JP2011159898A - 磁石およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一次成形工程での結晶粒粗大化を防止することができる磁石およびその製造方法を提供する。
【解決手段】希土類元素、鉄、および、ボロンを基本成分とする合金片に成形を行うことにより一次成形体を得る一次成形工程と、一次成形体に塑性加工を行うことにより主相結晶粒の磁化容易軸方向を配向させて異方性を付与する塑性加工工程とを含む。一次成形工程では、Ｈｅガス雰囲気中で熱間成形を行う。この場合、Ｈｅガスは、熱伝達能力が高いので、粉末内温度を高温で均一化することができる。また、Ｈｅガスは熱伝達能力が高いので、一次成形体の冷却時での冷却性能を向上させることができる。この場合、一次成形工程のＨｅガス雰囲気のゲージ圧力は、０以上０．２ＭＰａ以下に設定することが好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次成形工程と塑性加工工程とを含む磁石の製造方法およびそれにより得られる磁石に係り、特に、一次成形工程の雰囲気の改良に関する。

磁石には、焼結磁石および塑性加工磁石がある。焼結磁石は、原料粉末として単結晶粉（たとえば粉末の大きさが２〜５μｍ程度の微粉砕粉）が用いられ、塑性加工磁石では、原料粉末として多結晶粉（たとえば、粉末の大きさが１００〜３００μｍ程度で、かつそのなかの結晶粒の大きさが３０ｎｍ程度の急冷粉）が用いられている。

磁石の保磁力の向上には、結晶粒の微細化が有効である。原料粉末として多結晶粉を用いる塑性加工磁石は、原料粉末として単結晶粉末を用いる焼結磁石とは異なり、結晶粒の微細化のポテンシャルが高いことから、塑性加工磁石の研究が行われている。

塑性加工磁石の製造方法では、合金片に成形を行うことにより一次成形体を得、一次成形体に塑性加工を行うことにより主相結晶粒の磁化容易軸方向を配向させて異方性を付与している。この場合、一次成形工程では、酸化抑制を目的として、真空雰囲気に設定したり（たとえば特許文献１）、Ａｒガス（アルゴンガス）雰囲気に設定している（たとえば特許文献２）。

このような製造方法では、塑性加工に耐えうる強度の確保、および、塑性加工時の応力分布の均一化による磁気特性の向上を図るために、一次成形体は高密度である必要がある。この場合、粉末の高密度化を図るために、一次成形工程では、たとえば６００〜８００℃程度の加熱が必須である。一方、塑性加工磁石の性能を向上させるためには、磁石の結晶粒径が小さいことが望ましいことから、全てのプロセスで結晶粒を出来る限り粗大化させない手法が要求される。この場合、結晶粒の粗大化防止のために、極力熱を与えないことが望まれる。

このように一次成形体の高密度化のためには加熱が必須である反面、結晶粒の微細化のためには極力熱を与えないことが望まれており、一次成形体の高密度化と結晶粒の微細化での温度条件は、相反関係にある。現状では、それらの両立が出来ないため、一次成形体の高密度化を優先させ、結晶粒の粗大化を許容している。

熱間塑性加工法は、焼結磁石の製造法と比較して、高保磁力化のための高価なＤｙ等の希土類元素の使用量を低減することができるにも関わらず、塑性加工磁石では、その工程に起因して磁気特性が低いため、実用例は少ない。その原因の1つとして、加熱工程による結晶粒径の粗大化が挙げられるため、一次成形体の高密度化の際の上記結晶粒粗大化は問題である。

そこで、一次成形工程での結晶成長の抑制技術としては、金型の構成を工夫する技術が考えられる。しかしながら、この技術では、結晶成長の抑制のための型構成が複雑となるため、初期費用およびメンテナンス費がともに高くなり、その結果、製造コストが増大する。

特許２５６４８６８ 特公平４−２０２４２

本発明は、一次成形工程での結晶粒粗大化を防止することができる磁石およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者は、一次成形工程での雰囲気ガスに着目して鋭意研究した。従来技術では、一次成形工程の雰囲気として、真空雰囲気や不活性ガス雰囲気を使用することが提案されている。たとえば特許文献１では、一次成形工程の雰囲気を真空雰囲気に設定し、特許文献２では、一次成形工程の雰囲気をアルゴンガス雰囲気に設定している。しかしながら、それら雰囲気は、あくまでも酸化抑制を目的として設定されるものであり、従来技術では、雰囲気制御による結晶成長の抑制については言及されていない。

これに対して本発明者は、一次成形工程での雰囲気ガスは、結晶成長を駆動させる駆動力を有し、雰囲気制御による結晶成長の抑制を図ることができることを見出した。具体的には、雰囲気ガスの種類によって、結晶成長の駆動力が異なることを見出し、雰囲気ガスとしてＨｅガス（ヘリウムガス）を用いることにより、結晶成長の抑制を図ることができるとの知見を得、本発明の完成に至った。

本発明の磁石の製造方法は、希土類元素、鉄、および、ボロンを基本成分とする合金片を成形することにより一次成形体を得る一次成形工程と、一次成形体に塑性加工を行うことにより主相結晶粒の磁化容易軸方向を配向させて異方性を付与する塑性加工工程とを含み、一次成形工程では、Ｈｅガス雰囲気中で熱間成形を行うことを特徴としている。

本発明の磁石の製造方法では、一次成形工程で使用する雰囲気ガスであるＨｅガスは、熱伝達能力が高いので、粉末内部の温度を高温で均一化することができ、これにより一次成形体の高密度化および組織の均一化を図ることができる。また、Ｈｅガスは熱伝達能力が高いので、一次成形体の冷却時での冷却性能を向上させることができ、これにより結晶粒の粗大化を抑制することができる。このように一次成形体の高密度化、組織の均一化、および、結晶粒の粗大化抑制を図ることができる。

本発明の磁石の製造方法は種々の構成を用いることができる。上記効果をより良く得るためには、一次成形工程のＨｅガス雰囲気のゲージ圧力を０以上０．２ＭＰａ以下に設定することが好適である。これについて説明する。

磁石の製造方法では、粒界が溶融する温度（５００℃以上）において結晶成長が生じるから、一次成形体の密度が高くなったときに、直ちに上記溶融温度以下に冷却することにより、結晶粒の粗大化抑制を図ることができると考えられる。この考えに基づくと、雰囲気ガスによる冷却速度が速いほど（すなわち、雰囲気ガスの熱伝達能力が高いほど）、結晶成長の抑制を効果的に図ることができるから、Ｈｅガス雰囲気を用いて圧力を高くすると、最も熱伝達能力が高くなり、微結晶になると予測される。しかしながら、この場合、密度の向上効果を得ることができなく、真空雰囲気に設定した場合と同一密度になる虞があると考えられる。

これに対して本発明者は、キャビティ内の温度の均一化を図ることができ、かつ結晶成長の駆動力が小さくなるゲージ圧力の範囲を鋭意研究した結果、原子番号が小さいＨｅガス中では、キャビティ内での粉末中での移動が容易であるから、キャビティ内の温度の均一化を図ることができるので、一次成形体の密度を高めることができること、および、キャビティ内のガス圧を高くしたときに急激に結晶成長が促進されるとの知見を得た。これにより、一次成形工程のＨｅガス雰囲気のゲージ圧力を０以上０．２ＭＰａ以下に設定することにより、一次成形体の高密度化、組織の均一化、および、結晶粒の粗大化抑制を効果的に図ることができる。

本発明の磁石は、磁石の上記製造方法により得ることができる磁石である。すなわち、本発明の磁石は、磁石の上記製造方法により得られる磁石であって、中心部の結晶粒径に対する表面部の結晶粒径の比（＝表面部の結晶粒径／中心部の結晶粒径）は、１．０以上１．２以下であることを特徴とする。

本発明の磁石あるいはその製造方法によれば、一次成形工程で雰囲気ガスとして使用するＨｅガスの熱伝達能力が高いから、一次成形体の高密度化、組織の均一化、および、結晶粒の粗大化抑制を図ることができる。

実施例で行った一次成形工程での雰囲気（雰囲気ガスの種類およびゲージ圧力）と一次成形体の密度および結晶粒径との関係を表すグラフである。 実施例で得られた一次成形体のＳＥＭ写真である。 実施例で得られた一次成形体のＳＥＭ写真である。 実施例における一次成形工程以後の各工程でのサンプル形状の概念図である

以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。実施例では、原料粉末に一次成形工程を行い一次成形体を作製し、その一次成形体に塑性加工工程を行い、塑性加工体を作製した。一次成形工程では、雰囲気ガスの種類およびゲージ圧力を変えて複数の一次成形体を作製し、実施例で得られた一次成形体の状態と一次成形工程での雰囲気との関係を調べた。また、一次成形体のＳＥＭ観察を行った。そして、得られた一次成形体を用いて作製した塑性加工体の特性を調べた。その詳細を以下に説明する。

（１）試料の作製
まず、希土類元素（Ｎｄ，Ｐｒ，Ｄｙ）、鉄、および、ボロンを基本成分とする合金からなる急冷薄帯を粉砕した粉末を原料粉末（合金片）として準備した。原料粉末について、その粉径は１００〜３００μｍ、そのなかの結晶の粒径は３０〜４０ｎｍであった。次に、原料粉末に熱間成形を行った（一次成形工程）。一次成形工程では、キャビティ径が４５ｍｍ、１５ｍｍである２種類の金型を用い、その材質としてグラファイト（一部超硬）を用いた。プレス圧力について、キャビティ径が４５ｍｍの場合、５５ＭＰａに設定し、キャビティ径が１５ｍｍの場合、１２５ＭＰａに設定した。

一次成形工程での温度は８００℃、昇温速度は２０℃／minに設定した。この場合、一次成形工程での雰囲気は、Ｈｅガス雰囲気、Ａｒガス雰囲気、真空雰囲気（０．５×１０^−２〜１．０×１０^−２Ｐａ程度）に設定した。Ｈｅガス雰囲気のゲージ圧力は、０．０１５ＭＰａ、０．１ＭＰａ、０．９ＭＰａのそれぞれに設定した。Ａｒガス雰囲気のゲージ圧力は、０．０１５ＭＰａ、０．１ＭＰａ、０．９ＭＰａのそれぞれに設定した。図４は、一次成形工程以後の工程でのサンプル形状の概念図である。これにより、各雰囲気下において、図４に示すように、径が４５ｍｍで、かつ高さが１２ｍｍである一次成形体１１１、および、径が１５ｍｍで、かつ高さが１２ｍｍである一次成形体１２１を得た。この場合、高さ方向が一次成形でのプレス方向である。なお、一次成形体１１１（破線部分）から直方体状のピース１１２を切り出し、ピース１１２において、５ｍｍ角の部分１１２Ａについて下記密度測定を行い、破面１１２Bについて下記ＳＥＭ観察を行い、塑性加工を行うピース１３１は破線１１２Ｃで囲まれる部分から切り出した。

続いて、一次成形体１１１のピース１１２および一次成形体１２１のそれぞれから径が８ｍｍで、かつ高さが１２ｍｍであるピース１３１を切り出し、塑性加工を行うことにより主相結晶粒の磁化容易軸方向を配向させて異方性を付与した（塑性加工工程）。塑性加工工程では、雰囲気を真空雰囲気（１Ｐａ程度）、温度を７５０℃、歪速度を０．０２／ｓに設定した。これにより、径が１０〜１５ｍｍで、かつ高さが２〜３ｍｍである塑性加工体１４１を得た。

（２）一次成形工程での雰囲気と一次成形体の状態との関係
次に、得られた一次成形体１１１について、その状態と一次成形工程での雰囲気との関係ついて調べた。その結果を図１に示す。図１は、実施例で行った一次成形工程での雰囲気（雰囲気ガスの種類およびゲージ圧力）と一次成形体の密度および結晶粒径との関係を表すグラフである。なお、一次成形体１１１の密度測定は、上記のようにピース１１２の５ｍｍ角の部分１１２Ａについて行った。一次成形体１１１の結晶粒径の算出については、ＳＥＭ写真の４００ｎｍ×４００ｎｍの領域にある結晶数をＮとすると、結晶粒径（ｎｍ）を（４００×４００／Ｎ）^１／２として得た。この場合、結晶粒を完全な球状であると仮定し、１つの結晶粒の面積に基づき結晶粒径を決定している。ＳＥＭ写真は、表面１１２ＢのＳＥＭ観察により得たものであり、この場合の結晶粒径は、破面１１２Ｂの上下方向の中心の平均値とした。

本発明の一次成形体１１１としては、一次成形工程での雰囲気をＨｅガス雰囲気に設定して得られた試料１１〜１３を用いた。試料１１でのＨｅガス雰囲気のゲージ圧力は０．０１５ＭＰａ、試料１２でのＨｅガス雰囲気のゲージ圧力は０．１ＭＰａ、試料１３でのＨｅガス雰囲気のゲージ圧力は０．９ＭＰａに設定した。また、従来例の一次成形体１１１としては、一次成形工程での雰囲気をＡｒガス雰囲気に設定して得られた比較試料１１〜１３を用いた。比較試料１１でのＡｒガス雰囲気のゲージ圧力は０．０１５ＭＰａ、比較試料１２でのＡｒガス雰囲気のゲージ圧力は０．１ＭＰａ、比較試料１３でのＡｒガス雰囲気のゲージ圧力は０．９ＭＰａに設定した。さらに、従来例の一次成形体１１１としては、一次成形工程での雰囲気を真空雰囲気（ゲージ圧力は０．５×１０^−２〜１．０×１０^−２Ｐａ程度）に設定して得られた比較試料１４を用いた。

図１から判るように、雰囲気のゲージ圧力が変化すると、一次成形体の結晶粒径および密度が変化した。これにより、結晶を成長させる駆動力は、ガスの種類に依存することはもちろんのこと、ガスのゲージ圧力にも依存することを確認した。図１では、図の矢印方向（右下方向）に行くほど、一次成形体の結晶粒径が小さくなり、かつ、一次成形体の密度が高くなるから、望ましい。図１におけるＨｅガス雰囲気のゲージ圧力が０以上０．２ＭＰａ以下の領域では、一次成形体の高密度化および結晶粒の粗大化抑制の両立を効果的に図ることができることを確認した。これにより、一次成形工程のＨｅガス雰囲気のゲージ圧力は、０以上０．２ＭＰａ以下に設定することが好適であることを確認した。

（３）一次成形体の結晶組織
次に、得られた一次成形体１２１のＳＥＭ観察を行い、結晶組織について調べた。その結果を図２，３および表１に示す。試料２１は、表１に示すように、一次成形工程での雰囲気をＨｅガス雰囲気に設定して得られた一次成形体１２１である。比較試料２１は、表１に示すように、一次成形工程での雰囲気を真空雰囲気（ゲージ圧力は０．５×１０^−２〜１．０×１０^−２Ｐａ程度）に設定して得られた一次成形体１２１である。試料２１および比較試料２１について一次成形工程でのプレス圧力は、ともに１２５ＭＰａに設定した。図２は、試料２１の結晶組織を表し、（Ａ）は試料２１の中心部、（Ｂ）は外周部のＳＥＭ写真である。図３は、比較試料２１の結晶組織を表し、（Ａ）は比較試料２１の中心部、（Ｂ）は外周部のＳＥＭ写真である。表１に示す結晶粒径の算出法は、一次成形体１２１のピース１３１の各部位について、上記（１）で述べた手法と同様な手法で行った。なお、中心部とは一次成形体の内部中心部、外周部とは一次成形体の表面部に対応する。

試料２１の中心部（図２（Ａ））の結晶粒径は５５ｎｍ、試料２１の外周部（図２（Ｂ））の結晶粒径は６５ｎｍ、比較試料２３の中心部（図３（Ａ））の結晶粒径は５８ｎｍ、比較試料２１の外周部（図３（Ｂ））の結晶粒径は６５ｎｍであった。これにより、真空雰囲気では、外周部に熱が集中するため、外周部の結晶粒径が大きくなり、中心部と外周部との結晶粒径の差が大きくなることが判った。これに対して、Ｈｅガス雰囲気では、熱伝達能力が高いので、粉末内温度を高温で均一化することができるから、中心部と外周部との結晶粒径がともに小さくなり、その差が小さくなることが判った。また、一次成形工程での雰囲気をＨｅガス雰囲気に設定して得られた一次成形体について、中心部の結晶粒径に対する外周部（表面部）の結晶粒径の比（＝外周部（表面部）の結晶粒径／中心部の結晶粒径）は、１．０以上１．２以下となることが判った。

（４）塑性加工体の特性
次に、表２に示す一次成形体１１１，１２１のピース１３１を用いて作製した塑性加工体１４１について、保磁力および残留磁化を測定した。その結果を表２に示す。試料３１の一次成形体は、一次成形工程での雰囲気をＨｅガス雰囲気、プレス圧力を５５ＭＰａに設定して得られた一次成形体１１１である。試料３２の一次成形体は、表１に示す試料２１である。比較試料３１の一次成形体は、一次成形工程での雰囲気を真空雰囲気、プレス圧力を５５ＭＰａに設定して得られた一次成形体１１１である。

比較試料３２の一次成形体は、表１に示す比較試料２１である。比較試料３３の一次成形体は、一次成形工程での雰囲気をＡｒガス雰囲気、プレス圧力を５５ＭＰａに設定して得られた一次成形体１１１である。比較試料３４の一次成形体は、一次成形工程での雰囲気をＡｒガス雰囲気、プレス圧力を１２５ＭＰａに設定して得られた一次成形体１２１である。なお、表２に示す結晶粒径の算出法は、一次成形体１１１，１２１のピース１３１の各部位について、上記（１）で述べた手法と同様な手法で行った。

表２から判るように、プレス圧力を５５ＭＰａに設定してＨｅガス雰囲気で作製した試料３１の一次成形体では、同じプレス圧力に設定して真空雰囲気で作製した一次成形体を用いた比較試料３１と比較して、結晶粒径は同程度であるものの、高密度化を図ることができることを確認した。そして、そのような一次成形体を用いて作製した試料３１の塑性加工体は、比較試料３１の塑性加工体と比較して、保磁力は同程度であるものの、残留磁化向上を図ることができることを確認した。また、試料３１の一次成形体では、同じプレス圧力に設定してＡｒガス雰囲気で作製した一次成形体を用いた比較試料３３と比較して、高密度化および結晶粒の粗大化抑制の両立を図ることができることを確認した。そして、そのような一次成形体を用いて作製した試料３１の塑性加工体は、比較試料３３の塑性加工体と比較して、保磁力向上および残留磁化向上の両立を図ることができることを確認した。

プレス圧力を１２５ＭＰａに設定してＨｅガス雰囲気で作製した試料３２の一次成形体では、同じプレス圧力に設定して真空雰囲気で作製した一次成形体を用いた比較試料３２と比較して、高密度化および結晶粒の粗大化抑制の両立を図ることができることを確認した。そして、そのような一次成形体を用いて作製した試料３２の塑性加工体は、比較試料３２の塑性加工体と比較して、保磁力向上および残留磁化向上の両立を図ることができることを確認した。

また、試料３２の一次成形体では、同じプレス圧力に設定してＡｒガス雰囲気で作製した一次成形体を用いた比較試料３４と比較して、高密度化および結晶粒の粗大化抑制の両立を図ることができることを確認した。そして、そのような一次成形体を用いて作製した試料３２の塑性加工体は、比較試料３４の塑性加工体と比較して、保磁力は同程度であるものの、残留磁化向上を図ることができることを確認した。

以上のように総じて、Ｈｅガス雰囲気で作製した一次成形体は、高密度化および結晶粒の粗大化抑制の両立を図ることができ、その一次成形体を用いて作製した塑性加工体は、保磁力向上および残留磁化向上の両立を図ることができることを確認した。

Claims (3)

1. 希土類元素、鉄、および、ボロンを基本成分とする合金からなる合金片に成形を行うことにより一次成形体を得る一次成形工程と、
   前記一次成形体に塑性加工を行うことにより主相結晶粒の磁化容易軸方向を配向させて異方性を付与する塑性加工工程とを含み、
   前記一次成形工程では、Ｈｅガス雰囲気中で熱間成形を行うことを特徴とする磁石の製造方法。
2. 前記一次成形工程の前記Ｈｅガス雰囲気のゲージ圧力は、０以上０．２ＭＰａ以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の磁石の製造方法。
3. 請求項１または２の製造方法により得られる磁石であって、
   中心部の結晶粒径に対する表面部の結晶粒径の比は、１．０以上１．２以下であることを特徴とする磁石。

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