JP3645925B2

JP3645925B2 - 永久磁石と異材種部材との接合体および接合方法

Info

Publication number: JP3645925B2
Application number: JP27702794A
Authority: JP
Inventors: 光矢細江; 直正木村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JPH08116633A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は永久磁石と異材種部材とを接合層を介して接合した接合体、および永久磁石と異材種部材とを接合する接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
希土類元素を含む永久磁石は、非常に脆いため機械加工性が悪く、また高温下に曝されると金属組織が変化するためそれに伴い磁気特性が低下する、といった性質を有する。
【０００３】
そのため、例えば永久磁石とモータの金属製ロータとの接合体においては、それらの接合に当り、あり差し構造、ねじ止め、溶接等の接合手段を採用することができないので、従来は接着剤が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接着剤を用いると、永久磁石の濡れ性が悪いため接合体の接着強度が低く、また温度上昇に伴いその接着強度が著しく低下する、といった問題を生ずる。このような状況下ではモータの高速回転化の要請に到底対応することはできない。
【０００５】
本発明は前記に鑑み、永久磁石と異材種部材との接合強度の高い前記接合体、および永久磁石と異材種部材との接合強度を高めることが可能な前記接合方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、希土類元素を含む永久磁石と、異材種部材と、それらを接合すべく加熱工程を経て形成された接合層とを有する接合体であって、前記接合層は、その接合層の全体が前記加熱工程で液相を生じる希土類元素系合金よりなり、且つ平均厚さｔ₁が１μｍ≦ｔ₁≦２０００μｍであることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、永久磁石と異材種部材とを接合するに当り、前記永久磁石と異材種部材との間に、希土類元素系合金よりなる接合材を介在させ、次いでその接合材をそれの液相発生温度Ｔ以上に加熱することを特徴とする。
【０００８】
【作用】
希土類元素を含む永久磁石は接着剤やろう材に対して非常に濡れ性が悪いものであるが、本発明に係る接合層を構成する希土類元素系合金において、その合金より生じた液相は高活性であるから永久磁石および異材種部材に対して優れた濡れ性を発揮する。このような接合層の厚さｔ₁を前記のように設定することによって接合強度の高い接合体を提供することができる。この場合、希土類元素系合金の液相発生温度を比較的低くし得るので、加熱接合時における永久磁石および異材種部材の特性変化を回避することが可能である。
【０００９】
ただし、接合層の平均厚さｔ₁がｔ₁＜１μｍでは、永久磁石に熱応力に起因した割れが発生し易くなるため接合体の接合強度が低下し、一方、ｔ₁＞２０００μｍでは接合体の接合強度が接合層のそれに依存することになるので、前記同様に接合体の接合強度が低下する。
【００１０】
前記接合方法によれば、前記のような接合材を用いることによって、永久磁石と異材種部材との接合強度を高めることが可能である。
【００１１】
【実施例】
図１において、接合体１は、永久磁石２と、異材種部材３と、それら２，３を接合すべく加熱工程を経て形成された接合層４とを有する。
【００１２】
接合層４は、加熱工程で液相を生じる希土類元素系合金よりなり、且つ平均厚さｔ₁が１μｍ≦ｔ₁≦２０００μｍである。
【００１３】
接合層４を構成する希土類元素系合金において、その合金より生じた液相は高活性であるから、永久磁石２および異材種部材３に対して優れた濡れ性を発揮する。このような接合層４の厚さｔ₁を前記のように設定することによって接合強度の高い接合体１を提供することができる。この場合、希土類元素系合金の液相発生温度を比較的低くし得るので、加熱接合時における永久磁石２および異材種部材３の特性変化を回避することが可能である。
【００１４】
接合層４の平均厚さｔ₁は、好ましくは３０μｍ≦ｔ₁≦２００μｍであり、このように平均厚さｔ₁を設定すると、永久磁石２と異材種部材３との接合強度は最高となる。
【００１５】
希土類元素系合金は、基本的には主成分である希土類元素と、その希土類元素と共晶反応を行う合金元素ＡＥとから構成される。希土類元素は、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選択される少なくとも一種である。また合金元素ＡＥは、Ａｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＣｄおよびＩｎから選択される少なくとも一種である。その合金元素ＡＥの含有量は５原子％≦ＡＥ≦５０原子％に設定される。
【００１６】
ただし、合金元素ＡＥの含有量がＡＥ＜５原子％であるか、またはＡＥ＞５０原子％であると、固液共存状態における液相の体積分率Ｖｆが低くなるため接合強度が低下する。このことから、合金元素ＡＥの含有量は、希土類元素との関係において共晶組成またはそれに近い組成となるように設定するのが望ましい。
【００１７】
なお、二種以上の合金元素ＡＥを含有する場合には、それらの合計含有量が５原子％≦ＡＥ≦５０原子％となる。
【００１８】
希土類元素系合金を例示すれば表１の通りである。
【００１９】
【表１】

永久磁石２と異材種部材３との接合に当っては、両者２，３を、前記希土類系合金よりなる薄板状接合材を介して重ね合せ、次いでその重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱下で接合材を液相状態または固液共存状態にし、その後炉冷する、といった方法が採用される。
【００２０】
この場合、加熱温度Ｔは接合材の組成によって異なるが、前記組成の各種希土類元素系合金は比較的低い温度で液相状態または固液共存状態となるので永久磁石２および異材種部材３の特性を変化させるようなことはない。
【００２１】
また希土類元素を主成分とする接合材より生じた液相は高活性であって、例えば希土類元素を含む永久磁石２（接着剤やろう材に対して非常に濡れ性が悪い）および異材種部材３、例えば鋼製部材に対して優れた濡れ性を発揮する。このような接合材を用いることによって両者２，３を強固に接合することができる。加熱時間ｈは、それが長過ぎる場合には永久磁石２および異材種部材３の特性変化を招来するので、ｈ≦１０時間であることが望ましく、生産性向上の観点からはｈ≦１時間である。
【００２２】
〔実施例１〕
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、共晶組成を有するＮｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金が得られるように秤量し、次いでその秤量物を真空溶解炉を用いて溶解し、その後、縦１０mm、横１０mm、長さ５０mmのインゴットを鋳造した。このインゴットにマイクロカッタによる切断加工を施して、Ｎｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ５００μｍの薄板状接合材を得た。図２はＣｕ−Ｎｄ系状態図の要部を示し、共晶点は５２０℃である。
【００２３】
永久磁石として、縦１０mm、横１０mm、厚さ３mmのＮｄＦｅＢ系永久磁石（住友特殊金属社製、商品名ＮＥＯＭＡＸ−２８ＵＨ）２を選定し、また異材種部材として、炭素鋼（ＪＩＳＳ２５Ｃ）よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、長さ１５mmの短柱体３を選定した。
【００２４】
図３に示すように、１つの短柱体３の上に１つの接合材５を、また接合材５の上に永久磁石２を、さらに永久磁石２の上にもう１つの接合材５を、さらにまた接合材５の上にもう１つの短柱体３をそれぞれ重ね合せて重ね合せ物を作製し、同様の手順で合計２０個の重ね合せ物を作製した。次いで、これら重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝５３０℃、加熱時間ｈ＝０．５時間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなる接合処理を行って、図４に示すように２つの短柱体３により永久磁石２を挟むようにそれら２，３を接合材５より形成された接合層４を介して接合した２０個の接合体１を得た。この接合処理においては、加熱温度ＴがＴ＝５３０℃であって、図２に示す共晶点５２０℃を超えているので、接合材５は共晶組成を有することから液相状態となる。この場合、接合層４の平均厚さｔ₁はｔ₁＝２００μｍであった。
【００２５】
比較のため、前記同様の永久磁石２と前記同様の２つの短柱体３とをエポキシ樹脂系接着剤（日本チバガイギ社製、商品名アラルダイト）を介し重ね合せて前記同様の重ね合せ物を作製し、同様の手順で合計２０個の重ね合せ物を作製した。次いで、これら重ね合せ物を乾燥炉内に設置して、加熱温度２００℃、加熱時間６０分間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなる接合処理を行って、２つの短柱体３と永久磁石２とをエポキシ樹脂系接着剤を介して接合した前記同様の２０個の接合体を得た。
【００２６】
接合材５を用いた各接合体１から引張り試験用試験片Ａを作製し、またエポキシ樹脂系接着剤を用いた各接合体から同様の引張り試験用試験片Ｂを作製した。次いで、各１０個の試験片Ａ，Ｂについて室温下で引張り試験を行い、また残りの各１０個の試験片Ａ，Ｂについて１５０℃の加熱下で引張り試験を行ったところ、表２の結果を得た。
【００２７】
【表２】

表２から明らかなように、接合材５を用いた試験片Ａは、室温下および１５０℃の加熱下において、エポキシ樹脂系接着剤を用いた試験片Ｂに比べて接合強度が高く、その接合強度は両環境下において殆ど変わらず、またそのばらつきも小さい。試験片Ｂは室温下における接合強度が低い上にそのばらつきが大きく、また１５０℃の加熱下ではその接合強度が室温下のそれの３分の１に低下する。
【００２８】
図５はＮｄＦｅＢ系永久磁石２における加熱温度ＴとＨｋとの関係を示す。ここでＨｋとは残留磁束密度Ｂｒが１０％低下したときの磁場Ｈを意味し、保磁力_IＨ_C（磁化の強さＩ＝０）の目安となる値である。図５から明らかなように、接合処理時の加熱温度ＴがＴ＞６５０℃になると、Ｈｋ、したがって保磁力_IＨ_Cが低下傾向となる。ただし、残留磁束密度Ｂｒおよび保磁力_BＨ_C（磁束密度Ｂ＝０）は殆ど変わらず、したがって図６に示すように最大磁気エネルギ積（ＢＨ）ｍａｘは略一定である。前記接合材５を用いた接合処理において、その加熱温度ＴはＴ＝５３０℃であってＴ≦６５０℃であるから、永久磁石２の磁気特性を変化させるようなことはない。
【００２９】
また前記永久磁石２の濡れ性の悪さは、その結晶粒界に希土類元素濃度、この実施例ではＮｄ濃度の高い相が存在していることに起因する。前記接合材５を用いた接合処理において、その接合材５は液相状態となっており、Ｎｄを主成分とするＮｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金より生じた液相は、高活性であると共に前記結晶粒界に存するＮｄ濃度の高い相と主成分を共通にすることから永久磁石２に対して優れた濡れ性を発揮し、また前記高活性化に伴い炭素鋼よりなる短柱体３に対する濡れ性も極めて良好である。
【００３０】
したがって、前記のような接合材５を用いることによって、永久磁石２の磁気特性を損うことなく、その永久磁石２と短柱体３とを強固に接合することができる。この接合技術は、モータ用ロータに対する永久磁石の接合に適用され、回転数が１００００rpm 以上である高速回転モータの実現を可能にするものである。
【００３１】
〔実施例２〕
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、亜共晶組成を有するＮｄ₆₀Ｃｕ₄₀合金が得られるように秤量し、次いでその秤量物を真空溶解炉を用いて溶解し、その後、縦１０mm、横１０mm、長さ５０mmのインゴットを鋳造した。このインゴットにマイクロカッタによる切断加工を施して、Ｎｄ₆₀Ｃｕ₄₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mm、厚さ５００μｍの薄板状接合材５を得た。
【００３２】
永久磁石として、縦１０mm、横１０mm、厚さ５mmのＮｄＦｅＢ系永久磁石（住友特殊金属社製、商品名ＮＥＯＭＡＸ−２８ＵＨ）２を選定し、また異材種部材として、図７に示すように厚さ１．０mmのケイ素鋼板（ＪＩＳＭＥＳ−３Ｆ）を積層しボルト７およびナット８により緊締した、縦１０mm、横１０mm、長さ１５mmの積層体３を選定した。
【００３３】
それら積層体３、接合材５および永久磁石２を用い、図７に示すように実施例１と同様の方法で合計２０個の重ね合せ物を作製し、次いで、これら重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝５６０℃、加熱時間ｈ＝０．５時間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなる接合処理を行って、２つの積層体３により永久磁石２を挟むようにそれら２，３を接合材５より形成された接合層４を介して接合した２０個の接合体１を得た（図４参照）。この接合処理においては加熱温度ＴがＴ＝５６０℃であって、図２に示す共晶点５２０℃と液相線ａとの間の温度領域に存するので、接合材５は固液共存状態となる。この場合、接合層４の平均厚さｔ₁は２００μｍであった。
【００３４】
各接合体１から引張り試験用試験片Ａを作製し、次いで、各１０個の試験片Ａについて室温下で引張り試験を行い、また残りの各１０個の試験片Ａについて１５０℃の加熱下で引張り試験を行ったところ、表３の結果を得た。比較のため、表３には実施例１の試験片Ｂに関する測定値も示されている。
【００３５】
【表３】

表３から明らかなように、接合材５を用いた試験片Ａは、室温下および１５０℃の加熱下において、エポキシ樹脂系接着剤を用いた試験片Ｂに比べて接合強度が高く、その接合強度は両環境下において全然変わらず、またそのばらつきも小さい。
【００３６】
前記接合処理において、その加熱温度ＴはＴ＝５６０℃であってＴ≦６５０℃であるから、永久磁石２の磁気特性を変化させるようなことはない。
【００３７】
その上、前記接合処理において、その接合材５は固液共存状態となっており、Ｎｄを主成分とするＮｄ₆₀Ｃｕ₄₀合金より生じた液相は高活性であると共に永久磁石２の結晶粒界に存するＮｄ濃度の高い相と主成分を共通にすることから永久磁石２に対して優れた濡れ性を発揮し、また前記高活性化に伴いケイ素鋼板よりなる積層体３に対する濡れ性も極めて良好である。
【００３８】
したがって、前記のような接合材５を用いることによって、永久磁石２の磁気特性を損うことなく、その永久磁石２と積層体３とを強固に接合することができる。
【００３９】
永久磁石２と異材種部材３との接合において、その接合強度向上の観点からは、前記実施例１，２のように永久磁石２に含まれる希土類元素と接合材５の主成分である希土類元素とを一致させるのが望ましいが、例えばＳｍを含む永久磁石２の接合に当り、Ｓｍを主成分とする接合材の外にＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ等を主成分とする接合材５を用いても前記実施例１，２と略同等の接合強度を得ることができる。
【００４０】
〔実施例３〕
純度９９．９％のＮｄと純度９９．９％のＣｕとを、共晶組成を有するＮｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金が得られるように秤量し、次いでその秤量物を真空溶解炉を用いて溶解し、その後、縦１０mm、横１０mm、長さ５０mmのインゴットを鋳造した。このインゴットにマイクロカッタによる切断加工を施して、Ｎｄ₇₀Ｃｕ₃₀合金よりなり、且つ縦１０mm、横１０mmで厚さを異にする種々の薄板状接合材５を得た。
【００４１】
永久磁石として、縦１０mm、横１０mm、厚さ３mmのＮｄＦｅＢ系永久磁石２（住友特殊金属社製、商品名ＮＥＯＭＡＸ−２８ＵＨ）を選定し、また異材種部材として、厚さ１．０mmの圧延鋼板を積層しボルト７およびナット８により緊締した縦１０mm、横１０mm、長さ１５mmの積層体３を選定した。
【００４２】
それら積層体３、接合材５および永久磁石２を用い、図７に示すように実施例１と同様の方法で複数の重ね合せ物を作製し、次いで、これら重ね合せ物を真空加熱炉内に設置して、加熱温度Ｔ＝５３０℃、加熱時間ｈ＝０．５時間の加熱工程、それに次ぐ炉冷よりなる接合処理を行って実施例２と同様に２つの積層体３により永久磁石２を挟むようにそれら２，３を接合材５より形成された接合層４を介して接合した複数の接合体１を得た（図４参照）。
【００４３】
各接合体１から引張り試験用試験片を作製し、それらについて１５０℃の加熱下で引張り試験を行ったところ、表４の結果を得た。
【００４４】
【表４】

図８は表４をグラフ化したもので、図中、点（１）〜（１１）は接合体１の例１〜１１にそれぞれ対応する。
【００４５】
この種接合体１においては引張強さσ_B≧２kgｆ／mm²が要求され、この要求を満たすためには、表４、図８から明らかなように、接合材５の厚さｔ₂を３０μｍ≦ｔ₂≦２５００μｍに設定して接合層４の平均厚さｔ₁を１μｍ≦ｔ₁≦２０００μｍに設定すればよい。好ましくは、接合材５の厚さｔ₂は１５０μｍ≦ｔ₂≦５００μｍであり、また接合層４の平均厚さｔ₁は３０μｍ≦ｔ₁≦２００μｍである。
【００４６】
図９は接合体１の例６における接合部分を示し、（ａ）は接合部分の金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の概略写図である。図９より、永久磁石２と各圧延鋼板とが接合層を介して接合されていることが判る。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の接合体は、希土類元素を含む永久磁石と、異材種部材と、それらを接合すべく加熱工程を経て形成された接合層とを有し、前記接合層は、その接合層の全体が前記加熱工程で液相を生じる希土類元素系合金よりなり、且つ平均厚さｔ ₁ が１μｍ≦ｔ ₁ ≦２０００μｍであることから、希土類元素を含む永久磁石が接着剤やろう材に対して非常に濡れ性が悪いものであっても、その永久磁石と異材種部材に対して、全体が希土類元素系合金よりなる前記接合層が優れた濡れ性を発揮して、希土類元素を含む永久磁石と異材種部材との接合強度を高めることができる。
【００４８】
また本発明によれば、前記のような手段を用いることによって、永久磁石と異材種部材との接合強度を高めることが可能な接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】接合体の斜視図である。
【図２】Ｃｕ−Ｎｄ系状態図の要部を示す。
【図３】永久磁石、接合材および短柱体の重ね合せ関係を示す斜視図である。
【図４】接合体の斜視図である。
【図５】加熱温度ＴとＨｋとの関係を示すグラフである。
【図６】加熱温度Ｔと（ＢＨ）ｍａｘとの関係を示すグラフである。
【図７】永久磁石、接合材および積層体の重ね合せ関係を示す斜視図である。
【図８】接合層の平均厚さｔ₁と引張強さσ_Bとの関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）は接合部分の金属組織を示す顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の概略写図である。
【符号の説明】
１接合体
２永久磁石
３短柱体、積層体（異材種部材）
４接合層
５接合材

Claims

希土類元素を含む永久磁石（２）と、異材種部材（３）と、それら（２，３）を接合すべく加熱工程を経て形成された接合層（４）とを有する接合体（１）であって、前記接合層（４）は、その接合層（４）の全体が前記加熱工程で液相を生じる希土類元素系合金よりなり、且つ平均厚さｔ₁が１μｍ≦ｔ₁≦２０００μｍであることを特徴とする永久磁石と異材種部材との接合体。
前記接合層（４）の平均厚さｔ₁が３０μｍ≦ｔ₁≦２００μｍである、請求項１記載の永久磁石と異材種部材との接合体。
前記希土類元素系合金は、合金元素ＡＥとしてＡｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＣｄおよびＩｎから選択される少なくとも一種を５原子％≦ＡＥ≦５０原子％含有する、請求項１または２記載の永久磁石と異材種部材との接合体。
前記永久磁石（２）はＮｄＦｅＢ系永久磁石である、請求項４記載の永久磁石と異材種部材との接合体。
永久磁石（２）と異材種部材（３）とを接合するに当り、前記永久磁石（２）と異材種部材（３）との間に、希土類元素系合金よりなる接合材（５）を介在させ、次いでその接合材（５）をそれの液相発生温度Ｔ以上に加熱することを特徴とする、永久磁石と異材種部材との接合方法。
前記接合材（５）の厚さｔ₂は１０μｍ≦ｔ₂≦２５００μｍである、請求項５記載の永久磁石と異材種部材との接合方法。
前記接合材（５）の厚さｔ₂は１５０μｍ≦ｔ₂≦５００μｍである、請求項５記載の永久磁石と異材種部材との接合方法。
前記希土類元素系合金は、合金元素ＡＥとしてＡｌ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉ、ＣｄおよびＩｎから選択される少なくとも一種を５原子％≦ＡＥ≦５０原子％含有する、請求項５，６又は７記載の永久磁石と異材種部材との接合方法。
前記永久磁石（２）は希土類元素を含む永久磁石である、請求項５，６，７又は８記載の永久磁石と異材種部材との接合方法。
前記永久磁石（２）はＮｄＦｅＢ系永久磁石であり、前記接合材（５）はその液相発生温度ＴがＴ≦６５０℃である、請求項９記載の永久磁石と異材種部材との接合方法。