(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類磁石用の磁性粉末が加圧成形されて焼結体が製作され、該焼結体に磁気的異方性を付与する熱間塑性加工が施されて製作された希土類磁石の磁気性能を特定する希土類磁石の磁気性能の特定方法であって、
結晶組織を、A：等軸粒組織、B:せん断配向組織、C:酸化物・窒化物組織、D:扁平粒配向組織に分類し、以下の式にて残留磁化：Brを特定する、希土類磁石の磁気性能の特定方法。
Br=Br(A)＋Br(B)＋Br(C)＋Br(D)
ここで、Br(A)は組織Aの体積%×組織Aの配向度×組織Aの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br(B)は組織Bの体積%×組織Bの配向度×組織Bの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br(C)は組織Cの体積%×0であり、Br(D)は組織Dの体積%×組織Dの配向度×組織Dの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br、Br(A)、Br(B)、Br(C)、およびBr(D)の単位はTである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類磁石の磁気性能の特定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランタノイド等の希土類元素を用いた希土類磁石は永久磁石とも称され、その用途は、ハードディスクやMRIを構成するモータのほか、ハイブリッド車や電気自動車等の駆動用モータなどに用いられている。
【０００３】
この希土類磁石の磁石性能の指標として残留磁化（残留磁束密度）と保磁力を挙げることができるが、モータの小型化や高電流密度化による発熱量の増大に対し、使用される希土類磁石にも耐熱性に対する要求は一層高まっており、高温使用下で磁石の磁気特性を如何に保持できるかが当該技術分野での重要な研究課題の一つとなっている。
【０００４】
希土類磁石としては、組織を構成する結晶粒（主相）のスケールが3〜5μm程度の一般的な焼結磁石のほか、結晶粒を50nm〜300nm程度のナノスケールに微細化したナノ結晶磁石があるが、中でも、上記する結晶粒の微細化を図りながら高価な重希土類元素の添加量を低減したり、重希土類元素の添加を無くすことのできるナノ結晶磁石が現在注目されている。
【０００５】
希土類磁石の製造方法の一例を概説すると、たとえばNd-Fe-B系の金属溶湯を急冷凝固して得られた急冷薄帯（急冷リボン）を製作し、これを粉砕して製作された磁性粉末を熱間にて加圧成形しながら焼結体とし、この焼結体に磁気的異方性を付与するべく熱間塑性加工を施して希土類磁石（配向磁石）を製造する方法が一般に適用されている。
【０００６】
ところで、希土類磁石等の磁石において、その性能向上に寄与する複数の組織パラメータが存在することは既に知られるところであり、たとえば、高残留磁束密度を得るためには結晶配向度が高い方がよいことや、Nd-Fe-B系磁石においては体積率が高い方がよいことなどが知見の一例として挙げられ、これらは理論的にも説明されている。しかしながら、これらの知見は主として単独のパラメータの影響に関する説明に終始しており、希土類磁石の磁気性能に対してそれぞれのパラメータの寄与が総合的に判断された知見はこれまでにない。
【０００７】
ここで、特許文献１には磁石の厚み方向における保磁力分布をB-Hトレーサの測定値から算出することにより、磁石を実際に分割することなく、非破壊で算出する磁力特性算出方法が開示されている。
【０００８】
この磁力特性算出方法によれば、磁石を破壊することなく、その保磁力分布を短時間で容易に算出することができるとしている。この算出方法は、磁気特性をマクロ的に測定し、評価していると言えるものの、ミクロ的な組織の影響については一切考慮されていない。したがって、単にマクロ的な磁気特性の特定に留まるものであり、どの組織因子に働きかけることで高性能磁石が得られるようになるかについては分かる術がない。そのため、複数の組織因子が相互に影響し合って磁石全体の磁気特性を決定していることを評価する手法の開示は当然に存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−３６９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、磁石を構成する複数のミクロ組織の影響を総合的に判断することにより、希土類磁石の磁気特性を精度よく特定することのできる希土類磁石の磁気特性の特定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】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による希土類磁石の磁気性能の特定方法は、希土類磁石用の磁性粉末が加圧成形されて焼結体が製作され、該焼結体に磁気的異方性を付与する熱間塑性加工が施されて製作された希土類磁石の磁気性能を特定する希土類磁石の磁気性能の特定方法であって、結晶組織を、A：等軸粒組織、B:せん断配向組織、C:酸化物・窒化物組織、D:扁平粒配向組織に分類し、以下の式にて残留磁化：Brを特定するものであり、Br=Br(A)＋Br(B)＋Br(C)＋Br(D)であり、ここで、Br(A)は組織Aの体積%×組織Aの配向度×組織Aの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br(B)は組織Bの体積%×組織Bの配向度×組織Bの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br(C)は組織Cの体積%×0であり、Br(D)は組織Dの体積%×組織Dの配向度×組織Dの主相率×希土類磁石の理論最高Br値で規定される、磁気性能の特定方法である。
【００１２】
本発明の磁気特性の特定方法は、結晶組織を４種類に分類し、各組織の残留磁化Br、すなわち体積と配向度の積を算定して総和を求めることにより、希土類磁石全体の磁気特性（中でも残留磁束密度、残留磁化）を特定するものである。
【００１３】
結晶組織の中のA：等軸粒組織は、たとえば慣性楕円に近似した際のアスペクト比が4未満の結晶組織である。なお、アスペクト比が小さい場合（たとえば4未満の場合）は配向度が低く、アスペクト比が大きな場合（たとえば4以上の場合）は配向度が高い。
【００１４】
一方、結晶組織の中のB:せん断配向組織は、配向した結晶群のC軸方向に対し、およそ垂直に入った亀裂周辺における配向が乱れた結晶組織であり、たとえばダイヤ形状に見える組織である。
【００１５】
一方、結晶組織の中のC:酸化物・窒化物組織は、結晶粒界もしくは粉末粒界に析出するNd酸化物やNd窒化物などの結晶組織である。
【００１６】
さらに、結晶組織の中のD:扁平粒配向組織は、慣性楕円に近似した際のアスペクト比が4以上の結晶組織である。
【００１７】
本発明の磁気特性の特定方法は、上記４種類の結晶組織の体積%と配向度の積、および各結晶組織の主相率と希土類磁石の理論最高Br値の積を算出し、双方の積を算出して各組織の残留磁束密度とし、４種類の結晶組織の残留磁束密度の和を算出して希土類磁石全体の残留磁束密度とするものである。
【００１８】
ここで、Nd-Fe-B系の希土類磁石の場合、理論最高Br値は1.61Tとなる。
【００１９】
また、主相率とは、材料に占めるハード磁性相であるたとえばNd2Fe14B結晶の体積分率のことであり、主相率=(1−粒界相率)×(1−気孔率)で算定することができる。
【００２０】
また、C:酸化物・窒化物組織に関しては、酸化物、窒化物ゆえに主相が含まれておらず、残留磁束密度への寄与がないことからゼロが乗じられているものの、その体積を求めることにより、残留磁束密度低下への寄与を推定できることからその算出には大きな意味がある。
【発明の効果】
【００２１】
以上の説明から理解できるように、本発明の希土類磁石の磁気特性の特定方法によれば、希土類磁石を構成する複数種の微細組織が希土類磁石全体の磁気特性に及ぼす影響を定量的に算出し、各算出値を合算することで希土類磁石全体の磁気特性、特に残留磁束密度を精度よく特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】希土類磁石を４種類の微細組織で表したことを説明した模式図である。
【図２】主相量の算定フローを説明した図である。
【図３】主相量の算定に適用される計算シートの一例を示した図である。
【図４】４種類の微細組織のSEM画像写真図であって、（ａ）は等軸粒組織の写真図であり、（ｂ）はせん断配向組織の写真図であり、（ｃ）は酸化物・窒化物組織の写真図であり、（ｄ）は扁平粒配向組織の写真図である。
【図５】（ａ）は本発明の特定方法で特定された希土類磁石の残留磁束密度とVSM(振動試料型磁力計)にて測定された残留磁束密度の測定値を比較する実験結果を示した図であり、（ｂ）は本発明の特定方法で特定された希土類磁石の残留磁束密度における各結晶組織の寄与分を特定した図である。
【図６】残留磁束密度を低下させている要因分析結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の希土類磁石の磁気性能の特定方法の実施の形態を説明する。
【００２４】
（希土類磁石の磁気特性の特定方法の実施の形態）
図１は希土類磁石を４種類の微細組織で表したことを説明した模式図である。まず、図１で示す希土類磁石Ｍの製造方法を概説する。
【００２５】
液体急冷にて微細な結晶粒である急冷薄帯を製作し、これを粉砕して、磁性粉末を製作する。具体的には、たとえば50kPa以下に減圧した不図示の炉中で、単ロールによるメルトスピニング法により、合金インゴットを高周波溶解し、希土類磁石を与える組成の溶湯を銅ロールに噴射して急冷薄帯（急冷リボン）を製作する。
【００２６】
ここで、急冷リボンの組成は、RE-Fe-B系の主相（RE:Nd、Prの少なくとも一種）と、該主相の周りにあるRE-X合金（X:金属元素であって重希土類元素を含まない）からなり、たとえばこれがナノ結晶組織の場合には、50nm〜300nm程度の結晶粒径の主相からなる。
【００２７】
また、粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga、Cu、Al等のうちの少なくとも一種以上の合金からなり、たとえば、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaのうちのいずれか一種、もしくはこれらの二種以上が混在したものであって、Ndリッチな状態となっている。
【００２８】
製作された急冷リボンを回収し、これを粗粉砕して磁性粉末を製作する。粗粉砕された磁性粉末の粒径範囲は、たとえば75〜300μmの範囲となるように調整される。
【００２９】
次に、不図示の超硬ダイスとこの中空内を摺動する超硬パンチから構成された成形型のキャビティ内に磁性粉末を収容（充填）する。そして、超硬パンチで加圧しながら、加圧方向に電流を流して700℃程度で通電加熱することにより（熱間成形、焼結）、焼結体が製作される。たとえば、この焼結体は、ナノ結晶組織のNd-Fe-B系の主相（平均粒径が300nm以下で、たとえば50nm〜200nm程度の結晶粒径）と、主相の周りにあるNd-X合金（X:金属元素）の粒界相を備えた組織を有している。
【００３０】
ここで、焼結体の粒界相を構成するNd-X合金は、Ndと、Co、Fe、Ga等のうちの少なくとも一種以上の合金からなり、たとえば、Nd-Co、Nd-Fe、Nd-Ga、Nd-Co-Fe、Nd-Co-Fe-Gaのうちのいずれか一種、もしくはこれらの二種以上が混在したものであって、Ndリッチな状態となっている。
【００３１】
焼結体が製作されたら、不図示の超硬パンチで加圧しながら熱間塑性加工を施すことにより、焼結体に磁気的異方性が付与され、所望の配向度を有する希土類磁石Ｍが製造される。
【００３２】
なお、熱間塑性加工の際の歪み速度は0.1/sec以上に調整されているのがよい。また、熱間塑性加工による加工度（圧下率、圧縮率）が大きい場合、たとえば圧下率が10%程度以上の場合の熱間塑性加工を強加工と称することができるが、圧下率60〜80%程度の範囲で熱間塑性加工をおこなうのがよい。
【００３３】
熱間塑性加工を経て製作された希土類磁石Ｍは、磁気的異方性の結晶組織を呈しており、図１で示すように、容易磁化方向に配向し、残留磁束密度Brを有している。
【００３４】
本発明の磁気特性の特定方法では、図１で示すように、製作された希土類磁石Ｍを４種類の結晶組織に分類する。具体的には、結晶組織を、A：等軸粒組織、B:せん断配向組織、C:酸化物・窒化物組織、D:扁平粒配向組織に分類する。
【００３５】
ここで、等軸粒組織Ａは、たとえば慣性楕円に近似した際のアスペクト比が4未満の結晶組織である。
【００３６】
一方、せん断配向組織Ｂは、配向した結晶群のC軸方向に対し、およそ垂直に入った亀裂周辺における配向が乱れた結晶組織であり、たとえばダイヤ形状に見える組織である。
【００３７】
一方、酸化物・窒化物組織Ｃは、結晶粒界もしくは粉末粒界に析出するNd酸化物やNd窒化物などの結晶組織である。
【００３８】
さらに、扁平粒配向組織Ｄは、慣性楕円に近似した際のアスペクト比が4以上の結晶組織である。
【００３９】
上記４種類の結晶組織に分類し、希土類磁石Ｍ全体の残留磁束密度Brを以下の式で特定する。
【００４０】
Br=Br(A)＋Br(B)＋Br(C)＋Br(D)・・・・・・（数式）
【００４１】
ここで、Br(A)は組織Aの体積%×組織Aの配向度×組織Aの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br(B)は組織Bの体積%×組織Bの配向度×組織Bの主相率×希土類磁石の理論最高Br値であり、Br(C)は組織Cの体積%×0であり、Br(D)は組織Dの体積%×組織Dの配向度×組織Dの主相率×希土類磁石の理論最高Br値である。
【００４２】
各結晶組織のＢｒを算定することにより、希土類磁石Ｍを構成する複数種の結晶組織が希土類磁石Ｍ全体の磁気特性に及ぼす影響を定量的に算出し、各算出値を合算することで希土類磁石Ｍ全体の磁気特性、特に残留磁束密度を精度よく特定することができる。
【００４３】
（本発明の磁気特性の特定方法による評価結果を検証した実験とその結果）
本発明者等は、Nd-Fe-B系の希土類磁石を製作し、A：等軸粒組織、B:せん断配向組織、C:酸化物・窒化物組織、D:扁平粒配向組織の４種類の結晶組織に分類してそれらの残留磁束密度を特定し、希土類磁石全体の残留磁束密度を特定するとともに、VSM(振動試料型磁力計)にて希土類磁石の残留磁束密度を実測し、双方の結果を比較する実験をおこなった。
【００４４】
以下、合金組成を表１に、急冷リボンの製作条件を表２に、焼結体の製作条件を表３に、熱間塑性加工条件を表４に、本発明の特定方法を適用した際の結果一覧を表５に、磁気特性結果を表６にそれぞれ示す。なお、全ての試料について、4mm×4mm×2mm(磁化容易方向)の直方体形状に加工し、8Tで着磁した後、VSMによって残留磁束密度を測定した。
【００４５】
［表１］
0006358085.tif 000002
【００４６】
[表２]
0006358085.tif 000003
【００４７】
[表３]
0006358085.tif 000004
【００４８】
[表４]
0006358085.tif 000005
【００４９】
[表５]
0006358085.tif 000006
【００５０】
[表６]
0006358085.tif 000007
【００５１】
ここで、Br換算方法に関しては、Br換算＝体積/100×主相率（（1-粒界相率）×密度/100）×配向/100×1.61にて換算した。
【００５２】
また、ICP質量分析、ON分析値に基づく主相量の計算方法を図２，３を参照して説明する。
【００５３】
状態図から磁石中の相を、Nd2Fe14B相、Nd相、Nd2O3相、NdFeB4相の４種類と仮定し、各相密度とICP質量分析、ON分析による各分析値によって各元素量から各相の重量および体積分率を算出した。ここで、Cu、Alは粒界相に排出されることからNd量として換算した。また、窒化物NdNは酸化物であるNd2O3よりもNd量の消費が1.5倍であることから、N量は1.5倍のO量として計算した。
【００５４】
主相量の計算方法は、図２で示すように、まず、図３の計算シートの（１）にてICP質量分析およびON分析にて分析した結果を入力し、次に、計算シートの（２）にて各相の分子量を計算し、次に、計算シートの（３）にて分析した結果と各相の分子量から各相のモル比を計算し、次に、計算シートの（４）の各相密度から各相質量に換算することにより、主相量を計算シートの（５）で計算する。
【００５５】
まず、図４を参照して、４種類の微細組織のSEM画像写真図を説明する。ここで、図４（ａ）は等軸粒組織の写真図であり、図４（ｂ）はせん断配向組織の写真図であり、図４（ｃ）は酸化物・窒化物組織の写真図であり、図４（ｄ）は扁平粒配向組織の写真図である。
【００５６】
図４（ａ）の等軸粒組織の写真図より、組織のアスペクト比が比較的小さいことが確認でき、その一方で、図４（ｄ）の扁平粒配向組織の写真図より、組織のアスペクト比が非常に大きいことが確認できる。また、図４（ｂ）のせん断配向組織の写真図より、結晶組織がダイヤ形状であることが確認できる。さらに、図４（ｃ）の酸化物・窒化物組織の写真図より、この組織には主相が存在しないことが確認できる。
【００５７】
次に、図５，６を参照して実験結果を説明する。ここで、図５（ａ）は本発明の特定方法で特定された希土類磁石の残留磁束密度とVSM(振動試料型磁力計)にて測定された残留磁束密度の測定値を比較する実験結果を示した図であり、図５（ｂ）は本発明の特定方法で特定された希土類磁石の残留磁束密度における各結晶組織の寄与分を特定した図である。また、図６は残留磁束密度を低下させている要因分析結果を示した図である。
【００５８】
図５（ａ）より、本発明の特定方法で特定された残留磁束密度BrとVSMによって実測された残留磁束密度Bｒを比較すると、残留磁束密度Brが低い1.2Tの領域から残留磁束密度Brが高い1.4Tの領域にかけての一致度が極めて高いことが分かる。このことより、本発明の特定方法が精度よく残留磁束密度Brを特定可能であることが実証されている。
【００５９】
また、図５（ｂ）より、本発明の特定方法で特定された残留磁束密度Brに対する各結晶組織の寄与分は、等軸粒組織が0.09T、せん断配向組織が0.02T、扁平粒配向組織が1.24Tであった。
【００６０】
また、残留磁束密度Brを低下させている要因である、せん断組織、粗大粒組織、酸化物・窒化物組織に関しては、Br低下量（全て結晶組織と仮定した場合と比較）が図６のように推定された。この推定結果により、目標の残留磁束密度Brを満たすために対策すべき組織を特定することができるが、このことは多岐にわたるプロセスの中で対策を検討する際に、その選択肢の低減に貢献することになり、言い換えれば、開発にかかるリードタイムの短縮やコスト削減に大きく貢献することになる。たとえば、粗大粒率を低下させたい場合、各工程の熱入力量や急冷粉末の初期組織に注目し、せん断配向組織の体積率を低下させたい場合は強加工時の加工条件やワーク、金型形状を検討するといったことが考えられる。
【００６１】
（高い残留磁束密度Brを満たす組織状態の一考察）
本発明者等はさらに、上記表１〜表４の合金組成および加工条件にて希土類磁石を製作し、高い残留磁束密度Brを満たす組織状態を考察した。
【００６２】
一般に、熱間塑性加工によって高い配向度を得るに必要な粒界相量の範囲であること、すなわち、0.955≦Nd-Fe-B率≦0.965の範囲であることと、最適条件（温度・歪速度）下で熱間塑性加工することが重要であり、これらの条件下で製作することで、微細配向組織の配向度≧95%が達成できる。
【００６３】
理想的には、微細配向組織が体積として100%であり、この場合の残留磁束密度BrをNd-Fe-Bの飽和磁化理論値である1.61Tを用いて計算すると、その期待値は1.61T×0.955（Nd-Fe-B率）×0.95（配向度）＝1.46Tとなる。これに製作工程上不可避である酸化物・窒化物組織1%の影響を考慮すると、1.46T×0.99＝1.45Tが得られる。しかしながら、実際には残留磁束密度Br低下の寄与が大きな、配向度の低い粗大粒やせん断配向組織が少なからず発生し、残留磁束密度Bｒは1.45Tよりも低下する。
【００６４】
この低下量は、本発明の特定方法にて得られた各結晶組織と残留磁束密度Brの関係から推定でき、粗大粒組織に関しては体積1%当りの残留磁束密度Br変化量は-0.0057Tであり、せん断配向組織に関しては体積1%当りのBr低下量は-0.0095T  である。残留磁束密度Brの低下に対する寄与は、粗大粒：せん断配向組織≒1：1.5とせん断配向組織の方が大きく、この関係から残留磁束密度Br＝1.46T−(粗大粒体積×0.0057＋せん断配向組織×0.0095)(T)であり、この関係から、車両駆動用モータで適用される希土類磁石に求められる高い残留磁束密度Br≧1.37T を満たす磁石組織は以下となる。
【００６５】
（条件１）粗大粒組織の体積率 ＋1.5×(せん断配向組織の体積率)≦15(体積%) 
（条件２）微細粒組織の配向度≧95%
（条件３）酸化物・窒化物≦1%
（条件４）粒界相量（1−NdFeB率）≦ 4.5(体積%)
【００６６】
各結晶組織の解析結果は表６に示している。同表より、上記条件を満たすか否かを検証する。
【００６７】
粗大粒組織の体積率 ＋1.5×(せん断配向組織の体積率) ＝ 9.26(体積%) ≦15(体積%)となり、条件１を満たす。  
【００６８】
また、微細粒組織の配向度＝95%≧95%となり、条件２を満たす。
【００６９】
また、酸化物・窒化物組織＝0.5%≦1%となり、条件３を満たす。
【００７０】
さらに、粒界相量（1-NdFeB率）＝3.8%≦4.5(体積%)より、条件４を満たす。
【００７１】
また、VSMによる磁気特性評価結果はBr＝1.410T≧1.37Tとなる。したがって、上記各条件を各結晶組織が満たした場合に、高い残留磁束密度Brが得られることが分かる。
【００７２】
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】
【００７３】
Ｍ…希土類磁石、Ａ…等軸粒組織、Ｂ…せん断配向組織、Ｃ…酸化物・窒化物組織、Ｄ…扁平粒配向組織
【図１】
0006358085.tif 000008
【図２】
0006358085.tif 000009
【図３】
0006358085.tif 000010
【図４】
0006358085.tif 000011
【図５】
0006358085.tif 000012
【図６】
0006358085.tif 000013