JPWO2008032668A1 - 真空蒸気処理装置 - Google Patents

Abstract

処理室に金属蒸発雰囲気を形成し、この金属蒸気雰囲気中の金属を被処理物の表面に付着させ、それに加えて、被処理物表面に付着した金属原子をその結晶粒界内に拡散させる処理を実施することに適した真空蒸気処理装置を提供する。処理炉１１と、この処理炉内に配置された少なくとも１個の処理箱４と、この処理箱の周囲を囲うように処理炉内に設けた加熱手段２とを備える。処理箱内に被処理物Ｓと金属蒸発材料Ｖとを配置した状態でこの処理箱を処理炉に収納した後、処理炉及び処理箱を所定圧力まで減圧して保持する真空排気手段を設け、減圧下で加熱手段を作動させて被処理物を所定温度まで昇温させつつ金属蒸発材料を蒸発させ、この蒸発した金属原子を被処理物表面に供給される。

Description

本発明は、処理室内で被処理物を加熱しつつ金属蒸発材料を蒸発させ、この蒸発した金属原子を被処理物の表面に付着、堆積させて金属膜を形成したり、それに加えて、被処理物が結晶構造を有する場合には、被処理物表面への付着と同時に金属原子をその結晶粒界内に拡散させる処理（真空蒸気処理）を実施することに適した真空蒸気処理装置に関する。

この種の真空蒸気処理装置は、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石の磁気特性向上のために用いられ、ガラス管等からなる密封容器と電気炉とから構成されたものが知られている。この真空蒸気処理装置では、密封容器内に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石等の被処理物と、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｓｍの中から選択された希土類金属の金属蒸発材料とを混合した状態で収納し、真空ポンプを介して所定圧力に減圧して密封した後、電気炉に収納してこの密封容器を回転させながら所定温度（例えば、５００℃）に加熱する。

密閉容器が所定温度に加熱されると、金属蒸発材料が蒸発して密閉容器内に金属蒸気雰囲気が形成され、この蒸気雰囲気中の金属原子が、略同温まで加熱された焼結磁石へ収着し、さらには付着した金属原子が焼結磁石の結晶粒界相に拡散されることで、焼結磁石表面並びに結晶粒界相に金属原子を均一かつ所望量導入して、磁化および保磁力を向上または回復させている（特許文献１及び特許文献２）。
特開２００２−１０５５０３号公報（例えば、図１及び図２参照） 特開２００４−２９６９７３号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照）

ところで、従来、電気炉で用いられるヒータや路壁の材料としては、加工容易性やコスト面を考慮してカーボンが用いられることが多いものの、カーボンは真空下（例えば１０^−４Ｐａ）ではその昇華点が下がることが知られている。このことから、この種の電気炉を、真空下で９００℃以上の温度に加熱する必要があるＤｙやＴｂの蒸発に用いると、カーボンの昇華によって炉内が汚染されたり、ＤｙやＴｂがカーボンと反応してしまい、急速にヒータ自体の痩せ細りに起因して到達温度の再現性が悪くなる等の問題が生じる。また、例えば、金属蒸発材料と被処理物とを収納する密閉容器を、ガラス管等の金属蒸発材料と反応する虞のある材料から構成すると、蒸気雰囲気中の金属原子と反応してその表面に反応生成物を形成し、ひいては、その原子がＤｙやＴｂの蒸気雰囲気中に侵入する虞があると共に、金属蒸発材料の回収も困難になる。

ここで、焼結磁石、特に、直方体など所定形状のものに対し上記処理を施した後、保磁力を一層向上させるには、引き続き、所定圧力及び温度下で熱処理を行うことが望ましい。然し、上記のものでは、処理時に密閉容器の圧力が変化することから、処理後に所定圧力下で熱処理を行うには、一旦密閉容器を電気炉から取出し、減圧した後、再度電気炉に戻すことが必要になり、その取扱いが面倒である。また、焼結磁石の略全面に亘って金属原子を所望量導入するには、密閉容器を回転させる駆動機構が必要であるため、装置構成が複雑になり、コスト高を招く。さらに、金属蒸発材料と被処理物とを混合した状態で配置しているため、溶けた金属蒸発材料が直接被処理物に付着する不具合がある。

そこで、上記点に鑑み、本発明の第一の目的は、簡単な構造で被処理物と金属蒸発材料とを再現性よく高温まで加熱でき、また、装置内が汚染されず、蒸気雰囲気を形成したとき、他の原子が侵入することが防止できる真空蒸気処理装置を提供することにある。

また、本発明の第二の目的は、処理室を自在に減圧でき、簡単な構造を有する真空蒸気処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の真空蒸気処理装置は、処理炉と、この処理炉内に配置される少なくとも１個の処理箱と、この処理箱を加熱する加熱手段とを備え、処理箱内に被処理物と金属蒸発材料とを配置した状態で処理炉及び処理箱を所定圧力まで減圧する真空排気手段を設け、減圧下で加熱手段を作動させて被処理物を所定温度まで昇温させて金属蒸発材料を蒸発させ、この蒸発した金属原子が被処理物表面に供給されるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、減圧下で加熱手段を作動させて処理箱を加熱し、処理箱内の金属蒸発材料が所定温度に達すると、蒸発を開始する。そして、この蒸発した金属原子が直接または衝突を繰返して複数の方向から被処理物に移動して付着、堆積する。被処理物が結晶構造を有する場合には、金属蒸発材料と略同温まで加熱されている被処理物表面に付着した金属原子がその結晶粒界内に拡散する。

本発明においては、前記処理箱は、前記処理炉内に出入れ自在であって、上面が開口した箱部とこの開口した上面に着脱自在に装着される蓋部とから構成されたものであり、真空排気手段を作動させて前記処理炉を減圧するのに伴って処理箱内が減圧される構成を採用するのがよい。これによれば、処理炉を所定圧力に達するまで真空排気して減圧すると、処理室を構成する処理箱の内部空間が処理炉を介して例えば処理炉より高い圧力で減圧される。従って、簡単な構造で処理室を構成する処理箱内を所定圧力に自在に減圧できる。

また、処理炉内に、金属蒸発材料と被処理物とを収納した処理箱を出し入れして行うバッチ式としたため、処理炉内で処理箱内に被処理物を出し入れする機構等が不要になり、装置自体は簡単な構造である。この場合、複数個の処理箱を処理炉内に収納して同時処理できるようにすれば、大量生産にも対応できる。また、処理炉を減圧するのに伴って内部空間が所定圧力に減圧できるため、処理箱減圧用の真空排気手段は必要でなく、その上、例えば金属蒸発材料の蒸発を停止させた後、処理箱を一旦取出すことなく、その内部を所定圧力にさらに減圧できる。さらに、処理箱自体も簡単な構造にでき、しかも、蓋部を取外すと、箱部の一面が開口することで、処理箱への金属蒸発材料と被処理物との出し入れが容易になる。

また、本発明においては、前記加熱手段及び処理箱を、金属蒸発材料と反応しない材料、または少なくとも表面に金属蒸発材料と反応しない材料を内張膜として形成したものから構成しておけば、金属蒸発材料が処理箱等の壁面に付着しても、それらの壁面と反応しないため、金属蒸気雰囲気を形成したときに他の原子が侵入することが防止でき、また、それらの壁面に付着した金属蒸発材料の回収が容易になり、特に資源的に乏しく、安定供給が望めないＤｙやＴｂが金属蒸発材料であるとき特に有効となる。

前記金属蒸発材料と反応しない材料はＭｏとすることが好ましい。

前記加熱手段は、処理箱の周囲を囲うように設けた断熱材とその内側に配置した発熱体とを備え、この断熱材は所定の間隔を置いて複数枚を重ねて構成したものとすればよい。これにより、処理箱の壁面を介して間接的に処理箱内部を加熱することで、再現性よくこの処理箱内部を略均等に加熱でき、その上、減圧下で処理炉内に設けた加熱手段によって処理箱を加熱するため、熱効率が大きくなって処理箱内部の昇温速度を速くできる。また、少なくとも処理炉内側の断熱材のみを上記材料にすればよいため、低コスト化が図れる。

さらに、本発明においては、前記処理箱の底面から所定の高さ位置で被処理物の載置を可能とする載置部を備え、この載置部は、複数本の線材を配置して構成しておけば、金属蒸発材料を処理箱の底面に設置するだけで、単純な構造で被処理物と金属蒸発材料とを離間して配置できる。従って、被処理物が焼結磁石でかつ金属蒸発材料が希土類金属であるとき、溶けた希土類金属が、表面Ｎｄリッチ相が溶けた焼結磁石に直接付着することはない。また、被処理物の下側に位置する金属蒸発材料から蒸発した金属原子が直接または衝突を繰返して複数の方向から被処理物の略全面に亘って供給されるため、被処理物を回転させる回転機構等は不要であり、装置構成を簡単にでき、低コストが図れる。

他方で、被処理物と金属蒸発材料とを離間して配置するために 前記処理箱内に、金属蒸発材料の収納を可能とする収納部を設けてもよい。この場合、収納部の開口面積に応じて金属蒸発材料の蒸発量を調節できてよい。

尚、前記収納部を、被処理物の周囲を囲うように処理箱の側壁に設けておけばよい。

他方、前記収納部を、前記処理箱内に配置した被処理物相互の間に位置させて設けもよい。

前記加熱手段は複数の連通路を有し、この連通路に通じる気体通路が加熱手段と処理炉の内壁との間に設けられ、この気体通路がファンと熱交換器とを備えた空冷手段に接続されたものであれば、高温に加熱された加熱手段内側の空間に気体を循環させて、処理箱内の被処理物を所望の冷却速度で冷却できてよい。

本発明においては、前記処理物が鉄−ホウ素−希土類系の焼結磁石であり、前記金属蒸発材料がＤｙ、Ｔｂの少なくとも一種からなるものであれば、Ｄｙ、Ｔｂの蒸気雰囲気のＤｙ、Ｔｂの金属原子の焼結磁石への供給量を調節して焼結磁石表面に金属原子を付着させ、この付着した金属原子を、焼結磁石表面に金属蒸発材料からなる薄膜が形成される前に焼結磁石の結晶粒界相に拡散させるのに適している。

以上説明したように、本発明の真空蒸気処理装置は、簡単な構造で、低コスト化が図れ、被処理物と金属蒸発材料とを再現性よく高温まで加熱でき、また、装置内が汚染されず、蒸気雰囲気を形成したときに他の原子が侵入することが防止でき、その上、適宜処理室内を所定圧力に減圧できるという効果を奏する。

図１乃至図４を参照して説明すれば、本発明の真空蒸気処理装置１は、処理室内で被処理物を加熱して金属蒸発材料を蒸発させ、この蒸発した金属原子を被処理物の表面に付着、堆積させて金属膜を形成したり、それに加えて、被処理物が結晶構造を有する場合には、被処理物表面への付着と同時に金属原子をその結晶粒界内に拡散させる処理（真空蒸気処理）を実施することに適したものであり、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石の磁気特性向上のために用いられる。

真空蒸気処理装置１は中空円柱形状の処理炉（真空チャンバ）１１を有する。処理炉１１は、その長手方向両側において床面に設置された２個の脚片１２で支持され、側面視で円形の一側面が開口している。この開口面には、ドーム状の開閉扉１３が開閉自在に取付けられ、この開閉扉１３を閉めると、その内周面に設けたシール手段（図示せず）を介して処理炉１１内が密閉される。処理炉１１の外周面には接続管１４が設けられ、この接続管１４の他端が、ターボ分子ポンプ、クライオポンプまたは拡散ポンプなどの真空排気手段（図示せず）に接続されている。そして、開閉扉１３の閉じた位置で真空排気手段を作動させて処理炉１１内を所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで減圧して保持できる。

処理炉１１内には、後述する処理箱の周囲を囲う断熱材２１とその内側に配置した発熱体２２とから構成される加熱手段２が設けられている。断熱材２１は、処理炉１１に同心に配置され、側面視で円形の一側面が開口した中空円柱形状の第１の部分２１ａと、開閉扉１３の内面に装着され、開閉扉１３を閉じた位置で第１の部分２１ａの開口面を塞ぐ第２の部分２１ｂとから構成され、処理炉１１内に断熱材２１で囲まれた空間２３が画成される。第１及び第２の各部分２１ａ、２１ｂの内面は反射面として形成されている。発熱体２２は、処理炉１１の長手方向に沿って等間隔で列設された複数本の環状フィラメント２２ａを有する電気ヒータであり、各フィラメント２２ａは、第１の部分２１ａの内壁面に半径方向内側に向かって突出させて形成した複数個の突出片２２ｂで支持されている。

処理炉１１には、後述する載置テーブルの支持を可能とする支持部材１５が設けられている。支持部材１５は、２列をなして処理炉１１の底面から断熱材２１を貫通して空間２３まで突出させた８本の支持棒１５ａと、各支持棒１５ａのうち長手方向に沿って相互に隣接する２本のものの先端を橋渡すように設けた４枚の支持板１５ｂとから構成され、各支持板１５ｂが床面に平行になるように設計されている。

支持板１５ｂ上に載置される載置台３は、後述する処理箱の複数個が載置可能な面積を有する平板から構成され、その載置面にはハニカム構造で開口３１が設けられ、十分な強度を有しつつ処理箱をその全周から加熱できるようになっている。この場合、載置テーブル３は、図示しない公知の構造を有する搬送手段のフォーク状の搬送部Ｔを介して処理炉１１に出入れ自在である。

図４に示すように、載置テーブル３に載置される処理箱４は、上面を開口した直方体形状の箱部４１と、開口した箱部４１の上面に着脱自在な蓋部４２とからなる箱体であり、この処理箱４内には、所望の真空蒸気処理に応じて適宜選択される金属蒸発材料Ｖと被処理物Ｓとが配置される。蓋部４２の外周縁部には下方に屈曲させたフランジ４２ａがその全周に亘って形成され、箱部４１の上面に蓋部４２を装着すると、フランジ４２ａが箱部４１の外壁に嵌合して（この場合、メタルシールなどの真空シールは設けていない）、処理炉１１と隔絶された処理室４０が画成される。そして、真空排気手段を介して処理炉１１を所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで減圧すると、処理室４０が処理炉１１より略半桁高い圧力（例えば、５×１０^−４Ｐａ）まで減圧される。このため、付加的な真空排気手段は必要でなく、しかも、処理箱４内を適宜所定の真空圧に減圧できる。つまり、例えば金属蒸発材料Ｖの蒸発の停止後であっても、加熱箱４を一旦取出すことなく、処理室４０を所定圧力に減圧できる。

処理室４０の容積は、蒸発金属材料Ｖの平均自由行程を考慮して蒸発した金属原子が直接または衝突を繰返して複数の方向から焼結磁石Ｓに供給されるように設定される。また、箱部４１及び蓋部４２の壁面の肉厚は、後述する加熱手段によって加熱されたとき、熱変形しないように設定される。また、箱部４１には、底面から所定の高さ位置に複数本の線材（例えばφ０．１〜１０ｍｍ）を格子状に配置してなる載置部４１ａが形成され、この載置部４１ａに複数個の被処理物Ｓが並置できる。

これにより、金属蒸発材料Ｖを箱部４１の底面に設置するだけで被処理物Ｓと金属蒸発材料Ｖとが離間して配置でき、しかも、被処理物Ｓの下側に位置する金属蒸発材料Ｖから蒸発した金属原子が直接または衝突を繰返して複数の方向から被処理物の略全面に亘って供給されるため、処理箱４を回転させたりする必要はない。また、処理箱４を、箱部４１と蓋部４２とから構成したため、処理箱４自体の構造もまた簡単になり、蓋部４１が取外すと、上面が開口することで箱部４１への金属蒸発材料Ｖと被処理物Ｓとの出し入れが容易にできる。この場合、処理炉１１内に、金属蒸発材料Ｖと被処理物Ｓとを収納した少なくとも１個の処理箱４を出し入れして行うバッチ式としたため、処理炉１１内で処理箱４（つまり、箱部４１）内に被処理物Ｓ等を出し入れする機構等が不要になり、真空蒸気処理装置２自体を簡単な構造にでき、その上、複数の処理箱４を収納可能にしておけば、大量の被処理物Ｓに対し同時処理できるため、高い生産性を達成できる。

ところで、金属蒸発材料ＶがＤｙ、Ｔｂであるとき、処理箱４として、例えば一般の真空装置でよく用いられるＡｌ_２Ｏ_３を用いると、蒸気雰囲気中のＤｙとＡｌ_２Ｏ_３が反応してその表面に反応生成物を形成すると共に、Ａｌ原子がＤｙ蒸気雰囲気中に侵入する虞がある。また、ＤｙやＴｂを蒸発させるには真空下で９００℃以上の温度に加熱する必要があることから、従来の電気炉のようにカーボンを用いたのでは、カーボンの昇華によって炉内が汚染されたり、Ｄｙ、ＴｂやＳｉ等の金属蒸発材料Ｖがカーボンと反応しまたは被処理物Ｓからでる水や水素がカーボンと反応し、急速にヒータ自体の痩せ細りに起因して到達温度の再現性が悪くなる等の問題が生じる。

本実施の形態では、処理炉１１内に存在する、処理箱４を構成する部品、加熱手段２を構成する断熱材２１及びフィラメント２２ａ並びに支持部材１５を含む載置テーブル３などの全部品をＭｏ製とした。これにより、処理箱４を加熱してこの処理箱４内で金属蒸発材料Ｖを蒸発させたときに他の原子が侵入することが防止できる。他方、処理箱４が箱部４１の上面に蓋部４２を装着した構造（略密閉構造）であるため、蒸発した原子の一部が箱部４１と蓋部４２との間隙を通って外部に流出する虞があるが、断熱材２１や載置テーブル３もＭｏ製であるため、金属蒸発材料と反応しないことから、断熱材２１等に付着した金属蒸発材料Ｖの回収が容易になり、特に資源的に乏しく、安定供給が望めないＤｙやＴｂが金属蒸発材料であるとき特に有効となる。

さらに、フィラメント２２ａをＭｏ製としたことで、処理室４０を１０００℃以上の高温に加熱するときでも、到達温度の高い再現性を有し、処理炉１１を減圧した後に加熱手段２を作動させて処理箱４を加熱することで、熱効率が大きくなること、及び処理箱４の壁面を介して間接的に処理室４０を加熱することとが相俟って、処理室内４０を略均等かつ再現性よく短時間で加熱できる。

尚、本実施の形態では、Ｍｏで構成部品を作製したが、処理箱を再現性よく加熱でき、かつ、金属蒸発材料と反応しない材料であればよく、例えば、ステンレス、Ｖ、ＴａまたはＭｏ、Ｖ、Ｔａの少なくとも１種を含有する合金（希土類添加型Ｍｏ合金、Ｔｉ添加型Ｍｏ合金などを含む）やＣａＯ、Ｙ_２Ｏ_３、或いは希土類酸化物から製作してもよい。また、これらの材料を他の断熱材の表面に内張膜として成膜したものから構成してもよい。

断熱材２１としては、複数枚の断熱材を所定の間隔を置いて重ねて構成してもよい。この場合、最内側に位置する断熱材のみをＭｏ製とすれば、低コスト化が図れてよい。さらに、処理炉１１の内壁にもＭｏ製の薄やＭｏ製の防着板を取付けておけばよい。また、本実施の形態では、箱部４１の上面開口に蓋体４２を嵌合させるものについて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、箱部２１の上面開口をＭｏ箔で覆うようにして処理炉１１内で隔絶された処理室４０を画成されるようにしてもよい。

ところで、上記のように真空蒸気処理装置１を構成した場合、断熱材２１で囲まれた空間２３の温度低下速度が遅く、処理を終えた処理箱４の取出しに時間がかかる。このため、処理炉１１内に空冷手段を設けた。この空冷手段は、処理炉１１の開閉扉１３と背向する側に突出させて形成した収納室５１内に配置されたモータ５２と、モータ５２の回転軸５２ａに取付けた公知の構造のファン５３と、ファン５３の周囲を囲いつつ、収納室５１から断熱材２１の第１の部分２１ａの一側面近傍まで延出するように存する筒体５４とから構成されている。この場合、筒体５４の壁面に冷媒（冷却水）が循環できるようになっており、筒体５４が熱交換器として役割を果たす。

断熱材２１の第１及び第２の部分２１ａ、２１ｂには、相互に対向させて複数個の角形開口５５ａが形成されると共に、その外周面には複数の連通路５５ｂが等間隔で形成されている。各連通路５５ｂは、処理炉１１の内壁と断熱材２１との間に配置された気体通路５６に連通しており、気体通路５６の一端が筒体５４に接続し、気体通路５６の他端は開口している。これにより、モータ５２を作動させてファン５３を回転させることで、空間２３に気体を循環させて、処理箱４を任意に冷却できる。

このため、例えば、高温で処理した後に被処理物Ｓを徐冷することで焼き鈍し処理したり、所定温度まで急冷して被処理物Ｓの焼き入れ処理したりすることも可能になる。断熱材２１に角形開口５５ａを設けた場合、熱効率が悪くなると共に、蒸発した原子の一部が処理炉１１内に流出する虞がある。このため、角形開口２１ｃにそれぞれ対向させかつ近接させて、この角形開口５５ａより大きな面積を有するリフレクタ板２１ｃを設けた。リフレクタ板２１ｃもまたＭｏ製であり、内面に反射層が形成されている。

また、処理炉１１には、Ａｒ等の希ガスの導入を可能とするガス導入手段６が設けられている。ガス導入手段６は、ガス源に連通し、マスフローコントローラを介設したガス管６１を有する。このガス導入手段６は、真空蒸気処理を所定時間実施した後、処理炉１１に所定量（例えば１０ＫＰａ）のＡｒガスを導入し、金属蒸発材料Ｖの蒸発を停止させるために用いられる。金属蒸発材料Ｖの蒸発を停止した後、真空排気手段を介して処理炉１１を減圧すると、処理室４０が処理炉１１より略半桁高い圧力まで減圧できる。

尚、本実施の形態では、箱部４１の上面開口に蓋体４２を嵌合させるものについて説明したが、処理炉１１の減圧に伴って処理室４０が減圧されるものであれば、これに限定されるものではなく、例えば、箱部４１の上面開口をＭｏ箔で覆って、処理炉１１と隔絶された処理室４０を画成されるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、処理室４０内に載置部４１ａを設けたものについて説明したが、被処理物Ｓと金属蒸発材料Ｖとが処理室４０内で離間して配置され、金属蒸発材料Ｖが被処理物Ｓに付着することが防止でき、また、被処理部Ｓ表面の大部分に蒸発した金属原子が供給できるものであれば、これに限定されるものではなく、被処理物Ｓは、箱部４１の底面に配置してもよい。また、処理炉１１内に加熱手段２を設けたものについて説明したが、処理箱４を所定温度に加熱できるものであればよく、処理箱４の外側に加熱手段を配置してもよい。

さらに、図５乃至図７に示すように、金属蒸発材料Ｖの比表面積を小さくして金属蒸発材料Ｖの蒸発量を減少できるように、処理箱４内に断面凹状の収納部４３１、４３２、４３３を設け、バルク状または顆粒状の金属蒸発材料Ｖを収納するようにしてもよい。第１の収納部４３１は、箱部４１の底面に並置される被処理物Ｓの周囲に位置するように処理箱４の側壁において周方向で等間隔に少なくとも２個配置されている（図５参照）。この場合、箱部４１の内壁全体に亘る環状に形成してもよい。また、第２の収納部４３２は、箱部４１の底面に所定の間隔を置いて複数個設けられ、その周辺に被処理物Ｓが設置される（図６参照）。さらに、第３の収納部４３３は、蓋部４２の下面に吊設されている。（図７参照）、この場合、収納部４３３の外周面にはスリット状の開口４３３ａが設けられ、この開口４３３ａを通して蒸発した金属原子が被処理物Ｓに供給されるようにすれば、その開口面積に応じて供給量が調節できてよい。

次に、図１乃至図４及び図８を参照して、上記真空蒸気処理装置１を用いた真空蒸気処理による焼結磁石Ｓの磁化および保磁力の向上を説明する。被処理物であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石Ｓを、公知の方法で次のように作製する。即ち、Ｆｅ、Ｂ、Ｎｄ、Ｃｏを所定の組成比で配合して、公知のストリップキャスト法により０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの合金を先ず作製する。他方で、公知の遠心鋳造法で５ｍｍ程度の厚さの合金を作製するようにしてもよい。また、配合の際、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｄｙ、Ｔｂ、ＡｌやＧａを少量添加してもよい。次いで、作製した合金を、公知の水素粉砕工程により一旦粉砕し、引き続き、ジェットミル微粉砕工程により微粉砕する。

次いで、磁界配向して金型で直方体や円柱など所定形状に成形した後、所定の条件下で焼結させて上記焼結磁石が作製される。焼結後、この焼結磁石に対し、所定温度（４００℃〜７００℃の範囲）下で、所定時間（例えば、２時間）、焼結磁石Ｓの歪を除去する熱処理を施しておけば、真空蒸気処理を施したとき、一層磁気特性を高めることができてよい。

また、焼結磁石Ｓの作製の各工程において条件をそれぞれ最適化し、焼結磁石Ｓの平均結晶粒径が１μｍ〜５μｍの範囲、または７μｍ〜２０μｍの範囲となるようにするとよい。平均結晶粒径を７μｍ以上とすると、磁界成形時の回転力が大きくなると共に配向度が良く、その上、結晶粒界の表面積が小さくなり、短時間でＤｙ、Ｔｂの少なくとも一方を効率よく拡散できて高い保磁力を有する永久磁石Ｍが得られる。尚、平均結晶粒径が２５μｍを超えると、一つの結晶粒子の中に異なる結晶方位を含んだ粒子の割合が極端に多くなって配向度が悪くなり、その結果、永久磁石の最大エネルギー積、残留磁束密度、保磁力がそれぞれ低下する。

他方、平均結晶粒径を５μｍ未満とすると、単磁区結晶粒の割合が多くなり、その結果、非常に高い保磁力を有する永久磁石が得られる。平均結晶粒径が１μｍより小さくなると、結晶粒界が細かく複雑になることから拡散工程を実施するのに必要な時間が極端に長くなり、生産性が悪い。焼結磁石Ｓとしては、酸素含有量が少ない程、ＤｙやＴｂの結晶粒界相への拡散速度が早くなるため、焼結磁石Ｓ自体の酸素含有量が３０００ｐｐｍ以下、好ましくは２０００ｐｐｍ以下、より好ましくは１０００ｐｐｍ以下であればよい。

金属蒸発材料Ｖとしては、主相の結晶磁気異方性を大きく向上させるＤｙ及びＴｂの少なくとも一方を含む合金が用いられ、その際、保磁力を一層高めるために、Ｎｄ、Ｐｒ、Ａｌ、Ｃｕ及びＧａ等を含めてもよい。この場合、金属蒸発材料Ｖは、所定の混合割合で配合し、例えばアーク溶解炉を用いてバルク状の合金を得て、後述の処理室に配置すればよい。

次に、箱部４１の載置部４１ａに上記方法で作製した焼結磁石Ｓを載置すると共に、箱部４１の底面に金属蒸発材料ＶであるＤｙを設置する（これにより、処理室４０内で焼結磁石Ｓと金属蒸発材料Ｖとが離間して配置される）。この状態で、箱部４１の開口した上面に蓋部４２を装着した後、載置テーブル３上に載置し、搬送手段を作動させてフォーク状の搬送部Ｔによって載置テーブル３を支持部材１５で支持される所定位置に収納する。そして、開閉扉１３を閉じると、処理炉１１内が密閉され、処理炉１１内で断熱材２１によって周囲を囲まれる空間２３内に処理箱４が位置する（図１及び図２参照）。

次いで、真空排気手段を介して処理炉１１を所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空排気して減圧し、（処理室４０は略半桁高い圧力まで真空排気される）、処理室４０が所定圧力に達すると、加熱手段２を作動させて処理箱４を加熱する。減圧下で処理室４０内の温度が所定温度に達すると、処理室４０の底面に設置したＤｙが、処理室４０と略同温まで加熱されて蒸発を開始し、処理室４０内にＤｙ蒸気雰囲気が形成される。Ｄｙが蒸発を開始した場合、焼結磁石ＳとＤｙとを離間して配置したため、溶けたＤｙが直接焼結磁石Ｓに付着することはない。そして、Ｄｙ蒸気雰囲気中のＤｙ原子が、直接または衝突を繰返して複数の方向から、Ｄｙと略同温まで加熱された焼結磁石Ｓ表面に向かって供給されて付着し、この付着したＤｙが焼結磁石Ｓの結晶粒界相に拡散されて永久磁石Ｍが得られる。

真空蒸気処理に際しては、より磁気特性を高めつつ生産効率を高めるために、焼結磁石Ｓ表面に薄膜が形成される前に焼結磁石の結晶粒界相に拡散させて均一に行き渡らせることがよい。このため、焼結磁石の１〜１０重量％の割合で、単位体積当たりの表面積（比表面積）が小さいバルク状（略球状）のＤｙを処理室４０の底面に配置し、一定温度下における蒸発量を減少させることが好ましい。それに加えて、加熱手段３を制御して処理室２０内の温度を８００℃〜１０５０℃、好ましくは９００℃〜１０００℃の範囲に設定することが好ましい（例えば、処理室内温度が９００℃〜１０００℃のとき、Ｄｙの飽和蒸気圧は約１×１０^−２〜１×１０^−１Ｐａとなる）。

処理室４０内の温度（ひいては、焼結磁石Ｓの加熱温度）が８００℃より低いと、焼結磁石Ｓ表面に付着したＤｙ原子の結晶粒界層への拡散速度が遅くなり、焼結磁石Ｓ表面に薄膜が形成される前に焼結磁石の結晶粒界相に拡散させて均一に行き渡らせることができない。他方、１０５０℃を超えた温度では、Ｄｙの蒸気圧が高くなって蒸気雰囲気中のＤｙ原子が焼結磁石Ｓ表面に過剰に供給される。また、Ｄｙが結晶粒内に拡散する虞があり、Ｄｙが結晶粒内に拡散すると、結晶粒内の磁化を大きく下げるため、最大エネルギー積及び残留磁束密度がさらに低下することになる。

また、焼結磁石Ｓ表面にＤｙの薄膜が形成される前にＤｙをその結晶粒界相に拡散させるために、処理室４０の載置部４１ａに設置した焼結磁石Ｓの表面積の総和に対する処理室４０の底面に設置したバルク状のＤｙの表面積の総和の比率が、１×１０^−４〜２×１０^３の範囲になるように設定する。１×１０^−４〜２×１０^３の範囲以外の比率では、焼結磁石Ｓ表面にＤｙやＴｂの薄膜が形成される場合があり、また、高い磁気特性の永久磁石が得られない。この場合、上記比率が１×１０^−３から１×１０^３の範囲が好ましく、また、上記比率が１×１０^−２から１×１０^２の範囲がより好ましい。

これにより、蒸気圧を低くすると共にＤｙの蒸発量を減少させることで、焼結磁石ＳへのＤｙ原子の供給量が抑制されることと、焼結磁石Ｓの平均結晶粒径を所定範囲に揃えつつ焼結磁石Ｓを所定温度範囲で加熱することによって拡散速度が早くなることとが相俟って、焼結磁石Ｓ表面に付着したＤｙ原子を、焼結磁石Ｓ表面で堆積してＤｙ層（薄膜）を形成する前に焼結磁石Ｓの結晶粒界相に効率よく拡散させて均一に行き渡らせることができる（図８参照）。その結果、永久磁石Ｍの表面が劣化することが防止され、また、焼結磁石表面に近い領域の粒界内にＤｙが過剰に拡散することが抑制され、結晶粒界相にＤｙリッチ相（Ｄｙを５〜８０％の範囲で含む相）を有する磁化および保磁力が効果的に向上した高磁気特性を有し、その上、仕上げ加工が不要な生産性に優れた永久磁石Ｍが得られる。

ところで、上記焼結磁石Ｓを作製した後、ワイヤーカット等により所望形状に加工する場合がある。その際、上記加工によって、焼結磁石表面の主相である結晶粒にクラックが生じて磁気特性が著しく劣化する場合がある。ところが、上記真空蒸気処理を施すと、表面付近の結晶粒のクラックの内側にＤｙリッチ相が形成されることで、磁化および保磁力が回復できる。

また、従来のネオジム磁石では防錆対策が必要になることからＣｏを添加していたが、Ｎｄと比較して極めて高い耐食性、耐候性を有するＤｙのリッチ相が結晶粒界相に存することで、Ｃｏを用いることなく、極めて強い耐食性、耐候性を有する永久磁石となる。尚、焼結磁石の表面に付着したＤｙを拡散させる場合、焼結磁石Ｓの結晶粒界にＣｏを含む金属層化合物がないため、焼結磁石Ｓ表面に付着したＤｙ、Ｔｂの金属原子はさらに効率よく拡散される。

最後に、上記処理を所定時間（例えば、４〜４８時間）だけ実施した後、加熱手段２の作動を停止させると共に、ガス導入手段６を介して処理炉１１内に１０ＫＰａのＡｒガスを導入し、金属蒸発材料Ｖの蒸発を停止させると共に、モータ５２を作動させて処理炉１１内を冷却し、処理室４０の温度を例えば５００℃まで一旦下げる。引き続き、加熱手段２を再度作動させ、処理室４０内の温度を４５０℃〜６５０℃の範囲に設定し、一層保磁力を向上させるために熱処理を施す。最後に、略室温まで急冷し、処理炉１１をベントした後、開閉扉１３を開けて、搬送手段によって載置テーブル３を取り出す。

尚、本実施の形態では、金属蒸発材料ＶとしてＤｙを用いるものを例として説明したが、最適な拡散速度を早くできる焼結磁石Ｓの加熱温度範囲（９００℃〜１０００℃の範囲）で、蒸気圧が低いＴｂを用いることができ、またはＤｙ及びＴｂの少なくとも一方を含む合金を用いてもよい。金属蒸発材料ＶがＴｂである場合、蒸発室を９００℃〜１１５０℃の範囲で加熱すればよい。９００℃より低い温度では、焼結磁石Ｓ表面にＴｂ原子を供給できる蒸気圧に達しない。他方、１１５０℃を超えた温度では、Ｔｂが結晶粒内に過剰に拡散してしまい、最大エネルギー積及び残留磁束密度を低下させる。

また、本実施の形態では、真空蒸気処理装置１の適用例として、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の磁気特性を向上させるものについて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、超硬材料、硬質材料やセラミックス材料の作製に本発明の真空蒸気処理装置１を用いることができる。

即ち、粉末冶金法で作製される超硬材料、硬質材料やセラミックス材料は、主相と焼結時に液相となる粒界相（バインダー相）とからなり、一般に、この液相は、その全量を主相と混合した状態で粉砕して原料粉末とし、公知の成形法により原料粉末を成形した後、焼結して作製されるが、上記真空蒸気処理装置１を用いて作製する場合、先ず、主相のみ（この場合、一部に液相成分を含むものであってもよい）を粉砕して原料粉末とし、公知の成形法により原料粉末を成形した後、上記真空蒸気処理によって、焼結前、焼結時または焼結後に液相成分を供給する。

これによれば、成形した主相に対して後から液相成分を供給することで、主相との反応時間を短くできること、及び粒界相に高濃度に偏析できること等、特殊な粒界相成分を作り出すことができる。その結果、機械的強度、特に、高い靭性値を有する超硬材料、硬質材料やセラミックス材料を作製することが可能になる。

例えば、平均粒径０．５μｍのＳｉＣ粉末とＣ粉末（カーボンブラック）を１０：１のモル比で混合して原料粉末を得た後、この原料粉末を公知の方法で成形して、所定形状の成形体（主相）を得る。そして、この成形体を被処理物Ｓとすると共に、金属蒸発材料ＶをＳｉとし、処理箱４内に収納し、箱部４１の開口した上面に蓋部４２を装着した後、処理炉１１内で加熱手段２によって周囲を囲まれる所定位置に処理箱４を設置する。

次いで、真空排気手段を介して処理炉４を所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に達するまで真空排気して減圧し、（処理室４０は略半桁高い圧力まで真空排気される）、処理炉４が所定圧力に達すると、加熱手段２を作動させて処理室４０を所定温度（例えば、１５００℃〜１６００℃）に加熱する。減圧下で処理室４０内の温度が所定温度に達すると、処理室４０の底面に設置したＳｉが、処理室４０と略同温まで加熱されて蒸発を開始し、処理室４０内にＳｉ蒸気雰囲気が形成され、この状態で所定時間（例えば、２時間）保持すると、成形体である主相の焼結と同時にＳｉである液相成分が供給され、炭化ケイ素セラミックスが作製される。

上記により作製した炭化ケイ素セラミックスは、１４００ＭＰａを超える曲げ強度を有し、かつその破壊靭性値は４ＭＰａ・ｍ３である。この場合、平均粒径０．５μｍのＳｉを、ＳｉＣ粉末とＣ粉末（カーボンブラック）の混合粉末を１０：２のモル比で混合して原料粉末を得た後、この原料粉末を公知の方法で成形し、焼結して得たもの（曲げ強度：３４０ＭＰａ、破壊靭性値：２．８ＭＰａ・・ｍ３）と比較して高い機械的強度を有していた。尚、所定の条件（１６００℃、２時間）下で成形体を焼結した後、真空蒸気処理装置１を用いて、Ｓｉである液相材料の成分を供給し、炭化ケイ素セラミックスを得ても、上記と同等の機械的強度が得られる。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石として、組成が３０Ｎｄ−１Ｂ−０．１Ｃｕ−２Ｃｏ−ｂａｌ．Ｆｅ、焼結磁石Ｓ自体の酸素含有量が５００ｐｐｍ及び平均結晶粒径が３μｍで、φ１０×５ｍｍの円柱形状に加工したものを用いた。この場合、焼成磁石Ｓの表面を２０μｍ以下の表面荒さを有するように仕上加工した後、アセトンを用いて洗浄した。

次に、図９に模式的に示すように、真空排気手段１０ａが接続された真空チャンバ１０ｂ内に１個の処理箱４を収納し、所定の圧力及び温度下で処理箱４を加熱できるようにした真空蒸気処理装置（実験機）１０を用い、上記方法によって焼成磁石Ｓ表面にＤｙ原子を付着させ、焼成磁石Ｓ表面にＤｙの薄膜が形成される前に結晶粒界相に拡散させて永久磁石Ｍを得た（真空蒸気処理）。この場合、処理室４０内の載置部４１ａに焼結磁石Ｓを載置すると共に、金属蒸発材料Ｖとして、純度９９．９％のＤｙを用い、１ｇの総量でバルク状のものを処理室４０の底面に配置した。

次いで、真空排気手段を作動させて真空チャンバを１×１０^−４Ｐａまで一旦減圧する（処理室内の圧力は５×１０^−３Ｐａ）と共に、加熱手段２による処理室４０の加熱温度を９７５℃に設定した。そして、処理室４０の温度が９７５℃に達した後、この状態で１２時間、上記真空蒸気処理を行った。
（比較例１）

比較例１として、Ｍｏボードを用いた従来の抵抗加熱式の蒸着装置（ＶＦＲ−２００Ｍ／アルバック機工株式会社製）を用い、上記実施例１と同じ焼結磁石Ｓに対し成膜処理を行った。この場合、Ｍｏボード上に２ｇのＤｙをセットし、真空チャンバを１×１０^−４Ｐａまで減圧した後、Ｍｏボードに１５０Ａの電流を流し、３０分間、成膜した。

図１０は、上記処理を実施した得た永久磁石の表面状態を示す写真であり、（ａ）は、焼結磁石Ｓ（処理前）の表面写真である。これによれば、上記処理前を示す焼結磁石Ｓでは、結晶粒界相であるＮｄリッチ相の空隙や脱粒跡などの黒い部分が見ていたが、比較例１のように、焼結磁石の表面がＤｙ層（薄膜）で覆われると、黒い部分が消えることが判る（図１０（ｂ）参照）。この場合、Ｄｙ層の膜厚を測定したところ、４０μｍであった。それに対して、実施例１では、処理前を示す焼結磁石Ｓと同様、Ｎｄリッチ相の空隙や脱粒跡などの黒い部分が見ており、処理前の焼結磁石の表面と略同一の状態であり、また、重量の変化があったことから、Ｄｙ層が形成される前にＤｙが結晶粒界相に効率よく拡散されていることが判る（図１０（ｃ）参照）。

図１１は、上記条件で永久磁石Ｍを得たときの磁気特性を示す表である。尚、比較例として、処理前の焼結磁石Ｓの磁気特性を示す。これによれば、真空蒸気処理前の焼結磁石Ｓの保磁力が１１．３ｋ０ｅであったのに対し、実施例１では、最大エネルギー積が４９．９ＭＧ０ｅで、残留磁束密度が１４．３ｋＧで、保磁力が２３．１ｋ０ｅであり、保磁力が向上していることが判る。

本発明の真空蒸気処理装置の構成を概略的に説明する斜視図。 図１の真空蒸気処理装置の構成を説明する断面図。 図１の真空蒸気処理装置の構成を説明する正面図。 処理箱を説明する断面図。 処理箱内の被処理物と金属蒸発材料との配置の変形例を示す断面図。 処理箱内の被処理物と金属蒸発材料との配置の他の変形例を示す断面図。 処理箱内の被処理物と金属蒸発材料との配置の他の変形例を示す断面図。 本発明の真空蒸気処理装置を用いて作製された永久磁石の断面を模式的に説明する図。 実施例１で用いた真空蒸気処理装置の構成を模式的に説明する断面図。 本発明の真空蒸気処理装置を用いて作製した永久磁石の表面拡大写真。 実施例１で作成した永久磁石の磁気特性を示す表。

符号の説明

１ 真空蒸気処理装置
１１ 処理炉
２ 加熱手段
２１ 断熱材
２２ 発熱体
３ 載置テーブル
４ 処理箱
４０ 処理室
４１ 箱部
４２ 蓋部
５４ 熱交換器
５５ｂ 連通路
５６ 気体通路
Ｓ 被処理物
Ｖ 金属蒸発材料

Claims (11)

1. 処理炉と、この処理炉内に配置される少なくとも１個の処理箱と、この処理箱を加熱する加熱手段とを備え、処理箱内に被処理物と金属蒸発材料とを配置した状態で処理炉及び処理箱を所定圧力まで減圧する真空排気手段を設け、減圧下で加熱手段を作動させて被処理物を所定温度まで昇温させて金属蒸発材料を蒸発させ、この蒸発した金属原子が被処理物表面に供給されるように構成したことを特徴とする真空蒸気処理装置。
2. 前記処理箱は、前記処理炉内に出入れ自在であって、上面が開口した箱部とこの開口した上面に着脱自在に装着される蓋部とから構成されたものであり、真空排気手段を作動させて前記処理炉を減圧するのに伴って処理箱内が減圧されることを特徴とする請求項１記載の真空蒸気処理装置。
3. 前記加熱手段及び処理箱を、金属蒸発材料と反応しない材料、または少なくとも表面に金属蒸発材料と反応しない材料を内張膜として形成したものから構成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の真空蒸気処理装置。
4. 前記金属蒸発材料と反応しない材料はＭｏであることを特徴とする請求項３記載の真空蒸気処理装置。
5. 前記加熱手段は、処理箱の周囲を囲う断熱材とその内側に配置した発熱体とから構成され、この断熱材は所定の間隔を置いて複数枚を重ねて構成したものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の真空蒸気処理装置。
6. 前記処理箱の底面から所定の高さ位置で被処理物の載置を可能とする載置部を備え、この載置部は複数本の線材を配置して構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の真空蒸気処理装置。
7. 前記処理箱内に、金属蒸発材料の収納を可能とする収納部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の真空蒸気処理装置。
8. 前記収納部を、被処理物の周囲を囲うように処理箱の側壁に設けたことを特徴とする請求項７記載の真空蒸気処理装置。
9. 前記収納部を、前記処理箱内に配置した被処理物相互の間に位置させて設けたことを特徴とする請求項７記載の真空蒸気処理装置。
10. 前記加熱手段は複数の連通路を有し、この連通路に通じる気体通路が加熱手段と処理炉の内壁との間に設けられ、この気体通路がファンと熱交換器とを備えた空冷手段に接続されたことを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の真空蒸気処理装置。
11. 前記処理物が鉄−ホウ素−希土類系の焼結磁石であり、前記金属蒸発材料がＤｙ、Ｔｂの少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の真空蒸気処理装置。