焼結NdFeB材料が現代の産業や電子技術、特に新エネルギー車、産業用ロボット、モバイルインテリジェンスに広く応用されるにつれて、NdFeB製品は軽量、薄型、小型、高エネルギーに向けて発展することが求められており、磁石の磁気エネルギー積、保磁力、熱安定性に対する要求はますます高まっています。しかし、従来の製造プロセスでは、焼結NdFeBの高保磁力と高磁気エネルギー積は常にトレードオフの悩みの種でした。
磁石の保磁力は、DyやTbなどの重希土類元素を合金に添加することで向上できますが、主相粒子に大量のジスプロシウムやテルビウムが入り込むため、残留磁化が大幅に低下します。また、このプロセスでは高価な重希土類元素資源が大量に消費されるため、磁石の製造コストが大幅に増加します。業界では通常、(BH)max(MGOe)+Hcj(kOe)を使用して磁石の総合的な磁気特性を表します。高い残留磁化を維持しながら磁石の保磁力をさらに向上させ、総合的な磁気特性の高い磁石を製造する方法は、業界の研究開発のホットスポットとなっています。
粒界拡散技術は近年開発された技術手段であり、焼結NdFeB磁石の磁気特性を効果的に向上させることができます。磁性鋼の表面に重希土類膜の層を形成し、真空熱処理により重希土類を粒界に沿って磁石の内部に侵入させます。同時に、重希土類原子は主相粒子の周りのNd原子と置き換わり、高保磁力シェルを形成します。この独特の微細構造は、極めて低い残留磁束降下値に基づいて磁石の保磁力を大幅に向上させることができます。一般に、厚さ8mm未満の焼結NdFeB磁石の場合、Dy拡散HcJを使用して4kOe〜7kOeを増加させ、Tb拡散HcJを使用して8kOe〜11kOeを増加させ、2種類の拡散Brを0.3kGs以内に低減します。
従来の非拡散磁石と比較して、粒界拡散プロセスの主な利点は次のとおりです。
1. 同じブランドの磁石の場合、粒界拡散法を使用すると、DyとTbの使用量を大幅に削減でき、コストが低くなります。
2. 粒界拡散法は、従来のプロセスでは実現できない50EHや52UHなどの総合的な磁気性能を持つ磁石を製造するために使用できます。
すべての物事には多くの側面があることは周知の事実であり、粒界拡散プロセスも例外ではありません。また、いくつかの欠点もあります。たとえば、濃度勾配が存在するため、拡散深さは制限され、大規模に生産される拡散磁性鋼の厚さは通常10mm以内であり、プロセスの適用範囲が制限されます。
粒界拡散の主なプロセス形態
長年の開発を経て、粒界拡散はスパッタリング、蒸着、コーティング、電着などのさまざまなプロセスを開発しました。拡散源には、重希土類元素や合金、水素化物、フッ化物、酸化物などが含まれます。
1. スパッタリング
マグネトロンスパッタリングプロセスの概略図
1-1 マグネトロンスパッタリング
電圧によってグロー放電を発生させ、アルゴンガスをイオン化し、ターゲットにアルゴンイオンを照射してジスプロシウムやテルビウムなどの重希土類粒子をスパッタリングし、磁性鋼の表面に堆積させて膜層を形成する方法です。マグネトロンスパッタリングに適用できる製品には、角片、タイル、丸片、リングなどがあり、拡散源は主にジスプロシウムまたはテルビウムの純金属ターゲットです。
マグネトロンスパッタリングは、コーティングの均一性が良好で、膜層が緻密で、保磁力向上効果が安定しているなどの利点があるが、欠点としては、1.設備が高価で、1台の連続設備の価格は350万～500万である、2.ターゲット材料の利用率が低いため、相対的にコストが高い、などが挙げられる。
1-2 マルチアークスパッタリング
これは、電界誘起放電によって局所的に高温スパッタリングを発生させるコーティングです。コーティング効率とターゲット材料の利用率が高く、結合力が良好であるという特徴があります。ただし、欠点は次のとおりです。1.コーティング粒子が大きく、フィルム表面が粗い。2.コーティングの全体的な均一性。3.コーティングの安定性が不十分。4.局所的な温度上昇。
2. 蒸発
蒸着法は、真空中でコーティング材料を加熱・気化させて膜を堆積させる方法です。蒸着法は、電気めっき工程における吊りめっきとローラーめっきに類似した静的蒸着法と回転蒸着法に分けられ、それぞれ大型磁石と小型磁石に適しています。
静的蒸発図
2-1 静的蒸発
利点は、蒸発温度が高く、蒸発源の昇華、磁性鋼の表面への堆積、磁性体内への拡散が同時に行われるため、重希土類の拡散効果がより優れていることです。蒸発後の重希土類膜の品質は、蒸発温度、真空度、めっき距離（重希土類ターゲットと磁性シート間の距離）に関係するため、めっき距離を確保するために磁性鋼シートを特定のツールに配置する必要があり、プロセスがより複雑になり、生産効率が低く、膜の一貫性が悪くなります。そのため、静的蒸発は国内の磁性材料業界ではあまり使用されていません。
ロータリー蒸発プロセス図
画像出典：高静源、Nd-Fe-B永久磁石材料の回転拡散プロセスに関する研究、2020年、北京理工大学[D]
2-2 ロータリーエバポレーション
これは、小型およびマイクロ磁性鋼を重希土類ターゲットと回転により連続的に混合し、高温後に揮発した金属 Dy/Tb を製品の表面に堆積させる方法です。 このプロセスは小型製品、特に単位重量が 1g 未満の電気音響製品に適しています。拡散材料のコストが低く、重量増加が少なく、HcJ が大幅に向上し、HcJ の一貫性が高くなります。 欠点は、製品とジスプロシウムおよびテルビウム金属の分離プロセスが比較的労働集約的であることです。また、このプロセスは業界ではほとんど使用されず、通常、機器をカスタマイズする必要があり、特定の技術的障壁があります。
3. コーティング
自動噴霧プロセス図
3-1 自動散布
磁性シートを単層にしてワークピーストレイに置き、空気圧スプレーガンを使用して往復噴射してフィルムを形成します。拡散源がフッ化物または酸化物の場合は、大気中で噴霧できます。水素化物または重希土類合金粉末の場合は、不活性ガス保護が必要です。
利点：1. 適用可能な拡散源は多く、水素化物、フッ化物、酸化物、合金などがある。2. タイル、正方形、円形、リングなど、さまざまな形状とサイズの製品を拡散できる。3. 設備の自動化度が高く、ワークピーストレイは汎用性が高く、順序の切り替えが柔軟で便利である。4. 設備投資が少なく、重希土類元素の利用率が高い。
主な欠点：拡散源がフッ化物の場合は特許リスクがあり、水素化物や合金の場合は安全上の問題があり、酸化物の場合は性能の一貫性が悪い。
スクリーン印刷工程図
3-2 スクリーン印刷
重希土類粉末をインクに調合します。印刷時は、スクリーン印刷版の一端にインクを注ぎ、スクレーパーを使用してスクリーン印刷版上のインク部分に一定の圧力をかけ、一定速度でスクリーン印刷版の他端に向かって移動します。移動中にインクがスクレーパーによってメッシュから磁性シートに押し出され、フィルムを形成します。
有機試薬をインクに封入することで、水素化物や重希土類合金が空気と接触するのを防ぎ、酸化を回避します。そのため、重希土類水素化物を大気環境下でのコーティングの拡散源として使用することができ、フッ化物の特許リスクを効果的に回避できます。同時に、スクリーン印刷プロセスは、生産効率が高く、重希土類の利用率が高く、重量増加の一貫性が良好であるという特徴があり、角形磁性鋼の粒界拡散に非常に適しています。過去2年間で、スクリーン印刷プロセスは業界で急速に推進され、主流のプロセスの一つになりました。
欠点は、1. スクリーンとスクレーパーは、表面が凹凸のあるタイル状の製品には適していないことです。2. サイズや重量増加率が異なる製品には通常、対応するインク、スクリーン印刷版、固定具が必要ですが、これらは大規模な安定した注文に適しています。小ロット注文の場合、スクリーンと固定具を頻繁に交換すると、効率が低下し、コストが増加し、柔軟性が低くなります。
4. 電気泳動沈着
電気泳動堆積法は、重希土類拡散源をアルコールと混合して懸濁液とし、直流電界の作用により重希土類拡散源粒子を磁性鋼板の表面に堆積させて重希土類膜を形成する。利点は生産効率が高く、プロセスが簡単で、生産コストが低いことである。欠点は、コーティングの結合と均一性が低いこと、量産時の性能の一貫性が悪いなどである。そのため、このプロセスはあまり使用されていない。
市場の圧力が徐々に高まるにつれて、コスト競争は、拡散プロセスと非拡散プロセスの比較から、異なる拡散プロセスの比較、さらには同じ拡散方法であっても、重希土類の利用と製造コストの比較へと長い間変化してきました。異なる拡散プロセスにはそれぞれ独自の特徴があります。実際の生産では、製品の特性、性能要件、生産コストに応じて適切な拡散プロセスを選択する必要があります。今後、より多くの新しい拡散プロセスが開発され、使用されると信じています。同時に、拡散しやすい基板の開発、重希土類拡散源の究極の利用、拡散深度の突破、非希土類拡散源の開発も、科学研究と生産担当者の注目と努力を集めるでしょう。