NdFeB磁石の作り方

ネオジム磁石の製造方法とは？

焼結ネオジム磁石は、原料を真空または不活性ガス雰囲気下の誘導溶解炉で溶解し、その後ストリップキャスターで処理して冷却し、Nd-Fe-B合金ストリップを形成します。合金ストリップは、直径数ミクロンの微細粉末になるまで粉砕されます。この微細粉末は、配向磁場内で圧粉され、焼結されて緻密な物体になります。その後、これらの物体は特定の形状に機械加工され、表面処理が施され、磁化されます。

計量

適格な原材料の計量は、磁石の組成の精度に直接関係します。原材料の純度と化学組成の安定性は、製品品質の基盤です。焼結ネオジム磁石は、コストの観点から通常、プラセオジム・ネオジム（Pr-Nd）混合金属、ランタン・セリウム（La-Ce）混合金属、ジスプロシウム鉄（Dy-Fe）合金などの希土類合金を材料として選択します。高融点元素であるホウ素、モリブデン、ニオブは、フェロアロイの形で添加されます。原材料表面の錆層、介在物、酸化物、汚れは、マイクロブラスト機で除去する必要があります。さらに、原材料は、その後の溶解プロセスの効率を満たすために適切なサイズである必要があります。ネオジムは低い蒸気圧と活発な化学的特性を持っているため、希土類金属は溶解プロセス中に一定程度の揮発損失と酸化損失を被ります。したがって、焼結ネオジム磁石の計量プロセスでは、磁石の組成の精度を確保するために、追加の希土類金属を添加することを考慮する必要があります。

溶解とストリップ鋳造

溶解とストリップ鋳造は、組成、結晶状態、および相の分布にとって極めて重要であり、その後のプロセスと磁気性能に影響を与えます。原材料は、真空または不活性ガス雰囲気下の中・低周波誘導溶解によって溶融状態に加熱されます。合金溶融物が均質化、脱気、およびスラッギングを実現すると、鋳造プロセスが実行できます。良好な鋳造インゴットの微細構造は、十分に成長した微細な柱状結晶を持つべきであり、Ndリッチ相は結晶粒界に沿って分布するべきです。さらに、鋳造インゴットの微細構造にはα-Fe相がないべきです。Re-Fe相図は、希土類三元合金が緩やかな冷却中にα-Fe相を生成することが避けられないことを示しています。α-Fe相の室温での軟磁気特性は磁石の磁気性能を著しく損なうため、急速冷却によって抑制する必要があります。α-Fe相の生成を抑制するために望ましい急速冷却効果を満たすために、昭和電工株式会社はストリップ鋳造技術を開発し、すぐに業界内のルーチン技術となりました。Ndリッチ相の均一な分布とα-Fe相への抑制効果は、希土類の総含有量を効果的に減らすことができ、高性能磁石の製造とコスト削減に有利です。

水素破砕

希土類金属、合金、または金属間化合物の水素化挙動と、水素化物の物理化学的特性は、常に希土類応用における重要な課題でした。Nd-Fe-B合金インゴットもまた、非常に強い水素化傾向を示します。水素原子は、金属間化合物主相とNdリッチ粒界相の間の格子間サイトに入り込み、格子間化合物を形成します。その後、原子間距離が増加し、格子体積が膨張します。結果として生じる内部応力は、粒界割れ（粒間破壊）、結晶破壊（結晶内破壊）、または延性破壊を引き起こします。これらの破砕はパチパチという音を伴うため、水素破砕として知られています。焼結ネオジム磁石の水素破砕プロセスは、HDプロセスとも呼ばれます。水素破砕プロセスで生成される粒界割れと結晶破壊は、 NdFeB粗粉末を非常に脆くし、その後のジェットミルプロセスに非常に有利になります。ジェットミルプロセスの効率を高めることに加えて、水素破砕プロセスは、微細粉末の平均粉末サイズを調整することにも有利です。

ジェットミル

ジェットミルは、粉末プロセスにおいて最も実用的で効率的なソリューションであることが証明されています。ジェットミルは、不活性ガスの高速ジェットを利用して粗粉末を超音速に加速し、粉末同士を衝突させます。粉末プロセスの基本的な目的は、適切な平均粒子サイズと粒子サイズ分布を追求することです。上記の特性の違いは、マクロスケールで異なる特性を示し、それが粉末の充填、配向、圧粉、型抜き、および焼結プロセスで生成される微細構造に直接影響を与え、その結果、焼結ネオジム磁石の磁気性能、機械的特性、熱電特性、および化学的安定性に敏感に影響を及ぼします。理想的な微細構造は、滑らかで薄い追加相に囲まれた微細で均一な主相粒子です。さらに、主相粒子の容易な磁化方向は、配向方向に沿って可能な限り一貫して配置されるべきです。ボイド、大きな粒子、または軟磁性相は、固有保磁力を著しく低下させます。粒子の容易な磁化方向が配向方向から逸脱すると、減磁曲線の残留磁化と角型性が同時に低下します。したがって、合金は直径3〜5ミクロンの単結晶粒子に粉砕されるべきです。

圧粉

磁場配向圧粉とは、磁性粉末と外部磁場の間の相互作用を利用して、粉末を容易な磁化方向に沿って整列させ、最終的な磁化方向と一致させることを指します。磁場配向圧粉は、異方性磁石を製造するための最も一般的な方法です。Nd-Fe-B合金は、以前のジェットミルプロセスで単結晶粒子に粉砕されています。単結晶粒子は一軸異方性であり、それぞれがわずか1つの容易な磁化方向を持っています。磁性粉末は、型に緩く充填された後、外部 磁場の作用下で多ドメインから単一ドメインに変換され、回転または移動を介して、その容易な磁化方向であるc軸を外部磁場方向と一致させるように調整します。合金粉末のc軸は、圧粉プロセス中もその配置状態を基本的に維持します。圧粉された部品は、型抜き前に減磁処理を行う必要があります。圧粉プロセスの最も重要な指標は配向度です。焼結ネオジム磁石の配向度は、配向磁場強度、粒子サイズ、かさ密度、圧粉方法、圧粉圧力など、さまざまな要因によって決定されます。

焼結

高真空または純粋な不活性ガス雰囲気下での焼結プロセスを経た後、圧粉された部品の密度は、理論密度の95％以上に達することができます。したがって、焼結ネオジム磁石内のボイドは閉鎖され、磁束密度の均一性と化学的安定性が確保されます。焼結ネオジム磁石の永久磁気特性は、それ自体の微細構造と密接に関連しているため、焼結後の熱処理も、特に固有保磁力の調整にとって重要です。Ndリッチ粒界相は、焼結反応を促進し、主相粒子の表面欠陥を修復できる液相として機能します。ネオジム磁石の焼結温度は、一般的に1050から1180℃の範囲です。過度の温度は結晶粒の成長につながり、固有保磁力を低下させます。理想的な固有保磁力、減磁曲線の角型性、および高温不可逆損失を得るために、焼結ネオジム磁石は通常、900℃と500℃での二段階焼戻し熱処理を行う必要があります。

機械加工

適度なサイズの通常の形状に加えて、焼結ネオジム磁石は、磁場配向圧粉プロセスの技術的制限により、一度に必要な形状と寸法精度を直接達成することは困難であり、したがって、機械加工は焼結ネオジム磁石にとって避けられないプロセスです。典型的なサーメット材料として、焼結ネオジム磁石は非常に硬く脆いため、従来の機械加工技術のうち、切断、穴あけ、および研削のみがその機械加工プロセスに 適用できます。ブレード切断は、通常、ダイヤモンドコーティングまたはCBNコーティングされたブレードを利用します。ワイヤー切断とレーザー切断は、特殊形状の磁石の機械加工に適していますが、同時に生産効率が低く、加工コストが高いという欠点があります。焼結ネオジム磁石の穴あけプロセスは、主にダイヤモンドとレーザーを採用しています。リング磁石の内孔が4mmより大きい場合は、トレパニングプロセスを選択する必要があります。トレパニングプロセスの副産物として、トレパニングされたコアは、他の適切なより小さな磁石の製造に使用でき、これにより材料利用率を大幅に向上させることができます。倣い研削用の砥石は、研削面に基づいて製造されます。