KR100363370B1 - 자석 분말 및 등방성 결합된 자석 - Google Patents

자석 분말 및 등방성 결합된 자석 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 자기 특성이 우수하고, 신뢰성이 높은 자석, 특히 열적 안정성이 우수한 자석에 관한 것이다. 본 발명의 자석 분말은, 화학식 Rx(Fe1-yCoy)100-x-z-wBzNbw(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이며, y은 0 내지 0.30이고, z는 4.6 내지 6.9원자%이며, w는 0.2 내지 3.5원자%이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지며, 소프트 자성상(磁性相)과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되는 자석 분말에 있어서, 결합 수지와 혼합하여 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 실온에서의 자기 특성을 나타내는 J-H도에서의 감자 곡선(demagnetization curve)과, 상기 J-H도 중의 원점을 통과하고 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선 y와의 교점 P를 출발점으로 하여 측정되는 비가역 대자율(χirr=χdif-χrev)이 5.0 x 10-7H/m 이하이며, 실온에서의 고유 보자력(HcJ)이 320 내지 720kA/m이다.

Description

자석 분말 및 등방성 결합된 자석{MAGNETIC POWDER AND ISOTROPIC BONDED MAGNET}
본 발명은 자석 분말 및 등방성 결합된 자석에 관한 것이다.
모터 등의 소형화를 도모하기 위해서는 그 모터에 사용될 때의 (실질적인 투자도(permeance)에 있어서의) 자석의 자속 밀도가 높을 것이 요망된다. 본드 자석의 자속 밀도를 결정하는 요인은 자석 분말의 자화(磁化) 값과 결합 자석중 자석 분말의 함유량(함유율)이다. 따라서, 자석 분말 자체의 자화가 그다지 높지 않을 경우에는, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 극단적으로 크게 하지 않으면 충분한 자속 밀도를 얻을 수 없다.
그런데, 현재 고성능의 희토류 결합 자석으로서 사용되고 있는 것으로는, MQI사 제품인 MQP-B 분말을 희토류 자석 분말로서 이용한 등방성 결합된 자석이 대부분을 차지하고 있다. 등방성 결합된 자석은 이방성 결합 자석에 비하여 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 결합 자석을 제조할 때에 자장 배향이 불필요해지기 때문에 제조 공정이 간단하고, 그 결과 단가를 낮출 수 있는 이점이 있다. 그러나, 상기 MQP-B 분말로 대표되는 종래의 등방성 결합된 자석에는 다음과 같은 문제점이 있다.
1) 종래의 등방성 결합된 자석은 자속 밀도가 불충분하였다. 즉, 이용되는 자석 분말의 자화가 낮기 때문에, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)을 높게 해야 하는데, 자석 분말의 함유량을 높게 할 경우, 결합 자석의 성형성이 불량해져서 한계가 있다. 또한, 성형 조건의 고안 등에 의해 자석 분말의 함유량을 많게 한다고 하더라도, 역시 얻어지는 자속 밀도에는 한계가 있기 때문에 모터의 소형화를 도모하는 것이 불가능하다.
2) 나노컴포지트 자석에서 잔류 자속 밀도가 높은 자석도 보고되어 있지만, 그 경우에는 반대로 보자력이 지나치게 작아, 실제 모터에서 얻어지는 자속 밀도 (실제로 사용될 때의 투자도에서의 자속 밀도)는 대단히 낮다. 또한, 보자력이 작기 때문에 열적 안정성도 저하된다.
3) 결합 자석은 내식성, 내열성이 낮다. 즉, 자석 분말의 자기 특성이 낮음을 보충하기 위해서, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 크게 해야 하고(즉, 결합 자석의 밀도를 극단적으로 고밀도화하게 되고), 그 결과 결합 자석은 내식성, 내열성이 열화되어 신뢰성이 낮아지게 된다.
본 발명의 목적은, 자기 특성이 우수하고, 신뢰성, 특히 온도 특성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말 및 등방성 결합된 자석을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노컴포지트 조직)의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노컴포지트 조직)의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노컴포지트 조직)의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 자석 재료를 제조하는 장치(급냉 리본 제조 장치)의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 장치에서 용융 금속이 냉각 롤과 충돌한 부위 부근의 상태를 나타내는 단면 측면도이다.
도 6은 비가역 대자율을 설명하기 위한 도면(J-H도)이다.
도 7은 감자 곡선 및 리코일 곡선을 나타내는 J-H도이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 화학식 Rx(Fe1-yCoy)100-x-z-wBzNbw(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이며, y은 0 내지 0.30이고, z는 4.6 내지 6.9원자%이며, w는 0.2 내지 3.5원자%이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지며, 소프트 자성상(磁性相)과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되는 자석 분말에 있어서, 결합 수지와 혼합하여 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 실온에서 자기 특성을 나타내는 J-H도에서의 감자 곡선과, 상기 J-H도 중의 원점을 통과하고 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선과의 교점을 출발점으로 하여 측정되는 비가역 대자율(χirr)이 5.0 x 10-7H/m 이하이며, 또한 실온에서의 고유 보자력(HcJ)이 320 내지 720kA/m인 것을 특징으로 하는 자석 분말에 의해 성취된다.
이에 따라, 자기 특성이 우수하고, 내열성(열적 안정성), 내식성 등이 우수한 자석을 제공할 수 있다.
이 경우, 결합 수지와 혼합하여 밀도 ρ[Mg/m3]의 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 실온에서 잔류 자속 밀도 Br[T]이 수학식 Br/ρ[x 10-6T·㎥/g] ≥ 0.125의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 자기 특성, 내열성(열적 안정성), 내식성 등이 더욱 향상된다.
또한, 본 발명의 자석 분말은 바람직하게는 결합 수지와 혼합하여 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 6.2% 이하이다. 이에 따라, 내열성(열적 안정성)이 특히 우수하게 된다.
이 경우, 상기 R은 바람직하게는 Nd 및/또는 Pr을 주성분으로 하는 희토류 원소이다. 이에 따라, 복합 조직(특히, 나노컴포지트 조직)을 구성하는 하드 자성상의 포화 자화가 향상되고, 보자력 또한 우수하게 된다.
바람직하게는, 상기 R은 Pr를 포함하며, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 5 내지 75%이다. 이에 따라, 잔류 자속 밀도를 거의 저하시키지 않으면서 보자력 및 각형성(角型性)을 향상시킬 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 R은 Dy를 포함하며, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 14% 이하이다. 이에 따라, 잔류 자속 밀도의 현저한 저하를 수반하지 않으면서 보자력 및 내열성(열적 안정성)을 향상시킬 수 있다.
또한, 바람직하게 이들의 자석 분말은 용융 합금을 급냉시켜서 수득된 것이다. 이에 따라, 금속 조직(결정립)을 비교적 용이하게 미세화할 수 있으며, 자기 특성 또한 향상시킬 수 있다.
또한, 바람직하게 상기 자석 분말은 냉각 롤을 이용하여 제조된 급냉 리본을 분쇄하여 얻어진 것이다. 이에 따라, 금속 조직(결정립)을 비교적 용이하게 미세화할 수 있으며, 자기 특성 또한 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 자석 분말은 바람직하게는 제조 과정중에 또는 제조후에 1회 이상 열 처리된다. 이에 따라, 조직이 균질화되거나, 분쇄에 의해 도입된 응력의 영향이 제거되고, 자기 특성 또한 향상된다.
또한, 본 발명의 자석 분말의 평균 입경은 바람직하게는 0.5 내지 150㎛이다. 이에 따라, 자기 특성을 특히 우수하게 할 수 있다. 또한, 결합 자석의 제조에 이용한 경우, 자석 분말의 함유량(함유율)이 높고, 자기 특성이 우수한 결합 자석이 얻어진다.
또한, 본 발명의 다른 측면은, Nb를 함유하는 자석 분말을 결합 수지로 결합시켜 이루어지는 등방성 결합된 자석에 있어서, 실온에서의 자기 특성을 나타내는 J-H도에서의 감자 곡선과, 상기 J-H도 중의 원점을 통과하고 또한 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선과의 교점을 출발점으로 하여 측정되는 비가역 대자율(χirr)이 5.0 x 10-7H/m 이하이며, 또한 실온에서의 고유 보자력(HcJ)이 320 내지 720kA/m인 것을 특징으로 하는 등방성 결합된 자석에 관한 것이다.
이에 따라, 자기 특성이 우수하고, 내열성(열적 안정성), 내식성 등이 우수한 등방성 결합된 자석을 제공할 수 있다.
이 경우, 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]가 수학식 Br/ρ≥0.125[x 10-6T·㎥/g](여기서, ρ는 등방성 결합된 자석의 밀도[Mg/㎥]이다)의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 자기 특성, 내열성(열적 안정성), 내식성 등이 특히 우수하게 된다.
상기 자석 분말은 바람직하게는 R-TM-B-Nb계 합금(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 철을 주성분으로 하는 전이 금속이다)으로 이루어진다. 이에 따라, 자기 특성, 내열성(열적 안정성), 내식성 등이 특히 우수하게 된다.
또한, 상기 자석 분말은 바람직하게는 화학식 Rx(Fe1-yCoy)100-x-z-wBzNbw(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이며, y은 0 내지 0.30이고, z는 4.6 내지 6.9원자%이며, w는 0.2 내지 3.5원자%이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어진다. 이에 따라, 자기 특성, 내열성(열적 안정성), 내식성 등이 특히 우수하게 된다.
상기 R은 바람직하게는 Nd 및/또는 Pr를 주성분으로 하는 희토류 원소이다. 이에 따라, 보자력 또한 우수하게 된다.
또한, 상기 R은 Pr를 포함하며, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 5 내지 75%이다. 이에 따라, 잔류 자속 밀도를 거의 저하시키지 않으면서 보자력 및 각형성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 R은 Dy를 포함하며, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 14% 이하이다. 이에 따라, 잔류 자속 밀도를 현저히 저하시키지 않으면서 보자력 및 내열성(열적 안정성)을 향상시킬 수 있다.
이들 등방성 결합된 자석은 바람직하게는 상기 자석 분말의 평균 입경이 0.5 내지 150㎛이다. 이에 따라, 자석 분말의 함유량(함유율)이 높고, 자기 특성이 우수한 등방성 결합된 자석을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 등방성 결합된 자석은 바람직하게는 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 6.2% 이하이다. 이에 따라, 내열성(열적 안정성)이 특히 우수하게 된다.
본 발명에 있어서, 바람직하게 상기 자석 분말은 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된다. 이에 따라, 착자성이 향상됨과 동시에, 내열성(열적 안정성)이 향상되며, 자기 특성의 경시 변화가 작아지게 된다.
또한, 본 발명의 등방성 결합된 자석은 바람직하게는 다극 착자에 제공되거나, 예비 다극 착자된 것이다. 이에 따라, 충분한 착자 자장이 얻어지지 않을 때에도 양호한 착자가 가능해지고, 충분한 자속 밀도가 얻어진다.
또한, 본 발명의 등방성 결합된 자석은 바람직하게는 모터에 이용된다. 이에 따라, 소형으로 고성능의 모터를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 구성 및 효과는 이하의 실시예의 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.
이하, 본 발명의 자석 분말 및 등방성 결합된 자석의 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
모터 등의 소형화를 도모하기 위하여, 자속 밀도가 높은 자석을 얻는 것이 과제로 되어 왔다. 결합 자석의 자속 밀도를 결정하는 요인은 자석 분말의 자화 값과, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)인데, 자석 분말 자체의 자화가 그다지 높지 않은 경우에는 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 극단적으로 크게 하지 않으면 충분한 자속 밀도를 얻을 수 없다.
현재 보급되어 있는 전술한 MQI사 제조의 MQP-B 분말은 전술한 바와 같이 용도에 따라서는 자속 밀도가 불충분하며, 이에 따라 결합 자석을 제조할 때에 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량을 높이는 것, 즉 고밀도화할 수 밖에 없어, 내식성, 내열성이나 기계적 강도 등의 측면에서 신뢰성이 결여됨과 동시에, 보자력이 높기 때문에 착자성이 악화되는 결점을 갖고 있다.
이에 반하여, 본 발명의 자석 분말 및 등방성 결합된 자석은 충분한 자속 밀도와 적절한 보자력이 얻어지고, 이에 따라 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)을 그다지 높일 필요가 없어, 그 결과 고강도이면서, 성형성, 내식성, 착자성 등이 우수한 신뢰성이 높은 결합 자석을 제공할 수 있고, 또한 결합 자석의 소형화, 고성능화에 의해 모터 등의 자석 탑재 기기의 소형화에도 크게 공헌할 수 있다.
또한, 본 발명의 자석 분말은 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직을 구성하는 것도 가능하다.
전술한 MQI사 제조의 MQP-B 분말은 하드 자성상의 단상 조직이지만, 이러한 복합 조직에서는 자화가 높은 소프트 자성상이 존재하기 때문에, 전체적인 자화가 높아지는 이점이 있고, 또한 리코일 투과율이 높아지기 때문에, 일단 역자장을 가하더라도 그 후의 감자율이 적은 이점을 갖는다.
자석 분말의 합금 조성
본 발명의 자석 분말은 R-TM-B-Nb계 합금(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소, TM은 철을 주성분으로 하는 전이 금속이다)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 화학식 Rx(Fe1-yCoy)100-x-z-wBzNbw(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이며, y은 0 내지 0.30이고, z는 4.6 내지 6.9원자%이며, w는 0.2 내지 3.5원자%이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지는 것이 특히 바람직하다.
R(희토류 원소)로는 Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 미쉬 금속(misch metal)을 들 수 있으며, 이들을 1종 또는 2종 이상포함하는 것이 가능하다.
R의 함유량(함유율)은 7.1 내지 9.9원자%이다. R이 7.1원자% 미만인 경우에는 충분한 보자력을 얻을 수 없어, Nb를 첨가하더라도 보자력 향상이 적다. 한편, R이 9.9원자%를 넘으면, 자화 퍼텐셜이 낮아지므로 충분한 자속 밀도를 얻을 수 없게 된다.
여기서, R은 Nd 및/또는 Pr를 주성분으로 하는 희토류 원소인 것이 바람직하다. 그 이유는, 이들 희토류 원소가 복합 조직(특히 나노컴포지트 조직)을 구성하는 하드 자성상의 포화 자화를 높이고, 또한 자석으로서 양호한 보자력을 실현하기 에 효과적이기 때문이다.
또한, R은 Pr를 포함하며, 그 비율이 R의 총량에 대해 5 내지 75%인 것이 바람직하고, 20 내지 60%인 것이 보다 바람직하다. 이 범위일 경우, 잔류 자속 밀도의 저하를 거의 발생시키지 않으면서 보자력 및 각형성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한, R은 Dy를 포함하며, 그 비율이 R의 총량에 대해 14% 이하인 것이 바람직하다. 이 범위일 경우, 잔류 자속 밀도를 크게 저하시키지 않으면서 보자력을 향상시킬 수 있으면서 온도 특성(열적 안정성)의 향상도 가능하기 때문이다.
Co는 Fc과 마찬가지의 특성을 갖는 전이 금속이다. Co 첨가(Fe의 일부 치환에 의함)에 의해 퀴리 온도가 높아져서 온도 특성이 향상되지만, Fe에 대한 Co의 치환 비율이 0.30을 넘으면 보자력, 자속 밀도는 모두 저하하는 경향을 나타낸다. Fe에 대한 Co의 치환 비율이 0.05 내지 0.20인 범위에서는 온도 특성의 향상 뿐만아니라, 자속 밀도 자체도 향상되기 때문에 더욱 바람직하다.
B(붕소)는 높은 자기 특성을 얻는 데 효과적인 원소이며, 그 함유량은 4.6 내지 6.9원자%이다. B가 4.6원자% 미만이면 B-H(J-H) 루프에서의 각형성이 나빠진다. 한편, B가 6.9원자%를 넘으면, 비자성상이 많아져 자속 밀도가 급감한다.
Nb는 보자력 향상에 있어서 유리한 원소이며, 특히 0.2 내지 3.5원자%의 범위에서 보자력 향상의 효과가 현저히 나타난다. 또한, 이 범위에서는 보자력이 향상됨에 따라 각형성 및 최대 자기 에너지곱도 향상된다. 또한, 내열성 및 내식성에 관해서도 양호하게 된다. 단, 상술한 바와 같이 R이 7.1원자% 미만인 경우에는 Nb 첨가에 의한 상기 효과가 대단히 작다. 또한, Nb가 3.5원자%를 넘으면, 자화가 저하된다.
그리고, Nb를 0.2 내지 3.5원자% 포함하는 것에 따른 또 하나의 중요한 효과는, 후술하는 비가역 대자율(χirr)을 작게 할 수 있으며, 또한 비가역 감자율을 개선할 수 있어, 자석의 내열성(열적 안정성)이 향상된다는 것이다. Nb가 0.2원자% 미만에서는 상기 효과가 적고, 또한 전술한 보자력의 향상도 적다,
또, Nb 자체는 신규 물질은 아니지만, 본 발명에서 실험 및 연구를 거듭한 결과, 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되는 자석 분말에 있어서, Nb를 0.2 내지 3.5원자%의 범위로 함유시킴으로써, 1) 우수한 각형성, 최대 자기 에너지곱을 확보하면서 보자력의 향상을 도모할 수 있고, 2) 후술하는 비가역 대자율(χirr)을 작게 할 수 있으며, 3) 비가역 감자율의 개선(절대값의 저감)을 도모할 수 있고, 4) 양호한 내식성을 유지할 수 있다고 하는 4가지의 효과가 얻어지며, 특히 이들 효과가 동시에 얻어진다는 것을 발견하였으며, 이 점에 본 발명의 의의가 있다.
또한, Nb 함유량의 바람직한 범위는 전술한 바와 같이 0.2 내지 3.5원자%이지만, 이 범위의 상한값은 3.0원자%인 것이 보다 바람직하고, 2.5원자%인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 자기 특성을 더욱 향상시키는 등의 목적으로, 자석 분말을 구성하는 합금중에는 필요에 따라, Al, Cu, Si, Ga, Ti, V, Ta, Zr, Mo, Hf, Ag, Zn, P, Ge, Cr, W으로 이루어지는 군(이하, 이 군을 "Q"로 나타냄)으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유할 수 있다. Q에 속하는 원소를 함유하는 경우, 그 함유량은 2원자% 이하인 것이 바람직하고, 0.1 내지 1.5원자%인 것이 보다 바람직하며, 0.2 내지 1.0원자%인 것이 더욱 바람직하다.
Q에 속하는 원소를 함유하게 되면, 그 종류에 따른 고유의 효과를 발휘한다. 예컨대, Al, Cu, Si, Ga, V, Ta, Zr, Cr은 내식성을 향상시키는 효과가 있다.
복합 조직
또한, 자석 재료는 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 되어있다.
이 복합 조직(나노컴포지트 조직)은 소프트 자성상(10)과 하드 자성상(11)이, 예컨대 도 1, 도 2 또는 도 3에 도시한 바와 같은 패턴(모델)으로 존재하고 있으며, 각 상(相)의 두께나 입경이 나노미터 수준(예컨대 1 내지 100㎚)으로 존재하고 있다. 그리고, 소프트 자성상(10)과 하드 자성상(11)이 서로 인접(입계상이 개입되어 인접한 경우도 포함)하여, 자기적인 교환 상호 작용을 발생한다. 또한, 도 1 내지 도 3에 나타낸 패턴은 일례로서, 이들에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 도 2에 나타낸 패턴에 있어서 소프트 자성상(10)과 하드 자성상(11)이 반대로 되어 있어도 무방하다.
소프트 자성상의 자화는 외부 자계의 작용에 의해 용이하게 그 방향을 바꾸기 때문에, 하드 자성상에 혼재할 경우, 계(系) 전체의 자화 곡선은 B-H도의 제 2 상현(the second quadrant)에 단을 갖는 "뱀형상(serpentine) 곡선"으로 된다. 그러나, 소프트 자성상의 사이즈가 수십 나노미터 이하로 충분히 작을 경우에는 소프트 자성체의 자화가 주위의 하드 자성체의 자화와의 결합에 의해 충분히 강하게 구속되어, 계 전체가 하드 자성체로서 기능하게 된다.
이와 같은 복합 조직(나노컴포지트 조직)을 갖는 자석은 주로 하기에 설명된 1) 내지 5)의 특징을 갖는다.
1) B-H도(J-H도)의 제 2 상현에서 자화가 가역적으로 스프링 백(spring back)한다(이러한 의미에서 "스프링 자석"이라고도 함).
2) 착자성이 좋아, 비교적 낮은 자장에서 착자가 가능하다.
3) 자기 특성의 온도 의존성이 하드 자성상 단독의 경우에 비해 작다.
4) 자기 특성의 경시 변화가 작다.
5) 미세분쇄하더라도 자기 특성이 열화하지 않는다.
전술한 합금 조성에 있어서, 하드 자성상 및 소프트 자성상은 예컨대, 하드자성상의 경우 R2TM14B계(여기서, TM은 Fe 또는 Fe와 Co) 또는 R2(TM, Nb)14B계(또는 R2(TM, Q)14B계, R2(TM, Nb, Q)14B계)로 되고, 소프트 자성상의 경우 TM(특히 α-Fe, α-(Fe, Co)) 또는 TM과 Nb와의 합금상, TM과 B와의 화합물상, TM과 B와 Nb와의 화합물상(또는 이들의 Q를 포함하는 상)으로 된다.
자석 분말의 제조
본 발명의 자석 분말은 용융 합금을 급냉시킴으로써 제조된 것이 바람직하고, 특히 합금의 용융물을 급냉, 고화시켜 수득된 급냉 리본을 분쇄하여 제조된 것이 바람직하다. 이하, 그 방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 4는 단일 롤을 이용한 급냉법에 의해 자석 재료를 제조하는 장치(급냉 리본 제조 장치)의 구성예를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4에 나타내는 장치에서 용융 금속이 냉각 롤과 충돌되는 부위 부근의 상태를 나타내는 단면 측면도이다.
도 4에 도시하는 바와 같이 급냉 리본 제조 장치(1)는 자석 재료를 수납할 수 있는 원통형 몸체(2)와, 상기 원통형 몸체(2)에 대하여 도면중 화살표 9A 방향으로 회전하는 냉각 롤(5)을 구비하고 있다. 원통형 몸체(2)의 하단에는 자석 재료(합금)의 용융물을 사출하는 노즐(오리피스)(3)이 형성되어 있다.
또한, 원통형 몸체(2)의 노즐(3) 근방의 외주에는 가열용 코일(4)이 배치되고, 이 코일(4)에 예컨대 고주파를 인가함으로써 원통형 몸체(2)내를 가열(유도 가열)하여 원통형 몸체(2)내의 자석 재료를 용융 상태로 만든다.
냉각 롤(5)은 베이스부(51)와, 냉각 롤(5)의 주면(53)을 형성하는표면부(52)로 구성되어 있다.
베이스부(51)의 구성 재료는 표면층(52)과 동일한 재질에 의해 일체형으로 구성될 수 있으며, 표면층(52)과는 다른 재질로 구성될 수도 있다.
베이스부(51)의 구성 재료는 특별히 한정되어 있지 않지만, 표면층(52)의 열을 보다 빠르게 방산할 수 있도록, 예컨대 동 또는 동계 합금과 같은 열전도율이 높은 금속 재료로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 표면층(52)은 열전도율이 베이스부(51)와 동등하거나 또는 베이스부(51)보다 낮은 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 표면층(52)의 구체예로는 Cr 등의 금속박층 또는 금속 산화물층 또는 세라믹을 들 수 있다.
세라믹으로는 예컨대 Al2O3, SiO2, TiO2, Ti2O3, ZrO2, Y2O3, 티탄산 바륨, 티탄산 스트론튬 등의 산화물계 세라믹, AlN, Si3N4, TiN, BN 등의 질화물계 세라믹, 흑연, SiC, ZrC, Al4C3, CaC2, WC 등의 탄화물계의 세라믹, 또는 이중 둘 이상을 임의로 조합한 복합 세라믹을 들 수 있다.
이러한 급냉 리본 제조 장치(1)는 챔버(도시하지 않음)내에 설치되어, 해당 챔버내에 바람직하게는 불활성 가스 또는 그 밖의 분위기 가스가 충전된 상태에서 작동한다. 특히, 급냉 리본(8)의 산화를 방지하기 위하여, 분위기 가스는 예컨대 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 등의 불활성 가스인 것이 바람직하다.
급냉 리본 제조 장치(1)에서는 원통형 몸체(2)내에 자석 재료(합금)를 넣고 코일(4)에 의해 가열하여 용융하여, 그 용융물(6)을 노즐(3)로부터 토출시키고, 도5에 도시하는 바와 같이 용용물(6)은 냉각 롤(5)의 주면(53)에 충돌하여 퍼들(puddle)(7)을 형성한 후, 회전하는 냉각 롤(5)의 주면(53)에 끌리면서 급속하게 냉각되어 응고되어서, 급냉 리본(8)가 연속적으로 또는 단속적으로 형성된다. 이렇게 하여 형성된 급냉 리본(8)는 결국 그 롤면(81)이 주면(53)으로부터 벗어나 도 4중의 화살표 9B 방향으로 진행한다. 또한, 도 5 중 용융물의 응고 계면(71)을 점선으로 나타낸다.
냉각 롤(5)의 원주속도는 합금 용융물의 조성, 주면(53)의 용융물(6)에 대한 습윤성 등에 의해 그 바람직한 범위가 서로 다르지만, 자기 특성 향상을 위해 통상 1 내지 60m/초인 것이 바람직하며, 5 내지 40m/초인 것이 보다 바람직하다. 냉각 롤(5)의 원주속도가 너무 늦으면, 급냉 리본(8)의 체적 유량(단위 시간당 토출되는 용융물의 부피)에 따라서는 급냉 리본(8)의 두께(t)가 두꺼워져 결정 입경이 증대되기 쉽고, 반대로 냉각 롤(5)의 원주속도가 지나치게 빠르면, 대부분이 비정질 조직으로 되므로, 상기 경우 둘다에서 이후에 열 처리를 가했다고 하더라도 자기 특성의 향상을 기대할 수 없게 된다.
또한, 얻어진 급냉 리본(8)에 대해서는 예컨대 비정질 조직의 재결정화의 촉진, 조직의 균질화를 위해 1회 이상 열 처리할 수 있다. 열 처리 조건으로는 예컨대 400 내지 900℃에서 0.5 내지 300분 정도로 할 수 있다.
또한, 열 처리는 산화를 방지하기 위해서, 진공 또는 감압 상태하(예컨대 1 x 10-1내지 1 x 10-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성가스와 같은 비산화성 분위기속에서 실시하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 제조 방법에 의해 얻어진 급냉 리본(리본 형상의 자석 재료)(8)는 미세 결정 조직, 또는 미세 결정이 비정질(amorphous) 조직중에 함유된 조직으로 되어 우수한 자기 특성이 얻어진다. 그 다음, 상기 급냉 리본(8)를 분쇄함으로써 본 발명의 자석 분말이 얻어진다.
분쇄의 방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대 볼 밀, 진동 밀, 제트 밀, 핀 밀 등의 각종 분쇄 장치, 파쇄 장치를 이용하여 실행할 수 있다. 이 경우, 분쇄는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하(예컨대 1 x 10-1내지 1 x 10-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스와 같은 비산화성 분위기속에서 실시하는 것도 가능하다.
자석 분말의 평균 입경은 특별히 한정되지는 않지만, 후술하는 등방성 결합된 자석을 제조하기 위한 경우, 자석 분말의 산화 방지와, 분쇄에 의한 자기 특성 열화의 방지를 고려하여, 0.5 내지 150㎛ 정도가 바람직하고, 0.5 내지 80㎛ 정도가 보다 바람직하며, 1 내지 50㎛ 정도가 더욱 바람직하다.
또한, 결합 자석의 성형시에 보다 양호한 성형성을 얻기 위하여, 자석 분말의 입경 분포는 어느 정도 분산되어 있는(편차가 있는) 것이 바람직하다. 이에 따라, 얻어진 결합 자석의 공극율(空孔率)을 저감할 수 있고, 그 결과 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 동일하게 했을 때, 결합 자석의 밀도 또는 기계적 강도를 보다 높일 수 있으며, 자기 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 예컨대 분쇄에 의해 도입된 응력의 영향의 제거, 결정 입경의 제어를 위해 얻어진 자석 분말을 열 처리할 수 있다. 열 처리 조건으로는 예컨대 350 내지 850℃에서 0.5 내지 300분 정도로 할 수 있다.
또한, 열 처리는 산화를 방지하기 위해서 진공 또는 감압 상태하(예컨대 1 x 10-1내지 1 x 10-6Torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스와 같은 비산화성 분위기속에서 실행하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 자석 분말을 이용하여 결합 자석을 제조한 경우, 그와 같은 자석 분말은 결합 수지와의 결합성(결합 수지의 습윤성(wettability))이 양호하기 때문에, 결합 자석은 기계적 강도가 높고, 열안정성(내열성), 내식성이 우수해진다. 따라서, 상기 자석 분말은 결합 자석의 제조에 적합하다.
또한, 이상에서는 급냉법으로서 단일 롤법을 예로 들어 설명하였지만, 쌍롤법을 채택하여 사용할 수도 있다. 또한, 그 밖에, 예컨대 가스 분무(gas atomization)와 같은 분무법, 회전 디스크법, 용융 추출법, 기계적 합금법(MA) 등에 의해 제조할 수 있다. 이러한 급냉법은 금속 조직(결정립)을 미세화할 수 있으며, 결합 자석의 자석 특성, 특히 보자력 등을 향상시키는 데 유효하다.
결합 자석 및 그 제조
이하에서, 본 발명의 등방성 결합된 자석(이하, 간단히 "결합 자석"이라고 함)에 대하여 설명한다.
본 발명의 결합 자석은 바람직하게는 전술한 자석 분말을 결합 수지로 결합하여 이루어지는 것이다.
결합 수지(바인더)로는 열가소성 수지, 열경화성 수지 중 임의의 것일 수 있다.
열가소성 수지로는 예컨대 폴리아미드(예: 나일론 6, 나일론 46, 나일론 66, 나일론 610, 나일론 612, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6-12, 나일론 6-66), 열가소성 폴리이미드, 방향족 폴리에스테르 등의 액정 폴리머, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-초산비닐공중합체 등의 폴리올레핀, 변성 폴리올레핀, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리아세탈 등, 또는 이들을 주성분으로 하는 공중합체, 블렌드체, 폴리머 합금 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이중에서도 성형성이 특히 우수하고, 기계적 강도가 높다는 점에서 폴리아미드가 바람직하고, 내열성 향상의 측면에서는 액정 폴리머, 폴리페닐렌설파이드를 주성분으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 열가소성 수지는 자석 분말과의 혼련성도 우수하다.
이러한 열가소성 수지는 그 종류, 공중합화 등에 의해, 예컨대 성형성을 중시한 것 또는 내열성, 기계적 강도를 중시한 것 등의 광범위한 선택이 가능해지는 이점이 있다.
한편, 열경화성 수지로는 예컨대 비스페놀형, 노보락형, 나프탈렌계 등의 각종 에폭시 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르(불포화 폴리에스테르)수지, 폴리이미드수지, 실리콘수지, 폴리우레탄수지 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 이용할 수 있다.
이중에서도, 성형성이 특히 우수하고, 기계적 강도가 높으며, 내열성이 우수하다는 점에서, 에폭시수지, 페놀수지, 폴리이미드수지, 실리콘수지가 바람직하고, 에폭시수지가 특히 바람직하다. 또한, 이들 열경화성 수지는 자석 분말과의 혼련성, 혼련의 균일성도 우수하다.
또한, 사용되는 열경화성 수지(미경화)는 실온에서 액상이지만, 고형(분말 형상)인 것도 무방하다.
이러한 본 발명의 결합 자석은 예컨대 다음과 같이 제조된다. 자석 분말, 및 결합 수지, 필요에 따라 첨가제(산화 방지제, 윤활제 등)를 혼합, 혼련(예컨대, 온간 혼련)하여 결합 자석용 조성물(컴파운드)을 제조하고, 이 결합 자석용 조성물을 이용하여 압축 성형(프레스 성형), 압출 성형, 사출 성형 등의 성형 방법에 의해, 무자장중에서 원하는 형상의 자석을 형성한다. 결합 수지가 열경화성 수지인 경우에는 성형후 가열 등에 의해 경화시킨다.
여기서, 상기 3종의 성형 방법 중, 압출 성형 및 사출 성형(특히, 사출 성형)은 형상 선택의 자유도가 넓고, 생산성이 높다는 등의 이점이 있지만, 이들 성형 방법에서는 양호한 성형성을 얻기 위하여 성형기 내에 컴파운드의 충분한 유동성을 확보해야 하기 때문에, 압축 성형에 비해 자석 분말의 함유량을 많게 하는 것, 즉 결합 자석을 고밀도화하는 것이 불가능하다. 그러나, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 높은 자속 밀도가 얻어지고, 그 때문에 결합 자석을 고밀도화하지 않더라도 우수한 자기 특성이 얻어지기 때문에, 압출 성형, 사출 성형에 의해 제조되는 결합 자석에도 그 이점을 누릴 수 있다.
결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)은 특별히 한정되지 않으며, 통상 성형 방법, 또는 성형성과 고자기 특성의 양립을 고려하여 결정된다. 구체적으로는 75 내지 99.5중량% 범위가 바람직하고, 85 내지 97.5중량% 범위가 보다 바람직하다.
특히, 결합 자석이 압축 성형에 의해 제조된 경우에는, 자석 분말의 함유량은 90 내지 99.5중량% 범위가 바람직하고, 93 내지 98.5중량% 범위가 보다 바람직하다.
또한, 결합 자석이 압출 성형 또는 사출 성형에 의해 제조된 경우에, 자석 분말의 함유량은 75 내지 98중량% 범위가 바람직하고, 85 내지 97중량% 범위가 보다 바람직하다.
결합 자석의 밀도 ρ는 포함되어 있는 자석 분말의 비중, 자석 분말의 함유량, 공극율 등의 요인에 의해 결정된다. 본 발명의 결합 자석에서 밀도 ρ는 특별히 한정되지 않지만, 5.3 내지 6.6Mg/㎥ 범위가 바람직하고, 5.5 내지 6.4Mg/㎥ 범위가 보다 바람직하다.
본 발명에서는 자석 분말의 자속 밀도, 보자력이 크기 때문에, 결합 자석을 형성한 경우, 자석 분말의 함유량이 많은 경우는 물론, 함유량이 비교적 적은 경우에도 우수한 자기 특성(특히, 높은 최대 자기 에너지곱(BH)max)이 얻어진다.
본 발명의 결합 자석의 형상, 치수 등은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 형상에 관해서는 원주 형상, 각주 형상, 원통 형상(링 형상), 원호 형상, 평판 형상, 만곡판 형상 등의 모든 형상이 가능하며, 그 크기도 대형에서부터 초소형에 이르는 모든 크기가 가능하다. 특히, 소형화, 초소형화된 자석에 유리한 것은 본 명세서중에서 자주 언급하는 바와 같다.
이러한 것으로부터, 본 발명의 결합 자석은 다극 착자에 제공되거나, 예비 다극 착자된 것인 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명의 결합 자석은 실온에서의 자기 특성을 나타내는 J-H도(종축을 자화(J), 횡축을 자계(H)로 한 도면)에서의 감자 곡선에서, J-H도 중의 원점을 통과하고, 또한 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선과의 교점을 출발점으로 하여 측정되는 비가역 대자율(χirr)이 5.0 x 10-7H/m 이하이며, 또한 실온에서의 고유 보자력(HcJ)이 320 내지 720kA/m인 자기 특성(자기 성능)을 갖고 있다. 이하, 비가역 대자율(χirr), 고유 보자력(HcJ) 및 잔류 자속 밀도(Br)와 밀도(ρ)의 관계에 대하여 차례로 설명한다.
비가역 대자율
비가역 대자율(χirr)이란, 도 6에 도시하는 바와 같이 J-H도에의 감자 곡선에 있어서, 임의의 점 P에서의 해당 감자 곡선의 접선의 기울기를 미분대자율(χdif)로 하고, 상기 점 P에서 일단 감자계의 크기를 감산하여 리코일 곡선을 그렸을 때의 해당 리코일 곡선의 기울기(리코일 곡선의 양단을 잇는 직선 기울기)를 가역 대자율(χrev)로 했을 때, 다음 수학식 1로 표시되는 것(단위:H/m)을 말한다:
또한, 본 발명에서는 J-H도의 감자 곡선에 있어서, J-H도 중의 원점을 통과하고, 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선 y와의 교점을 상기 점 P로 하였다.
본 발명에서, 실온에서의 비가역 대자율(χirr)의 상한값을 5.0 x 10-7H/m로 정한 이유는 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 비가역 대자율(χirr)은 일단 감자계를 형성한 후, 그 절대값을 감소시키더라도 되돌아가지 않는 자화의 자계에 대한 변화율을 나타내는 것이기 때문에, 이 비가역 대자율(χirr)을 어느 정도 작은 값으로 억제함으로써, 결합 자석의 열적 안정성의 향상, 특히 비가역 감자율의 절대값의 저감을 도모할 수 있다. 실제로 본 발명에 있어서의 비가역 대자율(χirr)의 범위는, 결합 자석을 예컨대 100℃ 및 1시간의 환경하에서 방치한 후, 실온까지 되돌렸을 때의 비가역 감자율은 그 절대값이 약 5% 이하로 되어, 실용상(특히 모터 등의 사용에 있어서) 충분한 내열성, 즉 열적 안정성이 얻어진다.
이에 반하여, 비가역 대자율(χirr)이 5.00 x 10-7H/m을 넘으면, 비가역 감자율의 절대값이 증대하여 충분한 열적 안정성을 얻을 수 없다. 또한, 고유 보자력이 낮아지게 됨과 동시에 각형성이 나빠지기 때문에, 결합 자석의 실제 사용에 있어서 투자도 계수(Pc)가 커지는(예컨대 Pc≥5) 용도에서의 사용으로 제한된다. 또한, 보자력의 저하는 열적 안정성의 저하를 초래한다.
실온에서의 비가역 대자율(χirr)을 5.0 x 10-7H/m 이하라고 정한 이유는 상기와 같지만, 비가역 대자율(χirr)은 가능한 한 작은 값이 바람직하며, 따라서 본 발명에서는 비가역 대자율(χirr)이 4.5 x 10-7H/m 이하인 것이 보다 바람직하고, 4.0 x 10-7H/m 이하인 것이 더욱 바람직하다.
고유 보자력
결합 자석의 실온에서의 고유 보자력(HcJ)은 320 내지 720kA/m이다. 특히, 400 내지 640kA/m가 보다 바람직하다.
고유 보자력(HcJ)이 상기 상한값을 넘으면, 착자성이 떨어져 충분한 자속 밀도가 얻어지지 않는다.
한편, 고유 보자력(HcJ)이 상기 하한값 미만이면, 모터의 용도에 따라서는 역자장이 걸렸을 때의 감자가 현저하게 되고, 또한 고온에서의 내열성이 떨어진다. 따라서, 고유 보자력(HcJ)을 상기 범위로 함으로써, 결합 자석(특히, 원통 형상 자석)에 다극 착자 등을 행하는 경우에, 충분한 착자 자장을 얻을 수 없더라도 양호한 착자가 가능해지고, 충분한 자속 밀도를 얻을 수 있어, 고성능의 결합 자석, 특히 모터용 결합 자석을 제공할 수 있다.
잔류 자속 밀도 Br과 밀도 ρ의 관계
잔류 자속 밀도 Br(T)과 밀도 ρ(Mg/㎥) 사이에서 하기 수학식 2의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다:
또한, 수학식 2 대신에 수학식 3를 만족시키는 것이 보다 바람직하고, 수학식 4을 만족시키는 것이 더욱 바람직하다:
Br/ρ[x 10-6T·㎥/g]의 값이 상기 수학식 2 내지 4중의 하한값 미만일 경우, 자석의 밀도를 높게 하지 않으면, 즉 자석 분말의 함유량(함유율)을 높게 하지않으면, 충분한 자속 밀도를 얻을 수 없다. 그러한 경우, 성형 방법의 제약, 고비용화, 결합 수지의 감소에 의한 성형성의 저하라는 문제를 초래한다. 또한, 일정한 자속 밀도를 얻기 위해서는 부피가 늘어나게 되어, 기기의 소형화가 곤란하게 된다.
또한, 본 발명의 결합 자석은 최대 자기 에너지곱, 비가역 감자율에 대하여 이하에 설명하는 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
최대 자기 에너지곱(BH) max
최대 자기 에너지곱(BH)max는 60kJ/㎥ 이상인 것이 바람직하고, 65kJ/㎥ 이상인 것이 보다 바람직하며, 70 내지 130kJ/㎥인 것이 더욱 바람직하다. 최대 자기 에너지곱(BH)max이 60kJ/㎥ 미만이면, 모터용으로 이용한 경우에 그 종류, 구조에 따라서는 충분한 토크를 얻을 수 없다.
비가역 감자율
비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값은 6.2% 이하인 것이 바람직하고, 5% 이하인 것이 보다 바람직하며, 4% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라, 열적 안정성(내열성)이 우수한 결합 자석을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적 실시예에 대하여 설명한다.
(실시예 1)
이하에 설명하는 바와 같은 방법으로 합금 조성이(Nd0.7Pr0.25Dy0.05)8.7FebalCo7.0B5.6Nbw로 표시되는 자석 분말(Nb 함유량 w을 다양하게 변화시킨 7종의 자석 분말)을 얻었다.
우선, Nd, Pr, Dy, Fe, Co, B, Nb의 각 원료를 칭량하여 모(母)합금 잉곳(ingot)을 주조하고, 이 잉곳으로부터 약 15g의 샘플을 잘라내었다.
도 4 및 도 5에 나타내는 구성의 급냉 리본 제조 장치(1)를 준비하고, 바닥부에 노즐(원형 오리피스: 오리피스 직경 0.55㎜)(3)을 마련한 석영관 내에 상기 샘플을 넣었다. 급냉 리본 제조 장치(1)가 수납되어 있는 챔버내를 탈기시킨 후, 불활성 가스(아르곤 가스)를 도입하여 원하는 온도 및 압력의 분위기로 하였다.
냉각롤(5)로는, 동(銅)제의 베이스부(51) 외주에, WC로 이루어지는 두께 약 5㎛의 표면층(52)을 마련한 롤(직경 200㎜)을 이용하였다.
그 후, 석영관내의 잉곳 샘플을 고주파 유도 가열에 의해 용해하고, 또한 용융물의 분사압(석영관의 내압과 분위기압의 압력 차), 냉각 롤의 원주속도를 조정하여, 급냉 리본을 제작하였다.
얻어진 급냉 리본을 대강 분쇄한 후, 아르곤 가스 분위기 속에서 710℃에서 300초동안 열 처리를 실시하여 자석 분말을 얻었다.
다음에, 입도 조정을 위해, 상기 자석 분말을 다시 분쇄기를 이용하여 아르곤 가스 속에서 분쇄하여, 평균 입경 60㎛의 자석 분말로 만들었다.
얻어진 각 자석 분말의 상(相) 구성을 분석하기 위해서 Cu-Kα를 이용하여 회절각 20° 내지 60°로 X선 회절을 실시하였다. 회절 패턴으로부터 하드 자성상인 R2(Fe·Co)14B형 상과 소프트 자성상인 α-(Fe, Co)형 상의 회절 피크를 확인할 수 있고, 투과형 전자 현미경(TEM)에 의한 관찰 결과로부터, 모두 복합 조직(나노컴포지트 조직)을 형성하는 것이 확인되었다.
이 자석 분말에, 폴리아미드 수지(나일론 12)와, 소량의 히드라진계 산화 방지제 및 윤활제를 혼합하고, 이들을 225℃에서 15분간 혼련하여 결합 자석용 조성물(컴파운드)을 제작하였다. 이 때, 자석 분말과 폴리아미드 수지(나일론 12)와의 배합 비율(중량비)은 각 결합 자석에 대하여 거의 동등한 값으로 하였다. 즉, 각 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)은 약 97중량%였다.
이어서, 이 컴파운드를 분쇄하여 입상으로 만들고, 이 입상물을 칭량하여 프레스 장치의 금형내에 충전한 후, 온도 210℃, 압력 800MPa로 압축 성형(무자장내)하여 직경 10㎜, 높이 7㎜의 원주상 등방성 결합된 자석을 얻었다. 각 결합 자석의 밀도 ρ를 아르키메데스법에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
자기 특성, 비가역 대자율의 평가
각 결합 자석에 대하여, 자장 강도 3.2MA/m로 펄스 착자를 실시한 후, 직류 자기 자속계(도에이 공업(주) 제품, TRF-5BH)로 최대 인가 자장 2.0MA/m에서 자기 특성(잔류 자속 밀도 Br, 고유 보자력 HcJ, 최대 자기 에너지곱(BH)max)을 측정하였다. 측정시의 온도는 23℃(실온)이었다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 수득된 J-H도의 감자 곡선에 있어서, 원점을 통과하고 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선과의 교점 P를 출발점으로 하여, 여기서부터 자계를 일단 0까지 변화시킨 후 다시 본래대로 되돌려 리코일 곡선을 그리고, 이 리코일 곡선의 기울기(리코일 곡선의 양단을 잇는 직선의 기울기)를 가역 대자율(χrev)로 구했다. 또한, 상기 교점 P에서의 감자 곡선의 접선의 기울기를 미분 대자율(χdif)로서 구하였다. 실온에서의 비가역 대자율(χirr)은 χirr=χdif-χrev로서 구하였다. 이들의 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
내열성 평가
이하에서, 상기 각 결합 자석(직경 10㎜ x 높이 7㎜의 원주 형상)의 내열성(열적 안정성)을 조사하였다. 이 내열성은 결합 자석을 100℃ 및 1시간의 환경하에서 유지한 후, 실온까지 되돌렸을 때의 비가역 감자율(초기 감자율)을 측정하여 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 작을수록 내열성(열적 안정성)이 우수하다.
샘플번호 w ρ(Mg/㎥) Br(T) HcJ(kA/m) (BH)max(kJ/㎥) Br/ρ(x 10-6T·㎥/g) χirr(x 10-7H/m) 비가역 감자율(%)
1(비교예) 0.1 6.27 0.83 345 75.6 0.132 7.5 -6.5
2(본발명) 0.2 6.26 0.87 415 104.8 0.139 4.8 -4.7
3(본발명) 0.5 6.32 0.90 478 113.2 0.142 3.7 -4.0
4(본발명) 1.2 6.29 0.92 496 115.9 0.146 3.2 -3.6
5(본발명) 2.5 6.30 0.90 530 112.0 0.143 3.0 -3.2
6(본발명) 3.3 6.33 0.81 561 102.7 0.128 2.7 -2.7
7(비교예) 3.6 6.31 0.76 553 79.1 0.120 3.3 -3.5
종합 평가
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 자석 분말중의 Nb 함유량 w가 0.2 내지3.5원자%이고 비가역 대자율(χirr)이 5.0 x 10-7H/m 이하인 등방성 결합된 자석(샘플 2번 내지 6번)은 모두 우수한 자기 특성(잔류 자속 밀도, 고유 보자력, 최대 자기 에너지곱)을 가지며, 비가역 감자율의 절대값도 작기 때문에 내열성(열적 안정성)이 높고, 또한 착자성도 양호하다.
이상으로부터, 본 발명에 따르면, 고성능으로 신뢰성(특히, 내열성)이 높은 결합 자석을 제공할 수 있다. 특히, 결합 자석을 모터로서 사용한 경우에, 높은 성능이 발휘된다.
(실시예 2)
실시예 1과 마찬가지로 하여, 합금 조성이 (Nd0.75Pr0.20Dy0.05)8.9FebalCo6.9B5.5Nb1.5로 표시되는 자석 분말을 얻었다.
얻어진 자석 분말에, 폴리아미드 수지(나일론 12)와, 소량의 히드라진계 산화 방지제 및 윤활제를 혼합하고, 이들을 200 내지 230℃에서 15분간 혼련하여 결합 자석용 조성물(컴파운드)을 제작하였다. 이 때, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)을 다양하게 변화시켜, 7종류의 컴파운드를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 컴파운드 중 자석 분말의 함유량이 비교적 많은 컴파운드는 분쇄하여 입상으로 만든 후, 무자장중에서 압축 성형함으로써, 또한 자석 분말의 함유량이 비교적 적은 컴파운드는 분쇄하여 입상으로 만든 후, 무자장중에서 사출 성형함으로써 결합 자석을 제조하였다.
또한, 결합 자석의 치수는 모두 직경 10㎜ x 높이 7㎜의 원주 형상이었다.
압축 성형은 입상물을 프레스 장치의 금형내에 충전하여, 온도 210 내지 220℃, 압력 800MPa에서 실시하였다. 사출 성형은 성형시의 금형 온도를 90℃, 사출 실린더 내부 온도를 230 내지 280℃로 하여 성형하였다.
이렇게 하여 수득된 각 결합 자석에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 자기 특성의 측정 및 내열성 시험을 하였다. 이들의 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
샘플번호 혼련온도(℃) 성형 방법 성형 온도(℃) ρ(Mg/㎥) Br(T) HcJ(kA/m) (BH)max(kJ/㎥) Br/ρ(x10-6T·㎥/g) χirr(x10-7H/m) 비가역 감자율(%)
8(본발명) 200 사출 230 5.30 0.78 563 83.4 0.147 2.1 -2.2
9(본발명) 203 사출 245 5.50 0.80 551 88.3 0.146 2.3 -2.5
10(본발명) 211 사출 260 5.67 0.82 542 92.6 0.145 2.5 -2.9
11(본발명) 216 사출 275 5.80 0.84 535 96.2 0.144 2.7 -3.1
12(본발명) 220 압축 210 5.95 0.85 531 100.5 0.143 2.9 -3.4
13(본발명) 224 압축 215 6.21 0.88 517 108.8 0.142 3.2 -3.7
14(본발명) 230 압축 220 6.48 0.92 510 118.4 0.142 3.8 -4.2
종합 평가
표 2로부터 명백해진 바와 같이, 본 발명의 결합 자석은 밀도 ρ가 넓은 범위에 걸쳐 우수한 자기 특성(잔류 자속 밀도 Br, 최대 자기 에너지곱(BH)max및 보자력 HcJ)을 가짐과 동시에, 비가역 감자율이 작아 열적 안정성(내열성)도 우수하다.
특히, 본 발명의 결합 자석은, 사출 성형에 의해서 얻어지는 저밀도 결합 자석인 경우(자석 분말의 함유량이 적은 경우)에도 우수한 자기 특성을 갖고 있지만, 이것은 다음과 같은 이유 때문인 것으로 추정된다.
저밀도, 즉 결합 수지의 함유량이 많으면, 혼련시 또는 성형시에 컴파운드의 유동성이 높아진다. 따라서, 자석 분말과 결합 수지를 비교적 저온, 단시간에 혼련하는 것이 가능하게 되어, 혼련시에 있어서의 이들의 균일화를 용이하게 달성할 수 있다. 또한, 컴파운드의 유동성이 높으면, 성형도 비교적 저온, 단시간에 간편하게 실행할 수 있게 된다. 즉, 성형 조건을 완화시킬 수 있다. 그 결과, 혼련시, 성형시에 있어서의 자석 분말의 열화(산화 등)를 최소한으로 억제할 수 있으며, 따라서 고자기 특성의 결합 자석이 얻어져 성형성도 향상된다.
또한, 컴파운드의 유동성이 높으면, 얻어지는 결합 자석의 공극율을 낮게 할 수 있고, 따라서 기계적 강도의 향상과 더불어 자기 특성도 향상된다.
(실시예 3)
실시예 1에서 얻어진 각 자석 분말을 이용하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 외경 22㎜ x 내경 20㎜ x 높이 4㎜의 원통 형상(링 형상)의 등방성 결합된 자석을 제조하여, 얻어진 각 결합 자석을 8극으로 다극 착자하였다. 착자시에 착자 코일에 흘려보내는 전류값은 16kA로 하였다.
또한, 이 때 착자율 90%를 달성하는 데 필요한 착자 자계의 크기는 비교적 작아 착자성은 양호하였다.
이렇게 하여 착자된 각 결합 자석을 로터 자석으로 이용하여, CD-ROM용 스핀들 모터를 조립하였다.
각 CD-ROM용 스핀들 모터에 있어서, 로터를 1000rpm으로 회전시켰을 때의 권선 코일에 발생한 역기전압을 측정하였다. 그 결과, 샘플 1번과 7번(모두 비교예)의 결합 자석을 이용한 모터는 전압이 0.80V 이하인데 반하여, 샘플 2번 내지 6번(본 발명)의 결합 자석을 이용한 모터는 모두 0.96V 이상으로 20% 이상 높은 값이 얻어졌다.
그 결과, 본 발명의 결합 자석을 이용하면 고성능의 모터를 제조할 수 있다는 것이 확인되었다.
결합 자석을 압출 성형에 의해 제조한(결합 자석중의 자석 분말의 함유율:92 내지 95중량%) 것 이외에는, 상기 실시예 1 내지 3과 동일하게 하여 본 발명의 결합 자석 및 모터를 제조해서 성능 평가를 실시한 바, 상기와 마찬가지의 결과가 얻어졌다.
결합 자석을 사출 성형에 의해 제조한 (결합 자석중의 자석 분말의 함유율:90 내지 93중량%) 것 이외에는, 상기 실시예 1 내지 3과 동일하게 하여 본 발명의 결합 자석 및 모터를 제조해서 성능 평가를 실시한 바, 상기와 마찬가지의 결과가 얻어졌다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 얻어진다.
첫째, 자석 분말이 Nb를 소정량 함유하고, 또한 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직을 가짐으로써 자화가 높고, 우수한 자기 특성을 발휘하며, 특히 고유 보자력과 각형성이 개선된다.
둘째, 비가역 감자율의 절대값이 작아 우수한 내열성(열적 안정성)이 얻어진다.
셋째, 높은 자속 밀도가 얻어지기 때문에, 등방성이어도 고자기 특성을 갖는 결합 자석이 얻어진다. 특히, 종래의 등방성 결합된 자석에 비해, 보다 작은 부피의 결합 자석으로 동등 이상의 자기 성능을 발휘할 수 있기 때문에, 보다 소형으로 고성능의 모터를 수득할 수 있다.
넷째, 높은 자속 밀도가 얻어지기 때문에, 결합 자석의 제조에 있어서, 고밀도화를 추구하지 않더라도 충분히 높은 자기 특성을 얻을 수 있고, 그 결과, 성형성 향상과 더불어 치수 정밀도, 기계적 강도, 내식성, 내열성(열적 안정성) 등을 한층 더 향상시킬 수 있으며, 신뢰성이 높은 결합 자석을 용이하게 제조할 수 있게 된다.
다섯째, 착자성이 양호하기 때문에, 보다 낮은 착자 자장으로 착자할 수 있고, 특히 다극 착자 등을 용이하고 확실히 실행할 수 있으며, 또한 높은 자속 밀도를 얻을 수 있다.
여섯째, 고밀도화를 필요로 하지 않으므로, 압축 성형법에 비하여 고밀도의 성형을 하기 어려운 압출 성형법 또는 사출성형법에 의한 결합 자석의 제조에도 적합하며, 이러한 성형 방법으로 성형된 결합 자석에 있어서도 전술한 바와 같은 효과가 얻어진다. 따라서, 결합 자석의 성형 방법의 선택의 폭, 나아가 그것에 의한 형상 선택의 자유도가 넓어진다.

Claims (22)

  1. 화학식 Rx(Fe1-yCoy)100-x-z-wBzNbw(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이며, y는 0 내지 0.30이고, z는 4.6 내지 6.9원자%이며, w는 0.2 내지 3.5원자%이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지며, 소프트 자성상(磁性相)과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되는 자석 분말에 있어서,
    상기 자석 분말을 결합 수지와 혼합하여 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 실온에서 자기 특성을 나타내는 J-H도에서의 감자 곡선(demagnetization curve)과, 상기 J-H도 중의 원점을 통과하고 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선과의 교점을 출발점으로 하여 측정되는 비가역 대자율(χirr)이 5.0 x 10-7H/m 이하이며, 실온에서의 고유 보자력(HcJ)이 320 내지 720kA/m인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
  2. 제 1 항에 있어서,
    결합 수지와 혼합하여 밀도 ρ[Mg/㎥]의 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]이 수학식 Br/ρ[x 10-6T·㎥/g]≥0.125의 관계를 만족시키는 자석 분말.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    결합 수지와 혼합하여 등방성 결합된 자석을 형성하는 경우, 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 6.2% 이하인 자석 분말.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 R이 Nd 및/또는 Pr을 주성분으로 하는 희토류 원소인 자석 분말.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 R이 Pr을 포함하고, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 5 내지 75%인 자석 분말.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 R이 Dy를 포함하여, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 14% 이하인 자석 분말.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    용융 합금을 급냉시켜서 수득되는 자석 분말.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    냉각 롤을 이용하여 제조된 급냉 리본을 분쇄하여 수득되는 자석 분말.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제조 과정중에 또는 제조후에 1회 이상 열 처리되는 자석 분말.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    평균 입경이 0.5 내지 150㎛인 자석 분말.
  11. Nb를 함유하는 자석 분말을 결합 수지로 결합시켜 형성된 등방성 결합된 자석에 있어서,
    실온에서 자기 특성을 나타내는 J-H도에서의 감자 곡선과, 상기 J-H도 중의 원점을 통과하고 기울기(J/H)가 -3.8 x 10-6H/m인 직선과의 교점을 출발점으로 하여 측정되는 비가역 대자율(χirr)이 5.0 x 10-7H/m 이하이며, 실온에서의 고유 보자력(HcJ)이 320 내지 720kA/m인 것을 특징으로 하는 등방성 결합된 자석.
  12. 제 11 항에 있어서,
    실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]가 수학식 Br/ρ≥0.125[x 10-6T·㎥/g](여기서, ρ는 등방성 결합된 자석의 밀도[Mg/㎥]이다)의 관계를 만족하는 등방성 결합된 자석.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 자석 분말이 R-TM-B-Nb계 합금(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 철을 주성분으로 하는 전이 금속이다)으로 이루어지는 등방성 결합된 자석.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 자석 분말이 화학식 Rx(Fe1-yCoy)100-x-z-wBzNbw(여기서, R은 1종 이상의 희토류 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이며, y은 0 내지 0.30이고, z는 4.6 내지 6.9원자%이며, w는 0.2 내지 3.5원자%이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지는 등방성 결합된 자석.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 R이 Nd 및/또는 Pr을 주성분으로 하는 희토류 원소인 등방성 결합된 자석.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 R이 Pr을 포함하며, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 5 내지 75%인 등방성 결합된 자석.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 R이 Dy를 포함하며, 그 비율이 상기 R의 총량에 대해 14% 이하인 등방성 결합된 자석.
  18. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 자석 분말의 평균 입경이 0.5 내지 150㎛인 등방성 결합된 자석.
  19. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 6.2% 이하인 등방성 결합된 자석.
  20. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 자석 분말이 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되는 등방성 결합된 자석.
  21. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    다극 착자되거나 예비 다극 착자된 등방성 결합된 자석.
  22. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    모터에 이용되는 등방성 결합된 자석.
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