JP5730744B2 - 磁石薄帯の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、急冷凝固による磁石薄帯の製造方法および製造装置に関する。

ネオジム磁石（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）で代表される希土類磁石は、磁束密度が高く極めて強力な永久磁石として種々の用途に用いられている。優れた磁気特性を得るために、ナノサイズの結晶粒または非晶質から成る微細組織を安定して確保する必要がある。そのため、希土類磁石の組成を有する合金溶湯を単ロール法、双ロール法等により急冷凝固させて薄帯（急冷リボン）を形成する方法が行なわれている。

例えば特許文献１には、上記のような急冷凝固により永久磁石を製造する方法が提案されている。

しかし、合金溶湯を急冷凝固過程においては、一定した冷却速度を安定して得ることが困難なため、望ましいナノ結晶粒組織または非晶質組織を安定して得ることができず、両者の混在組織となったり、粗大な結晶粒組織が生成したり、これらの３種類の混在組織が生成してしまうため、優れた磁気特性を安定して確保することができないという問題があった。

特許第０３２４８９４２号

本発明は、急冷凝固により磁石合金の薄帯を製造する際に、望ましくない冷却速度で生成した薄帯の混在を防止することにより、均一な微細組織とそれによる優れた磁気特性を達成することができる磁石薄帯を製造する方法および装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、磁石合金の溶湯を冷却ロールの表面に吐出して急冷凝固する磁石薄帯の製造方法において、
上記急冷凝固する溶湯の冷却速度を連続的に測定し、所定の凝固組織が生成する範囲内の冷却速度で生成した薄帯を選択的に回収することを特徴とする磁石薄帯の製造方法が提供される。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、磁石合金の溶湯を冷却ロールの表面に吐出して急冷凝固する磁石薄帯の製造装置において、
上記急冷凝固する溶湯の冷却速度を連続的に測定する冷却速度測定手段と、所定の凝固組織が生成する範囲内の冷却速度で生成した薄帯を選択的に回収する回収手段とを有することを特徴とする磁石薄帯の製造装置も提供される。

本発明によれば、望ましい凝固組織が生成する範囲内の冷却速度で生成した薄帯を選択的に回収するので、望ましくない冷却速度で生成した薄帯の混在を防止することができ、均一な微細組織とそれによる優れた磁気特性を達成することができる。

図１は、薄帯を製造するための急冷凝固手段を示す。 図２は、本発明の回収機構を備えた薄帯の製造装置を示す。 図３は、本発明の製造方法の基本的なフローチャートを示す。 図４は、温度測定のための配置を示す。 図５は、図４において、吐出溶湯と冷却ロール表面との関係を詳細に示す。 図６は、実施例１における吐出時間と冷却速度との関係を示す。 図７は、図６に示した３水準の冷却速度域Ｉ、II、IIIで生成した薄帯の減磁曲線を示す。 図８は、冷却速度が（１）最低域IIIおよび（２）中間域IIの薄帯の厚さ断面についてＳＥＭによる組織写真を示す。 図９は、実施例２および比較例について、焼結体の減磁曲線を示すグラフである。 図１０は、実施例２および比較例について、焼結体組織のＳＥＭ像を示す。

図１に、磁石合金の薄帯を製造するための冷却ロールによる急冷凝固手段を示す。

冷却ロールＲは回転軸Ｘの周りをＶ方向に回転する。磁石合金の溶湯ＭはノズルＮから冷却ロールＲの表面Ｓに吐出されて急冷され、凝固して薄帯（急冷リボン）ＢとなってＤ方向に生成する。

冷却ロールＲの表面Ｓで急冷凝固により生成した合金薄帯Ｂは、冷却速度の変動に起因して組織が種々に変化している。すなわち、冷却速度が低速度から高速度に変化するの伴って、粗大結晶粒組織→微細結晶粒組織→非晶質組織と変化し、更にそれぞれの中間の冷却速度ではそれぞれ粗大結晶粒／微細結晶粒の混在組織あるいは微細結晶粒／非晶質の混在組織が生成する。一般に、良好な磁気特性を確保するには微細結晶粒組織または非晶質組織であることが必要である。非晶質組織は、後に熱処理で結晶化させて微細結晶粒組織に改質して用いる。従来は、このように冷却速度の変動に応じて種々の組織が生成した薄帯が混在した状態であり、良好な磁気特性を安定して得られないという問題があった。

上記従来の問題を解消するための本発明の特徴を、図２を参照して説明する。

図２（１）に、本発明により磁石合金の急冷凝固薄帯を製造する装置の全体を示す。図１に示した冷却ロールＲで急冷凝固により生成した薄帯Ｂは、ロール回転周速ｖで左方に飛び出し、片状になって左端の回収機構Ａ内に進入し、案内スリーブ１３０内を落下して、回収容器１００内へ回収される。

図２（２）の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、回収容器１００は、２つの回収槽１１０と回収槽１２０に分けられている。例えば、適正な冷却速度で生成した薄帯Ｂは回収槽１１０へ、不適正な冷却速度で生成した薄帯Ｂは回収槽１２０へと分別回収される。２つの回収槽への振り分けは、（Ａ）に示すように振り分け板１４０が左右に旋回することにより、落下する薄帯Ｂを振り分けるようにしても良いし、（Ｂ）に示すように回収容器１００を左右に移動させて薄帯Ｂを振り分けるようにしても良い。この移動は、図示したように平行移動であってもよいし、回転移動（図示せず）であってもよい。

また、説明を簡潔にするために、回収容器１００を２つの回収槽１１０と１２０に分けた例を述べたが、必要ならば３つ以上の回収槽に分けることもできる。この場合、多数個の回収槽を円形に組み合わせて回転移動させ、冷却速度の区分に応じて振り分けるようにすることができる。

このように、適正な冷却速度で生成し望ましい微細組織から成る薄帯Ｂのみを磁石の素材として用いることにより、優れた磁気特性を安定して確保できる。

図３に、本発明の製造方法の基本的なフローチャートを示す。

図３（１）は、冷却速度データのフィードバック制御する場合のフローチャートであり、図３（２）は、フィードバック制御しない場合のフローチャートである。冷却速度のフィードバック制御は、制御パラメータとして溶湯温度、冷却ロール表面温度、冷却ロール周速度を用いて行なうことができる。

以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

〔実施例１〕
組成がＮｄ_１４．７Ｆｅ_{７９．０３}Ｂ_５．６７Ｇａ_０．３Ｃｕ_０．１Ａｌ_０．２のネオジム磁石合金をアーク溶解炉にて溶製し、図２に示した製造装置にて合金薄帯（急冷リボン）を作製した。表１に作製条件を示す。

図４に示すように、赤外カメラＫ（ＮＥＣアビオ製：ＴＳ９２３０Ｈ−Ａ０１）にて、凝固前後の溶湯温度を測定し、吐出中の急冷速度を評価した。

すなわち図５に示すように、赤外カメラＫにて溶湯Ｍが冷却ロールＲに接触する直前の範囲を設定し、その範囲内での最高温度をＴ１とした。冷却ロール表面上で凝固後に距離Ｌ（ｍ）の範囲を設定し、その範囲内での最高温度をＴ２とした。Ｔ１とＴ２との温度差ΔＴ（Ｋ）から冷却速度を下式により算出した。本実施例においては、Ｌ＝０．００５ｍとした。ｖは、冷却ロールＲの周速度［ｍ／ｓ］である。

冷却速度［Ｋ／ｓ］＝ΔＴ・ｖ／Ｌ
本実施例では、冷却速度をフィードバック制御しないで、図６に示すように吐出時間の経過に伴い漸次降下する冷却速度を（Ｉ）１０^６Ｋ／ｓ以上、（II）１０^５〜１０^６Ｋ／ｓ、（III）１０^５Ｋ／ｓ以下の３水準に区分して、各区分で生成した薄帯を分別して回収した。回収容器として、３槽を円形に組み合わせた回収容器を用い、各冷却速度区間の境目で順次回転させて３水準に振り分け回収した。

回収した３種類の薄帯Ｉ、II、IIIについて、ＶＳＭによる磁気特性の測定と、ＳＥＭによる組織観察を行なった。図７および表２に、測定結果を示す。

上記の結果から、冷却速度が（Ｉ）１０^６Ｋ／ｓ以上、（II）１０^５〜１０^６Ｋ／ｓ、（III）１０^５Ｋ／ｓ以下と変化するのに伴って保磁力が変化している。保磁力は、冷却速度中間域IIで最も高く、冷却速度最低域IIIでやや低下し、冷却速度最高域Ｉで最も低い。

図８に、冷却速度が（１）最低域IIIおよび（２）中間域IIの薄帯の厚さ断面についてＳＥＭによる組織写真を示す。図８（１）の冷却速度最低域IIIの薄帯では、ロール面（最高速急冷凝固部）が微細結晶粒組織であるが、フリー面（最低速急冷凝固部）では粗大な結晶粒組織が観察される。図８（２）の冷却速度中間域IIの薄帯では、ロール面からフリー面にかけて薄帯断面全体が微細結晶粒組織であることが分かる。すなわち、微細結晶粒組織であることにより高い保磁力が得られた。冷却速度最高域Ｉについては、組織写真を示していないが、薄帯断面全体が非晶質であり、良好な磁性の発現には結晶化熱処理が必要である、と推察される。

〔実施例２〕
実施例１と同様の条件および手順により同じ合金組成の薄帯を作製した。冷却速度中間域II（１０^５〜１０^６Ｋ／ｓ）の回収槽から薄帯２ｇを採取し、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）により、１００ＭＰａ加圧下にて、５７０℃加熱、５ｍｉｎ保持で焼結した。

比較例として、実施例２で作製した３水準の冷却速度域Ｉ、II、IIIの回収槽の薄帯を混合して、混合物から無作為に２ｇ採取し、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ：Spark Plasma Sintering）により、１００ＭＰａ加圧下にて、５７０℃加熱、５ｍｉｎ保持で焼結した。

実施例２および比較例の焼結体について、ＶＳＭによる磁気特性の測定およびＳＥＭによる組織観察を行なった。

図９に、実施例２および比較例について、焼結体の減磁曲線を示す。冷却速度中間域II（１０^５〜１０^６Ｋ／ｓ）で生成した薄帯のみを用いた実施例２の焼結体は、３水準の冷却域で生成した薄帯を混合した比較例の焼結体に比べて、高い保磁力が得られた。

図１０に、実施例２および比較例について、組織のＳＥＭ像を示す。図１０（１）に示すように、実施例２の焼結体は均一な微細粒組織が観察された。これに対して、図１０（２）に示すように、比較例の焼結体には粗大粒が混在する組織が観察された。これは冷却速度最低域IIIで生成した薄帯中の粗大粒が混在したためである。また、冷却速度最高域Ｉ（１０^６Ｋ／ｓ以上）で生成した薄帯の非晶質組織と微細結晶組織が混在した薄帯において、焼結時に一部が粗大化した可能性も考えられる。

このように、急冷凝固時の冷却速度の変動による種々の組織の混在により磁気特性が劣化する。本発明により、冷却速度に連動して、適正な冷却速度で生成した薄帯を選択的に回収することにより、均一な微細粒組織が得られ、安定して良好な磁気特性が確保できる。

本発明によれば、急冷凝固により磁石合金の薄帯を製造する際に、望ましくない冷却速度で生成した薄帯の混在を防止することにより、均一な微細組織とそれによる優れた磁気特性を達成することができる磁石薄帯の製造方法および製造装置が提供される。

Ｒ 冷却ロール
Ｓ 冷却ロールＲの表面
Ｘ 冷却ロールＲの回転軸
Ｖ 冷却ロールＲの回転方向
Ｔ 冷却ロールＲの往復移動方向
Ｍ 磁石合金の溶湯
Ｎ ノズル
Ｈ 誘導コイル
Ｐ 誘導コイルと冷却ロール表面との間に設けた遮蔽板
Ｂ 磁石合金の薄帯（急冷リボン）
Ｄ 薄帯の生成方向
Ａ 薄帯の回収機構
１００ 回収容器
１１０ 回収槽（適正薄帯用）
１２０ 回収槽（不適正薄帯用）
１３０ 案内スリーブ
１４０ 振り分け板

Claims (4)

1. 磁石合金の溶湯を冷却ロールの表面に吐出して急冷凝固する磁石薄帯の製造方法において、
   上記急冷凝固する溶湯の冷却速度を連続的に測定し、所定の凝固組織が生成する範囲内の冷却速度で生成した薄帯を選択的に回収するように、上記冷却速度に連動して、上記薄帯と上記所定の凝固組織が生成する範囲外の冷却速度で生成した薄帯とを別の回収槽に回収することを特徴とする磁石薄帯の製造方法。
2. 請求項１において、上記範囲内の冷却速度が１０^５〜１０^６Ｋ／ｓであることを特徴とする磁石薄帯の製造方法。
3. 磁石合金の溶湯を冷却ロールの表面に吐出して急冷凝固する磁石薄帯の製造装置において、
   上記急冷凝固する溶湯の冷却速度を連続的に測定する冷却速度測定手段と、所定の凝固組織が生成する範囲内の冷却速度で生成した薄帯を選択的に回収するように、上記冷却速度に連動して、上記薄帯と上記所定の凝固組織が生成する範囲外の冷却速度で生成した薄帯とを別の回収槽に回収する手段を有することを特徴とする磁石薄帯の製造装置。
4. 請求項３において、上記範囲内の冷却速度が１０^５〜１０^６Ｋ／ｓであることを特徴とする磁石薄帯の製造装置。