土類磁石の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者らが鋭意研究を行った結果、微粉砕時に窒化を促進する処置を施すことにより原料粉末の窒素含有量及び酸素含有量が所定の条件を満たすように制御可能となり、粒径がより小さな原料粉末を用いた場合においても酸化を抑制でき、磁気特性を向上できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、希土類磁石の原料粉末を乾式成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼成して、希土類磁石の焼結体を得る焼成工程とを備える希土類磁石の製造方法であり、原料粉末の平均粒径が３．５μｍ以下であり、焼結体中の窒素含有量が酸素含有量より多く、かつ、窒素含有量及び酸素含有量の合計が１２００ｐｐｍ以下である希土類磁石の製造方法を提供する。ここで、「希土類磁石の焼結体」とは、希土類磁石を形成するための原料（磁性粉末等）を焼成することによって得られた焼結体をいうものとする。

本発明の製造法によれば、粒径がより小さい希土類合金の原料粉末を用いて、Ｂｒが十分に高く、優れたＨｃＪを有する希土類磁石を製造することができる。また、上記製造方法では、特許文献１及び２のように、酸化を抑制するために湿式成形で成形体を作製する必要が無いため、溶媒を除去する等の煩雑な後処理作業が不要であり、生産性を向上することができる。

上記製造方法において、焼結体中の窒素含有量が酸素含有量の１．５倍以上であることが好ましい。これにより、得られる磁石のＨｃＪをより一層向上させることができる。

本発明によれば、粒径がより小さい希土類合金の原料粉末を用いた場合にも、十分に高いＢｒを維持しつつ、ＨｃＪを向上させることができる希土類磁石の製造方法を提供することが可能となる。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本発明の希土類磁石の製造方法は、希土類磁石の原料粉末を乾式成形して成形体を得る成形工程と、成形体を焼成して、希土類磁石の焼結体を得る焼成工程とを備えるものである。

図１は、好適な実施形態に係る磁石（希土類磁石）の製造工程を示すフローチャートである。

本実施形態の希土類磁石の製造においては、まず、所望の組成を有する希土類磁石が得られるような合金を準備する（ステップＳ１１）。この工程では、例えば、希土類磁石の組成に対応する金属等の元素を含む単体、合金や化合物等を、真空又はアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で溶解した後、これを用いて鋳造法やストリップキャスト法等の合金製造プロセスを行うことによって所望の組成を有する合金を作製する。

ここで、本発明に適用される希土類磁石としては、例えば、希土類元素として主にＮｄやＰｒを含むものが挙げられ、希土類元素と、希土類元素以外の遷移元素とを組み合わせた組成を有するものが好適である。具体的には、希土類元素（「Ｒ」で表す）としてＮｄ、Ｐｒ、Ｄｙ及びＴｂのうちの少なくとも１種を２５〜３５重量％含み、Ｂを必須元素として０．５〜２．０重量％含み、且つ残部がＦｅであるＲ−Ｆｅ−Ｂ系の組成を有するものが好ましい。このような希土類磁石は、必要に応じて、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｉ等の他の元素を更に含む組成を有していてもよい。

次に、得られた合金を粗粉砕して、数百μｍ程度の粒径を有する粒子とする（ステップＳ１２）。合金の粗粉砕は、例えば、ジョークラッシャー、ブラウンミル、スタンプミル等の粗粉砕機を用いるか、または、合金に水素を吸蔵させた後、異なる相間の水素吸蔵量の相違に基づく自己崩壊的な粉砕を生じさせる（水素吸蔵粉砕）ことによって行うことができる。

続いて、粗粉砕により得られた合金の粗粉末を窒素雰囲気下で更に微粉砕することで（ステップＳ１３）、３．５μｍ以下、好ましくは１〜３．５μｍ、より好ましくは１〜３．０μｍの平均粒径Ｄ５０（累積体積が５０％になる粒子の粒径）を有する希土類磁石の原料粉末（以下、単に「原料粉末」という）を得る。本発明では、このような比較的粒径の小さな原料粉末に対しても、酸化を十分に抑制することができるため、本発明の効果を十分に発現することができる。

後述する工程で得られる焼結体中の酸素含有量を低減するためには、まず、原料粉末の酸素含有量を十分に低減する必要がある。そこで、原料合金の溶解〜微粉砕までの工程の雰囲気中の酸素含有量をできるだけ低く、例えば、酸素濃度を２０ｐｐｍ以下に制御した窒素雰囲気下で微粉砕を行い、本発明の効果を逸脱しない範囲で原料粉末を窒化させることが好ましい。

微粉砕は、粗粉砕された合金の粗粉末に対し、粉砕時間等の条件を適宜調整しながら、ジェットミル、ボールミル、振動ミル等の微粉砕機を用いて更なる粉砕を行うことによって実施する。本実施形態では、原料粉末の窒化を進めることにより酸化を抑制する観点から、ジェットミルを用いて微粉砕を行うことが好ましい。

図２は、代表的なジェットミルである微粉砕装置Ａを示す模式断面図である。微粉砕装置Ａにおいて、粗粉末は粗粉末入口２１から投入され、窒素ガス入口２０から流入する高圧窒素と共に、粉砕室１に入り、粉砕室１内に設置されている衝突板２に衝突しながら微粉砕される。そして、目的とする粒径を有する原料粉末が分級ロータ３により分級されて原料粉末出口２２から回収される。なお、原料粉末中の窒素含有量は、微粉砕するために使用する窒素ガス中の酸素濃度、粉砕ガス圧を変動することにより適宜調整することができる。

また、微粉砕時に、粉砕室１内を加熱することや、高温の窒素ガスを使用して粗粉末を温めることで、原料粉末を効率よく窒化することができる。粉砕室１を加熱する場合、その温度は５０〜１８０℃であることが好ましく、６０〜１２０℃であることが好ましい。粉砕室１の加熱温度が５０℃未満では、窒化が不十分となり酸化を抑制し難くなり、２００℃を超えると、微粉末の酸化を促進してしまう。

さらに、粉砕室１内の容積を変更することで、より小さな平均粒径を有する原料粉末を得ることができると共に、原料粉末を効率よく窒化することができる。微粉砕装置Ａの構成を一部変更した微粉砕装置Ｂの模式断面図を、図３に示す。微粉砕装置Ｂは、粉砕室１１の内部に設置されている衝突板１２の周りに囲い治具１５を配置することで粉砕室１２の容積を小型化したものである。微粉砕装置Ｂにおいて、粗粉末は粗粉末入口３１から投入され、窒素ガス入口３０から流入する高圧窒素により、粉砕室１１に入り、衝突板１２に衝突しながら微粉砕される。そして、目的とする粒径を有する原料粉末が分級ロータ１３により分級されて原料粉末出口３２から回収される。

上述したように粉砕室１１内の容積が小さくなることで、粗粉末同士の衝突頻度が増大して発熱が生じ、粉砕室内の温度が上昇すると考えられる。また、この際、原料粉末の新生面が窒化され易くなるため、その後の酸化が抑制されることから、原料粉末の粒径が小さくなるほど、微粉砕時の窒化が有効となる。また、微粉砕後に回収した原料粉末は凝集してしまうため、微粉砕後に各原料粉末を均一に窒化することは困難である。よって、微粉砕中に窒化処理することは原料粉末が凝集していない状態で窒化することができるため、均質な窒化物相が形成され易くなる。

次に、上述のようにして得られた原料粉末を、目的の形状に成形する（ステップＳ１４）。成形は、磁場を印加しながら行い、これにより原料粉末に所定の配向を生じさせる。成形は、例えば、プレス成形により行うことができる。具体的には、原料粉末を金型キャビティ内に充填した後、充填された粉末を上パンチと下パンチとの間で挟むようにして加圧することによって、原料粉末を所定形状に成形することができる。成形によって得られる成形体の形状は特に制限されず、柱状、平板状、リング状等、所望とする希土類磁石の形状に応じて変更することができる。成形時の加圧は、０．５〜１．４ｔｏｎ／ｃｍ^２で行うことが好ましい。また、印加する磁場は、１２〜２０ｋＯｅとすることが好ましい。本実施形態では、成形方法として、上述のように原料粉末をそのまま成形する乾式成形を用いている。本実施形態では、従来の磁石の製造方法のように酸化を抑制する手段として湿式成形を用いる必要がなく、成形体中の酸素含有量を低減することができる。

次いで、成形体に対して、例えば、真空中又は不活性ガスの存在下、１０００〜１２００℃、１〜１０時間で加熱する処理を行うことにより焼成を行う（ステップＳ１５）。これにより、原料粉末が液相焼結を生じ、主相の体積比率が向上した焼結体（希土類磁石の焼結体）が得られる。

ＨｃＪをより一層向上させる観点から、焼結体中の窒素含有量は酸素含有量より多く、酸素含有量の１．２倍以上であることが好ましく、１．４倍以上であることがより好ましく、１．５倍以上であることが更に好ましい。また、焼結体中の窒素含有量及び酸素含有量の合計は、１２００ｐｐｍ以下であり、１１００ｐｐｍ以下であることが好ましく、１０００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。窒素及び酸素含有量の合計が１２００ｐｐｍを越えると、ＨｃＪが低下する傾向がある。なお、焼結体中の窒素及び酸素含有量は、金属中ガス分析装置を用いることで測定することができる。

焼成後、得られた焼結体を焼成時よりも低い温度で加熱することなどによって、焼結体に時効処理を施す（ステップＳ１６）。時効処理は、例えば、７００〜９００℃で１〜３時間、更に５００〜７００℃で１〜３時間加熱する２段階加熱や、６００℃付近で１〜３時間加熱する１段階加熱等の適宜の条件で行う。このような時効処理によって、焼結体の磁気特性を向上させることができる。

そして、このようにして得られた焼結体に対し、所望のサイズに切断したり、表面を平滑化したりする処理を行うことによって、目的とする希土類磁石が得られる。なお、得られた希土類磁石には、その表面上に酸化層や樹脂層等の劣化を防止するための保護層が更に設けられてもよい。

上述したように、本実施形態の希土類磁石の製造方法においては、粒径がより小さい希土類合金の原料粉末を用いた場合にも、酸化を十分に抑制して、十分にＢｒを維持しつつＨｃＪを向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに制限されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。本発明の希土類磁石の製造方法では、微粉砕時に窒化を促進する処置を施すことにより、平均粒径が３．５μｍ以下であり、窒素含有量が酸素含有量より多く、かつ、窒素含有量及び酸素含有量の合計が１２００ｐｐｍ以下である原料粉末を用いれば、磁気特性に優れる希土類磁石を作製することができる。

以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
［希土類磁石の製造］

（実施例１）
まず、２５．５０ｗｔ％Ｎｄ−４．４０ｗｔ％Ｄｙ−０．５０ｗｔ％Ｃｏ−０．２０ｗｔ％Ａｌ−０．０７ｗｔ％Ｃｕ−０．２０ｗｔ％Ｚｒ−０．９０ｗｔ％Ｂ−ｂａｌ．Ｆｅの組成を有する希土類磁石が得られるように原料合金を準備した。次いで、原料合金を室温にて水素を吸蔵させた後、Ａｒ雰囲気中で６００℃×１時間の脱水素を行なう水素粉砕処理（粗粉砕）を行なった。

その後、図３に示す微粉砕装置Ｂを使用して、所望のＤ５０となるようＮ_２ガス圧力、分級回転数、粉砕時間等を調整しながら、高圧Ｎ_２ガスによるジェットミル粉砕を行い、希土類磁石の原料粉末である磁性粉末を得た。上記磁性粉末の粒径をレーザー回折式粒度分布測定器を用いて測定した結果、Ｄ５０は２．５０μｍであった。

次いで、この磁性粉末を用い、成型圧１．２ｔ／ｃｍ^２、配向磁場１５ｋＯｅの条件で磁場中成型を行い、成型体を得た。それから、得られた焼結体に８００℃で１時間、さらに５５０℃で２.５時間（ともにＡｒ雰囲気中）保持する２段時効処理を施すことにより、上記組成を有する希土類磁石を得た。

（実施例２及び３）
微粉砕装置Ｂを使用して、表１に示すＤ５０を有する磁性粉末を作製した以外は、実施例１と同様にして希土類磁石を製造した。

（実施例４〜６）
微粉砕装置Ｂに代えて、図２に示す微粉砕装置Ａを使用して、粉砕室を加熱しながら表１に示すＤ５０を有する磁性粉末を作製した以外は、実施例１と同様にして希土類磁石を製造した。

（比較例１〜５）
微粉砕装置Ｂに代えて、図２に示す微粉砕装置Ａを使用して、表１に示すＤ５０を有する磁性粉末を作製した以外は、実施例１と同様にして希土類磁石を製造した。

（比較例６）
微粉砕装置Ｂに代えて、図２に示す微粉砕装置Ａを使用して、粉砕室を加熱しながら表１に示すＤ５０を有する磁性粉末を作製した以外は、実施例１と同様にして希土類磁石を製造した。

（比較例７）
微粉砕装置Ｂを使用して、表１に示すＤ５０を有する磁性粉末を作製した以外は、実施例１と同様にして希土類磁石を製造した。

［焼結体中の窒素及び酸素含有量の測定］
含有酸素量、含有窒素量の測定は、金属中ガス分析装置にて行った。検出方法は、試料を黒鉛るつぼでガス化（酸素はＣＯ、窒素はＮ_２）し、非分散赤外線検出器にてＣＯを、熱伝導検出器にてＮ_２を検出した。

［特性評価］
（磁気特性の評価）
上述した各実施例及び比較例の各希土類磁石を用いて得られた測定用サンプルの磁気特性を、ＢＨトレーサーによりそれぞれ測定した。得られた結果から、各測定用サンプルの残留磁束密度（Ｂｒ）及び保磁力（ＨｃＪ）をそれぞれ求めた。

表１より、原料粉末の平均粒径が３．５μｍ以下であり、焼結体中の窒素含有量が酸素含有量より多く、かつ、窒素含有量と酸素含有量との合計が１２００ｐｐｍ以下であることにより得られる希土類磁石は、Ｂｒが十分に高く、優れたＨｃＪを有することが判明した。

好適な実施形態に係る希土類磁石の製造工程を示すフローチャートである。微粉砕装置Ａを示す模式断面図である。微粉砕装置Ｂを示す模式断面図である。

符号の説明

１，１１…粉砕室、２，１２…衝突板、３，１３…分級ロータ、１５…囲い治具、２０，３０…窒素ガス入口、２１，３１…粗粉末入口、２２，３２…原料粉末出口。

Claims

希土類磁石の原料粉末を乾式成形して成形体を得る成形工程と、
前記成形体を焼成して、希土類磁石の焼結体を得る焼成工程と、
を備える希土類磁石の製造方法であり、
前記原料粉末の平均粒径が３．５μｍ以下であり、前記焼結体中の窒素含有量が酸素含有量より多く、かつ、前記窒素含有量及び前記酸素含有量の合計が１２００ｐｐｍ以下である、希土類磁石の製造方法。
前記窒素含有量が前記酸素含有量の１．５倍以上である、請求項１記載の希土類磁石の製造方法。