JPH0353361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は溶融稀土類遷移金属合金を急速に固化
する改良された高収率方法に関する。一層詳しく
言えば、本発明はこのような溶融合金をプラズマ
吹き付けしてほぼ非晶質から超微細結晶までの微
細構造の微細粒子を形成する方法に関する。

（従来技術及び発明が解決しようとする問題点） 高エネルギ類の稀土類・鉄ベースの永久磁石に
ついての発明は高収率・低コストの製造方法の必
要性からなされた。

米国特許第4496395号、ヨーロツパ特許出願第
0108474号および第0144112号は、すべて、この新
しい種類の稀土類・鉄（RE−Fe）含有永久磁石
に関するものである。好ましい磁石組成として
は、軽稀土類（RE）元素のネオジムまたはプラ
セオジムあるいはこれら両方、遷移金属（TM）
または鉄とコバルトの混合物、そして、ホウ素
を、かなりの量の磁気的に硬化可能な
RE₂TM₁₄B相が存在するような相対量で含むも
のである。

このような磁石を製造する好ましい方法は、固
形合金の原子配列領域が最適単磁性領域サイズ
（約400ナノメータ）より小さいかあるいはほぼ等
しくなるように溶融合金を急速に固化することで
ある。さらに上記のヨーロツパ特許出願およびヨ
ーロツパ特許出願第0133758号に開示されている
ようなアニール、プレスあるいは熱間加工などの
別の処理を行なつて、約45メガガウスエールステ
ツドのエネルギ積を持つRE−Fe−Ｂ磁石を製造
していた。

急速固化方法の１つはジエツトキヤステイング
法（jet−casting）あるいは溶融紡糸法である。
この方法では、溶融合金を小さなオリフイス（約
0.025〜0.05インチ、0.635〜1.27mm）を通して急
速回転している急冷ホイールに噴出させる。溶融
合金はほぼ瞬時に冷却されて所望のほぼ非晶質か
ら超微細結晶までの微細構造を有する非常に薄く
て脆いリボンとなる。

溶融紡糸に伴なう問題は使用しているオリフイ
スが摩耗しがちであり、長期間の稼働で径が大き
くなつてしまうということにある。別の問題とし
ては、ジエツトキヤステイング用タンデイツシユ
に供給するのに一定の溶融合金源を必要とすると
いうことである。また、小径のオリフイスが不溶
性汚染物で詰まるのを防ぐために精製度の高い合
金を使用する必要もある。

稀土類・鉄ベースの合金を急速に固化する高処
理量の方法が望まれていた。このような方法の１
つは、「ジヤーナルオブメタルズ（Journal of
Metals）」1984年４月号、第26頁第20〜33行に掲
載された、エス・ジエー・サベイジ（S.J.
Savage）、エフ・エイチ・フローズ（F.H.
Froes）共著の論文「急速冷却された金属および
合金の生成（Production of Rapidly Solidified
Metals and Alloys）」に記載されているプラズ
マ吹き付け付着法である。

プラズマ・ガンまたはプラズマ・トーチは、一
般的には、非消耗性のアノードとカソードからな
る。これらの電極間に電気アークが生じ、ガスを
イオン化してイオン・プラズマを生成する。プラ
ズマ吹き付け付着法というのは液状あるいは粉末
状の金属素材をプラズマ内に噴射し、高速で基体
に向つて噴射する方法である。噴射した金属は基
体上に付着する。吹き付けガンの作動毎に約0.1
mm厚の層が付着する。一時間あたり10ポンドすな
わち4.5Kgもの量が40KWattプラズマ・トーチを
通して処理され得る。もつと出力の大きいトーチ
を使用すれば処理量も増大する。

このプラズマ付着法が熱伝導性の金属バツキン
グ上に付着した薄膜（約0.2mm未満）を除いて、
急速固化したRE−Fe磁石を製造するのにはまつ
たく適していないことがわかつた。プラズマ・ト
ーチの動作を繰り返すと、下層の材料が過剰に焼
なましされる傾向がある（すなわち、かなりの結
晶成長が生じる）。この問題はRE−Fe組成物が
あまり良くない熱伝導体であり、トーチで発生し
た熱を付着合金から伝達できず、ほぼ非晶質から
微細結晶までの微細構造を生じさせることができ
ないことから起きる。溶融素材の小滴を固化させ
たりあるいはその軌道を変えたりすることなく充
分な圧力でプラズマ噴流内に横方向に不活性ガス
噴流を吹き込む「クロス・ブラステイング
（cross blasting）法」は冷却不足（過焼なまし）
の問題を解決しないことがわかつた。

（問題を解決するための手段） 本発明の好ましい実施例によれば、プラズマ・
トーチは非酸化性雰囲気を有する制御された雰囲
気室内に設置してある。アークはトーチのアノー
ドとカソードの間に発生し、アルゴンとヘリウム
の４：１の混合物のようなアーク・ガスのプラズ
マが発生する。プラズマを維持するに充分なアー
ク・ガス量がトーチに絶える給送される。

プラズマ発生後、RE−Fe含有合金の小粒子が
アルゴンのような不活性ガスの流れに乗せてプラ
ズマ内に運ばれる。これらの粒子は高温のプラズ
マ内でただちに融解し、その火炎内で約400m／
secの速度まで加速される。

プラズマ火炎は、中心軸線まわりに急速回転し
ている熱伝導性急冷シリンダの内壁面に向けられ
る。不活性ガス（好ましくは、液化ガス）の小流
を、プラズマ・トーチからの火炎と干渉しない位
置でシリンダの内壁面に連続的に吹き付ける。

急冷シリンダの回転はその内壁面付近に冷たい
ガスあるいは流体またはそれら両方の薄い層を生
じさせる。溶融合金の粒子はこの層を通して推進
され、壁面に衝突して冷却され、遠心力によつて
瞬時そこに保持されてから壁面を流れ落ち、回収
される。冷たい流体層の存在により、合金粒子の
充分急速な固化が促進され、ほぼ非晶質から微細
結晶までの微細構造の合金を得ることができる。
このように冷却された粉末は磁石を製造するのに
望ましいものである。

さらに、冷たい流体はシリンダの冷却面を絶え
ず冷却し、過剰な加熱や望ましくない冷却率低下
を防ぐ。また、冷却面を潤滑して高温高速の合金
粒子の付着を防止する。これらの特徴によれば、
プラズマ吹き付け冷却方法を連続的に実施するの
を可能とする。また、一時間あたり100ポンド以
上の生産能力を持つた高出力プラズマ・トーチを
使用することができる。このプラズマ吹き付け冷
却方法からの製品は、磁石の形状に結合、プレス
あるいは熱形成することのできる非常に微細な粒
子の微細構造を持つた微粉末である。

（実施例） 以下、添付図面を参照しながら本発明を説明す
る。

第１図を参照して、本発明の好ましい具体例に
よれば、プレート２がカラー４にボルト止めして
あり、このカラーはプラズマ・トーチ８のボデー
６を囲んでいる。プレート２はスライダ１０に止
めてあり、このスライダ内にはピニオン歯車（図
示せず）が設置してあり、ノブ１２を回転させる
ことによつてスライダを横部材１６上でラツク１
４に沿つて移動させることができる。横部材１６
の端部１８，２０は、垂直支持体２６，２８上に
それぞれ支持された垂直スライダ２２，２４上に
枢着してある。垂直スライダは締付けボルト（図
示せず）の端にあるノブ３０，３２を緩めること
によつて移動させることができる。垂直支持体２
６の基部３４はプラズマ吹き付け室の軟鋼製床３
６上の所望部位に動かしてそこに保持することの
できる永久磁石であつてもよい。垂直支持体２８
は基部３８内で回動する。プラズマ・トーチ８は
ノブ１２，３０，３２および基部３４を調節する
ことによつて所望の部位に位置決めすることがで
きる。

プラズマ・トーチ８は電気ケーブル４０，４２
を備え、これらの電気ケーブルは適当な電源に接
続してある。正荷電されたノズル４６、電極４７
がそれらの間のプラズマにあてるためのアークを
発生する。プラズマ・アークを発生するためのガ
スを運ぶチユーブ４４がトーチ・ノズル４６内に
運ばれる。冷却流体移送管路４８も接続してあつ
てノズル内に冷却材の流れを与える。チユーブ５
０は、RE−TM粒子をチユーブ６０に供給し、
プラズマ・トーチ火炎５４中に噴射するために設
けてある。粒子送り用チユーブ６０はノズル出口
５２から或る距離のところに設置してあつて、粒
子がプラズマ・トーチ火炎５４の所要部分に噴出
するようにしてある。

トーチ８は電源を入れると作動して、冷却管路
４８を通して冷水のような冷却材を送ると共にガ
スプラズマ・トーチ火炎５４を発生させ、チユー
ブ６０を通してプラズマ・トーチ火炎中にRE−
TE粒子を噴射する。適当な作動パラメータを以
下に説明する。

本発明は、特に、回転する急冷シリンダ６４の
内面６２にプラズマ火炎からRE−TM組成物の
溶融粒子を衝突させることに関する。液化極低温
ガスは液化ガス源７０から弁６８を経て給送チユ
ーブ６６を通して冷却シリンダ６４に噴射され
る。これは内面６２にすぐ隣接して冷たいガスの
層を形成する。ここで、アルゴンのような比較的
重い不活性ガスを用いてRE−TM合金との反応
を防ぐと共に、回転急冷シリンダ６４で発生した
遠心力が内面６２付近にガスの層を保持すること
ができると好ましい。このガス層の存在は、急冷
シリンダを絶えず冷却して粒子から冷却シリンダ
６４への熱伝達を促進して、そして、プラズマ吹
き付けの衝突冷却した粒子７２がシリンダに付着
するのを防止することによつて急速固化方法を改
善する。ガス量は粒子の回収も容易にする。

急冷シリンダ６４は空気圧モータ７４によつて
回転させてもよい。急冷シリンダ６４から、衝突
冷却した粒子を絶えず取り出す手段（図示せず）
を設けてもよい。プラズマ吹き付け法は非酸化性
雰囲気内で行なわなければならない。これはトー
チ８および急冷シリンダ６４を密閉した雰囲気制
御室内に保持することによつて達成し得る。

第１図の急冷シリンダ６４は垂直壁と張出しリ
ツプ部を有する。最良の結果が中実の銅シリンダ
を用いて得られたが、他の金属でも問題ない。第
２図は外方へ傾斜する壁８２を有する別の適当な
急冷シリンダ８０を示している。このシリンダで
冷却した微小片は壁面をずり上がり、側部に落ち
る傾向がある。第３図は内方に傾斜した壁８６と
張出しリツプ部８８とを有する急冷シリンダ８４
を示している。このシリンダで冷却した微小片は
シリンダ内部に留まり、その底縁に沿つて集まる
傾向がある。

製造中、処理変数は最適な結果を得られるよう
に調節することができる。これらの変数として
は、トーチに与える電力レベル、電力供給率、急
冷シリンダ回転率、冷却ガス／液体流量、プラズ
マ・ガス組成、急冷面からのトーチ・ノズルの距
離、冷却面に対するプラズマ火炎の角度、室内雰
囲気、ノズル冷却材流量がある。このようなパラ
メータは当業者であれば、特に以下に説明する特
別の実施例から容易に調節できる。

例 第１図に概略的に示すように、メトコ・イン
ク・10MBプラズマ吹き付けガン（Metco（R.T.
M）、Inc.10MB Plasma Spray gun）を真空室
内に設置した。トーチは最大出力80kWattであ
り、約マツハ２の粒子放出速度を持つ。内径26
cm、厚さ6.35mm、高さ10.2cmの中実の真円円筒状
の銅製急冷シリンダを真空室の床上方に回転可能
に装着した。このシリンダは可変行程液圧モータ
によつて毎分1000回転の最高速度で回転させるこ
とができた。

真空室は6.66×10^-4Pa（５×10^-6torr）の真空
に排気し、次いで、乾燥アルゴンガスを１気圧の
ちようど上の圧力まで充填した。真空室の圧力は
作業中に真空室から大気にアルゴンを逃がすこと
によつて維持したが、所望に応じてガスを再循環
させてもよい。トーチ・ノズルを通して冷却水を
流した。乾燥ヘリウムガスと乾燥アルゴンガス
は、それぞれ、2.83cmｈ、1.41cmｈ（立方センチ
メートル毎時）（100、50cfh（立方フイート毎時））
の率でノズルに給送した。トーチは48kWattで作
動させ、ノズルは冷却面から約17.8cm（７イン
チ）のところに設置した。325メツシユのNd₁₃
（Fe_0.95B_0.05）₈₇合金の粒子を約9.0Kg／hr（20lbs／
hr）の給送率でアルゴンガス内のプラズマ内に運
んだ。プラズマは垂直面に対して約30度の角度で
噴射された。液化アルゴンガスは689.5kpa
（100psi）の圧力、1.35Kg／min（31bs／min）の
流量で可撓性銅チユーブを通して給送した。チユ
ーブ出口は回転シリンダの急冷面の半分の高さに
狙いを定めた。

こうして得た結晶の粒度は50ナノメータ未満で
あつた。冷却したパンケーキ形の粒子の平均粒度
は約100〜500マイクロメータであつた。これらの
粒子は最適な範囲寸法の粒子（約400ナノメータ）
より小さいので、焼なましで粒子成長を生じさせ
た。これらの粒子は溶融紡糸された材料について
報告されたものほど良好でない永久磁石特性を示
したが、これは吹き付け室内での過剰な酸素およ
び水で生じるプラズマ吹き付け粉末の腐蝕に鑑み
て許容できる。

ここに説明したプラズマ吹き付け冷却法の重要
な利点は、長いリードタイムなしに装置を容易に
始動、使止して合金インゴツトを融解できるとい
うことにある。さらに、この方法は素材合金の不
純物に対する感度が低い。

【図面の簡単な説明】

第１図はRE−TM粉末と液化ガスを回転冷却
シリンダの内面に吹き付けて急速に固化したフレ
ークを作るための制御された雰囲気室の概略図で
ある。第２図および第３図は別の冷却シリンダの
デザインを示す横断面図である。 図において、２…プレート、４…カラー、６…
ボデー、８…プラズマ・トーチ、１０…スライ
ダ、１２…ノブ、１４…ラツク、１６…横部材、
２２，２４…垂直スライダ、２６，２８…垂直支
持体、３０，３２…ノブ、４４…チユーブ、４６
…ノズル、４７…電極、４８…冷却流体移送管
路、５０…チユーブ、５２…ノズル出口、５４…
火炎、６０…チユーブ、６４…急冷シリンダ、６
６…給送チユーブ、６８…弁、７０…液化ガス
源、７２…粒子、７４…モータ、８０…急冷シリ
ンダ、８４…急冷シリンダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属を融解し、次いで急速に固化させる方法
   であつて、 前記金属をプラズマトーチ８の火炎５４内に導
   入して溶融する段階と、 トーチ火炎５４を回転する急冷シリンダ６４の
   冷却された内面６２に向けて、この内面６２に対
   して前記トーチ火炎で運ばれた溶融金属を固化さ
   せる段階と、 シリンダの前記内面６２に隣接して前記急冷シ
   リンダ６４内に非酸化性液化ガスを連続的に導入
   し、前記内面６２に該液化ガスの層を形成する段
   階と、 から成り、トーチ火炎５４で運ばれた溶融金属
   を、ほぼ非晶質から超微細結晶までの微細構造を
   有する金属粉末７２が得られるようにし急冷シリ
   ンダ６４の前記冷却された内面６２に付着しない
   ようにした率で、シリンダの冷却された内面に対
   して固化させることを特徴とする方法。 ２ 請求項１に記載の方法において、前記金属が
   稀土類遷移金属含有合金であることを特徴とする
   方法。 ３ 請求項２に記載の方法において、前記合金が
   永久磁石を製造するためのプラセオジム・鉄・ホ
   ウ素あるいはネオジム・鉄・ホウ素またはこれら
   両方を含有する合金であり、この合金の粉末を前
   記プラズマトーチ８の火炎５４内に導入し該火炎
   内で融解する段階を包含することを特徴とする方
   法。 ４ 請求項２に記載の方法において、前記非酸化
   性ガスが急冷シリンダ６４内に液体の吹き付け材
   料として導入した液体極低温ガスであることを特
   徴とする方法。 ５ 請求項２に記載の方法において、回転する前
   記急冷シリンダ６４の冷却された内面６２が底部
   から頂部にかけて外向きに傾斜していることを特
   徴とする方法。 ６ 請求項２に記載の方法において、回転する前
   記急冷シリンダ６４の冷却された内面６２が頂部
   から底部にかけて内向きに傾斜していることを特
   徴とする方法。