JP2013157345A - 希土類磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部位ごとに異なっている要求保磁力性能を満足しながら、改質合金の使用量を可及的に低減して保磁力分布を有する希土類磁石を製造することのできる希土類磁石の製造方法を提供する。
【解決手段】希土類磁石材料となる粉末を加圧成形して成形体Ｓを製造する第１のステップ、保磁力を高める改質合金Ｔを成形体Ｓに部分的に接触させ、熱処理して成形体Ｓの内部に改質合金Ｔを拡散浸透させて希土類磁石ＲＥを製造する第２のステップからなる。
第２のステップでは、第１のステップで製造された成形体Ｓに異方性を与える熱間塑性加工を施して希土類磁石前駆体Ｃを製造し、これに改質合金Ｔを部分的に接触させるのが好ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、希土類磁石の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の一例を概説すると、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、この成形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希土類磁石前駆体（配向磁石）を製造し、この希土類磁石前駆体に対し、その保磁力を高める改質合金を拡散浸透させて希土類磁石を製造する方法が一般に適用されている。なお、特許文献１には、この改質合金として低融点のNd-Cu合金を使用し、これを配向磁石表面に付着し、熱処理することで拡散浸透させる技術が開示されている。

ところで、上記する従来の希土類磁石の製造方法では、改質合金の拡散浸透によって希土類磁石全体の保磁力を高めることができ、特に特許文献１で開示するように重希土類元素を含まない改質合金を使用することにより、可及的安価に保磁力性能に優れた希土類磁石を製造することができる。しかしながら、希土類磁石に要求される保磁力性能は該希土類磁石の部位ごとに作用する外部磁界の大きさが異なることから要求される保磁力も希土類磁石の部位ごとに相違しており、保磁力性能を高める改質合金の使用量を低減することを含めて、希土類磁石の部位ごとに保磁力の異なる（保磁力分布のある）保磁力分布磁石を製造することにより、要求される保磁力性能を満足しながら改質合金の使用量が可及的に低減され、より一層製造コストの削減を図ることのできる希土類磁石の製造を実現することができる。

なお、「希土類磁石に要求される保磁力性能は該希土類磁石の部位ごとに作用する外部磁界の大きさが異なることから要求される保磁力も希土類磁石の部位ごとに相違」することを一例を挙げて説明すると、たとえばIPMモータ等のロータ内に埋設される希土類磁石には、ステータコア側から入射してくる外部磁界による減磁に抗し得る保磁力が要求されている。そして、この希土類磁石に作用する外部磁界は、希土類磁石の埋設されたロータを平面的に見た際に希土類磁石のステータコア側の隅角部が最も大きく、ロータコアの中央側が小さくなる傾向を示し、このことが、部位ごとに作用する外部磁界の大きさが異なることの一例である。

特開２０１１−０６１０３８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、要求される保磁力性能を満足しながら改質合金の使用量を可及的に低減して保磁力分布を有する希土類磁石を製造することの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。

前記目的を達成すべく、本発明による希土類磁石の製造方法は、希土類磁石材料となる粉末を加圧成形して成形体を製造する第１のステップ、保磁力を高める改質合金を前記成形体に部分的に接触させ、熱処理して該成形体の内部に改質合金を拡散浸透させて希土類磁石を製造する第２のステップからなるものである。

本発明による希土類磁石の製造方法は、保磁力を高める改質合金を成形体に部分的に接触させ、熱処理して拡散浸透させることにより、部位ごとに要求される保磁力性能が異なる保磁力分布を有する希土類磁石を改質合金の使用量を可及的に低減しながら製造することを可能としたものである。

ここで、本発明の製造方法が製造対象とする希土類磁石には、組織を構成する主相（結晶粒）の粒径が200μm以下程度のナノ結晶磁石は勿論のこと、粒径が300μm以上のもの、さらには粒径が1μm以上の焼結磁石や樹脂バインダーで結晶粒が結合されたボンド磁石などが包含される。

第１のステップで製造された成形体に対し、第２のステップでは、たとえば直方体形状の成形体の４つの隅角部近傍や２つの隅角部近傍などに改質合金の塊（ブロック）を接触させて改質合金を部分的に接触させ、一定時間熱処理することで成形体の表面にある改質合金を溶融させ、その溶湯を成形体の内部に拡散浸透させることで成形体の一部の粒界相が改質され、成形体がその保磁力性能を部分的に高められてなる希土類磁石が製造される。さらに、改質合金が拡散浸透していない領域では磁化性能に影響する主相率が変化しないことから、必要箇所のみ保磁力を高めることによって希土類磁石全体としての磁化の低下を極力抑制することができる。

なお、前記第２のステップでは、第１のステップで製造された成形体に異方性を与える熱間塑性加工を施した後に、前記改質合金を熱間塑性加工後の成形体に部分的に接触させる方法であってもよく、この場合には、保磁力性能のみならず磁化性能にも優れた希土類磁石を製造することができる。

ここで、改質合金としては、重希土類元素を含むRE-M-Z合金（RE: Nd、Pr、Yの少なくとも一種、M:遷移金属元素、Z:重希土類元素）や、重希土類元素を含まないRE-M合金のいずれを使用してもよいが、原料を可及的に安価にできる観点から重希土類元素を含まないRE-M合金を使用するのが好ましい。

遷移金属元素Mとしては、Cu、Fe、Mn、Co、Ni、Zn、Tiなどのうちのいずれか一種を適用することができ、重希土類元素Zとしては、Dy、Tb、Hoなどのうちのいずれか一種を適用することができる。たとえば、RE-M合金としては、Nd-Cu合金（共晶点520℃）、Pr-Cu合金（共晶点480℃）、Nd-Pr-Cu合金、Nd-Al合金（共晶点640℃）、Pr-Al合金（650℃）、Nd-Pr-Al合金、Nd-Co合金（共晶点566℃）、Pr-Co合金（共晶点540℃）、Nd-Pr-Co合金のいずれか一種を適用することができる。また、重希土類元素を含む合金としては、60Nd-30Cu-10Dy合金（共晶点533℃）、50Nd-30Cu-20Dy（共晶点576℃）などを挙げることができる。

上記で例示するように700℃以下の低融点の改質合金を使用することで該改質合金を低温で溶融させることができるため、たとえば800℃程度以上の高温雰囲気下に置かれると結晶粒の粗大化が問題となるナノ結晶磁石（結晶粒径が50nm〜300nm程度）に対して、本発明の製造方法は好適である。

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方法によれば、保磁力を高める改質合金を成形体の所望部位に部分的に接触させ、熱処理して拡散浸透させることにより、部位ごとに要求される保磁力性能が異なる保磁力分布を有する希土類磁石を、改質合金の使用量を可及的に低減しながら、したがって製造コストを可及的に安価なものとしながら製造することができる。

（ａ）、（ｂ）の順で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。 図１ｂで示す成形体のミクロ構造を説明した図である。 製造方法の第２のステップを説明した図である。 図３の希土類磁石前駆体のミクロ構造を説明した図である。 （ａ）は図３に続いて第２のステップを説明した図であり、（ｂ）は（ａ）における成形体と改質合金の塊を斜視図で示した図である。 （ａ）は製造された希土類磁石を示した斜視図であり、（ｂ）は（ａ）中のｂ部のミクロ構造を説明した図である。 本発明の製造方法で製造された希土類磁石（実施例）と従来法で製造された希土類磁石（比較例）の磁気特性を測定した結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の希土類磁石の製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例はナノ結晶磁石である希土類磁石の製造方法を説明したものであるが、本発明の希土類磁石の製造方法はナノ結晶磁石の製造に限定されるものではなく、結晶粒の相対的に大きな焼結磁石等の製造に適用できることは勿論のことである。また、本発明は、第１のステップで製造された成形体に対し、熱間塑性加工を施すことなく、所望部位に部分的に改質合金の融液を拡散浸透させて保磁力分布を有する希土類磁石を製造する方法であってもよい。

（希土類磁石の製造方法）
図１ａ、ｂはその順で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り、図３、図５ａはその順で製造方法の第２のステップを説明した図である。また、図２は図１ｂで示す成形体のミクロ構造を説明した図であり、図４は図３の希土類磁石前駆体のミクロ構造を説明した図である。さらに、図６ａは製造された希土類磁石を示した斜視図であり、図６ｂは製造された希土類磁石において改質領域のミクロ構造を説明した図である。

図１ａで示すように、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Ｒに噴射して急冷薄帯Ｂ（急冷リボン）を製作し、これを粗粉砕する。

粗粉砕された急冷薄帯Ｂを図１ｂで示すように超硬ダイスＤとこの中空内を摺動する超硬パンチＰで画成されたキャビティ内に充填し、超硬パンチＰで加圧しながら（Ｘ方向）加圧方向に電流を流して通電加熱することにより、ナノ結晶組織のNd-Fe-B系の主相（50nm〜200nm程度の結晶粒径）と、主相の周りにあるNd-X合金（X:金属元素）の粒界相からなる成形体Ｓを製作する（第１のステップ）。

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。

図２ａで示すように、成形体Ｓはナノ結晶粒ＭＰ（主相）間を粒界相ＢＰが充満する等方性の結晶組織を呈している。

そこで、この成形体Ｓに異方性を与えるべく、第２のステップとして、図３で示すように成形体Ｓの長手方向（図１ｂでは水平方向が長手方向）の端面に超硬パンチＰを当接させ、超硬パンチＰで加圧しながら（Ｘ方向）熱間塑性加工を施すことにより、図４で示すように異方性のナノ結晶粒ＭＰを有する結晶組織の希土類磁石前駆体Ｃが製作される。

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４で示す希土類磁石前駆体Ｃの結晶組織において、ナノ結晶粒ＭＰは扁平形状をなし、異方軸とほぼ平行な界面は湾曲したり屈曲している。

次に、図５ａで示すように、製作された希土類磁石前駆体Ｃをヒータ内蔵の高温炉Ｈ内に収容し、改質合金の塊Ｔを希土類磁石前駆体Ｃの所望部位、すなわち、希土類磁石前駆体の中で特に保磁力を高めたい部位（高い保磁力が要求される部位）に接触させ、炉内を高温雰囲気とする。図示例では、図５ｂで示すように、直方体形状の希土類磁石前駆体Ｃに対し、２つの隅角部近傍の保磁力を高めるべく、希土類磁石前駆体Ｃの上面の長手方向の端辺に沿うようにして２つの改質合金の塊Ｔを配設している。

ここで、改質合金Ｔとしては、重希土類元素を含むRE-M-Z合金（RE: Nd、Pr、Yの少なくとも一種、M:遷移金属元素、Z:重希土類元素）や、重希土類元素を含まないRE-M合金のいずれを使用してもよいが、その融点（共晶点）が700℃以下の改質合金を使用する。

遷移金属元素Mとしては、Cu、Fe、Mn、Co、Ni、Zn、Tiなどのうちのいずれか一種を適用することができ、重希土類元素Zとしては、Dy、Tb、Hoなどのうちのいずれか一種を適用することができる。

RE-M合金としては、Nd-Cu合金（共晶点520℃）、Pr-Cu合金（共晶点480℃）、Nd-Pr-Cu合金、Nd-Al合金（共晶点640℃）、Pr-Al合金（650℃）、Nd-Pr-Al合金、Nd-Co合金（共晶点566℃）、Pr-Co合金（共晶点540℃）、Nd-Pr-Co合金のいずれか一種を適用することができる。また、重希土類元素を含む合金として、60Nd-30Cu-10Dy合金（共晶点533℃）、50Nd-30Cu-20Dy（共晶点576℃）などを挙げることができる。

改質合金ＴとしてNd-Cu合金を使用する場合は、その共晶点が520℃であることから、したがって、高温炉Ｈ内を520℃程度かそれ以上の温度雰囲気下（たとえば600℃程度）とすることで改質合金であるNd-Cu合金が溶融する。

溶融したNd-Cu合金の融液が粒界相ＢＰ内に拡散浸透していき、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaやこれらが混在した粒界相の一部もしくは全部がNd-Cu合金で改質された粒界相が形成される。

改質合金ＴとしてNd-Al合金を使用する場合は、その融点が640〜650℃であることから、したがって、640〜650℃の温度雰囲気下とすることでNd-Al合金を溶融させてその融液を粒界相内に拡散浸透させることができ、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaやこれらが混在した粒界相の一部もしくは全部がNd-Al合金で改質された粒界相が形成される。

このように700℃以下の低融点の改質合金の塊Ｔを使用して低温で溶融させることにより、たとえばナノ結晶磁石の場合に800℃程度以上の高温雰囲気下に置かれた際に問題となる結晶粒の粗大化の問題は生じ得ない。

所定時間の熱処理により、図６ａで示すように、所望部位にのみ保磁力の高い改質領域ＫＲが形成された希土類磁石ＲＭが製造される。この製造方法によれば、改質合金Ｔの使用量を可及的に少なくしながら、したがって製造コストを可及的に安価なものとしながら、保磁力分布を有する希土類磁石ＲＭを製造することができる（第２のステップ）。

図６ａの改質領域ＫＲのミクロ構造を示す図６ｂで示すように、改質合金Ｔによる改質が十分に進んだ段階では異方軸とほぼ平行な界面（特定の面）が形成される。このように上記する製造方法によって得られる本発明の希土類磁石ＲＭは、成形体Ｓに異方性を付与するための熱間塑性加工を施して得られる希土類磁石前駆体Ｃに対して、700℃以下の低融点の改質合金の融液を粒界相内に拡散浸透させることにより、熱間塑性加工によって生じた残留歪みが改質合金の融液と接触することで除去され、さらに結晶粒の微細化と、結晶粒間の磁気分断が促進することによってその保磁力を向上させることができる。

[本発明の製造方法で製造された希土類磁石（実施例）と従来法で製造された希土類磁石（比較例）の磁気特性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、すなわち、成形体に対して部分的に改質合金を拡散浸透させる方法を適用し、高温炉内の温度を600℃、625℃、650℃および700℃で変化させ、各温度条件ともに熱処理時間を15分、30分、60分、120分および240分でそれぞれ希土類磁石を製作した（いずれも実施例）。一方、成形体に対して部分的にではなく、その全体に満遍なく改質合金を拡散浸透させる従来法を適用して希土類磁石を製作した（比較例）。実施例と比較例それぞれの希土類磁石の磁気特性（磁化の変化と保磁力）を測定し、その結果を図７に示す。

同図において、実施例のうち、600℃−60分、600℃−120分、625℃−30分、625℃−60分および625℃−120分で熱処理した希土類磁石では、実施例の中でも特に保磁力の向上が顕著であり、さらには、磁化変化のトレンドライン（図７の実施例ラインはこれらの実施例の結果に基づいて形成されたもの）が比較例に比して大幅に改善されることが実証されている。

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。

Ｒ…銅ロール、Ｂ…急冷薄帯（急冷リボン）、Ｄ…超硬ダイス、Ｐ…超硬パンチ、Ｓ…成形体、Ｃ…希土類磁石前駆体、Ｔ…改質合金（の塊）、ＭＰ…主相（ナノ結晶粒、結晶粒）、ＢＰ…粒界相、ＲＭ…希土類磁石、Ｈ…高温炉

Claims (3)

1. 希土類磁石材料となる粉末を加圧成形して成形体を製造する第１のステップ、
   保磁力を高める改質合金を前記成形体に部分的に接触させ、熱処理して該成形体の内部に改質合金を拡散浸透させて希土類磁石を製造する第２のステップからなる希土類磁石の製造方法。
2. 前記第２のステップでは、第１のステップで製造された成形体に異方性を与える熱間塑性加工を施した後に、前記改質合金を熱間塑性加工後の成形体に部分的に接触させる請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
3. 前記改質合金は、融点が700℃以下のRE-M合金（RE:Nd、Pr、Yの少なくとも一種、M:遷移金属元素）からなる請求項１または２に記載の希土類磁石の製造方法。

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