JP5661843B2

JP5661843B2 - 粉末被覆を行うための振動機

Info

Publication number: JP5661843B2
Application number: JP2013075896A
Authority: JP
Inventors: ユーコン・ワン
Original assignee: ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・エルエルシー
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: JP2013219352A; US8728390B2; DE102013205435A1; CN103366940A; CN103366940B; DE102013205435B4; US20130266471A1

Description

〔０００１〕本発明は、少なくとも１つの態様では、磁気特性が向上するとともに、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムの使用量が低減された永久磁石を製造するための合金被覆粉末に関する。詳細には、本発明は、永久磁石を製造するための被覆粉末の改良された比較的安価な製造方法に関する。

〔０００２〕永久磁石（ＰＭｓ）は、ハイブリッド自動車または電気自動車用の電気トラクションモータを含む様々なデバイスで使用されている。焼結ネオジム−鉄−ホウ素（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）永久磁石は、低温での磁気特性が非常に優れている。しかしながら、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ永久磁石のＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ相は、キュリー温度が低いので、温度上昇に従って残留磁気および固有保磁力が急速に減少する。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石のＮｄまたはＦｅの代わりにＤｙを使用すると、異方性磁界および固有保磁力が増大し、飽和磁化が減少することが知られている（C.S. Herget, Metal, Poed. Rep. V. 42, P.438 (1987); W. Rodewald, J. Less-Common Met, V111, P77 (1985);D. Plusa, J. J. Wystocki, Less-Common Met, V. 133, P. 231 (1987)）を参照されたい）。ジスプロシウム（Ｄｙ）またはテルビウム（Ｔｂ）等の重希土類金属を、溶融し合金化する前に、混合した金属に添加するのが一般的である。しかしながら、ＤｙおよびＴｂは、非常に希少であり、高価である。重希土類には、約２％ないし約７％のＤｙしか含まれず、世界の希土類鉱床のほんの僅かしか重希土類を含まない。今日、Ｄｙの価格は急速に上昇している。Ｄｙによって提供できる磁気特性よりも高い磁気特性が必要とされる場合に求められるＴｂは、Ｄｙよりも遥かに高価である。

〔０００３〕ハイブリッド自動車の電気トラクションモータに関する代表的な磁石は、要求される磁気特性を満たすために、Ｄｙを約６重量％ないし１０重量％含有する。ＤｙまたはＴｂを使用して磁石を製造する従来の方法では、ＤｙまたはＴｂは、結晶粒内に分散され、磁石内の結晶粒界に沿った相に分布する。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ永久磁石は、粉末冶金プロセスを使用して製造できる。粉末冶金プロセスには、溶融およびストリップ（小片）鋳造工程と、水素粉砕（水素化および脱水素化）工程と、微粉砕（窒素ジェットミル）工程と、篩分け工程と、合金粉末を混合して所望の化学組成にする工程とが含まれる。代表的な粉末冶金プロセスは、以下に述べるように行われる。即ち、粉末を調節するために磁界内で計量およびプレスし（真空バギング）、静圧プレス成型し、焼結およびエージングし（例えば、約５００℃ないし１１００℃の真空中で約５時間ないし３０時間に亘って）、機械加工によって磁石片を製造する。最後に（必要な場合には）、リン酸塩処理、無電解ニッケルめっき、エポキシ被覆、等によって磁石に表面処理を施す。

〔０００４〕焼結Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂをベースとした磁石についての理想的な微細構造は、非強磁性Ｎｄリッチ相によって完全に隔離されたＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ結晶粒である（主としてＮｄ相と、幾らかのＮｄ_１．１Ｆｅ_４Ｂ_４およびＦＥ−Ｎｄ相との、不純物によって安定化された共晶マトリックス）。ＤｙまたはＴｂを添加することにより、Ｆｅ、ＮｄおよびＤｙまたはＴｂに基づく全く異なる三元系粒界相が形成される。これらの粒界相は、結晶粒界領域およびＮｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ結晶粒の表面に位置する。

〔０００５〕ＤｙまたはＴｂ（またはこれらの合金）で被覆したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ粉末を使用して磁石を製造すると、磁石におけるＤｙまたはＴｂの分布が微視的には不均一になる。例えば、Ｄｙおよび／またはＴｂの量は、コア粉末に対する表面粉末の相対量、および、表面粉末中のＤｙまたはＴｂの濃度、ならびに、焼結スケジュール（結晶粒表面からバルク内へのＤｙまたはＴｂの分散に影響を及ぼす）に応じて、従来のプロセスと比べて、約２０％以上、または約３０％以上、または約４０％以上、または約５０％以上、または約６０％以上、または約７０％以上、または約８０％以上、または約９０％以上低減できる。このプロセスは、焼結Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ永久磁石の製造に使用されるＮｄ−Ｆｅ−Ｂをベースとした粉末をＤｙ金属もしくはＴｂ金属、または、合金で被覆する工程を含む。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂをベースとした粉末は、物理蒸着法（ＰＶＤ）によって被覆できる。

C.S. Herget, Metal, Poed. Rep. V. 42, P.438 (1987) W. Rodewald, J. Less-Common Met, V111, P77 (1985) D. Plusa, J. J. Wystocki, Less-Common Met, V. 133, P. 231 (1987)

〔０００６〕従って、改良された永久磁石、特にＮｄ−Ｆｅ−Ｂをベースとした磁石の製造方法が必要とされている。

〔０００７〕本発明は、少なくとも１つの実施例において、永久磁石を製造するための方法を提供することによって、従来技術の問題点の１つ以上を解決する。この方法は、物理蒸着法によって合金粉末に被覆を形成する工程を含む。粉末は、ネオジム、鉄、ホウ素および他の金属を含む。被覆は、ジスプロシウム、テルビウム、鉄およびそれらの合金からなる群から選択される成分を含む。粉末は、被覆の形成中に振動される。最終的には、この被覆粉末から永久磁石が形成される。この永久磁石では、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムの分布が不均一である。

〔０００８〕別の実施例では、永久磁石の製造方法が提供される。この方法は、ネオジム、鉄およびホウ素を含む合金粉末を供給する工程を含む。合金粉末は、上レベルベルトから中レベルベルトまで移送され、その後、下レベルベルトに移送される。中レベルベルトは、合金粉末も振動されるように振動される。被覆は、物理蒸着法によって合金粉末に形成され、その結果、被覆粉末が形成される。被覆は、ジスプロシウム、テルビウム、鉄および他の金属、ならびに、それらの合金からなる群から選択される成分を含む。永久磁石は、被覆粉末から形成される。特徴的には、この永久磁石では、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムの分布が不均一である。

〔０００９〕本発明の例示的な実施例は、以下の詳細な説明および添付図面から更に完全に理解されるであろう。

〔００１０〕永久磁石を製造するための方法の概略フローチャートである。〔００１１〕垂直方向に線形振動している基材の図である。〔００１２〕水平方向に線形振動している基材の図である。〔００１３〕垂直方向に線形振動しており且つ少なくとも１つの水平方向に線形振動している基材の図である。〔００１４〕円振動しており且つ垂直方向に線形振動している基材の図である。〔００１５〕水平方向に沿って揺動しており且つ垂直方向に沿って線形振動している基材の図である。〔００１６〕永久磁石を製造するための連続製造法を示す概略図である。

〔００１７〕次に、現状において発明者が認識している、本発明を実施する上での最良の態様を構成する、本発明の方法の現状で好ましい構成、実施例および方法を詳細に述べる。添付図面は、必ずしも縮尺通りではない。しかしながら、開示される実施例は、本発明の単なる例示であって、様々な別の形態で実施されてもよいということは理解されるべきである。従って、本明細書中に開示される特定の詳細は、限定であると解釈されるべきではなく、単に本明細書の任意の態様のための代表的な基礎を示すものとして、および／または、本発明を様々の形態で採用するように当業者に教示するための代表的な基礎を示すものとして解釈されるべきである。

〔００１８〕幾つかの例を除き、または、特段の記載のない限り、材料の量、または、反応条件および／または使用条件を示す本明細書中の全ての数値は、本発明の最も広い範囲を説明する上で、「約」という語によって変更されるものと理解されるべきである。一般的には、言及された数値限度内で実施するのが好ましい。更に、それとは反対の言及が明確になされていない限り、％、「一部」および比の値は、重量に基づく。本発明に関連する所与の目的について適している、または、好ましいといった材料群または材料の等級の記載は、群または等級に含まれるもののうちの任意の２つ以上の混合物が同等に適している、または、好ましいという意味を含む。化学用語における成分の説明は、本明細書中に特定した任意の組み合わせに添加するときの成分に言及しているのであって、混合後の混合物の成分間の化学的相互作用を必ずしも除外するものではない。頭字語または他の省略形の最初の定義は、本明細書中での同じ省略形のそれ以降の全ての使用に適用され、最初に定義した省略形の通常の文法的変化に対して必要な変更を加えて適用される。それとは反対の言及が明確になされていない限り、特性の計測は、同じ特性について上文中または下文中で言及したのと同じ技術によって決定される。

〔００１９〕更に、本発明は、以下に説明する特定の実施例および方法に限定されないということは理解されるべきである。これは、特定の構成要素（成分）および／または条件は、勿論、変化するからである。更に、本明細書中で使用した用語は、単に本発明の特定の実施例を説明することを目的とするものであって、何ら限定を意図したものではない。

〔００２０〕更に、本明細書中および添付の特許請求の範囲で使用されるような単数形（ａ，ａｎ，the）は、それが単数であることを示す明瞭な文脈でない限り、複数の指示対象物を含むということに着目しなければならない。例えば、単数形で述べた構成要素は、複数の構成要素を含むことを意図している。

〔００２１〕図１を参照すると、この図には、永久磁石の製造方法を示すフローチャートが示してある。この方法は、合金粉末１０を被覆する工程を含む。詳細には、工程ａ）において、物理蒸着法（ＰＶＤ）によって合金粉末１０上に被覆１２が形成され、その結果、被覆粉末１４が形成される。使用可能なＰＶＤプロセスの例には、スパッタリング法、蒸着法、電子ビーム蒸着法、陰極アーク蒸着法、パルスレーザ蒸着法、等の方法が含まれるが、これらに限定されない。図１は、蒸着ターゲット１８を窒素イオンまたはアルゴンイオンでボンバードメント処理することによって、被覆材料１６が蒸着ターゲット１８から蒸着される蒸着法を使用する１つの例を示す。このような加熱は、代表的には、抵抗加熱によって行われる。合金粉末１０には、ネオジム、鉄、ホウ素、他の金属、および、それらの合金が含まれる。特徴的には、被覆１２は、ジスプロシウム、テルビウム、鉄、および、それらの合金からなる群から選択される成分を含む。合金粉末１０は、被覆工程中に振動される。このような振動は、合金粉末１０を、ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４，ｄ_５の方向のうちの１つ以上の方向に沿って移動させることによって行われる。更に、粉末を振動させるこのような運動には、線形振動（方向ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３）「シーソー」揺動運動（方向ｄ_４）および円振動（方向ｄ_５）が含まれる。続いて、工程ｂ）では、被覆粉末から永久磁石２０が形成される。改良形態では、被覆粉末は、合金粉末１０を金型２２内に配置することによって賦形される。合金粉末の形成および賦形を以下に詳細に説明する。

〔００２２〕２０１１年１月１４日に出願された「ＤｙまたはＴｂを含むＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石の製造方法」という表題の米国特許出願第１３／００７，２０３号には、物理蒸着法によってコア磁性粉末粒子をＤｙリッチまたはＴｂリッチな被覆で被覆することによって、使用されるＤｙまたはＴｂの量が従来の方法で使用されるよりも非常に少ないが同様の磁気特性が得られる磁石およびこのような磁石の製造方法が記載されている。この特許出願に開示された全ての内容は、参照によって本明細書の開示の一部とされる。本発明は、この特許出願の改良であり、物理蒸着法によって、均一に被覆された磁性粉末を製造する新規な方法を提供する。更に、この特許は、本発明に適用されてもよい、粉末から磁石を製造する方法についての追加的な情報を提供する。

〔００２３〕特徴的には、本実施例の永久磁石では、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムが不均一に分布している。例えば、１つの改良形態では、永久磁石は、ネオジム−鉄−ホウ素磁区が、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムを含む層によって被覆された領域を含む。１つの改良形態では、被覆の厚さは、約１０ｎｍないし約５０μｍである。別の改良形態では、被覆の厚さは、約５０ｎｍないし約５μｍである。更に別の改良形態では、被覆の厚さは、約１００ｎｍないし約３μｍである。１つの改良形態では、合金粉末１０を金型２２内に配置することによって被覆粉末が賦形される。合金粉末１０のプレスは、通常、磁界下で行われる。代表的には、永久磁石の総重量中のジスプロシウムおよび／またはテルビウムの含有量は、約０．０１重量％ないし約８重量％である。しかしながら、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムの表面濃度は、被覆層の総重量の約３重量％ないし約５０重量％であってもよい。

〔００２４〕本プロセスを使用して製造された磁石は、従来技術の方法を使用して製造された磁石よりもかなり少ない量のＤｙまたはＴｂを使用するが、従来技術と同様の磁気特性が得られる。本プロセスでは、ＤｙまたはＴｂによって被覆されたＮｄ−Ｆｅ−Ｂ粉末を使用し、結晶粒界にＤｙまたはＴｂが非常に高度に分布した磁石を製造する。これは、マイクロプローブを有する走査型電子顕微鏡を使用して見ることができ、計測できる。従来の方法は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ粉末をＤｙまたはＴｂとともに合金元素として使用し、代表的には、ＤｙまたはＴｂは、微視的には均一に分布している。本発明は、これらの元素の不均一分布を利用する。これにより、本プロセスでは、同様の磁気特性を得る上で使用するＤｙおよび／またはＴｂの量が遥かに少ない。例えば、Ｄｙおよび／またはＴｂの量は、従来のプロセスと比較して、約２０％以上、または約３０％以上、または約４０％以上、または約５０％以上、または約６０％以上、または約７０％以上、または約８０％以上、または約９０％以上低減できる。

〔００２５〕上述のように、本実施例の被覆プロセスによって、ＤｙまたはＴｂの平均濃度を下げることができ、磁石でのＤｙまたはＴｂの分布を変化させる。ＤｙまたはＴｂの平均濃度は、同様の高い磁気特性を有する従来の磁石についての約６重量％ないし約９重量％と比較して、約０．１重量％ないし約５重量％、または約０．３重量％ないし約４重量％、または約０．３重量％ないし約３重量％の範囲内にあってもよい。被覆プロセスは、ＤｙまたはＴｂの表面濃度が約３重量％ないし約５０重量％またはそれ以上であるとともにＤｙまたはＴｂのバルク濃度が低い粉末粒子を生成する。本明細書では、表面濃度とは、合金粉末を被覆する層のＤｙおよび／またはＴｂの重量％をいう。被覆プロセスは、現在の粉末冶金プロセスの準備工程に追加の工程として組み込まれる。

〔００２６〕本発明の別の態様では、合金粉末は以下のように形成される。ネオジム、鉄およびホウ素を含む合金を溶融し、スピニング法(spinning)によって鋳造し、ストリップを形成する。次いで、合金を水素化することによって合金ストリップを水素粉砕する。代表的には、この工程は、圧力が約１気圧ないし５気圧の水素炉で合金が粉砕されるまで行われる。次いで、代表的には、合金を高温（例えば３００℃ないし６００℃）の真空中で１時間ないし１０時間に亘って脱水素化する。水素化および脱水素化によって、合金は、粗い粉末に粉砕される。この粉末の平均粒径は、代表的には０．１ｍｍないし５ｍｍである。次いで、粗い粉末を（窒素ジェットミルで）微粉砕し、初期粉末（starting powder）を製造する。１つの改良形態では、任意ではあるが、化学組成を調節するために、合金粉末を篩に掛けた後、第２合金粉末と混合してもよい。次いで、合金粉末を、物理蒸着法によってＤｙおよび／またはＴｂを含む層で被覆する。上文中に説明したように、粉末は、被覆中に振動される。次いで、任意ではあるが、得られた被覆粉末を再び篩に掛けてもよい。

〔００２７〕本実施例の別の態様では、被覆粉末を永久磁石に形成する。１つの改良態様では、磁石を粉末冶金プロセスによって形成する。こうしたプロセスは、代表的には、計量工程と、磁界内でプレスする工程（真空バギング工程）と、グリーン密度を高めるための静圧プレス工程または衝撃圧縮工程と、金型内での焼結工程と、エージング工程（例えば、約１１００℃の真空中で約３０時間に亘って行われる）と、磁石片に機械加工する工程とを含む。最後に、通常は、磁石に表面処理（例えば、リン酸塩処理、無電解ニッケルめっき、エポキシ被覆、等）を施す。

〔００２８〕本発明は、均一に被覆された粉末を製造するために、幾つかの様々な種類の振動を含む。図２ないし図６に示す振動機が、低容積バッチ製造に特に有用である。図２に示すような１つの態様では、合金粉末を垂直（例えば、鉛直）方向ｄ_１に沿って線形振動させる。この態様の振動は、垂直方向だけである。図３に示すような別の態様では、合金粉末を水平方向ｄ_２に沿って振動させる。この態様の振動は、水平方向だけである。図４に示すような別の態様では、合金粉末を、垂直方向ｄ_１と、水平方向ｄ_２およびｄ_３のうちの少なくとも一方と、に沿って線形振動させる。この態様の振動は、２つの水平方向移動が使用される場合には、立体的振動になり得る。この種の揺動振動機は、シーソー運動を提供する。側方交互振動は、被覆の均一性を向上する上で重要な構成要素である。図５に示すような別の態様では、合金粉末を、水平方向ｄ_５に沿って円振動させ、垂直方向ｄ_１に沿って線形振動させる。この態様では、立体的振動運動は、水平方向の回転運動（時計回り方向または反時計回り方向）と垂直方向の振動運動との組み合わせである。図６に示すような別の態様では、合金粉末を、水平方向ｄ_４に沿って揺動させ、垂直方向ｄ_１に沿って線形振動させる。この態様では、立体的振動運動は、円形揺動運動と垂直方向の振動運動との組み合わせである。本発明では、垂直方向の揺動運動も使用できることが理解されるべきである。

〔００２９〕上文中に説明したように、振動モータを使用する振動機を振動源として使用してもよい。これらのモータは、上方振動または側方振動を提供するように設置できる。減衰デバイスがサスペンションの形態で設置されてもよい。例えば、減衰ばね（例えば鋼製ばね）をこの目的に使用してもよい。図２ないし図６に示した振動は、出力が１ｋＷないし４０００ｋＷ、振動周波数が５Ｈｚないし５０Ｈｚ、振幅が０．５ｍｍないし５ｍｍであることを特徴とする。

〔００３０〕図７を参照すると、永久磁石を形成するための連続的製造方法を示す概略図が示されている。この方法は、ネオジム、鉄およびホウ素を含む合金粉末１０を上側容器から供給する工程を含む。合金粉末１０は、上レベルベルト３０から中レベルベルト３２に移送され、次いで下レベルベルト３４に移送される。任意ではあるが、上レベルベルト３０は、粉末が均一に移送されるように（図２ないし図６に示す運動の１つで）振動される。中レベルベルト３２は、被覆が均一になされる態様で合金粉末１０も振動されるように、図２ないし図６に示す運動の１つで振動される。本態様の振動は、出力が１ｋＷないし４０００ｋＷ、振動周波数が５Ｈｚないし５０Ｈｚ、全てのベルトの表面傾斜が０°ないし１５°、被覆表面積が０ｃｍ^２ないし１０００ｃｍ^２、粉末の処理能力が１０ｋｇ／時ないし５００ｋｇ／時、振幅が０．５ｍｍないし５ｍｍであることを特徴とする。被覆３６は、物理蒸着法によって合金粉末１０に形成され、その結果、被覆粉末４０が形成される。この目的で、蒸着源４２および４４が使用される。被覆効率を向上するために、これらの蒸着源と中ベルトとの間にバイアス電圧が印加される。特徴的には、被覆３６は、ジスプロシウム、テルビウム、鉄および他の金属、ならびに、それらの合金からなる群から選択される成分を含む。本実施例の全ての移送デバイスおよび被覆デバイスは、物理蒸着法で必要とされるように、真空容器内に配置される。合金粉末１０および被覆粉末４０は、別々のインターロック真空チャンバを介して被覆機に入り、ここから出る。永久磁石４８は、上文中に説明したように、金型５０を使用して被覆粉末４０から形成される。特徴的には、この永久磁石では、ジスプロシウムおよび／またはテルビウムが不均一に分布している。

〔００３１〕本発明の実施例を例示し且つ説明したが、これらの実施例は、本発明の全ての可能な形態を示し且つ説明しようとするものではない。むしろ、本明細書中で使用した用語は、説明のために使用したものであって、限定ではなく、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができるということは理解されよう。

１０…合金粉末
１２…被覆
１４…被覆粉末
１６…被覆材料
１８…蒸着ターゲット
２０…永久磁石
２２…金型
３０…上レベルベルト
３２…中レベルベルト
３４…下レベルベルト
３６…被覆
４０…被覆粉末
４２，４４…蒸着源
４８…永久磁石
５０…金型

Claims

磁石の製造方法であって、
ネオジム、鉄およびホウ素を含む合金粉末を供給する工程と、
前記合金粉末を、上レベルベルトから中レベルベルトまで移送した後、下レベルベルトに移送する工程であって、前記上レベルベルトおよび前記中レベルベルトが、前記合金粉末を振動させるために振動される工程と、
ジスプロシウム、テルビウム、鉄および他の金属、ならびに、それらの合金からなる群から選択される成分を含む被覆を物理蒸着法によって前記合金粉末に形成して、被覆粉末を形成する工程と、
前記被覆粉末から、ジスプロシウムおよびテルビウムの少なくとも一方の分布が不均一な永久磁石を形成する工程と
を備え、
前記被覆の形成は、前記中レベルベルト上で行われる方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記永久磁石は、ネオジム・鉄・ホウ素磁区が、ジスプロシウムおよびテルビウムの少なくとも一方を含む層で被覆された領域を含む
方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記合金粉末は、少なくとも１つの水平方向と垂直方向とに沿って線形振動される
方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記合金粉末は、水平方向に沿って円振動されるとともに、垂直方向に沿って線形振動される
方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記合金粉末は、水平方向に沿って揺動されるとともに、垂直方向に沿って線形振動される
方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記永久磁石は、粉末冶金プロセスを使用して形成される
方法。
請求項６に記載の方法であって、
前記合金粉末は、該合金粉末を金型内に配置することによって賦形される
方法。
請求項６に記載の方法であって、
前記合金粉末は、前記賦形中に磁界下でプレスされるとともに、オプションとして、グリーン密度を高めるために、静圧プレスまたは衝撃圧縮される
方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記合金粉末は、水素粉砕される
方法。