JP2013197558A - 希土類焼結磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比較して焼結による成形体の変形を小さくすることが可能で、後工程で削り落とされる材料を低減することが出来る、希土類焼結磁石の製造方法を提供する。
【解決手段】インナートレイ４の底面にメッシュ６を載置し、その上にＲ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石材料成形体１をそれぞれ最大面以外の面を下にして隣同士が近接するように直線状に整列配置した整列群８を成し、例えば平板状のインナーリッド５で覆い、さらにインナートレイ４をアウタートレイ２に設置して例えば平板状のアウターリッド３で覆った状態で希土類磁石材料成形体１を焼結する当たり、各々の整列群８の両端に成形体ダミー７を近接配置した状態とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネオジム等の希土類元素を含有する希土類焼結磁石の製造方法に関する。

例えばＲ−Ｆｅ−Ｂ系（ＲはＹを含む希土類元素）の希土類焼結磁石を成形体焼結工程で量産する際には、通常、希土類磁石材料の成形体を焼結ケースの中に配置し、不活性雰囲気或いは真空の焼結炉内にその焼結ケースを配置して焼結処理する。なお、焼結は、固体粉末を成形して融点よりも低い温度で加熱すると固まって焼結体と呼ばれる物体になる現象を言い、焼結前と比較して焼結後では物体の外形寸法は収縮し、物体全体として見た密度は大きくなる。なお、焼結には固相焼結、液相焼結、気相焼結といった種類があるが、ここでは液相焼結について扱う。

Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類焼結磁石は、永久磁石の中で最も優れた磁石として知られており、ハードディスクドライブのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）や、ハイブリッド車搭載用モータ等の各種モータや家電製品等に使用されている。Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系希土類焼結磁石をモータ等の各種装置に使用する場合、高温での使用環境に対応するため、耐熱性に優れ、高保磁力特性を有することが要求される。また、希土類元素は一般的に価格が高く、高コスト材料である。

焼結ケースの材質としては、炭素のゲッター剤としての効果を期待してチタン（Ｔｉ）やジルコニウム（Ｚｒ）を用いたり（特許文献１）、あるいは酸素のゲッター剤としての効果を期待して熱伝導率に優れるとともに希土類磁石の焼結温度において再結晶化が生じない点からモリブデン（Ｍｏ）を用いることが知られている（特許文献２）。また、焼結ケースへの積載効率向上のために、成形体を焼結ケースの中に多段積みすることが知られている。さらに、焼結ケースへの積載効率向上のために、複数の成形体を立てて配置すること、すなわち成形体を構成する６面のうち最大面以外の面を焼結ケース底面に接触させて複数配置することがある（特許文献３）。

特許文献１は、希土類合金粉末を圧縮成形した成形体をカーボンのゲッター剤となる金属製容器に入れた状態で焼結炉内で焼結させることを特徴とする希土類合金焼結体の製造方法で、変形やクラックの防止のためにカーボンのゲッター剤となる金属がＴｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｎｂであることを開示している。

特許文献２は、成形体焼結後の巣の発生を抑えるため、焼結用容器を、容器本体と蓋体との間に、モリブデン（Ｍｏ）のゲッター・スペーサにより流路を形成する構成とし、焼結用容器内に収められた成形体の温度上昇により、水素化物が熱分解することでガス化した水素および焼結用容器内の雰囲気が流路を介して焼結用容器外に流れ出るようにしている。また、ゲッター・スペーサを酸化ゲッターとし、酸素が焼結用容器内に侵入した場合にも、このゲッター・スペーサが酸化することで、成形体の酸化を防止するようにしたことが開示されている。

特許文献３は、破損や変形の発生を抑止し、生産性に優れた、希土類焼結磁石の製造方法を提供するために、（ａ）希土類焼結磁石用の合金粉末をプレス成形することによって複数の成形体を作製する工程と、（ｂ）複数の成形体を台板上に配置する工程であって、成形体の台板への射影面積が最大とならない方向に成形体を配置する工程と、（ｃ）複数の成形体を加熱することによって成形体を焼結し、焼結体を得る工程とを包含することを開示している。

特開平５−１７１２１７号公報 特開２００５−０５０９１５号公報 特開２００３−０８６４４５号公報

成形体が焼結後の焼結体になった段階で焼結変形を起こす場合があり、例えば前述の特許文献３のように成形体を立てて配置した場合、その配列の両端の成形体が特に大きな焼結変形を起こす場合がある。希土類焼結磁石を製造するに当り前記のような変形が発生する場合、一般的に変形を見越したサイズに焼結し、その後、切断し、研削加工を行い、必要とする形状へ整える。このため、変形しているものも変形していないものも同様に研削加工を行い、多いものでは５０％、少なくても２０％程度の材料を削り落としている。すなわち、焼結での変形が大きいと、焼結後の研削加工量が大きくなり、それを見積もった成形体厚み寸法の設計が必要となり、材料ロスが増大し、コスト高に繋がるといった不具合が生じる。なお、削り落とされた材料を再び希土類元素として使用する事は可能であるが、異物が混入していたり酸化されている等の理由により、希土類抽出の工程まで戻さなければならず、再使用はコスト負担が大きいものとなる。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、従来と比較して焼結による成形体の変形を抑制することが可能で、後工程で削り落とされる材料を低減することが出来る、希土類焼結磁石の製造方法を提供することにある。

本発明のある態様は、希土類焼結磁石の製造方法である。この方法は、
複数の希土類磁石材料成形体をそれぞれ最大面以外の面を下にして立てた状態で隣同士が近接するように整列配置し、列の両端に成形体ダミーを近接配置した状態で、前記希土類磁石材料成形体を焼結することを特徴とする。

前記成形体ダミー及びそれと隣接する希土類磁石材料成形体の隙間が０ｍｍ乃至５ｍｍであってもよい。

前記希土類磁石材料成形体が直方体ないし瓦形であってもよい。

前記希土類磁石材料成形体を８００℃乃至１２００℃の焼結温度で焼結してもよい。

５０ｋＰａ以下の減圧ないし真空雰囲気下で前記希土類磁石材料成形体を焼結してもよい。

前記希土類磁石材料成形体が、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系（ＲはＹを含む希土類元素）希土類磁石材料からなってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、複数の希土類磁石材料成形体を整列した列の両端に成形体ダミーを近接配置した状態で前記希土類磁石材料成形体を焼結するため、従来と比較して焼結による成形体の変形を抑制することが可能で、後工程で削り落とされる材料を低減することが出来る。

本発明の実施の形態に係る希土類焼結磁石の製造方法で用いる希土類磁石材料成形体１の整列形態の断面図。 同整列形態の平面図。 希土類磁石材料成形体１の整列群８の斜視図。 （Ａ）は、比較例に関し、焼結過程における希土類磁石材料成形体１の反り変形の発生原理の模式的側面図。（Ｂ）は、実施の形態における、焼結過程における希土類磁石材料成形体１の反り変形の防止原理の模式的側面図。 瓦状の希土類磁石材料成形体１の単体斜視図。 図５に示す希土類磁石材料成形体１の整列形態の平面図。 希土類磁石材料成形体１が瓦状である場合の成形体ダミー７とそれに隣接する希土類磁石材料成形体１の斜視図。 デジタルマイクロメータによる焼結体の変形量測定方法を示す模式図。 実施例１,３及び比較例１における８個のサンプルの変形量の対比表。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る希土類焼結磁石の製造方法で用いる希土類磁石材料成形体１の整列形態の断面図である。図２は、同整列形態の平面図である。本図においてインナートレイ４の外部とインナーリッド５の図示は省略している。図１及び図２において、成形体ダミー７はハッチングを付すことで希土類磁石材料成形体１と区別している。図３は、希土類磁石材料成形体１の整列群８の斜視図である。

本実施の形態の製法では、インナートレイ４の底面にメッシュ６（網板）を載置し、その上にＲ−Ｆｅ−Ｂ系（ＲはＹを含む希土類元素）希土類磁石材料のＲをＮｄ（ネオジム）とした複数のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石材料成形体１をそれぞれ最大面以外の面を下にして（インナートレイ４の底面上のメッシュ６に接触させて）隣同士が近接するように直線状に整列配置した（即ち希土類磁石材料成形体１を立てた状態で各々を近接させて直線状に整列配置した）整列群８を成し、例えば平板状のインナーリッド５で覆い、さらにインナートレイ４をアウタートレイ２に設置（収容）して例えば平板状のアウターリッド３で覆った状態で希土類磁石材料成形体１を焼結する当たり、各々の整列群８の両端に成形体ダミー７を近接配置した状態とする。なお、整列群８が同一直線状で途切れて２つに分かれている場合も、それぞれを整列群８と見なしてその両端に成形体ダミー７を近接配置する（図２の上から２列目参照）。ここで、近接とは密着していることを要しない（図３に示すように例えば５ｍｍ程度以内（好ましくは１ｍｍ以内）の僅かな隙間を設けてもよい）が、図２に示すような直方体の希土類磁石材料成形体１及び成形体ダミー７の場合は隣同士が密着していることが好ましい。焼結は、５０ｋＰａ〜１×１０^-3Ｐａの減圧ないし真空雰囲気下で、例えば８００℃乃至１２００℃の焼結温度にて行う。

希土類磁石材料成形体１は、焼結により例えば２０％縮んでも自立可能な形状であり、図１〜３の例では直方体としている。インナートレイ４は上部が開口した略直方体箱形状（底面と４側面を有する）である。インナートレイ４とインナーリッド５との間は密閉ではなく隙間を設ける。インナートレイ４とインナーリッド５の材質は、希土類と反応しにくい例えばカーボンやグラファイト、モリブデンとする。インナーリッド５の材質はカーボンコンポジット（炭素繊維で作られた板）でもよい。アウタートレイ２は上部が開口した略直方体箱形状（底面と４側面を有する）である。アウタートレイ２とアウターリッド３との間は密閉ではなく隙間を設ける。アウタートレイ２とアウターリッド３の材質は、希土類と反応しにくい例えばカーボンやグラファイト、モリブデンとする。メッシュ６の材質は、希土類と反応しにくい例えばモリブデンやＳＵＳ材（ステンレス材）、カーボンとする。成形体ダミー７の材質は、耐熱性のある物で、希土類と反応し難い物が好ましい。具体的にはタングステン、Ｍｏ、イットリア、ステンレス、鉄系の金属やカーボンなどが好ましい。あるいは、焼結済みの成形体を成形体ダミー７としてそのまま用いてもよい。

図４（Ａ）は、比較例に関し、焼結過程における希土類磁石材料成形体１の反り変形の発生原理の模式的側面図である。ここでは、Ｒがネオジム（Ｎｄ）である場合を例に説明する。この比較例は、上述の成形体ダミー７を配置せずに希土類磁石材料成形体１を焼結した場合に相当する。希土類焼結磁石の焼結過程において希土類は８００℃以上の温度で液相化し、焼結される過程で希土類が気化蒸発する。成形体の組成の一部の希土類が気化蒸発すると、特に整列群８の端に位置する希土類磁石材料成形体１において焼結時に成形体内部に疎密差が発生し、それが希土類磁石材料成形体１に反りや変形を発生させる原因となる。即ち整列群８の端に位置する希土類磁石材料成形体１の一方の面側（隣接する希土類磁石材料成形体１との近接面側、すなわち密の部分）は焼結が促進してその体積が縮小する一方、整列群８の端に位置する希土類磁石材料成形体１の他方の面側（整列群８の外側に臨む面側、すなわち疎の部分）は焼結が促進せず体積変化は小さい。ひとつの物質の中で体積縮小部位と変化の少ない部位が共存し、反りや変形の発生に繋がる。

図４（Ｂ）は、実施の形態における、焼結過程における希土類磁石材料成形体１の反り変形の防止原理の模式的側面図である。本実施の形態では、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石材料成形体１を立てた状態で近接させて整列配置して焼結するに当たり、希土類磁石材料成形体１の整列群８の両端に成形体ダミー７を近接配置する。これにより、８００℃以上で液相化した希土類磁石材料成形体１の組成、特にネオジム（Ｎｄ）が表層に染み出て、気化蒸発したネオジム（Ｎｄ）が希土類磁石材料成形体１の表面に接する空間に留まる。このため、前記空間がネオジム（Ｎｄ）等の気化雰囲気で飽和状態となれば、更なるネオジム（Ｎｄ）の気化が無くなる。このため、希土類磁石材料成形体１の他方の面（整列群８の外側に臨む面）から気化するネオジム（Ｎｄ）の量が図４（Ａ）に示した比較例と比較して少なくなり、整列群８の端に位置する希土類磁石材料成形体１の一方の面側と他方の面側との疎密差が図４（Ａ）に示した比較例と比較して小さくなり、焼結に伴う変形を軽減させることが可能である。

なお、本実施の形態の対象となる希土類磁石材料成形体１は直方体とは限らない。特許文献３に開示されている湾曲した形状（瓦状）の希土類磁石材料成形体１でも効果は同じである。図５は、瓦状の希土類磁石材料成形体１の単体斜視図である。図６は、図５に示す希土類磁石材料成形体１の整列形態の平面図である。本図に示す実施の形態は、図１〜４で説明した実施の形態と比較して、希土類磁石材料成形体１が直方体から瓦状になり、それに対応して成形体ダミー７の形状が変更されている点で相違し、その他の点で一致する。図７は、希土類磁石材料成形体１が瓦状である場合の成形体ダミー７とそれに隣接する希土類磁石材料成形体１の斜視図であり、（Ａ）は成形体ダミー７とそれに隣接する希土類磁石材料成形体１の対向面同士が略平行で近接している例、（Ｂ）は対向面同士が一部で非平行となっているものの近接している例、（Ｃ）は成形体ダミー７をＳＵＳ材のプレス加工で製作し隣接する希土類磁石材料成形体１と対向面同士が略平行で近接している例を示す。このように、成形体ダミー７は、隣接する希土類磁石材料成形体１と対向面同士が近接可能な形状が好ましい。成形体ダミー７とそれに隣接する希土類磁石材料成形体１とは密着していなくても、例えば５ｍｍ程度以内（好ましくは１ｍｍ以内）の僅かな隙間を設けても、ネオジム（Ｎｄ）の蒸発を低減する効果がある。希土類磁石材料成形体１が瓦状の場合も、整列群８の両端に成形体ダミー７を近接配置することにより、整列群８の端に位置する希土類磁石材料成形体１の焼結に伴う変形を軽減させることが可能である。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石材料からなる１０ｍｍ厚の湾曲した瓦状の希土類磁石材料成形体１（長さ７０ｍｍ×幅５０ｍｍ）を準備し、実施の形態と同じ条件で整列し焼結した。成形体ダミー７は成形体の形状に合わせたＳＵＳ材削り出し品を使用した（図６）。成形体ダミー７の材質は、耐熱性のある物で、希土類と反応し難い物が好ましい。具体的にはタングステン、Ｍｏ、イットリア、ステンレス、鉄系の金属やカーボンなどが好ましい。この時、成形体ダミー７を除く整列群８の端部にある希土類磁石材料成形体１を各々の例で抜き取り、変形の測定を行った。変形の測定方法は、コの字型に組み上げたブロックの中心にデジタルマイクロメータを取り付け、まず平面でゼロリセットし、その後、コの字ブロックの２点を被測定物に接触させ、その時のデジタルマイクロメータの値を見た（図８）。８個の焼結体の変形量は焼結前と比較して、平均は０.１７ｍｍで範囲（変形量の平均の最大と最小の差）は０.１２ｍｍであった。

（比較例１）
実施例１と同条件で成形体ダミー７を用いなかった比較例１の場合、端部の８個の焼結体の変形量の平均は０.４１ｍｍで範囲は０.４９ｍｍであり、実施例に比べて大幅に数値は悪化した。

実施例１と同様にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系希土類磁石材料からなる１０ｍｍ厚の湾曲した瓦状の希土類磁石材料成形体１（長さ７０ｍｍ×幅５０ｍｍ）を準備し、実施の形態と同じ条件で整列し焼結した。ここでも、実施例１と同様にＳＵＳ材削り出し品を成形体ダミー７とした。成形体ダミー７に隣接する計８個の成形体（焼結体）の変形量は、最小０.０２ｍｍ、最大０.１９ｍｍであった。その後、後工程である焼結後研削工程で、変形量の減少が研削量の減少につながっているかを確認した。研削工程における１回の切込み量を０.２ｍｍと設定すると、７５％の希土類磁石材料成形体１は研磨残りの無い状態となり、残り２５％の希土類磁石材料成形体１も２回目の切込み（計０.４ｍｍ相当）で研磨残りはゼロとなった。

（比較例２）
実施例２の条件から成形体ダミー７を除外して焼結を行った。整列群８の端部にある希土類磁石材料成形体１の変形量は、最小０.０８ｍｍ、最大０.７３ｍｍであり、後工程である焼結後研削工程における１回の切込み量を０.２ｍｍと設定すると、２５％の希土類磁石材料成形体１は研磨残りの無い状態となったものの、全ての希土類磁石材料成形体１が研磨残りの無い状態となるにはさらに３回の切込み（＝計０.８ｍｍ）を行う必要があった。

板金プレスによって成形したコストダウン版の成形体ダミー７を使用した他は実施例１と同様にした。成形体ダミー７に隣接する８個の焼結体の変形量は焼結前と比較して、平均は０.１６ｍｍで範囲は０.２２ｍｍであった。

実施例１,３及び比較例１における８個のサンプルの変形量は、図９に表として示される。実施例１,３及び比較例１または、実施例２及び比較例２の対比から明らかなように、成形体ダミー７を用いることで、焼結時に発生する変形を従来より平均で約６０％低減することが可能となったため、成形体の大きさを従来と比較して小さい寸法に成形することで、使用する材料が減少するほか、焼結後の研削加工量が減少し、材料ロスが軽減できるのみならず、同研削工程のリードタイムも削減可能である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

メッシュ６を用いることに代えて、インナートレイ４の底面に敷粉を散布してもよい。焼結ケースはインナートレイ４とアウタートレイ２の二重構造とするほうが不純物が無い点で好ましいが、二重でない焼結ケースであってもよい。

希土類磁石材料成形体１は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系以外のＲ−Ｆｅ−Ｂ系、あるいはＲ−Ｆｅ−Ｂ系以外の希土類磁石材料であってもよい。

１ 希土類磁石材料成形体
２ アウタートレイ
３ アウターリッド
４ インナートレイ
５ インナーリッド
６ メッシュ
７ 成形体ダミー
８ 整列群

Claims (6)

1. 複数の希土類磁石材料成形体をそれぞれ最大面以外の面を下にして立てた状態で隣同士が近接するように整列配置し、列の両端に成形体ダミーを近接配置した状態で、前記希土類磁石材料成形体を焼結することを特徴とする、希土類焼結磁石の製造方法。
2. 前記成形体ダミー及びそれと隣接する希土類磁石材料成形体の隙間が０ｍｍ乃至５ｍｍである請求項１に記載の希土類焼結磁石の製造方法。
3. 前記希土類磁石材料成形体が直方体ないし瓦形である請求項１又は２に記載の希土類焼結磁石の製造方法。
4. 前記希土類磁石材料成形体を８００℃乃至１２００℃の焼結温度で焼結する請求項１から３のいずれか一項に記載の希土類焼結磁石の製造方法。
5. ５０ｋＰａ以下の減圧ないし真空雰囲気下で前記希土類磁石材料成形体を焼結する請求項１から４のいずれか一項に記載の希土類焼結磁石の製造方法。
6. 前記希土類磁石材料成形体が、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系（ＲはＹを含む希土類元素）希土類磁石材料からなる、請求項１から５のいずれか一項に記載の希土類焼結磁石の製造方法。