KR100426411B1 - 자석 분말, 자석 분말의 제조 방법 및 결합 자석 - Google Patents

자석 분말, 자석 분말의 제조 방법 및 결합 자석 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기 특성이 우수하고 신뢰성이 높은 자석, 특히 열적 안정성이 우수한 자석을 제공하는 것에 관한 것이다. 본 발명의 자석 분말은 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr 및 Dy중 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어진 자석 분말로서, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되고, 결합 수지와 혼합하여 사출 성형 또는 압출 성형하여 밀도 ρ[Mg/m3]의 결합 자석으로 할 때, 실온에서의 최대 자기 에너지 곱 (BH)max[kJ/m3]가 하기 수학식 1을 만족하고, 실온에서의 고유 보자력(保磁力, coercive force; HCJ)이 400 내지 760 kA/m이다.

Description

자석 분말, 자석 분말의 제조방법 및 결합 자석{MAGNETIC POWDER, MANUFACTURING METHOD OF MAGNETIC POWDER AND BONDED MAGNETS}
본 발명은 자석 분말, 자석 분말의 제조 방법 및 결합 자석에 관한 것이다.
모터 등의 소형화를 도모하기 위해서는, 자석이 모터에 사용될 때[실질적인 자기투과도에 있어서의] 그 자속 밀도가 높아야 한다. 결합 자석에 있어서 자속 밀도를 결정하는 요인으로는 자석 분말의 자화값과 결합 자석중에 있는 자석 분말의 함유량(함유율)이 있다. 따라서, 자석 분말 자체의 자화가 그다지 높지 않은 경우에는, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 매우 높게하지 않으면 충분한 자속 밀도가 수득되지 않는다.
현재, 고성능의 희토류 결합 자석으로 사용되고 있는 것으로서는, 희토류 자석 분말로서 MQI사 제품의 MQP-B 분말을 이용한 등방성 결합 자석이 대부분을 차지한다. 등방성 결합 자석은 이방성 결합 자석에 비해 결합 자석의 제조시 자장 배향이 불필요하므로 제조 공정이 간편하고 그 결과 제조 비용이 저렴하게 되는 이점이 있다. 그러나, 이 MQP-B 분말로 대표되는 종래의 등방성 결합 자석에는 다음과 같은 문제점이 있다.
1) 종래의 등방성 결합 자석은 자속 밀도가 불충분하였다. 즉, 이용되는 자석 분말의 자화도가 낮기 때문에, 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)을 높이지 않으면 안되고, 자석 분말의 함유량을 높게 하면, 결합 자석의 성형성이 나빠지므로 한계가 있다. 또한, 성형 조건의 변화 등에 의해 자석 분말의 함유량을 증가시키는 경우에도 수득되는 자속 밀도에는 일정한 한계가 있으므로 모터의 소형화를 도모하는 것이 불가능하다.
2) 나노컴포지트 자석의 경우 잔류 자속 밀도가 높은 자석도 보고되어 있지만, 그 경우에는 보자력이 너무 작아서 실용상 모터로서 수득되는 자속 밀도(실제 사용시의 자기투과도에서의)는 매우 낮았다. 또한, 보자력이 작으므로 열적 안정성도 악화된다.
3) 결합 자석의 내식성 및 내열성이 저하된다. 즉, 자석 분말의 자기 특성의 저하를 보충하기 위해서는 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 증가시키지 않으면 안되고(즉, 결합 자석의 밀도를 극단적으로 고밀도화하는 것이 된다), 그 결과 결합 자석은 내식성 및 내열성이 악화되어 신뢰성이 저하된다.
본 발명의 목적은 자기 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말 및 결합 자석을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0 원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)의 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 자석 분말로서,
결합 수지와 혼합되고 사출성형 또는 압출 성형되어 밀도 ρ[Mg/m3]의 결합 자석을 형성하는 경우, 해당 결합 자석의 실온에서의 최대 자기 에너지 곱 (BH)max[kJ/m3]이 하기 수학식 1의 관계를 만족하고, 해당 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력(HCJ)이 400 내지 760kA/m임을 특징으로 하는 자석 분말에 관한 것이다:
수학식 1
이로써, 자기 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말을 제공할 수 있다.
상기 자석 분말은, 상기 결합 자석의 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br(T)가 하기 수학식 4의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 특히 자기 특성, 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있다:
또한, 본 발명은 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0 원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)의 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 자석 분말로서,
결합 수지와 혼합되고 사출 성형 또는 압출 성형되어 밀도 ρ[Mg/m3]의 결합 자석을 형성하는 경우, 해당 결합 자석의 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br(T)가 하기 수학식 4의 관계를 만족하고, 해당 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력(HCJ)이 400 내지 760kA/m임을 특징으로 하는 자석 분말에 관한 것이다:
수학식 4
이로 인해, 자기 특성이 우수하고, 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말을 제공할 수 있다.
또한, 자석 분말은 바람직하게는 급냉 리본을 분쇄하여 수득된 것이다. 이로 인해, 자기 특성, 특히 보자력 등을 추가로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 급냉 리본의 두께는 바람직하게는 10 내지 40㎛이다. 이로 인해, 특히 우수한 자기 특성을 갖는 자석을 수득할 수 있다.
또한, 상기 급냉 리본은, 바람직하게는 자석 재료의 용융된 합금을 회전중인 냉각 롤의 둘레면에 충돌시키고 냉각 고화시킴으로써 수득된 것이다. 이로 인해, 금속 조직(결정립)을 비교적 용이하게 미세화할 수 있고, 자기 특성을 추가로 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각 롤은 바람직하게는 금속 또는 합금으로 구성된 기부 및 둘레면을 구성하는 표면층을 갖고, 그 표면층의 열전도율이 상기 기부의 열전도율에 비해 적은 것이다. 이로 인해, 자석 재료의 용융된 합금을 적절한 냉각 속도로 급냉하는 것이 가능하게 되고, 그 결과 특히 우수한 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있다.
또한, 상기 표면층은 바람직하게는 세라믹으로 구성된다. 이로 인해, 자석 재료의 용융된 합금을 적절한 냉각 속도로 급냉시키는 것이 가능하게 되고, 그 결과 특히 우수한 자기 특성을 갖는 자석을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 냉각 롤의 내구성이 향상된다.
또한, 상기 R은 바람직하게는 Nd 및/또는 Pr을 주성분으로 하는 희토류 원소이다. 이로 인해, 복합 조직(특히, 나노컴포지트 조직)을 구성하는 하드 자성상의 포화 자화가 향상되고, 보자력이 추가로 우수하게 된다.
또한, 상기 R은 바람직하게는 Pr을 함유하는데, 그 비율이 상기 R 전체에 대해 5 내지 75%이다. 이로 인해, 잔류 자속 밀도를 거의 저하시키지 않고 보자력 및 각형성(角型性)을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 복합 조직은 바람직하게는 나노컴포지트 조직이다. 이로 인해, 착자성(着磁性)이 향상됨과 동시에 내열성(열적 안정성)이 향상되고, 자기 특성의 시간경과에 따른 변화가 작아진다.
또한, 자석 분말은 바람직하게는 그의 제조 과정 동안 및/또는 제조 후에 1회 이상의 열처리가 실시된 것이다. 이로 인해, 조직이 균질화되고, 분쇄에 의해 도입된 변형의 영향이 제거되며, 자기 특성이 추가로 향상된다.
또한, 평균 결정 입경이 5 내지 50nm인 것이 바람직하다. 이로 인해, 자기 특성, 특히 보자력 및 각형성이 우수한 자석을 제공할 수 있다.
또한, 평균 입경이 0.5 내지 150㎛인 것이 바람직하다. 이로 인해, 자기 특성을 특히 우수하게 할 수 있다. 또한, 결합 자석의 제조에 이용되는 경우, 자석 분말의 함유량(함유율)이 높고 자기 특성이 우수한 결합 자석이 수득된다.
또한, 본 발명은 자석 재료의 용융된 합금을 회전중인 냉각 롤의 둘레면에 충돌시키고 냉각 고화시킴으로써 급냉 리본을 얻고, 그 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 수득하는 자석 분말의 제조 방법으로서,
상기 자석 분말은 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0 원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)의 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되고,
결합 수지와 혼합하고 사출성형 또는 압출 성형하여 밀도ρ[Mg/m3]의 결합 자석을 형성하는 경우, 해당 결합 자석의 실온에서의 최대 자기 에너지 곱 (BH)max[kJ/m3]이 하기 수학식 1의 관계를 만족하고, 해당 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력(HCJ)이 400 내지 760kA/m임을 특징으로 하는 자석 분말의 제조 방법에 관한 것이다:
수학식 1
이로 인해, 자기 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 자석 재료의 용융된 합금을 회전하는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜 냉각 고화시킴으로써 급냉 리본을 수득하고, 이러한 급냉 리본을 분쇄시켜 자석 분말을 수득하는 자석 분말의 제조 방법으로서,
상기 자석 분말은 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0 원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)의 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되고,
결합 수지와 혼합되고 사출성형 또는 압출 성형하여 밀도ρ[Mg/m3]의 결합 자석을 형성하는 경우, 해당 결합 자석의 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br(T)가 하기 수학식 4의 관계를 만족하고, 해당 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력(HCJ)이 400 내지 760kA/m임을 특징으로 하는 자석 분말에 관한 것이다:
수학식 4
이로 인해, 자기 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있는 자석 분말을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 R-TM-B계 합금(여기서, R는 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 Fe를 주성분으로 하는 전이 금속이다)의 자석 분말과, 결합 수지를 혼합하고, 사출성형 또는 압출 성형하여 형성된 결합 자석으로서,
결합 자석의 밀도를 ρ[Mg/m3]로 하는 경우, 실온에서의 최대 자기 에너지 곱 (BH)max[kJ/m3]이 하기 수학식 1의 관계를 만족하고, 또한, 실온에서의 고유 보자력(HCJ)이 400 내지 760kA/m임을 특징으로 하는 자석 분말에 관한 것이다:
수학식 1
이로써, 자기 특성이 우수하고 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있다.
또한, 상기 결합 자석은, 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br(T)가 하기 수학식 4의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 특히 자기 특성, 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있다:
수학식 4
또한, 본 발명은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 R-TM-BrP 금속(여기서, R는 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 Fe를 주성분으로 하는 전이 금속이다)의 자석 분말과, 결합 수지를 혼합하고, 사출성형 또는 압출 성형한 결합 자석으로서,
결합 자석의 밀도를 ρ[Mg/m3]로 하는 경우, 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br(T)가 하기 수학식 4의 관계를 만족하고, 또한, 실온에서의 고유 보자력(HCJ)이 400 내지 760kA/m임을 특징으로 하는 결합 자석에 관한 것이다:
수학식 4
이로써, 자기 특성이 우수하고, 신뢰성이 우수한 자석을 제공할 수 있다.
또한, 상기 자석 분말은, 바람직하게는, Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0 원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)의 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되어 있다. 이로써, 특히, 자기특성, 신뢰성이 우수한 자석을 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 결합 자석의 최대 자기 에너지 곱(BH)max는, 바람직하게는 40kJ/m3이상이다. 이로 인해, 소형의 고성능 모터를 수득할 수 있다.
또한, 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 6.2% 미만인 것이 바람직하다. 이로 인해, 내열성(열적 안정성)이 특히 우수하게 된다.
상술한 것 또는 그 이외의 본 발명의 다른 목적, 구성 및 효과는 도면에 기초한 이하의 실시형태의 설명으로부터 보다 명확해진다.
도 1은 본 발명의 자석 분말에 있어서 복합 조직[나노컴포지트(nanocomposit) 조직]의 한 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 자석 분말에 있어서 복합 조직(나노컴포지트 조직)의 한 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 자석 분말에서의 복합 조직(나노컴포지트 조직)의 한 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 자석 재료를 제조하는 장치(급냉 리본 제조 장치)의 구성예를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 장치에서 용융된 합금과 냉각 롤의 충돌 부위 근방의 상태를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 급냉 리본 제조장치 2: 원통체
3: 오리피스 4: 가열용 코일
5: 냉각롤 6: 용융된 합금
7: 패들 8: 급냉 리본
9A,9B: 화살표 10: 소프트 자성상
11: 하드 자성상 51: 기부
52: 표면층 53: 둘레면
71: 용융된 합금의 응고 계면 81: 롤 면
82: 자유 면
이하, 본 발명의 자석 분말, 자석 분말의 제조 방법 및 결합 자석의 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
[발명의 개요]
모터 등의 소형화를 도모하기 위해, 자속 밀도가 높은 자석을 수득하는 것이 과제가 되고 있다. 결합 자석에 있어서, 자속 밀도를 결정하는 요인은 자석 분말의 자화값 및 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)이 있지만, 자석 분말 자체의 자화가 그렇게 크지 않은 경우에는 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 매우크게 하지 않으면 충분한 자속 밀도가 수득되지 않는다.
현재 보급되어 있는 전술한 MQI사가 제조한 MQP-B 분말은 전술한 바와 같이, 용도에 따라 자속 밀도가 불충분하여, 결과적으로 결합 자석의 제조시 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 높이는 것, 즉 고밀도화가 요구되므로, 내식성, 내열성 및 기계적 강도 등의 면에서 신뢰성이 결여됨과 동시에, 보자력이 높기 때문에 착자성이 악화된다고 하는 단점을 갖고 있다.
이에 비해, 본 발명의 자석 분말 및 결합 자석은 충분한 자속 밀도와 적당한 보자력이 수득되고, 이로 인해 결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)을 그렇게 높게 할 필요가 없고, 그 결과 고강도이고, 성형성, 내식성 및 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.
따라서, 본 발명의 자석 분말은 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직을 구성하는 것으로 할 수 있다.
전술한 MQI사 제조의 MQP-B 분말은, 하드 자성상의 단상 조직이지만, 이와 같은 복합 조직에서는 자화가 높은 소프트 자성상이 존재하기 때문에 전체 자화가 높아진다고 하는 이점이 있고, 또한 리코일(recoil) 투자율(透磁率)이 높아지기 때문에 일단 역자장을 가하여도 그 후의 감자율이 작다고 하는 이점을 갖는다.
[자석 분말의 합금 조성]
본 발명의 자석 분말은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 합금 조성물을 갖는다. 이로써, 보자력을 향상시킬 수 있음과 동시에 자석의 내열성 및 내식성을 향상시킬 수 있다. 특히, 자석 분말은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종을 함유하는 R-TM-B계 합금(여기서, R은 Dy을 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 Fe를 주성분으로 하는 전이 금속이다)인 것이 바람직하고, 추가로, Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중에서 선택된 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0 원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)의 합금 조성으로 이루어진 것이 바람직하다.
R(Dy를 제외한 희토류 원소)로서는, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 미시 메탈(misch metal)이 있고, 이들을 1종 또는 2종 이상 함유할 수 있다.
R의 함유량(함유율)은 7.1 내지 9.9원자%로 한다. R의 함유량이 7.1원자% 미만인 경우에는 충분한 보자력이 수득되지 않고, M을 첨가하여도 보자력 향상의 효과가 적다. 한편, 희토류 원소의 함유량이 9.9원자%를 초과하면 자화의 포텐셜이 저하되기 때문에 충분한 자속 밀도가 수득되지 않게 된다.
여기서, R은 Nd 및/또는 Pr를 주성분으로 하는 희토류 원소인 것이 바람직하다. 그 이유는, 이들 희토류 원소가 복합 조직(특히 나노콤포지트 조직)을 구성하는 하드 자성상의 포화 자화를 높이고, 또한 자석으로서 양호한 보자력을 실현하기에 효과적이기 때문이다.
또한, R은 Pr를 포함하며, 그 비율이 R 전체에 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.
Co는, Fe과 마찬가지의 특성을 갖는 전이 금속이다. 이러한 Co의 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 뿐만 아니라, 자속 밀도 자체도 향상되기 때문에 더욱 바람직하다.
B(붕소)는 높은 자기 특성을 얻는데 효과적인 원소이며, 그 함유량은 4.6 내지 8.0원자%이다. B가 4.6원자% 미만이면, B-H(J-H) 루프에서의 각형성이 나빠진다. 한편, B가 8.0원자%를 넘으면, 비자성상이 많아져 자속 밀도가 급감한다.
M은, 보자력 향상에 있어서 유리한 원소이고, 그 함유량은 0.1 내지 3.0원자%이다. 특히, M의 함유량은 0.2 내지 2.5 원자%인 것이 바람직하고, 0.5 내지 2.0 원자%인 것이 보다 바람직하다. 이러한 범위로 M을 함유함으로써, 현저한 보자력 향상의 효과를 나타낸다. 또한, 이러한 범위에서는, 보자력 향상을 추종하고, 각형성 및 최대 자기 에너지 곱도 향상된다. 추가로, 내열성 및 내식성에서도 양호해진다. 여기서, 전술한 바와 같이, R의 함유량이 7.1 원자% 미만인 경우에서는, M의 첨가에 의해 이러한 효과가 매우 작다. 또한, M의 함유량이 상한치를 초과하는 경우, 자화의 저하가 발생한다.
또한, M 자체는 신규한 물질이 아니지만, 본 발명에서는 실험, 연구를 거듭한 결과, 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 자석 분말에 있어서, M을 전술한 범위내로 함유시킴에 의해, 1) 우수한 각형성, 최대 자기 에너지 곱을 확보하면서 보자력의 향상을 도모할 수 있고, 2) 비가역 감자율의 개선(절대값의 저감)을 도모할 수 있고, 3) 양호한 내식성을 유지할 수 있다고 하는 3가지의 효과가 얻어지며, 특히 이들 효과가 동시에 얻어진다는 것을 발견하였으며, 이 점에 본 발명의 의의가 있다.
또한, 자기 특성을 더욱 향상시키는 등의 목적으로, 자석 분말을 구성하는 합금중에는 필요에 따라, Ta, Zn, P, Ge, Cu, Ga, Si, In, Ag, Al으로 이루어지는 군(이하, 이 군을 "Q"로 나타냄)으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유할 수 있다. Q에 속하는 원소를 함유하는 경우, 그 함유량은 2.0원자% 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, Ta, Cu, Ga, Si, Al은 내식성을 향상시키는 효과가 있다.
[복합 조직]
또한, 자석 재료는 소프트 자성상 및 하드 자성상을 갖는 복합 조직으로 이루어진다.
이 복합 조직(나노콤포지트 조직)에 있어, 소프트 자성상(10) 및 하드 자성상(11)은, 예를 들어, 도 1, 2 또는 3에 도시된 바와 같은 패턴(모델)으로 존재하며, 각상의 두께 및 입경은 나노미터로 존재한다. 또한, 소프트 자성상(10) 및 하드 자성상(11)은 서로 인접하게 배열되고(입계상을 통해 인접한 경우를 포함한다), 자기적 교환 상호작용을 일으킨다.
평균 결정 입경은 5 내지 50nm인 것이 바람직하고, 10 내지 40nm인 것이 보다 바람직하다. 평균 결정 입경이 하한치 미만인 경우, 결정 입자들간의 자기적 교환 상호작용의 영향이 너무 크게되어 자화의 반전이 용이하게됨으로써 보자력이 악화된다.
한편, 평균 결정 입경이 상한치를 초과하는 경우, 결정 입경이 조악해지게 된다. 또한, 결정 입자간의 교환 상호작용의 영향이 약화되기 때문에, 자속밀도, 보자력, 각형성, 최대 에너지 곱이 악화되는 경우가 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 예시된 패턴은 단지 특정한 예에 불과하며, 이에 제한되는 것은 아니라는 사실에 주목하여야 한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 패턴에 있어서 소프트 자성상(10) 및 하드 자성상(11)은 서로 바뀔 수 있다.
소프트 자성상의 자화는 외부 자장의 작용에 의하여 그의 방향이 용이하게 변화된다. 따라서, 소프트 자성상과 하드 자성상이 혼재하는 경우, 계 전체의 자화곡선은 B-H도의 제 2 사분면에서 단계적인 "S자 곡선"을 나타낸다. 그러나, 소프트 자성상이 충분히 작은 크기를 갖는 경우, 소프트 자성체의 자화는 주위 하드 자성체의 자화와 결합함으로써 충분하고 강하게 구속되어, 계 전체가 하드 자성상과 유사한 기능을 나타내게 된다.
상기의 복합 조직(나노콤포지트 조직)을 갖는 자석은 주로 하기의 다섯가지 특징을 갖는다.
(1) B-H도(J-H도)의 제 2 사분면에서 자화가 가역적으로 스프링백(springs back)된다(이러한 의미에서, 상기의 자석은 "스프링 자석"으로도 칭해진다)
(2) 착자성이 양호하고, 비교적 낮은 자장으로도 착자시킬 수 있다.
(3) 자기 특성의 온도 의존성이, 하드 자성상 단독으로 구성된 경우에 비해 작다.
(4) 시간 경과에 따른 자기 특성의 변화가 작다.
(5) 미분되는 경우 조차도 자기 특성이 열화되지 않는다.
전술한 합금 조성에 있어서, 하드 자성상 및 소프트 자성상은 각각 예를 들어 하기와 같이 구성된다.
하드 자성상 : R2TM14B계(여기서, TM은 주성분으로 Fe 또는 Fe와 Co를 함유한 전이금속이다)
소프트 자성상 : TM(특히, α-Fe 또는 α-(Fe, Co))
[자석 분말의 제조]
본 발명에 따른 자석 분말은 용융된 합금을 급냉시켜 제조하는 것이 바람직하고, 특히 금속의 용융된 합금을 급냉시키고 고화하여 수득한 급냉 리본을 분쇄하여 제조하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 방법의 예를 하기에 기술한다.
도 4는 단일롤을 이용하는 급냉 방법에 의해 자석 물질을 제조하기 위한 장치(급냉 리본 제조장치)의 구성예를 나타내는 투시도이고, 도 5는 도 4에 예시한 장치의 용융된 합금의 냉각 롤에의 충돌 부위 부근의 상태를 예시하는 단면측면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 급냉 리본 제조장치(1)에는 자성 물질을 저장할 수 있는 원통체(2) 및 이 원통체(2)에 대해 도면에서 화살표(9A)의 방향으로 회전하는 냉각롤(5)가 제공되어 있다. 원통체(2)의 하부 말단에는 자석 재료(합금)의 용융된 합금을 사출하는 노즐(오리피스)(3)이 형성되어 있다.
또한, 원통체(2)의 노즐(3) 근방의 바깥 둘레에는, 가열용 코일(4)이 배치되고, 그 코일(4)은 예를 들면 고주파를 인가함으로써, 원통체(2)의 내부를 가열(유도가열)하여 원통체(2) 내의 자석재료를 용융상태로 만든다.
냉각롤(5)은 기부(51), 및 냉각롤(5)의 둘레면(53)을 형성하는 표면층(52)으로 구성되어 있다.
표면층(52)은 기부(51)와 동일한 재질로 일체형으로 구성될 수 있으며, 기부(51)의 구성 재료보다 열전도율이 작은 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
기부(51)의 구성 재료는 특별히 한정되지는 않으나, 표면층(52)의 열을 신속히 발산할 수 있는 것이 필요하며, 예컨대 구리 또는 구리계 합금과 같이 열전도율이 높은 금속 재료로 구성된 것이 바람직하다.
또한, 표면층(52)의 구성 재료로는 예컨대 Cr, Ni, Pd, W 등, 또는 이들을 함유하는 합금 등의 금속 박층 또는 금속 산화물 층, 세라믹스 등을 들 수 있다. 이들 중에서, 특히, 급냉 리본(8)의 롤 면(냉각 롤(5)과 접촉하는 쪽 면)(81) 및 자유 면(롤 면(81)의 반대쪽 면)(82)의 냉각 속도의 차이를 작게 할 수 있는 점에서, 세라믹스로 구성된 것이 바람직하다.
세라믹스로는, 예컨대 Al2O3, SiO2, TiO2, Ti2O3, ZrO2, Y2O3, 바륨 티타네이트, 스트론튬 티타네이트 등의 산화물계 세라믹스, AlN, Si3N4, TiN, BN 등의 질화물계 세라믹스, 흑연, SiC, ZrC, Al4C3, CaC2, WC 등의 탄화물계 세라믹스, 또는 이들 중 둘 이상이 임의로 조합된 복합 세라믹스를 들 수 있다.
또한, 표면층(52)은 도시된 단층 뿐만이 아니라, 예컨대 조성이 다른 복수의 층의 적층체일 수 있다. 이러한 경우, 인접한 층 끼리는 밀착성이 높은 것이 바람직하고, 그 예로는 인접한 층 끼리에 동일한 원소가 함유된 것을 들 수 있다.
또한, 표면층(52)이 단층으로 구성되는 경우에도, 그 조성은 두께 방향으로 균일한 것으로 한정되지 않으며, 예를 들어 함유 성분이 두께 방향으로 순차적으로 변화하는 것(경사 재료)이라도 좋다.
표면층(52)의 평균 두께(상기 적층체의 경우 그 합계 두께)는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 0.5 내지 50 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 1 내지 20 ㎛이다.
표면층(52)의 평균 두께가 하한치 미만일 때는, 다음의 문제가 생기는 경우가 있다. 즉, 표면층(52)의 재질에 따라서는 냉각능이 지나치게 커서, 두께가 어느정도 두꺼운 냉각리본(8)이라도 롤 면(81)에서의 냉각 속도가 빨라서 비결정성이 되기 쉽다. 한편, 자유 면(82)은 냉각리본(8)의 열전도율이 비교적 작으므로 급냉 리본(8)의 두께가 두꺼울수록 냉각 속도가 느려지게 되고, 그 결과로, 결정 입경이 조악해지기 쉽다. 즉, 자유 면(82)은 조악한 입자, 롤 면(81)은 비결정성인 급냉리본이 형성되기 쉬워서 만족스러운 자기 특성이 얻어지지 않는 경우가 있다. 또한, 자유 면(82)의 결정 입경을 작게 하기 위해서, 예컨대 냉각 롤(5)의 원주속도를 크게하여 급냉 리본(8)의 두께 차를 작게 했다고 해도, 롤 면(81)에서의 비결정성이 더욱 랜덤하게 되어, 급냉 리본(8)의 제작 후에, 열처리를 실시하여도 충분한 자기 특성이 얻어지지 않는 경우가 있다.
또한, 표면층(52)의 평균 두께가 상한치를 초과할 경우, 급냉 속도가 느려지고, 결정 입경의 조악화가 일어나서, 결과적으로 자기 특성이 저하되는 경우가 있다.
이러한 급냉 리본 제조 장치(1)는, 챔버(도시되지 않음)내에 설치되고, 해당 챔버 내에, 바람직하게는 불활성 기체 또는 그 밖의 분위기 기체가 충전된 상태로 작동한다. 특히, 급냉 리본(8)의 산화를 방지하기 위해서, 주변 기체는 예컨대 아르곤 기체, 헬륨 기체, 질소 기체 등의 불활성 기체인 것이 바람직하다.
급냉 리본 제조 장치(1)에서, 원통체(2)내에 자석 재료(합금)을 넣고, 코일(4)을 사용하여 가열 용융시켜, 그 용융된 합금(6)을 노즐(3)로부터 토출시키면, 도 5에 도시된 바와 같이 용융된 합금(6)은 냉각 롤(5)의 둘레면(53)에 충돌하여 패들(paddle)(7)을 형성한 후, 회전하는 냉각롤(5)의 둘레면(53)에 끌리면서 급속히 냉각 응고되어, 급냉 리본(8)가 연속적 또는 단속적으로 형성된다. 상기와 같이 형성된 급냉 리본(8)는, 이윽고 그 롤면(81)이 둘레면(53)에서 떨어져, 도 4 중의 화살표(9B) 방향으로 진행한다. 또한, 도 5에서는 용융된 합금의 응고 계면(71)을 점선으로 나타낸다.
냉각 롤(5)의 원주속도는, 합금 용융된 합금의 조성, 표면층(52)의 구성 재료(조성), 둘레면(53)의 표면성상(특히, 둘레면(53)이 용융된 합금(6)으로 젖는 성질) 등에 의해 그의 바람직한 범위가 다르지만, 자기 특성 향상을 위해서는 5 내지 60 m/sec 인 것이 바람직하고, 10 내지 40 m/sec 인 것이 보다 바람직하다. 냉각롤(5)의 원주속도가 하한치 미만이면, 용융된 합금(6)(패들(7))의 냉각 속도가 저하하여, 결정 입경이 증대하는 경향을 보이며, 자기특성이 저하하는 경우가 있다. 한편, 냉각롤(5)의 원주속도가 상한치를 넘으면, 반대로 냉각속도가 커지므로 비결정성 조직이 차지하는 비율이 커져, 그 후에, 후술되는 열처리를 실시하여도, 자기 특성이 충분히 향상되지 않는 경우가 있다.
이와 같이 수득된 급냉 리본(8)는, 그의 폭(w) 및 두께(t)가 균일한 것이 바람직하다. 이러한 경우, 급냉 리본(8)의 평균 두께(t)는 바람직하게는 10 내지 40㎛, 더욱 바람직하게는 12 내지 30㎛이 바람직하다. 평균 두께(t)가 하한치 미만이면, 비결정성 조직이 차지하는 비율이 커지고, 이후, 후술되는 열처리를 수행하더라도 자기 특성이 충분히 향상될 수 없는 경우가 있다. 또한, 단위 시간당 생산성도 저하된다. 반면, 평균 두께(t)가 상한치를 초과하면, 자유 면(free surface)(82)측의 결정 입경이 조악해지는 경향을 나타내므로, 자기 특성이 저하되는 경우가 있다.
더욱이, 수득된 급냉 리본(8)에 대해서는, 예컨대 비결정성 조직의 재결정화 촉진 및 조직의 균질화를 위해, 1회 이상의 열처리를 수행시킬 수 있다. 이러한 열처리의 조건으로는, 예컨대 400 내지 900℃의 온도에서 0.2 내지 300분 동안의가열일 수 있다.
또한, 이러한 열처리는 산화를 방지하기 위해, 진공 또는 감압 상태하에서(예컨대, 1×10-1내지 1×10-6torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스 및 헬륨 가스 등의 불활성 가스중에서와 같은 비산화성 분위기중에서 수행될 수 있다.
이상의 제조 방법에 따라 수득된 급냉 리본(8)(리본형 자석 재료)는 미세 결정 조직이거나 또는 미세 결정이 비결정성 조직중에 포함되어 있는 조직으로, 우수한 자기 특성을 나타낸다. 그리고, 상기 급냉 리본(8)를 분쇄시킴으로써 본 발명의 자석 분말이 수득된다.
분쇄 방법은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 볼밀, 진동밀, 제트밀 및 핀밀 등의 각종 분쇄 장치 및 파쇄 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 경우, 분쇄는 산화를 방지하기 위해 진공 또는 감압 상태하에서(예컨대, 1×10-1내지 1×10-6torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스 및 헬륨 가스 등의 불활성 가스중의 비산화성 분위기중에서 수행될 수 있다.
자석 분말의 평균 입경은 특별히 한정되지 않지만, 후술되는 결합 자석을 제조하는 경우, 자석 분말의 산화 방지 및 분쇄에 의한 자기 특성의 열화 방지를 고려할 때, 바람직하게는 약 0.5 내지 150㎛, 더욱 바람직하게는 약 0.5 내지 80㎛, 더더욱 바람직하게는 약 1 내지 50㎛이다.
또한, 결합 자석을 성형시킬 때 더욱 양호한 성형성을 수득하기 위해, 자석 분말의 입경 분포를 어느 정도 분산시키는 것이 바람직할 수 있다. 이로써, 수득된 결합 자석의 공극율을 저감시킬 수 있고, 그 결과 결합 자석중의 자석 분말의 함유량을 동일하게 할 때 결합 자석의 밀도 및 기계적 강도가 더욱 높아질 수 있고, 자기 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
따라서, 수득된 자석 분말에 대해서는, 예컨대 분쇄에 의해 도입된 압력의 영향을 제거하고 결정 입경을 제어하기 위해 열처리시킬 수 있다. 이러한 열처리 조건으로는, 예컨대 350 내지 850℃의 온도에서 약 0.2 내지 300분 동안일 수 있다.
또한, 상기 열처리는 산화를 방지하기 위해 진공 또는 감압 상태하에서(예컨대, 1×10-1내지 1×10-6torr), 또는 질소 가스, 아르곤 가스 및 헬륨 가스 등의 불활성 가스중의 비산화성 분위기중에서 수행될 수 있다.
이상과 같은 자석 분말을 사용하여 결합 자석을 제조하는 경우, 그러한 자석 분말은 결합 수지와의 결합성(결합 수지의 젖음성)이 양호하고, 그 때문에 이 결합 자석은 기계적 강도가 높고 열안정성(내열성), 내식성이 우수하게 된다. 따라서, 본 발명의 자석 분말은 결합 자석의 제조에 적합하다.
또한, 이상에서는 급냉법으로서 단일롤법을 예로 설명하였지만, 쌍롤법을 채용할 수도 있다. 또한, 기타, 예컨대 가스 아토마이제이션과 같은 아토마이제이션법, 회전 디스크법, 멜트 엑스트랙션(melt extraction)법, 메카니컬 알로잉(mechanical alloying; MA)법 등에 의해 제조할 수도 있다. 이러한 급냉법은 금속 조직(결정립)을 미세화할 수 있으므로, 결합 자석의 자석 특성, 특히 보자력 등을 향상시키는데 유효하다.
[결합 자석 및 그 제조]
다음에 본 발명의 결합 자석에 대하여 설명한다.
본 발명의 결합 자석은, 자석 분말과 결합 수지를 혼합하고, 사출 성형 또는 압출 성형하여 이루어진 것이다.
결합 수지(바인더)는, 주로 열가소성 수지일 수 있다.
열가소성 수지로서는 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 중합체, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체 등의 폴리올레핀, 변성 폴리올레핀, 폴리카보네이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 이미드, 폴리아세탈 등, 또는 이들을 주로 하는 공중합체, 블렌드체, 중합체 혼합물 등을 들 수 있고, 이들 중의 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이들 중에서도 성형성이 특히 우수하고 기계적 강도가 높은 점으로부터 폴리아미드, 내열성 향상의 점으로부터 액정 중합체, 폴리페닐렌 설파이드를 주로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 열가소성 수지는 자석 분말과의 혼련성도 우수하다.
이러한 열가소성 수지는 그 종류, 공중합화 등에 의해, 예컨대 성형성을 중시한 것이나 내열성, 기계적 강도를 중시한 것과 같이 광범위한 선택이 가능해지는이점이 있다.
이러한 본 발명의 결합 자석은, 예를 들어 하기와 같은 제조된다. 자석 분말, 결합 수지, 및 필요에 따라 첨가제(산화방지제, 윤활제)를 혼합하고, 혼련(예를 들어, 온간혼련)하여 결합 자석용 조성물(컴파운드)를 제조하고, 이러한 본드 자석용 조성물을 사용하여, 압출 성형 또는 사출 성형에 의해 자기장이 없는 상태에서 목적하는 자석 형태를 성형한다.
사출 성형은, 자석의 형태 선택의 자유도가 크고, 특히 복잡한 형태의 자석도 용이하게 제조할 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 압출 성형은 압출 성형과 동일한 양태에서, 자석의 형태 선택의 자유도가 크고, 생산성도 높다는 이점을 갖고 있다.
그러나, 이러한 성형방법에서는, 양호한 성형성을 갖기 위해서는, 성형기내에 있어서의 컴파운드의 충분한 유동성을 확보하지 않으면 않되기 때문에, 압축 성형과 비교해서, 자석 분말의 함유량이 크게 되고, 즉 결합 자석을 고밀도화할 수 없다.
그런데, 본 발명의 자석 분말은, 전술한 바와 같이, 종래의 자석 분말과 비교시, 매우 높은 자기특성을 갖고 있다. 이 때문에, 본 발명의 자석 분말을 사용하여, 이러한 성형 방법(사출성형 또는 압출성형)으로 결합 자석을 제조하는 경우, 우수한 성형성, 생산성을 확보하기 때문에, 종래의 압축성형에 의해 제조된 결합 자석과 동등, 또는 그 이상의 자기 특성을 수득할 수 있다.
결합 자석중의 자석 분말의 함유량(함유율)은, 특정하게 한정하지 않지만,75 내지 98 중량%정도로 하는 것이 바람직하고, 85 내지 97 중량% 정도 하는 것이 보다 바람직하다.
결합 자석의 밀도 ρ는, 여기에 함유되어 있는 자석 분말의 비중, 자석 분말의 함유량, 공극율의 요건에 의해 결정된다. 본 발명의 결합 자석에 있어서, 이러한 밀도 ρ는 특정하게 한정되지 않지만, 4.3 내지 6.3 Mg/m3정도로 하는 것이 바람직하고, 4.8 내지 6.2 Mg/m3정도로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 성형성의 향상 등을 우선하고, 자석 분말의 함유랑을 적게 하는 경우에도, 상술한 바와 같이, 자석 분말 자체의 자기 특성이 높기 때문에, 충분한 자기 특성을 수득할 수 있다.
본 발명의 결합 자석의 형상, 치수 등은 특별하게 한정되지 않고, 예컨대 형상에 관해서는, 예컨대 원주상, 각주상, 원통상(링상), 원호상, 평판상, 만곡판상 등의 모든 형상이 가능하고, 그 크기도 대형에서 초소형까지 모든 크기가 가능하다. 특히, 소형화, 초소형화된 자석에 유리한 것은 본 명세서 중에서 여러번 기술하고 있는 대로이다.
이러한 점으로부터 본 발명의 결합 자석은 다극 착자에 제공되거나, 또는 다극 착자된 것임이 바람직하다.
이러한 결합 자석은 이하에 기술하는 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
[1] 결합 자석의 보자력(실온에서의 고유 보자력)(HCJ)은 400 내지 760 kA/m인 것이 바람직하고, 430 내지 720 kA/m인 것이 더욱 바람직하다. 보자력이 상기하한치 미만이면, 모터의 용도에 따라서는 역 자장이 걸릴 때의 감자가 현저하게 되고, 또한 고온에 있어서의 내열성이 나쁘다. 또한, 보자력이 상기 상한치를 초과하면 착자성이 저하한다. 따라서, 보자력(HCJ)을 상기 범위로 함으로써, 결합 자석(특히, 원통상 자석)에 다극 착자 등을 하는 바와 같은 경우에 충분한 착자 자장이 수득되지 않을 때에도 양호한 착자가 가능하게 되고, 충분한 자속 밀도가 수득되어 고성능의 결합 자석, 특히 모터용 결합 자석을 제공할 수 있다.
[2] 결합 자석은 최대 자기 에너지 곱 (BH)max[kJ/m3]와 밀도 ρ[Mg/m3] 사이에 하기 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
수학식 1
또한, 수학식 1 대신에 하기 수학식 2를 만족하는 것이 더욱 바람직하고, 하기 수학식 3을 만족하는 것이 더욱 더 바람직하다.
(BH)max/ρ2[×10-9J·m3/g2]의 값이 상기 수학식 중의 하한치 미만이면, 자석의 밀도를 높게 하지 않으면, 즉 자석 분말의 함유량(함유율)을 높게 하지 않으면,충분한 자기 특성이 수득되지 않는다. 그렇게 할 경우, 고 비용화, 결합 수지의 감소에 의한 성형성의 저하라는 문제를 일으킨다. 또한, 일정한 자기 특성을 수득하기 위해서는 체적이 증가하게 되어 기기의 소형화가 어려워진다.
[3] 결합 자석은 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]과 밀도 ρ[Mg/m3] 사이에 하기 수학식 4를 만족하는 것이 바람직하다.
수학식 4
또한, 수학식 4 대신에 하기 수학식 5를 만족하는 것이 더욱 바람직하고, 하기 수학식 6을 만족하는 것이 더욱 더 바람직하다.
Br/ρ[×10-6T·m3/g]의 값이 상기 수학식 중의 하한치 미만이면, 자석의 밀도를 높게 하지 않으면, 즉 자석 분말의 함유량(함유율)을 높게 하지 않으면, 충분한 자속 밀도가 수득되지 않는다. 그렇게 할 경우, 고 비용화, 결합 수지의 감소에 의한 성형성의 저하라는 문제를 일으킨다. 또한, 일정한 자속 밀도를 수득하기 위해서는 체적이 증가하게 되어 기기의 소형화가 어려워진다.
[4] 결합 자석은 최대 자기 에너지 곱 (BH)max가 40 kJ/m3이상인 것이 바람직하고, 50 kJ/m3이상인 것이 더욱 바람직하고, 60 내지 110 kJ/m3인 것이 더욱 더 바람직하다. 최대 자기 에너지 곱 (BH)max가 40 kJ/m3미만이면, 모터용에 사용하는 경우 그 종류, 구조에 따라서 충분한 토크가 수득되지 않는다.
[5] 결합 자석은 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 6.2% 이하인 것이 바람직하고, 5% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 4% 이하인 것이 더욱 더 바람직하다. 이것에 의해 열적 안정성(내열성)이 우수한 결합 자석이 수득된다.
실시예
다음에 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
실시예 1
이하에 기술하는 바와 같은 방법으로 표 1에 나타낸 합금 조성으로 표시되는 7종의 자석 분말(샘플 No. 1 내지 No. 7)을 수득하였다.
우선, Nd, Pr, Fe, Co, B 및 M의 각 원료를 칭량하여 모합금 주괴를 주조하였다.
도 4 및 도 5에 나타낸 구성의 급냉 리본 제조장치(1)를 준비하고, 저부에 노즐(원형 오리피스: 오리피스 직경 0.6 mm)(3)을 구비한 석영관 내에 상기 모합금 주괴를 넣었다. 급냉 리본 제조장치(1)가 수납되어 있는 챔버 내를 탈기시킨 후, 불활성 가스(아르곤 가스)를 도입하여 원하는 온도 및 압력의 분위기로 하였다.
냉각 롤(5)로서는 구리제의 기부(51) 외주에 ZrC로 이루어진 두께 약 7 ㎛의 표면층(52)을 구비한 것(직경 200 mm)을 사용하였다.
그 후, 석영관 내의 주괴 샘플을 고주파 유도 가열에 의해 용해시키고, 추가로 용융된 합금의 분사압(석영관의 내압과 원통체(2)내에서의 액면 높이에 비례하여 걸리는 압력의 합과 분위기압의 차압), 냉각 롤의 원주 속도를 조정하여 냉각 리본을 제작하였다. 이 때 수득된 냉각 리본의 두께는 모두 약 20 ㎛이었다.
수득된 냉각 리본을 조질 분쇄한 후, 아르곤 가스 분위기 중에서 680℃×300초의 열처리를 실시하여 자석 분말을 수득하였다.
다음에, 입도 조정을 위해, 상기 자석 분말을 추가로 분쇄기(라이카이기)를 사용하여 아르곤 가스 중에서 분쇄하여 평균 입경 60 ㎛의 자석 분말(샘플 No. 1 내지 No. 7)로 하였다.
수득된 각 자석 분말에 대하여, 그 상 구성을 분석하기 위해 Cu-Kα를 사용하여 회절각 20°내지 60°에서 X선 회절을 행하였다. 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(나노콤포지트 조직)을 형성하고 있음이 확인되었다. 또한, 각 자석 분말에 대하여 평균 결정 입경을 측정하였다. 이들 값을 하기 표 1에 나타낸다.
상기 자석 분말에 폴리아미드 수지(나일론 12)를 혼합하고, 이들을 225℃×15분간 혼련하여 결합 자석용 조성물(콤파운드)을 제작하였다. 이 때, 자석 분말과 폴리아미드 수지의 배합 비율(중량비)은 각 결합 자석에 대해 거의 같은 값으로 하였다. 즉, 각 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량(함유율)은 약 95 중량%이었다.
다음에, 상기 콤파운드를 분쇄하여 입상으로 하고, 이 입상물을 사출 성형기((주)더 제팬 스틸 워크스(The Japan Steel Works, Ltd.)제, J50-E2)를 사용하여 사출 성형하였다. 이 때, 금형 온도는 90℃이고, 사출 실린더내 온도는 240℃이었다. 냉각 후, 성형 금형으로부터 이형시켜 직경 10 mm×높이 7 mm의 원기둥상 결합 자석을 수득하였다.
이들 결합 자석에 대하여 자장 강도 3.2 MA/m의 펄스 착자를 실시한 후, 직류 자기 자속계(도에이 인더스트리(주)(Toei Industry Co., Ltd.)제, TRF-5BH)로 최대 인가 자장 2.0 MA/m으로 자기 특성(자속 밀도(Br), 보자력(HCJ) 및 최대 자기 에너지 곱((BH)max))을 측정하였다. 측정시의 온도는 23℃(실온)이었다.
다음에 내열성 테스트를 하였다. 이 내열성은 결합 자석을 100℃×1시간의 환경하에 유지시킨 후, 실온으로 되돌릴 때의 비가역 감자율(초기 감자율)을 측정하여 평가하였다. 비가역 감자율(초기 감자율)의 절대값이 작을수록 내열성(열안정성)이 우수하다.
또한, 각 결합 자석에 대하여 밀도(ρ)를 아르키메데스법(Archimedes principle)에 의해 측정하였다.
이들 측정치 및 (BH)max/ρ2, Br/ρ값을 하기 표 2에 나타낸다.
실시예 2
실시예 1에서 수득된 자석 분말에 폴리아미드 수지(나일론 12)를 혼합하고, 이들을 225℃×15분간 혼련하여 결합 자석용 조성물(콤파운드)을 제작하였다. 이때, 자석 분말과 폴리아미드 수지의 배합 비율(중량비)은 각 결합 자석에 대해 거의 같은 값으로 하였다. 즉, 각 결합 자석 중의 자석 분말의 함유량(함유율)은 약 96.5 중량%이었다.
다음에, 상기 콤파운드를 분쇄하여 입상으로 하고, 이 입상물을 압출 성형기를 사용하여 연속적으로 압출 성형하고, 소정 길이로 절단하여 직경 10 mm×높이 7 mm의 원기둥상 결합 자석을 수득하였다. 성형시의 금형 온도는 150℃이었다.
이들 결합 자석에 대하여 실시예 1과 동일하게 하여 자기 특성, 비가역 감자율 및 밀도를 측정하였다.
이들 측정치 및 (BH)max/ρ2, Br/ρ값을 하기 표 3에 나타낸다.
상기 표 2 및 3으로부터 알 수 있듯이, 샘플 No. 2 내지 No. 6(본 발명)에 의한 결합 자석은 (성형 방법이 사출 성형, 압출 성형중 어느 것이더라도) 우수한 자기 특성(잔류 자속 밀도(Br), 최대 자기 에너지 곱((BH)max) 및 보자력(HCJ))을 가질 뿐만 아니라, 비가역 감자율이 작고, 열적 안정성(내열성)도 우수하다.
이에 대해, 샘플 No. 1, No. 7(모두 비교예)의 결합 자석은 자기 특성이 열악할 뿐만 아니라, 비가역 감자율의 절대값이 크고, 열적 안정성도 낮다.
이와 같이, 소정량의 M을 함유하는 자석 분말을 사용하여 제조된 결합 자석은 우수한 자기 특성, 열적 안정성(내열성)을 갖는다.
마지막으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위를 일탈하지 않는 한 여러 가지 변경 및 변화가 가능하다는 점을 유의해야 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 수득된다.
·자석 분말이 M(Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중 1종 이상의 원소)을 소정량 함유하고, 또한 소프트 자성상과 하드 자성상을 갖는 복합 조직을 가짐으로써, 자화가 높고, 우수한 자기 특성을 발휘하고, 특히 고유 보자력과 각형성이 개선된다.
·M 원소의 조합이나 이들의 함유율을 적절히 선택함으로써, 더욱 우수한 자기 특성, 내열성이 수득된다.
·비가역 감자율의 절대값이 작고, 우수한 내열성(열적 안정성)이 수득된다.
·높은 자속 밀도가 수득되기 때문에, 사출 성형 또는 압출 성형에 의해 결합 자석으로 할 경우, 종래의 압축 성형에 의한 결합 자석과 동등 또는 그 이상의 높은 자기 특성을 수득할 수 있다. 즉, 우수한 성형성, 생산성을 확보하면서 자기특성이 높은 결합 자석을 수득할 수 있다.
·또한, 결합 자석용 조성물중에서의 자석 분말의 함유량을 적게 하는 경우에도 충분한 자기 특성을 수득할 수 있으므로, 성형성의 향상과 더불어 치수 정밀도, 기계적 강도, 내식성, 내열성(열적 안정성) 등의 추가의 향상이 도모되고, 신뢰성이 높은 결합 자석을 용이하게 제조할 수 있다.
·착자성이 양호하기 때문에, 더욱 낮은 착자 자장으로 착자할 수 있고, 특히 다극 착자 등을 용이하고도 확실하게 수행할 수 있고, 또한 높은 자속 밀도를 수득할 수 있다.

Claims (25)

  1. Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 자석 분말로서,
    상기 자석 분말은, 상기 합금 조성을 갖는 자석 재료의 용탕을, 세라믹으로 구성된 표면층을 갖는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜, 냉각 고화시킴으로써 수득된 급냉 리본을 분쇄함으로써 수득된 것이고,
    상기 자석 분말이 결합 수지와 혼합되고 사출 성형 또는 압출 성형되어 밀도 ρ[Mg/㎥]의 결합 자석으로 될 때, 상기 결합 자석의 실온에서의 최대 자기 에너지 곱(BH)max[kJ/㎥]이 하기 수학식 1을 만족하고, 상기 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력 HcJ가 400 내지 760 kA/m이고, 불가역 감자율의 절대값이 6.2% 이하인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
    수학식 1
  2. 제 1 항에 있어서,
    결합 자석의 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]가 하기 수학식 4를 만족하는 자석 분말.
    수학식 4
  3. Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 자석 분말로서,
    상기 자석 분말은, 상기 합금 조성을 갖는 자석 재료의 용탕을, 세라믹으로 구성된 표면층을 갖는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜, 냉각 고화시킴으로써 수득된 급냉 리본을 분쇄함으로써 수득된 것이고,
    상기 자석 분말이 결합 수지와 혼합되어 사출 성형 또는 압출 성형되어 밀도 ρ[Mg/㎥]의 결합 자석으로 될 때, 상기 결합 자석의 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]가 하기 수학식 4를 만족하고, 상기 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력 HcJ가 400 내지 760 kA/m이고, 불가역 감자율의 절대값이 6.2% 이하인 것을 특징으로 하는 자석 분말.
    수학식 4
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    급냉 리본의 두께가 10 내지 40 ㎛인 자석 분말.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    냉각 롤이 금속 또는 합금으로 구성된 기부와, 상기 기부의 주위에 마련된 상기 둘레면을 구성하는 표면층을 갖고, 상기 표면층의 열전도율이 상기 기부의 열전도율보다 작은 것인 자석 분말.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    R이 Nd 및/또는 Pr을 주로 함유하는 희토류 원소인 자석 분말.
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    R이 Pr을 함유하고, 그의 비율이 상기 R 전체에 대해 5 내지 75%인 자석 분말.
  11. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    복합 조직이 나노콤포지트(nanocomposite) 조직인 자석 분말.
  12. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    그의 제조 과정 및/또는 제조 후에 1회 이상 열처리가 수행된 것인 자석 분말.
  13. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    평균 결정 입경이 5 내지 50 nm인 자석 분말.
  14. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    평균 입경이 0.5 내지 150 ㎛인 자석 분말.
  15. 자석 재료의 용탕을 세라믹으로 구성된 표면층을 갖는 회전하는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시키고 냉각 고화시킴으로써 급냉 리본을 수득하고, 상기 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 수득하는 자석 분말의 제조 방법으로서,
    상기 자석 분말이 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되고,
    상기 자석 분말이 결합 수지와 혼합되고 사출 성형 또는 압출 성형되어 밀도 ρ[Mg/㎥]의 결합 자석으로 될 때, 상기 결합 자석의 실온에서의 최대 자기 에너지 곱(BH)max[kJ/㎥]이 하기 수학식 1을 만족시키면서, 상기 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력 HcJ가 400 내지 760 kA/m이고, 불가역 감자율의 절대값이 6.2% 이하인 것을 특징으로 하는 자석 분말의 제조 방법.
    수학식 1
  16. 자석 재료의 용탕을 세라믹으로 구성된 표면층을 갖는 회전하는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜 냉각 고화시킴으로써 급냉 리본을 수득하고, 상기 급냉 리본을 분쇄하여 자석 분말을 수득하는 자석 분말의 제조 방법으로서,
    상기 자석 분말이 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성되고,
    상기 자석 분말이 결합 수지와 혼합되고 사출 성형 또는 압출 성형되어 밀도 ρ[Mg/㎥]의 결합 자석으로 될 때, 상기 결합 자석의 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]이 하기 수학식 4를 만족시키면서, 상기 결합 자석의 실온에서의 고유 보자력 HcJ가 400 내지 760 kA/m이고, 불가역 감자율의 절대값이 6.2% 이하인 것을 특징으로 하는 자석 분말의 제조 방법.
    수학식 4
  17. Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr 및 Dy중 1종 이상의 원소를 함유하는 R-TM-B계 합금(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 Fe를 주로 함유하는 전이 금속이다)의 자석 분말과 결합 수지를 혼합하여 사출 성형 또는 압출 성형하여 이루어진 결합 자석으로서,
    상기 자석 분말은, 상기 합금 조성을 갖는 자석 재료의 용탕을, 세라믹으로 구성된 표면층을 갖는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜, 냉각 고화시킴으로써 수득된 급냉 리본을 분쇄함으로써 수득된 것이고,
    상기 결합 자석의 밀도를 ρ[Mg/㎥]로 할 때, 실온에서의 최대 자기 에너지 곱(BH)max[kJ/㎥]이 하기 수학식 1을 만족하고, 실온에서의 고유 보자력 HcJ가 400 내지 760 kA/m이고, 불가역 감자율의 절대값이 6.2% 이하인 것을 특징으로 하는 결합 자석.
    수학식 1
  18. 제 17 항에 있어서,
    실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]가 하기 수학식 4를 만족하는 결합 자석.
    수학식 4
  19. Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr 및 Dy중 1종 이상의 원소를 함유하는 R-TM-B계 합금(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, TM은 Fe를 주로 함유하는 전이 금속이다)의 자석 분말과 결합 수지를 혼합하여 사출 성형 또는 압출 성형하여 이루어진 결합 자석으로서,
    상기 자석 분말은, 상기 합금 조성을 갖는 자석 재료의 용탕을, 세라믹으로 구성된 표면층을 갖는 냉각 롤의 둘레면에 충돌시켜, 냉각 고화시킴으로써 수득된 급냉 리본을 분쇄함으로써 수득된 것이고,
    상기 결합 자석의 밀도를 ρ[Mg/㎥]로 할 때, 실온에서의 잔류 자속 밀도 Br[T]가 하기 수학식 4를 만족시키면서, 실온에서의 고유 보자력 HcJ가 400 내지 760 kA/m이고, 불가역 감자율의 절대값이 6.2% 이하인 것을 특징으로 하는 결합 자석.
    수학식 4
  20. 제 17 항 또는 제 19 항에 있어서,
    자석 분말이 Rx(Fe1-aCoa)100-x-y-zByMz(여기서, R은 Dy를 제외한 1종 이상의 희토류 원소이고, M은 Ti, Cr, Nb, V, Mo, Hf, W, Mn, Zr, Dy중 1종 이상의 원소이고, x는 7.1 내지 9.9원자%이고, y는 4.6 내지 8.0원자%이고, z는 0.1 내지 3.0원자%이고, a는 0 내지 0.30이다)로 표시되는 합금 조성으로 이루어지고, 하드 자성상과 소프트 자성상을 갖는 복합 조직으로 구성된 것인 결합 자석.
  21. 제 17 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    최대 자기 에너지 곱 (BH)max가 40kJ/㎥ 이상인 결합 자석.
  22. 삭제
  23. 제 7 항에 있어서,
    냉각 롤의 표면층의 평균 두께가 0.5 내지 50㎛인 자석 분말.
  24. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    냉각 롤의 표면층을 구성하는 세라믹이, Al2O3, SiO2, TiO2, Ti2O3, ZrO2, Y2O3, 바륨 티타네이트, 스트론튬 티타네이트 등의 산화물계 세라믹; AlN, Si3N4, TiN, BN 등의 질화물계 세라믹; 흑연, SiC, ZrC, Al4C3, CaC2, WC 등의 탄화물계 세라믹; 또는 이들 중 2종 이상을 임의로 조합한 복합 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 자석 분말.
  25. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    냉각 롤의 둘레 속도가 5 내지 60 m/초인 자석 분말.
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