JP7294413B2 - 希土類非焼結磁石 - Google Patents
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Description
<1> 希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体の熱処理物であり、大気雰囲気下にて200℃で504時間熱処理したときの質量増加率が1.0%以下である希土類非焼結磁石。
<2> 希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体の熱処理物であり、大気雰囲気下にて200℃で504時間熱処理したときの寸法変化率の絶対値が1.4%以下である希土類非焼結磁石。
<3> 前記磁性材粒子が前記希土類元素としてサマリウム(Sm)を含む<1>又は<2>に記載の希土類非焼結磁石。
<4> 前記磁性材粒子に含まれる成分の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む<1>~<3>のいずれか1つに記載の希土類非焼結磁石。
<5> 前記磁性材粒子以外の金属粒子をさらに含む<1>~<4>のいずれか1つに記載の希土類非焼結磁石。
<6> 樹脂成分を含まないか、又は前記樹脂成分の含有率が10質量%以下である<1>~<5>のいずれか1つに記載の希土類非焼結磁石。
本開示において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であっても、その工程の目的が達成されるのであれば、当該工程も含まれる。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含まれていてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示では、希土類元素を含む磁性材粒子を焼結させずに得られる希土類磁石を「希土類非焼結磁石」と称する。
本開示では、成形体の最高到達温度が80℃以上となるように行う処理を「熱処理」と称する。
[第1実施形態]
本開示に係る第1実施形態の希土類非焼結磁石は、希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体の熱処理物であり、大気雰囲気下にて200℃で504時間熱処理したときの質量増加率が1.0%以下である。第1実施形態の希土類非焼結磁石は、高温条件下に長時間曝されたときの質量増加率が小さいため、磁性材粒子同士の境界にて、酸化物、水酸化物等が汎用磁石と比較して多く存在しており、その結果、高温下での強度に優れると推測される。
前述の質量増加率は、後述の実施例に記載の方法により求めることができる。
成形体に含まれる磁性材粒子の種類は、特に限定されない。例えば、希土類元素としてSm(サマリウム)を含む磁性材粒子及び希土類元素としてNd(ネオジム)を含む磁性材粒子が挙げられる。成形体に含まれる磁性材粒子は、1種のみであっても、2種以上の組み合わせであってもよい。
Ndを含む磁性材粒子としては、Nd-Fe-B磁性材粒子(Nd2Fe14B等)などが挙げられる。
磁性材粒子の体積平均粒子径が小さいほど、得られる希土類非焼結磁石の強度が向上する傾向にある。これは、磁性材粒子の体積平均粒子径が小さいほど体積当たりの粒子の表面積が増大し、磁性材粒子表面における酸化物及び水酸化物の生成が進行するためと考えられる。希土類非焼結磁石の強度の観点からは、磁性材粒子の体積平均粒子径(D50)は、50μm以下であることが好ましく、25μm以下であることがより好ましく、15μm以下であることがさらに好ましく、10μm以下であることが特に好ましく、4μm以下であることが極めて好ましい。磁性材粒子の体積平均粒子径(D50)は、1μm以上であってもよい。
希土類非焼結磁石の強度及び磁気特性の観点からは、体積平均粒子径(D50)が異なる2種以上の磁性材粒子を併用してもよい。
磁性材粒子の体積平均粒子径(D50)は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置により測定された体積基準の粒度分布において、小径側からの累積が50%となるときの粒子径(D50)として測定することができる。
本開示において球状又は球状に近い形状としては、円形度係数が78%以上であるか、針状度係数が75%以上である形状が挙げられる。
希土類非焼結磁石の強度の観点からは、球状又は球状に近い形状の磁性材粒子と、それ以外の形状、すなわち円形度係数が78%未満かつ針状度係数が75%未満である形状の磁性材粒子とを併用してもよい。
円形度係数=(4πS/L2)×100
S=粒子像の面積
L=粒子像の周囲長
針状度係数(%)=(b/a)×100
a=粒子像の長径
b=粒子像の短径
成形体は、磁性材粒子のみからなっていても、磁性材粒子に加えて磁性材粒子以外の金属粒子をさらに含んでいてもよい。成形体が金属粒子を含むことで、得られる希土類非焼結磁石の強度がより向上する傾向にある。
本開示において「金属粒子」とは、希土類元素を含まない金属又は合金の粒子を意味する。
金属粒子の比表面積は、BET法(窒素ガス吸着法)で測定することができる。
(1)金属粒子の含有率(質量基準)を変更せずに比重の大きい金属粒子を用いて、目的とする大きさの磁石を作製する場合に、磁石全体に対する磁性材粒子の割合(体積比)を大きくできる。そのため、質量基準での含有率を変更せずに、比重の大きい金属粒子を用いた場合、希土類メタルボンド磁石は磁気特性を確保しやすくなる。
(2)Cuは延性が高いため、これを金属粒子として用いると、成形体中の磁性材粒子と金属粒子が最密充填されやすくなり、成形体の密度が向上する。さらに、Cuは摺動性に優れる、すなわち摩擦抵抗が低いため、成形に用いる金型の長寿命化にも繋がる。
(3)金属粒子としてCuを用いると、得られる磁石の熱膨張率が鉄(Fe)に近くなる。そのため、磁石を適用する部位に鉄製の部材が用いられている場合、得られる熱膨張率が好ましいものとなる。
金属粒子としては、体積平均粒子径(D50)が異なる2種以上の金属粒子を併用してもよい。
金属粒子の体積平均粒子径(D50)は、磁性材粒子の体積平均粒子径(D50)と同様にして測定することができる。
成形体は、樹脂を含んでもよい。樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。得られる希土類非焼結磁石の耐熱性及び耐油性の観点からは、成形体は樹脂を含まないか、又は、熱処理物とする前及び熱処理物とした後の樹脂の含有率が成形体全体の10質量%以下であることが好ましく、成形体は樹脂を含まないか、又は、前述の樹脂の含有率が成形体全体の5質量%以下であることがより好ましい。
本開示に係る第2実施形態の希土類非焼結磁石は、希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体の熱処理物であり、大気雰囲気下にて200℃で504時間熱処理したときの寸法変化率の絶対値が1.4%以下である。第2実施形態の希土類非焼結磁石は、高温条件下に長時間曝されたときの寸法変化率の絶対値が小さいため、磁性材粒子同士の境界にて、酸化物、水酸化物等が汎用磁石と比較して比較的多く存在しており、その結果、高温下での強度に優れると推測される。
また、前述の寸法変化率の絶対値は、0.05%以上であってもよい。
前述の寸法変化率の絶対値は、後述の実施例に記載の方法により求めることができる。
本開示の希土類非焼結磁石の製造方法の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の製造方法は、希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を有する希土類非焼結磁石の製造方法である。
磁石用材料準備工程では、磁性材粒子を含む磁石用材料を準備する。磁石用材料を準備する方法は、特に限定されない。例えば、磁性材粒子と、必要に応じて含まれる金属粒子とを混合して磁石用材料を調製してもよい。
成形工程では、磁石用材料を成形して成形体とする。成形の方法は、特に限定されない。成形性の観点からは、圧縮成形法であることが好ましい。圧縮成形する場合の圧力は、特に限定されず、圧力が高いほど高磁束密度及び高強度の希土類非焼結磁石が得られる傾向にある。一方、生産性の観点からは、圧縮成形する場合の圧力は低いことが好ましい。このため、圧縮成形する場合の圧力は、例えば、500MPa~2500MPaであってもよい。量産性及び金型寿命の観点から、圧縮成形する場合の圧力は、700MPa~1500MPaであることがより好ましい。
熱処理工程では、成形工程で得られた成形体を、酸素を含む雰囲気中で熱処理する。熱処理の方法は、特に限定されない。例えば、加熱炉等の公知の装置を用いて行うことができる。熱処理が行われる「酸素を含む雰囲気」は、酸素が存在する雰囲気であれば、特に制限されない。例えば、酸素ガスを供給して行ってもよく、大気中で行ってもよい。経済的な観点からは、大気中(一般的には、水分を除く成分中の酸素濃度が約23質量%)で行うことが好ましい。
上述したように、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行うと、成形体に含まれる水分と、磁性材粒子の成分とが反応して水酸化物及び酸化物が生成すると考えられる。ここで、酸素に加えて水蒸気をさらに含む雰囲気中で熱処理を行うと、成形体に含まれる水分と、水蒸気と、磁性材粒子の成分とが反応して水酸化物及び酸化物の生成がより促進されると考えられる。その結果、磁性材粒子の接合強度が増して得られる希土類非焼結磁石の強度がより向上すると考えられる。
充分な磁気特性を維持する観点からは、熱処理の温度は、例えば、500℃以下であってもよく、450℃以下であってもよく、350℃以下であってもよく、300℃以下であってもよく、250℃以下であってもよい。熱処理の温度の下限値は特に制限されないが、酸化物及び水酸化物の生成を促進する観点からは、100℃以上であることが好ましく、150℃以上であることがより好ましい。なお、本開示における熱処理の温度は、最高到達温度を表す。
実施例1では表3に示す磁性材粒子を磁石用材料として用い、実施例2では表3に示す磁性材粒子及び金属粒子を、質量基準で75:25となるように混合することにより磁石用材料を調製した。実施例2では、磁性材粒子と金属粒子とを撹拌装置を用いて約50回転/分にて30分間撹拌することにより混合した。
実施例1及び2の磁石用材料を用いて、油圧プレス機を用いて、980MPaの圧力で圧縮成形を行い、外径11.3mm×全長10mmの円柱形状の圧縮成形体を作製した。成形体の密度(Mg/m3)を表3に示す。
得られた成形体に対し、大気中(酸素濃度23質量%、温度25℃での相対湿度60%)にて200℃、1時間の条件で熱処理を行い、希土類非焼結磁石の試験片を得た。この熱処理では、磁石用材料の焼結は生じない。
比較例1及び2では表3に示す磁性材粒子を磁石用材料として用いた。
比較例1及び2の磁石用材料を用いて、油圧プレス機を用いて、980MPaの圧力で圧縮成形を行い、外径11.3mm×全長10mmの円柱形状の圧縮成形体を作製した。成形体の密度(Mg/m3)を表3に示す。
得られた成形体に対し、窒素雰囲気にて200℃、1時間の条件で熱処理を行い、希土類非焼結磁石の試験片を得た。
磁性材粒子:Sm-Fe-N磁性材粒子(住友金属鉱山株式会社、体積平均粒子径:3μm)
金属粒子:銅粒子(福田金属箔粉工業株式会社製「CE-15」、長径/短径の比:2.8.5、ビッカース硬さHv:50、体積平均粒子径:45μm)
磁性材粒子:Nd-Fe-B磁性材粒子(「Nd-Fe-B(1)」とも称する。日立金属株式会社製、体積平均粒子径:100μm、鱗片状粒子であり、耐熱エポキシ樹脂を2質量%含む。)
磁性材粒子:Nd-Fe-B磁性材粒子(「Nd-Fe-B(2)」とも称する。日立金属株式会社製、体積平均粒子径:100μm、鱗片状粒子であり、耐熱エポキシ樹脂を1質量%含む。)
上記で作製した希土類非焼結磁石の試験片を、大気雰囲気(酸素濃度23質量%、温度25℃、相対湿度60%)下にて200℃で表1に示す時間にわたって熱処理したときの質量変化率(正の値である場合は質量増加率)を以下の式に基づいて算出した。上記熱処理は恒温槽で行い、恒温槽の換気孔は開放している状態であった。
質量変化率(%)=[(A-B)/B]×100
(Aは、熱処理後の希土類非焼結磁石の試験片の質量(g)を意味し、Bは、熱処理前の希土類非焼結磁石の試験片の質量(g)を意味する。)
結果を表1に示す。
上記で作製した希土類非焼結磁石の試験片を、大気雰囲気(酸素濃度23質量%、温度25℃、相対湿度60%)下にて200℃で表2に示す時間にわたって熱処理したときの寸法変化率を以下の式に基づいて算出した。
寸法変化率(%)=[(C-D)/D]×100
(Cは、熱処理後の希土類非焼結磁石の試験片の外径の寸法(mm)を意味し、Dは、熱処理前の希土類非焼結磁石の試験片の外径の寸法(mm)を意味する。)
結果を表2に示す。
万能圧縮試験機(株式会社島津製作所製、AG-10TBR)を使用して、上記で作製した希土類非焼結磁石の試験片を、150℃雰囲気下にて、高さ方向から圧縮圧力を印加した。そして、圧縮圧力により、試験片が破壊されたときの圧縮圧力の最大値から圧壊強度(MPa)を算出して、高温圧壊強度(MPa)の評価を行った。高温圧壊強度(MPa)についてはN=3であり、平均値をそれぞれ求めた。結果を表3に示す。
Claims (5)
- 希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体の熱処理物であり、
大気雰囲気下にて200℃で504時間熱処理したときの質量増加率が1.0%以下であり、
前記磁性材粒子以外の金属粒子をさらに含み、前記金属粒子は、銅(Cu)及びアルミニウム(Al)の少なくともいずれかを含む希土類非焼結磁石。 - 希土類元素を含む磁性材粒子を含む成形体の熱処理物であり、
大気雰囲気下にて200℃で504時間熱処理したときの寸法変化率の絶対値が1.4%以下であり、
前記磁性材粒子以外の金属粒子をさらに含み、前記金属粒子は、銅(Cu)及びアルミニウム(Al)の少なくともいずれかを含む希土類非焼結磁石。 - 前記磁性材粒子が前記希土類元素としてサマリウム(Sm)を含む請求項1又は請求項2に記載の希土類非焼結磁石。
- 前記磁性材粒子に含まれる成分の酸化物及び水酸化物の少なくとも一方を含む請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の希土類非焼結磁石。
- 樹脂成分を含まないか、又は前記樹脂成分の含有率が10質量%以下である請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の希土類非焼結磁石。
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