KR100446453B1 - 이방성 ＮｄＦｅＢ 영구자석의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SSHD 열간압축법으로 등방성 NdFeB 자석분말에 2 μm 이하의 아연 0.2 ∼ 2.0 wt% 또는 알루미늄 0.2 ∼ 2.0 wt%을 각각 단독으로 또는 이들의 두 가지 혼합물을 혼합한 배합물 (Zn과 Al의 혼합비 = 2:1∼2:3의 무게 비) 0.2 - 2.0 wt%을 첨가·혼합하여 보자력, 잔류자속밀도, 최대자기에너지적 등의 자기특성이 우수한 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법에 관한 것으로 본 발명의 자석은 용도에 따라 판상 또는 분말로 이용된다.

Description

이방성 ＮｄＦｅＢ 영구자석의 제조방법{FABRICATION METHOD OF ANISOTROPIC NdFeB PERMANENT MAGNET}

본 발명은 SSHD 열간압축법으로 자기특성이 현저하게 향상된 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법에 관한 것이다.

NdFeB 영구자석은 1983년 개발한 최대 에너지 적[(BH) _max ]이 가장 큰 강력한 영구자석으로서 이의 수요가 계속 증가하고 있다. 더욱이 이의 새로운 응용창출에 꾸준히 노력을 경주하고 있어 NdFeB 영구자석은 산업적으로 매우 유용한 소재이다.

일반적으로, NdFeB 영구자석은 제조과정과 용도에 따라 소결법에 의한 NdFeB 영구자석(이하, NdFeB 소결자석이라 함)과 본드법에 의한 NdFeB 영구자석(이하, NdFeB 본드자석이라 함)으로 대별되며 이를 설명하면 다음과 같다.

NdFeB 소결자석은 자성합금 주괴를 만들고 이것을 분쇄하여 상온에서 자계가 인가된 상태에서 프레스로 성형하고 소결하여 제조되는 자석이다. NdFeB 소결자석을 이용한 부품은 일반적으로 밀도가 높아 자기 성능은 좋으나 높은 경도와 높은 취성 등 특성으로 인해 기계적 가공이 어려워 정밀 부품의 제조가 곤란하며 또한 형상밀도가 좋지 않다. 그러므로 NdFeB 소결자석은 상대적으로 부피가 크고 형상이간단한 부품의 제조에 국한되어 사용하고 있다.

한편, NdFeB 본드자석은 일정한 조성의 NdFeB 합금을 특정한 공정을 걸쳐 분말로 만든 후 에폭시 등의 결합제와 혼합하여 압축을 하거나 사출 등의 방법을 이용하여 일정한 형상의 부품으로 제조되고 있다. 그러나, NdFeB 본드자석은 NdFeB 소결자석과 달리 비자성체인 결합제를 첨가하여야 하므로 결합제가 차지하는 분율 만큼 자기적 특성이 감소된다. 현재 NdFeB 본드자석에 사용되는 분말자석 원료는 급속응고법으로 제조한 등방성 분말이며 최대 에너지 적이 약 10 ∼ 16 MG·Oe이어서 NdFeB 본드자석의 자기 성능이 상대적으로 매우 낮은 편이다. 그러나 복잡한 형상의 영구자석을 제조가 용이하고 와전류 손실이 적으며 또한 대량으로 생산할 수 있는 장점으로 인해 컴퓨터 주변기기, 사무 자동화 기기, 자동차용 소형 모터 등에 널리 사용되고 있다. 때문에 NdFeB 본드자석의 자기 성능을 향상시킬 수 있다면 이의 수요는 현재 보다 더욱 증가되리라 판단된다. 따라서, 자기 특성이 우수한 NdFeB 본드자석을 얻기 위해서는 근본적으로 자기성질이 우수한 이방성 분말이 요구된다. 그러나, 이방성 NdFeB 소결자석은 이의 결정입자가 크기 때문에 분쇄한 후 자기특성이 대폭 감소되며 또한 산화 등의 문제로 NdFeB 본드자석용 분말에 적합하지 않다. 그러나, 급속응고법으로 제조한 리본 및 다이업세팅(die-upseeting)법에 의해 제조되는 벌크 자석등은 분쇄하여도 자기특성이 크게 감소되지 않아 본드자석용 분말로 사용할 수 있다 [J. Appl. Phys. 64(10), 15 Nov. 1988, 5293].

다이업세팅법으로은 이방성 NdFeB 자석 분말을 제조하는 방법중의 하나로서 이는 크게 두 단계 공정을 거쳐 제조된다 [J. Appl. Phys.,83(11), 1998, 6393].즉 급속응고법으로 제조된 희토류계의 NdFeB 자석분말을 고온에서 프레스를 이용하여 압착하고 고 밀도의 등방성 영구자석으로 제조한 후 이를 다시 고온에서 열간압축변형(hot deformation)시켜 입자들이 한 방향으로 배향되게 하여 이방성 NdFeB 영구자석을 제조한다. 그 후 분쇄하면 이방성 NdFeB 자석분말이 얻어 진다. 열간압축 변형과정은 통상적으로 700 ∼ 800 ℃의 온도와 100 ∼ 150 MPa 압력하에서 실행되기 때문에 내고온·내고압의 몰드가 요구된다. 따라서 몰드가 손상될 경우에는 몰드를 대체하여야 하므로 생산지연은 물론 이를 제조하는데 많은 비용이 소요된다. 이방성 NdFeB 자석분말을 제조하기 위하여 통상의 열간압축법을 단순화시키는, 다시 말하면 자료 [미국특허 제 5,516,371 호,J. Materials Science Technology, 16(2), 2000, 129]에서와 같이 두 단계공정을 한 단계로 생략하고 일회용 금속 몰드로 대체한 SSHD(Single Stage Hot Deformation)이 개발되었다. 그러나, 상기 SSHD 열간압축법은 다이업세팅 방법과 비교할 때 제조공정이 간단하다는 장점을 가지고 있는 반면 자석의 이방화 율이 떨어지므로 자기특성도 상대적으로 낮아 산업적으로 거의 활용되지 못하고 있다.

본 발명은 SSHD 열간압축법을 이용하여 자기특성이 향상된 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 SSHD 열간압축법을 이용하여 이방성 NdFeB 영구자석을 제조할 때 자기특성을 향상시키기 위한 방법으로서 본 발명의 핵심요소는 등방성 NdFeB 자석분말(MQPA, 미국 Magnetquench 회사제품)에 2 μm 이하의 아연(Zn) 0.2 ∼ 2.0 wt% 또는 알루미늄(Al) 0.2 ∼ 2.0 wt%을 각각 단독으로 또는 이들의 두 가지 혼합물을 혼합한 배합물 (Zn과 Al의 혼합비 = 2:1∼2:3의 무게 비) 0.2 - 2.0 wt%을 첨가함으로써 기존방법 보다 보자력( _i H _c ), 잔류자속밀도(B _r ), 최대자기에너지적[(BH) _max ]등의 자기특성을 월등히 향상시키는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 이방성 NdFeB 영구자석은 사용용도에 따라 판상 또는 분말로 이용된다.

본 발명을 더욱 상세히 설명하면, MQPA에 2 μm 이하의 아연 0.2 ∼ 2.0 wt% 또는 알루미늄 0.2 ∼ 2.0 wt%을 각각 단독으로 또는 이들 두 가지 혼합물을 혼합한 배합물 (Zn과 Al의 혼합비 = 2 : 1 ∼ 2 : 3의 무게 비) 0.2 ∼ 2.0 wt%를 첨가하고 압착하여 이방성 자석을 제조하는 것이다.

MQPA에 대해 아연 또는 알루미늄 또는 이들의 혼합배합물의 첨가량을 0.2 ∼ 2.0 wt%로 한정하였는바 본 발명의 첨가제 역할은 열간압축을 실행할 때 입자들의 C-축 성장을 유도시키고 열 가공성을 개선시키는 것이므로 0.2 wt% 이하에서는 상기 역할을 효과적으로 나타나지 않아 소망스러운 이방화 자석을 얻을 수 없기 때문이며 한편 2.0 wt% 이상에서는 입자성장이 너무 커져 입자의 조대화(coarse)가 일어나 보자력( _i H _c ), 잔류자속밀도(B _r ), 최대자기에너지적[(BH) _max ] 등의 자기특성이 저하되기 때문이다. 더욱 구체적으로 설명하면 본 발명의 첨가제 Zn을 0.2 wt% 첨가하였을 경우 보자력이 57% 증가하여 최대 에너지 적이 15% 증가되었으며, 본 발명의 첨가제 Al을 0.2 wt% 첨가하였을 경우B _r 값은 약 9 % 증가하여 최대 에너지 값이 25 % 증가되었다.

본 발명은 이방성 NdFeB 영구자석의 자기특성을 향상시키기 위하여 본 발명에 기술된 첨가제를 미량 (＜2 wt%) 첨가하여 자석입자의 표면특성을 완화시키고, 열간압축의 공정에서 C축 방향의 성장을 유리하게 하여 이방화률을 높여주는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 첨가제를 첨가하여 제조된 이방성 NdFeB 영구자석은 첨가제를 가하지 않고 제조된 이방성 NdFeB 영구자석 보다 매우 우수한 자기특성을 나타내었고 본 발명에 의하여 미소량의 첨가제를 첨가하여 희토류계 이방성 자석의 자기적 성질을 효과적으로 증가함으로써 저렴한 가격, 간단한 프로세스에 의해 이방성 영구자석을 제조할 수 있게 되었다. 이러한 고성능 이방성 NdFeB 분말로 NdFeB 본드자석을 제조하면 기존의 등방성 분말자석 원료보다 우수한 자기특성을 얻을 수 있다.

다음 실시 예들은 본 발명의 범위를 더욱 확실하게 예증하여 줄 것이나 본 발명의 범위가 이에 국한된다는 것은 아니다.

실시 예에 사용된 등방성 NdFeB 분말은 MQPA 제품(미국 Magnetquench Co.)으로서 이의 평균입자가 236 μm이며, 자기적 특성은 _i H _c 가 13.0 ∼ 17.0 kOe이며B _r 이 7.8 ∼ 8.2 kG이며(BH) _max 가 12 ∼ 14 MG·Oe이다.

상기 MQPA 분말을 SSHD법으로 많은 실험을 통해 얻어진 최적조건에서 열간압축하여 얻어진 이방성 NdFeB 자석의 자기특성은H _c 가 8.6 kOe,B _r 이 11.6 kG,(BH) _max 이 29.5 MG·Oe 이었다.

실시 예 1.

상온에서 MQPA 분말 10 g과 Zn 0.04 g을 기계적으로 혼합하여 3000 psi 압력하에서(hand press) 10 cm 높이의 구리 관에 압착하였다. 이를 고주파 코일로 700 ℃의 온도와 1950 psi의 압력에서 "one touch" 방식으로 압착하여 높이 약 2.7 cm(이때의 열 변형률은 73 %)의 이방성 자석을 제작하였다.

얻어진 NdFeB 자석을 90 kOe의 펄스 자장에서 착자하고 최대자장 20 kOe에서 B-H loop를 측정한 결과, 보자력이 13.5 kOe, 잔류자속밀도가 12.0 kG, 최대자기에너지적이 33.9 MG·Oe이었다.

이 경우 첨가제 Zn를 첨가하지 않는 경우보다 보자력 값이 57 % 증가하였고 잔류자속밀도는 3 % 증가하였으며 최대자기에너지적이 15 % 증가하였다.

실시 예 2.

MQPA 분말 10 g에 Zn 분말 0.1 g을 첨가하여 실시 예 1에서와 같은 조건에서 SSHD 법으로 이방성 NdFeB 영구자석을 제조하여 자기적 특성을 측정하였다. 이 때의 보자력은 9.9 kOe, 잔류자속밀도는 10.7 kG, 최대자기에너지적은 25.2 MG·Oe 이었다.

실시 예 3.

MQPA 분말 10 g에 Zn 분말 0.02 g을 첨가하여 실시 예 1에서와 같은 조건으로 이방성 NdFeB 영구자석을 제조하고 이의 자기적 특성을 측정하였다. 그 결과, 보자력은 12.8 kOe, 잔류자속밀도는 12.2 kG, 최대자기에너지적은 34.7 MG·Oe 이었다.

이 경우 첨가제 Zn를 첨가하지 않는 경우보다 보자력이 49 % 증가하였고 잔류자속밀도는 약 5 % 증가하였으며 최대자기에너지적이 약 18 % 증가하였다.

실시 예 4.

첨가제 Al 분말을 첨가하는 방법은 Zn 분말 첨가하는 거와 유사하다. 즉 상온에서 MQPA 분말과 입자크기 < 2 μm의 Al분말을 기계적으로 혼합하고 3000 psi 압력하에서(hand press) 10 cm 높이의 구리 관에 압착하여 이를 고주파 코일로 가열하여 700 ℃의 온도와 1950 psi의 압력에서 "one touch" 방식으로 압착하여 높이 약 3 cm의 이방성 자석을 제작하였다.

MQPA 분말 10 g에 Al 분말 0.1 g을 첨가하여 실시 예 1에서와 같은 조건으로 이방성 NdFeB 영구자석을 제조하였고 자기적 특성은 다음과 같이 보자력이 9.4 kOe, 잔류자속밀도가 12.0 kG, 그리고 최대자기에너지적이 33.1 MG·Oe 이었다.

실시 예 5.

MQPA 분말 10 g에 Al 분말 0.02 g을 첨가하여 실시 예 1에서와 같은 조건으로 이방성 NdFeB 영구자석을 제조하고 이의 자기적 특성을 측정하였으며 그 결과는 보자력이 8.9 kOe, 잔류자속밀도가 12.6 kG 그리고 최대자기에너지적이 36.9 MG·Oe 이었다.

본 발명의 첨가제를 첨가하지 않는 경우보다 보자력값이 약 3 % 증가하였고 잔류자속밀도는 약 9 % 증가하였으며 최대자기에너지적 값이 약 25 % 증가하였다.

실시 예 6.

MQPA 10 g 분말에 각각 0.04 g Zn + 0.02 g Al, 0.04 g Zn + 0.04 g Al,0.04 g Zn + 0.06 g Al 분말 첨가제를 기계로 혼합한 후 각각 3000 psi 압력하에서(hand press) 10 cm 높이의 구리 관에 압착하고 이를 고주파 코일로 가열하여 700 ℃의 온도와 1950 psi의 압력에서 "one touch" 방식으로 hot deformation을 행하여 높이 약 3 cm의 이방성 자석을 제작하였다. 이들의 자기특성을 표에 나타내었다.

표 : Zn와 Al 혼합물의 첨가시 생성된 이방성 NdFeB 영구자석의 특성

조 성(wt%)	iHc	△iHc(%)	Br	△Br(%)	(BH)max	△(BH)max(%)
Zn 0.4 + Al 0.2	13.4	+56	12.3	+6	36.0	+22
Zn 0.4 + Al 0.4	15.0	+74	12.0	+3	34.7	+18
Zn 0.4 + Al 0.6	13.9	+62	11.4	-2	30.5	+3

상기 표에 있어서, △_iH_c,△B_r,△(BH)_max은 각각 혼합 첨가제를 첨가하는 경우와의_iH_c,B_r,(BH)_max값의 변화율이다. 표에서와 같이 Zn와 Al 첨가제를 2 : 1 ∼ 2 : 3의 비례로 혼합하여 MQPA 분말에 첨가하여 SSHD 법으로 이방성 NdFeB 자석을 제조할 때 얻어진 자기적 특성에 있어서 보자력이 월등하게 증가되었고 이로 인하여 최대자기에너지적도 증가하였다. 특히, Zn : Al = 1 : 1 이고, 총 0.8 wt%의 첨가량인 경우에 보자력이 74 %증가하여 최대 에너지 적이 18 %증가하는 우수한 효과를 보여 줬다.

본 발명은 SSHD 열간압축법을 이용하여 MQPA 분말에 소량의 Zn, Al을 혼합하여 첨가하고 보자력, 잔류자속밀도, 최대자기에너지적 값이 우수한 이방성 NdFeB 영구자석을 제조할 수 있어 이의 활용도가 더욱 증가할 것으로 기대된다.

Claims (4)

1. 등방성 NdFeB 합금분말에 첨가제를 가하여 SSHD 열간압축법을 이용하는 것이 특징인 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 첨가제로서 아연 또는 아연과 알루미늄 혼합물을 사용하는 것이 특징인 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 등방성 NdFeB 합금분말 100 g에 대하여 2 μm 이하의 아연 0.2 ∼ 1 wt% 또는 아연과 알루미늄 혼합물(Zn : Al의 무게 비 = 2 : 1 ∼ 2 : 3) 0.2 ∼ 2 wt%을 첨가시키는 것이 특징인 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 650 ∼ 750 ℃ 온도에서 열간압축하여 성형시키는 것이 특징인 이방성 NdFeB 영구자석의 제조방법.