JP4518935B2

JP4518935B2 - 永久磁石及びその製造方法

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Publication number: JP4518935B2
Application number: JP2004370104A
Authority: JP
Inventors: 隆明安村; 聡和 ▲浜▼尾; 昌浩岸田; 則行山田
Original assignee: Kyushu University NUC; Yaskawa Electric Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Kyushu University NUC; Yaskawa Electric Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP2006179617A

Description

本発明は、ボンド型の永久磁石及びその製造方法に関する。

永久磁石の種類は、鋳造磁石と焼結磁石とボンド磁石とに大別される。
鋳造磁石の代表的なものはアルニコ（Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ）系磁石であり、磁束密度が高く、温度特性が良好であるが、非常に固いため、加工が難しく、高価であるために計器用等の特殊な用途に使用されている。
焼結磁石は、フェライト磁石に代表され、酸化鉄を主成分とする磁性粉末を焼結して製造されるもので、残留磁束密度はやや低いものの、安価で保磁力が高いため広い分野で使用されている。
ボンド磁石は、磁性粉末と、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド系合成樹脂（商品名、ナイロン）、ゴム、添加材等を混合して成形したもので、柔軟で成形の自由度が高く、希土類磁性粉を含ませることにより、残留磁束密度、保磁力を高くすることができることから、小型モータを初め、多くの分野で普及が進んでいる。

例えば、樹脂被覆された磁性粉末である原料粉末の形状を実質的に球形とし、好ましくは粒度分布を正規分布にすることにより、粉末の流動性を高め、また金型に充填したときの原料粉末の充填密度を増大させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石用合金を溶融し、噴霧法により粉末を得た後、この粉末に対し水素吸蔵、崩壊処理を行い、次いで、水素吸蔵、崩壊処理をした粉末をさらに微粉砕する永久磁石用合金粉末の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
このように、従来のボンド磁石に用いられる磁性粉末（粒子）としては、金属溶解法や直接還元法により、ミクロンオーダーの粒子径を持ったものが作製されている。また、このミクロンオーダーの磁性粒子を造粒、成形することで、交換スプリング磁石という新しい概念を持った永久磁石も作製されている。
また、永久磁石粒子を硬磁性相と軟磁性相のいずれか一方が他方を包接するようにマイクロエマルションを用いて製造する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平７−７４０１２号公報特開２００２−６０８０６号公報特開２００４−０１８９３２号公報

上述した特許文献１、２において開示された従来の永久磁石の作製方法では、ミクロンオーダーの粒子径を持った磁性粒子を作製しているが、圧縮成形ボンド磁石の特性として２３９ｋＪ／ｍ³以上、射出成形ボンド磁石の特性として１６０ｋＪ／ｍ³以上のエネルギ積が得られず、磁気特性向上に限界があるという問題があった。
また従来の造粒方法では、ミクロンオーダーの磁性粒子を用いスクリューニーダ装置などにより造粒を行っているが、磁気特性改善のためにナノオーダーの磁性粒子を用いた場合、造粒粒子が、均一の粒度分布を持たず球形にならないため、図４に示すように、成形時に磁性粒子１１を金型１２に投入して成形方向１３から成形した場合に、金型１２に均一に充填できず、また磁性粒子の充填率が上がらないので目的とする磁石特性が得られないという問題があった。ちなみに、磁性粒子の充填率は、磁石成形体の密度を、磁性粒子の真密度で除した値である。
さらに、特許文献３において開示された方法では、硬磁性相と軟磁性相の一方をコア部とし、他方を包接部として永久磁石微粒子を形成しているため、所望の粒子サイズを得ることが困難であり、磁気特性を向上させるのに限界があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、従来のミクロンオーダーの磁性粒子を用いた永久磁石に対して磁気特性を向上させた永久磁石を提供するとともに、ナノオーダーの永久磁石粒子の造粒、成形が可能な永久磁石の製造方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の第１の構成は、少なくとも１〜２００ｎｍおよび５０〜１０００ｎｍの２種類の粒度分布を持つ永久磁石粒子が樹脂溶液と混合され、前記永久磁石粒子と前記樹脂溶液の混合物が噴霧乾燥法により１〜５０００μｍの粒子径に造粒された造粒粉が成形されていることを特徴とする永久磁石である。
本発明の第２の構成は、第１の構成において、前記永久磁石粒子は、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系の少なくとも１つの合金からなり、前記Ｒは希土類金属元素の少なくとも１種類としたことを特徴とする永久磁石である。
ここで、希土類金属元素とは、原子番号２１のスカンジウムＳｃ，３９のイットリウムＹ，５７のランタンＬａおよびそれに続く５８〜７１のランタノイド元素のことを指すが、特に、Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍが高エネルギ積の面で好適である。
本発明の第３の構成は、永久磁石粒子を作製する粒子作製工程と、前記作製した永久磁石粒子と樹脂とを混合する樹脂混合工程と、前記樹脂混合工程で得られた混合物を造粒する造粒工程と、前記造粒工程で得られた造粒粉を成形する成形工程とからなる永久磁石の製造方法において、前記粒子作製工程は、前記永久磁石粒子の粒度分布を少なくとも１〜２００ｎｍおよび５０〜１０００ｎｍの２種類にし、前記造粒工程は、前記造粒粉の粒子径を噴霧乾燥法により１〜５０００μｍとし、前記永久磁石粒子は、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系の少なくとも１つの合金からなり、前記Ｒは希土類金属元素の少なくとも１種類とすることを特徴とする永久磁石の製造方法である。
本発明の第４の構成は、第３の構成において、前記粒子作製工程は、界面活性剤と有機溶媒の溶液中に遷移金属塩化物の水溶液を滴下し油中水滴型マイクロエマルションを形成する工程と、微粒子形成剤を滴下することにより超微粒子の永久磁石粒子を形成させ、その後還元処理する工程とからなることを特徴とする永久磁石の製造方法である。
本発明の第５の構成は、第３の構成において、前記樹脂混合工程の樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびポリアミド系合成樹脂の少なくとも一種を１〜２０質量％とすることを特徴とする永久磁石の製造方法である。
本発明の第６の構成は、第３の構成の成形方法として圧縮成形または射出成形を用いることを特徴とする。

本発明の第１の構成によれば、少なくとも１〜２００ｎｍおよび５０〜１０００ｎｍの２種類の粒度分布を持つ永久磁石粒子が樹脂溶液と混合され、永久磁石粒子と樹脂溶液の混合物が噴霧乾燥法により１〜５０００μｍの粒子径に造粒された造粒粉が成形されている永久磁石とすることにより、大きな粒度分布の粒子の間に小さな粒度分布のナノ粒子径を持った永久磁石粒子が高充填されることになり、従来のミクロンオーダーの磁性粒子を用いたボンド磁石に比べ、密度の高い、エネルギ積の高い永久磁石が得られる。
本発明の第２の構成によれば、永久磁石粒子を、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系（Ｒは希土類金属元素の少なくとも１種類）の少なくとも１つの合金とすることにより、それぞれの組成の特徴を持ったナノオーダーの永久磁石粒子の永久磁石が得られる。
本発明の第３の構成によれば、永久磁石の製造方法において、粒子作製工程では、永久磁石粒子の粒度分布を少なくとも１〜２００ｎｍおよび５０〜１０００ｎｍの２種類にし、造粒工程では、造粒粉の粒子径を噴霧乾燥法により１〜５０００μｍにすることにより、大きな粒度分布の粒子の間に小さな粒度分布のナノ粒子径を持った永久磁石粒子が高充填されることになり、従来のミクロンオーダーの磁性粒子を用いたボンド磁石に比べ、密度の高い、エネルギ積の高い永久磁石が得られる。
本発明の第４の構成によれば、界面活性剤と有機溶媒の溶液中に、永久磁石粒子の母材となる遷移金属塩化物の水溶液を滴下して、油中水滴型マイクロエマルションを形成し、その油中水滴型マイクロエマルションに微粒子形成剤を滴下することにより超微粒子を形成させ、その超微粒子を還元処理することによって、１〜２００ｎｍと５０〜１０００ｎｍの２つの粒度分布を持った、ナノオーダーの超微粒子の永久磁石粒子が得られる。
本発明の第５の構成によれば、樹脂混合工程の樹脂を、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびポリアミド系合成樹脂の少なくとも一種とし、その混合割合を１〜２０質量％とすることにより、成形性の優れたボンド磁石を作製することができる。
本発明の第６の構成によれば、成形方法として圧縮成形または射出成形を用いるようにしたことにより、既存の成形方法を用いてナノオーダーの永久磁石粒子を有するボンド磁石を作製することができる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、説明する。

本発明の実施例１を、図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明の実施例１を示す造粒粉の図、図２は同実施例１の成形工程を示す図、図３は同実施例１の製造工程を示すフローチャートである。
まず、Ｓｍ−Ｃｏ系もしくはＳｍ−Ｆｅ−Ｃｏ系永久磁石粒子については、界面活性剤（例えばポリエチレングリコールモノ−４−ノニルフェニルエーテル）と有機溶媒（例えばシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂））の溶液中に、永久磁石粒子の母材となる遷移金属塩化物（例えば塩化コバルト（ＣｏＣｌ₂）もしくは塩化鉄（ＦｅＣｌ₂））と希土類金属塩化物（例えば塩化サマリウム（ＳｍＣｌ₃））の水溶液を滴下し、油中水滴型マイクロエマルションを形成する。
次に、微粒子形成剤（例えばアンモニア水）を滴下することにより超微粒子を形成させる。次に、還元処理（例えばＣａ還元拡散処理）によって粒子径として１〜２００ｎｍと５０〜１５００ｎｍの大きさを持ったＳｍ−Ｃｏ系もしくは、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｃｏ系永久磁石粒子を作製する（図３のステップＳ１）。

Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石粒子については、界面活性剤（例えばポリエチレングリコールモノ−４−ノニルフェニルエーテル）と有機溶媒（例えばシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂））の溶液中に、永久磁石粒子の母材となる遷移金属塩化物（例えば塩化鉄（ＦｅＣｌ₂））と希土類金属塩化物（例えば塩化ネオジム（ＮｄＣｌ₃））の水溶液を滴下し、油中水滴型マイクロエマルションを形成する。次に、微粒子形成剤（例えばアンモニア水）を滴下することにより超微粒子を形成させる。更に超微粒子を塩化ホウ素ガス（ＢＣｌ₃）と反応させ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ酸化物の超微粒子を作製し、還元処理（例えばＣａ還元拡散処理）によって粒子径として１〜２００ｎｍと５０〜１５００ｎｍの大きさを持ったＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石粒子を作製する。

Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ系永久磁石粒子については、界面活性剤（例えばポリエチレングリコールモノ−４−ノニルフェニルエーテル）と有機溶媒（例えばシクロヘキサン（Ｃ₆Ｈ₁₂））の溶液中に、永久磁石粒子の母材となる遷移金属塩化物（例えば塩化鉄（ＦｅＣｌ₂））と希土類金属塩化物（例えば塩化サマリウム（ＳｍＣｌ₃））の水溶液を滴下し、油中水滴型マイクロエマルションを形成する。次に、微粒子形成剤（例えばアンモニア水）を滴下することにより超微粒子を形成させ、還元処理（例えばＣａ還元拡散処理）によってＳｍ−Ｆｅ系粒子を作製する。更に窒化を行い、粒子径として１〜２００ｎｍと５０〜１５００ｎｍの大きさを持ったＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系永久磁石粒子を作製する。

その永久磁石粒子と、エポキシ樹脂もしくは、フェノール樹脂、ポリアミド系合成樹脂（ナイロン（商標）樹脂）を２質量％混合し（ステップＳ２）、図１に示す噴霧乾燥法により造粒粉１を作製する（ステップＳ３）。この造粒粉１を、図２に示す金型２に充填して成形方向３から成形を行うことにより（ステップＳ４）、ボンド磁石を作製する。造粒を行うことにより、図２に示すように造粒粉１が金型２内に均一に充填される。

表１は、２種類以上の粒度を持つ磁石粒子と樹脂を混合し、噴霧乾燥法を用い、造粒粒子を作製し、圧縮成形した永久磁石粒子の充填率を水銀ポロシメータにより測定した表である。表中のＮｏ．１〜３，６〜１２の永久磁石成分系におけるＳｍ−Ｃｏ−Ｆｅ系は、Ｓｍ₂（Ｃｏ_xＦｅ_1-x）₁₇ （ｘ＝０．７）とした。また、Ｎｏ．４のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系は、Ｎｄ₁₄Ｆｅ₇₈Ｂ₈とした。さらに、Ｎｏ．５のＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系は、Ｓｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃とした。
表１のＮｏ．１〜１０では、永久磁石粒子の充填率が７０％以上得られ、最大エネルギ積が２３９ｋＪ／ｍ³以上得られることが確認された。一方、表１のＮｏ．１１の、粒子径が１０００ｎｍ以上より大きい場合は、最大エネルギ積が２３９ｋＪ／ｍ³以上は得られないことが確認された。また表１のＮｏ．１２では、図４の従来の成形工程で示すような、噴霧乾燥法による造粒を行わないため、充填率が低く、最大エネルギ積が２３９ｋＪ／ｍ³以上は得られないことが確認された。

本発明の実施例２では、実施例１と同様に、界面活性剤と有機溶媒の溶液中に、永久磁石粒子の母材となる遷移金属塩化物の水溶液を滴下し、油中水滴型マイクロエマルションを形成する。次に、微粒子形成剤を滴下することにより超微粒子を形成させ、還元処理によって粒子径として1００ｎｍと１０００ｎｍの大きさを持ったＳｍ−Ｃｏ系永久磁石粒子（ここでは、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇）を作製する。その永久磁石粒子にエポキシ樹脂を２質量％混合し、噴霧乾燥法により、０．５〜７０００μｍの造粒粉を作製する。その造粒粉を金型内に充填し、圧縮成形し、磁石を作製した。表２は、噴霧乾燥により作製した造粒粉の粒子径と磁石の出来上がり状態を示すものである。造粒粉が１μｍより小さく、５０００μｍより大きい場合は、磁石の密度が不均一になり、亀裂が入るため、磁石の作製ができなかった。

本発明の実施例３では、実施例１と同様に、油中水滴型マイクロエマルションを形成し、微粒子形成剤を滴下することにより超微粒子を形成させ、還元処理により各種の粒子径をもつ永久磁石粒子を作製した。表３は、その永久磁石粒子の粒子径の大きさを示す。表３において、１ｎｍより小さい永久磁石粒子の作製は難しくなっている。

本発明の実施例４では、実施例１と同様に、界面活性剤と有機溶媒の溶液中に、遷移金属塩化物の水溶液を滴下し、油中水滴型マイクロエマルションを形成し、微粒子形成剤を滴下することにより超微粒子を形成させ、還元処理によって粒子径としての１〜２００ｎｍと５０〜１５００ｎｍの大きさを持ったＳｍ−Ｃｏ−Ｆｅ系永久磁石粒子（ここでは、Ｓｍ₂（Ｃｏ_xＦｅ_1-x）₁₇ （ｘ＝０．７））を作製した。その永久磁石粒子にナイロン樹脂を１０質量％混合し、噴霧乾燥法により造粒粉の造粒を行い、成形を行うことで永久磁石を作製した。表４は、２種類以上の粒度を持つ永久磁石粒子と樹脂を混合し、噴霧乾燥法を用い、造粒粉を作製し、射出成形した永久磁石粒子の充填率を水銀ポロシメータにより測定した表である。表４より、永久磁石粒子の充填率が６０％以上得られ、最大エネルギ積が１６０ｋＪ／ｍ³以上得られることが確認された。粒子径が１０００ｎｍより大きい場合では、最大エネルギ積が１６０ｋＪ／ｍ³以上は得られないことが確認された。

本発明は、ナノオーダーの粒子径をもつ永久磁石粒子によりボンド磁石を作製することによって、永久磁石の高性能化ができるので、サーボモータの高性能化という用途に適用できる。

本発明の実施例１を示す造粒粉の図である。本発明の実施例１の成形工程を示す図である。本発明の実施例１の製造工程を示すフローチャートである。従来の成形工程を示す図である。

符号の説明

１造粒粒子
２金型
３成形方向
１１従来の磁性粒子
１２金型
１３成形方向

Claims

少なくとも１〜２００ｎｍおよび５０〜１０００ｎｍの２種類の粒度分布を持つ、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系（但し、Ｒは希土類金属元素の少なくとも１種類）の少なくとも１つの合金からなる永久磁石粒子が樹脂溶液と混合され、前記永久磁石粒子と前記樹脂溶液の混合物が噴霧乾燥法により１〜５０００μｍの粒子径に造粒された造粒粉が成形されていることを特徴とする永久磁石。
永久磁石粒子を作製する粒子作製工程と、前記作製した永久磁石粒子と樹脂とを混合する樹脂混合工程と、前記樹脂混合工程で得られた混合物を造粒する造粒工程と、前記造粒工程で得られた造粒粉を成形する成形工程とからなる永久磁石の製造方法において、
前記粒子作製工程は、前記永久磁石粒子の粒度分布を少なくとも１〜２００ｎｍおよび５０〜１０００ｎｍの２種類にし、前記造粒工程は、前記造粒粉の粒子径を噴霧乾燥法により１〜５０００μｍとし、前記永久磁石粒子は、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｒ−Ｆｅ−Ｎ系、Ｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系（但し、Ｒは希土類金属元素の少なくとも１種類）の少なくとも１つの合金からなることを特徴とする永久磁石の製造方法。
前記粒子作製工程は、界面活性剤と有機溶媒の溶液中に遷移金属塩化物の水溶液を滴下し油中水滴型マイクロエマルションを形成する工程と、微粒子形成剤を滴下することにより超微粒子の永久磁石粒子を形成させ、その後還元処理する工程とからなることを特徴とする請求項２記載の永久磁石の製造方法。
前記樹脂混合工程の樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびポリアミド系合成樹脂の少なくとも一種を１〜２０質量％とすることを特徴とする請求項２記載の永久磁石の製造方法。
前記成形工程は、圧縮成形法、または射出成形法を用いることを特徴とする請求項２記載の永久磁石の製造方法。