(57)【要約】長尺磁石全般にわたって磁気特性の均一な長尺磁気異方性希土類焼結磁石およびその製造方法を提供する。本発明による磁気異方性希土類焼結磁石は、切断後に複数個の磁気特性が均一である磁石を得るための、容易磁化方向が長尺方向である長尺磁気異方性焼結磁石である。さらに本発明の製造方法では、充填容器に適度の充填密度で充填した微粉末を配向して充填容器のまま、若しくは充填容器を外して焼結工程に移るため、磁界配向後の圧縮成型における配向度の乱れの少ない均一な磁気特性を有する長尺磁気異方性希土類焼結磁石を製造することができる。
2018038170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーミアンス係数が１２以上であり、配向度Ｂｒ／Ｊｓが９４％以上で、長尺方向の配向度のばらつきが１％以下、かつ焼結磁石の長尺方向長さが４０ｍｍ以上であることを特徴とする長尺磁気異方性希土類焼結磁石。
【請求項２】
前記長尺磁気異方性希土類焼結磁石がＲＦｅＢ焼結磁石であることを特徴とする請求項１に記載の長尺磁気異方性希土類焼結磁石。
【請求項３】
配向度が９６％以上であることを特徴とする請求項１に記載の長尺磁気異方性希土類焼結磁石。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の長尺磁気異方性希土類焼結磁石を切断して得られる単体の磁気異方性希土類焼結磁石。
【請求項５】
請求項１に記載の長尺磁気異方性焼結磁石を製造するための方法であって、当該方法が、２分割以上に分割された側面を有する充填容器に合金粉末を給粉する給粉工程と、前記合金粉末を前記充填容器中に充填して充填成形体を作製する充填工程と、前記充填成形体に磁界を印加して該充填成形体内の合金粉末を配向させ配向充填成形体を作製する配向工程と、前記充填容器の側面を前記配向充填成形体から引き離し、前記配向充填成形体を前記充填容器から取り出す取出工程と、取り出した前記配向充填成形体を焼結する焼結工程と、を有し、前記充填工程と前記配向工程が別の場所で行われることを特徴とする長尺磁気異方性焼結磁石の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の長尺磁気異方性焼結磁石を製造するための方法であって、当該方法が、充填容器に、レーザー式粉末粒度分布測定装置で測定される平均粒径D50が5μm以下である希土類磁石の合金微粉末を高密度充填する工程と、該充填容器に充填した状態で前記合金微粉末を磁界中配向する工程と、該充填容器に充填した状態で前記合金微粉末を焼結する工程とを有し、上記各工程を無酸素又は不活性ガス雰囲気である容器内で一貫して行うことを特徴とする長尺磁気異方性焼結磁石の製造方法。
【請求項７】
前記の高密度充填する工程にて充填される希土類磁石の合金微粉末が、ＲＦｅＢ磁石の合金微粉末であり、当該ＲＦｅＢ磁石の合金微粉末を、真密度に対して46.4％から55％の間の密度で前記充填容器に充填することを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記充填容器の長尺方向端面に磁極を設置することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の長尺磁気異方性焼結磁石の製造方法。
【請求項９】
前記合金粉末の配向に長尺のソレノイドコイルを用いることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の長尺磁気異方性焼結磁石の製造方法。
【請求項１０】
請求項５から９のいずれか１項に記載の製造方法により得られた長尺磁気異方性希土類焼結磁石を切断することを特徴とする、単体の磁気異方性希土類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、磁気特性が均一な複数個の磁石を得るための長尺磁気異方性希土類焼結磁石およびその製造方法に関し、特に、磁場配向に長尺のソレノイドコイルを使用することや、従来の金型プレス法のような成型体に強度を持たせるための強い圧縮成型圧力を必要とせず、圧縮成型に起因する磁場配向の乱れを生じないままに焼結工程に至ることを主な特徴とする長尺磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気異方性焼結磁石としてフェライト磁石および希土類磁石が知られる。さらに希土類焼結磁石にはＳｍＣｏ焼結磁石とＲＦｅＢ焼結磁石がある。特にＲＦｅＢ焼結磁石は、希土類・鉄・ホウ素を主成分とし、それまでの永久磁石材料の特性をはるかに凌駕するばかりでなく、ネオジム（希土類元素の一種）、鉄及びボロンなど資源的に豊富な原料を主成分としており、資源的に乏しく高価な原料であるＳｍとＣｏを主成分とするＳｍＣｏ磁石よりも廉価であり、1982年に出現して以来理想的な永久磁石材料として着実に市場を拡大しつつある。主な用途にはコンピュータHDD（ハード・ディスク・ドライブ）磁気ヘッド駆動用モータVCM（ボイスコイルモータ）、高級スピーカー、ヘッドホン、電動補助型自転車、ゴルフカート、永久磁石式磁気共鳴診断装置（MRI）などがある。さらに、ハイブリッド・カーや電気自動車の駆動用モータや、省エネルギー・低騒音型大型家電製品（クーラーや冷蔵庫）、産業用モータなどにおいても実用化が進められており、省資源・省エネルギーの分野においても著しく貢献しつつある。【０００３】
ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石は、本願発明者らによって1982年に発明された（特許文献１）。このＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石は正方晶の結晶構造を有し、磁気異方性を有するＲ２Ｆｅ１４Ｂ金属間化合物を主相とする。高い磁気特性を得るためには磁気異方性の特徴を生かすことが必要であり、焼結法以外にも鋳造・熱間加工（特許第2,561,704号）や急冷合金をダイ・アップセット加工する方法（特許第4,792,367号等）が提案された。しかしこれらの方法は、磁気特性および生産性の両面において焼結法に劣る。焼結法は、高性能永久磁石に必要とされる緻密で均質な微細組織を得るための最良の方法である。【０００４】
初期のＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石の製造方法は、組成配合・溶解・鋳造・粉砕・磁場中圧縮成型・焼結・熱処理・加工・表面処理の工程を経る。ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石の発明以来、それぞれの工程において数多くの技術改良がなされてきた。【０００５】
ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石には、保磁力その他磁気特性や温度特性改良、耐食性の向上などのため、Ｎｄ以外の他の希土類元素（例えばＤｙ，Ｔｂ，Ｐｒ等）、Ｃｏ，微量のＡｌ，Ｃｕ，Ｓｉ，Ｇａ、Ｎｂ等のほか、原料や製造工程から含まれる酸素、炭素、水素、窒素等の不純物等が含まれる。保磁力の向上に最も効果的なのは、重希土類元素（Ｄｙ，Ｔｂ等）の添加である（特許第1802487号）。重希土類元素を多量に用いれば保磁力は増加するが、飽和磁化が低下して最大エネルギー積が低下する。また、Ｄｙ，Ｔｂは資源に限りがあり、高価であるため、将来に大幅に需要が見込まれる電気自動車や産業用・家庭用モータをまかなうことは不可能である。原料段階でＤｙ，Ｔｂを添加する代わりに焼結体作成後に熱処理しながら磁石表面からＤｙ，Ｔｂ等を内部に浸透させ、微結晶粒子の粒界付近の保磁力を高めて、高い最大エネルギー積を保ったままで保磁力を高める粒界拡散法が提案された（特開2005-11973号公報等）。【０００６】
焼結磁石には緻密で均質な微細組織が要求される。当初は合金溶湯から鋳造インゴットを作成し、粉砕する方法が一般的であったが、合金溶湯をストリップキャスト法で急冷すれば組成が均一に分散して緻密な組織の原料合金が得られ、高特性が得られる（特許第2665590号）。
また溶解法以外に、希土類酸化物粉末と鉄粉、フェロボロン粉末等に金属Ｃａを混合加熱して、ＲＦｅＢ合金粉末を直接に得る還元拡散法がある。【０００７】
ＲＦｅＢ原料合金に水素を吸蔵させると合金内にマイクロクラックが生じ、粗粉砕が容易になる。粗粉砕に続く微粉砕には、シャープな粒度分布の粉末が得られることから、窒素などの不活性ガスを利用するジェットミル粉砕が主流である。金型成型時の微粉末の配向を高めるため、また成形体の強度を高めるために微粉末に潤滑剤やバインダーを添加する場合がある。【０００８】
微粉末は磁場中で圧縮成型される。金型プレス法が一般的であるが、さらに高い配向度と高いエネルギー積を得る方法としてＣＩＰ法（特許第3383448号）やＲＩＰ法（特許第2030923号等）がある。また、微粉末の酸化を防ぎながら高い配向性を達成するために鉱物油、合成油又は植物油と微粉末の混錬物を金型内に高圧注入し、磁界中で湿式圧縮成型する方法がある（特許第2731337号等）。この場合、スラリーを加圧注入、加圧充填を行うと高い焼結密度と高い磁気特性が得られるとされる（特許第2859517号）。【０００９】
金型プレス法では一方向からの加圧しか採用できず、微粉末の配向を乱す原因となる。あらゆる方向から等方的に圧力を加えることができれば、加圧による配向の乱れが小さくなる。微粉末を予めゴム容器等の可塑性のあるモールドに入れて外部から磁界をかけ、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing：冷間静水圧プレス）を施す方法がある。特開平4-10503号公報には、ＣＩＰを用いてウィグラーやアンジュレータ用の高配向の大型磁石を得る製法が開示されている。実施例によれば、平行プレスを用いて152mm×37mmの断面積で磁場を加圧方向と平行に、高さが128mmになるまで0.7トン／cm2の圧力で予備成型し、ゴム型に移してＣＩＰで3トン／cm2の圧力で成型を行い、140×121×35（磁化方向）mmの成形体を得ている。磁化方向は最も短い35mmである。ＣＩＰ処理の目的は配向の乱れの少なくすること、および堅牢な成形体を得ることである。【００１０】
ＣＩＰとほぼ同等の効果を得る方法として、本願発明者らは先にＲＩＰ（Rubber Isostatic Pressing）法を提案した（特許第2030923号等）。ＲＩＰ法では微粉末をゴム型に入れてパルス磁界をかけ、ゴム型全体を金型プレス機に挿入して加圧する。ＣＩＰ法と同じく等方的に圧力が加えられ、かつパルス磁界を用いることができるので、金型プレス方式よりも特性は高い。この方法ではゴム型充填・パルス磁界印加・圧縮成形・消磁の工程を連続して行う自動化が可能なため、ＣＩＰ法よりも量産に向いている。しかし、ゴム型を使用するため圧粉体取り出しの工程に手間がかかり、焼結炉搬送までの工程の自動化などが困難であり、量産のための製法に至っていない。【００１１】
さらには金型プレスなどの圧縮成型法の欠点を補う目的で本発明者らによるＰＬＰ（Press-Less Process）法（特許文献２）、新ＰＬＰ法（特許文献３）が提案された。ＰＬＰ法・新ＰＬＰ法の詳細については後述する。【００１２】
金型プレス法では、微粉は大気中に曝される。微粉末を作成後、磁界中プレスから焼結炉への搬入までを不活性ガス雰囲気中で行うとする提案がある（特開平6-108104号公報）。しかし実際には金型周辺に飛び散った微粉の掃除や、量産時には頻繁に金型を取替えることが不可欠であって、飛び散った微粉をそのままにしておくと、開放するときに非常に危険である。すなわち、金型プレス機を含む工程全体を不活性雰囲気中に置くというアイデアは、現実的でない。【００１３】
金型プレス後の圧粉体は搬送され、焼結台版に並べられる。磁界中プレスされた圧粉体は、小さな磁石粒子の集合体であり、圧粉体も磁石の性質を持つ。そのため、圧粉体同士の吸引反発力で衝突し、欠け・割れなどを生じる。したがって、予め圧粉体を消磁する方法が採用されている。実際には、金型プレス中で最も圧縮した状態で、逆向きの磁界または交番減衰磁界を加えることによって行われる。圧縮した状態では粒子は動けなくなっているから、逆磁界や交番磁界を加えても粒子の配向が大きく乱れることはないとされる。【００１４】
焼結後に時効処理を行うと保磁力が向上することが知られている（特公昭5-27241号公報）。適度の時効処理は焼結後の結晶粒界組織を改善して保磁力を向上させる効果がある。【００１５】
金型プレス法で大きな焼結体を製造し、加工によって所定形状を得ることがある。ＲＦｅＢ金属間化合物は非常に堅いため、主にダイヤモンド砥粒砥石によって切断される。ＲＦｅＢ磁石は保磁力が大きいため、通常の製品厚さは数ｍｍのオーダーである。切断刃厚が厚いと歩留まりが悪くなり、好ましくない。そこで超硬合金を用いた台盤上にダイヤモンド砥粒を埋設した薄い形状の砥石を用いる方法（特許第2868180号）や、ワイヤーソーによる切断なども応用されて（特許第4656804号等）、歩留まり向上の工夫がなされている。【００１６】
ＲＦｅＢ磁石の主成分は希土類元素及び鉄からなり、酸化しやすい。そこでこれまで樹脂塗装、めっき、アルミ蒸着など様々な処理法が用途に応じて用いられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特公昭61-34242号公報
【特許文献２】特許第5744858号
【特許文献３】WO-A1-2016047593
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ＲＦｅＢ焼結磁石では大きな磁場強度が必要で残留磁束密度Ｂｒと最大エネルギー積ＢＨｍａｘが大きな高エネルギー積材と、温度上昇や磁石を減磁するような用途に用いるためにＤｙ，Ｔｂ等の重希土類元素を添加してＢｒとＢＨｍａｘを犠牲にしながらも高い保磁力を有する高保磁力材がある。また最近では高いＢｒやＢＨｍａｘを維持しながら保磁力を高める粒界拡散の方法が開発され、特にモータの領域で需要が増加しつつある。【００１９】
電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機器の代表はモータであり、ＲＦｅＢ磁石の出現以降、永久磁石を搭載したモータが飛躍的に発展を遂げてきた。中でもハイブリッドカーや電気自動車に搭載されるモータは直流電源で使用されるため、界磁部分に電気エネルギーを消費しない永久磁石が用いられる。永久磁石をモータに用いる場合、回転子の円周に沿って複数個の弓形セグメント磁石を配列する表面磁石型モータ方式と、予めケイ素鋼板などで磁気回路を構成した溝に複数個の永久磁石を配置する埋め込み磁石型モータ方式などがある。特に高速で回転する高性能モータでは埋め込み磁石型方式が普及しつつある。【００２０】
しかしこれらの場合、使用する複数の永久磁石の磁気特性にばらつきがあれば、振動などを生じると共にバッテリーのエネルギーが無駄に消費される。ＲＦｅＢ焼結磁石の場合、モータ温度と共に磁石の温度が上昇すれば磁石の磁気特性が大きく低下する欠点があり、避けなければならない。モータが滑らかに回転するためには一台のモータで用いられる複数個の永久磁石の磁気特性が均一であることが要求される。実用的にはＲＦｅＢ焼結磁石のひとつひとつの磁気特性を測定し、同じような磁気特性の磁石を組み合わせて用いなければならない。すなわち、従来法において均一な磁気特性の磁石を同時に複数個得るのは、きわめて困難であった。【００２１】
ばらつきの少ない均一な磁気特性の焼結磁石を得るためには、組成・焼結密度・配向度などを均等に保たなければならない。組成の均一性は同一ロット内であればほぼ問題ない。【００２２】
金型プレスを用いて磁気異方性磁石を製造する場合、微粉末を配向するためにダイ・パンチの外側にコイルと継鉄、磁極からなる電磁石が配置される。同じ方向を向く磁束は互いに反発する性質があり、ダイに設けられた複数のキャビティに均一の平行磁界を実現することはできない。すなわち、配向度が同じ圧粉成型体が得られない。複数の圧縮成形体は、焼結台盤上に並べて焼結される。量産に用いられる焼結台盤は大きく、配置された位置によって温度や雰囲気の影響が異なり、必ずしも均一な焼結密度の製品が得られない。【００２３】
磁場配向と加圧は、必ずこの順序で行わなければならない。先に加圧してしまうと、磁場配向が妨げられてしまう。金型プレス法では直角プレス法と平行プレス法のいずれにおいても配向度の乱れを避けることはできない。x-, y-, z-三軸を想定する。平行プレス法ではz-軸方向に磁場が加えられ、同時にz-軸方向に加圧される。磁場によってz-軸方向に配列された微粒子は、同じくz-軸方向から加圧されて、粉同士や金型との接触による摩擦によってx-軸方向、y-軸方向に傾き、配列が乱れる。一方、直角プレス法では、x-軸方向に磁場がかけられて配列し、z-軸方向から加圧される。同じく摩擦によってx-軸方向、y-軸方向に傾くが、y-軸方向に傾く場合、粉は回転するだけで、配列そのものに影響は小さい。すなわち、理想的な配列に対して、平行プレス法では二方向に配列が乱れるが、直角プレス法では一方向にしか配列が乱れず、直角プレス法の方が磁気特性は高い。このように金型プレス法では理想的な磁場配向を得ることはできないが、金型プレスが用いられる理由は、最終形状・寸法に近いもの（ネットシェイプ）が得られ、歩留まりがよく自動化が可能だからである。磁界を加えるのは粒子を配向するために必須の工程であり、プレス機金型の構造やパルス磁場の利用など様々な改良が試みられてきたが、圧縮の効果について特に深い考察は行われて来なかった。【００２４】
圧縮成形の役割について、例えば"Rare-earth Iron Permanent Magnet" edited J.M.D.Coey, CLARENDON PRESS, OXFORD, 1996, pp340-341には「The pressing load is sufficient to make compacts having enough strength to be handled but without significant misorientation of the crystallites.（加圧力は粒子の配列に重要な乱れを起こすことなくハンドリングのための充分な強度をもった圧粉体を作るのに充分な程度である）」と記載されている。またJ.Ormerod "Powder Metallurgy of rare earth permanent magnets" Powder Metallurgy 1989, Vol.32, No.4, p247では「The pressing pressure should be sufficient to give the powder compact enough mechanical strength to withstand handling, but not high enough to cause particle misorientation.（加圧力は圧粉体にハンドリングに耐える充分な機械的強度を与える程度であるが、粒子の配向の乱れを起こすほど高くない程度でなければならない）」と記載がある。
いずれの文献においても、大きな圧力で加圧すれば配向が乱れることを認識しながら、ハンドリングのために圧粉体に充分な強度を持たせるために強く圧縮することが必要であると認識されている。【００２５】
金型成形時の微粉末の配向を高めるため、潤滑剤を添加する方法が提案されている（特許第3459477号等）。潤滑剤は微粉末の摩擦を小さくする効果があり、磁界をかけながら圧縮するときの配向度を向上する。しかし、充分な潤滑効果を得る目的で多量の潤滑剤を加えると、脱脂のために焼結時に長時間を必要とする。ある種の液体潤滑剤（例えば特開2000-306753号公報）は揮発性に優れていて、焼結体中にほとんど残存しないとされる。しかし配向性を向上させる目的で潤滑剤を多量に添加すると、金型プレス後の圧粉体強度が弱くなり、ハンドリングの問題を生じる。金型プレス機では電磁石によって静磁界が加えられる。電磁石による静磁界は、鉄心による磁束の飽和があるため、せいぜい10〜15kOe（1〜1.5 Tesla）程度に留まる。磁界をかけたまま加圧していくと、粉同士の摩擦力の方が大きくなって、粉が回転し、配向が乱れる。特許第3307418号ではパルス磁界による配向方法が提案されている。パルス磁界では1.5〜5.5 Teslaの磁界をかけることができて、Br（残留磁束密度）が向上する効果が確認されている。しかし、この提案のように金型プレス機内でパルス磁界を加えると、磁界をかける度に渦電流損やヒステリシス損が発生して金型が発熱する。また、金属製の金型に瞬間的な衝撃が加わり、精密機械であるプレス機の寿命を短くするため、実用的でない。【００２６】
ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石は、正方晶系Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ型結晶構造を有する金属間化合物を主相とする微粒子が焼結によって固く結合されている。この化合物は長軸方向（c軸方向）に容易磁化軸（磁気異方性）を有し、製造工程において微粉砕された粉末を、外部から磁界を加えることによって一方向に配列する。ところが上に述べた金型プレス方式では、せっかく磁場によって配列した微粒子に強い圧力をかけて配列を乱してしまう。金型プレス方式において強い圧力をかけるのは、次工程に移行する際のハンドリングを容易にするためである。【００２７】
金型プレス法の作業性を向上させるためにバインダーや潤滑剤を添加する方法、油中で湿式成形する方法が提案されているが、いずれも強い圧力で圧縮成型することが前提となっており、バインダー等の成分は圧粉体内部に強く閉じ込められて、焼結前段階の脱脂工程において容易に除去されない。低い温度で長時間加熱することで脱脂が完全に行われることがあるが、生産性は著しく低下する。成分が残存したまま高温で過熱すると、炭素などの不純物が構成元素と反応して磁気特性が低下し、耐食性が悪くなる。【００２８】
直角プレス法は配向度が高い高性能磁石の製造に用いられる。特許第2922535号は、高性能でかつ磁石部位における不均一を是正するために磁場配向時の金型の強磁性体部分に傾角を設け、キャビティ内の磁界を均一にしようとするものである。また、この例における磁石の容易磁化方向は長尺方向でない。実施例の成形体寸法は24.5mm×120mm×95mmであり、容易磁化軸方向は24.5mm方向である。図３より、Ａ＝95、Ｂ／Ａ＝1.26、Ｃ＝24.5、Ｃ／Ａ＝0.26より、パーミアンス係数ｐｃ＝0.7程度であることが分かる。【００２９】
先に述べたＲＩＰも、金型プレス機を用いて堅牢な粉末成形体を得ることが目的であり、均一でばらつきの少ない長尺磁気異方性焼結磁石を得ようとするものではない。【００３０】
磁気特性を犠牲にしながらも、ネットシェイプ性から金型プレス法が最も量産性の優れたものと考えられている。しかし、金型プレス法は磁石特性が均一でばらつきの少ない複数のＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石、およびそのような磁石を供給する長尺磁気異方性焼結磁石を得ることを指向していない。【００３１】
本願発明者らは先に、これらの金型プレス法に不可避の欠点を排除したＰＬＰ法（特許文献２）および新ＰＬＰ法（特許文献３）を提案した。すなわち、適度な充填密度で充填容器に微粉末を充填し、磁場配向後に充填容器のまま焼結工程に移す方法（ＰＬＰ法）および充填容器を高温の焼結温度に曝すことによって起きる充填容器の損耗を防ぐために充填後、焼結前に少なくとも充填容器の側壁を充填成形体から取り外した後に焼結工程に移行する方法（新ＰＬＰ法）である。まず、充填容器そのまま焼結工程に移行するので、成型後から焼結工程に至るハンドリングが省略され、配向を乱す圧縮成型工程や消磁工程がない。新ＰＬＰ法では給粉・充填の工程で用いられる底板（例えばステンレス製）と、充填成型体だけを別の台板（例えばカーボン製）に移動して焼結する場合があるが、これらは無酸素雰囲気中において自動運転で行われるため、ハンドリングの手間にはならない。底板が、焼結工程で損傷せずかつ合金粉末と反応しない材料で作られているときは、積層ブロックを底板ごと焼結してもよい。この方が合金粉末の充填配向成形体の積層ブロックを底板から台板に移動させる必要がないので、特に配向充填成形体の強度が十分でないときはより安全である。【００３２】
ＰＬＰ法・新ＰＬＰ法を用いて、ある充填密度範囲で充填された充填焼結体は、ほぼそのままの形状で収縮し、焼結される。ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石体は、配向方向とそれに直角な方向では焼結時の収縮率に違いがあることが知られているが、材質ごとに微妙に異なるその収縮率が求められていれば、逆算することで任意の寸法形状の充填成型体を得ることができる。このＰＬＰ法、新ＰＬＰ法では、金型プレス法の利点である、ほとんど最終形状・寸法に近いもの（ネットシェイプ）を得ることを目的とした。ＰＬＰ法・新ＰＬＰ法について述べた特許文献１・特許文献２において複数の磁石特性のばらつきについて良好であると述べているが、従来技術との比較の上で述べたもので、実際に測定すれば同時に配向・焼結した複数個の磁石の特性ばらつきが１％の範囲内に収まるレベルではなかった。充填容器に仕切りを入れた場合、各区切りによって分離された領域に均等に粉末を供給するのは困難となること、一体の長尺磁石とは異なってそれぞれが薄板平板状磁石となって反磁場の大きな形状となるなどの原因により、ばらつきが大きくなると考えられる。【００３３】
以上述べたように、ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石の各工程においてさまざまな改良がなされてきたが、均一でばらつきの小さな複数の焼結磁石を得る方法はほとんど検討が加えられてこなかった。量産製造方法の中心である磁場中配向は金型プレス法に依存し、金型プレス法にはいくつかの制約があり、均一でばらつきの小さな複数の焼結磁石を得る方法には適していない。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明による長尺磁気異方性希土類焼結磁石は、パーミアンス係数が１２以上であり、配向度Ｂｒ／Ｊｓが９４％以上で、長尺方向の配向度のばらつきが１％以下、かつ焼結磁石の長尺方向長さが４０ｍｍ以上であることを特徴とする。【００３５】
好ましい実施形態において、前記長尺磁気異方性希土類焼結磁石は長尺磁気異方性ＲＦｅＢ焼結磁石である。【００３６】
好ましい実施形態において、パーミアンス係数が１２以上であり、配向度Ｂｒ／Ｊｓが９６％以上で、長尺方向の配向度のばらつきが１％以下、かつ焼結磁石の長尺方向長さが４０ｍｍ以上である長尺磁気異方性希土類焼結磁石である。【００３７】
また、本発明は、上記の長尺磁気異方性希土類焼結磁石を切断して得られる単体の磁気異方性希土類焼結磁石でもある。【００３８】
本発明の製造方法は、２分割以上に分割された側面を有する充填容器に合金粉末を給粉する給粉工程と、前記合金粉末を前記充填容器中に充填して充填成形体を作製する充填工程と、前記充填成形体に磁界を印加して該充填成形体内の合金粉末を配向させ配向充填成形体を作製する配向工程と、前記充填容器の側面を前記配向充填成形体から引き離し、前記配向充填成形体を前記充填容器から取り出す取出工程と、取り出した前記配向充填成形体を焼結する焼結工程と、を有し、前記充填工程と前記配向工程が別の場所で行われることにより、ばらつきの小さな長尺磁気異方性焼結磁石を得るための製造方法である。【００３９】
本発明による希土類磁石の製造方法は、充填容器に、レーザー式粉末粒度分布測定装置で測定される平均粒径D50が5μm以下である希土類磁石の合金微粉末を高密度充填する工程と、該充填容器に充填した状態で前記合金微粉末を磁界中配向する工程と、該充填容器に充填した状態で前記合金微粉末を焼結する工程とを有し、上記各工程を無酸素又は不活性ガス雰囲気である容器内で一貫して行うことにより、ばらつきの小さな長尺磁気異方性希土類焼結磁石を得るための製造方法である。【００４０】
本発明の製造方法は、上記の特徴を有した希土類磁石の製造方法において、前記の高密度充填する工程にて充填される希土類磁石の合金微粉末が、ＲＦｅＢ磁石の合金微粉末であり、当該ＲＦｅＢ磁石の合金微粉末を、真密度に対して46.4％から55％の間の密度で前記充填容器に充填することを特徴とするものである。【００４１】
好ましい実施形態において、充填容器の長尺方向端面に磁極を設置する。【００４２】
好ましい実施形態において、合金粉末の配向に長尺のソレノイドコイルを用いる。【００４３】
また、本発明は、上記の製造方法により得られた長尺磁気異方性希土類焼結磁石を切断することを特徴とする、単体の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法でもある。
【発明の効果】
【００４４】
本発明は、RFeB磁石やRCo磁石など希土類磁石の磁気異方性焼結磁石の製造方法において、従来法の問題点や矛盾点を解決する方法として見出された。すなわち本発明によれば金型プレス等の大掛かりな成形装置を必要とせず、ハンドリングのための堅牢な圧粉体を作る必要もないので配向の乱れがなく、焼結磁石の全体において均一な、配向度Ｂｒ／Ｊｓや残留磁束密度Ｂｒのばらつきの小さな長尺の磁気異方性希土類焼結磁石が得られる。ソレノイドコイルによって強いパルス磁界を与えることができ、高い圧力を加えたり圧粉体を脱磁する工程がないので高い配向を有したままの焼結体を得ることができる。また、希土類元素を含む化学的に活性な微粉末を大気に触れることなく処理できるので、粒度の小さな粉末を取り扱うことができ、TbやDyを必ずしも用いなくとも高い保磁力の希土類磁石が得られる。【００４５】
希土類焼結磁石の配向度はＢｒ／Ｊｓで表すことができる。ここでＢｒは残留磁束密度、Ｊｓは飽和磁束密度である。磁石に磁界をかけて飽和に達した飽和磁化Ｊｓの値と、磁界をゼロに戻した時の残留磁束密度Ｂｒの値の対比は、正しく配向された微粒子と配向が乱れた微粒子の比率を表し、配向度を知る優れた方法の一つである。
本発明の長尺磁気異方性希土類焼結磁石は、切断してばらつきの小さな複数の磁石を得ることができる。焼結磁石の焼結密度は主に焼結温度により決まる。複数個の焼結体を焼結台盤上に並べて焼結する場合、温度条件その他の要因により焼結密度にばらつきを生じる。本発明の長尺磁気異方性希土類焼結磁石（一体の焼結体）の場合、その焼結密度はほぼ一定である。焼結密度が均一である一体の焼結磁石を切り出した場合、それぞれの磁石の焼結密度が同じであることが確認されれば飽和磁化も同じであるはずであるから、必ずしも飽和磁化Ｊｓとの対比は必要なく、磁気特性測定時に残留磁束密度Ｂｒのばらつきを比較すれば足りる。この場合の、本発明におけるＢｒのばらつきは１％以内である。【００４６】
長尺方向の焼結磁石端部は、焼結時の雰囲気やその他条件により中央部分とは異なる条件下におかれるため、焼結磁石端部は磁気特性の測定から省く。この端部から省く厚さは2mm以上、好ましくは5mmである。また、磁気特性に用いる試料片の厚さは、磁気特性測定機器が保有する測定ばらつきを考慮して、磁石厚さを5mm以上とする。【００４７】
本発明の長尺磁石を用いれば、例えば一台ないし複数個のモータ等に複数個の永久磁石を用いる場合、磁石の磁気特性のばらつきの小さな複数の永久磁石を提供することによって、モータ等の振動や発熱などのエネルギーロスを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１−１は、本発明の製造方法により製造された一個の長尺ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石から切り出した複数個の試料について配向度Ｂｒ／Ｊｓおよび減磁曲線の角形性Ｈｋ／Ｈｃｊのグラフを示し、図１−２は、図１−１に示した試料の残留磁束密度Ｂｒ、飽和磁化Ｊｓ、Ｂ−Ｈ曲線の保磁力ＨｃＢ、Ｊ−Ｈ曲線のJ＝０となる点のＨｃｊを示す。
【図２】円筒（円柱）状磁石の磁石寸法比とパーミアンス係数のグラフである。
【図３】角形状磁石の磁石寸法比とパーミアンス係数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
本発明の製造方法は、PLP法または新PLP法により、磁気特性のばらつきの小さな長尺NdFeB磁気異方性焼結磁石を製造するものである。
本発明の永久磁石によれば、パーミアンス係数が１２以上であり、配向度Ｂｒ／Ｊｓが９４％以上で、長尺方向の配向度のばらつきが１％以下、かつ焼結磁石の長尺方向長さが４０ｍｍ以上であることを特徴とする長尺磁気異方性希土類焼結磁石が得られる。この長尺磁石体が得られれば、磁化方向に薄く切断することにより複数個の磁気特性の均一な磁石が得られる。
【００５０】
パーミアンス係数については、例えば佐川眞人他編「永久磁石‐材料科学と応用」アグネ技術センター2007年9月15日初版の11-1-3「磁石単体の反磁場とパーミアンス」に解説されている。一方向に磁化された単体の磁気異方性永久磁石は、端面にN極・S極の磁極が現れる。このとき磁石内部では端面の磁極によって逆向きの磁場が現れる。これを反磁場という。反磁場の大きさは磁石形状で決まる反磁場係数Nを用いて表現される。磁石厚み（両極の距離）がきわめて薄く広がる場合の反磁場係数はN=1に近づき、逆に厚く（長く）なるほどN=0に近づく。この反磁場係数とパーミアンス係数Pcの間に、Pc=1/N-1の関係がある。パーミアンス係数は磁気回路を設計する場合の重要な指標であり、RFeB磁気異方性磁石の場合、Pc=1の近傍が最もエネルギー効率がよい。磁石微粉末集合体を磁場配向したとき、各微粒子は一つ一つが小さな磁石であり、集合体の端面にはN極・S極の磁極が現れると同時に集合体内部には反磁場が現れ、折角配向した微粒子の向きを乱す力が働く。この反磁場は両磁極間の距離が短くて扁平な形状ほど大きく、両磁極間の距離が長くなると小さくなる。本願発明においてパーミアンス係数を基準とするのは、永久磁石には直方体・円柱・円筒状などさまざまな形状が存在するため、磁石形状（長さ・断面積）を統合的に表現するのに適した指標と考えられるためである。本発明の長尺磁気異方性希土類焼結磁石の場合、配向後の反磁場による乱れを著しく軽減できる。
図２及び図３は、磁石単体のパーミアンス係数のグラフであり、これらのグラフは、佐川眞人他編「永久磁石‐材料科学と応用」アグネ技術センター、2007年9月15日発行、11-1-3「磁石単体の反磁場とパーミアンス」、428-429頁から抜粋したものである。
【００５１】
例えば円筒形状でパーミアンス係数が１２の場合、図２より磁石の磁石長Ｔと外径寸法Ｄ０の比Ｔ／Ｄ０は3.0に該当する。磁石長が40mmであれば、Ｄ０は13.3mmに相当し、モータ等高級用途に用いられる磁石の最小寸法に相当する。
【００５２】
本発明の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法には、PLP法・新PLP法が応用される。目的とする寸法、形状より予め定められた充填容器中に微粉末を充填し、外部から磁界を加えて粉末を配向した後、そのまま焼結する。
微粉末を充填容器に閉じ込めた後、磁界を加え、そのまま焼結工程に移行するので、微粉末が飛び交うことはなく、希土類磁石の微粉であっても安全に取り扱うことができる。
本発明の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法では、微粉末充填、磁界の印加、焼結炉への搬入までのプロセスの一切が無酸素又は不活性ガス雰囲気中で行われる。希土類磁石は酸素など不純物の影響を受けやすく、予め酸化される希土類量を見込んで、その化学量論組成よりも希土類リッチ側に組成を選択する必要がある。しかしその分、非磁性相が多くなって、磁気特性が低下する。本発明によるプロセスをNdFeB磁石、SmCo磁石の希土類磁石に適用すると、微粉末の状態で大気中の酸素に触れる機会がないため、焼結体の酸素を低減できる。酸化される希土類量を予め見込む必要がないため、希土類（Nd, Sm）量を極限まで下げることができて、高い磁気特性を得ることができる。同時に圧縮プロセスがないため高配向が維持されて、高Br・高エネルギー積が実現される。
【００５３】
PLP法は、充填容器にレーザー式粉末粒度分布測定装置で測定される平均粒径D50が0.5μm以上5μm以下であるRFeB磁石の合金微粉末を真密度に対して46.4％から55％の間の密度で高密度充填する工程と、該充填容器に充填した状態で前記合金微粉末を磁界中配向する工程と、該充填容器に充填した状態で前記合金微粉末を焼結する工程とを有し、上記各工程を無酸素又は不活性ガス雰囲気である容器内で一貫して行うことを特徴とする磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法である。
【００５４】
PLP法は微粉末を取り扱う工程から焼結工程までを一貫して無酸素雰囲気で行うことを特徴とする。従来の微粉末よりも細かな微粉末を取り扱うことができるため、用いられる微粉末平均粒径Ｄを0.5μmから5μmとする。
【００５５】
新PLP法による磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法は、２分割以上に分割された側壁を有するモールドに合金粉末を給粉する給粉工程と、前記合金粉末を前記モールド中に充填して充填成形体を作製する充填工程と、前記充填成形体に磁界を印加し、該充填成形体内の合金粉末を配向させ配向充填成形体を作製する配向工程と、前記モールドの側壁を前記配向充填成形体から引き離し、前記配向充填成形体を前記モールドから取り出す取出工程と、取り出した前記配向充填成形体を焼結する焼結工程と、を有し、前記充填工程と前記配向工程が別の場所で行われることを特徴とする。
【００５６】
本発明の磁気異方性希土類焼結磁石の製造方法では、用いられる微粉末の平均粒径を2μm以下とすることができ、また、1μm以下とすることができる。ここで、平均粒径には、レーザー式粉末粒度分布測定装置により測定される粒径の中央値（D50）を用いる。
【００５７】
本発明に用いる希土類磁石は、RFeB磁石が好ましい。RFeB磁石は、原子百分比で、R（RはYを含む希土類元素のうち少なくとも一種）2〜30%、B2〜28%及び残部実質的にFeからなる。磁石の温度特性や耐食性の改善、微粉末の安定性改善のためにFeの50%未満をCoに置換してもよい。保磁力の改善、焼結性やその他製造性の改善のために、Feの一部をTi, Ni, Bi, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Al, Sb, Ge, Sn, Zr, Hr, Gaなどに置換してもよい。これらの添加元素を複合添加してもよいが、いずれの場合にも総量で6原子%以下であることが好ましい。特に、V, Moが好ましい。さらに、R1（Dy, Tb, Gd, Ho, Er, Tm, Ybの一種以上）とR2（Nd/Prの合計が80%以上で残りがR1以外のYを含む希土類元素の一種以上）の和をRとしたとき、R1 12〜20％、B 4〜20%、残部Feからなる組成は、減磁曲線の高い角型性と高い保磁力を得ることができる好ましい組成範囲である。ＲＦｅＢ磁石の場合、焼結は900〜1200℃の間で行われる。
【００５８】
本発明の希土類磁石はコバルト磁石（RCo磁石）にも適用することができる。RCo磁石のうち、1-5型磁石の組成範囲は、RTx(RはSm又はSmとLa, Ce, Pr, Nd, Y, Gdの１種又は２種以上の組み合わせ、TはCo又はCoとMn, Fe, Cu, Niのうち１種又は２種以上の組み合わせ、3.6<x<7.5)で示され、その焼結温度は1050〜1200℃である。2-17型RCo磁石の組成範囲は、R(但し、RはSm又はSmを50重量％以上含む２種以上の希土類元素)20〜30重量％、Fe 10〜45重量％、Cu 1〜10重量％、Zr, Nb, Hf, Vの１種以上 0.5〜5重量％、残部 Co及び不可避的不純物であり、焼結温度は1050〜1250℃である。1-5型の場合も2-17型の場合も焼結時に900℃以下で熱処理を施すことによって保磁力を高めることができる。
【００５９】
優れた磁気特性を有する希土類焼結磁石は、緻密で均質な微細組織を必要とする。そのような焼結体を得るため、微細で緻密な合金インゴットを得る方法としてストリップキャスト法が提案された（特許第2665590等）。しかし特許第2665590号においてストリップキャスト鋳片の平均結晶粒径は3〜20μmとされている。本発明の焼結磁石では小さな結晶粒径を必要とするため、ストリップキャスト合金の平均結晶粒径３μm以下が好ましく、さらに好ましくは２μm以下である。
【００６０】
充填容器内に充填された微粉末を配向するために外部から磁界が加えられる。充填容器の全部が非磁性であれば、外部磁界は磁性体である磁石粉末に有効に働くため好ましい。素材は、非磁性ステンレス、モリブデンやタングステンなどの高融点金属、カーボン、各種セラミックスなどから選ばれる。
【００６１】
外部磁界を加えた後において、充填容器内の粉末は可動状態にある。磁化されたひとつひとつの粉末の磁気モーメントや充填容器内の粉末全体が形成する磁界によって、粉末の配向が乱れることがある。充填容器の両端部に強磁性体の磁極を配置すれば磁束の流れを変えることによって、磁界印加後の粉末の乱れを避けることができる。
【００６２】
現在市販されている実際のネオジム磁石焼結体の結晶粒径の大きさは5〜10μmであり、焼結前の微粉末の粒径はD50で3〜5μmである。ここでD50とは、レーザー式粒度分布測定器等で測定された、粒度分布の中央値を示す。かつて用いられていた空気透過式粒度分布測定器（フィッシャー社製サブ・シーヴ・サイザー、F.S.S.S.）による測定値が3μmである微粒子の粒径は、D50では4〜5μmと表示される。凝集性が高く化学的に活性な希土類合金粉末の測定には、F.S.S.S.法はふさわしい方法でない。希土類元素を重量で30パーセント以上含む希土類磁石合金組成では、従来の金型プレス法ではD50が5μm（F.S.S.S.で3μm）以下の微粉末を取り扱うことは困難であった。PLP法・新PLP法において微粉末は無酸素または窒素などの不活性雰囲気中で充填容器内に充填され、磁界によって配向され、焼結炉に搬入されるため空気に触れる工程がなく、たとえ微粉末であっても取扱上なんら危険性はない。
【００６３】
希土類元素を30重量パーセント以上含む希土類磁石合金組成では、従来の金型プレス法ではD50が2μm以下の微粉末を取り扱うことは不可能であった。RFeB磁石は単磁区微粒子型であり、その単磁区粒子の大きさは約0.2〜0.3ミクロンとされる。ところが実際のRFeB焼結磁石の結晶粒子径は5〜10μm程度であり、焼結前微粉末の粒径はD50において4〜5μm程度のものが使用されていた。もしも結晶粒子径が単磁区粒子の大きさになれば、大きな保磁力が得られる。しかしそれを実現するためには、もっと小さな微粉末を用いなければならない。化学的に活性な希土類元素を多量に含むRFeB磁石合金微粉末を取り扱う上で、従来の金型プレス、CIPやRIPによる製造プロセスでは大気中に含まれる酸素や水分の影響を避けて通るのは不可能である。2μmほどの小さな粒径のRFeB合金粉末を大気中に晒せば、発火、爆発の可能性が高くなり、安定生産できない。もしも仮に発火せずに済んだとして、微粉末は表面積が大きいために酸素量が増加し、磁気特性は低下する。酸化防止を避けるためにバインダーや潤滑剤、湿式プレスに用いられるような化学物質を併用すれば、微粉末の表面積が大きいために化学物質の成分が粉末成分と反応し、また焼結工程前の脱脂工程で著しく長い時間を必要として生産性が悪くなると共に、磁気特性が低下する。従来法ではこれらの影響を避けることができないため、このような微粉末を取り扱うことはできなかった。PLP法・新PLP法によりD50の値が2μm以下のRFeB合金粉末を用いて焼結磁石を得ると、高配向でエネルギー積が高く、かつ保磁力の高いネオジム焼結磁石が得られる。
【００６４】
例えば市販される最も保磁力の高い材質では、（(BH)max= 32 MGOe (255kJ/m3), iHc=30 kOe(2387kA/m)）の磁気特性を示し、重量で10パーセントほどのDy,Tbなどの重希土類元素を、Ndに置換して用いている。DyやTbを添加すれば、R2Fe14B金属間化合物の異方性エネルギーを高めて磁石の保磁力を増加させる効果がある。DyやTbなど重希土類元素の地殻存在量はNdに比べて僅少であり、価格は高価であり、また重希土類元素を多量に添加すると飽和磁化が低下する。したがって、DyやTbなどを添加することで電気自動車やハイブリッドカー、家電用・産業用モーターの需要を賄うことはできない。PLP法・新PLP法によれば、僅少で高価なDyやTbを全く用いないか、用いたとしても僅かな量で、従来製品と同等以上の高い保磁力を得ることができる。
【００６５】
PLP法・新PLP法の特徴のひとつは、金型プレスやCIP、RIPのように大きな圧力で加圧成形する必要がないことである。充填容器内で配向された粉末は、強い圧力を加えられることによって配向を乱すような力がかかることがなく、高い配向が維持されたままに焼結される。高い配向度によって、高い残留磁束密度（Br）と高い最大エネルギー積（(BH)max）が実現される。
【００６６】
従来法ではD50の値が1μm以下の希土類含有磁石粉末を取り扱う手段がなかった。PLP法・新PLP法によれば微粉末作成後焼結までのプロセスを完全な無酸素または不活性雰囲気中で処理することができて、D50の値が1μm以下の希土類含有磁石粉末を安全に取り扱うことができて、高い保磁力を有する磁石を得ることができる。
RFeB磁石は単磁区微粒子型であって、単磁区粒子径が約0.2〜0.3μmであることから、焼結体結晶粒径もそれに近いことが望ましい。そのためには粉末粒径が0.5μm以下であることが必要である。従来法ではD50の値が0.5μm以下の希土類含有磁石粉末を取り扱う手段が全く存在しなかった。本発明によれば微粉末作成後焼結までのプロセスを完全な無酸素または不活性雰囲気中で処理することができて、D50の値が0.5μm以下の希土類含有磁石粉末を安全に取り扱うことができる。
【００６７】
微粉末の充填の程度は従来の金型プレス法等における充填の程度よりも低い。従来法では圧粉体ハンドリングのために堅牢な圧粉体強度が必要であったが、PLP法・新PLP法において圧粉体ハンドリング工程が存在しないため、強く圧縮する必要がない。
充填容器内に高密度充填された粉末は容器内に均一に充填されて、焼結体に充分な密度が得られる程度であればよい。具体的にはパルス磁界配向時において粉末の偏りが生じない程度でよい。このような状態は、焼結後に焼結体断面に微細な空孔の有無によって確かめることができて、空孔のほとんど存在しない条件がよい。充填容器への充填密度は、充分な焼結密度を得ること及び充分な配向ができて配向の乱れを生じない範囲として46.4％以上とし、上限を55％とする。47％以上52％以下は、さらに好ましい範囲である。
【００６８】
従来法（金型プレス法、CIP、RIP）では、後工程に繋がるハンドリングのために堅牢な圧粉体を必要とした。そのため、充分な磁気特性を得るために必要な焼結密度を達成する以上の強い加圧力を必要とした。すなわち、従来法における圧粉体密度はハンドリングのための圧粉体強度の観点より求められていたものであって、磁気特性のために必要な焼結密度を得るためには、従来法よりも小さな充填密度でよいということが明らかにされた。
【００６９】
粉末充填には機械タッピング法又はエアー・タッピング法（特開2000-96104号公報）を用いることが好ましい。ミクロン単位の磁石粉末は凝集しやすく、容器に充填する際に容易にブリッジを形成して均一充填が難しい。機械タッピング法やエアー・タッピング法を用いれば、粉末フィーダー内の粉末に周期的な機械的衝撃又はエアー衝撃を加えることによって粉末を容器内に定量均一充填できる。
【００７０】
個々の微粉末を一方向に揃えるために、外部から磁界が加えられる。ＲＦｅＢ磁気異方性焼結磁石の場合、正方晶構造化合物のc軸方向が容易磁化軸に相当し、磁界を加えると粉末は一方向に配向される。金型プレスで用いられる電磁石による磁界は、最大1.5テスラの程度である。しかし空芯コイルを用いたパルス磁界では1.5から5.5テスラの強い磁界をかけることができて、実際に高い磁界を加えた方が磁気特性は向上する。特許第3307418号には磁気配向にパルス磁場を用いる例が示されているが、明細書の全般において金型プレス機にパルス磁場コイルを配置したことが記載されているにすぎない。
【００７１】
本発明に用いられる空芯コイルは円筒形の長尺ソレノイドコイルが望ましい。例えば金型プレスで用いられるパルス磁場の磁場コイルは、プレス機の構造による制約により長尺ソレノイドコイルが用いられることはない。CIPやRIPで用いられるコイルについても磁石全体の配向度の均一性を要求するものでなく、長尺ソレノイドコイルを用いる必然性はない。ここで長尺ソレノイドコイルとは、コイル内径よりも長手方向のコイル長が長いことをいい、かつ長尺充填容器の長尺よりも長いことを言う。コイルの断面形状は充填容器の形状に応じて四角形筒や六角形筒、多角円筒などもあり得るが、本発明においてこれらを総称して長尺ソレノイドコイルという。ソレノイドコイルにパルス電流を流すと、コイル間に大きな力がかかるため、最も好ましいのは円筒形の長尺ソレノイドコイルである。
【００７２】
同方向の磁束は互いに反発する性質があるため、磁極中心部から端部に移るにつれて磁束は歪曲する。すなわち、金型プレスでは広い範囲において均一で平行な磁場を得るのは困難である。通常のパルス磁場に用いられる短尺の空芯コイルについても同じで、中心部から離れるに従って磁場の均一性が悪くなる。これらと比較して、長尺のソレノイドコイルでは、内部の広い範囲において平行で均一な磁場を得ることができる。
【００７３】
本発明で用いる長尺ソレノイドコイルは、内部で均一な配向を得るための均一磁場が必要であるから、長尺ソレノイドコイルの外形長さは磁石長よりも長い必要がある。また、ソレノイドコイルの内径は小さい方がよく、長さは長い方がよい。コイルの内径は充填容器断面の最大寸法の1.5倍から10倍がよく、3倍から10倍であればさらによい。長尺ソレノイドコイルの内径（D）と長さ（L）の比率L／Dは、２以上が必要であり、好ましくは３以上である。
ソレノイドコイルが発生する磁場は、パルス電源を用いる場合、高い配向度を得るためには3テスラ以上が好ましく、5テスラ以上はさらに好ましい。高い配向度を目指すのではなく一個の長尺磁石を切り出した時のばらつきの減少だけを目指すならば必ずしもパルス磁場は必要とせず、直流電流を用いた3テスラ以下の磁場でもよい。このような長尺のソレノイドコイルは磁石の磁気特性を測定するために用いられることはあっても、磁石の製造工程に用いられた例はない。これまでの空芯コイルではコイルの中心部分だけを利用するため、長尺磁石を製造する発想そのものが存在しなかった。
【００７４】
長尺ソレノイドコイル内部には長い距離にわたって平行で均一な磁束が確保されるが、内部に磁石粉末の強磁性体を置くと、その影響を受けて磁束は歪曲する。充填容器の長手方向端部に純鉄、ケイ素鋼板やパーマロイなど強磁性体からなる磁極を配置すると歪曲の一部は是正されて、充填容器内の微粉末に平行で均一な磁束を加えることになり、好ましい。また、RFeB焼結磁石の飽和磁化の値は1.4テスラほどであり、微粉末集合体の飽和磁化値はその半分くらいである。飽和磁化2.2テスラである純鉄を磁極として用いるとソレノイドコイル内の均一性の乱れが大きくなり、配向度に影響する場合がある。例えば純鉄粉などの磁性粉を20％から50％配合して樹脂などで固めて、充填容器内の微粉末集合体の飽和磁化の値に近づけた磁極を用いれば配向度はさらに向上する。
【００７５】
本発明において粉末の配向に用いる外部磁界発生源はパルス磁界が好ましい。パルス磁界は空芯コイル内に微粉末を充填した充填容器を置いて加えられる。パルス磁界方式では高い磁界強度を与えることができる。また、粉末を配向するためのパルス磁界は直流パルスを一回だけよりも、予め交番減衰式の波形磁界を加え、その後直流パルス磁界を加えるような方法が好ましい。特許第3307418号にはRFeB磁石の製造において15〜50 kOeの磁界を与え、磁気特性の向上が確認されている。しかし従来の金型プレス法においてパルス磁界を併用したものである。金型プレスにパルス磁界を加えると、金型中に渦電流損失やヒステリシス損失が発生して連続使用できない。また、パルス磁界による衝撃力が金型に加わるため、金型が破損することがある。本発明における磁界は、強い磁界であることが必要であるが、パルス磁界以外に超伝導式コイルなどによって強い磁界を得ることができるのであれば、それでもよい。
【００７６】
本発明において、微粉末の取り出しより焼結炉までの工程が一貫して、無酸素又は不活性雰囲気中で行われる。微粉末はホッパーから機械的タッピングやエアー・タッピングのような高密度充填手段を通じて無酸素又は不活性ガス雰囲気中に設置された充填容器中に充填され、磁界中配向手段を設けた場所に移動する。パルス磁界等の磁界中配向手段によって粉末が配向した充填容器は、そのまま焼結炉入り口に搬送される。または、磁界中配向手段によって粉末が配向した後、充填容器の側壁が取り除かれて焼結炉入り口に搬送される。
【００７７】
従来の金型プレス法では微粉砕粉を得た工程から焼結工程までを無酸素雰囲気に閉じ込めるのは現実的に不可能であった。本発明のPLP法・新PLP法を応用して長尺磁石を製造すれば、微粉砕粉末収集以降焼結工程入り口まで、さらには焼結工程の最後まで無酸素雰囲気で製造できる。
【００７８】
予め液体潤滑剤を添加した微粉末を充填容器に充填することは、磁界中配向を容易にして配向度を高めるため、好ましい方法である。一般に固体潤滑剤は蒸気圧が低く沸点は高いが、液体潤滑剤は蒸気圧が高く沸点は低い。微粉末全体に行き渡り易いこと、抜け易いことを考慮すると、液体潤滑剤がよい。
液体潤滑剤としてカプロン酸メチルやカプリル酸メチルを飽和脂肪酸と共に用いることが知られている（特開2000-109903号公報）。しかし金型プレス法にこれらの潤滑剤を用いる場合は重量比で0.005〜0.5％のごく少量しか用いることができない。これらは揮発性がよく、焼結体に残存しないことを特徴とするが、金型プレスで強く圧縮成形した圧粉体を焼結する際には、圧粉体内部に堅く閉じ込められた潤滑剤成分まで除去することが困難であり、高温で潤滑剤成分と磁石成分が反応して磁気特性を低下させるおそれがある。本発明において充填容器内の粉末は圧縮されておらず、潤滑剤成分がガス化して容易に除去される。したがって本発明の液体潤滑剤の量は多い方が好ましい。しかし多すぎる場合には高密度充填されないおそれがある。好ましい液体潤滑剤の添加量は0.5〜1％である。本発明の液体潤滑剤は潤滑性があって揮発し易いものであればよく、オクチル酸メチル、デカン酸メチル、カプリル酸メチル、ラウリン酸メチル、ミリスチン酸メチル、パルミチル酸メチル、ステアリン酸メチルなどを用いることができる。
【００７９】
本発明に利用するPLP法・新PLP法において、充填容器と共に加熱して予備焼結し、充填容器から取り出して磁石だけを焼結温度に高めると、充填容器の寿命を高めることができる。予備焼結は、粉末の一部が結合して形状が保存できる状態になるまで行う。そのためには、予備焼結の温度は500℃以上とするとよい。充填容器の寿命を考慮し、また、容器に詰めて焼成する品物と容器との焼き付けを防止するためには、予備焼結の温度は最適焼結温度より50℃低い温度以下とするとよい。最適焼結温度では充填した微粉末の反応性が高くなっているため、充填容器への微粉末の焼き付けが強くなる傾向があるからである。 RFeB磁石やRCo5型磁石では、金属間化合物の平衡組成（R2Fe14BやRCo5）よりも多目の希土類元素が含有される。それらは他の構成元素との間に低融点の共晶組成を通じて液相焼結を促進する。すなわち、液相の存在によって粉末の結合が起き、その後に収縮段階に移る。予め充填容器の中で予備焼結させると、目的の形状が保存される。その予備焼結体を充填容器から取り出し、他の焼結台板などを用いて本来の焼結を行うことができる。
【００８０】
焼結後には350℃から1000℃の温度範囲で一段ないし二段以上の時効処理を行う。適度の時効処理は焼結後の結晶粒界組織を改善して保磁力を向上させる効果がある。
【００８１】
RFeB焼結磁石は金属間化合物からなり、切断にはダイヤモンド砥石が用いられる。超硬合金を台板に用いたダイヤモンド切断砥石が開発されたが、それでも刃厚は１mm以上ある。数ミリの磁石製品を得るために１ミリ以上が切断くずとして廃棄される。本発明の長尺磁気異方性焼結磁石は、切断して磁気特性のばらつきの小さな複数個の磁石を得ることができ、それらは高性能モータ等高付加価値製品に用いられる高性能磁石となる。磁気特性のバラツキにより廃棄されるかもしれない従来の磁石製品の歩留まりに比べれば、本発明による特性バラツキのない長尺磁石を切断する切断くずの歩留まりは充分に有効であると考えられる。切断くずはスクラップとして再生することが可能である。
【００８２】
RFeB焼結磁石の微細組織は、主にR2Fe14B金属間化合物の結晶粒とR組成に富んだ結晶粒界相からなる（「Ndリッチ相」と呼ばれる）。この磁石の磁化反転は結晶粒界付近で開始されるニュークリエーション型であることから、結晶粒界付近においてDy，Tbなど重希土類元素の濃度を高くしてやれば、結晶粒界付近の保磁力が向上して磁化反転が起きにくくなる。RFeB磁気異方性焼結磁石の保磁力は大きいため、実用レベルでは数mmオーダーで使用されることが多い。本発明の長尺磁石の場合、数mmの厚さで加工された磁石表面にDy,Tb等の重希土類元素の金属、合金、化合物等を存在させて熱処理を行う。Ndリッチ相は液相のような状態になり、粒界に重希土類元素が拡散し、結晶粒界付近の保磁力を高める。この場合、残留磁束密度Brと最大エネルギー積（BH）maxは低下することなく、磁石の保磁力Hcだけが向上する。
【００８３】
RFeB磁石の主成分は希土類元素及び鉄からなり、酸化しやすい。そこでこれまで樹脂塗装、めっき、アルミ蒸着、酸化処理などが用途に応じて用いられる。先に述べた自動車用モータの埋め込み磁石型モータ用磁石の場合は、予め設定された溝の中に樹脂で埋め込まれて使用される。
【００８４】
本発明は、Nd-Fe-B焼結磁石とSm-Co系焼結磁石の双方に適用できる。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。希土類焼結磁石としてはRFeB焼結磁石とSmCo系焼結磁石がある。以下の実施例において、RFeB焼結磁石の結果は、技術的にはSmCo系焼結磁石にも適用できる。
【実施例】
【００８５】
組成（重量分率）が26.0％Nd, 5.5%Pr, 0.89%Co, 0.99％B, 0.1％Cu, 0.25％Al,残部Feの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、NdFeB焼結磁石用合金粗粉砕粉末を得た。この粗粉砕粉末を、窒素ガスを用いたジェットミルにより粉砕してRFeB焼結磁石用合金微粉末を得た。レーザー回折・散乱法によりこの微粉末の粒子サイズを測定したところ、平均粒径D50=4.2μmであった。この微粉末にステアリン酸亜鉛を0.1重量%添加してミキサーで攪拌混合した。この合金微粉末を用いて焼結磁石の作製を行った。【００８６】
側壁に非磁性ステンレス（SUS304）材を用いて内側部分が20mm×20mm×108mmの寸法の充填容器側面を作成し、同じく非磁性ステンレス製台板上に配置した。非磁性ステンレス製充填容器の側面は４分割されている。
組立後のモールド各端部に純鉄粉を40％含有し、樹脂で固めた磁極を配置した。この実施例では、焼結工程の前に充填容器を取り除いて焼結する新PLP法に開示される方法を応用する。新PLP法の詳細は特許文献３に開示されている。【００８７】
（給粉工程）
本実施例における充填密度の目標を3.6g/cm3と設定し、充填容器の容積と充填密度から計算される微粉末量を計量し、充填容器の上に予め設けた給粉スペーサー内に微粉末を投入した。給粉スペーサーとは、所定の充填密度に至る前の、充填容器に入り切らない粉末を受けるための器であり、内側部分は充填容器と同じ20mm×108mmの寸法を有する。【００８８】
（充填工程）
充填容器と給粉スペーサーを一体として上下に振動を与え、また下降時に下に置かれた台板に衝突させ、次いで下面が平らな平底押込みパンチ部材を給粉スペーサー上部から微粉末に向けて落下させて、充填粉末の高さと充填容器の高さが同じになるまで複数回繰り返した。【００８９】
（配向工程）
給粉スペーサーとパンチを取り外し、充填容器上面に蓋板を取り付けた。次に充填容器を、コイルの巻線内径120mm、巻線外径160mm、長さ445mmの磁界配向用長尺ソレノイドコイル中に移動させ、長手方向に4テスラのパルス磁界を印加し、配向充填成形体とした。【００９０】
（取出工程）
蓋板、充填容器側面、磁極を取り外し、配向充填成型体を非磁性ステンレス製底板からカーボン製台板に載せ替えた。【００９１】
（焼結工程）
焼結炉全体をターボ分子ポンプで排気後、カーボン台板に載せた配向充填成型体を、昇温速度1℃/minで500℃迄昇温した。その後2℃/minで1040℃まで昇温し、4時間保持後、加熱を止めて炉の中で室温まで冷却した。焼結体は22mm×20mm×105mm（磁化方向は105mm）であった。Ａ＝22、Ｂ＝20、Ｃ＝105として図３を当て嵌めると、Ｃ／Ａ＝4.77となり図３に収まらない領域にあるが、パーミアンス係数は12を上回っていることが分かる。【００９２】
（時効処理）
焼結体をアルゴンガス雰囲気中で800℃、１時間加熱後に急冷し、さらに500℃、１時間加熱後に急冷する二段時効処理を施して、焼結体を得た。【００９３】
長尺の焼結磁石は高磁場のパルスBHトレーサーの測定試料に供するため、ダイヤモンド砥石および放電加工機を用いてφ10×7mm（磁化方向）に加工した。磁化方向がわずかでも斜めを向いたままでは正しい測定値が得られないので、加工は注意して行った。測定は、主に中央部を構成する任意の９個の磁石片について行った。
結果を第１表および図１に示す。
なお本結果は、測定器の都合上CGS単位系で表示されている。【００９４】
【表１】
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【００９５】
上記表１の結果に示されるように、配向度Br／Jsの値は96.6％から97.3％の範囲内で、長尺方向のばらつきのきわめて小さな（１％以下）複数の磁石が得られた。また配向度の値は、従来、他にあまり例を見ないほど高い値が得られた。残留磁束密度Brの値もほとんどばらつきが見られなかった。Hkは、減磁曲線上において残留磁束密度Brから10％減少したB（磁束密度）のときのH（磁界）の強さを示し、Hk／Hcjの値が大きいほど角形性が良いことを示す。上記表１の結果は、HkおよびHcjのいずれもきわめて高い値を示すと同時に、ばらつきの小さなことを示している。上記の製造方法を用いて得られた長尺の焼結磁石（22mm×20mm×105mm、磁化方向は105mm、C／A＝4.77）のパーミアンス係数は12以上である。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明によれば、モータ等複数の永久磁石を同時に用いる場合において、回転ムラや振動の原因になる磁石のばらつきを低減する、磁気特性が均一でばらつきの小さな長尺磁気異方性希土類磁石を提供できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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