JP5266523B2 - 永久磁石及び永久磁石の製造方法 - Google Patents

永久磁石及び永久磁石の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、永久磁石及び永久磁石の製造方法に関する。
近年、ハイブリッドカーやハードディスクドライブ等に使用される永久磁石モータでは、小型軽量化、高出力化、高効率化が要求されている。そして、上記永久磁石モータにおいて小型軽量化、高出力化、高効率化を実現するに当たって、永久磁石モータに埋設される永久磁石について、薄膜化と更なる磁気特性の向上が求められている。尚、永久磁石としてはフェライト磁石、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、Ｓｍ２Ｆｅ１７Ｎｘ系磁石等があるが、特に保磁力の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石が永久磁石モータ用の永久磁石として用いられる。
ここで、永久磁石の製造方法としては、一般的に粉末焼結法が用いられる。ここで、粉末焼結法は、先ず原材料をジェットミル（乾式粉砕）により粉砕した磁石粉末を製造する。その後、その磁石粉末を型に入れて、外部から磁場を印加しながら所望の形状にプレス成形する。そして、所望形状に成形された固形状の磁石粉末を所定温度（例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石では１１００℃〜１１５０℃）で焼結することにより製造する。
更に、粉末焼結法では通常、原材料をジェットミルで微粉砕する際に、ジェットミル内に微量の酸素を導入し、粉砕媒体である窒素ガスやＡｒガス中の酸素濃度を所望の範囲に制御する。これは、磁石粉末表面を強制的に酸化させるためであり、この酸化処理なしに微粉砕した磁石粉末は、大気に触れると同時に発火してしまうからである。しかしながら、酸化処理した磁石粉末を焼結した焼結体中の酸素の大部分は、Ｎｄ等の希土類元素と結合し、粒界に酸化物として存在する。従って、酸化された希土類元素の分を補充するため、焼結体中の希土類元素の総量を増加させる必要があるが、焼結体中の希土類元素の総量を増加させると焼結磁石の飽和磁束密度が低下するという問題がある。
そこで、特開２００４−２５０７８１号公報には、希土類磁石原料をジェットミルで粉砕する際に、粉砕された磁石原料を鉱物油、合成油等の防錆オイル中に回収しスラリーとし、このスラリーを脱油しながら磁場中で湿式成形し、成形体を真空中で脱油処理を行ない、焼結する製造方法が開示されている。
特開２００４−２５０７８１号公報（第１０〜１２頁、図２）
一方、永久磁石の磁気特性は、磁石の磁気特性が単磁区微粒子理論により導かれるために、焼結体の結晶粒径を微細にすれば磁気性能が基本的に向上することが知られている。一般的には、焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とすれば、磁気性能を十分に向上させることが可能となる。
ここで、焼結体の結晶粒径を微細にするためには、焼結前の磁石原料の粒径も微細にする必要がある。しかし、３μｍ以下の粒径に微粉砕された磁石原料を成形し、焼結したとしても、焼結する際に磁石粒子の粒成長が発生するので、焼結後の焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とすることができなかった。
そこで、磁石粒子の粒成長を抑える材料（以下、粒成長抑制剤という）を焼結前の磁石原料に添加する方法が考えられる。この方法によれば、焼結前の磁石粒子の表面を、例えば焼結温度より高い融点を備える金属化合物等の粒成長抑制剤で被覆することによって、焼結時の磁石粒子の粒成長を抑えることが可能となる。例えば、前記特許文献１では燐（Ｐ）を粒成長抑制剤として磁石粉末に添加している。しかし、前記特許文献１のように予め粒成長抑制剤を予め磁石原料のインゴット内に含有させることによって磁石粉末に添加することとすると、焼結後において粒成長抑制剤は磁石粒子の表面に位置せずに、磁石粒子内に拡散する。その結果、焼結時における粒成長の抑制を十分に図ることができず、また、磁石の残留磁化が低下する原因にもなっていた。
本発明は前記従来における問題点を解消するためになされたものであり、磁石原料を防錆オイルと混合することにより粉砕された磁石原料の酸化を防止できるとともに、混合した防錆オイル中に溶解された高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサによって、焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができるので、焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とし、磁気性能を向上させることが可能な永久磁石及び永久磁石の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため本願の請求項１に係る永久磁石は、磁石原料を粒径が３μｍ以下の微粒子に粉砕する工程と、前記粉砕された磁石原料と、高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが溶解された防錆オイルとを混合してスラリーを生成する工程と、前記スラリーを圧縮成形することで成形体を形成する工程と、前記成形体を焼結する工程と、により製造されることを特徴とする。
また、請求項２に係る永久磁石は、請求項１に記載の永久磁石において、前記高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが、前記粉砕された磁石原料の表面に付着された状態で前記成形体を焼結することを特徴とする。
更に、請求項３に係る永久磁石の製造方法は、磁石原料を粒径が３μｍ以下の微粒子に粉砕する工程と、前記粉砕された磁石原料と、高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが溶解された防錆オイルとを混合してスラリーを生成する工程と、前記スラリーを圧縮成形することで成形体を形成する工程と、前記成形体を焼結する工程と、を有することを特徴とする。
また、請求項４に係る永久磁石の製造方法は、前記高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが、前記粉砕された磁石原料の表面に付着された状態で前記成形体を焼結することを特徴とする。
前記構成を有する請求項１に記載の永久磁石によれば、磁石原料を防錆オイルと混合することにより粉砕された磁石原料の酸化を防止できる。また、混合した防錆オイル中に溶解された高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが、粉砕された磁石粒子の表面に被覆することによって、焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができる。従って、焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とし、磁気性能を向上させることが可能となる。
また、請求項２に記載の永久磁石によれば、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが、磁石の残留磁化を低下させることなく焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができる。
また、請求項３に記載の永久磁石の製造方法によれば、磁石原料を防錆オイルと混合することにより粉砕された磁石原料の酸化を防止できる。また、混合した防錆オイル中に溶解された高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが、粉砕された磁石粒子の表面に被覆することによって、焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができる。従って、焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とし、磁気性能を向上させた永久磁石を製造することが可能となる。
また、請求項４に記載の永久磁石の製造方法によれば、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが、磁石の残留磁化を低下させることなく焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができる。
以下、本発明に係る永久磁石及び永久磁石の製造方法について具体化した一実施形態について以下に図面を参照しつつ詳細に説明する。
［永久磁石の構成］
先ず、図１〜図３を用いて永久磁石１の構成について説明する。
本実施形態に係る永久磁石１はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石である。また、永久磁石１の焼結時における粒成長を抑制する為の高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが添加されている。尚、各成分の含有量はＮｄ：２７〜３０ｗｔ％、高融点金属元素を含む有機化合物に含まれる金属成分（又は高融点セラミックのプリカーサに含まれるセラミック成分）：０．０１〜８ｗｔ％、Ｂ：１〜２ｗｔ％、Ｆｅ（電解鉄）：６０〜７０ｗｔ％とする。また、本実施形態に係る永久磁石１は、図１に示すように円柱形状を備えるが、永久磁石１の形状は成形に用いるキャビティの形状によって変化する。図１は本実施形態に係る永久磁石１を示した全体図である。
そして、永久磁石１は、後述のように防錆オイルと混合されてスラリー状態としたＮｄ磁石粉末を、成形すべき成形体の外形形状に応じた形状を有するキャビティに抽入し、圧縮成形された成形体を焼結することによって作製される。
また、本実施形態に係る永久磁石１は、図２に示すように永久磁石１を構成するＮｄ磁石粒子３５の表面に、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサの層３６（以下、粒成長抑制層３６という）がコーディングされている。また、Ｎｄ磁石粒子３５の粒径は３μｍ以下である。図２は永久磁石１を構成するＮｄ磁石粒子を拡大して示した図である。
そして、Ｎｄ磁石粒子３５の表面にコーティングされた粒成長抑制層３６は、焼結時におけるＮｄ磁石粒子３５の粒成長を抑制する。以下に、粒成長抑制層３６による永久磁石１の粒成長抑制の機構について図３を用いて説明する。図３は強磁性体の磁区構造を示した模式図である。
一般的に、結晶と別の結晶との間に残された不連続な境界面である粒界は過剰なエネルギをもつため、高温ではエネルギを低下させようとする粒界移動が起こる。従って、高温（例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石では１１００℃〜１１５０℃）で磁石原料の焼結を行うと、小さな磁石粒子は収縮して消失し、残った磁石粒子の平均粒径が増加する所謂粒成長が発生する。
ここで、本実施形態では後述のように磁石粉末を乾式粉砕により微粉砕する際に、微量（例えば、磁石粉末に対して有機化合物に含まれる金属又はセラミック成分が０．０１〜８ｗｔ％となる量）の高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが溶解された防錆オイルを微粉砕された磁石粉末に混合する。それにより、その後において防錆オイルと混合した磁石粉末を焼結する際に、Ｎｄ磁石粒子３５の粒子表面に高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが均一付着され、図２に示す粒成長抑制層３６を形成する。更に、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサの融点は、磁石原料の焼結温度（例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石では１１００℃〜１１５０℃）より遥かに高温である為、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが焼結時においてＮｄ磁石粒子３５内に拡散浸透（固溶化）することを防止できる。
その結果、図３に示すように磁石粒子の界面に高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが偏在化される。そして、この偏在化された高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサにより、高温時に発生する粒界の移動が妨げられ、粒成長を抑制することができる。
一方、永久磁石の磁気特性は、磁石の磁気特性が単磁区微粒子理論により導かれるために、焼結体の結晶粒径を微細にすれば磁気性能が基本的に向上することが知られている。一般的には、焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とすれば、磁気性能を十分に向上させることが可能となる。ここで、本実施形態では前記したように粒成長抑制層３６により焼結時のＮｄ磁石粒子３５の粒成長を抑制することができるので、焼結前の磁石原料の粒径を３μｍ以下とすれば、焼結後の永久磁石１のＮｄ磁石粒子３５の粒径も３μｍ以下とすることができる。
また、本実施形態では湿式成形により成形された磁石粉末を適切な焼成条件で焼成すれば、前記したように高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが磁石粒子３５内へと拡散浸透（固溶化）することを防止できる。ここで、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが磁石粒子３５内へと拡散浸透すると、その磁石の残留磁化（磁場の強さを０にしたときの磁化）が低下することが知られている。従って、本実施形態では、永久磁石１の残留磁化が低下することを防止できる。
尚、粒成長抑制層３６は高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサのみから構成される層である必要はなく、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサとＮｄとの混合体からなる層であっても良い。その場合には、Ｎｄ化合物を添加することによって、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサとＮｄ化合物との混合体からなる層を形成する。その結果、Ｎｄ磁石粉末の焼結時の液相焼結を助長することができる。尚、添加するＮｄ化合物としては、酢酸ネオジム水和物、ネオジム（ＩＩＩ）アセチルアセトナート三水和物、２−エチルヘキサン酸ネオジム（ＩＩＩ）、ネオジム（ＩＩＩ）ヘキサフルオロアセチルアセトナート二水和物、ネオジムイソプロポキシド、リン酸ネオジニウム（ＩＩＩ）ｎ水和物、ネオジムトリフルオロアセチルアセトナート、トリフルオロメタンスルホン酸ネオジム等が望ましい。
［永久磁石の製造方法］
次に、本実施形態に係る永久磁石１の製造方法について図４を用いて説明する。図４は本実施形態に係る永久磁石１の製造工程を示した説明図である。
先ず、ｗｔ％でＮｄ２７〜３０％−Ｆｅ６０〜７０％−Ｂ１〜２％からなる、インゴットを製造する。その後、インゴットをスタンプミルやクラッシャー等によって２００μｍ程度の大きさに粗粉砕する。
次いで、粗粉砕した磁石粉末を、（ａ）酸素含有量が実質的に０％のＮ２ガス及び／又はＡｒガスからなる雰囲気中、又は（ｂ）酸素含有量が０．００５〜０．５％のＮ２ガス及び／又はＡｒガスからなる雰囲気中で、ジェットミル４１により微粉砕し、３μｍ以下の平均粒径を有する微粉末とする。尚、酸素濃度が実質的に０％とは、酸素濃度が完全に０％である場合に限定されず、微粉の表面にごく僅かに酸化被膜を形成する程度の量の酸素を含有しても良いことを意味する。
また、ジェットミル４１の微粉回収口に、防錆オイルの入った容器を設置する。ここで、防錆オイルとしては鉱物油、合成油又はこれらの混合油を用いる。また、防錆オイルには予め高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサを添加し、溶解させる。溶解させる高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサとしては、Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂの有機化合物、ＢＮ，ＡｌＮのプリカーサが用いられ、より具体的には、タンタル（Ｖ）エトキシド、タンタル（Ｖ）メトキシド、タンタル（Ｖ）テトラエトキシアセチルアセトナート、タンタル（Ｖ）（テトラエトキシ）［ＢＲＥＷ］、タンタル（Ｖ）トリフルオロエトキシド、タンタル（Ｖ）２，２，２−トリフルオロエトキシド、タンタルトリス（ジエチルアミド）−ｔ−ブチルイミド、タングステン（ＶＩ）エトキシド、ヘキサカルボニルタングステン、１２タングスト（ＶＩ）りん酸ｎ水和物、タングストけい酸ｎ水和物、１２タングスト（ＶＩ）けい酸２６水、ニオブｎ−ブトキシド、塩化ニオブ（ＩＶ）テトラヒドロフラン錯体、ニオブ（Ｖ）エトキシド、２−エチルヘキサン酸ニオブ（ＩＶ）、ニオブフェノキシド、酢酸モリブデン（ＩＩ）ダイマー、ビス（アセチルアセトナート）モリブデン（ＶＩ）ジオキシド、ビス（２，２，６，６−テトラメチル−３，５ヘプタンジオナト）二酸化モリブデン（ＶＩ）、２−エチルヘキサン酸モリブデン、ヘキサカルボニルモリブデン、１２モリブド（ＶＩ）りん酸ｎ水和物、ビス（アセチルアセトナート）モルブデン（ＶＩ）ジオキサイド、１２モリブドけい酸ｎ水和物等の内、防錆オイルに溶解するものを適宜選択して用いる。
また、溶解させる高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサの量は特に制限されないが、磁石粉末に対して有機化合物に含まれる金属又はセラミック成分が０．０１〜８ｗｔ％となる量とするのが好ましい。
続いて、ジェットミル４１にて分級された微粉末を大気に触れさせずに防錆オイル中に回収し、磁石原料の微粉末と防錆オイルとを混合してスラリー４２を生成する。尚、防錆オイルの入った容器内はＮ２ガス及び／又はＡｒガスからなる雰囲気とする。
その後、生成したスラリー４２を成形装置５０により所定形状に圧粉成形する。尚、圧粉成形には、乾燥した微粉末をキャビティに充填する乾式法と、乾燥した微粉末をキャビティに充填する乾式法と、溶媒などでスラリー状にしてからキャビティに充填する湿式法があるが、本実施形態では湿式法を用いることとする。
図４に示すように、成形装置５０は円筒状のモールド５１と、モールド５１に対して上下方向に摺動する下パンチ５２と、同じくモールド５１に対して上下方向に摺動する上パンチ５３とを有し、これらに囲まれた空間がキャビティ５４を構成する。
また、成形装置５０には一対の磁界発生コイル５５、５６がキャビティ５４の上下位置に配置されており、磁力線をキャビティ５４に充填されたスラリー４２に印加する。また、モールド５１にはキャビティ５４に開口するスラリー注入孔５７が設けられている。
そして、圧粉成形を行う際には、先ずスラリー注入孔５７からスラリー４２をキャビティ５４に充填する。その後、下パンチ５２及び上パンチ５３を駆動し、キャビティ５４に充填されたスラリー４２に対して矢印６１方向に圧力を加え、成形する。また、加圧と同時にキャビティ５４に充填されたスラリー４２に対して、加圧方向と平行な矢印６２方向に磁界発生コイル５５、５６によってパルス磁場を印加する。それによって、所望の方向に磁場を配向させる。尚、磁場を配向させる方向は、スラリー４２から成形される永久磁石１に求められる磁場方向を考慮して決定する必要がある。
また、キャビティ５４に磁場を印加しながらスラリーを注入し、注入途中又は注入終了後に、当初の磁場より強い磁場を印加して湿式成形しても良い。また、加圧方向に対して印加方向が垂直となるように磁界発生コイル５５、５６を配置しても良い。
次に、圧粉成形により得られた成形体を減圧下で加熱して、成形体中の防錆オイルを除去する。成形体の減圧下での加熱処理の条件は、１３．３Ｐａ（約０．１Ｔｏｒｒ）以下、例えば６．７Ｐａ（約５．０×１０−２Ｔｏｒｒ）程度の真空度であって、１００℃以上、例えば２００℃前後の加熱温度とする。また、加熱時間は成形体の重量や処理量により異なるが、1時間以上が好ましい。
その後、脱油された成形体の焼結を行う。尚、焼結は、０．１３Ｐａ（約０．００１Ｔｏｒｒ）以下、好ましくは６．７×１０−２Ｐａ（約５．０×１０−４Ｔｏｒｒ）以下の真空度で、１１００〜１１５０℃の範囲で約１時間焼結する。そして、焼結の結果、永久磁石１が製造される。
以上説明したように、本実施形態に係る永久磁石１及び永久磁石１の製造方法では、ｗｔ％でＮｄ２７〜３０％−Ｆｅ６０〜７０％−Ｂ１〜２％からなる磁石原料をジェットミルで乾式粉砕することにより粒径が３μｍ以下の微粉末へと粉砕する。そして、粉砕された微粉末と、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが溶解された防錆オイルとを混合することによりスラリー４２を生成し、生成したスラリー４２を湿式成形した後に、脱油並びに焼結することにより永久磁石１を製造するので、磁石原料を防錆オイルと混合することにより粉砕された磁石原料の酸化を防止できる。
また、混合した防錆オイル中に溶解された高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが、粉砕された磁石粒子の表面に被覆することによって、焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができる。従って、焼結体の結晶粒径を３μｍ以下とし、永久磁石の磁気性能を向上させることが可能となる。
また、高融点金属元素を含む有機化合物又は高融点セラミックのプリカーサが、焼結後に磁石原料の粒界に偏在するので、磁石の残留磁化を低下させることなく焼結時の磁石粒子の粒成長を抑制することができる。
尚、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
また、磁石粉末の粉砕条件、混練条件、焼結条件などは上記実施例に記載した条件に限られるものではない。
本実施形態に係る永久磁石を示した全体図である。 永久磁石を構成するＮｄ磁石粒子を拡大して示した図である。 強磁性体の磁区構造を示した模式図である。 本実施形態に係る永久磁石の製造工程を示した説明図である。
１ 永久磁石
３５ Ｎｄ磁石粒子
３６ 粒成長抑制層
４２ スラリー

Claims (4)

  1. 磁石原料を粒径が３μｍ以下の微粒子に粉砕する工程と、
    前記粉砕された磁石原料と、高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが溶解された防錆オイルとを混合してスラリーを生成する工程と、
    前記スラリーを圧縮成形することで成形体を形成する工程と、
    前記成形体を焼結する工程と、により製造されることを特徴とする永久磁石。
  2. 前記高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが、前記粉砕された磁石原料の表面に付着された状態で前記成形体を焼結することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石。
  3. 磁石原料を粒径が３μｍ以下の微粒子に粉砕する工程と、
    前記粉砕された磁石原料と、高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが溶解された防錆オイルとを混合してスラリーを生成する工程と、
    前記スラリーを圧縮成形することで成形体を形成する工程と、
    前記成形体を焼結する工程と、を有することを特徴とする永久磁石の製造方法。
  4. 前記高融点金属元素を含む金属アルコキシド又は高融点セラミックのプリカーサが、前記粉砕された磁石原料の表面に付着された状態で前記成形体を焼結することを特徴とする請求項３に記載の永久磁石の製造方法。
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