JP6265368B2 - R−t−b系希土類焼結磁石およびその製造方法 - Google Patents
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Description
一般的なR−T−B系磁石の組織は、主に、R2T14Bで構成される主相と、主相の粒界に存在して主相よりもNd濃度の高いRリッチ相とからなる。Rリッチ相は粒界相とも呼ばれている。
また、特許文献2には、磁石原料と拡散原料とを混合した混合原料を加圧して成形体とし、これを加熱する製造方法が提案されている。
また、特許文献3には、主相用母合金の粉末と粒界相用母合金の粉末との混合物を成形した後、焼結する製造方法が提案されている。
R−T−B系磁石は、室温以上で使用すると、温度上昇に伴って保磁力(Hcj)が低下する。R−T−B系磁石の保磁力(Hcj)は、DyやTbといった重希土類を含有させることにより向上する。このため、従来のR−T−B系磁石では、使用温度域での保磁力を達成するために、重希土類を添加している。また、発電機やモーターの効率を高くするため、より一層、R−T−B系磁石の保磁力を向上させることが要求されている。
しかしながら、重希土類は産地が限られている。しかも、重希土類は、NdやPrなどの軽希土類と比較して埋蔵量が少ない。そのため、重希土類を大量に使用する場合、重希土類の需要と供給の均衡が崩れて価格の暴騰を招くほか、安定的に必要な数量を確保することが難しくなる。このため、重希土類をなるべく使わずに、高い保磁力の得られるR−T−B系磁石を提供することが求められている。
その結果、R−T−B系磁石用合金粉末の成形体を焼結する際に、焼結炉のチャンバー内に、成形体とともに粒界相成分を含む合金材料を配置して焼結することにより、保磁力が向上することを見出した。
この場合、焼結時に合金材料から成形体に、主相よりRを多く含む粒界相成分が供給される。成形体に供給された粒界相成分は、R2Fe14Bの組成を有する主相粒子の周囲に拡散する。その結果、焼結後に得られたR−T−B系磁石は、主相粒子を取り囲む粒界相によって、主相粒子が孤立された状態になる。このようなR−T−B系磁石では、主相粒子の孤立により磁区の反転が抑制される。このため、優れた保磁力が得られる。
本発明者らは、上記の知見に基づいて、本発明を想到した。
(2) 前記第1合金が、Cuを0.05〜0.2原子%含むことを特徴とする(1)に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(3) 前記第1合金が、Alおよび/またはGaである金属元素Mを0〜1.6原子%含むことを特徴とする(1)または(2)に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(5) 前記第1合金が、Rを13.5〜17原子%含み、Dyを含有しないものであることを特徴とする(4)に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(6) 前記第2合金が、Cuを0.05〜0.2原子%含むことを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(7) 前記第2合金が、Alおよび/またはGaである金属元素Mを0〜1.6原子%含むことを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(8) 前記第2合金の、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(10) 前記第2合金が、R2T14Bの組成を有する主相と、主相よりもRを多く含む粒界相により構成され、前記第2合金に含まれる前記粒界相の量が6質量%以上15質量%未満であることを特徴とする(1)〜(9)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(11) 前記焼結工程において、800〜1150℃の温度で、30〜180分間焼結を行うことを特徴とする(1)〜(10)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
(13) 前記R−T−B系希土類焼結磁石が、Cuを0.05〜0.2原子%含むことを特徴とする(12)に記載のR−T−B系希土類焼結磁石。
(14) 前記R−T−B系希土類焼結磁石が、Alおよび/またはGaである金属元素Mを0〜1.6原子%含むことを特徴とする(12)または(13)に記載のR−T−B系希土類焼結磁石。
(15) 前記R−T−B系希土類焼結磁石の、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であることを特徴とする(12)〜(14)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石。
(16) 前記粒界相が、希土類元素の合計原子濃度が70原子%以上のRリッチ相と、前記希土類元素の合計原子濃度が25〜35原子%である遷移金属リッチ相とを含むことを特徴とする(12)〜(15)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石。
(17) 外面から0.5mm以上内側の位置の前記単位面積当たりの粒界相の面積の割合が、10〜20%であることを特徴とする(12)〜(16)のいずれかに記載のR−T−B系希土類焼結磁石。
〔R−T−B系磁石〕
本実施形態のR−T−B系希土類焼結磁石(以下、「R−T−B系磁石」と略記する。)は、本発明のR−T−B系磁石の製造方法を用いて製造したものである。
本実施形態のR−T−B系磁石は、希土類元素であるRと、Feを必須とする遷移金属であるTと、Alおよび/またはGaである金属元素Mと、Bと、Cuおよび不可避不純物からなる組成を有している。本実施形態のR−T−B系磁石は、Rを11〜20原子%含み、Bを4.5〜6原子%含み、Mを0〜1.6原子%含み、Tが残部であり、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であるものである。本実施形態のR−T−B系磁石は、上記元素に加えてZrおよび/またはNbを0.05〜1.0原子%含んでもよい。
金属元素Mの含有量を0.1原子%以上とすることで、R−T−B系磁石を製造する工程において、遷移金属リッチ相が生成しやすくなる。遷移金属リッチ相が生成することで、後述するように、保磁力向上効果が得られる。
Al原子が主相に入ると、残留磁化の低下が起こる。金属元素MがAlである場合、Alの含有量を1.6原子%以下とすることで、R−T−B系磁石を製造する工程において、Al原子が主相に入っても、残留磁化の低下量を許容範囲内にすることができる。
また、金属元素MがGaである場合、Gaは主相には入らず、遷移金属リッチ相に入りやすいため、好ましい。金属元素MがGaである場合、1.6原子%を超えて含有させても、保磁力向上効果は飽和し、それ以上保磁力は向上しない。
本実施形態のR−T−B系磁石においては、粒界相が、希土類元素Rの合計原子濃度が70原子%以上のRリッチ相と、希土類元素Rの合計原子濃度が25〜35原子%である遷移金属リッチ相とを含むものであることが好ましい。
ここで、粒界相面積率とは、磁石の断面を観察して、単位面積当たりに粒界相が占める面積を算出したものである。
粒界相面積率が高いほど、主相粒子を取り囲む粒界相によって主相粒子が孤立しやすくなり、高い保持力が得られる。外面から0.5mm以上内側の位置の粒界相面積率は10%以上であることが好ましく、12%以上であることがより好ましい。また、粒界相は、非磁性あるいは主相に比較して磁性が弱いため、粒界相面積率が高いほど磁化が低下する。そのため、外面から0.5mm以上内側の位置の粒界相面積率は20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。
本実施形態のR−T−B系磁石の製造方法では、まず、焼結前の成形体の材料として使用するR−T−B系磁石用合金である第1合金を用意する。
第1合金は、希土類元素であるRと、Feを必須とする遷移金属であるTと、Alおよび/またはGaである金属元素Mと、Bと、Cuおよび不可避不純物からなる。第1合金は、Rを11〜17原子%含み、Bを4.5〜6原子%含み、Mを0〜1.6原子%含み、Tが残部であり、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であるものである。第1合金は、上記元素に加えて、ZrまたはNbを0.05〜1.0原子%含んでもよい。
金属元素Mの含有量を0.1原子%以上とすることで、R−T−B系磁石を製造する工程において、遷移金属リッチ相が生成しやすくなる。遷移金属リッチ相が生成することで、保磁力向上効果が得られる。
Al原子が主相に入ると残留磁化の低下が起こる。金属元素MがAlである場合、Alの含有量を1.6原子%以下とすることで、R−T−B系磁石を製造する工程においてAl原子が主相に入っても、残留磁化の低下量を許容範囲内にすることができる。
また、金属元素MがGaである場合、Gaは主相には入らず、遷移金属リッチ相に入りやすいため、好ましい。金属元素MがGaである場合、1.6原子%を超えて含有させても、保磁力向上効果は飽和し、それ以上保磁力は向上しない。
第2合金は、希土類元素であるRと、Feを必須とする遷移金属であるTと、Alおよび/またはGaである金属元素Mと、Bおよび不可避不純物からなる。第2合金は、Rを11〜20原子%含み、Bを4.5〜6原子%含み、Mを0〜1.6原子%含み、Tが残部であり、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であるものである。
第2合金は、上記元素に加えて、ZrまたはNbを0.05〜1.0原子%含んでもよい。第2合金は、上記元素に加えて、Cuを0.05〜0.2原子%含んでもよい。
第2合金中の粒界相の量は、第2合金の組成から計算できる。具体的には、主相の組成はR2T14Bなので、合金中の主相の量はBの含有量により決定され、残りが粒界相となる。
次に、上述した第1合金の組成を有する鋳造合金薄片を、例えば、以下に示す方法を用いて製造する。なお、上述した第2合金の組成を有する鋳造合金薄片は、第2合金の組成を有する合金溶湯を用いること以外は、第1合金の組成を有する鋳造合金薄片と同様にして製造できる。
本実施形態においては、例えば、1200℃〜1500℃の温度で、上述した組成を有する合金溶湯を調製する。次いで、得られた合金溶湯を、タンディッシュを用いて冷却ロールに供給して凝固させ、冷却ロールから400℃〜800℃で鋳造合金を離脱し、平均厚み0.15〜0.50mmの鋳造合金を得る。
このようにして得られた第2合金の組成を有する鋳造合金薄片は、このままチャンバー内に配置する合金材料として用いることができる。また、第2合金の組成を有する鋳造合金薄片は、第1合金の組成を有する鋳造合金薄片と同様に、粉末状に粉砕した後、合金材料として用いてもよい。本実施形態において用いる合金材料の形状は、特に限定されるものではない。
水素解砕法は、例えば、以下の手順で行われる。まず、室温で鋳造合金薄片に水素を吸蔵させる。次いで、水素を吸蔵させた鋳造合金薄片を、水素中で300℃程度の温度で熱処理する。その後、減圧して500℃程度の温度で熱処理して、鋳造合金薄片中の水素を除去する。水素解砕法において水素が吸蔵された鋳造合金薄片は、体積が膨張するので、合金内部に多数のひび割れ(クラック)が発生し、容易に解砕される。
本実施形態においては、R−T−B系合金である第1合金の粉末に、潤滑剤として0.02質量%〜0.03質量%のステアリン酸亜鉛を添加し、横磁場中成形機などを用いてプレス成形して成形体を形成する(成形工程)。
その後、第1合金の粉末の成形体と第2合金の合金材料とを焼結炉のチャンバー内に配置して焼結することにより、成形体を焼結体とする(焼結工程)。
第2合金の合金材料は、チャンバー内に配置されていればよく、成形体に接して配置されていてもよいし、成形体と離間して配置されていてもよい。
焼結後の熱処理は、R−T−B系磁石の主相表面を粒界相によって均一に被覆するために、必要に応じて行う。熱処理温度は1段階でも良いし、2段階でも良い。2段階の場合、例えば、第1段階として600〜850℃の温度での熱処理を行い、第2段階として300〜600℃の温度で熱処理を行うことができる。第1段階および第2段階それぞれにおける熱処理時間は30〜180分であることが好ましい。
このようなR−T−B系磁石は、磁石中における粒界相の割合が均一であるため、保磁力のばらつきが小さく、主相粒子を取り囲む粒界相によって主相粒子が孤立されていることにより、優れた保磁力が得られる。したがって、モーターなどに好適に用いることができる。
Ndメタル(純度99wt%以上)、Prメタル(純度99wt%以上)、Dyメタル(純度99wt%以上)、Coメタル(純度99wt%以上)、フェロボロン(Fe80%、B20w%)、鉄塊(純度99%wt以上)、Gaメタル(純度99wt%以上)、Alメタル(純度99wt%以上)、Cuメタル(純度99wt%)、Zrメタル(純度99wt%以上)を表1に示す合金1〜8の組成となるように秤量し、アルミナるつぼに装填した。なお、表1において「TRE」は、希土類元素の合計を示す。また、Feの組成「bal.」は残部を意味する。また、表1に示すC、O、Nは、原料に含まれる不可避不純物である。
合金2の鋳造合金薄片の反射電子像を図1に示す。図1に示す反射電子像は、鋳造合金薄片を樹脂に埋込み、鏡面研磨した断面を反射電子像にて500倍の倍率で観察したものである。
また、実験例51〜54の成形体については、成形体のみを焼結炉のチャンバー内に配置して焼結することにより、焼結体とした。
焼結後、合金材料をチャンバーから除去した。その後、アルゴン雰囲気中で第1段階の熱処理として800℃、第2段階の熱処理として500℃で、それぞれ1時間保持する熱処理を行って、実験例1〜12、51〜54のR−T−B系磁石を作製した。
その結果、実験例1〜12では、黒色の主相粒子の粒界に白色のRリッチ相と薄い灰色の遷移金属リッチ相とが存在していることが分かった。
図2に示すように、実験例3のR−T−B系磁石においては、主相粒子を取り囲む粒界相によって主相粒子が孤立された状態になっていた。
これに対し、図3に示す実験例51のR−T−B系磁石においては、実験例3のR−T−B系磁石と比較して、主相粒子の輪郭がはっきりしておらず、複数の主相粒子が接触している状態であった。
また、成形体と合金材料の両方に合金2を用いた実験例8のR−T−B系磁石では、合金材料を用いずに合金2からなる成形体を焼結した実験例52のR−T−B系磁石と比較してTREが多くなっている。
また、成形体と合金材料の両方に合金7を用いた実験例12のR−T−B系磁石では、合金材料を用いずに合金7からなる成形体を焼結した実験例54のR−T−B系磁石と比較してTREが多くなっている。
これらの結果から、合金材料を焼結炉のチャンバー内に配置して成形体を焼結することにより、合金材料から成形体に粒界相成分が供給されたことが分かる。
また、表3および図5より、実験例7〜11のR−T−B系磁石は、実験例52のR−T−B系磁石と比較して、保磁力が高く、残留磁化が低いという結果になった。
表3および図6より、実験例12のR−T−B系磁石は、実験例54のR−T−B系磁石と比較して、保磁力が高く、残留磁化が低いという結果になった。
以上の様に、成形体と合金材料とを、焼結炉のチャンバー内に配置して焼結することにより、R−T−B系磁石の保磁力を向上させることができるという結果が得られた。
粒界相面積率の測定は、次の様に行った。R−T−B系磁石をそれぞれエポキシ樹脂に埋込み、磁化容易軸(C軸)に平行な面を削りだし、鏡面研磨した。この鏡面研磨面を反射電子像にて1500倍の倍率で観察し、そのコントラストにより主相、Rリッチ相、遷移金属リッチ相を判別した。このあと、画像解析ソフトウェアにより、Rリッチ相と遷移金属リッチ相の面積を測定し、それらの合計の面積を観察視野の面積で割ることにより、粒界相面積率を算出した。
図7は、実験例3のR−T−B系磁石の下面からの距離と、粒界相面積率との関係を示したグラフである。図8は、実験例3のR−T−B系磁石の中心から側面までの距離と、粒界相面積率との関係を示したグラフである。なお、図7および図8には、比較のために実験例51の粒界相面積率も示している。
Claims (11)
- 第1合金の粉末の成形体を形成する成形工程と、
前記成形体と第2合金の鋳造合金薄片とを焼結炉のチャンバー内に配置して焼結することにより、前記成形体を焼結体とする焼結工程とを備え、
前記第1合金が、希土類元素であるRと、Feを必須とする遷移金属であるTと、Bと、Cuおよび不可避不純物からなり、Rを11〜17原子%含み、Bを4.5〜6原子%含み、Tが残部であり、
前記第2合金が、希土類元素であるRと、Feを必須とする遷移金属であるTと、Bおよび不可避不純物からなり、Rを11〜20原子%含み、Bを4.5〜6原子%含み、Tが残部であることを特徴とするR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。 - 前記第1合金が、Cuを0.05〜0.2原子%含むことを特徴とする請求項1に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第1合金が、Alおよび/またはGaである金属元素Mを0〜1.6原子%含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第1合金の、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第1合金が、Rを13.5〜17原子%含み、Dyを含有しないものであることを特徴とする請求項4に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第2合金が、Cuを0.05〜0.2原子%含むことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第2合金が、Alおよび/またはGaである金属元素Mを0〜1.6原子%含むことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第2合金の、全希土類元素中のDyの割合が0〜29原子%であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第2合金が、Rを13.5〜17原子%含み、Dyを含有しないものであることを特徴とする請求項8に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記第2合金が、R2T14Bの組成を有する主相と、主相よりもRを多く含む粒界相により構成され、前記第2合金に含まれる前記粒界相の量が6質量%以上15質量%未満であることを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
- 前記焼結工程において、800〜1150℃の温度で、30〜180分間焼結を行うことを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載のR−T−B系希土類焼結磁石の製造方法。
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