JPWO2011081170A1 - 耐食性磁石およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の課題は、リン酸塩被膜などの従来の化成被膜よりも耐食性に優れた化成被膜を表面に有するR−Fe−B系焼結磁石およびその製造方法を提供することである。その解決手段としての本発明の化成被膜を表面に有するR−Fe−B系焼結磁石は、R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を有することを特徴とする。

Description

本発明は、耐食性が付与されたR−Fe−B系焼結磁石およびその製造方法に関する。
Nd−Fe−B系焼結磁石に代表されるR−Fe−B系焼結磁石は、高い磁気特性を有していることから、今日様々な分野で使用されている。しかしながら、R−Fe−B系焼結磁石は反応性の高い希土類元素: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、磁石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。
R−Fe−B系焼結磁石に対して耐食性を付与する方法は種々知られているが、その中に、磁石の表面に対して化成処理を行って化成被膜を形成する方法がある。例えば特許文献1には、リン酸塩被膜を化成被膜として磁石の表面に形成する方法が記載されており、この方法は、磁石に対して簡易に必要な耐食性を付与するための簡易防錆法として広く採用されている。
特公平4−22008号公報
しかしながら、特許文献1に記載されているようなR−Fe−B系焼結磁石の表面に化成被膜を直接的に形成する方法は、これまで簡易防錆法の域を出るものではなく、腐食を招きやすい環境下においては、磁粉の脱粒を起こしやすく、また外部応力によって磁石の割れが起こる場合もあることから、より耐食性に優れた化成被膜を形成する方法の開発が望まれていた。
そこで本発明は、リン酸塩被膜などの従来の化成被膜よりも耐食性に優れた化成被膜、具体的には、例えば、プレッシャークッカーテストなどの耐食性試験を行っても磁粉の脱粒を防ぐことができる化成被膜を表面に有するR−Fe−B系焼結磁石およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の点に鑑みてなされた本発明の耐食性磁石は、請求項1記載の通り、R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を有することを特徴とする。
また、請求項2記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、内側層のフッ素含量が1原子%〜20原子%であることを特徴とする。
また、請求項3記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、外側層のZr含量が5原子%〜60原子%であることを特徴とする。
また、請求項4記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、内側層が構成元素としてFeをさらに含有することを特徴とする。
また、請求項5記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、外側層が構成元素としてRをさらに含有することを特徴とする。
また、請求項6記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、化成被膜の膜厚が10nm〜200nmであることを特徴とする。
また、請求項7記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、内側層の厚みが2nm〜70nmであることを特徴とする。
また、請求項8記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、外側層の厚みが5nm〜100nmであることを特徴とする。
また、請求項9記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、内側層と外側層の間に中間層を含むことを特徴とする。
また、請求項10記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、化成被膜の表面に樹脂被膜を有することを特徴とする。
また、請求項11記載の耐食性磁石は、請求項1記載の耐食性磁石において、磁石がその表面にRと酸素を含む化合物で構成される層を有していることを特徴とする。
また、本発明の耐食性磁石の製造方法は、請求項12記載の通り、R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を形成することを特徴とする。
また、請求項13記載の製造方法は、請求項12記載の製造方法において、少なくともZrおよびフッ素を含有する水溶液に磁石を浸漬し、液中で磁石を上下および/または左右に揺動させることを特徴とする。
また、請求項14記載の製造方法は、請求項12記載の製造方法において、磁石に対して450℃〜900℃の温度範囲で熱処理を行った後に化成被膜を形成することを特徴とする。
また、請求項15記載の製造方法は、請求項14記載の製造方法において、耐熱性ボックスに磁石を収容して熱処理を行うことを特徴とする。
本発明によれば、リン酸塩被膜などの従来の化成被膜よりも耐食性に優れた化成被膜を表面に有するR−Fe−B系焼結磁石およびその製造方法を提供することができる。
実施例1における主相の上部の断面写真である。 同、粒界相の上部の断面写真である。 同、主相の上部に形成された化成被膜の外側層と粒界相の上部に形成された化成被膜の外側層の電子線回折像である。 実施例4における熱処理層の上部の断面写真である。 同、熱処理層の上部に形成された化成被膜の外側層の電子線回折像である。
本発明の耐食性磁石は、R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を有することを特徴とするものである。以下、R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)を単に「R−Fe−B系焼結磁石」や「磁石」と記することもある。
本発明において処理対象となるR−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)としては、例えば、切削加工や研削加工などの表面加工を行うことで所定寸法の形状に調整された段階のものが挙げられる。
R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を形成する方法としては、例えば、少なくともZrおよびフッ素を含有する水溶液を処理液として、これを磁石の表面に塗布した後、乾燥する方法が挙げられる。処理液の具体例としては、フルオロジルコニウム酸(HZrF)、フルオロジルコニウム酸のアルカリ金属塩やアルカリ土類金属塩やアンモニウム塩などのようなZrおよびフッ素を含む化合物を水に溶解して調製されたもの(さらにフッ化水素酸などを添加してもよい)が挙げられる。処理液のZr含量は、金属換算で1ppm〜2000ppmが望ましく、10ppm〜1000ppmがより望ましい。含量が1ppmよりも少ないと化成被膜を形成できないおそれがあり、2000ppmよりも多いとコストの上昇を招くおそれがあるからである。また、処理液のフッ素含量は、フッ素濃度で10ppm〜10000ppmが望ましく、50ppm〜5000ppmがより望ましい。含量が10ppmよりも少ないと磁石の表面が効率良くエッチングされないおそれがあり、10000ppmよりも多いとエッチング速度が被膜形成速度よりも速くなり、均一な被膜形成が困難になるおそれがあるからである。処理液は、ジルコニウムテトラクロライド、Zrの硫酸塩や硝酸塩などのフッ素を含まないZr化合物と、フッ化水素酸、フッ化アンモニウム、フッ化水素アンモニウム、フッ化ナトリウム、フッ化水素ナトリウムなどのZrを含まないフッ素化合物を水に溶解して調製されたものであってもよい。なお、処理液には、化成被膜の構成元素であるRとFeの供給源が含まれていてもよいし含まれていなくてもよい。これらの元素は、化成処理の過程で、R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面がエッチングされることで磁石から溶出し、化成被膜に取り込まれるからである。処理液のpHは1〜6に調整することが望ましい。pHが1未満であると磁石の表面が過剰にエッチングされるおそれがあり、6を超えると処理液の安定性に影響を及ぼすおそれがあるからである。
処理液には上記の成分以外にも、化成処理反応性の向上、処理液の安定性の向上、化成被膜の磁石の表面への密着性の向上、磁石を部品に組み込む際に使用される接着剤との接着性の向上などを目的として、タンニン酸などの有機酸、酸化剤(過酸化水素、塩素酸およびその塩、亜硝酸およびその塩、硝酸およびその塩、タングステン酸およびその塩、モリブテン酸およびその塩など)、水溶性ポリアミド、ポリアリルアミンなどの水溶性樹脂などを添加してもよい。
処理液はそれ自体が保存安定性に欠ける場合、要時調製されるものであってもよい。本発明において使用可能な市販の処理液としては、日本パーカライジング社が提供する、パルシード1000MAとAD−4990から調製されるパルシード1000(商品名)が挙げられる。
R−Fe−B系焼結磁石の表面への処理液の塗布方法としては、浸漬法、スプレー法、スピンコート法などを用いることができる。塗布の際、処理液の温度は20℃〜80℃とすることが望ましい。該温度が20℃未満であると反応が進行しないおそれがあり、80℃を超えると処理液の安定性に影響を及ぼすおそれがあるからである。処理時間は、通常、10秒間〜10分間である。塗布方法として浸漬法を採用する場合、磁石の表面に化成被膜を均一に形成するためには、常に新鮮な処理液が磁石の表面に供給されるように、液中で磁石を上下および/または左右に揺動させることが望ましい。揺動の振幅は、例えば3cm〜8cmとし、また、両端位置では揺動を例えば3秒間〜20秒間停止させることが望ましい。液中での磁石の揺動は、液槽中で磁石自体を揺動させることで行ってもよいし、液槽を磁石に対して揺動させることで行ってもよい。
磁石の表面に処理液を塗布した後、乾燥処理を行う。乾燥処理の温度は、50℃未満であると十分に乾燥することができない結果、外観の悪化を招くおそれや、磁石を部品に組み込む際に使用される接着剤との接着性に影響を及ぼすおそれがあり、250℃を超えると形成された化成被膜の分解が起こるおそれがある。従って、該温度は、50℃〜250℃が望ましいが、生産性や製造コストの観点からは50℃〜200℃がより望ましい。なお、通常、乾燥処理時間は5秒間〜1時間である。磁石の表面に化成被膜を均一に形成するためには、乾燥処理を行う前に磁石を50℃〜70℃の温水で洗浄することが望ましい。また、洗浄後はエアブロアなどで磁石の表面に付着している水滴を除去することが、磁石の腐食の防止などの観点から望ましい。
本発明の耐食性磁石は、処理対象となるR−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)に対して事前に特別な人為的操作を行うことなく、その表面に所定の化成被膜を形成してなるものであってもよいが、処理対象となる磁石に対して所定の熱処理を行った後、その表面に所定の化成被膜を形成してなるものであってもよい。後者の耐食性磁石の開発の出発点は、リン酸塩被膜などの従来の化成被膜を表面に有するR−Fe−B系焼結磁石に対してプレッシャークッカーテストなどの耐食性試験を行った後に磁粉の脱粒が起こることの原因の1つとして、磁石表面の粒界相の直上における耐食性が十分でないということが挙げられるのではないかと考えたところにある。R−Fe−B系焼結磁石の表面は均一ではなく、主に主相(RFe14B相)と粒界相(R−rich相)で構成されている。このうち、主相は比較的安定した耐食性を有するが、粒界相は主相に比較して耐食性に劣ることが知られており、耐食性試験を行うと磁粉の脱粒が起こるのは、粒界相のRが磁石表面から溶出することを効果的に抑止できないことがその一因であると推察した。そこで、R−Fe−B系焼結磁石の表面を予め均質化してから化成被膜を形成すれば、磁石表面の粒界相が及ぼす耐食性への悪影響を回避できるとの考察から種々検討を行った結果、磁石に対して所定の温度範囲で熱処理を行うとその表面が均質化されること、その後に構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を形成することで磁石に対して優れた耐食性を付与できることを知見した。
処理対象となる磁石に対する熱処理は、例えば、450℃〜900℃の温度範囲で行うことが望ましい。このような温度範囲で熱処理を行えば、粒界相のRが磁石表面に染み出し、処理雰囲気中に存在する酸素ガスと反応して生成すると考えられるRと酸素を含む化合物(例えばNdなどのR酸化物)で構成される層が熱処理層として磁石表面に形成されることで、表面全体を効率的に均質化することができる。通常、この層のR含量は10原子%〜75原子%であり、酸素含量は5原子%〜70原子%である。この層の厚みは100nm〜500nmが望ましい。薄すぎると磁石表面の粒界相が及ぼす耐食性への悪影響を回避することが困難になる一方、厚すぎると生産性の低下を招くといったおそれがあるからである。熱処理は、処理雰囲気中に酸素ガスが多量に存在すると磁石の腐食を招くおそれがあるので、酸素ガスの存在量の低減化が図られた、1Pa〜10Pa程度の真空中や、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行うことが望ましい。処理時間は、通常、5分間〜40時間である。なお、処理対象となる磁石は、通常の磁石の製造工程に従えば、先に所望する磁気特性を保有させるための時効処理が行われたものであるが、この態様における熱処理に時効処理の目的を兼ね備えさせることで、所定寸法の形状に調整するための表面加工を行う前に時効処理を行うことを省略することができる。
本発明の耐食性磁石が有する化成被膜は、R−Fe−B系焼結磁石の表面に強固に密着しているので、膜厚が10nm以上であれば十分な耐食性を発揮する。化成被膜の膜厚の上限は限定されるものではないが、磁石自体の小型化に基づく要請や製造コストの観点から、200nm以下が望ましく、150nm以下がより望ましい。
前述したように、化成被膜を形成する磁石の表面は、事前に特別な人為的操作を行わない場合、主相(RFe14B相)と粒界相(R−rich相)で構成され(表面積の90%以上は主相である)、均一ではない。また、上記の熱処理を行った場合、磁石の表面は均一な熱処理層で構成される。これらの磁石の表面構成の相違によって各々の上部に形成される化成被膜の構造の詳細は異なるが、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造を有する(但しリンは含有しない)という点は共通する。通常、内側層のR含量は3原子%〜70原子%であり、フッ素含量は1原子%〜20原子%であり、酸素含量は3原子%〜60原子%である。内側層は処理液に含まれるフッ素の磁石の表面に対するエッチング作用に基づいて形成され、フッ素が磁石の構成元素であるRと化学的に安定なRフッ化物(NdFなど)を形成するなどして化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される(特に粒界相の上部ではこうして形成されたRフッ化物が粒界相を覆うように存在することで磁粉の脱粒や磁石の割れを防いでいると思われる)。また、Rは酸素と化学的に安定なR酸化物(Ndなど)を形成するなどして化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。内側層は構成元素としてFeをさらに含有していてもよい。事前に特別な人為的操作を行わない場合、粒界相の上部に形成された化成被膜の内側層のFe含量は15原子%未満であるが、主相の上部に形成された化成被膜の内側層のFe含量は50原子%以上であり非常に多い(上限は概ね75原子%)。主相の上部に形成された化成被膜の内側層に含まれるFeは酸素と化学的に安定なFe酸化物(FeOなど)を形成するなどして化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。内側層の厚みは2nm〜70nmであることが、内側層による化成被膜の耐食特性への寄与や生産性などの観点から望ましい。通常、外側層のZr含量は5原子%〜60原子%であり、Fe含量は1原子%〜20原子%であり、酸素含量は30原子%〜90原子%である。Zrを含む化合物としては、例えば耐食性に優れるZr酸化物が考えられるが、Zr酸化物の存在が化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。また、外側層に含まれるFeは酸素と化学的に安定なFe酸化物(FeOなど)を形成するなどして化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。外側層は構成元素としてRをさらに含有していてもよい。通常、主相と粒界相の上部に形成された化成被膜の外側層のR含量も、熱処理層の上部に形成された化成被膜の外側層のR含量も、ともに0.5原子%〜5原子%であるが、前者よりも後者の方がやや少ない傾向にある。外側層の厚みは5nm〜100nmであることが、外側層による化成被膜の耐食特性への寄与や生産性などの観点から望ましい。
磁石の表面に形成された化成被膜は、内側層と外側層の他に別の層をさらに含んでいてもよい。例えば、処理対象となる磁石に対して事前に特別な人為的操作を行うことなくその表面に化成被膜を形成した場合、主相の上部に形成された化成被膜は、内側層と外側層の間に内側層と外側層よりもR含量が多い中間層を含んでいてもよい。この中間層のR含量は10原子%〜50原子%であり、被膜中のRは被膜の中央に集積しているという特徴を有する。この中間層の酸素含量は10原子%〜70原子%と多いことからすれば、この中間層に含まれるRは酸素と化学的に安定なR酸化物(Ndなど)を形成するなどして化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。この中間層の厚みは3nm〜50nmであることが、この中間層による化成被膜の耐食特性への寄与や生産性などの観点から望ましい。また、主相の上部に形成された化成被膜は、上記の中間層とは異なる中間層として、Fe含量が多く(20原子%〜70原子%)、酸素含量も多い(5原子%〜40原子%)中間層を有していてもよい。この中間層に含まれるFeは酸素と化学的に安定なFe酸化物(FeOなど)を形成するなどして化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。この中間層の厚みは1nm〜25nmであることが、この中間層による化成被膜の耐食特性への寄与や生産性などの観点から望ましい。粒界相の上部に形成された化成被膜は、内側層と外側層の間に、R含量が外側層よりも2倍以上である層を中間層として有していてもよい。この層は透過型電子顕微鏡による観察で強いハレーションを起こすことから絶縁性を有しており、この特質も化成被膜の耐食特性に寄与していると推察される。この中間層の厚みは1nm〜20nmであることが、この中間層による化成被膜の耐食特性への寄与や生産性などの観点から望ましい。
なお、化成被膜の内側層と外側層はそれぞれ上記の構成元素以外の構成元素を含有していてもよく、内側層と外側層の間に上記の中間層以外の中間層を含んでいてもよい(但しリンは含有しない)。
処理対象となる磁石に対して上記の熱処理を行った後、その表面に化成被膜を形成してなる耐食性磁石において特筆すべき利点は、磁石に対する熱処理によって磁石表面に形成される熱処理層(Rと酸素を含む化合物で構成される層)の酸素含量を均一かつ適量とすることにより、その表面に耐食性に優れた化成被膜を形成することができることに加え、化成被膜を形成した後の他材との接着強度の向上を図ることができることである。この効果は、熱処理を行うことで、表面加工などによって磁石表面に生じた微細なクラックや歪みなどからなる加工劣化層が修復され、化成被膜と磁石との界面にかかる応力に耐えうる緻密な熱処理層によって磁石表面全体が均質化されることによる。熱処理層の酸素含量は8原子%〜50原子%が望ましく、15原子%〜45原子%がより望ましい。酸素含量が8原子%未満であると加工劣化層を十分に修復するに足る熱処理層の形成がなされないおそれがあり、50原子%を超えると熱処理層が脆弱化することで接着強度の向上がもたらされないおそれがある(酸素含量が8原子%未満であったり50原子%を超えたりしてもそのこと自体が耐食性に優れた化成被膜の形成に悪影響を及ぼすことはない)。熱処理層の酸素含量を均一かつ適量とするための簡便な方法としては、処理対象となる磁石をモリブデンなどの金属からなる耐熱性ボックス(上部に開口部を有する容器本体と蓋体から構成され、容器本体と蓋体との間で外部と通気可能なものが好適である)の内部に収容して熱処理を行う方法が挙げられる。このような方法を採用することで、熱処理装置の内部の昇温や雰囲気のばらつきなどの影響を処理対象となる磁石が直接的に受けることを阻止することが可能となり、酸素含量が均一かつ適量である熱処理層を磁石表面に形成することができる。
本発明において用いられるR−Fe−B系焼結磁石における希土類元素(R)は、少なくともNdを含み、Pr、Dy、Ho、Tb、Smのうち少なくとも1種を含んでいてもよく、さらに、La、Ce、Gd、Er、Eu、Tm、Yb、Lu、Yのうち少なくとも1種を含んでいてもよい。また、通常はRのうち1種をもって足りるが、実用上は2種以上の混合物(ミッシュメタルやジジムなど)を入手上の便宜などの理由によって用いることもできる。R−Fe−B系焼結磁石におけるRの含量は、10原子%未満であると結晶構造がα−Feと同一構造の立方晶組織となるため、高磁気特性、特に高い保磁力(Hcj)が得られず、一方、30原子%を超えるとRリッチな非磁性相が多くなり、残留磁束密度(B)が低下して優れた特性の永久磁石が得られないので、Rの含量は組成の10原子%〜30原子%であることが望ましい。
Feの含量は、65原子%未満であるとBrが低下し、80原子%を超えると高いHcjが得られないので、65原子%〜80原子%の含有が望ましい。また、Feの一部をCoで置換することによって、得られる磁石の磁気特性を損なうことなしに温度特性を改善することができるが、Co置換量がFeの20原子%を超えると、磁気特性が劣化するので望ましくない。Co置換量が5原子%〜15原子%の場合、Bは置換しない場合に比較して増加するため、高磁束密度を得るのに望ましい。
Bの含量は、2原子%未満であると主相であるRFe14B相が減少し、高いHcjが得られず、28原子%を超えるとBリッチな非磁性相が多くなり、Bが低下して優れた特性の永久磁石が得られないので、2原子%〜28原子%の含有が望ましい。また、磁石の生産性の改善や低価格化のために、PとSのうち、少なくとも1種、合計量で2.0wt%以下を含有していてもよい。さらに、Bの一部を30wt%以下のCで置換することによって、磁石の耐食性を改善することができる。
さらに、Al、Ti、V、Cr、Mn、Bi、Nb、Ta、Mo、W、Sb、Ge、Sn、Zr、Ni、Si、Zn、Hf、Gaのうち少なくとも1種の添加は、保磁力や減磁曲線の角形性の改善、生産性の改善、低価格化に効果がある。なお、R−Fe−B系焼結磁石には、R、Fe、Bおよびその他の含有してもよい元素以外に、工業的生産上不可避な不純物を含有するものでも差し支えない。
なお、本発明の化成被膜の表面に、さらに別の耐食性被膜を積層形成してもよい。このような構成を採用することによって、本発明の化成被膜の特性を増強・補完したり、さらなる機能性を付与したりすることができる。本発明の化成被膜は樹脂被膜との密着性に優れるので、化成被膜の表面に樹脂被膜を形成することにより、磁石に対してより高い耐食性を付与することができる。磁石がリング形状の場合、化成被膜の表面への樹脂被膜の形成は、電着塗装によって行うことが、均一な被膜形成を行う上において望ましい。樹脂被膜の電着塗装の具体例としては、エポキシ樹脂系カチオン電着塗装などが挙げられる。
以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明は以下の記載に限定して解釈されるものではない。
実施例1:
17Nd−1Pr−75Fe−7B組成(原子%)を有する厚さ0.2mm〜0.3mmの合金薄片をストリップキャスト法により作製した。次に、この合金薄片を容器に充填し、水素処理装置内に収容した。そして、水素処理装置内を圧力500kPaの水素ガスで満たすことにより、室温で合金薄片に水素吸蔵させた後、放出させた。このような水素処理を行うことにより、合金薄片を脆化し、大きさ約0.15mm〜0.2mmの不定形粉末を作製した。こうして得た粗粉砕粉末に対し粉砕助剤として0.04質量%のステアリン酸亜鉛を添加し混合した後、ジェットミル装置による粉砕工程を行うことにより、平均粉末粒径が約3μmの微粉末を作製した。こうして得た微粉末をプレス装置により成形し、粉末成形体を作製した。具体的には、印加磁界中で粉末粒子を磁界配向した状態で圧縮し、プレス成形を行った。その後、成形体をプレス装置から抜き出し、真空炉により1050℃で4時間の焼結工程を行い、続いて500℃で3時間の時効処理を行うことで、焼結体ブロックを作製した。この焼結体ブロックを機械的に表面加工することにより、縦:13mm×横:7mm×厚み:1mm寸法の焼結磁石を得た。
この磁石10個をケージに収容し、イオン交換水をオーバーフローさせた470Lの浴槽に浸漬した。液槽中でケージを5cmの振幅で上下に揺動させ、上下の両端位置では揺動を5秒間停止させる周期を維持しつつ、1200Wの投げ込み式超音波振動子を用いて超音波水洗を1分間行った。その後、23.8kgのパルシード1000MAと8.3kgのAD−4990を全量が475Lになるようにイオン交換水に溶解し、アンモニア塩でpHを3.6に調整して調製した処理液(日本パーカライジング社の商品名:パルシード1000)を満たした500Lの浴槽に、磁石を収容したケージを浸漬し、液槽中でケージを5cmの振幅で上下に揺動させ、上下の両端位置では揺動を5秒間停止させる周期を維持し、5分間化成処理を行った。なお、処理液は浴温を55℃とし、マグネットポンプ(200V,0.2KW:三相電機社製)を用いて常に攪拌した。磁石を処理液から引き上げた後、1分間水洗し、さらに60℃の温水で1分間洗浄した。洗浄後、エアブロアで磁石の表面に付着している水滴を除去し、160℃で35分間乾燥処理を行うことで、磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。
こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石を樹脂埋め研磨後、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、透過型電子顕微鏡(HF2100:日立ハイテクノロジー社製)を用いて主相の上部および粒界相(三重点)の上部の断面観察を行った。主相の上部の断面写真を図1に、粒界相の上部の断面写真を図2にそれぞれ示す。また、エネルギー分散型X線分析装置(EDX:NORAN社のVOYAGER III)を用いて分析した主相の上部の組成を表1に、粒界相の上部の組成を表2にそれぞれ示す。図1と表1から明らかなように、主相の上部に形成された化成被膜は、磁石の表面から外表面に向かって、厚みが10nm〜20nmの、R(NdとPr:以下同じ)、多量のFe、酸素、フッ素を含有する内側層、厚みが5nm〜10nmの、フッ素をほとんど含有しないこと以外は内側層とほぼ同様の組成を有する第1中間層、厚みが20nm〜30nmの、Rを最も多く含有することが特徴的な第2中間層、厚みが40nm〜60nmの、Zr、R、Fe、酸素を含有する外側層の4層からなる積層構造を有することがわかった。また、図2と表2から明らかなように、粒界相の上部に形成された化成被膜は、磁石の表面から外表面に向かって、厚みが5nm〜15nmの、R、僅かのFe、酸素、フッ素を含有する内側層、厚みが3nm〜5nmの、Zr、R、Fe、酸素を含有する中間層、厚みが30nm〜40nmの、中間層の2倍以上のZr、中間層の1/2以下のR、Fe、酸素を含有する外側層の3層からなる積層構造を有することがわかった。なお、主相の上部に形成された化成被膜の外側層も、粒界相の上部に形成された化成被膜の外側層も、電子線回折の結果、ハローパターンを形成したので、いずれも非晶質であることがわかった(図3参照)。
Figure 2011081170
Figure 2011081170
実施例2:
実施例1の焼結磁石と同じ組成の外径:39mm×内径:33mm×長さ:9mm寸法のラジアルリング焼結磁石を用い、実施例1と同様にして磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、温度:125℃,相対湿度:100%,圧力:2atmの条件でのプレッシャークッカーテストを24時間行った後、テープにより脱粒している粉を取り除き、テスト前後の磁石の重量を測定することで脱粒量を求めたところ、脱粒量は3.0g/mであった。
比較例1:
実施例2のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石に対し、実施例1と同様にして超音波水洗を1分間行った。その後、3.6kgのリン酸を全量が475Lになるようイオン交換水に溶解し、水酸化ナトリウムでpHを2.9に調整して調製した処理液を満たした500Lの浴槽に、磁石を収容したケージを浸漬し、処理液の浴温を60℃としたこと以外は実施例1と同様にして化成処理を行い、洗浄し、乾燥処理を行うことで、磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例2と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は7.0g/mであり、実施例2における脱粒量よりも多量であった。
比較例2:
実施例2のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石に対し、実施例1と同様にして超音波水洗を1分間行った。その後、3.3kgのクロム酸を全量が475Lになるようイオン交換水に溶解して調製した処理液を満たした500Lの浴槽に、磁石を収容したケージを浸漬し、処理液の浴温を60℃、化成処理時間を10分間としたこと以外は実施例1と同様にして化成処理を行い、洗浄し、乾燥処理を行うことで、磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例2と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は6.0g/mであり、実施例2における脱粒量よりも多量であった。
実施例3:
実施例2で得た表面に化成被膜を有する磁石に対し、パワーニクス(製品名:日本ペイント社)を電着塗装し(エポキシ樹脂系カチオン電着塗装、条件:200V,150秒)、195℃で60分間焼き付け乾燥を行い、化成被膜の表面に膜厚が20μmのエポキシ樹脂被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜と樹脂被膜を有する磁石に対し、温度:120℃,相対湿度:100%,圧力:2atmの条件でのプレッシャークッカーテストを48時間行ったが、外観の異常は見られなかった。
比較例3:
比較例1で得た表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例3と同様にして化成被膜の表面に膜厚が20μmの樹脂被膜を形成し、実施例3と同様にしてプレッシャークッカーテストを行ったところ、樹脂被膜の表面にフクレが認められた。
実施例4:
実施例1と同様にして作製した、17Nd−1Pr−75Fe−7B組成(原子%)の縦:13mm×横:7mm×厚み:1mm寸法の焼結磁石に対し、真空中(2Pa)で570℃×3時間→460℃×6時間の熱処理を行った。熱処理を行う前の磁石の表面と熱処理を行った後の磁石の表面を電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM:日立ハイテクノロジー社のS800)によって観察したところ、磁石に対して熱処理を行うことで、磁石表面の主相と粒界相の区別は認められなくなり、磁石表面が一様な化合物からなる層で覆われて均質化されることがわかった。熱処理を行った後の磁石に対し、オージェ分光法により深さ方向分析を行った結果(装置はアルバックファイ社のPHI/680を使用。この分析のために磁石はその13mm×7mm面の片面をダイヤラップ加工したものを用いた)、磁石表面に形成された層の厚みは少なくとも150nmであり、R含量が35原子%〜38原子%で酸素含量が55原子%〜60原子%と多いことから、この層はこれらの元素を含む化合物(例えばNd)で構成されていることがわかった。
次に、こうして熱処理を行った磁石に対し、実施例1と同様にして化成処理を行い、洗浄し、乾燥処理を行うことで、磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石を樹脂埋め研磨後、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、透過型電子顕微鏡(HF2100:日立ハイテクノロジー社製)を用いて熱処理層の上部の断面観察を行った。その断面写真を図4に示す。また、エネルギー分散型X線分析装置(EDX:NORAN社のVOYAGER III)を用いて分析した熱処理層の上部の組成を表3に示す。図4と表3から明らかなように、熱処理層の上部に形成された化成被膜は、磁石の表面から外表面に向かって、厚みが20nm〜50nmの、R、Fe、酸素、フッ素を含有する内側層、厚みが50nm〜90nmの、Zr、僅かのR、Fe、酸素を含有する外側層の2層からなる積層構造を有することがわかった。なお、熱処理層の上部に形成された化成被膜の外側層は、電子線回折の結果、ハローパターンを形成したので、非晶質であることがわかった(図5参照)。
Figure 2011081170
実施例5:
磁石の作製時において表面加工を行う前に時効処理を行わず、表面加工を行った後に行う熱処理に時効処理の目的を兼ね備えさせたこと以外は実施例4と同様にして磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成し、実施例4と同様の結果を得た。
実施例6:
実施例4の焼結磁石と同じ組成の外径:39mm×内径:32mm×長さ:10mm寸法のラジアルリング焼結磁石を用い、実施例5と同様にして磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、温度:120℃,相対湿度:100%,圧力:2atmの条件でのプレッシャークッカーテストを48時間行った後、テープにより脱粒している粉を取り除き、テスト前後の磁石の重量を測定することで脱粒量を求めたところ、脱粒量は0.2g/mであり極めて僅かであった。
比較例4:
実施例6のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石を用い、比較例1と同様にして化成処理を行い、洗浄し、乾燥処理を行うことで、磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例6と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は2.8g/mであり、実施例6における脱粒量よりも多量であった。
比較例5:
実施例6のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石を用い、比較例2と同様にして化成処理を行い、洗浄し、乾燥処理を行うことで、磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例6と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は2.1g/mであり、実施例6における脱粒量よりも多量であった。
実施例7:
実施例4の焼結磁石と同じ組成の外径:8mm×内径:4mm×長さ:12mm寸法の極異方リング焼結磁石を用い、実施例4と同様にして磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例6と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は0.45g/mであり僅かであった。
実施例8:
実施例6で得た表面に化成被膜を有する磁石に対し、パワーニクス(製品名:日本ペイント社)を電着塗装し(エポキシ樹脂系カチオン電着塗装、条件:200V,150秒)、195℃で60分間焼き付け乾燥を行い、化成被膜の表面に膜厚が20μmのエポキシ樹脂被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜と樹脂被膜を有する磁石に対し、実施例6と同様の条件でプレッシャークッカーテストを72時間行ったが、外観の異常は見られなかった。
比較例6:
比較例4で得た表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例8と同様にして化成被膜の表面に膜厚が20μmの樹脂被膜を形成し、実施例6と同様の条件でプレッシャークッカーテストを72時間行ったところ、樹脂被膜の表面にフクレが認められた。
実施例9:
実施例1と同様にして作製した、11Nd−1Dy−3Pr−78Fe−1Co−6B組成(原子%)の外径:34mm×内径:28mm×長さ:45mm寸法のラジアルリング焼結磁石を、縦:30cm×横:20cm×高さ:10cm寸法のモリブデン製ボックス(上部に開口部を有する容器本体と蓋体から構成され、容器本体と蓋体との間で外部と通気可能なもの)の内部に並べて収容し、実施例4と同様にして熱処理を行った。熱処理を行った後の磁石の表面の外観はばらつきがなく一様に黒っぽい仕上がりであり、磁石の表面を電界放射型走査電子顕微鏡(FE−SEM:日立ハイテクノロジー社のS800)によって観察したところ一様な層で覆われて均質化されていた。また、エネルギー分散型X線分析装置(EDX:EDAX社のGenesis2000)を用いて熱処理層の酸素含量を測定したところ約30原子%であった。その後、実施例4と同様にして磁石の表面に膜厚が約100nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石をエタノールに浸漬してから3分間の超音波洗浄を行った後、その内周面の全面にシリコーン系接着剤(SE1750:東レ・ダウコーニング社製)を塗布するとともに、アセトンに浸漬してから3分間の超音波洗浄を行った鉄芯からなるロータコア(直径:27.85mm×長さ:50mm、材質:SS400)の外周面の全面にも同じシリコーン系接着剤を塗布し、ロータコアを磁石の内径部に挿入して150℃で1.5時間の大気中での熱処理を行い、室温で60時間放置することで、接着層の厚みを75μmとする磁石とロータコアからなる接着体を得た。この接着体を温度が85℃で相対湿度が85%RHの高温高湿環境に250時間放置した後の剪断強度と500時間放置した後の剪断強度を、高温高湿環境に放置する前の接着体の剪断強度と比較した(剪断試験は東洋ボールドウィン社製のUTM−1−5000Cを用いて実施)。その結果、高温高湿環境放置前の剪断強度が3.5MPaであったのに対し、250時間放置後の剪断強度も500時間放置後の剪断強度もどちらも3.1MPaであり、高温高湿環境放置前の剪断強度よりも低下はするものの依然として高い剪断強度を有していることがわかった。なお、磁石とロータコアとの間の分離は、いずれの場合においても接着剤の凝集破壊によるものであった。
実施例10:
pHを4.0に調整して調製した処理液を用い、2分間化成処理を行うこと以外は実施例1と同様にして磁石の表面に膜厚が約50nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石について、主相の上部に形成された化成被膜と粒界相の上部に形成された化成被膜の分析を実施例1と同様にして行った。結果を表4と表5にそれぞれ示す。表4と表5から明らかなように、主相の上部に形成された化成被膜は4層からなる積層構造を有する一方、粒界相の上部に形成された化成被膜は3層からなる積層構造を有し、実施例1において磁石の表面に形成された化成被膜と同様の積層構造であることがわかった。
Figure 2011081170
Figure 2011081170
実施例11:
pHを4.0に調整して調製した処理液を用い、7分間化成処理を行うこと以外は実施例1と同様にして磁石の表面に膜厚が約60nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石について、主相の上部に形成された化成被膜と粒界相の上部に形成された化成被膜の分析を実施例1と同様にして行った。結果を表6と表7にそれぞれ示す。表6と表7から明らかなように、主相の上部に形成された化成被膜は4層からなる積層構造を有する一方、粒界相の上部に形成された化成被膜は3層からなる積層構造を有し、実施例1において磁石の表面に形成された化成被膜と同様の積層構造であることがわかった。
Figure 2011081170
Figure 2011081170
実施例12:
実施例2のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石を用い、実施例10と同様にして化成処理を行い、磁石の表面に膜厚が約50nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例2と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は3.3g/mであった。
実施例13:
実施例2のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石を用い、実施例11と同様にして化成処理を行い、磁石の表面に膜厚が約60nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例2と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は2.8g/mであった。
実施例14:
磁石の作製時において表面加工を行う前に時効処理を行わず、表面加工を行った後に行う熱処理に時効処理の目的を兼ね備えさせたこと、pHを4.0に調整して調製した処理液を用い、2分間化成処理を行うこと以外は実施例4と同様にして磁石の表面に膜厚が約40nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石について、熱処理層の上部に形成された化成被膜の分析を実施例4と同様にして行った。結果を表8に示す。表8から明らかなように、熱処理層の上部に形成された化成被膜は2層からなる積層構造を有し、実施例4において磁石の表面に形成された化成被膜と同様の積層構造であることがわかった。
Figure 2011081170
実施例15:
磁石の作製時において表面加工を行う前に時効処理を行わず、表面加工を行った後に行う熱処理に時効処理の目的を兼ね備えさせたこと、pHを4.0に調整して調製した処理液を用い、7分間化成処理を行うこと以外は実施例4と同様にして磁石の表面に膜厚が約50nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石について、熱処理層の上部に形成された化成被膜の分析を実施例4と同様にして行った。結果を表9に示す。表9から明らかなように、熱処理層の上部に形成された化成被膜は2層からなる積層構造を有し、実施例4において磁石の表面に形成された化成被膜と同様の積層構造であることがわかった。
Figure 2011081170
実施例16:
実施例6のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石を用い、実施例14と同様にして化成処理を行い、磁石の表面に膜厚が約40nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例6と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は0.3g/mであった。
実施例17:
実施例6のラジアルリング焼結磁石と同じ磁石を用い、実施例15と同様にして化成処理を行い、磁石の表面に膜厚が約50nmの化成被膜を形成した。こうして得られた表面に化成被膜を有する磁石に対し、実施例6と同様にしてプレッシャークッカーテストを行い、脱粒量を求めたところ、脱粒量は0.2g/mであった。
本発明は、リン酸塩被膜などの従来の化成被膜よりも耐食性に優れた化成被膜を表面に有するR−Fe−B系焼結磁石およびその製造方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。

Claims (15)

  1. R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を有することを特徴とする耐食性磁石。
  2. 内側層のフッ素含量が1原子%〜20原子%であることを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  3. 外側層のZr含量が5原子%〜60原子%であることを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  4. 内側層が構成元素としてFeをさらに含有することを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  5. 外側層が構成元素としてRをさらに含有することを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  6. 化成被膜の膜厚が10nm〜200nmであることを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  7. 内側層の厚みが2nm〜70nmであることを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  8. 外側層の厚みが5nm〜100nmであることを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  9. 内側層と外側層の間に中間層を含むことを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  10. 化成被膜の表面に樹脂被膜を有することを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  11. 磁石がその表面にRと酸素を含む化合物で構成される層を有していることを特徴とする請求項1記載の耐食性磁石。
  12. R−Fe−B系焼結磁石(Rは少なくともNdを含む希土類元素)の表面に、構成元素としてR、フッ素、酸素を含有する内側層と、構成元素としてZr、Fe、酸素を含有する非晶質の外側層を少なくとも含む積層構造の化成被膜(但しリンは含有しない)を形成することを特徴とする耐食性磁石の製造方法。
  13. 少なくともZrおよびフッ素を含有する水溶液に磁石を浸漬し、液中で磁石を上下および/または左右に揺動させることを特徴とする請求項12記載の製造方法。
  14. 磁石に対して450℃〜900℃の温度範囲で熱処理を行った後に化成被膜を形成することを特徴とする請求項12記載の製造方法。
  15. 耐熱性ボックスに磁石を収容して熱処理を行うことを特徴とする請求項14記載の製造方法。
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