JP5752094B2 - フルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法 - Google Patents
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Description
により直線的に破砕され、磁気的に等方性の磁石薄片として知られる。この薄片を、例えば永久磁石型モータの磁石として利用するには、何らかの手段で当該薄片を特定形状のバルク磁石とする技術が必要である。特定形状のバルク磁石とする手段としては、例えば、特許文献1に開示されているように、もっぱら常温で前記磁石薄片と固体のエポキシ樹脂とからグリーンコンパクトを作製し、然る後、エポキシ樹脂を加熱硬化せしめてボンド磁石とする方法が一般的である。
具体的には、たとえば常温で固体のエポキシ樹脂を固形分50wt.%程度の有機溶媒溶液(ex.アセトンなどのケトン類の溶液)とし、磁石薄片に対し、該エポキシ樹脂が
2.0〜2.5wt.%程度となるように磁石薄片と該エポキシ樹脂の有機溶媒溶液を湿式混合する。その後脱溶媒し、粒度調整して常温で粘着性がないグラニュール状複合磁石材料とする。これを機械式または油圧式粉末圧縮成形機などのフィーダカップに満たし、成形型キャビティに所定量充填し、通常常温にて一軸の圧力を加えて特定形状のグリーンコンパクトとする。さらに、該グリーンコンパクトを加熱し、該グリーンコンパクトを構成するエポキシ樹脂を熱硬化して、いわゆる希土類−鉄系ボンド磁石を製造する。
また、真密度7.59Mg/m3の磁石薄片を真密度1.30Mg/m3の常温で固体のエポキシ樹脂組成物と混合し、これを圧力2.45GPaで圧縮して希土類−鉄系ボンド磁石を得たところ、該希土類−鉄系ボンド磁石の密度は6.31Mg/m3に達するものの、残留空隙の体積分率は概ね9vol.%であったことが報告されている[非特許文献2]。
しながら周囲の間隙を埋めて緻密化する。また、同時に、その一部は回転して圧力軸方向へ積層するようになる。ここでグラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)相互の位置関係は、ほぼ安定する。勿論、圧縮圧力が小さければ、グラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)の脆性破壊と間隙充填の程度も小さい。よって、グリーンコンパクトの密度も小さくなる。
つぎに圧力を開放し、成形型キャビティからグリーンコンパクトを離型した段階では、基本的には弾性範囲にある圧力軸方向に対してある角度をもつグラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)は元の位置に戻ろうとして回転する。これにより、離型したグリーンコンパクトは弾性回復現象(スプリングバック)を示すことになる。
前述の、Nd2Fe14B化学量論組成に近い合金組成を有するNd12Fe77Co5B6(atomic%)溶湯合金を急冷凝固した磁石薄片とエポキシ樹脂組成物とから構成されるグラニュールを成形型キャビティに充填し、常温で特定形状に圧力1〜2.45GPa程度の範囲で圧縮し、離型したグリーンコンパクトは、1)塑性変形による磁石薄片間の接合がないこと、2)残留空隙が体積分率で9〜11.2vol.%程度も存在することなどが、圧力開放、離型段階におけるグラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)の回転を容易とし、弾性回復現象(スプリングバック)を増加させる要因となる。
一方、一軸の最大圧力2.1GPaで衝撃圧縮(Combustion Driven Compaction)を行った場合では、密度6.37Mg/m3の希土類−鉄系ボンド磁石が得られるものの、やはり残留空隙は減少しない[非特許文献3]。
永久減磁と呼ばれるものである。
希土類−鉄系ボンド磁石は、射出成形、圧縮成形などの作製法に拘らず、該磁石の残留空隙の体積分率と永久減磁との関係に一次相関があり、残留空隙が減少すれば永久減磁率も減少することが報告されている[非特許文献3]。さらに、永久減磁の主要因として、希土類−鉄系ボンド磁石の内部に存在する空隙に取り込まれた水分や酸素が、磁石内部の磁石薄片の酸化、腐食などの組織変化を促進することが挙げられている[非特許文献3]。加えて、磁石薄片の体積分率が80vol.%を超えるような希土類−鉄系ボンド磁石において、該磁石の緻密化過渡(圧縮)で起こるグラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)の脆性破壊は、酸化、腐食を起こし易い磁石薄片新生面の生成を意味する。このように、磁石内部の残留空隙をできる限り減少させることは、当該希土類−鉄系ボンド磁石の永久減磁を抑制するのに効果的な手段とみなせる。
樹脂組成物を、該樹脂組成物の溶融状態下で希土類−鉄系磁石薄片と混練し、常温で固体のグラニュール状複合磁石材料を製造する第1の工程と、該グラニュール状複合磁石材料をキャビティに充填し、該グラニュール状複合磁石材料の融点以下の温度にて、該グラニュール状複合磁石材料に一軸の前記熱硬化性樹脂組成物の降伏応力以上の圧力を加えることにより、前記磁石薄片の脆性破壊と同時に前記熱硬化性樹脂組成物の塑性変形(流動)の相互作用によって空隙を減少させるとともに、前記グラニュール状複合磁石材料を圧力軸方向に積層させて、磁石薄片相互の位置関係がほぼ固定された特定形状のグリーンコンパクトを製造する第2の工程と、前記グリーンコンパクトを加熱し、該グリーンコンパクトを構成する熱硬化性樹脂組成物を硬化させる第3の工程とを含むことを特徴とする、フルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法に関する。
上記製造方法において、前記特定形状のグリーンコンパクトが、該グリーンコンパクトに占める前記希土類−鉄系磁石薄片の体積分率が78.87vol.%以上、前記熱硬化性樹脂組成物の体積分率が18.05vol.%以下であり、残留空隙の体積分率が3.08vol.%以下(但し、前記希土類−鉄系磁石薄片、熱硬化性樹脂組成物及び残留空隙の体積分率の合計は100vol.%である)であるグリーンコンパクトであることが好ましい。
さらに、常温で粘着性のないグラニュール状複合磁石材料とするために、前記不飽和ポリエステルアルキド(A)が、ジカルボン酸成分ならびにグリコール成分から構成され、該ジカルボン酸成分がフタル酸とフマル酸をモル比でフタル酸/フマル酸=5/5〜1/9にて含み、該グリコール成分が1,4−ブタンジオールその他のグリコールをモル比で1,4−ブタンジオール/他のグリコール=7/3〜10/0にて含み、且つ、該不飽和ポリエステルアルキド(A)が融点80〜120℃、酸価20以下であることが好ましい。
また前記アリル系共重合性単量体(B)が、トリアリルイソシアヌレートであること、など、より好適にはトリアジン環を有する3官能性アリル系共重合性単量体であることが好ましい。
また前記不飽和ポリエステルアルキド(A)とアリル系共重合性単量体(B)の配合比が質量比でB/(A+B)=5〜40wt.%であることが好ましい。
Fe14B、R2Fe(Co)14Bとのナノ複合組織(nanocomposite)(前記RはY
を含むCe、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy及びHoから選択される希土類元素のいずれかを表し、前記MはSi、Al、Nb、Zr、Hf、Mo、Ga、P及びCから選択される1種または2種以上の組み合わせを表す)を含む、磁気的に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片が好ましい。
さらに、希土類−鉄系磁石薄片は、Sm−Fe−N系磁石と、Sm−Fe−M’−N系磁石、並びに、不可避不純物からなる合金組成を有するSm2Fe17Nx(x≒3)ナノ結晶組織(nanocrystalline)、またはαFeとSm2Fe17Nx(x≒3)とのナ
ノ複合組織(nanocomposite)(前記M’はHf、Zr、Si、Nb、Ti、Ga、Al、Ta及びCから選択される1種または2種以上の組合せを表す)を含む、磁気的に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片を使用しても差し支えない。
MA/mにおいて、0.74T以上の残留磁化Mr、及び、90kJ/m3以上の最大
エネルギー積(BH)maxを有することが好ましい。
しかも、残留空隙の低減は、永久減磁の主要因となる残留空隙に存在し得る水分、酸素並びに熱による希土類磁石材料の腐食、組織変化を抑制でき、高温長期暴露での磁石の耐久性(すなわち耐候性)を改善できる。
従来の熱硬化性樹脂組成物(例えば、常温で固体のエポキシオリゴマー)を使用した従来のグラニュールにおいて、グラニュールを構成する磁石薄片は、図1の曲線Bに示すように、圧縮圧力を受けると脆性破壊を起こし、分離しながら周囲の間隙を埋めて緻密化が進む。また、同時に、その一部は回転して圧力軸方向へ積層するようになる。ここでグラニュール(磁石薄片)相互の位置関係は、ほぼ安定する。
これに対し、本発明にかかる曲線Aのような性質をもつ熱硬化性樹脂組成物と磁石薄片とのグラニュールは、該熱硬化性樹脂組成物の降伏応力以上の圧力を加えることにより、緻密化過渡(圧縮)の降伏応力以上で磁石薄片の脆性破壊と同時に熱硬化性樹脂組成物が塑性変形(流動)し、それらの相互作用によってグラニュール周辺の間隙を埋め、空隙を減少させる。また同時に、グラニュールの一部が回転して圧力軸方向へ積層するようになる。ここでグラニュールを構成する磁石薄片相互の位置関係は、ほぼ安定する。その結果、残留空隙が極めて少ないグリーンコンパクト、さらに、本発明で言う残留空隙が極めて少ないフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造が可能となることを本発明者らは見出した。
このように本発明は、グラニュール状複合磁石材料を構成する熱硬化性樹脂組成物に、その融点以下の温度で圧力を加えると、図1に示す曲線Aのようなビンガム流動(降伏応力をもつ流動)する性質が付与された樹脂組成物を採用することに大きな特徴を有する。
以下、本発明を更に詳しく説明する。
本発明にかかる熱硬化性樹脂組成物とは、常温で固体であり、かつ粘着性がなく、かつ降伏応力を持つ流動性を備えた熱硬化性樹脂組成物である。
特に本発明において、好ましい熱硬化性樹脂組成物は、アリル系不飽和ポリエステル樹脂組成物であって、詳細には、不飽和ポリエステルアルキド(A)と、アリル系共重合性単量体(B)の完溶物と、有機過酸化物を含みて構成される。好ましくは、常温で固体であり、かつ粘着性がなく、融点80〜120℃、酸価20以下である不飽和ポリエステルアルキド(A)と、融点30℃以下のアリル系共重合性単量体(B)との完溶物と、有機過酸化物を含みて構成される熱硬化性樹脂組成物である。
この熱硬化性樹脂組成物(完溶物)において、アリル系共重合性単量体(B)の割合を変化させることにより、図1に示す曲線Aのようなビンガム流動(降伏応力をもつ流動)の開始点(降伏圧力)を容易に調整できる。
フタル酸/フマル酸の使用割合は5/5〜1/9、とくに4/6〜2/8(モル比)が好ましい。
1,4−ブタンジオールと併用される他のグリコール成分としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、2,2−ジメチル−3−ヒドロキシプロピル、2,2−ジメチル−6,3−ヒドロキシプロピオネート、水素化ビスフェノールA、ビスフェノールAのエチレンオキサイドまたはプロピレンオキサイド付加物を挙げることができる。ここで、他のグリコール成分として好ましくは、プロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、ジプロピレングリコールを用いることができる。
また、ジオール成分の1,4−ブタンジオール/他のグリコールのモル比が7/3〜10/0の範囲にあっても、ジカルボン酸成分であるテレフタル酸/フマル酸のモル比が5/5より大きい場合(フタル酸のモル比が5を超える)、または、1/9より小さい場合(フタル酸のモル比が1を下回る)場合においては、常温で粘着性がなく、耐ブロッキング性に優れたグラニュール状複合磁石材料は得られるものの、後に得られるボンド磁石の熱的、機械的特性が十分なものとはならない。
ッキング性に優れたグラニュール状複合磁石材料が得られるものの、常温で1GPa以下での塑性変形(流動)性、すなわちビンガム流動(降伏応力をもつ流動)性が減少するので好ましくない。
本発明にかかる希土類−鉄系磁石薄片は、R−Fe−B系磁石(但しRはYを含むCe、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho等の希土類元素)又は前記磁石においてFeの一部をCoで置換したR−Fe(Co)−B系磁石(但しRは前述の意味を表す)と、更にはSi、Al、Nb、Zr、Hf、Mo、Ga、P、Cの1種または2種以上の組み合わせを用いたR−Fe−B−M系磁石又はR−Fe(Co)−B−M系磁石(但しRは前述の意味を表し、MはSi、Al、Nb、Zr、Hf、Mo、Ga、P、Cの1種または2種以上の組み合わせを表す)、不可避不純物からなる合金組成を有するR2Fe14B、R2Fe(Co)14Bナノ結晶組織(nanocrystalline)、またはαFeとR2Fe1
4B、R2Fe(Co)14Bとのナノ複合組織(nanocomposite)(前記Rは前述の意
味を表す)を含む、磁気的に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片が好ましい。
或いは、本発明にかかる希土類−鉄系磁石薄片は、Sm−Fe−N系磁石と、Hf、Zr、Si、Nb、Ti、Ga、Al、TaおよびCの1種または2種以上の組合せを用い
たSm−Fe−M’−N系磁石(但しM’はHf、Zr、Si、Nb、Ti、Ga、Al
、TaおよびCの1種または2種以上を表す)、並びに、不可避不純物からなる合金組成を有するSm2Fe17Nx(x≒3)ナノ結晶組織(nanocrystalline)、またはαF
eとSm2Fe17Nx(x≒3)とのナノ複合組織(nanocomposite)を含む、磁気的
に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片を使用しても差し支えない。
なお、一般に、小型モータに搭載する磁石としては、常温での保磁力は600kA/m以上で、かつ飽和磁化Msが高く、かつ残留磁化Mrはレマネンスエンハンスメントが発現するナノ組織、ナノ複合組織の磁石薄片が好ましい。
本発明にかかる第1の工程では、常温で粘着性がなく、かつ降伏応力をもつ流動性を備えた前記熱硬化性樹脂組成物を、例えば、ミキシングロールを用いて溶融状態として、ここに所定量の前記希土類−鉄系磁石薄片を加えて混練し、溶融混練物とし、常温で固体のグラニュール状複合磁石材料(以降、単に“グラニュール”とも称する)とする工程である。あるいは、当該樹脂組成物を構成する不飽和ポリエステルアルキド(粉末状)、共重合性単量体(液状)、重合開始剤(液状または粉末状)などと希土類−鉄系磁石薄片とを予め一括して混合し、例えば、ミキシングロールを用いて不飽和ポリエステルアルキドの融点付近の温度で該不飽和ポリエステルアルキドの共重合性単量体溶液である溶融不飽和ポリエステル樹脂の作製と同時に、該溶融樹脂と該磁石薄片との混練を行なっても差し支えない。
ここで、熱硬化性樹脂組成物の溶融状態下で該磁石薄片を混練することにより、各グラニュール中の空隙を減少させることができ、こうした観点から第1の全ての工程を無溶剤で行う、所謂、無溶剤型で実施することが望ましい。
溶融混練はミキシングロール、ロールミル、コニーダー、2軸押出機など通常の熱硬化性樹脂成形材料で使用可能な混練機を用いた定法で行う。
なお、本発明にかかるグラニュール状複合磁石材料の粒径範囲は、第2の工程における成形型キャビティへの充填性を考慮すると、例えば53〜500μm程度とすることが望ましい。
また、分級したグラニュールの成形型キャビティへの充填性にかかる粉末流動性の向上、あるいは分級したグラニュールの緻密化過渡(圧縮)の際の成形型キャビティ壁面との摩擦低減などを目的とし、当該グラニュールに高級脂肪酸金属石鹸など、一般的な外部滑剤を乾式混合しても差し支えない。なお、外部滑剤の添加量は、グラニュール状複合磁石材料100質量部に対して0.5質量部以下が好ましい。
つぎに、本発明にかかる第2の工程では、前述の粒度調整したグラニュール状複合磁石材料を、前記グラニュール状複合磁石材料の融点以下の温度で、一軸の圧力を加えて、特定形状のグリーンコンパクトとする。
本発明では、前記グラニュール状複合磁性材料を、該磁性材料の融点以下の温度で、例えば常温(20℃±15℃(5〜35℃))で、一軸の圧力を加えグリーンコンパクトを製造する点を大きな特徴とする。
そして得られたグリーンコンパクトにおいて、該グリーンコンパクトに占める前記希土類−鉄系磁石薄片の体積分率が78.87vol.%以上、前記熱硬化性樹脂組成物の体積分率が18.05vol.%以下であり、残留空隙の体積分率が3.08vol.%以下(但し、前記希土類−鉄系磁石薄片、熱硬化性樹脂組成物及び残留空隙の体積分率の合計は100vol.%である)であることを特徴とする。
この段階では、基本的には弾性範囲にある圧力軸方向に、ある角度をもつグラニュール(磁石薄片)は元の位置に戻ろうとして回転する。これにより、一般に離型したグリーンコンパクトは弾性回復現象(スプリングバック)を示すことになる。一方、本発明にかかるグリーンコンパクトにおいては、成形型キャビティから離型後において、弾性回復現象(スプリングバック)を従来よりも低く抑えることできる。
この理由として、本発明にかかるグリーンコンパクト、すなわち、常温で特定形状に圧力0.8〜1.0GPa程度で圧縮し、離型したグリーンコンパクトは、1)無溶剤で熱硬化性樹脂組成物と磁石薄片との混練を実施したことにより、磁石薄片の熱硬化性樹脂組成物への完全な埋設が実現、2)該熱硬化性樹脂組成物の塑性変形(流動)によるグラニュール同士の接触面の接合性の向上、3)残留空隙が体積分率で3.08vol.%以下、例えば1.5〜3.0vol.%程度に減少してなる、といった特徴を備えており、こうしたことなどが、圧力開放、離型によるグラニュール(磁石薄片)の回転を抑制し、弾性回復現象(スプリングバック)を減少させる要因となっていると考えられる。
本発明にかかる第3の工程では、グリーンコンパクトを構成する熱硬化性樹脂組成物を加熱硬化し、フルデンス希土類−鉄系ボンド磁石とする。熱硬化処理は大気中で行っても差し支えない。
なお、常温で固体の熱硬化性樹脂組成物の硬化過渡の体積変化は以下の過程を経る。すなわち、まず加熱による温度上昇で、液相状態で熱膨張し、次に2次元架橋が始まり、体積収縮を伴いながらゲル化に至る。これ以降、樹脂組成物は固体としての挙動に移行し、3次元架橋に移り、3次元架橋の終点である硬化点に到達する。その後、常温まで冷却すると樹脂組成物は体積収縮する。
例えば環状グリーンコンパクト外周面を支持体で拘束しながら、当該環状グリーンコンパクトを構成する熱硬化性樹脂組成物を加熱硬化させることにより、支持体と一体化された環状のフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石を製造できる。
本発明のフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石及びそのグリーンコンパクトは、上述の第1の工程乃至第3の工程を経て有利にそして好適に製造されるが、その製造方法はこれらの工程のみに限定されるものではない。
撹拌機、留出管、窒素ガス導入管および温度計を付した反応器に1,4−ブタンジオール100mol%、テレフタル酸ジメチル40mol%を仕込んだ。触媒として、全酸成分(フタル酸ジメチル及び後述のフマル酸)に対してチタン酸テトラ−n−ブトキシドを0.02mol%、三酸化アンチモン0.03mol%を仕込んだ。140℃まで内温を上げ、さらに、200℃まで1.5時間かけて昇温し、メタノールを留出させることによりエステル交換を行った。次いで160℃まで内温を下げ、フマル酸60mol%およびハイドロキノン150ppm(対フマル酸の仕込み量[質量]比)を仕込み、窒素ガスを300mL/分で流しながら155℃まで内温を上げ、2.0時間かけて内温を160℃に昇温し、さらに2.5時間かけて210℃まで昇温し、同温度で5.5時間反応を続行した。なお反応時間中、後半4.0時間は窒素流量を680mL/分に増加した。反応終了後、反応生成物を吐出し、冷却結晶化後ヘンシェルミキサーを用いて粉砕し、粒子状の不飽和ポリエステルアルキドを得た。
得られた不飽和ポリエステルアルキドにおいて、酸成分及びグリコール成分の使用量は以下のとおりである。酸成分:フタル酸/フマル酸=4/6(モル比)、グリコール成分:1,4−ブタンジオール/他のグリコール=10/0(モル比)。
また、ヘンシェルミキサーでの破砕性は良好であり、かつ破砕物の粘着性やブロッキングはなかった。
27 ℃のトリアリルイソシアヌレート(B)とを、配合比:B/(A+B)が5〜40
wt.%となるように種々配合して90〜100℃にて溶融混練し、完溶物とした。前記完溶物100質量部に対し、重合開始剤としてジクミルパーオキサイド1.5質量部を加えて90〜100℃にて溶融混練し、熱硬化性樹脂組成物を調製した。
なお、ジクミルパーオキサイドは、発熱開始温度が151℃、1時間半減期温度が135.7℃である。このため、重合開始剤としてジクミルパーオキサイドを採用し、溶融混練条件を100℃程度とすれば、本発明にかかる第1の工程をキックオフ温度以下、すなわち、硬化反応が殆ど進行しない条件下で実施できる。
なお前述したように、当該降伏応力は不飽和ポリエステルアルキド(A)とアリル系共重合性単量体(B)の配合比B/(A+B)、あるいはジアリルテレフタレートなどアリル系共重合性単量体の選択などにより、その大きさを容易に調整できる。
また、本実施例における不飽和ポリエステルアルキド(A)とアリル系共重合性単量体(B)配合比:B/(A+B)は25wt.%を基準とし、それら熱硬化性樹脂組成物硬化物のアルキメデス法による真密度は1.25Mg/m3であった。
本実施例では、ナノ結晶組織(nanocrystalline)の磁石薄片として、Nd2Fe14
B化学量論組成に近い合金組成を有するNd12Fe77Co5B6(atomic%)溶湯合金を急冷凝固した真密度7.59Mg/m3、粒子径150μm以下(乾式篩法(JIS Z 8815)による測定)、残留磁化Mr:0.90T、保磁力HcJ:0.8MA/mの磁石薄片を使用した。
前記磁石薄片と、前述の如く製造した熱硬化性樹脂組成物とを、無溶剤下で、表面温度を100℃に設定した8インチ・ミキシングロールを用いて溶融混練し、溶融混練物とした。ここで熱硬化性樹脂組成物の割合が、前記溶融混練物において(すなわち複合磁石材料の総質量に対して)2.5、3.0、3.5又は4.0wt.%となるように、磁石薄片と熱硬化性樹脂組成物を種々配合した。
続いて、前記溶融混練物を、表面温度80℃の等速ロールミルを用いて厚さ1mm以下とし、ヘンシェルミキサーで粗粉砕した。その後電動石臼による解砕と篩による分級にて、粒子径53〜500μmのグラニュール状複合磁石材料とした。
第1の工程で得られたグラニュール状複合磁石材料3.3gを成形型キャビティ(内径10.08mm)に充填し、温度20〜30℃、圧力0.15〜1.0GPaで圧縮して、種々の圧縮圧力によるグリーンコンパクトを得た。
なお、前述の熱硬化性樹脂組成物に代えて、常温で固体のエポキシ樹脂(ジグリシジル
エーテルビスフェノールA型エポキシオリゴマー:epikote1002と4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート再生体とをOH/NCO=1としたもの)を有機溶媒に溶解した有機溶液を前記磁石薄片と湿式混合し、脱溶媒・解砕・分級し、粒度調整した、エポキシ樹脂組成物含有のグラニュール状複合磁石材料(複合磁石材料の総質量に対してエポキシ樹脂の配合量:2.5wt.%)を用いて、前記第2の工程と同一条件で作製した種々の圧縮圧力によるグリーンコンパクト(比較例1)並びに、前記エポキシ樹脂組成物含有の磁性材料を衝撃圧縮したグリーンコンパクト(比較例2)の各相対密度RDと圧力Pexの関係も同時に図2に示す。
ここで、エポキシ樹脂をベースとした樹脂組成物のみを熱硬化した試料のアルキメデス法による真密度は1.16Mg/m3であった。また、本明細書において、相対密度RDとは、グリーンコンパクトの密度を、磁石薄片の真密度(7.59Mg/m3)で除した値をいう。
図2に示す比較例1のグリーンコンパクトにおける相対密度RDと圧縮圧力Pexとの関係は、相関係数0.9951で対数近似式:RD=6.2534Ln(Pex)+80.106が成立ち、ただし圧縮圧力0.87GPaと1.00GPaでの相対密度RDは、それぞれ、79.43%、79.56%であり、飽和傾向にあった。
また、図2の比較例2で示した衝撃圧縮で得られるグリーンコンパクトの相対密度RDは、前記比較例1の対数近似式を外挿した水準に位置するものであった。
とくに、図2及び図3に示すように、IIの状態からIIIの状態に至る圧力範囲では、本発明にかかる熱硬化性樹脂組成物の塑性変形(流動)能が急増し、これにより、例えば、圧縮圧力1GPaでの緻密化過渡(圧縮)の最終段階では残留空隙の極小化に伴う相対密度RDの増加が見られる。
図4は圧縮圧力と円柱試料の径方向のスプリングバックの関係を示す特性図である。図から明らかなように、本発明例(配合B/(A+B)=25wt%、熱硬化性樹脂組成物の複合磁石材料の総質量に対する配合量:2.5、3.0、3.5、4.0wt.%)は
比較例(エポキシ樹脂組成物の配合量:2.0、2.5wt.%)に比べ、全圧力範囲(0.15〜1.0GPa)でスプリングバックの水準が明確に少ないとする結果となった。この理由は、常温で特定形状に圧縮し、離型した本発明にかかるグリーンコンパクトが、1)磁石薄片を空隙なく樹脂組成物に埋設したグラニュール状複合磁石材料を用いたこと、2)緻密化過渡(圧縮)において、降伏応力以上で樹脂組成物が塑性変形(流動)することによりグラニュール状粒子接触面が接合し、これにより残留空隙の減少などが圧力開放、離型によるグラニュール(磁石薄片)の回転を抑制してなるため、弾性回復現象(スプリングバック)の減少につながったと説明できる。
また、比較例3のグリーンコンパクトでは、圧力範囲0.15から1.0GPaにおける圧縮圧力Pexと残留空隙の体積分率Vairは、相関係数0.9984で対数近似式:Vair=−6.898Ln(Pex)+6.4027が成立した。本例では圧縮圧力Pex1.0GPaでの残留空隙Vairは実測で6.5vol.%、対数近似式から算出した結果は6.4vol.%であった。この結果は、グラニュール(磁石薄片)の緻密化過渡(圧縮)での脆性破壊のみによる間隙充填では、残留空隙の存在が避けられないことを意味する。
図に示す本発明例は不飽和ポリエステルアルキド(A)とアリル系共重合性単量体(B)の配合比:B/(A+B)が25wt.%の熱硬化性樹脂組成物を複合磁石材料の総質量に対して3.5wt.%又は4.0wt.%にて配合したグラニュール状複合磁石材料3.3gを、成形型キャビティ(内径10.0mm)に充填し、圧力0.15〜1.0GP
aで圧縮して得たグリーンコンパクトの相対密度RDと残留空隙の体積分率Vairの関係を示す特性図である。また、比較例1、3は図5と同じ試料である。
ボンド磁石は磁石薄片の充填率をできるだけ高め、かつ残留空隙の体積分率Vairを最小化することが性能上望ましいという観点から考慮すると、本発明例では不飽和ポリエステルアルキド(A)とアリル系共重合性単量体(B)の配合比:B/(A+B)が25wt.%の熱硬化性樹脂組成物を、複合磁石材料の総質量に対して3.5wt.%(体積分率17.97vol.%)で配合してグラニュール状複合磁石材料とし、該磁性材料を1GPaで特定形状に圧縮してグリーンコンパクトとすることが望ましいとする結果となった。
このように、リング状グリーンコンパクトの圧環強度の向上、あるいはスプリングバックの減少という結果は、本発明のグリーンコンパクト特有の空隙が殆どないという構造による効果であり、本発明が高い寸法精度を有する希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法となることを示唆するものである。
第2の工程で得られた、本発明にかかるグラニュール状複合磁石材料を圧縮成形したグリーンコンパクトを、該グリーンコンパクトを構成する硬化性樹脂組成物を定法により熱硬化することで、空隙が極めて少ない圧縮成形希土類−鉄系ボンド磁石とした。本実施例の熱硬化性樹脂組成物は、150から200℃で数分から十数分間、加熱し硬化させた。
図7に示すように、本発明例は比較例1と同じ圧力範囲(0.15から1.0GPa)であっても高い(BH)max値を有するフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石となったこ
とが確認された。
なお、(II)及び(III)の減磁曲線は、上記ボンド磁石の製造において、圧縮成形に替えて押出成形(従来例1)又は射出成形(従来例2)とした以外は同じ条件により製造した希土類−鉄系ボンド磁石の減磁曲線であり、何れのボンド磁石においても残留空隙Vairは1vol.%未満であった。
本発明例のボンド磁石は、残留磁化、(BH)maxともに、他の加工法で作製した空隙が極めて少ないボンド磁石よりも優れており、また、磁石薄片を圧縮成形した希土類−鉄系ボンド磁石としても最高水準の磁気特性を維持していた。
そこで、気体定数RをR=1.9872cal・mol−1・K−1と仮定し、磁束損失にかかる活性化エネルギーΔEを求めると8.13kal・mol−1となり、この値は一般の高分子材料の熱劣化における活性化エネルギーに比べておよそ1/2以下の水準であった。希土類−鉄系ボンド磁石においては、内部に存在する残留空隙に取り込まれた水分や酸素が磁石内部の磁石薄片の酸化、腐食などの組織変化を促進するとされる[非特許文献4]。
とができ、熱による減磁、寸法変化、機械強度の劣化に対する信頼性を著しく高めるなどの進歩性があり、その産業上の利用価値は極めて大きい。
このため本発明の製造方法により製造されたフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石は、例えば車載用モータや、OA機器用ブラシレスモータ、ハードディスク用スピンドルモータ等、高い寸法安定性や機械強度、そして永久減磁が抑制され高い耐候性が求められる各種小型モータへの応用が期待される。
Claims (6)
- フルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法であって、
常温で粘着性がなく、かつ降伏応力をもつ流動性を備えた熱硬化性樹脂組成物を、該樹脂組成物の溶融状態下で希土類−鉄系磁石薄片と混練し、常温で固体のグラニュール状複合磁石材料を製造する第1の工程と、
該グラニュール状複合磁石材料をキャビティに充填し、該グラニュール状複合磁石材料の融点以下の温度にて、該グラニュール状複合磁石材料に一軸の前記熱硬化性樹脂組成物の降伏応力以上の圧力を加えることにより、前記磁石薄片の脆性破壊と同時に前記熱硬化性樹脂組成物の塑性変形(流動)の相互作用によって空隙を減少させるとともに、前記グラニュール状複合磁石材料を圧力軸方向に積層させて、磁石薄片相互の位置関係がほぼ固定された特定形状のグリーンコンパクトを製造する第2の工程と、
前記グリーンコンパクトを加熱し、該グリーンコンパクトを構成する熱硬化性樹脂組成物を硬化させる第3の工程
とを含み、そして
前記熱硬化性樹脂組成物が、常温で固体の不飽和ポリエステルアルキド(A)とアリル系共重合性単量体(B)と有機過酸化物とを含み、
前記不飽和ポリエステルアルキド(A)が、フタル酸とフマル酸をモル比でフタル酸/フマル酸=5/5〜1/9にて含むジカルボン酸成分と、1,4−ブタンジオールと他のグリコールをモル比で1,4−ブタンジオール/他のグリコール=7/3〜10/0にて含むグリコール成分とから構成され、且つ、融点80〜120℃、酸価20以下であり、
前記アリル系共重合性単量体(B)が、トリアリルイソシアヌレートであり、
前記不飽和ポリエステルアルキド(A)と前記アリル系共重合性単量体(B)の配合比が質量比でB/(A+B)=5〜40wt.%であることを特徴とする、
フルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。 - 希土類−鉄系磁石薄片が、R−Fe−B系磁石、又はFeの一部をCoで置換したR−Fe(Co)−B系磁石と、更にはR−Fe−B−M系磁石、又はR−Fe(Co)−B−M系磁石、不可避不純物からなる合金組成を有するR2Fe14B、R2Fe(Co)14Bナノ結晶組織、またはαFeとR2Fe14B、R2Fe(Co)14Bとのナノ複
合組織(前記RはYを含むCe、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy及びHoから選択される希土類元素のいずれかを表し、前記MはSi、Al、Nb、Zr、Hf、Mo、Ga、P及びCから選択される1種または2種以上の組み合わせを表す)を含む、磁気的に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片である、請求項1に記載のフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。 - 前記希土類−鉄系磁石薄片が、Sm−Fe−N系磁石とSm−Fe−M’−N系磁石、並びに不可避不純物からなる合金組成を有するSm2Fe17Nx(x≒3)ナノ結晶組織(nanocrystalline)、又はαFeとSm2Fe17Nx(x≒3)とのナノ複合組織(nanocomposite)(前記M’はHf、Zr、Si、Nb、Ti、Ga、Al、Ta及びCから選択される1種または2種以上の組合せを表す)を含む、磁気的に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片である、請求項1に記載のフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
- 請求項1乃至請求項3のうち何れか一項に記載の製造方法によって製造されたフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石であって
前記希土類−鉄系磁石薄片の体積分率が78.87vol.%以上、熱硬化性樹脂組成物の体積分率が18.05vol.%以下、残留空隙の体積分率が3.08vol.%以下(但し、前記希土類−鉄系磁石薄片、熱硬化性樹脂組成物及び残留空隙の体積分率の合計は100vol.%である)である、
フルデンス希土類−鉄系ボンド磁石。 - 外部磁界Hm2.4MA/mにおいて0.74T以上の残留磁化Mr、及び、90kJ/m3以上の最大エネルギー積(BH)maxを有する、請求項4に記載のフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石。
- 請求項4又は請求項5に記載のフルデンス希土類−鉄系ボンド磁石を含みて構成される小型モータ。
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