JP2011021269A - R−t−b系希土類永久磁石用合金材料、r−t−b系希土類永久磁石の製造方法およびモーター - Google Patents

R−t−b系希土類永久磁石用合金材料、r−t−b系希土類永久磁石の製造方法およびモーター Download PDF

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Abstract

【課題】R−T−B系合金中のDy濃度を高くすることなく、高い保磁力(Hcj)が得られ、しかもDyを添加したことによる磁化(Br)の低下を抑制でき、優れた磁気特性が得られるR−T−B系希土類永久磁石の材料となるR−T−B系希土類永久磁石用合金材料およびこれを用いたR−T−B系希土類永久磁石の製造方法を提供する。
【解決手段】R−T−B系合金(ただし、RはNd、Pr、Dy、Tbから選ばれる1種または2種以上であって、DyまたはTbを前記R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含むことを必須とし、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)と、金属粉末とを含むR−T−B系希土類永久磁石用合金材料とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、R−T−B系希土類永久磁石用合金材料、R−T−B系希土類永久磁石の製造方法およびモーターに係り、特に、優れた磁気特性を有し、モーターに好適に用いられるR−T−B系希土類永久磁石の得られるR−T−B系希土類永久磁石用合金材料およびこれを用いたR−T−B系希土類永久磁石の製造方法およびモーターに関するものである。
従来から、R−T−B系磁石は、各種モーター等に使用されている。近年、R−T−B系磁石の耐熱性向上に加え、省エネルギーへの要望が高まっていることから、自動車を含めたモーター用途の比率が上昇している。
R−T−B系磁石は、Nd、Fe、Bを主成分とするものである。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はホウ素であり、一部をCまたはNで置換できる。
R−Fe−B系希土類永久磁石に用いられる材料としては、主相成分であるR2Fe14B相(但し、Rは少なくとも1種の希土類元素を示す)の存在容量割合が87.5〜97.5%であり、希土類又は希土類と遷移金属の酸化物の存在容量割合が0.1〜3%であるRFeB系磁石合金において、該合金の金属組織中に主成分としてZrとBとからなるZrB化合物、NbとBとからなるNbB化合物、及びHfとBとからなるHfB化合物から選ばれる化合物が、平均粒径5μm以下で、かつ上記合金中に隣り合って存在するZrB化合物、NbB化合物、及びHfB化合物から選ばれる化合物間の最大間隔が50μm以下で均一に分散しているものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、R−Fe−B系希土類永久磁石に用いられる材料としては、R−Fe−Co−B−Al−Cu(但し、RはNd、Pr、Dy、Tb、Hoのうち1種又は2種以上で、Ndを15〜33質量%含有する)系希土類永久磁石材料において、M−B系化合物、M−B−Cu系化合物、M−C系化合物(MはTi、Zr、Hfのうち1種又は2種以上)のうち少なくとも2種と、更にR酸化物とが合金組織中に析出しているものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特許第3951099号公報 特許第3891307号公報
しかしながら、近年、より一層高性能なR−T−B系希土類永久磁石が求められ、R−T−B系希土類永久磁石の保磁力などの磁気特性をより一層向上させることが要求されている。特にモーターにおいては回転に伴ってモーター内部に電流が発生してモーター自体が発熱して高温となり、磁力が低下して効率が低下するという問題がある。この問題を克服するために、室温において高い保磁力を有する永久磁石が要求される。
R−T−B系希土類永久磁石の保磁力を向上させる方法としては、R−T−B系合金中のDy濃度を高くする方法が考えられる。R−T−B系合金中におけるDy濃度を高くするほど、焼結後に保磁力(Hcj)の高い希土類永久磁石が得られる。しかし、R−T−B系合金中のDy濃度を高くすると、磁化(Br)が低下してしまう。
このため、従来の技術では、R−T−B系希土類永久磁石の保磁力などの磁気特性を十分に高くすることは困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、R−T−B系合金中のDy濃度を高くすることなく、高い保磁力(Hcj)が得られ、しかもDyを添加したことによる磁化(Br)の低下を抑制でき、優れた磁気特性が得られるR−T−B系希土類永久磁石の材料となるR−T−B系希土類永久磁石用合金材料およびこれを用いたR−T−B系希土類永久磁石の製造方法を提供することを目的とする。
また、上記のR−T−B系希土類永久磁石の製造方法により製造された優れた磁気特性を有するR−T−B系希土類永久磁石を用いたモーターを提供することを目的とする。
本発明者らは、R−T−B系合金と、これを用いて得られる希土類永久磁石の磁気特性との関係を調べた。そして、本発明者らは、Dyを含有するR−T−B系合金を焼結して希土類永久磁石を製造する場合に、R−T−B系合金と金属粉末とを混合して永久磁石用合金材料とし、これを成形して焼結してR−T−B系希土類永久磁石とすることで、R−T−B系合金中におけるDy濃度を高くすることなく、高い保磁力(Hcj)が得られ、しかもDyを添加したことによる磁化(Br)の低下を抑制できることを見出し、本発明に至った。
この効果は、R−T−B系合金と金属粉末とを含む永久磁石用合金材料とし、これを成形して焼結した場合、焼結中に、金属粉末に含まれる金属が、R−T−B系合金を構成するRリッチ相中に入り込み、Rリッチ相中に含まれる金属濃度が高くなることによって、高い保磁力が得られることによるものと推定される。
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)R−T−B系合金(ただし、RはNd、Pr、Dy、Tbから選ばれる1種または2種以上であって、DyまたはTbを前記R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含むことを必須とし、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)と、金属粉末とを含むことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
(2)前記金属粉末が、Al、Si、Ti、Ni、W、Zr、TiAl合金、Co、Feのうちのいずれかを含むことを特徴とする(1)に記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
(3)前記金属粉末が、0.002質量%〜1質量%含まれていることを特徴とする(1)または(2)に記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
(4)前記R−T−B系合金からなる粉末と前記金属粉末とが、混合されてなる混合物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系希土類永久磁石用合金材料。
(5)(1)〜(4)のいずれかに記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料を成形して焼結することを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石の製造方法。
(6)(5)に記載のR−T−B系希土類永久磁石の製造方法により製造されたR−T−B系希土類永久磁石を備えることを特徴とするモーター。
本発明のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料は、R−T−B系合金(ただし、RはNd、Pr、Dy、Tbから選ばれる1種または2種以上であって、DyまたはTbを前記R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含むことを必須とし、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)と、金属粉末とを含むものであるので、これを成形して焼結してR−T−B系希土類永久磁石とすることで、R−T−B系合金中におけるDy濃度を高くすることなく、十分に高い保磁力(Hcj)が得られ、しかもDyを添加したことによる磁化(Br)などの磁気特性の低下を抑制でき、モーターに好適に用いられる優れた磁気特性を有するR−T−B系希土類永久磁石を実現できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料(以下、「永久磁石用合金材料」と略記する)は、R−T−B系合金と、金属粉末とを含むものである。
本実施形態の永久磁石用合金材料を構成するR−T−B系合金において、RはNd、Pr、Dy、Tbから選ばれる1種または2種以上であって、DyまたはTbを前記R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含むことを必須とし、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である。
R−T−B系合金の組成としては、Rが27〜33質量%、好ましくは30〜32%、Bが0.85〜1.3質量%、好ましくは0.87〜0.98%、Tが残部と不可避の不純物からなるものであることが好ましい。
R−T−B系合金を構成するRが27質量%未満であると、保磁力が不十分となる場合があり、Rが33質量%を超えると磁化が不十分となるおそれがある。
R−T−B系合金のRに含まれるDy以外の希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Luが挙げられ、中でも特に、Nd、Pr、Tbが好ましく用いられ、Ndを主成分とすることが好ましい。
R−T−B系合金に含まれるDyは、R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含まれており、6質量%〜9.5質量%含まれていることが好ましく、7質量%〜9.5質量%含まれていることがより好ましい。R−T−B系合金中に含まれるDyが9.5質量%を超えると、磁化(Br)の低下が顕著となる。また、R−T−B系合金中に含まれるDyが4質量%未満であると、これを用いて製造された希土類永久磁石の保磁力がモーター用途としては不十分となる。
R−T−B系合金に含まれるTは、Feを必須とする金属であり、Fe以外にCo、Niなどの他の遷移金属を含むものとすることができる。Fe以外にCoを含む場合、Tc(キュリー温度)を改善することができ好ましい。
R−T−B系合金に含まれるBは0.85質量%〜1.3質量%含まれていることが好ましい。R−T−B系合金を構成するBが0.85質量%未満であると、保磁力が不十分となる場合があり、Bが1.3質量%を超えると磁化が著しく低下するおそれがある。
なお、R−T−B系合金に含まれるBは、ホウ素であるが、一部をCまたはNで置換できる。
また、R−T−B系合金には、保磁力を向上させるために、Al、Cu、Gaが含まれていることが好ましい。
Gaは0.03質量%〜0.3質量%含まれていることがより好ましい。Gaを0.03質量%以上含む場合、保磁力を効果的に向上させることができ、好ましい。しかし、Gaの含有量が0.3質量%を超えると磁化が低下するため好ましくない。
Alは0.01質量%〜0.5質量%含まれていることがより好ましい。Alを0.01質量%以上含む場合、保磁力を効果的に向上させることができ、好ましい。しかし、Alの含有量が0.5質量%を超えると磁化が低下するため好ましくない。
さらに、永久磁石用合金材料の酸素濃度は低いほど好ましいが、0.03質量%〜0.5質量%、好ましくは0.05質量%〜0.2質量%含まれていても、モーター用として十分な磁気特性を達成できる。なお、酸素の含有量が0.5質量%を超える場合、磁気特性が著しく低下するおそれがある。
また、永久磁石用合金材料の炭素濃度は低いほど好ましいが、0.003質量%〜0.5質量%、好ましくは0.005質量%〜0.2質量%含まれていても、モーター用として十分な磁気特性を達成できる。なお、炭素の含有量が0.5質量%を超える場合、磁気特性が著しく低下するおそれがある。
また、永久磁石用合金材料は、R−T−B系合金からなる粉末と金属粉末とが、混合されてなる混合物であることが好ましい。
R−T−B系合金からなる粉末の平均粒度(d50)は、3〜4.5μmであることが好ましい。また、金属粉末の平均粒度(d50)は、0.01〜300μmの範囲であることが好ましい。
金属粉末としては、Al、Si、Ti、Ni、W、Zr、TiAl合金、Cu、Mo、Co、Feなどを用いることができ、特に限定されないが、Al、Si、Ti、Ni、W、Zr、TiAl合金、Co、Feのうちのいずれかを含むことが好ましく、AlまたはTiAl合金であることがより好ましい。
また、金属粉末は、永久磁石用合金材料中に0.002質量%〜2質量%含まれていることが好ましく、0.002質量%〜1質量%含まれていることがより好ましく、さらに0.002質量%〜0.5質量%含まれていることが好ましい。金属粉末の含有量が0.002質量%未満であると、保磁力(Hcj)を向上させる効果が十分に得られない恐れがある。また、金属粉末の含有量が2質量%を超えると、磁化(Br)や最大エネルギー積(BHmax)などの磁気特性の低下が顕著となるため好ましくない。
本発明の永久磁石用合金材料は、R−T−B系合金と金属粉末とを混合することにより製造することができるが、R−T−B系合金からなる粉末と金属粉末とを混合する方法により製造されたものであることが好ましい。
R−T−B系合金からなる粉末は、例えば、SC(ストリップキャスト)法により合金溶湯を鋳造して鋳造合金薄片を製造し、得られた鋳造合金薄片を、例えば、水素解砕法などにより解砕し、粉砕機により粉砕する方法などによって得られる。
水素解砕法としては、室温で鋳造合金薄片に水素を吸蔵させ、300℃程度の温度で熱処理した後、減圧して水素を脱気し、その後、500℃程度の温度で熱処理して鋳造合金薄片中の水素を除去する方法などが挙げられる。水素解砕法において水素の吸蔵された鋳造合金薄片は、体積が膨張するので、合金内部に容易に多数のひび割れ(クラック)が発生し、解砕される。
また、水素解砕された鋳造合金薄片を粉砕する方法としては、ジェットミルなどの粉砕機により、水素解砕された鋳造合金薄片を例えば0.6MPaの高圧窒素を用いて平均粒度3〜4.5μmに微粉砕して粉末とする方法などが挙げられる。
このようにして得られた永久磁石用合金材料を用いてR−T−B系希土類永久磁石を製造する方法としては、例えば、永久磁石用合金材料に、潤滑剤として0.02質量%〜0.03質量%のステアリン酸亜鉛を添加し、横磁場中成型機などを用いてプレス成型して、真空中で1030℃〜1080℃で焼結し、その後400℃〜800℃で熱処理することによりR−T−B系希土類永久磁石とする方法などが挙げられる。
なお、上述した例においては、SC法を用いてR−T−B系合金を製造する場合について説明したが、本発明において用いられるR−T−B系合金はSC法を用いて製造されるものに限定されるものではない。例えば、R−T−B系合金を、遠心鋳造法、ブックモールド法などを用いて鋳造してもよい。
また、R−T−B系合金と金属粉末とは、上述したように、鋳造合金薄片を粉砕してR−T−B系合金からなる粉末としてから混合してもよいが、例えば、鋳造合金薄片を粉砕する前に、鋳造合金薄片と金属粉末とを混合して永久磁石用合金材料とし、その後、鋳造合金薄片の含まれる永久磁石用合金材料を粉砕してもよい。この場合、鋳造合金薄片と金属粉末とからなる永久磁石用合金材料を、鋳造合金薄片の粉砕方法と同様にして粉砕して粉末とし、その後、上記と同様にして成形して焼結することにより、R−T−B系希土類永久磁石を製造することが好ましい。
また、R−T−B系合金と金属粉末との混合は、R−T−B系合金からなる粉末に、ステアリン酸亜鉛などの潤滑剤を添加した後に行ってもよい。
本発明の永久磁石用合金材料中の金属粉末は、微細で均一に分布していてもよいが、微細で均一に分布していなくてもよく、例えば、粒度1μm以上であってもよいし、5μm以上に凝集していても効果を発揮する。また、本発明による保磁力向上の効果は、Dy濃度が高いほど大きく、Gaが含まれているとさらに大きく発現する。
本実施形態の永久磁石用合金材料を成形して焼結することにより得られたR−T−B系希土類永久磁石は、高い保磁力(Hcj)を有し、しかも十分に磁化(Br)の高いモーター用の磁石として好適なものとなる。
R−T−B系希土類永久磁石の保磁力(Hcj)は、高いほど好ましいが、モーター用の磁石として用いる場合、30kOe以上であることが好ましい。モーター用の磁石において保磁力(Hcj)が30kOe未満であると、モーターとしての耐熱性が不足する場合がある。
また、R−T−B系希土類永久磁石の磁化(Br)も高いほど好ましいが、モーター用の磁石として用いる場合、10.5kG以上であることが好ましい。R−T−B系希土類永久磁石の磁化(Br)が10.5kG未満であると、モーターのトルクが不足する恐れがあり、モーター用の磁石として好ましくない。
本実施形態の永久磁石用合金材料は、R−T−B系合金(ただし、RはNd、Pr、Dy、Tbから選ばれる1種または2種以上であって、DyまたはTbを前記R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含むことを必須とし、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)と、金属粉末とを含むものであるので、これを成形して焼結してR−T−B系希土類永久磁石とすることで、R−T−B系合金中におけるDy濃度を高くすることなく、十分に高い保磁力(Hcj)が得られ、しかもDyを添加したことによる磁化(Br)などの磁気特性の低下を抑制でき、モーターに好適に用いられる優れた磁気特性を有するR−T−B系希土類永久磁石を実現できる。
また、本実施形態の永久磁石用合金材料が、R−T−B系合金からなる粉末と金属粉末とが混合されてなる混合物である場合、粉末のR−T−B系合金と金属粉末とを混合するだけで、容易に品質の均一な永久磁石用合金材料が得られるとともに、これを成形して焼結することで、容易に品質の均一なR−T−B系希土類永久磁石が得られる。
また、本実施形態のR−T−B系希土類永久磁石の製造方法は、本実施形態の永久磁石用合金材料を成形して焼結することによりR−T−B系希土類永久磁石を製造する方法であるので、モーターに好適に用いられる優れた磁気特性を有するR−T−B系希土類永久磁石が得られる。
「実験例1」
Ndメタル(純度99wt%以上)、Prメタル(純度99wt%以上)、Dyメタル(純度99wt%以上)、フェロボロン(Fe80%、B20w%)、Alメタル(純度99wt%以上)、Coメタル(純度99wt%以上)、Cuメタル(純度99wt%以上)、Gaメタル(純度99wt%以上)、鉄塊(純度99%wt以上)を表1に示す合金A〜合金Fの成分組成になるように秤量し、アルミナるつぼに装填した。
その後、アルミナるつぼの入れられた高周波真空誘導炉の炉内をArで置換し、1450℃まで加熱して溶融させて水冷銅ロールに溶湯を注ぎ、ロール周速度1.0m/秒、平均厚み0.3mm程度、Rリッチ相間隔3〜15μm、Rリッチ相以外(主相)の体積率≧(138−1.6r)(ただし、rは希土類(Nd、Pr、Dy)の含有量)となるようにSC(ストリップキャスト)法により、鋳造合金薄片を得た。
Figure 2011021269
このようにして得られた鋳造合金薄片のRリッチ相間隔および主相の体積率を以下に示す方法により調べた。すなわち、平均厚みの±10%以内の厚みの鋳造合金薄片を樹脂に埋め込んで研磨し、これを走査電子顕微鏡(日本電子JSM−5310)にて反射電子像を撮影し、得られた300倍の写真を用いて、Rリッチ相の間隔を測定するとともに主相の体積率を算出した。その結果、表1に示した合金A〜合金FのRリッチ相間隔は4〜5μmであり、主相の体積率は90〜95%であった。
次に、鋳造合金薄片を以下に示す水素解砕法により解砕した。まず、鋳造合金薄片を直径5mm程度になるように粗粉砕し、室温の水素中に挿入して水素を吸蔵させた。続いて、粗粉砕して水素を吸蔵させた鋳造合金薄片を300℃まで加熱する熱処理を行った。その後、減圧して水素を脱気し、さらに500℃まで加熱する熱処理を行って鋳造合金薄片中の水素を放出除去し、室温まで冷却する方法により解砕した。
次に、水素解砕された鋳造合金薄片に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛0.025wt%を添加し、ジェットミル(ホソカワミクロン100AFG)により、0.6MPaの高圧窒素を用いて、水素解砕された鋳造合金薄片を平均粒度4.5μmに微粉砕して粉末とした。
このようにして得られた表1に示す平均粒度のR−T−B系合金からなる粉末(合金A〜合金F)に、表2に示す粒度の金属粉末を、表3または表4に示す割合(永久磁石用合金材料中に含まれる金属粉末の濃度(質量%))で添加して混合することにより永久磁石用合金材料を製造した。なお、金属粉末の粒度は、レーザ回析計によって測定した。
Figure 2011021269
Figure 2011021269
Figure 2011021269
次に、このようにして得られた永久磁石用合金材料を、横磁場中成型機を用いて成計圧力0.8t/cmでプレス成型して圧粉体とした。その後、得られた圧粉体を真空中で焼結した。焼結温度は合金によって異なっており、合金Aは1080℃、合金B、C、Dは1060℃、合金E、Fは1040℃、合金Gは1030℃で焼結した。その後500℃で熱処理して冷却することにより、R−T−B系希土類永久磁石を作製した。
そして、金属粉末を含む永久磁石用合金材料または金属粉末を含まない永久磁石用合金材料を用いて得られたR−T−B系希土類永久磁石それぞれの磁気特性をBHカーブトレーサー(東英工業TPM2−10)で測定した。その結果を表3および表4に示す。
なお、表3および表4において「Hcj」とは保磁力であり、「Br」とは磁化であり、「SR」とは角形性であり、「BHmax」とは最大エネルギー積である。また、これらの磁気特性の値は、それぞれ5個のR−T−B系希土類永久磁石の測定値の平均である。
表3および表4に示すように、合金A、合金C〜合金FのR−T−B系合金と金属粉末とを含む永久磁石用合金材料を用いて得られたR−T−B系希土類永久磁石では、合金A、合金C〜合金Fを含み金属粉末を含まない永久磁石用合金材料を用いて得られたR−T−B系希土類永久磁石と比較して、保磁力(Hcj)が高くなっている。このことより、金属粉末を含む永久磁石用合金材料を用いることで、Dyの添加量を増やすことなく、保磁力を高くできることが分かる。
また、表3に示すように、金属粉末を含まない合金Aと合金Cとを比較すると、Dy濃度の高い合金Aでは合金Cより保磁力(Hcj)は高くなっているが、磁化(Br)および最大エネルギー積(BHmax)は低くなっている。これに対し、合金Cと金属粉末とを含むものでは、Dy濃度を高くすることなく、金属粉末を含まない合金Aと同等の保磁力(Hcj)が得られており、金属粉末を含まない合金Aよりも磁化(Br)および最大エネルギー積(BHmax)も高くなっている。
また、Dyを含まない合金Gにおいては、金属粉末を含んだ場合、保磁力(Hcj)をはじめとする全ての磁石特性が低くなっている。このことから、本発明の効果を得るためにはDyが必須であることが分かる。

Claims (6)

  1. R−T−B系合金(ただし、RはNd、Pr、Dy、Tbから選ばれる1種または2種以上であって、DyまたはTbを前記R−T−B系合金中に4質量%〜10質量%含むことを必須とし、TはFeを必須とする金属であり、Bはホウ素である)と、
    金属粉末とを含むことを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
  2. 前記金属粉末が、Al、Si、Ti、Ni、W、Zr、TiAl合金、Co、Fe、Taのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
  3. 前記金属粉末が、0.002質量%〜6質量%含まれていることを特徴とする請求項1または請求項2記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
  4. 前記R−T−B系合金からなる粉末と前記金属粉末とが、混合されてなる混合物であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれかに記載のR−T−B系希土類永久磁石用合金材料を成形して焼結することを特徴とするR−T−B系希土類永久磁石の製造方法。
  6. 請求項5に記載のR−T−B系希土類永久磁石の製造方法により製造されたR−T−B系希土類永久磁石を備えることを特徴とするモーター。
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