JP2019160949A - R−t−b系永久磁石 - Google Patents
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Abstract
Description
R2T14B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、R2T14B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。
(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。
2R + 6H2O → 2R(OH)3 + 3H2 ・・・(I)
2R + xH2 → 2RHx ・・・(II)
2RHx + 6H2O → 2R(OH)3 + (3+x)H2 ・・・(III)
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
<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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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、
R2T14B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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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