JP5209349B2 - NdFeB焼結磁石の製造方法 - Google Patents
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スパッタリングによりNdFeB焼結磁石の表面にDy及び/又はTbを付着させ、700〜1000℃で加熱すると、磁石表面のDy及び/又はTbは焼結体の粒界を通じて焼結体内部に入り込んでゆく。NdFeB焼結磁石中の粒界には希土類に富んだNdリッチ相と呼ばれる粒界相が存在している。このNdリッチ相は融点が磁石粒子よりも低く上記加熱温度で溶融している。そのため、上記Dy及び/又はTbは粒界の液体に溶け込み、焼結体表面から焼結体内部に拡散していく。物質の拡散は固体中よりも液体中のほうがずっと速いので、上記Dy及び/又はTb粒界から粒内に拡散していくよりも、溶融している粒界を通じて焼結体内部に拡散していく速度のほうがはるかに大きい。この拡散速度の差を利用して、熱処理温度と時間を適切な値に設定することにより、焼結体全体にわたって、焼結体中の主相粒子の粒界にごく近い領域(表面領域)においてのみDy及び/又はTbの濃度が高い状態を実現することができる。Dy及び/又はTbの濃度が高くなると磁石の残留磁束密度Brが低下するが、そのような領域は各主相粒子の表面領域だけであるため、主相粒子全体としては残留磁束密度Brは殆ど低下しない。こうして、保磁力HcJが大きく、残留磁束密度BrはDyやTbで置換しないNdFeB焼結磁石とあまり変らない高性能磁石が製造できる。
(1) 特許文献1及び2に記載の方法は保磁力向上の効果が低い。
(2) スパッタリング法やイオンプレーティング法により磁石表面にDyやTbを含む成分を付着させる方法(非特許文献1〜3)は、処理費が高額になるため実用的ではない。
(3) DyF3やDy2O3あるいはTbF3やTb2O3の粉末を磁石基材の表面に塗布する方法(特許文献3)は、DyやTbを含む成分を付着させる方法としては処理費が安価である点で有利であり、特にDyF3やTbF3を使用する方法は粒界拡散法による保磁力向上効果が顕著であるので、工業的に価値のある技術として期待されている。しかし、この方法が適用できるのは、磁石基材の厚さが3mm以下の場合に限られている。そのため、この方法は、高保磁力が必要な比較的大型のモータや発電機に使用される厚い磁石を製造することができない、という大きな問題を有する。
モータや発電機では、磁石は200℃程度の高温にさらされることが多い。このような高温条件下では、磁化曲線の角型性が低いと不可逆減磁が生じる。そのため、たとえ保磁力が高くとも、磁化曲線の角型性が低ければ、そのような磁石はハイブリッドカーなど高度技術製品には使用することができない。上記文献で示されたDyF3やTbF3の粉末を使用する粒界拡散法では、磁石基材の厚さが3mmを越えると、粒界拡散の効果を最大限に発揮することができず、その結果、保磁力が高く且つ磁化曲線の角型性が充分に高いNdFeB焼結磁石を作製することができなかった。
条件(1): 磁石基材にはDy、Tbのいずれも含まないものを用いる。
条件(2) :付着物にはDyを含むものを用い、Tbを含むものは用いない。
条件(1)は、磁石基材にDyやTbが含まれていると、そのこと自体で磁石の特性が向上するため、その影響を排除することを目的としている。条件(2)は、一般に磁石特性向上の効果はTbよりもDyの方が小さいため、より条件の厳しいDyを用いて比較を行うことにより粒界拡散の効果を浮き彫りにすることを目的としている。また、TbはDyよりはるかに希少な物質であり工業的に使用することはますます困難になってきているため、(2)の限定は実用時の条件に即しているといえる。これら(1)(2)の条件下で所定以上の高い特性を得ることができる方法が見出されれば、その方法を用いて(1)(2)以外の条件(磁石基材がDy及び/又はTbを含む場合、付着物がTbを含む場合)下でも所定以上の高い特性を持つNdFeB焼結磁石を得ることができる。
a) 前記磁石基材中に含まれる金属状態の希土類の量が12.9原子%以上であり、
b) 前記層が50質量%以上のDyのフッ化物及び/又はTbのフッ化物、及び30質量%以下のAlを含有する、
ことを特徴とする。
NdFeB磁石の主相はNd2Fe14B化合物であり、化学量論組成即ちNd:Fe:B=2:14:1の組成では、希土類が占める原子比は2/17=11.76原子%である。NdFeB焼結磁石には、主相以外に、化学量論組成の場合よりもNdの量が多いNdリッチ相と、Bの量が多いBリッチ相が存在する。本願発明者は、NdFeB焼結磁石の粒界拡散法が有効に働くためには、十分な量のNdリッチ相が結晶粒界に存在することが必要であることを見出した。その理由は、磁石基材表面に形成された層からDyやTbが粒界を通じて磁石基材の内部に送りこまれる際に、DyやTbの拡散の速度を上げて基材深部への拡散を促進するために、溶融したNdリッチ相による太い通路を粒界に形成し、DyやTbを基材深部に速く拡散させることにある。その結果、従来のDyのフッ化物粉末による粒界拡散法では不可能であった、厚い基材に対して高角型性を維持しつつ高保磁力化することが、本発明により可能になる。本願発明者は実験により、基材の厚さが3mmを越えるときには、磁石基材が上述の化学量論量である11.76原子%よりも1.14原子%過剰な12.9原子%以上の金属状態の希土類を持つことが必要であることを見出した。
本実施例で使用する磁石基材は、従来のNdFeB焼結磁石の製造方法と同様の方法、即ち、NdFeB合金の溶解、粗粉砕、微粉砕、磁界中配向、成形、焼結の工程により作製した。
バレルペインティング法では次のようにして粉体塗布を行う。まず、清浄な表面を持つNdFeB焼結磁石基材に粘着層を形成する。粘着層の厚さは1〜5μmが最適である。粘着層形成物質は粘着性を持つ物質であって基材表面を腐食するようなものでなければよい。最も一般的にはエポキシやパラフィンなどの液状の有機物が用いられる。エポキシなどを使用するときには硬化剤は不要である。この粘着層塗布方法では、直径0.5〜1mmのセラミックあるいは金属性の球(インパクトメディアと呼ぶ)を満たした容器に少量の液状有機物質を添加して撹拌した後、上述した基材を投入して、容器全体を振動させることにより、基材表面に粘着層が形成される。次に、同様のインパクトメディアを満たした容器に塗布したい粉体を添加して撹拌した後、粘着層を形成した基材を容器に投入して、容器全体を振動させることにより、基材表面に粉体層を形成する。このようにして塗布される粉体の量は、基材表面1cm2あたり2mg程度から30mg程度までである。本発明では粘着層形成時にインパクトメディアに添加される液状物質の量、及び粉体塗布時にインパクトメディアに添加される粉体の量の好ましい範囲は基材表面1cm2あたり3mg以上25mg以下である。
容量200cm3のプラスティック製ビーカに直径1mmのジルコニア製小球を100cm3入れ、その中に流動パラフィンを0.1〜0.5g加えて撹拌した。この中に直方体基材を投入し、ビーカを振動機に接触させた。これにより、流動パラフィンが直方体基材の表面に塗布される。次に、磁石側面に粉体が付着しないように(理由は後述)、直方体基材の側面(磁極面以外の面)にプラスティック板によるマスキングを施した。その後、10cm3のガラスびんに、直径1mmのステンレス製小球を8cm3入れ、図2に示した粉末を1〜5g加えて、粘着層が塗布された直方体基材を投入した。この直方体基材を入れたガラスびんを前記振動機に接触させた。これにより、Dyを含む粉体が磁極面のみに塗布された。
(1) 本実施例の試料はいずれも1.4MA/m以上という高い保磁力、及びSQ値85%以上という高い角型性を有する。本実施例のようにDy、Tbのいずれも含まず5mmという厚い厚さを持つ基材を用いて、これほど高い保磁力及び角型性を併せ持つNdFeB焼結磁石を作製することは、従来できなかった。これら各試料のうち試料1〜11、13〜18、20及び21は、きわめて希少な資源であるTbを使用することなく、このような高い保磁力及び角型性が得られるという点で工業的に大変価値がある。また、試料12及び19は、TbF3粉末を使用することにより、他の試料と比較して更に高い保磁力が得られるという特長を有する。
(2) 基材に含まれる金属状態の希土類量が12.9原子%未満になる(試料「比1」〜「比10」)と、保磁力は急に小さくなり、SQ値は85%以下になる(SQ値については、粒界拡散の効果がきわめて小さい試料「比5」を除く)。
(3) 本実施例の試料14及び15(DyF3量が60及び50質量%)と比較例の試料「比11」(DyF3量が40質量%)は、いずれも基材番号1の基材を用いているが、本実施例の試料のみが1.4MA/m以上の保磁力を有する。
(4) 粉体1(DyF3:100%)を用いた試料1〜5と、基材が試料1〜5のいずれかと同じであって粉体4(DyF3:90%、Al:10%)を用いた試料6〜10を比較すると、試料6〜10の方が高い保磁力が得られることがわかる。従って、粉体にAlを添加することにより保磁力が向上するといえる。Alによる保磁力向上効果は粉体中のAl濃度が30質量%である場合にまでみられる(試料16)が、40質量%を越えるとその効果がみられなくなる(試料番号17)。
(5) 本実施例及び比較例で用いた10種の基材のうち金属状態の希土類量が最大である基材番号1のものと最小である基材番号「比5」のものを比較すると、粉体1を用いて粒界拡散処理を施した場合の両者(試料番号1と「比5」)の保磁力の差は0.56MA/mであり、粒界拡散処理を施さない場合の両者(試料番号「比13」と「比22」)の保磁力の差(0.41MA/m)よりも大きくなる。これは、粒界拡散処理を施した場合に、基材中の金属状態の希土類量が増加するのに伴って、粒界拡散処理のための加熱中に粒界に液相がより形成されやすくなり、DyやTbの拡散が促進されるため、保磁力増大効果がより顕著になることによると考えられる。
(1) 金属状態の希土類量が高い基材(基材番号6)を使用すると、粒界拡散後の保磁力は基材の厚さが6mmの場合(試料番号26)にも、厚さが2mmの場合(試料番号22)と比べてあまり変わらない高い値を示す。
(2) 本実施例のようにDyが添加されている基材に粒界拡散処理を施すと、基材中にもとから入っているDyの効果に、粒界拡散により表面から拡散してくるDyの効果が加わり、粒界拡散後に得られる保磁力は2MA/m前後という大きい値となる。
(3) 基材中の金属状態の希土類量が本発明の範囲外にある(試料番号「比23」〜「比27」)と、粒界拡散後の保磁力の増加は厚さが2mmでもあまり大きくなく、厚さが3mm以上になると更に小さくなる。
Claims (4)
- NdFeB焼結磁石基材の表面にDy及び/又はTbを含む層を形成した後に前記磁石基材の焼結温度以下の温度に加熱することにより、前記層中のDy及び/又はTbを前記磁石基材の結晶粒界を通じて前記磁石基材内部に拡散させる粒界拡散処理を行うNdFeB焼結磁石の製造方法において、
a) 前記磁石基材中に含まれる金属状態の希土類の量が12.9原子%以上であり、
b) 前記層が50質量%以上のDyのフッ化物及び/又はTbのフッ化物、及び30質量%以下のAlを含有する、
ことを特徴とするNdFeB焼結磁石の製造方法。 - 前記磁石基材がDy及びTbをいずれも含有していないことを特徴とする請求項1に記載のNdFeB焼結磁石の製造方法。
- 前記磁石基材の厚さが3mm以上6mm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のNdFeB焼結磁石の製造方法。
- 前記層が粉体層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のNdFeB焼結磁石の製造方法。
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