JP2558095B2 - 希土類一鉄系永久磁石の製造方法 - Google Patents

希土類一鉄系永久磁石の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は希土類−鉄系永久磁石の製造方法に関する。
[従来の技術] 従来、R−Fe−B系の磁石の製造には次の3通りの方
法が報告されている。
(1) 粉末治金法に基づく焼結法(参考文献1)。
(2) アモルファス合金を製造するに用いる急冷薄帯
製造装置で、厚さ30μm程度の急冷薄片を作り、その薄
片を樹脂結合法で磁石にする(参考文献2)。
(3) 前記(2)の方法で使用した同じ薄片を、2段
階のホットプレス法で機械的配向処理を行う方法(参考
文献2)。
参考文献1. M.Sagawa,S.Fujimura,N.Togawa,H.Yamamot
o and Y.Matsuura;J.Appl.Phys.Vol.55(6),15 March
1984.P2083 参考文献2. R.W.Lee;Appl.Phys.Lett.Vol.46(8),15
April 1985,P790 文献に添って上記の従来技術を説明する。まず、前記
(1)の焼結法では、溶解・鋳造により合金インゴット
を作製し、粉砕されて3μmくらいの粒径を有する磁石
粉にされる。磁石粉は成形助剤となるバインダーと混練
され、磁場中でプレス成形されて、成形体ができあが
る。成形体はアルゴン中で1100℃前後の温度で1時間焼
結され、その後室温まで急冷される。焼結後、600℃前
後の温度で熱処理すると保磁力はさらに向上する。
前記(2)は、まず急冷薄帯製造装置の最適な回転数
でR−Fe−B合金の急冷薄帯を作る。得られた薄帯は厚
さ30μmのリボン状をしており、直径が1000オングスト
ローム以下の多結晶が集合している。薄帯は脆くて割れ
やすく、結晶粒は等方的に分布しているので磁気的にも
等方性である。この薄帯を適度な粒度にして、樹脂と混
練してプレス成形すれば7ton/cm2程度の圧力で、約85体
積%の充填が可能となる。
前記(3)の製造方法は、始めにリボン状の急冷薄帯
あるいは薄帯の片を、真空中あるいは不活性雰囲気中で
約700℃で予備加熱したグラファイトあるいは他の耐熱
用のプレス型に入れる。該リボンが所望の温度に到達し
たとき一軸の圧力が加えられる。温度、時間は特定しな
いが、充分な塑性が出る条件としてT=725±25℃、圧
力はP=1.4ton/cm2程度が適している。この段階では磁
石はわずかにプレス方向に配向しているとはいえ、全体
的には等方性である。次のホットプレスは、大面積を有
する型で行なわれる。最も一般的には700℃で0.7tonで
数秒間プレスする。すると試料は最初の厚みの1/2にな
りプレス方向と平行に磁化容易軸が配向してきて、合金
は異方性化する。これらの工程は、二段階ホットプレス
法(two−stags hot−press procedure)と呼ばれてい
る。この方法により緻密で異方性を有するR−Fe−B磁
石が製造できる。
なお、最初のメルトスピニング法で作られるリボン薄
帯の結晶粒は、それが最大の保磁力を示す時の粒径より
も小さめにしておき、後にホットプレス中に結晶粒の粗
大化が生じて最適の粒径になるようにしておく。
[発明が解決しようとする問題点] 上述した従来技術で、R−Fe−B系の磁石は一応作製
できるのであるが、これらの技術を利用した製造方法は
次のような欠点を有している。
前記(1)の焼結法は、合金を粉末にするのが必須で
あるが、R−Fe−B系合金はたいへん酸素に対して活性
であるので、粉末化すると余計酸化が激しくなり、焼結
体中の酸素濃度はどうしても高くなってしまう。また粉
末を成形するときに、例えばステアリン酸亜鉛のような
成形助剤を使用しなければならず、これは焼結工程で前
もって取り除かれるのであるが、数割は磁石体の中に炭
素の形で残ってしまう。この炭素は著しくR−Fe−Bの
磁気性能を低下させる。成形助剤を加えてプレス成形し
た後の成形体はグリーン体と言われる。これはたんへん
脆く、ハンドリングが難しい。従って焼結炉にきれいに
並べて入れるのには、相当の手間がかかることも大きな
欠点である。これらの欠点があるので一般的に言ってR
−Fe−B系の焼結磁石の製造には、高価な設備が必要に
なるばかりでなく、生産効率が悪く、磁石の製造費が高
くなってしまう。従って、R−Fe−B系磁石の原料費の
安さを充分に引き出せる製造法とは言い難い。
前記(2)および(3)の製造法は、真空メルトスピ
ニング装置を使う。この装置は現在では、たいへん生産
性が悪くしかも高価である。前記(2)では原理的に等
方性であるので低エネルギー積であり、ヒステリシスル
ープの角形性もよくないので温度特性に対しても、使用
する向きにおいても不利である。前記(3)の方法は、
ホットプレスを2段階に使うというユニークな方法であ
るが、実際に量産を考えるとたいへん非効率になること
は否めないであろう。
さらに、前記(1)および前記(3)の方法による磁
石の欠点として、機械的強度の低いことが挙げられる。
これらの磁石は本来、粉末またはリボンの状態にあった
ものを、高温で焼結あるいは圧縮結合した磁石である。
そのため、取り扱う上でチッピングが起こり易く、ハン
ドリングが非常に困難となる。
本発明によるR−Fe−B系磁石の製造方法はこれらの
欠点を解決するものであり、その目的とするところは、
低コストでしかも高性能な磁石を提供するところにあ
る。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、希土類−鉄系永久磁石の製造方法に関する
ものであり、具体的には、鉄を主成分とし、原子百分率
においてR:8〜25%(但しRは、Yを含む希土類元素の
うち少なくとも1種)及びB:2〜8%を含む合金を溶解
し、その鋳造マクロ組織が柱状晶となるように鋳造した
後、該鋳造インゴットを500℃以上の温度で熱処理する
ことにより磁気的に硬化させ、さらに切断・研削を施し
て磁石形状とすることを特徴とする希土類−鉄系永久磁
石の製造方法である。
また、本発明は、鉄を主成分とし、原子百分率におい
てR:8〜25%(但しRは、Yを含む希土類元素のうち少
なくとも1種)、B:2〜8%及びCo〜40%(0を除く)
を含む合金を溶解し、その鋳造マクロ組織が柱状晶とな
るように鋳造した後、該鋳造インゴットを500℃以上の
温度で熱処理することにより磁気的に硬化させ、さらに
切断・研削を施して磁石形状とすることを特徴とする希
土類−鉄系永久磁石の製造方法である。
前記のように、現存の希土類−鉄系永久磁石の製造方
法である焼結法、急冷法は、それぞれ粉砕による粉末管
理の困難さ、生産性の悪さ、機械的強度の低さといった
大きな欠点を有している。本発明者らは、これらの欠点
を改良するため、バルク状態で保磁力を得ることができ
るような合金の研究に着手し、前記のような組成におい
てバルク状態での保磁力の獲得が可能であり、このとき
鋳造組織が柱状晶となるようにすると保磁力が得やす
く、かつ柱状晶の面内異方性を利用することにより異方
性磁石となるので、等軸晶を用いるよりも、より高性能
な永久磁石が得られることを見出し、本発明に至った。
本発明では、鋳造インゴットを粉砕する必要がないの
で、焼結法ほどの厳密な雰囲気管理を行なう必要はな
く、熱処理にもベルト炉のような量産性の高い炉が使用
でき、設備費は大きく低減される。さらに、鋳造状態の
まま磁化することにより、粉末状態を経ることがなくな
った結果、結晶粒相互の結合が非常に強くなり、機械的
強度が増大する。
なお、同系統の研究には、三保広晃他(日本金属学
会、昭和60年度秋期講演会、講演番号(544))がある
が、同研究は本発明と組成域を異にするのみならず、マ
クロ組織による性能変化については一切言及しておら
ず、性能的にも本発明に大きく劣っている。また、磁気
的に硬化せしめた後、求める形状を得るための二次加工
も、本系の場合、従来のサマリウムコバルト系希土類磁
石に比して曲げ強さ、圧縮強さ等が大きいので非常にや
りやすい。
従来のR−Fe−B系磁石の組成は、前記参考文献1に
代表されるR15Fe77B8である。この組成はR−Fe−B系
磁石の主相R2Fe14B化合物を原子百分率で表した組成R
11.7Fe82.45.9に比してR、B両元素に富む側に移行
している。これは、保磁力を得るためには主相のみでな
くRrich相、Brich相と呼ばれる非磁性相が必要であると
いう点から説明されている。ところが、本発明による組
成では、これとは逆にBが少ない側に移行したところに
ピーク値が存在する。
これは、本合金の特徴として、第一にB量を低減する
と結晶粒が微細化すること、第二に良好な柱状晶を形成
させるため溶湯を急冷したことにより結晶粒が微細化す
ること、により核生成タイプの保磁力機構を有する本発
明による磁石に特有の組成域となったものと考えられ
る。
永久磁石材料に柱状晶を用いることは、アルニコ磁石
を初め、希土類磁石系のサマリウム−コバルト磁石でも
行なわれており、本発明者のひとりはすでに1981年、樹
脂結合型サマリウムコバルト磁石への応用として発表し
ている(T.Shimoda他、Proceedings of the fifth Inte
rnational Workshop on Rare Earth−Cobalt Permanent
Magnets,1981,P595)。
本発明において、鋳造状態で柱状晶を得ることは高性
能磁石化の重要点となっている。すなわち、熱処理によ
って保磁力を得る過程が拡散によるものであり、サマリ
ウムコバルトと同様、柱状晶による方が保磁力が得やす
い。さらに本系磁石は、柱状晶に垂直な面に磁化容易軸
が配向する性質があるので、柱状晶を利用すれば面内異
方性磁石を作製することができる。
以下、本発明による永久磁石の組成限定理由を説明す
る。希土類元素としては、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、F
u、Gd、Tb、Dy、Ho、En、Tm、Yb、Luが候補として挙げ
られ、これらのうちの1種あるいは2種以上を組み合わ
せて用いられる。最も高い磁気特性はPrで得られる。従
って実用的には、Pr、Pr−Nd合金、Ce−Pr−Nd合金等が
用いられる。また、少量の添加元素、例えば重希土類元
素のDy−Tb等やAl、Mo、Si等は、保磁力の向上に有効で
ある。R−Fe−B系磁石の主相はR2Fe14Bである。従っ
て、Rが8原子%未満では、もはや上記化合物を形成せ
ず、α−鉄と同一構造の立方晶組織となるため高磁気性
は得られない。一方、Rが25原子%を超えると非磁性の
Rrich相が多くなり磁気特性は著しく低下する。よっ
て、Rの範囲は、8〜25%原子%が適当である。
Bは、R2Fe14B相を形成するための必須元素であり、
2原子%未満では菱面体のR−Fe系になるため高保磁力
は望めない。しかし、従来の焼結法による磁石のように
8原子%を超えて添加すると、逆に鋳造状態での保磁力
は得られなくなってしまう。従って、Bの量は2〜8原
子%が範囲として適している。
Coは、キュリー点の上昇や温度特性の改良に有用な元
素であるが、添加量を増やすに従って保磁力を減ずる傾
向を有する。また、Coを増すと本系磁石の特徴であると
ころの低コストや加工のしやすさが失なわれる。これら
の点からCo量は0〜40原子%が範囲として適している。
[実施例1] 本発明による製造工程図を第1図に示す。まず、所望
の組成の合金を誘導炉で溶解し、鉄鋳型に鋳造し、柱状
晶を形成せしめる。次に、インゴットを磁気的に硬化さ
せるため500〜1050℃の温度範囲でアニール処理を施
す。本発明による鋳造タイプ磁石は、この段階で切断や
研削を施すことにより、柱状晶の異方性を利用した面内
異方性磁石となる。
本実施例では、まず柱状晶化の効果を示すために、代
表的な組成として、Pr14Fe82B4組成を取り上げ、熱処理
温度・時間・マクロ組織による保磁力iHcの変化をとら
えた。第2図に示すように、800〜1000℃まで温度・時
間が増加するにしたがってiHcも増加している。このこ
とは、iHcの増加が特定相の析出によるものではなく、
拡散支配的であることを示している。さらに、比較例と
して掲げた等軸晶のサンプルは、1000℃で熱処理を施し
ているにもかかわらず、保磁力は小さい。本系磁石の主
相Pr2Fe14Bは、溶湯から鉄相を初晶とする包晶反応 Fe+L→R2Fe14B で生じ、初晶サイズは冷却速度に大きく依存する。その
ため冷却速度の遅い等軸晶は初晶が大きく粗大化し、主
相中への拡散に長時間を要するものと思われる。
第1表に示す組成の合金を溶解し、第1図に示す方法
で、本発明の鋳造面内異方性磁石と、参考として、水素
粉砕後、エポキシ樹脂を4重量%混練した樹脂結合磁石
とを作製した。
なお、アニールはすべて1000℃×24時間行った。得ら
れた結果を第2表に示す。
第2表に示すように、本発明による鋳造タイプの磁石
は、樹脂結合タイプの磁石に比べ、高い保持力が得られ
ている。
[実施例2] 次に、実施例1のサンプルNo.2および7の合金を用い
て、前記参考文献1に基づいて焼結磁石を作製し、JIS
R1601に基づき長さ36mm、幅4mm、厚さ3mmのサンプルを
切り出し、曲げ強さを本発明品と比較した。その結果を
第3表に示す。No.2は本発明による代表組成、No.7は参
考文献1による焼結法の最適組成の近傍の組成、さらに
No.6は中間組成である。第3表より、組成にかかわら
ず、本発明による方が機械的に強度に優れることがわか
る。
[実施例3] 次に、第4表に示す組成の合金を実施例1と同様の手
法で溶解し柱状晶インゴットを得た。次に1000℃におい
て20時間の熱処理を施した後、実施例2と同様にJIS R1
601に基づき長さ36mm、幅4mm、厚さ3mmのサンプルを切
り出し曲げ強さを測定した。結果を第4表に示す。
この第4表及び実施例2の第3表から、本発明の低B
量組成(B=2〜6at%)において、優れた機械的強度
が得られることがわかる。
[発明の効果] 以上、本発明によれば、従来の焼結法では保磁力の得
にくかった組成域で、バルク状態のまま保磁力を得るこ
とが可能となり、機械的強度に優れ、製造工程も単純化
された鋳造希土類鉄系磁石を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明および参考例のR−Fe−B系磁石の製
造工程図である。 第2図は、Pr14Fe82B4合金の熱処理による保磁力変化図
である。
フロントページの続き (72)発明者 小林 理 諏訪市大和3丁目3番5号 セイコーエ プソン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−177101(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鉄を主成分とし、原子百分率においてR:8
    〜25%(但しRは、Yを含む希土類元素のうち少なくと
    も1種)及びB:2〜8%を含む合金を溶解し、その鋳造
    マクロ組織が柱状晶となるように鋳造した後、該鋳造イ
    ンゴットを500℃以上の温度で熱処理することにより磁
    気的に硬化させ、さらに切断・研削を施して磁石形状と
    することを特徴とする希土類−鉄系永久磁石の製造方
    法。
  2. 【請求項2】鉄を主成分とし、原子百分率においてR:8
    〜25%(但しRは、Yを含む希土類元素のうち少なくと
    も1種)、B:2〜8%及びCo〜40%(0を除く)を含む
    合金を溶解し、その鋳造マクロ組織が柱状晶となるよう
    に鋳造した後、該鋳造インゴットを500℃以上の温度で
    熱処理することにより磁気的に硬化させ、さらに切断・
    研削を施して磁石形状とすることを特徴とする希土類−
    鉄系永久磁石の製造方法。
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