JP2018095934A - 耐熱耐食性磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】石油採掘のような高温・高腐食環境下においても好適に利用できる回転電機を実現するための耐熱耐食性磁石を、低コストで製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る耐熱耐食性磁石の製造方法は、磁石体の外装に耐食性金属の被覆を具備する磁石の製造方法であって、前記耐食性金属からなるカップ状容器をプレス用金型の中に収容し、該カップ状容器の中に前記磁石体を構成する磁性粉末を充填する磁性粉末充填工程と、前記カップ状容器内で前記磁性粉末に対して一軸プレスを行って前記磁石体の仮成形体を形成する仮成形体形成工程と、前記仮成形体を包むように前記カップ状容器を閉じるカップ状容器閉鎖工程と、前記閉じたカップ状容器に対して熱間等方圧プレスを行って、前記仮成形体を焼結させる前記磁石体の形成と、該磁石体および前記被覆の一体化とを同時に行う焼結・一体化工程と、前記焼結・一体化した磁石体に着磁して永久磁石化する着磁工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石の技術に関し、特に苛酷な腐食環境下で使用される回転電機に用いられる耐熱耐食性磁石の製造方法に関するものである。

原油や天然ガス等の採掘において、近年では油井の高深度化や三次回収の開発によって、採掘環境は従来よりも高温高圧の環境になっている。加えて、油井内の酸化性腐食ガス（例えば、炭酸ガスや硫化水素）の存在により、その環境は採掘機器にとって非常に苛酷な腐食環境になっている。

そのような苛酷な腐食環境に耐えるべく、採掘機器には高い耐食性が求められる。採掘機器を構成する金属部材には、現在開発されている種々の高耐食性金属材を使用することで対応可能と考えられる。しかしながら、採掘機器のうち、圧縮機やポンプなどの回転電機に用いられる磁石は、磁気特性が優先事項であり、高耐食性金属材ほどの耐食性を有していないという弱点がある。

そのような弱点に対し、磁石の耐食性を向上させる技術が種々提案されている。例えば、特許文献１（特開2013-48182）には、
磁石本体と、該磁石本体の表面上に形成されたコーティング層とを備えた磁石の製造方法であって、
金型の可動型及び固定型を組み合わせて形成されるキャビティ内に、前記磁石を成形するための成形空間を設け、該成形空間の内壁面に、前記コーティング層の基材をなすコーティング材を付着させる工程と、
前記成形空間の気体を昇温して前記内壁面に付着させた前記コーティング材を溶融させることにより、前記内壁面上に前記コーティング層を形成する工程と、
前記成形空間のうち、前記コーティング層が占める領域を除く空き領域に、前記磁石本体の基材をなす磁石材を充填する工程と、
前記磁石材を固化させて、前記空き領域に前記磁石本体を形成する工程と、を有することを特徴とする磁石の製造方法が、開示されている。

特開２０１３−４８１８２号公報

特許文献１によると、成形空間内で磁石本体を成形固化する際にコーティング層が併せて形成されるため、磁石本体の成形固化後に磁石本体を金型から取り出し、その後、磁石本体の表面にコーティング層を形成する場合と比較して、工程数が少なく、その分、磁石の製造コストを削減することが可能となる、とされている。

ただし、特許文献１の磁石は、磁性粉末をバインダ（ゴムや熱可塑性樹脂等、例えば、ナイロン12）と混ぜ合わせて所定形状に成形固化したボンド磁石であり、コーティング層は、該バインダと同じ材質によって構成されるとなっている。そのため、特許文献１の磁石では、耐熱温度がバインダの融点（ナイロン12の場合は約180℃）によって制約される。

一方、近年の石油採掘の環境温度は200℃以上（回転電機では300℃程度）と言われており、磁石においても当該温度以上の耐熱耐食性が求められている。また、工業製品においては、当然のことながら低コスト化は最重要課題の一つである。

したがって、本発明の目的は、石油採掘のような高温・高腐食環境下においても好適に利用できる回転電機を実現するための耐熱耐食性磁石を、低コストで製造する方法を提供することにある。

本発明の一態様は、磁石体の外装に耐食性金属の被覆を具備する磁石の製造方法であって、
前記耐食性金属からなるカップ状容器をプレス用金型の中に収容し、該カップ状容器の中に前記磁石体を構成する磁性粉末を充填する磁性粉末充填工程と、
前記カップ状容器内で前記磁性粉末に対して一軸プレスを行って前記磁石体の仮成形体を形成する仮成形体形成工程と、
前記仮成形体を包むように前記カップ状容器を閉じるカップ状容器閉鎖工程と、
前記閉じたカップ状容器に対して熱間等方圧プレスを行って、前記仮成形体を焼結させる前記磁石体の形成と、該磁石体および前記被覆の一体化とを同時に行う焼結・一体化工程と、
前記焼結・一体化した磁石体に着磁して永久磁石化する着磁工程と、を有することを特徴とする耐熱耐食性磁石の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、石油採掘のような高温・高腐食環境下での使用に耐える耐熱耐食性磁石を、低コストで製造する方法を提供することができる。言い換えると、耐熱耐食性磁石の低コスト化に寄与する。また、本発明の製造方法により製造した耐熱耐食性磁石を回転電機の磁石（回転子用磁石または固定子用磁石）として用いることにより、耐熱耐食性の高い回転電機の低コスト化に寄与できる。

本発明に係る耐熱耐食性磁石の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の耐熱耐食性磁石を用いたモータを組み込んだターボ型ポンプの一例（多段遠心ポンプ）を示す断面模式図である。

本発明は、前述した本発明に係る耐熱耐食性磁石の製造方法において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記耐食性金属は、非磁性のニッケル基合金または非磁性のコバルト基合金である。
（ii）前記カップ状容器は、肉厚が0.1 mm以上1 mm以下である。
（iii）前記磁石体は、フェライト磁石体、サマリウムコバルト磁石体またはネオジム磁石体である。
（iv）前記磁性粉末充填工程と前記仮成形体形成工程とを磁場中で行う。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、本発明は、ここで取り挙げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。

［耐熱耐食性磁石の製造方法］
図１は、本発明に係る耐熱耐食性磁石の製造方法の一例を示す工程図である。図１に示したように、まず、磁性粉末10を用意する磁性粉末用意工程（ステップ１：S1）と、耐食性金属からなるカップ状容器20を用意するカップ状容器用意工程（ステップ２：S2）とを行う。

工程S1は、最終的に所望の焼結磁石体12（例えば、フェライト磁石体、サマリウムコバルト磁石体、ネオジム磁石体）が得られる磁性粉末10を用意する工程である。用意方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。また、市販の磁性粉末を用意することで本工程としてもよい。

工程S2は、耐食性金属からなるカップ状容器20を用意する工程である。耐食性金属としては、非磁性のニッケル基合金または非磁性のコバルト基合金を好ましく用いることができる。カップ状容器20の形成方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、絞り加工を好適に利用できる。

当該カップ状容器20は、最終的に焼結磁石体12の耐食被覆22となる部材であり、その肉厚は0.1 mm以上1 mm以下が好ましく、0.2 mm以上0.8 mm以下がより好ましい。カップ状容器20の肉厚（すなわち、後の耐食被覆22の厚さ）が0.1 mm未満になると、カップ状容器20が破損し易く耐熱耐食性磁石の製造歩留まりが低下したり、出来上がった耐熱耐食性磁石を回転電機内で使用した際に稼働中の振動等により耐食被覆22が擦り切れたりする。一方、該肉厚が1 mm超になると、後工程での作業性が悪化し製造歩留まりが低下する。

なお、厚さ0.1 mm以上の耐食性金属被膜をめっき等の方法で磁石体の表面上に形成しようとすると、厚過ぎて均等な厚さ制御が困難になると共に、クラック等の欠陥が発生し易くなる。

次に、工程S2で用意したカップ状容器20をプレス用金型30の中に収容し、該カップ状容器20の中に工程S1で用意した磁性粉末10を充填する磁性粉末充填工程（ステップ３：S3）を行う。

次に、カップ状容器20に充填した磁性粉末10に対して一軸プレスを行って磁石体の仮成形体11を形成する仮成形体形成工程（ステップ４：S4）を行う。一軸プレスの方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。

ここで、磁石の磁気異方性を高めるためには、磁性粉末充填工程S3と仮成形体形成工程S4とを磁場中で行うことが好ましい。なお、等方的な磁気特性の磁石を作製する場合には、工程S3〜S4中に磁場印加を行わない。

次に、仮成形体11を包むようにカップ状容器20を閉じるカップ状容器閉鎖工程（ステップ５：S5）を行う。閉鎖方法としては、カップ状容器20の開口領域を閉じられる限り特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、別途用意した耐食性金属の蓋21を仮成形体11の上に配置した後、カップ状容器20の余剰部分（カップ状容器20の仮成形体11より上方部分）を折り込んで当該蓋21の周縁を封じる方法などを好適に利用できる。

次に、閉じたカップ状容器20，21（仮成形体11を包み込んだカップ状容器20，21）に対して熱間等方圧プレスを行って、仮成形体11を焼結させる磁石体12の形成と、該磁石体12および被覆22の一体化とを同時に行う焼結・一体化工程（ステップ６：S6）を行う。熱間等方圧プレスの方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。なお、耐食被覆22として用いたニッケル基合金やコバルト基合金は、耐熱性合金でもあることから、熱間等方圧プレスにおける焼結温度（例えば、1100〜1200℃）にも耐えることができる。

次に、焼結・一体化した磁石体12に着磁して永久磁石化する着磁工程（ステップ７：S7）を行う。着磁方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。

以上の工程により、高温・高腐食環境下での使用に耐える耐熱耐食性磁石40を製造することができる。また、耐食被覆22として用いたニッケル基合金やコバルト基合金は、良好な機械的特性を有することから、耐熱耐食性磁石40の機械的特性（例えば、耐振動性、靱性）が向上するという副次的な作用効果がある。

［耐熱耐食性磁石の使用例］
上記で得られた耐熱耐食性磁石の使用例について、以下、簡単に説明する。

図２は、本発明の耐熱耐食性磁石を用いたモータを組み込んだターボ型ポンプの一例（多段遠心ポンプ）を示す断面模式図である。図２に示したように、ポンプ100は、大別してモータ部110とポンプ部120とから構成される。モータ部110は、出力軸111、軸受112、回転子113および固定子114を有し、回転子113に本発明の耐熱耐食性磁石40を用いている。ポンプ部120は、軸受121、インペラ122および案内翼123を有している。

回転子113に耐熱耐食性磁石40を用いていることから、ポンプ100全体を採掘のような高温・高腐食環境下に設置したとしても、モータ部110の磁石が腐食することなく、ポンプ100の長期信頼性の向上に寄与する。なお、圧縮機は、基本的にポンプと同様の構造を有することから、耐熱耐食性磁石40を用いたモータを組み込んだ圧縮機も、高温・高腐食環境下での長期信頼性が向上する。

上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成で置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

10…磁性粉末、11…仮成形体、12…磁石体、
20…カップ状容器、21…蓋、22…被覆、30…プレス用金型、40…耐熱耐食性磁石、
100…ポンプ、
110…モータ部、111…出力軸、112…軸受、113…回転子、114…固定子、
120…ポンプ部、121…軸受、122…インペラ、123…案内翼。

Claims (5)

1. 磁石体の外装に耐食性金属の被覆を具備する磁石の製造方法であって、
   前記耐食性金属からなるカップ状容器をプレス用金型の中に収容し、該カップ状容器の中に前記磁石体を構成する磁性粉末を充填する磁性粉末充填工程と、
   前記カップ状容器内で前記磁性粉末に対して一軸プレスを行って前記磁石体の仮成形体を形成する仮成形体形成工程と、
   前記仮成形体を包むように前記カップ状容器を閉じるカップ状容器閉鎖工程と、
   前記閉じたカップ状容器に対して熱間等方圧プレスを行って、前記仮成形体を焼結させる前記磁石体の形成と、該磁石体および前記被覆の一体化とを同時に行う焼結・一体化工程と、
   前記焼結・一体化した磁石体に着磁して永久磁石化する着磁工程と、を有することを特徴とする耐熱耐食性磁石の製造方法。
2. 請求項１に記載の耐熱耐食性磁石の製造方法において、
   前記耐食性金属が、非磁性のニッケル基合金または非磁性のコバルト基合金であることを特徴とする耐熱耐食性磁石の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の耐熱耐食性磁石の製造方法において、
   前記カップ状容器は、肉厚が0.1 mm以上1 mm以下であることを特徴とする耐熱耐食性磁石の製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の耐熱耐食性磁石の製造方法において、
   前記磁石体が、フェライト磁石体、サマリウムコバルト磁石体またはネオジム磁石体であることを特徴とする耐熱耐食性磁石の製造方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の耐熱耐食性磁石の製造方法において、
   前記磁性粉末充填工程と前記仮成形体形成工程とを磁場中で行うことを特徴とする耐熱耐食性磁石の製造方法。

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