JP3294841B2 - 希土類磁石およびその製造方法 - Google Patents

希土類磁石およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、希土類磁石および
その製造方法に関する。より詳細には、酸素含有量を低
減した希土類合金粉末から製造される高性能希土類焼結
磁石に関する。
【0002】
【従来の技術】R−Fe−B系希土類磁石(Rはイット
リウム(Y)および希土類元素からなる群から選択され
た少なくとも1種の元素)は、主にR2Fe14Bの正方
晶化合物からなる主相、Ndなどの希土類元素を多く含
むRリッチ相、およびB(ホウ素)を多く含むBリッチ
相から構成されている。R−Fe−B系希土類磁石で
は、主相であるR2Fe14Bの正方晶化合物の存在比率
を増加させれば、その磁気特性が向上する。
【0003】Rリッチ相は液相焼結させるために最低量
は必要であるが、Rは酸素とも反応し、R23なる酸化
物を作るため、Rの一部は焼結に役立たない部分に消費
されてしまう。このため、従来、酸化によって消費され
る分だけ余分のRが必要であった。R23なる酸化物の
生成は、酸素量が大きいほど顕著になる。そのため、こ
れまでにも粉末作製時における雰囲気ガス中の酸素量を
低減することにより、最終的に得られるR−Fe−B系
希土類磁石中のR相対量を少なくし、磁気特性を向上さ
せることが検討されてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように、R−Fe
−B系磁石の製造に用いるR−Fe−B系合金粉末の酸
素量は少ないことが好ましい。しかしながら、R−Fe
−B系合金粉末の酸素量を低減することによって磁石特
性を改善する方法は、量産化技術としては実現しなかっ
た。その理由は、酸素濃度を低く管理した環境下でR−
Fe−B系合金粉末を作製し、合金粉末の酸素量を重量
比で例えば4000ppm以下に低減させると、粉末が
大気中の酸素と激しく反応し、常温でも数分で発火する
おそれがあったためである。
【0005】水素粉砕法はボールミルなどの機械的な粉
砕方法に比べて生産効率が良いが、水素粉砕法によって
製造した磁石粉末を用いると、焼結条件によっては磁気
特性(特に保磁力)が変動しやすく、また、発火が生じ
やすいという問題がある。特に磁気特性の変動は、焼結
体の酸素量を重量比で4000ppm以下に抑え、しか
も、希土類元素量を比較的少なくした場合(例えば希土
類元素量が磁石全体の32質量%以下の場合)に顕著に
生じる。
【0006】以上のことから、磁気特性を向上させるた
めにはR−Fe−B系合金粉末中の酸素量を低減するこ
とが望ましいことが理解されていても、実際には、含有
酸素濃度を低くしたR−Fe−B系合金粉末を工場など
の生産現場で取り扱うことは極めて困難であった。
【0007】特に、粉末を圧縮成形するプレス工程にお
いては、圧縮に伴う粉末同士の摩擦熱や、成形体取り出
し時に粉末とキャビティ内壁面との間で生じる摩擦熱に
よって、成形体の温度が上昇するため、発火の危険性が
高い。この発火を防止する目的で、プレス装置の周辺を
非酸素雰囲気とすることも考えられるが、原料の供給や
成形体取り出しが困難となるため実用的でない。また、
成形体をプレス装置から取り出すごとに個々の成形体を
速やかに焼結すれば発火の問題は回避できるかもしれな
いが、それは極めて効率の悪い方法であり、量産化には
向いていない。焼結プロセスは4時間以上もかかるた
め、1回の焼結工程でたくさんの成形体を同時に処理す
ることが合理的である。また、プレスから焼結工程まで
の間、成形体を極低酸素濃度の雰囲気下で管理すること
も量産設備では困難である。
【0008】なお、プレス工程前の微粉末に対して脂肪
酸エステルなどの液体潤滑剤を添加し、粉末の圧縮性を
向上させることが行われている。このような液体潤滑剤
の添加によって、粉末粒子の表面は薄い油性被膜が形成
されるが、酸素濃度が4000ppm以下の粉末の酸化
を充分に防止することはできない。
【0009】以上の理由から、R−Fe−B系合金を粉
砕するとき、意図的に雰囲気中へ微量酸素を導入し、そ
れによって微粉砕粉の表面を薄く酸化し、反応性を低下
させることが行われている。例えば、特公平第6−67
28号公報には、所定量の酸素を含有した超音速不活性
ガス気流によって希土類合金を微粉砕するとともに、粉
砕によって生まれた微粉末の粒子表面に薄く酸化被膜を
形成するという技術が開示されている。この技術によれ
ば、大気中の酸素は粉末粒子表面の酸化被膜によって遮
断されるため、酸化による発熱・発火が防止できる。た
だし、粉末粒子の表面に酸化被膜が存在するため、粉末
に含有される酸素量は増大してしまうことになる。
【0010】これに対して、米国特許第5,489,3
43や特開平第10−321451号公報には、低酸素
量(例えば1500ppm)のR−Fe−B系合金粉末
を鉱物油等に混合し、スラリー化する技術が開示されて
いる。スラリー中の粉末粒子は大気と接触しないため、
R−Fe−B系合金粉末の含有酸素量を低くしながら、
発熱・発火を防止することができる。
【0011】しかしながら、上記従来技術によれば、ス
ラリー状のR−Fe−B系合金粉末をブレス装置のキャ
ビティ内に充填した後、油分を絞り出しながらプレス工
程を実行する必要があるため、生産性が低い。また、従
来の希土類磁石の製造方法によれば、焼結工程で結晶粒
が粗大化しやすいため、低酸素濃度の磁石粉末を用いた
場合でも磁石特性(保磁力)が充分に向上しないという
問題もあった。
【0012】本発明はかかる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その主な目的は、含有酸素量が低く、優れた磁
石特性を有する高性能希土類磁石およびその製造方法を
提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によるR−Fe−
B系希土類磁石の製造方法は、酸素含有量が重量比で5
0ppm以上4000ppm以下、窒素含有量が重量比
で150ppm以上1500ppm以下の希土類合金粉
末を用意し、前記希土類合金粉末を乾式プレス法によっ
て圧縮成形することによって成形体を作製するプレス工
程と、前記成形体の表面から油剤を前記成形体に含浸さ
せる工程と、前記成形体を焼結させる工程とを包含し、
前記焼結工程は700℃以上1000℃未満の温度範囲
に10分以上420分以下の時間だけ保持する第1工程
と、1000℃以上1200℃以下の温度範囲で焼結を
進行させる第2工程とを含み、焼結後の希土類磁石にお
けるR2Fe14B型化合物相の平均結晶粒径を3μm以
上9μm以下とする。なお焼結後の希土類磁石における
2Fe14B型化合物相の平均結晶粒径を3μm以上6
μm以下とすることが更に好ましい。
【0014】好ましい実施形態において、前記希土類合
金粉末を用意する工程は、酸素濃度が重量比で5000
ppm以下の度窒素雰囲気ガス中で原料合金を粉砕し、
粉末表面を窒化することを含む。このとき、高純度窒素
雰囲気ガスの酸素濃度は、重量比で2000ppm以下
であることが更に好ましい。
【0015】前記希土類合金粉末の平均粒径(「質量中
位粒径」)は1.5μm以上5.5μm以下にすること
が好ましい。本明細書において、粉末粒子の平均粒径は
いずれも、質量中位粒径を意味している。
【0016】前記油剤は揮発性を有する成分から構成さ
れていることが好ましい。
【0017】ある好ましい実施形態においては、前記含
浸工程の後、前記油剤の揮発によって、前記成形体の温
度を少なくとも一時的に低下させる。
【0018】ある好ましい実施形態において、前記油剤
は石油系溶剤などの炭化水素系溶剤から構成されてい
る。
【0019】前記プレス工程前において、前記希土類合
金粉末に潤滑剤が添加されることが好ましい。
【0020】前記成形体を焼結させる前に前記油剤を実
質的に除去する油剤除去工程を更に包含し、前記油剤除
去工程の後、前記焼結工程が終了するまで、前記成形体
を大気に接触させないことが好ましい。
【0021】本発明によるR−Fe−B系希土類磁石
は、平均結晶粒径が3μm以上9μm以下、含有酸素濃
度が重量比で50ppm以上4000ppm以下、含有
窒素濃度が重量比で150ppm以上1500ppm以
下であることを特徴とする。
【0022】本発明による他のR−Fe−B系希土類磁
石の製造方法は、R−Fe−B系希土類合金を水素吸蔵
法により脆化させ、粉砕し、それによって、酸素含有量
が重量比で50ppm以上4000ppm以下、窒素含
有量が重量比で150ppm以上1500ppm以下に
調節された希土類合金粉末を用意する工程と、前記希土
類合金粉末を圧縮成形することによって成形体を作製す
るプレス工程と、前記成形体を700℃以上1000℃
未満の温度範囲に10分以上420分以下の時間だけ保
持し、かつ、最終的な磁石に含有される水素量を重量比
で10ppm以上100ppm以下にするように水素を
成形体外へ放出させる工程と、前記成形体を1000℃
以上1200℃以下の温度範囲で焼結させる工程とをを
包含し、焼結後の希土類磁石の平均結晶粒径を3μm以
上13μm以下とすることを特徴とする。
【0023】本発明によるR−Fe−B系希土類磁石
は、含有酸素濃度が重量比で50ppm以上4000p
pm以下、含有窒素濃度が重量比で150ppm以上1
500ppm以下、含有水素量が重量比で10ppm以
上100ppm以下であることを特徴とする。
【0024】希土類元素の含有量は重量比で全体の32
%以下であることが好ましい。
【0025】平均結晶粒径は3μm以上13μm以下で
あることが好ましい。
【0026】前記R−Fe−B系希土類磁石は、急冷法
により製造された合金から作製されていることが好まし
い。
【0027】本発明による他のR−Fe−B系希土類磁
石は、含有酸素濃度が重量比で50ppm以上4000
ppm以下、含有水素量が重量比で10ppm以上10
0ppm以下であり、希土類元素の含有量が重量比で全
体の32%以下であることを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】本発明では、R−Fe−B系希土
類磁石中の酸素含有量を低減するため、希土類磁石粉末
中の酸素濃度を下げるともに、磁石粉末の活性な表面を
意図的に窒化し、それによって磁石粉末の表面に薄い保
護膜を形成する。このような窒素の添加は、大気による
磁石粉末の酸化を抑制することに寄与する。
【0029】さらに、本発明では、焼結プロセスを相対
的に低い温度と高い温度の2段階て実行することによ
り、焼結時の粒成長を抑制し、最終的に得られる焼結磁
石の平均結晶粒径を小さくしている。
【0030】このように酸素濃度の低い磁石粉末を用い
て焼結磁石を量産化しようとする場合、前述したよう
に、従来例によれば磁石粉末成形体の発熱・発火が大き
な支障となっていた。本発明では、このような成形体の
発熱・発火問題を解決するため、低酸素磁石粉末の表面
を窒化するとともに、粉末成形体に対して表面から有機
溶剤を含浸させる工程を行なう。有機溶剤は、希土類焼
結磁石にとって好ましくないと考えられている炭素やそ
の他の不純物を含むが、これらは焼結前の脱バインダ工
程で充分に除去され、最終的な磁石特性に悪影響をもた
らすことはない。特に、本発明では、粉末表面を窒化し
ているため、粉末表面の活性度が低減される結果、粉末
表面と大気中酸素との反応が抑制されるだけではなく、
粉末表面と有機溶剤との反応や結合も抑制されると考え
られる。このため、有機溶剤に含まれる炭素やその他の
不純物の多くは、焼結前に成形体から速やかに揮発・除
去され、有機溶剤による磁石特性の劣化を確実に回避す
ることができる。
【0031】以下、本発明の実施形態を説明する。
【0032】(実施形態1)本実施形態におけるR−F
e−B系希土類磁石は、その平均結晶粒径が3μm以上
9μm以下、含有酸素濃度が重量比で50ppm以上4
000ppm以下、含有窒素濃度が重量比で150pp
m以上1500ppm以下であることを特徴とする。こ
こで、「R−Fe−B系希土類磁石」とは、Feの一部
がCo等の金属で置換されたものや、B(ホウ素)の一
部がC(炭素)によって置換された希土類磁石を広く含
むものとする。R−Fe−B系希土類磁石は、正方晶構
造を有するR2Fe14B型化合物からなる主相の周りを
Rリッチ相やBリッチ相(粒界相)が取り囲む組織構造
を有している。このようなR−Fe−B系希土類磁石の
構造は、米国特許第5645651に開示されている。
【0033】以下、この希土類磁石を製造する方法につ
いて、好ましい実施形態を詳細に説明する。
【0034】まず、R(但しRはYを含む希土類元素の
うち、少なくとも1種):10原子%〜30原子%、
B:0.5原子%〜28原子%、残部:Fe、および不
可避的不純物を含有するR−Fe−B系合金の溶湯を作
製する。ただし、Feの1部をCo、Niの1種または
2種にて置換してもよいし、Bの一部をCで置換しても
良い。本発明によれば、酸素含有量を低減し、希土類元
素Rの酸化物生成を抑制できるため、希土類元素Rの量
を必要最小限度に低く抑えることが可能である。
【0035】次に、この合金溶湯をストリップキャスト
法などの急冷法によって102〜104℃/秒の冷却速度
で厚さ0.03mm〜10mmの薄板状に急冷凝固す
る。そして、Rリッチ相が5μm以下の微細なサイズで
分離した組織を有する鋳片に鋳造した後、鋳片を吸排気
可能な容器に収容する。容器内を真空引きした後、容器
内に圧力0.03MPa〜1.0MPaのH2ガスを供
給し、崩壊合金粉を形成する。この崩壊合金粉は、脱水
素処理後、不活性ガス気流中で微粉砕される。
【0036】本発明で使用する磁石材料の鋳片は、特定
組成の合金溶湯を単ロール法または双ロール法によるス
トリップキャスト法によって好適に製造される。作製す
る鋳片の板厚に応じて、単ロール法と双ロール法とを使
い分けることができる。鋳片が厚い場合は双ロール法を
用いることが好ましく、薄い場合は単ロール法を用いる
ことが好ましい。なお、急冷法による合金は粒度分布が
シャープであり、粒径をそろえることができるため、焼
結後の角形性も向上する。
【0037】鋳片の厚さが0.03mm未満になると急
冷効果が大きくなるため、結晶粒径が小さくなりすぎる
おそれがある。結晶粒径が小さすぎると、粉末化された
ときに粒子個々が多結晶化し、結晶方位を揃えられなく
なるため、磁気特性の劣化を招来する。逆に鋳片の厚さ
が10mmを超えると、冷却速度が遅くなるため、α−
Feが晶出しやすく、Ndリッチ相の偏在も生じる。
【0038】水素吸蔵処理は、例えば、次のようにして
行われ得る。すなわち、所定の大きさに破断した鋳片を
原料ケース内に挿入した後、原料ケースを密閉可能な水
素炉に挿入し、その水素炉を密閉する。次に、その水素
炉内を十分に真空引きした後、圧力が30kPa〜1.
0MPaの水素ガスを容器内に供給し、鋳片に水素を吸
蔵させる。水素吸蔵反応は発熱反応であるため、炉の外
周には冷却水を供給する冷却配管を周設して炉内の昇温
を防止することが好ましい。水素の吸収吸蔵によって鋳
片は自然崩壊して粉化する。
【0039】粉化した合金を冷却した後、真空中で加熱
して脱水素処理を行う。脱水素処理によって得られた合
金粉末の粒内には微細亀裂が存在するため、その後に行
うボール・ミル、ジェットミル等で短時間で微粉砕さ
れ、前述した粒度分布を持った合金粉末を作製すること
ができる。水素粉砕処理の好ましい態様については、特
開平7−18366号公報に開示されている。
【0040】上述の微粉砕は、窒素を含有し、酸素を実
質的に含まない不活性ガスを用いたジェット・ミル、ア
トライタ、振動ミルなどの乾式粉砕装置によって行うこ
とが好ましい。この不活性ガス中の酸素濃度は500p
pm以下に管理することが好ましく、不活性ガスとして
純度99.99%以上の高純度窒素ガスを用いることが
望ましい。このような高純度窒素ガスの雰囲気中で粉砕
工程を行なうことにより、酸素濃度が低く、表面が薄く
窒化された微粉砕粉が得られる。粉末の平均粒径(粉砕
粒度)は1.5μm以上5.5μm以下の範囲にあるこ
とが好ましく、2.5μm以上5.0μm以下の範囲に
あることが更に好ましい。
【0041】こうして作製された磁石粉末に対して脂肪
酸エステルなどを主成分とする液体潤滑剤を添加するこ
とが好ましい。添加量は、例えば0.15〜5.0質量
%である。脂肪酸エステルとしては、カプロン酸メチ
ル、カプリル酸メチル、ラウリン酸メチルなとが挙げら
れる。潤滑剤には結合剤などの成分が含まれていても良
い。重要な点は、後の工程で潤滑剤が揮発し、除去され
得ることにある。また、潤滑剤それ自体が合金粉末と均
一に混合しにくい固形状のものである場合は、溶剤で希
釈して用いれば良い。溶剤としては、イソパラフィンに
代表される石油系溶剤やナフテン系溶剤等を用いること
ができる。潤滑剤添加のタイミングは任意であり、微粉
砕前、微粉砕中、微粉砕後の何れであっても良い。液体
潤滑剤は、粉末粒子の表面を被覆し、粒子の酸化防止効
果を発揮するとともに、プレスに際して成形体の密度を
均一化し、配向の乱れを抑制する機能を発揮する。
【0042】次に、図1に示すようなプレス装置を用い
て、磁界配向と圧縮成形とを行う。図1の装置10は、
貫通穴を有するダイ1と、ダイ1の貫通穴を上下方向か
ら挟み込むパンチ2および3とを備えている。原料粉末
4は、ダイ1、下パンチ2、および上パンチ3によって
形成される空間(キャビティ)内に充填され、下パンチ
2と上パンチ3との間隔が減少することによって圧縮成
形される(プレス工程)。図1のプレス装置10は、磁
界配向を行うためにコイル5および7を備えている。
【0043】粉末4の充填密度は、磁界配向を可能に
し、かつ、磁界除去後に磁粉の配向に乱れが生じにくく
なる範囲内に設定される。本実施形態の場合、充填密度
を真密度の例えば30〜40%とすることが好ましい。
【0044】粉末充填後、粉末4が充填されている空間
に配向磁界を形成し、粉末4の磁界配向を実行する。磁
界の向きとプレス方向とを一致させる平行磁界成形の場
合だけではなく、磁界の向きとプレス方向とを垂直にす
る垂直磁界成形の場合でも効果を奏する。
【0045】成形体は、プレス装置10から取り出され
た後、速やかに有機溶剤などの油剤による含浸処理を受
ける。図2は含浸処理工程の様子を示す図面である。本
実施形態では、成形体20に含浸させる溶剤として、イ
ソパラフィンなどの飽和炭化水素系溶液を使用する。こ
の有機溶剤21を図2に示すような溶液槽22に入れ、
成形体20を溶液槽22内の有機溶剤21中に浸漬す
る。有機溶剤21は成形体20の表面から含浸し、成形
体20は飽和炭化水素系溶液によって覆われるため、成
形体20が大気中に酸素と直接接触することが抑制され
る。その結果、成形体20を大気中に放置しても、短時
間で発熱・発火するおそれは大きく減じられる。成形体
20を有機溶剤21中に浸す時間(浸漬時間)は0.5
秒以上であれば十分である。浸漬時間が長くなると、成
形体中に含まれる有機溶剤の量が増えるが、これによっ
て成形体が崩れるなどの問題は生じない。従って、焼結
工程を開始するまでの間、成形体を有機溶剤中に浸しつ
づけても良いし、また、含浸工程を複数回繰り返しても
良い。
【0046】含浸処理に用いる有機溶剤としては、成形
性や配向度の向上を目的として粉末に添加される液体潤
滑剤や、液体潤滑剤を希釈する有機溶剤を用いることが
できる。ただし、表面酸化防止機能を持つ有機溶剤であ
ることが必要であるため、イソパラフィンに代表される
石油系溶剤やナフテン系溶剤、カプロン酸メチル、カプ
リル酸メチル、ラウリン酸メチルなどの脂肪酸エステ
ル、高級アルコール、高級脂肪酸などが特に好ましいと
考えられる。
【0047】含浸処理の後、成形体20は、脱バインダ
ー工程、2段階焼結工程、時効処理工程などの製造プロ
セスを経て最終的に永久磁石製品となる。油剤成分に含
まれる炭素は、希土類磁石の磁気特性を劣化させるた
め、成形体20に含浸させる油剤は、脱バインダー工程
および焼結工程に際して成形体から離脱するものが選択
される。そのため、油剤が磁石特性に悪い影響を及ぼす
ことは無い。焼結前の脱バインダー工程などによって油
剤が揮発した後は、その成形体を大気に接触させること
なく、酸素濃度の低い環境下に置くことが必要である。
このため、脱バインダー工程や焼結工程を行う炉は連結
し、成形体が大気と直接に接触しないようにして炉間を
移動させることが好ましい。また、バッチ炉を用いて上
記処理を行なうことが更に望ましい。
【0048】本発明では、上述のように2段階焼結工程
を行ない、その結果、最終的に得られる焼結磁石中の結
晶粒径を3μm以上9μm以下の範囲、好ましくは3μ
m以上6μm以下の範囲内に制御することができる。従
来の焼結工程では、焼結時の粒成長によって結晶粒が粗
大化し、低酸素磁粉を用いても十分に保磁力を向上させ
ることが難しかったが、本発明で採用している焼結工程
によれば、低酸素磁粉末を用いることの効果を充分に発
揮させることができる。
【0049】図3は、焼結工程における温度プロファイ
ルを示している。図3において、参照符号「30」で示
されるプロファイルは、従来の焼結工程で採用されてい
るものであり、参照符号「32」で示されるプロファイ
ルは、本発明の焼結工程で採用されているものである。
【0050】本実施形態で用いる焼結工程では2段階の
熱処理を行なう。まず、第1段階では、相対的に低い温
度範囲(例えば750〜950℃)で相対的に長い時間
(例えば30〜360分)だけ保持し、その後、第2段
階に進む。第2段階では、相対的に高い温度範囲(例え
ば1000〜1100℃)で相対的に短い時間(例えば
30〜240分)だけ保持する。
【0051】希土類合金による水素吸蔵・放出現象を利
用した水素粉砕処理時に、主相であるR2Fe14B相に
残存していた水素は、焼結工程前に実行される約500
℃の脱バインダ工程によって放出される。しかし、水素
粉砕処理時にRリッチ相等に含まれる希土類元素と水素
とが結合することによって形成された希土類水素化合物
(RHx)は、500℃程度ではメタル化しない(水素
放出して金属状態にならない。しかし、本発明の焼結工
程によれば、第1段階で希土類水素化合物(RHx)は
水素を放出し、メタル化する。すなわち、700℃以上
の温度で行う第1段階の熱処理で、RHx→R+(x/
2)H2↑の化学反応式で示される反応が生じる結果、
第2段階の熱処理では粒界のRリッチ相が速やかに液相
となり、焼結反応が速やかに進行する。この結果、短時
間で焼結工程が完了し、結晶粒の粗大化が抑制されるた
め、保磁力が向上するとともに、焼結密度も向上する。
【0052】本発明者の実験によると、焼結磁石におけ
る結晶粒径の違いに起因する保磁力の変化は、含有酸素
量が少ない場合に顕著である。含有酸素量が例えば70
00質量ppmの場合、結晶粒径が3〜6μm程度であ
っても、12〜15μm程度であっても、両者の保磁力
に10%の開きも生じなかったが、含有酸素量が300
0質量ppm以下になると、平均結晶粒径が9μm以下
の磁石と9μmを超える磁石とでは保磁力に約10%以
上の差が発生した。
【0053】本実施形態では、原料合金をストリップキ
ャスト法によって作製する例を説明したが、他の方法
(例えばインゴット法、直接還元法、アトマイズ法、遠
心鋳造法)によってもよい。
【0054】<実施例1>まず、Nd+Pr(30.0
質量%)−Dy(1.0質量%)−B(1.0質量%)
−Fe(残部)の組成を有する合金の溶湯を高周波溶解
炉によって作製した後、水冷ロール式のストリップキャ
スティング法によって上記溶湯を冷却し、厚さ0.5m
m程度の薄板状鋳片(フレーク状合金)を作製した。こ
のフレーク状合金の含有酸素濃度は150質量ppmだ
った。
【0055】次に、フレーク状合金を水素炉内に収容し
た。その炉内を真空引きした後、水素脆化を行うために
炉内に水素ガスを2時間供給した。炉内の水素分圧は2
00kPaとした。フレークが水素吸蔵による自然崩壊
を起こした後、加熱しながら真空引きし、脱水素処理を
施した。そして炉内にアルゴンガスを導入し、室温まで
冷却した。合金温度が20℃まで冷却された時点で水素
炉から取り出した。この段階で、合金の酸素含有量は1
000質量ppmだった。
【0056】その後、酸素濃度が200質量ppm以下
に制御された窒素ガス雰囲気によって粉砕室を満たした
ジェットミルにより、上記合金の粉砕を行い、種々の酸
素濃度値を示す磁石粉末を作製した。また、粉砕時間な
どの粉砕条件を調節することによって、磁石粉末の平均
粒径(粉砕粒度)を1.5〜7.5μmの範囲で変化さ
せ、平均粒径の異なる種々の粉末を作製した。また、粉
砕に際して、窒素雰囲気中に含まれる酸素の量を制御
し、粉末の含有酸素量を最大7000質量ppm程度ま
で変化させた。こうして得られた粉末の窒素濃度は、1
00〜900質量ppmの範囲内にあった。
【0057】この後、ロッキングミキサを用いて上記粉
砕粉に対して0.5質量%の液体潤滑剤を添加した。こ
の潤滑剤はカプロン酸メチルを主成分とするものであっ
た。そして、図1に示す装置を用い、乾式プレス法によ
って上記粉末から成形体を作製した。ここでいう「乾
式」とは、本実施例のように粉末が比較的少量の潤滑剤
(油剤)を含有する場合をも広く包含し、油剤を搾り出
す工程が不要なものを言う。成形体のサイズは30mm
×50mm×30mm、密度は4.2〜4.4g/cm
3)だった。
【0058】次に、成形体の表面から油剤を成形体に含
浸させるための工程を行った。油剤としてはイソパラフ
ィンを用いた。この油剤に成形体の全体を10秒間浸漬
した。液剤から取り出した成形体を室温の大気中に放置
し、成形体の温度を測定した。成形体中の希土類元素が
酸化すると、発熱が生じるため、成形体温度によって酸
化の進行程度を評価することが可能である。
【0059】含浸処理直後における成形体温度は40℃
以下であり、600秒経過後においても50℃を下回っ
たままであった。成形体温度の上昇は約2000秒経過
後に停止した。酸素濃度の最も低い粉末を用いて作製し
た成形体でも、その温度の最高値は70℃程度に過ぎ
ず、成形体を大気雰囲気中に長時間放置したとしても発
火のおそれは無かった。また、含浸処理後に成形体温度
が一時的に(2〜3分間程度)低下する現象が観察され
た。これは、成形体表面から油剤が揮発し、気化熱によ
り成形体が冷却されたためである。
【0060】成形体に対して油剤による含浸工程を行わ
なかった場合(比較例)、酸素濃度が約2000質量p
pm以下に調節された成形体では、プレス装置から成形
体を取り出して約2分経過後に大気中で発火した。ま
た、酸素濃度が3000質量ppm程度の場合、プレス
直後から成形体温度は上昇し続け、600秒経過前に9
0℃にも達したため、発火の危険が生じた。酸化によっ
て発生した熱は周囲の粉末の酸化を促進するため、いっ
たん酸化が始まり出すと成形体の温度は急激に増加し、
発火の危険性が著しく高まる。このような成形体は、酸
素濃度を比較的に低くした雰囲気ガスのケース内に収納
した場合でも、ケース内で徐々に酸化されつづけ、成形
体の内部で熱を蓄積してゆくと考えられる。そのため、
やがては急激に発熱し、発火に至る危険性がある。
【0061】油剤で表面が覆われた状態の成形体に対
し、250℃で2時間の脱バインダ工程を行った後、下
記の表1に示す条件で焼結工程を行なった。表1には、
異なる4種類の試料(1〜4)の各々につき、焼結前に
おける粉末の粒度(粉砕粒度)および焼結後における平
均結晶粒径を示している。なお、粉砕粒度はHe−Ne
レーザ回折式粒度分布測定装置(例えばSYMPATE
C社製HELOS&RODOSタイプ)によって測定し
たメディアン径とし、平均結晶粒径はJIS H050
1に規定された切断法により測定した。
【0062】
【表1】
【0063】上記条件のもとで作製した焼結磁石につい
て、種々の磁気特性を測定した。下記の表2は、成形に
用いた粉末の酸素濃度に依存して磁気特性がどのように
変化するかを示している。
【0064】
【表2】
【0065】図4は、表2のデータに基づいて作製した
グラフを示している。グラフの縦軸は保磁力(kA/
m)を示し、横軸は酸素含有量(ppm:重量比)を示
している。酸素含有量は焼結後の磁石に含まれていた酸
素の濃度である。酸素含有量は非分散赤外検出法により
測定され、窒素含有量は熱伝導度検出法により測定され
た。酸素含有量および窒素含有量は堀場製作所製の測定
装置(EMGA−550)を用いて測定した。
【0066】表2および図4のグラフから明らかなよう
に、焼結後の結晶粒径が小さく、酸素濃度が低いほど、
高い保磁力が得られた。酸素濃度が高い場合(例えば7
000質量ppmの場合)、結晶粒径の大小によらず、
保磁力は低い。これに対し、酸素濃度が低い場合は、保
磁力の結晶粒径依存性が顕著である。
【0067】また、粉砕粒度が3.5〜5.5μmの範
囲内にあっても、2段階焼結を行なわなかった場合、結
晶粒の粗大化が進行し、酸素濃度を低く抑制したことに
よる保磁力増加の効果が充分に発揮されなかった。
【0068】以上のことから、低酸素濃度の磁石粉末を
用いて焼結磁石を作製する場合は特に、2段階焼結プロ
セスを用いて結晶粒径を小さくすることが好ましい。酸
素濃度が例えば1000質量ppm以上4000質量p
pm以下の場合、焼結磁石の平均結晶粒径の範囲は3μ
m以上9μm以下とすることが好ましい。
【0069】なお、例えばHeやアルゴンの雰囲気中で
微粉砕を行なうことにより、粉末表面の窒化を行なわな
かった場合、粉末粒子表面に窒化層が形成されないた
め、酸化しやすく、工程中での発火や、磁気特性の劣化
が生じた。逆に、粉末粒子表面の窒化が進行し過ぎる
と、焼結プロセスが進行しにくくなり、磁気特性が劣化
するという不都合が生じた。このため、磁石粉末中の窒
素濃度は150質量ppm以上1500質量ppm以下
の範囲に制御することが好ましく、200質量ppm以
上700質量ppm以下の範囲に制御することが更に好
ましい。
【0070】なお、成形体の表面に油剤を含浸させる方
法としては、本実施例の方法に代えて、スプレィ法や刷
毛塗り法などを採用しても同様の効果が発揮される。
【0071】また、本発明で用いる希土類磁石の原料組
成も上記実施例の組成に限定されないことは言うまでも
無く、大気中での酸化反応によって発熱・発火の危険が
ある低酸素濃度希土類合金の粉末に対して本発明は広く
適用可能である。
【0072】(実施形態2)次に、本発明の第2の実施
形態を説明する。
【0073】前述した実施形態のように、酸素含有量を
抑制し、高性能化を図ったR−Fe−B系希土類磁石
は、高い保磁力を維持したまま、残留磁束密度Brを上
昇させることができる。ただし、上述の第1実施形態で
は、焼結条件によって磁石特性が劣化(特に保磁力が低
下)したり、十分な焼結密度が得られない場合がある。
この問題は希土類元素の量が少ない場合、例えば32質
量%以下の場合に顕著になる。希土類焼結磁石の量産化
のためには、磁石中に希土類元素量を29質量%以上の
範囲にすることが好ましい。さら、残留磁束密度Br
保磁力HcJを考慮すると、29.5〜32質量%の範囲
にすることが好ましい。故に、量産化のためには、上記
の問題を解決する必要がある。本発明者は、その原因を
詳細に検討した結果、700℃以上1000℃未満の範
囲で行う熱処理(2段階焼結の第1段階)を行っても、
その温度や時間によっては、吸蔵水素の離脱が充分に行
われず、水素が成形体に残存する結果、磁石特性が変動
または劣化することを見出した。これは、焼結に伴う収
縮が成形体の外側から進行し、成形体内部の水素ガスが
外部へ抜けにくくなるために生じると考えられる。
【0074】そこで、本実施形態では、高い保磁力を再
現性良く実現するため、2段階焼結の最初の段階で、充
分に多くの水素を成形体外へ放出させ、最終的な磁石中
に含まれる水素量を重量比で100ppm以下に調節し
ている。こうすることにより、優れた磁気特性をもつ焼
結磁石を安定して得ることが可能になる。
【0075】こうして得られる本実施形態のR−Fe−
B系希土類磁石は、含有酸素濃度が重量比で50ppm
以上4000ppm以下、含有窒素濃度が重量比で15
0ppm以上1500ppm以下に調節されているだけ
ではなく、更に、含有水素量が重量比で10ppm以上
100ppm以下に調節されている。含有水素量は少な
いほど好ましいが、成形体から水素を離脱させるため
に、700℃以上1000℃以下の熱処理を長時間実行
すると、遅いながらも粒成長が進行してしまうため、好
ましくない。このため、含有水素量の重量比の下限10
ppmに設定している。優れた磁気特性を得るという観
点から、含有水素量の更に好ましい範囲は、80ppm
以下である。
【0076】水素粉砕法を用いて作製された粉末を用い
て、しかも、上記範囲内に水素含有量を調節するには、
2段階焼結工程の第1工程の条件に留意する必要があ
る。第1工程は、700℃以上1000℃以下の温度で
実行するが、温度および熱処理時間の組み合わせが不適
切であると、焼結磁石中に含有され水素量が上記の範囲
を逸脱してしまう。成形体からの水素放出は、800℃
以上950℃以下の温度で最も効果的に進行する。この
ため、例えば、温度は900℃に保持し、その保持時間
を変化させることにより、水素放出量を変化させること
ができる。第1工程を900℃で保持する場合、含有水
素量(重量比)を100ppm以下にするには、保持時
間を30分以上に調節することが好ましい。
【0077】なお、平均結晶粒径は、高い保磁力を実現
するため、3μm以上13μm以下に調節されているこ
とが好ましく、3μm以上9μm以下であることが更に
好ましい。
【0078】以下、本実施形態に係る磁石の実施例を説
明する。
【0079】<実施例2>まず、実施例1と同様にし
て、Nd+Pr(30.0質量%)−Dy(1.0質量
%)−B(1.0質量%)−Fe(残部)の組成を有す
る合金の溶湯を高周波溶解炉によって作製した後、水冷
ロール式のストリップキャスティング法によって上記溶
湯を冷却し、厚さ0.5mm程度の薄板状鋳片(フレー
ク状合金)を作製した。このフレーク状合金の含有酸素
濃度は150質量ppmだった。
【0080】次に、フレーク状合金を水素炉内に収容し
た。その炉内を真空引きした後、水素脆化を行うために
炉内に水素ガスを2時間供給した。炉内の水素分圧は2
00kPaとした。フレークが水素吸蔵による自然崩壊
を起こした後、加熱しながら真空引きし、脱水素処理を
施した。そして炉内にアルゴンガスを導入し、室温まで
冷却した。合金温度が20℃まで冷却された時点で水素
炉から取り出した。この段階で、合金の酸素含有量は1
000質量ppmだった。
【0081】その後、酸素濃度が200質量ppm以下
に制御された窒素ガス雰囲気によって粉砕室を満たした
ジェットミルにより、上記合金の微粉砕を行い、磁石粉
末の平均粒径(粉砕粒度)が3.5〜5.5μmの粉末
を作製した。この微粉砕に際しては、窒素雰囲気中に含
まれる酸素の量を制御し、粉末の含有酸素量を2200
〜2300質量ppmに調節した。粉末の窒素濃度は、
200〜400質量ppmの範囲内にあった。
【0082】この後、ロッキングミキサを用いて上記粉
砕粉に対して0.5質量%の液体潤滑剤を添加した。こ
の潤滑剤はカプロン酸メチルを主成分とするものであっ
た。そして金型プレス法により、0.8MA/mの配向
磁界の下で上記粉末を圧縮し、成形体を作製した。成形
体のサイズは30mm×50mm×30mm、密度は
4.2〜4.4g/cm3)だった。
【0083】次に、実施例1と同様に、成形体の表面か
ら油剤を成形体に含浸させるための工程を行った。その
後、成形体に対し、250℃で2時間の脱バインダ工程
を行った後、下記の表3に示す条件で焼結工程を行なっ
た。
【0084】
【表3】
【0085】焼結は、2.5kPa程度の減圧Arガス
雰囲気において、表3に示す焼結を行った。希土類水素
化物が水素を放出するピークは、800〜900℃付近
である。上記条件のもとで作製した焼結磁石について、
酸素量、窒素量、水素量、焼結密度磁気特性を測定し
た。その結果を下記の表4に示す。
【0086】
【表4】
【0087】このように、試料No.5〜7では含有水
素量が10〜100ppm(重量比)の範囲内に調節さ
れたが、それ以外の試料では含有水素量が多くなりすぎ
た。含有水素量としては、10〜100ppmの範囲が
好ましく、更に85ppm以下に制御すれば優れた保磁
力を得ることができる。なお、試料No.8および9で
は、800〜900℃の温度範囲で成形体を保持する工
程を行わず、1050℃以上での焼結を実行したが、成
形体の外側に含まれる水素の一部は昇温過程で成形体か
ら離脱したものと考えられる。
【0088】このように本実施形態では、本格的な焼結
を行う前(粒界相が液相化する前)に、粒界相に含まれ
る希土類水素化合物(RHx)を充分に分解することが
できるため、焼結密度が向上し、磁気特性が優れたもの
となる。本実施形態にかかる磁石中においては、従来に
比べ、水素濃度が低減されている。
【0089】なお、上記の各実施形態では、いずれも、
乾式プレス法を用いているが、米国特許第5,489,
343に開示されているような湿式プレス法を用いて本
発明を実施してもよい。本発明によれば、プレス方法の
種類によらず、水素濃度低減による効果が得られるた
め、磁気特性が向上する。また、湿式プレスを用いて成
形体を作製する場合は、プレス後に成形体を油剤に含浸
する工程を省略しても良い。
【0090】また、上記実施形態では、微粉砕工程を窒
素雰囲気中で行っているが、窒素に代えて、あるいは窒
素に加えて、アルゴンやヘリウムを用いてもよい。窒素
ガスを用いて微粉砕を行わない場合、粉末粒子表面の窒
化は行われないが、酸素濃度および水素濃度の制御によ
る効果が得られる。
【0091】
【発明の効果】本発明によれば、相対的に低い温度と高
い温度に分けて焼結工程を実行するため、結晶粒粗大化
が抑制されるとともに含有水素量が低減され、酸素濃度
低減による保磁力増大の効果を充分に発揮させることが
可能になる。また、本発明によれば、成形体の表面から
油剤を含浸させるため、磁石粉末の酸素含有量を低減し
ながらも、粉末成形体の酸化を抑制することができる。
このため、発熱・発火の危険性を低減し、安全かつ実用
的に磁石の主相量を増加させることができるので、希土
類磁石の磁石特性を大いに向上させることが可能にな
る。
【0092】また、本発明によれば、原料粉末粒子の表
面が適度に窒化されているため、磁石粉末の酸素含有量
が低減されているにもかかわらず、粉末表面の酸化が抑
制され、その結果、磁石の主相量が増加し、磁石特性が
向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁性粉末の成形に用いられるプレス装置の概略
構成を示す断面図である。
【図2】含浸工程を示す図である。
【図3】焼結工程の温度プロファイルを示す図であり、
従来の焼結工程に関するプロファイル30、および本発
明の焼結工程に関するプロファイル32を示している。
【図4】表2のデータを示すグラフであり、縦軸は保磁
力を示し、横軸は含有酸素濃度を示している。
【符号の説明】
1 ダイ 2 下パンチ 3 上パンチ 4 原料粉末 5 コイル 7 コイル 10 プレス装置 20 成形体 21 有機溶剤 22 溶液槽
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C22C 38/00 303 C22C 38/00 303D H01F 1/06 H01F 1/06 A (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 41/02 B22F 3/00 B22F 9/04 C22C 33/02 C22C 38/00 303 H01F 1/06

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素含有量が重量比で50ppm以上4
    000ppm以下、窒素含有量が重量比で150ppm
    以上1500ppm以下の希土類合金粉末を用意し、前
    記希土類合金粉末を乾式プレス法によって圧縮成形する
    ことによって成形体を作製するプレス工程と、 前記成形体の表面から油剤を前記成形体に含浸させる工
    程と、 前記成形体を焼結させる工程と、 を包含し、 前記焼結工程は、 700℃以上1000℃未満の温度範囲に10分以上4
    20分以下の時間だけ保持する第1工程と、 1000℃以上1200℃以下の温度範囲で焼結を進行
    させる第2工程とを含み、 焼結後の希土類磁石の平均結晶粒径を3μm以上9μm以
    下とするR−Fe−B系希土類磁石の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記希土類合金粉末を用意する工程は、 酸素濃度が重量比で10000ppm以下の窒素雰囲気
    ガス中で原料合金を粉砕し、粉末表面を窒化することを
    含む請求項1に記載のR−Fe−B系希土類磁石の製造
    方法。
  3. 【請求項3】 前記希土類合金粉末の平均粒径を1.5
    μm以上5.5μm以下とする請求項1または2に記載
    のR−Fe−B系希土類磁石の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記油剤は揮発性を有する成分から構成
    されている請求項1から3のいずれかに記載のR−Fe
    −B系希土類磁石の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記含浸工程の後、前記油剤の揮発によ
    って、前記成形体の温度を少なくとも一時的に低下させ
    る請求項4に記載のR−Fe−B系希土類磁石の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 前記油剤は、炭化水素系溶剤から構成さ
    れている請求項1から5のいずれかに記載のR−Fe−
    B系希土類磁石の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記プレス工程前において、前記希土類
    合金粉末に潤滑剤が添加される請求項1から6のいずれ
    かに記載のR−Fe−B系希土類磁石の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記成形体を焼結させる前に前記油剤を
    実質的に除去する油剤除去工程を更に包含し、 前記油剤除去工程の後、前記焼結工程が終了するまで、
    前記成形体を大気に接触させない請求項1から7のいず
    れかに記載のR−Fe−B系希土類磁石の製造方法。
  9. 【請求項9】 R−Fe−B系希土類合金を水素吸蔵法
    により脆化させ、粉砕し、それによって、酸素含有量が
    重量比で50ppm以上4000ppm以下、窒素含有
    量が重量比で150ppm以上1500ppm以下に調
    節された希土類合金粉末を用意する工程と、 前記希土類合金粉末を圧縮成形することによって成形体
    を作製するプレス工程と、 前記成形体を700℃以上1000℃未満の温度範囲に
    10分以上420分以下の時間だけ保持し、かつ、最終
    的な磁石に含有される水素量を重量比で10ppm以上
    100ppm以下にするように水素を成形体外へ放出さ
    せる工程と、前記成形体を1000℃以上1200℃以
    下の温度範囲で焼結させる工程とを包含し、 焼結後の希土類磁石の平均結晶粒径を3μm以上13μ
    m以下とし、含有水素量を重量比で10ppm以上10
    0ppm以下とするR−Fe−B系希土類磁石の製造方
    法。
  10. 【請求項10】 含有酸素濃度が重量比で50ppm以
    上4000ppm以下、 含有窒素濃度が重量比で150ppm以上1500pp
    m以下、 含有水素量が重量比で10ppm以上100ppm以下であり、R−Fe−B系希土類合金を水素吸蔵法によっ
    て脆化させた材料から作製されていることを特徴とする
    R−Fe−B系希土類磁石。
  11. 【請求項11】 平均結晶粒径が3μm以上13μm以
    下である請求項10に記載のR−Fe−B系希土類磁
    石。
  12. 【請求項12】 希土類元素の含有量が重量比で全体の
    32%以下である請求項10に記載のR−Fe−B系希
    土類磁石。
  13. 【請求項13】 含有酸素濃度が重量比で50ppm以
    上4000ppm以下、 含有水素量が重量比で10ppm以上100ppm以
    下、 希土類元素の含有量が重量比で全体の32%以下であり、R−Fe−B系希土類合金を水素吸蔵法によっ
    て脆化させた材料から作製されていることを特徴とする
    R−Fe−B系希土類磁石。
  14. 【請求項14】 希土類水素化合物(RH x )を含む請
    求項10から13のいずれかに記載のR−Fe−B系希
    土類磁石。
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