磁石のＰｃ分布

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いとはももき
8 years ago
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1 サイエンス & テクノロジーセミナー ( 大田区産業プラザ ) 着磁脱磁トラブル対策と磁石材料の測定評価 ( 株 )KRI 磁石材料研究室山本日登志 [email protected]

2 目次 KRI 紹介市場動向希土類原料 Dy 拡散微粒子型磁石うず電流小物 Nd 磁石中国磁石磁石特性バラツキとHk 重要性着磁測定 & 評価

3 磁石材料研究室紹介メンバー走査型プローブ顕微鏡 (SPM) 超深度カラ 3D 形状測定顕微鏡 ( レーザー顕微鏡 ) 測定部 < パルス BH カーブトレーサ -> 電界放射型電子顕微鏡 (FE-SEM) 透過型電子顕微鏡 (TEM) 測定部拡大

4 Nd 磁石の総合評価 Nd 磁石の測定評価検定 1 基本磁気特性の測定 Br, HcB, HcJ, (BH)max, Hk( 角型性 ) 2 温度特性 (20 最高温度 200 連続測定 ) 各温度 B-H カーブ J-H カーブ ) 温度係数 (α β) 熱減磁特性 ( ) 長期熱安定性 3 着磁特性 ( 微粒子型 Dy Tb 拡散 ) 4 その他特性 ( リコイル μ 物理特性電気抵抗機械強度 ) 5 特性バラツキ再現性ナインシグマ 6 金属組織磁石材料の本質的な評価 & 検討 ( 磁石ユーザへの提言 ) EDX,EPMA,FE-EPMA,XRD,ICP, ガス分析等 7Ni メッキ性状信頼性評価 (PCT, 高温高湿塩水噴霧 ) クレーム調査 8 その他 Nd 磁石の研究から量産採用に到るまでの総合評価支援

5 最新永久磁石の開発動向とその最適利用どんな磁石材料を選ぶか? 各種磁石材料 NdFeB フェライト Nd ボンド磁石選定のポイント磁気特性 (Br エネルギー積保磁力温度係数 ) 耐食性長期安定性寿命着磁性能 ( 単体着磁組立着磁 ) 寸法公差組立性形状自由度 ( 一体形状分割形状 ) 入手容易度 ( アベイラビリティ ) 量産時の品質安定性コスト ( 現状とトレンド ) その他要因ローカルコンテンツ ( 現地調達 ) 特許 ( 中国製他磁石 ) グローバル品質保証体制磁石の最適利用

6 佐川氏らによる Nd 磁石の世界最初の特許出願特許公報 ; 昭この国内特許と他の特許とを合わせて米国に優先権を主張して出願したものが米国ではサブマリンして最終的に USP:5,645,651 Magnetic materials and permanent magnets として July 8, 1997 に登録されてあと 17 年間有効とされたため結局 2014 年まで生き残る息の長い Nd 磁石の基本特許となった ( 合計 35 年間有効 ) 米国の 651 パテントとして著名である * 2011BM30 周年記念シンホシウム浜野正昭講演 ( ) 浜野正昭日本ボンド磁性材料協会理事技術委員寺子屋 BM 塾塾長社団法人未踏科学技術協会評議員特別研究員明治大学理工学部電気電子生命工学科兼任講師

7 今後の Nd 磁石業界はどうなるのか? ( 独断と偏見で ) Nd 磁石戦国時代の到来

8 Nd 磁石コストトレンド他動向希土類資源 (Nd,Pr) の中国依存度低下による安定調達化加速依存度 ; 約 97% から 50% 未満海外鉱山の本格稼働 (Mauntain Pass, Maunt Weld, Don Pao, Tore Lake,,,,) JOGMEC 資源開発支援民間の技術提携 ( 三菱商事信越化学等 ) Nd 価格は徐々に低下するか?( 数年前の希土類暴騰の再発はない ) Dy 資源 Nd と異なり中国依存離脱は当面難中国 ( 江西省 ) 以外に有用なイオン吸着鉱床が発見されていない太平洋海底鉱床は話題性はあるが?? Dy(Tb) 拡散技術は Dy 削減重要技術として今後の主流か課題は工程コスト Dy(Tb) 価格は暴騰は無いが高止まりか? SmCo, フェライトへの回帰 Nd,Pr の需要は旺盛のためその他希土類が余剰 ( 既に Ce 価格は暴落中 ) Sm 原料が余剰そのため SmCo 需要は今後も拡大か ( 東芝発表等 ) フェライト需要も加速か ( 欧州特許紛争締結有り ) Sm は徐々に低下か?

9 Dy 量と高保磁力材質希土類金属価格 (Feb/2013) Nd; 95 $/kg Dy; 750 $/kg Dy 量 Ha( 異方性磁界 ) 保磁力はほぼ比例一方 Dy 量に比例して Br は直線的に低下 Dy 量と保磁力 (H cj ) の関係簡便式 ( 山本 ) Y=(2.3~2.6) X+(8~10) Y: 保磁力 (koe) X; Dy 量 (wt%) 例えば X=0 wt% Y=8~10 koe X=3 wt% Y= 14.9~17.8 koe X=5 wt% Y=19.5~23 koe 9

10 粒界拡散逆磁区が発生する主相表面のみに Dy を局在化させる拡散させる Dy や Tb 含有化合物の層 1. メタル : スパッタリング蒸着 2. フッ化物 :DyF 3, TbF 3 3. 酸化物 :Dy 2 O 3, Tb 4 O 7 *2012 年 KRI ワークショップ講演 ( 明治大学徳永雅亮 )

11 粒界拡散の様子 ( 模式図 ) 拡散前 ( 粒界のみに拡散, 現実にはありえない ) 主相主相に Dy が拡散した部分粒界拡散と粒内拡散の割合が良好な場合 ( 粒内拡散小 ) 粒界粒界拡散と粒内拡散の割合が良くない場合 ( 粒内拡散が大 ) *2012 年 KRI ワークショップ講演 ( 明治大学徳永雅亮 )

12 Dy 拡散完全拡散粒界拡散 t=3μm t=3μm Dy 拡散試料の J-H 曲線 a) Dy スパッタ後 b) 1073K x 60min 拡散後 c) 1073K x 60min 拡散 + 873K x 60min 熱処理後 Dy 拡散試料の J-H 曲線 a) Dy スパッタ後 b) 1073K x 5min 拡散後 c) 1073K x 5min 拡散 + 873K x 20min 熱処理後 K. T. Park, K. Hiraga and M. Sagawa: Proc. of 6 th Intl Workshop on Rare-Earth Magnets and their Applications, p. 257, Sendai, Japan (2000). *2012 年 KRI ワークショップ講演 ( 明治大学 ) 徳永雅亮

13 保磁力 HcJ(kOe) Dy(Tb) 拡散磁石の KRI 測定評価 Dy 拡散磁石の保磁力分布模式図磁石表面からの深さ (mm) 磁石性能測定上の現状課題 1.Dy 内部分布状況が不明磁石メーカは分布データ開示無し ( 厚み幅長さ全方向の濃度こう配?) 2. 分布を定量的に確認する手段が無い 3.Dy 拡散工程が製造メーカで全く異なる ( 材質による差異も?) <KRI 提案 > 1. t=1mm の薄板 (1x7x7mm) を深さ方向違いで計 7 枚作成 2. 同一深さの薄板を 7 枚積層して 7x7x7mm 測定試料を作成 3. パルス BH カーブにて測定 4. 深さ方向による磁石特性分布が判明 < 補足説明 > *1mmt より薄いと加工劣化の影響が大逆に厚いと Hcj の平均値しか得られない *7x7x7mm とするのは測定装置メーカの標準保証寸法の為 ( 磁石体積で J 出力が決まるので積層薄板でも測定可能 )

14 Dy フリー H cj =20kOe を示す焼結磁石の磁化曲線粉砕粒径宇根康裕佐川真人 : 日本金属学会誌第 76 巻第 1 号 12 (2012). *2012 年 KRI ワークショップ講演 ( 明治大学徳永雅亮 )

15 磁石分割数, 電気抵抗とうず電流損失一般に磁石を分割すると電気抵抗が下がり渦電流が低減そうならないケースも有り K.Yamazaki and A.Abe, IEEE Trans. Industry Applications, vol.45, No2, p659 (2009) 渦電流損失 * We= (πfbd) 2 /6ρ B; 最大磁束密度 d; 板厚 ρ; 体積抵抗率 * 山本開道自動車モータ開発のための磁性材料技術トリケップス (2010) Nd 磁石の体積抵抗率 (μωm) A 社 ;1.44 B 社 ; 約 2.0 C 社 ; 約

16 磁場解析シュミレーションと実測値にはなぜ差異が出てくるのか? 理由 ; 以下磁石に関しては以下いくつかの前提 ( 誤解 ) も要因従来モータ設計では理想的磁石理想的な条件が前提となるシュミレーションソフトが使われてきたと思われる 1 現物の磁石特性は磁石カタログ値と同じ数値が得られているという前提 2 磁石特性は均一であるという前提磁気特性 ;Br, bhc, HcJ, Hk, (BH)max, 温度特性着磁特性機械特性電気抵抗耐食性 3 量産バラツキは無いという前提ロット間の磁気特性バラツキはほとんど無視できるという前提 4 磁石材料の測定方法評価方法は確立しているという前提国内磁石メーカ各社や海外の磁石測定値は同一という前提 5 磁石表面と内部は同一磁気特性を有するという前提酸化加工劣化表面処理劣化は起こっていないという前提

17 PRIUS 磁石と中国 EB 用磁石の特性比較入手 (R 研究会にて )

18 Hk の分布比較 ( 中国 Z 社比較 ) 材質 ; 40H 相当寸法 ; 50x50x50mm 材質 ; NEOMAX-35H 相当材寸法 ; 概略 50x50x50mm 低 Hk 熱減磁着磁特性長期安定性の懸念大 BH カーブ非線形 1 非線形磁場解析 2 リコイル特性変化 3 マイナーループ損失増大 NMC 18

19 保磁力 H cj Hk と結晶粒径 ( 左 ) 国内 35EH 相当磁気特性 ;Br=12.1 kg, Hcb=11.8 koe, HcJ>28.9 koe, (BH)max=35.7 MGOe ( 右 )Z 社 35SH 磁気特性 ;Br=12.1 kg, Hcb=11.3 koe, HcJ=20.6 koe, (BH)max=34.4 MGOe 倍率 ; x1000

20 < モータ用途におけるトラブル事例 > 熱減磁が発生した原因 : 性能 up のため高 Br 材に変更保磁力下限を超え熱減磁が発生コギングが大きい原因 : 磁石ヨークの寸法バラツキ磁石特性バラツキ鉄損が計算値より大きい原因 : 磁石の渦電流損失の低減 ( 積層磁石等 ) 電気抵抗? 磁石に割れが発生原因 ; 磁石寸法公差磁石素材の機械強度 Ni メッキが剥離した原因 ; 磁石素材 Ni メッキ技術

21 不可逆減磁率 ( % ) 電気学会技術報告 1011 号 (2005) 図 3.9 時間 ( h) % 着磁 % 着磁 H cj= 2.0M A/m(25kOe) 放置温度 : % 着磁図 3.9 不可逆減磁率の経時変化 (2.0MAm, 200 )

22 KRI 提案 ; 難着磁磁石採用の対策 1. ノックダウン処理最高使用温度 (Tmax) より若干高い温度 (Tk)x t(hrs) ノックダウン処理強制的に減磁させる不完全着磁の長期間減磁劣化特性の改善を図る 2. 高温着磁高温で異方性磁界 HA が急激に低下する物性を利用熱減磁が起こらない ( 可逆変化内の )Pc, Td 条件で高温着磁冷却し通常着磁磁場と高温着磁磁場で着磁率を比較検討別途打合せ

23 日本の磁石業界では測定方法が標準化されていないレアメタルニュース No2368 (H ) 信越化学美野輪磁性材料研究所長談

24 磁石特性の真値はわからない A 磁石製造メーカ (BH)max=40.5MGOe 磁石 * (BH)max 数値はあくまで参考 (BH)max=40.0MGOe B 磁石製造メーカ (BH)max=41.2MGOe C 磁石製造メーカ (BH)max=38.8MGOe 測定装置の Br 保証精度 ; +/-1% なので (BH)max では +/-2% 磁石業界での回送試験は過去 30 年やられていない標準化無し

25 磁化の校正 ;Ni 標準試料 IEC 規格 Ni 純度 ;99.995% 温度 ;23 飽和磁化 ; 485.6kA/m ( Gauss) JIS2561(1973) 規格 ; Ms=490.8kA/m ( Gauss) 文献名 σ(emu/g) 温度 ( ) Ms (ka/m) Ms(23C) (ka/m) R.M. Bozorth 1) P.H. Emmited 2) G. Aubert 3) "Ferromagnetism", p.270, D.Van Nostrand Company, (1951) 2. Catalysis IV, p.337 (1959) 3. J.A.P, vol.39, No.2, p.508 (1968) *JIS C-2501(1989) 解説抜粋

26 装置概要東英工業株式会社試料温度可変装置付 TPM-2-08s 型パルス励磁型磁石特性測定装置 f25 L20 mm の大型試料室室温 ~200 の温調装置図 1 装置写真東英工業株式会社は国際標準規格 JIS/IEC 準拠の日本を代表する磁気測定機器メーカーであり磁石自動車といった国内メーカー 8 社 15 台の納入実績がある図 2 装置ダイアグラム 80 koe 高磁場印加寒剤フリーで低運転費パルス励磁法による 1 サイクル 3 分の短時間測定 PC 制御による自動測定 & 物理量自動演算

27 Calibration of H coil Standard coil Pulse field coil Standard coil is calibrated at JEMIC. NS was determined. After calibration, the H coil is removed. H coil for PFM apparatus

28 Measuring configuration Specimen Pick up coil Pulse field coil H coil for PFM apparatus

29 EMAJ-7007( 表紙のみ ) 2001/4 制定日本電子材料工業会標準規格 EMAS パルス磁界を用いた永久磁石測定方法 Methods of test for permanent magnet using pulsed magnetic fields 1. 適用範囲この規格は, パルス磁界を用いて永久磁石を常温で測定する場合の試験片, 試験装置, 残留磁束密度, 残留磁気分極, 保磁力及び最大エネルギー積の測定方法について規定するただし, この規格で扱う永久磁石は体積全体について均質とみなせるものとするなお, この規格の中で示す単位及び数値は, 国際単位系 (SI) を使用する備考この方法は, 保磁力が小さく, 磁気余効の大きい永久磁石では,B-H 減磁曲線に不連続点が現れる例えば,HcJ が 400kA/m 以下の NdFeB 及び SmCo 系焼結永久磁石でその現象が著しい 2. 定義この規格で用いる主な用語の定義は, 次による 2.1 磁化曲線磁界強度の変化に伴って生じる, 材料中の磁束密度磁気分極磁化の変化を表す曲線 2.2 磁気履歴磁界強度の変化に関する, 磁束密度又は磁化の不可逆変化 2.3 履歴曲線閉じた磁化曲線で, 磁気履歴を示すもの 2.4 減磁曲線飽和磁束密度又は飽和磁気分極の状態から磁界を変化させて得られる履歴曲線のうち, 第 2 象限の部分減磁曲線には, 次の 2 種類がある a) 磁束密度で表現するもの (B-H 減磁曲線と呼ぶ ) b) 磁気分極で表現するもの (J-H 減磁曲線と呼ぶ ) 2.5 残留磁束密度 B-H 減磁曲線における磁束密度のうち, 磁界強度が零に対応するもの量記号は Br, 単位はテスラ (T) で表す 2.6 残留磁気分極 J-H 減磁曲線における磁気分極のうち, 磁界強度が零に対応するもの量記号は Jr, 単位はテスラ (T) で表すしたがって, 残留磁気状態では,Jr=Br となる 2.7 保磁力減磁曲線における磁界強度で,B-H 減磁曲線で磁束密度が零に対応するものを保磁力,J-H 減磁曲線で磁気分極が零に対応するものを固有保磁力とする量記号は, それぞれ HcB,HcJ, 単位は, アンペア毎メートル (A/m) で表す 2.8 最大エネルギー積 B-H 減磁曲線上の磁束密度とそれに対応する磁界強度との積 ( エネルギー積 ) の最大値量記号は,(BH)max, 単位はジュール毎立方メートル (J/m3) で表す 2.9 パルス磁界コンデンサバンクなどに電気エネルギーを蓄電し, そのエネルギーを大電流に変換して励磁コイルに放出したとき発生するパルス状の高磁界

30 KRI 測定パルス BH トレーサと 2 次関数近似評価 H= 8 Tesla, T= 20~ 160 KRI 実測減磁曲線

31 Nd 磁石磁気特性の試料厚み依存性 (1) 装置 ; パルス BH トレーサ ( 東英工業 ) 測定温度 ; 23 最大磁界 ; 8Tesla 磁石材質 ; N40SH 相当材 ( メーカ ; 中国 NDK 社 ) 磁石寸法 ; t x 7 x 7 mm ( t ; 磁場方向 ) t = 7mm, 3.5mm, 2.34mm, 1.75mm, 1.00mm 各寸法に応じて 7x7x7mm に積層した測定形状

32 Nd 磁石磁気特性の試料厚み依存性 (2) 低下率 ;0.6% Br 低下率 ;2.9% (BH)max HcJ 低下率 ;1.8% 低下率 ;19.2% Hk90 7mmt, 3.5mmt では加工劣化の影響無しまた測定数値再現性も良好薄板になるにつれ全ての磁気特性が劣化特に Hk90 の低下が最大磁束低下耐熱性低下に考慮不可欠

33 磁化の校正 ;Ni 標準試料 IEC 規格 Ni 純度 ;99.995% 温度 ;23 飽和磁化 ; 485.6kA/m ( Gauss) JIS2561(1973) 規格 ; Ms=490.8kA/m ( Gauss) 文献名 σ(emu/g) 温度 ( ) Ms (ka/m) Ms(23C) (ka/m) R.M. Bozorth 1) P.H. Emmited 2) G. Aubert 3) "Ferromagnetism", p.270, D.Van Nostrand Company, (1951) 2. Catalysis IV, p.337 (1959) 3. J.A.P, vol.39, No.2, p.508 (1968) 結論 ; 歴史的に磁化の校正は国内海外ともに各社独立に決められている *JIS C-2501(1989) 解説抜粋

34 磁石測定ご依頼フロー磁石材料研究室 Web 掲載の左記ご依頼フォームに記入返信質疑確認事項のメールやり取り測定個数条件を確定頂き見積もり注文書受領測定 & 報告書作成提出報告書納期 ; 通常最長 4 週間特急 ;1 週間費用 x2 倍脱磁試験片加工 ; 1~2 週間加算

35 KRI では磁石材料開発分析評価磁石製品開発品質管理トラブルシューティング等の貴社のニーズに対しきめ細かい対応をいたします新規磁石材料や磁気応用に関する研究開発及び最新鋭の機器を用いたミクロ ~ ナノレベルの組成分布バルク ~ ナノサイズまでの磁石材料の磁気特性等の種々の評価をお引き受けいたします 1. 受託研究 1) 新規磁石材料や磁気応用に関する研究開発 2) 磁石特性測定評価 3) 磁気に関する物性現象メカニズム解明の研究分析事例 2. 磁石材料の分析試験 FE-SEM/SEM-EDS FE-EPMA FE-TEM FIB ICP-AES SPM(AFM MFM 電流像 ) 温度可変高磁場パルス B-H カーブトレーサー J-H 1 2 B-H 組成像 5mm Fe 5mm Co 5mm Al 5mm Cu 5mm BH max 高保磁力ネオジム磁石のパルス B-H カーブトレーサーでの磁気特性測定室温から 200 までの国際規格 JIS/IEC 準拠の測定が可能図は形状渦電流補正後の J-H 曲線 B-H 曲線および BH max の出力結果 Pr 5mm Nd 5mm Dy 5mm B 5mm O 5mm 高保磁力ネオジム磁石を樹脂包埋研磨後 FE-EPMA 測定した結果 100 nm 分解能の組成分布マッピングの他特定スポットの組成分析も可能 ( 図中破線はガイドライン ) * 試料 : 中国製 U 社スポット定量分析例 : 1 (Nd 1.6 Dy 0.4 )(Fe 13.4 Co 0.6 )B; 2 (Nd 1.3 Dy 0.5 Pr 0.2 )(Fe 13.6 Co 0.4 )B

36 サイエンス & テクノロジーセミナー ( 大田区産業プラザ ) お問い合わせ

目次 1. 世界の Nd 磁石需要動向 2. 中国希土類政策 3. 国内 Nd 磁石研究開発 4. 中国 Nd 磁石業界 5.IEC 国際規格と国際調達の課題 6.KRI 提案

サイエンス & テクノロジーセミナー (2012.4.17) HV EV 用モータ開発のための磁石材料の選定 ( 株 )KRI 磁石材料研究室山本日登志 [email protected] 目次 1. 世界の Nd 磁石需要動向 2. 中国希土類政策 3. 国内 Nd 磁石研究開発 4. 中国 Nd 磁石業界 5.IEC 国際規格と国際調達の課題 6.KRI 提案会社概要設立 1987(S.62)