(57)【要約】【課題】  成形体から抜け出たガスを速やかに排除することが可能で、緻密な焼結体を製造することが可能な熱処理用治具を提供する。【解決手段】  熱処理時に希土類元素及び遷移金属元素を含む原料合金粉末を成形した成形体を載置する熱処理用治具である。成形体の載置面に成形体の位置決めを行う断面Ｖ字形状の溝部が形成されるとともに、溝部の底部に沿って溝部の断面積を拡大する逃げ溝が形成されている。溝部の内壁面のなす角度（Ｖ溝の角度）は略９０°である。例えば磁歪材料の焼結に適用して好適である。【選択図】  図５
2005200753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理時に希土類元素及び遷移金属元素を含む原料合金粉末を成形した成形体を載置する熱処理用治具であって、
成形体の載置面に成形体の位置決めを行う断面Ｖ字形状の溝部が形成されるとともに、当該溝部の底部に沿って溝部の断面積を拡大する逃げ溝が形成されていることを特徴とする熱処理用治具。
【請求項２】
前記断面Ｖ字形状の溝部の内壁面のなす角度が略９０°であることを特徴とする請求項１記載の熱処理治具。
【請求項３】
前記逃げ溝の形状が、断面略矩形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の熱処理用治具。
【請求項４】
載置される成形体の形状が円柱状又は円筒状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱処理用治具。
【請求項５】
前記原料合金粉末は、一般式ＲＴy（式中、Ｒは１種類以上の希土類元素、Ｔは１種類以上の遷移金属元素であり、１＜ｙ＜４である。）で示される組成を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱処理用治具。
【請求項６】
前記成形体を焼結して得られる焼結体が磁歪素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱処理用治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば合金粉末の成形体を焼結する際に使用する熱処理用治具（いわゆるセッター）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系金属間化合物等からなる磁歪材料は、従来のフェライト系磁歪材料等に比べて高い磁歪特性を有することから、近年、その需要は益々拡大する傾向にある。具体的な用途としては、リニアアクチュエータ、振動子、圧力トルクセンサ、振動センサ、ジャイロセンサ等である。リニアアクチュエータや振動子等に用いた場合、磁歪素子は、付与する磁界の変化に伴い寸法が変化し、駆動力を発生する。圧力トルクセンサ、振動センサ、ジャイロセンサ等に用いた場合、磁歪素子は、外部から加わる力の変化に伴い透磁率が変化し、これをセンシングすることで圧力、トルク、振動等が検出される。
【０００３】
このような磁歪材料の製造法としては、単結晶育成法が有効であることが従来から知られているが、単結晶育成法は極めて生産性が低く、形状の自由度も大幅に制限されるという欠点がある。そこで、単結晶育成法の欠点を改善し、低コストな製造が可能なことから、現在では粉末冶金法が採用されている。粉末冶金法による焼結体は、基本的には、原料合金粉末を秤量及び混合し、所定の形状に加圧成形し、得られた成形体について焼結を行い、必要に応じて後加工処理を施すことにより製造される。
【０００４】
ところで、成形体の焼結を行う際には、一般にセッターと称される熱処理用治具を使用し、この熱処理用治具上に成形体を載置した状態で、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気下等において焼結（熱処理）を行う。この時、熱処理用治具は、焼結に際して成形体と直接接触するため、これを構成する構成材料には、耐熱性を有すること、焼結時に成形体と反応しないこと、成形体に変形を起こさせないこと、高い機械強度を有すること等の特性が要求される。
【０００５】
図９は、例えば円柱形状の成形体を焼結する場合に用いられるセッターの一例を示すものである。円柱形状の成形体１０２を焼結する場合には、転がり防止のために周囲に高さの高い枠状の縁を設けたセッター１０１が使用される。成形体の並べ方としては、比較的長さの短い成形体はべた置きし、成形体同士の付着防止のため成形体を離間して並べる等の対策がとられる。
【０００６】
ただし、このような並べ方では、より寸法が長く、しかも径が細い成形体の場合には、曲がりが発生するという不都合がある。そのため、表面に断面Ｖ字形状の溝を形成したＶ溝型セッターの使用も提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。断面Ｖ字形状の溝を形成し、細長い成形体をこの溝によって位置決めするようにすれば、曲がりを確実に防止することが可能である。
【特許文献１】特開２００３−１１９０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来、セッターの表面に形成するＶ溝の形状については、ほとんど検討されておらず、特に磁歪材料の焼結等においては、必ずしも十分な品質の焼結体が得られていない。磁歪材料の焼結においては、セッターとの反応防止、及び緻密に焼結させるために内部からのガス抜きが必要である。特に、成形体の径が１０ｍｍ以上になると、内部からのガス抜けが難しくなり、焼結密度が上がらなくなる傾向にある。したがって、成形体とセッターとの接触面積を極力小さくし、ガス抜けのために面積を最大限に確保するとともに、成形体から抜けたガスを速やかに逃がすことが望まれる。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、セッター（熱処理用治具）に形成される溝形状を最適化することを目的とする。すなわち、本発明は、成形体との反応を最小限に抑えることが可能で、且つ成形体から抜け出たガスを速やかに排除することが可能な熱処理用治具を提供し、品質の高い焼結体（磁歪材料）を製造し得る熱処理用治具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】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明の熱処理用治具は、熱処理時に希土類元素及び遷移金属元素を含む原料合金粉末を成形した成形体を載置する熱処理用治具であって、成形体の載置面に成形体の位置決めを行う断面Ｖ字形状の溝部が形成されるとともに、当該溝部の底部に沿って溝部の断面積を拡大する逃げ溝が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の熱処理用治具は、表面に断面Ｖ字形状の溝が形成されているので、この溝によって円柱状、円筒状の成形体が位置決めされ、焼結時等に曲がりの発生が抑制される。同時に、当該溝部の底部に沿って溝部の断面積を拡大する逃げ溝を形成することで、溝部からのガス抜きが円滑に行われ、成形体からのガス抜けが促進されて緻密な焼結体の製造が実現される。
【００１１】
断面Ｖ字形状の溝部において、内壁面のなす角度（Ｖ溝の開き角度）は、荷重が均一に分布する９０°近傍が適正であり、これにより成形体との接触面積が最小限に抑制される。また、前記角度に標準化することで、熱処理用治具が標準化され、経済性の点や管理上も有利である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱処理用治具によれば、成形体との反応を最小限に抑えることが可能であり、且つ成形体から抜け出たガスを速やかに排除することが可能である。したがって、本発明の熱処理用治具を用いて熱処理、例えば焼結を行うことで、反応による特性劣化や変形等が生ずることがなく、緻密で品質の高い焼結体（例えば磁歪材料）を製造することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した熱処理用治具（セッター）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下においては、希土類元素と遷移金属元素を含有する磁歪材料（超磁歪材料）の焼結に使用する熱処理用治具の例について説明するが、本発明がこれに限られるものでないことは言うまでもない。
【００１４】
先ず、本発明の熱処理用治具を用いて粉末冶金法により製造される磁歪材料について説明する。粉末冶金法により製造される磁歪材料は、例えばＲＴy（ここで、Ｒは１種類以上の希土類元素、Ｔは１種類以上の遷移金属元素であり、ｙは１＜ｙ＜４である。）で示される組成の合金粉を焼結することによって得られる。
【００１５】
ここで、Ｒは、Ｙを含むランタノイド系列、アクチノイド系列の希土類元素から選択される１種以上を表している。これらの中で、Ｒとしては、特にＮｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ等の希土類元素が好ましく、Ｔｂ、Ｄｙがより一層好ましく、これらを混合して用いることができる。Ｔは、１種以上の遷移金属元素を表している。これらの中で、Ｔとしては、特に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等の遷移金属が好ましく、これらを混合して用いることができる。
【００１６】
ＲＴyで表される合金のうち、ｙ＝２であるＲＴ2ラーベス型金属間化合物は、キュリー温度が高く、磁歪値が大きいため、磁歪素子に適する。ここで、ｙが１以下では、焼結後の熱処理でＲＴ相が析出して磁歪値が低下する。また、ｙが４以上では、ＲＴ3相又はＲＴ6相が多くなり、磁歪値が低下する。このため、ＲＴ2がリッチな相を多くするために、ｙは１＜ｙ＜４の範囲が好ましい。
【００１７】
希土類元素Ｒは、２種以上の希土類元素を混合してもよく、特に、ＴｂとＤｙを混合して用いることが好ましい。具体的には、ＴｂaＤｙ(1-a)で表される合金で、ａは０．２７＜ａ≦０．５０の範囲にあることが一層好ましい。これにより、（ＴｂaＤｙ(1-a)）Ｔyなる合金で、飽和磁歪定数が大きく、大きな磁歪値が得られる。ここで、ａが０．２７以下では室温以下では十分な磁歪値を示さず、逆に０．５０を越えると室温付近では十分な磁歪値を示さない。
【００１８】
遷移金属元素Ｔは、特にＦｅが好ましく、ＦｅはＴｂ、Ｄｙと（Ｔｂ、Ｄｙ）Ｆｅ2金属間化合物を形成して、大きな磁歪値を有し磁歪特性の高い焼結体が得られる。このときに、Ｆｅの一部をＣｏ、Ｎｉで置換してもよいが、Ｃｏは磁気異方性を大きくするものの、透磁率を低くし、また、Ｎｉはキュリー温度を下げ、結果として常温・高磁場での磁歪値を低下させる。したがって、Ｆｅは７０重量％以上であることが好ましく、８０重量％以上であることがより好ましい。
【００１９】
次に、磁歪材料の製造方法について説明する。図１は、粉末冶金法による磁歪材料（焼結体）の製造プロセスの一例を示すものである。図１に示すように、磁歪材料は、基本的には、３種類の原料Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ前処理した後、秤量、混合及び粉砕処理、成形、焼結等の工程を経ることによって製造される。
【００２０】
原料の一部である原料Ａは、所定組成で構成されたＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金を所定条件で熱処理（アニール）を行った後、粉砕処理をする。原料ＢとしてＤｙ2Ｆｅなる組成を有する合金を水素吸蔵処理後、粉砕処理をする。原料Ｃとして、Ｆｅを水素ガス雰囲気中で酸素を除去する還元処理を行う。
【００２１】
ここで、これら合金粉の一部は、水素吸蔵処理されることが好ましい。合金粉に水素を吸蔵させることにより、歪みが生じ、その内部応力によって割れが生ずる。このために、混合された合金粉は、成形体を形成する時に圧力を受け、内部で粉砕されて細かくなり、焼結したときに緻密な高密度焼結体を得ることができる。水素吸蔵処理される合金粉としては、例えばＤｙbＴ(1-b)で表され、ｂが０．３７≦ｂ≦１．００である組成であることが好ましい。式中Ｔは、Ｆｅ単独でも、Ｆｅの一部をＣｏ、Ｎｉで置換されたものでもよい。したがって、前述の原料の中で、原料Ｂを水素吸蔵処理される合金粉とするのが最適である。
【００２２】
次に、前述の原料Ａ、原料Ｂ及び原料Ｃを所定量秤量して粉砕・混合処理し、これを磁場中で成形して成形体を作製する。このとき、混合後の原料合金粉全体の組成は、例えばＴｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.88とする。
【００２３】
続いて、成形体を焼結炉内に入れ、所定の条件で熱処理し、焼結を行うことにより、焼結体を作製する。焼結は、成形体を焼結炉に入れた後に所定温度まで昇温する昇温過程、所定の温度（安定温度）をほぼ一定に保持する過程、及び降温過程を経ることにより行われる。
【００２４】
昇温過程での昇温速度は、３〜２０℃／分で行うことが好ましい。昇温速度が３℃／分未満では生産性が低く、昇温速度が２０℃／分を越えると炉中で成形した原料粉末の温度が均一にならず、偏析や異相が生じるおそれがあるからである。
【００２５】
また、安定温度は、１１５０〜１２４０℃の範囲とすることが好ましい。安定温度が１１５０℃未満であると、内部歪みを除去するために安定時間を長時間必要とするため非効率となり、逆に安定温度が１２４０℃を越えると、ＲＴyで表される合金の融点に近くなるため焼結体自体が溶融するおそれや、ＲＴ3相等の異相が析出するおそれがあるからである。
【００２６】
焼結の雰囲気については、基本的にはアルゴンガス等の不活性ガスを単独で用いた不活性ガス雰囲気で実施するが、焼結の途中で不活性ガスとともに水素ガスを焼結炉内に導入することにより、焼結の一部を水素ガス及び不活性ガスを含む混合雰囲気で実施することが好ましい。具体的には、先ず、焼結炉内を不活性ガス単独雰囲気として昇温することにより、成形体（水素吸蔵処理を行った原料合金粉等）に含まれる水素ガスを完全に放出させる。次に、水素ガスの導入を開始して焼結炉内を水素ガス及び不活性ガスの混合ガス雰囲気とすることにより、原料合金粉末を活性化させる。ここで水素ガス及び不活性ガスの混合ガス雰囲気とすることが、焼結体の高密度化で重要である。最後に水素ガスの導入を停止して再び焼結炉内を不活性ガス単独雰囲気とし、焼結を完了する。
【００２７】
以上の焼結処理中、昇温過程の６５０℃以上の温度区間、及び１１５０℃以上１２４０℃以下の安定温度区間の少なくとも一方は、焼結炉内を水素ガス及び不活性ガスの混合ガス雰囲気とする。具体的には、水素ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス＝Ｘ：１００−Ｘと表したときに、Ｘ（体積％）を、０＜Ｘ＜５０とすることが好ましい。アルゴンガスは不活性ガスであり、希土類元素Ｒを酸化することがないので、水素ガスと混合して還元作用を有する雰囲気を得ることができる。還元作用を得るためには、Ｘ（体積％）は０より大きくすることが好ましく、また、水素ガスが過剰になると還元作用が飽和するため、Ｘ＜５０であることが好ましい。また、昇温過程の６５０?以上の温度区間において、水素ガス及び不活性ガスの混合ガス雰囲気とすることで、残留する微量の酸素による酸化を防止することができる。
【００２８】
特に、焼結時の温度及び雰囲気制御については、図２に示すように、水素ガスの導入開始温度を９００℃〜１０００℃とすることが好ましく、また、水素ガスの導入終了温度を１１５０℃〜１２００℃とすることが好ましい。さらに、水素ガスとアルゴンガスとの混合比率を、体積比で水素ガス：アルゴン（Ａｒ）ガス＝Ｘ：１００−Ｘと表したときに、１０＜Ｘ＜５０とすることがより好ましい。
【００２９】
なお、焼結を全て不活性ガス単独雰囲気で実施することも考えられるが、不活性ガスだけでは、高密度化が難しいだけでなく、完全に酸素を除去することが難しく、焼結体の磁気特性を大幅に低下させる。希土類元素Ｒは、酸素と極めて容易に反応して安定な希土類酸化物を形成するが、この希土類酸化物は、低い磁性を有するものの、実用上の磁性材料になるような磁気特性を示さないためである。したがって、希土類元素の酸化を防止する観点から、水素ガス及び不活性ガスの混合ガス雰囲気で焼結を行うことが好ましい。また、焼結対象によって焼結時の雰囲気は任意に変更でき、例えば真空雰囲気であってもかまわない。
【００３０】
前述の焼結の際には、成形体をセッターと称される熱処理用治具の上に載置し、熱処理の１種である焼結を行う。このとき使用する熱処理治具は、基本的には、図３に示すように、表面に断面Ｖ字形状のＶ溝２を形成した熱処理用治具１である。円柱形状の成形体３は、各Ｖ溝２内に落とし込まれた状態で熱処理用治具１上に載置され、焼結が行われる。したがって、各成形体３はＶ溝２によって位置決めされ、焼結時に曲がりが発生することがない。
【００３１】
また、Ｖ溝２の形状は、図４に示すように、内壁面のなす角度がほぼ９０°とされている。Ｖ溝２の角度は、荷重が均一に分布する９０°近傍が適正である。Ｖ溝２の角度を９０°近傍に設定することで、成形体３と熱処理用治具１との接触状態を最適化することができ、接触面積を最小限に抑え、成形体３と熱処理用治具１との反応を防止することが可能である。
【００３２】
Ｖ溝２の角度を９０°とし、これを標準とすることで、熱処理用治具１を標準化することが可能である。例えば、Ｖ溝２の形状が設計した径以下であれば径の異なる成形体３に対応できるため、この範囲内の成形体３に対しては熱処理用治具１を共通化することができる。また、前記範囲を外れる成形体３に対しては、Ｖ溝２の深さを変えるだけで対応可能であり、その他の設計は変更する必要がない。例えば、図４に示す例では、熱処理用治具１の厚さＴが８ｍｍ、Ｖ溝２の深さｄが３．５ｍｍであるが、熱処理用治具１の厚さやＶ溝２の深さを変更するだけで、異なるサイズの成形体３に対応可能である。このような熱処理用治具１の標準化は、経済的であるばかりか、管理も容易である。
【００３３】
さらに、本発明の熱処理用治具１においては、図５に示すように、前記Ｖ溝２の底部（Ｖ字の頂点部分）に矩形状の逃げ溝４を設け、溝の断面積を拡大するようにしている。成形体３を焼結する場合、成形体３からのガス抜きを円滑に行うことが緻密な焼結体を得る上で重要である。特に、成形体３の径が１０ｍｍ以上になると、内部からのガス抜けが難しくなり、焼結密度が上がらなくなる傾向にある。
【００３４】
したがって、成形体３から抜け出たガスを速やかに逃散させ、内部からのガス抜けを促進することが望まれる。このとき、特に成形体３の下方の空間からのガスの逃散が問題になる。図３に示すように、Ｖ溝２に円柱形状の成形体３を落とし込んだ場合、成形体３の下方には略々三角形状の空間Ｓ１が存在する。したがって、成形体３から抜け出たガスは、この空間Ｓ１から逃散することになる。ガスの逃散を促進するためには、この空間Ｓ１の断面積をできるだけ大きく確保することが必要である。しかしながら、単なるＶ溝２では、形成される空間Ｓ１の断面積には限界がある。
【００３５】
そこで、本発明の熱処理用治具１では、前記の通り、Ｖ溝２の底部に矩形状の逃げ溝４を設け、溝の断面積を拡大するようにしている。図６は、Ｖ溝２の底部を拡大して示すものである。逃げ溝４を設けることで、成形体３の下方の空間の断面積は、空間Ｓ１＋空間Ｓ２に拡大される。このようにガス抜きのための空間を拡大することで、緻密な焼結体が得られ、磁歪材料の品質を向上することができる。
【００３６】
逃げ溝４の形状は、矩形に限らず任意であり、その深さ、幅等も任意である。逃げ溝４の幅を大きくすることで拡大される断面積が大きくなるが、Ｖ溝２で対応し得る成形体３のサイズに制約が加わることから、この点を考慮して決めることが好ましい。また、逃げ溝４の深さについては、なるべく深くすることで拡大される断面積の比率が大きくなることから好ましく、例えば逃げ溝４を熱処理用治具１を貫通するように形成することも可能であるが、この場合には熱処理用治具１の強度が低下するので、注意を要する。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の具体的な実施例について、実験結果を基に説明する。
【００３８】
＜磁歪材料の焼結＞
本実施例では、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系原料合金粉の成形体を焼結し、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系金属間化合物からなる磁歪材料を作製した。
【００３９】
先ず、原料Ａは、所定組成で構成されたＴｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金を所定条件で熱処理（アニール）を行った後、粉砕処理をした。原料ＢとしてＤｙ2Ｆｅなる組成を有する合金を水素吸蔵処理後、粉砕処理をした。原料Ｃとして、Ｆｅを水素ガス雰囲気中で酸素を除去する還元処理を行った。
【００４０】
次いで、得られた各原料Ａ、Ｂ、Ｃを秤量した後、粉砕・混合処理し、全体の組成がＴｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.88である原料合金粉を得た。そして、得られた原料合金粉を型に入れ、８ｋＯｅの磁場中で成形し、成形体を得た。
【００４１】
次に、焼結炉内で焼結を行った。焼結は、焼結炉を昇温し、１１５０℃〜１２４０℃の安定温度区間で焼成を行い、焼結体を得た。焼結雰囲気は、先の図２に示すプロファイルに従い、９００〜１０００℃で水素の導入を開始するとともに、１１５０〜１２００℃で水素の導入を終了し、昇温過程の一部を還元ガス雰囲気（Ｈ2／Ａｒガス）とした。
【００４２】
＜予備実験＞
前述の焼結方法にしたがい、円柱形状の成形体の直径φと焼結密度の関係について調べた。使用した熱処理用治具は、図３に示すＶ溝を有する熱処理治具である。熱処理治具のサイズは、６０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ８ｍｍ、Ｖ溝の深さ３．５ｍｍである。
【００４３】
図７は、焼結した成形体の直径φと得られた焼結体の焼結密度の関係を示すものである。この図７から明らかなように、直径が１０ｍｍを越えると、焼結密度の低下が著しい。なお、本実施例では、焼結密度の合格ラインを９５．０％に設定している。
【００４４】
＜逃げ溝による効果の確認＞
前記予備実験の結果を基に、直径１０ｍｍの成形体と、直径１２ｍｍの成形体について、逃げ溝を設けた熱処理用治具を使用して焼結を行った。図８に、逃げ溝による空間の拡大率（Ｖ溝のみの空間の断面積を１００％とし、逃げ溝を形成することにより拡大された空間の断面積の比率）と焼結密度の関係を示す。
【００４５】
逃げ溝を形成し、空間の断面積を拡大することで、焼結密度が上昇している。特に、前記空間の拡大率を１４０％以上とすることにより、直径１２ｍｍの成形体においても焼結密度が合格ラインに達している。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】焼結体の製造プロセスの一例を示すフローチャートである。
【図２】焼結時の焼結温度及び雰囲気のプロファイルを示す模式図である。
【図３】Ｖ溝を有する熱処理用治具の一例を示す概略斜視図である。
【図４】Ｖ溝の適正な角度を示す概略断面図である。
【図５】Ｖ溝の底部に逃げ溝を形成した熱処理用治具の一例を示す概略断面図である。
【図６】逃げ溝近傍を拡大して示す概略断面図である。
【図７】成形体の直径φと得られた焼結体の焼結密度の関係を示す特性図である。
【図８】逃げ溝による空間の拡大率と焼結密度の関係を示す特性図である。
【図９】従来のセッターの一例を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  熱処理用治具、２  Ｖ溝、３  成形体、４  逃げ溝
【図１】
2005200753.tif 000003
【図２】
2005200753.tif 000004
【図３】
2005200753.tif 000005
【図４】
2005200753.tif 000006
【図５】
2005200753.tif 000007
【図６】
2005200753.tif 000008
【図７】
2005200753.tif 000009
【図８】
2005200753.tif 000010
【図９】
2005200753.tif 000011