JP2012174920A - ネオジム磁石とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石保磁力を高めながら材料コスト低減を図ることができ、粒界拡散過程における熱エネルギを少なくして製造コスト低減も図ることのできるネオジム磁石の製造方法と、この方法によって製造されたネオジム磁石を提供する。
【解決手段】主相Ｓと粒界相Ｒからなる金属組織を有するネオジム磁石Ｍと、ネオジムと非希土類金属からなるネオジム合金Ｇ’を減圧雰囲気下で熱処理し、該粒界相Ｒ内にネオジム合金Ｇを気相拡散させるネオジム磁石の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネオジム磁石とその製造方法に関するものである。

ブラシレスＤＣモータをはじめとする各種モータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ（以下、ＩＰＭモータという）はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両の駆動用モータには、上記するＩＰＭモータが使用されている。

モータ等のアクチュエータに適用される上記永久磁石に関してさらに言及するに、ネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石（たとえば、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ））はその優れた磁気特性ゆえにその用途が広範囲に広がっており、たとえば、近時の自動車産業界を牽引するといってもよいハイブリッド車をはじめとする車両や産業機械、現在クリーンエネルギとして注目を集めている風力発電機器などに用いられている。

ところで、磁石性能の指標として残留磁化（残留磁束密度）と保磁力を挙げることができるが、ネオジム磁石に関して言えば、体積率を増大させること、結晶配向度を向上させることでその残留磁化を増大させることができ、結晶粒の微細化を図ること、ネオジム量の多い組成合金を用いること、保磁力性能の高い金属粒を添加すること、などによってその保磁力を増大させることができる。

その中でも現在一般に適用されている保磁力性能向上のための方策として、保磁力性能の高い金属である、Ｄｙ（ジスプロシウム）やＴｂ（テルビウム）などでネオジム磁石を構成する粒界相内でリッチなネオジムの一部を置換することにより、金属化合物の異方性磁界を増大させ、これによって保磁力増大を図る方策を挙げることができる。たとえば、真空雰囲気下で熱処理をおこない、ネオジム磁石の粒界相内にジスプロシウムを粒界拡散させる方法が特許文献１に開示されている。

ところで、上記するジスプロシウムやテルビウムの使用量は、希土類元素の自然存在比を大きく超過していることに加えて、商業的に開発されている鉱床の推定埋蔵量は極めて少なく、さらには、鉱床存在地域も世界的に偏在していることから、元素戦略の必要性が認識されるに至っている。なお、テルビウムの存在比率はジスプロシウムのそれに比して格段に低いことが知られている。

上記するように、ジスプロシウムやテルビウムをネオジムの一部と置換することでネオジム磁石の保磁力が高められる一方で、この置換物が存在することでネオジム磁石の飽和磁気分極を減少させることも知られており、したがって、ジスプロシウム等を使用してネオジム磁石の保磁力を増大させようとする場合には、少なからずその残留磁束密度の低下を許容せざるを得ない。さらには、ジスプロシウムやテルビウムがレアアースであることより、資源リスクや材料コストの観点からその使用量を可及的に低減する必要があることは言うまでもない。このことから、ジスプロシウム等の希土類元素を使用することなく、ネオジム磁石の保磁力を向上させることのできる技術開発が当該技術分野で切望されている。

また、ジスプロシウム等を粒界拡散させてネオジム磁石を製造する製造過程に目を向けると、気相法を適用してジスプロシウムを十分に粒界相内に粒界拡散させるには、８５０℃〜１０００℃程度の熱処理が必要であり、しかも、この粒界拡散は１０時間程度もの時間を必要としている。したがって、このように高い熱エネルギを長時間必要とすることから、ジスプロシウム等の材料コストに加えて製造コストも高価なものとなっており、これら材料コストと製造コストが相俟ってネオジム磁石やこれを備えたＩＰＭモータ等の製品コストの高騰に繋がっている。このことから、保磁力性能に優れたネオジム磁石を可及的に安価な製造コストで製造することのできる製造方法もまた、当該技術分野で切望されている。

ところで、気相法を適用して上記する８５０℃以上の高温雰囲気下で長時間の熱処理をおこなうと、ネオジム磁石を構成する主相（結晶粒）の粒成長が促進されることが知られている。

主相が小さい場合はこの主相内の磁区が単磁区に近いものとなるが、主相が大きくなるにつれて主相内の磁区の数が増加する。このように磁区の数が増加すると、各磁区の磁壁が動き易くなり、これが磁化反転を生じさせ、この磁化反転が磁石の保磁力を低下させる原因となる。なお、磁石性能で保磁力とともに重要な残留磁束密度（磁化）に関して言えば、これは主相（結晶粒）の大小に影響されない。すなわち、磁石バルク体ができた段階でその全体に占める主相の体積が決定されることから、以後の主相の粒成長の程度に関係なく残留磁束密度が規定されるからである。

このことからも、ネオジム磁石を構成する主相の粒成長を抑制するのが好ましく、そのためには、気相法を適用して磁石保磁力を高める金属粒を粒界拡散させる際の熱処理時の温度は可及的に低いのが好ましい。そのために、ジスプロシウムやテルビウムといった希土類金属に代わる金属粒、すなわち、昇華温度（気化温度）や溶融温度が低く、しかも磁石保磁力を高めることのできる金属粒を見出してそれを粒界拡散させる技術の開発が切望される。

特開２００５−１３５３９３号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ジスプロシウム等の希土類金属に代わる金属であって磁石保磁力を高めることのできる金属（合金）をネオジム磁石の粒界相に粒界拡散させることにより、磁石保磁力を高めながら材料コスト低減を図ることができ、粒界拡散過程における熱エネルギを少なくして製造コスト低減も図ることのできるネオジム磁石の製造方法と、この方法によって製造されたネオジム磁石を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるネオジム磁石の製造方法は、主相と粒界相からなる金属組織を有するネオジム磁石と、ネオジムと非希土類金属からなるネオジム合金を減圧雰囲気下で熱処理し、該粒界相内にネオジム合金を気相拡散させるものである。

本発明のネオジム磁石の製造方法は、磁石保磁力を高める金属としてジスプロシウムやテルビウム等の希土類金属でなく、希土類金属に比して格段に材料コストの安価な非希土類金属とネオジムの合金を使用し、これを減圧雰囲気下で熱処理するいわゆる気相法によって粒界相内に粒界拡散（気相拡散）させるものである。すなわち、用意されたネオジム磁石の粒界相内にネオジム合金を粒界拡散させて、保磁力が高められたネオジム磁石を得ることを、本明細書では「ネオジム磁石の製造方法」としている。

ここで、上記非希土類金属としては、アルミニウム、銅、マンガン、鉄のいずれか一種を使用することができる。

ジスプロシウムを気化させて粒界拡散させる際に８５０℃〜１０００℃程度の温度を要するのに対して、ネオジムとアルミニウムの合金（ＮｄＡｌ）の昇華温度は６４０℃程度、ネオジムと銅の合金（ＮｄＣｕ）の昇華温度は５２０℃程度、ネオジムとマンガンの合金（ＮｄＭｎ）の昇華温度は７００℃以下、ネオジムと鉄の合金（ＮｄＦｅ）の昇華温度は６００℃程度であり、いずれも７００℃以下の温度となっている。

上記ネオジム合金はいずれも共晶温度が存在し、金属元素単体のときの融点や昇華温度よりも合金融点や合金昇華温度は格段に低くなる。高真空雰囲気下における熱処理によって共晶合金は共沸現象を起こして蒸発拡散がおこるが、この際の温度が上記する７００℃以下の低いものとなる。なお、補足的に記載するに、ネオジム単体の昇華温度は１０００℃以上（１０８０℃程度）である。

上記ネオジム合金を使用してこれをネオジム磁石の粒界相内に粒界拡散させることで、この粒界拡散過程での熱エネルギはジスプロシウム等の希土類金属を粒界拡散させる従来の製造方法に比して格段に少なくなり、このことは処理槽を構成するヒータに低規格のものを適用できることを含め（装置コスト低減）、製造コストの大幅な低減に繋がる。

しかも、上記ネオジム合金はジスプロシウム等に比して材料コストも格段に廉価であることから、製造コスト低減と材料コスト低減が相俟って、ネオジム磁石の製品コストを格段に廉価にでき、このネオジム磁石を具備するＩＰＭモータ等の製品コスト低減に繋がる。

さらに、ジスプロシウム等を粒界拡散させる場合よりもネオジム合金を粒界拡散させる際の処理温度が１５０〜２００℃程度、もしくはそれ以上も低くなっていることから、粒界拡散過程での主相の粒成長を抑制することができ、このことは磁石保磁力低下の抑制に繋がる。なお、このように主相の粒成長を抑制できることから、本発明のネオジム磁石の製造方法をナノ結晶磁石の製造に適用することができる。すなわち、数十ナノ（ｎｍ）程度の結晶サイズを保持しながら、これをネオジム磁石の粒界相内に粒界拡散させることが可能となる。

ここで、上記する製造方法では、異なる非希土類金属からなる２種以上のネオジム合金を気相拡散させてもよい。

たとえば、ＮｄＡｌとＮｄＣｕを同時にネオジム磁石の粒界相内に粒界拡散させる実施の形態が挙げられる。

たとえばＮｄＡｌのみを粒界相内に粒界拡散させた場合は、この粒界相内に存在していたＮｄと粒界拡散されたＮｄＡｌから、Ｎｄ，Ａｌの各組成比が異なる新たなＮｄＡｌが生成され、あらたな組成比を有するネオジム合金とネオジムの単体が粒界相内でリッチな状態となって存在することになる。一方、ＮｄＡｌとＮｄＣｕの２種の合金が粒界相内に粒界拡散された場合は、ネオジムのほか、ＮｄとＡｌとＣｕがある組成比で合金化されたあらたなネオジム合金が粒界相内でリッチな状態となって存在することになる。

また、本発明はネオジム磁石にもおよぶものであり、このネオジム磁石は、主相と粒界相からなる金属組織を有するネオジム磁石において、該粒界相内にネオジムと非希土類金属からなるネオジム合金が拡散されているものである。

既述するように、上記非希土類金属としては、アルミニウム、銅、マンガン、鉄のいずれか一種が適用できる。

このネオジム磁石は、ジスプロシウムやテルビウムを使用することなく、ネオジムと上記する非希土類金属の合金が粒界相内に拡散されていることで、ジスプロシウムが拡散された場合の保磁力性能と同等の保磁力性能を具備しながら、その材料コストと製造コストが格段に安価な磁石である。これは、ジスプロシウムが粒界拡散されてなる従来のネオジム磁石に比して粒界拡散の際の熱処理温度が格段に低いために主相の粒成長が抑制され、この粒成長抑制に起因して保磁力の低減が抑制され、これが本発明のネオジム磁石の保磁力性能に寄与していると言える。

また、上記するネオジム磁石の製造方法と同様、このネオジム磁石においても、異なる非希土類金属からなる２種以上のネオジム合金が粒界相内に拡散している実施の形態であってもよい。

以上の説明から理解できるように、本発明のネオジム磁石とその製造方法によれば、ジスプロシウムやテルビウムに比して格段に材料コストの安価な非希土類金属とネオジムの合金を使用し、これを減圧雰囲気下で熱処理してネオジム磁石の粒界相内に粒界拡散させることで、材料コストを低減でき、粒界拡散の際の熱エネルギを少なして製造コストを低減でき、粒界拡散の際の熱処理温度を格段に低くして主相の粒成長を抑制することができ、これらのことから、保磁力性能に優れたネオジム磁石を安価な材料コストおよび製造コストの下で製造することが可能となるものである。

本発明のネオジム磁石の製造方法を説明した模式図である。 ネオジム磁石の粒界相内にネオジム合金が粒界拡散している状況を説明した模式図である。 ネオジム磁石（実施例、比較例）の磁石性能を測定した実験結果を減磁曲線で示した図である。

以下、図面を参照して本発明のネオジム磁石とその製造方法の一実施の形態を説明する。なお、図示するネオジム磁石の製造方法は、焼結体であるネオジム磁石に対してネオジム合金を粒界拡散させてその保磁力が高められたネオジム磁石を製造する方法のことである。

図１は本発明のネオジム磁石の製造方法を説明した模式図であり、図２はネオジム磁石の粒界相内にネオジム合金が粒界拡散している状況を説明した模式図である。

まず、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石であるネオジム磁石Ｍを用意する。このネオジム磁石Ｍは、主相Ｓの周りを粒界相Ｒが包囲するミクロ構造を呈しており、粒界相Ｒの主たる金属はネオジムであり、主相Ｓはネオジム、鉄、ボロンが主たる成分となっている。

このネオジム磁石Ｍを処理槽Ｃ内に収容された容器Ｙの網Ｎの上に載置する。なお、この容器Ｙや網Ｎはモリブデンから形成できる。

この処理槽Ｃは、その内部を７００℃程度の高温雰囲気に熱処理するためのヒータＨを備え、かつ、その一部に不図示のバキュームポンプに連通する真空引き管路Ｃａが設けてある。

容器Ｙ内の網Ｎの下方には拡散源であるネオジム合金Ｇ’が載置されている。ここで、このネオジム合金Ｇ’は、ネオジムとアルミニウムの合金（ＮｄＡｌ（昇華温度は６４０℃程度））、ネオジムと銅の合金（ＮｄＣｕ（昇華温度は５２０℃程度））、ネオジムとマンガンの合金（ＮｄＭｎ（昇華温度は７００℃以下））、ネオジムと鉄の合金（ＮｄＦｅ（昇華温度は６００℃程度））のいずれか一種、もしくは複数種である。

以下、ネオジムとアルミニウムの合金（ＮｄＡｌ）の一種を拡散源として容器Ｙ内に収容する場合を取り上げて説明する。

容器Ｙ内にネオジム合金Ｇ’とネオジム磁石Ｍを収容したら、不図示のバキュームポンプを作動させて真空引き管路Ｃａを介して処理槽Ｃ内を真空引きし（Ｘ方向）、処理槽Ｃ内を減圧雰囲気（たとえば１．３×１０^−４Ｐａ以下）で好ましくは真空雰囲気とする。

さらに、ヒータＨを作動させ、処理槽Ｃ内をＮｄＡｌの昇華温度である６４０℃以上の高温雰囲気としてこの熱処理を１０時間程度の所定時間継続する。

この減圧雰囲気下における熱処理により、ＮｄＡｌからなるネオジム合金Ｇ’が昇華（気化）し、昇華前のネオジム合金Ｇ’がその合金組成を維持しながら昇華後のネオジム合金Ｇとなってネオジム磁石Ｍの表面からその内部の粒界相Ｒ内へ粒界拡散する（気相拡散）。

図２で示すように、ネオジム磁石Ｍを構成する主相Ｓ，…の周りを満たすネオジムリッチな粒界相Ｒ内に昇華後のネオジム合金Ｇが粒界拡散すると、この粒界相Ｒ内に存在していたＮｄと粒界拡散されたＮｄＡｌより、あらたなＮｄ，Ａｌの各組成比を有するＮｄＡｌが生成され、このあらたに生成されたネオジム合金とネオジムが粒界相Ｒ内でリッチな状態となって存在することになる。

なお、図１で示す処理槽Ｃは、従来のジスプロシウムをネオジム磁石の粒界相内に粒界拡散（気相拡散）させる際に用いられたものと同様の装置である。しかしながら、ジスプロシウムを粒界拡散させる場合は、処理槽内を少なくとも８５０℃以上の高温雰囲気とする性能（規格）のヒータを要していたが、図示する処理槽Ｃの具備するヒータＨはせいぜい７００℃程度までの性能で十分であり、従来製法で使用された装置に比して装置コストを低減できるとともに、処理の際に要する熱エネルギも格段に少なくすることができる。

また、粒界拡散に使用されるのがジスプロシウムやテルビウムではなく、ネオジムとアルミニウムの合金であることから材料コストも格段に廉価となる。

さらに、上記する処理の際の温度低下に起因して、ネオジム磁石Ｍを構成する主相Ｓの粒成長を抑制することができ、このことはネオジム磁石Ｍの保磁力低下の抑制に繋がる。

[ネオジム磁石（実施例、比較例）の磁石性能を測定した実験とその結果]
本発明者等は、本発明の製造方法で製造されたネオジム磁石（実施例）と、従来の製造方法で製造されたネオジム磁石（比較例１〜比較例３）を試作し、それぞれのネオジム磁石の残留磁化と保磁力をＶＳＭ（振動試料型磁力計）にて測定する実験をおこなった。

ここで、実施例の拡散源としては８５％Ｎｄ１５％Ａｌのネオジム合金を使用し、比較例１の拡散源はＮｄの単体金属、比較例２の拡散源はＡｌの単体金属、比較例３は拡散源がないものである。これらのネオジム磁石をモリブデン製の容器内の網上に載置し、処理槽内を２．３×１０^−５Ｐａの真空雰囲気とし、７００℃で１２時間保持し、最後に４８０℃で１時間アニール処理して実施例および比較例１〜３の各ネオジム磁石を製作した。

実験結果を減磁曲線として図３に示すとともに、以下の表１に実施例および各比較例の測定結果を示している。

表１および図３より、実施例の残留磁束密度は、比較例１や比較例３と同程度の結果となっており、したがって、粒界相内にネオジム合金を粒界拡散させた際に残留磁束密度の低下はないことが実証されている。

残留磁束密度が低下しないことを確認した上で、実施例および各比較例の保磁力を比較するに、比較例の中でも保磁力の高い比較例３に比して実施例の保磁力は５％程度も向上することが実証されている。

なお、比較例１では、拡散源がネオジム単体であることから、粒界拡散させるための実際の処理温度は７００℃では不十分であり、１０００℃程度の処理温度を要した。

また、比較例２では、拡散源がアルミニウム単体であることから、昇華したアルミニウムが容器の壁面を伝わってネオジム磁石に直接反応してしまい、したがって気相拡散でなく、液相拡散となっていた。この液相拡散の場合は気相拡散に比して反応が進みすぎてしまい、その結果として主相が壊れて残留磁束密度が低下したものと考えられる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

Ｃ…処理槽、Ｃａ…真空引き管路、Ｈ…ヒータ、Ｙ…容器、Ｎ…網、Ｍ…ネオジム磁石、Ｇ…昇華後のネオジム合金、Ｇ’…昇華前のネオジム合金、Ｓ…主相、Ｒ…粒界相

Claims (7)

1. 主相と粒界相からなる金属組織を有するネオジム磁石と、ネオジムと非希土類金属からなるネオジム合金を減圧雰囲気下で熱処理し、該粒界相内にネオジム合金を気相拡散させるネオジム磁石の製造方法。
2. 前記非希土類金属がアルミニウム、銅、マンガン、鉄のいずれか一種からなる請求項１に記載のネオジム磁石の製造方法。
3. 異なる非希土類金属からなる２種以上のネオジム合金を気相拡散させる請求項１または２に記載のネオジム磁石の製造方法。
4. 前記熱処理時の温度が７００℃以下である請求項１〜３のいずれかに記載のネオジム磁石の製造方法。
5. 主相と粒界相からなる金属組織を有するネオジム磁石において、該粒界相内にネオジムと非希土類金属からなるネオジム合金が拡散されているネオジム磁石。
6. 前記非希土類金属がアルミニウム、銅、マンガン、鉄のいずれか一種からなる請求項５に記載のネオジム磁石。
7. 異なる非希土類金属からなる２種以上のネオジム合金が粒界相内に拡散している請求項５または６に記載のネオジム磁石。

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