(57)【要約】【課題】平均結晶粒径が４０μｍ以上であり、希土類リッチ相の間隔が３μｍ未満である希土類磁石用原料合金を提供する。【解決手段】希土類磁石用原料合金の製造方法は、希土類元素、ホウ素及び鉄を含む溶湯Ｍを沸点が１３００℃以上の冷媒Ｃ中に流下させる工程と、冷媒Ｃ中に流下した溶湯Ｍを外部磁場により冷媒Ｃ中に引き込む工程を有し、溶湯Ｍは、希土類元素の含有量が２３質量％以上５１質量％以下であり、ホウ素の含有量が０．３質量％以上２質量％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素、ホウ素及び鉄を含む溶湯を沸点が１３００℃以上の冷媒中に流下させる工程と、
該冷媒中に流下した溶湯を外部磁場により該冷媒中に引き込む工程を有し、
前記溶湯は、希土類元素の含有量が２３質量％以上５１質量％以下であり、ホウ素の含有量が０．３質量％以上２質量％以下であることを特徴とする希土類磁石用原料合金の製造方法。
【請求項２】
冷媒を所定の温度に保持して収容する容器と、
磁石の原料の溶湯を該容器に収容されている冷媒中に流下させる溶湯流下手段と、
該冷媒中に流下した溶湯が該冷媒中に引き込まれるように外部磁場を印加する外部磁場印加手段を有することを特徴とする磁石用原料合金の製造装置。
【請求項３】
請求項１に記載の希土類磁石用原料合金の製造方法により製造されており、
平均結晶粒径が４０μｍ以上であり、
希土類リッチ相の間隔が３μｍ未満であることを特徴とする希土類磁石用原料合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類磁石用原料合金の製造方法、磁石用原料合金の製造装置及び希土類磁石用原料合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
希土類磁石の一例であるネオジム磁石は、最大エネルギー積が高いことから、現代社会に必要不可欠な材料となっている。
【０００３】
しかしながら、高温や高い反磁場の雰囲気中で使用するためには、保磁力を高くする必要があり、ネオジム磁石にジスプロシウムが添加されている。ジスプロシウムは、埋蔵量が少なく、このままの生産量で推移すると、枯渇する元素として知られている。このため、省ジスプロシウムに関する研究が盛んに行われている。
【０００４】
一方、希土類磁石の残留磁束密度が低下しないように、結晶粒が大きい希土類磁石用原料合金が望まれている。
【０００５】
特許文献１には、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石合金用鋳片の製造方法として、磁石合金溶湯を、合金の液相線温度（凝固開始温度）＋５℃〜＋３００℃の温度より、急冷ロールにて２×１０３℃／ｓｅｃ〜７×１０３℃／ｓｅｃの１次冷却速度にて鋳片温度７００℃〜１０００℃に冷却後、ロール離脱後に鋳片を合金の固相線温度に（凝固完了温度）以下に５０℃／ｍｉｎ〜２×１０３℃／ｍｉｎの２次冷却速度にて冷却する方法が開示されている。このとき、磁石合金溶湯は、Ｒ１０〜２５ａｔ％、Ｂ２〜１５ａｔ％、Ｆｅ６０〜８８ａｔ％を主成分とする。また、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系磁石合金用鋳片は、短軸結晶粒径が１．０μｍ未満の微細結晶を１０％以下含有する平均短軸結晶粒径３μｍ〜１５μｍのＲ２Ｆｅ１４Ｂ型樹枝状あるいは柱状結晶と、５μｍ以下のＲリッチ相とが、微細に分散した均質組織からなり、鋳片厚みが０．０１ｍｍ〜１．０ｍｍである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２６９６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、平均結晶粒径が４０μｍ以上であり、希土類リッチ相の間隔が３μｍ未満である希土類磁石用原料合金を製造することができないという問題がある。
【０００８】
本発明の一態様は、上記従来技術が有する問題に鑑み、平均結晶粒径が４０μｍ以上であり、希土類リッチ相の間隔が３μｍ未満である希土類磁石用原料合金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】
本発明の一態様は、希土類磁石用原料合金の製造方法において、希土類元素、ホウ素及び鉄を含む溶湯を沸点が１３００℃以上の冷媒中に流下させる工程と、該冷媒中に流下した溶湯を外部磁場により該冷媒中に引き込む工程を有し、前記溶湯は、希土類元素の含有量が２３質量％以上５１質量％以下であり、ホウ素の含有量が０．３質量％以上２質量％以下である。
【００１０】
本発明の一態様は、磁石用原料合金の製造装置において、冷媒を所定の温度で保持して収容する容器と、磁石の原料の溶湯を該容器に収容されている冷媒中に流下させる溶湯流下手段と、該冷媒中に流下した溶湯が該冷媒中に引き込まれるように外部磁場を印加する外部磁場印加手段を有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、平均結晶粒径が４０μｍ以上であり、希土類リッチ相の間隔が３μｍ未満である希土類磁石用原料合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】磁石用原料合金の製造装置の一例を示す図である。
【図２】磁石用原料合金の製造装置の他の例を示す図である。
【図３】急冷ロール上に溶湯を流下させてネオジム磁石用原料合金を製造する際の結晶成長を示す模式図である。
【図４】溶湯を冷媒中に流下させてネオジム磁石用原料合金を製造する際の結晶成長を示す模式図である。
【図５】実施例１のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の走査電子顕微鏡写真である。
【図６】実施例２のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の走査電子顕微鏡写真である。
【図７】比較例１のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の走査電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明を実施するための形態を図面と共に説明する。
【００１４】
希土類磁石用原料合金の製造方法は、希土類元素、ホウ素及び鉄を含む溶湯を沸点が１３００℃以上の冷媒中に流下させる工程と、冷媒中に流下した溶湯を外部磁場により冷媒中に引き込む工程を有する。冷媒の沸点が１３００℃未満であると、溶湯が接触した瞬間に冷媒が沸騰して沸騰膜が形成され、冷却速度が大きく減少する。
【００１５】
溶湯中の希土類元素の含有量は、２３〜５１質量％であり、２５〜４０質量％であることが好ましい。溶湯中の希土類元素の含有量が２３質量％未満であると、α−Ｆｅ相が晶出して、希土類磁石の保持力が低下し、５１質量％を超えると、希土類リッチ相の量が多すぎて、希土類磁石の残留磁束密度が低下する。
【００１６】
溶湯中のホウ素の含有量は、０．３〜２質量％であり、０．５〜１．５質量％であることが好ましい。溶湯中のホウ素の含有量が０．３質量％未満である場合又は２質量％を超える場合は、磁石相でない相が出現する。
【００１７】
希土類元素としては、特に限定されないが、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、テルビウム、ジスプロシウム、イットリウム等が挙げられ、二種以上併用してもよい。中でも、ネオジムが好ましい。
【００１８】
冷媒としては、特に限定されないが、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ合金、Ｂｉ−Ｉｎ−Ｓｎ合金、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ｂ２Ｏ３等が挙げられる。
【００１９】
次に、希土類磁石用原料合金を製造することが可能な磁石用原料合金の製造装置について説明する。
【００２０】
図１に、磁石用原料合金の製造装置の一例を示す。
【００２１】
磁石用原料合金の製造装置１０は、冷媒Ｃを所定の温度に保持して収容するルツボ１１と、磁石の原料の溶湯Ｍをルツボ１１に収容されている冷媒Ｃ中に流下させる溶湯流下装置１２と、冷媒Ｃ中に流下した溶湯Ｍが冷媒Ｃ中に引き込まれるように外部磁場を印加するコイル１３を有する。このとき、溶湯流下装置１２は、ルツボ１１の上部に設置されている。また、ルツボ１１及び溶湯流下装置１２は、チャンバー１４内に設置されており、コイル１３は、チャンバー１４外に設置されている。このとき、チャンバー１４内には、不活性ガスが充填されている。
【００２２】
ルツボ１１に収容されている冷媒Ｃは、管状炉等により、所定の温度に保持することができる。
【００２３】
溶湯流下装置１２の下部に、溶湯Ｍを流下させる穴が形成されている。
【００２４】
溶湯Ｍを流下させる穴は、直径が２ｍｍ以下の円形の穴又は短幅が２ｍｍ以下のスリット状の穴であることが好ましい。これにより、溶湯Ｍの表面と中心部の温度差を小さくすることができる。
【００２５】
溶湯Ｍの流下速度は、通常、４ｍ／ｓ以下である。
【００２６】
コイル１３により冷媒Ｃ中に流入した溶湯Ｍに印加される外部磁場の磁束密度は、通常、０．０３Ｔ以上である。
【００２７】
コイル１３により印加される外部磁場の磁場中心は、冷媒Ｃ内又はルツボ１１の下部に存在することが好ましい。
【００２８】
図２に、磁石用原料合金の製造装置の他の例を示す。
【００２９】
磁石用原料合金の製造装置１０’は、冷媒Ｃを所定の温度に保持して収容するリング状の容器１１’と、磁石の原料の溶湯Ｍをリング状の容器１１’に収容されている冷媒Ｃ中に流下させる溶湯流下装置１２と、冷媒Ｃ中に流下した溶湯Ｍが冷媒Ｃ中に引き込まれるように外部磁場を印加するサマリウムコバルト磁石１３’を有する。このとき、溶湯流下装置１２は、リング状の容器１１’の上部に設置されている。また、リング状の容器１１’、溶湯流下装置１２及びサマリウムコバルト磁石１３’は、チャンバー１４内に設置されている。このとき、チャンバー１４内には、不活性ガスが充填されている。
【００３０】
リング状の容器１１’は、回転することが可能であり、周速度が溶湯Ｍの流下速度と同一になるように回転させる。
【００３１】
リング状の容器１１’に収容されている冷媒Ｃは、管状炉等により、所定の温度に保持することができる。
【００３２】
溶湯流下装置１２の下部に、溶湯Ｍを流下させる穴が形成されている。
【００３３】
溶湯Ｍを流下させる穴は、直径が２ｍｍ以下の円形の穴又は短幅が２ｍｍ以下のスリット状の穴であることが好ましい。これにより、溶湯Ｍの表面と中心部の温度差を小さくすることができる。
【００３４】
溶湯Ｍの流下速度は、通常、４ｍ／ｓ以下である。
【００３５】
サマリウムコバルト磁石１３’により冷媒Ｃ中に流入した溶湯Ｍに印加される外部磁場の磁束密度は、通常、０．０３Ｔ以上である。このため、サマリウムコバルト磁石１３’は、３５０℃まで使用することができる。
【００３６】
サマリウムコバルト磁石１３’により印加される外部磁場の磁場中心は、リング状の容器１１’の下部に存在することが好ましい。
【００３７】
次に、希土類磁石用原料合金の製造方法の一例として、ネオジム磁石用原料合金の製造方法について、説明する。
【００３８】
ネオジム磁石用原料合金の主相であるＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ相は、ｃ軸方向が長い正方晶の結晶構造をしている。このため、溶湯を冷却して結晶が成長する際に、結晶は、ｃ軸方向に成長するのが難しく、ａ軸方向又はｂ軸方向に成長し、その結果、平らな面状に成長、即ち、ファセット成長しやすい。さらに、溶湯の冷却方向が一方向で強い温度勾配がある場合、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相の結晶構造は、デンドライト組織でも方向性のある組織であるセル状組織になる。これが、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相の結晶構造がデンドライト組織、セル状組織、さらには、ラメラ組織と呼ばれる所以である。
【００３９】
ここで、従来技術である、急冷ロールＲ上に溶湯Ｍを流下させて、ネオジム磁石用原料合金を作製する場合、図３に示すように、連続鋳造方向Ｘと冷却方向Ｙが異なる。このとき、ロールＲに接触している面において、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ相の結晶核が発生し、冷却方向Ｙは、連続鋳造された箔帯の厚さ方向となる。ここで、結晶核が発生した時の結晶方向を揃えることができないため、色々な結晶方向の結晶核が発生する。このとき、ｃ軸方向が冷却方向Ｙに平行である結晶核は、ロールＲに接している面上で成長する。逆に、ａ軸方向又はｂ軸方向が冷却方向Ｙに平行である結晶核は、ロールＲに接している面上では成長せず、一気に冷却方向Ｙにデンドライト成長する。冷却方向Ｙに結晶が成長していく場合、成長速度が遅いｃ軸方向の成長は、成長速度が速いａ軸方向又はｂ軸方向の成長により生成するデンドライト組織により成長方向が塞がれるため、進行しない。
【００４０】
そこで、前述したように、溶湯Ｍを冷媒Ｃ中に流下させると、図４に示すように、冷却方向Ｙと溶湯Ｍの流下方向Ｘ’が同一になり、冷却方向Ｙに結晶成長速度が速い結晶粒のみが成長する。このとき、結晶核の発生は、溶湯Ｍが冷媒Ｃと最初に接触する時のみとなる。
【００４１】
希土類磁石用原料合金は、前述の希土類磁石用原料合金の製造方法により製造されている。
【００４２】
希土類磁石用原料合金の平均結晶粒径は、４０μｍ以上であり、４５μｍ以上であることが好ましい。希土類磁石用原料合金の平均結晶粒径が４０μｍ未満であると、希土類磁石の配向度が低下して、希土類磁石の残留磁束密度が低下する。
【００４３】
なお、希土類磁石用原料合金の平均結晶粒径は、光学偏光顕微鏡を用いて測定される結晶粒の平均面積から算出される等価円直径である。
【００４４】
希土類磁石用原料合金の希土類リッチ相の間隔は、３μｍ未満であり、１．５μｍ以下であることが好ましい。希土類磁石用原料合金の希土類リッチ相の間隔が３μｍ以上であると、希土類磁石の保持力が低下する。
【００４５】
なお、希土類磁石用原料合金の希土類リッチ相の間隔は、光学顕微鏡又は走査電子顕微鏡を用いて、観察することができる。
【００４６】
希土類磁石用原料合金は、公知の方法を用いて、希土類磁石に加工することができる。
【００４７】
希土類磁石は、冷蔵庫、洗濯機等の省エネ家電、ハイブリッド自動車、電気自動車等の駆動用モーター、パワーステアリング用モーター、ハードディスクメモリのアーム駆動用モーター等に適用することができる。
【実施例】
【００４８】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例により限定されない。なお、部は、質量部を意味する。
【００４９】
［実施例１］
磁石用原料合金の製造装置１０（図１参照）を用いて、ネオジム（Ｎｄ）３６．５部、ホウ素（Ｂ）０．８部及び鉄（Ｆｅ）６２．７部からなる溶湯Ｍを、ルツボ１１に収容されている、冷媒Ｃ中に流下させ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金を得た。このとき、冷媒Ｃとして、２５℃のＩｎ−Ｇａ−Ｓｎ合金を用いた。また、溶湯流下装置１２は、直径が１．０ｍｍの円形の穴が下部に形成されており、溶湯Ｍの流下速度を１．１ｍ／ｓとした。さらに、コイル１３を用いて、磁場中心が冷媒Ｃ内に存在するように磁束密度が５．５Ｔの外部磁場を印加して、冷媒Ｃ中に流下した溶湯Ｍを冷媒Ｃ中に引き込んだ。
【００５０】
図５に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の走査電子顕微鏡写真を示す。
【００５１】
図５から、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、希土類リッチ相の間隔が１．５μｍであることがわかった。
【００５２】
また、光学偏光顕微鏡を用いて測定した結果、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、平均結晶粒径が４５μｍであった。
【００５３】
［実施例２］
ネオジム（Ｎｄ）３１．５部、ホウ素（Ｂ）１．０部及び鉄（Ｆｅ）６７．５部からなる溶湯Ｍを用い、冷媒Ｃとして、１００℃のＢｉ−Ｓｎ−Ｉｎ合金を用い、溶湯Ｍの流下速度を０．５ｍ／ｓとした以外は、実施例１と同様にして、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金を得た。
【００５４】
図６に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の走査電子顕微鏡写真を示す。
【００５５】
図６から、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、希土類リッチ相の間隔が１．３μｍであることがわかった。
【００５６】
また、光学偏光顕微鏡を用いて測定した結果、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、平均結晶粒径が８６μｍであった。
【００５７】
［比較例１］
溶湯流下装置１２（図１参照）を用いて、ネオジム（Ｎｄ）２８．１部、ホウ素（Ｂ）１．０部及び鉄（Ｆｅ）７０．９部からなる溶湯Ｍを急冷ロールＲ上に流下させ（図３参照）、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金を得た。このとき、溶湯流下装置１２は、直径が１．０ｍｍの円形の穴が下部に形成されており、溶湯Ｍの流下速度を１．１ｍ／ｓとした。
【００５８】
図７に、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金の走査電子顕微鏡写真を示す。
【００５９】
図７から、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、希土類リッチ相の間隔が３．２μｍであることがわかった。
【００６０】
また、光学偏光顕微鏡を用いて測定した結果、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、平均結晶粒径が３７μｍであった。
【００６１】
［比較例２］
溶湯流下装置１２（図１参照）を用いて、ネオジム（Ｎｄ）２８．１部、ホウ素（Ｂ）１．０部及び鉄（Ｆｅ）からなる溶湯Ｍを４ｍｍ×３ｍｍの銅鋳型中に流下させ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金を得た。このとき、溶湯流下装置１２は、直径が１．０ｍｍの円形の穴が下部に形成されており、溶湯Ｍの流下速度を１．１ｍ／ｓとした。また、コイル１３（図１参照）を用いて、磁場中心が銅鋳型内に存在するように磁束密度が６Ｔの外部磁場を印加した。
【００６２】
走査電子顕微鏡を用いて観察した結果、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、希土類リッチ相の間隔が１８μｍであった。
【００６３】
また、光学偏光顕微鏡を用いて測定した結果、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金は、平均結晶粒径が１０９μｍであった。
【符号の説明】
【００６４】
１０、１０’    磁石用原料合金の製造装置
１１    ルツボ
１１’    リング状の容器
１２    溶湯流下装置
１３    コイル
１３’    サマリウムコバルト磁石
１４    チャンバー
Ｃ    冷媒
Ｍ    溶湯
Ｒ    急冷ロール
Ｘ    連続鋳造方向
Ｘ’    溶湯の流下方向
Ｙ    冷却方向
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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