JP5056267B2 - Mgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石およびその製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、希土類系永久磁石は反応性の高い希土類金属:Rを含むため、大気中で酸化腐食されやすく、何の表面処理をも行わずに使用した場合には、わずかな酸やアルカリや水分などの存在によって表面から腐食が進行して錆が発生し、それに伴って、磁気特性の劣化やばらつきを招く。さらに、錆が発生した磁石を磁気回路などの装置に組み込んだ場合、錆が飛散して周辺部品を汚染する恐れがある。
上記の点に鑑み、希土類系永久磁石に優れた耐食性を付与することを目的として、その表面にAl被膜を蒸着法などの気相めっき法によって成膜することが行われている。Al被膜は耐食性に優れていることに加え、部品組み込み時に必要とされる接着剤との接着信頼性に優れている(接着剤が本質的に有する破壊強度に達するまでに被膜と接着剤との間で剥離が生じにくい)ので、強い接着強度が要求される希土類系永久磁石に対して広く適用されおり、表面にAl被膜を有する希土類系永久磁石は、各種モータなどに組み込まれて使用されている。
そこで本発明は、優れた耐塩水性を発揮するMgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、請求項2記載の希土類系永久磁石は、請求項1記載の希土類系永久磁石において、被膜の磁石体との界面近傍のMg濃度が2mass%〜10mass%であることを特徴とする。
また、請求項3記載の希土類系永久磁石は、請求項1または2記載の希土類系永久磁石において、被膜のAlおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層との界面近傍のMg濃度が15mass%〜35mass%であることを特徴とする。
また、請求項4記載の希土類系永久磁石は、請求項1乃至3のいずれかに記載の希土類系永久磁石において、Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層のMg濃度が3mass%〜20mass%であることを特徴とする。
また、請求項5記載の希土類系永久磁石は、請求項1乃至4のいずれかに記載の希土類系永久磁石において、Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層の酸素濃度が5mass%〜50mass%であることを特徴とする。
また、請求項6記載の希土類系永久磁石は、請求項1乃至5のいずれかに記載の希土類系永久磁石において、Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層がさらにZr,P,Fからなる群より選択される少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする。
また、請求項7記載の希土類系永久磁石は、請求項1乃至6のいずれかに記載の希土類系永久磁石において、Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層の層厚が0.01μm〜5μmであることを特徴とする。
また、請求項8記載の希土類系永久磁石は、請求項1乃至7のいずれかに記載の希土類系永久磁石において、被膜の膜厚が3μm〜30μmであることを特徴とする。
また、本発明の請求項1記載のMgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石の製造方法は、請求項9記載の通り、蒸着装置の処理室内において希土類系永久磁石の表面にMgを含むAl被膜を蒸着形成した後、160℃以上の高温にある磁石の冷却を、磁石の温度が少なくとも60℃に達するまで10℃/分以上の冷却速度で急冷することで行い、得られたMgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石の被膜の表面に対し、被膜中のAlおよび/またはMgを酸化および/または水酸化する処理を施すことを特徴とする。
また、請求項10記載の製造方法は、請求項9記載の製造方法において、処理室内に窒素ガスを導入することで急冷を行うことを特徴とする。
また、請求項11記載の製造方法は、請求項9または10記載の製造方法において、被膜中のAlおよび/またはMgを酸化および/または水酸化する処理が水蒸気処理、熱水処理、化成処理からなる群より選択される少なくとも1つの処理であることを特徴とする。
磁石体試験片に対し、サンドブラスト加工を行い、前工程の表面加工で生じた試験片の表面の酸化層を除去した。この酸化層が除去された磁石体試験片を各円筒形バレル内に1.5kgずつ収容し、真空槽内を1×10−1Paになるまで真空排気した後、Arガスを真空槽内の全圧が1.0Paになるように供給した。その後、バレルの回転軸を6.0rpmで回転させながら、バイアス電圧0.5kVの条件下、15分間グロー放電を行って磁石体試験片の表面を清浄化した。
続いて、Arガス圧1.0Pa、バイアス電圧1.0kVの条件下、蒸着材料として水素含有量が5ppmのMgを5mass%含むAlワイヤー(JIS A5356に準拠するもの)をワイヤー送り速度3.9g/分で連続供給しながら、これを加熱して蒸発させ(ハース温度:1400℃)、30分間蒸着を行い、磁石体試験片の表面にMgを含むAl被膜を蒸着形成した。蒸着工程終了時の磁石体試験片の温度は200℃に達していたが255℃には達していなかった(磁石体試験片の1つに日油技研工業社製の255℃のサーモクレヨンを削ってAl箔に包んだものと200℃のサーモクレヨンを削ってAl箔に包んだものを巻きつけておいたところ200℃のサーモクレヨンのみが溶融していた)。蒸着工程終了後、直ちに処理室内に15℃の窒素ガスを導入して磁石体試験片を急冷してから処理室内を大気開放して磁石体試験片を取り出し、大気中(25℃以下)にてAl製のバットに重ならないように広げて放冷し、放射温度計によって磁石体試験片の温度を測定したところ43℃であった。また、処理室内に窒素ガスを導入してから磁石体試験片の温度を測定するまでの時間は8分であった。従って、磁石体試験片の冷却速度は、少なくとも200℃にまで達した磁石体試験片を43℃になるまで8分間で冷却したので19.6℃/分以上であった(磁石体試験片が255℃近くまで達したとすると冷却速度の最大は26.5℃/分)。
以上のようにして得られた、Mgを含むAl被膜を表面に有する磁石体試験片をブラスト加工装置に投入し、窒素ガスからなる加圧気体とともに、投射材として平均粒径が120μmでモース硬度が6の球状ガラスビーズ粉末を、噴射圧0.15MPaにて5分間噴射して、Mgを含むAl被膜に対してショットピーニングを行った。蛍光X線膜厚計(SFT−7000:セイコー電子社製)を使用して測定したショットピーニングを行ったMgを含むAl被膜の膜厚は11.5μmであった。なお、磁石体試験片とともに円筒形バレル内に収容したガラス板(35mm×10mm×1mm)の表面に蒸着形成されたAl被膜の組成を原子発光分析装置(ICPS−7500:島津製作所社製)を用いて測定したところ、Al被膜に含まれるMg濃度は5.9mass%であった。
こうして得られた被膜を表面に有する磁石体試験片の被膜の断面について、電界放出形走査電子線顕微鏡(S−4300:日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて観察した結果の反射電子線(BSE)像を図3(a)に示す。また、エネルギー分散型X線分析装置(Genesis2000:EDAX社製)を用いたAl−Kα線、Mg−Kα線、O−Kα線の特性X線像をそれぞれ図3(b)〜(d)に示す。さらに、エネルギー分散型X線分析装置(Genesis2000:EDAX社製)を用いたZAF法による図3(a)に示す被膜断面中の4箇所のポイントと被膜の外表面側の表面の被膜組成の測定結果を表2に示す。なお、観察は、被膜を表面に有する磁石体試験片を樹脂埋め研磨し、イオンビーム断面加工装置(SM09010:日本電子社製)を用いて試料作製した後に行った。図3と表2から明らかなように、磁石体試験片の表面に形成された被膜のMg濃度の分布は、磁石体試験片との界面側から外表面側に向かって、低い領域(ポイント2およびポイント3で示される厚みが約6μmの領域)、高い領域(ポイント1で示される厚みが約2〜3.5μmの領域)、中間の領域(Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された酸素濃度が極めて高い層:ポイント4で示される厚みが約0.8μmの領域)となっており、これらの3種類のMg濃度の異なる領域は、Al−Kα線、Mg−Kα線、O−Kα線のそれぞれの特性X線像によって3層構造として明確に識別できるものであった(磁石体試験片との界面側から外表面側に向かって順に第3層、第2層、第1層)。
実施例1における高温高圧水蒸気処理のかわりに、ショットピーニングを行ったMgを含むAl被膜を表面に有する磁石体試験片を、日本パーカライジング社製のパルコート3756から調製した45℃の化成処理液に3分間浸漬することで、リン酸ジルコニウム系化成処理を施し、水洗してから乾燥することで、本発明のMgを含むAl被膜を表面に有する磁石体試験片を製造した。
ショットピーニングを行った直後の磁石体試験片の表面に形成されたMgを含むAl被膜と、化成処理を行った後の磁石体試験片の表面に形成されたMgを含むAl被膜について、高周波グロー放電発光表面分析装置(GD−OES:堀場製作所社製)を用いて被膜組成の分析を行った結果、ショットピーニングを行った直後の被膜の内部のMg濃度は、約6mass%で一定であったのに対し、化成処理を行った後の被膜の内部のMg濃度には勾配が存在し、磁石体試験片との界面側から外表面側に向かって、低い領域、高い領域、中間の領域(Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された酸素濃度が極めて高い層)となっていた。また、被膜の断面について、電界放出形走査電子線顕微鏡(S−4300:日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて観察した結果の反射電子線(BSE)像を図4に示し、エネルギー分散型X線分析装置(Genesis2000:EDAX社製)を用いたZAF法による図4に示す被膜断面中の3箇所のポイントと被膜の外表面側の表面の被膜組成の測定結果を表3に示す。なお、観察は、被膜を表面に有する磁石体試験片を樹脂埋め研磨し、イオンビーム断面加工装置(SM09010:日本電子社製)を用いて試料作製した後に行った。表3からも明らかなように、磁石体試験片の表面に形成された被膜のMg濃度の分布は、磁石体試験片との界面側から外表面側に向かって、低い領域(ポイント2およびポイント3)、高い領域(ポイント1)、中間の領域(Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された酸素濃度が極めて高い層)となっていることがわかった。また、被膜の外表面側の表面のAlおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された酸素濃度が極めて高い層にはPが存在することが確認できた。
実施例1と実施例2において磁石体試験片の表面に形成されたMgを含むAl被膜が優れた耐塩水性を発揮する理由は、以下のように考えられる。
水蒸気処理や化成処理を行う前の被膜の組織構造、即ち、蒸着工程終了後に磁石を急冷することによってその表面に形成された被膜が有する特異な組織構造が、被膜に水蒸気処理や化成処理を施すことで優れた耐塩水性を発揮させることができる組織構造であることである。水蒸気処理や化成処理を行う前の被膜の組織構造中に存在するMg濃化相を構成していると考えられるAl3Mg2が、Alよりも電位的に卑であるため、水蒸気処理や化成処理によって被膜の外表面側の表面において水分と接触することで優先的に分解されて酸化や水酸化され、その結果、Al2O3,Al(OH)3,MgO,Mg(OH)2などが生成し、これらを含む層(Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層)が被膜の外表面側の表面に形成されることで塩水に対するバリア層として機能する。とりわけ、この層に含まれるMgOやMg(OH)2が、比較的に難水溶性であり耐塩水性に優れることが、バリア層としての機能を効果的なものにしている。
また、水蒸気処理や化成処理を行う前の被膜の組織構造中に存在するMg濃化相は、磁石体試験片との界面側から外表面側まで、被膜の厚み方向に連続的乃至断続的に分布しているので、被膜の外表面側の表面のある場所で塩水に対するバリア層が破壊されても、Mg濃化相を構成していると考えられるAl3Mg2からMgがその場所に供給され、その場所でMgOやMg(OH)2が生成することによってバリア層が再形成され、優れた耐塩水性を維持する。従って、被膜中のMgは、被膜の外表面側の表面に供給されるために外表面側に向かって移動する傾向を持ち、この傾向によって被膜中のMg濃度の特異な勾配パターンが構成される。
2 ハース(溶融蒸発部)
3 支持テーブル
4 ハース支持台
5 被処理物保持部
6 回転軸
10 Mgを含むAl(溶融した蒸着材料)
11 Mgを含むAlワイヤー
20 繰り出しリール
21 保護チューブ
22 切り欠き窓
23 繰り出しギヤー
30 希土類系永久磁石
Claims (11)
- Mgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石であって、被膜の組織構造が、Alを主成分としてMgを含む主相と、AlとMgを含みMg濃度が主相のMg濃度よりも高いMg濃化相からなり、被膜のMg濃度が厚み方向において磁石体との界面側よりも外表面側の方が高く、かつ、被膜の外表面側の表面にAlおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層を有することを特徴とする希土類系永久磁石。
- 被膜の磁石体との界面近傍のMg濃度が2mass%〜10mass%であることを特徴とする請求項1記載の希土類系永久磁石。
- 被膜のAlおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層との界面近傍のMg濃度が15mass%〜35mass%であることを特徴とする請求項1または2記載の希土類系永久磁石。
- Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層のMg濃度が3mass%〜20mass%であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の希土類系永久磁石。
- Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層の酸素濃度が5mass%〜50mass%であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の希土類系永久磁石。
- Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層がさらにZr,P,Fからなる群より選択される少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の希土類系永久磁石。
- Alおよび/またはMgが酸化および/または水酸化された層の層厚が0.01μm〜5μmであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の希土類系永久磁石。
- 被膜の膜厚が3μm〜30μmであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の希土類系永久磁石。
- 蒸着装置の処理室内において希土類系永久磁石の表面にMgを含むAl被膜を蒸着形成した後、160℃以上の高温にある磁石の冷却を、磁石の温度が少なくとも60℃に達するまで10℃/分以上の冷却速度で急冷することで行い、得られたMgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石の被膜の表面に対し、被膜中のAlおよび/またはMgを酸化および/または水酸化する処理を施すことを特徴とする請求項1記載のMgを含むAl被膜を表面に有する希土類系永久磁石の製造方法。
- 処理室内に窒素ガスを導入することで急冷を行うことを特徴とする請求項9記載の製造方法。
- 被膜中のAlおよび/またはMgを酸化および/または水酸化する処理が水蒸気処理、熱水処理、化成処理からなる群より選択される少なくとも1つの処理であることを特徴とする請求項9または10記載の製造方法。
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