KR101690896B1

KR101690896B1 - 희토류 자석의 제조 방법

Info

Publication number: KR101690896B1
Application number: KR1020157008685A
Authority: KR
Inventors: 노리타카 미야모토; 다이스케 이치고자키; 데츠야 쇼지; 에이스케 호시나; 아키라 가노; 오사무 야먀시타
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2016-12-28
Also published as: US9859055B2; DE112013005052B4; KR20150052271A; CN104737250A; US20150279559A1; CN104737250B; JP2014082422A; JP5790617B2; WO2014061466A1; DE112013005052T5

Abstract

열간 소성 가공할 때에 소성 변형되는 성형체의 측면에 균열이 발생하는 것을 억제하면서, 충분한 소성 변형을 도모함으로써 배향도가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있는 희토류 자석의 제조 방법을 제공한다.
성형체 (S) 를 제조하는 스텝, 캐비티 (Ca) 를 구비한 다이스 (D) 와 캐비티 (Ca) 내에서 자유롭게 슬라이딩할 수 있는 펀치 (P) 로 이루어지는 소성 가공형을 준비하고, 캐비티 (Ca) 는 성형체 (S) 의 펀치 (P) 에 의한 가압 방향과 직교하는 단면보다도 단면 치수가 큰 단면을 갖고 있고, 캐비티 (Ca) 에 성형체 (S) 를 수용하여 열간 소성 가공을 실시하여 배향 자석 (C) 을 제조하는 스텝으로 이루어지고, 캐비티 (Ca) 의 단면의 단변의 길이를 W1, 성형체 (S) 의 단면의 캐비티 (Ca) 의 단변에 대응하는 변의 길이를 t1 로 했을 때에, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있고, 열간 소성 가공의 도중 단계에서부터 성형체 (S) 의 일부가 캐비티 (Ca) 의 측면에 구속되어 변형이 억제되고, 다른 부위가 비구속 상태로 되어 있다.

Description

희토류 자석의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD FOR RARE-EARTH MAGNET}

본 발명은, 열간 소성 가공에 의해 배향 자석으로 되어 있는 희토류 자석의 제조 방법에 관한 것이다.

란타노이드 등의 희토류 원소를 사용한 희토류 자석은 영구 자석으로도 불리우며, 그 용도는, 하드디스크나 MRI 를 구성하는 모터 외에 하이브리드카나 전기자동차 등의 구동용 모터 등에 사용되고 있다.

이 희토류 자석의 자석 성능의 지표로서 잔류 자화 (잔류 자속 밀도) 와 보자력을 들 수 있는데, 모터의 소형화나 고전류 밀도화에 따른 발열량의 증대에 대해, 사용되는 희토류 자석에도 내열성에 대한 요구가 한층 더 높아지고 있어, 고온 사용하에서 자석의 자기 특성을 어떻게 유지할 수 있을까가 해당 기술 분야에서의 중요한 연구 과제의 하나로 되어 있다.

희토류 자석의 제조 방법의 일례를 간략히 설명하면, 예를 들어 Nd-Fe-B 계의 금속 용탕을 급랭 응고시켜 얻어진 미분말을 가압 성형하면서 성형체로 하고, 이 성형체에 자기적 이방성을 부여하기 위해 열간 소성 가공을 실시하여 희토류 자석 (배향 자석) 을 제조하는 방법이 일반적으로 적용되고 있다.

상기 열간 소성 가공은, 예를 들어 상하의 펀치 (펀치라고도 한다) 사이에 성형체를 배치하고, 가열하면서 상하의 펀치로 예를 들어 1 초 정도나 그 이하의 단시간 가압하여, 적어도 가공률 50 ％ 이상으로 가공을 실시하는 것이다. 이 열간 소성 가공에 의해 성형체에 자기적 이방성을 부여할 수 있는 한편, 열간 소성 가공할 때의 상하의 펀치에 의한 압압 (押壓) 에 의해 성형체가 소성 변형하면서 찌부러지는 과정에서, 소성 변형한 성형체의 측면에 균열 (미세 균열을 포함한다) 이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.

이는, 상하의 펀치와 접촉하고 있는 부분이 지나치게 변형되고, 그만큼 측면 중앙부가 과도하게 부풀어 오르는, 이른바 북 모양으로 변형되는 것이 한가지 원인이다. 이 균열이 발생하면, 배향도를 높이기 위해 형성된 가공 변형이 균열된 지점에서 개방되어 버려, 변형 에너지를 결정 배향으로 충분히 향하게 할 수 없게 되고, 결과적으로 높은 배향도 (이것에 의해 높은 자화가 초래된다) 의 배향 자석을 얻기가 어려워진다.

또한, 이와 같이 외주부에 균열이 발생하고 마는 점에서, 열간 소성 가공에 의해 성형된 배향 자석에 있어서는 균열이 없는 중앙 부분으로부터 소정 치수의 배향 자석을 잘라내고 제품화를 도모하고 있어, 재료 수율이 낮다는 문제도 있었다.

그래서, 이러한 열간 소성 가공시의 균열의 문제를 해소할 수 있는 종래 기술로서 특허문헌 1 에 개시된 제조 방법을 들 수 있다. 이 제조 방법은, 상기 성형체의 전체를 금속 캡슐 내에 봉입한 후, 이 금속 캡슐을 상하의 펀치로 압압하면서 열간 소성 가공을 실시하는 것으로, 이 제조 방법에 의하면, 희토류 자석의 자기적 이방성이 한층 더 향상되는 것으로 되어 있다. 또, 이와 같이 금속 캡슐 내에 성형체를 봉입한 상태에서 열간 소성 가공을 실시하는 기술은, 그 밖에도 특허문헌 2 ∼ 5 에 개시되어 있다.

그러나, 성형체의 전체가 금속 캡슐로 완전히 포위되어 있으면, 상하로부터의 압압에 의한 성형체 측방으로의 소성 변형이 극단적으로 구속되어, 소성 변형 후의 성형체의 측면에 균열이 발생하지 않는 대신에 충분한 소성 변형이 이루어지기 어렵고, 결과적으로 높은 배향도를 얻기 어렵다는 다른 문제가 생길 수 있다. 이는, 예를 들어 상면, 하면과 원주 측면을 갖는 원기둥 형상의 성형체를 예로 들어 본다면, 금속 캡슐 중, 성형체의 측면에 대응하는 측면 영역이 측방으로 소성 변형하려고 할 때에, 이 측면 영역과 일체로 되어 있는 성형체의 상면 및 하면에 대응하는 상면 영역 및 하면 영역이 측면 영역의 확장을 구속함으로써 초래되는 것이다.

실제로 상기 각 특허문헌에는 변형 속도 (rate of strain) 에 관한 언급은 없어, 가령 0.1/sec 이상의 변형 속도, 가공률 50 ％ 이상 (예를 들어 70 ％ 나 그 이상) 으로 열간 소성 가공을 실시한 경우를 상정하면, 균열을 완전히 방지하는 것은 불가능하다. 그 이유는, 일정 이상의 두께의 강계 재료로 용접하여 전체면을 덮은 상태에서 0.1/sec 이상의 변형 속도로 가공한 경우, 자석 조직이 받는 충격이 지나치게 강하거나, 또는 냉각되는 경우에 열 팽창차의 차이에 의해 열간 소성 가공된 성형체가 앞서 서술한 바와 같이 금속 캡슐에 의해서 강한 구속을 받기 때문이다. 이 문제를 해소하기 위해, 특허문헌 6 에서는 다단계로 단조 (鍛造) 함으로써 금속 캡슐을 얇게 해 나가는 기술이 개시되어 있지만, 여기서 개시된 실시예는 두께가 7 ㎜ 이상의 철판을 사용하고 있고, 이것으로는 균열을 완전히 방지할 수 없을 뿐 아니라 단조 후의 자석 형상이 니어 네트 쉐이프 (near net shape) 라고 할 수 없어, 마무리 가공이 전면 필수가 되어 재료 수율의 저하나 가공비의 증가와 같은 문제가 현저해진다.

또한, 특허문헌 1 등에서 개시된 바와 같이, 성형체의 전면을 완전히 덮는 금속 캡슐의 두께를 얇게 해 나가면, 1/sec 이상의 변형 속도에서는 금속 캡슐이 파괴되어 성형체에 불연속적인 요철이 발생하여, 배향 흐트러짐의 원인이 되는 점에서 바람직한 방법이라고는 말할 수 없다.

일본 공개특허공보 평2-250920호 일본 공개특허공보 평2-250922호 일본 공개특허공보 평2-250919호 일본 공개특허공보 평2-250918호 일본 공개특허공보 평4-044301호 일본 공개특허공보 평4-134804호

본 발명은 상기한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 열간 소성 가공을 거쳐 희토류 자석을 제조하는 제조 방법에 관한 것으로, 열간 소성 가공할 때에 소성 변형되는 성형체의 측면에 균열이 발생하는 것을 억제하면서, 충분한 소성 변형을 도모함으로써 배향도가 높은 희토류 자석을 제조할 수 있는 희토류 자석의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의한 희토류 자석의 제조 방법은, 희토류 자석 재료가 되는 분말을 가압 성형하여, 기둥 형상의 성형체를 제조하는 제 1 스텝, 상기 성형체가 수용되는 캐비티를 구비한 다이스와 그 캐비티 내에서 자유롭게 슬라이딩할 수 있는 펀치로 이루어지는 소성 가공형 (塑性加工型) 을 준비하고, 상기 캐비티는, 상기 성형체의 펀치에 의한 가압 방향과 직교하는 단면보다도 단면 치수가 큰 단면을 갖고 있고, 상기 캐비티에 성형체를 수용하여 상하의 펀치 사이에 끼우고, 그 상하의 펀치로 성형체의 상면과 하면을 직접 압압하면서 이방성을 부여하는 열간 소성 가공을 실시하여 배향 자석인 희토류 자석을 제조하는 제 2 스텝으로 이루어지고, 캐비티의 상기 단면을 구성하는 단변의 길이를 W1, 캐비티 내에 수용된 성형체의 상기 단면 중 캐비티의 단변에 대응하는 변의 길이를 t1 로 했을 때에, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있고, 제 2 스텝에 있어서의 열간 소성 가공의 도중 단계에서부터 성형체의 일부가 캐비티의 측면에 구속되어 변형이 억제되고, 성형체의 다른 부위가 캐비티의 측면으로부터 떨어져 비구속 상태로 되어 있는 것이다.

본 발명의 희토류 자석의 제조 방법은, 성형체를 소성 가공형에 수용하여 열간 소성 가공을 실시함에 있어서, 성형체를 찌부러뜨리는 과정에서 그 전체 측면이 소성 가공형의 캐비티의 전체 측면에 맞닿아 압력을 받는 가공 방법 대신에, 성형체의 일부만을 선행하여 캐비티의 측면에 맞닿게 해서 압력을 받도록 하고, 그 때에 성형체의 다른 부위는 캐비티의 측면과 맞닿지 않고 비구속 상태로 되어 있음으로써, 성형체를 원하는 대로 열간 소성 가공하여 자기적 이방성을 부여하면서, 가공된 배향 자석에 균열을 발생시키지 않도록 할 수 있는 제조 방법이다.

성형체의 일부만을 선행하여 캐비티의 측면에 맞닿게 함에 있어서, 성형체의 단면 형상이나 소성 가공형을 구성하는 다이스의 단면 형상이 규정될 필요가 있다. 또, 여기서 말하는 「단면 형상」이란, 펀치의 슬라이딩 방향 (성형체가 펀치에 의해 압압되는 방향) 과 직교하는 단면의 형상을 의미하고 있다. 한정적인 것은 아니지만, 본 발명의 제조 방법에 있어서는 캐비티의 단면 형상으로서 장방형 (사각형), 옆으로 긴 타원형 등을 들 수 있고, 이 캐비티보다 열간 소성 가공되기 전의 단계에 있어서 단면 치수가 작은 성형체의 단면 형상은 정방형이나 장방형, 원형 등을 들 수 있다. 즉, 단면 형상이 장방형인 캐비티 내에 장방형, 정방형, 또는 원형의 단면 형상을 가진 성형체를 수용하여 열간 소성 가공을 실시하는 형태, 단면 형상이 타원형인 캐비티 내에 장방형, 정방형, 또는 원형의 단면 형상을 가진 성형체를 수용하여 열간 소성 가공을 하는 형태 등이 있다. 그리고, 캐비티 내에 성형체를 수용한 상태에 있어서는 성형체의 측면의 어느 지점도 캐비티의 측면에 맞닿아 있지 않고, 열간 소성 가공의 도중에서 성형체가 찌부러져 변형되고, 그 일부가 캐비티의 측면에 맞닿아 압력을 받게 되는 캐비티와 성형체 쌍방의 단면 치수 관계가 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법은, 제 1 스텝으로서, 희토류 자석 재료가 되는 분말을 가압 성형하여 기둥 형상의 성형체를 제조한다.

여기서, 본 발명의 제조 방법이 제조 대상으로 하는 희토류 자석에는, 조직을 구성하는 주상 (主相) (결정) 의 입경이 200 ㎚ 이하 정도의 나노 결정 자석은 물론, 입경이 300 ㎚ 이상인 것, 나아가 입경이 1 ㎛ 이상인 소결 자석이나 수지 바인더로 결정립이 결합된 본드 자석 등이 포함된다. 그 중에서도, 최종적으로 제조되는 희토류 자석의 주상의 평균 최대 치수 (평균 최대 입경) 이 300 ∼ 400 ㎚ 정도이거나 그 이하가 되도록 열간 소성 가공 전 단계의 자분 (磁粉) 의 주상의 치수가 조정되어 있는 것이 바람직하다.

액체 급랭으로 미세한 결정립인 급랭 박대 (급랭 리본) 을 제조하고, 이것을 조(粗)분쇄 등을 하여 희토류 자석용의 자분을 제조하고, 이 자분를 예를 들어 다이스 내에 충전하여 펀치로 가압하면서 소결하여 벌크화를 도모함으로써 등방성의 성형체를 얻는다.

이 성형체는, 예를 들어 나노 결정 조직의 RE-Fe-B 계 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종이고, 보다 구체적으로는 Nd, Pr, Nd-Pr 중 어느 1 종 또는 2 종 이상) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 금속 조직을 갖고 있다.

제 1 스텝에서 제조된 성형체에 대하여, 제 2 스텝에서 이방성을 부여하는 열간 소성 가공을 실시함으로써 배향 자석인 희토류 자석을 제조한다.

여기서, 캐비티의 단면을 구성하는 단변의 길이를 W1, 캐비티 내에 수용된 성형체의 단면 중에서 캐비티의 단변에 대응하는 변의 길이를 t1 로 했을 때에, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있고, 제 2 스텝에 있어서의 열간 소성 가공의 도중 단계에서부터 성형체의 일부가 캐비티에 구속되어 변형이 억제되도록 되어 있다. 또한, 「캐비티의 단변에 대응하는 변의 길이」란, 성형체 중에서 캐비티의 단변에 대향하고 있는 변이나, 예를 들어 원형 단면의 성형체인 경우에는 캐비티에 대향하고 있는 반원호를 의미하고 있다.

캐비티의 단면 형상이 장방형인 경우에는 그 단변의 길이가 W1 이고, 단면 형상이 타원형인 경우에는 그 단축의 길이 (단경) 가 W1 이 된다. 이에 대하여, 제 1 스텝에서 제조된 성형체의 단면 형상이 장방형인 경우에는, 그 단변을 「캐비티의 단변에 대응하는 변」이 되도록 캐비티 내에 수용하고 그 길이가 t1 이 되며, 정방형인 경우에는 모든 변이 동일한 길이이기 때문에, 캐비티의 단변에 대향하는 어느 한 변의 길이가 t1 이 된다.

그리고, 열간 소성 가공의 도중에서 성형체가 압압되어 서서히 찌부러질 때에, 예를 들어 사각형 단면인 성형체의 단변에 직교하는 장변이 캐비티의 측면에 맞닿고, 추가로 눌려 찌부러져서 압력을 받는다. 그리고, 열간 소성 가공이 종료된 단계에서, 「캐비티의 단변에 대응하는 변」인 단변은 캐비티의 측면에 맞닿지 않고서 비구속 상태, 즉 압력을 받지 않는 프리한 상태를 유지하고 있다.

이와 같이 성형체의 일부만이 캐비티와 맞닿아 압력을 받고, 이로써 압력을 받은 영역은 자기적 이방성이 부여되어 배향도가 높아지고, 한편 압력을 받고 있지 않은 영역 (단변이나 그 근방) 은 자기적 이방성이 부여되지 않는다. 그러나, 이와 같이 자기적 이방성이 부여되어 있지 않은 영역을 비롯해서 제조된 배향 자석에 균열 (미소 균열) 이 발생하지 않은 것이 중요하여, 자기적 이방성이 일부에 부여되면서 전체적으로 균열이 발생되어 있지 않은 배향 자석을 제조함으로써 잔류 자화가 높은 배향 자석을 제조할 수 있다. 또, 제품으로서 사용할 때에는, 자기적 이방성이 부여되어 있지 않은 영역을 잘라내고 사용하는 것이 좋다.

여기서, 본 발명자들의 검증에 의하면, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있고, 또한 열간 소성 가공 도중의 성형체의 일부가 구속되어 있지 않은 프리한 상태인 경우에, 균열을 발생시키지 않으면서, 게다가 자화가 높은 배향 자석이 얻어지는 것이 실증되어 있다. 또, t1/W1 은 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 규정되지만, 그 중에서도 0.6 ∼ 0.8 의 범위에 있는 경우에 보다 더 높은 자화가 얻어져 바람직하다는 것도 또한 본 발명자들에 의해서 특정되어 있다.

예를 들어 캐비티와 성형체의 쌍방이 모두 장방형의 단면 형상인 경우에 있어서, t1/W1 이 0.85 보다 큰 경우에는 열간 소성 가공의 개시 직후에 성형체가 변형하여 장변 및 단변이 함께 캐비티에 접촉되고 구속력을 받아, 주상 (결정) 의 변형 자유도가 저해된다. 이것에 의해, 결정 흐름에 전단 방향의 변형에 따른 소성 유동이 생겨 결정의 배향도를 크게 저하시킨다. 한편, t1/W1 이 0.55 보다 작은 경우에는, 성형체의 결정이 열간 소성 가공의 마지막까지 배압 (背壓) 을 감지하지 않고 변형되기 때문에, 성형체의 폭 방향 (단변 방향) 의 중심부 이외에는 원하는 배향도를 얻기 어렵고, 특히 외주부는 결정의 흐름이 소용돌이를 일으켜 판두께 방향으로 배향되기 어렵다. 한편, 균열이 발생하지 않는 이유는, 예를 들어 성형체가 나노 결정 자석인 경우에는 성분 조정에 의해서 입계상을 적절히 갖고, 이에 더하여 그것이 산화 등에 의해 취화 (脆化) 되어 있지 않음으로써 재결정에 의한 배향이나 입계상에서의 결정 회전이 하기 쉬운 점을 들 수 있다.

또한, 제 2 스텝에서 제조된 배향 자석에 대하여, Nd-Cu 합금, Nd-Al 합금, Pr-Cu 합금, Pr-Al 합금 등의 개질 합금을 입계 확산하여, 보자력이 한층 더 높아진 희토류 자석으로 해도 된다. Nd-Cu 합금의 공정점은 520 ℃ 정도, Pr-Cu 합금의 공정점은 480 ℃ 정도, Nd-Al 합금의 공정점은 640 ℃ 정도, Pr-Al 합금의 공정점은 650 ℃ 정도로, 모두 나노 결정 자석을 구성하는 결정립의 조대화를 불러오는 700 ℃ ∼ 1000 ℃ 를 크게 하회하고 있는 점에서, 희토류 자석이 나노 결정 자석인 경우에 특히 바람직하다.

또한 열간 소성 가공은, 단시간에 한 번의 가공뿐만 아니라, 예를 들어 캐비티의 단면 치수가 상이한 2 개의 소성 가공형을 순차 사용하여 2 번 실시하는 방법이어도 된다. 예를 들어 2 번 실시하는 방법의 형태는, 제 2 스텝에서는, 캐비티의 단면 치수가 상이한 2 개의 다이스와 그 다이스의 단면 치수에 따른 단면을 갖는 펀치로 이루어지는 2 개의 소성 가공형이 준비되어 있고, 상대적으로 단면 치수가 작은 캐비티를 갖는 소성 가공형을 사용해서 성형체에 열간 소성 가공을 실시하여, 성형체의 장방형 또는 정방형의 단면 중 1 조의 대향하는 변을 캐비티의 대향하는 2 개의 상기 장변과 맞닿게 하여 배향 자석의 중간체를 제조하고, 이어서 그 중간체를 상대적으로 큰 단면 치수의 캐비티를 갖는 소성 가공형에 수용하고 중간체에 열간 소성 가공을 실시하여, 중간체의 장방형 또는 정방형의 단면 중 1 조의 대향하는 변을 캐비티의 대향하는 2 개의 상기 장변과 맞닿게 하여 배향 자석인 희토류 자석을 제조하는 방법이다.

캐비티의 단면 치수가 작은 소성 가공형을 제 1 소성 가공형, 타방을 제 2 소성 가공형으로 한 경우에, 첫 번째 열간 소성 가공의 단계에서 성형체의 일부가 제 1 소성 가공형의 캐비티의 측면에 맞닿아 압력을 받도록 성형체와 제 1 소성 가공형의 캐비티의 형상이 설정되면서, 또한 쌍방의 단변의 치수 관계에 있어서 t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위를 만족하도록 설정된다. 그리고, 이 열간 소성 가공으로 단면 형상이 커진 원하는 형상의 배향 자석 중간체를 제 2 소성 가공형으로 옮겨 싣고 수용하여, 두 번째 열간 소성 가공을 실시했을 때에 변형된 중간체의 일부가 캐비티의 측면에 맞닿아 압력을 받도록 중간체와 제 2 소성 가공형의 캐비티의 형상이 설정되면서, 또한 쌍방의 단변의 치수 관계에 있어서 역시 t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위를 만족하도록 설정된다. 또한 제 1 소성 가공형, 제 2 소성 가공형의 t1/W1 이 쌍방 모두 반드시 0.55 ∼ 0.85 의 범위일 필요는 없고, 적어도 일방이 이 범위를 만족하고 있으면 일정한 효과가 얻어진다.

또한, 열간 소성 가공할 때의 변형 속도는 0.1/sec 이상인 것이 바람직하다. 상기한 t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있는 것과 맞물려, 균열이 발생하지 않고, 자화가 높은 배향 자석을 보다 확실하게 제조할 수 있다.

또한, 상기 희토류 자석 재료가 되는 분말은, RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 분말로서 급랭 박대를 분쇄한 것이고, RE 의 함유 비율이 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 이고, 제조된 희토류 자석의 주상의 평균 입경이 300 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

희토류 자석의 주상의 평균 입경이 300 ㎚ 이하를 실현하기 위해서는, 당초의 자분의 주상의 평균 입경을 200 ㎚ 정도의 치수로 조정해 두는 것이 좋다.

여기서 「주상의 평균 입경」이란, 평균 결정 입경이라고도 부를 수 있는데, 자분이나 희토류 자석의 TEM 이미지나 SEM 이미지 등에서 일정 에어리어 내에 있는 다수의 주상을 확인한 다음에, 컴퓨터 상에서 주상의 최대 길이 (장축) 를 측정하고, 각 주상의 장축의 평균값을 구하는 방법으로 이루어진다. 또, 자분의 주상은 일반적으로 비교적 단면이 원형에 가깝고 다수의 각이 있는 형상이고, 열간 소성 가공을 거친 배향 자석의 주상은 일반적으로 비교적 편평하며 옆으로 긴 타원형상으로 각이 있는 형상을 나타내고 있다. 따라서, 자분의 주상의 장축은 다각형 중에서 가장 긴 장축이 컴퓨터 상에서 선정되고, 배향 자석의 주상은 그 장축이 컴퓨터 상에서 용이하게 특정되어 평균 입경의 산정에 사용된다.

RE 가 29 질량％ 미만에서는 열간 소성 가공시에 균열이 발생하기 쉬워져, 배향성이 매우 나빠지는 점, RE 가 29 질량％ 를 넘으면 열간 소성 가공의 변형은 부드러운 입계에서 흡수되어 버려, 배향성이 나빠질 뿐 아니라 주상률이 작아지기 때문에 잔류 자속 밀도가 작아지는 점에서, RE 의 함유 비율을 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 로 규정한 것이다.

이상의 설명에서 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 희토류 자석의 제조 방법에 의하면, 성형체를 소성 가공형에 수용하고 열간 소성 가공을 실시함에 있어서, 성형체의 일부만을 선행하여 캐비티의 측면에 맞닿게 해서 압력을 받도록 하고, 그 때에 성형체의 다른 부위가 캐비티의 측면과 맞닿지 않고 비구속 상태로 되어 있음으로써, 성형체를 원하는 대로 열간 소성 가공하여 자기적 이방성을 부여하면서, 가공된 배향 자석에 균열을 발생시키지 않도록 할 수 있어, 따라서, 배향도가 높고, 자화를 비롯한 자기 특성이 우수한 희토류 자석을 제조할 수 있다.

도 1 은 (a), (b) 의 순으로 본 발명의 희토류 자석 제조 방법의 실시형태 1 의 제 1 스텝을 설명한 모식도이다.
도 2 는 제 1 스텝에서 제조된 성형체의 마이크로 구조를 설명한 도면이다.
도 3 은 제조 방법의 실시형태 1 의 제 2 스텝을 설명한 모식도이다.
도 4 의 (a) ∼ (d) 는 모두 도 3 의 Ⅳ-Ⅳ 화살표 방향으로 본 도면으로서 열간 소성 가공 전후의 캐비티와 성형체 및 배향 자석의 단면의 실시형태를 나타낸 도면이다.
도 5 는 열간 소성 가공 전의 성형체의 마이크로 구조, 가공 중에 있어서의 주상의 배향 메커니즘, 및 가공 후의 배향 자석의 마이크로 구조를 설명한 모식도이다.
도 6 은 제조된 본 발명의 배향 자석 (희토류 자석) 의 마이크로 구조를 설명한 도면이다.
도 7 은 본 발명의 희토류 자석 제조 방법의 실시형태 2 를 설명한 모식도로, (a) 는 제 1 소성 가공형의 캐비티에 성형체가 수용된 상태로부터 열간 소성 가공 후의 캐비티와 배향 자석의 중간체의 상태를 설명한 도면이고, (b) 는 제 2 소성 가공형의 캐비티에 중간체가 수용된 상태로부터 열간 소성 가공 후의 캐비티와 배향 자석의 상태를 설명한 도면이다.
도 8 은 실험에서 사용한 다이스의 캐비티와 성형체의 치수를 설명한 열간 소성 가공 전의 상태를 나타낸 도면과 열간 소성 가공 후의 상태를 나타낸 도면이다.
도 9 의 (a) 는 실험용으로 제조된 배향 자석과 잘라낸 부분을 설명한 도면이고, (b) 는 도 9 (a) 의 확대도이다.
도 10 은 t1/W1 = 0.99 와 t1/W1 = 0.67 (도 9 의 배향 자석) 의 단면 사진도이다.
도 11 은 실험에 의해서 특정된 t1/W1 과 잔류 자화의 관계를 나타낸 도면이다.
도 12 의 (a) 는 결정 형상을 모의한 도면이고, (b) 는 결정의 편평률 (扁平率) 을 설명한 도면이고, (c) 는 실험에 의해서 특정된 t1/W1 과 결정의 편평률의 관계를 나타낸 도면이다.
도 13 은 실험에 의해서 특정된 배향 자석에 있어서의 RE-Fe-B 계 주상 (RE : Nd, Pr) 의 RE 농도와 보자력과 잔류 자화의 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 희토류 자석 제조 방법의 실시형태를 설명한다. 또, 도시하는 배향 자석은 나노 결정 자석 (입경이 300 ㎚ 정도이거나 그 이하) 으로 이루어지는 경우를 설명한 것이지만, 본 발명의 제조 방법이 대상으로 하는 배향 자석은 나노 결정 자석에 한정되는 것이 아니라, 입경이 300 ㎚ 이상인 것이나, 1 ㎛ 이상인 소결 자석, 나아가서는 수지 바인더로 결정립이 바인드된 본드 자석 등을 포함하는 것이다.

(희토류 자석 제조 방법의 실시형태 1 와 희토류 자석)

도 1 (a), (b) 는 그 순서대로 본 발명의 희토류 자석 제조 방법의 제 1 스텝을 설명한 모식도이고, 도 2 는 제 1 스텝에서 제조된 성형체의 마이크로 구조를 설명한 도면이다. 또한, 도 3 은 본 발명의 제조 방법의 실시형태 1 의 제 2 스텝을 설명한 모식도이다.

도 1 (a) 에서 나타내는 바와 같이, 예를 들어 50 ㎪ 이하로 감압한 Ar 가스 분위기의 도시하지 않은 노 (爐) 안에서 단일 롤에 의한 멜트 스피닝법에 의해 합금 잉곳을 고주파 용해하고, 희토류 자석을 제공하는 조성의 용탕을 구리 롤 (R) 에 분사하여 급랭 박대 (B) (급랭 리본) 을 제조하고, 이것을 조분쇄한다.

조분쇄된 급랭 박대 중, 결정 입경의 최대 치수가 200 ㎚ 정도이거나 그 이하의 치수의 급랭 박대 (B) 를 선별하고, 이것을 도 1 (b) 에서 나타내는 바와 같이 초경 다이스 (D') 와 이 중공 안을 슬라이딩하는 초경 펀치 (P') 에 의해 구획된 캐비티 내에 충전한다. 그리고, 초경 펀치 (P') 로 가압하면서 (X 방향) 가압 방향으로 전류를 흘려 통전 가열함으로써, 나노 결정 조직의 Nd-Fe-B 계 주상 (50 ㎚ ∼ 200 ㎚ 정도의 결정 입경) 과, 주상의 주위에 있는 Nd-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 사각 기둥 형상의 성형체 (S) 를 제조한다 (제 1 스텝). 또, RE 의 함유 비율은 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 인 것이 바람직하다.

여기서 입계상을 구성하는 Nd-X 합금은, Nd 와 Co, Fe, Ga 등 중의 적어도 1 종 이상의 합금으로 이루어지고, 예를 들어, Nd-Co, Nd-Fe, Nd-Ga, Nd-Co-Fe, Nd-Co-Fe-Ga 중의 어느 1 종 또는 이들의 2 종 이상이 혼재된 것으로서, Nd 리치인 상태로 되어 있다.

도 2 에서 나타내는 바와 같이, 성형체 (S) 는 나노 결정립 (MP) (주상) 사이를 입계상 (BP) 이 채우는 등방성의 결정 조직을 나타내고 있다.

제 1 스텝에서 사각 기둥 형상의 성형체 (S) 가 제조되면, 도 3 에서 나타내는 바와 같이, 소성 가공형을 구성하는 초경 다이스 (D) 와 이 중공 안을 슬라이딩하는 초경 펀치 (P) 로 구획된 캐비티 (Ca) 내에 수용하고, 상하의 펀치 (P, P) 로 성형체 (S) 의 상하면을 상하의 펀치 (P, P) 를 서로 근접하도록 하여 1 초 이하의 단시간에 슬라이딩시켜 (도 3 의 X 방향으로 압압) 열간 소성 가공을 실시한다. 이 열간 소성 가공에 의해, 배향 자석 (C) (희토류 자석) 이 제조된다 (제 2 스텝).

여기서, 이 열간 소성 가공할 때의 변형 속도는 0.1/sec 이상으로 조정되어 있다. 또, 열간 소성 가공에 의한 가공도 (압축률) 가 큰 경우, 예를 들어 압축률이 10 ％ 정도 이상인 경우의 열간 소성 가공을 강가공이라고 칭할 수 있다.

여기서, 다이스 (D) 의 캐비티 (Ca) 와 성형체 (S) 각각의 단면 형상이나 치수는 도 4 (a) ∼ (d) 에서 나타내는 바와 같은 실시형태가 있다.

도 4 (a) 에서 나타내는 실시형태는, 단변의 길이가 W1 인 장방형 단면의 캐비티 (Ca) 에 단변의 길이가 t1 인 장방형 단면의 성형체 (S) 를 수용하는 형태이고, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 설정되어 있다. 즉, 캐비티 (Ca) 와 성형체 (S) 의 단면이 모두 장방형인 경우에는, 쌍방의 단변끼리 대응하도록 하여 캐비티 (Ca) 의 중앙 부근에 성형체 (S) 를 수용한다.

도 4 (a) 의 좌측 도면에서 나타내는 바와 같이, 캐비티 (Ca) 의 측면에 성형체 (S) 가 맞닿지 않고 수용된 상태로, 열간 소성 가공이 실행되어 도 4 (a) 의 우측 도면에서 나타내는 바와 같이 제조된 배향 자석 (C) 의 장변이 캐비티 (Ca) 의 장변과 맞닿고, 배향 자석 (C) 의 단변은 캐비티 (Ca) 의 측면과의 사이에 간극 (G) 을 갖은 비구속 상태로 되어 있다.

본 발명자들에 의한 이하에 나타내는 검증에 따르면, 성형체 (S) 의 단변의 길이 (t1) 와 캐비티 (Ca) 의 단변의 길이 (W1) 의 비 : t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 설정되고, 더욱 상세하게는 성형체 (S) 의 장변의 길이와 캐비티 (Ca) 의 장변의 길이의 비가 0.55 미만인 경우에, 성형체 (S) 가 열간 소성 가공에 의해서 변형되었을 때에 성형체 (S) 와 캐비티 (Ca) 의 측면의 장변끼리가 맞닿아, 성형체 (S) 는 캐비티 (Ca) 의 측면으로부터 압압됨과 함께, 성형체 (S) 의 단변은 캐비티 (Ca) 의 측면과 맞닿지 않고, 비구속 상태를 유지할 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 이와 같이 열간 소성 가공의 과정에서 성형체 (S) 의 일부가 압압되고, 타부가 비구속 상태로 되어 있음으로써, 제조된 배향 자석 (C) 에 균열 (미소균열을 포함한다) 을 발생시키지 않고, 자화 특성이 우수한 배향 자석을 제조할 수 있다.

여기서, t1/W1 이 0.85 보다 큰 경우에는 열간 소성 가공의 개시 직후에 성형체가 변형하여 장변 및 단변이 모두 캐비티에 접촉되고 구속력을 받아, 주상 (결정) 의 변형 자유도가 저해된다. 이것에 의해, 결정 흐름에 전단 방향의 변형에 따른 소성 유동이 생겨 결정의 배향도를 크게 저하시킨다. 한편, t1/W1 이 0.55 보다 작은 경우에는, 성형체의 결정이 열간 소성 가공의 마지막까지 배압을 감지하지 않고 변형되기 때문에, 성형체의 폭 방향 (단변 방향) 의 중심부 이외에는 원하는 배향도를 얻기 어렵고, 특히 외주부는 결정의 흐름이 소용돌이를 일으켜 판두께 방향으로 배향되기 어렵다. 한편, 균열이 발생하지 않는 이유는, 예를 들어 성형체가 나노 결정 자석인 경우에는 성분 조정에 의해서 입계상을 적절히 갖고, 이에 더하여 도 5 의 중단의 열간 소성 가공 중의 결정 배향이나 결정 회전 등을 설명한 도면에서 나타내는 바와 같이, 주상이 산화 등에 의해 취화되어 있지 않음으로써 재결정에 의한 배향이나 입계상에서의 결정 회전이 하기 쉬운 점을 들 수 있다.

도 4 로 되돌아가, 도 4 (b) 에서 나타내는 실시형태는, 단변의 길이가 W1 인 장방형 단면의 캐비티 (Ca) 에 1 변의 길이가 t1 인 정방형 단면의 성형체 (S) 를 수용하는 형태로, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 설정된 것이다. 즉, 캐비티 (Ca) 의 단면이 장방형, 성형체 (S) 의 단면이 정방형인 경우에는, 캐비티 (Ca) 의 단변에 성형체 (S) 의 어느 한 변이 대응하도록 하여 캐비티 (Ca) 의 중앙 부근에 성형체 (S) 를 수용한다.

또한, 도 4 (c) 에서 나타내는 실시형태는, 단축의 길이가 W1 인 타원형 단면의 캐비티 (Ca) 에 직경이 t1 인 원형 단면의 성형체 (S) 를 수용하는 형태로, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 설정된 것이다. 즉, 캐비티 (Ca) 의 단면이 타원형, 성형체 (S) 의 단면이 원형인 경우에는, 캐비티 (Ca) 의 중앙 부근에 성형체 (S) 를 수용한다.

그리고 도 4 (d) 에서 나타내는 실시형태는, 단축의 길이가 W1 인 타원형 단면의 캐비티 (Ca) 에 단변의 길이가 t1 인 장방형 단면의 성형체 (S) 를 수용하는 형태로, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 설정된 것이다. 즉, 캐비티 (Ca) 의 단면이 타원형, 성형체 (S) 의 단면이 장방형인 경우에는, 캐비티 (Ca) 의 중앙 부근에서 그 장경과 성형체 (S) 의 장변이 평행하게 되도록 성형체 (S) 를 수용한다.

어떠한 형태의 캐비티 (Ca) 를 갖는 소성 가공형과 성형체 (S) 에 의해서도 열간 소성 가공 후에 제조되는 배향 자석의 일부는 캐비티 (Ca) 의 측면으로부터 간극 (G) 을 갖고 비구속 상태를 유지하고 있어, 이로써 균열의 발생이 억제되고, 자기 특성이 우수한 배향 자석 (C) 을 제조할 수 있다.

열간 소성 가공에 의해서 제조된 배향 자석 (C) 은, 도 6 에서 나타내는 바와 같이 나노 결정립 (MP) 이 편평 형상을 이루고, 이방축과 대략 평행한 계면은 만곡되거나 굴곡되어 있어, 자기적 이방성이 우수한 배향 자석 (C) 으로 되어 있다.

도시하는 배향 자석 (C) 에 대해서, RE-Fe-B 계 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 금속 조직을 갖고 있고, RE 의 함유 비율이 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 이고, 제조된 희토류 자석의 주상의 평균 입경은 300 ㎚ 로 되어 있는 것이 좋다. RE 의 함유 비율이 상기 범위에 있음으로써, 열간 소성 가공시의 균열의 발생 억제 효과가 한층 더 높아, 높은 배향도를 보증할 수 있다. 또한, RE 의 함유 비율이 상기 범위임으로써, 높은 잔류 자속 밀도를 보증할 수 있는 주상의 크기가 확보된다.

(희토류 자석 제조 방법의 실시형태 2)

도 7 은 희토류 자석 제조 방법의 실시형태 2 를 설명한 모식도로, 도 7 (a) 는 제 1 소성 가공형의 캐비티에 성형체가 수용된 상태로부터 열간 소성 가공 후의 캐비티와 배향 자석의 중간체의 상태를 설명한 도면이고, 도 7 (b) 는 제 2 소성 가공형의 캐비티에 중간체가 수용된 상태로부터 열간 소성 가공 후의 캐비티와 배향 자석의 상태를 설명한 도면이다. 또, 이해를 쉽게 하기 위해서, 도 7 (a), (b) 에서는 2 개의 소성 가공형을 구성하는 다이스 (D1, D2) 의 캐비티 (Ca1, Ca2) 와 성형체 (S), 배향 자석의 중간체 (C'), 배향 자석 (C) 의 각 단면만을 나타내고 있다.

도시하는 제법 방법의 실시형태 2 는, 열간 소성 가공을 2 개의 소성 가공형 (제 1, 제 2 소성 가공형) 을 사용해서 2 단계로 실시하는 것으로, 제 1 스텝에서는, 캐비티의 단면 치수가 상이한 2 개의 다이스 (D1, D2) 와 각각의 다이스 (D1, D2) 의 단면 치수에 따른 단면을 갖는 도시하지 않은 펀치로 이루어지는 2 개의 소성 가공형을 준비한다.

제 2 스텝에서는, 상대적으로 단면 치수가 작은 캐비티 (Ca1) 를 갖는 다이스 (D1) 를 구성 요소로 하는 제 1 소성 가공형을 사용해서 성형체 (S) 에 열간 소성 가공을 실시하여, 성형체 (S) 의 장방형 단면의 단변 및 장변을 다이스 (D1) 의 캐비티 (Ca1) 의 대응하는 장변 및 단변에 대향하도록 하여 수용한다 (도 7 (a) 의 좌측 도면). 그리고, 열간 소성 가공을 실시하여 쌍방의 장변끼리 맞닿게 하고, 성형체 (S) 의 장변을 압압하여 배향 자석의 중간체 (C') 를 제조한다 (도 7 (a) 의 우측 도면). 또, 이 단계에서 중간체 (C') 의 단변과 캐비티 (Ca1) 의 사이에는 간극 (G) 이 형성되어 있다.

다음으로, 중간체 (C') 를 상대적으로 큰 단면 치수의 캐비티 (Ca2) 를 갖는 다이스 (D2) 를 구성 요소로 하는 제 2 소성 가공형에 수용하고 (도 7 (b) 의 좌측 도면), 열간 소성 가공을 실시하여 제 2 소성 가공형의 장변과 변형된 중간체 (C') 의 장변을 맞닿게 하고, 중간체 (C') 의 장변을 압압하여 배향 자석 (C) 을 제조한다 (도 7 (b) 의 우측 도면). 또, 이 단계에서도 배향 자석 (C) 의 단변과 캐비티 (Ca1) 사이에는 간극 (G) 이 형성되어 있다.

도시하는 제조 방법의 실시형태 2 에 있어서도, 열간 소성 가공의 과정에서 성형체 (S) 나 중간체 (C') 의 일부가 압압되고, 그들의 타부가 비구속 상태로 되어 있음으로써, 제조된 배향 자석 (C) 에 균열 (미소 균열을 포함한다) 을 발생시키지 않고, 자화 특성이 우수한 배향 자석을 제조할 수 있다.

[성형체의 단변의 길이 (t1) 와 캐비티 (Ca) 의 단변의 길이 (W1) 의 비 : t1/W1 의 최적 범위를 특정하기 위한 실험과 그 결과]

본 발명자들은, 도 8 에서 나타내는 바와 같은 단면이 장방형으로 나타내는 치수의 다이스의 캐비티 내에 단면이 장방형인 사각 기둥 형상의 성형체 (S) 를 수용하고 열간 소성 가공을 실시하여, 제조된 배향 자석 (시험체) 의 잔류 자화를 측정하는 실험을 실시하였다. 이 실험에 있어서, 성형체의 단변의 길이 (t1) 와 캐비티의 단변의 길이 (W1) 를 여러 가지로 변화시켜 복수의 배향 자석을 제조하고 각 배향 자석의 잔류 자화를 측정하여, 각 배향 자석의 t1/W1 과 잔류 자화의 관계를 특정하였다.

(배향 자석의 제조 방법)

희토류 자석용의 자분 원료 (합금 조성은, 질량％ 로, Fe-30Nd-0.93B-4Co-0.4 Ga) 를 소정량 배합하고, Ar 분위기 중에서 용해한 후, 그 용탕을 φ0.8 ㎜ 의 오리피스로부터 Cr 도금을 실시한 Cu 제 회전 롤에 사출하고 급랭시켜, 합금 박편을 제조하였다. 이 합금 박편을 Ar 분위기 중에서 커터 밀로 분쇄 및 스크리닝하여, 0.2 ㎜ 이하의 희토류 자석용 자분을 얻었다. 다음으로, 이 자분을 20×20×40 ㎜ 사이즈의 초경의 성형형을 구성하는 다이스의 캐비티에 수용하고, 상하를 초경 펀치로 봉지하였다. 그리고 챔버에 세팅하고, 10^-2 ㎩ 로 감압하여, 400 ㎫ 를 부하시키고, 고주파 코일로 가열하여 650 ℃ 로 가열 프레스하였다. 이 가열 프레스 후, 60 초간 유지하여 성형형으로부터 성형체 (벌크체) 를 꺼냈다. 꺼낸 성형체를 와이어 커트에 의해 이하의 표 1 에서 나타내는 사이즈로 각 시험체를 잘라 열간 가공용의 시험체로 하였다. 다음으로 도 8 에서 나타내는 15 ㎜ 의 다이스의 중앙 위치에 표 1 에서 나타내는 각 성형체를 세팅하고, 가열 온도 : 750 ℃ (유지 시간 1 분), 가공률 (높이 16 ㎜ → 4 ㎜) : 75 ％ , 변형 속도 : 1/sec, 윤활제 : BN 도포인 조건으로 열간 소성 가공을 실시하였다. 또, 다이스에 성형체를 세팅하기 전에 다이스의 내면에는 BN 스프레이를 도포하였다. 이하의 표 1 에서는, 참고예로서 앞서 서술한 종래 기술에서 사용된 금속 캡슐 (SS41 로 두께 2 ㎜ 의 금속 캡슐로, 외측의 폭 17.9 ㎜, 높이 16.5 ㎜ 이고, 내측의 폭 13.9 ㎜, 높이 12.5 ㎜) 을 사용한 시험체의 결과도 나타내고 있다.

가공 후의 시험체인 배향 자석과 잘라낸 부분을 도 9 (a) 에 나타내고, 그 확대도를 도 9 (b) 에 나타낸다. 또, 도 9 (a) 의 중앙 라인 상에 있는 3 개의 사각으로 둘러싼 영역 (4×4×4 ㎜) 을 잘라내어 진동 시료형 자력계 (VSM) 로 자기 측정하였다.

또한, 도 10 에 t1/W1 = 0.99 (비교예) 의 시험체와 t1/W1 = 0.67 (실시예) 의 시험체의 각각의 단면 사진도를 나타내고, 도 11 에 각 시험체의 자기 측정 결과를 나타낸다.

도 10 으로부터, t1/W1 = 0.99 (≒ 1 로 비교예) 의 시험체는 전단 방향으로 미소 균열이 발생되어 있어, 결정의 소성 흐름이 그 균열을 따르기 때문에 배향이 흐트러져 있음이 관찰된다. 이 미소 균열이 발생하는 이유는, 성형체의 장변이 캐비티의 측면에 마찰에 의해 강하게 구속되어, 성형체가 열간 소성 가공시의 변형의 진전과 동시에 무리한 내부 응력을 받아 발생한 것으로 생각된다 (단변 방향에 있어서 변형이 구속된 성형체의 변형량 몫은 전부 길이 방향으로 압출되게 된다).

한편, t1/W1 = 0.53 (비교예) 의 시험체는 그 외주부에 균열이 현저하여, 가공 변형이 해방되는 것과, 이것에 더해서 성형체의 외주부의 가공시에 여유분이 넓기 때문에 결정이 받는 배압이 그다지 크지 않아, 시험체의 결정 변형도 커지지 않는다. 도 5 에서 나타내는 결정 배향의 추정 메커니즘을 참조하면서 고찰하자면, 결정의 배향도가 높은가 아닌가에 관해서는, 열간 소성 가공에 의해 편평하게 된 입자가 얼마만큼 압력을 받은 방향을 향하고 있는가 아닌가로 바꿔 놓을 수 있다.

먼저, 도 11 로부터, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있는 경우에, 미소 균열을 포함한 균열이 발생되지 않고, 잔류 자속 밀도도 1.32 T 이상의 매우 높은 값이 얻어지는 것이 특정되어 있다. 또한 동 도면으로부터, 바람직하게는 t1/W1 이 0.6 ∼ 0.8 의 범위에 있는 경우에 잔류 자속 밀도가 1.35 T 이상의 한층 더 높은 값이 얻어져, 보다 바람직한 것이 특정되어 있다.

이 결과로부터, 열간 소성 가공할 때의 캐비티의 장방형 단면의 단변 (W1) 과 여기에 수용되는 성형체의 단변 (t1) 의 비 : t1/W1 를 0.55 ∼ 0.85 의 범위로 규정하는 것이 좋으며, 0.6 ∼ 0.8 의 범위로 규정하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 또한, 금속 캡슐을 사용한 참고예도 미소 균열을 발생시켜, 바람직하지 않은 결과가 얻어지고 있다.

또한, 도 12 (b) 에 있어서, 편평률은 (a－b)/a 에 의해 산정할 수 있으며, 본 실험에서는 ×20000 의 FE-SEM 이미지로부터 임의로 20 개 결정을 선택하여 각각의 a, b 를 측정하고, 평균화한 것과 t1/W1 의 관계를 특정하여, 그 결과를 도 12c 에 나타낸다.

도 12 (c) 로부터, t1/W1 이 0.6 ∼ 0.8 의 범위이고 결정의 편평률이 0.8 전후에서 높은 값을 나타내고 있고, 도 11 에 있어서의 잔류 자속 밀도의 결과에 호응하고 있음을 알 수 있었다.

[배향 자석에 있어서의 RE-Fe-B 계 주상 (RE : Nd, Pr) 의 RE 농도와 보자력과 잔류 자화의 관계를 특정한 실험과 그 결과]

본 발명자들은, t1/W1 = 0.67 의 시험체를 사용하여 자분 성분 중에서도 RE (RE : Nd, Pr) 의 최적량을 검증하는 실험을 실시하였다. 이 실험에서 사용한 재료를 이하의 표 2 에 나타낸다.

표 2 에서 나타내는 각 성분의 자분을 사용하여 t1/W1 의 최적 범위를 특정하기 위한 실험과 동일한 방법으로 성형체를 제조하고 (20×12×16 ㎜, 12 ㎜ 가 폭), 단변의 길이가 18 ㎜ 인 소성 가공형을 사용하여 열간 소성 가공을 실시하였다. 또, 열간 소성 가공할 때의 조건도 t1/W1 의 최적 범위를 특정하기 위한 실험과 동일하였다. 실험 결과를 도 13 에 나타낸다.

동 도면으로부터, RE (Nd＋Pr) 의 농도가 29 ％ 를 하회하면 전연성이 우수한 입계상이 적어지기 때문에, 열간 소성 가공할 때의 균열이 심해지고, 자기 측정용의 시험체도 채취가 곤란해진다. 게다가, 배향이 완료되기 전에 균열되기 때문에 배향도 (≒Br) 는 낮을 것이 추찰된다. 또한, 입계상이 적기 때문에 자기 분단성이 저하되고, 보자력도 높지 않다.

한편, RE 농도가 높아지면 (비교예의 32.4 ％) Br 이 저하되어, 주상률이 감소되어 있는 이상으로 배향도가 저하되어 있다. 이 이유는, 입계상이 많기 때문에 거기서 변형을 흡수하는 양이 많아져, 결정의 변형이나 회전의 비율이 감소하기 때문이다.

본 실험 결과로부터, 제조되는 배향 자석 (희토류 자석) 의 주상 (결정) 중의 RE (Nd＋Pr) 농도는, 29 질량％ 이상이면서 32 질량％ 이하의 범위가 바람직한 것을 알 수 있다.

[결정의 크기와 배향 자석의 균열의 유무, 자기 특성에 관한 실험과 그 결과]

본 발명자들은 또한, t1/W1 = 0.67 의 시험체에 있어서 결정의 크기의 영향을 특정하기 위해, 이하의 표 3 에서 나타내는 자석을 준비하고, 표 4 에서 나타내는 가공 조건으로 열간 소성 가공을 실시하였다. 균열의 유무에 관한 관찰 결과를 이하의 표 5 에 나타내고, 균열이 발생하지 않은 자석에 대해서는 다시 자기 특성을 측정하여, 그 결과를 이하의 표 6 에 나타낸다.

또, 참고예의 캡슐의 사양은 t1/W1 의 최적 범위를 특정하기 위한 실험과 동일하다.

표 5 로부터, 본 실시예의 성분이나 변형 속도에서는, 결정 사이즈가 큰 자석은 금속 캡슐에 봉입해도 균열을 억제할 수 없고, 또한 높은 보자력을 얻기 위한 변형 속도 (0.1/sec) 이상에서는 평균 300 ㎚ 이하가 아니면 균열의 발생을 억제할 수 없음을 알 수 있었다. 이는 결정립이 크면 가공시의 회전을 하기 어렵거나, 재결정에 의한 배열을 하기 어려운 것에 따른 것으로 생각된다.

또한, 표 5 에 있어서 균열되지 않은 시험체의 자기 특성 결과를 나타내는 표 6 으로부터, 평균 결정 입경이 300 ㎚ 이하이고 변형 속도 0.1/sec 이상인 것에 유용한 특성이 얻어지고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 제조 방법에서는, 결정립이 작은 RE-Fe-B 계의 주상을 갖는 자분을 사용하여 열간 소성 가공의 도중에서 소성 가공형에 의해 적절한 구속과 적절한 자유도를 부여함으로써, 균열이 없고, 재료 흐름이 최적으로 제어된 것에서 기인하는 높은 자기 특성을 갖는 희토류 자석을 네트 쉐이프로 얻을 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태를 도면을 이용해서 상세히 서술해 왔지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 설계 변경 등이 있어도, 그것들은 본 발명에 포함되는 것이다.

R : 구리 롤, B : 급랭 박대 (급랭 리본), D, D1, D2, D' : 초경 다이스, P, P' : 초경 펀치, Ca, Ca1, Ca2 : 캐비티, G : 간극, t1 : 성형체의 단변의 길이, W1 : 캐비티의 단변의 길이, S : 성형체, C : 배향 자석 (희토류 자석), C' : 배향 자석의 중간체, MP : 주상 (나노 결정립, 결정립, 결정), BP : 입계상

Claims

희토류 자석 재료가 되는 분말을 가압 성형하여, 기둥 형상의 성형체를 제조하는 제 1 스텝,
상기 성형체가 수용되는 캐비티를 구비한 다이스와 그 캐비티 내에서 자유롭게 슬라이딩할 수 있는 펀치로 이루어지는 소성 가공형을 준비하고, 상기 캐비티는, 상기 성형체의 펀치에 의한 가압 방향과 직교하는 단면보다도 단면 치수가 큰 단면을 갖고 있고,
상기 캐비티에 성형체를 수용하여 상하의 펀치 사이에 끼우고, 그 상하의 펀치로 성형체의 상면과 하면을 직접 압압하면서 이방성을 부여하는 열간 소성 가공을 실시하여 배향 자석인 희토류 자석을 제조하는 제 2 스텝으로 이루어지고,
캐비티의 상기 단면을 구성하는 단변의 길이를 W1, 캐비티 내에 수용된 성형체의 상기 단면 중 캐비티의 단변에 대응하는 변의 길이를 t1 로 했을 때에, t1/W1 이 0.55 ∼ 0.85 의 범위에 있고, 제 2 스텝에 있어서의 열간 소성 가공의 도중 단계에서부터 성형체의 일부가 캐비티의 측면에 구속되어 변형이 억제되고, 성형체의 다른 부위가 캐비티의 측면으로부터 떨어져 비구속 상태로 되어 있는, 희토류 자석의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
캐비티의 상기 단면이 길이 W1 의 단변과 길이 W2 의 장변으로 이루어지는 장방형이고,
성형체의 상기 단면이 단변의 길이 t1 의 장방형 또는 변의 길이 t1 의 정방형 중 어느 것이며,
제 2 스텝의 열간 소성 가공의 도중 단계에 있어서, 성형체의 장방형 또는 정방형의 상기 단면 중 1 조의 대향하는 변이 캐비티의 대향하는 2 개의 상기 장변과 맞닿고, 또한 압압되었을 때에, 성형체의 상기 단면의 다른 1 조의 대향하는 변은 캐비티의 단변으로부터 이간되어 비구속 상태로 되어 있는, 희토류 자석의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
제 2 스텝에서는, 캐비티의 단면 치수가 상이한 2 개의 다이스와 그 다이스의 단면 치수에 따른 단면을 갖는 펀치로 이루어지는 2 개의 소성 가공형이 준비되어 있고,
상대적으로 단면 치수가 작은 캐비티를 갖는 소성 가공형을 사용하여 성형체에 열간 소성 가공을 실시하여, 성형체의 장방형 또는 정방형의 단면 중 1 조의 대향하는 변을 캐비티의 대향하는 2 개의 상기 장변과 맞닿게 하여 배향 자석의 중간체를 제조하고, 이어서 그 중간체를 상대적으로 큰 단면 치수의 캐비티를 갖는 소성 가공형에 수용하고 중간체에 열간 소성 가공을 실시하여, 중간체의 장방형 또는 정방형의 단면 중 1 조의 대향하는 변을 캐비티의 대향하는 2 개의 상기 장변과 맞닿게 하여 배향 자석인 희토류 자석을 제조하는, 희토류 자석의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
열간 소성 가공할 때의 변형 속도 (rate of strain) 가 0.1/sec 이상인, 희토류 자석의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 희토류 자석 재료가 되는 분말은, RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 분말로서 급랭 박대를 분쇄한 것이고, RE 의 함유 비율이 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 이고,
제조된 희토류 자석의 주상의 평균 입경이 300 ㎚ 이하인, 희토류 자석의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 희토류 자석 재료가 되는 분말은, RE-Fe-B 계의 주상 (RE : Nd, Pr 중 적어도 1 종) 과, 그 주상의 주위에 있는 RE-X 합금 (X : 금속 원소) 의 입계상으로 이루어지는 분말로서 급랭 박대를 분쇄한 것이고, RE 의 함유 비율이 29 질량％ ≤ RE ≤ 32 질량％ 이고,
제조된 희토류 자석의 주상의 평균 입경이 300 ㎚ 이하인, 희토류 자석의 제조 방법.