JP2020532135A - 磁石粉末の製造方法および磁石粉末 - Google Patents

磁石粉末の製造方法および磁石粉末 Download PDF

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Abstract

本発明の一実施例による磁石粉末の製造方法は、酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階、前記1次混合物にカルシウムを添加および混合して2次混合物を製造する段階、前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階、前記3次混合物の上に炭素シート(carbon sheet)を敷いてシリカサンド(SiO2sand)を載せた後、800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階を含む。

Description

関連出願の相互引用
本出願は、2017年11月28日付韓国特許出願第10−2017−0160639号および2018年11月27日付韓国特許出願第10−2018−0148565号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、磁石粉末の製造方法および磁石粉末に関する。より具体的には、NdFe14B系合金粉末の製造方法およびNdFe14B系合金粉末に関する。
NdFeB系磁石は、希土類元素であるNdおよび鉄、ホウ素(B)の化合物であるNdFe14Bの組成を有する永久磁石であり、1983年に開発されて以来、30年間汎用の永久磁石として用いられてきている。このようなNdFeB系磁石は、電子情報、自動車工業、医療機器、エネルギー、交通などの多様な分野で用いられている。特に最近では、軽量、小型化の傾向に合わせて、工作機器、電子情報機器、家電用電子製品、携帯電話、ロボット用モータ、風力発電機、自動車用小型モータおよび駆動モータなどの製品に用いられている。
NdFeB系磁石の一般的な製造としては、磁石粉末冶金法に基づいたストリップ/モールドキャスティング(strip/mold casting)またはメルトスピニング(melt spinning)方法が知られている。まず、ストリップ/モールドキャスティング(strip/mold casting)方法とは、Nd、鉄、ホウ素(B)などの金属を加熱を通じて溶融させてインゴットを製造し、結晶粒粒子を粗粉砕し、微細化工程を通じてマイクロ粒子を製造する工程である。これを繰り返して、粉末を得て、磁場下でプレシング(pressing)および焼結(sintering)過程を経て非等方性焼結磁石を製造する。
また、メルトスピニング(melt spinning)方法では、金属元素を溶融させた後、速い速度で回転するホイール(wheel)に注いで急冷し、ジェットミリング粉砕後、高分子にブレンディングしてボンド磁石として形成するか、またはプレシングして磁石として製造する。
しかし、このような方法では、全ての粉砕過程が必ず要求され、粉砕過程に長時間がかかり、粉砕後に粉末の表面をコーティングする工程が要求されるという問題点がある。
本記載は、粉砕工程を省略し、反応時間を短縮させた磁石粉末の製造方法およびこのような方法で製造された磁石粉末を提供する。より具体的には、NdFe14B系合金粉末の製造方法および非等方性結晶粒を含むNdFe14B系合金粉末を提供する。
このような課題を解決するために、本発明の実施例による磁石粉末の製造方法は、酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階、前記1次混合物にカルシウムを添加および混合して2次混合物を製造する段階、前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階、前記3次混合物の上に炭素シート(carbon sheet)を敷いてシリカサンド(SiO sand)を載せた後、800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階を含む。
前記アルカリ金属は、Li、Na、K、RbおよびCsからなる群より選択される一つ以上であってもよい。
前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階で、前記アルカリ金属の含有量は、1wt%乃至20wt%であってもよい。
前記製造された磁石粉末は、NdFe14Bであってもよい。
前記3次混合物を800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階で、前記加熱時間は、10分乃至6時間であってもよい。
前記酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階で、前記1次混合物は、金属フッ化物をさらに含むことができる。
前記金属フッ化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属および遷移金属フッ化物からなる群より選択される一つ以上であってもよい。
前記金属フッ化物は、CaF、LiF、AlF、CoF、CuF、CrF、FeF、NiF、GaFおよびZrFからなる群より選択される一つ以上の金属フッ化物を含むことができる。
前記酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階で、第1族元素、第2族元素および遷移金属からなる群より選択される一つ以上をさらに含むことができる。
前記製造された磁石粉末は、非等方性結晶粒を含むことができる。
本発明の一実施例による磁石粉末は、酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階、前記1次混合物にカルシウムを添加および混合して2次混合物を製造する段階、前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階、前記3次混合物の上に炭素シート(carbon sheet)を敷いてシリカサンド(SiO sand)を載せた後、800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階で製造される。
前記磁石粉末は、非等方性結晶粒を含むことができる。
以上のように本実施例による磁石粉末の製造方法は、粉砕工程を省略することができ、反応時間が短縮されて経済的である。また、本実施例による磁石粉末は、非等方性結晶粒を含むことができる。
本発明の実施例1乃至7で製造した磁石粉末のXRDパターンを示したものである。 実施例1乃至7で製造した磁石粉末の磁気履歴曲線を示したものである。 実施例1乃至7で製造した磁石粉末の磁気履歴曲線を示したものである。 実施例1乃至7で製造した磁石粉末の走査電子顕微鏡イメージである。 実施例1、2、および4で製造した磁石粉末のPSA(粒度分析(Particle size analysis))データである。 実施例8で製造された焼結磁石のB−Hを測定し、その結果を示したものである。 比較例1で製造された磁石粉末の走査電子顕微鏡イメージである。 比較例2で製造された焼結磁石のB−Hを測定し、その結果を示したものである。
以下、本記載の実施例による磁石粉末の製造方法について詳細に説明する。本実施例による磁石粉末の製造方法は、NdFe14B磁石粉末の製造方法であってもよい。つまり、本実施例による磁石粉末の製造方法は、NdFe14B系合金粉末の製造方法であってもよい。NdFe14B合金粉末は、永久磁石であり、ネオジム磁石とも称する。
本発明の一実施例による磁石粉末の製造方法は、酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階、前記1次混合物にカルシウムを添加および混合して2次混合物を製造する段階、前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階、前記3次混合物の上に炭素シート(carbon sheet)を敷いてシリカサンド(SiO sand)を載せた後、800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階を含む。
前記製造方法は、酸化ネオジム、ホウ素、鉄のような原材料を混合し、800℃乃至1100℃の温度での原材料の還元および拡散によりNdFe14B合金粉末を形成する方法である。具体的に、酸化ネオジム、ホウ素、鉄の混合物で酸化ネオジム、ホウ素および鉄のモル比は、1:14:1乃至1.5:14:1の間であってもよい。酸化ネオジム、ホウ素および鉄は、NdFe14B磁石粉末を製造するための原材料であり、前記モル比を満足する時、高い収率でNdFe14B合金粉末を製造することができる。モル比が1:14:1以下である場合、NdFe14B主相の組成が歪むか、またはNdリッチな粒界相が形成されないという問題点があり、前記モル比が1.5:14:1以上である場合、過度のNd量により還元されたNdが残存するようになり、後段処理過程で残ったNdがNd(OH)やNdHに変わるという問題点があり得る。
前記酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階で、金属フッ化物を混合する段階をさらに含むことができる。この時、フッ化物の含有量は、1次混合物全体に対して0.1乃至0.2モル%であってもよい。このような金属フッ化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属およびその他金属フッ化物群より選択される一つ以上であってもよい。具体的に、CaF、LiF、AlF、CoF、CuF、CrF、FeF、NiF、GaFおよびZrFからなる群より選択される一つ以上の金属フッ化物であってもよい。
また、酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階で、前記1次混合物は、第1族元素、第2族元素および遷移金属からなる群より選択される一つ以上をさらに含むことができる。一例として、銅やアルミニウムがさらに添加されてもよい。
次に、前記1次混合物にカルシウムを添加および混合して2次混合物を製造する。この時、カルシウムは還元剤であってもよい。
前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する。アルカリ金属は、Li、Na、K、Rb、およびCsからなる群より選択される一つ以上であってもよい。このようなアルカリ金属は、磁石粉末を焼結する場合に焼結磁石内部の非等方性結晶粒の形成を誘導する。したがって、焼結磁石の磁気結晶異方性を最適化することができる。アルカリ金属を含まない状態で還元−拡散法で磁石粉末を製造する場合、製造された磁石粉末は不規則であるか、または等方性の形態を有するようになる。したがって、焼結磁石内部の非等方性結晶粒を誘導し難く、これは焼結磁石の磁気結晶異方性を最適化する場合に限界点として作用する。しかし、本実施例による磁石粉末の製造方法は、アルカリ金属により磁石粉末の非等方性結晶粒を誘導することができ、粒子の大きさおよび凝集を制御することができる。
また、原料物質であるNd、B、Fe粉末合成時、乾式混合の限界により局部的にFe粉末の凝集が発生する。また高温合成時、Fe粉末間の原子移動による凝集および粒子成長が起こる。しかし、本発明の一実施例のように融点が低いアルカリ金属を共に用いる場合、アルカリ金属が原子移動を遮断して粒子分離が容易になる。したがって、磁石粉末を微粒子に製造することができる。
つまり、アルカリ金属添加時、粉末粒子の大きさが減り、球形の粒子が形成され、粉末の大きさが1〜2μmである球形の粒子製造が可能である。
この時、アルカリ金属の含有量は、1wt%乃至20wt%であってもよい。好ましくは、3wt%乃至7wt%である時、形状および凝集制御が良好である。アルカリ金属の含有量が1wt%未満である場合、形状および凝集制御が良好でないことがあり、含有量が20wt%以上である場合、工程でアルカリ金属の蒸気が発生し、これに伴う工程前後の処理が難しいこともある。
前記3次混合物の上に炭素シート(carbon sheet)を敷いてシリカサンド(SiO sand)を載せた後、800℃乃至1100℃の温度で加熱する。シリカサンドの使用によりアルカリ金属蒸気を吸着(捕捉)してアルカリ金属による工程装備の汚染を統制することができる。
前記混合物を800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階は、不活性ガス雰囲気下で、10分乃至6時間行うことができる。加熱時間が10分以下である場合、金属粉末が十分に合成されず、加熱時間が6時間以上である場合、金属粉末の大きさが粗大になり、1次粒子同士でかたまるという問題点があり得る。
このように製造される磁石粉末は、NdFe14Bであってもよい。また、製造された磁石粉末の大きさは、0.5μm乃至10μmであってもよい。また、一実施例により製造された磁石粉末の大きさは、0.5μm乃至5μmであってもよい。また、このように製造された磁石粉末は、非等方性結晶粒を含む。したがって、磁石粉末を焼結する場合、焼結磁石の磁気結晶異方性を最適化することができる。
通常、NdFe14B合金粉末を形成するためには、原材料を1500℃乃至2000℃の高温で溶融させた後、急冷させて原材料の塊りを形成し、このような塊りを粗粉砕および水素破砕などに付してNdFe14B合金粉末を得る。
しかし、このような方法の場合、原材料を溶融するための高温の温度が必要であり、これを再び冷却後に粉砕する工程が要求されて、工程時間が長く、複雑である。
しかし、本実施例のように、還元−拡散法によりNdFeB系粉末を製造する場合、800℃乃至1100℃の温度での原材料の還元および拡散によりNdFe14B合金粉末を形成する。この段階で、合金粉末の大きさが数マイクロメーター単位で形成されるため、別途の粉砕工程が不要である。より具体的には、本実施例で製造される磁石粉末の大きさは、0.5μm乃至10μmであってもよい。特に、原材料として用いられる鉄粉末の大きさを調節して、製造される合金粉末の大きさを調節することができる。
また、製造過程でアルカリ金属を含んでいるため、アルカリ金属により磁石粉末の非等方性結晶粒の形成が誘導される。したがって、焼結磁石の磁気結晶異方性を最適化することができる。
以下、一実施例による磁石粉末について説明する。本実施例による磁石粉末は前述した製造方法で製造され得る。また、本実施例による磁石粉末は、NdFe14Bを含み、大きさが0.5μm乃至10μmであり、非等方性結晶粒を含むことができる。
次に、具体的な実施例を通じて本記載による磁石粉末の製造方法について説明する。
実施例1:Li添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742gをボールミル(Ball−Mill)、ペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにCa 3.6742gを追加的に入れて、タービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して再混合する。混合物を任意の形状のSUSチューブに入れて、混合物にLi 0.1416gを入れた後、タッピング(tapping)した混合物の上に炭素シート(carbon sheet)を敷いてシリカサンド(SiO sand)を載せ、不活性ガス(Ar、He)雰囲気で920℃で1時間チューブ電気炉内で反応させる。反応が終了した後、サンプルを磨いて粉末にし、NHNO−MeOH溶液(またはNHCl−MeOH溶液、NHAc−MeOH溶液)を利用して副産物であるCaOを除去し、アセトンで洗浄して1次洗浄過程を終えた後、真空乾燥する。その後、SbF 0.2gをメタノールに溶かして溶液を作り、合成した粉末と共に任意の形状の容器に入れてボールミル(ball mill)用ボール(ball)を入れてタービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して粉末を粉砕した後、メタノールで2次洗浄し、アセトンで洗浄して真空乾燥する。
実施例2;Na添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにCa 3.6742gを追加的に入れて、タービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れて混合物にNa 0.4691gを入れた後、タッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。
実施例3:NaK混合物添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにNaK 0.7230gとCa 3.6742gを混合した粉末を追加的に入れて、再びペイントシェーカー(paint shaker)を利用して再混合する。混合物をSUSに入れてタッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。本実施例で用いられるNaKはNa:K=20:80合金であり、常温で液体状態であるため、均一に混合することが可能である。
実施例4:CaF+Li添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742g、CaF0.3035gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにCa 3.6742gを追加的に入れて、タービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れて混合物にLi 0.1416gを入れた後、タッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。
実施例5:CaF+Na添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742g、CaF0.3035gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにCa 3.6742gを追加的に入れて、タービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れて混合物にNa 0.4691gを入れた後、タッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。
実施例6:CaF+NaK混合物添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742g、CaF0.3035gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにNaK 0.7230gとCa 3.6742gを混合した粉末を追加的に入れて、再びペイントシェーカー(paint shaker)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れてタッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。
実施例7:LiF+NaK混合物添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742g、LiF0.2065gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにNaK 0.7230gとCa 3.6742gを混合した粉末を追加的に入れて、再びペイントシェーカー(paint shaker)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れてタッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。
実施例8:Al+NaK混合物添加+焼結進行(NdH
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742g、Cu 0.0617g、Al 0.042gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにNaK 0.7230gとCa 3.6742gを混合した粉末を追加的に入れて、再びペイントシェーカー(paint shaker)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れてタッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて1次洗浄する。その後、粉末をNHNO−MeOH溶液に入れてタービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して粉砕−洗浄を進行した後、メタノールで2次洗浄してアセトンで洗浄して真空乾燥する。NdFeBCu0.05Al0.08粉末粒子8gに質量比12%のNdH粉末を混合し、潤滑剤としてブタノール(butanol)を添加して磁場成形後、真空焼結炉を利用して1040℃で2時間焼結した。
比較例1:アルカリ金属未添加
Nd6.8682g、B 0.2101g、Fe 13.6742gをペイントシェーカー(paint shaker)を利用して均一に混合したサンプルにCa 3.6742gを追加的に入れて、タービュラーミキサー(Turbula mixer)を利用して再混合する。混合物をSUSチューブに入れてタッピング(tapping)して、実施例1)で提示された方法で反応させて後処理をする。前記比較例1で製造した磁石粉末の走査電子顕微鏡イメージを図7に示した。
実施例9:実施例3で製造された粉末の焼結
実施例3)で製造した粉末を利用して粉末3gを配向して、真空焼結炉を利用して1040℃で2時間焼結した。
比較例2:比較例1で製造された粉末の焼結
比較例1)で製造した粉末を利用して粉末3gを配向して、真空焼結炉を利用して1040℃で2時間焼結した。
評価例1:XRDパターン
前記実施例1乃至7で製造した磁石粉末のXRDパターンを図1に示した。図1を通じて、NdFe14B主相がよく形成された事実を確認することができた。
評価例2:磁気履歴曲線データ
前記実施例1乃至7で製造した磁石粉末の磁気履歴曲線を図2に、図2を部分拡大した磁気履歴曲線を図3に示した。その結果を通じて、製造された磁石粉末の磁気履歴曲線を確認することができた。
評価例3:走査電子顕微鏡イメージ
前記実施例1乃至7で製造した磁石粉末の走査電子顕微鏡イメージを図4に示した。その結果を通じて、製造された磁石粉末が非等方性形状を有し、大きさがマイクロ水準であることを確認することができた。
評価例4:PSAデータ
前記実施例1、2、および4で製造した磁石粉末のPSAデータを図5に示した。その結果を通じて、製造された磁石粉末の大きさ分布を確認することができた。
評価例5:B−Hデータ
前記実施例8で製造された焼結磁石のB−Hを測定し、その結果を図6に示した。その結果を通じて、製造された焼結磁石の磁気的特性を確認することができた。
評価例6:B−Hデータ
前記実施例9で製造された焼結磁石のB−Hを測定し、その結果を図8に示した。また、比較例2で製造された焼結磁石のB−Hを測定し、その結果を図8に共に示した。これによって、実施例9で製造された焼結磁石は比較例2で製造された焼結磁石よりも特性が向上したことを確認することができた。
以上で本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

Claims (12)

  1. 酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階;
    前記1次混合物にカルシウムを添加および混合して2次混合物を製造する段階;
    前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階;
    前記3次混合物の上に炭素シートを敷いてシリカサンドを載せた後、800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階;を含む磁石粉末の製造方法。
  2. 前記アルカリ金属は、Li、Na、K、Rb、およびCsからなる群より選択される一つ以上である、請求項1に記載の磁石粉末の製造方法。
  3. 前記2次混合物にアルカリ金属を混合して3次混合物を製造する段階で、
    前記アルカリ金属の含有量は、1wt%乃至20wt%である、請求項1または2に記載の磁石粉末の製造方法。
  4. 前記製造された磁石粉末は、NdFe14Bである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  5. 前記3次混合物を800℃乃至1100℃の温度で加熱する段階で、
    前記加熱時間は、10分乃至6時間である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  6. 前記酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階で、
    前記1次混合物は、金属フッ化物をさらに含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  7. 前記金属フッ化物は、アルカリ金属、アルカリ土類金属および遷移金属のフッ化物からなる群より選択される一つ以上である、請求項6に記載の磁石粉末の製造方法。
  8. 前記金属フッ化物は、CaF、LiF、AlF、CoF、CuF、CrF、FeF、NiF、GaFおよびZrFからなる群より選択される一つ以上の金属フッ化物を含む、請求項7に記載の磁石粉末の製造方法。
  9. 前記酸化ネオジム、ホウ素、鉄を混合して1次混合物を製造する段階で、
    第1族元素、第2族元素および遷移金属からなる群より選択される一つ以上をさらに含む、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  10. 前記製造された磁石粉末は、非等方性結晶粒を含む、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の磁石粉末の製造方法。
  11. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の製造方法で製造した磁石粉末。
  12. 前記磁石粉末は、非等方性結晶粒を含む、請求項11に記載の磁石粉末。
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