JP2021034583A - ネオジム磁石、ネオジム磁石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】添加元素が磁石の結晶粒同士の粒界に配置されるために生じる永久磁石の磁気特性への悪影響を除いたネオジム磁石とその製造方法を提供する。【解決手段】、ネオジム磁石１０において、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相１１と、主相よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相１２とを含む材料組織を有し、粒界相は、実質的に、Ｎｄと添加元素Ｍ１との合金からなり、添加元素Ｍ１は、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。【選択図】図１

Description

本発明は、ネオジム磁石、ネオジム磁石の製造方法に関する。

従来、モータに用いられる永久磁石として希土類永久磁石が知られる。特許文献１には、磁石粉末と半金属粉末との混合粉末を放電プラズマ焼結することで、高抵抗の希土類永久磁石を得る製造方法が開示される。

特開２０１７−１８８５２４号公報

特許文献１記載の製造方法により得られる希土類永久磁石では、磁石の結晶粒同士の粒界に固体の半金属が配置されるため、永久磁石の磁気特性に悪影響を与える可能性があった。

本発明の１つの態様によれば、組成式：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相と、前記主相よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相とを含む材料組織を有し、前記粒界相は、実質的に、Ｎｄと添加元素Ｍ１との合金からなり、前記添加元素Ｍ１は、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である、ネオジム磁石が提供される。

本発明の１つの態様によれば、組成式：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相と、前記主相よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相とを含む材料組織を有する焼結磁石を用意し、前記焼結磁石の表面に添加元素Ｍ１を含むＮｄ−Ｍ１合金を接触させた状態で、前記焼結磁石と前記Ｎｄ−Ｍ１合金を加熱することにより、前記添加元素Ｍ１を前記焼結磁石の前記粒界相に拡散させる、ネオジム磁石の製造方法が提供される。

本発明の一態様によれば、磁気特性の低下を抑制しつつ電気抵抗率を向上させたネオジム磁石とその製造方法が提供される。

図１は、実施形態のネオジム磁石の結晶組織を示す説明図である。 図２は、実施形態のネオジム磁石の製造方法を示す説明図である。 図３は、Ｇｅ拡散させたネオジム磁石の元素マッピングの測定結果である。

（ネオジム磁石）
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態のネオジム磁石の結晶組織を示す説明図である。

ネオジム磁石１０は、組成式：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相１１と、主相１１よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相１２とを含む材料組織を有する。
主相１１は、例えば、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ合金の結晶相である。粒界相１２は、主相１１であるＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ合金の結晶を取り囲むＮｄリッチな結晶粒界相である。本実施形態では、粒界相１２は、実質的に、Ｎｄと添加元素Ｍ１との合金からなる。添加元素Ｍ１は、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である。

本実施形態のネオジム磁石１０は、粒径数ミクロンの原料合金を成形、焼結して製造される焼結磁石である。原料合金中のＮｄ含有量を調整することにより、粒界相１２の体積を調整でき、得られるネオジム磁石１０の磁気特性を調整できる。具体的に、粒界相１２の割合を大きくすることでネオジム磁石１０の保磁力が増大する。その一方で、主相１１の割合が相対的に低くなるため、ネオジム磁石１０の残留磁束密度、最大エネルギー積が低下する傾向となる。

本実施形態のネオジム磁石１０において、粒界相１２に含まれる添加元素Ｍ１は、ネオジム磁石１０の表面から拡散浸透される。本実施形態では、添加元素Ｍ１として、半金属であるＳｉおよびＧｅが用いられる。後述する実施例に示すように、これらの半金属からなる添加元素Ｍ１を含む粒界相１２を有するネオジム磁石１０では、磁気特性を損なうことなく、電気抵抗率を高めることができる。したがって本実施形態のネオジム磁石１０を、例えばモータに用いた場合、電気抵抗率が高いことにより渦電流損失を低減することができる。これにより、モータ効率を向上させることができ、モータの発熱も抑制できる。

本実施形態のネオジム磁石１０において、添加元素Ｍ１の拡散により磁気特性が低下しないのは、添加元素Ｍ１（Ｓｉ、Ｇｅ）が粒界相１２に均一に拡散し、粒界相１２のＮｄリッチな結晶相の組織が、添加元素Ｍ１を拡散させる前後でほぼ維持されることによると考えられる。

例えば、焼結時の原料合金にＧｅ粉末を添加して焼結磁石を作製した場合、Ｇｅの一部は結晶組織に拡散するが、Ｇｅ粒子が粒界相に局在する微細組織となる。このような焼結磁石では、Ｇｅの拡散により電気抵抗率は上昇するが、Ｇｅの結晶粒が偏析した部位が磁化反転の起点となりやすいために、保磁力が低下してしまう。本実施形態のネオジム磁石１０によれば、上記のような保磁力低下を起こすことなく、電気抵抗率を高めることができる。

本実施形態のネオジム磁石において、粒界相１２は、８５原子％以上が、Ｎｄと添加元素Ｍ１との合金からなることが好ましい。この構成によれば、粒界相１２が、実質的にＮｄ−Ｍ１合金からなる構成とみなすことができ、粒界相１２に添加元素Ｍ１を拡散させることによる電気抵抗率の向上効果を得ることができる。粒界相１２は、９０原子％以上が、Ｎｄ−Ｍ１合金からなることがより好ましい。

粒界相１２を構成するＮｄ−Ｍ１合金は、組成式：Ｎｄ_{１００−ｘ}Ｍ１_ｘで表される組成を有し、ｘは、０を超えて５０以下であることが好ましい。５０原子％を超える添加元素Ｍ１を焼結磁石中に拡散させると、添加元素Ｍ１が主相１１にまで侵入しやすくなる。添加元素Ｍ１が主相１１に侵入すると、ネオジム磁石１０の磁気特性が大きく低下する。

粒界相１２を構成するＮｄ−Ｍ１合金は、組成式：Ｎｄ_{１００−ｘ}Ｍ１_ｘで表される組成を有し、ｘは、３７．５以上５０以下であることが好ましい。本実施形態において添加元素Ｍ１は、ＳｉまたはＧｅであり、添加元素Ｍ１が５０原子％以下で形成されるＮｄ−Ｍ１合金は、Ｎｄ_５Ｇｅ_３、Ｎｄ_５Ｇｅ_４、ＮｄＧｅ、Ｎｄ_５Ｓｉ_３、Ｎｄ_５Ｓｉ_４、ＮｄＳｉの６種類である。添加元素Ｍ１の含有量が３７．５原子％以上５０原子％以下であれば、粒界相１２における添加元素Ｍ１は、ほぼ全量が合金化されると考えられる。これにより、主相１１の孤立化を促進でき、また添加元素Ｍ１の主相１１への拡散も抑制されるため、磁気特性に優れるネオジム磁石１０が得られる。

ネオジム磁石１０は、表面にＮｄ−Ｍ１合金からなる被膜を有していてもよい。本実施形態のネオジム磁石１０は、焼結磁石の表面にＮｄ−Ｍ１合金を接触させて製造される。この製造時に用いるＮｄ−Ｍ１合金を焼結磁石の表面の一部又は全体に残した状態としてもよい。ネオジム磁石１０の表面に、さらに防錆コーティングを施してもよい。研磨によってネオジム磁石１０の表面に存在するＮｄ−Ｍ１合金を除去した後、防錆コーティングを施してもよい。

本実施形態において、主相１１は、組成式：Ｎｄ−（Ｆｅ，Ｍ２）−Ｂで表される組成を有し、添加元素Ｍ２は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である構成としてもよい。添加元素Ｍ２を主相１１に添加することにより、ネオジム磁石１０の電気抵抗率をさらに高めることができる。

添加元素Ｍ２の含有量は、Ｆｅと添加元素Ｍ２の合計含有量を１００原子％とするとき、１原子％以上５原子％以下の範囲であることが好ましい。すなわち、添加元素Ｍ２を含む主相１１は、組成式：Ｎｄ_２（Ｆｅ_{１００−ｙ}，Ｍ２_ｙ）_１４Ｂで表される組成を有し、ｙは、１以上５以下である構成とすることが好ましい。添加元素Ｍ２の含有量を上記範囲とすることで、ネオジム磁石１０の磁気特性への影響を抑えつつ、電気抵抗率を高めることができる。

（ネオジム磁石の製造方法）
次に、本実施形態のネオジム磁石１０の製造方法について説明する。
図２は、本実施形態のネオジム磁石の製造方法を示す説明図である。
本実施形態のネオジム磁石１０の製造方法は、組成式：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相１１と、主相１１よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相１２Ａとを含む材料組織を有する焼結磁石１０Ａを用意する工程と、焼結磁石１０Ａの表面に添加元素Ｍ１を含むＮｄ−Ｍ１合金１３を接触させた状態で、焼結磁石１０ＡとＮｄ−Ｍ１合金１３とを加熱することにより、添加元素Ｍ１を焼結磁石１０Ａの粒界相１２Ａに拡散させる工程とを含む。

焼結磁石１０Ａとしては、公知のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を用いることができる。すなわち、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ化合物からなる主相１１を、Ｎｄリッチな粒界相１２Ａが取り囲んだ構造を有する焼結磁石を用いることができる。焼結磁石１０Ａは、磁石合金中にＤｙやＴｂを数質量％〜十質量％程度含んでいてもよい。さらに、焼結磁石１０Ａとして、主相１１に、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素からなる添加元素Ｍ２を含む焼結磁石を用いてもよい。

焼結磁石１０Ａの形状および大きさは、添加元素Ｍ１を全体に拡散させることが可能であれば特に限定されない。焼結磁石１０Ａの厚さが大きかったり、複雑な形状であると、添加元素Ｍ１を拡散させる工程に時間が掛かり、製造効率が低下する。焼結磁石１０Ａとして、厚さ１ｍｍ〜数ｍｍ程度の板状の磁石を用いると、平面積が大きくても厚さ方向において迅速に反応が進行するため、短時間で効率よく添加元素Ｍ１を拡散させることができる。

Ｎｄ−Ｍ１合金を粒界相１２Ａに拡散させる工程では、焼結磁石１０Ａの表面にＮｄ−Ｍ１合金１３を接触させた状態で、焼結磁石１０ＡとＮｄ−Ｍ１合金１３とを反応させる。具体的な反応方法としては、例えば、焼結磁石１０Ａと、Ｎｄ−Ｍ１合金１３の金属片または粒子とを坩堝などの加熱容器に収容し、所定温度に加熱する方法を用いることができる。焼結磁石１０ＡおよびＮｄ−Ｍ１合金１３の加熱処理は、真空中または不活性ガス雰囲気中で実施し、酸化物等の不純物の生成を抑制することが好ましい。

本実施形態のネオジム磁石の製造方法では、焼結磁石１０Ａの表面に付着させた添加元素Ｍ１が、熱処理中に焼結磁石１０Ａ内部まで拡散浸透する過程で、主相１１のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ主結晶のＮｄとはほとんど置換せずに、粒界相１２Ａに選択的に分布する構造を形成する。すなわち、本実施形態の方法によれば、粒界相１２ＡにＮｄと添加元素Ｍ１との合金が形成される。

Ｎｄ、Ｆｅ、Ｂの３元系状態図によると、Ｎｄ単相とＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ化合物相の２相混合状態は安定である。そのため、粒界相１２Ａが液化する焼結磁石１０Ａの溶融温度（約１０００℃）以下では、Ｎｄ単相とＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ化合物相の間で拡散は起こらない。このことから、添加元素Ｍ１を選択的に粒界相１２Ａへ拡散させるために、Ｎｄ−Ｍ１合金１３は、Ｎｄが５０原子％以上のＮｄ−Ｍ１合金とすることが好ましい。

拡散速度を向上するために、熱処理中においては、拡散元素側は液体状態、磁石側は固体状態であることが望ましい。そのため、１０００℃以下の融点を持ち、熱処理温度下で液体となるＮｄ−Ｍ１合金の組成を選択することが好ましい。添加元素Ｍ１が例えばＧｅである場合、Ｎｄ−Ｇｅ２元系状態図に示される最も融点が低い組成はＮｄ_９０Ｇｅ_１０である。そのため、製造に用いるＮｄ−Ｇｅ合金１３の組成として、Ｎｄ_９０Ｇｅ_１０を選択することが好ましい。Ｎｄ_９０Ｇｅ_１０の融点は８２５℃であるから、熱処理温度は例えば８５０℃とすることができる。

図３は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の周りにＮｄ_９０Ｇｅ_１０合金を配置し、８５０℃で２時間熱処理した試料の元素マッピングである。図３の説明において、図中の文字の向きにおける上方を上と定義する。図３において、左上の図は、反射電子像である。反射電子像では、原子番号が大きい元素ほど白く写る。粒界相同士が交差する粒界３重点は、Ｎｄが多く存在するため、白く写る。図３において、その他の３つの図は、ＥＤＸ分析結果である。右上の図において、Ｎｄが多く存在する領域は白く写る。左下の図において、Ｆｅが多く存在する領域は白く写る。右下の図において、Ｇｅが多く存在する領域は白く写る。図３に示すように、粒界３重点においてＧｅが検出されている。この測定では、測定限界により、主相および３重点以外の粒界相からＧｅは検出されていないが、Ｇｅが検出された領域内では濃度勾配はないため、粒界相内にはＧｅが均一に分布していると認められる。一方、主相においては、粒界３重点よりも面積が大きいにも関わらずＧｅが検出されていないため、Ｇｅは主相には拡散していない。

本実施形態のネオジム磁石の製造方法によれば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石１０Ａの粒界相１２Ａに、添加元素Ｍ１を均一に拡散させることができる。これにより、実質的にＮｄ−Ｍ１合金からなる粒界相１２を有する本実施形態のネオジム磁石１０を製造することができる。本実施形態の製造方法によれば、公知の焼結磁石を用いて、高電気抵抗率のネオジム磁石を容易かつ効率的に製造できる。

上記方法では、Ｎｄ−Ｍ１合金を金属片又は粒子として供給することとしたが、焼結磁石１０Ａの表面に、Ｎｄ−Ｍ１合金を直接付着させてもよい。例えば、Ｎｄ−Ｍ１合金の粒子を分散させたスラリーを焼結磁石１０Ａの表面に塗布した後、乾燥させることにより、焼結磁石１０Ａの表面にＮｄ−Ｍ１合金粒子からなる被膜を形成してもよい。この場合において、Ｎｄ−Ｍ１合金粒子を結着させるバインダーを用いてもよい。また、他の方法としては、焼結磁石１０Ａの表面に、スパッタ法などの物理蒸着法を用いて、Ｎｄ−Ｍ１合金の被膜を形成する方法も採用可能である。

（実施例１）
焼結磁石として、長さ１１ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を用意した。Ｇｅ拡散に用いるＮｄ−Ｇｅ合金として、組成Ｎｄ_９０Ｇｅ_１０のＮｄ−Ｇｅ合金を用意した。上記Ｎｄ−Ｇｅ合金は、Ｎｄ原料粉末とＧｅ原料粉末を組成比に従い秤量した後、混合した原料粉末をアーク溶解炉を用いて溶解することにより、作製された。Ｎｄ−Ｇｅ合金の重さは０．７ｇとした。

添加元素Ｍ１を拡散させる工程は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石とＮｄ−Ｇｅ合金を坩堝に入れ、熱処理により坩堝中で反応させる方法により実施した。表面被覆されていないＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石と、上記で作製したＮｄ−Ｇｅ合金を内径４ｍｍφのアルミナ坩堝に入れ、酸化防止のためアルゴンガスで置換された内径１３ｍｍφのガラス管に坩堝ごと封入した。封入した試料をマッフル炉で８５０℃の温度で２時間熱処理して、Ｇｅが拡散されたネオジム磁石を得た。処理後の試料を長さ７ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍに切断後、電圧・電流端子を取り付け、直流４端子法で電気抵抗を測定した。得られた電気抵抗値に（試料の断面積／電圧端子間距離）を掛けて電気抵抗率を算出した。次いで１２ＴのパルスＢＨトレーサを用いて印加磁場±３Ｔのヒステリシスループを測定した。試料寸法は電気抵抗測定と同じである。表１に電気抵抗率と磁気特性の測定結果を示す。

（実施例２）
添加元素Ｍ１をＳｉとしてネオジム磁石を作製した。拡散合金として、組成式Ｎｄ_８７Ｓｉ_１３で表されるＮｄ−Ｓｉ合金を用いた以外は、実施例１と同様にして、Ｓｉが拡散されたネオジム磁石を作製した。得られたネオジム磁石について、実施例１と同様の方法により、電気抵抗および磁気特性を測定した。測定結果を表１に示す。

（比較例）
比較例のネオジム磁石は、実施例１において原料の焼結磁石として用意したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石と同じ磁石である。比較例のネオジム磁石についても、実施例１と同様の方法により、電気抵抗および磁気特性を測定した。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｇｅが拡散された実施例１のネオジム磁石、およびＳｉが拡散された実施例２のネオジム磁石は、未拡散の比較例のネオジム磁石と比較して、電気抵抗率が最大２倍向上していることが確認された。また、実施例１のネオジム磁石は、比較例のネオジム磁石と同等の磁気特性を有していた。実施例２のネオジム磁石は、比較例のネオジム磁石よりも高い保磁力を有していた。

１０…ネオジム磁石、１０Ａ…焼結磁石、１１…主相、１２，１２Ａ…粒界相、１３…Ｎｄ−Ｍ１合金

Claims (9)

1. 組成式：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相と、前記主相よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相とを含む材料組織を有し、
   前記粒界相は、実質的に、Ｎｄと添加元素Ｍ１との合金からなり、
   前記添加元素Ｍ１は、Ｓｉ、Ｇｅからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である、
   ネオジム磁石。
2. 前記粒界相は、８５原子％以上が、Ｎｄと添加元素Ｍ１との合金からなる、
   請求項１に記載のネオジム磁石。
3. 前記粒界相を構成する前記合金は、組成式：Ｎｄ_{１００−ｘ}Ｍ１_ｘで表される組成を有し、
   前記ｘは、０を超えて５０以下である、
   請求項１または２に記載のネオジム磁石。
4. 前記粒界相を構成する前記合金は、組成式：Ｎｄ_{１００−ｘ}Ｍ１_ｘで表される組成を有し、
   前記ｘは、３７．５以上５０以下である、
   請求項１または２に記載のネオジム磁石。
5. 前記主相は、組成式：Ｎｄ−（Ｆｅ，Ｍ２）−Ｂで表される組成を有し、
   前記添加元素Ｍ２は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のネオジム磁石。
6. 前記添加元素Ｍ２の含有量は、Ｆｅと前記添加元素Ｍ２の合計含有量を１００原子％とするとき、１原子％以上５原子％以下である、
   請求項５に記載のネオジム磁石。
7. 組成式：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂで表される組成を有する主相と、前記主相よりも高いＮｄ濃度を有する粒界相とを含む材料組織を有する焼結磁石を用意し、
   前記焼結磁石の表面に添加元素Ｍ１を含むＮｄ−Ｍ１合金を接触させた状態で、前記焼結磁石と前記Ｎｄ−Ｍ１合金を加熱することにより、前記添加元素Ｍ１を前記焼結磁石の前記粒界相に拡散させる、
   ネオジム磁石の製造方法。
8. 前記Ｎｄ−Ｍ１合金の粒子を分散させたスラリーを用意し、
   前記スラリーを前記焼結磁石の表面に塗布した後、乾燥させることにより、前記焼結磁石の表面に前記Ｎｄ−Ｍ１合金を付着させる、
   請求項７に記載のネオジム磁石の製造方法。
9. 前記焼結磁石および前記Ｎｄ−Ｍ１合金を、真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱する、
   請求項７または８に記載のネオジム磁石の製造方法。