(57)【要約】【課題】永久磁石表面から重希土類元素を粒界拡散する永久磁石の製造方法に関し、永久磁石を構成する粒界相内に種々の酸化物が生じない、もしくは生じ難い、永久磁石の製造方法を提供する。【解決手段】主相Ｓと粒界相Ｒとからなる金属組織を呈する、永久磁石Ｅを用意し、該永久磁石Ｅの表面の一部もしくは全部に該永久磁石Ｅの保磁力性能を高める金属粒を付着させて中間体を形成し、この中間体を酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気下で熱処理して粒界拡散させ、永久磁石を製造する方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主相と粒界相とからなる金属組織を呈する永久磁石を用意し、該永久磁石の表面の一部もしくは全部に該永久磁石の保磁力性能を高める金属粒を付着させて中間体を形成し、この中間体を酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気下で熱処理し、前記金属粒を粒界拡散させる永久磁石の製造方法。
【請求項２】
保磁力性能を高める前記金属粒が、Ｄｙ、Ｔｂ、もしくはそれらの混合素材のいずれか一種からなる請求項１に記載の永久磁石の製造方法。
【請求項３】
用意された前記永久磁石がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石であり、保磁力性能を高める前記金属粒がＡｌ−Ｎｄ合金、Ａｌのいずれか一種からなる請求項１に記載の永久磁石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスＤＣモータをはじめとする各種モータの中で、ロータコア内部に複数の永久磁石が埋め込まれてなる永久磁石埋込型のロータを具備するモータ（以下、ＩＰＭモータという）はよく知られるところである。例えば、ハイブリット車両の駆動用モータには、上記するＩＰＭモータが使用されている。
【０００３】
モータ等のアクチュエータに適用される上記永久磁石に関してさらに言及するに、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石（たとえば、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ）はその優れた磁気特性ゆえにその用途が広範囲に広がっており、たとえば、近時の自動車産業界を牽引するといってもよいハイブリッド車をはじめとする車両、産業機械、現在クリーンエネルギとして注目を集めている風力発電機器など、その用途は広範に及んでいる。
【０００４】
ところで、磁石性能の指標として残留磁束密度と保磁力を挙げることができるが、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石に関して言えば、体積率を増大させること、結晶配向度を向上させることでその残留磁束密度を増大させることができ、結晶粒の微細化を図ること、Ｎｄ量の多い組成合金を用いること、保磁力性能の高い金属粒を添加すること、などによってその保磁力を増大させることができる。
【０００５】
その中でも現在一般に適用されている保磁力性能向上のための方策として、保磁力性能の高い重希土類元素（金属）である、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｔｂ（テルビウム）などでＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系合金のうちのＮｄの一部を置換することにより、金属化合物の異方性磁界を増大させ、これによって保磁力増大を図る方策がある。
【０００６】
しかし、上記するジスプロシウムやテルビウムの使用量は、希土類元素の自然存在比を大きく超過していることに加えて、商業的に開発されている鉱床の推定埋蔵量は極めて少なく、さらには、鉱床存在地域も世界的に偏在していることから、元素戦略の必要性が認識されるに至っている。なお、テルビウムの存在比率はジスプロシウムのそれに比して格段に低いことが知られている。
【０００７】
上記するように、ジスプロシウムやテルビウムをＮｄの一部と置換することで永久磁石の保磁力が高められる一方で、この置換物が存在することで永久磁石の飽和磁気分極を減少させることも知られており、したがって、ジスプロシウム等を使用して永久磁石の保磁力を増大させようとする場合には、少なからずその残留磁束密度の低下を許容せざるを得ない。さらには、ジスプロシウムやテルビウムがレアメタルであることより、資源リスクや材料コストの観点から、その使用量を可及的に低減する必要があることは言うまでもない。
【０００８】
そこで、ジスプロシウムやテルビウム等の金属粒を永久磁石表面から粒界拡散させ、該永久磁石を構成する粒界表面もしくはその近傍のみに濃化させて合金を形成する方法などが現在検討されている。
【０００９】
この粒界拡散においては、金属組織の粒界相内に、還元剤に起因する金属酸化物や金属フッ化物、もしくは未反応の希土類酸化物や希土類フッ化物が残留していることが多く、これらが粒界相内に残留することで、粒界相や主相表面付近に歪みが残ってしまい、これが磁石の保磁力向上を阻害する原因となってしまう。
【００１０】
焼結磁石の製作においては、不活性ガス雰囲気下、もしくは真空雰囲気下で熱処理されるのが一般的である。たとえば、高純度不活性ガスを適用した熱処理においては、この不活性ガス内に酸素が０．１ｐｐｍ（１×１０−７ａｔｍ）程度の分圧で残っており、１×１０−６Ｐａ程度の高真空雰囲気に減圧した場合でも、１×１０−１５ａｔｍ程度の分圧の酸素が残っている。そして、これらの残留酸素により、粒界相中に上記する種々の酸化物が生成されることから、焼結磁石の保磁力性能向上をその製作プロセスから図ろうとする場合には、この粒界相中に生成し得る酸化物を如何に解消できるかが当該技術分野における重要な解決課題の一つである。
【００１１】
ここで、従来技術に目を転じるに、酸素分圧が１×１０−６Ｐａ以上で１×１０３Ｐａ以下の不活性ガス雰囲気下、７００〜１０００℃の高温雰囲気下で重希土類元素を希土類焼結磁石表面に提供する、磁石の製造方法が特許文献１に開示されている。しかし、この製造技術を適用した場合でも、既述するように、高い酸素分圧雰囲気下での熱処理をそのプロセスに含むものであることから、上記する課題、すなわち、粒界相中に生成し得る酸化物の効果的な解消には至らない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−３２９３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、永久磁石表面から重希土類元素を粒界拡散する永久磁石の製造方法に関し、永久磁石を構成する粒界相内に種々の酸化物が生じない、もしくは生じ難い、永久磁石の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成すべく、本発明による永久磁石の製造方法は、主相と粒界相とからなる金属組織を呈する永久磁石を用意し、該永久磁石の表面の一部もしくは全部に該永久磁石の保磁力性能を高める金属粒を付着させて中間体を形成し、この中間体を酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気下で熱処理し、前記金属粒を粒界拡散させるものである。
【００１５】
ここで、本発明の製造方法が対象としている永久磁石は、希土類磁石やフェライト磁石、アルニコ磁石等を包含するものであり、磁化に寄与する主相と保磁力に寄与する粒界相からなる金属組織を有していれば特に限定されるものではない。また、本発明でいう「永久磁石」とは、着磁後の前記希土類磁石等のほかに、着磁前の焼結体やただの圧粉体をも含む意味である。希土類磁石としては、ネオジムに鉄とボロンを加えた３成分系のネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石）、サマリウムとコバルトとの２成分系の合金からなるサマリウムコバルト磁石、サマリウム鉄窒素磁石、プラセオジム磁石などを挙げることができる。中でも、希土類磁石はフェライト磁石やアルニコ磁石に比して最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘが高いことから、高出力が要求されるハイブリッド車等の駆動用モータへの適用に好適である。
【００１６】
本発明の永久磁石の製造方法では、まず、永久磁石の表面の一部もしくは全部に保磁力性能を高める金属粒を付着させる。ここで、この付着方法としては、この金属粒を真空蒸着、スパッタリング、イオンブレーディング等の物理的方法（ＰＶＤ）のほか、化学気相析出法（ＣＶＤ）などを適用できる。
【００１７】
また、永久磁石の保磁力性能を向上させる金属粒としては、レアメタルでかつ重金属であるジスプロシウムやテルビウム、もしくはこれらの混合材のほか、この永久磁石がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石からなる場合には、その粒界相を構成するリッチなＮｄを改質できるＡｌ−Ｎｄ合金、Ａｌなどを挙げることができる。
【００１８】
保磁力性能の観点から言えば、ジスプロシウム等に比して、Ａｌ−Ｎｄ合金やＡｌ等にて粒界相を改質した場合の永久磁石の保磁力は高いものではないが、本発明者等の検証によれば、その改質効果、すなわち保磁力性能を向上できる効果が得られることが実証されている。なお、Ａｌからなる金属粒が粒界相内に粒界拡散した場合には、粒界相を構成するＮｄと拡散浸透するＡｌが共晶点をつくり、低融点の液相を形成しやすいことが分かっている。
【００１９】
また、永久磁石の表面の一部もしくは全部に金属粒を付着させることに関し、この「表面の一部」とは、永久磁石のうち、特に保磁力性能を向上させたい領域のみに粒界相の改質領域を絞り、この領域のみに金属粒を粒界拡散させる場合を意味している。
【００２０】
たとえば、一極当たり２つの永久磁石が略Ｖの字状に配され、これがロータコアの周方向に所望の磁極数だけ形成されてなるＩＰＭモータ用のロータにおいては、たとえば、逆磁界の作用によって減磁が顕著となるＶの字配置の２つの永久磁石双方の内側でかつステータ側の隅角部等を粒界相改質領域とすることができる。
【００２１】
また、ステータのティース側から永久磁石に流れ込んでくる磁束の流れ、上記する減磁、等を総合勘案した際に、永久磁石の全領域の保磁力性能を同等に向上させる必要は必ずしもないのであって、上記するように保磁力性能を向上させる領域を絞ることで、永久磁石の保磁力性能を所望レベルに向上させながら、しかもレアメタルの使用量を低減でき、もってＩＰＭモータ等の製造コストの大幅な削減を図ることが可能となる。
【００２２】
永久磁石の表面の全部もしくは一部に、該永久磁石の保磁力性能を向上させる金属粒が付着されて中間体が形成されたら、この中間体を酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気下で熱処理することでこれを粒界拡散させ、保磁力性能が向上された永久磁石が製造される。
【００２３】
たとえば、グローブボックスや真空容器など、その内圧が所望に制御自在であって、かつ加熱手段を備えた容器内に上記する中間体を載置し、その後に、該容器内を酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気条件とした状態で加熱手段を作動させ、加熱処理を実行して金属粒の永久磁石内への粒界拡散をおこなう。
【００２４】
ここで、加熱処理に際し、容器内の酸素分圧の調整方法は特に限定されるものではないが、ジスプロシウム等の永久磁石内への粒界拡散に際し、その加熱処理過程でジスプロシウム等が酸化するのを効果的に抑止するべく、ヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガスをポンプやコンプレッサ等で容器内に提供し、この提供の際に酸素センサ等でガス提供時の酸素分圧（酸素濃度）を検出しておき、同一の、もしくは別途のポンプ等でガスを容器内から排気し、この排気されたガス中の酸素分圧を別途の酸素センサ等で検出し、容器内の酸素分圧が所望する酸素分圧となるまでこの操作を繰り返すといった調整方法を挙げことができる。
【００２５】
本発明者等の検証によれば、容器内における金属粒の加熱処理に際し、この容器内の酸素分圧と製造された永久磁石の保磁力との間にはある相関があることが実証されている。
【００２６】
より具体的には、金属粒がジスプロシウム等のレアな重金属の場合には、加熱処理時の酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍの近傍で変曲点を有し、これよりも酸素分圧が少ない領域（本発明の製造方法が対象とする酸素分圧領域）における永久磁石の保磁力は高くなり、１×１０−１８ａｔｍの変曲点で急激に低下し、これよりも酸素分圧の多い領域（従来製法領域）における永久磁石の保磁力は、本発明の製法領域によるものに比して３割程度も保磁力が低下することが実証されている。
【００２７】
また、金属粒がＡｌ−Ｎｄ合金等の場合には、加熱処理時の酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍよりも低い１×１０−２２ａｔｍの近傍で変曲点を有し、これよりも酸素分圧が少ない領域における永久磁石の保磁力は高く、１×１０−２２ａｔｍの変曲点で急激に低下し、これよりも酸素分圧の多い領域は、本発明の製法領域に比して１．５割程度の保磁力低下となることが実証されている。これらの結果は、金属粒の粒界拡散に際し、本発明の製造方法を適用することで、この金属粒が酸化されない、もしくは酸化され難くなり、粒界相の改質効果が高められていることによるものである。
【００２８】
以上の実証実験より、本発明者等は、永久磁石の保磁力性能を向上させる金属粒を加熱処理して該永久磁石内に粒界拡散させるに際し、これを酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気下で熱処理することにより、従来製法によって金属粒を永久磁石内に粒界拡散させる場合に比して、永久磁石の保磁力性能を格段に向上できる、との知見を得て、本発明の製造方法の上記数値範囲を規定したものである。
【発明の効果】
【００２９】
以上の説明から理解できるように、本発明の永久磁石の製造方法によれば、永久磁石の保磁力性能を向上させる金属粒を熱処理して永久磁石内に粒界拡散するに際し、所定の酸素分圧条件の不活性ガス雰囲気下でこの熱処理を実施するという極めて簡易な製法改良により、従来製法に比して永久磁石の粒界相の改質効果が高められ、保磁力性能に優れた永久磁石を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の製造方法を説明した図であって、永久磁石の表面の一部に金属粒を付着させている状況を説明した模式図である。
【図２】図１に次いで、永久磁石を加熱処理している状況を説明した模式図である。
【図３】図２の加熱処理により、永久磁石の粒界相内に金属粒が粒界拡散している状況を説明した模式図である。
【図４】本発明の製造方法による永久磁石と従来製法による永久磁石に関し、熱処理の際の容器内の酸素分圧と永久磁石の保磁力の相間を検証した実験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の永久磁石の製造方法の一実施の形態を説明する。
【００３２】
本発明の永久磁石の製造方法は、まず、機械加工されてその形状および寸法が規定された永久磁石を用意し、用意された永久磁石の表面の一部もしくは全部に対して、真空蒸着、スパッタリング、イオンブレーディング等によって永久磁石の保磁力性能を向上させる金属粒を付着させる。
【００３３】
ここで、用意される永久磁石は、磁化に寄与する主相と保磁力に寄与する粒界相からなる金属組織を有しており、最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘの高いネオジム磁石（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石）が好ましいが、これ以外にも、少なくとも主相と粒界相を備えた金属組織のものであれが特に限定されるものではない。
【００３４】
また、永久磁石の保磁力性能を向上させる金属粒としては、ジスプロシウムやテルビウム等の重希土類元素金属のほか、用意される永久磁石がＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結永久磁石からなる場合には、その粒界相を構成するリッチなＮｄを改質できるＡｌ−Ｎｄ合金、Ａｌなどであってもよい。
【００３５】
図１は、上記する各種のＰＶＤ法の中から、スパッタリングを適用して、永久磁石表面に金属粒（からなる層）を付着（成膜）している状況を模擬したものである。
【００３６】
まず、容器Ｙ１内から不図示の真空ポンプを介して容器内を真空雰囲気としながら（Ｘ１方向）、アルゴンガス等の不活性ガスを容器Ｙ１内に提供する（Ｘ１’方向）。
【００３７】
容器Ｙ１には、高圧電源Ｄに電気的に連通した、ジスプロシウム等からなるターゲットＴ（カソード電極）が配され、これと対向する位置にアノード電極となる基板電極Ｋ上に永久磁石Ｅが載置固定される。
【００３８】
真空雰囲気下で、原子やイオンをターゲットＴに衝突させてジスプロシウム等を金属粒として放出させ、この金属粒からなる層Ｄを永久磁石Ｅの表面に付着（成膜）させて（Ｘ２方向）中間体Ｃを製造する。
【００３９】
次に、図２で示すように、製造された中間体Ｃをグローブボックス、真空容器等の容器Ｙ２内に載置する。
【００４０】
この容器Ｙ２には、高周波誘導加熱装置、ヒータ、赤外線加熱装置、などの加熱手段ＫＮが内蔵されており、さらに、容器Ｙ２内にアルゴンガスやヘリウムガスなどの不活性ガスを提供し（Ｘ３方向）、かつ、容器Ｙ２内のガスを排気（吸引）する（Ｘ４方向）ポンプＰが流体連通している。
【００４１】
また、このポンプＰ内には、容器Ｙ２へ提供されるガス中の酸素分圧（酸素濃度）をセンシングする酸素センサＳＮ１と、容器Ｙ２から吸引されたガス中の酸素分圧をセンシングする酸素センサＳＮ２が内蔵されている。
【００４２】
不活性ガスをポンプＰで容器Ｙ２内に提供し、この提供の際に酸素センサＳＮ１でガス提供時の酸素分圧を検出しておき、同一のポンプＰでガスを容器Ｙ２内から排気（吸引）し、この吸引されたガス中の酸素分圧を別途の酸素センサＳＮ２で検出し、容器Ｙ２内の酸素分圧が所望する酸素分圧となるまでこの操作を繰り返す調整方法により、容器Ｙ２内を所望の酸素分圧雰囲気に形成できる。
【００４３】
ここで、本製造方法では、この所望酸素分圧として、酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気を形成するものであり、たとえば、酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ〜１×１０−３０ａｔｍの範囲内に調整するのがよい。
【００４４】
容器Ｙ２内が上記範囲内の酸素分圧雰囲気に調整されたら、加熱手段ＫＮを作動させ、たとえば容器Ｙ２内を１０００℃程度の高温雰囲気として、金属粒の永久磁石Ｅ内への粒界拡散を実行する。
【００４５】
図３は、永久磁石の粒界相内に金属粒が粒界拡散している状況を説明した模式図である。
【００４６】
永久磁石Ｅであるネオジム磁石等の希土類磁石やフェライト磁石は、磁化（残留磁束密度）に寄与する主相Ｓと、保磁力に寄与する粒界相Ｒからなる金属組織を有している。そして、その表面に成膜されたジスプロシウム等の金属粒は、加熱処理により、粒界相Ｒを拡散浸透して永久磁石Ｅの内部に拡散され（Ｘ５方向）、粒界相Ｒを構成するネオジウムと置換（改質）されることで、永久磁石Ｅの保磁力性能が向上する。
【００４７】
上記する本発明の永久磁石の製造方法によれば、金属粒を熱処理して永久磁石内に粒界拡散させるに際し、これを酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下の不活性ガス雰囲気下で実行することにより、ジスプロシウム等が酸化されない、もしくは酸化され難くなり、粒界相に対する改質効果が従来製法の場合に比して格段に向上する。
【００４８】
[本発明の製造方法による永久磁石と従来製法による永久磁石に関し、熱処理の際の容器内の酸素分圧と永久磁石の保磁力の相間を検証した実験とその結果]
本発明者等は、既に説明した本発明の製造方法（熱処理時の容器内の酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍ以下）と、従来製法（熱処理時の容器内の酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍを超える）によって永久磁石を製造し、各永久磁石の保磁力を測定する実験を試みた。なお、本発明の製造方法、従来製法ともに、上記酸素分圧条件下において酸素分圧を種々変化させて実験をおこなっている。
【００４９】
ここで、実験で使用する金属粒として、ジスプロシウム（Ｄｙ）とアルミニウムネオジウム合金（Ａｌ−Ｎｄ）の２種を使用し、参考例として、ジスプロシウム等による粒界相改質のないものの保磁力の測定も実施した。また、本実験では、アルゴンガスとヘリウムガスの混合ガスを使用し、熱処理時の温度を６００℃〜８５０℃に調整した。実験の結果を、図４および以下の表１に示す。
【００５０】
[表１]
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【００５１】
表１および図４より、金属粒がジスプロシウムの場合には、加熱処理時の酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍで変曲点を有し、これよりも酸素分圧が少ない領域（本発明の製造方法が対象とする酸素分圧領域）における永久磁石の保磁力は高く、１×１０−１８ａｔｍの変曲点で急激に低下し、これよりも酸素分圧の多い領域（従来製法領域）は、本発明の製法領域に比して３割程度も保磁力が低下となることが実証されている。
【００５２】
一方、金属粒がＡｌ−Ｎｄ合金の場合には、加熱処理時の酸素分圧が１×１０−１８ａｔｍよりも低い１×１０−２２ａｔｍの近傍で変曲点を有し、これよりも酸素分圧が少ない領域における永久磁石の保磁力は高く、１×１０−２２ａｔｍの変曲点で急激に低下し、これよりも酸素分圧の多い領域は、本発明の製法領域に比して１．５割程度の保磁力低下となることが実証されている。これらの結果は、金属粒の粒界拡散に際し、この金属粒が酸化されない、もしくは酸化され難いことで、粒界相の改質効果が高められていることによるものである。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
Ｅ…永久磁石、Ｄ…金属粒からなる層、Ｃ…中間体、Ｐ…ポンプ、Ｙ１，Ｙ２…容器、ＳＮ１、ＳＮ２…酸素センサ、Ｓ…主相、Ｒ…粒界相
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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