JP2018107328A

JP2018107328A - 希土類磁石の製造方法

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Publication number: JP2018107328A
Application number: JP2016253697A
Authority: JP
Inventors: 大輔一期崎; Daisuke Ichikizaki; 山本　武士; Takeshi Yamamoto; 武士山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP6604321B2; CN108242334A; US10546688B2; CN108242334B; US20180182542A1

Abstract

【課題】焼結体に対して据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなって希土類磁石を製造するに当たり、スプリングバックに起因して希土類磁石の残留磁化や保磁力が低下することを解消できる希土類磁石の製造方法を提供する。【解決手段】希土類磁石用の磁性粉末Ｊを加圧成形して焼結体Ｓを製造する第一のステップ、焼結体Ｓを塑性加工型Ｍ２内に配設し、焼結体Ｓを所定の方向に加圧しながら焼結体Ｓに磁気的異方性を与える据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなって希土類磁石前駆体Ｃ’を製造し、希土類磁石前駆体Ｃ’に対して所定の方向に所定の圧力を付与した状態で冷却して希土類磁石Ｃを製造する第二のステップからなる。【選択図】図４

Description

本発明は、焼結体に熱間塑性加工を施して希土類磁石を製造する、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、加圧成形しながら焼結体を製造し、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、焼結体に熱間塑性加工を施して結晶粒を配向させ、残留磁化と保磁力の高い希土類磁石を製造する方法が特許文献１に開示されている。

上記する熱間塑性加工では、側面型と、側面型内で摺動自在な上型および下型（パンチ、ポンチとも言う）から構成される塑性加工型を使用し、塑性加工型内に焼結体を配し、加熱しながら上型および下型で所定の加工率となるまで押圧する据え込み加工（熱間据え込み加工）が一般に適用されている。

特開平４−１３４８０４号公報

ところで、熱間塑性加工されて製造された希土類磁石は熱間塑性加工時の温度が保持された状態で塑性加工型外に取り出され、搬送処理されることになるが、この際に、希土類磁石内に若干残存している希土類磁石の弾性に起因したスプリングバック力によってスプリングバックが往々にして生じる。特に、熱間塑性加工を据え込み加工にておこなう場合、焼結体が熱間塑性加工によって塑性変形して希土類磁石が形成された直後に圧力が解放されることから、このスプリングバックは顕著となる。

希土類磁石にスプリングバックが生じると、熱間塑性加工によって形成された配向組織や粒界相組織にダメージが残り、希土類磁石の残留磁化や保磁力が低下することが問題となる。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、焼結体に対して据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなって希土類磁石を製造するに当たり、スプリングバックに起因して希土類磁石の残留磁化や保磁力が低下することを解消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、希土類磁石用の磁性粉末を加圧成形して焼結体を製造する第一のステップ、前記焼結体を塑性加工型内に配設し、該焼結体を所定の方向に加圧しながら該焼結体に磁気的異方性を与える据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなって希土類磁石前駆体を製造し、該希土類磁石前駆体に対して前記所定の方向に所定の圧力を付与した状態で冷却して希土類磁石を製造する第二のステップからなるものである。

本発明の希土類磁石の製造方法は、据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなった後に塑性加工型から速やかに希土類磁石前駆体を取り出すことに代わり、希土類磁石前駆体に対して熱間塑性加工の際の加圧方向と同じ方向（所定の方向）に所定の圧力を付与した状態で冷却して希土類磁石を製造することにより、スプリングバックの発生を抑制し、希土類磁石の残留磁化や保磁力の低下を抑制することを可能にしたものである。

ここで、第二のステップにおける「所定の圧力」は、熱間塑性加工の際の加圧荷重未満であって、かつ希土類磁石前駆体の膨張によって塑性加工型に作用する抵抗荷重以上に設定されているのが好ましい。

所定の圧力が希土類磁石前駆体の膨張による抵抗荷重以上に設定されていることにより、熱間塑性加工後に塑性加工型を構成する上型もしくは下型が変位するのを抑制でき、このことによってスプリングバックの発生が抑制される。この際、熱間塑性加工時の加圧方向と同じ方向に所定の圧力を付与することで、当該加圧方向と逆方向へのスプリングバックの発生が効果的に抑制される。

スプリングバックの発生が抑制されることで、熱間塑性加工直後の希土類磁石前駆体の形状や寸法が保持された状態で冷却がおこなわれ、最終的に得られる希土類磁石はこの熱間塑性加工直後の希土類磁石前駆体の形状および寸法を保持していることから、熱間塑性加工によって形成された配向度が保持される。

さらに、第二のステップにおける「冷却」では、希土類磁石前駆体の液相成分が固化する温度以下になるまで前記所定の圧力を保持するのが好ましい。

希土類磁石前駆体の液相成分が固化する温度以下になるまで所定の圧力を保持することで、希土類磁石の形状および寸法を熱間塑性加工直後の希土類磁石前駆体の形状および寸法に保持することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の希土類磁石の製造方法によれば、据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなった後に、希土類磁石前駆体に対して熱間塑性加工の際の加圧方向と同じ方向（所定の方向）に所定の圧力を付与した状態で冷却して希土類磁石を製造することにより、スプリングバックの発生を抑制し、希土類磁石の残留磁化や保磁力の低下を抑制することができる。

本発明の希土類磁石の製造方法の第一のステップで使用する磁性粉末の製造方法を説明した模式図である。製造方法の第一のステップを説明した図である。第一のステップで製造された焼結体のミクロ構造を説明した図である。製造方法の第二のステップを説明した図である。製造された希土類磁石のミクロ構造を説明した図である。実施例の製造方法における塑性加工型の変位と温度と荷重制御グラフである。実施例および比較例の各製造方法によるテストピースの高さに関する実験結果を示した図である。実施例および比較例の各製造方法によるテストピースの保磁力と残留磁化に関する実験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、図示する製造方法が製造対象とする希土類磁石はナノ結晶磁石（粒径が300nm程度かそれ以下）からなる場合を説明したものであるが、本発明の製造方法が対象とする希土類磁石はナノ結晶磁石に限定されるものではなく、粒径が300nm以上のものや、1μm以上の焼結磁石などを包含するものである。

（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一のステップで使用する磁性粉末の製造方法を説明した模式図であり、図２は製造方法の第一のステップを説明した図であり、図４は製造方法の第二のステップを説明した図である。

図１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）を製作する。

次に、図２で示すように、側面型Ｋ３と、側面型Ｋ３内で摺動自在な上型Ｋ１および下型Ｋ２と、高周波コイルＣｏと、から構成された成形型Ｍ１のキャビティ内に、たとえば200μm程度かそれ以下の寸法に急冷薄帯Ｂが粗粉砕されてなる磁性粉末Ｊを充填する。

そして、高周波コイルＣｏで加熱しながら上型Ｋ１と下型Ｋ２でプレスすることにより（Ｘ方向）、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）の粒界相からなる焼結体Ｓが製造される（第一のステップ）。

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。

図３で示すように、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。

次に、図４で示すように、ヒータＨが内蔵された上型Ｋ４と下型Ｋ５から構成される塑性加工型Ｍ２の上型Ｋ４と下型Ｋ５の間に焼結体Ｓを載置する。ヒータＨを稼働して加熱された状態の上型Ｋ４と下型Ｋ５で焼結体Ｓを鉛直方向（Ｘ方向）に加圧しながら、焼結体Ｓに磁気的異方性を与える据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなうことにより、希土類磁石前駆体Ｃ’が製造される。

次に、製造された希土類磁石前駆体Ｃ’に対し、熱間塑性加工の際の加圧方向と同じ方向（Ｘ方向）に圧力を付与した状態で、上型Ｋ４と下型Ｋ５のヒータ温度を徐々に下げながら希土類磁石前駆体Ｃ’の冷却を図ることにより、希土類磁石Ｃが製造される（第二のステップ）。

ここで、この冷却の際に希土類磁石前駆体Ｃ’に付与する圧力は、熱間塑性加工の際の加圧荷重未満であって、かつ希土類磁石前駆体Ｃ’の膨張による抵抗荷重以上に設定される。

熱間塑性加工が既に終了し、希土類磁石前駆体Ｃ’には所望の配向度が得られていることから、冷却の際に熱間塑性加工の際の加圧荷重以上の荷重を付与する必要はない。

また、冷却の際に希土類磁石前駆体Ｃ’に付与する圧力が希土類磁石前駆体Ｃ’の膨張による抵抗荷重以上に設定されていることにより、熱間塑性加工後に塑性加工型Ｍ２を構成する上型Ｋ４もしくは下型Ｋ５が変位するのを抑制でき、このことによって希土類磁石前駆体Ｃ’にスプリングバックが発生するのを抑制することができる。

特に、熱間塑性加工の際の加圧方向と同じ方向（Ｘ方向）に圧力を付与することで、加圧方向と逆方向へ希土類磁石前駆体Ｃ’がスプリングバックするのを効果的に抑制することができる。

また、希土類磁石前駆体Ｃ’の冷却においては、希土類磁石前駆体Ｃ’の液相成分が固化する温度以下になるまで加圧する圧力を保持することにより、最終的に得られる希土類磁石Ｃの形状および寸法を熱間塑性加工直後の希土類磁石前駆体Ｃ’の形状および寸法に保持することができる。

そして、このことは、希土類磁石Ｃが熱間塑性加工直後の希土類磁石前駆体Ｃ’の配向度を保持することを意味しており、これにより希土類磁石前駆体Ｃ’がスプリングバックすることによって希土類磁石Ｃの残留磁化や保磁力が低下するのを抑制することができる。

製造される希土類磁石がNd-Fe-B系のナノ結晶磁石の場合には、熱間塑性加工時の温度を700〜800℃程度に設定し、第二のステップにおける冷却を希土類磁石前駆体の温度が600℃以下になるまで所定の圧力を保持する実施の形態を挙げることができる。

図５は、製造された希土類磁石のミクロ構造を説明した図である。図３で示す焼結体Ｓの結晶組織においては、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たが、図５で示すように、本発明の製造方法で製造された希土類磁石Ｃは、磁気的異方性を有し、配向度の高い結晶組織を呈している。

なお、製造された希土類磁石Ｃに対し、改質合金を粒界拡散させて保磁力をさらに向上させてもよい。ここで、このような改質合金としては遷移金属元素と軽希土類元素からなる改質合金を使用でき、たとえば450〜700℃程度の比較的低い温度範囲に融点もしくは共晶温度を有する改質合金を使用することで、結晶粒の粗大化を抑制できる。より具体的には、Nd、Prのいずれかの軽希土類元素と、Cu、Mn、In、Zn、Al、Ag、Ga、Feなどの遷移金属元素からなる合金を挙げることができ、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合金などを挙げることができる。

（本発明の製造方法で製造された希土類磁石の磁気特性を検証した実験とその結果）
本発明者等は、本発明の製造方法で製造された希土類磁石の磁気特性を検証する実験をおこなった。まず、以下の表１で示す二種の組成Ａ，Ｂの急冷薄帯からなる磁性粉末を用いて、二種類の希土類磁石のテストピースを製作した。この製造に当たり、実施例は本発明の製造方法によるものであり、比較例は熱間塑性加工後に速やかに圧力解放しながら冷却する製造方法によるものである。

焼結体の製作は、温度700℃、圧力1500MPa、保持時間20分でAr雰囲気下にておこなった。また、熱間塑性加工は、温度780℃、歪速度0.1/秒、圧下率Red.70％で大気圧雰囲気下にておこなった。

実施例の製造方法では、第二のステップにおける塑性加工型の変位と温度と荷重を図６の制御グラフのごとく制御した。

具体的には、熱間塑性加工後の冷却工程において、塑性加工型を構成する上型の変位が変動しないように当該上型に付与する荷重を制御している。熱間塑性加工直後にスプリングバックが顕著となり、これを抑制するべく、図６で示すように熱間塑性加工直後に最大の荷重を上型に付与する必要がある。そして、冷却工程では時間の経過とともに上型に作用するスプリングバック力が低下し、これを上型に取り付けられた圧力センサ等で計測し、この計測値（抵抗荷重相当）に応じて計測値以上の荷重（熱間塑性加工の際の加圧荷重未満であって、抵抗荷重以上の荷重）を上型に付与することにより、上型の変位をゼロに抑えた。

熱間塑性加工は800℃でおこない、冷却工程では60秒間で800℃から600℃まで温度を徐々に低下させた。

冷却工程後は、スプリングバック力が急減し、上型に付与する荷重をゼロに漸近させた。

組成Ａ，Ｂを使用した実施例および比較例による製造方法で製造された各テストピースに関し、図７には各テストピースの高さに関する実験結果を示し、図８には各テストピースの保磁力と残留磁化に関する実験結果を示す。

図７より、熱間塑性加工前のテストピースの高さが15mmであり、熱間塑性加工直後のテストピースの高さが4.5mmであった。

そして、熱間塑性加工後に速やかに圧力解放しながら冷却する比較例の方法では0.2mmのスプリングバックが生じ、最終的に得られる希土類磁石の高さは4.7mmとなった。

これに対し、熱間塑性加工後の希土類磁石前駆体に対して圧力を付与した状態で冷却する実施例の方法ではスプリングバックが発生せず、最終的に得られる希土類磁石の高さは熱間塑性加工直後のテストピースと同様の4.5mmとなった。

図８より、各テストピースの磁気特性に関しては、組成Ａ，Ｂのいずれの磁性材料を使用した場合でも、保磁力と残留磁化の双方において比較例よりも実施例の数値が向上する結果となっている。

具体的には、組成Ａにおいては保磁力が3kOe程度も向上し、組成Ｂにおいては、保磁力が2kOe程度、残留磁化が0.1T程度も向上することが分かった。

本実験結果より、本発明による製造方法にて製造された希土類磁石は、熱間塑性加工後のスプリングバックが解消されることに起因して、優れた磁気特性を有する希土類磁石であ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）、Ｊ…磁性粉末、Ｋ１、Ｋ４…上型、Ｋ２，Ｋ５…下型、Ｋ３…側面型、Ｍ１…成形型、Ｍ２…塑性加工型、Ｓ…焼結体、Ｃ’…希土類磁石前駆体、Ｃ…希土類磁石（配向磁石）、ＭＰ…主相（ナノ結晶粒、結晶粒、結晶）、ＢＰ…粒界相

Claims

希土類磁石用の磁性粉末を加圧成形して焼結体を製造する第一のステップ、
前記焼結体を塑性加工型内に配設し、該焼結体を所定の方向に加圧しながら該焼結体に磁気的異方性を与える据え込み加工からなる熱間塑性加工をおこなって希土類磁石前駆体を製造し、該希土類磁石前駆体に対して前記所定の方向に所定の圧力を付与した状態で冷却して希土類磁石を製造する第二のステップからなる、希土類磁石の製造方法。
前記所定の圧力は、前記熱間塑性加工の際の加圧荷重未満であって、かつ前記希土類磁石前駆体の膨張による抵抗荷重以上に設定されており、
前記冷却では、前記希土類磁石前駆体の液相成分が固化する温度以下になるまで前記所定の圧力を保持する、請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。