JP2021517365A - 焼結磁石の製造方法および焼結磁石 - Google Patents

焼結磁石の製造方法および焼結磁石 Download PDF

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Abstract

本発明の一実施形態による焼結磁石の製造方法は、磁石粉末表面にフッ化物をコーティングして混合粉末を製造する段階;前記混合粉末に重希土類水素化物を添加する段階;および前記混合粉末を加熱する段階を含み、前記磁石粉末は希土類元素−鉄−ホウ素系粉末を含み、前記フッ化物は有機フッ化物および無機フッ化物のうちの少なくとも一つ以上を含む。

Description

関連出願との相互引用
本出願は2018年10月22日付韓国特許出願第10−2018−0125899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すべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、焼結磁石の製造方法および焼結磁石に関するものである。より具体的に、R−Fe−B系焼結磁石の製造方法およびこのような方法で製造された焼結磁石に関するものである。
NdFeB系磁石は希土類元素であるネオジム(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って、1983年開発されて以後30年間汎用永久磁石として使用されてきた。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、交通など様々な分野で使われる。特に最近、軽量、小型化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使用されている。
NdFeB系磁石の一般的な製造は、金属粉末冶金法に基づいたストリップ(Strip)/モールドキャスティング(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(Strip)/モールドキャスティング(mold casting)方法の場合、ネオジム(Nd)、鉄(Fe)、ホウ素(B)などの金属を加熱によっ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)過程を経て異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、ジェットミル粉砕後、高分子とブレンディングしてボンド磁石として形成するか、プレシングして磁石として製造する。
磁石の性能の指標として、残留磁束密度と保磁力の大きさが挙げられる。NdFeB系焼結磁石の残留磁束密度増大はNdFe14B化合物の体積率増大と結晶配向度向上によって達成されて、今まで様々なプロセスの改善が行われている。保磁力の増大に関しては、Ndの一部をDyまたはTbで置換した組成合金を使用することである。NdFe14B化合物のNdをこれら元素で置換することによって化合物の磁気異方性が増大され、保磁力も増大される。しかし、DyまたはTbによる置換は、化合物の飽和磁気分極を減少させる。したがって、DyまたはTbの重希土類元素を添加する場合、保磁力の増大を図ることができるが、残留磁束密度の低下は避けることができない。
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、前記のような問題点を解決するためのことであって、本発明の実施形態は重希土類元素を結晶粒界面に位置させて、保磁力を増大させながらも磁束密度の低下を最少化する焼結磁石の製造方法およびこのような方法で製造された焼結磁石を提供することである。
しかし、本発明の実施形態が解決しようとする課題は上述の課題に限定されず、本発明に含まれている技術的な思想の範囲で多様に拡張できる。
本発明の一実施形態による焼結磁石の製造方法は、磁石粉末表面にフッ化物をコーティングして混合粉末を製造する段階;前記混合粉末に重希土類水素化物を添加する段階;および前記混合粉末を加熱する段階を含み、前記磁石粉末は希土類元素−鉄−ホウ素系粉末を含み、前記フッ化物は有機フッ化物および無機フッ化物のうちの少なくとも一つ以上を含む。
前記有機フッ化物は、ペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含量がC6〜C17に該当する化合物のうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記有機フッ化物は、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:PerFluoro Octanoic Acid)を含むことができる。
前記無機フッ化物は、フッ化アンモニウムおよびフッ化カリウムのうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記希土類元素は、Nd、Pr、La、Ce、Pm、SmおよびEuのうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記重希土類水素化物は、GdH、TbH、DyH、HoH、ErH、TmH、YbH、およびLuHのうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記混合粉末に希土類水素化物を添加する段階をさらに含み、前記希土類水素化物はNdH、PrH、LaH、CeH、PmH、SmHおよびEuHのうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記混合粉末を製造する段階は、前記磁石粉末と前記フッ化物を有機溶媒中で混合する段階、および乾燥する段階を含むことができる。
前記混合する段階は、前記磁石粉末、前記フッ化物および前記有機溶媒を粉砕する段階をさらに含むことができる。
前記有機溶媒は、アセトン、メタノール、エタノール、ブタノールおよびノルマルヘキサンのうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記焼結磁石の結晶粒界面に、希土類フッ化物または希土類酸フッ化物の被膜を形成することができる。
前記焼結磁石はR−Fe−B系焼結磁石であり、前記焼結磁石の組成はRFe14Bであり、前記RはNd、Pr、La、Ce、Pm、SmまたはEuであってもよい。
実施形態によれば、磁石粉末の粒子表面にフッ化物被膜を形成させることによって、添加された重希土類元素が主相でない界面に主に位置するようにして、焼結磁石の保磁力を増大させながらも磁束密度の低下を最少化することができる。
また、焼結前成形工程で磁石粉末の粒子表面にコーティングされたフッ化物の潤滑作用によって高い緻密度の磁石粉末の製造が可能である。
実施例1、比較例1および比較例2それぞれに対して、磁場(H)による磁石化(J)の変化を示すJ−Hグラフである。
以下、添付した図面を参考として本発明の様々な実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。本発明は様々な異なる形態に実現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。
また、明細書全体で、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができるのを意味する。
以下、本発明の実施形態による焼結磁石の製造方法および焼結磁石について詳細に説明する。
本発明の一実施形態による焼結磁石の製造方法は、磁石粉末表面にフッ化物をコーティングして混合粉末を製造する段階;前記混合粉末に重希土類水素化物を添加する段階;および前記混合粉末を加熱する段階を含み、前記磁石粉末は希土類元素−鉄−ホウ素系粉末を含み、前記フッ化物は有機フッ化物および無機フッ化物のうちの少なくとも一つ以上を含む。
本発明の一実施形態による磁石粉末は、その表面をフッ化物でコーティングして、混合粉末を製造する。混合粉末を製造する段階は、前記磁石粉末と前記フッ化物を有機溶媒中で混合する段階、および乾燥する段階を含むことができ、具体的に、前記磁石粉末、前記フッ化物および前記有機溶媒を粉砕する段階をさらに含むことができる。
また、本発明において、各成分の混合または粉砕のために、ボールミル(Ball−Mill)、ターブラミキサー(Turbula mixer)およびスペクスミル(Spex mill)などが使用できる。
前記有機フッ化物はペルフルオロ化合物(PFC:Perfluorinated Compound)としてペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含量がC6〜C17に該当する化合物のうちの一つ以上を含み、そのうち、特に、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:PerFluoro Octanoic Acid)を含むことが好ましい。
前記ペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含量がC6〜C17に該当する化合物は、ペルフルオロヘキサン酸(PFHxA:Perfluorohexanoic Acid(、C6)、ペルフルオロヘプタン酸(PFHpA:Perfluoroheptanoic Acid、C7)、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:Perfluorooctanoic Acid、C8)、ペルフルオロノナン酸(PFNA:Perfluorononanoic Acid、C9)、ペルフルオロデカン酸(PFDA:Perfluorodecanoic Acid、C10)、ペルフルオロウンデカン酸(PFUnDA:Perfluoroundecanoic Acid、C11)、ペルフルオロドデカン酸(PFDoDA:Perfluorododecanoic Acid、C12)、ペルフルオロトリデカン酸(PFTrDA:Perfluorotridecanoic Acid、C13)、ペルフルオロテトラデカン酸(PFTeDA:Perfluorotetradecanoic Acid、C14)、ペルフルオロペンタデカン酸(PFPeDA:Perfluoropentadecanoic Acid、C15)、ペルフルオロヘキサデカン酸(PFHxDA:Perfluorohexadecanoic Acid、C16)およびペルフルオロヘプタデカン酸(PFHpDA:Perfluoroheptadecanoic Acid、17)に該当する。
前記無機フッ化物は、フッ化アンモニウムおよびフッ化カリウムのうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記有機溶媒は、前記フッ化物が溶解可能であれば、その種類は特に制限されないが、アセトン、メタノール、エタノール、ブタノールおよびノルマルヘキサンのうちの少なくとも一つを含むことができる。
前記磁石粉末は希土類元素−鉄−ホウ素系粉末を含めば製造方法は特に制限されないので、前記磁石粉末は磁石合金を機械粉砕または水素粉砕するか、ストリップキャスト方法によって製造されたものであってもよいが、還元−拡散法によって製造されるのが好ましい。
還元−拡散法によって希土類元素−鉄−ホウ素系粉末を形成する場合、別途の粗粉砕、水素破砕、ジェットミルのような粉砕工程や表面処理工程が要求されない。
還元−拡散法による希土類元素−鉄−ホウ素系粉末の合成は、原料物質から合成する段階および洗浄段階を含む。原料物質から合成する段階は、酸化ネオジムなどの希土類酸化物、ホウ素、鉄などの原材料およびCaなどの還元剤を均一に混合した後、加熱して原材料の還元および拡散によって希土類−鉄−ホウ素系粉末を形成する方法である。
具体的に、希土類酸化物、ホウ素、鉄の混合物から粉末を製造する場合、希土類酸化物、ホウ素および鉄のモル比は1:14:1〜1.5:14:1の範囲内であってもよい。希土類酸化物、ホウ素および鉄はRFe14B磁石粉末を製造するための原材料であり、前記モル比を満足した時、高い収率でRFe14B磁石粉末を製造することができる。万一、モル比が1:14:1以下である場合、RFe14B主相の組成ずれおよびR−rich粒界相が形成されない問題点があり、前記モル比が1.5:14:1以上である場合、希土類元素の量が過度であって還元された希土類元素が残存するようになり、残った希土類元素がR(OH)やRHに変わる問題点が発生することがある。
前記還元−拡散のための加熱は、不活性ガス雰囲気で摂氏800度〜1100度の温度で10分〜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、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、粉末の大きさが粗大になり1次粒子同士かたまる問題点が発生することがある。
還元−拡散方法で磁石粉末を製造する場合、前記製造過程で生成される副産物であるアルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物が形成され、このような副産物除去のための洗浄段階を行うことができる。洗浄段階は、4級アンモニウム系メタノール溶液を使用して副産物を除去する段階、そして副産物が除去された粉末を溶媒で洗浄する段階をさらに含むことができる。
前記希土類元素は、Nd、Pr、La、Ce、Pm、SmおよびEuのうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記磁石粉末は、希土類元素−鉄−ホウ素系粉末であって、組成はRFe14Bであり、前記RはNd、Pr、La、Ce、Pm、SmまたはEuであってもよい。
一方、前記混合粉末に重希土類水素化物を添加する段階で、前記重希土類水素化物は、GdH、TbH、DyH、HoH、ErH、TmH、YbH、およびLuHのうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記重希土類水素化物を添加することによって、焼結磁石の希土類元素のうちの一部がDyまたはTbなどの重希土類元素で置換される。前記置換によって、焼結磁石の磁気異方性が増大され、保磁力も増大される。しかし、DyまたはTbによる置換は化合物の飽和磁気分極を減少させる。したがって、DyまたはTbの重希土類元素を添加する場合、保磁力の増大を図ることができるが、残留磁束密度の低下は避けることができない。しかし、本発明の一実施形態による焼結磁石の製造方法は、磁石粉末の表面をフッ化物でコーティングして焼結することによって、重希土類元素がR−Fe−B主相に侵入することを防止して、重希土類元素は焼結磁石の主相でない結晶粒界面に高濃度で存在するようになる。したがって、少量の重希土類水素化物を添加しても保磁力が向上し、同時に磁束密度の低下を最少化することができる。また、DyまたはTbなどの重希土類元素は高価であるので、本発明によって製造費用を節減することができる。
また、一般にフッ素をCuF、GaFまたはDyFなど化合物の形態で添加する場合、希土類元素−鉄−ホウ素系組成にフッ素を添加する形態になるので、磁束密度が低下する。しかし、本発明の実施形態によって製造された焼結磁石は、フッ素を薄いコーティング形態で添加するため、磁束密度低下を最少化しながら粒子成長を抑制し耐食性を向上させることができる。また、粒子表面に絶縁性フッ化物が形成されるので、焼結体自体の電気抵抗が増加する。これにより、焼結磁石が以後駆動モータで使用される場合に誘導されることのある焼結磁石内部の誘導電流を抑制して発熱を防止することができる。
一方、混合粉末に重希土類水素化物だけでなく、希土類水素化物を添加する段階をさらに含むことができ、前記希土類水素化物はNdH、PrH、LaH、CeH、PmH、SmHおよびEuHのうちの少なくとも一つ以上を含むことができる。
前記希土類水素化物は焼結補助剤であって、希土類水素化物を希土類元素−鉄−ホウ素系粉末と混合した後に熱処理および焼結して、焼結磁石内部の粒界部または焼結磁石主相粒の粒界部領域にR−richおよびRO相を形成することによって、製造される焼結磁石の焼結性を改善し主相分解を抑制する。即ち、R−rich相を有する高密度の焼結永久磁石を製造するために、希土類水素化物を添加した後に焼結を行う。したがって、前記磁石粉末と前記希土類水素化物は同一の希土類元素を含むことが好ましく、Ndを含むことがさらに好ましい。
その次に、焼結のために、前記混合粉末を加熱する段階が行われる。
具体的に、前記混合粉末を焼結のために摂氏1000度〜1100度の温度で加熱することができる。前記加熱は30分〜4時間行うことができる。具体的に、前記混合粉末を黒鉛モールドに入れて圧縮成形し、パルス磁場を加えて配向して焼結磁石用成形体を製造することができる。前記焼結磁石用成形体を真空雰囲気で摂氏1000度〜1100度の温度で加熱して焼結磁石を製造する。
一方、焼結を行う時、必ず結晶粒成長を伴うようになり、このような結晶粒の成長は保磁力を減少させる要因として作用する。しかし、本発明の実施形態では、有機フッ化物または無機フッ化物を含むフッ化物を有機溶媒に溶解させて磁石粉末と混合するので、フッ化物のコーティングが均等に分布して、物質拡散を効果的に抑制するため、焼結過程での結晶粒成長を初期磁石粉末の大きさ程度に制限することができる。結局、結晶粒成長制限によって、焼結磁石の保磁力減少を最少化することができる。
また、前記フッ化物および前記有機溶媒によって潤滑作用が可能である。前記潤滑作用によって高い緻密度を有する焼結磁石用成形体を製作することができ、このような焼結磁石用成形体を加熱すれば高密度、高性能のR−Fe−B系焼結磁石の製造が可能である。
一方、焼結のための加熱時、前記磁石粉末と前記磁石粉末の表面にコーティングされたフッ化物とが反応し、焼結磁石の結晶粒界面に希土類フッ化物または希土類酸フッ化物の被膜が形成される。前記希土類酸フッ化物は磁石粉末表面の酸素と反応して形成されたものであるので、磁石粉末内部への酸素拡散を最少化することができる。したがって、磁石粒子の新たな酸化反応が制限され焼結磁石の耐食性が向上し、希土類元素が酸化物生成に不必要に消費されることを抑制するので、高密度の希土類焼結磁石の製造が可能である。
以下、具体的な実施例および比較例を通じて本発明による焼結磁石の製造方法について説明する。
実施例1:フッ化アンモニウム(NHF)コーティング
Nd34.35g、Fe 69.50g、B 1.05g、Cu 0.0309g、Al 0.262gおよびCa 18.412gを粒子の粒度および大きさ制御のためのアルカリ金属Na、Kと共に密閉されたプラスチック筒内で均一に混合した後、ステンレススチール容器に均等に入れて押し、不活性ガス(Ar)雰囲気で摂氏920度〜950度の温度で30分〜6時間チューブ電気炉内で反応させた。その後、自動粉砕機で反応物を粉砕した後、エタノールまたはメタノールなどの有機溶媒と硝酸アンモニウムを用いて残余カルシウム化合物を除去した。その後、前記粉砕された反応物10gと硝酸アンモニウム0.375g、メタノール125mlおよびジルコニアボール50gを混合し、ターブラミキサーを用いて1時間〜2時間粉砕して乾燥する。このような方法でNd−Fe−B粉末を製造した。
Nd−Fe−B粉末から硝酸アンモニウムとメタノールを除去した後、フッ化アンモニウム(NHF)0.05g〜0.10g、メタノール125mlを再び添加して1時間〜2時間粉砕およびコーティングする。このような方法でフッ化アンモニウム(NHF)がコーティングされ平均粒度が0.5マイクロメートル〜20マイクロメートルであるNd−Fe−B粉末を製造した。
前記製造したNd−Fe−B粉末100gに、NdH 7gおよびDyH 3gを添加した後、黒鉛モールドに入れて圧縮成形し、5T以上のパルス磁場を加えて粉末を配向して焼結磁石用成形体を製造した。前記焼結磁石用成形体を真空雰囲気で摂氏1040度〜1080度の温度で1時間〜2時間加熱した。その後、真空雰囲気で摂氏500度〜550度の温度で熱処理してNd−Fe−B焼結磁石を製造した。
比較例1:フッ化アンモニウムコーティングおよび重希土類水素化物未添加
実施例1と同様の方法でフッ化アンモニウム(NHF)がコーティングされたNd−Fe−B粉末を製造した。前記製造したNd−Fe−B粉末100gにNdH 10gを添加した後、黒鉛モールドに入れて圧縮成形し、5T以上のパルス磁場を加えて粉末を配向して焼結磁石用成形体を製造した。前記焼結磁石用成形体を真空雰囲気で摂氏1040度〜1080度の温度で1時間〜2時間加熱した。その後、真空雰囲気で摂氏500度〜550度の温度で熱処理してNd−Fe−B焼結磁石を製造した。
比較例2:フッ化物未コーティングおよび重希土類水素化物添加
フッ化アンモニウム(NHF)がコーティングされていないことを除いて、実施例1と同様の方法でNd−Fe−B粉末を製造した。前記製造したNd−Fe−B粉末100gに、NdH 7gおよびDyH 3gを添加した後、黒鉛モールドに入れて圧縮成形し、5T以上のパルス磁場を加えて粉末を配向して焼結磁石用成形体を製造した。前記焼結磁石用成形体を真空雰囲気で摂氏1040度〜1080度の温度で1時間〜2時間加熱した。その後、真空雰囲気で摂氏500度〜550度の温度で熱処理してNd−Fe−B焼結磁石を製造した。
評価例1
図1は、実施例1、比較例1および比較例2それぞれに対して、磁場(H)による磁石化(J)の変化を示すJ−Hグラフである。図1を参照すれば、重希土類水素化物を添加した比較例2の場合、保磁力は上昇したが、磁束密度が低下したのを確認することができる。重希土類水素化物を添加していない比較例1の場合、磁束密度が低下することはなかったが、保磁力は上昇しなかった。反面、実施例1の場合、磁束密度の低下なく、保磁力が上昇したのを確認することができる。即ち、実施例1と比較例2は同一の量の重希土類水素化物(DyH)を添加したが、磁石粉末に対するフッ化物のコーティング有無の差のみで、実施例1の焼結磁石は磁束密度の低下なく保磁力がさらに上昇したのを確認することができる。
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るのではなく、次の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様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

Claims (13)

  1. 磁石粉末表面にフッ化物をコーティングして混合粉末を製造する段階、
    前記混合粉末に重希土類水素化物を添加する段階、および
    前記混合粉末を加熱する段階を含み、
    前記磁石粉末は、希土類元素−鉄−ホウ素系粉末を含み、
    前記フッ化物は、有機フッ化物および無機フッ化物のうちの少なくとも一つ以上を含む焼結磁石の製造方法。
  2. 前記有機フッ化物は、ペルフルオロカルボン酸(PFCA:Perfluorinated Carboxylic Acid)系物質中の炭素含量がC6〜C17に該当する化合物のうちの少なくとも一つ以上を含む、請求項1に記載の焼結磁石の製造方法。
  3. 前記有機フッ化物は、ペルフルオロオクタン酸(PFOA:PerFluoro Octanoic Acid)を含む、請求項1または2に記載の焼結磁石の製造方法。
  4. 前記無機フッ化物は、フッ化アンモニウムおよびフッ化カリウムのうちの少なくとも一つを含む請求項1から3のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  5. 前記希土類元素は、Nd、Pr、La、Ce、Pm、SmおよびEuのうちの少なくとも一つ以上を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  6. 前記重希土類水素化物は、GdH、TbH、DyH、HoH、ErH、TmH、YbH、およびLuHのうちの少なくとも一つ以上を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  7. 前記混合粉末に希土類水素化物を添加する段階をさらに含み、
    前記希土類水素化物は、NdH、PrH、LaH、CeH、PmH、SmHおよびEuHのうちの少なくとも一つ以上を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  8. 前記混合粉末を製造する段階は、前記磁石粉末と前記フッ化物を有機溶媒中で混合する段階および乾燥する段階を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  9. 前記混合する段階は、前記磁石粉末、前記フッ化物および前記有機溶媒を粉砕する段階をさらに含む、請求項8に記載の焼結磁石の製造方法。
  10. 前記有機溶媒は、アセトン、メタノール、エタノール、ブタノールおよびノルマルヘキサンのうちの少なくとも一つを含む、請求項8に記載の焼結磁石の製造方法。
  11. 前記焼結磁石の結晶粒界面に、希土類フッ化物または希土類酸フッ化物の被膜が形成される、請求項1から10のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  12. 前記焼結磁石は、R−Fe−B系焼結磁石であり、
    前記焼結磁石の組成は、RFe14Bであり、
    前記Rは、Nd、Pr、La、Ce、Pm、SmまたはEuである、請求項1から11のいずれか一項に記載の焼結磁石の製造方法。
  13. 請求項1の方法で製造された、焼結磁石。
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