JP6158499B2 - 球状磁石コンパウンド並びに希土類−鉄系ボンド磁石 - Google Patents
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Description
り直線的に破砕した磁気的に等方性のR−TM−B系磁石薄片(ここでRは例えば9原子%以上のNd又はPrなどの軽希土類元素を意味し、TMはFe、またはFeの一部を20原子%以下でCo置換したような遷移金属元素を意味する)として知られる。この磁石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磁石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、もっぱら常温で固体のエポキシ樹脂とともにグリーンコンパクトとし、然る後、当該エポキシ樹脂を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、前述の磁石薄片などの磁石成分に対し、該エポキシ樹脂が2.0〜2.5wt.%程度となるように、磁石成分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、例えば250μm以下の粒子となるように粒度調整して、常温で固体の粒状磁石コンパウンドとする。これを、機械式又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、当該グリーンコンパクトのエポキシ樹脂成分を熱硬化して、いわゆる希土類−鉄系ボンド磁石を製造する。
このようなバルク磁石は主に環状磁石として、1980年代後半から典型的な高性能径方向空隙型小型モータ(例えば、永久磁石界磁型DCモータ、DCブラシレスモータ、PM型ステッピングモータなど)、あるいは、アクチュエータ(例えばリードスクリュー付PM型ステッピングモータなど)に使用する磁石市場を、ほぼ独占してきた経緯がある。
しかしながら、特許文献1に開示されているような従来提案されている希土類−鉄系ボンド磁石にあっては、製品形状の薄肉化・長尺化に伴い、加圧方向への圧力伝達が不均一となり、加圧力を受ける端部と中央部付近の密度が異なる、すなわち一成形品内で密度のばらつきが生ずるという問題がある。この密度ばらつきは磁気特性のみならず、製品寸法のばらつきをも引き起こすことにつながる。
このように、希土類ボンド磁石におけるNd、Prなどの軽希土類使用量を直接削減するために、磁石の薄肉化や長尺化が種々検討されているものの、磁気特性や寸法精度を満足させるまでには至っていない。
このとき、前記不飽和ポリエステルアルキドは、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の共重合により形成された、融点80〜120℃、酸価20以下のポリマー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が、トリアリルイソシアヌレートであることが好ましい。
i、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ことが好ましい。
或いは前記磁石成分として、Sm−Fe−N系磁石またはSm−Fe−M’−N系磁石と不可避不純物と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。
詳細には、該擬似球状磁石コンパウンドをキャビティに充填し、常温にて、該擬似球状磁石コンパウンドを構成する前記樹脂組成物成分が有する降伏応力以上の一軸の圧力を該擬似球状磁石コンパウンドに加えて所定形状のグリーンコンパクト、好ましくは円筒状の形態をなす環状のグリーンコンパクトとし、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樹脂組成物成分を硬化させてなる、希土類−鉄系ボンド磁石に関する。
また、環状グリーンコンパクトの外半径をr1、内半径をr2とし、該擬似球状磁石コンパウンドを一軸の圧力で圧縮したとき該磁石コンパウンドとキャビティ壁面との間に生じる摩擦係数をμ、該圧縮の際の軸方向から径方向への圧力変換定数をk、圧縮軸方向の加圧側端部における環状グリーンコンパクトの密度をd0、圧縮軸方向の加圧側端部からの距離Lにおける環状グリーンコンパクトの密度をdとしたとき、密度dの実測値が式d=d0・exp[−(μ・k)/(L/(r1−r2))]で表される指数関数曲線に一致する程度を示す相関係数R2が0.6未満であり、かつ(L/(r1−r2))が20以下、(μ・k)値が0.0005未満を満たすものであることが好ましい。
そして得られた希土類−鉄系ボンド磁石が、測定磁界(外部磁界)Hm2.4MA/mにおいて、常温における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。
本発明の擬似球状磁石コンパウンドより得られる希土類−鉄系ボンド磁石は、薄肉・長尺化を図った場合であっても、高い磁気特性と寸法精度を維持することができる。
また本発明の希土類−鉄系ボンド磁石は、磁石材料の体積分率を79.0vol.%以上に維持し、且つ、残留空隙の体積分率を3.0vol.%以下という従来より低い水準とすることができ、このような残留空隙の低減は、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、優れた耐候性と磁気特性とを兼ね備えた環状希土類−鉄系ボンド磁石とすることができる。
じるという問題が指摘されている。
上記のような環状グリーンコンパクトの局部圧力の減衰に関して、例えば環状成形型のキャビティに充填した磁石コンパウンドを一軸の圧力で圧縮したとき、一般に当該圧力は環状成形型キャビティの壁面との摩擦によって失われる。そこで、薄肉環状グリーンコンパクトのような場合には半径方向の圧力(密度)の変化(分布)を無視できると仮定したとき、薄肉環状グリーンコンパクトの力の釣合(平衡)方程式は下記式(1)で表すことができる。
ここで圧縮圧力をP0、加圧パンチからの距離Lにおける圧力をPとし、上記式(1)を積分すると下記式(2)が得られる。
換言すれば、環状磁石の磁極面積を一定にして磁石を薄くすると、磁石の肉厚(r1−r2)と(加圧パンチからの)距離Lの両者に対して圧力(すなわち密度)が指数関数で減衰することになり、得られた磁石内部において無視できない密度ばらつきが生ずることを意味する。
密度低下を引き起こす。したがって、当該ボンド磁石の残留磁化Mr、加えて、(1/4)Mr2に比例する最大エネルギー積(BH)maxも低下し、磁石特性の低下を招来する。
本発明はこうした課題に対し、ボンド磁石の薄肉化・長尺化にあっても高い磁気特性を維持する磁石の提供を意図しなされたものである。
以下、本発明を更に詳しく説明する。
先ず、本発明の擬似球状磁石コンパウンドについて説明する。
本発明の擬似球状磁石コンパウンドは、常温で固体であり、かつ降伏応力を持つ流動性を具えた、すなわち降伏応力を越える(圧縮)圧力によって塑性変形(流動)を引き起こす性質[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成分と磁石成分とを含み、球近似の顆粒から成る。
また該顆粒は、乾式篩法(JIS Z 8815)に基づく測定にて、最大粒子径が1mm未満であり、好ましくは900μm未満である。
上記擬似球状磁石コンパウンド(顆粒)を用いて、とくに、環状成形型キャビティを用いて該擬似球状球状磁石コンパウンドを圧縮し、所定形状の環状グリーンコンパクトとする場合、環状グリーンコンパクトの周方向の密度分布を均質化させるために、環状グリーンコンパクトの外半径をr1、内半径をr2としたとき、上記擬似球状磁石コンパウンドの最大粒子径を(r1−r2)×0.8未満の値とすることが望ましい。
除去して、一定の粒度範囲に制御した擬似球状磁石コンパウンドとすることが望ましい。
このように、0.7以上の平均アスペクト比ARaveを有する顆粒は、球状に近い形状(本発明において擬似球状と称する)を有し、このような本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンドは、該表面に脂肪酸金属石鹸などの微粉末を付着させることなく、傾斜面では自重で転がる程の流動性を備えている。
次に、上記のような本発明の擬似球状磁石コンパウンドを用いた希土類−鉄系ボンド磁石について説明する。
本発明にかかる希土類−鉄系ボンド磁石は、成形型キャビティに所定の量を充填した前述の擬似球状磁石コンパウンドに対して、常温で、該擬似球状磁石コンパウンドを構成する樹脂組成物成分が有する降伏応力以上の一軸の圧縮圧力を加えて、所定の形状のグリーンコンパクトとし、然る後、当該グリーンコンパクトの樹脂組成物成分を熱硬化させたものである。
上記のように、従来の熱硬化性樹脂組成物(常温で圧縮圧力を加えても塑性流動を呈さないエポキシ樹脂組成物)と磁石成分より調製したグラニュールは、上記のような緻密化過渡(圧縮)において、その初期では、グラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)は脆性破壊を伴わずに変位し、その安定位置をとる。次の段階になるとグラニュール(グラニュールを構成する磁石薄片)は圧縮圧力を受けて脆性破壊を起こし、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。
コンパクトは残留空隙が極めて少ないものとなり、然る後、樹脂組成物成分を熱硬化し、本発明にかかる希土類−ボンド磁石となる。
このような残留空隙の低減(残留空隙の体積分率Vvoidの減少)は、当該残留空隙に取込まれ得る酸素や水分の減少を意味し、ひいてはこうした酸素等による希土類磁石材料の腐食、組織変化を抑制できる。すなわちこのような当該ボンド磁石の内部構造の改変は、本質的な耐候性の向上を意味する。従って、例えば、外部磁界Hm2.4MA/mでの常温における残留磁化Mrが0.74T以上、最大エネルギー積(BH)maxが90kJ/m3以上を達成することにより、優れた耐候性と磁気特性とを兼ね備えた環状希土類−鉄系ボンド磁石とすることができる。
図1中の符号は、それぞれ、本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンド(環状グリーンコンパクト)1、環状成形型キャビティの内周面に位置するセンターコア2、キャビティ外周面に位置するダイ3、加圧パンチ4、擬似球状磁石コンパウンド(環状グリーンコンパクト)1が接するダイ3のキャビティ内壁13を示す。またr1は環状グリーンコンパクトの外半径、r2は同内半径、μは本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンド1を加圧パンチ4を介して一軸の圧縮圧力P0で圧縮したときのキャビティ壁面13との間に生じる摩擦係数、kは軸方向から径方向への圧力変換定数、d0は圧縮軸方向の加圧側端部における(すなわち加圧パンチ直下の)環状グリーンコンパウンドの密度、Lは圧縮軸方向の加圧側(加圧パンチ側)端部からの距離を示す。
ここで本発明にかかる環状グリーンコンパクトにおいては、式(4)で表される指数関数曲線に一致する程度を示す相関係数R2が0.6未満であり、且つ(L/(r1−r2))が20以下の範囲、また(μ・k)値が0.0005未満を満たすものである。これは、加圧パンチからの距離L、磁石の肉厚(r1−r2)に対して、指数関数近似が成立せず、かつ(L/(r1−r2))が20以下の薄肉長尺化をした場合においても、摩擦係数と圧力変換定数(μ・k)値が従来技術の1/10以下となることを意味する。
つまり、本発明にかかる環状の希土類−鉄系ボンド磁石は、薄肉長尺化にあっても、圧力軸方向の密度が大きく減衰することなく、均質化することを意味している。加えて、本
発明にかかる擬似球状磁石コンパウンドは、環状グリーンコンパクトの外半径をr1、内半径をr2としたとき、当該擬似球状磁石コンパウンドの最大粒子径を(r1−r2)×0.8未満とし、環状成形型キャビティ周方向への均質な充填を実現している。したがって、本発明にかかる環状グリーンコンパクト(そして得られる希土類−鉄系ボンド磁石)は、薄肉長尺化した場合においても、周方向、軸方向ともに均質な密度分布を実現してなる。
次に、本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンドを構成する樹脂組成物成分について説明する。前記樹脂組成物として、具体的には不飽和ポリエステルアルキドのアリル系共重合性単量体との常温で固体の完溶物であり、降伏応力をもつ流動性を具えた不飽和ポリエステル樹脂組成物と、有機過酸化物とを含む熱硬化性樹脂組成物を挙げることができる。
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−3−ヒドロキシプロパネート、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である。
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、常温で耐ブロッキング性に優れた擬似球状磁石コンパウンドは得られるものの、後に得られる希土類−鉄系ボンド磁石の熱機械的特性が十分なものとはならない。
いばかりか、均質な擬似球状磁石コンパウンドすら得ることができない。また、融点が120℃より高い場合は、常温で耐ブロッキング性に優れた擬似球状磁石コンパウンドが得られるものの、常温で1GPa以下の圧縮圧力での塑性変形(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。
次に、本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンドを構成する磁石成分について説明する。
本発明にかかる磁石成分としては、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)また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)、あるいは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系磁石または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)と不可避不純物と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。
これらの中でもより好ましいものとして、Pr2Fe14B結晶粒を20〜30nm、αFe結晶粒を約15nmに微細化し、残留磁化Mrが1.17T、保磁力HcJが0.64MA/m、最大エネルギー積(BH)maxが180.7kJ/m3の優れた磁気特性を持つ、αFe/R−TM−B系急冷凝固薄片(ここでのRは希土類元素、TMはFeまたはFeの一部をCoで置換した遷移金属元素を意味する)などを挙げることができる。
およびCの1種または2種以上を表す)と、不可避不純物と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Sm2F
e17Nx(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挙げることができる。
これらの中でもとくに好適な磁石成分としては合金組成(Sm0.7Zr0.3)(Fe0.7Co0.2)9B0.1Nαを急冷凝固したのち、窒素浸入型金属間化合物としたSm2Fe17Nx結晶粒、ならびにαFe結晶粒を、約10〜30nmに微細化した、残留磁化Mrが1.07T、保磁力HcJが0.64MA/m、最大エネルギー積(BH)maxが180kJ/m3の優れた磁気特性をもつ、αFe/R−TM−N系急冷凝固薄片(ここでのRは希土類元素、TMはFeまたはFeの一部をCoで置換した遷移金属元素を意味する)などがある。
<実施例1の樹脂組成物成分>
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容器に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(テレ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(プレポリマー)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、下記構造を有する常温で固体の不飽和ポリエステルアルキドを得た。
測定した数平均分子量(Mn)は7,900(測定温度40℃、溶媒:テトラヒドロフラン(THF))であった。
なお、得られた樹脂組成物の熱硬化後のアルキメデス法による真密度は1.25Mg/m3であった。
一方、比較例1の樹脂組成物成分として、常温で固体のエポキシ樹脂組成物を用いた。具体的には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(数平均分子量Mn=1,040)とメチルエチルケトンオキシムにてイソシアナート基をブロックした4−4’ジフェニルメタンジイソシアナート再生体とを、エポキシオリゴマーの分子鎖内
ヒドロキシ基と再生体のイソシアナート基との当量比:OH/NCO=1にて配合したものを用いた。
なお、比較例1の樹脂組成物成分の熱硬化後のアルキメデス法による真密度は1.16Mg/m3であった。
実施例1及び比較例1のいずれも、磁石成分として、ナノ結晶組織(nanocrystalline
)の磁石薄片として、Nd2Fe14B化学量論組成に近い合金組成を有するNd12Fe77Co5B6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:0.7MA/mの磁石薄片を使用した。
上記磁石成分を97wt.%、本発明にかかる樹脂組成物成分を3wt.%とした混合物を、樹脂組成物成分の融点以上で無溶剤下にて溶融混練した。この溶融混練物を、粉砕室に回転刃(3枚、幅150mm)及び固定刃(1枚、幅150mm)を備え、かつ該粉砕室(回転刃)の下部に開目孔径2mmおよび3mmのスクリーンを備えた一軸高速剪断式粉砕機(回転刃は1500r・分−1)に投入した。そして、スクリーンを通過して下方に排出された粒状の粗破砕混練物を回収し、振動式篩分級機により分級した。
ここで開目孔径を3mmに設定すると、粒状の粗破砕混練物の最大粒子径は1,160μm以下となるものの、粉砕を繰返しても850μm以下のものは殆ど得られなかった。しかし、開目孔径を2mmに設定すると、最大粒子径が850μm以下の粒状の粗破砕混練物、すなわち最大粒子径1mm以下の(擬似)球状磁石コンパウンドを得ることができた。このように、スクリーンの開目孔径の選択をすることで、工業的手法により、所望の粒子径(例えば後述する環状のグリーンコンパクトとしたときの外半径をr1、内半径をr2としたとき、(r1−r2)×0.8未満を満たす粒子径)を有する球状磁石コンパウンドを収率よく得られることを確認した。
一方、比較例1では、まず上記磁石成分を97.5wt.%、エポキシ樹脂をベースとした比較例の樹脂組成物成分を2.5wt.%となるようそれぞれ秤量した。そして前記樹脂組成物成分を濃度50wt.%のメチルエチルケトン溶液とし、次いで、前記磁石成分と常温で湿式混合したのち、当該混合物を90℃に加熱して溶媒を除去し、然る後、常温で固体の塊状物とした。続いて、この塊状混合物を一軸高速剪断式粉砕機に投入して、開目孔径が4mmのスクリーンを通過させ、下方に排出された粗破砕混合物を回収し、さらに振動式篩分級機により分級した。
比較例の場合には、開目孔径を4mmに設定することにより、粒子径がほぼ500μm以下である磁石コンパウンドとなった。
また表1に、図3(a)の本発明にかかる実施例1の擬似球状磁石コンパウンド、並びに図3(b)の比較例1の磁石コンパウンドにおける平均アスペクト比ARaveを示す。ここで平均アスペクト比ARaveは、走査電子顕微鏡像(図3参照)において、各磁
石コンパウンドの最長径をa、aに垂直な最大径をbとしたときのb/a値(アスペクト比)の、標本数30の平均値として算出したものである。表1に示すように、比較例1の平均アスペクト比ARaveは0.3であり、コンパウンドの形状が扁平状であるのに対して、実施例1の平均アスペクト比ARaveは0.7であり、得られたコンパウンドが球状に近い形状(擬似球状)であることが確認された。
前述の工程で得られた本発明にかかる実施例1の擬似球状磁石コンパウンド3.3gを、円柱状の成形型キャビティ(内径10.07mm)に充填し、常温で圧力0.50〜1.0GPaの範囲で圧縮して、種々の圧縮応力による実施例1の円柱状のグリーンコンパクトを得た。また前述の比較例1の磁石コンパウンドを用いて、同様の手順にて、比較例1の円柱状のグリーンコンパクトを得た(圧縮圧力:0.10〜1.0GPa)。尚以降、実施例1の擬似球状磁石コンパウンド又は比較例1の磁石コンパウンドを用いて製造した各成形体(グリーンコンパクト、ボンド磁石)を「実施例1」「比較例1」と称し区別する。
ここで、残留空隙の体積分率VvoidはVvoid=100−Vmag−Vresinから算出した。ただし、VmagはMrmag/Mrflakeであり、Vmag、Vresin、Mrmag、およびMrflakeは、それぞれ、密度7.59Mg/m3とした磁石成分の体積分率、密度1.25Mg/m3(比較例は1.16Mg/m3)とした樹脂組成物の体積分率、グリーンコンパクトの残留磁化、および磁石薄片の残留磁化
(0.9T)である。なお、グリーンコンパクトの残留磁化は、DC B−Hトレーサ(測定磁界Hm±2.4MA/m)により求めた値を、残留磁化の温度係数αを−0.105%/℃として補正した後の値である。
このような残留空隙量の急激な減少は、本発明にかかる常温で固体であり且つ降伏応力以上の圧縮圧力で塑性流動する樹脂組成物成分と磁石成分とから構成される擬似球状磁石コンパウンド(顆粒)の緻密化過渡において明確に観測できるものであるが、樹脂組成物成分として従来の常温で固体、あるいは常温で液体のエポキシオリゴマーをベースとしたエポキシ樹脂を選択した場合には観測されないものであり、本発明の擬似球状磁石コンパウンドに特有な作用効果である。
図5に示すように、磁石成分の平均粒子径が減少するに伴い、磁石成分の比表面積は増大し、一方、樹脂層の厚さは減少する。
なお、本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンドは、圧縮圧力:1GPaで緻密化させる際、磁石成分は脆性破壊を伴うため、グリーンコンパクト中の磁石成分の平均粒子径は最終的に概ね100μm程度となると推定でき、このときの樹脂成分の平均厚さは1〜2μm程度と推定される。
次に、実施例1の擬似球状磁石コンパウンド及び比較例1の磁石コンパウンドを用いて、種々の環状の成形型キャビティを用い、常温で圧縮して環状のグリーンコンパクトを得た。
図7は、図1に示した環状グリーンコンパクト形成過程(緻密化過渡)における断面モデルにおいて、外半径r1を25.3mm、内半径r2を24.4mm、または23.9mmとし、加圧パンチからの距離(長さ)をLとしたとき、L/(r1−r2)と環状グリーンコンパクトの加圧パンチからの距離Lにおける密度dとの関係を示す特性図である[なお、圧縮圧力P0は全て1GPa(図4の本発明例(実施例1)で示した残留空隙が殆ど消滅する圧力)である]。
また、図7において、プロット○は(r1−r2)=1.4mm、●は(r1−r2)=0.9mmであるときの、本発明にかかる実施例1の擬似球状磁石コンパウンド(平均アスペクト比ARaveが0.74、平均粒子径Dp50が600μm)から作製した環
状グリーンコンパクトの結果である。また、プロット□は(r1−r2)=1.4mm、■は(r1−r2)=0.9mmであるときの、比較例1の磁石コンパウンド(平均アスペクト比ARaveが0.33、平均粒子径Dp50が190μm)の結果である。
一方、上記のような薄肉長尺化により密度d0が指数関数で減少する比較例1に対して、本発明例(実施例1)の結果(○及び●)を前記式(4)に当てはめると、d=6.08exp[−0.0004L/(r1−r2)]となり、加圧パンチ直下の密度d0(6.08Mg/m3)は比較例(6.06Mg/m3)とほぼ同じ値であった。ただし、回帰式の相関係数R2は0.5977となり、薄肉長尺化[(L/(r1−r2))の増加]に対して密度d0は指数関数で減少しないとする結果となった。また(μ・k)値は0.0004であり、比較例1に比べて1/10程度の水準を示した。
図8に示すように、実施例1の圧環強度、ならびに歪量は、それぞれ比較例1の2.2倍、1.6倍に達した。この大きな違いは、実施例1と比較例1のグリーンコンパクトが、先に示す図6(a)及び(b)の概念図で示したような構成の本質的な相違点を有すること、並びに、本発明にかかる樹脂組成物成分が常温で固体であるものの、降伏応力以上で発現する塑性流動性が作用したためと考えられる。
このような本発明特有の作用は、薄肉長尺化した環状グリーンコンパクトのハンドリング性の維持確保に有利であるという効果を奏する。
本発明にかかる圧縮成形による希土類−鉄系ボンド磁石は、成形型キャビティに充填した本発明にかかる擬似球状磁石コンパウンドを、常温で降伏応力以上の圧縮圧力(1GPa)で所定形状のグリーンコンパクトとし、常法により、当該グリーンコンパクトの樹脂組成物成分を熱硬化するものであり、前述の手順で作製した実施例1及び比較例1の環状グリーンコンパクトを用いて、希土類−鉄系ボンド磁石を製造した。
図9(a)は本発明にかかる環状グリーンコンパクト(実施例1)を速度7.5℃/分で110℃から200℃まで昇温したときの、温度に対する相対剛性率の関係を示す特性図である。また、図9(b)は実施例1及び比較例1の環状グリーンコンパクトにおける、絶対温度の逆数とした硬化温度に対する自然対数で表した硬化時間(秒)の関係を示す
特性図である。
一般に、共重合性単量体は、ビニル基(CH2=CH−)を有する単量体と、アリル基(CH2=CH−CH2−)を有する単量体に区分される。後者の単量体においてアリル基は、重合開始剤である過酸化物のラジカルにより活性化されても、共鳴構造によって安定化され(退化性連鎖移動反応〜R・+CH2=CH−CH2−X→〜RH+CH2=CH−・CH−X⇔・CH2−CH=CH−X)、重合反応の連鎖反応が阻害される。この共鳴作用により、アリル基を有する単量体は常温域で重合不活性であり、後に調製するグリーンコンパクトの常温での保存安定性において有利となる。また、アリル系共重合性単量体は、何れも蒸気圧が高く、揮発し難い。すなわち、不飽和ポリエステル樹脂組成物を構成する共重合性単量体としてアリル系共重合性単量体を用いることにより、本発明の擬似球状磁石コンパウンドは、常温で本質的に優れた保存安定性を有する磁石コンパウンドとなる。他方、熱硬化段階では、速硬化性という工業的規模での生産に極めて優位な特徴をもち、かつ当該硬化物は、その不飽和結合の濃度による架橋密度やトリアジン環の導入による架橋間分子鎖の剛直化によって、耐熱性を自在に制御できるという特徴をも有する。
図11に示すように、200℃の硬化時間は19.2秒となり、前記表2に示す相対剛性率の変化から求めた硬化時間とよく一致している。
こうした結果からも、本発明は各種小型モータやアクチュエータに適用される環状希土類−鉄系ボンド磁石を薄肉長尺化しても高度な寸法精度を維持、確保できるという効果を奏する点が明らかとなった。
面積を一定とした環状磁石を薄肉長尺化することで各種小型モータ、アクチュエータの希土類元素使用量を直接削減できるという効果を奏する。
例えば、表3に示す本発明にかかる環状の希土類−鉄系ボンド磁石[図1の断面モデルにおいて、外半径r1が25.3mm、内半径r2が24.4mm、L/(r1−r2)が14.4、圧縮圧力P0が1GPa、密度dmが6.05Mg/m3]の内面を16極着磁したアウターロータにおいて、鉄心との空隙を0.3mmとしたとき、そのback−EMFは22.3V(1500r・分−1)であった。
一方、比較例のボンド磁石、すなわち図1の断面モデルにおいて、外半径r1が25.3mm、内半径r2が23.9mm、L/(r1−r2)が9.26、圧縮圧力P0が1GPa、密度dmが5.85Mg/m3である磁石の内面を16極着磁したアウターロータにおいて、鉄心との空隙を0.5mmとしたとき、そのback−EMFは21.5V(1500r・分−1)であった。
また、上記本発明のボンド磁石と比較例のボンド磁石の体積(上記の断面モデルにおけるr1、r2及びL/(r1−r2)の数値より算出)を比較すると、[本発明のボンド磁石]/[比較例のボンド磁石]=0.64となり、本発明のボンド磁石が従来(比較例)のボンド磁石と比べて36%の体積減少を実現したとする結果となった。
このように本発明は、環状希土類−鉄系ボンド磁石を薄肉長尺化することによって、モータ性能を維持しながらNd、Prなど希土類焼結磁石にとって必要不可欠な軽希土類元素の使用量を、例えば、36%削減することができる。
2・・・環状成形型キャビティの内周面に位置するセンターコア
3・・・キャビティ外周面に位置するダイ
4・・・加圧パンチ
13・・・擬似球状磁石コンパウンド(環状グリーンコンパクト)1が接するダイ3のキャビティ内壁
Claims (13)
- 常温で固体であり、かつ降伏応力をもつ流動性を具えた樹脂組成物成分と、磁石成分とを含みて構成され、球近似の顆粒から成る擬似球状磁石コンパウンドであって、
前記樹脂組成物成分が、不飽和ポリエステルアルキドのアリル系共重合性単量体との常温で固体の完溶物であり、降伏応力をもつ流動性を備えた不飽和ポリエステル樹脂組成物と、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の共重合により形成された、融点80〜120℃、酸価20以下のポリマーであり、
前記アリル系共重合性単量体が、トリアリルイソシアヌレートであり、
前記磁石成分が磁気的に等方性の希土類−鉄系急冷凝固薄片である、
擬似球状磁石コンパウンド。 - 前記擬似球状磁石コンパウンドが、0.7以上の平均アスペクト比ARave(ここで、ARaveは、走査電子顕微鏡で撮影された顆粒像において、その像の最長径をa、最長径aに垂直な最大径をbとしたときの比b/aの平均値を表す)を有する顆粒から成る、請求項1記載の擬似球状磁石コンパウンド。
- 前記擬似球状磁石コンパウンドが、乾式篩法(JIS Z 8815)に基づく測定において、1mm未満の最大粒子径を有する顆粒から成る、請求項1に記載の擬似球状磁石コンパウンド。
- 前記磁石成分が、R−Fe−B系磁石またはFeの一部をCoで置換したR−Fe(Co)−B系磁石、あるいはR−Fe−B−M系磁石またはR−Fe(Co)−B−M系磁石と、不可避不純物と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に記載の擬似球状磁石コンパウンド。 - 前記磁石成分が、Sm−Fe−N系磁石またはSm−Fe−M’−N系磁石と不可避不純物と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−鉄系急冷凝固薄片である、請求項1に記載の擬似球状磁石コンパウンド。 - 請求項1乃至請求項5のうち何れか一項に記載の擬似球状磁石コンパウンドをキャビティに充填する工程、
常温にて、該擬似球状磁石コンパウンドを構成する前記樹脂組成物成分が有する降伏応力以上の一軸の圧力を、該擬似球状磁石コンパウンドに加えて所定形状のグリーンコンパクトとする工程、及び、
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樹脂組成物成分を硬化させてなる工程を含む、
希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。 - 前記特定形状のグリーンコンパクトが、円筒状の形態をなす環状グリーンコンパクトである、請求項6に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
- 前記擬似球状磁石コンパウンドの顆粒は、乾式篩法(JIS Z 8815)に基づく測定において、前記環状グリーンコンパクトの外半径をr1、内半径をr2としたとき、(r1−r2)×0.8未満の値である最大粒子径を有する、請求項7に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
- 前記環状グリーンコンパクトの外半径をr1、内半径をr2、前記擬似球状磁石コンパウンドを一軸の圧力で圧縮したとき、該擬似磁石コンパウンドとキャビティ壁面との間に生じる摩擦係数をμ、該圧縮の際の軸方向から径方向への圧力変換定数をk、圧縮軸方向の加圧側端部における環状グリーンコンパクトの密度をd0、圧縮軸方向の加圧側端部からの距離Lにおける環状グリーンコンパクトの密度をdとしたとき、密度dの実測値が式d=d0・exp[−(μ・k)/(L/(r1−r2))]で表される指数関数曲線に一致する程度を示す相関係数R2が0.6未満であり、かつ(L/(r1−r2))が20以下、(μ・k)値が0.0005未満を満たす、請求項7又は請求項8に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
- 前記環状グリーンコンパクトを190〜200℃に加熱した円筒に該環状グリーンコンパクトの外周面が該円筒の内周面に接するように装填し、そして当該環状グリーンコンパクトの径方向の膨張を拘束して少なくとも20秒以上保持しながら、当該環状グリーンコンパクトを構成する樹脂組成物成分を加熱硬化させて得られる、請求項7に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
- 前記環状グリーンコンパクトを構成する磁石成分の体積分率が79.0vol.%以上、樹脂組成物成分の体積分率が18.0vol.%以下、残留空隙の体積分率が3.0vol.%以下(但し、前記磁石成分、樹脂組成物成分及び残留空隙の体積分率の合計は100vol.%である)である、請求項7に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
- 磁石成分の体積分率が79.0vol.%以上、樹脂組成物成分の体積分率が18.0v
ol.%以下、残留空隙の体積分率が3.0vol.%以下(但し、前記磁石成分、樹脂組成物成分及び残留空隙の体積分率の合計は100vol.%である)である、請求項7に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。 - 外部磁界Hm2.4MA/mにおいて、常温における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7に記載の希土類−鉄系ボンド磁石の製造方法。
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