JPWO2011081170A1 - 耐食性磁石およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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)。
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/m2であった。
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/m2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/m2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Nd2O3)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)。
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/m2であり極めて僅かであった。
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/m2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/m2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/m2であり僅かであった。
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。
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。
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。
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/m2であった。
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/m2であった。
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。
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。
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/m2であった。
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/m2であった。
Claims (15)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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