JP2004247505A - Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気特性に優れ且つ電気抵抗率の高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を提供する。
【解決手段】溶解工程Ｐ１において希土類元素、鉄、コバルトおよびホウ素を含む原料１２に、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンのいずれか一種を１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で添加して溶解させ、その溶解工程Ｐ１において溶解させられたその原料１２を前記超急冷工程Ｐ２において急冷することにより原料片１６を形成し、その超急冷工程Ｐ２において形成されたその原料片１６を前記ホットプレス工程Ｐ４において加熱し且つ加圧することで、たとえば２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率ρと２２３ｋＪ／ｍ^３以上の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘとを共に示す前記磁石１０を製造することができる。すなわち、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率ρの高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を製造することができる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い最大エネルギ積を持つＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石およびその製造方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石すなわち希土類元素（Ｒ）、鉄（Ｆｅ）、およびホウ素（Ｂ）を含む磁石合金から成る永久磁石は、最大エネルギー積が高いという特徴があることが知られており、この特徴から、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は各種の高性能モータ等へ多く使用されている。近年、省エネルギー化の観点から、これらのモータを高効率化（すなわち低損失化）したいという要求が強まっている。
【０００３】
モータの損失は、大別して、鉄損と銅損に分類される。鉄損の起源にはヨークとして使用される軟磁性材料や磁石があり、これら軟磁性材料や磁石に渦電流が生じて熱が発生することにより損失が生じる。特にＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は金属磁石であることから電気抵抗率が１×１０^−６Ωｍレベルと低いので、渦電流発熱による損失が無視できない。そのため、渦電流の発生を極力抑えることが必要であることから、磁石の電気抵抗率を高めることが望まれている。
【０００４】
Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石において電気抵抗率を高めるために、絶縁体である諸酸化物を添加する試みが行われている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１では、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石に、希土類酸化物や希土類酸化物とホウ素との複合酸化物を含ませることにより、磁石の電気抵抗率を上昇させている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−６４０１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、絶縁物を添加することにより磁石の電気抵抗率を上昇させると、添加された絶縁物により磁石の残留磁束密度低下や保磁力低下が生じてしまい、その結果、最大エネルギー積が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率の高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、かかる目的を達成するために種々検討を重ねた結果、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系合金に、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）およびモリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一種を、それらの添加量の合計が１．０重量％以上３．０％以下の割合となるように混合させると、磁気特性を大きく低下させずに、電気抵抗率を上昇させることができることを見いだした。本発明は、かかる知見に基づいて成されたものである。
【０００９】
【課題を解決するための第１の手段】
すなわち、前記目的を達成するための第１発明の要旨とするところは、希土類元素、鉄、およびホウ素を含むＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石であって、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの少なくとも一つを、合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含むことにある。
【００１０】
【第１発明の効果】
このようにすれば、前記Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石が希土類元素、鉄、およびホウ素に加えて、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの少なくとも一つを、合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含んいることから、たとえば２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率と２２３ｋＪ／ｍ^３以上の最大エネルギー積とを共に示すＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、すなわち、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率の高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石が得られる。
【００１１】
【課題を解決するための第２の手段】
また、前記目的を達成するための第２発明は、前記第１発明にかかるＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の製造方法である。すなわち、第２発明の要旨とするところは、希土類元素、鉄、およびホウ素を含む原料を溶解させる溶解工程と、その溶解工程において溶解させられたその原料を急冷することにより原料片を形成する超急冷工程と、その超急冷工程において形成されたその原料片を加熱し且つ加圧するホットプレス工程とを、含むＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の製造方法であって、前記溶解工程において、前記原料に、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの少なくとも一つを合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で添加することにある。
【００１２】
【第２発明の効果】
このようにすれば、前記溶解工程において希土類元素、鉄、およびホウ素を含む原料に、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの少なくとも一つを合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で添加して溶解させ、その溶解工程において溶解させられたその原料を前記超急冷工程において急冷することにより原料片を形成し、その超急冷工程において形成されたその原料片を前記ホットプレス工程において加熱し且つ加圧することで、たとえば２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率と２２３ｋＪ／ｍ^３以上の最大エネルギー積とを共に示すＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、すなわち、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率の高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を製造することができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例である異方性Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石（以下、単に磁石と称する）１０を示す斜視図である。この図に示すように、かかる磁石１０は、たとえば外径１０〜８０ｍｍφ×肉厚１〜１４ｍｍ×高さ１〜３００ｍｍ程度の寸法を備えて円筒状に形成されたものであり、たとえば各種電動モータにおけるロータの構成要素などとして好適に用いられる。上記磁石１０の着磁形態はその磁石１０が組み込まれる製品に応じて適宜定められ、たとえばサーボモータ、スピンドルモータ、発電機、カップリング、あるいはボイスコイルモータなどでは周方向にＳ極およびＮ極が交互に設けられた内外周多極着磁（ｍｕｌｔｉ−ｐｏｌｅ ｏｎ ＯＤ ａｎｄ ＩＤ）、サーボモータあるいはパワーステアリング用モータなどでは周方向にＳ極およびＮ極が交互に設けられ且つそれらの境界線が軸心と非平行であるスキュー着磁（ｓｋｅｗｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）、リニアアクチュエータ、冷凍機、磁気軸受、あるいはスピーカなどでは内外周にＳ極およびＮ極が設けられた内外周単極着磁（ｕｎｉ−ｐｏｌｅ ｏｎ ＯＤ ａｎｄ ＩＤ）などとされる。
【００１５】
上記磁石１０は、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、鉄、およびホウ素を母組成とする合金から成るものであり、希土類元素は一種であっても二種以上が含まれていてもよく、また、母組成にはコバルト（Ｃｏ）が所定の割合で含まれていてもよい。この母組成の組成比は、必要とされる保磁力および残留磁化に応じて決定される。さらに、上記合金には、チタン、バナジウム、クロムおよびモリブデンの少なくとも一種が、上記母組成に対して合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含まれている。かかる組成から成る上記磁石１０は、磁気特性として、たとえば２２３ｋＪ／ｍ^３以上の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘと、１０．７Ｔ以上の残留磁束密度Ｂｒと、１７００ｋＡ／ｍ以上の固有保磁力ＨｃＪとを備え、電気特性として、２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率ρを備えたものである。
【００１６】
従来の一般的な希土類磁石であるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の電気抵抗率ρは通常１．０×１０^−６Ωｍ以上１．５×１０^−６Ωｍ以下程度であり、本実施例の磁石１０はそれに比べて高い電気抵抗率ρを備えているが、これはチタン、バナジウム、クロムおよびモリブデンを合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含むことに起因するものである。しかも本実施例の磁石１０は、各種電動モータなどに用いられるのに十分なほど磁気特性にも優れている。
【００１７】
以下、前記磁石１０の製造工程の一例について説明する。図２は、前記磁石１０の製造工程の一例を説明する工程図であり、図３は、その要部を説明する概略断面図である。これらの図に示すように、前記磁石１０の製造に際しては、先ず、溶解工程Ｐ１において、希土類元素、鉄、ホウ素、および必要に応じてコバルトを含む母組成に、チタン、バナジウム、クロム、モリブデンの少なくとも一種が前記割合で添加された原料１２が溶解させられる。その溶解工程Ｐ１において溶解させられたその原料１２は、続く超急冷工程Ｐ２においてたとえば２０℃程度に冷却された状態で軸心まわりに回転させられているホイール１４の外周面に供給されることにより急冷され、最大幅２００μｍ×厚さ３５μｍ程度の寸法を備えた多数の原料片１６として形成される。図３の（ａ）はこの状態を示す。
【００１８】
上記超急冷工程Ｐ２において形成された上記原料片１６は、適宜粉砕されて平均粒径１５０μｍ程度の原料粉末とされた後、続く冷間プレス工程Ｐ３において所定の金型１８に充填されて室温程度の温度雰囲気にて加圧されることにより、たとえば円柱状のグリーン成形体２０として形成される。図３の（ｂ）はこの状態を示す。その冷間プレス工程Ｐ３において形成されたそのグリーン成形体２０は、続くホットプレス工程Ｐ４において所定の金型２２に入れられて８００℃程度の温度に加熱されて高密度化される。図３の（ｃ）はこの状態を示す。
【００１９】
上記ホットプレス工程Ｐ４において高密度化された合金２４は、続く熱間押出工程Ｐ５において所定の金型２６に入れられて８００℃程度の温度に加熱され且つ押し出されることにより合金のＮＳ方向がその圧力方向に揃えられた状態でたとえば円筒状の成形体２８として形成される。図３の（ｄ）はこの状態を示す。その熱間押出工程Ｐ５において形成されたその成形体２８は、図３の（ｅ）に示すように、続く切断加工工程Ｐ６において所定の形状に切断および加工される。以上のようにして、前記磁石１０が製造される。
【００２０】
［実験例］
以下、本発明の効果を検証する為に本発明者がおこなった実験例について説明する。本実験例においては、前記溶解工程Ｐ１において前記原料１２に様々な割合でチタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンのいずれか一種が添加されたＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石である試料１〜２１を作製し、それぞれの磁気・電気特性を調べた。先ず、希土類元素としてネオジムおよびジスプロシウムをそれぞれ２７．５重量％および２．４重量％含み、鉄を６６．５重量％、コバルトを２．８重量％、ホウ素を０．８重量％の割合で含む母組成に対し、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンのいずれか一種を図４の表に示す割合で添加した原料を溶解させ、２５ｍ／ｓ程度の周速で回転する銅ホイールを用いた液体急冷法により原料フレークを作製した。次に、その原料フレークを粉砕し、平均粒径１５０μｍ程度の原料粉末を得た。続いて、その原料粉末を室温で冷間プレスすることにより外径１８ｍｍφ×高さ３０ｍｍ程度の円柱状のグリーン成形体を形成した後、そのグリーン成形体を８００℃程度にてホットプレスすることにより外径１８ｍｍφ×高さ１６ｍｍ程度の合金を形成した。このホットプレスにより等方性磁石となる。さらに続いて、その合金を８００℃程度にて熱間押し出し加工することにより外径１８ｍｍφ×内径１４ｍｍφ×高さ３５ｍｍ程度の円筒状に形成することによりラジアル異方性磁石を作製した。そのようにして作製された試料１〜２１の残留磁束密度Ｂｒ、固有保磁力ＨｃＪ、および最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘをＢＨトレーサで測定し、電気抵抗率ρを四端子法で測定した。
【００２１】
本実験の結果を図４の表に示す。この表に示すように、チタン、バナジウム、クロム、モリブデンのいずれか一種を１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で添加した試料３〜５、８〜１０、１３〜１５、１８〜２０では、２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率ρを示している。渦電流発熱による損失の程度は、概ね材料の電気抵抗率ρに反比例するとされており、また、前述のように、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系熱間加工磁石の電気抵抗は、従来、１．０×１０^−６Ωｍ以上１．５×１０^−６Ωｍ以下程度であることから、試料３〜５、８〜１０、１３〜１５、１８〜２０のように、電気抵抗率ρが２．０×１０^−６Ωｍ以上となれば、明らかな発熱損失の低下が期待できる。また、それら試料３〜５、８〜１０、１３〜１５、１８〜２０は、２２３ｋＪ／ｍ^３（２８ＭＧＯｅ）以上の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘを示し、残留磁束密度Ｂｒおよび固有保磁力ＨｃＪに関しても工業機器用磁石として実用に足る数値範囲内である。
【００２２】
一方、それらの添加元素の添加量が１．０重量％よりも低い試料１、２、７、１２、１７では電気抵抗率ρが２．０×１０^−６Ωｍ未満であることから、十分な発熱損失の低下が期待できない。また、添加元素の添加量が増加するにつれて電気抵抗率ρは上昇するが、チタン、バナジウム、クロム、モリブデンは非磁性であることから、それらの添加量の増加に伴って残留磁束密度Ｂｒは減少し、添加元素の添加量が３．０重量％よりも高い試料６、１１、１６、２１では、残留磁束密度Ｂｒの低下が大きく、その結果、最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘが２２３ｋＪ／ｍ^３未満となってしまい好ましくない。
【００２３】
すなわち、本実験の結果から、前記溶解工程Ｐ１において前記原料１２の中にに１．０重量％以上３．０重量％以下の割合でチタン、バナジウム、クロム、モリブデンのいずれか一種を含ませることで、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率ρの高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を提供できることが確認された。なお、原料１２中に、チタン、バナジウム、クロム、モリブデンを含ませることにより、電気抵抗率ρが上昇する理由は明らかではないが、結晶格子中のＦｅ原子が、チタン、バナジウム、クロム、モリブデンに置き換えられることに起因していると推定され、この推定から、さらに、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの総量が上記割合であれば、複数種類の元素が原料中に含まれてもよいと推定される。
【００２４】
このように、本実施例によれば、前記磁石１０が希土類元素（ネオジム、ジスプロシウム）、鉄、コバルトおよびホウ素に加えて、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンのいずれか一種を１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含んいることから、たとえば２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率ρと２２３ｋＪ／ｍ^３以上の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘとを共に示すＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石、すなわち、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率ρの高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石が得られる。
【００２５】
また、前記溶解工程Ｐ１において希土類元素、鉄、コバルトおよびホウ素を含む原料１２に、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンのいずれか一種を１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で添加して溶解させ、その溶解工程Ｐ１において溶解させられたその原料１２を前記超急冷工程Ｐ２において急冷することにより原料片１６を形成し、その超急冷工程Ｐ２において形成されたその原料片１６を前記ホットプレス工程Ｐ４において加熱し且つ加圧することで、たとえば２．０×１０^−６Ωｍ以上の電気抵抗率ρと２２３ｋＪ／ｍ^３以上の最大エネルギー積（ＢＨ）_ｍａｘとを共に示す前記磁石１０を製造することができる。すなわち、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率ρの高いＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を製造することができる。
【００２６】
以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに別の態様においても実施される。
【００２７】
たとえば、前述の実施例においては、円筒状を成す前記磁石１０について説明したが、本発明の磁石の形状はこれに限定されるものでは当然になく、たとえば部分円筒状、円柱状、円板状、矩形板状、リング状、あるいは棒状など、その磁石が組み込まれる製品に応じて適宜定められるものである。
【００２８】
また、前述の製造工程において、前記冷間プレス工程Ｐ３、熱間押出工程Ｐ５、および切断加工工程Ｐ６は製造される磁石の態様によっては必要なく、前記溶解工程Ｐ１、超急冷工程Ｐ２、およびホットプレス工程Ｐ４のみを経た合金２４に着磁が施されて製品とされても構わない。
【００２９】
また、前述の実施例のＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は異方性磁石であったが、たとえばホットプレス工程により得られる合金２４など、本発明は等方性磁石にも適用し得る。
【００３０】
また、前述の実施例のＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石は熱間加工磁石であったが、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石であって、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンを、合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含んでいれば、焼結磁石やボンド磁石であっても、磁気特性に優れ且つ電気抵抗率ρの高い磁石が得られる。
【００３１】
その他一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を示す斜視図である。
【図２】図１のＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の製造工程を説明する工程図である。
【図３】図１のＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の製造工程の要部を説明する概略断面図である。
【図４】本発明の効果を検証する為の実験例の結果を示す表である。
【符号の説明】
１０：Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石
１２：原料
１６：原料片
Ｐ１：溶解工程
Ｐ２：超急冷工程
Ｐ４：ホットプレス工程

Claims (2)

1. 希土類元素、鉄、およびホウ素を含むＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石であって、
   チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの少なくとも一つを、合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で含むことを特徴とするＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石。
2. 希土類元素、鉄、およびホウ素を含む原料を溶解させる溶解工程と、
   該溶解工程において溶解させられた該原料を急冷することにより原料片を形成する超急冷工程と、
   該超急冷工程において形成された該原料片を加熱し且つ加圧するホットプレス工程と
   を、含むＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の製造方法であって、
   前記溶解工程において、前記原料に、チタン、バナジウム、クロム、およびモリブデンの少なくとも一つを合計で１．０重量％以上３．０重量％以下の割合で添加することを特徴とするＲ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の製造方法。

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