JP5381435B2 - 永久磁石用磁石粉末の製造方法、永久磁石粉末及び永久磁石 - Google Patents

Description

本発明は、保磁力の高い永久磁石を製造することが可能な永久磁石用磁石粉末の製造方法、及び永久磁石粉末、並びに、保磁力の高い永久磁石に関する。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石などの希土類系永久磁石は、優れた磁気特性を有することから、モータ等を中心に、多くの製品に利用されている。そして、要求される磁気特性は、年々高まっており、希土類系永久磁石においても、その磁気特性を改善することが要求されている。

例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の保磁力を向上させる方法の１つに、ＤｙやＴｂを、焼結磁石の結晶粒界に拡散させる方法がある。ＤｙやＴｂを焼結磁石の結晶粒界に拡散させることで、各結晶粒表面の結晶磁気異方性が高められ、保磁力が向上することが知られている。

下記特許文献１には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の表面の少なくとも一部に、Ｄｙ、Ｔｂの少なくとも一方を成膜し、熱処理を施して焼結磁石の表面に成膜したＤｙ、Ｔｂの少なくとも一方を焼結磁石の結晶粒界相に拡散させて永久磁石を製造することが開示されている。

また、下記特許文献２には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石を処理室に配置して加熱すると共に、同一または他の処理室に配置したＤｙ、Ｔｂの少なくとも一方を含有する蒸発材料を加熱して蒸発させ、蒸発したＤｙ、Ｔｂの金属原子を、焼結磁石表面への供給量を調節して付着させ、この付着した金属原子を、焼結磁石表面に蒸発材料からなる薄膜が形成される前に焼結磁石の結晶粒界相に拡散させて永久磁石を製造することが開示されている。

特開２００７−３０５８７８号公報 特開２００８−１７１９９５号公報

しかしながら、特許文献１、２では、焼結磁石の表面からＤｙやＴｂを内部に拡散させているので、もともと一粉体であった部分の表面を中心に拡散し、磁石粉末の内部まで拡散されにくかった。更には、ＤｙやＴｂが拡散される範囲は、焼結磁石の表面近傍に限られる。このため、保磁力は期待されるほど向上しないことがあった。また、ＤｙやＴｂなどの重希土類は、希少資源高価な材料であるので材料コストが嵩む問題があった。

また、引用文献１、２には、磁石粉末の内部の結晶粒界の希土類元素濃度を増加させ、結晶粒子間の磁気的分断性を向上させることで、保磁力を高めるといった技術的思想は開示されていない。

したがって、本発明の目的は、保磁力の高い永久磁石を製造することが可能な永久磁石用磁石粉末の製造方法、及び永久磁石粉末、並びに、優れた保磁力を有する永久磁石を提供することにある。

上記目的を達成するにあたり、本発明の永久磁石用磁石粉末の製造方法の第１は、Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系（Ｒ^１は、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上である。）の組成を持ち内部に結晶粒界を持つ磁石粉末に対し、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上を含む金属を蒸着材又はターゲット材として用いて、蒸着又はスパッタリングを行い、その後熱処理を行うことを特徴とする。

本発明の永久磁石用磁石粉末の製造方法の第１によれば、上記磁石粉末に対し、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上を含む金属を蒸着材又はターゲット材として用いて蒸着又はスパッタリングすることで、該磁石粉末の表面に希土類元素が付着し、その後の熱処理によって、該磁石粉末の表面に付着した希土類元素が、磁石粉末内の結晶粒界に拡散する。その結果、結晶粒界内のＲ^１−リッチ相内における希土類元素濃度が増加して、結晶粒子間の磁気的分断性が向上するので、保磁力の高い永久磁石用磁石粉末を製造できる。

また、本発明の永久磁石用磁石粉末の製造方法の第２は、Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系（Ｒ^１は、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上である。）の組成を持ち内部に結晶粒界を持つ磁石粉末に対し、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上を含む金属を蒸着材又はターゲット材として用いて、蒸着又はスパッタリングを行う際に、前記磁石粉末の温度と、希土類元素の前記磁石粉末表面への単位時間当たりの付着量を調整して、前記磁石粉末の表面に蒸着材又はターゲット材からなる被膜が形成される前に、前記磁石粉末の表面に付着した希土類元素を、前記磁石粉末の結晶粒界に拡散させることを特徴とする。

本発明の永久磁石用磁石粉末の製造方法の第２によれば、磁石粉末の表面に蒸着材又はターゲット材からなる被膜が形成される前に、磁石粉末の表面に付着した希土類元素を、その結晶粒界に拡散させるので、磁石粉末表面において希土類金属が反応して磁気特性を劣化させるような物質の生成や、磁気特性の向上に寄与しない反応生成物の生成を抑制しつつ、希土類元素を磁石粉末内の結晶粒界に拡散できる。このため、蒸着材やターゲット材の消費量を抑えて、保磁力の高い永久磁石用磁石粉末を生産性良く製造できる。

本発明の永久磁石用磁石粉末の製造方法は、上記第２において、蒸着又はスパッタリングを行った後、熱処理を行うことが好ましい。この態様によれば、結晶粒界中のＲ^１−リッチ相内における希土類元素濃度をより高めることができる。

本発明の永久磁石用磁石粉末の製造方法は、上記第１及び第２において、前記磁石粉末として、ＨＤＤＲ処理された磁石粉末を用いることが好ましい。ＨＤＤＲ処理された磁石粉末は、内部に結晶粒界を有する磁石粉末であって、その結晶粒径は、サブミクロンオーダーまで微細化されているので、高保磁力と磁気異方性を併せ持っている。しかしながら、ＨＤＤＲ処理された磁石粉末内部の結晶粒界のＲ^１−リッチ相は、Ｆｅ濃度が比較的高く、磁性を有しているので、結晶粒子間の磁気的分断性が低く、その粒径から期待されるほどの保磁力は得られていない。本発明によれば、Ｒ^１−リッチ相における希土類元素濃度を高めて、結晶粒子間の磁気的分断力を向上できるので、ＨＤＤＲ処理された磁石粉末の保磁力をより向上でき、より優れた保磁力を有する永久磁石用磁石粉末を製造できる。

また、本発明の永久磁石用磁石粉末は、上記方法で得られたものであることを特徴とする。本発明に方法によって得られる永久磁石用磁石粉末は、結晶粒子間の磁気的分断に優れているので、保磁力が高い。このため、この永久磁石用磁石粉末を用いることで、磁気特性に優れた永久磁石を製造できる。

本発明の永久磁石用磁石粉末は、結晶粒界がアモルファス相からなることが好ましい。結晶粒界がアモルファス相で構成されていれば、保磁力がより向上する。

また、本発明の永久磁石は、上記永久磁石用磁石粉末を用いたことを特徴とする。本発明の永久磁石は、保磁力の高い永久磁石用磁石粉末を用いたので、磁気特性に優れる。

本発明の永久磁石は、ボンド磁石であることが好ましい。焼成磁石の場合、永久磁石用磁石粉末内部の結晶粒界が焼結によって乱され、結晶粒子間の磁気的分断性が低下する可能性があるので、成形時に焼結工程を経ないボンド磁石は、本発明の永久磁石用磁石粉末を用いることで、より効果的に磁気特性を向上できる。

本発明によれば、磁石粉末内の結晶粒界に希土類元素を拡散させて、Ｒ^１−リッチ相内の希土類元素濃度を増加させるので、結晶粒子間の磁気的分断性が向上し、保磁力の高い永久磁石用磁石粉末を製造できる。そして、このようにして得られる永久磁石用磁石粉末を用いて得られる永久磁石は、保磁力が高く、磁気特性に優れている。

本発明の永久磁石粉末の製造方法において、磁石粉末としては、Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系（Ｒ^１は、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上である。）の組成を持ち内部に結晶粒界を持つものであれば特に限定ない。

例えば、Ｒ^１、Ｆｅ、Ｂを所定の配合比で混合し、ストリップキャスト法等によって合金原料を作製し、得られた原料合金を微粉砕し、その後ＨＤＤＲ処理（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ−Ｄｉｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｔｉｏｎ−Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）された磁石粉末（以下、「ＨＤＤＲ磁石粉末」という）などが好ましく挙げられる。

磁石粉末の組成において、上記Ｒ^１は、Ｎｄ、Ｐｒが好ましく、Ｎｄがより好ましい。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石粉末は、保磁力が高く、最大磁気エネルギー積に優れるので、優れた磁気特性を有する永久磁石が得られ易くなる。

ＨＤＤＲ処理は、ＨＤ処理（Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ−Ｄｉｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｔｉｏｎ）と、ＤＲ処理（Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）からなり、これらの処理が、連続的または非連続的に行われる。

例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の粉砕物を、水素ガス、あるいは水素ガスと不活性ガスの混合ガス中で、６００〜１１００℃の温度で熱処理を行い（ＨＤ処理）、次に、水素ガスの分圧を減少させた雰囲気中で、６００〜１１００℃の温度で熱処理を行う（ＤＲ処理）ことで、磁石粉末内の結晶粒がサブミクロンオーダーまで微細化され、更には、結晶粒の軸方向がそろった、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系のＨＤＤＲ磁石粉末が得られる。

本発明の永久磁石粉末の製造方法では、磁石粉末に対し、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上を含む金属を蒸着材又はターゲット材として用いて、蒸着又はスパッタリングを行う。

蒸着材及びターゲット材に用いる金属材料としては、コスト的な観点から、重希土類元素以外の金属材料を用いることが好ましい。より好ましくは、Ｎｄ、Ｙ、Ｐｒ及びこれらの合金である。特に好ましくは、Ｎｄである。Ｎｄは比較的安価な原料であり、更には、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の組成を持つ磁石粉末を用いた場合、組成を不均一化せずに済むので、磁気特性をより向上できる。

蒸着方法としては、特に限定はなく、従来公知の方法を用いることができる。例えば、磁石粉末と蒸着材とを真空蒸着装置内に載置し、装置内の圧力を所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ以下）に達するまで真空排気して減圧し、所定圧力に達した後、蒸着材を加熱する。これにより、装置内に、希土類元素の蒸気雰囲気が形成され、該蒸気雰囲気中の希土類元素が、磁石粉末の表面に付着する。その際、磁石粉末に対し、振動を与えながら蒸着を行うことで、磁石粉末のほぼ全方位にわたって希土類元素を付着できる。

また、スパッタリング方法としては、特に限定はなく、従来公知の方法を用いることができる。例えば、磁石粉末とターゲット材とをスパッタリングチャンバー内に載置し、スパッタリングチャンバー内の圧力を所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ以下）に達するまで真空排気して減圧し、所定圧力に達した後、ターゲット材に電力を印加する。これにより、ターゲット材のスパッタリングによって発生する粒子が、磁石粉末の表面に付着する。その際、磁石粉末に対し、振動を与えながらスパッタリングを行うことで、磁石粉末のほぼ全方位にわたって希土類元素を付着できる。

そして、このように蒸着又はスパッタリングを行い、磁石粉末の表面に希土類元素の被膜を形成させた後、熱処理を行うことで、磁石粉末内部の結晶粒界内に、該磁石粉末の表面に存在していた蒸着材又はターゲット材に起因する希土類元素が拡散する。その結果、結晶粒界内のＲ^１−リッチ相内における希土類元素濃度が増加し、結晶粒子間の磁気的分断性が向上して、保磁力が向上する。

上記熱処理は、結晶粒界がアモルファス相となる温度で行うことが好ましく、５００〜１０００℃の間で行うことより好ましい。磁石粉末の結晶粒界がアモルファス相となっている時、保磁力が高まることが知られているので、このようにして熱処理を行うことで、保磁力の高い永久磁石用磁石粉末が得られやすくなる。なお、結晶粒界がアモルファスとなっているかどうかは、ＴＥＭ像等によって確認できる。

また、蒸着時又はスパッタリング時における装置内の雰囲気温度（すなわち磁石粉末の温度）と、希土類元素の磁石粉末表面への単位時間当たりの付着量を調整することで、磁石粉末の表面に希土類元素の被膜が形成される前に、磁石粉末の表面に付着した希土類元素を、磁石粉末の結晶粒界に拡散できる。例えば、蒸着材又はターゲット材として、磁石粉末の表面積の総和に対する蒸着材又はターゲット材の表面積の総和の比率が、１×１０^−４〜２×１０^３（好ましくは１×１０^−３〜２×１０^３、更に好ましくは１×１０^−２〜１×１０^２）となる金属材料を用い、装置内の雰囲気温度を８００〜１１００℃（好ましくは９００〜１０５０℃）に調整して蒸着又はスパッタリングを行うことで、磁石粉末の表面に希土類元素の被膜が形成される前に、磁石粉末の表面に付着した希土類元素を、磁石粉末の結晶粒界に拡散できる。

このようにして蒸着又はスパッタリングを行うことで、磁石粉末表面において希土類金属が反応して磁気特性を劣化させるような物質の生成や、磁気特性の向上に寄与しない反応生成物の生成を抑制でき、蒸着材やターゲット材の浪費を抑制し、希土類元素を磁石粉末内の結晶粒界に効率よく拡散できる。この場合、その後の熱処理を行わなくても、磁石粉末の結晶粒界に、磁石粉末の表面に付着した希土類元素が拡散しているが、蒸着又はスパッタリングを終えた後、更に熱処理を行うことで、Ｒ^１−リッチ相内の希土類元素濃度がより増加し、結晶粒子間の磁気的分断性がより向上する。熱処理は、上述したように、結晶粒界がアモルファス相となる温度で所定時間行うことが好ましい。

このようにして得られる永久磁石用磁石粉末は、磁石粉末の内部の結晶粒界において、Ｒ^１−リッチ相内の希土類元素濃度が、蒸着又はスパッタリング前の状態よりも増加している。このことは、アトムプローブを用いて元素濃度のプロフィルを得て、蒸着又はスパッタリング前の磁石粉末と、希土類金属の拡散後の磁石粉末とのプロファイルを比較することで確認できる。

そして、１粒の磁石粉末内に、結晶軸が揃った多結晶粒を持ち、しかもその結晶粒どうしの間の磁気的分断が実現されているので、保磁力に優れ、この永久磁石粉末を用いて得られる焼結磁石、ボンド磁石等の永久磁石は磁気特性に優れている。

例えば、ボンド磁石は、上記永久磁石用磁石粉末中に、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂から選ばれる１種以上の樹脂を０．１〜５質量％加え、５０〜２００℃、５００〜１２００ＭＰａの条件で温間成形する、もしくは、５００〜１２００ＭＰａの圧力でプレスし、樹脂が破壊されない温度、好ましくは１００〜４００℃、より好ましくは２００〜３００℃で熱処理することで得られる。

このようにして得られるボンド磁石は、異方性の磁石粉末を用いているにもかかわらず、磁石粉末間での結晶軸方向が揃わないため等方性をなしている。異方性のボンド磁石を得るには、ボンド磁石の成形時において、永久磁石用磁石粉末に対し、１０〜２０ｋＯｅ程度の磁場を印加して成形することで、結晶軸の方向が揃った異方性のボンド磁石が得られる。

また、焼結磁石は、上記永久磁石用磁石粉末を１０〜２０ｋＯｅ程度の磁場の中で、５００〜１２００ＭＰａの圧力でプレスし、真空もしくは不活性ガス中で９００〜１２００℃程度の温度で焼結することで得られる。

なお、永久磁石用磁石粉末内部の結晶粒界が焼結によって乱され、結晶粒子間の磁気的分断性が低下する可能性があるので、本発明の永久磁石は、成形時に焼結工程を経ないボンド磁石において、より効果的に磁気特性を向上できる。

Claims (7)

1. Ｒ^１−Ｆｅ−Ｂ系（Ｒ^１は、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上である。）の組成を持ち内部に結晶粒界を持つ磁石粉末に対し、Ｓｃ及びＹを含む希土類元素から選ばれる１種以上を含む金属を蒸着材又はターゲット材として用いて、蒸着又はスパッタリングを行う際に、前記磁石粉末の温度と、希土類元素の前記磁石粉末表面への単位時間当たりの付着量を調整して、前記磁石粉末の表面に蒸着材又はターゲット材からなる被膜が形成される前に、前記磁石粉末の表面に付着した希土類元素を、前記磁石粉末の結晶粒界に拡散させることを特徴とする永久磁石用磁石粉末の製造方法。
2. 蒸着又はスパッタリングを行った後、熱処理を行う、請求項１に記載の永久磁石用磁石粉末の製造方法。
3. 前記磁石粉末として、ＨＤＤＲ処理された磁石粉末を用いる請求項１又は２に記載の永久磁石用磁石粉末の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法で得られた永久磁石用磁石粉末。
5. 結晶粒界がアモルファス相からなる請求項４に記載の永久磁石用磁石粉末。
6. 請求項４又は５に記載の永久磁石用磁石粉末を用いた永久磁石。
7. 前記永久磁石がボンド磁石である、請求項６に記載の永久磁石。