JP7821024B2 - 希土類磁石の製造方法 - Google Patents

希土類磁石の製造方法

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Description

本開示は、希土類磁石の製造方法に関する。本開示は、特に、Sm、Fe、及びNを含有し、少なくとも一部がThZn17型及びThNi17型の少なくともいずれかの結晶構造を有する磁性相を備える希土類磁石の製造方法に関する。
高性能希土類磁石としては、Sm-Co系希土類磁石及びNd-Fe-B系希土類磁石が実用化されているが、近年、これら以外の希土類磁石が検討されている。
例えば、Sm、Fe、及びNを含有する希土類磁石(以下、「Sm-Fe-N系希土類磁石」ということがある。)が検討されている。Sm-Fe-N系希土類磁石は、例えば、Sm、Fe、及びNを含有する磁性粉末(以下、「SmFeN粉末」ということがある。)を用いて製造される。
SmFeN粉末は、少なくとも一部がThZn17型及びThNi17型の少なくともいずれかの結晶構造を有する磁性相を備える。この磁性相は、Sm-Fe結晶にNが侵入型で固溶していると考えられている。そのため、SmFeN粉末は、熱によってNが乖離して分解され易い。このことから、Sm-Fe-N系希土類磁石は、SmFeN粉末を樹脂及び/又はゴム等を用いて成形して製造されることが多い。
それ以外のSm-Fe-N系希土類磁石の製造方法としては、SmFeN粉末を含有する粉末を加圧焼結する方法が挙げられる。焼結方法には、大別して、無加圧焼結と加圧焼結がある。いずれにおいても、焼結することによって、高密度の希土類磁石(焼結体)が得られる。無加圧焼結法においては、磁性粉末に圧力を付加しないで焼結するため、高密度の焼結体を得るには、900℃以上の高温で6時間以上の長時間にわたり焼結することが一般的である。一方、加圧焼結においては、磁性粉末に圧力を付与して焼結するため、400~700℃の低温で、0.1~5時間の短時間で磁性粉末を焼結しても、高密度の焼結体を得られることが一般的である。このことから、磁性粉末として、SmFeN粉末を用いる場合には、上述の分解を回避するため、加圧焼結を適用する。
SmFeN粉末を成形するに際し、加圧焼結を適用する場合、焼結体に異方性を付与するため、加圧焼結前に、SmFeN粉末を含有する粉末を、磁場中で圧縮成形して、磁場成形体を得て、その磁場成形体を加圧焼結することが知られている。
例えば、特許文献1には、SmFeN粉末を含有する粉末を、永久磁石で挟んで圧縮成形して、磁場中成形体を得る方法が開示されている。本明細書では、特に断りのない限り、磁性粉末を磁場中で圧縮成形して圧粉体を得ることを「磁場中成形」といい、磁場成形で得られた圧粉体を「磁場中成形体」という。
特開2021-141121号公報
SmFeN粉末は、異方性磁界が非常に高いため、磁場成形体中のSmFeN粉末が、磁気的に充分に配向するためには、SmFeNを含有する粉末に、強力な磁場を印加する必要があると考えられていた。しかし、強力な磁場を印加して得た磁場中成形体を加圧焼結しても、所望の異方性が得られないことがあった。
特許文献1の方法は、SmFeN粉末中の磁性相が分解しない程度の高温で磁場中成形する場合に、簡便な装置で磁場中成形することを意図するものである。これは、SmFeN粉末中の磁性相が分解しない程度の高温では、SmFeN粉末の異方性磁界が低下し、磁場中成形に有利であると考えられたためである。しかし、特許文献1の方法でも、SmFeN粉末中の磁性相が分解しない程度の高温で磁場中成形し、その磁場中成形体を加圧焼結しても、所望の異方性が得られないことがあった。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本開示は、充分な異方性を安定して付与可能な、Sm-Fe-N系希土類磁石の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本開示の希土類磁石の製造方法を完成させた。本開示の希土類磁石の製造方法は、次の態様を含む。
〈1〉Sm、Fe、及びNを含有し、少なくとも一部がThZn17型及びThNi17型の少なくともいずれかの結晶構造を有する磁性相を備える磁性粉末を含有する原材料粉末を準備すること、及び
前記原材料粉末を加圧焼結すること、
を含み、
前記加圧焼結前に、前記原材料粉末に、磁場を印加して磁気的配向を付与し、かつ、
前記加圧焼結の少なくとも途中まで、前記磁場の印加を継続して、前記磁気的配向を維持する、
希土類磁石の製造方法。
〈2〉前記加圧焼結の加圧方向とは異なる方向に、前記磁場を印加する、〈1〉項に記載の希土類磁石の製造方法。
〈3〉前記磁場を、永久磁石によって印加する、〈1〉又は〈2〉項に記載の希土類磁石の製造方法。
〈4〉前記原材料粉末が、亜鉛成分を有する粉末を、さらに含有する、〈1〉~〈3〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
〈5〉前記磁性粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されている、〈1〉~〈4〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
〈6〉前記加圧焼結前に、前記磁場を印加しながら、前記原材料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成し、前記圧粉体を加圧焼結する、〈1〉~〈5〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
〈7〉前記加圧焼結が完了するまで、前記磁場の印加を継続して、前記磁気的配向を維持する、〈1〉~〈6〉項のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
本開示によれば、磁場を印加して磁気的配向を付与したSmFeN粉末を含有する原材料粉末を、加圧焼結の少なくとも途中まで、磁場の印加を継続しつつ加圧焼結することによって、SmFeN粉末の磁気的配向を維持することができる。その結果、本開示によれば、充分な異方性を安定して付与可能な、Sm-Fe-N系希土類磁石の製造方法を提供することができる
図1は、磁場を印加する前のSmFeN粉末の磁気的状態を模式的に示す説明図である。 図2は、磁場を印加中のSmFeN粉末の磁気的状態を模式的に示す説明図である。 図3は、磁場を印加して磁気的に配向したSmFeN粉末について、磁場の印加を解除した後のSmFeN粉末の磁気的状態を模式的に示す説明図である 図4は、棒状永久磁石が発する磁場を模式的に示す説明図である。 図5は、ロータリーキルン炉を用いて、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜を形成する方法の一例を示す説明図である。 図6は、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を含有する被膜を蒸着法で形成する方法の一例を示す説明図である。 図7は、磁場印加方法の一例を示す説明図である。 図8は、磁場印加方向の一例を示す説明図である。
以下、本開示の希土類磁石の製造方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本開示の希土類磁石の製造方法を限定するものではない。
理論に拘束されないが、本開示の希土類磁石の製造方法によれば、充分な異方性を希土類磁石(成果物)に安定して付与可能である理由について、図面を用いて説明する。
図1は、磁場を印加する前のSmFeN粉末の磁気的状態を模式的に示す説明図である。図2は、磁場を印加中のSmFeN粉末の磁気的状態を模式的に示す説明図である。図3は、磁場を印加して磁気的に配向したSmFeN粉末について、磁場の印加を解除した後のSmFeN粉末の磁気的状態を模式的に示す説明図である。図1~3において、実線の矢印は、SmFeN粉末の粒子それぞれの磁気的方向を示す。また、図4は、棒状永久磁石が発する磁場を模式的に示す説明図である。
図1に示すように、磁場を印加する前のSmFeN粉末10の粒子それぞれは、磁気的に配向していない。このような状態のSmFeN粉末に磁場を印加すると、図2に示すように、印加した磁場の方向に、SmFeN粉末10の粒子それぞれは、磁気的に配向する。図2において、破線の矢印は、SmFeN粉末10に印加した磁場の方向を示す。このとき、SmFeN粉末10全体が、一つの棒状永久磁石のようになる。図4に示すように、棒状永久磁石20は、実線の矢印で示した磁場を形成する。SmFeN粉末10への磁場の印加を維持すれば、図4の実線で示した磁場を打消し易く、SmFeN粉末10の粒子それぞれは、図2に示したような磁気的配向を維持することができる。
しかし、磁場の印加を解除すると、図3に示すように、SmFeN粉末10の粒子それぞれの磁気的な配向が崩れる。これは、配向したSmFeN粉末10全体は、図4の実線の矢印で示す棒状永久磁石のような磁場を形成するため、SmFeN粉末10の粒子それぞれに、図3の一点鎖線に示す磁場を印加したのと同様な状態になるためである。以下の説明で、図3の一点鎖線に示す磁場のことを、「SmFeN粉末全体が形成する磁場」ということがある。
上述の磁気的な配向の崩れを回避するためには、SmFeN粉末を交流減磁(交流脱磁ともいう。)等によって、SmFeN粉末に残留する磁力を除去することが考えられる。しかし、交流減磁には時間を要する。また、交流減磁をしても、SmFeN粉末に残留する磁力を完全に除去することは困難である。仮に、交流減磁によって、SmFeN粉末に残留する磁力を完全に除去することができたとしても、磁力の除去が完了するまでは、小さいながらも、SmFeN粉末全体が形成する磁場を発生する。これらのことから、上述の磁気的な配向の崩れを完全に回避することは困難である。
そこで、SmFeN粉末粒子全体が形成する磁場によって、SmFeN粉末の粒子それぞれの配向が崩れることを抑制するためには、SmFeN粉末の粒子相互の結合が発現するまで、磁場の印加を継続することがよいことを、本発明者らは知見した。これは、SmFeN粉末の粒子相互の結合力によって、SmFeN粉末全体が形成する磁場が、一旦配向したSmFeN粉末の粒子それぞれを回転させることを抑制するためであると考えられる。SmFeN粉末の粒子相互の結合は、早ければ、SmFeN粉末の加圧焼結の途中までに、遅くとも、SmFeN粉末の加圧焼結が完了するまでに発現する。このことから、SmFeN粉末の加圧焼結の少なくとも途中まで、好ましくは、SmFeN粉末の加圧焼結が完了するまで、磁場の印加を継続するのがよいことを、本発明者らは知見した。そして、これらにより、焼結体に、充分な異方性を安定して付与することができる。
本明細書において、特に断りのない限り、配向度は次の要領で算出されたものとする。磁化-磁場曲線において、磁場が1Tのときの磁化をM(1T)、磁場が8Tのときの磁化をM(8T)としたとき、配向度は、M(1T)/M(8T)で算出される。磁場が0Tのときの磁化をM(0T)としたとき、前式で、M(1T)の代わりにM(0T)を採用しないことによって、保磁力が非常に小さい試料の場合に、自己反磁界(自己減磁界)の影響で配向度以上に磁化が低下した場合でも、配向度の評価が可能となる。
これまでに説明した知見等によって完成された、本開示の希土類磁石の製造方法の構成要件を、次に説明する。
《希土類磁石の製造方法》
本開示の希土類磁石の製造方法(以下、単に「本開示の製造方法」ということがある。)は、原材料粉末準備工程及び加圧焼結工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。
〈原材料粉末準備工程〉
原材料粉末を準備する。原材料粉末は、SmFeN粉末を含有する。以下、SmFeN粉末について説明する。
〈SmFeN粉末〉
本開示の製造方法に用いるSmFeN粉末は、Sm、Fe、及びNを含有し、少なくとも一部がThZn17型及びThNi17型の少なくともいずれかの結晶構造を有する磁性相を備えていれば、特に制限はない。磁性相の結晶構造としては、前述の構造のほかに、TbCu型の結晶構造を有する相等が挙げられる。なお、Smはサマリウム、Feは鉄、そして、Nは窒素である。また、Thはトリウム、Znは亜鉛、Niはニッケル、Tbはテルビウム、そして、Cuは銅である。
SmFeN粉末中には、例えば、組成式(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17で表される磁性相を含有してもよい。本開示の製造方法で得られる希土類磁石(以下、「成果物」ということがある。)は、SmFeN粉末中の磁性相に由来して、磁化を発現する。なお、i、j、及びhは、モル比である。
SmFeN粉末中の磁性相には、本開示の製造方法の効果及びその成果物の磁気特性を阻害しない範囲で、Rを含有していてもよい。このような範囲は、上記組成式のiで表される。iは、例えば、0以上、0.10以上、又は0.20以上であってよく、0.50以下、0.40以下、又は0.30以下であってよい。Rは、Sm以外の希土類元素及びZrから選ばれる一種以上である。本明細書で、希土類元素とは、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuである。なお、Zrはジルコニウム、Scはスカンジウム、Yはイットリウム、Laはランタン、Ceはセリウム、Prはプラセオジム、Ndはネオジム、Pmはプロメチウム、Smはサマリウム、Euはユウロピウム、Gdはガドリニウム、Tbはテルビウム、Dyはジスプロシウム、Hoはホルミウム、Erはエルビウム、Tmはツリウム、Ybはイッテルビウム、そして、Luはルテチウムである。
(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17については、典型的には、Sm(Fe(1-j)Co17のSmの位置にRが置換しているが、これに限られない。例えば、Sm(Fe(1-j)Co17に、侵入型でRの一部が配置されていてもよい。
SmFeN粉末中の磁性相には、本開示の製造方法の効果及びその成果物の磁気特性を阻害しない範囲で、Coを含有してもよい。このような範囲は、上記組成式で、jで表される。jは、0以上、0.10以上、又は0.20以上であってよく、0.52以下、0.50以下、0.40以下、又は0.30以下であってよい。
(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17については、典型的には、(Sm(1-i)Fe17のFeの位置にCoが置換しているが、これに限られない。例えば、(Sm(1-i)Fe17に、侵入型でCoの一部が配置されていてもよい。
SmFeN粉末中の磁性相は、(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17で表される結晶粒に、Nが侵入型で存在することによって、磁気特性の発現及び向上に寄与する。
(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17については、hは1.5~4.5をとり得るが、典型的には、(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17である。hは、1.8以上、2.0以上、又は2.5以上であってもよく、4.2以下、4.0以下、又は3.5以下であってもよい。(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17全体に対する(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17の含有量は、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%がより一層好ましい。一方、(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17のすべてが(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17でなくてもよい。(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17全体に対する(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17の含有量は、98質量%以下、95質量%以下、又は92質量%以下であってよい。
SmFeN粉末は、(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17で表される磁性相のほかに、本開示の製造方法の効果及びその成果物の磁気特性を実質的に阻害しない範囲で、酸素及びM並びに不可避的不純物元素を含有してもよい。成果物の磁気特性を確保する観点からは、SmFeN粉末全体に対する、(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17で表される磁性相の含有量は、80質量%以上、85質量%以上、又は90質量%以上であってよい。一方、SmFeN粉末全体に対して、(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17で表される磁性相の含有量を過度に高くしなくとも、実用上問題はない。したがって、その含有量は、97質量%以下、95質量%以下、又は93質量%以下であってもよい。(Sm(1-i)(Fe(1-j)Co17で表される磁性相の残部が、酸素及びMの含有量となる。また、酸素及びMの一部は、侵入型及び/又は置換型で、磁性相に存在していてもよい。
上述のMとしては、Ga、Ti、Cr、Zn、Mn、V、Mo、W、Si、Re、Cu、Al、Ca、B、Ni、及びCから選ばれる一種以上が挙げられる。不可避的不純物元素とは、原材料及び/又は磁性粉末を製造等するに際し、その含有を回避することができない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物元素のことをいう。これらの元素は、置換型及び/又は侵入型で上述した磁性相に存在していてもよいし、上述した磁性相以外の相に存在していてもよい。あるいは、これらの相の粒界に存在していてもよい。なお、Gaはガリウム、Tiはチタン、Crはクロム、Znは亜鉛、Mnはマンガン、Vはバナジウム、Moはモリブデン、Wはタングステン、Siはシリコン、Reはレニウム、Cuは銅、Alはアルミニウム、Caはカルシウム、Bはホウ素、Niはニッケル、そして、Cは炭素である。
加圧焼結に支障がない限り、SmFeN粉末の粒径に、特に制限はない。SmFeN粉末の粒径は、D50で、例えば、1μm以上、2μm以上、3μm以上、4μm以上、5μm以上、6μm以上、7μm以上、8μm以上、又は9μm以上であってよく、20μm以下、19μm以下、18μm以下、17μm以下、16μm以下、15μm以下、14μm以下、13μm以下、12μm以下、11μm以下、又は10μm以下であってよい。
SmFeN粉末のD50は、SmFeN粉末の粒度分布から算出される。また、SmFeN粉末の粒度分布は、次のような方法で測定(調査)される。本明細書において、特に断りのない限り、SmFeN粉末の粒子の大きさ(粒径)に関する記載は、次の測定方法(調査方法)に基づくものとする。なお、D50は、メジアン径を意味する。
SmFeN粉末を樹脂埋めした試料を準備し、その試料の表面を研磨して、光学顕微鏡で観察する。そして、光学顕微鏡像に直線を引き、直線がSmFeN粒子(明視野)で区切られる線分の長さを測定し、線分の長さの度数分布から、SmFeN粉末の粒度分布を求めた。この方法で求めた粒度分布は、交線法又は乾式レーザ回折・散乱法で求めた粒度分布にほぼ等しい。
保磁力向上の観点から、SmFeN粉末の酸素含有量は、SmFeN粉末全体に対して、低い方が好ましい。SmFeN粉末の酸素含有量は、SmFeN粉末全体に対して、2.0質量%以下が好ましく、1.5質量%以下がより好ましく、1.0質量%以下がより一層好ましい。一方、SmFeN粉末中の酸素の含有量を極度に低減することは、製造コストの増大を招く。このことから、SmFeN粉末の酸素の含有量は、SmFeN粉末全体に対して、0.1質量%以上、0.2質量%以上、又は0.3質量%以上であってもよい。
SmFeN粉末は、これまで説明してきたこと等を満足すれば、その製造方法に特に制限はなく、市販品を用いてもよい。
本開示の製造方法では、原材料粉末が、SmFeN粉末のほかに、亜鉛成分を有する粉末を、さらに含有してもよい。上述したSmFeN粉末中の酸素は、亜鉛成分を有する粉末に吸収されることで、成果物の磁気特性、特に保磁力を向上させることができる。このことから、SmFeN粉末中の酸素の含有量は、本開示の製造方法の工程中で、亜鉛成分を有する粉末がSmFeN粉末中の酸素を吸収する量を考慮して決定すればよい。また、亜鉛成分を有する粉末は、SmFeN粉末の粒子相互の結合力を増加させ、その結果、SmFeN粉末の配向が崩れることを一層抑制する。以下、亜鉛成分を有する粉末について説明する。
〈亜鉛成分を有する粉末〉
亜鉛成分を含む粉末は、典型的には、金属亜鉛及び亜鉛合金の少なくともいずれかを含有する。金属亜鉛とは、合金化されていない亜鉛のことを意味する。亜鉛成分によって、SmFeN粉末の粒子を結合及び改質する。また、SmFeN粉末粒子が、微粉粒子を含む場合、磁気的特性に関して、微粉粒子無害化に寄与する。微粉粒子とは、1.0μm以下の粒径を有している粒子をいう。
亜鉛成分を含む粉末によって、SmFeN粉末粒子同士を一層強固に結合することができる。また、加圧焼結時に、SmFeN粉末粒子の表面に亜鉛成分の一部が拡散して、Fe-Zn合金相が形成される。SmFeN粉末粒子の表面には、ThZn17型及び/又はThNi17型等の結晶構造が完全でない部分があり、その部分にはα-Fe相が存在しており、保磁力低下の一因となる。このα-Fe相が亜鉛成分とFe-Zn合金相を形成し、保磁力の低下を抑制する。すなわち、SmFeN粉末の粒子と亜鉛成分を有する粉末の粒子との間で、FeとZnが相互に拡散して、Fe-Zn合金相が形成される。つまり、亜鉛成分を有する粉末は、バインダとしての機能のほかに、改質材としての機能を有する。
SmFeN粉末中には、微粉粒子が存在する場合がある。微粉粒子においては、ThZn17型及び/又はThNi17型等の結晶構造が完全でない部分の割合が高いことから、α-Fe相の割合が高い。そのため、微粉粒子は、磁気特性、特に、保磁力低下の一因となる。加圧焼結時によって、微粉粒子に由来するα-Fe相の多くと、亜鉛成分を有する粉末が、その粒子表面だけでなく、その粒子のほぼ全体で、Fe-Zn合金相を形成する。そして、微粉粒子に由来するFe-Zn合金相の多くは、粒径が比較的大きいSmFeN粒子(微粉粒子以外の粒子)の表面に形成されたFe-Zn合金相と一体化されると考えられている。このことから、亜鉛成分を有する粉末は、磁気特性、特に、保磁力の低下に関して、微粉粒子を無害化する。
原材料粉末中の亜鉛成分の含有割合は、バインダ機能、改質機能、及び微粉粒子無害化機能が有利に発揮されるよう、適宜決定すればよい。原材料粉末中の亜鉛成分の含有割合は、原材料粉末全体に対して、1質量%以上、3質量%以上、6質量%以上、7質量%以上、又は8質量%以上であれば、上述の機能が有利に発揮され、好ましい。一方、原材料粉末中の亜鉛成分の含有割合が、SmFeN粉末と亜鉛成分を有する粉末の合計に対して、30質量%以下、25質量%以下、20質量%以下、15質量%以下、又は10質量%以下であれば、亜鉛成分を有する粉末の使用による磁化の低下を抑制することができ、好ましい。
上述したように、亜鉛成分を含む粉末は、典型的には、金属亜鉛及び亜鉛合金の少なくともいずれかを含有する。亜鉛合金をZn-Mで表すと、Mは、Zn(亜鉛)と合金化して、亜鉛合金の溶融開始温度を、Znの融点よりも降下させる元素及び不可避的不純物元素を選択することができる。これにより、加圧焼結工程で、焼結性が向上する。Znの融点よりも降下させるMとしては、ZnとMとで共晶合金を形成する元素等が挙げられる。このようなMとしては、典型的には、Sn、Mg、及びAl並びにこれらの組み合せ等が挙げられる。Snはスズ、Mgはマグネシウム、そして、Alはアルミニウムである。これらの元素による融点降下作用、及び、成果物の特性を阻害しない元素についても、Mとして選択することができる。また、不可避的不純物元素とは、亜鉛成分を有する粉末の原材料に含まれる不純物等、その含有を回避することができない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物元素のことをいう。
Zn-Mで表される亜鉛合金において、Zn及びMの割合(モル比)は、焼結温度が適正になるように適宜決定すればよい。亜鉛合金全体に対するMの割合(モル比)は、例えば、0.05以上、0.10以上、又は0.20以上であってよく、0.90以下、0.80以下、0.70以下、0.60以下、0.50以下、0.40以下、又は0.30以下であってよい。
亜鉛成分を有する粉末は、金属亜鉛及び/又は亜鉛合金のほかに、本発明の効果を損なわない限りにおいて、任意で、バインダ機能及び/又は改質機能並びにその他の機能を有する物質を含有してもよい。その他の機能としては、例えば、耐食性の向上機能等が挙げられる。
亜鉛成分を有する粉末の粒径は、特に制限されないが、SmFeN粉末の粒径よりも細かい方が好ましい。これにより、SmFeN粉末の粒子間に、亜鉛成分を有する粉末の粒子が行き渡り易い。亜鉛成分を有する粉末の粒径は、例えば、D50(メジアン径)で、0.1μm以上、0.5μm以上、又は1.0μm以上であってよく、12.0μm以下、11.0μm以下、10.0μm以下、9.0μm以下、8.0μm以下、7.0μm以下、6.0μm以下、5.0μm以下、4.0μm以下、又は2.0μm以下であってよい。また、亜鉛成分を有する粉末の粒径D50(メジアン径)は、例えば、乾式レーザ回折・散乱法によって測定される。
亜鉛成分を有する粉末の酸素含有量が少ないと、SmFeN粉末中の酸素を多く吸収できて好ましい。この観点からは、亜鉛成分を有する粉末の酸素含有量は、亜鉛成分を有する粉末全体に対し、5.0質量%以下が好ましく、3.0質量%以下がより好ましく、1.0質量%以下がより一層好ましい。一方、亜鉛成分を有する粉末の酸素の含有量を極度に低減することは、製造コストの増大を招く。このことから、亜鉛成分を有する粉末の酸素の含有量は、亜鉛成分を有する粉末全体に対して、0.1質量%以上、0.2質量%以上、又は0.3質量%以上であってもよい。
原材料粉末が、SmFeN粉末のほかに、亜鉛成分を有する粉末を含有する場合、SmFeN粉末と亜鉛成分を有する粉末の混合方法に、特に制限はない。混合方法としては、乳鉢、マラーホイール式ミキサー、アジテータ式ミキサー、メカノフュージョン、V型混合器、及びボールミル等を用いて混合する方法が挙げられる。これらの方法を組み合わせてもよい。なお、V型混合器は、二つの筒型容器をV型に連結した容器を備え、その容器を回転することにより、容器中の粉末が、重力と遠心力で集合と分離が繰り返され、混合される装置である。
亜鉛成分を有する粉末に代えて、あるいは、亜鉛成分を有する粉末とともに、原材料粉末中のSmFeN粉末の一部又は全部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていてもよい。以下、亜鉛成分を有する被膜について説明する。
〈亜鉛成分を有する被膜〉
原材料粉末中のSmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていてもよい。これにより、原材料粉末が、SmFeN粉末のほかに、亜鉛成分を有する粉末を、さらに含有しているのと同様の作用及び効果を奏することができる。
亜鉛成分を有する被膜は、SmFeN粉末の一部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていてもよいし、SmFeN粉末の全部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていてもよい。「SmFeN粉末の一部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されている」とは、SmFeN粉末の全粒子のうち、一部の粒子の表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていることを意味する。「SmFeN粉末の全部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されている」とは、SmFeN粉末に関し、実質的に全粒子の表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていることを意味する。「実質的に全粒子」とは、亜鉛成分を有する被膜の形成方法等により、亜鉛成分を有する被膜が不可避的に形成されていない極少数の粒子が存在していてもよいことを意味する。
原材料粉末中のSmFeN粉末の一部又は全部の粒子表面への、亜鉛成分を有する被膜の形成は、亜鉛成分を有する粉末に代わるものであってもよいし、亜鉛成分を有する粉末と併用するものであってもよい。「亜鉛粉末を有する粉末に代わるもの」とは、原材料粉末が、亜鉛成分を有する粉末を実質的に含有せず、SmFeN粉末の一部又は全部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていることを意味する。「実質的に含有せず」とは、原材料粉末を準備するに際し、装置等の理由により、極少量の亜鉛成分を有する粉末が不可避的に含有してもよいことを意味する。また、「亜鉛成分を有する粉末と併用する」とは、原材料粉末が、SmFeN粉末のほかに、亜鉛成分を有する粉末を含有し、かつ、SmFeN粉末の一部又は全部の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていることを意味する。なお、本明細書において、特に断りのない限り、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されている粉末を、「被覆磁性粉末」ということがある。本開示の製造方法では、原材料粉末として、SmFeN粉末と亜鉛成分を有する粉末との混合粉末、並びにSmFeN粉末の粒子表面に亜鉛成分を有する被膜が形成されている被覆磁性粉末の少なくともいずれかを準備してもよい。
SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜を形成する方法に、特に制限はないが、例えば、例えば、ロータリーキルン炉を用いる方法及び蒸着法等が挙げられる。これらの方法それぞれについて、簡単に説明する。
〈ロータリーキルン炉を用いる方法〉
図5は、ロータリーキルン炉を用いて、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜を形成する方法の一例を示す説明図である。
ロータリーキルン炉100は、攪拌ドラム110を備える。攪拌ドラム110は、材料格納部120、回転軸130、攪拌板140を有している。回転軸130には、電動機等の回転手段(図示しない)が連結されている。
材料格納部120に、SmFeN粉末150と亜鉛成分を有する粉末160を装入する。その後、攪拌ドラム110を回転しながら、材料格納部120をヒータ(図示しない)で加熱する。
亜鉛成分を有する粉末160の融点よりも低い温度に材料格納部120を加熱すれば、SmFeN粉末150の粒子の表面に、亜鉛成分を有する粉末160の亜鉛成分が固相拡散する。その結果、SmFeN粉末150の粒子の表面に、亜鉛成分を有する被膜を形成する。亜鉛成分を有する粉末160の融点以上に材料格納部120を加熱すれば、亜鉛成分を有する粉末160の融液を得て、その融液とSmFeN粉末150とが接触し、その状態で材料格納部120を冷却すれば、SmFeN粉末150の粒子の表面に、亜鉛成分を有する被膜を形成する。
ロータリーキルン炉の操作条件は、所望の被膜を得られるよう、適宜決定すればよい。
材料格納部の加熱温度は、亜鉛成分を有する粉末の融点をTとしたとき、例えば、(T-50)℃以上、(T-40)℃以上、(T-30)℃以上、(T-20)℃以上、(T-10)℃以上、又はT℃以上であってよく、(T+50)℃以下、(T+40)℃以下、(T+30)℃以下、(T+20)℃以下、又は(T+10)℃以下であってよい。なお、亜鉛成分を有する粉末が金属亜鉛を含有する粉末である場合、Tは亜鉛の融点である。また、亜鉛成分を有する粉末が亜鉛合金を含有する粉末である場合、Tは亜鉛合金の融点である。
攪拌ドラムの回転速度(回転数)は、例えば、5rpm以上、6rpm以上、10rpm以上、又は20rpm以上であってよく、200rpm以下、100rpm以下、又は50rpm以下であってよい。回転時の雰囲気は、粉末及び形成した被膜等の酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガス雰囲気には、アルゴンガス雰囲気及び/又は窒素ガス雰囲気を含む。攪拌ドラムの回転時間(被覆処理時間)は、所望の亜鉛成分を有する被膜を形成するよう、適宜決定することができる。攪拌ドラムの回転時間(被覆処理時間)は、例えば、1分以上、5分以上、10分以上、15分以上、30分以上、45分以上、又は60分以上であってよく、240分以下、210分以下、180分以下、150分以下、120分以下、又は90分以下であってよい。
SmFeN粉末粒子の表面に亜鉛成分を有する被膜を形成した後、その粒子同士が結合している場合には、その結合体を粉砕してもよい。粉砕方法は、特に限定されず、例えば、ボールミル、ジョークラッシャー、ジェットミル、及びカッターミル並びにこれらの組合せを用いて粉砕する方法等が挙げられる。
〈蒸着法〉
図6は、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜を蒸着法で形成する方法の一例を示す説明図である。
SmFeN粉末150を第一容器181に格納し、亜鉛成分を有する粉末160を第二容器182に格納する。第一容器181を第一熱処理炉171に格納し、第二容器182を第二熱処理炉172に格納する。第一熱処理炉171と第二熱処理炉172を、連結路173で連結する。第一熱処理炉171及び第二熱処理炉172並びに連結路173は、気密性を備えており、第二熱処理炉172には、真空ポンプ180を連結する。
真空ポンプ180で第一熱処理炉171及び第二熱処理炉172並びに連結路173の内部を減圧した後、これらの内部を加熱する。そうすると、第二容器182に格納した亜鉛成分を有する粉末160から亜鉛成分を有する蒸気が発生する。亜鉛成分を有する蒸気は、図6の実線矢印で示したように、第二容器182の内部から、第一容器181の内部に移動する。
第一容器181の内部に移動した亜鉛成分を有する蒸気は、冷却されて、SmFeN粉末150の粒子表面に被膜を形成(蒸着)する。
第一容器181を回転容器とすることにより、ロータリーキルン炉のようにすることができ、SmFeN粉末150の粒子表面に形成される被膜の被覆率を一層高めることができる。被覆率については後述する。
図6に示した方法で被膜を形成する場合の諸条件は、所望の被膜を得られるよう、適宜決定すればよい。
第一熱処理炉の温度(SmFeN粉末の加熱温度)は、例えば、120℃以上、140℃以上、160℃以上、180℃以上、200℃以上、又は220℃以上であってよく、300℃以下、280℃以下、又は260℃以下であってよい。
第二熱処理炉の温度(亜鉛成分を有する粉末の加熱温度)は、亜鉛成分を有する粉末の融点をTとしたとき、例えば、T℃以上、(T+20)℃以上、(T+40)℃以上、(T+60)℃以上、(T+80)℃以上、(T+100)℃以上、又は(T+120)℃以上であってよく、(T+200)℃以下、(T+180)℃以下、(T+160)℃以下、又は(T+140)℃以下であってよい。なお、亜鉛成分を有する粉末が金属亜鉛を含有する粉末である場合、Tは亜鉛の融点である。また、亜鉛成分を有する粉末が亜鉛合金を含有する粉末である場合、Tは亜鉛合金の融点である。第二容器には亜鉛成分を有するバルク材を格納してもよいが、第二容器の装入物を迅速に溶融し、その融液から亜鉛成分を有する蒸気を発生させる観点からは、第二容器には亜鉛成分を有する粉末を格納することが好ましい。
第一熱処理炉及び第二熱処理炉は、亜鉛成分を有する蒸気の発生を促進し、かつ、粉末及び形成した被膜等の酸化を防止するため、減圧雰囲気とする。雰囲気圧力としては、例えば、1×10-5MPa以下が好ましく、1×10-6MPa以下がより好ましく、1×10-7MPa以下がより一層好ましい。一方、過度に減圧しなくても、実用上問題はなく、前述した雰囲気圧力を満足すれば、雰囲気圧力は1×10-8MPa以上であってよい。
第一容器が回転容器である場合には、その回転速度(回転数)は、例えば、5rpm以上、10rpm以上、又は20rpm以上であってよく、200rpm以下、100rpm以下、又は50rpm以下であってよい。
蒸着法においても、SmFeN粉末粒子の表面に亜鉛成分を有する被膜を形成した後、その粉末粒子同士が結合している場合には、その結合体を粉砕してもよい。粉砕方法は、特に限定されず、例えば、ボールミル、ジョークラッシャー、ジェットミル、及びカッターミル並びにこれらの組合せを用いて粉砕する方法等が挙げられる。
〈亜鉛成分の被覆率〉
SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜を形成する場合、その被覆率は高い方が好ましい。被覆率が高いと、加圧焼結後に、希土類磁石中の第一粒子群の粒子表面に形成され改質され易くなり、保磁力が有利に向上するためである。次に、被覆率の求め方について説明する。
被覆率は、亜鉛成分を有する被膜の形成に供したSmFeN粉末の粒子表面全体に対して、亜鉛成分が被覆している割合(百分率)である。被覆率(%)は、次のようにして求める。
X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて、亜鉛成分を有する被膜を形成した後のSmFeN粉末に関し、SmFeN粉末及び亜鉛成分を有する被膜の構成元素について、組成情報を取得する。そして、次の式で、被覆率(%)を算出する。
被覆率(%)=〔(亜鉛成分を有する被膜の構成元素それぞれについての組成情報の合計)/{(SmFeN粉末の構成元素それぞれについての組成情報の合計)+(亜鉛成分を有する被膜の構成元素それぞれについての組成情報の合計)}〕×100
SmFeN粉末が、例えば、Sm、Fe、及びNからなる場合には、SmFeN粉末の構成元素それぞれについての組成情報の合計は、Sm、Fe、及びNそれぞれについての組成情報の合計を意味する。SmFeN粉末が、Sm、Fe、及びN以外の元素を含有する場合でも、Sm、Fe、及びN以外の元素の含有割合は小さい。したがって、SmFeN粉末が、Sm、Fe、及びN以外の元素を含有する場合でも、SmFeN粉末の構成元素それぞれについての組成情報の合計は、Sm、Fe、及びNそれぞれについての組成情報の合計で近似してよい。また、亜鉛成分を有する被膜が、例えば、金属亜鉛被膜の場合には、亜鉛成分を有する被膜の構成元素それぞれについての組成情報の合計は、Znについての組成情報を意味する。亜鉛成分を有する被膜が、例えば、亜鉛合金被膜の場合には、亜鉛成分を有する被膜の構成元素それぞれについての組成情報の合計は、Znと合金元素それぞれについての組成情報の合計を意味する。亜鉛合金が、例えば、Zn-Al合金である場合には、亜鉛成分を有する被膜の構成元素それぞれについての組成情報の合計は、Zn及びAlそれぞれについての組成情報の合計を意味する。
例えば、Znについての組成情報とは、亜鉛成分を有する被膜を形成した後のSmFeN粉末のXPSスペクトルを測定し、得られたXPSスペクトルのピーク強度から求めたZnの存在質量を意味する。SmFeN粉末が、例えば、Sm、Fe、及びNからなり、亜鉛成分を有する被膜が、例えば、金属亜鉛被膜の場合には、被覆率(%)は、次のように算出される。
被覆率(%)=(Znの存在質量)/(Sm、Fe、N、及びZnの存在質量の合計)×100
このようにして求めた被覆率は、80%以上、85%以上、90%以上、又は95%以上が好ましく、100%が理想である。
上述したように、亜鉛成分を有する被膜は、典型的には、金属亜鉛及び亜鉛合金の少なくともいずれかを有する被膜を意味する。亜鉛合金をZn-Mで表すと、Mは、Zn(亜鉛)と合金化して、亜鉛合金の溶融開始温度を、Znの融点よりも降下させる元素及び不可避的不純物元素を選択してもよい。これにより、加圧焼結工程で、焼結性が向上する。亜鉛合金の溶融開始温度を、Znの融点よりも降下させるMとしては、ZnとMとで共晶合金を形成する元素等が挙げられる。このようなMとしては、典型的には、Sn、Mg、及びAl並びにこれらの組み合せ等が挙げられる。Snはスズ、Mgはマグネシウム、そして、Alはアルミニウムである。これらの元素による融点降下作用、及び、成果物の特性を阻害しない元素についても、Mとして選択することができる。また、不可避的不純物元素とは、亜鉛成分を有する粉末の原材料に含まれる不純物等、その含有を回避することができない、あるいは、回避するためには著しい製造コストの上昇を招くような不純物元素のことをいう。
Zn-Mで表される亜鉛合金において、Zn及びMの割合(モル比)は、加圧焼結温度が適正になるように適宜決定すればよい。亜鉛合金全体に対するMの割合(モル比)は、例えば、0.05以上、0.10以上、又は0.20以上であってよく、0.90以下、0.80以下、0.70以下、0.60以下、0.50以下、0.40以下、又は0.30以下であってよい。
上述の「ロータリーキルン炉を用いる方法」及び「蒸着法」で使用する、亜鉛成分を有する粉末は、金属亜鉛及び/又は亜鉛合金のほかに、本発明の効果を損なわない限りにおいて、任意で、バインダ機能及び/又は改質機能並びにその他の機能を有する物質を含有してもよい。その他の機能としては、例えば、耐食性の向上機能等が挙げられる。
原材料粉末中のSmFeN粉末の粒子表面に亜鉛成分を有する被膜を形成する場合でも、原材料粉末中の亜鉛成分の含有割合は、原材料粉末がSmFeN粉末のほかに亜鉛成分を有する粉末を含有する場合における、原材料粉末中の亜鉛成分の含有割合に準ずる。亜鉛成分を有する被膜の形成が、亜鉛成分を有する粉末と併用するものである場合には、原材料粉末中の亜鉛成分の含有割合は、亜鉛成分を有する被膜に由来する亜鉛成分と、亜鉛成分を有する粉末に由来する亜鉛成分の合計の含有割合である。
〈加圧焼結工程〉
原材料粉末を加圧焼結する。加圧焼結前に、予め、原材料粉末に磁場を印加して、原材料粉末中のSmFeN粉末に磁気的配向を付与する。そして、加圧焼結の少なくとも途中まで、好ましくは、加圧焼結が完了するまで、原材料粉末に磁場を印加することを維持する。これにより、焼結体中のSmFeN粉末が充分に配向し、その結果、焼結体(希土類磁石)に充分な異方性を付与することができる。
上述したように原材料粉末に磁場を印加することができれば、磁場印加方法に特に制限はないが、好ましい磁場印加方法について、次に説明する。
〈磁場印加方法〉
図7は、磁場印加方法の一例を示す説明図であるが、これに限られない。図7に示した方法では、SmFeN粉末10の周囲に磁場発生源30を設置する。SmFeN粉末10の粒子の間に、亜鉛成分を有する粉末の粒子が存在していてもよいし、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていてもよく、それらが組み合わされていてもよい。すなわち、原材料粉末の周囲に磁場発生源30を設置してもよい。破線は、SmFeN粉末に印加する磁場を示す。
印加する磁場の大きさは、例えば、500kA/m以上、1000kA/m以上、1500kA/m以上、又は1600kA/m以上であってよく、20000kA/m以下、15000kA/m以下、10000kA/m以下、5000kA/m以下、3000kA/m以下、又は2000kA/m以下であってよい。
磁場発生源30としては、例えば、電磁コイル及び永久磁石等が挙げられる。これらを併用してもよい。併用については、後ほど詳述する。本開示の製造方法では、加圧焼結時にも磁場を印加する。加圧焼結時には、原材料粉末を加熱及び加圧する必要があるため、加圧焼結装置が複雑かつ大型化し易い。そのため、加圧焼結装置の周囲を簡便な構造にする観点から、磁場発生源は、永久磁石が好ましい。
磁場発生源30として、電磁コイルを用いる場合には、静磁場、あるいは、交流を用いたパルス磁場を印加することができる。
磁場発生源30として、永久磁石を用いる場合、永久磁石としては、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、及び希土類磁石等が挙げられる。設置スペースを小型化し、かつ強力な磁場を印加する観点からは、希土類磁石が好ましい。希土類磁石としては、例えば、サマリウム-コバルト系磁石(Sm-Co系磁石)及びネオジム系磁石(Nd-Fe-B系磁石)等が挙げられる。原材料粉末及びその周囲は、加圧焼結の開始時には比較的低温であるが、次第に高温になる。そのため、加圧焼結時に、可能な限り長時間にわたり、原材料粉末に磁場を印加する観点からは、キュリー温度の高い、例えば、サマリウム-コバルト系磁石が好ましい。また、永久磁石の近傍に、軟磁性材料を配置して、印加する磁場を増大させてもよい。軟磁性材料としては、例えば、パーマロイ、ケイ素鋼板、及びパーメンジュール等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。印加する磁場を増大する観点からは、パーメンジュールが好ましい。「近傍」とは、永久磁石が発する磁場を増大させ得る位置を意味する。
磁場発生源30として、電磁コイルと永久磁石を併用する場合としては、例えば、次のような態様がある。図7の磁場発生源30の位置に、着磁前の永久磁石を配置する。永久磁石の外側に、電磁コイルをさらに配置し、電磁コイルで、永久磁石とSmFeN粉末10の両方に、磁場を印加する。そうすると、電磁コイルで印加した磁場によって、永久磁石は着磁され、SmFeN粉末10の粒子それぞれは配向する。加圧焼結前に電磁コイルでの磁場の印加を開始しておけば、その後、加圧焼結前に電磁コイルでの磁場の印加を停止しても、着磁された永久磁石によって、SmFeN粉末10への磁場の印加を継続することができる。
原材料粉末の酸化を抑制するため、不活性ガス雰囲気中で磁場を印加することが好ましい。不活性ガス雰囲気には、アルゴンガス雰囲気及び/又は窒素ガス雰囲気を含む。
〈磁場印加方向〉
磁場の印加方向に特に制限はないが、加圧焼結の加圧方向とは異なる方向に磁場を印加することが好ましい。この理由について、図面を用いて説明する。図8は、磁場印加方向の一例を示す説明図である。図8において、破線の矢印は、SmFeN粉末10に印加した磁場の方向を示し、白抜きの矢印は、加圧焼結方向を示す。「加圧焼結の加圧方向とは異なる方向に磁場を加える」とは、図8において、加圧方向と磁場印加方向とがなす角θ(ただし、0°≦θ≦90°)が0°でないことを意味する。図8において、SmFeN粉末10の粒子の間に、亜鉛成分を有する粉末の粒子が存在していてもよいし、SmFeN粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されていてもよく、それらが組み合わされていてもよい。
上述したように、磁気的に配向したSmFeN粉末においては、SmFeN粉末全体が、一つの棒状永久磁石のようになる。そのとき、SmFeN粉末に磁場が印加されていないと、図3に示したように、一点鎖線で示した磁場によって、SmFeN粉末の粒子それぞれの磁気的配向が崩れる。一方、本開示の製造方法では、加圧焼結の少なくとも途中まで、磁場の印加を継続するため、図3の一点鎖線で示した磁場を打消し易く、SmFeN粉末の粒子それぞれが、磁気的配向を維持することができる。しかし、前述の磁場の打消しが不完全で、図3の一点鎖線で示した磁場の一部が残存しても、加圧焼結の加圧方向とは異なる方向に磁場を加える場合には、磁気的配向の崩れを有利に抑制することができる。これは、理論に拘束されないが、次の理由によると考えられる。SmFeN粉末においては、各粒子が接近している。この状態で、SmFeN粉末に圧力を付与すると(加圧すると)、各粒子は、加圧方向とは異なる方向に流動し易い。このとき、各粒子が流動し易い方向、すなわち、加圧方向とは異なる方向に磁場を印加すると、各粒子は、磁場印加方向に配向(回転)しながら流動するためであると考えられる。
SmFeN粉末の粒子の回転抑制の観点からは、θは、10°以上、20°以上、又は30°以上が好ましく、40°以上、50°以上、又は60°以上がより好ましく、70°以上、75°以上、80°以上、又は85°以上がより一層好ましく、90°が最も好ましい。
〈加圧焼結の方法及び条件〉
これまでに説明した磁場印加の要件を満足すれば、加圧焼結の方法は、特に限定されず、周知の方法を適用することができる。加圧焼結方法としては、例えば、キャビティを有するモールドと、キャビティの内部を摺動可能なパンチを準備し、キャビティの内部に原材料粉末を装入し、パンチで原材料粉末に圧力を付加しつつ、原材料粉末を焼結する方法等が挙げられる。この方法の場合、典型的には、高周波誘導コイルを用いてモールド及び/又はキャビティ内を加熱する。あるいは、放電プラズマ焼結(SPS)法を用いてもよい。
原材料粉末中のSmFeN粉末の磁性相が分解せずに焼結体が得られるように、加圧焼結温度、加圧焼結圧力、及び加圧焼結時間等を適宜決定すればよい。なお、以下の説明で、加圧焼結温度、加圧焼結圧力、及び加圧焼結時間を、単に、焼結温度、焼結圧力、及び焼結時間ということがある。
焼結温度が300℃以上であれば、SmFeN粉末の粒子同士を相互に結合することができる。以下の説明で、原材料粉末がSmFeN粉末のほかに亜鉛成分を有する粉末を含有すること、及び/又はSmFeN粉末の粒子表面に亜鉛成分を有する被膜が形成されていることについては、「原材料粉末が亜鉛成分を有する」ということがある。原材料粉末が亜鉛成分を有する場合には、焼結温度が300℃以上であれば、SmFeN粉末の粒子表面のFeと亜鉛成分の一部が相互拡散して、SmFeN粉末の粒子同士の結合力が増加する。SmFeN粉末の粒子表面のFeと亜鉛成分との相互拡散は、固相拡散でもよいし、液相拡散でもよい。SmFeN粉末の粒子同士の相互結合の観点からは、焼結温度は、例えば、310℃以上、320℃以上、340℃以上、又は350℃以上であってよい。
一方、焼結温度が500℃以下、470℃以下、又は450℃以下であれば、SmFeN粉末中の磁性相の分解を回避することができる。原材料粉末が亜鉛成分を有する場合には、焼結温度が430℃以下、420℃以下、410℃以下、400℃以下、390℃以下、380℃以下、370℃以下、又は360℃以下であれば、SmFeN粉末の粒子表面のFeと改質材粉末の亜鉛成分とが過剰に相互拡散することを回避することができる。
焼結圧力については、焼結体の密度を高めることができる焼結圧力を、適宜選択すればよい。焼結圧力は、典型的には、100MPa以上、200MPa以上、400MPa以上、500MPa以上、600MPa以上、800MPa以上、又は1000MPa以上であってよく、2000MPa以下、1800MPa以下、1600MPa以下、1500MPa以下、1300MPa以下、又は1200MPa以下であってよい。
焼結時間は、焼結体が得られるよう、適宜決定すればよい。焼結時間には、熱処理温度に達するまでの昇温時間は含まない。焼結時間は、例えば、1分以上、2分以上、又は3分以上であってよく、60分以下、50分以下、40分以下、30分以下、20分以下、10分以下、又は5分以下であってよい。原材料粉末が亜鉛成分を有する場合には、焼結時間を短縮することができ、焼結時間は、30分以下、20分以下、10分以下、又は5分以下であってよい。
焼結時間が経過したら、焼結体を冷却して、焼結を終了する。冷却速度は、速い方が、焼結体の酸化等を抑制することができる。冷却速度は、例えば、0.5~200℃/秒であってよい。
加圧焼結中の雰囲気については、原材料粉末及び焼結体の酸化を抑制するため、不活性ガス雰囲気が好ましい。不活性ガス雰囲気には、アルゴンガス雰囲気及び/又は窒素ガス雰囲気を含む。あるいは、真空中で焼結してもよい。
加圧焼結前に、原材料粉末を、予め、圧縮成形して、圧粉体を形成してもよい。そして、その圧粉体を加圧焼結する。これまで説明してきたように、本開示の製造方法は、原材料粉末に、磁場を印加して磁気的配向を付与し、かつ、加圧焼結の少なくとも途中まで、磁場の印加を継続して、磁気的配向を維持する。そのため、加圧焼結前に、原材料粉末を、予め、圧縮成形する場合には、原材料粉末に磁場を印加しながら、原材料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成してもよい。本明細書中では、特に断りのない限り、このような圧粉体の形成を、「磁場中成形」ということがある。以下、磁場中成形について、詳細に説明する。
〈磁場中成形〉
磁場中成形により、圧粉体中のSmFeN粉末の粒子それぞれに配向性を付与することができる。このような圧粉体を加圧焼結すると、焼結体(希土類磁石)に異方性を付与して残留磁化を向上させることができる。
磁場中成形方法は、例えば、周囲に磁場発生源を設置した成形型を用いて、原材料粉末を圧縮成形する方法等、周知の方法でよい。成形圧力は、例えば、10MPa以上、20MPa以上、30MPa以上、50MPa以上、100MPa以上、又は150MPa以上であってよく、1500MPa以下、1000MPa以下、又は500MPa以下であってよい。前述の成形圧力を印加する時間は、例えば、0.5分以上、1分以上、又は3分以上であってよく、10分以下、7分以下、又は5分以下であってよい。印加する磁場の大きさは、例えば、500kA/m以上、1000kA/m以上、1500kA/m以上、又は1600kA/m以上であってよく、20000kA/m以下、15000kA/m以下、10000kA/m以下、5000kA/m以下、3000kA/m以下、又は2000kA/m以下であってよい。
磁場発生源としては、例えば、電磁コイル及び永久磁石等が挙げられ、これらを併用してもよい。
磁場発生源として、電磁コイルを用いる場合には、静磁場、あるいは、交流を用いたパルス磁場を印加することができる。
磁場発生源として、永久磁石を用いる場合には、永久磁石としては、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、及び希土類磁石等が挙げられる。設置スペースを小型化し、かつ強力な磁場を印加する観点からは、希土類磁石が好ましい。希土類磁石としては、例えば、サマリウム-コバルト系磁石及びネオジム磁石等が挙げられる。また、永久磁石の近傍に、軟磁性材料を配置して、印加する磁場を増大させてもよい。軟磁性材料としては、例えば、パーマロイ、ケイ素鋼板、及びパーメンジュール等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。印加する磁場を増大する観点からは、パーメンジュールが好ましい。「近傍」とは、永久磁石が発する磁場を増大させ得る位置を意味する。
磁場発生源として、電磁コイルと永久磁石を併用する場合としては、例えば、次のような態様がある。SmFeN粉末の周囲に、着磁前の永久磁石を配置する。永久磁石の外側に、電磁コイルをさらに配置し、電磁コイルで、永久磁石とSmFeN粉末の両方に、磁場を印加する。そうすると、電磁コイルで印加した磁場によって、永久磁石は着磁され、SmFeN粉末の粒子それぞれは配向する。
磁場印加方向に、特に制限はない。圧粉体中のSmFeN粉末が有利に配向する観点からは、加圧焼結の場合と同様に、圧縮成形方向とは異なる方向に、磁場を印加することが好ましい。圧縮成形方向と磁場印加方向とがなす角は、上述のθに準じてよい。
混合粉末の酸化を抑制するため、磁場成形は、不活性ガス雰囲気中で行われることが好ましい。不活性ガス雰囲気には、アルゴンガス雰囲気及び/又は窒素ガス雰囲気を含む。
《変形》
これまで説明してきたこと以外でも、本開示の製造方法は、特許請求の範囲に記載した内容の範囲内で種々の変形を加えることができる。
例えば、原材料粉末を加圧焼結して得られた焼結体を熱処理してもよい。熱処理によって、SmFeN粉末の粒子を相互に、一層強固に結合することができると同時に、改質が促進される。SmFeN粉末が微粉粒子を含有する場合には、その無害化を促進する。
熱処理温度としては、例えば、350℃以上、360℃以上、370℃以上、又は380℃以上であってよく、410℃以下、400℃以下、又は390℃以下であってよい。熱処理時間としては、3時間以上、4時間以上、5時間以上、8時間以上、10時間以上、12時間以上、15時間以上、17時間以上、又は20時間以上であってよく、40時間以下、35時間以下、30時間以下、25時間以下、又は24時間以下であってよい。焼結体の酸化を抑制するため、真空中又は不活性ガス雰囲気中で焼結体を熱処理することが好ましい、不活性ガス雰囲気には、アルゴンガス雰囲気及び/又は窒素ガス雰囲気を含む。
以下、本開示の製造方法を実施例及び比較例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の希土類磁石の製造方法は、以下の実施例で用いた条件に限定されない。
《試料の準備》
実施例1~2及び比較例1~3の試料を次の要領で準備した。
〈実施例1〉
SmFeN粉末と亜鉛成分を有する粉末を準備した。SmFeN粉末は、市販品(日亜化学工業株式会社製Z21)を使用した。SmFeN粉末のD50は3.08μmであった。亜鉛成分を有する粉末は金属亜鉛金属粉末であり、その純度は99.9質量%であった。また、金属亜鉛粉末のD50は0.5μmであった。
SmFeN粉末と亜鉛成分を有する粉末を混合して、原材料粉末を得た。原材料粉末全体に対する亜鉛成分の含有割合、すなわち、亜鉛成分を有する粉末の混合割合は10質量%であった。
成形型のキャビティ内に原材料粉末を装入し、さらに、キャビティ内に、図7に示したように、着磁前の永久磁石として、ネオジム系磁石を配置した。電磁コイルを用いて、原材料粉末とネオジム磁石に1分にわたって磁場を印加し、ネオジム磁石の着磁後、電磁コイルでの磁場の印加を停止した。その後、原材料粉末を加圧焼結した。加圧焼結の加圧方向と、電磁コイルで印加した磁場の方向とのなす角θは、概ね90°であった。
電磁コイルでの磁場印加方法及び磁場の大きさは、表1に示すとおりであった。なお、表1で「磁場中成形圧力」が[-」と記載されているのは、加圧焼結の開始までは、原材料粉末に圧力を付与していないことを意味する。成形型への原材料装入及び電磁コイルでの磁場の印加は、窒素雰囲気中で行った。加圧焼結は、アルゴン雰囲気中で行い、加圧焼結の諸条件は表1のとおりであった。また、全工程を通じて、交流減磁は行わなかった。このようにして得た焼結体を実施例1の試料とした。
〈実施例2〉
着磁前の永久磁石がサマリウム-コバルト系磁石であることを除き、実施例1と同様にして、実施例2の試料を得た。
〈比較例1〉
成形型内に永久磁石を配置しなかったことを除き、実施例1と同様にして、実施例2の試料を準備した。なお、電磁コイルでの磁場の印加は、加圧焼結の開始前に停止した。
〈比較例2〉
成形型内に永久磁石を配置しなかったこと、印加した磁場が静磁場であること、加圧焼結前に予め磁場中成形によって圧粉体を得たこと、圧粉体を交流減磁に供したこと、そして、交流減磁後の圧粉体を加圧焼結したことを除き、実施例1と同様にして、比較例2の試料を準備した。磁場中成形の圧力は50MPaであった。なお、電磁コイルでの磁場の印加は、交流減磁に供する前に停止した。
〈比較例3〉
成形型内に永久磁石を配置しなかったこと、印加した磁場が静磁場であること、加圧焼結前に予め磁場中成形によって圧粉体を得たこと、そして、その圧粉体を加圧焼結したことを除き、実施例1と同様にして、比較例3の試料を準備した。
《評価》
各試料について、磁気特性を測定した。磁気特性は、室温で、振動試料型磁力計(VSM)を用いて測定した。配向度は上述した方法で算出した。
評価結果を表1の「磁気特性」に示す。表1から、実施例1及び2の試料では、0.95以上の良好な配向度が得られていることを確認できた。実施例1及び2では、成形型のキャビティに永久磁石を配置したことから、電磁コイルでの磁場の印加の停止後も、着磁された永久磁石によって、加圧焼結の少なくとも途中まで、原材料粉末に磁場の印加を継続できた。その結果、原材料粉末中のSmFeN粉末の磁気的配向を維持できたと考えられる。
一方、表1から、比較例1及び3の試料では、良好な配向度が得られていないことが確認できた。比較例1及び3では、成形型のキャビティに永久磁石を配置しなかったことから、電磁コイルでの磁場の印加の停止後には、原材料粉末のSmFeN粉末に、外部から磁場が印加されない。これにより、電磁コイルでの磁場の印加で原材料粉末中のSmFeN粉末が一旦配向しても、原材料粉末のSmFeN粉末全体が形成する磁場が、その配向を崩すためと考えられる。
また、表1から、比較例2の試料では、成形型のキャビティに永久磁石を配置していないにもかかわらず、比較的良好な配向度が得られていることを確認できた。これは、比較例2では、電磁コイルでの磁場の印加の停止後に、交流減磁によって、SmFeN粉末に残留する磁気を除去する。その結果、原材料粉末のSmFeN粉末全体が磁場を形成し難いことから、電磁コイルでの磁場の印加で一旦配向した原材料粉末中のSmFeN粉末が、その配向を維持し易いと考えられる。しかし、実施例1及び2の試料と比較して、比較例3の試料の配向度はやや劣る。交流減磁をしても、原材料粉末中のSmFeN粉末に残留する磁力を完全に除去することは困難である。仮に、交流減磁によって、原材料粉末中のSmFeN粉末に残留する磁力を完全に除去することができたとしても、磁力の除去が完了するまでは、小さいながらも、SmFeN粉末全体が形成する磁場を発生する。これらのことから、電磁コイルでの磁場の印加で、原材料粉末中のSmFeN粉末が、一旦配向しても、その配向がやや崩れるためと考えられる。
以上の結果から、本開示の製造方法の効果を確認できた。
10 SmFeN粉末
20 棒状永久磁石
30 磁場発生源
100 ロータリーキルン炉
110 攪拌ドラム
120 材料格納部
130 回転軸
140 攪拌板
150 SmFeN粉末
160 亜鉛成分を有する粉末
171 第一熱処理炉
172 第二熱処理炉
173 連結路
180 真空ポンプ
181 第一容器
182 第二容器

Claims (6)

  1. Sm、Fe、及びNを含有し、少なくとも一部がThZn17型及びThNi17型の少なくともいずれかの結晶構造を有する磁性相を備える磁性粉末を含有する原材料粉末を準備すること、及び
    前記原材料粉末を加圧焼結すること、
    を含み、
    前記加圧焼結前に、前記原材料粉末に、磁場を印加して磁気的配向を付与し、
    前記加圧焼結が完了するまで、前記磁場の印加を継続して、前記磁気的配向を維持し、かつ
    前記加圧焼結の加圧方向とは異なる方向に、前記磁場を印加する、
    希土類磁石の製造方法。
  2. 前記加圧焼結の加圧方向に対して垂直方向に、前記磁場を印加する、請求項1に記載の希土類磁石の製造方法。
  3. 前記磁場を、永久磁石によって印加する、請求項1又は2記載の希土類磁石の製造方法。
  4. 前記原材料粉末が、亜鉛成分を有する粉末を、さらに含有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
  5. 前記磁性粉末の粒子表面に、亜鉛成分を有する被膜が形成されている、請求項1~4のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
  6. 前記加圧焼結前に、前記磁場を印加しながら、前記原材料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成し、前記圧粉体を加圧焼結する、請求項1~5のいずれか一項に記載の希土類磁石の製造方法。
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