JP4912714B2

JP4912714B2 - 固定砥粒ワイヤソー用加工液

Info

Publication number: JP4912714B2
Application number: JP2006090489A
Authority: JP
Inventors: 和義高山; 禎彦近藤; 慎吾菊池; 秀人中田
Original assignee: Yushiro Chemical Industry Co Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Yushiro Chemical Industry Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007262275A

Description

本発明は、希土類磁石の切断に用いられる固定砥粒ワイヤソー用加工液に関し、特に、水を主成分とする加工液に関する。

希土類磁石は高い磁気特性を有する優れた磁性材料として広く利用されている。例えば、磁気記録装置の磁気ヘッドの位置決めに用いられるボイスコイルモータ用の磁石として好適に用いられている。

希土類磁石（合金や焼結体を含む。）を切断する方法としては、従来から、例えば回転するスライシングブレードを用いてインゴットをスライスする技術が採用されている。しかしながら、スライシングブレードで切断する方法によれば、切断刃の厚さが比較的大きいため、削り代が多くなり、希土類合金材料の歩留まりが低く、希土類合金製品（例えば希土類磁石）のコストを上昇させる要因となっている。

スライシングブレードよりも削り代が少ない切断方法として、ワイヤソーを用いた方法がある。例えば、特許文献１は、高強度の芯線の周面上に超砥粒をボンド層により固定したワイヤ（「固定砥粒ワイヤソー」という。）を用いて、シリコン、ガラス、ネオジム、フェライト等の硬脆材料を切断できることを開示している。

しかしながら、希土類磁石は、全体として脆く、且つ、硬い主相（すなわちＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ結晶粒）と、延性的な破壊を起こす粒界相とを有するので、シリコンに代表される硬脆材料と異なり、切削され難い。すなわち、シリコン等の硬脆材料を切断する場合に比べて、切削抵抗が高く、その結果、発熱量も多い。また、希土類合金の比重は、約７．５とシリコン等の材料に比べて大きく、切削によって生成される切削屑（スラッジ）が切削部から排出され難い。

本出願人の一方は、他社に先駆け、ワイヤソーを用いて希土類磁石を量産レベルで切断する技術を開発し、特許文献２および３に開示している。特許文献２および３に開示している技術は、材料の歩留まりを向上させるだけでなく、加工液（「冷却液」または「切削液」ともいう。）として水系のものを用いることが可能で、環境に優しい切断方法を提供することができる。ここで、水系の加工液とは、それ自身が水に難溶または不溶な成分を含んでいてもよいが、水で希釈することによって、廃水として処理が可能なものを指す。

しかしながら、従来の加工液には泡立ちを抑制するためにホウ酸（硼酸：Ｈ_３ＢＯ_３）が１〜５質量％程度含まれていた。ホウ素は水質汚濁防止法等で基準値が定められており、ホウ酸を含む加工液は取り扱いに注意が必要で、また廃液の処理等にコストがかかることになる。

本発明は上記の諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホウ酸を実質的に含まない、希土類磁石の切断に用いられる固定砥粒ワイヤソー用の水系の加工液を提供することを目的とする。
特開平１１−１９８０２０号公報特開２００３−１９１１５８号公報特開２００４−４２２４１号公報

本発明の加工液は、希土類磁石の切断に用いられる固定砥粒ワイヤソー用加工液であって、加工液の全量に対して、水溶性の３級アミンを３０〜４０質量％、水溶性の２級アミンを５〜１０質量％、水に不溶な２級アミンを１〜５質量％、カルボン酸を１０〜２５質量％、水を３０〜４０質量％を含み、ホウ酸を実質的に含まず、前記アミンの水素以外の置換基は、それぞれ独立に、ヒドロキシアルキル基、アルキル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アシル基からなる群から選択される一種である。

ある実施形態において、２級アミンと３級アミンとの比率が１：２超１：７未満の範囲内にある。

ある実施形態において、前記カルボン酸は直鎖カルボン酸およびジカルボン酸を含んでもよい。前記カルボン酸の炭素数は１４以下であることが好ましい。

ある実施形態において、水で１０倍に希釈したときのＰＨが７．５〜９．５の範囲内にある。

ある実施形態において、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンのブロックポリマーをさらに含む。

本発明によると、ホウ酸を実質的に含まず、希土類磁石を固定砥粒ワイヤソーを用いて切断する際に好適に用いられる水系の加工液を提供することができる。本発明の加工液を用いると、ホウ酸を使用することなく、従来の加工液を用いた場合と同等以上の切断効率を得ることができる。

以下に、本発明の実施形態による希土類磁石の切断に用いられる固定砥粒ワイヤソー用加工液を詳細に説明する。

まず、図１を参照してワイヤソー装置を用いて希土類磁石を切断する方法を説明する。図１は、ワイヤソー装置の基本的な構成例を示している。もちろん、本発明の加工液は特許文献１および２などに記載されているワイヤソー装置をはじめ公知のワイヤソー装置に広く適用することができる。ワイヤソーの駆動方向は、一方向でも双方向（往復走行）でもよい。

図１に示されている装置は、加工対象の希土類磁石（例えば、ネオジム焼結磁石）１を保持し、上下（ｚ軸方向）に駆動する駆動装置２と、複数のロール３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄとを備えている。

ワイヤソー４は、砥粒がワイヤに固着されたものであり、ロール３ａ〜３ｄに巻かれ、ｙ軸に平行な方向に走行する。ワイヤソー４は、ｘ軸方向に等間隔で配列され、その配列間隔（ワイヤピッチ）は、ブロック状の希土類磁石１から切り出す各プレート状部分のサイズ（厚さ）によって任意に設定される。例えば約１ｍｍ以上約３０ｍｍ以下の範囲内に設定される。

ワイヤソー４のワイヤ（芯線）は、引っ張り強度の高い材料から形成されることが好ましく、例えば、硬鋼線（ピアノ線）、Ｎｉ−ＣｒやＦｅ−Ｎｉなどの合金、ＷやＭｏなどの高融点金属、またはナイロン繊維を束ねたものから形成される。また、ワイヤが太すぎると、切断代が大きくなるため、材料の歩留まりが低下してしまう。逆にワイヤが細すぎると、加工負荷によってワイヤが切断してしまうおそれがある。さらに、切断抵抗を増加させるため、発熱・発火の原因となる。このため、ワイヤの外径は、０．０５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に設定されることが好ましく、より好ましいワイヤの外径は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

砥粒は、ダイヤモンド、ＳｉＣ、またはアルミナなどの高硬度材料から形成されていることが好ましく、その平均粒径は、例えば、２０μｍ以上６０μｍ以下である。砥粒は、樹脂膜などによってワイヤの表面に固着されていることが好ましい。樹脂膜としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂を用いることができる。樹脂膜の厚さは、０．０２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。なお、樹脂膜の代わりに金属膜などを用いて砥粒を固着してもよい。

また、切削効率と切削屑（スラッジ）の排出効率の観点からは、ワイヤソー４の走行方向における、互いに隣接する砥粒間の平均距離は砥粒の平均粒径の１００〜６００％の範囲内にあることが好ましい。また、砥粒が樹脂層の表面から突出している部分の平均高さは、１０μｍ〜４０μｍの範囲内にあることが好ましい。

ワイヤソー４のｙ軸方向速度（ｖ_y）を、本明細書では「ワイヤ送り速度」と称することとする。所定のワイヤ送り速度で走行するワイヤソー４に対して希土類磁石１を押し付けることにより、希土類磁石１を切削し、複数の部分に切断・分割（スライス）することができる。希土類磁石１をワイヤソー４に押し付けてゆく速度（ｖ_z）は、図示されている例では、駆動装置のｚ軸方向の駆動速度に対応し、これを本明細書では「切込速度」と称することにする。この切込速度が速いほど、加工に要する時間が短縮される。

ワイヤソーに印加する張力は、２０Ｎ〜３５Ｎの範囲が好ましい。

ワイヤ送り速度および切込速度は、加工負荷の値に大きく影響する。本発明の加工液を用いて、例えばネオジム焼結磁石を切断する場合、加工負荷を実用上適切な範囲に収めるには、切込速度を例えば２０ｍｍ／ｈ以上６０ｍｍ／ｈ以下に設定することが好ましい。

本発明による加工液は、ワイヤソー４が希土類磁石１を切断する部分に供給される。加工液の供給の方法は、種々の方法を採用することが出来る。例えば特許文献１および２に記載されているように、希土類磁石１が切断される部分（ワイヤソー４と接触する部分）を加工液に浸漬するようにしてもよいし、例えばノズル等を用いて当該部分に選択的に（部分的に）加工液を供給してもよい。このとき、加工液を噴霧してもよいし、滴下してもよい。以下に示す実験例では、滴下することによって切断部分に選択的に加工液を供給した。供給速度は、例えば１〜１０ｍｌ／分である。滴下箇所は、１箇所であっても、複数箇所であってもよい。

本発明の加工液は、加工液の全量に対して、水溶性の３級アミンを３０〜４０質量％、水溶性の２級アミンを５〜１０質量％、水に不溶な２級アミンを１〜５質量％、カルボン酸を１０〜２５質量％、水を３０〜４０質量％を含み、ホウ酸を実質的に含まず、アミンの水素以外の置換基は、それぞれ独立に、ヒドロキシアルキル基、アルキル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アシル基からなる群から選択される一種であることを特徴とする。

上記水溶性の２級および３級アミンとしては、ヒドロキシアルキル基を有するアルカノールアミンを好適に用いることができる。例えば、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−エチルエタノールアミン、Ｎ−ブチルエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノールアミンおよびＮ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン等が挙げられる。それぞれについて、１種単独であるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、水溶性のアルカノールアミンに代えてまたはアルカノールアミンと共に、水溶性のアルキルアミンを用いることもできる。水溶性の２級アルキルアミンとしては、ジメチルアミン、ジエチルアミンおよびジプロピルアミン等が挙げられる。水溶性の３級アルキルアミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン等が挙げられる。これらも、１種単独であるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。

さらに、上記アルカノールアミンおよび／またはアルカノールアミンに代えて、またはそれらと共に、置換基として、シクロアルキル基、シクロアルケニル基またはアシル基を有するアミンを用いることができる。例えば、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミンを挙げることができる。

水に不溶な２級アミンとして、例えば、ジシクロヘキシルアミン、ジベンジルアミンを挙げることができる。水に不溶な２級アミンは防カビ（抗菌）作用を有する。

また、後述する実験例からわかるように、切削効率の観点から、２級アミン（水溶性＋水に不溶性）と３級アミンとの比率が１：２超１：７未満の範囲内にあることが好ましい。３級アミンは切削性（加工性）の向上に主に寄与する。なお、２級アミンが上記範囲よりも少ないと切削効率が低下するとともに、加工液の腐敗を防止する効果が低下する。３級アミンはバクテリアやカビなどの菌類に対する抵抗力が弱く、２級アミンが少ないと加工液が変質し易くなる。種々検討の結果、３級アミンを３０〜４０質量％、２級アミンを６〜１５質量％を含むことが好ましい。２級アミンの内、水に不溶な２級アミンは１〜５質量％含むことが好ましい。

カルボン酸としては、例えば、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸およびステアリン酸等の直鎖飽和カルボン酸、オレイン酸、リノール酸およびリノレン酸等の直鎖不飽和カルボン酸、イソノナン酸およびイソステアリン酸等の分岐カルボン酸、１，２−ヒドロキシステアリン酸およびリシノール酸等のヒドロキシカルボン酸、シクロヘキサン酸および４−メチルシクロヘキサン酸等の環状カルボン酸、安息香酸およびｔ−ブチル安息香酸等の芳香族カルボン酸等が挙げられる。これらのうち、加工性の観点から直鎖カルボン酸が好ましい。また、防錆あるいは消泡性の観点から、アジピン酸、セバシン酸、ドテカンニ酸などのジカルボン酸を好適に用いることができる。

また、上記のカルボン酸は１種単独であるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。尚、炭素数が８未満のカルボン酸は、加工性能に寄与しない恐れがあり、炭素数が１４を超えるものは加工時に気泡が多く発生し切削効率が低下するので好ましくない。また、後に説明するように、実験によると、炭素数が１４を超えるカルボン酸を用いた場合、炭素数が１４以下のカルボン酸を用いた場合に比べて、切削効率（除去体積）が約１０％低下する。これは、炭素数が１４以下のカルボン酸には泡立ちを抑制する効果があるからである。

カルボン酸は１０〜２５質量％含有することが好ましく、１０質量％以下では潤滑性が低下することがある。また、３０質量％を超えると加工時に気泡が多く発生し、切削効率が低下することがある。特に、加工性能と防錆性能とのバランスの観点からは、直鎖カルボン酸は１０質量％〜２０質量％の範囲内であることが好ましく、ジカルボン酸は１〜５質量％の範囲内であることが好ましい。

また、カルボン酸は、加工液を水で１０倍に希釈したときのＰＨが７．５〜９．５となるように、上記アミンをほぼ中和するように配合することが好ましい。ＰＨが７．５未満では希土類磁石が発錆しやすく、一方、ＰＨが９．５を超えると加工液の成分と希土類磁石とが化学反応して発熱することがあり好ましくない。

さらに、上記加工液に、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンのブロックポリマーを添加してもよい。このブロックポリマーは、加工液の浸透性を向上させ、切削部に加工液をより効率的に供給することができる。ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンのブロックポリマーは加工液の全体に対して１〜５質量％添加することが好ましい。また、平均分子量は２００〜１００００の範囲であることが好ましい。平均分子量が小さすぎると添加効果が得られず、大き過ぎると粘度が増大し、かえって切削効率が低下するおそれがある。また、特許文献１に記載されているように加工液を水で１０倍に希釈したときの２５℃における表面張力が２５ｍＮ／ｍ〜６０ｍＮ／ｍの範囲にあることが好ましい。

上記加工液に、さらに必要に応じて、界面活性剤、防錆剤などを添加してもよい。これらの添加量は、加工液全体に対して５質量％以下とすることが好ましい。

以下に実験例を示して本発明の加工液の特徴を説明する。

実験に用いたワイヤソーは、ワイヤ（芯線）外径０．１８ｍｍ、ワイヤソー外径０．２５ｍｍの樹脂工程砥粒ワイヤソーで、粒径が４０μｍ〜６０μｍのダイヤモンド砥粒を備えるものである。送り速度（走行速度）は２００ｍ／分、ワイヤの張力は１．５ｋｇｆ、切断荷重（図１中のｚ方向荷重）は４００ｇｆ、ワイヤソーの３分間の往復回数は２４回で、約４５分間、ネオジム焼結磁石を切削した。ワイヤソー装置は、図１に示したのと同様の構成を有しており、ネオジム焼結磁石の寸法は、図１中のｘ方向の長さが約１７ｍｍ、ｙ方向の長さが約７０ｍｍ、ｚ方向の長さが約２０ｍｍのワークピースを用いた。

加工液（原液）として、
水溶性３級アミン：トリエタノールアミンを３６質量％
水溶性２級アミン：ジエタノールアミンを７質量％、
水に不溶な２級アミン：ジベンジルアミンを３質量％
直鎖カルボン酸：カプリル酸を１４質量％
ジカルボン酸：セバシン酸を４質量％
ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンのブロックポリマー（分子量５００）：
４質量％、
水：３２質量％、
ホウ酸が０質量％
を調製した。

実際の切断加工には、この原液を水で５％に希釈したものを用いた。この希釈液のＰＨは８．４、表面張力（１５℃）は３４．０ｍＮ／ｍであった。なお、一般には、上記組成を有する本発明の加工液を、水で３質量％から２０質量％に希釈して用いればよい。

さらに、上記原液のトータルのアミン量を一定にして、２級アミンと３級アミンとの比率を１：８〜１：１に変えたサンプル１〜５を調製した。

上述のワイヤソー装置を用いて、切削部に上記各加工液の希釈液を滴下（約２ｍｌ／分）しながら、切断実験を行った。結果を表１、図２および図３に示す。表１および図２に示した全体除去体積は、約４５分間の切断によって除去されたネオジム焼結磁石の質量を示している。表１中の平均除去体積は、全体除去体積を各切断時間（約４５分）で除して求めた値である。ワイヤ径磨耗量は、約４５分間の切断によって磨耗し、減少したワイヤの外径の減少分を示している。また、図３は、約４５分間の切断実験によってネオジム焼結磁石に切り込まれた溝の深さの時間変化を示している。

表１、図２および図３からわかるように、３級アミンの比率が低いサンプル５（１：１）では、除去体積および溝深さが小さく、切削効率が悪いことがわかる。すなわち、２級アミンと３級アミンとの比率は、１：２超であることが好ましい。また、サンプル２とサンプル１との比較から、２級アミンと３級アミンの比率が１：７以上であると切削効率が低下することがわかる。このことから、２級アミンと３級アミンの比率は１：７未満であることが好ましいといえる。

また、表１に示したワイヤ径磨耗量を見ると、２級アミンと３級アミンの比率が１：１のサンプル５の値が低い他、サンプル１〜４でほぼ殆ど一定しており、このことからも２級アミンと３級アミンの比率は１：２超が好ましいといえる。ワイヤ径磨耗量が少ないということは、ワイヤソーが効果的にネオジム焼結磁石に接触していない（すべっている）ことを示しており、切削効率が低下する。

また、上記の加工液（原液）の組成中、カルボン酸として炭素数が１０のカプリル酸を用いたが、これに変えて、炭素数が１８のオレイン酸を用いて、２級アミンと３級アミンの比率が約１：５の加工液を調製した。この加工液の５％希釈液を用いて、砥粒の粒径が３０μｍ〜４０μｍのワイヤソーを用いた点を除き上記と同じ切断実験を行った。結果を図４に示す。

図４からわかるように、炭素数が１４超のカルボン酸を用いた場合には、溝深さで約１０％低い値となった。炭素数が１４超のカルボン酸を用いた場合には、切断加工中の気泡の発生が多く、そのために、切削効率が低下したと考えられる。

なお、上記の加工液（原液）におけるアミンのトータル量を一定にして、アミンの全てを水に不溶な２級アミンまたは１級アミンとした加工液を調製し、この加工液の５％希釈液を用いて上記図４のときと同じ切断実験を行った。結果を図５に示す。

図５からわかるように、水に不溶な２級アミンだけの場合および１級アミンだけの場合、いずれの場合も、２級アミンと３級アミンとを含む加工液を用いた場合に比べて、溝深さが約１０％低い値となった。このことから、２級アミンと３級アミンとを混合して用いることが、切削性にとって重要であることがわかる。

上記サンプル２を用いた場合、従来のホウ素を含む加工液を用いた場合に比べ、除去体積が約１０％向上しており、本発明の加工液を用いると、ホウ素を用いることなく、従来と同等以上の切削効率で希土類磁石を切断することが可能となる。

本発明によると、固定砥粒ワイヤソーを用いて希土類磁石を量産レベルで切断可能な水系の加工液が提供される。加工液による環境負荷およびコストを低減することができる。

ワイヤソー装置の基本的な構成例を示す模式図である。本発明の加工液を用いた切断実験の結果（除去体積）を示すグラフである。本発明の加工液を用いた切断実験の結果（溝深さ）を示すグラフである。炭素数が異なるカルボン酸を含む本発明の加工液を用いた切断実験の結果（溝深さ）を示すグラフである。２級アミンと３級アミンとを含む本発明の加工液と、２級アミンまたは１級アミンだけを含む加工液を用いた切断実験の結果（溝深さ）を示すグラフである。

符号の説明

１希土類磁石（ワークピース）
２駆動装置
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄロール
４固定砥粒ワイヤソー

Claims

希土類磁石の切断に用いられる固定砥粒ワイヤソー用加工液であって、
加工液の全量に対して、水溶性の３級アミンを３０〜４０質量％、水溶性の２級アミンを５〜１０質量％、水に不溶な２級アミンを１〜５質量％、カルボン酸を１０〜２５質量％、水を３０〜４０質量％を含み、ホウ酸を実質的に含まず、
前記アミンの水素以外の置換基は、それぞれ独立に、ヒドロキシアルキル基、アルキル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アシル基からなる群から選択される一種である、加工液。
２級アミンと３級アミンとの比率が１：２超１：７未満の範囲内にある、請求項１に記載の加工液。
前記カルボン酸は、直鎖カルボン酸およびジカルボン酸を含む、請求項１または２に記載の加工液。
前記カルボン酸の炭素数は１４以下である請求項１から３のいずれかに記載の加工液。
水で１０倍に希釈したときのＰＨが７．５〜９．５の範囲内にある請求項１から４に記載の加工液。
ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンのブロックポリマーをさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載の加工液。