JPWO2016047593A1 - 希土類焼結磁石の製造方法及び当該製法にて使用される製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
金型プレス法の技術的内容と問題点は、特許文献3の[0002]から[0042]に詳しくまとめられている。
(1)モールドを焼結中も使用するため、大量のモ−ルドが必要となる。これは大量生産技術としては、焼結工程は数十時間を要するが、給粉、充填、配向などの工程は合わせて5分程度で済ませられるためである。
(2)モールドは精密に作らなければならないため、加工費用がかかる。モールド製作費用が高い。
(3)モールドは大量生産に使われるので、繰り返し使用することが前提である。モールドを繰り返し使用するためには、モールドを構成する容器部分や仕切板の材質を選び、かつ十分に肉厚を厚くしておかなければならない。モールド各部の肉厚を厚くすると、材料費が高くなるとともに、工程中におけるモールドの占有体積が増大して、粉末充填装置、粉末磁界配向装置から焼結装置までの、各装置1台あたりの生産性が低下する。
(4)モールドは高温の焼結温度に晒されるので、どのような材料で作製しても合金粉末と少なからず反応して減耗する。従って永久に使用することはできず使用回数が制限され、モールド費用を押し上げる。
(5)モールドを金属で作製するとモールド各部の肉厚を小さくできるが、金属は高温の焼結中に変形しやすいので、繰り返し使用に限界がある。そのため合金粉末の粒径を小さくし、焼結温度を引き下げる試みもなされている(特許文献5)が、それにより金属製モールドの変形を完全になくすることはできない。また、金属モールドは焼結中に合金粉末と反応しやすいので、モールドに合金粉末を充填する前に、毎回セラミック粉末の塗布(特許文献6)などが必要で、これが製品価格を押し上げる。
(6)モールドを頑丈にするため仕切板を厚くすると、各仕切板で区切られた空洞への合金粉末の給粉量のばらつきが生じやすく、製品寸法にばらつきを生じる。
本発明が解決しようとする課題は、モールドを焼結炉中に搬入しないPLP法を提供し、これにより希土類焼結磁石の製造費用を大幅に低減できる方法を提供することである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法において、前記給粉工程の前に、仕切板組み込み工程を設けることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における給粉工程において、前記モールド上に給粉スペーサーを載置し、前記モールドと該給粉スペーサーにより区画された空間に所定量の合金粉末を投入することを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法において、前記モールドの1又は複数の空洞に対して前記合金粉末を給粉可能な前記給粉スペーサーを1つ設置することを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における充填工程において、前記モールドと前記給粉スペーサーにより区画された空間に投入された所定量の合金粉末を全てモールド内部に収容させるための押込みパンチ部材を前記モールドの上方側に載置した状態で、当該モールドを一定の高さから繰り返し落下させることにより前記合金粉末を全てモールド内部に収容し、合金粉末の密度を上昇させることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における取出工程において前記配向充填成形体が前記仕切板と共に一体として取り出されることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法において、前記給粉工程と、前記充填工程と、前記配向工程と、前記取出工程が単一のチャンバー内又は通気的に連結された複数のチャンバー内で行われ、当該単一又は複数のチャンバー内が不活性ガスで満たされていることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法において、前記仕切板組み込み工程が、前記給粉工程の前に行われ、前記仕切板組み込み工程と前記給粉工程が同一チャンバー内で行われることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法において、前記モールドが、2枚の側板と2枚の端板よりなる側壁と、1枚の底板よりなることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法において、前記モールドの内部両端に、磁極を備えることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における焼結工程において、前記配向充填成形体が前記仕切板と共に焼結されることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における焼結工程において、前記配向充填成形体が前記磁極と共に焼結されることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における焼結工程において、前記配向充填成形体が前記仕切板/前記磁極から外され、1個1個ばらばらの状態で焼結されることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における取出工程において前記配向充填成形体を取り出した後のモールドが前記仕切板組み込み工程又は前記給粉工程に搬送されて再利用されることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造方法における前記配向工程で印加される磁界がパルス磁界であることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造装置において、前記配向充填成形体を取り出した後の前記モールドの側壁を、前記給粉装置に戻す搬送装置を備えていることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造装置において、更に前記モールドの側壁に仕切板を組み込む仕切板組み込み装置と、前記配向充填成形体を取り出した後の前記モールドの側壁を、前記仕切板組み込み装置に戻す搬送装置を備えていることを特徴とするものである。
又、本発明は、上記の特徴を有した製造装置が、更に焼結炉を備え、前記焼結炉が前記搬送装置に連結されていることを特徴とするものである。
焼結炉の内部は通常真空下で高温となるので、他の装置が設けられたチャンバー側に設けることは困難である。しかし他の装置が設けられたチャンバーと焼結炉を備えたチャンバーとを密閉通路で結べば、製造過程の途中で反応性の高い合金粉末を容器から取り出す必要がなくなるので実用上便利である。
取出工程で分解されたモールドを、同じ雰囲気内で再び組み立て再利用することができれば、モールドを出し入れする手間が省けるばかりでなく、モールドの再利用が容易となるので準備するモールドの個数を減らすことができ、製造工程の合理化が可能となる。
本発明の製造方法にて用いられるモールドは、2分割以上に分割された側壁と底板を用いてその都度組み立てられるもの(組立モールド)であっても、対向して位置する側壁が配向充填成形体を取り出す際に外側方向に移動可能な状態でバネ付勢された構造を有するもの(側壁可動モールド)であっても良い。本発明では、後に行われる充填工程においてモールドを落下させる際に、底板が側壁から外れないよう、底板とスペーサー、側壁がエアシリンダーによって固定され、エアシリンダーを含めた全体が、底板下面に接するように取り付けられているカムの駆動により上下して、底板上面の粉末が高密度化する構造とするのが一般的である。本モールドには、充填工程が終了した後のモールド上面を覆うための蓋板を取付けることができる。
本モールドは、内部に仕切板を備えることができる。1又は複数の仕切板により内部を複数の空洞に区切れば、空洞の数だけの焼結磁石を一つのモールドで一度に製造できる。複数の仕切板は全て互いに平行におき、空洞は配向の方向に一列に並べることが配向工程を容易とするため好ましい。仕切板を設けた場合、空洞の数は2〜100個とすることができるが、5〜70個程度が好ましい。空洞数を多くして長く一列に並べれば、配向の乱れを抑制する効果があり、生産性を高めることができる。
モールド内部の各空洞それぞれにおいて、1個の焼結磁石を製造する。金型プレス法の場合のように大きな塊状品を製造し、焼結後スライスして薄肉板状品とするわけではない。本発明では、薄板状磁石を製造するために、スライス工程は必要としない。
磁極の素材は、強磁性体の性質を持つ純鉄、ケイ素鋼、磁性ステンレスなどの鉄合金が望ましい。磁極は、これらの金属を機械加工することにより、又は薄板の積層、粉末の焼結体、粉末の容器充填などにより作製される。磁極は、直方体や先端が平らな四角錐形状などの形状とする。磁極の厚さは空洞1つの仕切り板に垂直な方向の長さが標準である。
2以上に分割された側壁を有するモールドを準備し、モールド内部に仕切板と必要に応じて磁極を組み込む。なお、このモールドには、底板を給粉工程で組み込んでもよい。但し、本発明の製造方法にて使用されるモールドは、図1に示されるような、側壁と底板が1個1個の部品に分解可能な構造のものに限定されず、2以上に分割された側壁が互いに外側方向へ移動可能な状態で一体化された構造を有するものでも良く(側壁が底板に一体化されていないので、給粉工程時には別に用意した底板の上に側壁を置いて使用する)、この場合には、配向工程後の充填成形体をモールドから取り出した後、側壁を元の位置に戻せばよく、上記の型組工程は不要である。モールドの側壁が一体化された構成の例としては、例えば図14に示されるモールド両端の連結構造が挙げられる。この構成では、モールド側壁はばねで連結されており、モールド内側に金具を差し込んで開くと、側壁が開いて、モールド側壁内側に挟まれている品物が取り出されることができるようになる。
給粉工程以降は、合金粉末を取り扱うので、不活性ガス雰囲気内で行わねばならない。
モールド上に給粉スペーサーを置き、この空間に所定量の合金粉末を投入する。給粉スペーサーは、給粉時の合金粉末の嵩密度が充填完了時の嵩密度より小さく体積が大きいため必要である。
合金粉末の所定量(重量)は、モールドの空洞内体積と充填後の合金粉末の充填密度から計算できる。充填後の合金粉末の充填密度は、高すぎると磁場配向ができず、低すぎると焼結後の焼結体密度を高くすることができない。粉末ごとに最適充填密度(一般的に、理論密度の45〜55%未満程度)が実験的に決められる。給粉スペーサーの高さは、所定量と原料合金粉末の密度とから所定量の合金粉末の投入時体積が求まるので、あらかじめ計算することができる。
ここに充填密度とは充填が完了したときの嵩密度をいう。
モールドとスペーサーで区画される空洞内に投入された合金粉末は、図4に示されるような押込みパンチ部材をモールドの上方側に載置した後、この状態のモールドを一定の高さから繰り返し落下させて衝撃を付与し、次第に密度を上げ体積を縮小させる。合金粉末の密度を均一に上昇させるには、モールドの落下距離を3〜15cm程度とすることが好ましく、5〜10cm程度が特に好ましい。又、モールドの落下回数としては5〜20回程度が一般的であり、10回前後(8〜12回程度)が好ましい。上部にパンチ部材の重みがかかった状態で繰り返しモールドを落下させることにより、モールド空洞内の上部と下部の合金粉末の密度差が生じにくくなり、均一な充填が達成できる。予定の密度になったら、つまり合金粉末が全てモールド内に納まったら、充填の完了である。この時合金粉末の充填密度は、当初の設定値となっている。この状態の合金粉末は若干の機械的強度を有し、形状を自己保持できる。これを充填成形体と呼ぶ。
モールドの空洞ごとの充填量のばらつきを小さくすることができれば、焼結後の焼結体の寸法ばらつきを小さくすることができ、焼結後の機械加工を最小限にできる。このように多数個の空洞に同時に合金粉末を充填できて、かつ空洞間の充填ばらつきを小さくできるのは、一つの給粉スペーサーときわめて薄い仕切板とを備えたモールドが使用できるからである。
充填成形体を保持するモールドを配向装置内の平板に載せ、ふた板をかぶせる。なお、給粉・充填工程で使用したモールドの底板は、配向装置内に持ち込む必要はない。充填工程後は底板がなくても充填成形体がモールド側壁から抜け落ちることはないため、モールドの側壁とその中の充填成形体のみを配向装置内に運び、別の底板の上に置いて配向工程を行っても良い。配向工程では、充填成形体にパルス磁界を印加して合金粉末を配向させ配向充填成形体を作製する。配向充填成形体は、形状保持性があり、小さな機械的刺激では変形・崩壊しない。
焼結磁石は通常薄板状であり、磁界は焼結磁石の薄板に垂直な方向に印加する。合金粉末成形体でも、一つ一つの仕切り板に区切られた成形体は薄板状で、薄板状成形体の主面に垂直な方向にパルス磁界を印加して粉末を配向させる。本発明における構成では、薄板状成形体でも多数の成形体を一列に並べて同時に磁界配向するので、磁化方向に垂直な断面積に対する磁化方向長さを大きくすることができ、その結果として、配向の曲がりを小さく、従って焼結体の配向に起因する変形も小さくできる。
電磁石による静磁界より、空心コイルを用いるパルス磁界の方が強い磁界をかけることができる。強い磁界を印加する方が粉末を構成する粒子の結晶軸を一方向に揃えることができるので、焼結後の磁気特性が向上する。
本発明で使用するパルス磁界について説明する。金型プレス法で磁石粉末を配向するとき、配向磁界はパンチが動いて粉末を圧縮する時間帯全体にわたって印加しておかなければならない。その時間は通常20秒以上、最短でも10秒はかかる。その時間帯印加し続ける配向磁界の強さは1.5テスラ程度、最大でも2テスラが限度である。それは、粉末が充填された金型を含む空間に印加できる直流磁界の強さは2テスラが実現できる上限であるからである。本発明においては、モールドに高密度に充填された磁石合金粉末を配向するのに2テスラでは不足である。本発明においてパルス磁界を使用するのは、磁界を印加している時間を短くしても、2テスラ以上の高磁界を印加するためである。本発明において、印加磁界の強さの望ましい範囲は、3テスラ以上であり、飽和磁化に対する残留磁化の比率が93%以上の高配向を得るためには、3.5テスラ、さらに、95%以上の高配向を得るためには、4テスラ以上が必要である。本発明では、通常、コンデンサーバンクに貯めた電荷を短時間に放電して、常電導空芯コイルに大電流を流して高磁界を発生する。1回のパルス磁界の幅は通常1msから1秒までの間である。パルス電流の波形としては直流(一方向)のパルス波形でも、交流減衰波形でもよい。直流パルスと交流パルスの両者の波形のパルス磁界を組み合わせてもよく、最近発達している高温超電導空芯コイルに大電流を流して高磁界を発生してもよい。超電導では、あまり短時間の電流変化は難しいので、1秒以上の磁界印加でもよい。しかし、工程の能率を考慮して、磁界を印加する時間は10秒以下であることが望ましい。
取出工程では、モールドを構成する側壁を配向充填成形体から引き離し、モールドから配向充填成形体を取り出す。仕切板がある場合は、配向充填成形体は仕切板と共に取り出す。磁極を用いた場合は、磁極も同時に取り出してもよい。具体的には、モールドの側壁を取り外し、底板上の配向充填成形体を焼結用台板(以下、単に台板という)に移動させる。なお、台板は焼結温度に耐える材料で作られている。また、モールドの底板が焼結温度に耐える材料で作られている場合は、モールドの底板を台板として用いることもできる。
また、取出工程は配向工程と別の場所で行われるが、配向工程で使用した底板は、取出工程を行う場所に持ち込む必要はなく、取出場所に用意された別の底板の上にモールドの側壁とその中の配向充填成形体を置いて取出工程を行ってもよい。
配向充填成形体又は配向充填成形体と仕切板の積層ブロックを台板に乗せて焼結炉に搬送し焼結する。モールドが取り外されているため、モールドを取り外さない従来のPLP法の場合より焼結炉内での製品の容積効率が高く生産性が高い。また、モールドが取り外されている分、熱容量が小さく温度分布が均一化されることや、合金粉末から発生するガスの排気性が良いため、焼結に起因する変形が小さく特性のばらつきも小さい。
配向充填成形体又は積層ブロックを高温で焼結し、焼結磁石とする。モールドが無くても配向充填成形体の形状は保たれ、昇温と共に焼結が進行していく。焼結温度と焼結時間は、合金粉末の組成や粒径を元に適宜定める。Nd-Fe-B系希土類焼結磁石の場合、典型的な焼結温度は900〜1100℃程度であり、典型的な焼結時間は昇温時間を含めて10〜40時間程度である。
焼結終了後、適宜放冷して製造装置から取り出せば、焼結体が得られる。
本発明の磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置には、各工程間でモールドに保持された合金粉末や取り外されたモールド部材を搬送する搬送装置を備えることが好ましい。本発明では通常、給粉工程と充填工程は同一の場所で行うことができるが、それ以外の工程はそれぞれ別の場所で行われるためである。前述のようにモールドの底板は搬送する必要はなく、それぞれの場所で別の底板を用いても良い。
取出工程で配向充填成形体を取り出した後のモールドを直ちに仕切板組み込み工程又は給粉工程に搬送すれば、工程全体としてモールドの必要個数が大幅に減少する。モールドが焼結過程で長時間束縛されないためこれが可能となる。
本発明の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法及び製造装置は、給粉工程から充填工程と配向工程を経て取出工程で配向充填成形体がモールドから取り出されて1回の使用が終わり、その後、モールドが繰り返し使用される点に最大の特徴がある。本発明におけるモールド側壁が載置される底板は、給粉・充填工程、配向工程、取出工程ごとに別の板を使用してもよい。
これに対し本発明の方法では、合金粉末を10〜20kg/cm2程度で押して嵩密度45%程度の充填成形体を作る。この程度の圧力でしか押さないので、側壁を分割しうるモールドを使用することができる。
金型プレス法で例外的な方法としては、例えば特許文献7に記載される方法が挙げられる。この方法では、分割金型に給粉後、金型を閉じて、粉末に圧力をかけて高密度化するときに、静磁界をかけて粉末の方向を揃える。この方法では、圧力をかけていく間ずっと磁界を印加しておく必要があるので、静磁界が印加される。また、金型は一か所に固定されているので、粉末の充填と、粉末に磁界をかけて配向するところは同一の場所で行われる。この特許文献7記載の方法の、本発明から見た欠点は、プレス機を使うので、装置が大型になり、本発明のように、装置全体を低酸素化するのが難しいこと、および、本発明のように仕切板を使用して空洞を多数個に区切って、配向成形体作製の生産性を上げることができないことである。
また、金型プレス法では給粉工程、充填工程と配向工程が同じ場所で行われ、特に充填工程と配向工程が同時に行われる。
本発明ではモールドは焼結温度に曝されないので、強度が低くてもよく、各部の厚みを小さくできる。この効果は[0023]、[0029]、[0030]で述べた。なお、金型プレス法には、横磁場プレス法と縦磁場プレス法があり、縦磁場プレス法では、薄板状磁石の成形体が成形可能である。しかし、縦磁場成形法では、高配向の成形体が作製できないので、あまり用いられなくなっている。上述の金型プレス法は、すべて横磁場成形法について述べている。
この方法により長方形平板品、異形状平板品、湾曲したセグメント状平板品などの板状品を多数個同時に効率よく生産できる。
モールドの空洞数を多くすれば、一つのモールドで多数の焼結体を製造できる。空洞数を多くすれは配向工程での配向長さ(配向方向での長さ)が長くなり、配向コイルの空洞断面積(配向方向に垂直な面での断面積)に対する長さの比率も大きくなるので、配向時の積層ブロック両端部での磁力線の曲がりを最小にできるため、配向充填成形体の配向の曲がりを低減できる。
モールド中に充填される合金粉末の充填密度を一定値以上に高くしておけば、従来の技術常識に反し、配向充填成形体の形状が焼結前後の取扱中や焼結中に崩れることはない。
組成(重量分率)が23.5%Nd, 5.5%Pr, 2.5%Dy, 0.89%Co, 0.99%B, 0.1%Cu, 0.25%Al, 残部Fe であるストリップキャスト合金に水素を吸蔵させて水素解砕を行いNdFeB焼結磁石用合金粗粉末を得た。この粗粉末を窒素ガスによるジェットミルにより粉砕してNdFeB焼結磁石用合金粉末を作製した。この粉末の粒子サイズは、レーザー回折・散乱法により測定したところ、平均粒径D50=4.2μmであった。この粉末にステアリン酸亜鉛を0.1重量%添加して、ミキサーで攪拌混合した。以下の各実施例において、この合金粉末を用いて焼結磁石の作製を行った。
(側壁4分割モールドの型組)
試作したモールドの側壁は4分割されており、その斜視図を図1に示す。モールドは1対の側板11、1対の端板12からなる側壁及び底板13により構成されている。側板11には、仕切板14と磁極15を差し込むための溝が設けられている。本側壁4分割モールドは、図示しないネジと位置決めピンを用いて正確に組み立てることができる。本実施例のモールドは、非磁性ステンレス(SUS304)製のものとカーボン製のものを試作した。いずれも良好に機能した。
なお、側壁を2分割とし、1枚の側板と1枚の端板を互いに1体としてもよいが、4分割の方が使いやすかった。
モールド上部に給粉スペーサー21を置いた。本実施例の合金粉末20の給粉時の密度は1.8g/cm3であり、充填完了時の充填密度は3.6g/cm3であるため、置くべき給粉スペーサー21の高さは計算で求まる。モールドの内容積と充填密度から、必要な合金粉末量は66.2gと計算できるので、この量の合金粉末をモールド及びスペーサーにより区切られた空間に投入した。合金粉末20を投入直後のモールドの断面図を図3に示す。
下面が平らな平底押込みパンチ部材(平底パンチ)22を給粉スペーサー21の開口部に挿入し、粉末が充填されたモールドに給粉スペーサー21をセットしたまま、図示されていない台板の上に、5cmの高さから5回落下させて、モールド底板13を台板に叩きつけ、平底パンチの下面がモールドの約2mm上方に達するまで充填した。この状態を図4に示す。
次に仕切板の上端に対応する部分に溝を設けた溝付押込みパンチ部材(溝付パンチ)23を用い、上記と同様に、台板の上、5cmの高さから5回落下させて、全合金粉末がモールドに収容されたとき充填を終了した。この時の合金粉末の嵩密度は3.6g/cm3であり、この時のモールドの断面図を図5に示す。
この時のパンチ部材の重さは240g、充填面積は10cm2であった。このようにして充填成形体を作製した。なお、上記の押圧は、パンチで押した場合とエアシリンダーで押した場合とを比較し、エアシリンダーの加圧圧力と断面積から推定した。
給粉スペーサーとパンチを取り外し、モールド上面に蓋板16をネジを用いて取り付けた。充填成形体を収容しているモールドを、磁界配向用コイルの中に移動させた。仕切板に垂直な方向に4テスラのパルス磁界を印加した。この時のモールド断面図を図6に示す。図の下部の矢印は、磁界の方向を示す。充填成形体中の磁石合金粉末を配向させ、配向充填成形体とした。
モールドを構成する側壁を、磁石合金粉末の配向充填成形体から引き離し、磁極付き配向充填成形体と仕切板の積層ブロックをモールドから取り出す。まずモールドの蓋板を取り外し、次いで側板11を取り外した。この状況のモールドの上から見た図を図7上図に示す。引き続き端板12を取り外した。この状況のモールドを上から見た図を図7下図に示す。これらの図において、下に見える四角い板は、モールド側壁の下側に配置された底板である。側板と端板を取り外すと磁極付き配向充填成形体と仕切板の積層ブロックは、底板の上に乗った状態となる。
積層ブロックを底板から台板に載せ替えて焼結炉中に移動した。台板としては、カーボン製のものを用いた。底板から台板への移動は、丁寧に行えば積層ブロックが崩れることはない。
焼結炉全体をターボ分子ポンプで排気後、昇温速度1℃/minで500℃迄昇温した。その後2℃/minで1040℃まで昇温した。その温度で4時間保持後、加熱を止め炉の中で室温まで冷却した。配向充填成形体が焼結体となった積層ブロックを焼結炉から台板ごと静かに取り出した。1枚の台板上の5枚の焼結体は台板上で倒れることなく一定間隔で整列していた。焼結体の寸法と重量は5個ともきわめて近い値であった。台板上の積層ブロックの写真を図8(a)に、積層ブロックから磁極と仕切板を取り外した状態の写真を図8(b)に示す。またこの例の5枚の焼結体の重量、密度、寸法の比較を表1に示す。この表において、Range(%)とは(Max-Min)/Maxの100倍の値をいい、厚さとは焼結体が反っているとき、そのそりを含む。寸法の測定にはノギスを用いた。
又、表2には、空洞No.2及び3の焼結体についての磁気特性(保磁力、最大エネルギー積、残留磁束特性)の測定結果が示されている。これらの特性は横磁場プレス法で得られる最高品質の磁石の特性とほぼ同等である。
無駄な経費を省き、製造過程を合理化することは現実的に重要である。
例えば、底板をどのように使い回すかの工夫の一例を示す。本発明では、モールド側壁の下側に配置される板は全ての工程で必要なわけではなく、給粉工程、充填工程と配向工程で必要なだけである。充填工程から配向工程への移動の際は、当該板はなくても搬送可能である。そのため給粉工程と充填工程においてモールド側壁の下側に配置される板と、配向工程における板が異なっていてもよい。つまり底板は給粉工程と充填工程の場所に1枚常置し、また配向工程の場所に1枚常置すれば、搬送する必要がない。このようにすれば全工程を通してのモールドの構成部品数を減らすことができ、工程を合理化できる。
同様に蓋板も是非必要なのは配向工程のみなので、配向工程に1枚常備して置き使い回してもよい。
このような合理化案は必須ではないが、具体的にはいろいろな合理化の方策がある。
実施例1の磁極の代わりに同一サイズの樹脂の板を用い、磁極の効果を検証した。磁極を用いないと配向工程での磁界が一様から若干ずれ、特に両端の配向充填成形体の配向が乱れる。その効果を見たものである。
樹脂の板を用いて給粉・充填・配向の各工程を行い、焼結工程の前に樹脂の板を取り外した点を除き実施例1と同様に行った。焼結後の5枚の焼結体の重量、密度、寸法の比較を表3に示す。この表において実施例1と同様に、Range(%)とは(Max-Min)/Maxの100倍の値をいい、厚さとは焼結体が反っているとき、そのそりを含む。
積層ブロック27を底板13ごと台板25に乗せ、その他は実施例1と同様に行った。結果は実施例2とほぼ一致した。この状態を図9に示す。
底板が、焼結工程で損傷せずかつ合金粉末と反応しない材料で作られているときは、積層ブロックを底板ごと焼結してもよい。この方が合金粉末の充填配向成形体の積層ブロックを底板から台板に移動させる必要がないので、特に配向充填成形体の強度が十分でないときはより安全である。
配向工程の後、積層ブロックをばらばらにし、仕切板と磁極を取り除き、合金粉末の充填成形体のみを焼結した。その他は実施例1と同様に行った。この方法は充填成形体が配向後強固に固化していて、仕切板を取り外しても充填配向成形体の形が崩れない場合のみ適用できる。充填成形体26のみを台板25に乗せ、焼結工程に送る。その図を図10に示す。図10の成形体を焼結することにより、実施例1と同様な結果が得られた。
実施例2は、平板長方形の焼結体を製造する例であった。本実施例では、アークセグメント板状の焼結体を実施例2と同様の方法で製造した。磁極は用いていない。充填工程終了後のモールドを上から見た図を図11に示す。この場合、仕切板は製品同様アークセグメント板状とする必要がある。厚さ0.5mmのケイ素鋼板を500℃で1時間加熱後、プレスで打ち抜いて、仕切り板を作製した。実施例2と同様に合金粉末の充填配向成形体を焼結することにより、5枚のアークセグメント状焼結体を実施例2と同様の高寸法精度で作製することができた。
実施例2は、平板長方形の焼結体を製造する例であった。本実施例においては、扇形平板状の焼結体を実施例2と同様の方法で製造した。磁極は用いていない。充填工程終了後のモールドの図を図12に示す。左側がモールドを上から見た図、右側はモールドの側面断面図である。
この場合も、実施例2と同様に合金粉末の充填配向成形体を焼結することにより、実施例1と同様の結果が得られた。
空洞を30個有する組立モールドを試作した。そのモールドに合金粉末20を充填した後のモールドの断面図を図13に示す。
1つの空洞のサイズを26×22×4.6mm、仕切板厚さを0.5mmとし、モールドの端板と磁極を含めると全長約240mmとなる。
図14には、図13のモールドの両端に位置する連結部分の断面構造が示されており、側板と端板はモールドの両端部に設けられた引張力約2kgの引張バネ2個で連結されている。端板には4本のテーパーピンが設けられており、側板の対応する位置に設けたピン穴と嵌合することにより、側板2個と端板2個が正確に連結されてモールドの側壁を構成している(図14の上側図面参照)。
図14の下側図面は、モールドを開放する時の状態を示す図である。モールドは、その両端4隅を搬送装置に設けられた、爪部を有した取り出し可動部材で引っ掛けて持ち上げ搬送されるが(底板は搬送されない)、型抜き位置まで移送され、ベース板の上に置かれる。搬送装置の爪部を側板が端板から遠ざかる方向に広げれば、モールド内の積層ブロックは側板から分離される。更にテーパーピンのテーパー部分にまで広げれば、圧縮バネにより端板も積層ブロックから遠ざけることができる。
その状態でモールドを上方に移動すれば、積層ブロックをベース板上に残して、モールドから取り出すことができる。
このモールドにより磁石合金粉末の充填配向成形体積層ブロックを作製し、これを実施例1と同様に焼結することにより、1つのモールドで30個の焼結体が同時に得られることを確認した。この際、寸法精度も磁気特性も、実施例1と同様に良好であった。
製造装置30の一例を図15に示す。この図はモールド組立装置31も他の装置と同様、不活性ガスで満たされた1つのチャンバー中に置かれている。モールド組立装置で組み立てられるモールド部品の供給はこの例では供給部36を通して装置外部から行うように書かれているが、装置内部の搬送装置を利用する方がチャンバーの開閉を行わなくてよいので好都合である。
この例では、焼結炉35が、別のチャンバー内に設けられており、当該チャンバーの内径より細い密閉通路を介して接続されている。密閉通路内に開閉可能な扉を設ければ、配向充填成形体と仕切板の積層ブロックをこの扉を通して図の左から右へ搬送でき、この扉を閉じることにより、焼結工程を真空中で行うことができる。
本発明の磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置の具体的構造例
図16には、本発明の製造装置の好ましい一例における構造例が示されている。
この製造装置は、仕切板組み込み装置(型組装置)、給粉・充填装置、搬送装置1、搬送装置2で構成され、装置全体がグローブボックスで覆われた窒素雰囲気で動作され、全工程が窒素雰囲気中で行われ、仕切板組み込み装置と給粉・充填装置が収容されたグローブボックスの大きさは、例えば2.5×1×1mである。
配向装置は配向時の漏洩磁界を低減するため、仕切板組み込み装置、給粉・充填装置から離れた位置に設置されているが、これら装置を収容するチャンバーと通気的に連結されたチャンバー内に設けられており、これら装置と同じく窒素雰囲気下にある。
この装置に使用するモールドの数は、仕切板組み込み(型組)装置内に1個、給粉・充填装置内に1個、配向装置内に1個、仕切板組み込み装置に送られる前の待機位置に1個、の合計4個である。尚、図16の搬送装置2の部分には、合金粉末の充填成形体をモールドから取り出す機能及び、モールドに付着した粉末をクリーニングする機能(ガス吹付)が組み込まれている。
本装置においては、マガジンに装填された多数の仕切板が仕切板供給口より供給され、仕切板組み込み装置において、仕切り板が1枚1枚順次、モールド内に組み込まれ、図示しない粉末容器に装填された原料粉末が給粉・充填装置の上部の接続部から供給される。
使用したモールドは、図13に記載された寸法であり、空洞数は30個とした。
そして、仕切り板供給口から、厚さ0.5mmのステンレス製仕切板を31枚重ねたブロック(マガジンとよぶ)を連続供給する。
仕切板組み込み装置において、側板と端板により形成されたモールドに、前記マガジンから直接、仕切板を1枚ずつ挿入していき、1分以内で30枚の仕切り板の配置が完了する。
仕切板組み込み装置では、モールド側壁内に仕切板を挿入する。
仕切板を装着されたモールドは、搬送装置1により給粉・充填装置に運ばれる。搬送中に仕切板が落下しないように搬送装置1には下敷を設けてある。モールド側壁の下側に配置される底板は給粉装置内に準備されている。
給粉・充填装置にはスペーサーが設けてあり、このスペーサーの下面にモールドを結合して合金粉末の給粉を行い、続いて充填を行う。
給粉・充填後、充填成形体を内蔵するモールドは、搬送1、搬送2により配向装置の中継点に運ばれる(モールドの底板は運ばれない)。配向装置のコンベアー上には下板が設けてあり、この上に充填成形体を内蔵するモールドが置かれ、コンベアーにより配向コイル中央まで運ばれる。
配向コイル内の上部には配向時の合金粉末の飛散を防止するため上板が設けてあり、この上板をモールドに押し付けた状態で、4テスラのパルス磁界を印加し、モールド内合金粉末の粒子の方向を揃えて磁気特性を向上する。
配向が終わると、積層ブロックを内臓するモールドはコンベアーで中継点まで戻され、搬送装置2により配向装置から搬出される。
搬送装置2に内臓する機能により、積層ブロックはモールドから型抜きされる。
型抜きされた積層ブロックは、焼結炉連結口から往復移動機構によりグローブボックス外に運ばれ、焼結炉内に運ばれる。
型抜き後のモールドは、搬送2に内臓する機能により、付着した微粉末をエアーブローしてクリーニングされた後、搬送1により仕切板組み込み装置前の待機位置へ戻される。尚、モールド内への仕切板の組み込みを行わない場合には、型抜き後のモールドは給粉装置に搬送されて再利用される。
本装置では、モールドを4ケ使用した。
本装置の処理能力はモールド1ケあたり58秒であった。
10 組立モールド
11 側板
12 端板
13 底板
14 仕切板
15 磁極
16 蓋板
20 合金粉末
21 給粉スペーサー
22 平底押込みパンチ部材(平底パンチ)
23 溝付押込みパンチ部材(溝付パンチ)
25 焼結台板
26 配向充填成形体
27 積層ブロック
30 希土類焼結磁石の製造装置
31 型組装置(仕切板組み込み装置)
32 給粉・充填装置
33 配向装置
34 配向充填成形体取出部
35 焼結炉
36 モールド部品や仕切板等の供給部
37 合金粉末の供給部
Claims (23)
- 2分割以上に分割された側壁を有するモールドに合金粉末を給粉する給粉工程と、
前記合金粉末を前記モールド中に充填して充填成形体を作製する充填工程と、
前記充填成形体に磁界を印加し、該充填成形体内の合金粉末を配向させ配向充填成形体を作製する配向工程と、
前記モールドの側壁を前記配向充填成形体から引き離し、前記配向充填成形体を前記モールドから取り出す取出工程と、
取り出した前記配向充填成形体を焼結する焼結工程と、を有し、
前記充填工程と前記配向工程が別の場所で行われることを特徴とする磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。 - 前記モールドの内部に取り外し可能な1又は複数の仕切板を組み込み、該仕切板により該モールド内部を複数の空洞に区切ることを特徴とする請求項1に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記給粉工程の前に、仕切板組み込み工程を設けることを特徴とする、請求項2に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記給粉工程において、前記モールド上に給粉スペーサーを載置し、前記モールドと該給粉スペーサーにより区画された空間に所定量の合金粉末を投入することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記モールドの1又は複数の空洞に対して前記合金粉末を給粉可能な前記給粉スペーサーを1つ設置することを特徴とする請求項4に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記充填工程において、前記モールドと前記給粉スペーサーにより区画された空間に投入された所定量の合金粉末を全てモールド内部に収容させるための押込みパンチ部材を前記モールドの上方側に載置した状態で、当該モールドを一定の高さから繰り返し落下させることにより前記合金粉末を全てモールド内部に収容し、合金粉末の密度を上昇させることを特徴とする請求項5に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記取出工程において前記配向充填成形体が前記仕切板と共に一体として取り出されることを特徴とする請求項2又は3に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記各工程のうち給粉工程と充填工程は同一の場所で実施され、前記給粉工程及び充填工程と、前記配向工程と、前記取出工程と、前記焼結工程とが、それぞれ別の作業場所で実施されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記給粉工程と、前記充填工程と、前記配向工程と、前記取出工程が単一のチャンバー内又は通気的に連結された複数のチャンバー内で行われ、当該単一又は複数のチャンバー内が不活性ガスで満たされていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 仕切板組み込み工程が、前記給粉工程の前に行われ、前記仕切板組み込み工程と前記給粉工程が同一チャンバー内で行われることを特徴とする請求項9に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記モールドが、2枚の側板と2枚の端板よりなる側壁と、1枚の底板よりなることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記モールドの内部両端に、磁極を備えることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記取出工程において、前記配向充填成形体が前記仕切板及び前記磁極と共に取り出されることを特徴とする請求項12に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記焼結工程において、前記配向充填成形体が前記仕切板と共に焼結されることを特徴とする請求項7に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記焼結工程において、前記配向充填成形体が前記磁極と共に焼結されることを特徴とする請求項13に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記焼結工程において、前記配向充填成形体が前記仕切板/前記磁極から外され、1個1個ばらばらの状態で焼結されることを特徴とする請求項12又は13に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記取出工程において前記配向充填成形体を取り出した後のモールドが前記仕切板組み込み工程又は前記給粉工程に搬送されて再利用されることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記配向工程で印加される磁界がパルス磁界であることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法。
- 不活性ガスで満たされた、単一又は通気的に連結された複数のチャンバー内に、
2分割以上に分割された側壁を有するモールドに合金粉末を給粉する給粉装置と、
前記合金粉末を前記モールド中に充填して充填成形体を作製する充填装置と、
前記充填成形体に磁界を印加し、該充填成形体の合金粉末を配向させ配向充填成形体を作製する配向装置と、
前記モールドの側壁を前記配向充填成形体から引き離し、前記配向充填成形体を前記モールドから取り出す取り出し可動部材と、
取り出した前記配向充填成形体を焼結炉に搬送する搬送装置を備えていることを特徴とする磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置。 - 前記充填成形体に印加される磁界がパルス磁界であることを特徴とする、請求項19に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置。
- 前記配向充填成形体を取り出した後の前記モールドの側壁を、前記給粉装置に戻す搬送装置を備えていることを特徴とする、請求項19又は20に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置。
- 更に、前記モールドの側壁に仕切板を組み込む仕切板組み込み装置と、前記配向充填成形体を取り出した後の前記モールドの側壁を、前記仕切板組み込み装置に戻す搬送装置を備えていることを特徴とする、請求項19又は20に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置。
- 更に焼結炉を備え、前記焼結炉が前記搬送装置に連結されていることを特徴とする、請求項19〜22のいずれか1項に記載の磁気異方性希土類焼結磁石の製造装置。
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