JP6463326B2 - 希土類ボンド磁石 - Google Patents

Description

本発明は、希土類ボンド磁石に関する。

近年、希土類永久磁石が、優れた磁気特性を有することから、モータなどの回転機器、一般家電製品、音響機器、医療機器、又は一般産業機器など、幅広い分野で応用されている。特に、粉末状の希土類磁石材料と、希土類磁石材料の結合を担う樹脂（結合樹脂）との組み合わせによる希土類ボンド磁石は、形状自由度が高い特徴を活かし、上記機器の小型化や高性能化などに貢献している。

さらに、希土類ボンド磁石は、自動車用を代表とする車載用分野（以下単に「車載用」とする。）での使用が顕著である。従来の車載用永久磁石では、フェライト永久磁石が使用されてきた。フェライト永久磁石は優れた耐熱性等を持つからである。しかしながら、フェライト永久磁石は、自発磁化若しくは磁力が比較的弱いため、必要な磁束を得るためには、磁石体積が大きくなってしまうという難点がある。そこで、高出力化かつ小型化などの要請から、フェライト永久磁石に代わって、小型でも高い自発磁化を持つ希土類磁石の使用が年々増加している状況にある。

特開２０１５−８２３２号公報

このような車載用永久磁石は、自動車等の車輌が様々な環境において駆動されることから、幅広い温度環境に対して、十分な磁気特性を有することが要求される。すなわち、車載用永久磁石には、温度変化に対して少ない減磁特性および物理的耐熱性が必要とされている。ここで、本明細書では、物理的耐熱性とは、機械的強度に関する耐熱性を意味するものとする。一般に、希土類永久磁石は、高温状態では減磁する特性、いわゆる熱減磁が大きい。このような背景において、高温でも磁気特性が低下し難い希土類磁石および希土類磁石の製造方法の試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、温度変化に対して少ない減磁特性、および高い物理的耐熱性を有する希土類ボンド磁石を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る希土類ボンド磁石は、希土類−鉄系の磁石粉末と、熱硬化性樹脂組成物と、を含み、前記熱硬化性樹脂組成物は、多官能のエポキシ樹脂であって硬化剤と反応させて硬化させた後のガラス転移点が２００℃以上である第１エポキシ樹脂、及び、直鎖状のエポキシ樹脂であって硬化剤と反応させて硬化させた後のガラス転移点が１２０℃以下の第２エポキシ樹脂を含む主剤と、硬化剤とを配合してなり、前記主剤における前記第１エポキシ樹脂と前記第２エポキシ樹脂との配合比は、当該熱硬化性樹脂組成物のガラス転移点が１５０℃以上となり、かつ弾性率が６５ＧＰａ以下となるように設定されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る希土類ボンド磁石は、前記第１エポキシ樹脂がクレゾールノボラック型エポキシオリゴマーからなり、前記第２エポキシ樹脂がビスフェノールＡ型エポキシオリゴマーからなり、前記配合比が、８０：２０〜６０：４０であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る希土類ボンド磁石は、前記硬化剤がフェノールノボラック型樹脂であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る希土類ボンド磁石は、前記磁石粉末が、ネオジム、鉄、およびホウ素を主成分とすることを特徴とする。

本発明によれば、温度変化に対して少ない減磁特性、および高い物理的耐熱性を有する希土類ボンド磁石を実現することができる。

図１は、ビスフェノールＡ型配合率とガラス転移点Ｔｇとの関係を示す図である。 図２は、ビスフェノールＡ型配合率と引張弾性率との関係を示す図である。 図３は、作製した希土類ボンド磁石の熱減磁率を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る希土類ボンド磁石の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施形態）
本発明者らは、希土類ボンド磁石において熱減磁が発生する原因を精査したところ、温度変化に対してその寸法の変化が大きい、すなわち熱膨張率が高い希土類ボンド磁石は熱減磁が大きいことを発見した。その理由は、熱膨張率が高い希土類ボンド磁石は、昇温時に内部に空隙が発生し、空隙内に存在する空気に触れた磁石粉末が酸化劣化してしまうためと考えられる。
より具体的には、磁石粉末同士を結合させるバインダーとしての熱硬化性樹脂組成物を熱硬化させた後の冷却時、またはボンド磁石に加熱と冷却とを繰り返すときの冷却時には、磁石粉末と熱硬化性樹脂組成物との線膨張係数の違いにより、希土類ボンド磁石内に内部応力が発生するため、樹脂が破壊、または磁石粉末からの剥がれが生じ、これが空隙発生の原因の一つとなっていると考えられる。したがって、希土類ボンド磁石内に発生する内部応力を低減すれば、熱減磁率を小さくすることができると考えられる。

ここで、内部応力σは、以下の式（１）で表される。

式（１）において、Ｅｒは熱硬化性樹脂の弾性率、αｒは熱硬化性樹脂の線膨張係数、αｓは磁石粉末の線膨張係数である。

式（１）によれば、内部応力を低減するためには、熱硬化性樹脂の弾性率または線膨張係数を小さくすればよい。しかしながら、弾性率が小さい熱硬化性樹脂は、一般的にガラス転移点Ｔｇが低いので、これを用いた希土類ボンド磁石は、ガラス転移点Ｔｇより高い温度環境下では内部の熱硬化性樹脂が軟化して機械的強度が低下するため、物理的耐熱性が低くなると考えられる。そこで、本発明者らは、温度変化に対して少ない減磁特性、および高い物理的耐熱性を実現するために鋭意検討したところ、これを実現可能な熱硬化性樹脂組成物を見出した。

すなわち、本発明の実施形態に係る希土類ボンド磁石は、希土類−鉄系の磁石粉末と、熱硬化性樹脂組成物と、を含むものである。熱硬化性樹脂組成物は、多官能のエポキシ樹脂であって硬化剤と反応させて硬化させた後のガラス転移点Ｔｇが２００℃以上である第１エポキシ樹脂、及び、直鎖状のエポキシ樹脂であって硬化剤と反応させて硬化させた後のガラス転移点Ｔｇが１２０℃以下の第２エポキシ樹脂を含む主剤と、硬化剤とを配合してなるものである。さらに、第１エポキシ樹脂と第２エポキシ樹脂との配合比は、当該熱硬化性樹脂組成物のガラス転移点Ｔｇが１５０℃以上となり、かつ弾性率が６５ＧＰａ以下となるように設定されている。

一般的に、多官能のエポキシ樹脂を用いた場合、熱硬化性樹脂組成物は、ガラス転移点Ｔｇが高く、２００℃以上とすることができるが、弾性率が高くなる。一方、直鎖状のエポキシ樹脂を用いた場合、熱硬化性樹脂組成物は、弾性率は低いが、ガラス転移点Ｔｇが低く、１２０℃以下となる場合がある。

そこで、本発明者らは、これらの性質の異なるエポキシ樹脂を適正な配合比で配合することで、適正なガラス転移点と弾性率とを両立する熱硬化性樹脂組成物を実現し、これを用いて温度変化に対して少ない減磁特性、および高い物理的耐熱性の希土類ボンド磁石を実現することに想到した。

多官能の第１エポキシ樹脂は、ガラス転移点Ｔｇが２００℃以上のものであれば特に限定はされないが、たとえばクレゾールノボラック型エポキシオリゴマーからなるものを用いることができる。クレゾールノボラック型エポキシオリゴマーからなるエポキシ樹脂は、これを単体で主剤として用い、硬化剤としてフェノールノボラック型樹脂を用いた場合、熱硬化性樹脂組成物のガラス転移点Ｔｇが２２５℃程度、引張弾性率が６７ＧＰａ程度となる。

直鎖状の第２エポキシ樹脂は、ガラス転移点Ｔｇが１２０℃以上のものであれば特に限定はされないが、たとえばビスフェノールＡ型エポキシオリゴマーからなるものを用いることができる。ビスフェノールＡ型エポキシオリゴマーからなるエポキシ樹脂は、これを単体で主剤として用い、硬化剤としてフェノールノボラック型樹脂を用いた場合、熱硬化性樹脂組成物のガラス転移点Ｔｇが１２０℃程度、引張弾性率が２２ＧＰａ程度となる。

後に実験例を示すように、これらのクレゾールノボラック型エポキシオリゴマーからなるエポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシオリゴマーからなるエポキシ樹脂を所定の範囲の配合比で配合したものを主剤として用いることにより、ガラス転移点Ｔｇが１５０℃以上、かつ引張弾性率が６５ＧＰａ以下の熱硬化性樹脂組成物を実現することができる。

なお、希土類−鉄系の磁石粉末としては、特に限定はされないが、ネオジム（Ｎｄ）、鉄（Ｆｅ）、およびホウ素（Ｂ）を主成分とするＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末を用いることが好ましい。また、磁石粉末と熱硬化性樹脂組成物との質量比は９９：１〜９７：３程度（すなわち、希土類ボンド磁石が熱硬化性樹脂組成物を１〜３質量％含む）とすることが好ましい。

本実施形態に係る希土類ボンド磁石は、例えば以下のように製造することができる。
はじめに、希土類−鉄系の磁石粉末を粉砕する。ここで、希土類−鉄系の磁石粉末の粒径範囲は、３０μｍから５００μｍであることが好ましく、５０μｍから２５０μｍであることがさらに好ましい。磁石粉末の粒径が３０μｍ以上であれば、磁石粉末の比表面積が小さくなるため、磁石粉末そのものが酸化される確率が低くなる。また、磁石粉末の粒径が５００μｍより小さい方が、肉厚が１ｍｍを下回るリング磁石を圧縮成形する際にも適している。また、後工程である成形時の良好な成形性を得るために、希土類磁石粉末の粒度分布の幅が狭いことが望ましい。

つづいて、希土類−鉄系の磁石粉末と熱硬化性樹脂組成物の溶液とを混練する。熱硬化性樹脂組成物の溶液とは、主剤としてのクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と硬化剤としてのフェノールノボラック型樹脂とを所定の質量比で配合し、溶剤に溶解させたものである。当該混練によって生成された混練物をコンパウンドと呼ぶ。

つづいて、コンパウンドを乾燥させる。この乾燥工程は、熱硬化性樹脂組成物の溶液に含まれていた溶剤を揮発させるためのものである。

つづいて、乾燥したコンパウンドを解砕し、コンパウンドの粒径を分級する。コンパウンドの粒径範囲は、続く工程における金型等の成形型キャビティへの充填性を考慮すると、例えば３０〜５００μｍ程度とすることが望ましい。したがって、解砕および分級は、当該範囲となるように、コンパウンドを解砕して分級することが望ましい。

つづいて、コンパウンドに滑剤を混合する。この滑剤は、後工程である成形時において、金型等の成形型キャビティへの充填を容易にし、かつ、圧力を加えた際の成形型キャビティとの摩擦を低減するためのものである。

つづいて、コンパウンドを成形型キャビティへ充填し、圧力を加えて圧縮成形する。加える圧力は、熱硬化性樹脂組成物の降伏応力以上の圧力であり、例えば０．１ＧＰａ〜１．５ＧＰａ程度とすることが好ましい。また、圧縮成形後の成形体は、当該成形体に占める残留空隙の体積分率を６体積％以上１２体積％以下とすることが好ましい。

最後に、圧縮成形後の成形体を加熱して熱硬化させる。本実施形態の場合、例えば１５０℃から１９０℃の温度で１０分から１００分程度の時間で熱硬化が行われる。当該熱硬化された被着磁体に、別途、防錆処理として塗装処理を施す。その後、別途着磁処理を行うことにより希土類ボンド磁石が完成する。

（実験例１）
以下では、熱硬化性樹脂組成物自体の特性を確認するために、下記表１に示す配合比（表１中、百分率で示す）でクレゾールノボラック型エポキシオリゴマーからなるエポキシ樹脂（表１中、クレゾールノボラック型と記載する）とビスフェノールＡ型エポキシオリゴマーからなるエポキシ樹脂（表１中、ビスフェノールＡ型と記載する）とを配合して主剤として、これに硬化剤としてフェノールノボラック型樹脂を配合し、バインダーとしての熱硬化性樹脂組成物のサンプル１〜７を作製し、そのガラス転移点Ｔｇと引張弾性率とを測定した。ガラス転移点ＴｇはＤＳＣ法で測定した値である。また引張弾性率はＪＩＳ−Ｋ７１６１−１に開示された方法で測定した値である。なお、表１に示すように、サンプル１は主剤が１００％クレゾールノボラック型からなる。サンプル２、３、４、５、６は、主剤中のビスフェノールＡ型の配合率がそれぞれ１０％、２０％、３０％、４０％、５０％である。サンプル７は主剤が１００％ビスフェノールＡ型からなる。

図１は、主剤中のビスフェノールＡ型配合率とガラス転移点Ｔｇとの関係を示す図である。図１に示すように、主剤が１００％クレゾールノボラック型からなるサンプル１のガラス転移点Ｔｇは２２５℃程度であった。一方、主剤が１００％ビスフェノールＡ型からなるサンプル７のガラス転移点Ｔｇは１２０℃程度であった。サンプル２〜６については、ビスフェノールＡ型の配合率が高くなるほどガラス転移点が低下し、配合率が４０％以下のサンプル１〜５ではガラス転移点Ｔｇが１５０℃以上となった。

図２は、主剤中のビスフェノールＡ型配合率と引張弾性率との関係を示す図である。図２に示すように、主剤が１００％クレゾールノボラック型からなるサンプル１の引張弾性率は６７ＧＰａ程度であった。一方、主剤が１００％ビスフェノールＡ型からなるサンプル７の引張弾性率は２２ＧＰａ程度であった。サンプル２〜６については、ビスフェノールＡ型の配合率が高くなるほど引張弾性率が低下し、配合率が２０％以上のサンプル３〜７では引張弾性率が６５ＧＰａ以下となった。

（実験例２）
つぎに、本発明の実験例２として、磁石粉末としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石粉末（化学式：Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）、熱硬化性樹脂組成物の主剤および硬化剤として表１のサンプル１〜７のそれぞれ、溶剤としてメチルエチルケトンを用い、上記に例示した製造方法にて、直径１０ｍｍ、高さ７ｍｍの円柱形状の希土類ボンド磁石を７つ作製した。ここで、コンパウンドにおいて磁石粉末と熱硬化性樹脂組成物との質量比が１００：２．５となるように各材料の配合量を調整した。また、圧縮成形時には０．８ＧＰａの圧力を加えた。また、熱硬化の工程は１９０℃で３０分の時間だけ行った。なお、着磁処理については、円柱の軸方向に磁束密度５Ｔ（Ｔ：テスラ）の着磁磁界を印加した。

つぎに、作製した実験例２の各希土類ボンド磁石を１８０℃の温度で１０００時間熱暴露しながら、希土類ボンド磁石により発生する磁場の磁束を測定した。図３は、作製した希土類ボンド磁石の熱減磁率（磁束の減少率）を示す図である。なお、縦軸は熱減磁率を示し、横軸は熱暴露時間を対数で示している。また、凡例において、たとえばサンプル１：０％とは、表１に示すビスフェノールＡ型の配合率が０％であるサンプル１の主剤および硬化剤を用いた希土類ボンド磁石であることを示している。

図３に示すように、ビスフェノールＡ型の配合率が０％のサンプル１では減磁率が−１０％以下であったが、ビスフェノールＡ型の配合率が２０％以上のサンプル２〜７では、１０００時間熱暴露後の熱減磁率を−５％以内とすることができることが確認された。なお、ビスフェノールＡ型の配合率を２０％より増加させても熱減磁率は大きくは改善しなかった。

図１〜３に示す結果が示すように、ビスフェノールＡ型の配合率が２０％〜４０％（すなわち、クレゾールノボラック型とビスフェノールＡ型との配合比が８０：２０〜６０：４０）であれば、熱硬化性樹脂組成物のガラス転移点Ｔｇが１５０℃以上となり、かつ弾性率が６５ＧＰａ以下となって、温度変化に対して少ない減磁特性、および１５０℃の高温下での使用にも適する高い物理的耐熱性を有する希土類ボンド磁石を実現できる。

なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

Claims (4)

1. 希土類−鉄系の磁石粉末と、
   熱硬化性樹脂組成物と、
   を含み、
   前記熱硬化性樹脂組成物は、多官能のエポキシ樹脂であって硬化剤と反応させて硬化させた後のガラス転移点が２００℃以上である第１エポキシ樹脂、及び、直鎖状のエポキシ樹脂であって硬化剤と反応させて硬化させた後のガラス転移点が１２０℃以下の第２エポキシ樹脂を含む主剤と、硬化剤とを配合してなり、
   前記主剤における前記第１エポキシ樹脂と前記第２エポキシ樹脂との配合比は、当該熱硬化性樹脂組成物のガラス転移点が１５０℃以上となり、かつ弾性率が６５ＧＰａ以下となるように設定されており、
   前記第１エポキシ樹脂がクレゾールノボラック型エポキシオリゴマーからなり、前記第２エポキシ樹脂がビスフェノールＡ型エポキシオリゴマーからなり、
   前記熱硬化性樹脂組成物を１質量％以上３質量％以下の量で含むことを特徴とする希土類ボンド磁石。
2. 前記配合比が、質量比で８０：２０〜６０：４０であることを特徴とする請求項１に記載の希土類ボンド磁石。
3. 前記硬化剤がフェノールノボラック型樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の希土類ボンド磁石。
4. 前記磁石粉末が、ネオジム、鉄、およびホウ素を主成分とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の希土類ボンド磁石。

Images