JP6618836B2 - 希土類焼結磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、希土類焼結磁石の製造方法に関する。

通信機器や加速度センサ等の用途において、Ｓｍ−Ｃｏ（サマリウム−コバルト）系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ（ネオジム−鉄−ホウ素）系等の希土類焼結磁石が多く用いられている。このうち、両端が１０ｍｍよりも小さな小型の希土類焼結磁石については、円柱、円筒形、直方体等、用途に合わせて多様な形状及び寸法が求められる。一方で、これらの磁石のうち、搭載機器の需要から少量しか製造しない磁石においては、目的の形状の金型を作製して製造するとコストが見合わない場合がある。このような場合には、金型を用いず、より大きな焼結磁石のブロック体を切り出して加工することにより、所望の形状およびサイズに形成することが通常行われている。

この焼結磁石のブロック体は、溶解した合金を微粉砕することにより作られた希土類焼結磁石の原料粉末を、磁場中配向しプレス成形して、焼結及び時効熱処理等を行うことによって得ることができる。このプレス成形時、成形体の端部の位置で磁場の向きが傾いてしまうことにより、原料粉末の配向が傾いてしまう。このようにしてできるブロック体は、端部において結晶粒の配向が理想的な方向からずれることにより、着磁後の磁化方向が曲がってしまう。

特に、Ｎ極とＳ極との磁場の境界である無着磁領域（ニュートラルゾーン）が、着磁方向と直角方向に正確に形成されずに、着磁方向に斜めに傾いてしまい、使用に適さない磁石となってしまう。このように、ニュートラルゾーンが傾く磁石しか得ることのできないブロック体の端部からは、小型の磁石を切り出し加工することができない。このため、一つのブロック体から取り出せる磁石が限られることにより、製造歩留まりの低下を引き起こしている。

このような磁化方向の曲がりを改善するために、例えば、プレス成形に用いる金型を磁性材料とすることにより、プレス成形時における磁化方向の曲がりを改善することが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）

特開平９−３５９７７号公報

しかしながら、金型を構成するダイやパンチに磁性材料を用いた場合、原料粉と直接接触することから、原料粉がダイやパンチに付着しやすくなり、ブロック体自体の歩留まりが充分ではなくなる問題も生じてしまう。
本発明は、このような問題に鑑み、磁化方向の安定した小型磁石を提供すること、及び、このような小型磁石を歩留まりよく製造する方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決する構成として、以下の構成を有する。
本発明における希土類焼結磁石の製造方法は、ダイと、上パンチと、下パンチとからなる金型のキャビティに充填された原料粉末に横磁場を印加しプレス成形することにより成形体を作製し、次いで、該成形体に熱処理を施した後、複数個切り出し、さらに所定の形状に加工することにより作製する希土類焼結磁石の製造方法において、前記上パンチ及び前記下パンチの内部に、磁性体が配置され、前記プレス成形において、前記キャビティの端部における横磁場の配向が前記キャビティの高さ方向の中心部における横磁場の配向と平行に保たれていることを特徴とする。
本発明によれば、プレス成形時に金型のキャビティの上下の位置に配置されるように、上パンチ及び下パンチの内部に磁性体が設けられている。この磁性体により、プレス成形時にブロック成形体の端部の位置における磁場方向を、キャビティの上下方向中央と同様に平行に保つことができる。これにより、ブロック成形体の端部の位置から切り出される小型磁石の着磁後のニュートラルゾーンを水平に形成することができ、製造歩留まりを向上することができる。

本発明における希土類焼結磁石の製造方法において、前記ダイ、前記上パンチ、及び前記下パンチは、少なくとも前記原料粉末と接する箇所が非磁性の超硬合金からなることを特徴とする。
本発明によれば、金型を構成するダイ、上パンチ、及び下パンチを、磁性体から直接構成せずに、非磁性の超硬合金を含む材料から作製し、内部に磁性体を収納する構成とする。これにより、プレス成形時に原料粉末の金型への付着を抑制することができる。

本発明における希土類焼結磁石の製造方法において、前記磁性体は、プレス成形時に磁場を印加するためのポールピースの高さの位置に揃うように前記上パンチ及び前記下パンチの内部に配置されることを特徴とする。
本発明によれば、上パンチ及び下パンチの内部に収納する磁性体の大きさを必要最小限とすることができる。これにより、上パンチ及び下パンチの強度を充分保つことができる。

本発明における希土類焼結磁石の製造方法において、前記磁性体は、前記原料粉末と同一もしくは近似する組成の合金を含む磁石であることを特徴とする。
本発明によれば、作製する希土類焼結磁石と同一もしくは近似する組成の磁石を上パンチ及び下パンチの内部に収納する磁性体として用いることにより、プレス成型時の配向磁場を適切に設定することができる。

本発明における希土類焼結磁石の製造方法によれば、磁化方向の安定した所望の大きさのブロック形状の成形体を作製することができる。これにより、少量多品種の超小型の焼結磁石を歩留まりよく提供することができる。

本発明の実施形態を示す、磁場中プレス成形装置の主要部を示す断面図である。 本発明の実施形態を示す、金型と磁性体との位置関係の詳細を示す断面図である。 本発明の製造方法により作製した希土類焼結磁石の一例を示す図である。

（本発明の概要）
以下、本発明における希土類焼結磁石の製造方法について、図面を用いながら詳細に説明する。
本発明における希土類焼結磁石の製造方法は、原料となる磁石粉末を得る原料工程、ダイと、上パンチと、下パンチとからなる金型中に原料の磁石粉末を充填させる充填工程、この金型中の磁石粉末を磁場中でプレス成形し、成形体であるブロック体を得る成形工程と、ブロック体に対する熱処理工程、熱処理後のブロック体を必要なサイズに切り出し所望の形状に加工する加工工程、の各工程から構成される。

ここで、上記工程のうち主要な工程である充填工程及び成形工程において用いる磁場中プレス成形装置の主要部について、図１を用いて説明する。図１に示す磁場中プレス成形装置１は、成形する磁石の側面方向のサイズを規定するダイ２、上下方向のサイズを規定する上パンチ３及び下パンチ４、横磁場を印加するためのポールピース５及びコイル６から構成される。そして、上記成形工程のプレス成形時には、磁石粉末を収容するために、ダイ２と、上パンチ３と、下パンチ４とで作られる空間であるキャビティ７が形成される。このキャビティ７の大きさは、ダイ２により平面視形状が規定され、上パンチ３と下パンチ４とで高さが規定される。

本発明のプレス成形時には、キャビティ７内に磁石粉末が充填される。そして、ポールピース５及びコイル６により、図１のＮからＳに向かって横方向に磁場を印加する。この磁場中で磁粉を配向させながら上パンチ３及び下パンチ４を上下動させ磁粉を圧縮成形する。これにより、所定の厚さ及び平面視形状を有するブロック体を成形することができる。

本発明は、特に、この上パンチ３及び下パンチ４の内部に磁性体８を配置することにより、上記成形工程のプレス成形時にキャビティ７内の磁場配向をキャビティ７の端部においても平行に保つことができることに特徴を有している。

（金型）
次に、本発明における希土類焼結磁石の充填工程及び成形工程において用いる金型の詳細について説明する。
図２に示す金型のうち、上パンチ３及び下パンチ４の内部には空間が形成されている。この空間に磁性体８が収容され、さらにこの磁性体８を金型内に閉じ込めておくための封止材９が収容されている。

本発明において、ダイ２、上パンチ３、及び下パンチ４はそれぞれ、超硬合金や合金工具鋼鋼材等、プレス成形で用いられる金型の一般的な材料で形成されている。特に、少なくとも原料粉末と接するキャビティ７側に露出する箇所については、非磁性の超硬合金を用いることにより、成形後の磁粉の金型への付着を抑制することができ、歩留まりを保つことができるためより好ましい。非磁性の超硬合金としては、例えば、ＷＣ−Ｎｉ合金、ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ合金等が挙げられるが、これに限られない。

また、上パンチ３及び下パンチ４と組合される封止材９については、上パンチ３及び下パンチ４で用いる合金から構成されている。この封止材９は、金型内に磁性体８を埋め込んだ後、その外側から嵌め込まれ、溶接やロウ付け等により上パンチ３及び下パンチ４のそれぞれと一体化されるものである。また、図示しないが、封止材９を用いる代わりに、上パンチ３及び下パンチ４を複数の部品で構成し、磁性体８をこの複数の部品の間に挟みながら内部に収容し、これらを溶接やロウ付けやネジ止め等により一体的に形成してもよい。

（磁性体）
次に、本発明で用いる磁性体８について、詳細に説明する。
本発明は、上パンチ３及び下パンチ４の内部に磁性体を配する構成となっていることに特徴を有している。このような構成により、プレス成形時にキャビティ７における磁場配向を、キャビティ７の中心部だけでなく端部でも平行に保つことができる。

上述したように、この磁性体８は、図２に示す上パンチ３及び下パンチ４の内部に収容されている。本発明においては、パンチやダイに磁性体を用いたり、パンチの先端に原料粉末と接するように磁性体を配置したりすることがないため、パンチやダイに磁化が残留することなく、原料粉末の付着を防止することができ、製造歩留まりを向上させることができる。

磁性体８は、上パンチ３及び下パンチ４の内部に配置されていればよく、サイズ及び配置される位置はどのようなものであってもよい。ただし、プレス成形時に磁場配向をキャビティ７の全体にわたり平行に保つために、上パンチ３及び下パンチ４の内部のうち、キャビティ７に近接する箇所に磁性体８が形成されている必要がある。特に、磁性体８が、プレス成形時にポールピース５の高さ位置（図２の破線Ａの位置）に収まるように、上パンチ３及び下パンチ４の内部に形成されていれば好ましい。また、磁性体８の端部の位置が、このポールピース５の高さ（図２の破線Ａの位置）と揃っていることがより好ましい。このような態様であれば、必要最小限の構成で磁場配向を平行に保つことができることに加えて、コストを最小とし、上パンチ３及び下パンチ４の強度を保つことができる。

磁性体８は、キャビティ７における磁場配向を平行に保つことができる磁気特性を有する種々の材料を用いることができる。特に、磁性体８が、本発明の実施態様により作製される希土類焼結磁石と同一若しくは近似する組成の合金を含んでいれば、磁気特性も近似するため、キャビティ７の最外部における配向磁場を平行に形成することができる。ここで、近似する組成とは、磁性体８を構成する磁石の組成がＳｍ₂Ｃｏ₁₇であるのに対し、作製される希土類焼結磁石に更にＦｅ、Ｚｒ等の微量元素が１質量％未満添加される場合や、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇の一部がＹ等の他の希土類元素に置き換えられた組成の希土類焼結磁石等を作製する場合等を指すものである。例えば、磁性体８を、作製する希土類焼結磁石１と同じ原料粉末を用いて作製される焼結磁石とした場合、この磁性体８を収容した上パンチ３及び下パンチ４を用いて、組成のうち微量元素の構成のみが異なる他の希土類焼結磁石をプレス成形してもよい。

また、磁性体８は、ＳｍＣｏ₅や、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇等のＲ−Ｃｏ（希土類−コバルト）系焼結磁石であることが好ましい。これらの材料からなる焼結磁石であれば、フェライト磁石やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石よりも耐食性に優れていることから、上パンチ３及び下パンチ４の耐久性を確保することができる。
焼結磁石で構成された磁性体８は、上パンチ３及び下パンチ４の内部空間との埋め込みを容易とするために、パンチと磁性体のそれぞれに面取りやＲを形成してもよい。

上記実施形態では、磁性体８が希土類焼結磁石で構成される態様について示したが、これに限られず、希土類磁石の粉末を含むボンド磁石からなる磁性体８とすることができる。この場合、磁性体８として焼結磁石を用いないことにより、焼結磁石に対する切削などの加工を経ることなく簡易的に磁石の埋め込みを行うことができる点において好ましい。

具体的には次のようにして、上パンチ３及び下パンチ４にボンド磁石からなる磁性体８を配置することができる。まず、磁石粉末及び樹脂バインダーの混合物からなるボンド磁石の原料を上パンチ３及び下パンチ４の内部に形成された空間内８に埋め込み、これを樹脂の硬化温度に合わせて加熱することによりボンド磁石を固定する。次いで、封止材９をさらに上パンチ３及び下パンチ４に埋め込み一体化させる。さらに、この上から磁場を印加することにより、ボンド磁石からなる磁性体８を磁化する。

（希土類焼結磁石）
次に、本発明において製造する希土類焼結磁石について図３に示す。
本発明の製造方法により作製される希土類焼結磁石１０は、着磁後にＮ極１１となる部分とＳ極１２となる部分との間に生じる境界領域である無着磁領域（ニュートラルゾーン）１３を有している。ここで、Ｎ極１１とＳ極１２とが上下に配置されるよう希土類焼結磁石１０の向きを規定したとき、この無着磁領域１３に傾きがなく水平に形成されていれば、センサ等使用する機器の要求する精度に対応することができる。

希土類焼結磁石１０の形状は、図３に示す円柱形状のほか、円筒形や直方体等、種々の形状とすることができる。
また、本発明における希土類焼結磁石の種類は特に限られず、Ｓｍ−Ｃｏ系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の材料を用いることができる。このうち特に、ＳｍＣｏ₅や、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系等のＳｍ−Ｃｏ系希土類焼結磁石は、キュリー温度が高く高温特性に優れていることから、高温環境下における使用に特に適しており、好ましい態様といえる。

（希土類焼結磁石の製造方法）
ここで、本発明における希土類焼結磁石の製造方法の各工程について詳述する。
（原料工程）
本発明において製造する希土類焼結磁石の原料粉末は、次のようにして得られる。まず、目的の組成に対応するサマリウム及びコバルト、また必要に応じ添加される微量元素の金属とからなる各原料を配合し、真空溶解炉等を用いて加熱溶解し合金を作製する。次いで、得られた合金を粗粉砕した後、ジェットミル等を用いて最大長が数μｍ程度の粒径となるまで微粉砕することにより、目的とする原料粉末を得る。
また、必要に応じて、この原料粉末にステアリン酸塩等の離型剤を適宜添加し混合してもよい。

（充填工程）
上記の原料工程により作製した原料粉末を、図１に示す磁場中プレス成形装置を構成するダイ２、上パンチ３、下パンチ４からなる金型内に充填する。まず、ダイ２及び下パンチ４を用いて凹状の空間を形成し、これに擦り切りにより必要な原料粉末を充填する。その後、下パンチ４の位置を下げ、上パンチ３をこの凹状の空間内に押し込むことにより、キャビティ７内に原料粉末が充填された状態となる。
このキャビティ７は一つの辺が１００ｍｍ以下の直方体とすることが好ましく、例えば一辺が２０〜４０ｍｍの直方体とすることができる。

（成形工程）
次に、この原料粉末を、磁場中で成形する。
ダイ２の側方から、ポールピース５を用いて横磁場を印加しながら、上パンチ３と下パンチ４とを近接させ、原料粉末をプレス成形させる。このとき、原料粉末は、水平方向に配向した状態で圧縮される。

上パンチ３と下パンチ４のそれぞれの内部に埋め込まれる磁性体８の寸法は、例えば、キャビティ７が縦×横×高さが４０×３０×４０ｍｍの直方体の場合、上パンチ３及び下パンチ４内に埋め込まれる磁石は、３０×２０×２０ｍｍとすることができる。この埋め込まれる磁石の寸法は、作製する希土類焼結磁石の寸法、上下パンチの強度等によって適宜定めることができる。特に、プレス成形時に側方から磁場を印加するポールピース５の外周の大きさによって、このポールピース５の終端と、埋め込まれる磁石の最外の端部とが略等しければ、ポールピース５による磁化方向を略平行とすることができる。
このようにして、原料粉末をプレス成形した成形体を作製する。

（熱処理工程）
さらに、この成形体を融点よりも高い温度で加熱することにより焼結する。例えば、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石の成形体であれば、１２００℃程度に加熱する。その後、時効熱処理することにより、ブロック体を作製する。

（加工工程）
最後に、上記熱処理工程によって得られたブロック体を所望のサイズに切り出し、切削等により必要な形状に加工することにより、目的の形状の磁石を得ることができる。この磁石の形状は、直方体、円柱、円筒形状等、種々の形状とすることができる。好ましい寸法としては、例えば外寸１０ｍｍ以下とすることができる。

１…磁場中プレス成形装置
２…ダイ
３…上パンチ
４…下パンチ
５…ポールピース
６…コイル
７…キャビティ
８…磁性体
９…封止材
１０…希土類焼結磁石
１１…Ｎ極
１２…Ｓ極
１３…無着磁領域（ニュートラルゾーン）

Claims (2)

1. ダイと、上パンチと、下パンチとからなる金型のキャビティに充填された原料粉末にポールピースを用いて横磁場を印加しながらプレス成形することにより成形体を作製し、次いで、前記成形体を熱処理した後、複数個切り出し、さらに所定の形状に加工することにより作製する希土類焼結磁石の製造方法において、
   前記ダイ、前記上パンチ、及び前記下パンチは、少なくとも前記原料粉末と接する箇所が非磁性の超硬合金からなり、
   前記上パンチ及び前記下パンチの内部に、前記原料粉末と同一もしくは近似する組成の合金を含む焼結磁石からなる磁性体が配置され、
   前記プレス成形において、前記キャビティに近接し、かつ、前記ポールピースの高さ位置に収まるように前記磁性体を配置することで、前記キャビティの端部における横磁場の配向が前記キャビティの高さ方向の中心部における横磁場の配向と平行に保たれていることを特徴とする希土類焼結磁石の製造方法。
2. 前記磁性体は、プレス成形時に端部の位置が前記ポールピースの高さ位置に揃うように、前記上パンチ及び前記下パンチの内部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の希土類焼結磁石の製造方法。

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