JPWO2009075351A1 - R−t−b系合金及びr−t−b系合金の製造方法、r−t−b系希土類永久磁石用微粉、r−t−b系希土類永久磁石 - Google Patents

R−t−b系合金及びr−t−b系合金の製造方法、r−t−b系希土類永久磁石用微粉、r−t−b系希土類永久磁石 Download PDF

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Abstract

本発明は、希土類系永久磁石に用いられるR−T−B系合金(ただし、RはDyおよび/またはTbを必須とするYを含む希土類元素のうち少なくとも1種以上の元素であり、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)であって、R2T14B相である主相とRリッチ相とを有し、前記R−T−B系合金全体のDyおよび/またはTbの濃度の平均値を平均濃度としたとき、前記R−T−B系合金の任意の断面における前記主相の面積の60%以上の領域が、平均濃度以上の前記Dyおよび/またはTbを含有することを特徴とするR−T−B系合金を提供することを目的とする。また、本発明は、該R−T−B系合金の製造方法、並びに該R−T−B系合金から作製したR−T−B系希土類永久磁石用微粉、R−T−B系希土類永久磁石及びモータを提供することを目的とする。

Description

本発明は、R−T−B系合金及びR−T−B系合金の製造方法、R−T−B系希土類永久磁石用微粉、R−T−B系希土類永久磁石に関し、特に、磁化の均一性に優れたR−T−B系希土類永久磁石の得られるR−T−B系合金およびR−T−B系希土類永久磁石用微粉に関するものである。
近年、省エネルギーへの強い要求を背景として、希土類磁石を用いたモーターの需要が強まっている。モーター向け用途の希土類磁石では、耐熱性を向上させるためにDy、Tbといった重希土類元素が用いられている。しかし、資源的制約から希土類磁石に添加する重希土類元素の削減が求められている。また、重希土類元素を添加すると、焼結磁石の残留磁束密度が低下して希土類磁石自体のエネルギーが減少する。したがって、高いエネルギーを有する希土類磁石を得るために、なるべく少量の重希土類元素で可能な限り高い保磁力を得ることが要求されている。
R−T−B系磁石合金においてRは、Ndの一部をPr、Dy、Tb等の他の希土類元素で置換したものが主であり、Yを含む希土類元素のうち少なくとも1種である。TはFeの一部をCo、Ni等の他の遷移金属で置換したものである。Bは硼素であり、一部をCまたはNで置換できる。主成分がNd、Fe、Bである事からNd−Fe−B系磁石、あるいはR−T−B系磁石と総称されている。添加元素としてCu、Al、Ti、V、Cr、Ga、Mn、Nb、Ta、Mo、W、Ca、Sn、Zr、Hfなどが1種または複数組み合わせて添加されていてもよい。
R−T−B系合金は、磁化作用に寄与する強磁性相であるR14B相を主相とするものであり、主相中には非磁性で希土類元素の濃縮した低融点のRリッチ相が共存している。R−T−B系合金は、活性な金属であることから一般に真空又は不活性ガス中で溶解や鋳造が行われる。また、鋳造されたR−T−B系合金塊から粉末冶金法によって焼結磁石を作製するには、合金塊を5μm(レーザー回折式粒度分布測定計での測定)程度に粉砕して合金粉末にした後、磁場中でプレス成形して磁化容易軸方向に配向させ、真空あるいは不活性雰囲気中で焼結炉にて約1000〜1100℃で焼結する。その後、必要に応じて熱処理、機械加工し、さらに耐食性を向上するためにメッキを施し、焼結磁石とするのが普通である。
R−T−B系焼結磁石において、Rリッチ相は、以下のような重要な役割を担っている。
1)融点が低く、焼結時に液相となり、磁石の高密度化、従って磁化の向上に寄与する。
2)粒界の凹凸を無くし、逆磁区のニュークリエイションサイトを減少させ保磁力を高める。
3)主相を磁気的に絶縁し、保磁力を増加させる。
したがって、成形した磁石中におけるRリッチ相の分散状態が悪いと、局部的な焼結不良や磁性の低下をまねく。このため、成形した磁石中にRリッチ相が均一に分散していることが重要である。磁石中におけるRリッチ相の分布は、原料であるR−T−B系合金の組織に大きく影響される。
また、R−T−B系合金の鋳造で生じる問題として、鋳造された合金中にα−Feが生成することが挙げられる。α−Feは、合金を粉砕する際の粉砕効率の悪化をもたらす。
また、α−Feが焼結後の磁石中に残存すると、磁石の磁気特性の低下をもたらす。そこで、従来のR−T−B系合金では、必要に応じて高温で長時間にわたる均質化処理を行い、α−Feの消去を行っていた。
R−T−B系合金中にα−Feが生成する問題を解決するため、より速い冷却速度で合金塊を鋳造する方法として、ストリップキャスト法(SC法と略す。)が開発され、実用されている。SC法は、内部が水冷された銅ロール上に溶湯を流し、0.1〜1mm程度の薄片を鋳造することにより、合金を急冷凝固させる技術である。SC法を用いることにより、α−Feの析出を抑制することができる。さらに、SC法を用いることにより、合金の結晶組織が微細化されるため、Rリッチ相が微細に分散した組織を有する合金を生成できる。
このように、SC法で鋳造された合金は、内部のRリッチ相が微細に分散しているため、粉砕、焼結後の磁石中のRリッチ相の分散性が良好となり、磁気特性に優れた磁石となることが知られている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
また、SC法により鋳造された合金薄片は、組織の均質性も優れている。組織の均質性は、結晶粒径やRリッチ相の分散状態で比較することが出来る。SC法で作製した合金薄片では、合金薄片の鋳造用ロール側(以降、鋳型面側とする)にチル晶が発生することもあるが、全体として急冷凝固でもたらされる適度に微細で均質な組織を得ることが出来る。
以上のように、SC法で鋳造したR−T−B系合金は、Rリッチ相が微細に分散し、α−Feの生成も抑制されているため、焼結磁石を作製するための優れた組織を有している。しかし、磁石の特性が向上するにつれて、ますます原料合金の組織、特にRリッチ相の存在状態の高度な制御が求められるようになってきている。
先に本発明者らは、鋳造されたR−T−B系合金の組織と、水素解砕や微粉砕の際の挙動との関係について研究し、焼結磁石用の合金粉末の粒度を均一に制御するためには、Rリッチ相の分散状態を制御することが重要であることを見出した。
そして、本発明者らは、合金中の鋳型面側に生成されるRリッチ相の分散状態が極端に細かな領域(微細Rリッチ相領域)は、微粉化しやすく、合金の粉砕安定性を低下させると共に、粉末の粒度分布をブロードにすることを見出し、微細Rリッチ相領域を減少させることが磁石特性を向上させるために必要であることを確認した(例えば、特許文献3、特許文献4、特許文献5参照)。
また、急冷法によって作製され、Tb、Hoからなる群から選択された少なくとも1種のRを含有する希土類永久磁石用原料合金において、合金中のRのうち粒界相に存在する部分は、保磁力向上のために有効利用されないという問題があることが知られている。この問題を解決するために、Rが含有希土類元素全体の10原子%以上を占め、しかもR14Q相に含まれるRの原子数比率が含有希土類元素全体に占めるRの原子数比率よりも大きいものとし、Rを有効に活用して効果的に保磁力を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献6参照)。
特開平5−222488号公報 特開平5−295490号公報 特開2003−188006号公報 特開2004−43921号公報 特開2004−181531号公報 特開2007−67419号公報
しかしながら、従来のR−T−B系希土類永久磁石では、磁石特性のばらつきが大きく、磁化の均一性が不十分であるという不都合があった。このため、磁石特性のばらつきを小さくすることが要求されていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、磁石特性のばらつきが小さく、磁化の均一性に優れたR−T−B系希土類永久磁石の原料となるR−T−B系合金およびR−T−B系合金の製造方法を提供することを目的とする。
また、上記R−T−B系合金から作製されたR−T−B系希土類永久磁石用微粉およびR−T−B系希土類永久磁石を提供することを目的とする。
本発明者は、Dyおよび/またはTbを含むR−T−B系合金において、R−T−B系合金中におけるDyおよび/またはTbの分布が、粉砕して焼結した後に得られる磁石特性に影響をきたすことを見出し、R14B相である主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度分布に着目して鋭意研究を重ねた。具体的には、本発明者は、電界放出型の電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いてR−T−B系合金のDyおよび/またはTbの濃度の面分析を行った。その結果、従来、主相中に含まれる希土類元素の量は、均一であると考えられてきたが、場所により変動していることが明らかとなった。
そこで、本発明者は、主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度分布と磁石特性のばらつきとの関係を調べた。その結果、本発明者は、主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが十分に小さいものでは、磁石特性のばらつきが十分に小さくなることを見出し、本発明に至った。
すなわち本発明は、下記の各発明を提供するものである。
(1)希土類系永久磁石に用いられるR−T−B系合金(ただし、RはDyおよび/またはTbを必須とするYを含む希土類元素のうち少なくとも1種以上の元素であり、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)であって、R14B相である主相とRリッチ相とを有し、前記R−T−B系合金全体のDyおよび/またはTbの濃度の平均値を平均濃度としたとき、前記R−T−B系合金の任意の断面における前記主相の面積の60%以上の領域が、平均濃度以上の前記Dyおよび/またはTbを含有することを特徴とするR−T−B系合金。
(2)前記主相の面積の10%以上の領域が、平均濃度よりも1質量%以上高い前記Dyおよび/またはTbを含有することを特徴とする(1)に記載のR−T−B系合金。
(3)前記Rリッチ相同士の間隔が3μm〜10μmであることを特徴とする(1)または(2)に記載のR−T−B系合金。
(4)前記R−T−B系合金全体に含まれるDyおよび/またはTbのうち前記主相中に含まれるDyおよび/またはTbの量が75質量%〜90質量%であり、前記主相中におけるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが2質量%以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のR−T−B系合金。
(5)ストリップキャスト法で製造された平均厚さ0.05mm〜0.8mmの薄片であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のR−T−B系合金。
また、本発明者は、主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが十分に小さいR−T−B系合金の製造方法について、鋭意研究を重ねた。そして、特定温度域での冷却速度を低下させて、Rの拡散を充分に行うことにより、主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきを小さくできることを見出し、本発明に至った。
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載のR−T−B系合金の製造方法であって、ストリップキャスト法を用いる鋳造工程と、鋳造された合金を900℃〜600℃の温度で10秒間〜7200秒間保持する保温加熱処理工程とを備えることを特徴とするR−T−B系合金の製造方法。
(7)前記鋳造工程において、冷却ロールから離脱するときの合金温度が650℃〜1100℃であることを特徴とする(6)に記載のR−T−B系合金の製造方法。
(8)前記保温加熱処理工程を開始するときの前記合金の温度が950℃〜600℃であることを特徴とする(6)または(7)に記載のR−T−B系合金の製造方法。
(9)(1)〜(5)のいずれかに記載のR−T−B系合金または(6)〜(8)のいずれかに記載のR−T−B系合金の製造方法により作製されたR−T−B系合金から作製したことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石用微粉。
(10)(9)に記載のR−T−B系希土類永久磁石用微粉から作製されたことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石。
(11)(10)に記載されたR−T−B系希土類永久磁石を用いたことを特徴とするモーター。
本発明のR−T−B系合金は、R14B相である主相とRリッチ相とを有し、前記R−T−B系合金全体のDyおよび/またはTbの濃度の平均値を平均濃度としたとき、前記R−T−B系合金の任意の断面における前記主相の面積の60%以上の領域が、平均濃度以上の前記Dyおよび/またはTbを含有するものであり、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く、かつ主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さいものであるので、磁石特性のばらつきが小さく、磁化の均一性に優れたR−T−B系希土類永久磁石を実現できるものとなる。
本発明のR−T−B系合金の製造方法は、ストリップキャスト法を用いる鋳造工程と、鋳造された合金を900℃〜600℃の温度で10秒間〜7200秒間保持する保温加熱処理工程とを備える方法であるので、Rの拡散が充分に行われて、主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さくなり、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く、かつ主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さい本発明のR−T−B系合金が得られる。
また、本発明のR−T−B系希土類永久磁石用微粉およびR−T−B系希土類永久磁石は、本発明のR−T−B系合金または本発明のR−T−B系合金の製造方法により作製されたR−T−B系合金から作製したものであるので、磁石特性のばらつきが小さく、磁化の均一性に優れたものとなる。
ストリップキャスト法の鋳造装置の模式図である。 実施例1の鋳造合金薄片のEPMA分析を行った結果を示した写真であり、鋳造ロールの表面に鉛直方向から撮影した反射電子像である。 実施例1の鋳造合金薄片のEPMA分析を行った結果を示した写真であり、図2Aと同じ領域に対してDyの面分析(デジタルマッピング)を行った結果を示した電子像である。 比較例1の鋳造合金薄片のEPMA分析を行った結果を示した写真であり、鋳造ロールの表面に鉛直方向から撮影した反射電子像である。 比較例1の鋳造合金薄片のEPMA分析を行った結果を示した写真であり、図3Aと同じ領域に対してDyの面分析(デジタルマッピング)を行った結果を示した電子像である。 図4は、主相の面積のうち、平均濃度よりも1質量%以上高いDy濃度である領域の面積率を示したグラフである。 図5は、主相の面積のうち、平均濃度以上のDy濃度である領域の面積率を示したグラフである。 図6は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の飽和磁化(Js)を示したグラフである。 図7は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の残留磁化(Br)を示したグラフである。 図8は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の配向度(Br/Js)を示したグラフである。 図9は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の保磁力(Hcj)を示したグラフである。 図10は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の角形性(Hk/Hcj)を示したグラフである。 本発明のモーターの一例を示した図であり、IPM型モーターのローター構造部を示した概略断面図である。 本発明のモーターの一例を示した図であり、SPM型モーターのローター構造部を示した概略断面図である。
符号の説明
1 耐火物ルツボ
2 タンディッシュ
3 鋳造ロール
4 捕集コンテナ
5 R−T−B系合金
11、15 永久磁石
12、16 回転軸
13、17 空隙
本発明のR−T−B系合金は、希土類系永久磁石に用いられるものである。本発明のR−T−B系合金において、Rは、Dyおよび/またはTbを必須とするYを含む希土類元素のうち少なくとも1種以上の元素であり、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である。更に本発明のR−T−B系合金においては、Rの組成が27.5〜32.5%、Bの組成が0.87〜1.30%であり、残部がTである。本発明のR−T−B系合金は、添加物としてAl、Cu、Co、Gaなどを含有していてもよい。添加物の含有量としては、例えば、Coを0.5〜3質量%、Cuを0.05〜0.2質量%、Gaを0.05〜0.3質量%、Alを0.03〜0.5質量%とすることができる。
また、本発明のR−T−B系合金は、R14B相である主相と、R含有量が70質量%以上であり、非磁性で希土類元素の濃縮した低融点のRリッチ相とからなるものである。主相は、主に柱状晶、一部等軸晶からなる。Rリッチ相は、主相の粒界と粒内に存在しており、主相の柱状晶の長軸方向に沿って伸張した線状、あるいは一部が途切れた形状、または粒状である。
Rリッチ相同士の間隔は、3μm〜10μmであることが好ましい。Rリッチ相同士の間隔が3μm未満であると、結晶粒の微細化といった弊害をもたらす恐れがある。また、Rリッチ相同士の間隔が10μmを超えると、Rリッチ相の分散状態が悪くなり、R−T−B系合金を粉砕してR−T−B系希土類永久磁石用微粉を製造した場合に、Rリッチ相が存在する粉末粒子の割合が少なくなり、Rリッチ相の分散状態が悪化して、焼結性を低下させる恐れや、焼結磁石の保磁力が十分に得られない恐れがある。
また、本発明のR−T−B系合金は、R−T−B系合金全体のDyおよび/またはTbの濃度の平均値を平均濃度としたとき、R−T−B系合金の任意の断面における主相の面積の60%以上の領域が、平均濃度以上のDyおよび/またはTbを含有するものである。
ここでの「Dyおよび/またはTbの平均濃度」は、R−T−B系合金となる原料中の濃度とすることができるが、原料中の濃度が分からない場合には、例えば、R−T−B系合金を酸で溶解し、ICP(誘導結合プラズマ:Inductively Coupled Plasma)を用いて測定する方法や、R−T−B系合金を焼成して酸化物とし、XRF(蛍光X線分析)を用いて測定する方法などによって算出できる。
また「主相のDyおよび/またはTbの濃度」は、EPMA(電子プローブマイクロアナライザ)を用いてR−T−B系合金の任意の断面における主相部分を面分析する方法により得られる。EPMAとしては、解像度が高く、高精度であるため、タングステンフィラメントの熱電子放出型のものや、電界放出型のものを用いることが好ましい。
主相の面積のうちの平均濃度以上のDyおよび/またはTbを含有するもの領域が上記範囲未満であると、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が低く(言い換えるとRリッチ相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く)なり、保磁力向上のために有効利用されないDyおよび/またはTbの割合が多くなり、磁石特性が不十分となるし、主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが大きく、磁石特性のばらつきが大きくなり、磁化の均一性が不十分となる。
また、本発明のR−T−B系合金では、主相の面積の10%以上の領域が、平均濃度よりも1質量%以上高いDyおよび/またはTbを含有するものであることがより好ましい。
R−T−B系合金を粉砕してR−T−B系希土類永久磁石用微粉を製造する場合、Rリッチ相に含まれるDyおよび/またはTbが、主相に含まれるDyおよび/またはTbと比較して、R−T−B系合金の粉砕時に酸化されて安定な酸化物を形成しやすいものであるため、焼結磁石の保磁力向上に有効利用されないものとされやすい。したがって、Dyおよび/またはTbの濃度が平均濃度よりも1質量%以上高い領域の割合が上記範囲未満であると、Rリッチ相中のDyおよび/またはTbの濃度が高くなり、R−T−B系希土類永久磁石用微粉を製造するための粉砕時に逸失するDyおよび/またはTbの量が多く、磁石特性が不十分となる恐れがある。
また、本発明のR−T−B系合金は、R−T−B系合金全体に含まれるDyおよび/またはTbのうち主相中に含まれるDyおよび/またはTbの量が75質量%〜90質量%であり、主相中におけるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが2質量%以下であることが好ましい。「主相中に含まれるDyおよび/またはTbの量」や「主相中におけるDyおよび/またはTbの濃度のばらつき」は、EPMAを用いてR−T−B系合金の任意の断面における主相部分を面分析した結果を用いて算出できる。
R−T−B系合金全体に含まれるDyおよび/またはTbのうち主相中に含まれるDyおよび/またはTbの量を上記範囲とするとともに、主相中におけるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきを上記範囲以下とすることで、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が十分に高く、かつ主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが十分に小さいものとなる。
また、本発明のR−T−B系合金が、SC法で製造された平均厚さ0.05mm〜0.8mmの薄片である場合、Rリッチ相同士の間隔が3μm〜10μm程度のものとなり、好ましい。薄片の平均厚さが0.05mm未満であると、ストリップキャスト法で製造する際における凝固速度が過度に増加するので、Rリッチ相の分散が細かくなりすぎる。また、薄片の平均厚さが0.8mmを超えると、SC法で製造する際における凝固速度が減少して、Rリッチ相の分散性の低下や、α−Feの析出などを招く恐れがある。
(R−T−B系希土類永久磁石の作製)
本発明のR−T−B系希土類永久磁石を作製するには、まず、本発明のR−T−B系合金からR−T−B系希土類永久磁石用微粉を作製する。本発明のR−T−B系合金は、例えば、図1に示す鋳造装置を用いてSC法で製造される。
(鋳造工程)
まず、アルミナなどからなる図1に示す耐火物ルツボ1に、本発明のR−T−B系合金となる原料を入れ、真空またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で1500℃程度に昇温して溶解し、溶湯とする。原料としては、例えば、Dyおよび/またはTbを必須とするYを含む希土類元素と、鉄と、フェロボロンとを主成分とし、磁石特性を調整するための添加物として、アルミニウム、銅、コバルト、ガリウムを含むものを用いる。
次いで、合金の溶湯を、必要に応じて整流機構やスラグ除去機構の設けられたタンディッシュ2を介して、周速度1.0m/sで回転する内部を水冷された鋳造ロール3(冷却ロール)に、幅1cmあたり毎秒25g程度の平均溶湯供給速度で供給し、鋳造ロール3上で凝固させて平均厚さ0.05mm〜0.8mmの薄片とする。凝固されたR−T−B系合金5の薄片は、タンディッシュ2の反対側で鋳造ロール3から離脱して、破砕装置21の破砕ロール21aの間を通して破砕されることにより、直径1cm以下に砕かれて鋳造合金薄片Nとされ、保温装置(図示略)に送出される。
(合金の鋳造ロール上での平均冷却速度)
平均冷却速度は、溶湯の鋳造ロール接触直前の温度と合金が鋳造ロールを離脱する時の温度との差を、鋳造ロール上に接触している時間で除した値である。平均冷却速度は、毎秒500℃〜3000℃の範囲であることが好ましい。平均冷却速度が毎秒500℃未満であると、冷却速度が不足してα−Feの析出、Rリッチ相、R17相などの組織の粗大化をもたらす。一方、平均冷却速度が毎秒3000℃を超えると、過冷却となり、主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきを十分に小さくすることができない恐れがある。
(鋳造ロールから離脱するときの合金温度)
鋳造ロールから離脱するときの合金の平均温度であるロール離脱温度は、合金と鋳造ロールとの接触程度の微妙な相違、合金の厚さのゆらぎなどにより微妙に変化する。ロール離脱温度は、例えば鋳造開始時から終了時まで放射温度計で合金表面を幅方向に走査し、測定値を平均化する方法などにより測定できる。ロール離脱温度は、650℃〜1100℃程度であることが好ましく、750℃〜1000℃であることがより好ましい。ロール離脱温度が650℃〜1100℃の範囲である場合、鋳造工程後に再加熱することなく保温加熱処理工程を行うことができる。
主相の溶解温度は、Nd−Fe−Bの3元系では1150℃程度とされているが、Ndの他の希土類元素への置換、Feの他の遷移元素への置換、その他の添加元素の種類、添加量に応じて変化する。主相の溶解温度とロール離脱温度との差が50℃よりも小さい場合、冷却速度不足となる。一方、主相の溶解温度とロール離脱温度との差が500℃よりも大きい場合、冷却速度が速すぎて、溶湯が過冷却となりすぎる。なお、溶湯の過冷却の程度は、合金内で一様ではなく、合金と鋳造ロールとの接触程度や、合金内における合金と鋳造ロールとの接触部からの距離に応じて変化する。
(保温加熱処理工程)
保温装置に送出された鋳造合金薄片Nは、あらかじめヒーターで保温された保温コンテナによって捕集され、保温コンテナ内で900℃〜600℃の温度で10秒間〜7200秒間、好ましくは30秒〜1800秒間保持する保温加熱処理がなされる。鋳造ロールから剥離して破砕された後に得られた鋳造合金薄片Nは、周囲から熱を奪われやすいものであるので、十分な保温加熱処理を行うために、破砕された直後に保温加熱処理を行うことが好ましい。
保温加熱処理の温度が上記範囲未満であったり、処理時間が上記範囲未満であったりすると、主相におけるDyおよび/またはTbの分布が十分に均一とならない恐れがある。
また、保温加熱処理の温度が上記範囲を超えたり、処理時間が上記範囲を超えたりすると、合金の結晶組織が肥大化するので好ましくない。なお、保温加熱時間を長くすると結晶組織の肥大化が進行するが、保温加熱時間が所定の時間を超えると、結晶組織の肥大化はほぼ収束する。しかし、生産性を向上させるために、保温加熱処理の処理時間は、7200秒以下であることが好ましい。
また、保温加熱処理工程を開始するときの鋳造合金薄片Nの温度は、950℃〜600℃であることが好ましく、850℃〜700℃の範囲であることがより好ましい。保温加熱処理工程を開始するときの鋳造合金薄片Nの温度が上記範囲未満であると、主相におけるDyおよび/またはTbの分布が十分に均一とならない恐れがある。また、保温加熱処理工程を開始するときの鋳造合金薄片Nの温度が上記範囲を超えると、合金の結晶組織が粗大化する恐れがある。
また、保温加熱処理工程を開始するときの鋳造合金薄片Nの好ましい温度は、鋳造合金薄片Nに含有される成分によって異なる。例えば、TRE(Nd+Pr+Dy)が30.5〜31.5重量%、TREのうちDyが2.0〜2.5重量%含まれる鋳造合金薄片Nの場合には、温度が680℃〜800℃の範囲であることが好ましく、平均温度が750℃程度であることが好ましい。また、TRE(Nd+Pr+Dy)が27.5〜28.5重量%、TREのうちDyが5.0〜5.5重量%含まれる鋳造合金薄片Nの場合には、温度が720℃〜780℃の範囲であることが好ましく、平均温度が750℃程度であることが好ましい。また、TRE(Nd+Pr+Dy)が31.0〜32.5重量%、TREのうちDyが7.5〜8.0重量%含まれる鋳造合金薄片Nの場合には、温度が720℃〜800℃の範囲であることが好ましく、平均温度が750℃程度であることが好ましい。また、TRE(Nd+Pr+Dy)が30.5〜31.0重量%、TREのうちDyが8.5〜9.0重量%含まれる鋳造合金薄片Nの場合には、温度が730℃〜820℃の範囲であることが好ましく、平均温度が770℃程度であることが好ましい。
保温加熱処理に用いられる保温装置は、十分な保温加熱処理を行うことができるものであればいかなるものであってもよく特に限定されないが、例えば、保温コンテナを搬送するベルトコンベアが備えられているものや、保温コンテナを傾斜させて保温コンテナ内の鋳造合金薄片を貯蔵容器に送出させる傾斜装置が備えられているもの、貯蔵容器と貯蔵容器の上部に配置された開閉式ステージとが備えられている保温コンテナ(例えば、特開2007−277655号公報参照)などが挙げられる。
次に、このようにして得られた本発明のR−T−B系合金からなる薄片を用いて、本発明のR−T−B系希土類永久磁石用微粉を製造する。まず、本発明のR−T−B系合金からなる薄片に室温で水素を吸蔵させ、300℃で減圧して水素を除去する。その後、R−T−B系合金の薄片をジェットミルなどの粉砕機を用いて平均粒度d50=4〜5μmに微粉砕し、R−T−B系希土類永久磁石用微粉とする。次に、得られたR−T−B系希土類永久磁石用微粉を、例えば、横磁場中成型機の金型内に充填してプレス成型し、真空中で1030〜1100℃で熱処理し、一旦室温まで冷却した後、800℃で熱処理し、その後、500℃で熱処理して焼結させることにより本発明のR−T−B系希土類永久磁石が得られる。
本実施形態のR−T−B系合金は、R14B相である主相とRリッチ相とを有し、前記R−T−B系合金全体のDyおよび/またはTbの濃度の平均値を平均濃度としたとき、前記R−T−B系合金の任意の断面における前記主相の面積の60%以上の領域が、平均濃度以上の前記Dyおよび/またはTbを含有するものであり、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く、かつ主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さいものであるので、磁石特性のばらつきが小さく、磁化の均一性に優れたR−T−B系希土類永久磁石を実現できるものとなる。
また、本実施形態のR−T−B系合金は、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く、主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さいものであるので、粉砕に起因するDyおよび/またはTbの逸失が少ないものとなる。
また、本実施形態のR−T−B系合金が、主相の面積の10%以上の領域が、平均濃度よりも1質量%以上高いDyおよび/またはTbを含有するものである場合、主相中のDyおよび/またはTbの濃度がより一層高いものとなるので、これを粉砕してR−T−B系希土類永久磁石用微粉を製造する場合に粉砕に起因するDyおよび/またはTbの逸失がより一層少ないものとなり、保磁力向上のために有効利用されるDyおよび/またはTbの割合をより多くすることができる。したがって、Dyおよび/またはTbの含有量を多くすることなく、焼結磁石の保磁力を効果的に向上させることができる。
また、本実施形態のR−T−B系合金において、Rリッチ相同士の間隔が3μm〜10μmである場合、微細なRリッチ相が均一に分散したものとなり、高い保磁力が得られるものとなる。
また、本実施形態のR−T−B系合金の製造方法は、ストリップキャスト法を用いる鋳造工程と、鋳造された合金を900℃〜600℃の温度で10秒間〜7200秒間保持する保温加熱処理工程とを備える方法であるので、Rの拡散が充分に行われて、主相中に含まれるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さくなり、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く、かつ主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さい本発明のR−T−B系合金が得られる。
また、ストリップキャスト法を用いる鋳造工程と、鋳造された合金を900℃〜600℃の温度で10秒間〜7200秒間保持する保温加熱処理工程とを行うことにより、Rリッチ相同士の間隔が3μm〜10μmであり、微細なRリッチ相が均一に分散した保磁力の高いR−T−B系合金が得られる。
また、本実施形態の鋳造工程において、冷却ロールから離脱するときの合金温度を650℃〜1100℃とした場合、鋳造工程後に再加熱することなく保温加熱処理工程を行うことができる。
また、本実施形態において、保温加熱処理工程を開始するときの前記合金の温度を950℃〜600℃とした場合、合金の結晶組織を粗大化させることなく、主相におけるDyおよび/またはTbの分布がより一層均一なR−T−B系合金を製造することができる。
また、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石用微粉は、本実施形態のR−T−B系合金から作製したものであるので、磁石特性のばらつきが小さく、磁化の均一性に優れたR−T−B系希土類永久磁石を実現できるものとなる。
また、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石用微粉は、主相中のDyおよび/またはTbの濃度が高く、かつ主相中のDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが小さいR−T−B系合金から作製したものであるので、従来のR−T−B系希土類永久磁石用微粉と比べて角が取れて丸まった粉末形状となっており、優れた流動性が得られる。このため、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石用微粉は、R−T−B系希土類永久磁石を作成する際における金型への充填性に優れ、金型へのR−T−B系希土類永久磁石用微粉の充填密度を高くすることができる。このことにより、成形されたR−T−B系希土類永久磁石の割れや欠けを防止することができるし、焼結後に得られたR−T−B系希土類永久磁石の寸法変動を小さくすることもできる。
また、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石用微粉は、本実施形態のR−T−B系合金から作製したものであるので、従来のR−T−B系希土類永久磁石用微粉と比べて磁場成形したときの配向が高いものとなる。このため、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石用微粉から作製されたR−T−B系希土類永久磁石は、高い残留磁束密度を有し、磁石としてのエネルギーが高いものとなる。
また、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石は、本実施形態のR−T−B系合金から作製したものであるので、磁石特性のばらつきが小さく、磁化の均一性に優れたものとなる。
図11は、本発明のモーターの一例を示した図であり、図11AはIPM型モーターのローター構造部を示した概略断面図であり、図11BはSPM型モーターのローター構造部を示した概略断面図である。
図11Aにおいて、符号11は板状の永久磁石を示し、符号12は磁性体からなり、永久磁石11を内包する回転軸を示し、符号13は回転軸12の内部に設けられた空隙を示している。永久磁石11としては、本発明のR−T−B系希土類永久磁石が用いられている。
図11Aに示すIPM型モーターにおいては、永久磁石11として本発明のR−T−B系希土類永久磁石が用いられているので、高い効率を発揮できる。
また、図11Bにおいて、符号16は磁性体からなる回転軸を示し、符号15は回転軸16の外周部に配置された複数の永久磁石を示し、符号17は回転軸16の内部に設けられた空隙を示している。永久磁石15としては、本発明のR−T−B系希土類永久磁石が用いられている。
図11Bに示すSPM型モーターにおいては、永久磁石15として本発明のR−T−B系希土類永久磁石が用いられているので、高い効率を発揮できる。
(実施例1)
質量比で、Nd25%、Pr6%、Dy2%、B0.99%、Co1.0%、Al0.15%、Cu0.10%、Ga0.1%、残部Feになるように配合した原料を秤量して、図1に示す製造装置のアルミナからなる耐火物ルツボ1に入れ、アルゴンガス1気圧の雰囲気中で高周波溶解炉を用いて溶解し、合金溶湯とした。次いで、この合金溶湯を、タンディッシュ2を介して鋳造ロール3(冷却ロール)に供給して、SC法にて鋳造し、破砕装置21により破砕させることにより、R−T−B系合金の鋳造合金薄片とし、保温装置の保温コンテナ内に送出して保温加熱処理工程を開始した。
なお、鋳造ロールの周速度は1.0m/s、冷却ロールから離脱するときの合金温度は800℃、保温加熱処理工程を開始するときの合金の温度(保温装置に導入されたときの合金の温度)750℃、合金の平均厚さは0.3mmとした。また、保温加熱処理工程においては、鋳造合金薄片を保温コンテナ内で750℃の温度で600秒間保持した。そして、保温加熱処理工程後、鋳造合金薄片を回収装置に移動させて100℃以下まで冷却した。
(比較例1)
実施例1と同様の原料からなるR−T−B系合金を、実施例1と同様にして鋳造、破砕してR−T−B系合金の鋳造合金薄片を得た。得られた鋳造合金薄片は、保温加熱処理工程を行わずに、回収装置に移動させて100℃以下まで冷却した。
このようにして得られた実施例1および比較例1の鋳造合金薄片について、電界放出型のEPMA(JXA−8500F:商品名、日本電子株式会社製)を用い、加速電圧20kVでEPMA分析を行った。その結果を図2および図3に示す。
図2は、実施例1の鋳造合金薄片のEPMA分析を行った結果を示した写真であり、図2Aは鋳造ロールの表面に鉛直方向から撮影した反射電子像であり、図2Bは図2Aと同じ領域に対してDyの面分析(デジタルマッピング)を行った結果を示した電子像である。また、図3は、比較例1の鋳造合金薄片のEPMA分析を行った結果を示した写真であり、図3Aは鋳造ロールの表面に鉛直方向から撮影した反射電子像であり、図3Bは図3Aと同じ領域に対してDyの面分析(デジタルマッピング)を行った結果を示した電子像である。
図2および図3より、実施例1および比較例1の鋳造合金薄片は、主相とRリッチ相とからなるものであることが分かる。なお、図2Aおよび図3Aにおける灰色部が主相(R14B相)であり、白色部がRリッチ相である。
また、図2Aおよび図3Aを用いて、以下に示すようにして、Rリッチ相同士の間隔を測定した。すなわち、図2Aおよび図3Aに示す反射電子像上に、鋳造ロールの表面と平行な線分を10本引き、この線分を横切ったRリッチ相の本数を数え、線分の長さをRリッチ相の本数で割ることによって求めた。このようにして求めたRリッチ相同士の間隔は、実施例1では、6.6μmであり、比較例1では、4.4μmであった。
また、図2Aおよび図2Bより、実施例1では、Dy濃度が主相において高くなっていることが分かる。これに対し、図3Aおよび図3Bより、比較例1では、Dyは主相に主に分布しているが、主相中にDy濃度の薄い部分が見られ、実施例1と比較して、主相中のDyの濃度のばらつきが大きいことがわかる。
また、実施例1および比較例1の鋳造合金薄片のEPMAによる面分析の結果から主相の面積のうち、平均濃度以上のDy濃度である領域の面積率と、平均濃度よりも1質量%以上高いDy濃度である領域の面積率とを算出した。その結果を図4および図5に示す。
なお、実施例1および比較例1の鋳造合金薄片のDyの平均濃度は、原料中の質量比(2質量%)である。
図4は、主相の面積のうち、平均濃度よりも1質量%以上高いDy濃度である領域の面積率を示したグラフである。図5は、主相の面積のうち、平均濃度以上のDy濃度である領域の面積率を示したグラフである。
図4に示すように、実施例1では、主相において、Dy濃度が3質量%以上である領域の面積率は19%であった。これに対し、比較例1では、主相において、Dy濃度が3質量%以上の領域の面積率は9%であり、実施例1と比較して少なかった。
また、図5に示すように、実施例1では、主相において、Dy濃度が2質量%以上である領域の面積率は64%であった。これに対し、比較例1では、主相において、Dy濃度が2質量%以上である領域の面積率は54%であり、実施例1と比較して少なかった。
また、実施例1および比較例1の鋳造合金薄片のEPMAによる面分析の結果を用いて、R−T−B系合金全体に含まれるDyのうち主相中に含まれるDyの量を求めた。その結果、実施例1は77質量%であり、比較例1は65質量%であった。また、主相中におけるDyの濃度のばらつきを求めた結果、実施例1は1.7質量%であり、比較例1は2.5質量%であった。
次に、実施例1および比較例1の鋳造合金薄片を用いて、以下に示すように、磁石を作製した。まず、鋳造合金薄片を水素解砕した。水素解砕は、鋳造合金薄片に室温で水素を吸蔵させ、300℃まで加熱した後、真空脱気して室温まで冷却して脆化させ、その後、ステアリン酸亜鉛を0.05質量%添加し、窒素気流中でジェットミルを用いて微粉砕する方法によって行った。微粉砕して得られた粉末のレーザー回折式測定による平均粒度は、実施例1および比較例1ともに5.0μmであった。
次に、得られた実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石用微粉を、横磁場成型機にて微粉末を配向させて成形し、焼結炉にて1080℃まで加熱して焼結体を得た。この焼結体を室温まで冷却した後、800℃、引き続いて500℃でそれぞれ所定の時間熱処理して実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石を得た。
このようにして得られた実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石を7mm角に加工し、パルスBHトレーサーで磁気特性を測定した。その結果を図6〜図10に示す。
図6は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の飽和磁化(Js)を示したグラフであり、図7は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の残留磁化(Br)を示したグラフであり、図8は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の配向度(Br/Js)を示したグラフであり、図9は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の保磁力(Hcj)を示したグラフであり、図10は、実施例1および比較例1のR−T−B系希土類永久磁石の角形性(Hk/Hcj)を示したグラフである。
図6に示すように、実施例1では飽和磁化(Js)のばらつきが比較例1と比べて小さくなっている。また、図7に示すように、実施例1では、残留磁化(Br)のばらつきが比較例1と比較して小さくなっている。
また、図8に示すように、実施例1では、磁石粒子の配向度(Br/Js)が比較例1と比較して大きくなっている。
さらに、図9に示すように、実施例1では、保磁力(Hcj)が比較例1と比較して高くなっている。また、図10に示すように、実施例1では、角形性(Hk/Hcj)が比較例1と比較して大きくなっている。
図6〜図10に示すように、実施例1は、比較例1と比較して焼結磁石としての磁気特性が優れたものであることがわかる。
(実施例2)
質量比で、Nd22%、Pr6%、Dy5%、B0.99%、Co1.0%、Al0.15%、Cu0.10%、Ga0.1%、残部Feになるように配合した原料を用いたこと以外は、実施例1と同様にして鋳造、破砕し、実施例1と同様にして保温加熱処理工程を行ってR−T−B系合金の鋳造合金薄片を得た。
(比較例2)
実施例2と同様の原料からなるR−T−B系合金を、実施例2と同様にして鋳造、破砕してR−T−B系合金の鋳造合金薄片を得た。得られた鋳造合金薄片は、保温加熱処理工程を行わずに、回収装置に移動させて実施例2と同様に冷却した。
このようにして得られた実施例2および比較例2の鋳造合金薄片について、実施例1と同様にして、主相の面積のうち、平均濃度以上のDy濃度である領域の面積率と、平均濃度(5質量%)よりも1質量%以上高いDy濃度である領域の面積率とを算出した。
実施例2では、主相において、Dy濃度が5質量%以上である領域の面積率は67%であった。これに対し、比較例2では、主相において、Dy濃度が5質量%以上の領域の面積率は52%であり、実施例2と比較して少なかった。
また、実施例2では、主相において、Dy濃度が6質量%以上である領域の面積率は15%であった。これに対し、比較例2では、主相において、Dy濃度が6質量%以上である領域の面積率は8%であり、実施例2と比較して少なかった。
また、実施例2および比較例2の鋳造合金薄片のEPMAによる面分析の結果を用いて、R−T−B系合金全体に含まれるDyのうち主相中に含まれるDyの量を求めた。その結果、実施例2は79質量%であり、比較例2は64質量%であった。また、主相中におけるDyの濃度のばらつきを求めた結果、実施例2は1.5質量%であり、比較例2は2.8質量%であった。
(実施例3)
質量比で、Nd17%、Pr5%、Dy9%、B0.92%、Co2.0%、Al0.15%、Cu0.10%、Ga0.1%、残部Feになるように配合した原料を用いたこと以外は、実施例1と同様にして鋳造、破砕し、実施例1と同様にして保温加熱処理工程を行ってR−T−B系合金の鋳造合金薄片を得た。
(比較例3)
実施例3と同様の原料からなるR−T−B系合金を、実施例3と同様にして鋳造、破砕してR−T−B系合金の鋳造合金薄片を得た。得られた鋳造合金薄片は、保温加熱処理工程を行わずに、回収装置に移動させて実施例3と同様に冷却した。
このようにして得られた実施例3および比較例3の鋳造合金薄片について、実施例1と同様にして、主相の面積のうち、平均濃度以上のDy濃度である領域の面積率と、平均濃度(9質量%)よりも1質量%以上高いDy濃度である領域の面積率とを算出した。
実施例3では、主相において、Dy濃度が9質量%以上である領域の面積率は62%であった。これに対し、比較例3では、主相において、Dy濃度が9質量%以上の領域の面積率は53%であり、実施例3と比較して少なかった。
また、実施例3では、主相において、Dy濃度が10質量%以上である領域の面積率は12%であった。これに対し、比較例3では、主相において、Dy濃度が10質量%以上である領域の面積率は7%であり、実施例3と比較して少なかった。
また、実施例3および比較例3の鋳造合金薄片のEPMAによる面分析の結果を用いて、R−T−B系合金全体に含まれるDyのうち主相中に含まれるDyの量を求めた。その結果、実施例3は78質量%であり、比較例3は67質量%であった。また、主相中におけるDyの濃度のばらつきを求めた結果、実施例3は1.6質量%であり、比較例3は2.6質量%であった。
本発明によれば、モータ用途に最適なR−T−B系希土類永久磁石の提供を可能とし、該永久磁石を用いたモータはあらゆる産業分野に有用であることから、本発明は、高い産業上の利用可能性を有する。

Claims (14)

  1. 希土類系永久磁石に用いられるR−T−B系合金(ただし、RはDyおよび/またはTbを必須とするYを含む希土類元素のうち少なくとも1種以上の元素であり、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)であって、
    14B相である主相とRリッチ相とを有し、前記R−T−B系合金全体のDyおよび/またはTbの濃度の平均値を平均濃度としたとき、前記R−T−B系合金の任意の断面における前記主相の面積の60%以上の領域が、平均濃度以上の前記Dyおよび/またはTbを含有することを特徴とするR−T−B系合金。
  2. 前記主相の面積の10%以上の領域が、平均濃度よりも1質量%以上高い前記Dyおよび/またはTbを含有することを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系合金。
  3. 前記Rリッチ相同士の間隔が3μm〜10μmであることを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系合金。
  4. 前記R−T−B系合金全体に含まれるDyおよび/またはTbのうち前記主相中に含まれるDyおよび/またはTbの量が75質量%〜90質量%であり、前記主相中におけるDyおよび/またはTbの濃度のばらつきが2質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系合金。
  5. ストリップキャスト法で製造された平均厚さ0.05mm〜0.8mmの薄片であることを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系合金。
  6. 請求項1に記載のR−T−B系合金の製造方法であって、
    ストリップキャスト法を用いる鋳造工程と、鋳造された合金を900℃〜600℃の温度で10秒間〜7200秒間保持する保温加熱処理工程とを備えることを特徴とするR−T−B系合金の製造方法。
  7. 前記鋳造工程において、冷却ロールから離脱するときの合金温度が650℃〜1100℃であることを特徴とする請求項6に記載のR−T−B系合金の製造方法。
  8. 前記保温加熱処理工程を開始するときの前記合金の温度が950℃〜600℃であることを特徴とする請求項6に記載のR−T−B系合金の製造方法。
  9. 請求項1に記載のR−T−B系合金から作製したことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石用微粉。
  10. 請求項6に記載のR−T−B系合金の製造方法により作製されたR−T−B系合金から作製したことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石用微粉。
  11. 請求項9に記載のR−T−B系希土類永久磁石用微粉から作製されたことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石。
  12. 請求項10に記載のR−T−B系希土類永久磁石用微粉から作製されたことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石。
  13. 請求項11に記載のR−T−B系希土類永久磁石を用いたことを特徴とするモーター。
  14. 請求項12に記載のR−T−B系希土類永久磁石を用いたことを特徴とするモーター。
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