JP3174448B2

JP3174448B2 - Ｆｅ−Ｂ−Ｒ系磁石材料の製造方法

Info

Publication number: JP3174448B2
Application number: JP32112993A
Authority: JP
Inventors: 宏樹徳原; 尚幸石垣
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1993-11-26
Filing date: 1993-11-26
Publication date: 2001-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JPH07153612A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Fe-B-R系焼結磁石材
料の圧縮成形工程を省略したFe-B-R系磁石材料の製造方
法に係り、容器内に原料粉末を特定の充填密度に充填す
ることにより、圧縮成形なしでも圧縮成形した場合と同
等の焼結密度を得て、配向性が向上することから磁石特
性が向上し、特に後続工程にて切削、研磨等の機械加工
により所要形状、寸法の製品を作成する直径あるいは1
辺が50mm〜200mmの大型磁石材料の製造に最適のFe-B-R
系磁石材料の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、Fe-B-R系焼結磁石材料は、鋳塊粉
砕法、Ca還元拡散法あるいストリップキャスティング法
により得られた所要磁石組成の平均粒度の2〜5μmの原
料粉末をプレス装置内の所要形状、寸法の金型内に充填
後、成形圧、例えば、1Ton/cm²〜2Ton/cm²の加圧力にて
磁場中で成形して、密度4.0g/cm³〜4.8g/cm³の成形体を
得た後、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中にて、1000
℃〜1100℃に0.5時間〜10時間の焼結を行い、その後、
時効処理するか、あるいは焼結体を所要寸法、形状に切
削あるいは研剤加工後、時効処理して製造していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記Fe-B-R系磁石材料
は粉末冶金的手法で製造されるが、成形体密度が4.0g/c
m³未満では成形後に金型より取り出す時に、成形体に割
れやひびが発生する恐れがあり、また取り出し後の成形
体の取扱い中に割れ、欠けやひびが発生し、また、成形
体の密度が4.8g/cm³を超えると加圧力が大となり、大型
のプレス機械が必要となる問題があった。従って、Fe-B
-R系焼結磁石材料の製造に際して、特に直径あるいは1
辺が50mm〜200mmの大型磁石材料の成形作業には多大の
金型費及び設備費用の大なるプレス機械が必要であっ
た。

【０００４】この発明は、磁石特性の低下などがなく、
多大の設備費やランニングコストを要する大型のプレス
機械などを使用する圧縮成形工程を省略でき、容易にFe
-B-R系焼結磁石材料、特に直径あるいは1辺が50mm〜200
mmの大型磁石材料などが製造できるFe-B-R系磁石材料の
製造方法の提供を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】発明者らは、Fe-B-R系磁
石材料の製造方法において、成形工程を省略できる工程
について種々検討し、焼結前の原料粉末の嵩密度と焼結
体密度の関係を調査した結果、成形工程を省略しても、
原料粉末の充填密度が2.7g/cm³以上あれば成形体にしな
くても焼結後に、密度が4.0g/cm³以上の成形体と同等の
焼結体密度が得られることを知見し、さらに、量産性に
すぐれた工程について種々検討し、予め焼結体とほぼ同
一重量の平均粒度2〜5μmの原料粉末を秤量し、原料粉
末と反応しない耐熱性のすぐれた特定の内容積を有する
金属容器内に前記原料粉末を所要の充填密度になるごと
く、振動、タッピング等を行って充填後、磁界中で粉末
を飛散させないための蓋を載置後、静磁場中またはパル
ス磁界中にて容器内の原料粉末を配向後、容器内に粉末
を充填した状態にて、真空中もしくは不活性ガス雰囲気
中で焼結後、焼結体を前記容器内より取り出して、時効
処理するか、あるいは前記焼結体を所要形状、寸法に切
削、研削等機械加工した後、時効処理することにより、
配向性が向上することから、従来のFe-B-R系磁石材料と
同等以上の磁気特性を有するFe-B-R系系磁石材料を低コ
ストで提供できることを知見し、この発明を完成した。

【０００６】すなわち、この発明は、予定した焼結体形
状を得るのに必要な重量のFe-B-R系磁石組成原料粉末
を、焼結体重量/所要の充填密度の値と同一値の容積以
上を有する未反応性金属容器内に前記原料粉末の充填密
度が2.7g/cm³〜3.5g/cm³となるように充填後、前記容器
及び前記粉末上面に蓋を載置して、前記粉末を磁界中に
て配向後、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中にて前記
粉末を焼結後、焼結体を金属容器より取り出して、時効
処理することを特徴とするFe-B-R系磁石材料の製造方法
である。なお。この発明において、充填密度とは、粉末
総重量/振動などを付与した場合の粉末の体積をい
う。また、この発明は、上記の構成において、未反応性
金属容器内の断面寸法が所要の焼結体の断面寸法に収縮
率を加味した値を有することを特徴とするFe-B-R系磁石
材料の製造方法を併せて提案する。

【０００７】この発明のF-B-R系磁石に含有される希土
類元素Rはイットリウム(Y)を含有し、軽希土類及び重希
土類を含有する希土類元素である。Rとしては、軽希土
類をもって足り、特にNd,Prが好ましい。また通常のRの
うち1種もって足りるが、実用上は2種以上の混合物(ミ
ッシュメタル、ジジム等)を入手上の便宜の理由により
用いることができ、Sm,Y,La,Ce,Gdなどは、他のR、特に
Nd,Pr等との混合物として用いることができる。なお、
このRは純希土類元素でなくてもよく、工業上入手可能
な範囲で製造上不可避な不純物を含有するものでも差し
支えない。Rは、R-Fe-B系永久磁石を製造する合金の必
須元素であって、10原子%未満では高磁気特性、特に高
保磁力が得られず、30原子%を越えると残留磁束密度(B
r)が低下して、すぐれた特性の永久磁石が得られない。
よって、Rは10原子%〜30原子%範囲とするが、最適のRの
範囲は12原子%〜16原子%である。

【０００８】Bは、Fe-B-R系永久磁石を製造する合金鋳
塊の必須元素であって、2原子%未満では高い保磁力(iH
c)は得られず、28%原子を越えると残留磁束密度(Br)が
低下するため、すぐれた永久磁石が得られない。よっ
て、Bは2原子%〜28原子%とするが、最適のBの範囲は5原
子%〜8原子%である。

【０００９】Feは、65原子%未満では残留磁束密度(Br)
が低下し、84原子%を越えると高い保磁力が得られない
ため、Feは65〜84原子%に限定するが好ましいFeの範囲
は76〜84at%である。また、Feの一部をCo、Niの1種又は
2種で置換すると、永久磁石の温度特性を向上させる効
果及び耐食性を向上させる効果が得られるが、Co、Niの
1種又は2種はFeの50%を越えると高い保磁力が得られ
ず、すぐれた永久磁石が得られない。よって、Co、Niは
Feの50%を上限とする。

【００１０】この発明における出発原料粉末としては磁
石組成の原料粉末のほかに、R量、B量及びFe量を磁石組
成に調整するために、例えばR量が16原子%以上含まれる
R₂Fe₁₄B相を主相とするR-Fe-B系合金粉末とR₂Fe₁₇相を
含む調整用R-Fe-B系合金粉末を配合混合して使用するこ
とも可能である。また、B量についても、B量が8原子%以
上含まれる主相系のR-Fe-B系合金粉末とB量が4原子%以
下のR₂Fe₁₇相を含む調整用R-Fe-B系合金粉末、あるいは
Bを含まないR₂Fe₁₇相を含む調整用R-Fe系合金粉末を配
合混合して、磁石組成を調整することもできる。さら
に、R-Co金属間化合物(Nd₃Co、NdCo₂等)を含む調整用R-
Co(Fe)系合金粉末を配合、混合して磁石組成を調整する
こともできる。

【００１１】また、この発明における合金は、R、B、Fe
の他、工業的生産上不可避的不純物の存在を許容できる
が、Bの一部を4.0原子%以下のC、3.5原子%以下のP、2.5
原子%以下のS、3.5原子%以下のCuのうち少なくとも1
種、合計量で4.0原子%以下で置換することにより、磁石
合金の製造性改善、低価格化が可能である。さらに、前
記R、B、Fe合金粉末あるいはCoを含有するR-Fe-B合金粉
末またはR-Fe-B系、R-Fe系、R-Co(Fe)系調整用合金粉末
に、9.5原子%以下のAl、4.5原子%以下のTi、9.5原子%以
下のNb、10.5原子%以下のTa、9.5原子%以下のMo、9.5原
子%以下のW、2.5原子%以下のSb、7原子%以下のGe、35原
子%以下のSn、5.5原子%以下のZr、5.5原子%以下のHfの
うち少なくとも1種添加含有させることにより、永久磁
石合金の高保磁力が可能になる。

【００１２】この発明による製造方法は、特定量の合金
粉末を特定の内容積を有する容器内に特定の充填密度に
充填することにより、圧縮成形なしでも圧縮成形した場
合と同等の焼結密度を得て、配向性が向上することか
ら、得られた磁石材料の磁石特性が向上することを特徴
とするが、製造工程としては、少なくとも、所要量のFe
-B-R系磁石組成原料粉末を未反応性容器内に充填密度が
2.7g/cm³〜3.5g/cm³となるよう充填後、飛散を防止して
磁界中にて配向後、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中
にて前記粉末を容器内で焼結後、さらに焼結体に時効処
理を施すものである。すなわち、得られる焼結体の良好
な形状性や量産性を考慮した工程は後述するが、圧縮成
形なしで圧縮成形した場合と同等の焼結密度を得るに
は、所要の未反応性容器内に所定の充填密度で充填し、
粉末の飛散を防止して磁界中にて配向する必要があり、
例えば、深さの深い焼結体重量/所要の充填密度の値と
同一値の容積以上を有する容器であれば容器と同材質ま
たは木やプラスチックスなどの異なる材質の落とし蓋を
して磁界中にて配向する。また、蓋の有無にかかわらず
真空中もしくは不活性ガス雰囲気中で焼結させてもよい
が、焼結時の雰囲気を制御するためには容器と同一材質
の未反応性容器の蓋が好ましく、未反応性容器としては
後述する金属容器のほか、原料粉末と反応したり不要な
物質を放出せず、磁界中にて配向が可能であればいずれ
の材質でもよい。

【００１３】原料粉末を充填する金属容器は原料粉末と
の反応性が低く、耐熱性のすぐれた金属であればよく、
Mo、W、Ta、Pt、Crなどが好ましく、容器の形状として
は断面形状は円筒状、三角形、四角形、多角形などの角
状でもよい。また、製品の形状、寸法は断面形状が円筒
状の場合は直径5mm以上、角状の場合は1辺が5mm以上
で、50mm〜200mmが好ましい。金属容器内の断面寸法は
予定する焼結体の断面寸法に焼結時の収縮率を考慮した
寸法でなければならず、またその内容積は、焼結体重量
/所要の充填密度の値と同等以上でなければならない。
容器内の焼結前の原料粉末と焼結体の重量はほぼ同一で
あるが、厳密には原料粉末に内部潤滑剤あるいはバイン
ダーを添加している場合は、前記添加物は焼結温度以下
で分解、揮発するものが多く、焼結体重量は原料粉末重
量より減少することがあるが、焼結時の雰囲気において
焼結体の表面酸化が不可避であり、酸化に伴う重量増も
ある。従って、これらの重量増減も考慮して焼結体重量
を設定する必要があるが、その変化は僅かであり、原料
粉末量と焼結粉末量が同等としても問題がない。また、
製品の高さは角状素材の場合は金属容器の開口部を適宜
変更すれば、製品の1辺/高さの比率には制限はないが、
円筒状の場合は直径/高さの比率は0.1以上が好ましく、
0.1未満では粉末の金属容器内への均一充填が困難であ
るので好ましくない。容器の蓋は、少なくとも磁界中に
て配向時に粉末の飛散を防止するために粉末に均一に接
触させて蓋をするが、その後の搬送や焼結工程などで取
扱いを容易にするためにも金属容器上部に載置する蓋に
て容器内の原料粉末上面を均一に押さえていることが好
ましい。

【００１４】前記金属容器への原料粉末の充填は、例え
ば、予定した焼結体重量とほぼ同一重量に秤量した原料
粉末を、振動する金属容器に徐々に充填するが、金属容
器を振動する方法としてはクランク方式の振動機等一般
の加振機でよく、振動周波数は特に限定しないが、1Hz
〜60Hzが好ましい。また、原料粉末を金属容器内に充填
後、蓋にて原料粉末を均一に押さえつけた後、5kOe以下
の交流磁界を付加して原料粉末の充填密度の分布を均一
にすることができる。交流磁界の周波数は特に限定しな
いが、金属容器の発熱を避けるために60Hz以下が好まし
い。また、金属容器上部に載置する蓋にて容器内の原料
粉末上面を均一に押さえるように、金属容器深さと蓋突
部の寸法を適宜選定するが、前記金属容器の内容積は製
品重量を原料粉末の充填密度で割った値に等しくする
か、あるいはそれ以上にすることにより、焼結体の良好
な形状性が得られ、量産性よく製造できる。この発明に
おいて、金属容器内に原料粉末の充填密度を2.7g/cm³〜
3.5g/cm³に限定した理由は、2.7g/cm³未満では焼結体の
密度が低下して、磁気特性の劣化とともに焼結体に割れ
を生じて好ましくなく、3.5g/cm³を越えると金属容器内
の原料粉末の配向が不十分となり、磁気特性が低下する
ので好ましくないためである。好ましい充填密度は2.9g
/cm³〜3.3g/cm³である。

【００１５】この発明において、金属容器内に充填され
る粉末の配向は静磁界中、あるいはパルス磁界中で行う
が、磁界の強度は大きければ大きいほど良いが、最低10
kOe以上は必要である。また、金属容器内への原料粉末
の充填時の交流磁界の印加及び配向磁界の印加は、大気
中でもよいが、粉末の酸化を抑制するために真空中ある
いは不活性ガス雰囲気が好ましい。

【００１６】この発明において、焼結条件は従来と同
様、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で1000℃〜1100
℃に0.5時間〜6時間が好ましく、また、時効処理は400
℃〜900℃に0.5時間〜4時間が好ましく、必要により1段
処理、または2段処理でもよい。

【００１７】

【作用】発明者らは、Fe-B-R系磁石材料の製造方法にお
いて、焼結前の原料粉末の嵩密度と焼結体密度の関係を
調査した結果、成形工程を省略しても、原料粉末の嵩密
度が2.7g/cm³以上あれば成形体にしなくても焼結後に、
成形体密度が4.0g/cm³以上の成形体と同等の焼結体密度
が得られることを知見し、原料粉末を容器内に特定の充
填密度に充填することにより、圧縮成形なしでも圧縮成
形した場合と同等の焼結密度を得て、配向性が向上する
ことから、得られた磁石材料の磁石特性が向上するこの
発明による製造方法を提案するもので、一般の焼結材料
では、成形体密度が高いほどその焼結性は良いが、この
発明の対象であるFe-B-R系焼結磁石の焼結機構は液相焼
結であり、焼結時に出現する液相量が十分存在すれば、
原料粉末の充填密度が2.7g/cm³と低くても、焼結時に十
分緻密化が起こり、従来と同等の焼結体密度が得られる
のである。また、この発明において、容器に充填された
原料粉末は成形時の1〜2Ton/cm²の圧力を受けないた
め、従来の成形体に比べて粉末の配向の乱れが減少する
ことから、磁気特性も従来品に比べてすぐれている。

【００１８】

【実施例】実施例1 高周波溶解炉にて溶解して得られた、Nd13.3-Dy0.7-B6.
5-Fe79.5(at%)組成の鋳塊を粗粉砕、微粉砕して、平均
粒度3μmの原料粉末を得た。嵩密度が1.6g/cm³の前記原
料粉末2,700gを振動数60Hzで振動させた寸法内径150mm
×高さ50mmのMo製容器内に装入し、充填密度を3.06g/cm
³にした後、前記容器及び粉末上面に当接するようにMo
製の蓋を載置した後、容器の高さ方向に40kOeの強さの
パルス磁界を印加し、容器内の原料粉末を配向させた
後、Arガス雰囲気で1100℃×2時間の焼結を行った後、
焼結体を容器より取り出した。取り出した焼結体の寸法
は直径118.5mm×高さ32.5mmであり、焼結による収縮率
を第1表に表す。前記焼結体を切断後、ダイヤモンド砥
石にて、研削加工して、寸法20mm×20mm×20mmの試験片
を採取後、Arガス雰囲気中で600℃×1.5時間の時効処理
を行い、得られた試験片の磁気特性及び密度を測定した
結果を表1に示す。

【００１９】実施例2 実施例1と同一組成の原料粉末2700gを実施例1と同一条
件にてMo製金属容器に充填して充填密度3.06g/cm³にし
た後、前記容器及び粉末上面にMo製蓋を載置した後、強
度2kOe、周波数5Hzの交流磁界を5秒間付加して、容器内
の粉末の密度を均一にした後、実施例1と同一条件のパ
ルス磁界、焼結、及び研削加工、時効処理を行い、得ら
れた試験片の収縮率、磁気特性、密度を表1に示す。

【００２０】実施例3 実施例1と同一組成の原料粉末2560gを実施例1と同一条
件にてMo製金属容器に充填して充填密度2.9g/cm³にした
後、前記容器及び粉末上面にMo製蓋を載置した後、強度
2kOe、周波数5Hzの交流磁界を5秒間付加して、容器内の
粉末の密度を均一にした後、実施例1と同一条件のパル
ス磁界、焼結、及び研削加工、時効処理を行い、得られ
た試験片の収縮率、磁気特性、密度を表1に示す。

【００２１】実施例4 実施例1と同一組成の原料粉末2915gを実施例1と同一条
件にてMo製金属容器に充填して充填密度3.3g/cm³にした
後、前記容器及び粉末上面にMo製蓋を載置した後、強度
2kOe、周波数5Hzの交流磁界を5秒間付加して、容器内の
粉末の密度を均一にした後、実施例1と同一条件のパル
ス磁界、焼結、及び研削加工、時効処理を行い、得られ
た試験片の収縮率、磁気特性、密度を表1に示す。

【００２２】比較例1 実施例1と同一の原料粉末を寸法30mm×40mmの金型に装
入後、15kOeの磁場中にて成形圧1.5T/cm²にて成形し
て、寸法30mm×40mm×30mm密度4.3g/cm³の成形体を得た
後、実施例1と同一の焼結条件にて焼結して、密度7.53g
/cm³の焼結体を得た。その時の収縮率を第1表に表す。
前記焼結体から、実施例1と同一条件にて研削加工して
同一寸法の試験片を採取後、実施例1と同一条件の時効
処理を行い、得られた試験片の磁気特性及び密度を表1
に示す。

【００２３】比較例2 実施例3と同一組成の原料粉末2210gを実施例1と同一条
件にてMo製金属容器に充填して充填密度2.5g/cm³にした
後、前記容器及び粉末上面にMo製蓋を載置した後、実施
例1と同一条件のパルス磁界、焼結を行って焼結体を得
たが、焼結体に割れが発生した。

【００２４】比較例3 実施例4と同一組成の原料粉末3270gを実施例1と同一条
件にてMo製金属容器に充填して充填密度3.7g/cm³にした
後、前記容器及び粉末上面にMo製蓋を載置した後、実施
例1と同一条件のパルス磁界、焼結、及び研削加工、時
効処理を行い、得られた試験片の収縮率、磁気特性、密
度を表1に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】この発明による製造方法は、実施例に明
らかなように、容器内に特定の充填密度に充填すること
により、圧縮成形なしでも圧縮成形した場合と同等以上
の焼結密度を得ており、また、圧縮成形しないため配向
性が向上し、得られた磁石材料の磁石特性が向上する効
果がある。また、この発明による製造方法は、多大の設
備費やランニングコストを要する大型のプレス機械など
を使用する圧縮成形工程を省略でき、磁石特性の低下な
どがなく、容易にFe-B-R系焼結磁石材料を製造でき、特
に、後続工程にて切削、研磨等の機械加工により所要形
状、寸法の製品を作製する直径あるいは1辺が50mm〜200
mmの大型磁石材料の製造に最適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 1/08 C22C 33/02 C22C 38/00 H01F 41/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】予定した焼結体形状を得るのに必要な重
量のＦｅ−Ｂ−Ｒ系磁石組成原料粉末を、焼結体重量／
所要の充填密度の値と同一値の容積以上を有する未反応
性金属容器内に前記原料粉末の充填密度が２．７ｇ／ｃ
ｍ³〜３．５ｇ／ｃｍ³となるように充填後、前記容器及
び前記粉末上面に蓋を載置して、前記粉末を磁界中にて
配向後、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中にて前記粉
末を焼結後、焼結体を金属容器より取り出して、時効処
理することを特徴とするＦｅ−Ｂ−Ｒ系磁石材料の製造
方法。
【請求項２】未反応性金属容器内の断面寸法が所要の
焼結体の断面寸法に収縮率を加味した値を有することを
特徴とする請求項１に記載のＦｅ−Ｂ−Ｒ系磁石材料の
製造方法。