JP2013098485A - 希土類磁石の製造装置と製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結体〜配向磁石の製造過程で受ける熱エネルギーを低減でき、結晶粒の粗大化を抑制し、製造効率を向上できる希土類磁石の製造装置と製造方法を提供する。
【解決手段】断面積が相対的に大きな第１の中空４ａと相対的に小さな第２の中空４ｂが連通する中空を具備するダイ４と、第１の中空内で移動自在な第１のパンチ２と、第２の中空内で移動自在な第２のパンチ３と、第１、第２のパンチ２，３を相互に接近させ、もしくは離間させる主駆動部５，６と、第１、第２のパンチ２，３に対してダイ４を相対的に移動させる副駆動部７と、を少なくとも備え、ダイ４と、第１、第２のパンチ２，３にて形成されたキャビティＣ内に希土類磁石材料となる粉末ｐが充填されるようになっており、第１、第２のパンチ２，３の移動制御とダイ４の移動制御、および加熱制御によって希土類磁石を製造する製造装置１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、希土類磁石の製造装置と製造方法に関するものである。

ランタノイド等の希土類元素を用いた希土類磁石は永久磁石とも称され、その用途は、ハードディスクやMRIを構成するモータのほか、ハイブリッド車や電気自動車等の駆動用モータなどに用いられている。

この希土類磁石の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、モータの小型化や高電流密度化による発熱量の増大に対し、使用される希土類磁石にも耐熱性に対する要求は一層高まっており、高温使用下で磁石の保磁力を如何に保持できるかが当該技術分野での重要な研究課題の一つとなっている。車両駆動用モータに多用される希土類磁石の一つであるNd-Fe-B系磁石を取り挙げると、結晶粒の微細化を図ることやNd量の多い組成合金を用いること、保磁力性能の高いDy、Tbといった重希土類元素を添加することなどによってその保磁力を増大させる試みがおこなわれている。

希土類磁石の製造方法を特許文献１に開示の製造方法を参照して概説すると、たとえばNd-Fe-B系の金属溶湯を急冷凝固して得られた微粉末を加圧成形しながら成形体とし、さらに焼結して焼結体を製造し、この焼結体に磁気的異方性を付与するべく熱間塑性加工を施して配向磁石を製造する。

上記するように、希土類磁石はまず焼結体を製造し、次いでこの焼結体に熱間塑性加工を施して配向磁石を成形するという工程を経るものであるが、これまでの製造方法においては、焼結体製造用の装置にて加圧成形と焼結をおこなって焼結体を製造し、次いでこの焼結体を装置から取り出し、取り出された焼結体を配向磁石製造用の別の装置に移して熱間塑性加工をおこない、配向磁石を製造している。

すなわち、焼結体を製造し、次いで配向磁石を製造する過程で加熱を２回に分けて実施することから、配向磁石ができる過程で付与される熱エネルギーの積算が大きくなってしまい、これが配向磁石を構成する結晶粒を粗大化させる要因となり、保磁力低下の原因となり得るという課題を有していた。

また、焼結体製造後に別途の配向磁石製造用の装置へこれを搬送して焼結体を設置するハンドリング手間や、このハンドリングによって製造効率が低下するといった課題も有している。

特開２０１１−００３６６２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、希土類磁石の製造に当たり、焼結体の製造から熱間塑性加工による配向磁石の製造の過程でこれらが別途の製造装置でおこなわれることによって齎される熱エネルギーの積算増大に起因する結晶粒の粗大化の問題を解消することができ、別途の製造装置間で焼結体を搬送して設置するハンドリング手間やこれに起因する製造効率低下の問題も解消することのできる希土類磁石の製造装置と製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による希土類磁石の製造装置は、断面積が相対的に大きな第１の中空と相対的に小さな第２の中空が連通する中空を具備するダイと、第１の中空内でダイと摺動して移動自在な第１のパンチと、第２の中空内でダイと摺動して移動自在な第２のパンチと、第１、第２のパンチを相互に接近させ、もしくは離間させる主駆動部と、第１、第２のパンチに対してダイを相対的に移動させる副駆動部と、を少なくとも備え、ダイと、第１、第２のパンチにて形成されたキャビティ内に希土類磁石材料となる粉末が充填されるようになっており、第１、第２のパンチの移動制御とダイの移動制御、および加熱制御によって希土類磁石を製造するものである。

本発明の希土類磁石の製造装置は、一つの製造装置のみで、かつ一度の加熱制御（ワンヒート）で焼結体から配向磁石までの製造を連続的におこなうことのできる装置であり、このことにより、製造される希土類磁石に齎される熱エネルギーを可及的に少なくして結晶粒の粗大化を抑制しながら、焼結体と配向磁石の製造をそれぞれ別途の装置で製造する際のハンドリング手間やこれに起因する製造効率低下の問題を効果的に解消することのできる装置である。

この製造装置では、最終製品である希土類磁石が製造される過程の中間製品である焼結体、次いで磁気的異方性が付与された配向磁石までが製造されることになるが、本明細書では希土類磁石の製造装置と規定している。

製造装置を構成するダイと２つのパンチ（第１、第２のパンチ）は、それぞれが固有の駆動部にて移動自在な構成となっており、パンチに対してダイを、あるいはダイに対してパンチを相対的に移動させることができ、さらには、主駆動部と副駆動部を同期駆動させることでいずれか一方のパンチとダイを同期して移動制御できるようになっている。

たとえば液体急冷にて製作された微細な結晶粒である急冷薄帯（急冷リボン）からなる粉末をダイとパンチで形成されたキャビティ内に充填し、キャビティ内を所定温度まで加熱制御しながら主駆動部を作動して第１、第２のパンチを相互に接近させ、キャビティ内の粉末を加圧し、焼結して焼結体が得られる。

本発明の製造装置を構成するダイは変断面の中空を有しており、相対的に断面の大きな第１の中空内を相対的に断面の大きな第１のパンチが摺動し、他方で、相対的に断面の小さな第２の中空内を相対的に断面の小さな第２のパンチが摺動するようになっている。たとえば、相対的に断面の小さな第２の中空内で焼結体が製造された後に、副駆動部を作動させてパンチに対してダイを相対的に移動させる等することにより、焼結体を相対的に大きな第１の中空に移動させることができる。

第１の中空内に移動された焼結体に対し、高温雰囲気下で第１のパンチでこれを加圧することにより、焼結体を熱間塑性加工することができる。

なお、主駆動部と副駆動部は相互に平行な軸方向にピストンが駆動する油圧シリンダ、エアシリンダ等から構成することができる。

このように、変断面の中空を有するダイと断面積の異なる２つのパンチを使用し、パンチとダイをそれぞれ固有の駆動部にて駆動させるという新規の構成を備えた製造装置により、ワンヒートプロセスにて焼結体から配向磁石までを連続的に製造することができる。

また、本発明の製造装置の好ましい実施の形態として、主駆動部は、第１、第２のパンチをそれぞれ移動させる第１、第２の主駆動部からなり、第２の中空から構成されるキャビティ内に前記粉末が充填された後に以下の制御が実行される、（１）主駆動部を作動して第１、第２のパンチを相互に近接させ、充填された粉末を第２の中空内で加圧するとともに加熱して焼結体を製造する、（２）副駆動部を作動してダイを第１、第２のパンチに対して相対的に移動させて焼結体を第１の中空に臨ませるとともに、第２のパンチの第１の中空に臨む面と中空の断面変化位置を面一、もしくは第２のパンチの端面が第１の中空内に突出するように位置合わせする、（３）少なくとも第１の主駆動部を作動させ、第１のパンチを押し込んで焼結体をさらに加圧して第１の中空内で熱間塑性加工をおこなって希土類磁石となる配向磁石を製造する実施の形態を挙げることができる。

この実施の形態は主駆動部が２つの駆動部からなり、２つのパンチがそれぞれ固有の駆動部にて駆動するものである。

第１のパンチを駆動する第１の主駆動部、第２のパンチを駆動する第２の主駆動部、およびダイを駆動する副駆動部がいずれも平行な軸方向で駆動するように構成される。

さらに、本発明の製造装置のより好ましい実施の形態として、第１、第２のパンチとダイがチャンバー内に収容され、該チャンバー内が不活性ガス雰囲気下に調整される実施の形態を挙げることができる。

この形態の製造装置を使用することにより、焼結体〜配向磁石の製造に亘る全工程でこれらが大気曝露されないことから、大気曝露によって焼結体等が酸化するといった不具合は生じ得ない。

なお、このチャンバーはグローブボックス付きのチャンバーであってもよいし、ロボットハンド付きのチャンバーであってもよい。

また、本発明は希土類磁石の製造方法にも及ぶものであり、この製造方法は、断面積が相対的に大きな第１の中空と相対的に小さな第２の中空が連通する中空を具備するダイと、ダイと摺動してダイの中空内で移動自在な第１、第２のパンチと、からなる製造装置を使用して、製造装置のキャビティ内で希土類磁石を製造する製造方法であって、第２の中空で構成されるキャビティ内に希土類磁石材料となる粉末を充填し、第１、第２のパンチを相互に近接させて充填された粉末を加圧するとともに加熱して焼結体を製造する第１のステップ、第１、第２のパンチで焼結体を保持したまま、パンチとダイを相対的に移動させて焼結体を第１の中空で構成されるキャビティ内へ移動させ、第１、第２のパンチを相互に接近させて焼結体をさらに加圧して熱間塑性加工をおこない、希土類磁石となる配向磁石を製造する第２のステップからなるものである。

焼結体や配向磁石を製造する際に、ダイに対してパンチを移動させたり、パンチに対してダイを移動させながら、さらに、キャビティ内を所定温度まで加熱した後にその温度を維持するというワンヒート制御により、焼結体から配向磁石までを連続的に製造することができる。

なお、前記第１のステップと第２のステップを不活性ガス雰囲気下でおこなうことが好ましいことは既述の通りである。

以上の説明から理解できるように、本発明の希土類磁石の製造装置によれば、変断面の中空を有するダイと断面積の異なる２つのパンチを使用し、パンチとダイをそれぞれ固有の駆動部にて駆動させることにより、ワンヒートプロセスにて焼結体から配向磁石までを連続的に製造することができ、このことによって、製造される希土類磁石に齎される熱エネルギーを可及的に少なくして結晶粒の粗大化を抑制しながら、焼結体〜配向磁石までの製造効率を格段に向上させることができる。

本発明の希土類磁石の製造装置の一実施の形態の模式図である。 キャビティ内の温度と製造品の変形量の関係を示す図である。 （ａ）、（ｂ）の順に本発明の希土類磁石の製造方法の第１のステップを説明した模式図である。 （ａ）、（ｂ）の順に製造方法の第２のステップを説明した模式図である。 図４に続いて第２のステップを説明した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の希土類磁石の製造装置と製造方法の実施の形態を説明する。

（希土類磁石の製造装置）
図１は本発明の希土類磁石の製造装置の一実施の形態の模式図である。同図で示す製造装置１０は、チャンバー１と、このチャンバー１内に収容されるダイ４と第１、第２のパンチ２，３と、第１、第２のパンチ２，３およびダイ４をそれぞれ移動させる第１の主駆動部５、第２の主駆動部６、副駆動部７と、から大略構成されている。

チャンバー１内には、アルゴンガス等の不活性ガスを提供する不図示の不活性ガス提供部とチャンバー内を真空引きする不図示の吸引部が設けてあり、焼結体から配向磁石の製造に際し、吸引部と不活性ガス提供部をともに作動させてチャンバー１内を所望の不活性ガス雰囲気に形成できるようになっている。

ダイ４は変断面の中空を有し、断面積が相対的に大きな第１の中空４ａと、相対的に小さな第２の中空４ｂが連通して中空の全体（キャビティＣ）が構成される。そして、第１の中空４ａ内において該中空４ａと同断面の第１のパンチ２が配され、第１の主駆動部５が作動することで第１のパンチ２が第１の中空４ａ内を摺動するようになっており（Ｘ１方向）、第２の中空４ｂ内において該中空４ｂと同断面の第２のパンチ３が配され、第２の主駆動部６が作動することで第２のパンチ３が第２の中空４ｂ内を摺動する（Ｘ２方向）ようになっている。

さらに、ダイ４には副駆動部７が取り付けられており、副駆動部７が作動することによって第１、第２のパンチ２，３に対してダイ４が相対的に移動できる（Ｘ３方向）ようになっている。

第１、第２の主駆動部５，６および副駆動部７はともに油圧シリンダ、もしくはエアシリンダから構成されており、副駆動部７はリング状の立体形状を成し、その内側に第１の主駆動部５が配設されている。また、第１、第２の主駆動部５，６および副駆動部７の駆動方向は、相互に平行となるように各シリンダの駆動軸が規定されている。

なお、図示するチャンバー１はグローブボックス付きのチャンバーであるのが好ましく、焼結体の製造から配向磁石の製造、さらに配向磁石の取り出しまでの全ての工程の全自動化を図る場合には、チャンバー１の内外にロボットハンドが取り付けられた形態を適用することができる。

また、第１、第２の主駆動部５，６および副駆動部７の駆動制御（いずれか一方もしくは２つ以上の駆動部の駆動のタイミング、駆動速度など）、パンチ２，３を通電加熱することによるキャビティＣ内の温度制御（所望温度となるまでの加熱時間、所望温度を所望時間維持した後の加熱のOFF制御など）は、不図示の制御部、中央演算処理装置（CPU）、ROM,RAMやこれらを繋ぐバスなどが内蔵されたコンピュータで実行されるようになっている。

図示する製造装置１０は、ダイ４と第１、第２のパンチ２，３で形成されたキャビティＣ内で希土類磁石用の焼結体、次いで配向磁石を製造する際に主として用いられるものであるが、それ以外の製品製造に供されることを何等排除するものではない。

次に、図示する製造装置１０を使用して希土類磁石を製造する方法、より具体的には、希土類磁石となる焼結体、ついで配向磁石を製造する方法を以下で説明する。

（希土類磁石の製造方法）
図２はキャビティ内の温度と製造品の変形量の関係を示す図であり、図３〜図５はその順で、製造方法の第１、第２のステップを説明するフロー図となっている。

図２において、実線グラフＹ１は温度に関するグラフであり、一点鎖線グラフＹ２は製造品（焼結体や配向磁石）の変形量に関するグラフである。同図で示すように、図示する製造方法においては、キャビティＣ内の温度を時間ｔ１で温度Ｔ１となるまで比例勾配で温度上昇するように第１、第２のパンチ２，３を通電加熱制御し、この温度Ｔ１の状態を時間ｔ２まで維持した後に加熱をOFF制御してチャンバー内（もしくは配向磁石）をクーリングする。

同図におけるポイントＱ１は粉末成形体が製造された時点を示しており、ポイントＱ２は加圧焼結が完了した時点を示しており、ポイントＱ３は配向磁石が製造された時点を示している。そして、ポイントＱ２までの製造過程を図３ａ，ｂに、ポイントＱ２から熱間塑性加工をおこなう前までの製造過程を図４ａ，ｂに、ポイントＱ３時点の製造装置１０の状態を図５にそれぞれ示している。

図３ａで示すように、まず、第１の主駆動部５を移動させて第１のパンチ２の端面を第１の中空４ａの端面４ａ１(断面変化位置)に当接するまで押し込み、第２の中空４ｂで構成されるキャビティＣ内に希土類磁石用の粉末ｐを充填する。

ここで、この粉末ｐは、たとえば50kPa以下に減圧したArガス雰囲気の不図示の炉中で、単ロールによるメルトスピニング法により、合金インゴットを高周波溶解し、希土類磁石を与える組成の溶湯を銅ロールに噴射して急冷薄帯（急冷リボン）を製作し、これを粗粉砕して製造されたものである。

キャビティＣ内に粉末ｐが充填されたら、第１、第２のパンチ２，３を通電加熱してキャビティＣ内を高温雰囲気としながら、第２の主駆動部６を作動させて第２のパンチ３が第１のパンチ２に近接するように摺動させ（Ｘ２方向）、充填粉末ｐを成形し、続いて加圧焼結して、図３ｂで示すように第２の中空４ｂ内に焼結体Ｓ１を形成する（製造方法の第１のステップ）。

この焼結体Ｓ１は、Nd-Fe-B系の主相と、主相の周りにあるNd-X合金（X:金属元素）の粒界相からなる焼結体である。ここで、粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga等のうちの少なくとも１種以上の合金からなり、たとえば、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaのうちのいずれか一種、もしくはこれらの二種以上が混在したものであって、Ndリッチな状態となっている。

また、焼結体Ｓ１は、結晶粒（主相）間を粒界相が充満する等方性の結晶組織を呈している。

図２に戻り、ポイントＱ１は粉末が成形された段階を示しており、充填粉末ｐが圧縮されて当初の体積からδ１変形している。さらに、ポイントＱ２はこの粉末成形体を加圧焼結した段階を示しており、粉末成形体が加圧焼結によって収縮し、当初の体積からδ２変形している。

次に、この焼結体Ｓ１に異方性を与えるべく、これに熱間塑性加工を施して異方性の結晶粒を有する結晶組織の配向磁石を製造する。

この配向磁石の製造に際し、キャビティＣ内における焼結体Ｓ１の移動をおこなう。

図４ａ，ｂはその順に、焼結体Ｓ１の移動態様を模擬したものである。この焼結体Ｓ１のキャビティＣ内における移動は、第１、第２のパンチ２，３による焼結体Ｓ１の把持姿勢を維持しながら、これらに対してダイ４を相対的に移動させることによってキャビティＣ内における焼結体Ｓ１の移動をおこなう。

すなわち、図４ａで示すように、副駆動部７を作動させてダイ４を第２のパンチ３側に移動させ（Ｘ３方向）、最終的には図４ｂで示すように第２のパンチ３の端面３ａが第１の中空４ａの端面４ａ１（断面変化位置）と面一となる位置まで、あるいは第２のパンチ３の端面が端面４ａ１のさらに下方となる位置までダイ４を移動させることにより、第２の中空４ｂ内で製造された焼結体Ｓ１が第１の中空４ａ内に移動する。

次に、図５で示すように、第１の中空４ａ内で第１のパンチ２を摺動させて（Ｘ１方向）焼結体Ｓ１を押し込み、熱間塑性加工をおこなうことにより、異方性の結晶粒を有する結晶組織の配向磁石Ｓ２が製造される。

図２に戻り、ポイントＱ３はこの配向磁石Ｓ２が製造された段階を示しており、当初の充填粉末状態からδ３まで変形してなる配向磁石Ｓ２が得られる。

なお、熱間塑性加工による加工度（圧縮率）が大きい場合、たとえば圧縮率が10%程度以上の場合を、熱間強加工もしくは単に強加工と称することができる。

図２で示す制御形態の一例を示すと、10℃/sの温度上昇勾配でT1=700℃（時間t1）まで昇温させ、昇温後100MPaで充填粉末を成形し（ポイントＱ１）、さらに加圧・焼結してこれを3分間維持して（時間t2）焼結体を製造し（ポイントＱ２）、副駆動部を作動してダイを10mm移動させ、歪み速度1/sで圧縮率80%程度（圧縮率＝変形後高さ／初期高さ）で加圧して配向磁石を製造する（ポイントＱ３）。最後に、配向磁石に窒素ガスを吹き付けてガス冷却する。

図示する希土類磁石の製造装置、およびこれを用いた製造方法により、ワンヒートプロセスにて焼結体Ｓ１から配向磁石Ｓ２までを連続的に製造することができ、このことによって、製造される希土類磁石に齎される熱エネルギーを可及的に少なくして結晶粒の粗大化を抑制することができる。また、一つの装置で焼結体〜配向磁石までを連続的に製造できることから、製造効率を格段に向上させることができる。

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。

１…チャンバー、２…第１のパンチ、３…第２のパンチ、４…ダイ、４ａ…第１の中空、４ｂ…第２の中空、５…第１の主駆動部、６…第２の主駆動部、７…副駆動部、１０…製造装置、ｐ…粉末、Ｓ１…焼結体、Ｓ２…配向磁石

Claims (5)

1. 断面積が相対的に大きな第１の中空と相対的に小さな第２の中空が連通する中空を具備するダイと、
   第１の中空内でダイと摺動して移動自在な第１のパンチと、第２の中空内でダイと摺動して移動自在な第２のパンチと、
   第１、第２のパンチを相互に接近させ、もしくは離間させる主駆動部と、
   第１、第２のパンチに対してダイを相対的に移動させる副駆動部と、を少なくとも備え、
   ダイと、第１、第２のパンチにて形成されたキャビティ内に希土類磁石材料となる粉末が充填されるようになっており、第１、第２のパンチの移動制御とダイの移動制御、および加熱制御によって希土類磁石を製造する希土類磁石の製造装置。
2. 主駆動部は、第１、第２のパンチをそれぞれ移動させる第１、第２の主駆動部からなり、第２の中空から構成されるキャビティ内に前記粉末が充填された後に以下の制御が実行される、
   （１）主駆動部を作動して第１、第２のパンチを相互に近接させ、充填された粉末を第２の中空内で加圧するとともに加熱して焼結体を製造する、
   （２）副駆動部を作動してダイを第１、第２のパンチに対して相対的に移動させて焼結体を第１の中空に臨ませるとともに、第２のパンチの第１の中空に臨む面と中空の断面変化位置を面一、もしくは第２のパンチの端面が第１の中空内に突出するように位置合わせする、
   （３）少なくとも第１の主駆動部を作動させ、第１のパンチを押し込んで焼結体をさらに加圧して第１の中空内で熱間塑性加工をおこなって希土類磁石となる配向磁石を製造する、請求項１に記載の希土類磁石の製造装置。
3. 第１、第２のパンチとダイがチャンバー内に収容され、該チャンバー内が不活性ガス雰囲気下に調整される請求項１または２に記載の希土類磁石の製造装置。
4. 断面積が相対的に大きな第１の中空と相対的に小さな第２の中空が連通する中空を具備するダイと、ダイと摺動してダイの中空内で移動自在な第１、第２のパンチと、からなる製造装置を使用して、製造装置のキャビティ内で希土類磁石を製造する製造方法であって、
   第２の中空で構成されるキャビティ内に希土類磁石材料となる粉末を充填し、第１、第２のパンチを相互に近接させて充填された粉末を加圧するとともに加熱して焼結体を製造する第１のステップ、
   第１、第２のパンチで焼結体を保持したまま、パンチとダイを相対的に移動させて焼結体を第１の中空で構成されるキャビティ内へ移動させ、第１、第２のパンチを相互に接近させて焼結体をさらに加圧して熱間塑性加工をおこない、希土類磁石となる配向磁石を製造する第２のステップからなる希土類磁石の製造方法。
5. 前記第１のステップと第２のステップを不活性ガス雰囲気下でおこなう請求項４に記載の希土類磁石の製造方法。

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