JP6439876B2 - 磁石粒子およびそれを用いた磁石成形体 - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態は、(単結晶の磁石粒子)表面に膜厚1〜20nmの酸化層と、前記酸化層の外側に膜厚1〜100nmの有機層の2層以上の被膜を有してなることを特徴とする被膜付磁石粒子である。本実施形態では、原料粉末(磁石粒子)が表面に1〜20nm以下の酸化層と、その外側に1〜100nmの有機層の2層以上の被膜を形成した被膜付磁石粒子であるため、高密度に成形しても、磁石粒子(コア部)同士の結着を抑制することができる。なお、2層以上としたのは、有機層を2層以上設け、下層側を潤滑剤成分の有機層とし、最外層に流動性を上げたり、酸化を抑制したり、摩擦抵抗を下げたり、配向性を上げたりする目的で、適当な有機層を設けてもよいためである。
磁石粒子としては、希土類元素と遷移金属を含む希土類磁石のうち、ボンド磁石成形体の原料粉末として用いられているものであれば特に制限されるものではない。磁石粒子の組成(磁石粒子を構成する化合物)としては、R−M−X系合金の組成(R−M−X化合物)を有するものが好ましい。ここで、前記Rは、希土類元素であって、Sm、Ndの少なくとも一つを含み、前記Mは、遷移金属元素であって、Fe、Coの少なくとも一つを含み、前記Xは、非金属元素であって、N、Bの少なくとも一つを含むものである。すなわち、磁石粒子の組成(磁石粒子を構成する化合物)としては、例えば、Sm−Fe−N系合金、Sm−Fe−B系合金、Sm−Co−N系合金、Sm−Co−B系合金、Nd−Fe−N系合金、Nd−Fe−B系合金、Nd−Co−N系合金、Nd−Co−B系合金などの組成を含有するものが挙げられる。具体的には、例えば、Sm2Fe14B、Sm2Co14B、Sm2(Fe1−xCox)14B(ここで、xは好ましくは0≦x≦0.5である)、Sm15Fe77B5、Sm15Co77B5、Sm11.77Fe82.35B5.88、Sm11.77Co82.35B5.88、Sm1.1Fe4B4、Sm1.1Co4B4、Sm7Fe3B10、Sm7Co3B10、(Sm1−xDyx)15Fe77B8(ここで、xは、好ましくは0≦x≦0.4である)、(Sm1−xDyx)15Co77B8(ここで、xは、好ましくは0≦x≦0.4である)、Sm2Fe17Nx(ここで、xは、好ましくは1〜6、より好ましくは1.1〜5、より好ましくは1.2〜3.8、特に好ましくは1.7〜3.3、なかでも2.2〜3.1である)、Sm2Fe17N3、Sm2Co17Nx(ここで、xは好ましくは1〜6である)、(Sm0.75Zr0.25)(Fe0.7Co0.3)Nx(ここで、xは好ましくは1〜6である)、Sm15(Fe1−xCox)77B7Al1、Sm15(Fe0.80Co0.20)77−yB8Aly(ここで、yは、好ましくは0≦y≦5である)、(Sm0.95Dy0.05)15Fe77.5B7Al0.5、(Sm0.95Dy0.05)15(Fe0.95Co0.05)77.5B6.5Al0.5Cu0.2、SmFe11TiNx(ここで、xは好ましくは1〜6である)、(Sm8Zr3Fe84)85N15、Sm4Fe80B20、Sm4.5Fe73Co3GaB18.5、Sm5.5Fe66Cr5Co5B18.5、Sm10Fe74Co10SiB5、Sm7Fe93Nx(ここで、xは、好ましくは1〜20である)、Sm3.5Fe78B18.5、Sm4Fe76.5B18.5、Sm4Fe77.5B18.5、Sm4.5Fe77B18.5、Sm3.5DyFe73Co3GaB18.5、Sm4.5Fe72Cr2Co3B18.5、Sm4.5Fe73V3SiB18.5、Sm4.5Fe71Cr3Co3B18.5、Sm5.5Fe66Cr5Co5B18.5、Nd2Fe14B、Nd2Co14B、Nd2(Fe1−xCox)14B(ここで、xは好ましくは0≦x≦0.5である)、Nd15Fe77B5、Nd15Co77B5、Nd11.77Fe82.35B5.88、Nd11.77Co82.35B5.88、Nd1.1Fe4B4、Nd1.1Co4B4、Nd7Fe3B10、Nd7Co3B10、(Nd1−xDyx)15Fe77B8(ここで、xは、好ましくは0≦y≦0.4である)、(Nd1−xDyx)15Co77B8(ここで、xは、好ましくは0≦y≦0.4である)、Nd2Fe17Nx(ここで、xは、好ましくは1〜6、より好ましくは1.1〜5、より好ましくは1.2〜3.8、特に好ましくは1.7〜3.3、なかでも2.2〜3.1である)、Nd2Co17Nx(ここで、xは好ましくは1〜6である)、(Nd0.75Zr0.25)(Fe0.7Co0.3)Nx(ここで、xは好ましくは1〜6である)、Nd2Fe17N3、Nd15(Fe1−xCox)77B7Al1、Nd15(Fe0.80Co0.20)77−yB8Aly(ここで、yは好ましくは0≦y≦5である)、(Nd0.95Dy0.05)15Fe77.5B7Al0.5、(Nd0.95Dy0.05)15(Fe0.95Co0.05)77.5B6.5Al0.5Cu0.2、NdFe11TiNx(ここで、xは好ましくは1〜6である)、(Nd8Zr3Fe84)85N15、Nd4Fe80B20、Nd4.5Fe73Co3GaB18.5、Nd5.5Fe66Cr5Co5B18.5、Nd10Fe74Co10SiB5、Nd7Fe93Nx(ここで、xは、好ましくは1〜20である)、Nd3.5Fe78B18.5、Nd4Fe76.5B18.5、Nd4Fe77.5B18.5、Nd4.5Fe77B18.5、Nd3.5DyFe73Co3GaB18.5、Nd4.5Fe72Cr2Co3B18.5、Nd4.5Fe73V3SiB18.5、Nd4.5Fe71Cr3Co3B18.5、Nd5.5Fe66Cr5Co5B18.5等の化合物が挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。磁石粒子の組成(磁石粒子を構成する化合物)としては、上記R−M−X系合金(R−M−X化合物)などを1種単独で含有していてもよいし、2種以上を含有していてもよい。また、R−M−X系合金(R−M−X化合物)の中には、RがSm、Ndの少なくとも一つを含み、MがFe、Coの少なくとも一つを含み、XがN、Bの少なくとも一つを含むものであればよく、他の元素を含有したものも本発明の技術範囲に含まれるものである。含有してよい他の元素としては、例えば、Ga、Al、Zr、Ti、Cr、V、Mo、W、Si、Re、Cu、Zn、Ca、Mn、Ni、C、La、Ce、Pr、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Th、MMなどが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独又は2種以上を併用して添加してもよい。これらの元素は、主にR−M−Xで表記される磁石粒子(の希土類磁石相)の相構造の一部と置換されるか、挿入されるなどして導入されるものである。
本実施形態の被膜付磁石粒子は、前記磁石粒子の表面に膜厚1〜20nmの酸化層の被膜を有してなるものである(図3、4参照)。当該酸化層は、1層構成とするのが好ましいが、2層以上の層構成であってもよい。CVD、PVD、不動態化処理等により2層以上の層構成とすることができる。当該酸化層は、極度に厚いと正味の磁石(被膜付磁石粒子に占めるコア部)の体積率が低下するため、できるだけ薄いことが好ましいが、薄すぎると成形加工時に、新生面が生成して粒子同士が結着しやすくなる。そのため、酸化層の膜厚(厚さ)は、1〜20nmの範囲が必要であり、好ましくは1〜15nm、より好ましくは3〜15nmの範囲である。ここで、酸化層(酸化被膜)を構成する酸化物としては、磁石粒子を構成する磁石合金成分、好ましくはR−M−X系合金(R−M−X化合物)の酸化物、例えば、希土類酸化物(酸化サマリウム等)、遷移金属酸化物(酸化鉄など)、非金属酸化物(例えば窒素酸化物等)などで、非磁性、反強磁性の酸化物が挙げられるがこれらに制限されるものではない。
本実施形態の被膜付磁石粒子は、前記酸化層の外側に膜厚1〜100nmの有機層の被膜を有してなるものである(図3、4参照)。当該有機層は、1層構成とするのが好ましいが、2層以上の層構成であってもよい。組成の異なる有機膜を重ねる、あるいは同じ組成の有機膜(薄膜)を重ねるなどして、2層以上の層構成とすることができる。磁石粒子の最表面に形成された有機層は、ボンド磁石成形体の成形加工時には、潤滑効果により、有機層より内側の酸化層を保護すると同時に、炭化物の形成や該有機層の残留で磁石粒子間の結着を抑制する効果を発現していると考えられる。そのため、有機層が薄すぎると上記効果が得られず、厚すぎると高密度化の障害になるため、有機層の膜厚(厚さ)は、1〜100nmの範囲が必要であり、好ましくは1〜50nm、より好ましくは1〜20nmの範囲である。
本発明の第2実施形態は、上記した被膜付磁石粒子を用いて成形して製造されてなることを特徴とするメタルボンド磁石成形体である。かかる構成により、既存のボンド磁石のように大量の樹脂(バインダ)を含有することなく、かつ磁石粒子(コア部)同士の結着が抑制されているため、微粉砕した磁石粒子の優れた保磁力を維持した磁石成形体を得ることができる。
本実施形態の磁石成形体に用いられる被膜付磁石粒子に関しては、上記した第1実施形態の被膜付磁石粒子を用いるものであり、上記した第1実施形態において説明した通りである。
本実施形態の磁石成形体では、金属バインダ(メタルボンド)で(固化)成形されてなるのが好ましい。即ち、金属バインダは任意成分である(実施例3参照)。金属バインダを用いることにより、温間又は冷間圧密成形の際に、金属バインダ成分同士の結合により、成形性が向上する。したがって、金属バインダ(メタルボンド)を用いた本実施形態の磁石成形体では機械的強度に優れる。さらに、金属バインダが成形時に発生する内部応力を緩和することができるため、欠陥の少ない磁石成形体を得ることができる。さらに、温間又は冷間圧密成形の際にバインダ材料として金属粒子を使用することにより、高温の環境においても使用可能な磁石成形体を得ることができる。金属バインダを用いる際には、磁石粒子と金属粒子(バインダ材料)とが、均一になるまで混合機等で混合して、圧密成形すればよい。なお、金属バインダは、既存のボンド磁石における有機物(有機高分子)バインダと比較して相当程度の少量を使用すればよいため、磁気特性に影響しその低下をもたらす恐れはない。
本発明の第3実施形態は、前記被膜付磁石粒子(第1実施形態)を製造する方法である。本実施形態の被膜付磁石粒子の製造方法は、微粉砕により磁石粒子を調製する間に、該磁石粒子表面への膜厚1〜20nmの酸化層被膜の成形と、該酸化層の外側への膜厚1〜100nmの有機層被膜の形成を行うものである。このようにして、製品(又は原料)である被膜付磁石粒子が得られる。以下、好適なSm−Fe−Nの磁石粒子(コア部)の被膜付磁石粒の作製方法を例により説明する。但し、他の合金組成の磁石粒子(コア部)の膜付磁石粒子についても、希土類元素と遷移金属元素と非金属元素を適宜入れ替えることで、同様にして実施することができる。
母合金の合成段階(S1)において、目的とする原料合金は、不活性ガス雰囲気中、高周波炉、アーク溶解炉、または液体超急冷法によっても作製できる。Sm−Fe原料合金の組成はSmが20〜30mass%、Feが80〜70mass%の範囲にあることが好ましい。Sm−Fe原料合金におけるSmが20mass%以上であれば合金中にα−Fe相が存在するのを抑制することができ、高保磁力が得られる点で優れている。また、Smが30mass%以下であれば、高い残留磁束密度が得られる点で優れている。
この段階(S2)の粉砕は、不活性ガス雰囲気中、ジョークラッシャー、スタンプミル、ブラウンミル、コーヒーミル等のような粗粉のみを調製するような方法でもよいし、ボールミル、ジェットミルによっても条件次第で可能である。
窒化段階(S3)において、粉砕された原料母合金を窒化させる方法としては原料合金粉末をアンモニア分解ガスまたは、窒素と水素の混合ガス中で加熱処理する方法が有効である。合金中に含まれる窒素量は加熱温度と処理時間によって制御し得る。
微粉砕段階(S4)では、上記(1)〜(3)の段階により得られた酸素濃度が低い粗大なSmFeN系合金粉末(磁石粗粉)(或いは市販品や上記した他の方法により得られた磁石粗粉)を、不活性ガス雰囲気中で、所定の平均粒子径になるまで粉砕加工(微粉砕処理)を施し、乾燥する。なお、溶融拡散法で得られる20μm程度の低酸素なSmFeN系合金粉末を用いても全く、同様の結果を得ることができる。
乾燥段階(S5)では、IPAやヘキサン、アセトンを用いて、湿式粉砕により得られた被膜付磁石粒子の表面の有機溶液を洗い流すとともに、揮発性の高いものに置換し、不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で、室温で放置して、乾燥させればよい。このとき、不活性ガス雰囲気中の露点は−10℃以下、酸素濃度は0.001〜1体積%に抑制することが望ましい。これは、前段階(S4)の湿式粉砕における溶媒中の水分量と本段階(S5)の乾燥時の雰囲気中の酸素濃度を制御することで、表面に適度な膜厚(1〜20nm)の酸化膜(酸化層)が形成された磁石粒子を得ることができるためである。このことから、本段階(S5)の乾燥時の不活性雰囲気ガス中の酸素濃度は、雰囲気ガス全量に対して、0.001〜1体積%が好ましく、より好ましくは0.005〜0.02体積%の範囲である。乾燥時の雰囲気ガス中の酸素濃度が0.001体積%以上であれば、比較的な安価なガスや装置を活用しつつ、酸化反応を進めることができ、磁石粒子表面(内側)に形成される酸化層の膜厚を1nm以上に制御するのが容易である点で優れている。乾燥時の雰囲気ガス中の酸素濃度が1体積%以下であれば、酸化速度を抑制しつつ均一に酸化反応を進めることができるほか、磁石粒子表面(内側)に形成される酸化層の膜厚を20nm以下に制御するのが容易である点で優れている。
以上の段階(S1)〜(S5)により本実施形態の被膜付磁石粒子が製造できたことの確認などは、以下により検査により行った。
ここで、被膜付磁石粒子の平均粒子径は、例えば、SEM(走査型電子顕微鏡)観察、TEM(透過型電子顕微鏡)観察などにより粒度分析(測定)することができる。なお、被膜付磁石粒子またはその断面の中には、球状ないし円形状(断面形状)ではなく、縦横比(アスペクト比)が違う不定形状の粉末が含まれている場合もある。したがって、上記でいう平均粒子径は、被膜付磁石粒子の形状(ないしその断面形状)が一様でないことから、観察画像(数〜数十視野)内の各磁石粒子の切断面形状の絶対最大長の平均値で表すものとする。絶対最大長とは、被膜付磁石粒子(ないしその断面形状)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の長さをいう。
被膜付磁石粒子の酸素濃度は、赤外線吸収法による酸素窒素分析装置を用いて計測が可能である。当該検査は、段階(S3)の窒化後の合金粉末(磁石粗粉)の酸素濃度を検査することで、磁石粗粉の合金組成を確認することができる。さらに酸素濃度は、酸化層の大まかな生成量を把握する目的で測定(検査)することもできる。
被膜付磁石粒子の表面状態は、樹脂包埋した被膜付磁石粒子をFIB法(集束イオンビーム加工法)で断面を切り出し、TEM観察を実施することで同定できる。これにより、被膜付磁石粒子の磁石粒子(コア部)の平均粒子径、酸化層の膜厚、有機層の膜厚を求めることができる。また被膜付磁石粒子の表面に予め、Au等で蒸着膜を形成することで試料加工後も、被膜付磁石粒子の最表面(樹脂包埋後にも有機層の最表面)を特定することが可能である。更に、被膜付磁石粒子表面の深さ方向(粒子中心に向けた半径方向)の状態はXPS(X線光電子分光法)にて解析が可能である。これらから、被膜付磁石粒子の磁石粒子(コア部)の平均粒子径、酸化層の膜厚、有機層の膜厚を求めることができる。これらコア部の平均粒子径、酸化層の膜厚、有機層の膜厚も、(コア部)の平均粒子径、酸化層の膜厚、有機層の膜厚についても、透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察されるコア粒子の粒子径、酸化層の膜厚、有機層の膜厚の平均値として算出される値を採用するものとする。なお、平均値を求めるため、観察視野は、20以上を確保した。
上記した第2実施形態のメタルボンド磁石成形体を製造する方法につき説明する。
準備工程(S11)では、原料となる第1実施形態の被膜付磁石粒子と、有機物のバインダ(樹脂バインダ)を用いずに、金属バインダである金属粒子とをブレンドした混合物を用意し、次工程(S12)に供するのが好ましい。原料となる第1実施形態の被膜付磁石粒子は、第3実施形態の製造方法により用意(調製)することができる。また金属バインダである金属粒子は、任意成分であり、市販品(特注品を含む)を用いてもよく、調製してもよい。また金属バインダは、第2実施形態で説明した金属バインダと同様のものを用いることができる。
本工程(S12)は、適当な温度(好ましくは600℃以下の温度)の被膜付磁石粒子と任意成分の金属粒子の混合物を、成形型中で、適当な圧力(好ましくは1〜5GPaの成形面圧)で加圧(圧密)成形し、第2実施形態のボンド磁石成形体を得る工程である。本実施形態では、Sm2Fe17N3合金を被膜付磁石粒子のコア部として用いた場合にも、600℃以下の温度で成形することで、磁石粒子の熱分解を抑制することができる利点がある。また、600℃以下の温度の被膜付磁石粒子と任意成分の金属粒子(以下、磁石粒子等混合物ともいう)を、1〜5GPaの高面圧で加圧(圧密)成形することにより、磁石粉末を高温焼結してバルク磁石を形成する場合に生じていた磁気特性の劣化は生じない。したがって、磁石粒子、とりわけSm−Fe−N系磁石粒子の優れた磁気特性を維持したまま、上記した第2実施形態の効果を有する磁石成形体を得ることができる。すなわち、有機物(バインダ)で固化成形しないで、高密度に成形しても、磁石粒子同士の結着を抑制することができる。これにより、残留時磁化(Br)と保磁力(Hc)の双方が向上した磁石成形体を得ることができる。ここで、上記磁石粒子等混合物には、任意成分の金属粒子を含まない形態(被膜付磁石粒子からなる形態)も包含するものとする。
本熱処理工程(S13)は、上記した温間又は冷間圧密成形工程(S12)の後、形成(固化成形)された磁石成形体を熱処理することが好ましい。当該熱処理は、第2実施形態で説明した亜鉛添加Sm−Fe−N系磁石成形体を熱処理する場合に特に効果的である。これは、被膜付磁石粒子に亜鉛粒子を混合して型成形することで、SmFeN系の高密度圧密体(磁石成形体)を作製すことができる。このSmFeN系の高密度圧密体(磁石成形体)を熱処理することにより、金属バインダの亜鉛と磁石粒子のSmFeNが反応し、高保磁力なSmFeN系磁石成形体(亜鉛添加Sm−Fe−N系磁石成形体の熱処理品)とすることができる点で優れている。また、熱処理により、ZnとFeの反応生成物による緻密化領域を低減し、残らないようにすることで、磁石粒子(磁石粒子間)の境界層を通じた亜鉛の拡散が容易になり、亜鉛がSmFeN系磁石粒子を取り囲むように拡散することができるため保磁力が向上する。
第4実施形態のメタルボンド磁石成形体の製造方法の第4実施形態の他の態様Aとしては、第4実施形態の温間又は冷間圧密成形工程(S12)の代わりに、磁場中での温間又は冷間圧密成形工程(S22)を有する。すなわち、準備工程(S21)、磁場中温間圧密成形工程(S22)、および熱処理工程(S23)により、製品であるメタルボンド磁石成形体を得る。準備工程(S21)および熱処理工程(S23)は、それぞれ第4実施形態の準備工程(S11)および(S13)と同様であり、また、熱処理工程(S23)は任意の工程である。よって、以下では、磁場中での温間又は冷間圧密成形工程(S22)につき説明する。
本成形工程(S22)は、適当な磁場中(好ましくは6kOe以上の磁場中)で、適当な温度(好ましくは600℃以下の温度)の磁石粒子等混合物を、成形型中で、適当な圧力(好ましくは1〜5GPa以上の成形面圧)で加圧(圧密)成形する工程である、これにより、第3実施形態のボンド磁石成形体を得ることができる。本成形工程工程(S22)は、温間又は冷間圧密成形工程を磁場中で実施する以外は、第4実施形態の温間又は冷間圧密成形工程(S12)と同様である。
第4実施形態のメタルボンド磁石成形体の製造方法の第4実施形態のさらに他の態様Bとしては、第4実施形態の温間又は冷間圧密成形工程(S12)の代わりに、磁場中での予備圧縮成形工程(S32)および温間又は冷間圧密成形工程(S33)を有する。準備工程(S31)および熱処理工程(S34)は、それぞれ第4実施形態の準備工程(S11)および(S13)と同様であり、また、熱処理工程(S34)は任意の工程である。すなわち、準備工程(S31)、磁場中予備圧縮成形工程(S32)、温間圧密成形工程(S33)、および熱処理工程(S34)により、製品であるメタルボンド磁石成形体を得る。よって、以下では、主に磁場中での予備圧縮成形工程(S32)につき説明する。
本態様Bでは、温間又は冷間圧密成形工程(S33)の前に、磁石粒子等混合物を適当な磁場中(好ましくは6kOe以上の磁場中)で圧縮成形し、適度な相対密度(好ましくは相対密度30%以上)の磁石成形体を得る予備圧縮成形工程(S32)をさらに有する。本態様Bでは、磁石粒子等混合物を、例えば、次工程で用いる金型に挿入し、金型外部から、磁場を印加して、被膜付磁石粒子中の磁石粒子(特にSm−Fe−N系磁石粒子)の結晶方位をそろえる操作を行うものである。次工程の温間又は冷間圧密成形は、高面圧のプレス機を用いる。したがって、このような大型装置に磁場配向装置を取り付けるのは、広いスペースを必要とするため、実使用上は難しい場合がある。そこで、低面圧プレス機に磁場配向機を取り付け、相対密度30%程度の予備圧縮成形体を予め作製する。その後、その予備圧縮成形体を加熱し又は非加熱のままで、高面圧プレス機で温間又は冷間圧密成形する。工程数が増えるものの、量産を考慮すると、予備圧縮成形工程を設けることが好ましい場合があるためである。予備圧縮成形工程を実施することにより、予備圧縮成形体において、被膜付磁石粒子の異方性を有する磁石粒子(特にSm−Fe−N系磁石粒子)は、磁化容易軸が揃った状態となる。そのため、その後の温間又は冷間圧密成形工程(S33)を経て得られる磁石成形体も、磁化容易軸が揃い、より高い残留磁束密度を有する磁石成形体となる。
第3実施形態の磁石成形体及び第4本実施形態(態様A,Bを含む)で得られた磁石成形体の物性評価は、次の手法により行うことができる。磁石密度は、磁石成形体の寸法および質量から算出することができる。磁石特性(保磁力、残留磁束密度及び最大エネルギー積)は、東英工業株式会社製パルス励磁型着磁器MPM−15を用い、着磁磁界10Tにてあらかじめ磁石成形体の試験片を着磁後、東英工業株式会社製BH測定器TRF−5AH−25Autoを用いて測定することができる。
本実施形態のメタルボンド磁石成形体の用途としては、第3実施形態の磁石成形体を用いた電磁機器が挙げられる。上記磁石成形体によれば、有機物のバインダ(樹脂バインダ)を含有しないため高温でも使用可能な磁石成形体であり、かつ、高密度に成形しても、磁石粒子同士の結着を抑制することができる。そのため、残留磁化(Br)及び保磁力(Hc)の両方が向上した磁石成形体を得ることができ、電磁機器に用いた場合、小型で高性能な電磁機器が得られる。かかる観点から、本実施形態のメタルボンド磁石成形体を用いた電磁機器としては、車載用モータ、車載用センサ、アクチュエータ、電圧変換装置などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。これら車載用モータ等についても、残留磁化(Br)及び保磁力(Hc)の両方が向上した高密度の磁石成形体を得ることができ、小型で高性能な車載用モータ等が得られる。即ち、これら車載用モータ等であれば、性能に優れた磁石成形体を用いたシステムであるため、システムの小型化、高性能化が可能である。以下、本実施形態のメタルボンド磁石成形体を用いた電磁機器として、磁石モータ(車載用モータ等)を例に挙げて説明する。
(I)被膜付磁石粒子の作製
(1)母合金の合成
純度99.9%のSmおよび純度99.9%のFeを用いてアルゴン雰囲気中、高周波炉で溶解混合し、次いで溶湯を鋳型中に流し込んで冷却し、さらにアルゴン雰囲気中において1250℃で3時間焼鈍することにより、Sm25mass%およびFe75mass%からなるSm2Fe17組成の結晶構造を有する合金を調製した。
調製した合金を窒素雰囲気中、ジョークラッシャーで粉砕した後、さらにコーヒーミルによって平均粒子径100μmにまで粗粉砕した。
得られた合金粉末を管状炉中に入れ、450℃において、1.0atmの水素ガス流を該管状炉中に流して、30分間該合金粉末中に水素を侵入せしめた。その後、450℃において、30分間Arガス気流に切り替えて脱水素を行ったのち、450℃において、N2−3体積%H2混合ガス気流に切り替えて、30分間窒化処理を行った。続いて上記混合ガス雰囲気中で室温まで徐冷することによりSm2Fe17N3組成の合金粉末を得た。
得られた粗粉末(磁石粗粉)を、アシザワ・ファインテック株式会社製の湿式ビーズミルLMZ2で平均粒径が2μm以下になるまで微粉砕した。微粉砕に供した磁石粗粉2.5kgは、溶媒であるIPA3.75kgと、潤滑剤であるラウリン酸メチル0.125kgとで磁石粗粉が約40質量%のスラリーに調製して微粉砕に供した。粉砕に用いたメディアの直径は1mmであり、材質はPSZ(部分安定化ジルコニア)であり、充填率はスラリーに対して75%の重量になるように投入した。スラリーの容器タンクの空間部は、Ar気流を流して大気を巻き込まないようにした。粉砕は、15分おきに、サンプリングを行いSEMで粒子径を観察しながら進めた。なお、溶媒中の水分を脱水することで、粉砕中の酸化抑制効果を極めて高く維持することができるため、酸化層を薄く抑制することが可能であることから、溶媒であるイソプロピルアルコール(IPA)中の水分量は、脱水することで、溶媒全量に対して、1質量%以下に調整した。
平均粒子径が2μm以下になるまで粉砕した後、アセトンを用いて、ビーズミルでの湿式粉砕により得られた被膜付磁石粒子の表面の有機溶液を洗い流すとともに、揮発性の高いものに置換した。その後、被膜付磁石粒子を不活性ガス雰囲気のグローブボックス中で、室温で放置して、乾燥させた。これにより、(Sm−Fe−N磁石粒子表面に酸化層と有機層の2層を被膜した)被膜付磁石粒子を調製した。被膜付磁石粒子の平均粒子径は、1.7μmであった。なお、上記不活性ガス雰囲気中の露点は−65℃、酸素濃度は0.002体積%に調整した。
(1)準備工程
上記で得られた(Sm−Fe−N磁石粒子表面に酸化層と有機層の2層を被膜した)被膜付磁石粒子を用意した。この被膜付磁石粒子に、金属バインダ粒子として亜鉛(Zn)粒子(株式会社高純度化学研究所)を混合した。Zn粒子の平均粒子径D50は3μmであった。被膜付磁石粒子:Zn粒子を=95:5の割合(質量比)で混合し、磁石粒子等混合物(ブレンド粉末)を調製した。
磁石粒子等混合物(ブレンド粉末)を2.5g秤量し、7mm×7mmのダイセット(角型金型)に充填し、2MA/m(≒25kOe)の磁場中で490MPaの圧力を印加して予備圧縮成形体を作製した。予備圧縮成形体の相対密度は65%であった。
得られた予備圧縮成形体を200℃で、10分間保持した後、成形面圧3GPa(≒30トン/cm2)のプレス圧を負荷し、30秒間(下死点)保持して温間圧密成形して磁石成形体を得た。得られた磁石成形体の相対密度は85%であった。また、BHトレーサにて磁石成形体の磁気特性を計測した。詳しくは、磁石特性(保磁力、残留磁束密度及び最大エネルギー積)は、東英工業株式会社製パルス励磁型着磁器MPM−15を用い、着磁磁界10Tにてあらかじめ磁石成形体の試験片を着磁後、東英工業株式会社製BH測定器TRF−5AH−25Autoを用いて計測した。結果を表1に示す。
微粉砕のスラリーの組成を、磁石粗粉2.5kg、IPA3.6kg、ラウリン酸メチル0.25kgに変更した以外は、実験例1と同様の操作を行って、磁石成形体を得た。BHトレーサにて得られた磁石成形体の磁気特性を実験例1と同様にして計測した。結果を表1に示す。
金属バインダとしてZn粒子を添加しない以外は、実験例1と同様の操作を行って、磁石成形体を得た。BHトレーサにて得られた磁石成形体の磁気特性を実験例1と同様にして計測した。結果を表1に示す。
粉砕時に潤滑剤を添加しない以外は、実験例1と同様の操作を行って、磁石成形体を得た。
粉砕時の溶媒をヘキサンに変えて、潤滑剤を無添加とした以外は、実験例1と同様の操作を行って、磁石成形体を得た。BHトレーサにて得られた磁石成形体の磁気特性を実験例1と同様にして計測した。結果を表1に示す。
(I)被膜付磁石粒子の作製
(1)磁石粗粉の準備
Sm−Fe−N系磁石粗粉には、市販の平均粒子径D50が20μmの異方性Sm2Fe17Nx粉(x≒3)(住友金属鉱山株式会社製)を用意した。
Sm−Fe−N系磁石粗粉をアシザワ・ファインテック株式会社製の湿式ビーズミルLMZ2を用いて微粉砕して、用いた潤滑剤の種類、添加量を表2のように変更した以外は、実験例1と同様にして(Sm−Fe−N磁石粒子表面に酸化層と有機層の2層を被膜した)被膜付磁石粒子を調製した。用いた潤滑剤の種類、添加量及び被膜付磁石粒子の平均粒子径は、下記表2の通りである。また、実験例1と同様にして、被膜付磁石粒子の表面状態をTEM観察およびXPS解析を実施し、酸化層の膜厚、有機層の膜厚を計測した(図3〜5参照)。
(1)準備工程
上記で得られた被膜付磁石粒子を用意した。この被膜付磁石粒子と、金属バインダ粒子として亜鉛(Zn)粒子(株式会社高純度化学研究所製)を表2に示すように5〜10質量%の割合(質量比)で混合し、磁石粒子等混合物(ブレンド粉末)を調製した。Zn粒子の平均粒子径D50は3μmであった。
上記工程で得られた磁石粒子等混合物(ブレンド粉末)をそれぞれ2.56g秤量し、7×7mmサイズの超硬合金製ダイセット(角型金型)に投入、充填し、成形面圧3GPaのプレス圧を負荷し、30秒間(下死点)保持して冷間(室温;おおむね25℃)で圧密成形して磁石成形体を得た。得られた磁石成形体の相対密度は下記表2に示す通りであった。BHトレーサにて冷間圧密成形工程で得られた磁石成形体の磁気特性(保磁力)を実験例1と同様にして計測した。結果を表2に示す。
上記冷間圧密成形工程で得られた磁石成形体を430℃の温度で、30分加熱する熱処理を施した。以上のような工程で実施例4〜16の磁石成形体をそれぞれ得た。なお、微粉砕以降の工程はすべて、100ppm以下の低酸素(雰囲気)の不活性(Arガス)雰囲気下で行った。
成形面圧を3.5GPaとし、成形温度200℃として温間圧密成形した以外は、実験例7と同様にして磁石成形体を得た。温間圧密成形工程で得られた磁石成形体の相対密度は下記表3に示す通りであった。また、BHトレーサにて温間圧密成形工程後及び熱処理工程後の磁石成形体の磁気特性(保磁力)を実験例1と同様にして計測した。結果を表3に示す。
成形面圧を3.5GPaとし、成形温度200℃として温間圧密成形した以外は、実験例8と同様にして磁石成形体を得た。温間圧密成形工程で得られた磁石成形体の相対密度は下記表3に示す通りであった。また、BHトレーサにて温間圧密成形工程後及び熱処理工程後の磁石成形体の磁気特性(保磁力)を実験例1と同様にして計測した。結果を表3に示す。
成形面圧を3.5GPaとし、成形温度200℃として温間圧密成形した以外は、実験例12と同様にして磁石成形体を得た。温間圧密成形工程で得られた磁石成形体の相対密度は下記表3に示す通りであった。また、BHトレーサにて温間圧密成形工程後及び熱処理工程後の磁石成形体の磁気特性(保磁力)を実験例1と同様にして計測した。結果を表3に示す。
11 内側金型、
12 外側金型、
13a、13b 貫通孔、
14 磁石粒子等混合物、
15 下部金型、
16 上部金型、
17 温度センサ用孔、
40a 表面磁石型同期モータ、
40b 埋込磁石型同期モータ、
41 表面磁石型同期モータ用のロータの磁石、
43 表面磁石型同期モータ用のロータ、
45 埋込磁石型同期モータ用の磁石、
47 埋込磁石型同期モータのロータ、
d 埋込磁石型同期モータのロータに設けられた埋込溝の厚さ。
Claims (12)
- 磁石粒子表面に膜厚1〜20nmの酸化層と、前記酸化層の外側に膜厚1〜100nmの有機層の2層以上の被膜を有してなることを特徴とする被膜付磁石粒子。
- 請求項1に記載の被膜付磁石粒子を用いて成形して製造されてなることを特徴とするメタルボンド磁石成形体。
- 前記成形の手法が、型成形であることを特徴とする請求項2に記載のメタルボンド磁石成形体。
- 相対密度が、50%以上であることを特徴とする請求項2または3に記載のメタルボンド磁石成形体。
- 前記成形体内部の磁石粒子の境界層が、厚さ1〜20nmの断続的な酸化物または炭化物または有機物または空隙のいずれか、あるいはそれらの複合物であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のメタルボンド磁石成形体。
- 前記磁石粒子が、Sm−Fe−N化合物であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載のメタルボンド磁石成形体。
- 前記被膜付磁石粒子と、金属バインダとして配合したZn粒子を混合して型成形により固化成形し、さらに熱処理して製造されてなるメタルボンド磁石成形体であって、
Znバインダの周辺に生成するZnとFeの反応生成物による緻密化領域の厚さが、5μm以下であることを特徴とする請求項6に記載のメタルボンド磁石成型体。 - 前記Zn粒子の添加量が、1〜15質量%であることを特徴とする請求項7に記載のメタルボンド磁石成型体。
- 相対密度が80%以上であることを特徴とする請求項2〜8のいずれか1項に記載のメタルボンド磁石成形体。
- 前記有機層を脂肪酸エステルとアルコールの混合溶液中で製膜することを特徴とする請求項1に記載の被膜付磁石粒子の製造方法。
- 請求項2〜9のいずれか1項に記載のメタルボンド磁石成形体を用いた電磁機器。
- 電磁機器が、車載用センサ、車載用モータ、アクチュエータ、または電圧変換装置である請求項11に記載の電磁機器。
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