JP4282017B2 - 希土類焼結磁石の製造方法 - Google Patents
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Description
原料粉は磁場中での加圧成形により成形体を構成する。この磁場中成形において、静磁場又はパルス磁場を印加して原料粉の粒子を配向させる。この磁場中成形時、原料粉が微細であるほどその流動性が悪く、金型への充填性が問題となる。粉末の金型への充填性が劣ると、金型へ粉末を十分に充填することができないために成形体の寸法精度が得られない、あるいは金型への充填自体に時間がかかって生産性を阻害するという問題がある。特に薄肉形状や複雑形状の成形体を精度よくかつ効率的に作製することは困難である。
原料粉を顆粒化するには、希土類金属粉末にバインダを添加したスラリをスプレードライすることにより顆粒化する提案が行われている(例えば、特許文献1参照。)。
また、チャンバ内で流体の流れ(気流)を生じさせ、この流れによってチャンバ内の原料粉に運動エネルギーを与えることで、顆粒化を図る技術も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特許文献1の技術のように、スプレードライヤーを用いる手法では、原料粉を含むスラリをノズルから熱風中に吹き込むことで顆粒を形成するわけであるが、形成された顆粒が高速でスプレードライヤーの内壁にぶつかったり、気流中で顆粒同士がぶつかり合いを繰り返しながら落下する。また、特許文献2の技術のように、チャンバ内の流体の流れによって顆粒を形成する手法においても、原料粉(顆粒)は気流によってチャンバ内で上昇や下降を繰り返し、チャンバ内壁への衝突や顆粒同士の衝突を繰り返す。これらの衝撃により、顆粒作製時に、顆粒が崩壊してしまうという問題がある。
本発明は、このように相反しているとも言える技術的課題に基づいてなされたもので、搬送時等においては破壊されず、しかも磁場配向時には容易に結合が破壊される強度を有し、しかも優れた流動性を有する顆粒を効率よく作製し、成形体の寸法精度の向上及び生産性の向上を図るとともに、特性を大きく低下させることなく希土類焼結磁石を製造する方法を提供することを目的とする。
その結果としてなされた本発明の希土類焼結磁石の製造方法では、まず、有機バインダ材料を溶媒に溶解したバインダ溶液を作製する。そして、希土類焼結磁石の原料粉およびバインダ溶液をチャンバ内に投入し、チャンバとチャンバ内に設けられた主翼とを相対的に回転させることによってバインダ溶液を介して原料粉を凝集させる。これによって得られた凝集物をチャンバ内に設けられた補助翼でほぐすことで顆粒を作製する。次いで、作製された顆粒を金型キャビティに投入した後、顆粒に磁場を印加し、かつ加圧成形することにより成形体を得て、この成形体を焼結することで、希土類焼結磁石を製造する。用いる有機バインダ材料は、ポリビニルブチラールまたは鹸化度50mol%以下のポリビニルアルコールであり、溶媒はアルコールである。
このように、チャンバと主翼とを相対的に回転させることによって原料粉と顆粒化助剤を凝集させ、さらに、得られた凝集物を補助翼でほぐすことで顆粒を作製すると、顆粒は高速でチャンバや他の凝集物に衝突することもなく、良好に顆粒が作製され、少ないバインダで顆粒を形成できる。
また、ポリビニルアルコールは通常水溶性であるために、ポリビニルアルコールをバインダとして顆粒を作製するための溶媒として水を用いている。しかし、水を溶媒とすると、焼結後の磁石中の酸素量が増えることによる磁気特性の低下が顕著となる。
特に高い磁気特性を得るために、原料粉体の酸化を防止するには、溶媒を非水性の物質、例えばアルコールとすることも考えられるが、特許文献3で推奨され、かつこれまで用いられている鹸化度が70〜99mol%のポリビニルアルコールは通常アルコールに溶解しない。
そこで、本発明にかかる希土類焼結磁石の製造方法では、鹸化度が50mol%以下のポリビニルアルコールを用いる。このようにすれば、溶媒をアルコールとすることができるため、水を溶媒とする場合に比べて、酸素量が低減される。ポリビニルアルコールの望ましい鹸化度は45mol%以下、さらに望ましい鹸化度は40mol%以下である。
まず、本発明の希土類焼結磁石の製造方法について説明する。
原料合金は、真空又は不活性ガス、望ましくはAr雰囲気中でストリップキャスト法、その他公知の溶解法により作製することができる。ストリップキャスト法は、原料金属をArガス雰囲気などの非酸化性雰囲気中で溶解して得た溶湯を回転するロールの表面に噴出させる。ロールで急冷された溶湯は、薄板または薄片(鱗片)状に急冷凝固される。この急冷凝固された合金は、結晶粒径が1〜50μmの均質な組織を有している。原料合金は、ストリップキャスト法に限らず、高周波誘導溶解等の溶解法によって得ることができる。なお、溶解後の偏析を防止するため、例えば水冷銅板に傾注して凝固させることができる。また、還元拡散法によって得られた合金を原料合金として用いることもできる。
R−T−B系焼結磁石を得る場合、R2T14B結晶粒を主体とする合金(低R合金)と、低R合金よりRを多く含む合金(高R合金)とを用いる所謂混合法を本発明に適用することもできる。
顆粒の作製には、図1、図2に示すような造粒装置(顆粒作製装置)10を用いることができる。
図1および図2に示すように、造粒装置10は、チャンバ11内に、主回転翼(主翼、転動翼)12と、補助回転翼(補助翼)13とを備えた構成を有している。
チャンバ11は、図示しない開閉可能な蓋を備えており、蓋を閉じた状態で気密に密閉されるようになっている。また、チャンバ11には、図示しない2流体スプレーノズルや滴下ノズルにより、微粉砕粉末を顆粒化するための結着剤となるバインダ溶液が添加できるようになっている。
主回転翼12は、回転軸12aに、複数の翼部材12bが設けられたもので、図示しない駆動モータによって回転軸12aの軸線回りに回転駆動されるようになっている。補助回転翼13も、同様に、回転軸13aに、複数の翼部材13bが設けられたもので、図示しない駆動モータ、あるいは主回転翼12を回転させるための駆動モータからギヤやタイミングベルト等の駆動力伝達機構を介して伝達される駆動力によって、回転軸13aの軸線回りに回転駆動されるようになっている。
図1に示す縦型の造粒装置(顆粒作製装置)10Vにおいては、主回転翼12は、回転軸12aが、チャンバ11内でほぼ鉛直方向に軸線を有するよう設けられている。そして、補助回転翼13は、主回転翼12の上方に設けられ、回転軸13aが、チャンバ11内でほぼ水平方向に軸線を有するよう設けられている。
また、図2に示す横型の造粒装置(顆粒作製装置)10Hにおいては、主回転翼12は、回転軸12aが、チャンバ11内でほぼ水平方向に軸線を有するよう設けられている。主回転翼12の翼部材12bは、チャンバ11の円周方向に連続する周壁11aに沿うように延出しており、補助回転翼13は、これら翼部材12bの内方に位置するよう設けられている。
造粒装置10V、10Hにおいて、予め設定された所定時間の間、上記の造粒を行うことで、チャンバ11内で、微粉砕粉末がバインダ溶液を介して凝集して造粒され、顆粒が作製される。
また、バインダ溶液の投入タイミングは、微粉砕粉末と同時でも良いが、前記のように微粉砕粉末の投入後に、主回転翼12を一定時間回転させてから、バインダ溶液を投入するのが好ましい。
さらに、バインダ溶液を所定量投入した後も、主回転翼12を一定時間回転させて、微粉砕粉末にバインダ溶液をなじませ、顆粒化を促進させるのが良い。
ただし、ポリビニルアルコールは、溶媒のアルコールに溶解するように、鹸化度が50mol%以下のものが望ましい。アルコールに対する溶解性の観点で、ポリビニルアルコールのより望ましい鹸化度は45mol%以下、さらに望ましい鹸化度は40mol%以下である。
磁場中成形における成形圧力は0.3〜3ton/cm2(30〜300MPa)の範囲とすればよい。成形圧力は成形開始から終了まで一定であってもよく、漸増または漸減してもよく、あるいは不規則変化してもよい。成形圧力が低いほど配向性は良好となるが、成形圧力が低すぎると成形体の強度が不足してハンドリングに問題が生じるので、この点を考慮して上記範囲から成形圧力を選択する。磁場中成形で得られる成形体の最終的な相対密度は、通常、50〜60%である。
印加する磁場は、12〜20kOe(960〜1600kA/m)程度とすればよい。この程度の磁場を印加することにより、顆粒は崩壊して一次合金粒子に分解される。印加する磁場は静磁場に限定されず、パルス状の磁場とすることもできる。また、静磁場とパルス状磁場を併用することもできる。
この脱バインダ処理は、本発明において必須ではない。添加するバインダ量を抑制することで、脱バインダ処理を省略することが可能である。バインダの量が概ね0.20wt%以下である場合に脱バインダ処理を省略することが可能である。
脱バインダ処理を行う場合には、脱バインダ処理と焼結を別個の工程として取り扱うこともできるが、焼結の昇温過程を脱バインダに利用することもできる。例えば、焼結における昇温過程の300〜700℃の温度範囲を水素雰囲気として0.25〜3時間保持することによって脱バインダを行うことができる。
焼結後、得られた焼結体に時効処理を施すことができる。この工程は、保磁力を制御する重要な工程である。時効処理を2段に分けて行なう場合には、800℃近傍、600℃近傍での所定時間の保持が有効である。800℃近傍での熱処理を焼結後に行なうと、保磁力が増大するため、混合法においては特に有効である。また、600℃近傍の熱処理で保磁力が大きく増加するため、時効処理を1段で行なう場合には、600℃近傍の時効処理を施すとよい。
本発明は、特にR−T−B系焼結磁石に適用することが望ましい。このR−T−B系焼結磁石は、希土類元素(R)を25〜37wt%含有する。ここで、本発明におけるRはYを含む概念を有しており、したがってY、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuの1種又は2種以上から選択される。Rの量が25wt%未満であると、R−T−B系焼結磁石の主相となるR2T14B相の生成が十分ではなく軟磁性を持つα−Feなどが析出し、保磁力が著しく低下する。一方、Rが37wt%を超えると主相であるR2T14B相の体積比率が低下し、残留磁束密度が低下する。またRが酸素と反応し、含有する酸素量が増え、これに伴い保磁力発生に有効なRリッチ相が減少し、保磁力の低下を招く。したがって、Rの量は25〜37wt%とする。望ましいRの量は28〜35wt%、さらに望ましいRの量は29〜33wt%である。
本発明が適用されるR−T−B系焼結磁石は、Coを2.0wt%以下(0を含まず)、望ましくは0.1〜1.0wt%、さらに望ましくは0.3〜0.7wt%含有することができる。CoはFeと同様の相を形成するが、キュリー温度の向上、粒界相の耐食性向上に効果がある。
本発明が適用されるR−T−B系焼結磁石は、他の元素の含有を許容する。例えば、Zr、Ti、Bi、Sn、Ga、Nb、Ta、Si、V、Ag、Ge等の元素を適宜含有させることができる。一方で、酸素、窒素、炭素等の不純物元素を極力低減することが望ましい。特に磁気特性を害する酸素は、その量を5000ppm以下、さらには3000ppm以下とすることが望ましい。酸素量が多いと非磁性成分である希土類酸化物相が増大して、磁気特性を低下させるからである。
R−Co系焼結磁石は、Rと、Fe、Ni、MnおよびCrから選ばれる1種以上の元素と、Coとを含有する。この場合、望ましくはさらにCuまたは、Nb、Zr、Ta、Hf、TiおよびVから選ばれる1種以上の元素を含有し、特に望ましくはCuと、Nb、Zr、Ta、Hf、TiおよびVから選ばれる1種以上の元素とを含有する。これらのうち特に、SmとCoとの金属間化合物、望ましくはSm2Co17金属間化合物を主相とし、粒界にはSmCo5系を主体とする副相が存在する。具体的組成は、製造方法や要求される磁気特性等に応じて適宜選択すればよいが、例えば、R:20〜30wt%、特に22〜28wt%程度、Fe、Ni、MnおよびCrの1種以上:1〜35wt%程度、Nb、Zr、Ta、Hf、TiおよびVの1種以上:0〜6wt%、特に0.5〜4wt%程度、Cu:0〜10wt%、特に1〜10wt%程度、Co:残部の組成が望ましい。
以上、R−T−B系焼結磁石、R−Co系焼結磁石について言及したが、本発明は他の希土類焼結磁石への適用を妨げるものではない。
次いで、室温にて原料合金に水素を吸蔵させた後、Ar雰囲気中で600℃×1時間の脱水素を行なう水素粉砕処理を行なった。
水素粉砕処理が施された合金に、粉砕性の向上並びに成形時の配向性の向上に寄与する潤滑剤を0.05〜0.1%混合した。潤滑剤の混合は、例えばナウターミキサー等により5〜30分間ほど行なう程度でよい。その後、ジェットミルを用いて平均粒径が5.0μmの微粉砕粉末を得た。
その後、造粒装置の主回転翼を所定の速度で回し、微粉砕粉末を攪拌した。さらに、補助回転翼を回転させた。バインダ溶液は、バインダとしてはポリビニルブチラールを用い、ポリビニルブチラールを溶媒としてのエタノールに分散させて、バインダ溶液を構成した。このバインダ溶液を、ノズルを用いてチャンバ内に所定時間をかけて、それぞれ表1に示す濃度となるように添加した。
すべてのバインダ溶液を添加した後にも、バインダ溶液と微粉砕粉末をなじませるため、主回転翼、補助回転翼を一定時間だけ回転させ続けた。その後、主回転翼、補助回転翼を停止し、造粒物をチャンバから取り出した。
比較のため、押し出し造粒法、転動流動層造粒法、スプレードライ法で顆粒を作製した。押し出し造粒法においては、一次合金粉をペースト化し、スクリューによってこのペーストを細孔から押し出した(比較例1)。転動流動層法では窒素噴流によりチャンバ内で流動層を作り出し、また、地面と垂直方向に回転する回転羽によって転動を作り出し、顆粒を造粒した(比較例2、3)。スプレードライ法では、バインダとしてポリビニルブチラールを表1に示す濃度で用い、溶媒としてエタノールを用い、顆粒を作製した(比較例4、5)。
この図3(a)に示すように、転動法で造粒した実施例2では、顆粒が良好に形成されている。また、図3(b)に示すように、押し出し造粒法で作製した顆粒も、同様に顆粒が良好に形成されている。これに対し図4(a)に示すように、転動流動層式で造粒した場合、顆粒以外に粉末が多く混在している。また図4(b)に示すように、スプレードライ法で作製した顆粒は、粒径が、前者の3種の造粒法に比較して格段に粒径が小さい。
顆粒強度St=2.8P/(π×d2)
安息角測定方法:60mmφの円のテーブルの上に、一定高さからふるいを通して少しずつ顆粒を落下させた。顆粒の山が崩壊する直前で顆粒の供給を停止した。円テーブルの上にできた顆粒の山の底角を測定した。円テーブルを120°ずつ回転し、計3箇所について角度を測定し、その平均を安息角とした。
得られた成形体に対し、押し出し造粒法、スプレードライ法で作製した顆粒から形成された比較例3〜5の成形体については、脱バインダ処理を行った。
得られた成形体を真空中およびAr雰囲気中で1080℃まで昇温し4時間保持して焼結を行った。次いで得られた焼結体に800℃×1時間と560℃×1時間(ともにAr雰囲気中)の2段時効処理を施した。
このように転動造粒法によって作製された顆粒は、高い流動性、十分な顆粒強度を有し、高い磁気特性を有した焼結磁石を作製することができる。しかも、そのような顆粒を、他の造粒法に比較して少ない量のバインダで形成することができ、脱バインダ処理を省略することが可能となっており、工程的な効果も非常に大きい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
Claims (4)
- 有機バインダ材料を溶媒に溶解したバインダ溶液を作製する工程と、
希土類焼結磁石の原料粉および前記バインダ溶液をチャンバ内に投入し、前記チャンバと前記チャンバ内に設けられた主翼とを相対的に回転させることによって前記バインダ溶液を介して前記原料粉を凝集させ、得られた凝集物を前記チャンバ内に設けられた補助翼でほぐすことで顆粒を作製する工程と、
前記顆粒を金型キャビティに投入する工程と、
前記顆粒に磁場を印加し、かつ加圧成形することにより成形体を得る工程と、
前記成形体を焼結する工程と、
を備え、
前記有機バインダ材料は、ポリビニルブチラールまたは鹸化度50mol%以下のポリビニルアルコールであり、前記溶媒はアルコールであることを特徴とする希土類焼結磁石の製造方法。 - 前記顆粒を作製する工程では、前記バインダ溶液に含まれる前記ポリビニルブチラールまたはポリビニルアルコールの量を、前記原料粉の量に対し、0.20wt%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記顆粒を作製する工程では、前記原料粉を前記チャンバ内に投入し、前記主翼を一定時間回転させた後に、前記チャンバ内に前記バインダ溶液を投入することを特徴とする請求項1または2に記載の希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記原料粉は、R2T14B相(Rは希土類元素から選択される1種又は2種以上の元素、TはFe又はFe及びCoを含む遷移金属元素から選択される1種又は2種以上の元素)を含む組成を有し、平均粒径が2.5〜6μmであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の希土類焼結磁石の製造方法。
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