JP7715599B2 - 熱間加工磁石用の押出し金型およびそれを用いた熱間加工磁石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間加工磁石用の押出し金型およびそれを用いた熱間加工磁石の製造方法に関する。

従来、永久磁石の一種として、磁気特性に優れたＲ－Ｔ－Ｂ系永久磁石が知られており、広く用いられている。Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石は大きく２つに分類され、一つは粉末冶金法により製造される焼結磁石であり、もう一つは熱間塑性加工法により製造される熱間加工磁石がある。

熱間加工磁石の製造方法には、ダイアップセット法、据込鍛造法、後方押出法、前方押出法等がある。これらのうち、前方押出法はＩＰＭなどの高効率モータに用いられる熱間加工磁石の製造に適している。熱間加工磁石の特性は、熱間加工の際の塑性変形に大きく影響され、前方押出法では、塑性変形を担う押出し金型の形状に大きく影響され得る。

特開２００８－２５８５８５号公報 特開２００８－９１８６７号公報 特表２０１８－５２２４００号公報

従来技術に係る熱間加工磁石の製造方法では、製造される熱間加工磁石に生じるクラックについては検討がなされておらず、クラックを十分に抑制することができていなかった。熱間加工磁石にクラックが生じた場合には、主相体積率の低下に伴い残留磁束密度Ｂｒが低下し得る。また、クラックを起点として局所反磁界が増大し、反転核が発生しやすくなり、その結果、保磁力Ｈ_ｃＪが低下し得る。そこで、発明者らは、熱間加工磁石に生じるクラックについて研究を重ね、クラックを抑制することができる技術を新たに見出した。

本発明の一態様は、熱間加工磁石のクラックを抑制することができる熱間加工磁石用の押出し金型およびそれを用いた熱間加工磁石の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、互いに対面する始端面および終端面を有し、かつ、始端面から終端面まで延びる塑性加工部を備える熱間加工磁石用の押出し金型であって、塑性加工部は、始端面と終端面との対面方向に対して直交する断面における断面積が、塑性加工部の始端面における始端部から終端面における終端部に向かって漸減している。

上記熱間加工磁石用の押出し金型においては、塑性加工部の断面積が始端部から終端部に向かって漸減しているため、熱間加工磁石の製造に用いた場合、熱間加工の際に成形体に対する加圧は徐々に強まる。すなわち、熱間加工の途中で成形体に対する加圧が緩むことがなく、加圧が緩むことに起因するクラックの発生が効果的に抑制される。

他の形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、塑性加工部の始端部の面積に対する終端部の面積の割合が６０～９０％である。熱間加工磁石の製造に用いた場合、高い磁気特性を有する熱間加工磁石を得ることができる。加えて、クラックの発生がより抑制され、それにより高い磁気特性を有する熱間加工磁石が得られる。

他の形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、塑性加工部の始端部が一方向に延びた端面形状を有し、かつ、塑性加工部の終端部も一方向に延びた端面形状を有する。

他の形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、押出し金型の始端面と終端面との対面方向から見て、塑性加工部の始端部の端面形状が延びる第１の方向と、塑性加工部の終端部の端面形状が延びる第２の方向とが交差している。この場合、成形体に対して大きな塑性変形を付与することができる。

他の形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、塑性加工部の始端部の端面形状および終端部の端面形状が長方形である。

他の形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、塑性加工部は、始端部の端面形状から終端部の端面形状まで、端面形状の長方形の各辺の長さが指数関数的に変化している。この場合、塑性加工部の始端面における始端部から終端面における終端部に向かって、塑性加工部の断面積を線形的に減らすことができる。そのため、塑性加工部の始端部から終端部に向かって成形体に対する加圧が一定の割合で強まり、クラックの発生をより一層抑制することができる。

他の形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型は、塑性加工部の終端部の端面形状が部分円環状である。

本発明の一形態に係る熱間加工磁石の製造方法は、上記熱間加工磁石用の押出し金型を用いた熱間加工磁石の製造方法であって、磁性粉を成形して得られた成形体を上記押出し金型で熱間加工して熱間加工磁石を得る熱間加工工程を含む。

上記熱間加工磁石の製造方法においては、熱間加工工程における熱間加工の途中で成形体に対する加圧が緩むことがなく、加圧が緩むことに起因するクラックの発生が効果的に抑制される。

本発明の一態様によれば、熱間加工磁石のクラックを抑制することができる熱間加工磁石用の押出し金型およびそれを用いた熱間加工磁石の製造方法が提供される。

第１実施形態に係る押出し金型を示した概略斜視図である。 図１に示した押出し金型の塑性加工部を示した図である。 図１に示した押出し金型の塑性加工部の概略断面図である。 第２実施形態に係る押出し金型を示した概略斜視図である。 図４に示した押出し金型の塑性加工部の（ａ）始端部の形状および（ｂ）終端部の形状を示した図である。 図４に示した押出し金型の塑性加工部の輪郭寸法の変化を示したグラフである。 図４に示した押出し金型の塑性加工部の断面積の変化を示したグラフである。 熱間加工磁石の製造方法を示すフローチャートである。 実施例に係る試料１の輪郭寸法の変化を示したグラフである。 実施例に係る試料２の輪郭寸法の変化を示したグラフである。 実施例に係る試料１の断面積の変化を示したグラフである。 実施例に係る試料２の断面積の変化を示したグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）

第１実施形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型１０について図１～３を参照しつつ説明する。押出し金型１０は、互いに対面する始端面１０ａおよび終端面１０ｂを有する。本実施形態では、押出し金型１０は円柱状の外形を有し、始端面１０ａおよび終端面１０ｂはいずれも円形状である。本実施形態では、始端面１０ａと終端面１０ｂとは互いに平行である。押出し金型１０は、高耐熱材料（たとえばニッケル基超合金（たとえばインコネル（登録商標））、モリブデン等）で構成されている。

押出し金型１０は、始端面１０ａから終端面１０ｂまで延びる塑性加工部１２を備えている。塑性加工部１２は、始端面１０ａにおける始端部１２ａと、終端面１０ｂにおける終端部１２ｂを有する。

塑性加工部１２の始端部１２ａは、始端面１０ａと終端面１０ｂとの対面方向から見て、一方向に延びた端面形状を有している。本実施形態における始端部１２ａの端面形状は長方形状である。

以下、説明の便宜上、始端面１０ａと終端面１０ｂとの対面方向をＺ方向とし、塑性加工部１２の始端部１２ａの端面形状が延びる方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。

押出し金型１０では、塑性加工部１２のＸ－Ｙ断面における断面積が、始端部１２ａから終端部１２ｂに向かって、ほぼ線形的に漸減している。

塑性加工部１２の終端部１２ｂは、始端面１０ａと終端面１０ｂとの対面方向から見て、一方向に延びた端面形状を有している。本実施形態における終端部１２ｂの端面形状は長方形状である。始端部１２ａの端面形状がＸ方向に延びている（すなわち、長辺がＸ軸に沿っている）のに対し、終端部１２ｂの端面形状はＹ方向に延びている（すなわち、長辺がＹ軸に沿っている）。始端面１０ａと終端面１０ｂとの対面方向から見ると、始端部１２ａの端面形状が延びるＸ方向（第１の方向）と、終端部１２ｂの端面形状が延びるＹ方向（第２の方向）とは交差しており、よく詳しくは直交している。塑性加工部１２は、始端部１２ａの長方形端面から終端部１２ｂの長方形端面までの間で、長辺（または長軸）と短辺（または短軸）とが入れ替わると表現することもできる。始端部１２ａの端面と終端部１２ｂの端面とは捻れの位置関係となっている。

押出し金型１０は、図１に示すように、塑性加工部１２の始端部１２ａの端面形状と同一寸法（または、ごくわずかだけ短い）断面形状を有するパンチ２０を用いて、始端面１０ａ上に配置された上述の成形体を終端面１０ｂに向けて、Ｚ方向に前方押出しする。それにより、塑性加工部１２の終端部１２ｂの端面形状と同一の断面形状を有する帯状の熱間加工磁石が得られる。帯状の熱間加工磁石は、所定幅に適宜切断される。

押出し金型１０の内部では、塑性加工部１２の輪郭は図２、３に示したように曲線によって構成されている。

図３（ａ）に示すＹ－Ｚ断面（図２のＩ－Ｉ線断面）では、塑性加工部１２の始端部１２ａの幅（すなわち、長方形端面の短辺長さ）は、終端部１２ｂに向かうに従って指数関数的に徐々に拡がり、終端面１０ｂにおいて終端部１２ｂの幅（すなわち、長方形端面の長辺長さ）に一致する。つまり、Ｙ－Ｚ断面における塑性加工部１２の輪郭線１４Ａ、１４Ｂはいずれも指数関数で表現することができる曲線となっている。

図３（ｂ）に示すＸ－Ｚ断面（図２のＩＩ－ＩＩ線断面）では、塑性加工部１２の始端部１２ａの幅（すなわち、長方形端面の長辺長さ）は、終端部１２ｂに向かうに従って指数関数的に徐々に狭まり、終端面１０ｂにおいて終端部１２ｂの幅（すなわち、長方形端面の短辺長さ）に一致する。つまり、Ｘ－Ｚ断面における塑性加工部１２の輪郭線１６Ａ、１６Ｂはいずれも指数関数で表現することができる曲線となっている。

熱間加工磁石では、内部にクラックが生じるとその部分における磁化が目減りし、単位体積当たりの磁化が低下してしまい、その結果、残留磁束密度の低下が招かれる。上述した押出し金型１０を熱間加工磁石の製造に用いることで、熱間加工磁石のクラックを抑制することができるため、残留磁束密度の低下が抑制され得る。

また、熱間加工磁石内においてクラックが生じている部分には、磁石表面と同様に、反磁界が生じ、磁化反転の起点となる。熱間加工磁石内のクラックの数が増すに従い、磁化反転の起点が増すため、熱間加工磁石の保磁力を低下させてしまう。上述した熱間加工磁石の製造方法によれば、磁化反転の起点となるクラックを抑制することができるため、保磁力の低下が抑制され得る。

なお、塑性加工部１２の始端部１２ａの面積に対する終端部１２ｂの面積の割合（減面率）を６０～９０％（一例として８６．８％）とすることで、高い磁気特性（たとえば保磁力）を有する熱間加工磁石を得ることができる。加えて、クラックの発生がより抑制され、それにより高い磁気特性（たとえば、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈ_ｃＪ）を有する熱間加工磁石を得ることができる。

また、塑性加工部１２の始端部１２ａの端面と終端部１２ｂの端面とは、捻れの位置関係ではなく、平行な位置関係（たとえば、いずれもＸ方向に延びている）であってもよい。塑性加工部１２の始端部１２ａの端面と終端部１２ｂの端面とが捻れの位置関係にある場合には、成形体が塑性加工部１２を通過するときに比較的大きな塑性変形を生じさせることができ、高い磁気特性（たとえば保磁力）を有する熱間加工磁石を得ることができる。

さらに、塑性加工部１２の始端部１２ａの端面形状から終端部１２ｂの端面形状まで、端面形状の長方形の各辺の長さが指数関数的に変化する場合、塑性加工部１２の始端面１０ａにおける始端部１２ａから終端面１０ｂにおける終端部１２ｂに向かって、塑性加工部１２の断面積を線形的に減らすことができる。そのため、塑性加工部１２の始端部１２ａから終端部１２ｂに向かって成形体に対する加圧が一定の割合で強まり、クラックの発生をより一層抑制することができる。
（第２実施形態）

第２実施形態に係る熱間加工磁石用の押出し金型１０Ａについて図４～７を参照しつつ説明する。押出し金型１０Ａは、その塑性加工部１２Ａの形状が第１実施形態に係る押出し金型１０とは異なっており、それ以外については押出し金型１０と同一または同様である。

塑性加工部１２Ａの始端部１２ａは、押出し金型１０Ａの始端面１０ａと終端面１０ｂとの対面方向から見て、一方向に延びた端面形状を有しており、より詳しくは長方形状の端面形状を有している。塑性加工部１２Ａの始端部１２ａは、図５（ａ）に示すように、一方の短辺長さがＬ１、長辺長さがＬ２、他方の短辺長さがＬ３である。塑性加工部１２Ａの始端部１２ａでは、短辺長さＬ１とＬ３とは同じ長さであり、一例として１．０ｍｍである。塑性加工部１２Ａの始端部１２ａでは、長辺長さＬ２は一例として２．０ｍｍである。

塑性加工部１２Ａの終端部１２ｂは、押出し金型１０Ａの始端面１０ａと終端面１０ｂとの対面方向から見て、部分円環状の端面形状を有している。終端部１２ｂの端面形状の部分円環状は、より詳しくは内弧の開き角θが１８０度である半円環状である。塑性加工部１２Ａの終端部１２ｂは、図５（ｂ）に示すように、外弧長さがＬ１、端辺長さがＬ２、内弧長さがＬ３である。内弧の曲率半径Ｒ１は、一例として０．６５ｍｍであり、この場合の内弧長さＬ３（＝Ｒ１×π）は約２．０ｍｍである。外弧の曲率半径Ｒ２は、一例として１．１５ｍｍであり、この場合の外弧長さＬ１（＝Ｒ２×π）は約３．６ｍｍである。端辺長さＬ２（＝Ｒ２－Ｒ１）は、一例として０．５ｍｍである。

塑性加工部１２Ａでは、始端部１２ａの長方形端面から終端部１２ｂの半円環端面までの間で、輪郭の形状および寸法が徐々に変化している。より詳しくは、始端部１２ａの一方の短辺（長さＬ１）が終端部１２ｂの外弧に徐々に変化し、始端部１２ａの一対の長辺が終端部１２ｂの一対の端辺それぞれに徐々に変化し、始端部１２ａの他方の短辺（長さＬ３）が終端部１２ｂの内弧に徐々に変化している。

図６は、塑性加工部１２Ａの輪郭寸法Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の変化を示したグラフであり、縦軸が輪郭寸法（ｍｍ）、横軸が始端面１０ａからの距離（深さ）を示している。図６のグラフのとおり、輪郭寸法Ｌ１およびＬ３は始端部１２ａから終端部１２ｂまで単調増加しており、輪郭寸法Ｌ２は始端部１２ａから終端部１２ｂまで単調減少している。

図７は、塑性加工部１２Ａの断面積の変化を示したグラフであり、縦軸が始端部１２ａの面積を１００％としたときの面積割合、横軸が始端面１０ａからの距離（深さ）を示している。図７のグラフのとおり、塑性加工部１２Ａの断面積は、始端部１２ａから終端部１２ｂに向かって漸減している。

このように、押出し金型１０Ａは、上述した押出し金型１０同様、塑性加工部１２Ａの断面積が始端部１２ａから終端部１２ｂに向かって漸減しているため、熱間加工工程で成形体に対する加圧が途中で緩むことがなく、それによりクラックの発生を効果的に抑制することができる。

なお、上述した押出し金型１０Ａでは、塑性加工部１２Ａの終端部１２ｂの端面形状は、内弧の開き角θが１８０度である部分円環状（すなわち、半円環状）であったが、開き角θが１８０度より狭い部分円環状であってもよい。開き角θは、１２０度以下であってもよく、９０度以下であってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

たとえば、塑性加工部の始端部および終端部の端面形状は、長方形状に限らず、一方向に延びた楕円形状であってもよく、真円形状やＵ字状、Ｖ字状であってもよい。
（熱間加工磁石の製造方法）

上述した押出し金型１０、１０Ａが用いられる熱間加工磁石の製造方法を、図８に示すフローチャートに沿って説明する。以下では、Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石の一種であるＲ_２Ｔ_１４Ｂ結晶を主相とするネオジム磁石（ネオジム鉄ボロン系磁石）の製造方法について説明する。

Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石においてＲは希土類元素を示している。永久磁石は、希土類元素として少なくともネオジム（Ｎｄ）を含有する。永久磁石は、Ｎｄに加えて、他の希土類元素を含んでもよい。他の希土類元素は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石においてＴは遷移金属元素を示している。永久磁石は、遷移金属元素として少なくとも鉄（Ｆｅ）を含有する。永久磁石は、遷移金属元素として、Ｆｅのみを含有していてもよい。永久磁石は、遷移金属元素として、Ｆｅおよびコバルト（Ｃｏ）の両方を含有してもよい。Ｒ－Ｔ－Ｂ系永久磁石においてＢはボロンである。

熱間加工磁石を製造する際は、まず、原料となる磁石材料を磁性粉に粉砕する（ステップＳ１）。粉砕は、たとえばカッターミルやプロペラミルによりおこなうことができ、たとえばアルゴンガス雰囲気中（または窒素ガス雰囲気中）でおこなうことができる。粉砕により得られた磁性粉の粒径はたとえば約１００～３００μｍである。磁性粉は、ネオジム磁石結晶の寸法レベル（１μｍ以下、たとえば数十～数百ｎｍ）までは細かくは粉砕されておらず、複数のネオジム磁石結晶で構成された多結晶構造を有する。

ステップＳ１で得られた磁性粉は、圧縮成形機により成形されて、成形体が得られる（ステップＳ２）。成形は、窒素ガス雰囲気中（またはアルゴンガス雰囲気中）、８００℃以下の高温下（一例として、７５０℃）、２００ＭＰａ以下のプレス圧で、数十秒間おこなわれる。成形により、緻密な成形体が得られる。ただし、この成形体の状態では、磁石粒子はランダムに配向されており、磁化容易軸方向が揃っていない。

ステップＳ２で得られた成形体は、前方押出法により熱間加工されて、熱間加工磁石が得られる（ステップＳ３）。熱間加工は、窒素ガス雰囲気中（またはアルゴンガス雰囲気中、大気中）、８００℃以下の高温下（一例として、７５０℃）、１００ＭＰａ以下のプレス圧で、数十秒間おこなわれる。この熱間加工に、上述した押出し金型１０、１０Ａを用いることができる。
（実施例）

ここで、押出し金型１０、１０Ａの塑性加工部１２、１２Ａの断面積に関し、発明者らがおこなった実験について説明する。

試料１、２として、上述した押出し金型１０のように、塑性加工部の始端部の長方形端面が２２ｍｍ×１１ｍｍ、長辺と端辺とが入れ替わった終端部の長方形端面が７ｍｍ×３０ｍｍ、厚さが２０ｍｍである押出し金型を準備した。試料１では図９に示すように塑性加工部の輪郭寸法（Ｘ方向長さおよびＹ方向長さ）を指数関数的に変化させ、試料２では図１０に示すように塑性加工部の輪郭寸法を線形に変化させた。図９、１０のグラフでは、縦軸が輪郭寸法を示し、横軸が始端面からの距離（深さ）を示している。

試料１では、図１１に示すように塑性加工部の断面積が始端部から終端部に向かってほぼ線形的に漸減している。一方、試料２では、図１２に示すように、塑性加工部の断面積は始端部から終端部に向かって一旦漸増し、始端部から終端部との中間付近で最大断面積となった後に漸減している。図１１、１２のグラフでは、縦軸が始端部の面積を１００％としたときの面積割合、横軸が始端面からの距離（深さ）を示している。図１１のグラフでは、塑性加工部の始端部の面積に対する終端部の面積の割合は８６．８％となっている。

そして、試料１および試料２を用いて成形体の熱間加工をおこない、熱間加工磁石を得た。その結果、試料１を用いて得られた熱間加工磁石ではクラックが確認されなかったが、試料２を用いて得られた熱間加工磁石ではクラックが散見された。

試料３として、上述した押出し金型１０Ａのように、塑性加工部の始端部の長方形端面が２０ｍｍ×１０ｍｍ、終端部の半円環状端面が、内径１３ｍｍ、厚さ５ｍｍ、内弧の開き角１８０度である押出金型を準備した。試料３では図６に示すように塑性加工部の輪郭寸法を変化させた。図６のグラフでは、縦軸が輪郭寸法を示し、横軸が始端面からの距離（深さ）を示している。

試料３では、図７に示すように塑性加工部の断面積が始端部から終端部に向かって漸減している。図７のグラフでは、縦軸が始端部の面積を１００％としたときの面積割合、横軸が始端面からの距離（深さ）を示している。図７のグラフでは、塑性加工部の始端部の面積に対する終端部の面積の割合は７０．６％となっている。

そして、試料３を用いて成形体の熱間加工をおこない、熱間加工磁石を得た。その結果、試料３を用いて得られた熱間加工磁石にはクラックが確認されなかった。

これは、試料１、３のように塑性加工部の断面積が始端部から終端部に向かって一度も増加することなく漸減する場合には、熱間加工の際に成形体に対する加圧は徐々に強まっていくため途中で加圧が緩むことはないが、試料２のように塑性加工部の断面積が少しでも増加してしまうと加圧が緩んで、加圧が緩むことに起因するクラックが発生したものと考えられる。

１０、１０Ａ…押出し金型、１０ａ…始端面、１０ｂ…終端面、１２、１２Ａ…塑性加工部、１２ａ…始端部、１２ｂ…終端部。

Claims (4)

1. 互いに対面する始端面および終端面を有し、かつ、前記始端面から前記終端面まで延びる塑性加工部を備える熱間加工磁石用の押出し金型であって、
   前記塑性加工部は、前記始端面と前記終端面との対面方向に対して直交する断面における断面積が、前記塑性加工部の前記始端面における始端部から前記終端面における終端部に向かって漸減しており、
   前記塑性加工部の前記始端部が一方向に延びた端面形状を有し、かつ、前記塑性加工部の前記終端部も一方向に延びた端面形状を有し、
   前記押出し金型の前記始端面と前記終端面との対面方向から見て、前記塑性加工部の前記始端部の端面形状が延びる第１の方向と、前記塑性加工部の前記終端部の端面形状が延びる第２の方向とが交差しており、
   前記塑性加工部の前記始端部の端面形状および前記終端部の端面形状が長方形であり、
   前記塑性加工部は、前記始端部の端面形状から前記終端部の端面形状まで、前記端面形状の長方形の各辺の長さが指数関数的に変化しており、
   前記塑性加工部は、前記始端部の端面形状における長方形の長辺から前記終端部の端面形状における長方形の短辺まで長さが指数関数的に短くなり、かつ、前記始端部の端面形状における長方形の短辺から前記終端部の端面形状における長方形の長辺まで長さが指数関数的に長くなる、熱間加工磁石用の押出し金型。
2. 前記塑性加工部の前記断面積が、前記始端部から前記終端部に向かって線形的に漸減している、請求項１に記載の熱間加工磁石用の押出し金型。
3. 前記塑性加工部の前記始端部の面積に対する前記終端部の面積の割合が６０～９０％である、請求項１または２に記載の熱間加工磁石用の押出し金型。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の熱間加工磁石用の押出し金型を用いた熱間加工磁石の製造方法であって、
   磁性粉を成形して得られた成形体を前記押出し金型で熱間加工して熱間加工磁石を得る熱間加工工程を含む、熱間加工磁石の製造方法。