(57)【要約】【課題】  成形温度の上昇による酸化、樹脂量の増加による残留炭素量の増加を抑制しつつ、コンパウンドの流動性を上げ、摩擦による表面配向の乱れを低減し高配向かつ薄肉の焼結磁石を製造する方法を提供する。【解決手段】  熱可塑性樹脂と磁性材料粉末を混合したコンパウンドとし、前記コンパウンドを押出または射出成形機により成形体とし、前記成形体から前記熱可塑性樹脂を脱脂し、焼結する焼結磁石の製造方法であって、前記押出または射出成形機内で超臨界流体を溶解させてコンパウンドと混合し、磁場中にて押出または射出成形による成形体とすることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂と磁性材料粉末を混合したコンパウンドとし、前記コンパウンドを押出または射出成形機により成形体とし、前記成形体から前記熱可塑性樹脂を脱脂し、焼結する焼結磁石の製造方法であって、
前記押出または射出成形機内で超臨界流体を溶解させてコンパウンドと混合し、磁場中にて押出または射出成形による成形体とすることを特徴とする焼結磁石の製造方法。
【請求項２】
前記超臨界流体が窒素または二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の焼結磁石の製造方法。
【請求項３】
前記磁性材料粉末がR-T-B系合金（RはYを含む一種または二種以上の希土類元素、TはFe及び/またはCo）であって、R量が32.5wt%以上37.5wt%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の焼結磁石の製造方法。
【請求項４】
前記成形体の発泡平均セル径が5μm以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の焼結磁石の製造方法。
【請求項５】
前記成形体は厚さが1.0mm以下の薄板状であることを特徴とする焼結磁石の製造方法。
【請求項６】
前記成形体を水素ガス中で脱脂し、真空またはArガス雰囲気中で焼結することを特徴とする焼結磁石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂と磁性材料粉末を混合したコンパウンドを押出または射出成形し、熱可塑性樹脂を脱脂後に焼結する焼結磁石の製造方法に関するものであり、コンパウンドの流動性を上げ、低温で高配向の磁性材料粉末含有熱可塑性樹脂成形体を作製する高配向で磁気特性の優れた薄肉焼結磁石の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年R-Fe-B系永久磁石は各種モータ、アクチュエータ、センサーなどの磁気回路を構成する材料として幅広い産業分野で利用されている。特に本系磁石の高いエネルギー積に着目し環境保全、省エネルギーの観点から各種分野の小型軽量化の際重要な役割を果たしてきた。さらに今日、情報通信分野では小型軽量化が進み、磁石にも小型、薄肉化の要求が多くなってきている。
【０００３】
プレス成形され、焼結によって製造されるNd-Fe-B系焼結磁石は、ボンド磁石と異なりバインダを含まず焼結による高密度化によって高い磁気特性が得られる。しかしプレス成形では金型キャビティ中に常に一定量の磁粉を供給しないと厚さがばらつき、焼結後に加工を施さないと一般的に要求される寸法公差内の磁石を大量生産で供給することは不可能である。加工コストは製造工程全体の中でも格別に大きなものであり、得に小型、薄物では無加工品でないと顧客要求を満足する価格製品とすることは困難である。
プレス成形の他にも特許文献１などに記載されるように、磁石粉末と熱可塑性樹脂を混ぜ、射出成形する製造方法や、特許文献２に記載されるように磁石粉末、水溶性のポリマーおよび水を混ぜ、射出成形し、脱水・脱バインダ処理後に焼結する製造方法が提案されている。しかしながら１ｍｍ以下の均一な肉厚を持った薄肉磁石を無加工で大量生産することは今だ検討されておらず、当然ながら実施にも至っていない。
【特許文献１】特開平９−２８３３５８号公報（（０００５）、図１）
【特許文献２】特開平７−１３０５１６号公報（（００４２））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らがこの小型、薄肉、無加工の焼結磁石に挑んだ結果、水溶性のバインダを用いた場合では成形体強度、保形性に問題があるため、焼結体の寸法精度が出しにくいことがわかった。また圧縮成形では形状、肉厚を薄くするのに限界がある。対して熱可塑性樹脂を用いた場合は、熱可塑性樹脂の選択、水素中での脱脂、セッタ、ゲッタなどを使用することで高配向かつ高寸法精度の小型または薄肉の焼結磁石を製造できる可能性を見出した。しかし肉厚が薄くなるほど成形体表面と金型の摩擦による成形体表面の配向乱れの影響が顕著になり特性が低下していく。成形温度を上げるまたは樹脂量を増やし、コンパウンドの流動性をあげることで摩擦低下を試みるが成形温度の上昇はコンパウンドの酸化を促進させ、樹脂量の増加は残留炭素量の増加を招くため、極薄の磁石を製造するにはその他の方法でコンパウンドの流動性をあげる必要があった。
【０００５】
よって本発明は成形温度の上昇による酸化、樹脂量の増加による残留炭素量の増加を抑制しつつ、コンパウンドの流動性を上げ、金型との摩擦による表面配向の乱れを低減し高配向かつ薄肉の焼結磁石を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らの検討の結果、磁場中押出または射出成形で高配向の薄肉磁石を得るためには成形体表面と金型の摩擦を低減することが最も重要であることを認識しこれに取り組んだ。肉厚が薄くなるほど金型の摩擦の影響が大きくなり、押出・射出成形された成形体表面の配向が乱れ、磁気特性が低下していく。
つまり本発明では上記問題を解決するために、熱可塑性樹脂と磁性材料粉末を混合したコンパウンドとし、前記コンパウンドを押出または射出成形機により成形体とし、前記成形体から前記熱可塑性樹脂を脱脂し、焼結する焼結磁石の製造方法であって、前記押出または射出成形機内で超臨界流体を溶解させてコンパウンドと混合し、磁場中にて押出または射出成形による成形体とする、という技術的手段を採用した。超臨界流体を溶解させることでコンパウンドの流動性が向上し、薄肉の成形体を磁場中で成形する際の成形体と金型の摩擦を低減させ、表面の配向乱れの少ない成形体を成形することが可能である。また熱可塑性樹脂と比べると超臨界流体は密度が低くい。このため超臨界流体をコンパウンドに混合すると、磁場中で磁性材料粉末が磁場方向に回転しやすくなることによる配向の向上も考えられる。さらに流動性の向上により成形温度を低くすることおよび樹脂量を低減することが可能であり、生産コスト低減、成形サイクル短縮の効果もある。超臨界流体とは臨界点以上の圧力、温度での物質のことを呼び、気体に近い拡散性と液体のような溶解性をもつなど気体と液体とは異なる性質をもち、温度、圧力で性質を制御できるなどの特徴をもつ。
【０００７】
成形機内にコンパウンドとともに窒素または二酸化炭素を超臨界状態にした流体を注入し溶解させると注入量によるが飛躍的にコンパウンドの流動性が向上する。これにともない押出および射出圧力を低減できかつ成形体と金型表面の摩擦も低減できることにより薄肉品に大きく影響を及ぼした表面配向の乱れを大幅に低減できる。また押出および射出成形した際に圧力降下が生じ流体が発泡を始める。この発泡したセル径の平均が5μmを超えると脱脂焼結した後の焼結体内部にクラックとして残り機械的強度の低下、磁気特性の低下を招く。これらの影響はセル径を5μm以下（０μｍを含まず）にすることで改善される。特に3μm以下に抑制することが好ましい。成形体の肉厚を薄くするほどセル径も小さくなる傾向にあり、薄肉の磁石を作ろうとするほど超臨界流体は好ましい挙動を出してくれる。焼結の際の収縮によりセルが消滅し、機械的強度、特性への影響はほとんど見られなくなり流動性の向上という利点だけを利用できる。圧力、厚さとセル径の関係は押出した際の圧力降下が大きいほどセル密度が高く、細かいセルとなるが周囲樹脂の冷却固化条件にも影響を受けるため、薄い試料ほどセルの成長が少なく細かいセルとなる。
【０００８】
磁性材料粉末としてはＲ−ＴＭ系（ＲはＹを含む一種以上の希土類、ＴはＦｅ，またはＦｅとＣｏ、Ｍは必要によりＣｕ、Ｓ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｂｅの一種以上）、Ｒ−ＴＭ−Ｂ系，Ｒ−ＴＭ−Ｎ系の希土類磁石、Ｓｒフェライト磁石、Ｂａフェライト磁石、ＬａＣｏ添加フェライト磁石なども使用できる。生産性やコストなどを考慮するとR-TM-B系磁石粉末を用いることが最も効果的である。現在最もエネルギー積が大きな磁石として使われており、小型化、薄肉化要請が強く、高特性かつ低コストな製造方法が求められており本発明が適する。
【０００９】
R-TM-B系の希土類磁石粉末の組成としてR量が32.5wt%以上37.5wt%以下が好ましい。32.5wt%以下だとRが熱可塑性樹脂中の炭素、酸素と反応し有効なR量が枯渇し保磁力が十分に得られない。37.5wt%以上では残留磁束密度が低下し有効な磁気特性が得られない。
【００１０】
脱脂は水素雰囲気中で行うことが好ましい。炭素については脱脂時に水素雰囲気で加熱することによって低減する。炭素および水素を主成分とする樹脂は水素中で加熱することによってクラッキングにより分子量が低下し、脱脂がより完全に行える。クラッキングとは水素の存在下で加熱することにより樹脂分子量が低下することを意味する。焼結はAr中または真空中で行うことで成形体中への酸素混入を抑制することができる。
【００１１】
熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン（PE）、アクタチックポリプロピレン（APP）、ポリスチレン（PS）、ポリプロピレン（PP）、アモルファスポリオレフィン（APO）、ナフタレン、ポレスチロール (GPPS、HIPS)、ポリカーボネート (PC)、アクリル（PMMA）、ポリアセチル(PC)、アクリル（POM）、ポリアセチル(PC)、塩化ビニル（PVC）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（EVA）など適宜使用可能である。
【００１２】
本発明は成形体の肉厚が1mm以下の薄肉磁石を製造する際に適用することが効果的である。1mm以上では表面配向乱れの影響が少なくなり超臨界流体を用いる効果が十分に発揮されない。また肉厚が厚くなると超臨界流体のセル径が大きくなる傾向にあり、それによる特性の低下が起こる。表面配向乱れの影響が大きくなる肉厚0.6mm以下で用いるのが特に好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
超臨界流体をコンパウンド中に溶解させることでコンパウンドの流動性が向上し、薄肉の成形体を磁場中で押出・射出成形しても、成形体と金型の摩擦力を低減させ、成形体の表面の配向乱れが少ない成形体を成形することができる。また熱可塑性樹脂よりも磁性材料粉末が磁場方向に回転しやすくなり、配向度が向上する。さらに流動性が向上することで成形温度を低くしても樹脂量を低減することができ、生産コスト低減、成形サイクル短縮の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１５】
（実施例１）
図を用いて本発明の詳細を説明する。図１は本発明に適用する押出成形装置の一例である。射出成形装置はコンパウンド５を入れるためのホッパー1と、超臨界流体の流量を制御するための弁2と、コンパウンド５を押出すためのスクリュー3と、コンパウンド５を所定の形状に成形するための成形金型4と、コンパウンド中の磁粉を一定方向に配向させるための磁場発生装置６から主になる。
まず、重量百分率でNd32.5wt%、Dy3.0wt%、B1.05wt%、残部実質的にFeからなる合金を高周波溶解によって溶解し、ストリップキャスト法により粗粉砕粉を作製した。この粗粉砕粉を水素吸蔵・脱水素処理を行った後、ランデムミルにて500μｍ以下の粗粉とした。この粗粉に対してパラフィンワックスを0.05〜0.10wt%添加・混合後、ジェットミルにより微粉砕した。ジェットミルの粉砕媒体は窒素ガスで、ガス圧は0.69MPa(７kgf/cm2)とした。得られた合金粉末原料の平均粒径は4.2μｍである。合金粉末原料93wt%と熱可塑性樹脂残部としてエチレン-酢酸ビニル共重合体（EVA）、ポリエチレン（PE）、パラフィンワックス（PW）を樹脂重量比率28:20:52で混練してコンパウンド５とした。ホッパー1を介してバレル内に投入されたコンパウンド５と弁2より注入された窒素の超臨界流体は、一対のスクリュー3の回転により混ぜあわされると共にせん断力が加えられる。コンパウンド５を110〜130℃の温度で加熱溶融しながら成形金型4に搬送し、そこで所定の断面積に磁場中で絞り込み成形空間内を通過させた。成形体は磁場発生装置６により異方性化され冷却用金型を通過してから押出成形され、外部に排出される。成形体の厚さを０．６ｍｍ押出し速度は1〜2cm／s、冷却金型温度を70、80、90℃として成形した。
この成形体を７ｍｍ角の大きさに打抜き加工を施し、薄肉形状の成形体を作製した。その後、この成形体を水素中で昇温速度20℃/ｈ、脱脂温度615℃で脱脂した。焼結はAr中で昇温速度200℃/h、焼結温度1100℃でおこなった。
焼結した薄肉形状のR-Fe-B系焼結磁石の残留磁束密度、保磁力、最大エネルギー積をVSMにより測定した。表１にその結果を示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
（比較例１）
窒素超臨界流体を使用しない以外は実施例１と同じ条件で実験を行った。冷却金型温度を70、80、90、100、110、120℃として成形体を作製した。その後実施例１と同様に試料を作製し、残留磁束密度、保磁力、最大エネルギー積をVSMにより測定した。表１にその結果を示す。超臨界流体を使用しないことで流動性が落ちるため、成形するには金型温度を30℃程度上げる必要があることが解った。また金型温度を上げることで特性は上がる傾向にあるが金型温度を120℃としても本発明の薄肉磁石と同等の特性を得ることはできないことが解った。
【００１８】
（参考例）
実施例１と同様の方法で冷却部温度を100℃にして成形し、試料を作製し、残留磁束密度、保磁力、最大エネルギー積をVSMにより測定した。表１にその結果を示す。温度を上げさらに流動性を上げると特性が落ちる。これは外部に押出される直前の無磁場区間であまりに流動性が高すぎると押出しの圧力により磁場中で配向した磁石粉末が乱れるためである。
【００１９】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で金型の冷却部温度を80℃に固定し、成形体厚さを0.4、0.8、1.0、1.2、2.0mmとして試料を作製した。残留磁束密度、保磁力、最大エネルギー積をVSMにより測定した。またセル径はSEMにより測定した。その結果を表２および図２に示す。厚さが厚くなるとセル径も大きくなり、焼結の際にクラックが残留し、保磁力が急激に低下し、残留磁束密度も低くなる。
【００２０】
（比較例２）
窒素超臨界流体を使用せずに実施例１と同様に薄肉の焼結磁石を製造した。金型の冷却部温度を110℃に固定し、成形体厚さを0.4、0.8、1.0、1.2mmとして試料を作製し、残留磁束密度、保磁力、最大エネルギー積をVSMにより測定した。表１、図２にその結果を示す。薄くなるほど特性が低くなるが超臨界流体を使用しない場合はその低下が著しい。
【００２１】
（参考例２）
実施例１と同様の方法で冷却部温度80℃、成形体厚さ0.6mmで超臨界流体の注入圧力と成形圧力を変えダイス付近の機内圧力を20MPaから10MPa、7MPaに変化させ、セル径が違う試料を作製し、残留磁束密度、保磁力、最大エネルギー積をVSMにより測定、セル径をSEMにより測定した。その結果を表２に示す。また、実施例1-2のデータも併記する。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
（実施例３）
実施例１-２の試料と比較例１-５の試料を表面を研磨しながらＸ線にて観察し（006）のピーク強度にて配向度を比較した。その結果、実施例１−２の試料のほうが表面付近の配向度が高いことが解った。超臨界流体を使用することで成形体表面と金型の摩擦が低減し配向の乱れが抑制されたと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に用いる押出成形装置の一例である。
【図２】本発明と比較用の試料における磁石肉厚と磁気特性の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  ホッパー
２  弁
３  スクリュー
４  成形金型
５  コンパウンド
６  磁場発生装置
【図１】
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【図２】
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