JPWO2015020181A1 - R−t−b系焼結磁石、および、モータ - Google Patents
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Abstract
Description
2R + 6H2O → 2R(OH)3 +3H2 ・・・(I)
2R + xH2 → 2RHx ・・・(II)
2RHx + 6H2O → 2R(OH)3 + (3+x)H2 …(III)
R2T14B結晶粒を有するR−T−B系焼結磁石であって、隣り合う2つ以上の前記R2T14B結晶粒によって形成された粒界部に、前記R2T14B結晶粒内よりも、R(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種)、Cu、M(MはGa,Si,Sn,Ge,Biの中から選ばれる少なくとも1種)、Cの濃度が共に高いR−Cu−M−C濃縮部を有することを特徴とする。
本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石は、R−T−B(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種を表し、TはFeまたはFeおよびCoを含む1種以上の遷移金属元素を表し、BはBまたはBおよびCを表す)系合金を用いて形成される焼結体である。本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石は、図1に示すように、R2T14B結晶粒からなる粒子(主相)2を有し、隣り合う2つ以上の粒子2によって形成された粒界中に、前記R2T14B結晶粒内よりもR、Cu、M、Cの濃度が共に高いR−Cu−M−C濃縮部を有する。 粒界とは、2つのR2T14B結晶粒によって形成される二粒子粒界4と、隣り合う3つ以上のR2T14B結晶粒によって形成される三重点6(多結晶粒界部)とを含むものである。
上述したような構成を有する本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石を製造する方法の一例について図面を用いて説明する。図2は、本発明の実施形態に係るR−T−B系焼結磁石を製造する方法の一例を示すフローチャートである。図2に示すように、本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石を製造する方法は、以下の工程を有する。
(b)第1合金と第2合金とを粉砕する粉砕工程(ステップS12)
(c)第1合金粉末と第2合金粉末とを混合する混合工程(ステップS13)
(d)混合した混合粉末を成形する成形工程(ステップS14)
(e)成形体を焼結し、R−T−B系焼結磁石を得る焼結工程(ステップS15)
(f)R−T−B系焼結磁石を時効処理する時効処理工程(ステップS16)
(g)R−T−B系焼結磁石を冷却する冷却工程(ステップS17)
(h)R−T−B系焼結磁石を加工する加工工程(ステップS18)
(i)R−T−B系焼結磁石の粒界中に希土類元素等を拡散させる粒界拡散工程(ステップS19)
(j)R−T−B系焼結磁石に表面処理する表面処理工程(ステップS20)
本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石における主に主相を構成する組成の合金(第1合金)と粒界相を構成する組成の合金(第2合金)とを準備する(合金準備工程(ステップS11))。合金準備工程(ステップS11)では、本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石の組成に対応する原料金属を、真空またはArガスなどの不活性ガスの不活性ガス雰囲気中で溶解した後、これを用いて鋳造を行うことによって所望の組成を有する第1合金および第2合金を作製する。なお、本実施形態では、第1合金と第2合金との2合金を混合して原料粉末を作製する2合金法の場合について説明するが、第1合金と第2合金をわけずに単独の合金を使用する1合金法でもよい。
第1合金および第2合金が作製された後、第1合金および第2合金を粉砕する(粉砕工程(ステップS12))。粉砕工程(ステップS12)では、第1合金および第2合金が作製された後、これらの第1合金および第2合金を別々に粉砕して粉末とする。なお、第1合金および第2合金を共に粉砕してもよいが、組成ずれを抑える観点などから別々に粉砕することがより好ましい。
第1合金および第2合金を各々粒径が数百μm〜数mm程度になるまで粗粉砕する(粗粉砕工程(ステップS12−1))。これにより、第1合金および第2合金の粗粉砕粉末を得る。粗粉砕は、第1合金および第2合金に水素を吸蔵させた後、異なる相間の水素吸蔵量の相違に基づいて水素を放出させ、脱水素を行なうことで自己崩壊的な粉砕を生じさせる(水素吸蔵粉砕)ことによって行うことができる。なお、R−Cu−M−C濃縮部を形成を促進するために、粗粉砕粉にCを混合し、500〜900℃の温度域で熱処理を行ってもよい。
第1合金および第2合金を粗粉砕した後、得られた第1合金および第2合金の粗粉砕粉末を平均粒子径が数μm程度になるまで微粉砕する(微粉砕工程(ステップS12−2))。これにより、第1合金および第2合金の微粉砕粉末を得る。粗粉砕した粉末を更に微粉砕することで、好ましくは1μm以上10μm以下、より好ましくは3μm以上5μm以下の粒子を有する微粉砕粉末を得ることができる。
第1合金および第2合金を微粉砕した後、各々の微粉砕粉末を低酸素雰囲気で混合する(混合工程(ステップS13))。これにより、混合粉末が得られる。低酸素雰囲気は、例えば、N2ガス、Arガス雰囲気など不活性ガス雰囲気として形成する。第1合金粉末および第2合金粉末の配合比率は、質量比で80対20以上97対3以下とするのが好ましく、より好ましくは質量比で90対10以上97対3以下である。
第1合金粉末と第2合金粉末とを混合した後、混合粉末を目的の形状に成形する(成形工程(ステップS14))。成形工程(ステップS14)では、第1合金粉末および第2合金粉末の混合粉末を、電磁石に抱かれた金型内に充填して加圧することによって、混合粉末を任意の形状に成形する。このとき、磁場を印加しながら行い、磁場印加によって原料粉末に所定の配向を生じさせ、結晶軸を配向させた状態で磁場中成形する。これにより成形体が得られる。得られる成形体は、特定方向に配向するので、より磁性の強い異方性を有するR−T−B系焼結磁石が得られる。
磁場中で成形し、目的の形状に成形して得られた成形体を真空または不活性ガス雰囲気中で焼結し、R−T−B系焼結磁石を得る(焼結工程(ステップS15))。焼結温度は、組成、粉砕方法、粒度と粒度分布の違い等、諸条件により調整する必要があるが、成形体に対して、例えば、真空中または不活性ガスの存在下、1000℃以上1200℃以下で1時間以上48時間以下で加熱する処理を行うことにより焼結する。これにより、混合粉末が液相焼結を生じ、主相の体積比率が向上したR−T−B系焼結磁石(R−T−B系磁石の焼結体)が得られる。成形体を焼結した後は、生産効率を向上させる観点から焼結体は急冷することが好ましい。なお、焼結工程以前に炭素源の導入を行った場合には、焼結の昇温過程における500〜700℃の温度域に安定部を設けるか、ゆっくり昇温することで、希土類とCuおよびGaなどのMを含む液相が生成して導入した炭素と反応し、R−Cu−M−C濃縮部が形成される。特に、粗粉砕工程で水素吸蔵粉砕を行った場合には、そのような熱処理を行うことで脱水素反応が起きるため、よりR−Cu−M−C濃縮部の形成が促される。
成形体を焼結した後、R−T−B系焼結磁石を時効処理する(時効処理工程(ステップS16))。焼結後、得られたR−T−B系焼結磁石を焼結時よりも低い温度で保持することなどによって、R−T−B系焼結磁石に時効処理を施す。時効処理は、例えば、700℃以上900℃以下の温度で10分から6時間、更に500℃から700℃の温度で10分から6時間加熱する2段階加熱や、600℃付近の温度で10分から6時間加熱する1段階加熱等、時効処理を施す回数に応じて適宜処理条件を調整する。このような時効処理によって、R−T−B系焼結磁石の磁気特性を向上させることができる。また、時効処理工程(ステップS16)は加工工程(ステップS18)や粒界拡散工程(ステップS19)の後に行ってもよい。
R−T−B系焼結磁石に時効処理を施した後、R−T−B系焼結磁石はArガス雰囲気中で急冷を行う(冷却工程(ステップS17))。これにより、本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石を得ることができる。冷却速度は、特に限定されるものではなく、30℃/min以上とするのが好ましい。
得られたR−T−B系焼結磁石は、必要に応じて所望の形状に加工してもよい(加工工程:ステップS18)。加工方法は、例えば切断、研削などの形状加工や、バレル研磨などの面取り加工などが挙げられる。
加工されたR−T−B系焼結磁石の粒界に対して、R−Cu−M−C濃縮部を形成するためのR,Cu,M,Cを粒界拡散で導入させる工程を有してもよい(粒界拡散工程:ステップS19)。粒界拡散は、例えばR、Cu、Mを含有する合金粉末を作製してR−T−B系焼結磁石に付着させ、熱処理を行うことにより実施することができる。あるいは各元素を蒸着等によりR−T−B系焼結磁石の表面に付着させ熱処理を行うことにより実施することができる。また、例えば、拡散成分の合金粉末の成分として炭素を含有させると、R、Cu、MおよびCを同時に粒界へ導入することができるため、R−Cu−M−C濃縮部を形成するのに効果的である。さらに、R−T−B系焼結磁石の保磁力をさらに向上させるために、拡散元素のRの一部または全部にDy,Tbなどの重希土類元素を含有させてもよい。粒界拡散熱処理の後には、R−Cu−M−C濃縮部を形成するための熱処理を適宜追加してもよい。粒界拡散工程の最後に、良好な磁気特性を得るために、500〜600℃付近で0.5〜5時間程度の時効熱処理を行ってもよい。
以上の工程により得られたR−T−B系焼結磁石は、めっきや樹脂被膜や酸化処理、化成処理などの表面処理を施してもよい(表面処理工程(ステップS20))。これにより、耐食性をさらに向上させることができる。
次に、本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石をモータに用いた好適な実施形態について説明する。ここでは、本実施形態に係るR−T−B系焼結磁石をSPMモータに適用した一例について説明する。図3は、SPMモータの一実施形態の構成を簡略に示す断面図であり、図3に示すように、SPMモータ10は、ハウジング11内に、円柱状のロータ12と、円筒状のステータ13と、回転軸14とを有する。回転軸14はロータ12の横断面の中心を貫通している。
上記の方法で作製した磁石組成Iの焼結体を、850℃で1時間、次いで、540℃で2時間(ともにAr雰囲気下)の2段階の時効処理を施した。その後、焼結体の各面を0.1mmずつ加工機で研削し、13mm×8mm×4mmのR−T−B系焼結磁石を得た。これを比較例1とした。
上記の方法で作製した磁石組成IIの焼結体を、850℃で1時間、次いで、540℃で2時間(ともにAr雰囲気下)の2段階の時効処理を施した。その後、焼結体の各面を0.1mmずつ加工機で研削し、13mm×8mm×4mmのR−T−B系焼結磁石を得た。これを実施例1とした。
実施例2〜6は、磁石組成IのR−T−B系焼結磁石に粒界拡散法でCu,Ga,Si,Ge,Bi、Cを粒界に導入し、R−Cu−M−C濃縮部の形成を試みたものである。表3は、作製した拡散源の秤量組成である。表3に示した組成に単体金属を秤量してアーク溶解炉で溶解・鋳造を3回繰り返して合金を作製した。得られた合金を高周波誘導加熱で熔解し、熔湯をロール急冷することにより急冷薄帯とした。得られた急冷薄帯をAr雰囲気のグローブボックス中において粗粉砕し、鋼鉄製メディアとともにAr雰囲気中で密閉容器に入れた。その後、密閉容器内で粉砕して平均粒径10〜20μmの粉末を得た。得られた拡散材粉末にバインダー樹脂を添加し、アルコールを溶媒として拡散材の塗料を作製した。混合の比率は拡散材粉末の重量を100とした場合、バインダー樹脂としてのブチラール微粉末を2、アルコールを100とした。Ar雰囲気中で樹脂製の円筒形フタ付き容器に前記混合物を入れてフタを閉め、ボールミル架台に置き24時間120rpmで回転させて塗料化した。得られた塗料に磁石組成Iの焼結体加工品を浸し、引き上げて乾燥した。これを繰り返して焼結体加工品重量の2.5%の量を塗布した。その後Ar雰囲気中で900℃6時間、次いで540℃2時間の熱処理を施した。熱処理後、焼結体表面の拡散材の残渣をサンドペーパーで軽く削り落とした後、各面を0.1mmずつ加工機で研削し、R−T−B系焼結磁石を得た。表3に示した各組成の拡散材を用いて上記の方法で試料を作製し、実施例2〜6を得た。
実施例7〜8は、磁石組成IのR−T−B系焼結磁石に粒界拡散法でGaを粒界に導入し、R−Cu−Ga−C濃縮部の形成を試みたものである。表3のGaを含有する拡散材の前記塗料を塗料に磁石組成Iの焼結体加工品を浸し、引き上げて乾燥した。これを繰り返すことにより、塗布量は実施例7では焼結体重量の1.6%、実施例8では焼結体重量の0.6%とした。その後Ar雰囲気中で900℃6時間、次いで540℃2時間の熱処理を施した。熱処理後、焼結体表面の拡散材の残渣をサンドペーパーで軽く削り落とした後、各面を0.1mmずつ加工機で研削し、13mm×8mm×4mmの実施例7および8を得た。
[組成分析]
実施例1〜8および比較例1で得られたR−T−B系焼結磁石について、蛍光X線分析法および誘導結合プラズマ質量分析法(ICP−MS法)により組成分析した。結果を表4に示す。
(元素分布の観察)
実施例1〜8および比較例1のR−T−B系焼結磁石の断面の表面をイオンミリングで削り、最表面の酸化等の影響を除いた後、R−T−B系焼結磁石の断面をEPMA(電子線マイクロアナライザー:Electron Probe Micro Analyzer)で元素分布を観察し、分析した。50μm角の領域について、実施例4のR−T−B系焼結磁石の組織をEPMAにより観察し、EPMAによる元素マッピング(256点×256点)を行なった。実施例1のR−T−B系焼結磁石切断面のNd、Cu、M、Cの各元素のEPMAによる観察結果を図4〜8に示す。また、実施例1のR−T−B系焼結磁石切断面の、R(Nd、Pr)、Cu、M(Ga)、Cの各元素の濃度が主相の結晶粒内よりも濃く分布する領域(R−Cu−M−C濃縮部)を図9に示す。
実施例1〜8および比較例1のR−T−B系焼結磁石のマッピングデータより、以下のような手順で、粒界に占めるR−Cu−M−C濃縮部の面積比率(A/B)を算出した。(1)反射電子像の画像を所定レベルで2値化し、主相結晶粒部分と粒界部分を特定し、粒界部分の面積(B)を算出した。なお、2値化は反射電子像の信号強度を基準に行った。反射電子像の信号強度は原子番号が大きい元素の含有量が多いほど強くなることが知られている。粒界部分には、原子番号の大きい希土類元素が主相部分よりも多く存在しており、所定レベルで2値化して主相結晶粒部分と粒界部分とを特定することは一般的に行われる方法である。また、測定の際に2値化して二粒子粒界の部分が特定されていない部分が生じても、その特定されない二粒子粒界の部分は、粒界部分全体の誤差範囲であり、粒界部分の面積(B)を算出する際に数値範囲に影響を与えるものではない。
(2)EPMAによるR、Cu、M、Cの特性X線強度のマッピングデータから、上記(1)で特定された主相結晶粒部分におけるR、Cu、M、Cの各元素の特性X線強度の平均値と標準偏差を算出した。
(3)EPMAによるR、Cu、M、Cの特性X線強度のマッピングデータから、上記(2)で求めた主相結晶粒部分における特性X線強度の(平均値+3×標準偏差)の値よりも特性X線強度の値の大きい部分を、それぞれの元素について特定し、この部分をその元素の濃度が主相結晶粒内よりも濃く分布する部分(濃縮部)と定義した。
(4)上記(3)で特定された各元素の濃縮部のうち、R元素の濃縮部は、各R元素(実施例2ではNdおよびPr)のいずれかが濃く分布している部分とする。Cu元素の濃縮部は、Cuが濃く分布している部分とする。Mの濃縮部は、Mが複数ある場合、各Mのいずれかが濃く分布している部分とする。C元素の濃縮部は、Cが濃く分布している部分とする。
(5)上記(1)で特定された粒界と、上記(4)で特定されたR、Cu、M、Cのそれぞれが主相結晶粒内よりも濃く分布する部分がすべて重なり合う部分を粒界におけるR−Cu−M−C濃縮部として特定し、その部分の面積(A)を算出した。
(5)上記(4)で算出したR−Cu−M−C濃縮部の面積(A)を、上記(1)で算出した粒界の面積(B)で割ることにより、粒界に占めるR−Cu−M−C濃縮部の面積比率(A/B)を算出した。
次に、R−Cu−M−C濃縮部の組成について定量分析を行った。EPMAマッピングで特定したR−Cu−M−C濃縮部に対して、EPMAを用いて各元素の定量分析を行い、求められた各元素の濃度から、全R原子数に対するCuとM原子の比率(Cu+M)/Rを算出した。1サンプルにつき10箇所の測定し、各箇所において(Cu+M)/Rの値を求めた。各試料における(Cu+M)/Rの最大値、最小値を表5に示す。また、R−Cu−M−C濃縮部の組成例として、実施例2のR−T−B系焼結磁石の分析結果および(Cu+M)/Rの値を表6に示す。
各実施例、比較例の試料(13mm×8mm×4.0mm)をそれぞれ3枚重ねにして3Tのパルス着磁を行った後、BHトレーサーで減磁曲線を測定した。減磁曲線から求めた残留磁束密度Br、保磁力Hcjを表5に示す。
比較例1および実施例1〜8のR−T−B系焼結磁石をPCT(プレッシャークッカーテスト)槽に入れ、120℃、2気圧、相対湿度100%の飽和水蒸気雰囲気中に200時間放置し、腐食による重量減少量を評価した。結果を表5に示す。
表7〜10に示した磁石組成II〜VIのR−T−B系焼結磁石を作製した。成型工程までのプロセスは実施例1と同じ方法で行い、いずれの第2合金の微粉砕においてもステアリン酸亜鉛0.1質量%に加えカーボンブラックを0.1質量%の添加を行った。得られた第1合金、第2合金の混合、成形は比較例1と同様に行った。焼結工程は、表11に示した温度で4時間の温度保持を行った後、急冷した。その後、850℃で1時間、次いで、540℃で2時間(ともにAr雰囲気下)の2段階の時効処理を施した。その後、焼結体の各面を0.1mmずつ加工機で研削し、13mm×8mm×4mmのR−T−B系焼結磁石を得た。4mmの厚さの方向がR2T14B結晶粒のc軸の配向方向である。
実施例13〜17は、実施例9〜12とそれぞれ同じ組成で作製しているが、R−Cu−M−C濃縮部を形成するための炭素の添加方法が異なる。実施例13〜17においては、第2合金の粗粉砕粉末にカーボンブラックを0.1質量%添加し、ナウタミキサーで混合した後、Ar雰囲気で600℃1hの熱処理を行った。その後の微粉砕工程、成形工程は比較例1と同様である。焼結工程においては、R−Cu−M−C濃縮部の形成を促進するために、昇温途中の700℃で24時間の温度保持を行った。昇温後、表11に示した温度で4時間の温度保持を行った後、急冷した。その後、850℃で1時間、次いで、540℃で2時間(ともにAr雰囲気下)の2段階の時効処理を施した。その後、焼結体の各面を0.1mmずつ加工機で研削し、13mm×8mm×4mmのR−T−B系焼結磁石を得た。4mmの厚さの方向がR2T14B結晶粒のc軸の配向方向である。
4 二粒子粒界
6 三重点
10 SPMモータ
11 ハウジング
12 ロータ
13 ステータ
14 回転軸
15 ロータコア(鉄芯)
16 永久磁石
17 磁石挿入スロット
18 ステータコア
19 スロットル
20 コイル
Claims (4)
- R2T14B結晶粒を有するR−T−B系焼結磁石であって、
隣り合う2つ以上の前記R2T14B結晶粒によって形成された粒界部に、前記R2T14B結晶粒内よりも、R(Rは希土類元素から選ばれる少なくとも1種)、Cu、M(MはGa,Si,Sn,Ge,Biの中から選ばれる少なくとも1種)、Cの濃度が共に高いR−Cu−M−C濃縮部を有することを特徴とするR−T−B系焼結磁石。 - 前記R−T−B系焼結磁石の断面において、前記R−Cu−M−C濃縮部の前記粒界中に占める面積が1%以上であることを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系焼結磁石。
- 前記R−Cu−M−C濃縮部における全R原子数に対するCuとM原子の合計の比(Cu+M)/Rが、0.2以上0.6以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のR−T−B系焼結磁石。
- 請求項1〜3のいずれかに記載されたR−T−B系焼結磁石を用いたモータ。
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