JP5039878B2 - 希土類系焼結磁石の製造方法及び希土類系ボンド磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、希土類系焼結磁石の製造方法及び希土類系ボンド磁石の製造方法に関する。

希土類元素を主成分とする磁石の製造方法は、一般的な焼結方法において合金溶解、熱処理、粉砕、プレス成形、必要に応じて窒化処理を行い、焼結、熱処理、加工、着磁等といった各工程を有する。

又、形状自由度の高く安価に作成できるボンド磁石は、焼結法にて熱処理までの工程を経た磁石を粉砕し、樹脂（エポキシやナイロン等）と混合しコンパウンドを原料として、形状自由度の高く安価に作成できる圧縮成形あるいは射出成形等により製造されている。

磁石用材料のＳｍＣｏ_５、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂなどの化合物は、特に重要な焼結工程において、真空、若しくは、Ａｒ等の不活性雰囲気中で炉内のヒーター棒により加熱する大型炉を使用し、熱伝導あるいは輻射熱により昇温、高温維持し、成形品の固相及び液相反応を進行させ、焼結体とする。

しかしながら、大型炉では、ヒーターの発熱部近傍と離れた箇所では温度差が発生し、希土類磁石の磁気特性に大きく関わる結晶粒径に影響し磁気特性バラツキを生じる。
この問題に対し、特許文献１には、大型炉を用いない焼結炉の外周囲にコイルを配置した高周波誘導加熱を行い温度分布の均一化を図る方法が記載されている。

一方、磁石用材料の希土類−遷移金属−窒素系などの化合物は、６５０℃以上の高温になると希土類の窒化物とα−Ｆｅに分解してしまい十分な磁気特性が得られず、バルクの状態で使用することが不可能であった。従って、この磁石用材料は、ボンド磁石用磁性粉末に限定されていた。

しかし、この問題に対し、特許文献２には、プラズマ焼結を用いることにより、焼結時間を短縮し、焼結の際に生じる熱分解を最小限に抑える方法が提案されている。
特開２００５−２０９８３８号 公報 特開平０５−１３５９７８号 公報

しかし、特許文献１に記載された方法のように、焼結炉の外周囲にコイルを配置した高周波誘導加熱にて加熱処理を行う方法では、大型炉の外周にコイルを配置するのに大掛かりな設備を要し、コイルを冷却するにもコストが掛かり量産向きではなかった。

また、特許文献２に記載されたプラズマ焼結を用いる方法では、瞬時に焼結はするものの磁石粉末間同士の間でグロー放電が発生し、過剰焼結となり結晶粒径の粗大化を招き所望とする磁気特性を得ることが不可能であった。

このように、上記した各方法には種々の課題があり、また、各方法により焼結された希土類元素−遷移金属系磁石あるいは希土類−遷移金属−窒素系磁石の磁気特性は、未だに理論値よりかなり低い値に留まっており、特に希土類−遷移金属−窒素系の焼結磁石は、量産化されていないのが現状である。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、窒化工程の処理時間を短縮化することができ、焼結しても熱分解しない優れた磁気特性を有する希土類系焼結磁石の製造方法及び希土類系ボンド磁石の製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、希土類元素−遷移金属系の合金粉末に対し、所定形状の成形品にする成形工程と、前記成形品を、真空又は不活性ガス中においてマイクロ波を照射し、前記合金粉末を焼結する焼結工程とを有し、前記焼結工程では、窒素原子を含む雰囲気下で前記合金粉末に前記マイクロ波が照射され、前記合金粉末における結晶格子間に窒素原子を侵入させる窒化工程を経て、焼結が行われ、前記焼結工程の後に、前記焼結された成形品を不活性ガス中において加熱し、前記窒素原子を前記結晶格子間の安定な場所に移動する均質化処理工程をさらに有することを要旨とする希土類系焼結磁石の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の希土類系焼結磁石の製造方法において、前記合金粉末に照射するマイクロ波は、１ＧＨｚ以上、３０ＧＨｚ以下であることを要旨とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の希土類系焼結磁石の製造方法において、前記合金粉末の平均粒径が、２〜９０μｍであることを要旨とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１に記載の希土類系焼結磁石の製造方法において、前記窒化工程では、窒素を含む雰囲気ガスの圧力を０．１〜５ＭＰａにしたことを要旨とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１に記載の希土類系焼結磁石の製造方法で製造した希土類系焼結磁石を、化学粉砕あるいは機械粉砕により平均粒径が５〜９０μｍの希土類系磁石粉末にし、その希土類系磁石粉末と樹脂バインダー又は金属バインダーを混合し、圧縮成形若しくは射出成型して希土類ボンド磁石にすることを要旨とする希土類ボンド磁石の製造方法である。

請求項１の発明によれば、希土類元素−遷移金属系の合金粉末に対し、所定形状の成形品にする成形工程と、真空又は不活性ガス中において、マイクロ波を照射することにより、希土類磁石粉末による自己発熱、急速加熱及び選択的加熱を行うことができ、試料全体を均一に昇温することができる。

このため、希土類磁石粉末を瞬時に焼結固化することができるとともに、処理時間を短縮化することができる。よって、希土類系元素の蒸発量が抑えられ一定組成が得られる。また、試料のみ温度上昇し、試料廻りの温度を制御できるため冷却速度も速く析出物がない磁気特性の高い希土類系焼結磁石が得られる。

また、希土類元素−遷移金属系の合金粉末に対しマイクロ波を照射することによって、合金粉末自身の自己発熱、急速発熱及び選択的加熱を行うことができる。このため、窒化にかかる処理時間を短縮することができる。また、内部まで均一に窒化して、磁気特性の高い希土類磁石を得ることができる。

また、グロー放電発生させることなく瞬時に焼結固化することができるため、希土類系元素の蒸発量が抑えられ一定組成が得られるとともに、α−ＦｅとＳｍＮとに熱分解する前に焼結され、試料廻りの温度も制御できるため冷却速度も速く析出物がない磁気特性の高い希土類系焼結磁石が得られる。

また、均質化処理を行うことで、希土類系焼結磁石の保持力に重要な均一相が得られ、窒素原子を結晶格子間の安定な場所へ移動させることができ、安定した高い希土類系焼結磁石が得られる。

請求項２の発明によれば、焼結あるいは窒化工程で照射されるマイクロ波は、１ＧＨｚ以上、３０ＧＨｚ以下であるので、グロー放電を発生させることなく瞬時に均一に焼結することができ、更に局所的に窒化されずに固相拡散が優先的に進行してしまうのを抑制するとともに、内部まで均一に窒化することができる。

請求項３の発明によれば、合金粉末の平均粒径を２〜９０μｍにしたので、希土類磁石粉末の単磁区粒子化、酸化又は過窒化を抑制するとともに、合金粉末を均一に窒化することができる。

請求項４の発明によれば、窒化工程での雰囲気を０．１〜５ＭＰａにしたので、合金粉末を均一に窒化できるとともに、過剰な圧力による合金の過窒化によるアモルファス化を防止することができる。

請求項５の発明によれば、希土類磁石粉末と、樹脂バインダー又は金属バインダーとを用いて希土類ボンド磁石を作製するので、磁気特性の優れたボンド磁石を得ることができる。

本発明の希土類元素−遷移金属系（以下、Ｒ−ＴＭ系という）の希土類系焼結磁石の製造方法について以下に工程毎に説明する。尚、Ｒは希土類元素のうち少なくとも１種若しくは２種以上の元素であり、ＴＭは遷移元素のうち少なくとも１種若しくは２種以上の元素である。
（１）希土類系磁石粉末
本発明のＲ−ＴＭ系合金を構成する希土類元素は、Ｙ（イットリウム）と、ランタノイド元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕ）等を好適に用いることができる。特に、Ｐｒ、ＮｄまたはＳｍを用いると、著しく磁気特性を高めることができる。また、２種以上の希土類元素を組合せることにより、残留磁束密度と保持力を向上させることができる。

具体的には、ＳｍＣｏ５、Ｓｍ２Ｃｏ１７といったＳｍ−Ｃｏ系磁石粉末や、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ等のＮｄ−Ｆｅ系磁石粉末を用いることができる。又は、ＳｍおよびＮｄを主とする希土類元素と、Ｆｅを主とする遷移金属と、Ｎを主とする格子間元素とを基本成分とするＳｍ−Ｆｅ−Ｎ，Ｎｄ−Ｆｅ−Ｎ系磁石粉末を用いることができる。又、上記した希土類磁石粉末を２種以上混合してもよい。

以上のＲ−ＴＭ系又はＲ−ＴＭ−Ｎ系の希土類磁石粉末は、一般的な溶解鋳造法の場合、希土類金属及び遷移金属等を所定の配合比で調合して、不活性ガス雰囲気中で高周波溶解する。さらに、得られた合金インゴットを熱処理し、ジョークラッシャー、ジェットミル又はアトライター等の粉砕機で所定の粒度に粉砕して製造する。

この溶解時に、不可避的不純物として、Ｃ、Ｂ等が含まれても特に問題はない。
磁石粉末の粒径としては、平均粒径２〜１５０μｍが好ましい。２μｍ未満では、酸化されやすい他、形成工程も配向時に凝集し磁気特性の向上が得られず、磁気特性が低いものとなる。また、平均粒径が１５０μｍを超える場合には、磁場をかけて磁化方向を揃えながら成形する際に、粒子が所望の磁化方向に向かず、磁気特性の低下を引き起こす。
（２）添加剤
添加剤は、特に限定されないが、界面活性剤、カップリング剤、滑剤、離型剤、難燃剤、安定剤、無機充填剤や顔料等を用いることができる。この添加剤は、金型へ充填するための流動性、磁場をかけて磁化方向を揃えるための滑り性、金型から取り出す際の離型性、成形品のハンドリングを良好するための強度向上、あるいは、焼結体の収縮率を調整するための密度調整を示すものであればよく、複数種類の添加剤を組合わせて用いてもよい。
（３）混合
上記希土類系磁石粉末及び添加剤をアトライター、ヘンシェルミキサー又はＶブレンダー等で混合分散させることにより、成形用磁石粉末を作成することが好ましく良好な磁気特性、特に高配向な希土類焼結磁石を得ることができる。
（４）圧縮成形（成形工程）
磁場を印加するための電磁石を金型に具備したプレス装置を用い、成形用磁石粉末を金型内に充填し、１０ｋＯｅ（エルステッド）以上の磁場中又は無磁場中で、１０ｔｏｎ以上の圧力で圧縮成形する。

希土類磁石粉末は、１０ｋＯｅ未満になると、磁化方向に向かないため１０ｋＯｅ以上必要である。
（５）焼結
圧縮成形が終了すると、本実施形態では、得られた成形品に対してマイクロ波を照射することで希土類系磁石粉末を焼結させる。このように希土類磁石粉末を選択的且つ急速に自己発熱させることによって、７５０〜１２００℃まで数分で昇温する。希土類磁石粉末の自己発熱により生じた熱によって、磁石粉末は瞬時に焼結する。このとき、試料全体が均一に昇温することにより、未焼結部のない高強度の希土類系焼結磁石を得ることができる。また、マイクロ波照射により数分で所定温度まで昇温することができるので、処理時間を短縮化するとともに合金粉末の酸化、分解を防ぎ不純物の析出を抑制することができる。

成形品に照射するマイクロ波は、１ＧＨｚ以上、３０ＧＨｚ以下が好ましい。１ＧＨｚ未満では、アーク放電が生じやすく、３０ＧＨｚよい大きいと、所望する温度以上に加熱されてしまう。雰囲気は、磁石の酸化抑制の観点から、真空又は不活性ガス中がより好ましい。

さらに、希土類磁石粉末の焼結と同希土類磁石粉末の窒化を同時に行う場合は、窒素０．１〜５ＭＰａの圧力下が好ましい。０．１ＭＰａ未満では、窒化が粒子内部まで侵入せず表面のみに止まり、５ＭＰａを超えると粒子表面において、過剰窒化となる。

また、窒化する希土類磁石粉末は、Ｒ−ＴＭ系を主成分とするものが好ましく、Ｓｍ−Ｆｅ系、Ｎｄ−Ｆｅ系等の希土類磁石粉末を用いることができる。
このとき、窒化のみにとどめボンド用磁石粉末として使用することは可能であるが、平均粒径１００μｍ以上になると表面のみの窒化にとどまり、目的とする磁気特性は得られない。そのため、窒素中加圧中において焼結し、熱処理を施すこと（均質化処理工程）により、窒素原子を結晶格子間の安定な場所に移動し、さらに優れた磁気特性を持つＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系焼結磁石を得ることができる。

さらに、このＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系焼結磁石を５〜９０μｍの平均粒径まで化学粉砕あるいは機械粉砕をし、樹脂あるいは低融点金属と混合、成形することにより優れた磁気特性を持つボンド用磁石粉末になることは言うまでもない。同様、他材料の希土類磁石粉末に関しても適用できる。
（６）冷却処理
マイクロ波照射を行なった後、希土類系磁石粉末を焼結させた成形品の冷却処理を行う。即ち、マイクロ波の照射を終了すると、希土類磁石粉末自身は迅速に冷却されるものの、多少の酸化は免れない。これに対し、マイクロ波の照射出力を低下さながら、冷却させる方法も試みたが、ある出力以下になると酸化反応が優先的になり僅かであるが磁気特性の低下が見られる。このため、真空引き、或いは窒素、アルゴンガス等の不活性ガス中にて室温まで冷却する必要があり、外部冷却を併用して行うことも場合によって好ましい。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、希土類磁石粉末及び添加剤からなる混合物を圧縮成形し、成形品にマイクロ波を照射する。これにより、希土類磁石粉末を選択的に自己発熱させ、磁石粉末を焼結させることができるので、試料全体を均一に昇温し、未焼結部分を無くすことにより機械的強度を良好にすることができる。

また、未焼結部分を無くして機械的強度を向上することができるため、焼結磁石粉末の希土類磁石材料の量を増やして磁気特性を向上することができる。さらに、希土類磁石粉末の発熱により希土類磁石粉末を瞬時に焼結させることができるため、処理時間を短縮化することができるとともに、長時間加熱を要因とする酸化、分解を防ぎ不純物の析出を抑制することで、磁気特性の低下を防止することができる。
（２）上記実施形態では、希土類磁石粉末を焼結させた成形品を、真空又は不活性ガス中で冷却するので、希土類磁石粉末の酸化を抑制し、良好な磁気特性を維持することができる。
（３）上記実施形態では、成形品に照射されるマイクロ波の周波数を、１ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下の範囲とする。このため、低周波で発生しやすいアーク放電を抑制することができる。また、周波数が高すぎることにより所望する温度以上に加熱されてしまうことを防止し、成形品を所望の温度範囲に加熱することができる。
（４）上記実施形態では、窒素雰囲気下且つ０．１〜５ＭＰａの加圧下で、成形品に対してマイクロ波を照射することにより、希土類磁石粉末の窒化と希土類磁石粉末の焼結とを同時に行うことを可能とした。このため、窒化工程と焼結とを別に行う場合と比較して、処理時間を短縮化することができる。
（５）上記実施形態では、希土類磁石粉末の平均粒径を、２〜１５０μｍにした。このため、磁石の表面積が大きくなることによる磁石の酸化を抑制するとともに、磁化方向を揃えながら成形する際に粒子を所望の磁化方向に揃えることができる。

尚、上記実施形態の製造方法で製造した希土類系焼結磁石を、化学粉砕あるいは機械粉砕により、例えば平均粒径が５〜９０μｍの稀土類系磁石粉末にする。そして、その稀土類系磁石粉末を、樹脂バインダー（又は金属バインダー）と添加剤とを混合して圧縮成形若しくは射出成型する。そして、その成形品中の樹脂バインダー（又は金属バインダー）を硬化（又は焼結）させて希土類ボンド磁石を製造するようにしてもよい。熱分解しない優れた磁気特性を有する希土類ボンド磁石を製造することができる。

Claims (5)

1. 希土類元素−遷移金属系の合金粉末に対し、所定形状の成形品にする成形工程と、
   前記成形品を、真空又は不活性ガス中においてマイクロ波を照射し、前記合金粉末を焼結する焼結工程とを有し、
   前記焼結工程では、
   窒素原子を含む雰囲気下で前記合金粉末に前記マイクロ波が照射され、前記合金粉末における結晶格子間に窒素原子を侵入させる窒化工程を経て、焼結が行われ、
   前記焼結工程の後に、前記焼結された成形品を不活性ガス中において加熱し、前記窒素原子を前記結晶格子間の安定な場所に移動する均質化処理工程をさらに有する
   ことを特徴とする希土類系焼結磁石の製造方法。
2. 請求項１に記載の希土類系焼結磁石の製造方法において、
   前記合金粉末に照射するマイクロ波は、１ＧＨｚ以上、３０ＧＨｚ以下であることを特徴とする希土類系焼結磁石の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の希土類系焼結磁石の製造方法において、
   前記合金粉末の平均粒径が、２〜９０μｍであることを特徴とする希土類系焼結磁石の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の希土類系焼結磁石の製造方法において、
   前記窒化工程では、窒素を含む雰囲気ガスの圧力を０．１〜５ＭＰａにしたことを特徴とする希土類系焼結磁石の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の希土類系焼結磁石の製造方法で製造した希土類系焼結磁石を、化学粉砕あるいは機械粉砕により平均粒径が５〜９０μｍの希土類系磁石粉末にし、その希土類系磁石粉末と樹脂バインダー又は金属バインダーを混合し、圧縮成形若しくは射出成型して希土類ボンド磁石にすることを特徴とする希土類系ボンド磁石の製造方法。