JP2016081942A - 希土類磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱間塑性加工の際に潤滑剤が流れ落ちることがなく、焼結体の全域に可及的に均一な加工ひずみを付与することができ、磁気特性分布の少ない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磁性粉末を焼結して焼結体Ｓを製作する第１のステップ、ダイスＤとダイスＤ内を摺動する下パンチＰ及び／又は上パンチＰとからなる成形型ＭのキャビティＫに焼結体Ｓを収容し、焼結体Ｓに磁気的異方性を与える熱間塑性加工を施して希土類磁石Ｃを製造する第２のステップからなる。第２のステップにおいて、下パンチＰ及び上パンチＰのキャビティＫに対向する側面と焼結体Ｓの間にそれぞれ、一対のグラファイトシート１１間にガラス系潤滑剤１２が介在してなる潤滑シート１０を配設し、上下の潤滑シート１０にて焼結体Ｓを挟んだ状態で熱間塑性加工を行う。【選択図】図３

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磁気特性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。

希土類磁石としては、組織を構成する結晶粒（主相）のスケールが3〜5μm程度の一般的な焼結磁石のほか、結晶粒を50nm〜300nm程度のナノスケールに微細化したナノ結晶磁石があるが、中でも、上記する結晶粒の微細化を図りながら高価な重希土類元素の添加量を低減したり、重希土類元素の添加を無くすことのできるナノ結晶磁石が現在注目されている。

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（磁性粉末）を加圧成形しながら焼結体とし、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希土類磁石（配向磁石）を製造する方法が一般に適用されている。なお、この熱間塑性加工には、後方押出し加工や前方押出し加工といった押出し加工や、据え込み加工（鍛造加工）などが適用されている。なお、特許文献１にも、熱間塑性加工を経て結晶粒を配向させ、磁化と保磁力の高い希土類磁石を製造する方法が開示されている。

ところで、上記する熱間塑性加工は、たとえば、ダイスと、該ダイス内を摺動する下パンチおよび／または上パンチと、からなる成形型のキャビティに焼結体を収容し、たとえば上パンチを摺動させて焼結体を熱間プレスすることによっておこなわれる。この際、高温雰囲気下でも使用可能な潤滑剤として、ガラス系潤滑剤やガラス系潤滑剤（たとえばガラス粉末）とグラファイト粉末の混合潤滑剤を適用し、キャビティを画成するダイスやパンチの側面に当該潤滑剤を塗布もしくは散布して熱間塑性加工をおこなっている。

しかしながら、熱間塑性加工の際にガラス系潤滑剤が液相になり、ダイスやパンチのキャビティに対向する側面に塗布等されている潤滑剤の粘度が低下して流れ落ち、膜切れを生じることで十分に潤滑性能を発揮できないといった問題がある。また、潤滑剤が流れ落ちた領域とキャビティに対向する側面に残存している領域における摩擦力が異なることで焼結体に作用する加圧力も異なり、不均一な加圧力が焼結体に作用することで部位ごとに変形性が異なり（均一な加工ひずみが付与できない）、磁気性能が部位ごとに異なる希土類磁石が製造されるといった問題もある。

たとえば、650℃の温度雰囲気下、圧下率70%の変形を焼結体に付与する熱間塑性加工において、キャビティ面から潤滑剤が流れ落ちないためには、1×10³Pas程度の高粘度の潤滑剤が必要になる。そこで、この条件を満足するガラス系潤滑剤を生成することは可能であるものの、今度はこの高粘度のガラス系潤滑剤をキャビティ面に塗布等することが困難となり、したがって現実的な方策とは言い難い。

さらに、熱間塑性加工の際の加工条件である、ひずみ速度やプレス荷重、加工温度を見直してガラス系潤滑剤が流れ落ち難い条件を模索する方法もあるが、ひずみ速度やプレス荷重、加工温度はいずれも磁石の配向度にとって重要なファクターであり、容易に見直すことはできない。

特開平２−１３８７０６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、焼結体を成形型のキャビティに収容し、熱間塑性加工を経て希土類磁石を製造する方法に関し、熱間塑性加工の際に潤滑剤が流れ落ちることがなく、キャビティ側面と焼結体の間の摩擦力を可及的に低減し、焼結体の全域に可及的に均一な加工ひずみを付与することができ、磁気特性分布の少ない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磁性粉末を焼結して焼結体を製作する第１のステップ、ダイスと、該ダイス内を摺動する下パンチおよび／または上パンチと、からなる成形型のキャビティに焼結体を収容し、該焼結体に磁気的異方性を与える熱間塑性加工を施して希土類磁石を製造する第２のステップからなり、第２のステップにおいて、下パンチおよび上パンチのキャビティに対向する側面と焼結体の間にそれぞれ、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを配設し、上下の潤滑シートにて焼結体を挟んだ状態で熱間塑性加工をおこなうものである。

本発明の製造方法は、焼結体を熱間塑性加工する際に、成形型を構成する上下のパンチのキャビティに対向する側面と焼結体の間において、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを配設し、上下の潤滑シートで焼結体を挟んだ状態で熱間プレスをおこなうことにより、高温雰囲気下でも潤滑剤が流れ落ちることがなく、したがって焼結体と上下のパンチとの間の摩擦力が低減されながら焼結体の全域で可及的に均一になり、可及的に均一な加工ひずみを焼結体の全域に付与することを可能としたものである。ここで、「下パンチおよび上パンチのキャビティに対向する側面と焼結体の間にそれぞれ、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを配設し」とは、潤滑シートが下パンチおよび上パンチのキャビティに対向する側面に直接取り付けられる形態のほか、二つの潤滑シートが焼結体の上下面にそれぞれ直接取り付けられる形態も包含するものであり、いずれの形態であっても、パンチと焼結体の間に潤滑シートが配設されることになる。

潤滑シートを構成するガラス系潤滑剤（ガラス粉末等）は、たとえば600℃以上の温度雰囲気下で液相状態となり、低粘度の流体潤滑剤となる。一方、ガラス系潤滑剤を挟む一対のグラファイトシートは、熱間塑性加工時の温度雰囲気下においても固相状態を維持することができる。そのため、熱間塑性加工時における潤滑シートの見かけ上の粘度は、ガラス系潤滑剤のみの場合に比して高くなり、上下のパンチのキャビティに対向する側面に配設された状態を維持することができ、たとえば上パンチのキャビティ面に配設された潤滑シートが流れ落ちるといった問題は生じない。

ここで、グラファイトシートを形成するグラファイトは鱗片状を呈し、各鱗片同士が重なり合うことでキャビティ面における良好な潤滑性が齎される。

また、潤滑シートを適用することで良好な潤滑性が付与され、焼結体のたとえば上下面を均一にプレスし、均一な加工歪を当該上下面に導入することができるため、熱間塑性加工の際の加工条件である、ひずみ速度やプレス荷重、加工温度の見直しは不要となる。

また、上下のパンチのキャビティに対向する側面と焼結体の間の摩擦力を抑える方策として、潤滑剤性能を向上させる方策、潤滑剤のキャビティ側面等への塗布状態を改善する方策、キャビティ側面の表面粗さを向上させる方策、キャビティの形状を最適化させる方策（たとえば材料が流れ易くなるようなテーパーをつける等）、焼結体の表面粗さを向上させる方策、焼結体の形状の適正化を図る方策（熱間塑性加工の過程で摺動距離が少なくなるように設定する等）、焼結体の変形抵抗の低減を図る方策などが考えられるが、本発明の製造方法は、この中で最も実現性の高い、潤滑剤性能の向上を図る方策によるものである。そして、潤滑剤性能の向上を図るものの、これまでに存在しない画期的な素材の潤滑剤を適用するのではなくて、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤を介在させてなる潤滑剤を適用することから、材料コストを含む製作コストは廉価となる。

なお、本発明の製造方法では、上下の潤滑シートにて焼結体を挟んだ状態で熱間塑性加工をおこなうものであるが、焼結体の側面（焼結体のうち、側方のダイスに対向する側面）にも潤滑シートを配設しておき、したがって、焼結体が熱間プレスされる際に、たとえば六面体の焼結体の全ての側面に潤滑シートが配設される製造方法であってもよい。尤も、実際には、成形型のキャビティ内に焼結体を収容した際に焼結体とダイスのキャビティに対向する側面との間には一定の隙間があるようにキャビティや焼結体の寸法が設定されている。そして、熱間塑性加工後においても製造された希土類磁石とダイスのキャビティに対向する側面との間には隙間が残るようにキャビティと熱間塑性加工後の希土類磁石の寸法が設定されている。したがって、焼結体の側面に潤滑シートを配設する必要性は必ずしもないと言えるが、熱間塑性加工にて焼結体の側面がダイスの側面に当接するケースを考慮した際には、焼結体の側面にも潤滑シートを配設しておくメリットがある。

なお、本発明の製造方法において一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを適用する理由、言い換えれば、グラファイト粉末とガラス粉末の混合された潤滑剤を適用しない理由は、後者の混合粉末を使用する場合に、熱間塑性加工の際の高温雰囲気下でガラス粉末が溶融し、この融液にてグラファイト粉末が流されてしまう惧れがある一方、グラファイトシートを適用する場合にはこのような問題が生じ得ないためである。

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、焼結体を熱間塑性加工する際に、成形型を構成する上下のパンチのキャビティに対向する側面において、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを配設し、上下の潤滑シートで焼結体を挟んだ状態で熱間プレスをおこなうことにより、高温雰囲気下でも潤滑剤が流れ落ちることがない。そのため、焼結体と上下のパンチとの間の摩擦力を低減しながら焼結体の全域で当該摩擦力を可及的に均一にすることができ、可及的に均一な加工ひずみを焼結体の全域に付与することができる。このことにより、磁石の全域で均一かつ高い配向度を有し、磁化と保磁力の双方に優れた希土類磁石を製造することができる。

本発明の希土類磁石の製造方法の第１のステップで使用する磁性粉末の製作方法を説明した模式図である。 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。 本発明の希土類磁石の製造方法の第２のステップを説明した模式図である。 （ａ）は図２で示す焼結体のミクロ構造を説明した図であり、（ｂ）は図３で示す希土類磁石のミクロ構造を説明した図である。 グラファイトシートのみからなる潤滑シートを適用した場合の実験結果を示した図であり、（ａ）は焼結体とこの焼結体を熱間塑性加工してできた希土類磁石の模式図であり、（ｂ）は希土類磁石の上面写真図である。 一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを適用した場合の実験結果を示した図であり、（ａ）は焼結体とこの焼結体を熱間塑性加工してできた希土類磁石の模式図であり、（ｂ）は希土類磁石の上面写真図である。 グラファイト粉末とガラス粉末の混合潤滑剤を適用した場合の実験結果を示した図であり、（ａ）は焼結体とこの焼結体を熱間塑性加工してできた希土類磁石の模式図であり、（ｂ）は希土類磁石の上面写真図である。 グラファイトシートとガラス系潤滑剤が組み合わされてできた潤滑シートを使用した際のキャビティと焼結体の間の摩擦係数に関する考察結果を示した図である。

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、説明を容易にするべく、焼結体を焼結する成形型を使用して熱間塑性加工もおこなうことにしているが、磁性粉末を焼結して焼結体を製作する成形型と、焼結体に熱間塑性加工を施して希土類磁石を製造する成形型が異なるものであってもよいことは勿論のことである。

（希土類磁石の製造方法の実施の形態）
図１は本発明の希土類磁石の製造方法の第１のステップで使用する磁性粉末の製作方法を説明した模式図であり、図２，３はそれぞれ、希土類磁石の製造方法の第１のステップ、第２のステップを説明した模式図である。

たとえば50kPa以下に減圧した不図示の炉中で、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、図１で示すように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）を製作する。

製作された急冷薄帯Ｂを粗粉砕して磁性粉末を製作する。ここで、磁性粉末の粒径範囲は75〜300μmの範囲となるように調整される。

次に、図２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から構成された成形型ＭのキャビティＫ内に磁性粉末ＭＦを収容（充填）する。そして、超硬パンチＰで加圧しながら（Ｚ方向）、加圧方向に電流を流して700℃程度で通電加熱することにより（熱間成形、焼結）、焼結体Ｓが製作される（第１のステップ）。たとえば、この焼結体Ｓは、ナノ結晶組織のNd-Fe-B系の主相（平均粒径が300nm以下で、たとえば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）の粒界相を備えた組織を有している。

ここで、焼結体Ｓの粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga等のうちの少なくとも一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。

第１のステップにおいて焼結体Ｓが製作されたら、次に成形型Ｍから焼結体Ｓを取り出し、図３で示すように、下パンチＰと上パンチＰのキャビティＫに対向する側面にそれぞれ、一対のグラファイトシート１１，１１間にガラス系潤滑剤１２が介在してなる潤滑シート１０を配設し、上下の潤滑シート１０，１０にて焼結体Ｓを挟んだ状態とする。なお、焼結体Ｓの上下面にそれぞれ、潤滑シート１０を配設した状態でキャビティＫに収容する方法であってもよい。

次いで、超硬パンチＰで加圧しながら（Ｚ方向）熱間塑性加工を施すことにより、焼結体Ｓに磁気的異方性が付与され、所望の配向度を有する希土類磁石Ｃが製造される（第２のステップ）。

なお、熱間塑性加工の際の歪み速度は0.1/sec以上に調整されているのがよい。また、熱間塑性加工による加工度（圧下率、圧縮率）が大きい場合、たとえば圧下率が10%程度以上の場合の熱間塑性加工を強加工と称することができるが、圧下率60〜80%程度の範囲で熱間塑性加工をおこなうのがよい。

図４（ａ）で示すように、第２のステップで製作された焼結体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。

これに対し、図４（ｂ）で示すように、第２のステップで製作された希土類磁石Ｃは、磁気的異方性の結晶組織を呈している。

このように、本発明の希土類磁石の製造方法によれば、焼結体Ｓを熱間塑性加工する際に、成形型Ｍを構成する上下のパンチＰ，ＰのキャビティＫに対向する側面において、一対のグラファイトシート１１，１１間にガラス系潤滑剤１２が介在してなる潤滑シート１０を配設し、上下の潤滑シート１０，１０で焼結体Ｓを挟んだ状態で熱間プレスをおこなうことにより、高温雰囲気下でも潤滑剤が流れ落ちることがない。そのため、焼結体Ｓと上下のパンチＰ，Ｐとの間の摩擦力を低減しながら焼結体の全域で当該摩擦力を可及的に均一にすることができ、可及的に均一な加工ひずみを焼結体の全域に付与することができる。このことにより、磁石の全域で高い配向度を有し、磁化と保磁力の双方に優れた希土類磁石を製造することができる。

（潤滑剤としてグラファイトシートのみを使用した場合と、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを使用した場合において、製造された希土類磁石の上面視観察をおこなった実験とその結果）
本発明者等は、潤滑剤としてグラファイトシートのみを使用した場合（比較例）と、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを使用した場合（実施例）において、製造された希土類磁石の上面視観察をおこなう実験を試みた。

＜実験方法＞
成形型のキャビティに上記二種類のシート状の潤滑剤を配設し、焼結体を上下の潤滑剤で挟んで熱間塑性加工を実施した。ここで、比較例のグラファイトシートは厚みが200μmであり、実施例の潤滑シートは上下ともに厚み50μmのグラファイトシートの間に厚み100μmのガラスを介在させ、全体の厚みは比較例と同様200μmとした。焼結体はNd-Fe-B系の希土類磁石の前駆体であり、圧下率70%で熱間プレス（熱間塑性加工）をおこなった。

＜実験結果＞
図５（ａ）は比較例の焼結体とこの焼結体を熱間塑性加工してできた希土類磁石の模式図であり、図５（ｂ）は希土類磁石の上面写真図である。また、図６（ａ）は実施例の焼結体とこの焼結体を熱間塑性加工してできた希土類磁石の模式図であり、図６（ｂ）は希土類磁石の上面写真図である。

比較例の結果を示す図５（ａ）の右図や図５（ｂ）より、比較例では熱間塑性加工の際の潤滑性が不十分であり、その結果として焼結体の際には側面であった部分が希土類磁石の上面に大きく表れていることが分かる。

これに対し、実施例の結果を示す図６（ａ）の右図や図６（ｂ）より、実施例では熱間塑性加工の際の潤滑性が十分であり、その結果として焼結体の際には側面であった部分が希土類磁石の上面に回り込むことなく、側方に膨らんで変形していることが分かる。

そして、たとえば図５（ｂ）と図６（ｂ）を比較することにより、比較例に比して実施例は焼結体から希土類磁石となった際に４つの側面がほぼ均一に側方に変形していることが分かり、熱間塑性加工の際に良好な湿潤状態であったことがこの結果に寄与しているものと推察される。なお、比較例の希土類磁石は各側面で変形量が異なっており、歪な変形をしていることが分かる。

また、実施例において、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを使用する理由、言い換えれば、グラファイト粉末とガラス粉末の混合された潤滑剤を適用しない理由を以下で考察する。

図７はグラファイト粉末とガラス粉末の混合潤滑剤を適用した場合の実験結果を示した図であり、図７（ａ）は焼結体とこの焼結体を熱間塑性加工してできた希土類磁石の模式図であり、図７（ｂ）は希土類磁石の上面写真図である。なお、実験条件は図５，６と同様である。

図７（ａ）の右図や図７（ｂ）より、熱間塑性加工前は焼結体の側面だった部位が希土類磁石の上面に広がっていることが分かる。このことから、熱間塑性加工の際に潤滑性が不十分であったことが推察される。そして、このように潤滑性が不十分だった理由として、グラファイト粉末とガラス粉末が混合されてなる混合潤滑剤を使用して熱間塑性加工の際の高温雰囲気下に晒すと、ガラス粉末は溶解し、流体となってグラファイト粉末を成形型の外部へ押し流してしまい、潤滑剤が焼結体の表面に留まらないことになり、結果として図７（ｂ）の写真図のような鍛造不良品が発生するものと推察される。

これに対し、グラファイトシートでガラス粉末を挟み込んだものを潤滑材として使用すると、ガラスが流体として漏れ出すことはなく、常にグラファイトシートが焼結体の表面に接した状態で熱間塑性加工がおこなわれるため、熱間塑性加工の際に必要な高粘度の潤滑剤として作用することになる。

このように、グラファイトシートとガラス粉末が組み合わされてできた潤滑シートを使用することで、キャビティを画成するパンチの側面や焼結体の側面にこの潤滑シートを容易に設置することができ、さらには、高温雰囲気下でも使用可能な高粘度の潤滑剤として作用させることができる。

（グラファイトシートとガラス系潤滑剤が組み合わされてできた潤滑シートを使用した際のキャビティと焼結体の間の摩擦係数に関する考察）
本発明者等は、グラファイトシートとガラス系潤滑剤が組み合わされてできた潤滑シートを使用した際のキャビティと焼結体の間の摩擦係数を考察するべく、CAE解析を実施した。具体的には、グラファイトシートとガラス粉末からなる潤滑シートを用いた際の潤滑性の効果を定量化するべく、CAE解析を適用して、焼結体と成形型を構成するパンチの側面の間の摩擦係数と圧下率を種々変更させ、図６で示す形状と照らし合わせることで当該潤滑シートを適用した際の摩擦係数の導出を試みた。なお、図８は、CAE解析結果を示した図である。

希土類磁石（焼結体）の上面視での初期形状は、図８における圧下率0％の欄に示される長方形状である。CAE結果と図６（ｂ）の希土類磁石の形状を照らし合わせると、圧下率70％の際に最も実際の試験体に近い形状の摩擦係数は0.1であることが分かった。この結果より、グラファイトシートとガラス系潤滑剤からなる潤滑シートを用いた際の熱間塑性加工時の摩擦係数は0.1付近であることが分かった。

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。

１０…潤滑シート、１１…グラファイトシート、１２…ガラス系潤滑剤、ＭＦ…磁性粉末、Ｓ…焼結体、Ｃ…希土類磁石、Ｒ…銅ロール、Ｂ…急冷薄帯（急冷リボン）、Ｍ…成形型、Ｄ…ダイス（超硬ダイス）、Ｐ…パンチ（超硬パンチ）、Ｋ…キャビティ、ＭＰ…主相（ナノ結晶粒、結晶粒、結晶）、ＢＰ…粒界相

Claims (3)

1. 希土類磁石材料となる磁性粉末を焼結して焼結体を製作する第１のステップ、
   ダイスと、該ダイス内を摺動する下パンチおよび／または上パンチと、からなる成形型のキャビティに焼結体を収容し、該焼結体に磁気的異方性を与える熱間塑性加工を施して希土類磁石を製造する第２のステップからなり、
   第２のステップにおいて、下パンチおよび上パンチのキャビティに対向する側面と焼結体の間にそれぞれ、一対のグラファイトシート間にガラス系潤滑剤が介在してなる潤滑シートを配設し、上下の潤滑シートにて焼結体を挟んだ状態で熱間塑性加工をおこなう希土類磁石の製造方法。
2. 第２のステップにおいて、潤滑シートが下パンチおよび上パンチのキャビティに対向する側面に取り付けられる請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
3. 第２のステップにおいて、二つの潤滑シートが焼結体の上下面にそれぞれ取り付けられる請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。

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