JP7476601B2 - R-t-b系焼結磁石の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示のR-T-B系焼結磁石の製造方法は、別の例示的な実施形態において、R1-T1-B系焼
結体を準備する工程と、R2-Al-Cu系合金を準備する工程と、前記R1-T1-B系焼結体の表
面の少なくとも一部に、前記R2-Al-Cu系合金の少なくとも一部を接触させ、真空又は不活性ガ
ス雰囲気中、450℃以上850℃以下の温度で熱処理を実施する工程を含み、前記R1-T1-B系焼結体において、R1は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Nd及びPrの少なくとも一方を必ず含み、R1の含有量は、R1-T1-B系焼結体全体の27mass%以上35mass%以下であり、T1はFe又はCo、Al、Mn、Siの少なくとも1つとFeであり、T1全体に対するFeの含有量が80mass%以上であり、Bに対するT1のmol比([T1]/[B])が14.0超15.0以下であり、前記R2-Al-Cu系合金において、R2は希土類元素のうち少なくとも一種であり、
Laを必ず含み、R2の含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の70mol%以上90mol%以下
であり、かつ、希土類元素全体に対するLaの比率が、R1-T1―B系焼結体の希土類元素全体に対
するLaの比率よりも高く、Alの含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mo
l%以下であり、Cuの含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mol%以下で
ある。
ある実施形態において、前記R2-Al-Cu系合金中のLaがR2全体の50mol%以上である。
ある実施形態において、前記R2-Al-Cu系合金中のR2はLaである(不純物は含む)。
ある実施形態において、前記R2-Al-Cu系合金におけるR2、Al,Cuの合計の含有量が8
0mol%以上である。
ある実施形態において、前記R1-T1-B系焼結体を準備する工程は、原料合金を粒径D50が3
μm以上10μm以下になるように粉砕した後、磁界中で配向させて焼結を行うことを含む。
本開示によるR-T-B系焼結磁石の製造方法は、図1に示すように、R1-T1-B系焼結体を準備する工程S10と、R2-M系合金(好ましくは、R2-Al-Cu系合金)を準備する工程S20とを含む。R1-T1-B系焼結体を準備する工程S10と、R2-M系合金(好ましくは、R2-Al-Cu系合金)を準備する工程S20との順序は任意であり、それぞれ、異なる場所で製造されたR1-T1-B系焼結体及びR2-M系合金(好ましくは、R2-Al-Cu系合金)を用いてもよい。
(1)R1は希土類元素のうち少なくとも一種でありNd及びPrの少なくとも一方を必ず含み、R1の含有量は、R1-T1-B系焼結体全体の27mass%以上35mass%以下である。
(2)T1はFe又はCo、Al、Mn、Siの少なくとも1つとFeであり、T1全体に対するFeの含有量が80mass%以上である。
(3)Bに対するT1のmol比([T1]/[B])が14.0超15.0以下である。
本開示におけるBに対するT1のmol比([T1]/[B])とは、T1を構成する各元素(Fe又はCo、Al、Mn、Siの少なくとも1つとFe)の分析値(mass%)をそれぞれの元素の原子量で除したものを求め、それらの値を合計したもの(a)と、Bの分析値(mass%)をBの原子量で除したもの(b)との比(a/b)である。
Bに対するT1のmol比([T1]/[B])が14.0を超えるということは、Bの含有比率がR2T14B化合物の化学量論組成比よりも低いことを意味している。言い換えると、R1-T1-B系焼結体において、主相(R2T14B化合物)の形成に使われるT1の量に対して相対的にB量が少ない。
(4)R2は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Laを必ず含み、R2の含有量は、R-2M系合金全体の55mol%以上90mol%以下であり、かつ、希土類元素全体に対するLaの比率が、R1-T1―B系焼結体の希土類元素全体に対するLaの比率よりも高い。
(5)Mは、Cu又はCuとAlの両方を含有しMの含有量は、R2-M系合金全体の5mol%以上40mol%以下である。
また、R2-M系合金の好ましい合金形態として、R2-Al-Cu系合金が挙げられる。
R2-Al-Cu系合金においては、好ましくは、以下の(6)~(8)が成立している。
(6)R2は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Laを必ず含み、R2の含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の70mol%以上90mol%以下であり、かつ、希土類元素全体に対するLaの比率が、R1-T1―B系焼結体の希土類元素全体に対するLaの比率よりも高い。
(7)Alの含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mol%以下である。
(8)Cuの含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mol%以下である。
R-T-B系焼結磁石は、原料合金の粉末粒子が焼結によって結合した構造を有しており、主としてR2T14B化合物からなる主相と、この主相の粒界部分に位置する粒界相とから構成されている。
図2Aは、R-T-B系焼結磁石の主相と粒界相を示す模式図であり、図2Bは図2Aの破線矩形領域内を更に拡大した模式図である。図2Aには、一例として長さ5μmの矢印が大きさを示す基準の長さとして参考のために記載されている。図2A及び図2Bに示されるように、R-T-B系焼結磁石は、主としてR2T14B化合物からなる主相12と、主相12の粒界部分に位置する粒界相14とから構成されている。また、粒界相14は、図2Bに示されるように、2つのR2T14B化合物粒子(グレイン)が隣接する二粒子粒界相14aと、3つ以上のR2T14B化合物粒子が隣接する粒界三重点14bとを含む。
主相12であるR2T14B化合物は高い飽和磁化と異方性磁界を持つ強磁性相である。したがって、R-T-B系焼結磁石では、主相12であるR2T14B化合物の存在比率を高めることによってBrを向上させることができる。R2T14B化合物の存在比率を高めるためには、原料合金中のR量、T量、B量を、R2T14B化合物の化学量論比(R量:T量:B量=2:14:1)に近づければよい。R2T14B化合物を形成するためのB量又はR量が化学量論比を下回ると、一般的には、粒界相14にFe相又はR2T17相等の強磁性体が生成し、HcJが急激に低下する。しかし、特許文献1に記載されている方法のように、B量をR2T14B化合物の化学量論比よりも少なくし、且つ、Al、Ga、Cuのうちから選ばれる1種以上の金属元素Mを含有させると、R2T17相から粒界に遷移金属リッチ相(例えばR-T-M相)が生成されて高いHcJを得ることできる。しかし、特許文献1に記載されている方法では、Brが大幅に低下してしまう。
まず、R1-T1-B系焼結体(以下、単に「焼結体」という場合がある)を準備する工程における焼結体の組成を説明する。
R1は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Nd及びPrの少なくとも一方を必ず含む。R1-T1-B系焼結体のHcJを向上させるために、一般的に用いられるDy、Tb、Gd、Hoなどの重希土類元素を少量含有してもよい。ただし、本開示による製造方法によれば、重希土類元素を多量に用いずとも十分に高いHcJを得ることができる。そのため、前記重希土類元素の含有量は、R1-T1-B系焼結体の1mass%以下であることが好ましく、0.5mass%以下であることがより好ましく、含有しない(実質的に0mass%)ことがさらに好ましい。
Bに対するT1のmol比([T1]/[B])が14.0以下であると高いHcJを得ることができない。一方、Bに対するT1のmol比([T1]/[B])が15.0を超えると高いBrと高いHcJを得ることが出来ない。Bに対するT1のmol比([T1]/[B])は14.3以上15.0以下であることが好ましい。さらに高いBrと高いHcJを得ることができるからである。また、Bの含有量はR1-T1-B系焼結体全体の0.85mass%以上0.95mass%未満が好ましい。
まず、R2-M系合金(好ましくはR2-Al-Cu系合金)を準備する工程におけるR2-M系合金及びR2-Al-Cu系合金の組成を説明する。なお、以下のR2-M系合金の記載は、好ましい形態としてのR2-Al-Cu系合金を含む。後述する特定の範囲でR2及びMを含有することにより、後述する熱処理を実施する工程においてR2-M系合金中のR2及びMをR1-T1-B系焼結体内部に導入することができる。
R2は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Laを必ず含み、R2の含有量はR2-M系合金全体の55mol%(好ましくは70mol%)以上90mol%以下である。R2の含有量が55mol%未満では後述する熱処理で拡散が十分に進行しない可能性がある。一方、R2の含有量が90mol%を超えても本開示の効果を得ることはできるが、R2-M系合金の製造工程中における合金粉末が非常に活性になる。その結果、合金粉末の著しい酸化や発火などを生じることがあるため、R2の含有量はR2-M系合金全体の90mol%以下が好ましい。R2の含有量は75mol%以上85mol%以下であることがより好ましい。より高いHcJを得ることができるからである。また、上述したように、Ndの供給不足が懸念されている中、希土類元素使用の多様化の観点からR2-M系合金中のLaがR2全体の80mol%以上であることが好ましく、さらに好ましくは、前記R2-M系合金中のR2はLaである(不純物は含む)。
Mの含有量は、R2-M系合金全体の5mol%以上40mol%以下である、Mの含有量が5mol%未満では、後述する熱処理を実施する工程においてR2-M系合金中のMがR1-T1-B系焼結体の内部に導入され難くなり高いHcJを得ることが出来ない。一方、Mが40mol%超であると、Brが大幅に低下する可能性がある。
次にMがAlとCuの両方を含有するR2-Al-Cu系合金の場合の好ましいAl、Cuの組成について説明する。
Alは、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mol%以下である。Alが5mol%未満では、後述する熱処理を実施する工程においてR2-Al-Cu系合金中のAlやCuがR1-T1-B系焼結体の内部に導入され難くなり高いHcJを得ることが出来ない。一方、Alが20mol%超であると、Brが大幅に低下する可能性がある。Alは10mol%以上20mol%以下であることがより好ましい。より高いBrと高いHcJを得ることができるからである。
Coは、耐食性の向上のために0.5mol%以上10mol%以下含有してもよい。また、Gaは5mol%未満、Ag、Zn、Si、In、Sn、Zr、Nb、及びTiはそれぞれ0.5mol%以下、Ni、Hf、Ta、W、Ge、Mo、V、Y、La、Ce、Sm、Ca、Mg、Mn、Crはそれぞれ0.2mol%以下、H、F、P、S、Clは500ppm以下、Oは6000ppm以下、Nは1000ppm以下、Cは1500ppm以下の含有量が好ましい。但し、これらの元素の合計の含有量が20mol%を超えると、R2-M合金におけるR2及びM(好ましくはAl及びCu)の含有量が少なくなり、高いBrと高いHcJを得ることが出来ない可能性がある。そのため、R2-M合金におけるR2及びM(好ましくはAl及びCu)の合計の含有量は80mol%以上が好ましく、90mol%以上がさらに好ましい。
前記によって準備したR1-T1-B系焼結体の表面の少なくとも一部に、前記R2-M合金の少なくとも一部を接触させ、真空(非酸化性雰囲気)又は不活性ガス雰囲気中、450℃以上850℃以下の温度で熱処理をする。これにより、R2-M合金からLaを含むR2及びM(好ましくはAl及びCu)を含む液相が生成し、その液相がR1-T1-B系焼結体の粒界を経由して焼結体表面から内部に拡散導入され、粒界にR-T-M相が生成される。熱処理温度が450℃未満であると、Laを含むR2及びM(好ましくはAl及びCu)を含む液相量が少なすぎて、高いBrと高いHcJを得ることが出来ない可能性がある。一方、850℃を超えると、R1-T1-B系焼結体へのR2-M合金の拡散が阻害されて高いHcJが得られない可能性がある。熱処理は、例えば比較的低い温度(450℃以上600℃以下)のみで熱処理(一段熱処理)をしてもよく、あるいは比較的高い温度(700℃以上850℃以下)で熱処理を行った後、比較的低い温度(450℃以上600℃以下)で熱処理(二段熱処理)をしてもよい。なお、熱処理時間はR1-T1-B系焼結体やR2-M合金の組成や寸法、熱処理温度などによって適正値を設定するが、5分以上24時間以下が好ましく、10分以上20時間以下がより好ましく、30分以上16時間以下がさらに好ましい。また、R2-M合金は、R1-T1-B系焼結体の重量に対し2mass%以上30mass%以下準備することが好ましい。R2-M合金がR1-T1-B系焼結体の重量に対し2mass%未満であると高いHcJが得られない可能性がある。一方、30mass%を超えるとBrが大幅に低下する可能性がある。
[R1-T1-B系焼結体の準備]
Ndメタル、フェロボロン合金、電解鉄を用いて(メタルはいずれも純度99%以上)、焼結体がおよそ表1に示す符号1-Aの組成となるように配合し、それらの原料を溶解してストリップキャスト法により鋳造し、厚さ0.2~0.4mmのフレーク状の原料合金を得た。得られたフレーク状の原料合金を水素粉砕した後、550℃まで真空中で加熱後冷却する脱水素処理を施し粗粉砕粉を得た。次に、得られた粗粉砕粉に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を粗粉砕粉100mass%に対して0.04mass%添加、混合した後、気流式粉砕機(ジェットミル装置)を用いて、窒素気流中で乾式粉砕し、粉砕粒径D50が4μmの微粉砕粉(合金粉末)を得た。なお、粉砕粒径D50は、気流分散法によるレーザー回折法で得られた体積中心値(体積基準メジアン径)である。
Laメタル、Prメタル、Alメタル、Cuメタルを用いて(メタルはいずれも純度99%以上)、合金がおよそ表2に示す符号1-a~1-dの組成になるように配合し、それらの原料を溶解して、単ロール超急冷法(メルトスピニング法)により、リボンまたはフレーク状の合金を得た。得られた合金を乳鉢を用いてアルゴン雰囲気中で粉砕した後、目開き425μmの篩を通過させ、R2-Al-Cu系合金を準備した。得られたR2-Al-Cu系合金の組成を表2に示す。
表1の符号1-AのR1-T1-B系焼結体を切断、切削加工し、4.4mm×4.4mm×4.4mm(配向方向)の直方体とした。次に、図3に示すように、ニオブ箔により作製した処理容器3中に、主にR1-T1-B系焼結体1の配向方向(図中の矢印方向)と垂直な面がR2-Al-Cu系合金2と接触するように、表2に示す符号1-a~1-dのR2-Al-Cu系合金を、符号1-AのR1-T1-B系焼結体のそれぞれの上下に配置した。
BHトレーサーにより得られたサンプルの残留磁束密度(Br)および保磁力(HcJ)を測定した。測定結果を表3に示す。表3の通り、R1-T1-B系焼結体、R2-Al-Cu系合金、熱処理温度が本開示の範囲内である、No.1-2、1-4、1-5、1-7及び1-9は、比較例と比べて高いBrと高いHcJが得られている。
[R2-M合金(R2-Cu系合金およびR2-Al-Cu系合金)の準備]
Laメタル、Alメタル、Cuメタルを用いて(メタルはいずれも純度99%以上)、合金がおよそ表4に示す符号2-a~2-dの組成になるように配合し、それらの原料を溶解して、単ロール超急冷法(メルトスピニング法)により、リボンまたはフレーク状の合金を得た。得られた合金を乳鉢を用いてアルゴン雰囲気中で粉砕した後、目開き425μmの篩を通過させ、R2-Cu系合金およびR2-Al-Cu系合金を準備した。得られたR2-Cu系合金およびR2-Al-Cu系合金の組成を表2に示す。
表1の符号1-AのR1-T1-B系焼結体を実験例1と同様の方法で準備した。符号1-AのR1-T1-B系焼結体を切断、切削加工し、4.4mm×4.4mm×4.4mm(配向方向)の直方体とした。次に、図3に示すように、ニオブ箔により作製した処理容器3中に、主にR1-T1-B系焼結体1の配向方向(図中の矢印方向)と垂直な面がR2-Cu系合金またはR2-Al-Cu系合金2と接触するように、表1に示す符号1-bおよび表4に示す符号2-a~2-dのR2-Cu系合金またはR2-Al-Cu系合金を、符号1-AのR1-T1-B系焼結体のそれぞれの上下に配置した。
BHトレーサーにより得られたサンプルの残留磁束密度(Br)および保磁力(HcJ)を測定した。測定結果を表5に示す。表5の通り、R1-T1-B系焼結体、R2-Cu系合金またはR2-Al-Cu系合金、熱処理温度が本開示の範囲内である、いずれのR-T-B系焼結磁石においても、高いBrと高いHcJが得られている。
2 R2-Al-Cu系合金
3 処理容器
Claims (5)
- R1-T1-B系焼結体を準備する工程と、
R2-Al-Cu系合金を準備する工程と、
前記R1-T1-B系焼結体の表面の少なくとも一部に、前記R2-Al-Cu系合金の少なくとも一部を接触させ、真空又は不活性ガス雰囲気中、450℃以上850℃以下の温度で熱処理を実施する工程を含み、
前記R1-T1-B系焼結体において、
R1は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Nd及びPrの少なくとも一方を必ず含み、R1の含有量は、R1-T1-B系焼結体全体の27mass%以上35mass%以下であり、
T1はFe又はCo、Al、Mn、Siの少なくとも1つとFeであり、T1全体に対するFeの含有量が80mass%以上であり、
Bに対するT1のmol比([T1]/[B])が14.0超15.0以下であり、
前記R2-Al-Cu系合金において、
R2は希土類元素のうち少なくとも一種であり、Laを必ず含み、R2の含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の70mol%以上90mol%以下であり、かつ、希土類元素全体に対するLaの比率が、R1-T1―B系焼結体の希土類元素全体に対するLaの比率よりも高く、
Alの含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mol%以下であり、
Cuの含有量は、R2-Al-Cu系合金全体の5mol%以上20mol%以下である、R-T-B系焼結磁石の製造方法。 - 前記R2-Al-Cu系合金中のLaがR2全体の80mol%以上である、請求項1に記載のR-T-B系焼結磁石の製造方法。
- 前記R2-Al-Cu系合金中のR2はLaである(不純物は含む)、請求項1に記載のR-T-B系焼結磁石の製造方法。
- 前記R2-Al-Cu系合金におけるR2、Al、Cuの合計の含有量が80mol%以上である、請求項1から3のいずれかに記載のR-T-B系焼結磁石の製造方法。
- 前記R1-T1-B系焼結体を準備する工程は、原料合金を粒径D50が3μm以上10μm以下になるように粉砕した後、磁界中で配向させて焼結を行うことを含む、請求項1に記載のR-T-B系焼結磁石の製造方法。
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