JP4561974B2 - リング状磁石素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はリング状磁石素材の製造方法に関し、更に詳しくは、リング状磁石の素材を、高い歩留りで連続的または１個取りで製造することができ、また要求特性に対して大きな設計自由度で製造することができるリング状磁石素材の製造方法に関する。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石において、とくに押圧成形によってラジカル異方性をもたせたものは、リング状磁石の素材としては有用である。
このようなリング状磁石の素材は、従来から次のようにして製造されている。まず、例えば希土類磁石合金の超急冷リボンを粉砕して粉末とし、この粉末に冷間プレスを行って圧粉体にする。ついで、この圧粉体を温間プレスまたはホットプレスして高密度化し、例えば所望寸法の円柱体にする。

そして、この円柱体に、例えば温間で後方押出し成形を行うことにより、粉末を配向配列させて磁気異方性を発現させるとともに、一旦、所望の寸法形状を有するカップ状体を成形し、そのカップの底部に相当する部分に孔あけパンチによる打ち抜きをして目的とするリング状磁石素材にする。
なお、このリング状磁石素材は、後工程で着磁されることにより、ラジカル異方性を有する磁石として実用に供される。

しかしながら、上記した製造方法はバッチ方式であるため、本来、その生産性は低い。また後方押出し成形が適用されているので、成形の初期段階では粉末に充分な加工歪みが加わらず、その成形部位である先端部は他の部位に比べて磁気特性が劣化する。そのため、製品化のためには、当該部位を切除することが必要になる。
すなわち、底部の打ち抜きもあり、上記した製造方法では製品の歩留まりが非常に低いという問題がある。

このような問題を解決するためには、次のような磁石素材の製造方法が提案されている（特許文献１を参照）。
この方法では、次のようにしてリング状磁石素材が製造される。図１１で示したように、断面一定の貫通孔１Ａが形成されているダイ１の当該貫通孔１Ａの中に先端が平坦面になっている円柱状のマンドレル２を配置し、このマンドレルの上に磁性粉末の成形体を装填し、その成形体を押圧パンチ３で押圧する。成形体はマンドレル２とダイ１間の空間に圧入される。図１１のように、成形体がカップ状体４’に成形された時点で押圧パンチ３を引き上げて、そのカップ状体の上に新しい粉末成形体を装填し、再び押圧パンチ３で押圧する。新たに装填した粉末成形体が変形加工されて新たなカップ状体４’に成形される過程で、前段のカップ状体４’は、その上端部が新たに成形されたカップ状体４’の下端部と密着し、かつ連結した状態でリング状化しながら貫通孔１Ａの下方へと押し出されていく。

したがって、この製造方法の場合、上記した操作を順次反復することにより、リング状磁石素材は連続的に成形されていき、その生産性は高い。そして、バッチ方式の場合のような個々の磁石素材に関して行っていた底部の打ち抜きや先端部の切除などは不必要となり、それだけ歩留まりは高くなる。
特開平９−１２９４６３号公報

しかしながら、上記した特許文献の連続成形法には、次のような問題の発生することが判明した。
第１の問題は、下方に位置するリング状成形体４₁と上方に位置する新たなカップ状体４₂との連結部が、図１１に示したように形成されるということである。
すなわち、連結部では、リング状成形体４₁の材料がマンドレル２に沿って内側から外側に回り込み、また新たなカップ状体４₂の材料はダイ１に沿って外側から内側に回り込み、リング状成形体４₁の上端面とカップ状体４₂の下端面とが長手方向に直交するフラットな端面にならないのである。

そのため、得られた連続成形体から、この連結部の箇所を切除することが必要になり、結局は、バッチ方式における底部の切除が不要になって製品の歩留まりが向上するという効果を相殺してしまうのである。
第２の問題は、要求される磁気特性に対する設計自由度が極度に狭いということである。

一般に、原素材である粉末成形体に対する減面率（加工量）を増加すれば、得られたリング状磁石素材の磁気特性も向上する。
しかしながら、この装置を使用した場合、目標製品の仕様（外径と内径）が決まれば、ダイの貫通孔の径、マンドレルの直径は一義的に決まり、したがって減面率も一義的に決まってしまう。そのため目標とする寸法形状が決められた場合、原素材に対する減面率を上げて磁気特性の向上を設計することは、そもそもできないことになる。

第３の問題は、製造されたリング状磁石素材が芯ずれを起こしやすいことである。
これは、ダイの貫通孔内に配置されるマンドレルは比較的長く、しかも、その基端部が図示していないマンドレルバックアップ手段で１点支持された状態で使用されているからである。すなわち、マンドレルは１点支持状態であるため、マンドレル先端部への粉末成形体の装填やそれに続く押圧パンチ３による押圧などの過程で、マンドレル２の先端部が微妙に揺動することがあり、その結果、芯ずれを起こして、製品の寸法精度を低めることになるものと考えられる。

本発明は、上記した問題を全て解決することができるリング状磁石素材の製造方法の提供を目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明においては、一定孔径の貫通孔を有するダイの前記貫通孔の中に、直径が前記貫通孔より小径のマンドレルを前記ダイの一方の開口部から挿入したのち、前記マンドレルの先端部に磁性粉末の成形体を装填し、ついで、直径が前記ダイの貫通孔と略同径の押圧パンチを前記ダイの他方の開口部から挿入して前記成形体に塑性加工を行い、前記ダイと前記マンドレルとの間隙でリング状磁石素材を製造する方法において、マンドレルの前記先端部に、先端にいくほど小径になるテーパ部と前記テーパ部の先端から延出する円柱状芯部とを有したマンドレルを準備する一方、前記円柱状芯部を挿入可能な貫通孔を有するとともに外周角部が面取りされた成形体を準備し、この後、前記塑性加工を行うことを特徴とするリング状磁石素材の製造方法が提供される（請求項１）。
また、背圧を与える円環受圧ダミーを設けて前記成形体に塑性加工を行う構成とすることが好ましい（請求項２）。
より好ましくは、前記円環受圧ダミーの外周の角部が面取りされている構成とする（請求項３）。
更に、前記ダイと前記マンドレルとの間隙でリング状磁石素材を連続的に製造する構成とすることが好ましい（請求項４）。

本発明によれば、成形体の塑性加工時にマンドレルは２点支持状態になっているので、芯ぶれを起こすことはなく、そのため寸法精度の高いリング状磁石素材が製造される。
マンドレル先端部のテーパ部により、装填された成形体は、押圧パンチによる押圧開始と同時に絞り込みの変形加工を受けるので、得られた磁石素材における先端部の磁気特性が向上する。また、成形体は円筒形状になっているので、次の成形体との連結部において材料の相互回り込み現象は抑制される。その結果、先端部の切除部分は短くなって、歩留まりは高くなる。

更に、マンドレル先端部の円柱状芯部の直径を変化させることにより、成形体に対しては押圧パンチによる押圧時に減面率を変化させることができるので、例えばその直径を大きくすることにより、得られた磁石素材が同形状であっても、その磁気特性を高めることができる。すなわち、磁気特性に関する設計自由度が大きくなる。

図１は、本発明装置の１例を示す概念的模式図である。
この装置は、上下方向に一定孔径（Ｄ）の貫通孔１Ａが形成されているダイ１と、貫通孔１Ａの一方（図では下方）の開口部１Ｂから当該貫通孔に挿入され、そこに配置されているマンドレル２と、貫通孔１Ａの他方（図では上方）の開口部１Ｃから当該貫通孔に挿入され、後述する成形体を押圧する押圧パンチ３とを持って基本構成としている。

そして、マンドレル２は一定直径（ｄ_O）の円柱部２Ｂと図１の破線で示した後述する先端部２Ａで構成され、その基端部は図示しないマンドレル駆動機構と連結されていて、貫通孔１Ａの開口部１Ｂから貫通孔内への出入りができるようになっている。
マンドレル２の先端部２Ａは、テーパ部２ａと円柱状芯部２ｂで構成されている。
テーパ部２ａは、マンドレルの円柱部２Ｂの上端と連設してテーパ角（θ）で形成されていて、マンドレルの先端にいくほど小径になっている。そして、このテーパ部２ａと接続して直径（ｄ₁）が円柱部２Ｂの直径（ｄ₀）よりも小径の円柱状芯部２ｂが形成されている。なお、上記した円柱状芯部の直径（ｄ₁）は、後述する成形体の面内中心部に形成される貫通孔の直径と略同じか若干小さくなっていて、上記成形体の貫通孔に円柱状芯部２ｂが嵌入できるようになっている。

また、押圧パンチ３は外径が貫通孔１Ａの孔径（Ｄ）と略同径で、かつ断面中心には円柱状芯部２ｂの直径（ｄ₁）と略同径か若干大径であるガイド孔３ａが形成されている円環柱状体であって、その基端部は図示しない加圧機構と連結されて、貫通孔１Ａの開口部１Ｃから貫通孔内への出入りができるようになっている。
本発明では、この装置を用いてリング状磁石素材が次のようにして製造される。

まず、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石粉末を、常法により、圧粉体にし、更に温間プレスして高密度化した円筒状の成形体を製造する。
この円筒状成形体は、外径がダイの貫通孔１Ａの孔径（Ｄ）と略同じか若干小さく、また内径は、マンドレルの円柱状芯部２ｂの直径（ｄ₁）と略同じか若干大きくなっているような円筒体として成形される。

用いる磁性粉末としては、格別限定されるものではないが、例えば、Ｎｄ：２０〜４０質量％、Ｆｅ：４０〜５０質量％、Ｃｏ：３０質量％以下、Ｂ：０.３〜３.０質量％の組成を有するＮｂ−Ｆｅ−Ｂ系のものが好適である。
ついで、図示しないマンドレル駆動機構を駆動してダイ１の貫通孔１Ａの中に、マンドレルを挿入する。そして、貫通孔の上部開口部１Ｃから円筒状の成形体４を挿入してマンドレル２の先端部に装填する。

このとき、成形体４は、図２の仮想線で示したように、その貫通孔４Ａに円柱状芯部２ｂのみが嵌入し、しかしテーパ部２ａは嵌入しない状態でマンドレルの先端部２Ａに配置される。
ついで、図示しない加圧機構を作動して、押圧パンチ３で矢印で示したように上記した成形体４を押圧して塑性加工する。

押圧パンチ３のガイド孔３ａにマンドレルの円柱状芯部２ｂの先端が挿入した状態で、当該押圧パンチ３で成形体４の塑性加工が進む。
押圧パンチ３は、先端部２Ａにまで下降してマンドレルの先端部２Ａにおけるテーパ部２ａと円柱状芯部２Ｂの連設箇所で停止するが、その時点までの間に、成形体４は、ダイ１とマンドレル２が形成している円環状の間隙内を下方に向かって押出されることにより、図３で示したような断面形状の成形体４₁に変形する。なお、この過程で、マンドレルは図示しないマンドレル駆動機構と押圧パンチ３で２点支持された状態になるので、マンドレルの芯ぶれは起こらない。

ついで、押圧パンチ３を後退させ、図４の仮想線で示したように、ダイの貫通孔１Ａの中に新たな成形体４₂を装填する。そして、再び、押圧パンチ３を作動して成形体４₂を押圧する。
その結果、押圧パンチ３がマンドレルの先端部におけるテーパ部２ａと円柱状芯部２ｂの連設箇所にまで下降した時点では、図５で示したように、先の成形体４₁は更に貫通孔１Ａの下方へ押出されてダイ１とマンドレルの円柱部２Ｂが形成する円環状の間隙でリング状に形成され、成形体４₂は図５で示した形状に成形される。

このように、押圧パンチの後退−新たな成形体の装填−押圧パンチによる押圧の操作を反復することにより、リング状の磁石素材が連続的に成形される。
この一連の操作において、マンドレルの先端部２Ａに装填された成形体４は、押圧プレス３で押圧されたときに、ダイ１とテーパ部２ａが形成する間隙で絞り込まれた状態で塑性加工されることになる。すなわち、貫通孔の下方へ押出されていく過程で、テーパ部２ａの個所では順次大きな変形加工を受け、そしてテーパ部２ａを通過してからは、常にその変形加工を受けた状態が維持されることになる。

そのため、成形されたリング状磁石素材４₁においては、その先端部が充分な変形加工を受けており、その結果、磁気特性の低下も抑制されていて、従来のように先端部を切除することが不要になる。
また、装填される成形体は、マンドレル先端部の円柱状芯部２ｂの直径（ｄ₁）と略同径の貫通孔４Ａを有する円筒形状になっているので、押圧プレス３による押圧の過程で材料が略真っ直ぐに下方に押出されていく。

その結果、成形体４₁と次の成形体４₂の連結部においては、図１１で示したような材料相互の回り込み現象は抑制され、互いの端面は長手方向と直交する状態で連結するようになる。
このような効果は、テーパ部２ａのテーパ角（θ）を小さくすると顕著に発現する。例えばテーパ角（θ）を１°程度にすると連結部は各成形体の端面が互いに略完全にフラットな状態（互いに直交する状態）で連結する。しかしながら、テーパ角（θ）を小さくすることは、マンドレル２が非常に長くなることであるので、本発明においては、このテーパ角（θ）を２０〜８０°の範囲内に設定する。テーパ角（θ）を８０°より大きくすると、図１１で示したような回り込み現象が無視できなくなり、したがって連結部の切除部分の長さが長くなって歩留まり低下が大きくなるからである。

また、本発明においては、先端部２Ａにテーパ部２ａを設けると同時に、円柱状芯部の直径（ｄ₁）を変化させることにより、外径と内径は同じであっても、磁気特性を高めたリング状磁石素材を製造することができる。
例えば、製造目的のリング状磁石素材の外径はＤ、内径はｄ₀と一定であったとすると、塑性加工に用いる成形体の外径はＤでなければならない。しかし、円柱状芯部２ｂの直径（ｄ₁）に相当する成形体の貫通孔の直径は可変であり得る。

そして変形加工量（減面率）は、１００×[１−（（Ｄ²−ｄ₀ ²）／（Ｄ²−ｄ₁ ²）]（％）となるが、例えば、ｄ₁を大きくすれば、上記減面率は大きくなる。そして、かつテーパ部２ａのテーパ角（θ）を前記した範囲内に設定することにより、成形体は大きな変形加工を受けて磁気特性が向上し、同時に良好な連結部になっているリング状磁石素材を連続して成形することができる。

更に、本発明において、マンドレル２はその基端部がマンドレル駆動機構で支持され、かつ成形体の塑性加工時には、先端部の円柱状芯部２ｂが押圧パンチ３のガイド孔３ａで拘束されている、すなわち、マンドレルは２点支持された状態になっているので、芯ぶれを起こすことはない。したがって、寸法精度の高いリング状磁石素材の製造が可能である。
なお、図６で示したように、既に押圧パンチ３で塑性加工を行った成形体４₁に次の成形体４₂を装填するときに、成形体４₁と成形体４₂の間に、例えば鉄製の円環板５を介装することが好ましい。

この円環板５は受圧ダミーとして機能し、成形体４₁、４₂に背圧を付加して微小クラックの発生を防止するとともに、成形体４₁と成形体４₂の分離性を高める。
とくに１個取りを目的としてリング状磁石素材を製造する場合には、この受圧ダミーの介装は好適である。なお、連続的に製造する場合、３個目以降の製造時にはこの受圧ダミーを介装してもしなくてもよい。

また、図７で示したように、既に押圧パンチによる塑性加工が終了した成形体４₁の上に次の成形体４を装填する場合、その成形体４の下部の外周角部を面取りしておくことが好ましい。押圧パンチで塑性加工したときに、成形体４₁と成形体４の連結部における相互の回り込み現象を確実に防止することができるからである。
更には、図８で示したように、図７で示した成形体４と成形体４₁の間に、やはり外周の角部が面取りされている前記した受圧ダミー５を介装すると、連結部における相互の回り込み現象を防止できるだけではなく、相互の分離作業が非常に行いやすくなって好適である。

Ｎｄ：３０.５質量％、Ｃｏ：６.０質量％、Ｂ：０.９質量％、Ｇａ：０.６質量％、残部が実質的にＦｅから成る磁石合金を溶製し、単ロール法で超急冷して薄帯としたのち粉砕して、粒径３００μｍｍ以下の磁性粉末を得た。
この粉末を冷間で圧粉成形し、更に、Ａｒ雰囲気下において温度８００℃、圧力１９６MPaのホットプレスを行って、外径２３.６mm、内径１３mm、長さ１６．３mmの円筒状成形体にした。

一方、図１で示した構造の装置を組み立てた。
この装置において、ダイ１の貫通孔１Ａの孔径（Ｄ）は２３.６mmである。また、マンドレル２において円柱部２ｂの直径（ｄ₀）は１８.６mm、円柱状芯部２ｂの直径（ｄ₁）は１３mm、高さは４．６mmであり、テーパ部２ａのテーパ角（θ）は約３０°になっている。

この装置に上記成形体を装填し、押圧パンチ３を作動して連続的に、外径２３.６mm、内径１８.６mm、長さ３０mmのリング状磁石素材を成形した。
比較のために、特許文献1に記載の態様で同様の磁石素材を連続的成形した。
したがって、実施例の場合は、減面率４５．６％（＝（[１−（２３．６²−１８．６²）／（２３．６²−１３²）]×１００）の変形加工が行われ、比較例の場合は５６．３％（＝（[１−（２４²−８²）／２４²]×１００）の変形加工が行われている。

得られた連続成形体につき、個々の成形体の連結部の状態を目視観察した。実施例の場合は、各成形体の連結端面は互いに略直交しており、相互の分離も容易であった。
これに反し、比較例の場合は、各成形帯の連結断面で材料の回り込み現象が認められ、相互の分離は困難であった。
ついで、得られた各磁石素材につき、その先端部から隔離した箇所の（ＢＨ）maxを測定した。

そして、その結果を、比較例の磁石素材における先端部からの距離が２０mmである箇所の（ＢＨ）max値で規格化し、それを先端部からの距離ｘ（mm）との関係として図９に示した。
図９から明らかなように、比較例の場合は先端部から２０mmの箇所で（ＢＨ）max（相対値）が１になっているが、実施例の場合は、（ＢＨ）maxが１になるのは先端部から６〜７mm程度の箇所である。すなわち、実施例の場合は、先端部における磁気特性の劣化は小さく、従って切除部分の長さも短くなっていて製品としての歩留まりは高くなっている。

一方、最終的に得られる磁石素材における減面率が４５.６％、４８.９％、および５１.６％となるように、円柱状芯部２ｂの直径（ｄ₁）を設定した３種類のマンドレルを用いて、同形状の磁石素材を製造した。
比較のために、特許文献1に記載の態様で、上記実施例と同形状の磁石素材を製造した。その場合の減面率は５６.３％になる。

得られた各磁石素材につき、先端部からの距離ｘ（mm）と、その箇所における（ＢＨ）maxとの関係を調べた。その結果を図１０に示す。
図１０から明らかなように、比較例の場合はある形状の磁石素材に対してその減面率が固定されるので、特定の磁気特性を有する磁石素材しか製造することができない。
これに反し、実施例の場合は、マンドレルの円柱状芯部における直径（ｄ₁）を変化させることにより、形状は同じであっても、磁気特性が異なる磁石素材を製造することができる。とくに、円柱状芯部（ｄ₁）の直径を大きくして減面率を高めることにより、先端部の切除部分の長さが短い状態で（高い歩留まりで）高い磁気特性の磁石素材を得ることができる。

本発明によれば、従来の連続成型法に対比すると、高い歩留まりで、磁気特性に関する設計自由度が大きく、高い寸法精度を有するリング状磁石素材を連続的に製造することができる。したがって、本発明によれば、リング磁石の製造コストは低減する。

本発明装置例の要部を示す概略図である。 本発明装置に磁性粉末の成形体を装填した状態を示す概略図である。 押圧パンチで成形体を押圧した状態を示す概略図である。 次の新たな成形体を装填した状態を示す概略図である。 新たな成形体を押圧した状態を示す概略図である。 既に塑性加工した成形体と次の新たな成形体の間に受圧ダミーを弁装した状態を表す概略図である。 外周の角部を面取りした新たな成形体を装填した状態を示す概略図である。 既に塑性加工した成形体と図７で示した次の新たな成形体の間に受圧ダミーを弁装した状態を示す概略図である。 得られた磁石素材の先端部からの箇所と、その箇所における（ＢＨ）maxとの関係を示すグラフである。 マンドレルの円柱状芯部の直径を変化させたときの、その箇所における（ＢＨ）maxとの関係を示すグラフである。 従来の連続成形法を説明するための概略図である。

符号の説明

１ ダイ
１Ａ ダイ１の貫通孔
１Ｂ，１Ｃ 開口部
２ マンドレル
２Ａ マンドレル２の先端部
２Ｂ マンドレル２の円柱部
２ａ 先端部２Ａのテーパ部
２ｂ 先端部２Ａの円柱状芯部
３ 押圧パンチ
３ａ ガイド孔
４ 磁性粉末の成形体
４Ａ 成形体４の貫通孔
４₁，４₂ 成形された磁性素材

Claims (4)

1. 一定孔径の貫通孔を有するダイの前記貫通孔の中に、直径が前記貫通孔より小径のマンドレルを前記ダイの一方の開口部から挿入したのち、前記マンドレルの先端部に磁性粉末の成形体を装填し、ついで、
   直径が前記ダイの貫通孔と略同径の押圧パンチを前記ダイの他方の開口部から挿入して前記成形体に塑性加工を行い、前記ダイと前記マンドレルとの間隙でリング状磁石素材を製造する方法において、
   マンドレルの前記先端部に、先端にいくほど小径になるテーパ部と前記テーパ部の先端から延出する円柱状芯部とを有したマンドレルを準備する一方、前記円柱状芯部を挿入可能な貫通孔を有するとともに外周角部が面取りされた成形体を準備し、
   この後、前記塑性加工を行うことを特徴とするリング状磁石素材の製造方法。
2. 背圧を与える円環受圧ダミーを設けて前記成形体に塑性加工を行う請求項１に記載のリング状磁石素材の製造方法。
3. 前記円環受圧ダミーの外周の角部が面取りされていることを特徴とする請求項２に記載のリング状磁石素材の製造方法。
4. 前記ダイと前記マンドレルとの間隙でリング状磁石素材を連続的に製造する請求項１〜３の何れかに記載のリング状磁石素材の製造方法。

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