(57)【要約】【課題】大型Nd-Fe-B系磁石の製造において、渦電流損失を防止できる大型Nd-Fe-B系磁石の製造に適した製造方法を提供すること。【解決手段】本発明のNd-Fe-B系磁石製造方法は、焼結モールドが焼結過程で消失しないセラミック粉末で構成される絶縁物層形成薄板を有しており、焼結過程を経て、セラミック粉末で構成される絶縁物層を有するNd-Fe-B系磁石を製造する。絶縁物層形成薄板を構成するセラミック粉末の量は、その粉末の自然充填密度以上である【選択図】図１
2015060999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）焼結モールドにNd-Fe-B系磁石合金の粉末を充填する工程と、
（２）該Nd-Fe-B系磁石合金粉末を磁界中で配向する工程と、
（３）該Nd-Fe-B系磁石合金粉末を該焼結モールドごと加熱して、該Nd-Fe-B系磁石合金粉末を焼結する工程と、
をこの順で行う該Nd-Fe-B系磁石製造方法において、
該焼結モールドが該焼結過程で消失しないセラミック粉末で構成される絶縁物層形成薄板を有しており、
該焼結過程を経て、セラミック粉末で構成される絶縁物層を有するNd-Fe-B系磁石を製造するNd-Fe-B系磁石製造方法。
【請求項２】
前記絶縁物層形成薄板を構成する前記セラミック粉末の量は、その粉末の自然充填密度以上である請求項１に記載のNd-Fe-B系磁石製造方法。
【請求項３】
前記絶縁物層形成薄板を構成する前記セラミック粉末は樹脂で固められていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のNd-Fe-B系磁石製造方法。
【請求項４】
前記セラミック粉末に、絶縁物層の電気絶縁性が確保される範囲内の金属粉末を混合したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のNd-Fe-B系磁石製造方法。
【請求項５】
前記焼結モールドと前記絶縁物層形成薄板は、一体成形されたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のNd-Fe-B系磁石製造方法。
【請求項６】
前記セラミック粉末で構成される絶縁物層を有するNd-Fe-B系磁石を製造後、前記セラミック粉末で構成される絶縁物層に他の絶縁物質を追加注入することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のNd-Fe-B系磁石製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大型のNd-Fe-B系焼結磁石に関し、渦電流損失が小さいNd-Fe-B系焼結磁石とその製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
Nd-Fe-B系焼結磁石は、ハイブリッド車や電気自動車のモータ用磁石として、あるいは風力発電機用磁石として、今後ますます需要が拡大すると予想される。これらの比較的大型のNd-Fe-B系焼結磁石を使用する回転機では、運転中に焼結磁石中に発生する渦電流損失を小さくする必要がある。
【０００３】
渦電流損失を小さくするため、小さく細分化したユニット磁石を絶縁性接着剤で接着して、所望の大きさのNd-Fe-B系焼結磁石を得る方法が知られている。しかしこの方法は、多数の磁石の製造を必要とするため、製造工程数が増加し、製造費用の増加と原料歩留まりの低下を招く。
【０００４】
この問題に対し、所要の大きさと形状を持つNd-Fe-B系焼結磁石を製造した後、その磁石の少なくとも一つの表面に複数のスリットを設けること、及びそのスリットに接着剤などの非導電性物質を充填する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、スリットはダイアモンドカッターなどを用いて機械的に設けられるため、多大の加工費用がかかる。また、機械加工に伴う切削屑の発生は原料歩留まりの低下をきたし、結果として原料費の増大を招く。
【０００５】
また、所要の大きさと形状を持つNd-Fe-B系焼結磁石を製造した後、その磁石の少なくとも一つの表面に機械加工により複数のスリットを設け、これらのスリットにDyやTbの酸化物、フッ化物あるいは酸フッ化物を注入し、高温に加熱する方法が提案されている（特許文献２）。これにより、スリットにおける電気絶縁と、DyやTbの粒界拡散により、Nd-Fe-B系焼結磁石の保磁力を強化できる。なお、この方法では粉末成形体（圧粉体）作製後焼結工程前に、ダイアモンドカッターなどでスリットを入れることによりスリットを持つ焼結体を作製することも提案されている（特許文献２［００２５］）。
【０００６】
渦電流損失を小さくし、さらには粒界拡散処理を行えるようにするため、空隙形成部材を用いて空隙（スリット）を有するNd-Fe-B系焼結磁石を製造する方法も提案されている（特許文献３）。この方法は、Nd-Fe-B系焼結磁石合金の粉末を空隙形成部材と共に粉末充填容器に充填し、合金粉末を磁界中で配向し、配向後空隙形成部材を除去し、合金粉末を粉末充填容器ごと加熱してNd-Fe-B系磁石合金粉末を焼結する工程とから構成されている（特許文献３、請求項１）。機械加工を必要としないので、簡易かつ低コストである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２９５８０４号公報
【特許文献２】特開２００７−０５３３５１号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１０／０５２８６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術にはいくつかの問題点がある。
ダイアモンドカッターなどを用いる機械加工でスリットを作製する方法（特許文献１，２）は、機械加工に多大の経費がかかるだけでなくて、切削屑の発生のため原料歩留まりが低下し、原料費の増大を招く。
焼結前の粉末成形体に機械加工してスリットを形成するなら（特許文献２）、機械加工時間を短縮でき機械加工費を軽減できる。しかし焼結前の粉末成形体は脆いので、加工中に欠けたり破損したりする損失が大きい。また、機械加工中に粉末成形体の酸化が進み、焼結後の焼結磁石としての磁石特性の低下を招きやすい。
【０００９】
空隙形成部材を用いる方法（特許文献３）は、上記の欠点を克服できる。しかし、Nd-Fe-B系焼結磁石合金の粉末を空隙形成部材と共に粉末充填容器に充填し、合金粉末を磁界中で配向し、その後、空隙を完全に残して、空隙形成部材を機械的に引き抜いて、除去することは容易ではない。
【００１０】
空隙形成部材を焼結温度より低い温度で液化または気化する物質で作製し、焼結開始前に空隙形成部材を除去する方法も提案されている（特許文献３［００１５］）。この方法は、空隙形成部材を機械的に引き抜く困難を回避できる。しかし、空隙形成部材を焼結が始まる前に除去する方法には共通して大きい問題がある。  空隙形成部材をスリット中に何も存在しない状態で粉末成形体の焼結過程を進めると、焼結中の収縮過程でスリット幅の不均一化や、スリットの曲り、あるいはスリットの閉塞を招く恐れがある。このような不良品を生む危険を孕む工程は大量生産技術としては採用すべきではない。焼結はいつも均一に進むとは限らず、焼結台板との摩擦や重力の効果によりスリットが閉塞される危険がある。不良品を生む危険性をもった製造方法は、量産技術として避けなければならない。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、従来法の上記の問題点を解消し、焼結工程において大きく変形したり閉塞したりすることなく、かつ渦電流の発生を効率よく抑止できる絶縁物層を有する、新しいNd-Fe-B系磁石製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るNd-Fe-B系磁石製造方法は、（１）焼結モールドにNd-Fe-B系磁石合金の粉末を充填する工程と、（２）該Nd-Fe-B系磁石合金粉末を磁界中で配向する工程と、（３）該Nd-Fe-B系磁石合金粉末を該焼結モールドごと加熱して、該Nd-Fe-B系磁石合金粉末を焼結する工程と、をこの順で行う該Nd-Fe-B系磁石製造方法において、
該焼結モールドが該焼結過程で消失しないセラミック粉末で構成される絶縁物層形成薄板を有しており、該焼結過程を経て、セラミック粉末で構成される絶縁物層を有するNd-Fe-B系磁石を製造することを特徴とする。
【００１３】
比較的大型のNd-Fe-B系焼結磁石を使用する回転機では、運転中に焼結磁石中に発生する渦電流損失を小さくする必要がある。絶縁物層とは、Nd-Fe-B系焼結磁石を実質的に細分化し、渦電流の発生を防止するための領域である。本発明の絶縁物層は、セラミック粉末で構成されている。
【００１４】
セラミック粉末としては、Nd-Fe-B焼結磁石の焼結温度900〜1100℃において蒸発しないセラミック粉末が選ばれる。好適なセラミック粉末は、アルミナ、ジルコニア、酸化チタン、マグネシア、黒鉛、チタン酸バリウム、希土類酸化物、希土類フッ化物、希土類酸フッ化物、アルカリ金属のフッ化物、アルカリ土類金属のフッ化物などである。セラミック粉末として、タルク、マイカなどの扁平粉、ホウ酸アルミニウムなどの針状粉、炭素粉末、硫酸バリウムなどの無定形粉、ホウ酸アルミニウムウィスカー、炭酸カルシウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカーのどの針状粉、炭素繊維、アルミナ繊維などの繊維状物質なども好適である。
【００１５】
セラミック粉末には、Nd-Fe-B系磁石の焼結過程で変化しないセラミック粉末の他、焼結過程で変性するセラミック粉末であっても、その変性後も絶縁性粉末としての性質を保っている場合はここでいうセラミック粉末に含まれる。すなわち該焼結過程経過後のセラミック粉末には、当初のセラミック粉末が変性した変性物質も含まれる。変性するセラミック粉末の例としては、当初Ca(OH)２を用いると焼結後CaOに変性する場合である。
【００１６】
多くの金属粉末は、蒸気圧は十分低いが、電気導電性であるので絶縁物層を形成する目的には不適切である。しかし、セラミック粉末に金属粉末を添加して、焼結工程後に、金属粉末同士が連結されない範囲で、セラミック粉末に金属粉末が添加されるのであれば、焼結後に絶縁層が形成されるので問題はない。金属粉末を添加することにより形成される絶縁物層の電気絶縁性が確保される範囲内において、セラミック粉末に金属粉末を混合することは許容される。
【００１７】
本発明に係る絶縁物層形成薄板は、セラミック粉末で構成されている。セラミック粉末で構成された絶縁物層形成薄板を有する焼結モールドにNd-Fe-B系磁石合金粉末を充填して、磁界配向し、焼結するということは、Nd-Fe-B系磁石合金粉末の充填、配向、焼結の工程で、絶縁物層形成のための空間がセラミック粉末で構成されているということである。絶縁物形成薄板がセラミック粉末で構成されているとは、Nd-Fe-B系磁石合金粉末の焼結モールドへの充填、配向、焼結過程で、安定して絶縁物層が形成されるために必要なだけ、絶縁物形成薄板がセラミック粉末を保持しているということである。
【００１８】
絶縁物層形成薄板が保持すべきセラミック粉末の量の一つの目安は、その粉末の自然充填密度である。粉末の自然充填密度とは、粉末をある空間に自然に落下させて充填したときに示す見かけ密度をいう。粉末の自然充填密度は通常その粉末を構成する物質の理論密度の20〜40％程度である。ある空間が自然充填密度の粉末で構成されているとき、その空間は粉末によって支配され、その空間を囲む固体物質が、移動したり、収縮したりしようとすると、その空間にあらかじめ充填された粉末により、その移動や収縮が抑えられる。粉末をある空間に自然落下により充填した後、粉末に振動やタッピングを加えることにより、粉末の見かけ密度は40%以上に上昇する。充填された粉末に圧縮力を加えると、粉末の見かけ密度はさらに上昇して、50%以上にもなる。
【００１９】
絶縁物形成薄板において、セラミック粉末は樹脂によって固められている。樹脂が粉末を構成する粒子同士を接着するだけの場合、絶縁物形成薄板に含まれている樹脂の量は極めて少量である。樹脂が粉末に含まれる空間をすべて満たす場合、樹脂の量は、体積比で、100％から、上述した絶縁物形成薄板中におけるセラミック粉末の見かけ密度を減じた数値になる。これらの樹脂成分は、焼結工程中にほとんどすべて蒸発したり分解したりして消失するが、絶縁物形成薄板が置かれていた空間は、絶縁物層形成薄板に含まれていた、高温でも消失しない粉末により支配され続ける。すなわち、焼結工程において、絶縁物層形成薄板に含まれていたセラミック粉末は、焼結モールドに充填されたNd-Fe-B系磁石合金粉末の焼結収縮の際に、所定の幅の絶縁物層を所定の位置に安定して形成する役割を果たす。
【００２０】
絶縁物形成薄板はセラミック粉末と樹脂の混合物を型に入れて固める方法が採用される。このとき、セラミック粉末の量をできるだけ多くすることにより、焼結時における樹脂分解成分と、Nd-Fe-B合金粉末との反応が抑えられて、良質のNd-Fe-B焼結磁石が作りやすくなる。典型的な組成は、セラミック粉末と樹脂との体積比で60:40である。セラミック粉末としてアルミナ粉末を使用し、樹脂としてポリビニルアルコールを使用するとき、アルミナ粉末の絶縁物形成薄板に占める比率は、重量比で84％、セラミック粉末としてDyの酸化物を使用するときは、セラミック粉末分の割合は重量比で91％にもなる。これらの典型的な例における、セラミック粉末の量は、上述した、圧縮された粉末の見かけ密度（50％以上）を越えている。絶縁物形成薄板中におけるセラミック粉末の密度は、上述した、その粉末の自然充填された状態の見かけ密度以上で、上限は、セラミック粉末を固めて形状を保持することができる90％程度までの見かけ密度である。
【００２１】
空隙形成部材が樹脂のみで構成されている（特許文献３［００１５］）と、何も存在しないスリットを残したまま焼結過程を進めることになり、焼結中の収縮過程でスリットの幅の不均一化や、曲り、スリットの閉塞を招く危険性がある。絶縁物層形成薄板をセラミック粉末で構成するならば、焼結過程でセラミック粉末を固めている樹脂が消耗したとしても、セラミック粉末は絶縁物層内に留まり、焼結中の収縮過程でNd-Fe-B系磁石の絶縁物層の幅の不均一化や、絶縁物層の消失を招く危険を排除できる。
【００２２】
焼結モールドと絶縁物層形成薄板とは、同じ素材から一体成形で作製することが望ましい。樹脂としては、ポリビニルアルコール（PVA）、固形パラフィンあるいはカンファーを含む樹脂などの蒸発しやすく、蒸気がNd-Fe-B系磁石合金粉末と反応しにくい樹脂が好ましい。
【００２３】
絶縁物層形成薄板は、厚さ1mm以下、できれば0.5mm以下で、かつ0.05mm以上であることが望ましい。
【００２４】
上述した方法で作製した絶縁物層をもつNd-Fe-B系焼結磁石を磁石埋め込み型モータや発電機のロータに形成された穴に挿入して樹脂で固定して使用するときは、焼結後、焼結体の絶縁層に特別な処理を加える必要はない。しかし、モータや発電機に上述した絶縁物層をもつ磁石を組み込んで運転するときなど、磁石に応力がかかることが予想される用途には、これらの磁石の絶縁物層を機械的に強化することが望ましい。このような場合には、モータや発電機の運転中にセラミック粉末で構成された絶縁物層を起点として磁石に亀裂が入って、事故が発生する可能性がある。このような事故を防止するため、本発明の方法で絶縁物層をもつNd-Fe-B系磁石を製造したあと、絶縁物層にエポキシ樹脂などの樹脂又は接着剤を注入して、絶縁物層の機械的強度を高めておくことが望ましい。
【発明の効果】
【００２５】
Nd-Fe-B系焼結磁石の製造工程において、その焼結過程で消失しないセラミック粉末で構成される絶縁物層形成薄板を使用することにより、焼結中の収縮過程で製品が大きく変形したり、不完全な絶縁層が形成されたりすることなしに、絶縁物層をもつ高性能Nd-Fe-B系焼結磁石を安定して、かつ安価に製造できる。
【００２６】
絶縁物層は、大型のNd-Fe-B系焼結磁石中に渦電流が発生するのを防止し、それらを使用するモータや発電機中に発生する渦電流損失を最小化するのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】Nd-Fe-B系焼結磁石製造の３つのステップを示す第１の例の図
【図２】Nd-Fe-B系焼結磁石製造の３つのステップを示す第２の例の図
【図３】Nd-Fe-B系焼結磁石製造の３つのステップを示す第３の例の図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施例を以下に示すが、本発明は実施例に限定されるわけではない。また、各実施例において、焼結用モールドは個別的に試作したが、大量生産の場合は射出成形法、真空成形法、あるいは圧空成形法により多数製作されるべきことは当然である。
【００２９】
希土類焼結磁石としてはNd-Fe-B焼結磁石の他にSm-Co系焼結磁石がある。以下の実施例はNd-Fe-B焼結磁石の結果であるが、本発明の技術はSm-Co系焼結磁石にも適用できる。
【実施例１】
【００３０】
組成（重量分率）が31.5％Nd, 0.99％B, 0.1％Cu, 0.25％Al, 残部Fe であるストリップキャスト合金に水素を吸蔵させて水素解砕を行いNd-Fe-B焼結磁石用合金粗粉末を得た。この粗粉末を窒素ガスによるジェットミルにより粉砕してNd-Fe-B焼結磁石用合金微粉末を作製した。この微粉末の粒子サイズをレーザー回折・散乱法により測定した。平均粒径はD50=5.2μmであった。この微粉末に、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛粉末を0.1重量%添加して、ミキサーで攪拌混合した。以下、この微粉末を用いて焼結磁石の作製を行った。
【００３１】
図１（Ａ），図２（Ａ）および図３（Ａ）のような３種類の焼結モールドを作製した。図１（Ａ）の焼結モールドは、左右から交互に絶縁物層が切り込んでいる直方体形状のNd-Fe-B焼結磁石を製造するための焼結モールドである。図２（Ａ）の焼結モールドは、絶縁物層が渦巻き状である直方体形状のNd-Fe-B焼結磁石を製造するための焼結モールドである。図３（Ａ）の焼結モールドは、左右から交互に絶縁物層が切り込んでいる、円弧状に曲げられたセグメント形状のNd-Fe-B焼結磁石を製造するための焼結モールドである。
【００３２】
図１（Ａ）、図２（Ａ）、図３（Ａ）の焼結モールドに対応するキャビティーをもつ組立鋳型をポリテトラフルオロエチレンで作製した。また、平均粒径5μmのアルミナ粉末84gとポリビニルアルコール（PVA）16gを85℃の水100gが入ったビーカーに投入してよく撹拌してアルミナ粉末のスラリーを作製した。
ポリテトラフルオロエチレン製組立鋳型にアルミナ粉末スラリーを注入したあと、全体を100℃に加熱して水分をできる限り蒸発させた。室温まで冷却したあと、ポリテトラフルオロエチレン製組立鋳型から、アルミナ粉末がＰＶＡによって固められた焼結モールドを取り出した。これらの焼結モールドにおいて、絶縁物層形成薄板および底板部ならびに側方部の厚さはすべて0.5mmであった。
【００３３】
このようにして作製された３種類の焼結モールドに、それぞれ、モールドの機械的強度を補強するために、樹脂（POM）製の、焼結モールド支持箱を取り付けた。
先に説明した潤滑剤入りNd-Fe-B焼結磁石微粉末を、充填密度が3.2g/cm３になるまで、焼結モールド全体に均一に充填した。この状態を図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）に示した。
その後、焼結モールド上部に3mmの厚さの黒鉛板で作られた蓋を取り付けた。粉末が充填され蓋をされた焼結モールドを、焼結モールド支持箱を取り付けたまま磁界配向用コイルの中に入れ、絶縁物層形成薄板に垂直な方向に5Tのパルス磁界を印加した。磁界配向後、焼結モールド支持箱を取り外した。
【００３４】
上述したNd-Fe-B焼結磁石用合金微粉末が充填された焼結モールドを、蓋をしたまま、厚さ3mmのステンレス板(焼結台板)の上に乗せて焼結炉に入れた。全体を真空排気後、焼結炉の昇温を開始した。昇温開始と同時に焼結炉内に水素を導入し、水素圧力を約1Paに維持するように、ポンプ排気速度と水素導入量を調整しつつ、3℃／分の昇温速度で500℃まで昇温した。水素圧力1Paの雰囲気中、500℃で1時間保持したあと水素の供給を止めた。ターボ分子ポンプで排気しながら、5℃／分の昇温速度で800℃まで昇温し、800℃で1時間保持したあと、再び5℃／分の昇温速度で1050℃まで昇温した。1050℃で2時間保持したあと加熱をやめ、炉の中で室温まで冷却した。
【００３５】
焼結炉から焼結体を焼結台板ごと静かに取り出した。図１（Ａ），図２（Ａ）及び図３（Ａ）の焼結モールドから作製された焼結体は、それぞれ図１（Ｃ），図２（Ｃ）および図３（Ｃ）のように、歪みがなく、均一な幅で形成された絶縁物層を有していた。いずれの焼結体も、外形に歪みがない上質な焼結体であった。形成された絶縁物層の幅は約0.4mmで、アルミナ粉末で構成されていた。焼結モールドの外周部と底部は崩壊していたが、一部のアルミナ粉末が焼結体周辺に散逸していた。
【００３６】
焼結体の密度はいずれも7.54g/cm３に達していた。これらの焼結体を真空中で800℃に加熱し、1時間保持したあと室温まで急冷し、その後また真空中で500℃まで加熱して、1時間保持したあと室温まで急冷した。このような熱処理を施した焼結体から、磁極面7mm角で、磁化方向5mm厚さの試料を切り出して、パルス磁化測定器で磁気測定を行った。その結果、どの焼結体から取った試料も、磁気特性がよく揃っており、つぎのような特性を持っていた。
Br=14.1kG
HcJ=12.4kOe
(BH)max=48MGOe
【実施例２】
【００３７】
図１（Ａ）の焼結モールドにおいて、その外周部および底部は焼結黒鉛を加工して作製し、絶縁物層形成薄板を実施例１と同じようにアルミナ粉末とPVAを水中に撹拌させたスラリーを固める方法で作製した。ただしアルミナ粉末とPVAの重量比は91対9とした。焼結モールド各部の厚さは、外周部および底板部を2mm、絶縁領域形成薄板を0.5mmとした。
【００３８】
この焼結モールドに、実施例１と同じNd-Fe-B焼結磁石合金微粉末を実施例１と同じ方法で充填し、磁界中配向を施して、実施例１と同じ条件で焼結した。その結果、絶縁物層を有する焼結体が、絶縁物層の歪みもなく、かつ外形の歪みもなく作製できた。絶縁物層はアルミナ粉末で構成されていた。焼結体の磁石特性は実施例１と同じように評価して、実施例１と同じように極めて良好であることを確認した。
【図１】
2015060999.tif 000003
【図２】
2015060999.tif 000004
【図３】
2015060999.tif 000005