JP6472640B2

JP6472640B2 - 熱間加工磁石とその原料粉末および該原料粉末を成形した成形体ならびにそれらの製造方法

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Publication number: JP6472640B2
Application number: JP2014230486A
Authority: JP
Inventors: 義行中澤; 龍太郎加藤; 治彦清水; 健太郎井上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: CN105609225A; JP2016096203A; CN105609225B

Description

本発明は、熱間加工磁石とその原料粉末および該原料粉末を成形した成形体ならびにそれらの製造方法に係り、特に、粗大粒の少ない微細な結晶粒とする技術に関する。

熱間加工磁石としては例えば特許文献１に開示されたものがある。この熱間加工磁石は、ＲＥ−Ｆｅ−Ｂ系合金（ＲＥは希土類元素）の溶湯を急速冷却して凝固させ、無定形ないし微細結晶性の固体材料を高温で加圧して結晶配向させたものであり、そのような製造方法は熱間塑性加工法と呼ばれ、焼結法に対する技術とされている。

熱間塑性加工法は、希土類永久磁石の一般的な製造方法である焼結法と比較して結晶粒径を小さくすることが可能なため、ディスプロシウムのような希少かつ高価な材料を用いなくても保磁力を高めることができる。しかしながら、焼結法では、原料粉末を磁界配向させることで結晶配向させるのに対して、熱間塑性加工法では、結晶回転及び結晶異方成長を利用して結晶配向させるため高配向化が難しく、それによる磁気特性の低さから実用化は進んでいるとは言えない。

熱間塑性加工法では、結晶回転及び結晶異方成長を利用して結晶配向させるため、６００〜８００℃程度の温度で熱間塑性加工を施すことで結晶配向することが知られている。配向のし易さは結晶粒の異方性に依存するため、より高温側で熱間塑性加工を施すことで高配向化し易いが、高温で結晶粒が大きく成長すると保磁力が低下してしまう。さらに、結晶粒が粗大になり過ぎてしまうと、隣り合う結晶粒が阻害となり結晶回転が困難になってしまう。

また、熱間加工磁石の原料粉末は、一般に、メルトスピニング法やアトマイズ法などの液体急冷法やＨＤＤＲ（Hydrogenation Decomposition Desorption Recombination）法などにより製造され、原料粉末は成形体に緻密化されて熱間塑性加工が施されるが、熱間塑性加工の温度は焼結法における焼結温度よりも比較的低いため組織の均質化が難しい。特に、熱間加工磁石の原料粉末の境界部において、原料粉末の組織状態に起因した結晶粒の粗大化が生じ易い。原料粉末の境界部に存在する粗大結晶粒は、平常部の結晶粒と比較して結晶回転がし難いため、高配向化が難しく、熱間塑性加工後も等方性のまま残存することがある。さらに、原料粉末の状態によっては、熱間塑性加工方向となる結晶配向方向と直交方向に配向した柱状晶が生じることもある。これら粗大結晶粒は、磁気特性を著しく低下させる要因となる。

特開昭６０−１００４０２号公報

したがって、本発明は、粗大粒の少ない微細な結晶粒を有することにより、高配向化が可能で磁気特性に優れた熱間加工磁石とその原料粉末および該原料粉末を成形した成形体を提供することを目的としている。

ＲＥ−Ｆｅ−Ｂ系合金の溶湯を回転ロールに接触させ急冷することで急速凝固させると、非晶質または微結晶質と非晶質が混在する組織状態の帯が形成される。本発明者らの検討によれば、帯のロール接触側で成分偏析が生じ、Ｆｅが過剰な非晶質組織になっている部位があることが判明した。このＦｅが過剰な部位は、帯を粉末化した後、熱間成形及び熱間加工する工程において異常粒成長の起点になることが分かった。この場合において、急速凝固させて非晶質を生成することは微細結晶粒を得る上で必須であるため、Ｆｅの偏析は避けることができない。

そこで、本発明者らは、加熱昇温速度を高めて核生成の駆動力を高めることに思い至った。そして、核生成を誘発させて微細かつ均質な結晶を得るべく検討を重ねた結果、４００℃／分以上の昇温速度にて結晶化開始温度以上の温度まで急速加熱すると、核生成の駆動力が高く核生成が一気に発生し、微細組織を得ることができることを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、ＲＥ（希土類元素）、Ｆｅ、およびＢを主成分とする合金の溶湯を回転ロールに接触させ急冷することで急速凝固させ、非晶質または微結晶質と非晶質が混在する組織状態の原料粉末を作製し、原料粉末、または該原料粉末を冷間で成形した成形体を４００℃／分以上の昇温速度にて結晶化開始温度以上の温度まで急速加熱する工程を同じ条件で複数回行うことを特徴とする。

ここで、結晶化開始温度は合金の成分に依存する。本発明においては、急速加熱における加熱温度は６００〜８００℃の温度範囲が望ましい。加熱温度が６００℃を下回ると結晶化が不充分となる。一方、加熱温度が８００℃を超えると、結晶が粗大化する。また、急速加熱の昇温速度は５０００℃／分以上であることが望ましい。急速加熱は１回で行う場合に限らず、同じ条件で複数回あるいは条件を変えて複数回行うこともできる。

急速加熱の加熱手段としては、落下式加熱、誘導加熱、赤外線ランプ加熱、ロータリーキルン、トンネルキルンなど公知の加熱手段を用いることができ、不活性ガス雰囲気で上記の昇温速度を満足するものであれば任意である。ここで、落下式加熱とは、上下方向に向けた筒状体を加熱し、不活性ガス雰囲気とした筒状体の内部に原料粉末を落下させて加熱する方法であり、５０００℃／分以上の昇温速度を達成することができる。

上記の原料粉末を圧縮した成形体、または上記の原料粉末を冷間成形した上記成形体を熱間成形により真密度近くの密度を有するように緻密化し、これに一軸方向に熱間塑性加工を施して結晶を配向させることで熱間加工磁石を製造することができる。熱間塑性加工の温度は、結晶粒界の融点以上で変形が促進される温度であり、熱間塑性加工の手法は、鍛造、据込み、押出など任意である。

上記のようにして製造された熱間加工磁石は、結晶粒径が０．５μｍ以上の粗大結晶粒が面積率で５％以下であり、成分にＤｙを含まずとも残留磁束密度（ｋＧ）と保磁力（ｋＯｅ）の積が２６８以上の優れた磁気特性を示す。

本発明によれば、粗大粒の少ない微細な結晶粒を有することにより、高配向化が可能で磁気特性に優れた熱間加工磁石とその原料粉末および該原料粉末を成形した成形体が提供される。

本発明の実施形態における熱間加工磁石の製造方法を説明するための図である。本発明の比較例の粉末の断面を示すＳＥＭ像である。本発明の実施例の粉末の断面を示すＳＥＭ像である。本発明の実施例における保磁力と残留磁束密度との関係を示すグラフである。本発明の実施例における急速加熱処理温度と磁気特性との関係を示すグラフである。本発明の比較例の熱間加工磁石の断面を示すＳＥＭ像である。本発明の実施例の熱間加工磁石の断面を示すＳＥＭ像である。

１．粉末成形工程
図１は実施形態の熱間加工磁石の製造方法を示す図であり、（Ａ）は液体急冷法により合金の帯を製造する装置を示す。内部に冷却水が流通する回転ロール１の表面に、ノズル２から溶湯をガスとともに噴射し、瞬時に冷却固化して帯３を製造する。この急冷により、帯３の結晶粒径は数十ｎｍとなる。次いで、帯３を粉砕して粉末４とする。合金はＲＥ−Ｆｅ−Ｂを主成分とする合金（ＲＥは希土類元素）である。

２．急速加熱工程
図１（Ｂ）は落下式加熱装置を示す図である。落下式加熱装置は、回収箱２０の上面に円筒状の金属管２１を固定し、図示しない加熱手段によって金属管２１を加熱するように構成されている。Ａｒガスなどの不活性雰囲気にして金属管２１を６００〜８００℃に加熱し、粉末４を金属管２１の上端開口から落下させて粉末４を急速加熱する。なお、金属管２１の長さは数メートルであり、粉末４を自由落下させると約５秒で回収箱２０に落下する。

３．緻密化工程
次に，図１（Ｃ）に示すように、粉末４をダイ５、下パンチ６、および上パンチ７で形成されるキャビティに充填し、下パンチ６および上パンチ７で粉末４を圧縮して成形体８とする。圧縮は５００〜８００℃の温度で行い、気孔率がゼロ近くになるように緻密化する。この場合において、粉末を冷間で成形し、この冷間成形体を上記の温度まで加熱して熱間成形してもよい。

４．塑性加工工程
次に、図１（Ｄ）に示すように、成形体８を下型９および上型１０で圧縮する塑性加工を行う。塑性加工は成形体８を７００℃前後の温度に加熱して行う。この温度範囲で塑性加工を行うことにより、結晶粒が回転して配向する。具体的には、結晶格子のＣ軸が圧縮軸に平行になるように配向する。

１．実施例１
回転ロールを用いた液体急冷法により製造した合金の帯からＲＥ（希土類元素）、ＦｅおよびＢを主成分とする原料粉末を製造し、この粉末に赤外線ランプ加熱装置にて表１の各条件の急速加熱処理を施した後、２０℃／分の昇温速度で７００℃まで昇温させた後１０分間保持して熱間加工工程を模擬した熱処理を施した。その原料粉末の結晶組織をＦＥ−ＳＥＭ（日立ハイテクＳ−４３００ＳＥ／Ｎ）を用いて複数個所観察し、結晶粒径が０．５μｍ以上となる粗大粒の存在有無を比較した。その結果を表１に示す。

表１に示すとおり、急速加熱処理において昇温速度が４００℃／分以上で急速加熱理温度が６００℃以上の場合に、結晶粒径が０．５μｍ以上となる粗大粒が存在しなかった。図２および図３に昇温速度が５０℃/分で急速加熱温度が６００℃の急速加熱条件のものと昇温速度が４００℃/分で急速加熱温度が６００℃の急速加熱条件のものの破面のＳＥＭ像の一例を示す。ＳＥＭ像の下側が原料粉末を製造する際に回転ロールに接触した面であり、図２ではこの面に０．５μｍを超える粗大結晶粒が存在するが、図３では存在しない。

２．実施例２
回転ロールを用いた液体急冷法により製造した合金の帯からＲＥ（希土類元素）、ＦｅおよびＢを主成分とする原料粉末を製造し、この原料粉末をホットプレス装置を用いて６５０℃で真密度近くまで熱間成形し、その熱間成形体を一軸方向に７０％の圧下率になるように熱間塑性加工することで熱間加工磁石を作製した（比較例１〜７）。なお、圧下率は、（１−塑性加工後高さ/塑性加工前高さ)×１００％で定義される。

次に、原料粉に図１（Ｂ）に示す落下式加熱装置を用いた急速加熱処理を施した後、上記と同等の熱間成形および熱間塑性加工することで熱間加工磁石を作製した（実施例１〜６）。また、原料粉を冷間で直径：１５ｍｍ、高さ：２０ｍｍに成形した成形体に不活性ガス雰囲気で誘導加熱装置を用いた急速加熱処理を施した後、上記と同等の熱間成形および熱間塑性加工を行うことで熱間加工磁石を作製した（実施例７〜１１）。表２に原料粉末の組成、急速加熱処理条件及び熱間加工温度を示す。

作製した熱間加工磁石に対して、超電動式振動試料型磁力計（株式会社理研電子製ＶＳＭ−５Ｔ）を用いて磁気特性を評価した。また、樹脂埋めした熱間加工磁石の試験片を鏡面研磨した後、表面エッチングにより組織を浮き出させたものをＦＥ−ＳＥＭ（日立ハイテクＳ−４３００ＳＥ／Ｎ）で組織観察した。

図４に作製した熱間加工磁石の保磁力と残留磁化との関係を示す。図４に示すように、急速加熱処理を施した熱間加工磁石（実施例１〜１１）では、急速加熱処理を行わなかった比較例１〜７と比較して磁気特性が優れている。特に、落下式加熱装置を用いて急速加熱処理を施した場合には、昇温速度が非常に速いため、保磁力が優れている。また、落下式加熱装置を用いる場合には、雰囲気中を落下する際に原料粉末全体をまんべんなく加熱することができる。また、回転ロールを用いて帯状に形成された後に粉砕された粉末は、平板状となっているため、板状の表面から短い時間で効率的に加熱することが可能となる。図５に急速加熱処理温度と磁気特性（残留磁束密度×保磁力）との関係を示す。図５において破線は比較例４の値である。図５により、急速加熱処理温度が６００〜８００℃の場合には、磁気特性に優れることが確認された。

図６および図７に熱間加工磁石の組織写真を示す。図６に示すように、急速加熱処理を行わなかった比較例では、原料粉末の界面付近に結晶粒径が０．５μｍ以上の粗大結晶粒が多数存在する。これに対して、図７に示すように、急速加熱処理を施した実施例では粗大結晶粒が存在しない。

本発明は、モータなどに用いる永久磁石に利用可能である。

１回転ロール
２ノズル
３帯
４粉末
５ダイ
６下パンチ
７上パンチ
８成形体
９下型
１０上型
１１熱間加工磁石
２０回収箱
２１金属管

Claims

ＲＥ（希土類元素）、Ｆｅ、およびＢを主成分とする合金の溶湯を回転ロールに接触させ急冷することで急速凝固させ、非晶質または微結晶質と非晶質が混在する組織状態の１次原料粉末を作製し、前記１次原料粉末を４００℃／分以上の昇温速度にて結晶化開始温度以上の温度まで急速加熱する工程を同じ条件で複数回行うことを特徴とする熱間加工磁石の２次原料粉末の製造方法。
前記急速加熱において６００〜８００℃の温度範囲に加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱間加工磁石の２次原料粉末の製造方法。
前記急速加熱は、上下方向に向けた筒状体を加熱し、不活性ガス雰囲気とした前記筒状体の内部に前記１次原料粉末を落下させて行うことを特徴とする請求項１に記載の熱間加工磁石の２次原料粉末の製造方法。
前記急速加熱は、５０００℃／分以上の昇温速度にて行うことを特徴とする請求項３に記載の熱間加工磁石の２次原料粉末の製造方法。
結晶粒径が０．５μｍ以上の粗大結晶粒が面積率で５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱間加工磁石の２次原料粉末の製造方法。
ＲＥ（希土類元素）、Ｆｅ、およびＢを主成分とする合金の溶湯を回転ロールに接触させ急冷することで急速凝固させ、非晶質または微結晶質と非晶質が混在する組織状態の１次原料粉末を作製し、前記１次原料粉末を冷間で成形した１次成形体を４００℃／分以上の昇温速度にて結晶化開始温度以上の温度まで急速加熱する工程を同じ条件で複数回行うことを特徴とする熱間加工磁石の２次成形体の製造方法。
前記急速加熱において６００〜８００℃の温度範囲に加熱することを特徴とする請求項６に記載の熱間加工磁石の２次成形体の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の２次原料粉末の製造方法で得られた２次原料粉末を圧縮して２次成形体を得、次いで該２次成形体を熱間成形により緻密化し、これに一軸方向に塑性加工を施して結晶を配向させることを特徴とする熱間加工磁石の製造方法。
請求項６または７に記載の熱間加工磁石の２次成形体の製造方法で得られた２次成形体を熱間成形により緻密化し、これに一軸方向に塑性加工を施して結晶を配向させることを特徴とする熱間加工磁石の製造方法。