JPH08264309A

JPH08264309A - 希土類永久磁石およびそれを用いた磁気回路

Info

Publication number: JPH08264309A
Application number: JP7069694A
Authority: JP
Inventors: Fumio Takagi; 富美男高城
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】希土類永久磁石を用いた高速回転モータ、大
型磁気回路の機械的強度、耐候性における信頼性を改善
する。【構成】Ｒ（ただしＲはＹを含む希土類元素のうち少
なくとも１種），Ｆｅ，Ｂを原料基本成分とし、好まし
くはＣｕ、Ｇａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｎ
のうち少なくとも１種を原子比で０．１〜３％含む合金
と、鉄鋼材料または鉄基合金との界面にＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ相
またはＲ₂Ｆｅ₁₇相を形成し、一体化する。また、接合
する材料として軟磁性体を用い磁気回路を構成する。【効果】高速回転するモータや大型の磁気回路を組み
立てる際の工程を大幅に簡略化し、機械強度や耐候性に
おける信頼性を著しく向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、希土類永久磁石、特に
Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石およびそれを用いた、モータ用
構造体や磁気回路にに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在使用されている永久磁石のうち代表
的なものはアルニコ系鋳造磁石、フェライト磁石及び希
土類−遷移金属系磁石である。特に、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系永
久磁石は、極めて高い保磁力とエネルギー積を持つ永久
磁石として、従来から多くの研究開発がなされている。
その製造方法には、磁石合金の粉末を磁場中に圧縮成形
した後に焼結する方法（例えば、特開昭５９−４６００
８号公報）、急冷薄帯を温間加工により配向させる方法
（例えば、特開昭５９−２１１５４９号公報）、鋳造
合金を熱間加工ににより配向させる方法（例えば、特開
昭６２−２７６８０３号公報）がある。

【０００３】一般に、希土類永久磁石は、軟磁性材料と
組み合わせて磁気回路を構成して用いられ、その固定に
は接着剤が用いられることが多い。また、その他の固定
方法に関しては、熱間加工によってヨークとなる軟磁性
体と磁石合金を圧接により一体化する方法（特開平１−
１７１２１９号公報、特開平２−４０９７号公報、特開
平２−４０９９号公報、特開平２−４１００号公報、特
開平２−７８４５号公報、特開平２−７８５５号公報）
やメッキとろう付けにより固定する方法（特開昭５６−
７４１０号公報）が開示されている。また、焼結法の場
合には焼結時に異種材料を磁石と一体化する方法（特開
昭６２−２６４６０９号公報、特開昭６２−２６５７１
２号公報）が開示されている。

【０００４】また、単ロール法やアトマイズ法で得られ
た磁石粉末を圧密化した後、または圧密化と同時に異種
金属の板と拡散接合する方法（特開平１−２０４４０３
号公報、特開平１−２２６１２４号公報）、磁石合金が
低融点の粒界相を含み、それにより磁石どうしあるいは
磁石とヨークとを融着する方法（特開平６−３０２４１
７号公報、特開平６−３０２４４９号公報、特開平６−
３０２４５０号公報、特開平６−３０２４５１号公報）
が開示されている。

【０００５】以上すべての従来技術おいて、界面にどの
ような反応相が形成されるかについては、まったく記載
されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】希土類磁石と軟磁性体
の接合部は、高速回転するモーターや大型の磁気回路を
必要とするＭＲＩなどの分野で、非常に大きな強度が必
要になる。従来の接着剤によって固定された磁石は、温
度や湿度、薬品との反応など耐候性における信頼性に問
題があった。

【０００７】上記の焼結や急冷粉を用いる製造方法で
は、大型の磁石をつくることが困難であり、そのような
大型の用途に対しては複数のブロックを接着して組み立
てるという方法をとっていた。このような磁石は非常に
もろいため、組立作業において割れ、カケが起こりやす
いという問題があった。メッキ後ろう付けした磁石は、
接合する金属の種類に制約があるという問題があった。
融着や拡散接合による方法は、その物理現象が不明確な
ため、そのような磁石の接合強度は不安定であった。ま
た、熱間加工により一体化した磁石および磁気回路は、
形状に制限があった。さらに、熱間加工や接合のための
熱によって磁石の磁気特性が低下してしまうという問題
があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｒ-Ｆｅ-Ｂ系
永久磁石と鉄鋼材料や鉄基合金を密着して高温で保持し
接合することにより、構造体や磁気回路の強度を高め、
上記の課題を解決するものである。

【０００９】具体的には、Ｒ（ただしＲはＹを含む希土
類元素のうち少なくとも１種），Ｆｅ，Ｂを原料基本成
分とし、好ましくはＣｕ、Ｇａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉ
ｎ、Ａｌ、Ｓｎのうち少なくとも１種を原子比で０．１
〜３％含む合金と鉄鋼材料または鉄基合金との界面にＲ
₂Ｆｅ₁₄Ｂ相またはＲ₂Ｆｅ₁₇相を形成し、一体化すると
いうもの、および接合する材料として軟磁性体を用いた
磁気回路である。

【００１０】以下、本発明について詳しく説明する。本
発明は、磁石を固定するための融着や拡散接合による従
来方法を改良し最適化したものである。その接合原理と
しては、Ｒリッチ相と呼ばれる粒界相が溶融している温
度領域で、液相中のＲと接合金属中のＦｅとが反応し金
属間化合物を生成することを利用して行なわれる。した
がって、本発明は半溶融金属と固体金属との反応である
ことや、複数の元素が金属学的に固溶した合金層を形成
しないことから、従来の融着やろう接、拡散接合とは異
なるものである。

【００１１】液相と固相の反応により界面に金属間化合
物を生成し金属的に接合する現象は、かなり特殊ではあ
るが拡散接合の１つと見ることもできる。互いに固溶し
ない２種類の金属が、２相混合状態とならずに金属間化
合物を生成する場合に類似している。現段階では、その
反応を状態図や拡散の理論から説明することはできてい
ないが、Ｒ₂Ｆｅ₁₇相またはＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ相どちらか、ま
たは両方の金属間化合物を界面に生成することによっ
て、金属的な接合状態が得られていることが実験により
明らかとなった。

【００１２】金属間化合物はもろいため、クラッド材の
製造など従来の拡散接合や圧力接合においては、その生
成を避けるというのが一般的であった。本発明の場合
は、希土類磁石が金属間化合物を主成分とするものであ
るから、接合面に磁石本体と同等の強度をもたせること
を目的とするものであり、この点が従来技術と異なって
いる。液相の介在により反応性が高く密着性に優れてお
り、圧接のように塑性変形を与える必要はない。Ｃｕ，
Ｇａ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｉｎ，Ａｌ、Ｓｎ等を添加す
ることは、粒界相の融点を低下させるため、反応を促進
する効果がある。添加量としては原子比で０．１％以上
必要であるが、３％を越えると磁性相が少なくなって磁
束密度が低下するため、０．１〜３％の範囲がよい。

【００１３】希土類磁石と接合する鉄鋼材料や鉄基合金
は、その目的とする機能に応じて選ぶことができる。鉄
鋼材料としては、炭素鋼、けい素鋼、ステンレスを含む
合金鋼などがあり、軟磁性体では、ＮｉやＣｏを含む鉄
基合金や、けい素鋼板、純鉄、Ａｌ−Ｆｅ合金などがあ
るが、基本成分として鉄を含んでいればよい。

【００１４】接合温度は上記添加元素の効果により４５
０℃〜１１００℃で可能であるが、６００℃以下では界
面の反応が遅いため、接合強度がやや低い。１０５０℃
以上では磁石の粒径が粗大化して磁気性能が低下してし
まうため、６００℃〜１０５０℃が好ましい。界面に生
成する金属間化合物の種類や量は、温度や接合する金属
の組成によって異なるため、強固な接合を行うためには
接合する金属の種類に応じて、温度や時間を設定する必
要がある。例えば、純鉄や低炭素鋼と拡散接合する場
合、８００℃以上ではＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂの生成が活発で接合
強度は強くなるため、８００〜１０５０℃がより好まし
い。

【００１５】時間は０．５〜１０時間が適しており、こ
れより長くしても接合強度はあまり変わらない。表面の
酸化を防ぐためにアルゴンのように非酸化性雰囲気中で
処理する必要がある。また、密着性を上げるために表面
の平滑度や圧力も必要であるが、圧力をかける場合には
磁石合金が半溶融状態にあって変形抵抗が著しく低いこ
とから、変形しないように注意する必要がある。

【００１６】鋳造・熱間加工によってつくられる磁石
は、本来すぐれた機械強度、耐衝撃性を有し、大型の磁
石を大量生産することが可能なため、本発明のような構
成をとることによりさらに効果的である。また、本来低
融点の粒界相を有することは、このような鋳造および熱
間加工法でつくられる磁石の特徴であり、接合反応が容
易である。また、機械加工性が良好なため、穴開け、ね
じ切りなどが容易で、接合の補強としてネジ止めするこ
ともできる。組立工程も簡略化される上に、従来の接着
による方法に比べて信頼性が著しく向上する。

【００１７】希土類永久磁石は、高い磁気特性を得るた
めに熱処理を行う必要がある。接合を行うために１００
０℃付近の温度で保持した場合、磁石の保磁力はやや低
下するが、さらに５００〜８００℃で熱処理を行うと磁
気特性が回復する。軟磁性体も熱処理を必要とする場合
もあり本来の性能を確保するために熱処理は有効であ
る。接合が十分に行われ、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ相が界面に生成
して強固な接合がされていれば、その後の熱処理によっ
てその強度が減少することははほとんどない。希土類永
久磁石の最適な熱処理条件は、その組成によって異なる
ので最適化が必要である。

【００１８】

【実施例】

（実施例１）焼結法によりＮｄ₁₅Ｆｅ₇₇Ｂ₈の組成の磁
石を作製し、ブロックから引張試験用のサンプルを切り
出し、引張試験を行った。サンプルはダンベル状で平行
部の形状は、断面が３ｍｍ角で長さが２０ｍｍとした。
その結果は平均で８ｋｇ／ｍｍ2であった。次に大きさ
２０×２０×４０ｍｍの磁石と純鉄のブロックを、２０
×２０ｍｍの面を密着させて固定し、アルゴンガス雰囲
気で９００℃に加熱し１５分保持した後に冷却した。磁
石と純鉄の界面が平行部の中心になるように上記形状の
引張試験用のサンプルを切り出し、引張試験を行った。
さらに、９００℃における保持時間を１時間、３時間、
１０時間行ったものについても同様に評価を行った。そ
の結果を図１に示す。また、温度を４００℃、６００
℃、８００℃、１０００℃、１１００℃の各温度におい
て３時間保持した場合についても同様の評価を行った。
その結果を図２に示す。

【００１９】保持時間が１時間以下では、接合界面で破
断しており接合強度が十分ではなかったが、３時間、１
０時間保持した場合は接合界面ではなく磁石本体で破断
が起こっており、接合界面が磁石本体と同等かそれ以上
の強度を有することがわかる。接合界面を光学顕微鏡お
よびＥＰＭＡで調べた結果、０．２５時間では反応層は
ほとんど見られなかった。１時間でもＮｄ₂Ｆｅ₁₇とＮ
ｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂがごくわずかに生成していたが、その厚さ
が不十分で、さらに未反応部が残留し接合強度を下げて
いることがわかった。３時間、１０時間保持した試料の
界面は、垂直な方向に、純鉄−Ｎｄ₂Ｆｅ₁₇−Ｎｄ₂Ｆｅ
₁₄Ｂ粗大粒−磁石本体の順に各相が層状に構成されてお
り、界面が純鉄側に移動しているのが見られた。Ｎｄ₂
Ｆｅ₁₇は層状でその厚さは約３μmであった。Ｎｄ₂Ｆｅ
₁₄Ｂは粒径約３０μmの粗大粒が界面に沿って並び１つ
の層のようになっていた。

【００２０】加熱温度４００℃では界面に未反応部分が
多く見られ、反応層は形成されていなかった。１１００
℃では磁石組織の粒径が粗大化していた。６００℃では
Ｒ₂Ｆｅ₁₇相がわずかに生成していが、未反応部分が多
く残留していた。８００℃、１０００℃では良好な接合
状態であった。

【００２１】（実施例２）アルゴン雰囲気中でＰｒ₁₇Ｆ
ｅ_77.5Ｂ₅Ｃｕ_1.5なる組成の合金を溶解し、鋳造した。
この鋳造インゴットを低炭素鋼のカプセルに入れ、脱気
し、密封して、９５０℃に加熱して圧延を施した。この
時、最終的な板圧減少率が７６％になるようにした。

【００２２】低炭素鋼のカプセルを取り除いて得られた
圧延磁石から、実施例１と同じ形状の引張試験用試料を
切り出し引張試験を行なった。その結果、破断強度は平
均で３０kgf/mm2であった。

【００２３】次に、この磁石から２０×２０×４０ｍｍ
のサンプルを切り出し、２０×２０ｍｍの面に同形状の
数種類の金属を密着して固定し、アルゴンガス雰囲気中
９００℃で３時間保持し接合させた。磁石と接合金属の
界面が平行部の中心になるように前記形状の引張試験用
試料を切り出し引張試験を行ったところ、すべてのサン
プルは接合部ではなく磁石部で破断した。その結果を表
１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】接合界面を光学顕微鏡およびＥＰＭＡで調
べた結果、その量に差はあるものの、すべてのサンプル
においてＰｒ₂Ｆｅ₁₇およびＰｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂが見られた。
このように、鋳造・熱間加工法でつくられた磁石でも鉄
鋼材料や鉄基合金との接合が可能で、焼結法で作られた
磁石よりも構造体や磁気回路全体として、機械的強度が
高いものが作製可能である。

【００２６】（実施例３）実施例２と同様の方法によ
り、表２に示すような組成を有する圧延磁石を作製し
た。そこから引張試験用のサンプルを切り出し、引張試
験を行った。さらに２０×２０×４０ｍｍのブロックを
切り出し、２０×２０ｍｍの面に同形状の純鉄のブロッ
クを密着して固定し、アルゴンガス雰囲気中９００℃で
３時間保持し接合させた。磁石と接合金属の界面が平行
部の中心になるように前記形状の引張試験用試料を切り
出し引張試験を行った。磁石本体と接合界面の引張強度
の比を引張強度比として表２に示す。すべてのサンプル
において破断は磁石部分でおこっており、引張強度比は
ばらつきがあるものの、ほとんど１に近いことから、接
合部は磁石本体と同等の強度を有することがわかる。

【００２７】

【表２】

【００２８】以上のように、磁石と鉄系金属との界面に
金属間化合物の反応層を十分に形成することにより、そ
の界面の接合強度は非常に強くなることがわかる。

【００２９】さらに、同様の方法により接合強度と添加
量の関係について調べた。上記の方法でＰｒ₁₇Ｆｅ_bal
Ｂ_5.2の合金に対しＣｕ添加量を変えた合金を作製し、
その合金と純鉄の接合部の引張強度、磁気特性を測定し
た。その結果を表３に示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】Ｃｕを０．１％以上添加することによって
接合強度は向上するが、３％を越えると、残留磁束密度
（Ｂｒ）が低下し実用的でない。

【００３２】

【発明の効果】如上のごとく本発明は、希土類永久磁石
をヨークまたは構造体となる鉄鋼材料および鉄基合金に
強固に固定したものであって、高速回転するモータや大
型の磁気回路を組み立てる際の工程を大幅に簡略化する
だけでなく、機械強度や耐候性における信頼性を著しく
向上させるものである。また、鋳造、熱間加工法によっ
てつくられる希土類永久磁石を用いることにより、大型
の磁石を用いた磁気回路の構成が可能であって、機械的
強度がより一層向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁石と純鉄の接合部の引張強度と保持時間の関
係を示すグラフ。

【図２】磁石と純鉄の接合部の引張強度と保持温度の関
係を示すグラフ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｒ（ただしＲはＹを含む希土類元素のう
ち少なくとも１種），Ｆｅ，Ｂを原料基本成分とする合
金と鉄鋼材料または鉄基合金との界面に、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ
またはＲ₂Ｆｅ₁₇を形成し、一体化していることを特徴
とする希土類永久磁石。
【請求項２】Ｒ（ただしＲはＹを含む希土類元素のう
ち少なくとも１種），Ｆｅ，Ｂを原料基本成分とし、Ｃ
ｕ、Ｇａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｓｎのうち
少なくとも１種を原子比で０．１〜３％含んでいること
を特徴とする請求項１記載の希土類永久磁石。
【請求項３】Ｒ（ただしＲはＹを含む希土類元素のう
ち少なくとも１種），Ｆｅ，Ｂを原料基本成分とする希
土類永久磁石と鉄系の軟磁性材料とからなり、その界面
にＲ₂Ｆｅ₁₄ＢまたはＲ₂Ｆｅ₁₇を形成し、一体化してい
ることを特徴とする磁気回路。