JP2019521506A - 希土類磁石の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、 Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末を準備するステップ（ＲはＹ及びＳｃを含む希土類元素から選択される１種または２種以上が選択される）と、前記原料粉末を成形用金型に充填するステップと、磁場を形成しながら圧縮成形するステップと、を含んで成り、前記圧縮成形するステップは、磁場の方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸とＹ軸の２軸方向に圧縮する希土類磁石の製造方法を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、希土類磁石の製造方法に関する。
最近、省エネルギー及び環境に優しいグリーン成長事業が新たな話題として浮上し、自動車産業では、化石原料を使用する内燃機関をモータと並行して使用するハイブリッド車或いは環境に優しいエネルギー源の水素などを代替エネルギーとして活用して電気を発生させ、発生された電気を利用して、モータを駆動する燃料電池車に対する研究が行われている。このような環境に優しい自動車は、共通的に電気エネルギーを利用して駆動される特徴を有するので、永久磁石型モータ及び発電機が必然的に採用されており、磁性材料の側面では、エネルギー効率をさらに向上させるために、より優れた磁気特性を示す希土類焼結磁石に対する技術的需要が増加する傾向にある。また、駆動モータの他に、環境に優しい自動車の燃費改善のための他の側面では、ステアリング装置、電気装置などに使用される自動車部品の軽量化及び小型化を実現しなければならないが、例えば、モータの場合、軽量化及び小型化を実現するためには、モータの多機能化設計変更と共に、永久磁石材料は、従来使用されていたフェライトをより優れた磁気的性能を示す希土類焼結磁石に代替することが不可欠である。
上記で説明した環境に優しい自動車は、エネルギー使用量の増加による原油高、環境汚染による健康上の問題の解決及び世界各国で地球温暖化への長期的な対策として、炭素の発生を規制する政策が段々強化される傾向などの理由により、今後、生産量が段々増加するものと予想される。
一方、環境に優しい自動車に採用される永久磁石は、２００℃の高温環境下でも磁石の性能を失うことなく、本来の機能を安定的に維持しなければならないので、２５〜３０ｋＯｅ以上の高い保磁力が求められている。
残留磁束密度を向上させるための変数のうち、実際、希土類永久磁石を製造する過程において、合金の組成が決定されると、柱状の飽和磁束密度は固定となり、磁石の密度もまた略理論値に近い値が容易に得られるので、希土類磁石の製造工程の改善により希土類合金粉末、或いは結晶粒の異方化過程である磁場配向度を向上させることが最も重要な変数になる。
一般的な希土類永久磁石の製造過程は、溶解及び鋳造過程により希土類− 鉄−ボロン−その他の金属から構成された合金で製造するステップと、準備された合金をボールミル或いはジェトミルなどの粉砕方法を利用して数μｍサイズの希土類粉末に粉砕するステップと、粉砕された粉末を金型に装入して磁場を印加すると共に圧縮成形を行うことにより、粉末を一方向に配向するステップ及び磁場配向された圧縮成形体を真空或いはアルゴン中に焼結を進行することにより、緻密な焼結体に製造するステップで構成される。
従来の磁場配向技術によれば、希土類粉末を金型に充填し、金型の左側と右側に位置する電磁石に直流電流を印加することで発生する直流磁場により、粉末を配向すると共に圧縮成形を行なって、磁場異方化された成形体を製造する過程を経る。
しかし、従来には、図１に示すように、磁場圧縮成形時に１軸成形を行なって成形体内の粉末分布が不均等な問題点があった。
本発明では、希土類磁石原料粉末の磁場圧縮成形時に２軸成形を行なって成形体内の粉末分布を均等にし、残留磁束密度を向上させて最大エネルギー積を向上させることのできる希土類磁石及びその製造方法を提供する。
上記した課題を解決するための手段として、本発明は、Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末を準備するステップ（ＲはＹ及びＳｃを含む希土類元素から選択される１種または２種以上が選択される）と、前記原料粉末を成形用金型に充填するステップと、磁場を形成しながら圧縮成形するステップを含んで成り、前記圧縮成形するステップは、磁場の方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸とＹ軸の２軸方向に圧縮する希土類磁石の製造方法を提供する。
また、前記圧縮成形するステップは、Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮をそれぞれ１回順次に行う希土類磁石の製造方法を提供する。
また、前記圧縮成形するステップは、Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮を順次に２回〜１０回繰り返す希土類磁石の製造方法を提供する。
また、前記成形後、粉末成形密度は３．５ｇ／ｃｃ〜４．５ｇ／ｃｃ範囲内の希土類磁石の製造方法を提供する。
また、前記Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮の圧縮比の差が１０％以下である希土類磁石の製造方法を提供する。
また、前記充填するステップは、１．０ｇ／ｃｃ〜３．０ｇ／ｃｃ範囲内の充填密度に充填する希土類磁石の製造方法を提供する。
また、前記Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、前記Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９０〜１．１０倍の範囲内である希土類磁石の製造方法を提供する。
本発明は、また、Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末を磁場圧縮成形して製造される希土類磁石であって、磁場の方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９０〜１．１０倍の範囲内である希土類磁石を提供する。
また、Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９５〜１．０５倍の範囲内である希土類磁石を提供する。
本発明に係る希土類磁石及びその製造方法は、希土類磁石原料粉末の磁場圧縮成形時に２軸成形を行なって結晶粒間の平均距離を均等にし、磁場配向特性に優れて残留磁束密度を向上させて最大エネルギー積を向上させることことができる。
従来の磁場圧縮成形概略図である。 本発明の一実施例に係る磁場圧縮成形に関する図である。 本発明の一実施例に係る磁場圧縮成形に関する図である。 本発明の一実施例に係る磁場圧縮成形に関する図である。 本発明の一実施例に係る磁場圧縮成形に関する図である。 本発明の一実施例に係る磁場圧縮成形に関する図である。
以下では、添付した図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、様々な形態に変形できることは言うまでもない。
そして明細書全体において、或る部分が他の部分を「含む」とするとき、特に反対される記載がない限り、他の部分を排除するものではなく、他の部分をさらに含むことができる。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上部に」あるとするとき、これは他の部分の「真上に」ある場合だけではなく、その中間に他の部分が位置する場合も含む。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「真上に」あるとするときは、中間に他の部分が位置していないことを意味する。
本発明の一実施例に係る希土類磁石の製造方法は、Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末を準備するステップ（ＲはＹ及びＳｃを含む希土類元素から選択される１種または２種以上が選択される）と、前記原料粉末を成形用金型に充填するステップと、磁場を形成しながら圧縮成形するステップを含んで成り、前記圧縮成形するステップは、磁場の方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸とＹ軸の２軸方向に圧縮することができる。成形が完了すると、焼結して希土類磁石を製造する。
以下、各ステップを詳細に説明する。
（１）希土類磁石原料粉末を準備するステップ
Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末において、ＲはＹ及びＳｃを含む希土類元素から選択される１種または２種以上が選択されることができ、組成成分として選択的に金属Ｍが１種または２種以上が選択されることができる。Ｍの具体的な例としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、Ａｇなどを挙げることができる。前記希土類磁石原料粉末は限定されることはないが、Ｎｂ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石粉末を用いることができる。
前記希土類磁石原料粉末組成としては限定されることはないが、Ｒは２７〜３６重量％、Ｍは０〜５重量％、Ｂは０〜２重量％の範囲内であり、残部はＦｅから成ることができる。
一実施例として、前記組成の合金を真空誘導加熱方式で溶解し、ストリップキャスト方法を利用して、合金インゴットに製造することができる。これらの合金インゴットの粉砕能を向上させるために、常温〜６００℃の範囲で水素処理及び脱水素処理を行なった後、ジェトミル、アトライタミル、ボールミル、振動ミル等の粉砕方式を利用して１〜１０μｍの粒度範囲の均一で微細な粉末に製造することができる。合金インゴットから１〜１０μｍの粉末に製造する工程は、酸素が汚染されて磁気特性が低下することを防止するために、窒素或いは不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
（２）原料粉末を充填するステップ
前記原料粉末を成形用金型に充填する。成形用金型の形状は限定されず、一例として六面体であっても良い。充填密度は制限されないが、１．０ｇ／ｃｃ〜３．０ｇ／ｃｃの範囲内に充填することが、後述する実施例に示すように優れており、より好ましくは１．５ｇ／ｃｃ〜２．５ｇ／ｃｃの範囲内に充填するのが良い。充填密度が上記した範囲を外れる場合、粉末の磁場配向特性が相対的に悪くなることがある。（３）磁場圧縮成形するステップ
前記充填された原料粉末を磁場成形する。本発明の一実施例に係る磁場圧縮成形は、２軸方向に圧縮する。成形後の粉末成形密度は、３．５ｇ／ｃｃ〜４．５ｇ／ｃｃの範囲内が好ましい。上記した範囲で磁石の最大エネルギー積が優れている。また、磁場成形工程は、酸素が汚染されて磁気特性が低下することを防止するために、窒素或いは不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
図２は磁場圧縮成形概念図であって、図２で原料粉末１０の磁場成形時の磁場の方向をＺ軸とすると、ＣはＺ軸垂直断面になり、ＡはＸ軸の垂直断面、ＢはＹ軸の垂直断面と定義される。図２はＣの垂直断面であり、図２はＡまたはＢの垂直断面である。本発明の一実施例では、Ｚ軸方向に磁場を形成しながらＸ軸、Ｙ軸の２軸方向に圧縮して成形する。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は相互垂直に示したが、斜めに傾いた場合も含む。つまり、磁場の方向、Ｘ軸圧縮、Ｙ軸圧縮、いずれも互いに垂直でなくても本発明に含まれる。
また、Ｘ軸とＹ軸は金型の基準ではなく、成形されて製造される磁石を基準とする。したがって、一軸に磁石を圧縮した後、磁石を９０度回転して同一のプレスでさらに圧縮する場合も２軸圧縮に含まれる。
前記Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮の圧縮比の差は１０％以下であることが好ましく、より好ましくは、圧縮比を同一にすることが良い。
図３はＣの断面図であって、Ｘ軸、Ｙ軸の２軸に圧縮成形する。Ｘ軸圧縮、Ｙ軸圧縮は、同時にまたは順次に行なわれる。詳しくは、図４に示すようにＹ軸（またはＸ軸）方向に、先に圧縮した後、Ｘ軸（またはＹ軸）方向に圧縮することができる。それぞれ１回順次に圧縮することにより、圧縮成形を終了することができる。
一方、図５に示すように、Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮を順次に２回〜１０回範囲内に繰り返して圧縮成形することができ、（図５では３回繰り返すことを示す）、１回圧縮することに比べて、より均一な圧縮が可能であり、粉末配向特性に優れている。
加圧する板の形状は限定されず、一例として、図６に示された形態のガ押圧板２０を使用することができる。２軸圧縮時に、プレス間の干渉を防止するためにガ押圧板２０は、示されたように分離されて順次に面積の少ない押圧板（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が加圧するように構成されることができる。
一方、図３〜図５では、圧縮時に両方向から加圧することと示したが、これに限定されるものではなく、一面は固定され他面から加圧することもできる。
上記のような方法で２軸磁場圧縮成形が完了すると、成形体を焼結することが良い。焼結ステップでは、熱処理温度及び昇温速度が非常に重要である。後述する実験例から分かるように、９００〜１１００℃の範囲内の温度で焼結を行うことが好ましく、７００℃以上での昇温速度は０．５〜１５℃／ｍｉｎの範囲内に調節することが好ましい。
一例として、磁場成形により得られた成形体を焼結炉に装入し、真空雰囲気及び４００℃以下で十分に維持して残存する不純有機物を完全に除去し、さらに９００〜１１００℃の範囲まで昇温させて１〜４時間維持することにより、焼結の緻密化を完了することができる。焼結段階での雰囲気は、真空及びアルゴンなどの不活性雰囲気で行うことが好ましく、７００℃以上の温度では昇温速度を０．１〜１０℃／ｍｉｎ、好ましくは０．５〜１５℃／ｍｉｎに調節することが好ましい。
選択的に、焼結済みの焼結体を４００〜９００℃の範囲で１〜４時間の後熱処理を施して安定化させることが好ましく、その後、所定の大きさに加工して希土類磁石を製造することができる。
このような方法で製造された希土類磁石は、Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９０〜１．１０倍の範囲内、特に０．９５〜１．０５倍の範囲内に非常に均一に結晶粒が分布して磁石特性が大幅に向上される。
以下、実施例を参照して、より詳細に説明する。
実施例１
３２ ｗｔ％ＲＥ−６６ｗｔ％Ｆｅ−１ｗｔ％ＴＭ−１ｗｔ％Ｂ（ここで、ＲＥ＝希土類元素、ＴＭ＝３ｄ遷移金属）組成の合金を真空誘導加熱方式で溶解し、ストリップキャスト方法を用いて合金インゴットに製造した。
製造された合金インゴットの粉砕能を向上させるために、水素雰囲気及び常温で水素を吸収させ、続いて真空６００℃で水素を除去する処理を施した後、ジェトミル技術を利用した粉砕方式により３．５μｍ粒度の均一で微細な粉末に製造した。このとき、合金インゴットから微粉末に製造する工程は、酸素が汚染されて磁気特性が低下することを防止するために、窒素或いは不活性ガス雰囲気で行なった。
粉砕された希土類粉末を２０ｍｍ＊２０ｍｍ＊２０ｍｍサイズの金型に２．０ｇ／ｃｃの充填密度範囲に均一に充填し、金型の左／右に位置する電磁石で印加磁場２Ｔｅｓｌａを印加しながら圧縮成形を施した。このとき、磁場中の圧縮成形時に磁場印加方向（Ｚ軸）に垂直の二方向（Ｘ軸、Ｙ軸）から加圧を行なってそれぞれ二方向から同一の圧縮比率で成形しながら、最後の成形体の密度が４．０ｇ／ｃｃになるように成形を施し、比較例として、圧縮成形時に磁場印加方向（Ｚ軸）に垂直の二方向のうちいずれか一方向（Ｘ軸またはＹ軸）に加圧を施して最後の成形体密度４．０ｇ／ｃｃの成形体を製造した。
このような２軸磁場成形技術で得られた成形体を焼結炉に装入し、真空雰囲気及び４００℃以下で十分に維持して残存する不純物ガスを完全に除去し、さらに１０６０℃の範囲まで昇温させて２時間維持することにより、焼結の緻密化を完了した。焼結済みの焼結体は、５００℃で２時間熱処理により磁石に製造した。
上記のように、本発明により実施されたサンプル及び比較サンプルの磁気特性は、Ｂ−Ｈ ｌｏｏｐ ｔｒａｃｅｒを利用して、最大磁場３０ｋＯｅまで印加しながら、それぞれのｌｏｏｐを測定して得られ、結晶粒間の平均距離比は、磁場方向の垂直断面写真上、結晶粒の中心間の平均距離を求めて得られ、その結果は、表１の通りである。２軸成形により磁場配向特性が向上されて残留磁束密度が大きく向上されたことを確認することができる。
＜表１＞
実施例２
前記実施例１で粉末充填密度を異にしたことを除いては、同様に実施し、その結果を表２に示した。粉末充填密度が特異なことに、磁場配向特性に重要な影響を及ぼすを発見し、１．５ｇ／ｃｃ〜２．５ｇ／ｃｃの範囲内が最も優れており、表には示してはいないが１．０ｇ／ｃｃ未満、３．０ｇ／ｃｃを超える場合、残留磁束密度は大幅に低下した。
＜表２＞
実施例３
前記実施例１で粉末成形密度を異にしたことを除いては、同様に実施し、その結果を表３に示した。粉末成形密度は３．５ｇ／ｃｃ〜４．５ｇ／ｃｃの範囲内で優れた磁場配向特性を示した。
＜表３＞
以上で、本発明の内容の特定な部分を詳細に記述してきたが、当業界における通常の知識を有する者にとって、このような具体的な技術は、単に好ましい実施例に過ぎず、これにより本発明の範囲が制限されるものではない点は明らかである。したがって、本発明の実質的な範囲は、添付された請求項とそれらの等価物により定義されるということができる。

Claims (9)

  1. Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末を準備するステップ（ＲはＹ及びＳｃを含む希土類元素から選択される１種または２種以上が選択される）と、前記原料粉末を成形用金型に充填するステップと、磁場を形成しながら圧縮成形するステップと、を含んで成り、
    前記圧縮成形するステップは、磁場の方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸とＹ軸の２軸方向に圧縮する希土類磁石の製造方法。
  2. 前記圧縮成形するステップは、Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮をそれぞれ１回順次に行なう請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
  3. 前記圧縮成形するステップは、Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮を順次に２回〜１０回繰り返す請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
  4. 前記成形後の粉末成形密度は３．５ｇ／ｃｃ〜４．５ｇ／ｃｃの範囲内である請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
  5. 前記Ｘ軸圧縮とＹ軸圧縮の圧縮比の差が１０％以下である請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
  6. 前記充填するステップは、１．０ｇ／ｃｃ〜３．０ｇ／ｃｃの範囲内の充填密度に充填する請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
  7. 前記Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、前記Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９０〜１．１０倍の範囲内である請求項１に記載の希土類磁石の製造方法。
  8. Ｒ、Ｆｅ、Ｂを組成成分として含む希土類磁石原料粉末を磁場圧縮成形して製造される希土類磁石であって、
    磁場の方向をＺ軸とするとき、Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９０〜１．１０倍の範囲内である希土類磁石。
  9. Ｘ軸方向の結晶粒間の平均距離は、Ｙ軸方向の結晶粒間の平均距離対比０．９５〜１．０５倍の範囲内である請求項８に記載の希土類磁石。
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