JP2017098454A

JP2017098454A - 磁性粉末の磁気選別方法

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Publication number: JP2017098454A
Application number: JP2015230552A
Authority: JP
Inventors: 孝明高橋; Takaaki Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01

Abstract

【課題】磁性粉末から粗大結晶粒粉末のみを取り除くことを可能とし、もって材料歩留りを高くすることのできる磁性粉末の磁気選別方法を提供する。【解決手段】液体急冷法にて製作された金属薄帯を粉砕して磁性粉末を製作する第１のステップ、磁性粉末に対して第１の磁気選別をおこない、ナノ結晶粉末Ｐｎと、アモルファス粉末Ｐａおよび粗大結晶粒粉末Ｐｓと、に選別する第２のステップ、アモルファス粉末Ｐａおよび粗大結晶粒粉末Ｐｓに対して熱処理をおこない、アモルファス粉末Ｐａを結晶化させてナノ結晶粉末Ｐｎを製作する第３のステップ、アモルファス粉末Ｐａが結晶化されたナノ結晶粉末Ｐｎと粗大結晶粒粉末Ｐｓに対して第２の磁気選別をおこない、ナノ結晶粉末Ｐｎと粗大結晶粒粉末Ｐｓと、に選別する第４のステップからなる磁性粉末の磁気選別方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、磁性粉末の磁気選別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等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すること（フリー化）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を概説すると、液体急冷法を用いて、希土類磁石材料の溶湯（Nd-Fe-B系の金属溶湯）を炉内で形成し、炉から溶湯を急冷する回転ロールに提供し、急冷凝固して急冷薄帯（急冷リボン）を製造し、急冷薄帯を所望の大きさに粉砕して磁性粉末とし、この磁性粉末を加圧成形しながら焼結して焼結体を製造する。ナノ結晶磁石の場合には、この焼結体にさらに磁気的異方性を付与するための熱間塑性加工を施して成形体を製造する。この成形体に対し、必要に応じて保磁力性能の高い重希土類元素を種々の方法で付与することで保磁力性能の高められた希土類磁石を製造することができる。

ところで、液体急冷法にて製作された金属薄帯が粉砕されてなる磁性粉末には、300nm以下のナノ結晶粉末のほかに、磁石性能低下の要因となる結晶粒径が400nm以上の粗大結晶粒粉末が存在している。なお、磁性粉末には、ナノ結晶粉末や粗大結晶粒粉末の他にも、組織が結晶化されていないアモルファス粉末も存在しており、このアモルファス粉末はナノ結晶粉末と同様に良品として使用可能であるものの、ナノ結晶粉末に比して磁気性能に劣ることが知られている。

そこで、磁石性能低下の要因となる粗大結晶粒粉末を磁性粉末から取り除くべく、磁気選別にてナノ結晶粉末やアモルファス粉末を抽出する方法がある。

具体的には、磁性粉末を弱い磁場内に置くことで、保磁力が高くて弱い磁場に反応しない硬磁性のナノ結晶粉末を落下させ、一方で、保磁力が弱くて弱い磁場に反応する軟磁性のアモルファス粉末や粗大結晶粒粉末を吸着させるものである。粗大結晶粒粉末においては、主相が400nm以上になると多軸粒子になることから、保磁力が弱く、弱い磁場に反応することが知られている。

このように、従来の磁気選別法では、粗大結晶粒粉末を磁性粉末から取り除こうとする際に、ナノ結晶粉末と同様に良品として使用可能なアモルファス粉末も同時に取り除いてしまうことから、材料歩留りが低くなるといった課題を有している。

ここで、特許文献１には、磁性粉体の製造方法に関し、金属溶湯を冷却ロール上に吐出して急冷リボンを製作し、50μm〜1000μmの粒度範囲内に粉砕して0.0003mg〜0.3mgの質量範囲の磁性粉体を製作し、該質量範囲の磁性粉体が2mT以下の表面磁束密度を有する磁石に吸着するか否かを検査し、吸着しない磁性粉体を選別して焼結体を形成する磁性粉体とする、磁性粉体の製造方法が開示されている。

特開２０１３−８４８０４号公報

特許文献１に開示される磁性粉体の製造方法によれば、組織内に粗大粒を含まない磁性粉体を精緻かつ効率的に選別し、最適なナノサイズの結晶粒からなる組織を有する磁性粉体を製造することが可能になる。しかしながら、この製造方法によっても、磁性粉末を弱い磁場内に置いて磁気選別するに当たり、粗大結晶粒粉末に加えてアモルファス粉末も取り除いてしまうといった上記課題を解消するには至らない。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、磁性粉末から粗大結晶粒粉末のみを取り除くことを可能とし、もって材料歩留りを高くすることのできる磁性粉末の磁気選別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、本発明による磁性粉末の磁気選別方法は、液体急冷法にて製作された金属薄帯を粉砕して磁性粉末を製作する第１のステップ、磁性粉末に対して第１の磁気選別をおこない、ナノ結晶粉末と、アモルファス粉末および粗大結晶粒粉末と、に選別する第２のステップ、アモルファス粉末および粗大結晶粒粉末に対して熱処理をおこない、アモルファス粉末を結晶化させてナノ結晶粉末を製作する第３のステップ、アモルファス粉末が結晶化されたナノ結晶粉末と粗大結晶粒粉末に対して第２の磁気選別をおこない、ナノ結晶粉末と粗大結晶粒粉末と、に選別する第４のステップからなるものである。

本発明の磁性粉末の磁気選別方法は、磁気選別を２回実施し、１回目と２回目の磁気選別の間にアモルファス粉末を結晶化させてナノ結晶粉末を製作する熱処理を実施することに特徴を有する磁気選別方法である。

熱処理をおこなってアモルファス粉末からナノ結晶粉末を製作し、この製作されたナノ結晶粉末を回収して希土類磁石製造用の材料粉末として使用することにより、材料歩留りを格段に高めることができる。

ナノ結晶粉末は主相と粒界相が明確で保磁力が高く、20〜30mT程度の弱い磁場に反応しない硬磁性で結晶粒径が300nm以下の粉末である。

一方、粗大結晶粒粉末は主相と粒界相が明確であるものの、結晶粒径が400nm以上で保磁力が低く、20〜30mT程度の弱い磁場に反応する軟磁性の粉末である。

したがって、第１の磁気選別では20〜30mT程度の弱い磁場を印加してアモルファス粉末と粗大結晶粒粉末を吸着し（したがって吸着されないナノ結晶粉末が回収される）、第２の磁気選別では20〜30mT程度の弱い磁場を印加して粗大結晶粒粉末を吸着する（したがって吸着されない、アモルファス粉末が結晶化されたナノ結晶粉末が回収される）。

第３のステップでは、たとえば560℃程度かそれ以上の加熱温度を3分程度かそれ以下の時間継続する熱処理を実行する。なお、この熱処理は、真空雰囲気下もしくはアルゴンガス雰囲気下でおこなうことで、磁性粉末の酸化や窒化を防止することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明による磁性粉末の磁気選別方法によれば、磁気選別を２回実施し、１回目と２回目の磁気選別の間にアモルファス粉末を結晶化させてナノ結晶粉末を製作する熱処理を実施することにより、アモルファス粉末もナノ結晶粉末に生成して回収することができ、もって材料歩留りを高くすることができる。

本発明の磁性粉末の磁気選別方法を説明したフロー図である。磁性粉末の磁気選別方法を実施する磁気分別装置を示した模式図である。ナノ結晶粉末から製造された希土類磁石、粗大結晶粒粉末から製造された希土類磁石、アモルファス粉末が結晶化されたナノ結晶粉末から製造された希土類磁石それぞれの磁化を測定した実験結果を示した図である。熱処理前のアモルファス粉末のXRD結果を示した図である。アモルファス粉末が熱処理されたナノ結晶粉末のXRD結果を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の磁性粉末の磁気選別方法の実施の形態を説明する。

（磁性粉末の磁気選別方法の実施の形態）
図１は本発明の磁性粉末の磁気選別方法を説明したフロー図であり、図２は磁性粉末の磁気選別方法を実行する磁気分別装置を示した模式図である。

図１のフロー図で示す磁性粉末の磁気選別方法では、まず、第１のステップＳ１として、液体急冷法を用いて磁性粉末を製作する。

ここで、磁性粉末の製作方法を概説すると、不図示の50kPa以下に減圧されたArガス雰囲気下の炉内において、合金インゴットを高周波コイルの稼働によって高周波溶解させ、希土類磁石材料からなる溶湯を銅製の回転ロールに滴下して急冷薄帯を製作する。

急冷薄帯の組成は、RE-Fe-B系の主相（RE:Nd、Prの少なくとも一種）と、該主相の周りにあるRE-X合金（X:金属元素であって重希土類元素を含まない）の粒界相からなる。粒界相を構成するRE-X合金（特にNd-X合金）は、Ndと、Co、Fe、Ga、Cu、Al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。

回転ロールの頂点に滴下された溶湯は、回転姿勢の回転ロールに接して急冷されて急冷薄帯が形成されるとともに、回転ロールの頂点の接線方向に噴射され、このように噴射された急冷薄帯を回収する。

回収された急冷薄帯は、図２で示す磁気分別装置１０を構成する粉砕機２で粉砕され、磁性粉末が製作される。

ここで、図２を参照して磁気分別装置１０の構成を概説する。図示する磁気分別装置１０は、真空引き自在のチャンバー１と、チャンバー１の頂部にある粉砕機２と、チャンバー１を３つの回収部１Ａ，１Ｂ，１Ｃに画成する隔壁１ａ、１ｂと、隔壁１ａの頂部に配設されたベルトコンベア３と、隔壁１ａの頂部に配設された磁石４と、ベルトコンベア３の上方に配設されたヒータ５と、ベルトコンベア３の先端で回転する（Ｙ１方向）表面に磁石層を備えた吸着ロール６と、ベルトコンベア３の下方で吸着ロール６に隣接する位置に配設された剥ぎ取り壁１ｃと、から大略構成されている。

粉砕機２で粉砕されて製作された磁性粉末は、ナノ結晶粉末Ｐｎと、アモルファス粉末Ｐａと粗大結晶粒粉末Ｐｓを含んでいる。

ここで、ナノ結晶粉末Ｐｎとは、主相と粒界相が明確で保磁力が高く、弱い磁場に反応しない硬磁性で結晶粒径が300nm以下の粉末である。

一方、アモルファス粉末Ｐａとは、主相と粒界相が明確でなく、したがって保磁力が弱く、弱い磁場に反応する軟磁性の粉末である。

一方、粗大結晶粒粉末Ｐｓとは、主相と粒界相が明確であるものの、結晶粒径が400nm以上で保磁力が低く、弱い磁場に反応する軟磁性の粉末である。

図１に戻り、製作された磁性粉末に対して第１の磁気選別を実施する（第２のステップＳ２）。

具体的には、図２で示すように、磁石４によって20〜30mT程度の弱い磁場で磁気吸引することにより、硬磁性のナノ結晶粉末Ｐｎは磁気吸引されずにそのまま回収部１Ａに落下する（Ｘ１方向）。

それに対し、軟磁性の粉末であるアモルファス粉末Ｐａと粗大結晶粒粉末Ｐｓは磁気吸引されてベルトコンベア３に搭載され、ベルトコンベア３で搬送される過程で（Ｚ１方向）上方にあるヒータ５で熱処理される（図１で示す第３のステップＳ３）。

このヒータ５による加熱は560℃程度以上の加熱条件で0.5〜3分程度実施され、この熱処理により、アモルファス粉末Ｐａが結晶化されてナノ結晶粉末Ｐｎが製作される。なお、チャンバー１内は真空雰囲気もしくはアルゴンガス雰囲気とされており、このような雰囲気下で熱処理をおこなうことで粉末の酸化や窒化を防止することができる。

次に、第２の磁気選別を実施する（図１で示す第４のステップＳ４）。具体的には、ベルトコンベア３で搬送されたナノ結晶粉末Ｐｎは、回転する（Ｙ１方向）銅製で表面に磁石層を備えた吸着ロール６に吸着されることなく、単に乗り上げるだけであり、その一方で、粗大結晶粒粉末Ｐｓは吸着ロール６の表面の磁石層に吸着される。

吸着ロール６の回転により、吸着ロール６に吸着されていないナノ結晶粉末Ｐｎは回収部１Ｂに落下し（Ｘ２方向）、吸着ロール６に吸着されている粗大結晶粒粉末Ｐｓは隔壁１ｂを超えて回収部１Ｃに運ばれ、剥ぎ取り壁１ｃの端部で吸着ロール６から剥ぎ取られて回収部１Ｃに落下する（Ｘ３方向）。

回収部１Ａ，１Ｂではいずれもナノ結晶粉末Ｐｎが回収されることから、これらのナノ結晶粉末Ｐｎを回収する（図１で示すステップＳ５）。

回収されたナノ結晶粉末Ｐｎを希土類磁石用の材料粉末として使用することにより、材料粉末中に粗大結晶粒粉末Ｐｓが存在しないことから、磁気特性に優れた希土類磁石を製造することができる。

また、磁気選別を２回実施し、１回目と２回目の磁気選別の間にアモルファス粉末Ｐａを結晶化させてナノ結晶粉末Ｐｎを製作する熱処理を実施することにより、アモルファス粉末Ｐａもナノ結晶粉末Ｐｎに生成して回収することができ、材料歩留りを高くすることができる。

（ナノ結晶粉末から製造された希土類磁石、粗大結晶粒粉末から製造された希土類磁石、アモルファス粉末が結晶化されたナノ結晶粉末から製造された希土類磁石それぞれの磁化を測定する実験とその結果）
本発明者等は、ナノ結晶粉末から製造された希土類磁石、粗大結晶粒粉末から製造された希土類磁石、アモルファス粉末が結晶化されたナノ結晶粉末から製造された希土類磁石それぞれの磁化を測定する実験をおこなった。

まず、図２で示す磁気選別装置１０を用いて、３つの回収部１Ａ，１Ｂ，１Ｃで回収された粉末を材料粉末として希土類磁石を製造した。

ここで、磁石４による磁力は20〜30mTとし、吸着ロール６の直径は200mmで表面磁力は20〜30mT、回転数は1rpmより大きくし、表面温度を5℃とした。

試験条件は、磁性粉末としてNd-Fe-B系で粒径が45〜300μmの磁性粉末を使用し、粉砕機２への投入量を5g/sとし、ヒータ５による熱処理温度を600℃で加熱時間を1分未満とし、アルゴンガス雰囲気下で熱処理した。

回収部１Ａ，１Ｂ，１Ｃでそれぞれ回収された磁粉を鍛造して希土類磁石を製作した。ここで、プリフォーム条件は700℃、200MPa、80秒保持とし、鍛造条件は780℃でひずみ速度0.1/s、圧下率60%とし、成形型内に使用した潤滑剤は日本黒鉛製プロハイト15FU（膜厚50〜100μm）とした。

試験結果として、回収部１Ａ，１Ｃ，１Ｂにおける粉末の平均粒径はそれぞれ202μm、207μm、190μmであり、また、結晶粒径はそれぞれ230nm、540nm、180nmであった。

さらに、磁気特性として磁化を測定した結果、図３で示すように、回収部１Ａ，１Ｃ，１Ｂにおける粉末から製造された希土類磁石の磁化はそれぞれ1.37T、1.25T、1.37Tであった。

図３で示す結果より、当初からナノ結晶粉末であったもの、アモルファス粉末が結晶化されてできたナノ結晶粉末、のいずれも、それらを材料粉末とした希土類磁石の磁化性能に差異はなく、したがって、アモルファス粉末を結晶化して生成されたナノ結晶粉末も磁石用材料に適用することに問題がないことが実証された。

また、熱処理前後のアモルファス粉末をXRD分析(株式会社リガク製 ATX-G)にて結晶構造解析をおこなった。解析結果に関し、熱処理前の結果を図４に、熱処理後の結果を図５にそれぞれ示す。

図４より、熱処理前はピークを確認することができなかった。

一方、図５より、熱処理後には2θ=29deg、44degに強いピークが検出された。これらはNd₂Fe₁₄B(004),(006)のピークに相当し、Nd₂Fe₁₄Bはc軸に配向しているものと考えられる。

これらの結果より、600℃、30秒の熱処理にて、アモルファス粉末の結晶化が進むことが確認できた。

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。

１…チャンバー、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…回収部、１ａ、１ｂ…隔壁、１ｃ…剥ぎ取り壁、２…粉砕機、３…ベルトコンベア、４…磁石、５…ヒータ、６…吸着ロール、１０…磁気選別装置、Ｐｎ…ナノ結晶粉末、Ｐａ…アモルファス粉末、Ｐｓ…粗大結晶粒粉末

Claims

液体急冷法にて製作された金属薄帯を粉砕して磁性粉末を製作する第１のステップ、
磁性粉末に対して第１の磁気選別をおこない、ナノ結晶粉末と、アモルファス粉末および粗大結晶粒粉末と、に選別する第２のステップ、
アモルファス粉末および粗大結晶粒粉末に対して熱処理をおこない、アモルファス粉末を結晶化させてナノ結晶粉末を製作する第３のステップ、
アモルファス粉末が結晶化されたナノ結晶粉末と粗大結晶粒粉末に対して第２の磁気選別をおこない、ナノ結晶粉末と粗大結晶粒粉末と、に選別する第４のステップからなる磁性粉末の磁気選別方法。