JP2019160949A - R−t−b系永久磁石 - Google Patents

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Abstract

【課題】 保磁力HcJおよび残留磁束密度Brを良好にしつつ、耐食性を向上させたR−T−B系永久磁石を提供する【解決手段】 Rが希土類元素であり、TがFe、または、FeおよびCoであり、Bがホウ素であるR−T−B系永久磁石である。R2T14B結晶相からなる主相粒子および主相粒子の間に形成された粒界を含む。粒界に、主相粒子内よりも、R、O、CおよびNの濃度がともに高いR−O−C−N濃縮部を含む。R−O−C−N濃縮部は重希土類元素を含む。R−O−C−N濃縮部は、コア部と、コア部の少なくとも一部を覆うシェル部とを有する。シェル部における重希土類元素の濃度がコア部における重希土類元素の濃度よりも高い。R−O−C−N濃縮部におけるコア部に対するシェル部の被覆率が平均45%以上である。【選択図】 図2

Description

本発明は、R−T−B系永久磁石に関する。
R−T−B系焼結磁石は優れた磁気特性を有するものの、主成分として酸化され易い希土類元素を含有していることから耐食性が低い傾向にある。
R−T−B系焼結磁石の耐食性を向上させるために、例えば、特許文献1では、粒界中に、前記R14B結晶粒内よりも、R、O及びCの濃度がともに高いR−O−C濃縮部を有し、R−O−C濃縮部におけるR原子に対するO原子の比率(O/R)を適当な範囲に調整したR−T−B系焼結磁石が提案されている。
また、特許文献2では、粒界中に、前記R14B結晶粒内よりも、R、O及びCの濃度がともに高いR−O−C濃縮部を有し、R−T−B系焼結の切断面における粒界の面積に占めるR−O−C濃縮部の面積比率を適切な範囲に調整したR−T−B系焼結磁石が提案されている。
国際公開第2013/122255号 国際公開第2013/122256号
本発明者らは、特定の種類の粒界相を含む場合において、残留磁束密度Br、保磁力HcJおよび耐食性が優れたR−T−B系永久磁石を得ることが出来ることを見出した。
本発明は、従来のR−T−B系焼結磁石よりも、磁気特性(保磁力HcJおよび残留磁束密度Br)および耐食性を更に向上させたR−T−B系永久磁石を提供することを目的とする。
本発明に係るR−T−B系永久磁石は、Rが希土類元素であり、TがFe、または、FeおよびCoであり、Bがホウ素であるR−T−B系永久磁石であって、
14B結晶相からなる主相粒子および前記主相粒子の間に形成された粒界を含み、
前記粒界に、前記主相粒子内よりも、R、O、CおよびNの濃度がともに高いR−O−C−N濃縮部を含み、
前記R−O−C−N濃縮部は重希土類元素を含み、
前記R−O−C−N濃縮部は、コア部と、前記コア部の少なくとも一部を覆うシェル部とを有し、
前記シェル部における重希土類元素の濃度が前記コア部における重希土類元素の濃度よりも多く、
前記コア部に対する前記シェル部の被覆率が45%以上であることを特徴とする。
本発明のR−T−B系永久磁石は上記の構成を有することにより、保磁力HcJおよび残留磁束密度Brを良好にしつつ、耐食性を向上させることができる。
前記粒界全体に対する前記R−O−C−N濃縮部の面積比率が16%以上71%以下であってもよい。
前記R−O−C−N濃縮部におけるR原子に対するO原子の比率(O/R)が0.44以上0.75以下であってもよい。
前記R−O−C−N濃縮部におけるR原子に対するN原子の比率(N/R)が0.25以上0.46以下であってもよい。
前記R−T−B系永久磁石における酸素の含有量が920ppm以上1990ppm以下であってもよい。
前記R−T−B系永久磁石における炭素の含有量が890ppm以上1150ppm以下であってもよい。
本発明の一実施形態に係るR−T−B系永久磁石の概略図である。 コアシェル構造を有するR−O−C−N濃縮部の概略図である。 実施例1−5の反射電子像およびEPMAによる観察結果である。 比較例1−5の反射電子像およびEPMAによる観察結果である。 図3に含まれるR−O−C−N濃縮部と高RH部との位置関係を示す拡大図である。 図4に含まれるR−O−C−N濃縮部と高RH部との位置関係を示す拡大図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。
<R−T−B系永久磁石>
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3について説明する。図1に示すように、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3は、R14B相からなる主相粒子5および主相粒子5の間に形成された粒界7を有し、粒界7中に、主相粒子5内よりも、R(希土類元素)、O(酸素)、C(炭素)およびN(窒素)の濃度がともに高いR−O−C−N濃縮部1を有する。
14B相はR14B型の正方晶からなる結晶構造を有する相である。また、主相粒子5内にR14B相以外の相や、R、TおよびB以外の元素を含有してもよい。主相粒子5の平均粒子径は、通常1μm〜30μm程度である。
R−O−C−N濃縮部1は、隣り合う2つ以上の主相粒子5の間に形成された粒界7中に存在し、R濃度、O濃度、C濃度およびN濃度がいずれも主相粒子5内よりも高い領域である。R−O−C−N濃縮部1には、R、O、CおよびN以外の成分が含まれていてもよい。R−O−C−N濃縮部は、3つ以上の主相粒子の間に形成された粒界(粒界3重点)に存在することが好ましい。また、R−O−C−N濃縮部は、隣り合う2つの主相粒子の間に形成された粒界(2粒子粒界)に存在してもよいが、2粒子粒界全体の面積に対して1%以下が好ましい。
また、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3の粒界7には、R−O−C−N濃縮部1以外の相が存在していてもよい。例えば、主相粒子5よりもR濃度が高く、O、CおよびNのうち1種以上の濃度が主相粒子5と同等以下である、Rリッチ相が存在していてもよい。また、主相粒子よりもB濃度が高いBリッチ相が含まれていてもよい。
Rは、希土類元素の少なくとも1種を表す。希土類元素とは、長周期型周期表の第3族に属するScとYとランタノイド元素とのことをいう。ランタノイド元素には、例えば、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等が含まれる。希土類元素は、軽希土類元素(以下、RLと記載する場合もある)および重希土類元素(以下、RHと記載する場合もある)に分類され、重希土類元素とは、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luをいい、軽希土類元素はそれ以外の希土類元素である。本実施形態においては、RとしてRHを含む。さらに、製造コストおよび磁気特性の観点から、RとしてRHとともにRLを含むことが好ましい。RLとしてはNdおよび/またはPrを含むことが好ましい。RHとしてはDyおよび/またはTbを含むことが好ましい。
Tは、Fe、またはFeおよびCoを表す。Tは、Fe単独であってもよく、Feの一部がCoで置換されていてもよい。Feの一部をCoに置換する場合、磁気特性を低下させることなく温度特性および耐食性を向上させることができる。
Bは、ホウ素を表す。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、さらにM元素を含んでもよい。Mの種類としては、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Al、Ga、Si、Bi、Snが挙げられる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石におけるRの含有量は、25.0質量%以上35.0質量%以下とすることができ、好ましくは28.0質量%以上33.0質量%以下である。Rの含有量が少ないほど、R14B相が十分に生成しにくくなる。このため、軟磁性であるα−Feなどが析出しやすくなり、磁気特性が低下しやすくなる。Rが多すぎる場合には、粒界の体積比率が増加し、主相の体積比率が相対的に減少するため、磁気特性が低下しやすくなる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石におけるBの含有量は、0.7質量%以上1.5質量%以下とすることができ、好ましく0.8質量%以上1.2質量%以下であり、より好ましくは0.8質量%以上1.0質量%以下である。Bの含有量が少ないほど保磁力HcJが低下しやすくなる。また、Bの含有量が多いほど、残留磁束密度Brが低下しやすくなる。また主相のBサイトにCが一定量置換可能なことから、好ましい範囲ではR−O−C−N濃縮部の量を安定化させる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石におけるFeの含有量は、R−T−B系永久磁石の構成要素における実質的な残部である。また、Coの含有量は、CoおよびFeの含有量の和に対して20質量%以下とすることが望ましい。これは、Coの含有量が多すぎると磁気特性を低下させる可能性があり、さらに、R−T−B系永久磁石が高価となってしまうためである。また、Coの含有量はR−T−B系永久磁石全体に対しては4.0質量%以下とすることが好ましく、0.1質量%以上3.0質量%以下とすることがより好ましく、0.3質量%以上2.5質量%以下とすることが更に好ましい。
Mとして、Al、Cuのいずれか一方または両方を含有する場合は、合計で0.20質量%以上0.60質量%以下の範囲で含有することが好ましい。この範囲でAlおよびCuの1種又は2種を含有させることにより、得られる磁石の高保磁力化、高耐食性化、温度特性の改善が可能となる。Alの含有量は0.03質量%以上0.4質量%以下とすることが好ましく、0.05質量%以上0.25質量%以下とすることがより好ましい。また、Cuの含有量は0.30質量%以下(ただし、0を含まない)とすることが好ましく、0.25質量%以下(ただし、0を含まない)とすることがより好ましく、0.03質量%以上0.2質量%以下とすることが更に好ましい。
MとしてZrを含有する場合には、Zrを0.07質量%以上0.7質量%以下の範囲で含有することが好ましい。この範囲でZrを含有させることにより、ZrとCとが結合した化合物(例えばZrC)を一定量析出するため、粒界全体に対するR−O−C−N濃縮部の面積比率を安定化することができる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石においては、一定量の酸素(O)を含まなければならない。一定量とは、他のパラメータ等で変化し適量決定されるが、例えば、500ppm以上、2000ppm以下としてもよい。O量は、耐食性を向上させる観点からは高い方が好ましく、磁気特性を向上させる観点からは低い方が好ましい。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石中の炭素(C)量は、他のパラメータ等によって変化し適量決定され、例えば400ppm以上3000ppm以下としてもよい。好ましくは400ppm以上2500ppm以下、より好ましくは400ppm以上2000ppm以下である。C量が多いと磁気特性は低下する傾向にあり、C量が少ないとR−O−C−N濃縮部が形成されにくくなる傾向にある。
また、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石中の窒素(N)量は、他のパラメータ等によって変化し適量決定され、例えば、100ppm以上1200ppm以下としてもよく、好ましくは200ppm以上1000ppm以下、より好ましくは300ppm以上800ppm以下である。N量が多いと磁気特性は低下する傾向にあり、N量が少ないとR−O−C−N濃縮部が形成されにくくなる傾向にある。
R−T−B系永久磁石中のO量、C量、N量の測定方法は、従来より一般的に知られている方法を用いることができる。O量は、例えば、不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法により測定される。C量は、例えば、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法により測定される。N量は、例えば、不活性ガス融解−熱伝導度法により測定される。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3は、図2に示すように、R−O−C−N濃縮部1の少なくとも一部がコア部11とシェル部13とを含むコアシェル構造を有する。コアシェル構造とは、RHの濃度が、R−O−C−N濃縮部1の中央部(コア部)よりも周縁部(シェル部)の方が高いことをいう。
主相粒子5が、主相粒子5の粒界7近傍にRHが濃縮してシェル部を形成するコアシェル構造を有する場合、R−T−B系永久磁石3の磁気特性が向上する。しかし、主相粒子5がコアシェル構造を有し、かつ、R−O−C−N濃縮部1がコアシェル構造を有さず均一なRH濃度である場合には、主相粒子5のシェルに供給されるRHが欠乏し主相粒子5のコアシェル構造の形成が不十分となり、R−T−B系永久磁石3の磁気特性の大きな向上が望めない。この現象はRHを拡散工程により供給するR−T−B系永久磁石の場合に顕著である。R−O−C−N濃縮部1がRHを含む場合、RL(軽希土類元素)のみを含む場合と比較して、酸化還元電位が高いため優れた耐食性を示す。耐食性を向上させるためには、R−O−C−N濃縮部1全体でRH濃度が高い必要はなく、R−O−C−N濃縮部1のシェル部13のみRH濃度が高ければよい。R−O−C−N濃縮部1をコアシェル構造とし、コア部11のRH濃度を低下させることで、粒界7の主相近傍部分のRH濃度を向上させることができ、それにより主相粒子5のコアシェル構造が形成されやすくなる。これにより、優れた耐食性と優れた磁気特性との両方を備えたR−T−B系永久磁石3を得ることができる。
R−O−C−N濃縮部1が粒界3重点に存在することで上記効果が一層大きくなる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3に含まれるR−O−C−N濃縮部1は、コアシェル構造となっていないものを含んでもよい。
本実施形態のR−O−C−N濃縮部1は、シェル部13におけるRH濃度がコア部11におけるRH濃度よりも高く、コア部11に対するシェル部13の被覆率が45%以上である。R−O−C−N濃縮部がコアシェル構造を有し、被覆率を45%以上とすることで、耐食性が改善され、さらに磁気特性(保磁力(Hcj)および残留磁束密度(Br))が向上する。
R−O−C−N濃縮部1の被覆率は、R−O−C−N濃縮部1の外周部25におけるシェル部13の長さの割合である。なお、図2に記載のR−O−C−N濃縮部1は、シェル部13が完全にコア部11を被覆している。したがって、外周部25が全てシェル部13であり、被覆率100%である。
また、図5は後述する実施例1−5に含まれるコアシェル構造を有するR−O−C−N濃縮部21の一つである。RHの含有量が高い高RH部27がコアシェル構造を有するR−O−C−N濃縮部21のシェル部として存在し、コア部を部分的に被覆している。この場合、外周部25全体の長さに対する高RH部27の長さの割合が被覆率となる。
図6は後述する比較例1−5に含まれるコアシェル構造を有しないR−O−C−N濃縮部23の一つである。RHの含有量が高い高RH部27がR−O−C−N濃縮部23全体を占めており、コア部とシェル部とに分かれていない。
なお、R−O−C−N濃縮部1における高RH部以外の部分の面積が10%未満である場合には、R−O−C−N濃縮部1はコアシェル構造を有さないとする。この場合、R−O−C−N濃縮部の被覆率は0%である。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3の被覆率は次のように算出する。R−T−B系永久磁石3の一つの断面において40μm×40μm以上の観察範囲を設定し、当該観察範囲内におけるR−O−C−N濃縮部1を特定する。全てのR−O−C−N濃縮部1の外周部の長さの合計およびシェル部13の長さの合計を求める。被覆率は、R−O−C−N濃縮部1の外周部の長さの合計に対するシェル部13の長さの合計の割合であり、(シェル部13の長さの合計)/(外周部25の長さの合計)で算出される。
粒界7に占めるR−O−C−N濃縮部1の面積比率は任意であるが、16%以上71%以下であることが好ましい。
以下、粒界7に占めるR−O−C−N濃縮部1の面積比率の算出方法の一例について説明する。なお、以下の説明では、R−O−C−N濃縮部1の面積をα、粒界7の面積をβと記載する場合がある。
(1)反射電子像の画像を所定レベルで2値化し、主相部分と粒界部分を特定し、粒界7の面積(β)を算出する。所定レベルで2値化して主相部分と粒界部分とを特定する方法は任意であり、一般的に行われる方法を用いればよい。
(2)EPMAで得られたNd、O、C、Nの特性X線強度のマッピングデータから、上記(1)で特定された主相部分におけるNd、O、C、Nの各元素の特性X線強度の平均値と標準偏差を算出する。
(3)EPMAで得られたNd、O、C、Nの特性X線強度のマッピングデータから、上記(2)で求めた主相部分における特性X線強度よりも(平均値+3×標準偏差)以上、特性X線強度の値が大きい部分を各元素について特定する。各元素における特性X線強度の値が大きい部分を各元素の濃度が主相部分よりも濃く分布する部分と定義する。
(4)上記(1)で特定された粒界部分と、上記(3)で特定されたNd、O、C、Nの各元素の濃度が主相部分よりも濃く分布する部分とがすべて重なり合う部分を、粒界7におけるR−O−C−N濃縮部1として特定し、その部分の面積をR−O−C−N濃縮部1の面積(α)とする。
(5)上記(4)で算出したR−O−C−N濃縮部1の面積(α)を、上記(1)で算出した粒界7の面積(β)で割ることにより、粒界7に占めるR−O−C−N濃縮部1の面積比率(α/β)を算出できる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3は、重希土類元素RHを、磁石表面から内部に拡散させることにより供給してもよい。
R−T−B系永久磁石3の腐食は、使用環境下の水蒸気などに起因する水とR−T−B系永久磁石3中のRとによる腐食反応で発生する水素が、R−T−B系永久磁石3中の粒界に存在するRリッチ相に吸蔵されることにより進行する。そして、R−T−B系永久磁石3の腐食は加速度的にR−T−B系永久磁石3の内部に進行していく。
すなわち、R−T−B系焼結磁石3の腐食は、以下のようなプロセスで進行すると考えられる。まず、粒界に存在するRリッチ相は酸化されやすいことから、粒界に存在するRリッチ相のRが使用環境下の水蒸気などによる水により酸化されてRは腐食され、水酸化物に変わり、その過程で水素を発生する。
2R + 6H2O → 2R(OH)3 + 3H2 ・・・(I)
次に、この発生した水素が、腐食されていないRリッチ相に吸蔵される。
2R + xH2 → 2RH ・・・(II)
そして、水素吸蔵することでRリッチ相がより腐食され易くなると共に、水素吸蔵されたRリッチ相と水とによる腐食反応により、Rリッチ相に吸蔵された量以上の水素を発生する。
2RH + 6H2O → 2R(OH) + (3+x)H ・・・(III)
すなわち、R−T−B系永久磁石3の腐食は、上記(I)〜(III)の連鎖反応によりR−T−B系永久磁石3の腐食がR−T−B系永久磁石3の内部に進行していく。そして、Rリッチ相がR水酸化物、R水素化物に変化していく。Rリッチ相の変化に伴う体積膨張によって応力が蓄積され、R−T−B系永久磁石3の主相を構成する結晶粒(主相粒子5)の脱落に至る。そして、主相粒子5の脱落によって、R−T−B系永久磁石3の新生面が現れ、R−T−B系永久磁石3の腐食はさらにR−T−B系永久磁石3の内部に進行していく。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3では、R−O−C−N濃縮部1におけるR原子に対するO原子の比率(O/R)が、平均で0.4以上0.8以下であってもよく、平均で0.44以上0.75以下であってもよい。好ましくは0.44以上0.54以下である。この場合、(O/R)は、化学量論比組成のR酸化物(R23、RO2、ROなど)よりも小さい。(O/R)が所定範囲内であるR−O−C−N濃縮部1が粒界7中に存在することにより、使用環境における水蒸気などに起因する水がR−T−B系永久磁石3内に侵入することを抑制することができる。そして、R−T−B系永久磁石3中のRと反応して生じた水素が粒界全体に吸蔵されるのを効果的に抑制することができる。さらに、R−T−B系永久磁石3の腐食が内部に進行することを抑制することができると共に、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3は良好な磁気特性を有することができる。(O/R)が小さすぎると、使用環境における水蒸気などによる水とR−T−B系永久磁石3中のRとによる腐食反応で発生する水素の粒界7への吸蔵を十分に抑制できなくなり、R−T−B系永久磁石3の耐食性が低下する傾向にある。また、(O/R)が大きすぎると、主相粒子5との整合性が悪くなり、保磁力HcJが低下する傾向がある。
また、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3では、R−O−C−N濃縮部1におけるR原子に対するN原子の比率(N/R)が、平均で0より大きく1以下であってもよく、0.25以上0.45以下であることが好ましい。すなわち、(N/R)は、化学量論比組成のR窒化物(RNなど)における(N/R)よりも小さいことが好ましい。粒界7中に(N/R)が所定範囲内であるR−O−C−N濃縮部1が存在することにより、水によりR−T−B系永久磁石3中のRが腐食されることにより発生する水素が内部のRリッチ相へ吸蔵されていくことを効果的に抑制し、R−T−B系永久磁石3の腐食の内部への進行を抑制することができると共に、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3は良好な磁気特性を有することができる。
また、R−O−C−N濃縮部1は、立方晶系の結晶構造を有することが好ましい。立方晶系の結晶構造を有することにより、さらに粒界に水素が吸蔵されるのを抑制することができ、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3の耐食性を向上させることができる。
R−O−C−N濃縮部1に含まれるRとしては、RLおよびRHを両方とも含むことが好ましい。R−O−C−N濃縮部1中のRL:RHは質量比で1:100〜10:90であってもよい。R−O−C−N濃縮部1にRHが含まれることにより、R−O−C−N濃縮部1が酸化されにくくなり、優れた耐食性を有しつつ更に磁気特性を向上させることができる。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3の製造方法では、R−T−B系原料合金に対して、R−O−C−N濃縮部1に含まれる酸素源となる原料および炭素源となる原料を所定量添加する。そして、製造プロセスにおける雰囲気中の酸素濃度、窒素濃度等の製造条件を制御する。さらに、特定の条件で重希土類元素の拡散を行う。
R−O−C−N濃縮部1の酸素源としては、酸化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素よりも高い元素M1の酸化物を含む粉末が使用できる。R−O−C−N濃縮部1の炭素源としては、炭化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素よりも高い元素M2の炭化物、または黒鉛、カーボンブラック等の炭素を含む粉末、あるいは熱分解により炭素を発生する有機化合物が使用できる。また、酸素源として表面部分を酸化させた金属粒子、炭素源として鋳鉄などのように炭化物を含む金属粒子を使用してもよい。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3の粒界7に形成されるR−O−C−N濃縮部1は、以下のようにして生成されていると考えられる。すなわち、添加した酸素源に含まれるM1の酸化物は、酸化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素Rよりも高い。そのため、R−T−B系原料合金に、酸素源および炭素源を添加して焼結し、焼結体を作製する際、M1の酸化物は、焼結中に発生した液相状態のRリッチ相によって還元され、M1金属とOを生成する。また、炭素源としてM2(炭化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素の炭化物の標準生成自由エネルギーよりも高い元素)の炭化物を添加したときも同様にして、M2金属とCを生成する。これらのM1金属およびM2金属は、主に主相粒子5、またはRリッチ相に取り込まれる。一方で、OおよびCは、製造プロセスにおける窒素濃度制御によって添加したNとともに、Rリッチ相の一部と反応して、R−O−C−N濃縮部として粒界7、特に粒界三重点に析出すると考えられる。
従来のR−T−B系永久磁石3でも、大気中で成形を行う際の原料粉の酸化等により、不可避的不純物としてOが含まれていた。しかし、このときに含まれるOは、原料粉末中の希土類元素Rが酸化してR酸化物となる反応に消費され、さらに、当該R酸化物は焼結過程で還元されず、そのまま粒界に析出していたと考えられる。
一方、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3は、その製造する工程において、原料合金の粉砕、成形、焼結の各工程を通じて非常に低い酸素濃度(例えば、100ppm以下程度)に制御した雰囲気で行うことで、R酸化物の形成を抑制している。そのため、焼結工程におけるM1酸化物の還元によって生じたOが、炭素源として添加したC、製造プロセスにおける窒素濃度制御によって添加したNと共に、R−O−C−N濃縮部1という形で粒界に析出したと考えられる。すなわち、本実施形態の方法では粒界7のR酸化物の形成を抑制しつつ、所定組成のR−O−C−N濃縮部1を析出できる。
また、R−O−C−N濃縮部1以外に、粒界7に含まれうるものとして、R−O−C−N濃縮部1以外に、R14B結晶粒よりもR濃度およびC濃度が高いR−C濃縮部、R14B結晶粒よりもR濃度およびO濃度が高いR−O濃縮部(R酸化物を含む)などが挙げられる。また、それら以外にR14B結晶粒よりもR濃度が高いRリッチ相、Gaが含まれるR(Fe,Ga)14相が存在する。Rリッチ相、R(Fe,Ga)14相は、保磁力HcJを向上させるためには存在していることが好ましい。しかし、R−C濃縮部およびR−O濃縮部は少ないほうが好ましく、存在しないことがさらに好ましい。例えばR−C濃縮部は粒界7の面積の30%以下、R−O濃縮部は粒界7の面積の10%以下が好ましい。R−C濃縮部が増えるほどR−T−B系永久磁石3の耐食性が低下する傾向にあり、R−O濃縮部が増えるほど、R−T−B系永久磁石3の残留磁束密度Brが低下する傾向にある。
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石3の構造を観察および分析する方法には特に制限はない。例えば、EPMA(電子線マイクロアナライザー:Electron Probe Micro Analyzer)で元素分布を観察および分析することができる。例えば、50μm角の領域について、R−T−B系永久磁石3の組織をEPMAにより観察し、EPMAによる元素マッピング(256点×256点)を行なうことができる。具体例として後述する実施例1−5の反射電子像、Tb、C、Nd、Fe、OおよびNの各元素のEPMAによる観察結果を図3に、後述する比較例1−5の反射電子像、Tb、C、Nd、Fe、OおよびNの各元素のEPMAによる元素マッピング像を図4に、それぞれ示す。
図3および図4では、粒界中にR、O、CおよびNの濃度が全て主相よりも高い領域が存在している。この領域がR−O−C−N濃縮部である。また、図3のR−O−C−N濃縮部は、図5に示すように多くがコア部とシェル部とでTb濃度が異なり、シェル部のTb濃度が高い高Tb部となっている。これに対し、図4のR−O−C−N濃縮部のほとんどは図6に示すようにR−O−C−N濃縮部の全域にわたって高Tb部が存在している。
また、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、任意の形状に加工して使用することができる。例えば、直方体、六面体、平板状、四角柱などの柱状、R−T−B系焼結磁石の断面形状がC型の円筒状等の任意の形状とすることができる。四角柱としては、例えば、底面が長方形の四角柱、底面が正方形の四角柱であってもよい。
また、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石には、当該磁石を加工して着磁した磁石製品と、当該磁石を着磁していない磁石製品との両方が含まれる。
<R−T−B系永久磁石の製造方法>
上述したような構成を有する本実施形態に係るR−T−B系永久磁石を製造する方法の一例について説明する。本実施形態に係るR−T−B系永久磁石を製造する方法は、以下の工程を有する。
(a)主相系合金と粒界系合金とを準備する合金準備工程
(b)主相系合金と粒界系合金とを粉砕する粉砕工程
(c)主相系合金粉末と粒界系合金粉末とを混合する混合工程
(d)混合した混合粉末を成形する成形工程
(e)成形体を焼結し、R−T−B系永久磁石を得る焼結工程
(f)R−T−B系永久磁石を加工する加工工程
(g)R−T−B系永久磁石の粒界中に重希土類元素を拡散させる拡散工程
(h)R−T−B系永久磁石を時効処理する時効処理工程
(i)R−T−B系永久磁石を冷却する冷却工程
(j)R−T−B系永久磁石に表面処理する表面処理工程
[合金準備工程]
本実施形態に係るR−T−B系永久磁石における主相を構成する組成の合金(主相系合金)と粒界を構成する組成の合金(粒界系合金)とを準備する。本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石の組成に対応する原料金属を、真空又はArガスなどの不活性ガスの不活性ガス雰囲気中で溶解した後、溶解した原料金属を用いて鋳造を行うことによって所望の組成を有する主相系合金および粒界系合金を作製する。なお、本実施形態では、主相系合金と粒界系合金との2合金を混合して原料粉末を作製する2合金法の場合について説明するが、主相系合金と粒界系合金をわけずに単独の合金を使用する1合金法でもよい。
原料金属としては、例えば、希土類金属あるいは希土類合金、純鉄、フェロボロン、さらにはこれらの合金や化合物等を使用することができる。原料金属を鋳造する鋳造方法は、例えばインゴット鋳造法やストリップキャスト法やブックモールド法や遠心鋳造法などである。得られた原料合金は、凝固偏析がある場合は必要に応じて均質化処理を行う。原料合金の均質化処理を行う際は、真空又は不活性ガス雰囲気の下、700℃以上1500℃以下の温度で1時間以上保持して行う。これにより、R−T−B系焼結磁石用合金は融解されて均質化される。
[粉砕工程]
主相系合金および粒界系合金が作製された後、主相系合金および粒界系合金を粉砕する。主相系合金および粒界系合金が作製された後、これらの主相系合金および粒界系合金を別々に粉砕して粉末とする。なお、主相系合金および粒界系合金を共に粉砕してもよいが、組成ずれを抑える観点などから別々に粉砕することがより好ましい。
粉砕工程は、粒径が数百μm〜数mm程度になるまで粉砕する粗粉砕工程と、粒径が数μm程度になるまで微粉砕する微粉砕工程との二段階で行うことができる。
(粗粉砕工程)
主相系合金および粒界系合金を各々粒径が数百μm〜数mm程度になるまで粗粉砕する。これにより、主相系合金および粒界系合金の粗粉砕粉末を得る。粗粉砕は、主相系合金および粒界系合金に水素を吸蔵させた後、異なる相間の水素吸蔵量の相違に基づいて水素を放出させ、脱水素を行なうことで自己崩壊的な粉砕(水素吸蔵粉砕)を生じさせることによって行うことができる。R−O−C−N相形成に必要な窒素の添加量は、この水素吸蔵粉砕において、脱水素処理時の雰囲気の窒素ガス濃度を調節することにより、制御することができる。最適な窒素ガス濃度は原料合金の組成等により変化するが、例えば200ppm以上とすることが好ましい。また、粗粉砕工程は、上記のように水素吸蔵粉砕を用いる以外に、不活性ガス雰囲気中にて、スタンプミル、ジョークラッシャー、ブラウンミル等の粗粉砕機を用いて行うようにしてもよい。
また、高い磁気特性を得るために、粉砕工程から後述する焼結工程までの各工程の雰囲気は、低酸素濃度とすることが好ましい。酸素濃度は、各製造工程における雰囲気の制御等により調節される。各製造工程の酸素濃度が高いと主相系合金および粒界系合金の粉末中の希土類元素が酸化してR酸化物が生成されてしまい、焼結中に還元されずR酸化物の形でそのまま粒界に析出し、得られるR−T−B系焼結磁石のBrが低下する。そのため、例えば、各工程の酸素の濃度を100ppm以下とすることが好ましい。
(微粉砕工程)
主相系合金および粒界系合金を粗粉砕した後、得られた主相系合金および粒界系合金の粗粉砕粉末を平均粒子径が数μm程度になるまで微粉砕する。これにより、主相系合金および粒界系合金の微粉砕粉末を得る。粗粉砕した粉末を更に微粉砕することで、好ましくは1μm以上10μm以下、より好ましくは3μm以上5μm以下の粒子を有する微粉砕粉末を得ることができる。
なお、本実施形態においては、主相系合金および粒界系合金を別々に粉砕して微粉砕粉末を得るようにしている。しかし、微粉砕工程において主相系合金および粒界系合金の粗粉砕粉末を混合してから微粉砕して微粉砕粉末を得るようにしてもよい。
微粉砕は、粉砕時間等の条件を適宜調整しながら、ジェットミル、ボールミル、振動ミル、湿式アトライター等の微粉砕機を用いて粗粉砕した粉末の更なる粉砕を行なうことで実施される。ジェットミルは、高圧の不活性ガス(例えば、N2ガス)を狭いノズルより開放して高速のガス流を発生させ、この高速のガス流により主相系合金及び粒界系合金の粗粉砕粉末を加速して主相系合金及び粒界系合金の粗粉砕粉末同士の衝突やターゲット又は容器壁との衝突を発生させて粉砕する方法である。
主相系合金および粒界系合金の粗粉砕粉末を微粉砕する際、ステアリン酸亜鉛、オレイン酸アミド等の粉砕助剤を添加することにより、成形時に配向性の高い微粉砕粉末を得ることができる。
[混合工程]
主相系合金および粒界系合金を微粉砕した後、各々の微粉砕粉末を低酸素雰囲気で混合する。これにより、混合粉末が得られる。低酸素雰囲気については、例えば、N2ガス、Arガス雰囲気など不活性ガス雰囲気として形成する。主相系合金粉末および粒界系合金粉末の配合比率は、質量比で80対20以上97対3以下とするのが好ましく、より好ましくは質量比で90対10以上97対3以下である。
また、粉砕工程において、主相系合金および粒界系合金を一緒に粉砕する場合の配合比率も、主相系合金および粒界系合金を別々に粉砕する場合と同様に、主相系合金粉末および粒界系合金粉末の配合比率は、質量比で80対20以上97対3以下とするのが好ましく、より好ましくは質量比で90対10以上97対3以下である。
混合粉末には、原料合金に加えて、さらに酸素源および炭素源を添加する。混合粉末に酸素源および炭素源を所定量添加することにより、得られるR−T−B系永久磁石の粒界に目的とするR−O−C−N濃縮部を形成できる。
酸素源としては、酸化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素より高い元素M1の酸化物を含む粉末が使用できる。M1としては、具体的には、例えばAl、Fe、Co、Zrなどが挙げられるが、他の元素を用いてもよい。また、表面部分を酸化させた金属粒子を使用してもよい。
炭素源としては、炭化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素よりも高い元素M2の炭化物、または黒鉛、カーボンブラック等の炭素を含む粉末、あるいは熱分解により炭素を発生する有機化合物等が使用できる。M2としては、具体的には、例えばSi、Feなどが挙げられるが、その他の元素を用いてもよい。また、鋳鉄などのように炭化物を含む粉末も使用してもよい。
最適な酸素源および炭素源の添加量は、原料合金の組成、特に希土類量により変化する。そのため、使用する合金の組成に合わせて、目的とする組成のR−O−C−N濃縮部を形成するために、酸素源および炭素源の添加量を調整すればよい。酸素源および炭素源の添加量が必要量より多すぎると、R−O−C−N濃縮部の(O/R)が増えすぎて、得られるR−T−B系永久磁石のHcJが低下しやすくなる。また、粒界にR−O濃縮部、R−C濃縮部などが形成されて、耐食性も低下しやすくなる。酸素源および炭素源の添加量が必要量より少なすぎると目的とする組成のR−O−C−N濃縮部が十分に得にくくなる傾向にある。
酸素源および炭素源の添加方法は特に限定されないが、微粉砕粉末を混合する際に添加するか、微粉砕前の粗粉砕粉末に対して添加することが好ましい。
また、本実施形態においては、窒素は粗粉砕工程における脱水素処理時の雰囲気中窒素ガス濃度の制御により添加したが、その代わりに、窒素源として、窒化物の標準生成自由エネルギーが希土類元素より高い元素M3の窒化物を含む粉末を添加してもよい。M3としては、具体的には、例えばSi、Fe、Bなどが挙げられるが、これには限定されない。
[成形工程]
主相系合金粉末と粒界系合金粉末とを混合した後、混合粉末を目的の形状に成形する。これにより成形体が得られる。成形工程は、主相系合金粉末および粒界系合金粉末の混合粉末を、電磁石に抱かれた金型内に充填して加圧することによって、任意の形状に成形する。このとき、磁場を印加しながら加圧することで、原料粉末に所定の配向を生じさせ、結晶軸を配向させた状態で磁場中成形する。得られる成形体は特定方向に配向するので、より磁気異方性の強いR−T−B系永久磁石が得られる。
[焼結工程]
磁場中で成形し、目的の形状に成形して得られた成形体を真空又は不活性ガス雰囲気中で焼結し、R−T−B系永久磁石を得る。焼結温度は、組成、粉砕方法、粒度と粒度分布の違い等、諸条件により調整する必要があるが、成形体に対して、例えば、真空中又は不活性ガスの存在下、1000℃以上1200℃以下で1時間以上10時間以下、加熱する処理を行うことにより焼結する。これにより、混合粉末が液相焼結を生じ、主相の体積比率が向上したR−T−B系永久磁石が得られる。また、焼結後のR−T−B系永久磁石は、生産効率を向上させる観点から急冷させることが好ましい。
この時点で磁気特性を測定する場合には時効処理をする。成形体を焼結した後、R−T−B系永久磁石を時効処理する。焼結後、得られたR−T−B系永久磁石を焼結時よりも低い温度で保持することなどによって、R−T−B系永久磁石に時効処理を施す。時効処理は、例えば、700℃以上900℃以下の温度で1時間から3時間、更に500℃から700℃の温度で1時間から3時間加熱する2段階加熱や、600℃付近の温度で1時間から3時間加熱する1段階加熱等、時効処理を施す回数に応じて適宜処理条件を調整する。このような時効処理によって、R−T−B系永久磁石の磁気特性を向上させることができる。また、時効処理は加工工程の後に行ってもよい。
R−T−B系永久磁石に時効処理を施した後、R−T−B系永久磁石はArガス雰囲気中で急冷を行う。これにより、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石を得ることができる。冷却速度は、特に限定されるものではなく、30℃/min以上とするのが好ましい。
[加工工程]
得られたR−T−B系永久磁石は、必要に応じて所望の形状に加工してもよい。加工方法は、例えば切断、研削などの形状加工や、バレル研磨などの面取り加工などが挙げられる。
[拡散工程]
R−T−B系永久磁石の粒界に対して、さらに重希土類元素を拡散させる工程を有してもよい。当該工程により、R−O−C−N濃縮部の構造をコアシェル構造とすることが容易になる。
まず、R−T−B系永久磁石に前処理を施す。適切な前処理を行うことで、拡散前のR−T−B系永久磁石の表面状態および清浄度を制御し、R−O−C−N濃縮部の構造をコアシェル構造としやすくなる。前処理の方法に特に制限はない。例えば、酸とアルコールとの混合溶液に適切な時間、浸漬させる方法がある。酸の種類は任意であるが、例えば硝酸が挙げられる。アルコールの種類は任意であるが、例えばエタノールが挙げられる。例えば、1N硝酸と97%アルコールとを質量比0.5:100〜5:100で配合して作製したエッチング液に1〜10分間浸漬させて前処理を行うことができる。なお、酸の濃度が低すぎたり浸漬時間が短すぎたりした場合には表面の清浄度が不足し、拡散を行ってもシェル部の被覆率が十分に向上しにくい。これは付着させた重希土類元素が、拡散熱処理時にNd−Fe−B永久磁石に取り込まれにくいためである。逆に酸の濃度が高すぎたり浸漬時間が長すぎたりした場合には、重希土類元素の取り込みが急激に起こり、重希土類元素が均一なR−O−C−N濃縮部となりやすい。
拡散は、重希土類元素を含む化合物をR−T−B系永久磁石の表面に付着させた後、熱処理を行う方法、または、重希土類元素の蒸気を含む雰囲気中でR−T−B系永久磁石に対して熱処理を行う方法などの方法により、実施することができる。
なお、重希土類元素を付着させる方法には特に制限は無い。例えば、蒸着、スパッタリング、電着、スプレー塗布、刷毛塗り、ジェットディスペンサ、ノズル、スクリーン印刷、スキージ印刷、シート工法等を用いる方法がある。
例えば、重希土類元素としてTbを拡散させる場合には、Tbの塗布量、拡散温度および拡散時間を適切に制御することで、R−O−C−N濃縮部をコアシェル構造としやすくなり、シェル部の被覆率を制御することができる。
重希土類元素を塗布により付着させる場合には重希土類元素を含む重希土類化合物および溶媒からなる塗料を塗布することが一般的である。塗料の態様には特に制限はない。また、重希土類化合物として、合金、酸化物、ハロゲン化物、水酸化物、水素化物等が挙げられるが、特に水素化物を用いることが好ましい。重希土類元素の水素化物としては、DyH、TbH、Dy−Feの水素化物、またはTb−Feの水素化物が挙げられる。特に、DyHまたはTbHが好ましい。
重希土類化合物は粒子状であることが好ましい。また、平均粒径は100nm〜50μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることがより好ましい。
塗料に用いる溶媒としては、重希土類化合物を溶解させずに均一に分散させ得るものが好ましい。例えば、アルコール、アルデヒド、ケトン等が挙げられ、なかでもエタノールが好ましい。
塗料中の重希土類化合物の含有量には特に制限はない。例えば、10〜50質量%であってもよい。塗料には、必要に応じて重希土類化合物以外の成分をさらに含有させてもよい。例えば、重希土類化合物粒子の凝集を防ぐための分散剤等が挙げられる。
本実施形態の拡散工程は、重希土類化合物を含む塗料を付着させるR−T−B系永久磁石の面の数に特に制限はない。例えば全ての面に塗布してもよく、最も大きな面および当該面に対向する面の2面のみに塗布してもよい。また、必要に応じて塗布する面以外の面にマスクを行っても良い。
Tbの塗布量は、例えばR−T−B系永久磁石全体を100wt%として0.3wt%以上0.9wt%以下とすることができる。また、拡散時の温度は800℃以上950℃以下で5時間以上40時間以下とすることが好ましい。
拡散前のR−T−B系永久磁石の表面状態および清浄度以外でも、RHの付着量、拡散温度、拡散時間、熱処理パターンなど拡散工程の条件を適宜調整することで、R−O−C−N濃縮部をコアシェル構造としやすくすることができる。
[時効処理工程]
拡散工程の後、R−T−B系永久磁石を時効処理する。拡散後、得られたR−T−B系永久磁石を拡散時よりも低い温度で保持することなどによって、R−T−B系永久磁石に時効処理を施す。時効処理は、例えば、700℃以上900℃以下の温度で1時間から3時間、更に500℃から700℃の温度で1時間から3時間加熱する2段階加熱や、600℃付近の温度で1時間から3時間加熱する1段階加熱等、時効処理を施す回数に応じて適宜処理条件を調整する。このような時効処理によって、R−T−B系永久磁石の磁気特性を向上させることができる。
[冷却工程]
R−T−B系永久磁石に時効処理を施した後、R−T−B系永久磁石はArガス雰囲気中で急冷を行う。これにより、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石を得ることができる。冷却速度は、特に限定されるものではなく、30℃/min以上とするのが好ましい。
[表面処理工程]
以上の工程により得られたR−T−B系永久磁石は、めっきや樹脂被膜や酸化処理、化成処理などの表面処理を施してもよい。これにより、耐食性をさらに向上させることができる。
なお、本実施形態では、加工工程および表面処理工程を行っているが、これらの各工程は必ずしも行う必要はない。
このように、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石を製造し、処理を終了する。また、着磁させることで、磁石製品が得られる。
以上のようにして得られる本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、粒界中にR−O−C−N濃縮部を有する。さらに、R−O−C−N濃縮部の少なくとも一部がコアシェル構造を有し、シェル部の被覆率が平均45%以上である。本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、上記の構成を有することで、優れた耐食性を有すると共に、良好な磁気特性を有する。
このようにして得られる本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、モータなど回転機用の磁石に用いた場合、耐食性が高いため長期に渡って使用することができ、信頼性の高いR−T−B系永久磁石を得ることができる。本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、例えば、ロータ表面に磁石を取り付けた表面磁石型(Surface Permanent Magnet:SPM)モータ、インナーロータ型のブラシレスモータのような内部磁石埋込型(Interior Permanent Magnet:IPM)モータ、PRM(Permanent magnet Reluctance Motor)などの磁石として好適に用いられる。具体的には、本実施形態に係るR−T−B系永久磁石は、ハードディスクドライブのハードディスク回転駆動用スピンドルモータやボイスコイルモータ、電気自動車やハイブリッドカー用モータ、自動車の電動パワーステアリング用モータ、工作機械のサーボモータ、携帯電話のバイブレータ用モータ、プリンタ用モータ、発電機用モータ等の用途として好適に用いられる。
以上、本発明のR−T−B系永久磁石の好適な実施形態について説明したが、本発明のR−T−B系永久磁石は上記の実施形態に制限されるものではない。本発明のR−T−B系永久磁石は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形、種々の組み合わせが可能であり、他の希土類系磁石についても同様に適用することができる。
例えば、本発明に係るR−T−B系永久磁石は上記のように焼結を行うことにより製造されるR−T−B系焼結磁石に限定されない。焼結の代わりに熱間成型および熱間加工を行い製造されるR−T−B系永久磁石であってもよい。
室温にて原料粉末を成型することにより得られる冷間成型体に対して、加熱しながら加圧する熱間成型を行うと、冷間成型体に残存する気孔が消滅し、焼結によらずに緻密化させることができる。さらに、熱間成型により得られた成型体に対して熱間加工として熱間押出し加工を行うことにより、所望の形状を有し、かつ、磁気異方性を有するR−T−B系永久磁石を得ることができる。そして、当該R−T−B系永久磁石がR−O−C−N濃縮部を有していれば、重希土類元素を適切な条件で拡散させることにより本発明に係るR−T−B系永久磁石を得ることができる。
次に、本発明を具体的な実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されない。
[実施例1−1〜1−12、比較例1−1〜1−6]
<R−T−B系永久磁石の作製>
まず、24.8wt%Nd−5.9wt%Pr−1.0wt%Co−0.20wt%Al−0.15wt%Cu−0.20wt%Zr−1.00wt%B−bal.Feの組成を有するR−T−B系永久磁石が得られるように、ストリップキャスティング(SC)法により、上記組成を有する焼結体用合金(原料合金)を作製した。原料合金は、主に磁石の主相を形成する主相系合金と、主に粒界を形成する粒界系合金との2種類を作製した。
次いで、これらの各原料合金に室温で水素を吸蔵させた後、600℃で、1時間、脱水素処理を行って、原料合金を水素粉砕(粗粉砕)した。脱水素処理は、Arガス−窒素ガスの混合雰囲気で行い、表1に示すように雰囲気中の窒素ガスの濃度を変えることで、窒素の添加量を制御した。尚、各実施例および比較例では、この水素粉砕処理から焼結までの各工程(微粉砕および成形)においては、酸素濃度を50ppm未満の雰囲気として行なった。
次に、水素粉砕後微粉砕を行う前に、各原料合金の粗粉砕粉末に、粉砕助剤として、オレイン酸アミドを0.1wt%添加し、ナウタミキサを用いて混合した。その後、ジェットミルを用いて高圧Nガスによる微粉砕を行い、それぞれ平均粒子径が4.0μm程度の微粉砕粉末とした。
その後、得られた主相系合金の微粉砕粉末と、粒界系合金の微粉砕粉末とを各々所定の割合で混合すると共に、酸素源としてアルミナ粒子と、炭素源としてカーボンブラック粒子とを各々表1に示す量だけ添加し、ナウタミキサを用いて混合し、R−T−B系永久磁石の原料粉末である混合粉末を調製した。
得られた混合粉末を、電磁石中に配置された金型内に充填し、1200kA/mの磁場を印加しながら120MPaの圧力を加え、磁場中で成形し、成形体を得た。その後、得られた成形体を、真空中において1060℃で4時間保持して焼結した後、急冷して、上記の組成を有する焼結体(R−T−B系永久磁石)を得た。そして、得られた焼結体を、850℃で1時間、および、540℃で2時間(ともにArガス雰囲気中)の2段階の時効処理を施した後、急冷して、実施例1−1〜実施例1−6および比較例1−1〜比較例1−6のR−T−B系永久磁石を得た。なお、当該R−T−B系永久磁石の形状は15mm×10mm×4mmの略直方体とした。
<重希土類元素の拡散>
次に、1N硝酸と97%エタノールとを質量比3:100で混合した混合溶液を準備した。そして、各実施例および比較例のR−T−B系永久磁石を表1に記載したエッチング時間だけ混合溶液に浸漬させた。その後、97%エタノールに1分間浸漬させる処理を行った。混合溶液に浸漬後に97%エタノールに1分間浸漬させる処理は2回行った。それから、R−T−B系永久磁石を水で洗浄し、乾燥させた。
また、R−T−B系永久磁石へ塗布するTb含有塗料を作製した。まず、Nガスを使用するジェットミルを用いてTbH原料粉末を微粉砕してTbH微粉を作製した。また、エタノールを99質量部、ポリビニールアルコールを1質量部、混合することでアルコール溶媒を作製した。そして、前記TbH微粉30質量部と前記アルコール溶媒70質量部とを混合し、前記アルコール溶媒中に前記TbH微粉を分散させることで塗料化し、Tb含有塗料を作製した。
前記R−T−B系永久磁石の15mm×10mmの2つの面に対して、2面合計のTb塗布量が表1に示す量になるように刷毛塗りで前記Tb含有塗料を塗布した。次に、表1に示す拡散温度および拡散時間で拡散処理を行った。拡散処理後、さらに、500℃で1時間、時効処理を行った。
[組織]
(元素分布の観察)
得られた各R−T−B系永久磁石の断面の表面をイオンミリングで削り、最表面の酸化等の影響を除いた後、R−T−B系永久磁石の断面をEPMA(電子線マイクロアナライザー:Electron Probe Micro Analyzer)で元素分布を観察し、分析した。50μm角の領域について、各実施例および比較例のR−T−B系永久磁石の組織をEPMAにより観察し、EPMAによる元素マッピング(256点×256点)を行なった。具体例として実施例1−5の反射電子像、Tb、C、Nd、Fe、OおよびNの各元素のEPMAによる観察結果を図2に、比較例1−5の反射電子像、Tb、C、Nd、Fe、OおよびNの各元素のEPMAによる元素マッピング像を図3に、それぞれ示す。
(粒界に占めるR−O−C−N濃縮部の面積比率の算出)
以下の手順で、粒界に占めるR−O−C−N濃縮部の面積比率を算出した。なお、以下の説明では、R−O−C−N濃縮部の面積をα、粒界部分の面積をβと記載する場合がある。
(1)反射電子像の画像を所定レベルで2値化し、主相部分と粒界部分を特定し、粒界部分の面積(β)を算出した。なお、2値化は反射電子像の信号強度を基準に行った。反射電子像の信号強度は原子番号が大きい元素の含有量が多いほど強くなることが知られている。粒界部分には、原子番号の大きい希土類元素が主相部分よりも多く存在しており、所定レベルで2値化して主相部分と粒界部分とを特定することは一般的に行われる方法である。また、測定の際に2値化しても二粒子粒界相が見えない場合がある。この場合には、当該二粒子粒界相の部分の面積は誤差範囲であり、粒界部分の面積(β)を算出する際に数値範囲に影響を与えるものではない。
(2)EPMAで得られたNd、O、C、Nの特性X線強度のマッピングデータから、上記(1)で特定された主相部分におけるNd、O、C、Nの各元素の特性X線強度の平均値と標準偏差を算出した。
(3)EPMAで得られたNd、O、C、Nの特性X線強度のマッピングデータから、上記(2)で求めた主相部分における特性X線強度よりも(平均値+3×標準偏差)以上、特性X線強度の値が大きい部分を各元素について特定した。各元素における特性X線強度の値が大きい部分を各元素の濃度が主相部分よりも濃く分布する部分と定義した。
(4)上記(1)で特定された粒界と、上記(3)で特定されたNd、O、C、Nの各元素の濃度が主相部分よりも濃く分布する部分とがすべて重なり合う部分を、本実施例では、粒界におけるR−O−C−N濃縮部として特定し、その部分の面積(α)を算出した。なお、PrのEPMAによる観察結果がNdのEPMAによる観察結果と同様な傾向を示すことを確認した。すなわち、Ndの濃度が主相部分よりも濃く分布する部分は、Rの濃度が主相部分よりも濃く分布するとしてよいことを確認した。
(5)上記(4)で算出したR−O−C−N濃縮部の面積(α)を、上記(1)で算出した粒界部分の面積(β)で割ることにより、粒界に占めるR−O−C−N濃縮部の面積比率(α/β)を算出した。結果を表2に示す。
(コアシェル構造を有するR−O−C−N濃縮部の確認、被覆率の算出)
上記の方法によりR−O−C−N濃縮部であるとされた部分において、さらにEPMAで得られたTbの特性X線強度のマッピングデータから、上記(2)で求めた主相部分における特性X線強度よりも(平均値+3×標準偏差)以上、特性X線強度の値が大きい部分を各元素について特定した。各元素における特性X線強度の値が大きい部分を各元素の濃度が主相部分よりも濃く分布する部分と定義した。
そして、各実施例および比較例について少なくとも一部のR−O−C−N濃縮部がシェル部分のTb濃度がコア部分のTb濃度よりも高いコアシェル構造を有することを確認した。さらに、50μm角の観察領域に含まれる全ての各R−O−C−N濃縮部について被覆率を測定し、平均することで各R−T−B系永久磁石における被覆率を測定した。結果を表2に示す。
(R−O−C−N濃縮部におけるR原子に対するO原子の比率(O/R)、R原子に対するN原子の比率(N/R)の算出)
R−O−C−N濃縮部の組成について定量分析を行った。EPMAマッピングで特定したR−O−C−N濃縮部に対して、EPMAを用いて各元素の定量分析を行い、求められた各元素の濃度から、R原子に対するO原子の比率(O/R)を算出した。1サンプルにつき5箇所の測定値の平均値をそのサンプルの(O/R)の値とした。同様にして、R原子に対するN原子の比率(N/R)を算出し、1サンプルにつき5箇所の測定値の平均値をそのサンプルの(N/R)の値とした。各R−T−B系永久磁石の(O/R)、(N/R)の値を表2に示す。
(酸素量・炭素量の分析)
酸素量は、不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法を用いて測定し、炭素量は、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法を用いて測定し、窒素量は、不活性ガス融解−熱伝導度法を用いて測定し、R−T−B系永久磁石中の酸素量・炭素量を分析した。各R−T−B系永久磁石中の酸素量・炭素量の分析結果を表2に示す。
(磁気特性の測定)
得られた各R−T−B系永久磁石の磁気特性として、残留磁束密度Brと保磁力HcJとを測定した。各R−T−B系永久磁石の残留磁束密度Brと保磁力HcJの測定結果を表2に示す。なお、残留磁束密度Brおよび保磁力HcJの測定にはBHトレーサーを用いた。本実施例では残留磁束密度Brが1300mT以上である場合を良好とし、1400mT以上である場合をさらに良好とした。また、保磁力HcJが1900kA/m以上である場合を良好とし、2000kA/m以上である場合をさらに良好とした。
(耐食性)
得られた各R−T−B系永久磁石を、13mm×8mm×2mmの板状に加工した後、120℃、2気圧、相対湿度100%の飽和水蒸気雰囲気中に放置し、粉落ち、すなわち腐食による磁石の崩壊が起こり始めるまでの時間を評価した。各R−T−B系永久磁石の崩壊が起こり始める時間を表2に示す。1200時間放置しても粉落ちが発生しない場合には腐食なしとした。本実施例では、粉落ちが発生するまでの時間が900時間以上である場合を耐食性が良好であるとし、1200時間粉落ちが発生しなかった場合を耐食性がさらに良好であるとした。
Figure 2019160949
Figure 2019160949
表1および表2より、実施例1−1〜1−12は、R−O−C−N濃縮部がコアシェル構造を有し、被覆率が45%以上であった。実施例1−1〜実施例1−12は全て良好な磁気特性および耐食性を示した。これに対し、拡散条件を変化させた点以外は実施例1−1〜1−6と同条件で製造された比較例1−1〜1−6は、被覆率が45%未満であった。そして、各実施例はエッチング時間以外の実験条件が同一である各比較例と比べて残留磁束密度Brおよび保磁力HcJが優れていた。さらに、実施例1−1〜1−6は耐食性が良好であるのに対し、比較例1−1〜1−6はいずれも耐食性が良好ではなかった。
[実施例2−0〜2−28、比較例2−0〜2−3]
実施例2−0〜2−28および比較例2−0〜2−3では、表3に示す組成を有するR−T−B系永久磁石が得られるように、原料合金を作製した。脱水素時のN2濃度を200ppmとし、アルミナの添加量を0.13wt%、カーボンブラックの添加量を0.01wt%とした。また、拡散処理時のTb塗布量は0.8wt%、拡散温度は900℃、拡散時間は12時間とした。エッチング時間は、実施例2−0〜2−28では5分、比較例2−0〜2−3では2分とした。上記以外の点は全て実施例1−2と同条件で実施した。結果を表3および表4に示す。
Figure 2019160949
Figure 2019160949
表3および表4より、R−T−B系永久磁石の組成を変化させてもR−O−C−N濃縮部がコアシェル構造を有し、被覆率が45%以上である場合には、優れた磁気特性および耐食性が得られた。また、Dyの含有量が大きいほど保磁力HcJが大きくなる一方、残留磁束密度Brが小さくなり、耐食性が低下する傾向が見られた。
1…R−O−C−N濃縮部
3…R−T−B系永久磁石
5…主相粒子
7…粒界
11…コア部
13…シェル部
21…コアシェル構造を有するR−O−C−N濃縮部
23…コアシェル構造を有しないR−O−C−N濃縮部
25…R−O−C−N濃縮部の外周部
27…高RH部

Claims (6)

  1. Rが希土類元素であり、TがFe、または、FeおよびCoであり、Bがホウ素であるR−T−B系永久磁石であって、
    14B結晶相からなる主相粒子および前記主相粒子の間に形成された粒界を含み、
    前記粒界に、前記主相粒子内よりも、R、O、CおよびNの濃度がともに高いR−O−C−N濃縮部を含み、
    前記R−O−C−N濃縮部は重希土類元素を含み、
    前記R−O−C−N濃縮部は、コア部と、前記コア部の少なくとも一部を覆うシェル部とを有し、
    前記シェル部における重希土類元素の濃度が前記コア部における重希土類元素の濃度よりも高く、
    前記R−O−C−N濃縮部における前記コア部に対する前記シェル部の被覆率が平均45%以上であることを特徴とするR−T−B系永久磁石。
  2. 前記粒界全体に対する前記R−O−C−N濃縮部の面積比率が合計16%以上71%以下である請求項1に記載のR−T−B系永久磁石。
  3. 前記R−O−C−N濃縮部におけるR原子に対するO原子の比率(O/R)が平均で0.44以上0.75以下である請求項1または2に記載のR−T−B系永久磁石。
  4. 前記R−O−C−N濃縮部におけるR原子に対するN原子の比率(N/R)が平均で0.25以上0.46以下である請求項1〜3のいずれかに記載のR−T−B系永久磁石。
  5. 前記R−T−B系永久磁石における酸素の含有量が920ppm以上1990ppm以下である請求項1〜4のいずれかに記載のR−T−B系永久磁石。
  6. 前記R−T−B系永久磁石における炭素の含有量が890ppm以上1150ppm以下である請求項1〜5のいずれかに記載のR−T−B系永久磁石。
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