JP2021141137A - 磁石構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐食性及び機械的強度が向上した磁石構造体を提供することを目的とする。【解決手段】磁石構造体10は、第1焼結磁石2aと、第2焼結磁石2bと、第1焼結磁石2aと第2焼結磁石2bとの間に配置された中間層4と、を備える。第1焼結磁石2a及び第2焼結磁石2bは、それぞれ独立に、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有する結晶粒を含む。中間層4は、希土類元素酸化物相6、及び、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有する結晶粒8を含有する。遷移金属元素は、それぞれ独立に、Fe、又は、Fe及びCoの組み合わせを含む。磁石構造体10の中間層4に垂直な断面に基づいて測定される、希土類元素酸化物相6の平均被覆率が10〜69%である。【選択図】図1

Description

本発明は、希土類元素(R)、鉄(Fe)等の遷移金属元素(T)及びホウ素(B)を主成分とするR−T−B系永久磁石を複数含む磁石構造体に関する。
R−T−B(Rは1種以上の希土類元素、TはFe等の遷移金属元素)系永久磁石は優れた磁気特性を有することが知られている。
例えば、特許文献1に記載されるように、複数のR−T−B磁石を接合して一つの磁石構造体を得ることが知られている。
特開2019−075493号公報
複数の磁石を含む磁石構造体において、接合部における剪断強度をより向上することが求められる場合が生じている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、接合部の剪断強度に優れた磁石構造体を提供することを目的とする。
本発明にかかる磁石構造体は、第1焼結磁石と、第2焼結磁石と、前記第1焼結磁石と前記第2焼結磁石との間に配置された中間層と、を備える。
前記第1焼結磁石及び第2焼結磁石は、それぞれ独立に、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有する結晶粒を含み、
前記中間層は、希土類元素酸化物相、及び、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有する結晶粒を含有し、
前記遷移金属元素は、それぞれ独立に、Fe、又は、Fe及びCoの組み合わせを含み、
前記磁石構造体の前記中間層に垂直な断面に基づいて測定される、前記希土類元素酸化物相の平均被覆率が10〜69%である。
ここで、前記希土類元素酸化物相の平均厚みが3〜30μmであることができる。
また、前記第1焼結磁石のc軸と、前記第2焼結磁石のc軸とが、非平行であることができる。
また、前記第1焼結磁石部の組成と、前記第2焼結磁石の組成とが互いに異なることができる。
本発明によれば接合部の剪断強度に優れた磁石構造体を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る磁石構造体10の、中間層に垂直な模式断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁石構造体及びこれを製造する工程を示す斜視図であり、(a)は2枚のR−T−B系焼結磁石を準備する磁石準備工程を示し、(b)は、第2焼結磁石に拡散材ペーストを塗布し、その上に第1焼結磁石を重ね合わせる積層工程を示し、(c)は、積層体を加熱する加熱工程を示し、(d)は、上記工程を経て得られた磁石構造体を示す。 実施例4に係る磁石構造体の断面SEM写真である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
<磁石構造体>
図1は本発明の一実施形態に係る磁石構造体の模式断面図である。
磁石構造体10は、第1焼結磁石2aと、第2焼結磁石2bと、第1焼結磁石2aと第2焼結磁石2bとの間に配置された中間層4と、を備える。
(焼結磁石)
焼結磁石2a、2bは、それぞれ独立に、R−T−B系焼結磁石であれば特に限定されないが、R−T−B系永久磁石であることが好ましい。
焼結磁石2a,2bは、それぞれ、希土類元素Rと遷移金属元素Tとホウ素Bとを含有するR−T−B系焼結磁石である。
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、軽希土類元素及び重希土類元素に分類され、重希土類元素Rとは、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luをいい、軽希土類元素Rはそれ以外の希土類元素である。
本実施形態において、Rは軽希土類元素Rを含むことが好ましく、中でもネオジム(Nd)を含むことが好ましく、プラセオジム(Pr)などの他の軽希土類元素をさらに含んでも良い。
Rは、さらに、重希土類元素Rを含んでも良い。Rが重希土類元素Rを含むことにより、磁石の保磁力を向上させることができる。Rはディスプロシウム(Dy)及びテルビウム(Tb)の少なくとも一方を含むことが好ましく、Tbを含むことがより好ましい。Rはさらにホロニウム(Ho)又はガドリニウム(Gd)を含んでいてもよい。
本実施形態において、TはFe、又は、Fe及びコバルト(Co)の組み合わせを含む。Coを含む場合には、磁気特性を低下させることなく温度特性を向上させることができる。また、Tは、さらに銅(Cu)を含んでも良く、Cuを含むことにより、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。
Fe、Co及びCu以外の遷移金属元素としては、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどが挙げられる。
また、本実施形態の焼結磁石2a,2bは、R、T及びB以外に、例えば、N、Al、Ga、Si、Bi、Snなどの元素の少なくとも1種の元素をさらに含有していてもよい。
本実施形態の焼結磁石2a,2bは、R14B結晶粒(主相)を有し、隣り合う2つのR14B結晶粒の間に形成された2粒子粒界及び隣り合う3つ以上のR14B結晶粒によって囲まれた多粒子粒界を有する。本実施形態では、粒界とは、2粒子粒界及び多粒子粒界等の粒界を含む。R14B結晶粒はR14B型の正方晶からなる結晶構造を有するものである。R14B結晶粒の平均粒径は、通常1μm〜30μm程度である。主相の体積分率は、90%以上とすることができる。
本実施形態の焼結磁石は、粒界中に、R14B結晶粒(主相)よりもRの濃度(質量割合)の高いRリッチ相を含むことができる。粒界がRリッチ相を含む場合、保磁力HcJが発現しやすくなる。Rリッチ相の例は、主相よりもRの濃度が高く、主相よりもT及びBの濃度が低い金属相、主相よりもR、Co、Cu、Nの濃度がそれぞれ高い金属相、及び、これらの酸化物相である。各Rリッチ相には、他の元素が含まれていてもよい。粒界がRリッチ相を含むことにより、磁石構造体の保磁力などの磁気特性を向上させることができる傾向がある。
さらに、粒界中には、主相よりもホウ素(B)原子の濃度が高いBリッチ相が含まれていてもよい。
TがFe及びCoを含む場合、焼結磁石におけるCoの含有量は、0.50〜3.50質量%であることが好ましく、0.70〜3.00質量%であることがより好ましく、1.00〜2.50質量%であることがさらに好ましい。また、TがCuを含む場合、焼結磁石におけるCuの含有量は、0.05〜0.35質量%であることが好ましく、0.07〜0.30質量%であることがより好ましく、0.10〜0.25質量%であることがさらに好ましい。Coを0.50質量%以上、Cuを0.05質量%以上含有することにより、磁石構造体10の耐食性及び抗折強度が向上しやすくなる。
本実施形態の焼結磁石におけるRの含有量は、好ましくは25質量%以上35質量%以下であり、より好ましくは28質量%以上33質量%以下である。Rの含有量が25質量%以上であると、磁石の主相となるR14B化合物が十分生成しやすくなる。また、Rの含有量が35質量%以下であると、R14B相の体積比率が低くなり、残留磁束密度Brが低下することを抑制できる傾向がある。
本実施形態の焼結磁石には、中間層4からの距離が大きくなるにしたがって、重希土類元素Rの濃度が低くなる領域(R勾配領域)を有してもよい。
本実施形態の焼結磁石2a、2bがRを含む場合、R中のRの含有量は例えば0.1〜1.0質量%であることができる。Rの含有量が0.1質量%以上であることにより、磁石の保磁力を向上させることができる傾向がある。Rの含有量が1.0質量%以下であることにより、資源的に希少で高価な重希土類元素の使用を制限しつつ、高い保磁力を得ることができる傾向がある。
本実施形態の焼結磁石におけるBの含有量は、好ましくは0.5質量%以上1.5質量%以下であり、より好ましくは0.7質量%以上1.2質量%以下であり、さらに好ましくは0.7質量%以上1.0質量%以下である。Bの含有量が0.5質量%以上であると、保磁力HcJが向上する傾向がある。また、Bの含有量が1.5質量%以下であると、残留磁束密度Brが向上する傾向がある。なお、Bの一部は炭素(C)に置換されていてもよい。
このほか、本実施形態の焼結磁石は、不可避的に酸素(O)、C、カルシウム(Ca)等含んでもよい。これらはそれぞれ0.5質量%程度以下の量で含有されていてもよい。
本実施形態の焼結磁石におけるFeの含有量は、焼結磁石の構成要素における実質的な残部であることができる。TがCoを含むことにより、焼結磁石のキュリー温度が向上するほか、耐食性が向上するため、全体として高い耐食性を有するものとなる。
また、TはCuを含有してもよく、この場合、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。
本実施形態の焼結磁石はアルミニウム(Al)を含有していてもよい。磁石がAlを含有することにより、さらなる高保磁力化、高耐食性化、温度特性の改善が可能となる。Alの含有量は、好ましくは0.03質量%以上0.4質量%以下であり、より好ましくは0.05質量%以上0.25質量%以下である。
本実施形態の焼結磁石は酸素(O)を含有していてもよい。磁石中の酸素量は、他のパラメータ等によって変化し適量決定されるが、耐食性の観点から、好ましくは500ppm以上であり、磁気特性の観点から、好ましくは2000ppm以下である。
本実施形態の焼結磁石は炭素(C)を含有していてもよい。磁石中の炭素量は、他のパラメータ等によって変化し適量決定されるが、炭素量が増えると磁気特性は低下する。
本実施形態の焼結磁石は窒素(N)を含有していてもよい。磁石中の窒素量は、好ましくは100〜2000ppmであり、より好ましくは200〜1000ppmであり、さらに好ましくは300〜800ppmである。
焼結磁石中の酸素量、炭素量及び窒素量の測定方法は、従来から一般的に知られている方法を用いることができる。酸素量は、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することができ、炭素量は、例えば、酸素気流中燃焼−赤外線吸収法により測定することができ、窒素量は、例えば、不活性ガス融解−熱伝導度法により測定することができる。
第1焼結磁石及び第2焼結磁石において、R14B結晶粒(主相)の体積分率は、それぞれ90%以上であることができる。
第1焼結磁石2a、及び、第2焼結磁石2bの組成は、互いに同一の組成であっても良く、互いに異なる組成であっても良い。
組成が異なるとは、例えば、含有するRの種類が互いに異なること、含有するTの種類が互いに異なることであってよい。
例えば、第1焼結磁石2aが軽希土類元素R及び重希土類元素Rを含み、第2焼結磁石2bが軽希土類元素Rを含み重希土類元素Rを含まない組み合わせでも良いし、第1焼結磁石2aと、第2焼結磁石2bとで、遷移金属元素Tが互いに異なる、例えば、一方のTがコバルトを含み、他方のTがコバルトを含まない組み合わせでも良いし、主相粒子径の異なる磁石等でもよい。
(中間層)
中間層4は、第1焼結磁石2a及び第2焼結磁石2bの間に配置され、これらを結合している。中間層4は、希土類元素酸化物相6、及び、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有するRTB結晶粒8を含有する。
図1に示すように、複数の希土類元素酸化物相6は、磁石構造体10を通る任意の基準平面Pにそって、互いに離間して断面において点線状に配置され、希土類元素酸化物相6間には、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有するRTB結晶粒8が配置されている。
磁石構造体における基準平面Pの位置に特に限定はない。例えば、磁石構造体が板であれば、基準平面Pは厚みと直交する方向に配置されていることができる。
希土類元素酸化物相6は、希土類元素Rの酸化物の相であればよく、軽希土類元素Rを含んでも良く、重希土類元素Rを含んでもよく、これらを両方含んでもよい。希土類元素は、第1焼結磁石及び/又は第2焼結磁石に含まれる元素と同一でも良く、異なっていても良い。
希土類元素酸化物相6中の希土類元素Rの濃度は、例えば、50〜85質量%であることができ、60〜80質量%であってもよい。
希土類元素酸化物相6の全希土類元素に占める、Rの原子割合は、例えば、0であっても良いが、40%以上であることができ、60%以上でも良く、80%以上であっても良く、100%であってもよい。軽希土類元素Rの好適な例は、Nd、Prなどである。
重希土類元素Rの好適な例は、Dy、Tb、Ho、及びGdからなる群から選択される少なくとも1つである。Rの原子割合は、例えば、0であっても良いが、20%以上であることができ、40%以上でも良く、60%以上であっても良く、100%であってもよい。
また、希土類元素酸化物相中の酸素(O)の濃度は、3質量%以上であり、5質量%以上であってもよい。酸素の濃度の上限に限定はないが、例えば、30質量%であることができ、25質量%であってもよい。
希土類元素酸化物相6は、酸化物である限り酸素濃度の相対的に異なる複数の領域を有することができる。
中間層4は、Rリッチ相をさらに含有してもよい。Rリッチ相は、Rを主として含む金属相である。Rリッチ相は、軽希土類元素Rを含んでも良く、重希土類元素Rを含んでもよく、両方含んでも良い。Rリッチ相中のRの濃度は、例えば、65〜90質量%であり、70〜85質量%であってもよい。また、Rリッチ相中の酸素(O)の濃度は、3質量%未満であり、2質量%以下であってもよい。
希土類元素酸化物相6の平均被覆率は、10〜69%である。平均被覆率は、20%以上であることができ、30%以上であることができ、68%以下であることができ、65%以下であることができる。
希土類元素酸化物相6の平均被覆率とは、図1に示すように、中間層4(平面P)に垂直な断面写真において、平面Pに沿った方向の線分の長さL中に含まれる各希土類元素酸化物相6の横幅Wの総和を、長さLで除した値として定義される。線分の長さLを2500μm程度とする、すなわち、10枚の倍率500倍(一辺が250μm程度)の写真で測定した横幅の総和を、10枚の基準線の全長で除した値とすることが好適である。
希土類元素酸化物相6の平均幅は、5〜40μmであることができ、10μm以上であることができ、35μm以下であることができる。
ここで、希土類元素酸化物相6の平均幅とは、図1に示すように、平面Pに垂直な断面写真において、基準平面Pに沿った方向で測定した各希土類元素酸化物相6の横幅Wの算術平均であり、500倍(一辺が250μm程度)の写真で測定して、100個程度の希土類元素酸化物相6の横幅Wの算術平均を取れば良い。
また、希土類元素酸化物相6の平均厚みは、3〜30μmであることができる。平均厚みは5μm以上であることができ、7μm以上、10μm以上であることもできる。また、平均厚みは、26μm以下であることができ、24μm以下、20μm以下であることができる。
希土類元素酸化物相6の平均厚みは以下のようにして測定される。図1に示すように、平面Pに垂直な断面写真において、中間層4(平面P)と垂直な線を20本等間隔に引き、希土類元素酸化物相6と重なった部分の長さを測定した。この工程を、1つの磁石構造体に対して10枚の異なる部分の断面写真に対して行い、合計200カ所の厚みの算術平均を平均厚みとする。
なお、断面写真の倍率は500倍、すなわち、画面の縦横がそれぞれ250μm程度となるように測定することができる。希土類元素酸化物相の場所は、EDSなどにより確認できる。
希土類元素酸化物相6の間には、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有するRTB結晶粒8が配置されている。RTB結晶粒8は、第1焼結磁石及び第2焼結磁石で説明したR14B結晶粒(主相)であることができる。
RTB結晶粒8における希土類元素Rは、軽希土類元素Rのみを含んでも良く、重希土類元素Rのみを含んでも良く、軽希土類元素R及び重希土類元素Rの両方を含んでも良い。
RTB結晶粒8における希土類元素R中の軽希土類元素Rの好適な例は、Nd、Prなどである。
RTB結晶粒8における希土類元素R中の重希土類元素Rの好適な例は、Dy、Tb、Ho、及びGdからなる群から選択される少なくとも1つである。
RTB結晶粒8の具体的組成は、第1焼結磁石及び/又は第2焼結磁石のR14B結晶粒と同一であっても良いし、異なっても良い。
中間層4のRTB結晶粒8を構成するTは、第1焼結磁石2a又は第2焼結磁石2bのR14B結晶粒のTと同種であることができるが、異なっていても良い。
中間層4のRTB結晶粒8を構成するRは、第1焼結磁石2a又は第2焼結磁石2bのR14B結晶粒のTと同種であることができるが、異なっていても良い。
本実施形態の磁石構造体10の厚さは、例えば、0.5〜10.0mmであることができ、0.75〜7.5mmであってもよく、1.0〜5.0mmであってもよい。
第1焼結磁石2aのc軸と、第2焼結磁石2bのc軸とが、互いに平行に配置されていても良い。例えば、第1焼結磁石2aのc軸と、第2焼結磁石2bのc軸とが、それぞれ、中間層4に対して垂直に配置されていることができる。c軸とは、磁化容易軸のことである。
また、第1焼結磁石2aのc軸と、第2焼結磁石2bのc軸とが、互いに非平行に配置されていても良い。互いに非平行とは、2つのc軸のなす角が180度以外となる例であり、例えば、135度、直角、45度である。例えば、第1焼結磁石2aのc軸が中間層4に対して垂直に配置され、第2焼結磁石2bのc軸と中間層4とが45度をなすことができる。
なお、1つの磁石構造体が3つ以上の焼結磁石を有し、各焼結磁石間に中間層がそれぞれ配置されていても良い。
磁石構造体10全体における、Rの含有量は、0でもよく、0.1〜5.0質量%であってもよい。
また、磁石構造体の形状は板に限定されず、任意の形状を有しうる。C型形状であってよい。また、中間層が平面状でなく曲面状に存在しても良い。
(作用)
本実施形態のように、中間層4が、希土類元素酸化物相6及びRTB結晶粒8を有し、希土類元素酸化物相6による被覆率が10〜69%である場合、被覆率が高過ぎる場合に比べて、基準面に沿う剪断強度が強くなる傾向がある。
この理由は明らかでは無いが、基準面近傍における適度な希土類元素酸化物相6の量により、応力が緩和されることが寄与している可能性がある。
また、本実施形態の磁石構造体では、接着剤による接合に比べて耐食性も高く、表面磁束密度の低下も起こりにくい。
このような磁石構造体によれば、場所(第1焼結磁石及び第2焼結磁石)によって磁気特性の異なる磁石構造体を得ることができる。また、本実施形態によれば、場所によってc軸の向きの異なる磁石構造体を得られる。
<磁石構造体の製造方法>
磁石構造体10は、例えば、以下の工程を経て製造される。
(A)第1焼結磁石及び第2焼結磁石として、R−T−B系焼結磁石を準備する磁石準備工程(ステップS1)
(B)希土類元素Rを含有するペースト(拡散材ペースト)を調製するペースト調製工程(ステップS2)
(C)第2焼結磁石の主面上に拡散材ペーストを塗布して塗膜を形成し、塗膜上に第1焼結磁石を重ね合わせて積層体を得る積層工程(ステップS3)
(D)積層体を加熱して磁石構造体を得る加熱工程(ステップS4)
(E)磁石構造体の表面処理を行う表面処理工程(ステップS5)
また、図2は本発明の一実施形態に係る磁石接合層体を製造する工程を示す斜視図であり、図2(a)は、第1焼結磁石及び第2焼結磁石を準備する磁石準備工程(ステップS1)を示し、図2(b)は、拡散材ペーストを塗布した第2焼結磁石に第1焼結磁石を重ね合わせる積層工程(ステップS3)を示し、図2(c)は、積層体を加熱する加熱工程(ステップS4)を示し、図2(d)は、上記工程を経て得られた磁石構造体10を示す。以下、各工程について必要に応じて図面を参照しつつ説明する。
(磁石準備工程:ステップS1)
まず、第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12bを準備する。ここでいう第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12bとは、磁石構造体10においてそれぞれ第1焼結磁石2a及び第2焼結磁石2bとなる加熱工程前の基材としての磁石である。第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12bはともに、R−T−B系焼結磁石であり、互いに同じであっても異なっていてもよい。ここでの磁石のRはR及び/又はRを含んでいても良く、含んでいなくても良い。
焼結磁石は市販のものを購入することにより準備してもよく、例えば、公知の方法により製造することができる。
第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12bの形状は特に限定されるものではなく、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型や円筒状等の任意の形状とすることができる。第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12bは、拡散材ペーストを介して互いに接合できるように、接合面となる略平坦面を有してもよい。
(ペースト調製工程:ステップS2)
ペースト調製工程(ステップS2)では、希土類元素Rを含有するペースト(拡散材ペースト)が調製される。拡散材ペーストの調製方法は、例えば、以下の工程を有する。希土類元素Rは、重希土類元素R、でもよく、軽希土類元素Rでもよく、これらの混合物でも良い。
(a)希土類元素含有材料を粗粉砕して、希土類元素含有粒子を得る粗粉砕工程
(b)希土類元素含有粒子の表面に酸素を付着させ、酸素付着希土類元素含有粒子を得る酸素付着工程
(c)希土類元素含有ペーストを得る混合工程
粗粉砕工程では、まず希土類元素Rの金属単体または希土類元素Rを含む合金を準備する。合金の場合、複数の希土類元素の合金でも良く、希土類元素と上記の遷移金属元素Tとの合金でも良い。この希土類元素R含有金属または合金を、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、希土類元素Rを含む金属または合金の粗粉砕粉末(希土類元素含有粒子)を得る。
粗粉砕は、希土類元素R含有金属または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を生じさせる(水素吸蔵粉砕)ことによって行うことができる。
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。
酸素付着工程では、希土類元素Rの単体又は合金を粗粉砕した後、得られた希土類元素含有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、希土類元素含有の微粉砕粉末を得る。粗粉砕した粉末をさら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。微粉砕は、3000〜10000ppmの酸素含有雰囲気中で行われる。これにより、希土類元素含有粒子の表面等に酸素を付着させることができ、酸素付着希土類元素含有粒子を得ることができる。
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、酸素濃度を上記範囲とした高圧の不活性ガス(例えば、N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希土類元素含有粒子を加速して希土類元素含有粒子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。
希土類元素含有粒子を微粉砕する際、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。
希土類元素含有粒子の表面に酸素を付着させた後、混合工程では、酸素付着希土類元素含有粒子を溶媒及びバインダ等とともに混合する。これにより、希土類元素含有ペースト(拡散材ペーストともいう)が得られる。なお、拡散材ペースト中には、シリコーングリース、油脂類などの酸素含有化合物を混合させないことが好適である。酸素含有化合物が多くなると、中間層の酸素量が多くなる。
拡散材ペーストに用いられる溶媒としては、例えば、アルデヒド、アルコール、ケトン等が挙げられる。また、バインダとしては、例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ブチラール樹脂、天然樹脂、セルロース樹脂等が挙げられる。拡散材ペースト中の希土類元素Rの含有量は、例えば、40〜90質量%であることができ、50〜80質量%であってもよい。
(積層工程:ステップS3)
積層工程(ステップS3)では、図2(b)に示すように、第2焼結磁石12bの主面上に拡散材ペーストが塗布され、拡散材ペーストによる塗膜14が形成される。拡散材ペーストが溶媒を含む場合、当該溶媒を除くために塗布後に加熱乾燥を行う。さらに、塗膜14上に第1焼結磁石12aを、図2(b)中のz方向に、重ね合わせて積層体が得られる。拡散材ペーストによる塗膜14の厚さは、例えば、5〜50μmであることができ、10〜35μmであってもよい。塗膜14の厚さを変更することにより、希土類元素酸化物相6の被覆率を調整することができる。
(加熱工程:ステップS4)
加熱工程(ステップS4)では、図2(c)に示すように、積層工程で得られた積層体を加熱する。加熱は、例えば、真空又は不活性ガス雰囲気中で行い、希土類元素拡散のための第1加熱を行い、必要に応じて、保磁力向上のための第2加熱を有してもよい。第1加熱の温度は、例えば、800〜1000℃であり、時間は10分〜48時間である。また、第2加熱の温度は、例えば、500〜600℃であり、時間は1〜4時間である。さらに、加熱は、積層体を、図2(c)のz方向に上下から加圧しながら行ってもよい。加熱が加圧を伴うことにより、磁石構造体の磁石同士の接合強度が高くなる傾向がある。積層工程で得られた積層体を加熱することにより、図2(d)に示すとおり、磁石構造体10が得られる。
第1加熱により、拡散材ペースト中の希土類元素Rは、第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12b中に拡散する。また、第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12b中の希土類元素R、遷移金属元素T,及び、B等が、拡散した希土類元素Rと交換するように、拡散材ペーストがあった部分に供給される。これにより、第1焼結磁石12a及び第2焼結磁石12b間に、希土類元素酸化物相6、及び、RTB結晶粒8を含む中間層4が形成される。
ここで、ペースト調製工程(ステップS2)では、酸素含有雰囲気中で希土類元素Rの微粉砕が行われることにより、希土類元素含有粒子に酸素を付着させている。このように拡散材ペースト中に一定量の酸素が存在することにより、希土類元素Rが酸化物として存在しやすくなり、中間層4が希土類元素酸化物相6を含有するものとなる。希土類元素酸化物相6の被覆率は、ペーストの塗布量すなわち単位面積あたりの希土類元素の量に応じて変更できる。例えば、ペーストの塗布量が大きいと被覆率が高くなり、ペーストの塗布量が小さいと被覆率が小さくなる。また、希土類元素酸化物相の厚み、幅も、同様にして制御できる。
(表面処理工程:ステップS5)
以上の工程により得られた磁石構造体10には、めっき、樹脂被膜、酸化処理及び化成処理等による表面処理を施してもよい。これにより、磁石構造体10の耐食性をさらに向上させることができる。
本実施形態に係る磁石構造体10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、高い信頼性を有する。本実施形態に係る磁石構造体10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、ロータ内部に磁石を埋め込んだ内部磁石埋込型(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、本実施形態に係る磁石構造体10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。
以下、実施例により本発明を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るものではない。
<焼結磁石の作製>
まず、表1に示す磁石組成(質量%)を有する焼結磁石が得られるように、ストリップキャスティング法により原料合金を準備した。なお、表1では、bal.は、磁石組成全体を100質量%とした場合の残りを示し、TREは、軽希土類元素であるNd及びPrの合計質量%を示す。
Figure 2021141137
次いで、原料合金に対してそれぞれ水素吸蔵させた後、Ar雰囲気下で、600℃、1時間の脱水素を行う水素粉砕処理(粗粉砕)を行った。
なお、本実施例では、この水素粉砕処理から焼結までの各工程(微粉砕及び成形)を、50ppm未満の酸素濃度のAr雰囲気下で行った(以下の実施例及び比較例において同じ)。
次に、水素粉砕後微粉砕を行う前に粗粉砕粉末に粉砕助剤として、ステアリン酸亜鉛0.1質量%を添加し、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微粉砕を行い、平均粒径が4.0μm程度の微粉砕粉末とした。
得られた微粉砕粉末を、金型内に充填し、1200kA/mの磁場を印加しながら120MPaの圧力を加える磁場中成形を行い、成形体を得た。
その後、得られた成形体を、真空中1060℃で4時間保持して焼成した後、急冷して、表1に示す磁石組成を有する焼結体(R−T−B系焼結磁石)を得た。そして、得られた焼結体を、850℃で1時間、及び、540℃で2時間(ともにAr雰囲気下)の2段階の時効処理を施し、実施例及び比較例に用いる基材としての焼結磁石を得た。
<磁石構造体の作製>
(実施例1)
重希土類元素RとしてのTbメタル(純度99.9%)を、水素吸蔵させた後、Ar雰囲気下で、600℃、1時間の脱水素を行う水素粉砕処理(粗粉砕)を行った。次に、粗粉砕粉末に粉砕助剤として、ステアリン酸亜鉛0.1質量%を添加し、ナウタミキサを用いて混合した。その後、酸素3000ppmを含んだ雰囲気中、ジェットミルを用いて微粉砕を行い、平均粒径が4.0μm程度の微粉砕粉末とした。微粉砕粉末75質量部に、溶媒としてアルコール23質量部を、バインダとしてアクリル樹脂2質量部を加えて、拡散材としてTbHを含む拡散材ペーストを作製した。
上述のようにして得られた焼結磁石を縦11mm×横11mm×厚さ4mmのサイズに機械加工した磁石を2枚準備した。各磁石の厚み方向とc軸とは一致していた。磁石をそれぞれ0.3%硝酸水溶液で洗浄後、水洗、乾燥を行った。2枚の磁石の内の1枚の主面及に拡散材ペーストを塗布し、残りの基材の主面を重ね合わせ塗布後の磁石を160℃のオーブン中で放置して、ペースト中の溶媒を除去した。積層体に対し、その上から25gの荷重を加えながら、Ar雰囲気において900℃で6時間加熱した(第1加熱)。第1加熱後の積層体をさらに、Ar雰囲気において540℃で2時間加熱し(第2加熱)、実施例1の磁石構造体を得た。拡散材ペーストに含まれる拡散材の種類、及び、拡散材ペースト中のTbとNdの量を表2に示す。拡散材ペースト中のTbとNdの量は、磁石構造体全体の質量を基準として定められる。
(実施例2、3)
拡散材ペーストのR(Tb)の量が表2に記載のとおりとなるように変えたこと以外は、実施例1と同様にして実施例2〜3の磁石構造体を得た。
(実施例4〜6)
拡散材としてTbNdCuを用いた。具体的には、Tb:Nd:Cu=50:20:30(at%)となるよう組成調整し、ストリップキャスト法によりTbNdCu合金を作製したこと以外は、実施例1のようにして拡散材ペーストを作製した。
拡散材のR(Tb,Nb)の量が表2に記載のとおりとなるように変えたこと以外は、実施例1と同様にして実施例4〜6の磁石構造体を得た。
(実施例7)
拡散材としてNdを用いた。具体的には、Ndメタル(99.9%)を用いる以外は実施例1のようにして、拡散材ペーストを作製した。拡散材のR(Tb,Nb)の量が表2に記載のとおりとなるように調整したこと以外は、実施例1と同様にして実施例7の磁石構造体を得た。
(実施例8)
一方の磁石のc軸を、主面に対して45度傾ける以外は、実施例7と同様とした。
(比較例1、2)
得られた焼結磁石を縦11mm×横11mm×厚さ8mmのサイズに機械加工して、磁石を1枚準備した。上記磁石の主面及び裏面上にそれぞれ実施例1で用いた拡散材ペーストと同じ拡散材ペーストを塗布し、他の磁石と積層しなかったこと、及び熱処理時に荷重を加えなかったこと以外は、実施例1と同様にして比較例1および2の磁石を得た。拡散材ペーストに含まれるTbとNdの量は、それぞれ、表2に記載のように調整した。
(比較例3)
拡散材のR(Tb)の量が表2に記載のとおりとなるように変えたこと以外は、実施例1と同様にして比較例3の磁石構造体を得た。
(比較例4)
拡散材のR(Tb,Nb)の量が表2に記載のとおりとなるように変えたこと以外は、実施例4と同様にして比較例4の磁石構造体を得た。
(比較例5)
拡散材ペースト及び熱処理を用いず、エポキシ接着剤(厚み50μm)で2枚の磁石の主面同士を接着する以外は実施例1と同様とした。
(比較例6,7)
拡散材としてTbFを用いた。具体的には、市販のTbFを用い、実施例1と同様に、溶媒としてアルコール23質量部を、バインダとしてアクリル樹脂2質量部を加えて、拡散材としてTbFを含む拡散材ペーストを作製した。拡散材のR(Tb)の量が表2に記載のとおりとなるように調整したこと以外は、実施例1と同様にして比較例6,7の磁石構造体を得た。
(比較例8)
拡散材ペーストを用いない以外は、実施例1と同様にした。
<磁石構造体の評価>
(断面の作製)
実施例及び比較例で得られた磁石構造体等の主面の中央部を、縦11mm×横5.5mmのサイズで厚み方向に切断して機械加工し、加工した磁石構造体を樹脂に埋め、磁石構造体断面の表面研磨を行った。
(中間層中の元素分布)
断面の接合部分について、oxford Instruments株式会社製、商品名:Aztec-3.3 EDSにより元素の分布を分析した。実施例1〜8,比較例3,4においては、希土類元素酸化物相及びRTB結晶粒を有する中間層の存在を確認した。
(中間層の平均厚み)
断面の中間層部分を走査電子顕微鏡(JEOL製、FE-SEM(JSM-IT300HR)で、500倍の倍率で観察した。
画像解析ソフト(PIXS2000pro)を用いて、中間層と垂直な線を20本等間隔に引き、希土類元素酸化物相と重なった部分の長さをそれぞれ測定した。この工程を、1つの磁石構造体に対して10枚の異なる部分の断面写真に対して行い、合計200カ所の厚みの算術平均を平均厚みとした。実施例4におけるSEM写真の例を図3に示す。
(中間層による平均被覆率)
断面の中間層部分を走査電子顕微鏡JEOL製、FE-SEM(JSM-IT300HR)で、500倍の倍率で観察した。予めEDSにより希土類元素酸化物相の色を確認した上で、基準線(中間層の伸びる方向)に沿った方向で測定した各希土類元素酸化物相6の横幅の総和を10枚の画面について求め、10枚の基準線の全長で除した。横幅の算術平均も示す。
(せん断強度試験)
剪断強度試験のために、各実施例及び比較例において、1つの焼結磁石の大きさを縦50mm、横4.5mm、厚み8mmとした大型の磁石構造体を作製した。
そして、当該磁石構造体に対して、せん断強度試験をJIS規格K6852に基づき実施した。ロードセル:1ton、荷重速度:10mm/minとし、n=10の平均値を示す。剪断方向は、中間層に平行な方向とした。
(耐食性)
実施例及び比較例で得られた磁石構造体等を、縦10.6mm×横10.6mmのサイズに機械加工した。加工後の磁石構造体を、120℃、2気圧、相対湿度100%の飽和水蒸気雰囲気中に200時間放置し、腐食による質量減少量を測定した。測定値を下記基準に従って評価した結果を示す。
A:2.0mg/cm未満である。
B:質量減少量が2.0mg/cm以上、5.0mg/cm未満である。
C:質量減少量が5.0mg/cm以上である
(磁気特性)
実施例及び比較例で得られた磁石構造体等の磁気特性を、B−Hトレーサーを用いて測定した。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。測定結果を表3に示す。
(表面磁束密度)
磁石構造体における中間層と対向する主面の中央の表面磁束密度を求めた。
各例の表面磁束密度から比較例1の一体型(非接合)磁石の表面磁束密度を引いた値を、比較例1の表面磁束密度で無次元化した割合を、各実施例の表面磁束密度として表に示す。
これらの結果を表3に示す。
Figure 2021141137
Figure 2021141137
各実施例及び比較例3,4においては、接合した面に沿って希土類元素酸化物相及びRTB結晶粒を有する中間層の形成が確認された。これに対して、比較例6,7のようにフッ化物を用いた場合、及び、比較例8のように希土類元素を含む拡散材を用いない場合には、希土類元素酸化物相及びRTB結晶粒を含む中間層は形成されず、磁石の接合ができなかった。
比較例5のようにエポキシ樹脂接着剤で接合した場合には、剪断強度も弱く、また、表面磁束密度の低下も大きく、耐食性も悪かった。
また、比較例3,4のように、希土類元素酸化物相の被覆率が大きい場合には、剪断強度が低くなった。
これに対して、実施例のように、希土類元素酸化物相の被覆率が小さい場合には、剪断強度が大きく、耐食性も十分であった。
2a…第1焼結磁石,2b…第2焼結磁石、4…中間層、6…希土類元素酸化物相、8…RTB結晶粒、10…磁石構造体、12a…第1焼結磁石、12b…第2焼結磁石、14…塗膜(拡散材ペースト)。

Claims (4)

  1. 第1焼結磁石と、第2焼結磁石と、前記第1焼結磁石と前記第2焼結磁石との間に配置された中間層と、を備える磁石構造体であって、
    前記第1焼結磁石及び第2焼結磁石は、それぞれ独立に、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有する結晶粒を含み、
    前記中間層は、希土類元素酸化物相、及び、希土類元素と遷移金属元素とホウ素とを含有する結晶粒を含有し、
    前記遷移金属元素は、それぞれ独立に、Fe、又は、Fe及びCoの組み合わせを含み、
    前記磁石構造体の前記中間層に垂直な断面に基づいて測定される、前記希土類元素酸化物相の平均被覆率が10〜69%である、磁石構造体。
  2. 前記希土類元素酸化物相の平均厚みが3〜30μmである請求項1に記載の磁石構造体。
  3. 前記第1焼結磁石のc軸と、前記第2焼結磁石のc軸とが、非平行である、請求項1又は2に記載の磁石構造体。
  4. 前記第1焼結磁石の組成と、前記第2焼結磁石の組成とが互いに異なる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁石構造体。
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