JP7055951B2

JP7055951B2 - 焼成治具

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Publication number: JP7055951B2
Application number: JP2019181753A
Authority: JP
Inventors: 詩門石丸
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2039-10-01
Also published as: JP2021054690A

Description

本発明は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼成に用いられる焼成治具に関する。

近年、モータ等の用途において、モータの小型化や高性能化が求められている。モータの小型化においては、磁石の性能向上が重要である。高い磁気特性を有する磁石として、ネオジム，鉄，ホウ素を主成分とするＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石（いわゆる、ネオジム磁石）が広く使用されている。

Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石は、原料合金の粉末を磁場中で圧縮成形し、得られた成形体を、焼結炉で焼結処理し、時効処理することにより製造される。成形体の焼結は、セッターや匣鉢等の焼成治具に載置した状態で炉内に配置し、所定の温度で熱処理（焼結）して行われる。焼成治具は、例えば、特許文献１～２に開示されている。

特許文献１は、希土類酸化物焼結体からなり、その表面粗さ（Ｒａ）が５０μｍ以下、気孔率が２０％以下、結晶粒径が３０μｍ以下である焼結用治具を開示している。
しかしながら、この焼成治具では、被焼結体であるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石に対する耐反応性が低いという問題があった。この焼成治具を用いてＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を焼結したときに、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を構成する元素が反応する。従来の焼成治具において、気孔率が大きくなるほど反応を生じる。特に、焼成治具の表面の開気孔にＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を構成する元素が浸透・反応する。そうすると、焼成治具に割れが生じやすくなり、繰り返しの使用が困難となっていた。

特許文献２は、炭素繊維強化炭素複合材で構成された治具本体の成形体載置面に焼結用敷粉が付着している希土類永久磁石の焼結用治具を開示している。そして、焼結用敷粉が酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）である。
しかしながら、この焼成治具では、焼結用敷粉を配した状態でＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼結を行うため、得られるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の表面に焼結用敷粉（Ｙ_２Ｏ_３）が付着しているという問題があった。すなわち、得られるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石は、その表面に付着したＹ_２Ｏ_３から拡散した元素を含有する、すなわち、反応生成物を微視的に含むという問題があった。つまり、得られるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石がＹ_２Ｏ_３に汚染され、微視的に組成が変化するという問題があった。

特開２０００－１７８０６９号公報特開２００７－２２０８２４号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を焼結するときに用いる焼成治具であって、被焼結体に対する高い耐反応性を有する焼成治具を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の焼成治具は、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を９５ｍａｓｓ％以上で含有し、気孔率が２～２０％であり、開気孔率が１３％以下であり、開気孔の平均細孔径が１．０μｍ以下であり、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼成に用いられることを特徴とする。
本発明の焼成治具は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石に対し、高い耐反応性及び耐熱衝撃性を有する。

実施形態のセッターの斜視図である。その他の形態の匣鉢の斜視図である。試料１の１０００倍のＳＥＭ写真である。試料１の５０００倍のＳＥＭ写真である。試料３の１０００倍のＳＥＭ写真である。試料３の５０００倍のＳＥＭ写真である。試料５の１０００倍のＳＥＭ写真である。試料５の５０００倍のＳＥＭ写真である。試料８の１０００倍のＳＥＭ写真である。試料８の５０００倍のＳＥＭ写真である。試料９の１０００倍のＳＥＭ写真である。試料９の５０００倍のＳＥＭ写真である。

以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。なお、各実施形態は本発明を具体的に実施した形態を示すものであり、本発明は、これらの形態のみに限定されるものではない。すなわち、本発明は、これらの実施形態に記載されている事項や技術常識を適宜組み合わせた形態を含んでいる。
なお、本発明において焼結とは、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の成形体において原料粉末の粒子の結合を生じさせて焼結体とする焼結処理だけでなく、焼結処理後の成形体（焼結体）の時効処理を含む。
また、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼成とは、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石（またはその原料）を焼結する処理だけでなく、焼結温度以下の温度で熱処理する工程を含む。

［実施形態］
本形態は、図１に斜視図で示した板状の焼成治具（すなわち、セッター）である。
本形態のセッター１は、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を９５ｍａｓｓ％以上で含有し、気孔率が２～２０％であり、開気孔率が１３％以下であり、開気孔の平均細孔径が１．０μｍ以下である。そして、本形態のセッター１は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼成に用いられる。

本形態のセッター１は、全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を９５ｍａｓｓ％以上で含有する。イットリアは、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を焼結するときに、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料に対し、高い耐反応性を有する。イットリアを９５ｍａｓｓ％以上で含有することで、本形態のセッター１は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料に対し高い耐反応性を発揮できる。イットリアの含有量が９５ｍａｓｓ％未満となると、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料と反応を生じやすくなり、本形態のセッター１が十分な耐反応性を得られなくなる。本形態のセッター１は、イットリアの含有量が高いほど好ましく、９８ｍａｓｓ％以上が好ましく、９９ｍａｓｓ％以上であることがより好ましく、実質的に１００ｍａｓｓ％であることが最も好ましい。

本形態のセッター１において、イットリアの含有割合は、後述の製造方法においてイットリア粉末の割合（質量比）とすることができる。すなわち、イットリア粉末を焼結して製造される場合、原料全体に占めるイットリア粉末の割合である。

本形態のセッター１は、気孔率が２～２０％である。気孔率が２～２０％となることで、耐反応性と耐熱衝撃性に優れたセッターとなる。気孔率が２０％を超えて大きくなると、気孔同士が連結し、開気孔率が過剰に大きくなり、耐反応性が低下する。また、気孔率が２％未満となると、セッター１の気孔量が減少し、耐熱衝撃性が低下する。

本形態のセッター１は、開気孔率が１３％以下である。開気孔とは、セッター１の外周面に開口する気孔であり、外気と接続する気孔である。開気孔が１３％を超えると、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料と反応を生じやすくなり、本形態のセッター１が十分な耐反応性を得られなくなる。具体的には、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を焼結するときに、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料からの物質（元素）がセッター１の開気孔内に浸透する。開気孔内に浸透した物質は、セッター１と反応する。この結果、セッター１の耐反応性が低下する。これに対し、本形態のセッター１では、開気孔率が低く、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料からの物質（元素）がセッター１の開気孔内に浸透することが抑えられている。この結果、本形態のセッター１は、高い耐反応性を発揮する。本形態のセッター１は、開気孔率が小さいほど好ましく、８％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましい。

本形態のセッター１は、開気孔の平均細孔径が１．０μｍ以下である。開気孔の平均気孔径がこの範囲となることで、本形態のセッター１は、高い耐反応性を発揮する。開気孔の平均気孔径が１．０μｍを超えて大きくなると、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の原料からの物質（元素）がセッター１の開気孔内に浸透しやすくなる。つまり、セッター１の耐反応性が低下する。
本形態のセッター１において、上記の開気孔についての特性は、少なくともＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石と当接する表面の部分が有していればよいが、外周面の全面であることが好ましい。

本形態のセッター１は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼成に用いられる。Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石は、その具体的な組成が限定されない。Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石は、例えば、Ｎｄ：２０ｍａｓｓ％～４０ｍａｓｓ％、Ｂ：０．５ｍａｓｓ％～４．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ：残部となるような組成を有する。

Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石は、添加元素が添加されていてもよい。添加元素Ｍとしては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｇａ等をあげることができ、これらから１種又は２種以上を選択して用いることができる。これら添加元素Ｍの添加量は、残留磁束密度等の磁気特性を考慮して、３ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。添加元素Ｍの添加量が多すぎると、磁気特性が劣化するおそれがある。

［製造方法］
本形態のセッター１は、その製造方法が限定されない。例えば、以下の製造方法を用いることができる。
まず、イットリア粉末と造孔材粉末とを所定の割合となるように秤量し、均一に混合する。
イットリア粉末は、その粒度特性が限定されず、平均粒径（Ｄ５０）が０．５μｍ～２．０μｍの粉末であることが好ましい。

造孔材粉末は、焼成したときに消失して、セッター１を多孔質体とする造孔材として機能する微粒子（よりなる粉末）であれば、その材料は限定されるものではない。造孔材としては、たとえば、マイクロビーズをあげることができる。

マイクロビーズは、アクリル樹脂，フェノール樹脂の少なくとも一方よりなることが好ましい。マイクロビーズがこれらの樹脂より選ばれる樹脂よりなることで、焼成体の気孔を所望の細孔径（気孔特性）とすることができる。アクリル樹脂，フェノール樹脂の少なくとも一方よりなるマイクロビーズは、焼成時に消失させるときに発生する熱量が、マイクロビーズがカーボンのみからなる場合よりも小さい。
さらに、マイクロビーズは、中実体であっても、内部が空洞となっている中空体であっても、いずれでもよい。

造孔材粉末は、その粒度特性が限定されないが、セッター１の気孔特性（気孔率，開気孔）を有することができる粒度特性を有することが好ましく、例えば、平均粒径（Ｄ５０）が５μｍの粉末であることが好ましい。
イットリア粉末と造孔材粉末の混合割合（例えば、イットリア粉末に対する造孔材粉末の割合）は、上記の気孔率となる割合とすることができる。
続いて、混合粉末を所定の形状（セッター１の形状）に成形する。

混合粉末の成形は、成形型（金型）を用いた型成形であることが好ましい。この型成形によると、成形体は、成形型との当接面（表面）近傍は高密度に、内部は低密度に、それぞれ形成される。つまり、内部の気孔率（閉気孔の気孔率）が大きく、表面の気孔率（開気孔率）が小さな成形体を形成できる。
その後、成形体を焼成（焼結）する。

成形体の焼成は、混合粉末のイットリアを焼結できる条件（加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気）であればよい。また、焼成時の加熱により、造孔材が消失（焼失）する。なお、成形体の焼成は、焼結温度より低い温度での焼成（脱脂）を行った後に、焼結することが好ましい。
以上により、本形態のセッター１を製造できる。

［その他の形態］
本形態は、図２に斜視図で、その構成を示した匣鉢２である。なお、本形態の特に言及しない構成は、実施形態のセッター１と同様の構成である。
本形態の匣鉢２は、載置部２０と壁部２１を有する。本形態の匣鉢２は、図２に示したように、槽状を有する。本形態の匣鉢２は、実質的に、実施形態のセッター１の周縁部に、全体として環状の壁部２１が立設した構成である。
本形態の匣鉢２は、形状が異なること以外は、実施形態のセッター１と同様な構成である。すなわち、本形態の匣鉢２は、実施形態のセッター１と同様な効果を発揮する。
さらに、本発明は、セッター１や匣鉢２のみに限定されない。熱処理に用いられる焼成治具として知られた構成（形状）としてもよい。

以下、実施例及び比較例のセッターを用いて本発明を具体的に説明する。
（試料１～８）
平均粒径（Ｄ５０）が０．５μｍ～２．０μｍのイットリア粉末と、平均粒径（Ｄ５０）が５μｍの造孔材粉末（具体的には、中実のアクリル樹脂粒子よりなるマイクロビーズ）とを、表１に示した割合で秤量し、均一に混合した。ここで、造孔材の割合は、イットリア粉末の質量を１００ｍａｓｓ％としたときの割合である。
混合粉末を成形型を用いて圧縮成形し、１００×１００×２ｍｍの方形の板状の成形体を製造した。
成形体は、自然乾燥され、その後、大気雰囲気４００℃で２４時間保持して脱脂した。
そして、脱脂した成形体を１６００℃×２時間の条件で加熱し焼結した。
以上により、試料１～８のセッターを製造した。

（試料９～１１）
平均粒径（Ｄ５０）が０．５μｍ～２．０μｍのイットリア粉末（上記試料１～８と同じ粉末）を熱処理して、結晶粒子を成長させる。その後、焼成体を破砕し、平均粒径（Ｄ５０）が３μｍ～４μｍ，４μｍ～８μｍ，８μｍ～１２μｍのイットリア粉末を製造した。
その後、製造したイットリア粉末から板状の成形体を造孔材粉末を用いることなく成型し、成形体を焼結して、試料９～１１のセッターを製造した。試料９～１１の製造において、成形体や焼結条件は試料１～８と同様である。
試料９～１１のセッターは、原料のイットリア粉末の平均粒径（Ｄ５０）が異なること以外は、試料１～８のセッターと同様な構成である。

［物性］
製造した各試料のセッターの見掛気孔率，かさ比重，真密度，気孔率（全気孔率），開気孔率，閉気孔率，開気孔の平均細孔径，閉気孔割合を測定し、表１に合わせて示した。
見掛気孔率及びかさ比重は、水銀ポロシメータを用いて測定した。
真密度は、ＪＩＳＲ１６２０に記載のピクノメータ法を用いて測定した。
気孔率（全気孔率）は、１００－（かさ比重／真密度）×１００の式で算出した。
開気孔率は、見掛気孔率であり、水銀ポロシメータを用いて測定した。
閉気孔率は、気孔率（全気孔率）－開気孔率で算出した。
開気孔の平均細孔径は、水銀ポロシメータを用いて測定した。
閉気孔割合は、（閉気孔率／気孔率）×１００で算出した。
表１に示したように、試料２～６のセッターが実施例に相当し、試料１，７～１１のセッターが比較例に相当する。

試料１，３，５，８，９のセッターの表面（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石が載置される載置面）のＳＥＭ写真（１０００倍，５０００倍）を撮影した。試料１のＳＥＭ写真を図３（１０００倍）及び図４（５０００倍）に、試料３のＳＥＭ写真を図５（１０００倍）及び図６（５０００倍）に、試料５のＳＥＭ写真を図７（１０００倍）及び図８（５０００倍）に、試料８のＳＥＭ写真を図９（１０００倍）及び図１０（５０００倍）に、試料９のＳＥＭ写真を図１１（１０００倍）及び図１２（５０００倍）に、それぞれ示した。
図５～図８に示すように、試料３及び試料５のセッターは、開口径が小径の開気孔がまばらに開口していることが確認できる。

対して、試料１のセッターは、図３～図４に示すように、開気孔が確認できない、緻密な表面となっていることが確認できる。試料８のセッターは、図９～図１０に示すように、大径の開気孔が開口していることが確認できる。試料９のセッターは、図１１～図１２に示すように、小径の開気孔が全面に開口していることが確認できる。

［評価］
各試料の評価として、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金を焼結し、セッター表面を観察し評価した。評価結果を表２に示した。
Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金粉末を準備し、圧縮成形して板状の成形体（４０ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍ）を製造する。
製造した成形体を、各試料のセッターの載置面上に載置した。
このセッターを焼結炉に入れ、５Ｐａ以下に減圧し、１２００℃×２時間の焼結処理を行った。

この焼結処理を１，５，１０回繰り返し、各試料のセッターの表面を観察した。セッターに割れ（大きなクラック）が生じていた場合は×とした。セッター表面にＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の痕跡が確認できた場合は△とした。セッター表面に痕跡や割れが確認できない場合は○とした。

表２に示したように、本発明の実施例に相当する試料２～６のセッターは、セッター表面に痕跡や割れが確認できなかった。すなわち、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金に対して、耐反応性及び耐熱衝撃性に優れていることが確認できた。
対して、試料１のセッターは、１回の焼結で割れが確認され、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の焼結に用いることができないことが確認できた。

試料７のセッターは、５回以上の焼結を行うと、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の痕跡が確認され、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金に対する耐反応性が低いことが確認できた。試料８のセッターは、１回の焼結から、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の痕跡が確認され、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金に対する耐反応性が低いことが確認できた。試料９～試料１１のセッターは、焼結回数が多くなるとＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金の痕跡が確認され、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系合金に対する耐反応性が低いことが確認できた。すなわち、比較例に相当する試料１のセッターは、耐熱衝撃性が低い。試料７～試料１１のセッターは、耐反応性が低い。

１：セッター、２：匣鉢

Claims

全体を１００ｍａｓｓ％としたときに、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を９５ｍａｓｓ％以上で含有し、
気孔率が２～２０％であり、開気孔率が１３％以下であり、
開気孔の平均細孔径が１．０μｍ以下であり、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石の焼成に用いられることを特徴とする焼成治具。