JP6717231B2 - Ｒ−ｔ−ｂ系焼結磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｒ_２Ｔ_１４Ｂ型化合物を主相として有するＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（Ｒは希土類元素、ＴはＦｅまたはＦｅとＣｏ、Ｂはホウ素）の製造方法に関する。

Ｒ_２Ｔ_１４Ｂ型化合物を主相とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、永久磁石の中で最も高性能な磁石として知られており、ハードディスクドライブのボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、電気自動車用（ＥＶ、ＨＶ、ＰＨＶなど）モータ、産業機器用モータなどの各種モータや家電製品などに使用されている。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、高温で固有保磁力Ｈ_ｃＪ（以下、単に「Ｈ_ｃＪ」と表記する）が低下するため、不可逆熱減磁が起こる。不可逆熱減磁を回避するため、モータ用等に使用する場合、高温下でも高いＨ_ｃＪを維持することが要求されている。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、主相中のＲの一部を重希土類元素ＲＨ（Ｄｙ、Ｔｂ）で置換すると、Ｈ_ｃＪが向上することが知られている。高温で高いＨ_ｃＪを得るためには、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石中に重希土類元素ＲＨを多く添加することが有効である。しかし、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石において、Ｒとして軽希土類元素ＲＬ（Ｎｄ、Ｐｒ）を重希土類元素ＲＨで置換すると、Ｈ_ｃＪが向上する一方、残留磁束密度Ｂ_ｒ（以下、単に「Ｂ_ｒ」と表記する）が低下してしまうという問題がある。また、重希土類元素ＲＨは希少資源であるため、その使用量を削減することが求められている。

そこで、近年、Ｂ_ｒを低下させないように、より少ない重希土類元素ＲＨによってＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪを向上させることが検討されている。例えば、重希土類元素ＲＨを効果的にＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石に供給し拡散させる方法として、特許文献１、２にＲＨと、各種金属Ｍの合金をＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在させた状態で熱処理することによって、ＲＨやＭを効率よくＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石に拡散させて、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪを高める方法が開示されている。

特開２００８−２６３１７９号公報 特開２０１１−１４６６８号公報

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、反応性の高いＲを含むため、大気中で酸化腐食されやすく、耐食性の上で弱点を有している。このため、通常のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石は、その表面に金属被膜や樹脂被膜などの耐食性被膜が形成された状態で実用に供される。

一方、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータなどのように磁石が部品に埋め込まれて使用される場合は、耐食性被膜を磁石の表面に形成することは必要とされない。しかし、磁石が製造されてから部品に埋め込まれるまでの期間においては、磁石の耐食性を確保することが必要になる。このため、種々の簡易耐食性向上技術が提案されているが、それらは、耐食性を向上させるためだけの特別の工程を必要とする。

本発明の実施形態は、耐食性を向上させるための特別の工程を付加することなく、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪ向上および耐食性向上の両方を達成できることのできるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法を提供する。

本開示のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法は、例示的な実施形態において、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（Ｒは希土類元素、ＴはＦｅまたはＦｅとＣｏ、Ｂはホウ素）を用意する工程と、前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面にＲＬＲＨＭ１合金（ＲＬはＮｄおよび／またはＰｒ、ＲＨはＤｙおよび／またはＴｂ、Ｍ１はＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる群から選ばれる１種以上）の粉末と、Ｍ２化合物（Ｍ２はＡｌ、Ｌｉ、Ｆｅ、Ｃｕからなる群から選ばれる１種以上、Ｍ２化合物はＭ２フッ化物および／またはＭ２酸化物）の粉末とを存在させた状態において、前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の焼結温度以下で熱処理を行う工程とを含み、前記ＲＬＲＨＭ１合金はＲＬ＋ＲＨをＲＬＲＨＭ１合金全体の５０原子％以上、Ｍ１をＲＬＲＨＭ１合金全体の１０原子％以上、かつ、ＲＬとＲＨをＲＬ：ＲＨ＝９６：４〜１０：９０の原子比で含み、かつ、前記ＲＬＲＨＭ１合金の融点は前記熱処理の温度以下であり、
前記熱処理は、前記ＲＬＲＨＭ１合金の粉末と前記Ｍ２化合物の粉末とが、ＲＬＲＨＭ１合金：Ｍ２化合物＝９７：３〜８０：２０の質量比で前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の前記表面に存在する状態で行われる。

ある実施形態において、前記Ｍ２化合物はＡｌフッ化物である。

ある実施形態において、前記Ｍ２化合物はＡｌ_２Ｏ_３である。

本開示の実施形態によると、耐食性を向上させるための特別の工程を付加することなく、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪ向上および耐食性向上の両方を達成できる。

Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＰＣＴ試験による減耗量とＭ２化合物との関係を示すグラフである。

本発明者は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪ向上と耐食性向上をともに達成できる工程として、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面にＲＬＲＨＭ１合金と、Ｍ２化合物（Ｍ２はＡｌ、Ｌｉ、Ｆｅ、Ｃｕからなる群から選ばれる１種以上、Ｍ２化合物はＭ２フッ化物および／またはＭ２酸化物）とを存在させて熱処理する工程を行うことが有効であることを見出した。

[Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材の準備]
重希土類元素ＲＨの拡散の対象とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材を準備する。本明細書では、わかりやすさのため、重希土類元素ＲＨの拡散の対象とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石をＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材と厳密に称することがあるが、「Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石」の用語はそのような「Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材」を含むものとする。このＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材は公知のものが使用でき、例えば以下の組成を有する。
希土類元素Ｒ：１２〜１７原子％
Ｂ（Ｂ（ボロン）の一部はＣ（カーボン）で置換されていてもよい）：５〜８原子％
添加元素Ｍ´（Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｂ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも１種）：０〜２原子％
Ｔ（Ｆｅを主とする遷移金属元素であって、Ｃｏを含んでもよい）および不可避不純物：残部

ここで、希土類元素Ｒは、主として軽希土類元素ＲＬ（Ｎｄ、Ｐｒから選択される少なくとも１種の元素）であるが、重希土類元素を含有していてもよい。なお、重希土類元素を含有する場合は、ＤｙおよびＴｂの少なくとも一方を含むことが好ましい。

上記組成のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材は、任意の製造方法によって製造される。Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材は焼結上がりでもよいし、切削加工や研磨加工が施されていてもよい。

［ＲＬＲＨＭ１合金］
ＲＬＲＨＭ１合金のＲＬは、Ｎｄおよび／またはＰｒであり、ＲＨはＤｙおよび／またはＴｂであり、Ｍ１はＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる群から選ばれる１種以上である。ＲＬＲＨＭ１合金は、ＲＬ＋ＲＨをＲＬＲＨＭ１合金全体の５０原子％以上、Ｍ１をＲＬＲＨＭ１合金全体の１０原子％以上、かつ、ＲＬとＲＨをＲＬ：ＲＨ＝９６：４〜１０：９０の原子比で含む。ＲＬ：ＲＨは９０：１０〜２０：８０が好ましい。ＲＬＲＨＭ１合金の融点は拡散熱処理の温度以下である。

ＲＬとしては、Ｍ２化合物を還元する効果が高いＮｄおよび／またはＰｒとする。Ｍ１は、ＲＬＲＨＭ１合金の融点を後述の拡散熱処理温度以下に下げ、かつ、磁石特性に悪影響を与えない、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる群から選ばれる１種以上とする。

ＲＬＲＨＭ１合金は、磁石内に拡散させてＨ_ｃＪを向上させるＲＨを供給する拡散剤の役割と、Ｍ２化合物を還元する還元剤の役割の両方を果たすと考えられる。ＲＬ：ＲＨが９６：４よりＲＨが少ない側、すなわち、ＲＨがＲＬ＋ＲＨの４原子％未満であると、十分にＨ_ｃＪを向上させるに足るＲＨを供給することができない。ＲＬ：ＲＨが１０：９０よりＲＬが少ない側であると、すなわち、ＲＬがＲＬ＋ＲＨの１０原子％未満であると、Ｍ２化合物を還元する力が足りず、Ｈ_ｃＪを向上させる効果が発揮できにくい。

ＲＨを十分に磁石中に拡散させ、Ｍ２化合物を還元するために、ＲＬＲＨＭ１合金は拡散熱処理の際に溶融することが好ましい。したがって、ＲＬＲＨＭ１合金の融点は拡散熱処理の温度以下であることが好ましいが、そのためには、Ｍ１がＲＬＲＨＭ１合金全体の１０原子％以上必要である。

ＲＬＲＨＭ１合金の製法はどんなものでも良く、ロール急冷法やアトマイズ法などの急冷法、ＲＬＲＨＭ１合金のインゴットを粉砕する方法などがあげられる。ＲＬＲＨＭ１合金の粉末の粒度は５００μｍ以下が好ましく、１０〜３００μｍがより好ましい。なお、本開示において粉末の粒度は、例えば顕微鏡観察によって測定すればよい。また、市販の粒度分布測定装置（例えば、マイクロトラック・ベル社製レーザー回折・散乱式 粒子径分布測定装置等）を用いて測定することもできる。

［Ｍ２化合物］
Ｍ２化合物は、Ａｌ、Ｌｉ、Ｆｅ、Ｃｕからなる群から選ばれる１種以上のフッ化物および／または酸化物である。Ｍ２は、ＲＨとともに粒界を介して磁石内部に拡散すると考えられる。Ｍ２化合物の典型例は、ＡｌＦ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＬｉＦ、ＦｅＦ_３、ＣｕＦ_２などである。これらの典型例の中でもＡｌ化合物が好ましい。これらの化合物は他の化合物と比較して保磁力Ｈ_ｃＪの向上効果が大きい。Ｍ２化合物の製法はどのようなものでも良く、市販のＭ２化合物を使用できる。Ｍ２化合物の粒度は１００μｍ以下が好ましい。

本発明者らの検討によれば、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石表面にＲＬＲＨＭ１合金の粉末を、Ｍ２化合物の粉末とともに存在させて熱処理することによって、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪ向上と耐食性向上をともに達成できることがわかった。

［塗布］
ＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末とをＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在させる方法はどのようなものであってもよい。例えば、ＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末をＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に散布する方法、ＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末とを純水や有機溶剤などの溶媒に分散させ、これにＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を浸漬して引き上げる方法、ＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末とをバインダや溶媒と混合してスラリーを作製し、このスラリーをＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に塗布する方法、ＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末をバインダと共に造粒して造粒粉末を作製し、この造粒粉末をＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に付着させる方法のいずれもが実行され得る。

バインダおよび溶媒は、その後の熱処理の昇温過程において、拡散助剤の融点以下の温度で熱分解または蒸発などでＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面から実質的に除去されるものであればよく、特に限定されない。バインダの例としては、ポリビニルアルコール、エチルセルロース、ポリエステルなどがあげられる。またＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末は、それらが混合した状態でＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在してもよいし、別々に存在してもよい。

なお、本開示の方法において、ＲＬＲＨＭ１合金はその融点が熱処理温度以下であるため熱処理の際に溶融し、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面はＲＨがＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石内部に拡散しやすい状態になる。ＲＬＲＨＭ１合金の粉末とＭ２化合物の粉末とをＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在させる前にＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に対して酸洗などの特段の清浄化処理を行う必要はない。もちろん、そのような清浄化処理を行うことを排除するものではない。また、ＲＬＲＨＭ１合金粉末粒子の表面が多少酸化されていてもＲＨの拡散やＭ２化合物を還元する効果にほとんど影響はない。

本開示の製造方法は、ＲＬＲＨＭ１合金およびＭ２化合物の粉末以外の粉末（第三の粉末）がＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在することを必ずしも排除しないが、第三の粉末がＭ２化合物中のＲＨをＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の内部に拡散することを阻害しないように留意する必要がある。Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在する粉末の全体に占める「ＲＬＲＨＭ１合金およびＭ２化合物」の粉末の質量比は、７０％以上であることが望ましい。

本開示の製造方法によれば、少ない量のＲＨで、効率的にＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石のＨ_ｃＪを向上させることが可能である。Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面に存在させる粉末中のＲＨ元素の量は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石に対して０．２〜１．５質量％であることが好ましい。

［拡散熱処理］
拡散のための熱処理温度はＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の焼結温度以下（具体的には例えば１０００℃以下）であり、かつ、ＲＬＲＨＭ１合金の粉末の融点よりも高い温度である。具体的には、熱処理温度はＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の温度で５００℃以上が好ましい。熱処理時間は例えば１０分〜７２時間である。また拡散のための熱処理の後必要に応じてさらに４００〜７００℃で１０分〜７２時間の熱処理を行ってもよい。

（実験例１）
まず、公知の方法で、組成比Ｎｄ＝１３．４、Ｂ＝５．８、Ａｌ＝０．５、Ｃｕ＝０．１、Ｃｏ＝１．１、残部＝Ｆｅ（原子％）のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を作製した。これを機械加工することにより、４．９ｍｍ×１０ｍｍ×２４．５ｍｍのＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材を得た。得られたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材の磁気特性をＢ−Ｈトレーサーによって測定したところ、Ｈ_ｃＪは１０３５ｋＡ／ｍ、Ｂ_ｒは１．４５Ｔであった。

なお、後述の通り、熱処理後のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の磁気特性は、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面を機械加工にて除去してから測定する。このため、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材もそれに合わせて、表面をさらにそれぞれ０．２ｍｍずつ機械加工にて除去し、大きさ４．５ｍｍ×９．６ｍｍ×２４．１ｍｍとしてから測定した。また、別途Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材の不純物量をガス分析装置によって測定したところ、酸素が８１０ｐｐｍ、窒素が３７０ｐｐｍ、炭素が８７０ｐｐｍであった。

次にＲＬＲＨＭ１合金として組成がＮｄ_５７Ｔｂ_１３Ｃｕ_３０（原子％）（融点５７０℃）の合金を用意した。合金はアトマイズ法によって作製した粒度１０６μｍ以下の粉末である。得られた合金の粉末と表１に示すＭ２化合物の粉末を質量比、Ｎｄ_５７Ｔｂ_１３Ｃｕ_３０：Ｍ２化合物＝９０：１０で混合し、混合粉末を得た（表１のＮｄＴｂＣｕ＝Ｎｄ_５７Ｔｂ_１３Ｃｕ_３０）。この混合粉末とポリビニルアルコールおよび水を混合してスラリーを得た。このスラリーを、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材の１０ｍｍ×２４．５ｍｍの２面に、ＲＨ（Ｔｂ）量がＲ−Ｔ−Ｂ系磁石母材に対して両面あわせて１．０質量％となるように塗布し、乾燥した。

このＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材を配置したＭｏ板を処理容器に収容して蓋をした。この蓋は容器内外のガスの出入りを妨げるものではない。これを熱処理炉に収容し、１００ＰａのＡｒ雰囲気中、９００℃で１０時間の熱処理を行った。熱処理は、室温から真空排気しながら昇温し、雰囲気圧力および温度が上記条件に達してから上記条件で行った。その後いったん室温まで降温してからＭｏ板を取り出してＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を回収した。回収したＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を処理容器に戻して再び熱処理炉に収容し、１０Ｐａ以下の真空中、４９０℃で３時間の熱処理を行った。この熱処理も室温から真空排気しながら昇温し、雰囲気圧力および温度が上記条件に達してから上記条件で行った。その後いったん室温まで降温してからＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を回収した。

得られたＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面をそれぞれ０．２ｍｍずつ機械加工によって研磨除去し、４．５ｍｍ×９．６ｍｍ×２４．１ｍｍのサンプルＮｏ．１〜７を得た。得られたサンプルＮｏ．１〜７の磁気特性をＢ−Ｈトレーサーによって測定し、Ｈ_ｃＪとＢ_ｒを求めた。結果を表１に示す。

さらに、サンプルＮｏ．１〜７について、エタノール中で超音波洗浄を行った後、温度１２０℃、相対湿度１００％ＲＨ、０．２ＭＰａで１２時間×３サイクルのプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ試験）を行った。

図１は、Ｍ２化合物の種類ごとにＰＣＴ試験後の磁石の減耗量を示すグラフである。磁石の減耗量は、スラリーを塗布していない側面における減耗量を含んでいる。

表１および図１から、Ｍ２化合物をＲＨＲＬＭ１合金とともにＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石母材の表面に存在させて熱処理した磁石は、Ｈ_ｃＪ向上と耐食性向上をともに達成できることがわかった。

本発明によるＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法は、より少ない重希土類元素ＲＨによってＨ_ｃＪを向上させ、かつ、耐食性も向上したＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石を提供し得る。

Claims (3)

1. Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（Ｒは希土類元素、ＴはＦｅまたはＦｅとＣｏ、Ｂはホウ素）を用意する工程と、
   前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の表面にＲＬＲＨＭ１合金（ＲＬはＮｄおよび／またはＰｒ、ＲＨはＤｙおよび／またはＴｂ、Ｍ１はＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎからなる群から選ばれる１種以上）の粉末と、Ｍ２化合物（Ｍ２はＡｌ、Ｌｉ、Ｆｅ、Ｃｕからなる群から選ばれる１種以上、Ｍ２化合物はＭ２フッ化物および／またはＭ２酸化物）の粉末とを存在させた状態において、前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の焼結温度以下で熱処理を行う工程と、
   を含み、
   前記ＲＬＲＨＭ１合金はＲＬ＋ＲＨをＲＬＲＨＭ１合金全体の５０原子％以上、Ｍ１をＲＬＲＨＭ１合金全体の１０原子％以上、かつ、ＲＬとＲＨをＲＬ：ＲＨ＝９６：４〜１０：９０の原子比で含み、かつ、前記ＲＬＲＨＭ１合金の融点は前記熱処理の温度以下であり、
   前記熱処理は、前記ＲＬＲＨＭ１合金の粉末と前記Ｍ２化合物の粉末とが、ＲＬＲＨＭ１合金：Ｍ２化合物＝９７：３〜８０：２０の質量比で前記Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の前記表面に存在する状態で行われる、Ｒ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
2. 前記Ｍ２化合物はＡｌフッ化物である、請求項１に記載のＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石の製造方法。
3. 前記Ｍ２化合物はＡｌ_２Ｏ_３である、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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