JP5926989B2 - 希土類永久磁石及び希土類永久磁石の製造方法 - Google Patents
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Description
また、製造された希土類磁石に含まれる一体に連結されたNdリッチ相の内、最大の体積を有するNdリッチ相を第一連結相、2番目の体積を有するNdリッチ相を第二連結相、3番目の体積を有するNdリッチ相を第三連結相とした場合に、第1連結相、第2連結相及び第3連結相の合計体積が、希土類永久磁石に含まれるNdリッチ相の全体積の81%以上とすることによって、Ndリッチ相が粒界に均一に分散し(即ち粒界を被覆し)、永久磁石の保磁力を必要十分な値にまで向上させることが可能となる。
先ず、本発明に係る永久磁石1の構成について説明する。図1は本発明に係る永久磁石1を示した全体図である。尚、図1に示す永久磁石1は扇型形状を備えるが、永久磁石1の形状は打ち抜き形状によって変化する。
本発明に係る永久磁石1はNd−Fe−B系の異方性磁石である。尚、各成分の含有量はNd:27〜40wt%、B:0.8〜2wt%、Fe(電解鉄):60〜70wt%とする。また、磁気特性向上の為、Dy、Tb、Co、Cu、Al、Si、Ga、Nb、V、Pr、Mo、Zr、Ta、Ti、W、Ag、Bi、Zn、Mg等の他元素を少量含んでも良い。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。
(1)融点が低く(約600℃)、焼結時に液相となり、磁石の高密度化、即ち磁化の向上に寄与する。(2)粒界の凹凸を無くし、逆磁区のニュークリエーションサイトを減少させ保磁力を高める。(3)主相2を磁気的に絶縁し保磁力を増加する。
従って、焼結後の永久磁石1中におけるNdリッチ相3の分散状態が悪いと、局部的な焼結不良、磁性の低下をまねくため、焼結後の永久磁石1中にはNdリッチ相3が粒界に均一に分散していることが重要となる。具体的には、全ての主相2がNdリッチ相3に包み込まれるようにして、一定間隔で配置されることが理想である。
更に、バインダーに樹脂を用いる場合には、構造中に酸素原子を含まず、且つ解重合性のあるポリマーを用いるのが好ましい。また、後述のようにホットメルト成形によりグリーンシートを成形する場合には、成形されたグリーンシートを加熱して軟化した状態で磁場配向を行う為に、熱可塑性樹脂が用いられる。具体的には以下の一般式(1)に示されるモノマーから選ばれる1種又は2種以上の重合体又は共重合体からなるポリマーが該当する。
尚、バインダーに用いる樹脂としては、磁場配向を適切に行う為に250℃以下で軟化する熱可塑性樹脂、より具体的にはガラス転移点又は融点が250℃以下の熱可塑性樹脂を用いることが望ましい。
次に、本発明に係る永久磁石1の製造方法について図3を用いて説明する。図3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、ビーズミル11等で微粉砕された磁石粉末にバインダーを混合することにより、磁石粉末とバインダーからなる粉末状の混合物(コンパウンド)12を作製する。ここで、バインダーとしては、上述したように樹脂や長鎖炭化水素や脂肪酸メチルエステルやそれらの混合物等が用いられる。例えば、樹脂を用いる場合には構造中に酸素原子を含まず、且つ解重合性のあるポリマーからなる熱可塑性樹脂を用い、一方、長鎖炭化水素を用いる場合には、室温で固体、室温以上で液体である長鎖飽和炭化水素(長鎖アルカン)を用いるのが好ましい。また、脂肪酸メチルエステルを用いる場合には、ステアリン酸メチルやドコサン酸メチル等を用いるのが好ましい。また、バインダーの添加量は、上述したように添加後のコンパウンド12における磁石粉末とバインダーの合計量に対するバインダーの比率が、1wt%〜40wt%、より好ましくは2wt%〜30wt%、更に好ましくは3wt%〜20wt%となる量とする。尚、バインダーの添加は、窒素ガス、Arガス、Heガスなど不活性ガスからなる雰囲気で行う。尚、磁石粉末とバインダーとの混合は、例えば有機溶媒に磁石粉末とバインダーとをそれぞれ投入し、攪拌機で攪拌することにより行う。そして、攪拌後に磁石粉末とバインダーとを含む有機溶媒を加熱して有機溶媒を気化させることにより、コンパウンド12を抽出する。また、磁石粉末とバインダーとの混合は、窒素ガス、Arガス、Heガスなど不活性ガスからなる雰囲気で行うことが望ましい。また、特に磁石粉末を湿式法で粉砕した場合においては、粉砕に用いた有機溶媒から磁石粉末を取り出すことなくバインダーを有機溶媒中に添加して混練し、その後に有機溶媒を揮発させて後述のコンパウンド12を得る構成としても良い。
図4に示すようにスロットダイ方式に用いられるダイ15は、ブロック16、17を互いに重ね合わせることにより形成されており、ブロック16、17との間の間隙によってスリット18やキャビティ(液溜まり)19を形成する。キャビティ19はブロック17に設けられた供給口20に連通される。そして、供給口20はギアポンプ(図示せず)等によって構成される塗布液の供給系へと接続されており、キャビティ19には供給口20を介して、計量された流体状のコンパウンド12が定量ポンプ等により供給される。更に、キャビティ19に供給された流体状のコンパウンド12はスリット18へ送液されて単位時間一定量で幅方向に均一な圧力でスリット18の吐出口21から予め設定された塗布幅により吐出される。一方で、支持基材13はコーティングロール22の回転に伴って予め設定された速度で連続搬送される。その結果、吐出した流体状のコンパウンド12が支持基材13に対して所定厚さで塗布され、その後、放熱して凝固することにより支持基材13上に長尺シート状のグリーンシート14が成形される。
また、磁場配向した後に行うグリーンシート14の放熱及び凝固は、搬送状態で行うことが好ましい。それによって、製造工程をより効率化することが可能となる。
図7に示すように、加熱装置37は発熱体となる平板部材38の内部に略U字型の空洞39を形成し、空洞39内に所定温度(例えば100〜300℃)に加熱された熱媒体であるシリコーンオイルを循環させる構成とする。そして、図5に示すホットプレート26の代わりに、加熱装置37をソレノイド25内においてグリーンシート14に対して上下一対に配置する。それによって、連続搬送されるグリーンシート14を、熱媒体により発熱された平板部材38を介して加熱し、軟化させる。尚、平板部材38はグリーンシート14に対して当接させても良いし、所定間隔離間させて配置しても良い。そして、軟化したグリーンシート14の周囲に配置されたソレノイド25によって、グリーンシート14の面内方向且つ長さ方向(図5の矢印27方向)に対して磁場が印加され、グリーンシート14に対して適切に均一な磁場を配向させることが可能となる。尚、図7に示すような熱媒体を用いた加熱装置37では、一般的なホットプレート26のように内部に電熱線を有さないので、磁場中に配置した場合であってもローレンツ力によって電熱線が振動したり切断される虞が無く、適切にグリーンシート14の加熱を行うことが可能となる。また、電流による制御を行う場合には、電源のON又はOFFで電熱線が振動することにより疲労破壊の原因となる問題が有るが、熱媒体を熱源とした加熱装置37を用いることによって、そのような問題を解消することが可能となる。
また、特に磁石原料を有機溶媒中で湿式粉砕により粉砕した場合には、有機溶媒を構成する有機化合物の熱分解温度且つバインダー分解温度で仮焼処理を行う。それによって、残留した有機溶媒についても除去することが可能となる。有機化合物の熱分解温度については、用いる有機溶媒の種類によって決定されるが、上記バインダー分解温度であれば基本的に有機化合物の熱分解についても行うことが可能となる。
更に、Ndリッチ相3の連結率を上昇させる為にAl、Cu、Nd、Dy、Pr、Tb等を含む有機金属化合物を添加した場合には、有機金属化合物の熱分解温度で仮焼処理を行うことが望ましい。それによって、有機金属化合物を添加した場合であっても、有機金属化合物を熱分解し、金属元素を粒界に残存させつつ、炭素については除去することが可能となる。有機金属化合物の熱分解温度については、用いる有機金属化合物の種類によって決定されるが、上記バインダー分解温度であれば基本的に有機金属化合物の熱分解についても行うことが可能となる。
図8に示すようにSPS焼結を行う場合には、先ず、グラファイト製の焼結型41に成形体40を設置する。尚、上述した仮焼処理についても成形体40を焼結型41に設置した状態で行っても良い。そして、焼結型41に設置された成形体40を真空チャンパー42内に保持し、同じくグラファイト製の上部パンチ43と下部パンチ44をセットする。そして、上部パンチ43に接続された上部パンチ電極45と下部パンチ44に接続された下部パンチ電極46とを用いて、低電圧且つ高電流の直流パルス電圧・電流を印加する。それと同時に、上部パンチ43及び下部パンチ44に対して加圧機構(図示せず)を用いて夫々上下方向から荷重を付加する。その結果、焼結型41内に設置された成形体40は、加圧されつつ焼結が行われる。また、生産性を向上させる為に、複数(例えば10個)の成形体に対して同時にSPS焼結を行うことが好ましい。尚、複数の成形体40に対して同時にSPS焼結を行う場合には、一の空間に複数の成形体40を配置しても良いし、成形体40毎に異なる空間に配置するようにしても良い。尚、成形体40毎に異なる空間に配置する場合には、空間毎に成形体40を加圧する上部パンチ43や下部パンチ44は各空間の間で一体とする(即ち同時に加圧ができる)ように構成する。
尚、具体的な焼結条件を以下に示す。
加圧値:1MPa
焼結温度:940℃まで10℃/分で上昇させ、5分保持
雰囲気:数Pa以下の真空雰囲気
(実施例1〜7)
実施例はNd−Fe−B系磁石であり、合金組成はwt%でNd/Fe/B=32.7/65.96/1.34とする。また、ビーズミル粉砕時において溶媒に有機金属化合物として銅イソプロポキシドを微量添加した。その後、成形、仮焼、焼結の各条件をそれぞれ磁石毎に設定し、実施例1〜7の永久磁石をそれぞれ作成した。尚、具体的な製造工程は上述した[永久磁石の製造方法]と同様の工程とする。
有機金属化合物の添加を行わずに永久磁石を作成した。また、成形、仮焼、焼結の各条件をそれぞれ磁石毎に設定し、比較例1〜3の永久磁石をそれぞれ作成した。他の条件は実施例と同様である。
上記実施例と比較例の永久磁石の連結率(永久磁石1に含まれるNdリッチ相3の全体積に対する第1連結相、第2連結相及び第3連結相の合計体積の割合)及び保磁力(Hcj)をそれぞれ測定した。図9は各測定結果を示した図である。尚、連結率の測定はFIB/SEM装置(FIB社製「Helios NanoLab600」、加速電圧はFIB:30kV、SEM:3kV)の顕微鏡写真を再構成・表示ソフト(Mercury Computer Systems社製)を用いて処理することにより行った。連結率の測定は、FIB/SEM装置(FIB社製「Helios NanoLab600」、加速電圧はFIB:30kV、SEM:3kV)で撮影した顕微鏡写真を、ImageJを用いて解析し、再構成・表示ソフト(Amira、Mercury Computer Systems社製)を用いて再構成像を表示させた。より具体的には、20μm×20μm×10μmの空間範囲を100nmピッチで加工、観察を行ない、100枚のSEM像を取得し、100枚の画像をソフト上で結合して立体像にした。そして、連結率は、観察範囲内におけるトータルのNdリッチ相に対して、連結されているNdリッチ相の割合(体積割合)から算出した。
更に、図9に示すように、永久磁石の保磁力は、連結率に応じて大きく変化した。具体的には、連結率が70%以上である実施例の永久磁石では、保磁力は8kOe以上の値を示し、一方、連結率が30%以下である比較例の永久磁石では、保磁力は5kOe以下と低い値であった。
また、磁石粉末とバインダーとを混合し、成形したグリーンシート14を焼結した磁石により永久磁石1を構成するので、焼結による収縮が均一となることにより焼結後の反りや凹みなどの変形が生じず、また、プレス時の圧力むらが無くなることから、従来行っていた焼結後の修正加工をする必要がなく、製造工程を簡略化することができる。それにより、高い寸法精度で永久磁石を成形可能となる。
また、ホットメルト成形によってグリーンシート14を成形するので、スラリー成形を行う場合等と比較して磁場配向時において液寄り、即ち、グリーンシート14の厚みの偏りが生じる虞が無い。また、バインダーが十分に絡まり合った状態となるので、脱バインダー工程での層間剥離が生じる虞が無い。
また、グリーンシート14を加熱するとともに、加熱されたグリーンシート14に対して磁場を印加することにより磁場配向を行うので、加熱されることでバインダーの粘度低下が生じ、均一磁場中の回転トルクのみで、一様なC軸配向が可能となる。
例えば、磁石粉末の粉砕条件、混練条件、仮焼条件、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。例えば、上記実施例ではビーズミルによる湿式粉砕により磁石原料を粉砕しているが、ジェットミルを用いた乾式粉砕により粉砕することとしても良い。また、上記実施例では、スロットダイ方式によりグリーンシートを形成しているが、他の方式(例えばカレンダーロール方式、コンマ塗工方式、押出成型、射出成型、金型成型、ドクターブレード方式等)を用いてグリーンシートを形成しても良い。また、有機溶媒(例えばトルエン)に磁石粉末やバインダーを混合したスラリーを生成し、その後に生成したスラリーをシート状に成形することによってグリーンシートを作成することとしても良い。その場合にはバインダーとして熱可塑性樹脂以外を用いることも可能である。そして、スラリーからグリーンシートを形成することによって、磁石粉末を容易に薄膜のシート状に成形することが可能となる。また、仮焼を行う際の雰囲気は非酸化性雰囲気であれば水素雰囲気以外(例えば窒素雰囲気、He雰囲気等、Ar雰囲気等)で行っても良い。
2 主相
3 Ndリッチ相
11 ビーズミル
12 コンパウンド
13 支持基材
14 グリーンシート
15 ダイ
25 ソレノイド
26 ホットプレート
37 加熱装置
40 成形体
Claims (5)
- Nd−Fe−B系の希土類永久磁石であって、
主相とNdリッチ相を備え、
前記希土類永久磁石に含まれる一体に連結された前記Ndリッチ相の内、最大の体積を有する前記Ndリッチ相を第1連結相、2番目の体積を有する前記Ndリッチ相を第2連結相、3番目の体積を有する前記Ndリッチ相を第3連結相とした場合に、前記第1連結相、前記第2連結相及び前記第3連結相の合計体積が、前記希土類永久磁石に含まれる前記Ndリッチ相の全体積の81%以上であることを特徴とする希土類永久磁石。 - Nd−Fe−B系の希土類永久磁石の製造方法であって、
磁石原料を粉砕して磁石粉末を得る工程と、
粉砕された前記磁石粉末とバインダーとが混合された混合物を生成する工程と、
前記混合物をシート状に成形したグリーンシートを作製する工程と、
前記グリーンシートを非酸化性雰囲気下でバインダー分解温度に一定時間保持することにより仮焼する工程と、
仮焼された前記グリーンシートを焼成温度で焼結する工程と、により製造され、
焼結後の希土類永久磁石は主相とNdリッチ相を備え、
前記希土類永久磁石に含まれる一体に連結された前記Ndリッチ相の内、最大の体積を有する前記Ndリッチ相を第1連結相、2番目の体積を有する前記Ndリッチ相を第2連結相、3番目の体積を有する前記Ndリッチ相を第3連結相とした場合に、前記第1連結相、前記第2連結相及び前記第3連結相の合計体積が、前記希土類永久磁石に含まれる前記Ndリッチ相の全体積の81%以上であることを特徴とする希土類永久磁石の製造方法。 - 前記グリーンシートを作製する工程では、前記混合物をホットメルト成形によってシート状に成形することを特徴とする請求項2に記載の希土類永久磁石の製造方法。
- 前記グリーンシートを加熱するとともに、加熱された前記グリーンシートに対して磁場を印加することにより磁場配向し、
磁場配向された前記グリーンシートが仮焼及び焼結されることにより製造されることを特徴とする請求項3に記載の希土類永久磁石の製造方法。 - 前記グリーンシートを作製する工程では、前記混合物を溶媒に混合したスラリーをシート状に成形することを特徴とする請求項2に記載の希土類永久磁石の製造方法。
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