JPH03284809A - 希土類―鉄系磁石の製造方法 - Google Patents

希土類―鉄系磁石の製造方法

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JPH03284809A
JPH03284809A JP2086547A JP8654790A JPH03284809A JP H03284809 A JPH03284809 A JP H03284809A JP 2086547 A JP2086547 A JP 2086547A JP 8654790 A JP8654790 A JP 8654790A JP H03284809 A JPH03284809 A JP H03284809A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、例えば小型化・高出力化が追求されているモ
ータに使用されるようなバルク状永久磁石の製造方法に
関する。即ち、ここで対象とするバルク状永久磁石は、
例えばモータ起動時の負荷に応じて電機子反作用による
大きな減磁界にだえる減磁耐力の優れた、高保磁力の磁
石、また出力向上のために高残留磁束密度の磁石であり
、また高度な寸法精度や生産性が同時に求められる磁石
であり、本発明は複数のバルク状永久磁石を希土類−鉄
系合金の超急冷粉から直接・同時に製造する方法に関す
るものである。
従来の技術 例えばメルトスピニング法などの超急冷手段によって、
少なくとも溶融合金の一部を融液状態で凍結した希土類
−鉄系合金の超急冷粉は、その非平衡、或いは準安定な
状態に基づき高保磁力と高残留磁束密度を有することが
知られている(特開昭59−64739号公報)。しか
し、如何なる合金組成であっても、また如何なる超急冷
手段であっても超急冷によって得られる材料形態は薄片
を含む粉末、箔などであり、モータに使用されるような
バルク状として直接製造することはできない。従って何
等かの方法で超急冷粉を固定化する技術が必要となる。
粉末冶金における基本的な固定化技術は常圧焼結法であ
るが、希土類−鉄系合金のような超急冷粉は、その非平
衡、或いは準安定状態に基づ(磁気特性を維持する必要
があるために常圧焼結の適用はできない。従って超急冷
粉の塑性変形を伴う固定化技術を用いなければならない
。希土類−鉄系合金の超急冷粉の場合には、例えば超急
冷粉をグラファイト製成形型のキャビティに充填し誘導
加熱方式のホットプレス法による固定化プロセスで超急
冷粉を圧着・固定し、更に塑性変形とともに界面での原
子の拡散による接合を行う固定化技術が知られている(
特開昭60−100402号公報)。この場合、固化の
程度を決めるのは超急冷粉の粘性であるが、十分粘性を
低下させるためには、少なくともその結晶化温度以上に
加熱する必要があり、600〜900℃、1〜3ton
/cm2で完全な固着が可能であるとされている。しか
し、非平衡、或いは準安定状態に基づく磁気特性を維持
するためには時間的要素を加味した手段を講じる必要が
ある。また、グラファイト製成形型キャビティでは、そ
のまま直接高度な寸法精度を確保することも、成形型の
耐久性を確保することもできない。
発明が解決しようとする課題 超急冷粉をグラファイト製成形型のキャビティに充填し
、誘導加熱方式のホットプレス法によりバルク状の希土
類−鉄系磁石を得る従来技術の欠点として、とくに次の
■〜■を挙げることができる。■成形型キャビティ中で
圧縮しても超急冷粉相互の界面でポテンシャルエネルギ
ーの低下が不十分であり、過大の圧力を必要とする。こ
のため型の耐久性に対して重大な影響を及ぼす。■成形
型キャビティに超急冷粉を充填してから、それを所定湿
度で加熱処理するための時間が昇温時間を含めると通常
数時間のオーダーになるため、バルク状磁石の生産性が
工業的に不向きであるばかりか、非平衡、或いは準安定
状態に基づ(磁気特性を維持・確保することも難しい。
■グラファイト製成形型のキャビティでは、そのまま直
接高度な寸法精度を確保することも、或いはまた型の耐
久性を確保することもできない。従ってニア・ネット・
シェイブ成形によって得たバルク状磁石を最終的に研削
加工することで高度な寸法精度を薙保しなければならな
かった。
本発明は主として上記■〜■の欠点を排除し、非平衡、
或いは準安定状態に基づく高度な磁気特性を有する希土
類−鉄系超急冷粉を、そのまま直接、迅速な固定化技術
によって磁気特性を維持しつつ、高度な寸法精度をも確
保した、例えば、モータに、そのまま実装可能なバルク
状永久磁石とする製造方法を提供しようとするものであ
る。
課題を解決するための手段 本発明は少なくとも複数の貫通孔を設けた非導電性セラ
ミックス・ダイと、それに対応する一対の電極でキャビ
ティ群を形成し、該キャビティ群に希土類−鉄系合金の
超急冷粉を充填し、一対の熱補償部材を介して全電極の
圧力軸方向断面積に200〜500 kg f / c
−の−軸の圧力を加え、10’〜10゛3Torrの真
空雰囲気を維持した状態で、当該キャビティ中の超急冷
粉を非平衡プラズマ処理して活性化し、圧着・固化し、
更に通電を行うことにより発生する熱補償部材のジュー
ル熱を全電極を介して当該超急冷粉の伝熱することによ
り超急冷粉を、その結晶化温度以上に加熱し塑性変形せ
しめ、界面での原子の拡散により特定形状を有する複数
のバルク状永久磁石とするものである。
上記、本発明において磁気特性を確保するための具備す
べき要件としては、とくに複数キャビティ中の各超急冷
粉を均一加熱するために電極のρ/sc(ρは固有抵抗
Ω口、Sは比重、Cは比熱)値を10(水準とし、熱補
償部材のρ/sc値を10″3水準とすることである。
これによりキャビティ群への通電電流の不均一性に基づ
く昇温速度の変動を熱補償部材からの熱伝導により抑制
することができるからである。また、本発明の生産性を
高めるためにはキャビティ群を形成する電極及びダイを
熱補償部材を介して圧力軸方向に多段積層した構成とす
ることが望ましい。更にまた、本発明が対象とするバル
ク状永久磁石の合金組成としては希土類−鉄系合金がY
を含む希土類元素R13〜15原子%、Coo〜20原
子%、B4〜114〜11原子Fe及び不可避不純物で
あることが好ましい。
作用 先ず、本発明の要点となる成形型構成を図面を用いて説
明する。
第1図は本発明に基づく成形型構成例であり、超急冷粉
から非平衡、或いは準安定状態に基づ(磁気特性を維持
しつつ、直接高度な寸法精度を確保した複数のバルク状
永久磁石を製造し得るものの要部外観図である。図にお
いて1は、少なくとも複数の貫通孔11〜nを設けた非
導電性セラミックス・ダイ、2al−1,2b1〜nは
非導電性セラミックス・ダイ1の複数の貫通孔11〜。
に対応する一対の電極である。ここで一対の電極2a+
〜fl、2b1〜。
は非導電性セラミックス・ダイ1の複数の貫通孔11〜
。とともにn個の複数キャビティを構成し、それぞれが
電極であるとともにアッパ・ロアポンチを兼ねるもので
ある。なお一対の電極2aI−□。
2b、〜nのキャビテイ面は窒化ポロン粉末を有効成分
とする層で被覆しておくことが望ましい。
3a、3bは一対の電極2 al−no 2 bl−n
と非導電性セラミックス・ダイ1の複数の貫通孔11−
nとともに、n個の複数のキャビティを構成した全電極
2a+−7,2b!〜。の反キャビティ面に配置した一
対の熱補償部材である。41〜nは特定のバルク状とす
べき超急冷粉である。
次に本発明の作用を上記構成の成形型により説明する。
先ず、10−1〜10′ITOrrの真空雰囲気中にて
、一対の熱補償部材3a、3bの両端面より全電極2a
1〜。、2b1〜。を介して超急冷粉41〜。
に圧力軸方同断面積当たり200〜500kXf/cI
Iiの圧縮圧力を加える。これにより超急冷粉4!〜。
のポテンシャルエネルギーが低下する。
次に超急冷粉41〜nに対して非平衡プラズマ処理を行
う。非平衡プラズマは電子温度に比べて気体温度が極め
て低い状態のプラズマである。このプラズマを発生する
には10−1〜10’Torrの減圧下、例えば直流電
圧を一対の電極2a+〜。。
2b+〜n間に印加することにより得られる。この電離
気体の中には多くの活性原子2分子、イオン。
自由電子、ラジカルなどが含まれており、電子は電界に
よって加速された結果、その電子温度104℃にもなる
が比較的質量の大きい原子種や分子種の温度は100〜
200℃程度の上昇にしかならない。固体表面の温度を
初期的に決めるのは原子、或いは分子の気体温度である
ことから超急冷粉41〜。の温度は事実上、塑性変形や
原子の拡散が生じる温度には至らない。しかし、プラズ
マ中の電子、イオン、励起種などが超急冷粉表面に物理
的影響を及ぼすことは推察できる。即ち電子、イオン、
励起種などが、ある程度の運動エネルギーをもって超急
冷粉表面に衝突することによって生じるエツチング効果
である。このエツチングはプラズマ中の活性化学種と超
急冷粉表面に付着している汚染物質や低分子化合物とが
反応して起こるものであり、これにより超急冷粉41〜
nのボンテンシャルエネルギーが更に低下する。
上記のような非平衡プラズマ処理ののち、一定の真空雰
囲気と超急冷粉41〜nへの圧縮圧力を維持したまま一
対の熱補償部材3a、3bの両端面より全電極2al〜
n+2bl〜。を介して超急冷粉41〜。
に通電を行う。
1W=0.2389 (ca l/5ee)とすれば通
電時のジュール熱による一対の熱補償部材3a、3b、
全電極2 a I−n + 2 b +−n及び超急冷
粉4夏〜。の昇温速度ΔT/Δt(℃/5ee)は0.
23891QR ΔT/Δt= πr2 Ωsc 0.23891”  ρ π”r’sc ただし、I:通電電流(A>、R:電気抵抗(Ω)、C
:熱容量(c a l/℃) 、 c :比熱(cal
/℃g)、s :比重、ρ:比抵抗(Ω(!II)。
Ω:圧力軸方向の距離(C%)、r:圧力軸方向断面の
半径(am )である。
即ち、昇温速度ΔT/Δtは(Δi)gρ/scとなり
、距離Ωには無関係であり電流密度(Δ1)(A/cd
)の二乗と比抵抗ρ(Ωcsi)に比例し、比熱c(c
al/℃g)と比重に反比例する。
超急冷粉4ト。の初期状態のρ/ s cは2.7×1
0(程度である。そこでキャビティ群を構成する全電極
2 a l−n 、2 b I−nのρ/ s cを2
.7×10’程度、或いはそれよりやや低い10−3水
準とするのである。そして全電極2a+〜n、2bl〜
nの反キャビティ面に接する一対の熱補償部材3a。
3bのρ/ s cを10″3水準とする。これにより
接触抵抗などの影響によって複数のキャビティ群に対し
て必ずしも均一に分流しない通電電流に起因する各キャ
ビティ中の超急冷粉41〜7のジュール熱に基づく昇温
速度を一対の熱補償部材3a、3bのジュール熱による
伝熱で補正することができる。
その結果、各キャビティ中の超急冷粉41〜。の均一な
昇温速度を確保することができる。具体的な電極材質と
しては超硬合金(JIS  H2SO4で規格化された
G5)を挙げることができ、一方の熱補償部材としては
グラファイト、或いはSiCにTiC+ TiN、Zn
C,WC,ZrB2 。
HfB2 、NbB2 、TaB2などを各々体積分率
で30〜50%程度添加して焼結した各種複合セラミッ
クスを挙げることができる。
上記のような通電によるジュール熱、とくに熱補償部材
3a、3bのジュール熱による伝熱で、その昇温速度を
律則された各キャビティ中の超急冷粉41〜nは、その
結晶化温度以上に加熱されることにより、それに応じて
10−1〜10’m/sec、或いはそれ以上の歪み速
度で塑性変形する。歪み速度は粘性の低下とキャビティ
中の超急冷粉4I−0の相対密度の上昇との相反する要
因によってピークを示し、次第に小さな値に移行する。
超急冷粉41〜nの相対密度90%以上での歪み速度は
既にピークを越えているが、なお通電を続ける。そして
歪み速度10″3〜Owm/ s e c以下になった
時点で通電電流を遮断すれば超急冷粉4I〜。
は、その非平衡、或いは準安定状態、及び高密度化に基
づ(高度な磁気特性を維持したn個のバルク状永久磁石
となる。
上記、通電電流遮断後の圧縮圧力と真空雰囲気の維持は
、少なくとも非導電性セラミックスダイの外表面湿度が
冷却に転じるまで行う。ここでセラミックスダイが非導
電性であることは熱伝導率が小さいことにもなり、電流
や熱の漏れを抑制し熱効率を高めることに効果的である
。なお、セラミックスダイの性質としては非導電性であ
ることのほか、耐熱衝撃性、超急冷粉4I−1に対して
不活性、耐磨耗性、低熱膨張性、高温強度、低熱容量性
などの性質が求められる。具体的なダイ材質としては窒
化珪素、或いは窒化珪素とアルミナとを複合したサイア
ロンなどを挙げることができる。
なお、バルク化した超急冷粉41〜nをキャビティ中で
冷却するこよによりセラミックスダイとは熱膨張差に基
づき離型する。また圧力軸方向の面は全電極2al〜n
、2bI−1のキャビテイ面に、例えば窒化ボロン粉末
を有効成分とする離型膜を設けておくことにより窒化ボ
ロン粉末がバルク化した超急冷粉41〜。に転写するの
で容易に離型するのである。
なお、希土類−鉄系合金の合金組成としてはYを含む希
土類元素R:13〜15原子%、Co:0〜20原子%
、B:4〜11原子%、残部Fe及び不可避不純物から
なるものが好ましい。ここでRはNdまたは/及びPr
が高保磁力を得るのでとくに望ましい。またRを13原
子%以上とした理由はRがそれより少ないと高保磁力の
超急冷粉が得られず、塑性変形抵抗が高(なり、バルク
状で高い残留磁束密度が得られないからである。
一方Rを15原子%以下とした理由はRがそれより多い
と飽和磁化の低下や希土類元素の滲みによるパリの発生
が甚だしくなるのでバルク状永久磁石の製造作業に支障
をきたすからである。Coを20原子%以下とした理由
はFeの一部をCo置換することによりキュリー温度が
高まるものの、高保磁力を確保しに(くなるからである
。Bを4〜11原子%とした理由はR2TM14 B 
(TMはFeおよび/またはCo)相に基づく磁気特性
を確保するためであり、塑性変形抵抗を極小にするため
に、とくに6原子%程度とすることが望ましい。
上記の如き合金組成を有する希土類−鉄系合金の超急冷
粉を製造する手段としてはメルトスピニング法によって
代表される既知の超急冷法による。
また、超急冷粉の粒度はとくに拘る要素ではないが53
μm以下の微粉は保磁力が低下する傾向があるので、そ
の含有量はできるだけ抑制することが好ましい。
以上により、希土類−鉄系合金の超急冷粉から、その非
平衡、或いは準安定状態、及び高密度化に基づく高度な
磁気特性を維持・確保した複数個のバルク状永久磁石を
直接実用に供することが可能な寸法精度で同時製造する
ことができる。
以下、本発明を実施例により更に詳しく説明する。
実施例1 合金組成N d 13F ess Cops Bsの母
合金をArガス雰囲気中で高周波加熱することにより溶
融状態とし、周速度的50m/seeのCu製単ロール
に噴射するメルトスピニング法により厚さ20〜3oμ
mの薄片状の超急冷粉を得た。この超急冷粉は合金が融
液状態のまま凍結したものであることをX線回折により
確認した。この非平衡状態の超急冷粉を適宜粉砕し53
〜350μmの粒度範囲とした。粒度調整した非平衡状
態超急冷粉を50kOeパルス着磁し、VSMで固有保
磁力を測定したところ5.8kOeであった。
一方、上記粒度調整した非平衡状態超急冷粉の一部を、
Arガス雰囲気中650〜700℃で熱処理した。熱処
理した超急冷粉はR2Fe、4B相がX線回折により確
認され、その50kOeパルス着磁後の固有保磁力は1
6.5kOeであった。
これを非平衡状態超急冷粉に対して準安定状態超急冷粉
とする。
上記、非平衡状態超急冷粉および準安定状態超急冷粉を
、それぞれ適宜秤量し、第1図で示した構成のキャビテ
ィ群に充填した。図において1は、径14mの貫通孔I
I〜。を設けた非導電性セラミックス・ダイ、2a+〜
。、2b1〜。は非導電性セラミックス・ダイ1の複数
の貫通孔11〜nに対応する一対の電極である。3a、
3bは一対の電極2aI〜。。
2b+〜。と非導電性セラミックス・ダイ1の複数の貫
通孔11〜nとでn個の複数のキャビティを構成した全
電極2a+〜。、2b+〜。の反キャビティ面に配置し
た一対の熱補償部材である。41〜。は特定のバルク状
とすべき超急冷粉である。但し、ここではnを10とし
た。また、一対の電極2a+〜。。
2b+−1は非導電性セラミックス・ダイ1の複数の貫
通孔11〜nとともにn個、即ち10個の複数キャビテ
ィを構成し、それぞれが一対の電極であるとともにアッ
パ・ロアポンチを兼ねるものである。
なお、第1図の成形型構成部材の中アッパおよびロアポ
ンチを兼ねる一対の電極2al〜n、2b、〜nは超硬
合金(JIS  H2SO4で規格化されたG5)また
はTiC含有量を興にするSiC/TiCの複合セラミ
ックスであり、そのキャビテイ面には予め窒化ボロン粉
末層を設けである。また非導電性セラミックス・ダイ1
はサイアロンである。一対の熱補償部材3a、3bはグ
ラファイトまたはTiC含有量を異にするSiC/Ti
Cの複合セラミックスである。
次に、上記成形型を10’ 〜1O−3Torrの真空
雰囲気とし、全電極2a+〜。、2b+〜。の圧力軸方
向投影断面積場たり200〜500bf/−の圧力で圧
縮した。そして真空雰囲気と圧縮圧力とを一定に維持し
たまま一対の熱補償部材3a、3bと全電極2at−7
,2b+−0を介してキャビティ中の超急冷粉4+−n
にパルス幅20m5 e c 、 10Vの直流電圧を
0〜90sec印加することにより非平衡プラズマ処理
をした。続いて全電極2aI−0゜2b+−9の圧力軸
方向投影断面接当たり300〜350A/−の直流電流
を40〜500SeC通電するとともに、圧力軸方向に
加熱圧縮されるキャビティ中の超急冷粉4I−1の変位
量を検出し、それを微分した歪み速度を連続的に測定し
た。通電による加熱と一定の圧縮圧力のもとて超急冷粉
41〜nは急速に粘性低下し、歪み速度が増加する。
しかし、超急冷粉4+−nの相対密度が90%を越えた
時点では歪み速度はピークを越え、相対密度の上昇に伴
って次第に小さな値になる。歪み速度10″3〜Ox/
seeの範囲で通電電流を遮断し、非導電性セラミック
ス・ダイ1の外表面温度が冷却に転じたのち真空雰囲気
と圧縮圧力を解除した。
この操作によって超急冷粉4I−1から直接、直径14
m、高さ2−のバルク状永久磁石10個を得た。
第1表は電極のρ/sc(ρは固有抵抗Ω備。
Sは比重、Cは比熱)値が10−4水準であり、熱補償
部材のρ/ s c値が10′3水準である構成例にお
ける非平衡プラズマ処理時間と固有保磁力の関係を示す
。表から明らかなように非平衡プラズマ処理によって非
平衡状態超急冷粉および準安定状態超急冷粉の双方とも
にバルク状永久磁石の固有保磁力を15kOe以上とす
ることができる。
以下余白 第2表は電極のρ/ s c値が10−3〜10(水準
であり、熱補償部材のρ/ s c値が10−3〜10
(水準である構成例における通電電流所要時間と固有保
磁力、残留磁束密度との関係を示す。
表から明らかなように本発明例である電極のρ/sc(
ρは固有抵抗Ωc+a+sは比重、Cは比熱)ち 値が10″4水準であり、熱補償部材のρ/ s c値
が10−3水準である構成の場合が通電所要時間が比較
的短く、しかも磁気特性の安定したバルク状永久磁石と
なる。
以下余白 第2表中、電極のρ/ s c値が10(水準であり、
熱補償部材のρ/ s c値が10−3水準である本発
明例にかかるバルク状永久磁石の外径寸法精度は14.
000±0.01+wa以内であり、高さ寸法は2.0
0±0.05■、密度は7.68〜7.70g/−であ
った。
実施例2 次に、実施例1の場合と同一製造条件でキャビティ群を
形成する電極及びダイを熱補償部材を介して圧力軸方向
に2段積層した。得られたバルク状永久磁石は1回の成
形で20個であるが、通電電流の所要時間、バルク状永
久磁石の磁気特性。
寸法精度、密度などの諸性質は実施例1で示した場合と
同じものであった。
発明の効果 本発明は特定の合金組成を有する希土類−鉄系合金の超
急冷粉から、直接複数個のバルク状永久磁石を得る製造
方法に関するものである。このバルク状永久磁石は特定
の合金組成の原料を溶融し、インゴットにしたのち、こ
れを粉砕して所定の粒度の合金粉末としたのち、磁場中
で所定形状に成形し、得られた成形体を常圧焼結し、熱
処理を施すという所謂常圧焼結法に比較すると磁気特性
では残留磁束密度が低いが磁気的に等方性であり、例え
ばラジアル方向着磁に適しているし、研削加工が不要で
あるから製造工程が単純である。
また、同時に理論密度に近い複数個の最終的なバルク状
永久磁石が得られるので樹脂磁石と同等な生産性を確保
することができる。しかも樹脂磁石に比較すれば遥かに
優れた磁気特性が得られるのである。以上のように本発
明は特定の合金組成を有する希土類−鉄系合金の超急冷
粉から、直接複数個のバルク状永久磁石を得る製造方法
を初めて提供するものであり、その工業的価値は大きい
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかる型の構成例を示す図である。 1・・・・・・非導電性セラミックス・ダイ、2al〜
n。 2b+〜。・・・・・・電極、3a、3b・・・・・・
熱補償部材、4I−1・・・・・・超急冷粉。 第 r″j 1−−−−〜→t5傳電イ・1三。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少なくとも一つの貫通孔を設けた非導電性セラミ
    ックス・ダイと、それに対応する一対の電極でキャビテ
    ィ群を形成し、該キャビティ群に希土類−鉄系合金の超
    急冷粉を充填し、一対の熱補償部材を介して全電極の圧
    力軸方向断面積に200〜500kgf/cm^2の一
    軸の圧力を加え、10^−^1〜10^−^3Torr
    の真空雰囲気を維持した状態で、当該キャビティ中の超
    急冷粉を非平衡プラズマ処理して活性化し、圧着・固化
    し、更に通電により発生する熱補償部材のジュール熱を
    全電極を介して超急冷粉へ伝熱することにより超急冷粉
    を、その結晶化温度以上に加熱し、塑性変形せしめ、界
    面での原子の拡散により特定形状の複数バルクとする希
    土類−鉄系磁石の製造方法。
  2. (2)電極のρ/sc(ρは固有抵抗Ωcm、sは比重
    、cは比熱)値が10^−^4水準であり、熱補償部材
    のρ/sc値が10^−^3水準である請求項1記載の
    希土類−鉄系磁石の製造方法。
  3. (3)キャビティ群を形成する電極及びダイを熱補償部
    材を介して圧力軸方向に多段積層した構成とする請求項
    1記載の希土類−鉄系磁石の製造方法。
  4. (4)希土類−鉄系合金がYを含む希土類元素Rが13
    〜15原子%、Coが0〜20原子%、Bが4〜11原
    子%、残部Fe及び不可避不純物からなる薄片である請
    求項1記載の希土類−鉄系磁石の製造方法。
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