産業素材

樹脂レスで複雑形状を実現した高耐熱
Nd-Fe-B磁石

High-Thermostability Nd-Fe-B Magnet Formed by Binder-less
Net Shaping Process

前田＊徹Toru Maeda

渡辺麻子

Asako Watanabe

山田浩司

Koji Yamada

近年、自動車の安全安心制御や家電の省エネ化などのニーズの高まりに対して、モータの高効率化や磁気センサの高感度化といった要求が強くなっている。モータやセンサの性能を大きく左右する永久磁石材料は、磁石性能そのものの改良に加えて、部品点数の削減や磁気回路設計の自由度向上などに寄与する部品の複雑形状化、エンジン周りへの対応や長寿命化に寄与する耐熱・耐環境性の改善による改良が重要視されている。既に、形状の複雑化に有効な磁石として、磁石粉末（Nd（ネオジム）-Fe-B）を樹脂で固化し、複雑形状をネットシェイプ成形できる希土類ボンド磁石があるが、樹脂の耐熱・耐環境性に課題があり必ずしも要求に対し十分ではない。当社では、磁石粉末自身に塑性変形性を付与することによって、樹脂を用いず、且つ、複雑形状のネットシェイプ成形が可能な新たな磁石製造工法を確立し、優れた耐熱性を示すバルクNd-Fe-B磁石を開発した。
The recent needs for safe and secure automobiles and energy-saving appliances have increased the demand for highefficiency motors and high-sensitivity sensors. While the performance of these devices largely depends on the intrinsic
properties of the magnet materials used in the devices, it is also important to improve the flexibility and durability of themagnet in order to form them into complicated shapes and use them in high temperatures or severe environments. Althoughresin-bonded Nd-Fe-B magnets are known for their good formability, they lack in durability due to the poor heat resistance ofresin. To overcome this challenge, we have developed a new process that enables the net shape forming of plastic deformablemagnet powder and created a resin-free bonded Nd-Fe-B magnet with a high heat resistance.
キーワード：希土類磁石、ボンド磁石、高耐熱、ネットシェイプ、薄肉1.

緒

言できる既存磁石として原料粉末を樹脂で結合させるボンド

永久磁石材料（以下、磁石）は、ハードディスク、家電、自動車、エアコン、風力発電などのモータや磁気センサに磁石がある。しかし、樹脂を用いるために耐熱性に問題があり、現状では十分に市場ニーズを満たしていない。

使用され、変換効率や検出感度を左右する重要部材であ本報では、機械加工レス、且つ、樹脂レスで複雑形状とる。今後、本格的な電気自動車の普及に伴う車載モータの耐熱性を両立するNd（ネオジム）-Fe（鉄）-B（ホウ素）磁石増加、風力発電等のクリーンエネルギー利用の拡大に伴うを開発したので報告する。

発電機の増加、インバータエアコンの世界的な普及等を背景に市場拡大が予測されている。
これらの市場では、特に小型・軽量化や低価格化が重視

2.

ボンド磁石の種類と課題され、例えばモータでは高トルク化設計が重要となる。こボンド磁石には、原料として磁石性能の高いNd-Fe-B

れに対して、磁石形状を従来の板状から円弧状に変更する（4）の粉末が広く使用されているが、通常は保磁力※3
材料（3）、（2）が提案
磁気回路設計によってトルクを向上させる方策（1）、が低く100℃付近で磁石機能が大幅に低下するために、要されている。今後、磁石形状に対する複雑化ニーズは増え求されている100℃以上の高温下で使用するには保磁力のると予測され、設計に応じた複雑形状の磁石を安価提供す改善が必須である。この手法としては、ディスプロシウム

るのに効果的なネットシェイプ成形技術※1 が期待される。

（Dy）に代表される保磁力向上効果のある元素の添加が（5）一方で高トルク化に加えて重要なのが磁石の耐熱性向上で挙げられる。しかし、Dyは希少性が非常に高い資源であある。従来100℃以下の温度での使用が主であったのに対ることから、ボンド磁石では別のアプローチとして、粉末して、近年自動車のエンジンルーム内など100℃を超える（7）とのNd-Fe-B材 料 に 特 有 な 超 急 冷 法（4）やHDDR法（6）、過酷な環境で使用されるケースが増している。

いった手法によって粉末内部の結晶粒を微細化させて保磁

通常の磁石は焼結法※2で製造されるが、原料粉末が硬質なため複雑形状をネットシェイプできず、機械加工が必要で高価になる。これに対し、複雑形状をネットシェイプ

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樹脂レスで複雑形状を実現した高耐熱Nd-Fe-B磁石力を向上する方法が実用化されており、100℃以上の高温下で使用可能な原料が得られている。
上述のNd-Fe-B粉末は硬い粉末であり、そのまま加圧しても固まらず成形できない。そこでボンド磁石では、成形磁石を使用する必要があり、設計効果を打ち消してしNd-Fe-B粉末と樹脂を混合し、磁石粉末同士を樹脂で結合まう。従って、ボンド磁石においては、残留磁化とニーズすることで成形を実現する。この時に要求形状に対応した温度領域での構造耐熱性の両立が十分ではない状況にある。

金型を用いることで、機械加工を要することなく複雑形状磁石をネットシェイプすることができ、安価で製造できる。ボンド磁石は、加圧手段によって圧縮成形磁石と射出成形磁石の2つに分けられる 。

3.

開発磁石のコンセプト

前章で述べたように、ボンド磁石では構造耐熱性改善と（8）圧縮成形磁石は、磁石粉末とエポキシ樹脂などの熱硬化残留磁化にトレードオフがある。著者らは、その原因となっ性樹脂を粉末プレスの金型内に充填、加圧した後に樹脂をている樹脂を使用せず硬質のNd-Fe-B粉末を軟化させて成形熱硬化させて得られる磁石であり、磁石粉末の充填率が高する工法を検討した。すなわち、加圧されたNd-Fe-B粉末がく、磁石粉の充填率に比例する磁石の強さ（残留磁化※4）は塑性変形することで成形体に強度を自ら付与し、複雑形状高い。一方、射出成形磁石は、磁石粉末とナイロン樹脂なのネットシェイプを実現する新たな工法である。この軟化

どの熱可塑性樹脂を混練し、樹脂の融点以上で溶融させた

方 策 と し て、Nd-Fe-Bの 保 磁 力 向 上 手 法 の 一 つ で あ る

スラリー状態で製品形状の金型内に射出、冷却固化し得ら

HDDR法を活用した。HDDR法の概念図を図1に示す。

れる。金型形状の自由度が高く、対応できる磁石形状は圧縮成形磁石よりも複雑にできる。しかし、スラリーの流動性を確保するために、樹脂の添加量が多くなり、磁石粉のHD反応充填率が低くなるため圧縮成形磁石に比べると残留磁化はDR反応低くなる。
エポキシ樹脂やナイロン樹脂は100℃程度で樹脂の軟化や強度低下が起こるために、一般的なボンド磁石は要求されている100℃以上の高温下での長期的な使用に適合した構造的な耐熱性（以下、構造耐熱性）を有していない。そこで、熱的安定性に優れた樹脂に変更する必要があり、射出成形磁石ではポリフェニレンサルファイド（PPS）樹脂な

Nd2Fe14B

水素浸透

NdH2

結晶粒径＞10μm

水素放出

Fe, Fe2B

ど、要求される100℃以上の環境での長期安定性に優れた熱可塑性樹脂が実用化されている（9）。しかし、PPS樹脂は

図1

Nd2Fe14B
結晶粒径
300nm

HDDR反応の概念図

ナイロン樹脂と比較して、加熱溶融時のスラリーの流動性や磁石粉末の均質分散性に劣り、樹脂の添加量を大幅に増やす必要がある。このため、構造耐熱性が改善する一方で、元々圧縮成形磁石に対して劣る残留磁化が更に低下しNd-Fe-B粉末は一般的な鋳造法で作製された場合、粉末てしまう。逆に、残留磁化が高い圧縮成形磁石では、十分内部の結晶粒径は10µmを超える粗大な状態となる。一般な長期安定性を満足する熱硬化性樹脂が実用化されていなに結晶粒が小さいほど保磁力は向上するが、この状態ではい。これらの特徴を表1にまとめて示す。

100℃以下で磁石機能が失われる。これを水素ガス中で700～900℃に加熱すると、Ndが水素と反応しNd水素化物（NdH2）となり、FeやFe2Bと分離する。これが、HD反表1

圧縮成形
磁石

応である。これを真空中で熱処理すると、水素が除去されボンド磁石の種類と特徴

一般的な結合加圧方法剤

磁石粉の充填率

粉末
熱硬化性樹脂 65～70
プレス （エポキシ等） （vol%）熱可塑性樹脂（ナイロン等）
射出成形
溶融射出
磁石
熱可塑性樹脂（PPS）

構造耐熱性
残留磁化（＞100℃）

元のNd2Fe14Bに戻る。これがDR反応である。この反応時に結晶粒径が300～500nmに微細化され、保磁力が向上○×する。これにより、Dyの添加がなくても150～200℃程

50～60△×度まで磁石機能が失われなくなる。通常はHD反応とDR反40～50×○応を連続的処理することからHDDR法と呼ばれている。
上述のHD反応後の分離状態において、体積の60％程度の軟質なFeおよびFe2Bが母相となりNd水素化物が分散した構造になる。この構造の粉末は塑性変形性を有すると予つまり、高温下で磁石を使用するケースでは、ネット測され、この粉末を加圧変形させて樹脂を使用せずに成形

シェイプ成形性を利用して磁石形状の工夫により性能改善しバルク体を得ることをコンセプトとした。成形後にDR処しようという設計の考え方に基づいて現行のボンド磁石を理を施し、元のNd2Fe14Bに戻すことができれば、樹脂レ用いようとすると、残留磁化の低いPPS樹脂を用いた射出スでの複雑形状への対応を実現した上で構造耐熱性を確保

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でき、且つ、微結晶化による保磁力向上できる点も兼ね備料もNdH2/Fe/Fe2Bに分離していることを確認した。灰色

えたNd-Fe-B磁石を得ることができる。

部分のFe/Fe2Bが母相を形成しており、白色部分の球状化

上記のコンセプトを基にした工法（図2）について実証をしたNdH2 がFe中に分散した構造を取っていて、杉本らの報告（7）と一致した結果となっている。

行った。

(a)HD処理前(b)750℃

Nd2Fe14B

原料粉末

硬質

NdH2(白色)

HD処理

Fe/Fe2B(灰色)

軟質

粉末成形2μｍ

Ndメタル相(c)850℃(d)900℃
NdH2(白色)

ネット
シェイプ

NdH2+Fe+Fe2B

2μｍ

図3
図24.

NdH2(白色)

Fe/Fe2B(灰色)DR処理
磁石化2μｍ

NdH2+Fe+Fe2B

Fe/Fe2B(灰色)
NdH2+Fe+Fe2B

2μｍ

HD処理後のSEM組織写真

開発工法の基本工程

実験方法

これらの粉末を用いて作製した成形体の外観写真とその相対密度を図4に示す。HD処理なしの場合は、成形後に分出発原料としては、焼結磁石用の原料として一般的なス裂して固化できないのに対し、750℃以上の温度でHD処トリップキャスト材（厚み300µm程度の薄片状）を用い、理した材料については固化できている。ただし750℃の組 成 は、62.9Fe-30.5Nd-5.0Co-1.1B-0.5Ga（重 量 ％）HD処理条件では成形体の相対密度が低く、また、エッジとした。HD処理として750～900℃、2時間保持の温度条部分に欠けがあり成形性が低いことから、粉末の軟質化が件で水素ガスフロー（大気圧）での熱処理を行った後に、十分ではないといえる。

平均粒径50～500µmの範囲で粉砕して成形用の粉末を得た。次いで、得られた粉末を1000MPaの面圧にて、室温で加圧成形した。磁気特性評価用の試料作製にはø10mm81vol%（高さ7mm）の金型を用い、複雑形状成形の検討用には、90vol%

92vol%

多段や薄肉部位を有する金型等を用いた。得られた成形体に対して、DR処理として825℃の温度条件で真空処理を。この際、昇温過程は水素行った（到達真空度は1x10-2Pa）雰囲気で行い、所定温度に到達後に真空排気を開始した。
材料組織の評価は、走査型電子顕微鏡（SEM）での観察

HDなし

750℃
図4850℃

900℃

成形体（ø10mm×7mm）の外観とX線回折（XRD）での相同定により行い、磁気特性の評
価はBHトレーサで行った。

5.

実験結果

5－1

コンセプト工法の成立検討

次に良好な成形性を示した850℃と900℃のHD処理条件での試料を、保持温度825℃でDR処理した後のSEM写真を図5に示す。

まずHD処理温度と組織形状および成形性の関係を調査

HD処理を850℃で行った場合は、FeやNdH2 が消失し、した。図3にHD処理前および750℃、850℃、900℃での全面がNd2Fe14Bになっており、狙い通りの水素除去がでHD処理後のSEM写真を示す。X線回折により、いずれの試きている。白い点状の部分は、原料合金に由来するNdメ80

樹脂レスで複雑形状を実現した高耐熱Nd-Fe-B磁石

タル相である。一方で、HD処理を900℃で行った場合に5－2試作磁石の磁石性能は、大部分はNd2Fe14Bであるが、黒色部で示されるFeや表2に試作磁石の磁石性能を、ボンド磁石の特性と比較

白色部で示されるNdH2 の残留が観察され、DR反応が完して示す。ボンド磁石の特性は、モリコープ社から提供さ全に進行していない。DR処理前の球状NdH2 相同士の距離れているNd-Fe-B超急冷粉（MQP-B）の圧縮成形磁石（エが大きいと、反応の進行と共にNdH2 相とFe/Fe2B相が接ポキシ樹脂）、射出成形磁石（ナイロン、PPS）のデータしなくなって反応が止まってしまうと考えられる。すなわ（10）を参照した。
シート（計算推定値）

ち、DR反応を可逆的に進行させるためには、母相中のNdH2をある程度微細に分散させる必要があることがわかる。したがって、HD処理温度には上限があり、本実験では850℃

表2

試作磁石の残留磁化が最適であった。

残留磁化（25℃）［T］(a) HD850℃/DR825℃

Ndメタル相(b) HD900℃/DR825℃

Nd2Fe14B

0.65

ボンド磁石（圧縮成形／エポキシ 77.5vol%）0.69

ボンド磁石（射出成形／ナイロン 60vol.%）0.53

ボンド磁石（射出成形／PPS 50vol%）

0.44

Fe
NdH2

Nd2Fe14B

試作磁石

2μｍ

Nd2Fe14B

Nd2Fe14B+Fe+NdH22μｍ

試作磁石は、室温での残留磁化が0.65Tとボンド磁石の中で磁石特性として優れる圧縮成形磁石と同等となった。
また、表1に示したように、圧縮成形で使用するエポキシ

図5

DR処理後のSEM組織写真

樹脂を用いたボンド磁石は、ニーズである100℃以上での長期的な構造熱性は満たさないと考えられるが、試作磁石は200℃での測定前後で寸法変化や変形等は起こっていないため、同残留磁化のボンド磁石に対し構造耐熱性で有利開発材においてHDDR処理に伴う結晶粒の微細化効果であると考えられる。従って、試作磁石は残留磁化を低下せが得られているか確認するために、試料の破面観察を行っずにニーズの構造耐熱性とネットシェイプ性を両立でき、た結果を写真1に示す。

磁気回路設計からの磁石形状の工夫による改善効果を相殺してしまうようなトレードオフは起こらないと言える。
次に、試作磁石の減磁曲線と残留磁化の温度変化を、
図6、図7にそれぞれ示す。また、比較としてボンド磁石の中で高い構造体熱性を有するPPS樹脂を用いた場合の射出成形磁石の特性（10）を示す。試作磁石では、50％程度高い残留磁化（図6の縦軸切片値）が得られており、また、200℃付近の高温域までその差が維持されていることがわかった。この結果から、試作磁石は、ネットシェイプ可能な特2μm
写真10.8

DR処理体の破面SEM写真

試作磁石

平均粒径は約400nmとなっており、HD処理とDR処理を別々にした場合でも、HDDR処理特有のサブミクロンの微結晶が得られていることがわかった。
一方、DR処理過程で成形体に膨らみが発生するなどの問題は見られず形状を維持でき、金型形状に応じたネット

J (T)0.60.4

ボンド磁石(PPS,射出)0.20-1500-5000

H (kA/m)

シェイプができることを確認、コンセプト工法が成立することがわかった。

-1000

図6

室温での減磁曲線

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81粉末自体の粒径はHDおよびDR反応の進行を妨げない範0.8

Br (T)

囲で大きくすることができる。すなわち、高い流動性を得試作磁石

0.6やすい50µm以上にすることができ、その結果、複雑形状成形が実現できたといえる。対応できる段差高や肉厚などは粉末の流動性および成形金型の設計を工夫することで改0.4
ボンド磁石(PPS,射出)

0.20

良の余地があると考えられる。
このように樹脂を使用せず、且つ、機械加工を施すことなく多段形状や薄肉のリングなどの複雑形状部品を成形できる可能性を見出した。すなわち、開発した新コンセプト

050100150200250

Temperature（℃）
図7

残留磁化の温度変化の工法を用いて複雑形状要求と耐熱・耐環境要求を満たすことのできるNd-Fe-B磁石を得ることができる。

6.

結言

本研究では、Nd-Fe-B磁石のHDDR処理中間体において軟質なFeおよびFe2Bが母相となる点を利用し、樹脂な長を有し、且つ、高い構造耐熱性と残留磁化の高さを両立

どのバインダを使用せずに複雑形状のネットシェイプが可していることがわかった。

能な、従来の焼結磁石やボンド磁石とは異なる新たな高耐5－3熱磁石を開発した。以下に知見をまとめる。

複雑形状部品の成形検討

写真2に凹凸や曲面部、薄肉部（肉厚1mm程度）を有する金型を用いて得られた種々の形状の成形体の外観写真を①硬 度が高く加圧成形ができないNd-Fe-B磁石粉末に示す。これらの成形体について、き裂や欠けの発生は見ら対し、850℃で水素中処理することで樹脂等のバインれず、ネットシェイプ成形が可能であった。複雑形状の成ダを用いずに加圧成形でき、90vol％を超える密度の形には、成形体強度が高いことに加えて、粉末の流動性が重要となる。つまり、流動性が悪いと金型への不均一充填成形体が得られた。
②成形体を真空中熱処理して得られる磁石は、200℃でや金型内でのブリッジング発生や粉末滞留が起こるためも寸法変化や変形を起こさず、従来の耐熱ボンド磁石に、局所的に低充填率で強度が低い部分が生じてき裂や欠（PPS樹 脂 適 用 品 ）に 比 べ て 約50 ％ 高 い 残 留 磁 化

けの起点となる。流動性は粉末の粒径や形状、粉末間の摩（0.65T）を示した。

擦などいろいろな因子が寄与するが、最も大きいのが粉末③凹凸や曲面形状などの複雑形状や薄肉部位を有するリの粒径である。例えば焼結法においては、保磁力を得るたング、円弧形状等をネットシェイプ成形できた。

めに結晶粒を微細化するのに粉末を一般に5µm以下に粉砕する。この粉砕粉末は流動性が非常に低く、複雑形状の金以上の結果から、開発した磁石は、モータなどの小型・型で成形しようとすると均質な成形体が得られなくなるた

軽量化や低価格化に向けた磁気回路設計で要求される複雑め、焼結法においてネットシェイプができない一因となっ形状化に対応できると考えられる。ている。これに対して、本開発工法では、保磁力の向上を今後は、更なる形状自由度の向上および量産スケールでHDDR法による結晶粒微細化で行っているが、この場合、の寸法変動、磁石性能ばらつきの評価、磁石耐熱性、耐環境性等の長期信頼性評価を進めることで、ユーザの具体的なニーズに応えていく。

20mm
写真282

種々形状の試作品外観

樹脂レスで複雑形状を実現した高耐熱Nd-Fe-B磁石

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

執※1

前田徹

：アドバンストマテリアル研究所
博士（工学）

主席

渡辺麻子：アドバンストマテリアル研究所

主査

山田浩司

：アドバンストマテリアル研究所
グループ長

ネットシェイプ成形

筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊

粉末原料をプレス機や射出機で金型を用いて成形することで、機械加工などの後工程を行わずに製品形状を直接的に得る成形法。
※2

焼結法

磁石の製造方法。粉末原料を40～50vol％程度の低密度に固化し、その後1000℃超の高温熱処理を施してほぼ真密度（>95vol％）に緻密化させる。低密度固化体の強度が低い点や大きな寸法収縮が起こるため、複雑形状のネットシェイプは難しい。
※3

保磁力磁石の性能評価指標。この値が大きいほど、より高温まで磁石の機能（磁力線の発生）を維持できる。
※4----------------------------------------------------------------------------------------------------------

＊主執筆者

残留磁化

磁石の性能評価指標。この値が大きいほど、強力な磁力線を発生でき、モータトルクの向上などで有利になる。

参考文献（1） 徳 田貴士、真田雅之、森本茂雄、「同期リラクタンスモータにおける高トルク化のための基礎検討」、平成20年電気関係学会関西支部連合大会講演論文集、G4-5、G71（2008）（2） 真 田 雅 之、 井上征 則、 森 本 茂 雄、「フェライト 磁石を用いた高 性 能PMASynRMの構造と特性」、電学論D、131巻12号、pp. 1401-1407（2011）（3） M . Sagawa et. al,“New material for permanent magnets on abase of Nd and Fe（invited）,”J. Appl. Phys., 55, 2083
（1984）（4） J. J. Croat et.al ,“Pr‐Fe and Nd‐Fe‐based materials： A newclass of high‐performance permanent magnets,”J. Appl. Phys.,
55,2078（1984）（5） M .Sagawa et. al,“Dependence of coercivity on the anisotropy
field in the Nd2Fe14B ‐ type sintered magnets,”J. Appl. Phys.,
61, 3559（1987）（6） T. Takeshita , R . Nakayama , “M agnetic p rop er ties andmicrostructures of the NdFeB magnet powder produced byhydrogen treatment,”Proc.10th Int. Workshop on Rare EarthMagnets & Their Applications（1989）p551（7） S . Sugimoto et. al,“Effect of the disproportio nation andrecombination stages of the HDDR process on the inducementof anisotropy in Nd-Fe-B magnets,”J. Alloys Comp. 293-295（1999）862（8） 相 場 彰 史 ら、「等 方 性Nd-Fe-Bプ ラスチック磁石 」、 電 気 製 鋼Vol.
59、No.2（1988）125（9） 武下拓夫、「希土類ボンド磁石の最近の進歩」、粉体工学会誌Vol. 30（1993）p720（10）モリコープ 社ホームページ（http：//www.mqitechnology.com/jp/isotropic.jsp）、ボンド磁石用Nd粉末MQP-B、「計算した磁石特性」
http：//www.mqitechnology.com/jp/downloads/datasheet_
XLS/MQP-B-20173-070-eds.xls

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